(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の感温部を備え各感温部に多結晶シリコンよりなる半導体薄膜を用いた薄膜サーミスタ装置の製造方法であって、半導体薄膜は成膜温度を６００℃ないし６５０℃とした減圧ＣＶＤ法により成膜し、且つ、当該成膜時にドーピングを行うことを特徴とする薄膜サーミスタ装置の製造方法。
【請求項２】
複数の感温部を備え各感温部にそれぞれ半導体薄膜を用いた薄膜サーミスタ装置であって、各半導体薄膜は、アモルファスシリコンもしくはアモルファスＳｉＣよりなることを特徴とする薄膜サーミスタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の感温部を備え各感温部に半導体薄膜を用いた薄膜サーミスタ装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非接触で温度を測定できる赤外線検出素子の開発が盛んになってきている。特に、サーミスタ型の赤外線検出素子は、高い直流出力が得られ、且つ、小型化、高集積化に適していることが知られており、各種装置の温度センサとしてサーミスタが広く用いられている。ところで、赤外線検出素子では、検出対象から放射される微弱な赤外線を高精度に検出するために、赤外線検出部と温度補償部との少なくとも２つの感温部を備えているのが一般的である。ここに、小型のサーミスタ型の赤外線検出素子の感温部は多結晶シリコンのような多結晶材料により形成されている。なお、サーミスタ型の赤外線検出素子においては、熱的応答性を高速化するために（熱時定数を小さくするために）、素子の熱容量を下げることが望まれており、感温部の膜厚は、０．１μｍないし１μｍに設定されている。
【０００３】
また、温度分布を検出することができるように多数のサーミスタを２次元配列した赤外線画像センサが提案されており、この種の赤外線画像センサを用いると温度分布を画像情報と同様に扱うことが可能になる。
【０００４】
赤外線画像センサなどに用いる小型のサーミスタ素子は、従来のように金属酸化物を焼結する方法では製造することができないから、基板上にＣＶＤ法により多結晶シリコンよりなる半導体薄膜を成膜し、この半導体薄膜を感温部として機能させることが考えられている。ここにおいて、多結晶シリコンは、減圧ＣＶＤ法などによって６００℃以上で堆積された後、イオン注入装置によってドーパントを注入し、さらに１０００℃以上でアニールを行うことによってドーパントが活性化されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の赤外線検出素子では、赤外線検出部と温度補償部とでサーミスタの感度（Ｂ定数）にばらつきがあると、つまり感温部間で感度のばらつきがあると、環境温度の補償精度が低くなるという問題があり、また、赤外線画像センサでは各感温部が各画素を構成しているので、感温部間の感度のばらつきが画像ノイズの原因になるという問題がある。
【０００６】
一方、上記各従来構成では、感温部が多結晶シリコンにより構成されているが、上述のように減圧ＣＶＤ法などによって６００℃以上で堆積しイオン注入装置によってドーパントを注入し１０００℃以上でアニールして形成された多結晶シリコンは、粒径が１μｍないし３μｍの結晶粒からなり、様々なサイズの結晶粒が集まって半導体薄膜を形成している。
【０００７】
したがって、感温部の膜厚を薄くすると、図８に示すように、感温部８を構成する多数の結晶粒８ａの中に感温部８の膜厚よりも大きな結晶粒８ａが存在することになり、該膜厚よりも大きな結晶粒８ａの存在する位置やその数によって各感温部８の素子面積に占める結晶粒界８ｂの割合が異なり感度がばらついてしまうので、赤外線検出素子や赤外線画像センサの環境温度を略一定に制御するための補正手段を別途に設ける必要があり、装置が複雑化するとともに大型化し、また、高価になるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、複数の感温部間の感度のばらつきが小さな低コストの薄膜サーミスタ装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、複数の感温部を備え各感温部に多結晶シリコンよりなる半導体薄膜を用いた薄膜サーミスタ装置の製造方法であって、半導体薄膜は成膜温度を６００℃ないし６５０℃とした減圧ＣＶＤ法により成膜し、且つ、当該成膜時にドーピングを行うことを特徴とし、各感温部として膜厚に比べて結晶粒の粒径の小さな多結晶シリコンよりなる半導体薄膜を成膜することができ、しかも、成膜時にドーピングを行うことにより、従来のようなイオン注入工程およびイオン注入後のアニール工程が不要となり、半導体薄膜として従来のように半導体薄膜の膜厚に比べて大きな粒径の結晶粒を含んでいるような多結晶シリコンを用いた薄膜サーミスタ装置に比べて、複数の感温部間の感度のばらつきが小さな低コストの薄膜サーミスタ装置を提供することが可能となる。
【００１２】
請求項２の発明は、複数の感温部を備え各感温部にそれぞれ半導体薄膜を用いた薄膜サーミスタ装置であって、各半導体薄膜は、アモルファスシリコンもしくはアモルファスＳｉＣよりなることを特徴とするものであり、各半導体薄膜に多結晶シリコンを用いた場合に比べて感温部間の感度のばらつきを低減することができ、従来のような補正手段を別途に設ける必要がなくなるから、低コスト化を図ることができる。また、多結晶シリコンの成膜温度に比べて低い成膜温度で感温部を成膜することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の薄膜サーミスタ装置は赤外線画像センサであって、図３に示すように複数の薄膜サーミスタ１０が単結晶シリコン基板からなる支持基板１上に２次元配列して形成され、各薄膜サーミスタ１０が図４に示すようにＭＯＳトランジスタからなるスイッチング素子Ｓを介して２つの配線Ｌ1，Ｌ2に接続されている。なお、薄膜サーミスタ１０の抵抗値変化を読み取るには、配線Ｌ1に電圧を印加してスイッチング素子Ｓをオンにして配線Ｌ2で読み出せばよい。
【００１６】
各薄膜サーミスタ１０の構成は同じであって、図２に示すように、支持基板１上のＳ3Ｎ4膜２と該Ｓ3Ｎ4膜２上のＳｉＯ2膜３とからなる薄膜部４上に形成されている。ここに、薄膜部４は、支持基板１の裏面側から支持基板１に凹所６を設けることにより形成されている。薄膜サーミスタ１０は、薄膜部４上に形成されたクロム（Ｃｒ）膜よりなる下部電極１１ａと、下部電極１１ａ上に形成された多結晶シリコン薄膜よりなる感温部８と、感温部８上に形成されたＣｒ膜よりなる上部電極１１ｂとで構成されている。なお、薄膜サーミスタ１０の上にはＳｉＯＮ膜１２が形成されている。
【００１７】
以下、薄膜サーミスタ１０の製造方法について説明する。
【００１８】
まず、支持基板１の主表面および裏面それぞれにＳｉ3Ｎ4膜を形成し、続いてＳｉＯ2膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して凹所６を形成する。その後、支持基板１の主表面側のＳｉＯ2膜３の全面に、蒸着装置（例えば、ＥＢ蒸着装置）などによってＣｒ膜を形成し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって所定形状のＣｒ膜よりなる下部電極１１ａを形成する。次に、減圧ＣＶＤ法によって多結晶シリコンよりなる半導体薄膜を主表面側の全面を覆うように形成し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって前記半導体薄膜（多結晶シリコン）の不要部分を除去することにより感温部８を形成し、その後、支持基板１の主表面側の全面を覆うようにＣｒ膜を形成し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって所定形状のＣｒ膜よりなる上部電極１１ｂを形成する。その後、支持基板１の主表面側の全面を覆うようにＳｉＯＮ膜１２を形成し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によってＳｉＯＮ膜１２の不要部分を除去する。なお、本実施形態では、各感温部８の素子サイズは、５０μｍ×５０μｍとしてある。
【００１９】
ところで、本実施形態では、感温部８を構成する多結晶シリコンを成膜温度を６００℃ないし６５０℃とした減圧ＣＶＤ法によって成膜しているが、その他の成膜条件としては、圧力を０．２Ｔｏｒｒないし１Ｔｏｒｒとし、原料ガスとして１００％ないし２０％（Ｎ2希釈）のＳｉＨ4を用いている。また、本実施形態では、成膜時にドーピングを行うことにより、従来のようなイオン注入工程およびイオン注入後のアニール工程を不要としている。上記条件で成膜された感温部８の結晶粒の粒径は０．０３μｍないし０．３μｍであり、例えば成膜温度を６３０℃とした場合には、結晶粒の粒径は０．１μｍであり、粒径の局所的なばらつきは少なく、成膜温度を７００℃としたものに比べて膜の均一性も良好なものが得られる。
【００２０】
要するに、本実施形態は、図１に示すように、各感温部８を、感温部８の膜厚に比べて小さな粒径の結晶粒８ａからなる多結晶シリコンにより構成した点に特徴がある。しかして、本実施形態では、感温部８として従来のように感温部８の膜厚に比べて大きな粒径の結晶粒８ａを含んでいるような多結晶シリコンを用いた場合に比べて、感温部８の素子面積に占める結晶粒界８ｂの割合がすべての感温部８でほぼ一定となり、結晶粒界８ｂでトラップされるキャリアの割合が感温部８間でほぼ一定となるので、感温部８の膜厚を１μｍ以下としても複数の感温部８間の感度のばらつきを低減することができ、従来のような補正手段を別途に設ける必要がなくなるから、低コスト化を図ることができる。また、図５に示すように、結晶粒８ａの粒径を揃えることによって、各感温部８の結晶粒の平均粒径のばらつきを小さくすることができ、感温部８間の感度のばらつきをさらに低減することができる。なお、感温部８間の感度のばらつきと温度分解能とは図６に示すような関係があり、感度のばらつきが大きくなると、温度分解能が悪くなるので、温度分解能を向上させるためには、各感温部８の結晶粒の平均粒径のばらつきを小さくすることが望ましい。
【００２１】
なお、本実施形態では、感温部８を減圧ＣＶＤ法によって成膜する際にドーピングを行っているが、成膜後にイオン注入してもよく、この場合には、結晶粒８ａの粒径が感温部８の膜厚よりも小さくなるようにアニール条件を決定すればよい（アニール温度を低温化すればよい）。
【００２２】
（実施形態２）
本実施形態の薄膜サーミスタ装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、感温部８を構成する半導体薄膜がアモルファスである点が相違する。
【００２３】
しかして、本実施形態では、各感温部８を構成する半導体薄膜が、アモルファスなので、多結晶のような結晶粒が存在せず、各半導体薄膜に多結晶を用いた場合に比べて感温部８間の感度のばらつきを低減することができ、従来のような補正手段を別途に設ける必要がなくなるから、低コスト化を図ることができる。
【００２４】
なお、感温部８を構成する半導体薄膜を形成するには、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＨ4とＨ2の混合ガスをグロー放電により分解して成膜すればよい。したがって、感温部８の成膜温度を３５０℃以下にすることができ、従来例や実施形態１に比べて低いエネルギで感温部８を形成することができる。つまり、減圧ＣＶＤ法に比べて成膜温度を低温化できる上、イオン注入工程やアニール工程などが不要になる。
【００２５】
また、原料ガスにＣＨ4等のガスを混入することで、感温部８として例えばアモルファスＳｉＣ（以下、ａ−ＳｉＣと称す）等のアモルファス化合物を成膜してもよい。なお、ｐ形ａ−ＳｉＣ：Ｈ薄膜を成膜するには、原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）とメタン（ＣＨ4）との混合ガスを用い、原料ガスを希釈するガスとして水素ガス（Ｈ2）を用い、ドーパントガスとしてはＨ2希釈のジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用いればよい。この場合の成膜条件の一例としては、プラズマＣＶＤ装置において、基板温度（成膜温度）を２７０℃、圧力を０．９Ｔｏｒｒ、希釈ガスをＨ2、ＳｉＨ4の流量を５０ｓｃｃｍ、ＣＨ4の流量を１７０ｓｃｃｍ、Ｈ2希釈で濃度が０．５％のＢ2Ｈ6が２００ｓｃｃｍとすればよい。
【００２６】
（参考例）
本参考例の薄膜サーミスタ装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、感温部８を構成する半導体薄膜が、アモルファス相と結晶相とが混在する微結晶シリコンである点が相違する。
【００２７】
本参考例では、感温部８が、アモルファス相と結晶相とが混在する微結晶相なので、結晶粒界は存在せず、膜の均一性が高く、各感温部８に多結晶シリコンを用いた従来例に比べて感温部８間の感度のばらつきを低減することができ、従来のような補正手段を別途に設ける必要がなくなるから、低コスト化を図ることができる。また、多結晶シリコンの成膜温度に比べて低い成膜温度で感温部８を成膜することができる。また、感温部８に微結晶シリコンを用いることにより、アモルファスシリコンを用いた場合に比べて導電率を２桁以上向上させることができる。
【００２８】
ところで、アモルファス相は結晶相に比べて移動度が２桁程度低く、微結晶相の各種特性は、アモルファス相と結晶相との体積比で決まるので、感温部８間の上記体積比をほぼ一定にすることにより、感温部８間の感度のばらつきをより一層低減することができる。
【００２９】
なお、微結晶シリコンの形成される条件については、ＳｉＨ4ガス／Ｈ2ガス流量比と高周波電力を変化させた場合の例を図７に示すが、図７は株式会社培風館より１９９４年５月２０日発行の「アモルファス半導体」の９５頁に記載されているものである。なお、基板温度３５０℃、圧力５０ｍＴｏｒｒは一定である。図７中、白抜き３／４円の直径は、作製された膜中に含まれる微結晶粒の平均粒径を表しており、黒１／４円の面積は、微結晶の体積分率を表している。図７左下に、粒径１０ｎｍ、体積分率１００％の場合を示してある。図７中Ａは「アモルファス」を表しており、このプラズマ条件で作製された膜がアモルファスであったことを示している。すなわち、この図７中Ａで囲まれた範囲のプラズマ条件において作製された膜がμｃ−Ｓｉ：Ｈとなることを示している。微結晶シリコンを成膜するには、アモルファスシリコンの成膜条件よりも、水素希釈率を高めたり、高周波電力密度を低くしたり、成膜温度を高めたりすればよい。
【００３０】
なお、上記各実施形態および参考例では、薄膜サーミスタ装置として、赤外線画像センサについて説明したが、赤外線画像センサに限定されるものではなく、複数の感温部を備えていればよく、例えば従来例で説明したような赤外線検出部と温度補償部との２つの感温部を備えた赤外線検出素子であってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、複数の感温部を備え各感温部に多結晶シリコンよりなる半導体薄膜を用いた薄膜サーミスタ装置の製造方法であって、半導体薄膜は成膜温度を６００℃ないし６５０℃とした減圧ＣＶＤ法により成膜し、且つ、当該成膜時にドーピングを行うことを特徴とし、各感温部として膜厚に比べて結晶粒の粒径の小さな多結晶シリコンよりなる半導体薄膜を成膜することができ、しかも、成膜時にドーピングを行うことにより、従来のようなイオン注入工程およびイオン注入後のアニール工程が不要となり、半導体薄膜として従来のように半導体薄膜の膜厚に比べて大きな粒径の結晶粒を含んでいるような多結晶シリコンを用いた薄膜サーミスタ装置に比べて、複数の感温部間の感度のばらつきが小さな低コストの薄膜サーミスタ装置を提供することが可能となる。
【００３４】
請求項２の発明は、複数の感温部を備え各感温部にそれぞれ半導体薄膜を用いた薄膜サーミスタ装置であって、各半導体薄膜は、アモルファスシリコンもしくはアモルファスＳｉＣよりなるので、各半導体薄膜に多結晶シリコンを用いた場合に比べて感温部間の感度のばらつきを低減することができ、従来のような補正手段を別途に設ける必要がなくなるから、低コスト化を図ることができるという効果がある。また、多結晶シリコンの成膜温度に比べて低い成膜温度で感温部を成膜することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の要部説明図である。
【図２】同上における薄膜サーミスタの断面図である。
【図３】同上の概略構成図である。
【図４】図３の要部説明図である。
【図５】同上の要部説明図である。
【図６】感度のばらつきと温度分解能との関係説明図である。
【図７】微結晶シリコンの成膜条件の説明図である。
【図８】従来例の要部説明図である。
【符号の説明】
８  感温部
８ａ  結晶粒
８ｂ  結晶粒界
【図１】
0004110623.tif 000002
【図２】
0004110623.tif 000003
【図３】
0004110623.tif 000004
【図４】
0004110623.tif 000005
【図５】
0004110623.tif 000006
【図６】
0004110623.tif 000007
【図７】
0004110623.tif 000008
【図８】
0004110623.tif 000009