(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を用いて、該温度検知部の温度変化を検出する温度検出器であって、
基板と、
該基板上に支持脚で支持された温度検知部と、
該温度検知部に設けられ、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に配置されたＰＮ接合素子と、
該ＰＮ接合素子の両端に動作電圧を印加し、該ＰＮ接合素子から電気信号を取り出す配線層とを含み、
該ＰＮ接合素子のＰＮ接合面を挟む該Ｐ型半導体層と該Ｎ型半導体層とが、それぞれ、該ＰＮ接合面に接する高濃度層と、該高濃度層に接し該高濃度層より不純物濃度の低い低濃度層からなることを特徴とする温度検出器。
【請求項２】
ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を用いて、該温度検知部の温度変化を検出する温度検出器であって、
基板と、
該基板上に支持脚で支持された温度検知部と、
該温度検知部に設けられ、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に配置されたＰＮ接合素子と、
該ＰＮ接合素子の両端に動作電圧を印加し、該ＰＮ接合素子から電気信号を取り出す配線層とを含み、
該ＰＮ接合素子の該ＰＮ接合面を挟む該Ｐ型半導体層と該Ｎ型半導体層との一方が高濃度層からなり、他方が該ＰＮ接合面に接する該高濃度層と該高濃度層に接し該高濃度層より不純物濃度の低い低濃度層からなることを特徴とする温度検出器。
【請求項３】
上記高濃度層が、５×１０１７〜５×１０２１ｃｍ−３の範囲内にある不純物濃度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の温度検出器。
【請求項４】
上記ＰＮ接合素子の両端の半導体層が、共に、上記Ｐ型半導体層と上記Ｎ型半導体層のいずれか一方からなり、
上記配線層のそれぞれが、該配線層が接する該半導体層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の温度検出器。
【請求項５】
上記ＰＮ接合素子の両端の半導体層の一方が上記Ｐ型半導体層からなり、他方が上記Ｎ型半導体層からなり、
上記配線層のそれぞれが、該配線層が接する該Ｐ型半導体層又は該Ｎ型半導体層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の温度検出器。
【請求項６】
上記配線層の不純物濃度が、同一であることを特徴とする請求項４または５に記載の温度検出器。
【請求項７】
請求項１または２に記載の温度検出器がアレイ状に配置された検出器アレイ部と、
該温度検出器に含まれる配線層に接続され、該温度検出器から電気信号を読み出す信号読み出し回路とを含むことを特徴とする半導体検出装置。
【請求項８】
ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を有する温度検出器の製造方法であって、
基板を準備する工程と、
基板上に、酸化膜と、半導体層とを順次積層する工程と、
該半導体層に、Ｐ型不純物とＮ型不純物とを注入する注入工程と、
該注入工程後に、半導体層を熱処理して、該Ｐ型不純物が注入されたＰ型半導体層と、該Ｎ型不純物が注入されたＮ型半導体層とが、ＰＮ接合面で接合されたＰＮ接合素子を形成する熱処理工程と、
該基板をエッチングして凹部を形成し、該凹部の上に中空で支持された該ＰＮ接合素子を含む該温度検知部を形成する工程とを含み、
該注入工程が、
該半導体層に、低濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物を注入する工程と、
該ＰＮ接合面を挟んだ領域に、該低濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物より不純物濃度の高い、高濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物をそれぞれ注入する工程と、を含むことを特徴とする温度検出器の製造方法。
【請求項９】
ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を有する温度検出器の製造方法であって、
基板を準備する工程と、
基板上に、酸化膜と、半導体層とを順次積層する工程と、
該半導体層に、第１導電型不純物と第２導電型不純物とを注入する注入工程と、
該注入工程後に、半導体層を熱処理して、該第１導電型不純物が注入された第１導電型半導体層と、該第２導電型不純物が注入された第２導電型半導体層とがＰＮ接合面で接合されたＰＮ接合素子を形成する熱処理工程と、
該基板をエッチングして凹部を形成し、該凹部の上に中空で支持された該ＰＮ接合素子を含む該温度検知部を形成する工程とを含み、
該注入工程が、
該半導体層に、該ＰＮ接合面を挟んだ一方に高濃度の第１導電型不純物を、他方に高濃度の第２導電型不純物と、これに隣接してこれより不純物濃度の低い低濃度の第２導電型不純物を注入する工程と、を含むことを特徴とする温度検出器の製造方法。
【請求項１０】
上記熱処理工程が、８５０℃以下で行うことを特徴とする請求項８または９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度検出器に関し、特に、ＰＮ接合素子を用いた温度検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、全体が３００で表される、特開２００１−２２３３４９号公報に記載された熱型赤外線センサの斜視図である。図１０に示すように、熱型赤外線センサ３００は、例えばシリコンからなる基板２０１を含む。基板２０１上には、温度検出器２００が３行×３列に配列された検出器アレイ部３０２と、温度検出器２００から出力された電気信号を処理して外部に出力する信号処理回路部３０３とが設けられている。検出器アレイ部３０２に含まれる複数の温度検出器２００と、信号処理回路部３０３は、配線層および素子配線層により接続されている（図示せず）。
【０００３】
図１１は、図１０に示す熱型赤外線センサ３００に含まれる温度検出器２００の拡大図であり、図１１（ａ）に上面図を、図１１（ｂ）に図１０（ａ）のＶ−Ｖ方向に見た断面図を示す。なお、図１１（ａ）では、保護膜２０４を省略し、ＰＮ接合素子や配線層の上面を露出させている。
温度検出器２００は、支持脚２１０と温度検知部２２０からなる。温度検知部２２０は、支持脚２１０によって、基板２０１に設けられた凹部２０２上で中空に支持されている。
【０００４】
温度検知部２２０は、酸化シリコンからなる酸化膜２２１と、酸化膜２２１上に形成された、単結晶シリコン等の半導体層からなるＰＮ接合素子２３０とを含む。ＰＮ接合素子２３０は、半導体層にＰ型不純物を拡散させて形成したＰ型拡散層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅ、および、半導体層にＮ型不純物を拡散させて形成したＮ型拡散層２３０ｂ、２３０ｄ、２３０ｆが交互に設けられ、サイリスタ（ＰＮＰＮ）構造となっている。例えば、Ｐ型拡散層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅのＰ型不純物濃度、Ｎ型拡散層２３０ｂ、２３０ｄ、２３０ｆのＮ型不純物濃度は、いずれも略１×１０１５ｃｍ−３に設定される。
【０００５】
支持脚２１０には、ＴｉＮからなる素子配線層２１１が設けられ、アルミニウムからなる配線層２０３とＰＮ接合素子２３０との間を電気的に接続している。また、配線層２０３やＰＮ接合素子２３０は、酸化シリコンからなる保護膜２０４により覆われている。
【０００６】
かかる温度検出器２００では、温度検知部２２０に赤外線が入射することによりＰＮ接合素子２３０の温度が上昇し、これによりＰＮ接合素子２３０の電気的特性も変化する。ＰＮ接合素子２３０の両端に所定の電圧を印加した状態で、素子配線層２１１、配線層２０３を介して信号処理回路部３０３で、かかる電気的特性の変化を電気信号として読み出す。これにより、温度検知部２２０に入射した赤外線の量を検出する。
特に、温度検出器２００では、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用いることにより、酸化膜２２１をＢＯＸ（Beried OXide）層、ＰＮ接合素子２３０を形成する半導体層をＳＯＩ層としている。ＳＯＩ層は、単結晶シリコンからなる。このため、ＰＮ接合素子２３０の雑音が小さくなり、赤外線検出感度を高くできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱型赤外線センサ３００では、サイリスタ（ＰＮＰＮ）構造をもつＰＮ接合素子２３０の、電流−電圧特性が温度依存性を有すること利用して、温度変化を検知している。熱型赤外線センサ３００の温度感度には、主にＰＮ接合の順方向特性が寄与しており、逆方向特性はほとんど寄与していなかった。このため、温度感度を高めるためには、順方向のＰＮ接合の数を増やす必要があった。この結果、ＰＮ接合素子２３０および温度検知部２００が大きくなり、温度検出器２００の熱時定数が大きくなっていた。
また、熱型赤外線センサ３００では、ＰＮ接合素子２３０と素子配線層２１１とを、別々の工程で形成していたため、製造工程が複雑であった。
【０００８】
そこで本発明は、小型で熱時定数が小さく、高感度で温度検出が可能な温度検出器の提供を目的とする。また、製造工程が簡単な温度検出器の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を用いて、温度検知部の温度変化を検出する温度検出器であって、基板と、基板上に支持脚で支持された温度検知部と、温度検知部に設けられ、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に配置されたＰＮ接合素子と、ＰＮ接合素子の両端に動作電圧を印加し、ＰＮ接合素子から電気信号を取り出す配線層とを含み、ＰＮ接合素子のＰＮ接合面を挟むＰ型半導体層とＮ型半導体層とが、それぞれ、ＰＮ接合面に接する高濃度層と、高濃度層に接し高濃度層より不純物濃度の低い低濃度層からなることを特徴とする温度検出器である。
【００１０】
かかる温度検出器では、順方向電圧が印加されるＰＮ接合における温度感度と、逆方向電圧が印加されるＰＮ接合における温度感度とが加えられて、温度検出器全体の温度感度となる。従って、高感度の温度検出器を得ることができる。
【００１１】
特に、逆方向電圧が印加されるＰＮ接合面を通過するトンネル電流は低雑音であるため、高精度の温度検出器を得ることができる。
【００１２】
また、所定の温度感度を得るための温度検知部が小さくでき、温度検出器の熱時定数が低減できるため、すばやい被写体の動きの検知が可能な温度検出器を得ることができる。
【００１３】
また、本発明は、ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を用いて、温度検知部の温度変化を検出する温度検出器であって、基板と、基板上に支持脚で支持された温度検知部と、温度検知部に設けられ、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に配置されたＰＮ接合素子と、ＰＮ接合素子の両端に動作電圧を印加し、ＰＮ接合素子から電気信号を取り出す配線層とを含み、ＰＮ接合素子のＰＮ接合面を挟むＰ型半導体層とＮ型半導体層との一方が高濃度層からなり、他方がＰＮ接合面に接する高濃度層と高濃度層に接し高濃度層より不純物濃度の低い低濃度層からなることを特徴とする温度検出器でもある。
【００１４】
上記高濃度層は、５×１０１７〜５×１０２１ｃｍ−３の範囲内にある不純物濃度を有することが好ましい。逆方向電圧が印加されるＰＮ接合面の両側に、このような不純物濃度の高濃度層を設けることにより、ＰＮ接合面を通るトンネル電流を流すことができる。
【００１５】
本発明は、上記ＰＮ接合素子の両端の半導体層が、共に、上記Ｐ型半導体層と上記Ｎ型半導体層のいずれか一方からなり、上記配線層のそれぞれが、配線層が接する半導体層からなることを特徴とする温度検出器でもある。
【００１６】
また、本発明は、上記ＰＮ接合素子の両端の半導体層の一方が上記Ｐ型半導体層からなり、他方が上記Ｎ型半導体層からなり、上記配線層のそれぞれが、配線層が接するＰ型半導体層又はＮ型半導体層からなることを特徴とする温度検出器でもある。
【００１７】
かかる構造を用いることにより、配線層の熱コンダクタンスが低減され、高感度の温度検出器を得ることができる。また、配線層を短くし、温度検出器の小型化が可能となるので、温度検出器を集積できる。また、製造工程も簡単になる。
【００１８】
上記配線層の不純物濃度は、同一であることが好ましい。温度検知部を挟んで、対称な構造にできるからである。
【００１９】
本発明は、上記温度検出器がアレイ状に配置された検出器アレイ部と、温度検出器に含まれる配線層に接続され、温度検出器から電気信号を読み出す信号読み出し回路とを含むことを特徴とする半導体検出装置でもある。
【００２０】
また、本発明は、ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を有する温度検出器の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、酸化膜と、半導体層とを順次積層する工程と、半導体層に、Ｐ型不純物とＮ型不純物とを注入する注入工程と、注入工程後に、半導体層を熱処理して、Ｐ型不純物が注入されたＰ型半導体層と、Ｎ型不純物が注入されたＮ型半導体層とが、ＰＮ接合面で接合されたＰＮ接合素子を形成する熱処理工程と、基板をエッチングして凹部を形成し、凹部の上に中空で支持されたＰＮ接合素子を含む温度検知部を形成する工程とを含み、注入工程が、半導体層に、低濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物を注入する工程と、ＰＮ接合面を挟んだ領域に、低濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物より不純物濃度の高い、高濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物をそれぞれ注入する工程とを含むことを特徴とする温度検出器の製造方法でもある。
【００２１】
また、本発明は、ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を有する温度検出器の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、酸化膜と、半導体層とを順次積層する工程と、半導体層に、第１導電型不純物と第２導電型不純物とを注入する注入工程と、注入工程後に、半導体層を熱処理して、第１導電型不純物が注入された第１導電型半導体層と、第２導電型不純物が注入された第２導電型半導体層とがＰＮ接合面で接合されたＰＮ接合素子を形成する熱処理工程と、基板をエッチングして凹部を形成し、凹部の上に中空で支持されたＰＮ接合素子を含む温度検知部を形成する工程とを含み、注入工程が、半導体層に、ＰＮ接合面を挟んだ一方に高濃度の第１導電型不純物を、他方に高濃度の第２導電型不純物と、これに隣接してこれより不純物濃度の低い低濃度の第２導電型不純物を注入する工程とを含むことを特徴とする温度検出器の製造方法でもある。
【００２２】
上記熱処理工程は、８５０℃以下で行うことが好ましい。
熱処理工程で発生するＰＮ接合面での不純物拡散を防止できるからである。これにより、消費電力の低い温度検出器を形成することができる。また、検出感度の高い温度検出器を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかる温度検出器であり、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向の断面図である。なお、図１（ａ）では、保護膜４を省略し、ＰＮ接合素子や配線層の上面を露出させている。
本実施の形態にかかる温度検出器１００は、ＰＮ接合素子３０の構造に特徴があり、ＰＮ接合素子３０以外の部分の構造は、従来の温度検出器２００と同じである。
【００２４】
温度検出器１００は、支持脚１０と温度検知部２０からなる。温度検知部２０は、支持脚１０によって、基板１に設けられた凹部２上で中空に支持されている。
【００２５】
温度検知部２０は、例えば酸化シリコンからなる酸化膜２１と、酸化膜２１上に形成されたＰＮ接合素子３０とを含む。ＰＮ接合素子３０は、例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の半導体層からなる。
ＰＮ接合素子３０は、半導体層にＰ型不純物を拡散させて形成したＰ型拡散層３０ａ、３０ｃ、３０ｅと、半導体層にＮ型不純物を拡散させて形成したＮ型拡散層３０ｂ、３０ｄ、３０ｆが交互に設けられたサイリスタ（ＰＮＰＮ）構造である。Ｐ型拡散層、Ｎ型拡散層の不純物濃度は、それぞれ略１×１０１５ｃｍ−３である。
ＰＮ接合素子３０は、更に、ＰＮ接合素子３０に印加電圧（印加バイアス）が加えられた場合に、逆方向電圧が印加されるＰＮ接合面の両側が高濃度領域となっている。具体的には、Ｎ型拡散層３０ｂとＰ型拡散層３０ｃとのＰＮ接合面を挟んだ領域が、高濃度のＮ型拡散層３０ｂ１と高濃度のＰ型拡散層３０ｃ１になっている。同様に、Ｎ型拡散層３０ｄとＰ型拡散層３０ｅとのＰＮ接合面を挟んだ領域が、高濃度のＮ型拡散層３０ｄ１と高濃度のＰ型拡散層３０ｅ１になっている。高濃度の拡散層３０ｂ１、３０ｃ１、３０ｄ１、３０ｅ１の不純物濃度は、それぞれ略５×１０１７ｃｍ−３であり、不純物濃度は、略５×１０１７ｃｍ−３〜略５×１０２１ｃｍ−３の範囲内で選択できる。
【００２６】
支持脚１０には、ＴｉＮからなる素子配線層１１が設けられ、アルミニウムからなる配線層３とＰＮ接合素子３０との間を電気的に接続している。また、配線層３やＰＮ接合素子３０は、例えば酸化シリコンからなる保護膜４により覆われている。
【００２７】
本実施の形態にかかる温度検出器１００では、温度検知部２０に赤外線が入射することによりＰＮ接合素子３０の温度が上昇し、これによりＰＮ接合素子３０の電気的特性が変化する。素子配線層１１と配線層３を介して、信号処理回路部（図示せず）でかかる温度変化に伴う電気的特性の変化を電気信号として読み出し、温度検知部２０に入射した赤外線の量を検出する。
【００２８】
次に、ＰＮ接合素子３０の温度感度について、従来のＰＮ接合素子２００と比較しながら説明する。ここで、温度感度とは、ＰＮ接合素子に加わる印加電圧の、温度に依存した変化量をいい、換言すれば、電流−電圧特性の温度依存性をいう。
上述のように、ＰＮ接合素子３０には、Ｐ型拡散層３０ａ側（端子Ａ）が、Ｎ型拡散層３０ｆ側（端子Ｂ）よりも高電位になるように、電圧が印加される。この時、Ｐ型拡散層３０ａ、３０ｃ、３０ｅとＮ型拡散層３０ｂ、３０ｄ、３０ｆからなるＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆには、順方向電圧（順バイアス）が加わる。これらのＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆの電流−電圧特性は、それぞれ、以下に示す式１に従う。
【００２９】
Ｉ＝Ｉｏ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）−１］                    （式１）
但し、Ｉ：電流
Ｉｏ：飽和電流
Ｖ：印加電圧
Ｔ：絶対温度
ｋ：ボルツマン定数
ｑ：電荷素量
【００３０】
電流Ｉが一定の条件では、式１を絶対温度Ｔで微分することにより、ＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆの順方向電圧（順方向バイアス）Vｆが、それぞれ、以下の式２で表される温度変化をすることがわかる。
【００３１】
ｄＶｆ／ｄＴ＜０                                          （式２）
【００３２】
一方、Ｐ型拡散層３０ａ側（端子Ａ）が、Ｎ型拡散層３０ｆ側（端子Ｂ）よりも高電位になるように電圧を印加したとき、Ｐ型拡散層３０ｃ、３０ｅ（３０ｃ１、３０ｅ１）とＮ型拡散層３０ｂ、３０ｄ（３０ｂ１、３０ｄ１）からなるＰＮ接合３０ｂｃ（３０ｂ１ｃ１）、３０ｄｅ（３０ｄ１ｅ１）には逆方向電圧（逆バイアス）が加わる。
【００３３】
図２は、比較例として示した、従来のＰＮ接合素子２３０の電流−電圧特性である。図２中、横軸の矢印方向が、Ｐ型拡散層２３０ａ側（端子Ａ）とＮ型拡散層２３０ｆ側（端子Ｂ）の間に、端子Ａが端子Ｂよりも高電位になるように加えた印加電圧の大きくなる方向であり、縦軸の矢印方向が、端子Ａから端子Ｂに流れる電流の大きくなる方向である（後述の図３においても同様）。ＰＮ接合素子２３０は、温度検出時には、順方向導通状態（保持電流以上の順方向電流が流れている状態）にある。このため、ＰＮ接合２３０ｂｃ、２３０ｄｅに加わる逆方向電圧は、フック効果により十分小さくなり、その温度変化は無視できる程度である。即ち、従来のＰＮ接合素子２３０では、温度変化に依存した印加電圧の変化量（温度感度）は、ＰＮ接合２３０ａｂ、２３０ｃｄ、２３０ｅｆに加わる順方向電圧Ｖｆの温度変化量を重ね合せた値にほぼ等しかった。なお、フック効果を得るためには、例えば、Ｐ型拡散層２３０ａとN型拡散層２３０ｂとを適当な電気抵抗を有する配線で接続すれば良い。
【００３４】
一方、図３は、本実施の形態にかかるＰＮ接合素子３０の、電流−電圧特性である。図３に示すように、ＰＮ接合素子３０では、Ｐ型拡散層３０ａ側（端子Ａ）とＮ型拡散層３０ｆ側（端子Ｂ）の間に加えた印加電圧を大きくしてもブレークオーバーは発生しない。これは、フック効果の影響が無く、ＰＮ接合３０ｂｃ、３０ｄｅに加わる逆方向電圧が小さくならないためである。
即ち、本実施の形態にかかるＰＮ接合素子３０に加わる印加電圧の、温度に依存した変化量（温度感度）は、ＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆに加えられる順方向電圧Ｖｆの温度変化量の重ね合せだけでなく、更に、ＰＮ接合３０ｂｃ、３０ｄｅに加わる逆方向電圧Ｖｒの温度変化量を加えた値となる。
【００３５】
ここで、高濃度のＰ型拡散層３０ｃ１、３０ｅ１、及び高濃度のＮ型拡散層３０ｂ１、３０ｄ１の不純物濃度が、それぞれ略５×１０１７ｃｍ−３以上であるため、Ｐ型拡散層３０ｃ１とＮ型拡散層３０ｂ１からなるＰＮ接合部分（以下、「３０ｂ１ｃ１」と表す。）、及びＰＮ接合部分３０ｄ１ｅ１は、エサキダイオードとなり、ＰＮ接合３０ｂｃ（３０ｂ１ｃ１）、及びＰＮ接合３０ｄｅ（３０ｄ１ｅ１）の逆方向耐圧Vｒは、トンネル効果によって決まる。このため、逆方向耐圧Ｖｒの温度変化は、式３で表される。
【００３６】
ｄＶｒ／ｄＴ＜０                                          （式３）
【００３７】
従って、式２で表されるＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆの温度感度と、式３で表される高濃度のＰＮ接合３０ｂｃ（３０ｂ１ｃ１）、３０ｄｅ（３０ｄ１ｅ１）の温度感度が加算され、ＰＮ接合素子３０の温度感度が、従来のＰＮ接合素子２３０より大きくなる。特に、トンネル効果により発生するトンネル電流は低雑音であるため、高濃度のＰＮ接合３０ｂｃ、３０ｄｅにおけるトンネル電流により、雑音は増加しない。
【００３８】
このため、ＰＮ接合素子２３０を用いた従来の温度検出器２００に比べて、本実施の形態にかかるＰＮ接合素子３０を用いた温度検出器１００では温度感度が高くなる。換言すれば、所定の温度感度を得るための、ＰＮ接合のＰ型、Ｎ型領域の数が少なくできるため、ＰＮ接合素子３０が小さくなり、温度検知部２０も小さくできる。このため、温度検出器２００の熱時定数が低減でき、すばやい被写体の動きの検知が可能となる。
【００３９】
なお、かかる温度検出器１００を、基板上にアレイ状に配置することにより、図１０に示すような熱型赤外線センサを得ることができる。以下に述べる温度検出器１１０〜１５０についても同様である。
【００４０】
次に、図４を参照しながら、本実施の形態にかかる温度検出器１００を含む熱型赤外線センサの製造方法について説明する。かかる製造方法は、以下の工程１〜４を含む。
【００４１】
工程１：図４（ａ）に示すように、単結晶シリコンの基板１上に、酸化シリコンからなる酸化膜２１を形成する。続いて、酸化膜２１上に、単結晶シリコンの半導体層２２を形成する。
なお、基板として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用いてもよい。この場合は、ＳＯＩウエハのＢＯＸ（Baried OXide）層が、酸化膜２１に、ＳＯＩ層が半導体層２２にそれぞれ相当する。
【００４２】
工程２：図４（ｂ）に示すように、ＰＮ接合素子３０および信号処理回路部３０３を形成する。
かかる工程では、まず、信号処理回路部３０３形成領域の酸化膜２１、半導体層２２を除去する。
【００４３】
次に、半導体層２２を所定の形状になるようにエッチングする。続いて、半導体層２２の所定の領域に、Ｐ型不純物及びＮ型不純物をイオン注入法で注入する。イオン注入工程では、まず、不純物濃度がそれぞれ１×１０１５ｃｍ−３のＰ型拡散層３０ａ、３０ｃ、３０ｅ、及びＮ型拡散層３０ｂ、３０ｄ、３０ｆを、直列に形成する。続いて、Ｎ型拡散層３０ｂとＰ型拡散層３０ｃとのＰＮ接合面を挟んだ領域、及びＮ型拡散層３０ｄとＰ型拡散層３０ｅとのＰＮ接合面を挟んだ領域に、不純物濃度の高い（５×１０１７ｃｍ−３以上）Ｎ型拡散層３０ｂ１、３０ｄ１とＰ型拡散層３０ｃ１、３０ｅ１をイオン注入法により形成する。拡散層３０ｂ１、３０ｃ１、３０ｄ１、３０ｅ１は、それぞれ拡散層３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅに重ねて形成する。このようにして、ＰＮ接合素子３０を形成する。イオン注入に用いるＮ型不純物は、熱拡散速度が小さいヒ素又はアンチモンであることが好ましい。更に、イオン注入に用いるＰ型不純物は、熱拡散速度が小さいインジウムであることが好ましい。
一方、信号処理回路部３０３形成領域にはトランジスタやダイオードを形成する。トランジスタのソース／ドレイン領域等は、拡散層３０ａ等と同じ工程で形成しても良い。
なお、図４（ｂ）に示す工程では、露出させた基板１にトランジスタ等からなる信号処理回路部３０３を形成しているが、半導体層２２に形成してもよい。
【００４４】
工程３：図４（ｃ）に示すように、酸化シリコンからなる層間絶縁膜を全面に形成する。続いて、Ｐ型拡散層３０ａ及びＮ型拡散層３０ｆと、信号処理回路部３０３とを接続する素子配線層１１及び配線層３を、一般的な、スパッタ法、パターニング法で形成する。素子配線層１１と配線層３は、どちらを先に形成しても構わない。素子配線層１１はＴｉＮからなり、配線層３はＡｌからなる。続いて、酸化シリコンからなる保護膜を全面に形成する。層間絶縁膜と保護膜とは、一体の膜となり、内部に素子配線層１１等を含むようになる。
【００４５】
工程４：図４（ｄ）に示すように、検出器アレイ部の所定の位置にエッチング孔４０を開口し、エッチング孔４０からＸｅＦ２などを導入する。これにより、基板１をエッチングして凹部２を形成し、支持脚１０により温度検知部２０が凹部２上の中空に支持された温度検出器１００が完成する。
以上の工程１〜４により、本実施の形態にかかる温度検出器１００を含む熱型赤外線センサが完成する。
【００４６】
なお、高濃度のＰ型拡散層３０ｃ１、３０ｅ１、および高濃度のＮ型拡散層３０ｂ１、３０ｄ１の不純物濃度を、それぞれ略５×１０１７ｃｍ−３より小さくした場合には、高濃度のＰＮ接合３０ｂ１ｃ１、３０ｄ１ｅ１の逆方向耐圧Vｒは、なだれ倍増効果によって決まるようになる。この時、逆方向電圧Ｖｒの温度変化は、式４で表される。
【００４７】
ｄＶｒ／ｄＴ＞０                                          （式４）
【００４８】
式２で表されるＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆの温度感度と、式４で表されるＰＮ接合３０ｂ１ｃ１、３０ｄ１ｅ１の温度感度は、互いに相殺して弱め合う関係にある。このため、ＰＮ接合素子３０全体の温度感度は小さくなってしまう。また、なだれ電流は高雑音であるため、高濃度のＰＮ接合３０ｂ１ｃ１、３０ｄ１ｅ１の逆方向電流による雑音が影響し、更に、温度感度が低下してしまう。
【００４９】
図５は、全体が１１０で表される、本実施の形態にかかる他の温度検出器である。図５（ａ）は、温度検出器１１０の上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のII−II方向の断面図である。図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
上述のように、温度検出器１００では、ＰＮ接合素子３０のそれぞれの拡散層３０ａ〜３０ｆの不純物濃度は、略１×１０１５ｃｍ−３とし、逆方向電圧が印加されるＰＮ接合面の両側のみを、略５×１０１７ｃｍ−３以上の高濃度の拡散層３０ｂ１等とした。
これに対して、温度検出器１１０では、ＰＮ接合素子３１の、Ｐ型拡散層３１ａ、３１ｃ、３１ｅのＰ型不純物濃度を、略５×１０１７ｃｍ−３以上の高濃度とする。これにより、ＰＮ接合素子３１は、高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）のＰ型拡散層３１ａ、３１ｃ、３１ｅと低濃度（略１×１０１５ｃｍ−３）のＮ型拡散層３１ｂ、３１ｄ、３１ｆ、及び、高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）のＮ型拡散層３１ｂ１、３１ｄ１から構成される。即ち、ＰＮ接合素子３０に含まれていた、高濃度のＰ型拡散層３０ｃ１、３０ｅ１が不要となる。
【００５０】
なお、これとは逆に、ＰＮ接合素子３１の、Ｎ型拡散層３１ｂ、３１ｄ、３１ｆのＮ型不純物濃度を、略５×１０１７ｃｍ−３以上の高濃度とし、ＰＮ接合素子３１を、低濃度（略１×１０１５ｃｍ−３）のＰ型拡散層３１ａ、３１ｃ、３１ｅと高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３）のＮ型拡散層３１ｂ、３１ｄ、３１ｆ、及び、高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）のＰ型拡散層３１ｃ１、３１ｅ１から形成しても構わない。即ち、ＰＮ接合素子３０に含まれていた、高濃度のＮ型拡散層３０ｂ１、３０ｄ１が不要となる。
【００５１】
このように、ＰＮ接合素子３１を用いた温度検出器１１０では、高濃度のＰ型拡散層３１ｃ１、３１ｅ１、又は、高濃度のＮ型拡散層３１ｂ１、３１ｄ１のいずれか一方が不要となり、温度検出器を小型化できる。
【００５２】
図６は、全体が１２０で表される、本実施の形態にかかる他の温度検出器である。図６は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向と同じ方向における断面図である。図６中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
温度検出器１２０は、温度検出器１００の温度検知部２０上に、赤外線吸収部５０を設けた構造となっている。赤外線吸収部５０は、例えばＴｉＮから形成される。かかる構造を用いることにより、温度検出器１００の上方から入射する赤外線を、大面積の赤外線吸収部５０で効率良く吸収するために、温度感度の高い温度検出器を得ることができる。
【００５３】
温度検出器１２０の製造方法は、上述の工程１〜４と、エッチング孔４０の形成工程（工程４）までは同じ工程である。エッチング孔４０の形成工程に続いて、全面に多結晶シリコン等の犠牲層（図示せず）を堆積する。更に、温度検知部２０の中央近傍が露出するように、犠牲層に孔部を形成する。続いて、孔部を埋めるように、犠牲層上にＴｉＮ層を形成した後、赤外線吸収部の形状となるようにＴｉＮ層をパターニングする。最後に、ＸｅＦ２等を用いて犠牲層および基板１の一部を除去する。これにより、温度検知部２０が支持脚１０により凹部２上の中空に支持され、かつ、温度検知部２０上に赤外線吸収部５０が設けられた温度検出器１２０が完成する。
【００５４】
図７は、全体が１３０で表される、本実施の形態にかかる他の温度検出器である。図７は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向と同じ方向における断面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
上述の温度検出器１００では、基板１をエッチングして凹部２を形成し、温度検知部２０を支持したが、温度検出器１３０では、基板１をエッチングせずに、支持脚５を用いて温度検知部２０を支持する。支持脚５は、例えば、多結晶シリコンからなる。
【００５５】
温度検出器１３０の製造方法は、上述の工程１において、基板１上に、多結晶シリコンからなる犠牲層を堆積させた後、犠牲層上に、酸化膜２１及び半導体層２２を形成する。
次に、工程２、３に続き、工程４のエッチング孔４０の形成を行う。続いて、エッチング孔４０からＸｅＦ２などを導入して犠牲層のエッチングを行い、支持脚５を残して犠牲層を除去する。
これにより、図７に示すような、温度検知部２０が支持脚１０によって中空に支持された温度検出器１３０が完成する。
【００５６】
実施の形態２．
図８は、全体が１４０で表される、本実施の形態にかかる温度検出器であり、図８（ａ）は上面図であり、図８（ｂ）は、図１（ａ）のＩV−ＩV方向の断面図である。なお、図８（ａ）では、保護膜４を省略し、ＰＮ接合素子や配線層の上面を露出させている。
本実施の形態にかかる温度検出器１４０は、素子配線層をＰＮ接合素子３２と同じ材料から形成した点に特徴がある。
【００５７】
温度検出器１４０は、支持脚１０と、支持脚１０によって中空に支持された温度検知部２０とを含む。温度検知部２０は、例えば酸化シリコンからなる酸化膜２１と、酸化膜２１上に形成されたＰＮ接合素子３２とを含む。ＰＮ接合素子３０は、例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の半導体層からなる。
【００５８】
ＰＮ接合素子３２は、温度検出器１１０のＰＮ接合素子３１が有する拡散層３１ａ〜３１ｆと同じ構造の拡散層３２ａ〜３２ｆを含み、更に、高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）のＮ型拡散層３２ｆ１、及び高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）のＰ型拡散層３２ｇを含む。
即ち、ＰＮ接合素子３２は、高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）のＰ型拡散層３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇと低濃度（略１×１０１５ｃｍ−３）のＮ型拡散層３２ｂ、３２ｄ、３２ｆ、及び、高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）のＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１から構成される。Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｇの不純物濃度は、略同一である。
【００５９】
また、素子配線層は、Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｇを用いて形成されている。素子配線層を、金属に代えて半導体層から形成することにより、比抵抗が高くでき、例えば、５×１０−５Ω・ｃｍ以上にできる。ここで、Wiedemann-Franz則によれば、素子配線層の電気抵抗値が高い程、熱抵抗値も高くなる。従って、温度検出器１４０では、素子配線層に金属を用いる温度検出器に比較して、温度検知部２０から支持脚１０を通って基板１に逃げる熱を抑制でき、温度感度を高くできる。
換言すれば、一定の温度感度を得るために必要とされる素子配線層の熱抵抗値が、より短い素子配線層で実現できる。このため、支持脚１０の長さを短くでき、温度検出器１４０の小型化が可能となる。
なお、Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｇの不純物濃度を、より低くすることにより、素子配線層の比抵抗をより高くして、温度感度を高くすることもできる。
【００６０】
かかる温度検出器１４０では、実施の形態１にかかる温度検出器１００と同様に、温度感度が高くなり、温度検知部２０の小型化が可能となる。また、熱時定数が低減されて、すばやい被写体の動きの検知が可能となる。更には、素子配線層を短縮でき、より小型の温度検出器を得ることができるので、検出器アレイ部を縮小して赤外線カメラのレンズを小さくすること、または、温度検出器の数を増やすこと、が可能となる。
【００６１】
次に、温度検出器１４０の製造方法について簡単に説明する。温度検出器１４０の製造方法は、以下の２点を除いて、実施の形態１の工程１〜４とほぼ同じである。
第１に、工程２のイオン注入工程において、特に、高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）のＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１の形成には、ドーパントとして熱拡散速度が小さいヒ素又はアンチモンを用いる。高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）のＰ型拡散層３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇの形成には、ドーパントとして熱拡散速度が小さいインジウムを用いる。また、高濃度のＰ型拡散層３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇ、低濃度のＮ型拡散層３２ｂ、３２ｄ、３２ｆ、及び高濃度のＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１を形成するにあたり、イオン注入後の熱処理温度を、８５０℃以下とする。熱処理時間は、例えば３０分である。
第２に、素子配線層を、Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｇから形成する。即ち、工程２において、支持脚２０にもＰ型不純物が注入された半導体層を残し、これを素子配線層として用いる。
【００６２】
このように、かかる製造方法では、Ｎ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１のドーパントに熱拡散速度が小さい砒素又はアンチモンを用い、Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇのドーパントに熱拡散速度が小さいインジウムを用い、熱処理温度を８５０℃以下とする。これにより、高濃度のＰＮ接合界面３２ｂ１ｃ、３２ｄ１ｅ、３２ｆ１ｇにおけるＮ型拡散層からＰ型拡散層へのＮ型不純物の拡散量を低減でき、Ｐ型拡散層からＮ型拡散層へのＰ型不純物の拡散量を低減できる。
このため、ＰＮ接合面３２ｂ１ｃ、３２ｄ１ｅ、３２ｆ１ｇ近傍において、Ｐ型拡散層３２ｃ、３２ｅ、３２ｇ中の実効的なＰ型不純物濃度、およびＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１中の実効的なＮ型不純物濃度が高くなる。この結果、これらのＰＮ接合面に加わる逆方向電圧Vｒが小さくなり、温度検出動作に必要な印加電圧を低減できる。よって、一定電流のもとではＰＮ接合素子３２の消費電力が小さくなり、熱型赤外線センサの消費電力も小さくなる。
また、Ｐ型拡散層３２ｃ、３２ｅ、３２ｇ、及びＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１の全域にわたって、確実に高濃度（略５×１０１７ｃｍ−３以上）とすることができ、不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３より小さな領域は存在しなくなる。このため、ＰＮ接合面３２ｂ１ｃ、３２ｄ１ｅ、３２ｆ１ｇを通る電流になだれ電流は含まれず、トンネル電流だけが流れる。よって、かかる温度検出器１４０では、温度感度が高くなる。
更に、ＰＮ接合素子３２の形成工程において、素子配線層も同時に形成できるため、製造工程の簡略化が可能となる。
【００６３】
なお、かかる製造方法は、実施の形態１にかかるＰＮ接合素子３０、３１の形成に適用しても構わない。
【００６４】
図９は全体が１５０で表される、本実施の形態にかかる他の温度検出器である。図９は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向と同じ方向における断面図である。図９中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
上述の温度検出器１４０では、２つの素子配線層が、共にＰ型の拡散層３２ａ、３２ｇから形成されているが、温度検出器１５０では、Ｐ型拡散層３３ａと、Ｎ型拡散層３３ｆから形成されている。このため、拡散層３２ｆ１、３２ｇに相当する層は設けられない。その他の構造は、温度検出器１４０と略同一である。
【００６５】
かかる構造では、ＰＮ接合素子３３の両端を、同じ不純物型にする必要がなく、ＰＮ接合素子３３を更に小型化することができる。この結果、温度検出器の１５０の熱時定数が低減されて、すばやい被写体の動きの検知が可能となる。
【００６６】
かかる構造において、支持脚１０の熱コンダクタンスを、温度検知部２０の両側で同一にする場合がある。この場合には、Ｐ型拡散層３３ａの比抵抗と、Ｎ型拡散層３３ｆの比抵抗とを同一にすれば良い。また、比抵抗が同一にできない場合は、支持脚１０の長さを変えて調整しても良い。
【００６７】
上述の実施の形態１、２において、Ｐ型とＮ型の不純物タイプを逆に形成することもできる。また、実施の形態１、２で述べた温度検出器は、熱型赤外線センサの他、フローセンサ、熱分析センサ、湿度センサなどのセンサとしても使用することができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる温度検出器では、温度検出器の温度感度を高くすることができる。
このため、温度感度を一定に維持しつつ温度検知部を小型化して、温度検出器の熱時定数を低減でき、すばやい被写体の動きの検知が可能な温度検出器を得ることができる。
【００６９】
また、本発明にかかる温度検出器の製造方法では、製造工程が簡略化され、製造コストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１にかかる温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】  従来のＰＮ接合素子の電流−電圧特性である。
【図３】  本発明の実施の形態１にかかるＰＮ接合素子の電流−電圧特性である。
【図４】  本発明の実施の形態１にかかる温度検出器の製造工程の断面図である。
【図５】  本発明の実施の形態１にかかる他の温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】  本発明の実施の形態１にかかる他の温度検出器の断面図である。
【図７】  本発明の実施の形態１にかかる他の温度検出器の断面図である。
【図８】  本発明の実施の形態２にかかる温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図９】  本発明の実施の形態２にかかる他の温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図１０】  従来の熱型赤外線センサの斜視図である。
【図１１】  従来の温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１  基板、２  凹部、３  配線層、１０  支持脚、１１  素子配線層、２０  温度検知部、２１  酸化膜、３０  ＰＮ接合素子、３０ａ、３０ｃ、３０ｅ  Ｐ型拡散層（低濃度）、３０ｂ、３０ｄ、３０ｆ  Ｎ型拡散層（低濃度）、３０ｃ１、３０ｅ１  Ｐ型拡散層（高濃度）、３０ｂ１、３０ｄ１  Ｎ型拡散層（高濃度）、４０  エッチング孔、１００  温度検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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