JP2007101213A - 半導体装置、赤外線センサ、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、赤外線センサ、及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 モノリシックな集積回路の形態を採りながら高精度な温度検出が可能な、半導体装置、該半導体装置を有する赤外線センサ、及び上記半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板１０２上に形成した第１及び第２の電界効果トランジスタ１１０，１２０に対して上記半導体基板上に輻射線感受部１３０を形成した。よって、モノリシックな集積回路の形態であり、かつ従来に比べて簡易な構造であり、かつ上記輻射線感受部が輻射線を感受し第１及び第２の電界効果トランジスタを感熱センサとして機能させる。したがって、モノリシックな集積回路の形態を採りながら高精度な温度検出が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、輻射線、例えば赤外線を検知する半導体装置、該半導体装置を有する赤外線センサ、及び上記半導体装置の製造方法に関する。
赤外線を検出する赤外線センサの内、検知した赤外線を赤外線吸収膜で熱に変換し、該熱を検出する熱型赤外線センサとして、熱電変換素子を用いた赤外線センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
又、赤外線センサに限定しない一般的な温度センサとして、絶対温度に比例する電圧（ＰＴＡＴ：Proportional To Absolute Temperature）を発生する電界効果トランジスタを用いたセンサが存在する（例えば、特許文献２参照）。
特許第２６６３６１２号公報 特開２００１−２８４４６４号公報
一方、高精度にて温度検出、特に赤外線にて温度検出を行う場合、一般的にはサーモパイルの使用方法に代表されるように、赤外線センサ部のサーモパイル以外に、当該センサの周囲温度を測定するためのサーミスタが用いられる。さらに、上記赤外線センサ部と上記サーミスタとの２つの出力信号を増幅し比較するためのアナログ信号処理回路が必要である。よって、このような構成を有する赤外線センサは部品点数が多くなり、モノリシックな集積回路として実現するのは困難であるという問題がある。
又、上記特許文献２に開示される温度センサでは、当該温度センサ自体が周囲温度と平衡となることで温度測定がなされることから、上述のような高精度な温度検出は困難である。
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたもので、モノリシックな集積回路の形態を採りながら高精度な温度検出が可能な、半導体装置、該半導体装置を有する赤外線センサ、及び上記半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における半導体装置は、ゲート電極部を互いに異なる構成としその他を同一構成として半導体基板上に形成した一対の第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタを有する半導体装置において、
上記第１電界効果トランジスタ及び上記第２電界効果トランジスタにおけるそれぞれの上記ゲート電極部は、仕事関数を互いに異としたゲート材料にてなるゲート部を有し、
上記半導体基板上にて上記ゲート部に接続して設けられ、輻射線を感受しかつ上記ゲート部を介して上記一対の第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタを感熱センサとして機能させる輻射線感受部を備えた、
ことを特徴とする。
又、上記半導体基板の厚み方向において上記半導体基板上で上記輻射線感受部との間に位置し、上記輻射線感受部から上記半導体基板への熱拡散を抑制する絶縁膜をさらに備え、上記輻射線感受部は、上記半導体基板上に上記絶縁膜を介して上記ゲート材料と一体的に設けられるようにしてもよい。
又、上記半導体基板の厚み方向において、上記輻射線感受部は、上記絶縁膜との間に断熱用の空隙層を有するようにしてもよい。
又、上記半導体基板はＳＯＩ基板であってもよい。
又、上記半導体基板は、その厚み方向において、上記ＳＯＩ基板における酸化膜、上記第１電界効果トランジスタ、上記第２電界効果トランジスタ、及び上記輻射線感受部を有するセンサ領域の下方に肉薄部を有するようにしてもよい。
又、上記輻射線感受部は、輻射線をより当該輻射線感受部へ作用させる輻射線吸収体を当該輻射線感受部上に有するようにしてもよい。
又、上記第１電界効果トランジスタ及び上記第２電界効果トランジスタにおけるそれぞれのゲート材料は、不純物の濃度又は種類を異にすることで上記仕事関数を異にする材料であってもよい。
又、上記ゲート材料及び上記輻射線感受部はポリシリコンにて構成することができる。
又、上記輻射線感受部は赤外線を感受するようにしてもよい。
又、本発明の第２態様における赤外線センサは、上記第１態様のいずれかにおける半導体装置と、
上記半導体装置を形成する半導体基板に上記半導体装置と共に設けられ、上記半導体装置に備わる第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタと同一構成を有する一対の第３電界効果トランジスタ及び第４電界効果トランジスタを有し、上記半導体装置の周囲温度を測定する周囲温度測定部と、
上記半導体装置を形成する半導体基板に上記半導体装置と共に設けられ、上記半導体装置及び上記周囲温度測定部に接続され、上記半導体装置及び上記周囲温度測定部からの各出力を処理する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする。
上記第２態様において、上記半導体基板において、上記半導体装置と上記周囲温度測定部とは隣接して配置してもよい。
上記第２態様において、上記信号処理部は、上記半導体装置及び上記周囲温度測定部からの出力信号を増幅する増幅部と、増幅された各信号を比較する比較部と、比較結果に従い被測温体の温度を求める演算部とを有してもよい。
さらに、本発明の第３態様における半導体装置製造方法は、ゲート電極部を互いに異なる構成としその他を同一構成として半導体基板上に形成した一対の第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタを有する半導体装置の製造方法において、
上記第１電界効果トランジスタ及び上記第２電界効果トランジスタにおけるそれぞれの上記ゲート電極部を、仕事関数を互いに異としたゲート材料にて形成し、
輻射線を感受しかつ上記ゲート電極部を介して上記一対の第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタを感熱センサとして機能させる輻射線感受部を、上記ゲート電極部と一体的にて上記半導体基板上に形成する、
ことを特徴とする。
上記第３態様において、上記輻射線感受部から上記半導体基板への熱拡散を抑制する絶縁膜を、上記ゲート電極部及び上記輻射線感受部の形成前に上記半導体基板上に形成し、該絶縁膜の形成後、上記絶縁膜上に上記輻射線感受部を形成してもよい。
上記第３態様において、上記絶縁膜上に上記輻射線感受部を形成する前に、上記輻射線感受部が形成される上記絶縁膜上に犠牲層を形成し、該形成後、上記犠牲層を覆い上記輻射線感受部を形成し、その後、上記犠牲層を除去して上記絶縁膜と上記輻射線感受部との間に断熱用の空隙層を形成してもよい。
上記第３態様において、上記半導体基板は、その厚み方向において、上記ＳＯＩ基板の酸化膜、上記第１電界効果トランジスタ、上記第２電界効果トランジスタ、及び上記輻射線感受部を有するセンサ領域の下方に肉薄部を有してもよい。
上記第３態様において、上記輻射線感受部を形成後、輻射線をより上記輻射線感受部へ作用させる輻射線吸収体を上記輻射線感受部上に形成してもよい。
上述の第１態様の半導体装置、第２態様の赤外線センサ、及び第３態様の半導体装置製造方法によれば、半導体基板上に形成した第１及び第２の電界効果トランジスタに対して上記半導体基板上に輻射線感受部を形成するようにした。よって、モノリシックな集積回路の形態であり、かつ従来に比べて簡易な構造であり、かつ半導体装置自体が周囲温度と平衡状態になる前に輻射線感受部が輻射線を感受し第１及び第２の電界効果トランジスタを感熱センサとして機能させることができる。したがって、モノリシックな集積回路の形態を採りながら高精度な温度検出が可能である。
又、輻射線感受部と半導体基板との間に絶縁膜をさらに備えることで、輻射線により輻射線感受部にて生じた熱が輻射線感受部から半導体基板へ拡散するのを低減することができる。よって、より高精度な温度検出が可能となる。
さらに又、上記絶縁膜と輻射線感受部との間に空隙層を備えることで、さらに輻射線感受部から半導体基板へ熱拡散を低減することができることから、さらに高精度な温度検出が可能となる。
さらに、半導体基板としてＳＯＩ基板を使用することで、基板上に酸化膜が存在することから、さらに輻射線感受部から半導体基板への熱拡散を低減することができる。よって、さらに高精度な温度検出が可能となる。
又、半導体基板において、上記第１及び第２の電界効果トランジスタ、及び上記輻射線感受部を有するセンサ領域の下方を肉薄部とすることで、半導体基板における熱容量が低減される。したがって、相対的に、センサ領域、特に輻射線感受部による上記第１及び第２の電界効果トランジスタによる温度検出精度を向上させることができる。
さらに又、上記輻射線感受部上に輻射線吸収体を設けることで輻射線感受部における発熱量を増やし、より高精度な温度検出が可能となる。
又、上記第１及び第２の電界効果トランジスタのゲート電極部におけるゲート材料、及び輻射線感受部の材料をポリシリコンとすることで、半導体基板上に、第１及び第２の電界効果トランジスタ、及び輻射線感受部を、半導体製造プロセスにて容易に製造することが可能である。
本発明の実施形態である、半導体装置、該半導体装置を利用してなる赤外線センサ、及び上記半導体装置の製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
又、以下の説明では、半導体基板上にＭＯＳ型の電界効果トランジスタを形成する場合を例に採るが、その他の種類の電界効果トランジスタを構成し使用することも可能である。又、以下の説明では、半導体装置は、赤外線を検出する温度センサとして例示されるが、赤外線センサに限定するものではなく、広く輻射線を感受し電気信号に変換する熱電変換素子として使用することができる。ここで、輻射線とは、赤外線等の電磁波の総称である。
図１は、上記実施形態における半導体装置１０１の平面図である。該半導体装置１０１は、例えばシリコン基板にてなる半導体基板１０２と、該半導体基板１０２上にそれぞれＭＯＳ型にて形成される、一対の第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０と、半導体基板１０２上に形成される輻射線感受部１３０とを備える。
まず、一対の第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０について説明する。
最初に、ＭＯＳ型で一対の電界効果トランジスタにおける一般的な動作原理について以下に説明する。
ＭＯＳ型の電界効果トランジスタを強反転させるためのスレッシュホールド電圧Ｖｔは、
Ｖｔ＝φｍｓ−（Ｑｆ／Ｃｏｘ）＋２φｆ−（Ｑｂ／Ｃｏｘ） （１）
で表わされる。ここで、φｍｓはトランジスタのゲートの仕事関数φｍと、半導体基板の仕事関数φｓとの差、Ｑｆは酸化膜中の固定電荷、φｆは基板のフェルミ準位、Ｑｂは反転層と基板との間の空乏層内の電荷、Ｃｏｘは酸化膜の単位面積当たりの静電容量である。
ゲート電極の不純物濃度又は不純物の種類が異なること以外、全く同じ構造を有する一対のトランジスタ（ペアトランジスタＭ１，Ｍ２）においても、各トランジスタは、共に上記（１）式で表されるスレッシュホールド電圧Ｖｔを持つ。ここでペアトランジスタＭ１，Ｍ２のスレッシュホールド電圧Ｖｔの差ΔＶｔを考えると、ペアトランジスタＭ１，Ｍ２では、それぞれのＶｔについて、上記（１）式の第２項より右側の値は、両者で全て同じとなることから、上記差ΔＶｔは、次式のように２つのＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２における各ゲート材料の仕事関数差で表される。
ΔＶｔ＝Ｖｔ（Ｍ１）−Ｖｔ（Ｍ２）
＝φｍｓ（Ｍ１）−φｍｓ（Ｍ２）
＝ φｍ（Ｍ１）−φｍ（Ｍ２） （２）
さらにゲート材料がシリコン（以下、Ｓｉと記す）の場合で考えるとゲートの仕事関数φｍはＳｉの電子親和力をχ’，バンドギャップをＥｇ’，フェルミ準位をφｆ’とすると、
φｍ＝χ’＋（Ｅｇ’／２）＋φｆ’ （３）
にて表される。尚、実際はＳｉではなくポリシリコンまたは表面がシリサイドのポリシリコンの場合が多いが同様に考えられる。従って、
ΔＶｔ＝φｆ’（Ｍ１）−φｆ’（Ｍ２） （４）
となり，Ｖｔの差はフェルミ準位の差で表される。
図１４にＳｉのフェルミ準位φｆと温度Ｔと不純物濃度Ｎとの関係を示した。
フェルミ準位差で決まる電圧ΔＶｔ（図中、矢印にて示す部分）は、図１４から分かる通り，温度特性を持つ。ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２のゲート電極において、不純物の導電型が同じで濃度が異なる場合（図内、（ａ）にて示す場合）は正の温度特性を、不純物の導電型が異なる場合（図内、（ｂ）にて示す場合）は、負の温度特性を持つ。
本実施形態の半導体装置１０１における、一対の上記第１電界効果トランジスタ１１０及び上記第２電界効果トランジスタ１２０においても、上述の動作原理を適用している。
即ち、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０のそれぞれは、ゲート電極部１１１、１２１、ソース１１２、１２２、及びドレイン１１３、１２３を有し、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０では、それぞれのゲート電極部１１１、１２１を互いに異なる構成とし、その他の部分つまりゲート電極部１１１、１２１以外の部分を同一構成として形成される。ここで、ゲート電極部１１１、１２１における互いに異なる構成とは、それぞれのゲート電極部１１１、１２１の不純物濃度又は不純物の種類が異なること、並びに、後述するようにゲート電極部１１１、１２１におけるチャネル長が異なる場合を意味する。
尚、ゲート電極部１１１、１２１とは、図２に示すように、半導体基板１０２に形成したソース１１２，１２２及びドレイン１１３，１２３にて形成されるチャネル部分に対応した位置に形成される、ゲート酸化膜１０３、及び仕事関数を互いに異としたゲート材料にてなるゲート部１１１１，１２１１を備える部分を指す。又、上記ゲート部１１１１，１２１１は、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０におけるＭＯＳキャパシタ部分とも言える。又、このＭＯＳキャパシタ部分に相当するゲート部１１１１，１２１１が温度感知部に相当する。
又、図２を含め他の断面図において、トランジスタの上層の層間絶縁膜や、電極を取り出すためのアルミ配線、さらに後述する、赤外線を効率よく吸収するための赤外線吸収層等の図示は省略している。
より具体的に説明すると、本実施形態では、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０は、デプレッション型のトランジスタであり、ｎ型の半導体基板１０２のｐウエル内に形成される。又、半導体基板１０２及びチャネルドープの不純物濃度は等しく、各基板電圧は、ソース電圧と等しくなるようにして、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０は、直列接続されている。又、本実施形態では、第１電界効果トランジスタ１１０のゲート電極部１１１は、高濃度ｎ型であり、第２電界効果トランジスタ１２０のゲート電極部１２１は、高濃度ｐ型である。さらに、本実施形態では、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０のトランジスタサイズＷ（チャネル幅）／Ｌ（チャネル長）が等しくなるように設計されており、上述のように、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０は、上記ペアトランジスタとなり、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０におけるスレッシュホールド電圧Ｖｔの差ΔＶｔは、各ゲート電極部１１１、１２１のゲート部１１１１、１２１１の各ゲート材料の仕事関数差となる。尚、本実施形態では上述のように、ゲート電極部１１１、１２１におけるゲート材料の不純物の導電型を異ならせていることから、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０は、負の温度特性を有する。勿論、これに限定されず、正の温度特性を有するように、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０を構成することもできる。
第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０において、唯一異なる部分、即ち、ゲート電極部１１１，１２１のゲート部１１１１，１２１１は、不純物濃度が異なるポリシリコンで構成した。具体的には、本実施形態では一例として、第１電界効果トランジスタ１１０のゲート部１１１１を形成するポリシリコン中の不純物としてリンを１×１０２０ｃｍ−３以上の濃度となるように、第２電界効果トランジスタ１２０のゲート部１２１１を形成するポリシリコン中の不純物としてリンを１．１×１０１９ｃｍ−３以上、１．６×１０１９ｃｍ−３以下、の濃度になるようにコントロールした。
次に、以上のように構成された一対の第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０の上記ゲート部１１１１，１２１１と一体的にて、半導体基板１０２上に形成される上記輻射線感受部１３０について説明する。
輻射線感受部１３０は、ゲート部１１１１，１２１１に接続して設けられ、輻射線を感受しかつゲート部１１１１，１２１１を介して上記一対の第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０を感熱センサとして機能させる部分である。
図１４を参照して上述したように、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０におけるスレッシュホールド電圧Ｖｔの差ΔＶｔは、トランジスタ１１０、１２０における各ゲート部１１１１，１２１１を形成するゲート材料の仕事関数差で表され、Ｖｔの差はフェルミ準位の差で表される。さらに、フェルミ準位差で決まる電圧ΔＶｔは、図１４から分かる通り，温度特性を持つ。したがって、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０は、被測温体の温度に応じて電圧を発生する。
各ゲート部１１１１，１２１１にて生じる温度変化は、各ゲート部１１１１，１２１１に入射した輻射エネルギーと、各ゲート部１１１１，１２１１の熱容量と、半導体基板１０２の熱容量、そしてその間をつなぐゲート酸化膜１０３や絶縁膜１０４を介した部分の熱抵抗によって決まる。よって、できるだけ熱的に絶縁された領域が大きいほど、ゲート部１１１１，１２１１の熱容量が大きくなり、ゲート部１１１１，１２１１の温度が入射エネルギーに対応した特性となる。
一方、仕事関数を異としたゲート材料にてなる各ゲート部１１１１，１２１１は、図２から明らかなように、ゲート酸化膜１０３を介して半導体基板１０２に接している。よって、各ゲート部１１１１，１２１１は、ゲート酸化膜１０３を介在させてはいるものの半導体基板１０２とは熱的に完全には絶縁されていない。よって、ゲート電極部１１１、１２１を構成するゲート部１１１１，１２１１のみでは、被測温体の温度に応じて変化したゲート部１１１１，１２１１における熱量は僅かであり、さらにゲート部１１１１，１２１１に生じた熱の一部は、ゲート酸化膜１０３を介して半導体基板１０２等へ散逸してしまう。したがって、ゲート部１１１１，１２１１のみでは、被測温体の温度変化に追随して高精度にて被測温体の温度測定を行うことができない。
そこで、被測温体の温度に追従してゲート部１１１１，１２１１に温度変化が生じるように、輻射線感受部１３０をゲート部１１１１，１２１１に接続して設けることで、ゲート部１１１１，１２１１の熱容量を大きくする構造を採用した。
上述した、輻射線感受部１３０の設置理由から明らかなように、輻射線感受部１３０は、被測温体の温度に応じて、つまり被測温体からの輻射線により効果的に温度変化を生じるような材料にて形成するのがよい。例えば、いわゆるゴールドブラック（黒金）と呼ばれる材料や、ＳｉＣｒ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等の材料にて、輻射線感受部１３０は形成されるのが好ましい。尚、本実施形態では、半導体基板１０２上にＭＯＳトランジスタを形成する半導体プロセス工程にて輻射線感受部１３０を形成することで容易かつ短時間にて製造可能となることから、輻射線感受部１３０は、各ゲート部１１１１，１２１１の形成と同工程にて、各ゲート部１１１１，１２１１と同じ材料であるポリシリコンにて、各ゲート部１１１１，１２１１と一体的に形成するようにした。
又、輻射線感受部１３０は、本実施形態では図１に示すように、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０のそれぞれに独立して形成される。説明上、第１電界効果トランジスタ１１０に備わる輻射線感受部１３０を輻射線感受部１３１と符番し、第２電界効果トランジスタ１２０に備わる輻射線感受部１３０を輻射線感受部１３２と符番する。図１に示すように、輻射線感受部１３１、１３２のそれぞれは、ゲート電極部１１１，１２１のゲート部１１１１，１２１１から、ゲート電極部１１１、１２１におけるチャネル幅方向及びチャネル長方向にそれぞれ拡張して延在し、同面積にて形成される。輻射線感受部１３１、１３２の大きさとしては、被測温体からの輻射線によりゲート部１１１１，１２１１が有する熱容量に比して、輻射線感受部１３１、１３２が有する熱容量の方が大きくなる程度の大きさであればよい。
又、図１に示すように、本実施形態ではゲート電極部１１１、１２１を中心として、紙面の左右方向の両側に輻射線感受部１３１、１３２を設けているが、該形態に限定されるものではなく、いずれか一方側にのみ、輻射線感受部１３１、１３２を設けることもできる。但し、輻射線感受部１３１、１３２が互いに異なる側方に設けられる、例えば輻射線感受部１３１は右側に、輻射線感受部１３２は左側に設けられるという形態は、輻射線の照射量が相違してしまう場合には、好ましくない。
又、図１に示すように輻射線感受部１３０を形成することで、図３に示すように輻射線感受部１３０は、通常、半導体基板１０２上に形成された比較的厚みの厚い絶縁膜１０４上に構成される。よって、輻射線感受部１３０は、比較的、熱的に絶縁されることになる。ゲート部１１１１，１２１１に発生する温度変化は、上述のように、入射した輻射エネルギー、ゲート部１１１１，１２１１の熱容量、及び半導体基板１０２の熱容量、並びに、ゲート酸化膜１０３及び絶縁膜１０４を介する熱抵抗によって決まる。できるだけ熱絶縁された輻射線感受部１３０の領域が大きいほど、ゲート部１１１１，１２１１における熱容量が大きくなり、ゲート部１１１１，１２１１の温度が入射エネルギーに対応した特性となる。
以上のようにして、半導体装置１０１が構成される。
半導体装置１０１では、被測温体の温度に応じて、つまり被測温体からの輻射線量に応じて、ゲート部１１１１，１２１１に比して熱容量の大きな輻射線感受部１３０は、発熱又は吸熱する。この輻射線感受部１３０の熱的な状態変化に伴い、輻射線感受部１３０と一体的に構成されているゲート部１１１１，１２１１においても熱的な状態変化が生じ、該変化に応じてゲート電極部１１１，１２１は、電気信号を発生する。
このように半導体装置１０１によれば、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０を半導体基板１０２上に形成するとともに、トランジスタ１１０、１２０におけるゲート電極部１１１，１２１のゲート部１１１１，１２１１と一体的に、ゲート部１１１１，１２１１に比して熱容量の大きな輻射線感受部１３０を形成した。よって、半導体装置１０１は、モノリシックな集積回路の形態にてなり、又、従来に比べて簡易な構造を採ることができる。さらに、ゲート部１１１１，１２１１に比して熱容量の大きな輻射線感受部１３０をゲート部１１１１，１２１１と一体的に形成したことから、半導体装置１０１自体が周囲温度と平衡状態になる前に、輻射線感受部１３０が輻射線、例えば赤外線を感受し第１及び第２の電界効果トランジスタ１１０，１２０を感熱センサとして機能させることができる。したがって、モノリシックな集積回路の形態を採りながら高精度な温度検出が可能である。
又、輻射線感受部１３０と半導体基板１０２との間に絶縁膜１０４を介在させていることから、輻射線により輻射線感受部１３０にて生じた熱が輻射線感受部１３０から半導体基板１０２へ拡散するのを低減することができる。よって、より高精度な温度検出が可能となる。尚、ここで上記「熱」は、発熱及び吸熱の両方を含む概念である。
尚、本実施形態では上述のように第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０は、トランジスタサイズが全く同じ構成を採っているが、温度感度を高める目的で、ゲート電極部１１１，１２１における、例えばチャネル長を異ならせて設計することは、赤外線センサのような温度センサとしての機能を損ねるものではなく、必要に応じて適応することができる。
即ち、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０におけるチャネル長の比を変えることにより、ゲート−ソース間電圧（電圧ＶＰＮ）の温度係数を変えることができる。一般に、温度検出回路の重要な特性である出力精度を向上させるためには、温度変換に対応する電圧変化（温度係数）をできるだけ大きくして温度変化に対する感度を高くするのが好ましい。上記電圧ＶＰＮの温度係数は、チャネル長の比に応じて変化することから、チャネル長の比を調整することにより、所望の温度係数を得ることができる。したがって、チャネル長比を選択することで、上記電圧ＶＰＮの温度係数をより大きくすることが可能であり、温度検出回路の出力精度を向上させることができる。
以下には、上述した半導体装置１０１の変形例について説明する。
例えば上述した絶縁膜１０４による作用のように、輻射線により輻射線感受部１３０にて生じた熱が輻射線感受部１３０から半導体基板１０２へ拡散するのを低減させることで、半導体装置１０１では、より高精度な温度検出が可能となる。より高精度な温度検出を可能とする観点から例示的に下記の各変形例が挙げられる。
図４に示す半導体装置１０５では、図３に示す輻射線感受部１３０は、絶縁膜１０４との間に断熱用の空隙層１４１を有する。尚、図４は、第２電界効果トランジスタ１２０に相当する断面図であり、下記説明も第２電界効果トランジスタ１２０について行うが、第１電界効果トランジスタ１１０も同一構造を有している。
空隙層１４１の具体的な形成方法としては、絶縁膜１０４の形成後、絶縁膜１０４上に、例えば例えばＳｉ３Ｎ４にてなるカバー層１４２を形成する。そしてカバー層１４２の形成後、カバー層１４２上に例えばＳｉＯ２にてなる犠牲層を形成し、その後、ゲート部１２１１及び輻射線感受部１３２を形成する。輻射線感受部１３２は、上記犠牲層上に形成される。尚、図４は、最終的に上記空隙層１４１を作製した状態を示しており、上記犠牲層は図示していない。
そして、輻射線感受部１３２に穿孔した開口１４３より上記犠牲層をエッチングすることで除去し、空隙層１４１を形成する。尚、カバー層１４２は、上記犠牲層をエッチングするときに、絶縁膜１０４へのダメージを防止するための層である。
空隙層１４１を形成することで、図３に示す構造に比べて、輻射線により輻射線感受部１３０にて生じた熱が輻射線感受部１３０から半導体基板１０２へ拡散するのを、さらに低減させることができる。したがって、半導体装置１０５では、より高精度な温度検出が可能となる。
次に、図５に示す半導体装置１０６では、図４に示す構造において、半導体基板をＳＯＩ基板１０７にて構成した。尚、図５においても、第２電界効果トランジスタ１２０に相当する断面図であるが、第１電界効果トランジスタ１１０も同一構造を有している。
ＳＯＩ基板１０７は、シリコン基板１０７１上に埋め込み酸化膜１０７２を有し、さらに埋め込み酸化膜１０７２を覆いシリコン層１０７３を有する。
該半導体装置１０６では、図４に示す半導体装置１０５に比べて、ゲート部１２１１の下のシリコン層１０７３がＳＯＩ基板１０７のＳｉ基板１０７１と埋め込み酸化膜１０７２を介して接しているため、Ｓｉ基板１０７１との熱抵抗が大きい構造となっている。
したがって、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０、並びに輻射線感受部１３０がＳｉ基板１０７１から熱的に良好に遮断される。したがって、半導体装置１０６では、より高精度な温度検出が可能となる。
次に、図６に示す半導体装置１０８は、図５に示す構造の発展型であり、ＳＯＩ基板１０７の熱容量を小さくするため、基板の厚み方向１０７４において、ＳＯＩ基板１０７の酸化膜１０７２、上記第１電界効果トランジスタ１１０、上記第２電界効果トランジスタ１２０、及び上記輻射線感受部１３０を有するセンサ領域１４４の下方にて、ＳＯＩ基板１０７は、肉薄部１０７４を有する。該肉薄部１０７４は、センサ領域１４４の下部のＳＯＩ基板１０７を、埋め込み酸化膜１０７２及びシリコン層１０７３を残し、Ｓｉ基板１０７１の一部をエッチングにより除去することで作製される。このようにＳＯＩ基板１０７は、ダイアフラム構造となっている。
尚、図３に示す半導体装置１０１では、図６に示す半導体装置１０８に比べると絶縁膜１０４を介して輻射線感受部１３０から半導体基板１０２へ熱が比較的伝導し易い状態を、図６に示す半導体装置１０８では、輻射線感受部１３０からＳＯＩ基板１０７への熱伝導がほぼ遮断される状態を、図１２及び図１３にて模式的に図示している。
半導体装置１０８の製造方法は、図５に示す半導体装置１０６におけるデバイス形成まで同じ工程を有し、最後にＳＯＩ基板１０７の裏面より選択的ウエットエッチングを行う。図７を参照して詳しく説明する。
ステップＳ１０１では、半導体基板１０２又はＳＯＩ基板１０７上に絶縁膜１０４を形成する。又、ゲート部１１１１，１２１１に対応する位置には、ゲート酸化膜１０３を形成する。
次のステップＳ１０２では、絶縁膜１０４上にカバー層１４２を形成し、次のステップＳ１０３では、カバー層１４２上に犠牲層を形成する。
次のステップＳ１０４では、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０を形成するとともに、上記犠牲層を覆い、ゲート部１１１１，１２１１と一体的にポリシリコンにて輻射線感受部１３０を形成する。
次のステップＳ１０５では、輻射線感受部１３０の一部を穿孔し、この開口１４３を通して上記犠牲層をエッチングにて除去する。
以上にて、図４に示す半導体装置１０５、又は図５に示す半導体装置１０６が作製される。
さらに、半導体装置１０６において、次のステップＳ１０６にて、半導体装置１０６のセンサ領域１４４の下方に位置する基板を選択的にエッチングして削除する。これにて、図６に示す半導体装置１０８が作製される。
特に、上述した、図４に示す半導体装置１０５、図５に示す半導体装置１０６、及び図６に示す半導体装置１０８では、中空構造やダイアフラム構造を採ることで、輻射線感受部１３０から半導体基板に対する熱抵抗をかなり大きくすることができる。よって、輻射線感受部１３０のポリシリコンを赤外線吸収層とすることで、特に半導体装置１０５、１０６、１０８は、上記赤外線吸収層と、感熱部に相当するゲート部１１１１，１２１１との熱抵抗の大きさによる応答速度の低下を軽減でき、例えば人体感知センサなどの用途に用いることが可能である。ここで、上記応答速度とは、輻射線感受部１３０にて輻射線を感受してから輻射線感受部１３０の温度が上昇開始するまでの時間に関する概念を意味する。
又、さらに温度検出感度を向上させるために、半導体装置１０１、１０５、１０６、１０８において、図１１に示すように、上記第１電界効果トランジスタ１１０、上記第２電界効果トランジスタ１２０、及び上記輻射線感受部１３０を有するセンサ領域１４４を覆って、輻射線吸収体１７６を設けるのが好ましい。尚、輻射線吸収体１７６は、上記センサ領域１４４を覆って形成しなくとも、少なくとも、輻射線感受部１３０を覆って形成すればよい。
輻射線吸収体１７６として、具体的には、一般的に半導体プロセスで用いられる薄膜材料、例えばアルミニウム、ＳｉＣｒ、Ｃｒ、Ｃｕなどの金属系のほかに、シリコンに比べて赤外線の透過率が小さい、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等の誘電体膜も赤外線吸収効率を高めるのに効果的な材料である。最も赤外線吸収効果が大きい材料は、黒金などの材料であり、シリコンデバイス工程が終了した後、最上層のパッシベーション膜の上層に、上記黒金などの材料を形成することも可能である。
次に、以上説明した半導体装置１０１、１０５、１０６、１０８のいずれかを用いて赤外線センサを構成する場合を説明する。
図８には、上記赤外線センサ１７０の概略構成を示している。赤外線センサ１７０は、赤外線センサ部１７１と、周囲温度測定部１７２と、信号処理部１７３とを有し、これらが一つの半導体基板上に半導体製造プロセスを使用して１チップにて形成されてなる。
赤外線センサ部１７１は、上述した半導体装置１０１、１０５、１０６、１０８のいずれかが形成された領域である。
周囲温度測定部１７２は、被測温体周りの環境温度を測定するためのセンサを形成した領域であり、図９に示すように、半導体装置１０１、１０５、１０６、１０８における第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０と同様に、ゲート部１１１１，１２１１のゲート材料による仕事関数差を参照する一対のＭＯＳ型の第３電界効果トランジスタ１７２１及び第４電界効果トランジスタ１７２２を有する。第３電界効果トランジスタ１７２１及び第４電界効果トランジスタ１７２２は、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０と同一の構造を有するが、輻射線感受部１３０を有しない点のみを異にする。尚、符号１７２３は、第３電界効果トランジスタ１７２１及び第４電界効果トランジスタ１７２２における各ソース部を、符号１７２４はドレイン部を、符号１７２５はゲート部を示す。
このように、第３電界効果トランジスタ１７２１及び第４電界効果トランジスタ１７２２は、輻射線感受部１３０を有しない点を除き、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０と同一の構造とし、同じ製造工程にて製造される。さらに、赤外線センサ部１７１と周囲温度測定部１７２とを近接して、好ましくは隣接させた配置にて半導体基板上に形成することで、仮に製造プロセスが変動してデバイス特性に影響を与えたとしても、赤外線センサ部１７１及び周囲温度測定部１７２は同時に影響を受けるようにすることができる。よって、上記特性の変動分は相殺されることになり、高精度の温度計測が可能となる。
信号処理部１７３は、赤外線センサ部１７１及び周囲温度測定部１７２からの各出力を処理する部分であり、赤外線センサ部１７１及び周囲温度測定部１７２からの各出力信号を増幅する増幅部１７３１と、増幅された各信号を比較する比較部１７３２と、比較結果に従い被測温体の温度を求める演算部１７３３とを有し、さらに、赤外線センサ部１７１及び周囲温度測定部１７２からの各出力信号から予測される被測温体の温度を知るためのデータを記憶する記憶部１７３４と、求まった被測温体の温度データを外部へ出力するための出力部１７３５とを有する。
以上のように構成される赤外線センサ１７０は、以下のように動作する。
即ち、被測温体からの輻射線により、赤外線センサ部１７１では、上述したように輻射線感受部１３０にて熱が生じ、該熱に応じて、第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０から電気信号が送出される。ここで、赤外線センサ部１７１を構成する第１電界効果トランジスタ１１０及び第２電界効果トランジスタ１２０では、上述したように輻射線感受部１３０にて生じた熱が半導体基板側へ伝導することを低減するような構成を採っていることから、被測温体からの輻射線に応じて、上記電気信号は逐次変化する。一方、周囲温度測定部１７２を構成する第３電界効果トランジスタ１７２１及び第４電界効果トランジスタ１７２２は、輻射線感受部１３０を有しないことから、被測温体からの輻射線に応じて、第３電界効果トランジスタ１７２１及び第４電界効果トランジスタ１７２２の各ゲート部１７２５にて生じた熱は、比較的半導体基板側へ伝導し易い。よって、ゲート部１７２５と半導体基板とが熱的に平衡状態になる程度の時間が経過した時点、即ち、被測温体からの、もしくは赤外線センサ部１７１からの、輻射が均衡状態になったときでは、周囲温度測定部１７２は、当該赤外線センサ１７０が存在する環境における温度、換言すると被測温体の周囲温度に対応した電気信号を送出することになる。
信号処理部１７３は、赤外線センサ部１７１から供給された被測温体の温度情報と、周囲温度測定部１７２から供給された周囲温度情報とを比較し、演算して、被測温体の絶対温度を求め、出力する。
このように赤外線センサ１７０によれば、従来のように例えばサーミスタを別途設ける構成は不要であり、高感度な赤外線スマートセンサを実現することができる。さらに、赤外線センサ部１７１、周囲温度測定部１７２、及び信号処理部１７３は、安価で一般的なＣＭＯＳプロセスを用いて構成することができることから、一つのチップにて赤外線センサ１７０を形成することができる。
尚、図１０に示す赤外線センサ１７５のように、赤外線センサ部１７１に隣接させて複数の周囲温度測定部１７２を設ける構成を採ることもできる。
本発明は、輻射線、例えば赤外線を検知する半導体装置、該半導体装置を有する赤外線センサ、及び上記半導体装置の製造方法に適用することができる。
本発明の実施形態である半導体装置の一例における平面図である。 図１に示す断面Ａ−Ａ’部における半導体装置の断面図である。 図１に示す断面Ｂ−Ｂ’部における半導体装置の断面図である。 図１に示す半導体装置の一変形例を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の別の変形例を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の他の変形例を示す断面図である。 図６に示す半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。 本発明の実施形態である赤外線センサの概略構成を示す平面図である。 図８に示す周囲温度測定部の具体的構成を示す平面図である。 図８に示す赤外線センサの変形例における概略構成を示す平面図である。 図１、図４、図５、及び図６に示す半導体装置において、輻射線吸収体を設けた場合の平面図である。 図３に示す半導体装置において、輻射線感受部における熱伝導の難易を説明するための模式図である。 図６に示す半導体装置において、輻射線感受部における熱伝導の難易を説明するための模式図である。 Ｓｉのフェルミ準位と温度と不純物濃度との関係を示したグラフである。
符号の説明
１０１…半導体装置、１０２…半導体基板、１０４…絶縁膜、１０５…半導体装置、
１０６…半導体装置、１０７…ＳＯＩ基板、１０８…半導体装置、
１１０…第１電界効果トランジスタ、１１１…ゲート電極部、
１２０…第２電界効果トランジスタ、１２１…ゲート電極部、
１３０…輻射線感受部、１４１…空隙層、１４４…センサ領域、
１７２…周囲温度測定部、１７３…信号処理部、１７６…輻射線吸収体、
１０７２…酸化膜、１０７４…肉薄部、１０７５…厚み方向、
１１１１…ゲート部、１２１１…ゲート部、１７２１…第３電界効果トランジスタ、
１７２２…第４電界効果トランジスタ、１７３１…増幅部、１７３２…比較部、
１７３３…演算部。

Claims (19)

  1. ゲート電極部を互いに異なる構成としその他を同一構成として半導体基板上に形成した一対の第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタを有する半導体装置において、
    上記第１電界効果トランジスタ及び上記第２電界効果トランジスタにおけるそれぞれの上記ゲート電極部は、仕事関数を互いに異としたゲート材料にてなるゲート部を有し、
    上記半導体基板上にて上記ゲート部に接続して設けられ、輻射線を感受しかつ上記ゲート部を介して上記一対の第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタを感熱センサとして機能させる輻射線感受部を備えた、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 上記半導体基板の厚み方向において上記半導体基板上で上記輻射線感受部との間に位置し、上記輻射線感受部から上記半導体基板への熱拡散を抑制する絶縁膜をさらに備え、上記輻射線感受部は、上記半導体基板上に上記絶縁膜を介して上記ゲート材料と一体的に設けられる、請求項１記載の半導体装置。
  3. 上記半導体基板の厚み方向において、上記輻射線感受部は、上記絶縁膜との間に断熱用の空隙層を有する、請求項２記載の半導体装置。
  4. 上記半導体基板はＳＯＩ基板である、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 上記半導体基板は、その厚み方向において、上記ＳＯＩ基板における酸化膜、上記第１電界効果トランジスタ、上記第２電界効果トランジスタ、及び上記輻射線感受部を有するセンサ領域の下方に肉薄部を有する、請求項４記載の半導体装置。
  6. 上記輻射線感受部は、輻射線をより当該輻射線感受部へ作用させる輻射線吸収体を当該輻射線感受部上に有する、請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 上記第１電界効果トランジスタ及び上記第２電界効果トランジスタにおけるそれぞれのゲート材料は、不純物の濃度又は種類を異にすることで上記仕事関数を異にする材料である、請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 上記ゲート材料及び上記輻射線感受部はポリシリコンにてなる、請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 上記輻射線感受部は赤外線を感受する、請求項１から８のいずれかに記載の半導体装置。
  10. 請求項１から９のいずれかに記載の半導体装置と、
    上記半導体装置を形成する半導体基板に上記半導体装置と共に設けられ、上記半導体装置に備わる第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタと同一構成を有する一対の第３電界効果トランジスタ及び第４電界効果トランジスタを有し、上記半導体装置の周囲温度を測定する周囲温度測定部と、
    上記半導体装置を形成する半導体基板に上記半導体装置と共に設けられ、上記半導体装置及び上記周囲温度測定部に接続され、上記半導体装置及び上記周囲温度測定部からの各出力を処理する信号処理部と、
    を備えたことを特徴とする赤外線センサ。
  11. 上記半導体基板において、上記半導体装置と上記周囲温度測定部とは隣接して配置される、請求項１０記載の赤外線センサ。
  12. 上記信号処理部は、上記半導体装置及び上記周囲温度測定部からの出力信号を増幅する増幅部と、増幅された各信号を比較する比較部と、比較結果に従い被測温体の温度を求める演算部とを有する、請求項１０又は１１記載の赤外線センサ。
  13. ゲート電極部を互いに異なる構成としその他を同一構成として半導体基板上に形成した一対の第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタを有する半導体装置の製造方法において、
    上記第１電界効果トランジスタ及び上記第２電界効果トランジスタにおけるそれぞれの上記ゲート電極部を、仕事関数を互いに異としたゲート材料にて形成し、
    輻射線を感受しかつ上記ゲート電極部を介して上記一対の第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタを感熱センサとして機能させる輻射線感受部を、上記ゲート電極部と一体的にて上記半導体基板上に形成する、
    ことを特徴とする半導体装置製造方法。
  14. 上記輻射線感受部から上記半導体基板への熱拡散を抑制する絶縁膜を、上記ゲート電極部及び上記輻射線感受部の形成前に上記半導体基板上に形成し、該絶縁膜の形成後、上記絶縁膜上に上記輻射線感受部を形成する、請求項１３記載の半導体装置製造方法。
  15. 上記絶縁膜上に上記輻射線感受部を形成する前に、上記輻射線感受部が形成される上記絶縁膜上に犠牲層を形成し、該形成後、上記犠牲層を覆い上記輻射線感受部を形成し、その後、上記犠牲層を除去して上記絶縁膜と上記輻射線感受部との間に断熱用の空隙層を形成する、請求項１４記載の半導体装置製造方法。
  16. 上記半導体基板はＳＯＩ基板である、請求項１３から１５のいずれかに記載の半導体装置製造方法。
  17. 上記半導体基板は、その厚み方向において、上記ＳＯＩ基板の酸化膜、上記第１電界効果トランジスタ、上記第２電界効果トランジスタ、及び上記輻射線感受部を有するセンサ領域の下方に肉薄部を有する、請求項１６記載の半導体装置製造方法。
  18. 上記輻射線感受部を形成後、輻射線をより上記輻射線感受部へ作用させる輻射線吸収体を上記輻射線感受部上に形成する、請求項１３から１７のいずれかに記載の半導体装置製造方法。
  19. 上記ゲート電極部及び上記輻射線感受部はポリシリコンにてなる、請求項１３から１８のいずれかに記載の半導体装置製造方法。
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