JP3711740B2 - Thin film thermistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファス半導体薄膜を用いた薄膜サーミスタ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。この種の赤外線検出素子としては、例えば焦電材料を使った焦電型のものや熱起電力を利用したサーモパイル型のものが開発されている。
しかしながら、焦電型の赤外線検出素子は、赤外線を熱エネルギとして吸収し、その結果生じる電荷量の変化(焦電効果)を検出するいわゆる微分型の検出素子であり、赤外線の変化分しか検出することができないという不具合があった。また、サーモパイル型の赤外線検出素子は、温度に比例した直流電圧が出力されるが、出力が小さいという不具合があった。
【0003】
これらに対し、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。サーミスタの特性を表す値としてサーミスタ定数(B定数)が知られている。B定数は温度変化と抵抗変化との関係を示す値であり、B定数が大きいほど温度変化に対する抵抗変化が大きいことを意味するから、サーミスタとしてはB定数が大きいほうが望ましいと言える。
【0004】
ところで、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次元配列したアレイセンサが提案されており、この種のアレイ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。この種の用途に用いるサーミスタは高集積化する必要があるから、各サーミスタを小型化しなければならない。しかしながら、サーミスタ素子(サーミスタの半導体チップ)の体積が小さくなると1/fノイズが反比例して増加し、結果的にS/N比が低下するという問題が生じる。
【0005】
アレイ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、基板上にプラズマCVD法によりアモルファス半導体薄膜を成膜し、このアモルファス半導体薄膜をサーミスタ素子として機能させる製造方法が考えられている。
また、プラズマCVD法により形成したアモルファス半導体薄膜は、太陽電池、薄膜トランジスタ、センサなどに活用されており、特にプラズマCVD法により形成したa−Si:H(水素化アモルファスSi)やa−SiC:H(水素化アモルファスSiC)は、結晶シリコンに比べて光学的バンドギャップが大きく、可視光領域での光吸収係数が大きく、さらには薄膜かつ大面積のものが容易に形成できるから、太陽電池は重要な応用分野となっている。太陽電池に用いるアモルファス半導体薄膜を成膜する際には、不純物濃度が高くなると光学的バンドギャップが小さくなるから、一般に原料ガスに対するドーパントガスの混合量を少なくしてある。また、サーミスタ素子を形成する場合も、一般に不純物が低濃度であるほうがB定数が大きくなるから、この観点から見ると原料ガスに対するドーパントガスの混合量は少ないほうがよいことになる。なお、a−SiC:Hを形成する際には、原料ガスを希釈する水素ガスにより希釈率を高めるのが一般的である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、1/fノイズはキャリア濃度に反比例するものであるから、ドーピング濃度が低いと1/fノイズが大きくなる。つまり、小型化し、かつB定数を大きくしようとすれば、1/fノイズが増加してS/N比が低下するという問題が生じるのである。
【0007】
また、B定数を向上させるにはアモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層の活性化エネルギEaを大きくする必要がある。ここで、活性化エネルギEaと導電率σとの関係は一般に室温付近では次式のように表現される。
σ=σ0 exp(−Ea/kT)=σ0 * exp(−Ea0 /kT)
ただし、σ0 は係数(pre-exponential pfactor )、kはボルツマン定数、Tは絶対温度σ0 * は導電率のプリファクタ(prefactor )、Ea0 は0Kでの活性化エネルギである。また、B定数は−Ea/kで求められる。つまり、上式によればB定数を大きくするために活性化エネルギEaを大きくすると、導電率σが小さくなるから、B定数を大きくし、また、導電率σを大きくするには、prefactor σ0 * を大きくする必要がある。しかしながら、従来の薄膜サーミスタは、prefactor σ0 * の値が小さく、サーミスタ素子を小型化すると、抵抗値が高くなりすぎて測定が困難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、B定数を大きくしながらも1/fノイズが少なく且つ導電率が高く、結果的に小型で高S/N比が得られる薄膜サーミスタ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、アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタであって、前記半導体抵抗層は、厚み方向に均一なキャリア濃度を有し、且つ、前記半導体抵抗層と前記電極との接触部に形成される空乏層の幅が10nm以下となるように前記キャリア濃度が設定されて成ることを特徴とするものであり、前記半導体抵抗層と前記電極との接触部に形成される空乏層の幅が10nm以下になるような高濃度にキャリア濃度を設定することにより、半導体抵抗層の導電率が高くなるとともに1/fノイズが少なくなり、また、半導体抵抗層のキャリア濃度が増加することによってダングリングボンド(未結合手)が増加し、フェルミレベルがバンド端に移動しにくくなりB定数の低下は抑制されるので、結果的に小型でS/N比を向上させることができる。また、キャリア濃度が高濃度になることにより良好な電極との良好なオーミック特性を実現することができ、しかも厚み方向に均一なキャリア濃度を有しているので、キャリア濃度の高い層を接触部に設ける多層構造に比べて構造が簡単になる。
【0010】
請求項2の発明は、アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタの製造方法であって、前記半導体抵抗層を電極との接触部に形成される空乏層の幅が10nm以下となるキャリア濃度に形成することを特徴とし、キャリア濃度を高めることにより空乏層の幅を10nm以下にすることが可能になるから、半導体抵抗層のキャリア濃度が増加することによって導電率が高くなるとともに1/fノイズが低減され、しかもダングリングボンド(未結合手)が増加してフェルミレベルがバンド端に移動しにくくなりB定数の低下は抑制されるので、結果的に小型で高S/N比の薄膜サーミスタを提供することが可能になる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の薄膜サーミスタを用いた赤外線検出素子の断面図を示し、単結晶シリコン基板よりなる支持基板1の主表面上および裏面上にSiO2 /Si3 N4 膜よりなる誘電体膜2が形成されるとともに、支持基板1の主表面側から断面V字状の凹所6を設けることにより上記誘電体膜2よりなる薄膜部2aが形成されており、薄膜部2aの上に薄膜サーミスタ10が形成されている。薄膜サーミスタ10は、薄膜部2a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p形a−SiC:H薄膜よりなるサーミスタ素子8と、サーミスタ素子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。薄膜サーミスタ10の上にはSiONよりなる第2の保護膜4を介して赤外線吸収膜5が形成されている。ここに、薄膜部2a、薄膜サーミスタ10、赤外線吸収膜5などにより構成される検出部Aは、複数の支持梁部7によって支持基板1に支持されている。また、下部電極11aには第1のパッド電極14aが接続され、上部電極11bには第2のパッド電極14bが接続されている。なお、図1中の3はSiO2 膜よりなる第1の保護膜を示す。
【0012】
以下、製造方法について説明する。
まず、支持基板1の主表面及び裏面それぞれにSiO2 /Si3 N4 膜よりなる誘電体膜2を形成し(つまり、Si3 N4 膜を形成した後にSiO2 膜を形成し)、支持基板1の主表面側の誘電体膜2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、プラズマCVD装置(図2参照)によりp形a−SiC:H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p形a−SiC:H薄膜の不要部分を除去することによりサーミスタ素子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SiO2 膜を形成して、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によってSiO2 膜の不要部分を除去することによりSiO2 膜よりなる第1の保護膜3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膜よりなる第2の保護膜4を形成し、第2の保護膜4の上に赤外線吸収膜5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赤外線吸収膜5の不要部分を除去する。その後、第2の保護膜4及び第1の保護膜3の一部をエッチングして下部電極11a,上部電極11bそれぞれの表面の一部を露出させたコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールが埋め込まれるように支持基板1の主表面側の全面にアルミニウム膜などの金属膜を蒸着装置によって形成し、金属膜の不要部分を除去することによって金属膜よりなるパッド電極14a,14bを形成する。さらにその後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって検出部Aを支持するための複数の支持梁部7を離間して形成し、支持梁部7同士の間に形成されたスリット部を通して支持基板1を主表面側からエッチングすることにより凹所6を形成する。以上説明した製造方法によって、図1に示す構造の赤外線検出素子が形成される。
【0013】
図2に上記p形a−SiC:H薄膜を形成する際に用いる上記プラズマCVD装置よりなる成膜装置を示す。誘電体膜2、下部電極11aが形成された支持基板1はチャンバ22に収納され、ヒータ23により例えば270℃に加熱される。チャンバ22には内部を真空に排気するための排出口24と、成膜用のガスを導入する導入口25とが設けられる。支持基板1はチャンバ22とともに接地された電極26aの上に載置され、この電極26aに対向する電極26bには高周波電源27から高周波電圧(13.56MHz)が印加される。これにより、両電極26a,26bの間にはグロー放電によるプラズマが生じ、成膜用のガスが分解されて活性種が生成され、活性種の気相反応により支持基板1の主表面側にp形a−SiC:H薄膜が形成される。ここに、本実施形態では、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(B2 H6 )を用いている。
【0014】
本発明では、サーミスタ素子8の厚み方向の両面にそれぞれ下部電極11aと上部電極11bとを接触させた薄膜サーミスタ10において、サーミスタ素子8と下部電極11aとの接触部、サーミスタ素子8と上部電極11bとの接触部の両接触部に形成される空乏層の幅をそれぞれ10nm以下にすることによって、1/fノイズを低減させる。ここに、本実施形態では、サーミスタ素子8の厚み方向のキャリア濃度を均一にして全体のキャリア濃度を高くすることにより、各接触部の空乏層の幅を調整する。そこで、原料ガスに対するドーパントガスの混合比に対する活性化エネルギEa、導電率σ、prefactor σ0 * 、1/fノイズの変化を測定した。その結果を、図3ないし図6に示す。なお、本実施形態では、p形a−SiC:Hの形成条件として、放電時に電極26bに印加する高周波電力の電力密度を110mW/cm2 とし、放電圧力を0.9Torrとした。なお、本実施形態では、放電電力密度を110mW/cm2 という比較的大きな値に設定することによって、チャンバ22内に導入されたガスの分解が促進され、結果的にprefactor σ0 を高めることが可能になる。
【0015】
図3の横軸はジボランのモノシランに対する混合比、縦軸は活性化エネルギEaを示す。図3において◆はメタンのモノシランに対する混合比を0.3とした場合、▼は0.5とした場合、■は1.0とした場合、●は1.7とした場合、▲は3.0とした場合を示す。図3より明らかなように、原料ガスに対するドーパントガスの混合比を増加させたときに活性化エネルギEaは低下する。つまり、原料ガスに対するドーパントガスの混合比を増加させたときにB定数は低下する。また、メタンのモノシランに対する混合比を大きくすることにより活性化エネルギEaは増加する。
【0016】
図4の横軸はジボランのモノシランに対する混合比、縦軸は導電率σを示す。図4において▼はメタンのモノシランに対する混合比を0.5とした場合、■は1.0とした場合、△は3.0とした場合を示す。図4より明らかなように、原料ガス(モノシラン及びメタン)に対するドーパントガスの混合比の増加に伴って導電率σが増加する。
【0017】
図5の横軸はジボランのモノシランに対する混合比、縦軸はprefactor σ0 * を示す。図5において●はメタンのモノシランに対する混合比を0.3とした場合、▲は0.5とした場合、△は1とした場合を示す。図5より明らかなように、原料ガスに対するドーパントガスの混合比を増加させたときにprefactor σ0 * はおおむね上昇傾向を示す。ただし、図4および図5によって明らかなように、導電率σ、prefactor σ0 * を大きくする観点から言えば、モノシランに対するメタンの混合比はあまり高くしないことが望ましく、所望のB定数が得られるようにメタンを適量混合するのが望ましいと言える。
【0018】
図6の横軸は活性化エネルギEa、縦軸は1/fノイズを示す。図6において▲はジボランのモノシランに対する混合比を0.25vol%とした場合、■は1.0vol%とした場合、●は2.0vol%とした場合を示す。図6より明らかなように、同じ活性化エネルギEaで比較すると、原料ガスに対するドーパントガスの混合比の増加に伴って1/fノイズが低下する。なお、ジボランのモノシランに対する混合比を増加させることにより上述のように活性化エネルギEaが低下するので、図6において同じ活性化エネルギEaで見た場合、形成条件としてメタンの流量を増加させてある。例えば、上記混合比が0.25vol%で活性化エネルギEaが0.42eVのときのメタンの流量は100sccmであるのに対し、上記混合比が2.0%で活性化エネルギEaが0.42eVのときのメタンの流量は170sccmないし300sccmに増加させてある。
【0019】
つまり、図4ないし図6を合わせて見ればわかるように、原料ガスに対するドーパントガスの混合比を増加させたときに、言い換えれば、ドーピング濃度を増加させたときに、導電率σおよびprefactor σ0 * が高くなるとともに1/fノイズが低下するのである。また、所望のB定数が得られるようにメタンを適量混合するのが望ましいと言える。また、S/N比を大きくするには原料ガスに対するドーパントガスの混合比は大きくするのが望ましく、例えば1%以上に設定するのが望ましい。
【0020】
ところで、原料ガスとしてモノシランとメタンとの混合ガスを用いのは、アモルファス半導体薄膜中にカーボンが含まれることによって、図7に示すバンドギャップEgが大きくなり、B定数の低下が抑制されるからである。なお、図7においてEC 及びEV はバンド端(移動度端)を示し、EF はフェルミレベルを示す。
【0021】
ただし、図4によって明らかなように、導電率σを大きくする観点から言えば、モノシランに対するメタンの混合比はあまり高くしないことが望ましく、所望のB定数が得られるようにメタンを適量混合するのが望ましいと言える。
ところで、アモルファス半導体薄膜のドーピング濃度を増加させると、膜中のダングリングボンド(未結合手)が増加し、フェルミレベルEF が移動度端へ移動しにくくなるので、B定数の低下が抑制される。なお、水素希釈により膜中のダングリングボンドが減少することが知られているが、水素希釈濃度を抑えることで、B定数の低下を抑制することができる。
【0022】
図8は薄膜サーミスタ10のI−V特性を示し、図8において▲1▼はジボランのモノシランに対する混合比を0.25vol%とした場合、▲2▼は1.0vol%とした場合を示す。図8から、ジボランのモノシランに対する混合比を1.0vol%にすることにより0.25vol%の場合に比べて良好なオーミック特性が得られていることが確認された。ところで、金属−半導体接触において空乏層の幅が10nm以下になると、熱励起による伝導に加えてキャリアのトンネルによる伝導が起こり、このトンネルによる伝導は印加電圧に依存しないので、良好なオーミック特性が得られる。つまり、本実施形態では、ジボランのモノシランに対する混合比を1.0volにすることにより、サーミスタ素子8と下部電極11aとの接触部に形成される空乏層の幅が10nm以下になっているものと考察される。
【0023】
上述した実施形態においては、原料ガスとしてモノシランとメタンガスとの混合ガスを用い、ドーパントガスとしてジボランを用いているが、原料ガスにはシリコン含有ガスとカーボン含有ガスとの混合ガスであれば他の組み合わせを用いることができる。またドーパントガスにも周知の各種の物質を用いることが可能であり、n形a−SiC:H薄膜よりなるサーミスタ素子8を形成する場合には、ドーパントガスとして例えばホスフィン(PH3 )を用いればよい。
【0024】
【発明の効果】
請求項1の発明は、アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタであって、前記半導体抵抗層は、厚み方向に均一なキャリア濃度を有し、且つ、前記半導体抵抗層と前記電極との接触部に形成される空乏層の幅が10nm以下となるように前記キャリア濃度が設定されているので、前記半導体抵抗層と前記電極との接触部に形成される空乏層の幅が10nm以下になるような高濃度にキャリア濃度を設定することにより、半導体抵抗層の導電率が高くなるとともに1/fノイズが少なくなり、また、半導体抵抗層のキャリア濃度が増加することによってダングリングボンド(未結合手)が増加し、フェルミレベルがバンド端に移動しにくくなりB定数の低下は抑制されるから、結果的に小型でS/N比を向上させることができるという効果がある。また、キャリア濃度が高濃度になることにより良好な電極との良好なオーミック特性を実現することができ、しかも厚み方向に均一なキャリア濃度を有しているので、キャリア濃度の高い層を接触部に設ける多層構造に比べて構造が簡単になるという効果がある。
【0025】
請求項2の発明は、アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタの製造方法であって、前記半導体抵抗層を電極との接触部に形成される空乏層の幅が10nm以下となるキャリア濃度に形成するので、半導体抵抗層のキャリア濃度が増加することによって導電率が高くなるとともに1/fノイズが低減され、しかもダングリングボンド(未結合手)が増加してフェルミレベルがバンド端に移動しにくくなりB定数の低下は抑制されるから、結果的に小型で高S/N比の薄膜サーミスタを提供することが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の薄膜サーミスタを利用した赤外線検出素子の断面図である。
【図2】本発明におけるアモルファス半導体薄膜の製造装置を示す概略構成図である。
【図3】実施形態における原料ガスに対するドーパントガスの混合比と活性化エネルギとの関係を示す図である。
【図4】実施形態における原料ガスに対するドーパントガスの混合比と導電率との関係を示す図である。
【図5】実施形態における原料ガスに対するドーパントガスの混合比とプリファクタ(prefactor )との関係を示す図である。
【図6】実施形態における活性化エネルギと1/fノイズとの関係を示す図である。
【図7】アモルファス半導体薄膜の状態密度の説明図である。
【図8】実施形態における薄膜サーミスタのI−V特性図である。
【符号の説明】
8 サーミスタ素子
10 薄膜サーミスタ
11a 下部電極
11b 上部電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film thermistor using an amorphous semiconductor thin film and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, development of infrared detection elements that can measure temperature in a non-contact manner has become active. As this type of infrared detection element, for example, a pyroelectric element using a pyroelectric material or a thermopile element utilizing a thermoelectromotive force has been developed.
However, the pyroelectric infrared detection element is a so-called differential detection element that absorbs infrared light as thermal energy and detects a change in the amount of charge (pyroelectric effect) that occurs as a result, and detects only the change in infrared. There was a problem that it was not possible. Further, the thermopile type infrared detection element outputs a DC voltage proportional to the temperature, but has a problem that the output is small.
[0003]
On the other hand, thermistor-type infrared detection elements are known to be able to obtain a high DC output and are suitable for miniaturization and high integration. Thermistors are widely used as temperature sensors for various devices. Yes. A thermistor constant (B constant) is known as a value representing the characteristics of the thermistor. The B constant is a value indicating the relationship between the temperature change and the resistance change, and the larger the B constant, the larger the resistance change with respect to the temperature change. Therefore, it can be said that a larger B constant is desirable for the thermistor.
[0004]
By the way, an array sensor in which a number of thermistors are two-dimensionally arranged so that the temperature distribution can be detected has been proposed. If this type of array sensor is used, the temperature distribution can be handled in the same manner as image information. . Since thermistors used for this kind of application need to be highly integrated, each thermistor must be miniaturized. However, when the volume of the thermistor element (thermistor semiconductor chip) is reduced, 1 / f noise increases in inverse proportion, resulting in a problem that the S / N ratio decreases.
[0005]
A small thermistor element used for an array sensor or the like cannot be manufactured by a conventional method of sintering a metal oxide. Therefore, an amorphous semiconductor thin film is formed on a substrate by a plasma CVD method. A manufacturing method is considered that functions as a thermistor element.
Amorphous semiconductor thin films formed by plasma CVD are used for solar cells, thin film transistors, sensors, and the like, and in particular, a-Si: H (hydrogenated amorphous Si) and a-SiC: H formed by plasma CVD. (Hydrogenated amorphous SiC) has a larger optical band gap than crystalline silicon, has a large light absorption coefficient in the visible light region, and can be easily formed into a thin film and a large area. Application fields. When forming an amorphous semiconductor thin film for use in a solar cell, the optical band gap decreases as the impurity concentration increases, so the amount of dopant gas mixed with the source gas is generally reduced. Also, when forming the thermistor element, the B constant is generally larger when the impurity concentration is lower. From this point of view, it is better that the amount of dopant gas mixed with the source gas is smaller. In addition, when forming a-SiC: H, it is common to raise a dilution rate with the hydrogen gas which dilutes source gas.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since 1 / f noise is inversely proportional to the carrier concentration, 1 / f noise increases when the doping concentration is low. That is, if the size is reduced and the B constant is increased, the problem that the 1 / f noise increases and the S / N ratio decreases occurs.
[0007]
In order to improve the B constant, it is necessary to increase the activation energy Ea of the semiconductor resistance layer made of the amorphous semiconductor thin film. Here, the relationship between the activation energy Ea and the electrical conductivity σ is generally expressed as the following equation near room temperature.
σ = σ 0 exp (−Ea / kT) = σ 0 * exp (−Ea 0 / kT)
Where σ 0 is a coefficient (pre-exponential pfactor), k is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature σ 0 * is a conductivity pre-factor, and Ea 0 is an activation energy at 0K. Further, the B constant is obtained by -Ea / k. That is, according to the above equation, if the activation energy Ea is increased to increase the B constant, the conductivity σ decreases. Therefore, in order to increase the B constant and increase the conductivity σ, prefactor σ 0 * Needs to be increased. However, the conventional thin film thermistor has a small value of prefactor σ 0 * , and there is a problem that if the thermistor element is downsized, the resistance value becomes too high and the measurement becomes difficult.
[0008]
The present invention has been made in view of the above reasons, and its purpose is to increase the B constant while reducing the 1 / f noise and the conductivity, resulting in a small size and a high S / N ratio. An object of the present invention is to provide a thin film thermistor and a method of manufacturing the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The invention of
[0010]
The invention of
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view of an infrared detecting element using a thin film thermistor of the present invention, and a dielectric film made of a SiO 2 / Si 3 N 4 film on the main surface and the back surface of a
[0012]
Hereinafter, the manufacturing method will be described.
First, the
[0013]
FIG. 2 shows a film forming apparatus composed of the plasma CVD apparatus used for forming the p-type a-SiC: H thin film. The
[0014]
In the present invention, in the
[0015]
In FIG. 3, the horizontal axis represents the mixing ratio of diborane to monosilane, and the vertical axis represents the activation energy Ea. In FIG. 3, ♦ indicates that the mixing ratio of methane to monosilane is 0.3, ▼ indicates 0.5, ■ indicates 1.0, ● indicates 1.7, and ▲ indicates 3. The case of 0 is shown. As is apparent from FIG. 3, the activation energy Ea decreases when the mixing ratio of the dopant gas to the source gas is increased. That is, the B constant decreases when the mixing ratio of the dopant gas to the source gas is increased. Moreover, the activation energy Ea increases by increasing the mixing ratio of methane to monosilane.
[0016]
The horizontal axis of FIG. 4 indicates the mixing ratio of diborane to monosilane, and the vertical axis indicates the conductivity σ. In FIG. 4, ▼ indicates a case where the mixing ratio of methane to monosilane is 0.5, ■ indicates 1.0, and Δ indicates 3.0. As is clear from FIG. 4, the conductivity σ increases as the mixing ratio of the dopant gas to the source gas (monosilane and methane) increases.
[0017]
In FIG. 5, the horizontal axis represents the mixing ratio of diborane to monosilane, and the vertical axis represents prefactor σ 0 * . In FIG. 5, ● indicates the case where the mixing ratio of methane to monosilane is 0.3, ▲ indicates 0.5, and Δ indicates 1. As is clear from FIG. 5, when the mixing ratio of the dopant gas to the source gas is increased, the prefactor σ 0 * generally shows a rising tendency. However, as apparent from FIGS. 4 and 5, from the viewpoint of increasing the conductivity σ and prefactor σ 0 * , it is desirable that the mixing ratio of methane to monosilane is not so high, and a desired B constant is obtained. Thus, it can be said that it is desirable to mix an appropriate amount of methane.
[0018]
In FIG. 6, the horizontal axis represents activation energy Ea, and the vertical axis represents 1 / f noise. In FIG. 6, ▲ indicates a case where the mixing ratio of diborane to monosilane is 0.25 vol%, ▪ indicates 1.0 vol%, and ● indicates 2.0 vol%. As is clear from FIG. 6, when compared with the same activation energy Ea, 1 / f noise decreases as the mixing ratio of the dopant gas to the source gas increases. Since the activation energy Ea is decreased as described above by increasing the mixing ratio of diborane to monosilane, the flow rate of methane is increased as a formation condition when viewed at the same activation energy Ea in FIG. . For example, when the mixing ratio is 0.25 vol% and the activation energy Ea is 0.42 eV, the flow rate of methane is 100 sccm, whereas the mixing ratio is 2.0% and the activation energy Ea is 0.42 eV. In this case, the flow rate of methane is increased to 170 sccm to 300 sccm.
[0019]
That is, as can be seen from FIG. 4 to FIG. 6, when the mixing ratio of the dopant gas to the source gas is increased, in other words, when the doping concentration is increased, the conductivity σ and the
[0020]
By the way, the reason why the mixed gas of monosilane and methane is used as the raw material gas is that the carbon is contained in the amorphous semiconductor thin film, so that the band gap Eg shown in FIG. is there. In FIG. 7, E C and E V indicate band ends (mobility ends), and E F indicates a Fermi level.
[0021]
However, as apparent from FIG. 4, from the viewpoint of increasing the conductivity σ, it is desirable that the mixing ratio of methane to monosilane is not so high, and an appropriate amount of methane is mixed so as to obtain a desired B constant. Is desirable.
However, increasing the doping concentration of the amorphous semiconductor thin film, an increase in dangling bonds in the film (dangling bonds), since the Fermi level E F is less likely to move to the mobility edge, reduction of B constant is suppressed The Although it is known that dangling bonds in the film are reduced by hydrogen dilution, it is possible to suppress a decrease in the B constant by suppressing the hydrogen dilution concentration.
[0022]
FIG. 8 shows IV characteristics of the
[0023]
In the embodiment described above, a mixed gas of monosilane and methane gas is used as the source gas, and diborane is used as the dopant gas. However, the source gas may be any other gas as long as it is a mixed gas of a silicon-containing gas and a carbon-containing gas. Combinations can be used. Various known materials can also be used for the dopant gas. When the
[0024]
【The invention's effect】
The invention of
[0025]
The invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an infrared detecting element using a thin film thermistor of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an apparatus for manufacturing an amorphous semiconductor thin film according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the mixing ratio of the dopant gas to the source gas and the activation energy in the embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the mixing ratio of the dopant gas to the source gas and the conductivity in the embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a mixing ratio of a dopant gas to a source gas and a prefactor in the embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between activation energy and 1 / f noise in the embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a density of states of an amorphous semiconductor thin film.
FIG. 8 is an IV characteristic diagram of the thin film thermistor in the embodiment.
[Explanation of symbols]
8
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