JP4110623B2 - Thin film thermistor device 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、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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film thermistor device including a plurality of temperature sensing parts and using a semiconductor thin film for each temperature sensing part, 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. In particular, it is known that a thermistor-type infrared detection element can obtain a high DC output and is suitable for miniaturization and high integration, and thermistors are widely used as temperature sensors for various devices. By the way, in order to detect the weak infrared rays radiated from the detection target with high accuracy, the infrared detection element is generally provided with at least two temperature sensing units, that is, an infrared detection unit and a temperature compensation unit. . Here, the temperature sensitive part of the small thermistor type infrared detecting element is formed of a polycrystalline material such as polycrystalline silicon. In thermistor-type infrared detection element, in order to increase the thermal response (to reduce the thermal time constant), it is desired to reduce the thermal capacity of the element, and the film thickness of the temperature sensitive part Is set to 0.1 μm to 1 μm.
[0003]
In addition, an infrared image sensor in which a number of thermistors are two-dimensionally arranged to detect the temperature distribution has been proposed. When this type of infrared image sensor is used, the temperature distribution can be handled in the same way as image information. become.
[0004]
A small thermistor element used for an infrared image sensor or the like cannot be manufactured by a conventional method of sintering a metal oxide, so a semiconductor thin film made of polycrystalline silicon is formed on a substrate by a CVD method, It is considered that this semiconductor thin film functions as a temperature sensitive part. Here, after the polycrystalline silicon is deposited at 600 ° C. or higher by a low pressure CVD method or the like, the dopant is activated by implanting the dopant with an ion implantation apparatus and further annealing at 1000 ° C. or higher.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-described infrared detection element, if the sensitivity (B constant) of the thermistor varies between the infrared detection unit and the temperature compensation unit, that is, if there is variation in sensitivity between the temperature sensing units, the compensation accuracy of the environmental temperature is increased. There is a problem that the temperature is lowered, and in the infrared image sensor, each temperature sensing part constitutes each pixel, and thus there is a problem that variations in sensitivity between the temperature sensing parts cause image noise.
[0006]
On the other hand, in each of the above conventional configurations, the temperature sensitive portion is made of polycrystalline silicon, but as described above, it is deposited at 600 ° C. or higher by the low pressure CVD method or the like, and the dopant is implanted by an ion implantation apparatus and annealed at 1000 ° C. or higher. The formed polycrystalline silicon is composed of crystal grains having a grain size of 1 μm to 3 μm, and crystal grains of various sizes gather to form a semiconductor thin film.
[0007]
Therefore, when the film thickness of the temperature sensitive part is reduced,
[0008]
The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a low-cost thin film thermistor device with small variations in sensitivity among a plurality of temperature sensing parts and a method for manufacturing the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The invention of
[0012]
The invention of
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
The thin film thermistor device of the present embodiment is an infrared image sensor, and a plurality of
[0016]
The configuration of each
[0017]
Hereinafter, a method for manufacturing the
[0018]
First, after forming a Si 3 N 4 film on each of the main surface and the back surface of the
[0019]
By the way, in the present embodiment, the polycrystalline silicon constituting the
[0020]
In short, as shown in FIG. 1, the present embodiment is characterized in that each
[0021]
In the present embodiment, doping is performed when the temperature-
[0022]
(Embodiment 2)
The basic configuration of the thin film thermistor device of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and is different in that the semiconductor thin film constituting the
[0023]
Therefore, in this embodiment, since the semiconductor thin film which comprises each
[0024]
In order to form the semiconductor thin film constituting the temperature
[0025]
Alternatively, an amorphous compound such as amorphous SiC (hereinafter referred to as a-SiC) may be formed as the
[0026]
(Reference example)
The basic configuration of the thin film thermistor device of the present reference example is substantially the same as that of the first embodiment, except that the semiconductor thin film constituting the
[0027]
In this reference example, since the temperature
[0028]
By the way, the mobility of the amorphous phase is about two orders of magnitude lower than that of the crystalline phase, and the various characteristics of the microcrystalline phase are determined by the volume ratio of the amorphous phase to the crystalline phase. By making it constant, the variation in sensitivity between the
[0029]
As for the conditions for forming microcrystalline silicon, FIG. 7 shows an example in which the SiH 4 gas / H 2 gas flow ratio and the high-frequency power are changed. FIG. 7 is May 1994 from Baifukan Co., Ltd. This is described on page 95 of “Amorphous Semiconductor” issued on the 20th. The substrate temperature is 350 ° C. and the pressure is 50 mTorr. In FIG. 7, the diameter of the open 3/4 circle represents the average grain size of the microcrystal grains contained in the produced film, and the area of the black 1/4 circle represents the volume fraction of the microcrystal. Represents. In the lower left of FIG. 7, the case of a particle size of 10 nm and a volume fraction of 100% is shown. In FIG. 7, A represents “amorphous”, which indicates that the film produced under this plasma condition was amorphous. That is, the film produced under the plasma conditions in the range surrounded by A in FIG. 7 is μc-Si: H. In order to form microcrystalline silicon, it is only necessary to increase the hydrogen dilution rate, lower the high-frequency power density, or increase the film formation temperature than the film formation conditions for amorphous silicon.
[0030]
In each of the above embodiments form state and the reference example, a thin film thermistor device has been described infrared image sensor, is not limited to the infrared image sensor, it is sufficient that comprises a plurality of temperature sensing portion, for example, The infrared detection element provided with two temperature sensing parts, such as an infrared detection part and a temperature compensation part as described in the conventional example, may be used.
[0031]
【The invention's effect】
The invention according to
[0034]
The invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a main part of a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the thin film thermistor of the above.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the above.
4 is an explanatory diagram of a main part of FIG. 3;
FIG. 5 is an explanatory diagram of a main part of the above.
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between sensitivity variation and temperature resolution.
FIG. 7 is an explanatory diagram of film formation conditions for microcrystalline silicon.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a main part of a conventional example.
[Explanation of symbols]
8 Temperature
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