JP3716606B2 - 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】
また、活性化エネルギEaは温度によって変化するので、この変化が大きいとprefactor σ0 が小さくなり、高いB定数と高い導電率を両立することが困難になるという問題があった。
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、上記目的を達成するために、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、フェルミレベルが温度の1次関数とした場合の比例係数がボルツマン定数の10倍以下であることを特徴とするものであり、フェルミレベルの温度依存性が小さく活性化エネルギの温度変化も小さいので、高い導電率のprefactor を得ることができ、高いB定数と高い導電率を両立することが可能となり、しかも1/fノイズが少なくなるから、結果的に小型でS/N比を向上させることができる。
【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であって、前記半導体抵抗層のバンドギャップ間に形成される準位の半値幅は、フェルミレベルが温度の1次関数とした場合の比例係数がボルツマン定数の10倍以下となる半値幅であることを特徴とするものであり、フェルミレベルの温度依存性が小さく活性化エネルギの温度変化も小さいので、高い導電率のprefactor を得ることができ、高いB定数と高い導電率を両立することが可能となり、しかも1/fノイズが少なくなるから、結果的に小型でS/N比を向上させることができる。
【0011】
請求項3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、フェルミレベルが温度の1次関数とした場合の比例係数がボルツマン定数の10倍以下となるように前記半導体抵抗層を形成することを特徴とし、フェルミレベルの温度依存性が小さくなり、活性化エネルギの温度変化が小さくなるので、高い導電率のprefactor が得られ、高いB定数と高い導電率が両立され、しかも1/fノイズが少なくなるから、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。
【0012】
【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。
【0013】
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。
【0014】
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によりたとえば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。
【0015】
なお、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3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。図3においてEC 及びEV はバンド端(移動度端)を、EF はフェルミレベルを、Eaは活性化エネルギを示す。
【0016】
図4ないし図6に、電極26bに印加する高周波電力に対する導電率σ、堆積速度、prefactor σ0 * 、活性化エネルギEaの変化を測定した結果を示す。
図4の横軸は高周波電力、左側の縦軸は導電率σ、右側の縦軸は堆積速度を示す。図4において○はガスの全流量を450sccm(各ガスの流量はSiH4 を50sccm 、CH4 を200sccm、H2 を150sccm、H2 希釈で濃度が0.5%のB2 H6 を50sccm)とした場合の導電率σ、●は全流量を900sccm(各ガスの流量はSiH4 を100sccm、CH4 を400sccm、H2 を300sccm、H2 希釈で濃度が0.5%のB2 H6 を100sccm)とした場合の導電率σ、△は全流量を450sccmとした場合の堆積速度、▲は全流量を900sccmとした場合の堆積速度を示す。図4より明らかなように、高周波電力の増加に伴って堆積速度は増加する一方で、導電率σは低下することが分かる。なお、高周波電力の増加に伴って堆積速度が増加するのは、高周波電力を大きくすることにより、チャンバ22内に導入されたガスの分解効率が高まるからである
図5の横軸は高周波電力、縦軸はprefactor σ0 * を示す。図5において●はモノシランの流量を25sccmとした場合の導電率、□は50sccmとした場合、●は100sccmとした場合、▲は200sccmとした場合を示す。図5より明らかなように、高周波電力の増加に伴ってprefactor σ0 * が増加する。
【0017】
図6の横軸は導電率σ、左側の縦軸は活性化エネルギEa、右側の縦軸はprefactor σ0 * を示す。図6において▲は高周波電力を20W(高周波電力密度を22mW/cm2 )とした場合の活性化エネルギEa、●は高周波電力を100W(高周波電力密度を110mW/cm2 )とした場合の活性化エネルギEa、△は高周波電力を20Wとした場合のprefactor σ0 * 、○は高周波電力を100Wとした場合のprefactor σ0 * を示す。なお、図6において各測定点の近傍の数字は原料ガスの流量比(CH4 /SiH4 )を示す。図6より明らかなように、高周波電力20W,100Wに関して同じ導電率σで比較すると高周波電力を増加させることにより活性化エネルギEa及びprefactor σ0 * が増加する。これは、高周波電力を大きくすることにより、チャンバ22内に導入されたガスの分解効率が高まるからである。
【0018】
つまり、図4ないし図6とを合わせて見ればわかるように、prefactor σ0 * を大きくする観点から言えば、高周波電力を高くすることが望ましいが、導電率を高くする観点から言えば、高周波電力をあまり高くしないことが望ましく、所定のB定数が得られるように高周波電力を設定するのが望ましいと言える。
また、高周波電力を大きくすることによりガスの分解効率が高まり、a−SiC:H薄膜中に取り込まれる不純物、例えば、CHX (X=1,2,3)などの未分解の結合種の量が減少するので、バンドギャップ中の不純物準位の半値幅が狭くなる。言い換えれば、バンドギャップ中の不純物準位の半値幅を狭くするには、原料ガスの分解効率を上げて、a−SiC:H薄膜中の未分解の結合種を減らす必要がある。
【0019】
ところで、上述のように活性化エネルギEaは、温度により変化し、0Kでの活性化エネルギをEa0 とすると次の近似式で表されることが知られている。
Ea=Ea0 +γT
ただし、γは活性化エネルギEaの温度変化の係数、Tは絶対温度である。したがって、上述の導電率σ=σ0 exp(−Ea/kT)は次式で表される。
σ=σ0 exp(−γ/k)exp(−Ea0 /kT)=σ0 * exp(−Ea0 /kT)
ただし、σ0 は導電率のpre-exponential factor、kはボルツマン定数、σ0 * は測定されるprefactor である。
また、γは、
γ=γF +γG +γT
で近似される。ただし、γF は、フェルミレベルEF が温度の1次関数とした場合の比例係数、γG はバンドギャップEgが温度の1次関数とした場合の比例係数、γT は伝導エネルギEtrが温度の1次関数とした場合の比例係数である。ここに、不純物を含んだアモルファス半導体薄膜の場合、γG ,γT は大きな値をとれないが、γF は膜の状態で様々な値をとることができる。例えば、アモルファス半導体薄膜が熱平衡状態にあるとき(例えばp形a−Siでは80℃以上のとき)、γF は非常に小さな値になる。これは、フェルミレベルEF の状態関数によるstaticical shift(フェルミレベルEF の温度依存性)が構造緩和によって打ち消されるからである。しかし、凍結状態では(例えばp形a−Siでは80℃未満のとき)、構造緩和が起こらないので、γF は大きな値をとることができる。したがって、凍結状態での活性化エネルギEaの温度による変化は、主にフェルミレベルEF の変動が原因となる。
【0020】
また、pre-exponential factorσ0 の値は約200であることが知られており、例えばγが10kとすると、
σ0 * =σ0 exp(−γ/k)=0.01
となる。発明者らの実験ではσ0 * =σ0 exp(−γ/k)=1以上のアモルファス半導体薄膜(p形a−SiC:H薄膜)が得られており、σ0 * =1のときのγを見積もると、γ=5.3kとなる。つまり、γを10kから5.3kに下げることによって、同じ活性化エネルギEaでありながら、導電率を2桁も上げることができる。つまり、γを10kから5.3kに下げることによって、抵抗値がより低く感度の高い薄膜サーミスタが得られるのである。なお、本実施形態では、prefactor σ0 * の値としては、従来の薄膜サーミスタに比べて大きな0.01以上とすることが望ましい。言い換えれば、B定数を大きくしながらも導電率σを大きくするには、フェルミレベルEF の温度係数を10k以下とすることが望ましい。要するに、本発明では、prefactor σ0 * を大きくすることにより、B定数の低下を抑制し且つ導電率σを高くするのである。また、導電率σが高くなるのは、膜中のキャリア濃度が高くなることによるので、キャリア濃度が高くなることにより、1/fノイズは低減される。しかして、結果的に小型でS/N比を向上させた薄膜サーミスタを実現することが可能になる。
【0021】
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。
【0022】
【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、フェルミレベルが温度の1次関数とした場合の比例係数がボルツマン定数の10倍以下なので、フェルミレベルの温度依存性が小さく活性化エネルギの温度変化も小さいから、高い導電率のprefactor を得ることができ、高いB定数と高い導電率を両立することが可能となり、しかも1/fノイズが少なくなるから、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。
【0023】
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であって、前記半導体抵抗層のバンドギャップ間に形成される準位の半値幅は、フェルミレベルが温度の1次関数とした場合の比例係数がボルツマン定数の10倍以下となる半値幅なので、フェルミレベルの温度依存性が小さく活性化エネルギの温度変化も小さいから、高い導電率のprefactor を得ることができ、高いB定数と高い導電率を両立することが可能となり、しかも1/fノイズが少なくなるから、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。
【0024】
請求項3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、フェルミレベルが温度の1次関数とした場合の比例係数がボルツマン定数の10倍以下となるように前記半導体抵抗層を形成するので、フェルミレベルの温度依存性が小さくなり、活性化エネルギの温度変化が小さくなって高い導電率のprefactor が得られ、高いB定数と高い導電率が両立され、しかも1/fノイズが少なくなるから、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】アモルファス半導体薄膜の状態密度の説明図である。
【図4】実施形態におけるアモルファス半導体薄膜の形成時の高周波電力に対する導電率および堆積速度の関係を示す図である。
【図5】実施形態におけるアモルファス半導体薄膜の形成時の高周波電力に対するプリファクタ(prefactor )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、導電率、prefactor の高周波電力依存性を示す図である。
【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]
Further, since the activation energy Ea changes with temperature, there is a problem that if this change is large, the prefactor σ 0 becomes small, making it difficult to achieve both a high B constant and high conductivity.
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]
In order to achieve the above object, the invention of
[0010]
The invention according to
[0011]
The invention of
[0012]
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
[0013]
Hereinafter, the manufacturing method will be described.
First, the
[0014]
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
[0015]
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. 3, E C and E V indicate band ends (mobility ends), E F indicates Fermi level, and Ea indicates activation energy.
[0016]
FIGS. 4 to 6 show the results of measuring changes in the conductivity σ, the deposition rate, the prefactor σ 0 * , and the activation energy Ea with respect to the high frequency power applied to the
In FIG. 4, the horizontal axis represents high-frequency power, the left vertical axis represents conductivity σ, and the right vertical axis represents deposition rate. 450sccm all flow ○ gas 4 (the flow rate of each gas is 50 sccm of SiH 4, 200 sccm of CH 4, the H 2 150 sccm, 50 sccm of B 2 H 6 concentrations of 0.5% with H 2 dilution) and then the conductivity of if sigma, ● the flow rate of the total flow 900 sccm (the gas 100sccm the SiH 4, 400 sccm of CH 4, 300 sccm of H 2, the concentration of H 2 dilution of 0.5% B 2 H 6 Is a deposition rate when the total flow rate is 450 sccm, and ▲ is a deposition rate when the total flow rate is 900 sccm. As can be seen from FIG. 4, the deposition rate increases as the high frequency power increases, while the conductivity σ decreases. The reason why the deposition rate increases with the increase of the high frequency power is that the decomposition efficiency of the gas introduced into the
[0017]
In FIG. 6, the horizontal axis represents conductivity σ, the left vertical axis represents activation energy Ea, and the right vertical axis represents prefactor σ 0 * . In FIG. 6, ▲ indicates activation energy Ea when the high frequency power is 20 W (high frequency power density is 22 mW / cm 2 ), and ● indicates activation when the high frequency power is 100 W (high frequency power density is 110 mW / cm 2 ). Energy Ea, Δ indicates prefactor σ 0 * when the high-frequency power is 20 W, and ◯ indicates prefactor σ 0 * when the high-frequency power is 100 W. In FIG. 6, the numbers in the vicinity of each measurement point indicate the flow rate ratio (CH 4 / SiH 4 ) of the source gas. As apparent from FIG. 6, when the high-frequency powers 20W and 100W are compared with the same conductivity σ, the activation energy Ea and the prefactor σ 0 * are increased by increasing the high-frequency power. This is because the decomposition efficiency of the gas introduced into the
[0018]
That is, as can be seen from FIGS. 4 to 6 together, it is desirable to increase the high frequency power from the viewpoint of increasing the prefactor σ 0 * , but from the viewpoint of increasing the conductivity, the high frequency It can be said that it is desirable not to increase the power too much, and it is desirable to set the high-frequency power so that a predetermined B constant can be obtained.
In addition, the efficiency of gas decomposition is increased by increasing the high-frequency power, and the amount of undecomposed bond species such as impurities incorporated into the a-SiC: H thin film, for example, CH X (X = 1, 2, 3). Therefore, the half width of the impurity level in the band gap becomes narrow. In other words, in order to narrow the half width of the impurity level in the band gap, it is necessary to increase the decomposition efficiency of the source gas and reduce the undecomposed bond species in the a-SiC: H thin film.
[0019]
Incidentally, as described above, it is known that the activation energy Ea varies depending on the temperature, and is represented by the following approximate expression when the activation energy at 0 K is Ea 0 .
Ea = Ea 0 + γT
Where γ is a coefficient of temperature change of the activation energy Ea, and T is an absolute temperature. Therefore, the above-described conductivity σ = σ 0 exp (−Ea / kT) is expressed by the following equation.
σ = σ 0 exp (−γ / k) exp (−Ea 0 / kT) = σ 0 * exp (−Ea 0 / kT)
Here, σ 0 is a pre-exponential factor of conductivity, k is a Boltzmann constant, and σ 0 * is a measured prefactor.
Γ is
γ = γ F + γ G + γ T
Is approximated by However, gamma F is proportional coefficient when the Fermi level E F is a linear function of temperature, gamma G is a proportionality coefficient when the band gap Eg is the primary function of the temperature, gamma T conduction energy Etr temperature Is a proportionality coefficient in the case of a linear function. Here, in the case of an amorphous semiconductor thin film containing impurities, γ G and γ T cannot take large values, but γ F can take various values depending on the state of the film. For example, when the amorphous semiconductor thin film is in a thermal equilibrium state (for example, at 80 ° C. or higher for p-type a-Si), γ F takes a very small value. This is because staticical by the state function of the Fermi level E F Shift (temperature dependence of the Fermi level E F) is canceled by the structural relaxation. However, in a frozen state (for example, when the temperature is less than 80 ° C. for p-type a-Si), structural relaxation does not occur, and γ F can take a large value. Therefore, the change due to the temperature of the activation energy Ea in the frozen state are mainly variation of the Fermi level E F causes.
[0020]
Further, it is known that the value of the pre-exponential factor σ 0 is about 200. For example, when γ is 10 k,
σ 0 * = σ 0 exp (−γ / k) = 0.01
It becomes. In the experiments of the inventors, an amorphous semiconductor thin film (p-type a-SiC: H thin film) having σ 0 * = σ 0 exp (−γ / k) = 1 or more is obtained, and when σ 0 * = 1. When γ is estimated, γ = 5.3k. That is, by reducing γ from 10 k to 5.3 k, the conductivity can be increased by two orders of magnitude with the same activation energy Ea. That is, by reducing γ from 10 k to 5.3 k, a thin film thermistor having a lower resistance value and higher sensitivity can be obtained. In the present embodiment, the value of prefactor σ 0 * is desirably 0.01 or more, which is larger than that of a conventional thin film thermistor. In other words, to increase the conductivity σ while increasing the B constant, it is desirable that the temperature coefficient of the Fermi level E F and 10k or less. In short, in the present invention, by increasing the prefactor σ 0 * , the decrease of the B constant is suppressed and the conductivity σ is increased. Also, the increase in the conductivity σ is due to the increase in the carrier concentration in the film, so that the 1 / f noise is reduced by increasing the carrier concentration. As a result, it is possible to realize a thin film thermistor having a small size and an improved S / N ratio.
[0021]
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
[0022]
【The invention's effect】
The invention of
[0023]
The invention according to
[0024]
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 an explanatory diagram of a density of states of an amorphous semiconductor thin film.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between conductivity and deposition rate with respect to high-frequency power when an amorphous semiconductor thin film is formed in the embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a prefactor relationship with respect to high-frequency power when an amorphous semiconductor thin film is formed in the embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating high-frequency power dependency of activation energy, conductivity, and prefactor in the embodiment.
[Explanation of symbols]
8
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