JP5110107B2 - 温度センサ及び温度センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度センサ及び温度センサの製造方法に関するものである。

従来、温度によって物理量を検出するセンサの一例として特許文献１に示される温度センサ構造体がある。

特許文献１に示される温度センサ構造体は、基体と、基体によって担持され且つ温度に依存している抵抗を有するサーミスタ層と、そのサーミスタ層の第一の面にある第一の電気接触層及びサーミスタ層の第二の面にある第二の電気接触層とを有するものである。また、サーミスタ層は、交互に設けられた井戸層と障壁層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）からなる量子井戸構造体を含むものである。

特許３５７３７５４号公報

ところで、量子井戸構造体を用いた温度センサの感度を向上させるには、量子井戸構造体の抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient of Resistance）の値を大きくさせることが必要である。

この量子井戸構造体のＴＣＲは次式で表される。
ＴＣＲ＝−１／ｋ_ＢＴ^２×（３ｋ_ＢＴ／２＋Ｖ−Ｅ_ｆ）
ｋ_Ｂ：ボルツマン定数、Ｔ［Ｋ］:絶対温度、Ｖ（＝Ｅ_Ｂ−Ｅ_Ｗ）:障壁エネルギー、Ｅ_Ｂ:障壁層の価電子帯の頂上（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_Ｗ:井戸層の価電子帯の頂上（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_ｆ:フェルミエネルギー
ここで井戸層がｐ型にドープされているときは、Ｅ_Ｂ、Ｅ_Ｗはそれぞれ価電子帯の頂上を意味し、井戸層がｎ型にドープされているときは、Ｅ_Ｂ、Ｅ_Ｗはそれぞれ伝導帯の底を意味する。

この式に示されるように、｜ＴＣＲ｜の値を大きくするためには、障壁高さ（Ｖ）を大きくするか、フェルミエネルギー（Ｅ_ｆ）を小さくするしかない。

ところで、量子井戸構造体を用いた温度センサは、ＣＭＯＳプロセスで製造すれば、容易に回路を一体形成できノイズを抑制できる、既存の半導体工場で製造できるため製造コストを安価にできる等の利点があり、有利である。そこで、量子井戸構造体を構成する材料（障壁層、井戸層の材料）の一例として、ＳｉＧｅ／Ｓｉを採用した場合について説明する。ただし、他の材料系に対しても同じ議論は適用できる。

このようにＳｉＧｅ／Ｓｉの材料系では、一般的にｐ型にドープされたＳｉＧｅとノンドープのＳｉで量子井戸を構成する。これは、この系では価電子帯の障壁高さの方が伝導体の障壁高さよりも大きいからである。なお、図１３に示すように、価電子帯の障壁高さＶは、ＳｉＧｅ中のＧｅ組成比をｘとするとＶ＝０．８４ｘ［ｅＶ］と書き表せる。従って、ＳｉＧｅ中のＧｅ組成比が高ければ高いほど、障壁高さが高く、｜ＴＣＲ｜も高いことになって有利である。

しかし、Ｓｉ上のＳｉＧｅのエピタキシャル成長においては、臨界膜厚が存在するため、Ｇｅ組成比を自由に高めることができるわけではない。これは、臨界膜厚以上になると、ＳｉＧｅ中の歪を緩和するため、結晶欠陥が生じるためである。

図１４に示すように、ＳｉＧｅの臨界膜厚に関しては、二通りの理論が知られている。本実施の形態に示すＱＷ構造部５０を備える温度センサ１００（量子井戸型の赤外線検知器）に適したＳｉＧｅ膜厚は１００Å程度である。従って、結晶欠陥を生じることなく成長できるＧｅの組成は、０．２４（Matthewsらの理論）または０．５６(Peopleらの理論)となり、いずれにしても、Ｇｅ組成比の高い膜は形成できない。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、量子井戸構造体を含む温度センサにおいて、結晶欠陥の発生を抑制しつつ、感度を向上させることを目的とする。また、このような温度センサ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に請求項１に記載の温度センサは、
複数の元素から構成された半導体基板と、
半導体基板上に形成されるものであり、半導体基板と同じ元素から構成された複数の半導体層からなる、温度の変化によって抵抗値が変化する量子井戸構造部と、を備え、
量子井戸構造部を構成する複数の半導体層は、複数の量子障壁層と、この複数の量子障壁層に挟まれた量子井戸層とを構成するものであり、
半導体基板、量子障壁層、量子井戸層は、ＳｉＧｅからなり、
半導体基板、量子障壁層、量子井戸層は、半導体基板の格子定数をａ、量子障壁層の格子定数をｂ、量子井戸層の格子定数をｃとした場合、ｂ＜ａ＜ｃを満たし、且つ、量子障壁層におけるＧｅの組成比が半導体基板におけるＧｅの組成比より小さく、量子井戸層におけるＧｅの組成比が半導体基板におけるＧｅの組成比より大きく、
量子井戸層は、４０Å以上で臨界膜厚以下の膜厚であることを特徴とするものである。

このようにすることによって、半導体基板に対して、エピタキシャル成長によって形成された量子障壁層及び量子井戸層を含む構成では、結晶欠陥を抑制しつつ、量子障壁層と量子井戸層における格子不整を上下（＋側と−側）に生じさせることができる。このように、格子不整を上下（＋側と−側）に生じさせることができることによって、従来のように格子不整が一方のみに生じる場合に比べて、格子不整の絶対値を大きくすることなく、量子障壁層と量子井戸層とのエネルギー差（障壁高さ）を高くすることができる。よって、結晶欠陥の発生を抑制しつつ、｜ＴＣＲ｜の値を大きくすることができ、感度を向上させることができる。

なお、このように、半導体基板、量子障壁層、量子井戸層として、ＳｉＧｅを採用した場合は、量子障壁層の格子定数が半導体基板の格子定数より小さく、かつ、量子井戸層の格子定数が半導体基板の格子定数より大きくする。

ＳｉＧｅは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）と互換性がある材料である。従って、このようにすることによって、容易に回路を一体形成できノイズを抑制でき、さらに、既存の半導体工場で製造できるため製造コストを安価にすることができる。

また、半導体基板、量子障壁層、量子井戸層は、量子障壁層におけるＧｅの組成比が半導体基板におけるＧｅの組成比より小さく、量子井戸層におけるＧｅの組成比が半導体基板におけるＧｅの組成比より大きくなるようにする。

このようにすることによって、Ｇｅの組成比を半導体基板よりも高くすることと、低くすることの両方が可能となる。よって、従来のように半導体基板よりも高くすることか、低くするかの一方しかできない場合に比べて、量子障壁層と量子井戸層とのエネルギー差（障壁高さ）を高くすることができる。

また、量子井戸層は、膜厚が４０Å以上で臨界膜厚以下の膜厚とすることによって、結晶欠陥が発生しないので、温度センサのノイズを小さくすることができる。結果として比検出能を大きくすることができる。また、｜ＴＣＲ｜の値を大きくすることができるので好ましい。

また、請求項２に示すように、量子井戸構造部は、メンブレン上に形成されるようにしてもよい。

このようにすることによって、熱コンダクタンスを小さくすることができるため、感度を向上させることができる。つまり、量子井戸構造部からの熱の逃げを小さくできるので、比検出能を大きくすることができる。

上記目的を達成するために請求項３に記載の温度センサの製造方法は、
複数の元素から構成された半導体基板と、
半導体基板上に形成されるものであり、半導体基板と同じ元素から構成された複数の半導体層からなる、温度の変化によって抵抗値が変化する量子井戸構造部と、を備え、
量子井戸構造部を構成する複数の半導体層は、複数の量子障壁層と、この複数の量子障壁層に挟まれた量子井戸層とを構成し、
半導体基板、量子障壁層、量子井戸層がＳｉＧｅからなる温度センサの製造方法であって、
半導体基板の格子定数をａ、量子障壁層の格子定数をｂ、量子井戸層の格子定数をｃとした場合、ｂ＜ａ＜ｃを満たし、且つ、半導体基板におけるＧｅの組成比に対して、Ｇｅの組成比が小さい半導体層を量子障壁層とし、Ｇｅの組成比が大きい半導体層を量子井戸層として半導体基板上にエピタキシャル成長することによって、量子井戸構造部を形成する量子井戸構造部形成工程を備え、
量子井戸構造部形成工程では、量子井戸層の膜厚を４０Å以上で臨界膜厚以下にすることを特徴とするものである。

このようにすることによって、量子障壁層と量子井戸層とのエネルギー差（障壁高さ）が大きい温度センサを製造することができる。つまり、より高感度な温度センサを製造することができる。

また、請求項４に示すように、半導体基板上における量子井戸構造部の形成位置に対応する開口部を有するマスクを半導体基板上に形成するマスク形成工程を備え、量子井戸構造部形成工程では、この開口部から半導体基板上に量子障壁層、量子井戸層を選択的にエピタキシャル成長するようにしてもよい。

このようにすることによって、量子障壁層、量子井戸層をエッチングしてパターニングする必要がなくなる。量子障壁層、量子井戸層をエッチングすることがなくなれば、オーバーエッチによって基板厚さが減少したり、基板が全てエッチング除去されてしまうのを防ぐことができる。通常、基板としてはＳＧＯＩ基板の活性層のように厚さの薄いものを用いることが多い。この活性層を用いて、量子井戸構造部の下部電極の電位を半導体基板における量子井戸構造部の別の位置から電極を取り出す構造となっている。従って、この活性層がオーバーエッチにより、厚さが減少したり完全にエッチング除去されたりすれば、抵抗値が増加したり、無限大になったりして、下部電極の電位が正しく測定できなくなる。従って、請求項１０の方法により上記した問題を防ぐことができる。

また、請求項５に示すように、半導体基板は、支持基板上に絶縁膜を介して形成されるものであり、支持基板における量子井戸構造部の下部に位置する部位を、絶縁膜をエッチストップ層としてエッチングしてメンブレンを形成するメンブレン形成工程を備えるようにしてもよい。

このようにすることによって、熱コンダクタンスを小さくすることができるため、感度が向上した温度センサを製造することができる。つまり、量子井戸構造部からの熱の逃げを小さくできるため、比検出能が大きい温度センサを製造することができる。

本発明の実施の形態における温度センサ１００の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態における温度センサ１００のＱＷ構造部５０の概略構成を示す断面図である。 障壁層５０ａ、５０ｃと井戸層５０ｂにおけるＧｅ組成の差に対するＴＣＲの向上の様子を示すグラフである。 第１量子順位（ｅＶ）と井戸層５０ｂの膜厚（Å）との関係を示すグラフである。 ｜ＴＣＲ｜（％/℃）と井戸層５０ｂの膜厚（Å）との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、ＳＧＯＩ基板の準備工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、酸化膜４０のパターニング工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、ＱＷ構造部５０の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、ＱＷ構造部５０の拡大断面図である。 本発明の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、ＳｉＧｅ層３２層形成工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、酸化膜６０の形成工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、電極形成工程を示す断面図である。 ＳｉＧｅにおけるＧｅ組成比とエネルギーとの関係を示すグラフである。 ＳｉＧｅにおけるＧｅ組成比、膜厚、格子不整の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

本実施の形態における温度センサ１００は、ＱＷ構造部５０の温度の変化による電流変化を検出するものであり、特に赤外線センサに適用して好適なものである。換言すると、温度の変化によって抵抗値が変化する検出部であるＱＷ構造部（Quantum well構造部、本発明の量子井戸構造部に相当）５０を備えた温度センサである。また、温度センサ１００は、量子井戸型の赤外線検知器とも換言することができる。なお、本実施の形態における温度センサ１００は、｜ＴＣＲ｜が大きいため、赤外線の検出に適用することによって、非常に高感度に赤外線を検出することができるので好ましい。

図１に示されるように、本実施の形態における温度センサ１００は、本発明の支持基板に相当する、基板（例えば、シリコン基板であり、以下、Ｓｉ基板とも称する）１０をベースに形成されている。このＳｉ基板１０には、開口部１１が形成されており、この開口部１１が形成された部位においてメンブレンが構成される。

開口部１１は、Ｓｉ基板１０の表面と裏面を貫通するように形成されている。具体的には、開口部１１は、Ｓｉ基板１０の裏面側から表面に向かって開口面積が狭くなるように構成されている。

また、Ｓｉ基板１０の表面上には、絶縁膜（例えば、ＳｉＯ_２などの酸化膜、以下、酸化膜とも称する）２０が形成されている。なお、上述のメンブレンは、酸化膜２０における開口部１１上の部分である。また、酸化膜２０の表面には、本発明における半導体基板に相当するものであり、ＳｉＧｅ層３１がパターニングされて形成されている。なお、ＳｉＧｅ層３１は、複数の元素から構成された半導体層であればよく、本実施の形態では、一例として、単結晶のＳｉＧｅ（Ｇｅ＝５０％，p^＋、Ｂドープ、濃度１Ｅ２０ｃｍ^−３）を採用している。なお、本明細書中では、本発明における半導体基板とは、通常のＳｉ基板、Ｇｅ基板等以外に、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板、ＧＯＩ(Germanium On Insulator)基板、ＳＧＯＩ(Silicon Germanium On Insulator)基板等の活性層も含めて、半導体基板と呼ぶ。

このように構成されたＳｉ基板１０と酸化膜２０およびＳｉＧｅ層３１は、Ｓｉ基板１０を支持基板、酸化膜２０を埋め込み層、ＳｉＧｅ層３１をＳＧＯＩ（ＳｉＧｅ on insulator）層（活性層）とするＳＧＯＩ基板を用いて形成されたものである。なお、このＳｉＧｅ層３１は、ＳＯＩ（silicon germanium on insulator）基板におけるＳｉ層に相当するものである。

さらに、ＳｉＧｅ層３１は、酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２）４０によって覆われ、この酸化膜４０の所定部位に形成された開口部（コンタクト用の開口部であり、開口部６２と連通する。図１０参照）を通じて、例えば、アルミニウムなどで構成された電極７２に電気的に接続されている。また、ＳｉＧｅ層３１は、酸化膜４０の所定部位に形成された開口部４１（検出部用の開口部であり、図６参照）が形成されることによって露出した表面にＱＷ構造部５０が形成されている。なお、ＱＷ構造部５０の表面（ＳｉＧｅ層３１と接する面の反対面）には、上述のＳｉＧｅ層３１と同様のＳｉＧｅ層３２（ここでは、ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝５０％，ｐ^＋、Ｂドープ））が形成されている。そして、ＳｉＧｅ層３２は、例えば、アルミニウムなどで構成された電極７１に電気的に接続されている。なお、このＳｉＧｅ層３１及びＱＷ構造部５０に関しては、後ほど詳しく説明する。

また、酸化膜２０、ＳｉＧｅ層３２、酸化膜４０、ＱＷ構造部５０を覆うように酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２）６０が形成され、ＱＷ構造部５０が保護されている。この酸化膜６０は、ＳｉＧｅ層３１、ＱＷ構造部５０、ＳｉＧｅ層３２を積層した厚みよりも厚く形成されており、酸化膜４０に形成された開口部やＳｉＧｅ層３２に対応する部位に、電極７１、７２が配置される開口部６１、６２が形成されている（図１０参照）。なお、電極７１、７２は、ＳｉＧｅ層３１，３２から酸化膜４０の開口部（電極７２の場合）、酸化膜６０の開口部６１，６２、及び酸化膜６０の表面（酸化膜２０と接する面の反対面）に形成される。

この酸化膜６０に形成された電極７１、７２の表面には、窒化膜（ＳｉＮ）８１が形成されている。この窒化膜８１は、電極７１、７２におけるパッド部を構成するための開口部８１ａ、８１ｂが形成されている。温度センサ１００は、この開口部８１ａ、８１ｂを通じてパッド部に対してワイヤボンディングなどがなされることで、外部に備えられる処理回路（図示省略）に電気的に接続されるようになっている。また、窒化膜８１におけるＱＷ構造部５０に対応する位置には、カーボンペーストなどからなる赤外線吸収膜９０が形成されている。

そして、Ｓｉ基板１０における裏面側には、窒化膜（ＰＥ−ＳｉＮ）８２が形成されている。この窒化膜８２には開口部８２ａが形成されており、この開口部８２ａに連通してＳｉ基板１０の開口部１１が形成されている。

このような構成の温度センサ１００においては、上部から入射した赤外線を赤外線吸収膜９０で吸収する。この赤外線の吸収によって、メンブレンの温度が上昇する。２つの電極７１、７２に直流電圧を与え、ＱＷ構造部５０を流れる電流変化で上昇した温度を検出する。なお、このように量子井戸構造体を用いた温度センサ１００の感度を向上させるには、量子井戸構造体の抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient of Resistance）の値を大きくさせることが必要である。この量子井戸構造体のＴＣＲは次式で表される。

ＴＣＲ＝−１／ｋ_ＢＴ^２×（３ｋ_ＢＴ／２＋Ｖ−Ｅ_ｆ）
ｋ_Ｂ：ボルツマン定数、Ｔ［Ｋ］:絶対温度、Ｖ（＝Ｅ_Ｂ−Ｅ_Ｗ）:障壁エネルギー、Ｅ_Ｂ:障壁層の価電子帯の頂上（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_Ｗ:井戸層の価電子帯の頂上（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_ｆ:フェルミエネルギー
ここで井戸層がｐ型にドープされているときは、Ｅ_Ｂ、Ｅ_Ｗはそれぞれ価電子帯の頂上を意味し、井戸層がｎ型にドープされているときは、Ｅ_Ｂ、Ｅ_Ｗはそれぞれ伝導帯の底を意味する。

この式に示されるように、｜ＴＣＲ｜の値を大きくするためには、障壁高さ（Ｖ）を大きくするか、フェルミエネルギー（Ｅ_ｆ）を小さくするしかない。

ここで、図６から図１２を用いて、この温度センサ１００の製造方法に関して説明する。

まず、図６に示すように、Ｓｉ基板（支持基板）１０、酸化膜（絶縁膜）２０（例えば、膜厚１μｍ）、ＳｉＧｅ層（活性層）３１からなるＳＧＯＩ基板を準備する。なお、ここでは、ＳｉＧｅ層３１は、上述のように、単結晶のＳｉＧｅであり、Ｇｅ＝５０％、ｐ型、濃度１Ｅ２０ｃｍ^−３、Ｂドープを一例として採用する。

次に、図７に示すように、ＱＷ構造部５０に対応するＳｉＧｅ層３１に達する開口部４１を有する酸化膜（マスク）４０を形成する（マスク形成工程）。換言すると、ＳｉＧｅ層３１の表面に形成されるものであり、ＱＷ構造部５０を形成する位置に、ＳｉＧｅ層３１まで達する開口部４１を有する酸化膜（マスク）４０を形成する。具体的には、少なくとも検出部５０及び電極７２が電気的に接続される部位を残してＳｉＧｅ層３１をパターニングする。その後、ＰＥ−ＣＶＤ、ＬＰ−ＣＶＤなどによって、ＳｉＧｅ層３１の表面に酸化膜４０（例えばＳｉＯ_２など）を形成する。そして、その酸化膜４０をパターニングして、ＱＷ構造部５０を形成する領域に開口部４１を形成する。

次に、図８に示すように、開口部４１に対して、ＱＷ構造部５０を構成する各層を選択的に成膜（選択エピ成長）する（量子井戸構造部形成工程）。つまり、開口部４１によって露出したＳｉＧｅ層３１の表面に、ＱＷ構造部５０を構成する各層を選択的にエピタキシャル成長することによって成膜する。具体的には、図９に示すように、開口部４１にて露出したＳｉＧｅ層３１上に、ＱＷ構造部５０を構成する障壁層５０ａ（本発明の量子障壁層に相当する）、井戸層５０ｂ（本発明の量子井戸層に相当する）、障壁層５０ｃ（本発明の量子障壁層に相当する）を、ＳｉＧｅ層３１側からこの順番で成長させる。つまり、障壁層５０ａを構成する、例えば単結晶のＳｉＧｅ（Ｇｅ＝２０％，ノンドープ）、井戸層５０ｂを構成する、例えば単結晶のＳｉＧｅ（Ｇｅ＝８０％，ｐ、Ｂドープ）、障壁層５０ｃを構成する、例えば単結晶のＳｉＧｅ（Ｇｅ＝２０％，ノンドープ）を、この順番で成長させる。このようにすることによって、結晶欠陥を発生させることなく、｜ＴＣＲ｜の値が大きく、感度を向上させることができる温度センサ１００を簡易なプロセスで製造することができる。

次に、図１０に示すように、ＱＷ構造部５０の表面（上面、ＳｉＧｅ層３１と対向する面の反対面）にＳｉＧｅ（Ｇｅ＝５０％、ｐ^＋、Ｂドープ）層３２を形成する。そして、図１１に示すように、酸化膜６０を成膜する。そして、その酸化膜６０と酸化膜４０をパターニングして、電極７１、７２を形成するための開口部６１、６２を形成することによってＳｉＧｅ層３１、ＳｉＧｅ層３２を部分的に露出させる。

次に、図１２に示すように、上述の工程で形成した開口部６１、６２が形成された酸化膜６０上に電極７１、７２を構成する例えばアルミニウムを成膜する。そして、成膜した電極７１、７２を構成する材料をパターニングして、電極７１、７２を形成する。これによって、電極７１、７２は、開口部６１、６２、及び酸化膜６０の表面（上面）に形成され、ＳｉＧｅ層３１、３２に電気的に接続する。その後、酸化膜６０の表面（上面）に形成された電極７１、７２上に窒化膜（ＳｉＮ）８１を成膜して、この窒化膜８１をパターニングして電極７１、７２におけるパッド部を構成するための開口部８１ａ、８１ｂを形成する。さらに、Ｓｉ基板１０の裏面を研削・研磨して、窒化膜（ＰＥ−ＳｉＮ）８２を成膜する。

その後、ＱＷ構造部５０がメンブレン上に配置されるようにするために、Ｓｉ基板１０及び窒化膜８２に開口部１１、開口部８２ａを形成する。具体的には、ＳＧＯＩ基板の埋め込み層である酸化膜２０をエッチストップ層として、Ｓｉ基板１０の裏面から窒化膜８２及びＳｉ基板１０をウェットエッチングして開口部１１，８２ｂを形成する。つまり、このように、Ｓｉ基板１０の裏面から窒化膜８２及びＳｉ基板１０をウェットエッチングしてメンブレンを形成する（メンブレン形成工程）。そして、窒化膜８１におけるＱＷ構造部５０に対応する位置に、カーボンペーストなどからなる赤外線吸収膜９０を形成する。

なお、本実施の形態の温度センサ１００のような量子井戸型の赤外線検知器は、ＣＭＯＳプロセスで製造すれば、容易に回路を一体形成できノイズを抑制できる、既存の半導体工場で製造できるため製造コストを安価にできる等の利点があり有利である。

ここで、本発明の特徴部分であるＱＷ構造部５０とＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板であるＳｉＧｅ層３１に関して説明する。図１に示すように、本実施の形態における温度センサ１００のＱＷ構造部５０は、ＳｉＧｅ層３１の表面に設けられるものであり、Ｓｉ基板１０に開口部１１を設けることによって形成されたメンブレン上に設けられる。つまり、本発明の温度センサ１００においては、ＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板として、Ｓｉ基板（Ｓｉ層）ではなく、ＳｉＧｅ基板（ＳｉＧｅ層３１）を用いる。よって、このＳｉＧｅ層３１は、ＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板と換言することもできる。なお、ＱＷ構造部５０をメンブレン上に設けることによって、熱コンダクタンスを小さくすることができるため感度を向上させることができる。

ＱＷ構造部５０は、複数（本実施の形態では二つ）の障壁層（本発明の量子障壁層に相当する）と、この障壁層に挟まれた井戸層（本発明の量子井戸層に相当する）とを備える。つまり、図２に示すように、障壁層５０ａ及び障壁層５０ｃと、この障壁層５０ａ及び障壁層５０ｃに挟まれた井戸層５０ｂとを備える。換言すると、障壁層５０ａ、５０ｃ、井戸層５０ｂは、ＳＧＯＩ基板のＳｉＧｅ層３１の表面に垂直な方向に、障壁層５０ａ、井戸層５０ｂ、障壁層５０ｃの順番で積層されている。

また、障壁層５０ａ、５０ｃは、井戸層５０ｂを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが大きな材料によって構成される。よって、井戸層５０ｂは、障壁層５０ａ、５０ｃを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが小さな材料によって構成される。

また、換言すると、障壁層５０ａ、５０ｃは、ＳｉＧｅ層３１上に形成されるものであり、このＳｉＧｅ層３１と同じ元素から構成された複数の半導体層からなる、温度の変化によって抵抗値が変化するＱＷ構造部５０を構成する。つまり、ＱＷ構造部５０を構成する複数の半導体層は、障壁層５０ａ、５０ｃと、障壁層５０ａ、５０ｃに挟まれた井戸層５０ｂとを構成するものである。

ここで、ＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板として、Ｓｉ基板（Ｓｉ層）を用いた温度センサを比較例として採用して、この比較例の温度センサと本件の温度センサ１００とを比較しながら説明する。この比較例における温度センサは、具体的には、ＳＯＩ基板の活性層であるＳｉ層（ｐ^＋、Ｂドープ）上に、Ｓｉ（ノンドープ）の障壁層、ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝３０％、ｐ、Ｂドープ）の井戸層、Ｓｉ（ノンドープ）の障壁層がこの順番で積層されたＱＷ構造部を備える。つまり、比較例におけるＳｉ層（ｐ^＋）は、本実施の形態におけるＳｉＧｅ層３１、比較例におけるＳｉ（ノンドープ）の障壁層は、本実施の形態における障壁層５０ａ、５０ｃ、比較例におけるＳｉＧｅ（Ｇｅ＝３０％）の井戸層は、本実施の形態における井戸層５０ｂに対応する。また、比較例における温度センサは、ＱＷ構造部上（ＳＯＩ基板の活性層であるＳｉ層側とは反対側）には、本実施の形態におけるＳｉＧｅ層３２に対応するＳｉ層（ｐ^＋、Ｂドープ）が設けられ、その他の構成は本実施の形態における温度センサ１００と同様なものとする。

このようにＳｉＧｅ／Ｓｉの材料系では、一般的にｐ型にドープされたＳｉＧｅとノンドープのＳｉで量子井戸を構成する。これは、この系では価電子帯の障壁高さの方が伝導体の障壁高さよりも大きいからである。なお、図１３に示すように、価電子帯の障壁高さは、Ｖ＝０．８４ｘ［ｅＶ］と書き表せる(ｘ:ＳｉＧｅ中のＧｅ組成比)。従って、ＳｉＧｅ中のＧｅ組成比が高ければ高いほど、障壁高さが高く、ＴＣＲも高いことになって有利である。

しかし、Ｓｉ上のＳｉＧｅのエピタキシャル成長においては、臨界膜厚が存在するため、Ｇｅ組成比を自由に高めることができるわけではない。これは、臨界膜厚以上になると、ＳｉＧｅ中の歪を緩和するため、結晶欠陥が生じるためである。

図１４に示すように、ＳｉＧｅの臨界膜厚に関しては、二通りの理論が知られている。本実施の形態に示すＱＷ構造部５０を備える温度センサ１００（量子井戸型の赤外線検知器）に適したＳｉＧｅ膜厚は１００Å程度である。従って、結晶欠陥を生じることなく成長できるＧｅの組成は、０．２４（Matthewsらの理論）または０．５６(Peopleらの理論)となり、いずれにしても、最も有利なx=1は実現できないという問題があった。

そこで、本実施の形態においては、上述のようにＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板としてＳｉＧｅ層３１を用いているため、障壁層５０ａ、５０ｃとして、ＳｉＧｅ層３１におけるＧｅ組成に比べて、Ｇｅ組成が小さいＳｉＧｅを採用することができ、井戸層５０ｂとして、ＳｉＧｅ層３１におけるＧｅ組成に比べて、Ｇｅ組成が大きいＳｉＧｅを採用することができる。つまり、本実施の形態においては、ＳｉＧｅ層３１としてＳｉＧｅ（Ｇｅ＝５０％，ｐ^＋,Ｂドープ）を採用しているため、障壁層５０ａ、５０ｃは、ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝２０％，ノンドープ）、井戸層５０ｂは、ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝８０％，ｐ,Ｂドープ）などを採用することができる。また、このように、ＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板のＧｅ組成を基準として、障壁層のＧｅ組成と井戸層のＧｅ組成を上下に設定するために、ＳｉＧｅ層３１としてＧｅ＝３０％〜７０％のものを採用すると好ましい。

なお、このＳｉＧｅ層３１、井戸層５０ｂのＳｉＧｅ、障壁層５０ａ，５０ｃのＳｉＧｅにおけるＧｅ組成の割合は、あくまでも一例である。本実施の形態のように、ＱＷ構造部５０及びＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板（半導体基板）の構成材料としてＳｉ（１−ｘ）Ｇｅｘ（０＜ｘ＜１、ｘ：ＳｉＧｅ中のＧｅ組成比）を採用した場合は、井戸層５０ｂのＳｉＧｅにおけるＧｅ組成がＳｉＧｅ層３１のＧｅ組成よりも大きく、障壁層５０ａ、５０ｃのＳｉＧｅにおけるＧｅ組成がＳｉＧｅ層３１のＧｅ組成よりも小さいという関係を満たしていれば目的は達成できるものである。よって、各Ｇｅ組成の割合は、ＱＷ構造部５０及びＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板の構成材料としてＳｉＧｅを採用した場合は、この関係を満たす範囲であれば適宜変更することができる。なお、この場合、Ｓｉは本発明のＥ_１元素に相当し、ＧｅはＥ_２元素に相当する。

さらに、ＱＷ構造部５０及びＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板の構成材料としてＳｉ（１−ｘ）Ｇｅｘ（０＜ｘ＜１、ｘ：ＳｉＧｅ中のＧｅ組成比）を採用した場合は、井戸層５０ｂの格子定数ｃがＳｉＧｅ層３１の格子定数ａよりも大きく、障壁層５０ａ、５０ｃの格子定数ｂがＳｉＧｅ層３１の格子定数ａよりも小さいという（ｂ＜ａ＜ｃ）関係を満たしていれば目的は達成できるものである。つまり、ＱＷ構造部のエピタキシャル成長用の基板、井戸層、障壁層の格子定数の関係が（障壁層）＜（基板）＜（井戸層）を満たしていれば目的は達成できるものである。なお、ここでの格子定数は、歪みの入っていない状態での格子定数である。

また、比較例においては、障壁層は基板と同じ組成であるため格子不整は存在しない。井戸層では、（格子不整）＝（ａ_ＳｉＧｅ−ａ_Ｓｉ）／ａ_Ｓｉであるため、格子不整は「１．２２％」になる。なお、格子定数ａ_Ｓｉ＝５．４３Å、格子定数ａ_Ｇｅ＝５．６５Å、格子定数ａ_ＳｉＧｅ＝（１−ｘ）・ａ_Ｓｉ＋ｘ・ａ_Ｇｅである。これに対して、本実施の形態においては、本実施の形態における温度センサ１００においては、(格子不整)＝（ａ_{ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝２０％）}−ａ_{ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝５０％）}）／ａ_{ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝５０％）}、（格子不整）＝（ａ_{ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝８０％）}−ａ_{ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝５０％）}）／ａ_{ＳｉＧｅ（Ｇｅ＝８０％）}である。よって、障壁層５０ａ、５０ｃの格子不整は「−１．１９％」、井戸層５０ｂの格子不整は「１．１９％」になる。このように、本実施の形態においては、比較例よりも格子不整を小さくすることができる。つまり、ＳｉＧｅの臨界膜厚を向上することができる。

また、ＱＷ構造部のエピタキシャル成長用の基板を基準とした場合、比較例における温度センサにおいては一方向（＋側）のみに格子不整が生じるのに対して、本実施の形態における温度センサ１００においては格子不整が上下（＋側と−側）に生じることになる。また、上述のように、本実施の形態における温度センサ１００においては、障壁層５０ａ、５０ｃ、と井戸層５０ｂのＧｅ組成比を基板（ＳｉＧｅ層３１）よりも高くすることと、低くすることの両方が可能である。よって、障壁層の障壁高さＶに関しても、障壁層５０ａ、５０ｃと井戸層５０ｂのＧｅ組成の差を大きくできるので、比較例よりも、障壁層５０ａ、５０ｃの障壁高さＶ（エネルギー）を大きくすることができる。具体的には、比較例の場合はＶ＝０．２５２［ｅＶ］であるのに対して、本実施の形態における温度センサ１００の場合はＶ＝０．５０４［ｅＶ］とすることができた。よって、本実施の形態における温度センサ１００は、比較例よりも、障壁層５０ａ、５０ｃの障壁高さＶ（エネルギー）を大きくすることができる。

従って、結晶欠陥を発生させることなく、または、結晶欠陥の発生を抑制しつつ、｜ＴＣＲ｜を向上させることができる。なお、図３に、障壁層５０ａ、５０ｃと井戸層５０ｂにおけるＧｅ組成の差に対するＴＣＲの向上の様子を現したグラフを示す。

また、ＱＷ構造部５０の井戸層５０ｂの膜厚は４０Å以上とすると好ましい。なお、この膜厚は、ＳｉＧｅ層３１を基準面とした場合、このＳｉＧｅ層３１に対する垂直方向の厚さである。換言すると、井戸層５０ｂの積層方向の厚さである。

この点に関して以下に説明する。上述のようなＱＷ構造部５０などの量子井戸構造体のＴＣＲはフェルミ準位が小さいほどＴＣＲは高い。また、フェルミ順位は、第１量子順位が小さいほど小さくなる。そして、シミュレーション結果（図４の第１量子順位（ｅＶ）と井戸層５０ｂの膜厚（Å）との関係を示すグラフ、及び図５の｜ＴＣＲ｜（％/℃）と井戸層５０ｂの膜厚（Å）との関係を示すグラフ）により、井戸層５０ｂの膜厚は、４０Å以上で、第１量子準位はゼロ(井戸の底)に近くなり、かつＴＣＲは飽和することがわかった。よって、ＱＷ構造部５０の井戸層５０ｂの膜厚は４０Å以上とすると好ましい。なお、図４、図５は、基板、井戸層、障壁層のＧｅ組成がそれぞれ５０％、８０％、２０％の場合について計算したものである。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。

例えば、本実施の形態においては、ＱＷ構造部５０は、障壁層５０ａ、５０ｃに挟まれた一層の井戸層５０ｂからなる単層のＱＷ構造を例として採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、障壁層と井戸層とがこの順番で複数回繰り返し積層されたＭＱＷ構造（Multi Quantum well構造）を採用するようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、ＱＷ構造部５０及びＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板の構成材料としてＳｉＧｅを採用して説明したが本発明はこれに限定されるものではない。つまり、複数の元素からなる半導体であり、複数の元素のうち２つの元素Ｅ_１，Ｅ_２の関係がＥ_１（１−ｘ）Ｅ_２ｘ（０＜ｘ＜１、ｘ：半導体中のＥ_２組成比）を満たすものであれば採用することができる。例えば、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓを採用するようにしてもよい。ＧａＡｓのバンドギャップは１．４２ｅＶであり、ＡｌＧａＡｓのバンドギャップは、１．４２ｅＶ〜２．１７ｅＶである（ＡｌＡｓのバンドギャップは２．１７ｅＶで）。従って、ＧａＡｓが井戸層となり、ＡｌＧａＡｓが障壁層となる。また、ＧａＡｓの格子定数は５．６５３Åであり、ＡｌＧａＡｓの格子定数は、５．６５３Å〜５．６６１Åである(ＡｌＡｓの格子定数は５．６６１Å)。

なお、この場合、ＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板、井戸層、障壁層の格子定数の関係が（井戸層）＜（基板）＜（障壁層）となるようにするとよい。つまり、ＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板（半導体基板）の格子定数をａ、障壁層の格子定数をｂ、井戸層の格子定数をｃとした場合、ＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板、井戸層、障壁層は、ｃ＜ａ＜ｂを満たすように形成されると本発明の目的は達成できるものである。

また、本実施の形態においては、上述のようにＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板としてＳｉＧｅ層３１を用いているため、障壁層５０ａ、５０ｃとして、ＳｉＧｅ層３１におけるＧｅ組成に比べて、Ｇｅ組成が小さいＳｉＧｅを採用し、井戸層５０ｂとして、ＳｉＧｅ層３１におけるＧｅ組成に比べて、Ｇｅ組成が大きいＳｉＧｅを採用する例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。ＳｉＧｅ以外の材料系においては、ＱＷ構造部５０のエピタキシャル成長用の基板におけるＥ_２元素の組成比に対して、Ｅ_２元素の組成比が高い半導体層を量子障壁層とし、Ｅ_２元素の組成比が低い半導体層を量子井戸層とすることもありうる。上述したＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓの材料系はその例である。

１０ Ｓｉ基板、１１ 開口部、２０ 酸化膜、３１，３２ ＳｉＧｅ層、４０ 酸化膜、４１ 開口部、５０ ＱＷ構造部、５０ａ 障壁層、５０ｂ 井戸層、５０ｃ 障壁層、６０ 酸化膜、６１，６２ 開口部、７１，７２ 電極、８１ 窒化膜、８１ａ，８１ｂ 開口部、８２ 窒化膜、９０ 赤外線吸収膜、１００ 温度センサ

Claims (5)

1. 複数の元素から構成された半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成されるものであり、前記半導体基板と同じ元素から構成された複数の半導体層からなる、温度の変化によって抵抗値が変化する量子井戸構造部と、を備え、
   前記量子井戸構造部を構成する複数の前記半導体層は、複数の量子障壁層と、複数の当該量子障壁層に挟まれた量子井戸層とを構成するものであり、
   前記半導体基板、前記量子障壁層、前記量子井戸層は、ＳｉＧｅからなり、
   前記半導体基板、前記量子障壁層、前記量子井戸層は、前記半導体基板の格子定数をａ、前記量子障壁層の格子定数をｂ、前記量子井戸層の格子定数をｃとした場合、ｂ＜ａ＜ｃを満たし、且つ、前記量子障壁層におけるＧｅの組成比が前記半導体基板におけるＧｅの組成比より小さく、前記量子井戸層におけるＧｅの組成比が前記半導体基板におけるＧｅの組成比より大きく、
   前記量子井戸層は、４０Å以上で臨界膜厚以下の膜厚であることを特徴とする温度センサ。
2. 前記量子井戸構造部は、メンブレン上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
3. 複数の元素から構成された半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成されるものであり、前記半導体基板と同じ元素から構成された複数の半導体層からなる、温度の変化によって抵抗値が変化する量子井戸構造部と、を備え、
   前記量子井戸構造部を構成する複数の前記半導体層は、複数の量子障壁層と、複数の当該量子障壁層に挟まれた量子井戸層とを構成し、
   前記半導体基板、前記量子障壁層、前記量子井戸層がＳｉＧｅからなる温度センサの製造方法であって、
   前記半導体基板の格子定数をａ、前記量子障壁層の格子定数をｂ、前記量子井戸層の格子定数をｃとした場合、ｂ＜ａ＜ｃを満たし、且つ、前記半導体基板におけるＧｅの組成比に対して、Ｇｅの組成比が小さい前記半導体層を前記量子障壁層とし、Ｇｅの組成比が大きい前記半導体層を前記量子井戸層として前記半導体基板上にエピタキシャル成長することによって、前記量子井戸構造部を形成する量子井戸構造部形成工程を備え、
   前記量子井戸構造部形成工程では、前記量子井戸層の膜厚を４０Å以上で臨界膜厚以下にすることを特徴とする温度センサの製造方法。
4. 前記半導体基板上における前記量子井戸構造部の形成位置に対応する開口部を有するマスクを当該半導体基板上に形成するマスク形成工程を備え、
   前記量子井戸構造部形成工程では、前記開口部から前記半導体基板上に前記量子障壁層、前記量子井戸層を選択的にエピタキシャル成長することを特徴とする請求項３に記載の温度センサの製造方法。
5. 前記半導体基板は、支持基板上に絶縁膜を介して形成されるものであり、
   前記支持基板における前記量子井戸構造部の下部に位置する部位を、前記絶縁膜をエッチストップ層としてエッチングしてメンブレンを形成するメンブレン形成工程を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の温度センサの製造方法。

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