JP4141693B2

JP4141693B2 - Temperature detector, semiconductor detection device, and method of manufacturing temperature detector

Info

Publication number: JP4141693B2
Application number: JP2002023658A
Authority: JP
Inventors: 泰昭太田; 雅史上野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: JP2003224260A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度検出器に関し、特に、ＰＮ接合素子を用いた温度検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、全体が３００で表される、特開２００１−２２３３４９号公報に記載された熱型赤外線センサの斜視図である。図１０に示すように、熱型赤外線センサ３００は、例えばシリコンからなる基板２０１を含む。基板２０１上には、温度検出器２００が３行×３列に配列された検出器アレイ部３０２と、温度検出器２００から出力された電気信号を処理して外部に出力する信号処理回路部３０３とが設けられている。検出器アレイ部３０２に含まれる複数の温度検出器２００と、信号処理回路部３０３は、配線層および素子配線層により接続されている（図示せず）。
【０００３】
図１１は、図１０に示す熱型赤外線センサ３００に含まれる温度検出器２００の拡大図であり、図１１（ａ）に上面図を、図１１（ｂ）に図１０（ａ）のＶ−Ｖ方向に見た断面図を示す。なお、図１１（ａ）では、保護膜２０４を省略し、ＰＮ接合素子や配線層の上面を露出させている。
温度検出器２００は、支持脚２１０と温度検知部２２０からなる。温度検知部２２０は、支持脚２１０によって、基板２０１に設けられた凹部２０２上で中空に支持されている。
【０００４】
温度検知部２２０は、酸化シリコンからなる酸化膜２２１と、酸化膜２２１上に形成された、単結晶シリコン等の半導体層からなるＰＮ接合素子２３０とを含む。ＰＮ接合素子２３０は、半導体層にＰ型不純物を拡散させて形成したＰ型拡散層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅ、および、半導体層にＮ型不純物を拡散させて形成したＮ型拡散層２３０ｂ、２３０ｄ、２３０ｆが交互に設けられ、サイリスタ（ＰＮＰＮ）構造となっている。例えば、Ｐ型拡散層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅのＰ型不純物濃度、Ｎ型拡散層２３０ｂ、２３０ｄ、２３０ｆのＮ型不純物濃度は、いずれも略１×１０^１５ｃｍ^−３に設定される。
【０００５】
支持脚２１０には、ＴｉＮからなる素子配線層２１１が設けられ、アルミニウムからなる配線層２０３とＰＮ接合素子２３０との間を電気的に接続している。また、配線層２０３やＰＮ接合素子２３０は、酸化シリコンからなる保護膜２０４により覆われている。
【０００６】
かかる温度検出器２００では、温度検知部２２０に赤外線が入射することによりＰＮ接合素子２３０の温度が上昇し、これによりＰＮ接合素子２３０の電気的特性も変化する。ＰＮ接合素子２３０の両端に所定の電圧を印加した状態で、素子配線層２１１、配線層２０３を介して信号処理回路部３０３で、かかる電気的特性の変化を電気信号として読み出す。これにより、温度検知部２２０に入射した赤外線の量を検出する。
特に、温度検出器２００では、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用いることにより、酸化膜２２１をＢＯＸ（Beried OXide）層、ＰＮ接合素子２３０を形成する半導体層をＳＯＩ層としている。ＳＯＩ層は、単結晶シリコンからなる。このため、ＰＮ接合素子２３０の雑音が小さくなり、赤外線検出感度を高くできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱型赤外線センサ３００では、サイリスタ（ＰＮＰＮ）構造をもつＰＮ接合素子２３０の、電流−電圧特性が温度依存性を有すること利用して、温度変化を検知している。熱型赤外線センサ３００の温度感度には、主にＰＮ接合の順方向特性が寄与しており、逆方向特性はほとんど寄与していなかった。このため、温度感度を高めるためには、順方向のＰＮ接合の数を増やす必要があった。この結果、ＰＮ接合素子２３０および温度検知部２００が大きくなり、温度検出器２００の熱時定数が大きくなっていた。
また、熱型赤外線センサ３００では、ＰＮ接合素子２３０と素子配線層２１１とを、別々の工程で形成していたため、製造工程が複雑であった。
【０００８】
そこで本発明は、小型で熱時定数が小さく、高感度で温度検出が可能な温度検出器の提供を目的とする。また、製造工程が簡単な温度検出器の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を用いて、温度検知部の温度変化を検出する温度検出器であって、基板と、基板上に支持脚で支持された温度検知部と、温度検知部に設けられ、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に配置されたＰＮ接合素子と、ＰＮ接合素子の両端に動作電圧を印加し、ＰＮ接合素子から電気信号を取り出す配線層とを含み、ＰＮ接合素子のＰＮ接合面を挟むＰ型半導体層とＮ型半導体層とが、それぞれ、ＰＮ接合面に接する高濃度層と、高濃度層に接し高濃度層より不純物濃度の低い低濃度層からなることを特徴とする温度検出器である。
【００１０】
かかる温度検出器では、順方向電圧が印加されるＰＮ接合における温度感度と、逆方向電圧が印加されるＰＮ接合における温度感度とが加えられて、温度検出器全体の温度感度となる。従って、高感度の温度検出器を得ることができる。
【００１１】
特に、逆方向電圧が印加されるＰＮ接合面を通過するトンネル電流は低雑音であるため、高精度の温度検出器を得ることができる。
【００１２】
また、所定の温度感度を得るための温度検知部が小さくでき、温度検出器の熱時定数が低減できるため、すばやい被写体の動きの検知が可能な温度検出器を得ることができる。
【００１３】
また、本発明は、ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を用いて、温度検知部の温度変化を検出する温度検出器であって、基板と、基板上に支持脚で支持された温度検知部と、温度検知部に設けられ、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に配置されたＰＮ接合素子と、ＰＮ接合素子の両端に動作電圧を印加し、ＰＮ接合素子から電気信号を取り出す配線層とを含み、ＰＮ接合素子のＰＮ接合面を挟むＰ型半導体層とＮ型半導体層との一方が高濃度層からなり、他方がＰＮ接合面に接する高濃度層と高濃度層に接し高濃度層より不純物濃度の低い低濃度層からなることを特徴とする温度検出器でもある。
【００１４】
上記高濃度層は、５×１０^１７〜５×１０^２１ｃｍ^−３の範囲内にある不純物濃度を有することが好ましい。逆方向電圧が印加されるＰＮ接合面の両側に、このような不純物濃度の高濃度層を設けることにより、ＰＮ接合面を通るトンネル電流を流すことができる。
【００１５】
本発明は、上記ＰＮ接合素子の両端の半導体層が、共に、上記Ｐ型半導体層と上記Ｎ型半導体層のいずれか一方からなり、上記配線層のそれぞれが、配線層が接する半導体層からなることを特徴とする温度検出器でもある。
【００１６】
また、本発明は、上記ＰＮ接合素子の両端の半導体層の一方が上記Ｐ型半導体層からなり、他方が上記Ｎ型半導体層からなり、上記配線層のそれぞれが、配線層が接するＰ型半導体層又はＮ型半導体層からなることを特徴とする温度検出器でもある。
【００１７】
かかる構造を用いることにより、配線層の熱コンダクタンスが低減され、高感度の温度検出器を得ることができる。また、配線層を短くし、温度検出器の小型化が可能となるので、温度検出器を集積できる。また、製造工程も簡単になる。
【００１８】
上記配線層の不純物濃度は、同一であることが好ましい。温度検知部を挟んで、対称な構造にできるからである。
【００１９】
本発明は、上記温度検出器がアレイ状に配置された検出器アレイ部と、温度検出器に含まれる配線層に接続され、温度検出器から電気信号を読み出す信号読み出し回路とを含むことを特徴とする半導体検出装置でもある。
【００２０】
また、本発明は、ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を有する温度検出器の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、酸化膜と、半導体層とを順次積層する工程と、半導体層に、Ｐ型不純物とＮ型不純物とを注入する注入工程と、注入工程後に、半導体層を熱処理して、Ｐ型不純物が注入されたＰ型半導体層と、Ｎ型不純物が注入されたＮ型半導体層とが、ＰＮ接合面で接合されたＰＮ接合素子を形成する熱処理工程と、基板をエッチングして凹部を形成し、凹部の上に中空で支持されたＰＮ接合素子を含む温度検知部を形成する工程とを含み、注入工程が、半導体層に、低濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物を注入する工程と、ＰＮ接合面を挟んだ領域に、低濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物より不純物濃度の高い、高濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物をそれぞれ注入する工程とを含むことを特徴とする温度検出器の製造方法でもある。
【００２１】
また、本発明は、ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を有する温度検出器の製造方法であって、基板を準備する工程と、基板上に、酸化膜と、半導体層とを順次積層する工程と、半導体層に、第１導電型不純物と第２導電型不純物とを注入する注入工程と、注入工程後に、半導体層を熱処理して、第１導電型不純物が注入された第１導電型半導体層と、第２導電型不純物が注入された第２導電型半導体層とがＰＮ接合面で接合されたＰＮ接合素子を形成する熱処理工程と、基板をエッチングして凹部を形成し、凹部の上に中空で支持されたＰＮ接合素子を含む温度検知部を形成する工程とを含み、注入工程が、半導体層に、ＰＮ接合面を挟んだ一方に高濃度の第１導電型不純物を、他方に高濃度の第２導電型不純物と、これに隣接してこれより不純物濃度の低い低濃度の第２導電型不純物を注入する工程とを含むことを特徴とする温度検出器の製造方法でもある。
【００２２】
上記熱処理工程は、８５０℃以下で行うことが好ましい。
熱処理工程で発生するＰＮ接合面での不純物拡散を防止できるからである。これにより、消費電力の低い温度検出器を形成することができる。また、検出感度の高い温度検出器を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかる温度検出器であり、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向の断面図である。なお、図１（ａ）では、保護膜４を省略し、ＰＮ接合素子や配線層の上面を露出させている。
本実施の形態にかかる温度検出器１００は、ＰＮ接合素子３０の構造に特徴があり、ＰＮ接合素子３０以外の部分の構造は、従来の温度検出器２００と同じである。
【００２４】
温度検出器１００は、支持脚１０と温度検知部２０からなる。温度検知部２０は、支持脚１０によって、基板１に設けられた凹部２上で中空に支持されている。
【００２５】
温度検知部２０は、例えば酸化シリコンからなる酸化膜２１と、酸化膜２１上に形成されたＰＮ接合素子３０とを含む。ＰＮ接合素子３０は、例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の半導体層からなる。
ＰＮ接合素子３０は、半導体層にＰ型不純物を拡散させて形成したＰ型拡散層３０ａ、３０ｃ、３０ｅと、半導体層にＮ型不純物を拡散させて形成したＮ型拡散層３０ｂ、３０ｄ、３０ｆが交互に設けられたサイリスタ（ＰＮＰＮ）構造である。Ｐ型拡散層、Ｎ型拡散層の不純物濃度は、それぞれ略１×１０^１５ｃｍ^−３である。
ＰＮ接合素子３０は、更に、ＰＮ接合素子３０に印加電圧（印加バイアス）が加えられた場合に、逆方向電圧が印加されるＰＮ接合面の両側が高濃度領域となっている。具体的には、Ｎ型拡散層３０ｂとＰ型拡散層３０ｃとのＰＮ接合面を挟んだ領域が、高濃度のＮ型拡散層３０ｂ１と高濃度のＰ型拡散層３０ｃ１になっている。同様に、Ｎ型拡散層３０ｄとＰ型拡散層３０ｅとのＰＮ接合面を挟んだ領域が、高濃度のＮ型拡散層３０ｄ１と高濃度のＰ型拡散層３０ｅ１になっている。高濃度の拡散層３０ｂ１、３０ｃ１、３０ｄ１、３０ｅ１の不純物濃度は、それぞれ略５×１０^１７ｃｍ^−３であり、不純物濃度は、略５×１０^１７ｃｍ^−３〜略５×１０^２１ｃｍ^−３の範囲内で選択できる。
【００２６】
支持脚１０には、ＴｉＮからなる素子配線層１１が設けられ、アルミニウムからなる配線層３とＰＮ接合素子３０との間を電気的に接続している。また、配線層３やＰＮ接合素子３０は、例えば酸化シリコンからなる保護膜４により覆われている。
【００２７】
本実施の形態にかかる温度検出器１００では、温度検知部２０に赤外線が入射することによりＰＮ接合素子３０の温度が上昇し、これによりＰＮ接合素子３０の電気的特性が変化する。素子配線層１１と配線層３を介して、信号処理回路部（図示せず）でかかる温度変化に伴う電気的特性の変化を電気信号として読み出し、温度検知部２０に入射した赤外線の量を検出する。
【００２８】
次に、ＰＮ接合素子３０の温度感度について、従来のＰＮ接合素子２００と比較しながら説明する。ここで、温度感度とは、ＰＮ接合素子に加わる印加電圧の、温度に依存した変化量をいい、換言すれば、電流−電圧特性の温度依存性をいう。
上述のように、ＰＮ接合素子３０には、Ｐ型拡散層３０ａ側（端子Ａ）が、Ｎ型拡散層３０ｆ側（端子Ｂ）よりも高電位になるように、電圧が印加される。この時、Ｐ型拡散層３０ａ、３０ｃ、３０ｅとＮ型拡散層３０ｂ、３０ｄ、３０ｆからなるＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆには、順方向電圧（順バイアス）が加わる。これらのＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆの電流−電圧特性は、それぞれ、以下に示す式１に従う。
【００２９】
Ｉ＝Ｉｏ［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）−１］（式１）
但し、Ｉ：電流
Ｉｏ：飽和電流
Ｖ：印加電圧
Ｔ：絶対温度
ｋ：ボルツマン定数
ｑ：電荷素量
【００３０】
電流Ｉが一定の条件では、式１を絶対温度Ｔで微分することにより、ＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆの順方向電圧（順方向バイアス）Vｆが、それぞれ、以下の式２で表される温度変化をすることがわかる。
【００３１】
ｄＶｆ／ｄＴ＜０（式２）
【００３２】
一方、Ｐ型拡散層３０ａ側（端子Ａ）が、Ｎ型拡散層３０ｆ側（端子Ｂ）よりも高電位になるように電圧を印加したとき、Ｐ型拡散層３０ｃ、３０ｅ（３０ｃ１、３０ｅ１）とＮ型拡散層３０ｂ、３０ｄ（３０ｂ１、３０ｄ１）からなるＰＮ接合３０ｂｃ（３０ｂ１ｃ１）、３０ｄｅ（３０ｄ１ｅ１）には逆方向電圧（逆バイアス）が加わる。
【００３３】
図２は、比較例として示した、従来のＰＮ接合素子２３０の電流−電圧特性である。図２中、横軸の矢印方向が、Ｐ型拡散層２３０ａ側（端子Ａ）とＮ型拡散層２３０ｆ側（端子Ｂ）の間に、端子Ａが端子Ｂよりも高電位になるように加えた印加電圧の大きくなる方向であり、縦軸の矢印方向が、端子Ａから端子Ｂに流れる電流の大きくなる方向である（後述の図３においても同様）。ＰＮ接合素子２３０は、温度検出時には、順方向導通状態（保持電流以上の順方向電流が流れている状態）にある。このため、ＰＮ接合２３０ｂｃ、２３０ｄｅに加わる逆方向電圧は、フック効果により十分小さくなり、その温度変化は無視できる程度である。即ち、従来のＰＮ接合素子２３０では、温度変化に依存した印加電圧の変化量（温度感度）は、ＰＮ接合２３０ａｂ、２３０ｃｄ、２３０ｅｆに加わる順方向電圧Ｖｆの温度変化量を重ね合せた値にほぼ等しかった。なお、フック効果を得るためには、例えば、Ｐ型拡散層２３０ａとN型拡散層２３０ｂとを適当な電気抵抗を有する配線で接続すれば良い。
【００３４】
一方、図３は、本実施の形態にかかるＰＮ接合素子３０の、電流−電圧特性である。図３に示すように、ＰＮ接合素子３０では、Ｐ型拡散層３０ａ側（端子Ａ）とＮ型拡散層３０ｆ側（端子Ｂ）の間に加えた印加電圧を大きくしてもブレークオーバーは発生しない。これは、フック効果の影響が無く、ＰＮ接合３０ｂｃ、３０ｄｅに加わる逆方向電圧が小さくならないためである。
即ち、本実施の形態にかかるＰＮ接合素子３０に加わる印加電圧の、温度に依存した変化量（温度感度）は、ＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆに加えられる順方向電圧Ｖｆの温度変化量の重ね合せだけでなく、更に、ＰＮ接合３０ｂｃ、３０ｄｅに加わる逆方向電圧Ｖｒの温度変化量を加えた値となる。
【００３５】
ここで、高濃度のＰ型拡散層３０ｃ１、３０ｅ１、及び高濃度のＮ型拡散層３０ｂ１、３０ｄ１の不純物濃度が、それぞれ略５×１０^１７ｃｍ^−３以上であるため、Ｐ型拡散層３０ｃ１とＮ型拡散層３０ｂ１からなるＰＮ接合部分（以下、「３０ｂ１ｃ１」と表す。）、及びＰＮ接合部分３０ｄ１ｅ１は、エサキダイオードとなり、ＰＮ接合３０ｂｃ（３０ｂ１ｃ１）、及びＰＮ接合３０ｄｅ（３０ｄ１ｅ１）の逆方向耐圧Vｒは、トンネル効果によって決まる。このため、逆方向耐圧Ｖｒの温度変化は、式３で表される。
【００３６】
ｄＶｒ／ｄＴ＜０（式３）
【００３７】
従って、式２で表されるＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆの温度感度と、式３で表される高濃度のＰＮ接合３０ｂｃ（３０ｂ１ｃ１）、３０ｄｅ（３０ｄ１ｅ１）の温度感度が加算され、ＰＮ接合素子３０の温度感度が、従来のＰＮ接合素子２３０より大きくなる。特に、トンネル効果により発生するトンネル電流は低雑音であるため、高濃度のＰＮ接合３０ｂｃ、３０ｄｅにおけるトンネル電流により、雑音は増加しない。
【００３８】
このため、ＰＮ接合素子２３０を用いた従来の温度検出器２００に比べて、本実施の形態にかかるＰＮ接合素子３０を用いた温度検出器１００では温度感度が高くなる。換言すれば、所定の温度感度を得るための、ＰＮ接合のＰ型、Ｎ型領域の数が少なくできるため、ＰＮ接合素子３０が小さくなり、温度検知部２０も小さくできる。このため、温度検出器２００の熱時定数が低減でき、すばやい被写体の動きの検知が可能となる。
【００３９】
なお、かかる温度検出器１００を、基板上にアレイ状に配置することにより、図１０に示すような熱型赤外線センサを得ることができる。以下に述べる温度検出器１１０〜１５０についても同様である。
【００４０】
次に、図４を参照しながら、本実施の形態にかかる温度検出器１００を含む熱型赤外線センサの製造方法について説明する。かかる製造方法は、以下の工程１〜４を含む。
【００４１】
工程１：図４（ａ）に示すように、単結晶シリコンの基板１上に、酸化シリコンからなる酸化膜２１を形成する。続いて、酸化膜２１上に、単結晶シリコンの半導体層２２を形成する。
なお、基板として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用いてもよい。この場合は、ＳＯＩウエハのＢＯＸ（Baried OXide）層が、酸化膜２１に、ＳＯＩ層が半導体層２２にそれぞれ相当する。
【００４２】
工程２：図４（ｂ）に示すように、ＰＮ接合素子３０および信号処理回路部３０３を形成する。
かかる工程では、まず、信号処理回路部３０３形成領域の酸化膜２１、半導体層２２を除去する。
【００４３】
次に、半導体層２２を所定の形状になるようにエッチングする。続いて、半導体層２２の所定の領域に、Ｐ型不純物及びＮ型不純物をイオン注入法で注入する。イオン注入工程では、まず、不純物濃度がそれぞれ１×１０^１５ｃｍ^−３のＰ型拡散層３０ａ、３０ｃ、３０ｅ、及びＮ型拡散層３０ｂ、３０ｄ、３０ｆを、直列に形成する。続いて、Ｎ型拡散層３０ｂとＰ型拡散層３０ｃとのＰＮ接合面を挟んだ領域、及びＮ型拡散層３０ｄとＰ型拡散層３０ｅとのＰＮ接合面を挟んだ領域に、不純物濃度の高い（５×１０^１７ｃｍ^−３以上）Ｎ型拡散層３０ｂ１、３０ｄ１とＰ型拡散層３０ｃ１、３０ｅ１をイオン注入法により形成する。拡散層３０ｂ１、３０ｃ１、３０ｄ１、３０ｅ１は、それぞれ拡散層３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅに重ねて形成する。このようにして、ＰＮ接合素子３０を形成する。イオン注入に用いるＮ型不純物は、熱拡散速度が小さいヒ素又はアンチモンであることが好ましい。更に、イオン注入に用いるＰ型不純物は、熱拡散速度が小さいインジウムであることが好ましい。
一方、信号処理回路部３０３形成領域にはトランジスタやダイオードを形成する。トランジスタのソース／ドレイン領域等は、拡散層３０ａ等と同じ工程で形成しても良い。
なお、図４（ｂ）に示す工程では、露出させた基板１にトランジスタ等からなる信号処理回路部３０３を形成しているが、半導体層２２に形成してもよい。
【００４４】
工程３：図４（ｃ）に示すように、酸化シリコンからなる層間絶縁膜を全面に形成する。続いて、Ｐ型拡散層３０ａ及びＮ型拡散層３０ｆと、信号処理回路部３０３とを接続する素子配線層１１及び配線層３を、一般的な、スパッタ法、パターニング法で形成する。素子配線層１１と配線層３は、どちらを先に形成しても構わない。素子配線層１１はＴｉＮからなり、配線層３はＡｌからなる。続いて、酸化シリコンからなる保護膜を全面に形成する。層間絶縁膜と保護膜とは、一体の膜となり、内部に素子配線層１１等を含むようになる。
【００４５】
工程４：図４（ｄ）に示すように、検出器アレイ部の所定の位置にエッチング孔４０を開口し、エッチング孔４０からＸｅＦ_２などを導入する。これにより、基板１をエッチングして凹部２を形成し、支持脚１０により温度検知部２０が凹部２上の中空に支持された温度検出器１００が完成する。
以上の工程１〜４により、本実施の形態にかかる温度検出器１００を含む熱型赤外線センサが完成する。
【００４６】
なお、高濃度のＰ型拡散層３０ｃ１、３０ｅ１、および高濃度のＮ型拡散層３０ｂ１、３０ｄ１の不純物濃度を、それぞれ略５×１０^１７ｃｍ^−３より小さくした場合には、高濃度のＰＮ接合３０ｂ１ｃ１、３０ｄ１ｅ１の逆方向耐圧Vｒは、なだれ倍増効果によって決まるようになる。この時、逆方向電圧Ｖｒの温度変化は、式４で表される。
【００４７】
ｄＶｒ／ｄＴ＞０（式４）
【００４８】
式２で表されるＰＮ接合３０ａｂ、３０ｃｄ、３０ｅｆの温度感度と、式４で表されるＰＮ接合３０ｂ１ｃ１、３０ｄ１ｅ１の温度感度は、互いに相殺して弱め合う関係にある。このため、ＰＮ接合素子３０全体の温度感度は小さくなってしまう。また、なだれ電流は高雑音であるため、高濃度のＰＮ接合３０ｂ１ｃ１、３０ｄ１ｅ１の逆方向電流による雑音が影響し、更に、温度感度が低下してしまう。
【００４９】
図５は、全体が１１０で表される、本実施の形態にかかる他の温度検出器である。図５（ａ）は、温度検出器１１０の上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のII−II方向の断面図である。図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
上述のように、温度検出器１００では、ＰＮ接合素子３０のそれぞれの拡散層３０ａ〜３０ｆの不純物濃度は、略１×１０^１５ｃｍ^−３とし、逆方向電圧が印加されるＰＮ接合面の両側のみを、略５×１０^１７ｃｍ^−３以上の高濃度の拡散層３０ｂ１等とした。
これに対して、温度検出器１１０では、ＰＮ接合素子３１の、Ｐ型拡散層３１ａ、３１ｃ、３１ｅのＰ型不純物濃度を、略５×１０^１７ｃｍ^−３以上の高濃度とする。これにより、ＰＮ接合素子３１は、高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）のＰ型拡散層３１ａ、３１ｃ、３１ｅと低濃度（略１×１０^１５ｃｍ^−３）のＮ型拡散層３１ｂ、３１ｄ、３１ｆ、及び、高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）のＮ型拡散層３１ｂ１、３１ｄ１から構成される。即ち、ＰＮ接合素子３０に含まれていた、高濃度のＰ型拡散層３０ｃ１、３０ｅ１が不要となる。
【００５０】
なお、これとは逆に、ＰＮ接合素子３１の、Ｎ型拡散層３１ｂ、３１ｄ、３１ｆのＮ型不純物濃度を、略５×１０^１７ｃｍ^−３以上の高濃度とし、ＰＮ接合素子３１を、低濃度（略１×１０^１５ｃｍ^−３）のＰ型拡散層３１ａ、３１ｃ、３１ｅと高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３）のＮ型拡散層３１ｂ、３１ｄ、３１ｆ、及び、高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）のＰ型拡散層３１ｃ１、３１ｅ１から形成しても構わない。即ち、ＰＮ接合素子３０に含まれていた、高濃度のＮ型拡散層３０ｂ１、３０ｄ１が不要となる。
【００５１】
このように、ＰＮ接合素子３１を用いた温度検出器１１０では、高濃度のＰ型拡散層３１ｃ１、３１ｅ１、又は、高濃度のＮ型拡散層３１ｂ１、３１ｄ１のいずれか一方が不要となり、温度検出器を小型化できる。
【００５２】
図６は、全体が１２０で表される、本実施の形態にかかる他の温度検出器である。図６は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向と同じ方向における断面図である。図６中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
温度検出器１２０は、温度検出器１００の温度検知部２０上に、赤外線吸収部５０を設けた構造となっている。赤外線吸収部５０は、例えばＴｉＮから形成される。かかる構造を用いることにより、温度検出器１００の上方から入射する赤外線を、大面積の赤外線吸収部５０で効率良く吸収するために、温度感度の高い温度検出器を得ることができる。
【００５３】
温度検出器１２０の製造方法は、上述の工程１〜４と、エッチング孔４０の形成工程（工程４）までは同じ工程である。エッチング孔４０の形成工程に続いて、全面に多結晶シリコン等の犠牲層（図示せず）を堆積する。更に、温度検知部２０の中央近傍が露出するように、犠牲層に孔部を形成する。続いて、孔部を埋めるように、犠牲層上にＴｉＮ層を形成した後、赤外線吸収部の形状となるようにＴｉＮ層をパターニングする。最後に、ＸｅＦ_２等を用いて犠牲層および基板１の一部を除去する。これにより、温度検知部２０が支持脚１０により凹部２上の中空に支持され、かつ、温度検知部２０上に赤外線吸収部５０が設けられた温度検出器１２０が完成する。
【００５４】
図７は、全体が１３０で表される、本実施の形態にかかる他の温度検出器である。図７は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向と同じ方向における断面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
上述の温度検出器１００では、基板１をエッチングして凹部２を形成し、温度検知部２０を支持したが、温度検出器１３０では、基板１をエッチングせずに、支持脚５を用いて温度検知部２０を支持する。支持脚５は、例えば、多結晶シリコンからなる。
【００５５】
温度検出器１３０の製造方法は、上述の工程１において、基板１上に、多結晶シリコンからなる犠牲層を堆積させた後、犠牲層上に、酸化膜２１及び半導体層２２を形成する。
次に、工程２、３に続き、工程４のエッチング孔４０の形成を行う。続いて、エッチング孔４０からＸｅＦ_２などを導入して犠牲層のエッチングを行い、支持脚５を残して犠牲層を除去する。
これにより、図７に示すような、温度検知部２０が支持脚１０によって中空に支持された温度検出器１３０が完成する。
【００５６】
実施の形態２．
図８は、全体が１４０で表される、本実施の形態にかかる温度検出器であり、図８（ａ）は上面図であり、図８（ｂ）は、図１（ａ）のＩV−ＩV方向の断面図である。なお、図８（ａ）では、保護膜４を省略し、ＰＮ接合素子や配線層の上面を露出させている。
本実施の形態にかかる温度検出器１４０は、素子配線層をＰＮ接合素子３２と同じ材料から形成した点に特徴がある。
【００５７】
温度検出器１４０は、支持脚１０と、支持脚１０によって中空に支持された温度検知部２０とを含む。温度検知部２０は、例えば酸化シリコンからなる酸化膜２１と、酸化膜２１上に形成されたＰＮ接合素子３２とを含む。ＰＮ接合素子３０は、例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の半導体層からなる。
【００５８】
ＰＮ接合素子３２は、温度検出器１１０のＰＮ接合素子３１が有する拡散層３１ａ〜３１ｆと同じ構造の拡散層３２ａ〜３２ｆを含み、更に、高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）のＮ型拡散層３２ｆ１、及び高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）のＰ型拡散層３２ｇを含む。
即ち、ＰＮ接合素子３２は、高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）のＰ型拡散層３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇと低濃度（略１×１０^１５ｃｍ^−３）のＮ型拡散層３２ｂ、３２ｄ、３２ｆ、及び、高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）のＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１から構成される。Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｇの不純物濃度は、略同一である。
【００５９】
また、素子配線層は、Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｇを用いて形成されている。素子配線層を、金属に代えて半導体層から形成することにより、比抵抗が高くでき、例えば、５×１０^−５Ω・ｃｍ以上にできる。ここで、Wiedemann-Franz則によれば、素子配線層の電気抵抗値が高い程、熱抵抗値も高くなる。従って、温度検出器１４０では、素子配線層に金属を用いる温度検出器に比較して、温度検知部２０から支持脚１０を通って基板１に逃げる熱を抑制でき、温度感度を高くできる。
換言すれば、一定の温度感度を得るために必要とされる素子配線層の熱抵抗値が、より短い素子配線層で実現できる。このため、支持脚１０の長さを短くでき、温度検出器１４０の小型化が可能となる。
なお、Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｇの不純物濃度を、より低くすることにより、素子配線層の比抵抗をより高くして、温度感度を高くすることもできる。
【００６０】
かかる温度検出器１４０では、実施の形態１にかかる温度検出器１００と同様に、温度感度が高くなり、温度検知部２０の小型化が可能となる。また、熱時定数が低減されて、すばやい被写体の動きの検知が可能となる。更には、素子配線層を短縮でき、より小型の温度検出器を得ることができるので、検出器アレイ部を縮小して赤外線カメラのレンズを小さくすること、または、温度検出器の数を増やすこと、が可能となる。
【００６１】
次に、温度検出器１４０の製造方法について簡単に説明する。温度検出器１４０の製造方法は、以下の２点を除いて、実施の形態１の工程１〜４とほぼ同じである。
第１に、工程２のイオン注入工程において、特に、高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）のＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１の形成には、ドーパントとして熱拡散速度が小さいヒ素又はアンチモンを用いる。高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）のＰ型拡散層３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇの形成には、ドーパントとして熱拡散速度が小さいインジウムを用いる。また、高濃度のＰ型拡散層３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇ、低濃度のＮ型拡散層３２ｂ、３２ｄ、３２ｆ、及び高濃度のＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１を形成するにあたり、イオン注入後の熱処理温度を、８５０℃以下とする。熱処理時間は、例えば３０分である。
第２に、素子配線層を、Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｇから形成する。即ち、工程２において、支持脚２０にもＰ型不純物が注入された半導体層を残し、これを素子配線層として用いる。
【００６２】
このように、かかる製造方法では、Ｎ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１のドーパントに熱拡散速度が小さい砒素又はアンチモンを用い、Ｐ型拡散層３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇのドーパントに熱拡散速度が小さいインジウムを用い、熱処理温度を８５０℃以下とする。これにより、高濃度のＰＮ接合界面３２ｂ１ｃ、３２ｄ１ｅ、３２ｆ１ｇにおけるＮ型拡散層からＰ型拡散層へのＮ型不純物の拡散量を低減でき、Ｐ型拡散層からＮ型拡散層へのＰ型不純物の拡散量を低減できる。
このため、ＰＮ接合面３２ｂ１ｃ、３２ｄ１ｅ、３２ｆ１ｇ近傍において、Ｐ型拡散層３２ｃ、３２ｅ、３２ｇ中の実効的なＰ型不純物濃度、およびＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１中の実効的なＮ型不純物濃度が高くなる。この結果、これらのＰＮ接合面に加わる逆方向電圧Vｒが小さくなり、温度検出動作に必要な印加電圧を低減できる。よって、一定電流のもとではＰＮ接合素子３２の消費電力が小さくなり、熱型赤外線センサの消費電力も小さくなる。
また、Ｐ型拡散層３２ｃ、３２ｅ、３２ｇ、及びＮ型拡散層３２ｂ１、３２ｄ１、３２ｆ１の全域にわたって、確実に高濃度（略５×１０^１７ｃｍ^−３以上）とすることができ、不純物濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３より小さな領域は存在しなくなる。このため、ＰＮ接合面３２ｂ１ｃ、３２ｄ１ｅ、３２ｆ１ｇを通る電流になだれ電流は含まれず、トンネル電流だけが流れる。よって、かかる温度検出器１４０では、温度感度が高くなる。
更に、ＰＮ接合素子３２の形成工程において、素子配線層も同時に形成できるため、製造工程の簡略化が可能となる。
【００６３】
なお、かかる製造方法は、実施の形態１にかかるＰＮ接合素子３０、３１の形成に適用しても構わない。
【００６４】
図９は全体が１５０で表される、本実施の形態にかかる他の温度検出器である。図９は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向と同じ方向における断面図である。図９中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
上述の温度検出器１４０では、２つの素子配線層が、共にＰ型の拡散層３２ａ、３２ｇから形成されているが、温度検出器１５０では、Ｐ型拡散層３３ａと、Ｎ型拡散層３３ｆから形成されている。このため、拡散層３２ｆ１、３２ｇに相当する層は設けられない。その他の構造は、温度検出器１４０と略同一である。
【００６５】
かかる構造では、ＰＮ接合素子３３の両端を、同じ不純物型にする必要がなく、ＰＮ接合素子３３を更に小型化することができる。この結果、温度検出器の１５０の熱時定数が低減されて、すばやい被写体の動きの検知が可能となる。
【００６６】
かかる構造において、支持脚１０の熱コンダクタンスを、温度検知部２０の両側で同一にする場合がある。この場合には、Ｐ型拡散層３３ａの比抵抗と、Ｎ型拡散層３３ｆの比抵抗とを同一にすれば良い。また、比抵抗が同一にできない場合は、支持脚１０の長さを変えて調整しても良い。
【００６７】
上述の実施の形態１、２において、Ｐ型とＮ型の不純物タイプを逆に形成することもできる。また、実施の形態１、２で述べた温度検出器は、熱型赤外線センサの他、フローセンサ、熱分析センサ、湿度センサなどのセンサとしても使用することができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる温度検出器では、温度検出器の温度感度を高くすることができる。
このため、温度感度を一定に維持しつつ温度検知部を小型化して、温度検出器の熱時定数を低減でき、すばやい被写体の動きの検知が可能な温度検出器を得ることができる。
【００６９】
また、本発明にかかる温度検出器の製造方法では、製造工程が簡略化され、製造コストの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】従来のＰＮ接合素子の電流−電圧特性である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるＰＮ接合素子の電流−電圧特性である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる温度検出器の製造工程の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる他の温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる他の温度検出器の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる他の温度検出器の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる他の温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図１０】従来の熱型赤外線センサの斜視図である。
【図１１】従来の温度検出器であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１基板、２凹部、３配線層、１０支持脚、１１素子配線層、２０温度検知部、２１酸化膜、３０ＰＮ接合素子、３０ａ、３０ｃ、３０ｅＰ型拡散層（低濃度）、３０ｂ、３０ｄ、３０ｆＮ型拡散層（低濃度）、３０ｃ１、３０ｅ１Ｐ型拡散層（高濃度）、３０ｂ１、３０ｄ１Ｎ型拡散層（高濃度）、４０エッチング孔、１００温度検出器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a temperature detector, and more particularly to a temperature detector using a PN junction element.
[0002]
[Prior art]
FIG. 10 is a perspective view of a thermal infrared sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-223349, indicated as a whole by 300. As shown in FIG. 10, the thermal infrared sensor 300 includes a substrate 201 made of, for example, silicon. On the substrate 201, a detector array unit 302 in which the temperature detectors 200 are arranged in 3 rows × 3 columns, and a signal processing circuit unit 303 that processes the electrical signals output from the temperature detectors 200 and outputs them to the outside. And are provided. The plurality of temperature detectors 200 included in the detector array unit 302 and the signal processing circuit unit 303 are connected by a wiring layer and an element wiring layer (not shown).
[0003]
11 is an enlarged view of the temperature detector 200 included in the thermal infrared sensor 300 shown in FIG. 10, and FIG. 11 (a) is a top view and FIG. 11 (b) is a V- Sectional drawing seen in the V direction is shown. In FIG. 11A, the protective film 204 is omitted, and the upper surfaces of the PN junction element and the wiring layer are exposed.
The temperature detector 200 includes a support leg 210 and a temperature detection unit 220. The temperature detection unit 220 is supported by a support leg 210 in a hollow manner on a recess 202 provided in the substrate 201.
[0004]
The temperature detection unit 220 includes an oxide film 221 made of silicon oxide and a PN junction element 230 made of a semiconductor layer such as single crystal silicon formed on the oxide film 221. The PN junction element 230 includes P-type diffusion layers 230a, 230c and 230e formed by diffusing P-type impurities in a semiconductor layer, and N-type diffusion layers 230b and 230d formed by diffusing N-type impurities in the semiconductor layer. 230f are alternately provided to form a thyristor (PNPN) structure. For example, the P-type impurity concentration of the P-type diffusion layers 230a, 230c, and 230e and the N-type impurity concentration of the N-type diffusion layers 230b, 230d, and 230f are all about 1 × 10. ¹⁵ cm ^-3 Set to
[0005]
The support leg 210 is provided with an element wiring layer 211 made of TiN, and electrically connects the wiring layer 203 made of aluminum and the PN junction element 230. The wiring layer 203 and the PN junction element 230 are covered with a protective film 204 made of silicon oxide.
[0006]
In the temperature detector 200, the temperature of the PN junction element 230 rises when infrared rays are incident on the temperature detection unit 220, and the electrical characteristics of the PN junction element 230 also change accordingly. In a state where a predetermined voltage is applied to both ends of the PN junction element 230, the signal processing circuit unit 303 reads out such a change in electrical characteristics as an electrical signal via the element wiring layer 211 and the wiring layer 203. Thereby, the amount of infrared rays incident on the temperature detection unit 220 is detected.
In particular, in the temperature detector 200, an SOI (Silicon On Insulator) wafer is used so that the oxide film 221 is a BOX (Beried OXide) layer and the semiconductor layer forming the PN junction element 230 is an SOI layer. The SOI layer is made of single crystal silicon. For this reason, the noise of the PN junction element 230 is reduced, and the infrared detection sensitivity can be increased.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional thermal infrared sensor 300, the temperature change is detected by utilizing the current-voltage characteristic of the PN junction element 230 having a thyristor (PNPN) structure having temperature dependence. The forward characteristics of the PN junction mainly contribute to the temperature sensitivity of the thermal infrared sensor 300, and the reverse characteristics hardly contribute. For this reason, in order to increase temperature sensitivity, it is necessary to increase the number of forward PN junctions. As a result, the PN junction element 230 and the temperature detection unit 200 are large, and the thermal time constant of the temperature detector 200 is large.
Further, in the thermal infrared sensor 300, since the PN junction element 230 and the element wiring layer 211 are formed in separate steps, the manufacturing process is complicated.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a temperature detector that is small in size, has a small thermal time constant, and can detect temperature with high sensitivity. It is another object of the present invention to provide a temperature detector with a simple manufacturing process.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a temperature detector that detects a temperature change of a temperature detection unit using a temperature detection unit including a PN junction element, and includes a substrate, a temperature detection unit supported by a support leg on the substrate, A PN junction element in which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are alternately arranged, and a wiring layer that extracts an electrical signal from the PN junction element by applying an operating voltage to both ends of the PN junction element. The P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer sandwiching the PN junction surface of the PN junction element each have a high concentration layer in contact with the PN junction surface and a lower impurity concentration than the high concentration layer in contact with the high concentration layer. It is a temperature detector characterized by comprising a low concentration layer.
[0010]
In such a temperature detector, the temperature sensitivity of the PN junction to which the forward voltage is applied and the temperature sensitivity of the PN junction to which the reverse voltage is applied are added to obtain the temperature sensitivity of the entire temperature detector. Therefore, a highly sensitive temperature detector can be obtained.
[0011]
In particular, since the tunnel current passing through the PN junction surface to which the reverse voltage is applied has low noise, a highly accurate temperature detector can be obtained.
[0012]
In addition, since the temperature detector for obtaining a predetermined temperature sensitivity can be made small and the thermal time constant of the temperature detector can be reduced, it is possible to obtain a temperature detector that can quickly detect the movement of the subject.
[0013]
The present invention also provides a temperature detector that detects a temperature change of the temperature detection unit using a temperature detection unit including a PN junction element, the temperature detection unit being supported by a support leg on the substrate. And a PN junction element provided in the temperature detection unit, in which P-type semiconductor layers and N-type semiconductor layers are alternately arranged, and an operating voltage is applied to both ends of the PN junction element to extract an electrical signal from the PN junction element One of the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer sandwiching the PN junction surface of the PN junction element is composed of a high concentration layer, and the other is in contact with the high concentration layer and the high concentration layer in contact with the PN junction surface. It is also a temperature detector characterized by comprising a low concentration layer having a lower impurity concentration than the high concentration layer.
[0014]
The high concentration layer is 5 × 10 ¹⁷ ~ 5x10 ²¹ cm ^-3 It is preferable to have an impurity concentration in the range. By providing such a high concentration layer with such an impurity concentration on both sides of the PN junction surface to which the reverse voltage is applied, a tunnel current passing through the PN junction surface can flow.
[0015]
In the present invention, the semiconductor layers at both ends of the PN junction element are both made of either the P-type semiconductor layer or the N-type semiconductor layer, and each of the wiring layers is made of a semiconductor layer in contact with the wiring layer. It is also a temperature detector characterized by this.
[0016]
Further, according to the present invention, one of the semiconductor layers at both ends of the PN junction element is composed of the P-type semiconductor layer, the other is composed of the N-type semiconductor layer, and each of the wiring layers is in contact with the wiring layer. It is also a temperature detector characterized by comprising a layer or an N-type semiconductor layer.
[0017]
By using such a structure, the thermal conductance of the wiring layer is reduced, and a highly sensitive temperature detector can be obtained. Further, since the wiring layer can be shortened and the temperature detector can be miniaturized, the temperature detector can be integrated. In addition, the manufacturing process is simplified.
[0018]
The impurity concentration of the wiring layer is preferably the same. This is because a symmetric structure can be formed with the temperature detection unit interposed therebetween.
[0019]
The present invention includes a detector array unit in which the temperature detectors are arranged in an array, and a signal readout circuit that is connected to a wiring layer included in the temperature detector and reads an electrical signal from the temperature detector. It is also a semiconductor detection device.
[0020]
The present invention is also a method for manufacturing a temperature detector having a temperature detection unit equipped with a PN junction element, the step of preparing a substrate, and the step of sequentially stacking an oxide film and a semiconductor layer on the substrate. And an implantation step of injecting a P-type impurity and an N-type impurity into the semiconductor layer, and after the implantation step, the semiconductor layer is heat-treated, and the P-type semiconductor layer into which the P-type impurity is implanted, and the N-type impurity is implanted. A heat treatment step for forming a PN junction element bonded to the N-type semiconductor layer at the PN junction surface, and forming a recess by etching the substrate, and including a PN junction element supported hollowly on the recess A step of forming a temperature detector, wherein the implantation step implants a low-concentration P-type impurity and an N-type impurity into the semiconductor layer and a low-concentration P-type impurity in a region sandwiching the PN junction surface And higher impurity concentration than N-type impurity, high concentration It is also a method for producing a temperature detector which comprises a step of implanting impurity and N-type impurities, respectively.
[0021]
The present invention is also a method for manufacturing a temperature detector having a temperature detection unit equipped with a PN junction element, the step of preparing a substrate, and the step of sequentially stacking an oxide film and a semiconductor layer on the substrate. And an implantation step of injecting a first conductivity type impurity and a second conductivity type impurity into the semiconductor layer, and a first conductivity type semiconductor in which the first conductivity type impurity is implanted by heat-treating the semiconductor layer after the implantation step. A heat treatment step of forming a PN junction element in which a layer and a second conductivity type semiconductor layer into which a second conductivity type impurity is implanted are joined at a PN junction surface, etching the substrate to form a recess, Forming a temperature detecting unit including a PN junction element supported hollowly, and the implantation step includes a semiconductor layer with a high-concentration first conductivity type impurity on one side and a PN junction surface on the other side. High-concentration second conductivity type impurities and adjacent to this It is also a method for producing a temperature detector which comprises a step of implanting second conductivity type impurity of low low concentrations of pure object density.
[0022]
The heat treatment step is preferably performed at 850 ° C. or lower.
This is because impurity diffusion at the PN junction surface generated in the heat treatment process can be prevented. Thereby, a temperature detector with low power consumption can be formed. In addition, a temperature detector with high detection sensitivity can be obtained.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows a temperature detector according to the present embodiment, the whole being represented by 100, FIG. 1 (a) is a top view, and FIG. 1 (b) is a cross-sectional view of FIG. It is sectional drawing of I direction. In FIG. 1A, the protective film 4 is omitted, and the upper surfaces of the PN junction element and the wiring layer are exposed.
The temperature detector 100 according to the present embodiment is characterized by the structure of the PN junction element 30, and the structure of portions other than the PN junction element 30 is the same as that of the conventional temperature detector 200.
[0024]
The temperature detector 100 includes a support leg 10 and a temperature detection unit 20. The temperature detection unit 20 is supported by the support leg 10 in a hollow manner on the recess 2 provided in the substrate 1.
[0025]
The temperature detection unit 20 includes an oxide film 21 made of, for example, silicon oxide, and a PN junction element 30 formed on the oxide film 21. The PN junction element 30 is made of a semiconductor layer such as single crystal silicon or polycrystalline silicon.
The PN junction element 30 includes P-type diffusion layers 30a, 30c, and 30e formed by diffusing P-type impurities in a semiconductor layer, and N-type diffusion layers 30b, 30d, and 30f formed by diffusing N-type impurities in the semiconductor layer. Are thyristor (PNPN) structures provided alternately. The impurity concentration of the P-type diffusion layer and the N-type diffusion layer is approximately 1 × 10 respectively. ¹⁵ cm ^-3 It is.
Further, the PN junction element 30 has a high-concentration region on both sides of the PN junction surface to which a reverse voltage is applied when an applied voltage (applied bias) is applied to the PN junction element 30. Specifically, a region sandwiching the PN junction surface between the N-type diffusion layer 30b and the P-type diffusion layer 30c is a high-concentration N-type diffusion layer 30b1 and a high-concentration P-type diffusion layer 30c1. Similarly, a region sandwiching the PN junction surface between the N-type diffusion layer 30d and the P-type diffusion layer 30e is a high-concentration N-type diffusion layer 30d1 and a high-concentration P-type diffusion layer 30e1. The impurity concentration of the high concentration diffusion layers 30b1, 30c1, 30d1, and 30e1 is about 5 × 10 respectively. ¹⁷ cm ^-3 The impurity concentration is approximately 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 ~ Approximately 5 x 10 ²¹ cm ^-3 Can be selected within the range.
[0026]
The support leg 10 is provided with an element wiring layer 11 made of TiN, and electrically connects the wiring layer 3 made of aluminum and the PN junction element 30. The wiring layer 3 and the PN junction element 30 are covered with a protective film 4 made of, for example, silicon oxide.
[0027]
In the temperature detector 100 according to the present embodiment, the temperature of the PN junction element 30 rises due to the incidence of infrared rays on the temperature detection unit 20, thereby changing the electrical characteristics of the PN junction element 30. The signal processing circuit unit (not shown) reads out the change in electrical characteristics accompanying the temperature change as an electrical signal through the element wiring layer 11 and the wiring layer 3 and detects the amount of infrared rays incident on the temperature detection unit 20. To do.
[0028]
Next, the temperature sensitivity of the PN junction element 30 will be described in comparison with the conventional PN junction element 200. Here, the temperature sensitivity refers to a temperature-dependent change amount of an applied voltage applied to the PN junction element, in other words, temperature dependency of current-voltage characteristics.
As described above, a voltage is applied to the PN junction element 30 such that the P-type diffusion layer 30a side (terminal A) has a higher potential than the N-type diffusion layer 30f side (terminal B). At this time, a forward voltage (forward bias) is applied to the PN junctions 30ab, 30cd, and 30ef including the P-type diffusion layers 30a, 30c, and 30e and the N-type diffusion layers 30b, 30d, and 30f. The current-voltage characteristics of these PN junctions 30ab, 30cd, and 30ef are in accordance with Equation 1 shown below.
[0029]
I = Io [exp (qV / kT) -1] (Formula 1)
Where I: current
Io: saturation current
V: Applied voltage
T: Absolute temperature
k: Boltzmann constant
q: Elementary charge
[0030]
Under the condition that the current I is constant, the forward voltage (forward bias) Vf of the PN junctions 30ab, 30cd, and 30ef is differentiated by the absolute temperature T, so that the temperature expressed by the following formula 2 is obtained. You can see that it changes.
[0031]
dVf / dT <0 (Formula 2)
[0032]
On the other hand, when a voltage is applied so that the P-type diffusion layer 30a side (terminal A) has a higher potential than the N-type diffusion layer 30f side (terminal B), the P-type diffusion layers 30c, 30e (30c1, 30e1) A reverse voltage (reverse bias) is applied to the PN junctions 30bc (30b1c1) and 30de (30d1e1) composed of the N-type diffusion layers 30b and 30d (30b1 and 30d1).
[0033]
FIG. 2 shows current-voltage characteristics of a conventional PN junction element 230 shown as a comparative example. In FIG. 2, the horizontal arrow direction is added so that the terminal A is at a higher potential than the terminal B between the P-type diffusion layer 230a side (terminal A) and the N-type diffusion layer 230f side (terminal B). The direction in which the applied voltage increases, and the direction of the arrow on the vertical axis is the direction in which the current flowing from terminal A to terminal B increases (the same applies to FIG. 3 described later). The PN junction element 230 is in a forward conduction state (a state in which a forward current greater than the holding current flows) at the time of temperature detection. For this reason, the reverse voltage applied to the PN junctions 230bc and 230de becomes sufficiently small due to the hook effect, and the temperature change is negligible. That is, in the conventional PN junction element 230, the change amount (temperature sensitivity) of the applied voltage depending on the temperature change is almost equal to the value obtained by superimposing the temperature change amount of the forward voltage Vf applied to the PN junctions 230ab, 230cd, and 230ef. It was equal. In order to obtain the hook effect, for example, the P-type diffusion layer 230a and the N-type diffusion layer 230b may be connected by wiring having an appropriate electrical resistance.
[0034]
On the other hand, FIG. 3 shows current-voltage characteristics of the PN junction element 30 according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, in the PN junction element 30, breakover occurs even if the applied voltage applied between the P-type diffusion layer 30a side (terminal A) and the N-type diffusion layer 30f side (terminal B) is increased. do not do. This is because there is no influence of the hook effect and the reverse voltage applied to the PN junctions 30bc and 30de does not become small.
That is, the temperature-dependent change amount (temperature sensitivity) of the applied voltage applied to the PN junction element 30 according to the present embodiment is the overlap of the temperature change amount of the forward voltage Vf applied to the PN junctions 30ab, 30cd, and 30ef. In addition to the combination, it is a value obtained by adding a temperature change amount of the reverse voltage Vr applied to the PN junctions 30bc and 30de.
[0035]
Here, the impurity concentrations of the high-concentration P-type diffusion layers 30c1 and 30e1 and the high-concentration N-type diffusion layers 30b1 and 30d1 are approximately 5 × 10 respectively. ¹⁷ cm ^-3 Therefore, the PN junction portion (hereinafter referred to as “30b1c1”) composed of the P-type diffusion layer 30c1 and the N-type diffusion layer 30b1 and the PN junction portion 30d1e1 become Esaki diodes, and the PN junction 30bc (30b1c1), The reverse breakdown voltage Vr of the PN junction 30de (30d1e1) is determined by the tunnel effect. For this reason, the temperature change of the reverse breakdown voltage Vr is expressed by Equation 3.
[0036]
dVr / dT <0 (Formula 3)
[0037]
Therefore, the temperature sensitivity of the PN junctions 30ab, 30cd, and 30ef represented by Expression 2 is added to the temperature sensitivity of the high-concentration PN junctions 30bc (30b1c1) and 30de (30d1e1) represented by Expression 3. The temperature sensitivity of 30 is greater than that of the conventional PN junction element 230. In particular, since the tunnel current generated by the tunnel effect is low noise, the noise does not increase due to the tunnel current in the high-concentration PN junctions 30bc and 30de.
[0038]
For this reason, compared with the conventional temperature detector 200 using the PN junction element 230, the temperature detector 100 using the PN junction element 30 according to the present embodiment has higher temperature sensitivity. In other words, since the number of P-type and N-type regions of the PN junction for obtaining a predetermined temperature sensitivity can be reduced, the PN junction element 30 can be reduced and the temperature detector 20 can be reduced. For this reason, the thermal time constant of the temperature detector 200 can be reduced, and the movement of the subject can be detected quickly.
[0039]
It should be noted that a thermal infrared sensor as shown in FIG. 10 can be obtained by arranging such temperature detectors 100 in an array on the substrate. The same applies to the temperature detectors 110 to 150 described below.
[0040]
Next, a method for manufacturing a thermal infrared sensor including the temperature detector 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. This manufacturing method includes the following steps 1 to 4.
[0041]
Step 1: As shown in FIG. 4A, an oxide film 21 made of silicon oxide is formed on a single crystal silicon substrate 1. Subsequently, a semiconductor layer 22 of single crystal silicon is formed on the oxide film 21.
Note that an SOI (Silicon On Insulator) wafer may be used as the substrate. In this case, a BOX (Baried OXide) layer of the SOI wafer corresponds to the oxide film 21, and the SOI layer corresponds to the semiconductor layer 22.
[0042]
Step 2: As shown in FIG. 4B, the PN junction element 30 and the signal processing circuit unit 303 are formed.
In this step, first, the oxide film 21 and the semiconductor layer 22 in the signal processing circuit portion 303 formation region are removed.
[0043]
Next, the semiconductor layer 22 is etched so as to have a predetermined shape. Subsequently, P-type impurities and N-type impurities are implanted into a predetermined region of the semiconductor layer 22 by an ion implantation method. In the ion implantation process, first, the impurity concentration is 1 × 10 10 respectively. ¹⁵ cm ^-3 P-type diffusion layers 30a, 30c, 30e and N-type diffusion layers 30b, 30d, 30f are formed in series. Subsequently, in the region sandwiching the PN junction surface between the N-type diffusion layer 30b and the P-type diffusion layer 30c and the region sandwiching the PN junction surface between the N-type diffusion layer 30d and the P-type diffusion layer 30e, High (5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 The N-type diffusion layers 30b1 and 30d1 and the P-type diffusion layers 30c1 and 30e1 are formed by ion implantation. The diffusion layers 30b1, 30c1, 30d1, and 30e1 are formed so as to overlap the diffusion layers 30b, 30c, 30d, and 30e, respectively. In this way, the PN junction element 30 is formed. The N-type impurity used for ion implantation is preferably arsenic or antimony having a low thermal diffusion rate. Furthermore, the P-type impurity used for ion implantation is preferably indium with a low thermal diffusion rate.
On the other hand, transistors and diodes are formed in the signal processing circuit 303 formation region. The source / drain regions and the like of the transistor may be formed in the same process as the diffusion layer 30a and the like.
In the step shown in FIG. 4B, the signal processing circuit portion 303 made of a transistor or the like is formed on the exposed substrate 1, but may be formed on the semiconductor layer 22.
[0044]
Step 3: As shown in FIG. 4C, an interlayer insulating film made of silicon oxide is formed on the entire surface. Subsequently, the element wiring layer 11 and the wiring layer 3 that connect the P-type diffusion layer 30a and the N-type diffusion layer 30f and the signal processing circuit unit 303 are formed by a general sputtering method or patterning method. Either the element wiring layer 11 or the wiring layer 3 may be formed first. The element wiring layer 11 is made of TiN, and the wiring layer 3 is made of Al. Subsequently, a protective film made of silicon oxide is formed on the entire surface. The interlayer insulating film and the protective film become an integral film, and include the element wiring layer 11 and the like inside.
[0045]
Step 4: As shown in FIG. 4D, an etching hole 40 is opened at a predetermined position of the detector array section, and XeF is removed from the etching hole 40. ₂ And so on. As a result, the substrate 1 is etched to form the recess 2, and the temperature detector 100 in which the temperature detection unit 20 is supported in a hollow space on the recess 2 by the support leg 10 is completed.
Through the above steps 1 to 4, the thermal infrared sensor including the temperature detector 100 according to the present embodiment is completed.
[0046]
The impurity concentrations of the high concentration P-type diffusion layers 30c1 and 30e1 and the high concentration N-type diffusion layers 30b1 and 30d1 are about 5 × 10 respectively. ¹⁷ cm ^-3 When it is made smaller, the reverse breakdown voltage Vr of the high-concentration PN junctions 30b1c1 and 30d1e1 is determined by the avalanche doubling effect. At this time, the temperature change of the reverse voltage Vr is expressed by Equation 4.
[0047]
dVr / dT> 0 (Formula 4)
[0048]
The temperature sensitivity of the PN junctions 30ab, 30cd, and 30ef expressed by Equation 2 and the temperature sensitivity of the PN junctions 30b1c1 and 30d1e1 expressed by Equation 4 are in a relationship of canceling each other and weakening. For this reason, the temperature sensitivity of the whole PN junction element 30 will become small. Moreover, since the avalanche current is high noise, noise due to the reverse current of the high-concentration PN junctions 30b1c1 and 30d1e1 is affected, and the temperature sensitivity is further lowered.
[0049]
FIG. 5 shows another temperature detector according to the present embodiment, which is denoted as a whole by 110. 5A is a top view of the temperature detector 110, and FIG. 5B is a cross-sectional view in the II-II direction of FIG. 5A. In FIG. 5, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
As described above, in the temperature detector 100, the impurity concentration of each diffusion layer 30a to 30f of the PN junction element 30 is approximately 1 × 10. ¹⁵ cm ^-3 And only about 5 × 10 5 on both sides of the PN junction surface to which the reverse voltage is applied. ¹⁷ cm ^-3 The above high-concentration diffusion layer 30b1 or the like was used.
On the other hand, in the temperature detector 110, the P-type impurity concentration of the P-type diffusion layers 31a, 31c, 31e of the PN junction element 31 is approximately 5 × 10. ¹⁷ cm ^-3 The concentration is higher than the above. Thereby, the PN junction element 31 has a high concentration (approximately 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 P-type diffusion layers 31a, 31c, 31e and low concentrations (approximately 1 × 10) ¹⁵ cm ^-3 ) N type diffusion layers 31b, 31d, 31f and high concentration (approximately 5 × 10 ×) ¹⁷ cm ^-3 The above-described N-type diffusion layers 31b1 and 31d1. That is, the high-concentration P-type diffusion layers 30c1 and 30e1 included in the PN junction element 30 are not necessary.
[0050]
On the contrary, the N-type impurity concentration of the N-type diffusion layers 31b, 31d, 31f of the PN junction element 31 is approximately 5 × 10. ¹⁷ cm ^-3 With the above high concentration, the PN junction element 31 has a low concentration (approximately 1 × 10 ¹⁵ cm ^-3 ) P-type diffusion layers 31a, 31c, 31e and a high concentration (approximately 5 × 10) ¹⁷ cm ^-3 ) N type diffusion layers 31b, 31d, 31f and high concentration (approximately 5 × 10 ×) ¹⁷ cm ^-3 The above may be formed from the P-type diffusion layers 31c1 and 31e1. That is, the high-concentration N-type diffusion layers 30b1 and 30d1 included in the PN junction element 30 are not necessary.
[0051]
Thus, in the temperature detector 110 using the PN junction element 31, either the high-concentration P-type diffusion layers 31c1 and 31e1 or the high-concentration N-type diffusion layers 31b1 and 31d1 are not necessary, and the temperature detection is performed. The device can be downsized.
[0052]
FIG. 6 shows another temperature detector according to the present embodiment, which is generally indicated by 120. FIG. 6 is a cross-sectional view in the same direction as the II direction of FIG. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
The temperature detector 120 has a structure in which an infrared absorption unit 50 is provided on the temperature detection unit 20 of the temperature detector 100. The infrared absorbing unit 50 is made of, for example, TiN. By using such a structure, the infrared light incident from above the temperature detector 100 is efficiently absorbed by the large-area infrared absorber 50, so that a temperature detector with high temperature sensitivity can be obtained.
[0053]
The manufacturing method of the temperature detector 120 is the same process up to the processes 1 to 4 described above and the process of forming the etching hole 40 (process 4). Following the step of forming the etching hole 40, a sacrificial layer (not shown) such as polycrystalline silicon is deposited on the entire surface. Further, a hole is formed in the sacrificial layer so that the vicinity of the center of the temperature detection unit 20 is exposed. Subsequently, a TiN layer is formed on the sacrificial layer so as to fill the hole, and then the TiN layer is patterned so as to have the shape of an infrared absorption part. Finally, XeF ₂ The sacrificial layer and a part of the substrate 1 are removed by using, for example. Thereby, the temperature detector 120 in which the temperature detection unit 20 is supported in the hollow on the concave portion 2 by the support legs 10 and the infrared absorption unit 50 is provided on the temperature detection unit 20 is completed.
[0054]
FIG. 7 shows another temperature detector according to the present embodiment, which is indicated as a whole by 130. FIG. 7 is a cross-sectional view in the same direction as the II direction of FIG. In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
In the temperature detector 100 described above, the substrate 1 is etched to form the recess 2 and the temperature detection unit 20 is supported. However, the temperature detector 130 does not etch the substrate 1 and uses the support legs 5 to measure the temperature. The detection unit 20 is supported. The support leg 5 is made of, for example, polycrystalline silicon.
[0055]
In the manufacturing method of the temperature detector 130, after depositing a sacrificial layer made of polycrystalline silicon on the substrate 1 in the above-described step 1, the oxide film 21 and the semiconductor layer 22 are formed on the sacrificial layer.
Next, following the steps 2 and 3, the etching hole 40 in the step 4 is formed. Subsequently, XeF is etched from the etching hole 40. ₂ Etc. are introduced to etch the sacrificial layer, and the sacrificial layer is removed leaving the support legs 5.
As a result, a temperature detector 130 in which the temperature detection unit 20 is supported by the support legs 10 in a hollow manner as shown in FIG. 7 is completed.
[0056]
Embodiment 2. FIG.
8A and 8B are temperature detectors according to the present embodiment, the whole being represented by 140, FIG. 8A is a top view, and FIG. 8B is an IV− of FIG. It is sectional drawing of IV direction. In FIG. 8A, the protective film 4 is omitted, and the upper surfaces of the PN junction element and the wiring layer are exposed.
The temperature detector 140 according to the present embodiment is characterized in that the element wiring layer is formed from the same material as that of the PN junction element 32.
[0057]
The temperature detector 140 includes a support leg 10 and a temperature detection unit 20 supported by the support leg 10 so as to be hollow. The temperature detection unit 20 includes an oxide film 21 made of, for example, silicon oxide, and a PN junction element 32 formed on the oxide film 21. The PN junction element 30 is made of a semiconductor layer such as single crystal silicon or polycrystalline silicon.
[0058]
The PN junction element 32 includes diffusion layers 32a to 32f having the same structure as the diffusion layers 31a to 31f included in the PN junction element 31 of the temperature detector 110, and further has a high concentration (approximately 5 × 10 ×). ¹⁷ cm ^-3 N-type diffusion layer 32f1 and high concentration (approximately 5 × 10) ¹⁷ cm ^-3 The above-mentioned P-type diffusion layer 32g is included.
That is, the PN junction element 32 has a high concentration (approximately 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 P-type diffusion layers 32a, 32c, 32e, and 32g of the above and a low concentration (approximately 1 × 10) ¹⁵ cm ^-3 ) N-type diffusion layers 32b, 32d, 32f, and high concentration (approximately 5 × 10) ¹⁷ cm ^-3 The above-described N-type diffusion layers 32b1, 32d1, and 32f1. The impurity concentrations of the P-type diffusion layers 32a and 32g are substantially the same.
[0059]
The element wiring layer is formed using P-type diffusion layers 32a and 32g. By forming the element wiring layer from a semiconductor layer instead of a metal, the specific resistance can be increased. For example, 5 × 10 5 ^-5 Can be Ω · cm or more. Here, according to the Wiedemann-Franz rule, the higher the electrical resistance value of the element wiring layer, the higher the thermal resistance value. Therefore, in the temperature detector 140, compared with a temperature detector using a metal for the element wiring layer, heat that escapes from the temperature detection unit 20 through the support leg 10 to the substrate 1 can be suppressed, and temperature sensitivity can be increased.
In other words, the thermal resistance value of the element wiring layer required for obtaining a certain temperature sensitivity can be realized with a shorter element wiring layer. For this reason, the length of the support leg 10 can be shortened, and the temperature detector 140 can be downsized.
In addition, by lowering the impurity concentration of the P-type diffusion layers 32a and 32g, it is possible to increase the specific resistance of the element wiring layer and increase the temperature sensitivity.
[0060]
In the temperature detector 140, as in the temperature detector 100 according to the first embodiment, the temperature sensitivity is increased, and the temperature detector 20 can be downsized. In addition, the thermal time constant is reduced, and the movement of the subject can be detected quickly. Furthermore, since the element wiring layer can be shortened and a smaller temperature detector can be obtained, the detector array unit can be reduced to reduce the size of the infrared camera lens, or the number of temperature detectors can be increased. Is possible.
[0061]
Next, a method for manufacturing the temperature detector 140 will be briefly described. The manufacturing method of temperature detector 140 is substantially the same as steps 1 to 4 in the first embodiment except for the following two points.
First, in the ion implantation process of the process 2, in particular, a high concentration (approximately 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 In order to form the N-type diffusion layers 32b1, 32d1, and 32f1 as described above, arsenic or antimony having a low thermal diffusion rate is used as a dopant. High concentration (approximately 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 In order to form the P-type diffusion layers 32a, 32c, 32e, and 32g, indium having a low thermal diffusion rate is used as a dopant. Further, when forming the high-concentration P-type diffusion layers 32a, 32c, 32e, and 32g, the low-concentration N-type diffusion layers 32b, 32d, and 32f, and the high-concentration N-type diffusion layers 32b1, 32d1, and 32f1, The subsequent heat treatment temperature is set to 850 ° C. or lower. The heat treatment time is, for example, 30 minutes.
Second, the element wiring layer is formed from the P-type diffusion layers 32a and 32g. That is, in step 2, the semiconductor layer into which the P-type impurity is implanted is left also in the support leg 20, and this is used as an element wiring layer.
[0062]
As described above, in this manufacturing method, arsenic or antimony having a low thermal diffusion rate is used as the dopant of the N-type diffusion layers 32b1, 32d1, and 32f1, and the thermal diffusion rate is high in the dopants of the P-type diffusion layers 32a, 32c, 32e, and 32g. Small indium is used and the heat treatment temperature is 850 ° C. or lower. Thereby, the diffusion amount of the N-type impurity from the N-type diffusion layer to the P-type diffusion layer at the high-concentration PN junction interfaces 32b1c, 32d1e, and 32f1g can be reduced, and the P-type impurity from the P-type diffusion layer to the N-type diffusion layer can be reduced. Can be reduced.
Therefore, in the vicinity of the PN junction surfaces 32b1c, 32d1e, and 32f1g, the effective P-type impurity concentration in the P-type diffusion layers 32c, 32e, and 32g, and the effective N-type in the N-type diffusion layers 32b1, 32d1, and 32f1. Impurity concentration increases. As a result, the reverse voltage Vr applied to these PN junction surfaces is reduced, and the applied voltage required for the temperature detection operation can be reduced. Therefore, the power consumption of the PN junction element 32 is reduced under a constant current, and the power consumption of the thermal infrared sensor is also reduced.
In addition, the P type diffusion layers 32c, 32e, and 32g and the N type diffusion layers 32b1, 32d1, and 32f1 are surely high in concentration (approximately 5 × 10 ×). ¹⁷ cm ^-3 The impurity concentration is 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 There are no smaller areas. For this reason, the avalanche current is not included in the current passing through the PN junction surfaces 32b1c, 32d1e, and 32f1g, and only the tunnel current flows. Therefore, the temperature detector 140 has high temperature sensitivity.
Furthermore, since the element wiring layer can be formed at the same time in the process of forming the PN junction element 32, the manufacturing process can be simplified.
[0063]
Such a manufacturing method may be applied to the formation of the PN junction elements 30 and 31 according to the first embodiment.
[0064]
FIG. 9 shows another temperature detector according to the present embodiment, indicated as a whole by 150. FIG. 9 is a cross-sectional view in the same direction as the II direction of FIG. 9, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
In the above-described temperature detector 140, the two element wiring layers are both formed of P-type diffusion layers 32a and 32g. In the temperature detector 150, the P-type diffusion layer 33a and the N-type diffusion layer 33f are used. Is formed. For this reason, layers corresponding to the diffusion layers 32f1 and 32g are not provided. Other structures are substantially the same as those of the temperature detector 140.
[0065]
In such a structure, both ends of the PN junction element 33 do not have to be the same impurity type, and the PN junction element 33 can be further downsized. As a result, the thermal time constant of the temperature detector 150 is reduced, and it is possible to quickly detect the movement of the subject.
[0066]
In such a structure, the thermal conductance of the support leg 10 may be the same on both sides of the temperature detection unit 20. In this case, the specific resistance of the P-type diffusion layer 33a and the specific resistance of the N-type diffusion layer 33f may be the same. When the specific resistance cannot be made the same, the length of the support leg 10 may be changed and adjusted.
[0067]
In the first and second embodiments, the P-type and N-type impurity types can be formed in reverse. Further, the temperature detector described in the first and second embodiments can be used as a sensor such as a flow sensor, a thermal analysis sensor, and a humidity sensor in addition to a thermal infrared sensor.
[0068]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the temperature detector according to the present invention can increase the temperature sensitivity of the temperature detector.
For this reason, the temperature detector can be downsized while maintaining the temperature sensitivity constant, the thermal time constant of the temperature detector can be reduced, and a temperature detector capable of quickly detecting the movement of the subject can be obtained.
[0069]
Moreover, in the manufacturing method of the temperature detector concerning this invention, a manufacturing process is simplified and it becomes possible to reduce manufacturing cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a temperature detector according to a first embodiment of the present invention, in which (a) is a top view and (b) is a cross-sectional view.
FIG. 2 is a current-voltage characteristic of a conventional PN junction element.
FIG. 3 is a current-voltage characteristic of the PN junction element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the temperature detector according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 5A and 5B are other temperature detectors according to the first exemplary embodiment of the present invention, where FIG. 5A is a top view and FIG. 5B is a cross-sectional view.
FIG. 6 is a cross-sectional view of another temperature detector according to the first exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of another temperature detector according to the first exemplary embodiment of the present invention.
8A and 8B are temperature detectors according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 8A is a top view and FIG. 8B is a cross-sectional view.
9A and 9B are other temperature detectors according to the second exemplary embodiment of the present invention, where FIG. 9A is a top view and FIG. 9B is a cross-sectional view.
FIG. 10 is a perspective view of a conventional thermal infrared sensor.
11A and 11B show a conventional temperature detector, wherein FIG. 11A is a top view and FIG. 11B is a cross-sectional view.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate, 2 recessed part, 3 wiring layer, 10 support leg, 11 element wiring layer, 20 temperature detection part, 21 oxide film, 30 PN junction element, 30a, 30c, 30e P-type diffusion layer (low concentration), 30b, 30d 30f N-type diffusion layer (low concentration), 30c1, 30e1 P-type diffusion layer (high concentration), 30b1, 30d1 N-type diffusion layer (high concentration), 40 etching holes, 100 temperature detector.

Claims

ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を用いて、該温度検知部の温度変化を検出する温度検出器であって、
基板と、
該基板上に支持脚で支持された温度検知部と、
該温度検知部に設けられ、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に配置されたＰＮ接合素子と、
該ＰＮ接合素子の両端に動作電圧を印加し、該ＰＮ接合素子から電気信号を取り出す配線層とを含み、
該ＰＮ接合素子のＰＮ接合面を挟む該Ｐ型半導体層と該Ｎ型半導体層とが、それぞれ、該ＰＮ接合面に接する高濃度層と、該高濃度層に接し該高濃度層より不純物濃度の低い低濃度層からなることを特徴とする温度検出器。A temperature detector that detects a temperature change of the temperature detector using a temperature detector provided with a PN junction element,
A substrate,
A temperature detection unit supported by support legs on the substrate;
A PN junction element provided in the temperature detection unit, in which P-type semiconductor layers and N-type semiconductor layers are alternately arranged;
A wiring layer that applies an operating voltage to both ends of the PN junction element and extracts an electrical signal from the PN junction element,
The P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer sandwiching the PN junction surface of the PN junction element are respectively a high-concentration layer in contact with the PN junction surface, and an impurity concentration from the high-concentration layer in contact with the high-concentration layer. A temperature detector comprising a low-concentration low-density layer .

ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を用いて、該温度検知部の温度変化を検出する温度検出器であって、
基板と、
該基板上に支持脚で支持された温度検知部と、
該温度検知部に設けられ、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に配置されたＰＮ接合素子と、
該ＰＮ接合素子の両端に動作電圧を印加し、該ＰＮ接合素子から電気信号を取り出す配線層とを含み、
該ＰＮ接合素子の該ＰＮ接合面を挟む該Ｐ型半導体層と該Ｎ型半導体層との一方が高濃度層からなり、他方が該ＰＮ接合面に接する該高濃度層と該高濃度層に接し該高濃度層より不純物濃度の低い低濃度層からなることを特徴とする温度検出器。A temperature detector that detects a temperature change of the temperature detector using a temperature detector provided with a PN junction element,
A substrate,
A temperature detection unit supported by support legs on the substrate;
A PN junction element provided in the temperature detection unit, in which P-type semiconductor layers and N-type semiconductor layers are alternately arranged;
A wiring layer that applies an operating voltage to both ends of the PN junction element and extracts an electrical signal from the PN junction element,
One of the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer sandwiching the PN junction surface of the PN junction element is a high concentration layer, and the other is the high concentration layer and the high concentration layer in contact with the PN junction surface. A temperature detector comprising a low concentration layer in contact with and having a lower impurity concentration than the high concentration layer .

上記高濃度層が、５×１０ ^１７〜５×１０ ^２１ｃｍ ^−３の範囲内にある不純物濃度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の温度検出器。 The temperature detector according to claim 1 , wherein the high concentration layer has an impurity concentration in a range of 5 × 10 ^{17 to} 5 × 10 ²¹ cm ⁻³ .

上記ＰＮ接合素子の両端の半導体層が、共に、上記Ｐ型半導体層と上記Ｎ型半導体層のいずれか一方からなり、
上記配線層のそれぞれが、該配線層が接する該半導体層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の温度検出器。The semiconductor layers at both ends of the PN junction element are both composed of either the P-type semiconductor layer or the N-type semiconductor layer,
3. The temperature detector according to claim 1, wherein each of the wiring layers is made of the semiconductor layer in contact with the wiring layer.

上記ＰＮ接合素子の両端の半導体層の一方が上記Ｐ型半導体層からなり、他方が上記Ｎ型半導体層からなり、
上記配線層のそれぞれが、該配線層が接する該Ｐ型半導体層又は該Ｎ型半導体層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の温度検出器。One of the semiconductor layers at both ends of the PN junction element is made of the P-type semiconductor layer, and the other is made of the N-type semiconductor layer,
3. The temperature detector according to claim 1, wherein each of the wiring layers includes the P-type semiconductor layer or the N-type semiconductor layer in contact with the wiring layer.

上記配線層の不純物濃度が、同一であることを特徴とする請求項４または５に記載の温度検出器。The impurity concentration of the wiring layer, the temperature detector according to claim 4 or 5, wherein the at least.

請求項１または２に記載の温度検出器がアレイ状に配置された検出器アレイ部と、
該温度検出器に含まれる配線層に接続され、該温度検出器から電気信号を読み出す信号読み出し回路とを含むことを特徴とする半導体検出装置。A detector array unit in which the temperature detectors according to claim 1 or 2 are arranged in an array;
A semiconductor detection device comprising: a signal readout circuit connected to a wiring layer included in the temperature detector and reading an electrical signal from the temperature detector.

ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を有する温度検出器の製造方法であって、
基板を準備する工程と、
基板上に、酸化膜と、半導体層とを順次積層する工程と、
該半導体層に、Ｐ型不純物とＮ型不純物とを注入する注入工程と、
該注入工程後に、半導体層を熱処理して、該Ｐ型不純物が注入されたＰ型半導体層と、該Ｎ型不純物が注入されたＮ型半導体層とが、ＰＮ接合面で接合されたＰＮ接合素子を形成する熱処理工程と、
該基板をエッチングして凹部を形成し、該凹部の上に中空で支持された該ＰＮ接合素子を含む該温度検知部を形成する工程とを含み、
該注入工程が、
該半導体層に、低濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物を注入する工程と、
該ＰＮ接合面を挟んだ領域に、該低濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物より不純物濃度の高い、高濃度のＰ型不純物およびＮ型不純物をそれぞれ注入する工程と、を含むことを特徴とする温度検出器の製造方法。A method of manufacturing a temperature detector having a temperature detection unit equipped with a PN junction element,
Preparing a substrate;
A step of sequentially stacking an oxide film and a semiconductor layer on the substrate;
An implantation step of injecting a P-type impurity and an N-type impurity into the semiconductor layer;
After the implantation step, the semiconductor layer is heat-treated so that the P-type semiconductor layer into which the P-type impurity is implanted and the N-type semiconductor layer into which the N-type impurity is implanted are joined at a PN junction surface. A heat treatment step for forming an element ;
Etching the substrate to form a recess, and forming the temperature detection unit including the PN junction element supported hollowly on the recess ,
The injection step comprises:
Injecting low concentration P-type impurities and N-type impurities into the semiconductor layer;
Injecting a high concentration P-type impurity and an N-type impurity having an impurity concentration higher than that of the low-concentration P-type impurity and the N-type impurity into a region sandwiching the PN junction surface, respectively. A manufacturing method of a temperature detector.

ＰＮ接合素子を備えた温度検知部を有する温度検出器の製造方法であって、
基板を準備する工程と、
基板上に、酸化膜と、半導体層とを順次積層する工程と、
該半導体層に、第１導電型不純物と第２導電型不純物とを注入する注入工程と、
該注入工程後に、半導体層を熱処理して、該第１導電型不純物が注入された第１導電型半導体層と、該第２導電型不純物が注入された第２導電型半導体層とがＰＮ接合面で接合されたＰＮ接合素子を形成する熱処理工程と、
該基板をエッチングして凹部を形成し、該凹部の上に中空で支持された該ＰＮ接合素子を含む該温度検知部を形成する工程とを含み、
該注入工程が、
該半導体層に、該ＰＮ接合面を挟んだ一方に高濃度の第１導電型不純物を、他方に高濃度の第２導電型不純物と、これに隣接してこれより不純物濃度の低い低濃度の第２導電型不純物を注入する工程と、を含むことを特徴とする温度検出器の製造方法。A method of manufacturing a temperature detector having a temperature detection unit equipped with a PN junction element,
Preparing a substrate;
A step of sequentially stacking an oxide film and a semiconductor layer on the substrate;
An implantation step of implanting a first conductivity type impurity and a second conductivity type impurity into the semiconductor layer;
After the implantation step, the semiconductor layer is heat-treated, and the first conductivity type semiconductor layer into which the first conductivity type impurity is implanted and the second conductivity type semiconductor layer into which the second conductivity type impurity is implanted are PN junctions A heat treatment step of forming a PN junction element bonded at the surface ;
Etching the substrate to form a recess, and forming the temperature detection unit including the PN junction element supported hollowly on the recess,
The injection step comprises:
The semiconductor layer has a high-concentration first conductivity type impurity on one side of the PN junction surface, a high-concentration second conductivity type impurity on the other side, and a low-concentration lower impurity concentration adjacent thereto. And a step of injecting a second conductivity type impurity .

上記熱処理工程が、８５０℃以下で行うことを特徴とする請求項８または９に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 8 or 9, wherein the heat treatment step is performed at 850 ° C or lower.