特許 6221572 温度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6221572

(24)【登録日】2017年10月13日

(45)【発行日】2017年11月1日

(54)【発明の名称】温度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01J 5/20 20060101AFI20171023BHJP

   H01L 35/22 20060101ALI20171023BHJP

   H01L 37/00 20060101ALI20171023BHJP

【ＦＩ】

   G01J5/20 B

   H01L35/22

   H01L37/00

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-201759(P2013-201759)

(22)【出願日】2013年9月27日

(65)【公開番号】特開2015-68687(P2015-68687A)

(43)【公開日】2015年4月13日

【審査請求日】2016年4月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100106149

【弁理士】

【氏名又は名称】矢作 和行

(74)【代理人】

【識別番号】100121991

【弁理士】

【氏名又は名称】野々部 泰平

(74)【代理人】

【識別番号】100145595

【弁理士】

【氏名又は名称】久保 貴則

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 憲一

(72)【発明者】

【氏名】和戸 弘幸

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 愛美

(72)【発明者】

【氏名】渋谷 圭介

(72)【発明者】

【氏名】富岡 泰秀

(72)【発明者】

【氏名】澤 彰仁

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１８３２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１１８７００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２８８７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０２０１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１４３２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１６７５９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２４８１６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ ５／００−５／６２

Ｈ０１Ｌ ３５／２２

Ｈ０１Ｌ ３７／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボロメータ材料を用いて形成されたボロメータ薄膜（２０）を備え、電磁波の吸収による温度変化を、前記ボロメータ薄膜の抵抗値の変化として検出するボロメータ方式の温度センサであって、
前記ボロメータ薄膜は、酸化バナジウム（ＩＶ）を主成分とするとともに、バナジウムと合金を形成可能な第１元素および第２元素が添加され、
前記第１元素は、バナジウムよりも価数が大きい元素であり、
前記第２元素は、バナジウムよりも価数が小さい元素であることを特徴とする温度センサ。

【請求項2】

ＮとＭを正の整数とし、前記第１元素の価数が４＋Ｎであり、前記第２元素の価数が４−Ｍであるとき、
前記第１元素の添加量は、前記第２元素の添加量のＭ／Ｎ倍を超えないことを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。

【請求項3】

前記第１元素は、ニオブ（Ｎｂ），タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ）のいずれか１種類であり、
前記第２元素は、クロム（Ｃｒ），ガリウム（Ｇａ），チタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），鉄（Ｆｅ）のいずれか１種類であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度センサ。

【請求項4】

前記第１元素は５価のニオブであり、
前記ボロメータ薄膜は、前記酸化バナジウム（ＩＶ）に含まれるバナジウムに対する前記ニオブの原子パーセント濃度が７ａｔ％であり、
前記第２元素は３価のクロムであり、
前記ボロメータ薄膜は、前記酸化バナジウム（ＩＶ）に含まれるバナジウムに対する前記クロムの原子パーセント濃度が８ａｔ％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサ。

【請求項5】

前記第１元素は５価のニオブであり、
前記ボロメータ薄膜は、前記酸化バナジウム（ＩＶ）に含まれるバナジウムに対する前記ニオブの原子パーセント濃度が４ａｔ％であり、
前記第２元素は３価のクロムであり、
前記ボロメータ薄膜は、前記酸化バナジウム（ＩＶ）に含まれるバナジウムに対する前記クロムの原子パーセント濃度が８ａｔ％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサ。

【請求項6】

一面（２１ａ）を有し、該一面上に前記ボロメータ薄膜が形成される絶縁性基板（２１）を備え、
前記絶縁性基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とし、
前記ボロメータ薄膜は、前記一面上に均一な薄膜として形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の温度センサ。

【請求項7】

一面（２１ａ）を有し、該一面上に前記ボロメータ薄膜が形成される絶縁性基板（２１）を備え、
前記絶縁性基板は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を主成分とし、
前記ボロメータ薄膜は、前記一面上に高配向な膜として均一な薄膜として形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の温度センサ。

【請求項8】

前記均一な薄膜は、面方位のそろった高配向な薄膜であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の温度センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁波の吸収による温度変化を、ボロメータ材料の抵抗値の変化として検出するボロメータ方式の温度センサに関する。

【背景技術】

【0002】

電磁波、とくに赤外線を感知して温度を測定する温度センサが知られている。このような温度センサの一例として、ボロメータ材料および赤外線吸収膜を有するボロメータ方式の温度センサがある。この温度センサは、赤外線の吸収による赤外線吸収膜の温度変化に伴って、ボロメータ材料の抵抗値が変化することを利用している。

【0003】

温度変化に対する抵抗値の変化が大きければ大きいほど、温度センサとしてより感度の高いものとなる。すなわち、ボロメータ材料の抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値は大きいことが好ましい。一方、消費電力や発熱などの観点から、ボロメータ材料の比抵抗は小さいことが好ましい。

【0004】

特許文献１には、ボロメータ材料として、酸化バナジウムの比抵抗を簡便に制御する方法が提案されている。具体的には、酸化バナジウム膜を還元する際に、所定の還元温度で熱処理することにより、酸化バナジウム膜の比抵抗を制御するものである。

【0005】

また、比抵抗はヒステリシスを有する。すなわち、昇温時と降温時とにおいて、抵抗−温度特性曲線の挙動が異なる。言うまでもなく、ヒステリシス幅は小さいことが好ましい。

【0006】

非特許文献１には、酸化バナジウムにタングステンをドープすることによって、比抵抗の減少と同時にヒステリシス幅が低減することが報告されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平９−１４５４８１号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Hidefumi Takami et al, Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) 055804

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１によれば、酸化バナジウムは、還元温度を高くすることにより、その比抵抗を小さくすることができる。しかしながら、同時にＴＣＲの絶対値も小さくなってしまう。すなわち、比抵抗の低減とＴＣＲの絶対値の増加を両立することができない。

【0010】

また、非特許文献１によれば、ドープするタングステンの量を増加させることにより、その比抵抗およびヒステリシス幅を小さくすることができる。しかしながら、同時にＴＣＲの絶対値も小さくなってしまう。すなわち、ヒステリシス幅の低減とＴＣＲの絶対値の増加を両立することができない。

【0011】

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、ボロメータ材料としての酸化バナジウムにおいて、低抵抗およびヒステリシスと、ＴＣＲと、のトレードオフを抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

【0013】

上記目的を達成するために、本発明は、ボロメータ材料を用いて形成されたボロメータ薄膜（２０）を備え、電磁波の吸収による温度変化を、ボロメータ薄膜の抵抗値の変化として検出するボロメータ方式の温度センサであって、ボロメータ薄膜は、酸化バナジウム（ＩＶ）を主成分とするとともに、バナジウムと合金を形成可能な第１元素および第２元素が添加され、第１元素は、バナジウムよりも価数が高い元素であり、第２元素は、バナジウムよりも価数が低い元素であることを特徴としている。

【0014】

従来のように、バナジウムに対して価数の大きい第１元素を添加することにより、低ヒステリシス幅および低抵抗を実現することができる。一方、発明者による検証によれば、バナジウムに対して価数の小さい元素を添加すると、価数の大きい元素に較べて、添加量の増加に対するＴＣＲの絶対値の減少幅が小さいことが解った。このため、第１元素に加えて、バナジウムに対して価数の小さい第２元素を添加することにより、ＴＣＲの絶対値の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態にかかる温度センサの概略構成を示す断面図である。

【図2】ノンドープのＶＯ_２からなるボロメータ薄膜における、抵抗値の温度依存性を示すグラフである。

【図3】ＶＯ２にＮｂ、Ｃｒの少なくとも一方の元素を添加した場合における、ヒステリシス幅の添加量依存性を示すグラフである。

【図4】ＶＯ２にＮｂ、Ｃｒの少なくとも一方の元素を添加した場合における、｜ＴＣＲ｜の添加量依存性を示すグラフである。

【図5】ＶＯ２にＮｂを７ａｔ％、Ｃｒを８ａｔ％添加した場合における、｜ＴＣＲ｜の比抵抗依存性を示すグラフである。

【図6】絶縁性基板を形成する工程を示す断面図である。

【図7】ボロメータ薄膜を形成する工程を示す断面図である。

【図8】絶縁膜を形成する工程を示す断面図である。

【図9】トレンチを形成する工程を示す断面図である。

【図10】電極を形成する工程を示す断面図である。

【図11】保護膜を形成する工程を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

【0017】

（第１実施形態）
本実施形態に係る温度センサは、ボロメータ薄膜の温度の変化による電流変化を検出するものであり、特に赤外線センサとして好適なものである。換言すると、温度によって抵抗値が変化するボロメータ材料を用いたボロメータ薄膜を備える温度センサである。

【0018】

温度センサは、例えば、赤外線の吸収を利用した成分分析器に応用することができる。この成分分析器は、赤外線光源とともに用いられる。赤外線光源から発せられた赤外線を受けて、ボロメータ薄膜の温度が変化する。この温度変化の違いから赤外線光源と温度センサの間に存在する分子の成分を同定する。

【0019】

最初に、図１を参照して、本実施形態に係る温度センサ１００の概略構成について説明する。

【0020】

図１に示すように、本実施形態における温度センサ１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０の一面１０ａ上に形成された絶縁膜１１と、絶縁膜１１内に埋め込まれたボロメータ薄膜２０と、ボロメータ薄膜２０に電流を流すための電極３０と、外部から入射する赤外線を吸収する赤外線吸収膜４０と、を有している。

【0021】

半導体基板１０は単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。半導体基板１０には、一面１０ａと反対の裏面１０ｂ側に開口する空洞部１０ｃが形成されている。そして、絶縁膜１１における空洞部１０ｃの架橋部分が薄肉部としてのメンブレン１２を成している。なお、この絶縁膜１１はシリコンの酸化物（ＳｉＯ_２）である。

【0022】

メンブレン１２のうち、半導体基板１０における空洞部１０ｃの底面１０ｄに露出する部分には絶縁性基板２１が形成されている。そして、絶縁性基板２１の露出面と反対の一面２１ａに、ボロメータ薄膜２０が形成されている。なお、この絶縁膜基板２１は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）であり、絶縁性基板２１の一面２１ａは面方位（０００１）に配向している。

【0023】

ボロメータ薄膜２０は、ボロメータ材料としての酸化バナジウム（ＩＶ）を主成分とする。ボロメータ材料は抵抗値の温度依存性を有する。このため、ボロメータ薄膜２０の両端に一定電圧を印加した状態で、ボロメータ薄膜２０に流れる電流値を測定することによって、温度を特定することができる。ボロメータ薄膜２０は、絶縁性基板２１としての酸化アルミニウム上に形成された均一に形成された膜であり、高配向な薄膜である。ボロメータ薄膜２０は絶縁膜１１内に埋め込まれるようにして配置され、絶縁膜１１とともにメンブレン１２を構成している。そして、絶縁膜１１の厚さ方向に直交する一方向に延びて形成されている。なお、ボロメータ薄膜２０を構成するボロメータ材料についての詳細は後述する。

【0024】

絶縁膜１１には、ボロメータ薄膜２０の両端に位置するように、２つのトレンチ１３が形成されている。２つのトレンチ１３のうち一方は、正極側トレンチ１３ａであり、他方は負極側トレンチ１３ｂである。トレンチ１３は、絶縁膜１１における半導体基板１０の界面と反対の一面１１ａから、絶縁膜１１の厚さ方向に形成されている。トレンチ１３はボロメータ薄膜２０の端部がトレンチ１３の内面に露出する位置に達する深さまで形成されている。

【0025】

電極３０は、正極３１と負極３２とを有している。正極３１は、２つのトレンチ１３のうち正極側トレンチ１３ａの内部を埋めつつ、絶縁膜１１の一面１１ａの一部を覆うように形成されている。また、負極３２は、他方のトレンチ、すなわち、負極側トレンチ１３ｂの内部を埋めつつ、絶縁膜１１の一面１１ａの一部を覆うように形成されている。上記したように、トレンチ１３は、その内面においてボロメータ薄膜２０の端部が露出するように形成されている。このため、ボロメータ薄膜２０は、一端が正極３１に電気的に接続され、他端が負極３２に電気的に接続されている。正極３１と負極３２との間に一定電圧を印加することにより、ボロメータ薄膜２０に電流を流すことができる。

【0026】

また、温度センサ１００は保護膜５０を有している。保護膜５０はシリコンの窒化物（ＳｉＮ）から成り、絶縁膜１１および電極３０を保護するものである。保護膜５０は、電極３０のうち、外部接続用のパッド３１ａ，３２ａとなる部分を残して、絶縁膜１１の一面１１ａおよび電極３０を覆うように形成されている。

【0027】

赤外線吸収膜４０は、外部から入射する赤外線を受光する部分である。赤外線吸収膜４０は保護膜５０の一面５０ａ上において、ボロメータ薄膜２０と対向する位置に形成されている。赤外線吸収膜４０は受光した赤外線によって昇温し、これに伴ってメンブレン１２の温度を上昇させる。これにより、ボロメータ薄膜２０の温度変化を積極的に促すことができる。

【0028】

なお、半導体基板１０の裏面１０ｂには、保護膜６０が形成されている。保護膜６０は、空洞部１０ｃを形成するためのエッチングにおけるマスクであるとともに、半導体基板１０を裏面１０ｂ側から保護するものである。

【0029】

次に、図２〜図５を参照して、ボロメータ薄膜２０について、詳しく説明する。

【0030】

ボロメータ薄膜２０を形成するボロメータ材料は、４価のバナジウム（Ｖ^４＋）をもつ酸化バナジウム（ＶＯ_２）を主成分としている。そして、本実施形態におけるボロメータ薄膜２０は、ＶＯ_２に加えて、第１元素として、５価のニオブ（Ｎｂ）が添加されている。さらに、第２元素として、３価のクロム（Ｃｒ）が添加されている。

【0031】

２元素添加の効果としては、まず、Ｎｂ添加により、温度−比抵抗のヒステリシスを低減させることができる。さらに、これにＣｒを添加することによって、Ｎｂ添加に伴うＴＣＲの絶対値（以下、｜ＴＣＲ｜と示す）の低下を抑制することができる。すなわち、ヒステリシスとＴＣＲとのトレードオフを抑制することができる。

【0032】

以下、詳細を説明する。

【0033】

図２は、ノンドープのＶＯ_２から形成されたボロメータ薄膜の、抵抗値の温度依存性を示すグラフである。図２に示すように、ノンドープのＶＯ_２は、構造転移に起因する金属−半導体転移により、抵抗値の温度依存性が大きい。具体的には、ノンドープのＶＯ_２における｜ＴＣＲ｜の最大値は、｜ＴＣＲ｜≒１４０％／Ｋである。しかしながら、ノンドープＶＯ_２は、構造転移に伴うヒステリシスにより、金属と半導体の間の相転移開始温度が、昇温時と降温時とで異なる。具体的には、昇温時では、略３５１Ｋにおいて、半導体から金属に相転移する。一方、降温時では、略３４１Ｋにおいて、金属から半導体に相転移する。すなわち、昇温時と降温時とで略１０Ｋのヒステリシス幅が存在する。

【0034】

これに対して、本実施形態におけるボロメータ薄膜２０は、ＶＯ_２にＮｂとＣｒが添加されている。発明者は、実験によって、ＮｂおよびＣｒの添加量に対するヒステリシス幅の変化を求めた。実験の結果を図３に示す。

【0035】

図３には、Ｎｂのみを添加した場合、Ｃｒのみを添加した場合、および、ＮｂとＣｒの両方を添加した場合の３つのプロットが示されている。いずれの場合も、ドープする元素の添加量（バナジウム原子に対する原子パーセント濃度）に対するヒステリシス幅の変化は線形性を有しており、添加量の増加に伴ってヒステリシス幅は減少する。Ｎｂのみを添加する場合、ヒステリシス幅の変化量は略−１．３Ｋ／ａｔ％であり、Ｃｒのみを添加する場合の略−０．２９Ｋ／ａｔ％に較べて、ヒステリシス幅の低減効果が高い。

【0036】

ＮｂとＣｒの両方を添加した場合のプロットは、Ｃｒの添加量を８ａｔ％として、Ｎｂの添加量を変化させたものである。Ｎｂ添加量に対するヒステリシス幅の変化量は、Ｎｂのみを添加した場合の変化量とほぼ同じである。すなわち、添加する元素は、それぞれ独立にヒステリシス幅の低減に寄与している。したがって、ＶＯ_２にＮｂとＣｒの２元素を添加する系においては、Ｎｂの量をできるだけ多くすることによって、ヒステリシス幅の低減効果を発揮させることができる。例えば、Ｃｒの濃度を８ａｔ％、Ｎｂの濃度を７ａｔ％とすることにより、ヒステリシスをほぼ解消することができる。

【0037】

なお、ＶＯ_２に対する不純物ドープによるヒステリシス幅の低減は、不純物によってＶＯ_２の結晶性が乱れ、半導体−金属転移の相変化が緩慢になることに起因するものと推察される。

【0038】

また、発明者は、実験によって、ＮｂおよびＣｒの添加量に対する｜ＴＣＲ｜の変化を求めた。実験の結果を図４に示す。

【0039】

図４には、Ｎｂのみを添加した場合、Ｃｒのみを添加した場合、および、ＮｂとＣｒの両方を添加した場合の３つのプロットが示されている。ドープする元素の添加量（バナジウム原子に対する原子パーセント濃度）に対する｜ＴＣＲ｜の変化は指数関数的であり、添加量の増加に伴って、｜ＴＣＲ｜は減少する。図４に示す結果によれば、Ｃｒのみを添加した場合は、Ｎｂのみを添加した場合に較べて、｜ＴＣＲ｜の減少を抑制することができる。

【0040】

ＮｂとＣｒの両方を添加した場合のプロットは、Ｃｒの添加量を８ａｔ％として、Ｎｂの添加量を変化させたものである。Ｎｂ添加量に対する｜ＴＣＲ｜の変化量は、Ｃｒのみを添加した場合のプロットにほぼ重なる。すなわち、ＶＯ_２中にＣｒ原子がドープされた状態において、Ｎｂを添加したとしても、Ｎｂのみ添加した場合のような｜ＴＣＲ｜の大きな変化を生じることがない。換言すれば、Ｃｒの添加によって｜ＴＣＲ｜の低下を抑制しつつ、Ｎｂの添加量を増加させることができる。

【0041】

なお、ＶＯ_２に対する不純物ドープによる｜ＴＣＲ｜の減少は、結晶性の乱れ、および、電子濃度の増大に起因すると推察される。ＣｒおよびＮｂのいずれを添加してもＶＯ_２の結晶性が乱れるため、｜ＴＣＲ｜は減少する傾向を示す。その減少割合は、上記したように、Ｎｂのみを添加した場合に較べて、Ｃｒのみを添加した場合のほうが小さい。そして、図４に示すように、ＮｂとＣｒの両方を添加した２元素系では、添加量に対する｜ＴＣＲ｜の変化がＣｒのみを添加したプロット寄りになる。このことから、３価であるＣｒの添加が、５価であるＮｂの添加による電子濃度の増加を相殺し、電子濃度に起因する｜ＴＣＲ｜の減少を抑制しているものと推察される。

【0042】

上記した２つの実験結果によれば、ヒステリシス幅の低減を目的として第１元素を添加する。この第１元素は、バナジウムよりも価数の大きいものとしておく。そして、第１元素添加による電子濃度の増加を相殺する目的で、バナジウムよりも価数の小さい第２元素を添加する。これにより、｜ＴＣＲ｜の低減を抑制することができる。すなわち、バナジウムよりも価数の大きい第１元素と、価数の小さい第２元素を、両方とも添加することにより、ヒステリシス幅と｜ＴＣＲ｜のトレードオフを低減することができる。

【0043】

電子濃度の増加を相殺する効果を奏するために、第１元素を添加したことによる電子数の増加量に較べて、第２元素を添加したことによる電子数の減少量が大きくすることが好ましい。定量的には、第１元素の価数が４＋Ｎ（Ｎは正の整数）であり、第２元素の価数が４−Ｍ（Ｍは正の整数）であるとき、第１元素の添加量は、第２元素の添加量のＭ／Ｎ倍を超えないようにすることが好ましい。

【0044】

具体的な例を示す。本実施形態において、第１元素としてのＮｂは５価であり、Ｎ＝１である。第２元素としてのＣｒは３価であり、Ｍ＝１である。したがって、Ｎｂの添加量がＣｒの添加量の１倍を超えないようにすることが好ましい。また、別の例として、第１元素として、例えば６価のタングステンを採用し、第２元素として、３価のＣｒを採用した場合、Ｎ＝２、Ｍ＝１であるから、タングステンの添加量は、Ｃｒの添加量の１／２倍を超えないようにすることが好ましい。

【0045】

なお、ボロメータ薄膜２０において、ＶＯ_２を主成分とし、Ｃｒの濃度を８ａｔ％、Ｎｂの濃度を７ａｔ％とすることにより、図３に示すように、ヒステリシスをほぼ解消することができる。また、このような構成においては、図４に示すように、｜ＴＣＲ｜も略５％／Ｋとすることができる。これは、ボロメータ材料としてシリコン（Ｓｉ）を用いてボロメータ薄膜２０を形成する場合（｜ＴＣＲ｜≒１．５％／Ｋ）に較べて大きい。

【0046】

Ｃｒの濃度を８ａｔ％、Ｎｂの濃度を７ａｔ％としたボロメータ薄膜２０を有する温度センサ１００を成分分析器に採用すれば、呼気中のエタノール濃度や、車両燃料中の軽油濃度、さらには、排ガス中の二酸化炭素や窒素酸化物の濃度を測定するために十分な｜ＴＣＲ｜、つまり感度、を確保することができる。

【0047】

また、ボロメータ薄膜２０において、ＶＯ_２を主成分とし、Ｃｒの濃度を８ａｔ％、Ｎｂの濃度を４ａｔ％とすることにより、図４に示すように、｜ＴＣＲ｜も１０％／Ｋ以上とすることができる。また、このような構成においては、図３に示すように、ヒステリシス幅を略５Ｋとすることができる。

【0048】

Ｃｒの濃度を８ａｔ％、Ｎｂの濃度を４ａｔ％としたボロメータ薄膜２０を有する温度センサ１００を成分分析器に採用すれば、検出に高い感度を必要とする、呼気中のアセトン濃度を測定するために十分な｜ＴＣＲ｜、つまり感度、を確保することができる。同時に、ヒステリシス幅を、従来に較べて抑制することができる。

【0049】

また、本実施形態に係る温度センサ１００が有するボロメータ薄膜２０は、｜ＴＣＲ｜と低抵抗のトレードオフも抑制することができる。以下に説明する。

【0050】

特許文献１には、酸化バナジウム膜を還元する際に、所定の還元温度で熱処理することにより、酸化バナジウム膜の比抵抗を制御する方法が記載されている。この方法を採用する場合、比抵抗と｜ＴＣＲ｜はトレードオフの関係にある。例えば、比抵抗として１Ωｃｍ以下を達成するためには、還元温度を略３５０℃以上にしなければならない。この条件では、｜ＴＣＲ｜は略２％／Ｋ以下になってしまう。

【0051】

発明者は、上記したような、Ｃｒの濃度を８ａｔ％、Ｎｂの濃度を７ａｔ％としたボロメータ薄膜２０について、｜ＴＣＲ｜の比抵抗依存性を調べた。その結果を図５に示す。図５によれば、｜ＴＣＲ｜の極大値を、１Ωｃｍより小さい比抵抗において実現可能である。すなわち、従来に較べて、｜ＴＣＲ｜と低抵抗のトレードオフを抑制することができる。

【0052】

次に、図６〜図１１を参照して、本実施形態に係る温度センサ１００の製造方法について説明する。なお、ボロメータ薄膜２０を除く部分は、よく知られた製造方法に準ずるものであるため、簡単に説明する。

【0053】

まず、半導体基板１０として、一面１０ａが所定方位に配向した単結晶シリコンウェハを用意する。ここで、所定方位とは、絶縁性基板２１が一面１０ａにおいてエピタキシャル成長可能な面方位であり、本実施形態では（００１）方位である。そして、半導体基板１０の一面１０ａ上に酸化膜７０を形成する。その後、酸化膜７０のうち、後にボロメータ薄膜２０を形成する部分をエッチングにより除去する。そして、図６に示すように、エッチングにより除去した部分に、物理気相成長法（ＰＶＤ）あるいは化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて、Ａｌ_２Ｏ_３をエピタキシャル成長させることにより、絶縁性基板２１を形成する。これにより、絶縁性基板２１の一面２１ａは、面方位（０００１）に配向する。

【0054】

次いで、図７に示すように、酸化膜７０および絶縁性基板２１を覆うようにしてボロメータ材料を堆積する。酸化膜７０上に堆積したボロメータ材料は、非晶質のアモルファス膜８０となる。一方、Ａｌ_２Ｏ_３からなる絶縁性基板２１は、格子定数がＶＯ_２に近い。また、ボロメータ材料が堆積する一面２１ａが（０００１）に配向している。したがって、絶縁性基板２１に堆積したボロメータ材料は、高配向成長する。これにより、ボロメータ薄膜２０が形成される。

【0055】

ボロメータ材料の堆積には、ＰＶＤやＣＶＤを用いることができる。例えば、ＰＶＤの一つであるパルスレーザー堆積法（ＰＬＤ）によって堆積を行う例について、詳細に説明する。

【0056】

まず、密閉されたチャンバ内に、絶縁性基板２１が形成された試料を配置する。また、ボロメータ材料を堆積するべき一面２１ａと対向する位置にターゲットを配置する。ターゲットは、Ｖ_２Ｏ_５とＣｒ_２Ｏ_３とＮｂ_２Ｏ_５を混合して焼結させたペレットである。なお、Ｃｒ_２Ｏ_３とＮｂ_２Ｏ_５の混合量は、バナジウム原子に対して、Ｃｒ原子が８ａｔ％、Ｎｂ原子が７ａｔ％となるように調製する。なお、ここで説明する例は、Ｃｒ原子が８ａｔ％、Ｎｂ原子が７ａｔ％のものであるが、ＶＯ_２に混合するＣｒ_２Ｏ_３とＮｂ_２Ｏ_５の量を調整することにより、Ｃｒ原子およびＮｂ原子の量は調整可能である。

【0057】

その後、チャンバ内を、酸化バナジウムのうち、組成として、ＶＯ_２が安定となる酸素濃度に保持する。また、絶縁性基板２１を、ヒータを用いて３５０℃以上（好ましくは略５００℃）とする。そして、例えばＫｒＦレーザをターゲットに照射して昇華させ、絶縁性基板２１の一面２１ａ上に堆積する。これにより、図７に示すように、ボロメータ薄膜２０とアモルファス膜８０を形成することができる。ボロメータ薄膜２０としては、例えば１００ｎｍ堆積する。その後、降温して室温とする。

【0058】

次いで、アモルファス膜８０および酸化膜７０をエッチングにより除去する。そして、図８に示すように、半導体基板１０の一面１０ａに、絶縁性基板２１およびボロメータ薄膜２０を覆うように、ＳｉＯ_２の絶縁膜１１を形成する。

【0059】

次いで、図９に示すように、絶縁膜１１にトレンチ１３を形成する。トレンチ１３は、絶縁膜１１の一面１１ａから、絶縁膜１１の厚さ方向に延びつつ、半導体基板１０に到達しない深さまで形成する。また、トレンチ１３の内面にボロメータ薄膜２０の端部が露出するような深さとする。なお、図９においては、図１と同様に、ボロメータ薄膜２０の端部のうち一端が露出するトレンチ１３の符号を１３ａとし、他方が露出するトレンチ１３の符号を１３ｂとしている。

【0060】

次いで、図１０に示すように、絶縁膜１１の一面１１ａ上に、Ａｌを選択的に堆積して電極３０を形成する。トレンチ１３ａを埋めるようにＡｌを堆積して、正極３１を形成する。また、トレンチ１３ｂを埋めるようにＡｌを堆積して、負極３２を形成する。なお、言うまでもないが、正極３１と負極３１は、互いに電気的に絶縁するように形成する。

【0061】

次いで、図１１に示すように、ＳｉＮの保護膜５０を形成する。保護膜５０は、電極３０のうち、外部接続用のパッド３１ａ，３２ａとなる部分を残して、絶縁膜１１の一面１１ａおよび電極３０を覆うように形成する。

【0062】

次いで、図示しないが、半導体基板１０の裏面１０ｂを研削および研磨して平坦化した後、ＳｉＮからなる保護膜６０を形成する。その後、空洞部１０ｃの形成位置に対応する保護膜６０を除去する。そして、絶縁性基板２１が外部に露出するように、半導体基板１０の裏面１０ｂを、保護膜６０をマスクとしてエッチングする。これにより、半導体基板１０に空洞部１０ｃが形成される。そして、ボロメータ薄膜２０が形成された部分を含む絶縁膜１１の一部がメンブレン１２となる。

【0063】

最後に、保護膜５０の一面５０ａ上であって、ボロメータ薄膜２０と対向する位置にカーボンペーストからなる赤外線吸収膜４０を塗布する。

【0064】

以上の工程を経て、図１に示す温度センサ１００を形成することができる。

【0065】

なお、この温度センサ１００は、外部から入射する赤外線以外では温度変化が生じにくいように、真空環境下に配置されて用いられる。そして、例えばマイクロヒータによって温度センサ１００が所定温度に保たれるようにする。そして、正極３１と負極３２の間に一定の電圧を印加しておく。

【0066】

この状態で、赤外線吸収膜４０に赤外線が入射すると、赤外線吸収膜４０が赤外線を吸収する。これにより、メンブレン１２の温度が上昇する。すなわち、一定に保たれた所定温度から、赤外線の吸収量に対応した温度上昇が起きる。この温度上昇により、ボロメータ薄膜２０の抵抗値が低下する。ボロメータ薄膜２０の抵抗値の変化を検出することによって、赤外線の吸収量を測定することができる。

【0067】

（その他の実施形態）
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なんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

【0068】

上記した第１実施形態では、第１元素としてニオブ（Ｎｂ）を採用し、第２元素としてクロム（Ｃｒ）を採用する例を示したが、この限りではない。第１元素は、４価のバナジウムに対して価数の大きいものであって、バナジウムと合金を形成するものであればよい。第１元素には、例えば、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ）を採用することができる。また、第２元素は、４価のバナジウムに対して価数の小さいものであって、バナジウムと合金を形成するものであればよい。第２元素には、例えば、ガリウム（Ｇａ），チタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），鉄（Ｆｅ）を採用することができる。

【0069】

また、上記した第１実施形態では、絶縁性基板２１として、Ａｌ_２Ｏ_３を採用する例を示したが、この限りではない。絶縁性基板２１には、例えばＴｉＯ_２を採用することもできる。ＴｉＯ_２も、その格子定数がＶＯ_２に近く、半導体基板１０としてのシリコン上で高配向成長して、面方位が（１１０）に配向する。したがって、ＴｉＯ_２上においてボロメータ薄膜２０を均一な薄膜として成長させることができる。ひいては、高配向成長させることができる。なお、絶縁性基板２１としてＴｉＯ_２を採用する場合、ＴｉＯ_２の格子定数がＶＯ_２の格子定数に極めて近いため、絶縁性基板２１の面方位によらず、ボロメータ薄膜２０を高配向成長させることができる。

【符号の説明】

【0070】

１００・・・温度センサ
１０・・・半導体基板
１１・・・絶縁膜
２０・・・ボロメータ薄膜
２１・・・絶縁性基板
３０・・・電極
４０・・・赤外線吸収膜
５０，６０・・・保護膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】