WO2002075262A1 - Element de detection infrarouge et procede de fabrication de cet element et equipement de mesure de la temperature - Google Patents

Description

赤外線検出素子およびその製造方法並びに温度測定装置 技術分野

本発明は、 サーモパイル型の赤外線検出素子およびその製造方法に関する ものである。 背景技術 明

人間の体の表面からは体温に応じた田量の赤外線が放射され、 また、 耳には 腋下と同様に平熱がある。 このため、 耳孔内で放射されている赤外線を検出 して体温を測定する耳式体温計 （温度測定装置） が知られている。 この耳式 体温計は、 受光した赤外線を電気信号に変換する赤外線検出素子からの出力 に基づいて体温を求めるようになつている。 一般に、 赤外線検出素子として 焦電型ゃサーモパイル型などの様々なタイプの素子が知られているが、 半導 体の製造プロセスを利用して大量生産でき、 さらに、 小型化できるメ リ ット のあるサーモパイル型の赤外線検出素子も体温計の感温素子として使用され ている。 以降では、 特に述べない限りサーモパイル型の赤外線検出素子のこ とを単に赤外線検出素子と言う。

. 図 2 6にサーモパイル型の赤外線検出素子 1 1 0を搭載した赤外線センサ 1 0 0の概略を示してある。 赤外線センサ 1 0 0は、 サーモパイル 1 2を備 えた赤外線検出素子 1 1 0と、 サーミスタ 1 2 0とを有し、 これら赤外線検 出素子 1 1 0とサーミスタ 1 2 0とがパッケージ基材 1 3 0の上に搭載され、 さらに、 ゲース 1 4 0に収納されて全体が一体化されている。 この赤外線セ 'ンサ 1 0 0では、 サーミスタ 1 2 0は、 赤外線検出素子 1 1 0に形成された サーモパイル 1 2の基準温度、 すなわち、 冷接点の温度を決定するために使 用される。

赤外線検出素子 1 1 0は、 シリコン基板 2をエッチングすることにより下 面または裏面の中央部 1 0を中空化して薄膜のみが残っている薄膜部 1 1 6 と、 シリ コン基板 2がエッチングされずにそのまま残っている肉厚の部分 (肉厚部） 1 1 7とを有している。 すなわち、 赤外線検出素子 1 1 0は、 ベ ース 1 1 5の中央の下側を中空部分とすることにより、 上方に薄膜 （メンブ レン） を構成した構造になっている。 薄膜部 1 1 6の上方となる、 シリコン 基板 2の中央部 1 0の上方には、 ゴールドブラックをスパッタ蒸着するなど の方法により成膜し、 赤外線を吸収する赤外線吸収体 1 1を形成している。

この赤外線吸収体 1 1は赤外線を吸収することにより温度変化を起こし、 赤外線吸収体 1 1の四方に設けられた複数の熱電対 1 4によって検出される。 各熱電対 1 4の温接点 1 7は薄膜部 1 1 6の赤外線吸収体 1 1の近傍に配置 され、 各熱電対 1 4の冷接点 1 8は肉厚部 1 1 7のシリ コン基板 2の周辺部 9の上方に配置されている。 これらの熱電対 1 4は直列に接続されて一つの サーモパイル 1 2を構成している。

このような赤外線センサ 1 0 0を用いた温度測定装置では、 まず、 サーモ パイル 1 2の温接点 1 7と冷接点 1 8との間に生じる温度変化に応じた起電 力を検出し、 その出力電圧に基づいて温接点 1 7と冷接点 1 8の間の温度差 を算出する。 そして、 サーミスタ 1 2 0の出力に基づいて冷接点 1 8の温度 を算出し、 上記の温度差を冷接点 1 8の温度で補正することにより体温を求 める。 しかしながら、 サーモパイル 1 2の冷接点 1 8の温度を決定するため に使用されるサーミスタ 1 2 0は赤外線検出素子 1 1 0から若干距離をおい た側方に配置されており、 その赤外線検出素子 1 1 0の周辺温度を検出して いるに過ぎず、 正確な冷接点の温度を検出しているとは言えない。 このため、 上記のようにして求められた体温には大きな誤差が生じる可能性がある。 特 に、 体温計には、 例えば、 3 7。 ( 〜 3 9 °Cの温度範囲では ± 0 . 1 °Cの精度 が要求され、 非常に高精度の温度測定が求められるので、 このような誤差は できる限り少なくする必要がある。

また、 赤外線センサ 1 0 0では、 サ^"ミスタ 1 2 0を配置するスペースが 必要であるので、 素子自体を小さく纏めることができないという点も問題と して挙げられる。 このため、 サーミスタ 1 2 0を赤外線センサ 1 0 0に接し た状態で配置して、 サーミスタ 1 2 0で検出される冷接点の温度の精度を高 められたとしても赤外線検出素子を効率良くコンパク トに纏めることは難し い。

そこで、 本出願人は、 シリ コン基板 2に、 P N接合部、 たとえば、 ダイォ 一ドを作り込んで、 その順方向の電圧降下が温度に依存してほぼリ二ァに変 わることを利用して冷接点の温度を検出する赤外線検出素子を提案している。 この赤外線検出素子によれば、 正確な冷接点の温度を検出できると共に非 常にコンパク トに纏めることができる。

図 2 7には、 その赤外線検出素子の一部を断面により示してある。 この赤 外線検出素子 1 5 0では、 シリコン基板 2の周辺部 9にダイォード Dが作り 込まれており、 サーモパイル 1 2の冷接点 1 8の温度がこのダイオード Dに よって検出される。 このダイオード Dは、 シリコン基板 2の表面にフィール ド酸化膜 （ローコス） 1 5 1を形成して素子分離した領域にイオン注入する ことにより形成された P +のァノード領域 D Pおよび N +の力ソード領域 D Nから構成されている。 すなわち、 ダイオード Dは、 シリ コン基板 2にフィ 一ルド酸化膜 1 5 1を形成した後、 シリ コン基板 2の周辺部 9の酸化膜 1 5 1をパターユングしてシリ コン基板 2の表面に各領域 D Pおよび D Nをシリ コン基板 2に作り込む半導体プロセスによって形成することが可能である。 また、 サーモパイル型の赤外線検出素子は、 領域 D Pおよび D Nからなるダ ィォード Dを形成した後には、 熱電対 1 4を構成するポリシリコン製の導電 体 1 6およびアルミニウム製の導電体 1 5、 酸化膜 1 5 2、 表面保護膜 1 5 3、 赤外線吸収体 1 1などの形成も半導体の製造工程を利用し X行なわれる。 このため、 ダイオードを備えたサーモパイル型の赤外線検出素子は、 全体を 半導体の製造技術により一連の工程で簡単に形成でき、 製造コス トも低減で きる。

この赤外線検出素子 1 5 0では、 サーモパイル 1 2の冷接点 1 8の近傍に ダイオード Dを配置することができ、 正確な冷接点 1 8の温度を検出できる。 また、 サーミスタ 1 2 0を配置するスペースを削減できるので、 基準温度を 測定する機能も含めて小さくコンパク トに纏められた赤外線検出素子を実現 できる。 その一方で、 サーモパイル 1 2による測定精度を向上する要求は常にある。 この赤外線検出素子 1 5 0では、 フィールド酸化膜 1 5 1は,、 シリ コン基 板をエッチングするエツチャント、 たとえば、 フッ化キセノン、 水酸化カリ ゥムなどに対してエッチングレートが非常に小さいので、 シリコン基板 2の 中央部 1 0を下方または裏面からエッチングした際のス トッパーになる。 し かしながら、 エッチングレートが小さいといってもエッチングされるので、 フィールド酸化膜 1 5 1にス トッパーとして十分な機能を持たせるためには 約 5 0 0 0〜7 0 0 0 A程度の膜厚に設定する必要がある。 一方、 このフィ 一ルド酸化膜 1 5 1は圧縮方向の内部応力を有する膜であり膨張するために 凸方向に反る性質のものである。 また、 その大きさは 2〜 3 X 1 0 ⁹ d y n e / c m² ( 1 d y n e / c m² = 0 . 1 P a ) と大きい。 したがって、 このよ うなフィールド酸化膜 1 5 1を上記のような厚い膜厚にすると、 温度上昇に よって圧縮方向の内部応力により橈んだり、 変形によって割れる可能性があ る。

さらに、 このフィールド酸化膜 1 5 1の橈みは、 この膜の上方に形成され ている熱電対 1 4のアルミニウム製の導電体 1 5やポリシリコン製の導電体 1 6の形状を変化させることになり、 これによつてこれらの導電体の抵抗が 本来の抵抗より増加して、 無用な電圧降下を発生させる要因ともなる。 した がって、 サーモパイル 1 2で測定する温接点 1 7と冷接点 1 8との温度差の 測定精度に影響を与える。 このため、 上記の赤外線検出素子 1 5 0は、 ダイ ォード Dで正確な冷接点の温度を検出できるので極めて高精度であるが、 さ らに精度の高い温度測定を行おうとすると、 フィールド酸化膜 1 5 1の変形 によるサーモパイル 1 2の測定誤差が無視できなくなる可能性がある。 また、' フィールド酸化膜 1 5 1の撓みの程度は製造工程のばらつき、 気圧、 環境温 度などの様々な要素が絡み合ってばらつきがあるので、 サーモパイル 1 2で 検出される温度を適当なファクタで補正することによりフィールド酸化膜 1 5 1の変形に伴う影響を除去することは困難である。

そこで、 本発明においては、 P N接合部によって正確な冷接点の温度を検 出できる赤外線検出素子において、 さらに、 薄膜の変形などによるサーモパ ィルの測定誤差を除去可能とすることにより、 いっそう精度良く温度を検出 できる赤外線検出素子およびその製造方法を提供することを目的としている _t また、 この赤外線検出素子を用いて、 測定環境の変化に影響されずに、 また. さらに正確な温度を測定できる温度測定装置を提供することも本発明の目的 である。 発明の開示

このため、 本発明では、 フィールド酸化膜に代えて、 窒化シリ コン製の第 1の構造層を半導体基板の上方に形成し、 冷接点の温度を検出する P N接合 部を形成するための素子分離手段として使用すると共に、 この第 1の構造層 を、 薄膜部を形成する際のエッチングのストッパーとして用いるようにして いる。 すなわち、 本発明の赤外線検出素子の製造方法は、 半導体基板の上方 に窒化シリ コン製の第 1の構造層を ^成する工程と、 半導体基板の周辺部の 第 1の構造層をパターニングして半導体基板の表面に P N接合部を形成する 工程と、 第 1の構造層の上方に、 冷接点が周辺部に位置し、 温接点が半導体 基板の中央部に位置するように複数の熱電対を形成し、 さらにこれらの熱電 対を直列に接続してサーモパイルを形成する工程と、 半導体基板の中央部を 下方からエッチングして除去する工程とを有する。 また、 本発明の赤外線検 出素子は、 中来部が下方からのエッチングにより除去された半導体基板と、 この半導体基板の上方に形成され、 中央部が薄膜構造体となった窒化シリコ ン製の第 1の構造層と、 半導体基板の周辺の第 1の構造層をパターニングし て半導体基板の表面に形成された P N接合部と、 第 1の構造層の上方に、 冷 接点が周辺部に位置し、 温接点が半導体基板の中央部に位置するように形成 された複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルとを有する。

本発明の製造方法では、 フィールド酸化膜に代わって、 窒化シリコン製の 第 1の構造層を半導体基板の上方に形成する。 この第 1の構造層が半導体基 板の中央部を下方からエッチングしたときのス トッパーとすると、 窒化シリ コンは酸化膜 （酸化シリコン） に対しエッチングレートがさらに低いので第 1の構造層を薄くすることが可能であり、 エッチングにより残される薄膜構 造を酸化シリコンで形成したときよりもさらに薄くすることができる。 この ため、 本発明の製造方法により製造される赤外線検出素子、 および本発明の 構成の赤外線検出素子であれば、 薄膜部をより薄くすることが可能であり、 熱の逃げを低減することができる。 したがって、 サーモパイルの測定誤差を さらに小さくすることが可能であり、 精度の高い温度を得ることができる。 そして、 薄膜部をより薄くすることにより、 薄膜部の熱容量が低減するので 温接点の温度がより早く上昇するため、 応答速度を早くすることが可能であ る。

—方、 窒化シリ コンの膜を形成することにより、 酸化シリコンと共にシリ コン基板の表面を絶縁することが可能である。 このため、 窒化シリコン製の 第 1の構造層をパターニングすることにより、 半導体基板の周辺部に P N接 合部を形成するために素子分離することができる。 このため、 本発明の製造 方法おょぴ本発明の構成を採用し、 窒化シリコン製の第 1の構造層をシリコ ン基板上に形成することにより、 半導体基板の表面を素子分離し、 基準温度 を高精度で測定するための P N接合部を作り込むことと、 サーモパイルによ る温度測定をさらに高精度にすることが同時に実現できる。 したがって、 P N接合部を作り込むことにより測定精度の向上した赤外線検出素子の測定精 度を、 なおいつそう向上することが可能となる。 そして、 この赤外線検出素 子を用いることにより、 測定環境の温度に影響されずに、 また、 さらに正確 な温度を測定できる温度測定装置を提供することができる。

また、 本発明の製造方法においても、 窒化シリ コン製により第 1の構造層 を形成する工程およびこの第 1の構造層をパターユングして P N接合部を形 成する工程も半導体の製造プロセスの一貫であり、 本発明の赤外線検出素子 を低コス トで量産できる。 したがって、 本発明の赤外線検出素子を用いるこ とにより、 高精度の温度測定が可能であると共に、 コンパク トで低コストの 温度測定装置を提供できる。

本発明の製造方法では、 半導体基板の中央部を下方からエッチングして除 去する工程の前に、 サーモパイルの少なく とも温接点の上方または近傍を覆 うように中央部の上方に赤外線吸収体を形成する工程を設けることが望まし い。 この製造方法により製造される赤外線検出素子では、 赤外線吸収体が赤 外線を吸収することにより温度上昇するので、 温接点と冷接点との間の温度 差を大きくでき、 サーモパイルの出力電圧を高めることができる。 これによ り、 温度測定の感度を高めることができる。

また、 第 1の構造層を形成する工程では、 低圧 （減圧） C V D法 （Low Pressure Chemical Vapor Deposition) によって窒化シリ コン製の第 1 の構造層を形成することが望ましい。 この方法によって形成された窒化シリ コン製の第 1の構造層は引張方向の内部応力を有する膜となる。 このため、 第 1の構造層は縮む傾向になるので、 歪みゃ撓みは発生し難い。 したがって、 さらに薄膜構造の変形を防止することが可能となり、 サ モパイルの測定誤 差要因をさらに減らすことができる。 このため、 さらに高精度で温度測定が 可能な赤外線検出素子おょぴ温度測定装置を提供することができる。

基準温度を得るための P N接合部を形成する工程では、 複数の p N接合部 を形成することが望ましい。 複数の P N接合部を形成し、 それらの P N接合 部の順方向の電圧降下の差分を求めることにより、 その電圧降下における逆 方向飽和電流の影響をキャンセルできる。 したがって、 基準温度の測定精度 をさらに向上することができ、 さらに精度の高い温度を得ることが可能な赤 外線検出素子および温度測定装置を提供できる。 このような P N接合部とし てはダイオードがある。

P N接合部は半導体基板の周辺部であれば冷接点に近い基準温度を精度良 く得ることができる。 さらに、 半導体基板の周辺部に沿って延びた P N接合 部であれば、 サーモパイルを構成する複数の冷接点が半導体基板の中央部の 上方に形成された赤外線吸収体の四方に配置された場合、 各冷接点の平均的 な温度を P N接合部で得ることができ、 いっそう正確な冷接点の温度を取得 できるのでさらに好ましい。' また、 周辺部に沿って長く延びた P N接合部を 形成する場合は、 P N接合部の第 1の導電体層および第 2の導電体層のそれ ぞれの上面に、 第 1および第 2の導電体層に沿って延びた電極を形成するこ とが望ましい。 これらの電極により極性の同じ導電体層の電位差を小さくす ることができ、 さらに精度良く基準温度を得ることができる。 窒化シリコン製の第 1の構造層をシリコン製の半導体基板の表面に直接形 成すると、 それらの間で十分な密着性が確保できない可能性がある。 このた め、 半導体基板の上に第 1の構造層を形成する前に、 半導体基板の上に酸化 シリコン製の第 1の接合層を形成し、 半導体基板と第 1の構造層の密着性を 高めることが望ましい。 また、 この第 1の接合層は接合を目的としているの で、 ス トッパーと しての機能は要求されず、 第 1の構造層よりも薄くするこ とが可能である。 したがって、 この接合層が圧縮方向の内部応力を有すると しても最小限に止めることが可能である。 また、 低圧 C V Dで形成された窒 化シリコン製の第 1の構造層であれば、 一般に強い引張方向の内部応力を有 するので、 撓みの原因を除くことができる。

また、 低圧 C V Dで形成された窒化シリコン製の第 1の構造層は、 一般に 強い引張方向の内部応力を有するので、 薄膜部の撓みを無くすために十分な 厚さの膜を成膜すると第 1の構造層が剥がれてしまう可能性がある。 そのた め、 本発明の製造方法では第 1の構造層の上に酸化シリコン製の第 2の構造 層を形成する工程と、 この第 2の構造層の上に窒化シリ コン製の第 3の構造 層を形成する工程とを設けることも可能である。 第 1の構造層の上に酸化シ リコン製の第 2の構造層と、 窒化シリコン製の第 3の構造層とを有する赤外 線検出素子は、 薄膜部の撓みを無くすために +分な厚さの膜を第 1の構造層 と第 3の構造層に分けて成膜することが可能である。 したがって、 第 1およ び第 3の構造層が剥がれないように膜厚を設定したとしても薄膜部全体とし て引張方向の応力とすることが容易になる。

また、 窒化シリコン製の第 1の構造層を積層した後に、 薄膜構造にするた めに、 エッチングして半導体基板の中央部を除去するが、 その工程の前に、 半導体基板の上方に表面保護膜を形成し、 サーモパイルを構成する金属層が エッチヤントの影響を受けないようにすることが望ましい。

なお、 半導体基板は、 P導電型のシリ コン基板を用いてもよいが、 N導電 型の方が望ましい。 P導電型のシリコン基板にダイオードを形成すると、 シ リコン基板の表面に設けた絶縁層の下部に N反転層が形成され、 この N反転 層を介して逆電流が流れてダイォードの順方向特性が劣化する。 これに対し て、 N型シリ コン基板においては、 N反転層が形成されることがなく、 ダイ ォードの良好な順方向特性が得られるために正確な温度測定が可能となる。

このように、 本発明にかかる赤外線検出素子を採用することにより、 高精 度の温度測定が可能な温度測定装置を提供できる。 このため、 高精度の体温 の測定が要求される体温計にも本発明の赤外線検出素子を用いた温度測定装 置は適している。 たとえば、 耳式体温計であれば、 先端を耳孔に挿入可能な 筒状の部分を設け、 赤外線検出素子を、 中央部の上方が筒状の部分の先端に 向いた状態に配置することにより、 体温を常に精度良く測定できる体温計を 提供できる。 また、 中央部の上方に赤外線吸収体が積層されている赤外線検 出素子を採用することにより、 温度測定の感度が高い体温計を提供できる。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の一実施例としての赤外線検出素子の概略構成を示す図で ある。

図 2は、 本発明の一実施例としての赤外線検出素子の表面側の構成を示す 図である。

図 3は、 本発明の一実施例としての赤外線検出素子のサーモパイルを説明 するための図である。

図 4は、 本発明の一実施例としての赤外線検出素子の詳細な構成を説明す るための断面図である。

図 5は、 本発明の一実施例としての赤外線検出素子の製造プロセスを示す 図であり、 シリコン基板に第 1の構造層を形成する工程を示す図である。

図 6は、 図 5に続き、 ダイオードを作りこむ工程を示す図である。

図 7は、 図 6に続き、 第 1の構造層の上に酸化膜およびポリシリ コン製の 導電体を形成する工程を示す図である。

図 8は、 図 7に続き、 ポリシリ コン製の導電体をパターニングする工程を 示す図である。

図 9は、 図 8に続き、 ポリシリコン製の導電体の上に 2層の酸化膜を形成 する工程を示す図である。 図 1 0は、 図 9に続き、 ポリシリ コン製の導電体の上に形成した 2層の酸 化膜をパターニングする工程を示す図である。

図 1 1は、 図 1 0に続き、 サーモパイルを形成する工程を示す図である。 図 1 2は、 図 1 1に続き、 2層の表面保護膜および赤外吸収体を形成する 工程を示す図である。

図 1 3は、 赤外線検出素子の異なる例を示す断面図である。

図 1 4は、 本発明の一実施例としての赤外線検出素子を用いた耳式体温計 の外観を示す図である。

図 1 5は、 図 1 4に示す耳式体温計の概略構成を示すブロック図である。 図 1 6は、 本発明の他の実施形態にかかる赤外線検出素子の一部断面図で ある。

図 1 7は、 本発明の他の実施形態にかかる赤外線検出素子の表面側の構成 を示す図である

図 1 8は.、 本発明の他の実施形態にかかる赤外線検出素子の製造プロセス を示す図であり、 シリ コン基板に第 1の構造層を形成する工程を示す図であ る。

図 1 9は、 図 1 8に続き、 ダイオードを作りこむ工程を示す図である。 図 2 0は、 図 1 9に続き、 第 1の構造層の上に酸化膜およびポリシリ コン 製の導電体を形成する工程を示す図である。

図 2 1は、 図 2 0に続き、 ポリシリ コン製の導電体をパターニングするェ 程を示す図である。

図 2 2は、 図 2 1に続き、 ポリシリ コン製の導電体の上に 2層の酸化膜を 形成する工程を示す図である。

図 2 3は、 図 2 2に続き、 ポリシリ コン製の導電体の上に形成した 2層の 酸化膜をパターニングする工程を示す図である。

図 2 4は、 図 2 3に続き、 サーモパイルを形成する工程を示す図である。 図 2 5は、 図 2 4に続き、 2層の表面保護膜および赤外吸収体を形成する 工程を示す図である。

図 2 6は、 従来の赤外線検出素子を示す図である。 図 2 7は、 本出願人が従来提案している赤外線検出素子の構成を説明する ための断面図である。

発明を実施するための最良の形態

以下に図面を参照して本発明をさらに説明する。 図 1に赤外線検出素子の 概略構成を示してある。

本例の赤外線検出素子 1は、 中央部 1 0が下方からのエッチングにより除 去されたシリコン基板 2を有しており、 中央部 1 0に薄膜のみが残っている 薄膜部 4およびシリコン基板 2がエッチングされずにそのまま残っている肉 厚部 3を備えた構造になっている。 薄膜部 4の上面には、 ゴールドブラック がスパッタ蒸着等の方法によりほぼ正方形に成膜された赤外線吸収体 1 1が 形成されている。

赤外線検出素子 1は、 赤外線吸収体 1 1の四方に配置された複数の熱電対 1 4を備えている。 各熱電対 1 4の温接点 1 7は薄膜部 4の赤外線吸収体 1 1の下方に配置され、 各熱電対 1 4の冷接点 1 8は肉厚部 3に配置されてい る。 そして、 これらの熱電対 1 4は直列に接続されて一つのサーモパイル 1 2を構成している。 また、 本例の赤外線検出素子 1では、 サーモパイル 1 2 の冷接点 1 8の温度を検出するためのダイォード D 1および D 2がシリコン 基板 2の周辺部 9、 すなわち肉厚部 3に形成されている。

図 2に赤外線検出素子 1の表面側の構成を示す図である。 なお、 この図に おいては、 シリコン基板 2の上面 2 aに形成された構造を平面的に示してあ るが、 これらの構造は実際には幾つかの異なる層に形成されるものである。 上述したように、 シリ コン基板 2の上面 2 aの中央部に位置する薄膜部 （メ ンブレン） 4のさらに中央には、 ほぼ正方形に成膜された赤外線吸収体 1 1 が形成されており、 その四方に複数の熱電対 1 4が配置されている。 そして、 これら複数の熱電対 1 4を直列に接続することによりサーモパイル 1 2が構 成され、 サーモパイル 1 2の出力電圧は端子 T 1および T 2から得られるよ うになっている。 図 3は、 サーモパイル 1 2の説明をするための図であり、 熱電対 1 4の構 成を拡大して示してある。 熱電対 1 4は、 アルミニウム （A 1 ) 製の導電体 1 5とポリシリコン （P o 1 y - S i ) 製の導電体 1 6の 2種類の導電体が 用いられている。 ポリシリコン製の導電体 1 6は赤外線吸収体 1 1に若干重 なった位置から四方に延びるように直線的に形成されている。 また、 隣接す るポリシリコン製の導電体 1 6の一方の赤外線吸収体 1 1側の端部 1 6 a と、 ポリシリコン製の導電体 1 6の他方の肉厚部 3側の端部 1 6 bとがアルミ二 ゥム製の導電体 1 5によって電気的に接続されている。 これにより、 赤外線 吸収体 1 1の側に温接点 1 7を持ち、 ヒートシンクとなる肉厚部 3の側に冷 接点 1 8を持つ熱電対 1 4が形成されると共に、 それらが直列に接続されて 1つのサーモパイル 1 2が構成されている。

図 2に戻って、 シリコン基板 2の肉厚部 3となる周辺部 9には、 2つのダ ィォード D 1および D 2が形成されている。 これらのダイォード D 1および D 2はシリコン基板 2の周辺部 9に沿って帯状に延び、 中央のメンプレン 4 . の四方を取り囲むように形成されている。 また、 各熱電対 1 4の冷接点 1 8 も取り囲んでおり、 複数の冷接点 1 8が位置する肉厚部 3の平均的な温度が ダイォード D 1および D 2の出力に反映されるようになっている。 ダイォー ド D 1は、 冷接点 1 8を取り囲むように形成された第 1の導電体層 D Pとこ の第 1の導電体層 D Pの外周側でこの領域 D Pに平行に形成された第 2の導 電体層 D N 1によって構成されている。 一方、 ダイオード D 2は、 第 1の導 電体層 D Pと、 この内周側で領域 D Pと平行に形成された第 2の導電体層 D N 2によって構成されている。

第 1の導電体層 D Pは、 シリ コン基板 2に対してボロン （B ) をイオン注 入することによってァクセプタ不純物がドープされた P +の拡散層であり、 ダイオードのアノードとして機能する。 一方、 第 2の導電体層 D N 1および D N 2は、 シリコン基板 2に対してリン （P ) をイオン注入することによつ てド^ "一不純物がドープされた n +の拡散層であり、 ダイォードのカソード として機能する。 このァノードを共通とする 2つのダイォード D 1および D 2の出力は、 肉厚部 9に形成されたアノード端子 D A、 力ソード端子 D K 1 および DK 2に接続されている。 したがって、 これらのダイオード D 1およ び D 2に所定の電流を供給することにより、 これらのダイォード D 1および D 2における順方向電圧降下を測定することが可能となり、 その差分から精 度良く基準温度を求めることができる。

いずれか一方のダイオードによってもサーモパイル 1 2の冷接点の温度を 検出することは可能であるが、 順方向電圧降下の差分を用いることにより、 さらに精度良く基準温度、 すなわち、 冷接点の温度を求めることができる。 すなわち、 ダイオードの順方向電流 I Fおよび順方向電圧 （または順方向電 圧降下） VFの関係は以下の通りとなる。

【数 1】

I F = I S ( e X p ( q V F/KT) — 1)

ただし、 数式 1において、

I F ：順方向電流 [A]

I S ：逆方向飽和電流 [A]

T ：絶対温度 [° K]

VF ：順方向電圧 [V]

K ： ボルツマン定数 （1. 3 8 04 X 1 0- 23[j K i])

q ：電荷 （1. 6 0 2 X 1 0- 19 [◦])

そして、 この数式 1は、 VFについて解く と数式 2のように変形すること が可能である。

【数 2】

V F =( T/ q) 1 o g ( I F/ I S)

この数式 2から分かるように、 ダイォード D 1あるいは D 2の順方向電圧 降下 VFに基づき、 冷接点 1 8の温度を求めることができる。 しかしながら、 1つのダイオードの順方向電圧降下 VFから冷接点 1 8の温度を求める場合 は、 順方向電流 I Fおよぴ逆方向飽和電流 I Sを求める必要がある。 これら の電流値は直接求めることは比較的難しいので、 温度と電圧との関係を予め 測定しておき、 それをテーブル化して記憶し、 検出された順方向電圧 VFに 基づいて温度を求めることが現実的な方法と考えられる。 これに対し、 順方向電圧降下 V Fの差分 Fを求めると下記の数式 3の ようになる。 '

【数 3】 '

AVF=(KT/q) 1 o g(l F 1/1 S 1 )-( T/q) 1 o g(I F 2/1 S 2) =(KT/q)[l o g(l F l/I S l)- l o g(l F 2/I S 2)]

= ( T/q)[ 1 o g(I F l/I F 2)— 1 o g ( I S 1 / I S 2 )]

さらに、 同一の半導体基板内に同様な製造方法で同様の不純物濃度で 2つ のダイオードを形成した場合は、 逆方向飽和電流 I Sをほぼ同じと考えてよ いので、 逆方向飽和電流 I Sの項を削除できる。 したがって、 数式 3は以下 の数式 4になる。

【数 4】

△ VF = (KT/ q) l o g ( I F 1 / I F 2)

また、 順方向電流 I Fは、 2つのダイオード D 1および D 2に流れる順方 向電流の比となるので、 電流値そのものを求めなくても良い。 したがって、 赤外線検出素子 1では、 ダイオード D 1および D 2の順方向電圧 V F 1およ び VF 2として、 差分 AVFの温度係数を求めると、 下記の数式 5になる。 【数 5】

AVF/T= (K/q) l o g ( I F 1/ I F 2) … (5)

このように、 ダイォード D 1および D 2を設けてこれらの順方向電圧降下 の差分を利用することにより、 ダイオード D 1および D 2が設置された肉厚 部 3の温度、 すなわち、 冷接点 1 8の温度を精度良く求めることができる。

したがって、 了ノード端子 DAとカソード端子 DK 1 との間の電位差と、 アノード端子 D Aと力ソード端子 DK 2との間の電位差との差分をと り、 增 幅して演算することができる回路に接続することにより基準温度が精度良く 求められ、 サーモパイル 1 2の出力から求められた温度差を捕正することに より精度の高い温度が測定できる。 本例の赤外線検出素子 1を上記のような 機能を備えた回路に接続するための端子は、 肉厚部 3の隅の部分に集められ ており、 サーモパイル 1 2、 ダイオード D 1および D 2の全ての出力を外部 に取り出しやすい形態になっている。 図 4に、 半導体基板 2の上方 2 aに積層された構造を断面図により示して ある。 赤外線検出素子 1は、 シリ コン基板 2の上に、 下から順番に、 酸化シ リコン製の第 1の接合層 2 1 と、 窒化シリコン製の第 1の構造層 2 2と、 接 合層となる酸化膜 3 1 と、 熱電対 1 4を構成するポリシリコン製の導電体 1 6と、 2層の酸化シリ コンの膜 3 2および 3 3と、 2層の表面保護膜 3 8お よび 3 9が積層されており、 その上に赤外線吸収体 1 1が成膜されている。 そして、 半導体基板 2の中央部が下方 2 bからエッチングされ、 中央部 1 0 が薄膜部 4となっている。

これらの層のうち、 窒化シリコン製の第 1の構造層 2 2は、 低圧 （減圧） CVD法によって成膜された膜である。 低圧 （減圧） CVD法によって成膜 された窒化シリコン製の膜のある温度における応力は約 8〜 1 0 X 1 09 d y n e Z c m² ( 1 d y n e / c m² = 0. l P a ) である。 したがって、 低圧 (減圧） CVD法によって成膜された窒化シリコン製の第 1の構造層 2 2は、 ベースとなる肉厚部 3に引っ張られる傾向となり、 第 1の構造層 2 2により 支持される薄膜部 4に撓みは発生し難い。

また、 窒化シリ コンは、 シリ コンをエッチングするフッ化キセノン、 水酸 化力リゥムなどのエッチヤントに対するエッチングレートが酸化シリ コンょ りも小さレ、。 したがって、 エッチングス トッパーとしては、 酸化シリコンよ りも優れており、 薄くても確実に侵食を防止できる。 したがって、 第 1の構 造層 2 2により中央部 1 0を形成するためのエッチングを確実にコントロー ルすることができる。

さらに、 窒化シリ コンは、 酸化シリ コンと同様に絶縁性があり、 シリ コン 基板の表面に形成することにより素子間を絶縁することができる。 本例の赤 外線検出素子 1においては、 シリコン基板 2の周辺部 9に延びた第 1の構造 層 2 2がパターニングされてダイォード D 1および D 2を構成する各領域 D N l、 DN 2および D Pを素子分離する膜となっている。 したがって、 本例 の赤外線検出素子 1においては、 シリコン基板 2の上面 2 aにわたり窒化シ リコン製の第 1の構造層 2 2を形成することにより、 上述したように、 ダイ ォードを形成するための素子分離を形成できると共に、 撓みのない十分に薄 い薄膜を構成することが可能となっている。 このため、 図 2 7に示した、 酸 化膜により素子分離および薄膜部を形成した赤外線検出素子と比較し、 製造 工程の煩雑さを増やさずに、 薄膜部を薄く して熱の逃げを防止すると共に、 橈みなどによる変形も防止することができ、 感度および精度のいつそう高い 赤外線検出素子を提供することができる。

この第 1の構造層 2 2の下方の酸化シリコン製の第 1の接合層 2 1は、 窒 化シリコン製の第 1の構造層 2 2とシリコン基板 2との密着性を確保するた めの層である。 また、 第 1の構造層 2 2の中央部 1 0の上方には、 エツチン グのストッパーと して機能させるための酸化膜 3 1を介してポリシリ コン製 の導電体 1 6が形成され、 その上にアルミニウム製の導電体 1 5が形成され、 熱電対 1 4が構成されている。 一方、 周辺部 9では、 第 1の構造層 2 2によ り素子分離されたシリコン基板 2の領域がダイォード D 1および D 2を構成 する導電性の領域 D N 1、 D N 2および D Pとなり、 それらの上にはアルミ -ゥム配線 3 6が形成されている。

そして、 中央部 1 0および周辺部 9をカバーするように、 絶縁層としての 化膜 3 2と、 平坦化を目的とした酸化膜 3 3が積層されており、 これらに 重ねて酸化シリコン製の表面保護膜 3 8と窒化シリコン製の表面保護膜 3 9 が設けられている。 そして、 最上層の中央部 1 0に赤外線吸収体 1 1が形成 され、 サーモパイル 1 2の温接点 1 7の上方が赤外線吸収体 1 1によって覆 われている。 この赤外線吸収体 1 1は赤外線を吸収することにより温度上昇 し、 温接点 1 7と冷接点 1 8との間に大きな温度差を確保できる。 これによ り、 サーモパイル 1 2の出力電圧が大きくなり、 温度測定の感度が高められ る。

図 5ないし図 1 2に、 本例の赤外線検出素子 1の概略の製造過程を示して ある。 図 5に示すように、 P型のシリコン基板 2の上面 2 aに、 4 0 0 A程 度の薄い膜厚の酸化シリコン製 （S i 0₂ ) の第 1の接合層 2 1を熱酸化によ り形成する。 この第 1の接合層 2 1は、 この上に形成する第 1の構造層 2 2 の密着性を高めるための膜であり、 一般的な半導体の製造プロセスで素子分 離用の膜として成膜されるフィールド酸化膜に比べて非常に薄い膜である。 この第 1の接合層 2 1は酸化シリコンなので上述したように圧縮方向の内部 応力を有し、 薄膜化したときに橈む傾向になるが、 膜厚が薄いこと、 および 上述したように引張方向の内部応力の窒化シリコン製の第 1の構造層 2 2が この上に積層されるので第 1の接合層 2 1の圧縮方向の内部応力は撓みにほ とんど影響しない。

次に、 この第 1の接合層 2 1の上面に、 低圧 C VD法で膜厚 2 5 0 0 A程 度の窒化シリコン（S i ₃N₄)製の第lの構造層2 2を形成する。 この第 1の構 造層 2 2は引張方向の内部応力を持つ膜であり、 薄膜化されたときに撓むの を防止できる。 さらに、 図 2 7に示した構成の赤外線検出素子であると、 フ ィールド酸化膜にス トッパーとして十分な機能を持たせるために、 約 5 0 0 0〜 7 0 0 0 A程度の膜厚になるのに対し、 エッチングレートの小さな窒化 シリコン製の第 1の構造層を形成することにより 1 /3程度に薄くすること ができる。 また、 窒化シリコン製の第 1の構造層 2 2が.ス トッパーとなるの で、 その下の第 1の接合層 2 1はス トッパーとしての機能を期待する必要が 無く、 膜厚を薄くすることができる。

次に、 第 1の構造層 2 2の上に、 フォ トレジス トを塗布して露光、 現像し、 このフォトレジスト（図示せず）をマスクとして第 1の構造層 2 2と第 1の接合 層 2 1 とをエッチングによりパターエングする。 そして、 第 1の構造層 2 2 を素子分離帯としてシリコン基板 2の周辺部 9のダイォード D 1および D 2 の形成予定領域にダイオード D 1および D 2を形成する。 このため、 第 1の 導電体層 D Pを形成する領域 2 5にポロン （B) イオンを 3 5 K e Vの高電 圧で加速して注入し、 4 X 1 0¹⁵ イオン Zcm² の不純物濃度の P+の拡散 層 （第 1の導電体層） D Pを形成する。 また、 第 2の導電体層 DN 1および DN 2を形成する領域 2 6に、 リ ン （P) イオンを 8 0 K e Vの高電圧で加 速して注入し、 4 X 1 01⁵ イオン/ c m² の不純物濃度の N +の拡散層 （第 2の導電体層） DN 1および DN 2を形成する。 このようにして各導電体層 を形成した後には、 各イオン注入の際に生じた結晶欠陥を回復させると共に、 各領域 2 5および 2 6に注入した不純物を活性化させるために、 9 0 0°C、 2 0 m i nの条件のァニールを行なう。 これにより、 第 1の構造層 2 2によ つて素子分離されたダイォード D 1および D 2が形成される。

次に、 図 7 に示すように、 約 1 0 0 0 Aの膜厚の酸化膜 （HTO:High Temperature Oxide) 3 1を高温の C VD法により形成する。 このようにし て成膜した酸化膜 3 1は堅く、 不純物の拡散係数が小さい膜になる。 そして、 酸化膜 3 1を成膜すると、 この酸化膜 3 1の上に重ねられる金属層、 すなわ ち、 熱電対 14を構成するポリシリコン製の導電体 1 6やアルミニウム製の 導電体 1 5から不純物がシリコン基板 2の側に拡散するのを防止できる。

この後、 酸化膜 3 1の上に、 熱電対 1 4の一方の導電体となるポリシリコ ン製の導電体 1 6を形成する。 このため、 シラン （S i H₄) ガスを用いて C VD法により、 約 4000 Aの膜厚のポリシリ コン製の導電体 1 6を形成す る。 反応式は S i H₄ →S i +H₂ である。 そして、 このポリシリコンの導 電体 1 6に、 例えば、 リンをドナー不純物としてドープして熱拡散すること によりシート抵抗を 1 5 o hm/ s qにする。

そして、 ポリシリコン製の導電体 1 6の上に図示しないフォトレジストを 塗布して露光、 現像した後、 図 8に示すように、 フォ トレジス トをマスクと してポリシリコン製の導電体 1 6をエッチングしてパターユングし、 拡散層 DP、 DN 1、 DN 2を露出させる。

次に、 図 9に示すように、 再び、 C VD法により 1 00 OA程度の膜厚の 酸化膜 （HTO) 3 2を成膜し、 さらに酸化膜 3 2の上に、 CVD法により 約 8 000 Aの膜厚の酸化膜 （B P S G) 3 3を成膜する。 この酸化膜 3 3 は LTO (Low Temperature Oxide) とし、 酸化膜自体に粘度を持たせて平 坦化し易い状態に

する。 このため、 酸化膜 3 3を形成した後に、 900°C、 20m i nの条件 のァニールを行なうと、 酸化膜 3 3が平坦化される。 この際、 膜内のボロン やリンが拡散しやすいが、 この腹 3 3の下層に HTOからなる酸化膜 3 2が あるので、 この膜 3 2によりポロンゃリンがシリコン基板側に拡散するのが ブロックされる。

このように、 積層された膜の表面を平坦化してアルミニウム金属膜が断線 せずに形成できる状態した後に、 図 1 0に示すように、 シリコン基板 2に形 成した拡散層 DP、 DN 1、 DN 2およびポリシリコン製の導電体 1 6とメ タル （アルミニウム金属） との導通をとるためのパターニング 3 5を行う。 すなわち、 酸化膜 3 3の上にフォトレジスト（図示せず）を塗布して露光、 現像 を行ない、 これをマスクとして酸化膜 3 3、 3 2をエッチングして拡散層 D P、 DN 1、 DN 2、 および導電体 1 6の温接点 1 7と冷接点 1 8とに対応 した部分を露出させる。

次に、 パターエングした凹部が埋まるようにアルミニウムをスパッタによ り蒸着して酸化膜 3 3の上に図示しないアルミニウム膜を形成する。 そして、 アルミニウム膜の上にフォ トレジス トを塗布して露光、 現像し、 これをマス クとしてアルミニウム膜をェツチングによりパターニングすることにより、 図 1 1に示すように、 メタル配線 3 6と、 アルミニウム製の導電体 1 5とを 形成する。 これによりポリシリコン製の導電体 1 6にアルミニウム製の導電 体 1 5が接続されるので、 温接点 1 7およぴ冷接点 1 8が形成される。 それ と共に、 複数の熱電対 1 4が直列に接続してサーモパイル 1 2が形成される。 また、 酸化膜 3 2の上には酸化膜 （B P SG) 3 3を成膜し、 平坦化してあ るので、 エッチングの際にアルミ -ゥム製の導電体 1 5およびメタル配線 3 6の断線を防ぐことができる。

このようにして、 半導体基板 2の上面 2 aに積層される構造がほぼ完成す る。 このため、 図 1 2に示すように、 TEO S (オルト珪酸テトラエチル） ガスを用いたプラズマ CVD法により、 2000 A程度の膜厚の表面保護膜 (PADA) 38を成膜する。 この膜 3 8を成膜した後には、 S OG (Spin On Glass) を塗布して 400°C、 30 m i nの条件のベータをする。 これに より、 表面保護膜 38が平坦化される。

また、 本例では、 1層目の表面保護膜 38の上に、 約 1 00 O Aの膜厚の 2層目の表面保護膜 （PAD B) 3 9となるプラズマ窒化膜 （S i X Ny ) をプラズマェンハンスド C VD法により成膜する。 2つの表面保護膜 38お よび 3 9の膜厚の組み合わせは上記に限られず、 表面保護膜 38を 2 000、 20000または 6000Aにし、 各々の厚みに対応して表面保護膜 3 9の 厚みを 1 0000、 5 000または Ι Ο Ο Ο θ Αとすることが可能である。 また、 3 0 0 0 0 Aの表面保護膜 3 8を成膜して、 表面保護膜 3 9を省略す ることも可能である。 上述した他の層の膜厚も例示に過ぎず、 上記の膜厚に 限定されるものではない。.

これらの表面保護膜は、 最後に行なわれるシリコン基板 2をエッチングす る際にアルミニウム製の導電体 1 5やポリシリコン製の導電体 1 6などのシ リコン基板 2の上面 2 aに形成された構造層がエッチングされるのを防止す る膜である。 このため、 表面保護膜 3 9が薄すぎると、 凹凸があるところで 表面保護膜 3 9が適切に膜形成されずにエッチング液が進入して、 表面保護 膜 3 8をエッチングしサーモパイル 1 2を破損してしまう可能性がある。 し たがって、 これらの 2つの膜 3 8および 3 9の膜厚はエッチングされる速度 に合わせて適宜設定することが望ましい。

さらに、 表面保護膜 3 9の上に、 ゴールドブラックを成膜することにより 1〜 1 0 μ Hi程度の膜厚の赤外線吸収体 1 1を形成する。 そして、 最後に、 シリ コン基板 2の下方 2 bを、 その中央部 1 0を残してマスキングし、 エツ チング液と して K O Hまたは N a O H等を用いてシリコン基板 2の中央部 1 0を下方から異方性エッチングする。 これにより、 シリ コン基板 2の中央部 1 0が除去されて、 図 4に示した赤外線検出素子 1が形成される。 このエツ チングの際に第 1の構造層 2 2がストッパーとして機能し、 過剰なエツチン グを防止することができる。 したがって、 シリ コン基板 2の中央部 1 0をほ ぼ完全に除去することが可能であり、 中央部 1 0に所望の厚みの薄膜部 4を 形成することができる。

このような製造方法により、 本例の赤外線検出素子 1を製造できる。 そし て、 本例の赤外線検出素子 1は、 フィールド酸化膜に代えて窒化シリコン製 の第 1の構造層 2 2をシリコン基板 2の上に形成している。 特に本例の赤外 線検出素子 1では、 第 1の構造層 2 2を低圧 C V D法により形成しているの で、 この構造層 2 2が強い引張方向の内部応力を有する膜となる。 したがつ て、 薄膜部に撓みが発生しにく くなり、 薄膜部 4が変形することによるサー モパイル 1 2の測定誤差を低減することができる。

さらに、 窒化シリコン製の第 1の構造層 2 2がエッチング時のストッパー として機能するようにしている。 このため、 フィールド酸化膜をス トッパー とする構成に比べて、 ス トッパーとなる第 1の構造層 2 2を薄くすることが 可能であり、 薄膜部 4の熱容量を低減することができる。 したがって、 温接 点 1 7の温度がより早く上昇するため、 応答速度を早くすることが可能であ る。 また、 第 2の構造層 2 2を薄くすることにより、 温接点 1 7から冷接点 1 8への熱の逃げを低減することができる。 したがって、 サーモパイル 1 2 の測定誤差をさらに小さくすることが可能になり、 精度の高い温度を得るこ とができる。

さらに、 窒化シリコン製の構造層を二層に分けた構成にすることも可能で ある。 図 1 3に本発明の変形を示してある。 この図に示す赤外線検出素子 1 aでは、 第 1の構造層 2 2と酸化膜 3 1の間に第 2の構造層 4 1および第 3 の構造層 4 2が形成されている。 すなわち、 1 0 0 0 Aの膜厚の第 1の構造 層 2 2の上に 5 5 0 O Aの膜厚の酸化シリコン製の第 2の構造層 4 1が成膜 されている。 そして、 この第 2の構造層 4 1の上に第 1の構造層 2 2 と同様 の製法により、 2 0 0 O Aの膜厚の窒化シリコン製の第 3の構造層 4 2が成 膜されている。 そして、 この上に酸化膜 3 1が形成され、 それより上方の構 造および製造方法は上述した赤外線検出素子 1と同様である。

この赤外線検出素子 1 aは薄膜部 4の橈みを無くすために十分な厚さの膜 を第 1の構造層 2 2と第 3の構造層 4 2に分けて成膜することが可能である。 したがって、 第 1の構造層 2 2および第 3の構造層 4 2が剥がれないように 膜厚を設定したとしても、 薄膜部 4全体として引張方向の応力とすることが 容易になる。 すなわち、 薄膜部 4に撓みが発生しなくなり薄膜部 4が変形す ることによるサーモパイル 1 2の測定誤差を低減することができる。

このように、 窒化シリコン製の構造層を採用することにより、 薄膜部 4を さらに薄くできると同時に変形も抑制することができる。 あるいは、 薄膜部 4の変形をほぼ完全に防止することもできる。 それと共に、 上記の赤外線検 出素子 1および 1 aでは、 窒化シリコン製の構造層 2 2を素子分離帯として も使用し、 冷接点 1 8の温度を検出するダイォード D 1および D 2を半導体 基板 2に作りこんでいる。 したがって、 ダイオード D 1および D 2で半導体 基板 2の温度を直に、 半導体基板 2に接触した状態で取得することが可能で あり、 サーミスタチップをパッケージングした従来の赤外線検出素子に対し 精度良く基準温度を取得することができる。 さらに、 2つのダイオード D 1 および D 2を設けて順方向電圧降下の差分を取得することにより、 簡単に精 度良く温度測定できることは上述した通りである。

このように、 本例の赤外線検出素子 1および 1 aは、 薄膜部 4の変形に伴 うサーモパイル 1 2の測定誤差は最小限にすることが可能であり、 さらに、 基準温度となる冷接点の温度も極めて精度良く測定することができる。 した がって、 測定誤差は非常に小さくなり、 高精度で温度を測定することができ る。 また、 ダイオードを用いた温度測定は理論上は温度依存性がないので、 サーミスタのよ うに補正する必要がなく、 測定レンジの広い赤外線検出素子 を提供できるというメリットもある。

そして、 窒化シリコン製の第 1の構造層 2 2によりダイォードを作り込む ことができ、 薄膜部の変形に伴う誤差も防止できているので、 上記にて説明 したように製造工程はシンプルであり、 半導体製造プロセスによって量産す ることができる。 したがって、 低コス トで測定精度の極めて良い赤外線検出 素子を提供することができる。 '

さらに、 本例の赤外線検出素子 1および 1 aでは、 ダイオード D 1および D 2を複数の熱電対 1 4の冷接点 1 8を取り囲むように配置することにより、 それらの冷接点の平均的な温度を検出している。 したがって、 より正確な冷 接点の温度を検出できるようになつている。 また、 周囲に沿って延びたダイ ォード D 1および D 2を構成する導電帯の電位を整えるために電極を導電帯 に沿って配置してあるなど、 基準温度をより精度良く測定するための構成が 採用されている。

したがって、 本例の赤外線検出素子 1および 1 aを用いて体温計などの温 度測定装置を構成することにより、 高精度の温度測定が可能な温度測定装置 を実現できる。 図 1 4に、 本例の赤外線検出素子 1を用いた耳式体温計の外 観を斜視図を用いて示してある。 本例の耳式体温計 5 0は、 手のひらで握り 易い細長い形状のハウジング 5 1を有し、 その前面 5 2に、 耳孔に揷入可能 な筒状のプローブ 5 8と、 体温計で測定された体温などが表示される L CD 5 5と、 電源投入用のスィツチ 5 6および電池ボックス 5 7が設けられてい る。 そして、 ハウジング 5 1の内部には、 このプローブ 5 8の先端 5 8 aに 赤外線吸収体 1 1が向いた状態で赤外線検出素子 1が内蔵されている。 した がって、 プローブ 5 8を介して耳孔内で放射されている赤外線が赤外線検出 素子 1の赤外線吸収体 1 1に受光され、 サーモパイル 1 2により温度を測定 することができる。

したがって、 耳式体温計 5 0のハウジング 5 1の裏面 5 3に設けられた測 定開始用のスィツチ 54を操作すると、 '赤外線検出素子 1の出力、 すなわち、 サーモパイル 1 2の出力を、 ダイオード D 1および D 2の出力により求めら れた温度で冷接点 1 8の温度で補正して精度の高い体温 （温度） を表示する ことができる。

図 1 5に耳式体温計 5 0の概略の回路構成をプロック図で示してある。 本 例の耳式体温体温計 5 0は、 赤外線検出素子 1からの出力を用いて温度を算 出する温度導出部 6 1 と、 測定開始用のスィツチ 5 4と、 LCD 5 5と、 電 源投入用のスィッチ 5 6と、 電池 5 7とを有する。 温度導出部 6 1は、 ダイ ォード D 1および D 2の順方向電圧降下の差分をサーモパイル 1 2の冷接点 1 8の温度 T rを示す信号として C PU 6 3に供給する第 1のデータ出力部 7 1 と、 サーモパイル 1 2の出力電圧を冷接点 1 8と温接点 1 7との間の温 度差 ΔΤを示す信号としで C PU 6 3に出力する第 2のデータ出力部 7 2と、 各データ出力部 7 1および 7 2から得られた温度 T rおよび温度差 丁から 体温を導出すると共に体温計全体の制御を行なう C PU 6 3と、' C PU 6 3 の各種の作業領域となる RAM6 4を有している。 そして、 サーモパイル 1 2の出力から求められた温接点 1 7と冷接点 1 8の温度差 ΔΤに対してダイ ォード D 1、 D 2の出力から求められた冷接点 1 8の温度 T rをプラスする ことにより、 体温が導出される。 導出された体温は、 ハウジング 5 1の前面 5 2に設けられた L CD 5 5に表示される。

このような耳式体温計 5 0では、 上述した赤外線検出素子 1が組み込まれ ているので、 この素子 1のサーモパイル 1 2の出力およびダイォード D 1、 D 2の出力に基づき、 使用環境に左右されずに、 常に高精度の体温を測定す ることができる。 また、 赤外線検出素子 1は半導体の製造プロセスを利用し て小さく低コス トで供給できるものであるので、 この素子 1を使用した耳式 体温計 5 0は、 コンパク トで低価格であり、 手軽に購入して使用する体温計 になっている。

本例の赤外線検出素子 1および 1 aは、 耳式体温計に限らず、 その他のタ イブの体温計、 また、 その他のタイプの温度計にも採用することが可能であ り、 コンパク トで低コストでありながら、 非常に精度よく温度を測定できる ので、 応用範囲は広い。

ところで、 平行平面内に平面電極を有する P型シリコン基板に形成したプ レーナダイォードなどのプレーナ接合においては、 P型シリコン基板の表層 部に N型不純物を拡散させて P N接合を形成した場合、 シリコン基板の表面 に素子分離用シリコン酸化膜などの絶縁層が存在すると、 P N接合に電圧を 印加すると、 絶縁層下方の P型シリコン基板の表層部に N型反転層が形成さ れ、 この. N型反転層を介して絶縁層と P型シリコン基板との間に電流が流れ ることが知られている （例えば、 徳山巍著 「エレク トロ二タス技術全書 [ 3 ] M O Sデバイス」 p 3 0 0〜 3 0 5、 株式会社工業調査会発行 （ 1 9 7 3年 8月 2 0日））。

このため、 P型シリコン基板にプレーナダイオードを形成すると、 上記の N型反転層の面積に比例して逆電流が大きくなり、 この逆電流がダイオード の順方向特性を劣化させ、 正確な温度測定を困難にする。 そして、 本 明者 等が前記実施形態に示した赤外線検出素子 1について調べたところ、 実際に 半導体 D l、 D 2の出力電圧 (順方向電圧)が不安定であって、 測定温度に誤差 を生ずることを見出した。 そこで、 本発明者等は、 さらに高精度の温度測定 が可能な赤外線検出素子を得るために、 図 1 6に示したような N型シリコン 基板を用いた赤外線検出素子を開発した。

図 1 6は、 本発明の他の実施形態にかかる赤外線検出素子の一部断面図で ある。 図 1 6において、 赤外線検出素子 1 bは、 シリコン基板 2 cがリンな どの N導電型不純物（ドナー不純物）を拡散させた N—基板となっている。 この 赤外線検出素子 1 bは、 N型シリコン基板 2 cの上に、 下から順番に、 酸化 シリコン製の第 1の接合層 2 1と、 窒化シリコン製の第 1の構造層 2 2と、 接合層となる酸化膜 3 1と、 熱電対 1 4を構成するポリシリコン^の導電体

1 6と、 2層の酸化シリコンの膜 3 2および 3 3と、 2層の表面保護膜 3 8 および 3 9が積層されており、 その上に赤外線吸収体 1 1が成膜されている。 窒化シリコン製の第 1の構造層 2 2は、 前記の実施形態と同様に、 低圧 （減 圧） CVD法によって成膜された膜であって、 第 1の構造層 2 2により支持 される薄膜部 4に撓みが発生しないようにしてある。

半導体基板 2 cは、 中央部 1 0が下方 2 bからエッチングされて薄膜部 4 となっている。 また、 N型シリ コン基板 2 cは、 薄膜部 4の周囲が、 エッチ ングされずにそのまま残された肉厚部 3となっている。 そして、 赤外線検出 素子 1 bは、 N型シリコン基板 2 cの周辺部 9、 すなわち肉厚部 3の表層部 にボロンなどの P導電型型不純物（ァクセプタ不純物）を拡散させた P +の導電 体層 D P l a、 D P 2 aが形成してある。 また、 これらの導電体層 D P l a と導電体層 D P 2 a との間には、 リンなどの N導電型不純物（ドナー不純物）を 拡散させた N +の導電体層 DN aが設けてある。

これらの導電体層 D P l a、 D P 2 a、 DN aは、 2つのダイォード D 1 a、 D 2 aを構成している。 すなわち、 導電体層 D P 1 aはダイォード D 1 aのァノードを形成し、 DN aはダイォード D 1 aの力ソードを形成してい る。 また、 DN aはダイオード D 2 a力ソードとなっており、 D P 2 aはダ ィオード D 2 aアノードとなっている。 そして、 これらの力ソードを共通に したダイォード D 1 a、 D 2 aは、 前記実施形態と同様に、 熱電対 1 4の冷 接点 1 8を取り囲むように設けてある。

本例の N型シリ コン基板 2 cに形成した赤外線検出素子 1 bは、 図 1 7に 示したように、 ダイオード D l a、 D 2 aのアノードとなる導電体層 D P 1 a、 D P 2 aがアノード端子 DA 1、 DA 2に接続され、 力ソードとなる導 電体層 DN aが力ソード端子 DKに接続される。

こ.のようになっている本例の赤外線検出素子 1 cは、 前記実施形態にかか る赤外線検出素子 1とほぼ同様にして形成することができる。 図 1 8.ないし 図 2 5は、 本例の赤外線検出素子 1 bの製造工程の概略を示したものである。 本例の赤外線検出素子 1 bを製造する場合、 図 1 8に示すように、 N型シ リコン基板 2 cの上面 2 aに、 4 0 0 A程度の膜厚を有する酸化シリコン製 (S i 0₂) の第 1の接合層 2 1を熱酸化により形成する。 この第 1の接合層 2 1は、 この上に形成する第 1の構造層 2 2の密着性を高めるための膜であ り、 一般的な半導体の製造プロセスで素子分離用の膜として成膜されるフィ 一ルド酸化膜に比べて非常に薄く してある。，

次に、 この第 1の接合層 2 1の上面に、 低圧 CVD法で膜厚約 2 5 0 O A の窒化シリコン（S i ₃N₄)製の第 1の構造層 2 2を形成する。 この第 1の構造 層 2 2は、 引張方向の内部応力を持つ膜であり、 N型シリ コン基板 2 cが薄 膜化されたときに撓むのを防止できる。

その後、 第 1の構造層 2 2の上に、 フォ トレジス ト（図示せず）を塗布して露 光、 現像し、 図 1 9に示すように、 フォトレジス トをマスクとして第 1構造 層 2 2と第 1の接合層 2 1 とをエッチングしてパター-ングする。 そして、 第 1の構造層 2 2を素子分離帯として N型シリコン基板 2 cの周辺部 9のダ ィォード D 1 aおよび D 2 aの形成予定領域にダイォード D 1 aおよび D 2 aを形成する。 このため、 第 1の導電体層 DN aを形成する領域 2 5 aにリ ンイオンを 8 0 K e Vの高電圧で加速して注入し、 4 X 1 0¹⁵ イオン Zc m ² の不純物濃度の N +の拡散

層 （第 1の導電体層） を形成する。 また、 第 2の導電体層 D P 1 aおよび D P 2 aを形成する領域 2 6 aに、 ボロンイオンを 3 5 K e Vの高電圧で加速 して注入し、 4 X 1 0¹⁵ イオン Zcm2 の不純物濃度の P +の拡散層 （第 2 の導電体層）

を形成する。

このようにして各導電体層を形成した後には、 各イオン注入の際に生じた 結晶欠陥を回復させると共に、 各領域 2 5 aおよび 2 6 aに注入した不純物 を活性化させるために、 9 0 0°C、 20 m i nの条件のァニールを行なう。 これにより、 第 1の構造層 2 2によって素子分離されたダイォード D 1 aお よび D 2 aが形成される。 次に、 図 2 0示すよ うに、 約 1 '0 0 0 Aの膜厚の酸化膜 （HTO:High Temperature Oxide) 3 1を高温の C V D法により形成する。 この後、 酸化 膜 3 1の上に、 熱電対 1 4の一方の導電体となるポリシリコン製の導電体 1 6を、 シラン （S i H₄ ) ガスを用いた C V D法により、 厚さ 4 0 0 0 A程度 形成する。 そして、 導電体 1 6の上にフォトレジス トを塗布して露光、 現像 し、 これをマスクとしてエッチングすることにより、 図 2 1に示すように、 ポリシリ コン製の導電体 1 6をパターニングし、 導電体層 D N a、 D P 1 a , D P 2 aを露出させる。

次に、 図 2 2に示すように、 再び、 C V D法により 1 0 0 0 A程度の膜厚 の酸化膜 （H T O ) 3 2を成膜し、 さらにその上に、 〇 0法に'ょり 8 0 0 0 Aの膜厚の酸化膜 （B P S G ) 3 3を成膜する。 そして、 酸化膜 3 3を形 成した後に、 9 0 0 °C、 2 0 m i nの条件のァニールを行ない、 酸化膜 3 3 を平坦化する。

このよ う に、 積層された酸化膜 3 3の表面を平坦化してアルミニウム金属 膜が断線せずに形成できる状態した後に、 酸化膜 3 3の上にフォ ト レジスト (図示せず）を塗布して露光、 現像する。 そして、 これをマスクとして、 図 2 3 に示すよ

うに、 N型シリ コン基板 2 cに形成した拡散層 （導電体層） D N a、 D P I a、 D P 2 aおよびポリシリコン製の導電体 1 6とメタル （アルミ二ゥム金 属） との導通をとるためのパターユング 3 5を行なって拡散層を露出させる とともに、 導電体 1 6の温接点 1 7と冷接点 1 8とに対応した部分を露出さ せる。 .

次に、 酸化膜 3 3の上からアルミニウムをスパッタにより蒸着し、 ノ、。ター ユングした凹部がアルミニウムによって埋るように酸化膜 3 3の上にアルミ 二ゥム膜 (図示せず）を形成する。 さらに、 アルミニウム膜の上にフォトレジス トを塗布して露光、 現像し、 フォトレジストをマスクとしたエッチングによ りアルミニウム膜をパターエングし、 図 2 4に示したように、 メタル配線 3 6、 導電体 1 5を形成する。 これによりポリシリコン製の導電体 1 6にアル ミニゥム製の導電体 1 5が接続されるので、 温接点 1 7および冷接点 1 8が 形成される。 それと共に、 複数の熱電対 1 4が直列に接続されてサーモパイ ル 1 2が形成される。 このようにして、 半導体基板 2の上面 2 aに積層され る構造がほぼ完成する。

その後、 図 2 5に示したように、 TEO S (オルト珪酸テトラエチル） ガ スを用いたプラズマ CVD法により、 酸化膜 3 3とアルミニウム製の導電体 1 5とメタル配線 3 6とを覆って 2 0 0 0 A程度の膜厚の表面保護膜 （P A DA) 3 8を成膜する。 この膜 3 8を成膜した後には、 S OG (Spin On Glass) を塗布して

40 0°C、 3 0 m i nの条件のベータをする。 これにより、 表面保護膜 3 8 が平坦化される。 さらに、 1層目の表面保護膜 3 8の上に、 約 1 0 0 0 Aの 膜厚の 2層目の表面保護膜 （PAD B) 3 9となるプラズマ窒化膜 （S i x

N y ) をプラズマェンハンスド C VD法により成膜する。

さらに、 表面保護膜 3 9の上に、 ゴールドプラックを成膜することにより

1〜 1 0 μ m程度の膜厚の赤外線吸収体 1 1を形成する。 そして、 最後に、 N型シリ コン基板 2 cの下方 2 bを、 その中央部 1 0を残してマスキングし、 エッチング液として K〇Hまたは N a OH等を用いて N型シリコン基板 2 c の中央部 1 0を下方から異方性エッチングする。 これにより、 N型シリ コン 基板 2 cの中央部 1 0が除去されて、 図 1 6に示した赤外線検出素子 1 cが 形成される。

このよ うにして N型シリコン基板 2 cを用いて形成した赤外線検出素子 1 bは、 第 1の接合層 2 1の下部に N反転層が形成されないため、 ダイオード D l a、 D 2 aの良好な順方向特性が得られ、 ダイオード D l a、 D 2 aの 出力電圧 (順方向電圧）が P型シリコン基板形成したダイォードに比較して非常 に安定してお

り、 正確な温度検出が可能となる。 したがって、 本例の赤外線検出素子 l b を用いることにより、 高精度の温度検出装置を得ることができる。

なお、 N型シリ コン基板 1 cを用いた場合においても、 第 1の構造層 2 2 と酸化膜 3 1との間に、 図 1 3に示されている酸化シリコン製の第 2の構造 層 4 1と、 窒化シリコン製の第 3の構造層 4 2を設けるようにしてもよい。 以上説明したように、 本発明においては、 フィールド酸化膜に代えて、 窒 化シリコン製の第 1の構造層を半導体基板の上に形成する。 この第 1の構造 層は低圧 C V D法により引張方向の内部応力を有する膜として形成すること が可能であり、 薄膜部の撓みを防止でき、 この第 1の構造層の上に形成され るサーモパイルの形状変化を防いでさらに正確な温度差を検出できる。 また、 この第 1の構造層によって半導体基板に作り込まれる P N接合部を素子分離 するようにしているので、 正確な冷接点の温度も検出するための P N接合部 も同時に半導体基板に作り込むことができる。 したがって、 本発明により、 より精度よく体温などの温度を検出できる赤外線検出素子を低コス トで製造 することが可能となり、 それを用いてコンパク トで精度の良い温度測定装置 を低コス トで提供できる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 半導体基板の上方に窒化シリコン製の第 1の構造層を形成する工程と、 前記半導体基板の周辺部に前記第 1の構造層をパターニングして前記半導 体基板の表面に P N接合部を形成する工程と、

前記第 1の構造層の上方に、 冷接点が前記周辺部に位置し、 温接点が前記 半導体基板の中央部に位置するように複数の熱電対を形成し、 さらにこれら の熱電対を直列に接続してサーモパイルを形成する工程と、

前記半導体基板の中央部を下方からエッチングして除去する工程とを有す る赤外線検出素子の製造方法。

2 . 請求項 1において、 前記エッチングして除去する工程の前に、 前記サー モパイルの少なく とも前記温接点の上方または近傍を覆うように前記中央部 の上方に赤外線吸収体を形成する工程を有する赤外線検出素子の製造方法。

3 . 請求項 1において、 前記第 1の構造層を形成する工程では、 低圧 C V D により前記窒化シリコン製の第 1の構造層を形成する赤外線検出素子の製造 方法。

4 . 請求項 1において、 前記 P N接合部を形成する工程では、 複数の前記 P N接合部を形成する赤外線検出素子の製造方法。

5 . 請求項 1において、 前記 P N接合部を形成する工程では、 前記 P N接合 部によりダイォードを形成する赤外線検出素子の製造方法。

6 . 請求項 1において、 前記 P N接合部を形成する工程では、 前記半導体基 板の周辺部に沿って延びた前記 P N接合部を形成する赤外線検出素子の製造 方法。

7 . 請求項 6において、 前記 P N接合部を形成する工程では、 前記 P N接合 部の第 1の導電体層および第 2の導電体層のそれぞれの上面に、 前記第 1お ょぴ第 2の導電体層に沿って延びた電極を形成する赤外線検出素子の製造方 法。

8 . 請求項 1において、 前記第 1の構造層を形成する工程の前に、 前記半導 体基板の上に酸化シリコン製の第 1の接合層を形成する工程を有する赤外線 検出素子の製造方法。

9 . 請求項 8において、 前記第 1 の接合層は、 前記第 1の構造層よりも薄い 赤外線検出素子の製造方法。

1 0 . 請求項 3において、 前記第 1の構造層の上に酸化シリコン製の第 2の 構造層を形成する工程と、 この第 2の構造層の上に窒化シリコン製の第 3の 構造層を形成する工程とを有する赤外線検出素子の製造方法。

1 1 . 請求項 1において、 前記エッチングして除去する工程の前に、 前記半 導体基板の上方に表面保護膜を形成する工程を有する赤外線検出素子の製造 方法。

1 2 . 中央部が下方からのエッチングにより除去された半導体基板と、 この半導体基板の上方に形成され、 前記中央部が薄膜構造体となった窒化 シリ コン製の第 1の構造層と、

前記半導体基板の周辺部の前記第 1の構造層をパターニングして前記半導 体基板の表面に形成された P N接合部と、

前記第 1の構造層の上方に、 冷接点が前記周辺部に位置し、 温接点が前記 半導体基板の中央部に位置するように形成された複数の熱電対を直列に接続 したサーモパイルとを有する赤外線検出素子。

1 3. 請求項 1 2において、 前記サーモパイルの少なく とも前記温接点の上 方または近傍を覆うように前記中央部の上方に形成された赤外線吸収体を有 する赤外線検出素子。

1 4. 請求項 1 2において、 前記第 1の構造層は引張方向の内部応力が発生 する膜である赤外線検出素子。

1 5. 請求項 1 4において、 前記第 1の構造層は、 低圧 C VDにより成膜さ れている赤外線検出素子。

1 6. 請求項 1 2において、 複数の前記 PN接合部を備えている赤外線検出 素子。

1 7. 請求項 1 2において、 前記 PN接合部はダイオードを形成している赤 外線検出素子。

1 8. 請求項 1 2において、 前記 PN接合部は、 前記半導体基板の周辺部に 沿って延びている赤外線検出素子。

1 9. 請求項 1 8において、 前記 PN接合部は、 前記 P N接合部の第 1の導 電体層および第 2の導電体層のそれぞれの上面に沿って延びた電極を備えて いる赤外線検出素子。

2 0. 請求項 1 2において、 前記第 1の構造層と半導体基板との間に、 酸化 シリコン製の第 1の接合層を有する赤外線検出素子。

2 1. 請求項 2 0において、 前記第 1の接合層は、 前記第 1の構造層よりも 薄い赤外線検出素子。 '

2 2 . 請求項 1 4において、 前記第 1の構造層の上に酸化シリコン製の第 2 の構造層と、 窒化シリコン製の第 3の構造層とを有する赤外線検出素子。

2 3 . 請求項 1 2ないし 2 2のいずれかにおいて、 前記半導体基板は N導電 型である赤外線検出素子。

2 4 . 請求項 1 2に記載の赤外線検出素子と、 この赤外線検出素子の前記 P N接合部からの出力により求められた温度で前記冷接点の温度を補正して前 記サーモパイルの出力から温度を求める手段とを有する温度測定装置。

2 5 . 請求項 2 4において、 先端を耳穴に挿入可能な筒状の部分を有し、 前 記赤外線検出素子は.、 前記中央部の上方が前記筒状の部分の先端に向いて配 置されている温度測定装置。

2 6 . 請求項 2 5において、 前記赤外線検出素子は、 前記サーモパイルの少 なく とも前記温接点の上方または近傍を覆うように前記中央部の上方に形成 された赤外線吸収体を備えている温度測定装置。