(57)【要約】【課題】サーモパイル型の赤外線検出素子において、さらに精度よく温度測定が可能な赤外線検出素子を低コストで提供可能とする。【解決手段】薄膜部４の構造体となる第１の構造層２２として窒化シリコン製の膜を採用した赤外線検出素子１を提供する。この第１の構造層２２は酸化シリコンと異なり、引張方向の内部応力を有するので、撓みの発生を防止できる。それと共に、第１の構造層２２を素子分離帯として利用してダイオードＤ１およびＤ２をシリコン基板２に作り込むことが可能であり、環境変化に伴うサーモパイル１２の形状変化を防止することによりサーモパイル１２の測定誤差を抑制でき、さらに、ダイオードＤ１およびＤ２で正確な冷接点の温度を検出できる高精度の赤外線検出素子を提供できる。
2002075262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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ＰＮ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。
【請求項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。
【請求項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ＣＶＤ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。
【請求項４】
請求項１において、前記ＰＮ接合部を形成する工程では、複数の前記ＰＮ接合部を形成する赤外線検出素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１において、前記ＰＮ接合部を形成する工程では、前記ＰＮ接合部によりダイオードを形成する赤外線検出素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１において、前記ＰＮ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ＰＮ接合部を形成する赤外線検出素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記ＰＮ接合部を形成する工程では、前記ＰＮ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および第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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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ＰＮ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。
【請求項１３】
請求項１２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。
【請求項１４】
請求項１２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。
【請求項１５】
請求項１４において、前記第１の構造層は、低圧ＣＶＤにより成膜されている赤外線検出素子。
【請求項１６】
請求項１２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。
【請求項１７】
請求項１２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。
【請求項１８】
請求項１２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。
【請求項１９】
請求項１８において、前記ＰＮ接合部は、前記ＰＮ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。
【請求項２０】
請求項１２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。
【請求項２１】
請求項２０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。
【請求項２２】
請求項１４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。
【請求項２３】
請求項１２ないし２２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。
【請求項２４】
請求項１２に記載の赤外線検出素子と、この赤外線検出素子の前記ＰＮ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。
【請求項２５】
請求項２４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。
【請求項２６】
請求項２５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。
【発明の詳細な説明】
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
人間の体の表面からは体温に応じた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っている。一般に、赤外線検出素子として焦電型や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２６にサーモパイル型の赤外線検出素子１１０を搭載した赤外線センサ１００の概略を示してある。赤外線センサ１００は、サーモパイル１２を備えた赤外線検出素子１１０と、サーミスタ１２０とを有し、これら赤外線検出素子１１０とサーミスタ１２０とがパッケージ基材１３０の上に搭載され、さらに、ケース１４０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１００では、サーミスタ１２０は、赤外線検出素子１１０に形成されたサーモパイル１２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１１０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１０を中空化して薄膜のみが残っている薄膜部１１６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）１１７とを有している。すなわち、赤外線検出素子１１０は、ベース１１５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１１６の上方となる、シリコン基板２の中央部１０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１１を形成している。
この赤外線吸収体１１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１１の四方に設けられた複数の熱電対１４によって検出される。各熱電対１４の温接点１７は薄膜部１１６の赤外線吸収体１１の近傍に配置され、各熱電対１４の冷接点１８は肉厚部１１７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１４は直列に接続されて一つのサーモパイル１２を構成している。
このような赤外線センサ１００を用いた温度測定装置では、まず、サーモパイル１２の温接点１７と冷接点１８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１７と冷接点１８の間の温度差を算出する。そして、サーミスタ１２０の出力に基づいて冷接点１８の温度を算出し、上記の温度差を冷接点１８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１２の冷接点１８の温度を決定するために使用されるサーミスタ１２０は赤外線検出素子１１０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１１０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、３７℃〜３９℃の温度範囲では±０．１℃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１００では、サーミスタ１２０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１２０を赤外線センサ１００に接した状態で配置して、サーミスタ１２０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、ＰＮ接合部、たとえば、ダイオードを作り込んで、その順方向の電圧降下が温度に依存してほぼリニア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２７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１５０では、シリコン基板２の周辺部９にダイオードＤが作り込まれており、サーモパイル１２の冷接点１８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）１５１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＋のアノード領域ＤＰおよびＮ＋のカソード領域ＤＮ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にフィールド酸化膜１５１を形成した後、シリコン基板２の周辺部９の酸化膜１５１をパターニングしてシリコン基板２の表面に各領域ＤＰおよびＤＮ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ＤＰおよびＤＮからなるダイオードＤを形成した後には、熱電対１４を構成するポリシリコン製の導電体１６およびアルミニウム製の導電体１５、酸化膜１５２、表面保護膜１５３、赤外線吸収体１１などの形成も半導体の製造工程を利用して行なわれる。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１５０では、サーモパイル１２の冷接点１８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１８の温度を検出できる。また、サーミスタ１２０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１２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１５０では、フィールド酸化膜１５１は、シリコン基板をエッチングするエッチャント、たとえば、フッ化キセノン、水酸化カリウ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１０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１５１にストッパーとして十分な機能を持たせるためには約５０００〜７０００Å程度の膜厚に設定する必要がある。一方、このフィールド酸化膜１５１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２〜３×１０９ｄｙｎｅ／ｃｍ２（１ｄｙｎｅ／ｃｍ２＝０．１Ｐａ）と大きい。したがって、このようなフィールド酸化膜１５１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撓んだり、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１５１の撓みは、この膜の上方に形成されている熱電対１４のアルミニウム製の導電体１５やポリシリコン製の導電体１６の形状を変化させることになり、これによっ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１２で測定する温接点１７と冷接点１８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１５０は、ダイオード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１５１の変形によるサーモパイル１２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１５１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１２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１５１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、ＰＮ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イ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。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ＰＮ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の構造層を形成する工程と、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ＰＮ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、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ＰＮ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。
一方、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ＰＮ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よび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ＰＮ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、ＰＮ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、なおいっ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の構造層をパターニングしてＰＮ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）ＣＶＤ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、歪みや撓みは発生し難い。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、サー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よび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ＰＮ接合部を形成する工程では、複数のＰＮ接合部を形成することが望ましい。複数のＰＮ接合部を形成し、それらのＰＮ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ＰＮ接合部としてはダイオードがある。
ＰＮ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ＰＮ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ＰＮ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ＰＮ接合部を形成する場合は、ＰＮ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ＣＶＤ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ＣＶＤ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十分な厚さの膜を第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ャ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オ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、ダイオ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。
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１０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１０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１１が形成されている。
赤外線検出素子１は、赤外線吸収体１１の四方に配置された複数の熱電対１４を備えている。各熱電対１４の温接点１７は薄膜部４の赤外線吸収体１１の下方に配置され、各熱電対１４の冷接点１８は肉厚部３に配置されている。そして、これらの熱電対１４は直列に接続されて一つのサーモパイル１２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１２の冷接点１８の温度を検出するためのダイオードＤ１およびＤ２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２ａ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２ａ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１１が形成されており、その四方に複数の熱電対１４が配置されている。そして、これら複数の熱電対１４を直列に接続することによりサーモパイル１２が構成され、サーモパイル１２の出力電圧は端子Ｔ１およびＴ２から得られるようになっている。
図３は、サーモパイル１２の説明をするための図であり、熱電対１４の構成を拡大して示してある。熱電対１４は、アルミニウム（Ａｌ）製の導電体１５とポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）製の導電体１６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１６は赤外線吸収体１１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１６の一方の赤外線吸収体１１側の端部１６ａと、ポリシリコン製の導電体１６の他方の肉厚部３側の端部１６ｂとがアルミニウム製の導電体１５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１１の側に温接点１７を持ち、ヒートシンクとなる肉厚部３の側に冷接点１８を持つ熱電対１４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１２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つのダイオードＤ１およびＤ２が形成されている。これらのダイオードＤ１およびＤ２はシリコン基板２の周辺部９に沿って帯状に延び、中央のメンブレン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１４の冷接点１８も取り囲んでおり、複数の冷接点１８が位置する肉厚部３の平均的な温度がダイオードＤ１およびＤ２の出力に反映されるようになっている。ダイオードＤ１は、冷接点１８を取り囲むように形成された第１の導電体層ＤＰとこの第１の導電体層ＤＰの外周側でこの領域ＤＰに平行に形成された第２の導電体層ＤＮ１によって構成されている。一方、ダイオードＤ２は、第１の導電体層ＤＰと、この内周側で領域ＤＰと平行に形成された第２の導電体層ＤＮ２によって構成されている。
第１の導電体層ＤＰ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ア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ＤＮ１およびＤＮ２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ってドナー不純物がドープされたｎ＋の拡散層であり、ダイオードのカソードとして機能する。このアノードを共通とする２つのダイオードＤ１およびＤ２の出力は、肉厚部９に形成されたアノード端子ＤＡ、カソード端子ＤＫ１およびＤＫ２に接続されている。したがって、これらのダイオードＤ１およびＤ２に所定の電流を供給することにより、これらのダイオードＤ１およびＤ２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１２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ＩＦ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】
2002075262.tif 000003
ただし、数式１において、
ＩＦ：順方向電流［Ａ］
ＩＳ：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（１．３８０４×１０−２３［ＪＫ−１］）
ｑ：電荷（１．６０２×１０−１９［Ｃ］）
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】
2002075262.tif 000004
この数式２から分かるように、ダイオードＤ１あるいはＤ２の順方向電圧降下ＶＦに基づき、冷接点１８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１８の温度を求める場合は、順方向電流ＩＦおよび逆方向飽和電流ＩＳ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ＶＦの差分△ＶＦを求めると下記の数式３のようになる。
【数３】
2002075262.tif 000005
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ＩＳをほぼ同じと考えてよいので、逆方向飽和電流ＩＳ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】
2002075262.tif 000006
また、順方向電流ＩＦは、２つのダイオードＤ１およびＤ２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Ｄ１およびＤ２の順方向電圧ＶＦ１およびＶＦ２として、差分△ＶＦの温度係数を求めると、下記の数式５になる。
【数５】
2002075262.tif 000007
このように、ダイオードＤ１およびＤ２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Ｄ１およびＤ２が設置された肉厚部３の温度、すなわち、冷接点１８の温度を精度良く求めることができる。
したがって、アノード端子ＤＡとカソード端子ＤＫ１との間の電位差と、アノード端子ＤＡとカソード端子ＤＫ２との間の電位差との差分をとり、増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１２の出力から求められた温度差を補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１２、ダイオードＤ１およびＤ２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２ａ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２１と、窒化シリコン製の第１の構造層２２と、接合層となる酸化膜３１と、熱電対１４を構成するポリシリコン製の導電体１６と、２層の酸化シリコンの膜３２および３３と、２層の表面保護膜３８および３９が積層されており、その上に赤外線吸収体１１が成膜されている。そして、半導体基板２の中央部が下方２ｂからエッチングされ、中央部１０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２２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８〜１０×１０９ｄｙｎｅ／ｃｍ２（１ｄｙｎｅ／ｃｍ２＝０．１Ｐａ）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２２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２２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、水酸化カリウムなどのエッチャントに対するエッチングレートが酸化シリコンよりも小さい。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２２により中央部１０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２２がパターニングされてダイオードＤ１およびＤ２を構成する各領域ＤＮ１、ＤＮ２およびＤＰ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２ａにわたり窒化シリコン製の第１の構造層２２を形成することにより、上述したように、ダイオ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２７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、撓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っ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２２の下方の酸化シリコン製の第１の接合層２１は、窒化シリコン製の第１の構造層２２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２２の中央部１０の上方には、エッチングのストッパーとして機能させるための酸化膜３１を介してポリシリコン製の導電体１６が形成され、その上にアルミニウム製の導電体１５が形成され、熱電対１４が構成されている。一方、周辺部９では、第１の構造層２２により素子分離されたシリコン基板２の領域がダイオードＤ１およびＤ２を構成する導電性の領域ＤＮ１、ＤＮ２およびＤＰとなり、それらの上にはアルミニウム配線３６が形成されている。
そして、中央部１０および周辺部９をカバーするように、絶縁層としての酸化膜３２と、平坦化を目的とした酸化膜３３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３８と窒化シリコン製の表面保護膜３９が設けられている。そして、最上層の中央部１０に赤外線吸収体１１が形成され、サーモパイル１２の温接点１７の上方が赤外線吸収体１１によって覆われている。この赤外線吸収体１１は赤外線を吸収することにより温度上昇し、温接点１７と冷接点１８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１２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１２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２ａに、４００Å程度の薄い膜厚の酸化シリコン製（ＳｉＯ２）の第１の接合層２１を熱酸化により形成する。この第１の接合層２１は、この上に形成する第１の構造層２２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２１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、薄膜化したときに撓む傾向になるが、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２２がこの上に積層されるので第１の接合層２１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２１の上面に、低圧ＣＶＤ法で膜厚２５００Å程度の窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）製の第１の構造層２２を形成する。この第１の構造層２２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２７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５０００〜７０００Å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２２がストッパーとなるので、その下の第１の接合層２１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２２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２２と第１の接合層２１とをエッチングによりパターニングする。そして、第１の構造層２２を素子分離帯としてシリコン基板２の周辺部９のダイオードＤ１およびＤ２の形成予定領域にダイオードＤ１およびＤ２を形成する。このため、第１の導電体層ＤＰを形成する領域２５にボロン（Ｂ）イオンを３５ＫｅＶの高電圧で加速して注入し、４×１０１５イオン／ｃｍ２の不純物濃度のＰ＋の拡散層（第１の導電体層）ＤＰを形成する。また、第２の導電体層ＤＮ１およびＤＮ２を形成する領域２６に、リン（Ｐ）イオンを８０ＫｅＶの高電圧で加速して注入し、４×１０１５イオン／ｃｍ２の不純物濃度のＮ＋の拡散層（第２の導電体層）ＤＮ１およびＤＮ２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２５および２６に注入した不純物を活性化させるために、９００℃、２０ｍｉｎの条件のアニールを行なう。これにより、第１の構造層２２によって素子分離されたダイオードＤ１およびＤ２が形成される。
次に、図７に示すように、約１０００Åの膜厚の酸化膜（ＨＴＯ：Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｘｉｄｅ）３１を高温のＣＶＤ法により形成する。このようにして成膜した酸化膜３１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３１を成膜すると、この酸化膜３１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１６やアルミニウム製の導電体１５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３１の上に、熱電対１４の一方の導電体となるポリシリコン製の導電体１６を形成する。このため、シラン（ＳｉＨ４）ガスを用いてＣＶＤ法により、約４０００Åの膜厚のポリシリコン製の導電体１６を形成する。反応式はＳｉＨ４→Ｓｉ＋Ｈ２である。そして、このポリシリコンの導電体１６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１５ｏｈｍ／ｓｑにする。
そして、ポリシリコン製の導電体１６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１６をエッチングしてパターニングし、拡散層ＤＰ、ＤＮ１、ＤＮ２を露出させる。
次に、図９に示すように、再び、ＣＶＤ法により１０００Å程度の膜厚の酸化膜（ＨＴＯ）３２を成膜し、さらに酸化膜３２の上に、ＣＶＤ法により約８０００Åの膜厚の酸化膜（ＢＰＳＧ）３３を成膜する。この酸化膜３３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３３を形成した後に、９００℃、２０ｍｉｎの条件のアニールを行なうと、酸化膜３３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３３の下層にＨＴＯからなる酸化膜３２があるので、この膜３２によりボロンや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１０に示すように、シリコン基板２に形成した拡散層ＤＰ、ＤＮ１、ＤＮ２およびポリシリコン製の導電体１６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３５を行う。すなわち、酸化膜３３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３３、３２をエッチングして拡散層ＤＰ、ＤＮ１、ＤＮ２、および導電体１６の温接点１７と冷接点１８とに対応した部分を露出させる。
次に、パターニ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３３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エッチングによりパターニングすることにより、図１１に示すように、メタル配線３６と、アルミニウム製の導電体１５とを形成する。これによりポリシリコン製の導電体１６にアルミニウム製の導電体１５が接続されるので、温接点１７および冷接点１８が形成される。それと共に、複数の熱電対１４が直列に接続してサーモパイル１２が形成される。また、酸化膜３２の上には酸化膜（ＢＰＳＧ）３３を成膜し、平坦化してあるので、エッチングの際にアルミニウム製の導電体１５およびメタル配線３６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２ａに積層される構造がほぼ完成する。このため、図１２に示すように、ＴＥＯＳ（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、２０００Å程度の膜厚の表面保護膜（ＰＡＤＡ）３８を成膜する。この膜３８を成膜した後には、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）を塗布して４００℃、３０ｍｉｎの条件のベークをする。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１０００Åの膜厚の２層目の表面保護膜（ＰＡＤＢ）３９となるプラズマ窒化膜（ＳｉｘＮｙ）をプラズマエンハンスドＣＶＤ法により成膜する。２つの表面保護膜３８および３９の膜厚の組み合わせは上記に限られず、表面保護膜３８を２０００、２００００または６０００Åにし、各々の厚みに対応して表面保護膜３９の厚みを１００００、５０００または１００００Åとすることが可能である。また、３００００Åの表面保護膜３８を成膜して、表面保護膜３９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１５やポリシリコン製の導電体１６などのシリコン基板２の上面２ａ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３９が薄すぎると、凹凸があるところで表面保護膜３９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３８をエッチングしサーモパイル１２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３８および３９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３９の上に、ゴールドブラックを成膜することにより１〜１０μｍ程度の膜厚の赤外線吸収体１１を形成する。そして、最後に、シリコン基板２の下方２ｂを、その中央部１０を残してマスキングし、エッチング液としてＫＯＨまたはＮａＯＨ等を用いてシリコン基板２の中央部１０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１０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。このエッチングの際に第１の構造層２２がストッパーとして機能し、過剰なエッ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１０をほぼ完全に除去することが可能であり、中央部１０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２２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２２を低圧ＣＶＤ法により形成しているので、この構造層２２が強い引張方向の内部応力を有する膜となる。したがって、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１２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２２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２２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１７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２２を薄くすることにより、温接点１７から冷接点１８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１２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１３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１ａでは、第１の構造層２２と酸化膜３１の間に第２の構造層４１および第３の構造層４２が形成されている。すなわち、１０００Åの膜厚の第１の構造層２２の上に５５００Åの膜厚の酸化シリコン製の第２の構造層４１が成膜されている。そして、この第２の構造層４１の上に第１の構造層２２と同様の製法により、２０００Åの膜厚の窒化シリコン製の第３の構造層４２が成膜されている。そして、この上に酸化膜３１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１ａは薄膜部４の撓みを無くすために十分な厚さの膜を第１の構造層２２と第３の構造層４２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２２および第３の構造層４２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１２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１ａでは、窒化シリコン製の構造層２２を素子分離帯としても使用し、冷接点１８の温度を検出するダイオードＤ１およびＤ２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Ｄ１およびＤ２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Ｄ１およびＤ２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１ａは、薄膜部４の変形に伴うサーモパイル１２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２２によりダイオ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１ａでは、ダイオードＤ１およびＤ２を複数の熱電対１４の冷接点１８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っている。また、周囲に沿って延びたダイオードＤ１およびＤ２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１ａ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１４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５０は、手のひらで握り易い細長い形状のハウジング５１を有し、その前面５２に、耳孔に挿入可能な筒状のプローブ５８と、体温計で測定された体温などが表示されるＬＣＤ５５と、電源投入用のスイッチ５６および電池ボックス５７が設けられている。そして、ハウジング５１の内部には、このプローブ５８の先端５８ａに赤外線吸収体１１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５８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１１に受光され、サーモパイル１２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５０のハウジング５１の裏面５３に設けられた測定開始用のスイッチ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１２の出力を、ダイオードＤ１およびＤ２の出力により求められた温度で冷接点１８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１５に耳式体温計５０の概略の回路構成をブロック図で示してある。本例の耳式体温体温計５０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６１と、測定開始用のスイッチ５４と、ＬＣＤ５５と、電源投入用のスイッチ５６と、電池５７とを有する。温度導出部６１は、ダイオードＤ１およびＤ２の順方向電圧降下の差分をサーモパイル１２の冷接点１８の温度Ｔｒを示す信号としてＣＰＵ６３に供給する第１のデータ出力部７１と、サーモパイル１２の出力電圧を冷接点１８と温接点１７との間の温度差△Ｔを示す信号としでＣＰＵ６３に出力する第２のデータ出力部７２と、各データ出力部７１および７２から得られた温度Ｔｒおよび温度差△Ｔから体温を導出すると共に体温計全体の制御を行なうＣＰＵ６３と、ＣＰＵ６３の各種の作業領域となるＲＡＭ６４を有している。そして、サーモパイル１２の出力から求められた温接点１７と冷接点１８の温度差△Ｔに対してダイオードＤ１、Ｄ２の出力から求められた冷接点１８の温度Ｔｒ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５１の前面５２に設けられたＬＣＤ５５に表示される。
このような耳式体温計５０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１２の出力およびダイオードＤ１、Ｄ２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５０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１ａは、耳式体温計に限らず、その他のタイプの体温計、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オ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ＰＮ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、ＰＮ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「エレクトロニクス技術全書［３］ＭＯＳデバイス」ｐ３００〜３０５、株式会社工業調査会発行（１９７３年８月２０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、本発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Ｄ１、Ｄ２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１６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１６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１６において、赤外線検出素子１ｂは、シリコン基板２ｃ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１ｂは、Ｎ型シリコン基板２ｃの上に、下から順番に、酸化シリコン製の第１の接合層２１と、窒化シリコン製の第１の構造層２２と、接合層となる酸化膜３１と、熱電対１４を構成するポリシリコン製の導電体１６と、２層の酸化シリコンの膜３２および３３と、２層の表面保護膜３８および３９が積層されており、その上に赤外線吸収体１１が成膜されている。窒化シリコン製の第１の構造層２２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２２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２ｃは、中央部１０が下方２ｂ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２ｃ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１ｂは、Ｎ型シリコン基板２ｃ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（アクセプタ不純物）を拡散させたＰ＋の導電体層ＤＰ１ａ、ＤＰ２ａが形成してある。また、これらの導電体層ＤＰ１ａと導電体層ＤＰ２ａ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ＤＮａが設けてある。
これらの導電体層ＤＰ１ａ、ＤＰ２ａ、ＤＮａは、２つのダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａを構成している。すなわち、導電体層ＤＰ１ａはダイオードＤ１ａのアノードを形成し、ＤＮａはダイオードＤ１ａのカソードを形成している。また、ＤＮａはダイオードＤ２ａカソードとなっており、ＤＰ２ａはダイオードＤ２ａアノードとなっている。そして、これらのカソードを共通にしたダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａは、前記実施形態と同様に、熱電対１４の冷接点１８を取り囲むように設けてある。
本例のＮ型シリコン基板２ｃに形成した赤外線検出素子１ｂは、図１７に示したように、ダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａのアノードとなる導電体層ＤＰ１ａ、ＤＰ２ａがアノード端子ＤＡ１、ＤＡ２に接続され、カソードとなる導電体層ＤＮａがカソード端子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１ｃ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１８ないし図２５は、本例の赤外線検出素子１ｂ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１ｂを製造する場合、図１８に示すように、Ｎ型シリコン基板２ｃの上面２ａに、４００Å程度の膜厚を有する酸化シリコン製（ＳｉＯ２）の第１の接合層２１を熱酸化により形成する。この第１の接合層２１は、この上に形成する第１の構造層２２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くしてある。
次に、この第１の接合層２１の上面に、低圧ＣＶＤ法で膜厚約２５００Åの窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）製の第１の構造層２２を形成する。この第１の構造層２２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２ｃ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２２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１９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２２と第１の接合層２１とをエッチングしてパターニングする。そして、第１の構造層２２を素子分離帯としてＮ型シリコン基板２ｃの周辺部９のダイオードＤ１ａおよびＤ２ａの形成予定領域にダイオードＤ１ａおよびＤ２ａを形成する。このため、第１の導電体層ＤＮａを形成する領域２５ａにリンイオンを８０ＫｅＶの高電圧で加速して注入し、４×１０１５イオン／ｃｍ２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ＤＰ１ａおよびＤＰ２ａを形成する領域２６ａに、ボロンイオンを３５ＫｅＶの高電圧で加速して注入し、４×１０１５イオン／ｃｍ２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２５ａおよび２６ａに注入した不純物を活性化させるために、９００℃、２０ｍｉｎの条件のアニールを行なう。これにより、第１の構造層２２によって素子分離されたダイオードＤ１ａおよびＤ２ａが形成される。
次に、図２０示すように、約１０００Åの膜厚の酸化膜（ＨＴＯ：Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｘｉｄｅ）３１を高温のＣＶＤ法により形成する。この後、酸化膜３１の上に、熱電対１４の一方の導電体となるポリシリコン製の導電体１６を、シラン（ＳｉＨ４）ガスを用いたＣＶＤ法により、厚さ４０００Å程度形成する。そして、導電体１６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２１に示すように、ポリシリコン製の導電体１６をパターニングし、導電体層ＤＮａ、ＤＰ１ａ、ＤＰ２ａを露出させる。
次に、図２２に示すように、再び、ＣＶＤ法により１０００Å程度の膜厚の酸化膜（ＨＴＯ）３２を成膜し、さらにその上に、ＣＶＤ法により８０００Åの膜厚の酸化膜（ＢＰＳＧ）３３を成膜する。そして、酸化膜３３を形成した後に、９００℃、２０ｍｉｎの条件のアニールを行ない、酸化膜３３を平坦化する。
このように、積層された酸化膜３３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３３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２３に示すように、Ｎ型シリコン基板２ｃに形成した拡散層（導電体層）ＤＮａ、ＤＰ１ａ、ＤＰ２ａおよびポリシリコン製の導電体１６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３５を行なって拡散層を露出させるとともに、導電体１６の温接点１７と冷接点１８とに対応した部分を露出させる。
次に、酸化膜３３の上からアルミニウムをスパッタにより蒸着し、パターニ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３３の上にアルミニウム膜（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ニングし、図２４に示したように、メタル配線３６、導電体１５を形成する。これによりポリシリコン製の導電体１６にアルミニウム製の導電体１５が接続されるので、温接点１７および冷接点１８が形成される。それと共に、複数の熱電対１４が直列に接続されてサーモパイル１２が形成される。このようにして、半導体基板２の上面２ａに積層される構造がほぼ完成する。
その後、図２５に示したように、ＴＥＯＳ（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３３とアルミニウム製の導電体１５とメタル配線３６とを覆って２０００Å程度の膜厚の表面保護膜（ＰＡＤＡ）３８を成膜する。この膜３８を成膜した後には、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）を塗布して４００℃、３０ｍｉｎの条件のベークをする。これにより、表面保護膜３８が平坦化される。さらに、１層目の表面保護膜３８の上に、約１０００Åの膜厚の２層目の表面保護膜（ＰＡＤＢ）３９となるプラズマ窒化膜（ＳｉｘＮｙ）をプラズマエンハンスドＣＶＤ法により成膜する。
さらに、表面保護膜３９の上に、ゴールドブラックを成膜することにより１〜１０μｍ程度の膜厚の赤外線吸収体１１を形成する。そして、最後に、Ｎ型シリコン基板２ｃの下方２ｂを、その中央部１０を残してマスキングし、エッチング液としてＫＯＨまたはＮａＯＨ等を用いてＮ型シリコン基板２ｃの中央部１０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２ｃの中央部１０が除去されて、図１６に示した赤外線検出素子１ｃが形成される。
このようにしてＮ型シリコン基板２ｃを用いて形成した赤外線検出素子１ｂは、第１の接合層２１の下部にＮ反転層が形成されないため、ダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａの良好な順方向特性が得られ、ダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａ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オ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１ｂ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１ｃを用いた場合においても、第１の構造層２２と酸化膜３１との間に、図１３に示されている酸化シリコン製の第２の構造層４１と、窒化シリコン製の第３の構造層４２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ＣＶＤ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ＰＮ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ＰＮ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。
【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１０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１１は、図１０に続き、サーモパイルを形成する工程を示す図である。
図１２は、図１１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１３は、赤外線検出素子の異なる例を示す断面図である。
図１４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１５は、図１４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１６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１７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１８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１９は、図１８に続き、ダイオードを作りこむ工程を示す図である。
図２０は、図１９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２１は、図２０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２２は、図２１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２３は、図２２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２４は、図２３に続き、サーモパイルを形成する工程を示す図である。
図２５は、図２４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２６は、従来の赤外線検出素子を示す図である。
図２７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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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