專利名稱：紅外檢測元件、制造這種元件的方法及溫度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電堆紅外檢測元件及制造這種元件的方法。
背景技術(shù)：
紅外輻射從人體表面以與身體溫度有關(guān)的量而被發(fā)射，耳朵與腋窩一樣有正常的溫度。因而，已知用于通過檢測耳洞中發(fā)射的紅外輻射而測量體溫的臨床用耳體溫計(溫度測量裝置)。在臨床用耳體溫計中，基于把接收的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號的紅外檢測元件的輸出來確定體溫。雖然通常有各種類型的元件，諸如熱電型，熱電堆型等可以作為紅外檢測元件，但是熱電堆型紅外檢測元件可用作為臨床體溫計的熱敏元件，其優(yōu)點是允許使用半導(dǎo)體制造工藝大量生產(chǎn)并小型化。以下除非有其它說明，熱電堆型紅外檢測元件被簡稱為“紅外檢測元件”。
圖26簡略示出裝有熱電堆紅外檢測元件110的紅外傳感器100。紅外傳感器100包括裝有熱電堆12的紅外檢測元件110，及熱敏電阻120，紅外檢測元件110和熱敏電阻120安裝在組裝基片130上，并包含在殼體140中以形成一整體單元。在紅外傳感器100中，熱敏電阻120用來確定在紅外檢測元件110上形成的熱電堆12的基準(zhǔn)溫度，即用它來確定冷接點的溫度。
紅外檢測元件110包括薄膜部分116以及在硅基片2蝕刻之后保持未蝕刻的厚壁部分117，其中薄膜部分包含通過蝕刻硅基片2挖空在下部分或背面的中心部分10形成的膜。即，紅外檢測元件110的結(jié)構(gòu)是，其基礎(chǔ)115的下側(cè)中心部分做成中空的以在頂部形成薄膜(膜)。而且，通過濺射沉積方法等在硅基片2的中心部分10上，即在薄膜部分116上沉積金黑(goldblack)，以形成吸收紅外輻射的紅外吸收體11。
這一紅外吸收體11吸收紅外輻射而引起溫度變化，使得由裝設(shè)在紅外吸收體11四邊上的多個熱電偶14檢測到該溫度的變化。每一熱電偶14的熱接點17配置在薄膜部分116的紅外吸收體11附近，且每一熱電偶14的冷接點18配置在硅基片2的周邊部分9中的厚壁部分117之上。熱電偶14被串聯(lián)而形成熱電堆12。
在使用紅外傳感器100的溫度測量裝置中，首先檢測到對應(yīng)于熱電堆12的熱接點17和冷接點18之間產(chǎn)生的溫度變化的電動力，并基于輸出的電壓計算出熱接點17和冷接點18之間的溫差。然后，基于熱敏電阻120的輸出計算出冷接點18的溫度，并通過冷接點18的溫度校正該溫差以確定體溫。然而，用來確定熱電堆12的冷接點18的溫度的熱敏電阻120配置在距紅外檢測元件110一定距離的側(cè)部，這樣紅外檢測元件110的周圍溫度被簡單地檢測。因而，不能說檢測到了精確的冷接點的溫度。這樣，在如上所述確定的體溫中可能出現(xiàn)很大的誤差。特別地，臨床溫度計在37℃到39℃的溫度范圍內(nèi)要求的精度為±0.1℃，并要求以高精度進(jìn)行溫度測量，因而需要盡可能降低這種誤差。
還要求紅外傳感器100具有排布熱敏電阻120的空間，這樣就存在不能使元件本身小型化的問題。因而，即使把熱敏電阻120排布在與紅外傳感器100接觸的地方以改進(jìn)由熱敏電阻120檢測的冷接點溫度的精度，紅外檢測元件仍然不能很有效地以緊湊的形式排布。
于是，申請人提出一種包含PN結(jié)的紅外檢測元件，例如結(jié)合到硅基片2中的二極管，其中使用二極管的正向電壓降大約依賴于溫度線性變化這樣的事實，檢測冷接點溫度。
這種紅外檢測元件能夠精確地檢測冷接點的溫度，并能夠以很緊湊的形式配置。
圖27是表示該紅外檢測元件的一部分的剖視圖。圖27所示的紅外檢測元件150包括在硅基片2的周邊部分9中形成的二極管D，使得熱電堆12的冷接點18的溫度由二極管D檢測到。二極管D包括P+陽極區(qū)DP和N+陰極區(qū)DN，它們是通過向在硅基片2的表面形成場效氧化膜(LOCOS)151而被隔離的一區(qū)域進(jìn)行離子注入而形成的。就是說，二極管D能夠通過半導(dǎo)體工藝形成，包括在硅基片2上形成場效氧化膜151，然后在硅基片2的周邊部分9中對氧化膜151構(gòu)圖，以便在硅基片2的表面上形成區(qū)域DP和DN。在熱電堆型紅外檢測元件中，在形成包括區(qū)域DP和DN的二極管D之后，還使用半導(dǎo)體制造工藝形成構(gòu)成熱電偶14的多晶硅電導(dǎo)體16和鋁電導(dǎo)體15、氧化膜152、表面保護(hù)膜153及紅外吸收本11。因而，能夠通過一系列半導(dǎo)體制造技術(shù)的步驟簡單地形成裝有二極管的熱電堆型紅外檢測元件，于是降低了制造成本。
在紅外檢測元件150中，二極管D能夠配置在熱電堆12的冷接點18附近，允許精確地檢測冷接點18的溫度。而且，排布熱電堆120的空間能夠被減小，以實現(xiàn)紅外檢測元件排布在包含測量基準(zhǔn)溫度的功能的緊湊的單元中。
另一方面，對于熱電堆12的測量精度總是存在改進(jìn)的要求。
在紅外檢測元件150中，場效氧化膜151對用于蝕刻硅基片的蝕刻劑，例如氟化氙，氫氧化鉀等具有很低的蝕刻率，因而在從其下側(cè)或背面蝕刻硅基片2的中心部分10時可起到阻擋物的作用。然而，即使當(dāng)場效氧化膜151具有低的蝕刻率，但它還是要被蝕刻，因而場效氧化膜151的厚度必須設(shè)置為大約5000到7000，以便賦予場效氧化膜151作為阻擋物足夠的功能。另一方面，場效氧化膜151包含具有壓縮方向的內(nèi)部應(yīng)力的膜，因而具有因膨脹所至而凸起彎曲的性質(zhì)。該內(nèi)部應(yīng)力大到2到3×109dyne/cm2(1dyne/cm2＝0.1Pa)。因而，當(dāng)溫度上升時，包含上述這種厚膜的場效氧化膜151可能因壓縮方向內(nèi)部應(yīng)力而變得彎曲，或者由于變形而破裂。
此外，場效氧化膜151的彎曲引起在場效氧化膜151上形成的每個熱電偶14的鋁電導(dǎo)體15和多晶硅電導(dǎo)體16的形狀改變，因而這些電導(dǎo)體的電阻與原來的電阻相比增加了，以至引起出現(xiàn)無用的壓降。這影響了由熱電堆12測量的熱接點17和冷接點18之間溫差測量的精度。因而，因為冷接點溫度能夠被二極管D精確地檢測，紅外檢測元件150具有高的精度。然而在以較高的精度測量溫度中，熱電堆12的測量誤差由于場效氧化膜151的變形而不能被忽略。而且，場效氧化膜151彎曲程度隨各種因素諸如制造工藝、大氣壓、環(huán)境溫度等的變化而變化，因而通過使用適當(dāng)?shù)囊蛩匦Ｕ蔁犭姸?2檢測的溫度也很難去除場效氧化膜151變形的影響。
于是，本發(fā)明的目的是要提供一種紅外檢測元件及制造這種元件的方法，這種元件使用PN結(jié)能夠精確檢測冷接點溫度，并能夠去除由于膜變形等所引起的熱電堆的測量誤差，允許高精度的溫度檢測。本發(fā)明的另一目的是要提供一種溫度測量裝置，它能夠使用該紅外檢測元件精確地測量溫度。而不會受到測量環(huán)境變化的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明中，由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層是形成在半導(dǎo)體基片上而不是形成在場效氧化膜上，并用作為元件隔離物用于形成用來檢測冷接點溫度的PN結(jié)，以及用作為在進(jìn)行形成膜部分的蝕刻時的阻擋物。就是說，本發(fā)明的制造紅外檢測元件的方法包括在半導(dǎo)體基片上形成由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層的步驟，在半導(dǎo)體基片的周邊部分中對第一結(jié)構(gòu)層構(gòu)圖以便在半導(dǎo)體基片的表面上形成PN結(jié)的步驟，在第一結(jié)構(gòu)層上形成多個熱電偶使得冷接點位于周邊部分，及熱接點位于半導(dǎo)體基片的中心部分，并然后串聯(lián)這些熱電偶以形成熱電堆的步驟，以及從下面蝕刻出半導(dǎo)體基片中心部分的步驟。本發(fā)明的紅外檢測元件包括一半導(dǎo)體基片，它具有從下面被蝕刻出的中心部分，由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層，它在半導(dǎo)體基片上形成并具有包括膜結(jié)構(gòu)的中心部分，一個PN結(jié)，它在半導(dǎo)體基片表面上通過對半導(dǎo)體基片周邊部分第一結(jié)構(gòu)層構(gòu)圖形成，以及一個熱電堆，它包括在第一結(jié)構(gòu)層上形成并被串聯(lián)的多個熱電偶，使得冷接點位于半導(dǎo)體基片的周邊部分，熱接點位于半導(dǎo)體基片的中心部分。
本發(fā)明的制造方法包括在半導(dǎo)體基片上而不是在場氧化膜上形成氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層。當(dāng)?shù)谝唤Y(jié)構(gòu)層在從下面蝕刻半導(dǎo)體基片中心部分中起到阻擋物作用時，因為氮化硅具有比氧化膜(氧化硅)低的蝕刻率，第一結(jié)構(gòu)層能夠變薄，因而在蝕刻之后留下的膜結(jié)構(gòu)能夠被制成比氧化硅制成的膜要薄。因而，在通過本發(fā)明的制造方法制造的紅外檢測元件中，及具有本發(fā)明結(jié)構(gòu)的紅外檢測元件中，膜部分部分能夠進(jìn)一步變薄以降低熱逸出。因而熱電堆的測量誤差能夠進(jìn)一步降低，且能夠獲得高精度溫度。此外，通過使膜部分進(jìn)一步變薄，能夠降低膜部分的熱容量，且熱接點的溫度快速增加而允許增加響應(yīng)速度。
另一方面，通過形成氮化硅膜，硅基片表面能夠象氧化硅那樣被絕緣。因而，通過對由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層構(gòu)圖能夠?qū)崿F(xiàn)用于在半導(dǎo)體基片周邊部分中形成PN結(jié)的元件隔離。這樣，使用本發(fā)明的制造方法和本發(fā)明結(jié)構(gòu)，通過在硅基片上形成由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層，半導(dǎo)體基片的表面能夠被隔離，從而既形成用于以高精度測量基準(zhǔn)溫度的PN結(jié)，又改進(jìn)了由熱電堆進(jìn)行的溫度測量的精度。因而，能夠進(jìn)一步改進(jìn)通過形成PN結(jié)已改進(jìn)了測量精度的紅外檢測元件的測量精度。使用該紅外檢測元件，能夠提供一種可精確測量溫度而不會受到測量環(huán)境溫度的影響的溫度測量裝置。
在本發(fā)明的制造方法中，形成由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層的步驟，及對第一結(jié)構(gòu)層構(gòu)圖以形成PN結(jié)的步驟包含在半導(dǎo)體制造工藝中，因而使本發(fā)明的紅外檢測元件可以低成本大量生產(chǎn)。于是，使用本發(fā)明的紅外檢測元件，可以提供能夠以低成本高精度測量溫度的緊湊的溫度測量裝置。
本發(fā)明的制造方法最好在從下面蝕刻出半導(dǎo)體基片中心部分的步驟之前，還包括在半導(dǎo)體基片的中心部分上形成紅外吸收體的步驟，以便覆蓋熱接點以上或附近的熱電堆的至少一部分。在通過該制造方法制造的紅外檢測元件中，紅外吸收體吸收紅外輻射以增加溫度，從而增加熱接點與冷接點之間的溫差，并增加熱電堆的輸出電壓。因而，能夠增加溫度測量的靈敏度。
在形成第一結(jié)構(gòu)層的步驟中，由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層最好通過低壓(降低的壓力)CVD工藝(低壓化學(xué)汽相淀積)形成。按這種方法形成的氮化硅的第一結(jié)構(gòu)層包括具有拉伸方向的內(nèi)部應(yīng)力的膜。因而第一結(jié)構(gòu)層傾向于收縮，這樣產(chǎn)生較少的變形和撓曲。這樣就能夠進(jìn)一步防止膜結(jié)構(gòu)的變形，并減少由熱電堆進(jìn)行的測量的誤差因素。因而，可以提供能夠以較高精度測量溫度的紅外檢測元件和溫度測量裝置。
在形成用于獲得基準(zhǔn)溫度的PN結(jié)的步驟中，最好形成多個PN結(jié)。形成多個PN結(jié)，確定PN結(jié)之間的正向電壓降之間的差異以消除電壓降上的反向飽和電流的影響。這樣，能夠進(jìn)一步提高基準(zhǔn)溫度的測量精度，以提供能夠獲得更高精度的溫度的紅外檢測元件和溫度測量裝置。能夠使用二極管作為PN結(jié)。
在半導(dǎo)體基片的周邊部分形成的PN結(jié)能夠精確地獲得接近冷接點的基準(zhǔn)溫度。當(dāng)構(gòu)成熱電堆的多個冷接點排布在半導(dǎo)體基片中心部分上形成的紅外吸收體四邊時，PN結(jié)最好沿半導(dǎo)體基片周邊部分延伸，因為通過PN結(jié)能夠獲得冷接點的平均溫度，以便更精確地獲得冷接點的溫度。在形成沿周邊部分延伸的長PN結(jié)時，最好在PN結(jié)的第一電導(dǎo)體層和第二電導(dǎo)體層的上表面上分別形成電極，以便沿第一和第二電導(dǎo)體層延伸。這些電極能夠降低具有相同極性的電導(dǎo)體層之間的電位差，以獲得更高精度的基準(zhǔn)溫度。
當(dāng)在硅制成的半導(dǎo)體基片表面上直接形成氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層時，有可能不能保證第一結(jié)構(gòu)層與半導(dǎo)體基片之間有足夠的粘合性。因而在半導(dǎo)體基片上形成第一結(jié)構(gòu)層之前，最好在半導(dǎo)體基片上形成由氧化硅制成的第一結(jié)合層以改進(jìn)半導(dǎo)體基片和第一結(jié)構(gòu)層之間的粘合性。由于第一結(jié)合層是為結(jié)合而形成，故第一結(jié)合層不需要有阻擋物功能，這樣能夠比第一結(jié)構(gòu)層做得更薄。因而，即使結(jié)合層有壓縮方向的內(nèi)部應(yīng)力，內(nèi)部應(yīng)力也能夠盡可能小。通過低壓CVD形成的由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層一般有很強(qiáng)拉伸方向的內(nèi)部應(yīng)力，這樣能夠消除引起撓曲。
由于通過低壓CVD形成的由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層一般有很強(qiáng)拉伸方向的內(nèi)部應(yīng)力，故當(dāng)沉積有足夠的厚度膜以便去除薄膜部分的彎曲時第一結(jié)構(gòu)層可能被分開。因而，本發(fā)明的制造方法可進(jìn)一步包括在第一結(jié)構(gòu)層上形成由氧化硅制成的第二結(jié)構(gòu)層的步驟，以及在第二結(jié)構(gòu)層上形成由氮化硅制成的第三結(jié)構(gòu)層的步驟。在包含由氧化硅制成第二結(jié)構(gòu)層和由氮化硅制成的第三結(jié)構(gòu)層的紅外檢測元件中，這兩者都是在第一結(jié)構(gòu)層上形成的，具有用于消除薄膜部分彎曲的足夠厚度的膜能夠被劃分為第一結(jié)構(gòu)層和第三結(jié)構(gòu)層。因而，即使當(dāng)膜厚度設(shè)置為可以防止第一和第三結(jié)構(gòu)層分開時，也能夠易于在整個薄膜部分中獲得拉伸方向的應(yīng)力。
雖然在形成由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層之后，蝕刻半導(dǎo)體基片中心部分而形成薄膜結(jié)構(gòu)，但在蝕刻步驟之前最好在半導(dǎo)體基片上形成表面防護(hù)膜，以避免蝕刻劑對構(gòu)成電熱堆的金屬層的影響。
作為半導(dǎo)體基片，可使用P-電導(dǎo)型硅基片，但是最好是N-電導(dǎo)型。當(dāng)在P-電導(dǎo)型硅基片上形成二極管時，在硅基片表面提供的絕緣層之下形成N反向?qū)?，且反向電流流過N逆變層而使二極管的正向特性畸變。另一方面，使用N-型硅基片，不形成N反向?qū)佣@得了二極管較好的正向特性，因而允許精確的溫度測量。
這樣，通過使用本發(fā)明紅外檢測元件，能夠提供以高精度測量溫度的溫度測量裝置。因而，使用本發(fā)明的紅外檢測元件的溫度測量裝置適合于以高精度進(jìn)行體溫測量所需的溫度計。例如，在臨床耳溫度計中，可提供具有可插入到耳洞中的遠(yuǎn)端圓柱部分，且紅外檢測元件這樣排布，使得中心部分的上部分面向圓柱部分的遠(yuǎn)端，這提供了總能夠精確測量體溫的臨床溫度計。使用包括層疊在中心部分的紅外吸收體的紅外檢測元件，能夠提供具有高靈敏度溫度測量的臨床溫度計。
附圖的簡要說明

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的紅外檢測元件的簡化結(jié)構(gòu)的圖示。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外檢測元件表側(cè)結(jié)構(gòu)的圖示。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外檢測元件的熱電堆的圖示。
圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外檢測元件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖5是表示在根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于制造紅外檢測元件的過程中在硅基片上形成第一結(jié)構(gòu)層的步驟的圖示。
圖6是表示在圖5所示的步驟之后形成二極管的步驟的圖示。
圖7是表示在圖6所示的步驟之后在第一結(jié)構(gòu)層上形成氧化膜和由多晶硅制成的電導(dǎo)體的步驟的圖示。
圖8是表示在圖7所示的步驟之后對由多晶硅制成的電導(dǎo)體構(gòu)圖的步驟的圖示。
圖9是表示在圖8所示的步驟之后在由多晶硅制成的電導(dǎo)體上形成兩個氧化膜的步驟的圖示。
圖10是表示在圖9所示的步驟之后對在由多晶硅制成的電導(dǎo)體上所形成的兩個氧化膜構(gòu)圖的步驟的圖示。
圖11是表示在圖10所示的步驟之后形成熱電堆的步驟的圖示。
圖12是表示在圖11所示的步驟之后形成兩個表面防護(hù)膜和一個紅外吸收體的步驟的圖示。
圖13是一剖視圖，表示紅外檢測元件的另一例子。
圖14是表示使用根據(jù)本發(fā)明的一實施例的紅外檢測元件的臨床耳溫度計的外形的圖示。
圖15是表示圖14中所示臨床耳溫度計的簡化結(jié)構(gòu)的框圖。
圖16是一局部剖視圖，表示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的紅外檢測元件。
圖17是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外檢測元件表側(cè)結(jié)構(gòu)的圖示。
圖18表示在根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于制造紅外檢測元件的過程中在硅基片上形成第一結(jié)構(gòu)層的步驟的圖示。
圖19是表示在圖18所示的步驟之后形成二極管的步驟的圖示。
圖20是表示在圖19所示的步驟之后在第一結(jié)構(gòu)層上形成氧化膜和由多晶硅制成的電導(dǎo)體的步驟的圖示。
圖21是表示在圖20所示的步驟之后對由多晶硅制成的電導(dǎo)體構(gòu)圖的步驟的圖示。
圖22是表示在圖21所示的步驟之后在由多晶硅制成的電導(dǎo)體上形成兩個氧化膜的步驟的圖示。
圖23是表示在圖22所示的步驟之后對在由多晶硅制成的電導(dǎo)體上所形成的兩個氧化膜構(gòu)圖的步驟的圖示。
圖24是表示在圖23所示的步驟之后形成熱電堆的步驟的圖示。
圖25是表示在圖24所示的步驟之后形成兩個表面防護(hù)膜和一個紅外吸收體的步驟的圖示。
圖26是表示傳統(tǒng)的紅外檢測元件的圖示。
圖27是表示由本發(fā)明的申請人按慣例提出紅外檢測元件結(jié)構(gòu)的剖視圖。
實施本發(fā)明的最佳方式以下將參照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1示出一紅外檢測元件的簡化結(jié)構(gòu)。
實施例的紅外檢測元件1包括硅基片2，其結(jié)構(gòu)是其中心部分10通過蝕刻從下面去除，在中心部分10留下薄膜作為膜部分4，并且在硅基片2蝕刻之后未蝕刻的部分作為厚壁部分3。而且，通過濺射汽相淀積在薄膜部分4上表面基本按一方形沉積金黑，以形成一紅外吸收體11。
紅外檢測元件1包括排布在紅外吸收體11四邊的多個熱電偶14。每一熱電偶14的熱接點17排布在薄膜部分4的紅外吸收體11之下，且每一熱電偶14的冷接點18排布在厚壁部分3中。熱電偶14被串聯(lián)以形成一熱電堆12。這一實施例的紅外檢測元件1中，在硅基片2的周邊部分9即在厚壁部分3中形成二極管D1和D2，用于檢測熱電堆12的冷接點18的溫度。
圖2是表示紅外檢測元件1的表側(cè)結(jié)構(gòu)的圖示。雖然這一圖示是表示在硅基片2的上表面2a上形成的結(jié)構(gòu)的平面圖，該結(jié)構(gòu)實際上包括幾個不同的層次。如上所述，紅外吸收體11在位于硅基片2上表面2a的中心處的薄膜部分4的中心處基本形成一方形，多個熱電偶14排布在紅外吸收體11的四邊。多個熱電偶14被串聯(lián)而形成熱電堆12，使得能夠從端子T1和T2獲得熱電堆12的輸出電壓。
圖3是表示熱電堆12的圖示，以及表示熱電偶14結(jié)構(gòu)的放大視圖。每一熱電偶14包括兩類電導(dǎo)體，包括鋁(AL)電導(dǎo)體15和多晶硅(Poly-Si)電導(dǎo)體16。多晶硅電導(dǎo)體16是線性地形成的以便稍微重疊于紅外吸收體11并延伸到四邊。而且，相鄰的多晶硅電導(dǎo)體16之一的紅外吸收體11的側(cè)端16a，通過鋁電導(dǎo)體15電連接到另一多晶硅電導(dǎo)體16的厚壁部分3側(cè)端16b。這能夠形成熱電偶14，每一具有在紅外吸收體11側(cè)的熱接點17和在厚壁部分3側(cè)作為熱沉的冷接點18，且熱電偶14被串聯(lián)而形成一個熱電堆12。
再參見圖2，在作為硅基片2的厚壁部分3的周邊部分9中形成兩個二極管D1和D2。二極管D1和D2形成為條帶，沿硅基片2的周邊部分9延伸以圍繞位于基片2的中心的薄膜部分4的四邊。二極管還圍繞熱電偶14的冷接點18形成，使得多個冷接點18所位于的厚壁部分3的平均溫度反應(yīng)在二極管D1和D2的輸出中。二極管1包括圍繞冷接點18形成的第一電導(dǎo)體層DP，及與第一電導(dǎo)體層DP的外周邊之外的區(qū)域DP平行形成的第二電導(dǎo)體層DN1。另一方面，二極管D2包括第一電導(dǎo)體層DP及與第一電導(dǎo)體層DP的內(nèi)周邊之內(nèi)的區(qū)域DP平行形成的第二電導(dǎo)體層DN2。
第一電導(dǎo)體層DP是P+擴(kuò)散層，這是通過向硅基片2的硼(B)離子注入以受主雜質(zhì)摻雜的，其功能是作為二極管的陽極。同時第二電導(dǎo)體層DN1和DN2是n+擴(kuò)散層，這是通過向硅基片2的磷(P)離子注入以施主雜質(zhì)摻雜的，其功能是作為二極管的陰極。包括共用陽極的兩個二極管D1和D2的輸出連接到在厚壁部分9中形成的陽極端DA和陰極端DK1和DK2。因而，當(dāng)預(yù)定的電流提供給每一二極管D1和D2時，能夠測量二極管D1和D2的正向電壓降，并通過電壓降之間的差精確地確定基準(zhǔn)溫度。
雖然能夠通過任一二極管檢測熱電堆12的冷接點的溫度，但使用正向電壓降之間的差能夠以較高的精度確定基準(zhǔn)溫度，即冷接點的溫度。就是說，二極管的正向電流IF和正向電壓(或正向電壓降)VF具有以下關(guān)系 IF＝IS(exp(qVF/KT)-1)在方程式1中；IF正向電流[A]IS反向飽和電流[A]T絕對溫度[°K]VF正向電壓[V]K玻爾茲曼常數(shù)(1.3804×10-23[JK-1])q電荷(1.602×10-19[C])通過對VF求解，方程式1能夠變?yōu)榉匠淌?。
VF＝(KT/q)log(IF/IS)從方程式2可見，能夠基于二極管D1和D2的正向電壓降VF確定冷接點18的溫度。然而，為了從二極管之一的正向電壓降VF確定冷接點18的溫度，必須確定正向電流IF和反向飽和電流IS。直接確定這些電流值是相對困難的，于是采用了可獲得的現(xiàn)實的方法，其中事先測得溫度和電壓之間的關(guān)系并通過一個表存儲，并基于檢測到的正向電壓VF確定溫度。
然而，根據(jù)以下方程式3確定正向電壓降VF之間的差ΔVF[方程式3]ΔVF＝(KT/q)log(IF1/IS1)-(KT/q)log(IF2/IS2)＝(KT/q)[log(IF1/IS1)-log(IF2/IS2)]＝(KT/q)[log(IF1/IF2)-log(IS1/IS2)]此外，當(dāng)通過相同的生產(chǎn)方法在同一半導(dǎo)體基片上形成有相同雜質(zhì)濃度的兩個二極管時，反向飽和電流IS可認(rèn)為基本上是相同的，這樣反向飽和電流IS項能夠省略。因而，方程式3能夠變?yōu)橐韵碌姆匠淌?[方程式4]ΔVF＝(KT/q)log(IF1/IF2)而且，正向電流IF由流過二極管D1和D2的正向電流的比值表示，因而不必確定電流值。于是，在紅外檢測元件1中，假設(shè)二極管D1和D2正向電壓分別為VF1和VF2，差ΔVF的溫度系數(shù)根據(jù)以下方程式5確定[方程式5]ΔVF/T＝(K/q)log(IF1/IF2)…(5)這樣，當(dāng)裝設(shè)二極管D1和D2以采用這些二極管正向電壓降之間的差時，裝有二極管D1和D2的厚壁部分3的溫度，即冷接點18的溫度，能夠被精確地確定。
因而，陽極端DA和陰極端DK1之間的電位差與陽極端DA和陰極端DK2之間的電位差之間的差被確定并連接到能夠放大和計算的電路，以允許精確地確定基準(zhǔn)溫度。因而，通過熱電堆12的輸出確定的溫差被校正以允許高精度的溫度測量。用于把本實施例的紅外檢測元件1連接到具有以上功能的電路的端子集中在厚壁部分3的一個角中，這樣所有熱電堆12的輸出，以及二極管D1和D2能夠易于取到外部去。
圖4是表示半導(dǎo)體基片2的上表面2a上疊層結(jié)構(gòu)的剖視圖。在紅外檢測元件1中，由氧化硅制成的第一結(jié)合層21，由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22，作為結(jié)合層的氧化膜31，由多晶硅制成并構(gòu)成每一熱電偶14的電導(dǎo)體16，兩個氧化硅膜32和33，及兩個表面防護(hù)膜38和39按從下起的順序?qū)盈B在硅基片2上。紅外吸收體11沉積在表面防護(hù)膜上。半導(dǎo)體基片2的中心部分從下面部分2b被蝕刻掉而在中心部分10形成薄膜部分4。
在這些層中，由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22包括通過低壓(降低的壓力)CVD工藝沉積的膜。通過低壓(降低的壓力)CVD工藝沉積的氮化硅膜在一定的溫度下具有大約8～10×109dyne/cm2(1dyne/cm2＝0.1Pa)的應(yīng)力。因而，通過低壓(降低的壓力)CVD工藝沉積的氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22傾向于被作為基礎(chǔ)的厚壁部分3拉伸，而引起由第一結(jié)構(gòu)層22支撐的薄膜部分4較少的彎曲。
而且，氮化硅與氧化硅相比對諸如氟化氙、氫氧化鉀等蝕刻劑有較低的硅蝕刻率。因而，氮化硅與氧化硅相比作為蝕刻阻擋物是更有效的，并即使在膜厚很小時也能可靠地防止侵蝕。因而，能夠可靠地控制用于形成包含第一結(jié)構(gòu)層22的中心部分10的蝕刻。
此外，如同氧化硅那樣，氮化硅具有絕緣性，這樣當(dāng)在硅基片表面形成時，能夠使元件彼此絕緣。在本實施例的紅外檢測元件1中，在硅基片2的周邊部分9中延伸的第一結(jié)構(gòu)層22被構(gòu)圖以作為一膜使構(gòu)成二極管D1和D2的區(qū)域DN1，DN2和DP彼此隔離。因而，在本實施例的紅外檢測元件1中，如上所述，在硅基片2的上表面2a之上形成由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22能夠?qū)崿F(xiàn)用于形成二極管的元件的隔離，并形成不會彎曲的足夠薄的膜。于是，與圖27所示的其元件的隔離和薄膜部分是使用氧化膜實現(xiàn)的紅外檢測元件相比，能夠使薄膜部分薄到防止熱逸出，并能夠防止彎曲等變形而不會增加制造工藝的復(fù)雜性。這樣，能夠提供有高靈敏度和精確性的紅外檢測元件。
由氧化硅制成并在第一結(jié)構(gòu)層22下面形成的第一結(jié)合層21是用于保證由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22與硅基片2之間的粘合性的一層。而且，在中心部分10，多晶硅電導(dǎo)體16是通過作為蝕刻阻擋物的氧化膜31在第一結(jié)構(gòu)層22上形成的，且鋁電導(dǎo)體15是在多晶硅電導(dǎo)體16上形成的，以形成熱電偶14。另一方面，在周邊部分9，構(gòu)成二極管D1和D2的導(dǎo)電區(qū)域DN1，DN2和DP是在硅基片2上形成的，以便由第一結(jié)構(gòu)層22彼此隔離，且鋁導(dǎo)線36在這些區(qū)域上形成。
此外，作為絕緣層的氧化膜32，及用于平面化的氧化膜33被層疊而覆蓋中心部分10及周邊部分9，氧化硅表面防護(hù)膜38和氮化硅表面防護(hù)膜39被層疊在這些氧化膜32和33上。在中心部分10，在最上層上形成紅外吸收體11，以便覆蓋熱電堆12的熱接點17之上的部分。紅外吸收體11吸收紅外輻射以增加溫度，從而保證熱接點17和冷接點18之間大的溫差。其結(jié)果是，熱電堆12的輸出電壓增加，而提高了溫度測量的靈敏度。
圖5到12簡略示出制造本實施例的紅外檢測元件1的工藝過程。如圖5所示，由氧化硅(SiO2)制成厚度小為大約400的第一結(jié)合層21通過熱氧化過程在p-型硅基片2的上表面2a形成。第一結(jié)合層21包括一膜，用于增加與在其上形成的第一結(jié)構(gòu)層22的粘合，該膜比在一般半導(dǎo)體制造工藝中作為元件隔離膜而沉積的場氧化膜要薄。如上所述，第一結(jié)合層21是由氧化硅制成，具有壓縮方向的內(nèi)部應(yīng)力，并在小厚度時易于彎曲。然而，由于第一結(jié)合層21薄，并如上所述，由具有拉伸方向內(nèi)部應(yīng)力的氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22層疊在第一結(jié)合層21上，因而第一結(jié)合層21壓縮方向的內(nèi)部應(yīng)力基本上不會對彎曲引起影響。
然后，由氮化硅(Si3N4)制成的厚度大約為2500的第一結(jié)構(gòu)層22通過低壓CVD工藝在第一結(jié)合層21的上表面上形成。第一結(jié)構(gòu)層22包括具有拉伸方向內(nèi)部應(yīng)力的膜，并且當(dāng)以薄膜形式形成時，能夠防止彎曲。在具有圖27所示結(jié)構(gòu)的紅外檢測元件中，場氧化膜厚度大約為5000到7000，以便對氧化膜賦予作為阻擋物足夠的功能。然而，由氮化硅制成具有低蝕刻率的第一結(jié)構(gòu)層降低厚度到大約1/3。由于由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22是作為阻擋物，不必指望在第一結(jié)構(gòu)層22之下形成的第一結(jié)合層21起到阻擋物的作用，因而降低了厚度。
然后，向第一結(jié)構(gòu)層22涂敷光刻膠，并使其曝光和顯影，然后使用光刻膠(圖中未示出)作為掩模進(jìn)行蝕刻對第一結(jié)構(gòu)層22和第一結(jié)合層21構(gòu)圖。然后，使用第一結(jié)構(gòu)層22作為隔離區(qū)，在設(shè)計要形成二極管D1和D2的硅基片2的周邊部分9的區(qū)域中形成二極管D1和D2。于是，以35KeV用于加速的高電壓向第一電導(dǎo)體層DP形成的區(qū)域25注入硼(B)離子，以形成具有4×1015離子/cm2雜質(zhì)濃度的P+擴(kuò)散層(第一電導(dǎo)體層)DP。而且，以80KeV用于加速的高電壓向第二電導(dǎo)體層DN1和DN2形成的區(qū)域26注入磷(P)離子，以形成具有4×1015離子/cm2雜質(zhì)濃度的N+擴(kuò)散層(第二電導(dǎo)體層)DN1和DN2。在每一電導(dǎo)體層形成之后，在900℃和20min的條件下進(jìn)行退火，以便補(bǔ)償在離子注入中產(chǎn)生的晶體缺陷并活化注入到區(qū)域25和26中的雜質(zhì)。接下來，形成由第一結(jié)構(gòu)層22彼此隔離的二極管D1和D2。
然后，如圖7所示，通過高溫CVD工藝形成厚度大約1000的氧化膜(HTO高溫氧化物)31。這樣沉積的氧化膜31包括具有低雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的硬膜。沉積氧化膜31能夠防止雜質(zhì)從疊層在氧化膜31上的金屬層，即構(gòu)成熱電偶14的多晶硅電導(dǎo)體16和鋁電導(dǎo)體15，向硅基片2的擴(kuò)散。
然后，在氧化膜31上形成構(gòu)成每一熱電偶14的電導(dǎo)體之一的多晶硅電導(dǎo)體16。從而，使用硅烷(SiH4)氣體通過CVD工藝形成厚度大約為4000的多晶硅電導(dǎo)體16。反應(yīng)公式是。多晶硅電導(dǎo)體16例如以作為施主雜質(zhì)的磷摻雜，然后通過熱擴(kuò)散而達(dá)到15ohm/sq的薄膜電阻。
然后，圖中未示出的光刻膠被涂敷到多晶硅電導(dǎo)體16上，并曝光和顯影，然后通過使用光刻膠作為掩模的蝕刻對多晶硅電導(dǎo)體16構(gòu)圖，如圖8所示以便使擴(kuò)散層DP，DN1和DN2暴露。
然后，如圖9所示，厚度大約為1000的氧化膜(HTO)32再次通過CVD工藝被沉積，并進(jìn)而通過CVD工藝在氧化膜32上沉積厚度大約為8000的氧化膜(BPSG)33。氧化膜33包含LTO(低溫氧化物)，并賦予氧化膜本身以黏滯性以便形成能夠被易于平面化的狀態(tài)。因而，在形成氧化膜33之后，氧化膜33通過在900℃和20min的條件下的退火被平面化。在退火期間，硼和磷易于在膜中擴(kuò)散，但是包含HTO的氧化膜32是在氧化膜33之下形成的，因而通過膜32阻擋了硼和磷向硅基片的擴(kuò)散。
在沉積膜的表面被平面化而形成鋁金屬膜能夠被形成而不會有上述的斷開的狀態(tài)之后，如圖10所示，對擴(kuò)散層DP，DN1和DN2，及在硅基片2上形成的多晶硅電導(dǎo)體16，以及金屬(鋁金屬)之間的導(dǎo)電性進(jìn)行構(gòu)圖35。就是說，光刻膠(圖中未示出)涂敷到氧化膜33上，并曝光和顯影，然后使用光刻膠作為掩模對氧化膜33和32進(jìn)行蝕刻，使擴(kuò)散層DP，DN1和DN2，及對應(yīng)于多晶硅電導(dǎo)體16的熱接點17和冷接點18的各部分暴露。
然后，通過濺射汽相淀積法沉積鋁，以便在氧化膜33上填充由構(gòu)圖形成的凹陷并形成圖中未示出的鋁膜。然后，將光刻膠涂敷到該鋁膜上，曝光并顯影，并通過使用光刻膠作為掩模進(jìn)行蝕刻對該鋁膜進(jìn)行構(gòu)圖，以形成金屬導(dǎo)線36和鋁電導(dǎo)體15，如圖11所示。結(jié)果是，鋁電導(dǎo)體15連接到多晶硅電導(dǎo)體16而形成熱接點17和冷接點18。同時，多個熱電偶14串聯(lián)形成熱電堆12。由于氧化膜(BPSG)33沉積在氧化膜32上并被平面化，故在蝕刻期間能夠防止鋁電導(dǎo)體15和金屬導(dǎo)線36的斷開。
這樣，在硅基片2的上表面2a上疊層的結(jié)構(gòu)基本上完成。然后，如圖12所示，通過使用TEOS(原硅酸四乙酯)氣體的等離子CVD工藝沉積厚度大約為2000的表面防護(hù)膜(PADA)38。在沉積了膜38之后，涂敷SOG(Spin On Glass)，并然后在400℃和30min條件下焙燒。結(jié)果是，表面防護(hù)膜38被平面化。
本實施例中，通過等離子增強(qiáng)型CVD工藝，等離子氮化物膜(SixNy)作為厚度大約為1000的第二表面防護(hù)膜(PADB)39沉積到第一表面防護(hù)膜38上。兩個表面防護(hù)膜38和39的厚度組合不限于以上情形，表面防護(hù)膜38的厚度可以是2000，20000或6000，而表面防護(hù)膜39的厚度根據(jù)表面防護(hù)膜38的厚度可以是10000，5000或10000。另外，可以沉積厚度為30000的表面防護(hù)膜38以省略表面防護(hù)膜39。上述其它層的厚度只是示例，厚度不限于以上的值。
表面防護(hù)膜是用于在硅基片2的最后蝕刻期間防止在硅基片2的上表面2a上形成的諸如鋁電導(dǎo)體15和多晶硅電導(dǎo)體16等結(jié)構(gòu)層的蝕刻。因而，對于厚度非常小的表面防護(hù)膜39，表面防護(hù)膜39不正確地在不平坦的部分形成，以至引起蝕刻劑的進(jìn)入，從而由于表面防護(hù)膜38的蝕刻可能破壞熱電堆12。因而，兩個膜38和39的厚度最好根據(jù)蝕刻率適當(dāng)?shù)卦O(shè)置。
此外，金黑沉積在表面防護(hù)膜39上以形成厚度大約為1到10μm的紅外吸收體11。最后，硅基片2的下部分2b被掩蓋而留下中心部分10，且硅基片2的中心部分10以KOH或NaOH作為蝕刻劑從下面被各向異性蝕刻。于是，硅基片2的中心部分10被去除而形成圖4所示的紅外檢測元件1。在蝕刻期間，第一結(jié)構(gòu)層22起到防止過分蝕刻的阻擋物的作用。因而，硅基片2的中心部分10能夠基本上完全被去除，在中心部分10形成所需厚度的薄膜部分4。
本實施例的紅外檢測元件1能夠通過上述的制造方法制造。本實施例的紅外檢測元件1包括由氮化硅而不是氧化硅制成并在硅基片2上形成的第一結(jié)構(gòu)層22。具體來說，在本實施例的紅外檢測元件1中，第一結(jié)構(gòu)層22通過低壓CVD工藝形成，這樣第一結(jié)構(gòu)層22包括具有在拉伸方向很強(qiáng)的內(nèi)部應(yīng)力的膜。因而薄膜部分不大可能彎曲，能夠降低因薄膜部分4的變形所至的熱電堆12的測量誤差。
此外，在蝕刻期間使得由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22起到阻擋物的作用。因而，起阻擋物作用的第一結(jié)構(gòu)層22能夠做得比場氧化膜作為阻擋物的結(jié)構(gòu)薄，從而降低了薄膜部分4的熱容量。這樣熱接點17的溫度可迅速增加，而增加了響應(yīng)速度。通過使第二結(jié)構(gòu)22層變薄，能夠減少從熱接點17向冷接點18的熱逸出。因而，熱電堆12的測量誤差能夠進(jìn)一步被降低而獲得較高精度的溫度。
此外，由氮化硅制成的結(jié)構(gòu)層可被劃分為兩層。圖13示出本發(fā)明一修改的實施例。在圖13所示的紅外檢測元件1a中，在第一結(jié)構(gòu)層22和氧化膜31之間形成第二結(jié)構(gòu)層41和第三結(jié)構(gòu)層42。即，由氧化硅制成的厚度為5500的第二結(jié)構(gòu)層41沉積在厚度為1000的第一結(jié)構(gòu)層22上。由氮化硅制成的厚度為2000的第三結(jié)構(gòu)層42按與第一結(jié)構(gòu)層22相同的生產(chǎn)方法沉積在第二結(jié)構(gòu)層41上。此外，在第三結(jié)構(gòu)層42上形成氧化膜31。在氧化膜31上的結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)方法與紅外檢測元件1相同。
在紅外檢測元件1a中，為防止薄膜部分4彎曲而有足夠厚度的膜能夠被劃分為第一結(jié)構(gòu)層22和第三結(jié)構(gòu)層42。因而，即使當(dāng)?shù)谝唤Y(jié)構(gòu)層22和第三結(jié)構(gòu)層42的厚度被設(shè)置為防止分開時，就整體而言在薄膜部分4中能夠易于實現(xiàn)拉伸方向的應(yīng)力。就是說，薄膜部分4不會彎曲，這樣由于薄膜部分4的變形所至熱電堆12測量誤差能夠被降低。
這樣，通過使用氮化硅制成的結(jié)構(gòu)層，薄膜部分4能夠進(jìn)一步變薄，變形能夠被抑制。另外，能夠基本上完全防止薄膜部分4的變形。而且，在紅外檢測元件1和1a中，用于檢測冷接點18的溫度的二極管D1和D2通過使用由氮化硅制成作為元件隔離區(qū)的結(jié)構(gòu)層22結(jié)合到半導(dǎo)體基片2。因而，能夠通過二極管D1和D2與半導(dǎo)體基片2的直接接觸確定半導(dǎo)體基片2的溫度，這樣與傳統(tǒng)的包括組裝的熱敏電阻芯片的紅外檢測元件相比，能夠精確地獲得基準(zhǔn)溫度。此外，由于裝有兩個二極管D1和D2而獲得正向電壓降之間的差，從而允許進(jìn)行如上所述簡單而精確的溫度測量。
如上所述，在本實施例的紅外檢測元件1和1a中，能夠把因薄膜部分4的變形所至的熱電堆12的測量誤差降低到最小，且能夠以高精度測量作為基準(zhǔn)溫度的冷接點的溫度。因而，測量誤差顯著地降低以至允許溫度測量有高精度。與熱敏電阻不同，由于使用二極管的溫度測量理論上與溫度無關(guān)，因而不需要校正。這樣的優(yōu)點在于能夠提供有寬測量范圍的紅外檢測元件。
能夠使用由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22形成二極管，且能夠防止由于薄膜變形所至的誤差，因而如上所述簡化了制造工藝，并允許通過半導(dǎo)體制造工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。因而，能夠以低成本提供有高測量精度的紅外檢測元件。
此外，在本實施例的紅外檢測元件1和1a中，二極管D1和D2圍繞多個熱電偶14的冷接點18排布，使得冷接點的平均溫度被檢測到。因而，能夠以高精度檢測冷接點的溫度。而且，電極沿導(dǎo)電條帶排布，這些導(dǎo)電條帶構(gòu)成沿周邊延伸的二極管D1和D2，以便控制導(dǎo)電條帶的電位。這是用來以高精度測量基準(zhǔn)溫度的結(jié)構(gòu)。
于是，通過使用在本實施例的紅外檢測元件1和1a形成諸如臨床溫度計等溫度測量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)有高精度溫度測量的溫度測量裝置。圖14是表示使用本實施例的紅外檢測元件1的臨床耳溫度計的透視圖。這一實施例的臨床耳溫度計50包括有易于以手平面抓握的伸長形狀的外殼51，以及可插入耳洞中的圓柱形探頭58，用于顯示由溫度計測量的體溫的LCD55，通電開關(guān)56和電池盒57裝設(shè)在前面52。紅外檢測元件1包含在殼體51中，使得紅外吸收體11面向探頭58的遠(yuǎn)端58a。因而，在耳洞內(nèi)發(fā)射的紅外輻射由紅外檢測元件1的紅外吸收體11通過探頭58接收，使得能夠由熱電堆12測量該溫度。
于是，當(dāng)操作裝設(shè)在臨床耳溫度計50殼體51的背面53的測量啟動開關(guān)54時，紅外檢測元件1的輸出，即熱電堆12的輸出，由從二極管D1和D2的輸出確定的溫度，或冷接點18的溫度校正，以高精度顯示出體溫(溫度)。
圖15是表示臨床耳溫度計50簡化的電路結(jié)構(gòu)的框圖。本實施例的臨床耳溫度計50包括一溫度推導(dǎo)部分61，用于使用來自紅外檢測元件1的輸出計算溫度，測量啟動開關(guān)54，LCD 55，通電開關(guān)56，及電池57。溫度推導(dǎo)部分61包括第一數(shù)據(jù)輸出部分71，用于向CPU 63提供二極管D1和D2的正向電壓降之間的差，這是作為指示熱電堆12冷接點18的溫度Tr的信號，第二輸出部分72，用于向CPU 63輸出熱電堆12的輸出電壓，這是作為指示冷接點18和熱接點17之間的溫差ΔT的信號，CPU 63，用于從數(shù)據(jù)輸出部分71和72分別獲得的溫度Tr和溫差ΔT推導(dǎo)體溫，并控制整個溫度計，以及RAM 64，作為CPU 63的各種操作的工作區(qū)。將通過來自二極管D1和D2的輸出所確定的冷接點18的溫度Tr，添加到由來自熱電堆12的輸出所確定的冷接點18和熱接點17之間的溫差ΔT，以便推導(dǎo)出體溫。推導(dǎo)出的體溫顯示在裝設(shè)在外殼51的前面52的LCD 55上。
由于上述的紅外檢測元件1被結(jié)合到臨床耳溫度計50中，基于元件1的熱電堆12的輸出及二極管D1和D2的輸出，能夠以高精度不斷地測量體溫，而不受工作環(huán)境的影響。而且，能夠使用半導(dǎo)體制造工藝以低成本提供紅外檢測元件1，這樣使用元件1的臨床耳溫度計50是小型而且廉價的。因而，臨床溫度計50能夠易于購買和使用。
本實施例的紅外檢測元件1和1a不僅能夠用于臨床耳溫度計，而且還能夠用于其它類型的臨床溫度計，及其它類型的溫度計。紅外檢測元件1和1a還是小型和低成本的，并能夠以高精度測量溫度，因而拓廣了應(yīng)用范圍。
已知在平行的平面中具有平面電極的P-型硅基片上形成的平面二極管的平面結(jié)合部分，當(dāng)通過在P-型硅基片表面層中擴(kuò)散N-型雜質(zhì)而形成PN結(jié)時，以及當(dāng)用于元件隔離的氧化硅膜的絕緣層出現(xiàn)在硅基片表面時，由于施加到PN結(jié)的電壓在絕緣層下P-型硅基片表面層中形成N-型反向?qū)?，且一電流通過N-型反向?qū)恿鬟^絕緣層與P-型硅基片之間(例如，TakashiTokuyama所著的“Electronics Gijutu Zensho[3]，MOS Device”，p300-p305，由Kogyo Chosa-kai Kabushiki Kaisha發(fā)布(1973年8月20))。
因而，當(dāng)平面二極管在P-型硅基片上形成時，反向電流與N-型反向?qū)拥拿娣e成正比增加，并且反向電流使二極管的正向特性畸變，以至在精確溫度測量中造成困難。作為對本實施例的紅外檢測元件1的研究結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體D1和D2的輸出電壓(正向電壓)不穩(wěn)定地引起被測溫度的溫差。這樣，為了獲得能夠有高精度溫度測量的紅外檢測元件，發(fā)明人研發(fā)了如圖16所示的一種使用N-型硅基片的紅外檢測元件。
圖16是表示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的紅外檢測元件的局部剖視圖。在圖16中，紅外檢測元件1b包括硅基片2c，該基片含其中擴(kuò)散有N-電導(dǎo)型雜質(zhì)(施主雜質(zhì))的N-基片。在紅外檢測元件1b中，由氧化硅制成的第一接點層21，由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22，作為結(jié)合層的氧化膜31，由構(gòu)成熱電偶14的多晶硅制成的電導(dǎo)體16，兩個氧化硅膜32和33，及兩個表面防護(hù)膜38和39，從下面按順序?qū)盈B在N-型硅基片2c上，且紅外吸收體11沉積在表面防護(hù)層38和39上。如上述實施例那樣，由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層22包括通過低壓(降低的壓力)CVD工藝沉積的膜，以防止由第一結(jié)構(gòu)層22支撐的薄膜部分4出現(xiàn)彎曲。
半導(dǎo)體基片2c的中心部分10從下面部分2b被蝕刻以形成薄膜部分4。在N-型硅基片2C中，薄膜部分4的周邊部分在蝕刻之后留下以形成厚壁部分3。紅外檢測元件1b包括P+電導(dǎo)體層DP1a及DP2a，它們是通過在N-型硅基片2c的周邊部分9的表層，即厚壁部分3中擴(kuò)散諸如硼等P-電導(dǎo)型雜質(zhì)(受主雜質(zhì))形成的。而且，通過在電導(dǎo)體層DP1a與電導(dǎo)體層DP2a之間擴(kuò)散諸如磷等N-電導(dǎo)型雜質(zhì)(施主雜質(zhì))提供N+電導(dǎo)體層DNa。
這些電導(dǎo)體層DP1a、DP2a及DNa構(gòu)成了兩個二極管D1a和D2a。即，電導(dǎo)體層DP1a形成二極管D1a的陽極，而電導(dǎo)體層DNa形成二極管D1a的陰極。而且，電導(dǎo)體層DNa也形成二極管D2a的陰極，而電導(dǎo)體層DP2a形成二極管D2a的陽極。如以上實施例那樣，使用同一陰極的二極管D1a和D2a的是圍繞熱電堆14的冷接點18裝設(shè)的。
如圖17所示，在本實施例的N-型硅基片2c中形成的紅外檢測元件1b中，作為二極管D1a和D2a的陽極的電導(dǎo)體層DP1a及DP2a連接到陽極端子DA1和DA2，且作為陰極的電導(dǎo)體層DNa連接到陰極端子DK。
能夠通過與上述實施例的紅外檢測元件基本相同的方法形成本實施例的紅外檢測元件1c。圖18到圖25簡略示出用于制造本實施例紅外檢測元件1b的過程。
如圖18所示，在制造本實施例的紅外檢測元件1b中，由厚度為小至400的氧化硅(SiO2)制成的第一接點層21通過熱氧化過程在硅基片2c的上表面2a上形成。第一接點層21包括一個膜，該膜用于增加對在其上形成的第一結(jié)構(gòu)層22的粘合性，該膜比一般半導(dǎo)體制造工藝中作為元件隔離物而沉積的場氧化膜要薄。
然后，通過低壓CVD工藝在第一結(jié)合層21的上表面上形成由氮化硅(Si3N4)制成的厚度大約為2500的第一結(jié)構(gòu)層22。第一結(jié)構(gòu)層22包括有拉伸方向內(nèi)部應(yīng)力的膜，并能夠防止當(dāng)N-型硅基片2c以薄膜形成時彎曲。
然后，光刻膠(圖中未示出)涂敷到第一結(jié)構(gòu)層22上，并曝光和顯影，然后通過使用光刻膠(圖中未示出)作為掩模進(jìn)行蝕刻對第一結(jié)構(gòu)層22和第一結(jié)合層21進(jìn)行構(gòu)圖，如圖19所示。然后，使用第一結(jié)構(gòu)層22作為隔離區(qū)，在N-型硅基片2c的周邊部分9設(shè)計為形成二極管D1a和D2a的區(qū)域中形成二極管D1a和D2a。于是，以80KeV用于加速的高電壓使磷離子注入到形成第一電導(dǎo)體層DNa的區(qū)域25a，以形成雜質(zhì)濃度為4×1015離子/cm2的N+擴(kuò)散層(第一電導(dǎo)體層)。而且，以35KeV用于加速的高電壓使硼離子注入到形成第二電導(dǎo)體層DP1a和DP2a的區(qū)域26a，以形成雜質(zhì)濃度為4×1015離子/cm2的P+擴(kuò)散層(第二電導(dǎo)體層)。
在形成每一電導(dǎo)體層之后，在900℃和20min條件下進(jìn)行退火，以便補(bǔ)償在離子注入中產(chǎn)生的晶體缺陷并活化注入到區(qū)域25a和26a中的雜質(zhì)。然后，通過第一結(jié)構(gòu)層22形成彼此隔離的二極管D1a和D2a。
然后，如圖20所示，通過高溫CVD工藝形成厚度大約為1000氧化膜(HTO高溫氧化物)31。然后，構(gòu)成每一熱電偶14的電導(dǎo)體之一的多晶硅電導(dǎo)體16在氧化膜31上通過使用硅烷(SiH4)氣體的CVD工藝形成為大約4000厚度。然后，光刻膠涂敷到多晶硅電導(dǎo)體16，并曝光和顯影，然后通過使用光刻膠作為掩模的蝕刻對多晶硅電導(dǎo)體16進(jìn)行構(gòu)圖使電導(dǎo)體層DNa，DP1a和DP2a暴露，如圖21所示。
然后，如圖22所示，再次通過CVD工藝沉積厚度大約為1000的氧化膜(HTO)32，并進(jìn)而在氧化膜32上通過CVD工藝沉積厚度大約為8000的氧化膜(BPSG)33。在氧化膜33形成之后，通過在900℃和20min的條件下退火使氧化膜33平面化。
在沉積氧化膜33的表面被平面化而形成鋁金屬膜能夠被形成而不會有斷開的狀態(tài)之后，光刻膠(圖中未示出)涂敷到氧化膜33上，并曝光和顯影。然后，為了實現(xiàn)在N-型硅基片2c中形成的擴(kuò)散層(電導(dǎo)體層)DNa，DP1a和DP2a，及多晶硅電導(dǎo)體16，和金屬(鋁金屬)之間的導(dǎo)電性，使用光刻膠作為掩模進(jìn)行構(gòu)圖35使擴(kuò)散層及對應(yīng)于多晶硅電導(dǎo)體16的熱接點17和冷接點18部分暴露，如圖23中所示。
然后，通過濺射汽相淀積從氧化膜33上面沉積鋁以便填充由構(gòu)圖形成的凹陷形成鋁膜(圖中未示出)。然后，向鋁膜涂敷光刻膠，曝光并顯影，并通過使用光刻膠作為掩模的蝕刻對鋁膜進(jìn)行構(gòu)圖形成金屬導(dǎo)線36和鋁電導(dǎo)體15，如圖24所示。結(jié)果是，鋁電導(dǎo)體15連接到多晶硅電導(dǎo)體16形成熱接點17和冷接點18。同時，多個熱電偶14串聯(lián)而形成熱電堆12。這樣，層疊在半導(dǎo)體基片2的上表面2a的結(jié)構(gòu)基本完成。
然后，如圖25所示，通過使用TEOS(原硅酸四乙酯)氣體等離子CVD工藝沉積大約2000厚度的表面防護(hù)膜(PADA)38覆蓋氧化膜33，鋁電導(dǎo)體15和金屬導(dǎo)線36。在沉積膜38之后，涂敷SOG(Spin On Glass)并然后在400℃和30min條件下焙燒。結(jié)果，表面防護(hù)膜38被平面化。此外，在表面防護(hù)膜38上通過等離子增強(qiáng)型CVD工藝沉積等離子氮化物膜(SixNy)作為厚度大約為1000的第二表面防護(hù)膜(PADB)39。
此外，在表面防護(hù)膜39上沉積金黑形成厚度大約1到10μm的紅外吸收體11。最后，N-型硅基片2c的下部分2b被掩蓋留下中心部分10，且以KOH或NaOH作為蝕刻劑從下面各向異性地蝕刻N(yùn)-型硅基片2C的中心部分10。于是，N-型硅基片2c的中心部分10被去除而形成圖16所示的紅外檢測元件1c。
在上述使用N-型硅基片2c形成的紅外檢測元件1b中，不會在第一結(jié)合層21下面形成N反向?qū)樱蚨@得二極管D1a和D2a良好的正向特性。而且，與在P-型硅基片上形成的二極管相比，二極管D1a和D2a的輸出電壓(正向電壓)非常穩(wěn)定，這樣能夠進(jìn)行精確的溫度檢測。因而，使用本實施例的紅外檢測元件1b，能夠獲得有高精度的溫度測量元件。
即使當(dāng)使用N-型硅基片1c時，可以在第一結(jié)構(gòu)層22和氧化膜31之間提供如圖13所示的由氧化硅制成的第二結(jié)構(gòu)層41及氮化硅制成的第三結(jié)構(gòu)層42。
如上所述，在本發(fā)明中，在半導(dǎo)體基片上形成由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層而不是場氧化膜。第一結(jié)構(gòu)層能夠通過低壓CVD工藝形成為在拉伸方向有內(nèi)部應(yīng)力的膜，這樣能夠防止薄膜部分彎曲。而且，能夠防止第一結(jié)構(gòu)層上形成的熱電堆變形，而允許以高精度檢測溫差。此外，使用第一結(jié)構(gòu)層彼此隔離了結(jié)合到半導(dǎo)體基片中的PN結(jié)，這樣PN結(jié)能夠同時結(jié)合到半導(dǎo)體基片，用于精確檢測冷接點溫度。因而，能夠以低成本制造以高精度檢測體溫等溫度的紅外檢測元件，并能夠以低成本提供高精度的小型溫度測量裝置。
權(quán)利要求
1.一種用于制造紅外檢測元件的方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體基片上形成由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層；在半導(dǎo)體基片的周邊部分中對第一結(jié)構(gòu)層構(gòu)圖以便在半導(dǎo)體基片的表面上形成PN結(jié)；在第一結(jié)構(gòu)層上形成多個熱電偶，使得冷接點位于半導(dǎo)體基片的周邊部分，并且熱接點位于半導(dǎo)體基片的中心部分，并且串聯(lián)這些熱電偶以形成熱電堆；以及從下面蝕刻出半導(dǎo)體基片的中心部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造紅外檢測元件的方法，還包括蝕刻步驟之前，在半導(dǎo)體基片的中心部分上形成紅外吸收體的步驟，以便覆蓋熱接點之上或附近的熱電堆的至少一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制造紅外檢測元件的方法，其中形成第一結(jié)構(gòu)層的步驟包括以低壓CVD形成由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制造紅外檢測元件的方法，其中形成PN結(jié)的步驟包括形成多個PN結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的制造紅外檢測元件的方法，其中形成PN結(jié)的步驟包括通過PN結(jié)形成二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的制造紅外檢測元件的方法，其中形成PN結(jié)的步驟包括形成沿半導(dǎo)體基片周邊部分延伸的PN結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的制造紅外檢測元件的方法，其中形成PN結(jié)的步驟包括在PN結(jié)的第一電導(dǎo)體層和第二電導(dǎo)體層的上表面上分別形成電極，使得電極分別沿第一和第二電導(dǎo)體層延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的制造紅外檢測元件的方法，其中在形成第一結(jié)構(gòu)層的步驟之前，還包括在半導(dǎo)體基片上形成由氧化硅制成的第一結(jié)合層的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的制造紅外檢測元件的方法，其中第一結(jié)合層比第一結(jié)構(gòu)層薄。
10.根據(jù)權(quán)利要求3的制造紅外檢測元件的方法，還包括在第一結(jié)構(gòu)層上形成由氧化硅制成的第二結(jié)構(gòu)層，以及在第二結(jié)構(gòu)層上形成由氮化硅制成的第三結(jié)構(gòu)層的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的制造紅外檢測元件的方法，還包括在蝕刻步驟之前在半導(dǎo)體基片上形成表面防護(hù)膜的步驟。
12.一種紅外檢測元件，包括半導(dǎo)體基片，具有從下面蝕刻出的中心部分；由氮化硅制成的第一結(jié)構(gòu)層，形成在半導(dǎo)體基片上并在中心部分具有薄膜結(jié)構(gòu)；PN結(jié)，通過對半導(dǎo)體基片周邊部分中第一結(jié)構(gòu)層構(gòu)圖在半導(dǎo)體基片的表面上形成；以及熱電堆，包括在第一結(jié)構(gòu)層上形成并被串聯(lián)的多個熱電偶，使得冷接點位于半導(dǎo)體基片的周邊部分，并且熱接點位于半導(dǎo)體基片的中心部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的紅外檢測元件，還包括在半導(dǎo)體基片的中心部分上形成的紅外吸收體，以便覆蓋熱接點之上或附近的熱電堆的至少一部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的紅外檢測元件，其中第一結(jié)構(gòu)層包括產(chǎn)生拉伸方向內(nèi)部應(yīng)力的膜。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的紅外檢測元件，其中第一結(jié)構(gòu)層是通過低壓CVD沉積的。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的紅外檢測元件，包括多個PN結(jié)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的紅外檢測元件，其中PN結(jié)形成二極管。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的紅外檢測元件，其中PN結(jié)沿半導(dǎo)體基片周邊部分延伸。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的紅外檢測元件，其中PN結(jié)包括沿PN結(jié)的第一電導(dǎo)體層和第二電導(dǎo)體層上表面延伸的電極。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的紅外檢測元件，還包括由氧化硅制成并在第一結(jié)構(gòu)層和第二結(jié)構(gòu)層之間形成的第一結(jié)合層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的紅外檢測元件，其中第一結(jié)合層比第一結(jié)構(gòu)層薄。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的紅外檢測元件，還包括由氧化硅制成的第二結(jié)構(gòu)層以及由氮化硅制成的第三結(jié)構(gòu)層，它們在第一結(jié)構(gòu)層上形成。
23.根據(jù)權(quán)利要求12到22任何之一的紅外檢測元件，其中半導(dǎo)體基片是N電導(dǎo)型。
24.一種溫度測量裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求12的紅外檢測元件，以及用于通過由紅外檢測元件的PN結(jié)的輸出確定的溫度來校正冷接點溫度以便基于從熱電堆的輸出確定溫度的裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求24溫度測量裝置，還包括帶有可插入到耳洞中的遠(yuǎn)端的圓柱部分，其中紅外檢測元件這樣配置，使得中心部分的上表面面向圓柱部分的遠(yuǎn)端。
26.根據(jù)權(quán)利要求25溫度測量裝置，其中紅外檢測元件包括在中心部分形成的紅外吸收體，以便覆蓋熱接點之上或附近的熱電堆的至少一部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠以低成本精確測量溫度的熱電堆紅外檢測元件。提供一種使用氮化硅膜作為第一結(jié)構(gòu)層22構(gòu)成薄膜部分4的結(jié)構(gòu)的紅外檢測元件1。與氧化硅不同，第一結(jié)構(gòu)層22有拉伸方向的內(nèi)部應(yīng)力，并這樣能夠防止出現(xiàn)彎曲。而且，使用第一結(jié)構(gòu)層22作為元件的隔離區(qū)在硅基片2中能夠形成二極管D1和D2，這樣能夠防止由于環(huán)境的變化所引起的熱電堆12的變形，以便抑制熱電堆12的測量誤差。此外，能夠提供可使用二極管D1和D2精確檢測冷接點溫度的高精度紅外檢測元件。
文檔編號A61B5/01GK1457423SQ02800474
公開日2003年11月19日 申請日期2002年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月16日
發(fā)明者佐藤茂美, 山下秀人, 萩原努 申請人:精工愛普生株式會社