DE102008041587A1

DE102008041587A1 - Mikrostrukturiertes Temperatursensorelement mit zusätzlicher IR-absorbierender Schicht

Info

Publication number: DE102008041587A1
Application number: DE102008041587A
Authority: DE
Inventors: Ingo Herrmann; Daniel Herrmann; Ando Feyh; Martin Eckardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: DE102008041587B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrostrukturiertes Sensorelement, umfassend eine Schichtenfolge aus einer dotierten Halbleiterschicht (7') mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft, einer dielektrischen Schicht (12), einer Passivierungsschicht (17) und einer aus der Gasphase abgeschiedenen IR-Strahlung absorbierenden Schicht (21). Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensorelements sowie ein Sensorarray für die ortsaufgelöste Detektion von Infrarotstrahlung, umfassend solche Sensorelemente.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrostrukturiertes Sensorelement, umfassend eine Schichtenfolge aus einer dotierten Halbleiterschicht mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft, einer dielektrischen Schicht, einer Passivierungsschicht und einer IR-Strahlung absorbierenden Schicht. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensorelements sowie ein Sensorarray für die ortsaufgelöste Detektion von Infrarotstrahlung, umfassend solche Sensorelemente.
Halbleitersensoren können Temperaturänderungen, beispielsweise durch Infrarotstrahlung, über die elektrischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen wie Dioden detektieren. Zur Verbesserung der Leistungen von diesen Sensoren können die Sensorelemente, welche die Aufgabe der Temperaturdetektion übernehmen, mit Infrarot(IR-)Strahlung absorbierenden Schichten versehen werden. Üblicherweise werden diese Absorberschichten mittels Dickschichttechnik im Pastendruck realisiert. Nachteilig hieran ist jedoch die Notwendigkeit von separaten Verfahrensschritten in der Herstellung. Weiterhin lässt sich die Kristallinität der Absorberschicht durch Dickschichtverfahren nur begrenzt einstellen. Weiterhin können durch diese Technik nicht so kleine Strukturen wie bei anderen Verfahren in der Halbleiterstrukturierung erreicht werden. Zudem wird durch das Pastendruckverfahren mechanisch auf das Sensorelement eingewirkt. Dieses kann bei den vorhandenen empfindlichen Strukturen zur Schädigung und damit Ausfall des Sensors führen. Folglich steht dieses einer weiteren Miniaturisierung der Sensorelemente entgegen.
Sensoren, die von alternativen Möglichkeiten der Auftragung von IR-absorbierenden Schichten profitieren können, sind in DE 10 2006 028 435 A1 offenbart. Beschrieben wird ein Sensor, insbesondere zur ortsaufgelösten Detektion, der aufweist: ein Substrat, mindestens ein mikrostrukturiertes Sensorelement mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft und mindestens eine Membran oberhalb einer Kaverne, wobei das Sensorelement an der Unterseite der mindestens einen Membran angeordnet ist und wobei das Sensorelement an der Unterseite der mindestens einen Membran angeordnet ist und wobei das Sensorelement über Zuleitungen kontaktiert ist, die in, auf oder unter der Membran verlaufen. Es können insbesondere mehrere Sensorelemente als Diodenpixel in einer monokristallinen, durch Epitaxie ausgebildeten Schicht ausgebildet sein. In der Membran können Aufhängefedern ausgebildet sein, die die einzelnen Sensorelemente elastisch und isolierend aufnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein mikrostrukturiertes Sensorelement, umfassend die folgende Schichtenfolge:
eine dotierte Halbleiterschicht mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden
elektrischen Eigenschaft;
eine dielektrische Schicht; und
eine Passivierungsschicht;
wobei auf der Passivierungsschicht weiterhin eine aus der Gasphase abgeschiedene Schicht aus Infrarotstrahlung absorbierendem Material angeordnet ist.
Mikrostrukturierte Sensorelemente im Sinne der vorliegenden Erfindung sind hierbei Sensorelemente, deren funktionelle Strukturen Abmessungen im Mikrometerbereich aufweisen. Beispielsweise können diese funktionellen Strukturen eine Länge, Höhe und/oder Breite von ≥ 1 μm bis ≤ 500 μm aufweisen.
Eine temperaturabhängig veränderliche elektrische Eigenschaft in der dotierten Halbleiterschicht kann unter Anderem der elektrische Widerstand, die Stromstärke des durch das Sensorelement fließenden Stroms oder der Spannungsabfall an dem Sensorelement sein.
Die dielektrische Schicht auf der Halbleiterschicht kann beispielsweise durch thermische Oxidation oder durch Tetraethoxysilan-Oxidation (TEOS-Oxidation) der Halbleiterschicht erhalten werden. Sie kann neben ihrer elektrisch isolierenden Aufgabe auch mechanische Funktionen wahrnehmen, beispielsweise um eine Verbindung zwischen Sensorelement und einem das Sensorelement letztendlich tragenden Substrat herzustellen.
Die Passivierungsschicht umfasst vorzugsweise Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid. Sie kann als eine Schicht oder aber als Abfolge mehrerer Schichten ausgeführt sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf der Passivierungsschicht eine aus der Gasphase abgeschiedene Schicht aus Infrarotstrahlung absorbierendem Material angeordnet ist. Diese Schicht wandelt im Sensorbetrieb Infrarotstrahlung in Wärme um, beispielsweise durch elektrisch aktive Dotierstoffe in der Schicht. Diese kann durch Dünnschichttechniken erhalten werden.
In einer Ausführungsform des Sensorelements umfasst die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht Silizium, Silizium-Germanium, Siliziumcarbid und/oder Siliziumdioxid und es liegen diese Materialien dotiert und/oder undotiert vor. Solche Materialien sind mit üblichen Prozessen in der Halbleiteroberflächentechnik kompatibel und lassen sich durch Masken strukturiert präzise aus der Gasphase abscheiden. Das Material kann einkristallin, polykristallin oder amorph vorliegen. Vorteilhaft ist auch, dass diese Materialien selbst nach einer Abscheidung auch mittels Trockenätzprozessen strukturieren lassen. Die zum Dotieren verwendeten Elemente sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bor, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen und/oder Antimon. Die Dotierungselemente können beispielsweise in einer Atomkonzentration, bezogen auf das Material der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht, von ≥ 10¹²/cm³ bis ≤ 10¹⁹/cm³ oder vorzugsweise von ≥ 10¹⁵/cm³ bis ≤ 10¹⁸/cm³ vorliegen. In einer anderen Alternative ist die Konzentration von Dotierungselementen so hoch gewählt, dass man in den Bereich einer Legierung kommt. Hier kann die Konzentration der Dotierungselemente ≥ 10¹⁹/cm³ bis ≤ 10²³/cm³ oder vorzugsweise von ≥ 10²⁰/cm³ bis ≤ 10²²/cm³ betragen.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements beträgt die Dicke der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht ≥ 1 μm bis ≤ 15 μm. Die Dicke kann vorteilhafterweise auch ≥ 2 μm bis ≤ 10 μm betragen. Absorberschichten dieser Dicke weisen eine geringe thermische Isolierung auf, so dass das Ansprechverhalten der Sensoren bei Temperaturwechseln schneller ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements umfasst die dotierte Halbleiterschicht eine monokristalline Schicht mit mindestens einem pn-Übergang zwischen einem positiv dotierten Bereich und einem negativ dotierten Bereich. Hierbei ist es bevorzugt, dass die monokristalline Schicht epitaktisch aufgewachsenes n-dotiertes Silizium umfasst und der pn-Übergang durch p⁺- und n⁺-dotiertes Silizium gebildet wird. Indem die Sensorelemente in einer epitaktischen und somit monokristallinen Schicht ausgebildet werden, kann das Signalrauschen sehr gering gehalten werden. Dieses ist insbesondere bei der Ausbildung von Dioden vorteilhaft. Der n⁺-Bereich kann hierbei dazu dienen, die Verbindung zwischen metallischen Kontaktleitungen zur Halbleiterschicht herzustellen. Hierdurch wird die Ausbildung eines Schottky-Kontakts zwischen dem Metall und dem hochdotierten Bereich vermieden. Die eigentliche Diode wird zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p⁺-dotierten Bereich ausgebildet, der aufgrund seiner hohen Dotierung ebenfalls keinen Schottky-Kontakt zum Metall bildet.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements ist das Sensorelement oberhalb einer in dem das Sensorelement tragenden Substrat ausgebildeten Kaverne angeordnet. Auf diese Weise ist das Sensorelement vom Substrat thermisch entkoppelt. Hierdurch können Erwärmungen des Substrats, wie sie während des Betriebs eines elektrischen Bauteils auftreten, die Temperaturmessung des Sensorelements weniger beeinflussen. Jedes Sensorelement kann für sich einer Kaverne zugeordnet sein oder es können mehrere Sensorelemente über einer gemeinsamen Kaverne liegen.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer dotierten Halbleiterschicht mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft;
b) Auftragen einer dielektrischen Schicht auf die Halbleiterschicht;
c) Auftragen einer Passivierungsschicht auf die dielektrische Schicht;
d) Auftragen einer Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht aus der Gasphase auf die Passivierungsschicht;
e) Auftragen einer Maskierungsschicht auf die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht, wobei vorbestimmte Bereiche der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht von der Maskierungsschicht nicht bedeckt werden;
f) Ätzen der nicht durch die Maskierungsschicht abgedeckten Bereiche der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht mittels Sputtern, plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung und/oder niederdruck-chemischer Gasphasenabscheidung aufgetragen. So kann daher insbesondere eine Silizium, Silizium-Germanium und/oder Siliziumcarbid umfassende Schicht aufgetragen werden. Durch die Anwendung dieser Dünnschichttechniken kann die Dicke der aufgetragenen Schicht beispielsweise in einem Bereich von ≥ 1 μm bis ≤ 15 μm oder vorteilhafterweise auch ≥ 2 μm bis ≤ 10 μm liegen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Ätzen der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht mittels eines Plasma-Ätzprozesses. Vorteilhaft hieran ist, dass das gleiche Ätzmedium wie in anderen Strukturierungsschritten bei der Herstellung des Sensorelements verwendet werden kann und so die Prozessführung nicht weiter verkompliziert wird. Vorzugsweise erfolgt das Ätzen in einem Schwefelhexafluorid-Plasmaprozess.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Ätzen der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht im gleichen Verfahrensschritt wie das Ätzen eines Teils der dotierten Halbleiterschicht. Auch hier zeigt sich der Vorteil einer vereinfachten Prozessführung.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Sensorarray für die ortsaufgelöste Detektion von Infrarotstrahlung, umfassend Sensorelemente gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Hierbei zeigen:
1 bis 3 die Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements
1 zeigt die Ausgangssituation, in der eine dotierte Halbleiterschicht mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft bereitgestellt wird. Die Herstellungsschritte bis zu dieser Stufe können gemäß DE 10 2006 028 435 A1 erfolgen. Auf einem Substrat 1 befindet sich ein Sensorelementbereich 2 und ein Schaltungsbereich 3 zur Steuerung des Sensors und zur Verarbeitung seiner Signale. Das Material des Substrats kann beispielsweise p-dotiertes Silizium umfassen.
In dem Substrat 1 kann zwischen dem Detektorbereich 2 und dem Schaltungsbereich 3 durch beispielsweise p⁺-Dotierung eine im Querschnitt grabenförmige untere Isolierungsschicht 4 ausgebildet werden, die in einem späteren Prozessschritt nach oben ergänzt wird und der Isolierung des Detektorbereichs 2 von dem Schaltungsbereich 3 dient. Die Isolierungsschicht 4 kann noch durch die Isolierungsschicht 19 ergänzt werden. Aus der Herstellung der Kaverne 5 rührt ein n- oder n⁺-dotierter ringförmiger Bereich 6 her, welcher eine Grenze für die Kavernenätzung darstellt.
Die Schicht 7 ist eine epitaktische Schicht aus n-dotiertem Silizium. Im Zuge des Aufwachsens oder Auftragens kommt es zu einer thermischen Umlagerung von nach Ätzung oder Porosifizierung übriggebliebenem Material in dem Bereich, aus dem die Kaverne 5 entsteht. Dieses Material kann sich als monokristalline Schicht 8 auf der Unterseite der epitaktischen Schicht 7 niederschlagen. Je nach Wahl der Bedingungen können auch noch temporäre Stützstellen 9 stehengelassen werden, welche in einem späteren Schritt erst entfernt werden.
Auf der n-dotierten epitaktischen Schicht 7 sind geeignete Strukturen ausgebildet, was sowohl im Detektorbereich 2 als auch im Schaltungsbereich 3 durchgeführt werden kann. Im Schaltungsbereich 3 können in an sich bekannter Weise verschiedene Implantations- oder Diffusionsprozessschritte zur Ausbildung der Schaltungen angewendet werden. Im Detektorbereich 2 werden im entsprechenden Abschnitt der n-dotierten epitaktischen Schicht 7' für jedes spätere Pixel ein n⁺-Bereich 10 und ein p⁺-Bereich 11 durch Implantation und/oder Diffusion ausgebildet. Hierbei bildet sich in der Schicht 7' mit dem p⁺-Bereich 11 eine Diode. Weiterhin werden eine oder mehrere dielektrische Schichten 12 ausgebildet, zum Beispiel durch Oxidation zu SiO₂, wobei zumindest im Detektorbereich 2 durch ein LOCOS-Verfahren lokal dickere LOCOS-Verstärkungsbereiche 13 ausgebildet werden. Hierzu wird in der SiO₂-Schicht 12 durch geeignete Maskierung eine stärkere Oxidation mit entsprechender Volumenzunahme und somit Verdickung in vertikaler Richtung erreicht. Die LOCOS-Verstärkungsbereiche 13 werden insbesondere am Rand der späteren Pixel, das heißt oberhalb der Ränder der Kaverne 5 ausgebildet. Entsprechende LOCOS-Verstärkungsbereiche 13 können auch in dem Schaltungsbereich 3 ausgebildet werden.
Die eine oder mehreren dielektrischen Schichten 12 werden weiterhin im Schaltungsbereich 3 sowie im Detektorbereich 2 strukturiert. Im Schaltungsbereich 3 werden zum Beispiel verschiedene Bauelemente 14 strukturiert. Auch hier können LOCOS-Verstärkungen 13 ausgebildet werden.
In einem Backend-Schaltungsprozess werden Metallisierungen und Passivierungen, zum Beispiel eine Metallisierungsschicht 15 mit Kontaktpad 16, und eine oder mehrere Passivierungsschichten 17 aufgetragen. Die Metallisierungsschicht 15 aus beispielsweise Aluminium kontaktiert hierbei in ausgesparten Zugangslöchern der dielektrischen Schicht 12 den n⁺-Bereich 10 und den p⁺-Bereich 11. Die Metallisierungsschicht 15 wird entsprechend auch im Schaltungsbereich 3 zur Kontaktierung der dort ausgebildeten Bauelemente 14, für Zuleitungen und gegebenenfalls auch für andere Bauelemente genutzt. Vorteilhafterweise werden durch die Metallisierungsschicht 15 auch Verbindungsleitungen 18 zwischen dem Detektorbereich 2 und dem Schaltungsbereich 3 ausgebildet, so dass ein integriertes Bauelement mit Detektorbereich 2 und Schaltungsbereich 3 ausgebildet wird.
Hierbei können eine oder mehrere Metallisierungsschichten 15 aus beispielsweise Aluminium ausgebildet werden. Der n⁺-Bereich 10 dient lediglich der Kontaktierung mit der Metallisierungsschicht 15, damit zwischen dem Metall und dem hochdotiertem Bereich kein Schottky-Kontakt ausgebildet wird. Die eigentliche Diode wird zwischen der epitaktischen Schicht 7' und dem p⁺-Bereich 11 ausgebildet, der aufgrund seiner hohen Dotierung ebenfalls keinen Schottky-Kontakt mit der Metallisierungsschicht 15 ausbildet.
In der Schicht 7, 7' sind in gestrichelter Form Bereiche 20 gezeigt, welche den Bereich einer späteren Ätzung verdeutlichen.
In 2 ist zu sehen, wie zunächst die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 21 mittels Gasphasenabscheidung gleichförmig abgeschieden wird. Anschließend wird eine Lackmaske 22 aufgetragen. Die Kontakte 16 sowie die Opferschichtätzzugänge werden hierbei ausgespart.
3 zeigt den Zustand nach dem Ätzen und dem Entfernen der Lackmaske 22. Durch das Ätzen wird die Kaverne 5 fertiggestellt, die Bereiche 20 geätzt und damit die elektrische Isolierung zum Schaltungsbereich 3 realisiert. Insbesondere wurde der Steg 9 entfernt. Die dielektrische Schicht 12 dient als Membran 23 und sorgt für die Verbindung des Sensorelements zum Substrat 1. Mit anderen Worten ist das Sensorelement so über der Kaverne 5 angeordnet, dass es nur über Membran 23 an das Substrat mechanisch gekoppelt ist. Dieses sorgt für eine elektrische Isolierung und thermische Entkopplung.
Im selben Ätzschritt wird nicht nur das Silizium des Substrats 1 und der epitaktischen Schicht 7, 7' geätzt, sondern auch die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 21 in den nicht durch die Maske 22 abgedeckten Bereichen. Dieses erfolgt vorzugsweise mittels des Bosch-Prozesses. Wie hier dargestellt, werden auch die Kontaktpads 16 freigestellt. Die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 21 kann, wie hier auch dargestellt, etwas großflächiger geöffnet werden als in der Ätzung des Siliziums.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006028435 A1 [0003, 0021]

Claims

Mikrostrukturiertes Sensorelement, umfassend die folgende Schichtenfolge: eine dotierte Halbleiterschicht (7') mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft; eine dielektrische Schicht (12); und eine Passivierungsschicht (17); dadurch gekennzeichnet, dass auf der Passivierungsschicht (17) weiterhin eine aus der Gasphase abgeschiedene Schicht aus Infrarotstrahlung absorbierendem Material (21) angeordnet ist.
Sensorelement gemäß Anspruch 1, wobei die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht (21) Silizium, Silizium-Germanium, Siliziumcarbid und/oder Siliziumdioxid umfasst und wobei diese Materialien dotiert und/oder undotiert vorliegen.
Sensorelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht (21) ≥ 1 μm bis ≤ 15 μm beträgt.
Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dotierte Halbleiterschicht (7') eine monokristalline Schicht mit mindestens einem pn-Übergang zwischen einem positiv dotierten Bereich (11) und einem negativ dotierten Bereich (10) umfasst.
Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sensorelement oberhalb einer in dem das Sensorelement tragenden Substrat (1) ausgebildeten Kaverne (5) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer dotierten Halbleiterschicht (7') mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft; b) Auftragen einer dielektrischen Schicht (12) auf die Halbleiterschicht; c) Auftragen einer Passivierungsschicht (17) auf die dielektrische Schicht; d) Auftragen einer Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht (22) aus der Gasphase auf die Passivierungsschicht (17); e) Auftragen einer Maskierungsschicht (22) auf die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht (21), wobei vorbestimmte Bereiche der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht (21) von der Maskierungsschicht (22) nicht bedeckt werden; f) Ätzen der nicht durch die Maskierungsschicht (22) abgedeckten Bereiche der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht (21).
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht (21) mittels Sputtern, plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung und/oder niederdruck-chemischer Gasphasenabscheidung aufgetragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das Ätzen der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht (21) mittels eines Plasma-Ätzprozesses erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Ätzen der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht (21) im gleichen Verfahrensschritt wie das Ätzen eines Teils der dotierten Halbleiterschicht erfolgt.
Sensorarray für die ortsaufgelöste Detektion von Infrarotstrahlung, umfassend Sensorelemente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.