DE19645036B4

DE19645036B4 - Pyroelektrische Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE19645036B4
Application number: DE19645036A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Bruchhaus; Wolfgang Dr. Werner; Wolfram Wersing
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: DE19645036A1; US5939722A

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung mit einer auf einem Träger (1) ausgebildeten Vielzahl von zeilen- und spaltenweise ansteuerbaren Detektorelementen mit folgenden Schritten:
– Aufbringen einer Hilfsschicht (7) auf eine Hauptoberfläche (6) eines Trägers (1),
– Aufbringen einer mit wenigstens einer Öffnung (9) versehenen Membranschicht (10) auf die Hilfsschicht (7),
– Selektives Ätzen der Hilfsschicht (7) durch die wenigstens eine Öffnung (9) der Membranschicht (10) hindurch dergestalt, dass in der Hilfsschicht ein Hohlraum (8) entsteht,
– Verschließen des Hohlraumes (8) durch Aufbringen einer Abdeckung (12) auf die Membranschicht (10), und
– Ausbilden eines Detektorelementes auf der Abdeckung mit einem für Infrarotstrahlung sensitiven, pyroelektrischen Material (17), welches innerhalb eines durch den Hohlraum (8) begrenzten Abschnittes der Abdeckung (12) aufgetragen wird, wobei vor dem Auftragen des für Infrarotstrahlung sensitiven Materials (17) eine untere Elektrode (16) aufgebracht und nach dem Auftragen und Strukturieren des sensitiven Materials eine...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine pyroelektrische Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung und ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung.

Eine derartige pyroelektrische Detektoreinrichtung bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Detektoreinrichtung ist beispielsweise aus der US 3,801,949 bekannt geworden, bei der in einem Halbleitersubstrat eine Vielzahl von thermischen Detektorelementen ausgebildet ist, die jeweils mit einer gleichfalls im Substrat gefertigten Halbleiterschaltung elektrisch gekoppelt sind. Zur Abstützung der Detektorelemente wird über Öffnungen in dem Halbleitersubstrat eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht, welche einerseits im Hinblick auf einen möglichst hohen thermischen Widerstand in Richtung des Wärmeflusses entlang der Ebene der isolierenden Schicht ausreichend dünn ist, andererseits ausreichend dick sein muss, um eine selbsttragende mechanische Stabilität über die vergleichsweise großflächigen Öffnungen im Halbleitersubstrat zu gewährleisten. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht somit hauptsächlich darin, dass das für die Vollintegration zur Herstellung der Ausleseschaltkreisstrukturen erforderliche kristalline Silizium-Halbleitermaterial unterhalb der pyroelektrisch aktiven Elemente vollständig weggeätzt wird. Wegen der nur unzureichenden mechanischen Stabilität der zur Abstützung der Detektorelemente dienenden isolierenden Schicht eignet sich das vorbekannte Verfahren insbesondere bei einer größeren Anzahl von aktiven Elementen und entsprechend großflächiger Ausbildung der zu überdeckenden Öffnung allenfalls für Labormuster bzw. zu Entwicklungszwecken gefertigten Halbleiter-Detektoreinrichtungen für Infrarotstrahlung, jedoch nicht für eine in großen Stückzahlen brauchbare Fertigung mit den hierbei in aller Regel geforderten ausreichenden Ausbeuten.

Aus Lenggenhager et al, „Thermoelectric infrared sensors in CMOS technology", Sensors and Actuators A, 37-38 (1993) 216-220 ist ein IR-Detektor mit einer Auslegerstruktur („cantilever") bekannt geworden.

Eine ähnliche Cantilever-Anordnung für einen IR-Detektor ist aus der DE 44 18 207 C1 bekannt. Letztere zeigt darüber hinaus die aus der Oberflächenmikromechanik bekannte Technik der Ausbildung einer Membran über einer Opferschicht, die durch Öffnungen in der Membran (teilweise) entfernt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer pyroelektrischen Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung bzw. eine pyroelektrische Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung zur Verfügung zu stellen, welches bzw. welche eine Fertigung in Massenstückzahlen unter Gewährleistung der hierbei erforderlichen Ausbeuten und Zuverlässigkeitsanforderungen und gleichzeitig die Einbindung in bestehende Halbleiter-Prozess-Schritte, insbesondere CMOS-Prozess-Schritte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Halbleiter-Detektoreinrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.

Die Erfindung sieht vor, eine zur Ausbildung eines vollständig abgeschlossenen Hohlraums auf einem Träger, insbesondere einem einkristallinen Halbleitersubstrat aus Silizium, abgeschiedene Abdeckung und ein auf der Abdeckung das für Infrarotstrahlung sensitive, pyroelektrische Material des Detektorelementes anzuordnen, wobei sich das sensitive, pyroelektrische Material innerhalb eines durch den vollständig abgeschlossenen Hohlraum begrenzten Abschnittes auf der Abdeckung erstreckt. Dem Prinzip der Erfindung folgend ist der vollständig abgeschlossene Hohlraum evakuiert, so dass von Vorteil ein hoher thermischer Widerstand in Richtung zur einfallenden Wärmestrahlung gegeben ist, und damit die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung der Detektoreinrichtung für die zu messende Infrarotstrahlung verbessert wird. Eine ausreichende mechanische Stabilität ist auch bei hochauflösenden Detektoreinrichtungen mit Grundflächen des für Infrarotstrahlung sensitiven Materials von jeweils etwa 50 × 50 μm² und mehr und einer Anzahl der aktiven Detektorelemente von mehr als 100 × 100 Elementen gegeben. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung die technologische Einbindung der Herstellung der Detektoreinrichtung in bestehende Halbleiter-Prozesslinien zur Fertigung der für die Ansteue rung der Detektorelemente erforderlichen Mikroschaltkreise, die insbesondere in herkömmlicher CMOS-Technologie gefertigt werden. Hierbei kann die Fertigung der Detektorelemente mit dem für Infrarotstrahlung sensitiven, pyroelektrischen Material und die elektrische Ankopplung der Detektorelemente an die Mikroschaltkreise von Vorteil erst nach der vollständigen Herstellung der Mikroschaltkreise erfolgen, so dass bestehende und bewährte Technologieabläufe zur Fertigung der Mikroschaltkreise nicht wesentlich geändert werden müssen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, Siliziummaterial des Halbleitersubstrates unterhalb der pyroelektrisch aktiven Detektorelemente zu entfernen.

Das nach der vollständigen Fertigung der im Träger vermittels gängiger Halbleiter-Technologien gefertigten Mikroschaltkreise durchzuführende Verfahren zur Ausbildung der mit den Mikroschaltkreisen elektrisch zu koppelnden Detektorelemente für Infrarotstrahlung zeichnet sich durch folgende Schritte aus. Zunächst wird auf der Hauptoberfläche des Trägers eine Hilfsschicht aufgebracht, welche vorzugsweise aus einem Oxidmaterial besteht, und bei einer bevorzugten Ausführung in der Form einer ohnehin vorhandenen Feldoxid-Schicht vorliegt. Auf die Hilfsschicht wird danach eine mit wenigstens einer Öffnung versehene Membranschicht aufgebracht, die vorzugsweise aus Siliziumnitrid oder dergleichen Material besteht. Daran anschließend wird die Hilfsschicht durch die wenigstens eine Öffnung der Membranschicht hindurch selektiv dergestalt geätzt, vorzugsweise vermittels einem nass-chemischen Ätzprozess mit isotroper Komponente, dass in der Hilfsschicht ein Hohlraum entsteht. Durch geeignete Ausbildung und Anzahl der Öffnungen in der Membranschicht und/oder Einstellung des Ätzprozesses kann wenigstens ein Teil des Materials der Hilfsschicht zur Ausbildung einer oder auch mehrerer beabstandeter Abstützungen für die Membranschicht und/oder für die Abdeckung stehen gelassen werden, um insbesondere bei großflächigeren Detektorelementen eine ausreichende mechanische Stabilität der Detektorelemente zu gewährleisten. Daran anschlie ßend wird der Hohlraum durch Aufbringen einer Abdeckung auf die Membranschicht vollständig verschlossen, was vorzugsweise durch Auftragen vermittels eines CVD-Verfahrens (Chemical Vapor Deposition) eines geeigneten Materials erfolgen kann. von Vorteil erfolgt das Abscheiden des Materials für die Abdeckung in einer Vakuumapparatur, so dass bei diesem Fertigungsschritt der allseits abgeschlossene Hohlraum gleichzeitig evakuiert wird. Daran anschließend wird eine untere Elektrode vorzugsweise in der Form einer dünnen Platin-Schicht aufgebracht, es wird das für Infrarotstrahlung sensitive Material des Detektorelementes auf der unteren Elektrode abgeschieden, und zwar innerhalb eines durch den abgeschlossenen Hohlraum begrenzten Abschnittes der Abdeckung, und daran anschließend wird nach Anbringung eines Isolators seitlich am sensitiven Material eine obere Elektrode, vorzugsweise wiederum in der Form einer dünnen Platin-Schicht aufgetragen und strukturiert.

Von Vorteil kann das in einer vorgegebenen Dicke aufgebrachte Material der Abdeckung zum Verschließen des Hohlraums einem Temperaturschritt unterworfen werden, d.h. einem Verfließprozess oder einem Aushärtprozess. Nach diesem Schritt ist der Hohlraum mit einer Abdeckung von gleichmäßiger Schichtdicke verschlossen. Vorzugsweise wird als Material der Abdeckung ein dotiertes Glas (beispielsweise ein Bor-Phosphor-Silikat-Glas, sogenanntes BPSG) in einem CVD-Verfahren als Abdeckschicht aufgebracht und bei einer Temperatur von etwa 800 bis 1100° Celsius verflossen. Als Glas kann somit ein Bor- und/oder Phosphor-dotiertes Siliziumdioxid verwendet werden, wie es in üblichen CMOS-Prozessen zur Planarisierung der Oberfläche eingesetzt wird. Der Bor- bzw. Phosphor-Gehalt liegt typischerweise zwischen 1 % und 6 %. Ferner kann als Material der Abdeckung auch ein Polyimid eingesetzt werden, wie es zur Passivierung von Chips verwendet wird. Wie auch dort üblich, wird es aufgeschleudert und bei beispielsweise 300° Celsius ausgehärtet.

Durch die Anordnung der Öffnungen in der Membranschicht lässt sich leicht jede gewünschte Form und Fläche des Hohlraums bzw. der Abdeckung herstellen. Für die Herstellung von schmalen Kanälen als Hohlraum kann anstelle einer Lochreihe auch ein entsprechend langes Fenster in der Membranschicht verwendet werden, was dazu führt, dass die Seitenwände der Kanäle parallel zur Kanalrichtung ausgebildet werden.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hohlräume bzw. Abdeckungen sind sehr stabil und halten auch den bei der Montage im Plastikgehäuse auftretenden Verpressdrücken von bis zu 80 Bar stand. Gleichzeitig erfolgt die Herstellung mit einem mit Halbleiter-Technologien vollständig kompatiblen Verfahren, so dass Mikrosysteme problemlos herstellbar sind.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Die 1 bis 4 schematische Querschnitte durch ein Halbleitersubstrat im Bereich eines Detektorelementes, anhand derer die Schritte des Verfahrens erläutert werden.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung nach der Fertigung der in einem Träger oder Substrat 1 in üblicher CMOS-Technologie gefertigten Mikroschaltkreise in Form eines beispielhaft dargestellten MOS-Transistors 2 mit einem Sourcebereich 3, einem Drainbereich 4, sowie einem Gatebereich 5. Auf der Hauptoberfläche 6 des Trägers 1 ist eine Feldoxidschicht 7 bzw. 7a angeordnet, wobei der Bereich 7 als Hilfschicht zur Ausbil dung eines Hohlraums 8 dient. Hierzu wird eine strukturierte und mit Öffnungen 9 versehene Membranschicht 10 aus Polysilizium mit einer beispielhaften Stärke von etwa 0,2 μm angeordnet. In vorteilhafter Weise wird das Material der Membranschicht 10 zugleich mit der Ausbildung des ebenfalls aus Polysilizium bestehenden Gateelektrodenbereiches 10a abgeschieden. Durch eine nass-chemische Ätzung vermittels Fluss-Säure wird die Hilfsschicht 7 selektiv geätzt, so dass ein Hohlraum 8 entsteht, wobei die Anordnung und Abmessung des Hohlraums 8 durch die Größe, Anzahl und Anordnung der Öffnungen 9 eingestellt wird. Von Vorteil kann hierbei wenigstens ein Teil des Materials der Hilfsschicht 7 zur Ausbildung einer Abstützung 11 für die Membranschicht 10 stehen gelassen werden.
Gemäß 2 wird nachfolgend ein fließfähiges Material in Form von BPSG 12 aufgebracht und im Vakuum bei einer Temperatur von beispielsweise 900° Celsius aufgeschmolzen. Bei diesem Schritt wird gleichzeitig der Hohlraum 8 evakuiert und verschlossen. Es folgt ein Metallisierungsschritt, bei dem gemäß 3 Metallbahnen 13, 14 aus beispielsweise Aluminium für den elektrischen Anschluss der Transistorelektroden 3, 4 angeordnet werden. Diesem Schritt können sich weitere, aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht näher dargestellten Fertigungsschritte zur Ausbildung zusätzlicher Metallisierungs- bzw. Verdrahtungsebenen anschließen. Abschließend kann in an sich bekannter Weise eine Passivierungsschicht 15 aus vorzugsweise Nitrid vorgesehen sein, welche gemäß 4 ebenfalls lediglich schematisch angedeutet ist.
Zur Fertigung eines für IR-Strahlung empfindlichen Detektorelementes wird (gegebenenfalls nach einer Freilegung der fertiggestellten Oberflächenstruktur des Bauelementes) eine Platin-Schicht 16 aufgetragen und dergestalt strukturiert, dass eine elektrische Kopplung mit der Metallisierungsbahn 14 und damit ein elektrischer Anschluss an den Drainbereich 4 des Transistors 2 bewerkstelligt wird. Auf der unteren Elektrode 16 wird das pyroelektrische Material 17, bestehend aus PZT (Bleizirkonattitanat) vermittels einer Dünnschichtmethode, vorzugsweise Sputtern oder einer CVD- oder Sol-Gel-Methode aufgebracht und strukturiert, und zwar dergestalt, dass das für Infrarotstrahlung sensitive Material 17 innerhalb eines durch den Hohlraum 8 begrenzten Abschnittes der Abdeckung 10 bzw. 12 angeordnet ist. Anschließend wird die untere Elektrode strukturiert, eine obere Elektrode 19 in Form einer 20 nm dicken CrNi-Schicht auf der aktiven Oberfläche des pyroelektrischen Materials 17 aufgebracht und seitlich an das pyroelektrische Material 17 ein Isolator 18 angebracht. Über diesen Isolator 18 wird eine Elektrodenverstärkung 20 (beispielsweise eine 450 nm starke Goldschicht) aufgebracht, und mit einer metallischen Zeilenleitung 21 verbunden, an welche wiederum die Gateelektroden 10a der Transistoren 2 einer Ansteuerschaltung elektrisch angeschlossen sind. Die Halbleiter-Detektoreinrichtung besteht sonach aus einer Vielzahl von zeilen- und spaltenweise ansteuerbaren Detektorelementen. Für eine hochauflösende Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung beträgt die Grundfläche des pyroelektrischen Materials 17 eines Elementes etwa 50 × 50 μm², die Zahl der aktiven Elemente typischerweise mehr als 100 × 100 Elemente. Bei einer Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung mit einer geringen Auflösung reicht unter Umständen eine geringere Anzahl von aktiven Elementen, etwa 10 × 10 oder 20 × 20 Detektorelemente (Pixel) aus.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung mit einer auf einem Träger (1) ausgebildeten Vielzahl von zeilen- und spaltenweise ansteuerbaren Detektorelementen mit folgenden Schritten: – Aufbringen einer Hilfsschicht (7) auf eine Hauptoberfläche (6) eines Trägers (1), – Aufbringen einer mit wenigstens einer Öffnung (9) versehenen Membranschicht (10) auf die Hilfsschicht (7), – Selektives Ätzen der Hilfsschicht (7) durch die wenigstens eine Öffnung (9) der Membranschicht (10) hindurch dergestalt, dass in der Hilfsschicht ein Hohlraum (8) entsteht, – Verschließen des Hohlraumes (8) durch Aufbringen einer Abdeckung (12) auf die Membranschicht (10), und – Ausbilden eines Detektorelementes auf der Abdeckung mit einem für Infrarotstrahlung sensitiven, pyroelektrischen Material (17), welches innerhalb eines durch den Hohlraum (8) begrenzten Abschnittes der Abdeckung (12) aufgetragen wird, wobei vor dem Auftragen des für Infrarotstrahlung sensitiven Materials (17) eine untere Elektrode (16) aufgebracht und nach dem Auftragen und Strukturieren des sensitiven Materials eine obere Elektrode (19) aufgebracht und strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Hohlraum (8) bei dem Fertigungsschritt des Auftragens der Abdeckung (12) evakuiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Hohlraum (8) mit einem Ätzprozess mit isotroper Komponente hergestellt wird, und wenigstens ein Teil des Materials der Hilfsschicht (7) zur Ausbildung einer Abstützung (11) für die Membranschicht (10) und/oder Abdeckung (12) stehen gelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Träger (1) ein Halbleitersubstrat aufweist, und in der Haupt- Oberfläche (6) des Halbleitersubstrates außerhalb des durch den Hohlraum (8) begrenzten Abschnittes eine mit dem Detektorelement elektrisch gekoppelte Halbleiterschaltung (2) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zur elektrischen Isolation von unterer (16) und oberer Elektrode (19) ein seitlich am sensitiven Material angebrachter Isolator (18) aufgetragen und strukturiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das für Infrarotstrahlung sensitive, pyroelektrische Material des Detektorelementes Bleizirkonattitanat, Triglycinsulfat, Triglycinfluoberyllat, Strontiumbariumniobat, oder Polyvinylidenfluorid aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zur Ausbildung des abgeschlossenen Hohlraums (8) auf dem Träger (1) angeordnete Abdeckung (12) ein thermisch isolierendes Material wie Polysilizium oder Nitrid oder ein Glas wie Phosphorglas oder eine Kombination dieser Materialien aufweist.
Halbleiter-Detektoreinrichtung für Infrarotstrahlung mit einer auf einem Träger (1) ausgebildeten Vielzahl von zeilen- und spaltenweise ansteuerbaren Detektorelementen mit einer zur Ausbildung eines vollständig abgeschlossenen Hohlraums (8) auf dem Träger (1) angeordneten Abdeckung (12), auf welcher die Detektorelemente mit einem für Infrarotstrahlung sensitiven, pyroelektrischen Material (17) innerhalb von durch. den Hohlraum (8) begrenzten Abschnitten und zwischen einer unteren Elektrode (16) und einer oberen Elektrode (19) ausgebildet sind.
Halbleiter-Detektoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Abdeckung (12) abgeschlossene Hohlraum (8) evakuiert ist.
Halbleiter-Detektoreinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) ein Halbleitersubstrat aufweist, auf dessen Hauptoberfläche (6) der Hohlraum (8) vermittels einer mit wenigstens einer Öffnung (9) versehenen Membranschicht (10) gebildet ist.
Halbleiter-Detektoreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hauptoberfläche (6) des Halbleitersubstrates außerhalb des durch den Hohlraum (8) begrenzten Abschnittes eine mit dem Detektorelement elektrisch gekoppelte Halbleiterschaltung (2) ausgebildet ist.
Halbleiter-Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das für Infrarotstrahlung sensitive, pyroelektrische Material des Detektorelementes ein Bleizirkonattitanat, Triglycinsulfat, Triglycinfluoberyllat, Strontiumbariumniobat, oder Polyvinylidenfluorid aufweist.
Halbleiter-Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ausbildung des abgeschlossenen Hohlraums (8) auf dem Träger (1) angeordnete Abdeckung (12) ein thermisch isolierendes Material wie Polysilizium oder Nitrid oder ein Phosphorglas oder eine Kombination dieser Materialien aufweist.
Halbleiter-Detektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch eine innerhalb des abgeschlossenen Hohlraums (8) ausgebildete Abstützung (11) für die Abdeckung.