DE19843984A1 - Verfahren zur Herstellung eines Strahlungssensors - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines StrahlungssensorsInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors auf einem Halbleitersubstrat (1), mit den Schritten DOLLAR A - Festlegen wenigstens eines Bereichs (12) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, wo eine Aussparung (4) im Halbleitersubstrat (12) geschaffen werden soll, DOLLAR A - Abscheiden einer Membran (13) auf der Oberfläche, DOLLAR A - Aufbringen eines Strahlungsabsorbers (5) auf der Membran (13) im festgelegten Bereich (12), DOLLAR A - Aufbringen von Thermoelementen (6) mit einem heißen Kontakt in thermischem Kontakt mit dem Strahlungsabsorber (5) und einem kalten Kontakt (7) in thermischem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat (1), ist vorgesehen, daß eine Öffnung in der Membran (13) in dem festgelegten Bereich (12) gebildet und das Halbleitersubstrat (1) durch die Öffnung hindurchgeätzt wird.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung
von Strahlungssensoren, insbesondere für Infrarot
strahlung, mit einem Absorber für die zu messende
Strahlung und einer Mehrzahl von Thermoelementen
zum Messen einer durch die absorbierte Strahlung
verursachten Erwärmung des Strahlungsabsorbers, die
auf einem Halbleitersubstrat integriert sind. Die
Verfahren sind insbesondere anwendbar zur Herstel
lung von Strahlungsabsorbern mit einer Vielzahl von
in geringem Abstand auf einem Substrat integrierten
Sensorelementen.
Ein solcher Strahlungssensor mit mehreren Sensor
elementen und ein Verfahren zu seiner Herstellung
sind z. B. aus I.H. Choi und K.d. Wise, "A Linear
Thermopile Infrared Detector Array With On-Chip
Multiplexing", IEEE Trans Electron. Devices 9/85,
S. 132 bis 135, bekannt. Dieser Aufsatz beschreibt
ein Verfahren, bei dem in ein <100<-orientiertes
Siliziumsubstrat in einem ringförmigen Muster Bor
von der Vorderseite her eindiffundiert wird, eine
Membran aus SiO2 und Si3N4 an der Vorderseite er
zeugt wird und dann von der Rückseite des Substrats
her durch anisotropes Naßätzen Öffnungen durch das
Substrat gebohrt werden. Diese Öffnungen münden an
der Vorderseite des Substrats innerhalb der ring
förmigen, mit Bor dotierten Bereiches. Es entstehen
so Öffnungen im Substrat, die lediglich durch die
dünne Membran verschlossen sind. In jeder dieser
Öffnungen ist auf der Membran ein Strahlungsabsor
ber gebildet. Eine Mehrzahl von in Reihe geschalte
ten Thermoelementen hat jeweils einen heißen Kon
takt in der Nähe des Strahlungsabsorbers und einen
kalten Kontakt auf dem verbliebenen Silizium
substrat, das als eine Wärmesenke fungiert.
Dieses bekannte Herstellungsverfahren hat eine Rei
he von Nachteilen. Die Anisotropie des Naßätzens
kommt dadurch zustande, daß der Ätzvorgang an un
terschiedlichen Kristallflächen des verwendeten Si
liziumsubstrats mit unterschiedlichen Geschwindig
keiten abläuft. Die Ätzgeschwindigkeit ist am ge
ringsten an einer Oberfläche mit
<111<-Orientierung. Deshalb bildet sich beim Naßätzen ei
ner <100<-Oberfläche durch eine Öffnung in einer
Maske eine Vertiefung in der Oberfläche, deren Sei
tenwände <111<-Orientierungen aufweisen und unter
einem Winkel von ca. 54° zur <100<-Oberfläche ste
hen. Die Bodenfläche der entstehenden Vertiefung
wird um so kleiner, je weiter der Ätzvorgang in die
Tiefe des Materials voranschreitet, und kommt in
einer Tiefe, in der gegenüberliegende Wände der
Vertiefung aneinanderstoßen, praktisch zum Stehen.
Um eine kleine Öffnung in Höhe der Membran zu er
zeugen, muß deshalb auf der gegenüberliegenden Sei
te des Substrats eine Maske mit einer erheblich
größeren Öffnung gebildet werden.
Schwankungen der Dicke zwischen verschiedenen
Substraten oder auch innerhalb eines Substrats wir
ken sich aufgrund der schrägen Orientierung der
Wände kritisch auf die Abmessungen der an der Mem
bran erhaltenen Öffnung aus. Öffnungen mit Abmes
sungen, die klein im Verhältnis zur Substratdicke
sind, sind äußerst schwierig exakt zu erzeugen, da
sich Schwankungen in der Dicke des Substrats stark
auf ihre Größe auswirken.
Diesem Problem wird in der zitierten Schrift durch
den eindiffundierten Ring aus Bor entgegengewirkt.
Das bordotierte Material wird beim Ätzen nicht an
gegriffen, so daß die Maskenöffnung an der Rücksei
te des Substrats größer gewählt werden kann, als in
Anbetracht der Kristallgeometrie des Substrats nö
tig wäre, um eine gegebene Öffnungsgröße an der
Membran zu erhalten. Die Größe der fertigen Öffnung
ist dann festgelegt durch den Durchmesser des undo
tierten Bereichs innerhalb des bordotierten Rings.
Folge dieses Verfahrens ist aber unvermeidlicher
weise, daß ein Teil der Rückseite des ins Substrat
eindiffundierten bordotierten Rings freigelegt
wird, so daß die Dicke des Substrats in unmittelba
rer Nähe der Öffnung nach dem Ätzen durch die Dicke
des Rings bestimmt ist. Diese beträgt nur ca. 20
µm. Eine größere Dicke des Rings wäre zwar erreich
bar, doch nur durch lange Diffusionszeiten bei sehr
hohen Prozeßtemperaturen. So ergibt sich das Pro
blem, daß beim fertigen Infrarotsensor der bordo
tierte Ring mehr oder weniger stark durch den Ätz
vorgang unterhöhlt sein kann und damit die Qualität
der Wärmeübertragung von den kalten Kontakten des
Thermoelements über den Ring in das massive Silizi
umsubstrat streuen kann, was zu systematischen Meß
fehlern führen kann.
Ein weiterer Strahlungssensor mit einem Silizium
substrat, einem auf einer Membran über einer Öff
nung in dem Substrat angeordneten Strahlungsabsor
ber und einer Mehrzahl von Thermoelementen mit ei
nem heißen Kontakt in der Nähe des Strahlungsabsor
bers und einem kalten Kontakt auf dem Silizium
substrat ist aus DE 41 02 524 A1 bekannt. Auch bei
diesem Sensor divergieren die Wände der Öffnung zur
von der Membran abgewandten Seite des Substrats hin
in der für das anisotrope Naßätzen charakteristi
schen Weise. Der Durchmesser der Öffnung ist we
sentlich größer als die Dicke des Substrats.
Mit der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zur
Herstellung von Strahlungssensoren geschaffen, die
es erlauben, Strahlungssensoren mit genau reprodu
zierbaren Eigenschaften herzustellen, und die fer
ner die Herstellung von Strahlungssensoren mit ei
ner Mehrzahl von einzelnen Sensorelementen gestat
ten, die in geringer, von der Dicke des verwendeten
Substrats unabhängiger Entfernung voneinander ange
ordnet sein können.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung werden die
se Vorteile erreicht durch die Schritte des Bildens
einer Öffnung in der Membran in dem festgelegten
Bereich und des Ätzens des Halbleitersubstrats
durch diese Öffnung hindurch. Diese Öffnung liefert
die Möglichkeit, den unterhalb des Strahlungsabsor
bers benötigten Hohlraum von der Vorderseite des
Substrats her zu erzeugen, so daß die Notwendigkeit
entfällt, in einem langwierigen Prozeß das gesamte
Substrat durchzuätzen. Dadurch entfallen mögliche
Fehlerquellen bei der sonst notwendigen Positionie
rung der Ätzmaske an der Rückseite des Substrats im
Verhältnis zur Position des Strahlungsabsorbers; es
besteht keine Gefahr, daß Randbereiche der Öffnung,
wo kalte Kontakte der Thermoelemente angebracht
werden können, weitgehend hinterätzt und damit im
schlechten Wärmekontakt mit dem massiven Silizium
substrat sind, und da sich in geringen Abstand un
terhalb des Strahlungsabsorbers massives ungeätztes
Halbleitermaterial befinden kann, wird die Masse
der durch das Halbleitermaterial gebildeten Wärme
senke insgesamt vergrößert.
Gemäß einer ersten Variante des Verfahrens wird vor
dem Abscheiden der Membran das Halbleitermaterial
dort, wo eine Aussparung darin geschaffen werden
soll, porös gemacht. Dies kann durch eine anodische
Oxidation, z. B. mit einem HF-Elektrolyten, in ei
nem elektrochemischen Prozeß erreicht werden, in
dem der Wafer anodisch gegenüber dem Elektrolyten
geschaltet wird. Dieser porös gemachte Bereich kann
dann in dem späteren Ätzschritt selektiv herausge
ätzt werden.
Dieser Ätzschritt findet vorzugsweise statt, nach
dem die Membran abgeschieden und auf der Membran
die Thermoelemente strukturiert worden sind.
Zum Festlegen des auszusparenden Bereichs wird in
diesem Fall die Oberfläche des Halbleitersubstrats
vorzugsweise mit einer Schutzschicht maskiert, die
aus einem gegen das zum Porösmachen des Halbleiters
verwendete Mittel beständigen Material besteht.
Dieses Material kann z. B. Chrom oder Gold sein.
Alternativ kann die Festlegung des auszusparenden
Bereichs dadurch erfolgen, daß nicht auszusparende
Bereiche der Oberfläche des Halbleitersubstrats
niedrig n-dotiert (n--dotiert) werden, so daß sie
im Gegensatz zu dem p-dotierten Substrat sowie
eventuellen n++-dotierten Bereichen desselben von
dem zum Porösmachen des Halbleiters verwendeten
Mittel nicht angegriffen werden. Der Ätzschritt,
der sich an das Porösmachen anschließt, kann ein
herkömmlicher Naßätzschritt sein.
Vor dem Ätzschritt werden vorzugsweise auf der ab
geschiedenen Membran die Thermoelemente struktu
riert.
Eine spezielle Maskierung für den Ätzschritt ist
nicht erforderlich, wenn das herauszuätzende Mate
rial durch Porösmachen vorbereitet worden ist.
Gemäß einer zweiten Variante des Verfahrens ist
keine Vorbereitung des auszusparenden Bereichs
durch Porösmachen erforderlich, stattdessen erfolgt
die Festlegung des auszusparenden Bereichs allein
durch das Bilden der Öffnung in der Membran. Die
Aussparung kann dann in einfacher Weise durch
isotropes Ätzen des hinter der Öffnung liegenden
Bereichs des Substrats erfolgen.
Dieses isotrope Ätzen kann erfolgen durch elektro
chemisches Anodisieren und anschließendes Auflösen,
durch direktes elektrochemisches Auflösen oder
durch isotrop agierende Naßätzen, zum Beispiel HNA
(HF + HNO3 + CH3COOH).
Bei dieser zweiten Variante sind allerdings Troc
kenätzverfahren bevorzugt, etwa ein Plasmaätzen
oder ein spontanes Trockenätzen, da gasförmige Ätz
medien leichter in den auszusparenden Bereich hin
ter der Öffnung eindringen können als flüssige, und
weil der Stoffaustausch durch die Öffnung effekti
ver ist.
Zum Plasmaätzen kommen insbesondere Plasmen von F2
in Ar, SF6 oder NF3 in Frage.
Zum spontanen Trockenätzen können Gase wie XeF2,
ClF3 oder BrF3 verwendet werden, die bei Kontakt mit
Silizium dieses sofort spontan und in heftiger Re
aktion in Form von flüchtigem SiF4 abtragen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein
Verfahren zur Herstellung eines Strahlungssensors
auf einem Halbleitersubstrat mit den Schritten
Festlegen wenigstens eines Bereichs auf einer er
sten Oberfläche des Substrats, in dem eine Öffnung
im Substrat geschaffen werden soll,
Abscheiden einer Membran auf der ersten Oberfläche des Substrats,
Aufbringen eines Strahlungsabsorbers auf der Mem bran,
Aufbringen von Thermoelementen mit einem heißen Kontakt in thermischen Kontakt mit dem Strahlungs absorber und einem kalten Kontakt in thermischen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat, und
Auftragen einer Maske auf einer der ersten Oberflä che gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Halb leitersubstrats (der sogenannten Rückseite), da durch gekennzeichnet, daß die Maske für jeden fest gelegten Bereich eine mit diesem Bereich kongruente Öffnung aufweist, und daß die zweite Oberfläche anisotrop trockengeätzt wird, bis das Si-Substrat in den festgelegten Bereichen abgetragen ist.
Abscheiden einer Membran auf der ersten Oberfläche des Substrats,
Aufbringen eines Strahlungsabsorbers auf der Mem bran,
Aufbringen von Thermoelementen mit einem heißen Kontakt in thermischen Kontakt mit dem Strahlungs absorber und einem kalten Kontakt in thermischen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat, und
Auftragen einer Maske auf einer der ersten Oberflä che gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Halb leitersubstrats (der sogenannten Rückseite), da durch gekennzeichnet, daß die Maske für jeden fest gelegten Bereich eine mit diesem Bereich kongruente Öffnung aufweist, und daß die zweite Oberfläche anisotrop trockengeätzt wird, bis das Si-Substrat in den festgelegten Bereichen abgetragen ist.
Geeignete anisotrope Trockenätzverfahren sind in
DE 42 41 045 beschrieben. Die dort behandelten
Plasmaätzprozesse erlauben die Erzeugung von Öff
nungen im Halbleitersubstrat mit zu dessen Oberflä
che nahezu senkrechten Wänden, so daß die Notwen
digkeit entfällt, Öffnungen in der Ätzmaske auf der
zweiten Oberfläche des Substrats durch Einbezug von
Vorhalten wesentlich größer zu machen als die spä
teren fertigen Öffnungen im Substrat in Höhe der
Membran. Hierdurch werden nicht nur mögliche Feh
lerquellen bei der Erzeugung und Positionierung der
Maske ausgeschaltet, es ergibt sich auch die Mög
lichkeit, die einzelnen Öffnungen in einem wesent
lich geringeren Abstand voneinander anzuordnen, der
nicht mehr zwangsläufig von der Dicke des Substrats
abhängig ist. Die Querschnittsabmessungen der Öff
nungen im Halbleitersubstrat sind nämlich über die
Dicke des Substrats hinweg konstant, so daß keine
Flächenverluste auftreten und eine dichte Packung
der Öffnungen möglich ist.
Es ist ohne weiteres möglich, eine Öffnung in einem
Substrat von bis zu 700 µm Dicke allein durch ani
sotropes Trockenätzen wie in der genannten Schrift
beschrieben zu erzeugen.
Gemäß zweier vorteilhafter Ausgestaltungen des Ver
fahrens werden allerdings die Öffnungen in zwei
Schritten erzeugt.
Bei der ersten Ausgestaltung wird zunächst eine zu
sammenhängende Fläche des Substrat mittels Ätzen
abgetragen, um so erst die zweite Oberfläche zu er
zeugen, auf der die eigentliche Ätzmaske aufgetra
gen wird. Für die Abtragung kann ein beliebiges,
vorzugsweise schnelles Ätzverfahren eingesetzt wer
den.
Alternativ kann das Trockenätzen selber in zwei
Schritte unterteilt werden, wobei in einem ersten
Schritt nur in den kongruenten Öffnungen der Maske
und anschließend auf einer zusammenhängenden Fläche
geätzt wird, die mehrere der kongruenten Öffnungen
enthält. Die kongruenten Öffnungen erhalten durch
den ersten Schritt gewissermaßen einen "Vorsprung"
vor der sie umgebenden zusammenhängenden Fläche,
der in dem sich anschließenden Schritt des Ätzens
der zusammenhängenden Fläche erhalten bleibt.
Ergebnis beider Verfahren ist ein Substrat mit ei
ner zusammenhängenden eingetieften Fläche an der
hinteren Oberfläche des Substrats und mehreren Öff
nungen, die sich von der Fläche bis zur Membran an
der vorderen Oberfläche des Substrats erstrecken.
Die einzelnen Öffnungen sind durch Stege aus Halb
leitermaterial getrennt, deren Dicke zwar nicht die
des ursprünglichen Substrats ist, die aber für jede
einzelne Öffnung konstant und reproduzierbar ist
und so für jeden einzelnen in einer solchen Öffnung
angeordneten Strahlungsabsorber eine einheitliche
thermische Anbindung an die durch das Halbleiter
substrat gebildete Wärmesenke bildet.
Um eine wirksame Wärmesenke zu bilden, sollten die
Stege aus Halbleitermaterial wenigstens eine Stärke
von 50 µm haben. Bis zu dieser Tiefe sollte also
das Ätzen in den kongruenten Öffnungen wenigstens
gehen. Da bei hohem Aspektverhältnis der Öffnungen
der Abtransport von abgeätztem Material aus den
Öffnungen zunehmend schwieriger wird und außerdem
dann bei Erreichen der Membran die Gefahr von Not
ching an der Grenzfläche zwischen Halbleiter
substrat und Membran besteht, kann es zweckmäßig
sein, die Tiefe des Ätzens in den kongruenten Öff
nungen zu begrenzen, beispielsweise auf einen Wert
von 100 oder 200 µm.
Für das zweischrittige Trockenätzen wird vorzugs
weise eine zweischichtige Maske verwendet, wobei in
einer ersten Maskierschicht eine der zusammenhän
genden Fläche entsprechende Öffnung gebildet ist
und die zweite Schicht die kongruenten Öffnungen
enthält. Beim Übergang zwischen den zwei Ätzschich
ten braucht dann lediglich die zweite Schicht der
Maske selektiv abgetragen zu werden. Eine günstige
Kombination ist zum Beispiel die Verwendung von
Photolackmaskierung und SiO2 als Hartstoffmaske
oder ein Nitrid-Oxid-Schichtsystem, wie es in der
DE 41 29 206 beschrieben ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus den nachfolgenden Beschreibungen von Aus
führungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines einzelnen
Sensorelements eines gemäß der Erfindung herge
stellten Strahlungssensors;
Fig. 2 verschiedene Schritte eines erfindungsgemä
ßen Herstellungsverfahrens, bei dem ein Halbleiter
substrat von der Vorderseite her strukturiert wird;
Fig. 3 Schritte eines zweiten Herstellungsverfah
rens, bei dem das Halbleitersubstrat von der Vor
derseite her strukturiert wird;
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch einen
Strahlungssensor mit mehreren Sensorelementen, her
gestellt nach einem Verfahren bei dem das Halblei
tersubstrat von der Rückseite her strukturiert
wird;
Fig. 5 Schritte einer ersten Ausgestaltung eines
Herstellungsverfahrens durch Rückseitenstrukturie
rung gemäß der Erfindung; und
Fig. 6 Schritte einer zweiten Ausgestaltung eines
solchen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Sensor
elements eines Strahlungssensors, so wie er nach ei
nem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
Der vollständige Sensor umfaßt eine rasterartige
Anordnung einer Vielzahl der in der Figur gezeigten
Elemente, jeweils durch Stege aus Substratmaterial
getrennt. Ein Halbleitersubstrat 1 aus Silizium
trägt an seiner Oberfläche dünne Schichten 2 aus
SiO2 und aus Si3N4 3, die sich als eine dünne Mem
bran über einer Aussparung 4 in dem Halbleiter
substrat 1 erstrecken. Die Aussparung 4 kann sich
als eine Öffnung durch die gesamte Dicke des Halb
leitersubstrats 1 erstrecken. Wenn der Sensor nach
einem der nachfolgend mit Bezug auf Fig. 2 oder 3
beschriebene Verfahren hergestellt ist, kann die
Aussparung 4 auch lediglich eine Vertiefung in ei
nem ansonsten massiven Substrat sein.
Ein Strahlungsabsorber 5 ist auf dcsr Membran über
der Aussparung 4 angeordnet. Er ist mit dem Halb
leitersubstrat 1 im wesentlichen nur durch die dün
ne Membran verbunden, die aus relativ schlecht wär
meleitenden Materialien besteht, und ist so gegen
eine vom Substrat 1 gebildete Wärmesenke thermisch
isoliert.
Der Strahlungsabsorber 5 besteht aus einem Materi
al, das eintreffende Strahlung in einem möglichst
großen Spektralbereich möglichst vollständig absor
biert, wie etwa ultrafeinen Goldteilchen. Wenn
Strahlung auf die Oberfläche des Sensors trifft,
erwärmt sich der Absorber 5 aufgrund seiner hohen
Absorptionsfähigkeit, seiner geringen Dicke und der
thermischen Isolierung deutlich stärker als das die
Aussparung 4 umgebende Halbleitersubstrat 1.
Eine Mehrzahl von Thermoelementen 6 erstreckt sich
zwischen sogenannten "kalten" Kontakten, die über
dem Halbleitersubstrat 1 in thermischen Kontakt mit
diesem angeordnet sind, und "heißen" Kontakten, die
beim gezeigten Sensor von dem Strahlungsabsorber 5
bedeckt und deshalb nicht sichtbar sind. Die heißen
Kontakte stehen in gut wärmeleitendem Kontakt mit
dem Strahlungsabsorber 5, sind aber nicht durch
diesen elektrisch leitend miteinander verbunden.
Die einzelnen Thermoelemente 6 sind zum Beispiel in
aus der bereits zitierten DE 41 02 524 A1 bekannter
Weise in Reihe geschaltet, so daß als Meßsignal für
die Temperaturdifferenz zwischen Strahlungsabsorber
5 und Substrat 1 eine Spannung erhalten wird, die
das n-fache der an einem einzelnen Thermoelement 6
erzeugten Thermospannung ist, wobei n die Zahl der
in Reihe geschalteten Thermoelemente 6 ist. Die er
haltene Meßspannung kann mit Hilfe von auf dem
gleichen Halbleitersubstrat 1 integrierten Schal
tungen weiterverarbeitet oder, wie im hier gezeig
ten Fall, über Kontaktpads 8, 9 abgegriffen werden.
Fig. 2 zeigt verschiedene Stadien der Herstellung
eines Strahlungssensors wie des in Fig. 1 gezeig
ten nach einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren.
Stadium a zeigt das Siliziumsubsstrat 1 mit einer
auf die Oberfläche aufgedampften Schutzschicht 10
aus Gold oder Chrom. Diese Substratoberfläche wird
einer anodischen Oxidation in einem HF-Elektrolyten
unterzogen. Die Schutzschicht 10 ist gegen den An
griff des Elektrolyten beständig, das in einem Fen
ster 11 der Schutzschicht freiliegende Silizium des
Substrats 1 hingegen nicht. Dieses wird im Laufe
einer anodischen Oxidation in einem elektrochemi
schen Prozeß angegriffen. Dabei ist das Substrat
zum Elektrolyten anodisch, das heißt positiv vorge
spannt, und der Elektrolyt ist mit dem negativen
Pol einer Stromquelle verbunden. Dadurch bildet
sich auf der Oberfläche des Substrats 1 ein poröser
Bereich 12, dessen Dicke und Struktur von der Dauer
der Anodisierungsbehandlung und von Prozeßparame
tern wie Flächenstromstärke, Konzentration des
Elektrolyten etc. abhängt. Der Angriff erfolgt
isotrop, so daß sich der poröse Bereich 12 auch in
einer Randzone unterhalb der Schutzschicht 10 er
streckt. Fig. 2b zeigt den Zustand des Substrats
nach Abschluß dieser Behandlung.
Anschließend wird die Schutzschicht 10 abgetragen,
die ihre Aufgabe erfüllt hat, und eine Membran 13,
die wie in Fig. 1 gezeigt, z. B. aus SiO2- und
Si3N4-Schichten bestehen kann, wird auf der Substratober
fläche einschließlich des porösen Bereichs 12 auf
getragen, z. B. mit Hilfe von CVD-Verfahren, wie in
Fig. 2c gezeigt. Anschließend werden auf der Mem
bran 13 der Strahlungsabsorber 5 und Thermoelemente
6 abgeschieden. Dabei sind die Thermoelemente so
angeordnet, daß ihr heißer Kontakt den Strahlungs
absorber 5 berührt und der kalte Korntakt über einem
nicht durch die anodische Oxidation angegriffenen
Bereich der Substratoberfläche liegt (siehe Fig.
2d). Zur Vorbereitung eines darauf folgenden Ätz
schrittes können der Strahlungsabsorber 5 und die
Thermoelemente 6 mit einer (nicht gezeigten)
Schutzschicht abgedeckt werden.
Vor oder nach dem Aufbringen des Strahlungsabsor
bers und der Thermoelemente wird die Membran 13
strukturiert, um durch eine darin gebildete Öffnung
das poröse Silizium in dem Bereich 12 für den An
griff eines Ätzmediums zugänglich zu machen.
Das Ätzen kann ein Naßätzen, z. B. mit verdünnter
KOH, NaOH, Ammoniak oder TMAH (W) sein. Die Porösi
tät des Materials begünstigt das Eindringen des
Ätzmediums und das Fortschreiten des Ätzvorgangs,
so daß in kurzer Zeit eine Aussparung 4 an der
Stelle des porösen Siliziums erzeugt werden kann.
Anstelle des Naßätzens kommen auch Trockenätzver
fahren wie z. B. eine isotrope Plasmaätzung in ei
nem Fluorplasma in Frage, wo in einer Plasmaentla
dung Fluorradikale erzeugt werden, welche Silizium
isotrop ätzen. Hierfür eignet sich beispielsweise
ein Plasma von SF6 oder NF3 oder von reinem Fluor
(F2 in Argon). Nicht zu ätzende Bereiche der
Substratoberfläche können, sofern sie nicht bereits
durch die Membran gegen den Angriff des Ätzplasmas
geschützt sind, durch Photoresists, Negativlack
oder Siliziumoxidschichten abgedeckt werden.
Alternativ zur Plasmaätztechnik ist es auch mög
lich, sogenannte spontan ätzende Chemien einzuset
zen, um ausgehend von den Membrandurchgangsöffnun
gen das Silizium darunter weiträumig zu entfernen
und so freistehende Membranbereiche zu erzeugen.
Hierzu bedient man sich vorteilhaft Gasen wie z. B.
Xenondifluorid (XeF2), Chlortrifluorid (ClF3) oder
Bromtrifluorid (BrF3). Alle diese Gase werden von
Siliziumoberflächen absorbiert, spalten dort spon
tan, d. h. ohne externe Einwirkung von Ionen oder
Elektronen Fluorradikale ab, welche Silizium spon
tan, d. h. isotrop, ätzen und so die Aussparungen
unter der Membran schaffen können. Es genügt hier
für, freie Siliziumflächen in Kontakt mit einem
dieser Gase zu bringen, und die spontane isotrope
Ätzung von Silizium setzt sofort und ohne äußere
Unterstützung ein. Dabei können Ätzraten von eini
gen 10 µm pro Minute erreicht werden, was es ermög
licht, die benötigte Aussparung in kurzer Zeit zu
schaffen. Diese Gase sind sehr selektiv gegenüber
Maskierschichten wie z. B. Photoresist, Silizium
oxid und anderen Schutzschichten, die sich zur
Maskierung von nicht zu ätzenden Sensorbereichen
zusätzlich auf dem Substrat befinden können.
Die Fig. 3a bis 3d zeigen Schritte eines alter
nativen Verfahrens zur Herstellung von Aussparungen
in einem Siliziumsubstrat unterhalb einer Membran.
In dem in Fig. 3 gezeigten Halbleitersubstrat 1
aus z. B. mit einer Leitfähigkeit von 8 Ωcm
pdotierten Silizium sind durch Maskieren und Io
nenimplantation n-dotierte Bereiche 14 erzeugt wor
den.
Dieses Substrat wird an seiner Oberfläche einer an
odischen Oxidationsbehandlung in verdünnter Fluß
säure unterzogen. Dabei werden die n-dotierten Be
reiche 14 nicht angegriffen, auf der restlichen
Oberfläche des Substrats 1 hingegen entsteht ein
poröser Bereich 12, der hier bis in eine Tiefe von
ca. 20 µm reicht.
Anschließend wird auf dem so behandelten Substrat 1
eine Membran 13 abgeschieden und strukturiert. Das
Ergebnis ist in Fig. 3c gezeigt. Wie im anhand von
Fig. 2 erläuterten Verfahren werden auf der Mem
bran 13 ein Strahlungsabsorber und Thermoelemente
aufgebracht, die in der Figur der Einfachheit hal
ber nicht dargestellt sind. Die in Fig. 3c gezeig
te Anordnung kann den gleichen Ätzverfahren unter
zogen werden wie oben in Verbindung mit Fig. 2 be
schrieben. Das Ätzmedium kann dabei, das poröse Si
lizium im Bereich 12 sowohl über die langgestreck
ten Fenster 15 in der Membran 13 als auch über
seitlich von der Membran unbedeckt gebliebene Be
reiche 16 erreichen. Diese Bereiche 16 erfüllen so
mit hinsichtlich des Ätzschritts die Funktion von
Öffnungen in der Membran.
Da auch hier der Ätzvorgang im porösen Silizium we
sentlich schneller fortschreitet als in den massiv
gebliebenen Bereichen 14, entsteht schließlich die
in Fig. 3d gezeigte Struktur.
Fig. 4 zeigt im Querschnitt und stark schemati
siert einen Strahlungssensor, der nach einem ande
ren erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist,
bei dem Öffnungen von der Rückseite her durch ein
mit einer Membran 13 beschichtetes Halbleiter
substrat 1 getrieben werden. Der in Fig. 4 gezeig
te Sensor umfaßt mehrere Sensorelemente 18, die in
der Figur schematisiert als Rechtecke auf der Mem
bran 19 dargestellt sind, und von denen jeder den
in Fig. 1 gezeigten Aufbau mit einem Strahlungsab
sorber 5 auf der Membran oberhalb der Öffnung 17
und einer Mehrzahl von Themoelementen hat, die je
weils einen mit dem Strahlungsabsorber wärmeleitend
verbundenen heißen Kontakt und einen über dem mas
siven Halbleitermaterial angeordneten kalten Kon
takt haben.
Ein solcher Infrarotsensor wird hergestellt, indem
auf der der Membran 13 gegenüberliegenden Oberflä
che 19 des Halbleitersubstrats 1 eine Maske aufge
tragen wird, die für jeden festgelegten Bereich, wo
eine der Öffnungen 17 die gegenüberliegende mem
branbedeckte Oberfläche des Substrats 1 erreichen
soll, eine kongruente Öffnung aufweist, und indem
von der Oberfläche 19 her ein anisotroper Troc
kenätzvorgang durchgeführt wird, bis das Halblei
tersubstrat 1 in den Öffnungen 17 bis zur Membran
13 hin abgetragen ist. Dieser Trockenätzvorgang ist
vorzugsweise ein Plasmaätzvorgang, so wie in DE 42
41 045 beschrieben. Die Besonderheit dieses Ätzvor
gangs ist, daß zwischen einzelne Ätzschritte Poly
merisationsschritte eingeschoben werden, in denen
die im vorhergehenden Ätzschritt freigelegten Flä
chen, d. h. die Böden und die Wände von eingeätzten
Vertiefungen, mit einem Polymer gleichmäßig bedeckt
werden. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein
Fluorpolymer. Diese Polymerschicht auf den Ätzkan
ten bzw. Ätzflächen bildet einen sehr wirksamen
vorläufigen Ätzstop. Während des anschließenden
Ätzschritts ist die Polymerbeschichtung am Boden
der Vertiefung Ionenbeschuß aus einem Plasma ausge
setzt und wird abgetragen, so daß der Boden der
Vertiefung alsbald wieder ungeschützt ist. Die Wän
de der Vertiefung werden von Ionen allenfalls in
streifendem Einfall beschossen, so daß die Abtra
gung hier wesentlich langsamer vonstatten geht und
abgetragenes Material sich zu großen Teilen in un
mittelbarer Nähe an den Wänden der Vertiefung wie
der niederschlägt. Auf diese Weise dehnt sich die
Polymerschicht an der Wand der Vertiefung während
des Ätzschrittes in die Tiefe aus und schützt die
Wände vor Abtragung, während der Ätzangriff am Bo
den der Vertiefung ungehindert vonstatten geht. So
bald die Dicke der Polymerschicht an den Wänden zu
gering geworden ist, um einen wirksamen Schutz zu
gewährleisten, wird das Ätzen unterbrochen und ein
neuer Polymerisationsschritt eingeschoben. So kön
nen Öffnungen in einem Siliziumsubstrat mit hohem
Aspektverhältnis und sehr steilen Wänden in einfa
cher Weise erzeugt werden.
Die Fig. 5a bis d zeigen verschiedenen Stadien
eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung eines Strahlungssensors, bei dem Öff
nungen von der rückwärtigen Oberfläche 19 her durch
ein Halbleitersubstrat 1 geätzt werden. Fig. 5a
zeigt das Substrat vor Beginn des Ätzvorgangs, mit
einer Membran 13 auf der der Oberfläche 19 gegen
überliegenden Oberfläche des Substrats und einer
Mehrzahl von Sensorelementen 18 auf der Membran 13.
Eine Maskierschicht 20 ist auf der Oberfläche 19
des Substrats 1 aufgebracht und besitzt eine Öff
nung, die eine zusammenhängende Fläche 21 des
Substrats freiläßt, welche den Sensorelementen 18
gegenüberliegt.
Diese zusammenhängende Fläche 21 wird mit Hilfe ei
nes beliebigen geeigneten Ätzverfahrens, z. B.
durch eines der oben beschriebenen Trockenätzver
fahren oder durch anisotropes Naßätzen abgetragen
und so eine zweite Oberfläche 22 in einer Vertie
fung des Substrats freigelegt. Dieser Zustand ist
in Fig. 5b gezeigt. In einem Folgeschritt wird nun
eine weitere Maskierschicht 23 auf der zweiten
Oberfläche 22 abgeschieden und strukturiert, indem
darin eine Mehrzahl von Kavernen oder Öffnungen 24
gebildet werden, die im wesentlichen kongruent zu
den Öffnungen sind, die in dem Halbleitersubstrat 1
entstehen sollen. Fig. 5c zeigt dieses Stadium.
Die Maskierschicht 23 wird hierbei vorteilhaft
durch ein Dispensing-Verfahren aufgebracht, wie es
in der beim Deutschen Patentamt am 28.11.97 einge
reichten Anmeldung mit dem Aktenzeichen 19752926.7
beschrieben ist. Dabei wird in jede Kaverne eine
vorgewählte Lackmenge zudosiert, die sich auf dem
Kavernenboden verteilt. Die Vorrichtung rastert den
gesamten Wafer ab und spritzt in jede Kaverne die
gewählte Lackmenge. Die Photostrukturierung des
Lacks kann anschließend mit projizierenden Litho
graphieverfahren, zum Beispiel Projektionsbelich
tern oder Stepperbelichtung erfolgen.
Es folgt nun ein anisotroper Ätzvorgang entspre
chend dem oben in Verbindung mit Fig. 4 beschrie
benen, bei dem in den kongruenten Öffnungen 24
steilwandige Vertiefungen in das Halbleitersubstrat
vorangetrieben werden, bis die Membran 13 erreicht
ist und der Ätzvorgang daraufhin abbricht.
Nach Entfernung der zweiten Maskierschicht 23 er
hält man den in Fig. 5d gezeigten Strahlungssensor
mit einer Mehrzahl von Sensorelementen 18, die je
weils über einer der Öffnungen 17 angeordnet sind.
Die Öffnungen 17 sind durch steilwandige Stege 25
getrennt, deren Dicke zwar deutlich geringer als
die des Substrats von typischerweise 700 µm ist,
die aber mit einem Wert von 50 bis 200 µm vollauf
ausreicht, um eine Wärmesenke für die kalten Kon
takte der Sensorelemente 18 zu bilden.
Beim in Fig. 6 dargestellten Verfahren werden zu
nächst auf der Oberfläche 19 des Substrats 1 zwei
Maskierschichten 20 und 23 aufgetragen, wobei wie
im Fall der Fig. 5 die aus SiO2 bestehende Schicht
20 eine große zusammenhängende Öffnung hat und die
Schicht 23 aus Photoresist eine Mehrzahl von Öff
nungen 24 besitzt, die jeweils mit Öffnungen kon
gruent sind, die im Laufe des Herstellungsverfah
rens durch die gesamte Dicke des Substrats 1 bis
hin zur an der gegenüberliegenden Oberfläche lie
genden Membran 13 getrieben werden sollen.
Anschließend wird ein anisotroper Plasma-Ätzprozeß
der in Verbindung mit Fig. 4 beschriebenen Art an
der Oberfläche solange durchgeführt, bis in den
Öffnungen 24 steilwandige Aussparungen 26 mit einer
gewünschten Tiefe von zum Beispiel 50 bis 100 µm
entstanden sind (Fig. 6b).
Anschließend wird die Maskierschicht 23 selektiv
abgetragen, so daß nur die Maskierschicht 20 ste
henbleibt (Fig. 6c).
Nach dem Abtragen der Maskierschicht 23 wird der
Plasma-Ätzprozeß fortgesetzt, wobei nun durch das
große Fenster in der Schicht 20 sowohl die Böden
der Aussparungen 26 als auch die Scheitel der zwi
schen diesen bestehen gebliebenen Stege 25 mit im
wesentlichen gleicher Geschwindigkeit abgetragen
werden. Die senkrechten Wände der Stege 25 sind vom
Ätzprozeß nicht oder allenfalls in vernachlässigba
rem Umfang betroffen. So pflanzt sich der Abtra
gungsvorgang durch das Substrat 1 solange fort, bis
die Aussparungen die Membran 13 erreichen und die
gewünschten Öffnungen 17 unterhalb der Sensorele
mente 18 fertig sind. Die zwischen den Öffnungen 17
entstandenen Stege 25 haben weiterhin im wesentli
chen die Höhe von 50 bis 100 µm und die Breite, die
sie zum Zeitpunkt der Entfernung der Maskierschicht
23 hatten.
Der in Fig. 6d gezeigte fertige Strahlungssensor
entspricht dem aus Fig. 5d.
Für die mit Bezug auf die Fig. 4 bis 6 beschrie
benen Fertigungsprozesse wird vorzugsweise eine Ap
paratur verwendet, die es ermöglicht, die vom Ätz
plasma abgewandte Oberfläche des Substrats 1 zu
kühlen, zum Beispiel durch Heliumgas, das in einem
Zwischenraum zwischen dem Substrat und einer
Substratelektrode zirkuliert. Dieses kühlende Gas
kann unter einem höheren Druck als das Ätzplasma
stehen, was insbesondere gegen Ende des Ätzprozes
ses zu einer Druckbelastung der Membran 13 im Be
reich der Öffnungen 17 führt. Es ist deshalb bevor
zugt, daß sich zumindest gegen Ende des Plasma-
Ätzprozesses auf der Membran 13 eine Stabilisie
rungsschicht befindet, die eine Druckbelastung der
Membran 13 abfängt. Diese Stabilisierungsschicht
ist beispielhaft in Fig. 6c mit dem Bezugszeichen
27 angedeutet. Diese Stabilisierungsschicht 27 kann
eine Lackschicht, zum Beispiel ein Fotolack sein,
der vor dem Ätzen ganzflächig auf die Membran 13
aufgeschleudert wird.
Claims (20)
1. Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors
auf einem Halbleitersubstrat (1), mit den Schritten
- 1. Festlegen wenigstens eines Bereichs (12) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, wo eine Ausspa rung (4) im Halbleitersubstrat (1) geschaffen wer den soll,
- 2. Abscheiden einer Membran (13) auf der Oberfläche,
- 3. Aufbringen eines Strahlungsabsorbers (5) auf der Membran (13) im festgelegten Bereich (12),
- 4. Aufbringen von Thermoelementen (6) mit einem hei ßen Kontakt in thermischem Kontakt mit dem Strah lungsabsorber (5) und einem kalten Kontakt (7) in thermischem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat (1), gekennzeichnet durch die Schritte des Bildens einer Öffnung in der Membran (13) in dem festgelegten Be reich (12) und des Ätzens des Halbleitersubstrats (1) durch die Öffnung hindurch.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß vor dem Abscheiden der Membran (13) das
Halbleitermaterial in dem auszusparenden Bereich
(12) porös gemacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Ätzen ein Naßätzen des porösen Halb
leitermaterials ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in dem
auszusparenden Bereich (12) durch anodische Oxida
tion porös gemacht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß das Festlegen des auszusparenden Bereichs
(12) ein Maskieren der Oberfläche des Halbleiter
substrats (1) mit einer Schutzschicht (10) aus ei
nem gegen ein zum Porösmachen des Halbleitermateri
als verwendetes Mittel beständigen Material umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Schutzschicht (10) aus Chrom oder Gold
besteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß das Festlegen des auszu
sparenden Bereichs (12) ein n-Dotieren von nicht
auszusparenden Bereichen (14) der Oberfläche des
Halbleitersubstrats (1) umfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß das Halbleitersubstrat vom p-Typ ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die n-Dotierung eine niedrige ist
(< 1014 cm-3).
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Festlegen des auszusparenden Bereichs
durch das Bilden der Öffnung der Membran erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Ätzen ein Plasma-Ätzen ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet
durch die Verwendung eines Plasmas von F2 in Ar, SF6
oder NF3.
13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Ätzen ein spontanes Troc
kenätzen ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet
durch die Verwendung von XeF2, ClF3 oder BrF3.
15. Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors
auf einem Halbleitersubstrat (1), mit den Schritten
- 1. Festlegen wenigstens eines Bereichs auf einer er sten Oberfläche des Halbleitersubstrats, wo eine Öffnung (17) im Halbleitersubstrat geschaffen wer den soll,
- 2. Abscheiden einer Membran (13) auf der ersten Oberfläche des Substrats (1),
- 3. Aufbringen eines Strahlungsabsorbers (5) auf der Membran (13),
- 4. Aufbringen von Thermoelementen (6) mit einem hei ßen Kontakt in thermischem Kontakt mit dem Strah lungsabsorber (5) und einem kalten Kontakt (7) in thermischem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat (1), und
- 5. Auftragen einer Maske (20, 23) auf einer der er sten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberflä che (19) des Halbleitersubstrats (1), die für jeden festgelegten Bereich eine mit dem Bereich kongruen te Öffnung (24) aufweist,
- 6. anisotropes Trockenätzen der zweiten Oberfläche (19), bis das Halbleitersubstrat (1) in dem festge legten Bereich abgetragen ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die zweite
Oberfläche (19) durch Abtragen einer zusammenhän
genden Fläche (21) des Substrats mittels Ätzen er
zeugt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, bei das Trockenät
zen einen Schritt des Ätzens nur in den kongruenten
Öffnungen (24) der Maske (20, 23) und anschließend
einen Schritt des Ätzens einer mehrere der kongru
enten Öffnungen (24) enthaltenden zusammenhängenden
Fläche (21) umfaßt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Ätzen
in den kongruenten Öffnungen (24) bis zu einer Tie
fe von 50 bis 200 µm erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem die
Maske (20, 23) eine erste Schicht (20) mit einer
Öffnung entsprechend der zusammenhängenden Fläche
(21) und eine zweite Schicht (23), in der die kon
gruenten Öffnungen (24) gebildet sind, umfaßt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19,
bei dem während des Trockenätzens eine Stabilisie
rungsschicht (27) auf der Membran (13) angebracht
ist.
Priority Applications (3)
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ID=7882205
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