DE19843984A1

DE19843984A1 - Verfahren zur Herstellung eines Strahlungssensors

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Publication number: DE19843984A1
Application number: DE19843984A
Authority: DE
Inventors: Franz Laermer; Wilhelm Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2018-09-26
Also published as: JP2000114607A; DE19843984B4; US6372656B1

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.

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

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.

Figuren

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.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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

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.