DE69210735T2

DE69210735T2 - Ungekühlter Infrarot-Detektor und Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE69210735T2
Application number: DE69210735T
Authority: DE
Inventors: William F Keenan
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: L3 Technologies Inc
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: DE69210735D1; EP0534769A2; EP0534769A3; EP0534768B1; EP0534769B1; DE69221054T2; DE69221054D1; EP0534768A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Herstellung von Halbleitervorrichtungen und insbesondere einen ungekühlten Infrarotdetektor und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Die Erfassung von Infrarotstrahlung, die durch warme Körper emittiert wird, bietet ein wichtiges Verfahren zum Sehen bei Nacht (Wahrnehmung ohne sichtbares Licht). Infrarotdetektoren können auf verschiedene Arten klassifiziert werden, wie z. B. als Scan- oder Starr-Matrizen, als tiefstgekühlte (typischerweise Temperaturen von flüssigem Stickstoff) oder ungekühlte Detektoren, mit einem spektralen Empfindlichkeitsbereich von 3-5 µm oder 8-12 µm und mit einem photonischen oder thermischen Erfassungsmechanismus. Tiefstgekühlte Infrarotdetektoren bestehen typischerweise aus Halbleitern mit geringem Bandabstand (etwa 0,1-0,2 eV), wie z. B. HgCdTe, und arbeiten als Photodioden oder Photokondensatoren, um durch Photonenabsorbtion Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Siehe beispielsweise das US- Patent Nr. 4,686,373 (Tew et al.), welches ein Hybridsystem beschreibt, bei dem HgCdTe-Photokondensatoren auf eine Silizium- Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung geklebt sind.
Ungekühlte Infrarotdetektoren können Halbleiter mit geringem Bandabstand nicht benutzen, da der Bandabstand bei Raumtemperatur nur etwa 4 kT beträgt und der Dunkelstrom jegliches Signal verdeckt. Demzufolge beruhen ungekühlte Infrarotdetektoren auf anderen physikalischen Phänomenen und sind weniger empfindlich als tiefstgekühlte Detektoren, erfordern jedoch keine Kühlvorrichtung oder ihren Energieverbrauch. Für tragbare Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch, bei denen das größere Erfassungsvermögen der tiefstgekühlten Detektoren nicht benötigt wird, ist die bevorzugte Auswahl ein ungekühlter thermischer Detektor: Infrarot-Photonen werden absorbiert, und das resultierende Aufheizen des absorbierenden Elementes wird erfaßt. Der thermische Detektor ist gewöhnlicherweise einer der drei Typen: (1) pyroelektrischer Detektor, (2) Thermoelement oder (3) Bolometer.
Der pyroelektrische Detektor benutzt ein ferroelektrisches Keramikmaterial (wie z. B. BaSrTiO&sub3;) bei Betriebstemperaturen (typischerweise 0ºC bis 150ºC) etwas unterhalb seiner Curie- Temperatur. Die bevorzugten ferroelektrischen Materialien weisen eine große Änderung in der spontanen dielektrischen Polarisation bei den Betriebstemperaturen auf, und das Aufheizen des Ferroelektrikums wird durch Erfassen der induzierten Spannung detektiert, welche durch die Erzeugung einer Ladung an einem Kondensator mit dem Ferroelektrikum als Isolator erzeugt wird. Siehe beispielsweise die US-Patente Nr. 4,348,611 (Ruppel et al.), 4,142,207 (McCormack et al.) und 4,379,232 (Hopper).
Der pyroelektrische Detektor ist eine Hybridlösung, welche Probleme aufgrund von Defekten des ferroelektrischen Materials, Kontaktdefekten und Bump-Bonding-Defekten, welche niedrige Ausbeuten mit sich bringen, aufweist, wenn er auf größere Detektormatrizen (wie z. B. Matrizen mit 256 · 156 Pixeln) ausgeweitet wird.
Thermoelemente beruhen auf der Änderung des Kontaktpotentials einer Verbindung von verschiedenen Leitern mit der Temperatur; siehe beispielsweise G. Lah&ijlig;i et al, "Ein monolithischer Thermoelement-Detektor, der mit der Technologie integrierter Schaltungen hergestellt ist", 1980 IEEE IEDM Tech. Dig. 676, wobei Wismut-Antimon- oder Polysilizium-Gold-Thermoelemente in monolithischen Matrizen auf Silizium verwendet werden.
Bolometer beruhen typischerweise auf der Temperaturänderung des Widerstandes von thermisch isolierten dünnen Metallfilmen oder Halbleiterfilmen. Die dünnen Filme können auf einem schwebend gehaltenen dielektrischen Film in einem Siliziumsubstrat hergestellt werden und können neben der monolithischen Erfassungsschaltungsanordnung auf dem Siliziumsubstrat angeordnet sein.
Der dielektrische Film ist thermisch von dem Rest des Siliziumsubstrats durch Wegätzen des Siliziums unterhalb des dielektrischen Films isoliert, so daß er schwebend gehalten wird. Siehe z. B. K.C. Liddiard, Infrared Physics 57 (1984), worin amorphe Siliziumfilme zur Widerstandsänderung mit der Temperatur und angrenzende Nickelfilme zur Infrarotabsorbtion und zum elektrischen Kontakt enthalten sind.
Thermoelemente und Bolometer haben nicht das Ausbeuteproblem der pyroelektrischen Detektoren, da sie monolithisch auf einem Siliziumwafer zusammen mit der Erfassungsschaltungsanordnung hergestellt werden können. Jedoch weisen die Thermoelemente und die Bolometer das Problem eines niedrigerern Erfassungsvermögens als pyroelektrische Detektoren auf.
Ein weiterer Bolometeransatz ist im US-Patent Nr. 5,021,663 (Hornbeck) beschrieben, worauf der Oberbegriff des Anspruches 1 basiert. Bei diesem Bolometer umfaßt jeder schwebend gehaltene Pixelkörper eine Schicht dotierten hydrogenierten amorphen Siliziums, welche das einen veränderlichen Widerstand bildende Material bildet, die zwischen zwei Schichten aus Titannitrid eingebettet ist, welche beide als thermische Absorber und elektrische Kontakte dienen, wobei die gesamte Anordnung zwischen zwei isolierende Schichten aus SiO&sub2; eingebettet ist. Bei dieser Lösung fließt der Strom vertikal durch den Detektor mit einem relativ kurzen Widerstandsweg, was in einer nicht linearen elektrischen Charakteristik und einem größeren Spannungskoeffizienten des Widerstands resultiert. Nichtlineare Widerstände verschlechtern die Funktionstüchtigkeit einer Detektormatrix. Deshalb ist eine Zelle mit einem breiten Leitungsweg wünschenswert.
Demgemäß sind gegenwärtig Verbesserungen, die irgendwelche oder alle der Probleme überwinden, wünschenswert.
Weitere Aufgaben und Vorteile werden offensichtlich und werden sich anschließend teilweise zeigen.
Die Erfindung schafft ein Bolometer zum Nachweisen von Strahlung in einem Spektralbereich, umfassend: ein Substrat mit integrierter Schaltung; und einen Pixelkörper, der mit wenigstens zwei Pfeilern in Abstand zu diesem Substrat gebracht ist, wobei der Pixelkörper umfaßt: ein Absorbermaterial zum Absorbieren von Strahlung in dem Spektralbereich, wobei das Absorbermaterial den Pixelkörper auf eine im Verhältnis zur absorbierten Strahlung stehende Temperatur aufheizt; ein isolierendes Material, das über dem Absorbermaterial gebildet ist; und ein einen veränderbaren Widerstand bildendes Material mit einem elektrischen Widerstand, der der Temperatur des Pixelkörpers entspricht, so daß ein Strom durch das einen veränderbaren Widerstand bildende Material fließt, dadurch gekennzeichnet, daß das einen veränderbaren Widerstand bildende Material über der isolierenden Schicht gebildet ist, und daß der Strom in dem einen veränderbaren Widerstand bildenden Material im wesentlichen parallel zum Substrat mit integrierter Schaltung fließt.
Der Spektralbereich kann zwischen 7 und 12 Mikrometern liegen. Das einen veränderbaren Widerstand bildende Material kann amorphes Silizium sein.
Die Erfindung schafft ebenfalls ein Verfahren zur Bildung einer Bolometerzelle auf einem Halbleitersubstrat, das die Schritte umfaßt: Bilden einer vorübergehenden Schicht auf dem Substrat; Bilden einer Schicht aus Absorbermaterial auf der vorübergehenden Schicht; Strukturieren und Ätzen der Schicht aus Absorbermaterial; Bilden einer isolierenden Schicht über der Schicht aus Absorbermaterial; Strukturieren und Ätzen der isolierenden Schicht; Bilden einer Schicht aus einem einen veränderbaren Widerstand bildenden Material über der isolierenden Schicht; Strukturieren und Ätzen von wenigstens zwei Pfeilerlöchern in der Schicht aus dem einen veränderbaren Widerstand bildenden Material und dem darunterliegenden Teil der vorübergehenden Schicht; Strukturieren und Ätzen des einen veränderbaren Widerstand bildenden Materials, um einen mit der Temperatur veränderbaren Widerstand zu bilden; Bilden eines Pfeilers in jedem der wenigstens zwei Pfeilerlöcher; Bilden von wenigstens zwei Kontakten von den wenigstens zwei Pfeilern zu dem mit der Temperatur veränderbaren Widerstand; und Entfernen der vorübergehenden Schicht.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sie eine herstellbare Infrarot-Erfassungszelle zur Verfügung stellt, die mit vernünftigen Kosten im Vergleich zu anderen gegenwärtig verfügbaren Systemen hergestellt werden kann.
Zusätzlich kann die Zelle nach der vorliegenden Erfindung bei Temperaturen nahe Raumtemperatur betrieben werden, und deshalb ist eine Tiefsttemperatur-Ausrüstung nicht erforderlich. Daraus resultierend werden die Kosten- und Größen-Beschränkungen, die normalerweise mit Tiefsttemperatur-Systemen verbunden sind, vermieden.
Da weiterhin der Strompfad durch den temperaturempfindlichen Widerstand parallel zum Substrat verläuft, im Gegensatz zum vertikalen Verlauf durch den Widerstand, gibt es einen relativ langen Leitungsweg. Deswegen kann ein vernünftigerer Spannungskoeffizient des Widerstandes erreicht werden, und dementsprechend kann eine linearere Vorrichtung gebaut werden.
Die obigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch Betrachtung der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung klarer verstanden werden, wobei:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Infrarotdetektorsystems zeigt, welches eine erste bevorzugte Ausführungsform der Bolometer-Matrix enthält;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Bolometer-Zelle zeigt;
Fig. 3 eine Oberansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Bolometer-Zelle zeigt;
Fig. 4a bis 4b Mikrophotographien eines Infrarotdetektors sind; und
Fig. 5-10 Querschnittsansichten zur Unterstützung des Verständnisses eines exemplarischen Herstellungsprozesses sind.
Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren betreffen entsprechende Teile, falls nicht anders angedeutet.
Es wird auf die US-Patentanmeldung Nr. 07/766,879 Bezug genommen, deren Priorität für die vorliegende Anmeldung beansprucht wird, und auf die europäische Patentanmeldung Nr. 0 534 769 (TE-15367) mit gleichem Anmeldetag wie die vorliegende Anmeldung.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Die Herstellung und die Benutzung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden nachstehend detailliert diskutiert. Jedoch sollte erkannt werden, daß die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bietet, welche in einer breiten Vielfalt von spezifischen Kontexten ausgestaltet werden können. Die diskutierten spezifischen Ausführungsformen dienen nur zur Veranschaulichung der speziellen Wege der Herstellung und Benutzung der Erfindung und begrenzen den Schutzumfang der Erfindung nicht.
Fig. 1 zeigt ein Infrarotabbildungssystem in einer schematischen Diagrammansicht, das allgemein als 100 bezeichnet ist und das ein Infrarot-Linsensystem 102, einen optionellen mechanischen Zerhacker 104 (dieses Element ist für die vorliegende Erfindung nicht notwendig), eine Bolometer-Matrix 106, eine Ansteuer- und Ausleseelektronik 108 für die Matrix 106, einen Videoprozessor 110, eine Anzeige 112, und eine Zeitablauf- und Steuerelektronik 114 enthält. Das Linsensystem 102 bildet die Infrarotstrahlung, die durch ein warmes Objekt 116 emittiert wird, auf die Matrix 106 ab. Der Zerkacker 104 kann eine rotierende Scheibe mit Öffnungen sein, welche in periodischer Weise die durch das Linsensystem gesammelte Infrarot-Strahlung blockieren und durchtreten lassen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Zerhacker 104 ein Fokussierer/Defokussierer. Bei einer Ausführungsform enthält die Matrix 106 65 536 Bolometer, welche in 256 Zeilen · 256 Spalten angeordnet sind; jedes Bolometer entspricht einem Pixel in dem Bild des warmen Köpers 116 und der umgebenen Szenerie in dem Betrachtungsfeld des Linsensystems 102. Die Matrix 106 kann in einer Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl mit einem infrarottransparenten Fenster, das in einer Seite gebildet ist, beherbergt sein, oder von einer Isolationsatmosphäre mit niedrigem thermischen Transport umgeben sein. Das Fenster ist so positioniert, daß die Strahlung von der Szene mit dem warmen Körper 116 durch das Fenster auf die Matrix 106 tritt.
Die Designüberlegungen für einen Mikrobolometer-Bildsensor können durch Betrachten jedes Elements in der Kette von Ereignissen, welche zur Umwandlung des IR-Flusses in ein elektrisches Signal führen, identifiziert werden. Der erste Schritt ist die Umwandlung des IR-Flusses in Wärmeenergie, die in dem Detektorpixel gespeichert wird. Falls dieser Prozeß so groß wie möglich sein soll, sollte die Absorptionseffizienz des Pixels 100% über dem interessierenden IR-Band sein. Damit der Temperaturanstieg des Pixelelements groß ist, muß die Wärmekapazität des Pixels minimiert werden, und die thermische Isolation des Pixels von der umgebenden Struktur muß maximiert werden. Zur Maximierung des Ausgangssignals für eine vorgegebene Temperaturänderung des Pixels sollte der Widerstandskoeffizient mit der Temperatur des Bolometerwiderstandes so groß wie möglich sein. Der Pixelwiderstandswert muß so sein, daß er mit der Auslese-Elektronik kompatibel ist und den Energieverbrauch in dem Pixel unter den durch die Auslese-Elektronik erforderten Auslesebedingungen steuert. Letztlich muß das elektrische Rauschen, welches sowohl durch den Pixelwiderstand als auch durch den Auslese-Vorverstärker erzeugt wird, hinreichend klein sein, um das notwendige Abbildungsvermögen zu bieten.
Wie es bei Konstruktionsstrukturen oft der Fall ist, widersprechen sich viele dieser Bedingungen, und sämtliche Parameter können nicht individuell optimiert werden; falls beispielsweise die Wärmekapazität des Pixels durch Verdünnen des Detektors minimiert wird, wird die Absorption der Struktur wahrscheinlichermaßen unakzeptierbar werden, und das Gegenteil ist ebenfalls unakzeptierbar, nämlich das Maximieren der Absorption unter der Preisgabe von Wärmekapazität.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform mit einer Struktur, welche in einem akzeptierbaren Konstruktionskompromiß zwischen den sich widersprechenden Anforderungen resultiert. Bei dieser Struktur ist der Pixelkörper 120 durch Pfeiler 124 in Abstand oberhalb eines Siliziumsubstrats 122 angebracht, welches den Pixel-Vorverstärker (nicht gezeigt) enthält, der dem einzelnen Pixel zugeordnet ist. Die Pfeiler 124 sind aus Aluminium oder anderen Materialien hergestellt, welche die strukturellen und elektrischen Anforderungen erfüllen, wie z. B. andere Metalle. Diese Pfeiler 124 kontrollieren die Trennung zwischen dem Pixel 120 und dem Substratspiegel 126, der durch einen Infrarot-reflektierenden Film, welcher auf dem Substrat 122 abgeschieden ist, gebildet ist. Der reflektierende Film kann aus Aluminium oder anderen geeigneten Metallen bestehen. Der Spiegel 126 dient dazu, die IR-Strahlung, die nicht beim ersten Durchtreten durch das Pixel absorbiert wird, zurück in das Pixel zur zusätzlichen Absorption zu reflektieren. Der Pixelkörper 120 kann idealerweise im Abstand λ/4 (λ ist die Wellenlänge der erfaßten IR-Strahlung - typischerweise zwischen 7 und 12 µm) oberhalb des Spiegels 126 angebracht sein, um ein Resonanzverhalten zu erzielen. Bei praktischeren Fällen wird jedoch der Abstand durch die Verarbeitung oder weitere Randbedingungen bestimmt. Experimente haben gezeigt, daß die IR-Absorption der Struktur nicht stark vom Abstand des Spiegels zum Absorber von etwa λ/4 abhängt, so daß der Abstand gewöhnlicherweise so ausgesucht wird, daß die Herstellung einfach ist.
Der Spiegel 126 kann ebenfalls als eine der Pixel-Verbindungen zwischen der integrierten Schaltung (IC) und dem Pixel-Widerstand dienen. Ein leitfähiger Fleck 128 dient als die andere Verbindung zwischen dem Pixel und dem IC. Falls der Spiegel 126 nicht eine der Pixel-Verbindungen ist, kann ein zusätzlicher Fleck (nicht gezeigt) benutzt werden. Es sollte bemerkt werden, daß der Spiegel 126 weggelassen werden kann, falls die IR-Absorptions-Effizienz beim ersten Durchtritt hoch genug ist.
Der Pixelkörper 120 ist aus aufeinanderfolgenden Filmschichten zusammengesetzt, welche verschiedene für die Erfassung benötigte Funktionen durchführen. Die erste Filmschicht 130 ist eine Passivierungsschicht, welche die primäre Absorberschicht vor einer Beschädigung während des Herstellungsprozesses schützt. Jeder Film mit den erforderten chemischen Eigenschaften kann dazu benutzt werden. Beispiele solcher Filme enthalten Siliziumdioxid, amorphes Silizium und Siliziumnitrid. Die nächste Schicht, die Absorberschicht 132, ist eine dünne leitfähige Schicht, welche die Absorption freier Elektronen benutzt, um das einfallende IR zum Aufheizen des Pixels umzuwandeln. Diese Absorberschicht ist typischerweise ein Metall, wie z. B. Titan, Nickel oder Chrom. Als nächstes wird eine isolierende Schicht 134 zum Isolieren der Absorberschicht 132, eines Leiters, von der nächsten Schicht, dem temperaturempfindlichen Widerstandsfilm 136 des Detektors, zu isolieren. Dieser isolierende Film 134 kann auch als ein sekundärer Absorber für die IR-Strahlung dienen. Jeder isolierende Film kann für die isolierende Schicht 134 benutzt werden, beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder amorphes Silizium. Die Schicht 134 kann aus demselben Material wie die Passivierungsschicht 130 bestehen. Der letzte Film ist die temperaturempfindliche Widerstandsschicht 136, welche den Bolometer-Widerstand bildet und welche als sekundärer IR-Absorber dienen kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Bolometer-Widerstandsmaterial 136 amorphes Silizium sein, das auf 7 · 10&supmin;&sup4;/Ωcm dotiert ist. Jedoch kann jeder Halbleiter oder jedes Halbmetall mit einem geeigneten TCR (Temperaturkoeffizient des Widerstands) benutzt werden.
Ein ideales Bolometer weist vier Eigenschaften auf, nämlich 1) eine große Temperaturabhängigkeit, 2) 100% IR-Absorption, 3) eine minimale thermische Masse und 4) eine hohe thermische Isolation. Deshalb werden die zum Bilden der Vorrichtung gewählten Materialien so ausgewählt, daß diese Eigenschaften optimal sind. Beispielsweise wird die Absorptionsschicht 132 so gewählt, daß die maximale Menge an IR-Energie in Wärme umgewandelt wird. In praktischen Fällen werden mit Materialien wie z. B. Titan, 80-90% Absorption erzielt.
Falls der veränderliche Widerstand aus einem geeigneten Halbleiter gebildet ist, kann der Spektralbereich sichtbares Licht enthalten. Das sichtbare Licht wird durch den Halbleiter absorbiert, was in einer Ladungsträgererzeugung in dem Bolometer- Widerstand resultiert. Dies ändert den Detektor-Widerstand.
Wenn die IR-Energie in Wärme umgewandelt ist, muß das temperaturempfindliche Widerstandsmaterial 136 seinen Widerstand so verändern, daß die Wärme, und deshalb die IR-Strahlung, in der Schaltung unterhalb erfaßt werden kann. Zusätzlich muß das in dem Widerstand erzeugte elektrische Rauschen minimiert sein. Typischerweise ist das Rauschen ein 1/F-Rauschen. Das 1/F- Rauschen wird typischerweise durch das Einfangen von Ladungsträgern in Filmdefekten erzeugt. Die Herstellung von Filmen mit niedrigem Rauschen ist momentan eine empirische Kunst. Deshalb werden Materialien, die die thermische Widerstandsabhängigkeit maximieren, aber das elektrische Rauschen minimieren, ausgewählt. Einige Beispiele sind amorphes Silizium, Germanium und Metalloxide. Doch andere Materialien, welche diese Kriterien erfüllen, können- ebenfalls benutzt werden.
Die dritte Eigenschaft, eine minimale thermische Masse, wird durch Auswählen von Filmen mit geeigneter physikalischer Festigkeit optimiert, so daß jeder der Filme sehr dünn gemacht werden kann.
Die vierte Eigenschaft, eine hohe thermische Isolierung, wird durch thermisches Isolieren des Pixels von dem Rest der Zelle optimiert. Dieses Ziel wird durch Beabstanden des Pixelkörpers 120 von dem Substrat 122 erreicht. Weitere Strategien für thermische Isolierung werden nachstehend mit Bezug auf Fig. 3 diskutiert werden.
Der temperaturempfindliche Widerstand 120 ist mit dem Pfeiler 124 verbunden, welche wiederum mit dem IC, der in dem Substrat 122 gebildet ist, über Verbindungen 138 verbunden ist. Diese Verbindungen 138 können durch jedes geeignete leitende Material gebildet werden.
Fig. 3 zeigt die ebene Ansicht der Pixelstruktur. Mit Bezug auf Fig. 3 zusammen mit Fig. 2 sorgt der zentrale Abschnitt des Pixels 120 sowohl für die Absorption der IR-Strahlung als auch für den Körper des Pixelwiderstands. Die Halterungsarme 142 entlang der zwei Ränder des Pixels sehen lange, dünne, enge thermische Isolationswiderstände zwischen dem Widerstandskörper 120 und den darunter liegenden Abstandspfeilern 124 vor, welche an den Substratenden dieser thermischen Widerstände 142 gelegen sind. Die Halterungsarme sind von dem Widerstandskörper durch Luftspalte 146 beabstandet. Auf diese Art und Weise ist der Pixelkörper 140 von dem Substrat 122 thermisch isoliert.
Wie in Fig. 3 gezeigt, muß ein Kompromiß zwischen der thermischen Isolierung des Pixels und der strukturellen Halterung des Pixelkörpers getroffen werden. In dem illustrierten Fall trennen Spalte 146 (welche Luftspalte sein können) die Halterungsarme 142 von dem Pixelkörper 120 auf drei der vier Seiten. Die Spalte 146 können sich entlang der restlichen zwei Seiten des Pixelkörpers erstrecken, falls eine zusätzliche thermische Isolierung erwünscht ist. Die mechanische Stärke der Halterungsarme 142 wird durch diese Änderung wesentlich geschwächt.
Für ein individuelles Design muß dieser Kompromiß berücksichtigt werden.
Entlang der oberen Oberfläche der Halterungsarme 142 kann ein sehr dünner Film aus einem leitfähigen Material aufgebracht sein, um elektrische Kontakte mit dem Widerstandskörper 120, der in der Mitte des Pixels gelegen ist, zu bilden. Dieser Film ist so dünn wie möglich, um die Verschlechterung der thermischen Isolierung des Pixels zu vermeiden.
Die in Fig. 3 gezeigten Metallzungen 144 bilden die mechanische Halterung und die elektrischen Kontakte zwischen den Enden der Halterungsarme 142 und den Oberteilen der Abstandspfeiler 124. Die gezeigten Kontaktbereiche sind ein Artifakt des Herstellungsprozesses und liefern keinen direkten Beitrag zur Struktur.
Eine SEM (Sekundärelektronenmikroskop)-Photomikrodarstellung eines vollständigen Pixels ist in Fig. 4a gezeigt. Fig. 4b zeigt eine Matrix mechanischer Pixel, um den Herstellungsprozeß an eng gepackten Matrizen zu demonstrieren.
Die einzelnen Pixel, die zum Querschnitt von Fig. 2 hergestellt sind, und Geometrien mit ebener Form, wie z. B. die in Fig. 3, haben, werden als IR-Detektoren mit externen Verstärkern hergestellt und betrieben. Die NEAT (Rauschäquivalent- Differenztemperatur), die bis heute für diese Vorrichtungen gemessen wurde, ist unter der Annahme eines f/1-Optiksystems so niedrig wie 0,18ºC, wenn sie über den IR-Bandfilter von 7-12 µm und einen elektrischen Bandfilter von 1-100 Hz gemessen wird. Der gegenwärtige Grenzfaktor des Systemleistungsvermögens ist übermäßiges Rauschen (typischerweise 1/F-Rauschen) in dem Bolometerfilm. Eine Reduzierung dieses übermäßigen Rauschens kann prinzipiell erreicht werden, so daß das Systemleistungsvermögen Werte zwischen 0,1 und 0,05ºC oder besser erreichen kann.
Die momentane Ausführung dieser Pixeldesigns benutzt eine Absorber-Passivierungsschicht 130 aus SiO&sub2; (Siliziumdioxid), das durch eine Plasma-CVD (chemische Dampfphasenabscheidung) mit einer Dicke von etwa 25 nm abgeschieden wird. Die Absorberschicht 132 besteht aus 14 nm Ti (Titan), welches über der Passivierungsschicht 130 abgeschieden ist. Die Isolierungsschicht 134 wird ebenfalls durch eine Plasma-Abscheidung von SiO&sub2; mit einer Dicke, die zwischen 100 und 200 mm variiert, gebildet. Die Widerstandsschicht 136 besteht aus a-Si (amorphes Silizium), das durch Plasma-CVD abgeschieden wird und zur elektrischen Leitung mit Phosphor dotiert wird, der aus einer PF&sub5; (Phosphorpentafluorid) -Versorgungsquelle stammt. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands dieses Films ist bei der gegenwärtigen Abscheidung 3-3,5%, und die Leitfähigkeit beträgt etwa 8 · 10&supmin;&sup4; cm&supmin;¹Ω&supmin;¹.
Die Auswahl dieser Filme für die Pixelstruktur beruht teilweise auf der Zweckmäßigkeit des Verfahrens und teilweise auf kritischen elektrischen und mechanischen Überlegungen. Beispielsweise könnte der Isolatorfilm Siliziumnitrid, Zinksulfid oder amorphes Silizium und nicht Siliziumdioxid sein. Tabelle 1 faßt einige der wichtigen dieser elektrischen und mechanischen Eigenschaften zusammen.
Eine vereinfachte Beschreibung des Betriebs eines einzelnen Pixels folgt. Infrarotstrahlung fällt auf die obere Oberfläche des Pixelkörpers 120 ein und wird in der absorbierenden Schicht 132 absorbiert, was verursacht, daß die Pixeltemperatur ansteigt. Der Widerstand der temperaturempfindlichen Widerstandsschicht 36 ändert sich dann in Übereinstimmung mit der Temperaturänderung, d. h. in Übereinstimmung mit der Änderung der Intensität der IR-Strahlung. Diese Änderung im Widerstand kann durch die integrierte Schaltungsanordnung, die in dem Substrat 122 gebildet ist, überwacht werden.
Es sei bemerkt, daß bei der in Fig. 2 illustrierten Ausführungsform der Strom von der Verbindung 138a durch die Widerstandsschicht 136 parallel zum Substrat 122 und hinab durch die Verbindung 138b fließt. Da der Strom seitlich über das Pixel fließt, im Gegensatz zum vertikalen Fluß und dann aus dem Pixel heraus, ist der Leitungsweg beträchtlich länger als bei Anwendungen nach dem Stand der Technik. Dieser Unterschied, der möglicherweise 300 nm bis 30 µm (zwei Größenordnungen) beträgt, schafft eine beträchtliche Verbesserung des Spannungskoeffizienten des Widerstands, und bietet deshalb einen sehr linearen Widerstand.
Die Hauptprozeßschritte einer momentanen Ausführungsform des Herstellungsprozesses sind in den Querschnittsansichten der Fig. 5-10 gezeigt. Zunächst wird mit Bezug auf Fig. 5 auf der geebneten Oberfläche eines für diese Anwendung entworfenen ICs ein Film aus Aluminium abgeschieden und so strukturiert, daß die elektrischen Kontakte 126 und 128 mit der Schaltung entstehen. Als nächstes wird ein Film 150 aus Polyimid (organisches Polymer) mit einer Dicke von 2 µm durch herkömmliches Schleuderbeschichten, das für dieses Material oft benutzt wird, abgeschieden. Der Film 150 wird darauffolgend getempered, um eine Stabilität bei erhöhten Temperaturen zu gewährleisten.
Als nächstes wird mit Bezug auf Fig. 6 über der Oberfläche des Polyimidfilms 150 der Absorber-Passivierungsfilm (momentan SiO&sub2;) durch Plasma-CVD aufgetragen, und zwar typischerweise bei einer Substrattemperatur von 175ºC. Nach dem Passivierungsfilm 130 wird der Ti-Absorberfilm 132 durch Gleichstrom-Magnetron- Sputtern abgeschieden. Nach der Abscheidung wird der Ti-Film 132 in die Gestalt des Körpers des Pixelwiderstands ohne die Halterungsarme durch Plasmaätzen in einer Mischung von BCl&sub3; (Bortrichlorid) und weiteren Gasen, wie in Fig. 7 gezeigt, strukturiert.
Der Isolatorfilm 134 aus SiO&sub2; wird nun unter Benutzung von Plasma CVD mit einer Dicke zwischen 100 und 200 nm aufgetragen. Dieser Film und der darunterliegende Passivierungsfilm, der jetzt als Schicht 135 in den Fig. 7-10 bezeichnet wird, werden gleichzeitig strukturiert und unter Benutzung von CF&sub4; (Tetrafluorkohlenstoff) und O&sub2; (Sauerstoff) oder weiteren bekannten SiO&sub2;-Ätzmitteln plasmageätzt. Dieses Muster enthält sowohl den zentralen Körper des Pixels als auch die Halterungsarme.
Jetzt wird mit Bezug auf Fig. 8 über dieser strukturierten isolierenden Schicht der n- oder p-dotierte a-Si-(amorphes Silizium) -Film 136 durch Plasma-CVD unter Benutzung von SiH&sub4;- (Silan) und PF&sub5; (Phosphorpentafluorid (Borfluorid kann ebenfalls benutzt werden)) als Versorgungsquelle abgeschieden. Die Parameter dieser Abscheidung werden so ausgewählt, daß sie die erwünschten elektrischen und physikalischen Eigenschaften liefern. Als nächstes wird mit Bezug auf Fig. 9 der a-Si-Film 136 selektiv entfernt, wo es nötig ist, um den darunter liegenden Polyimidfilm 150 an den Pfeilerorten 2 freizulegen. Das Polyimid wird dann bis hinab zu den darunterliegenden Metallkontakten 126 oder 128 des in dem Substrat 122 gebildeten IC unter Benutzung eines Plasmas aus Sauerstoff und Argon entfernt. Der strukturierte a-Si-Film 136 wird als Ätzmaske während dieses Ätzschrittes benutzt.
Der temperaturempfindliche a-Si-Film 136 wird wiederum strukturiert, und zwar diesmal im Umriß von sowohl dem Pixelkörper als auch den Halterungsarmen unter Benutzung einer Photolackverarbeitung und eines Plasmaätzens im Tetrafluorkohlenstoff und Sauerstoff.
Die Struktur wird jetzt wieder mit Photolack (nicht gezeigt) negativ bezüglich des Pfeilermusters, und die Aluminiumpfeiler 124 werden durch eine Vakuummetallisierung auf die Dicke des Polyimidfilms von 2,0 µm abgeschieden. Das Überschußmetall wird dann von der Struktur unter Benutzung eines speziell entwickelten Entfernungsprozesses, welcher die in den Löchern des Polyimidfilms 150 enthaltenen und mit dem IC in Kontakt stehenden Pfeiler 124 zurückläßt, entfernt.
Die elektrische Grenze des Widerstandskörpers (10 nm oder geringer) ist jetzt durch einen Film eines Leiters, der wie in Fig. 3 gezeigt abgeschieden und strukturiert ist, definiert.
Dieser Film dient zum Erzeugen von Kontakten mit geringem Widerstand zum Widerstandskörper im Mittelpunkt des Pixels.
Mit Bezug auf Fig. 10 wird nun das letzte Element der Struktur, die Zungenmetallisierung, unter Benutzung von zwei Schichten von Photolack angebracht. Die erste Schicht 152 dient zum Füllen der Leerstelle zwischen den Rändern des Polyimids 150 und dem Körper der Pfeiler 124, und die zweite Schicht 154 dient zum Definieren des geeigneten Zungenmusters. Das Zungenmetall 138 wird über diesen Photolackfilmen abgeschieden, und das Überschußmetall wird durch herkömmliche Entfernungsprozesse beseitigt. Dies vervollständigt die in Fig. 2 gezeigte Struktur mit Ausnahme der Beseitigung des darunterliegenden Polyimidfilms 150.
Da die frei stehenden Pixelelemente durch Eintauchen in Chemikalien beschädigt werden könnten, kann der Substratwafer in einzelne Matrizen zersägt werden, und die Wafer durch geeignete chemische Mittel gereinigt werden, bevor der Polyimidfilm unterhalb des Pixels entfernt wird. Wenn das Sägen und die Reinigung nach dem Sägen fertig sind wird der darunterliegende Polyimidfilm unterhalb des Pixels unter Benutzung eines Plasmas aus Sauerstoff und Argon weggeätzt. Typische Ätzzeiten betragen momentan etwa 3-5 Stunden bei einer Substrattemperatur von 150ºC.
Die Parameter der gerade beschriebenen Struktur können weiter optimiert werden.
Weiterhin kann die Anordnung der Filme in der Struktur gut verändert werden, um den Herstellungsprozeß zu vereinfachen oder die Funktionstüchtigkeit zu verbessern. Beispielsweise wird ein Invertieren dieser Struktur ermöglichen, daß der Pixelkörper durch einen einzelnen Strukturierungsschritt definiert wird und eine Paßgenauigkeit der Isolator- und Widerstandsfilme gewährleistet ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll die Beschreibung nicht in beschränkendem Sinn aufgefaßt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen, sowie weitere Ausführungsformen der Erfindung liegen innerhalb des durch die Patentansprüche definierten Schutzumfanges der Erfindung. Element elektrisch physikalisch Spiegel (126) Leiter Adhäsion am IC IR-Reflektor chemisch inert Passivierung (130) Isolator oder Leiter Adhäsion akzeptierbare Wärmedehnzahl ätzbeständig geeignete innere Spannungen Absorber (132) Leiter mit Adhäsion geeigneter akzeptierbare Leitfähigkeit Wärmedehnzahl Absorptionsband geeignete innere Spannungen Isolator (134) Isolator Adhäsion geeignete innere Spannungen akzeptierbare Wärmedehnzahl Widerstand (136) Halbleiter mit Adhäsion geeignetem TCR, geeignete innere Rauschen und Spannungen Leitfähigkeit Elektrode (138) Leiter Adhäsion ohmscher Kontakt geeignete innere mit Halbleiter Spannungen Zunge (138) Leiter Adhäsion Festigkeit geeignete innere Spannungen Pfeiler (124) Leiter Adhäsion Festigkeit

Claims

1. Bolometer zum Nachweisen von Strahlung in einem Spektralbereich, umfassend: ein Substrat (122) mit integrierter Schaltung; und einen Pixelkörper (120), der mit wenigstens zwei Pfeilern (124) in Abstand zu diesem Substrat gebracht ist, wobei der Pixelkörper umfaßt: ein Absorbermaterial (132) zum Absorbieren von Strahlung in dem Spektralbereich, wobei das Absorbermaterial den Pixelkörper (120) auf eine in Verhältnis zur absorbierten Strahlung stehende Temperatur aufheizt; ein isolierendes Material (134), das über dem Absorbermaterial (132) gebildet ist; und ein einen veränderbaren Widerstand bildendes Material (136) mit einem elektrischen Widerstand, der der Temperatur des Pixelkörpers (120) entspricht, so daß ein Strom durch das einen veränderbaren Widerstand bildende Material (136) fließt, dadurch gekennzeichnet, daß das einen veränderbaren Widerstand bildende Material (136) über der isolierenden Schicht (134) gebildet ist, und daß der Strom in dem einen veränderbaren Widerstand bildenden Material (136) im wesentlichen parallel zum Substrat (122) mit integrierter Schaltung fließt.

2. Bolometer nach Anspruch 1, bei dem der Spektralbereich zwischen 7 und 12 Mikrometern liegt.

3. Bolometer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Pixelkörper (120) in einem Abstand von ungefähr 2 bis 3 Mikrometern zum Substrat (122) mit integrierter Schaltung angeordnet ist.

4. Bolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das eine Passivierungsschicht (130) umfaßt, die unter dem Absorbermaterial (132) gebildet ist.

5. Bolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Absorbermaterial (132) Titan ist.

6. Bolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das einen veränderbaren Widerstand bildende Material (136) amorphes Silicium ist.

7. Bolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das die Strahlung zusätzlich zu dem Spektralbereich in einem zweiten Spektralbereich nachweist.

8. Bolometer nach Anspruch 7, bei dem der zweite Spektralbereich der Bereich des sichtbaren Lichtes ist.

9. Verfahren zur Bildung einer Bolometerzelle auf einem Halbleitersubstrat (122), das die Schritte umfaßt:

Bilden einer vorübergehenden Schicht (150) auf dem Substrat (122);

Bilden einer Schicht (132) aus Absorbermaterial auf der vorübergehenden Schicht (150);

Strukturieren und Ätzen der Schicht (132) aus Absorbermaterial;

Bilden einer isolierenden Schicht (134) über der Schicht (132) aus Absorbermaterial;

Strukturieren und Ätzen der isolierenden Schicht (134, 135);

Bilden einer Schicht (136) aus einem einen veränderbaren Widerstand bildenden Material über der isolierenden Schicht (135);

Strukturieren und Ätzen von wenigstens zwei Pfeilerlöchern in der Schicht (136) aus dem einen veränderbaren Widerstand bildenden Material und dem darunterliegenden Teil der vorübergehenden Schicht (150);

Strukturieren und Ätzen des einen veränderbaren Widerstand bildenden Materials, um einen mit der Temperatur veränderbaren Widerstand (136) zu bilden;

Bilden eines Pfeilers (124) in jedem der wenigstens zwei Pfeilerlöcher;

Bilden von wenigstens zwei Kontakten (138) von den wenigstens zwei Pfeilern (124) zu dem mit der Temperatur veränderbaren Widerstand (136); und

Entfernen der vorübergehenden Schicht (150).

10. Verfahren nach Anspruch 9, das den Schritt des Abscheidens eines Spiegelmaterials (126) auf dem Substrat (122) vor dem Bilden der vorübergehenden Schicht (150) umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Spiegelmaterial (126) Aluminium ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die vorübergehende Schicht (150) aus Polyimid ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das den Schritt des wenigstens teilweisen Zersägens des Substrats (122) vor dem Entfernen der vorübergehenden Schicht (150) umfaßt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, das den Schritt des Bildens einer Passivierungsschicht vor dem Bilden der Schicht aus Absorbermaterial umfaßt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem der Schritt des Bildens einer Schicht aus Absorbermaterial das Abscheiden eines Metalls umfaßt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem der Schritt des Bildens einer Schicht aus einem einen veränderbaren Widerstand bildenden Material das Abscheiden von amorphem Silicium umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das amorphe Silicium zwischen 10&supmin;&sup6;Ω&supmin;¹cm&supmin;² und 10&supmin;²Ω&supmin;¹cm&supmin;² dotiert ist.

18. Matrix (106) zum Nachweis infraroter Strahlung, umfassend: eine Matrix aus Bolometern, wobei jedes Bolometer ein Bolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist; und eine in dem Substrat (122) gebildete Schaltungsanordnung zum Nachweisen von Veränderungen des Widerstands des einen veränderbaren Widerstand bildenden Materials (136).