FR2949855A1

FR2949855A1 - Capteur de detection de rayonnement thermique et procede de fabrication

Info

Publication number: FR2949855A1
Application number: FR1056958A
Authority: FR
Inventors: Thorsten Mueller; Ando Feyh
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2011-03-11
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: FR2949855B1; US20110057285A1; US8415760B2; DE102009029343A1

Abstract

Capteur à structure monolithique intégrée pour la détection de rayonnement thermique comportant un substrat de support (1), une cavité (8) et des éléments de capteurs (3) pour la détection du rayonnement thermique. Le rayonnement thermique incident (11) traverse le substrat de support (1) pour arriver sur l'élément de capteur (3). L'élément de capteur (3) est suspendu dans la cavité (8) par des suspensions (6, 13', 14') assurant également le branchement électrique des éléments de capteurs. L'invention concerne également le procédé de fabrication de ce capteur.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur à structure monolithique intégrée pour la détection d'un rayonnement thermique comprenant : - un substrat de support, - une cavité, et - au moins un élément de capteur pour détecter le rayonnement thermique. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel capteur. Etat de la technique Le document DE 103 15 964 Al, décrit un dispositif de détection de signaux de rayonnement dans le domaine infrarouge. Le dispositif comporte un élément de capteur et un élément de filtre inté- grés de manière monolithique. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un élément de capteur à structure monolithique intégrée pour la détection de rayonnement thermique tel que par exemple le rayonnement infrarouge, du type défi- ni ci-dessus, caractérisé en ce que - le rayonnement thermique incident arrive sur l'élément de capteur à travers le substrat de support, et - l'élément de capteur est suspendu dans la cavité par une suspension.

Un tel capteur a d'une part l'avantage de détecter le rayonnement incident non pas à travers l'encapsulage, mais à travers le substrat de support, c'est-à-dire le côté arrière du capteur, on évite ainsi l'influence perturbatrice des procédés d'encapsulage telle que par exemple la limite des grains dans la couche d'encapsulage. Grâce à la suspension de l'élément de capteur dans la cavité, on diminue en outre de façon avantageuse, la déperdition calorifique de l'élément de capteur vers son environnement. Dans le cadre d'un mode de réalisation de l'invention, l'élément de capteur est suspendu de manière à être écarté des parois de la cavité.

2 Selon une autre caractéristique de l'invention, les con-tacts électriques servent au branchement électrique de l'élément de capteur et de moyens de suspension. Cette solution a l'avantage d'éviter tout élément supplémentaire pour assurer la suspension et réduire ain- si au minimum l'encombrement global et simplifier le procédé de fabrication. Le capteur comporte de préférence plusieurs ou de nombreux éléments de capteurs, formant notamment un réseau d'éléments de capteurs.

Suivant une autre caractéristique, l'élément de capteur est choisi dans le groupe composé des diodes thermosensibles et des bolomètres résistifs et notamment des résistances au silicium polycristallin. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on bloque dans la cavité, une pression de quelques mbars par exemple une pression telle que ? 0,01 mbar à 100 mbars. Le capteur selon l'invention est notamment réalisé par le procédé décrit ci-après. Le procédé selon l'invention concerne la fabrication de capteurs à structure monolithique intégrée pour la détection de rayonnement thermique. Ainsi, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un capteur à structure monolithique intégrée pour la détection d'un rayonnement thermique, caractérisé par les étapes de procédé suivantes : a) dépôt et mise en structure d'une première couche sacrificielle sur un substrat de support, b) dépôt et mise en structure d'au moins un élément de capteur pour détecter le rayonnement thermique sur la première couche sacrifi- cielle, c) dépôt et mise en structure d'une seconde couche sacrificielle sur l'élément de capteur et sur la première couche sacrificielle, d) dépôt et mise en structure d'une couche d'encapsulage sur la se- conde couche sacrificielle,

3 e) réalisation des contacts électriques pour le branchement de l'élément de capteur, f) réalisation d'au moins un orifice d'accès pour graver les couches sacrificielles, g) gravure des couches sacrificielles en développant une cavité, et h) fermeture de l'orifice d'accès. Selon le procédé, on fait régner dans la cavité, une pression intérieure très faible. La structure cristalline du substrat de support reste de préférence conservée pendant toute l'application du procédé de l'invention. L'étape de procédé e) peut en principe se faire à la fois avant, après ou aussi en même temps que l'étape de procédé f). Suivant une autre caractéristique avantageuse, le procé- dé comprend en outre l'étape suivante : b') dépôt et mise en structure d'une couche absorbante sur un élément de capteur. Le dépôt et la mise en structure de la seconde couche sacrificielle selon l'étape de procédé c), se font sur la couche absorbante, sur la première couche sacrificielle et en option sur l'élément de capteur. Suivant une autre caractéristique avantageuse, dans l'étape de procédé e), on réalise les contacts électriques comme moyens de suspension pour suspendre l'élément de capteur dans la ca- vité réalisée dans l'étape de procédé g). Comme déjà indiqué, cette solution a l'avantage de ne pas nécessiter de composants ou d'éléments supplémentaires pour la suspension de l'élément de capteur et de réduire ainsi au minimum l'encombrement global et le procédé de fabrication. Grâce à la suspen- Sion de l'élément de capteur, on a l'avantage de réduire la déperdition calorifique de l'élément de capteur vers son environnement. Suivant une autre caractéristique avantageuse, dans l'étape e), on réalise les contacts électriques sous la forme de con-tacts traversants à partir de la surface supérieure des capteurs passant

4 dans la couche d'encapsulage et la seconde couche sacrificielle jusqu'à l'élément de capteur. Suivant une autre caractéristique avantageuse, dans l'étape e), les contacts électriques sont réalisés en formant des cri- fices de contact par un procédé de gravure en tranchée suivi du développement de parois d'ouverture de contact isolantes à l'aide d'un procédé d'oxydation thermique, notamment de l'ouverture locale de con-tact par une gravure par oxydation ciblée du fond du contact traversant et ensuite remplissage des ouvertures de contact avec un matériau élec- troconducteur par exemple du silicium polycristallin dopé, selon un procédé de dépôt. Le substrat de support peut être réalisé en un matériau fortement ohmique, pour avoir une bonne transparence au rayonne-ment infrarouge.

Suivant une autre caractéristique avantageuse de l'invention, - le substrat de support est en une matière ayant une résistance électrique spécifique de plus de 10 Dcm et/ou - la première couche sacrificielle et la seconde couche sacrificielle con- tiennent du silicium-germanium et/ou de l'oxyde de silicium et/ou - l'élément de capteur contient du silicium germanium et/ou du sili- cium polycristallin dopé et/ou - la couche absorbante comporte un oxyde et/ou - la couche d'encapsulage comporte un silicium épitaxial, et/ou - les contacts électriques comportent du silicium polycristallin dopé. Dans le cadre d'un développement de l'invention, le substrat de support comporte ainsi une matière ayant une résistance électrique spécifique supérieure à 10 Dcm par exemple telle que ? 12 Dcm à 18 acm. En particulier, le substrat de support peut être réalisé en une matière ayant une résistance électrique spécifique supérieure à 10 Dcm telle que par exemple dans la plage ? 12 Dcm à 18 acm. Suivant un autre développement de l'invention, la première couche sacrificielle et la seconde couche sacrificielle sont en silicium germanium (SiGe) et/ou en oxyde de silicium. En particulier la première couche sacrificielle et la seconde couche sacrificielle peuvent être en silicium-germanium (SiGe) et/ou en oxyde de silicium. En particulier, la première couche sacrificielle peut être en silicium-germanium épitaxial (monocristallin). En revanche, la seconde couche sacrificielle n'est pas nécessairement en silicium-germanium épitaxial. 5 Suivant un autre développement de l'invention, l'élément de capteur comporte du silicium-germanium (SiGe), notamment du silicium-germanium dopé et/ ou du silicium polycristallin dopé (polysilicium). L'élément de capteur peut être réalisé en silicium-germanium (SiGe), notamment en silicium-germanium dopé et/ou en silicium polycristallin dopé (polysilicium). Suivant un autre développement de l'invention, la couche absorbante en particulier dans le cas d'une couche sacrificielle en silicium-germanium, comporte un oxyde, notamment de l'oxyde de silicium. En particulier, la couche absorbante est en un oxyde, par 15 exemple en oxyde de silicium. Suivant un autre développement de l'invention, la couche d'encapsulage comporte du silicium épitaxial et en particulier cette couche peut être réalisée en silicium épitaxial. La couche d'encapsulage peut avoir une épaisseur telle que ? 10 ,um à 30 ,um. De manière préfé- 20 rentielle, la couche d'encapsulage se développe dans la zone au-dessus de l'élément de capteur ou des éléments de capteurs sous une forme polycristalline et dans la zone à côté du ou des éléments de capteurs, sous une forme monocristalline sur le substrat de support. Cela permet avantageusement la réalisation d'un circuit ASIC à côté du capteur (in- 25 tégration monolithique). Suivant une autre caractéristique de l'invention, les con-tacts diélectriques comportent du silicium polycristallin et notamment ils sont réalisés en silicium polycristallin. Dans le cas d'une couche sacrificielle en silicium- 30 germanium, on peut utiliser CIF3 comme agent de gravure. Dans le cas d'une couche sacrificielle en oxyde de silicium, on utilise de l'acide fluorhydrique comme agent de gravure. La fermeture de l'orifice d'accès selon l'étape de procédé h), peut se faire par un dépôt non conforme. On emprisonne avantageu- 35 sement une pression de quelques millibars dans la cavité. 5 10 6 Suivant un autre développement, dans l'étape de procédé h), lors de la fermeture de l'orifice d'accès, on emprisonne une pression de quelques millibars, par exemple une pression dans une plage telle que ? 0,01 mbar à 100 mbars dans cavité. L'invention concerne de façon globale un capteur à structure monolithique intégrée pour la détection de rayonnement thermique, par exemple de rayonnement infrarouge, réalisé selon le procédé défini ci-dessus. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'un capteur selon l'invention et de son procédé de fabrication. Ainsi : - la figure 1 montre en coupe la structure d'un capteur selon l'invention à la fin de l'étape de procédé b), 15 - la figure 2A montre la structure du capteur selon l'invention avec un bolomètre résistif comme élément de capteur à la fin de l'étape de procédé d), - la figure 2B montre la structure du capteur avec des éléments de capteurs formés par des diodes thermosensibles, à la fin de l'étape de 20 procédé d), - la figure 2C est une vue de dessus d'un élément de capteur en forme de bolomètre résistif, - la figure 2D est une vue de détail d'un élément de capteur réalisé sous la forme d'une diode thermosensible, 25 - la figure 3A montre la structure d'un capteur dont les éléments de capteurs sont des bolomètres résistifs, à la fin de l'état de procédé e), - la figure 3B montre la structure d'un capteur selon l'invention avec des éléments de capteurs formés par des diodes thermosensibles, à la fin de l'étape de procédé e), 30 - la figure 4A montre la structure du capteur selon l'invention avec des éléments de capteurs formés par des bolomètres résistifs, à la fin de l'étape de procédé g), - la figure 4B montre la structure du capteur avec des éléments de capteurs formés par des diodes thermosensibles, à la fin de l'étape de 35 procédé g),

7 - la figure 5A montre la structure d'un capteur selon l'invention avec des éléments de capteurs formés par des bolomètres résistifs, à la fin de l'étape de procédé h), - la figure 5B montre la structure d'un capteur avec des éléments de capteurs constitués par des diodes thermosensibles, à la fin de l'étape de procédé h). Description de modes de réalisation de l'invention Selon la figure 1, dans l'étape de procédé a), on dépose une première couche sacrificielle 2 sur un substrat de support 1 et on io la structure, dans l'étape de procédé b), on dépose six éléments de capteurs 3 sur la première couche sacrificielle 2 pour détecter le rayonne-ment thermique et on structure ces éléments de capteurs. La figure 2A montre selon l'étape c) le dépôt sur des éléments de capteurs 3 réalisés sous la forme de bolomètres résistifs, 15 d'une seconde couche sacrificielle 4 sur la première couche sacrificielle 2, ainsi que la mise en structure; dans l'étape de procédé d), on dépose une couche d'encapsulage 5 sur la seconde couche sacrificielle 4 et on la structure. La figure 2B montre selon l'étape c) le dépôt sur des élé- 20 ments de capteurs 3 en forme de diodes thermosensibles, d'une seconde couche sacrificielle 4 sur la première couche sacrificielle 2, puis on structure, dans l'étape de procédé d), on dépose une couche d'encapsulage 5 sur la seconde couche sacrificielle 4 et on la structure. Les figures 2A, 2B, montrent en outre que la couche 25 d'encapsulage 5 se développe dans la zone 5A au-dessus des éléments de capteurs 3 sous la forme polycristalline et dans la zone 5B à côté des éléments de capteurs 3 sous une forme monocristalline sur le substrat de support 1, ce qui est avantageux pour l'application d'un circuit ASIC à côté du capteur (intégration monolithique). 30 La figure 2C montre en vue de dessus, la conception d'un élément de capteur sous la forme d'un bolomètre résistif. La figure 2C montre que l'élément de capteur 3 sous la forme d'un bolomètre résistif a une surface sensible 3', des lignes d'alimentation 3" pour le découplage thermique de la surface sensible 3' et des points de branchement 35 3"' pour le branchement électrique des contacts de passage.

8 La figure 2D est une vue de détail d'un élément de capteur réalisé sous la forme d'une diode thermosensible après l'étape de procédé e). La figure 2D montre que l'élément de capteur réalisé sous la forme d'une diode thermosensible, comporte un élément de silicium 3", notamment un bloc de silicium ainsi qu'un premier contact 13, 13' et un second contact 14, 14', électriques, traversant la seconde couche sacrificielle. En dégageant par gravure les couches sacrificielles 2, 4 dans l'étape de procédé g), ultérieure, les contacts électriques 13', 14' serviront de moyens de suspension pour suspendre l'élément de capteur 3, dans la cavité 8, qui sera formée (figure 4B et 5B). L'élément de silicium 3" est de préférence un silicium épitaxial à dopage n. Le premier contact électrique 13, 13' et le second contact électrique 14, 14' sont de préférence en silicium polycristallin. La figure 2D montre une implantation p+ et une implantation n+ 12 dans le silicium 3". Si l'on 15 utilise une diode p+/n, l'implantation n+ améliore la résistance de branchement électrique du second contact électrique 14, 14'. La figure 2D montre en outre que l'élément de capteur réalisé dans sa forme représentée comme diode thermosensible présente une couche absorbante 15 sur l'élément de silicium 3". 20 La figure 3A montre la réalisation de contacts électriques 6 pour le branchement d'éléments de capteurs 3 sous la forme de bolomètres résistifs selon l'étape de procédé (e). La figure 3B montre la réalisation de contacts électriques 6, 13', 14' pour le branchement d'éléments de capteurs 3 réalisés sous 25 la forme de diodes thermosensibles selon l'étape de procédé (e). Les figures 3A et 3B montrent que les contacts électriques 6, 13', 14' se présentent sous la forme de contacts traversant la surface supérieure du capteur à travers la couche d'encapsulage 5 et la seconde couche sacrificielle 4 pour chaque élément de capteur 3. 30 La figure 4A montre un capteur formé d'éléments de capteurs 3 constitués par des bolomètres résistifs avec le développement d'un orifice d'accès 7 pour graver les couches sacrificielles 2, 4 selon l'étape de procédé f) et ensuite, la gravure de la première et de la seconde couche sacrificielle 2 et 4 pour former une cavité 8 selon l'étape 35 de procédé (g).

La figure 4B montre le cas d'un capteur formé d'éléments de capteurs 3 constitués par des diodes thermosensibles, avec la réalisation d'un orifice d'accès 7 pour graver les couches sacrificielles 2, 4 selon l'étape de procédé f), et ensuite la gravure de la première et de la seconde couche sacrificielle 2, 4 pour réaliser une cavité 8 selon l'étape de procédé (g). La figure 5A montre à l'aide d'un capteur composé d'éléments de capteurs 3 constitués par des bolomètres résistifs, la fermeture de l'orifice d'accès 7 selon l'étape de procédé (h).

La figure 5B montre la fermeture de l'orifice d'accès 7 selon l'étape de procédé (h) à l'aide d'un capteur formé d'éléments de capteurs 3 composés de diodes thermosensibles. Les figures 5A et 5B montrent notamment les capteurs selon l'invention, tels qu'ils se présentent une fois terminés, avec une structure monolithique intégrée, servant à la détection d'un rayonne-ment thermique. Les figures 5A et 5B montrent que les capteurs comportent un substrat de support 1, une cavité 8, plusieurs éléments de capteurs 3 détectant le rayonnement thermique; les éléments de capteurs 3 sont suspendus dans la cavité 8 par des suspensions 6, 13', 14' en étant écartés des parois de la cavité 8. Les contacts électriques 6, 13', 14' servent au branchement électrique des éléments de capteurs 3 et aussi de moyens de suspension. Les figures 5A et 5B montrent en outre le rayonnement thermique 11, incident, traversant le substrat de support 1 et arrivant sur des éléments de capteurs 3 qui détectent ainsi le rayonnement thermique 11 incident traversant le substrat de support 1.30 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX

1 substrat de support 2 première couche sacrificielle 3 élément de capteur 3' surface sensible 3" ligne d'alimentation de découplage thermique 3"' point de branchement 3"" élément de silicium 4 seconde couche sacrificielle 5 couche d'encapsulage 5a zone de la couche d'encapsulage 5b zone de la couche d'encapsulage 6 contact électrique 11 rayonnement thermique incident 13, 13' premier contact électrique 14, 14' second contact électrique 15 couche absorbante20

Claims

REVENDICATIONS1 °) Capteur à structure monolithique intégrée pour la détection d'un rayonnement thermique comprenant : - un substrat de support (1), - une cavité (8), et - au moins un élément de capteur (3) pour détecter le rayonnement thermique, capteur caractérisé en ce que - le rayonnement thermique incident (11) arrive sur l'élément de cap- teur (3) à travers le substrat de support (1), et - l'élément de capteur (3) est suspendu dans la cavité (8) par une sus-pension (6, 13', 14'). 2°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de capteur (3) est suspendu à distance des parois de la cavité (8). 3°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les contacts électriques (6, 13', 14') assurant le branchement électrique de l'élément de capteur (3) servent de moyens de suspension (6, 13', 14') . 4°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de capteur (3) est choisi dans le groupe comprenant les diodes thermosensibles et les bolomètres résistifs. 5°) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (8) est à une pression de quelques mbars. 6°) Procédé de fabrication d'un capteur à structure monolithique inté- grée pour la détection d'un rayonnement thermique, 12 caractérisé en ce qu' il comprend les étapes de procédé suivantes : a) dépôt et mise en structure d'une première couche sacrificielle (2) sur un substrat de support (1), b) dépôt et mise en structure d'au moins un élément de capteur (3) pour détecter le rayonnement thermique sur la première couche sacrificielle (2), c) dépôt et mise en structure d'une seconde couche sacrificielle (4) sur l'élément de capteur (3) et sur la première couche sacrificielle (2), d) dépôt et mise en structure d'une couche d'encapsulage (5) sur la seconde couche sacrificielle (4), e) réalisation des contacts électriques (6, 13', 14') pour le branchement de l'élément de capteur (3), f) réalisation d'au moins un orifice d'accès (7) pour graver les couches sacrificielles (2, 4), g) gravure des couches sacrificielles (2, 4) en développant une cavité (8), et h) fermeture de l'orifice d'accès (7). 7°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' il comprend en outre l'étape de procédé suivante : b') dépôt et mise en structure d'une couche absorbante (3b) sur un élément de capteur (3). 8°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans l'étape de procédé e), on réalise les contacts électriques (6, 13', 14') comme moyens de suspension pour suspendre l'élément de capteur (3) dans la cavité (8) réalisée dans l'étape de procédé g). 9°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans l'étape e), on réalise les contacts électriques (6, 13', 14') sous la forme de contacts traversants à partir de la surface supérieure des cap- 13 teurs passant dans la couche d'encapsulage (5) et la seconde couche sacrificielle (4) jusqu'à l'élément de capteur (3). 10°) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans l'étape e), les contacts électriques (6, 13', 14') sont réalisés en formant des orifices de contact par un procédé de gravure en tranchée suivi du développement de parois d'ouverture de contact isolantes à l'aide d'un procédé d'oxydation thermique, notamment de l'ouverture locale de contact par une gravure par oxydation ciblée du fond du contact traversant et ensuite remplissage des ouvertures de contact avec un matériau électroconducteur par exemple du silicium polycristallin dopé, selon un procédé de dépôt. 11 °) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' - le substrat de support (1) est en une matière ayant une résistance électrique spécifique de plus de 10 SZcm et/ou - la première couche sacrificielle (2) et la seconde couche sacrificielle (4) contiennent du silicium germanium et/ou de l'oxyde de silicium et/ou - l'élément de capteur (3) contient du silicium germanium et/ou du silicium polycristallin dopé et/ou - la couche absorbante (3b) comporte un oxyde et/ou - la couche d'encapsulage (5) comporte un silicium épitaxial et/ou - les contacts électriques (6, 13', 14') comportent du silicium polycristallin dopé. 12°) Procédé selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que dans l'étape de procédé h), lors de la fermeture de l'orifice d'accès (7), on bloque dans la cavité (8), une pression de quelques mbars.