DE10058861A1 - Infrared sensor for high-resolution infrared detector arrangements and method for its production - Google Patents
Infrared sensor for high-resolution infrared detector arrangements and method for its productionInfo
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Abstract
Ein Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen hat einen Träger (20), auf dem mindestens ein Pixelelement (30) zur Detektion von Infrarotstrahlung angeordnet ist, und einen in den Träger integrierte Ausleseelektronik oder Bauelemente einer solchen Ausleseelektronik, die an das Pixelelement (30) gekoppelt ist/sind. Kontaktflächen (2) der Ausleseelektronik oder von Bauelementen der Ausleseelektronik befinden sich im Inneren des Trägers (20). Die Ausleseelektronik oder Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixelelement (30) sind in vertikaler Anordnung ausgebildet. Der Träger (20) enthält eine CMOS-kompatible Oberflächenmikromechnikstruktur mit einem integrierten Hohlraum (7) unterhalb des Pixelelements (30) und säulenartigen Metallstrukturen (6a), die sich vertikal erstrecken und die Kontaktflächen (2) der Ausleseelektronik mit dem Pixelelement (30) elektrisch verbinden. Bei einem Verfahren zur Herstellung des IR-Sensors werden Ausleseelektronik oder Bauelemente der Ausleseelektronik und Pixelelemente (30) vertikal übereinander angeordnet.An infrared sensor for high-resolution infrared detector arrangements has a carrier (20) on which at least one pixel element (30) for detecting infrared radiation is arranged, and a reading electronics or components of such reading electronics integrated in the carrier and coupled to the pixel element (30) is / are. Contact surfaces (2) of the readout electronics or of components of the readout electronics are located inside the carrier (20). The readout electronics or components of the readout electronics and the pixel element (30) are designed in a vertical arrangement. The carrier (20) contains a CMOS-compatible surface micromechanical structure with an integrated cavity (7) below the pixel element (30) and columnar metal structures (6a) that extend vertically and the contact surfaces (2) of the readout electronics with the pixel element (30) electrically connect. In a method for producing the IR sensor, readout electronics or components of the readout electronics and pixel elements (30) are arranged vertically one above the other.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotsensor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9. Der IR-Sensor ist insbesondere für hochauf lösende Infrarot-Detektoranordnungen geeignet.The present invention relates to an infrared sensor according to the preamble of claim 1 and a method for Manufacture of an infrared sensor according to the preamble of Claim 9. The IR sensor is especially for high Solving infrared detector arrangements suitable.
Integrierte Infrarotsensoren für hochauflösende Infrarot- Detektoranordnungen umfassen einen Halbleitertragekörper bzw. Chip, auf dem ein Sensorelement zur Messung der Intensität einer Infrarotstrahlung ausgestaltet ist. Dabei ist das Sen sorelement beispielsweise ein pyroelektrischer Kondensator. Neben dem Sensorelement bzw. der Sensorstruktur befindet sich auf dem Chip weiterhin eine Ausleseelektronik, die zur Verar beitung der von der Sensorstruktur erzeugten Signale dient. Dabei sind die Ausleseelektronik und die Sensorstruktur ne beneinander auf dem Chip aufgebracht. Die Ausleseelektronik ist im Chip integriert.Integrated infrared sensors for high-resolution infrared Detector arrangements include a semiconductor support body or Chip on which a sensor element for measuring the intensity an infrared radiation is configured. Here is the Sen sensor element, for example a pyroelectric capacitor. Is located next to the sensor element or the sensor structure on the chip readout electronics that are ready for processing processing of the signals generated by the sensor structure. The readout electronics and the sensor structure are ne applied to each other on the chip. The readout electronics is integrated in the chip.
Die bekannten Infrarotsensoren haben jedoch den Nachteil ei nes großen Platzbedarfs. Durch die Anordnung von Auslese elektronik und Sensorstruktur nebeneinander auf dem Chip ist bei einer vorgegebenen Detektorfläche bzw. bei einer vorgege benen Chipgröße in einem integrierten Sensorarray die Anzahl der Sensorelemente begrenzt.However, the known infrared sensors have the disadvantage large space requirement. By arranging selection electronics and sensor structure side by side on the chip with a given detector area or with a given one the number of chips in an integrated sensor array the sensor elements limited.
Hinzu kommt die allgemeine Anforderung, dass die Sensoren bzw. IR-Detektorarrays stabil gegenüber mechanischen Einflüssen von außen sein sollen. Darüber hinaus sollen die Infra rotsensoren kostengünstig herstellbar sein.Add to that the general requirement that the sensors or IR detector arrays stable against mechanical influences should be from outside. In addition, the infra red sensors can be manufactured inexpensively.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Infrarotsensor insbesondere für hochauflösende Infrarot- Detektoranordnungen zu schaffen, der sehr kompakt bzw. platz sparend ausgestaltet werden kann und mit dem in Detektorar rays eine dichte Anordnung der Sensoren erzielt werden kann. Weiterhin soll mit dem Infrarotsensor eine hohe Auflösung der IR-Detektorarrays ermöglicht werden. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Infrarotsensors angegeben werden, das relativ kostengünstig durchführbar ist.It is therefore the object of the present invention, a Infrared sensor especially for high-resolution infrared To create detector arrays that are very compact or space can be designed to be economical and with the detector rays a dense arrangement of the sensors can be achieved. Furthermore, a high resolution of the IR detector arrays are made possible. In addition, a Method for producing such an infrared sensor be specified, which is relatively inexpensive to carry out.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Infrarotsensor gemäß Pa tentanspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors gemäß Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnun gen.The task is solved by the infrared sensor according to Pa claim 1 and by the method for producing a Infrared sensor according to claim 9. Further advantageous Features, aspects and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings gene.
Der erfindungsgemäße Infrarotsensor für hochauflösende Infra rot-Detektoranordnungen hat einen Träger, auf dem mindestens ein Pixelelement zur Detektion von Infrarotstrahlung angeord net ist, und eine z. B. in den Träger integrierte Auslese elektronik oder Bauelemente einer Ausleseelektronik, die an das Pixelelement gekoppelt ist/sin, wobei die Ausleseelektro nik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixel element in vertikaler Anordnung ausgebildet sind und der Trä ger - unter anderem - eine Mikromechanikstruktur enthält.The infrared sensor according to the invention for high-resolution infra red detector arrangements has a support on which at least a pixel element arranged for the detection of infrared radiation is net, and a z. B. integrated in the carrier selection electronics or components of a read-out electronics that the pixel element is coupled / sin, the readout electro nik or the components of the readout electronics and the pixel element are formed in a vertical arrangement and the Trä eng - among other things - contains a micromechanical structure.
Die Mikromechanistruktur kann zur thermischen Isolierung des Pixelelements vom Substratmaterial dienen. The micromechanical structure can be used for thermal insulation of the Serve pixel elements from the substrate material.
Durch die vertikale Anordnung der beiden Teile Ausleseelekt ronik bzw. Ausleseschaltung oder Bauelemente der Auslese elektronik und Pixelelement in Verbindung mit einer Mikrome chanikstruktur können in einer Detektoranordnung die Sensoren wesentlich dichter aneinander angeordnet werden. Dadurch kön nen hochauflösende IR-Detektorarrays geschaffen werden, die einen sehr geringen Platzbedarf aufweisen und dennoch eine hohe Auflösung erzielen. Der erfindungsgemäße Infrarotsensor ist insbesondere mit Techniken der Oberflächenmikromechanik herstellbar, d. h. es werden mit einer CMOS-kompatiblen Mik romechanik bzw. Oberflächenmikromechanik hochauflösende IR- Detektorarrays zugänglich.Because of the vertical arrangement of the two parts electronics or readout circuit or components of the readout electronics and pixel element in connection with a microme The sensors can be provided with a mechanical structure in a detector arrangement be arranged much closer together. This allows high-resolution IR detector arrays are created that have a very small footprint and yet one achieve high resolution. The infrared sensor according to the invention is particularly with techniques of surface micromechanics producible, d. H. with a CMOS compatible mic romechanics or surface micromechanics high-resolution IR Detector arrays accessible.
Vorteilhafterweise ist in dem Träger eine oberflächenmikrome chanisch hergestellte Stützstruktur vorgesehen. Dadurch wird eine besonders hohe Stabilität gegenüber externen Einflüssen erzielt, wobei dennoch ein äußerst geringer Platzbedarf ge währleistet ist. Die Verwendung der oberflächenmikromecha nisch hergestellten Stützstrukturen dient insbesondere auch zur Verminderung des Übersprechens zwischen einzelnen Pixeln bzw. Pixelelementen.A surface microme is advantageously in the carrier mechanically manufactured support structure provided. This will a particularly high stability against external influences achieved, while still an extremely small footprint ge is guaranteed. The use of the surface micromecha nically manufactured support structures also serves in particular to reduce crosstalk between individual pixels or pixel elements.
Bevorzugt ist ein elektrischer Kontakt vom Pixelelement zur Ausleseelektronik beziehungsweise den Bauelementen der Ausle seelektronik in die Stützstruktur bzw. in die Stützstrukturen integriert. Dadurch wird der Raum- bzw. Platzbedarf noch wei ter reduziert, ohne dass die Stabilität Nachteile erleidet. Die Stützstruktur erfüllt dadurch gleichzeitig zwei Funktio nen, nämlich einerseits die Bereitstellung des elektrischen Kontakts zum Ausleseschaltkreis bzw. zur Ausleseelektronik, und andererseits die Abstützung der vertikal bzw. vertikal übereinander angeordneten Elemente des Infrarotsensors. Electrical contact from the pixel element to is preferred Readout electronics or the components of the Ausle seelektronik in the support structure or in the support structures integrated. As a result, the space or space requirement is still white ter reduced, without the stability suffers disadvantages. The support structure thus fulfills two functions at the same time NEN, namely on the one hand the provision of the electrical Contacts to the readout circuit or to the readout electronics, and on the other hand the support of the vertical or vertical elements of the infrared sensor arranged one above the other.
Vorteilhafterweise ist im Träger ein Hohlraum vorgesehen. Da bei ist der Hohlraum bevorzugt evakuiert bzw. der Hohlraum verschlussprozess im Vakuum durchgeführt. Durch den Hohlraum und insbesondere durch den evakuierten Hohlraum ist das Pi xelelement thermisch isoliert, was zur Verbesserung der Qua lität der Messergebnisse bzw. zur Erhöhung der Auflösung bei trägt. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung befindet sich die thermische Isolation direkt im Pixel und der gesamte Chip bzw. Infrarotsensor kann in ein unter Atmosphärendruck ste hendes Gehäuse eingebaut werden. Dadurch werden Kosten einge spart, da ein Vakuumgehäuse im Vergleich hierzu mit wesent lich höheren Kosten verbunden ist.A cavity is advantageously provided in the carrier. because the cavity is preferably evacuated or the cavity Closure process carried out in a vacuum. Through the cavity and especially through the evacuated cavity is the pi xelelement thermally insulated, which improves the qua measurement results or to increase the resolution wearing. Due to this advantageous embodiment the thermal insulation directly in the pixel and the entire chip or infrared sensor can be placed in a subatmospheric pressure existing housing. This saves costs saves, because a vacuum housing in comparison with this Lich higher costs.
Der Träger enthält z. B. eine CMOS-kompatible Mikromechanik struktur mit einem insbesondere vertikal vom Trägerinnenraum auf die Trägeroberfläche geführten Kontakt. Dies trägt noch zusätzlich zur Platzeinsparung und zur Erhöhung der Stabili tät bei.The carrier contains e.g. B. a CMOS-compatible micromechanics structure with an in particular vertical of the carrier interior contact made on the carrier surface. This still carries in addition to saving space and increasing stability act at.
Bevorzugt ist der Träger aus einem Substrat mit einer aufge brachten Schichtfolge gebildet, wobei in der Schichtfolge ein abgeschlossener Hohlraum mit ein oder mehreren elektrisch leitenden Stützstrukturen ausgestaltet ist, die den Auslese schaltkreis bzw. die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik mit dem oder den Pixelelementen verbin den. Der Träger bzw. das Substrat ist insbesondere ein Chip. Dadurch ergibt sich eine besonders kostengünstige und beson ders platzsparende Bauweise.The carrier is preferably made of a substrate with a brought layer sequence formed, being in the layer sequence closed cavity with one or more electrically conductive support structures is designed, the selection circuit or the readout electronics or the components the readout electronics with the pixel element (s) the. The carrier or the substrate is in particular a chip. This results in a particularly inexpensive and special space-saving design.
Das Pixelelement kann z. B. eine pyroelektrische Kondensator struktur umfassen bzw. als solche ausgestaltet sein, die ins besondere durch die Stützstrukturen im Träger mit der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik e lektrisch verbunden ist.The pixel element can e.g. B. a pyroelectric capacitor include structure or be designed as such, the ins especially through the support structures in the carrier with the readout electronics or the components of the readout electronics e is electrically connected.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Infra rotsensors, der insbesondere für hochauflösende Infrarot- Detektoranordnungen geeignet ist, umfasst die Schritte: Be reitstellen eines Trägers mit mikromechanisch hergestellten Hohlräumen und einer Ausleseelektronik oder Bauelementen ei ner Ausleseelektronik; Aufbringen eines Pixelelements auf die Trägeroberfläche; und Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Ausleseelektronik oder den Bauelemen ten der Ausleseelektronik und dem Pixelelement; wobei die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixelelement vertikal übereinander angeordnet werden, und wobei sich die elektrisch leitende Verbindung durch den Träger erstreckt.The inventive method for producing an infra red sensor, especially for high-resolution infrared Suitable detector arrangements includes the steps: Be riding a carrier with micromechanically produced Cavities and a readout electronics or components egg ner readout electronics; Applying a pixel element to the Support surface; and making an electrically conductive Connection between the readout electronics or the components the readout electronics and the pixel element; being the Readout electronics or the components of the readout electronics and the pixel element are arranged vertically one above the other, and wherein the electrically conductive connection through the Stretcher stretches.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf kostengünstige Weise ein platzsparender Infrarotsensor hergestellt werden, der eine hohe Auflösung in Infrarot-Detektorarrays ermög licht, wobei dennoch eine hohe Festigkeit bzw. Stabilität des Infrarotsensors erzielt wird.With the inventive method can be inexpensive How to create a space-saving infrared sensor, which enables high resolution in infrared detector arrays light, but still a high strength or stability of the Infrared sensor is achieved.
Insbesondere erstreckt sich dabei die elektrisch leitende Verbindung von der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik des Trägers zur Trägeroberfläche. Dabei sind die Kontaktflächen des Ausleseschaltkreises z. B. im In neren des Trägers angeordnet.In particular, the electrically conductive extends Connection of the readout electronics or the components the readout electronics of the carrier to the carrier surface. there are the contact surfaces of the readout circuit z. B. in In neren of the carrier arranged.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Techniken der Mikromechanik bzw. der Oberflächenmikromechanik durchgeführt. Dadurch können z. B. Stützstrukturen und/oder Isolierungen zur Verminderung des Übersprechens zwischen ein zelnen Pixeln hergestellt werden.The method according to the invention is advantageously used Techniques of micromechanics or surface micromechanics carried out. This allows z. B. support structures and / or Insulations to reduce crosstalk between one individual pixels are produced.
Insbesondere kann zur Herstellung des Trägers eine Schicht folge auf das Substrat aufgebracht werden, in die beispiels weise ein oder mehrere Metallstrukturen zur Stützung der Trä geroberfläche und zur elektrischen Kontaktierung der Auslese elektronik oder der Bauelemente der Ausleseelektronik von der Trägeroberfläche eingebracht werden.In particular, a layer can be used to produce the carrier follow to be applied to the substrate, in the example wise one or more metal structures to support the Trä surface and for electrical contacting of the readout electronics or the components of the readout electronics from the Carrier surface are introduced.
Bevorzugt wird eine Hilfsschicht innerhalb des Trägers z. B. unterhalb einer Membran selektiv geätzt, um einen Hohlraum im Träger auszubilden. Dabei wird der Hohlraum vorteilhafterwei se bei ausreichend niedrigem Druck verschlossen. Dies kann möglicherweise im Vakuum bzw. unter Vakuumbedingungen gesche hen. Dadurch werden Kosten eingespart, die ansonsten durch ein notwendiges Vakuumgehäuse für den Infrarotsensor entste hen würden. Die Pixelelemente werden durch diese Maßnahmen sehr gut thermisch isoliert, so dass eine noch dichtere An ordnung der Infrarotsensoren im Detektorarray möglich wird, wobei dennoch eine gute Auflösung gewährleistet ist.An auxiliary layer within the support is preferably e.g. B. selectively etched below a membrane to create a cavity in the Train carriers. The cavity advantageously becomes closed at a sufficiently low pressure. This can possibly in a vacuum or under vacuum conditions hen. This saves costs that would otherwise be incurred a necessary vacuum housing for the infrared sensor arises would. The pixel elements are through these measures very well thermally insulated, making it even denser order of the infrared sensors in the detector array is possible, but still a good resolution is guaranteed.
Vorteilhafterweise wird auf dem Träger eine Schichtfolge zur Bildung eines pyroelektrischen Kondensators aufgebracht, der das Pixelelement bildet, wobei der Kondensator bzw. das Pi xelelement z. B. über eine oberflächenmikromechanisch herge stellte Stützstruktur innerhalb des Trägers mit der Auslese elektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik kon taktiert wird.A layer sequence is advantageously provided on the carrier Formation of a pyroelectric capacitor applied, the forms the pixel element, the capacitor or the Pi xelelement z. B. a surface micromechanically Herge put support structure inside the beam with the elite electronics or the components of the readout electronics kon is clocked.
Die Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung, die unter Bezugnahme auf das Verfahren zur Herstellung des IR-Sensors angegeben werden, gelten selbstverständlich auch für den erfindungsgemäßen Infrarotsensor selbst, ebenso wie Vorteile und Merkmale des Infrarotsensors auch für das erfindungsgemä ße Verfahren zu seiner Herstellung gelten.The advantages, features and details of the invention, which under Reference to the method of manufacturing the IR sensor are given, of course, also apply to the invention Infrared sensor itself, as well as advantages and features of the infrared sensor for the invention processes for its manufacture apply.
Nachfolgend wird zunächst die Herstellung eines erfindungsge mäßen Infrarotsensors bzw. eines hochauflösenden pyroelektri schen IR-Detektorarrays beispielhaft beschrieben, und an schließend wird der IR-Sensor selbst anhand der hergestellten Struktur beispielhaft beschrieben. Dabei zeigenThe following is first the manufacture of a fiction infrared sensor or a high-resolution pyroelectric described IR detector arrays by way of example, and in conclusion, the IR sensor itself is based on the manufactured Structure described as an example. Show
Fig. 1a und 1b in schematischer Darstellung die einzelnen Schritte bei der Herstellung des Infrarotsensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er findung, wobei der Aufbau in den einzelnen Her stellungsphasen mit A bis T gekennzeichnet ist. Fig. 1a and 1b a schematic representation of the various steps in the manufacture of the infrared sensor according to a preferred embodiment of the invention it, wherein the structure in each Her position phases A through T is characterized.
In Fig. 1a wird von einem Wafer 1 ausgegangen, der mit einer Ausleseelektronik bzw. Ausleseschaltung oder Teilen davon versehen ist. An der Oberfläche des Wafers 1 sind metallische Kontaktflächen 2 in Form von Pads ausgebildet. Der Wafer 1 bildet ein Substrat, das die Ausleseelektronik oder Bauele mente der Ausleseelektronik enthält, wobei die Kontaktflächen 2 zur Kontaktierung der Ausleseelektronik bzw. Halbleiter schaltung oder der Bauelemente der Ausleseelektronik dienen. Auf den so bereitgestellten Wafer können weitere Schichtfol gen aufgebracht werden. (A)In Fig. 1a is assumed that a wafer 1, which is provided with a read-out electronics and read-out circuit or parts thereof. Metallic contact surfaces 2 in the form of pads are formed on the surface of the wafer 1 . The wafer 1 forms a substrate which contains the readout electronics or components of the readout electronics, the contact surfaces 2 serving for contacting the readout electronics or semiconductor circuit or the components of the readout electronics. Further layer sequences can be applied to the wafer provided in this way. (A)
Nun wird eine Passivierung 3 auf die Oberfläche des Substrats bzw. Wafers 1 aufgebracht, wobei die Passivierung 3 die Kon taktflächen 2 bzw. Pads überdeckt. Die Passivierung 3 ist vorzugsweise durch eine oder mehrere Nitridschichten bzw. Si- Nitrid-Schichten gebildet. Die obere Silizium-Nitridschicht der Passivierung 3 dient als Ätzstop für eine spätere Hohlraumätzung oberhalb der Passivierung 3, so dass das darrun terliegende Substrat 1 nicht angegriffen wird. (B)Now a passivation 3 is applied to the surface of the substrate or wafer 1 , the passivation 3 covering the contact surfaces 2 or pads. The passivation 3 is preferably formed by one or more nitride layers or silicon nitride layers. The upper silicon nitride layer of the passivation 3 serves as an etching stop for a later cavity etching above the passivation 3 , so that the underlying substrate 1 is not attacked. (B)
In dem nun folgenden Prozessschritt wird auf die Nitrid schicht der Passivierung 3 eine Hilfsschicht 4 aufgebracht, die beispielsweise eine Plasmaoxidschicht ist. Die Plasmao xidschicht bzw. Hilfsschicht 4 ist z. B. eine 0,5 µm dicke Schicht, die zur späteren Herstellung einer Stützstruktur mit einem integrierten elektrischen Kontakt bzw. Leiter dient. Die Hilfsschicht 4 bildet eine Opferschicht für die spätere Hohlraumätzung. (C)In the process step that follows, an auxiliary layer 4 is applied to the passivation 3 nitride layer, which is, for example, a plasma oxide layer. The plasma oxide layer or auxiliary layer 4 is, for. B. a 0.5 micron thick layer, which is used for the later production of a support structure with an integrated electrical contact or conductor. The auxiliary layer 4 forms a sacrificial layer for the later cavity etching. (C)
Nun wird auf das Plasmaoxid der Hilfsschicht 4 eine weitere Schicht als Membran 5 aufgebracht. Die Membranschicht bzw. Membran 5 ist beispielsweise eine Si-Nitridschicht und hat z. B. eine Stärke von etwa 0,2 µm. (D)Now another layer as membrane 5 is applied to the plasma oxide of auxiliary layer 4 . The membrane layer or membrane 5 is, for example, a Si nitride layer and has, for. B. a thickness of about 0.2 microns. (D)
Anschließend werden in die auf dem Substrat oder Wafer 1 auf gebrachten Schichten Kontaktlöcher 5a geätzt, die bis auf die Aluminiumpads bzw. Kontaktflächen 2 der Ausleseelektronik reichen und diese kontaktieren. Das jeweilige Kontaktloch 5a wird senkrecht von der Oberseite der Membran 5 nach unten hin senkrecht zur Substratoberfläche ausgebildet. Der Durchmesser des jeweiligen Kontaktlochs 5a beträgt beispielsweise 1 bis 2 µm. (E) und (F)Subsequently, contact holes 5 a are etched into the layers placed on the substrate or wafer 1 , which reach as far as the aluminum pads or contact areas 2 of the readout electronics and contact them. The respective contact hole 5 a is formed vertically from the top of the membrane 5 downwards perpendicular to the substrate surface. The diameter of the respective contact hole 5 a is for example 1 to 2 microns. (E) and (F)
Anschließend werden die Kontaktlöcher 5a mit einem elektrisch leitenden Material bzw. einem Metall aufgefüllt, wobei vor teilhafterweise Wolfram verwendet wird. Das Wolfram kann bei spielsweise in einem CVD-Prozeß (Chemical Vapor Deposition) abgeschieden werden. Das elektrisch leitende Material in den Kontaktlöchern 5a reicht von der Oberfläche der Membran 5 säulenartig hinab bis auf die Oberfläche der Kontaktflächen 2, so dass es einen durchgehenden elektrischen Kontakt von der Oberfläche der so gebildeten Struktur zu den im Inneren der Struktur gelegenen Kontaktflächen 2 bildet. Nach dem Fül len der Kontaktlöcher mit dem Metall bzw. Wolframmetall be findet sich eine Metallschicht 6 auf der Oberfläche der Memb ran 5. (G)Subsequently, the contact holes 5 a are filled with an electrically conductive material or a metal, with tungsten being advantageously used before. The tungsten can be deposited, for example, in a CVD process (Chemical Vapor Deposition). The electrically conductive material in the contact holes 5 a extends from the surface of the membrane 5 in a columnar manner down to the surface of the contact surfaces 2 , so that it forms a continuous electrical contact from the surface of the structure thus formed to the contact surfaces 2 located inside the structure , After filling the contact holes with the metal or tungsten metal, there is a metal layer 6 on the surface of the membrane 5 . (G)
Nun wird das Metall bzw. Wolfram, das sich auf der Oberfläche der Membran 5 befindet, entfernt oder über eine FT struktu riert. (H)Now the metal or tungsten, which is located on the surface of the membrane 5, is removed or structured via an FT. (H)
Der nächste Schritt umfasst die Ätzung von weiteren Löchern 5b in die Membran 5 aus Silizium-Nitrid. Die Öffnungen bzw. Löcher 5b durchdringen die Membran 5 vollständig über ihre gesamte Dicke, so dass eine Verbindung von außen zu der Hilfsschicht 4 entsteht. (K)The next step comprises the etching of further holes 5 b in the membrane 5 made of silicon nitride. The openings or holes 5 b penetrate the membrane 5 completely over their entire thickness, so that a connection is created from the outside to the auxiliary layer. 4 (K)
Als nächster Schritt erfolgt eine Hohlraumätzung, wobei die Hilfsschicht 4 bzw. Plasmaoxidschicht zwischen den Si- Nitridschichten, d. h. zwischen der Passivierung 3 und der darüberliegenden Membran 5, zum Teil herausgeätzt wird. Der Ätzprozess wird dabei so geführt, dass um das Wolfram in den Kontaktlöchern 5a Si-Oxid stehen bleibt. Es entsteht ein Hohlraum 7 in der Hilfsschicht 4 unterhalb der Löcher 5b. Das Wolfram in den Kontaktlöchern 5a, die zu beiden Seiten des Hohlraums 7 ausgebildet sind, bildet eine Metallstruktur 6a, die als Durchkontaktierung dient. Durch das verbleibende Ma terial der Hilfsschicht 4 an den Metallstrukturen 6a wird das Metall bzw. Wolfram vor einem Ätzangriff geschützt. Nun wer den die Ätzlöcher 5b in der Membran 5 mit einem geeigneten Material mittels der bekannten Verfahren verschlossen. Das Verschlussmaterial bildet eine Verschluss- bzw. Membran schicht 8, auf der anschließend eine Verdrahtung elektrischer Bauelemente z. B. mittels Phototechnik durchgeführt werden kann. (L)The next step is a cavity etching, with the auxiliary layer 4 or plasma oxide layer between the silicon nitride layers, ie between the passivation 3 and the membrane 5 above, being partially etched out. The etching process is carried out in such a way that 5 a Si oxide remains in the contact holes around the tungsten. A cavity 7 is formed in the auxiliary layer 4 below the holes 5 b. The tungsten in the contact holes 5 a, which are formed on both sides of the cavity 7 , forms a metal structure 6 a, which serves as a via. The remaining material of the auxiliary layer 4 on the metal structures 6 a protects the metal or tungsten from an etching attack. Now who closed the etching holes 5 b in the membrane 5 with a suitable material by means of the known methods. The closure material forms a closure or membrane layer 8 , on which a wiring of electrical components z. B. can be carried out by means of photo technology. (L)
Durch die erfolgte Ätzung durch das Oxid auf die Wolframkon takte bzw. W-Plugs ergibt sich eine sehr platzsparende, CMOS kompatible Oberflächenmikromechanikstruktur mit einem vom In nenraum auf die Waferoberfläche geführten Kontakt. Der Kon takt bildet eine elektrische Leitung, die sich senkrecht zur Waferebene erstreckt und die unterhalb der Waferoberfläche gelegene, im Wafer integrierte Ausleseschaltung beziehungs weise deren Bauelemente kontaktiert.Due to the etching by the oxide on the tungsten cone clocks or W-plugs results in a very space-saving, CMOS Compatible surface micromechanical structure with one from In Contact made on the wafer surface. The con clock forms an electrical line that is perpendicular to the Extends wafer level and that below the wafer surface located, integrated in the wafer readout relation as their components contacted.
Nun erfolgen die weiteren Prozessschritte, durch die pyroe lektrische Pixel auf den bereitgestellten thermisch isolie renden Strukturen definiert werden. Zunächst wird dabei in einem ersten Schritt ganzflächig auf die Membranschicht 8 ei ne Platinschicht aufgebracht, die eine untere Elektrode 9 bildet. Für die Elektrode können auch andere Materialien die nen. Beispielsweise kann eine Ir-Schicht anstelle einer Pt- Schicht als untere Elektrode 9 verwendet werden. Die Dicke der unteren Elektrode 9 liegt typischerweise im Bereich zwi schen 50 und 300 nm. (M)Now the further process steps take place, through which pyroelectric pixels are defined on the provided thermally insulating structures. First, in a first step, a platinum layer, which forms a lower electrode 9, is applied over the entire surface of the membrane layer 8 . Other materials can also be used for the electrode. For example, an Ir layer can be used as the lower electrode 9 instead of a Pt layer. The thickness of the lower electrode 9 is typically in the range between 50 and 300 nm. (M)
Auf die Pt-Elektrode bzw. untere Elektrode 9 wird eine Schicht 10 aus pyroelektrischem Material durch ein Sputter verfahren aufgebracht. Als pyroelektrisches Material wird PZT (Bleizirkonattitanat) verwendet. Das Aufbringen der ferro elektrischen PZT-Schicht 10 erfolgt in sauerstoffhaltiger At mosphäre bei Temperaturen zwischen ca. 450°C und 550°C. (N)A layer 10 of pyroelectric material is applied to the Pt electrode or lower electrode 9 by a sputtering process. PZT (lead zirconate titanate) is used as the pyroelectric material. The ferroelectric PZT layer 10 is applied in an oxygen-containing atmosphere at temperatures between approximately 450 ° C. and 550 ° C. (N)
Anschließend wird auf die PZT-Schicht 10 mit einem lift-off Prozess eine obere Elektrode 11 aufgebracht, die aus einer CrNi-Schicht gebildet wird. Die CrNi-Elektrode bzw. obere Elektrode 11 hat eine Dicke von ca. 20-50 nm und absorbiert Infrarotstrahlung optimal in einem Wellenlängenbereich von 10 Mikrometer. (O)An upper electrode 11 , which is formed from a CrNi layer, is then applied to the PZT layer 10 using a lift-off process. The CrNi electrode or upper electrode 11 has a thickness of approximately 20-50 nm and optimally absorbs infrared radiation in a wavelength range of 10 micrometers. (O)
Der nächste Schritt umfasst die Strukturierung der ferro elektrischen PZT-Schicht 10 mit einem RIE-Prozess (Reactive- Ion-Etching). Hierbei handelt es sich um ein anisotropes phy sikalisches Trockenätzen. Die Größe eines so definierten Pi xels ist etwa 50 mal 50 µm2, wobei die PZT-Schicht 10 eine Dicke von etwa 1 µm aufweist. (P).The next step involves structuring the ferroelectric PZT layer 10 using an RIE (reactive ion etching) process. This is an anisotropic physical dry etching. The size of a pixel defined in this way is approximately 50 by 50 μm 2 , the PZT layer 10 having a thickness of approximately 1 μm. (P).
Die untere Elektrode 9 wird dabei ebenfalls mit einem RIE- Prozess strukturiert. Die strukturierte untere Elektrode 9, die ferroelektrische PZT-Schicht 10 und die obere Elektrode 11 bilden eine pyroelektrische Kondensatorstruktur, die auf der Oberflächenstruktur des Wafers 1 aufgebracht ist. (Q)The lower electrode 9 is also structured using an RIE process. The structured lower electrode 9 , the ferroelectric PZT layer 10 and the upper electrode 11 form a pyroelectric capacitor structure which is applied to the surface structure of the wafer 1 . (Q)
Die nächsten Schritte umfassen den Anschluss dieses Kondensa tors an den unterhalb gelegenen Ausleseschaltkreis. Hierzu wird zunächst seitlich an der ferroelektrischen Schicht 10 ein Isolator 12 angebracht. Der Isolator 12 erstreckt sich seitlich über die Kanten der oberen Elektrode 11 und der un teren Elektrode 9. (R)The next steps involve connecting this capacitor to the readout circuit below. For this purpose, an insulator 12 is first attached to the side of the ferroelectric layer 10 . The insulator 12 extends laterally over the edges of the upper electrode 11 and the lower electrode 9 . (R)
Nun werden in die Membranschicht 8 Löcher 8a geätzt, so dass die säulenartigen Metallstrukturen 6a bzw. Wolfram-Plugs ge öffnet bzw. frei gelegt werden. D. h., die Löcher 8a werden direkt oberhalb der Metallstrukturen 6a angeordnet. (S)Holes 8 a are now etched into the membrane layer 8 , so that the columnar metal structures 6 a or tungsten plugs are opened or exposed. That is, the holes 8 a are arranged directly above the metal structures 6 a. (S)
Anschließend wird zur Kontaktierung der unteren und oberen Elektrode 9,11 eine Metallisierung 13 aufgebracht, die eine elektrisch leitende Verbindung der jeweiligen Elektrode 9 bzw. 11 zur zugeordneten säulenartigen Metallstruktur 6a bildet. In der hier gezeigten, schematisch dargestellten Anord nung erstreckt sich die Metallisierung 13 zum einen zwischen der unteren Elektrode 9 und der in der Figur links angeordne ten Metallstruktur 6a, und zum anderen zwischen der oberen Elektrode 11 und der in der Figur rechts angeordneten Metall struktur 6a. Dadurch sind elektrische Kontakte von den Elekt roden 9, 11 zu den darunter liegenden Kontaktflächen 2 der darunter liegenden Ausleseelektronik bzw. Halbleiterschaltung oder von den Bauelementen der Ausleseelektronik hergestellt. Die Metallisierungen 13 können z. B. aus Aluminium, Ti/Pt/Au oder auch aus Cr/Au bestehen. Die Dicke dieser Kontakte, die beispielsweise mit der lift-off Technik strukturiert werden, liegt im Bereich zwischen 400 und 600 Nanometer. (T)Subsequently, a metallization 13 is applied to contact the lower and upper electrodes 9 , 11 , which forms an electrically conductive connection of the respective electrodes 9 and 11 to the associated columnar metal structure 6 a. In the schematically shown arrangement shown here, the metallization 13 extends on the one hand between the lower electrode 9 and the metal structure 6 a arranged on the left in the figure, and on the other hand between the upper electrode 11 and the metal structure arranged on the right in the figure 6 a. As a result, electrical contacts are made from the electrodes 9 , 11 to the underlying contact surfaces 2 of the underlying readout electronics or semiconductor circuit or from the components of the readout electronics. The metallizations 13 can, for. B. made of aluminum, Ti / Pt / Au or Cr / Au. The thickness of these contacts, which are structured using the lift-off technique, for example, is in the range between 400 and 600 nanometers. (T)
Der im Abschnitt (T) von Fig. 1b dargestellte Infrarotsensor umfasst einen Träger 20, der durch eine Oberflächenmikrome chanikstruktur mit auf die Waferoberfläche geführten Kontak ten gebildet wird. Auf dem Träger 20 ist ein Pixelelement 30 in Form einer pyroelektrischen Kondensatorstruktur angeord net, die durch die untere und obere Elektrode 9, 11 mit der dazwischen angeordneten PZT-Schicht 10 gebildet wird.The infrared sensor shown in section (T) of FIG. 1b comprises a carrier 20 , which is formed by a surface micromechanical structure with contacts guided on the wafer surface. On the carrier 20 , a pixel element 30 is arranged in the form of a pyroelectric capacitor structure, which is formed by the lower and upper electrodes 9 , 11 with the PZT layer 10 arranged therebetween.
Eine Ausleseelektronik bzw. ein Ausleseschaltkreis, der in den Figuren nicht explizit dargestellt ist, ist in den Träger 20 integriert und an das zugehörige Pixelelement 30 gekop pelt. Der Ausleseschaltkreis und das Pixelelement 30 sind da bei übereinander angeordnet bzw. in vertikaler Anordnung aus gestaltet. Senkrecht geführte elektrische Leitungen in Form von säulenartigen Metallstrukturen 6a, die sich durch den Träger 20 erstrecken, verbinden die Ausleseelektronik mit dem darüber liegenden Pixelelement 30. Dadurch erfolgt die Kon taktierung der unterhalb der Chipoberfläche gelegenen Ausleseelektronik an der Chipoberfläche in unmittelbarer Nähe des darüber liegenden Sensor- bzw. Pixelelements 30.A readout electronics or a readout circuit, which is not explicitly shown in the figures, is integrated in the carrier 20 and coupled to the associated pixel element 30 . The readout circuit and the pixel element 30 are arranged one above the other or designed in a vertical arrangement. Vertical electrical lines in the form of columnar metal structures 6 a, which extend through the carrier 20 , connect the readout electronics with the pixel element 30 lying above them. As a result, the contacting of the readout electronics located below the chip surface takes place on the chip surface in the immediate vicinity of the sensor or pixel element 30 lying above it.
Die Metallstrukturen 6a bilden jeweils eine Stützstruktur, und dienen sowohl zur Abstützung des Pixelelements 30 an der Oberfläche der Membran 8, als auch zur Kontaktierung der je weiligen bzw. zugehörigen Ausleseschaltung oder von Bauele menten davon. Der Hohlraum 7 in der Plasmaoxidschicht 4 bzw. im Träger 20 dient zur thermischen Isolation des Pixelele ments 30 und ist direkt unterhalb des Pixelelements 30 vorge sehen.The metal structures 6 a each form a support structure, and are used both for supporting the pixel element 30 on the surface of the membrane 8 , and for contacting the respective or associated readout circuit or components thereof. The cavity 7 in the plasma oxide layer 4 or in the carrier 20 serves for thermal insulation of the pixel element 30 and is seen directly below the pixel element 30 .
In einem IR-Detektorarray sind eine Vielzahl derartiger IR- Sensoren in hoher Dichte angeordnet, wobei die IR-Sensoren z. B. in einem einzigen Wafer ausgestaltet sind.In an IR detector array, a large number of such IR Sensors arranged in high density, the IR sensors z. B. are configured in a single wafer.
Claims (15)
einer in den Träger (20) integrierten Ausleseelektronik oder Bauelementen einer solchen Ausleseelektronik, der/die an das Pixelelement (30) gekoppelt ist/sin,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Aus leseelektronik und das Pixelelement (30) in vertikaler Anordnung ausgebildet sind, wobei der Träger (20) eine Mikromechanikstruktur enthält.1. infrared sensor, in particular for high-resolution infrared detector arrangements, with a carrier ( 20 ) on which at least one pixel element ( 30 ) is arranged for the detection of infrared radiation, and
readout electronics or components of such readout electronics integrated in the carrier ( 20 ), which are coupled to the pixel element ( 30 ),
characterized by
that the readout electronics or the components of the readout electronics and the pixel element ( 30 ) are formed in a vertical arrangement, the carrier ( 20 ) containing a micromechanical structure.
Bereitstellen eines Trägers (20) mit mikromechanisch hergestellten Hohlräumen und mit einer Ausleseelektroni uk oder Bauelementen einer Ausleseelektronik;
Aufbringen eines Pixelelements (30) auf die Trägerober fläche; und
Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwi schen dem Ausleseschaltkreis und dem Pixelelement (30);
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Aus leseelektronik und das Pixelelement (30) vertikal über einander angeordnet werden, wobei sich die elektrisch leitende Verbindung durch den Träger (20) erstreckt.9. A method for producing an infrared sensor for high-resolution infrared detector arrangements, comprising the steps:
Providing a carrier ( 20 ) with micromechanically produced cavities and with a readout electronics or components of readout electronics;
Applying a pixel element ( 30 ) to the carrier surface; and
Establishing an electrically conductive connection between the readout circuit and the pixel element ( 30 );
characterized,
that the readout electronics or the components of the readout electronics and the pixel element ( 30 ) are arranged vertically one above the other, the electrically conductive connection extending through the carrier ( 20 ).
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