DE102008041587A1 - Microstructured temperature sensor element for spatially resolved detection of infrared radiation, has infrared radiation absorbing layer arranged on passivation layer, where absorbing layer is isolated from gas phase - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrostrukturiertes Sensorelement, umfassend eine Schichtenfolge aus einer dotierten Halbleiterschicht mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft, einer dielektrischen Schicht, einer Passivierungsschicht und einer IR-Strahlung absorbierenden Schicht. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensorelements sowie ein Sensorarray für die ortsaufgelöste Detektion von Infrarotstrahlung, umfassend solche Sensorelemente.The The present invention relates to a microstructured sensor element, comprising a layer sequence of a doped semiconductor layer with a value of its temperature dependent changing electrical Property, a dielectric layer, a passivation layer and an IR radiation absorbing layer. It continues to apply a method for producing such a sensor element and a sensor array for spatially resolved detection of infrared radiation comprising such sensor elements.
Halbleitersensoren können Temperaturänderungen, beispielsweise durch Infrarotstrahlung, über die elektrischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen wie Dioden detektieren. Zur Verbesserung der Leistungen von diesen Sensoren können die Sensorelemente, welche die Aufgabe der Temperaturdetektion übernehmen, mit Infrarot(IR-)Strahlung absorbierenden Schichten versehen werden. Üblicherweise werden diese Absorberschichten mittels Dickschichttechnik im Pastendruck realisiert. Nachteilig hieran ist jedoch die Notwendigkeit von separaten Verfahrensschritten in der Herstellung. Weiterhin lässt sich die Kristallinität der Absorberschicht durch Dickschichtverfahren nur begrenzt einstellen. Weiterhin können durch diese Technik nicht so kleine Strukturen wie bei anderen Verfahren in der Halbleiterstrukturierung erreicht werden. Zudem wird durch das Pastendruckverfahren mechanisch auf das Sensorelement eingewirkt. Dieses kann bei den vorhandenen empfindlichen Strukturen zur Schädigung und damit Ausfall des Sensors führen. Folglich steht dieses einer weiteren Miniaturisierung der Sensorelemente entgegen.Semiconductor sensors can change temperature, for example, through Infrared radiation, about the electrical properties of semiconductor devices such as diodes detect. To improve the Performances of these sensors, the sensor elements, which take over the task of temperature detection, be provided with infrared (IR) radiation absorbing layers. Usually These absorber layers are made using thick-film technology in paste printing realized. However, a disadvantage of this is the need for separate Process steps in the production. Continue lets the crystallinity of the absorber layer by thick-film process only limited. Furthermore, through this technique not as small structures as in other methods in semiconductor structuring be achieved. In addition, the paste printing process becomes mechanical acted on the sensor element. This can be done with the existing ones sensitive structures for damage and thus failure lead the sensor. Consequently, this is another one Miniaturization of the sensor elements contrary.
Sensoren,
die von alternativen Möglichkeiten der Auftragung von IR-absorbierenden
Schichten profitieren können, sind in
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß vorgeschlagen
wird ein mikrostrukturiertes Sensorelement, umfassend die folgende
Schichtenfolge:
eine dotierte Halbleiterschicht mit einer ihren
Wert temperaturabhängig ändernden
elektrischen
Eigenschaft;
eine dielektrische Schicht; und
eine Passivierungsschicht;
wobei
auf der Passivierungsschicht weiterhin eine aus der Gasphase abgeschiedene
Schicht aus Infrarotstrahlung absorbierendem Material angeordnet
ist.According to the invention, a microstructured sensor element is proposed, comprising the following layer sequence:
a doped semiconductor layer having a temperature-dependent changing value
electrical property;
a dielectric layer; and
a passivation layer;
wherein on the passivation layer further a vapor deposited layer of infrared radiation absorbing material is arranged.
Mikrostrukturierte Sensorelemente im Sinne der vorliegenden Erfindung sind hierbei Sensorelemente, deren funktionelle Strukturen Abmessungen im Mikrometerbereich aufweisen. Beispielsweise können diese funktionellen Strukturen eine Länge, Höhe und/oder Breite von ≥ 1 μm bis ≤ 500 μm aufweisen.microstructured Sensor elements in the context of the present invention are in this case Sensor elements whose functional structures are dimensions in the micrometer range exhibit. For example, these functional structures a length, height and / or width of ≥ 1 μm to ≤ 500 microns have.
Eine temperaturabhängig veränderliche elektrische Eigenschaft in der dotierten Halbleiterschicht kann unter Anderem der elektrische Widerstand, die Stromstärke des durch das Sensorelement fließenden Stroms oder der Spannungsabfall an dem Sensorelement sein.A temperature-dependent variable electrical property in the doped semiconductor layer, inter alia, the electrical Resistance, the current flowing through the sensor element Current or the voltage drop across the sensor element.
Die dielektrische Schicht auf der Halbleiterschicht kann beispielsweise durch thermische Oxidation oder durch Tetraethoxysilan-Oxidation (TEOS-Oxidation) der Halbleiterschicht erhalten werden. Sie kann neben ihrer elektrisch isolierenden Aufgabe auch mechanische Funktionen wahrnehmen, beispielsweise um eine Verbindung zwischen Sensorelement und einem das Sensorelement letztendlich tragenden Substrat herzustellen.The Dielectric layer on the semiconductor layer may, for example by thermal oxidation or by tetraethoxysilane oxidation (TEOS oxidation) the semiconductor layer can be obtained. She can be next to her electric insulating task also perceive mechanical functions, for example to a connection between the sensor element and a sensor element ultimately produce supporting substrate.
Die Passivierungsschicht umfasst vorzugsweise Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid. Sie kann als eine Schicht oder aber als Abfolge mehrerer Schichten ausgeführt sein.The Passivation layer preferably comprises silicon oxide and / or Silicon nitride. It can be as a layer or as a sequence be executed several layers.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf der Passivierungsschicht eine aus der Gasphase abgeschiedene Schicht aus Infrarotstrahlung absorbierendem Material angeordnet ist. Diese Schicht wandelt im Sensorbetrieb Infrarotstrahlung in Wärme um, beispielsweise durch elektrisch aktive Dotierstoffe in der Schicht. Diese kann durch Dünnschichttechniken erhalten werden.According to the invention provided that on the passivation layer one from the gas phase deposited layer of infrared radiation absorbing material is arranged. This layer converts infrared radiation during sensor operation in heat, for example by electrically active dopants in the layer. This can be obtained by thin-film techniques become.
In einer Ausführungsform des Sensorelements umfasst die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht Silizium, Silizium-Germanium, Siliziumcarbid und/oder Siliziumdioxid und es liegen diese Materialien dotiert und/oder undotiert vor. Solche Materialien sind mit üblichen Prozessen in der Halbleiteroberflächentechnik kompatibel und lassen sich durch Masken strukturiert präzise aus der Gasphase abscheiden. Das Material kann einkristallin, polykristallin oder amorph vorliegen. Vorteilhaft ist auch, dass diese Materialien selbst nach einer Abscheidung auch mittels Trockenätzprozessen strukturieren lassen. Die zum Dotieren verwendeten Elemente sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bor, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen und/oder Antimon. Die Dotierungselemente können beispielsweise in einer Atomkonzentration, bezogen auf das Material der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht, von ≥ 1012/cm3 bis ≤ 1019/cm3 oder vorzugsweise von ≥ 1015/cm3 bis ≤ 1018/cm3 vorliegen. In einer anderen Alternative ist die Konzentration von Dotierungselementen so hoch gewählt, dass man in den Bereich einer Legierung kommt. Hier kann die Konzentration der Dotierungselemente ≥ 1019/cm3 bis ≤ 1023/cm3 oder vorzugsweise von ≥ 1020/cm3 bis ≤ 1022/cm3 betragen.In one embodiment of the sensor element, the infrared radiation absorbing layer comprises silicon, silicon germanium, silicon carbide and / or silicon dioxide and these materials are doped and / or undoped. Such materials are compatible with conventional processes in semiconductor surface technology and can be understood by Mas Structured precisely from the gas phase deposition. The material can be monocrystalline, polycrystalline or amorphous. It is also advantageous that these materials, even after deposition, can also be structured by means of dry etching processes. The elements used for doping are preferably selected from the group comprising boron, aluminum, nitrogen, phosphorus, arsenic and / or antimony. The doping elements can be present, for example, in an atomic concentration, based on the material of the infrared-absorbing layer, of ≥ 10 12 / cm 3 to ≦ 10 19 / cm 3 or preferably of ≥ 10 15 / cm 3 to ≦ 10 18 / cm 3 . In another alternative, the concentration of doping elements is chosen so high that it comes within the range of an alloy. Here, the concentration of the doping elements can be ≥ 10 19 / cm 3 to ≦ 10 23 / cm 3 or preferably from ≥ 10 20 / cm 3 to ≦ 10 22 / cm 3 .
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements beträgt die Dicke der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht ≥ 1 μm bis ≤ 15 μm. Die Dicke kann vorteilhafterweise auch ≥ 2 μm bis ≤ 10 μm betragen. Absorberschichten dieser Dicke weisen eine geringe thermische Isolierung auf, so dass das Ansprechverhalten der Sensoren bei Temperaturwechseln schneller ist.In a further embodiment of the sensor element the thickness of the infrared radiation absorbing layer ≥ 1 μm to ≤ 15 μm. The thickness can be advantageous also ≥ 2 microns to ≤ 10 microns. Absorber layers of this thickness have low thermal insulation so that the response of the sensors during temperature changes is faster.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements umfasst die dotierte Halbleiterschicht eine monokristalline Schicht mit mindestens einem pn-Übergang zwischen einem positiv dotierten Bereich und einem negativ dotierten Bereich. Hierbei ist es bevorzugt, dass die monokristalline Schicht epitaktisch aufgewachsenes n-dotiertes Silizium umfasst und der pn-Übergang durch p+- und n+-dotiertes Silizium gebildet wird. Indem die Sensorelemente in einer epitaktischen und somit monokristallinen Schicht ausgebildet werden, kann das Signalrauschen sehr gering gehalten werden. Dieses ist insbesondere bei der Ausbildung von Dioden vorteilhaft. Der n+-Bereich kann hierbei dazu dienen, die Verbindung zwischen metallischen Kontaktleitungen zur Halbleiterschicht herzustellen. Hierdurch wird die Ausbildung eines Schottky-Kontakts zwischen dem Metall und dem hochdotierten Bereich vermieden. Die eigentliche Diode wird zwischen dem n-dotierten Bereich und dem p+-dotierten Bereich ausgebildet, der aufgrund seiner hohen Dotierung ebenfalls keinen Schottky-Kontakt zum Metall bildet.In a further embodiment of the sensor element, the doped semiconductor layer comprises a monocrystalline layer having at least one pn junction between a positively doped region and a negatively doped region. Here, it is preferred that the monocrystalline layer comprises epitaxially grown n-doped silicon and the pn junction is formed by p + - and n + -doped silicon. By forming the sensor elements in an epitaxial and thus monocrystalline layer, the signal noise can be kept very low. This is particularly advantageous in the formation of diodes. The n + region may serve to establish the connection between metallic contact lines to the semiconductor layer. This avoids the formation of a Schottky contact between the metal and the heavily doped region. The actual diode is formed between the n-doped region and the p + -doped region, which also does not form a Schottky contact with the metal due to its high doping.
In einer weiteren Ausführungsform des Sensorelements ist das Sensorelement oberhalb einer in dem das Sensorelement tragenden Substrat ausgebildeten Kaverne angeordnet. Auf diese Weise ist das Sensorelement vom Substrat thermisch entkoppelt. Hierdurch können Erwärmungen des Substrats, wie sie während des Betriebs eines elektrischen Bauteils auftreten, die Temperaturmessung des Sensorelements weniger beeinflussen. Jedes Sensorelement kann für sich einer Kaverne zugeordnet sein oder es können mehrere Sensorelemente über einer gemeinsamen Kaverne liegen.In a further embodiment of the sensor element is the Sensor element above a bearing in which the sensor element Substrate formed cavern arranged. That's the way it is Sensor element thermally decoupled from the substrate. This allows Warming of the substrate as during the Operation of an electrical component occur, the temperature measurement less influence on the sensor element. Each sensor element can be assigned to a cavern or it can be several sensor elements lie over a common cavern.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen einer dotierten Halbleiterschicht mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft;
- b) Auftragen einer dielektrischen Schicht auf die Halbleiterschicht;
- c) Auftragen einer Passivierungsschicht auf die dielektrische Schicht;
- d) Auftragen einer Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht aus der Gasphase auf die Passivierungsschicht;
- e) Auftragen einer Maskierungsschicht auf die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht, wobei vorbestimmte Bereiche der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht von der Maskierungsschicht nicht bedeckt werden;
- f) Ätzen der nicht durch die Maskierungsschicht abgedeckten Bereiche der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht.
- a) providing a doped semiconductor layer having a value whose temperature varies depending on the electrical property;
- b) applying a dielectric layer to the semiconductor layer;
- c) applying a passivation layer to the dielectric layer;
- d) applying an infrared radiation absorbing layer from the gas phase to the passivation layer;
- e) applying a masking layer to the infrared radiation absorbing layer, wherein predetermined areas of the infrared radiation absorbing layer are not covered by the masking layer;
- f) etching the areas of the infrared radiation absorbing layer not covered by the masking layer.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Infrarotstrahlung absorbierende Schicht mittels Sputtern, plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung und/oder niederdruck-chemischer Gasphasenabscheidung aufgetragen. So kann daher insbesondere eine Silizium, Silizium-Germanium und/oder Siliziumcarbid umfassende Schicht aufgetragen werden. Durch die Anwendung dieser Dünnschichttechniken kann die Dicke der aufgetragenen Schicht beispielsweise in einem Bereich von ≥ 1 μm bis ≤ 15 μm oder vorteilhafterweise auch ≥ 2 μm bis ≤ 10 μm liegen.In An embodiment of the method is the infrared radiation absorbing layer by sputtering, plasma enhanced chemical vapor deposition and / or low-pressure chemical Applied vapor deposition. Thus, in particular a Silicon, silicon germanium and / or silicon carbide Layer are applied. By applying these thin-film techniques For example, the thickness of the coated layer may be in one Range from ≥ 1 μm to ≤ 15 μm or advantageously also ≥ 2 μm to ≤ 10 μm lie.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Ätzen der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht mittels eines Plasma-Ätzprozesses. Vorteilhaft hieran ist, dass das gleiche Ätzmedium wie in anderen Strukturierungsschritten bei der Herstellung des Sensorelements verwendet werden kann und so die Prozessführung nicht weiter verkompliziert wird. Vorzugsweise erfolgt das Ätzen in einem Schwefelhexafluorid-Plasmaprozess.In In a further embodiment of the method, the etching takes place the infrared radiation absorbing layer by means of a plasma etching process. An advantage of this is that the same etching medium as in other structuring steps in the manufacture of the sensor element can be used and so the process does not continue is complicated. Preferably, the etching is carried out in a sulfur hexafluoride plasma process.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Ätzen der Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht im gleichen Verfahrensschritt wie das Ätzen eines Teils der dotierten Halbleiterschicht. Auch hier zeigt sich der Vorteil einer vereinfachten Prozessführung.In In a further embodiment of the method, the etching takes place the infrared radiation absorbing layer in the same process step such as etching a portion of the doped semiconductor layer. Also This shows the advantage of simplified process control.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Sensorarray für die ortsaufgelöste Detektion von Infrarotstrahlung, umfassend Sensorelemente gemäß der vorliegenden Erfindung.Another object of the invention is a sensor array for the spatially resolved detection of Infrared radiation comprising sensor elements according to the present invention.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Hierbei zeigen:The Invention will be further explained with reference to the drawings, but without being limited thereto. Hereby show:
In
dem Substrat
Die
Schicht
Auf
der n-dotierten epitaktischen Schicht
Die
eine oder mehreren dielektrischen Schichten
In
einem Backend-Schaltungsprozess werden Metallisierungen und Passivierungen,
zum Beispiel eine Metallisierungsschicht
Hierbei
können eine oder mehrere Metallisierungsschichten
In
der Schicht
In
Im
selben Ätzschritt wird nicht nur das Silizium des Substrats
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