DE10330684A1

DE10330684A1 - Sensor zur Temperaturänderungs- oder Infrarot-Detektion

Info

Publication number: DE10330684A1
Application number: DE2003130684
Authority: DE
Inventors: Frank Fischer; Hans-Peter Baer; Lars Metzger; Arnim Hoechst; Roland Scheuerer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2005-02-03
Also published as: DE112004001681D2; WO2005005943A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Temperaturänderungs- oder Infrarot-Detektion, der insbesondere für einen Gassensor verwendbar ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung. DOLLAR A Um einen sicheren und kostengünstigen Sensor mit geringen Herstellungskosten herzustellen, weist dieser auf: DOLLAR A ein Substrat (2), DOLLAR A einen in dem Substrat (2) ausgebildeten Freiraum (4), DOLLAR A eine oberhalb des Freiraums (4) ausgebildete, freitragende Membran (5), DOLLAR A eine sich in die Membran (5) erstreckende Thermopile-Struktur (10, 14, 16), DOLLAR A eine auf dem Substrat (2) ausgebildete Auswerteschaltung (7), die eine von der Thermophile-Struktur (10, 14, 16) ausgegebene Messspannung aufnimmt und ein Auswertesignal (S) ausgibt, DOLLAR A wobei der Infrarot-Sensor (1) monolithisch integriert ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß können somit durch Ausbilden von z. B. aus Spacernitrid bestehenden Passivierungsschichten (9, 12) mit Löchern (6) auf dem Substrat (2) und Opferschichtätzen eines Freiraums (24) unter den Passivierungsschichten (9, 12) die Membran (5) mit der Thermophile-Struktur und die Auswerteschaltung (7) monolithisch integriert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Temperaturänderungs- oder Infrarot-Detektion, der insbesondere für einen Gassensor verwendbar ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Als Gasdetektoren für einen kostengünstigen Einsatz z.B. der Analyse der Gaszusammensetzung im Innenraum eines Kraftfahrzeuges, werden im zunehmenden Umfang Infrarotsensoren, in der Regel Thermopiles (thermoelektrische Infrarotsensoren), temperaturempfindliche Widerstände oder pyroelektrische Schichten, eingesetzt. Hierbei wird die Infrarotabsorption in molekülspezifischen Wellenlängenbereichen verschiedener Gase, insbesondere im Bereich zwischen 2 und 10 μm ermittelt. Durch eine spektral aufgelöste Messung kann die Konzentration eines Gases oder mehrerer Gase mit hoher Auflösung ermittelt werden. Die z.B. thermisch ausgesandte IR-Strahlung wird nach einer spektralen Zerlegung von einem IR-Detektor gemessen. Herkömmliche IR-Detektoren sind diskrete Elemente, die mit einer Auswerteeinheit für die Aufnahme und Auswertung der Messsignale verbunden sind. Der IR-Detektor wird hierbei in der Regel als thermisch isoliertes Bauelement mit einer die IR-Strahlung aufnehmenden Membran hergestellt.

Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber mehrere Vorteile auf. Durch die monolithische Integration des Infrarot-Detektors und der Auswerteschaltung, die die als Messsignal dienende Messspannung des Detektors aufnimmt, kann eine erhebliche Flächeneinsparung und somit eine Reduzierung der Herstellungskosten erreicht werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Sensoraufbau die zur Ausbildung der Membran und der Thermopile-Struktur er forderlichen Mikromechanikebenen die zur Ausbildung der Auswerteeinrichtung verwendbaren Chipebenen kaum beeinträchtigen, ergibt sich gegenüber den herkömmlichen diskreten Ausbildungen ein erhebliches Einsparungspotenzial.

Weiterhin ist der Aufwand für die Aufbau- und Verbindungstechnik zwischen dem IR-Detektor und der Auswerteschaltung reduziert, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht und die Störanfälligkeit verringert ist. Es wird auch eine qualitative Verbesserung der Auswertung erreicht, da die Rauschquellen verringert sind und somit das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht ist.

Bei einer Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors durch einen CMOS-Prozess mit einigen wenigen Mikromechanik-Prozessmodulen kann ein vorteilhafte Trennung zwischen einem CMOS-Vorprozess mit z.B. vollständiger Prüfung der Funktionalität der Auswerteschaltung und einer anschließenden Mikromechanik-Prozessierung erreicht werden. Somit wird eine überraschend einfache, kostengünstige und sichere Herstellung ermöglicht. Weiterhin kann z.B. auch eine Mischprozess-Technologie zur Herstellung der Auswerteschaltung verwendet werden.

Erfindungsgemäß können grundsätzlich auch z.B. zunächst die die spätere Membran bildenden Passivierungsschichten und anschließend die Auswerteschaltung ausgebildet werden, woraufhin dann die Opferschichtätzung zur Ausbildung der Membran erfolgt.

Der in dem Sensor ausgebildete Detektor weist vorteilhafterweise eine sich bis in die Membran erstreckende Thermopile-Struktur aus zwei leitfähigen Schichten auf, die aus Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten hergestellt sind. Dies können z.B. eine Polysilizium-Schicht und einer mit dieser kontaktierte Metallschicht, z.B. Aluminiumschicht, sein. Weiterhin können auch z.B. zwei Polysilizium-Schichten mit unterschiedlichen Dotierungen verwendet werden. Die Thermopile-Struktur misst in an sich bekannter Weise eine Temperatur-Differenz zwischen den Enden der Thermopile-Struktur, d.h. der Membran und einer Wärmsenke des Chips.

Der erfindungsgemäße Sensor kann weiterhin auch als Wärmesensor z.B. zur Messung einer Temperaturänderung oder Seitencrashsensierung eines Fahrzeuges aufgrund der adiabatischen Kompression eines in einem Seitenbereich des Fahrzeuges eingeschlossenen Gasvolumens verwendet werden.

Erfindungsgemäß können mehrere Detektoren auf einem Chip mit der Auswerteschaltung integriert werden. Die Auswerteschaltung nimmt die von der Thermopile-Struktur erzeugte Messspannung auf und gibt ein Auswertesignal aus, das z.B. Daten über die Absorption in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen oder auch bereits Daten über die Gaszusammensetzung enthalten kann. Der erfindungsgemäße Gasdetektor kann aufgrund seiner geringen Herstellungskosten in Kfz-Klimaanlagen, anderen Klimaanlagen, der Laboranalytik, Sicherheitstechnik und dem Umweltschutz sowie der Medizintechnik eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor;
2: einen Prozessschritt zur Herstellung des Sensors von 1 nach Aufbringen einer ersten Metallebene;
3: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Aufbringen von Zwischenschichten;
4: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Aufbringen einer Lithographie-Maske;
5: einen nachfolgenden Prozessschritt nach teilweisen Ätzen der Zwischenschichten;
6: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Ätzen der Zwi schenschichten und eines Lochs in den Passivierungsschichten;
7: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Tiefenätzen eines Grabens in das Substrat;
8: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Opferschichtätzen des Substrats.
Ein erfindungsgemäßer Infrarotsensor 1 weist gemäß 1 ein Silizium-Substrat 2 und eine Auswerteschaltung 7 mit CMOS- Bauelementebereichen 3 auf. In dem Substrat 2 ist ein Freiraum 4 ausgebildet, oberhalb von dem sich eine Membran 5 mit Löchern 6 erstreckt.
Auf dem Substrat 2 ist eine untere Passivierungsschicht 9 aufgetragen, die sich bis in die CMOS- Bauelementebereiche 3 erstreckt und die Unterseite der Membran 5 bildet. Die untere Passivierungsschicht 9 kann insbesondere in die CMOS- Bauelementebereiche 3 einbezogen sein, z.B. als ONO-Dielektrikum von Kondensatoren.
Auf der unteren Passivierungsschicht 9 ist eine erste leitfähige Schicht 10 aus z.B. Polysilizium (Polykristallinen Silizium) abgeschieden, die einen Schenkel einer Thermopile-Struktur darstellt. Die erste leitfähige Schicht 10 kann ebenfalls in die CMOS-Schaltungsanordnung einbezogen sein, z.B. als Poly-Gate. Auf der ersten leitfähigen Schicht 10 ist eine obere Passivierungsschicht 12 aus z.B. Siliziumnitrid abgeschieden, die in den CMOS-Bauelementebereiche 3 z.B. als Spacernitrid verwendet werden kann. Das Material der Passivierungsschichten 9, 12 besitzt eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, steht unter Zugspannung und wird durch das weiter unten mit Bezug zu 8 verwendete Ätzgas des Opferschichtätzens nicht angegriffen.
Auf der oberen Passivierungsschicht 12 ist eine weitere leitfähige Schicht, z.B. eine Metallebene 14 aufgetragen, die in einem Kontaktbereich 16 mit der ersten leitfähigen Schicht 10 verbunden ist und mit dieser zusam men die Thermopile-Struktur bildet. Alternativ zu der Metallebene 14 kann auch eine andere Schicht aus einem leitfähigen Material mit gegenüber dem Material der ersten leitfähigen Schicht 10 unterschiedlichem Seebeck-Koeffizienten, z.B. Poly-Silizium mit anderer Dotierung, verwendet werden. Die Metallebene 14 kann auch in den CMOS- Bauelementebereiche 3 verwendet sein, z.B. als erste Leiterbahnebene des CMOS-Prozesses.
Auf der Metallebene 14 sind dielektrische Zwischenschichten 20, 21, 22, 23, die insbesondere zur Isolation dienen, und gegebenenfalls weitere Metallebenen auftragen. Oberhalb der Membran 5 ist ein Freiraum 25 in den dielektrischen Zwischensichten 20, 21, 22, 23 ausgebildet, durch den infrarote Strahlung auf die Membran 5 treffen kann. Ein Gasaustausch zwischen einem Außenraum 26 und dem Freiraum 4 in dem Substrat 2 erfolgt somit über den Freiraum 25 und die Löcher 6. Ergänzend kann gemäß 1 ein infrarot-absorbierendes Material 29 auf die Membran 5 aufgebracht werden, um die Empfindlichkeit des Sensors 1 zu erhöhen.
Die Auswerteschaltung 7, die mehrere CMOS- Bauelementebereiche 3 und ggf. weitere integrierte Bereiche aufweisen kann, nimmt die von der Thermopile-Struktur 10, 16, 14 ausgegebene elektrische Messspannung auf, ermittelt einen Messwert mit Daten über das Absorptionsverhalten und gibt ein Auswertesignal S aus. Die Auswerteschaltung 7 kann weiterhin auch Speicherelemente mit Daten über das Absorptionsverhalten aufweisen; in diesem Fall kann die Auswerteschaltung 7 aus der Messspannung bereits die Gaskonzentration ermitteln und in dem Auswertesignal S Daten über die Gaskonzentration eines oder mehrerer Gase ausgeben. Ein Infrarot-Filter, das selektiv gewünschte Wellenlängenbereiche der Infrarot-Strahlung durchlässt, ist vorteilhafterweise oberhalb des IR-Sensors 1 vorgesehen.
Zur Herstellung des in 1 gezeigten Infrarot-Sensors 1 werden in einem ersten CMOS- Prozessschritt die Bauelementebereiche 3 hergestellt, gegebenenfalls auch anschließend getestet. Anschließend wird außerhalb der CMOS-Bauelementebereiche 3 in der bekannten CMOS- Prozessfolge eine Passivierungsschicht 9 als thermisch isolierende Schicht aus z.B. Siliziumnitrid unter Zugspannung ausgebildet. Über und gegebenenfalls auch unter der unteren Passivierungsschicht 9 wird in verschiedenen Ebenen der CMOS-Prozessfolge die mindestens eine, aus der mindestens einen Metallebene 14 und Poly-Schicht 10 bestehende Thermopile-Struktur definiert, die entsprechend einer anliegenden Temperaturdifferenz eine thermoelektrische Spannung erzeugt.
Nachfolgend wird die obere Passivierungsschicht 12 aus Siliziumnitrid aufgetragen und derartig strukturiert, dass sie die Löcher 6 sowie die Kontaktlöcher 15 zu der Poly-Schicht 10 aufweist. Nachfolgend wird die Metallebene 14 aufgetragen, wobei die Kontaktbereiche 16 zu der leitfähigen Poly-Schicht 10 hergestellt werden. Die Ausbildung der Metallebene 14 kann vorteilhafterweise gleichzeitig der Ausbildung der ersten Leiterbahnebene des CMOS-Prozesses zur Herstellung der CMOS-Bauelementebereiche 3 dienen.
Gemäß 3 werden über der Metallebene 14 nachfolgend die dielektrischen Zwischensichten 20, 21, 22 und 23 und gegebenenfalls weitere Metallebenen aufgetragen. Gemäß 4 wird anschließend eine Lithographie-Maske 32 aus z.B. Fotolack mit einer Öffnung 33 aufgetragen, wobei die Öffnung 33 den Zugang zur später ausgebildeten Membran 5 definiert.
Gemäß 5 werden in einem nachfolgenden Prozessschritt die dielektrischen Schichten 20, 21, 22, 23 im Bereich der Öffnung 33 geätzt. Hierbei kann ein nasschemisches Verfahren oder ein Trockenätzverfahren eingesetzt werden. Gemäß 6 wird der Ätzvorgang so geführt, dass die dielektrischen Schichten 20, 21, 22, 23 mit hoher Selektivität gegenüber der oberen Passivierungsschicht 12 entfernt werden. Hierdurch werden die Löcher 6 in den Passivierungsschichten 9, 12 als Ätzzugang zum Substrat 2 ausgebildet.
Gemäß 7 wird ein einem nachfolgenden Prozessschritt mit einem Trockenätzverfahren ein Graben 35 in das Substrat 2 eingebracht. Durch diesen – vorteilhafterweise, aber nicht notwendigerweise vorgesehenen – Prozessschritt der 7 wird das spätere Opferschichtätzen unterstützt, wobei durch den Graben 35 eine größere Ätztiefe bei gleicher Opferschichtätzzeit erreicht werden kann, indem das Tiefenätzverfahren des Grabens 35 viel schneller als der nachfolgend beschriebene Opferschichtätzprozess verläuft.
Gemäß 8 dringt nachfolgend Ätzgas 36 über den Freiraum 25, die Löcher 6 und den Graben 35 unter die Passivierungsschichten 9, 12 und ätzt selektiv das Substrat 2 gegenüber den Passivierungsschichten 9, 12. Als Ätzgas 36 wird z.B. CIF3, XeF2 oder ein anders Silizium selektiv und spontan ätzendes Gas eingesetzt. Der Opferschichtätzprozess wird solange durchgeführt, bis eine komplette Freistellung der Passivierungsschichten 9, 12 im Bereich der Membran 5 erreicht ist, so dass die Membran 5 ausgebildet ist.
Nachfolgend kann gemäß 1 das infrarot-absorbierende Material zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensors 1 aufgebracht werden.

Claims

Sensor zur Temperaturänderungs- oder Infrarot-Detektion, insbesondere für einen Gassensor, der mindestens aufweist: ein Substrat (2), einen in dem Substrat (2) ausgebildeten Freiraum (4), eine oberhalb des Freiraums (4) ausgebildete, freitragende Membran (5), eine sich in die Membran (5) erstreckende Thermopile-Struktur (10, 14, 16), eine auf dem Substrat (2) ausgebildete Auswerteschaltung (7), die eine von der Thermopile-Struktur (10, 14, 16) ausgegebene Messspannung aufnimmt und ein Auswertesignal (S) ausgibt, wobei der Infrarot -Sensor (1) monolithisch integriert ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (7) mindestens einen durch einen CMOS- Prozess auf dem Substrat (2) hergestellten Bauelementebereich (3) aufweist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) eine untere Passivierungsschicht (9) aus einem thermisch isolierenden Material, eine obere Passivierungsschicht (12) aus einem thermisch isolierenden Material und eine erste leitfähige Schicht (10), z.B. aus polykristallinem Silizium, als Teil der Thermopile-Struktur (10, 14, 16) aufweist.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Passivierungsschicht (9) und/oder die obere Passivierungsschicht (12) in die Auswertschaltung (7) einbezogen sind, z.B. als Dielektrikum mindestens eines Kondensators.
Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermopile-Struktur (10, 14, 16) eine mit der ersten leitfähigen Schicht (10) kontaktierte zweite leitfähige Schicht, z.B. eine Metallebene (14), aufweist, die in die Auswertschaltung (7) einbezogen sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Passivierungsschichten (9, 12) Löcher (6) vorgesehen sind, die den Freiraum (4) mit einem Außenraum (26) verbinden.
Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Membran (5) ein infrarot-absorbierendes Material (29) aufgebracht ist.
Verfahren zum Herstellen eines Sensors (1) zur Temperaturänderungs- oder Infrarot-Detektion, mit mindestens folgenden Schritten: Ausbilden mindestens eines Bauelementebereichs (3) einer Auswerteschaltung (7) auf einem Substrat (2), Ausbilden mindestens einer Passivierungssicht (9, 12) aus einem thermisch isolierenden Material auf dem Substrat (2), Ausbilden einer Thermopile-Struktur (10, 14, 16) mit mindestens zwei leitfähigen Schichten (10, 14) auf dem Substrat (2), wobei zumindest eine der leitfähigen Schichten (10) auf der Passivierungsschicht (9) aufgetragen ist, Ätzen eines Freiraums (4) in dem Substrat (2) außerhalb des Bauelementebereichs (3) und unterhalb der mindestens einen Passivierungsschicht (9, 12) derartig, dass oberhalb des Freiraums (4) eine freitragende Membran (5) ausgebildet wird, die die mindestens eine Passivierungsschicht (9, 12) und die mindestens eine leitfähige Schicht (10) der Thermopile-Struktur (10, 14, 16) aufweist, wobei der Bauelementebereich (3) Teil einer Auswerteinrichtung (7) ist, der eine Messspannung von der Thermopile-Struktur (10, 14, 16) aufnimmt und ein Auswertesignal (S) ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) ausgebildet wird durch Ausbilden einer unteren Passivierungsschicht (9), einer ersten leitfähigen Schicht (10) aus z.B. Polysilizium, einer oberen Passivierungsschicht (12) und einer zweiten leitfähigen Schicht (14), z.B. einer Metallebene (14), die mit der ersten leitfähigen Schicht (10) in einem Kontaktbereich (16) kontaktiert wird, und Ätzen des Freiraums (4) unterhalb der unteren Passivierungsschicht (9) mit einem Ätzgas (CIF3, XeF2), gegenüber dem die Passivierungssichten (9, 12) resistent sind.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ätzen des Freiraums (4) zunächst durch mindestens ein Loch (6) in der mindestens einen Passivierungsschicht (9, 12) ein Graben (35) in dem Substrat (2) durch ein Tiefätzverfahren, z.B. ein Trockenätzverfahren, ausgebildet wird und nachfolgend das Ätzgas durch das mindestens eine Loch (6) und den Graben (35) zugeführt und der Freiraum (4) in dem Substrat (2) unterhalb der Membran (5) durch ein Opferschichtätzverfahren ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Passivierungsschichten (9, 12) und den leitfähigen Schichten (10, 14) Schutzschichten (20, 21, 22, 23), vorzugsweise dielektrische Zwischenschichten und Metallebenen, abgeschieden werden, in die nachfolgend im Bereich der Membran (5) ein Freiraum (25) geätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessschritte des Ausbildens des mindestens einen Bauelementebereichs (3), der mindestens einen Passivierungsschicht (9, 12) und der Thermopile-Struktur (10, 14, 16) CMOS-Prozessschritte sind.