WO2002043154A1 - Pyroelektrischer bildensor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2002043154A1
WO2002043154A1 PCT/DE2001/004374 DE0104374W WO0243154A1 WO 2002043154 A1 WO2002043154 A1 WO 2002043154A1 DE 0104374 W DE0104374 W DE 0104374W WO 0243154 A1 WO0243154 A1 WO 0243154A1
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pixel element
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electronics
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PCT/DE2001/004374
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Rainer Bruchhaus
Stefan Kolb
Dana Pitzer
Robert Primig
Matthias Schreiter
Bernhard Winkler
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Siemens Aktiengesellschaft
Infineon Technologies Ag
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Definitions

  • the present invention relates to an infrared sensor according to the preamble of claim 1 and a method for producing an infrared sensor according to the preamble of claim 9.
  • the IR sensor is particularly suitable for high-resolution infrared detector arrangements.
  • Integrated infrared sensors for high-resolution infrared detector arrangements comprise a semiconductor support body or chip on which a sensor element for measuring the intensity of infrared radiation is designed.
  • the sensor element is, for example, a pyroelectric capacitor.
  • reading electronics are also located on the chip, which are used to process the signals generated by the sensor structure.
  • the readout electronics and the sensor structure are applied side by side on the chip.
  • the readout electronics are integrated in the chip.
  • the known infrared sensors have the disadvantage of requiring a large amount of space.
  • the number of sensor elements is limited for a given detector area or for a given chip size in an integrated sensor array.
  • the sensors or IR detector arrays are stable against mechanical influences. from outside.
  • the infrared sensors should be inexpensive to manufacture.
  • the infrared sensor according to the invention for high-resolution infrared detector arrangements has a carrier on which at least one pixel element is arranged for the detection of infrared radiation, and a e.g. read-out electronics or components of a read-out electronics integrated in the carrier, which are coupled to the pixel element, the read-out electronics or the components of the read-out electronics and the pixel element being designed in a vertical arrangement and the carrier — among other things — containing a micromechanical structure.
  • the micromechanical structure can serve for thermal insulation of the pixel element from the substrate material. Due to the vertical arrangement of the two parts of the readout electronics or readout circuit or components of the readout electronics and pixel element in connection with a micromechanical structure, the sensors can be arranged much closer together in a detector arrangement. This enables high-resolution IR detector arrays to be created which require very little space and still achieve high resolution.
  • the infrared sensor according to the invention can be produced in particular using techniques of surface micro-mechanics, ie high-resolution IR detector arrays are accessible with CMOS-compatible micro-mechanics or surface micro-mechanics.
  • a support structure produced by surface micromechanics is advantageously provided in the carrier. This results in a particularly high stability against external influences, while still ensuring an extremely small space requirement.
  • the use of the support structures produced by surface micromechanics also serves in particular to reduce crosstalk between individual pixels or pixel elements.
  • An electrical contact from the pixel element to the readout electronics or the components of the readout electronics is preferably integrated in the support structure or in the support structures.
  • the support structure thereby fulfills two functions at the same time, namely on the one hand the provision of the electrical contact to the readout circuit or the readout electronics, and on the other hand the support of the elements of the infrared sensor arranged vertically or vertically one above the other.
  • a cavity is advantageously provided in the carrier.
  • the cavity is preferably evacuated or the cavity closing process is carried out in a vacuum.
  • the pixel element is thermally insulated by the cavity and in particular by the evacuated cavity, which contributes to improving the quality of the measurement results and increasing the resolution.
  • the thermal insulation is located directly in the pixel and the entire chip or infrared sensor can be installed in a housing which is under atmospheric pressure. This saves costs, since a vacuum housing is associated with significantly higher costs in comparison.
  • the carrier contains e.g. B. a CMOS-compatible micromechanical structure with a contact, in particular vertically from the carrier interior to the carrier surface. This also contributes to saving space and increasing stability.
  • the carrier is preferably formed from a substrate with an applied layer sequence, with a closed cavity being configured in the layer sequence with one or more electrically conductive support structures which connect the readout circuit or the readout electronics or the components of the readout electronics to the pixel element or elements.
  • the carrier or the substrate is in particular a chip. This results in a particularly inexpensive and particularly space-saving design.
  • the pixel element can e.g. B. include a pyroelectric capacitor structure or be designed as such, which in particular through the support structures in the carrier with the Ausle- seelektronik or the components of the readout electronics is electrically connected.
  • the method according to the invention for producing an infrared sensor comprises the steps of: providing a carrier with micromechanically produced cavities and reading electronics or components of reading electronics; Applying a pixel element to the carrier surface; and establishing an electrically conductive connection between the readout electronics or the components of the readout electronics and the pixel element; wherein 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 extends through the carrier.
  • a space-saving infrared sensor can be produced in a cost-effective manner, which enables high resolution in infrared detector arrays, while nevertheless achieving a high strength or stability of the infrared sensor.
  • the electrically conductive connection extends from the readout electronics or the components of the readout electronics of the carrier to the carrier surface.
  • the contact areas of the readout circuit are e.g. arranged inside the carrier.
  • a layer sequence can be applied to the substrate, into which, for example, one or more metal structures for supporting the carrier surface and for electrically contacting the reading electronics or the components of the reading electronics are introduced from the carrier surface.
  • An auxiliary layer within the carrier is preferably e.g. selectively etched below a membrane to form a cavity in the carrier.
  • the cavity is advantageously closed at a sufficiently low pressure. This can possibly be done in a vacuum or under vacuum conditions. This saves costs that would otherwise arise from a necessary vacuum housing for the infrared sensor.
  • the pixel elements are thermally insulated very well by these measures, so that an even denser arrangement of the infrared sensors in the detector array is possible, although a good resolution is nevertheless guaranteed.
  • a layer sequence is applied to the carrier to form a pyroelectric capacitor which forms the pixel element, the capacitor or the pixel element being e.g. B. is contacted via a surface micromechanically produced support structure within the carrier with the readout electronics or the components of the readout electronics.
  • Steps in the manufacture of the infrared sensor according to a preferred embodiment of the invention the structure in the individual manufacturing phases being identified with A to T.
  • a wafer 1 is provided with a readout electronics or readout 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 being used for contacting the readout electronics or semiconductor circuit or the components of the readout electronics. Further layer sequences can be applied to the wafer thus provided.
  • a passivation 3 is applied to the surface of the substrate or wafer 1, the passivation 3 covering the contact areas 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 hollow space etching above the passivation 3, so that the underlying substrate 1 is not attacked.
  • an auxiliary layer 4 which is, for example, a plasma oxide layer, is applied to the nitride layer of the passivation 3.
  • the plasma oxide layer or auxiliary layer 4 is e.g. 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.
  • 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)
  • contact holes 5a are etched into the layers applied to 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 5a is formed perpendicularly from the top of the membrane 5 downwards perpendicularly to the substrate surface.
  • the diameter of the respective contact hole 5a is, for example, 1 to 2 ⁇ m.
  • the contact holes 5a are then filled with an electrically conductive material or a metal, with tungsten advantageously being used.
  • the tungsten can be deposited, for example, in a CVD process (Chemical Vapor Deposition).
  • the electrically conductive material in the contact holes 5a extends from the surface of the membrane 5 like a column 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.
  • the contact holes have been filled with the metal or tungsten metal, there is a metal layer 6 on the surface of the membrane 5.
  • the next step comprises the etching of further holes 5b in the membrane 5 made of silicon nitride.
  • the openings or holes 5b penetrate the membrane 5 completely over its entire thickness, so that there is a connection from the outside to the auxiliary layer 4.
  • 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 Si oxide remains in the contact holes 5a around the tungsten.
  • a cavity 7 is created in the auxiliary layer 4 below the holes 5b.
  • the tungsten in the contact holes 5a which are formed on both sides of the cavity 7, forms a metal structure 6a, which serves as a via.
  • the remaining material of the auxiliary layer 4 on the metal structures 6a protects the metal or tungsten from an etching attack.
  • the etching holes 5b in the membrane 5 are now closed with a suitable material by means of the known methods.
  • the sealing material forms a sealing or membrane layer 8, on which electrical wiring is subsequently made Components z. B. can be carried out by means of photo technology.
  • the etching by the oxide on the tungsten contacts or W-plugs results in a very space-saving, CMOS-compatible surface micromechanical structure with a contact led from the interior to the wafer surface.
  • the contact forms an electrical line that extends perpendicular to the wafer plane and contacts the read-out circuit or its components located below the wafer surface and integrated in the wafer.
  • a platinum layer is formed over the entire surface of the membrane layer 8, which forms a lower electrode 9.
  • Other materials can also be used for the electrode.
  • 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 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
  • the ferroelectric PZT layer 10 is applied in an oxygen-containing atmosphere at temperatures between approximately 450 ° C. and 550 ° C. (N)
  • the CrNi electrode or upper E- Electrode 11 has a thickness of approx. 20-50 nm and optimally absorbs infrared radiation in a wavelength range of 10 micrometers. (0)
  • the next step comprises the structuring of the ferroelectric PZT layer 10 using an RIE process (reactive ion etching). This is an anisotropic physical dry etching.
  • RIE process reactive ion etching
  • the size of a pixel defined in this way is approximately 50 by 50 ⁇ m 2 , the PZT layer 10 having a thickness of approximately 1 ⁇ m. (P).
  • 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.
  • 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.
  • Holes 8a are now etched into the membrane layer 8, so that the columnar metal structures 6a or tungsten plugs are opened or exposed. That is, the holes 8a are arranged directly above the metal structures 6a.
  • a metallization 13 is applied to contact the lower and upper electrodes 9, 11, which form an electrically conductive connection of the respective electrodes 9 and 11 to the associated columnar metal structure 6 a. det.
  • the metallization 13 extends on the one hand between the lower electrode 9 and the metal structure 6a arranged on the left in the figure, and on the other hand between the upper electrode 11 and the metal structure 6a arranged on the right in the figure.
  • electrical contacts are made from the electrodes 9, 11 to the underlying contact surfaces 2 of the readout electronics or semiconductor circuit below 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 lift-off technology, for example, is in the range between 400 and 600 nanometers. (T)
  • 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.
  • a pixel element 30 in the form of a pyroelectric capacitor structure is arranged on the carrier 20 and is formed by the lower and upper electrodes 9, 11 with the PZT layer 10 arranged between them.
  • 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 configured in a vertical arrangement.
  • the metal structures 6a each form a support structure and serve both to support the pixel element 30 on the surface of the membrane 8 and to contact 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 provided directly below the pixel element 30.
  • IR sensors are arranged in high density in an IR detector array, the IR sensors e.g. are configured in a single wafer.

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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 eine in den Träger integrierte Ausleseelektronik, die an das Pixelelement (30) gekoppelt ist. Kontaktflächen (2) der Ausleseelektronik befinden sich im Inneren des Trägers (20). Die Ausleseelektronik und das Pixelelement (30) sind übereinander ausgebildet. Der Träger (20) enthält eine CMOS-kompatible Oberflächenmikromechanikstruktur mit einem evakuierten 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 Pixelelement (30) vertikal übereinander angeordnet.

Description

Beschreibung
PYROELEKTRISCHER BILDSENSOR UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG
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.
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 Sensorelement beispielsweise ein pyroelektrischer Kondensator. Neben dem Sensorelement bzw. der Sensorstruktur befindet sich auf dem Chip weiterhin eine Ausleseelektronik, die zur Verarbeitung der von der Sensorstruktur erzeugten Signale dient. Dabei sind die Ausleseelektronik und die Sensorstruktur nebeneinander auf dem Chip aufgebracht. Die Ausleseelektronik ist im Chip integriert.
Die bekannten Infrarotsensoren haben jedoch den Nachteil ei- nes großen Platzbedarfs. Durch die Anordnung von Ausleseelektronik und Sensorstruktur nebeneinander auf dem Chip ist bei einer vorgegebenen Detektorfläche bzw. bei einer vorgegebenen Chipgröße in einem integrierten Sensorarray die Anzahl der Sensorelemente begrenzt.
Hinzu kommt die allgemeine Anforderung, dass die Sensoren bzw. IR-Detektorarrays stabil gegenüber mechanischen Einflüs- sen von außen sein sollen. Darüber hinaus sollen die Infrarotsensoren kostengünstig herstellbar sein.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Infrarotsensor insbesondere für hochauflösende Infrarot- Detektoranordnungen zu schaffen, der sehr kompakt bzw. platzsparend 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.
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 Zeichnungen.
Der erfindungsgemäße Infrarotsensor für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen hat einen Träger, auf dem mindestens ein Pixelelement zur Detektion von Infrarotstrahlung angeordnet ist, und eine z.B. in den Träger integrierte Auslese- elektronik oder Bauelemente einer Ausleseelektronik, die an das Pixelelement gekoppelt ist/sin, wobei die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixelelement in vertikaler Anordnung ausgebildet sind und der Träger -unter anderem- eine Mikromechanikstruktur enthält.
Die Mikromechanistruktur kann zur thermischen Isolierung des Pixelelements vom Substratmaterial dienen. Durch die vertikale Anordnung der beiden Teile Ausleseelektronik 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 können 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 Oberflächenmikro echanik herstellbar, d. h. es werden mit einer CMOS-kompatiblen Mik- romechanik bzw. Oberflächenmikromechanik hochauflösende IR- Detektorarrays zugänglich.
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 gewährleistet ist. Die Verwendung der oberflächenmikromecha- nisch hergestellten Stützstrukturen dient insbesondere auch zur Verminderung des Übersprechens zwischen einzelnen Pixeln bzw. Pixelelementen.
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 weiter reduziert, ohne dass die Stabilität Nachteile erleidet. Die Stützstruktur erfüllt dadurch gleichzeitig zwei Funktionen, 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. Vorteilhafterweise ist im Träger ein Hohlraum vorgesehen. Dabei 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 Qualität der Messergebnisse bzw. zur Erhöhung der Auflösung beiträgt. 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 eingespart, da ein Vakuumgehäuse im Vergleich hierzu mit wesentlich höheren Kosten verbunden ist.
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 Stabilität bei.
Bevorzugt ist der Träger aus einem Substrat mit einer aufgebrachten Schichtfolge gebildet, wobei in der Schichtfolge ein abgeschlossener Hohlraum mit ein oder mehreren elektrisch leitenden Stützstrukturen ausgestaltet ist, die den Ausleseschaltkreis bzw. die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik mit dem oder den Pixelelementen verbinden. Der Träger bzw. das Substrat ist insbesondere ein Chip. Dadurch ergibt sich eine besonders kostengünstige und besonders platzsparende Bauweise.
Das Pixelelement kann z. B. eine pyroelektrische Kondensatorstruktur umfassen bzw. als solche ausgestaltet sein, die insbesondere durch die Stützstrukturen im Träger mit der Ausle- seelektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik e- lektrisch verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Infra- rotsensors, der insbesondere für hochauflösende Infrarot- Detektoranordnungen geeignet ist, umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Trägers mit mikromechanisch hergestellten Hohlräumen und einer Ausleseelektronik oder Bauelementen einer Ausleseelektronik; Aufbringen eines Pixelelements auf die Trägeroberfläche; und Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Ausleseelektronik oder den Bauelementen 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.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf kostengünstige Weise ein platzsparender Infrarotsensor hergestellt werden, der eine hohe Auflösung in Infrarot-Detektorarrays ermöglicht, wobei dennoch eine hohe Festigkeit bzw. Stabilität des Infrarotsensors erzielt wird.
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 Inneren des Trägers angeordnet.
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 einzelnen Pixeln hergestellt werden.
Insbesondere kann zur Herstellung des Trägers eine Schicht- folge auf das Substrat aufgebracht werden, in die beispielsweise ein oder mehrere Metallstrukturen zur Stützung der Trägeroberfläche und zur elektrischen Kontaktierung der Ausleseelektronik oder der Bauelemente der Ausleseelektronik von der Trägeroberfläche eingebracht werden.
Bevorzugt wird eine Hilfsschicht innerhalb des Trägers z.B. unterhalb einer Membran selektiv geätzt, um einen Hohlraum im Träger auszubilden. Dabei wird der Hohlraum vorteilhafterweise bei ausreichend niedrigem Druck verschlossen. Dies kann möglicherweise im Vakuum bzw. unter Vakuumbedingungen geschehen. Dadurch werden Kosten eingespart, die ansonsten durch ein notwendiges Vakuumgehäuse für den Infrarotsensor entstehen 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.
Vorteilhafterweise wird auf dem Träger eine Schichtfolge zur Bildung eines pyroelektrischen Kondensators aufgebracht, der das Pixelelement bildet, wobei der Kondensator bzw. das Pixelelement z. B. über eine oberflächenmikromechanisch hergestellte Stützstruktur innerhalb des Trägers mit der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik kontaktiert wird.
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 er- findungsgemäßen Infrarotsensor selbst, ebenso wie Vorteile und Merkmale des Infrarotsensors auch für das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung gelten.
Nachfolgend wird zunächst die Herstellung eines erfindungsgemäßen Infrarotsensors bzw. eines hochauflösenden pyroelektri- schen IR-Detektorarrays beispielhaft beschrieben, und anschließend wird der IR-Sensor selbst anhand der hergestellten Struktur beispielhaft beschrieben. Dabei zeigen
Fig. la und lb in schematischer Darstellung die einzelnen
Schritte bei der Herstellung des Infrarotsensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Aufbau in den einzelnen Her- Stellungsphasen mit A bis T gekennzeichnet ist.
In Fig. la 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 Bauelemente der Ausleseelektronik enthält, wobei die Kontaktflächen 2 zur Kontaktierung der Ausleseelektronik bzw. Halbleiterschaltung oder der Baueleme3nte der Ausleseelektronik dienen. Auf den so bereitgestellten Wafer können weitere Schichtfolgen aufgebracht werden. (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 Hohl- raumätzung oberhalb der Passivierung 3, so dass das darrunterliegende Substrat 1 nicht angegriffen wird. (B)
In dem nun folgenden Prozessschritt wird auf die Nitrid- schicht der Passivierung 3 eine Hilfsschicht 4 aufgebracht, die beispielsweise eine Plasmaoxidschicht ist. Die Plasmaoxidschicht bzw. Hilfsschicht 4 ist z. B. eine 0,5 μ 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)
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)
Anschließend werden in die auf dem Substrat oder Wafer 1 aufgebrachten 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)
Anschließend werden die Kontaktlöcher 5a mit einem elektrisch leitenden Material bzw. einem Metall aufgefüllt, wobei vorteilhafterweise 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 Füllen der Kontaktlöcher mit dem Metall bzw. Wolframmetall be- findet sich eine Metallschicht 6 auf der Oberfläche der Membran 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)
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)
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 Material 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. Membranschicht 8, auf der anschließend eine Verdrahtung elektrischer Bauelemente z. B. mittels Phototechnik durchgeführt werden kann. (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 Innenraum auf die Waferoberflache geführten Kontakt. Der Kontakt bildet eine elektrische Leitung, die sich senkrecht zur Waferebene erstreckt und die unterhalb der Waferoberflache gelegene, im Wafer integrierte Ausleseschaltung beziehungsweise deren Bauelemente kontaktiert.
Nun erfolgen die weiteren Prozessschritte, durch die pyroelektrische Pixel auf den bereitgestellten thermisch isolie- renden Strukturen definiert werden. Zunächst wird dabei in einem ersten Schritt ganzflächig auf die Membranschicht 8 eine Platinschicht aufgebracht, die eine untere Elektrode 9 bildet. Für die Elektrode können auch andere Materialien dienen. 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 zwischen 50 und 300 n . (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 Atmosphäre bei Temperaturen zwischen ca. 450° C und 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 E- lektrode 11 hat eine Dicke von ca. 20 - 50 nm und absorbiert Infrarotstrahlung optimal in einem Wellenlängenbereich von 10 Mikrometer. (0)
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 physikalisches Trockenätzen. Die Größe eines so definierten Pixels ist etwa 50 mal 50 μm2, wobei die PZT-Schicht 10 eine Dicke von etwa 1 μm aufweist. (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)
Die nächsten Schritte umfassen den Anschluss dieses Kondensators 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 unteren Elektrode 9. (R)
Nun werden in die Membranschicht 8 Löcher 8a geätzt, so dass die säulenartigen Metallstrukturen 6a bzw. Wolfram-Plugs geöffnet bzw. frei gelegt werden. D. h., die Löcher 8a werden direkt oberhalb der Metallstrukturen 6a angeordnet. (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 bil- det. In der hier gezeigten, schematisch dargestellten Anordnung erstreckt sich die Metallisierung 13 zum einen zwischen der unteren Elektrode 9 und der in der Figur links angeordneten Metallstruktur 6a, und zum anderen zwischen der oberen Elektrode 11 und der in der Figur rechts angeordneten Metallstruktur 6a. Dadurch sind elektrische Kontakte von den Elektroden 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)
Der im Abschnitt (T) von Fig. lb dargestellte Infrarotsensor umfasst einen Träger 20, der durch eine Oberflächen ikrome- chanikstruktur mit auf die Waferoberfläche geführten Kontakten 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.
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 gekoppelt. Der Ausleseschaltkreis und das Pixelelement 30 sind dabei übereinander angeordnet bzw. in vertikaler Anordnung ausgestaltet. 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 Kontaktierung der unterhalb der Chipoberfläche gelegenen Ausle- seelektronik an der Chipoberfläche in unmittelbarer Nähe des darüber liegenden Sensor- bzw. Pixelelements 30.
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 jeweiligen bzw. zugehörigen Ausleseschaltung oder von Bauelementen 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 vorgesehen.
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.

Claims

Patentansprüche
1. Infrarotsensor, insbesondere für hochauflösende Infra- rot-Detektoranordnungen, mit einem Träger (20) , auf dem mindestens ein Pixelelement (30) zur Detektion von Infrarotstrahlung angeordnet ist, und einer in den Träger (20) integrierten Ausleseelektronik oder Bauelementen einer solchen Ausleseelektronik, der/die an das Pixelelement (30) gekoppelt ist/sin, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik und das Pixelelement (30) in vertikaler Anordnung ausgebildet sind, wobei der Träger (20) eine Mikromechanikstruktur enthält.
2. Infrarotsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in dem Träger (20) eine oberflächenmikromechanisch hergestellte Stützstruktur (4, 6a) zur Verminderung des Übersprechens zwischen einzelnen Pixelelementen (30) vorgesehen ist.
3. Infrarotsensor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Metallstruktur (6a) in die Stützstruktur (4, 6a) integriert ist, die einen vertikal geführten elektrischen Kontakt vom Pixelelement (30) zur Ausleseelektronik oder zu den Bauelementen der Ausleseelektronik bildet.
4. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass im Träger (20) ein Hohlraum (7) zur thermischen Isolation des Pixelelements (30) vorgesehen ist.
5. Infrarotsensor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Hohlraum (7) evakuiert ist.
6. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Träger (20) eine CMOS-kompatible Oberflächenmikromecha- nikstruktur mit einem vom Trägerinnenraum auf die Trägeroberfläche vertikal bzw. senkrecht zur Waferoberflä- ehe geführten Kontakt enthält.
7. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Träger (20) aus einem Substrat (1), das eine Auslese- elektronik oder Bauelemente einer Ausleseelektronik aufweist, und einer aufgebrachten Schichtfolge (3, 4, 5, 8) gebildet ist, wobei in der Schichtfolge ein abgeschlossener Hohlraum (7) mit ein oder mehreren elektrisch leitenden Stützstrukturen (4, 6a) ausgestaltet ist, die die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Ausleseelektronik mit dem mindestens einen Pixelelement (30) verbinden.
8. Infrarotsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Pixelelement (30) eine pyroelektrische Kondensatorstruktur umfasst, die durch Stützstrukturen (4, 6a) im Träger (20) mit der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik elektrisch verbunden ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors für hochauflösende Infrarot-Detektoranordnungen, mit den Schritten:
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 zwischen dem Ausleseschaltkreis und dem Pixelelement (30) ; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ausleseelektronik oder die Bauelemente der Aus- leseelektronik und das Pixelelement (30) vertikal übereinander angeordnet werden, wobei sich die elektrisch leitende Verbindung durch den Träger (20) erstreckt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass es mit Techniken der Mikromechanik, insbesondere der Oberflächenmikromechanik, durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Herstellung des Trägers (20) eine Folge von Schichten (3, 4, 5, 8) auf ein Substrat (1) aufgebracht wird, in die ein oder mehrere Metallstrukturen (6a) eingebracht werden, die zur Stützung der Trägeroberfläche und zur e- lektrischen Kontaktierung der Ausleseelektronik oder der Bauelemente der Ausleseelektronik von der Trägeroberfläche aus dienen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Hilfsschicht (4) innerhalb des Trägers (20) unterhalb einer Membran (5, 8) selektiv geätzt wird, um einen Hohlraum (7) im Träger (20) auszubilden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Hohlraum (7) bei ausreichend niedrigem Druck verschlos- sen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass auf einer Membranschicht (8) des Trägers (20) eine Schichtfol- ge (9, 10, 11) zur Bildung eines pyroelektrischen Kondensators aufgebracht wird, der das Pixelelement (30) bildet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Pixelelement (30) über eine oberflächenmikromechanisch hergestellte Stützstruktur innerhalb des Trägers (20) mit der Ausleseelektronik oder den Bauelementen der Ausleseelektronik kontaktiert wird.
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