WO2005005943A1 - Sensor zur temperaturänderungs- oder infrarot-detektion - Google Patents

Sensor zur temperaturänderungs- oder infrarot-detektion Download PDF

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WO2005005943A1
WO2005005943A1 PCT/DE2004/001462 DE2004001462W WO2005005943A1 WO 2005005943 A1 WO2005005943 A1 WO 2005005943A1 DE 2004001462 W DE2004001462 W DE 2004001462W WO 2005005943 A1 WO2005005943 A1 WO 2005005943A1
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WO
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sensor
membrane
substrate
layer
passivation layer
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Application number
PCT/DE2004/001462
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Fischer
Hans-Peter Baer
Lars Metzger
Arnim Hoechst
Roland Scheuerer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/028—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples using microstructures, e.g. made of silicon
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/186—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer using microstructures

Definitions

  • the invention relates to a sensor for temperature change or infrared detection and a method for its production.
  • the sensor according to the invention can be used in particular for a spectroscopic gas sensor and for a temperature sensor for detecting a side impact on a vehicle door.
  • thermopiles thermoelectric infrared sensors
  • temperature-sensitive resistors or pyroelectric layers
  • the infrared absorption is determined in the molecule-specific wavelength range of various gases, in particular in the range between 2 and 10 ⁇ m.
  • concentration of a gas or several gases can be determined with high resolution using a spectrally resolved measurement.
  • IR detector Radiation is measured by an IR detector after spectral decomposition.
  • Conventional IR detectors are discrete elements that are connected to an evaluation unit for recording and evaluating the measurement signals.
  • the IR detector is usually manufactured as a thermally insulated component with a membrane that absorbs the IR radiation.
  • the sensor according to the invention and the method according to the invention for its production have several advantages in comparison.
  • the monolithic integration of the detector and the evaluation circuit, which receives the measurement signal from the detector, preferably a measurement voltage serving as a measurement signal, can result in a considerable saving in area and thus a reduction in manufacturing costs. Since in the sensor structure according to the invention the micromechanical planes required to form the membrane and the conductive structure hardly impair the chip planes which can be used to form the evaluation device, there is considerable potential for savings compared to conventional discrete designs.
  • the effort for the construction and connection technology between the detector and the evaluation circuit is reduced, which increases the reliability and reduces the susceptibility to faults.
  • a qualitative improvement of the evaluation is also achieved, since the noise sources are reduced and thus the signal-to-noise ratio is increased.
  • the sensor according to the invention is manufactured by a CMOS process with a few micromechanical process modules, an advantageous separation between a CMOS pre-process with, for example, complete testing of the functionality of the evaluation circuit and a subsequent micromechanical processing can be achieved.
  • a mixing process technology can also be used to manufacture the evaluation circuit.
  • the passivation layers which later form the membrane, possibly also the sacrificial layer, and then subsequently the evaluation circuit can in principle also be formed, whereupon the sacrificial layer etching of the substrate or the sacrificial layer takes place to form the membrane.
  • the detector formed in the sensor has a thermopile structure that extends into the membrane and consists of two conductive layers that are made of materials with different Seebeck coefficients.
  • This can e.g. a polysilicon (polycrystalline silicon) layer and a metal layer, e.g. Aluminum layer.
  • a polysilicon (polycrystalline silicon) layer and a metal layer, e.g. Aluminum layer.
  • a polysilicon layer e.g. Aluminum layer.
  • two polysilicon layers with different doping can be used.
  • the thermopile structure measures in a manner known per se a temperature difference between the ends of the thermopile structure, i.e. the membrane and a heat sink of the chip.
  • thermopile structure can serve on the one hand as an infrared detector, in particular for spectroscopic gas detection, a spectroscopic filter advantageously being provided above the sensor.
  • an absorber layer of, for example, a metal oxide is applied to the membrane, which heats up when the IR radiation is absorbed.
  • thermopile structure can also be used as a heat sensor, for example for measuring a temperature change or side crash sensation of a vehicle due to the adiabatic compression of a gas volume enclosed in a side region of the vehicle.
  • the structure according to the invention with the thin membrane in which the conductor tracks are contacted enables a rapid reaction to changes in temperature in the environment, the inert bulk material in which the other ends of the legs of the thermopile structure lie initially not this temperature jump or follows negligibly at most.
  • the heat conduction from the membrane into the surrounding bulk material is low because the membrane is made of a dielectric material, e.g. an oxide or nitride, and the heat conduction in the lateral direction is therefore low.
  • the cavern below the membrane is advantageously separated from the outside space and is under vacuum, so that the heat dissipation downward is also kept very low.
  • the temperature difference between the membrane and the bulk material that results immediately after the adiabatic compression thus remains sufficiently long. Deviating from this, however, it is also possible to connect the cavern to the outside in order to allow the heated gas access to the underside of the membrane.
  • the temperature jump sensor according to the invention is insensitive to disturbance accelerations. Furthermore, for a purely thermal function of the membrane layer, it is much less critical if fluctuations in the stoichiometry lead to a variable internal stress of the membrane. In the case of a pressure sensor, the value of the residual stress goes into the sensitivity of the component; only bulges of the membrane are relevant for the thermal sensor according to the invention, which can be prevented by tensile stress; the thermal insulation is independent of the stoichiometry in the process limits.
  • the temperature sensor according to the invention can also perform a resistive measurement.
  • the conductive structure has at least one resistance track, preferably made of polycrystalline silicon, the electrical resistance of which can be detected via the leads carrying the current or by a four-point measurement (with at least four leads led in or on the bulk material).
  • the gas detector according to the invention can be integrated on one chip with the evaluation circuit.
  • the evaluation circuit receives the measurement signal generated by the thermopile structure and outputs an evaluation signal which e.g. May contain data about the absorption in one or more wavelength ranges or also already determined data about the gas composition. Due to its low manufacturing costs, the gas detector according to the invention can be used in automotive air conditioning systems, other air conditioning systems, laboratory analysis, safety technology and environmental protection as well as medical technology.
  • FIG. 1 shows a cross section through a sensor according to the invention with a thermopile structure according to one embodiment
  • FIG. 2 shows a process step for producing the sensor from FIG. 1 after application of a first metal level
  • 3 a subsequent process step after application of intermediate layers
  • 4 a subsequent process step after applying a lithography mask
  • 5 a subsequent process step after partial etching of the intermediate layers
  • 6 a subsequent process step after etching the intermediate layers and a hole in the passivation layers
  • 7 a subsequent process step after deep etching a trench into the substrate
  • 8 a subsequent process step after the sacrificial layer etching of the substrate
  • 9 a cross section through a sensor according to the invention with a thermopile structure according to a further embodiment
  • 10 shows a cross section through a sensor according to the invention in accordance with a further embodiment with a resistive measuring structure.
  • an infrared sensor 1 has a silicon substrate 2 and an evaluation circuit 7 with CMOS component areas 3.
  • a free space 4 is formed in the substrate 2, above which a membrane 5 with holes 6 extends.
  • a lower passivation layer 9 is applied to the substrate 2, which extends into the CMOS component areas 3 and forms the underside of the membrane 5.
  • the lower passivation layer 9 can in particular be included in the CMOS component areas 3, e.g. as an ONO dielectric of capacitors.
  • a first conductive layer is on the lower passivation layer 9
  • the first conductive layer 10 from e.g. Polysilicon (polycrystalline silicon) deposited, which is one leg of a thermopile structure.
  • the first conductive layer 10 may also be included in the CMOS circuitry, e.g. as a poly gate.
  • an upper passivation layer 12 made of e.g. Silicon nitride deposited in the CMOS
  • Component areas 3 can be used, for example, as spacer nitride.
  • the material of the passivation layers 9, 12 has poor thermal conductivity capability is under tension and is not attacked by the etching gas of the sacrificial layer etching used below with reference to FIG. 8.
  • a metal level 14 is applied, which is connected in a contact area 16 to the first conductive layer 10 and together with this forms the thermopile structure.
  • a metal level 14 is another layer made of a conductive material with a Seebeck coefficient different from the material of the first conductive layer 10, e.g. Poly-silicon with a different doping can be used.
  • the metal plane 14 can also be used in the CMOS device areas 3, e.g. as the first trace level of the CMOS process.
  • Dielectric intermediate layers 20, 21, 22, 23, which are used in particular for insulation, and optionally further metal levels are applied to the metal level 14.
  • a free space 25 is formed above the membrane 5 in the dielectric intermediate views 20, 21, 22, 23, through which infrared radiation can strike the membrane 5.
  • a gas exchange between an outer space 26 and the free space 4 in the substrate 2 thus takes place via the free space 25 and the holes 6.
  • an infrared-absorbing material 29 can be applied to the membrane 5 in order to increase the sensitivity of the sensor 1 to increase.
  • the evaluation circuit 7, which can have a plurality of CMOS component areas 3 and possibly further integrated areas, takes that from
  • Thermopile structure 10, 16, 14 output electrical measuring voltage, determines a measured value with data on the absorption behavior and outputs an evaluation signal S.
  • the evaluation circuit 7 can also have memory elements with data about the absorption behavior; In this case, the evaluation circuit 7 can already determine the gas concentration from the measurement voltage and output data about the gas concentration of one or more gases in the evaluation signal S.
  • An infrared filter, which selectively transmits the desired wavelength ranges of the infrared radiation is advantageously provided above the IR sensor 1.
  • the component areas 3 are produced in a first CMOS process step, and optionally also subsequently tested.
  • a passivation layer 9 is formed as a thermally insulating layer, e.g. from the CMOS component areas 3 in the known CMOS process sequence. Silicon nitride formed under tension.
  • the at least one thermopile structure consisting of the at least one metal level 14 and poly layer 10, which generates a thermoelectric voltage in accordance with an applied temperature difference, is defined in various levels of the CMOS process sequence above and optionally also under the lower passivation layer 9.
  • the upper passivation layer 12 made of silicon nitride is applied and structured in such a way that it has the holes 6 and the contact holes 15 to the poly layer 10.
  • the metal level 14 is subsequently applied, the contact regions 16 being produced to the conductive poly layer 10.
  • the formation of the metal level 14 can advantageously also serve to form the first interconnect level of the CMOS process for producing the CMOS component areas 3.
  • the dielectric intermediate views 20, 21, 22 and 23 and, if appropriate, further metal levels are subsequently applied over the metal level 14.
  • a lithography mask 32 is subsequently made of e.g. Photoresist applied with an opening 33, the opening 33 defining the access to the membrane 5 formed later.
  • the dielectric layers 20, 21, 22, 23 are etched in the region of the opening 33 in a subsequent process step.
  • a wet chemical process or a dry etching process can be used.
  • the etching process is carried out in such a way that the dielectric layers 20, 21, 22, 23 are removed with high selectivity with respect to the upper passivation layer 12.
  • the holes 6 in the passivation layers 9, 12 are formed as an etching access to the substrate 2.
  • a trench 35 is made in the substrate 2 in a subsequent process step using a dry etching method.
  • the process step of FIG. 7 supports the subsequent sacrificial layer etching, the trench 35 being able to achieve a greater etching depth with the same sacrificial layer etching time in that the deep etching process of the trench 35 proceeds much faster than the sacrificial layer etching process described below.
  • etching gas 36 subsequently penetrates through the free space 25, the holes 6 and the trench 35 under the passivation layers 9, 12 and selectively etches the substrate 2 with respect to the passivation layers 9, 2.
  • the etching gas 36 e.g. CIF3, XeF2 or another silicon selectively and spontaneously caustic gas.
  • the sacrificial layer etching process is carried out until a complete release of the passivation layers 9, 12 in the area of the membrane 5 is achieved, so that the membrane 5 is formed. 1, the infrared-absorbing material can be applied to increase the sensitivity of the sensor 1.
  • FIG. 9 shows an embodiment with a sensor 39, in which CMOS component areas 3 are in turn formed on or on the substrate 40 in accordance with the first embodiment.
  • a first passivation layer 42 with a thickness of 40 to 250 nm is applied to the substrate 40, on which a cavity 43 is provided.
  • a membrane 44 is formed of dielectric material.
  • One or more poly-silicon conductor tracks 46 are formed in the membrane 44, each of which represents one leg of a thermopile structure.
  • 9 shows four interconnects 46 or interconnect legs of the thermopile structure lying laterally next to one another in the membrane 44.
  • the poly-silicon conductor tracks 46 run laterally on the first passivation layer 42 to the CMOS component regions 3 to which they are connected.
  • a dielectric intermediate layer 48 is formed on the membrane 44 and the conductor tracks 46 running laterally outwards and advantageously also on or in the component regions 3. Further dielectric intermediate layers 50 are formed in the wiring planes and are not further explained here; The CMOS component areas 3 can - in contrast to that shown in FIG. 9 - extend into the area of the intermediate layers 50. The component regions 3 are advantageously wired to interconnect planes 54 via wirings 52 running vertically through the dielectric intermediate layers 50. Metal layers run on the dielectric intermediate layer 48.
  • Conductor tracks 56 which extend in the lateral direction into the region of the self-supporting membrane 44, where they are contacted with their vertically extending conductor areas 57 with the poly-silicon conductor tracks 46 serving as legs of the thermopile structure.
  • the metal interconnects 56 are advantageously formed from A ⁇ (SiCu) or TiN / Al (SiCu), since this results in an effective material transfer to the poly-silicon of the interconnects 46 due to the Seebeck coefficients.
  • the component areas 3 can again be formed on the substrate 40 in a standard CMOS process, the process steps described below for forming the measurement structure being partially included in this process can be integrated and some of them are easy to add micromechanical process steps.
  • the first passivation layer 42 can already be included in the CMOS component regions 3. It is deposited with a thickness of 40 to 250 nm at temperatures below 900 ° C and is resistant to the attack of a silicon etching gas that is used selectively later, eg CIF3 or XeF2.
  • first passivation layer 42 can consist, for example, of a nitride or oxide; in particular, it can be, for example, a TEOS layer with a thickness of 100 nm, since such a layer is dense and resistant to CIF3 etching. If the first passivation layer 42 is formed as a thermal oxide, for example as a thick gate oxide, a thickness of 40 nm is sufficient.
  • a sacrificial layer made of Si or SiGe with a thickness of 0.3 to 2 ⁇ m is deposited on the first passivation layer 42 and structured in such a way that its shape and design correspond to the later cavity 43.
  • the surface roughness of the sacrificial layer is advantageously less than 100 nm (R a ).
  • a lower membrane layer 44a is applied to the sacrificial layer, which advantageously also covers the side surfaces thereof.
  • the thickness of the lower membrane layer 44a may e.g. B. lie between 50 and 250 nm, wherein it is resistant to the etching gas used later, z. B. consists of an oxide or nitride and is deposited at temperatures below 900 ° C. You can e.g. B. as TEOS (ozone-assisted) at a temperature of 400 ° C with a thickness of 100 nm.
  • This membrane layer 44a applied to the sacrificial layer is subsequently structured in such a way that at least one access to the sacrificial layer is formed; With this structuring, the sacrificial layer below the access can also be etched if necessary.
  • the conductor tracks 46 made of poly-silicon are subsequently deposited at temperatures below 900 ° C.
  • the poly-silicon is made conductive with suitable processes at moderate temperatures below 900 ° C, whereby the conductivity does not have to be very high. For example, the doping is carried out with ion implantation.
  • the applied material of the conductor tracks 46 can also cover the accesses in the lower membrane layer 44a; such areas are etched away during later etching and give access to the z. B. also made of silicon sacrificial layer free.
  • an upper membrane layer 44b made of a material not etched by the etching gas, e.g. B. the same material as layer 44a.
  • the upper membrane layer 44b is designed for tensile stress at deposition temperatures of less than 900 ° C. and can in particular be LPCVD -Nitride with a thickness between 100nm and 1 ⁇ m, e.g. B. 200 to 500 nm.
  • the etching gas penetrates into the sacrificial layer via the “etching valve” formed from the entrances through the membrane layers 44a, 44b and the areas of the poly-silicon interconnects lying between them, and removes the poly-silicon at rates of up to 10 ⁇ m / min
  • Etching process with CIF3 is a plasma-free process, which takes place at -20 ° C to 60 ° C.
  • the selectivity of Si compared to oxide is approx. 10000: 1, for nitride the selectivity is over 1000: 1.
  • Protective layers made of photoresist can also be used.
  • Aluminum is not affected by the etching gas, i.e. e.g. CIF3, attacked.
  • the sacrificial layer etching process can therefore also take place according to the invention after the deposition and structuring of the last metal level in the CMOS process.
  • no cavity is created that will be processed for a very long time by the CMOS wiring.
  • the cavity is closed by the last passivation layer in the CMOS process.
  • the dielectric intermediate layer 48 is deposited to close the cavity.
  • an LPCVD Iow pressure CVD
  • PECVD plasma enhanced CVD
  • passages through the layers 48 and 44b are structured and etched, so that when the conductor tracks 56 are subsequently applied, the conductor regions 57, which contact the lower conductor tracks 46 made of poly-silicon, form in these passages.
  • the membrane 44 in the region of the cavity 43 heats up in relation to the bulk regions 60 laterally adjoining it, which occurs when the temperature rises rapidly, as occurs in the case of door deformation Temperature changes in the environment can only follow very slowly.
  • a conductor track 62 made of poly-silicon is used as a temperature-sensitive resistor.
  • the resistance of the conductor track 62 is measured via at least two connections 56 and 64, preferably as a four-point measurement via four connections, the measurement signal in turn being supplied to the CMOS component areas 3.
  • the conductor track 62 can basically be made Silicon or other materials such as B. platinum, wherein platinum is not CMOS compatible and is therefore not preferred.
  • the sensor according to the invention in the embodiment of FIGS. 9, 10 can thus be produced by the following method:
  • a sacrificial layer preferably silicon or silicon germanium
  • a lower membrane layer 44a from an etching gas, e.g. B. CIF3 or XeF2 resistant material, preferably an oxide or nitride, on the sacrificial layer, structuring the lower membrane layer 44a with formation of passages,
  • an etching gas e.g. B. CIF3 or XeF2 resistant material, preferably an oxide or nitride
  • a conductive layer 46, 62 made of a material which can be etched by the etching gas, e.g. B. polycrystalline silicon, on the lower membrane layer 44a, application of an upper membrane layer 44b, preferably under tension, from an versus an etching gas, for. B. CIF3 or XeF2, resistant material, preferably an oxide or nitride, on the conductive layer 46, 62,
  • a self-supporting membrane 44 which has two membrane layers 44a, 44b and conductor tracks of the lower conductive layer 46, 62, by closing the access the upper membrane layer 44b, application of a dielectric intermediate layer 48 to the upper membrane layer 44b, formation of accesses through the dielectric intermediate layer 48 and the upper membrane layer 44b to conductor tracks of the lower conductive layer 46, 62,
  • the component region 3 is part of an evaluation device 7, which receives a measurement voltage from the conductive structure 10, 14, 16 and outputs an evaluation signal.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Temperaturänderungs- oder Infra­rot-Detektion, der insbesondere für einen Gassensor verwendbar ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Um einen sicheren und kostengünstigen Sensor mit geringen Herstellungs­kosten herzustellen, weist dieser auf: 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 leitfähige Struktur (10, 14, 16), eine auf dem Substrat (2) ausgebildete Auswerteschaltung (7), die eine von der leitfähigen Struktur (10, 14, 16) ausgegebene Messspannung aufnimmt und ein Auswertesignal (S) ausgibt, wobei der Infrarot-Sensor (1) monolithisch integriert ist. 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 leitfähigen Struktur und die Auswerteschaltung (7) monolithisch integriert werden.

Description

Sensor zur Temperaturänderungs- oder Infrarot-Detektion
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Temperaturänderungs- oder Infrarot-Detektion und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Der erfindungsgemäße Sensor ist insbesondere für einen spektroskopischen Gassensor sowie für einen Temperatursensor zur Detektion eines Seitenaufpralls an einer Fahrzeugtür verwendbar.
Als Gasdetektoren für einen kostengünstigen Einsatz z.B. zur Analyse der Gaszusammensetzung im Innenraum eines Kraftfahrzeuges, werden im zunehmenden Umfang Infrarotsensoren, in der Regel Thermopiles (thermo- elektrische Infrarotsensoren), temperaturempfindliche Widerstände oder py- roelektrische 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.
Weiterhin ist der Einsatz von Temperaturfühlern mit geringer Wärmekapazität zur Messung eines Seitencrashs eines Fahrzeuges bekannt. Die bei einer plastischen Deformation der Seitentür auftretende adiabatische Kompression des eingeschlossenen Gasvolumens führt zu einer schnellen
Temperaturerhöhung, die die Temperatursensoren ermitteln können. Sie sind hierbei im allgemeinen als diskrete Sensorelemente ausgebildet, die in einer Verpackung mit einem Auswerte-IC verbunden sind, wobei die Auswertung in der Regel über eine Brückenschaltung erfolgt. Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber mehrere Vorteile auf. Durch die monolithische Integration des Detektors und der Auswerteschaltung, die das Messsignal des Detektors, vorzugsweise eine als Messsignal dienende Messspannung, aufnimmt, kann eine erhebliche Flächeneinsparung und so- mit eine Reduzierung der Herstellungskosten erreicht werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Sensoraufbau die zur Ausbildung der Membran und der leitfähigen Struktur erforderlichen Mikromechanikebenen die zur Ausbildung der Auswerteeinrichtung verwendbaren Chipebenen kaum beeinträchtigen, ergibt sich gegenüber den herkömmlichen diskreten Ausbildungen ein erheb- liches Einsparungspotenzial.
Weiterhin ist der Aufwand für die Aufbau- und Verbindungstechnik zwischen dem 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 eine 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, gegebenenfalls auch die Opferschicht, und anschließend die Auswerteschaltung ausgebildet werden, woraufhin dann die Opferschichtätzung des Substrates oder der Opfer- schicht zur Ausbildung der Membran erfolgt.
Der in dem Sensor ausgebildete Detektor weist gemäß einer Ausführungsform 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 (polykristallines Silizium)-Schicht und eine mit dieser kontaktierte Metallschicht, z.B. Aluminiumschicht, sein. Weiterhin können auch z.B. zwei Poly- silizium-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.
Ein derartiger Sensor mit einer Thermopile-Struktur kann zum einen als Infrarotdetektor, insbesondere zur spektroskopischen Gasdetektion die- nen, wobei ein spektroskopisches Filter vorteilhafterweise oberhalb des Sensors vorgesehen ist. Bei einer derartigen Ausführungsform ist auf der Membran eine Absorberschicht aus z.B. einem Metalloxid aufgetragen, die sich bei Absorption der IR-Strahlung erwärmt. Weiterhin kann ein derartiger Sensor mit der Thermopile-Struktur auch als Wärmesensor z.B. zur Messung einer Temperaturänderung oder Seiten- crashsensierung eines Fahrzeuges aufgrund der adiabatischen Kompression eines in einem Seitenbereich des Fahrzeuges eingeschlossenen Gasvolumens verwendet werden. Hierbei sind für eine solche Messung zwei Eigen- schaffen des erfindungsgemäßen Sensors vorteilhaft: Zum einen ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau mit der dünnen Membran, in der die Leiterbahnen kontaktiert sind, eine schnelle Reaktion auf Temperaturänderungen der Umgebung, wobei das träge Bulkmaterial, in dem die anderen Enden der Schenkel der Thermopile-Struktur liegen, die- sem Temperatursprung zunächst nicht oder allenfalls vernachlässigbar folgt.
Zum anderen ist die Wärmeleitung von der Membran in das umgebende Bulkmaterial gering, indem die Membran aus einem dielelektrischen Material, z.B. einem Oxid oder Nitrid, ausgebildet wird und die Wärmeleitung in lateraler Richtung somit gering ist. Vorteilhafterweise ist die Kaverne unterhalb der Membran von dem Außenraum getrennt und steht unter Vakuum, so dass auch die Wärmeableitung nach unten sehr gering gehalten wird. Somit bleibt der sich unmittelbar nach der adiabatischen Kompression ergebende Temperaturunterschied der Membran gegenüber dem Bulkmaterial hinreichend lange erhalten. Abweichend hiervon ist jedoch auch eine Verbindung der Kaverne mit dem Außenraum möglich, um dem erwärmten Gas einen Zugang zu der Unterseite der Membran zu ermöglichen.
Somit wird erfindungsgemäß eine genaue Messung der raschen Temperaturänderung bzw. des Temperatursprunges ermöglicht. Gegenüber einer kapazitiven Messung der Druckänderung beim Seitencrash ergeben sich hierbei einige Vorteile: so ist der erfindungsgemäße Temperatursprungsensor unempfindlich gegen Störbeschleunigungen. Weiterhin ist es für eine rein thermische Funktion der Membranschicht wesentlich unkritischer, wenn Schwankungen in der Stöchiometrie zu einer veränderlichen Eigenspannung der Membran führen. Bei einem Drucksensor geht der Wert der Eigenspannung in die Empfindlichkeit des Bauelementes ein; für den erfindungsgemäßen thermischen Sensor sind lediglich Ausbeulungen der Membran relevant, die durch eine Zugspannung verhindert werden können; die thermische Iso- lation ist in den Prozessgrenzen unabhängig von der Stöchiometrie. Der erfindungsgemäße Temperatursensor kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch eine resistive Messung vornehmen. Hierzu weist die leitfähige Struktur mindestens eine Widerstands-Bahn auf, vorzugsweise aus polykristallinem Silizium, deren elektrischer Widerstand über die den Strom führenden Zuleitungen oder durch eine Vierpunktmessung (bei mindestens vier in oder auf dem Bulkmaterial geführten Zuleitungen) erfasst werden kann.
Erfindungsgemäß können mehrere Detektoren auf einem Chip mit der Auswerteschaltung integriert werden. Die Auswerteschaltung nimmt das von der Thermopile-Struktur erzeugte Messssignal auf und gibt ein Auswertesignal aus, das z.B. Daten über die Absorption in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen oder auch bereits ermittelte Daten über die Gaszusammensetzung enthalten kann. Der erfindungsgemäße Gasdetektor kann auf- grund 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 Zeichnun- gen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit Thermopile-Struktur gemäß einer Ausführungsform; Fig. 2: einen Prozessschritt zur Herstellung des Sensors von Fig. 1 nach Aufbringen einer ersten Metallebene; Fig. 3: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Aufbringen von Zwischenschichten; Fig. 4: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Aufbringen einer Lithographie-Maske; Fig. 5: einen nachfolgenden Prozessschritt nach teilweisen Ätzen der Zwischenschichten; Fig. 6: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Ätzen der Zwi- schenschichten und eines Lochs in den Passivierungsschichten; Fig. 7: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Tiefenätzen eines Grabens in das Substrat; Fig. 8: einen nachfolgenden Prozessschritt nach Opferschichtätzen des Substrats; Fig. 9: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit Thermopile-Struktur gemäß einer weiteren Ausführungsform; Fig. 10 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer resistiven Mess-Struktur.
Ein erfindungsgemäßer Infrarotsensor 1 weist gemäß Fig. 1 ein Silizi- um-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 aufgetra- gen, 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 Passivie- rungsschicht 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 Wärmeleit- fähigkeit, steht unter Zugspannung und wird durch das weiter unten mit Bezug zu Fig. 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 zusammen 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 aufgetragen. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 3 werden über der Metallebene 14 nachfolgend die dielektrischen Zwischensichten 20, 21 , 22 und 23 und gegebenenfalls weitere Metallebenen aufgetragen. Gemäß Fig. 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 Fig. 5 werden in einem nachfolgenden Prozessschritt die dielektrischen Schichten 20, 21 , 22, 23 im Bereich der Öffnung 33 geätzt. Hier- bei kann ein nasschemisches Verfahren oder ein Trockenätzverfahren eingesetzt werden. Gemäß Fig. 6 wird der Ätzvorgang so geführt, dass die dielektrischen Schichten 20, 21 , 22, 23 mit hoher Selektivität gegenüber der o- beren Passivierungsschicht 12 entfernt werden. Hierdurch werden die Löcher 6 in den Passivierungsschichten 9, 12 als Ätzzugang zum Substrat 2 ausgebildet.
Gemäß Fig. 7 wird in einem nachfolgenden Prozessschritt mit einem Trockenätzverfahren ein Graben 35 in das Substrat 2 eingebracht. Durch diesen - vorteilhafterweise, aber nicht notwendigerweise vorgesehenen -
Prozessschritt der Fig. 7 wird das spätere Opferschichtätzen unterstützt, wobei durch den Graben 35 eine größere Ätztiefe bei gleicher Opferschichtätz- zeit erreicht werden kann, indem das Tiefenätzverfahren des Grabens 35 viel schneller als der nachfolgend beschriebene Opferschichtätzprozess verläuft.
Gemäß Fig. 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, 2. Als Ätzgas 36 wird z.B. CIF3, XeF2 oder ein anderes Silizium selektiv und spon- tan 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 Fig. 1 das infrarot-absorbierende Material zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensors 1 aufgebracht werden.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform mit einem Sensor 39, bei dem in o- der auf dem Substrat 40 wiederum CMOS-Bauelementebereiche 3 entspre- chend der ersten Ausführungsform ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform ist auf dem Substrat 40 eine erste Passivierungsschicht 42 mit einer Dicke von 40 bis 250 nm aufgebracht, auf der eine Kavität 43 vorgese- hen ist, oberhalb von der eine Membran 44 aus dielektrischem Material ausgebildet ist. In der Membran 44 sind ein oder mehrere Poly-Silizium- Leiterbahnen 46 ausgebildet, die jeweils einen Schenkel einer Thermopile- Struktur darstellen. In Fig. 9 sind hierbei vier lateral in der Membran 44 ne- beneinander liegende Leiterbahnen 46 bzw. Leiterbahn-Schenkel der Thermopile-Struktur gezeigt. Die Poly-Silizium-Leiterbahnen 46 verlaufen lateral auf der ersten Passivierungsschicht 42 zu den CMOS-Bauelemente- bereichen 3, an die sie angeschlossen sind. Auf der Membran 44 und den lateral nach außen verlaufenden Leiterbahnen 46 sowie vorteilhafterweise auch auf oder in den Bauelementebereichen 3 ist eine dielektrische Zwischenschicht 48 ausgebildet, wie sie im CMOS-Prozess in den Verdrahtungsebenen typischerweise eingesetzt wird. Weitere dielektrische Zwischenschichten 50 sind in den Verdrahtungsebenen ausgebildet und hier nicht weiter erläutert; die CMOS- Bauelementebereiche 3 können sich hierbei - anders als in Fig. 9 gezeigt - bis in den Bereich der Zwischenschichten 50 erstrecken. Die Bauelementebereiche 3 sind vorteilhafterweise über vertikal durch die dielektrischen Zwischenschichten 50 verlaufende Verdrahtungen 52 mit Leiterbahnebenen 54 verdrahtet. Auf der dielektrischen Zwischenschicht 48 verlaufen Metall-
Leiterbahnen 56, die sich in lateraler Richtung bis in den Bereich der freitragenden Membran 44 erstrecken, wo sie mit ihren sich vertikal erstreckenden Leiterbereichen 57 mit den als Schenkel der Thermopile-Struktur dienenden Poly-Silizium- Leiterbahnen 46 kontaktiert sind. Die Metall-Leiterbahnen 56 sind vorteilhafterweise aus AΙ(SiCu) ode TiN/AI(SiCu) gebildet, da sich hier aufgrund der Seebeck-Koeffizienten ein effektiver Materialübergang zu dem Poly-Silizium der Leiterbahnen 46 ergibt.
Zur Herstellung des in Fig. 9 gezeigten Sensors 39 können wiederum auf dem Substrat 40 in einem Standard-CMOS-Verfahren die Bauelementebereiche 3 ausgebildet werden, wobei die nachfolgend beschriebenen Prozessschritte zur Ausbildung der Mess-Struktur teilweise in diesen Prozess integriert werden können und teilweise leicht zu ergänzende mikromechanische Prozessschritte sind. So kann bereits die erste Passivierungsschicht 42 in die CMOS- Bauelementebereiche 3 einbezogen sein. Sie wird mit der Dicke von 40 bis 250 nm bei Temperaturen kleiner als 900° C abgeschieden und ist resistent gegen den Angriff eines später verwendeten Silizium selektiv ätzenden Ätzgases, z.B. CIF3 oder XeF2. Sie kann z.B. aus einem Nitrid o- der Oxid bestehen; insbesondere kann sie z.B. eine TEOS-Schicht mit einer Dicke von 100nm sein, da eine derartige Schicht dicht und resistent gegen CIF3-Ätzen ist. Bei einer Ausbildung der ersten Passivierungsschicht 42 als thermisches Oxid, z.B. als dickes Gateoxid, ist bereits eine Dicke von 40 nm ausreichend.
Nachfolgend wird auf der ersten Passivierungsschicht 42 eine Opferschicht aus Si oder SiGe mit einer Dicke von 0,3 bis 2 μm abgeschieden und derartig strukturiert, das sie in ihrer Form und Ausbildung der späteren Kavi- tät 43 entspricht. Sie kann z. B. mit PECVD als amorphe oder teilkristalline Si-Schicht, vorzugsweise jedoch mit LPCVD bei einer Temperatur T<680°C mit einer Dicke von 450-550 nm abgeschieden werden. Vorteilhafterweise ist hierbei die Oberflächenrauhigkeit der Opferschicht kleiner als 100 nm (Ra).
Nachfolgend wird eine untere Membranschicht 44a auf der Opferschicht aufgetragen, die vorteilhafterweise auch deren Seitenflächen bedeckt. Die Dicke der unteren Membranschicht 44a kann z. B. zwischen 50 und 250 nm liegen, wobei sie gegen das später eingesetzte Ätzgas resistent ist, z. B. aus einem Oxid oder Nitrid besteht und bei Temperaturen kleiner 900°C abgeschieden wird. Sie kann z. B. als TEOS (Ozon-unterstützt) bei einer Temperatur von 400°C mit einer Dicke von 100 nm abgeschieden werden. Diese auf der Opferschicht aufgebrachte Membranschicht 44a wird nachfolgend derartig strukturiert, dass mindestens ein Zugang zu der Opfer- schicht ausgebildet wird; bei dieser Strukturierung kann gegebenenfalls auch die Opferschicht unterhalb des Zuganges angeätzt werden. Nachfolgend werden die Leiterbahnen 46 aus poly-Silizium bei Temperaturen kleiner 900°C abgeschieden. Das poly-Silizium wird mit geeigneten Verfahren bei moderaten Temperaturen kleiner 900°C leitfähig gemacht, wobei die Leitfähigkeit nicht sehr hoch sein muss. Beispielsweise erfolgt die Dotierung mit Ionenimplantation. Das aufgebrachte Material der Leiterbahnen 46 kann hierbei auch die Zugänge in der unteren Membranschicht 44a bedecken; derartige Bereiche werden bei dem späteren Ätzen mit weggeätzt und geben hierbei den Zugang zu der z. B. ebenfalls aus Silizium bestehenden Opferschicht frei.
Nachfolgend wird auf den Leiterbahnen 46 eine obere Membranschicht 44b aus einem von dem Ätzgas nicht geätzten Material, z. B. dem gleichen Material wie die Schicht 44a, abgeschieden. Die Membranschichten 44a und 44b dienen hierbei später zusammen mit den zwischen ihnen auf- genommenen Leiterbahnen 46 als Membran 44 oberhalb der aus der Opferschicht gebildeten Kaverne 43. Die obere Membranschicht 44b wird bei Abscheidetemperaturen von kleiner 900°C auf Zugspannung ausgelegt und kann insbesondere en LPCVD-Nitrid mit einer Dicke zwischen 100nm und 1 μm, z. B. 200 bis 500 nm sein.
In der oberen Membranschicht 44b werden Zugänge zu den Leiterbahnen 46 bzw. Leiterbahnbereichen 46 strukturiert, die die Zugänge in der unteren Membranschicht 44a bedecken. Beim nachfolgenden Opferschichtätzen mit CIF3 oder XeF2 werden alle freiliegenden poly-Silzium-Schichten sehr rasch geätzt. Die Waferrück- seite kann, muss aber nicht mit einem Oxid oder Nitrid geschützt sein. Das Ätzgas dringt über das aus den Zugängen durch die Membranschichten 44a, 44b und die zwischen diesen liegenden Bereichen der poly-Silizium- Leiterbahnen gebildete „Atzventil" in die Opferschicht ein und entfernt mit Raten von bis zu 10μm/min das poly-Silizium. Der Ätzprozess mit CIF3 ist ein plasmaloser Prozess, der bei -20°C bis 60°C abläuft. Die Selektivität von Si gegenüber Oxid ist ca. 10000:1 , für Nitrid liegt die Selektivität bei über 1000:1. Es können auch Schutzschichten aus Fotolack verwendet werden.
Aluminium wird nicht von dem Ätzgas, d.h. z.B. CIF3, angegriffen. Da- her kann der Opferschichtätzprozess erfindungsgemäß auch nach Abscheidung und Strukturierung der letzten Metallebene im CMOS-Prozess erfolgen. In dieser Variante wird kein Hohlraum erzeugt, der noch sehr lange durch die CMOS-Verdrahtung prozessiert werden Der Verschluss des Hohlraumes erfolgt bei dieser Variante durch die letzte Passivierungsschicht im CMOS- Prozess.
Nachfolgend wird zum Verschluss des Hohlraumes die dielektrische Zwischenschicht 48 abgeschieden. Hierbei kann wiederum ein LPCVD (Iow pressure CVD) -, aber auch ein PECVD (plasma enhanced CVD) -Prozess verwendet werden. Nachfolgend werden Durchgänge durch die Schichten 48 und 44b strukturiert und geätzt, so dass beim nachfolgenden Aufbringen der Leiterbahnen 56 sich in diesen Durchgängen die Leiterbereiche 57 bilden, die die unteren Leiterbahnen 46 aus poly-Silizium kontaktieren. Durch die geringe Wärmekapazität der dielektrischen Membran 44 und die thermische Isolation von der Halbleiterumgebung kommt es bei einem raschen Temperaturanstieg, wie sie bei einer Türdeformation auftritt, zu einer Erwärmung der Membran 44 im Bereich der Kavität 43 gegenüber den lateral hierzu angrenzenden Bulkbereichen 60, die der Temperaturänderung der Umgebung nur sehr träge folgen können.
Bei dem Sensor 61 der Ausführungsform der Fig. 10 ist eine Leiterbahn 62 aus poly-Silizium als temperaturempfindlicher Widerstand eingesetzt. Hierbei wird der Widerstand der Leiterbahn 62 über mindestens zwei Anschlüsse 56 und 64, vorzugsweise als Vierpunktmessung über vier Anschlüsse, gemessen, wobei das Messsignal wiederum den CMOS-Bauele- mentebereichen 3 zugeführt wird. Die Leiterbahn 62 kann grundsätzlich aus Silizium oder anderen Materialien wie z. B. Platin bestehen, wobei Platin nicht CMOS-kompatibel und daher nicht bevorzugt ist.
Der erfindungsgemäße Sensor der Ausführungsform der Fig. 9, 10 kann somit durch das folgende Verfahren hergestellt werden:
Verfahren zum Herstellen eines Sensors 39 zur Temperaturänderungs- o- der Infrarot-Detektion, mit mindestens folgenden Schritten:
Ausbilden mindestens eines Bauelementebereichs 3 einer Auswerteschal- tung 7 auf einem Substrat 40,
Ausbilden mindestens einer Passivierungsschicht 42 aus einem thermisch isolierenden Material auf dem Substrat 40,
Ausbilden und Strukturieren einer Opferschicht, vorzugsweise Silizium oder Silizium-Germanium, auf der Passivierungsschicht 42 außerhalb des Bau- elementebereichs 3,
Ausbilden einer unteren Membranschicht 44a aus einem gegenüber einem Ätzgas, z. B. CIF3 oder XeF2 resistenten Material, vorzugsweise einem O- xid öder Nitrid, auf der Opferschicht, Strukturieren der unteren Membranschicht 44a unter Ausbildung von Durchgängen,
Aufbringen und Strukturieren einer leitfähigen Schicht 46, 62 aus einem durch das Ätzgas ätzbaren Material, z. B. polykristallinem Silizium, auf der unteren Membranschicht 44a, Aufbringen einer oberen Membranschicht 44b, vorzugsweise unter Zug- Spannung, aus einem gegenüber einem Ätzgas, z. B. CIF3 oder XeF2, resistenten Material, vorzugsweise einem Oxid oder Nitrid, auf der leitfähigen Schicht 46, 62,
Strukturieren der oberen Membranschicht 44b unter Ausbildung von Zugängen zu der unteren leitfähigen Schicht 46, gegebenenfalls auch der Opferschicht,
Ätzen der Opferschicht durch die Zugänge in der oberen Membranschicht 44b und der unteren Membranschicht 44a, vorteilhafterweise auch durch Bereiche der unteren leitfähigen Schicht 46, mit einem das Material der Opferschicht und vorteilhafterweise der mindestens einen unteren Leiterbahn selektiv ätzenden Gas, z. B. CIF3 oder XeF2, derartig, dass in der Opferschicht ein Freiraum 43 und oberhalb des Freiraums 3 eine freitra- gende Membran 44 ausgebildet wird, die beiden Membranschichten 44a, 44b und Leiterbahnen der unteren leitfähigen Schicht 46, 62 aufweist, Verschließen des Zuganges durch die obere Membranschicht 44b, Aufbringen einer dielektrischen Zwischenschicht 48 auf die oberen Membranschicht 44b, Ausbildung von Zugängen durch die dielektrische Zwischenschicht 48 und die obere Membranschicht 44b zu Leiterbahnen der unteren leitfähigen Schicht 46, 62,
Aufbringen einer oberen leitfähigen Schicht 56, 64 auf die dielektrische Zwischenschicht 48 unter Ausbildung von Kontakten 57 zu der unteren leitfähigen Schicht 46, 62. wobei der Bauelementebereich 3 Teil einer Auswerteeinrichtung 7 ist, der eine Messspannung von der leitfähigen Struktur 10, 14, 16 aufnimmt und ein Auswertesignal ausgibt.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor zur Temperaturänderungs- oder Infrarot-Detektion, insbesondere für einen Gassensor, der mindestens aufweist: ein Substrat (2, 40), einen in dem Substrat (2, 40) ausgebildeten Freiraum (4, 43), eine oberhalb eines Freiraums (4, 43) ausgebildete, freitragende Membran (5, 44), eine sich in die Membran (5, 44) erstreckende leitfähige Struktur (10, 14, 16; 46, 47, 56; 62), eine auf dem Substrat (2, 40) ausgebildete Auswerteschaltung (7), die eine von der leitfähigen Struktur (10, 14, 16; 46, 47, 56; 62) aus- gegebene Messspannung aufnimmt und ein Auswertesignal (S) ausgibt, wobei der Sensor (1 , 39, 61) monolithisch integriert ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfä- hige Struktur eine Thermopile-Struktur(10, 14, 16) aus mindestens . zwei miteinander kontaktierten Leiterbahnen aus unterschiedlichen Materialien ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als Inf- rarot-Sensor ausgebildet ist, wobei auf der Membran (5) ein infrarotabsorbierendes Material (29) aufgebracht ist.
4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als Temperatursensor ausgebildet ist, wobei die Oberseite der Membran (5, 44) frei liegt.
5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als Temperatursensor (61) ausgebildet ist, wobei die leitfähige Struktur mindestens eine Widerstands-Bahn (62), z.B. aus polykristallinem Silizium, aufweist.
6. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Freiraum (4) in dem Substrat (2) ausgebildet ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum (43) zwischen einer auf dem Substrat (40) aufgetragenen Passivierungsschicht (42) und der Membran (44) ausgebildet ist.
8. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (7) mindestens einen durch einen CMOS- Prozess auf dem Substrat (2, 40) hergestellten Bau- elementebereich (3) aufweist.
9. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5, 44) eine untere Passivierungsschicht (9, 44a) aus einem thermisch isolierenden Material, eine o- bere Passivierungsschicht (12, 44b) aus einem thermisch isolierenden Material und eine erste leitfähige Schicht (10, 46), z.B. aus polykristallinem Silizium, als Teil der leitfähigen Struktur (10, 14, 16; 46, 56, 57) aufweist.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Passivierungsschicht (9, 44a) und/oder die obere Passivierungsschicht (12, 44b) in die Auswertschaltung (7) einbezogen sind, z.B. als Dielektrikum mindestens eines Kondensators.
11. Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Struktur (10, 14, 16) eine mit der ersten leitfähigen Schicht (10) kontaktierte zweite leitfähige Schicht, z.B. eine Metall- ebene (14), aufweist, die in die Auswertschaltung (7) einbezogen sind.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekenn- zeichnet, dass in den Passivierungsschichten (9, 12) Löcher (6) vorgesehen sind, die den Freiraum (4) mit einem Außenraum (26) verbinden.
13. Verfahren zum Herstellen eines Sensors (1) zur Temperaturände- rungs- oder Infrarot-Detektion, mit mindestens folgenden Schritten: Ausbilden mindestens eines Bauelementebereichs (3) einer Auswerteschaltung (7) auf einem Substrat (2), Ausbilden mindestens einer Passivierungsschicht (9, 12) aus einem thermisch isolierenden Material auf dem Substrat (2), Ausbilden einer leitfähigen Struktur (10, 14, 16) mit mindestens einer leitfähigen Schicht (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 Bau- elementebereichs (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 leitfähigen Struktur (10, 14, 16) aufweist, wobei der Bauelementebereich (3) Teil einer Auswerteinrichtung (7) ist, der eine Messspannung von der leitfähigen Struktur (10, 14, 16) aufnimmt und ein Auswertesignal (S) ausgibt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Struktur (10, 14, 16) eine Thermopile-Struktur mit mindestens zwei auf dem Substrat (2) ausgebildeten leitfähigen Schichten (10, 14) ist, wobei zumindest eine der leitfähigen Schichten (10) auf der Passivierungsschicht (9) aufgetragen ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, 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 Passivierungsschichten (9, 12) resistent sind.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, 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. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, 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.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessschritte des Ausbildens des mindestens einen Bauelementebereichs (3), der mindestens einen Passivierungsschicht (9, 12) und der leitfähigen Struktur (10, 14, 16) CMOS- Prozesssch ritte sind.
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