红外线传感器装置和用于制造红外线传感器装置的方法

摘要

本发明提出一种红外线传感器装置(100；200；300)，其具有半导体衬底(1)、至少一个在半导体衬底(1)中微机械构造的传感器元件(2)、和至少一个在半导体衬底(1)中微机械构造的用于传感器元件(2)的校准元件(3)，其中在半导体衬底(1)上在传感器元件(2)和校准元件(3)的区域内布置吸收材料(6)，其中在半导体衬底(1)中基本上在传感器元件(2)之下并且基本上在校准元件(3)之下分别构造洞穴(8)，其中传感器元件(2)和校准元件(3)借助洞穴(8)来与其余的半导体衬底(1)进行热分离和电分离。因此对于红外线传感器装置实现高灵敏度，实现用于传感器元件的校准功能，并且实现高信噪比。

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外线传感器装置和一种用于制造红外线传感器 装置的方法。

背景技术

在现有技术中，表面微机械制造的 像素结构是公知的。例如WO 9325877公开了嵌入在由SiO₂或Si_xN_x构成的钝化 层中的薄的金属线路，所述金属线路具有同样嵌入在钝化层中的辐射热计层电 阻(Bolometerschichtwiderstand)，所述金属线路连接在与反射层一起以适合的距 离构成λ/4吸收器的设备中。

从WO 2007147663中公知了热绝缘的洞穴(Kavernen)的批量微 机械制造，在所述洞穴上方通过Si膜或SOI膜的结构化来产生在尽可能长并且 薄的臂上悬挂的传感器元件。

此外，公知一种基于借助周围钝化的SOI像素技术的IR传感器阵 列。在该IR传感器阵列中，悬挂小臂布置在像素与列布 线或行布线之间，其中pn结延伸至表面。

发明内容

本发明的任务是，提供一种改进的红外线传感器装置。

借助红外线传感器装置来解决所述任务，其具有：

-半导体衬底；

-至少一个在半导体衬底中微机械构造的传感器元件；和

-至少一个在半导体衬底中微机械构造的、用于传感器元件的校准元件， 其中在半导体衬底上在传感器元件和校准元件的区域内布置由例如氧化硅构成 的吸收材料，其中在半导体衬底中基本上在传感器元件之下并且基本上在校准 元件之下分别构造洞穴，其中传感器元件和校准元件借助洞穴来与其余的半导 体衬底进行热分离并且电分离。

根据另一方面，本发明实现红外线传感器场，其具有多个按照本 发明的红外线传感器装置。

根据另一方面，借助本发明提供一种用于制造红外线传感器装置 的方法，其具有如下步骤：

-提供半导体衬底；

-产生表面微机械的具有锚结构(Ankerstrukruren)的膜；

-在膜中引入掺杂物；

-淀积至少两层由例如氧化硅构成的吸收材料，其优选具有待检测辐射的1/4 波长的奇数倍的光学总厚度；

-淀积和结构化至少两个用于行布线和列布线的导体线路；

-结构化悬挂装置，并且引入穿过氧化材料的牺牲层腐蚀孔；和

-对膜进行时间控制的、优选各向同性的牺牲层腐蚀，至少直到移除在悬挂装 置之下的半导体衬底。

本发明的优点

借助洞穴，在按照本发明的红外线传感器装置中有利地提供传感 器元件和校准元件与其余的半导体衬底之间的热绝缘或去偶。因此，可以有利 地实现高灵敏度的像素，借助所述像素可以精确地采集待检测的热辐射。借助 校准元件，可以以有利的方式按照消除(Eliminierung)衬底温度的形式来执行 传感器元件的校准。有利地，在热敏成像相机中使用按照本发明的红外线传感 器装置的情况下，可以提高像素密度和图像重复频率。可以有利地成本低廉地 借助APSM过程(英文：advanced porous silicon membrane，高级多孔硅膜)来 产生洞穴。

红外线传感器装置的优选扩展形式是从属权利要求的主题。

红外线传感器装置的优选实施方式规定，半导体衬底是单晶的硅 衬底，在所述硅衬底中针对传感器元件和针对校准元件分别构造至少一个二极 管。在传感器元件和校准元件中的二极管是熟知的半导体器件，其中温度上升 导致与之成比例的电压降。借此，有利地提供这样的传感器元件，其具有依赖 于温度改变其值的特性。通过使用单晶的硅做为半导体衬底，可以有利地生成 在二极管上的依赖于温度的显著的电压降。此外，可以通过使用单晶的半导体 衬底，与多晶半导体材料相比较，达到明显改进的噪声特性。因此对于本发明， 利用由于红外线辐射引起的温度改变来分析因此在二极管上生成的电压降。

红外线传感器装置的有利扩展形式规定，借助悬挂装置将传感器 元件固定在半导体衬底上的两个区域内。因此，有利地获得与衬底之间的微小 的热耦合，从而提高针对传感器元件的传感精确度。

红外线传感器装置的有利扩展形式规定，在竖直方向上基本上对 称地构造悬挂装置，其中悬挂装置中的电导体线路基本上被布置在两个基本上 相同厚度的氧化材料层之间的中间，其中所述导体线路在侧面被吸收材料、例 如氧化物(尤其是氧化硅)所覆盖。有利地，因此产生悬挂结构的应力对称 (stresssymmetrisch)的结构，借此支持了悬挂装置的各个元件的均衡的变形。借 助氧化层的覆盖为导体线路提供电绝缘和机械保护。

理想地，传感器元件被完全地与半导体衬底热绝缘，并且被设计 为针对红外线辐射是高吸收的，而校准元件与半导体衬底热短接，并且校准元 件对于红外线辐射应当是完全透明的。因此根据本发明的红外线传感器装置的 优选实施方式其特征在于，在传感器元件的悬挂装置的区域内和在校准元件的 二极管的区域内的氧化材料比在其余的红外线传感器装置上的氧化材料具有更 小的层厚度。因此，对于传感器元件，可以有利地提供与半导体衬底之间的微 小的热耦合。对于校准元件，以这种方式有利地提供针对入射的辐射的微小辐 射敏感度并且因此提供良好的校准效果。

红外线传感器装置的优选实施方式规定，传感器元件与半导体衬 底良好地热去耦。例如，可以借助具有微小横截面并且由具有微小导热值的吸 收材料(例如氧化硅)和导体线路材料(例如Ti、TiN、Ta、TaN)构成的长的 悬挂装置来实现上述良好的热去耦，借此由于辐射吸收，可以非常精确地采集 二极管温度作为传感器元件的传感器参数。

红外线传感器装置的优选实施方式规定，校准元件与半导体衬底 热耦合。例如可以借助直接在列引线或行引线与二极管区域之间分布的热桥 来实现从校准元件至衬底的上述良好的热耦合，所述热桥必要 时可以包括例如由列线路或行线路的材料构成的良好导热的金属化部，借此可 以非常精确地采集衬底温度作为传感器元件的校准参数。

红外线传感器装置的有利扩展形式规定，在传感器元件上布置的 氧化材料的光学厚度基本上对应于待检测的辐射的1/4波长的奇数倍。这是有利 于吸收待检测的热辐射的氧化层尺寸。

红外线传感器装置的优选实施方式在传感器元件的表面上在氧化 材料上具有反射层。有利地，借助反射层使待检测辐射的吸收路径延长并且因 此增大吸收度。

红外线传感器装置的有利扩展形式的特征在于，电导体线路的材 料是来自组Ti、TiN、Ta、TaN中的至少一种和/或这些材料的组合。借助这些 材料或者这些材料的组合来在导电性和导热性之间达到有利的折衷，借此使得 传感器元件在良好的电特性的情况下有利地仅仅轻微地热耦合至衬底。

红外线传感器装置的有利扩展形式的特征在于，基本上在传感器 元件之下在洞穴的底部构造聚束装置(Bündelungseinrichtung)，用于对将要借助 传感器元件检测的辐射进行聚束。借助聚束装置可以更有效地采集辐射，从而 对于传感器元件有利地获得提高的信噪比。

红外线传感器装置的有利扩展规定，在传感器元件和校准元件的 表面的至少一个片段上小块状(noppenartig)地构造由例如氧化硅组成的吸收材 料。借助该措施来有利地避免将传感器元件和校准元件粘贴至位于传感器元件 和校准元件上方的专用集成电路(ASIC)上，如果应当固定在那里的话。因此 有利地提升红外线传感器装置的运行安全性。

附图说明

下文中将参考附图依据实施方式来解释本发明的其它特征和优 点。在此，所有的描述的或示出的特征自身或者以任意组合构成本发明的主题， 而不依赖于其在权利要求或其追溯应用中的总结，并且不依赖于其在说明书或 附图中的表达或图示。附图尤其是被考虑为图解本发明的原理并且不是必须比 例精确或尺寸精准地示出。在附图中相同的附图标记表示相同或功能相同的元 件。其中，

图1示出按照本发明的红外线传感器装置的实施方式的横截面视 图；

图2示出按照本发明的红外线传感器装置的实施方式的俯视图；

图3a至图3d示出用于制造按照本发明的具有相应中间产品的红 外线传感器装置的实施方式的方法的方法步骤；

图4示出按照本发明的红外线传感器装置的另一实施方式的横截 面视图；和

图5示出按照本发明的红外线传感器装置的另一实施方式的横截 面视图。

具体实施方式

图1示出按照本发明的红外线传感器装置100的实施方式的原理 性的横截面视图。红外线传感器装置100的基本材料包含半导体衬底1，所述半 导体衬底优选被构造为单晶的硅衬底，所述单晶的硅衬底与多晶硅相比有利地 具有明显更有利的噪声性能(例如，没有晶界噪声)。在半导体衬底1的表面上 淀积多层氧化材料6，所述多层氧化材料用作在像素区域2a中的用于待检测热 辐射(尤其是红外线辐射)的吸收体。氧化层具有金属化平面，所述金属化平 面具有用于为传感器元件2供电的导体线路4。优选借助热生长的氧化材料6 来对红外线传感器装置100的表面进行钝化。这形成用于表面的保护层，并且 有利地产生很少的表面缺陷。

传感器元件2具有至少一个半导体二极管，其中上述单晶的硅衬 底被用作二极管5的基本材料。传感器元件2在半导体衬底1之内通过基本上 被构造在传感器元件2之下的洞穴8来与其余的衬底热绝缘。

通过至少两个四周自由的氧化材料6的层来构成用于传感器元件2 的悬挂装置10，其中在层之间布置用于为传感器元件2供电的导体线路4。认 识到的是，二极管5基本上布置在导体线路4之下，这有利地形成用于控制二 极管5的短的电传导路径。在竖直取向上，基本上对称地构造悬挂装置10，其 中，在悬挂装置10的区域内的氧化材料6的总厚度小于传感器元件2的像素区 域2a中的氧化材料的总厚度。因此，由于微小的横截面面积，使得悬挂装置10 的热耦合可以有利地保持低水平。此外，由于悬挂装置10的对称结构而支持了 在悬挂装置10自由腐蚀之后的减少的基本偏转，原因在于，各个 氧化层的机械拉紧状态能够被互相补偿。结果，借此连同具有在像素区域2a中 的氧化材料6的增大的吸收层厚度一起可以实现红外线传感器装置100的改进 的信噪比(SNR)。有利地，借此可以提供高敏感的红外线传感器装置100。

导体线路4优选包含一层或多层下列材料的组合：Ti、TiN、Ta、 TaN。这些材料均有利地呈现在导电性和导热性之间的有利折衷，使得通过其使 用来避免传感器元件与半导体衬底1之间的强烈的热耦合。导体线路4优选具 有小于大约0.1μm²的横截面。

在传感器元件2上的氧化层的光学总厚度基本上对应于待检测辐 射的1/4波长λ的奇数倍，这对于吸收公知是特别有利的。在传感器元件2的表 面和相对置的(未示出的)ASIC表面之间，可以有利地通过(未示出的)外部 接合框架来设置四分之一待检测波长的间距。

校准元件3可以被视为用于红外线传感器装置100的传感器元件2 的参考元件，该校准元件原则上与传感器元件2相同地构造，区别在于，校准 元件3具有与半导体衬底1之间的良好热耦合。该热耦合可以例如通过直接在 列或行线路区域20与二极管区域5之间的最短的路径上分布的热桥13来提供， 所述热桥此外可以包括由例如列或行金属化部构成的良好导热的金属结构4，所 述金属结构是用于校准元件3的具有大横截面的悬挂结构。

通过在校准元件3的像素区域3a中的氧化材料6的减小的厚度， 来实现校准元件3对于热辐射的降低的灵敏度(“热盲”)。借助校准元件3，可 以采集半导体衬底1的背景衬底温度(Hintergrund-Substrattemperatur)，借此考 虑了，衬底自身也作为热辐射器起作用。通过对传感器元件2和校准元件3的 传感器信号求差，可以以这种方式尽可能地消除半导体衬底温度的影响，即通 过利用校准元件3对传感器元件2的一种校准或补偿校正。结果，可以因此生 成传感器元件2的尽可能大的有效信号。

图2示出按照本发明的红外线传感器装置100的实施方式的示意 性俯视图。传感器元件2和校准元件3例如分别具有总计四个二极管5，其中用 于传感器元件2的和用于校准元件3的二极管5的最小数目为1。二极管5在所 述元件2、3之内电串联和/或并联。

在适合的锚结构2b的作用点处实施悬挂装置10在半导体衬底1 上的(未示出的)锚定。对于这样的结构的例子是位于传感器元件2的各个像 素区域2a之间的支撑柱和/或支撑壁(未示出)，其中由半导体衬底材料构成支 撑柱或支撑壁。

在图2中可以看到例如两个行线路20和两个上方/底下交叉的列线 路30，它们代表在传感器场中传感器元件2和校准元件3的供电装置或寻址装 置(未示出)。在此，优选传感器元件2的每个场设置一排校准元件3。以这种 方式和方法，阵列的每行或每列获得至少一个校准元件3。

在校准元件3的俯视图中可以看出，热桥表示校准元件3在半导 体衬底1上的悬挂区域。在热桥13之间可以看到牺牲层腐蚀孔12，其被用于悬 挂装置的根蚀。与传感器元件2的悬挂装置10相比较，校准元件3的悬挂区域 更大并且被构造为在列或行线路区域与二极管区域5之间的短的直接的良好导 热连接，借此实现半导体衬底1与校准元件3之间的更强的热耦合。

图3a示出用于制造按照本发明的红外线传感器装置100的传感器 元件2的方法的第一步骤的中间产品。在此提供半导体衬底1，其优选构造为单 晶硅。借助通过栅格形状的腐蚀掩膜所进行的、掺杂选择的腐蚀过程，产生具 有锚结构2b的表面微机械膜。在此，衬底材料被多孔腐蚀，该衬底材料被非n 型地掺杂。紧接着，多孔硅被移位或选择性地移除，借此形成具有洞穴8形式 的空腔。

图3b示出后续的外延步骤的中间产品，其中在图3a的结构上生 长附加的半导体衬底材料1，借此获得封闭的膜。在生长的半导体衬底材料1 中接着引入掺杂物14以便形成二极管5。洞穴8被布置在外延技术生长的衬底 层之下。

图3c示出下一个制造步骤的中间产品，其中淀积至少两层氧化材 料6，其光学总厚度是1/4待检测波长的奇数倍。此外，执行至少两个导体线路 层的淀积和结构化，以用于传感器场的列布线和行布线的导体线路4。此外，在 层内部分开并且结构化用于导线线路4的布线平面。以这种方式获得导体线路 4，所述导体线路优选可以具有不同的材料。这些材料包括以下材料中的一种或 多种：Ti、TiN、Ta、TaN，或者这些材料的组合。

图3d原理性地示出悬挂装置10的结构化和引入穿过多层的氧化 层的牺牲层腐蚀孔。在下一个可选的步骤中，可以在(用于传感器元件2的) 悬挂装置10的区域中以及在(用于校准元件3的)像素区域3a中借助导体线 路牺牲层过程(Leiterbahnopferschichtprozesses)来移除部分氧化层厚度。借此， 在上述结构的区域中更薄地构造氧化层。

作为牺牲层腐蚀的结果，得到空间上基本上自由的传感器元件2 或校准元件3，其通过被布置在传感器元件2或校准元件3之下的洞穴8来与周 围的半导体衬底1热绝缘。此外，执行氧化材料6的层的根蚀，以便由此形成 或显露用于传感器元件2的悬挂装置10。

在下一个制造步骤中(例如图1左)，执行膜的半导体衬底材料的 时间控制的、在第一步骤中优选尽可能各向同性的牺牲层腐蚀，至少持续到移 除在悬挂结构之下的硅为止。在第二可选的步骤中，执行各向异性的、尤其在 深度上对准的牺牲层腐蚀，以便在像素区域2a之下在洞穴底部产生台型结构。 借助台型结构(西班牙语la mesa)，提供台式的聚束装置7(参见图4)，该聚束 装置作为光波导体起作用并且有利地被用于将入射的辐射S聚束至传感器元件 2的二极管5上。结果，借此更少分散并且更为对准的辐射击中传感器元件2。

图4在横截面图中示出按照本发明的红外线传感器装置200的可 能的另一实施方式。在此，在像素区域2a中的氧化材料6的层可以具有小块状 的突起9，所述突起避免将传感器元件2粘贴至位于其上的、在稍后的制造步骤 中待安装的专用集成电路(ASIC)(未被显示)。由于最小化的接触面积，在将 像素固定在相对置的ASIC表面上之后，强烈地减少了粘贴的可能性。

在图4中，可以看到在洞穴8的底部由于上述可选的腐蚀步骤所 产生的聚束装置7，该聚束装置将待检测的辐射S聚焦到传感器元件2上。因此， 通过提高信噪比，可以明显地改进传感器元件2的效率。显而易见地，红外线 传感器装置200可以以组合方式或者也可以分别各自具有上述的突起9或聚束 装置7。

图5在横截面图中示出按照本发明的红外线传感器装置300的另 一可能实施方式，其中在像素区域2a内氧化材料6的表面上布置(例如由金属 构成的)反射层11。作为反射层11的效果，可以延长待检测辐射S的吸收路径， 所述待检测辐射优选具有通过晶片的背侧的入射方向E。辐射S经过的路径通 过吸收性氧化物质6基本上被加倍，借此所吸收的功率根据朗伯特一比尔申 (Lambert-Beerschen)定律：

I(x)＝I₀-e^-λx

而多于加倍。借此可以有利地提高在传感器元件2之内的热辐射S的吸收并且 借此有利地提高传感器元件2的效率。

总而言之，借助本发明实现改进的红外线传感器装置，其适于使 用在传感器阵列中，例如用于热敏成像相机中。本发明可以使用在所有其中应 当空间分辨地检测热辐射并且其中单位成本比高精确度的温度测量更为重要的 应用中。其例子是机动车夜视装置和用于建筑绝热或过程监控的热敏成像。此 外，可以借助本发明来实现用于房屋利用的热敏成像相机(例如用于定位绝缘 泄露或热泄露)。此外，在采集不同物品、装置或生物的热特征辐射的情况下可 以使用按照本发明的红外线传感器装置作为用于温度监控的单个像素。

有利地，由于悬挂装置的微小横截面、由于缺乏热桥并且由于厚 的吸收层和/或反射层，借助按照本发明的红外线传感器装置所实现的图像像素 元件具有与衬底之间的微小的热耦合。通过尽可能地消除衬底温度的影响，在 按照本发明的红外线传感器装置中实现的校准元件可以有利地明显改善传感器 元件的传感性能。

结果，可以借助本发明来实现具有高灵敏度的图像像素、低热容 量、与衬底之间的微小的热耦合和由此具有高图像重复频率的红外线传感器装 置。与通常的红外线传感器装置相比，按照本发明的红外线传感器装置在相同 的信噪比性能情况下下可以制造得更小并且因此更为成本低廉。

尽管依据优选的实施例描述了本发明，但是本发明并不局限于此。 特别地，所述的材料和拓扑结构仅仅是示例性的而不是局限于所解释的例子。 因此本领域技术人员可以改变本发明的描述特征或将其彼此组合，而不脱离本 发明的核心。