紅外線傳感器裝置和用于制造紅外線傳感器裝置的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種紅外線傳感器裝置(100；200；300)，其具有半導(dǎo)體襯底(1)、至少一個(gè)在半導(dǎo)體襯底(1)中微機(jī)械構(gòu)造的傳感器元件(2)、和至少一個(gè)在半導(dǎo)體襯底(1)中微機(jī)械構(gòu)造的用于傳感器元件(2)的校準(zhǔn)元件(3)，其中在半導(dǎo)體襯底(1)上在傳感器元件(2)和校準(zhǔn)元件(3)的區(qū)域內(nèi)布置吸收材料(6)，其中在半導(dǎo)體襯底(1)中基本上在傳感器元件(2)之下并且基本上在校準(zhǔn)元件(3)之下分別構(gòu)造洞穴(8)，其中傳感器元件(2)和校準(zhǔn)元件(3)借助洞穴(8)來(lái)與其余的半導(dǎo)體襯底(1)進(jìn)行熱分離和電分離。因此對(duì)于紅外線傳感器裝置實(shí)現(xiàn)高靈敏度，實(shí)現(xiàn)用于傳感器元件的校準(zhǔn)功能，并且實(shí)現(xiàn)高信噪比。
【專(zhuān)利說(shuō)明】紅外線傳感器裝置和用于制造紅外線傳感器裝置的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種紅外線傳感器裝置和一種用于制造紅外線傳感器裝置的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)有技術(shù)中，表面微機(jī)械（oberflachenmikromechanisch)制造的像素結(jié)構(gòu)是 公知的。例如WO 9325877公開(kāi)了嵌入在由SiO2或SixNx構(gòu)成的鈍化層中的薄的金屬線路，所 述金屬線路具有同樣嵌入在鈍化層中的福射熱計(jì)層電阻（Bolometerschichtwiderstand)， 所述金屬線路連接在與反射層一起以適合的距離構(gòu)成λ /4吸收器的設(shè)備中。
[0003] 從WO 2007147663中公知了熱絕緣的洞穴（Kavernen)的批量微機(jī)械制造，在所述 洞穴上方通過(guò)Si膜或SOI膜的結(jié)構(gòu)化來(lái)產(chǎn)生在盡可能長(zhǎng)并且薄的臂上懸掛的傳感器元件。
[0004] 此外，公知一種基于借助周?chē)g化的SOI像素技術(shù)的IR傳感器陣列。在該IR傳 感器陣列中，懸掛小臂（Aufhangearmchen)布置在像素與列布線或行布線之間,其中pn 結(jié)延伸至表面。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種改進(jìn)的紅外線傳感器裝置。
[0006] 借助紅外線傳感器裝置來(lái)解決所述任務(wù)，其具有： -半導(dǎo)體襯底； -至少一個(gè)在半導(dǎo)體襯底中微機(jī)械構(gòu)造的傳感器元件；和 -至少一個(gè)在半導(dǎo)體襯底中微機(jī)械構(gòu)造的、用于傳感器元件的校準(zhǔn)元件，其中在半導(dǎo)體 襯底上在傳感器元件和校準(zhǔn)元件的區(qū)域內(nèi)布置由例如氧化硅構(gòu)成的吸收材料，其中在半導(dǎo) 體襯底中基本上在傳感器元件之下并且基本上在校準(zhǔn)元件之下分別構(gòu)造洞穴，其中傳感器 元件和校準(zhǔn)元件借助洞穴來(lái)與其余的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行熱分離并且電分離。
[0007] 根據(jù)另一方面，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)紅外線傳感器場(chǎng)，其具有多個(gè)按照本發(fā)明的紅外線傳 感器裝置。
[0008] 根據(jù)另一方面，借助本發(fā)明提供一種用于制造紅外線傳感器裝置的方法，其具有 如下步驟： -提供半導(dǎo)體襯底； -產(chǎn)生表面微機(jī)械的具有錨結(jié)構(gòu)（Ankerstrukruren)的膜； -在膜中引入摻雜物； -淀積至少兩層由例如氧化硅構(gòu)成的吸收材料，其優(yōu)選具有待檢測(cè)輻射的1/4波長(zhǎng)的 奇數(shù)倍的光學(xué)總厚度； -淀積和結(jié)構(gòu)化至少兩個(gè)用于行布線和列布線的導(dǎo)體線路； -結(jié)構(gòu)化懸掛裝置，并且引入穿過(guò)氧化材料的犧牲層腐蝕孔；和 -對(duì)膜進(jìn)行時(shí)間控制的、優(yōu)選各向同性的犧牲層腐蝕，至少直到移除在懸掛裝置之下的 半導(dǎo)體襯底。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
[0010] 借助洞穴，在按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置中有利地提供傳感器元件和校準(zhǔn)元 件與其余的半導(dǎo)體襯底之間的熱絕緣或去偶。因此，可以有利地實(shí)現(xiàn)高靈敏度的像素，借 助所述像素可以精確地采集待檢測(cè)的熱輻射。借助校準(zhǔn)元件，可以以有利的方式按照消除 (Eliminierung)襯底溫度的形式來(lái)執(zhí)行傳感器元件的校準(zhǔn)。有利地，在熱敏成像相機(jī)中使 用按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置的情況下，可以提高像素密度和圖像重復(fù)頻率?？梢杂?利地成本低廉地借助APSM過(guò)程（英文：advanced porous silicon membrane,高級(jí)多孔娃 膜）來(lái)產(chǎn)生洞穴。
[0011] 紅外線傳感器裝置的優(yōu)選擴(kuò)展形式是從屬權(quán)利要求的主題。
[0012] 紅外線傳感器裝置的優(yōu)選實(shí)施方式規(guī)定，半導(dǎo)體襯底是單晶的硅襯底，在所述硅 襯底中針對(duì)傳感器元件和針對(duì)校準(zhǔn)元件分別構(gòu)造至少一個(gè)二極管。在傳感器元件和校準(zhǔn)元 件中的二極管是熟知的半導(dǎo)體器件，其中溫度上升導(dǎo)致與之成比例的電壓降。借此，有利地 提供這樣的傳感器元件，其具有依賴于溫度改變其值的特性。通過(guò)使用單晶的硅做為半導(dǎo) 體襯底，可以有利地生成在二極管上的依賴于溫度的顯著的電壓降。此外，可以通過(guò)使用單 晶的半導(dǎo)體襯底，與多晶半導(dǎo)體材料相比較，達(dá)到明顯改進(jìn)的噪聲特性。因此對(duì)于本發(fā)明， 利用由于紅外線輻射引起的溫度改變來(lái)分析因此在二極管上生成的電壓降。
[0013] 紅外線傳感器裝置的有利擴(kuò)展形式規(guī)定，借助懸掛裝置將傳感器元件固定在半導(dǎo) 體襯底上的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)。因此，有利地獲得與襯底之間的微小的熱耦合，從而提高針對(duì)傳感 器元件的傳感精確度。
[0014] 紅外線傳感器裝置的有利擴(kuò)展形式規(guī)定，在堅(jiān)直方向上基本上對(duì)稱(chēng)地構(gòu)造懸掛裝 置，其中懸掛裝置中的電導(dǎo)體線路基本上被布置在兩個(gè)基本上相同厚度的氧化材料層之間 的中間，其中所述導(dǎo)體線路在側(cè)面被吸收材料、例如氧化物（尤其是氧化硅）所覆蓋。有利 地，因此產(chǎn)生懸掛結(jié)構(gòu)的應(yīng)力對(duì)稱(chēng)（Stresssymmetrisch)的結(jié)構(gòu)，借此支持了懸掛裝置的 各個(gè)元件的均衡的變形。借助氧化層的覆蓋為導(dǎo)體線路提供電絕緣和機(jī)械保護(hù)。
[0015] 理想地，傳感器元件被完全地與半導(dǎo)體襯底熱絕緣，并且被設(shè)計(jì)為針對(duì)紅外線輻 射是高吸收的，而校準(zhǔn)元件與半導(dǎo)體襯底熱短接，并且校準(zhǔn)元件對(duì)于紅外線輻射應(yīng)當(dāng)是完 全透明的。因此根據(jù)本發(fā)明的紅外線傳感器裝置的優(yōu)選實(shí)施方式其特征在于，在傳感器元 件的懸掛裝置的區(qū)域內(nèi)和在校準(zhǔn)元件的二極管的區(qū)域內(nèi)的氧化材料比在其余的紅外線傳 感器裝置上的氧化材料具有更小的層厚度。因此，對(duì)于傳感器元件，可以有利地提供與半導(dǎo) 體襯底之間的微小的熱耦合。對(duì)于校準(zhǔn)元件，以這種方式有利地提供針對(duì)入射的輻射的微 小輻射敏感度并且因此提供良好的校準(zhǔn)效果。
[0016] 紅外線傳感器裝置的優(yōu)選實(shí)施方式規(guī)定，傳感器元件與半導(dǎo)體襯底良好地?zé)崛?耦。例如，可以借助具有微小橫截面并且由具有微小導(dǎo)熱值的吸收材料（例如氧化硅）和 導(dǎo)體線路材料（例如Ti、TiN、Ta、TaN)構(gòu)成的長(zhǎng)的懸掛裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)上述良好的熱去耦，借 此由于輻射吸收，可以非常精確地采集二極管溫度作為傳感器元件的傳感器參數(shù)。
[0017] 紅外線傳感器裝置的優(yōu)選實(shí)施方式規(guī)定，校準(zhǔn)元件與半導(dǎo)體襯底熱耦合。例如可 以借助直接在列引線或行引線與二極管區(qū)域之間分布的熱橋(W&mebriicke)來(lái)實(shí)現(xiàn)從校 準(zhǔn)元件至襯底的上述良好的熱耦合，所述熱橋必要時(shí)可以包括例如由列線路或行線路的材 料構(gòu)成的良好導(dǎo)熱的金屬化部，借此可以非常精確地采集襯底溫度作為傳感器元件的校準(zhǔn) 參數(shù)。
[0018] 紅外線傳感器裝置的有利擴(kuò)展形式規(guī)定，在傳感器元件上布置的氧化材料的光學(xué) 厚度基本上對(duì)應(yīng)于待檢測(cè)的輻射的1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。這是有利于吸收待檢測(cè)的熱輻射的 氧化層尺寸。
[0019] 紅外線傳感器裝置的優(yōu)選實(shí)施方式在傳感器元件的表面上在氧化材料上具有反 射層。有利地，借助反射層使待檢測(cè)輻射的吸收路徑延長(zhǎng)并且因此增大吸收度。
[0020] 紅外線傳感器裝置的有利擴(kuò)展形式的特征在于，電導(dǎo)體線路的材料是來(lái)自組Ti、 TiN、Ta、TaN中的至少一種和/或這些材料的組合。借助這些材料或者這些材料的組合來(lái) 在導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性之間達(dá)到有利的折衷，借此使得傳感器元件在良好的電特性的情況下有 利地僅僅輕微地?zé)狁詈现烈r底。
[0021] 紅外線傳感器裝置的有利擴(kuò)展形式的特征在于，基本上在傳感器元件之下在洞穴 的底部構(gòu)造聚束裝置（BUndelungseinrichtung)，用于對(duì)將要借助傳感器元件檢測(cè)的福射 進(jìn)行聚束。借助聚束裝置可以更有效地采集輻射，從而對(duì)于傳感器元件有利地獲得提高的 信噪比。
[0022] 紅外線傳感器裝置的有利擴(kuò)展規(guī)定，在傳感器元件和校準(zhǔn)元件的表面的至少一個(gè) 片段上小塊狀（noppenartig)地構(gòu)造由例如氧化娃組成的吸收材料。借助該措施來(lái)有利 地避免將傳感器元件和校準(zhǔn)元件粘貼至位于傳感器元件和校準(zhǔn)元件上方的專(zhuān)用集成電路 (ASIC)上，如果應(yīng)當(dāng)固定在那里的話。因此有利地提升紅外線傳感器裝置的運(yùn)行安全性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 下文中將參考附圖依據(jù)實(shí)施方式來(lái)解釋本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。在此，所有的 描述的或示出的特征自身或者以任意組合構(gòu)成本發(fā)明的主題，而不依賴于其在權(quán)利要求或 其追溯應(yīng)用中的總結(jié)，并且不依賴于其在說(shuō)明書(shū)或附圖中的表達(dá)或圖示。附圖尤其是被考 慮為圖解本發(fā)明的原理并且不是必須比例精確或尺寸精準(zhǔn)地示出。在附圖中相同的附圖標(biāo) 記表示相同或功能相同的元件。其中，
[0024] 圖1示出按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置的實(shí)施方式的橫截面視圖；
[0025] 圖2示出按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置的實(shí)施方式的俯視圖；
[0026] 圖3a至圖3d示出用于制造按照本發(fā)明的具有相應(yīng)中間產(chǎn)品的紅外線傳感器裝置 的實(shí)施方式的方法的方法步驟；
[0027] 圖4示出按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置的另一實(shí)施方式的橫截面視圖；和
[0028] 圖5示出按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置的另一實(shí)施方式的橫截面視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 圖1示出按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置100的實(shí)施方式的原理性的橫截面視 圖。紅外線傳感器裝置100的基本材料包含半導(dǎo)體襯底1，所述半導(dǎo)體襯底優(yōu)選被構(gòu)造為單 晶的硅襯底，所述單晶的硅襯底與多晶硅相比有利地具有明顯更有利的噪聲性能（例如， 沒(méi)有晶界噪聲）。在半導(dǎo)體襯底1的表面上淀積多層氧化材料6,所述多層氧化材料用作在 像素區(qū)域2a中的用于待檢測(cè)熱輻射（尤其是紅外線輻射）的吸收體。氧化層具有金屬化 平面，所述金屬化平面具有用于為傳感器元件2供電的導(dǎo)體線路4。優(yōu)選借助熱生長(zhǎng)的氧化 材料6來(lái)對(duì)紅外線傳感器裝置100的表面進(jìn)行鈍化。這形成用于表面的保護(hù)層，并且有利 地產(chǎn)生很少的表面缺陷。
[0030] 傳感器元件2具有至少一個(gè)半導(dǎo)體二極管，其中上述單晶的硅襯底被用作二極管 5的基本材料。傳感器元件2在半導(dǎo)體襯底1之內(nèi)通過(guò)基本上被構(gòu)造在傳感器元件2之下 的洞穴8來(lái)與其余的襯底熱絕緣。
[0031] 通過(guò)至少兩個(gè)四周自由的氧化材料6的層來(lái)構(gòu)成用于傳感器元件2的懸掛裝置 10,其中在層之間布置用于為傳感器元件2供電的導(dǎo)體線路4。認(rèn)識(shí)到的是，二極管5基本 上布置在導(dǎo)體線路4之下，這有利地形成用于控制二極管5的短的電傳導(dǎo)路徑。在堅(jiān)直取 向上，基本上對(duì)稱(chēng)地構(gòu)造懸掛裝置10,其中，在懸掛裝置10的區(qū)域內(nèi)的氧化材料6的總厚度 小于傳感器元件2的像素區(qū)域2a中的氧化材料的總厚度。因此，由于微小的橫截面面積， 使得懸掛裝置10的熱耦合可以有利地保持低水平。此外，由于懸掛裝置10的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)而 支持了在懸掛裝置10自由腐蝕（Freiatzen)之后的減少的基本偏轉(zhuǎn)，原因在于，各個(gè)氧化 層的機(jī)械拉緊狀態(tài)能夠被互相補(bǔ)償。結(jié)果，借此連同具有在像素區(qū)域2a中的氧化材料6的 增大的吸收層厚度一起可以實(shí)現(xiàn)紅外線傳感器裝置100的改進(jìn)的信噪比（SNR)。有利地，借 此可以提供高敏感的紅外線傳感器裝置100。
[0032] 導(dǎo)體線路4優(yōu)選包含一層或多層下列材料的組合：Ti、TiN、Ta、TaN。這些材料均 有利地呈現(xiàn)在導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性之間的有利折衷，使得通過(guò)其使用來(lái)避免傳感器元件與半導(dǎo) 體襯底1之間的強(qiáng)烈的熱耦合。導(dǎo)體線路4優(yōu)選具有小于大約0. 1 μ m2的橫截面。
[0033] 在傳感器元件2上的氧化層的光學(xué)總厚度基本上對(duì)應(yīng)于待檢測(cè)輻射的1/4波長(zhǎng)λ 的奇數(shù)倍，這對(duì)于吸收公知是特別有利的。在傳感器元件2的表面和相對(duì)置的（未示出的） ASIC表面之間，可以有利地通過(guò)（未示出的）外部接合框架來(lái)設(shè)置四分之一待檢測(cè)波長(zhǎng)的 間距。
[0034] 校準(zhǔn)元件3可以被視為用于紅外線傳感器裝置100的傳感器元件2的參考元件， 該校準(zhǔn)元件原則上與傳感器元件2相同地構(gòu)造，區(qū)別在于，校準(zhǔn)元件3具有與半導(dǎo)體襯底1 之間的良好熱耦合。該熱耦合可以例如通過(guò)直接在列或行線路區(qū)域20與二極管區(qū)域5之 間的最短的路徑上分布的熱橋13來(lái)提供，所述熱橋此外可以包括由例如列或行金屬化部 構(gòu)成的良好導(dǎo)熱的金屬結(jié)構(gòu)4,所述金屬結(jié)構(gòu)是用于校準(zhǔn)元件3的具有大橫截面的懸掛結(jié) 構(gòu)。
[0035] 通過(guò)在校準(zhǔn)元件3的像素區(qū)域3a中的氧化材料6的減小的厚度，來(lái)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)元件 3對(duì)于熱輻射的降低的靈敏度（"熱盲"）。借助校準(zhǔn)元件3,可以采集半導(dǎo)體襯底1的背景 襯底溫度（Hintergrund-Substrattemperatur)，借此考慮了，襯底自身也作為熱福射器起 作用。通過(guò)對(duì)傳感器元件2和校準(zhǔn)元件3的傳感器信號(hào)求差，可以以這種方式盡可能地消 除半導(dǎo)體襯底溫度的影響，即通過(guò)利用校準(zhǔn)元件3對(duì)傳感器元件2的一種校準(zhǔn)或補(bǔ)償校正。 結(jié)果，可以因此生成傳感器元件2的盡可能大的有效信號(hào)。
[0036] 圖2示出按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置100的實(shí)施方式的示意性俯視圖。傳感 器元件2和校準(zhǔn)元件3例如分別具有總計(jì)四個(gè)二極管5,其中用于傳感器元件2的和用于校 準(zhǔn)元件3的二極管5的最小數(shù)目為1。二極管5在所述元件2、3之內(nèi)電串聯(lián)和/或并聯(lián)。
[0037] 在適合的錨結(jié)構(gòu)2b的作用點(diǎn)處實(shí)施懸掛裝置10在半導(dǎo)體襯底1上的（未示出 的）錨定。對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)的例子是位于傳感器元件2的各個(gè)像素區(qū)域2a之間的支撐柱 和/或支撐壁（未示出），其中由半導(dǎo)體襯底材料構(gòu)成支撐柱或支撐壁。
[0038] 在圖2中可以看到例如兩個(gè)行線路20和兩個(gè)上方/底下交叉的列線路30,它們代 表在傳感器場(chǎng)中傳感器元件2和校準(zhǔn)元件3的供電裝置或?qū)ぶ费b置（未示出）。在此，優(yōu)選 傳感器元件2的每個(gè)場(chǎng)設(shè)置一排校準(zhǔn)元件3。以這種方式和方法，陣列的每行或每列獲得至 少一個(gè)校準(zhǔn)元件3。
[0039] 在校準(zhǔn)元件3的俯視圖中可以看出，熱橋表示校準(zhǔn)元件3在半導(dǎo)體襯底1上的懸 掛區(qū)域。在熱橋13之間可以看到犧牲層腐蝕孔12,其被用于懸掛裝置的根蝕。與傳感器元 件2的懸掛裝置10相比較，校準(zhǔn)元件3的懸掛區(qū)域更大并且被構(gòu)造為在列或行線路區(qū)域與 二極管區(qū)域5之間的短的直接的良好導(dǎo)熱連接，借此實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體襯底1與校準(zhǔn)元件3之間 的更強(qiáng)的熱耦合。
[0040] 圖3a示出用于制造按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置100的傳感器元件2的方法 的第一步驟的中間產(chǎn)品。在此提供半導(dǎo)體襯底1，其優(yōu)選構(gòu)造為單晶硅。借助通過(guò)柵格形狀 的腐蝕掩膜所進(jìn)行的、摻雜選擇的腐蝕過(guò)程，產(chǎn)生具有錨結(jié)構(gòu)2b的表面微機(jī)械膜。在此，襯 底材料被多孔腐蝕，該襯底材料被非η型地?fù)诫s。緊接著，多孔硅被移位或選擇性地移除， 借此形成具有洞穴8形式的空腔。
[0041] 圖3b示出后續(xù)的外延步驟的中間產(chǎn)品，其中在圖3a的結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)附加的半導(dǎo)體 襯底材料1，借此獲得封閉的膜。在生長(zhǎng)的半導(dǎo)體襯底材料1中接著引入摻雜物14以便形 成二極管5。洞穴8被布置在外延技術(shù)生長(zhǎng)的襯底層之下。
[0042] 圖3c示出下一個(gè)制造步驟的中間產(chǎn)品，其中淀積至少兩層氧化材料6,其光學(xué)總 厚度是1/4待檢測(cè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。此外，執(zhí)行至少兩個(gè)導(dǎo)體線路層的淀積和結(jié)構(gòu)化，以用于 傳感器場(chǎng)的列布線和行布線的導(dǎo)體線路4。此外，在層內(nèi)部分開(kāi)并且結(jié)構(gòu)化用于導(dǎo)線線路4 的布線平面。以這種方式獲得導(dǎo)體線路4,所述導(dǎo)體線路優(yōu)選可以具有不同的材料。這些材 料包括以下材料中的一種或多種：Ti、TiN、Ta、TaN，或者這些材料的組合。
[0043] 圖3d原理性地示出懸掛裝置10的結(jié)構(gòu)化和引入穿過(guò)多層的氧化層的犧牲層腐蝕 孔。在下一個(gè)可選的步驟中，可以在（用于傳感器元件2的）懸掛裝置10的區(qū)域中以及在 (用于校準(zhǔn)元件3的）像素區(qū)域3a中借助導(dǎo)體線路犧牲層過(guò)程（Leiterbahnopferschicht prozesses)來(lái)移除部分氧化層厚度。借此，在上述結(jié)構(gòu)的區(qū)域中更薄地構(gòu)造氧化層。
[0044] 作為犧牲層腐蝕的結(jié)果，得到空間上基本上自由的傳感器元件2或校準(zhǔn)元件3,其 通過(guò)被布置在傳感器元件2或校準(zhǔn)元件3之下的洞穴8來(lái)與周?chē)陌雽?dǎo)體襯底1熱絕緣。 此外，執(zhí)行氧化材料6的層的根蝕，以便由此形成或顯露用于傳感器元件2的懸掛裝置10。
[0045] 在下一個(gè)制造步驟中（例如圖1左），執(zhí)行膜的半導(dǎo)體襯底材料的時(shí)間控制的、 在第一步驟中優(yōu)選盡可能各向同性的犧牲層腐蝕，至少持續(xù)到移除在懸掛結(jié)構(gòu)之下的硅為 止。在第二可選的步驟中，執(zhí)行各向異性的、尤其在深度上對(duì)準(zhǔn)的犧牲層腐蝕，以便在像素 區(qū)域2a之下在洞穴底部產(chǎn)生臺(tái)型結(jié)構(gòu)。借助臺(tái)型結(jié)構(gòu)（西班牙語(yǔ)la mesa),提供臺(tái)式的 聚束裝置7 (參見(jiàn)圖4)，該聚束裝置作為光波導(dǎo)體起作用并且有利地被用于將入射的輻射S 聚束至傳感器元件2的二極管5上。結(jié)果，借此更少分散并且更為對(duì)準(zhǔn)的輻射擊中傳感器 元件2。
[0046] 圖4在橫截面圖中示出按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置200的可能的另一實(shí)施方 式。在此，在像素區(qū)域2a中的氧化材料6的層可以具有小塊狀的突起9,所述突起避免將傳 感器元件2粘貼至位于其上的、在稍后的制造步驟中待安裝的專(zhuān)用集成電路（ASIC)(未被 顯示）。由于最小化的接觸面積，在將像素固定在相對(duì)置的ASIC表面上之后，強(qiáng)烈地減少了 粘貼的可能性。
[0047] 在圖4中，可以看到在洞穴8的底部由于上述可選的腐蝕步驟所產(chǎn)生的聚束裝置 7,該聚束裝置將待檢測(cè)的輻射S聚焦到傳感器元件2上。因此，通過(guò)提高信噪比，可以明顯 地改進(jìn)傳感器元件2的效率。顯而易見(jiàn)地，紅外線傳感器裝置200可以以組合方式或者也 可以分別各自具有上述的突起9或聚束裝置7。
[0048] 圖5在橫截面圖中示出按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置300的另一可能實(shí)施方 式，其中在像素區(qū)域2a內(nèi)氧化材料6的表面上布置（例如由金屬構(gòu)成的）反射層11。作為 反射層11的效果，可以延長(zhǎng)待檢測(cè)輻射S的吸收路徑，所述待檢測(cè)輻射優(yōu)選具有通過(guò)晶片 的背側(cè)的入射方向E。輻射S經(jīng)過(guò)的路徑通過(guò)吸收性氧化物質(zhì)6基本上被加倍，借此所吸收 的功率根據(jù)朗伯特一比爾申（Lambert-Beerschen)定律： I (X) = I0-e山 而多于加倍。借此可以有利地提高在傳感器元件2之內(nèi)的熱輻射S的吸收并且借此有 利地提1?傳感器兀件2的效率。
[0049] 總而言之，借助本發(fā)明實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的紅外線傳感器裝置，其適于使用在傳感器陣列 中，例如用于熱敏成像相機(jī)中。本發(fā)明可以使用在所有其中應(yīng)當(dāng)空間分辨地檢測(cè)熱輻射并 且其中單位成本比高精確度的溫度測(cè)量更為重要的應(yīng)用中。其例子是機(jī)動(dòng)車(chē)夜視裝置和用 于建筑絕熱或過(guò)程監(jiān)控的熱敏成像。此外，可以借助本發(fā)明來(lái)實(shí)現(xiàn)用于房屋利用的熱敏成 像相機(jī)（例如用于定位絕緣泄露或熱泄露）。此外，在采集不同物品、裝置或生物的熱特征 輻射的情況下可以使用按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置作為用于溫度監(jiān)控的單個(gè)像素。
[0050] 有利地，由于懸掛裝置的微小橫截面、由于缺乏熱橋并且由于厚的吸收層和/或 反射層，借助按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置所實(shí)現(xiàn)的圖像像素元件具有與襯底之間的微 小的熱耦合。通過(guò)盡可能地消除襯底溫度的影響，在按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置中實(shí) 現(xiàn)的校準(zhǔn)元件可以有利地明顯改善傳感器元件的傳感性能。
[0051] 結(jié)果，可以借助本發(fā)明來(lái)實(shí)現(xiàn)具有高靈敏度的圖像像素、低熱容量、與襯底之間的 微小的熱耦合和由此具有高圖像重復(fù)頻率的紅外線傳感器裝置。與通常的紅外線傳感器裝 置相比，按照本發(fā)明的紅外線傳感器裝置在相同的信噪比性能情況下下可以制造得更小并 且因此更為成本低廉。
[0052] 盡管依據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于此。特別地，所述的 材料和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅僅是示例性的而不是局限于所解釋的例子。因此本領(lǐng)域技術(shù)人員可以改 變本發(fā)明的描述特征或?qū)⑵浔舜私M合，而不脫離本發(fā)明的核心。
【權(quán)利要求】
1. 紅外線傳感器裝置（100 ;200 ;300)，具有： -半導(dǎo)體襯底（1); -至少一個(gè)在半導(dǎo)體襯底（1)中微機(jī)械構(gòu)造的傳感器元件（2);和 -至少一個(gè)在半導(dǎo)體襯底（1)中微機(jī)械構(gòu)造的、用于傳感器元件（2)的校準(zhǔn)元件（3)， 其中在半導(dǎo)體襯底（1)上在傳感器元件（2)和校準(zhǔn)元件（3)的區(qū)域內(nèi)布置吸收材料 (6)，其中在半導(dǎo)體襯底（1)中基本上在傳感器元件（2)之下并且基本上在校準(zhǔn)元件（3)之 下分別構(gòu)造洞穴（8)，其中傳感器元件（2)和校準(zhǔn)元件（3)借助洞穴（8)來(lái)與其余的半導(dǎo)體 襯底（1)進(jìn)行分尚。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外線傳感器裝置，其中所述半導(dǎo)體襯底（1)是單晶的硅 襯底，在所述硅襯底中針對(duì)傳感器元件（2)和針對(duì)校準(zhǔn)元件（3)分別構(gòu)造至少一個(gè)二極管 (5)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的紅外線傳感器裝置，其中借助懸掛裝置（10)將所述傳感 器元件（2)固定在半導(dǎo)體襯底（1)上的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的紅外線傳感器裝置，其中在堅(jiān)直方向上基本上對(duì)稱(chēng)地構(gòu)造懸 掛裝置（10)，其中懸掛裝置（10)內(nèi)的電導(dǎo)體線路（4)基本上被布置在兩個(gè)基本上相同厚度 的氧化材料￠)的層之間的中間，其中所述導(dǎo)體線路（4)在側(cè)面被吸收材料（6)所覆蓋。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的紅外線傳感器裝置，其中，在傳感器元件（2)的懸掛裝 置（10)的區(qū)域內(nèi)和在校準(zhǔn)元件（3)的二極管（5)的區(qū)域內(nèi)的吸收材料（6)比在其余的紅 外線傳感器裝置（100)上的吸收材料具有更小的層厚度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的紅外線傳感器裝置，其中，通過(guò)在列或行線路 區(qū)域（20, 30)與二極管區(qū)域（5)之間的橋（13)來(lái)將所述校準(zhǔn)元件（3)和所述半導(dǎo)體襯底 (1) 進(jìn)行熱耦合，其中所述橋（13)能夠包含金屬結(jié)構(gòu)（4)以便提升導(dǎo)熱性。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的紅外線傳感器裝置，其中，在所述傳感器元件 (2) 上布置的吸收材料￠)的光學(xué)厚度基本上對(duì)應(yīng)于待檢測(cè)輻射（S)的四分之一波長(zhǎng)的奇 數(shù)倍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的紅外線傳感器裝置，其中，所述吸收材料是氧化 物，尤其是氧化硅。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的紅外線傳感器裝置，其中，在傳感器元件（2)的 表面上在吸收材料（6)上布置反射層（1)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4至9中任一項(xiàng)所述的紅外線傳感器裝置，其中，電導(dǎo)體線路（4)的 材料是來(lái)自于組Ti、TiN、Ta、TaN中的至少一種和/或這些材料的組合。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的紅外線傳感器裝置，其中基本上在傳感器元 件（2)之下在洞穴（8)的底部構(gòu)造聚束裝置（7)，用于對(duì)借助傳感器元件（2)待檢測(cè)的輻射 (S)進(jìn)行聚束。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的紅外線傳感器裝置，其中，在傳感器元件（2) 和校準(zhǔn)元件（3)的表面的至少一個(gè)片段上向上方地、小塊狀地構(gòu)造氧化材料（6)。
13. 具有多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的紅外線傳感器裝置（100 ;200 ;300) 的紅外線傳感器場(chǎng)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的紅外線傳感器場(chǎng)，其中，所述傳感器場(chǎng)的每行和每列具有 至少一個(gè)校準(zhǔn)元件（3)。
15. 用于制造具有至少一個(gè)傳感器元件（2)和至少一個(gè)校準(zhǔn)元件（3)的紅外線傳感器 裝置（100)的方法，具有如下步驟： -提供半導(dǎo)體襯底（1); -產(chǎn)生表面微機(jī)械的、具有錨結(jié)構(gòu)（2b，3b)的膜； -在膜中引入摻雜物（14); -淀積至少兩層吸收材料（6)，該至少兩層吸收材料具有待檢測(cè)輻射（S)的1/4波長(zhǎng)的 奇數(shù)倍的光學(xué)總厚度； -淀積和結(jié)構(gòu)化至少兩個(gè)導(dǎo)體線路，用于行和列布線（4); -結(jié)構(gòu)化懸掛裝置（10)，并且引入穿過(guò)氧化材料（6)的犧牲層腐蝕孔；和 _對(duì)膜進(jìn)行時(shí)間控制的、優(yōu)選各向同性的犧牲層腐蝕，至少直到移除在懸掛裝置（10) 之下的半導(dǎo)體襯底（1)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其包括進(jìn)一步的步驟： -借助導(dǎo)體線路犧牲層過(guò)程在懸掛裝置（10)的區(qū)域內(nèi)定義地移除氧化材料（6)的部 分； -各向異性的犧牲層腐蝕，以便在傳感器元件（2)之下在洞穴（8)的底部產(chǎn)生聚束裝置 (7);和/或 -在傳感器元件（2)的表面上淀積反射層（11)。
【文檔編號(hào)】H01L27/146GK104412386SQ201380025592
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月16日
【發(fā)明者】I·赫爾曼, E·佐默, C·舍林, C·雷蒂希, M·哈塔斯 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司