CN102884628A - 焦平面阵列及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了形成包括至少一个像素（2）的焦平面阵列的方法，焦平面阵列通过下列步骤来制造：制备具有设置在表面上的传感材料（3）的第一晶片，该表面由第一牺牲层覆盖；制备包括读出集成电路（ROIC）和接触衬垫的第二晶片（9），接触衬垫由第二牺牲层覆盖，在第二牺牲层内形成与接触衬垫接触的一个或多个支撑腿（7），支撑腿覆盖有另一牺牲层；将第一晶片和第二晶片的牺牲层键合在一起，使得当第一晶片的牺牲体层被移除之后，传感材料（3）从第一晶片转移到第二晶片；限定传感材料中的像素（2），并形成穿过像素的传导通孔（28），以提供在像素的最上面的表面与其支撑腿之间的连接；以及移除牺牲层，以释放所述至少一个像素，使得其支撑腿被布置在像素之下。
Description
技术领域
本发明涉及焦平面阵列的制造，特别是使用传感材料的转移键合制造用在热成像设备中的焦平面阵列。
背景技术
成像设备的分辨率非常大地取决于在其焦平面阵列中提供的像素的数量。像素的数量又被焦平面阵列的尺寸限制。
在现有焦平面阵列中，像素通常由从相对侧延伸的腿支撑。然而，以这种方式布置的腿占据焦平面阵列内的有价值的空间，这限制了可用的传感材料的量，并因此限制了成像设备的性能。
发明内容
因此，本发明的目的是提供焦平面阵列，其中有源传感区域被最大化。
根据本发明，提供了形成包括一个或多个像素的焦平面阵列的方法，焦平面阵列通过下列步骤来制造：
制备具有设置在表面上的传感材料的第一晶片，所述表面由第一牺牲层覆盖；
制备包括读出集成电路（ROIC）和接触衬垫的第二晶片，接触衬垫被第二牺牲层覆盖，在第二牺牲层内形成与接触衬垫接触的一个或多个支撑腿，支撑腿被另一牺牲层覆盖；
将第一晶片的牺牲层和第二晶片的牺牲层键合在一起，使得当第一晶片的牺牲体层被移除之后，传感材料从第一晶片转移到第二晶片；
限定在所述一个或多个支撑腿中的每个之上的传感材料中的像素，并形成穿过每个像素的传导通孔，所述传导通孔被限定以提供所述像素的最上面的表面与其支撑腿之间的连接；以及
移除牺牲层，以释放所述至少一个像素，所述一个或多个像素中的每个被限定，使得其支撑腿被布置成完全在像素的传感材料之下。
支撑腿是独立的，并充当机械支撑，以使像素与ROIC衬底分离，同时由于腿被布置成完全在焦平面阵列中的每个像素的传感材料之下，而确保有源传感区域被最大化。腿也提供每个像素到位于焦平面阵列之下的ROIC的电连接。
因为像素腿不占据在像素的侧面的任何空间，所以与具有在侧面处有腿的常规像素的阵列中可用的区域比较时，有源传感材料在阵列中的总区域可被最大化。
此外，根据本发明的方法制造的焦平面阵列是二级结构，其通过晶片键合的使用来实现。除了最大化可用的有源传感区域以外，本发明还提供了使多个真空封装的焦平面阵列能够同时在单个ROIC衬底上以晶片级形成的制造方法，该衬底可随后被切成小方块，以提供单独的焦平面阵列。
传感材料到ROIC上的晶片级转移允许高性能晶体材料的利用，所述晶体材料以前由于所需要的层状结构而未被使用。
根据本发明的方法，可实现具有在7到14μm波长区中的峰值响应率的高性能焦平面阵列。阵列分辨率一般在四分之一VGA到全VGA的范围内，但不限于这个范围。对这个波长的像素间距一般在13到40μm的范围内。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的例子，在附图中：
图1是根据本发明的例子的焦平面阵列（FPA）的平面图；
图2是穿过截面A-A截取的图1的焦平面阵列的像素的示意性表示；
图3是穿过B-B截取的穿过密封在图1的焦平面内的像素的截面图的表示，；
图4示出制备用于转移键合的预先处理的读出集成电路（ROIC）晶片的步骤；
图5示出用于在热敏电阻材料的转移键合之前形成红外（IR）晶片的步骤；
图6是在IR晶片被键合到ROIC晶片之后的像素结构的截面图；
图7是在热敏电阻材料转移到ROIC晶片之后穿过像素结构的截面图；
图8示出用于限定像素并形成穿过它的传导接触插塞的处理步骤；
图9示出用于在ROIC晶片上形成键合框架的过程步骤；
图10是准备用于盖晶片密封的所释放的像素的截面图；以及
图11示出用于形成用于密封焦平面阵列的盖晶片的步骤。
具体实施方式
图1示出在密封之前根据本发明的焦平面阵列（FPA）1的平面图，FPA包括布置在阵列中的多个像素2。本例的焦平面阵列1适合于热成像设备，因此每个像素2是包括传感材料3的测辐射热仪像素，其在本例中由被构造为例如Si和SiGe的层堆栈的热敏电阻组成，该层堆栈具有接触和缓冲层，如将在下面详细描述的。
在材料具有强的温度相关电阻率的基础上选择热敏电阻3的材料。在层中吸收的能量产生热，导致在热敏电阻3的电阻中的可测量的变化。红外（IR）波6的吸收通过位于热敏电阻3的上表面上的吸收层4在离反射层5的波长优化距离处的引入而被增强，反射层5沉积在热敏电阻3的反面上，如可在图2中看到的。
一旦FPA 1形成，如将在下面描述的，盖晶片10就被密封在FPA 1上的真空中，因而从像素2到周围环境的传热低。键合框架11被设置在FPA 1周围，以使盖晶片10密封到上面。
在FPA 1的外边缘周围布置的像素2热致短路或“遮蔽”参考像素。此外，FPA也可包含温度传感器和真空级传感器。来自像素2的模拟信号由设置在ROIC晶片9上的读出集成电路（ROIC）转换成数字格式，且这个信息用于显示图像。
图2示出图1中的FPA的截面（A-A）的示意性表示，其示出通过本发明的方法形成的一般像素2的基本结构。特别是，可以看出每个像素2如何通过设置在像素2之下的独立支撑腿7与ROIC晶片9间隔开。这些腿7提供充当对像素2的机械支撑以及提供在像素2和位于它下面的在ROIC晶片9上的ROIC之间的电连接的双重功能。像素腿7的材料和设计都选择成确保从像素2到周围环境的传热被最小化。
图3是在图1中的截面（B-B）的示意性表示，其示出通过本发明的方法形成的所产生的像素2。在所有下面的附图中，根据图1的截面B-B来表示像素2，虽然应理解，像素2实际上被限定为两半，如在图2的表示中示出的。像素在整个沟槽16上被镜像，沟槽16被蚀刻到IR晶片8中，如将在下面描述的。
从图3中可看到，用于支撑盖晶片10的键合框架11的结构被设置到像素2的侧面。有盖的FPA 1起初是三个单独的晶片：ROIC晶片9、包括热敏电阻材料3的IR晶片12和盖晶片10。IR晶片12和ROIC晶片9通过热敏电阻材料3的转移键合来接合，以形成像素2，其接着使用适当的键合方法例如Cu-Sn键合由盖晶片10来密封，以将它键合到键合框架11。
使用标准CMOS处理技术来预先制造ROIC晶片9，该技术是公知的，并因此不进一步在这里描述。然而，在ROIC晶片9的顶表面13上示出不规则，以说明可能从标准CMOS处理产生的一般顶表面的表面形貌。
在本例中，通过使用具有BOX层14和设备层的标准绝缘体上硅（SOI）晶片12来产生IR晶片8，设备层具有适合于在形成传感材料3的层堆栈中的第一高掺杂p+Si层的厚度。当然，任何适当的载体可代替SOI晶片来使用。层的其余部分——包括所需的掺杂层——通过单晶Si和SiGe的外延生长来构造，以在未图案化的SOI晶片的顶部上产生量子阱。这些量子阱层因而提供IR敏感的热敏电阻材料3。可根据性能需要来使用单个或多个量子阱层。
在IR晶片12中使用的热敏电阻材料3优选地基于在US 6292089中描述的材料概念，并由单晶Si和SiGe量子阱层组成。该热敏电阻3的材料具有高温电阻系数以及低噪声特性，且完全与标准CMOS过程兼容。在量子阱层结构的两侧上使用高掺杂P+Si层（在1019cm-3左右），以向热敏电阻3提供欧姆接触。此外，未掺杂Si势垒层必须存在于高掺杂P+Si层和量子阱层之间。SOI晶片及其形成在本领域中是公知的。在本发明的这个例子中，设置在SOI晶片12的BOX层14之上的所有层的总厚度应是波长优化的，其对于本发明将理想地是大约0.5到0.7μm。
现在将参考单个像素2详细描述本发明的制造过程，虽然应理解，可使用这个方法在阵列中同时形成多个像素。
图4示出用于制备用于键合的预先制造的ROIC晶片9——包括形成支撑腿7——的步骤。首先，例如Al2O3的薄绝缘层16优选地通过原子层沉积（ALD）被沉积在ROIC晶片9的表面上（b）。该绝缘层16将用作蚀刻阻挡层来阻挡在之后阶段使用的气相HF，以释放像素2。然而，该绝缘层16需要从ROIC晶片9的金属ROIC衬垫17移除，因此它通过光刻术被图案化并被蚀刻（b）。蚀刻应在下面的金属ROIC衬垫17处停止，但选择性一般在这个步骤不是关键的（通常使用的ROIC衬垫材料是AlSi、AlCu或AlSiCu）。
在上面的过程步骤之后，低温氧化物层18使用例如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）被沉积（c）在ROIC晶片9上，并接着被抛光以使其平面化。接着通过蚀穿过氧化物层27打开到金属ROIC衬垫17的接触窗口19（d）。接着，薄膜材料7被沉积并图案化，以形成像素2的腿。腿7的平坦度依赖于由第一氧化物沉积（c）和随后的抛光确保的平面度的水平。另一层低温氧化物18接着被沉积（f）并被抛光，以使其平面化。此时，ROIC晶片9准备被键合到IR晶片8。
可替换的过程是首先通过使用例如PECVD沉积具有比晶片表面13的表面形貌大的厚度的低温氧化物来平面化ROIC晶片9的表面。该氧化物层接着被抛光，以使其平面化，且然后接触孔蚀穿它一直到ROIC金属衬垫17。随后，金属层可被沉积并图案化，以充当ROIC接触衬垫，且上述步骤（b）到（g）接着发生。在这个可选方案中，绝缘层26被沉积在平面化的表面上，而不是具有表面不规则13的表面上。
另一可替换的过程是记录该过程的步骤，使得在步骤（b）中绝缘层的图案化替代地与步骤（d）组合，在步骤（c）之后，作为双蚀刻过程，使得ALD层的图案可在接触窗口打开之后被执行。
如上所述，腿7的材料必须被选择成能提供足够的机械强度以支撑像素2，确保良好的电连接，同时防止经由腿7在像素2和ROIC晶片9上的ROIC之间的热传导。该材料也必须经受得住牺牲氧化层的随后蚀刻以释放像素2。腿7的适当材料的例子是非晶形TiAl。
图5示出用于IR晶片8的处理的步骤。首先，IR晶片8被设置（a），如上所述。薄膜金属层5例如AlSi或TiAl被沉积（b）以充当发射层5，反射层5也用于欧姆接触。在金属层沉积之后，低温氧化物19通过例如等离子体增强化学气相沉积（PECVD）来沉积（c），接着被抛光以平面化它。此时，ROIC晶片9准备键合到IR晶片8。
图6示出通过使用转移键合过程接合在一起的IR晶片8和ROIC晶片9，在此期间两个晶片8、9被键合在一起，且IR敏感的热敏电阻层3和反射层5被转移到ROIC晶片9。晶片键合过程使用在IR晶片8上的氧化物层19和ROIC晶片9上的氧化物层18之间的氧化物-氧化物键合，所述键合在低于400℃C的温度处执行，以形成键合的氧化物层20。
可替换地，IR晶片8和ROIC晶片9可通过在氧化物层18、19中的至少一个上提供粘接剂来键合在一起。
图7示出在移除原始SOI晶片12的牺牲处理层15和BOX氧化物层14之后组合的IR和ROIC晶片，其用于产生IR晶片8。优选地通过研磨和/或蚀刻移除这些牺牲层14、15。在移除这些牺牲层14、15之后，包括Si和SiGe层的薄堆栈的热敏电阻3被有效地从IR晶片转移到ROIC晶片。
图8示出用于限定像素2并产生所述像素2的上侧和支撑腿7之间的传导接触21的步骤。
首先，第一薄膜材料例如MoSi2或TiAl被沉积（a）在热敏电阻层3上，以充当电磁频谱在7-14μm范围内的吸收层4。氧化物层22优选地接着被溅射在吸收层4的顶部上，以在接下来的绝缘层的无掩膜蚀刻期间保护它。氧化物层22可被考虑为可选的，然而，取决于所涉及的蚀刻过程的条件。接触窗口23接着在支撑腿7之上的点处被蚀刻（b）到氧化物层22和吸收层4中，且导电薄膜材料24例如AlSi接着被沉积（c）在热敏电阻层3和氧化物层22的表面上，这两层紧邻接触窗口23的璧，以形成顶侧接触24。接着，沟槽25在接触窗口23的侧面的位置处被蚀刻（d）到氧化物层22、吸收层4和热敏电阻层3中，用于使像素2分成两半。
像素2的轮廓接着通过蚀刻穿过氧化物层22、吸收层4、热敏电阻层3和反射层5而被限定（e）。接着，接触窗口23通过蚀刻穿过热敏电阻层3、发射层5和键合的氧化物层20而穿过像素2向下延伸到在ROIC晶片9内形成的下面的支撑腿7，以形成通孔26。
技术人员将认识到，本文描述的蚀刻过程包括其中的几个过程所共有的蚀刻步骤。然而蚀刻步骤被单独地执行，以便将由不同的光刻层之间的对齐的不准确性引起的填充因子的损失最小化。
绝缘材料例如Al2O3的薄层27接着优选地通过原子层沉积（ALD）被沉积在暴露表面上，并接着被图案化，使得它从所有水平表面被移除，并被保持在垂直表面上（g）。设置在通孔26的侧壁上的绝缘层27提供对热敏电阻材料3的电绝缘。最后，传导接触28通过金属沉积例如TiAl被限定（h），并接着被图案化。
绝缘层27可以可选地被保持在吸收层4的顶部上，虽然如果它未被移除，像素2的性能稍微降低。在这个可选方案中，需要进一步的图案化来蚀刻开绝缘层27中的接触窗口，以允许在像素2之下的牺牲键合氧化物层20的蚀刻，以便稍后释放它。
图9示出在ROIC晶片9上形成的键合框架11，键合框架11被布置成环绕焦平面阵列1的周围，以使它准备由盖晶片10进行封装。键合框架11如下形成。氧化物层32通过沉积在像素结构的表面上的额外氧化物被逐步建立，该表面接着被图案化（a），使得它覆盖像素2的区域，以保护它们免受接下来的金属层33的沉积，如将在下面描述的。接着，接触窗口32被蚀刻（b）到氧化物层22中，直到绝缘层16，其以前在其制备期间被沉积在ROIC晶片9上。薄金属层33例如TiW/Cu接着被沉积（c）在ROIC晶片9和氧化物层22的暴露表面上。金属层33用作用于接下来的电镀的晶籽和粘接剂。首先，然而，在适合于形成键合框架11的材料35、36例如Cu和Sn被电镀（d）到接触窗口32内的ROIC晶片9的表面上以形成键合框架11之前，厚电镀抗蚀剂34被沉积并被图案化。最后，电镀抗蚀剂34和暴露的金属层33被移除，留下键合框架11准备接纳盖晶片10。
图10示出在限定像素2中的最后步骤，其是移除牺牲氧化物层20、22，以释放像素2。牺牲氧化物层20、22优选地使用无水气相HF被移除，无水气相HF与所有暴露的材料兼容。在释放像素2之后，FPA 1准备用于盖键合。假定在盖键合时像素2已被释放，由于FPA 1的易碎性，不允许晶片的湿化学处理。
图11示出形成盖晶片10的步骤，所述盖晶片10用于在真空下封装FPA 1，以减小远离像素2的传热。需要用于焦平面阵列1的密封真空封装的盖晶片10来传输入射IR波。Si和Ge都展示在所关注的波长范围内的高透光率，因此都适合于这个目的。然而，Ge的热膨胀系数与Si的热膨胀系数相比更高，这将导致在所键合的材料中引起高热残余应力，且因此Si是优选的选择。选择盖晶片10的厚度是在最小化吸收的需要和在处理期间的安全操作之间的折衷，在最小化吸收中，晶片越薄越好。盖晶片10可以如下步骤形成。
首先，腔37被蚀刻（a）到盖晶片中，这由于很多原因而完成，例如：适应焦平面阵列的功能所需的不同薄膜，如下所述；处理由大气压力从盖的顶侧压迫而产生的盖晶片的弯曲；以及提供在线键合衬垫之上的足够距离，这些键合衬垫设置在密封盖（未示出）外部，以为了释放这些衬垫而允许随后被锯开。
抗反射涂层38接着被沉积（b）在盖晶片10的一侧或两侧上，以最小化IR辐射的反射。在所示例子中，涂层38被沉积在盖晶片10的两侧上。长波通带（LWP）滤波器也可设置在盖晶片10的表面上，优选地作为抗反射涂层38的部分，以阻挡短波长并防止通过直接暴露于阳光而加热像素2。理论上仅在盖晶片10的外部顶表面上需要LWP滤波器。
然而，在盖晶片10的两侧上的层中的差异可能引入相当大的应力，并因此使盖晶片10弯曲。如果严重，这个弯曲将阻止盖晶片10键合。LWP滤波器和抗反射涂层38因此都优选地被沉积在盖晶片10的表面上。在盖晶片10的下侧上，涂层38和滤波器可被图案化，使得它从待键合的区域被移除。
接着，可选的图案化薄膜非蒸发吸气剂39例如通过荫罩掩膜技术被沉积（c），以将潜在的残余气体截留在键合腔内，并从而在FPA的整个寿命时间内确保所需的真空水平。在吸气剂对IR辐射不是透明的情况下，吸气剂39不应被放置在有源像素2上。因此，它位于盲参考像素和ROIC电子设备之上。类似于在ROIC晶片9上的键合框架11的形成，薄金属层40例如TiW/Cu被沉积（d）在盖晶片10的未蚀刻的凸出部分上，以在厚电镀光致抗蚀剂41被沉积和图案化（e）之前充当粘接剂和籽晶。最后，将形成键合框架的金属层——在本例中是Cu和Sn或仅仅Cu——被电镀（f）到盖晶片10的表面上，以限定在盖晶片上的键合框架42，这之后是光致抗蚀剂41和薄金属层40的移除。
如上所述，盖晶片10在真空下通过将盖晶片10上的键合框架42键合到设置在ROIC晶片9上的键合框架11来封装焦平面阵列1，以密封焦平面阵列1内的像素2。
虽然在上面的例子中讨论了单独的焦平面阵列1的制造，本发明的方法优选地用于制造在单个ROIC晶片9上的多个焦平面阵列，其可接着在被切成多个单独的焦平面阵列之前，使用适当的密封方法例如Cu-Sn键合（虽然其它方法例如Au-Sn键合同样是可应用的）以晶片级被单个盖晶片10封装。本发明的方法因此在切成小方块之前通过晶片级封装实现设备的更有效和可靠的制造。
Claims (12)
1.一种形成包括一个或多个像素的焦平面阵列的方法，所述焦平面阵列通过下列步骤来制造：
制备具有设置在表面上的传感材料的第一晶片，所述表面由第一牺牲层覆盖；
制备包括读出集成电路（ROIC）和接触衬垫的第二晶片，所述接触衬垫由第二牺牲层覆盖，在所述第二牺牲层内形成有与所述接触衬垫接触的一个或多个支撑腿，所述支撑腿被另一牺牲层覆盖；
将所述第一晶片的牺牲层和所述第二晶片的牺牲层键合在一起，使得当所述第一晶片的牺牲体层被移除之后，所述传感材料从所述第一晶片转移到所述第二晶片；
限定在所述一个或多个支撑腿中的每个之上的所述传感材料中的像素，并形成穿过每个像素的传导通孔，所述传导通孔被限定以提供所述像素的最上面的表面与其支撑腿之间的连接；以及
移除所述牺牲层，以释放所述一个或多个像素，所述一个或多个像素中的每个被限定，使得其支撑腿被布置成完全在所述像素的所述传感材料之下。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述第一晶片的所述表面和设置在所述表面上的所述传感材料之间设置反射层的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，还包括在所述牺牲体层被移除之后，在所述传感材料的所述表面上设置吸收层的步骤。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述传感材料是红外（IR）敏感的。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述传感材料是热敏电阻材料，而所述像素是测辐射热仪像素。
6.如任一前述权利要求所述的方法，还包括封装在盖之下的至少一个像素的步骤，所述盖被密封在所述焦平面阵列上。
7.如权利要求6所述的方法，还包括在所述第二晶片上形成至少一个键合构件的步骤，以使盖键合到所述键合构件。
8.如权利要求7所述的方法，其中多个焦平面阵列被设置在所述第二晶片上，每个焦平面阵列由多个键合构件限定，其中所述多个焦平面阵列由单个盖晶片密封，其后它们能够被划分成单独的焦平面阵列。
9.一种热成像设备，包括通过任一前述权利要求的方法制造的焦平面阵列。
10.一种用于焦平面阵列的像素，所述像素包括：
反射层；
传感层，其包括在所述反射层上形成的传感材料；以及
支撑腿，其被连接到与所述传感层相对的侧上的所述反射层，并被布置成在使用中支持晶片上的所述像素，并提供所述像素和所述支撑腿之间的电连接；以及
通孔，其与所述支撑腿相关，每个通孔提供穿过所述传感层从所述支撑腿到所述像素的开放表面的电连接。
11.如权利要求10所述的像素，其形成红外探测器。
12.一种焦平面阵列，所述焦平面阵列由多个根据权利要求10或11的像素形成。
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