CN212539430U - 异质整合的热红外线感测元件及热红外线感测器 - Google Patents
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Abstract
一种异质整合的热红外线感测元件包含：一基板；一感测电路，位于该基板中或上；一空腔，位于该基板中或上，感测电路位于空腔的下方；以及一个或多个热电偶，热电偶的材料为制作于第二基板并通过键合方式移转于空腔的上方，热电偶包含一第一导体及一第二导体，热电偶的第一导体与第二导体的第一端连接于一个位于空腔的上方的热端，热电偶的第一导体与第二导体的第二端为设置于空腔边缘的冷端，并且电连接至感测电路。
Description
技术领域
本实用新型是有关于一种热红外线感测元件及热红外线感测器，且特别是有关于一种异质整合的热红外线感测元件及热红外线感测器。
背景技术
近年来，譬如是热电偶的热红外线感测元件常被用来作温度量测，其原理为通过加热导体之间的接合处的热端，使热端与冷端(导体之间的另一接合处)产生温差而生成一扩散电流。为消去此电流扩散，热电偶必须提供一个相当的反向电动势，此热电动势便是赛贝克(Seedback)电压。通过量测赛贝克电压的大小，便可知道热电偶的两端的温差而校正温度。而赛贝克电压的大小系由两端的温差大小和此二导体的赛贝克系数的乘积决定。将复数对的热电偶串联起来即成为热电堆，因此，热电堆的热电动势等于单一热电偶的赛贝克电压值乘以串联的热电偶数。
以目前的技术而言，若要将热电堆跟半导体制程整合的话，最常使用的材料譬如是硅与多晶硅。譬如在互补式金氧半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)中，硅基板的前端定义出多晶硅(高温制程)，后端定义出金属层，最后作结构释出，以牺牲层的方式除去一部分的硅基板，以形成空腔，譬如揭露于中国台湾专利TW451260。此种作法的缺点是空腔的下方没有办法配置电路，这种技术在制作阵列元件时更显麻烦，因为电路只能放在热电堆的旁边，使得每个像素(pixel)的填充因子(fill factor(简称FF)，像素中感测部分的面积与像素的总面积的比值)大幅降低，其中FF越高表示品质因子(quality factor)越好。因此，已知技术具有低FF的缺点，仍有相当的改良空间。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供一种异质整合的热红外线感测元件及热红外线感测器，提升填充因子，缩短信号传递路径、提高信噪比，且可有效解决感测电路不受多晶硅所需的高温制程的影响。
本实用新型的实施例提供一种异质整合的热红外线感测元件，至少包含：一基板；一感测电路，位于基板中或上；一空腔，位于基板中或上，感测电路位于空腔的下方；以及一个或多个热电偶，热电偶的材料系制作于第二基板并通过键合方式移转于空腔的上方，热电偶或各热电偶包含一第一导体及一第二导体，热电偶的第一导体与第二导体的第一端连接于一个位于空腔的上方的热端，热电偶的第一导体与第二导体的第二端为设置于空腔边缘的冷端并且电连接至感测电路。
更进一步地，异质整合的热红外线感测元件更包含一第一绝缘层，位于该基板上，并覆盖该空腔以当作该空腔的一上壁面，该第一绝缘层与该基板之间形成一键合介面。
更进一步地，该第一绝缘层形成有多个开口，贯通该第一绝缘层而连通至该空腔。
更进一步地，该第一绝缘层更当作该空腔的侧壁面。
更进一步地，该第一导体及该第二导体的至少一者的材料包含硅。
更进一步地，该异质整合的热红外线感测元件的一填充因子至少大于30％。
更进一步地，该感测电路至少包含电晶体元件及金属连接线路。本实用新型的实施例更提供一种热红外线感测器，包含多个上述热红外线感测元件，排列成二维阵列，用于感测热像，多个热红外线感测元件共用一个基板。
更进一步地，热红外线感测器更包含：一盖体层，具有一盖体凹槽，并且键结接合于该基板，使该多个热红外线感测元件容置于该盖体凹槽中。
更进一步地，该盖体凹槽处于真空状态或低于一大气压的接近真空状态，以增加该多个热红外线感测元件的感测灵敏度。
更进一步地，热红外线感测器更包含：一带通滤波层，位于该盖体层上，并对从外界进入该盖体凹槽中的电磁波执行带通滤波动作。
更进一步地，该盖体层包含：一第一接合层，位于该基板上；一第二接合层；一个盖体基板，具有该盖体凹槽，位于该盖体凹槽上方的一本体、以及位于该盖体凹槽的周围的一框体，该第二接合层位于该框体的一底面，该第二接合层与该第一接合层接合在一起。
通过上述实施例，使用两个晶圆的接合来制作热红外线感测元件及热红外线感测器，其中下晶圆(第一初始结构)利用CMOS的制程(温度大约300至400℃)形成电路及凹槽，而上晶圆(第二初始结构)利用多晶硅的制程(温度大约600至700℃)，属于不同制程条件下形成的两个晶圆，接合后在进行图案化及连线制程，故不会有制程温度过高而破坏电路的状况。由于空腔的下方可以制作有电路，所以FF非常大，且信号传递路径缩短，信噪比提高。此外，异质整合的技术可以在CMOS晶圆的上方堆叠需要高温制程的多晶硅。
附图说明
图1A显示依据本实用新型较佳实施例的热红外线感测器的俯视示意图。
图1B显示图1A的热红外线感测元件的俯视示意图。
图1C显示图1A的热红外线感测元件的局部俯视示意图。
图2A至图2J显示第一实施例的热红外线感测元件的制造方法的各步骤的对应于图1B的线CL-CL的剖面示意图。
图3A至图3L显示第二实施例的热红外线感测元件的制造方法的各步骤的对应于图1B的线CL-CL的剖面示意图。
图4A至图4H显示对应于第二实施例的热红外线感测元件的制造方法的部分步骤的结构的局部放大俯视示意图。
图5A显示对应于图4G的线PL-PL的局部剖面示意图。
图5B显示对应于图5A的变化例的局部剖面示意图。
图6A显示图1A的热红外线感测器的第一变化例的剖面示意图。
图6B显示图6A的热红外线感测器的接合方式的剖面示意图。
图6C显示图1A的热红外线感测器的第二变化例的剖面示意图。
图7A至图7D显示第三实施例的热红外线感测元件的制造方法的各步骤的对应于图1B的线CL-CL的剖面示意图。
图8A与图8B显示图7A与图7B的变化例的剖面示意图。
图9A至图9D显示第四实施例的热红外线感测元件的制造方法的各步骤的对应于图1B的线CL-CL的剖面示意图。
图10A与图10B显示图9A与图9B的变化例的剖面示意图。
附图标记
CJ：冷端；CJW：冷端窗口；CL-CL，PL-PL：线；HJ：热端；HJW：热端窗口；10：基板；12：感测电路；14：空腔；14S：牺牲层；14U：上壁面；14W：侧壁面；15：键合介面；16：保护接合层；20，20'：第一绝缘层；22：开口；30：热电偶；32：第一导体；34：第二导体；40：第二绝缘层；50：保护层；50A：第一子保护层；50B：第二子保护层；60：黑体层；70：连接导体；100：热红外线感测元件；200：热红外线感测器；300：第一初始结构；340：第二导体层；400：第二初始结构；410：第二基板；432：第一导体层；434：第二导体层；440：介电层；450：第二介电层；500：盖体层；501：第一接合层；502：第二接合层；510：盖体凹槽；515：本体；516：氧化物层；520：框体；521：底面；522：顶面；530：盖体基板；600：带通滤波层。
具体实施方式
为让本实用新型的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
本实用新型的精神在于使用异质整合的技术，先使用积体电路(特别是CMO S)前端制程在晶圆中形成电路(内含有多层金属层)，再在后端制程在晶圆上定义出一个凹槽或空腔或预定的牺牲层结构。然后使用晶圆键合技术，将两晶圆键合在一起，接着进行材料去除及图案化及连线制程，即可制造出热红外线感测元件或热红外线感测器(阵列元件)。
图1A显示依据本实用新型较佳实施例的热红外线感测器的俯视示意图。如图1A所示，一热红外线感测器200包含多个热红外线感测元件100，排列成二维阵列，用于感测热像，热红外线感测元件100共用一基板10，譬如是硅基板，而一个硅晶圆上可以生产出多个热红外线感测器200，通过切割后形成各个热红外线感测器200。
图1B显示图1A的热红外线感测元件的俯视示意图。图1C显示图1A的热红外线感测元件的局部俯视示意图。如图1B与1C所示，热红外线感测元件100至少包含基板10(除了半导体基板以外，也可以是绝缘基板，例如玻璃基板等，还有薄膜电晶体基板等)，基板10中形成一感测电路12，感测电路12至少包含电晶体元件及金属连接线路，电晶体元件及金属连接线路电连接在一起，感测电路12的上方形成一空腔14。空腔14的四侧的多个热电偶30串联连接在一起，最后电连接到输出垫(未显示)或直接连接至感测电路12，以让感测电路12读出赛贝克电压或作进一步处理。譬如同一对热电偶30的第一导体32与第二导体34在空腔14的上方或正上方的热绝缘区连接于热端HJ，而相邻对热电偶30的第一导体32与第二导体34在热绝缘区以外的热汲体区中连接于冷端CJ。黑体层60覆盖于中间的热端HJ的上方，用以吸收热量，黑体层60所吸收的热量在热绝缘区无法散去，仅能沿着往热汲体区的方向作固体热传导。在上述例子中，感测电路12与空腔14位于基板10中；而另一例子中，感测电路12与空腔14也可形成于基板10上。
图2A至2J显示第一实施例的热红外线感测元件的制造方法的各步骤的对应于图1B的线CL-CL的剖面示意图。如图2A所示，提供一第一初始结构300及一第二初始结构400。第一初始结构300包含一基板(譬如是硅基板或硅晶圆或上述其他基板)10，具有一感测电路12；以及一空腔14，感测电路12位于空腔14的下方或正下方。第二初始结构400包含：一第一绝缘层20；一第一导体层432，位于第一绝缘层20上；一介电层440，位于第一导体层432上；及一第二基板(譬如是硅基板或硅晶圆或上述其他基板)410，位于介电层440上。
如图2B所示，将第二初始结构400的第一绝缘层20与第一初始结构300的基板10接合在一起(通过加压及加热)，使第一绝缘层20位于基板10上，并覆盖空腔14以当作空腔14的一上壁面14U，第一绝缘层20与基板10之间形成一键合介面(譬如是晶圆键合介面(waferbonding interface))15，为一个接合力更强的化学键结。上壁面14U不具有晶圆键合介面。值得注意的是，晶圆键合可以是两晶圆的接合，以产出多个热红外线感测器200。本实用新型的另一特色是，两晶圆接合是盲接合(blind bonding)，可以不需要特殊的对准机台或技术，因此更可以增加接合良率及降低成本。当然随着对准接合技术进步，本实用新型也一并可以适用。
如图2C所示，移除第二基板410。如图2D所示，移除介电层440。如图2E所示，对第一导体层432图案化，以形成多个第一导体32，位于第一绝缘层20上。
如图2F所示，在此等第一导体32及第一绝缘层20上形成一第二绝缘层40。如图2G所示，对第二绝缘层40图案化，以形成多个热端窗口HJW及多个冷端窗口CJW，在此例子中，热端窗口HJW及冷端窗口CJW位于同一水平面，也就是位于同一高度。如图2H所示，在第二绝缘层40上形成一第二导体层340，使第二导体层340通过此等热端窗口HJW及此等冷端窗口CJW电连接至此等第一导体32。如图2I所示，对第二导体层340图案化，以形成多个第二导体34，其中此等第一导体32与此等第二导体34形成复数个热电偶30，此等热电偶30串联连接在一起而形成热电堆(本实用新型也可以单一热电偶30来实施)，各热电偶30包含第一导体32及位于第一导体32上方的第二导体34，各热电偶30的第一导体32与第二导体34连接于一个位于空腔14的上方的热端HJ，相邻的两个热电偶30连接于一个远离空腔14的冷端CJ。换言之，热电偶30的第一导体32与第二导体34的第一端连接于一个位于空腔14的上方的热端HJ，热电偶30的第一导体32与第二导体34的第二端为设置于空腔14边缘的冷端CJ并且电连接至感测电路12。
因此，图2F至2I的步骤可以归纳为：利用此等第一导体32形成复数个热电偶30，此等热电偶30串联连接在一起而形成热电堆，各热电偶30包含第一导体32及位于第一导体32上方的第二导体34，各热电偶30的第一导体32与第二导体34连接于一个位于空腔14的上方的热端HJ，相邻的两个热电偶30连接于一个远离空腔14的冷端CJ。
接着，如图2J所示，在第二绝缘层40及此等第二导体34上形成一保护层50，覆盖此等热端HJ及此等冷端CJ。当然，也可以在保护层50上形成一黑体层60，黑体层60覆盖此等热端HJ，但不覆盖此等冷端CJ，用以吸收热量。图2C至图2J的步骤可以被归纳为利用第二初始结构400形成一个或多个热电偶(热电堆)的子步骤。
请参见图1C与图2J，上述的热红外线感测元件100的制造方法可以更包含以下步骤：在第一绝缘层20上形成有多个开口22，贯通第一绝缘层20而连通至空腔14，借以增加热阻(热阻越大越好)。若保护层50也覆盖住第一绝缘层20，则开口22可以更贯通保护层50。
因此，如图2J、2B与1C所示，本实施例的异质整合的热红外线感测元件100包含基板10、第一绝缘层20、复数个热电偶30以及保护层50。值得注意的是，第一绝缘层20与保护层50不一定是实施本实施例的必要元件，亦可有多种可能的配置方式。基板10具有感测电路12以及空腔14，感测电路12位于空腔14的下方或正下方。第一绝缘层20位于基板10上，并覆盖空腔14以当作空腔14的一上壁面14U，第一绝缘层20与基板10之间形成一键合介面15。热电偶30串联连接在一起而形成热电堆，各热电偶30包含第一导体32及位于第一导体32上方的第二导体34，各热电偶30的第一导体32与第二导体34连接于一个位于空腔14的上方的热端HJ，相邻的两个热电偶30连接于一个远离空腔14的冷端CJ。保护层50覆盖此等热端HJ及此等冷端CJ。热红外线感测元件100可以更包含黑体层60，位于保护层50上，并覆盖此等热端HJ，但不覆盖此等冷端CJ，用以吸收热量。此等第二导体34隔着一第二绝缘层40位于此等第一导体32上方。此外，第一绝缘层20上形成有多个开口22，贯通第一绝缘层20而连通至空腔14。第一导体32的材料譬如是多晶硅，譬如是P/N型多晶硅。第二导体34的材料譬如是金属。热端H J与冷端CJ电连接至感测电路12。在此例中，感测电路12可以包含多个主动元件及/或被动元件以及达成电连接的金属连接线，譬如是MOS元件加上金属导线，以形成电路系统(Circuitry)。因为电路系统(Circuitry)在多晶硅的高温制程中会受到高温的破坏，所以本例的感测电路12并无经过多晶硅的高温制程，所以不会被破坏掉。也就是感测电路12与多晶硅是在不同的阶段(不同的晶圆上)形成，再利用晶圆接合技术接合在一起。感测电路12也可以内埋于基板10中，也没有暴露至空腔14中以获得保护。另外，感测电路12可以通过金属导线电连接至热电偶30，感测电路12的水平方向的面积可以大于、等于或小于空腔14的水平方向的面积。此外，空腔14形成于基板10中，亦可视为热红外线感测元件100包含空腔14。由上可知，热电偶30的材料(第一导体层432的材料)系制作于另一基板(第二基板410)并通过键合方式移转于空腔14的上方。
图3A至3L显示第二实施例的热红外线感测元件的制造方法的各步骤的对应于图1B的线CL-CL的剖面示意图。图4A至4H显示对应于第二实施例的热红外线感测元件的制造方法的部分步骤的结构的局部放大俯视示意图。如图3A所示，提供一第一初始结构300及一第二初始结构400，第一初始结构300包含一基板10，具有一感测电路12以及一空腔14，感测电路12位于空腔14的下方或正下方。可以利用基板10来形成感测电路12及空腔14，这在半导体制程中是相当容易达成的。感测电路12除了包含电路以外，亦具有金属内连线。基板10上亦可具有薄的绝缘层(未显示)，譬如是二氧化硅层。
第二初始结构400包含：一第一绝缘层20；一第一导体层432，可以是单晶硅、多晶硅或其他适合热电偶的材料，且位于第一绝缘层20上；一介电层440，位于第一导体层432上；一第二导体层434可以是单晶硅、多晶硅或其他适合热电偶的材料，且位于介电层440上；一第二介电层450，位于第二导体层434上；及一第二基板410，位于第二介电层450上，也就是第二基板410位于介电层440上方。因此，可以利用第二基板410来依序形成第二介电层450、第二导体层434、介电层440、第一导体层432及第一绝缘层20，再将第二初始结构400倒过来成如图3A的状态。第二介电层450、第二导体层434、介电层440、第一导体层432及第一绝缘层20都是整片式结构，如此一来，第一初始结构300与第二初始结构400就不需要精确对准。
如图3B所示，将第二初始结构400的第一绝缘层20与第一初始结构300的基板10接合在一起，使第一绝缘层20位于基板10上，并覆盖空腔14以当作空腔14的一上壁面14U，第一绝缘层20与基板10之间形成一键合介面15，类似于图2B的实施例。由上可知，热电偶30的材料(第一导体层432与第二导体层434的材料)系制作于另一基板(第二基板410)并通过键合方式移转于空腔14的上方。
如图3C与3D所示，移除第二基板410与第二介电层450，此时的俯视图对应于图4A，其中仅显示空腔14的一部分。如图3E所示，对第二导体层434图案化(譬如使用光阻、曝光及蚀刻等)，以形成多个第二导体34，位于介电层440上，此时的俯视图对应于图4B。如图3F所示，对介电层440图案化，以形成一第二绝缘层40，位于第一导体层432上，此时的俯视图对应于图4C。如图3G所示，对第一导体层432图案化，以形成多个第一导体32，位于第一绝缘层20上，此时的俯视图对应于图4D。
如图3H所示，在此等第一导体32、此等第二导体34及第一绝缘层20上形成一第一子保护层50A，此时的俯视图对应于图4E，值得注意的是，未避免混淆，仅绘制一部分的第一子保护层50A(尚未覆盖全部的第一绝缘层20)。如图3I所示，对第一子保护层50A图案化，以形成多个热端窗口HJW及多个冷端窗口CJW，此时的俯视图对应于图4F，其中热端窗口HJW露出部分的第一绝缘层20(非必要)、第一导体32、第二导体34及第二绝缘层40(非必要)。如图3J所示，在此等热端窗口HJW中及此等冷端窗口CJW中形成多个连接导体70，将此等第二导体34通过此等热端窗口HJW及此等冷端窗口CJW电连接至此等第一导体32，来形成复数个热电偶30，此等热电偶30串联连接在一起而形成热电堆，各热电偶30包含第一导体32及位于第一导体32上方的第二导体34，各热电偶30的第一导体32与第二导体34连接于一个位于空腔14的上方的热端HJ，相邻的两个热电偶30连接于一个远离空腔14的冷端CJ，此时的俯视图对应于图4G。第一导体32的材料譬如是多晶硅，譬如是P/N型多晶硅。第二导体34的材料譬如是多晶硅，譬如是N/P型多晶硅，具有正/负的赛贝克系数，提升赛贝克电压，增加感测灵敏度。值得注意的是，虽然显示的热端HJ具有陡峭的阶梯状，但是实际制作时，热端HJ应该可以具有更趋缓的曲线状。
图3H到3J的步骤可以归纳如下：利用此等第一导体32与此等第二导体34形成复数个热电偶30，此等热电偶30串联连接在一起而形成热电堆，各热电偶30包含第一导体32及位于第一导体32上方的第二导体34，各热电偶30的第一导体32与第二导体34连接于一个位于空腔14的上方的热端HJ，相邻的两个热电偶30连接于一个远离空腔14的冷端CJ。值得注意的是，亦可以将连接导体70视为第二导体34的一部分，也就是各第二导体34具有不同材质的两区段，以与图2J的结构具有可归纳的综合特征。
如图3K所示，在第一子保护层50A与此等连接导体70(做为热端HJ与冷端CJ)上形成一第二子保护层50B，第一子保护层50A与第二子保护层50B组成一保护层50，覆盖此等热端HJ及此等冷端CJ，此时的俯视图对应于图4H。
如图3L所示，在保护层50上形成一黑体层60，黑体层60覆盖此等热端HJ，但不覆盖此等冷端CJ，用以吸收热量。图3C至图3L的步骤可以被归纳为利用第二初始结构400形成一个或多个热电偶(热电堆)的子步骤。
请参见图1C与图3L所示，上述的热红外线感测元件100的制造方法可以更包含以下步骤：在第一绝缘层20上形成有多个开口22，贯通第一绝缘层20而连通至空腔14，借以增加热阻。若保护层50也覆盖住第一绝缘层20，则开口22可以更贯通保护层50。
图5A显示对应于图4G的线PL-PL的局部剖面示意图。如图5A所示，连接导体70或冷端CJ是通过第一子保护层50A的冷端窗口CJW来执行左边的第二导体34与右边的第一导体32的电连接。这种连接方式亦可适用于热端HJ的连接方式。
图5B显示对应于图5A的变化例的局部剖面示意图。图5B的结构类似于图5A，不同之处在于第二绝缘层40与第二导体34的边缘是对齐的，故可以使用第二导体34来当作第二绝缘层40的遮罩，减少遮罩数量。
图6A显示图1A的热红外线感测器的第一变化例的剖面示意图。如图6A所示，热红外线感测器200更包含一盖体层500，具有一盖体凹槽510，并且键结接合于基板10，使多个热红外线感测元件100容置于盖体凹槽510中。在一例子中，盖体凹槽510处于真空状态(气压为0)或接近真空状态(气压是0至10-3托(Torr))，也就是低于一大气压的状态，以增加多个热红外线感测元件100的感测灵敏度。热红外线感测器200可以更包含一带通滤波层(Band Pass Filter)600，位于盖体层500上，并对从外界进入盖体凹槽510中的电磁波执行带通滤波动作，譬如仅让红外线通过。在一例子中，带通滤波层600的厚度介于8至14微米，为一个红外线滤波器。
图6B显示图6A的热红外线感测器的接合方式的剖面示意图。如图6B与6A所示，盖体层500包含：一第一接合层501，位于基板10上；一第二接合层502；一个盖体基板530，具有盖体凹槽510，位于盖体凹槽510上方的一本体515、以及位于盖体凹槽510的周围的一框体520，第二接合层502位于框体520的一底面521，第二接合层502与第一接合层501接合在一起。在本例子中，本体515的一顶面522通过一个氧化物层(譬如是二氧化硅的半导体氧化物层)516而接合在一起。在本例子中，本体515的材料为单晶硅(晶圆)，框体520的材料为多晶硅，第一接合层501与第二接合层502可以是铝和锗，铝和锗可以在约420℃形成共晶接合(Eutectic Bonding)，且这两种材料与CMOS制程相容，更适合应用于本实施例的整合设计。另外有种情况，第一接合层可能是不存在的，基板10的硅材料本身就可以是当作接合层的材料，而此时第二接合层的材料可以是金(Au)。在图6B中，在本体515的下表面形成氧化物层516，然后在氧化物层516的下表面形成多晶硅层(图案化后形成框体520，虚线所示为被去除的部分)，然后去除露出的氧化物层516，并在框体520的下表面形成锗层(第二接合层502)，让第二接合层502与基板10的上表面的铝层进行键结接合，接合时，将处理室抽真空以使接合后的盖体凹槽510处于真空状态或接近真空状态。接合技术可以使用晶圆级晶片尺寸封装(Wafer Level Chip Scale Package，WLCSP)。
图6C显示图1A的热红外线感测器的第二变化例的剖面示意图。如图6C所示，盖体层500与基板10两者系通过低温接合方式(low temperature fusion bond ing)形成具有氢键强度的介面。当然在形成低温接合之前，为了达到表面活化，更可以包括表面电浆(plasma)处理，例如暴露在氧气(O2)及氮气(N2)的电浆环境下，而且为了让接合的表面有很好的平坦度，更可以利用化学机械研磨法(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)将待接合的表面予以抛光及抛平。盖体层500的前驱物可以是一个绝缘层上有硅(Silicon OnInsulator，SOI)晶圆，下晶圆被蚀刻后形成盖体凹槽510，氧化物层516也被去除，然后以第二接合层502(可以二氧化硅层)与基板10进行键结接合。
如图7A至图7D所示，本实用新型第三实施例提供一种异质整合的热红外线感测元件100的制造方法，包含以下步骤。首先，如图7A所示，提供一第一初始结构300及一第二初始结构400。第一初始结构300包含：一基板10，具有一感测电路12；一牺牲层14S，位于基板10上；以及一保护接合层16，覆盖牺牲层14S及基板10，感测电路12位于牺牲层14S的下方或正下方。第二初始结构400包含：一第一导体层432；一介电层440，位于第一导体层432上；及一第二基板410，位于介电层440上或上方。保护接合层16原本覆盖牺牲层14S以后，可以通过研磨保护接合层16以获得平坦表面，来控制所需要的厚度。
然后，如图7B所示，使基板10及第二基板410互相远离地，将第二初始结构400与第一初始结构300接合在一起而获得一接合后的第一绝缘层20'，位于基板10上，并覆盖牺牲层14S。
接下来的制造方法的步骤类似于图2C到图2H，也就是利用第二初始结构400形成热电堆，在此不再绘制附图。
然后，如图7C所示，在接合后的第一绝缘层20'上形成多个开口22以露出牺牲层14S，牺牲层14S的材料包含但不限于铝(例如也可以是例如硅材料(silico n)等等)。接着，如图7D所示，通过此等开口22移除牺牲层14S以形成一空腔14，使空腔14形成于基板10上，并使接合后的第一绝缘层20'位于基板10上，并覆盖空腔14以当作空腔14的一上壁面14U及侧壁面14W。此等开口22连通空腔14及外界环境，贯通第一绝缘层20'而连通至空腔14，借以增加热阻(热阻越大越好)，故不需要被填补。值得注意的是，接合后的第一绝缘层20'与基板10之间亦形成有键合介面15；另外，接合后的第一绝缘层20'在热红外线感测元件100中亦被视为是第一绝缘层，第一绝缘层更当作空腔14的侧壁面14W。此时，空腔14是形成于基板10上。当然牺牲层14S在此代表的意义是先形成晶圆接合之后再将牺牲层14S去除而形成的空腔技术，然而本实用新型不限定于此，任何方式的空腔形成方法，只要是符合本实用新型异质结构整合的技术的精神，例如金属硅化物形成的空腔，例如NiSi，皆在本实用新型的范围内。
详言之，利用第二初始结构400形成热电堆的步骤包含以下子步骤。如图7B、图2C至图2H(把空腔14视为是牺牲层14S)所示，首先移除第二基板410与介电层440；接着，对第一导体层432图案化，以形成多个第一导体32，位于接合后的第一绝缘层20'上；然后，利用此等第一导体32形成复数个热电偶30，此等热电偶30串联连接在一起而形成热电堆，各热电偶30包含第一导体32及位于第一导体32上方的一第二导体34，各热电偶30的第一导体32与第二导体34连接于一个位于空腔14的上方的热端HJ，相邻的两个热电偶30连接于一个远离空腔14的冷端CJ，此等热端HJ与此等冷端CJ电连接至感测电路12；接着，在此等第二导体34上形成一保护层50，覆盖此等热端HJ及此等冷端CJ；然后，在保护层50上形成一黑体层60，黑体层60覆盖此等热端HJ，但不覆盖此等冷端CJ，用以吸收热量。
此外，利用此等第一导体32形成复数个热电偶30的步骤包含：在此等第一导体32及接合后的第一绝缘层20'上形成一第二绝缘层40；对第二绝缘层40图案化，以形成多个热端窗口HJW及多个冷端窗口CJW；在第二绝缘层40上形成一第二导体层434，使第二导体层434通过此等热端窗口HJW及此等冷端窗口CJW电连接至此等第一导体32；以及对第二导体层434图案化，以形成此等第二导体34，其中此等第一导体32与此等第二导体34形成复数个热电偶30，此等热电偶30串联连接在一起而形成热电堆，各热电偶30包含第一导体32及位于第一导体32上方的第二导体34，各热电偶30的第一导体32与第二导体34连接于位于空腔14的上方的热端HJ，相邻的两个热电偶30连接于远离空腔14的冷端CJ。
在图7A与图7B中，第二初始结构400更包含一第一绝缘层20，其中第一导体层432位于第一绝缘层20上，第二初始结构400的第一绝缘层20与第一初始结构300的保护接合层16接合在一起而获得接合后的第一绝缘层20'。
在图8A与图8B中，第二初始结构400不具有第一绝缘层20，因此第二初始结构400的第一导体层432与第一初始结构300的保护接合层16接合在一起，使保护接合层16变成接合后的第一绝缘层20'。
如图9A至图9D所示(可以配合参见图3A至3L，差异点在于把空腔14视为是牺牲层14S)，本实用新型第四实施例类似于第三实施例，亦提供一种异质整合的热红外线感测元件100的制造方法，差异点在于第二初始结构400更包含：一第二导体层434，位于介电层440上；一第二介电层450，位于第二导体层434上，其中第二基板410位于第二介电层450上。因此，利用第二初始结构400形成热电堆的步骤包含以下子步骤：移除第二基板410与第二介电层450；对第二导体层434图案化，以形成多个第二导体34，位于介电层440上；对介电层440图案化，以形成一第二绝缘层40，位于第一导体层432上；对第一导体层432图案化，以形成多个第一导体32，位于接合后的第一绝缘层20'上；利用此等第一导体32与此等第二导体34形成复数个热电偶30，此等热电偶30串联连接在一起而形成热电堆，各热电偶30包含第一导体32及位于第一导体32上方的第二导体34，各热电偶30的第一导体32与第二导体34连接于一个位于空腔14的上方的热端HJ，相邻的两个热电偶30连接于一个远离空腔14的冷端CJ，此等热端HJ与此等冷端CJ电连接至感测电路12，第二导体34被一第一子保护层50A覆盖；以及在第一子保护层50A与此等热端HJ与此等冷端CJ上形成一第二子保护层50B，第一子保护层50A与第二子保护层50B组成保护层50，覆盖此等热端HJ及此等冷端CJ。此外，利用此等第一导体32与此等第二导体34形成复数个热电偶30的步骤包含：在此等第一导体32、此等第二导体34及接合后的第一绝缘层20'上形成第一子保护层50A；对第一子保护层50A图案化，以形成多个热端窗口HJW及多个冷端窗口CJW；以及在此等热端窗口HJW中及此等冷端窗口CJW中形成多个连接导体70，将此等第二导体34通过此等热端窗口HJW及此等冷端窗口CJW电连接至此等第一导体32，来形成复数个热电偶30，此等热电偶30串联连接在一起而形成热电堆，各热电偶30包含第一导体32及位于第一导体32上方的第二导体34，各热电偶30的第一导体32与第二导体34连接于位于空腔14的上方的热端HJ，相邻的两个热电偶30连接于远离空腔14的冷端CJ，此等热端HJ与此等冷端CJ属于此等连接导体70。
如图10A与图10B所示，本变化例子类似于图9A与图9B，差异点在于图10A的第二初始结构400不具有第一绝缘层20，因此第二初始结构400的第一导体层432与第一初始结构300的保护接合层16接合在一起，使保护接合层16变成接合后的第一绝缘层20'。
因此，本实用新型的实施例的精神在于使用两个晶圆的接合，特别是盲接合，来制作热红外线感测元件及热红外线感测器，其中下晶圆(第一初始结构300)利用CMOS的制程(温度大约300至400℃)形成电路及凹槽，而上晶圆(第二初始结构400)利用多晶硅的制程(温度大约600至700℃)，属于不同制程条件下形成的两个晶圆，接合后在进行图案化及连线制程，故不会有制程温度过高而破坏电路的状况。感测电路至少包含电晶体元件及金属连接线路，若一起遭遇多晶硅的第一导体与第二导体的形成过程的高温制程是会被破坏的(热电偶的第一导体及第二导体的至少一者的材料包含高温多晶硅)。在另一例子中，也可使用绝缘层上有硅(Silicon On Insulator,SOI)晶圆的单晶硅来当作第一导体及第二导体的至少一者的材料。由于空腔的正下方可以制作有电路(譬如是完整的MOS FET加上金属导线的电路系统)而不受热电偶材料的高温制程的影响，所以填充因子(Fill factor,FF)非常大，至少大于30％(例如30微米(um)的节距(pitch)，20um的空腔长度)，甚至大于50％，且信号传递路径缩短，信噪比提高。此外，异质整合的技术可以在CMOS晶圆的上方堆叠需要高温制程的多晶硅。
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本实用新型的技术内容，而非将本实用新型狭义地限制于上述实施例，在不超出本实用新型的精神及权利要求的情况，所做的种种变化实施，皆属于本实用新型的范围。
Claims (12)
1.一种异质整合的热红外线感测元件，其特征在于，至少包含：
一基板；
一感测电路，位于该基板中或上；
一空腔，位于该基板中或上，该感测电路位于该空腔的下方；以及
一个或多个热电偶，所述热电偶的材料为制作于一第二基板并通过键合方式移转于该空腔的上方，该热电偶或各该热电偶包含一第一导体及一第二导体，该热电偶的该第一导体与该第二导体的第一端连接于一个位于该空腔的上方的热端，该热电偶的该第一导体与该第二导体的第二端为设置于该空腔边缘的冷端并且电连接至该感测电路。
2.如权利要求1所述的异质整合的热红外线感测元件，其特征在于，更包含一第一绝缘层，位于该基板上，并覆盖该空腔以当作该空腔的一上壁面，该第一绝缘层与该基板之间形成一键合介面。
3.如权利要求2所述的异质整合的热红外线感测元件，其特征在于，该第一绝缘层形成有多个开口，贯通该第一绝缘层而连通至该空腔。
4.如权利要求2所述的异质整合的热红外线感测元件，其特征在于，该第一绝缘层更当作该空腔的侧壁面。
5.如权利要求1所述的异质整合的热红外线感测元件，其特征在于，该第一导体及该第二导体的至少一者的材料包含硅。
6.如权利要求1所述的异质整合的热红外线感测元件，其特征在于，该异质整合的热红外线感测元件的一填充因子至少大于30％。
7.如权利要求1所述的异质整合的热红外线感测元件，其特征在于，该感测电路至少包含电晶体元件及金属连接线路。
8.一种热红外线感测器，其特征在于，包含多个如权利要求1所述的异质整合的热红外线感测元件，排列成二维阵列，用于感测热像，该多个异质整合的热红外线感测元件共用该基板。
9.如权利要求8所述的热红外线感测器，其特征在于，更包含：
一盖体层，具有一盖体凹槽，并且键结接合于该基板，使该多个异质整合的热红外线感测元件容置于该盖体凹槽中。
10.如权利要求9所述的热红外线感测器，其特征在于，该盖体凹槽处于真空状态或低于一大气压的接近真空状态，以增加该多个异质整合的热红外线感测元件的感测灵敏度。
11.如权利要求9所述的热红外线感测器，其特征在于，更包含：
一带通滤波层，位于该盖体层上，并对从外界进入该盖体凹槽中的电磁波执行带通滤波动作。
12.如权利要求9所述的热红外线感测器，其特征在于，该盖体层包含：
一第一接合层，位于该基板上；
一第二接合层；以及
一个盖体基板，具有该盖体凹槽，位于该盖体凹槽上方的一本体、以及位于该盖体凹槽的周围的一框体，该第二接合层位于该框体的一底面，该第二接合层与该第一接合层接合在一起。
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