JP2827934B2 - ハイブリッド型赤外線センサ - Google Patents

ハイブリッド型赤外線センサ

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  • Wire Bonding (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体基板上で
赤外線像を検知しその撮像信号をシリコン基板上に形成
された集積回路を介して読み出すようにしたハイブリッ
ド型赤外線センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般の半導体装置において広く採用され
ているシリコンでは、“大気の窓”として知られる3〜
5μm帯、8〜14μm帯の赤外線を検出することがで
きないため、これらの波長の赤外線固体撮像素子を構成
するにはこれらの波長帯に感度をもつInSb、HgC
dTeなどのII−VI族化合物半導体が用いられる。一
方、II−VI族化合物半導体では良質の絶縁膜を形成する
ことが難しく電荷読み出し用の集積回路を構成すること
が困難であるので、信号読み出し用の集積回路をシリコ
ン基板により構成し、これと赤外線検出部を有する化合
物半導体基板と結合していわゆるハイブリッド型の赤外
線センサを構成することが行われている。
【0003】図4は、この種従来のハイブリッド型赤外
線センサの一部を破砕した斜視図である。同図に示され
るように、HgCdTe基板10の表面は絶縁膜15に
より被覆されており、その内部には複数のフォトダイオ
ード(図示なし)が正方マトリクス状に形成されてい
る。一方、HgCdTe基板10と対向して配置された
読み出し用MOSIC28は、シリコン基板20を用い
て構成されている。
【0004】シリコン基板20上には、HgCdTe基
板上に形成されたフォトダイオードに1対1に対応して
ユニットセル29が形成されている。ユニットセル29
は、金属電極とこれに接続されたMOSトランジスタと
を含んで構成される。フォトダイオードとユニットセル
29間はそれぞれInバンプ14により接続されてい
る。このハイブリッド赤外線センサは室温またはそれ以
上の温度で組み立てられるが、使用状態では例えば液体
窒素温度(77K)にまで冷却される。
【0005】この赤外線センサは次のように動作する。
図示されるように、HgCdTe基板10の裏面より赤
外線が照射されると、基板の反対側の面に形成されたフ
ォトダイオードにその強度に応じた電荷が発生する。そ
して、1列のユニットセル29のMOSトランジスタを
オンさせることにより対応する列のフォトダイオードに
蓄積された信号電荷を一斉に読み出すことができる。オ
ンさせるトランジスタを順次移動させて画面全体の信号
電荷を読み出す。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この種赤外線センサで
は高いS/Nで画像データを得るために低温で動作させ
る。例えば、8〜14μm帯の赤外光を検出するために
は、液体窒素温度まで冷却することが必要となる。ここ
で上述の赤外線センサでは、HgCdTeとシリコンの
熱膨張係数はそれぞれ4.8×10-6[K-1]、2.5
×10-6[K-1]である。したがって、室温から液体窒
素温度にまで冷却されると、10mm角のHgCdTe
基板ではシリコン基板に対し片側約3.5μm程度変位
することになる。そして、不使用状態では再び室温に戻
されることになるため、この赤外線センサには室温〜7
7Kのサーマルサイクルが加えられ、その都度機械的ス
トレスをうけることになる。
【0007】このサーマルサイクルによる機械的ストレ
スは変位量の大きい四隅におけるInバンプに集中し、
隅からバンプの破損が始まる。その結果、HgCdTe
基板がシリコン基板から剥離するようになり、そして一
旦剥離が始まると急激に全面に進行する。ところで、I
nバンプの接合状態はデバイス毎に異なるため、サーマ
ルサイクルに対する耐性のばらつきは大きく、そのため
破壊時期を予想することは困難である。
【0008】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、第1に、Inバンプに加わ
るストレスを緩和してその破損を抑制することであり、
第2に、Inバンプの劣化状態を検出しうるようにする
ことである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、化合物半導体からなり、そのイメ
ージ領域に二次元アレイ状に光検出素子が形成された第
1の半導体基板と、シリコンからなり、前記光検出素子
において生成された信号電荷を個別に受ける金属電極が
前記光検出素子に1対1に対応して形成され、その信号
電荷を読み出す手段が形成された第2の半導体基板と、
を有し、前記光検出素子と前記金属電極との間が金属バ
ンプにより接続されているハイブリッド型固体撮像素子
において、前記イメージ領域の外側には前記第1および
第2の半導体基板間を接続する補強用金属バンプが前記
イメージ領域の中央を中心として対称的に設けられ、か
つ、前記補強用金属バンプの破断状態を検出する機能が
備えられていることを特徴とするハイブリッド型赤外線
センサ、が提供される。
【0010】
【作用】イメージ領域の外側に補強用のバンプを設けた
ことにより、サーマルサイクルに伴う機械的ストレス
は、この補強用のバンプが強くうけるようになり、その
結果イメージ領域のバンプに加わるストレスは軽減され
る。また、この補強用のバンプの損傷状態を知りうるよ
うにすることより、サーマルサイクルによる劣化がイメ
ージ領域に及ぶ前にそれを検知することができるように
なり、赤外線センサとしての使用に支障を来す前にデバ
イスの交換を行うことが可能になる。
【0011】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は、本発明の第1の実施例におけるH
gCdTe基板の部分平面図であって、同図には、フォ
トダイオードが正方マトリクス状に配列されているイメ
ージ領域11と周辺領域12の境界付近の一隅分が示さ
れている。HgCdTe基板としてはp型の基板が用い
られており、イメージ領域11の内側周囲はグランド領
域13となされ、この領域の基板表面領域にはp+ 型の
拡散層が形成されている。
【0012】イメージ領域11の表面には、フォトダイ
オード用バンプ(以下、PD用バンプと記す)14aと
グランド用バンプ14bが形成されており、周辺領域1
2上には補強用バンプ14cが形成されている。各バン
プはInにより形成されている。各PD用バンプ14a
の下にはそれぞれ金属電極(図示なし)が形成されてお
り、そして各金属電極の下のHgCdTe基板の表面領
域内にはフォトダイオードを構成するn型拡散層が形成
されている。また、グランド用バンプ14bは、前述の
+ 型拡散層と接触する金属電極(図示なし)上に形成
されている。
【0013】補強用バンプ14cは、ダミーの金属電極
上に形成されている。そして、イメージ領域11の中央
11aを中心とする同心円上に配置されている。図1に
は、イメージ領域の一隅について記載しているだけであ
るが、四隅とも同様に構成されている。また、Inバン
プの形成プロセスにおいて、その成長速度がバンプ断面
積により異なることを考慮して、補強用バンプ14cは
イメージ領域内のバンプ14a、14bと同径にしてい
る。径の太い補強用バンプを形成するためには、イメー
ジ領域内のバンプと高さを揃えるために新たなプロセス
が必要となるからである。以上は、HgCdTe基板に
ついてのバンプ配置に関する説明であったが、シリコン
基板上でも同様にバンプが形成され、両基板はバンプ同
士を接合することにより合体される。
【0014】補強用バンプを新たに設置する上で、サー
マルストレスが補強用バンプに均等にかかるような配列
をとることが重要である。サーマルサイクル試験の結
果、剥離はイメージ領域の四隅から始まり次第に中心方
向に進行することがわかった。よって補強用バンプの配
列もこれと一致させることが効果的である。本実施例で
は、補強用バンプ14aを図1に示すようにイメージ領
域の中央11aを中心とする円弧上に配列したことによ
り、効果的にイメージ領域内のバンプの破損を防止する
ことができる。
【0015】図2は、本発明の第2の実施例を説明する
ための平面図であって、図2(a)は、読み出し用MO
SIC28の平面図であり、図2(b)はその読み出し
領域のコーナ部の平面図である。図2(a)に示される
ように、読み出し用MOSIC28は、シリコン基板2
0を用いて形成されている。シリコン基板20上には、
HgCdTe基板のイメージ領域に対応して読み出し領
域21が設けられており、この読み出し領域21にはH
gCdTe基板上のフォトダイオードに対応してユニッ
トセルがマトリクス状に配置されている(図4参照)。
【0016】読み出し領域21の外側の周辺領域22に
は、補強用バンプ領域25が設けられ、またボンディン
グパッド26が形成されている。このボンディングパッ
ドを介して各ユニットセルのMOSトランジスタの駆動
パルスが与えられるほかHgCdTe基板にて生成され
た画像信号もこのボンディングパッドを介して外部に読
み出される。また、補強用バンプ領域25の電極から引
き出された配線もボンディングパッド26に接続されて
いる。
【0017】シリコン基板20はp型の基板であって、
読み出し領域21の内側周囲の基板上にはグランド電極
23が形成されており、このグランド電極23下の基板
表面にはp+ 型拡散層(図示なし)が形成されている。
【0018】読み出し領域21の表面には、In製のP
D用バンプ24aとグランド用バンプ24bが形成され
ており、周辺領域22上には同じくIn製の補強用バン
4cが形成されている。各PD用バンプ24aの下
にはそれぞれ信号電荷読み出し用のMOSトランジスタ
に接続された金属電極が形成されている。
【0019】本実施例においては、補強用バンプ24c
は、読み出し領域上のバンプ24a、24bより大径に
形成されている。このようにすることにより補強用バン
プの強度が高くなり、読み出し領域上のバンプをより効
果的の保護することができる。また、このような大径の
補強用バンプを用いることに代えて、径を同径として読
み出し領域上よりもバンプの密度を高くすることにより
機械的強度を高めることもできる。
【0020】また、補強用バンプ24cは、断線検出用
電極27a、27b上に形成されている。断線検出用電
極27aと断線検出用電極27bはそれぞれ別々のボン
ディングパッドに接続されている。この補強用バンプ
は、HgCdTe基板上において、基板表面領域内に形
成されたp+ 型拡散層により短絡されている。p+ 型拡
散層により短絡するのに代えて金属電極により短絡する
ようにしてもよい。
【0021】両基板を組み立てた直後の状態での補強用
バンプの等価回路を図3(a)に示す。図中、Ra、R
bはそれぞれ断線検出用電極27a、27b上に形成さ
れた補強用バンプ24cの抵抗を示している。端子A、
B間で抵抗Rbの並列接続体と抵抗Raとの直列接続の
抵抗値を測定することができる。サーマルサイクルを重
ね補強用バンプが剥離し始めると図3(b)に示す状態
となり、抵抗値が増加する。定期的に四隅のA、B間の
抵抗を測定することによりデバイスの劣化状態を検知す
ることができ、デバイスが破壊にいたる前にデバイスの
交換を行うことができる。この実施例では、断線検出用
電極27a上には1個のバンプのみが形成されていた
が、この電極上に2個乃至それ以上のバンプを形成する
ようにしてもよい。
【0022】以上好ましい実施例について説明したが、
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、特許
請求の範囲に記載された範囲内において適宜の変更が可
能なものである。例えば、光検出素子の形成される基板
として、HgCdTeに代えInSb、ZnHgTe、
InAsSb等他の化合物半導体を用いることができ
る。また、MOSトランジスタを用いた電荷読み出し方
式に代えCCD等の電荷転送デバイスを用いる方式を採
用することができる。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるハイ
ブリッド型赤外線センサは、補強用バンプをイメージ領
域(読み出し領域)の外部四隅に設けたものであるの
で、サーマルサイクルによるストレスを補強用バンプに
よって受けるようにすることができ、素子領域のバンプ
損傷を抑制することができる。特に、補強用バンプのレ
イアウトとして、サーマルストレスが均等にかかる配列
を採ることにより、より高い補強効果が得られる。具体
的には、補強バンプを用いない従来型デバイスの場合、
20回のサーマルサイクルにより接合率が80%まで低
下したのに対し、本発明による補強用バンプを用いたデ
バイスでは、100回のサーマルサイクルで99%以上
の接合率を維持できた。
【0024】さらに、補強用バンプをサーマルサイクル
による劣化状況を検知するための手段として使用してい
るので、イメージ領域内の画素の剥離が始まる前に劣化
状況を把握することが可能になり、これにより赤外線検
出器としての使用に支障を来す前にデバイスの交換を行
うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例におけるHgCdTe基
板の部分平面図。
【図2】本発明の第2の実施例における読み出し用MO
SICの平面図。
【図3】本発明の第2の実施例の効果を説明するための
等価回路図。
【図4】従来例の斜視図。
【符号の説明】
10 HgCdTe基板 11 イメージ領域 11a イメージ領域の中心 12、22 周辺領域 13 グランド領域 14 Inバンプ 14a、24a PD用バンプ(フォトダイオード用バ
ンプ) 14b、24b グランド用バンプ 14c、24c 補強用バンプ 15 絶縁膜 20 シリコン基板 21 読み出し領域 23 グランド電極 25 補強用バンプ領域 26 ボンディングパッド 27a、27b 断線検出用電極 28 読み出し用MOSIC 29 ユニットセル

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化合物半導体からなり、そのイメージ領
    域に二次元アレイ状に複数の光検出素子が形成された第
    1の半導体基板と、 シリコンからなり、各光検出素子に対応した位置に金属
    電極が形成され前記光検出素子において生成された信号
    電荷を個別に読み出す手段が形成された第2の半導体基
    板と、 を有し、前記光検出素子と前記金属電極との間が金属バ
    ンプにより接続されているハイブリッド型赤外線センサ
    において、 前記イメージ領域の外側には前記第1および第2の半導
    体基板間を接続する補強用金属バンプが前記イメージ領
    域の中央を中心として対称的に設けられ、かつ、前記補
    強用金属バンプの破断状態を検出する機能が備えられ
    いることを特徴とするハイブリッド型赤外線センサ。
  2. 【請求項2】 前記補強用金属バンプは、前記イメージ
    領域の四隅にそれぞれ複数個設けられ、それらがイメー
    ジ領域の中央を中心とする円弧上に配置されていること
    を特徴とする請求項1記載のハイブリッド型赤外線セン
    サ。
  3. 【請求項3】 前記補強用金属バンプは前記イメージ領
    域の四隅に前記イメージ領域よりも高い密度でそれぞれ
    複数個設けられ、かつ、その径はイメージ領域に形成さ
    れた金属バンプとほぼ同一であることを特徴とする請求
    項1記載のハイブリッド型赤外線センサ。
  4. 【請求項4】 前記補強用金属バンプの径が前記イメー
    ジ領域における金属バンプのそれより大きいことを特徴
    とする請求項1記載のハイブリッド型赤外線センサ。
  5. 【請求項5】 前記補強用金属バンプは、前記イメージ
    領域の四隅にそれぞれ複数個設けられ、各隅毎に補強用
    金属バンプは2群に分けられ、一方の基板上でそれぞれ
    の群の補強用金属バンプは短絡されると共に群間では分
    離され、他方の基板上では全補強用金属バンプが短絡さ
    れていることを特徴とする請求項記載のハイブリッド
    型赤外線センサ。
  6. 【請求項6】 化合物半導体からなり、そのイメージ領
    域に二次元アレイ状に複数の光検出素子が形成された第
    1の半導体基板と、 シリコンからなり、各光検出素子に対応した位置に金属
    電極が形成され前記光検出素子において生成された信号
    電荷を個別に読み出す手段が形成された第2の半導体基
    板と、 を有し、前記光検出素子と前記金属電極との間が金属バ
    ンプにより接続されているハイブリッド型赤外線センサ
    において、 前記第1および第2の半導体基板間を接続する補強用金
    属バンプが前記イメージ領域の外側四隅に前記イメージ
    領域よりも高い密度でそれぞれ複数個設けられ、かつ、
    その径はイメージ領域に形成された金属バンプとほぼ同
    一であることを特徴とするハイブリッド型赤外線セン
    サ。
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