JP5016383B2

JP5016383B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP5016383B2
Application number: JP2007138277A
Authority: JP
Inventors: 幸司辻; 山中　　浩; 宜志竹川; 亮友井田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: JP2008292312A

Description

本発明は、赤外線センサからなるセンサ装置に関するものである。

近年、チップサイズパッケージ（Chip Size Package：ＣＳＰ）を有するセンサ装置として、ウェハレベルパッケージング技術を利用して形成したセンサ装置が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１参照）。

ここにおいて、上記特許文献１には、図９（ａ）に示すように、複数のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子２１１およびＭＥＭＳ素子２１１に電気的に接続された金属配線（引き出し電極）２１７を形成した第１の半導体ウェハ２１０と、金属配線２１７に電気的に接続される貫通孔配線２２４およびＭＥＭＳ素子２１１を気密封止する空間を形成するための凹所２２１を形成した第２の半導体ウェハ２２０とを対向させてから、図９（ｂ）に示すように第１の半導体ウェハ２１０と第２の半導体ウェハ２２０とをウェハレベルで貼り合わせることでウェハレベルパッケージ構造体２００を形成し、ウェハレベルパッケージ構造体２００から個々のセンサ装置に分割する技術が開示されている。なお、このようにして製造されたセンサ装置は、第１の半導体ウェハ２１０から切り出された部分がセンサ基板を構成し、第２の半導体ウェハ２２０から切り出された部分が貫通孔配線形成基板を構成している。

ここで、第１の半導体ウェハ２１０における第２の半導体ウェハ２２０との対向面には、各センサ装置に対応する領域ごとに、ＭＥＭＳ素子２１１および当該ＭＥＭＳ素子２１１に電気的に接続された金属配線２１７を囲む第１の封止用金属層（封止用下地金属膜）２１８が形成され、第２の半導体ウェハ２２０における第１の半導体ウェハ２１０との対向面には、各センサ装置に対応する領域ごとに、凹所２２１を囲み第１の封止用金属層２１８に対向する第２の封止用金属層（封止用下地金属膜）２２８が形成されている。

また、第１の半導体ウェハ２１０は、第１の封止用金属層２１８よりも内側で金属配線２１７と電気的に接続された第１の電気接続用金属層２１９が形成され、第２の半導体ウェハ２２０は、第２の封止用金属層２２８よりも内側に貫通孔配線２２４と電気的に接続された第２の電気接続用金属層２２９が形成されている。

また、上述のウェハレベルパッケージ構造体２００は、第１の半導体ウェハ２１０の第１の封止用金属層２１８と第２の半導体ウェハ２２０の第２の封止用金属層２２８とが例えばＡｕＳｎなどの半田からなる第１の半田部２３８を介して接合されるとともに、第１の電気接続用金属層２１９と第２の電気接続用金属層２２９とが第２の半田部２３９を介して接合されている。

ところで、上記特許文献１に記載されたセンサ装置は、ＭＥＭＳ素子２１１として熱型赤外線検出素子（熱型赤外線検出部）を設けることにより、赤外線センサとして用いることができる。
特開２００５−２５１８９８号公報

上記特許文献１に記載のウェハレベルパッケージング技術を利用して形成されたセンサ装置では、金属配線２１７と電気的に接続される第１の電気接続用金属層２１９が、金属配線２１７のうち厚み方向において第２の電気接続用金属層２２９と重なる部位上に形成されているので、第１の電気接続用金属層２１９と金属配線２１７との接触面積を比較的大きくすることができて第１の電気接続用金属層２１９と金属配線２１７とのコンタクト抵抗を小さくすることができる。

しかしながら、上述のセンサ装置では、第２の半導体ウェハ２２０側に形成されている第２の電気接続用金属層２２９と第２の封止用金属層２２８とが同一平面上において略同じ高さに形成されている一方で、第１の半導体ウェハ２１０側では第１の電気接続用金属層２１９の形成面を含む平面に対して第１の電気接続用金属層２１９と第１の封止用金属層２１８とで高さが異なっており、第２の電気接続用金属層２２９と第１の電気接続用金属層２１９との間の距離と、第２の封止用金属層２２８と第１の封止用金属層２１８との間の距離との距離差を吸収して電気接続用金属層２２９，２１９同士および封止用金属層２２８，２１８同士を接合するために、製造にあたっては、第２の電気接続用金属層２２９および第２の封止用金属層２２８それぞれにおける接合箇所に所定量の半田をソルダーシュート法により供給してから、第１の半導体ウェハ２１０と第２の半導体ウェハ２２０とを重ね合わせてリフローを行う必要があり、製造プロセスが複雑になるとともに、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の距離の高精度化が難しかった。また、上記特許文献１に記載の技術では、半田としてＡｕＳｎを用いる場合には、リフローの工程のプロセス温度が２８０℃以上になり、接合界面近傍の残留応力が大きくなって当該残留応力に起因してセンサ特性が変動してしまうという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能で且つ接合信頼性の高いセンサ装置を提供することにある。

請求項１の発明は、第１の半導体基板を用いて形成され熱型赤外線検出部を有するセンサ基板と、第２の半導体基板を用いて形成され熱型赤外線検出部に電気的に接続される貫通孔配線を有しセンサ基板の一表面側に封着された貫通孔配線形成基板とを備え、センサ基板は、第１の半導体基板の主表面側に絶縁層が形成され該絶縁層のうちセンサ基板における貫通孔配線形成基板との接合用領域部に形成されている部位をエッチバックすることにより接合用領域部の表面を平坦化した後で、接合用領域部の表面上にセンサ基板の前記一表面における周部の全周に亘って第１の封止用金属層が形成されるとともに、第１の封止用金属層よりも内側に熱型赤外線検出部と電気的に接続された第１の電気接続用金属層が形成され、貫通孔配線形成基板は、センサ基板側の表面における周部の全周に亘って第２の封止用金属層が形成されるとともに、第２の封止用金属層よりも内側に貫通孔配線と電気的に接続された第２の電気接続用金属層が形成され、センサ基板と貫通孔配線形成基板とは、前記各電気接続用金属層と前記各封止用金属層とが同一の金属材料によりなり、それぞれの接合面が活性化された第１の封止用金属層と第２の封止用金属層とが常温接合されるとともに、それぞれの接合面が活性化された第１の電気接続用金属層と第２の電気接続用金属層とが常温接合され、貫通孔配線形成基板は、第２の電気接続用金属層における第１の電気接続用金属層との接合部位を、当該第２の電気接続用金属層における貫通孔配線との接続部位からずらしてあることを特徴とする。

この発明によれば、第２の電気接続用金属層における第１の電気接続用金属層との接合部位を、当該第２の電気接続用金属層における貫通孔配線との接続部位からずらしてあるので、第２の電気接続用金属層において第１の電気接続用金属層との接合部位の接合前の表面の平滑性を高めることができ、第１の電気接続用金属層と第２の電気接続用金属層とを常温接合法により常温接合する場合の接合信頼性を高めることが可能となるから、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能で且つ接合信頼性が高くなる。また、この発明によれば、第１の電気接続用金属層と第２の電気接続用金属層との接合と、第１の封止用金属層と第２の封止用金属層との接合とを、常温接合法により同時に行うことが可能となり、従来のように接合箇所ごとに半田を供給する工程およびリフローの工程をなくすことができ、製造プロセスの簡略化を図れるとともに前記センサ基板と前記貫通孔配線形成基板との間の距離の高精度化を図れ、しかも、残留応力に起因したセンサ特性の変動を抑制することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記貫通孔配線形成基板における前記第２の電気接続用金属層は、細長の形状であり且つ長手方向が前記第２の封止用金属層の周方向に一致する形で配置されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の電気接続用金属層が、細長の形状であり且つ長手方向が前記第２の封止用金属層の周方向に一致する形で配置されているので、前記センサ基板の前記第１の封止用金属層の幅方向における前記第１の電気接続用金属層の外形寸法を小さくすることが可能となり、前記センサ基板に対して前記熱型赤外線検出部の占める面積比である開口率を大きくしたり、あるいは、センサ装置全体の小型化を図れる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記センサ基板は、前記熱型赤外線検出部と協働する集積回路が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、センサ装置と、前記熱型赤外線検出部と協働する集積回路を形成したＩＣチップとを１つのパッケージに収納したセンサモジュールに比べて小型化および低コスト化を図れ、また、前記熱型赤外線検出部と集積回路との間の配線長を短くすることができ、センサ性能の向上を図れる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とはウェハレベルで接合されてから所望のチップサイズに切断されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記貫通孔配線形成基板が前記センサ基板と同じ外形サイズとなり、小型のチップサイズパッケージを実現できる。

請求項１の発明では、センサ基板と貫通孔配線形成基板との間の接合を容易に行うことが可能で且つ接合信頼性を高めることができるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態のセンサ装置について図１および図２を参照しながら説明する。なお、図１は、図２をＡ−Ａ’で階段状に切断し矢印の方向から見た場合の概略の断面図に対応するものである。

本実施形態のセンサ装置は、赤外線センサであり、第１の半導体基板１０の主表面側に周囲と熱絶縁された熱型赤外線検出部１３を形成したセンサ基板１と、第２の半導体基板２０を用いて形成されセンサ基板１の主表面（一表面）側において熱型赤外線検出部１３を囲みセンサ基板１との間にキャビティ３０が形成される形でセンサ基板１の主表面側に封着されたパッケージ用基板２とを備えている。ここにおいて、センサ基板１およびパッケージ用基板２の外周形状は矩形状であり、パッケージ用基板２はセンサ基板１と同じ外形寸法に形成されている。なお、本実施形態では、各半導体基板１０，２０それぞれに、シリコン基板を採用している。

センサ基板１は、第１の半導体基板１０と当該第１の半導体基板１０の主表面上に形成されたシリコン窒化膜からなる絶縁膜１１とで構成されるベース基板部１２と、上述の熱型赤外線検出部１３と、熱型赤外線検出部１３とベース基板部１２とを熱絶縁する断熱部１４とを備えている。なお、本実施形態における断熱部１４は、ベース基板部１２の一表面から熱型赤外線検出部１３が離間して配置されるように熱型赤外線検出部１３を支持している。

断熱部１４は、熱型赤外線検出部１３を保持した保持部１４ａと、保持部１４ａとベース基板部１２とを連結した２つの脚部１４ｂ，１４ｂとを有している。なお、断熱部１４については、後述する。

熱型赤外線検出部１３は、温度に応じて電気抵抗値が変化するボロメータ形のセンシングエレメントであり、保持部１４ａ側のＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上のＴｉＮ膜とからなるセンサ層で構成されている。ここで、ＴｉＮ膜は、Ｔｉ膜の酸化防止膜として設けてある。なお、センサ層の材料としては、Ｔｉに限らず、例えば、アモルファスＳｉ、ＶＯｘなどを採用してもよい。また、熱型赤外線検出部１３は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントに限らず、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメント、サーモパイル型のセンシングエレメント、焦電型のセンシングエレメントなどを採用してもよく、いずれのセンシングエレメントを採用した場合でも、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。ここにおいて、温度に応じて誘電率の変化するセンシングエレメントの材料としては、例えば、ＰＺＴ、ＢＳＴなどを採用すればよい。

熱型赤外線検出部１３は、平面形状が蛇行した形状（ここでは、つづら折れ状の形状）に形成されており、両端部が断熱部１４の脚部１４ｂ，１４ｂに沿って延長された配線層１５，１５および当該配線層１５，１５に電気的に接続された引出し配線１６，１６を介してベース基板部１２の周部の接合用領域部Ｅ３における絶縁膜１１上の第１の電気接続用金属層１９，１９と電気的に接続されている。ここにおいて、本実施形態におけるセンサ基板１では、引き出し配線１６の一端部が配線層１５上に形成されるとともに、他端部が絶縁膜１１上に形成された第１の電気接続用金属層１９上に形成されている。本実施形態では、断熱部１４が、絶縁膜１１の表面側に形成した絶縁膜である多孔質シリカ膜からなる多孔質膜１４０（図３（ｃ）参照）をパターニングすることにより形成されており、シリコン窒化膜からなる絶縁膜１１と当該絶縁膜１１の表面側に形成された多孔質膜１４０とで、第１の半導体基板１０の主表面側に形成された絶縁層を構成している。要するに、本実施形態におけるセンサ基板１では、第１の半導体基板１０の主表面側に形成された絶縁層において熱型赤外線検出部１３および配線層１５，１５が形成された第１の領域と第１の電気接続用金属層１９および第１の封止用金属層１８が形成された第２の領域との間に段差が形成され、熱型赤外線検出部１３と第１の電気接続用金属層１９とを電気的に接続する引き出し配線１６が絶縁層の表面に沿って形成されている。ここで、本実施形態では、引き出し配線１６の膜厚と第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９の膜厚とが独立して設定されており、引き出し配線１６の設定膜厚（第１の規定膜厚）を第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９の設定膜厚（第２の規定膜厚）よりも厚く設定してある。なお、引き出し配線１６は、密着性改善用のＴｉ膜と、Ａｕ膜との積層膜により構成してある。また、本実施形態では、配線層１５，１５の材料として、熱型赤外線検出部１３を構成するセンサ層と同じ材料を採用しており（ここでは、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜との積層膜）、配線層１５，１５と熱型赤外線検出部１３とを同時に形成している。また、第１の電気接続用金属層１９と引き出し配線１６とは、第１の電気接続用金属層１９における引き出し配線１６との接続部位が、パッケージ用基板２におけるセンサ基板１との対向面に形成された後述の熱絶縁用凹部２１内に位置する形で電気的に接続されている。

上述の断熱部１４における脚部１４ｂ，１４ｂは、ベース基板部１２の上記一表面側において立設された支持ポスト部１４ｂ_２，１４ｂ_２と、支持ポスト部１４ｂ_２，１４ｂ_２の上端部と保持部１４ａとを連結した梁部１４ｂ_１，１４ｂ_１とで構成されており、保持部１４ａとベース基板部１２との間に間隙１７が形成されている。ここで、保持部１４ａの外周形状が矩形状であって、各梁部１４ｂ_１，１４ｂ_１は、保持部１４ａの一側縁の長手方向の一端部から当該一側縁に直交する方向に延長され更に当該一側縁の上記一端部から他端部に向う方向に沿って延長された平面形状に形成されており、保持部１４ａの厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されている。なお、上述の配線層１５，１５の線幅は、当該配線層１５，１５を通した熱伝達を抑制するために梁部１４ｂ_１，１４ｂ_１の幅寸法よりも十分に小さく設定してある。また、支持ポスト部１４ｂ_２，１４ｂ_２は、引き出し配線１６，１６により補強されている。

また、上述の断熱部１４の脚部１４ｂ，１４ｂおよび保持部１４ａは、電気絶縁性を有する多孔質材料により形成されている。ここで、断熱部１４の脚部１４ｂ，１４ｂおよび保持部１４ａの多孔質材料として、多孔質の酸化シリコンの一種であるポーラスシリカを採用しているが、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマーの一種であるメチル含有ポリシロキサン、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの一種であるＳｉ−Ｈ含有ポリシロキサン、シリカエアロゲルなどを採用してもよく、多孔質材料として、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料を採用すれば、断熱部１４の形成にあたっては、ゾルゲル溶液をベース基板部１２の上記一表面側に回転塗布してから、乾燥させるプロセスを採用することができ、断熱部１４を容易に形成することが可能となる。

ここにおいて、本実施形態における断熱部１４は、多孔度が６０％のポーラスシリカ膜（多孔質シリコン酸化膜）により構成してあるが、多孔度が小さ過ぎると十分な断熱効果が得られず多孔度が大き過ぎると機械的強度が弱くなって構造形成が困難となるので、ポーラスシリカ膜の多孔度は例えば１０％〜８０％程度の範囲内で適宜設定すればよい。

上述のセンサ基板１では、断熱部１４における保持部１４ａが多孔質材料により形成されているので、保持部１４ａがＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、保持部１４ａの低熱容量化を図れ、応答速度のより一層の高速化を図れる。さらに、本実施形態におけるセンサ基板１では、断熱部１４における脚部１４ｂも多孔質材料により形成されているので、脚部１４ｂがＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、脚部１４ｂの熱コンダクタンスを小さくできて高感度化を図れるとともに脚部１４ｂの熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れるから、高性能化を図れる。

ところで、センサ基板１の接合用領域部Ｅ３では、上述の絶縁膜１１上に、枠状（矩形枠状）の第１の封止用金属層１８が形成されており、上述の複数の第１の電気接続用金属層１９が第１の封止用金属層１８よりも内側で絶縁膜１１上に形成されている。要するに、センサ基板１は、第１の封止用金属層１８と各電気接続用金属層１９とが、絶縁膜１１を下地層として同一レベル面上に同一厚さで形成されている。

第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９は、接合用のＡｕ膜と絶縁膜１１との間に密着性改善用のＴｉ膜を介在させてある。言い換えれば、第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９は、絶縁膜１１上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第１の電気接続用金属層１９と第１の封止用金属層１８とは同一の金属材料により形成されているので、第１の電気接続用金属層１９と第１の封止用金属層１８とを同時に形成することができるとともに、第１の電気接続用金属層１９と第１の封止用金属層１８とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここにおいて、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、本実施形態では、各Ａｕ膜と絶縁膜１１との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。

一方、パッケージ用基板２は、センサ基板１側の表面である一表面に、熱型赤外線検出部１３を熱絶縁する熱絶縁用凹部２１が形成されている。また、パッケージ用基板２は、熱絶縁用凹部２１の周部に、厚み方向に貫通する複数（本実施形態では、２個）の貫通孔２２が形成されており、上記一表面および他表面と各貫通孔２２の内面とに跨って熱酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜２３が形成され、貫通孔２２の内側に形成された貫通孔配線２４と貫通孔２２の内面との間に絶縁膜２３の一部が介在している。なお、本実施形態では、パッケージ用基板２が、熱型赤外線検出部１３に電気的に接続される貫通孔配線２４を有する貫通孔配線形成基板を構成している。

ここにおいて、パッケージ用基板２は、熱絶縁用凹部２１の開口面の投影領域内にセンサ基板１の熱型赤外線検出部１３および断熱部１４が収まるように熱絶縁用凹部２１の開口面積を大きくしてある。なお、貫通孔配線２４の材料としては、Ｃｕを採用しているが、Ｃｕに限らず、例えば、Ｎｉなどを採用してもよい。また、パッケージ用基板２における絶縁膜２３は、熱絶縁用凹部２１の開口面の投影領域内には形成されていない。

また、パッケージ用基板２は、センサ基板１側の表面において熱絶縁用凹部２１の周部に、各貫通孔配線２４それぞれと電気的に接続された複数の第２の電気接続用金属層２９が形成されている。また、パッケージ用基板２は、センサ基板１側の表面の周部の全周に亘って枠状（矩形枠状）の第２の封止用金属層２８が形成されており、上述の複数の第２の電気接続用金属層２９が第２の封止用金属層２８よりも内側に配置されている（ここで、第２の封止用金属層２８と各電気接続用金属層２９とは絶縁膜２３の同一レベル面上に同一厚さで形成してある）。ここにおいて、第２の電気接続用金属層２９は、外周形状が長方形状であり、長手方向の一端部が貫通孔配線２４と接合されており、他端側の部位がセンサ基板１の第１の電気接続用金属層１９と接合されて電気的に接続されるように配置してある。要するに、貫通孔配線２４と当該貫通孔配線２４に対応する第１の電気接続用金属層１９との位置をずらしてあり、第２の電気接続用金属層２９を、貫通孔配線２４と第１の電気接続用金属層１９とに跨る形で配置してある。

また、第２の封止用金属層２８および第２の電気接続用金属層２９は、接合用のＡｕ膜と絶縁膜２３との間に密着性改善用のＴｉ膜を介在させてある。言い換えれば、第２の封止用金属層２８および第２の電気接続用金属層２９は、絶縁膜２３上に形成されたＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層膜により構成されている。要するに、第２の電気接続用金属層２９と第２の封止用金属層２８とは同一の金属材料により形成されているので、第２の電気接続用金属層２９と第２の封止用金属層２８とを同時に形成することができるとともに、第２の電気接続用金属層２９と第２の封止用金属層２８とを略同じ厚さに形成することができる。なお、第２の封止用金属層２８および第２の電気接続用金属層２９は、Ｔｉ膜の膜厚を１５〜５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。ここにおいて、各Ａｕ膜の材料は、純金に限らず不純物を添加したものでもよい。また、本実施形態では、各Ａｕ膜と絶縁膜２３との間に密着性改善用の密着層としてＴｉ膜を介在させてあるが、密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。

また、パッケージ用基板２におけるセンサ基板１側とは反対側の表面には、各貫通孔配線２４それぞれと電気的に接続された複数の外部接続用電極２５が形成されている。ここで、各外部接続用電極２５は、例えば、Ｃｕ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されており、例えば、リフロー用パッドとして利用することができる。なお、各外部接続用電極２５の外周形状は矩形状となっている。

ところで、上述のセンサ基板１とパッケージ用基板２とは、第１の封止用金属層１８と第２の封止用金属層２８とが接合されるとともに、第１の電気接続用金属層１９と第２の電気接続用金属層２９とが接合されている。本実施形態の赤外線センサの製造にあたっては、上述の第１の半導体基板１０の基礎となる第１のシリコンウェハにセンサ基板１を複数形成したセンサウェハと、上述の第２の半導体基板２０の基礎となる第２のシリコンウェハにパッケージ用基板２を複数形成したパッケージウェハとをウェハレベルで常温接合することでウェハレベルパッケージ構造体を形成してから、個々の赤外線センサに分割する分割工程（ダイシング工程）により個々の赤外線センサに分割されている。したがって、パッケージ用基板２とセンサ基板１とが同じ外形サイズとなり、小型のチップサイズパッケージを実現できるとともに、製造が容易になる。ここにおいて、本実施形態の赤外線センサでは、センサ基板１とパッケージ用基板２とで囲まれた空間が真空雰囲気となっている。また、本実施形態では、センサ基板１とパッケージ用基板２との接合方法として、センサ基板１の残留応力（熱応力）を少なくするためにより低温での接合が可能な常温接合法を採用している。

以下、センサ基板１の製造方法について図３を参照しながら説明する。なお、図３では、図２をＡ−Ａ’で階段状に切断し矢印の方向から見た場合の断面に対応する部位の断面を示してある。

まず、第１の半導体基板１０の主表面側にシリコン窒化膜からなる絶縁膜１１を例えばＬＰＣＶＤ法により形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、図３（ａ）に示す構造を得る。

その後、第１の半導体基板１０と絶縁膜１１とからなるベース基板部１２の一表面側（図３（ａ）における上面側）に断熱部１４を形成するためにポリイミドからなる犠牲層３１を形成する犠牲層形成工程を行うことによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。

続いて、ベース基板部１２の上記一表面側の全面に断熱部１４の材料である多孔質材料（例えば、ポーラスシリカ、シリカエアロゲルなど）からなる多孔質膜１４０を成膜する多孔質膜成膜工程を行うことによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、多孔質膜１４０の形成にあたっては、上記多孔質材料がポーラスシリカの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板部１２の上記一表面側に回転塗布してから、熱処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができ、上記多孔質材料がシリカエアロゲルの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板部１２の上記一表面側に回転塗布してから、超臨界乾燥処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができる。なお、本実施形態では、絶縁膜１１と当該絶縁膜１１の表面側の絶縁膜である多孔質膜１４０とで第１の半導体基板１０の主表面側に形成された絶縁層を構成しているが、この段階では絶縁層に上記段差は形成されていない。

上述の多孔質膜成膜工程の後、ベース基板部１２の上記一表面側の全面に熱型赤外線検出部１３および配線層１５，１５の基礎となるＴｉ膜とＴｉＮ膜との積層膜からなるセンサ材料層をスパッタ法などにより成膜するセンサ材料層成膜工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してセンサ材料層をパターニングすることでそれぞれセンサ材料層の一部からなる熱型赤外線検出部１３および配線層１５，１５を形成するパターニング工程を行うことによって、図３（ｄ）に示す構造を得る。

次に、上述の多孔質膜１４０のうち断熱部１４に対応する部位に形成されている部分以外をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してエッチング除去する多孔質膜パターニング工程を行うことによって、図３（ｅ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、多孔質膜パターニング工程が、第１の半導体基板１０の主表面側に形成された絶縁層のうち接合用領域部Ｅ３に形成されている部位をエッチバックすることにより接合用領域部Ｅ３の表面を平坦化する平坦化工程を兼ねており、当該平坦化工程のエッチバックでは、シリコン窒化膜からなる絶縁膜１１をエッチングストッパ層として利用している。また、平坦化工程を行うことにより、絶縁層に上記段差が形成される。

その後、接合用領域部Ｅ３の絶縁膜１１の表面上に第２の規定膜厚の第１の封止用金属層１８および第２の規定膜厚の第１の電気接続用金属層１９を形成する金属層形成工程を行うことによって、図３（ｆ）に示す構造を得る。したがって、第１の半導体基板１０の主表面側に形成された絶縁層において熱型赤外線検出部１３が形成された領域と第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９が形成された接合用領域部Ｅ３との間には段差が形成されている。ここにおいて、金属層形成工程では、第１の半導体基板１０の主表面側に、第１の封止用金属層１８、第１の電気接続用金属層１９をスパッタ法などの薄膜形成技術およびリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成している。

上述の金属層形成工程の後、第１の半導体基板１０の主表面側に第１の規定膜厚の引き出し配線１６を形成する引き出し配線形成工程を行うことによって、図３（ｇ）に示す構造を得る。ここにおいて、引き出し配線形成工程では、第１の半導体基板１０の主表面側に、引き出し配線１６をスパッタ法などの薄膜形成技術およびリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成している。

その後、第１の半導体基板１０の主表面側の犠牲層３１を選択的にエッチング除去することで間隙１７を形成することによって、図３（ｈ）に示す構造のセンサ基板１を得る。

以下、パッケージ用基板２の製造方法について図４を参照しながら説明する。なお、図４では、図２のＡ−Ａ’断面に対応する部位の断面を示してある。

まず、第２の半導体基板２０の一表面に熱絶縁用凹部２１をリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成する熱絶縁用凹部形成工程を行った後で、第２の半導体基板２０に貫通孔２２をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成する貫通孔形成工程を行い、その後、第２の半導体基板２０の厚み方向の上記一表面側および他表面側および各貫通孔２２の内周面に熱酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜２３を熱酸化法により形成する熱酸化工程を行い、続いて、電気メッキ技術およびＣＭＰ技術を利用して貫通孔配線２４を形成する貫通孔配線形成工程を行ってから、第２の半導体基板２０の上記他表面側に外部接続用電極２５を形成する外部接続用電極形成工程を行うことによって、図４（ａ）に示す構造を得る。

その後、第２の半導体基板２０の上記一表面側に第２の封止用金属層２８および第２の電気接続用金属層２９を形成する金属層形成工程を行うことによって、図４（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、金属層形成工程では、第２の半導体基板２０の上記一表面側に、第２の封止用金属層２８、第２の電気接続用金属層２９をスパッタ法などの薄膜形成技術およびリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成している。

その後、第２の半導体基板２０に形成されている絶縁膜２３のうち上記一表面側および上記他表面側に形成されている部分のうち熱絶縁用凹部２１の開口面の投影領域内に形成されている部位をエッチング除去することによって、図４（ｃ）に示す構造のパッケージ用基板２を得る。

上述のセンサ基板１およびパッケージ用基板２それぞれを形成した後、センサ基板１とパッケージ用基板２との封止用金属層１８，２８同士および電気接続用金属層１９，２９同士を直接接合する接合工程を行うことによって、図１に示す構造の赤外線センサを得る。要するに、接合工程では、センサ基板１とパッケージ用基板２との封止用金属層１８，２８同士および電気接続用金属層１９，２９同士が金属−金属（ここでは、Ａｕ−Ａｕ）の常温接合により接合されている。要するに、センサ基板１とパッケージ用基板２との接合方法としては常温接合法を採用している。常温接合法では、接合前に互いの接合表面へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合表面の清浄化・活性化を行ってから、接合表面同士を接触させ、常温下で直接接合する。ここで、接合工程では、上述の常温接合法により、常温下で適宜の荷重を印加して、第１の封止用金属層１８と第２の封止用金属層２８とを直接接合するのと同時に、第１の電気接続用金属層１９と第２の電気接続用金属層２９とを直接接合している。

ところで、本実施形態の赤外線センサの製造方法では、上述の接合工程が終了するまでの全工程をセンサ基板１およびパッケージ用基板２それぞれについてウェハレベルで行うことで赤外線センサを複数備えたウェハレベルパッケージ構造体を形成するようにし、当該ウェハレベルパッケージ構造体から個々の赤外線センサに分割する分割工程（ダイシング工程）を行うようにしている。したがって、パッケージ用基板２の外形サイズ（平面サイズ）をセンサ基板１の外形サイズ（平面サイズ）に合わせることができるとともに、量産性を高めることができる。

以上説明した本実施形態の赤外線センサの製造方法によれば、第１の半導体基板１０の主表面側に形成された上記絶縁層のうちセンサ基板１におけるパッケージ用基板２との接合用領域部Ｅ３に形成されている部位をエッチバックすることにより接合用領域部Ｅ３の表面を平坦化した後で、接合用領域部Ｅ３の表面上に第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９を形成しているので、第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９を同一レベル面上に同一厚さで形成することができるとともに、第１の封止用金属層１８の表面および第１の電気接続用金属層１９の表面の平坦性を高めることができ、センサ基板１とパッケージ用基板２との封止用金属層１８，２８同士および電気接続用金属層１９，２９同士を直接接合する接合工程の歩留まりを高めることができるから、製造歩留まりの向上を図れる。

また、本実施形態の赤外線センサでは、パッケージ用基板２の第２の電気接続用金属層２９におけるセンサ基板１の第１の電気接続用金属層１９との接合部位を、当該第２の電気接続用金属層２９における貫通孔配線２４との接続部位からずらしてあるので、第２の電気接続用金属層２９において第１の電気接続用金属層１９との接合部位の接合前の表面の平滑性を高めることができ（第２の電気接続用金属層２９の成膜時の表面の平滑性を高めることができ）、第１の電気接続用金属層１９と第２の電気接続用金属層２９とを上述のように常温接合法により直接接合する場合の接合信頼性を高めることが可能となるから、センサ基板１とパッケージ用基板２との間の接合を容易に行うことが可能で且つ接合信頼性が高くなる。

また、本実施形態の赤外線センサでは、センサ基板１とパッケージ用基板２との間の接合がＡｕ−Ａｕ接合となっており、センサ基板１とパッケージ用基板２とを半田リフローや陽極接合などの加熱を必要とする方法により接合する場合に比べて、熱型赤外線検出部１３および断熱部１４が熱応力の影響を受けにくくなるという利点がある。また、本実施形態では、センサ基板１とパッケージ用基板２とが同じ半導体材料であるＳｉにより形成されているので、センサ基板１とパッケージ用基板２との線膨張係数差に起因した応力（センサ基板１における残留応力）が熱型赤外線検出部１３の出力信号に与える影響を低減でき、パッケージ用基板２がセンサ基板１と異なる材料により形成されている場合に比べて、センサ特性のばらつきを低減することができる。なお、センサ基板１は、第１の半導体基板１０としてシリコン基板を採用しているが、第１の半導体基板１０は、シリコン基板に限らず、ＳＯＩ基板を採用してもよい。

また、上述のように、各電気接続用金属層１９，２９と各封止用金属層１８，２８とが同一の金属材料により形成されているので、第１の電気接続用金属層１９と第２の電気接続用金属層２９との接合と、第１の封止用金属層１８と第２の封止用金属層２８との接合とを、常温接合法により同時に行うことができるから、従来のように接合箇所ごとに半田を供給する工程およびリフローの工程をなくすことができ、製造プロセスの簡略化を図れるとともにセンサ基板１とパッケージ用基板２との間の距離の高精度化を図れ、しかも、残留応力に起因したセンサ特性の変動を抑制することができる。

ところで、上述の例では、第２の電気接続用金属層２９が、細長の形状であり且つ長手方向が第２の封止用金属層２８の幅向に一致する形で配置されているが、図５に示すように、第２の電気接続用金属層２９が、細長の形状であり且つ長手方向が第２の封止用金属層２８の周方向に一致する形で配置されるようにすれば、センサ基板１の第１の封止用金属層１８の幅方向における第１の電気接続用金属層１９の外形寸法を小さくすることが可能となり、センサ基板１に対して熱型赤外線検出部１３の占める面積比である開口率を大きくしたり、あるいは、赤外線センサ全体の小型化を図れる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図６に示すように、センサ基板１において第１の半導体基板１０の主表面側にＩＣ部Ｅ２が形成されており、熱型赤外線検出部１３に電気的に接続された引き出し配線１６がＩＣ部Ｅ２を介して第１の電気接続用金属層１９と電気的に接続されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ＩＣ部Ｅ２は、熱型赤外線検出部１３の出力信号を増幅回路、当該増幅回路の後段のウィンドウコンパレータなどが集積化されている。

しかして、本実施形態の赤外線センサでは、熱型赤外線検出部１３とＩＣ部Ｅ２との間の配線長を短くすることができるとともに、両者を接続する配線から入るノイズを防止でき、高感度化を図れる。

なお、本実施形態の赤外線センサにおいても、実施形態１と同様に、パッケージ用基板２の第２の電気接続用金属層２９におけるセンサ基板１の第１の電気接続用金属層１９との接合部位を、当該第２の電気接続用金属層２９における貫通孔配線２４との接続部位からずらしてあるので、第２の電気接続用金属層２９において第１の電気接続用金属層１９との接合部位の接合前の表面の平滑性を高めることができ（第２の電気接続用金属層２９の成膜時の表面の平滑性を高めることができ）、第１の電気接続用金属層１９と第２の電気接続用金属層２９とを上述のように常温接合法により直接接合する場合の接合信頼性を高めることが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図７に示すように、センサ基板１におけるベース基板部１２が第１の半導体基板１０と第１の半導体基板１０の主表面側に形成されたシリコン窒化膜からなる絶縁膜１１と裏面側に形成されたシリコン窒化膜からなる絶縁膜１０ｄとで構成され、ベース基板部１２に厚み方向に貫通する開孔部１２ａが形成され、第１の半導体基板１０の主表面側において開孔部１２ａが断熱部１４により閉塞されている点が相違する。ここにおいて、センサ基板１は、断熱部１４がダイヤフラム状の形状に形成されている。なお、本実施形態においても、実施形態１と同様、第１の半導体基板１０の主表面側に形成された絶縁層において熱型赤外線検出部１３が形成された第１の領域と第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９が形成された第２の領域（接合用領域部Ｅ３）との間に段差が形成されている。また、他の構成は実施形態１と同じなので、説明を省略する。

（実施形態４）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図８に示すように、センサ基板１の構造が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態におけるセンサ基板１は、第１の半導体基板１０の主表面側の絶縁膜１１が当該第１の半導体基板１０の主表面側の熱酸化膜（シリコン酸化膜）からなる第１の絶縁膜１１ａと第１の絶縁膜１１ａ上のシリコン窒化膜からなる第２の絶縁膜１１ｂとで構成されており、当該絶縁膜１１の一部からなる断熱部１４上に熱型赤外線検出部１３および配線層１５，１５が形成されている。ここにおいて、センサ基板１は、断熱部１４および第１の半導体基板１０の主表面に形成された凹所１０ａにより熱型赤外線検出部１３とベース基板部１２とが熱絶縁されている。なお、本実施形態では、第１の半導体基板１０として、導電形がｎ形で、主表面が（１００）面のシリコン基板を用いており、凹所１０ａは、アルカリ系溶液（例えば、ＴＭＡＨ水溶液など）を用いた異方性エッチングにより形成されている。

また、第１の半導体基板１０の主表面側には熱型赤外線検出部１３および配線層１５，１５を保護するシリコン酸化膜からなる保護層（第３の絶縁膜）１１ｃが形成されており、絶縁膜１１と保護層１１ｃとで構成される絶縁層のうち接合用領域部Ｅ３に対応する部分をエッチバックすることにより平坦化された接合用領域部Ｅ３の表面上に、第１の封止用金属層１８および第１の電気接続用金属層１９が形成されている。また、引き出し配線１６は、保護層１１ｃに形成したコンタクトホールを通して配線層１５と電気的に接続されている。

以上説明した本実施形態の赤外線センサにおいても、実施形態１と同様に、パッケージ用基板２の第２の電気接続用金属層２９におけるセンサ基板１の第１の電気接続用金属層１９との接合部位を、当該第２の電気接続用金属層２９における貫通孔配線２４との接続部位からずらしてあるので、第２の電気接続用金属層２９において第１の電気接続用金属層１９との接合部位の接合前の表面の平滑性を高めることができ（第２の電気接続用金属層２９の成膜時の表面の平滑性を高めることができ）、第１の電気接続用金属層１９と第２の電気接続用金属層２９とを上述のように常温接合法により直接接合する場合の接合信頼性を高めることが可能となる。

また、本実施形態の赤外線センサでは、熱型赤外線検出部１３および配線層１５，１５が保護層１１ｃにより保護されているので、熱型赤外線検出部１３および配線層１５に水分などが吸着するのを抑制できる。

ところで、上述の各実施形態で説明した赤外線センサは、センサ基板１とセンサ基板１の主表面側に封着されたパッケージ用基板２とで構成されているが、センサ基板１の構造によっては、センサ基板１の裏面側にも別途にパッケージ用基板を封着する構造としてもよいことは勿論である。

また、上述の上記各実施形態で説明した赤外線センサは、熱型赤外線検出部１３を１つだけ設けた赤外線センサであるが、熱型赤外線検出部１３をセンサ基板１の主表面側において２次元アレイ状（マトリクス状）に配列し各熱型赤外線検出部１３それぞれが画素を構成するようにした赤外線画像センサでもよい。

実施形態１の赤外線センサの概略断面図である。同上におけるセンサ基板の概略斜視図である。同上におけるセンサ基板の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上におけるパッケージ用基板の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の赤外線センサの他の構成例を示し、（ａ）はパッケージ用基板の概略下面図、（ｂ）は赤外線センサの要部概略断面図、（ｃ）は赤外線センサの他の要部概略断面図である。実施形態２の赤外線センサの概略断面図である。実施形態３の赤外線センサの概略断面図である。実施形態４の赤外線センサの概略断面図である。従来例のウェハレベルパッケージ構造体の製造方法の説明図である。

符号の説明

１センサ基板
２パッケージ用基板（貫通孔配線形成基板）
１０第１の半導体基板
１３熱型赤外線検出部
１４断熱部
１５配線層
１６引き出し配線
１７間隙
１８第１の封止用金属層
１９第１の電気接続用金属層
２０第２の半導体基板
２４貫通孔配線
２８第２の封止用金属層
２９第２の電気接続用金属層
Ｅ３接合用領域部

Claims

第１の半導体基板を用いて形成され熱型赤外線検出部を有するセンサ基板と、第２の半導体基板を用いて形成され熱型赤外線検出部に電気的に接続される貫通孔配線を有しセンサ基板の一表面側に封着された貫通孔配線形成基板とを備え、センサ基板は、第１の半導体基板の主表面側に絶縁層が形成され該絶縁層のうちセンサ基板における貫通孔配線形成基板との接合用領域部に形成されている部位をエッチバックすることにより接合用領域部の表面を平坦化した後で、接合用領域部の表面上にセンサ基板の前記一表面における周部の全周に亘って第１の封止用金属層が形成されるとともに、第１の封止用金属層よりも内側に熱型赤外線検出部と電気的に接続された第１の電気接続用金属層が形成され、貫通孔配線形成基板は、センサ基板側の表面における周部の全周に亘って第２の封止用金属層が形成されるとともに、第２の封止用金属層よりも内側に貫通孔配線と電気的に接続された第２の電気接続用金属層が形成され、センサ基板と貫通孔配線形成基板とは、前記各電気接続用金属層と前記各封止用金属層とが同一の金属材料によりなり、それぞれの接合面が活性化された第１の封止用金属層と第２の封止用金属層とが常温接合されるとともに、それぞれの接合面が活性化された第１の電気接続用金属層と第２の電気接続用金属層とが常温接合され、貫通孔配線形成基板は、第２の電気接続用金属層における第１の電気接続用金属層との接合部位を、当該第２の電気接続用金属層における貫通孔配線との接続部位からずらしてあることを特徴とするセンサ装置。
前記貫通孔配線形成基板における前記第２の電気接続用金属層は、細長の形状であり且つ長手方向が前記第２の封止用金属層の周方向に一致する形で配置されてなることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
前記センサ基板は、前記熱型赤外線検出部と協働する集積回路が形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセンサ装置。
前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とはウェハレベルで接合されてから所望のチップサイズに切断されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセンサ装置。