JP5558189B2 - Infrared sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、センサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a sensor and a manufacturing method thereof.
従来のサーモパイル型の赤外線センサとしては、下記特許文献1〜3に示すものが知られている。このような赤外線センサでは、隣接したポリシリコンとアルミニウムとで熱電対が形成されており、この熱電対による赤外線検出部によって入射した赤外線を検知している。
As conventional thermopile type infrared sensors, those shown in the following
サーモパイルは、熱電対を微少な面積の中に直列に並べたものである。熱電対は、二種類の金属で回路をつくり、その二つの接合点を異なる温度に保つと、熱起電力が生じて電流が流れる「ゼーベック効果」の原理を利用した温度センサである。熱電対では、測温接点(温接点)と基準接点(冷接点)の間の熱起電力を測定している。 The thermopile is a thermopile arranged in series in a small area. A thermocouple is a temperature sensor that uses the principle of the “Seebeck effect” in which a circuit is made of two types of metal and the two junctions are kept at different temperatures, a thermoelectromotive force is generated and current flows. A thermocouple measures the thermoelectromotive force between a temperature measuring junction (hot junction) and a reference junction (cold junction).
特許文献1に示す赤外線センサは、p型半導体とn型半導体とからなる熱電対が、片持梁上に形成されている例である。これらは、ゼーベック効果による熱電対の温接点と冷接点との温度差によって生じる起電力から、赤外線センサに入射した赤外線量を測定するもので、熱電対を複数配置することにより、赤外線センサの高感度化を実現している。また、赤外線フィルタを備えた赤外線センサは特許文献3に記載されている。特許文献3では絶縁基板上に赤外線センサを形成した例が示されている。
The infrared sensor shown in
しかしながら、半導体基板に出力取り出し用の貫通孔を形成し、これにシリコン基板を貼り付ける場合、赤外線検出部とシリコン基板との間には温度検出特性向上のための空間が必要となり、この空間内部と赤外線センサの外部との圧力差により、貫通孔に形成した絶縁膜等が劣化・破損し、特性が劣化するという問題がある。 However, when a through hole for output extraction is formed in a semiconductor substrate and a silicon substrate is attached to this, a space for improving temperature detection characteristics is required between the infrared detector and the silicon substrate. Due to the pressure difference between the sensor and the outside of the infrared sensor, there is a problem that the insulating film or the like formed in the through hole deteriorates or breaks, and the characteristics deteriorate.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、特性を向上可能な赤外線センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an infrared sensor capable of improving characteristics and a method for manufacturing the same.
請求項1に記載の発明は、赤外線センサにおいて、赤外線検出部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に対向する赤外線透過基板と、前記半導体基板及び前記赤外線透過基板間に部分的に介在し、これらの基板間に空間を与える接着層と、を備え、
前記半導体基板は、前記接着層に対向する位置に前記赤外線検出部からの電気信号を端子を介して取り出すため、その軸線上に、前記端子及び前記接着層が位置する貫通孔を有し、前記貫通孔の内壁面上には、前記貫通孔の底部においては前記半導体基板上に設けられた絶縁層からなる薄膜に接触して位置する絶縁膜が形成され、前記貫通孔の前記接着層側の開口には、前記赤外線検出部に接続されるコンタクト電極が、前記絶縁膜及び前記薄膜における前記貫通孔の底部に位置するコンタクトホール内に設けられて、前記端子に接続され、前記貫通孔は角錐台形状を有し、前記貫通孔の径は、前記半導体基板の裏面側から表面側に向かって小さくなっており、前記貫通孔内にバンプが配置され、前記バンプの外表面は前記絶縁膜に接触しており、この接触位置よりも前記コンタクト電極とは反対側の前記バンプの外表面と前記絶縁膜との間には隙間があり、且つ、前記バンプは前記半導体基板の前記貫通孔からはみ出す部分を有していることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、赤外線センサにおいて、赤外線検出部が形成された半導体基板と、前記半導体基板に対向する赤外線透過基板と、前記半導体基板及び前記赤外線透過基板間に部分的に介在し、これらの基板間に空間を与える接着層と、を備え、前記半導体基板は、前記接着層に対向する位置に前記赤外線検出部からの電気信号を端子を介して取り出すため、その軸線上に、前記端子及び前記接着層が位置する貫通孔を有し、前記貫通孔の内壁面上には、前記貫通孔の底部においては前記半導体基板上に設けられた絶縁層からなる薄膜に接触して位置する絶縁膜が形成され、前記貫通孔の前記接着層側の開口には、前記赤外線検出部に接続されるコンタクト電極が、前記絶縁膜及び前記薄膜における前記貫通孔の底部に位置するコンタクトホール内に設けられて、前記端子に接続され、前記貫通孔は角錐台形状を有し、前記貫通孔の径は、前記半導体基板の裏面側から表面側に向かって小さくなっており、前記貫通孔内にバンプが位置し、前記バンプの外表面と前記貫通孔の内面との間には少なくとも一部に隙間があり、且つ、前記バンプは前記半導体基板の前記貫通孔からはみ出す部分を有していることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、前記貫通孔の内面に前記バンプが接触し、この接触位置よりも前記コンタクト電極とは反対側の前記バンプの外表面と前記貫通孔の内面との間には隙間があることを特徴とする。
The invention according to
The semiconductor substrate has a through-hole in which the terminal and the adhesive layer are located on an axis thereof in order to take out an electric signal from the infrared detection unit via a terminal at a position facing the adhesive layer , On the inner wall surface of the through hole, an insulating film is formed in contact with a thin film made of an insulating layer provided on the semiconductor substrate at the bottom of the through hole. In the opening, a contact electrode connected to the infrared detection unit is provided in a contact hole located at the bottom of the through hole in the insulating film and the thin film, and is connected to the terminal. The through hole is a pyramid. It has a trapezoidal shape, and the diameter of the through hole is reduced from the back surface side to the front surface side of the semiconductor substrate, bumps are disposed in the through holes, and the outer surface of the bumps is formed on the insulating film. In contact There is a gap between the outer surface of the bump opposite to the contact electrode from the contact position and the insulating film, and the bump has a portion protruding from the through hole of the semiconductor substrate. It is characterized by that.
According to a second aspect of the present invention, in the infrared sensor, the semiconductor substrate on which the infrared detection portion is formed, the infrared transmission substrate facing the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate and the infrared transmission substrate are partially interposed. An adhesive layer that provides a space between the substrates, and the semiconductor substrate takes out an electrical signal from the infrared detection unit through a terminal at a position facing the adhesive layer, on its axis, A through hole in which the terminal and the adhesive layer are located, and the inner wall surface of the through hole is in contact with a thin film made of an insulating layer provided on the semiconductor substrate at the bottom of the through hole; It is an insulating film that is formed, con the said adhesive layer side opening of the through hole, a contact electrode connected to the infrared detecting part is positioned in the bottom portion of the insulating film and the through hole in the thin film Provided within Kutohoru, connected to the terminals, the through hole has a truncated pyramid shape, the diameter of the through hole is smaller toward the surface side from the back side of the semiconductor substrate, said through A bump is located in the hole, and there is a gap at least partially between the outer surface of the bump and the inner surface of the through hole, and the bump has a portion protruding from the through hole of the semiconductor substrate. It is characterized by.
According to a third aspect of the present invention, the bump contacts the inner surface of the through hole, and between the outer surface of the bump opposite to the contact electrode from the contact position and the inner surface of the through hole. It is characterized by a gap.
請求項4に記載の発明では、前記貫通孔の開口径に対する孔深さのアスペクト比(孔深さ/開口径)は1以下であることを特徴とする。
The invention according to
請求項5に記載の発明では、前記赤外線検出部は、前記半導体基板に形成されたメンブレン構造上に形成されていることを特徴とする。
The invention of
請求項6に記載の発明は、上述のセンサの製造方法において、前記半導体基板と、前記赤外線透過基板との間に、空間を与えられるよう接着層を前記半導体基板又は前記赤外線透過基板の少なくとも一方に部分的に形成した後、この接着層を介して前記半導体基板に前記赤外線透過基板を貼り合わせる工程と、前記赤外線透過基板の貼り合わせ工程の後に、前記半導体基板の前記赤外線透過基板とは反対側の面を機械的及び化学的に研磨することで前記半導体基板を薄板化する工程と、前記赤外線透過基板の貼り合わせ工程の後に、前記半導体基板の前記赤外線透過基板とは反対側から、前記半導体基板に貫通孔を形成する工程とを備えることを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, in the above-described sensor manufacturing method, an adhesive layer is provided at least one of the semiconductor substrate and the infrared transmission substrate so as to provide a space between the semiconductor substrate and the infrared transmission substrate. And after the step of bonding the infrared transmitting substrate to the semiconductor substrate through the adhesive layer and the step of bonding the infrared transmitting substrate, the semiconductor substrate is opposite to the infrared transmitting substrate. After the step of thinning the semiconductor substrate by mechanically and chemically polishing the side surface, and the bonding step of the infrared transmission substrate, from the opposite side of the semiconductor substrate to the infrared transmission substrate, And a step of forming a through hole in the semiconductor substrate.
本発明の赤外線センサ及びその製造方法によれば、その特性を向上させることができ、更に低コストで生産性も向上させることができる。 According to the infrared sensor and the manufacturing method thereof of the present invention, the characteristics can be improved, and the productivity can be improved at low cost.
以下、添付図面を参照して本発明にかかる実施の形態について説明する。ただし、同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、各構成要素の寸法の比率、特に各層の厚み等は、説明の都合上強調するために、現実と異なる場合がある。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the same reference numerals are given to the same elements, and duplicate descriptions are omitted. In addition, the ratio of dimensions of each component, particularly the thickness of each layer, and the like may be different from reality for emphasis for convenience of explanation.
図1は、実施の形態に係る赤外線センサの側面図である。図2は、赤外線センサから赤外線透過基板を除いた平面図である。図3は、赤外線センサの底面図である。図4は、図2における赤外線センサのIV−IV矢印断面図である。 FIG. 1 is a side view of an infrared sensor according to an embodiment. FIG. 2 is a plan view of the infrared sensor with the infrared transmitting substrate removed. FIG. 3 is a bottom view of the infrared sensor. 4 is a cross-sectional view of the infrared sensor in FIG. 2 taken along arrows IV-IV.
メンブレン構造の支持部材は、中空部分2を有する薄板部を備えた半導体基板1とこれを支持する薄膜(熱絶縁膜)3を有している。なお、半導体基板1はシリコン基板からなる。赤外線センサの裏側は、半導体基板1で閉鎖されており、表面のパッシベーション膜7の4個所にエッチングホール13を有している。すなわち、中空部分2が薄膜3の下部に形成されている。この赤外線センサでは裏側が半導体基板1により閉鎖された構造となっているため、リードフレームや回路基板等の支持部材にダイボンディングすることが容易となり、機械的な強度が高まる。
A supporting member having a membrane structure includes a
なお、薄膜3は、SiN単層、SiO2単層、あるいはSiN,SiO2,PSG,BPSGのいずれかを含む多層膜からなるものでもよく、膜厚は0.1〜5μmである。
The
薄膜3上には、n型あるいはp型の不純物を1017〜1020cm−3ドーピングしたポリシリコン膜4と、絶縁膜となるSiO2膜5を介してアルミニウム膜6が積層され
ている。そして、SiO2膜5の開口穴部によってポリシリコン膜4とアルミニウム膜6とは接続され、熱電対を形成している。薄膜3および熱電対の露出表面は、SiNからなるパッシベーション膜7で被覆されており、中空部分2上部のパッシベーション膜7上には赤外線吸収膜8が形成されている。赤外線吸収膜8は、熱型の赤外線センサにおいては、赤外線を熱エネルギーとして捕らえるために設けられている。
On the
なお、SiO2膜5の代わりとしてPSG、BPSG、SiNなどの単層あるいはそれら絶縁層などから成る積層膜を用いてもよく、パッシベーション膜7はSiO2やPSG、BPSG、ポリイミド膜など単層あるいはそれらから成る積層の絶縁膜でもよい。また、赤外線吸収膜8には黒化樹脂が使用されており、この黒化樹脂にはカーボンフィラーなどの黒色フィラーを混ぜた樹脂(エポキシ系、シリコーン系、アクリル系、ウレタン系、ポリイミド系など)や、黒色レジストなどを用いてもよい。
In place of the SiO 2
図2に示すように、ポリシリコン膜4とアルミニウム膜6の長尺の積層構造は、半導体基板1外縁上部から、中央の中空部分2上部にわたって延びるように形成されている。なお、中空部分2の形状は、矩形(正方形または長方形)であり、各積層構造は、中空部分2の四辺に垂直な4方向に沿って延びている。
As shown in FIG. 2, the long laminated structure of the
ポリシリコン膜4とアルミニウム膜6とは中空部分2上で積層され、アルミニウム膜6の幅はポリシリコン膜4の幅より細く形成されている。そして、赤外線吸収膜8の形成されている領域のSiO2膜5の開口穴部で、積層されたポリシリコン膜4とアルミニウム膜6とは接続され、温接点11が形成されている。また、半導体基板1上部のSiO2膜5の開口穴部で、隣接したポリシリコン膜4とアルミニウム膜6とは接続され、冷接点12が形成されている。これら熱電対は直列に接続されており、ゼーベック効果により生じた起電力は、端子10により取り出される。
The
この積層構造は、熱電対であるため熱電型の赤外線検出部(サーモパイル)4,6として機能する。すなわち、半導体基板1には赤外線検出部が形成されている。半導体基板1には、シリコン基板からなる赤外線透過基板FLが対向している。赤外線透過基板FLは、赤外線透過フィルタとして機能する。または赤外線透過基板の片面もしくは両面に反射防止膜を付加することで透過率を向上させたり、必要な波長のみを透過させるバンドパスフィルタを形成することができる。
Since this laminated structure is a thermocouple, it functions as thermoelectric infrared detectors (thermopiles) 4 and 6. That is, an infrared detector is formed on the
半導体基板(第1のシリコン基板)1と、赤外線透過基板(第2のシリコン基板)FLとの間には、接着層ADが部分的に介在している。接着層ADは、半導体基板1と赤外線透過基板FLとの間に空間を与えている。接着層ADの厚みは、赤外線吸収膜8の上面よりも高くなるように設定されており、赤外線吸収膜8や赤外線検出部と、赤外線透過基板FLの半導体基板と対向する面との間には隙間が介在する。
An adhesive layer AD is partially interposed between the semiconductor substrate (first silicon substrate) 1 and the infrared transmission substrate (second silicon substrate) FL. The adhesive layer AD provides a space between the
本例の接着層ADは、例えばパイレックス(登録商標)ガラス等のシリコンとの間で陽極接合が可能な層からなる。半導体基板(第1のシリコン基板)1と赤外線透過基板(第2のシリコン基板)FLの少なくとも一方と接着層ADとは陽極接合されている。赤外線透過基板FLの中空部分2に対向する内側表面は凹部を構成していてもよく、この場合は赤外線透過基板FLの内側表面の周囲は凸部を構成し、かかる凸部と接着層ADとが接着されることとなる。接着層ADは、半導体基板1の外縁部に設けられており、矩形環状の枠部を構成している。したがって、接着層ADは、半導体基板1の外縁部と赤外線透過基板FLの外縁部との間に介在し、赤外線センサの内部空間を外気から密閉している。この内部空間は、好ましくは真空状態に設定される。赤外線透過基板と半導体基板との間の内部空間を真空とすることで、半導体基板上に形成された赤外線検出部の赤外線吸収膜に入射した赤外線(熱)を対流によって空間の側へ逃がすことがないため、より高感度の検出が可能となる。
The adhesive layer AD of this example is a layer that can be anodic bonded to silicon such as Pyrex (registered trademark) glass. At least one of the semiconductor substrate (first silicon substrate) 1 and the infrared transmitting substrate (second silicon substrate) FL and the adhesive layer AD are anodically bonded. The inner surface facing the
接着層ADは、例えば、コーニング社の♯7740等のアルカリ金属を含むホウ珪酸ガラスからなることが好ましい。このガラスの熱膨張係数が3.4×10−6であり、シリコンの熱膨張係数(=3.6×10−6)に近いからである。すなわち、この場合、製造工程における熱膨張係数の違いによる熱応力が最小限に抑えられ、中空部分等の機械的強度が弱い箇所に、応力がかかりにくくなる。 The adhesive layer AD is preferably made of, for example, borosilicate glass containing an alkali metal such as Corning # 7740. This is because the thermal expansion coefficient of this glass is 3.4 × 10 −6, which is close to the thermal expansion coefficient of silicon (= 3.6 × 10 −6 ). That is, in this case, the thermal stress due to the difference in the thermal expansion coefficient in the manufacturing process is minimized, and the stress is difficult to be applied to a portion having a low mechanical strength such as a hollow portion.
接着層ADの接着には、陽極接合装置を用いて、半導体基板と接着層ADを陽極接合するが、陽極接合は400℃以下の低温で行われる。陽極接合時には、半導体基板1と赤外線透過基板FLとの間に250〜800V程度の電圧を印加するが、陽極接合時の温度は比較的低温であるため、上述の熱応力も抑制することができる。陽極接合を真空装置内で行うことにより、赤外線センサの内部空間を真空状態で密閉することができる。
For bonding the adhesive layer AD, an anodic bonding apparatus is used to anodic bond the semiconductor substrate and the adhesive layer AD. The anodic bonding is performed at a low temperature of 400 ° C. or lower. At the time of anodic bonding, a voltage of about 250 to 800 V is applied between the
また、陽極接合を窒素やキセノン等の不活性ガス雰囲気中で行えば、赤外線センサの内部空間を窒素やキセノン、クリプトン、アルゴン等の不活性ガスを充填した状態で密閉することができる。赤外線透過基板と半導体基板との間の内部空間に窒素やキセノンを充填して密閉することで、赤外線検出部やメンブレン構造、赤外線吸収膜が酸素に触れることを防げるため、劣化のない赤外線検出器とすることができる。更に、キセノンやクリプトン、アルゴンなどの熱伝導率が小さく、しかも重量の重いガスをたとえば10〜100mmHgの低圧で充填することにより対流の発生を困難ならしめることができ、対流による赤外線検出部からの熱の逃げがおさえられて、より高感度の検出が可能となる。 Further, if anodic bonding is performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or xenon, the inner space of the infrared sensor can be sealed in a state filled with an inert gas such as nitrogen, xenon, krypton, or argon. The internal space between the infrared transmitting substrate and the semiconductor substrate is filled with nitrogen or xenon and sealed to prevent the infrared detector, membrane structure, and infrared absorbing film from coming into contact with oxygen. It can be. Furthermore, the generation of convection can be made difficult by filling a gas having a low thermal conductivity such as xenon, krypton, and argon at a low pressure of, for example, 10 to 100 mmHg. The escape of heat is suppressed, and detection with higher sensitivity becomes possible.
なお、真空密閉においては、半導体基板1と赤外線透過基板FLとの間の内部空間内にゲッター材料を設けても良い。これにより、内部空間内の圧力を長期間にわたり真空に保持することができ、赤外線センサの安定性が向上する。ゲッター材料としては、バリウム、チタン、ジルコニウム等を主成分とする材料を用いることができる。
In vacuum sealing, a getter material may be provided in the internal space between the
赤外線透過基板FLを接着層ADと共に用いる場合、赤外線センサの機械的強度は高くなるため、半導体基板1の厚みを薄くすることができるという利点がある。すなわち、赤外線透過基板FLの接着後に、半導体基板1の裏面を機械的及び化学的に研磨することで薄板化し、貫通孔Pの深さ方向のアスペクト比を小さくすることができる。薄板化工程においては、機械研磨の他に、ドライエッチング又はウエットエッチングを用いることができる。なお、裏面側のプロセスを行う際は、裏面側を上向きとしてプロセスを行う。
When the infrared transmitting substrate FL is used together with the adhesive layer AD, there is an advantage that the thickness of the
この薄板化によるアスペクト比の低減は、非常に有用であり、貫通孔Pの形成時間を短くすることができると共に、貫通孔Pの内壁面に容易に良質な絶縁膜Piを形成できるようになる。すなわち、貫通孔Pの内壁面上に絶縁膜Piを形成する場合、貫通孔Pの深さが浅い場合には、プラズマCVD法やスパッタリング法によって被覆性の良い良質な絶縁膜Piを形成できるようになる。 The reduction of the aspect ratio due to the thin plate is very useful, can reduce the formation time of the through hole P, and can easily form a good quality insulating film Pi on the inner wall surface of the through hole P. . That is, when the insulating film Pi is formed on the inner wall surface of the through-hole P, when the depth of the through-hole P is shallow, a high-quality insulating film Pi with good coverage can be formed by plasma CVD or sputtering. become.
換言すれば、接着層ADと赤外線透過基板FLを用いることで、貫通孔Pの内壁面上に形成される絶縁膜Piを良好に製造することができるようになり、結果的には赤外線センサの特性の向上が見込まれるのである。以下、薄板化の利点を纏めておく。
・貫通孔Pの深さが浅くなるため、端子(電極パッド)10及びコンタクト電極CEを微細化し、狭間隔で形成することができる。
・端子10の面積を小さくすることができるため、赤外線検出部4,6の面積を相対的に大きくすることができ、検出感度を向上させることができる。
・貫通孔Pを形成する際のエッチング時間が短くなる。
・貫通孔Pの深さが浅いため、絶縁膜Piの被覆性を高めることができる。
・絶縁膜Piの被覆性が高くなるため、バンプBと半導体基板1との短絡発生確率を低減させることができる。
・貫通孔Pの深さが浅いため、コンタクト電極CEを形成する際のフォトレジストの塗布が容易となり、また、フォトリソグラフィ工程における貫通孔Pの底部での露光光のボケ量も小さくなる。
・貫通孔P内にいわゆる貫通配線のような長い配線を形成する必要がなくなるため、歩留まりが向上する。
In other words, by using the adhesive layer AD and the infrared transmitting substrate FL, the insulating film Pi formed on the inner wall surface of the through hole P can be manufactured satisfactorily. The improvement of characteristics is expected. The advantages of thinning are summarized below.
-Since the depth of the through-hole P becomes shallow, the terminal (electrode pad) 10 and the contact electrode CE can be miniaturized and formed at a narrow interval.
-Since the area of the terminal 10 can be reduced, the area of the
-The etching time at the time of forming the through-hole P becomes short.
-Since the depth of the through-hole P is shallow, the coverage of the insulating film Pi can be improved.
-Since the covering property of the insulating film Pi becomes high, the probability of occurrence of a short circuit between the bump B and the
Since the depth of the through hole P is shallow, it is easy to apply the photoresist when forming the contact electrode CE, and the amount of exposure light at the bottom of the through hole P in the photolithography process is also reduced.
-Since it is not necessary to form a long wiring such as a so-called through wiring in the through hole P, the yield is improved.
上述のように赤外線検出部4,6は、熱起電力が発生する異種材料(アルミニウム、ポリシリコン)を電気的に直列に接続している。この直列接続回路の両端の端子(パッド)10は、半導体基板1の薄膜3上に形成されている。一方、半導体基板1は、接着層ADに対向する位置に赤外線検出部の出力を端子10から取り出すための貫通孔Pを有している。すなわち、貫通孔Pの軸線上に、半導体基板1の外縁部、端子10、接着層AD及び赤外線透過基板FLの外縁部が位置している。
As described above, the
なお、端子10は、平面形状が矩形の半導体基板1における2つの隅部に位置する。残りの隅部には、ダミー端子10’が設けられており、赤外線センサの実装安定性を向上させている。
The terminal 10 is located at two corners of the
貫通孔Pは角錐台形状を有しており、この中に球形に近い形状のバンプBが配置されている。貫通孔Pの径は、半導体基板1の裏面側から表面側に向かって小さくなっており、テーパ状とされている。本例では、一つの貫通孔Pに一つのバンプBが配置されてもよいし、開口径の一方のみが他方よりも非常に長く設定され、貫通孔Pが溝を構成し、その溝に多数のバンプBが配置されていてもよい。また、貫通孔Pの開口径に対する孔深さのアスペクト比(孔深さ/開口径)は望ましくは1以下である。バンプBは、半導体基板1の貫通孔Pから若干はみ出す部分を有しており、回路基板への取り付けが容易となっている。
The through hole P has a truncated pyramid shape, and a bump B having a shape close to a sphere is disposed therein. The diameter of the through hole P decreases from the back surface side to the front surface side of the
図5は、貫通孔Pの周辺部分の拡大図である。 FIG. 5 is an enlarged view of a peripheral portion of the through hole P.
貫通孔Pの内面には、SiO2からなる絶縁膜Piが形成されている。バンプBは絶縁膜Piに当接している。なお、貫通孔P内の絶縁膜Piは、半導体基板1の裏面を被覆する絶縁膜9に連続している。バンプBは、薄膜3に設けられたコンタクトホールCH内のコンタクト電極CEを介して端子10に接続されている。すなわち、図2を参照すると、一方のバンプBは、一方の端子10を介して、アルミニウム膜6、ポリシリコン膜4、アルミニウム膜6、ポリシリコン膜4、・・・の順番に電気的に接続され、ポリシリコン膜4、配線、他方の端子10を介して、他方のバンプBに電気的に接続されている。なお、ダミー端子10’の直下にも、端子10の周辺部と同様に、図3に示すようなダミー用のバンプB‘を設けることもできる。また、絶縁膜PiはSiO2に限ったものではなく、PSG、BPSG、SiN、SiON、ポリマーなどの単層絶縁膜もしくはそれらから成る積層膜であってもよい。
On the inner surface of the through hole P, an insulating film Pi made of SiO 2 is formed. The bump B is in contact with the insulating film Pi. The insulating film Pi in the through hole P is continuous with the insulating
上述の赤外線センサの機能について説明する。 The function of the above infrared sensor will be described.
この赤外線センサに入射した赤外線は、反射防止膜コーティングを施したシリコン基板からなる赤外線透過基板(赤外線透過窓)FLを透過し、熱電対等の赤外線検出部4,6に入射する。赤外線検出部4,6は、これに入射した赤外線を電気信号に変換している。この電気信号は、貫通孔Pを介して外部に取り出される。赤外線検出部4,6は、半導体基板1と赤外線透過基板FLとの間に介在する接着層ADによって形成された空間内に配置されている。したがって、赤外線検出部4,6の温度変化に対する応答特性は向上している。
Infrared rays incident on the infrared sensor pass through an infrared transmission substrate (infrared transmission window) FL made of a silicon substrate coated with an antireflection coating, and enter
特に、赤外線検出部4,6は、半導体基板1に形成された薄膜3からなるメンブレン構造上に形成されており、中空部分2を薄膜3の下部に有しているので、赤外線検出部4,6の温度変化に対する応答性が更に向上している。
In particular, the
上述のように、貫通孔Pは、接着層ADに対向する位置に設けられている。したがって、接着層ADによって画成される空間の内外で圧力差が生じても、貫通孔Pとその底部は接着層ADによって支持されることとなり、貫通孔P及びこれに形成される絶縁膜Piの劣化・破損が抑制され、赤外線センサの特性、歩留まり、生産性が向上する。 As described above, the through hole P is provided at a position facing the adhesive layer AD. Therefore, even if a pressure difference occurs inside and outside the space defined by the adhesive layer AD, the through hole P and its bottom are supported by the adhesive layer AD, and the through hole P and the insulating film Pi formed thereon Degradation and damage of the sensor are suppressed, and the characteristics, yield, and productivity of the infrared sensor are improved.
また、上述の赤外線センサでは、ポリシリコン膜4とアルミニウム膜6とが積層して形成されていることにより、1つの熱電対に対する配置領域が狭くなるため、高密度に熱電対を配置することができる。また、SiO2膜5を介してポリシリコン膜4とアルミニウム膜6を積層したサーモパイルパターンは、3層構造としたことにより機械的な支持強度が向上し、これが中空部分2上部にある薄膜3の上部から半導体基板1の外延部の上部にわたってメサ状に形成されているため、薄膜3の機械的強度を高めることができる。
Further, in the above infrared sensor, since the
さらに、中空部分2上部にある薄膜3の上部において接着力を持つ材料からなる単一の塊の赤外線吸収膜8が薄膜3とサーモパイルパターンの全てを固着させているため、中空部分2のため、中空部分2の上部にある薄膜3で肉薄となっている領域の機械的強度をさらに向上させることができる。また、赤外線吸収膜8は、サーモパイルパターンの温接点11をすべて覆うように形成されているため、赤外線の吸収により赤外線吸収膜8で発生した熱を効率よく温接点11に伝えることができる。
Furthermore, since the
また、アルミニウム膜6は熱伝導率がよいために温接点で得られた熱を半導体基板1に伝え逃し、赤外線センサの感度低下を招く可能性があるが、アルミニウム膜6はポリシリコン膜4上にSiO2膜5を介して薄く細く積層されているため、半導体基板1と熱絶縁されており、赤外線センサの感度を低下させることはない。また、SiO2膜5は、ポリシリコン膜4とアルミニウム膜6との電気絶縁のみでなく、ポリシリコン膜4の熱をアルミニウム膜6に伝えにくくするための熱絶縁機能も有している。
In addition, since the
また、赤外線吸収膜8に入射した赤外線が、赤外線吸収膜8下に形成されているアルミニウム膜6で反射されることにより赤外線センサの感度低下を招く可能性があるが、アルミニウム膜6は細く形成されているため反射を最小限にすることができ、反射した赤外線は更に赤外線吸収膜8で吸収されるため、赤外線センサの感度を低下させることはない。
Further, the infrared light incident on the
なお、第1実施形態はこれに限られるものではない。中空部分2の形状は矩形にかぎられるものではなく、円形などでもよく、その形状に合わせてサーモパイルパターンを形成することができる。
The first embodiment is not limited to this. The shape of the
次に、上述の赤外線センサの製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the above infrared sensor will be described.
図6は赤外線検出部の製造工程を説明するための図である。 FIG. 6 is a diagram for explaining a manufacturing process of the infrared detection unit.
まず、シリコンからなる半導体基板1(第1のシリコン基板)を用意する。半導体基板1の表面上にポリシリコンからなる犠牲層を形成する。この犠牲層は後工程で除去され、中空部分2の上部空間DLを構成することになる。すなわち、犠牲層のエッチング前には、上部空間DL内に犠牲層が充填されていたことになる。ここで、中空部分2は、犠牲層のみをエッチングすることで形成してもよいし、バルクの半導体基板1を厚み方向に更にエッチングすることによって形成してもよい。このような意味で、図6における中空部分2は半導体基板1側を点線で示している。
First, a semiconductor substrate 1 (first silicon substrate) made of silicon is prepared. A sacrificial layer made of polysilicon is formed on the surface of the
犠牲層の形成後、絶縁層からなる薄膜3を半導体基板1の表面上に形成し、半導体基板1及び犠牲層の露出表面を薄膜3で被覆する。なお、上記の犠牲層は、半導体基板1の薄膜3側に中空部分2と略同一サイズで形成されている。次に、ポリシリコン膜4、絶縁膜5、アルミニウム膜6からなるサーモパイルパターン、及び端子10を形成した後、パッシベーション膜7を形成する。しかる後、薄膜3及びパッシベーション膜7を開口し、エッチングホール13を形成し、サーモパイルパターン上に赤外線吸収膜8を形成する(図2参照)。なお、赤外線吸収膜8は後述のエッチング後に形成してもかまわない。
After the formation of the sacrificial layer, a
また、半導体基板(第1のシリコン基板)1の裏面には必要に応じて保護用のマスクを形成しておく。エッチングホール13内に導入されるエッチング液には、例えばエチレンジアミンとピロカテコールと水の混合液を温めたものを用いる。なお、半導体基板1は(100)基板であり、(100)面が露出している。エッチング液をエッチングホール13内に導入すると、エッチングホール13からエッチング液がポリシリコンの犠牲層に浸透し、この犠牲層をエッチングしながら、もしくは全てエッチングした後設計に応じて半導体基板1の異方性エッチングを開始する。
A protective mask is formed on the back surface of the semiconductor substrate (first silicon substrate) 1 as necessary. As the etchant introduced into the
これにより、中空部分2を有したメンブレン構造を形成することができる。なお、エッチングは深さ2〜30μm程度行う。また、メンブレン構造を形成するためにポリシリコン犠牲層のみをエッチングしてもよい。この場合は、ポリシリコン犠牲層の厚みを0.2μmから3μmとする。なお、エッチングには、前記エッチング液の他にヒドラジン水溶液などでもよく、あるいはXeF2などを用いたドライエッチングでも可能である。
Thereby, the membrane structure which has the
図7は、赤外線透過基板FLの取り付け工程を説明するための図である。 FIG. 7 is a view for explaining an attaching process of the infrared transmitting substrate FL.
中空部分2の形成後、機械的強度の増加も兼ねてシリコンからなる赤外線透過基板(第2のシリコン基板)FLの取り付けを行う。まず、半導体基板(第1のシリコン基板)1の外縁部上にパイレックスガラスからなる接着層ADを形成する。接着層ADの上に赤外線透過基板(第2のシリコン基板)FLを重ね合わせ、接着層ADと赤外線透過基板(第2のシリコン基板)FLとを、真空中又は窒素雰囲気中で陽極接合する。なお、接着層ADの形成は前記エッチング前に行っていてもよい。また、接着層ADの形成は赤外線透過基板(第2のシリコン基板)FL側に形成してもよい。
After the formation of the
しかる後、半導体基板(第1のシリコン基板)1の裏面側を機械的及び化学的に研磨し、半導体基板1を薄板化する。薄板化後の半導体基板1の外縁部の厚みは、50〜200μm程度である。
Thereafter, the back side of the semiconductor substrate (first silicon substrate) 1 is mechanically and chemically polished to thin the
図8は、貫通孔Pの形成工程を説明するための図である。 FIG. 8 is a diagram for explaining a process of forming the through hole P.
次に、半導体基板1の裏面上にエッチング液に耐性のあるマスク9を形成する。ここでは、マスク9はSiNからなることとする。マスク9の貫通孔形成予定領域を開口した後、この開口内にKOH水溶液等のエッチング液を導入し、第1の半導体基板1を内部方向にエッチングする。このウエットエッチングでは異方性エッチングが進行し、薄膜(熱絶縁膜)3にエッチング液が到達した時点でエッチングが停止し、テーパ状の貫通孔Pが形成される。なお、上述のマスク9は、必要に応じて除去し、その後、新たな絶縁膜9を基板裏面上に形成してもよい。
Next, a
なお、エッチング液には、KOH水溶液のほか、ヒドラジン、EDP、TMAHなどのアルカリ水溶液を用いることができる。また、マスク材料としては、SiNの他、SiO2などのアルカリ耐性の高い膜を用いることができ、これはCVD法などにより形成することができる。なお、本例の場合、エッチングが完了しても接着層ADを介して赤外線透過基板(第2のシリコン基板)FLが存在するため、エッチング完了時や完了後の膜破損がなく、歩留まりを落とすことなく工程を進めることができる。 In addition to the KOH aqueous solution, an alkaline aqueous solution such as hydrazine, EDP, or TMAH can be used as the etching solution. In addition to SiN, a highly alkali-resistant film such as SiO 2 can be used as the mask material, which can be formed by a CVD method or the like. In the case of this example, since the infrared transmitting substrate (second silicon substrate) FL exists through the adhesive layer AD even after the etching is completed, there is no film damage at the time of completion of the etching or after the completion and the yield is lowered. The process can proceed without any problems.
図9は、バンプ電極の取り付け工程を説明するための図である。 FIG. 9 is a diagram for explaining a bump electrode attaching step.
次に、貫通孔Pの内壁面上にCVD法又はスパッタリング法によってパッシベーション膜からなる絶縁層Piを形成する。しかる後、絶縁層Piの底部及びこれに対応する薄膜3の領域に開口(コンタクトホールCH)を形成し、端子10の裏面側を露出させる。この端子10の露出面上に無電解メッキなどによってコンタクト電極(アンダーバンプメタル)CEを形成する。バンプBを貫通孔P内に配置し、コンタクト電極CEに接触させる。なお、バンプBのコンタクト電極CEとは反対側の端部は半導体基板1の裏面から突出している。
Next, an insulating layer Pi made of a passivation film is formed on the inner wall surface of the through hole P by a CVD method or a sputtering method. Thereafter, an opening (contact hole CH) is formed in the bottom of the insulating layer Pi and the region of the
コンタクト電極CEは、無電解メッキのほかに蒸着、スパッタなどにより形成することもできる。コンタクト電極CEの材質は、Ni、Au、Cr、Cu、Ptなどのメタル単層、合金あるいはそれら積層膜であってよい。コンタクト電極CEに接触するように、半田などからなるバンプBが形成されるが、バンプBの形成には、ボール搭載法や印刷法メッキ法、ボンディング法などを用いることができる。ボール搭載法では、バンプ形成部が凹となっており位置ずれを防止でき、また、印刷法では凹部に直接半田ペーストをスキージで埋設してリフロ―することでボールを形成することが可能となる。 The contact electrode CE can be formed by vapor deposition, sputtering, etc. in addition to electroless plating. The material of the contact electrode CE may be a single metal layer such as Ni, Au, Cr, Cu, or Pt, an alloy, or a laminated film thereof. A bump B made of solder or the like is formed so as to be in contact with the contact electrode CE. For the formation of the bump B, a ball mounting method, a printing method plating method, a bonding method, or the like can be used. In the ball mounting method, the bump formation part is concave, and displacement can be prevented. In the printing method, it is possible to form a ball by embedding solder paste directly in the concave part with a squeegee and reflowing. .
上述の工程をウエハ状態で行い、最後に基板接合部をダイシングすることでチップが完成する。すなわち、上述のバンプ配置工程の後、接着層ADを介して陽極接合された半導体基板もしくは赤外線透過基板FL上の領域を、ダイシングラインに設定し、このダイシングラインを切断する。すなわち、複数の赤外線センサを形成する場合、貫通孔Pの形成後に、赤外線センサ間のダイシングライン上を切断すると、個々の赤外線センサに分離することができる。この場合、半導体基板1及び赤外線透過基板FLの貼りあわせ及び貫通孔Pの形成が終了しているので、当該ダイシングによって、チップサイズの個々の赤外線センサに分離することで、最終出荷形態に近い製品が完成する。したがって、この製造方法によれば、小型薄型の赤外線センサが低コストで生産性高く製造できることとなる。
The above steps are performed in a wafer state, and finally the chip is completed by dicing the substrate bonding portion. That is, after the bump placement step described above, a region on the semiconductor substrate or infrared transmission substrate FL that is anodically bonded through the adhesive layer AD is set as a dicing line, and the dicing line is cut. That is, when a plurality of infrared sensors are formed, after the through holes P are formed, the dicing lines between the infrared sensors can be cut to be separated into individual infrared sensors. In this case, since the bonding of the
図10は、基板裏面に対して略垂直にエッチングして形成された貫通孔Pを有する赤外線センサの断面図である。 FIG. 10 is a cross-sectional view of an infrared sensor having a through hole P formed by etching substantially perpendicularly to the back surface of the substrate.
この赤外線センサは、貫通孔Pの形状以外は、上述の赤外線センサと同一である。バンプBが形成される貫通孔がドライエッチングで作られる場合、その形成方法はアルカリウエットエッチングとほぼ同じであり、エッチング用のマスク9をSiO2又はレジスト又はアルミニウムなどの金属層またはそれら積層膜として、反応性イオンエッチング(RIE)法を用いて半導体基板1の貫通孔該当箇所をドライエッチングする。
This infrared sensor is the same as the above-described infrared sensor except for the shape of the through hole P. When the through holes in which the bumps B are formed are made by dry etching, the formation method is almost the same as that of alkaline wet etching, and the
シリコンとアルミニウムの端子10直下の薄膜(絶縁膜)3において、エッチングは選択的にストップする。RIEとして高密度プラズマを用いたICP−RIEを用いれば、エッチング速度が速く略垂直にエッチング可能となる。エッチングマスクとしてレジストを用いた場合にはそのレジストを酸素アッシングなどにより除去し、貫通孔形成後の工程を実行する。貫通孔Pの平面形状としては円形にすることもできる。
Etching is selectively stopped in the thin film (insulating film) 3 immediately below the
図11は、赤外線センサから赤外線透過基板FLを省略して示す別の実施形態に係る赤外線センサの平面図である。この平面図の表記は図2に準ずる。図12は、図11に示した赤外線センサのXII−XII矢印断面図である。 FIG. 11 is a plan view of an infrared sensor according to another embodiment in which the infrared transmission substrate FL is omitted from the infrared sensor. The notation of the plan view conforms to FIG. 12 is a cross-sectional view of the infrared sensor shown in FIG. 11 taken along arrows XII-XII.
この赤外線センサは、図2に示したものと比較して、中空部分2の形状とその部分の製造方法のみが異なり、他の構成及び製造方法は同一である。なお、本例の場合、中空部分2が半導体基板1の裏面側に開放しているため、エッチングホールは省略される。
This infrared sensor differs from the one shown in FIG. 2 only in the shape of the
中空部分2の形成方法を説明すると、中空部分2を形成していない半導体基板1の表面に薄膜3、サーモパイルパターン、パッシベーション膜7、赤外線吸収膜8を形成した後、半導体基板1の薄膜3が形成されているのとは反対側の面(裏面)に、シリコンエッチング液に耐性のあるSiNなどからなるマスクを形成する。そして、中空部分2を形成したい領域の当該マスクを開口し、半導体基板1の表面を保護しながらエッチングを行う。
The method for forming the
これにより、裏面のマスクの開口部からエッチングが開始し、エッチング液に耐性のある薄膜3に到達するとエッチングが止まる。エッチング液には、例えばKOH水溶液等を用い、第1の半導体基板1に(100)基板を用いると、異方性エッチングを行うことができる。このエッチングにより、図12に示す中空部分2を有したメンブレン構造を形成することができる。なお、この裏面のエッチングは、第1の実施形態で説明した裏面からの貫通孔Pの形成と同時に行うことができる。
Thereby, etching starts from the opening of the mask on the back surface, and the etching stops when the
なお、半導体基板1の裏面側には必要に応じて絶縁膜9が形成されている。また、必要に応じて半導体基板の裏面で開放されている中空部分2を空間を設けるように基板などを接着することにより塞いでもよい。こうすることによりメンブレンの破損を防ぐことが可能となる。
An insulating
また、上述の中空部分2の形状は矩形にかぎられるものではなく、円形などでもよく、
その形状に合わせてサーモパイルパターンを形成することができる。また、エッチングホールを用いる場合、その形状及び箇所は、サーモパイルパターンにより変更することが可能である。
Further, the shape of the
A thermopile pattern can be formed according to the shape. Moreover, when using an etching hole, the shape and location can be changed by a thermopile pattern.
図13は、上述の赤外線検出部4,6を複数備えた赤外線センサの断面図である。ここでは、説明の明確化のため、赤外線検出部4,6を符号IRPで示し、詳細構成の記載を省略する。赤外線センサは、半導体基板1と赤外線透過基板FLとの間に内部空間SPを有している。この空間SP内には、赤外線透過基板FLの赤外線検出部IRP側への撓みを抑制する撓み防止壁(スペーサ)STPが設けられている。
FIG. 13 is a cross-sectional view of an infrared sensor including a plurality of the
赤外線透過基板FLが撓んだ場合、これが赤外線検出部IRPに当接し、赤外線検出部IRPとが熱的に接続されて感度が減少したり、あるいは破損することがある。この撓み防止壁STPは、かかる感度減少と破損を防止するために設けられており、撓み防止壁STPの半導体基板1からの高さは、赤外線検出部IRPの高さよりも高く、赤外線透過基板FLが撓んだ場合には、これが撓み防止壁STPに当接し、赤外線透過基板FLの撓み量が抑制される。
When the infrared transmitting substrate FL is bent, it contacts the infrared detecting unit IRP, and the infrared detecting unit IRP is thermally connected to reduce the sensitivity or may be damaged. This bend prevention wall STP is provided in order to prevent such sensitivity reduction and damage, and the height of the bend prevention wall STP from the
赤外線検出部IRPの数は複数であり、個々の赤外線検出部IRPは画素を構成し、独立に信号を出力するが、本例では説明の明確化のため、出力取り出し用のバンプBは2つのみ表示してある。撓み防止壁STPは、下に中空部分のない薄膜3上に形成されており、赤外線検出部IRP間に設けられている。赤外線検出部IRPが複数である場合には、赤外線透過基板FLと共にセンサは大型化するが、撓み防止壁STPが赤外線検出部IRP間に設けられているので、撓み量を全体的に抑制することができる。なお、撓み防止壁STPの形成位置は、隣接する中空領域2の間の領域に設定される。
There are a plurality of infrared detection units IRP, and each infrared detection unit IRP constitutes a pixel and outputs a signal independently. In this example, two bumps B for output extraction are provided for clarity of explanation. Only displayed. The bending prevention wall STP is formed on the
撓み防止壁STPについては、以下に詳説しておく。 The bending prevention wall STP will be described in detail below.
1次元もしくは2次元の赤外線検出部アレイを製作する際には、チップサイズが大きくなる。このチップサイズが大きい場合、チップ周囲のみで半導体基板1と赤外線透過基板FLを接着すると、内部空間SPの平面方向のサイズが大きくなる。したがって、ウエハの反りや外力(例えばウエハ接合時やチップ化した後の実装時)により、基板表面の赤外線検出部IRPと赤外線透過基板FLが接触してしまう恐れがあり、素子部を破損させたり、あるいは、赤外線透過基板FLの接触による熱の逃げによる感度低下などの問題が発生する。
When manufacturing a one-dimensional or two-dimensional infrared detector array, the chip size increases. When the chip size is large, the size of the internal space SP in the planar direction increases when the
上記問題の解決策として、隣接する画素間毎あるいは、ある画素間隔の画素間で撓み防止壁STPが設けられている。これにより、内部空間SPの平面方向のサイズを小さくし、ウエハの反りや外力による赤外線検出部IRPと赤外線透過基板FLの接触を防ぐことができる。また、撓み防止壁STPは、フリップチップボンディング等の実装の際、圧力印加による素子破壊を抑制することができる。 As a solution to the above problem, a deflection preventing wall STP is provided between adjacent pixels or between pixels at a certain pixel interval. As a result, the size of the internal space SP in the planar direction can be reduced, and contact between the infrared detection unit IRP and the infrared transmission substrate FL due to wafer warpage or external force can be prevented. Further, the bending prevention wall STP can suppress element destruction due to pressure application during mounting such as flip chip bonding.
撓み防止壁STPは、半導体基板1上の撓み防止壁を形成したい箇所に、Al、Ti、Au、Ni、Ti、Cr、W、Si、Pt、Cu、SiN、SiO2、BPSG、PSGなどの材料やそれら化合物もしくは合金を単層や積層して蒸着やスパッタ、CVDなどで堆積し、エッチングやリフトオフなどによりパターニングして形成する。この形成にはメッキ法を用いてもよい。また、この形成にはガラスフリットや樹脂、半田ペーストを印刷して硬化させても良い。更には、感光性の樹脂を用いても良い。感光性樹脂の樹脂主成分としては、ポリイミドやアクリレート、PMMA、シリコーン、エポキシなどがあげられる。感光性樹脂は工程が少なく非常に安価で形成可能となる。
The deflection preventing wall STP is formed on the
以上、説明したように、上述の赤外線センサの製造方法は、半導体基板1に薄膜3からなるメンブレン構造を形成する工程と、メンブレン構造上に赤外線検出部IRPを形成する工程と、半導体基板1と、シリコンからなる赤外線透過基板FLとの間に、空間を与えられるよう接着層ADを半導体基板1または赤外線透過基板FLもしくは双方の基板に部分的に形成した後、この接着層ADを介して半導体基板1と赤外線透過基板FLとを貼り合わせる工程と、半導体基板1の赤外線透過基板FLとは反対側から、半導体基板1に貫通孔Pを形成する工程とを備えている。
As described above, the manufacturing method of the infrared sensor described above includes a step of forming a membrane structure made of the
また、貫通孔Pは、接着層ADに対向する位置に設けられている。この製造方法によれば、貫通孔形成時の貫通孔とその底部、絶縁膜Pi等の破損・劣化を、接着層ADによる支持によって抑制することで、特性の優れた上述の赤外線センサを製造することができる。 Further, the through hole P is provided at a position facing the adhesive layer AD. According to this manufacturing method, the above-described infrared sensor having excellent characteristics is manufactured by suppressing breakage / deterioration of the through hole and its bottom, the insulating film Pi, and the like when forming the through hole by supporting the adhesive layer AD. be able to.
また、赤外線検出部IRPとして、サーモパイルの他、ボロメータ、サーミスタ、焦電素子、バイメタル素子、ダイオード、水晶振動子、ゴーレイセルを用いることもできる。 In addition to the thermopile, a bolometer, thermistor, pyroelectric element, bimetal element, diode, crystal resonator, and Golay cell can also be used as the infrared detector IRP.
これまでの説明では赤外線透過基板FLとしてシリコン基板を用いたが、赤外線透過基板FLはシリコン基板の他、ゲルマニウム基板や赤外線透過ガラスなどの赤外線を透過する基板を用いることもできる。 In the above description, a silicon substrate is used as the infrared transmission substrate FL. However, the infrared transmission substrate FL may be a silicon substrate, or a substrate that transmits infrared rays, such as a germanium substrate or infrared transmission glass.
また、接着層ADの材料としては、低融点ガラス、半田、金属(単体、合金)、樹脂などを用いることができ、その接着強度、信頼性を増加させるために単層、積層であっても良い。上述の接着方法は陽極接合に限ったものではなく、必要に応じて熱、圧力あるいは超音波などを印加して接着すれば良い。また、図示していないが接着層ADと基板との密着を良くするための密着層を設けてもよい。接着層ADを、赤外線透過基板FL側に設けてから接着を行ってもよく、双方に設けてから接着を行っても良い。さらに、接着層ADは赤外線透過基板FL側にのみ設けても構わない。 In addition, as the material of the adhesive layer AD, low melting point glass, solder, metal (unit, alloy), resin, or the like can be used, and even if it is a single layer or a laminated layer in order to increase its adhesive strength and reliability. good. The above bonding method is not limited to anodic bonding, and may be bonded by applying heat, pressure, ultrasonic waves, or the like as necessary. Further, although not shown, an adhesion layer for improving adhesion between the adhesive layer AD and the substrate may be provided. Adhesion may be performed after the adhesive layer AD is provided on the infrared transmitting substrate FL side, or adhesion may be performed after the adhesive layer AD is provided on both sides. Further, the adhesive layer AD may be provided only on the infrared transmitting substrate FL side.
また、赤外線検出部からの入出力端子10を直接バンプ電極に接続する手法の他に、赤外線検出部の出力信号を処理する回路を半導体基板1上に設け、この回路の入出力端子とバンプ電極を接続する構成としてもよい。また、基板温度をモニタするためのサーミスタやダイオードを半導体基板1上に形成し、その端子とバンプを電気的に接続することもできる。
In addition to the method of directly connecting the input /
また、半導体基板側から入射する赤外線の迷光を防ぐために、半導体基板の赤外線透過基板と反対側の面で、貫通孔の無い部分に、たとえば金属などの遮光膜を設けてもよい。 In addition, in order to prevent infrared stray light incident from the semiconductor substrate side, a light shielding film such as metal may be provided on a portion of the semiconductor substrate opposite to the infrared transmission substrate on a portion having no through hole.
また、赤外線検出部から輻射で半導体基板側に熱が逃げるのを防ぐために、半導体基板の赤外線検出部に対向する面に金属等からなる赤外線反射膜を設けてもよい。こうすることで、半導体基板側から入射する赤外線を半導体基板自体からのものも含めてさえぎることができる。 Further, in order to prevent heat from escaping from the infrared detection unit to the semiconductor substrate side by radiation, an infrared reflection film made of metal or the like may be provided on the surface of the semiconductor substrate facing the infrared detection unit. By doing so, it is possible to block infrared rays incident from the semiconductor substrate side including those from the semiconductor substrate itself.
以上、説明したように、本発明に係る赤外線センサは、赤外線検出部が形成された半導体基板と、半導体基板に対向する赤外線透過基板と、前記半導体基板及び前記赤外線透過基板間に部分的に介在し、これらの基板間に空間を与える接着層と、を備え、前記半導体基板は、接着層に対向する位置に赤外線検出部からの電気信号を取り出すための貫通孔を有していることを特徴とする。 As described above, the infrared sensor according to the present invention includes a semiconductor substrate on which an infrared detection unit is formed, an infrared transmission substrate facing the semiconductor substrate, and a portion interposed between the semiconductor substrate and the infrared transmission substrate. And an adhesive layer for providing a space between the substrates, wherein the semiconductor substrate has a through hole for taking out an electric signal from the infrared detecting portion at a position facing the adhesive layer. And
この赤外線センサに入射した赤外線は、赤外線透過基板を透過し、熱電対等の赤外線検出センサ部に入射する。赤外線検出部は、これに入射した赤外線を電気信号に変換する。この電気信号は、貫通孔を介して外部に取り出される。赤外線検出部は、半導体基板及び赤外線透過基板間に介在する接着層によって形成された空間内に配置されている。したがって、赤外線検出部の温度変化に対する応答特性は向上する。 Infrared light incident on the infrared sensor passes through the infrared transmission substrate and enters an infrared detection sensor unit such as a thermocouple. The infrared detector converts the incident infrared light into an electrical signal. This electric signal is taken out through the through hole. The infrared detection unit is arranged in a space formed by an adhesive layer interposed between the semiconductor substrate and the infrared transmission substrate. Therefore, the response characteristic with respect to the temperature change of the infrared detector is improved.
貫通孔は、この接着層に対向する位置に設けられている。したがって、例えば実装の際などに上記空間内外の圧力差が生じても、貫通孔およびその底部は接着層によって支持されることとなり、当該貫通孔及びこれに形成される絶縁膜の劣化・破損が抑制され、赤外線センサの特性が向上する。 The through hole is provided at a position facing this adhesive layer. Therefore, even when a pressure difference between the inside and outside of the space occurs during mounting, for example, the through hole and its bottom are supported by the adhesive layer, and the through hole and the insulating film formed thereon are deteriorated or damaged. It is suppressed and the characteristics of the infrared sensor are improved.
また、上記空間内には、赤外線透過基板の赤外線検出部側への撓みを抑制する撓み防止壁が設けられていることが好ましい。赤外線透過基板が撓んだ場合、これが赤外線検出部に当接し、赤外線検出部が破損したり当接することで熱伝導が大きくなり感度減少を招くことがある。この撓み防止壁は、かかる破損や感度劣化を防止するために設けられており、撓み防止壁の半導体基板からの高さは、赤外線検出部の上面よりも高く、赤外線透過基板が撓んだ場合には、これが撓み防止壁に当接し、赤外線透過基板の撓み量が抑制されることとなる。 Moreover, it is preferable that a bending prevention wall that suppresses the bending of the infrared transmitting substrate toward the infrared detection unit is provided in the space. When the infrared transmission substrate is bent, it contacts the infrared detection unit, and the infrared detection unit is damaged or contacted, so that heat conduction is increased and sensitivity may be reduced. This bend prevention wall is provided to prevent such breakage and sensitivity deterioration, and the height of the bend prevention wall from the semiconductor substrate is higher than the upper surface of the infrared detection unit, and the infrared transmission substrate is bent. Then, this abuts against the deflection preventing wall, and the amount of deflection of the infrared transmitting substrate is suppressed.
赤外線検出部の数が複数である場合、撓み防止壁は赤外線検出部間に設けられていることが好ましい。すなわち、赤外線検出部が複数である場合には、赤外線透過基板は大型化するが、この場合には、撓み防止壁を赤外線検出部間に設けることで、撓み量を全体的に抑制することができる。 When the number of infrared detection units is plural, it is preferable that the deflection preventing wall is provided between the infrared detection units. That is, when there are a plurality of infrared detection units, the infrared transmission substrate is enlarged, but in this case, by providing a deflection prevention wall between the infrared detection units, the amount of deflection can be suppressed as a whole. it can.
赤外線検出部は、半導体基板に形成されたメンブレン構造上に形成されていることが好ましく、この場合には、赤外線検出部の温度変化に対する応答性を向上させることができる。 The infrared detection unit is preferably formed on a membrane structure formed on the semiconductor substrate. In this case, the response of the infrared detection unit to a temperature change can be improved.
また、前記接着層を介して前記半導体基板と前記赤外線透過基板との基板間に形成された空間では、真空が保持されていることが好ましい。熱エネルギーの移動には、熱伝導、対流、輻射が考えられる。後でも述べるが、赤外線検出部からの熱の移動の内、熱伝導に関わる部分は、熱を伝えにくい薄膜の上に赤外線検出部を形成することで、熱を逃がさなくしている。赤外線透過基板と半導体基板との間で構成される空間を真空とすることで、半導体基板上に形成された赤外線検出部に入射した赤外線(熱)を対流によって空間の側へ逃がすことがないため、より高感度の検出が可能となる。残る輻射に関しては、半導体基板の赤外線検出部に対向する面に金属等からなる赤外線反射膜を設けることで更に高感度の検出が可能となる。 Further, it is preferable that a vacuum is maintained in a space formed between the semiconductor substrate and the infrared transmitting substrate via the adhesive layer. The transfer of thermal energy may be heat conduction, convection, or radiation. As will be described later, in the heat transfer from the infrared detection unit, the part related to heat conduction is formed by forming the infrared detection unit on a thin film that is difficult to transfer heat, so that the heat is not released. Since the space formed between the infrared transmitting substrate and the semiconductor substrate is evacuated, infrared (heat) incident on the infrared detecting portion formed on the semiconductor substrate is not released to the space side by convection. Therefore, detection with higher sensitivity becomes possible. The remaining radiation can be detected with higher sensitivity by providing an infrared reflecting film made of metal or the like on the surface of the semiconductor substrate facing the infrared detecting section.
上述の赤外線センサの製造方法は、半導体基板上のメンブレンとなる薄膜上に赤外線検出部を形成する工程と、前記赤外線検出部が形成された前記薄膜の下側に中空部を形成することでメンブレン構造を形成する工程と、前記半導体基板と、シリコンなどからなる赤外線透過基板との間に、空間を与えられるよう接着層を前記半導体基板又は前記赤外線透過基板又の少なくとも一方に部分的に形成した後、この接着層を介して前記半導体基板に前記赤外線透過基板を貼り合わせる工程と、前記半導体基板の前記赤外線透過基板とは反対側から、前記半導体基板に貫通孔を形成する工程とを備え、前記貫通孔は、前記接着層に対向する位置に設けられていることを特徴とする。 The manufacturing method of the above-described infrared sensor includes a step of forming an infrared detection part on a thin film to be a membrane on a semiconductor substrate, and a membrane by forming a hollow part below the thin film on which the infrared detection part is formed. An adhesive layer is partially formed on at least one of the semiconductor substrate and the infrared transmitting substrate so as to provide a space between the step of forming a structure and the semiconductor substrate and an infrared transmitting substrate made of silicon or the like. Thereafter, the step of bonding the infrared transmission substrate to the semiconductor substrate through the adhesive layer, and the step of forming a through hole in the semiconductor substrate from the opposite side of the semiconductor substrate to the infrared transmission substrate, The through-hole is provided at a position facing the adhesive layer.
この製造方法によれば、貫通孔形成時の貫通孔等の破損・劣化を、接着層による支持によって抑制することで、特性の優れた上述の赤外線センサを製造することができる。 According to this manufacturing method, the above-described infrared sensor having excellent characteristics can be manufactured by suppressing breakage / deterioration of the through-holes and the like when forming the through-holes by supporting the adhesive layer.
また、複数の赤外線センサを形成する場合、貫通孔の形成後に、赤外線センサ間のダイシングライン上を切断し、個々の赤外線センサに分離することが好ましい。この場合、半導体基板及び赤外線透過基板の貼りあわせ、及び貫通孔の形成が終了しているので、当該ダイシングによって、個々の赤外線センサを分離することで最終出荷形態に近い製品が完成する。したがって、この製造方法によれば、低コストで生産性が向上することとなる。 Moreover, when forming a some infrared sensor, it is preferable to cut | disconnect on the dicing line between infrared sensors, and to isolate | separate into each infrared sensor after formation of a through-hole. In this case, since the bonding of the semiconductor substrate and the infrared transmissive substrate and the formation of the through hole have been completed, a product close to the final shipment form is completed by separating the individual infrared sensors by the dicing. Therefore, according to this manufacturing method, productivity is improved at low cost.
本発明は、赤外線センサ及びその製造方法に利用することができる。 The present invention can be used for an infrared sensor and a manufacturing method thereof.
1・・・半導体基板、2・・・中空部分、3・・・薄膜、4・・・ポリシリコン膜、5・・・絶縁膜、6・・・アルミニウム膜、7・・・パッシベーション膜、8・・・赤外線吸収膜、9・・・絶縁膜、10・・・・端子、11・・・温接点、12・・・冷接点、13・・・エッチングホール、AD・・・接着層、B・・・バンプ、CE・・・コンタクト電極、CH・・・コンタクトホール、DL・・・上部空間、FL・・・赤外線透過基板、IRP・・・赤外線検出部、P・・・・貫通孔、Pi・・・・絶縁膜、SP・・・内部空間、STP・・・撓み防止壁。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
赤外線検出部が形成された半導体基板と、
前記半導体基板に対向する赤外線透過基板と、
前記半導体基板及び前記赤外線透過基板間に部分的に介在し、これらの基板間に空間を与える接着層と、
を備え、
前記半導体基板は、前記接着層に対向する位置に前記赤外線検出部からの電気信号を端子を介して取り出すため、その軸線上に、前記端子及び前記接着層が位置する貫通孔を有し、
前記貫通孔の内壁面上には、前記貫通孔の底部においては前記半導体基板上に設けられた絶縁層からなる薄膜に接触して位置する絶縁膜が形成され、
前記貫通孔の前記接着層側の開口には、前記赤外線検出部に接続されるコンタクト電極が、前記絶縁膜及び前記薄膜における前記貫通孔の底部に位置するコンタクトホール内に設けられて、前記端子に接続され、
前記貫通孔は角錐台形状を有し、前記貫通孔の径は、前記半導体基板の裏面側から表面側に向かって小さくなっており、
前記貫通孔内にバンプが配置され、前記バンプの外表面は前記絶縁膜に接触しており、この接触位置よりも前記コンタクト電極とは反対側の前記バンプの外表面と前記絶縁膜との間には隙間があり、且つ、前記バンプは前記半導体基板の前記貫通孔からはみ出す部分を有していることを特徴とする赤外線センサ。 In infrared sensor,
A semiconductor substrate on which an infrared detector is formed;
An infrared transmitting substrate facing the semiconductor substrate;
An adhesive layer partially interposed between the semiconductor substrate and the infrared transmitting substrate, and providing a space between the substrates;
With
The semiconductor substrate has a through hole in which the terminal and the adhesive layer are located on an axis thereof in order to take out an electrical signal from the infrared detection unit via a terminal at a position facing the adhesive layer ,
On the inner wall surface of the through hole, an insulating film is formed in contact with a thin film made of an insulating layer provided on the semiconductor substrate at the bottom of the through hole ,
In the opening on the adhesive layer side of the through hole, a contact electrode connected to the infrared detection unit is provided in a contact hole located at the bottom of the through hole in the insulating film and the thin film, and the terminal Connected to
The through hole has a truncated pyramid shape, and the diameter of the through hole decreases from the back surface side to the front surface side of the semiconductor substrate,
Bumps are disposed in the through holes, and the outer surfaces of the bumps are in contact with the insulating film, and between the outer surfaces of the bumps on the opposite side of the contact electrodes from the contact position and the insulating film. The infrared sensor is characterized in that there is a gap and the bump has a portion protruding from the through hole of the semiconductor substrate.
赤外線検出部が形成された半導体基板と、
前記半導体基板に対向する赤外線透過基板と、
前記半導体基板及び前記赤外線透過基板間に部分的に介在し、これらの基板間に空間を与える接着層と、
を備え、
前記半導体基板は、前記接着層に対向する位置に前記赤外線検出部からの電気信号を端子を介して取り出すため、その軸線上に、前記端子及び前記接着層が位置する貫通孔を有し、
前記貫通孔の内壁面上には、前記貫通孔の底部においては前記半導体基板上に設けられた絶縁層からなる薄膜に接触して位置する絶縁膜が形成され、
前記貫通孔の前記接着層側の開口には、前記赤外線検出部に接続されるコンタクト電極が、前記絶縁膜及び前記薄膜における前記貫通孔の底部に位置するコンタクトホール内に設けられて、前記端子に接続され、
前記貫通孔は角錐台形状を有し、前記貫通孔の径は、前記半導体基板の裏面側から表面側に向かって小さくなっており、
前記貫通孔内にバンプが位置し、前記バンプの外表面と前記貫通孔の内面との間には少なくとも一部に隙間があり、且つ、前記バンプは前記半導体基板の前記貫通孔からはみ出す部分を有していることを特徴とする赤外線センサ。 In infrared sensor,
A semiconductor substrate on which an infrared detector is formed;
An infrared transmitting substrate facing the semiconductor substrate;
An adhesive layer partially interposed between the semiconductor substrate and the infrared transmitting substrate, and providing a space between the substrates;
With
The semiconductor substrate has a through hole in which the terminal and the adhesive layer are located on an axis thereof in order to take out an electrical signal from the infrared detection unit via a terminal at a position facing the adhesive layer ,
On the inner wall surface of the through hole, an insulating film is formed in contact with a thin film made of an insulating layer provided on the semiconductor substrate at the bottom of the through hole ,
In the opening on the adhesive layer side of the through hole, a contact electrode connected to the infrared detection unit is provided in a contact hole located at the bottom of the through hole in the insulating film and the thin film, and the terminal Connected to
The through hole has a truncated pyramid shape, and the diameter of the through hole decreases from the back surface side to the front surface side of the semiconductor substrate,
A bump is located in the through hole, and there is a gap at least partially between the outer surface of the bump and the inner surface of the through hole, and the bump is a portion protruding from the through hole of the semiconductor substrate. Infrared sensor characterized by having.
前記半導体基板と、前記赤外線透過基板との間に、空間を与えられるよう接着層を前記半導体基板又は前記赤外線透過基板の少なくとも一方に部分的に形成した後、この接着層を介して前記半導体基板に前記赤外線透過基板を貼り合わせる工程と、
前記赤外線透過基板の貼り合わせ工程の後に、前記半導体基板の前記赤外線透過基板とは反対側の面を機械的及び化学的に研磨することで前記半導体基板を薄板化する工程と、
前記赤外線透過基板の貼り合わせ工程の後に、前記半導体基板の前記赤外線透過基板とは反対側から、前記半導体基板に貫通孔を形成する工程と、
を備えることを特徴とする赤外線センサの製造方法。
In the manufacturing method of an infrared sensor given in any 1 paragraph of Claims 1 thru / or 5,
An adhesive layer is partially formed on at least one of the semiconductor substrate and the infrared transmitting substrate so as to provide a space between the semiconductor substrate and the infrared transmitting substrate, and then the semiconductor substrate is interposed through the adhesive layer. Bonding the infrared transmitting substrate to
After the step of bonding the infrared transmitting substrate, the step of thinning the semiconductor substrate by mechanically and chemically polishing the surface of the semiconductor substrate opposite to the infrared transmitting substrate;
A step of forming a through hole in the semiconductor substrate from the opposite side of the infrared transmitting substrate of the semiconductor substrate after the bonding step of the infrared transmitting substrate;
A method for manufacturing an infrared sensor, comprising:
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