JP6195929B2 - 電磁波を検出するための少なくとも２つのウェハを有する装置、および、当該装置の製造方法 - Google Patents

電磁波を検出するための少なくとも２つのウェハを有する装置、および、当該装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電磁波を検出するための少なくとも２つのウェハの構成体、および、当該構成体の製造方法に関する。
従来技術
独国特許出願公開 DE 10 2008 043 735 A1 に、少なくとも２つのウェハ間のボンディング接合部の作製方法が記載されている。同刊行物に記載されている方法は、第１のボンディング材料を第１のウェハ上に設けるステップを含み、当該第１のボンディング材料としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金が選択される。
前記方法はさらに、第２のボンディング材料を第２のウェハ上に設けるステップを含み、当該第２のボンディング材料としては、金が選択される。上記刊行物に記載された方法では、次に、前記第１のボンディング材料と第２のボンディング材料とを結合することにより、第１のウェハと第２のウェハとのウェハ・トゥ・ウェハボンディング接合部を形成する、ボンディング工程を実施する。
また、欧州特許 EP 1071126 B1 に記載された、２つのウェハのボンディング接合では、両ウェハのボンディングパッドに適していると記載されたボンディング材料は異なっており、金から成るボンディングパッドが用いられる。さらに同刊行物では、ボンディング材料としてシリコン、インジウム、アルミニウム、銅、銀、これらの元素から成る合金が記載されている。
図４に、２つのウェハ１０，２０の構成体１の一例を示す。第１のウェハ１０は、構成体のキャップウェハとして用いられる。第２のウェハはＭＥＭＳ領域１５とＡＳＩＣ領域５とを有する。第２のウェハのコンタクトを行うために、金属のボンディングパッド２１，２２，２３が設けられている。ＭＥＭＳ領域１５は、カンチレバー構造体１８を有するＭＥＭＳ構造を有し、当該カンチレバー構造体１８は歪みゲージ１６を有する。
発明の開示
本発明は、請求項１に記載の構成を有する、電磁波を検出するための、特に遠赤外線を検出するための少なくとも２つのウェハの構成体と、請求項１４に記載の当該構成体の製造方法とを実現したものである。
発明の利点
本発明の思想は、１つのウェハに、評価回路が水平方向に集積され、かつ、ＡＳＩＣ構造とＭＥＭＳ構造とが垂直方向に組み合わされるのを回避することである。というのも、これら両構造を非常に多くのマスクレベルにわたって一緒に処理すると、ウェハ全体の欠陥の確率が上昇するからである。
本発明の基本は、ＡＳＩＣ構造とＭＥＭＳ構造とを分離して、ＡＳＩＣ構造とＭＥＭＳ構造とをそれぞれ、２つのウェハのうち一方に集積し、次のステップにおいて、両ウェハ上に形成された金属のウェハコンタクトを介して両ウェハを接合することである。
このことによって有利には、ＡＳＩＣ構造に最適である特定の処理と、ＭＥＭＳ構造に最適である特定の処理とを、それぞれ各個別のウェハに用いることが可能になる。さらに本発明は、それぞれに最適化されたウェハ構造体において使用面積が最小限になるので、コスト上の利点も奏する。さらに、本発明により、ＭＥＭＳ構造のセンサ画素とＡＳＩＣ構造の評価回路との間の小さい所要距離を遵守することもできる。
従属請求項と、図面を参照した説明とから、有利な実施形態および発展形態が明らかである。
本発明の１つの実施形態では、前記評価回路は回路アレイとして構成されている。
本発明の１つの実施形態では、前記センサアレイは少なくとも１つのダイオードエレメントのアレイとして構成されている。これにより、センサアレイを簡単に製造することができる。さらにこの実施形態により、センサアレイの確実な動作を実現することができる。その際に有利なのは、ダイオードエレメントにおける電圧が変化することにより、電磁波に起因する、センサアレイの温度変化を推定できることを利用することである。
本発明の１つの実施形態では、前記回路アレイと前記センサアレイとを同様の形状で形成する。このことにより、センサアレイのダイオードエレメントと評価回路との間の距離を最小限にすることができる。
本発明の１つの実施形態では、前記少なくとも１つのダイオードエレメントは評価回路の少なくとも１つの処理ユニットに結合されている。このような実施形態により、外部から構成体に及ぼされる外乱の影響を減少させることができる。
本発明の１つの実施形態では、前記少なくとも１つのダイオードエレメントは、直列接続された複数のダイオードから構成される。このような実施形態により、ダイオードエレメントにおける電圧降下の変化が放射を誘導する作用を、有利には拡大することができる。
本発明の１つの実施形態では、前記集積回路は特定用途集積回路として構成されている。この構成により、センサアレイの効率的な実装を実現することができる。
本発明の１つの実施形態では、前記構成体はさらに、センサアレイのキャップウェハとして構成された第３のウェハを有する。この実施形態により、センサアレイに必要とされる負圧を動作中に維持することができる。
本発明の１つの実施形態では、センサアレイは電磁波を検出するための、特に遠赤外線を検出するためのマイクロボロメータアレイとして構成されている。このような実施形態により、電磁波がセンサアレイにおいて吸収されて当該センサアレイ内部にて温度変化が生じることによって、電気抵抗の変化を検出できるという利点が奏される。
本発明の１つの実施形態では、前記集積回路は熱シールドを有する。このような実施形態により、前記構成体の集積回路は、電磁波特に遠赤外線に起因する過熱を防止することができる。
本発明の１つの実施形態では、前記マイクロシステムはゲッタ装置を有する。このような実施形態により、前記構成体の動作中、センサアレイに必要とされる負圧を持続的に維持できるという利点が奏される。
本発明の１つの実施形態では、前記第１のウェハはスルーコンタクトを有する。このような構成により、第１のウェハの簡単かつ確実なコンタクトを実現することができる。
本発明の１つの実施形態では、前記第２のウェハはスルーコンタクトを有する。このような構成により、第２のウェハの簡単かつ確実なコンタクトを実現することができる。
上記の実施形態および発展形態は、任意に組み合わせることができる。
本発明の他の可能な実施形態、発展形態および実施形式には、上記または下記にて実施例を参酌して説明する本発明の各構成の、明示的に記載されていない組み合わせも含まれる。
添付の図面を参酌すれば、本発明の実施形態をさらに具体的に理解することができる。図面には複数の実施形態を示しており、図面と明細書とを併せて参酌すれば、本発明の原理および思想が明らかである。
図面を参酌すれば、他の実施形態と、上記利点の数多くとが明らかである。図面に示された構成要素の相互の比率は、必ずしも実寸通りでない。
本発明の一実施形態の、電磁波を検出するための、特に遠赤外線を検出するための２つのウェハの構成体を概略的に示す図である。 本発明の他の実施形態の、電磁波を検出するための、とりわけ遠赤外線を検出するための３つのウェハの構成体を概略的に示す図である。 本発明のさらに他の実施形態の、電磁波を検出するための、特に遠赤外線を検出するための、少なくとも２つのウェハの構成体の製造方法のフローチャートを示す概略図である。 ２つのウェハの構成体の一例を示す図である。
図面の各図において、別に特記しない限り、同一の符号は同一または同機能の要素、部品、構成要素またはステップを示す。
図１は、本発明の一実施形態の、電磁波を検出するための、特に遠赤外線を検出するための２つのウェハの構成体を概略的に示す図である。
ここではウェハとは、円形または正方形である約１ｍｍの厚さのスライスである。ウェハは単結晶または多結晶の半導体材料を含むことができ、通常は、電子装置の基板として用いられる。前記半導体材料としては、シリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、炭化シリコンまたはリン化インジウムを用いることができる。
構成体１００は、電磁波を検出するための、特に遠赤外線を検出するための２つのウェハ１２０，１１０を含む。
第１のウェハ１２０は、センサアレイとして構成されたマイクロシステム１１５を有し、当該マイクロシステム１１５は、電磁波を、特に遠赤外線を検出して、これに応じたセンサ信号を生成するように構成されている。
第２のウェハ１１０は、センサアレイに結合された評価回路として構成された集積回路１０５を有し、当該集積回路１０５は、生成された前記センサ信号に基づいて、当該生成されたセンサ信号を評価することにより、電磁波を、特に遠赤外線を検知するように構成されている。
たとえば評価回路は、電磁波を、特に遠赤外線を検出したセンサ素子１１５ａを特定するように構成することができる。センサアレイは、それぞれ１つまたは複数のダイオードエレメント１１６を有する複数のセンサ素子１１５ａのアレイとして構成することができる。評価回路はさらに、複数の処理ユニットのアレイとして構成された回路アレイとすることもできる。その際には、評価回路の各１つの処理ユニットにそれぞれ、前記センサアレイの１つまたは複数のダイオードエレメント１１６が結合される。
その際には、測定用センサとして構成されたダイオードエレメント１１６の電気的なセンサ信号を、正規化された電気信号に変換する測定用変換器として、評価回路のいずれかの処理ユニットを構成することができる。
ダイオードエレメント１１６は、直列接続された複数のダイオードから構成することができ、または、ダイオードの直列接続体と、たとえば抵抗器等の他の電気的素子とから構成することができる。その際には、ダイオードとして、ｐ‐ｎ型ドープされた半導体結晶であるシリコン、またはゲルマニウム、ゲルマニウムダイオード、砒化ガリウムを含むか、または、金属‐半導体接合を含む半導体ダイオードを用いることができる。
また、ボンディング材料１８０を第１のウェハ１２０と第２のウェハ１１０；１３０とに蒸着することも可能である。その際にはボンディング材料として、金もしくはインジウムもしくはアルミニウムを用いるか、または、ウェハボンディングに適した他の金属を用いる。
第１のウェハ１２０のコンタクトを行うために、ボンディングパッド１２１，１２２，１２３が設けられており、このボンディングパッド１２１，１２２，１２３もまた、金もしくはインジウムもしくはアルミニウムから形成されるか、または、コンタクトボンディングに適した他の材料から形成される。
第１のウェハ１２０と第２のウェハ１１０とをコンタクトさせるため、第２のウェハ１１０上にコンタクト部１２５が設けられている。このコンタクト部１２５は、第２のウェハ１１０の、第１のウェハ１２０を向いた面に形成されたコンタクトパッドと、集積回路１０５とを接続するものであり、このコンタクトパッドは図中には示されていない。
電極としては、ダイオードエレメント１１６の電気的コンタクトを実現するために金属が設けられており、また、ダイオードエレメント１１６を固定するために、酸化物または他の非導電性材料１２７から成るウェブが設けられている。その際にはダイオードエレメント１１６は、カンチレバー形の材料領域の内部または表面上に設けられる。第１のウェハ１２０はたとえばスルーコンタクト１２４を有する。
さらにセンサ素子１１５ａは、当該センサ素子１１５ａの基板として用いられる第１のウェハ１２０から温度センサを熱絶縁するための空洞１２６有する。
その際には、各センサ素子１１５ａごとに個別の空洞１２６をその下方にて用いることができ、または、複数のセンサ素子１１５ａを保持して画素クラスタを構成する複数の空洞１２６を形成することもできる。
また、センサアレイ全体の下方に大きな空洞を形成することもできる。
１つの空洞１２６あたり複数のセンサ素子１１５ａが設けられている場合、とりわけセンサ素子１１５ａの安定性およびパフォーマンスのために有利なのは、吸収した熱を基板の蓄熱部に可能な限り良好に排出するための支持部を設けることである。
この支持部はたとえば、壁または柱として形成することができる。空洞を形成するためには、たとえば犠牲層をエッチングすること、または、基板を陽極エッチングすることができ、その際には、基板にたとえば多孔性シリコンを生成する。前記犠牲層のエッチングは、場合によっては、各空洞を支持部により規定通りに支えることにより支援することができる。さらに、同様の作用を実現するシリコンディープエッチング法を実施することも可能である。
図２は、本発明の他の１つの実施形態の、電磁波を検出するための、特に遠赤外線を検出するための３つのウェハの構成体を概略的に示す図である。
図１に示された実施形態との相違点として、図２に示した実施形態では、構成体１００はさらに第３のウェハ１４０を有しており、この第３のウェハ１４０は、センサアレイのためのキャップウェハとして形成されている。
さらに、図２に示した実施形態では、集積回路１０５は熱シールド１０８を有し、マイクロシステム１１５はゲッタ装置１１８を有する。熱シールド１０８はたとえば、電磁波ないしは遠赤外線を反射する層として形成されている。
ゲッタ装置１１８はたとえばゲッタとされる。すなわち、負圧を可能な限り長期間維持するのに用いられる化学反応性材料とされる。ゲッタ装置１１８の表面において、ガス分子がゲッタ材料の分子と直接化学結合するか、または、ガス分子が吸着により固定される。このようにしてガス分子が取り込まれて、空洞の内圧が低下する。
図２に示した他の符号は、図１に対応する図面の説明において既に記載したものであるから、詳細な説明は省略する。
図３は、本発明のさらに他の実施形態の、電磁波を検出するための、特に遠赤外線を検出するための、少なくとも２つのウェハの構成体の製造方法のフローチャートを示す概略図である。
第１のステップとして、マイクロシステム１１５を有する第１のウェハ１２０と、集積回路１０５を有する第２のウェハ１１０；１３０とを準備するＳ１。
第２のステップとして、第１のウェハ１２０と第２のウェハ１１０；１３０とにボンディング材料１８０を設けるＳ２。
第３のステップとして、ボンディング材料１８０が設けられた状態の第１のウェハ１２０と、ボンディング材料１８０が設けられた状態の第２のウェハ１１０；１３０とをボンディング接合することによりＳ３、前記構成体を形成する。
上記では、有利な実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されることはなく、多様な形態に変更することが可能である。特に本発明の基本から逸脱することなく、本発明は多くの態様で変更または修正することができる。

Claims (14)

  1. 電磁波を検知するための、２つのウェハ（１２０，１１０）の構成体（１００）であって、
    ・第１のウェハ（１２０）は、センサアレイとして構成されたマイクロシステム（１１５）を有し、前記センサアレイは、複数のセンサ素子（１１５ａ）を含み、前記センサアレイは、電磁波を検出して、対応するセンサ信号を生成するように構成されており、前記第１のウェハ（１２０）は各センサ素子（１１５ａ）ごとに個別の空洞（１２６）を有し、
    ・第２のウェハ（１１０）は、前記センサアレイに接続された評価回路として構成された集積回路（１０５）を有し、当該集積回路（１０５）は、生成された前記センサ信号に基づいて、前記電磁波を検知するように構成されており、
    ・前記第１のウェハ（１２０）と前記第２のウェハ（１１０）とは上下にボンディング接合されており、
    ・前記第２のウェハ（１１０）は、前記センサアレイに対するキャップウェハとして構成されており、前記センサアレイが配置される別の空洞を有している
    ことを特徴とする構成体（１００）。
  2. 前記評価回路は回路アレイとして構成されている、
    請求項１記載の構成体（１００）。
  3. 前記センサアレイは、少なくとも１つのダイオードエレメント（１１６）のアレイとして構成されている、
    請求項１または２記載の構成体（１００）。
  4. 前記回路アレイと前記センサアレイとは、同様の形状に形成されている、
    請求項２を引用する請求項３記載の構成体（１００）。
  5. 前記少なくとも１つのダイオードエレメント（１１６）は、前記評価回路の少なくとも１つの処理ユニットに結合されている、
    請求項３または４記載の構成体（１００）。
  6. 前記少なくとも１つのダイオードエレメント（１１６）は、直列接続された複数のダイオードから構成されている、
    請求項３から５までのいずれか１項記載の構成体（１００）。
  7. 前記集積回路（１０５）は特定用途集積回路として構成されている、
    請求項１から６までのいずれか１項記載の構成体（１００）。
  8. 前記センサアレイは、電磁波を検出するためのマイクロボロメータアレイとして構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の構成体（１００）。
  9. 前記集積回路（１０５）は熱シールド（１０８）を有する、
    請求項１から８までのいずれか１項記載の構成体（１００）。
  10. 前記マイクロシステム（１１５）はゲッタ装置（１１８）を有する、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の構成体（１００）。
  11. 前記第１のウェハ（１２０）はスルーコンタクト（１２４）を有する、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の構成体（１００）。
  12. 前記第２のウェハ（１１０）はスルーコンタクトを有する、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の構成体（１００）。
  13. 前記電磁波は、遠赤外線である、
    請求項１から１２までのいずれか１項記載の構成体（１００）。
  14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の、２つのウェハの構成体の製造方法であって、
    ・マイクロシステム（１１５）を有する第１のウェハ（１２０）と、集積回路（１０５）を有する第２のウェハ（１１０）とを準備するステップ（Ｓ１）と、
    ・前記第１のウェハ（１２）と前記第２のウェハ（１１０）とにボンディング材料（１８０）を設けるステップ（Ｓ２）と、
    ・前記構成体を製造するために、前記ボンディング材料（１８０）が設けられた状態の前記第１のウェハ（１２０）と、前記ボンディング材料（１８０）が設けられた状態の前記第２のウェハ（１１０）とをボンディング接合するステップ（Ｓ３）と
    を有することを特徴とする製造方法。
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