JP6254682B2 - 赤外線用の集積型撮像デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線用の集積型撮像デバイス及びその製造方法に関する。
輻射線の検知に用いられる撮像デバイスやセンサデバイスには、多くの場合、輻射線を指向するレンズなどの素子が設けられる。８μｍから１２μｍの範囲の長波長の赤外線（ＬＷＩＲ）の場合、赤外線（ＩＲ）を伝播させる材料として、ＺｎＳｅやＧｅＡｓＳｅのようなアモルファス材料（ＡＭＴＩＲ）を用い、輻射線を案内または集中させることが可能である。このような赤外線検知器の大量生産は、赤外線検知器を集積回路と組み合わせる実装作業にも起因した法外なコストによって妨げられている。
フレネルレンズは、それぞれが異なる径を有した複数の同心円部分を備えている。従って、通常の凸レンズの連続面が、同様の曲面を有した環状面に分割されており、これら環状面が隣接して配置され、隣り合う部分を接続する面に段部を有している。それぞれの同心円部分における厚みの最大値は、同等の通常の凸レンズの厚みの最大値よりもかなり小さくなっており、フレネルレンズの全体的な厚み及びその体積は、通常の凸レンズを大幅に下回るものとなる。
フレネルゾーンプレートと呼称されることもあるゾーンプレートは、それぞれが異なる径を有した複数の同心円部分、いわゆるフレネルゾーンを備えている。ゾーンプレートを形成する領域には、不透明なゾーンと透明なゾーンとが交互に設けられる。入射光は、不透明なゾーンの周囲で回折される。これらのゾーンは、回折光が所望の焦点で干渉して強め合うように配置される。
特許文献１には、シリコン基板の裏面に組み込まれたフレネルレンズを備える集積型赤外線センサが開示されている。シリコン基板には、積層誘電体に形成された開口を介し、キャビティがエッチング加工されている。積層誘電体の中に配設された熱電対列の間にある開口を通って多結晶シリコン層及び窒化チタン層が延設され、ＣＭＯＳ回路が積層誘電体の中に配設されている。
特許文献２には、シリコン基板に形成された凹部と、シリコン基板からなるキャップ体とによって形成されるキャビティの中に、抵抗素子を備えた赤外線センサが開示されている。キャップ体は、フィルタ層と、パターン化されてフレネルレンズを構成するシリコン層とを保持する。キャビティ内の基板上には、抵抗素子の側方にトランジスタが配設されている。
特許文献３には、２つのシリコンウエーハによって形成されるキャビティの中に配置された赤外線検知部を備える赤外線検知器が開示されている。赤外線検知部には、スルーホール配線が電気的に接続されている。上部のシリコンウエーハには、半導体レンズ部が一体的に形成されている。
特許文献４には、半導体素子の上に配置された受光部を有し、この受光部が、一体的なフレネルレンズを備える透明な板材によって覆われた光学素子が開示されている。接着剤層には、受光部の上方に開口を設けることができる。
特許文献５には、マイクロレンズアレイと、これに対応する感光素子とを有した画像入力装置が開示されている。
特許文献６には、センサチップとキャップチップとを備え、これらにより、センサチップの凹部上方にある膜体に形成された吸収層を収容するキャビティが形成された赤外線センサが開示されている。
特許文献７には、基板、光検知部、回路部、及び貫通配線を備えた撮像デバイスが開示されている。このような構成にはレンズが含まれる。
特許文献８には、電子回路を含むウエーハレベルチップサイズパッケージのチップ基板が開示されている。基板を貫通するシリコン貫通ビアにより、電子回路と基板底面とが接続される。環境パラメータを検出するための組込式センサが基板に組み付けられている。組込式センサの上方に設けられたセンサ開口の部分を除き、基板の上面が保護用封止材層で覆われる。
特許文献９には、電磁放射線を検知するように構成された少なくとも１つの放射線検知領域と、電磁放射線を放射線検知領域に集中させるように構成された光学素子とを有する半導体デバイスを含む、放射線検知用光電子部品が開示されている。光学素子は、電磁放射線の波長と同程度の大きさの構造を有した回折素子を備える。
非特許文献１には、検知器の画像素子に赤外線を集中させるための外部フレネルゾーンプレートの適用についてのレポートがある。ゾーンプレートによって生じるスペクトル分解が、赤外線分光に用いられる。
赤外線に関する不純物添加シリコンの吸収係数は、非特許文献２によって公表されている。例えば、シリコン材の厚みが７００μｍ以内であるときに、シリコンにおける自由キャリヤ吸収による入射輻射線の減衰を、１０％未満にしたい場合には、ドーピング濃度を１０17ｃｍ-3より低くする必要がある。
Ｐ．Ｍ．サッロ（P. M. Sarro）、他、「集積型熱赤外線検知アレイ」、センサ及びアクチュエータ、１９８８年、第１４号、ｐ．１９１−２０１
Ｗ．スピツァー（W. Spitzer）、Ｈ．Ｙ．ファン（Y. Fan）、「ｎ型シリコンにおける赤外線吸収」、フィジカルレビュー、１９５７年、第１０８号、ｐ．２６８−２７１
本発明の目的は、コンパクトな赤外線用集積型撮像デバイスを提供することにある。また、その製造方法を提供することが更なる目的である。
これらの目的は、請求項１による集積型撮像デバイス、及び請求項１４による集積型撮像デバイスの製造方法によって達成される。集積型撮像デバイスの様々な具体的態様及び変形態様は、従属請求項から得られる。
集積型撮像デバイスは、集積回路を有した基板、カバー、基板とカバーとの間に設けられた誘電体層、基板とカバーとの間に形成されたキャビティ、及びキャビティの中に配設されたセンサまたはセンサの一群を備える。カバーは、誘電体層の表面を形成するシリコン酸化物に接合されたシリコンからなり、キャビティは、真空、または１００Ｐａ未満、更には、１０Ｐａ未満の気体圧力となっている。キャビティの領域にある基板における誘電体層の側とは反対側の面が、入射する輻射線をセンサまたはセンサの一群に指向させる表面構造を有するか、或いは、キャビティの領域にあるカバーにおける誘電体層の側とは反対側の面が、入射する輻射線をセンサまたはセンサの一群に指向させる表面構造を有する。
前記集積型撮像デバイスの具体的一態様において、前記表面構造は、赤外線を焦点に集めるゾーンプレートである。
前記集積型撮像デバイスの更なる具体的態様において、前記表面構造は、赤外線を焦点に集めるフレネルレンズである。
更なる具体的態様において、前記表面構造は、半導体材料内に形成される。
更なる具体的態様において、前記センサまたは前記センサの一群は、多結晶シリコン内に形成されたｐｎ接合を有したダイオードを備える。
更なる具体的態様において、少なくとも１つのメタライゼーション層が前記誘電体層の中に埋設され、前記センサまたは前記センサの一群を前記メタライゼーション層に電気的に接続する少なくとも１つの導電接続体が、前記キャビティから前記誘電体層内に延設される。
更なる具体的態様において、前記センサまたは前記センサの一群は、前記導電接続体と一体的に形成された膜体を備える。具体的には、前記膜体が、前記集積回路と電気的に接続され、受動型赤外線検知器を形成する。前記膜体は、電気抵抗性を有するか、またはダイオードを形成するｐｎ接合を備えていてもよい。
更なる具体的態様において、前記キャビティは、前記基板及び前記カバーの中に延設される。
更なる具体的態様において、前記キャビティは、前記基板の中に延設されており、前記集積回路の部品によって隔てられた複数の部屋を形成し、前記センサは、それぞれ、前記部屋の１つの中または上方に配置される。
更なる具体的態様において、前記キャビティは、前記誘電体層の中に配置され、前記カバーの中に延設される。
更なる具体的態様において、前記基板には、少なくとも１つの基板貫通ビアが設けられている。前記基板貫通ビアは、前記集積回路、または前記センサもしくは前記センサの一群を、前記基板において前記誘電体層の側とは反対側となる面にある接続パッドと電気的に接続する。
更なる具体的態様において、前記基板貫通ビアは、導電体または誘電体で満たされておらず、前記カバーは、前記基板貫通ビアの上方で、前記誘電体層に接合される。
更なる具体的態様において、前記集積回路はＣＭＯＳ回路からなり、前記誘電体層は前記集積回路の配線を備える。
集積型撮像デバイスの製造方法は、集積回路及び誘電体層を有し、前記誘電体層の少なくとも一方の面がシリコン酸化物により形成された基板を設ける工程と、前記基板の上または上方に、センサまたはセンサの一群を配置する工程と、シリコンからなるカバーを、前記カバーのシリコンと前記誘電体層の前記シリコン酸化物とを接合することにより、前記基板に取り付けることで、前記センサまたは前記センサの一群が配置されるキャビティを形成する工程とを備える。前記基板における前記誘電体層の側とは反対側となる面、または前記カバーにおける前記誘電体層の側とは反対側となる面をエッチング加工することにより、入射する輻射線を、前記センサまたは前記センサの一群に指向させる表面構造を生成する。
前記製造方法の変形態様において、前記キャビティは、真空、または１００Ｐａ未満、もしくは更に１０Ｐａ未満の気体圧力となるように形成される。
前記製造方法の更なる変形態様において、前記表面構造は、エッチング加工により、ゾーンプレートの同心円状凹部を形成する。
前記製造方法の更なる変形態様において、前記表面構造は、エッチング加工により、フレネルレンズを形成する。
前記製造方法の更なる変形態様において、前記エッチング加工により前記フレネルレンズを形成する前記面は、パターン成形層で覆われ、前記パターン成形層は、前記フレネルレンズに対応した構造を有する。次に、前記パターン成形層は、前記パターン成形層の構造を前記面に転写して前記フレネルレンズを形成する異方性エッチング処理によって除去される。
前記製造方法の更なる変形態様において、前記エッチング加工により前記フレネルレンズを形成する前記面は、シリコンからなり、前記パターン成形層は、前記シリコンと同じエッチング速度を有したポリマから形成される。
前記製造方法の更なる変形態様において、前記センサまたは前記センサの一群は、前記誘電体層の中に配置され、前記センサまたは前記センサの一群の下方の前記基板に凹部がエッチング加工された後、前記センサまたは前記センサの一群から、前記誘電体層が少なくとも部分的に取り除かれる。
前記製造方法の更なる変形態様において、前記センサまたは前記センサの一群は、前記誘電体層の中で犠牲層の上に配置され、その後、前記犠牲層が除去され、前記センサまたは前記センサの一群から、前記誘電体層が少なくとも部分的に取り除かれる。
前記製造方法の更なる変形態様において、前記センサまたは前記センサの一群は、多結晶シリコン内に形成されたｐｎ接合を有したダイオードを備えて形成される。
前記製造方法の更なる変形態様において、前記センサまたは前記センサの一群は、膜体を含んで形成され、前記膜体は、前記誘電体層の中のメタライゼーション層に前記膜体を接続する導電接続体と一体的に形成される。前記膜体は、電気抵抗性を有してもよく、ドーパントを添加して所望の抵抗率が得ることが可能な、多結晶シリコンなどの半導体材料から形成されるのが好ましい。前記膜体には、ｐｎ接合を設けることが可能であり、このｐｎ接合は、ドーパントの注入により多結晶シリコン内に形成してもよい。
撮像デバイス及びその製造方法の具体例について、添付の図面と共に以下に詳細に説明する。
図１は、撮像デバイスの一実施形態の断面図である。シリコンなどの半導体材料からなる基板１にカバー２が接合されており、このカバー２は、更なる半導体材料で形成してもよい。基板１及びカバー２は、誘電体層３によって接合され、この誘電体層３は、例えば半導体材料の酸化物で形成することができる。少なくとも、カバー２と接している誘電体層３の面は、例えばＳｉＯ2のようなシリコン酸化物によって形成される。カバー２は、シリコンによって形成されており、誘電体層３の表面を形成するシリコン酸化物に接合される。このような接合は、公知のウエーハ接合方法によって行うようにしてもよい。この場合のウエーハ接合方法は、真空下で実行することにより、基板１とカバー２との間に形成されるキャビティ６が、真空、または１００Ｐａ未満、更には１０Ｐａ未満の低い気体圧力とすることができる。基板１は集積回路４を備えており、誘電体層３内にメタライゼーション層１３を埋設して、この集積回路４のための配線を行うようにしてもよい。具体的には、集積回路４をＣＭＯＳ回路とすることが可能である。
基板１とカバー２との間に形成されたキャビティ６の内部には、センサ５の一群が配列されている。これら一群のセンサ５は、例えば二次元画像の検知用に配置することができる。これに代え、単一のセンサ５をキャビティ６内に配置してもよい。単一のセンサ５またはセンサ５の一群は、赤外線の検知用に設けることが可能であり、例えば受動型赤外線検知器からなる。
受動型赤外線（ＰＩＲ）検知器は、様々な方法で実現可能であるが、それ自体は公知であり、ここでは説明しない。通常、受動型赤外線検知器は、赤外線によって加熱されると抵抗値、即ち印加電圧または供給電流が変化する特性を有した検知素子を備える。具体的には、例えば多結晶シリコンのような、赤外線検知器への採用に適した材料からなる膜体を検知素子が備えるようにしてもよい。
それぞれのセンサ５は、キャビティ６内に形成された真空状態により、基板１から熱的に絶縁されているのが好ましい。このような構成は、検知素子を取り囲むキャビティ６内を、一般的には１００Ｐａ未満、更には１０Ｐａ未満とするべく、上述したように真空中でのウエーハ接合方法の適用によって実現することが可能である。センサ５には、これらセンサ５を、例えば配線用のメタライゼーション層１３などの更なる導電体に接続する導電接続体７が設けられる。
キャビティ６の側とは反対側となるカバー２の外表面１２には、表面構造８が設けられる。この表面構造８は、入射した輻射線を指向するように構成されており、具体的には、赤外線を焦点に集めるゾーンプレートまたはフレネルレンズを形成するようしてもよい。表面構造８を形成するゾーンプレートは、例えば、レジストで外表面１２を被覆し、このレジストを、ゾーンプレートのパターンに従って露光し、現像して部分的に除去し、レジストマスクを形成することにより、フォトリソグラフィ技術でシリコンに形成することができる。この後、シリコン表面の被覆されていない部分が、例えば塩素イオンまたは臭化物イオンを含有するプラズマを用いてエッチング加工されることにより、所望の表面構造８が形成される。
図１中に示す矢印は、入射する赤外線の例を示すと共に、ゾーンプレートの集光効果を例示するものである。赤外線の入射方向は、外表面１２の垂線に対して角度αをなしている。平行な光線は、センサ５の１つに集光される。
光路長は、屈折率と幾何学的距離との積である。屈折率は、対象とする波長領域において、空気中では約１となり、カバー２を形成する材料とすることができるシリコンにおいては約３．４となる。従って、幾何学的距離が同じであれば、シリコン中を伝播する輻射線の光路長は、空気中の光路長の約３．４倍となる。このため、外表面の凹部でシリコンに入射する輻射線は、外表面の平坦部分でシリコンに入射する輻射線の光路長より短い光路長を有することになる。このような光路長の違いが波長の半分に相当する場合、結果として得られる画像の特性は、光学レンズによるものに相当するものとなる。表面構造８を形成する材料として、シリコンに代えて、高い屈折率を有した別の材料を用いることも可能である。
ゾーンプレートの例では、表面構造８が、複数の同心円状凹部２１、即ち、外表面１２が位置する平面に上面を有する領域によって分離された複数の浅い環状溝を備える。当該領域は、一般的なゾーンプレートの不透明な領域と同じ機能を有する一方、同心円状凹部２１の領域は、一般的なゾーンプレートの透明な領域と同じ機能を有する。カバー２の屈折率と、表面構造８の領域における異なる表面高さとに起因した異なる光路長により、同心円状凹部２１に入射する輻射線と、隣り合う同心円状凹部２１の間の表面領域に入射する輻射線との間で位相ずれが生じる。この位相ずれにより、一般的なゾーンプレートの不透明な領域と透明な領域とによる効果と同様の効果が得られる。同心円状凹部２１の深さｄは、所望の焦点距離ｆに適応している。表面構造８の径Ｄは、例えば１ｍｍとすることができる。例えば、数ｍ離れた位置からセンサに近付き、１ｍ以内には近付かない人から発せられた赤外線が入射する場合、入射する光線は実質的に平行となり、特定の径Ｄを有したゾーンプレートにより、この人の画像が、赤外線検知器の焦点面に生成される。
基板１に１つ以上の基板貫通ビア９を設け、集積回路４及びセンサ５の少なくとも一方を、基板１の裏側外面１１に設けられた接続パッド１０に接続するようにしてもよい。この基板貫通ビア９は、メタライゼーション層１３の接続領域１４に接続することが可能であり、ビア用誘電体１５により、基板１の半導体材料から絶縁されているのが好ましく、このビア用誘電体１５は、例えば半導体材料の酸化物とすることが可能であって、裏側外面１１にも設けることが可能である。
基板貫通ビア９が導電体材料または誘電体材料で満たされず、図１に示すように内部に空所が残存する場合、カバー２は、図１に示すようにして、基板貫通ビア９の上方で誘電体層３に接合されるのが好ましい。これにより、接続領域１４と誘電体層３の一部とを含む基板貫通ビア９の底部が、カバー２によって安定化する。従って、カバー２は、基板貫通ビア９を覆って延設されるのが好ましい。このようなカバー２の配置は、図２〜図５、及び図１４に示すような実施形態にも適用されており、これらの実施形態については、以下で説明する。特に、カバー２は、キャビティ６が存在する領域だけではなく、誘電体層３の全域を覆うように設けてもよい。
図２は、撮像デバイスの更なる実施形態の断面図である。図２に示す実施形態の構成要素のうち、図１に示す実施形態の対応する構成要素と同じものは、同じ参照符号を用いて示されている。図２に示す実施形態において、集積回路４は、基板１の裏側外面１１の近傍に配置される。集積回路４の配線は、裏側外面１１に設けてもよいし、裏側外面１１の上方の更なる誘電体層（図２には示されない）の中に設けてもよい。カバー２の外表面１２には、輻射線を入射させるための表面構造８が設けられている。本実施形態では、キャビティ６とは反対側に集積回路４を配置することができるので、本実施形態による集積型撮像デバイスの横方向の寸法を、図１に示す実施形態に比べて減少することができる。図２に示す実施形態において、キャビティ６は、真空であるか、或いは一般的には１００Ｐａ未満、更には１０Ｐａ未満の気体圧力となっているのが好ましい。このような状態は、上述したようにして、誘電体層３の表面を形成するシリコン酸化物に、シリコンで形成されたカバー２を接合することにより得ることができる。
図３は、はんだバンプが配置された撮像デバイスの一実施形態の断面図である。図３に示す実施形態の構成要素のうち、図１に示す実施形態の対応する構成要素と同じものは、同じ参照符号を用いて示されている。図３に示す実施形態では、カバー２によって覆われていないメタライゼーション層１３の接続領域に、はんだバンプ１７が配置される。はんだバンプ１７と外部端子との接続は、ワイヤ１８を用い、一般的なワイヤボンディング技術で行われる。また、基板１の裏側外面１１にも、はんだバンプ１９及びはんだバンプ２０を設けることができる。これらのはんだバンプの１つであるはんだバンプ１９は、基板貫通ビア９の１つと電気的に接続され、当該基板貫通ビア９の開口を塞いでいる。もう１つのはんだバンプ２０は、もう１つの基板貫通ビア９の接続パッド１０に配置される。また、図３には、表面構造８を、パッシベーション層、即ち反射防止膜３８で、どのように覆うことができるかについても示されており、このような反射防止膜３８は、別の実施形態における表面構造８にも同様に適用することができる。図３の実施形態において、キャビティ６は、真空であるか、或いは一般的には１００Ｐａ未満、更には１０Ｐａ未満の気体圧力となっているのが好ましい。このような状態は、上述したようにして、誘電体層３の表面を形成するシリコン酸化物に、シリコンで形成されたカバー２を接合することによって得ることができる。
図４は、集積回路４の近傍にセンサ５が配置された撮像デバイスの一実施形態の断面図である。図４に示す実施形態の構成要素のうち、図３に示す実施形態の対応する構成要素と同じものは、同じ参照符号を用いて示されている。図４に示す実施形態では、キャビティ６が、基板１内に延設されずに、誘電体層３の一部を占有すると共に、カバー２内に延設されている。即ち、キャビティ６が、誘電体層３を貫通して、図４に示すように、基板１の表面に達するようにすることができる。このようにして、集積回路４を、カバー２に対向して配置すると共に、集積回路４とカバー２との間に、センサ５を配置することができる。図４の実施形態において、キャビティ６は、真空であるか、或いは一般的には１００Ｐａ未満、更には１０Ｐａ未満の気体圧力となっているのが好ましい。このような状態は、上述したようにして、誘電体層３の表面を形成するシリコン酸化物に、シリコンで形成されたカバー２を接合することによって得ることができる。
図５は、基板１の裏側外面１１にゾーンプレートを有する撮像デバイスの一実施形態の断面図である。図５に示す実施形態の構成要素のうち、図１に示す実施形態の対応する構成要素と同じものは、同じ参照符号を用いて示されている。図５に示す実施形態では、キャビティ６の側とは反対側となる基板１の裏側外面１１に、表面構造８が形成される。カバー２の外表面１２は、平坦とすることができる。図５に示す実施形態において、表面構造８を構成する基板１の裏側外面１１の領域は、輻射線を入射させるために設けられる。図５の実施形態において、キャビティ６は、真空であるか、或いは一般的には１００Ｐａ未満、更には１０Ｐａ未満の気体圧力となっているのが好ましい。このような状態は、上述したようにして、誘電体層３の表面を形成するシリコン酸化物に、シリコンで形成されたカバー２を接合することによって得ることができる。
図６は、カバー２の外表面１２にゾーンプレートを形成する表面構造８の概略平面図である。同心円状凹部２１は、同心の環状溝として外表面１２に配置されている。同心円状凹部２１の幅は、検知対象の輻射線の波長に対応したゾーンプレートの機能に適合するものとなっている。
図７は、カバー２の一部の断面図であって、外表面１２近傍の領域を示している。平坦な外表面１２にパターン成形層２２が接合されており、このパターン成形層２２には、表面構造８を形成するための構造が設けられている。パターン成形層２２を外表面１２に接合するときには、まだ、図７に示されている表面構造８が存在していない。パターン成形層２２の材料は、カバー２の材料と同一のエッチング速度、または少なくともほぼ同一のエッチング速度でエッチングが可能なものから選択するのが好ましい。カバー２がシリコンである場合、パターン成形層２２は、例えばポリマとすることができ、このポリマを、例えばナノプリント工程によって加工することが可能である。次に、異方性エッチング処理、具体的には反応性イオンエッチングにより、このパターン成形層を取り除き、この異方性エッチング工程において、パターン成形層２２の構造がカバー２の外表面１２に転写される。図７に示す実施形態において、転写された表面構造８は、フレネルレンズであるが、これに代え、ゾーンプレート、または別の適切な表面構造としてもよい。
図７に示す例において、生成される表面構造８は、中央部分２３と、それぞれ異なる径を有した、同心円状をなす複数の周辺部分２４とからなるフレネルレンズである。周辺部分２４の表面の曲率は、単一の凸レンズの外面に対応するものであってもよく、この場合には、当該単一の凸レンズの外面を、フレネルレンズの周辺部分２４の境界線において、互いに垂直方向にずらしたようになる。これに代え、別の曲面を有していてもよいし、例えば、周辺部分２４の表面を平坦、または少なくともほぼ平坦にして、製造工程を容易化するようにしてもよい。
図８〜図１２に基づき、集積型撮像デバイスの製造方法の一例について説明するが、これらの各図は、様々な製造工程で得られた中間製造物の断面を示している。これら中間製造物は、集積回路４と、配線のためのメタライゼーション層１３が埋設された誘電体層３とが製造された後で、しかもカバー２が基板１に接合される前に得られるものである。
図８は、誘電体層３で覆われた、シリコンなどの半導体材料からなる基板１の断面図であって、誘電体層３は、例えば当該半導体材料の酸化物とすることができる。誘電体層３には、集積回路の配線を行うためのメタライゼーション層１３が埋設されている。上述した実施形態におけるセンサ５の１つのような層構造が、センサのために設けられており、この層構造は、例えば多結晶シリコンとすることが可能な膜体２５と、例えば酸化シリコンとすることが可能な吸収層２６とを備えている。図８に示すように、吸収層２６の上には、例えば窒化チタンとすることが可能な光吸収層２８を配置してもよい。このような層構造は、誘電体層３の中に埋設される。図８に示す構成は、基板１を通過する輻射線のために設けられる。輻射線がカバー２を通過するようにする場合には、センサ用に設けられる各層の順序を逆にするのが好ましい。
赤外線が膜体２５に当たると、膜体２５の抵抗値が変化する。抵抗値の変化は、膜体２５への電圧印加または電流供給によって検出することができる。このような目的のため、膜体２５には、導電接続体７及び導電接続体７’が設けられており、これら導電接続体７及び導電接続体７’は、膜体２５と同じ材料で形成してもよい。この場合、膜体２５用に設けられる材料の層を接合し、この層を膜体２５と導電接続体７及び導電接続体７’とに成形加工することにより、膜体２５と導電接続体７及び導電接続体７’とを一体的に生成するようにしてもよい。このようにして、膜体２５は、導電接続体７及び導電接続体７’と一体的に形成される。例えば、膜体２５と導電接続体７及び導電接続体７’とが多結晶シリコンからなる場合、多結晶シリコンに適切な濃度のドーパントを添加することで、膜体２５に所望の抵抗率を与えることが可能であり、導電接続体７及び導電接続体７’は、導電性を高めるため、更に高い濃度のドーパントを添加するようにしてもよい。このようにして、低抵抗の導電接続体７及び導電接続体７’を有し、電気抵抗性を備えた膜体２５が得られる。
導電接続体７及び導電接続体７’を配線用のメタライゼーション層１３に接続するために、プラグ２７及びプラグ２７’を設けてもよい。こうして、膜体２５は、集積回路及び外部接続用パッドの少なくとも一方と電気的に接続される。センサの電気的接続には、上述したように、基板１に設けられる基板貫通ビアを含めるようにしてもよい。誘電体層３の上面は、パッシベーション層３０で覆うようにしてもよい。
図９は、パッシベーション層３０の加工を行い、マスク層３２を接合した後の中間製造物を、図８と同様に示す断面図である。図９に示す中間製造物の構成要素のうち、図８に示す中間製造物の対応する構成要素と同じものは、同じ参照符号を用いて示されている。パッシベーション層３０は、いくつかの開口３１を備え、マスク層３２は、これら開口３１のうち、膜体２５及び吸収層２６の中央開口３７の上方にある開口３１の領域に、マスク開口３３を備えている。光吸収層２８を設ける場合、中央開口３７は光吸収層２８にも存在する。図９中の破線は、誘電体層３に開口を形成するエッチング工程において除去される誘電体層３の範囲を示している。この開口を介し、センサ用に設けられる膜体２５、吸収層２６、及び光吸収層２８からなる積層構造の下方の基板１に、凹部をエッチング加工することができる。
図１０は、基板１に凹部６を形成した後の中間製造物を、図９と同様に示す断面図である。図１０に示す中間製造物の構成要素のうち、図９に示す中間製造物の対応する構成要素と同じものは、同じ参照符号を用いて示されている。基板１の凹部１６は、マスク層３２を用いて事前に誘電体層３に形成された開口を介し、異方性エッチングによって形成することができる。誘電体層３の開口及び凹部１６を覆うように、ドライフィルム３４を接合してもよい。センサを構成する積層構造の上方においては、パッシベーション層３０に従ってドライフィルム３４を加工するのが好ましく、これにより、その後、ドライフィルム３４をマスクとして用いることで、図１０中に破線で示される誘電体層３の領域を除去することができる。
図１１は、センサ用に設けられる膜体２５、吸収層２６、及び光吸収層２８からなる積層構造の上方にトレンチ３５を形成するエッチング工程を更に経た後の中間製造物を、図１０と同様に示す断面図である。トレンチ３５は、センサを熱的に絶縁するために設けられる。次に、ドライフィルム３４を除去するのが好ましい。その後に得られる、図１１に示すような中間製造物に、カバー２を接合することにより、上述したようなキャビティ６を形成することができる。
図１２は、撮像デバイスの製造方法の変形例に関し、図８と同様に示す断面図である。図１２に示す中間製造物の構成要素のうち、図８に示す中間製造物の対応する構成要素と同じものは、同じ参照符号を用いて示されている。図１２に示す実施形態において、センサ用に設けられる膜体２５、吸収層２６、及び光吸収層２８からなる積層構造は、犠牲層３６の上に配置される。犠牲層３６の材料には、誘電体層３、センサ用に設けられる膜体２５、吸収層２６、及び光吸収層２８からなる積層構造、並びに基板１の半導体材料のそれぞれに対して選択的にエッチングされうるものを選択するのが好ましい。
図８〜図１１に示す例のようにして基板１に凹部をエッチング加工する代わりに、犠牲層３６の除去のみを行って、基板１の半導体材料から、センサ用の膜体２５を分離する。このとき基板１は、キャビティ６の形成の際に、変化することなく維持されるので、例えば図４に示す実施形態のように、センサの直下に集積回路を配置することができる。
図１３は、センサ用の膜体２５の一例を示す平面図である。中央開口３７は、図１０及び図１１に示すような凹部１６をエッチング加工するため、または図１２に示す犠牲層３６を除去するために用いられる。導電接続体７及び導電接続体７’は、膜体２５を形成する層の一体的部位として形成されるのが好ましく、プラグ２７及びプラグ２７’が設けられる。膜体２５には、図１３に一例として示すように、膜体２５を横切るｐｎ接合２９が設けられるようにしてもよい。膜体２５が四角形をなす場合、ｐｎ接合２９は、例えば対角線に沿って設けてもよいが、図１３に破線で示すように、ｐｎ接合２９を別の位置に設けるようにしてもよい。ｐｎ接合２９は、直線に沿って延設されてもよいし、曲線状に延設されてもよい。膜体２５が多結晶シリコンのような半導体材料からなる場合、ｐｎ接合２５は、電気伝導特性を互いに逆のタイプとするドーパントを、それぞれ注入することによって形成することができる。ドーパントの注入によって電気伝導特性が一方のタイプのとなった膜体２５の領域は、導電接続体７及びプラグ２７を介してメタライゼーション層１３に接続され、これとは逆に、ドーパントの注入によって電気伝導特性が他方のタイプとなった膜体２５の領域は、もう１つの導電接続体７’及びもう１つのプラグ２７’を介してメタライゼーション層１３に接続される。このｐｎ接合２９はダイオードを形成し、このダイオードは、電気抵抗の代わりに赤外線検知に利用することができる。抵抗及びダイオードのいずれを用いる場合においても、予め規定した電圧で、抵抗またはダイオードを流れる電流に生じる変化を計測することによって、或いは、予め規定した電流を抵抗またはダイオードに流す上で必要な電圧に生じた変化を計測することによって、入射した赤外線の影響を検知することができる。
ｐｎ接合を有したダイオードは、電気抵抗の代わりに設けることも、電気抵抗に付加して設けることも可能である。即ち、撮像デバイスの１つ以上のセンサが、電気抵抗性を有した膜体を備えると共に、当該撮像デバイスの少なくとも１つの別のセンサが、ｐｎ接合を有した膜体を備えるようにすることが可能である。
図１４は、センサ５と、特にＣＭＯＳ回路をなす集積された部品４０との配置を変更した、更なる実施形態の断面図である。図１４に示す実施形態の構成要素のうち、図４に示す実施形態の対応する構成要素と同じものは、同じ参照符号を用いて示されている。図１４に示す実施形態では、キャビティ６が、集積回路４の部品４０の間の領域において、基板１内に延設されており、これにより、個々のセンサ５のための分離された複数の部屋３９が形成され、各センサ５は、これらの部屋３９の中または上方に配置されている。任意の数のセンサ５を設けることができるのと同様に、任意の数の部屋３９を設けることができる。部屋３９のそれぞれは、図１４に示すように、複数のセンサ５の１つずつに割り当てるようにしてもよいが、いずれかの部屋３９を空の状態にしたり、１つの部屋３９に複数のセンサ５を設けたりしてもよい。部屋３９の上部は、誘電体層３の一部によって分離されるようにしてもよい。キャビティ６の上部は、図１４に示すように、部屋３９の上方且つ誘電体層３の上方で、カバー２内に延設されるようにしてもよい。このような構造により、部屋３９のいくつかまたは全てを共有するキャビティ６が形成され、同一のキャビティ６が、部屋３９のいくつかまたは全てを取り囲むことになる。
部屋３９の間にある集積回路４の部品４０は、センサ信号の増幅に使用することができる。即ち、この増幅器はセンサ５またはセンサ５の一群に近接して配置されるので、従来の撮像デバイスに比べ、寄生インピーダンスが低減され、信号対雑音比が改善される。
図１４に示す実施形態において、キャビティ６は、真空であるか、或いは一般的には１００Ｐａ未満、更には１０Ｐａ未満の気体圧力となっているのが好ましい。このような状態は、上述したようにして、誘電体層３の表面を形成するシリコン酸化物に、シリコンで形成されたカバー２を接合することによって得ることができる。
本発明により、レンズとセンサ素子とからなり、集積回路、ウエーハボンディングを含む任意のウエーハレベルパッケージ、及び任意の基板貫通ビアまたは集積回路ワイヤボンディングを備えて、全体的に集積されたオンチップ式赤外線光学システムが提供される。
１ 基板
２ カバー
３ 誘電体層
４ 集積回路
５ センサ
６ キャビティ
７ 導電接続体
７’ 導電接続体
８ 表面構造
９ 基板貫通ビア
１０ 接続パッド
１１ 裏側外面
１２ 外表面
１３ メタライゼーション層
１４ 接続領域
１５ ビア用誘電体
１６ 凹部
１７ はんだバンプ
１８ ワイヤ
１９ はんだバンプ
２０ はんだバンプ
２１ 同心円状凹部
２２ パターン成形層
２３ 中央部分
２４ 周辺部分
２５ 膜体
２６ 吸収層
２７ プラグ
２７’ プラグ
２８ 光吸収層
２９ ｐｎ接合
３０ パッシベーション層
３１ 開口
３２ マスク層
３３ マスク開口
３４ ドライフィルム
３５ トレンチ
３６ 犠牲層
３７ 中央開口
３８ 反射防止膜
３９ 部屋
４０ 部品
α 角度
ｄ 深さ
Ｄ 径
ｆ 焦点距離
２ カバー
３ 誘電体層
４ 集積回路
５ センサ
６ キャビティ
７ 導電接続体
７’ 導電接続体
８ 表面構造
９ 基板貫通ビア
１０ 接続パッド
１１ 裏側外面
１２ 外表面
１３ メタライゼーション層
１４ 接続領域
１５ ビア用誘電体
１６ 凹部
１７ はんだバンプ
１８ ワイヤ
１９ はんだバンプ
２０ はんだバンプ
２１ 同心円状凹部
２２ パターン成形層
２３ 中央部分
２４ 周辺部分
２５ 膜体
２６ 吸収層
２７ プラグ
２７’ プラグ
２８ 光吸収層
２９ ｐｎ接合
３０ パッシベーション層
３１ 開口
３２ マスク層
３３ マスク開口
３４ ドライフィルム
３５ トレンチ
３６ 犠牲層
３７ 中央開口
３８ 反射防止膜
３９ 部屋
４０ 部品
α 角度
ｄ 深さ
Ｄ 径
ｆ 焦点距離
Claims (8)
- 集積回路（４）を有した基板（１）と、
前記基板（１）に接合されたカバー（２）と、
前記基板（１）と前記カバー（２）との間に設けられた誘電体層（３）と、
センサ（５）またはセンサ（５）の一群と
前記基板（１）と前記カバー（２）との間に形成されたキャビティ（６）と、
前記基板（１）における前記誘電体層（３）の側とは反対側の面（１１）、または前記カバー（２）における前記誘電体層（３）の側とは反対側の面（１２）に設けられ、入射する輻射線を前記センサ（５）または前記センサ（５）の一群に指向させる表面構造（８）とを備え、
前記センサ（５）または前記センサ（５）の一群は、前記キャビティ（６）の中に配設され、
前記キャビティ（６）は、真空、または１００Ｐａ未満の気体圧力となっている
集積型撮像デバイスであって、
前記キャビティ（６）は、前記基板（１）の中に延設されており、前記キャビティ（６）が前記集積回路（４）の部品（４０）によって隔てられることにより、前記基板（１）に複数の部屋（３９）が形成され、
前記センサ（５）は、それぞれ、前記部屋（３９）の１つの中または上方に配置される
ことを特徴とする集積型撮像デバイス。 - 前記キャビティ（６）は、前記誘電体層（３）の中に配置され、前記カバー（２）の中に延設されることを特徴とする請求項１に記載の集積型撮像デバイス。
- 前記表面構造（８）は、赤外線を焦点に集めるゾーンプレートであることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型撮像デバイス。
- 前記表面構造（８）は、赤外線を焦点に集めるフレネルレンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型撮像デバイス。
- 前記センサ（５）または前記センサ（５）の一群は、多結晶シリコン内に形成されたｐｎ接合を有したダイオードを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型撮像デバイス。
- 前記基板（１）に設けられ、前記集積回路（４）、または前記センサ（５）もしくは前記センサ（５）の一群を、前記基板（１）において前記誘電体層（３）の側とは反対側となる面（１１）にある接続パッド（１０）と電気的に接続する少なくとも１つの基板貫通ビア（９）を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型撮像デバイス。
- 前記基板貫通ビア（９）は、導電体または誘電体で満たされておらず、
前記カバー（２）は、前記基板貫通ビア（９）の上方で、前記誘電体層（３）に接合される
ことを特徴とする請求項６に記載の集積型撮像デバイス。 - 前記集積回路はＣＭＯＳ回路からなり、
前記誘電体層（３）は、前記集積回路（４）の配線（１３，１４）を備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の集積型撮像デバイス。
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