TW202120893A - 異質整合的熱紅外線感測元件及熱紅外線感測器 - Google Patents
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Abstract
一種異質整合的熱紅外線感測元件包含：一基板；一感測電路，位於該基板中或上；一空腔，位於該基板中或上，感測電路位於空腔的下方；以及一個或多個熱電偶，熱電偶的材料係製作於第二基板並透過鍵合方式移轉於空腔的上方，熱電偶包含一第一導體及一第二導體，熱電偶的第一導體與第二導體的第一端連接於一個位於空腔的上方的熱端，熱電偶的第一導體與第二導體的第二端為設置於空腔邊緣的冷端，並且電連接至感測電路。
Description
本發明是有關於一種熱紅外線感測元件及熱紅外線感測器，且特別是有關於一種異質整合的熱紅外線感測元件及熱紅外線感測器。
近年來，譬如是熱電偶的熱紅外線感測元件常被用來作溫度量測，其原理為藉由加熱導體之間的接合處之熱端，使熱端與冷端(導體之間的另一接合處)產生溫差而生成一擴散電流。為消去此電流擴散，熱電偶必須提供一個相當的反向電動勢，此熱電動勢便是賽貝克(Seedback)電壓。藉由量測賽貝克電壓之大小，便可知道熱電偶的兩端之溫差而校正溫度。而賽貝克電壓的大小係由兩端的溫差大小和此二導體的賽貝克係數之乘積決定。將複數對之熱電偶串聯起來即成為熱電堆，因此，熱電堆的熱電動勢等於單一熱電偶的賽貝克電壓值乘以串聯的熱電偶數。
以目前的技術而言，若要將熱電堆跟半導體製程整合的話，最常使用的材料譬如是矽與多晶矽。譬如在互補式金氧半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)中，矽基板的前端定義出多晶矽(高溫製程)，後端定義出金屬層，最後作結構釋出，以犧
牲層的方式除去一部分的矽基板，以形成空腔，譬如揭露於中華民國專利TW451260者。此種作法的缺點是空腔的下方沒有辦法配置電路，這種技術在製作陣列元件時更顯麻煩，因為電路只能放在熱電堆的旁邊，使得每個像素(pixel)的填充因子(fill factor(簡稱FF)，像素中感測部分的面積與像素的總面積的比值)大幅降低，其中FF越高表示品質因子(quality factor)越好。因此，習知技術具有低FF的缺點，仍有相當的改良空間。
本發明的一個目的是提供一種異質整合的熱紅外線感測元件及熱紅外線感測器，提升填充因子，縮短信號傳遞路徑、提高信噪比，且可有效解決感測電路不受多晶矽所需的高溫製程的影響。
本發明的實施例提供一種異質整合的熱紅外線感測元件，至少包含：一基板；一感測電路，位於基板中或上；一空腔，位於基板中或上，感測電路位於空腔的下方；以及一個或多個熱電偶，熱電偶的材料係製作於第二基板並透過鍵合方式移轉於空腔的上方，熱電偶或各熱電偶包含一第一導體及一第二導體，熱電偶的第一導體與第二導體的第一端連接於一個位於空腔的上方的熱端，熱電偶的第一導體與第二導體的第二端為設置於空腔邊緣的冷端並且電連接至感測電路。
本發明的實施例更提供一種熱紅外線感測器，包含多個上述熱紅外線感測元件，排列成二維陣列，用於感測熱像，多個熱紅外線感測元件共用一個基板。
藉由上述實施例，使用兩個晶圓的接合來製作熱紅外線感測元件及熱紅外線感測器，其中下晶圓(第一初始結構)利用CMOS的製程(溫度大約300至400度C)形成電路及凹槽，而上晶圓(第二初始結
構)利用多晶矽的製程(溫度大約600至700度C)，屬於不同製程條件下形成的兩個晶圓，接合後在進行圖案化及連線製程，故不會有製程溫度過高而破壞電路的狀況。由於空腔的下方可以製作有電路，所以FF非常大，且信號傳遞路徑縮短，信噪比提高。此外，異質整合的技術可以在CMOS晶圓的上方堆疊需要高溫製程的多晶矽。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
CJ:冷端
CJW:冷端窗口
CL-CL:線
HJ:熱端
HJW:熱端窗口
PL-PL:線
10:基板
12:感測電路
14:空腔
14S:犧牲層
14U:上壁面
14W:側壁面
15:鍵合介面
16:保護接合層
20,20':第一絕緣層
22:開口
30:熱電偶
32:第一導體
34:第二導體
40:第二絕緣層
50:保護層
50A:第一子保護層
50B:第二子保護層
60:黑體層
70:連接導體
100:熱紅外線感測元件
200:熱紅外線感測器
300:第一初始結構
340:第二導體層
400:第二初始結構
410:第二基板
432:第一導體層
434:第二導體層
440:介電層
450:第二介電層
500:蓋體層
501:第一接合層
502:第二接合層
510:蓋體凹槽
515:本體
516:氧化物層
520:框體
521:底面
522:頂面
530:蓋體基板
600:帶通濾波層
〔圖1A〕顯示依據本發明較佳實施例的熱紅外線感測器的俯視示意圖。
〔圖1B〕顯示〔圖1A〕的熱紅外線感測元件的俯視示意圖。
〔圖1C〕顯示〔圖1A〕的熱紅外線感測元件的局部俯視示意圖。
〔圖2A〕至〔圖2J〕顯示第一實施例的熱紅外線感測元件的製造方法的各步驟的對應於〔圖1B〕的線CL-CL的剖面示意圖。
〔圖3A〕至〔圖3L〕顯示第二實施例的熱紅外線感測元件的製造方法的各步驟的對應於〔圖1B〕的線CL-CL的剖面示意圖。
〔圖4A〕至〔圖4H〕顯示對應於第二實施例的熱紅外線感測元件的製造方法的部分步驟的結構的局部放大俯視示意圖。
〔圖5A〕顯示對應於〔圖4G〕的線PL-PL的局部剖面示意圖。
〔圖5B〕顯示對應於〔圖5A〕的變化例的局部剖面示意圖。
〔圖6A〕顯示〔圖1A〕的熱紅外線感測器的第一變化例的剖面示意圖。
〔圖6B〕顯示〔圖6A〕的熱紅外線感測器的接合方式的剖面示意
圖。
〔圖6C〕顯示〔圖1A〕的熱紅外線感測器的第二變化例的剖面示意圖。
〔圖7A〕至〔圖7D〕顯示第三實施例的熱紅外線感測元件的製造方法的各步驟的對應於〔圖1B〕的線CL-CL的剖面示意圖。
〔圖8A〕與〔圖8B〕顯示〔圖7A〕與〔圖7B〕的變化例的剖面示意圖。
〔圖9A〕至〔圖9D〕顯示第四實施例的熱紅外線感測元件的製造方法的各步驟的對應於〔圖1B〕的線CL-CL的剖面示意圖。
〔圖10A〕與〔圖10B〕顯示〔圖9A〕與〔圖9B〕的變化例的剖面示意圖。
本發明的精神在於使用異質整合的技術，先使用積體電路(特別是CMOS)前端製程在晶圓中形成電路(內含有多層金屬層)，再於後端製程在晶圓上定義出一個凹槽或空腔或預定的犧牲層結構。然後使用晶圓鍵合技術，將兩晶圓鍵合在一起，接著進行材料去除及圖案化及連線製程，即可製造出熱紅外線感測元件或熱紅外線感測器(陣列元件)。
圖1A顯示依據本發明較佳實施例的熱紅外線感測器的俯視示意圖。如圖1A所示，一熱紅外線感測器200包含多個熱紅外線感測元件100，排列成二維陣列，用於感測熱像，熱紅外線感測元件100共用一基板10，譬如是矽基板，而一個矽晶圓上可以生產出多個熱紅外線感測器200，藉由切割後形成各個熱紅外線感測器200。
圖1B顯示圖1A的熱紅外線感測元件的俯視示意圖。圖
1C顯示圖1A的熱紅外線感測元件的局部俯視示意圖。如圖1B與1C所示，熱紅外線感測元件100至少包含基板10(除了半導體基板以外，也可以是絕緣基板，例如玻璃基板等，還有薄膜電晶體基板等)，基板10中形成一感測電路12，感測電路12至少包含電晶體元件及金屬連接線路，電晶體元件及金屬連接線路電連接在一起，感測電路12的上方形成一空腔14。空腔14的四側的多個熱電偶30串聯連接在一起，最後電連接到輸出墊(未顯示)或直接連接至感測電路12，以讓感測電路12讀出賽貝克電壓或作進一步處理。譬如同一對熱電偶30的第一導體32與第二導體34在空腔14的上方或正上方的熱絕緣區連接於熱端HJ，而相鄰對熱電偶30的第一導體32與第二導體34在熱絕緣區以外的熱汲體區中連接於冷端CJ。黑體層60覆蓋於中間的熱端HJ的上方，用以吸收熱量，黑體層60所吸收的熱量在熱絕緣區無法散去，僅能沿著往熱汲體區的方向作固體熱傳導。於上述例子中，感測電路12與空腔14位於基板10中；而另一例子中，感測電路12與空腔14也可形成於基板10上。
圖2A至2J顯示第一實施例的熱紅外線感測元件的製造方法的各步驟的對應於圖1B的線CL-CL的剖面示意圖。如圖2A所示，提供一第一初始結構300及一第二初始結構400。第一初始結構300包含一基板(譬如是矽基板或矽晶圓或上述其他基板)10，具有一感測電路12；以及一空腔14，感測電路12位於空腔14的下方或正下方。第二初始結構400包含：一第一絕緣層20；一第一導體層432，位於第一絕緣層20上；一介電層440，位於第一導體層432上；及一第二基板(譬如是矽基板或矽晶圓或上述其他基板)410，位於介電層440上。
如圖2B所示，將第二初始結構400的第一絕緣層20與
第一初始結構300的基板10接合在一起(透過加壓及加熱)，使第一絕緣層20位於基板10上，並覆蓋空腔14以當作空腔14的一上壁面14U，第一絕緣層20與基板10之間形成一鍵合介面(譬如是晶圓鍵合介面(wafer bonding interface))15，為一個接合力更強的化學鍵結。上壁面14U不具有晶圓鍵合介面。值得注意的是，晶圓鍵合可以是兩晶圓的接合，以產出多個熱紅外線感測器200。本發明的另一特色是，兩晶圓接合是盲接合(blind bonding)，可以不需要特殊的對準機台或技術，因此更可以增加接合良率及降低成本。當然隨著對準接合技術進步，本發明也一併可以適用。
如圖2C所示，移除第二基板410。如圖2D所示，移除介電層440。如圖2E所示，對第一導體層432圖案化，以形成多個第一導體32，位於第一絕緣層20上。
如圖2F所示，於此等第一導體32及第一絕緣層20上形成一第二絕緣層40。如圖2G所示，對第二絕緣層40圖案化，以形成多個熱端窗口HJW及多個冷端窗口CJW，於此例子中，熱端窗口HJW及冷端窗口CJW位於同一水平面，也就是位於同一高度。如圖2H所示，於第二絕緣層40上形成一第二導體層340，使第二導體層340通過此等熱端窗口HJW及此等冷端窗口CJW電連接至此等第一導體32。如圖2I所示，對第二導體層340圖案化，以形成多個第二導體34，其中此等第一導體32與此等第二導體34形成複數個熱電偶30，此等熱電偶30串聯連接在一起而形成熱電堆(本發明也可以單一熱電偶30來實施)，各熱電偶30包含第一導體32及位於第一導體32上方的第二導體34，各熱電偶30的第一導體32與第二導體34連接於一個位於空腔14的上方的熱端HJ，相鄰的兩個熱電偶30連接於一個遠離空腔14的
冷端CJ。換言之，熱電偶30的第一導體32與第二導體34的第一端連接於一個位於空腔14的上方的熱端HJ，熱電偶30的第一導體32與第二導體34的第二端為設置於空腔14邊緣的冷端CJ並且電連接至感測電路12。
因此，圖2F至2I的步驟可以歸納為：利用此等第一導體32形成複數個熱電偶30，此等熱電偶30串聯連接在一起而形成熱電堆，各熱電偶30包含第一導體32及位於第一導體32上方的第二導體34，各熱電偶30的第一導體32與第二導體34連接於一個位於空腔14的上方的熱端HJ，相鄰的兩個熱電偶30連接於一個遠離空腔14的冷端CJ。
接著，如圖2J所示，於第二絕緣層40及此等第二導體34上形成一保護層50，覆蓋此等熱端HJ及此等冷端CJ。當然，也可以於保護層50上形成一黑體層60，黑體層60覆蓋此等熱端HJ，但不覆蓋此等冷端CJ，用以吸收熱量。圖2C至圖2J的步驟可以被歸納為利用第二初始結構400形成一個或多個熱電偶(熱電堆)的子步驟。
請參見圖1C與圖2J，上述的熱紅外線感測元件100的製造方法可以更包含以下步驟：於第一絕緣層20上形成有多個開口22，貫通第一絕緣層20而連通至空腔14，藉以增加熱阻(熱阻越大越好)。若保護層50也覆蓋住第一絕緣層20，則開口22可以更貫通保護層50。
因此，如圖2J、2B與1C所示，本實施例的異質整合的熱紅外線感測元件100包含基板10、第一絕緣層20、複數個熱電偶30以及保護層50。值得注意的是，第一絕緣層20與保護層50不一定是實施本實施例的必要元件，亦可有多種可能的配置方式。基板10具有感測電路12以及空腔14，感測電路12位於空腔14的下方或正下方。
第一絕緣層20位於基板10上，並覆蓋空腔14以當作空腔14的一上壁面14U，第一絕緣層20與基板10之間形成一鍵合介面15。熱電偶30串聯連接在一起而形成熱電堆，各熱電偶30包含第一導體32及位於第一導體32上方的第二導體34，各熱電偶30的第一導體32與第二導體34連接於一個位於空腔14的上方的熱端HJ，相鄰的兩個熱電偶30連接於一個遠離空腔14的冷端CJ。保護層50覆蓋此等熱端HJ及此等冷端CJ。熱紅外線感測元件100可以更包含黑體層60，位於保護層50上，並覆蓋此等熱端HJ，但不覆蓋此等冷端CJ，用以吸收熱量。此等第二導體34隔著一第二絕緣層40位於此等第一導體32上方。此外，第一絕緣層20上形成有多個開口22，貫通第一絕緣層20而連通至空腔14。第一導體32的材料譬如是多晶矽，譬如是P/N型多晶矽。第二導體34的材料譬如是金屬。熱端HJ與冷端CJ電連接至感測電路12。於此例中，感測電路12可以包含多個主動元件及/或被動元件以及達成電連接的金屬連接線，譬如是MOS元件加上金屬導線，以形成電路系統(Circuitry)。因為電路系統(Circuitry)在多晶矽的高溫製程中會受到高溫的破壞，所以本例的感測電路12並無經過多晶矽的高溫製程，所以不會被破壞掉。也就是感測電路12與多晶矽是在不同的階段(不同的晶圓上)形成，再利用晶圓接合技術接合在一起。感測電路12也可以內埋於基板10中，也沒有暴露至空腔14中以獲得保護。另外，感測電路12可以透過金屬導線電連接至熱電偶30，感測電路12的水平方向的面積可以大於、等於或小於空腔14的水平方向的面積。此外，空腔14形成於基板10中，亦可視為熱紅外線感測元件100包含空腔14。由上可知，熱電偶30的材料(第一導體層432的材料)係製作於另一基板(第二基板410)並透過鍵合方式移轉於空腔14的上方。
圖3A至3L顯示第二實施例的熱紅外線感測元件的製造方法的各步驟的對應於圖1B的線CL-CL的剖面示意圖。圖4A至4H顯示對應於第二實施例的熱紅外線感測元件的製造方法的部分步驟的結構的局部放大俯視示意圖。如圖3A所示，提供一第一初始結構300及一第二初始結構400，第一初始結構300包含一基板10，具有一感測電路12以及一空腔14，感測電路12位於空腔14的下方或正下方。可以利用基板10來形成感測電路12及空腔14，這在半導體製程中是相當容易達成的。感測電路12除了包含電路以外，亦具有金屬內連線。基板10上亦可具有薄的絕緣層(未顯示)，譬如是二氧化矽層。
第二初始結構400包含：一第一絕緣層20；一第一導體層432，可以是單晶矽、多晶矽或其他適合熱電偶的材料，且位於第一絕緣層20上；一介電層440，位於第一導體層432上；一第二導體層434可以是單晶矽、多晶矽或其他適合熱電偶的材料，且位於介電層440上；一第二介電層450，位於第二導體層434上；及一第二基板410，位於第二介電層450上，也就是第二基板410位於介電層440上方。因此，可以利用第二基板410來依序形成第二介電層450、第二導體層434、介電層440、第一導體層432及第一絕緣層20，再將第二初始結構400倒過來成如圖3A的狀態。第二介電層450、第二導體層434、介電層440、第一導體層432及第一絕緣層20都是整片式結構，如此一來，第一初始結構300與第二初始結構400就不需要精確對準。
如圖3B所示，將第二初始結構400的第一絕緣層20與第一初始結構300的基板10接合在一起，使第一絕緣層20位於基板10上，並覆蓋空腔14以當作空腔14的一上壁面14U，第一絕緣層20與基板10之間形成一鍵合介面15，類似於圖2B的實施例。由上可知，
熱電偶30的材料(第一導體層432與第二導體層434的材料)係製作於另一基板(第二基板410)並透過鍵合方式移轉於空腔14的上方。
如圖3C與3D所示，移除第二基板410與第二介電層450，此時的俯視圖對應於圖4A，其中僅顯示空腔14的一部分。如圖3E所示，對第二導體層434圖案化(譬如使用光阻、曝光及蝕刻等)，以形成多個第二導體34，位於介電層440上，此時的俯視圖對應於圖4B。如圖3F所示，對介電層440圖案化，以形成一第二絕緣層40，位於第一導體層432上，此時的俯視圖對應於圖4C。如圖3G所示，對第一導體層432圖案化，以形成多個第一導體32，位於第一絕緣層20上，此時的俯視圖對應於圖4D。
如圖3H所示，於此等第一導體32、此等第二導體34及第一絕緣層20上形成一第一子保護層50A，此時的俯視圖對應於圖4E，值得注意的是，未避免混淆，僅繪製一部分的第一子保護層50A(尚未覆蓋全部的第一絕緣層20)。如圖3I所示，對第一子保護層50A圖案化，以形成多個熱端窗口HJW及多個冷端窗口CJW，此時的俯視圖對應於圖4F，其中熱端窗口HJW露出部分的第一絕緣層20(非必要)、第一導體32、第二導體34及第二絕緣層40(非必要)。如圖3J所示，於此等熱端窗口HJW中及此等冷端窗口CJW中形成多個連接導體70，將此等第二導體34通過此等熱端窗口HJW及此等冷端窗口CJW電連接至此等第一導體32，來形成複數個熱電偶30，此等熱電偶30串聯連接在一起而形成熱電堆，各熱電偶30包含第一導體32及位於第一導體32上方的第二導體34，各熱電偶30的第一導體32與第二導體34連接於一個位於空腔14的上方的熱端HJ，相鄰的兩個熱電偶30連接於一個遠離空腔14的冷端CJ，此時的俯視圖對應於圖4G。第一導體32的材
料譬如是多晶矽，譬如是P/N型多晶矽。第二導體34的材料譬如是多晶矽，譬如是N/P型多晶矽，具有正/負的賽貝克係數，提升賽貝克電壓，增加感測靈敏度。值得注意的是，雖然顯示的熱端HJ具有陡峭的階梯狀，但是實際製作時，熱端HJ應該可以具有更趨緩的曲線狀。
圖3H到3J的步驟可以歸納如下：利用此等第一導體32與此等第二導體34形成複數個熱電偶30，此等熱電偶30串聯連接在一起而形成熱電堆，各熱電偶30包含第一導體32及位於第一導體32上方的第二導體34，各熱電偶30的第一導體32與第二導體34連接於一個位於空腔14的上方的熱端HJ，相鄰的兩個熱電偶30連接於一個遠離空腔14的冷端CJ。值得注意的是，亦可以將連接導體70視為第二導體34的一部分，也就是各第二導體34具有不同材質的兩區段，以與圖2J的結構具有可歸納的綜合特徵。
如圖3K所示，於第一子保護層50A與此等連接導體70(做為熱端HJ與冷端CJ)上形成一第二子保護層50B，第一子保護層50A與第二子保護層50B組成一保護層50，覆蓋此等熱端HJ及此等冷端CJ，此時的俯視圖對應於圖4H。
如圖3L所示，於保護層50上形成一黑體層60，黑體層60覆蓋此等熱端HJ，但不覆蓋此等冷端CJ，用以吸收熱量。圖3C至圖3L的步驟可以被歸納為利用第二初始結構400形成一個或多個熱電偶(熱電堆)的子步驟。
請參見圖1C與圖3L所示，上述的熱紅外線感測元件100的製造方法可以更包含以下步驟：於第一絕緣層20上形成有多個開口22，貫通第一絕緣層20而連通至空腔14，藉以增加熱阻。若保護層50也覆蓋住第一絕緣層20，則開口22可以更貫通保護層50。
圖5A顯示對應於圖4G的線PL-PL的局部剖面示意圖。如圖5A所示，連接導體70或冷端CJ是透過第一子保護層50A的冷端窗口CJW來執行左邊的第二導體34與右邊的第一導體32的電連接。這種連接方式亦可適用於熱端HJ的連接方式。
圖5B顯示對應於圖5A的變化例的局部剖面示意圖。圖5B的結構類似於圖5A，不同之處在於第二絕緣層40與第二導體34的邊緣是對齊的，故可以使用第二導體34來當作第二絕緣層40的遮罩，減少遮罩數量。
圖6A顯示圖1A的熱紅外線感測器的第一變化例的剖面示意圖。如圖6A所示，熱紅外線感測器200更包含一蓋體層500，具有一蓋體凹槽510，並且鍵結接合於基板10，使多個熱紅外線感測元件100容置於蓋體凹槽510中。於一例子中，蓋體凹槽510處於真空狀態(氣壓為0)或接近真空狀態(氣壓是0至10-3托(Torr))，也就是低於一大氣壓的狀態，以增加多個熱紅外線感測元件100的感測靈敏度。熱紅外線感測器200可以更包含一帶通濾波層(Band Pass Filter)600，位於蓋體層500上，並對從外界進入蓋體凹槽510中的電磁波執行帶通濾波動作，譬如僅讓紅外線通過。於一例子中，帶通濾波層600的厚度介於8至14微米，為一個紅外線濾波器。
圖6B顯示圖6A的熱紅外線感測器的接合方式的剖面示意圖。如圖6B與6A所示，蓋體層500包含：一第一接合層501，位於基板10上；一第二接合層502；一個蓋體基板530，具有蓋體凹槽510，位於蓋體凹槽510上方的一本體515、以及位於蓋體凹槽510的周圍的一框體520，第二接合層502位於框體520的一底面521，第二接合層502與第一接合層501接合在一起。於本例子中，本體515的一頂面522
藉由一個氧化物層(譬如是二氧化矽的半導體氧化物層)516而接合在一起。於本例子中，本體515的材料為單晶矽(晶圓)，框體520的材料為多晶矽，第一接合層501與第二接合層502可以是鋁和鍺，鋁和鍺可以在約420℃形成共晶接合(Eutectic Bonding)，且這兩種材料與CMOS製程相容，更適合應用於本實施例的整合設計。另外有種情況，第一接合層可能是不存在的，基板10的矽材料本身就可以是當作接合層的材料，而此時第二接合層的材料可以是金(Au)。在圖6B中，於本體515的下表面形成氧化物層516，然後於氧化物層516的下表面形成多晶矽層(圖案化後形成框體520，虛線所示為被去除的部分)，然後去除露出的氧化物層516，並在框體520的下表面形成鍺層(第二接合層502)，讓第二接合層502與基板10的上表面的鋁層進行鍵結接合，接合時，將處理室抽真空以使接合後的蓋體凹槽510處於真空狀態或接近真空狀態。接合技術可以使用晶圓級晶片尺寸封裝(Wafer Level Chip Scale Package，WLCSP)。
圖6C顯示圖1A的熱紅外線感測器的第二變化例的剖面示意圖。如圖6C所示，蓋體層500與基板10兩者係透過低溫接合方式(low temperature fusion bonding)形成具有氫鍵強度的介面。當然在形成低溫接合之前，為了達到表面活化，更可以包括表面電漿(plasma)處理，例如暴露在氧氣(O2)及氮氣(N2)的電漿環境下，而且為了讓接合的表面有很好的平坦度，更可以利用化學機械研磨法(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)將待接合的表面予以拋光及拋平。蓋體層500的前驅物可以是一個絕緣層上有矽(Silicon On Insulator，SOI)晶圓，下晶圓被蝕刻後形成蓋體凹槽510，氧化物層516也被去除，然後以第二接合層502(可以二氧化矽層)與基板10進行鍵結接合。
如圖7A至圖7D所示，本發明第三實施例提供一種異質整合的熱紅外線感測元件100的製造方法，包含以下步驟。首先，如圖7A所示，提供一第一初始結構300及一第二初始結構400。第一初始結構300包含：一基板10，具有一感測電路12；一犧牲層14S，位於基板10上；以及一保護接合層16，覆蓋犧牲層14S及基板10，感測電路12位於犧牲層14S的下方或正下方。第二初始結構400包含：一第一導體層432；一介電層440，位於第一導體層432上；及一第二基板410，位於介電層440上或上方。保護接合層16原本覆蓋犧牲層14S以後，可以通過研磨保護接合層16以獲得平坦表面，來控制所需要的厚度。
然後，如圖7B所示，使基板10及第二基板410互相遠離地，將第二初始結構400與第一初始結構300接合在一起而獲得一接合後的第一絕緣層20'，位於基板10上，並覆蓋犧牲層14S。
接下來的製造方法的步驟類似於圖2C到圖2H，也就是利用第二初始結構400形成熱電堆，於此不再繪製附圖。
然後，如圖7C所示，於接合後的第一絕緣層20'上形成多個開口22以露出犧牲層14S，犧牲層14S的材料包含但不限於鋁(例如也可以是例如矽材料(silicon)等等)。接著，如圖7D所示，通過此等開口22移除犧牲層14S以形成一空腔14，使空腔14形成於基板10上，並使接合後的第一絕緣層20'位於基板10上，並覆蓋空腔14以當作空腔14的一上壁面14U及側壁面14W。此等開口22連通空腔14及外界環境，貫通第一絕緣層20'而連通至空腔14，藉以增加熱阻(熱阻越大越好)，故不需要被填補。值得注意的是，接合後的第一絕緣層20'與基板10之間亦形成有鍵合介面15；另外，接合後的第一絕緣層20'在熱紅外
線感測元件100中亦被視為是第一絕緣層，第一絕緣層更當作空腔14的側壁面14W。此時，空腔14是形成於基板10上。當然犧牲層14S在此代表的意義是先形成晶圓接合之後再將犧牲層14S去除而形成的空腔技術，然而本發明不限定於此，任何方式的空腔形成方法，只要是符合本發明異質結構整合的技術的精神，例如金屬矽化物形成之空腔，例如NiSi，皆在本發明之範圍內。
詳言之，利用第二初始結構400形成熱電堆的步驟包含以下子步驟。如圖7B、圖2C至圖2H(把空腔14視為是犧牲層14S)所示，首先移除第二基板410與介電層440；接著，對第一導體層432圖案化，以形成多個第一導體32，位於接合後的第一絕緣層20'上；然後，利用此等第一導體32形成複數個熱電偶30，此等熱電偶30串聯連接在一起而形成熱電堆，各熱電偶30包含第一導體32及位於第一導體32上方的一第二導體34，各熱電偶30的第一導體32與第二導體34連接於一個位於空腔14的上方的熱端HJ，相鄰的兩個熱電偶30連接於一個遠離空腔14的冷端CJ，此等熱端HJ與此等冷端CJ電連接至感測電路12；接著，於此等第二導體34上形成一保護層50，覆蓋此等熱端HJ及此等冷端CJ；然後，於保護層50上形成一黑體層60，黑體層60覆蓋此等熱端HJ，但不覆蓋此等冷端CJ，用以吸收熱量。
此外，利用此等第一導體32形成複數個熱電偶30的步驟包含：於此等第一導體32及接合後的第一絕緣層20'上形成一第二絕緣層40；對第二絕緣層40圖案化，以形成多個熱端窗口HJW及多個冷端窗口CJW；於第二絕緣層40上形成一第二導體層434，使第二導體層434通過此等熱端窗口HJW及此等冷端窗口CJW電連接至此等第一導體32；以及對第二導體層434圖案化，以形成此等第二導體34，
其中此等第一導體32與此等第二導體34形成複數個熱電偶30，此等熱電偶30串聯連接在一起而形成熱電堆，各熱電偶30包含第一導體32及位於第一導體32上方的第二導體34，各熱電偶30的第一導體32與第二導體34連接於位於空腔14的上方的熱端HJ，相鄰的兩個熱電偶30連接於遠離空腔14的冷端CJ。
在圖7A與圖7B中，第二初始結構400更包含一第一絕緣層20，其中第一導體層432位於第一絕緣層20上，第二初始結構400的第一絕緣層20與第一初始結構300的保護接合層16接合在一起而獲得接合後的第一絕緣層20'。
在圖8A與圖8B中，第二初始結構400不具有第一絕緣層20，因此第二初始結構400的第一導體層432與第一初始結構300的保護接合層16接合在一起，使保護接合層16變成接合後的第一絕緣層20'。
如圖9A至圖9D所示(可以配合參見圖3A至3L，差異點在於把空腔14視為是犧牲層14S)，本發明第四實施例類似於第三實施例，亦提供一種異質整合的熱紅外線感測元件100的製造方法，差異點在於第二初始結構400更包含：一第二導體層434，位於介電層440上；一第二介電層450，位於第二導體層434上，其中第二基板410位於第二介電層450上。因此，利用第二初始結構400形成熱電堆的步驟包含以下子步驟：移除第二基板410與第二介電層450；對第二導體層434圖案化，以形成多個第二導體34，位於介電層440上；對介電層440圖案化，以形成一第二絕緣層40，位於第一導體層432上；對第一導體層432圖案化，以形成多個第一導體32，位於接合後的第一絕緣層20'上；利用此等第一導體32與此等第二導體34形成複數個熱電偶30，
此等熱電偶30串聯連接在一起而形成熱電堆，各熱電偶30包含第一導體32及位於第一導體32上方的第二導體34，各熱電偶30的第一導體32與第二導體34連接於一個位於空腔14的上方的熱端HJ，相鄰的兩個熱電偶30連接於一個遠離空腔14的冷端CJ，此等熱端HJ與此等冷端CJ電連接至感測電路12，第二導體34被一第一子保護層50A覆蓋；以及於第一子保護層50A與此等熱端HJ與此等冷端CJ上形成一第二子保護層50B，第一子保護層50A與第二子保護層50B組成保護層50，覆蓋此等熱端HJ及此等冷端CJ。此外，利用此等第一導體32與此等第二導體34形成複數個熱電偶30的步驟包含：於此等第一導體32、此等第二導體34及接合後的第一絕緣層20'上形成第一子保護層50A；對第一子保護層50A圖案化，以形成多個熱端窗口HJW及多個冷端窗口CJW；以及於此等熱端窗口HJW中及此等冷端窗口CJW中形成多個連接導體70，將此等第二導體34通過此等熱端窗口HJW及此等冷端窗口CJW電連接至此等第一導體32，來形成複數個熱電偶30，此等熱電偶30串聯連接在一起而形成熱電堆，各熱電偶30包含第一導體32及位於第一導體32上方的第二導體34，各熱電偶30的第一導體32與第二導體34連接於位於空腔14的上方的熱端HJ，相鄰的兩個熱電偶30連接於遠離空腔14的冷端CJ，此等熱端HJ與此等冷端CJ屬於此等連接導體70。如圖10A與圖10B所示，本變化例子類似於圖9A與圖9B，差異點在於圖10A的第二初始結構400不具有第一絕緣層20，因此第二初始結構400的第一導體層432與第一初始結構300的保護接合層16接合在一起，使保護接合層16變成接合後的第一絕緣層20'。
因此，本發明的實施例的精神在於使用兩個晶圓的接合，特別是盲接合，來製作熱紅外線感測元件及熱紅外線感測器，其中
下晶圓(第一初始結構300)利用CMOS的製程(溫度大約300至400度C)形成電路及凹槽，而上晶圓(第二初始結構400)利用多晶矽的製程(溫度大約600至700度C)，屬於不同製程條件下形成的兩個晶圓，接合後在進行圖案化及連線製程，故不會有製程溫度過高而破壞電路的狀況。感測電路至少包含電晶體元件及金屬連接線路，若一起遭遇多晶矽的第一導體與第二導體的形成過程的高溫製程是會被破壞的(熱電偶的第一導體及第二導體的至少一者的材料包含高溫多晶矽)。於另一例子中，也可使用絕緣層上有矽(Silicon On Insulator,SOI)晶圓的單晶矽來當作第一導體及第二導體的至少一者的材料。由於空腔的正下方可以製作有電路(譬如是完整的MOS FET加上金屬導線的電路系統)而不受熱電偶材料的高溫製程的影響，所以填充因子(Fill factor,FF)非常大，至少大於30%(例如30微米(um)的節距(pitch)，20um的空腔長度)，甚至大於50%，且信號傳遞路徑縮短，信噪比提高。此外，異質整合的技術可以在CMOS晶圓的上方堆疊需要高溫製程的多晶矽。
在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。
HJ:熱端
10:基板
12:感測電路
14:空腔
14U:上壁面
15:鍵合介面
20:第一絕緣層
22:開口
30:熱電偶
32:第一導體
34:第二導體
40:第二絕緣層
50:保護層
50A:第一子保護層
50B:第二子保護層
60:黑體層
Claims (12)
- 一種異質整合的熱紅外線感測元件，至少包含：一基板；一感測電路，位於該基板中或上；一空腔，位於該基板中或上，該感測電路位於該空腔的下方；以及一個或多個熱電偶，所述熱電偶的材料係製作於一第二基板並透過鍵合方式移轉於該空腔的上方，該熱電偶或各該熱電偶包含一第一導體及一第二導體，該熱電偶的該第一導體與該第二導體的第一端連接於一個位於該空腔的上方的熱端，該熱電偶的該第一導體與該第二導體的第二端為設置於該空腔邊緣的冷端並且電連接至該感測電路。
- 如請求項1所述的異質整合的熱紅外線感測元件，更包含一第一絕緣層，位於該基板上，並覆蓋該空腔以當作該空腔的一上壁面，該第一絕緣層與該基板之間形成一鍵合介面。
- 如請求項2所述的異質整合的熱紅外線感測元件，其中該第一絕緣層形成有多個開口，貫通該第一絕緣層而連通至該空腔。
- 如請求項2所述的異質整合的熱紅外線感測元件，其中該第一絕緣層更當作該空腔的側壁面。
- 如請求項1所述的異質整合的熱紅外線感測元件，其中該第一導體及該第二導體的至少一者的材料包含矽。
- 如請求項1所述的異質整合的熱紅外線感測元件，其中該異質整合的熱紅外線感測元件的一填充因子至少大於30%。
- 如請求項1所述的異質整合的熱紅外線感測元件，其中該感測電路至少包含電晶體元件及金屬連接線路。
- 一種熱紅外線感測器，包含多個如請求項1所述的異質整合的熱紅外線感測元件，排列成二維陣列，用於感測熱像，該多個異質整合的熱紅外線感測元件共用該基板。
- 如請求項8所述的熱紅外線感測器，更包含：一蓋體層，具有一蓋體凹槽，並且鍵結接合於該基板，使該多個異質整合的熱紅外線感測元件容置於該蓋體凹槽中。
- 如請求項9所述的熱紅外線感測器，其中該蓋體凹槽處於真空狀態或低於一大氣壓的接近真空狀態，以增加該多個異質整合的熱紅外線感測元件的感測靈敏度。
- 如請求項9所述的熱紅外線感測器，更包含：一帶通濾波層，位於該蓋體層上，並對從外界進入該蓋體凹槽中的電磁波執行帶通濾波動作。
- 如請求項9所述的熱紅外線感測器，其中該蓋體層包含：一第一接合層，位於該基板上；一第二接合層；及一個蓋體基板，具有該蓋體凹槽，位於該蓋體凹槽上方的一本體、以及位於該蓋體凹槽的周圍的一框體，該第二接合層位於該框體的一底面，該第二接合層與該第一接合層接合在一起。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI816360B (zh) * | 2022-04-11 | 2023-09-21 | 國立高雄科技大學 | 非制冷型紅外線感測器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN212539430U (zh) | 2021-02-12 |
| CN112393806A (zh) | 2021-02-23 |
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