TWI336394B - Infrared ray sensor and manufacturing method for the same therefore - Google Patents

Description

1336394 亀 ， 九、發明說明： 【發明所屬之技術區域】 本發明係有關紅外線感測器及其製造方法。 【先前技術】 傳統之熱電堆（Thermopile)型之紅外線感測器，眾所 皆知係使用以下專利文獻1 ~ 3所示。於此種紅外線感測器中 係以鄰接之聚砂與銘形成熱電偶（Thermocouple)，來檢測藉 由此熱電偶所構成之紅外線檢測部射入之紅外線。 # 熱電堆係將熱電偶串聯排列於微小之面積中者。熱電偶 係利用以兩種金屬來製造電路，將其兩個接合點保持在相異 溫度時’將產生熱電勢（Thermoelectromotive force)並通過電 流之「塞貝克（Seebeck )效應」原理之溫度感測器。於熱 電偶測量測溫接點（溫接點）與基準接點（冷接點）間之熱 電勢。 專利文獻1所示之紅外線感測器係於單體條上形成由p 型半導體與η型半導體所構成之熱電偶之例。此等係由塞貝 Φ 克效應所產生之熱電偶之溫接點與冷接點之溫度差異所產 生之熱電勢，來測量射入於紅外線感測器之紅外線量，藉由 配置複數熱電偶而達到紅外線感測器之高靈敏度化。另外， 具備紅外線濾光片之紅外線感測器亦揭示於專利文獻3。於 專利文獻3中揭示著於絕緣基板上形成有紅外線感測器之例 _ 子。 專利文獻1 :專利26636 12號公報 專利文獻2 :特開平6-249708號公報 1336394 .專利文獻3:特開2 001-174324號公報 【發明內容】 〔發明所欲解決之問題〕 ，當於此 須具有改 感測器外 破損，及 的係提供 特徵乃具 導體基板 板及前述 著層；前 來自紅外 線透過基 將射入於 通孔而往 體基板及 ，可提高 然而’於半導體基板形成取出輸出用之貫通孔 貼合矽基板時，於紅外線檢測部與矽基板之間，必 善溫度檢測特性之空間，故因該空間內部與紅外線 部之壓力差距，而有形成於貫通孔之絕緣膜等劣化 特性劣化等問題。 • 本發明係有鑑於此種問題而加以產生者，其目 可改善特性之紅外線感測器及其製造方法。 〔解決問題之方法〕 爲了解決上述課題，本發明之紅外線感測器其 備：形成有紅外線檢測部之半導體基板；面對於半 之紅外線透過基板；及一部分介置於前述半導體基 紅外線透過基板間，於此等之基板間賦予空間之黏 述半導體基板於面對於前述黏著層位置，具有取出 • 線檢測部之電氣信號之貫通孔。 射入於此紅外線感測器之紅外線係透過紅外 板，射入熱電偶等之紅外線檢測部。紅外線檢測部 此之紅外線轉換成電氣信號。此電氣信號係經由貫 外部取出。紅外線檢測部係配置於藉由介置於半導 紅外線透過基板間之黏著層所形成之空間內。因此 對於紅外線檢測部溫度變化之反應特性。 貫通孔係設置於面對此黏著層之位置。因此，例如安裝 1336394 .時等，即使上述空間內外之壓力相異，貫通孔及其底部亦將 藉由黏著層而加以支撐，並抑制該貫通孔及形成於此之絕緣 膜劣化破損，進而改善紅外線感測器之特性。 又，於上述空間內，最好係設置抑制紅外線透過基板之 * 朝向紅外線檢測部之彎曲之止彎壁。當紅外線透過基板彎曲 時，其係擋接於紅外線檢測部，而有紅外線檢測部破損，因 抵接而導致熱傳導增大，靈敏度降低。該止彎壁係爲了防止 此種破損或靈敏度劣化而加以設置，止彎壁之自半導體基板 • 之高度係高於紅外線檢測部上面，且當紅外線透過基板彎曲 時，其係擋接於止彎壁並抑制紅外線透過基板之彎曲量。 當紅外線檢測部之數目爲複數之情況時，止彎壁最好設 置於紅外線檢測部間。亦即，當紅外線檢測部之數目爲複數 之情況時，雖然紅外線透過基板爲大型化，但是將止彎壁設 於於紅外線檢測部間，將可整體抑制彎曲量。 紅外線檢測部最好係形成於形成在半導體基板上之薄 膜體（membrane)構造上，此際，將可提高對於紅外線檢測 # 部溫度變化之反應性。 又，經由前述黏著層前述半導體基板與前述紅外線透過 基板之間之空間最好爲真空。熱能移動可考量熱傳導、對流 及輻射。雖然於後面會加以解釋，但是來自紅外線檢測部之 熱之移動中，熱傳導部分係於不易傳導熱之薄膜上形成紅外 線檢測部，使熱不退散。將半導體基板與紅外線透過基板之 間所構成之空間設爲真空，使射入於形成在半導體基板上之 紅外線檢測部之紅外線（熱），藉由對流而不會往空間側退 1336394 .散，因此檢測可更高靈敏度。至於殘留之輻射係於面對於半 導體基板之紅外線檢測部之面部，設置金屬等所形成之紅外 線反射膜，使檢測可更高靈敏度。 ' 上述紅外線感測器之製造方法，其特徵乃具備：於構成 * 半導體基板上之薄膜體之薄膜上，形成紅外線檢測部之步 驟；於形成有前述紅外線檢測部之前述薄膜下側形成中空 部，而形成薄膜體構造之步驟；於前述半導體基板與由矽等 所構成之紅外線透過基板之間，於前述半導體基板或前述紅 φ 外線透過基板之至少一方，部分性形成賦予空間之黏著層 後，再經由此黏著層，在前述半導體基板貼合前述紅外線透 過基板之步驟；及從前述半導體基板之與前述紅外線透過基 板相反側，在前述半導體基板形成貫通孔之步驟；前述貫通 孔係設置於面對於前述黏著層位置。 若藉由此製造方法時將可利用由黏著層所形成之支撐 而抑制形成貫通孔時之貫通孔等之破損劣化，故可製造特性 佳之上述紅外線感測器。 # 又，當形成複數之紅外線感測器時最好係於形成貫通孔 之後，在紅外線感測器間之切割線條上切斷，分離成各個之 紅外線感測器。此際，將結束貼合半導體基板及紅外線透過 基板，及形成貫通孔，故藉由該切割來分離各個之紅外線感 測器，完成最接近最後出貨形態之製品。因此，若藉由此製 造方法時將以低成本改善生產性。 【實施方式】 以下茲參照附圖，針對本發明之實施形態加以說明。但 1336394 是，於相同元件上標記相同符號’省略重複之說明。又’各 構造元件之尺寸比率，特別各層之厚度等，爲了強調說明上 之便利亦有與現實相異之情況。 ' 第1圖爲表示實施形態之紅外線感測器側面圖。第2圖 爲表示從紅外線感測器除去紅外線透過基板之平面圖。第3 圖爲表示紅外線感測器之底面圖。第4圖爲表示第2圖中之 紅外線感測器之IV-IV箭頭剖面圖。又，第14圖爲表示在 此實施形態之紅外線感測器排列分解零件之紅外線感測器 • 分解斜視圖。 薄膜體構造之支撐構件包含具備著具有中空部分2之薄 板部之半導體基板1，和支撐、補強薄板部之薄膜（熱絕緣 膜）3。另外，半導體基板1係由矽基板所構成。紅外線感 測器背側係以半導體基板1加以密閉，於表面之鈍化膜7之 四處具有蝕刻孔13。亦即，中空部分2係形成於薄膜3下部。 此紅外線感測器中，背側係藉由半導體基板1成爲密閉之構 造’故於導線框或電路基板等之支撐構件上，將易於黏晶 ® ( Die Bonding)，並提高機械性強度。 另外，薄膜3亦可爲SiN單層、Si〇2單層或包含SiN、 Si〇2、PSG、BPSG之任一者之多層膜所構成者，膜厚爲 〇 . 1 ~ 5 μπι。 於薄膜3上係經由已參雜i〇17~i〇2Gcm·3之η型或？型 - 雜質之多晶矽膜4和成爲絕緣膜之Si02膜5而積層鋁膜6。 且，藉由Si02膜5之開口孔部，連接多晶矽膜4與鋁膜6 來形成熱電偶。 1336394 薄膜3及熱電偶之露出表面係以SiN所構成之鈍化膜7 加以覆蓋，而於中空部分2上部之鈍化膜7上形成紅外線吸 收膜8。另外，於多晶矽膜4與鋁膜6之間，除了成爲此等 接觸點之開口孔部，經由Si02膜5,雖然於鋁膜6上存在有 鈍化膜7,但是於第14圖中爲了使構造更明確化，故省略記 載Si02膜5與鈍化膜^ 紅外線吸收膜8於感熱型紅外線感測器中，係爲了捕捉 紅外線作爲熱能而加以設置。 • 又，亦可採用PSG、BPSG、SiN等之單層或由此等絕緣 膜等所形成之積層膜來取代Si02膜5，且鈍化膜7亦可爲 Si02、PSG、BPSG或聚醯亞胺膜等單層或由此等所形成之積 層絕緣膜。又，於紅外線吸收膜8使用黑化樹脂，此黑化樹 脂亦可採用混合有碳塡充物（Carbon Filler)等之黑色塡充 物之樹脂（環氧系、聚矽氧系、聚丙稀酸系、胺甲酸酯系、 聚醯亞胺系等）或黑色光阻等。 如第2圖所示’多晶矽膜4與鋁膜6之長邊積層構造係 # 形成從半導體基板1外緣上部，橫跨中央之中空部分2上部 而延伸。又，中空部分2之形狀爲矩形（正方形或長方形）， 各積層構造係沿著垂直於中空部分2四邊之四個方向延伸。 於中空部分2上積層多晶矽膜4與鋁膜6，鋁膜6之寬 度係形成相較於多晶矽膜4之寬度較窄。且，於形成紅外線 . 吸收膜8之區域的Si02膜5之開口孔部，連接著積層之多 晶矽膜4與鋁膜6，形成溫接點11。又，於半導體基板〗上 部之Si〇2膜5之開口孔部連接著相鄰之多晶矽膜4與鋁膜 -10- 1336394 ， 6，形成冷接點12。此等熱電偶係串聯連接，藉由端子10 取出塞貝克效應所產生之熱電勢。 此積層構造因係熱電偶而當作熱電型之紅外線檢測部 (熱電堆）4、6來作用。亦即，於半導體基板1形成有紅外 線檢測部。於半導體基板1面對著由矽基板所構成之紅外線 透過基板FL。紅外線透過基板FL當作紅外線透過濾光片來 作用。又，可於紅外線透過基板之單面或雙面附添加防止反 射膜，藉此可提高透過率，或形成僅讓必要波長通過之帶通 φ 濾波器。 於半導體基板（第1矽基板）1與紅外線透過基板（第 2矽基板）FL之間，黏著層AD係介置於一部份。黏著層 AD係於半導體基板1與紅外線透過基板FL之間賦予空間。 黏著層AD之厚度係設定成高於紅外線吸收膜8上面，且在 紅外線吸收膜8或紅外線檢測部，與紅外線透過基板FL之 面對半導體基板之面之間，介置間隙。 本例之黏著層AD係由例如Pyrex (註冊商標）玻璃等， Φ 與矽之間可陽極接合之層所構成。半導體基板（第1矽基板） 1與紅外線透過基板（第2矽基板）FL之至少一方和黏著層 AD爲陽極結合。面對於紅外線透過基板FL之中空部分2 之內側表面亦可形成凹部，此種情況，紅外線透過基板FL 之內側表面周圍形成凸部，此凸部與黏著層AD爲黏著。黏 . 著層AD係設於半導體基板1之外緣部，並構成矩形環狀之 框部。因此，黏著層AD係介置於半導體基板1之外緣部與 紅外線透過基板FL之外緣部之間，並將外來氣體封閉於紅 -11- 1336394 外線感測器之內部空間外。此內部空間最好設爲真空狀態。 以將紅外線透過基板與半導體基板之間之內部空間設爲真 空，使射入形成於半導體基板上之紅外線檢測部之紅外線吸 收膜之紅外線（熱），藉由對流而不退散於空間側’故使檢 測可更高靈敏度。 黏著層AD例如最好爲由具有康寧公司之#7740等之鹼 性金屬之乳清矽酸玻璃所構成。此玻璃之熱膨脹係數α爲 3.4x1 Ο·6，故接近矽之熱膨脹係數β ( = 3.6x1 (Γ6) »亦即， φ 此種情況，可將於製造步驟之熱膨脹係數相異所產生之熱應 力抑制爲最小限度，於中空部分等之機械性強度較弱處’不 易施加應力。 亦即，於本例之中，雖然α/β= 94.4%但是α/β= 90%以 上110%以下爲最佳。 黏著層AD之黏著係採用陽極接合裝置，將半導體基板 與黏著層AD陽極接合，但是陽極接合係以400°C以下低溫 進行。於陽極接合時，雖於半導體基板1與紅外線透過基板 # FL之間，施加250~800V左右之電壓，但是陽極接合時之溫 度較爲低溫，故亦可抑制上述之熱應力。於真空裝置內進行 陽極接合，藉此可於真空狀態密閉紅外線感測器之內部空 間。 又，若於氮或氙等之惰性氣體環境中進行陽極接合時， 將可於塡充氮或氙、氪、氬等惰性氣體之狀態，密閉紅外線 感測器之內部空間。於紅外線透過基板與半導體基板之間之 內部空間’塡充氮或氙而加以密閉，藉此防止紅外線檢測 -12- 1336394 部、薄膜體構造或紅外線吸收膜接觸於氧，故可製成未劣化 之紅外線檢測器。再者’減少氙或氪、氬等之熱傳導率且例 如以10~ lOOmmHg之低壓塡充重量較重之氣體，將可不易產 生對流，並可抑制從對流引起之紅外線檢測部之熱退散，使 可檢測可更高靈敏度。 另外’於真空密閉中，於紅外線透過基板FL與半導體 基板1之間之內部空間，亦可設置吸氣（getter )材料。藉 此可將內部空間內之壓力長時間保持爲真空，並可提高紅外 φ 線感測器之穩定性。可採用以鋇、鈦及锆等爲主成分之材料 來作爲吸氣材料。 共同使用紅外線透過基板FL與黏著層AD之情況時， 由於紅外線感測器之機械性強度增高，故具有可將半導體基 板1之厚度變薄之優點。亦即，於連接紅外線透過基板FL 之後，將半導體基板1背面機械性及化學性硏磨而薄板化， 可縮小貫通孔P深度方向之長寬比（aspect ratio)。於薄板 化步驟中，除了機械硏磨以外，亦可採用乾蝕刻或濕蝕刻。 φ 又，當進行背面側之製程時’將背面側朝上進行製程。 此薄板化所產生之降低長寬比相當有效’不但可縮短形 成貫通孔P之時間’同時可於貫通孔p之內壁面上’易於形 成質地較佳之絕緣膜Pi。亦即，當於貫通孔P之內壁面上形 成絕緣膜Pi之情況時’貫通孔p之深度較淺之際’將可藉 由電漿CVD法或濺鍍法’形成覆蓋性、質地佳之絕緣膜Pi。 換言之，採用黏著層AD與紅外線透過基板FL，將可適 當製造形成於貫通孔p之內壁面之絕緣膜Pi’結果’預期可 -13- 1336394 提高紅外線感測器之特性。以下，先綜合整理薄板化之優點。 •由於貫通孔p深度變淺，故可縮小端子（電極墊片） 1 0及接觸電極CE，並可以狹窄間隔加以形成。 •由於可縮小端子1 0之面積，故紅外線檢測部4、6之 面積可相對增大，並可提高檢測靈敏度。 •縮短形成貫通孔P時之蝕刻時間。 •由於貫通孔P之深度變淺，故可提高絕緣膜Pi之覆 蓋性。 ί ·由於提高絕緣膜Pi之覆蓋性，故可降低凸塊B與半 導體基板1之短路產生率。 •由於貫通孔P之深度變淺，故形成接觸電極CE時之 光阻將可容易進行塗佈，又，於微影步驟之貫通孔P底部之 曝光圖案之模糊量亦變少 •由於貫通孔P內不必形成如所謂貫通配線般之長配 線，故可提高良率。 如上述所言，紅外線檢測部4、6將產生熱電勢之相異 ® 材料（鋁、多晶矽）電氣性串聯連接。此串聯連接電路之兩 端端子（墊片）10係形成於半導體基板1之薄膜3上。另一 方面，半導體基板1係於面對於黏著層AD之位置，具有從 端子10取出輸出紅外線檢測部之貫通孔P。亦即，半導體 基板1之外緣部、端子10、黏著層AD及紅外線透過基板 . FL之外緣部係位於貫通孔P之軸線上。 另外，端子10係位於平面形狀爲矩形之半導體基板1 之2個角落部。於其他角落部設有虛擬端子1〇，，來改善紅 -14- 1336394 '外線感測器之安裝穩定性。 貫通孔p具有角椎梯形狀，其中配置有接近球形之凸塊 B。貫通孔P之直徑係從半導體基板1背面側往表面側變小， 形成圓錐形狀。於本例子中，亦可於一個貫通孔P配置一個 凸塊B，亦可僅將開口徑之一方設定成比另一張很多，貫通 孔P形成溝槽，而在該溝槽配置複數凸塊B。另外，對於貫 通孔P之開口直徑之孔深度長寬比（孔深度/開口直徑）最 好爲1以下。凸塊B具有從半導體基板1之貫通孔P突出若 Φ 干之部分，將更容易安裝於電路基板。 第5圖爲表示貫通孔P之周圍部分之放大圖。 於貫通孔P內面形成著由Si02所構成之絕緣膜Pi。凸 塊B係擋接於絕緣膜Pi。又，貫通孔P內之絕緣膜Pi係連 接在覆蓋半導體基板1背面之絕緣膜9。而凸塊B係經由設 於薄膜3之接觸孔CH內之接觸電極CE，而連接於端子10。 亦即，若參照第2圖，其中一方凸塊B係經由其中一方 端子10,依鋁膜6、多晶矽膜4、鋁膜6、多晶矽膜4...之順 • 序電氣性連接，再經由多晶矽膜4、配線、另一方端子1 〇， 電氣性連接於另一方凸塊B。又，於虛擬端子10’正下方亦 與端子10周圍部份同樣，亦可設置如第3圖所示之虛擬用 之凸塊B’。 又，絕緣膜Pi不限於Si02，亦可爲PSG、BPSG、SiN、 . SiON、聚合物等之單層絕緣膜或者由此等所形成之積層膜》 茲針對上述紅外線感測器之功能而加以說明。 入射於此紅外線感測器之紅外線係透過由已實施防止 -15- 1336394 反射膜塗布之矽基板所構成之紅外線透過基板（紅外線透過 窗）FL，而射入於熱電偶等之紅外線檢測部4、6。紅外線 檢測部4、6係將射入此之紅外線轉換成電氣信號。 此電氣信號係經由貫通孔P取出於外部。紅外線檢測部 4、6係配置於藉由介置於半導體基板1與紅外線透過基板 FL間之黏著層AD所形成之空間內。因此，將有改善對於紅 外線檢測部4、6溫度變化之反應特性。 特別是，紅外線檢測部4、6係形成於由形成在半導體 • 基板1之薄膜3所構成之薄膜體構造上，於薄膜3下部由於 具有中空部分2，故對於紅外線檢測部4、6溫度變化之反應 特性更能改善。 如上述所言，貫通孔P係設置於面對黏著層AD之位 置。因此，藉由黏著層AD所畫分之空間內外，即使產生壓 力差，貫通孔P與其底部亦將藉由黏著層AD支撐，而抑制 貫通孔P及形成於此之絕緣膜Pi之劣化、破損，改善紅外 線感測器之特性、良率及生產性。 • 又，於上述紅外線感測器，由於藉由積層多晶矽膜4和 鋁膜6而形成，對1個熱電偶之配置區域較小，故可高密度 配置熱電偶。又，介置Si02膜5積層多晶矽膜4與鋁膜6 之熱電堆圖案係藉由3層構造，來提高機械性之支撐強度， 此係從位於中空部分2上部之薄膜3之上部，跨過半導體基 板1之外延伸部之上部而形成台形，故可提高薄膜3之機械 性強度》 再者，於中空部分2上部之薄膜3上部，由具有黏著力 -16- 1336394 材料所構成之單一塊紅外線吸收膜8，由於係固定著所有之 薄膜3和熱電堆圖案，且中空部分2之緣故，更可利用中空 部分2上部之薄膜3來改善薄壁區域之機械性強度。又，紅 外線吸收膜8由於係形成完全覆蓋熱電堆圖案之溫接點 11’故藉由吸收紅外線，可有效將以紅外線吸收膜8所產生 之熱傳至溫接點11。 又’鋁膜6由於傳導效率佳，而將溫接點所取得之熱傳 至半導體基板1而退散，雖然可能導致降低紅外線感測器之 φ 靈敏度’但鋁膜6係於多晶矽膜4上介置Si02膜5積層更 薄更細，故與半導體基板1熱絕緣，而不會降低紅外線感測 器之靈敏度。又，Si02膜5不僅將多晶矽膜4與鋁膜6電氣 絕緣，且亦具有不易將多晶矽膜4之熱傳導至鋁膜6之熱絕 緣功能。 另外，射入於紅外線吸收膜8之紅外線雖然可能會以形 成於紅外線吸收膜8下之鋁膜6加以反射，而導致降低紅外 線感測器之靈敏度，但鋁膜6由於形成較爲纖細，故可將反 0 射降低爲最小，已反射之紅外線由於進而被紅外線吸收膜8 加以吸收，故不會降低紅外線感測器之靈敏度。 再者，第1實施形態並不侷限於此。中空部分2之形狀 不但不限於矩形，且亦可爲圓形等，可搭配其形狀而形成熱 電堆圖案。 其次，針對上述紅外線感測器之製造方法加以說明。 第6圖爲表示說明紅外線檢測部製造步驟之圖^ 首先準備由矽所形成之半導體基板1(第1矽基板）。 -17- 1336394 於半導體基板1之表面上形成由多晶矽所構成之犧牲層。此 犧牲層係於之後段步驟中去除而構成中空部分2之上部空間 DL °亦即’要蝕刻犧牲層之前需於上部空間dl內塡充犧牲 層。 於此’中空部分2亦可僅蝕刻犧牲層而加以形成，或亦 可往厚度方向再藉由蝕刻體狀（bulk)之半導體基板1而加 以形成。上述意思，第6圖之中空部分2係以虛線表示半導 體基板1側。 • 形成犧牲層之後，將於半導體基板1之表面上形成由絕 緣層所構成之薄膜3，並以薄膜3覆蓋半導體基板1及犧牲 層之露出表面。再者，上述犧牲層係於半導體基板1之薄膜 3側，以略相同於中空部分2之尺寸加以形成。其次，形成 由多晶矽膜4、絕絕膜5及鋁膜6所構成之熱電堆圖案及端 子10之後，再形成鈍化膜7。 之後，將薄膜3及鈍化膜7開口而形成蝕刻孔1 3，並於 熱電堆圖案上形成紅外線吸收膜8(參照圖2)。另外，紅 Φ 外線吸收膜8亦可形成於後述之蝕刻後。 又，於半導體基板（第1矽基板）1背面，因應所需而 事先形成保護用之遮罩。導入於蝕刻孔1 3內之蝕刻液係例 如採用加溫伸乙二胺、鄰苯二酚與水之混合液。又，半導體 基板1爲（100)基板並露出（100)面。若將蝕刻液導入於 蝕刻孔1 3內時，蝕刻液從蝕刻孔1 3浸透於多晶矽之犧牲 層，蝕刻此犧牲層之同時，或完全飩刻後因應於設計而開始 各向異性蝕刻半導體基板1。 -18- 1336394 ·* 藉此，可形成具有中空部分2之薄膜體構造。又，蝕刻 進行約深度2~30μπι左右。另外，爲了形成薄膜體構造’亦 可僅蝕刻多晶矽犧牲層。此情況係將多晶矽犧牲層之厚度設 爲爲〇.2μιη~3μπι。又，蝕刻除了前述蝕刻液之外，亦可爲肼 (hydrazine)水溶液等，或者亦可採用XeF2等之乾鈾刻。 第7圖爲表示說明紅外線透過基板FL之安裝步驟圖。 形成中空部分2後，機械性強度亦增加而進行安裝由矽 所構成之紅外線透過基板（第2矽基板）FL。首先，於半導 φ 體基板（第1矽基板）1之外緣部上，形成由Pyrex玻璃所 構成之黏著層AD。於黏著層AD上面，重疊紅外線透過基 板（第2矽基板）FL，於真空中或氮氣體中陽極接合黏著層 AD與紅外線透過基板（第2矽基板）FL。又，形成黏著層 AD亦可於前述蝕刻前進行。且，黏著層AD之形成亦可形 成於紅外線透過基板（第2矽基板）FL側。 之後，機械性及化學性硏磨半導體基板（第1矽基板） 1之背面側，使半導體基板1薄板化。薄板化後之半導體基 鲁板1外緣部厚度爲5 0~2 00μιη左右。 第8圖爲表示說明貫通孔Ρ之形成步驟圖。 其次，於半導體基板1之背面上形成可耐蝕刻液之遮罩 9»於此，遮罩9係由SiN所構成。將遮罩9之貫通孔預定 形成區域開口後，於此開口內導入KOH水溶液等之蝕刻液， . 往內部方向蝕刻第1半導體基板1。 於此濕蝕刻中進行各向異性蝕刻，於蝕刻液到達薄膜 (熱絕緣膜）3之時點停止蝕刻，形成圓椎狀之貫通孔Ρ» -19- 1336394 又，上述之遮罩9係因應必要而去除，之後亦可於基板背面 上形成新之絕緣膜9。 又，蝕刻液除了 KOH水溶液以外，亦可採用聯胺 (hydrazine) ' EDP( E t h y 1 e n e D i a m i n e P y r o c a t e c h ο 1 ) ' TMAH (TetraMethyl Ammonium Hydroxide)等之驗性水溶液。另 外，除了 SiN之外，亦可採用Si02等之高耐高鹼性之膜來 作爲遮罩材料，此可藉由CVD( Chemical Vapor Deposition) 法等加以形成。另外，本例之情況，即使結束蝕刻，由於介 φ 置黏著層AD而存在紅外線透過基板（第2矽基板）FL，故 不會有蝕刻結束時或結束後之膜破損，且不會降低良率而進 行各步驟。 第9圖爲表示說明凸塊電極之安裝步驟圖。 其次，於貫通孔P之內壁面上以CVD法或濺鍍法形成 由鈍化膜所構成之絕緣膜Pi。之後，於絕緣膜Pi底部及對 應於此之薄膜3區域，形成開口（接觸孔CH)，並露出端 子10之背面側。於此端子10之露出面上，藉由無電解電鍍 • 等形成接觸電極（基底凸塊金屬（Under Bump Metal) )CE* 於貫通孔P內配置凸塊B，並使其接觸於接觸電極CE。又， 凸塊B之與接觸電極CE相反側之端部從半導體基板1之背 面突出。 接觸電極CE除了無電解電鍍之外，亦可藉由蒸鍍、濺 . 鍍等加以形成。接觸電極CE之材質亦可爲Ni、Au、Cr、Cu、 Pt等之金屬單層、合金或者此等之積層膜。爲了接觸於接觸 電極CE，雖然係形成由焊料等所構成之凸塊B，但亦可採 -20- 1336394 用球形安裝法或印刷法、電鍍法、焊接法等形成凸塊B。於 球形安裝法中，凸塊形成部爲凹狀可防止位置偏離，又，於 印刷法中可使用刮板（squeegee )往凹部直接埋設錫膏而再 回流可形成錫球。 以晶圓狀態進行上述步驟，最後切割基板接合部既完成 晶片。亦即，於上述凸塊配置步驟之後，將介置黏著層AD 而陽極接合之半導體基板或紅外線透過基板FL之區域，設 定爲晶片切割線條並切斷此切割線條。 • 亦即，當形成複數紅外線感測器之情況時，於形成貫通 孔P之後，將紅外線感測器間之切割線條上切斷時，即可分 離爲各個之紅外線感測器。此際，由於結束貼合半導體基板 1與紅外線透過基板FL及形成貫通孔P，故藉由該切割分離 成晶片尺寸之各紅外線感測器，而完成接近最後出貨形態之 製品。若藉由此製造方法，將可用較低成本且高生產性製造 • 輕巧型之紅外線感測器。 第10圖爲表示具有對基板背面略爲垂直地蝕刻所形成 • 之貫通孔P之紅外線感測器剖面圖。 此紅外線感測器除了貫通孔P之形狀以外，皆與上述紅 外線感測器相同。形成凸塊B之貫通孔當以乾蝕刻加以製作 時，其形成方法係與鹼性濕蝕刻大致爲相同，將蝕刻用之遮 罩9作爲Si02或光阻、鋁等之金屬層或此等積層膜，而採 . 用反應性離子蝕刻（RIE )法，乾蝕刻半導體基板1之貫通 孔該處。 於矽與鋁之端子10正下方薄膜（絕緣膜）3,選擇性停 -21 - 1336394 * 止蝕刻。若採用使用高密度電漿之ICP-RIE來作爲RIE時， 蝕刻速度將快速並可大致垂直蝕刻。當採用光阻作爲鈾刻遮 罩之情況時，將藉由氧去灰等去除其光阻，並實施形成貫通 孔後之步驟。貫通孔P之平面形狀亦可爲圓形。 第1 1圖係從紅外線感測器省略紅外線透過基板FL來表 示另一實施形態之紅外線感測器平面圖。此平面圖之標記係 以第2圖爲標準。第1 2圖爲第1 1圖所示之紅外線感測器之 XII-XII箭頭剖面圖。 | 此紅外線感測器相較於第2圖所示，僅中空部分2形狀 與其部分之製造方法相異，其他構造及製造方法皆相同。 又，於本例之情況，由於中空部分2係開放在半導體基板1 之背面側，故省略蝕刻孔。 若說明中空部分2之形成方法，於未形成中空部分2之 半導體基板1表面，形成薄膜3、熱電堆圖案、鈍化膜7、 紅外線吸收膜8之後，在與半導體基板1之形成有薄膜3的 相反側之面（背面），形成由可耐矽蝕刻液之S iN等所構成 # 之遮罩。且，將欲形成中空部分2區域之該遮罩開口，於保 護半導體基板1表面，同時亦進行蝕刻。 藉此，從背面遮罩之開口部開始進行蝕刻，若到達可耐 蝕刻液之薄膜3時即停止蝕刻。若蝕刻液例如採用KOH水 溶液等，而於第1半導體基板1採用（100)基板時，即可 進行各向異性蝕刻。藉由此蝕刻，可形成具有第12圖所示 之中空部分2之薄膜體構造。又，此背面蝕刻可與形成第1 實施形態中所說明之背面貫通孔P，同時進行》 -22 - 1336394 另外，在半導體基板1背面側對應需要形成絕緣膜9。 又，爲了將因應所需而於半導體基板背面所放之中空部分藉 由接設基板等而加以阻塞以設置空間亦可。藉此可防止破損 薄膜體。 又，上述中空部分2之形狀不限於矩形，亦可爲圓形等， 可配合其形狀而形成熱電堆圖案。另外，當採用蝕刻孔之情 況時，其形狀及位置將可藉由熱電堆圖案而加以變更。 第13圖爲表示具備複數上述紅外線檢測部4、6之紅外 φ 線感測器剖面圖。於此，爲了明確說明而以符號IRP表示紅 外線檢測部4、6，並省略記載詳細構造。紅外線感測器於半 導體基板1與紅外線透過基板FL之間，具有內部空間SP。 於此內部空間SP內設置著抑制紅外線透過基板FL朝向紅外 線檢測部IRP側之彎曲之止彎壁（間隔牆）STP。 當彎曲紅外線透過基板FL之情況時，有時其擋接於紅 外線檢測部IRP，因以熱連接紅外線檢測部IRP而降低靈敏 度’或者破損。此止彎壁STP係爲了防止此種靈敏度降低或 Φ 破損而加以設置，止彎壁STP之從半導體基板1之高度係高 於紅外線檢測部IRP之高度，且紅外線透過基板FL彎曲之 情況時，其擋接於止彎壁STP，而抑制紅外線透過基板FL 之彎曲量。 紅外線檢測部IRP之數目爲複數，而各紅外線檢測部 . IRP係構成畫素，且單獨輸出信號，但是本例爲了明確說明， 取出輸出用之凸塊B僅表示2個。止彎壁STP係形成於底下 無中空部分之薄膜3上，設置於紅外線檢測部IRP間。 -23- 1336394 v 當紅外線檢測部IRP之數目爲複數之情況時，感測器與 紅外線透過基板FL雖然同爲大型化，但由於止彎壁STP係 設於紅外線檢測部IRP間，故可整體性抑制止彎量。另外， 止彎壁STP之形成位置係設定於鄰接之中空區域2間之區 域。 以下將詳細說明有關止彎壁STP。 當製作1維或2維之紅外線檢測部陣列之際晶片尺寸將 增大。當晶片尺寸較大之情況時，若僅於晶片周圍連接半導 φ 體基板1與紅外線透過基板FL，則內部空間SP之平面方向 尺寸將增大。 因此，藉由晶圓之彎翹或外力（例如接合晶圓或晶片化 之後之安裝時），可能導致基板表面之紅外線檢測部IRP與 紅外線透過基板FL接觸，而產生損壞元件部或者藉由紅外 線透過基板FL之接觸所產生之熱之退散所引起之靈敏度降 低等問題。 作爲上述問題之解決方針，係於鄰接之各畫素間或某畫 • 素間隔之畫素間設置止彎壁s TP。藉此將縮小內部空間S P 平面方向之尺寸，並可防止由晶圓之彎翹或外力引起之紅外 線檢測部IRP與紅外線透過基板F之接觸。另外，止彎壁 STP於安裝覆晶接合之際，可抑制由施加壓力所導致元件之 損壞。 止彎壁STP於欲形成半導體基板1上之止彎壁之處，係 以單層或積層 Al、Ti、Au、Ni、Ti、Cr、W、Si、Pt、Cu、 SiN、Si02、BPSG、PSG等之材料或此等化合物或合金，並 -24- 1336394 ' 以蒸著或濺鑛、CVD等加以堆積，藉由蝕刻或剝落（Lift off ) 等圖案化而形成之。 於此形成亦可採用電鍍法。又，此形成亦可印刷玻璃熔 塊、或樹脂或錫膏而使之硬化》再者，亦可採用感光性樹脂。 作爲感光性樹脂之樹脂主要成份例如有聚醯亞胺、丙烯酸 酯、PMM A(聚甲基丙烯酸甲酯）、聚矽氧環氧等。感光性樹 脂將可以較簡易之步驟和相當便宜價格加以形成。 以上，如說明所示，上述紅外線感測器之製造方法，具 φ 備：於半導體基板1形成由薄膜3所構成之薄膜體構造之步 驟：於薄膜體構造上形成紅外線檢測部IRP之步驟；於由半 導體基板1與矽所形成之紅外線透過基板FL之間，於半導 體基板1或紅外線透過基板FL或兩者基板，部分性形成具 有黏著層AD以賦予空間之後，再介置此黏著層AD貼合半 導體基板1與紅外線透過基板FL之步驟；和從半導體基板 1之與紅外線透過基板FL相反側，於半導體基板1形成貫 通孔P之步驟。 # 又，貫通孔P係設置於面對於黏著層AD之位置。若藉 由此製造方法時’將藉由黏著層AD所產生之支撐而可抑制 形成貫通孔時之貫通孔與其底部、絕緣膜Pi等之破損、劣 化，故可製造特性佳之上述紅外線感測器。 又’除了熱電堆之外，亦可採用輻射熱測定器 (Bolometer)、熱敏電阻器（thermistor)、焦電元件、雙 金屬（bimetal )元件、二極體、水晶振盪器、歌萊電池（G〇iay cell)來作爲紅外線檢測部IRP ^ -25 - 1336394 目前爲止之說明中雖採係用矽基板作爲紅外線透過基 板FL’但紅外線透過基板FL除了矽基板之外，亦可採用透 過鍺基板或紅外線透過玻璃等之紅外線基板。 另外’亦可採用低熔點玻璃、銲錫（solder)、金屬（單 體、合金）' 樹脂等作爲黏著層AD之材料，爲了增加其黏 著強度與信賴度，亦可爲單層或積層。上述之黏著方法並不 限於陽極接合，且因應所需亦可施加熱、壓力或超音波等來 加以黏著。 # 又，雖未圖示但亦可設置使黏著層AD與基板更加密合 之密合層。黏著層AD亦可設於紅外線透過基板FL側之後 進行黏著，亦可設於兩者後進行黏著。再者，黏著層AD亦 可僅設於紅外線透過基板FL側。 又，除了從紅外線檢測部將輸出入端子10直接連接於 凸塊電極之方式以外，亦可將處理紅外線檢測部之輸出信號 之電路，設置於半導體基板1上，或作成連接此電路之輸出 入端子與凸塊電極。另外，亦可於半導體基板1上形成用來 • 監控基板溫度之熱敏電阻器（thermistor)或二極體，並電氣性 連接此端子與凸塊。 再者，爲了防止從半導體基板側射入之紅外線散光，亦 可於半導體基板之與紅外線透過基板相反側之面，於無貫通 孔之部分設置例如金屬等之遮光膜》 . 另外，爲了防止從紅外線檢測部以輻射使熱退散於半導 體基板側，故亦可於半導體基板之面對紅外線檢測部之面， 設置由金屬等所構成之紅外線反射膜。如此一來，可遮掩從 -26- 1336394 半導體基板側射入之紅外線，包含來自半導體基板本身者。 本發明係可運用於紅外線感測器及其製造方法。 【圖式簡單說明】 第1圖爲表示實施形態之紅外線感測器之側面圖。 第2圖爲表示實施形態之紅外線感測器之正面圖（從紅 外線感測器去除紅外線透過基板之平面圖）。 第3圖爲表示紅外線感測器之底面圖 第4圖爲表示第2圖中之紅外線感測器之IV_IV箭頭剖 Φ面圖。 第5圖爲表示貫通孔P之周圍部分之放大圖。 第6圖爲表示說明紅外線檢測部之製造步驟圖。 第7圖爲表示說明紅外線透過基板FL之安裝步驟圖。 第8圖爲表不說明貫通孔P之形成步驟圖。 第9圖爲表示說明安裝凸塊之步驟圖。 第1 0圖爲表示具有對基板背面略爲垂直蝕刻所形成之 貫通孔P之紅外線感測器剖面圖。

® 第1 1圖爲表示從紅外線感測器省略紅外線透過基板FL 之另一實施形態相關之紅外線感測器平面圖。 第12圖爲第11圖所示之紅外線感測器之χΠ_χπ箭頭 剖面圖。 第13圖爲表示具備複數紅外線檢出部4、6之紅外線感 . 測器剖面圖。 • 第14圖爲表示此實施形態之紅外線感測器排列分解零 件之紅外線感測器分解斜視圖。 -27- 1336394 【主要元件符 1 半導 2 中空 3 薄膜 4 多晶 5 絕緣 6 鋁膜 7 鈍化 8 紅外 9 絕緣 10 端子 11 溫接 12 冷接 13 鈾刻 AD 黏著 B 凸塊 CE 接觸 CH 接觸 DL 上部 FL 紅外 IRP 紅外 P 貫通 Pi 絕緣 SP 內部 STP 止彎

號說明】 體基板 部分 矽膜 膜 (Passivation ) 線吸收膜 膜 點 點 孔 層 電極 孔 空間 線透過基板 線檢測部 孔 膜 空間 壁

Claims (1)

1336394

第094105789號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(99年10月） 十、申請專利範圍： -種紅外線感測器之製造方法’其特徵乃具備 預定形成在半導體基板上之薄膜體局部之薄膜上，彤、 紅外線檢測部之步驟； 屯成 *以在形成有前述紅外線檢測部之前述薄膜下側形成中 空部的方式，形成薄膜構造之步驟；

於前述半導體基板與紅外線透過基板之間，在前述半 導體基板或前述紅外線透過基板之至少—方，局部性形 成賦予空間之黏著層之後，經由該黏著層在前述半導體 基板貼合前述紅外線透過基板之步驟；及 從剛述半導體基板之與前述紅外線透過基板相反側， 在則述半導體基板形成貫通孔之步驟； 月il述貫通孔係設置於面對於前述黏著層位置。 如申β專利範圍第〗項所記載之紅外線感測器之製造方 法其中虽形成複數之紅外線感測器時，於形成前述貫 通孔之後，在前述紅外線感測器間之切割線上切斷，分 離為各個之紅外線感測器。 123578-991022.doc