JP2008107215A - イメージセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流を発生させることなく窓側基板での帯電を防止し、帯電に起因する変形や破壊を防止したイメージセンサを提供する。
【解決手段】素子側基板と、素子側基板に形成された検出部と、検出部を覆うように、素子側基板上に固定された窓側基板とを含むイメージセンサにおいて、素子側基板と窓側基板とが、素子側基板上に形成され素子側基板と接続された抵抗層を介して、電気的に接続される。また、素子側基板と、素子側基板に形成された検出部と、検出部を覆うように、素子側基板上に固定された窓側基板とを含むイメージセンサにおいて、素子側基板と窓側基板とが、窓側基板上に形成され窓側基板と接続された抵抗層を介して、電気的に接続される。
【選択図】図４

Description

本発明は、イメージセンサおよびその製造方法に関し、特に、真空マイクロパッケージを備えた熱型赤外線イメージセンサおよびその製造方法に関する。

熱型（非冷却）赤外線イメージセンサでは、赤外線の検出感度を高めるため、赤外線検知部は基板から熱的に隔離された断熱構造となっている。また、断熱性を高めるために、赤外線検出部は、真空パッケージ内に封止されている。

例えば、特許文献１に記載の赤外線イメージセンサでは、ウエハに設けられた凹部上に、赤外線検出部が支持脚により保持された断熱構造となっている。ウエハの上には、赤外線検出部を覆うように、窓側基板がはんだ層により接続されている。ウエハ、はんだ層、および窓側基板により真空パッケージが形成され、赤外線検出部は、真空状態の真空パッケージ内に配置されている。
また、素子側基板上にはパッドが形成されている。ボンディングワイヤ等と接続するため、パッドは真空パッケージの外側に配置されている。赤外線イメージセンサの読み出し回路等とパッドとを接続する配線層は、真空パッケージ内の素子側基板上に設けられたメタライズ層の下に形成されており、配線層間、および配線層とメタライズ層との間には絶縁膜が設けられている。
かかる赤外線イメージセンサでは、窓側基板は、赤外線が透過するように、金属ではなくＳｉやＧｅから形成され、また、窓側基板の表面には、絶縁膜からなる反射防止膜が設けられている。
特表平９−５０６７１２号公報

しかしながら、発明者らが鋭意研究した結果、従来の赤外線イメージセンサでは、反射防止膜は、一般に、ダイアモンドライクカーボン等の絶縁膜からなるため、反射防止膜上で静電気等による帯電が発生し、かかる帯電により、窓側基板と赤外線検出部との間に電界が生じて、支持脚に保持された赤外線検出部が変形、破壊するという問題があることがわかった。

また、帯電を防止するために、窓側基板と素子側基板とを電気的に接続することもできるが、帯電による過電流が素子側基板上に形成された読み出し回路等に流れ込み、誤動作や回路の破壊が起きるという問題があることもわかった。

そこで、本発明は、過電流を発生させることなく窓側基板での帯電を防止し、帯電に起因する変形や破壊を防止したイメージセンサの提供を目的とする。

本発明は、素子側基板と、素子側基板に形成された検出部と、検出部を覆うように、素子側基板上に固定された窓側基板とを含むイメージセンサであって、素子側基板と窓側基板とが、素子側基板上に形成され素子側基板と接続された抵抗層を介して、電気的に接続されたことを特徴とするイメージセンサである。

また、本発明は、素子側基板に窓側基板を、抵抗層を介して接続された状態で固定するイメージセンサの製造方法であって、
ａ）素子側基板の上に検出部を形成する工程と、素子側基板に接続された抵抗層を形成する工程と、抵抗層に接続された配線層を形成する工程と、配線層に接続された素子側メタライズ層を形成する工程とを含む素子側工程と、
ｂ）窓側基板に接続された配線層を形成する工程と、配線層に接続された窓側メタライズ層を形成する工程とを含む窓側工程と、
ｃ）素子側メタライズ層と窓側メタライズ層とを、はんだ層により接続する工程と、を含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。

以上のように、本発明にかかるイメージセンサでは、素子側基板と窓側基板とを同電位にすることができ、双方の基板間に形成される電界による検出部等の変形、破壊を防止できる。

また、本発明にかかるイメージセンサでは、窓側基板に蓄積された電荷による過電流が素子側基板に流れ込むのを防止でき、検出部の破壊等を防止できる。

更に、本発明にかかるイメージセンサの製造では、このようなイメージセンサの製造が可能となる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる赤外線イメージセンサ（真空マイクロパッケージ）を有するウエハの上面図であり、複数の赤外線イメージセンサ１００がウエハ１０１上に形成された状態を示す。また、図２は、図１をＩＩ−ＩＩ方向に見た場合の断面図である。図１では、理解を容易にするために、窓側基板３は省略されている。

図１、２に示すように、ウエハ１０１には、複数の赤外線イメージセンサ１００がマトリックス状に形成されている。ウエハ１０１は例えばシリコンからなる。それぞれの赤外線イメージセンサ１００は、反射防止膜９ａ、９ｂが両面に形成された窓側基板３が、ウエハ１０１上に、はんだ２で接合されている。反射防止膜９ａ、９ｂは、赤外線の透過効率を高めるために設けられるもので、例えば、絶縁体であるダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Diamond Like Carbon）からなる。また、窓側基板３も、例えばシリコンからなる。窓側基板３、はんだ層２、およびウエハ１０１で囲まれた空間は、真空に保持されている。

図３は、ウエハ１０１から切り出された、単体の赤外線イメージセンサ（真空マイクロパッケージ）１００の上面図で、図４は、図３をＩＶ−ＩＶ方向に見た場合の断面図である。なお、図３においては、理解を容易にするために、窓側基板３は表示していない。

図３、４に示すように、本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサ（真空マイクロパッケージ）１００は、例えばシリコンからなる素子側基板１を含む。素子側基板１は、図１のウエハ１０１をダイシングして作製される。

素子側基板１は、赤外線検出領域２０を有する。赤外線検出領域２０には、複数の赤外線検出部２２が、マトリックス状に配置されている。各赤外線検出部２２は、例えば、ボロメータ膜等の検出膜を有し、赤外線検出部２２の温度変化を電流に変換して検出する。各赤外線検出部２２は、素子側基板１に設けられた凹部２１上に、支持脚（図示せず）により保持されている。これにより、赤外線検出部２２と素子側基板１とは、断熱されている。

素子側基板１の上には、例えば酸化シリコンからなる絶縁層１２が設けられている。絶縁層１２の中には、薄膜抵抗層１１と、薄膜抵抗層１１に接続された配線層１０が設けられている。薄膜抵抗層１１は、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）からなり、薄膜抵抗層の幅および長さ、シート抵抗値を変えることにより、任意の抵抗値に設定できる。ここでは抵抗値を５００ｋΩ〜２ＭΩとしている。また、配線層１０は、例えば、アルミニウム、チタン、タングステン等からなる。配線層１０には、外部パッド５が設けられ、例えばボンディングワイヤ等と接続される。

更に、絶縁層１２の上には、赤外線検出領域２０を取り囲むように、例えばＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒからなるメタライズ層６が設けられている。メタライズ層６は、スルーホール８を介して配線層１０に接続されている。なお、本実施の形態でいうメタライズ層６は、本発明の素子側メタライズ層に相当する。

素子側基板１の上には、窓側基板３が載置されている。窓側基板３は、赤外線の透過率が高い、シリコンまたはゲルマニウムからなり、ｎ型で、抵抗率は５Ω・ｃｍ〜５０Ω・ｃｍとしている。
窓側基板３の両面には、反射防止膜９ａ、９ｂが設けられている。反射防止膜９ａ、９ｂは、例えばダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Diamond Like Carbon）からなる。反射防止膜９ａと反射防止膜９ｂは、同じ材料でも異なった材料でもかまわない。反射防止膜９ｂの上の周囲には、例えばＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒからなるメタライズ層７が設けられている。メタライズ層７は、スルーホール１３を介して窓側基板３に接続されている。なお、本実施の形態でいうメタライズ層７は、本発明の窓側メタライズ層に相当する。

素子側基板１と窓側基板３との接合は、メタライズ層６とメタライズ層７とを、例えばＡｎＳｎ等のはんだ層２で接続することにより行われる。はんだ層２は、メタライズ層６の表面上、および／またはメタライズ層７の表面上に、めっき法やプリフォーム法により形成される。素子側基板１と窓側基板３との接合することで、赤外線検出領域２０を真空状態に封止することができる（真空マイクロパッケージ）。

このように、本実施の形態にかかる赤外線イメージセンサ１００では、窓側基板３が、メタライズ層７、はんだ２層、メタライズ層６、配線層１０、および薄膜抵抗層１１を介して素子側基板１に電気的に接続されている。

なお、ここで「素子」とは、検知部、回路、配線、およびパッド等が形成された領域をいい、「検出部」とは、赤外線を検出するための断熱構造体が形成された領域をいう。

次に、図５を参照しながら、本実施の形態１にかかる赤外線イメージセンサ１００の製造方法について説明する。なお、かかる製造方法では、１つの赤外線イメージセンサ１００について説明する。

まず、赤外線検出部等が設けられた素子側基板１の準備工程を行う。かかる工程は、以下の工程１〜６を含む。

工程１：図５（ａ）に示すように、例えばシリコンからなる素子側基板１の上に、例えば酸化シリコンからなる絶縁層１２を形成する。続いて、読み出し回路、赤外線検出部（図示せず）を、素子側基板１上に形成する。

工程２：図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程を用いて絶縁層１２にスルーホール２３を形成する。

工程３：図５（ｃ）に示すように、例えばスパッタ法を用いて窒化チタン層を形成し、これをパターニングして薄膜抵抗層１１を形成する。薄膜抵抗層１１の幅や長さを変えることにより、薄膜抵抗層１１の抵抗値が所望の値となるようにする。

工程４：図５（ｄ）に示すように、例えば蒸着法を用いてアルミニウム層を形成し、これをパターニングして配線層１０を形成する。

工程５：図５（ｅ）に示すように、薄膜抵抗層１１、配線層１０を覆うように、例えば熱ＣＶＤ法を用いて絶縁層１２を形成する。

工程５：図５（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程を用いて、配線層１０に達するように、絶縁層１２にスルーホール８を形成する。

工程６：図５（ｇ）示すように、スルーホール８を埋め込むように、絶縁層１２の上に例えば蒸着法によりＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒ層を形成した後、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程を用いて、メタライズ層６を形成する。
続いて、素子側基板１の形成した赤外線検出部の下方に、ウエットエッチングで、凹部を形成する。エッチング溶液としては、例えば、ＫＯＨやＴＭＡＨを用いる。これにより、赤外線検出部が支持脚により凹部上に保持された断熱構造体が、赤外線検出領域に形成される（図示せず。図４参照）。
以上の工程で、赤外線検出部等が設けられた素子側基板１を得ることができる。

次に、反射防止膜等が設けられた窓側基板３の準備工程を行う。かかる工程は、以下の工程１〜３を含む。

工程１：図６（ａ）に示すように、シリコンやゲルマニウムからなる窓側基板３を準備し、その両面に、例えばダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなる反射防止膜９ａ、９ｂを、スパッタ法等を用いて順次形成する。

工程２：図６（ｂ）に示すように、反射防止膜９ｂに、窓側基板３に達するように開口部１６を形成する。

工程３：図６（ｃ）に示すように、スルーホール１６を埋め込むように、反射防止膜９ｂの上に例えば蒸着法によりＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒ層を形成した後、フォトリソグラフィ工程やエッチング工程を用いて、メタライズ層７を形成する。
以上の工程で、両面に反射防止膜９ａ、９ｂが設けられた窓側基板３を得ることができる。

最後に、上述の工程で作製した素子側基板１の上に、窓側基板３を固定する。
具体的には、窓側基板３のメタライズ層７の上に、導電性の接合材であるはんだ層２を配置する。はんだ層２は、めっき法で形成しても良いし、プリフォームされたはんだ層２を載置しても良い。

素子側基板１のメタライズ層６の上に、はんだ層２を設けた窓側基板３のメタライズ層７を載置する。この状態で、例えば、真空雰囲気で、はんだ層２を加熱、溶融した後、冷却することにより、素子側基板１の上に窓側基板３を固定する。

以上の工程で、本実施の形態にかかる赤外線イメージセンサ１００が完成する。

なお、本実施の形態１では、赤外線イメージセンサ１００について説明したが、赤外線イメージセンサ１００で使用する真空マイクロパッケージは、断熱構造を有する他のセンサにも使用することができる。例えば、加速度センサのように、窓側基板３が赤外線を透過させる必要が無い場合は、窓側基板３の材料として、ＳｉやＧｅ以外の材料も使用可能である。また、反射防止膜９ａ、９ｂが不要な場合は、窓側基板３上に直接メタライズ層７を形成することもできる。また、マイクロパッケージ中には、窒素等の不活性ガスを充填することも可能である。

以上で説明したように、本実施の形態１にかかる赤外線イメージセンサ１００では、窓側基板３が、メタライズ層７、はんだ２層、メタライズ層６、配線層１０、および薄膜抵抗層１１を介して素子側基板１に電気的に接続されている。このように、窓側基板３と素子側基板１との間を、所定の抵抗値を有する薄膜抵抗層１１を挟んで接続することにより、窓側基板３が帯電しても、素子側基板１に過電流が流れることがなく、素子側基板１に形成された回路の破壊を防止することができる。

また、素子側基板１と窓側基板３との間には電位差が発生しないため、素子側基板１と窓側基板３との間に電界は形成されない。このため、電界に起因する静電力により、例えば支持脚に保持された赤外線検出部２２が変形等することがなく、素子側基板１と赤外線検出部２２との接触や、赤外線検出部２２の破損等を防止できる。

また、素子基板側１のメタライズ層６と窓側基板３のメタライズ層７とをはんだ層２により接続して真空マイクロパッケージを形成することにより、赤外線検出領域２０が形成された真空マイクロパッケージの内部を真空状態に保持することができる。

更に、本実施の形態にかかる方法を用いることにより、以上のような構造を有する赤外線イメージセンサ１００を作製することができる。特に、かかる製造方法は、赤外線検出部以外の他の検出部を有する真空マイクロパッケージ構造の作製にも適用することができる。

実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される、本実施の形態２にかかる赤外線イメージセンサ（真空マイクロパッケージ）の上面図であり、図８は、図７をＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ方向に見た場合の断面図である。なお、図７においては、理解を容易にするために、窓側基板３は表示していない。
図７、８において、図３、４と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。赤外線イメージセンサ２００では、上述の赤外線イメージセンサ１００では、素子側基板１に設けられていた薄膜抵抗層１５が、代わりに、窓側基板３に設けられている。

窓側基板１の抵抗率は、５Ω・ｃｍ以上で、５０Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。これにより、赤外線の透過率の低下なしに素子側基板１と窓側基板３とを同電位にすることができる。他の構造は、赤外線イメージセンサ１００と同じである。

即ち、赤外線イメージセンサ２００では、素子側基板１に、まず、読み出し回路や赤外線検出部（図示せず）、配線層４、１０が形成される。その上に、絶縁層１２が形成されている。絶縁層１２には開口部が設けられ、配線層１０に接続されたメタライズ層６が設けられている。

一方、窓側基板３の両側には、反射防止膜９ａ、９ｂが設けられ、反射防止膜９ｂの上には、開口部１６を埋めるように、薄膜抵抗層１５が設けられている。薄膜抵抗層１５の抵抗値は、薄膜抵抗層１５の幅や長さ、シート抵抗値により決定することができ、ここでは、５００ｋΩから２ＭΩとした。更に、薄膜抵抗層１５の上には、メタライズ層７が設けられている。

メタライズ層６とメタライズ層７とを、はんだ層２で接続することにより、素子側基板１の上に窓側基板３が固定された赤外線イメージセンサ２００となる。この場合、赤外線イメージセンサ２００の真空マイクロパッケージ内は、真空状態に保持することができる。

次に、本実施の形態２にかかる赤外線イメージセンサ２００の製造方法について、簡単に説明する。
素子側基板１については、素子側基板１の上に、直接、配線層１０を形成した後に、絶縁層１２を形成する。続いて、絶縁層１２に開口部８を形成した後、メタライズ層６を形成する。配線層１０等の製造工程は、上述の赤外線イメージセンサ１００の製造工程と同じである。

一方、窓側基板３については、図９（ａ）に示すように、窓側基板３の両面に反射防止膜９ａ、９ｂを形成した後、図９（ｂ）に示すように、反射防止膜９ｂに開口部１６を形成する。

更に、図９（ｃ）に示すように、反射防止膜９ｂの上に、開口部１６を埋め込むように、例えば窒化チタンからなる薄膜抵抗層１５を形成する。続いて、薄膜抵抗層１５と接続するように、例えばＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒからなるメタライズ層７を形成する。

最後に、メタライズ層６とメタライズ層７とを、はんだ層２により接続し、素子側基板１の上に窓側基板３が固定された付記凱旋イメージセンサ２００が完成する。
なお、ここで示した以外の工程は、上述の赤外線イメージセンサ１００の製造方法とほぼ同じである。

このように、本実施の形態２にかかる赤外線イメージセンサ２００においても、上述の赤外線イメージセンサ１００と同様に、窓側基板３と素子側基板１とが、薄膜抵抗層１５等を介して電気的に接続され、同電位になる。この結果、窓側基板３が帯電しても、窓側基板３から素子側基板１に過電流が流れることがなく、素子側基板１に形成された回路の破壊を防止できる。

また、素子側基板１と窓側基板３との間には電位差が発生しないため、静電力による赤外線検出部２２の変形や破壊を防止できる。

また、素子基板側１のメタライズ層６と窓側基板３のメタライズ層７とをはんだ層２により接続して真空マイクロパッケージを形成することにより、赤外線検出領域２０が形成された真空マイクロパッケージの内部を真空状態に保持することができる。

本発明の実施の形態１にかかる赤外線イメージセンサを含むウエハの上面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線イメージセンサを含むウエハの断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線イメージセンサの上面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線イメージセンサの断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線イメージセンサの製造工程の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線イメージセンサの製造工程の断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる赤外線イメージセンサの上面図である。 本発明の実施の形態２にかかる赤外線イメージセンサの断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる赤外線イメージセンサの製造工程の断面図である。

符号の説明

１ 素子側基板、２ はんだ層、３ 窓側基板、４、１０ 配線層、５ 外部パッド、６、７ メタライズ層、８、１３ 開口部、９ａ、９ｂ 反射防止膜、１１ 薄膜抵抗層、１２ 絶縁層、１５ 導電性薄膜、２０ 赤外線検出領域、２１ 凹部、２２ 赤外線検出部、１００ 赤外線イメージセンサ。

Claims (9)

1. 素子側基板と、
   該素子側基板に形成された検出部と、
   該検出部を覆うように、該素子側基板上に固定された窓側基板とを含むイメージセンサであって、
   該素子側基板と該窓側基板とが、該素子側基板上に形成され該素子側基板と接続された抵抗層を介して電気的に接続されたことを特徴とするイメージセンサ。
2. 上記素子側基板上に、上記抵抗層に接続された配線層と、該配線層に接続された素子側メタライズ層とを有し、
   上記窓側基板上に、該窓側基板に接続された配線層と、該配線層と接続された窓側メタライズ層とを有し、
   該素子側メタライズ層と該窓側メタライズ層とが、はんだ層により接続されたことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 素子側基板と、
   該素子側基板に形成された検出部と、
   該検出部を覆うように、該素子側基板上に固定された窓側基板とを含むイメージセンサであって、
   該素子側基板と該窓側基板とが、該窓側基板上に形成され該窓側基板と接続された抵抗層を介して電気的に接続されたことを特徴とするイメージセンサ。
4. 上記素子側基板上に、該素子側基板に接続された配線層と、該配線層に接続された素子側メタライズ層とを有し、
   上記窓側基板上に、上記抵抗層に接続された配線層と、該配線層に接続された窓側メタライズ層とを有し、
   該素子側メタライズ層と該窓側メタライズ層とが、はんだ層により接続されたことを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
5. 上記窓側基板が、ｎ型Ｓｉまたはｎ型Ｇｅからなり、抵抗率が５Ω・ｃｍ以上で５０Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のイメージセンサ。
6. 上記抵抗層が、５００ｋΩ以上、２ＭΩ以下の抵抗値を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のイメージセンサ。
7. 上記検出部が、上記はんだ層により接続された上記素子側基板と上記窓側基板との間に封止されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のイメージセンサ。
8. 素子側基板に窓側基板を、抵抗層を介して接続された状態で固定するイメージセンサの製造方法であって、
   ａ）該素子側基板の上に検出部を形成する工程と、該素子側基板に接続された該抵抗層を形成する工程と、該抵抗層に接続された配線層を形成する工程と、該配線層に接続された素子側メタライズ層を形成する工程とを含む素子側工程と、
   ｂ）該窓側基板に接続された配線層を形成する工程と、該配線層に接続された窓側メタライズ層を形成する工程とを含む窓側工程と、
   ｃ）該素子側メタライズ層と該窓側メタライズ層とを、はんだ層により接続する工程と、を含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
9. 素子側基板に窓側基板を、抵抗層を介して接続された状態で固定するイメージセンサの製造方法であって、
   ａ）該素子側基板の上に検出部を形成する工程と、該素子側基板に接続された配線層を形成する工程と、該配線層に接続された素子側メタライズ層を形成する工程とを含む素子側工程と、
   ｂ）該窓側基板に接続された該抵抗層を形成する工程と、該抵抗層に接続された配線層を形成する工程と、該配線層に接続された窓側メタライズ層を形成する工程とを含む窓側工程と、
   ｃ）該素子側メタライズ層と該窓側メタライズ層とを、はんだ層により接続する工程と、を含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。

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