一種晶圓級真空封裝的irfpa器件及其製造方法

2023-05-27 19:07:11

專利名稱：一種晶圓級真空封裝的ir fpa器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種IR FPA器件及其製造方法，尤其是一種採用晶圓級真空封裝的IR FPA器件及其製造方法。
背景技術：
紅外成像技術廣泛應用於軍事、工業、農業、醫療、森林防火、環境保護等各領域， 其核心部件是紅外焦平面陣列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)。根據工作原理分類，可分為光子型紅外探測器和非製冷紅外探測器。光子型紅外探測器採用窄禁帶半導體材料，如HgCdTe、InSb等，利用光電效應實現紅外光信號向電信號的轉換；因而需要工作在 77K或更低的溫度下，這就需要笨重而又複雜的製冷設備，難以小型化，攜帶不方便。另一方面，HgCdTe和InSb等材料價格昂貴、製備困難，且與CMOS工藝不兼容，所以光子型紅外探測器的價格一直居高不下。這些都極大地阻礙了紅外攝像機的廣泛應用，特別是在民用方面，迫切需要開發一種性能適中、價格低廉的新型紅外攝像機。在目前已經商品化的紅外焦平面陣列器件，其成本主要在於封裝與測試，約佔晶片成本的70-80%，主要採用金屬或陶瓷管殼式的真空封裝，成本高企，目前為了降低器件成本，國際國內都把研究方向投向晶圓級封裝或晶片級封裝，這是為了降低晶片成本的一條重要途徑，也是其發展方向。非製冷熱型紅外探測器通過紅外探測單元吸收紅外線，紅外能量引起紅外探測單元的電學特性發生變化，把紅外能量轉化為電信號，通過讀出電路讀取該信號並進行處理。 晶圓級真空封裝主要是晶圓製造過程中製作封裝所需要的焊料，然後在對晶圓進行切割前完成兩片或多片晶圓的鍵合封裝，這樣做的好處是可以大大減小封裝後的器件尺寸，滿足目前在行動裝置中對小型化晶片的需求。同時無需使用金屬或陶瓷管殼，能有效地降低器件的成本。圖I是一種非製冷紅外探測器單元製作的微結構(來自美國專利公開文本 5286976 2/1994)，主要是採用非晶矽和VOx (氧化釩)來作為溫敏電阻來實現對紅外線的探測。其結構包括器件10、微橋探測層11、表面平坦的半導體襯底13、襯底表面14、集成電路15、氮化矽16、薄膜反光材料18、氮化矽層20、薄膜電阻層21、氮化矽層22、紅外吸收層 23、空腔或空腔高度26、斜面30、第一接觸墊31、第二接觸墊32、第一氮化矽層20』、第二氮化矽層22』、斜面30』。該結構是製造在已完成讀出電路製造的矽片上，由於讀出電路矽片上有比較厚的介質層，因而形成一個較大的熱容，像元上吸收的紅外能量無法及時耗散出去，會帶來像元之間的串擾，從而降低成像質量。圖I中的VOx材料同時也是與IC工藝不兼容的，因而該結構不能在IC工廠進行製造，造成成本比較高。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種晶圓級真空封裝的IR FPA 器件及其製造方法。採用2片晶圓鍵合的方式來實現紅外探測器的製作及實現其晶圓級封裝，把CMOS IC與MEMS器件分開製作，既實現與CMOS IC的集成，又增加MEMS紅外探測器器件製作的靈活性，又能同時實現晶圓級封裝，降低封裝成本，從而降低IR FPA器件的製作成本。按照本發明提供的技術方案，一種晶圓級真空封裝的IR FPA器件，包括第一片晶圓和第二片晶圓，其特徵是所述第一片晶圓為常規的矽片，採用常規IC製作工藝製作出 IR FPA的讀出電路，同時以第一片晶圓最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板；在第一片晶圓有反光板的一面澱積有介質材料，貫穿所述第一片晶圓和介質材料制有TSV結構用於電連接及實現貼片式封裝，在TSV結構和介質材料的電連接點製作第一低溫焊接材料；在第二片晶圓的矽襯底上，製作出用於IR FPA器件的微結構，包括所述第二片晶圓正面製作有阻擋氧化層，在阻擋氧化層上製作有金屬連線，形成MEMS結構的電連線，熱隔離懸臂梁中的金屬與所述電連線相連，熱隔離懸臂梁中的金屬與敏感層中的敏感電阻材料相連，在阻擋氧化層上還製作有用於真空封裝的吸氣劑以及用於兩片晶圓焊接的第二低溫焊接材料，第二低溫焊接材料與電連線相連，所述敏感層、熱隔離懸臂梁、吸氣劑、 第二低溫焊接材料之間形成真空腔，在第二片晶圓的上下兩面還製作有紅外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圓與第二片晶圓的鍵合實現晶圓級真空封裝。進一步的，在所述第二片晶圓背面與凹槽相對的區域製作有用於聚能的微透鏡陣列。進一步的，所述敏感層中的共振吸收層位於敏感層的上方或下方。上述晶圓級真空封裝的IR FPA器件晶圓級真空封裝的製作方法，其步驟如下 第一步、在第一片晶圓的矽襯底上，通過常規IC工藝製作出IR FPA所需的讀出電路，
利用矽襯底最上層金屬製作出IR FPA共振吸收結構所需要的反光板，然後在第一片晶圓有反光板的一面完成鈍化層介質的澱積形成介質材料；
第二步、通過光刻、刻蝕方法在讀出電路的外圍製作出深孔，然後通過PECVD方法在深孔內壁澱積介質層，用於電隔離，然後通過蒸發或濺射方法在深孔內壁濺射金屬阻擋層或電鍍的種子層，然後通過濺射、CVD或電鍍方法完成深孔中金屬材料的填充，最後通過CMP 方法去除多餘的金屬材料，實現平坦化和完成TSV結構的製作；並通過光刻、刻蝕的方法刻掉反光板上多餘的介質層；
第三步、在保護正面的情況下，利用減薄工藝把矽襯底減薄到從背面露出TSV結構中的金屬材料；
第四步、在第二片晶圓上製作出IR FPA器件採用LPCVD、PECVD、光刻、刻蝕、蒸發和濺射工藝，在第二片晶圓上製作阻擋氧化層，然後在阻擋氧化層上面製作金屬連線，形成電連線，然後覆蓋上犧牲層，在犧牲層上製作用於連接電連線和熱隔離懸臂梁的孔，然後製作敏感層和熱隔離懸臂梁，熱隔離懸臂梁中的導電材料與敏感層中的敏感電阻材料相連；所述犧牲層為通過旋塗平坦化製作的聚醯亞胺材料或通過PECVD澱積的非晶矽或非晶GeSi，然後通過CMP方法實現平坦化；
第五步、採用光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出吸氣劑、第二低溫焊接材料後，採用氧等離子灰化技術或XeF2氣相腐蝕技術釋放掉犧牲層，釋放出空腔；所述氧等離子灰化技術是針對犧牲層材料為聚醯亞胺，所述XeF2氣相腐蝕技術是針對犧牲層材料為非晶矽或非晶 GeSi ；
第六步、在第一片晶圓的TSV結構和介質材料的電連接點上採用IC中常規工藝光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出第一低溫焊接材料；
第七步、通過晶圓鍵合工藝實現第一片晶圓和第二片晶圓的對準及鍵合，實現IR FPA 和讀出電路的電連接及整個IR FPA器件的真空封裝；在清洗完成後通過蒸發或濺射工藝在第二片晶圓背面製作紅外光窗的抗反射層材料，完成整個IR FPA器件的製作，最後完成對IR FPA器件的切割。一種晶圓級真空封裝的IR FPA器件，包括第一片晶圓和第二片晶圓，其特徵是 所述第一片晶圓為常規的矽片，採用常規IC製作工藝製作出IR FPA的讀出電路，同時以第一片晶圓最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板；在第一片晶圓有反光板的一面澱積有介質材料，所述介質材料包括中部一個凸臺，凸臺四周低於中部形成邊沿，所述凸臺內製有TSV結構，所述邊沿上設有通孔，在TSV結構和介質材料的電連接點製作第一低溫焊接材料；在第二片晶圓的矽襯底上，通過常規IC工藝製作出用於IR FPA器件的微結構，包括所述第二片晶圓正面製作有阻擋氧化層，在阻擋氧化層上製作有金屬連線，形成MEMS結構的電連線，熱隔離懸臂梁中的金屬與所述電連線相連，熱隔離懸臂梁中的金屬與敏感層中的敏感電阻材料相連，在阻擋氧化層上還製作有用於真空封裝的吸氣劑以及用於兩片晶圓焊接的第二低溫焊接材料，第二低溫焊接材料與電連線相連，所述敏感層、熱隔離懸臂梁、吸氣劑、第二低溫焊接材料之間形成真空腔，在第二片晶圓的上下兩面還製作有紅外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圓與第二片晶圓的鍵合實現晶圓級真空封裝。進一步的，在所述第二片晶圓背面與凹槽相對的區域製作有用於聚能的微透鏡陣列。進一步的，所述敏感層中的共振吸收層位於敏感層的上方或下方。上述晶圓級真空封裝的IR FPA器件晶圓級真空封裝的製作方法，其步驟如下 第一步、在第一片晶圓的矽襯底上，通過常規IC工藝製作出IR FPA所需的讀出電路，
利用矽襯底最上層金屬製作出IR FPA共振吸收結構所需要的反光板，然後在第一片晶圓有反光板的一面完成鈍化層介質的澱積形成介質材料；
第二步、通過光刻、刻蝕方法在讀出電路的外圍製作出深孔，然後通過蒸發或濺射方法在深孔內壁濺射金屬阻擋層或電鍍的種子層，然後通過濺射、CVD或電鍍方法完成深孔中金屬材料的填充，最後通過CMP方法去除多餘的金屬材料，實現平坦化和完成TSV結構的製作；並通過光刻、刻蝕的方法刻掉反光板上多餘的介質層；
第三步在第二片晶圓上製作出IR FPA器件採用LPCVD、PECVD、光刻、刻蝕、蒸發和濺射工藝，在第二片晶圓上製作阻擋氧化層，然後在阻擋氧化層上面製作金屬連線，形成電連線，然後覆蓋上犧牲層，在犧牲層上製作用於連接電連線和熱隔離懸臂梁的孔，然後製作敏感層和熱隔離懸臂梁，熱隔離懸臂梁中的導電材料與敏感層中的敏感電阻材料相連；所述犧牲層為通過旋塗平坦化製作的聚醯亞胺材料或通過PECVD澱積的非晶矽或非晶GeSi，然後通過CMP方法實現平坦化；
第四步、採用光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出吸氣劑、第二低溫焊接材料後，採用氧等離子灰化技術或XeF2氣相腐蝕技術釋放掉犧牲層，釋放出空腔；所述氧等離子灰化技術是針對犧牲層材料為聚醯亞胺，所述XeF2氣相腐蝕技術是針對犧牲層材料為非晶矽或非晶 GeSi ；第五步、在第一片晶圓的TSV結構和介質材料的電連接點上採用IC中常規工藝光刻、 蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出第一低溫焊接材料；
第六步、通過晶圓鍵合工藝實現第一片晶圓和第二片晶圓的對準及鍵合，實現IR FPA 和讀出電路的電連接及整個IR FPA器件的真空封裝；在清洗完成後通過蒸發或濺射工藝在第二片晶圓背面製作紅外光窗的抗反射層材料，完成整個IR FPA器件的製作；
第七步、通過光刻、刻蝕的方法刻掉第二片晶圓多餘的抗反射層材料、襯底以及阻擋氧化層，露出通孔；最後通過切割完成各IR FPA器件的分離。一種晶圓級真空封裝的IR FPA器件，包括第一片晶圓、第二片晶圓和第三片晶圓， 其特徵是所述第一片晶圓的矽襯底上，採用常規IC製作工藝製作出IR FPA的讀出電路， 同時以第一片晶圓最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板；在第一片晶圓有反光板的一面澱積有介質材料，所述介質材料包括中部一個凸臺，凸臺四周低於中部形成邊沿，所述凸臺內製有TSV結構，所述邊沿上設有通孔，在TSV結構和介質材料的電連接點製作第一低溫焊接材料；在第二片晶圓的矽襯底上，製作出用於IR FPA器件的微結構，包括所述第二片晶圓正面製作有阻擋氧化層，在阻擋氧化層上製作有金屬連線，形成 MEMS結構的電連線，熱隔離懸臂梁中的金屬與所述電連線相連，熱隔離懸臂梁中的金屬與敏感層中的敏感電阻材料相連，在阻擋氧化層上還製作有用於真空封裝的吸氣劑以及用於兩片晶圓焊接的第二低溫焊接材料，第二低溫焊接材料與電連線相連，然後所述第二片晶圓的矽材料被被完全去除；所述第三片晶圓的矽襯底上，製作出用於IR FPA器件真空封裝的蓋帽，包括凹槽及在凹槽表面製作的抗反射層材料，以及第三片晶圓背面的抗反射層材料；由所述第一片晶圓、第二片晶圓和第三片晶圓的依次鍵合實現晶圓級真空封裝。本發明的優點是通過在一片晶圓上製作CMOS讀出電路和共振吸收結構的反光板，利用另外一片晶圓製造IR FPA的MEMS結構部分，同時利用這片晶圓做IR FPA的紅外光窗，既利用共振吸收結構提供了紅外IR FPA器件的紅外吸收效率，同時實現IR FPA器件的晶圓級封裝，有利於減小IR FPA器件的尺寸和降低製作成本。


圖I是現有技術剖面結構示意圖。圖2是本發明實施例I的剖面結構示意圖。圖3是本發明實施例2的剖面結構示意圖。圖4是本發明實施例3的剖面結構示意圖。圖5是本發明實施例4的剖面結構示意圖。圖6是本發明實施例5的剖面結構示意圖。圖7是本發明實施例6的剖面結構示意圖。圖8是本發明實施例7的剖面結構示意圖。圖9-1是本發明實施例I的製作方法第一步示意圖。圖9-2是本發明實施例I的製作方法第二步示意圖。圖9-3是本發明實施例I的製作方法第三步示意圖。圖9-4是本發明實施例I的製作方法第四步示意圖。圖9-5是本發明實施例I的製作方法第五步示意圖。
圖9-6是本發明實施例I的製作方法第六步示意圖。圖9-7是本發明實施例I的製作方法第七步示意圖。圖10-1是本發明實施例2的製作方法第一步示意圖。圖10-2是本發明實施例2的製作方法第二步示意圖。圖10-3是本發明實施例2的製作方法第三步示意圖。圖10-4是本發明實施例2的製作方法第四步示意圖。圖10-5是本發明實施例2的製作方法第五步示意圖。圖10-6是本發明實施例2的製作方法第六步示意圖。圖10-7是本發明實施例2的製作方法第七步示意圖。圖11-1是本發明實施例7的製作方法第一步示意圖。圖11-2是本發明實施例7的製作方法第二步示意圖。圖11-3是本發明實施例7的製作方法第三步示意圖。圖11-4是本發明實施例7的製作方法第四步示意圖。圖11-5是本發明實施例7的製作方法第五步示意圖。圖11-6是本發明實施例7的製作方法第六步示意圖。圖11-7是本發明實施例7的製作方法第七步示意圖。圖11-8是本發明實施例7的製作方法第八步示意圖。圖11-9是本發明實施例7的製作方法第九步示意圖。圖11-10是本發明實施例7的製作方法第十步示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進ー步說明。本發明採用兩塊晶圓通過鍵合的方式來實現晶圓級真空封裝的IR FPA器件，第一 片晶圓101的襯底為IC常用的矽片，通過常規的ICエ藝流程製造出IR FPA所需的讀出電 路，同時以其最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板104(A1或AlCu或 Cu或AlSiCu)，以及TSV結構103和與第2塊晶圓進行焊接的第一低溫焊接材料105。第2 塊晶圓主要製作IR FPA的MEMS結構電連線204 (Al或AlCu或AlSiCu或Cu)、敏感層205 (是ー種複合材料結構，由包裹該區域的介質材料、電阻材料非晶矽或非晶VOx或非晶GeSi 或摻雜非晶矽或摻雜VOx或摻雜非晶GeSi、共振吸收層半透明金屬Ti或TiN等組成)、熱隔 離懸臂梁206 (由包裹絕熱梁的介質以及TiN或摻雜非晶矽導電材料組成)，以及用於真空 封裝所需的吸氣劑207 (Ti或Ni或Pd或Zr或其複合材料)和兩片晶圓焊接時所需的第二 低溫焊接材料208 (Al或Cu或AlSiCu或Au或Ag或Sn或其複合材料)，以及完成真空腔 210的釋放，以及紅外光窗所需要的抗反射材料(SiON或ZnS或MgF2或其組合)，這製作於 弟2塊晶圓201的上下兩面(圖中未標識出來)。然後通過晶圓鍵合設備完成兩塊晶圓的對 準及鍵合，實現所發明的晶圓級真空封裝的IR FPA器件。該發明主要是把CMOS IC和MEMS IR FPA器件分開製造，在不影響CMOS IC性能的情況下，增加了 MEMS IR FPA製作的靈活 性，同時IR FPA像元的散熱通道末端(電連線204)緊貼著ー個大熱沉(第二片晶圓201)，有 利於減小像元之間的串擾，提高器件性能，對於集成微透鏡的方式(圖4和圖5所示)，可以 通過透鏡來更好地提高器件的填充因子，提高器件性能。本發明採用共振吸收結構來提高紅外敏感單元對紅外線的吸收效率。紅外敏感單元與反射層之間的間距在1-3. 5um，其間距可以通過CMOSIC上層介質(介質材料102)和低溫焊接材料105、208厚度來調整。該間距調整可以用於針對不同波段紅外線的吸收，從而應用於針對l-3um，5-7um，8-14um紅外波段的探測，實現不同波段的室溫成像。紅外焦平面陣列器件有很多的這樣的紅外探測單元組成，通過讀出電路處理，從而實現面陣的成像。圖4和圖5是本發明實施例3和實施例4的結構剖面圖，主要是在進行完晶圓鍵合後，在第2片晶圓201上製造用於聚能的微透鏡陣列212，提高器件的填充因子，提高器件性能。圖6和圖7是本發明實施例5和實施例6的結構剖面圖，與實施例I和實施例2 的不同之處在於把敏感層205中的共振吸收層作於敏感層的上方。該兩種實施例同樣有集成微透鏡陣列的實施方式。實施例I
本發明實施例I的結構剖面圖如圖2所示，包括第一片晶圓101和第二片晶圓201，在第二片晶圓201矽襯底上，通過常規IC工藝的光刻、刻蝕製造出用於紅外焦平面陣列器件的微結構。具體結構為所述第一片晶圓101為常規的矽片，採用常規IC製作工藝製作出 IR FPA的讀出電路，同時以第一片晶圓101最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板104 ;在第一片晶圓101有反光板104的一面澱積有介質材料102,貫穿所述第一片晶圓101和介質材料102制有TSV結構103用於電連接及實現貼片式封裝，在TSV結構103和介質材料102的電連接點製作第一低溫焊接材料105 ;在第二片晶圓201的矽襯底上，製作出用於IR FPA器件的微結構，包括所述第二片晶圓201正面製作有阻擋氧化層 202，在阻擋氧化層202上製作有金屬連線203，形成MEMS結構的電連線204，熱隔離懸臂梁 206中的金屬與所述電連線204相連，熱隔離懸臂梁206中的金屬與敏感層205中的敏感電阻材料相連，在阻擋氧化層202上還製作有用於真空封裝的吸氣劑207以及用於兩片晶圓焊接的第二低溫焊接材料208，第二低溫焊接材料208與電連線204相連，所述敏感層205、 熱隔離懸臂梁206、吸氣劑207、第二低溫焊接材料208之間形成真空腔210，在第二片晶圓 201的上下兩面還製作有紅外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圓101與第二片晶圓201的鍵合實現晶圓級真空封裝。敏感層205為紅外敏感材料，本實施例中紅外敏感材料為非晶矽或非晶鍺矽。本發明實施例I的具體製作方法步驟如下
第一步(如圖9-1所示):在第一片晶圓101的矽襯底上，通過標準的IC工藝製作出IR FPA所需的讀出電路，利用其最後一層金屬製作出IR FPA共振吸收結構所需要的反光板 104，然後完成最後的鈍化層介質的澱積形成介質材料102。第二步(如圖9-2所示)通過IC工藝中的光刻、刻蝕方法製作出深孔，然後通過 PECVD方法完成介質層的澱積(用於電隔離)，以及通過蒸發或濺射方法濺射金屬阻擋層或電鍍的種子層，然後通過濺射、CVD或電鍍方法完成金屬材料的填充，最後通過CMP方法實現平坦化和完成TSV結構103的製作，再通過光刻、刻蝕的方法刻掉反光板104上多餘的介質層。刻掉反光板104上多餘的介質層與製備TSV結構103的順序可以反過來，即先刻掉反光板104上多餘的介質層，然後再製作TSV結構103。第三步(如圖9-3所示)在保護正面的情況下，利用IC中的減薄工藝把第一片晶圓101的矽襯底減薄到從背面露出TSV結構103中的金屬材料。第四步(如圖9-4所示):在第2塊晶圓上製作出IR FPA器件採用常規的IC工藝 LPCVD, PECVD、光刻、刻蝕、蒸發和濺射，製作出如圖所示的IR FPA器件，其中的犧牲層211 可以說通過旋塗平坦化製作的聚醯亞胺材料或通過PECVD澱積的非晶矽或非晶GeSi，然後通過CMP方法實現如圖所示的平坦化，然後在上面製作IR FPA器件的敏感層205、熱隔離懸臂梁206。第五步(如圖9-5所示):採用IC中常規光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出吸氣劑 207和低溫焊接材料208後，採用氧等離子灰化技術(對犧牲層材料為聚醯亞胺)或XeF2氣相腐蝕技術(對犧牲層材料為非晶矽或非晶GeSi)釋放掉犧牲層211，釋放出空腔212。第六步(如圖9-6所示):在第I塊晶圓上採用IC中常規工藝光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出低溫焊接材料105。第七步(如圖9-7所示)通過晶圓鍵合工藝實現兩片晶圓的對準及鍵合，實現IR FPA和讀出電路的電連接及整個IR FPA器件的真空封裝。然後根據需要對晶圓201進行減薄，在清洗完成後通過蒸發或濺射工藝製作紅外光窗的抗反射層材料213。完成整個IR FPA器件的製作，最後完成對IR FPA器件的切割。實施例2
本發明實施例2的結構剖面圖如圖3所示，與實施例I的不同之處在於最後焊點的引出，實施例I的焊點通過TSV的方法從第一片晶圓下面引出，實施方案2是在第一片晶圓的讀出電路的四周引出。具體結構為第一片晶圓101為常規的矽片，採用常規IC製作工藝製作出IR FPA 的讀出電路，同時以第一片晶圓101最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板104 ;在第一片晶圓101有反光板104的一面澱積有介質材料102，所述介質材料102包括中部一個凸臺，凸臺四周低於中部形成邊沿，所述凸臺內製有TSV結構103，所述邊沿上設有通孔107，在TSV結構103和介質材料102的電連接點製作第一低溫焊接材料105 ;在第二片晶圓201的矽襯底上，通過常規IC工藝製作出用於IR FPA器件的微結構，包括所述第二片晶圓201正面製作有阻擋氧化層202，在阻擋氧化層202上製作有金屬連線203， 形成MEMS結構的電連線204，熱隔離懸臂梁206中的金屬與所述電連線204相連，熱隔離懸臂梁206中的金屬與敏感層205中的敏感電阻材料相連，在阻擋氧化層202上還製作有用於真空封裝的吸氣劑207以及用於兩片晶圓焊接的第二低溫焊接材料208，第二低溫焊接材料208與電連線204相連，所述敏感層205、熱隔離懸臂梁206、吸氣劑207、第二低溫焊接材料208之間形成真空腔210，在第二片晶圓201的上下兩面還製作有紅外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圓101與第二片晶圓201的鍵合實現晶圓級真空封裝。本發明實施例2的具體製作方法步驟如下
第一步(如圖10-1所示)在第一片晶圓101的矽襯底上，通過標準的IC工藝製作出 IR FPA所需的讀出電路，利用其最後一層金屬製作出IR FPA共振吸收結構所需要的反光板 104，然後完成最後的鈍化層介質的澱積形成介質材料102。第二步(如圖10-2所示)通過IC工藝中的光刻、刻蝕方法製作出通孔，然後通過蒸發或濺射方法濺射金屬阻擋層或電鍍的種子層，然後通過濺射、CVD或電鍍方法完成金屬材料的填充，最後通過CMP方法實現平坦化和完成電連接孔103的製作，再通過光刻、刻蝕的方法刻掉反光板104上多餘的介質層。刻掉反光板104上多餘的介質層與製備電連接孔 103的順序可以反過來，即先刻掉反光板104上多餘的介質層，然後再製作電連接孔103。第三步(如圖10-3所示):在第2塊晶圓上製作出IR FPA器件採用常規的IC工藝 LPCVD, PECVD、光刻、刻蝕、蒸發和濺射，製作出如圖所示的IR FPA器件，其中的犧牲層211 可以說通過旋塗平坦化製作的聚醯亞胺材料或通過PECVD澱積的非晶矽或非晶GeSi，然後通過CMP方法實現如圖所示的平坦化，然後在上面製作IR FPA器件的敏感層205、熱隔離懸臂梁206。第四步(如圖10-4所示)採用IC中常規光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出吸氣劑207和低溫焊接材料208後，採用氧等離子灰化技術(對犧牲層材料為聚醯亞胺)或XeF2 氣相腐蝕技術(對犧牲層材料為非晶矽或非晶GeSi)釋放掉犧牲層211，釋放出空腔212。第五步(如圖10-5所示)在第I塊晶圓上採用IC中常規工藝光刻、蒸發或濺射、 刻蝕工藝製作出低溫焊接材料105。第六步(如圖10-6所示)通過晶圓鍵合工藝實現兩片晶圓的對準及鍵合，實現IR FPA和讀出電路的電連接及整個IR FPA器件的真空封裝。然後根據需要對晶圓201進行減薄，在清洗完成後通過蒸發或濺射工藝製作紅外光窗的抗反射層材料213。完成整個IR FPA器件的製作。第七步(如圖10-7所示)通過光刻、刻蝕的方法刻掉第2塊晶圓多餘的抗反射層材料213、襯底201、以及晶圓201下面的抗反射層材料(圖中未表示出來)、以及阻擋氧化層 202，露出金屬墊106。最後通過切割完成各IR FPA器件的分離。實施例3
本發明實施例3的結構剖面圖如圖4所示，其主要結構與實施例I類似，主要不同是增加了聚光集成微透鏡，從而提高結構的填充因子，改善器件的性能。主要製作步驟差異在第七步(如圖9-7所示)，在製作抗反射層材料213之前，先通過光刻、刻蝕的方法製作出微凸透鏡陣列或菲涅爾透鏡陣列之後，再製作抗反射層材料 213，完成整個器件的製作。實施例4
本發明實施例4的結構剖面圖如圖5所示，其主要結構與實施方案2類似，主要不同是增加了聚光集成微透鏡，從而提高結構的填充因子，改善器件的性能。主要製作步驟差異在第六步(如圖10-6所示)，在製作抗反射層材料213之前，先通過光刻、刻蝕的方法製作出微凸透鏡陣列或菲涅爾透鏡陣列之後，再製作抗反射層材料 213，完成整個器件的製作。實施例5
本發明實施例5的結構剖面圖如圖6所示，其主要結構與實施例I類似，只是在製作敏感層205時把共振吸收層半透明金屬材料製作在上面。實施例6
本發明實施例6的結構剖面圖如圖7所示，其主要結構與實施例2類似，只是在製作敏感層205時把共振吸收層半透明金屬材料製作在上面。實施例7
本發明實施例7的結構剖面圖如圖8所示，其結構包括第一片晶圓101、第二片晶圓和第三片晶圓301，所述第一片晶圓101的矽襯底上，採用常規IC製作工藝製作出IR FPA的讀出電路，同時以第一片晶圓101最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板104 ;在第一片晶圓101有反光板104的一面澱積有介質材料102，所述介質材料102包括中部一個凸臺，凸臺四周低於中部形成邊沿，所述凸臺內製有TSV結構103，所述邊沿上設有通孔107，在TSV結構103和介質材料102的電連接點製作第一低溫焊接材料105 ;在第二片晶圓的矽襯底上，製作出用於IR FPA器件的微結構，包括所述第二片晶圓201正面製作有阻擋氧化層202，在阻擋氧化層202上製作有金屬連線203，形成MEMS結構的電連線204，熱隔離懸臂梁206中的金屬與所述電連線204相連，熱隔離懸臂梁206中的金屬與敏感層205中的敏感電阻材料相連，在阻擋氧化層202上還製作有用於真空封裝的吸氣劑 207以及用於兩片晶圓焊接的第二低溫焊接材料208，第二低溫焊接材料208與電連線204 相連，然後所述第二片晶圓的矽材料被被完全去除；所述第三片晶圓301的矽襯底上，製作出用於IR FPA器件真空封裝的蓋帽，包括凹槽及在凹槽表面製作的抗反射層材料302，以及第三片晶圓301背面的抗反射層材料；由所述第一片晶圓101、第二片晶圓和第三片晶圓 301的依次鍵合實現晶圓級真空封裝。其具體製作步驟如下
第一步(如圖11-1所示)在第一片晶圓101的矽襯底上，通過標準的IC工藝製作出 IR FPA所需的讀出電路，利用其最後一層金屬製作出IR FPA共振吸收結構所需要的反光板 104，然後完成最後的鈍化層介質的澱積形成介質材料102。第二步(如圖11-2所示)通過IC工藝中的光刻、刻蝕方法製作出深孔，然後通過 PECVD方法完成介質層的澱積(用於電隔離)，以及通過蒸發或濺射方法濺射金屬阻擋層或電鍍的種子層，然後通過濺射、CVD或電鍍方法完成金屬材料的填充，最後通過CMP方法實現平坦化和完成TSV結構103的製作，再通過光刻、刻蝕的方法刻掉反光板104上多餘的介質層。刻掉反光板104上多餘的介質層與製備TSV結構103的順序可以反過來，即先刻掉反光板104上多餘的介質層，然後再製作TSV結構103。第三步(如圖11-3所示):在保護正面的情況下，利用IC中的減薄工藝把第一片晶圓101的矽襯底減薄到從背面露出TSV結構103中的金屬材料。第四步(如圖11-4所示)在第2塊晶圓上製作出IR FPA器件採用常規的IC工藝LPCVD、PECVD、光刻、刻蝕、蒸發和濺射，製作出如圖所示的IR FPA器件。第五步(如圖11-5所示)採用IC中常規光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出吸氣劑207和低溫焊接材料208後。第六步(如圖11-6所示)在第I塊晶圓上採用IC中常規工藝光刻、蒸發或濺射、 刻蝕工藝製作出第一低溫焊接材料105。第七步(如圖11-7所示):通過晶圓鍵合工藝實現第一片晶圓和第二片晶圓的對準及鍵合，實現IR FPA和讀出電路的電連接。第八步(如圖11-8所示)對晶圓201進行減薄工藝，完全去除第二片晶圓201的矽材料。第九步(如圖11-9所示)在第三塊晶圓301上，採用常規IC的光刻、刻蝕、濺射、 蒸鍍的方法製備出如圖所示的凹槽及凹槽表面的抗反射層材料302(Si0N或ZnS或MgF2或其組合)，根據需要對晶圓301進行減薄，並在晶圓301背面製作所需要的抗反射層材料(圖
13中未表不出來)。第十步(如圖11-10所示)通過晶圓鍵合工藝實現第三片晶圓301與第七步所製作的結構的對準及鍵合，完成整個IR FPA器件的真空封裝。完成整個IR FPA器件的製作， 最後完成對IR FPA器件的切割。
權利要求
1.晶圓級真空封裝的IRFPA器件，包括第一片晶圓(101)和第二片晶圓(201)，其特徵是所述第一片晶圓(101)為常規的矽片，採用常規IC製作工藝製作出IR FPA的讀出電路，同時以第一片晶圓(101)最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板(104);在第一片晶圓(101)有反光板(104)的一面澱積有介質材料(102),貫穿所述第一片晶圓(101)和介質材料(102)制有TSV結構(103 )用於電連接及實現貼片式封裝，在TSV結構(103)和介質材料(102)的電連接點製作第一低溫焊接材料(105);在第二片晶圓(201) 的矽襯底上，製作出用於IR FPA器件的微結構，包括所述第二片晶圓(201)正面製作有阻擋氧化層(202)，在阻擋氧化層(202)上製作有金屬連線(203)，形成MEMS結構的電連線 (204)，熱隔離懸臂梁(206)中的金屬與所述電連線(204)相連，熱隔離懸臂梁(206)中的金屬與敏感層(205)中的敏感電阻材料相連，在阻擋氧化層(202)上還製作有用於真空封裝的吸氣劑(207)以及用於兩片晶圓焊接的第二低溫焊接材料(208)，第二低溫焊接材料 (208)與電連線(204)相連，所述敏感層(205)、熱隔離懸臂梁(206)、吸氣劑(207)、第二低溫焊接材料(208)之間形成真空腔(210)，在第二片晶圓(201)的上下兩面還製作有紅外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圓(101)與第二片晶圓(201)的鍵合實現晶圓級真空封裝。
2.如權利要求I所述晶圓級真空封裝的IRFPA器件，其特徵是，在所述第二片晶圓 (201)背面與凹槽相對的區域製作有用於聚能的微透鏡陣列(212)。
3.如權利要求I所述晶圓級真空封裝的IRFPA器件，其特徵是，所述敏感層(205)中的共振吸收層位於敏感層(205)的上方或下方。
4.晶圓級真空封裝的IRFPA器件晶圓級真空封裝的製作方法，其特徵是，步驟如下 第一步、在第一片晶圓(101)的矽襯底上，通過常規IC工藝製作出IR FPA所需的讀出電路，利用矽襯底最上層金屬製作出IR FPA共振吸收結構所需要的反光板(104)，然後在第一片晶圓(101)有反光板(104)的一面完成鈍化層介質的澱積形成介質材料(102)； 第二步、通過光刻、刻蝕方法在讀出電路的外圍製作出深孔，然後通過PECVD方法在深孔內壁澱積介質層，用於電隔離，然後通過蒸發或濺射方法在深孔內壁濺射金屬阻擋層或電鍍的種子層，然後通過濺射、CVD或電鍍方法完成深孔中金屬材料的填充，最後通過CMP 方法去除多餘的金屬材料，實現平坦化和完成TSV結構(103)的製作；並通過光刻、刻蝕的方法刻掉反光板(104)上多餘的介質層；第三步、在保護正面的情況下，利用減薄工藝把矽襯底(101)減薄到從背面露出TSV結構(103)中的金屬材料；第四步、在第二片晶圓(201)上製作出IR FPA器件採用LPCVD、PECVD、光刻、刻蝕、蒸發和濺射工藝，在第二片晶圓(201)上製作阻擋氧化層(202)，然後在阻擋氧化層(202)上面製作金屬連線(203)，形成電連線(204)，然後覆蓋上犧牲層(211)，在犧牲層(211)上製作用於連接電連線(204)和熱隔離懸臂梁(206)的孔，然後製作敏感層(205)和熱隔離懸臂梁(206)，熱隔離懸臂梁(206)中的導電材料與敏感層(205)中的敏感電阻材料相連；所述犧牲層(211)為通過旋塗平坦化製作的聚醯亞胺材料或通過PECVD澱積的非晶矽或非晶 GeSi，然後通過CMP方法實現平坦化；第五步、採用光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出吸氣劑(207)、第二低溫焊接材料 (208)後，採用氧等離子灰化技術或XeF2氣相腐蝕技術釋放掉犧牲層(211)，釋放出空腔(210);所述氧等離子灰化技術是針對犧牲層材料為聚醯亞胺，所述XeF2氣相腐蝕技術是針對犧牲層材料為非晶矽或非晶GeSi ；第六步、在第一片晶圓(101)的TSV結構(103)和介質材料(102)的電連接點上採用IC 中常規工藝光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出第一低溫焊接材料(105);第七步、通過晶圓鍵合工藝實現第一片晶圓(101)和第二片晶圓(201)的對準及鍵合， 實現IR FPA和讀出電路的電連接及整個IR FPA器件的真空封裝；在清洗完成後通過蒸發或濺射工藝在第二片晶圓(201)背面製作紅外光窗的抗反射層材料(213)，完成整個IR FPA器件的製作，最後完成對IR FPA器件的切割。
5.晶圓級真空封裝的IRFPA器件，包括第一片晶圓(101)和第二片晶圓(201)，其特徵是所述第一片晶圓(101)為常規的矽片，採用常規IC製作工藝製作出IR FPA的讀出電路， 同時以第一片晶圓(101)最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板(104); 在第一片晶圓(101)有反光板(104)的一面澱積有介質材料(102)，所述介質材料(102)包括中部一個凸臺，凸臺四周低於中部形成邊沿，所述凸臺內製有TSV結構(103)，所述邊沿上設有通孔(107)，在TSV結構(103)和介質材料(102)的電連接點製作第一低溫焊接材料(105);在第二片晶圓(201)的矽襯底上，通過常規IC工藝製作出用於IR FPA器件的微結構，包括所述第二片晶圓(201)正面製作有阻擋氧化層(202)，在阻擋氧化層(202)上製作有金屬連線(203)，形成MEMS結構的電連線(204)，熱隔離懸臂梁(206)中的金屬與所述電連線(204)相連，熱隔離懸臂梁(206)中的金屬與敏感層(205)中的敏感電阻材料相連，在阻擋氧化層(202 )上還製作有用於真空封裝的吸氣劑(207 )以及用於兩片晶圓焊接的第二低溫焊接材料(208 )，第二低溫焊接材料(208 )與電連線(204 )相連，所述敏感層(205 )、熱隔離懸臂梁(206)、吸氣劑(207)、第二低溫焊接材料(208)之間形成真空腔(210)，在第二片晶圓(201)的上下兩面還製作有紅外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圓(101) 與第二片晶圓(201)的鍵合實現晶圓級真空封裝。
6.如權利要求5所述晶圓級真空封裝的IRFPA器件，其特徵是，在所述第二片晶圓(201)背面與凹槽相對的區域製作有用於聚能的微透鏡陣列(212)。
7.如權利要求5所述晶圓級真空封裝的IRFPA器件，其特徵是，所述敏感層(205)中的共振吸收層位於敏感層(205)的上方或下方。
8.晶圓級真空封裝的IRFPA器件晶圓級真空封裝的製作方法，其特徵是，步驟如下第一步、在第一片晶圓(101)的矽襯底上，通過常規IC工藝製作出IR FPA所需的讀出電路，利用矽襯底最上層金屬製作出IR FPA共振吸收結構所需要的反光板(104)，然後在第一片晶圓(101)有反光板(104)的一面完成鈍化層介質的澱積形成介質材料(102)；第二步、通過光刻、刻蝕方法在讀出電路的外圍製作出深孔，然後通過蒸發或濺射方法在深孔內壁濺射金屬阻擋層或電鍍的種子層，然後通過濺射、CVD或電鍍方法完成深孔中金屬材料的填充，最後通過CMP方法去除多餘的金屬材料，實現平坦化和完成TSV結構(103) 的製作；並通過光刻、刻蝕的方法刻掉反光板(104)上多餘的介質層；第三步在第二片晶圓(201)上製作出IR FPA器件採用LPCVD、PECVD、光刻、刻蝕、 蒸發和濺射工藝，在第二片晶圓(201)上製作阻擋氧化層(202)，然後在阻擋氧化層(202) 上面製作金屬連線(203)，形成電連線(204)，然後覆蓋上犧牲層(211)，在犧牲層(211)上製作用於連接電連線(204)和熱隔離懸臂梁(206)的孔，然後製作敏感層(205)和熱隔離懸臂梁(206)，熱隔離懸臂梁206中的導電材料與敏感層(205)中的敏感電阻材料相連；所述犧牲層(211)為通過旋塗平坦化製作的聚醯亞胺材料或通過PECVD澱積的非晶矽或非晶 GeSi，然後通過CMP方法實現平坦化；第四步、採用光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出吸氣劑(207)、第二低溫焊接材料(208)後，採用氧等離子灰化技術或XeF2氣相腐蝕技術釋放掉犧牲層(211)，釋放出空腔(210);所述氧等離子灰化技術是針對犧牲層材料為聚醯亞胺，所述XeF2氣相腐蝕技術是針對犧牲層材料為非晶矽或非晶GeSi ；第五步、在第一片晶圓(101)的TSV結構(103)和介質材料(102)的電連接點上採用IC 中常規工藝光刻、蒸發或濺射、刻蝕工藝製作出第一低溫焊接材料(105);第六步、通過晶圓鍵合工藝實現第一片晶圓(101)和第二片晶圓(201)的對準及鍵合， 實現IR FPA和讀出電路的電連接及整個IR FPA器件的真空封裝；在清洗完成後通過蒸發或濺射工藝在第二片晶圓(201)背面製作紅外光窗的抗反射層材料(213)，完成整個IR FPA器件的製作；第七步、通過光刻、刻蝕的方法刻掉第二片晶圓(201)多餘的抗反射層材料(213)、襯底以及阻擋氧化層(202)，露出通孔(107);最後通過切割完成各IR FPA器件的分離。
9.晶圓級真空封裝的IR FPA器件，包括第一片晶圓(101)、第二片晶圓和第三片晶圓 (301)，其特徵是所述第一片晶圓(101)的矽襯底上，採用常規IC製作工藝製作出IR FPA 的讀出電路，同時以第一片晶圓(101)最上層金屬製作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板(104);在第一片晶圓(101)有反光板(104)的一面澱積有介質材料(102),所述介質材料(102)包括中部一個凸臺，凸臺四周低於中部形成邊沿，所述凸臺內製有TSV結構(103)，所述邊沿上設有通孔(107)，在TSV結構(103)和介質材料(102)的電連接點製作第一低溫焊接材料(105);在第二片晶圓的矽襯底上，製作出用於IR FPA器件的微結構，包括所述第二片晶圓(201)正面製作有阻擋氧化層(202)，在阻擋氧化層(202)上製作有金屬連線(203 )，形成MEMS結構的電連線(204 )，熱隔離懸臂梁(206 )中的金屬與所述電連線(204)相連，熱隔離懸臂梁(206)中的金屬與敏感層(205)中的敏感電阻材料相連，在阻擋氧化層(202)上還製作有用於真空封裝的吸氣劑(207)以及用於兩片晶圓焊接的第二低溫焊接材料(208)，第二低溫焊接材料(208)與電連線(204)相連，然後所述第二片晶圓的矽材料被被完全去除；所述第三片晶圓(301)的矽襯底上，製作出用於IR FPA器件真空封裝的蓋帽，包括凹槽及在凹槽表面製作的抗反射層材料(302)，以及第三片晶圓(301)背面的抗反射層材料；由所述第一片晶圓(101)、第二片晶圓和第三片晶圓(301)的依次鍵合實現晶圓級真空封裝。
全文摘要
本發明公開了一種晶圓級真空封裝的IRFPA器件及其製造方法，採用2片晶圓鍵合的方式來實現紅外探測器的製作及實現其晶圓級封裝，把CMOSIC與MEMS器件分開製作，既實現與CMOSIC的集成，又增加MEMS紅外探測器器件製作的靈活性，又能同時實現晶圓級封裝。本發明的優點是通過在一片晶圓上製作CMOS讀出電路和共振吸收結構的反光板，利用另外一片晶圓製造IRFPA的MEMS結構部分，同時利用這片晶圓做IRFPA的紅外光窗，既利用共振吸收結構提供了紅外IRFPA器件的紅外吸收效率，同時實現IRFPA器件的晶圓級封裝，有利於減小IRFPA器件的尺寸和降低製作成本。
文檔編號G01J5/20GK102610619SQ201210088348
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者歐文, 蔣文靜 申請人:江蘇物聯網研究發展中心