(57)【要約】【課題】簡便にかつ試料へのダメージを軽減しながらメサ構造による半導体赤外線検出器アレイを作製すること。【解決手段】基板上に複数の上部電極および複数の上部電極間を電気的に接続する金属配線をそれぞれ形成する工程と、次に複数の上部電極上にバンプメタル柱を形成する工程と、次に複数の上部電極にそれぞれ対応したメサ構造を形成する工程とを有することを特徴とする。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メサ構造によって画素が分割され、かつ、前記各画素がバンプメタル柱を有する赤外線検出器アレイの製造方法であって、
基板上に複数の上部電極および前記複数の上部電極間を電気的に接続する金属配線をそれぞれ形成する工程と、次に前記複数の上部電極上にバンプメタル柱を形成する工程と、次に前記複数の上部電極にそれぞれ対応したメサ構造を形成する工程とを有することを特徴とする、半導体赤外線検出器アレイの製造方法。
【請求項２】
前記バンプメタル柱を形成する工程において、前記金属配線を介して前記複数の上部電極に電界を供給することによって電解めっき法により前記上部電極上に上記バンプメタル柱を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体赤外線検出器アレイの製造方法。
【請求項３】
前記メサ構造の形成後に前記金属配線を除去する工程を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体赤外線検出器アレイの製造方法。
【請求項４】
前記金属配線の幅が前記メサ構造の高さの２倍より細いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体赤外線検出器アレイの製造方法。
【請求項５】
前記金属細線の幅と長さの比が１対５より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体赤外線検出器アレイの製造方法。
【請求項６】
前記基板表面に前記基板よりエッチング容易な犠牲層を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体赤外線検出器アレイの製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至６に記載の半導体赤外線検出器アレイの製造方法によって製造された半導体赤外線検出器アレイ。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体赤外線検出器アレイと読み出し用のＩＣ回路がフリップチップ接合されていることを特徴とする、赤外線検出モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メサ構造によって画素分離を行う裏面光入射型の半導体赤外線検出器アレイの製造方法、特に信号読み出し用のＩＣ回路とのフリップチップ接合を行う半導体赤外線検出器アレイの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
室温付近の物体の黒体輻射スペクトルは、波長にして１０μｍ程度にピークを持つ。そのため、波長が１０μｍ程度の遠赤外線を高い感度で検知する検出器が暗視装置やリモートセンシング応用の面から強く望まれている。赤外線による画像を取得するためには、検出器は単一ではなく、性能が同一の検出器を複数個備えていてその検出結果を画像として出力できる構造を持つ必要がある。このとき、複数個の検出器の組み合わせを検出器アレイ、検出器アレイを構成する各赤外線検出器を画素と呼ぶ。
【０００３】
赤外線による電子の励起を利用する冷却型の半導体赤外線検出器は、ボロメータ等の熱型の赤外線検出器と比較して一般に感度や動作速度に優れる。冷却型の半導体赤外線検出器の例としては、水銀カドミウムテルルの直接遷移型検出器や、Type II 超格子型検出器、量子井戸型検出器、量子ドット型検出器などが挙げられる。
【０００４】
このような半導体赤外線検出器アレイにおいて画素を形成する方法としては、半導体ウエハに対してリソグラフィーとウエットエッチング等の微細加工を施して、画素間を物理的に掘削してメサ構造を作製する手法が一般的である。メサ構造による半導体赤外線検出器アレイから赤外線検出に伴う電気信号を読み出すためには、個々の画素（メサ構造）に電気的コンタクトを取る必要がある。
【０００５】
そのための最も簡便で素直な方法は、半導体ウエハにメサ構造を作製した表面側にワイヤーボンディング等を用いて電気的コンタクトを取る手法である。しかしこの方法では、受光面とは別にボンディングパッドを設ける必要があることと、何より多画素化への対応が困難であるという課題がある。
【０００６】
従って、メサを作製した半導体素子を上下逆さまにして、読み出し用のＩＣ回路と貼り合わせることによりバンプメタルを介して電気的コンタクトを取る手法が一般的に用いられる。この手法はフリップチップボンディングと呼ばれている。フリップチップボンディングを用いると、画素サイズや画素ピッチを小さくすることができ、何より多画素化への対応が比較的容易であるという利点がある。
【０００７】
ただし、フリップチップボンディングによる手法を用いると、必然的に半導体素子の裏面（メサ構造を作製した表面とは逆側）から赤外線を受光することになる。冷却型赤外線検出器アレイを作製する半導体ウエハについては、波長１０μｍ程度の赤外線に対して略透明である、すなわち波長１０μｍ程度の赤外線の透過率が高い材料（例えばＧａＡｓ）を選択する必要がある。
【０００８】
このようなメサ構造による半導体赤外線検出器アレイに対してフリップチップ接合を行う場合のプロセス手順の一例を説明する。
【０００９】
まず、半導体ウエハ上にフォトリソグラフィーによってレジストパターンを作製し、そのレジストパターンをマスクにしてエッチングすることによってメサ構造を作製する。エッチング後に、前記レジストパターンを有機溶剤等で洗浄して除去する。
【００１０】
続いて、フォトリソグラフィーによって別のレジストパターンを形成し、そのパターンをマスクに金属蒸着を行う。有機溶剤等でレジストパターンおよびパターン上のメタルを剥離することにより、上下電極を形成する。次に、後述するシードメタルが接触してメサの上下電極間が短絡するのを防ぐことを１つの目的として、メサ側壁に酸化物あるいは窒化物による側壁保護膜を形成する。
【００１１】
続いて、シードメタルと呼ばれる薄い金属膜をウエハ全面に形成する。シードメタルは、フリップチップ接合のバンプメタルを電解めっき法により形成する際に、その給電層として用いる目的で形成するものである。次いで、厚膜レジストとフォトリソグラフィーによってビアパターンを形成し、そのパターンをマスクに電解めっき法でバンプメタルを形成する。
【００１２】
バンプメタルは、フリップチップボンディングで半導体赤外線検出器アレイと読み出し用ＩＣ回路を張り合わせる際に糊の役割を果たすと同時に、電気的コンタクトを取る役割を担う。電解めっき後に、有機溶剤等で厚膜レジストを剥離した後、最後にドライエッチングによって不要なシードメタルを除去する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、フリップチップ接合を行う場合のメサ構造による半導体赤外線検出器アレイの従来の試料作製プロセス手順は、複雑で工数が多いという課題があった。さらに、最後にシードメタルを除去するためのドライエッチングによって、試料表面がダメージを受けるという課題もあった。
【００１４】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡便にかつ試料へのダメージを軽減しながらメサ構造による半導体赤外線検出器アレイを作製する製造方法、および該製造方法を用いて製造された半導体赤外線検出器アレイと読み出し用ＩＣ回路とをフリップチップ接合することによって作製される赤外線検出モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によるメサ構造によって画素が分割され、かつ、前記各画素がバンプメタル柱を有する赤外線検出器アレイの製造方法は、基板上に複数の上部電極および前記複数の上部電極間を電気的に接続する金属配線をそれぞれ形成する工程と、次に前記複数の上部電極上にバンプメタル柱を形成する工程と、次に前記複数の上部電極にそれぞれ対応したメサ構造を形成する工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明で提案する半導体赤外線検出器アレイの製造方法によれば、より簡便にかつ試料へのダメージを軽減しながらメサ構造による半導体赤外線検出器アレイを作製する製造方法、および該製造方法を用いて製造された半導体赤外線検出器アレイと読み出し用ＩＣ回路とをフリップチップ接合することによって作製される赤外線検出モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態を示す上部電極作製後の試料斜視図である。
【図２】本発明の実施形態を示す厚膜レジストにビアパターン形成後の試料斜視図である。
【図３】本発明の実施形態を示す電解めっきによりバンプメタル柱形成後の試料斜視図である。
【図４】本発明の実施形態を示すウエットエッチングによりメサ形成後の試料斜視図である。
【図５】本発明の実施形態を示す金属細線除去後の試料斜視図である。
【図６】本発明の実施形態を示すウエットバック後の試料斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施形態を示す試料断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
【００１９】
本発明の半導体赤外線検出器アレイの製造方法を、図面を参照しながら説明する。以下の各図面においては同一の要素は同一の符号によって共通して表されるものとし、特に断りのない限り重複説明は省略した。
【００２０】
まず、半導体ウエハ１０上に図示しないフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによって上部電極および金属細線のパターニングを行う。その後、スパッタや電子ビーム蒸着等で金属蒸着を行う。金属は通常、配線や電極に用いられているアルミニウム等の金属であればよい。
【００２１】
有機溶剤でレジストパターンおよびパターン上のメタルを剥離することにより、上部電極１１および金属細線１２のアレイを形成する。上部電極１１および金属細線１２形成後の、試料斜視図を図１に示す。
【００２２】
上部電極１１は、典型的には数１０μｍ角の方形である。ここで、第１の上部電極１１と、前記第１の上部電極と最近接の（複数個の）第２の画素の上部電極との間は、少なくとも１本の金属細線１２でつながっている。
【００２３】
金属細線の幅は、後述するウエットエッチング深さの２倍未満であることが要求される。言い換えれば、金属細線の幅はメサの高さの２倍未満であることが要求される。ここでは例として幅１μｍ程度であるとして説明を続ける。
【００２４】
上部電極アレイのエリア外（例えばウエハ外周部）には図示しない給電パッドが設けられ、給電パッドと上部電極アレイの外周部および、各上部電極間は金属細線によってつながっていて、いわば上部電極ネットワーク構造を形成しており、すべての電極に電界が供給される構成となっている。
【００２５】
続いて、試料上に厚膜レジスト２０をスピンコートし、フォトリソグラフィーによってバンプメタル形成のためのビア（細孔）パターン２１を作製する。その様子を図２に示した。ここでは図示していないが、前記給電パッドは厚膜レジストに覆われていないものとする。
【００２６】
この試料に対して、めっき液中で前記給電パッドを陰極として陽極材との間に電界を印可することでバンプメタル３０を形成する（電解めっき法）。電解めっきを行う前に、酸素プラズマ処理を行いビアパターン部における厚膜レジスト残渣を除去しておくと、半導体ウエハとバンプメタルの密着性が増す。バンプメタルの種類としては、銅やインジウムスズなど目的に応じたメタルを選択することができる。
【００２７】
所望の厚さのバンプメタルを電解めっき法で成膜後に、有機溶剤で厚膜レジストおよび該レジスト上に堆積したバンプメタルを剥離することにより、図３に示したようなバンプメタル柱３０（のアレイ）を形成する。
【００２８】
次に、上部電極１１および金属細線１２のアレイをマスクにして、硫酸やリン酸等の酸によるウエットエッチングを行うことでメサ構造（画素）を作製する。メサの高さ、すなわちエッチングの深さは、赤外線検出器の光応答層の層厚に依存するが、ここでは１μｍ程度とする。ウエットエッチングは、ドライエッチングと異なり化学反応により等方的に半導体ウエハがエッチングされるため、メサ側面方向にもエッチングが進行する（サイドエッチング）。
【００２９】
これは、上部電極１１に対しても金属細線１２に対しても同様である。上部電極１１は上述したように数１０μｍ角の方形であるためサイドエッチングがメサの高さ（ここでは１μｍ）程度進行しても大勢に影響はない。
【００３０】
一方で、金属細線１２は、今の例ではその幅が１μｍであり、両側から１μｍほどサイドエッチングが進行した場合、金属細線１２直下の半導体は完全にエッチングにより掘削される。
【００３１】
このため、金属細線１２は、該金属細線が繋いでいる２つの上部電極との境界のみで支えられて宙に浮いているような、いわば吊り橋状の架橋構造となる。その様子を図４に示した。
【００３２】
実際には架橋構造直下には、断面が三角形状の半導体のエッチング残渣が形成されるが、図４ではその図示を省略した。また、上部電極１１直下に対するサイドエッチング跡の描写も省略した。これらのエッチング残渣やサイドエッチング跡は本発明の製造方法によって形成されたことを示すものである。
【００３３】
この架橋構造１２は、構造的に不安定であるため、例えば有機溶媒中の超音波洗浄等の外部揺動によって上部電極間の金属細線を破壊・除去することができる。その結果、図５に示すように、各メサ構造（画素）が独立した半導体赤外線検出器アレイが形成される。金属細線を破壊・除去する方法としては他に、煮沸アセトンの対流による方法や、スポイト等により水流を起こし破壊・除去する方法などが可能である。
【００３４】
最後にフリップチップボンディングのために、アニールを行ってバンプメタル柱３０を球状に再形成してもよい。この工程はウエットバックと呼ばれている。ウエットバック後の試料の模式図を図６に示した。また、ウエットバック工程は、上部電極１１とメサ構造における半導体表面とのオーミック接続をとるためのアニールを兼ねていてもよい。
【００３５】
なお、上部電極の対極となる下部電極については、下部電極パッドをウエットエッチング後に別に作製してもよいし、前記給電パッドをそのまま下部電極として再利用することもできる。ただし、給電パッドを再利用すると製造工数は増加しないものの、信号が給電パッド層下の半導体光応答層を介するため素子のインピーダンスが上昇することに注意が必要である。
【００３６】
上記のようなメサ構造およびバンプメタル柱の製造プロセスによれば、より簡便に工数をかけずに半導体赤外線検出器アレイを製造できる。また、シードメタルのドライエッチング過程を要しないため、試料へのダメージを軽減することもできる。また、本製造法により製造された半導体赤外線検出器アレイと読み出し用ＩＣ回路とをフリップチップ接合することによって、赤外線画像を撮像する検出器モジュールを提供することができる。
（第２の実施形態）
実施形態１においては、半導体は等方エッチングされることを利用して架橋構造を作製した。しかし、本発明を実施するにあたっては、金属細線直下の半導体が完全に掘削されて架橋構造ができていればよい。第２の実施例では、図７の断面模式図に示すように半導体ウエハの最表面に犠牲層（ウエットエッチングされやすい層）を設けることにより、サイドエッチングを促進する構造について説明する。
【００３７】
半導体赤外線検出器アレイを作製する半導体ウエハは、光応答層等の構造は実施例１の半導体ウエハと共通するが、ウエハ最表面に例えばＡｌＧａＡｓからなる犠牲層７１を設ける。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓに比べて酸に対して脆弱でエッチングレートが高いため、ウエットエッチング時に基板面内方向へのサイドエッチングが進行しやすい。このことにより、実施例１では、架橋構造を作製するために金属細線の幅はメサ高さの２倍未満である必要があったが、実施例２ではその制限にとらわれずに、金属細線の幅をより広くすることができる。金属細線の幅を広くとることにより、給電パッドから遠くに位置する上部電極までの抵抗値が低減されるため、電界の均一性が高まる。その結果として、バンプメタルの膜厚バラつきを低減することができる。
【００３８】
ただし、金属細線の幅を広くとりすぎると、ウエットエッチング後に架橋構造を破壊するのが困難になる可能性がある。金属細線の幅と長さのアスペクト比を５以上確保することが好ましく、１０以上を確保することがより好ましい。
【符号の説明】
【００３９】
１０  半導体ウエハ
１１  上部電極
１２  金属細線
２０  厚膜レジスト
２１  ビアパターン
３０  バンプメタル柱
７０  犠牲層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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