JP2008008888A - Ｓｏｉウェハを用いて圧力センサを製作する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】標準的なＣＭＯＳプロセスまたはバイポーラプロセスと両立しやすい圧力センサを製作する方法を提供する。
【解決手段】圧力センサは、ＣＭＯＳ回路２を具備する第１ウェハとＳＯＩウェハである第２ウェハの２つのウェハ１ａ、１４を接合することによって製造される。前記第１ウェハ１ａの最上の材料層内に窪みが形成される。窪みは、第２ウェハ１４のシリコン層１７によって覆われて空洞１８を形成する。第２ウェハ１４の基板１５の一部または全体が除去されて、シリコン層１７から膜が形成される。または、空洞は、第２ウェハ１４内に形成されてもよい。第２ウェハ１４は、第１ウェハ１ａ上の回路に電気的に接続される。この設計により、第１ウェハ１ａ上に回路を集積するための標準的なＣＭＯＳプロセスを用いることが可能となる。
【選択図】図６

Description

本発明は、その上において集積回路を有する第１ウェハ、およびハンドル基板と、シリコン層と、ハンドル基板とシリコン層との間の絶縁層とを具備する第２ウェハ、を用いて圧力センサを製作する方法に関する。

第１ウェハと、第１ウェハに形成された窪みを覆う第２ウェハと、を接合して圧力センサを製造する方法が知られている。第２ウェハは、ＳＯＩ（silicon on insulator）ウェハ、すなわち、シリコン製の比較的厚いハンドル基板であって、ハンドル基板の上面上に配置された薄い絶縁層と絶縁層を覆うように配置された薄いシリコン層が形成されている。ハンドル基板は、窪みの上方に変形可能な膜を形成するために、除去される。窪みは、第１ウェハのシリコン基板内へと達する。このような設計は、標準的なＣＭＯＳ製造プロセスと両立し難く、追加の非標準的な製造プロセスを必要とする。これにより、このような設計が高価となる。

よって、本発明の目的は、標準的なＣＭＯＳプロセスまたはバイポーラプロセスと両立しやすい方法を提供することである。

この目的は、独立形式の請求項に係る方法およびセンサにより達成される。

こうして、本発明によれば、第２ウェハは、第１ウェハ上に集積された回路と電気的に接続される。これによって、第１ウェハ上の標準的なＣＭＯＳ回路が、第２ウェハによって形成される１つ以上のセンサ素子と協働することが可能となる。

有利な実施形態では、第２ウェハの全体が、第１ウェハに取り付けられる。または、第２ウェハはまず個別のチップへと切り分けられ、次いで、切り分けられたチップが第１ウェハに取り付けられる。

有利な実施形態では、第２ウェハは、膜によって塞がれる空洞を具備する。これによって、第１ウェハの基板内に窪みを形成する必要がなくなり、標準的なＣＭＯＳプロセスおよびバイポーラプロセスとの両立がよりしやすくなる。

同様に、第２の有利な実施形態では、第１ウェハの基礎基板に付されている材料層（または複数の材料層）のみを貫いて延びる第１ウェハ内の窪みによって空洞が形成される。第２ウェハは、第２ウェハのシリコン層が窪みの上方で、変形可能な膜を形成するように、第１ウェハ上に載せられる。こうして、窪みは１つ以上の材料層を基礎基板から一部形成しないか一部除去することによって、形成されることができる。この手順も、標準的なＣＭＯＳ製造工程と両立が可能である。材料層は、例えば、標準的なＣＭＯＳ製造プロセスにおいて一般に適用される１つ以上の層、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコン層、ポリシリコン層または金属層とすることができる。

本明細書において用いられている「圧力センサ」という文言は、液体の圧力と等価なパラメータまたはこれから導き出されたパラメータを測定するあらゆるタイプのセンサを指している。具体的には、この文言は、相対圧力センサも絶対圧力センサも指しており、静的圧力センサも動的圧力センサも網羅している。動的圧力センサの重要な例は、数ヘルツから数メガヘルツの範囲での圧力振動を検出するためのマイクロフォンである。そのようなセンサは、典型的には、例えば、科学的器具類、気象学、高度測定、録音等において応用される。

本発明のさらなる有利な実施形態および応用例は、独立形式の請求項および以下の記載から得られる。以下の記載は、添付の図面を参照している。

本発明に係る、圧力センサの一実施形態の基本設計が、図１に示されている。このセンサは、シリコン製の基礎基板１を具備し、基板１上には回路２が集積されている。回路２は、例えば、増幅器、アナログデジタルコンバータ、アナログおよび／またはデジタル処理回路、インターフェース回路等を具備し得る。回路２は、非常に簡単な設計であって、例えばごく少数のトランジスタのみを具備していてもよいし、または複雑なものであって多くのトランジスタを有していてもよい。回路２は、従来のＣＭＯＳ製造プロセスを用いて製造するのが有利である。

また、図１のセンサは、膜５によって覆われた窪み４によって形成された空洞１８を具備する。図示の実施形態では、窪み４は、基礎基板１の上面に堆積された材料層６、すなわち回路２を作製するために用いられるＣＭＯＳプロセスの途中で基礎基板１上に付された層内に配置されている。

図２乃至図６は、圧力センサを製造するための方法の工程を例示している。後に詳細に記載するように、これらの工程は、実質的に、基礎基板およびその上に堆積された材料層からなる第１ウェハ内にＣＭＯＳ回路および窪みを形成することを含んでいる。第１ウェハは、次に、第２ウェハと接合される。第２ウェハは、（他のあらゆる適切な材料上の）シリコン製のハンドル基板と、その上に堆積された絶縁層およびシリコン層を有している。最後に、第２ウェハが加工されて膜が形成される。

第１工程において、ＣＭＯＳ回路２が、従来のＣＭＯＳ製造プロセスを用いて第１ウェハ１ａの基礎基板１に付される。このプロセスは、酸化シリコン層７、８、９や、それらの間に配置されたポリシリコンおよび／または金属層１０ａ、１０ｂのような様々な材料層を付することを具備する。典型例として、これらの層は、酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを具備するパッシベーション層１１によって上面を覆われる。

図２から分かるように、窪み１２が、上部表面（すなわち、回路２を受けている表面）上に形成される。窪み１２は、材料層７乃至１１の一部または全部を貫いて延びるが、基礎基板１には達しない。図２に示される実施形態では、窪み１２は、パッシベーション層１１および最上の酸化シリコン層９を貫いて延びている。窪み１２は、エッチング技術を用いてこれらの層９、１１を一部除去することによって、またはマスク技術を用いて層９、１１を一部形成しないことによって形成することができる。窪み１２は、最上の金属層１０ｂに達する。このタイプの窪みを形成することは、従来のＣＭＯＳ製造プロセスの一部であり、例えばコンタクト窓を形成するために用いられるものである。

実際、最上の金属層１０ｂに通じるコンタクト窓１３も、窪み１２から離れて形成される。

次の工程では、図３に示すように、第２ウェハ１４が、第１ウェハ１ａ上に付される。上記したように、第２ウェハ１４は、ハンドル基板１５を具備する。ハンドル基板１５は、例えば酸化シリコンからなる絶縁層１６と不純物を多く導入されたシリコン層１７を備えたシリコンであることが有利である。シリコン層１７は、絶縁およびパッシベーションを行なうための第２絶縁層によって上面を覆われていてもよい。

第２ウェハ１４が、シリコン層１７が第１ウェハ１ａと面するように、第１ウェハ１ａに接着される。

次に、図４に示されるように、ハンドル基板１５が、化学的エッチングプロセスまたは機械的ミリングおよび続くエッチングを組み合わせて用いることによって、一部または全部、除去される。図４の実施形態では、窪み２７が、ハンドル基板１５内に形成される。窪み２７は、絶縁層１６に達する。これに加えて、ハンドル層１５は、コンタクト窓１３の上方においても除去される。

次の工程では、図５に示されるように、絶縁層１６が、窪み１８の領域およびコンタクト窓１３の上方において除去される。これにより、シリコン１７が窪み１２を覆って塞ぐ柔軟な膜として残存し、空洞１８が形成される。このような純粋なシリコン膜は、安定性が高く、予測可能な弾性特性を有し、固有応力が実質的に無い。

ここで、コンタクト窓１３の上端上のシリコン層１７が除去され、最上の金属層１０ｂへの通路が形成される。コンタクト窓１３は、第２ウェハ１４の端２０に位置する。

図６に示されるように、ここで、ウェハ配線層２１が、第１ウェハ１ａ内のコンタクト窓１３および第２ウェハ１４の端２０に付される。ウェハ配線層２１は、コンタクト窓１３の領域の最上の金属層１０ｂ、シリコン層１７、ハンドル基板１５の間の電気的な接触を形成する。

図６に示される、結果として得られる装置は、最上の金属層１０ｂによって形成される下部電極、およびシリコン層１７によって形成される上部電極を伴った密封された空洞１８を有する。ウェハ配線金属層２１によって、金属層１０ｂ、ひいては上部電極と、基礎基板１上の回路２と、の接続が可能となる。

圧力の変化は、シリコン層１７によって形成された膜の変形につながり、ひいては空洞１８の２つの電極間の電気的な容量の変化につながる。このことは、回路２によって測定される。

図８、図９は、本製造プロセスおよび本装置の別の実施形態を示している。このプロセスの第１の工程は、図２、図３に示される工程に対応する。しかしながら、ここで、図８に示されるように、ハンドル基板１５は、全て除去されて、第２ウェハ１４の絶縁層１６およびシリコン層１７のみが残存する。

続いて、図９に示されるように、絶縁層１６が、空洞１８およびコンタクト窓１３、またコンタクト窓１３´の上方において除去され、また、シリコン層１７が、コンタクト窓１３、１３´の両方の上方において除去される。ここで、ウェハ配線層２１は、コンタクト窓１３、１３´の両方において付されることが可能になり、これによって、上部金属層１０ｂとシリコン層１７との間が電気的に接触する。

図１０および図１１は、第３実施形態を示している。この実施形態では、空洞１８は、第２ウェハ１４内に形成される。

本プロセスは、やはり、第１ウェハ１ａ内に回路２を製造することから始まる。同時に、２つのコンタクト窓１３、１３´、および窪み１９が、その上面に形成される。

これに加えて、第２ウェハ１４に、シリコン層１７により覆われ、ハンドル基板１５内の窪みによって形成される空洞１８が用意されている。このような構造を製造するための方法は、当業者にとって既知であり、ここで説明する必要はない。

空洞１８は、通路１８ｃにより接続された第１室１８ａおよび第２室１８ｂを有する。第１室１８ａは、第２室１８ｂより高さが低く、容積が小さい。

図１０に示されるように、第２ウェハ１４が、第１ウェハ１ａに、第１室１８ａが窪み１９の上方に配置されるように、接着される。

ここで、図１１に示されるように、第２ウェハ１４は、ハンドル基板１５の一部を、端２０、２０´が形成されるように、除去することによって加工される。端２０、２０´の一方は、コンタクト窓１３´に隣接している。絶縁層１６が、ハンドル基板１５の残存する部分の下方を除いて、ほぼ全部、除去される。シリコン層１７が、同様に、一端１７ａにおいてコンタクト窓１３に隣接する端まで延びることを除いて、エッチングにより除去される。ここで、ウェハ配線金属層２１が、コンタクト窓１３、１３´の両方において堆積されて、コンタクト窓１３をシリコン層１７に接続するとともにコンタクト窓１３´をハンドル基板１５に接続する。

図１１には示されていないが、窪み１９は、水平方向において外部に向かって開口しており、これにより、シリコン層１７により形成される膜の側部が周囲の圧力に晒される。

図１１の実施形態では、室１８ａは、一方の電極がシリコン層１７により形成され、他方の電極がハンドル基板１５により形成されるキャパシタである。室１８ｂは、室１８ａよりずっと大きな体積を有し、空洞１８の表面対容積の比率を上げ、これによりここでの絶対圧力の安定性が改善する。

図１２は、本発明の、図１１のものに類似するが、２つのウェハの接触に別の方法を用いる一実施形態を示している。図１２の実施形態において、第２ウェハ１４は、バンプ２４、２４´を介して第１ウェハ１ａに接合される。

この目的のために、２つのコンタクト窓１３、１３´が第１ウェハ１ａ内に形成され、金属バンプ２４、２４´（または他のあらゆる適切な導電性材料のバンプ）がそれらの各々を覆うように付される。

金属バンプ２４、２４´と合った位置で、２つの金属パッド２５、２５´が第２ウェハ１４上に配置される。これらのうちの一方はシリコン層１７に接触し、もう一方はハンドル基板１５に接触する。そして、第２ウェハ１４が、第１ウェハ１ａ上に、金属パッド２５、２５´が金属バンプ２４、２４´に接するように、配置される。この工程は、例えば、金属バンプ２４、２４´を柔らかくするための加圧または加熱された中で行なわれ、これにより、信頼性があり、機械的に安定なコンタクトが形成される。

または、金属バンプ２４、２４´が、最初に、第２ウェハ１４に付されてもよい。

金属バンプ２４、２４´を用いる代わりに、適切な導電性の接続を行なうための他の導電性金属が、当業者にとって知られている。具体的には、異方性導電接着剤を用いることができる。このような接着剤は、非導電性の基質内に導電性の粒子を含んでいる。ウェハ同士を接着剤を間に挟んで押し付けあうと、粒子が、相互に接触してウェハ相互間での導電経路を形成する。

第２ウェハ１４の全体を第１ウェハ１ａに付する代わりに、第２ウェハを複数の個別のチップへと切り分け（またはエッチングし）、これらのチップを第１ウェハ１ａに付してもよい。

本発明のさらに別の実施形態が、図１３および図１４に示されている。

図１３に示されるように、まず、基礎基板に、金属またはポリシリコン層１０ａによって囲まれた、高濃度に不純物を導入された領域２６が設けられる。高濃度不純物導入領域２６は、窪み２９内に位置する。

ポリマー膜または金属膜とすることができる適切な接着層２９が、第２ウェハ１４の、高濃度不純物導入領域２６を囲む金属またはポリシリコン層１０ａと反対側に取り付けられる。そして、第２ウェハ１４の最上層１７、絶縁層１６、下に位置するハンドル基板１５が、一部、除去されて、高濃度不純物導入領域２６と反対側の突出領域２８を残してくぼみ領域２７が形成される。

次に、第２ウェハ１４が第１ウェハ１ａに、接着層２９の領域において、当業者にとって既知の方法によって接着される。このようにして、空洞１８が、高濃度不純物導入領域２６の上方に、かつての窪みによって形成される。

ハンドル基板１５は、残存する最上層１７の上方を除いて、全てエッチングにより除去される。最上層１７が、残存するハンドル基板１５を越えて水平方向に延びて、突起３４を形成するようにパターニングすることが有利である。

次に、ウェハ配線層２１が付されて、金属層１０ｂと、最上層１７および第２ウェハ１４の基板１５との間の電気的な接続が形成される。ウェハ配線層２１は、突起３４を囲み、これにより安定的で信頼性のある接続がなされる。

次の工程では、異方性エッチングが用いられて、第２ウェハ１４の反対側３２からきそ基板１内へと窪み３１が形成される。窪み３１は、基礎基板１を完全に貫いて、高濃度不純物導入領域２６に達する。次に、基礎基板１の側３２および窪み３１の表面は、パッシベーション１１´によって覆われる。

こうして、この実施形態では、基礎基板１の高濃度不純物導入領域２６は、空洞１８と窪み３１との間に、印加される圧力に応じて変形する柔軟な膜を形成する。この膜は、キャパシタの一方の電極を形成し、第２電極は第２ウェハ１４のシリコン層１７によって形成される。図１３および図１４の実施形態は、第２ウェハ１４がＳＯＩウェハであることを要求しないことに留意されたい。代わりに、第２ウェハ１４は、従来のシリコンウェハまたは他のあらゆる材料のウェハとすることができる。

図１３および図１４の実施形態は、圧力を測定される液体が基板１ａの側３２、すなわち集積電子機器および装置のコンタクトパッドと反対側に付されることが可能であるという利点を有する。これによって、ＣＭＯＳ回路が環境の悪影響から守られるという形で、装置がより容易に収容される。

第１ウェハ１ａ内に窪み３１を形成する代わりに、第１ウェハ１ａの材料が、第１ウェハ１ａが空洞１８を塞ぐ柔軟な膜を形成するほどに薄くなるまで薄くするために、一様に除去されてもよい。

ここまで示された実施形態に置いて、金属の２つの導電層１０ａ、１０ｂが第１ウェハ１ａ内にある。用いられるＣＭＯＳ（またはバイポーラ）プロセスに応じて、この数は様々であり得、また／または１つ以上の導電層はシリコンとすることができる。同様に、絶縁層の数および組成は様々であり得る。

第１ウェハ内の回路および窪みを有する圧力センサの概略的な断面図である。 本発明の一実施形態の第１工程を描いている。 本発明の一実施形態の第２工程を描いている。 本発明の一実施形態の第３工程を描いている。 本発明の一実施形態の第４工程を描いている。 本発明の一実施形態の第５工程を描いている。 図１乃至図６内で用いられているハッチングパターンの参照符号である。 本発明の第２実施形態の第１工程を描いている。 本発明の第２実施形態の第２工程を描いている。 本発明の第３実施形態の第１工程を描いている。 本発明の第３実施形態の第２工程を描いている。 本発明の第４実施形態を示している。 本発明の第５実施形態の、製造途中の一段階を示している。 組み立て後の図１３の実施形態を示している。

Claims (22)

1. 集積された回路（２）を上において具備する第１ウェハ（１ａ）を用意する工程と、
   第２ウェハ（１４）を用意する工程と、
   前記第２ウェハまたは前記第２ウェハから得られたチップを前記第１ウェハ（１ａ）上に載せる工程と、
   を具備し、
   前記第２ウェハ（１４ａ）を前記第１ウェハ（１ａ）上の前記回路に電気的に接続させる工程を特徴とする、圧力センサの製造方法。
2. 前記第２ウェハ（１４）は、ハンドル基板（１５）と、シリコン層（１７）と、前記ハンドル基板（１５）および前記シリコン層（１７）の間の絶縁層（１６）と、を具備する、請求項１の圧力センサの製造方法。
3. 前記シリコン層（１７）は、配置されて、圧力を検知するための変形可能な膜の少なくとも一部を形成する、請求項２の圧力センサの製造方法。
4. 前記第２ウェハ（１４）は、前記膜によって塞がれた空洞を具備する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の圧力センサの製造方法。
5. 前記回路（２）および前記ハンドル基板（１５）の間の第１の電気的な接触を形成する工程と、
   前記回路（２）および前記膜の間の第２の電気的な接触を形成する工程と、
   を具備する請求項３または請求項４の圧力センサの製造方法。
6. 前記ハンドル基板（１５）内に窪みを形成することによって、前記空洞を少なくとも一部形成する工程を具備する請求項４または請求項５の圧力センサの製造方法。
7. 前記空洞は、第１室（１８ａ）および第２室（１８ｂ）を具備し、
   前記第１室（１８ａ）は、前記第２室（１８ｂ）よりも容積が小さく高さが低く、
   前記変形可能な膜は、前記第１室（１８ａ）を覆う、
   請求項４乃至請求項６の何れか１項の圧力センサの製造方法。
8. 前記第２ウェハ（１４）を前記第１ウェハ（１ａ）の上に載せた後、前記第２ウェハ（１４）の前記ハンドル基板（１５）の少なくとも一部、特に全部を除去する工程を具備する、請求項１乃至請求項７の圧力センサの製造方法。
9. ｝
   前記ハンドル基板（１５）の少なくとも一部を、前記絶縁層（１６）へと少なくとも下に向かって除去する工程を具備する請求項８の圧力センサの製造方法。
10. 前記第２ウェハ（１４）を、前記シリコン層（１７）を前記第１ウェハ（１ａ）に向けながら、前記第１ウェハ（１ａ）上に載せる、請求項１乃至請求項９のいずれか１項の圧力センサの製造方法。
11. 前記第１ウェハ（１ａ）は、集積回路（２）が上に集積されたシリコンの基礎基板（１）と、前記基礎基板（１）上に堆積された少なくとも１つの材料層（７乃至１１）と、を有し、
    前記方法は、
    前記材料層（７−１１）を一部除去するかまたは一部形成しないことによって前記第１ウェハ（１ａ）内に窪み（１２）を形成する工程と、
    前記第２ウェハ（１４）を前記第１ウェハ（１ａ）上に、前記第２ウェハ（１４）の前記シリコン層（１７）が前記窪み（１２）を覆う前記膜を形成するように載せる工程と、
    を具備する、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項の圧力センサの製造方法。
12. 前記材料層は、酸化シリコン、窒化シリコン、金属、またはポリシリコン層である、請求項１１の圧力センサの製造方法。
13. 前記窪みは導電層の上方、特に前記第１ウェハ（１ａ）上の金属層（１０ｂ）の上方に形成される、請求項１２の圧力センサの製造方法。
14. 前記窪み（１２）は、前記基礎基板（１）に達しない、請求項１２または請求項１３の圧力センサの製造方法。
15. 前記第１ウェハ（１ａ）上にコンタクト窓（１３）を用意する工程と、
    前記第２ウェハ（１４）の端（２０）を前記コンタクト窓（１３）に形成または配置する工程と、
    前記コンタクト窓（１３）に接する金属層（２１）を前記縁（２０）まで付する工程と、
    を具備する、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項の圧力センサの製造方法。
16. 前記第１ウェハ（１ａ）上に少なくとも１つのコンタクト窓（１３、１３´）を用意する工程と、
    前記第２ウェハ（１４）を、導電材料（２４）を前記第２ウェハ（１４）と前記コンタクト窓（１３、１３´）との間に配置しながら、前記第１ウェハ（１ａ）上に配置する工程と、
    を具備する、請求項１乃至請求項１５のいずれか１項の圧力センサの製造方法。
17. 前記第２ウェハ（１４）は、前記ハンドル基板（１５）をシリコン基板とするＳＯＩウェハである、請求項１乃至請求項１６のいずれか１項の圧力センサの製造方法。
18. 前記集積回路（２）は、ＣＭＯＳプロセスまたはバイポーラプロセスを用いて製造される、請求項１乃至請求項１７のいずれか１項の圧力センサの製造方法。
19. 前記第１、第２ウェハ間に空洞（１８）を形成する工程と、
    前記第１ウェハ（１ａ）の材料を、前記第２ウェハ（１４）の反対側から、前記第１ウェハ（１ａ）の膜を前記窪みを塞ぐために残存させながら除去する工程と、
    を具備する請求項１乃至１８のいずれか１項の圧力センサの製造方法。
20. 前記第２の側（３２）から前記第１ウェハへとパッシベーション層（１１´）が付される、請求項１９の圧力センサの製造方法。
21. 前記第２ウェハ（１４）の一部をエッチングで除去する工程を具備し、
    特に前記第２ウェハ（１４）は、シリコンの最上層（１７）と、絶縁層（１６）と、ハンドル基板（１５）と、を具備し、前記絶縁層（１６）は前記最上層（１７）およびハンドル基板（１５）の間に配置され、前記第２ウェハがエッチングにより一部除去されて前記最上層（１７）がハンドル基板（１５）を越えて水平に延びて突起（３４）を形成し、前記突起はウェハ接続層（２１）によって囲まれる、
    請求項１９または請求項２０の圧力センサの製造方法。
22. 前記第１ウェハ内に、前記第２ウェハ（１４）と反対側（３２）から前記第１ウェハ（１ａ）内に向かって窪み（３１）を形成する工程を具備し、
    前記膜は前記空洞（１８）と前記窪み（３１）との間に残存する、
    請求項１９乃至請求項２１のいずれか１項の圧力センサの製造方法。

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