JP2008030189A - Ｍｅｍｓデバイスに関するシリコン−オン−金属 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン−オン−金属（ＳＯＭ）ウェハを使用してＭＥＭＳデバイスを製造するための方法を提供する。
【解決手段】活性層と犠牲層とを内部金属層を挟んで積層したシリコン−オン−金属（ＳＯＭ）ウェハを作るステップ４２と、そのＳＯＭウェハの活性層をドライまたはウエットエッチングで内部金属層をエッチング停止層としてパターニングするステップ４４と、パターニングした活性層に別途用意したカバーウェハを接合するステップ４６と、犠牲層をエッチングで内部金属層をエッチング停止層として除去するステップ４８と、さらに露出した内部金属層を選択的に除去するステップ５０とからなる。
【選択図】図９

Description

パターニング、ボンディング、および薄化を典型的に包含する標準的なシリコン層の厚さよりも薄い厚さの単結晶層をスタックすることにより作られたアクチュエータおよび微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサを製造する方法に関する。

単結晶層は、犠牲支持ウェハによって支持される。単結晶層は、犠牲ウェハ上でパターニングされる。次いで、単結晶層は、レセス、ホール、及び／又は、電気的トレースで典型的にパターニングされるデバイス基板ウェハにボンディングされる。犠牲ウェハを除去し、パターニングされた単結晶パターニング層を露出させる。キャップウェハを追加するのと同様のプロセスを使用して、更なる層を薄化およびボンディングすることができ得る。このプロセスは、単結晶層および犠牲層の間でエッチングを停止させることが要求される。エッチング停止の主な目的は、単結晶層に対して保護を提供することによりボンディングの後に犠牲ウェハの除去を容易にすることである。エッチングの停止はまた、単結晶層のパターニングを容易にするのにも使用されうる。今日使用される３つの方法は、ヘビードープエピタキシャルシリコン層、シリコン−オン−絶縁体（ＳＯＩ）、及び、薄いウェハ処理である。これらの処理の各々は、処理オプション（ボンディングおよび薄化）、デバイスジオメトリー設計ルール、材料の制約、および、熱の制限において利点及び欠点がある。

２００６年１月３１日に発行されたAulnette等による「Method of Producing a Semiconductor Structure having at least one Support Substrate and an Ultrathin Layer」と題した米国特許第6,991,995号は、極薄層を製作する方法が開示され、これをリファレンスとしてここに組み入れる。

新しいシステム方法は、プロセスが実行される毎に新しい犠牲ウェハを使用するコストを含む、上述の制限のいくつかに取り組む必要がある。

本発明は、シリコン−オン−金属（ＳＯＭ）ウェハを使用して微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）を製造するための方法及びそのデバイスを含む。方法の実施形態は、パターニングされたＳＯＭウェハをカバーウェハにボンディングすること、ＳＯＭウェハのハンドル（または犠牲）層を薄化すること、露出された金属層を選択的に除去すること、最後の金属化を続けるか、または、活性層の裏面にカバーボンディングすることを含む。

更なる実施形態では、ＳＯＭウェハを製造し、ＳＯＭウェハをパターニングすることを含む。パターニングは、プラズマエッチング中に、ノンチャージング（non-charging）エッチング停止として金属層を使用することを含む。

本発明の別の態様によれば、ハンドル層を薄化することは、エッチング停止として金属層を使用することを含む。
本発明の更に別の態様によれば、方法は、露出された金属層を選択的に除去するステップの後、高温溶融ボンディングのステップを含む。

本発明の別の態様によれば、第１の金属層が、実質的に平面の第１及び第２の対向する表面を備えた第１の基板ウェハの第１の表面に堆積される。第１の表面に関して対向するボンディング層を形成するように第１の金属層に、ハンドル層が、ボンディングされる。機械的構造（例えば、ビーム及びトレンチ）が、第１の基板ウェハ内に製造される。基板アセンブリを製造するために第２の基板表面に第２の基板層がボンディングされる。ボンディング層は溶かされ、ハンドル層は基板アセンブリから除去される。

本発明の他の態様は、（再利用され得る）パーフォレーションされた犠牲ウェハを使用すること、全ての金属又は全てのポリマー中間層を使用すること、追加のメカニズム層を構造体にボンディングすることを含む。

この課題を解決するための手段にて記載したとおり、本発明は、単結晶層を備えたＭＥＭＳデバイスを製造する際にＳＯＭウェハを使用する方法及びそのシステムを提供することである。

図１は、メカニズムウェハ２０、金属層２２、金属またはポリマー層２４、および、犠牲（またはハンドル）ウェハ２６を含む構造体１８の断面側面図を示す。メカニズムウェハ２０及び犠牲ウェハ２６は、標準的な片面研磨されたシリコンウェハであってよい。金属層２２は、メカニズムウェハ２０の底面２８を金属化することにより生成され、金属又はポリマー層２４は、犠牲ウェハ２６の頂部面３０を金属化またはポリマー化することにより生成される。層２２，２４に取り付けられた面２８，３０は、種々のボンディング方法を使用して互いにボンディングされ、ボンディング方法には、金属と金属をボンディングする低音熱圧縮ボンディングを含む。メカニズムウェハ２０は、例えば、ラッピング（lapping）およびポリッシング（polishing）を使用して所望の厚さに薄化される。

図２は、ＭＥＭＳデバイスの種々のコンポーネントを形成するためにメカニズムウェハ２０をエッチングした後の図１の構造体を示す。メカニズムウェハ２０は、（エッチング停止として機能しうる）金属層２２に対してマスクおよびエッチングされ、その後、マスクが除去される。エッチングは、例えば、テトラメチル−アンモニウム−水酸化物（ＴＭＡＨ）溶液、または、ヒドラジン溶液におけるエッチングのような金属に対する選択的なウェット化学エッチングを含み得る。エッチングはさらに、フッ素又は塩素基（radical）を使用したプラズマエッチングを含み得る。プラズマエッチングは、シリコンにおいて高いアスペクト比構造を製造するための深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を含み得る。後者では、金属層は、エッチング停止層として機能するだけでなく、「フッティング（footing）」または「ノッチング（notching）」として知られる構造の横へのエッチングを防止する。

図３は、パターニングされたシリコンデバイス基板ウェハ３２に対してメカニズムウェハ２０をボンディングした後の図２の構造体を示す。ボンディング方法は、メカニズムウェハ２０をデバイス基板ウェハ３２にボンディングする低温テンポラリシリコン−シリコン溶融を含む。

図４は、金属またはポリマー層２４に対して犠牲ウェハ２６の選択的エッチングをした後の図３の構造体を示す。エッチングは、ＴＭＡＨまたはヒドラジンのようなウェット化学溶液を使用することにより、若しくは、フッ素又は塩素基（radical）でのプラズマエッチングを使用することにより達成され得る。金属又はポリマー層２４は、エッチング停止として作用する。エッチングは、金属で停止する通常のシリコンエッチング技術（ウェットまたはドライ）を含み、変形実施形態では、選択的金属ウエットエッチングでのパーフォレーションを介してウェハ２６全体をアンダーエッチングする。

図５は、金属およびポリマー層２２，２４を除去した後の図４の構造体を示す。酸性溶液での金属エッチングにより、および、酸素基（radical）によるプラズマまたは溶液を用いたポリマーエッチングにより、除去が達成されうる。

図６Ａおよび６Ｂは、本発明の孔が開けられた（パーフォレーションされた）実施形態の側面断面図と平面図をそれぞれ示す。この実施形態は図１の構造体と置換されうる。孔が開けられたウェハ３４は、フッ素基（radical）を備えたＤＲＩＥを使用してトレンチ及びホールをエッチングすることによりパーフォレーションされる。孔が開けられたウェハ３４により、ウェハ３４の破壊なしで金属又はポリマー層を除去することができる。層２４は、ウェハ３４のパーフォメーション内にエッチャントを導入することにより除去される。エッチャントは、ウェハ３４をエッチングせずに、層２４をエッチングするようなものから選択される。ウェハ３４は、層２４の除去の際にリリースされ、再利用され得る。

図７は、図１の構造の別の実施形態を示す。層３６は、金属又はポリマーのいずれかであり、図１の金属又はポリマー層２２，２４、および、金属を置換する。
図８は、任意の追加の層３８が構造体１８に追加された後の、図５の構造体を示す。層３８は、キャッピングウェハまたは追加のメカニズム層、若しくは、その両方であってよく、シリコンを含んでよい。追加の層（図示せず）が取り付けられ得る。

図９は、本発明による方法４０のブロック流れ図である。ブロック４２で、活性層を伴うシリコン−オン−金属（ＳＯＭ）ウェハと、犠牲層と、金属層と、金属又はポリマー層とが形成される。ブロック４４で、活性層が、パターニングされ、ＭＥＭＳコンポーネントを形成するためにエッチングされ、内部金属層がエッチング停止として使用されうる。ブロック４６では、パターニングされたＳＯＭウェハが、カバーウェハにボンディングされる。ブロック４８では、ＳＯＭウェハの犠牲層が除去される。最後に、ブロック５０で、金属層、および、金属又はポリマー層が選択的に除去される。

図１０は、本発明による別の方法５２のブロック流れ図である。ブロック５４では、第１の基板ウェハが用意される。ブロック５６では、第１の金属層が基板ウェハの第１の表面で堆積される。ブロック５８では、犠牲層が第１の金属層にボンディングされる。ブロク６０では、ビームおよびトレンチのような構造が第１の基板ウェハに形成される。ブロック６２では、（パターニングされ得る）第２の基板ウェハが第１の基板ウェハの第２の表面にボンディングされる。ブロック６４では、金属層が渡河され、犠牲層をリリースする。

上述のように、本願発明の好ましい実施形態を例示的に記載してきたけれども、多くの変更が本願発明の精神及び範囲から逸脱することなく可能である。従って、本願発明の範囲は、好ましい実施形態に開示されたものに限定されない。その代わり、本発明は添付の特許請求の範囲によって全体的に決定されるべきである。

本発明による方法によって製造された種々の中間構造体の側面図である。 本発明による方法によって製造された種々の中間構造体の側面図である。 本発明による方法によって製造された種々の中間構造体の側面図である。 本発明による方法によって製造された種々の中間構造体の側面図である。 本発明による方法によって製造された種々の中間構造体の側面図である。 図１の構造体の別の実施形態の側面図である。 図１の構造体の別の実施形態の底面図である。 図１の構造体のさらに別の実施形態の側面図である。 本発明の別の実施形態によって適用されたコンポーネントを含む図５の構造体の側面図である。 本発明による方法のブロック流れ図である。 本発明による別の方法のブロック流れ図である。

Claims (20)

1. 活性層と、犠牲層と、内部金属層とを包含するシリコン−オン−金属（ＳＯＭ）ウェハを作るステップと、
   少なくとも１つの微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスコンポーネントを作るための活性層をドライ（プラズマ）又はウェットエッチング、および、パターニングするステップと
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記ドライ（プラズマ）、および、パターニングするステップが、構造体の横方向へのエッチングを防止するノンチャージング（non-charging）エッチング停止として金属層を使用することを含むことを特徴とする請求項１に吉舎の方法。
3. 前記パターニングされたＳＯＭをカバーウェハにボンディングするステップと、
   前記ＳＯＭウェハの犠牲層を薄化するステップと、
   前記金属層を選択的に除去するステップと
   を更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記薄化するステップが、エッチング停止として金属層を使用することを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記パターニングされたＳＯＭウェハの高温溶融ボンディングを前記カバーウェハに対して実行するステップを更に有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. ＭＥＭＳコンポーネントを形成するために、エッチングされたメカニズムウェハを金属化するステップを更に有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. カバーウェハを前記活性層に対してボンディングするステップを更に有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. 微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを製造する方法であって、
   互いに対向する関係の実質的に平面で平行な第１及び第２の基板表面を備えた第１の基板ウェハを提供するステップと、
   前記第１の表面に第１の金属層を堆積するステップと、
   前記第１の金属層と犠牲層とを対向する関係で前記第１の表面に対してボンディングするステップと、
   前記第１の基板ウェハに１又はそれ以上の微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスコンポーネントを製造するステップと、
   基板アセンブリを形成するために前記第２の基板表面に対して第２の基板層をボンディングするステップと、
   前記犠牲層と前記第１の金属層との間のボンディングを溶かすステップと、
   前記基板アセンブリから前記犠牲層を除去するステップと
   を有することを特徴とする方法。
9. 前記堆積するステップが、前記犠牲層の第１の表面に第２の金属層を堆積することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記堆積するステップが、前記犠牲層の第１の表面にポリマー層を形成することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記製造するステップが、
    前記第１の金属層をチャージするステップと、
    指向性イオンフラックスによって支援されたラジカル（radical）を使用して前記第１の基板層をエッチングするステップと
    を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記犠牲層が、第１の金属層を露出するようにパーフォレーションされることを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 前記ボンディングを溶かすステップが、前記パーフォレーションされた犠牲層をエッチングしないエッチャントで前記第１の金属層をエッチングすることを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記ボンディングを溶かすステップが、前記ハンドル層をエッチングすることを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
15. 前記犠牲層をエッチングするステップが、前記第１の金属層をチャージすることを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の基板表面を露出させるために前記第１の金属層を溶かすステップと、
    増補された基板アセンブリを形成するために前記第１の基板表面に第３の基板ウェハをボンディングするステップと
    を更に有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
17. ＭＥＭＳデバイスの製造における中間製造物であって、
    互いに対向する関係で間隔が隔てられた実質的に平面で平行な第１及び第２の基板表面を備えた第１の基板ウェハと、
    第１の金属表面で前記第１の基板表面に対してボンディングされた第１の金属層であって、前記第１の禁足表面と実質的に平行な第２の金属表面を備える、第１の金属層と、
    前記第２の金属表面にボンディングされた犠牲基板と
    を有することを特徴とする中間製造物。
18. 前記第１の金属層が、前記第２の金属表面と前記犠牲基板との間にボンディングされた第２の金属層を有することを特徴とする請求項１７に記載の中間製造物。
19. 前記第１の金属層が、前記第２の金属表面と前記犠牲基板との間にボンディングされたポリマー層を有することを特徴とする請求項１７に記載の中間製造物。
20. 前記第１の金属層が、前記第１の基板ウェハのエッチングの反応を支援するのに使用されるイオンの運動に影響を及ぼすのに十分な電化でチャージされたことを特徴とする請求項１７に記載の中間製造物。

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