JP2012506616A - ウェーハレベルでパッケージングされたｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

ほぼ全シリコンの、気密封止された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを提供する、シリコンウェーハのバルクマシニングおよび融着接合に基づくセンサ構造のための装置および方法。デバイス例は、能動半導体層の中に形成され、誘電層（３６）によりハンドル層（３２）から分離されたデバイスセンサ機構（３４）と、能動層の一部に接合された誘電層（４４）を備えるハンドル層（４２）を有するシリコンカバープレート（４０）とを含む。能動層（４４）上の導線にアクセスするために、ピットが、ハンドル層（３２、４２）のうちの１層および対応する誘電層（３６、４４）に含まれる。他の例は、能動層が保護的にドープされている状態で、ハンドル層を異方性エッチングすることにより形成された、能動構成要素からのセットバックを含む。

Description

微小電気機械システムまたは「ＭＥＭＳ」デバイスは、一般的によく知られている。最も一般的な形態において、ＭＥＭＳデバイスは、機械的微細構造、マイクロセンサ、マイクロアクチュエータ、および同一環境中すなわち単一のシリコンチップ上に一体化された電子機器から成る。ＭＥＭＳ技術は、ソリッドステートの変換器、すなわちセンサおよびアクチュエータの分野における実現技術である。微細製作技術は、個々には簡単な仕事を実施するが共同して複雑な機能を達成することができる、デバイスの大規模アレイの製作を可能にする。現行の用途は、加速度計、圧力センサ、化学センサおよび流れセンサ、マイクロ光学素子、光スキャナ、および流体ポンプを含む。例えば、１つの微小機械技術は、シリコンのボディを所望のパターンにマスクし、次いでシリコンを深堀りエッチングして、マスクされていないシリコンの部分を除去することを伴う。結果として得られる３次元シリコン構造は、フレキシャによって垂下されたプルーフマスを含む加速度計など、小型機械力感知デバイスとして機能する。

より単純な、より費用効率が高い、一方「最良実施」設計原理にできるだけ厳密に忠実な方法および装置が求められている。

本発明は、静電気加速度計またはレートジャイロデバイスなど、ほぼ全シリコンの、気密封止された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスをもたらすことにより製造を簡単にしコストを削減する、シリコン・オン・オキサイド（ＳＯＩ）および両面研磨（ＤＳＰ）ウェーハのバルクマシニングならびに融着接合に基づく、センサ構造のための装置および方法を提供する。

本発明の一態様において、デバイスは、誘電層によりハンドル層から分離された能動半導体層の中に形成されたデバイスセンサ機構と、薄い誘電層を備える比較的厚いハンドル部を有する第１のシリコンカバープレートとを含む。カバープレートの誘電層は、デバイスセンサ機構の能動層面に接合される。導線を露出させるために、空洞が、ハンドル層の一方または両方、および対応する誘電層の中に形成される。

本発明の他の態様において、カバーがＳＯＩウェーハであり、能動構成要素からのセットバックが、能動層が保護的にドープされている状態で、ハンドル層の中に異方性エッチングされる。

本発明の好ましい代替的実施形態が、以下の図に関連して以下に詳細に説明される。

本発明の一実施形態により形成されたセンサ機構デバイスの断面図である。 図２Ａはセンサ機構デバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図２Ｂはセンサ機構デバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図２Ｃはセンサ機構デバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図２Ｄはセンサ機構デバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図２Ｅはセンサ機構デバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。 本発明の一実施形態により形成された、他のセンサ機構デバイスの断面図である。 図４Ａは図３のデバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図４Ｂは図３のデバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図４Ｃは図３のデバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図４Ｄは図３のデバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図４Ｅは図３のデバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図４Ｆは図３のデバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。図４Ｇは図３のデバイスを生成するための製作プロセスを示す図である。 本発明のアイソレータフランジの斜視図である。

図１、図２Ａ〜図２Ｅは、センサ機構デバイス２０、およびセンサ機構デバイス２０を作るためのプロセスを示す。第１のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ３０は、ハンドル層（Ｓｉ）３２上にある誘電体（例えば、ＳｉＯ_２）の層３６上に、機構層３４を有する。誘電層３６は、約０．５から３．０ミクロンの厚さを有し、ハンドル層３２と機構層３４の間に挟まれる。誘電層３６は、酸化物または何らかの他の絶縁体である。

最初に、図２Ａに示すように、機構層３４が、知られているエッチング剤を使用して、所定のエッチングパターンに従ってエッチングされる（例えば、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはＤＲＩＥ（深堀り反応性イオンエッチング））。誘電層３６は、エッチストップとして働く。エッチングにより、機構層３４の中に、適切なアクチュエータおよび／またはセンサの機械的フィーチャ（例えば、３８）が露出される。次に、図２Ｂで示すように、フッ化水素（ＨＦ）エッチングおよび／または二酸化炭素（ＣＯ_２）を使用し、フィーチャ３８の下および周囲の誘電体をエッチングで除去する。ハンドル層３２がエッチストップとして働く限り、他のエッチング剤が使用されてよい。

図２Ｃは、シリコンカバー４０を両面研磨（ＤＳＰ）ウェーハから製作するところを示す断面図である。カバー４０は、ハンドル層４２の片側に誘電層４４を含む。誘電層４４は、エッチングされたフィーチャ３８の位置に対応する、協働する内部カバープレートのフィーチャのパターンを露出させるために、エッチングされる。誘電層４４は、ハンドル層４２がエッチストップである状態で、知られているエッチング技術（上記参照）を使用してエッチングされる。

次に、図２Ｄにおいて、シリコンカバー４０が、ＳＯＩウェーハ３０に、融着または金共晶接合される。誘電層４４の残りの部分は、機械層３４の非フィーチャ構成要素に接合される。次に、図２Ｅで示すように、ハンドル層３２および４２の一方または両方が、いくつかの、機構層３４の非フィーチャ部分に対する位置において、水酸化カリウム（ＫＯＨ）など、従来のウェットエッチングプロセスを使用して、エッチングで除去される。次に、誘電層３６および４４から露出された誘電材料の一方または両方が、機構層３４の非フィーチャ部分の一部を露出させるために、標準的なエッチングプロセスを使用してエッチングで除去される。次に、金属化コネクタ５０が、機構層３４の露出された非フィーチャセクションの部分に付着される。金属化コネクタ５０は、能動内部構成要素（フィーチャ３８）と電気的連通している、機構層３４上の露出された電気的トレースとの電気的接続をもたらす。最後に、封止された機能構成要素、および関連する、外側に露出された金属化コネクタ５０を分離するために、ダイシング（図示せず）が行われる。

図３および図４Ａ〜図４Ｇは、代替のセンサ機構デバイス１００およびそれを製作するプロセスを示す。センサ機構デバイス１００は、カバー１２０（図４Ｄ）がＳＯＩウェーハであること以外は、図１および図２Ａ〜図２Ｅに示すセンサ機構デバイス２０と同様である。また、図４Ｃは、能動構成要素１１２からのセットバックを作成するための追加のステップを示す。最初に、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、ベースのＳＯＩウェーハ１０２が図２Ａおよび図２Ｂで示すステップと同様の方法で処理され、能動構成要素１１２を作成する。構成要素１１２および機構層１０６の他の部分の表面は、ドープされるか、または以前にドープされている。次に、図４Ｃにおいて、異方性エッチング（例えば、エチレン−ジアミン−ピロカテコール（ＥＤＰ）、ＫＯＨ、テトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ））が、能動構成要素１１２からのセットバック１２８を作成するために、ハンドル層１１０について実施される。

次に、図４Ｄにおいて、能動構成要素１１２に対応する位置で、ベースウェーハ１０２からハンドル層１２２を露出させるために、カバー１２０がエッチングされる。次いで、任意選択の、機械的分離用周辺デバイス１３０が、ＤＲＩＥまたは類似のエッチング技術を使用してエッチングされる。次に、図４Ｅにおいて、カバー１２０が、融着、金共晶接合、または類似の種類の接合プロセスを使用して、ベースウェーハ１０２に取り付けられる。次に、図４Ｆにおいて、ＫＯＨエッチングまたは類似のエッチング技術を使用しベースウェーハ１０２のハンドル層１１０をエッチングで除去し、ハンドル層１２２は、周辺部周りの機械的分離を完成させ、誘電層１２４の部分を露出させるために、ＤＲＩＥプロセスによりエッチングされる。周辺部周りの機械的分離は、構成要素１１２がパッケージの中にあるときに機構要素１１２に作用しうる機械的負荷の量を減少させる。次いで、機構層１０６の表面を露出させるために、誘電層１２４の中の露出された誘電材料がエッチングされる。次いで、気密封止された空洞の中の能動機構要素１１２が外部のデバイス（図示せず）と接触することを可能にするために、金属化接点１４０が、機構層１０６の露出された表面に付着される。次いで、完全なパッケージのダイシング（図示せず）が実施される。

本発明の好ましい実施形態が、上記の通り、図示され、説明されてきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更がなされうる。例えば、説明され特許請求されるステップは、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、異なる順序で実施されてよい。例えば、能動層のドープが、その能動層をエッチングする前に実施されてよい。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示により制限されるものではない。それに代わり、本発明は、以下の特許請求の範囲を参照することにより、完全に決定されるべきである。

Claims (8)

1. １つまたは複数のエッチングされた能動構成要素を有する能動層（３４）と、ハンドル層（３２）と、前記能動層と前記ハンドル層（３２）の間に配置された誘電層（３６）とを備えるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハで形成されるベースセクションと、
   ハンドル層および誘電層（４４）を有するカバープレートと
   を備える、ウェーハレベルでパッケージングされたセンサデバイスであって、
   前記カバープレートの前記誘電層が、１つまたは複数の能動構成要素と対応するようにエッチングされ、前記カバープレートが前記ベースに接合され、前記ベースウェーハのハンドル層（３２）またはカバープレートのハンドル層（４２）のうちの少なくとも１つ、および対応する誘電層（３６、４４）が、前記能動層の表面の一部を露出させるために、１つまたは複数のエッチングされたピットフィーチャを有する、デバイス。
2. 前記能動層の前記露出された表面上に配置された金属化部をさらに含み、前記金属化部が、前記能動構成要素のうちの１つまたは複数の構成要素と電気的連通している、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記デバイスの外側の縁部において、前記ベースセクションおよび前記カバープレートを選択的にエッチングすることにより形成された、少なくとも１つのアイソレータフランジをさらに備える、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記ベースセクションの前記能動層（３４）が、異方性エッチングプロセスに抗するレベルのドーパントを有し、１つまたは複数のセットバックが、前記能動構成要素の近傍で、前記ベースセクションの前記ハンドル層（３２）の中に形成され、前記１つまたは複数のセットバックが異方性エッチングにより形成される、請求項１に記載のデバイス。
5. ウェーハレベルのパッケージデバイスを形成するための方法であって、
   ベースのシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ（３０）の能動層（３４）の中に、少なくとも１つの能動構成要素をエッチングするステップであって、前記ＳＯＩウェーハ（３０）が、誘電層（３６）により前記能動層（３４）から分離されたハンドル層（３２）を有する、ステップと、
   前記形成された能動構成要素の近傍で前記誘電層（３６）をエッチングするステップと、
   前記少なくとも１つの能動構成要素と合致する空洞を形成するためにカバープレートウェーハ（４０）の誘電層（４４）をエッチングするステップであって、前記カバープレート（４０）が、前記カバープレートウェーハの誘電層（４４）に取り付けられたハンドル層（４２）を有する、ステップと、
   前記能動層（３４）の表面を露出させるために前記ハンドル層（３２、４２）および対応する誘電層（３６、４４）のうちの少なくとも１層をエッチングするステップと、
   前記能動層（３４）の前記露出された表面の一部の上に金属化部（５０）を形成するステップとを含む、方法。
6. 外側の縁部において、前記ベースウェーハおよび前記カバープレートウェーハの中に、少なくとも１つのアイソレータフランジをエッチングするステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. ウェーハレベルのパッケージデバイスを形成するための方法であって、
   ベースのシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ（３０）の能動層（３４）の中に、少なくとも１つの能動構成要素を形成するステップと、
   前記能動層（３４）にドーパントを加えるステップと、
   少なくとも１つの能動構成要素の近傍で前記ＳＯＩウェーハ（３０）のハンドル層（３２）を異方性エッチングするステップと、
   前記ベースウェーハの前記能動構成要素に合致する１つまたは複数の空洞を形成するために、カバープレートＳＯＩウェーハ（４０）の能動層および誘電層（４４）をエッチングするステップと、
   前記カバープレートＳＯＩウェーハ（４０）に前記ＳＯＩウェーハ（３０）を接合するステップと、
   前記対応する能動層（３４）の表面を前記ベースＳＯＩウェーハ（３０）から、または前記カバープレートＳＯＩウェーハ（４０）から露出させるために、前記ハンドル層（３２、４２）のうちの少なくとも１つ、および対応する誘電層（３６、４４）をエッチングするステップと、
   前記露出された能動層（３４）の少なくとも一部の上に金属化部（５０）を形成するステップとを含む、方法。
8. １つまたは複数のアイソレーションフランジを形成するために、前記ＳＯＩウェーハをエッチングするステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。

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