JP3187389B2 - 密閉状態を確証するプロセス及びそのための半導体デバイス - Google Patents

密閉状態を確証するプロセス及びそのための半導体デバイス

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウェ
ハが微細加工されたセンサ構造体を密閉するため一緒に
結合されたときなどに、キャビティが完全に密閉された
か否かを確証するための方法に関する。より詳しくは、
本発明は、センサ構造体がキャビティ内部に完全に密閉
されたか否かの示度としてマイクロマシンのセンサ構造
体を閉じ込めておくキャビティ内の湿気を検出するため
の電気的確証技術及びそのためのデバイスに関する。
【０００２】
【従来技術】半導体産業では、半導体ウェハを第２のウ
ェハ又はガラスに結合することを必要とする多数の応用
があり、その一例が微細加工されたセンサ構造体（マイ
クロマシン（micromachine））を備えたシリコンウェハ
（本明細書中ではデバイスウェハとして言及される）に
よって形成されたセンサである。このセンサ構造体は半
導体又はガラスウェハ（本明細書中ではキャッピングウ
ェハ（capping wafer）として言及される）によって覆
われる。半導体センサの例として、偏揺れセンサ（角速
度（angular rate）センサ）、加速度センサ、及び圧力
センサなどがあり、それらの各々は、典型的には、ウェ
ハの間にマイクロマシンを閉じ込めるキャビティを伴っ
ている。絶対圧力センサは、キャビティが吸引されて完
全に密閉されることを必要とすると共に、共振するマイ
クロマシンを備えた偏揺れセンサの性能は、一般に該マ
イクロマシンが真空中で作動するようにキャビティが吸
引される場合に有利となる。
【０００３】それらの作動における正にその性質によっ
て、マイクロマシンは、両ウェハ間の密閉状態がキャビ
ティから異質の物質を排除するのに十分であることを必
要としながら、ある程度まで自由に動かなければならな
い。完全な密閉状態は、湿気も確実に排除する。この湿
気は、低温度で氷の結晶を形成してマイクロマシンの運
動を妨げることができる。従って、ウェハ間の結合が完
全な状態であることが半導体センサの寿命にとって本質
的に重要である。この結合の強度及び信頼性を最大にす
るという目的のために様々な結合技術が使用されてき
た。例えば、中間の結合材料として、接着剤、例えばガ
ラスフリット（glass frit）などの誘電体や半田などが
従来技術において提案されてきた。中間材料を必要とし
ないシリコン直接結合及び陽極結合技術もまた使用され
てきた。予想されるであろうように、これらの結合技術
の各々が完全な密閉状態を確実に与えるための条件は様
々に変動する。
【０００４】これらの密閉方法の各々は幅広く使用され
たが、結合作業の後にキャビティが完全に密閉されない
センサが生産されるのは避けられなかった。返品及び現
場での失敗を減少させるために、結合作業に引き続いて
不適切な密閉状態のデバイスを同定することが要求され
る。労力を多大に要する視覚的な検査が密閉されていな
いデバイスを除外するのに有用であるが、人間によるエ
ラーの可能性により不経済で且つ妥協的である。様々な
自動化された検査技術も利用可能であるが、各々の技術
は限界を持ち、大きなスケールの組み立てプロセスで実
行するため、しばしば高価となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、半導
体ウェハとキャッピングウェハとの間で完全に密閉され
たキャビティが達成できたか否かを決定するための方法
を提供することである。
【０００６】本発明の別の目的は、上記したそのような
方法が、ＰＮ接合ダイオードを用いて完全な密閉状態か
否かの示度としてキャビティ内の湿気の存在を検出でき
るようにすることである。
【０００７】本発明の更に別の目的は、上記したそのよ
うな方法が大規模の組み立てプロセスで容易に実行でき
るようにすることである。本発明の更に別の目的は、上
記したそのような方法がマイクロマシンのセンサ構造体
を備えた半導体センサを検査するのに役立つようにする
ことである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の好ましい実施形
態によれば、上記目的並びに他の目的及び効果は次のよ
うに達成される。
【０００９】本発明によれば、一対のウェハの間で微細
に加工されたセンサ構造体を閉じ込めるキャビティが完
全に密閉されているか否かを確証するための方法及びデ
バイスが提供される。本発明は、センサ構造体がキャビ
ティ内で完全に密閉されているか否かの示度としてキャ
ビティ内の湿気を検出する電気的確証技術及び半導体デ
バイスを必要とする。
【００１０】本発明に係る方法は、概して、保護膜処理
されていないむき出しのＰＮ接合ダイオード、好ましく
は、マイクロマシンのセンサ構造体を有するデバイスウ
ェハを半導体基板に形成する工程を必要とする。例え
ば、ＰＮ接合ダイオードはデバイスウェハのＮ型エピタ
キシャル層にＰ型領域を打ち込むことによって形成する
ことができる。次に、デバイスウェハは、任意の適当な
材料のキャッピングウェハに結合され、ＰＮ接合ダイオ
ード及びマイクロマシンを、両ウェハによってその間に
画成されたキャビティ内に閉じ込める。この結合工程
は、シリコン直接結合（silicon direct bonding）、シ
リコン融解結合（silicon fusion bonding）、陽極結合
（anodic bonding）及びガラスフリット（glass frit）
などを始めとする様々な方法によって達成することがで
きる。次に、ＰＮ接合ダイオードの逆方向ダイオード特
性が、該ダイオードを通して逆方向電流を流させること
によって決定される。この目的のために、既知の値の電
圧をダイオードに印加して逆方向の漏れ電流を測定する
方法、或いは、既知の値の逆方向電流をダイオードを通
して強制的に流してその電圧を測定する方法のいずれか
が実行される。本発明によれば、保護膜処理されたＰＮ
接合ダイオードは本質的に湿気によって影響を受けない
が、本発明に係る保護膜処理されていない接合ダイオー
ドは、十分な湿気がキャビティ内に存在する場合、不安
定な電流／電圧の読み取り値を表すであろう。この読み
取り値は、キャビティが完全に密閉されているか否かを
示している。
【００１１】本発明の方法を用いると、半導体センサの
プロセッシングは、キャビティ内に保護膜処理されてい
ないＰＮ接合ダイオードを備えるようにほんの僅かに変
えられるだけであり、ウェハ結合後のテスト工程は、ダ
イオードを通過する電圧又は電流を測定することであ
る。従って、本発明は、多大な労力を要しない低コスト
の検査方法を提供し、大きなスケールの組み立てプロセ
スを容易に実行することを可能にする。更に、完全に密
閉されていないキャビティを有するセンサを検出すると
きには高い信頼性を有し、返品及び現場での失敗を減少
させる。
【００１２】本発明の他の目的及び効果は、次の詳細な
説明からより良く理解されよう。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して本
発明の実施形態を説明する。図１乃至図３は、本発明に
係る半導体センサを示す。このセンサは、マイクロマシ
ン１４がウェハ１０及び１２の間で完全に密閉されたキ
ャビティ１６の内部に閉じ込められるように、デバイス
ウェハ１０をキャッピングウェハ１２に結合することに
よって形成される。ウェハ１０及び１２は、他の材料を
使用できるようになると予測できるけれども、シリコン
が好ましく、デバイスウェハ１０は単結晶質シリコン
（monocrystallographic silicon）が好ましい。例え
ば、キャッピングウェハ１２は、ガラス、セラミック、
或いは、他の半導体材料から形成することができる。マ
イクロマシン１４は、運動に関するパラメータ、圧力な
どを検出するため容量性の圧力抵抗及び圧電抵抗のセン
サ要素に依存する共振構造、振動板及び片持ち翼部を備
えるようにしてもよく、当該技術分野で周知されている
任意の物理量を検出するための任意の適当な型式とする
ことができる。
【００１４】従来と同様に、マイクロマシン１４は伝導
性ランナー２２によってデバイスウェハ１０上の金属結
合パッド２４に電気的に相互接続されている。図２に示
すように、ランナー２２は、デバイスウェハ１０及びキ
ャッピングウェハ１２の交接する表面の間に、例えばガ
ラスフリットなどの結合材料１８の下方で交接する。し
かしながら、本発明は中間結合材料を使用する必要がな
いが、シリコン溶融結合（ＳＦＢ）を含むシリコン直接
結合（ＳＤＢ）方法を使用することもできる。この方法
によって、デバイスウェハ１０及びキャッピングウェハ
１２は、中間の結合材料、合金及び粘着性フィルムを用
いること無く結合されることができる。結合パッド２４
を用いて、マイクロマシン１４及びそれに連係するセン
サ要素は、デバイスウェハ１０、キャッピングウェハ１
２或いは分離したチップ上に形成され得る適切な信号調
整回路と電気的に相互接続される。
【００１５】本発明によれば、マイクロマシン１４は、
キャビティ１６の内部に、オプションにより真空中に、
密閉される。この密閉状態の完全性は、キャビティ１６
の内部に、好ましくは図２に示すようにマイクロマシン
１４に接近した状態で存在するむき出しのＰＮ接合ダイ
オードの存在によって確証される。当業者により理解さ
れているように、ダイオード２０は、切れ目なく連続し
たＰ型領域及びＮ型領域を必要とする。例えばＰ型打ち
込み領域３２は、図３に示すように、デバイスウェハ１
０上のＮ型エピタキシャル層３４内に形成される。安定
したＰＮ接合特性を顕在化させるためパッシベーション
膜（例えば１又はそれ以上の熱酸化物又は窒化物の層）
又は他の保護用コーティングを必要とする、マイクロエ
レクトロニクスの分野で使用される従来のＰＮ接合ダイ
オードとは対照的に、本発明に係るＰＮ接合ダイオード
２０は、むき出しの状態で使用されており、パッシベー
ション膜及び他の保護用フィルムがダイオード２０の上
に亘って存在しないことを示している。図３に描かれた
ように、キャビティ１６の内部でデバイスウェハ１０の
表面を保護しているパッシベーション層３６は、ダイオ
ード２０を覆っておらず、即ちこれを保護していない。
【００１６】本発明によれば、そのような保護が無けれ
ば、ダイオード２０の接合特性は、キャビティ１６の内
部に存在する湿気によって顕著に低下される。より詳し
くは、本発明に係るむき出しのＰＮ接合ダイオード２０
は、ある一定レベルの湿度を持った湿気に曝されたとき
比較的低い逆方向の絶縁破壊電圧を有し、この湿気は、
ウェハ結合プロセスの間にキャビティ１６から排除さ
れ、ウェハ１０及び１２の間の結合の割れ目を通して湿
気を帯びた空気を侵入させることによってしか再導入す
ることができない。この結果として、キャビティ１６の
内部の湿度の過剰レベルは、一般に、相対湿度約４０％
又はそれ以上のオーダーにあり、ダイオード２０を通し
て十分高い逆方向電流を流し、その結果生じる電圧を測
定することによって検出することができる。或いは、ダ
イオード２０に既知の値の電圧を印加し、逆方向電流を
測定することによっても該湿度を検出することができ
る。この目的のため、金属製ランナー２６は、ダイオー
ド２０のＰ型領域（例えばＰ型打ち込み領域３２）を、
キャビティ１６の外部のデバイスウェハ１０上の金属結
合パッド２８に相互接続するように形成される。ダイオ
ード２０のＮ型領域（例えばＮ型エピタキシャル層３
４）への接続は、第２の金属結合パッド３０を用いてな
される。
【００１７】本発明に係るむき出しのＰＮ接合ダイオー
ド２０を、いくつかのプロセスによって形成することが
できる。一般には、領域及びドーピングのプロフィール
を、ダイオード２０が使用されるべきところのデバイス
におけるパーケージ上の制約に基づいて選択することが
できる。ダイオード２０は、該ダイオード２０が保護膜
処理されないところのデバイス用の通常プロセスの流れ
の部分として形成することができる。しかしながら、む
き出しのダイオード２０をある一定のプロセス、例えば
金属スパッタリングなどのプロセスに曝す工程は、ダイ
オードの品質に否定的な影響をもたらし得る。この代替
となる方法は、デバイスウェハ１０の他の領域と共にダ
イオード２０を保護膜処理し、次に、マスク及びエッチ
ング停止手段を追加し、該マスク／エッチング停止手段
を結合パッド２４、２８及び３０に対して適用した後
に、保護膜（パッシベーション）を取り除くことであ
る。しかしながら、過剰のマスク／エッチング停止手段
は望ましくなく、特に、マイクロマシン１４が形成され
た後では望ましくない。好ましいアプローチは、結合パ
ッドにマスク／エッチング停止手段を適用するプロセス
の間にダイオード２０から保護膜を除去することであ
る。このプロセスは、典型的に金属結合パッド２４に対
して要求され使用されるエッチングを超えてパッドエッ
チングを延長することを必要とする。結合パッドに不都
合な作用を及ぼさない一方で、このアプローチは、デバ
イスウェハ１０上のプラズマ酸化物（plasma oxide）及
び熱酸化物の両方の過剰のアンダーカットの原因となる
マスクレベルの大きさを変更することを要求する。実際
のところ、デバイスウェハ１０及び１２をシリコン直接
結合するプロセスを含む引き続くエッチング及び結合作
業の間に、ＰＮ接合ダイオードが曝される結果として、
逆の効果（例えば、熱酸化によるダイオード２０の再度
の保護膜付加）は観察されなかった。
【００１８】本発明に導く調査研究の間、むき出しのＰ
Ｎ接合ダイオードは、本質的に同一のドーピングのプロ
フィール及び領域を有する保護膜処理されたＰＮ接合ダ
イオードと比較しながらその性能を評価された。ダイオ
ードの幾何学及びドーピングのプロフィールが与えられ
たとき、保護膜処理されたダイオードの絶縁破壊電圧は
約５０Ｖ（ボルト）であったこと、及び約７０Ｖにおけ
る逆方向の漏れ電流は約５００ｎＡ（ナノアンペア）よ
り小さいと予想されるということが決定された。相対湿
度が約８０％のとき、ダイオードの各々に約７０Ｖの電
圧が印加された状態で、電流値が０．２秒乃至１７秒の
周期に亘って読み取られた。その結果が以下の表１に要
約されている。
【００１９】
【表１】
【００２０】上記表１の結果より、保護膜処理されたダ
イオードは、テストされた電圧では安定した状態（ほと
んど理想的な状態）を維持したが、本発明に係るむき出
しのダイオードは、最初に低い逆方向電流（保護膜処理
されたダイオードと比較することのできる電流値）を示
したものの、数秒以内に不安定状態となって保護膜処理
されていない（理想的でない）ダイオードの遷移特性を
示したことが明らかとなった。特に、むき出しのダイオ
ードに対する逆方向電流は、４秒後に１０の因子まで増
大した。このことは４秒の遅延時間が不適切な密閉状態
を同定する上で適切な時間として採用することができる
ことを示唆している。
【００２１】第２の研究調査の間、上でテストしたもの
と本質的に同一のむき出しのＰＮ接合ダイオード及び保
護膜処理されたＰＮ接合ダイオードが評価された。この
とき、これらのダイオードは、該ダイオードを通して１
μＡ（マイクロアンペア）の逆方向電流を強制的に流
し、次いで０．２秒乃至３秒の遅延時間に続いて対応す
る電圧を測定することによって評価された。その結果が
以下の表２に要約されている。
【００２２】
【表２】
【００２３】これらの結果は、保護膜処理されたダイオ
ードが０．２秒乃至３秒の遅延時間に対して安定した読
み取り値を与えたが、本発明に係るむき出しのダイオー
ドが僅か３秒後に４の因子まで減少したことを明らかに
している。このことに基づいて、統計的に有意な読み取
り値の変化を得るのに要する遅延時間が電圧を印加する
方法（表１）よりも電流を強制的に流す方法（表２）を
用いた方がより短くなったので、電流を強制的に流し電
圧を測定する技術がより好ましいと結論された。
【００２４】上記のことに基づいて、上記のようにテス
トされたものと本質的に同一のむき出しのＰＮ接合ダイ
オード及び保護膜処理されたＰＮ接合ダイオードに対し
て更なるテストが実施された。しかし、今度は相対湿度
が１０％より小さい湿気を含む完全に密閉された環境で
行われた。表１で報告された実例に対してなされたよう
に、約１７Ｖの電圧が各々のダイオードに印加され、逆
方向電流値が読み取られ記録された。この結果が以下に
示す表３に要約されている。この結果から、湿気が実質
的に欠落しているときには、むき出しのＰＮ接合ダイオ
ードの安定性が保護膜処理されたＰＮ接合ダイオードの
安定性と比較可能となることが明らかとなった。時間の
経過による電流の減少は、テストされたダイオードの構
造ではなくウェハレベルの問題に起因すると考えられ
た。
【００２５】
【表３】
【００２６】上記表３より、評価されたむき出しのＰＮ
接合ダイオードは１０％より小さい相対湿度に対しては
反応を敏感に示さないことが結論された。しかし、プロ
セッシングの間に典型的に見られる湿度レベル例えば表
１及び表２のデータを生成するのに使用された、一般に
８５％及びそれ以上の相対湿度に曝される結合ウェハア
センブリでは、漏れ電流が検出されることも見出され
た。むき出しのＰＮ接合ダイオードの感度は様々に異な
る条件下でより大きくなったりより小さくなったりし得
るけれども、保護膜処理されていない本発明に係るＰＮ
接合ダイオード２０は、相対湿度約４０％程度の低い湿
度レベルにおいて湿気によって影響されることが、更な
るテストによって示された。
【００２７】本発明は、好ましい実施形態の観点から説
明されたが、当業者が他の様々な形態を構成することが
できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】デバイスウェハ、キャッピングウェハ、及びマ
イクロマシンのセンサ構造体を備え、更に、本発明に係
る両ウェハ間に完全な密閉状態が存在するか否かを決定
するための保護膜処理されていないＰＮ接合ダイオード
を備える、半導体センサアセンブリの断面図である。
【図２】図１のデバイスウェハの平面図である。
【図３】図１及び図２のＰＮ接合ダイオードを更に詳細
に示す断面図である。
【符号の説明】
１０ デバイスウェハ（半導体基板） １２ キャッピングウェハ １４ マイクロマシン（センサ構造体） １６ キャビティ １８ 結合材料 ２０ ＰＮ接合ダイオード ２２ 伝導性ランナー ２４ 金属結合パッド ２６ 金属製ランナー ２８ 金属結合パッド ３０ 第２の金属結合パッド ３２ Ｐ型打ち込み領域 ３４ Ｎ型エピタキシャル層 ３６ パッシベーション膜（保護膜）
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B81C 5/00 G01B 7/14 G01C 19/56 G01L 9/04 G01P 15/08

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 キャビティ（１６）をその間に画成する
    ２つの結合されたウェハ（１０，１２）の間の密閉状態
    を検査するための方法であって、前記方法は、 半導体基板（１０）にむき出しのＰＮ接合ダイオード
    （２０）を形成し、 デバイスウェハ（１０）をキャッピングウェハ（１２）
    に結合して、前記ＰＮ接合ダイオード（２０）を、前記
    デバイスウェハ（１０）及び前記キャッピングウェハ
    （１２）により両ウェハ間に画成されるキャビティ（１
    ６）の内部に閉じ込め、 次に、前記ＰＮ接合ダイオード（２０）に逆方向電流を
    流し、前記キャビティ（１６）の内部に存在する湿気の
    示度として、前記逆方向電流を測定するか、又は、前記
    逆方向電流により引き起こされる電圧を測定する、各工
    程を含む、前記方法。
  2. 【請求項２】 前記半導体基板（１０）は前記デバイス
    ウェハ（１０）の表面領域である、請求項１に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 前記方法は、前記デバイスウェハ（１
    ０）を前記キャッピングウェハ（１２）に結合する前に
    前記デバイスウェハ（１０）にマイクロマシン（１４）
    を形成する工程を更に含むことを特徴とする、請求項１
    に記載の方法。
  4. 【請求項４】 シリコン直接結合、陽極結合及びガラス
    フリット結合を含むグループから選択された結合方法に
    よって前記デバイスウェハ（１０）が前記キャッピング
    ウェハ（１２）に結合される、請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記ＰＮ接合ダイオード（２０）を通し
    てその逆方向電流が流れさせられ、前記キャビティ（１
    ６）の内部に存在する湿気の示度として電圧が測定され
    る、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記ＰＮ接合ダイオード（２０）に亘っ
    て電位差が与えられて前記逆方向電流が流れさせられ、
    前記キャビティ（１６）の内部に存在する湿気の示度と
    して前記逆方向電流が測定される、請求項１に記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 前記半導体基板（１０）はＮ型であり、
    前記ＰＮ接合ダイオード（２０）は前記Ｎ型の半導体基
    板（１０）にＰ型領域を打ち込むことによって形成され
    る、請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載された方法によって形成
    された半導体センサ。
  9. 【請求項９】 請求項３に記載された方法によって形成
    された半導体センサ。
  10. 【請求項１０】 請求項７に記載された方法によって形
    成された半導体センサ。
  11. 【請求項１１】 前記むき出しのＰＮ接合ダイオード
    （２０）が前記デバイスウェハ（１０）の第１の表面領
    域で保護膜処理されていないＰＮ接合ダイオード（２
    ０）であり、前記ＰＮ接合ダイオード（２０）に亘って
    電位差が与えられることによって前記逆方向電流が引き
    起こされ、前記逆方向電流の流れ開始時点に続いて約
    ０．２秒以上の遅延の後に前記逆方向電流又は電圧が測
    定され、 前記半導体ウェハの第２の表面領域にマイクロマシンの
    センサ構造体（１４）を形成し、 前記マイクロマシンのセンサ構造体（１４）を前記キャ
    ビティ（１６）の内部に前記ＰＮ接合ダイオード（２
    ０）と共に閉じ込める、各工程を更に含む、請求項１に
    記載の方法。
  12. 【請求項１２】 シリコン直接結合、陽極結合及びガラ
    スフリット結合を含むグループから選択された結合方法
    によって前記半導体ウェハが前記キャッピングウェハ
    （１２）に結合される、請求項１１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記半導体ウェハの前記第１の表面領
    域はＮ型であり、前記ＰＮ接合ダイオード（２０）は前
    記第１の表面領域にＰ型領域を打ち込むことによって形
    成される、請求項１１に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１１に記載された方法によって
    形成された半導体センサ。
  15. 【請求項１５】 請求項１３に記載された方法によって
    形成された半導体センサ。
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