JP4119475B2 - 堅牢な基板内に絶縁部分を備えた構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、堅牢な基板内に絶縁部分を備えた構造、および、そのような構造の製造方法に関するものである。

そのような構造は、寄生キャパシタンス効果といった寄生効果を避けるために一部が絶縁されなければならないような集積回路の製造といったマイクロエレクトロニクスの分野に応用することができる。

このような構造は、また、加速度計または圧力センサのようなセンサの製造、および、アクチュエータの製造といったマイクロメカニクスの分野に応用することができる。加速度計の場合には、構造のうちの絶縁部分は、例えば、加速度を計測するための重りにより構成される。

圧力センサや加速度計といったセンサの製造に際しては、ＳＯＩタイプの構造を幅広く使用することができる。このような構造は、酸化シリコンの埋込層を介して下部シリコン層から隔離された、薄いシリコン表面層を有している。薄いシリコン層は、局所的に下部層のないところがある。その場合には、薄いシリコン層は、例えば、圧力センサのメンブランを構成することができる。あるいは、適切に形成されているならば、薄いシリコン層は、加速度計の重りを構成することができる。これに関しては、下記参考文献（１）、（２）を参照することができる。

表面層は、また、アクチュエータが製造されるようにして形成することができる。マイクロ機械加工法によって製造されるアクチュエータに関しては、下記参考文献（３）、（４）を参照することができる。

酸化シリコンの埋込層は、薄いシリコン層内に形成された構造を支持するという役割を有している。これに関しては、特に、加速度計に関連した参考文献（２）に明示されている。

しかしながら、厚さが薄いことのために、絶縁性酸化層によってもたらされる電気的または機械的絶縁が、不十分であることがわかっている。

とりわけ、深層の下部シリコン層とシリコン表面層との間に、寄生キャパシタンス現象が誘起される可能性がある。

このような現象は、加速度計の計測や、キャパシタの計測を原理として動作する他のセンサの計測に、良くない影響を与えることとなる。

ＳＯＩタイプの構造の他の欠点、および、このような構造から製造されたデバイスの欠点は、コストがかさむことである。
仏国特許明細書第２ ７００ ０６５号（参考文献２） Novel High-Performance Pressure Sensors Using Double SOI Structure，Gwiy-Sang Chung et al., IEEE 1991, pages 676-680（参考文献１） Thermal Micro-actuators for Surface Micro-machining Process by J.H. Comtois et al., SPIE, vol. 2642, pages 10-21（参考文献３） Comb Actuators for XY-microstages by V.P. Jaecklin et al., Sensors and Actuators A, 39 (1993), 83-89（参考文献４）

本発明の目的は、安価に製造できるとともに上述の制限を有していないような、電気絶縁部分を備えた構造を提供することである。

本発明の他の目的は、寄生キャパシタンス効果をほとんど受けることがないともにセンサの製造に利用可能な、電気絶縁部分を備えた構造を提供することである。本発明の目的は、また、そのような構造の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明は、より詳細には、第１部分と、第１部分に対して電気的に絶縁された少なくとも１つの第２部分と、を具備する構造であって、第１部分および第２部分は、各々が、同一の材料ウェハ内に形成されるとともに、実質的に１つのかつ同一の厚さとされ、さらに、実質的に１つのかつ同一の平面内に延在し、しかも、少なくとも１つの相互に隣接するエッジを有し、これら隣接エッジどうしは、空間によって隔離されている構造を目的としている。本発明によれば、構造は、加えて、空間内に設けられるとともに絶縁材料からなる少なくとも１つのジョイントを具備し、ジョイントは、第１部分および第２部分を一体とするとともに、各ウェハの少なくとも一部に対して機械的に接触し、さらに、ウェハの実質的に厚さ全体にわたって延在している。

絶縁材料製ジョイントは、二重の機能を有している。第１の機能は、第１部分と第２部分との間において電気絶縁をもたらすことである。電気絶縁の品質は、空間の幅によって、つまりジョイントの幅によって調節できること、また、ジョイント形成のために使用される材料によって調節できることに注意されたい。絶縁ジョイントの第２の機能は、第１部分および第２部分を一体化することにより、構造の連結性を維持することである。特に、ジョイントは、ウェハの主面を、実質的に１つのかつ同一の平面内に保持することができる。

このようにして得られた構造は、適切な支持構造に連結することができるけれども、絶縁された第２部分は、キャパシタンス効果が望ましくない場合には、キャパシタンス効果を避けるために、支持構造から十分に離すことができ、なおかつ、第１部分から隔離することができる。

他方、他の応用においては、第１部分および第２部分の隣接エッジは、可変キャパシタンスが形成されるよう十分に近接配置することができる。

キャパシタンスの測定により、およびそれによるキャパシタンス変化の測定により、第１部分および第２部分の間の任意の変位を決定することができる。加速度計あるいはアクチュエータの製造を可能とするこの見地については、詳細に後述する。

有利な見地においては、第１部分および第２部分は、相互に対応した形状とすることができる。その場合、両部分の間の空間は、実質的に一様である。

第１部分および第２部分は、基板をラインに沿って２つの部分へとカットすることにより得られた単なるウェハとすることができ、並置することができる。しかしながら、変形例においては、第２部分は、材料ウェハのうちの、第１部分をなす材料ウェハ内において特定パターンにしたがってカットされた部分とすることができる。

以下においては、単一の第１部分および単一の第２部分を参照する。しかしながら、１つの第１部分と、相互絶縁されかつ第１部分から絶縁されている複数の第２部分と、から構造を構成することができる。特に、第１部分をなす材料ウェハ内において、構造の第２部分をなすこととなる部分を複数カットすることができる。

予想される応用においては、特に、例えば加速度計やアクチュエータといったセンサの製造に際しては、構造のうちのそれぞれ第１部分および第２部分をなすウェハ材料としては、非絶縁性材料を選択することができる。非絶縁性材料としては、半導電性材料や導電性材料が想起される。

例示するならば、材料は、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＣのような半導体材料、Ａｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏのような金属、および、これら金属の合金の中から選択される。

本発明の他の目的は、第１部分と、第１部分と面一であるとともに第１部分に対して電気的に絶縁された少なくとも１つの第２部分と、を具備する構造を製造するための方法であって、本方法においては、
ａ）基板ウェハのカットの際に第１部分と第２部分とを連結しておくためのものであって保持部と称される少なくとも１つの部分を第１部分および第２部分内に形成するようにして、基板ウェハをカットし、
ｂ）実質的に第１部分および第２部分の厚さ全体にわたって第１部分および第２部分の少なくとも一部を連結する絶縁性保持ジョイントによって、基板の第１部分および第２部分を連結している前記保持部を置換する。

絶縁性保持ジョイントによって、基板の第１部分および第２部分を連結している保持部を置換するに際しては、ジョイントを所定位置に配置するとともに保持部を除去する、あるいは、保持部を絶縁性ジョイントへと変換する、のいずれかである。

本発明の方法は、いくつかの態様で実施可能である。

第１態様においては、ステップａ）において、基板ウェハを貫通するとともに主要部分において第１部分および第２部分を隔離する少なくとも１つの切欠を形成する。その後、ステップｂ）において、第１部分および第２部分の間の保持ジョイントをなす絶縁性材料によって切欠を充填し、さらに、第１部分および第２部分を連結する保持部を除去する。

主要部分において貫通する切欠が形成されてこの切欠が隣接エッジにおいて第１部分および第２部分を隔離するにしても、製造時における基板の連結を維持し得るよう第１部分および第２部分を連結しておく部分が、１つまたは複数設けられることは理解されるであろう。このような部分は、保持部と称される。

本方法の実施の変形例においては、ステップａ）において、基板ウェハを貫通しないことにより第１部分および第２部分を連結する保持部をなす底部を有するとともに主要部分に関して第１部分および第２部分を隔離する少なくとも１つの切欠を形成する。この場合、ステップｂ）において、第１部分および第２部分の間のジョイントを形成するための絶縁性材料によって切欠を充填し、さらに、切欠の底部を除去する。

第１部分および第２部分の連結のために切欠の底部を残す場合には、切欠は、貫通させない。

この切欠の底部は、絶縁性ジョイントが所定に配置されるまでの間において、構造の連結を維持する。

絶縁性ジョイントの形成が完了すると、切欠の底部は、基板ウェハの機械的、化学的、あるいは、物理的薄肉化によって除去される。

本方法における上記２つの実施態様は、互いに排他的なものではない。実際、切欠のエッチング時においては、切欠の底部と、ウェハの厚さ全体にわたって第１部分および第２部分をつなぎ止めておくための保持部と、の双方を残すことができる。

切欠の底部が除去された時点においては、場合によっては第１部分および第２部分をつなぎ止めている部分が除去された時点においては、第１部分と第２部分とは、電気的に絶縁されている。

本発明による方法のさらに他の変形例においては、ステップａ）におけるウェハのカットに際しては、側壁によって互いに隔離された複数の隣接孔をウェハに孔開けする。この場合、ステップｂ）においては、側壁を酸化して、加えて必要であれば孔の底部を酸化して、それらを、絶縁性保持ジョイントへと転換する。

この変形例にしたがった実施においては、基板ウェハのカット後において、保持基板のうち、初期的に第１部分および第２部分をつなぎ止めている部分は、孔どうしを隔離している側壁である。孔が貫通していない場合には、孔の底部も、同様に、保持部として利用することができる。この場合には、保持機能を有したこれらの部分は、上記実施態様のように除去されるのではなく、酸化によって転換され、絶縁性保持ジョイントを形成する。

本発明の他の特徴点および利点は、添付図面を参照した、例示の目的のためだけのものであって本発明を何ら制限するものではない以下の説明により、明瞭となるであろう。

本発明の第１実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

図１は、好ましくは例えば半導体・金属・金属合金のような非絶縁性材料から形成された基板ウェハ１０を示す平面図である。

基板ウェハは、堅牢なウェハとすることができる、あるいは、好ましくは少なくとも１層が非絶縁性材料層であるような、複数の異なる材料層から形成されたウェハとすることができる。

図１に示すように、ウェハ１０には、ウェハを第１部分１４と第２部分１６とに分割するような、２つのＵ字形切欠１２ａ、１２ｂが形成されている。

より詳細には、切欠１２ａ、１２ｂは、第１部分と第２部分の隣接エッジどうしを隔離するような、空間を形成している。これら隣接エッジは、参照符号１８、２０で示されている。

切欠１２ａ、１２ｂは、第２部分１６を第１部分１４から完全に隔離しているわけではないことに注意されたい。これら両部分は、基板のうちの、切欠１２ａ、１２ｂのエッチング時に残された２つの部分２２、２４によって、互いに堅固に保持されている。基板のうちの、「ブリッジ」と称されるこれらの部分２２、２４は、いくつかの機能を有している。第１の機能は、上述のように、両部分１４、１６の連結を維持することであり、特に、第２部分１６を第１部分１４から外れないようにしておくことである。さらなる機能は、一様な間隔でもって隣接エッジ１８、２０を隔離するようにして、第１部分１４を固定位置に保持することである。最後の機能は、両部分１４、１６を、実質的に１つの同一平面内に保持することである。

両部分１４、１６が面一性を有していることは、図１のウェハのI−I平面に沿った断面図である図２において、明瞭となるであろう。

図２は、切欠１２ａ、１２ｂが、貫通した切欠であること、すなわち、ウェハ１０の厚さ全体にわたって延在する切欠であること、を示している。

切欠１２ａ、１２ｂは、ウェハ１０の材料に依存して、ドライエッチングまたはウェットエッチングによって、あるいは、超音波機械加工技術またはレーザー機械加工技術によって、形成することができる。

深い異方性エッチングを行うための現在の設備を使用すれば、基板内に、深い切欠をエッチングすることができる。例えば、５００μｍあるいはそれ以上といった程度の厚さのシリコンウェハを貫通するような切欠をエッチングすることができる。

第２ステップにおいては、ブリッジ２２、２４を、ウェハの第１部分１４に対して第２部分１６を保持するための他の手段でもって、置換することである。この手段は、絶縁性でなければならない。

したがって、切欠１２ａ、１２ｂ内には、平面図である図３Ａに示すように、絶縁性材料が配置される、あるいは、形成される。

両切欠内への絶縁性材料を配置するに際しては、例えば、ウェハ１０の中央に絶縁性接着剤の液滴を滴下し、それから、ウェハのうちの液滴が位置している方の面上にシリコーンフォームフィルムを配置し、その後、アセンブリを押圧する。これにより、接着剤を切欠１２ａ、１２ｂ内に押し込む。接着剤は、例えば、Ｅｐｏｔｅｃｈｎｉ社のタイプＥ５０５という接着剤である。これにより、図４に示す構造が得られる。

接着剤は、参照符号２８ａ、２８ｂで示すような絶縁性ジョイントを形成し、このような絶縁性ジョイント２８ａ、２８ｂは、切欠１２ａ、１２ｂを充填している。図４において、絶縁性ジョイント２８ａ、２８ｂは、部分１４、１６の隣接エッジ１８、２０を連結しているとともに、厚さをウェハ１０の主面に直交するものと定義した場合に両部分の厚さ全体にわたって延在していることに注意されたい。

接着剤は、切欠１２ａ、１２ｂ内に導入された後に、重合または乾燥し得るような、任意のポリマーまたは液体エポキシ樹脂または液体シリカによって代替することができる。しかしながら、ポリマーまたは樹脂は、電気絶縁性を呈するものが選択される。

図３Ｂに示す変形例においては、絶縁性ジョイントは、切欠１２ａ、１２ｂのうちの、第２部分１６のうちのブリッジ２２、２４に対して連結された側部に位置している部分だけに、形成されている。絶縁性ジョイントには、参照符号２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆが付されている。切欠１２ａ、１２ｂのうちの部分２８ｇ、２８ｈは、何もされないままとされている。この構成であると、構造の形成時または使用時における絶縁性ジョイントの体積変化（膨張）に関連した応力現象を制限することができる。

実際、部分２８ｇ、２８ｈ内に配置された絶縁性ジョイントの体積変化は、第２部分１６の長さ方向における圧縮力または引っ張り力を引き起こす可能性があり、問題を起こす可能性がある。

断面図である図５は、絶縁性ジョイント２８ａ、２８ｂの他の形成方法を示している。この方法においては、絶縁材料層は、成膜または結晶成長により形成される。絶縁材料層は、例えば、シリカ層または窒化シリコン層に関連する。この材料は、切欠１２ａ、１２ｂを充填して絶縁性保持ジョイントを形成するとともに、ウェハ１０の両部分１４、１６の主面のうちの一方をカバーする。

切欠内への絶縁性保持ジョイントの形成後には、この段階においては保持機能が絶縁性ジョイントによってもたらされていることにより不要となったブリッジ２２、２４を、除去する。ブリッジ２２、２４は、例えば、エッチングによって除去され、その結果、図６および図７に示す構造が得られる。

しかしながら、変形例においては、ブリッジ２２、２４は、維持され、例えば熱酸化といった適切な処理を経て絶縁材料へと転換される。

図７は、図６の構造のVI−VI平面に沿った断面図であることに注意されたい。

ブリッジ２２、２４の除去（または酸化）後においては、第１部分と第２部分との間には、電気的結合は一切存在していない。

図６および図７に示すように、現段階の構造は、各々がウェハ材料から形成されているとともに、互いに絶縁され、さらに、実質的に面一であり、その上、同じ厚さを有した、第１部分および第２部分を備えている。第１部分および第２部分を隔離する空間内に配置された２つの絶縁材料製ジョイント２８ａ、２８ｂは、第１部分および第２部分を一体としている。これらジョイントは、各々が、対向エッジにおいて各部分の少なくとも一部と機械的に接触しているとともに、実質的に厚さ全体にわたって延在している。

したがって、第２部分１６は、第１部分１４から電気的に絶縁されている。保持ジョイント厚さを大きくできる可能性があることにより、高電圧に耐え得るような良好な品質の絶縁をもたらすことができる。

さらに、第２部分１６は、第１部分１４に対して可動とされた、メンブランまたは重りとして使用することができる。センサを作るためには、隣接エッジを適切な方法でカットして、例えば、測定用キャパシタの両プレートを形成する。

本発明の他の実施形態が、図８〜図１１に示されている。既述の図面との類似性が大きいことにより、同一部材または類似部材には、同一の参照符号を付すこととする。したがって、上記記載を参照することができる。

図８は、切欠１２がエッチングされたウェハ１０を示している。切欠１２は、ウェハ内において、中央部分１６と、この中央部分１６を囲む部分１４と、を隔離している。

図９は、図８の構造のVIII−VIII平面に沿った断面図であり、この図には、図２に示す切欠とは異なり、この第２実施形態における切欠１２が、貫通した切欠ではないことが明瞭に示されている。上記のエッチング技術を使用して行うことができる、切欠１２のエッチング時においては、切欠の底部１３が残される。

切欠の底部は、図１〜図５に示すブリッジ２２、２４と同様の機能を果たす。

実際、切欠の底部１３は、ウェハの部分１６を、固定位置に保持するとともに、部分１４に対して面一に保持し、さらに、構造に対する連結をもたらす。

切欠の底部１３は、５００μｍの程度の深さとされた切欠１２に対して、例えば、３００μｍの程度の厚さとされる。

図１０は、切欠を電気絶縁材料で充填して、絶縁保持ジョイント２８を形成するステップを示している。ジョイント２８は、例えば、ポリマー、樹脂、シリカ、あるいは、窒化シリコンから形成される。ジョイントの切欠内への配置は、例えば、成膜や上述のような押圧によって行うことができる。

ジョイント２８の形成後には、切欠の底部１３が、切削によって、あるいは、ドライエッチングまたはウェットエッチングまたは電気化学的エッチングによって、除去される。

切欠の底部の除去は、また、基板ウェハの部分１４、１６の薄肉化によってももたらされ、この場合には、図１１において断面図でもって示す構造が得られる。

ジョイント２８は、第１部分および第２部分の隣接エッジ１８、２０に対して機械的に接触しているとともに、ウェハ１０の部分１４、１６の厚さ全体にわたって延在している。

最後に、図１２〜図１５に、本発明の第３実施形態が示されている。

図面の読み取りを容易とするため、上記図面と同一部材または類似部材には、同一の参照符号を付すこととする。

図１２は、第１部分１４と第２部分１６とが画成されたシリコンウェハ１０を示している。部分１４、１６は、一群をなす複数の、ウェハ内に開口した隣接孔１２ｃによって画成されている。孔１２ｃは、孔の側壁２２によって、２つに分割されている。

図１２の構造のXII−XII平面に沿った断面図である図１３に示すように、孔１２ｃは、ウェハ１０を貫通している。しかしながら、変形例においては、貫通していない孔を形成することができる。この場合には、数μｍの厚さの「孔の底部」が残されることとなる。

孔１２ｃどうしを横方向に隔離する壁２２、および、同様に「孔の底部」は、第１実施形態におけるブリッジ２２、２４（図１〜図５参照）と同等に、また、第２実施形態における切欠の底部１３（図９および図１０参照）と同等に、機械的保持機能を果たしている。

とりわけ、壁２２は、ウェハ１０の中央部分１６を部分１４に対して堅固に取り付けることができる。

基板のうちの壁２２を構成する部分、および、存在する場合には、孔の底部をなす部分は、上記第１および第２実施形態の場合のように除去されるのではなく、絶縁性のものに転換される。絶縁性ジョイントによる基板のこれら部分の置換は、ここでは、酸化によって引き起こされる。

孔１２ｃのサイズ、孔１２ｃどうしを隔離している壁２２の厚さ、「孔の底部」の厚さ、および、酸化条件は、側壁２２の酸化が、必要であれば「孔の底部」の酸化が、それらの厚さ全体にわたって起こるように、選択される。酸化は、例えば、１０５０℃の程度の温度で行われる熱酸化である。その場合、酸化シリコンに転換された部分は、電気絶縁性となって、本発明でいうところの保持ジョイントを構成する。図１４および図１５は、このようにして得られた構造を示している。これらの図においては、酸化された部分が参照符号２８で示されている。

上記図面においては、ウェハ内に形成された第２部分は、単純化のために、実質的な矩形形状として図示されている。

しかしながら、他の形状とすることもできる。特に、第１および第２部分の隣接エッジは、可変キャパシタを形成するよう、互いに噛み合う櫛歯状とすることができる。このキャパシタのキャパシタンスは、第１および第２部分の相互移動に応じて変化する。

他の応用においては、本発明にしたがって得られた構造は、また、相互に絶縁された１つまたは複数の部分を備えた低コスト基板を構成する。

本発明の第１実施形態にしたがって貫通切欠が形成されたウェハを示す平面図である。 本発明の第１実施形態にしたがって貫通切欠が形成されたウェハを示す断面図である。 絶縁材料が充填された図１および図２の構造を示す平面図である。 図３Ａに類似したウェハの平面図であって、製造の変形例を示している。 絶縁材料が充填された図１および図２の構造を示す断面図である。 他の充填技術によって絶縁材料が充填された図１および図２の構造を示す断面図である。 第１実施形態にしたがって得られた構造を示す平面図である。 第１実施形態にしたがって得られた構造を示す断面図である。 本発明の第２実施形態にしたがって切欠が形成されたウェハを示す平面図である。 本発明の第２実施形態にしたがって切欠が形成されたウェハを示す断面図である。 図８および図９に示す構造における切欠の充填を示す断面図である。 本発明の第２実施形態にしたがって得られた構造を示す断面図である。 本発明の第３実施形態にしたがって孔が形成されたウェハを示す平面図である。 本発明の第３実施形態にしたがって孔が形成されたウェハを示す断面図である。 本発明の第３実施形態にしたがって得られた構造を示す平面図である。 本発明の第３実施形態にしたがって得られた構造を示す断面図である。

符号の説明

１０ 基板ウェハ
１２ｃ 孔
１４ 第１部分
１５ 第２部分
２２ 側壁
２８ 絶縁性保持ジョイント

Claims (5)

1. 構造を製造するための方法であって、
   ａ）シリコンからなる基板ウェハ（１０）に対して、側壁（２２）によって互いに隔離された複数の隣接孔（１２ｃ）を孔開けし、これにより、前記ウェハ内に、第１部分（１４）と、第２部分（１６）と、前記第１部分と前記第２部分とを接続するよう機能する保持部と、を形成し、
   ｂ）厚さ方向の全体にわたって前記側壁（２２）を酸化することにより、前記保持部を、絶縁性保持ジョイント（２８，２８ａ，２８ｂ）へと転換する、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記複数の隣接孔（１２ｃ）を、前記ウェハを貫通したものとすることを特徴とする方法。
3. 請求項１記載の方法において、
   前記複数の隣接孔（１２ｃ）を、孔の底部を有したものとすることを特徴とする方法。
4. 請求項３記載の方法において、
   前記保持部を前記絶縁性保持ジョイントへと転換するに際しては、前記孔の底部を酸化することを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、
   前記酸化を、熱酸化によって行うことを特徴とする方法。

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