JP4768952B2 - シリコンガスケットを含むウエハレベルパッケージおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体パッケージング技術に関するものであり、より具体的にはウエハレベルパッケージの製造に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
多くの半導体デバイスは汚染、湿気及びその他の同様の環境的要因に敏感なものである。デバイスを損傷から守る為には、デバイスを気密封止パッケージに封入しなければならない。過去においては、デバイスはパッケージングする前に、まず、ウエハから切断又は分割されていなければならなかった。ウエハレベルパッケージ処理においては、デバイスがウエハ上にあるうちにパッケージングが実施される。このように、数百或いは数千ものパッケージを同時に製造し、その後に切断部材や他の手段によって分割することが出来るようになった。
【０００３】
図１はウエハレベルパッケージ１０１の一例を描いたものである。第一のウエハ１０２は第二のウエハ１０７に接合されたガスケット１０３を含み、気密封止環境１０９が２枚のウエハ間に作られており、これによりデバイス１１１が保護されている。図においてはウエハ１０２及びウエハ１０７の一部分だけが示されているが、このようなウエハレベルパッケージは２枚のウエハ間に数百個或いは数千個という単位で同時に作ることが出来る。ガスケット１０３は、金属又はポリイミドなどの材料をウエハ１０２上に所望のガスケット形状に形成することにより作ることが出来る。その後２枚のウエハをガスケットにおいて接合する。この方法は気密封止環境１０９を作成する上では有効である。しかしながら、形成した材料はあまり硬いとは言えず、接合処理中に圧力が加えられると変形しやすい。加えられた圧力の多くはガスケットの変形により消費されてしまう為、実際にボンディング接合部自体にかかる圧力は非常に小さいものとなる。従って、接合を行う為にはより多くの圧力をより長い時間にわたって加圧しなければならないのである。更に、材料の形成処理において形成されるガスケット接合面は不規則となってしまう為、接合時に問題を生じる。最後に、形成材料は形成処理時に縮みやすい、或いは形状の変化を生じやすく、ガスケットの外形を精密に制御することは困難である。
【０００４】
【発明の概要】
記載した本発明の推奨される実施例によれば、ウエハレベルパッケージ用のガスケットは、ウエハ材料そのものから彫り出されるものである。ウエハはシリコン製である。シリコンは非常に硬く、従ってガスケット材料としては理想的である。接合中に圧力が加えられてもシリコンガスケットが変形することはなく、加圧力はボンディング接合部に集中することになる。この結果、ウエハレベルパッケージを接合する為に要する力及び／又は時間はより少なくて済むのである。更に、ウエハ表面はそもそも非常に平坦に製作されている。このガスケット面はもともとウエハ表面である為、ガスケットは非常に平坦な表面を持つことになり、均一な、しっかりとした接合の形成が容易なのである。
【０００５】
本発明は更に、所要の形状を彫り出す際に高度なエッチング深度及びガスケット幅制御を可能とする既存のシリコンエッチング技術を利用している。これにより、気密封止空洞部の寸法のより高度な制御が可能となっている。更に、シリコンの高い強度によりガスケットを以前よりも薄く作ることが可能である（通常は１０μｍ以下）。ガスケットの表面積は所定の接合力による接合の際にボンディング接合部にかけるべき圧力を決定するものである。より薄いガスケットは表面積も小さい為、ボンディング接合部へと加圧接合力が集中しやすく、強い封止を作ることが出来るのである。
【０００６】
本発明の更なる特徴及び利点は、本発明の推奨される実施例の構造及び作用と共に、以下の詳細説明及び添付図に説明されている。図中、同一或いは機能的に類似した要素には同様の符号を付した。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図２Ａは本発明の教示に従った推奨される実施例の断面図を示す。キャップウエハ２０３上のガスケット２０１は、基部ウエハ２０７上に作成されたデバイス２０５を取り囲み、封止している。デバイス２０５はマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）構造或いは電子回路等、いずれのマイクロエレクトロニクスデバイスでも良い。通常、ウエハはシリコン製である。
【０００８】
図２Ｂは、図２Ａにおける線Ｂ−Ｂ’に沿って切断した場合の平面図である。図２Ｂにおいてより明らかにわかるように、ガスケット２０１は完全にデバイス２０５を囲み、封止している。ガスゲット２０１は長方形に描かれているが、正方形、円形、楕円形、長方形、或いはデバイス２０５を封止する他の如何なる形状でも良い。
【０００９】
ここで図２Ａに戻るが、ガスケット２０１はキャップウエハ２０３から彫り出され、即ちエッチングされており、ベースウエハ２０７へと接合材料２０９により接合されている。接合材料２０９は許容し得る接着性、封止力、密封性、及び外部環境からデバイス２０５がダメージを受けないことを保証する他の特性を提供する１つ以上の物質とすることが出来る。接合材料２０９は導電性でも非導電性でも良い。気密封止環境２１１はデバイス２０５を保護する為にキャップウエハ２０３及びベースウエハ２０７の間に形成される。気密封止環境２１１は完全な真空であっても、不活性気体又は他の物質に満たされたものであっても良い。
【００１０】
図３Ａ〜図３Ｅは、ガスケットが導電性接合材料により接合されたウエハレベルパッケージの製造工程を示す図である。
【００１１】
図３Ａは、キャップウエハ２０３を示している。キャップウエハ２０３は通常、デバイス２０５（図示せず）とのＲＦ結合問題を回避する為に非常に高い抵抗を持つフローティングゾーンシリコンである。導電性接合材料３０１がキャップウエハ２０３の表面に供給される。使用可能な導電性接合材料としては、金、金−錫合金、パラジウム−錫合金、錫−鉛合金、及び他の金属である。
【００１２】
図３Ｂにおいては、導電性接合材料３０１はフォトレジスト３０３を用いてパターニングされ、その後従来のフォトリソグラフィー処理により露出・現像されて導電性接合材料３０１の選択部分を除去したものである。
【００１３】
図３Ｃにおいては、既存のフォトレジスト３０３をマスクとして使用し、キャップウエハ２０３をエッチングしている。キャップウエハ材料のうちの選択部分が除去され、ガスケット２０１が生成される。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）又はディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）といった従来のエッチング処理法を採用することが出来る。ガスケット２０１はキャップウエハ２０３と同じ材料で形成することが出来る。通常、この材料は良好な硬度と密封性を持つシリコンである。実用的な実施形態においては、ガスケット２０１は３μｍから１２μｍの幅と４μｍから１０μｍの深さである。同じ目的の為に異なるガスケット幅及び深さを使用することも可能である。フォトレジスト３０３はガスケット２０１の形成後に除去される。
【００１４】
図４Ａはガスケット２０１とベースウエハ２０７上の対応パッド３０５とのアライメントを示す図である。対応パッド３０５は導電性接合材料３０１と接合するものであれば、いずれの材料から成るものでも良い。例えば、導電性接合材料３０１が金である場合、対応パッド３０５は金、金−錫合金、錫−鉛合金等とすることが出来る。
【００１５】
図４Ｂにおいては、キャップウエハ２０３及びベースウエハ２０７は接合され、気密封止環境２１１が作られる。接合においてはシステムとガスケット領域に適正な力と温度が加えられる。実用的な実施形態においては、導電性接合材料３０１および対応パッド３０５はいずれも金であり、２０キロニュートンの力が３３０℃にて５〜１０分間加圧され、有効な接合が形成される。これらの値は例示目的に限って開示したものである。これらの値が異なっていても、同じ接合結果を得ることが出来ることは言うまでもない。たとえば、加圧力を８キロニュートンに減じた場合、有効な接合を得る為には３３０℃で２０〜４０分かかる。減圧環境下、或いは窒素等の不活性気体中で接合を実施した場合、最良の結果を得ることが出来る。接合されたウエハは、必要であれば従来の手段により薄く加工することが出来る。
【００１６】
図５はウエハレベルパッケージ５０１における他のガスケット構成を示す図である。気密環境中にあるデバイス５０３を外部環境と接続しなければならない場合、複数レベルのガスケットを使用することが出来る。主要外部ガスケット５０５がキャップウエハ５０７とベースウエハ５０９との間に気密封止環境５０６を作っている。キャップウエハ５０７にある穴５１５が接触パッド５１３へのアクセスを可能としている。二次内部ガスケット５１１は気密封止環境５０６から穴５１５を封じており、デバイス５０３の保護を維持している。
【００１７】
本発明を特定の推奨される実施例に基づいて詳細にわたり説明してきたが、請求項の精神及び範囲から離れることなく、様々な変更や強化が可能であることは当業者には明らかである。例えば、デバイスをキャップウエハ自体に製作することも可能である。更に、複数のキャップ層を積み重ねることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術に基づくウエハレベルパッケージの断面図を示す。
【図２】 Ａは、本発明のウエハレベルパッケージの断面図を示し、Ｂは図２のＡにおける線Ｂ−Ｂ’に沿って切断した本発明の上面図を示す。
【図３】 Ａ〜Ｃは、ガスケットが導電性接合材料を用いて接合されるウエハレベルパッケージの製造工程におけるキャップウエハの断面図を示す。
【図４】 Ａ及びＢは、ガスケットが導電性接合材料を用いて接合されるウエハレベルパッケージの製造工程におけるキャップウエハとベースウエハの断面図を示す。
【図５】 ウエハレベルパッケージの他のガスケット構成を示す図である。
【符号の説明】
２０１ ガスケット
２０３ 第一のウエハ
２０７ 第二のウエハ
２０９ 接合材料
２１１ 気密封止環境
３０１ 導電性接合材料
３０５ パッド

Claims (8)

1. シリコンからなる第一のウエハであって、その一部を除去することにより、残余の平坦面を接合面とするガスケットが一体に形成されているような第一のウエハと、
   少なくとも一つのデバイスが配設された第二のウエハと、
   前記第二のウエハ上にあり、前記ガスケットの前記接合面と実質的に整合するパッドの層と、
   前記ガスケットの前記接合面に配設された接合材料の層と、を備え、
   前記ガスケットの幅が２０μｍ以下であり、前記接合材料の層および前記パッドの層が、同種の金属または該金属を主成分とする合金からなりかつ相互に固相接合され、前記第一及び第二のウエハ間に前記デバイスを覆う気密封止環境が形成されている、ウエハレベルパッケージ。
2. 前記接合材料が金であり、前記パッドが、金または金−錫合金である、請求項１に記載のウエハレベルパッケージ。
3. 前記ガスケットの幅が１０μｍ以下である、請求項１または２に記載のウエハレベルパッケージ。
4. ウエハレベルパッケージを製造する方法であって、
   シリコンからなる第一のウエハ、及び、少なくとも一つのデバイスが配設された第二のウエハを提供するステップと、
   前記第一のウエハの一部を除去することにより、残余の平坦面を接合面とするガスケットを形成するステップと、
   前記第二のウエハに、前記ガスケットと実質的に整合するパッドを配設するステップと、
   前記ガスケットに接合材料を配設するステップと、
   前記ガスケットの前記接合材料を前記パッドに接合し、前記第一及び第二のウエハ間に前記デバイスを覆う気密封止環境を形成するステップと、を含むものにおいて、
   前記ガスケットの幅を２０μｍ以下とし、前記接合材料および前記パッドに同種の金属または該金属を主成分とする合金を用い、所定温度に加熱しつつ加圧することにより、前記接合材料と前記パッドを溶融させずに接合することを特徴とするウエハレベルパッケージ製造方法。
5. ウエハレベルパッケージを製造する方法であって、
   シリコンからなる第一のウエハ、及び、少なくとも一つのデバイスが配設された第二のウエハを提供するステップと、
   前記第一のウエハに、金属からなる接合材料を所定の封止パターンで配設した後、前記封止パターンで囲まれた領域で前記ウエハの一部を除去することにより、前記封止パターンに対応した幅２０μｍ以下のガスケットを形成するステップと、
   前記第二のウエハに、前記接合材料と同種の金属または合金からなりかつ前記ガスケットと実質的に整合するパッドを配設するステップと、
   前記ガスケットを前記パッドに位置決めし、所定温度に加熱しつつ加圧することにより、前記接合材料と前記パッドを溶融させずに接合し、前記第一及び第二のウエハ間に前記デバイスを覆う気密封止環境を形成するステップと、を含む、ウエハレベルパッケージ製造方法。
6. 前記ガスケットを形成するステップが、フォトレジストを用いたパターニングにより前記接合材料を配設し、前記フォトレジストをマスクとしたエッチングにより前記ウエハの一部を除去した後、前記フォトレジストを除去することを含む、請求項５に記載のウエハレベルパッケージ製造方法。
7. 前記接合材料に金を、前記パッドに、金または金−錫合金を用いることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージ製造方法。
8. 前記ガスケットの幅が、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージ製造方法。
   

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