JP4769353B2 - コンポーネントを製造する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に電子コンポーネントに関し、さらに詳しくはキャップ・ウェーハを用いる電子装置の保護に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロエレクトロニクス・センサおよび集積回路のような装置は、それらのサイズによるが、扱い方、小さい粒子、および湿度からのダメージを受けやすい。マイクロマシン装置は、典型的には、動作中にそれらを保護するために封止材中に収容される。ある先行技術であるコンポーネントは、周囲から電子センサを封止しかつ密封シールするために半導体基板に接合（ボンディング）されたキャップ・ウェーハを含む。ホール（空間）がキャップ・ウェーハを基板に接合する前にキャップ・ウェーハ中に形成される。キャップ・ウェーハ中の空間は、センサを外部回路に電気的に接続するために提供する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
キャップ・ウェーハ中の空間は、キャップ・ウェーハの機械構造的な信頼性を弱める可能性がある。この問題に対する１つの対策はキャップ・ウェーハの厚みを増加させることで、それによりキャップ・ウェーハの構造的な無欠陥性を向上させる。しかしながら、キャップ・ウェーハの厚みを増加させることにより、またマイクロエレクトロニクス装置のサイズおよびそのコストを増加させる。
【０００４】
従って、動作中にマイクロマシン装置に対して保護を与えるコンポーネントをもつことは有効である。そのコンポーネントがサイズおよびコスト的に効果的であるならさらに有効である。加えて、標準の半導体プロセスと互換性のあるコンポーネントを製造する方法をもつことは有効である。
【０００５】
【実施例】
図１は、本願発明の一実施例に従うプロセス中のコンポーネント１０の一部断面図である。この実施例では、コンポーネント１０は、基板１５中に形成された装置１１，１２を含む半導体コンポーネントである。コンポーネント１０は、さらに、基板１５の表面２１上に形成された導電性経路１３，１４を含む。基板１５は、例としてシリコンのような半導体材料からなる。装置１１，１２は、集積回路あるいは圧力センサまたは加速度計のようなマイクロマシン変換器である。装置１１，１２は、基板１５中に形成されるように示されるが、これが本願発明を限定するものではない。装置１１，１２は、また、基板１５の表面２１上に形成され得る。
【０００６】
導電性経路１３，１４は、表面２１上に電気的導電性材料層を配置し、この導電性材料をフォトリソグラフおよびエッチ技術を用いてパターン化することにより形成される。例えば、導電性経路１３，１４は、電気的導電性材料をフォトレジスト層（図示せず）で被覆し、除去されるべき電気的導電性材料の一部を（例えば、フォトリソグラフを用いて）露出させ、そして電気的導電性材料の露出部をエッチングすることによって形成される。導電性経路１３，１４にとって適切な材料には銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金、あるいはその類似物を含む。
【０００７】
コンポーネント１０は、上部表面２６および下部表面２７を有するキャップ・ウェーハ２３を含む。キャップ・ウェーハ２３は、例えば、シリコンのような半導体材料から構成される。キャップ・ウェーハ２３に対する他の適切な材料は、ガラス、水晶、ポリマ、または金属を含む。キャップ・ウェーハ２３の適切な層厚の範囲は、約５０ミクロンから約６００ミクロンの間である。
【０００８】
保護層２８がキャップ・ウェーハ２３の下部表面２７上に配置成長される。保護層２８は上部層３０および下部層３１を有し、ここで保護層２８の上部層３０はキャップ・ウェーハ２３の下部層２７に接触する。好ましくは、保護層２８は、約０．２ミクロンから約２ミクロンの範囲の厚みを有する。また、キャップ・ウェーハ２３および保護層２８はキャップ構造３９を形成する。保護層２８にとって適切な材料は、酸化物または窒化物を含む。
【０００９】
エッチ・マスク４１，４２は、キャップ・ウェーハ２３の上部表面２６上に配置される。アルミニウムのような金属層をキャップ・ウェーハ２３の上部表面２６上に配置し、そしてこの金属層をフォトリソグラフおよびエッチ技術を用いてパターン化することにより形成される。加えて、後続のエッチング段階中のマスクとして機能するために、マスク４１，４２は、また、装置１１，１２に対して電気的遮蔽を行う。マスク４１，４２は、また、マスク層と呼ばれ、好ましくは装置１１，１２上にそれぞれ位置する。
【００１０】
キャップ構造３９は接合材層３３を用いて基板１５に接合され、キャビティ３６，３７を形成する。例として、接合材料３３は、層２８の下部表面の一部上にスクリーン・プリントによって配置されるフリット・ガラス(frit glass)である。フリット・ガラスは、粉末ガラスとも呼ばれるが、有機結合材または溶剤中に拡散したガラス粒子の混合物である。スクリーン・プリント後に、フリット・ガラスは有機結合材または溶剤を蒸発させるために加熱される。その後、フリット・ガラスを含むキャップ構造３９は、基板１５の表面に接触して載置される。熱が与えられ、その後フリット・ガラスはエナメル化しキャップ構造３９を基板１５に接合するために流動して、キャビティ３６，３７を与える。キャップ構造３９が基板１５に接合された後、装置１１，１２はキャビティ３６，３７内にそれぞれ密封シールされる。接合材３３、保護層２８の一部、および基板１５の一部は密封シールされたキャビティ３６，３７の壁を形成する。接合材３３はフリット・ガラスとして記述されるが、これは本願発明を限定するものではない。接合材３３は、金、金属、または同種のガラスから構成することもできる。さらに、他のタイプの接合プロセスをキャップ構造３９を、基板１５に接合するために、使用することも可能である。例えば、陽極、共晶、または熱圧縮の接合を、キャップ構造３９を基板１５に接合するために、使用してもよい。
【００１１】
ここで議論される実施例は半導体装置であるが、これが本願発明に限定されるものではないことに注意されたい。本願発明は他の実施例、例えばバイオ（生物）センサを用いる応用に適用することができ、そのバイオ・センサはキャップ材料を用いて保護される。これらの他の応用例では、基板１５はガラス、水晶、金属などの他の材料から構成されてもよい。好ましくは、キャップ・ウェーハ２３および基板１５は、実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から形成される。
【００１２】
図２は、後段におけるプロセスでのコンポーネント１０の断面図を示す。同じ参照番号は同じ要素を示すために図面に使用されることを理解されたい。図２は、キャップ・ウェーハ２３の一部を除去した後のコンポーネント１０を示す。
【００１３】
例えば、４メチルアンモニウム水酸化物(TMAH: tetramethylammonium hydrooxide)のようなエッチング材からなる湿式エッチ溶剤は、キャップ・ウェーハ２３をエッチングするために使用される。マスク４１，４２によって被覆されていないキャップ・ウェーハ２３の一部は、エッチングの間除去される。湿式エッチ溶剤は、エッチ・ストップとして機能する保護層２８に影響を与えない。図２に示す実施例では、接合層３３はフリット・ガラスで、それはＴＭＡＨからなる湿式エッチ溶剤によって損傷を受ける可能性がある。保護層２８は、キャップ・ウェーハ２３のエッチング中、接合層３３を保護するためのエッチ・ストップ層として働く。好ましくは、保護層２８はＴＭＡＨからなる湿式エッチ溶剤に耐性のある材料からなる。保護層２８に対する適切な材料は酸化物または窒化物を含む。
【００１４】
図３はさらに後段におけるプロセスでの図２のコンポーネントの断面図である。図３は保護層２８の一部を除去した後のコンポーネント１０を示す。
【００１５】
開口４６，４７，４８は、塩素またはフッ素のいずれかを基調とした化学物質を用いる反応性イオン・エッチング(RIE: Reactive Ion Etch)または深部反応性イオン・エッチング(DRIE: Deep Reactive Ion Etch)のような乾式エッチング・プロセスを用いて形成され得る。マスク４１，４２の下に横たわる保護層２８の一部は、乾式エッチング・プロセス中には除去されない。開口４７は、導電経路１３，１４に電気的な接続を与える。例えば、接合線（図示せず）が開口４７を通して導電経路１３，１４に結合されてもよい。図示されていないが、導電経路１３，１４は装置１１，１２をコンポーネント１０の他の部分へ電気的に結合するために用いられる。
【００１６】
前述したように、保護層２８はキャップ・ウェーハ２３の下部表面２７上に配置され、接合層３３に対する保護を与えるが、化学的湿式エッチの間損傷を与え得る。代わって、コンポーネント１０は保護層２８を有しないで形成してもよく、開口４６，４７，４８は単一のエッチング・ステップを用いて形成できる。例えば、保護層２８が省略される場合、そのときキャップ・ウェーハ２３は適切な湿式エッチまたは乾式エッチ・プロセスのいずれかを用いる単一のエッチング・ステップを用いてエッチングされ得る。保護層２８がコンポーネント１０に含まれない場合、接合層３３はキャップ・ウェーハ２３の下部表面の一部上に配置され、キャップ・ウェーハ２３は接合層３３を介して基板１５に接合される。キャビティ３６，３７は、キャップ・ウェーハ２３、接合層３３、および基板１５によって形成される。
【００１７】
キャビティ３６，３７は全ての場合に必ずしも必要でないことに注意されたい。たとえば、接合層３３は装置１１，１２を取り囲み、接触する。
【００１８】
開口４６，４７，４８はキャップ構造３９および基板１５が共に接合された後に形成されるので、キャップ・ウェーハ２３は比較的薄いウェーハであり得、それにより、コンポーネント１０の全スタックの層厚が減少する。例えば、キャップ・ウェーハ２３は、シリコンからなるが、約５０ミクロンより薄くすることができる。従来のシリコン・キャップ・ウェーハは、典型的には３７５ミクロンより厚い層厚である。さらに、キャップ・ウェーハ２３が基板１５に接合されて後に開口４６，４７，４８を形成することは、コンポーネント１０のレイアウトおよび製造を簡易にする。
【００１９】
以上により、コンポーネントおよびそのコンポーネントを製造するための方法が提供されたと理解される。本願発明は動作中にその要素を保護するコンポーネントを与える。本願発明の方法は、ＣＭＯＳプロセスを含む標準半導体プロセスと互換性がある。さらに、本方法はキャップ・ウェーハを有するコンポーネントを製造するための処理ステップ数を削減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施例に従ってプロセス中のコンポーネントの一部断面図である。
【図２】後段におけるプロセスでの図１のコンポーネントの断面図である。
【図３】さらに後段におけるプロセスでの図２のコンポーネントの断面図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に電子コンポーネントに関し、さらに詳しくはキャップ・ウェーハを用いる電子装置の保護に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロエレクトロニクス・センサおよび集積回路のような装置は、それらのサイズによるが、扱い方、小さい粒子、および湿度からのダメージを受けやすい。マイクロマシン装置は、典型的には、動作中にそれらを保護するために封止材中に収容される。ある先行技術であるコンポーネントは、周囲から電子センサを封止しかつ密封シールするために半導体基板に接合（ボンディング）されたキャップ・ウェーハを含む。ホール（空間）がキャップ・ウェーハを基板に接合する前にキャップ・ウェーハ中に形成される。キャップ・ウェーハ中の空間は、センサを外部回路に電気的に接続するために提供する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
キャップ・ウェーハ中の空間は、キャップ・ウェーハの機械構造的な信頼性を弱める可能性がある。この問題に対する１つの対策はキャップ・ウェーハの厚みを増加させることで、それによりキャップ・ウェーハの構造的な無欠陥性を向上させる。しかしながら、キャップ・ウェーハの厚みを増加させることにより、またマイクロエレクトロニクス装置のサイズおよびそのコストを増加させる。
【０００４】
従って、動作中にマイクロマシン装置に対して保護を与えるコンポーネントをもつことは有効である。そのコンポーネントがサイズおよびコスト的に効果的であるならさらに有効である。加えて、標準の半導体プロセスと互換性のあるコンポーネントを製造する方法をもつことは有効である。
【０００５】
【実施例】
図１は、本願発明の一実施例に従うプロセス中のコンポーネント１０の一部断面図である。この実施例では、コンポーネント１０は、基板１５中に形成された装置１１，１２を含む半導体コンポーネントである。コンポーネント１０は、さらに、基板１５の表面２１上に形成された導電性経路１３，１４を含む。基板１５は、例としてシリコンのような半導体材料からなる。装置１１，１２は、集積回路あるいは圧力センサまたは加速度計のようなマイクロマシン変換器である。装置１１，１２は、基板１５中に形成されるように示されるが、これが本願発明を限定するものではない。装置１１，１２は、また、基板１５の表面２１上に形成され得る。
【０００６】
導電性経路１３，１４は、表面２１上に電気的導電性材料層を配置し、この導電性材料をフォトリソグラフおよびエッチ技術を用いてパターン化することにより形成される。例えば、導電性経路１３，１４は、電気的導電性材料をフォトレジスト層（図示せず）で被覆し、除去されるべき電気的導電性材料の一部を（例えば、フォトリソグラフを用いて）露出させ、そして電気的導電性材料の露出部をエッチングすることによって形成される。導電性経路１３，１４にとって適切な材料には銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金、あるいはその類似物を含む。
【０００７】
コンポーネント１０は、上部表面２６および下部表面２７を有するキャップ・ウェーハ２３を含む。キャップ・ウェーハ２３は、例えば、シリコンのような半導体材料から構成される。キャップ・ウェーハ２３に対する他の適切な材料は、ガラス、水晶、ポリマ、または金属を含む。キャップ・ウェーハ２３の適切な層厚の範囲は、約５０ミクロンから約６００ミクロンの間である。
【０００８】
保護層２８がキャップ・ウェーハ２３の下部表面２７上に配置成長される。保護層２８は上部層３０および下部層３１を有し、ここで保護層２８の上部層３０はキャップ・ウェーハ２３の下部層２７に接触する。好ましくは、保護層２８は、約０．２ミクロンから約２ミクロンの範囲の厚みを有する。また、キャップ・ウェーハ２３および保護層２８はキャップ構造３９を形成する。保護層２８にとって適切な材料は、酸化物または窒化物を含む。
【０００９】
エッチ・マスク４１，４２は、キャップ・ウェーハ２３の上部表面２６上に配置される。アルミニウムのような金属層をキャップ・ウェーハ２３の上部表面２６上に配置し、そしてこの金属層をフォトリソグラフおよびエッチ技術を用いてパターン化することにより形成される。加えて、後続のエッチング段階中のマスクとして機能するために、マスク４１，４２は、また、装置１１，１２に対して電気的遮蔽を行う。マスク４１，４２は、また、マスク層と呼ばれ、好ましくは装置１１，１２上にそれぞれ位置する。
【００１０】
キャップ構造３９は接合材層３３を用いて基板１５に接合され、キャビティ３６，３７を形成する。例として、接合材料３３は、層２８の下部表面の一部上にスクリーン・プリントによって配置されるフリット・ガラス(frit glass)である。フリット・ガラスは、粉末ガラスとも呼ばれるが、有機結合材または溶剤中に拡散したガラス粒子の混合物である。スクリーン・プリント後に、フリット・ガラスは有機結合材または溶剤を蒸発させるために加熱される。その後、フリット・ガラスを含むキャップ構造３９は、基板１５の表面に接触して載置される。熱が与えられ、その後フリット・ガラスはエナメル化しキャップ構造３９を基板１５に接合するために流動して、キャビティ３６，３７を与える。キャップ構造３９が基板１５に接合された後、装置１１，１２はキャビティ３６，３７内にそれぞれ密封シールされる。接合材３３、保護層２８の一部、および基板１５の一部は密封シールされたキャビティ３６，３７の壁を形成する。接合材３３はフリット・ガラスとして記述されるが、これは本願発明を限定するものではない。接合材３３は、金、金属、または同種のガラスから構成することもできる。さらに、他のタイプの接合プロセスをキャップ構造３９を、基板１５に接合するために、使用することも可能である。例えば、陽極、共晶、または熱圧縮の接合を、キャップ構造３９を基板１５に接合するために、使用してもよい。
【００１１】
ここで議論される実施例は半導体装置であるが、これが本願発明に限定されるものではないことに注意されたい。本願発明は他の実施例、例えばバイオ（生物）センサを用いる応用に適用することができ、そのバイオ・センサはキャップ材料を用いて保護される。これらの他の応用例では、基板１５はガラス、水晶、金属などの他の材料から構成されてもよい。好ましくは、キャップ・ウェーハ２３および基板１５は、実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から形成される。
【００１２】
図２は、後段におけるプロセスでのコンポーネント１０の断面図を示す。同じ参照番号は同じ要素を示すために図面に使用されることを理解されたい。図２は、キャップ・ウェーハ２３の一部を除去した後のコンポーネント１０を示す。
【００１３】
例えば、４メチルアンモニウム水酸化物(TMAH: tetramethylammonium hydrooxide)のようなエッチング材からなる湿式エッチ溶剤は、キャップ・ウェーハ２３をエッチングするために使用される。マスク４１，４２によって被覆されていないキャップ・ウェーハ２３の一部は、エッチングの間除去される。湿式エッチ溶剤は、エッチ・ストップとして機能する保護層２８に影響を与えない。図２に示す実施例では、接合層３３はフリット・ガラスで、それはＴＭＡＨからなる湿式エッチ溶剤によって損傷を受ける可能性がある。保護層２８は、キャップ・ウェーハ２３のエッチング中、接合層３３を保護するためのエッチ・ストップ層として働く。好ましくは、保護層２８はＴＭＡＨからなる湿式エッチ溶剤に耐性のある材料からなる。保護層２８に対する適切な材料は酸化物または窒化物を含む。
【００１４】
図３はさらに後段におけるプロセスでの図２のコンポーネントの断面図である。図３は保護層２８の一部を除去した後のコンポーネント１０を示す。
【００１５】
開口４６，４７，４８は、塩素またはフッ素のいずれかを基調とした化学物質を用いる反応性イオン・エッチング(RIE: Reactive Ion Etch)または深部反応性イオン・エッチング(DRIE: Deep Reactive Ion Etch)のような乾式エッチング・プロセスを用いて形成され得る。マスク４１，４２の下に横たわる保護層２８の一部は、乾式エッチング・プロセス中には除去されない。開口４７は、導電経路１３，１４に電気的な接続を与える。例えば、接合線（図示せず）が開口４７を通して導電経路１３，１４に結合されてもよい。図示されていないが、導電経路１３，１４は装置１１，１２をコンポーネント１０の他の部分へ電気的に結合するために用いられる。
【００１６】
前述したように、保護層２８はキャップ・ウェーハ２３の下部表面２７上に配置され、接合層３３に対する保護を与えるが、化学的湿式エッチの間損傷を与え得る。代わって、コンポーネント１０は保護層２８を有しないで形成してもよく、開口４６，４７，４８は単一のエッチング・ステップを用いて形成できる。例えば、保護層２８が省略される場合、そのときキャップ・ウェーハ２３は適切な湿式エッチまたは乾式エッチ・プロセスのいずれかを用いる単一のエッチング・ステップを用いてエッチングされ得る。保護層２８がコンポーネント１０に含まれない場合、接合層３３はキャップ・ウェーハ２３の下部表面の一部上に配置され、キャップ・ウェーハ２３は接合層３３を介して基板１５に接合される。キャビティ３６，３７は、キャップ・ウェーハ２３、接合層３３、および基板１５によって形成される。
【００１７】
キャビティ３６，３７は全ての場合に必ずしも必要でないことに注意されたい。たとえば、接合層３３は装置１１，１２を取り囲み、接触する。
【００１８】
開口４６，４７，４８はキャップ構造３９および基板１５が共に接合された後に形成されるので、キャップ・ウェーハ２３は比較的薄いウェーハであり得、それにより、コンポーネント１０の全スタックの層厚が減少する。例えば、キャップ・ウェーハ２３は、シリコンからなるが、約５０ミクロンより薄くすることができる。従来のシリコン・キャップ・ウェーハは、典型的には３７５ミクロンより厚い層厚である。さらに、キャップ・ウェーハ２３が基板１５に接合されて後に開口４６，４７，４８を形成することは、コンポーネント１０のレイアウトおよび製造を簡易にする。
【００１９】
以上により、コンポーネントおよびそのコンポーネントを製造するための方法が提供されたと理解される。本願発明は動作中にその要素を保護するコンポーネントを与える。本願発明の方法は、ＣＭＯＳプロセスを含む標準半導体プロセスと互換性がある。さらに、本方法はキャップ・ウェーハを有するコンポーネントを製造するための処理ステップ数を削減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施例に従ってプロセス中のコンポーネントの一部断面図である。
【図２】後段におけるプロセスでの図１のコンポーネントの断面図である。
【図３】さらに後段におけるプロセスでの図２のコンポーネントの断面図である。
Claims (5)
- 基板上に形成された導電性トレースを有する前記基板を提供する段階と、
キャップ・ウェーハを提供する段階と、
前記キャップ・ウェーハの表面上に保護層を配置する段階と、
前記保護層の一部上に接合層を配置する段階と、
前記キャップ・ウェーハおよび前記保護層を前記基板に接着するために前記接合層を用いる段階と、
前記保護層を前記基板に接着する段階の後に、前記キャップ・ウェーハおよび前記保護層中に開口を形成し、前記基板上の前記導電性トレースを露出する段階と、
から構成されることを特徴とするコンポーネントを製造する方法。 - 前記基板中にマイクロマシン化された装置は、前記接合層、前記保護層、および、前記基板によって形成されたキャビティ内に封止されることを特徴とする請求項１記載のコンポーネントを製造する方法。
- 前記開口を形成する段階は、湿式エッチ溶剤を用いて前記キャップ・ウェーハをエッチングする段階を含み、前記保護層は、前記湿式エッチ溶剤に耐性のある材料で形成され、その結果前記保護層は、前記キャップ・ウェーハをエッチングしている間、前記接合層を保護するためのエッチ・ストップ層として作用することを特徴とする請求項１記載のコンポーネントを製造する方法。
- 前記キャップ・ウェーハの第２表面の一部上にマスクを配置する段階をさらに含み、前記マスクによって被覆されない前記キャップ・ウェーハの一部は、前記キャップ・ウェーハのエッチング中に、除去されることを特徴とする請求項３記載のコンポーネントを製造する方法。
- 前記湿式エッチ溶剤は、４メチルアンモニウム水酸化物（ＴＭＡＨ）を含むことを特徴とする請求項３記載のコンポーネントを製造する方法。
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