KR101718194B1 - 환경에 노출된 부분을 갖는 밀봉 mems 디바이스를 위한 공정 - Google Patents

환경에 노출된 부분을 갖는 밀봉 mems 디바이스를 위한 공정 Download PDF

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Abstract

외부 환경에 노출된 부분을 갖는 MEMS 디바이스를 제공하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 방법은 핸들 웨이퍼를 디바이스 웨이퍼에 접합하여 핸들 웨이퍼와 디바이스 웨이퍼 사이에 놓인 절연층을 구비한 MEMS 기판을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 디바이스 웨이퍼 상에 적어도 하나의 이격부를 리소그래피방식을 이용해서 정의하는 단계 및 적어도 하나의 이격부를 집적 회로 기판에 접합하여 MEMS 기판과 집적 회로 기판 사이에 밀봉 캐비티를 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 핸들 웨이퍼, 이격부, 또는 집적 회로 기판 내에 적어도 하나의 개구부를 정의하여, 디바이스 웨이퍼의 부분을 외부 환경에 노출시키는 단계를 포함한다.

Description

환경에 노출된 부분을 갖는 밀봉 MEMS 디바이스를 위한 공정{PROCESS FOR A SEALED MEMS DEVICE WITH A PORTION EXPOSED TO THE ENVIRONMENT}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2011년 6월 29일에 출원되고 발명의 명칭이 “MEMS DEVICE, FABRICATION PROCESS, INTEGRATED SENSORS, PRESSURE SENSORS, OPTICAL SENSORS, MICRO-FLUIDIC, ACCELEROMETER”인 미국 가출원 제61/502,603호의 이익을 주장하는데, 위 가출원은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다. 본 출원은 2011년 6월 29일 출원되고, 관리번호가 IVS-156PR (5028PR)이며, 발명의 명칭이 “HERMITICALLY SEALED MEMS DEVICE WITH A PORTION EXPOSED TO THE ENVIRONMENT AND WITH VERTICALLY INTERGRATED ELECTRONIC”인 미국 가출원 제61/502,616 호, 및 관리번호가 IVS-156 (5028P)이고 발명의 명칭이 “HERMETICALLY SEALED MEMS DEVICE WITH A PORTION EXPOSED TO THE ENVIRONMENT WITH VERTICALLY INTEGRATED ELECTRONICS”인 미국 특허 출원과 관련된 것으로서, 위 가출원 및 특허 출원은 본 출원과 동시에 제출되며 본 발명의 양수인에게 양도되며, 전체가 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 미세전자기계시스템 (MEMS) 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 외부 환경에 노출된 부분을 갖는 MEMS 디바이스의 제조에 관한 것이다.
많은 MEMS 디바이스, 특히 디바이스 외부의 환경의 측면들을 측정하거나 수정하는 디바이스들(예컨대, 압력 센서, 마이크, 스피커, 화학 센서, 생물학적 센서, 광학 센서 등)은 외부 환경에 노출된 MEMS 구조의 부분을 필요로 한다. 외부 환경에 노출된 부분을 갖는 디바이스를 제조함으로써 이러한 MEMS 디바이스의 동작을 구현 및 개선하는 비용효과적이고 효율적인 제조 공정에 대한 강한 요구가 있다. 본 발명은 이러한 요구를 다룬다.
본 발명은 환경에 노출된 부분을 갖는 밀봉 MEMS 디바이스를 위한 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
외부 환경에 노출된 부분을 갖는 MEMS 디바이스를 제공하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 제1 양태에서, 방법은 핸들 웨이퍼를 디바이스 웨이퍼에 접합하여 상기 핸들 웨이퍼와 상기 디바이스 웨이퍼 사이에 놓인 절연층을 갖는 MEMS 기판을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 상기 디바이스 웨이퍼 상에 적어도 하나의 이격부를 리소그래피방식을 이용해서 정의하는 단계 및 상기 적어도 하나의 이격부를 집적 회로 기판에 접합하여 상기 MEMS 기판과 상기 접적 회로 기판 사이에 밀봉 캐비티를 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 상기 핸들 웨이퍼 내에 적어도 하나의 개구부를 식각하여 상기 절연층의 부분을 노출시키는 단계, 및 상기 절연층의 상기 노출된 부분을 식각하여 상기 디바이스 웨이퍼의 부분을 상기 외부 환경에 노출하는 단계를 포함한다.
제2 양태에서, 상기 MEMS 디바이스는 CMOS 기판 및 CMOS 기판에 접합된 MEMS 기판을 포함한다. MEMS 기판은 핸들 기판과 디바이스 기판 사이에 배치된 절연층을 구비하는 디바이스 기판에 접합된 핸들 기판을 포함한다. MEMS 디바이스는 상기 핸들 기판 내에 적어도 하나의 개구부를 포함하는데,, 상기 적어도 하나의 개구부는 상기 외부 환경에 상기 디바이스 기판의 표면을 노출시킨다.
첨부 도면은 본 발명의 몇몇 실시예를 예시하며, 설명과 함께, 발명의 원리를 설명하는데 기여한다. 도면에 예시된 구체적인 실시예는 단지 예시적이며 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것을 당업자는 쉽게 인식할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 제1 MEMS 디바이스를 위한 출발 재료를 예시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 핸들 웨이퍼의 제1 식각을 갖는 제1 MEMS 디바이스를 예시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 유전층의 제2 식각을 갖는 제1 MEMS 디바이스를 예시한다.
도 4a는 일 실시예에 따른 디바이스 웨이퍼의 선택적인 제3 식각을 갖는 제1 MEMS 디바이스를 예시한다.
도 4b는 디바이스 웨이퍼의 유연부의 치수가 식각된 개구부의 위치 및 치수보다는 이격부 프레임의 위치에 의해 정의되도록, 식각된 개구부가 이격부 프레임 상에 위치되는 제1 MEMS 디바이스를 예시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 두 개의 실리콘층을 포함하는 디바이스 웨이퍼를 갖는 MEMS 디바이스를 예시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 제1 MEMS 디바이스의 제1 웨이퍼-레벨 패키징 공정을 예시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 제1 MEMS 디바이스의 제2 웨이퍼-레벨 패키징 공정을 예시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 제2 웨이퍼-레벨 패키징 공정의 포토레지스트 패터닝 증착을 예시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 플라스틱-성형 패키징 공정을 예시한다.
도 10a는 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스를 예시한다.
도 10b는 일 실시예에 따른 제2 MEMS 디바이스를 예시한다.
도 11는 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 캐비티의 평면도를 예시한다.
도 12는 일 실시예에 따른 도 11의 MEMS 디바이스의 횡단면도 A-A’를 예시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 이격층 사이드-채널을 통해 외부 환경에 노출된 캐비티를 갖는 MEMS 디바이스의 횡단면도를 예시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 CMOS 웨이퍼 내의 캐비티에 의해 정의된 사이드-채널을 갖는 MEMS 디바이스의 평면도 및 횡단면도를 예시한다.
도 15는 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스를 예시한다.
도 16은 일 실시예에 따른 COMS 웨이퍼 개구부를 생성하기 위한 MEMS 디바이스의 제조 공정을 예시한다.
도 17은 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스를 예시한다.
도 18은 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 핸들 웨이퍼에 융합 접합하기 전에 디바이스 웨이퍼의 부분을 얇게 하는 제조 공정을 예시한다.
도 19는 일 실시예에 따른 도 18의 제조 공정에 따라 얇아지고 가공된 MEMS 디바이스의 추가적인 제조 공정을 예시한다.
본 발명은 미세전자기계시스템 (MEMS) 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 외부 환경에 노출된 부분을 갖는 MEMS 디바이스의 제조에 관한 것이다. 다음 설명은 당업자가 발명품을 만들어 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 제시되며, 특허 출원 및 그 요건 맥락에서 제공된다. 설명된 실시예에 대한 다양한 수정예 및 본 명세서에 설명된 일반적인 원리 및 특징이 당업자에게는 쉽게 분명해질 것이다. 따라서, 본 발명은 보여진 실시예로 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 본 명세서에 설명된 원리 및 특징과 일치하는 가장 넓은 범위를 따르도록 의도된다.
CMOS-MEMS 통합 공정은 웨이퍼 접합을 통해 COMS 웨이퍼/기판과 통합되는 기밀하게 밀봉된 MEMS 디바이스를 생성하기 위해 활용될 수 있다. 이로 인한 MEMS 디바이스는 이로 인한 용기 내에 밀봉되어 환경에 대해 직접적인 노출을 갖지 않는다. 압력 센서, 광학 MEMS, 생물학적 센서를 포함하나 이에 제한되지 않는 일부 디바이스에 대해서는, MEMS 구조가 환경과 직접 인터페이스 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템은 외부 환경에 노출된 부분을 갖는 MEMS 디바이스를 제조하는 공정을 제공한다. MEMS 기판을 집적 회로 기판에 접합하고 MEMS 기판의 부분을 식각함으로써, MEMS 기판의 부분이 이후 외부 환경에 노출된다. 외부 환경에 노출되는 MEMS 기판의 부분은 MEMS 기판의 나머지 구조적 디바이스층 보다 더 얇을 수 있어, 향상된 감도를 요구하는 압력 센서 또는 관련 MEMS 디바이스의 생성을 가능하게 한다. 이러한 압력 센서 또는 관련 MEMS 디바이스와 움직임 센서를 포함하나 이에 제한되지 않는 그 밖의 MEMS 디바이스와의 통합이 또한 제조 공정에 의해 달성된다.
본 발명의 특징을 더 상세히 설명하기 위해, 첨부 도면과 함께 다음 설명을 이제 참조하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스(100)를 위한 출발 재료를 예시한다. MEMS 디바이스(100)는 MEMS 기판을 포함하는데, MEMS 기판은 핸들 웨이퍼(102) 및 디바이스 웨이퍼(106)를 포함하며, 이 디바이스 웨이퍼(106)는 유전층(104)을 통해 핸들 웨이퍼(102)에 연결된다. 일 실시예에서, 디바이스 웨이퍼(106)는 순수한 실리콘 웨이퍼이다. 일 실시예에서, 유전층(104)은 산화층이다. MEMS 디바이스(100)는 적어도 하나의 이격부(110)를 통해 MEMS 기판의 디바이스 웨이퍼(106)에 연결된 CMOS 웨이퍼(108)를 포함한다. MEMS 디바이스(100)는 상부 캐비티(112) 및 하부 캐비티(114)를 포함한다.
따라서, MEMS 디바이스(100)는 표준 공정을 통해 생성되는 출발 CMOS-MEMS 접합 웨이퍼이다. MEMS 기판의 상면은 포토레지스트 물질에 의해 도포되고 개구부가 MEMS 기판의 영역 상에 포토리소그래피를 이용해서 정의되는데, 이 영역은 외부 환경에 노출된다. 일 실시예에서, 출발 웨이퍼는 CMOS 웨이퍼와 접합하기 전에 필요한 두께로 얇아진 MEMS 구조 디바이스층의 일 부분을 갖는다.
도 2는 일 실시예에 따른 핸들 웨이퍼(102)의 제1 식각(202)을 갖는 MEMS 디바이스(200)를 예시한다. 일 실시예에서, 제1 식각(202)은 핸들 웨이퍼(102)를 통한 멤브레인 DRIE 식각으로서, 핸들 웨이퍼(102) 아래에 매립된 절연층(104)의 상면에 도달할 때 멈추는데, 이는 핸들 웨이퍼(102) 내에 초기 개구부 또는 캐비티를 생성한다. 도 3은 일 실시예에 따른 핸들 웨이퍼(102)의 제2 식각(204)을 갖는 MEMS 디바이스(300)를 예시한다. 일 실시예에서, 제2 식각(204)은 유전층(104)을 통한 멤브레인 DRIE 식각으로서, 디바이스 웨이퍼(106)의 상면에 도달할 때 멈춘다. 이때, 디바이스 웨이퍼(106)의 상면이 이제 외부 환경에 노출된다.
도 4a는 일 실시예에 따른 핸들 웨이퍼(102)의 선택적인 제3 식각(206)을 갖는 MEMS 디바이스(400a)를 예시한다. 일 실시예에서, 제3 식각(206)은 디바이스 웨이퍼(106)를 통한 멤브레인 DRIE 식각으로서, 필요한 멤브레인 두께에 도달할 때 멈춘다. 응용예 및 상이한 요구에 따라 필요한 멤브레인 두께가 변할 수 있다는 것을 당업자는 쉽게 인식하며 이는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다. 제1 내지 제 3 식각(202 내지 206) 각각은 소정의 시간 기간 및 정확한 두께 레벨에서 식각 공정을 멈추도록 시간이 맞춰질 수 있다. 추가로, 제1 내지 제3 식각(202 내지 206) 각각은 습식 또는 건식 식각을 사용해서 선택적으로 식각된다.
도 4b는 측면 멤브레인 치수가 인접한 이격부 프레임(112)에 의해 결정되는 실시예이다. 멤브레인(116)의 직경은 이격부 프레임의 내측 치수에 의해 결정된다. 이러한 멤브레인 크기 정의는 핸들 웨이퍼(102)의 상측으로부터 패터닝된 제1 내지 제3 식각에 의해 정의된 멤브레인들 보다 더 우수한 측면 치수 제어를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 디바이스 웨이퍼(106)는 유전체를 통해 융합 접합되는, 두 개의 실리콘층, 상부 구조층 및 하부 구조층을 포함한다. 도 5는 일 실시예에 따른 두 개의 실리콘층을 포함하는 디바이스 웨이퍼를 갖는 MEMS 디바이스(500)를 예시한다. MEMS 디바이스(500)는 MEMS 기판을 포함하는데, MEMS 기판은 핸들 웨이퍼(502), 제1 유전층(504)을 통해 핸들 웨이퍼(502)에 접합된 디바이스 웨이퍼의 상부 구조층(506), 및 제2 유전층(514)를 통해 디바이스 웨이퍼의 상부 구조층(506)에 접합된 디바이스 웨이퍼의 하부 구조층(508)을 포함한다. MEMS 디바이스(500)는 디바이스 웨이퍼의 하부 구조층(508)에 연결된 CMOS 웨이퍼(510)를 포함한다.
도 5에서, 개구부(512)가 핸들 웨이퍼(502), 유전층(504), 상부 구조층(506), 및 제2 유전층(514)의 식각으로부터 만들어진다. 이는 하부 구조층(508)을 드러낸다. 따라서, 나머지 구조층의 두께가 식각 지속시간에 의해서가 아니라 디바이스 웨이퍼의 하부 구조층(508)의 두께에 의해 정해진다.
일 실시예에서, 유체 또는 가스 채널을 갖는 추가적인 기판이 MEMS 기판의 상면에 접합되어, MEMS 디바이스의 노출된 부분에 대한 유체 또는 가스 인터페이스를 생성한다. 추가적인 기판이 MEMS 기판의 핸들 웨이퍼의 상면을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 표면에 접합될 수 있다는 것을 당업자는 쉽게 인식하며, 이는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다. 다른 실시예에서, 핸들 웨이퍼 및 산화층 내의 개구부는 쏘 다이싱(saw dicing), 레이저 드릴링, 레이저-보조 식각, 및 기계적 드릴링을 포함하나 이에 제한되지 않는 비-식각 수단에 의해 생성된다.
도 6은 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스(100)의 웨이퍼-레벨 패키징 공정(600)을 예시한다. MEMS 디바이스(100)는 도 2 내지 도 4에 의해 설명된 공정을 겪는다. 웨이퍼-레벨 패키징 공정(600)은 CMOS 웨이퍼 금속과의 접점을 만드는 실리콘관통전극(TSV, 602), 재배선 금속배선(604), 응력-제거 및 전기 절연층(606), 솔더 마스크(608), 및 솔더 볼(610)을 포함한다. 다른 실시예에서, 절연 및 전도 공정과 조합한 웨지 다이싱 기법이 CMOS 웨이퍼 금속과의 접점을 만든다.
일 실시예에서, 웨이퍼-레벨 패키징 공정은 MEMS 기판 측으로부터의 TSV를 사용해서 행해지는데, 이는 핸들 웨이퍼를 식각하는 공정이 구조층을 노출시킬 포트를 동시에 생성해서 웨이퍼-레벨 패키징 프로세스에 필요한 TSV 접점을 위한 비어를 정의하게 한다. 본 실시예에서, MEMS 멤브레인층을 금속 배선 및 솔더 마스크 증착 공정으로부터 보호하기 위해서는 상당히 주의해야 한다. 도 7은 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스(100)의 웨이퍼-레벨 패키징 공정(700)을 예시한다. MEMS 디바이스(100)는 도 2 내지 도 4b에 의해 설명된 MEMS 기판 측 식각 공정을 그리고 추가로, 핸들 웨이퍼(102) 내에 두 개의 개구부(750 및 760)를 야기하는 다른 시간이 맞춰진 멤브레인 DRIE 식각 공정을 겪는다.
웨이퍼-레벨 패키징 공정(700)은 화학 기상 증착(CVD) 또는 스퍼터링 방법을 이용해서 이산화규소(SiO2) 절연층(702)을 증착하는 단계를 포함한다. 이산화규소(SiO2) 절연층(702)은 이전에 식각된 두 개의 개구부 내의 각각의 표면을 포함하는 MEMS 디바이스(100)의 핸들 웨이퍼(102)의 전체 상면 상에 증착된다. 증착된 이산화규소(SiO2)층을 포함하는 두 개의 개구부(750 및 760)의 하면(704)만이 식각된다. 제1 포토레지스트 패터닝이 개구부(760) 내에 증착되고 이후 재배선층(RDL, 706)이 리프트-오프 공정을 이용해서 증착된다. 전기도금 상부 금속(708)이 RDL(706) 상에 증착된다. 일 실시예에서, 전기도금 상부 금속(708)은 구리(Cu)이다.
제2 포토레지스트 패터닝이 개구부(760) 안에 그리고 핸들 웨이퍼(702)의 좌측 상의 상면에 증착되고 이후, 절연 솔더 마스크층(710)이 리프트-오프 공정을 사용해서 증착된다. 마지막으로, 솔더볼(712)이 스크린/스텐실 인쇄를 사용해서 절연 솔더 마스크층(710)에 증착된다. 솔더볼(712)이 다양한 방법론에 의해 증착될 수 있다는 것을 당업자는 쉽게 인식하며, 이는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 도 7의 포토레지스트 패터닝 증착(800)을 예시한다. 포토레지스트 패터닝 증착(800)은 개구부(760) 내에 증착된 제1 포토레지스트 패터닝(802) 및 개구부(760) 내에 그리고 핸들 웨이퍼(805)의 좌측 상의 상면에 증착된 제2 포토레지스트 패터닝(804)을 포함한다.
MEMS 디바이스는 또한 성형 캡과 결합되는 핸들 웨이퍼를 구비한 플라스틱-성형된 패키지 내에 패키징되는데, 성형 캡은 댐처럼 작용해서, 성형 화합물이 핸들 웨이퍼 내의 개구부/캐비티에 들어가서 노출 디바이스층과 접촉하는 것을 예방한다. 일 실시예에서, 성형 캡은 핸들 웨이퍼 내의 개구부/캐비티의 밀봉을 향상시키는 테이프를 포함하는 그러나 이에 제한되지 않는 부드러운 물질을 사용한다.
도 9는 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 플라스틱-성형 패키징 공정(900)을 예시한다. MEMS 디바이스는 MEMS 기판을 포함하는데, MEMS 기판은 핸들 웨이퍼(902) 및 디바이스 웨이퍼(904)를 포함하고, 이 디바이스 웨이퍼(904)는 유전층(906)을 통해 핸들 웨이퍼(902)에 연결된다. MEMS 기판은 CMOS 웨이퍼(908)에 접합된다. CMOS 웨이퍼(908)는 와이어 접합(910)을 통해 패키지 리드 프레임(914)의 패키지 패드(912)에 연결된다.
플라스틱-성형 패키징 공정(900)은 MEMS 디바이스의 다이를 싱귤레이팅하는 단계 및 와이어 접합(910)을 통해 패키지 리드 프레임(914)에 다이를 부착하는 단계를 포함한다. 플라스틱-성형 패키징 공정(900)은 MEMS 디바이스의 핸들 웨이퍼(902)의 상면에 성형 캡(916)을 연결하는 단계를 포함한다. 일단 성형 화합물(918)이 MEMS 디바이스에 도포되면, 성형 캡(916)은 성형 화합물(918)이 핸들 웨이퍼(902)의 개구부에 들어가서 MEMS 디바이스의 노출 디바이스층과 접촉하는 것을 예방한다. 성형 화합물(918) 도포가 완료된 후에, 성형 캡(916)이 제거되고 MEMS 디바이스가 싱귤레이트된다.
일 실시예에서, MEMS 디바이스의 식각 공정이 노출된 디바이스층 위에 위치되는 핸들 웨이퍼의 영역 상에서 행해진다. 도 10a는 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스(1000)를 예시한다. MEMS 디바이스(1000a)는 적어도 하나의 이격부를 통해 CMOS 기판에 접합된 MEMS 기판을 포함한다. MEMS 디바이스(1000a)의 핸들 웨이퍼가 외부 환경에 노출되는MEMS 디바이스(1000)의 상부 캐비티(1004) 위에 위치된 영역(1002)에서 식각된다. 상부 캐비티(1004)에는 세 가지 뚜렷한 혜택이 존재한다. 첫째, 식각된 영역이 상부 캐비티까지 종료됨으로써 자유 구조체(1016)가 노출되게 한다. 이 구조체는 비틀림 거울 또는 그 밖의 광 변조 구조체일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 도 10b에 도시된 제2 혜택은 핸들 웨이퍼(102)의 식각 깊이의 감소이다. 식각된 영역(1018)은 핸들 웨이퍼(102)의 전체 깊이보다 더 얇은데, 이는 결과적으로 사이클 시간을 더 빠르게 하며 제조 비용을 더 낮춘다. 상부 캐비티(1020)의 세 번째 혜택은 이 캐비티의 측면 치수가 식각된 영역(1018)의 것 보다 더 잘 제어되고 이격부(110)에 의해 정의된 멤브레인에 대한 정렬이 식각된 영역(1018)의 것 보다 더 정확하다는 것이다. 상부 캐비티(1020)의 정렬 및 식각 프로파일 둘 다 CMOS-MEMS 접합 후에 수행되는 식각된 영역(1020)의 것보다 더 우수하다. 이격부(110)에 대한 상부 캐비티(1018)의 중첩의 개선이 오정렬 또는 불균형으로 인한 패키지 감도의 임의의 저하를 줄일 것으로 예상된다.
일 실시예에서, MEMS 디바이스의 상부 캐비티를 다이싱 레인 가장자리로 연장함으로써 MEMS 디바이스의 디바이스 웨이퍼의 섹션이 외부 환경에 노출되어, MEMS 디바이스가 싱귤레이트될 때 상부 캐비티가 외부 환경에 노출됨으로써, 외부 환경에 노출된 사이드-채널을 생성한다. 외부 환경 압력에 압력-센서 가요성 평판을 노출하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 응용예에서 본 실시예가 활용될 수 있다는 것을 당업자는 쉽게 인식하며, 이는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다.
본 실시예에서, MEMS 디바이스의 캐비티 밀봉이 모든 사전-싱귤레이션 웨이퍼 처리 동안에 유지되어, 핸들 웨이퍼/MEMS 디바이스 내의 개구부를 액체, 가스, 및 잔여물로부터 보호할 필요성을 예방한다. 다른 실시예에서, 사이드-채널을 싱귤레이션 잔여물로부터 보호하기 위한 싱귤레이션 이후에 좁은 사이드 평판 및 융합 접합을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 메커니즘에 의해 밀봉된 채로 사이드-채널은 남는다. 좁은 사이드 평판 또는 융합 접합은 이후, 레이저 가공 및 레이저 다이싱을 포함하나 이에 제한되지 않는 천공 공정을 통해 추후 단계에서 개방된다.
도 11은 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 캐비티의 평면도(1100)를 예시한다. MEMS 디바이스의 캐비티는 외부 환경에 노출된다. MEMS 디바이스(1100)는 상부 캐비티(1102), 디바이스층(1104), 디바이스층(1104)과 CMOS 웨이퍼 사이의 접합(1106), 및 싱귤레이션 컷(1108)을 포함한다. 도 12는 일 실시예에 따른 도 11의 MEMS 디바이스의 횡단면도 A-A’를 예시한다. MEMS 디바이스(1200)는 다이싱 레인 가장자리로 연장된 상부 캐비티(1202) 및 외부 환경에 노출되는 디바이스 웨이퍼의 일 부분에 연결되는 사이드-채널(1204)을 포함한다.
도 13은 일 실시예에 따른 이격층 사이드-채널(1304)을 통해 외부 환경에 노출된 캐비티(1302)를 구비한 MEMS 디바이스의 횡단면도A-A’(1300)를 예시한다. 이격층 사이드-채널은 제조하는 동안에 공정 접합(eutectic bond )에 의해 밀봉되지만, 이격층 사이드-채널은 다이 싱귤레이션 동안에 외부 환경에 개방된다. 잔여물을 방지하기 위해 스텔스(stealth) 다이싱 및 레이저 다이싱과 같은 건식 공정 또는 다이싱 쏘를 포함하는 그러나 이에 제한되지 않는 다양한 방식으로 싱귤레이션이 수행될 수 있다는 것을 당업자는 쉽게 인식하며, 이는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 사이드-채널(1406)을 갖는 MEMS 디바이스의 평면도(1402) 및 횡단면도(1404)를 예시한다. 본 실시예에서, 사이드-채널을 통해 외부 환경에 노출된 MEMS 디바이스의 캐비티는 CMOS 내의 하부 캐비티를 사용해서 달성된다. 사이드-채널은 제조하는 동안에 공정 접합(eutectic bond)에 의해 밀봉되나, 사이드-채널은 다이 싱귤레이션 동안에 외부 환경에 개방된다.
도 15는 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스(1500)를 예시한다. 본 실시예에서, MEMS 디바이스(1500)의 핸들 웨이퍼는 식각 또는 연삭 또는 두 가지 조합에 의해 완벽하게 제거된다. MEMS 디바이스(1500)는 MEMS 웨이퍼(1502) 및 이 MEMS 웨이퍼(1502)에 연결된 베이스 웨이퍼(1504)를 포함한다. MEMS 웨이퍼(1502)는 핸들 웨이퍼 부분을 포함하지 않는다.
도 16은 일 실시예에 따른 COMS 웨이퍼 개구부를 생성하기 위한 MEMS 디바이스의 제조 공정(1600)을 예시한다. 제조 공정(1600)은 단계(1602)를 통해서, MEMS 디바이스의 CMOS 웨이퍼 기판 실리콘 내에 개구부를 식각하는 단계(습식 또는 건식 화학 식각을 사용함)를 포함한다. 제조 공정(1600)은 이후 단계(1604)를 통해, 외부 환경에 MEMS 디바이스의 MEMS 부분을 노출하기 위해 CMOS 금속간 절연 및 패시베이션층을 통해 전체적으로 식각하는 단계 또는 단계(1606)를 통해, 하나 이상의 CMOS 금속 및 유전층의 금속 멤브레인 화합물을 부분적으로 노출하는 단계 중 하나를 포함한다. 식각은 CMOS 내에 관통공을 만들어, MEMS 특징부를 노출한다. 단계(1606)에서, MEMS 디바이스층은 금속 멤브레인의 움직임을 용량성으로 감지하기 위한 정지 전극으로서 사용된다.
도 17는 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스(1700)를 예시한다. MEMS 디바이스(1700)는 도 10의 MEMS 디바이스(1000)와 비슷하다. 따라서, MEMS 디바이스(1700)는 MEMS 디바이스(1700)의 상부 캐비티(1704) 위에 식각된 그리고 이 캐비티와 이어진 개구부(1702)를 포함한다. 도 17에서, 투명 평판(1706)은 MEMS 디바이스(1700)의 MEMS 기판 부분의 상면에 접합되어, 광 신호와 연결되고 상호작용 하도록 한다. 일 실시예에서, 투명 평판(1706)은 일정한 파장의 광에 대해 투명한 웨이퍼이다. 투명 평판(1706)은 또한 환경 가스, 습기, 및 입자로부터 MEMS 기판 부분을 보호한다.
위에서 언급된 MEMS 디바이스의 디바이스층 또는 기판은 위에서 언급된 제조 공정 동안에 얇아진다. 일 실시예에서, 외부 환경에 노출될 디바이스 웨이퍼의 부분이 핸들 웨이퍼와 융합 접합하기 전에 얇아진다. 도 18은 일 실시예에 따른 MEMS 디바이스의 핸들 웨이퍼에 융합 접합하기 전에 디바이스 웨이퍼의 부분을 얇게 하는 제조 공정(1800)을 예시한다. 제조 공정(1800)은 단계(1802)를 통해 감소된 두께 영역을 만들기 위해 디바이스 웨이퍼의 부분 내에 홈(1850)을 형성하는 단계 및 단계(1804)를 통해 핸들 웨이퍼 내에 캐비티를 형성하는 단계를 포함한다. 산화물이 핸들 와이퍼의 캐비티 측에 증착되고, 단계(1806)를 통해, 디바이스 웨이퍼의 홈이 핸들 웨이퍼 쪽으로 향하도록 핸들 웨이퍼가 디바이스 웨이퍼에 융합 접합된다. 단계(1806)에서, 핸들 웨이퍼에 융합 접합된 디바이스 웨이퍼를 포함하는 MEMS 디바이스의 디바이스층이 디바이스 웨이퍼의 연삭 및 연마에 의해 필요한 두께로 얇아진다.
제조 공정(1800)은 단계(1808)를 통해, 디바이스 웨이퍼 상에 복수의 이격부를 형성함으로써 디바이스층/MEMS 기판 웨이퍼를 추가로 가공하는 단계 및 얇게 만드는 단계, 게르마늄 또는 다른 물질을 증착하는 단계, 및 디바이스층을 패터닝하는 단계 및 식각하는 단계를 포함한다. 도 19는 일 실시예에 따른 제조 공정(1800)에 따라 가공된 MEMS 디바이스의 제조 공정(1900)을 예시한다. 결과적인 MEMS 기판 웨이퍼가 단계(1902)를 통해 CMOS 웨이퍼에 접합되고, 이후 단계(1904)를 통해, 위에서 언급된 기법 중 임의의 기법을 활용해서 디바이스층(1950)의 들어간 부분이 외부 환경에 노출된다.
일 실시예에서, 외부 환경에 노출되는 위에서 언급된 MEMS 디바이스 내의 포트 개구부가 고어텍스를 포함하나 이에 제한되지 않는 다공성 물질로 전체적으로 또는 부분적으로 채워져서, 가스 또는 액체가 MEMS 부분으로 여전히 침투하게 하는 한편, 더 큰 입자 및 물체로부터 MEMS 디바이스를 보호한다.
위에서 설명된 바와 같이, 방법 및 시스템은 더 효과적이고 더 정확하게 힘을 감지하고 힘을 인가하는 MEMS 디바이스의 제조를 가능하게 한다. MEMS 기판을 집적 회로 기판에 연결하고 개방된 핸들 웨이퍼 캐비티를 활용함으로써, MEMS 기판 구조층의 상면이 외부 환경에 노출된다. MEMS 기판의 가요성 평판의 일측 상에는 기밀하게 밀봉된 캐비티/챔버가 있는 한편, 타측은 인근의 주변 환경에 노출된다.
실시예에 따라 개시된 접근법은 CMOS 웨이퍼와 환경-노출된 MEMS 구조체의 웨이퍼-레벨 통합을 가능하게 하며 또한 이러한 구조와 다양한 수준의 두께를 갖는 동일한 다이 상의 그 밖의 비-노출된 구조체와의 통합을 가능하게 한다. 구체적으로, 다이 상의 노출된 디바이스의 구조층 두께는 다이 상의 그 밖의 디바이스의 구조층 두께와 상이할(예컨대, 더 얇을) 수 있다. 이는 노출된 디바이스가 증가된 민감도로부터 이익을 얻는 것을 가능하게 한다. 또한, 이러한 방법 및 시스템은 노출된 구조층을 훼손하거나 손상시키지 않으면서 이러한 MEMS 디바이스들의 웨이퍼-레벨 패키징을 제공한다.
본 발명이 도시된 실시예에 따라 설명되었으나, 당업자는 실시예에 대한 변형예가 존재할 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이며, 이러한 변형예는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다. 따라서, 많은 수정예가 첨부된 청구항의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 이루어질 수 있다.

Claims (27)

  1. 외부 환경에 노출된 부분을 갖는 미세 전자기계 시스템(MEMS) 디바이스를 제공하는 방법으로서,
    핸들 웨이퍼를 디바이스 웨이퍼에 접합해서 MEMS 기판을 형성하는 단계로서, 유전층이 상기 핸들 웨이퍼 및 상기 디바이스 웨이퍼 사이에 배치되는, 단계;
    상기 디바이스 웨이퍼 상에 적어도 하나의 이격부를 리소그래피 방식을 이용해서 정의하는 단계;
    상기 적어도 하나의 이격부를 집적 회로 기판에 접합해서 상기 MEMS 기판과 상기 집적 회로 기판 사이에 밀봉 캐비티를 형성하는 단계로, 집적 회로는 밀봉 캐비티에 적어도 하나의 전극을 포함하는 것인, 단계;
    상기 핸들 웨이퍼 내에 적어도 하나의 개구부를 식각해서 유전층의 일 부분을 노출시키는 단계; 및
    상기 핸들 웨이퍼의 적어도 하나의 개구부 아래에 상기 디바이스 웨이퍼 및 유전층의 노출된 부분을 부분적으로 식각하여, 상기 디바이스 웨이퍼의 두께를 줄이고, 상기 핸들 웨이퍼의 적어도 하나의 개구부 아래에 상기 디바이스 웨이퍼의 감소된 두께를 갖는 나머지 부분을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 디바이스 웨이퍼의 감소된 두께를 갖는 나머지 부분은 상기 외부 환경에 노출되고, 상기 디바이스 웨이퍼의 감소된 두께를 갖는 나머지 부분은 상기 밀봉 캐비티에 상기 적어도 하나의 전극과 대항하는 다른 전극을 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 집적 회로 기판은 상기 적어도 하나의 전극을 갖는 시모스(complementary metal oxide semiconductor: CMOS) 웨이퍼 및 상기 적어도 하나의 전극에 연결된 적어도 하나의 회로를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 캐비티의 간격이 상기 적어도 하나의 이격부의 높이에 의해 정의되는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이격부와 상기 집적 회로 기판 사이의 전도성 접합을 활용해서 상기 디바이스 웨이퍼와 상기 집적 회로 기판 사이에 전기 배선을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 디바이스 웨이퍼의 노출된 부분은 가요성 평판이며, 상기 가요성 평판의 적어도 하나의 영역은 상기 밀봉 캐비티의 표면인, 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스 웨이퍼의 적어도 타 부분에서 개구를 식각하는 단계; 및
    상기 디바이스 웨이퍼의 상기 타 부분을 완전히 식각해서 상기 집적 회로 기판의 표면을 노출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 유체 채널을 갖는 기판을 상기 MEMS 기판의 상면에 접합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 실리콘관통전극(TSV) 공정을 사용해서 상기 MEMS 디바이스를 패키징하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 댐으로서 상기 핸들 웨이퍼를 사용해서 제1플라스틱-성형 패키지 내에 상기 MEMS 디바이스를 패키징하여 제1성형 화합물이 상기 디바이스 웨이퍼의 감소된 두께를 갖는 나머지 부분을 포함하는 상기 밀봉 캐비티의 멤브레인 영역에 들어가는 것을 예방하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 접착 테이프를 사용해서 제2플라스틱-성형 패키지 내에 상기 MEMS 디바이스를 패키징하여, 제2성형 화합물이 상기 디바이스 웨이퍼의 감소된 두께를 갖는 나머지 부분의 영역에 들어가는 것을 예방하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 핸들 웨이퍼 내에 상기 적어도 하나의 개구부를 식각하는 단계는 경사진 측벽을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 외부 환경에 노출된 부분을 갖는 MEMS 디바이스로서,
    적어도 하나의 전극을 포함하는 CMOS 기판;
    상기 CMOS 기판에 접합되고 적어도 하나의 다른 전극을 포함하는 MEMS 기판으로서, 상기 MEMS 기판은 핸들 기판과 디바이스 기판 사이에 유전층이 배치된 상태에서 상기 디바이스 기판에 접합된 상기 핸들 기판을 포함하고, 상기 적어도 하나의 전극과 적어도 하나의 다른 전극을 포함하는 밀봉 캐비티는 MEMS 기판과 CMOS 기판 사이에 형성되는, MEMS 기판; 및
    상기 핸들 기판 내에 있으며 상기 외부 환경에 상기 유전층의 표면을 노출하는 적어도 하나의 개구부를 포함하고,
    상기 핸들 기판의 적어도 하나의 개구부 아래에 상기 디바이스 기판 및 유전층의 표면은, 상기 적어도 하나의 다른 기판을 포함하고 상기 적어도 하나의 전극과 대항하는 밀봉 캐비티의 일부분을 정의하는, 상기 디바이스 기판의 감소된 두께를 갖는 나머지 부분을 포함하고,
    상기 디바이스 기판의 감소된 두께를 갖는 나머지 부분은 상기 외부 환경에 노출되는, MEMS 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 개구부의 섹션이 상기 핸들 기판의 가장자리로 연장되는, MEMS 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 개구부는 유체 흐름을 허용하는 유체 채널인, MEMS 디바이스.
  20. 제17항에 있어서, 상기 밀봉 캐비티가 상기 디바이스 기판 상에 리소그래피 방식을 이용해서 정의된 적어도 하나의 이격부의 높이에 의해 정의되는, MEMS 디바이스.
  21. 제20항에 있어서, 상기 밀봉 캐비티는 적어도 하나의 이격부의 프레임 위에 위치된 핸들 기판 내의 상기 적어도 하나의 개구부보다 더 작은, MEMS 디바이스.
  22. 제20항에 있어서, 상기 밀봉 캐비티는 상기 핸들 기판 내의 상기 적어도 하나의 개구부보다 더 큰, MEMS 디바이스.
  23. 제20항에 있어서, 상기 적어도 하나의 개구부는 상기 밀봉 캐비티 상에 위치되는, MEMS 디바이스.
  24. 제17항에 있어서, 상기 디바이스 기판은 상부 구조층과 하부 구조층 사이에 제2 유전층이 배치된 상태에서 상기 하부 구조층에 접합된 상기 상부 구조층을 더 포함하되, 상기 상부 구조층은 상기 유전층과 상기 제2 유전층 사이에 배치된, MEMS 디바이스.
  25. 제24항에 있어서, 상기 적어도 하나의 개구부는 상기 유전층 및 상기 상부 구조층을 통해 연장되어 상기 제2 유전층의 영역을 상기 외부 환경에 노출시키는, MEMS 디바이스.
  26. 제17항에 있어서, 상기 핸들 기판 내에 적어도 하나의 캐비티를 포함하되, 상기 핸들 기판 내의 상기 적어도 하나의 개구부는 상기 핸들 기판 내의 상기 적어도 하나의 캐비티내로 연장되는, MEMS 디바이스.
  27. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 개구부는 상기 MEMS 디바이스의 가장자리로 연장되는, MEMS 디바이스.
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