KR20050074512A - 집적 구조물 및 그 제조 방법 - Google Patents

집적 구조물 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

수직 집적 구조물은 마이크로-전자기계 시스템(MEMS)과 MEMS에 신호를 전달하는 칩을 포함한다. MEMS는 도체를 갖는 앵커부를 가지며, 이 앵커부는 기판에 접속된다. 칩은 기판 표면에 법선인 방향으로 MEMS 기판에 부착되어 칩으로부터 MEMS로의 도전 경로를 형성한다. 칩은 도체를 칩 상에 형성된 C4 금속 패드에 본딩하거나 도체를 칩 상의 금속 스터드에 본딩함으로써 부착될 수 있다. MEMS 기판은 칩에 부착되기 전에 세선화되거나 MEMS의 하부로부터 제거될 수 있다. 일시적인 캐리어 플레이트는 MEMS의 핸들링 및 칩으로의 정렬을 용이하게 하는데 사용된다.

Description

집적 구조물 및 그 제조 방법 {AN INTEGRATED STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 마이크로-전자기계 시스템(MEMS) 및 그 MEMS에 신호를 전달하는 칩을 포함하는 집적 구조물에 관한 것이다.
마이크로-전자기계 시스템(MEMS; micro-electromechanical system) 및 초고밀도 데이터 저장을 위한 나노-전자기계 시스템(NEMS; nono-electromechanical systems)의 사용이 보고되고 있다. 데이터 저장을 위한 이 접근법은 원자력 마이크로스코프(atomic-force microscope) 및 주사형 터널 마이크로스코프(scanning-tunneling microscope) 기술에 사용되는 다수의 나노미터-스케일 팁을 갖는 열기계 국부 프로브 기술을 이용한다. 이 기술에서, 판독/기입 동작은 팁을 박막 저장 매체에 접촉하여 그 내에 형성된 오목부를 생성하거나 검출하면서 캔틸레버 기구를 가열함으로써 수행된다.
데이터 저장을 위한 MEMS 구조의 설계의 몇가지 상세가 최근 IBM J. Res. Develop. 44, 323 (2000) 및 Sensors and Actuators 80, 100 (2000)에서 발표되었다.
개별 캔틸레버 셀이 도 1A (단면도) 및 1B (평면도)에 개략적으로 도시되어 있다. 일반적으로 실리콘인 MEMS 칩(1)이 처리되어 팁(11)과 히터(13)를 갖는 실리콘 캔틸레버(10)를 산출한다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 캔틸레버 구조(10)가 칩(1) 표면의 층 상에 형성된 후, 캐비티가 캔틸레버(10) 후방의 벌크 실리콘에 에칭된다. 관통 접속부(through connection; 15)을 통해 전력을 인가하면 히터 및 저장 매체(12)(일반적으로 실리콘 기판 상의 얇은 폴리머막)에 접촉하는 팁의 온도를 증가시킨다. 저장 매체 상의 팁 압력과 팁 가열의 조합에 의해, 팁이 저장 매체에 오목부를 생성하고, 따라서, 매우 높은 비트 면적 밀도로 열기계 데이터 기입을 실현한다.
MEMS 칩(1)을 제어하기 위한 종래의 2차원 구성이 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 많은 수의 개별 셀을 포함하는 MEMS 칩(1)은 칩(1)의 에지에 종래의 와이어본딩 접속부를 갖는 멀티플렉스 드라이버(2)에 의해 전기적으로 제어된다. 전기 접속부의 2차원 구성에는 고유한 한계가 있다. 예를 들어, 칩(1) 내의 셀 수가 증가함에 따라, 셀들사이의 전기적 격리를 제공하는 것이 더 어려워지고, 동시에, 개별 접속부의 크기가 감소하면서 셀 어레이를 처리하는데 더 높은 전력이 요구된다.
따라서, 종래의 2차원 구성의 전기적 제한을 극복하기 위하여, MEMS 장치와 그들의 제어 장치 (CMOS 논리 칩 등)이 상호 접속될 수 있는 3차원 집적 구조가 필요하다.
발명의 개요
본 발명은 마이크로기계 장치를 갖는 칩과 전자 장치를 갖는 칩을 집적하는 방법을 제공한다. 특히, 본 발명은 칩과 MEMS의 수직 집적화를 위한 방법을 제공하고, 여기서, MEMS는 표면(저장 장치로서 기능하는 막의 표면)과 접촉할 수 있고 수직 방향의 표면에 대하여 기계적 이동성을 갖는다.
본 발명의 일형태에 따르면, 마이크로-전자기계 시스템(MEMS) 및 MEMS에 신호를 전달하는 칩을 포함하는 집적 구조물을 제조하는 방법이 제공된다. MEMS는 기판 상에 형성되며 기판에 접속되는 앵커부(anchor portion)를 갖는다. (본 발명의 일실시예에서, MEMS는 기판 내의 캐비티에 걸린 캔틸레버이고 앵커부에서 기판에 고정된다.) MEMS의 앵커부로부터 MEMS 기판을 관통하여 연장하는 도체가 형성된다. 칩은 기판 표면에 법선인 방향으로 MEMS 기판에 부착되어 칩으로부터 MEMS로 도전 경로를 형성한다.
일 실시예에서, 칩 상에 C4 금속 패드를 형성하고 도체에 C4 금속 패드를 정렬하고 C4 금속을 도체에 본딩함으로써 칩이 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 칩을 부착하는 단계는 칩 상에 금속 스터드(stud)를 형성하는 단계, 도체에 스터드를 정렬하는 단계 및 도체에 스터드를 본딩하는 단계를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 칩을 부착하는 단계는 금속 스터드 및 금속 패드 중의 하나를 칩 상에 형성하는 단계, 금속 스터드 및 금속 패드 중의 다른 하나를 도체에 접촉하도록 형성하는 단계, 패드에 스터드를 정렬하는 단계 및 패드에 스터드를 본딩하는 단계를 포함한다.
바람직하게, MEMS는 표면에 법선인 방향으로 연장하는 팁을 갖도록 형성된다. 더 바람직하게, 본 방법은 팁에 접촉하는 저장 매체층을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 층은 팁에 의해 그 내에 형성된 오목부(indenations)에 의해 데이터를 저장하는 저장 매체를 포함한다. 더 바람직하게는, MEMS를 형성하는 단계는 앵커부에 일단을 가지며 표면에 법선인 방향으로 연장하는 팁을 갖는 앵커 단부를 갖는 캔틸레버 구조물을 형성하는 단계 및 캔틸레버 하부의 기판에 캐비티를 형성하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 도체를 형성하는 단계는 기판에 비어(via)를 형성하는 단계, 비어에 금속을 피착하는 단계, MEMS 기판에 캐리어 플레이트를 부착하는 단계, MEMS 기판의 후면을 세선화하여 금속을 노출시키는 단계, 및 비어 내의 금속과 접촉하는 후면에 금속 패드를 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 캐리어 플레이트는 흡열 방사를 투과시키고, 칩을 부착하는 단계는 흡열 방사에 플레이트를 노출시켜 플레이트를 분리하는 단계를 더 포함한다. 더 바람직하게, 도체를 형성하는 단계는 제1 폴리이미드층으로 MEMS 기판의 후면을 코팅하는 단계, 제1 폴리이미드층에 개구를 형성하여 도체를 노출시키는 단계 및 금속 스터드 및 금속 패드 중 하나를 도체에 접촉하도록 형성하는 단계를 포함하고, 칩을 부착하는 단계는 제2 폴리이미드층으로 칩을 코팅하는 단계, 제2 폴리이미드층에 개구를 형성하고 그 개구 내에 금속 스터드 및 금속 패드 중의 다른 하나를 형성하는 단계, 및 적층 프로세스를 수행하여 제1 폴리이미드층과 제2 폴리이미드층을 본딩하는 단계를 포함한다. 더 바람직하게, 본 방법은, MEMS의 형성이 완료되는 적층 프로세스에 이어서, MEMS 기판에 캐비티를 형성하여 MEMS가 캔틸레버 구조물을 갖도록 하는 단계를 포함한다.
칩이 부착되기 전에 MEMS 기판이 세선화되는 것이 바람직하며, 이것은, 부착 프로세스가 완료된 후, 캐리어 플레이트를 먼저 부착하고, 캐리어 플레이트를 제거함으로써 편리하게 수행될 수 있다.
바람직하게, 마이크로-전자기계 시스템(MEMS)과 MEMS에 신호를 전달하는 칩을 포함하는 집적 구조물을 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법에서, MEMS는 기판 상에 형성되고 내부에 개구를 갖는 앵커부를 가지며, 도체가 앵커부의 개구 내에 형성된다. 그후, MEMS 기판이 제거되어 MEMS의 하면과 도체가 노출된다. 그후, 칩이 기판 표면에 법선인 방향으로 MEMS의 앵커부에 부착되어 칩으로부터 MEMS로 도전 경로를 형성한다. 기판이 제거되기 전에, MEMS 위에 층을 피착하고 그 층에 캐리어 플레이트를 부착하는 것이 편리하고, 캐리어 플레이트는 MEMS와 칩이 부착된 후에 제거된다. 칩과 MEMS 사이의 접속은 칩 위의 층 내에서 칩 상에 형성된 금속 스터드를 통해 이루어진다. 따라서, MEMS의 하면은 층의 두께에 대응하는 거리만큼 칩으로부터 이격된다.
바람직한 실시예에서, 본 방법은 칩상에 제2 층을 피착하는 단계, 제2 층에 개구를 형성하는 단계, 및 제2 층의 개구에 금속 스터드를 형성하는 단계를 포함하고, 부착하는 단계는 MEMS의 하면에서 금속 스터드를 도체에 정렬하는 단계, 및 적층 프로세스를 수행하여 MEMS를 제2 층에 본딩하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게, 본 방법은 칩 상에 제2 층을 피착하는 단계; 제2 층에 개구를 형성하는 단계, 제2 층의 개구에 금속 패드를 형성하는 단계, 및 MEMS의 하면 상에 도체와 접촉하도록 금속 스터드를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 부착하는 단계는 스터드를 패드에 정렬하는 단계, 및 적층 프로세스를 수행하여 MEMS를 제2 층에 본딩하는 단계를 더 포함한다. 더 바람직하게, 캐리어 플레이트는 흡열 방사를 투과시키고, 본 방법은, 칩을 부착하는 단계 후에, 캐리어 플레이트를 흡열 방사에 노출시켜 캐리어 플레이트를 제1 층으로부터 분리하는 단계 및 제1 층을 분리하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, MEMS를 형성하는 단계는, 앵커부에 일단을 가지며 표면에 법선인 방향으로 연장하는 팁을 갖는 다른 단부를 갖는 캔틸레버 구조물을 형성하는 단계를 더 포함하고, 캔틸레버는 제2 층의 두께에 대응하는 거리만큼 칩으로부터 이격된다. 더 바람직하게, MEMS를 형성하는 단계는, 앵커부에 일단을 가지며 표면에 법선인 방향으로 연장하는 팁을 갖는 다른 단부를 갖는 캔틸레버 구조물을 형성하는 단계를 더 포함하고, 캔틸레버는 제2 층의 두께에 대응하는 거리만큼 칩으로부터 이격된다.
제2 형태에 따르면, 본 발명은 마이크로-전자기계 시스템(MEMS)과 상기 MEMS에 신호를 전달하는 칩을 접속하는 수직 집적 구조물을 제공한다. 이 구조물은 칩의 일부 위에 놓이고 개구를 갖는 층; 앵커부와 그로부터 수평으로 연장하는 단부를 갖는 MEMS - 앵커부는 층에 부착되고 개구에 정렬된 도체를 포함함 -; 및 칩 및 도체에 접촉하는, 상기 개구 내의 금속 스터드를 포함하며, MEMS는 층의 두께에 대응하는 거리만큼 칩으로부터 이격된다.
바람직하게, MEMS는 캔틸레버 구조물을 포함하며 일단은 수직 방향으로 연장하는 팁을 포함한다. 더 바람직하게, 본 구조물은, 수평으로 연장하고 칩으로부터 수직 방향으로 이격된 층을 더 포함하며, 층은 팁과 접촉한다.
본 발명은 다음의 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하여 설명될 것이다.
도 1A는 데이터 저장을 위해 사용되는 MEMS 칩의 셀의 개략 단면도.
도 1B는 도 1A의 셀의 평면도.
도 2는 MEMS 칩을 드라이버 칩에 접속하는 종래의 2차원 구성의 개략도이다.
도 3은 MEMS 및 CMOS 칩간의 접속이 C4 기술에 의해 실현되는 완성된 3차원 집적 MEMS/CMOS 장치의 단면도.
도 4는 MEMS 및 CMOS 칩 사이의 접속이 수직 스터드/비어 접속부를 사용하여 실현되는 완성된 3차원 집적 MEMS/CMOS 장치의 단면도.
도 5A-5F는 본 발명의 일실시예에 따른 관통 웨이퍼 접속부(through-wafer connections)를 갖는 MEMS 칩의 제조 단계를 나타내는 도면.
도 6A-6C는 도 5A-5F에 도시된 단계 이후의 MEMS 칩의 제조의 또다른 단계를 나타내는 도면.
도 7A-7C는 MEMS 칩을 제조하는 도 6A-6C의 프로세스의 대안을 나타내는 도면.
도 8A-8C는 C4 접속부를 사용하여 MEMS 칩과 CMOS 칩의 3차원 집적화의 단계를 나타내는 도면.
도 9A-9D는 스터드/비어 접속부를 사용하여 MEMS 칩과 CMOS 칩의 3차원 집적화의 단계를 나타내는 도면.
도 9E-9G는 다른 스터드/비어 접속 프로세스를 사용하여 MEMS 칩과 CMOS 칩의 3차원 집적화의 단계를 나타내는 도면.
도 10A-10G는 본 발명의 다른 실시예에 따른, CMOS 칩을 갖는 MEMS 장치의 3차원 집적화의 단계를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예를 나타내는 것으로, 메모리 저장 장치는 MEMS 칩(1)과 CMOS 칩(2)의 3차원 집적화를 포함하고, 칩들 사이의 접속부는 C4 기술을 사용하여 제조된다. MEMS 칩은 CMOS 칩 상의 다수의 C4 솔더 범프(30)에 정렬된 다수의 캔틸레버(10)를 갖는다. MEMS 칩 상의 캔틸레버(10)는 저장 매체(12)와 접촉한다. 캔틸레버의 이동은 CMOS 칩에 의해 제어되고; 개별 캔틸레버 및 CMOS 칩간의 접속은 MEMS 칩을 관통하는 배선(15), MEMS 칩의 후면 상의 폴리이미드층(31)상에 형성된 패드(33) 및 C4 솔더 범프(30)를 포함하는 전기적 경로를 통해 이루어진다. (솔더 범프는 CMOS 칩(2) 상의 폴리이미드층(32)상에 형성된 패드(미도시)에 접속된다).
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 것으로, 메모리 저장 장치는 수직 스터드/비어 접속부를 사용하여 MEMS 칩(1)과 CMOS 칩(2)을 집적화함으로써 제조된다. MEMS 칩은 칩을 관통하는 배선(15)과 칩의 후면 상의 폴리이미드의 코팅(16)을 가지며, MEMS 칩으로의 전기적 접촉은 폴리이미드 코팅내의 개구에 형성된 패드(17)를 통해 이루어진다. CMOS 칩(2)은 또한 그 후면에 폴리이미드 코팅(23)을 가지며, 이 폴리이미드 코팅은 패드(17)의 위치에 매칭하는 개구를 갖는다. CMOS 칩은 개구 내에 스터드(21)을 가지며, 이 스터드는 패드(17)와 스터드 사이의 전기적 접속을 제공하는 솔더(22)를 갖는다. 칩들이 물리적 및 전기적으로 집적되도록 MEMS 칩과 CMOS 칩 상의 폴리이미드층(16, 23)이 기계적으로 접촉된다.
이하에서 MEMS 칩 및 CMOS 칩의 3차원 집적화를 위한 프로세스에 대하여 상세히 설명한다. MEMS 캔틸레버 구조는 일예이며 본 발명은 다양한 마이크로-전자기계 장치에 적용될 수 있다.
MEMS 칩의 제조
본 발명의 일실시예에 따르면, 다수의 실리콘 캔틸레버를 갖는 MEMS 칩이 도 5A-5F에 도시된 바와 같이 제조된다. 도 5A는 벌크 실리콘(51) 상에 매립 산화(BOX)층(52), BOX 상의 실리콘층(53) 및 열산화층(54)를 갖는 실리콘 온 인슐레이터(SOI)를 나타낸다. 층(52-54)의 일반적인 두께는 각각 400 nm, 4 lm 및 500 nm이다. 산화층(54)은 마스크 및 에칭되어 실리콘층(53)의 에칭을 위한 마스크로서 기능하는 부분(54a)만 남는다 (도 5B 참조). 실리콘층의 마스크된 부분은 처리되어 나노미터-스케일 팁을 형성한다. 그후, 깊은 비어 개구(55)가 기판(51)에 에칭되고, 이 비어의 치수는 MEMS 셀의 이용가능한 리소그래피 및 설계에 따른다 (도 5C).
그후, 열산화층(56)이 실리콘층(53) 및 개구(55)의 측벽 상에 성장한다. 층(53)의 에칭되지 않은 작은 부분은 부분적으로 실리콘을 팁(53t)으로 첨예화하는 효과를 갖는 산화 프로세스에서 소모된다 (도 5D). 그후, 팁(53t)은 산화물에 의해 보호되면서 층(53, 56)이 에칭되어, 히터를 포함하는 캔틸레버 구조를 형성한다 (도 5E).
그후, 에칭된 비어 개구(55)가 관통 접속부를 형성할 금속(57)으로 충전된다. 그후, 팁에 대향하는 캔틸레버의 단부에서, 접촉 패드(58)가 비어의 상부 및 인접하는 실리콘 상에 피착된다. 다른 산화층(59) (바람직하게 저온 산화물)이 블랭킷 층으로서 피착된 후, 기판(51)의 표면까지 개구(60)가 에칭된다(도 5F 참조).
이점에서, MEMS 구조물은 기판에 에칭된 캐비티를 가질 준비가 되어 있고(이에 의해, 기판으로부터 캔틸레버 팁 단부를 분리한다), CMOS 장치에 결합하기 위한 제조에서 세선화된다. 이들 단계는 도 6A-6C 및 도 7A-7C에 도시된 바와 같이 2가지 방법으로 수행될 수 있다.
(1) 도 6A는 폴리이미드층(61)을 피복하고 폴리이미드층에 본딩된 캐리어 플레이트(62)를 형성한 도 5F의 구조물을 나타낸다. 캐리어 플레이트는 기판을 세선화(thinning)한 후에 MEMS 기판의 핸들링을 용이하게 하는데 사용된다. 캐리어 플레이트는 후에 제거되기 쉽도록 흡열 방사(ablating radiation)를 투과하는 것(예를 들어, 유리 웨이퍼)이 바람직하다. 그후, MEMS 기판은 연삭 또는 연마 작용에 의해 세선화되어 전기적 관통 접속부가 기판의 후면(51b) 상에 노출되도록 한다(도 6B). 폴리이미드층(63)이 기판의 후면 상에 피착되고 그 내에 개구(64)가 형성되어 금속(57)을 노출시킨다. 그후, 금속 패드(65)가 개구내에 형성되어 금속(57)과 접촉하여 관통 접속부를 완성한다(도 6C). 캐리어 플레이트(62)와 폴리이미드층(61)가 제거된 후 개구(60)를 통해 캐비티 에칭이 수행된다. 이 구조는 이하에서 더 상세히 설명하는 바와 같이 스터드/비어 접속부를 사용하여 CMOS 칩을 갖는 집적화에 적합하다.
(2) 도 7A는 (마스크로서 캐비티 개구(60)와 층(59)을 사용하여) 기판(51)에 캐비티 에칭이 수행된 후의 도 5F의 구조를 나타낸다. 그후, 산화층(59)과 BOX 층(52)이 에칭되고, 특히, BOX 층(52)이 캐비티(70)를 통해 에칭되어 실리콘층(53)의 나머지 부분이 캐비티(70) 위에 걸린 캔틸레버가 된다(도 7B). 그후, MEMS 구조물의 상면(캐비티를 포함)이 폴리이미드층(71)으로 피복되고 캐리어 플레이트(72)가 폴리이미드층(71)에 본딩된다. 상술한 바와 같이, 캐리어 플레이트는 투명한 것이 바람직하다(예를 들어, 유리 웨이퍼). 캐리어 플레이트가 부착된 후, 기판은 세선화되어 금속(57)이 기판의 후면(51b) 상에 노출된다. 그후, 이 후면은 폴리이미드층(73)으로 코팅되고, 폴리이미드층(73)에는 개구(74)가 형성되며, 금속 패드(75)가 개구 내에 형성되어 금속(57)과 접촉한다(도 7C). 이 MEMS 구조물은 다음과 같이 C4 접속을 사용하는 CMOS 장치를 갖는 집적화에 적합하다.
C4를 이용한 MEMS/CMOS 집적화
C4 접속부를 이용한 MEMS/CMOS 집적화를 위한 프로세스가 도 8A-8C에 도시되어 있다. 도 8A에서, CMOS 기판(81)은 그 표면 상에 금속 패드(82) 및 기판 표면 상에 놓인 폴리이미드층(83)을 갖는 것으로 도시된다. (MEMS 칩을 제어하는 전자 장치는 이미 제조되었고 CMOS 기판(81)의 부분임을 이해해야 하며, CMOS 장치는 상세히 설명되지 않을 것이다.) 본 기술에 숙련된 자에 의해 이해되는 바와 같이, C4 접속부는 폴리이미드층(83)에 개구를 형성하여 패드(82)를 노출하고, 개구에 시드층(84)를 피착하고, 마스크를 통해 C4 금속을 도금함으로써 제조된다. 마스크 및 여분의 시드층은 제거되며 리플로우 프로세스가 수행되어 C4 본딩 패드(85)를 형성한다.
그후, (도 7C에 따라 이미 형성된 캐비티(70)를 갖는 것으로 도시된) MEMS 칩이 (캐리어 플레이트(72)를 사용하여) CMOS 칩에 정렬되고 C4 패드에 본딩된다. 특히, MEMS 칩의 후면 상의 패드(75)는 C4 패드(85)에 본딩되어 CMOS 칩으로부터 MEMS 칩을 통해 캔틸레버 구조물로의 전기적 및 열적 관통 접속이 이루어진다 (도 8B 참조). C4 본딩 프로세스는 본 기술에 공지된 것이다.
그후, 캐리어 플레이트(72)는 (바람직하게 캐리어 플레이트 및 폴리이미드층(71) 사이의 계면의 레이저 어블레이션(laser ablation)에 의해) 폴리이미드층(71)으로부터 분리되어 MEMS 칩의 전면으로부터 제거된다. 그후, 폴리이미드층(71)이 제거되어 도 8C에 도시된 구조물이 형성된다. 이 실시예에서, MEMS 칩 및 CMOS 칩 상의 대향 폴리이미드층(73, 83)사이에 갭(88)이 있다는 것을 주의해야 한다.
스터드/비어 접속부를 이용하는 MEMS/CMOS 집적화
도 9A는 그 내에 이미 제조된 전자 장치를 갖는 CMOS 기판(91)을 나타낸다. 기판(91)의 상면으로의 배선 접속부(92)가 도 9A에 도시되어 있다. 기판은 폴리이미드층(93)에 의해 피복되고, 폴리이미드층(93)에는 개구가 형성되어 CMOS 장치로의 접속부를 형성한다. 도 9A에 도시된 바와 같이, 개구는 바람직하게 테이퍼되어 MEMS 칩으로의 정렬을 용이하게 한다. 스터드(94)가 개구내에 장착되어 배선(92)과 전기적으로 접촉한다. 스터드에는 MEMS 칩 상의 금속 패드로의 접속부를 형성하기 위하여 솔더(95)가 피복된다.
도 9B는 CMOS 칩에 정렬되어 본딩된 (도 6C에 따라 처리된) MEMS 칩을 나타낸다. 현재 이용가능한 기술로, 이 정렬은 1 lm 미만으로 정확하게 수행될 수 있다. MEMS 칩의 후면 상의 폴리이미드층(63)이 CMOS 칩 상의 폴리이미드층(93)과 접촉한다. 금속 비어(57)와 접촉하는 MEMS 칩 상의 본딩 패드(65)가 스터드(94)에 정렬된다. 그후, 솔더(95)가 흘러 폴리이미드층 내의 개구를 채우고 패드(65)에 본딩되는 고온 적층 프로세스가 수행된다. 이 실시예에서, 대향하는 폴리이미드층(63, 93)이 칩 사이의 갭없이 접촉한다. 적층 프로세스가 수행되기 전에, 폴리이미드층(63, 93) 중의 하나 또는 둘다에 접착제가 코팅될 수 있다.
본딩 프로세스 후에, 캐리어(62)가 바람직하게 레이저 어블레이션에 의해 폴리이미드층(61)으로부터 제거된다. 그후, 폴리이미드층(61)이 제거되어 캐비티 에칭 개구(60)를 노출시킨다. 그후, 캐비티 에칭 프로세스가 수행되어 캔틸레버 구조물의 후방으로부터 실리콘을 제거하고(도 9C), 그후, 산화층(52, 56, 59)이 에칭되어 캔틸레버 및 캔틸레버 팁을 노출한다. 완성된 MEMS/CMOS 집적화 구조물은 도 9D에 도시되어 있다.
다른 스터드/비어 접속 프로세스가 도 9E-9G에 도시되어 있다. 이 프로세스에서, 스터드는 CMOS 칩 대신에 MEMS 칩 상에 배치된다. 도 9E에 도시된 바와 같이, (도 6B처럼 처리된) MEMS 기판의 후면은 폴리이미드층(96)으로 피복되고 그 내에 개구가 형성된다. 그후, 스터드(97)가 개구에 형성되고 CMOS 칩으로의 접속부를 형성하기 위하여 솔더(98)가 피복된다. CMOS 칩(91)은 그 위에 형성된 폴리이미드층(121)을 가지며, 이 폴리이미드층에는 CMOS 장치로의 전기적 접속부를 형성하기 위한 개구가 형성된다. 본딩 패드(99)가 이 개구 내에 형성되어 배선(92)과 전기적 접속부를 형성한다(도 9E; 도 9A와 비교). 그후, 도 9G(도 9B와 비교)에 도시된 바와 같이, 패드(99)가 스터드(97)에 정렬되도록 MEMS 칩과 CMOS 칩이 접촉한다. 고온 적층 프로세스가 상술한 바와 같이 수행되어 솔더(98)가 패드(99)에 본딩된다. 적층 프로세스가 수행되기 전에 폴리이미드층(96, 121) 중의 하나 또는 둘다에 접착제가 코팅될 수 있다. 본딩 프로세스 후에, 상술한 바와 같이 MEMS/CMOS 집적 구조물의 프로세싱이 완료된다.
도 8C, 9D 및 9G에 도시된 바와 같이, 상술한 프로세스는 전기적 신호가 MEMS 칩을 통해 z 방향(즉, 캔틸레버 팁이 가동되는 방향)으로 이동하는 3차원 집적 MEMS/CMOS 구조물을 산출한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 관통 웨이퍼 접속부없이, CMOS 칩으로부터 캔틸레버로의 직접적인 전기적 및 열적 접촉이 이루어진다.
캔틸레버/CMOS 직접 접촉
본 발명의 이 실시예에서, 캔틸레버 구조물은 CMOS 칩에 직접 접속된 스터드/비어 구성에 고정된다. 캔틸레버의 제조는 도 5A를 참조하여 이전에 설명한 바와 같이 SOI 웨이퍼로 시작한다. 도 10A에 도시된 바와 같이, 산화층(54)이 마스크되고 에칭되어 부분(54a 및 54b)이 남고, 그후 하부의 실리콘층(53)이 에칭된다. 에칭되지 않은 실리콘 영역이 처리되어 캔틸레버 팁과 고정 단부를 형성한다.
도 10B에 도시된 바와 같이, 캔틸레버 팁(53t)이 실리콘층(53)의 열산화에 의해 첨예화되고, 실리콘층이 패터닝되어 캔틸레버를 형성한다. 특히, 캔틸레버의 앵커부(100)는 그 내에 형성된 비어 개구(101)를 가지며, 이 개구를 통해 하부의 BOX 층(52)의 일부가 노출된다. 그후, 금속층(102)이 비어 개구내에 형성된다. 그후, 이 구조물에 폴리이미드층(103)이 코팅되고 캐리어 플레이트(104)가 폴리이미드층에 부착된다(도 10C 참조).
그후, 실리콘 기판(51)이 연삭, 연마, 습식 에칭 또는 플라즈마 에칭 프로세스에 의해 제거된다. BOX 층(52)은 또한 습식 에칭 또는 플라즈마 에칭 프로세스에 의해 제거된다. 그 결과의 구조물은 도 10D에 도시되어 있다.
CMOS 칩은 도 10E에 도시된 바와 같이 제조된다. 상술한 바와 같이, CMOS 기판(105)은 그 내에 형성된 전자 장치를 가지며 이 전자 장치에는 기판의 표면에 배선 접속부를 갖는 것으로 가정한다. 두께가 1 lm 내지 2 lm인 무기층(106)이 기판 표명 상에 피착되고 패터닝되어 배선 접속부를 노출하는 개구를 갖는 구조물을 형성한다. (도 9A를 참조하여 상술한 바와 같이) 스터드(107)가 개구 내에 형성되고 그 스터드의 상부에 솔더(108)가 형성된다.
그후, 패터닝된 무기층(106)의 상면(106a)과 캔틸레버의 앵커부(100)가 접촉하도록 MEMS 칩과 CMOS 칩이 정렬된다. 솔더(108)가 흘러 캔틸레버의 앵커부(100) 내의 금속 패드(102)와 스터드(107) 사이의 전기적 및 열적 접촉을 형성하는 고온 적층 프로세스가 수행된다. 그 결과의 구조물은 도 10F에 도시되어 있다. 그후, (상술한 바와 같이, 바람직하게 레이저 어블레이션에 의해) 캐리어 플레이트(104)가 폴리이미드층(103)으로부터 분리되어 제거된다. 마지막으로, 폴리이미드층(103)은 바람직하게 플라즈마 프로세스로 분리된다. 도 10G에 도시된 바와 같이, 이 프로세스의 결과물은 다수의 별도의 MEMS 장치가 CMOS 칩으로의 z 방향으로 접속되는 집적 구조물이다. 이전의 실시예에서는 기판에 캐비티(70)를 에칭하여 팁을 위한 수직 이동의 범위를 제공할 필요가 있는 반면에, 이 실시예에서는 층(106)의 두께에 따라 칩과 캔틸레버 사이에 간격(110)이 형성된다.
본 발명은 특정한 실시예로 설명되었지만, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형, 변경 및 대안이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 이러한 변형, 변경 및 대안이 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 포함된다.

Claims (18)

  1. 마이크로-전자기계 시스템(MEMS)과 상기 MEMS에 신호를 전달하는 칩을 포함하는 집적 구조물을 제조하는 방법으로서,
    표면을 갖는 MEMS 기판을 제공하는 단계;
    상기 MEMS를 형성하여 그 내에 앵커부(anchor portion)를 형성하는 단계 - 상기 MEMS는 상기 앵커부에서 MSMS 기판에 접속됨-;
    상기 MEMS의 상기 앵커부로부터 상기 MEMS 기판을 관통하는 도체를 형성하는 단계; 및
    상기 표면에 법선인 방향으로 상기 MEMS 기판에 상기 칩을 부착하여 상기 칩으로부터 상기 MEMS로의 도전 경로를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 칩을 부착하여 도전 경로를 형성하는 단계는,
    상기 칩 상에 C4 금속 패드를 형성하는 단계;
    상기 도체에 상기 C4 금속 패드를 정렬하는 단계; 및
    상기 도체에 상기 C4 금속을 본딩하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 칩을 부착하여 도전 경로를 형성하는 단계는,
    상기 칩 상에 금속 스터드 및 금속 패드 중의 하나를 형성하는 단계;
    상기 금속 스터드 및 상기 금속 패드 중의 나머지 하나를 상기 도체에 접촉하도록 형성하는 단계;
    상기 패드에 상기 스터드를 정렬하는 단계; 및
    상기 패드에 상기 스터드를 본딩하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 도체를 형성하는 단계는, 상기 MEMS 기판의 후면을 제1 폴리이미드층으로 코팅하는 단계; 상기 제1 폴리이미드층에 개구를 형성하여 상기 도체를 노출시키는 단계; 및 상기 금속 스터드 및 상기 금속 패드 중의 하나를 상기 도체에 접촉하도록 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 칩을 부착하여 도전 경로를 형성하는 단계는, 상기 칩을 제2 폴리이미드층으로 코팅하는 단계; 상기 제2 폴리이미드층 내에 개구를 형성하고 상기 개구 내에 상기 금속 스터드 및 상기 금속 패드 중의 다른 하나를 형성하는 단계; 및 적층 프로세스를 수행하여 상기 제1 폴리이미드층과 상기 제2 폴리이미드층을 본딩하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 MEMS의 형성이 완료되는 상기 적층 프로세스에 이어서, 상기 MEMS 기판에 캐비티를 형성하여 상기 MEMS가 캔틸레버 구조물을 갖도록 하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 MEMS는 상기 기판에 법선인 방향으로 연장하는 팁을 갖도록 형성된 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 팁과 접촉하는 저장 매체층을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 층은 상기 팁에 의해 그 내에 형성된 오목부(indentations)에 의해 데이터를 저장하는 저장 매체를 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MEMS를 형성하는 단계는,
    상기 앵커부에 일단을 가지며 상기 표면에 법선인 방향으로 연장하는 팁을 갖는 다른 단부를 갖는 캔틸레버 구조물을 형성하는 단계; 및
    상기 캔틸레버 아래 부분의 기판에 캐비티를 형성하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 도체를 형성하는 단계는,
    상기 기판에 비어를 형성하는 단계;
    상기 비어 내에 금속을 피착하는 단계;
    상기 MEMS 기판에 캐리어 플레이트를 부착하는 단계;
    상기 MEMS 기판의 후면을 세선화하여 상기 금속을 노출하는 단계; 및
    상기 비어 내의 금속과 접촉하는 후면의 금속 패드를 형성하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 캐리어 플레이트는 흡열 방사(ablating radiation)를 투과시키고, 상기 칩을 부착하여 도전 경로를 형성하는 단계는 상기 플레이트를 흡열 방사에 노출시켜 상기 플레이트를 분리시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 MEMS는 개구를 갖는 앵커부를 가지며,
    상기 MEMS의 상기 앵커부의 개구 내에 도체를 형성하는 단계;
    상기 MEMS 기판을 제거하여 상기 MEMS와 상기 도체의 하부를 노출시키는 단계; 및
    상기 표면에 법선인 방향으로 상기 칩을 상기 MEMS의 상기 앵커부에 부착하여 상기 칩으로부터 상기 MEMS로의 도전 경로를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 MEMS 기판을 제거하는 단계 이전에,
    상기 MEMS 상에 제1 층을 피착하는 단계; 및
    상기 제1 층에 캐리어 플레이트를 부착하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 칩 상에 제2 층을 피착하는 단계;
    상기 제2 층에 개구를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 층의 개구 내에 금속 스터드를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 부착하는 단계는,
    상기 MEMS의 하부에서 상기 도체에 상기 금속 스터드를 정렬하는 단계; 및
    적층 프로세스를 수행하여 상기 제2 층에 상기 MEMS를 본딩하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 칩 상에 제2 층을 피착하는 단계;
    상기 제2 층에 개구를 형성하는 단계;
    상기 제2 층의 개구에 금속 패드를 형성하는 단계; 및
    상기 MEMS의 하부에 상기 도체와 접촉하는 금속 스터드를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 부착하는 단계는,
    상기 패드에 상기 스터드를 정렬하는 단계; 및
    적층 프로세스를 수행하여 상기 제2 층에 상기 MEMS를 본딩하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 캐리어 플레이트는 흡열 방사를 투과시키고,
    상기 칩을 부착하는 단계 이후에,
    상기 캐리어 플레이트를 흡열 방사에 노출시켜 상기 캐리어 플레이트를 상기 제1 층으로부터 분리하는 단계; 및
    상기 제1 층을 제거하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 MEMS를 형성하는 단계는, 상기 앵커부에 일단을 가지며 상기 표면에 법선인 방향으로 연장하는 팁을 갖는 다른 단부를 갖는 캔틸레버 구조물을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 캔틸레버는 상기 제2 층의 두께에 대응하는 거리만큼 상기 칩으로부터 이격된 방법.
  17. 마이크로-전자기계 시스템(MEMS)과 상기 MEMS에 신호를 전달하는 칩을 접속하는 수직 집적 구조물로서,
    상기 칩의 일부 위에 놓이고 개구를 갖는 층;
    앵커부와 그로부터 수평으로 연장하는 단부를 갖는 상기 MEMS - 상기 앵커부는 상기 층에 부착되고 상기 개구에 정렬된 도체를 포함함 -; 및
    상기 칩 및 상기 도체에 접촉하는, 상기 개구 내의 금속 스터드
    를 포함하며,
    상기 MEMS는 상기 층의 두께에 대응하는 거리만큼 칩으로부터 이격된 수직 집적 구조물.
  18. 제17항에 있어서, 수평으로 연장하고 상기 칩으로부터 수직 방향으로 이격된 층을 더 포함하며, 상기 층은 상기 팁과 접촉하는 수직 집적 구조물.
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