センサーを製作するための方法
【課題】サイズが小さく、大量に効果的に生産できる高感度圧力センサを製造するための方法を提供する。
【解決手段】第１のデバイスウエハーをエッチングされた第２のデバイスウエハーに接合して架設された構造を作る、センサー１０を製作するための方法が、開示され、その構造のたわみは、第１のデバイスウエハーのデバイス層１１０に埋め込まれた相互接続部４００を通じてセンサー１０の外面と電気的に連通する埋め込まれた感知素子３１０によって決定される。架設された構造は、封鎖物５００によって封入される。
【解決手段】第１のデバイスウエハーをエッチングされた第２のデバイスウエハーに接合して架設された構造を作る、センサー１０を製作するための方法が、開示され、その構造のたわみは、第１のデバイスウエハーのデバイス層１１０に埋め込まれた相互接続部４００を通じてセンサー１０の外面と電気的に連通する埋め込まれた感知素子３１０によって決定される。架設された構造は、封鎖物５００によって封入される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の主題は一般に、機械的応力、化学機械的応力、熱応力、電磁場、および同様のものから生成される小さな力またはたわみを検出するために使用できる、半導体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくセンサー構成に関する。より詳しくは、本明細書で開示される主題は、ＭＥＭＳに基づく圧力センサーおよび前述のものを製作するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体マイクロエレクトロニクスおよびＭＥＭＳに基づくセンサーの進歩は、そのようなセンサーのサイズおよびコストを低減するのに大いに役立った。シリコンマイクロセンサーの電気的および機械的特性は、十分に記録にとどめられた。シリコン微細加工および半導体マイクロエレクトロニクス技術は、多数の実際的用途を持つ活気あるセンサー産業へと開花した。例えば、微細加工されたシリコン圧力センサー、加速度センサー、流量センサー、湿度センサー、マイクロフォン、機械的振動子、光およびＲＦのスイッチおよびアッテネーター、マイクロバルブ、インクジェット印刷ヘッド、原子間力顕微鏡チップならびに同様のものは、大量の医療用、航空宇宙用、工業用および自動車用市場でさまざまな用途に入り込んでいることが広く知られている。シリコンの高い降伏強度、室温での弾性、および硬度の特性は、シリコンを例えば電子周波数制御またはセンサー構造体に有用なこともある共鳴構造体のための理想的なベース材料にする。時計、スキューバダイビング機器および携帯型タイヤ圧力計などの消費財でさえ、シリコン微細加工センサーを組み込むこともある。
【０００３】
絶えず拡大する使用分野でのシリコンセンサーに対する需要は、特定の環境および用途のために最適化される新しくかつ異なるシリコンマイクロセンサー形状および構成の必要性を刺激し続ける。あいにく、伝統的なバルクシリコン微細加工技術の欠点は、結果として得られるシリコン微細構造体の輪郭および形状が製作方法によって著しく制限されているということであった。例えば、シリコン構造体を従来のエッチング技術でエッチングすることは、ある程度は、シリコン基板の結晶方位によって制約され、それは、多くの所望の構造体の形状および小型化の努力を制限する。
【０００４】
圧力を測定するためにマイクロセンサーを使用することの増加は、例えばコンデンサとしておよび静電気力を生じさせるために使用される小さなシリコン平板構造体の開発を促した。例えば、互いにかみ合ったポリシリコン平板の配列を使用して静電容量を測定するマイクロセンサーが存在する。同様に、層状平板の配列を使用して静電気力を生じさせるマイクロセンサーが存在する。さらに、圧力または加速度などの力に応答してシリコン構造体のたわみまたは曲げを測定するマイクロセンサーが存在する。
【０００５】
一般に微小電気機械デバイスおよび特に圧力センサーについての使用分野の拡大は、ますます小さくなるデバイスに対する需要を生み出した。あいにく、圧力の小さな変化にもまた著しく敏感であるより小さなデバイスを生産する困難があった。デバイスの小さなサイズおよび使用される形状の薄い性質のために、従来技術が所要の厳しい公差を維持することは困難である。
【０００６】
サイズが小さいだけでなく、大量に効果的に生産できる高感度圧力センサーを製造するための方法を提供することは、有利なことになる。
【発明の概要】
【０００７】
センサーを製作するための方法が、開示され、一実施形態では、第１のデバイスウエハーの第１のデバイス層の上面に相互接続窓を形成するステップであって、第１のデバイスウエハーは、第１のデバイス層、第１の絶縁体層、および第１のハンドル層を備え、第１の絶縁体層は、第１のデバイス層と第１のハンドル層との間に位置する、ステップと、第１のデバイス層に相互接続部を配置するステップであって、相互接続部は、第１のデバイスウエハーの上面に隣接して第１のデバイス層に沿って延びる間隔を介した内側および外側相互接続部、相互接続窓の一部分に隣接して位置する下部相互接続部、内側相互接続部および下部相互接続部を接続する相互接続フィードスルー、ならびに外側相互接続部および下部相互接続部を接続する外側相互接続フィードスルーを備える、ステップと、第２のデバイスウエハーの第２のデバイス層の上面に隔膜空洞を形成するステップと、前記第１のデバイス層の上面を第２のデバイス層の上面に接合して、隔膜空洞を覆って隔膜を形成するステップと、第１のハンドル層および第１の絶縁体層を第１のデバイスウエハーから除去するステップと、隔膜のたわみを感知するために隔膜に隣接して第１のデバイス層に感知素子を配置するステップと、内側および外側相互接続部間で隔膜を覆って封鎖物を接合するステップとを含む。
【０００８】
本発明の特徴が理解できるように、本発明の詳細な記述は、ある実施形態を参照することによってなされてもよく、それのいくつかは、付随する図面で例示される。しかしながら、本発明の範囲は、他の同等に効果的な実施形態を包含するので、図面は、この発明のある実施形態を例示するだけであり、従ってこの発明の範囲を限定すると考えるべきでないことに留意すべきである。図面は、必ずしも一定の縮尺でなく、一般に本発明のある実施形態の特徴を例示することに重きが置かれている。それ故に、本発明のさらなる理解のために、図面に関連して読まれる次の詳細な記述が、参照されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態での例となるセンサーの横断面図である。
【図２】本発明の一実施形態でのセンサーを製作するために使用される２つの例となるシリコンオンインシュレータデバイスウエハーの横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態でのセンサーを製作するための例となるプロセスの流れ図である。
【図４】本発明の一実施形態でのエッチングされたパッシベーション層を備える第１のデバイスウエハーの例となる横断面図である。
【図５】本発明の一実施形態での相互接続窓を備える第１のデバイスウエハーの例となる横断面図である。
【図６】本発明の一実施形態での相互接続窓、下部相互接続部、ならびに内側および外側下部相互接続フィードスルーを備える第１のデバイスウエハーの例となる横断面図である。
【図７】本発明の一実施形態での隔膜空洞を備える第２のデバイスウエハーの例となる横断面図である。
【図８】本発明の一実施形態での第２のデバイスウエハーの第２のデバイス層に接合された第１のデバイスウエハーの例となる第１のデバイス層の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この書かれた記述は、例を使用してベストモードを含む本発明を開示し、またどの当業者も任意のデバイスまたはシステムを作り、使用しかつ任意の組み込まれた方法を行うことを含む本発明を実施することを可能にもする。本発明の特許を受けることができる範囲は、クレームによって規定され、当業者には思い当たる他の例を含んでもよい。そのような他の例は、もしそれらがクレームの文字通りの言葉と異ならない構造要素を有するならば、またはもしそれらがクレームの文字通りの言葉とごくわずかしか違わない同等の構造要素を含むならば、クレームの範囲内であることを意図している。
【００１１】
例となる微細加工圧力センサーは、シリコン構造体内に空洞および空洞に隣接して隔膜を形成することによって作ることができる。選択された基準圧力に関して測定が行われる、絶対圧力センサーの実施形態では、空洞は、真空にまたは選択された内部圧力に保持されてもよい。圧力センサーは、隔膜のたわみ、例えば隔膜の裏面に作用する圧力が、隔膜を覆って配置された封鎖物によって形成される基準圧力を有する圧力室の方へ隔膜をどの程度片寄らせるかを感知することによって圧力を測定する。隔膜のエッジの近くに形成される１つまたは複数の感知素子は典型的には、隔膜のたわみまたは片寄りを感知する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態でのセンサー１０の例となる横断面図である。センサー１０は、処理され、一緒に接合される２つのウエハー、例えば２つのシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）半導体ウエハー、ＳＯＩウエハーおよび両面研磨（ＤＳＰ）半導体ウエハー、または１つがエピウエハーである２つのＤＳＰウエハーを使用して製造できる。図２は、本発明の一実施形態での２つの例となる出発ウエハーを示す。第１および第２のデバイスウエハー１００および２００はそれぞれ、第１および第２のデバイス層１１０および２１０、第１および第２の絶縁体層１２０および２２０、ならびに第１および第２のハンドル層１３０および２３０をそれぞれ有するＳＯＩウエハーとすることができる。第１のデバイス層１１０は、一実施形態では、ｎ型ドーピングを有し、センサー１０の動作的および物理的設計特性を満たすように適切な厚さとすることができる単結晶シリコン基板とすることができる。第２のデバイス層２１０は、一実施形態では、特定の設計仕様を満たすように選択された厚さとすることができ、ｎ型またはｐ型ドーピングを有することができる単結晶シリコン基板とすることができる。ＳＯＩウエハーのさまざまな層の厚さは、従来のＳＯＩチップ製造技術を使用して正確に設定でき、以下で述べるように、層の正確な厚さがセンサー１０のその後の動作的および物理的特性を決定するように選択できる。第１および第２の絶縁体層１２０および２２０は、一実施形態では、二酸化シリコンとすることができ、センサー１０の製造および設計要件を満たすように適切な厚さとすることができる。第１および第２のハンドル層１３０および２３０は、製造プロセスの間に第１および第２のデバイスウエハー１００および２００をそれぞれ把持するために使用でき、第１および第２の絶縁体層１２０および２２０が第１および第２のデバイス層１１０および２１０と第１および第２のハンドル層１３０および２３０との間にそれぞれ位置決めされるように配置できる。第１および第２のハンドル層１３０および２３０は、例えばｎ型またはｐ型シリコンで構成されてもよく、センサー１０の設計および製造要件を満たすように適切な厚さとすることができる。一実施形態では、第２のデバイスウエハー２００は、両面研磨シリコンウエハーとすることができ、それは、一実施形態では、ｎ型またはｐ型ドーピングを有してもよく、センサー１０の設計および製造要件を満たすように適切な厚さとすることができる。一緒にして、センサー１０を構成するさまざまな層の厚さは、デバイスの全体の厚さがセンサー１０の動作的および物理的設計特性を満たすように選択できる。
【００１３】
図１を再度参照すると、センサー１０は、第１のデバイス層１１０および第２のデバイス層２１０で構成できる。１つまたは複数の感知素子３１０、例えばｐ型ピエゾ抵抗感知素子は、シリコン構造体、特にセンサー１０内の開いた隔膜空洞２４０を覆って架設された隔膜３００のたわみを感知するために第１のデバイス層１１０内に戦略的に注入されるまたは拡散されてもよい。センサー１０はまた、例えば二酸化シリコン層、窒化シリコン層、または両方の組合せで構成されてもよいセンサーパッシベーション層１８０および上部デバイスパッシベーション層１６０を含むこともできる。センサーパッシベーション層１８０は、製造および動作の間に電気絶縁および保護をセンサー１０に提供することができる。第１のデバイス層１１０に形成される１つまたは複数の相互接続部４００は、１つまたは複数の感知素子３１０をセンサー１０の外面に電気的に結合することができ、一方１つまたは複数の金属化層６００は、相互接続部４００とセンサー１０の外部コンタクトとの間の電気的接続性を提供することができ、その結果センサー１０は、例えばリード線取り付け具を通じて他のデバイスまたは接続部に電気的に結合できる。相互接続窓３５０内に位置する上部デバイスパッシベーション層１６０の一部分は、以下で述べるように、製造の間に下部相互接続部４２０となる第１のデバイス層１１０のそれらの部分を守る働きをすることができる。第１のデバイス層１１０に接合された封鎖物５００は、隔膜３００の上に圧力室５１０を形成し、それの内側の圧力は、設計および性能仕様を満たすように任意に選択できる。
【００１４】
図１を参照して、例となるセンサー１０およびそれの動作が、本発明の一実施形態で述べられる。センサー１０は、第１のデバイス層１１０に接合できる第２のデバイス層２１０に形成される隔膜空洞２４０を覆って第１のデバイス層１１０に形成される薄層化構造体すなわち隔膜３００のたわみを測定することにより動作することができる。隔膜３００は、センサー１０でたわみ構造体としての役割を果たすことができる。隔膜３００の下方の圧力が変化すると、隔膜３００は、圧力室５１０内の圧力に関して隔膜空洞２４０の方へまたはそれから離れてたわむことになる。隔膜３００は、隔膜３００に働く圧力から予測できるように隔膜空洞２４０に関してたわむことになる。隔膜３００のたわみは、隔膜３００のエッジでまたはその近くで第１のデバイス層１１０に形成される１つまたは複数の感知素子３１０によって検出できる。ピエゾ抵抗感知素子を使用する一実施形態では、感知素子３１０の抵抗は、１つまたは複数の金属化層６００に取り付けられた１つまたは複数の相互接続部４００を使用して相互接続されるホイートストンブリッジ回路または同様のものなどの回路を用いて決定できる。電気的インターフェースまたは他のそのようなデバイスが、別のデバイスと電気的に連通するセンサー１０を配置するために金属化層６００の端部に取り付けられてもよい。ピエゾ抵抗感知素子３１０の抵抗は、隔膜３００のたわみによって変化する。それ故に、感知素子３１０のピエゾ抵抗性抵抗の測定結果は、隔膜３００のたわみ量を決定し、それによってセンサーに働く圧力を決定するために使用できる。
【００１５】
図１で例示されるものに似たシリコンセンサーを製作するための例となるプロセスは、図１から８を参照して説明される。図３は、本発明の一実施形態でのセンサー１０を製作するための例となるプロセスの流れ７００である。図３および４を参照して、図３のステップ７０１では、上部および下部デバイスパッシベーション層１４０および１５０がそれぞれ、製作プロセスの間にデバイスウエハー１００を保護し、絶縁するために、例えば二酸化シリコン層、窒化シリコン層、または両方の組合せを使用してデバイスウエハー１００の上部および下部表面に堆積されてもよい。次に、ステップ７０５では、開いていることができる相互接続窓３５０が、上部パッシベーション層１４０に形成され、第１のデバイス層１１０に延びてもよい。一実施形態では、相互接続窓３５０は、乾式または湿式エッチング技術、例えばＤＲＩＥ、ＫＯＨもしくはＴＭＡＨでの湿式エッチング、または他のシリコンエッチャントもしくは同様のものを使用することによって上部パッシベーション層１４０および第１のデバイス層１１０の両方に形成されてもよい。他の実施形態では、相互接続窓３５０は、後に所望の深さまでの第１のデバイス層１１０の湿式または乾式酸化が続く、上部パッシベーション層１４０の湿式または乾式エッチングによって形成されてもよい。酸化の間に成長する酸化物は、その後に湿式または乾式除去技術を使用して除去できる。次に、ステップ７１０では、上部および下部デバイスパッシベーション層１４０および１５０が、乾式または湿式エッチング技術を使用して除去されてもよい。
【００１６】
図３および５を参照して、図３のステップ７１５では、上部および下部デバイスパッシベーション層１６０および１７０がそれぞれ、例えば二酸化シリコン層、窒化シリコン層、または両方の組合せを使用してデバイスウエハー１００の上部および下部表面に堆積されてもよい。図５で示されるように、パッシベーション層１６０はまた、相互接続窓３５０の内面に堆積されてもよい。
【００１７】
図３および６を参照して、ステップ７２０では、下部相互接続部４２０、内側下部相互接続フィードスルー４４０、および外側下部相互接続フィードスルー４４５が両方とも、一実施形態では、高濃度ドープｐ型ドーパントを第１のデバイス層１１０に拡散させまたは注入し、その後に８００から１２００℃でアニールすることによって形成されてもよい。一実施形態では、下部相互接続部４２０、内側下部相互接続フィードスルー４４０および外側下部相互接続フィードスルー４４５は、単一プロセスを使用して形成され、一方他の実施形態では、それらは、個別のステップおよび技術を使用して形成されてもよい。次に、ステップ７２５では、下部デバイスパッシベーション層１７０および相互接続窓３５０の外側に位置する上部デバイスパッシベーション層１６０の部分が、湿式または乾式エッチング技術を使用して除去されてもよい。
【００１８】
図３および７を参照して、ステップ７３０では、隔膜空洞２４０が、第２のデバイス層２１０の上面にエッチングされる。隔膜空洞２４０は、ＤＲＩＥ、ＫＯＨもしくはＴＭＡＨでの湿式エッチング、または他のシリコンエッチャントもしくは同様のものを使用して第２のデバイス層２１０に直接エッチングされてもよい。隔膜空洞２４０は、さまざまな形状、例えば正方形、長方形または円形を有することができ、センサー１０の物理的および動作的設計要件を満たすように任意の所要の深さを有することができ、その設計要件は、センサー１０が使用される特定の用途および／または第２のデバイス層２１０の選ばれた厚さに依存する可能性がある。隔膜空洞２４０の表面は、裸のシリコン、酸化されたシリコン、ドープされたシリコンとするか、またはその後のウエハー接合および処理の温度に耐える能力がある任意の他の薄膜で被覆されてもよい。
【００１９】
図３および８を参照して、ステップ７３５では、第１のデバイス層１１０の露出上面が、従来のシリコン溶融接合技術を使用して第２のデバイス層２１０の露出上面に接合される。１つの例となる溶融接合技術では、対向する表面は、親水性にされてもよく、すなわち、表面は、水がそれらに付着する結果をもたらす強い酸化剤で処理されてもよい。２つのウエハーは次いで、接合を形成するために高温環境に置かれてもよく、その接合の品質は、ウエハーが高温環境にさらされる時間によって決定できる。上で述べたシリコン溶融接合技術は、単結晶シリコンウエハーと異なる熱膨張係数を有する可能性がある中間接着材料を使用することなく第１および第２のデバイス層１１０および２１０をそれぞれ一緒に接合する。酸化物層がウエハーの１つまたは両方の接合面に形成される溶融接合がまた、行われてもよい。接合された構成では、相互接続窓３５０および相互接続窓３５０内のパッシベーション層１６０の部分は、相互接続部４００を第２のデバイス層２１０から絶縁するように働くことができる。
【００２０】
次に、ステップ７４０では、デバイスウエハー１００の第１のハンドル層１３０が、第１の絶縁体層１２０で止まるＫＯＨまたはＴＭＡＨなどの湿式エッチャントを使用して除去されてもよい。加えて、第１の絶縁体層１２０は、湿式または乾式エッチング技術を使用して除去されてもよく、接合された第１のデバイス層１１０だけを残し、それの非接合上面が、今では露出される。他の実施形態では、第１のハンドル層１３０および第１の絶縁体層１２０が両方とも、研削などの物理的に薄くする技術を使用して除去されかつ／または薄くされてもよい。加えて、ステップ７４５では、上部および下部センサーパッシベーション層１８０および１９０（１９０は図示されず）が、例えば二酸化シリコン層、窒化シリコン層、または両方の組合せを使用して第１のデバイス層１１０の非接合上面および第２のハンドル層２３０の露出底面に堆積されてもよい。
【００２１】
図１および３を参照して、ステップ７５０では、内側上部相互接続フィードスルー４３０および外側上部相互接続フィードスルー４３５が、一実施形態では、高濃度ドープｐ型ドーパントを第１のデバイス層１１０に拡散させまたは注入し、その後に８００から１２００℃でアニールすることによって形成されてもよい。一実施形態では、内側上部相互接続フィードスルー４３０、外側上部相互接続フィードスルー４３５、内側下部相互接続フィードスルー４４０および外側下部相互接続フィードスルー４４５は、内側相互接続部４１０および外側相互接続部４５０と一緒に、単一プロセスを使用して形成され、一方他の実施形態では、それらは、個別ステップおよび技術を使用して形成されてもよい。
【００２２】
ステップ７５５では、１つまたは複数の感知素子３１０が、ピエゾ抵抗感知素子を使用する一実施形態では、低濃度ドープｐ型材料をｎ型ドープの第１のデバイス層１１０に隔膜３００に対して所定の位置に拡散させるまたはイオン注入することによって第１のデバイス層１１０に配置されてもよく、それは、第１のデバイス層１１０の一部として形成されてもよい。例えば、ボロン注入および高温での拡散が、第１のデバイス層１１０内にピエゾ抵抗感知素子３１０を形成してもよい。感知素子３１０は、隔膜３００のたわみを感知するように位置決めされてもよい。任意の数の感知素子３１０が用いられてもよく、隔膜３００に対するそれらの正確な位置決めは、特定の用途、予想される圧力、感度要件、および同様のものに応じて異なってもよいことに留意すべきである。加えて、感知素子３１０に電気伝導性を提供することができる１つまたは複数の内側および外側相互接続部４１０および４５０はそれぞれ、高濃度ドープｐ型材料をｎ型ドープの第１のデバイス層１１０に拡散させるまたはイオン注入することによって追加されてもよい。内側相互接続部４１０は、感知素子３１０と重なり合う構成で配置されてもよい。ステップ７５５で拡散されるまたは注入される構成要素は、単一プロセスを使用して行われてもよくまたは多重プロセスを使用して別々に注入されるもしくは拡散されてもよい。一緒にして、内側相互接続部４１０、下部相互接続部４２０、内側上部相互接続フィードスルー４３０、外側上部相互接続フィードスルー４３５、内側下部相互接続フィードスルー４４０、外側下部相互接続フィードスルー４４５、および外側相互接続部４５０は、互いに電気的に連通することができ、相互接続部４００を構成することができる。いくつかの実施形態では、相互接続部４００を一緒に構成する個別の構成要素は、組み合わされ、単一の構成要素として製作されてもよい。例えば、内側上部相互接続フィードスルー４３０および内側下部相互接続フィードスルー４４０は、単一の構成要素として製作されて単一の内側相互接続フィードスルーを形成してもよく、一方外側上部相互接続フィードスルー４３５および外側下部相互接続フィードスルー４４５は、単一の構成要素として製作されて単一の外側相互接続フィードスルーを形成してもよい。一実施形態では、相互接続部４００を一緒に構成する異なる構成要素は、図３を参照して述べたような一連の連続しないステップを通じて第１のデバイス層１１０内に配置されてもよい。他の実施形態では、相互接続部４００を一緒に構成する構成要素は、１つまたは複数の連続するステップを通じて第１のデバイス層１１０内に配置されてもよい。
【００２３】
次に、ステップ７６０では、金属化層６００が、追加されてもよく、相互接続部４００を通じてセンサー１０の外面から感知素子３１０への電気伝導性を提供する。外側相互接続部４５０へのアクセスを提供するために、開口が、乾式または湿式エッチング技術を使用して上部センサーパッシベーション層１８０に作られてもよい。金属化層６００が次いで、追加され、例えば金またはアルミニウムで形成されてもよく、デバイス設計および製作の要求に適合するように所望の厚さに作られてもよい。
【００２４】
ステップ７６５では、封鎖物５００が、相互接続窓３５０の上方で第１のデバイス層１１０に接合されてもよい。封鎖物５００は、一実施形態では、製作済みのガラスウエハーとすることができる。他の実施形態では、封鎖物５００は、シリコンで作られてもよい。封鎖物５００は、いろいろな従来の接合技術、例えばシリコンへのガラスの静電接合、共晶接合、またはガラスフリット接合を使用して第１のデバイス層１１０に接合されてもよい。他の実施形態では、接合エリアを規定するために、１つまたは複数の封鎖物エッチング部５２０が、湿式または乾式エッチング技術を使用して上部センサーパッシベーション層１８０に作られて第１のデバイス層１１０のシリコンを露出させてもよい。この実施形態では、封鎖物５００は、上部センサーパッシベーション層１８０を通って延び、例えば静電接合を使用して第１のデバイス層１１０に直接接合できる。封鎖物５００は、隔膜３００の上方に圧力室５１０を形成することができ、加えて隔膜３００を環境危険から保護することができる。
【００２５】
最後に、ステップ７７０では、第２のデバイスウエハー２００の第２のハンドル層２３０が、第２の絶縁体層２２０で止まるＫＯＨまたはＴＭＡＨなどの湿式エッチャントを使用して除去されてもよい。加えて、第２の絶縁体層２２０が、湿式または乾式エッチング技術を使用して除去されてもよく、第２のデバイス層２１０の露出した非接合下部表面を残し、隔膜空洞２４０を露出する。他の実施形態では、第２のハンドル層２３０および第２の絶縁体層２２０が両方とも、研削などの物理的に薄くする技術を使用して除去されかつ／または薄くされてもよい。第２のデバイス層２１０の厚さは、所与の設計仕様を満たすようにさまざまな湿式または乾式エッチング技術または研削を使用してさらに低減されてもよい。
【００２６】
本明細書で述べた実施形態を参照すると、センサー１０の製作の間に作られる各エッチング部は、任意の選ばれた形状を有することができ、特定の用途に応じて任意の所要の深さを有することができる。加えて、エッチング部は、単一の一様な深さを有する必要はなく、結果として得られるエッチング部は、等方的または異方的であってもよい。各エッチング部の選択された深さおよび形状は、結果として得られるセンサー１０の設計特性を変えるように選択されてもよい。例えば、第１のデバイス層１１０の厚さならびに隔膜空洞２４０によって決まる隔膜３００のサイズおよび形は、結果として得られるセンサー１０の感度を決定するように選択されてもよい。ＳＯＩウエハーを製造する際に任意に選ぶことができ、正確に制御できる、第１のデバイス層１１０の選択された厚さは、隔膜３００の柔軟性の制御の改善につながり、従って結果として得られるセンサー１０の性能特性の制御の改善につながる。加えて、プレーナ製造プロセスは、製造目的にとって理想的であり、製作歩留りだけでなく、結果として得られるデバイスの全体の信頼性および長期性能も高めることができる。それに応じて、センサー１０の性能特性の一様な制御が、達成できる。
【００２７】
上記の詳細な記述は、例となる実施形態を例示するために提供され、限定することを意図していない。センサーを製作するための方法が、図示され、圧力を測定する実施形態を参照して述べられたけれども、同様の技術は、他のパラメーターを測定する能力があるセンサーを製作するために使用できることが当業者には明らかであろう。例えば、本明細書で述べられた製造の装置および方法は、本明細書で明確に述べられない多種多様な他の用途で有用であることを認識すべきである。本発明の範囲内の多数の変更形態および変形形態が可能であることもまた当業者には明らかであろう。さらに、多数の他の材料およびプロセスが、当業者には認識されることになるように、述べられた例となる方法および構造の範囲内で使用されてもよい。例えば、本明細書で述べられたｐ型およびｎ型材料は、例えばｐ型材料をｎ型材料と交換することによっておよび逆も同様に代替的に使用されてもよいことを認識すべきである。加えて、さまざまな例となる実施形態で識別され、述べられたステップの順序は、述べられた順序で行う必要はなく、他の実施形態では、さまざまなステップは、組み合わされてもよく、異なる順番で、連続してか、連続せずに、または並行して行われてもよく、なお同じ結果を達成できることが当業者には明らかであろう。
【００２８】
この書かれた記述は、例を使用してベストモードを含む本発明を開示し、またどの当業者も任意のデバイスまたはシステムを作り、使用しかつ任意の組み込まれた方法を行うことを含む本発明を実施することを可能にもする。本発明の特許を受けることができる範囲は、クレームによって規定され、当業者には思い当たる他の例を含んでもよい。そのような他の例は、もしそれらがクレームの文字通りの言葉と異ならない構造要素を有するならば、またはもしそれらがクレームの文字通りの言葉とごくわずかしか違わない同等の構造要素を含むならば、クレームの範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００２９】
１０ センサー
１００ 第１のデバイスウエハー
１１０ 第１のデバイス層
１２０ 第１の絶縁体層
１３０ 第１のハンドル層
１４０ 上部デバイスパッシベーション層
１５０ 下部デバイスパッシベーション層
１６０ 上部デバイスパッシベーション層
１７０ 下部デバイスパッシベーション層
１８０ 上部センサーパッシベーション層
１９０ 下部センサーパッシベーション層
２００ 第２のデバイスウエハー
２１０ 第２のデバイス層
２２０ 第２の絶縁体層
２３０ 第２のハンドル層
２４０ 隔膜空洞
３００ 隔膜
３１０ 感知素子
３５０ 相互接続窓
４００ 相互接続部
４１０ 内側相互接続部
４２０ 下部相互接続部
４３０ 内側上部相互接続フィードスルー
４３５ 外側上部相互接続フィードスルー
４４０ 内側下部相互接続フィードスルー
４４５ 外側下部相互接続フィードスルー
４５０ 外側相互接続部
５００ 封鎖物
５１０ 圧力室
５２０ 封鎖物エッチング部
６００ 金属化層
６１０ 金属化エッチング部
【技術分野】
【０００１】
本明細書の主題は一般に、機械的応力、化学機械的応力、熱応力、電磁場、および同様のものから生成される小さな力またはたわみを検出するために使用できる、半導体微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくセンサー構成に関する。より詳しくは、本明細書で開示される主題は、ＭＥＭＳに基づく圧力センサーおよび前述のものを製作するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体マイクロエレクトロニクスおよびＭＥＭＳに基づくセンサーの進歩は、そのようなセンサーのサイズおよびコストを低減するのに大いに役立った。シリコンマイクロセンサーの電気的および機械的特性は、十分に記録にとどめられた。シリコン微細加工および半導体マイクロエレクトロニクス技術は、多数の実際的用途を持つ活気あるセンサー産業へと開花した。例えば、微細加工されたシリコン圧力センサー、加速度センサー、流量センサー、湿度センサー、マイクロフォン、機械的振動子、光およびＲＦのスイッチおよびアッテネーター、マイクロバルブ、インクジェット印刷ヘッド、原子間力顕微鏡チップならびに同様のものは、大量の医療用、航空宇宙用、工業用および自動車用市場でさまざまな用途に入り込んでいることが広く知られている。シリコンの高い降伏強度、室温での弾性、および硬度の特性は、シリコンを例えば電子周波数制御またはセンサー構造体に有用なこともある共鳴構造体のための理想的なベース材料にする。時計、スキューバダイビング機器および携帯型タイヤ圧力計などの消費財でさえ、シリコン微細加工センサーを組み込むこともある。
【０００３】
絶えず拡大する使用分野でのシリコンセンサーに対する需要は、特定の環境および用途のために最適化される新しくかつ異なるシリコンマイクロセンサー形状および構成の必要性を刺激し続ける。あいにく、伝統的なバルクシリコン微細加工技術の欠点は、結果として得られるシリコン微細構造体の輪郭および形状が製作方法によって著しく制限されているということであった。例えば、シリコン構造体を従来のエッチング技術でエッチングすることは、ある程度は、シリコン基板の結晶方位によって制約され、それは、多くの所望の構造体の形状および小型化の努力を制限する。
【０００４】
圧力を測定するためにマイクロセンサーを使用することの増加は、例えばコンデンサとしておよび静電気力を生じさせるために使用される小さなシリコン平板構造体の開発を促した。例えば、互いにかみ合ったポリシリコン平板の配列を使用して静電容量を測定するマイクロセンサーが存在する。同様に、層状平板の配列を使用して静電気力を生じさせるマイクロセンサーが存在する。さらに、圧力または加速度などの力に応答してシリコン構造体のたわみまたは曲げを測定するマイクロセンサーが存在する。
【０００５】
一般に微小電気機械デバイスおよび特に圧力センサーについての使用分野の拡大は、ますます小さくなるデバイスに対する需要を生み出した。あいにく、圧力の小さな変化にもまた著しく敏感であるより小さなデバイスを生産する困難があった。デバイスの小さなサイズおよび使用される形状の薄い性質のために、従来技術が所要の厳しい公差を維持することは困難である。
【０００６】
サイズが小さいだけでなく、大量に効果的に生産できる高感度圧力センサーを製造するための方法を提供することは、有利なことになる。
【発明の概要】
【０００７】
センサーを製作するための方法が、開示され、一実施形態では、第１のデバイスウエハーの第１のデバイス層の上面に相互接続窓を形成するステップであって、第１のデバイスウエハーは、第１のデバイス層、第１の絶縁体層、および第１のハンドル層を備え、第１の絶縁体層は、第１のデバイス層と第１のハンドル層との間に位置する、ステップと、第１のデバイス層に相互接続部を配置するステップであって、相互接続部は、第１のデバイスウエハーの上面に隣接して第１のデバイス層に沿って延びる間隔を介した内側および外側相互接続部、相互接続窓の一部分に隣接して位置する下部相互接続部、内側相互接続部および下部相互接続部を接続する相互接続フィードスルー、ならびに外側相互接続部および下部相互接続部を接続する外側相互接続フィードスルーを備える、ステップと、第２のデバイスウエハーの第２のデバイス層の上面に隔膜空洞を形成するステップと、前記第１のデバイス層の上面を第２のデバイス層の上面に接合して、隔膜空洞を覆って隔膜を形成するステップと、第１のハンドル層および第１の絶縁体層を第１のデバイスウエハーから除去するステップと、隔膜のたわみを感知するために隔膜に隣接して第１のデバイス層に感知素子を配置するステップと、内側および外側相互接続部間で隔膜を覆って封鎖物を接合するステップとを含む。
【０００８】
本発明の特徴が理解できるように、本発明の詳細な記述は、ある実施形態を参照することによってなされてもよく、それのいくつかは、付随する図面で例示される。しかしながら、本発明の範囲は、他の同等に効果的な実施形態を包含するので、図面は、この発明のある実施形態を例示するだけであり、従ってこの発明の範囲を限定すると考えるべきでないことに留意すべきである。図面は、必ずしも一定の縮尺でなく、一般に本発明のある実施形態の特徴を例示することに重きが置かれている。それ故に、本発明のさらなる理解のために、図面に関連して読まれる次の詳細な記述が、参照されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態での例となるセンサーの横断面図である。
【図２】本発明の一実施形態でのセンサーを製作するために使用される２つの例となるシリコンオンインシュレータデバイスウエハーの横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態でのセンサーを製作するための例となるプロセスの流れ図である。
【図４】本発明の一実施形態でのエッチングされたパッシベーション層を備える第１のデバイスウエハーの例となる横断面図である。
【図５】本発明の一実施形態での相互接続窓を備える第１のデバイスウエハーの例となる横断面図である。
【図６】本発明の一実施形態での相互接続窓、下部相互接続部、ならびに内側および外側下部相互接続フィードスルーを備える第１のデバイスウエハーの例となる横断面図である。
【図７】本発明の一実施形態での隔膜空洞を備える第２のデバイスウエハーの例となる横断面図である。
【図８】本発明の一実施形態での第２のデバイスウエハーの第２のデバイス層に接合された第１のデバイスウエハーの例となる第１のデバイス層の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この書かれた記述は、例を使用してベストモードを含む本発明を開示し、またどの当業者も任意のデバイスまたはシステムを作り、使用しかつ任意の組み込まれた方法を行うことを含む本発明を実施することを可能にもする。本発明の特許を受けることができる範囲は、クレームによって規定され、当業者には思い当たる他の例を含んでもよい。そのような他の例は、もしそれらがクレームの文字通りの言葉と異ならない構造要素を有するならば、またはもしそれらがクレームの文字通りの言葉とごくわずかしか違わない同等の構造要素を含むならば、クレームの範囲内であることを意図している。
【００１１】
例となる微細加工圧力センサーは、シリコン構造体内に空洞および空洞に隣接して隔膜を形成することによって作ることができる。選択された基準圧力に関して測定が行われる、絶対圧力センサーの実施形態では、空洞は、真空にまたは選択された内部圧力に保持されてもよい。圧力センサーは、隔膜のたわみ、例えば隔膜の裏面に作用する圧力が、隔膜を覆って配置された封鎖物によって形成される基準圧力を有する圧力室の方へ隔膜をどの程度片寄らせるかを感知することによって圧力を測定する。隔膜のエッジの近くに形成される１つまたは複数の感知素子は典型的には、隔膜のたわみまたは片寄りを感知する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態でのセンサー１０の例となる横断面図である。センサー１０は、処理され、一緒に接合される２つのウエハー、例えば２つのシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）半導体ウエハー、ＳＯＩウエハーおよび両面研磨（ＤＳＰ）半導体ウエハー、または１つがエピウエハーである２つのＤＳＰウエハーを使用して製造できる。図２は、本発明の一実施形態での２つの例となる出発ウエハーを示す。第１および第２のデバイスウエハー１００および２００はそれぞれ、第１および第２のデバイス層１１０および２１０、第１および第２の絶縁体層１２０および２２０、ならびに第１および第２のハンドル層１３０および２３０をそれぞれ有するＳＯＩウエハーとすることができる。第１のデバイス層１１０は、一実施形態では、ｎ型ドーピングを有し、センサー１０の動作的および物理的設計特性を満たすように適切な厚さとすることができる単結晶シリコン基板とすることができる。第２のデバイス層２１０は、一実施形態では、特定の設計仕様を満たすように選択された厚さとすることができ、ｎ型またはｐ型ドーピングを有することができる単結晶シリコン基板とすることができる。ＳＯＩウエハーのさまざまな層の厚さは、従来のＳＯＩチップ製造技術を使用して正確に設定でき、以下で述べるように、層の正確な厚さがセンサー１０のその後の動作的および物理的特性を決定するように選択できる。第１および第２の絶縁体層１２０および２２０は、一実施形態では、二酸化シリコンとすることができ、センサー１０の製造および設計要件を満たすように適切な厚さとすることができる。第１および第２のハンドル層１３０および２３０は、製造プロセスの間に第１および第２のデバイスウエハー１００および２００をそれぞれ把持するために使用でき、第１および第２の絶縁体層１２０および２２０が第１および第２のデバイス層１１０および２１０と第１および第２のハンドル層１３０および２３０との間にそれぞれ位置決めされるように配置できる。第１および第２のハンドル層１３０および２３０は、例えばｎ型またはｐ型シリコンで構成されてもよく、センサー１０の設計および製造要件を満たすように適切な厚さとすることができる。一実施形態では、第２のデバイスウエハー２００は、両面研磨シリコンウエハーとすることができ、それは、一実施形態では、ｎ型またはｐ型ドーピングを有してもよく、センサー１０の設計および製造要件を満たすように適切な厚さとすることができる。一緒にして、センサー１０を構成するさまざまな層の厚さは、デバイスの全体の厚さがセンサー１０の動作的および物理的設計特性を満たすように選択できる。
【００１３】
図１を再度参照すると、センサー１０は、第１のデバイス層１１０および第２のデバイス層２１０で構成できる。１つまたは複数の感知素子３１０、例えばｐ型ピエゾ抵抗感知素子は、シリコン構造体、特にセンサー１０内の開いた隔膜空洞２４０を覆って架設された隔膜３００のたわみを感知するために第１のデバイス層１１０内に戦略的に注入されるまたは拡散されてもよい。センサー１０はまた、例えば二酸化シリコン層、窒化シリコン層、または両方の組合せで構成されてもよいセンサーパッシベーション層１８０および上部デバイスパッシベーション層１６０を含むこともできる。センサーパッシベーション層１８０は、製造および動作の間に電気絶縁および保護をセンサー１０に提供することができる。第１のデバイス層１１０に形成される１つまたは複数の相互接続部４００は、１つまたは複数の感知素子３１０をセンサー１０の外面に電気的に結合することができ、一方１つまたは複数の金属化層６００は、相互接続部４００とセンサー１０の外部コンタクトとの間の電気的接続性を提供することができ、その結果センサー１０は、例えばリード線取り付け具を通じて他のデバイスまたは接続部に電気的に結合できる。相互接続窓３５０内に位置する上部デバイスパッシベーション層１６０の一部分は、以下で述べるように、製造の間に下部相互接続部４２０となる第１のデバイス層１１０のそれらの部分を守る働きをすることができる。第１のデバイス層１１０に接合された封鎖物５００は、隔膜３００の上に圧力室５１０を形成し、それの内側の圧力は、設計および性能仕様を満たすように任意に選択できる。
【００１４】
図１を参照して、例となるセンサー１０およびそれの動作が、本発明の一実施形態で述べられる。センサー１０は、第１のデバイス層１１０に接合できる第２のデバイス層２１０に形成される隔膜空洞２４０を覆って第１のデバイス層１１０に形成される薄層化構造体すなわち隔膜３００のたわみを測定することにより動作することができる。隔膜３００は、センサー１０でたわみ構造体としての役割を果たすことができる。隔膜３００の下方の圧力が変化すると、隔膜３００は、圧力室５１０内の圧力に関して隔膜空洞２４０の方へまたはそれから離れてたわむことになる。隔膜３００は、隔膜３００に働く圧力から予測できるように隔膜空洞２４０に関してたわむことになる。隔膜３００のたわみは、隔膜３００のエッジでまたはその近くで第１のデバイス層１１０に形成される１つまたは複数の感知素子３１０によって検出できる。ピエゾ抵抗感知素子を使用する一実施形態では、感知素子３１０の抵抗は、１つまたは複数の金属化層６００に取り付けられた１つまたは複数の相互接続部４００を使用して相互接続されるホイートストンブリッジ回路または同様のものなどの回路を用いて決定できる。電気的インターフェースまたは他のそのようなデバイスが、別のデバイスと電気的に連通するセンサー１０を配置するために金属化層６００の端部に取り付けられてもよい。ピエゾ抵抗感知素子３１０の抵抗は、隔膜３００のたわみによって変化する。それ故に、感知素子３１０のピエゾ抵抗性抵抗の測定結果は、隔膜３００のたわみ量を決定し、それによってセンサーに働く圧力を決定するために使用できる。
【００１５】
図１で例示されるものに似たシリコンセンサーを製作するための例となるプロセスは、図１から８を参照して説明される。図３は、本発明の一実施形態でのセンサー１０を製作するための例となるプロセスの流れ７００である。図３および４を参照して、図３のステップ７０１では、上部および下部デバイスパッシベーション層１４０および１５０がそれぞれ、製作プロセスの間にデバイスウエハー１００を保護し、絶縁するために、例えば二酸化シリコン層、窒化シリコン層、または両方の組合せを使用してデバイスウエハー１００の上部および下部表面に堆積されてもよい。次に、ステップ７０５では、開いていることができる相互接続窓３５０が、上部パッシベーション層１４０に形成され、第１のデバイス層１１０に延びてもよい。一実施形態では、相互接続窓３５０は、乾式または湿式エッチング技術、例えばＤＲＩＥ、ＫＯＨもしくはＴＭＡＨでの湿式エッチング、または他のシリコンエッチャントもしくは同様のものを使用することによって上部パッシベーション層１４０および第１のデバイス層１１０の両方に形成されてもよい。他の実施形態では、相互接続窓３５０は、後に所望の深さまでの第１のデバイス層１１０の湿式または乾式酸化が続く、上部パッシベーション層１４０の湿式または乾式エッチングによって形成されてもよい。酸化の間に成長する酸化物は、その後に湿式または乾式除去技術を使用して除去できる。次に、ステップ７１０では、上部および下部デバイスパッシベーション層１４０および１５０が、乾式または湿式エッチング技術を使用して除去されてもよい。
【００１６】
図３および５を参照して、図３のステップ７１５では、上部および下部デバイスパッシベーション層１６０および１７０がそれぞれ、例えば二酸化シリコン層、窒化シリコン層、または両方の組合せを使用してデバイスウエハー１００の上部および下部表面に堆積されてもよい。図５で示されるように、パッシベーション層１６０はまた、相互接続窓３５０の内面に堆積されてもよい。
【００１７】
図３および６を参照して、ステップ７２０では、下部相互接続部４２０、内側下部相互接続フィードスルー４４０、および外側下部相互接続フィードスルー４４５が両方とも、一実施形態では、高濃度ドープｐ型ドーパントを第１のデバイス層１１０に拡散させまたは注入し、その後に８００から１２００℃でアニールすることによって形成されてもよい。一実施形態では、下部相互接続部４２０、内側下部相互接続フィードスルー４４０および外側下部相互接続フィードスルー４４５は、単一プロセスを使用して形成され、一方他の実施形態では、それらは、個別のステップおよび技術を使用して形成されてもよい。次に、ステップ７２５では、下部デバイスパッシベーション層１７０および相互接続窓３５０の外側に位置する上部デバイスパッシベーション層１６０の部分が、湿式または乾式エッチング技術を使用して除去されてもよい。
【００１８】
図３および７を参照して、ステップ７３０では、隔膜空洞２４０が、第２のデバイス層２１０の上面にエッチングされる。隔膜空洞２４０は、ＤＲＩＥ、ＫＯＨもしくはＴＭＡＨでの湿式エッチング、または他のシリコンエッチャントもしくは同様のものを使用して第２のデバイス層２１０に直接エッチングされてもよい。隔膜空洞２４０は、さまざまな形状、例えば正方形、長方形または円形を有することができ、センサー１０の物理的および動作的設計要件を満たすように任意の所要の深さを有することができ、その設計要件は、センサー１０が使用される特定の用途および／または第２のデバイス層２１０の選ばれた厚さに依存する可能性がある。隔膜空洞２４０の表面は、裸のシリコン、酸化されたシリコン、ドープされたシリコンとするか、またはその後のウエハー接合および処理の温度に耐える能力がある任意の他の薄膜で被覆されてもよい。
【００１９】
図３および８を参照して、ステップ７３５では、第１のデバイス層１１０の露出上面が、従来のシリコン溶融接合技術を使用して第２のデバイス層２１０の露出上面に接合される。１つの例となる溶融接合技術では、対向する表面は、親水性にされてもよく、すなわち、表面は、水がそれらに付着する結果をもたらす強い酸化剤で処理されてもよい。２つのウエハーは次いで、接合を形成するために高温環境に置かれてもよく、その接合の品質は、ウエハーが高温環境にさらされる時間によって決定できる。上で述べたシリコン溶融接合技術は、単結晶シリコンウエハーと異なる熱膨張係数を有する可能性がある中間接着材料を使用することなく第１および第２のデバイス層１１０および２１０をそれぞれ一緒に接合する。酸化物層がウエハーの１つまたは両方の接合面に形成される溶融接合がまた、行われてもよい。接合された構成では、相互接続窓３５０および相互接続窓３５０内のパッシベーション層１６０の部分は、相互接続部４００を第２のデバイス層２１０から絶縁するように働くことができる。
【００２０】
次に、ステップ７４０では、デバイスウエハー１００の第１のハンドル層１３０が、第１の絶縁体層１２０で止まるＫＯＨまたはＴＭＡＨなどの湿式エッチャントを使用して除去されてもよい。加えて、第１の絶縁体層１２０は、湿式または乾式エッチング技術を使用して除去されてもよく、接合された第１のデバイス層１１０だけを残し、それの非接合上面が、今では露出される。他の実施形態では、第１のハンドル層１３０および第１の絶縁体層１２０が両方とも、研削などの物理的に薄くする技術を使用して除去されかつ／または薄くされてもよい。加えて、ステップ７４５では、上部および下部センサーパッシベーション層１８０および１９０（１９０は図示されず）が、例えば二酸化シリコン層、窒化シリコン層、または両方の組合せを使用して第１のデバイス層１１０の非接合上面および第２のハンドル層２３０の露出底面に堆積されてもよい。
【００２１】
図１および３を参照して、ステップ７５０では、内側上部相互接続フィードスルー４３０および外側上部相互接続フィードスルー４３５が、一実施形態では、高濃度ドープｐ型ドーパントを第１のデバイス層１１０に拡散させまたは注入し、その後に８００から１２００℃でアニールすることによって形成されてもよい。一実施形態では、内側上部相互接続フィードスルー４３０、外側上部相互接続フィードスルー４３５、内側下部相互接続フィードスルー４４０および外側下部相互接続フィードスルー４４５は、内側相互接続部４１０および外側相互接続部４５０と一緒に、単一プロセスを使用して形成され、一方他の実施形態では、それらは、個別ステップおよび技術を使用して形成されてもよい。
【００２２】
ステップ７５５では、１つまたは複数の感知素子３１０が、ピエゾ抵抗感知素子を使用する一実施形態では、低濃度ドープｐ型材料をｎ型ドープの第１のデバイス層１１０に隔膜３００に対して所定の位置に拡散させるまたはイオン注入することによって第１のデバイス層１１０に配置されてもよく、それは、第１のデバイス層１１０の一部として形成されてもよい。例えば、ボロン注入および高温での拡散が、第１のデバイス層１１０内にピエゾ抵抗感知素子３１０を形成してもよい。感知素子３１０は、隔膜３００のたわみを感知するように位置決めされてもよい。任意の数の感知素子３１０が用いられてもよく、隔膜３００に対するそれらの正確な位置決めは、特定の用途、予想される圧力、感度要件、および同様のものに応じて異なってもよいことに留意すべきである。加えて、感知素子３１０に電気伝導性を提供することができる１つまたは複数の内側および外側相互接続部４１０および４５０はそれぞれ、高濃度ドープｐ型材料をｎ型ドープの第１のデバイス層１１０に拡散させるまたはイオン注入することによって追加されてもよい。内側相互接続部４１０は、感知素子３１０と重なり合う構成で配置されてもよい。ステップ７５５で拡散されるまたは注入される構成要素は、単一プロセスを使用して行われてもよくまたは多重プロセスを使用して別々に注入されるもしくは拡散されてもよい。一緒にして、内側相互接続部４１０、下部相互接続部４２０、内側上部相互接続フィードスルー４３０、外側上部相互接続フィードスルー４３５、内側下部相互接続フィードスルー４４０、外側下部相互接続フィードスルー４４５、および外側相互接続部４５０は、互いに電気的に連通することができ、相互接続部４００を構成することができる。いくつかの実施形態では、相互接続部４００を一緒に構成する個別の構成要素は、組み合わされ、単一の構成要素として製作されてもよい。例えば、内側上部相互接続フィードスルー４３０および内側下部相互接続フィードスルー４４０は、単一の構成要素として製作されて単一の内側相互接続フィードスルーを形成してもよく、一方外側上部相互接続フィードスルー４３５および外側下部相互接続フィードスルー４４５は、単一の構成要素として製作されて単一の外側相互接続フィードスルーを形成してもよい。一実施形態では、相互接続部４００を一緒に構成する異なる構成要素は、図３を参照して述べたような一連の連続しないステップを通じて第１のデバイス層１１０内に配置されてもよい。他の実施形態では、相互接続部４００を一緒に構成する構成要素は、１つまたは複数の連続するステップを通じて第１のデバイス層１１０内に配置されてもよい。
【００２３】
次に、ステップ７６０では、金属化層６００が、追加されてもよく、相互接続部４００を通じてセンサー１０の外面から感知素子３１０への電気伝導性を提供する。外側相互接続部４５０へのアクセスを提供するために、開口が、乾式または湿式エッチング技術を使用して上部センサーパッシベーション層１８０に作られてもよい。金属化層６００が次いで、追加され、例えば金またはアルミニウムで形成されてもよく、デバイス設計および製作の要求に適合するように所望の厚さに作られてもよい。
【００２４】
ステップ７６５では、封鎖物５００が、相互接続窓３５０の上方で第１のデバイス層１１０に接合されてもよい。封鎖物５００は、一実施形態では、製作済みのガラスウエハーとすることができる。他の実施形態では、封鎖物５００は、シリコンで作られてもよい。封鎖物５００は、いろいろな従来の接合技術、例えばシリコンへのガラスの静電接合、共晶接合、またはガラスフリット接合を使用して第１のデバイス層１１０に接合されてもよい。他の実施形態では、接合エリアを規定するために、１つまたは複数の封鎖物エッチング部５２０が、湿式または乾式エッチング技術を使用して上部センサーパッシベーション層１８０に作られて第１のデバイス層１１０のシリコンを露出させてもよい。この実施形態では、封鎖物５００は、上部センサーパッシベーション層１８０を通って延び、例えば静電接合を使用して第１のデバイス層１１０に直接接合できる。封鎖物５００は、隔膜３００の上方に圧力室５１０を形成することができ、加えて隔膜３００を環境危険から保護することができる。
【００２５】
最後に、ステップ７７０では、第２のデバイスウエハー２００の第２のハンドル層２３０が、第２の絶縁体層２２０で止まるＫＯＨまたはＴＭＡＨなどの湿式エッチャントを使用して除去されてもよい。加えて、第２の絶縁体層２２０が、湿式または乾式エッチング技術を使用して除去されてもよく、第２のデバイス層２１０の露出した非接合下部表面を残し、隔膜空洞２４０を露出する。他の実施形態では、第２のハンドル層２３０および第２の絶縁体層２２０が両方とも、研削などの物理的に薄くする技術を使用して除去されかつ／または薄くされてもよい。第２のデバイス層２１０の厚さは、所与の設計仕様を満たすようにさまざまな湿式または乾式エッチング技術または研削を使用してさらに低減されてもよい。
【００２６】
本明細書で述べた実施形態を参照すると、センサー１０の製作の間に作られる各エッチング部は、任意の選ばれた形状を有することができ、特定の用途に応じて任意の所要の深さを有することができる。加えて、エッチング部は、単一の一様な深さを有する必要はなく、結果として得られるエッチング部は、等方的または異方的であってもよい。各エッチング部の選択された深さおよび形状は、結果として得られるセンサー１０の設計特性を変えるように選択されてもよい。例えば、第１のデバイス層１１０の厚さならびに隔膜空洞２４０によって決まる隔膜３００のサイズおよび形は、結果として得られるセンサー１０の感度を決定するように選択されてもよい。ＳＯＩウエハーを製造する際に任意に選ぶことができ、正確に制御できる、第１のデバイス層１１０の選択された厚さは、隔膜３００の柔軟性の制御の改善につながり、従って結果として得られるセンサー１０の性能特性の制御の改善につながる。加えて、プレーナ製造プロセスは、製造目的にとって理想的であり、製作歩留りだけでなく、結果として得られるデバイスの全体の信頼性および長期性能も高めることができる。それに応じて、センサー１０の性能特性の一様な制御が、達成できる。
【００２７】
上記の詳細な記述は、例となる実施形態を例示するために提供され、限定することを意図していない。センサーを製作するための方法が、図示され、圧力を測定する実施形態を参照して述べられたけれども、同様の技術は、他のパラメーターを測定する能力があるセンサーを製作するために使用できることが当業者には明らかであろう。例えば、本明細書で述べられた製造の装置および方法は、本明細書で明確に述べられない多種多様な他の用途で有用であることを認識すべきである。本発明の範囲内の多数の変更形態および変形形態が可能であることもまた当業者には明らかであろう。さらに、多数の他の材料およびプロセスが、当業者には認識されることになるように、述べられた例となる方法および構造の範囲内で使用されてもよい。例えば、本明細書で述べられたｐ型およびｎ型材料は、例えばｐ型材料をｎ型材料と交換することによっておよび逆も同様に代替的に使用されてもよいことを認識すべきである。加えて、さまざまな例となる実施形態で識別され、述べられたステップの順序は、述べられた順序で行う必要はなく、他の実施形態では、さまざまなステップは、組み合わされてもよく、異なる順番で、連続してか、連続せずに、または並行して行われてもよく、なお同じ結果を達成できることが当業者には明らかであろう。
【００２８】
この書かれた記述は、例を使用してベストモードを含む本発明を開示し、またどの当業者も任意のデバイスまたはシステムを作り、使用しかつ任意の組み込まれた方法を行うことを含む本発明を実施することを可能にもする。本発明の特許を受けることができる範囲は、クレームによって規定され、当業者には思い当たる他の例を含んでもよい。そのような他の例は、もしそれらがクレームの文字通りの言葉と異ならない構造要素を有するならば、またはもしそれらがクレームの文字通りの言葉とごくわずかしか違わない同等の構造要素を含むならば、クレームの範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００２９】
１０ センサー
１００ 第１のデバイスウエハー
１１０ 第１のデバイス層
１２０ 第１の絶縁体層
１３０ 第１のハンドル層
１４０ 上部デバイスパッシベーション層
１５０ 下部デバイスパッシベーション層
１６０ 上部デバイスパッシベーション層
１７０ 下部デバイスパッシベーション層
１８０ 上部センサーパッシベーション層
１９０ 下部センサーパッシベーション層
２００ 第２のデバイスウエハー
２１０ 第２のデバイス層
２２０ 第２の絶縁体層
２３０ 第２のハンドル層
２４０ 隔膜空洞
３００ 隔膜
３１０ 感知素子
３５０ 相互接続窓
４００ 相互接続部
４１０ 内側相互接続部
４２０ 下部相互接続部
４３０ 内側上部相互接続フィードスルー
４３５ 外側上部相互接続フィードスルー
４４０ 内側下部相互接続フィードスルー
４４５ 外側下部相互接続フィードスルー
４５０ 外側相互接続部
５００ 封鎖物
５１０ 圧力室
５２０ 封鎖物エッチング部
６００ 金属化層
６１０ 金属化エッチング部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサー（１０）を製作するための方法であって、
第１のデバイスウエハー（１００）の第１のデバイス層（１１０）の上面に相互接続窓（３５０）を形成するステップであって、前記第１のデバイスウエハー（１００）は、前記第１のデバイス層（１１０）、第１の絶縁体層（１２０）、および第１のハンドル層（１３０）を備え、前記第１の絶縁体層（１２０）は、前記第１のデバイス層（１１０）と前記第１のハンドル層（１３０）との間に位置する、ステップと、
前記第１のデバイス層（１１０）に相互接続部（４００）を配置するステップであって、前記相互接続部（４００）は、前記上面の一部分に隣接して前記第１のデバイス層（１１０）に位置する間隔を介した内側および外側相互接続部（それぞれ４１０および４５０）、前記相互接続窓（３５０）の一部分に隣接して位置する下部相互接続部（４２０）、前記内側相互接続部（４１０）および前記下部相互接続部（４２０）を接続する内側相互接続フィードスルー、ならびに前記外側相互接続部（４５０）および前記下部相互接続部（４２０）を接続する外側相互接続フィードスルーを備える、ステップと、
第２のデバイスウエハー（２００）の第２のデバイス層（２１０）の上面に隔膜空洞（２４０）を形成するステップと、
前記第１のデバイス層（１１０）の前記上面を前記第２のデバイス層（２１０）の前記上面に接合して、前記隔膜空洞（２４０）を覆って隔膜（３００）を形成するステップと、
前記第１のハンドル層（１３０）および前記第１の絶縁体層（１２０）を前記第１のデバイスウエハー（１００）から除去するステップと、
前記隔膜（３００）のたわみを感知するために前記隔膜（３００）に関して前記第１のデバイス層（１１０）に感知素子（３１０）を配置するステップと、
前記隔膜（３００）を覆って封鎖物（５００）を配置するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記第１のデバイス層（１１０）に相互接続部（４００）を配置する前記ステップは、前記内側相互接続部（４１０）、外側相互接続部（４５０）、下部相互接続部（４２０）、内側相互接続フィードスルー、および外側相互接続フィードスルーを配置するための複数の独立した、連続するステップを含む、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項３】
前記第１のデバイス層（１１０）に相互接続部（４００）を配置する前記ステップは、前記内側相互接続部（４１０）、外側相互接続部（４５０）、下部相互接続部（４２０）、内側相互接続フィードスルー、および外側相互接続フィードスルーを配置するための複数の独立した、連続しないステップを含む、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項４】
前記センサー（１０）の外面と前記相互接続部（４００）との間の電気的連通を提供する金属化層（６００）を形成するステップをさらに含む、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項５】
前記感知素子（３１０）は、ピエゾ抵抗感知素子である、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項６】
前記第２のデバイスウエハー（２００）は、両面研磨半導体ウエハーを備える、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項７】
前記第２のデバイスウエハー（２００）は、第２のデバイス層（２１０）、第２の絶縁体層（２２０）、および第２のハンドル層（２３０）を備え、前記第２の絶縁体層（２２０）は、前記第２のデバイス層（２１０）と前記第２のハンドル層（２３０）との間に位置する、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項８】
前記第２のハンドル層（２３０）および前記第２の絶縁体層（２２０）を前記第２のデバイスウエハー（２００）から除去するステップをさらに含む、請求項７記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項９】
前記センサー（１０）は、絶対圧力を測定する、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項１０】
センサーを製作するための方法であって、
第１のデバイスウエハーの第１のデバイス層の上面に相互接続窓を形成するステップであって、前記第１のデバイスウエハーは、前記第１のデバイス層、第１の絶縁体層、および第１のハンドル層を備え、前記第１の絶縁体層は、前記第１のデバイス層と前記第１のハンドル層との間に位置する、ステップと、
前記第１のデバイス層の前記相互接続窓の下方に間隔を介した構成で内側下部相互接続フィードスルーおよび外側下部相互接続フィードスルーを配置するステップと、
前記第１のデバイス層の前記相互接続窓と前記内側および外側下部相互接続フィードスルーとの間に下部相互接続部を配置するステップであって、前記下部相互接続部は、前記内側および外側下部相互接続フィードスルーと電気的に連通する、ステップと、
第２のデバイスウエハーの第２のデバイス層の上面に隔膜空洞を形成するステップと、
前記第１のデバイス層の前記上面を前記第２のデバイス層の前記上面に接合して、前記隔膜空洞を覆って隔膜を形成するステップと、
前記第１のハンドル層および前記第１の絶縁体層を前記第１のデバイスウエハーから除去するステップと、
前記第１のデバイス層の前記上面と前記内側および外側下部相互接続フィードスルーとの間に内側上部相互接続フィードスルーおよび外側上部相互接続フィードスルーを配置するステップであって、前記内側上部相互接続フィードスルーは、前記内側下部相互接続フィードスルーと電気的に連通し、前記外側上部相互接続フィードスルーは、前記外側下部相互接続フィードスルーと電気的に連通する、ステップと、
前記隔膜のたわみを感知するために前記隔膜に関して前記第１のデバイス層に感知素子を配置するステップと、
前記感知素子および前記内側上部相互接続フィードスルーと電気的に連通する内側相互接続部を前記第１のデバイス層に配置するステップと、
前記外側上部相互接続フィードスルーと電気的に連通する外側相互接続部を前記第１のデバイス層に配置するステップと、
前記隔膜を覆って封鎖物を配置するステップとを含む、方法。
【請求項１】
センサー（１０）を製作するための方法であって、
第１のデバイスウエハー（１００）の第１のデバイス層（１１０）の上面に相互接続窓（３５０）を形成するステップであって、前記第１のデバイスウエハー（１００）は、前記第１のデバイス層（１１０）、第１の絶縁体層（１２０）、および第１のハンドル層（１３０）を備え、前記第１の絶縁体層（１２０）は、前記第１のデバイス層（１１０）と前記第１のハンドル層（１３０）との間に位置する、ステップと、
前記第１のデバイス層（１１０）に相互接続部（４００）を配置するステップであって、前記相互接続部（４００）は、前記上面の一部分に隣接して前記第１のデバイス層（１１０）に位置する間隔を介した内側および外側相互接続部（それぞれ４１０および４５０）、前記相互接続窓（３５０）の一部分に隣接して位置する下部相互接続部（４２０）、前記内側相互接続部（４１０）および前記下部相互接続部（４２０）を接続する内側相互接続フィードスルー、ならびに前記外側相互接続部（４５０）および前記下部相互接続部（４２０）を接続する外側相互接続フィードスルーを備える、ステップと、
第２のデバイスウエハー（２００）の第２のデバイス層（２１０）の上面に隔膜空洞（２４０）を形成するステップと、
前記第１のデバイス層（１１０）の前記上面を前記第２のデバイス層（２１０）の前記上面に接合して、前記隔膜空洞（２４０）を覆って隔膜（３００）を形成するステップと、
前記第１のハンドル層（１３０）および前記第１の絶縁体層（１２０）を前記第１のデバイスウエハー（１００）から除去するステップと、
前記隔膜（３００）のたわみを感知するために前記隔膜（３００）に関して前記第１のデバイス層（１１０）に感知素子（３１０）を配置するステップと、
前記隔膜（３００）を覆って封鎖物（５００）を配置するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記第１のデバイス層（１１０）に相互接続部（４００）を配置する前記ステップは、前記内側相互接続部（４１０）、外側相互接続部（４５０）、下部相互接続部（４２０）、内側相互接続フィードスルー、および外側相互接続フィードスルーを配置するための複数の独立した、連続するステップを含む、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項３】
前記第１のデバイス層（１１０）に相互接続部（４００）を配置する前記ステップは、前記内側相互接続部（４１０）、外側相互接続部（４５０）、下部相互接続部（４２０）、内側相互接続フィードスルー、および外側相互接続フィードスルーを配置するための複数の独立した、連続しないステップを含む、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項４】
前記センサー（１０）の外面と前記相互接続部（４００）との間の電気的連通を提供する金属化層（６００）を形成するステップをさらに含む、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項５】
前記感知素子（３１０）は、ピエゾ抵抗感知素子である、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項６】
前記第２のデバイスウエハー（２００）は、両面研磨半導体ウエハーを備える、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項７】
前記第２のデバイスウエハー（２００）は、第２のデバイス層（２１０）、第２の絶縁体層（２２０）、および第２のハンドル層（２３０）を備え、前記第２の絶縁体層（２２０）は、前記第２のデバイス層（２１０）と前記第２のハンドル層（２３０）との間に位置する、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項８】
前記第２のハンドル層（２３０）および前記第２の絶縁体層（２２０）を前記第２のデバイスウエハー（２００）から除去するステップをさらに含む、請求項７記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項９】
前記センサー（１０）は、絶対圧力を測定する、請求項１記載のセンサー（１０）を製作するための方法。
【請求項１０】
センサーを製作するための方法であって、
第１のデバイスウエハーの第１のデバイス層の上面に相互接続窓を形成するステップであって、前記第１のデバイスウエハーは、前記第１のデバイス層、第１の絶縁体層、および第１のハンドル層を備え、前記第１の絶縁体層は、前記第１のデバイス層と前記第１のハンドル層との間に位置する、ステップと、
前記第１のデバイス層の前記相互接続窓の下方に間隔を介した構成で内側下部相互接続フィードスルーおよび外側下部相互接続フィードスルーを配置するステップと、
前記第１のデバイス層の前記相互接続窓と前記内側および外側下部相互接続フィードスルーとの間に下部相互接続部を配置するステップであって、前記下部相互接続部は、前記内側および外側下部相互接続フィードスルーと電気的に連通する、ステップと、
第２のデバイスウエハーの第２のデバイス層の上面に隔膜空洞を形成するステップと、
前記第１のデバイス層の前記上面を前記第２のデバイス層の前記上面に接合して、前記隔膜空洞を覆って隔膜を形成するステップと、
前記第１のハンドル層および前記第１の絶縁体層を前記第１のデバイスウエハーから除去するステップと、
前記第１のデバイス層の前記上面と前記内側および外側下部相互接続フィードスルーとの間に内側上部相互接続フィードスルーおよび外側上部相互接続フィードスルーを配置するステップであって、前記内側上部相互接続フィードスルーは、前記内側下部相互接続フィードスルーと電気的に連通し、前記外側上部相互接続フィードスルーは、前記外側下部相互接続フィードスルーと電気的に連通する、ステップと、
前記隔膜のたわみを感知するために前記隔膜に関して前記第１のデバイス層に感知素子を配置するステップと、
前記感知素子および前記内側上部相互接続フィードスルーと電気的に連通する内側相互接続部を前記第１のデバイス層に配置するステップと、
前記外側上部相互接続フィードスルーと電気的に連通する外側相互接続部を前記第１のデバイス層に配置するステップと、
前記隔膜を覆って封鎖物を配置するステップとを含む、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２７９６６（Ｐ２０１２−１２７９６６Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２７３８２９（Ｐ２０１１−２７３８２９）
【出願日】平成２３年１２月１４日（２０１１．１２．１４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７３８２９（Ｐ２０１１−２７３８２９）
【出願日】平成２３年１２月１４日（２０１１．１２．１４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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