JP2011137818A - センサ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造および動作信頼性の改善と共に必要とされる性能特性をもたらす、シングルチップ上に製造された１つまたは複数のセンサを提供すること。
【解決手段】センサ製造方法が開示され、一実施形態では、ダブルシリコンオンインシュレータのウェーハを備えるエッチング済み半導体基板ウェーハ（１３０）を、エッチング済みデバイスウェーハ（１４２）に接着して懸垂構造体を作製し、同構造体の撓みが、埋め込まれた圧電抵抗センサ素子（１５０）によって検知される。一実施形態では、センサは加速度を測定する。他の実施形態では、センサは圧力を測定する。
【選択図】図１

Description

本明細書の主題は、一般に、小さな力または機械的応力、化学機械的応力、熱応力、電磁界などから生成される撓みを検出するのに用いることができる半導体微小電子機械（ＭＥＭＳ= semiconductor microelectromechanical）ベースのセンサ構成に関する。より詳細には、本明細書で開示される主題は、ＭＥＭＳベースのセンサ、具体的には圧電抵抗タイプの読出し式の加速度センサおよび圧力センサの製造方法に関する。

半導体マイクロエレクトロニクスおよびＭＥＭＳベースのセンサの進歩によって、そのようなセンサのサイズおよびコストが大幅に低減した。シリコンマイクロセンサの電気的特性および機械的特性は、十分に書き留められている。シリコン微細機械加工技術および半導体マイクロエレクトロニクス技術は、多数の実用的な応用例を有する重要なセンサ産業へと発展している。例えば微細機械加工されたシリコン圧力センサ、加速度センサ、流量センサ、湿度センサ、マイクロホン、機械振動子、光およびＲＦのスイッチおよび減衰器、マイクロバルブ、インクジェットプリントヘッド、原子間力顕微鏡のチップなどは、医療、航空宇宙、工業および自動車の大量市場における様々な用途に使用されていることが知られている。シリコンは、強度、弾性および復元力が高いため、例えば電子的周波数制御またはセンサ構造に有用な共振構造向けの理想的な基材になる。腕時計、スキューバダイビング機器および手持ち式タイヤ空気圧計などの消費財さえ、シリコンの微細機械加工されたセンサを組み込んでいることがある。

絶えず拡大している使用分野におけるシリコンセンサの需要が、特定の環境および用途向けに最適化された新規の様々なシリコンマイクロセンサの幾何形状および構成に対する要求を喚起し続けている。残念ながら、従来の大量のシリコン微細機械加工技法には、得られるシリコン微細構造の輪郭および幾何形状が、製造方法によって著しく制限されるという欠点がある。例えば、従来型のエッチング技法を用いるシリコン構造体のエッチングは、シリコン基板の結晶方位によって部分的に制限され、このために多くの所望の構造体の幾何形状および小型化の努力が制限される。

圧力または加速度を測定するためのマイクロセンサの利用が拡大していることにより、例えばキャパシタとして静電力を生成するのに使用される小さなシリコン板構造体の開発に拍車がかかっている。例えば、互いに組み合わされたポリシリコンプレートのアレイを使用して静電容量を測定するマイクロセンサが存在する。同様に、階層状プレートのアレイを使用して静電力を生成するマイクロセンサが存在する。さらに、重量または加速度などの力に応じたシリコン構造体の撓みまたは曲げを測定するマイクロセンサが存在する。

用途によっては、圧力および加速度の両方の測定値を得ることが望まれる。そのような用途では、シングルチップ上に圧力センサおよび加速度センサの両方を製造するのが有利である。圧力センサおよび加速度センサが、より小さな寸法に製造されるので、両タイプのセンサをシングルチップ上に一体化し、同時に材料および構造の特性ならびに製造の方法を最適化することが望まれる。高感度で高信頼性の、より小型の加速度センサを製造することがさらに望まれる。

一般的には微小電子機械デバイス、具体的には加速度計および圧力センサの使用分野の拡大によって、さらに小型のデバイスに対する需要が生じた。残念ながら、より小さく、加速度または圧力のわずかな変化に対して高感度でもあるデバイスの作製には難点がある。例えば、加速度の小さな変化に応答するように、十分に薄い撓み構造体を十分に大きなプルーフマス（またはサイズミックマス）と組み合わせた、より小型の加速度計が必要とされている。さらに、デバイスのサイズが小さく、薄い幾何形状が用いられるために、そのような微小機械デバイスを作製するための通常の技法には、製造プロセスの期間中の損傷および現場での信頼度低下の可能性というリスクがある。

米国特許第７２２３６２４号公報

製造上の信頼性と動作上の信頼性が改善されると共に必要とされる性能特性をもたらす、シングルチップ上に組み立てられた１つまたは複数のセンサを提供することは有利であろう。

センサ製造方法が開示され、一実施形態では、半導体基板ウェーハに基板凹部を形成するステップと、半導体デバイスウェーハにデバイス凹部を形成するステップとを含み、デバイスウェーハは、第１のデバイス層、第２のデバイス層、第１の酸化物層、および第２の酸化物層を備え、第１の酸化物層は第１のデバイス層の下に配置され、第２のデバイス層は第１の酸化物層の下に配置され、また第２の酸化物層は第２のデバイス層の下に配置され、デバイス凹部が、第１のデバイス層を通って延び、第１の酸化物層を露出させ、第１のデバイス層を基板ウェーハに固定し、デバイス凹部が基板凹部の上で位置合わせされ、第２のデバイス層の撓みを検知するために第２のデバイス層の中に少なくとも１つの圧電抵抗センサ素子を注入する。

別の実施形態では、この方法は、デバイスウェーハの中で、基板凹部の上に配置された懸垂構造体を形成するステップをさらに含み、懸垂構造体は、境界領域の撓み領域を除いてデバイスウェーハの他の部分から解放された境界領域を含み、懸垂構造体は、第１のデバイス層、第１の酸化物層および第２のデバイス層の一部分からなるプルーフマスを含み、境界領域の撓み領域および境界領域の解放された部分は、力に応答してプルーフマスが運動するのを可能にするように配置され、プルーフマスの運動が撓み領域の撓みを引き起こし、圧電抵抗センサ素子が撓み領域の撓みを検知する。

別の実施形態では、第２のデバイス層が、デバイス凹部および基板凹部の上にダイヤフラムを形成して撓むことができ、圧電抵抗センサ素子がダイヤフラムの撓みを検知する。

いくつかの実施形態では、このセンサは加速度を測定することができる。他の実施形態では、このセンサは圧力を測定することができる。

本発明の特徴が理解されるように、いくつかが添付図面に示されている特定の実施形態を参照することにより、本発明の詳細な説明が示されることになる。しかし、本発明の範囲は、図示されたもの以外の同様に効果的な実施形態を包含するので、したがって、これらの図は本発明の特定の実施形態だけを示しており、本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないことに留意されたい。図は、必ずしも原寸に比例するものではなく、一般に、本発明の特定の実施形態の特徴を示すことが重視されている。したがって、本発明のさらなる理解のために、以下の詳細な説明は、図と関連づけて参照することができる。

本発明の一実施形態の、加速度および圧力の一体型センサを有する例示的シリコンチップの断面図である。 本発明の一実施形態の例示的加速度センサの上面図である。 本発明の一実施形態の、エッチング済み基板凹部を有する例示的基板ウェーハの断面図である。 本発明の一実施形態の、エッチング済みデバイス凹部を有する例示的デバイスウェーハの断面図である。 本発明の一実施形態の、エッチング済みデバイス凹部を有する例示的デバイスウェーハに接着されたエッチング済み基板凹部を有する例示的基板ウェーハの断面図である。 本発明の一実施形態の、エッチング済みデバイス凹部を有する例示的デバイスウェーハに接着されたエッチング済み基板凹部と、圧電抵抗センサ素子および関連する相互接続とを有する例示的基板ウェーハの断面図である。 本発明の一実施形態の、エッチング済みデバイス凹部を有する例示的デバイスウェーハに接着されたエッチング済み基板凹部と、圧電抵抗センサ素子および関連する相互接続と、解放されたプルーフマスとを有する例示的基板ウェーハの断面図である。 本発明の一実施形態の例示的センサを製造するステップの処理流れ図である。

本発明の一実施形態による１つの例示的デバイスおよび製造プロセスは、シリコンとのシリコン融着およびダブルシリコンオンインシュレータ（ＤＳＯＩ）ウェーハ上で酸化物をエッチングする技法を用いて一体化された圧電抵抗加速度計および圧力センサを提供する。例示的デバイスおよびプロセスは、プルーフマス（サイズミックマスと称されることがある）を有する圧電抵抗加速度計および絶対圧センサをシングルチップ上で一体化することができる。

本発明の別の実施形態による別の例示的デバイスおよび製造プロセスは、撓み領域と比較的大きなプルーフマスを含む薄い片持ち梁とを使用して製造された加速度計を提供する。薄い梁を有する例示的加速度計は、より小さな構造の寸法を有する撓みを利用することにより、感度が改善され、信頼性が向上する。

説明された例示的デバイスおよび製造プロセスのいくつかの実施形態を実践することにより、様々な利点が実現され得る。このプロセスは基板ウェーハの裏面から水酸化カリウム（ＫＯＨ）でエッチングする（すなわち「裏面エッチング」する）必要がないので、例えば全体的なチップサイズを従来型のチップより小さくすることができる。さらに、製造するのに、平面状の製造プロセスが理想的である。プルーフマスに対して撓み梁を薄くすると、小さな構造体寸法で感度を向上させることが可能になる。さらに、加速度計および圧力センサの一体型チップのプロセスでは、加速度センサの撓み梁の厚さを、平面状の頂面および効率的な製造プロセスを維持する一方で圧力センサのダイヤフラムの厚さと無関係に調整することができる。

これらのデバイスおよび製造プロセスにより、オーバレンジ保護およびスティクション防止の構造が、構造体の加速度計部分の中に容易に含まれ得る。さらに、一般に圧力センサ用の第２のキャップを必要とする従来型のチップと比較して、このチップに必要なのは、例えば加速度計のプルーフマスを覆うためのキャップが１つだけである。したがって、この例示的シングルチップのプロセスによって、より柔軟な設計および簡易化した製造プロセスを用いたより小さなチップサイズが可能になる。

加速度計および圧力センサを有する一体型チップは、多くの用途で使用することができる。１つの例示的用途に、タイヤ空気圧の遠隔監視がある。一体型の加速度計および圧力センサを有する小型チップは、自動車の速度または加速度（直進の速度および加速度は、加速度計にかかる回転加速度から導出することができる）に対するタイヤ空気圧を遠隔で示すのに理想的である。単一の一体型チップは、圧力および加速度に関する圧電抵抗センサの読取り値を遠隔で取り出しかつ処理するために、ＡＳＩＣチップなどと共にパッケージ化または結合することができる。

しかし、一体型チップおよび関連する製造法は、本明細書では明確に説明されない多種多様な他の用途に役立つことを理解されたい。

例示の微細機械加工された加速度センサは、片持ち梁の取付け部を介してシリコンウェーハのより大きな本体から離れるように延びるプルーフマスを形成することによって作製することができる。この実施形態では、梁は撓み構造体として働く。加速度センサは、ウェーハまたは基板に対するプルーフマスの運動を検知することによって加速度を測定する。具体的には、プルーフマスがウェーハに対して移動すると、梁の近くまたは上に適切に配置された圧電抵抗センサ素子が、プルーフマスの運動によって引き起こされた梁の撓みを検知し、それが圧電抵抗センサ素子の抵抗値の変化で示される。

加速度センサの感度は、ＤＳＯＩウェーハの様々な層、具体的には遠心に配置されたより大きなプルーフマスに対して片持ち梁の撓み領域を画定する層の厚さによって選択的に決定することができる。このように、加速度センサをより小さな寸法に作製することができ、感度が向上する。ＤＳＯＩウェーハの別々の層を、凹部をそこに形成するために選択的にエッチングすることができ、埋め込まれた酸化物層がエッチストップを形成し、これによって製造プロセスが支援され、かつ簡単になる。

例示の微細機械加工された絶対圧センサは、シリコン構造体の内部で空洞を形成し、この空洞に隣接してダイヤフラムを形成することにより作製することができる。絶対圧センサの場合、空洞は真空中に維持され得る。絶対圧センサは、ダイヤフラムの撓み、例えばダイヤフラムのおもて側に対して作用する圧力がダイヤフラムを内側へどのように撓ませるかを検知することによって圧力を測定する。ダイヤフラムの縁端部の近くに形成された１つまたは複数の圧電抵抗センサが、一般にダイヤフラムの撓みまたは撓曲を検知する。

図１は、本発明の一実施形態の、加速度および圧力の一体型センサを有する例示的シリコンチップ１００の断面図である。チップ１００の一方の側は、一体型チップ１００の加速度センサ１１０を含むことができ、チップ１００の他方の側は、一体型チップ１００の圧力センサ１２０を含むことができる。加速度センサ１１０および圧力センサ１２０は、一実施形態では３８５μｍと６００μｍとの間にあり得るｎ型またはｐ型のシリコンウェーハであるシリコンウェーハ１３０の基板凹部１３２および１３４の上に形成することができる。シリコンウェーハ１３０の上にデバイスウェーハ１４２を配置することができる。デバイスウェーハ１４２は、従来型のダブルシリコンオンインシュレータのウェーハでよい。図４に示されるように、ダブルシリコンオンインシュレータのウェーハは、交互するデバイス層すなわち第１のデバイス層１４４および第２のデバイス層１４６と、埋込み酸化物層すなわち第１の酸化物層１４５および第２の酸化物層１４７とからなることができる。図１に戻って、シリコン構造体の撓みを検知するために、ｐ型圧電抵抗センサ素子１５０を第２のデバイス層１４６の中へ有利に注入することができる。チップ１００は、例えば二酸化シリコン層またはシリコン窒化物層からなることができる上側チップ不活性化層１６４および下側チップ不活性化層１６５を含むことができる。上側チップ不活性化層１６４および下側チップ不活性化層１６５は、チップ１００の適切な動作のための絶縁をもたらす。デバイスウェーハ１４２上に形成された金属相互接続１７０は、圧電抵抗センサ素子１５０をチップ１００の外部へ電気的に結合することができる。

図１および図２を参照すると、例示的加速度センサ１１０およびその動作が、本発明の一実施形態において説明されている。図２は、基板凹部１３２上に配置することができる図１の加速度センサ１１０の懸垂構造体の例示的上面図を示す。しかし、説明のために、図１の金属相互接続１７０、上側チップ不活性化層１６４、および圧電抵抗素子１５０は示されていない。梁１１３が、基板凹部１３２の上に懸垂され得る。梁１１３は、撓み領域１１２およびプルーフマス領域１１４を含むことができる。梁１１３は、撓み領域１１２およびプルーフマス領域１１４を取り囲むことができる水平の境界領域１０２から１０９を全体的に含むこともできる。梁１１３の薄い撓み領域１１２は、梁１１３の１つの境界領域１０２に沿って、デバイスウェーハ１４２のより厚い部分へと構成することができる。梁１１３の他の境界領域１０２から１０９は、デバイスウェーハ１４２から解放することができ、その結果、梁１１３を基板凹部１３２の上に懸垂させることができ、かつ梁１１３は、デバイスウェーハ１４２の水平の寸法に対して概ね垂直な方向で最も自由に撓むことができる。

溝を、境界領域１０３から１０９に沿ってデバイスウェーハ１４２を貫通して垂直にエッチングすることができ、片持ち梁１１３を画定する。境界領域１０２は、貫通してエッチングされるわけではなく、第２のデバイス層１４６の厚さによって画定することができ、また撓み領域１１２を作製するように薄くすることができる。撓み領域１１２は、デバイスウェーハ１４２のアンカー領域１１５に固定され得る梁１１３の近位端を備えることができる。撓み領域１１２が固定され得るデバイスウェーハ１４２の隣接したアンカー領域１１５に対して、撓み領域１１２を薄くすることができる。図１および図２の実施形態では、アンカー領域１１５は基板凹部１３２の上に懸垂されない。しかし、アンカー領域１１５を基板凹部１３２の上に懸垂することができることが理解されよう。梁１１３の遠位の部分を備え得るプルーフマス領域１１４に対して、撓み領域１１２を薄くすることもできる。撓み領域１１２が固定され得るアンカー領域１１５に対して撓み領域１１２が薄いと、デバイスウェーハ１４２の上下寸法に対して概ね平行な方向における片持ち梁１１３の運動を促進することができる。デバイスウェーハ１４２の上下寸法は、図１のｚとラベルが付いた矢印によって示される。上下寸法は、デバイスウェーハ１４２の水平面に対して概ね垂直である。

具体的には、撓み領域１１２が固定され得るアンカー領域１１５に対して撓み領域１１２が薄いと、撓み領域１１２が撓むのが容易になり、図２に示されるように撓み領域１１２を通る水平軸ｘ−ｘのまわりのデバイスウェーハ１４２の面からのプルーフマス領域１１４の全体的回転運動をもたらす。例えば、加速力に応答して撓み領域１１２が撓むとき、プルーフマス１１４は、デバイスウェーハ１４２の水平面のわずかに上またはわずかに下であり得る位置へ、少なくとも一時的に移動することができる。デバイスウェーハ１４２の水平寸法は、図２のｘおよびｙとラベルが付いた軸によって示される。水平寸法は、デバイスウェーハ１４２の水平面と平行である。プルーフマス領域１１４の相対的厚さは、例えば、デバイスウェーハ１４２の水平寸法に対して概ね垂直な方向に加速力が与えられるとき、そのような運動をさらに促進することができる。

したがって加速度センサ１１０は、デバイスウェーハ１４２から延びる梁１１３によって基板凹部１３２の上に位置決めされ得るプルーフマス１１４の運動に起因する梁１１３の撓みを測定することにより動作する。梁１１３の撓みまたは曲げは、アンカー領域１１５の近く、または梁１１３の基部すなわち梁１１３がデバイスウェーハ１４２から延びる点の近くに配置され得る１つまたは複数の圧電抵抗センサ素子１５０によって検知することができる。金属化素子１７０を介して、撓みの量、したがってセンサにかかる加速度を測定するために、圧電抵抗センサ素子１５０の抵抗値変化が測定され得る。

さらに、環境の影響から構造体を保護するために、チップ１００の加速度センサ１１０の一部分の上にキャップ１１７が形成されてよい。キャップ１１７は、プルーフマス１１４を取り囲む減衰流体またはガスを含むことができる。さらに、すなわち大きな加速度から構造体への損傷を防止するためのオーバレンジ保護およびスティクション防止の構造として、基板凹部１３２またはキャップ１１７の下側の底部に、ディンプル（ｄｉｍｐｌｅ）１１８が含まれてよい。例えば、キャップ１１７およびディンプル１１８は、１０，０００Ｇ（１Ｇ＝９．８１ｍ／ｓ^２）までの衝撃力に対してシリコン構造体を保護することができる。

圧力センサ１２０は、基板ウェーハ１３０とデバイスウェーハ１４２との間の空洞の上でデバイスウェーハ１４２に形成された薄い構造体またはダイヤフラム１２２の撓みを測定することにより動作する。ダイヤフラムは、圧力センサ１２０内の撓み構造体として働く。空洞の外側の圧力が変化するとき、ダイヤフラム１２２は、基板凹部１３４の方向または基板凹部１３４から遠ざかる方向に撓むことになる。一実施例では、空洞の内部に真空を伴う圧力センサ１２０を形成することができ、それによって絶対圧センサを形成する。ダイヤフラム１２２は、ダイヤフラム上にかかる圧力から予測可能な方向で空洞に向かって内側に撓むことになる。ダイヤフラム１２２の撓みは、ダイヤフラム１２２の縁端部上または縁端部の近くで第２のデバイス層１４６の中に形成された１つまたは複数の圧電抵抗センサ素子１５０によって検出することができる。圧電抵抗素子１５０の抵抗は、金属化素子１７０を使用して相互に接続されたホイートストンブリッジ回路などの回路によって測定することができる。圧電抵抗素子１５０の抵抗は、ダイヤフラム１２２の撓みと共に変化する。したがって、撓み量を測定し、したがってセンサ上にかかる圧力を測定するのに、圧電抵抗の抵抗測定を用いることができる。

図１に示されたもののようなシリコンセンサを製造する例示的プロセスが、図１および図３から図８に示された図解を参照しながら説明される。図３は、本発明の一実施形態の、エッチング済み基板凹部１３２および１３４を有する例示的基板ウェーハ１３０の断面図である。基板ウェーハ１３０は、一実施形態では、３８５μｍから６００μｍの厚さでｎ型またはｐ型のドーピングを有し得る単結晶シリコン基板であり得る。さらに、基板ウェーハ１３０は、上側基板不活性化層１６２および下側基板不活性化層１６３を有することができる。上側基板不活性化層１６２および下側基板不活性化層１６３は、例えば二酸化シリコンまたはシリコン窒化物の層であってよく、基板ウェーハ１３０に絶縁および保護をもたらすために、製造の期間中、通常の技法を用いて基板ウェーハ１３０の上側面および下側面に堆積することができる。

図８は、本発明の一実施形態の例示的センサを製造するステップを示す処理の流れである。ステップ３０１で、プラズマエッチング、または水酸化カリウム（ＫＯＨ）、テトラメチルアンモニウム水酸化物（ＴＭＡＨ）、もしくは他のシリコンエッチャントなどを用いるウェットエッチングなど、標準的な半導体エッチング技法を用いて、加速度センサ１１０および圧力センサ１２０の内部空洞の一部分として働くことができる基板凹部１３２および１３４を、上側基板不活性化層１６２を通して基板ウェーハ１３０の中へ形成することができる。さらに、高い異方性のドライエッチングを利用することができる。高い異方性のエッチングによって、基板凹部１３２および１３４のより大きな縦横比が可能になる。

基板凹部１３２および１３４は、いかなる任意の幾何形状も有することができ、特定の用途に応じて、例えば０．１マイクロメートル未満から１００マイクロメートル超までの任意の必要な深さを有することができる。さらに、プルーフマス１１４がその動作範囲を越えて変位するときスティクションを回避するために、１つまたは複数のディンプル１１８（図１）を基板凹部１３２の底部に形成することができる。基板凹部１３２および１３４が単一かつ均一の深さを有する必要がないことに、さらに留意されたい。さらに、基板凹部１３２および１３４の表面は、ベアシリコン、酸化シリコン、不純物添加シリコンのいずれかであってよく、あるいは、後続のウェーハ接着および処理の温度に耐え得る任意の他の薄膜でコーティングすることができる。

図４は、本発明の一実施形態の、エッチング済みデバイス凹部１１９および１２２を有する例示的デバイスウェーハ１４２の断面図である。デバイスウェーハ１４２は、通常のダブルシリコンオンインシュレータ（ＤＳＯＩ）ウェーハであり得る。ＤＳＯＩウェーハは、いくつかのデバイス層すなわち第１のデバイス層１４４および第２のデバイス層１４６と、それらと交互する埋込み酸化物層すなわち第１の酸化物層１４５および第２の酸化物層１４７とからなることができる。一実施形態では、第１のデバイス層１４４は、例えば１μｍと５０μｍとの間の厚さを有するｎ型またはｐ型のシリコンからなり、一方、第２のデバイス層１４６は、例えば１μｍと５０μｍとの間の厚さを有するｎ型シリコンからなることができる。さらに、第１の酸化物層１４５および第２の酸化物層１４７は、例えば０．２５μｍから１．０μｍの間の厚さを有する二酸化シリコンからなることができる。ＤＳＯＩウェーハの様々な層の厚さは、通常のチップ製造製造技術を用いて正確に設定することができ、また、層の厚さが、以下で説明されることになる加速度センサ１１０および圧力センサ１２０の両方の次の動作特性を決定するように選択することができる。

製造プロセスの期間中デバイスウェーハ１４２をつかむのに用いられるハンドル層１４８を、交互するデバイス層および埋込み酸化物層の底部に配置することができる。ハンドル層１４８は、例えば３８５μｍから６００μｍの間の厚さを有するｎ型またはｐ型のシリコンからなることができる。上側デバイス不活性化層１６０は、第１のデバイス層１４４の外側面上に堆積することができ、また、下側デバイス不活性化層１６１は、ハンドル層１４８の外側面上に堆積することができ、どちらも、製造プロセスの期間中デバイスウェーハ１４２を絶縁しかつ保護するための、例えば通常の二酸化シリコンまたはシリコン窒化物層である。デバイスウェーハ１４２は、加速度センサ領域１１１と圧力センサ領域１２１とに分割することができる。

次に、図８のステップ３０２を参照すると、デバイスウェーハ１４２の中へエッチングされる空洞であってよいデバイス凹部１１９およびデバイス凹部１２４を作製することができる。上側不活性化層１６０の酸化物は、下にある第１のデバイス層１４４を露出するために通常のウェットエッチングまたはドライエッチングの技法を利用してエッチングすることができる。加速度センサ領域１１１および圧力センサ領域１２１の、上側デバイス不活性化層１６０のエッチングは、独立して、または同時に実行することができる。上側不活性化層１６０が除去されて第１のデバイス層１４４が露出した後で、当業界で通常のウェットエッチング技法またはドライエッチング技法のいずれかを用いて第１のデバイス層１４４のシリコンを再びエッチングすることができる。加速度センサ領域１１１上の第１のデバイス層１４４をエッチングすると、最終的に完成後の加速度センサ１１０内において梁１１３となるものを形成することができ、一方、圧力センサ領域１２１上の第１のデバイス層１４４をエッチングすると、最終的に完成後の圧力センサ１２０内においてダイヤフラム１２２となるものを形成することができる。第１の酸化物層１４５によって都合のよいエッチストップがもたらされ、製造プロセスが簡単になる。

エッチングのそれぞれが、いかなる任意の幾何形状も有することができ、また、特定の用途に応じて、いかなる必要な深さも有することができる。さらに、エッチングは単一で均一な深さにする必要性はなく、エッチングの結果は等方性または異方性であり得る。一実施形態では、第１のデバイス層１４４を部分的にエッチングすることができる。同様に、加速度センサ領域１１１および圧力センサ領域１２１の両方に対して別々のエッチング特性を独立して進展させることができる。各エッチングの深さは、得られる加速度センサ１１０および圧力センサ１２０の設計特性に影響を及ぼすように選択することができる。例えば、圧力センサ１２０のダイヤフラム１２２を設定するためになされるエッチングの深さは、ダイヤフラムの厚さが特定の圧力範囲向けに意図的に選択され得るように選択することができる。さらに、ＤＳＯＩウェーハの様々なデバイスおよび酸化物層の厚さは、得られるマイクロデバイスのサイズおよびそれによって、得られるセンサの感度を制御するように選択することができる。任意選択で、設計要件に応じて、第１の酸化物層１４５は、当業界で通常のウェットエッチング技法またはドライエッチング技法を用いて、図４に示されるように加速度センサ領域１１１または圧力センサ領域１２１の一方または両方のためにエッチングすることもできる。第１の酸化物層１４５が残される場合、これが、加速度センサ１１０および圧力センサ１２０内の不活性化層１６４から応力を相殺することができる。

次に図８のステップ３０３を参照すると、基板ウェーハ１３０およびデバイスウェーハ１４２を位置合わせし、２つのウェーハ間の境界面にある第１のデバイス層１４４と共に固定することができる。図５は、本発明の一実施形態の、エッチング済みデバイス凹部１１９および１２４を有する例示的デバイスウェーハ１４２に接着されたエッチング済み基板凹部１３２および１３４を有する例示的基板ウェーハ１３０の断面図である。一実施形態では、デバイスウェーハ１４２のデバイス凹部１１９は、基板ウェーハ１３０の中に形成された基板凹部１３２の１つの縁端部の近くでその縁端部の上で位置合わせさせ、シリコン融着（または直接接着）プロセスによってそこへ固定することができる。別の実施形態では、デバイス凹部１２４は基板凹部１３４の上の中央に置くことができる。１つの例示的融着技法では、向かい合った表面を親水性にすることができる。すなわち、向かい合った表面を、水分をそれらに付着させる強い酸化剤で処理することができる。次いで、２つのウェーハは、接着の品質によって必要とされる十分な期間にわたって高温環境の中に置くことができる。

前述のシリコン融着技法は、単結晶シリコンウェーハと異なる熱膨張率を有する恐れがある中間接着材料を用いることなく、基板ウェーハ１３０とデバイスウェーハ１４２とを互いに接着する。さらに、融着は、酸化物または窒化物の層が一方または両方のウェーハの接着面に形成されている状態で実行することができる。

ウェーハ１３０およびデバイスウェーハ１４２の向かい合った表面が結合された後、デバイスウェーハ１４２のハンドル層１４８を、第２の酸化物層１４７上で停止するＫＯＨなどのウェットエッチャントを用いて除去することができる。さらに、図５に示されるように、ウェットエッチングまたはドライエッチングの技法を用いて、第１の酸化物層１４５によって分離された第１のデバイス層１４４および第２のデバイス層１４６だけを残して、第２の酸化物層１４７を除去することができる。次に、上側チップ不活性化層１６４および下側チップ不活性化層１６５を、第２のデバイス層１４６および基板ウェーハ１３０の外面上に堆積することができる。

次に、図８のステップ３０４を参照すると、拡散またはイオン注入によって１つまたは複数の圧電抵抗センサ素子１５０を追加することができ、一実施形態では、ｐ型材料を、梁１１３の基部の近くのおよびダイヤフラム１２２の縁端部の近くのドープされたｎ型の第２のデバイス層１４６の中へ拡散またはイオン注入することによって、追加することができる。梁１１３およびダイヤフラム１２２の両方が、第２のデバイス層１４６の一部分として形成され得る。図６は、例示的基板ウェーハ１３０の断面図であり、本発明の一実施形態では、エッチング済み基板凹部１３２および１３４が、エッチング済みデバイス凹部１１９および１２２ならびに圧電抵抗センサ素子１５０および関連する圧電抵抗１５１および金属相互接続１７０を有する例示的デバイスウェーハ１４２に結合される。例えば、ホウ素を注入して高温で拡散させると、圧電抵抗センサ素子１５０を形成することができる。圧電抵抗センサ素子１５０は、梁１１３およびダイヤフラム１２２の撓みを検知するように位置決めされ得る。任意数の圧電抵抗センサ素子１５０を利用することができ、梁１１３またはダイヤフラム１２２に対するそれらの正確な位置決めは、特定の用途、予期される圧力、加速度、感度要件などに応じて、様々であり得ることに留意されたい。さらに、圧電抵抗センサ素子１５０に導電性をもたらす圧電抵抗の相互接続１５１を、ドープされたｎ型の第２のデバイス層１４６中へｐ型材料を拡散またはイオン注入することによって追加することができる。次に、金属相互接続１７０を追加することができ、チップ１００の外面から圧電抵抗の相互接続１５１を通る圧電抵抗センサ１５０への導電性をもたらす。金属相互接続１７０は、例えば、金またはアルミニウムで形成することができ、チップの設計要件に適するように所望の厚さに作製することができる。

最後に、プルーフマス１１４を解放することにより、懸垂構造体を形成する任意選択のステップを実行することができる。図７は、本発明の一実施形態の、エッチング済みデバイス凹部１１９および１２２を有する例示的デバイスウェーハ１４２に接着されたエッチング済み基板凹部１３２および１３４と、圧電抵抗センサ素子１５０および関連する圧電抵抗の相互接続１５１および金属相互接続１７０と、解放されたプルーフマス１１４とを有する例示的基板ウェーハ１３０の断面図である。通常のドライエッチングまたはウェットエッチングの技法を用いて、プルーフマス１１４が梁１１３によって基板凹部１３２の上に懸垂され得るように、プルーフマス１１４を解放することができる。例えば、もっぱらドライエッチング技法を用いる一実施形態では、解放エッチング１７５が、図７に示されるように、上側チップ不活性化層１６４、第２のデバイス層１４６、第１の酸化物層１４５、および第１のデバイス層１４４を通って作製され得る。このステップによって、プルーフマス１１４がデバイスウェーハ１４２から機械的に解放され、それによって、梁１１３およびプルーフマス１１４がウェーハ１３０およびデバイスウェーハ１４２に対して移動することが可能になる。例えば、プルーフマス１１４は、加速度センサ１１０の加速度に応答してデバイスウェーハ１４２の平面から上または下へ移動することができる。プルーフマス１１４の運動によって梁１１３の撓みが生じ、これが１つまたは複数の圧電抵抗センサ素子１５０によって検知され得る。

あるいは、プルーフマス１１４に関して別の幾何形状が必要な場合、様々な実施形態において、製造プロセスの様々なステージで様々なエッチング技法を使用することができる。例えば、別の実施形態では、デバイス凹部１１９が形成されている間に、第１のデバイス層１４４の追加のエッチングであるプルーフマスのエッチング（図示せず）を作製することができる。プルーフマスのエッチングは、ウェットエッチング技法を用いて、プルーフマス１１４の後続の解放に際してプルーフマスのエッチングがプルーフマス１１４の一部分を形成し、これに等方性または異方性の幾何形状をもたらすことができるように作製することができる。続いて、上側チップ不活性化層１６４、第２のデバイス層１４６、および第１の酸化物層１４５をドライエッチングすることによって加速度センサ１１０解放すると、基板凹部１３２の上に等方性または異方性の幾何形状を有するプルーフマス１１４の懸垂がもたらされる。あるいは、別の実施形態では、プルーフマスのエッチングは、デバイス凹部１１９が形成されている間に実行される第１のデバイス層の追加のドライエッチングであってよく、プルーフマス１１４の後続の解放に際してプルーフマスのエッチングがプルーフマス１１４の一部分を形成し、これに異方性の幾何形状をもたらすことができるようにすることができる。この実施形態では、続いて、上側チップ不活性化層１６４、第２のデバイス層１４６、および第１の酸化物層１４５をドライエッチングすると、基板凹部１３２の上に異方性の幾何形状を有するプルーフマス１１４の懸垂をもたらすことができる。

さらに、図１を再び参照すると、加速度センサ１１０は、例えば、湿度などの環境上の影響から構造体を絶縁するため、あるいは梁１１３およびプルーフマス１１４を真空または減衰流体またはガスの中で絶縁するために、キャップ１１７を用いてカプセル化することができる。キャップ１１７は、接着材料１１６を用いて、当業界で用いられる様々な通常の手段、例えばＡｕ Ｓｉ共晶接合、Ａｕ Ｓｎ共晶接合、Ａｕ Ａｕ熱圧着、ガラスフリット接着、または接着材料１１６としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を用いる接着剤接着によりデバイスウェーハ１４２に接着することができる。さらに、変位のオーバレンジが生じたときにスティクションを防止するために、凹部の底またはキャップ１１７の下側に１つまたは複数のディンプル１１８を含むことができる。

このように、小型で高感度の加速度計を作製することができる。梁１１３のプルーフマス１１４部分の厚さ、したがって大きさは、第１のデバイス層１４４、第１の酸化物層１４５および第２のデバイス層１４６の厚さによって非常に正確に決定することができる。梁１１３の撓み部分の正確な厚さも、第２のデバイス層１４６の厚さによって決定することができる。合わせて、プルーフマス１１４の大きさおよび梁１１３の撓み部分の厚さを正確に制御することにより、加速度計の感度をより正確に制御することができる、選択性の高い、カスタマイズ可能な設計を得ることができる。したがって、加速度の変化に対して所望の感度を達成するように撓み領域の薄さおよびサイズミックマスの厚さを選択することができる、より小型の懸垂梁構造を作製することができる。同様に、第２のデバイス層１４６の厚さを選択することにより、ダイヤフラム１２２の柔軟性に対する制御が改善される。同様に、加速度センサ１１０および圧力センサ１２０の性能を決定する様々な設計パラメータを制御するように、第１の酸化物層１４５の厚さを正確に選定することができる。エッチストップとして酸化物層を用いることにより、製造プロセスが簡単になり、計時によるエッチングの必要性およびそれに起因する製造むらが解消する。

図１から図８に示された方法は、一体化された加速度センサおよび圧力センサをシングルチップ上に形成するために、並行して、または連続して実行することができる。並行プロセスを実行すると、組合せチップに関して、処理スループットがより大きくなる、すなわち合計処理ステップがより少なくなるという利点がある。また、並行プロセスにより、梁１１３の厚さがダイヤフラム１２２の厚さと無関係になり得る。例えば、第２のデバイス層１４４の凹部１１９と１２４とを別々の深さにエッチングして梁１１３およびダイヤフラム１２２を形成することにより、各センサの感度を個々に最適化することができる。

上記の詳細な説明は、例示的実施形態を示すために提供されたものであり、限定することは意図されていない。加速度および圧力を測定する実施形態に関してセンサ製造方法が示され説明されてきたが、他のパラメータを測定することができるセンサを製造するのに類似の技法が用いられ得ることが当業者には明らかであろう。本発明の範囲内で、多数の変更形態および変形形態が可能であることも当業者には明らかであろう。例えば、説明された例示的方法のうち任意のものを連続して、または並行して、加速度センサ１１０および圧力センサ１２０をシングルチップ上に製造することができる。シングルチップ内の一体型センサは、例えばタイヤ空気圧および加速度の遠隔監視システムなどに用いることができる。さらに、当業者には理解されるように、多数の他の材料およびプロセスを、説明された例示的方法および構造体の範囲内で用いることができる。例えば、本明細書で説明されたｐ型材料およびｎ型材料は、例えばｐ型材料をｎ型材料で置換し、またその逆を行うことにより、別のやり方で用いることができることを理解されたい。さらに、本明細書で説明された方法は、加速度センサ１１０および圧力センサ１２０をシングルチップ上に作製するのに用いることができ、あるいは独立した加速度センサ１１０または独立した圧力センサ１２０を作製するのに用いることができる。

本書の説明は、最良の形態を含めて、本発明を開示するために、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイスまたはシステムを製造し用いることならびにあらゆる実施された方法を実行することを含めて本発明を実施することをも可能にするために、実施例を用いる。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に想起される他の実施例を含み得る。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字どおりの言葉と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字どおりの言葉とのわずかな相違点を有する均等な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲に入ることが意図されている。

１００ チップ
１０２ 境界領域
１０３ 境界領域
１０４ 境界領域
１０５ 境界領域
１０６ 境界領域
１０７ 境界領域
１０８ 境界領域
１０９ 境界領域
１１０ 加速度センサ
１１１ 加速度センサ領域
１１２ 撓み領域
１１３ 梁
１１４ プルーフマス
１１５ アンカー領域
１１６ 接着材料
１１７ キャップ
１１８ ディンプル
１１９ デバイス凹部
１２０ 圧力センサ
１２１ 圧力センサ領域
１２２ ダイヤフラム
１２４ デバイス凹部
１３０ 基板ウェーハ
１３２ 基板凹部
１３４ 基板凹部
１４２ デバイスウェーハ
１４４ 第１のデバイス層
１４５ 第１の酸化物層
１４６ 第２のデバイス層
１４７ 第２の酸化物層
１４８ ハンドル層
１５０ 圧電抵抗センサ素子
１５１ 圧電抵抗の相互接続
１６０ 上側デバイス不活性化層
１６１ 下側デバイス不活性化層
１６２ 上側基板不活性化層
１６３ 下側基板不活性化層
１６４ 上側チップ不活性化層
１６５ 下側チップ不活性化層
１７０ 金属製相互接続
１７５ 解放エッチング

Claims (14)

1. 半導体基板ウェーハ（１３０）に基板凹部（１３２、１３４）を形成するステップと、
   半導体デバイスウェーハ（１４２）にデバイス凹部（１１９）を形成するステップであって、前記デバイスウェーハ（１４２）が、第１のデバイス層（１４４）、第２のデバイス層（１４６）、第１の酸化物層（１４５）、および第２の酸化物層（１４７）を備え、前記第１の酸化物層（１４５）が前記第１のデバイス層（１４４）の下に配置され、前記第２のデバイス層（１４６）が前記第１の酸化物層（１４５）の下に配置され、前記第２の酸化物層（１４７）が前記第２のデバイス層（１４６）の下に配置され、前記第１の酸化物層（１４５）を露出するように前記デバイス凹部（１２４）が前記第１のデバイス層（１４４）を通って延びる、ステップと、
   前記第１のデバイス層（１４４）を前記基板ウェーハ（１３０）に固定し、前記デバイス凹部（１１９）を前記基板凹部（１３２、１３４）の上で位置合わせする、ステップと、
   前記第２のデバイス層（１４６）の撓みを検知するために少なくとも１つの圧電抵抗センサ素子（１５０）を前記第２のデバイス層（１４６）の中に注入するステップとを含むセンサ製造方法。
2. 前記半導体デバイスウェーハ（１４２）に前記デバイス凹部（１２４）を形成する前記ステップが、酸化物ドライエッチング技法を用いて前記第１の酸化物層（１４５）をエッチングするステップをさらに含む、請求項１記載のセンサ製造方法。
3. 前記半導体デバイスウェーハ（１４２）に前記デバイス凹部（１１９）を形成する前記ステップが、酸化物ウェットエッチング技法を用いて前記第１の酸化物層（１４５）をエッチングするステップをさらに含む、請求項１記載のセンサ製造方法。
4. 前記第１の酸化物層（１４５）が、前記センサの高温度性能を改善する、請求項１記載のセンサ製造方法。
5. 前記第１の酸化物層（１４５）が、前記センサの内部で内部応力の平衡を保ち、かつ前記センサの感度を改善する、請求項１記載のセンサ製造方法。
6. 前記第１のデバイス層（１４４）、前記第１の酸化物層（１４５）および前記第２の酸化物層（１４６）の厚さが、前記センサの感度を決定する、請求項１記載のセンサ製造方法。
7. 前記デバイスウェーハ（１４２）の中で、前記基板凹部（１３２、１３４）の上に配置された懸垂構造体を形成するステップであって、前記懸垂構造体が、境界領域（１０２〜１０９）の撓み領域（１１２）を除いて前記デバイスウェーハ（１４２）の他の部分から解放された前記境界領域（１０２〜１０９）を含み、前記懸垂構造体が、前記第１のデバイス層（１４４）、前記第１の酸化物層（１４５）および前記第２のデバイス層（１４６）の一部分からなるプルーフマス（１１４）を含み、前記境界領域（１０２〜１０９）の前記撓み領域（１１２）および前記境界領域（１０２〜１０９）の解放された部分が、力に応答して前記プルーフマス（１１４）が運動するのを可能にするように配置され、前記プルーフマス（１１４）の前記運動が前記撓み領域（１１２）の撓みを引き起こし、前記圧電抵抗センサ素子（１５０）が前記撓み領域（１１２）の前記撓みを検知するステップ、をさらに含む、請求項１記載のセンサ製造方法。
8. 前記基板凹部（１３２、１３４）の上に配置された前記デバイスウェーハ（１４２）の中に前記懸垂構造体を形成する前記ステップにおいて、前記境界領域が、半導体および酸化物ドライエッチング技法を用いて前記デバイスウェーハ（１４２）の前記他の部分から解放される、請求項７記載のセンサ製造方法。
9. 前記半導体デバイスウェーハ（１４２）に前記デバイス凹部（１１９）を形成する前記ステップが、前記デバイスウェーハ（１４２）の中にプルーフマス（１１４）凹部を形成するステップをさらに含み、前記プルーフマス凹部が、前記第１の酸化物層（１４５）を露出するように前記第１のデバイス層（１４４）を通って延び、前記基板凹部（１３２、１３４）の上に配置された前記デバイスウェーハ（１４２）の中に前記懸垂構造体を形成する前記ステップにおいて、前記境界領域（１０２〜１０９）が、半導体および酸化物ドライエッチング技法を用いて前記デバイスウェーハ（１４２）の前記他の部分から解放され、前記プルーフマス（１１４）凹部の一部分が前記プルーフマス（１１４）の一部分を形成する、請求項７記載のセンサ製造方法。
10. 前記デバイスウェーハ（１４２）の前記第１のデバイス層（１４４）を前記基板ウェーハ（１３０）の前記表面に固定する前記ステップにおいて、前記デバイス凹部（１１９）が、前記基板凹部（１３２、１３４）の上で全体的に位置合わせされる、請求項７記載のセンサ製造方法。
11. 前記センサが加速度を測定する、請求項７記載のセンサ製造方法。
12. 前記第２のデバイス層（１４６）が、前記第２のデバイス層（１４６）の撓みを可能にするダイヤフラム（１２２）を前記デバイス凹部（１１９）および前記基板凹部（１３２、１３４）の上に形成し、前記圧電抵抗センサ素子（１５０）が前記ダイヤフラム（１２２）の前記撓みを検知する、請求項１記載のセンサ製造方法。
13. 前記デバイスウェーハ（１４２）の前記第１のデバイス層（１４４）を前記基板ウェーハ（１３０）の前記表面に固定する前記ステップにおいて、前記デバイス凹部（１１９）が、前記基板凹部（１３２、１３４）の上で中央に置かれる、請求項１２記載のセンサ製造方法。
14. 前記センサが圧力を測定する、請求項１２記載のセンサ製造方法。

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