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KR100271386B1 - 밀봉된 공동 장치 및 형성 방법 - Google Patents

밀봉된 공동 장치 및 형성 방법

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Publication number
KR100271386B1
KR100271386B1 KR1019960010946A KR19960010946A KR100271386B1 KR 100271386 B1 KR100271386 B1 KR 100271386B1 KR 1019960010946 A KR1019960010946 A KR 1019960010946A KR 19960010946 A KR19960010946 A KR 19960010946A KR 100271386 B1 KR100271386 B1 KR 100271386B1
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conductor
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silicon
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KR1019960010946A
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야콥센 헨릭
크비스테로이 테르예
Original Assignee
스베르 호른트베트
센소노르 에이. 에스
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Filing date
Publication date
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Publication of KR960037894A publication Critical patent/KR960037894A/ko
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Abstract

본 발명은 양자처리 결합에 의해 실리콘 웨이퍼 표면상에 그리고 공동 안쪽의 기능 장치를 공동 바깥쪽의 전기 단자에 접속하기 위하여 밀봉영역을 통하여 전기 절연된 전도체를 가지는 밀봉된 공동을 만들기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 전도체는 단일 크리스탈 실리콘 기판에 도핑되고 매몰된 크로싱을 사용하여 제공되어, 다른 종류의 집적된 실리콘 장치(예를 들어 센서)로 이루어진다. 게다가, 본 발명은 새로운 방법에 의해 만들어진 장치에 관한 것이다.

Description

밀봉된 공동 장치 및 형성 방법
본 발명은 공동 안쪽 기능 장치를 상기 공동 바깥쪽 전기 단자에 전기적으로 접속하기 위하여 밀봉 영역을 통하여 전기적으로 절연된 전도체를 가지는 실리콘 웨이퍼 표면상에 밀봉 공동을 만들기 위한 방법에 관한 것이다. 밀봉 공동을 만들기 위한 방법은 낮은 가격의 일괄 가공을 사용하기 위하여 웨이퍼 레벨상에서 수행될 수 있다. 상기 방법은 기계적 과부하 보호 및 압착 필름 댐핑(damping)같은 특징을 포함하는 가속도계 같은 힘 센서뿐아니라, 제어된 기압 또는 진공도를 가지는 기준 체적을 포함하는 압력 센서 같은 실리콘 센서 및 다이 구조의 구성부분같은 진공 기준 체적을 가지는 진동 공진 구조를 포함하는 센서를 형성하기에 특히 적합하다. 상기 방법은 상기 환경에 대해 표면 마이크로가공 구조같은 섬세한 구조의 보호를 위하여 칩 레벨상에 마이크로패키지를 위한 적당한 대안을 제공하여, 저비용 플라스틱 패키징이 비싼 금속 또는 세라믹 패키지 대신 사용하게 한다.
본 발명은 독창적인 방법에 의해 이루어진 밀봉 공동 장치에 관한 것이다.
실리콘 마이크로센서 및 마이크로시스템은 중요성이 증가하는 중이고 빠른 성장을 하고 있다. 실리콘 압력 센서는 중요한 산업 생산 부품이고 실리콘 가속계같은 새로운 형태의 센서이며 실리콘 흐름 센서는 현재 시장에서 성장중이다. 마이크로작동기 잉크 젯 노즐 영역내에, 단결정 실리콘으로 만들어진 마이크로펌프는 이미 판매중에 있다. 미래에 많은 새로운 생산품이 개발될 것이고 센서 및 마이크로작동기 분야 뿐아니라. 센서를 구비한 완전한 마이크로시스템이 매매될 것이며, 마이크로작동기 및 동일한 단일 실리콘 칩상의 전자제품은 곧 실현될 것이다. 이 분야의 기술내에서 산업 성장을 제한하는 기술 요소는 센서 어셈블리 및 패키지 기술에 관련된 복잡성과 고비용이다. 3차원 구조의 어셈블리를 위한 새로운 방법이 필요하다는 것이 발명자들의 견해이다. 상기 어셈블리 방법은 어셈블리 및 패키지 비용을 감소시키기 위하여 웨이퍼 레벨상에서 수행되어야 하고 장치 및 마이크로시스템을 높은 신뢰성을 가지도록 하여야 한다. 실리콘의 표면상에 밀봉 공동을 제공하고 공동내의 기능 장치를 공동 외부와 접속하기 위해 밀봉 영역상에서 연장하는 전기 접속부를 가지는 방법은 오늘날 매우 제한된다. 그러므로 새로운 방법은 절대 압력 센서, 마이크로가속계 및 높은 Q인자를 가지는 공진 구조를 사용하는 장치같은 높은 신뢰성 및 높은 정확도의 센서를 필요로한다. 실리콘에서 3차원 구조의 마이크로매칭을 위한 방법의 개요는 켄달(Kendall)등에 의한 "실리콘의 마이크로매칭을 위한 중요 기술"; 반도체 및 반금속, Vol 1.37(1992)주어진다.
하기에는 웨이퍼를 함께 밀봉하기 위해 이용할 수 있는 몇몇 중요한 산업의 종래 기술 가공 및 방법이 논의되었고, 이것은 웨이퍼 적층 공정 이라 불린다.
금 실리콘의 사용에 의한 공융 결합은 여러해 동안 실리콘 다이의 어셈블리를 위하여 사용된 잘 공지된 방법이다. 상기 방법은 웨이퍼의 한 표면상에 증착된 얇은 금 필름을 사용하여 실리콘 대 실리콘 웨이퍼 결합을 시도하지만, 상기 방법은 다음의 중요한 결점을 가진다. 첫 번째 제한 사항은 금이 실리콘에서 너무 빨리 확산하고 금의 침투성이 전도체 사이의 전기단락 및 높은 누설 전류를 유발하기 때문에 표면에 또는 표면 근처의 PN-접합부 영역에 상기 방법이 사용될수 없다는 사실이다. 두 번째 제한 사항은 밀봉시 높은 압력을 생성하는 열 팽창 계수의 큰 차이, 바꿔말하면, 공융 금실리콘을 위한 13×10-6ppm/degC 및 실리콘을 위한 2.6×10-6ppm/degC이다. 세 번째 단점은 금 실리콘 공융 결합이 실리콘 표면상에 항상 존재하는 얇은 자연적인 산화물에 매우 민감하여, 공융 주조를 하기 위해 불순물제거 동작을 필요로하고 큰 영역상에 완전한 밀봉을 이루기에 어렵다는 사실이다.
납땜은 야마다(Yamada)등에 의한 미합중국 특허 제 4,023,562호에 기술된 센서를 이루기 위한 실리콘 또는 다른 재료에 실리콘 입방체의 어셈블리를 위하여 사용된다. 상기 가공은 다이 레벨상에 부분들은 어셈블리하기 위해 사용되지만, 큰 영역상에서 미세한 패턴의 균일한 납땜 결합을 얻기에 어려우므로 웨이퍼상에 모든 입방체의 어셈블리를 위한 높은 생산량 가공으로서 제어하는 것은 어렵다. 야마다등은 Au-Sn공융 결합을 사용된다. 상기 종래 기술 방법의 다른 단점은 Au-Sn에 대해 16×10-6 ppm/degC 및 실리콘에 대해 2.6×10-6 ppm/degC의 큰 열팽창 차를 가지는 깨지기 쉬운 딱딱한 접합 재료의 사용으로 인한 높은 제조 압력이다.
여러해 동안 사용된 다른 방법은 페이스트(paste)형태로 프린팅될수 있는 유리를 포함하는 실리콘 대 실리콘을 밀봉하기 위하여 밀봉 재료로서 유리의 사용이다. 예를들어 종래 기술은 유럽특허공개 0127176호 이다. 이 종래 기술 방법의 사용은 전기 접속이 존재 및 필요하지 않은 어떤 후방측 밀봉에 주로 제한된다.
실리콘에 유리의 애노드 결합은 실리콘 매치된 열 팽창 계수를 가지는 유리의 사용에 의한 웨이펴 결합 및 적층을 위해 사용이 증가된 방법이다. 상기 유리의 예는 원뿔로부터의 내열 유리 7740, 스코트/DESAG으로부터의 TEMPAX 및 호야로부터의 SD2이다. 방법으로서 애노드 결합의 개요는 K.B. 알바우 및 P.E. 케이드 : "내열 유리에 대한 실리콘 애노드 결합 메카니즘" ; Tech, Digest, IEEE 고체 상태 센서 및 작동기 워크샵, 힐튼 헤드 아이슬랜드, SC, 1988, p. 109 및 뱅스톤: "반도체 웨이퍼 결합:계면 특성 및 응용 고찰";Journal of Electronic Materials, Vol. 21,No. 8, 1992 pp. 841-862에 의해 주어진다. 어떻게 애노드 결합 유리 기판이 압력 센서를 만들기 위하여 사용되는가에 관한 종래 기술의 좋은 예는 유럽특허공보 0127176호에서 야마다등에 의해 기술되고, 그것에 따라 내열 유리 기판은 지지부 및 압력 입구 기능을 위한 압력 센서의 비패터닝 후방측에 결합되고 전기적으로 활성 부분 및 PN-접합부를 가지는 실리콘 영역에 있지 않다. 이 방법은 전기 접속을 포함하는 실리콘 칩의 측면에 대향하는 측면상 실리콘 격판(diaphram)아래에 진공 기준 체적을 형성하기 위하여 사용된다. 애노드 결합은 실리콘 기판상에 증착된 스퍼터된 얇은 유리 필름의 사용에 의해 수행될수 있다. 이 방법은 하네보그등에 의해 기술되고: 스퍼터링 증착된 내열 유리 7740 얇은 필름을 사용하는 실리콘 칩의 애노드 결합"; Proceeding of the 12th Nordic Semiconductor Meeting, Javnaker, June 8-11, pp. 290-293, ISBN 82-7267-858-6. 스퍼터된 내열 필름을 사용하여 실리콘대 실리콘 어셈블리는 하네보그등에 의해 기술된 바와같이 매우 우수한 안정성의 센서를 이루는 낮은 제조 압력을 특징으로 한다 :"주파수 출력을 가지는 집적 용량 압력 센서"; 센서 및 작동기, 9(1986)pp. 345-361 및 흐름등에 의한 :"다른 마운팅 방법에 의해 이루어진 피에조저항 실리콘 압력 센서의 안정성 및 공통 모드 감지도" ; Digest of Technical Papers of transdrcers `91, 샌프란시스코, pp. 987-991. 애노드 결합은 헨미등에 의한 마이크로센서의 진공 패키지를 위하여 기술된다: "유리 실리콘 애노드 결합에 의한 마이크로센서를 위한 진공 패키징"; 고체 상태 센서 및 작동기에 대한 제7차 국제회의, pp. 584-587
압력 센서에서 밀봉 공동 구조를 형성하는 방법은 유리 커버가 실리콘 표면상에 확산된 크로싱 전도체를 포함하는 실리콘 칩의 표면 영역에서 얇은 폴리 실리콘 필름에 대해 밀봉되고 단결정 실리콘 표면 및 밀봉 영역에서 폴리 실리콘 필름 사이의 패시베이션부로 밀봉되는 야마다등에 의한 미합중국 특허 제 4,291,293호에 기술된다. 그러나, 여기서 발명자는 종래 기술의 다음 제한 사항 및 결점을 깨닫게 된다. 폴리 실리콘에 대한 애노드 결합은 표면 거침 정도 및 폴리 실리콘 필름을 위한 공통인 함유물로 인해 큰 영역에서 어려우므로, 웨이퍼 레벨보다 오히려 다이 레벨상에서 애노드 결합을 위해 적당한 방법을 이룬다. 종래 기술 방법에서 다른 중요한 기술적 문제는 결합 온도에서 폴리 실리콘 필름을 통하여 그리고 패시베이션 필름에 표류시키기 위하여 애노드 결합 유리로부터 이동 이온을 방지하는 어려움이 있어서, 전기 불안정 및 신뢰성 문제를 유발시킨다. 종래 기술의 이문제는 제1(a) 및 1(b)도에 기술된다. 제1(a)도는 유리의 밀봉전에 미합중국특허 제 4291293호에 따른 종래 기술의 밀봉영역의 작은 단면도를 도시하고 패시베이션부(423)의 상부상에 있고 확산된 P-형 크로싱 전도체(442) 및 라인(44)에 대해 P-측으로 그리고 라인(445)에 대해 N-형 기판 영역(426)으로 연장하는 pn-접합부(443)의 절연공간 하전 영역(440)을 가지는 폴리실리콘층(424)를 도시한다. 패시베인션 필름(423)에 이온없이 공간 하전 영역(440)은 표면 영역을 포함하는 p-전도체 모든 주위에 균일한 두께로 연장할 것이다. 제1(b)도는 폴리실리콘층(424)의 표면에 결합된 유리(415)와 애노드 결합후 동일한 구조를 도시한다. 약 300-450 degC에서 발생하는 애노드결합 가공동안 나트륨 이론(Na+)은 폴리실리콘 필름(424)을 통하여 및 패시베이션층(423)으로 표류한다. 전자 수용층(446)은 표면(447)에서 절연 공간하전 영역(440)의 폭을 감소시키는 약간 도핑된 N-형 실리콘 부분(426)의 표면상에 형성되어, 절연 대 저항 전압의 감소를 유발하고, 따라서 접합부의 전기적인 브레이크다운(break-down)이 감소된 전압에서 발생할 것이다. 상기 효과는 생산량 문제로서 발생하는 애노드 결합후 장치가 기능하지 못하도록 하고, 이 효과는 패시베이션에서 Na+이온의 이동 성질로 인해 필드에서 동작동안 바람직하지 않은 결함을 유발할수 있다. PN-접합부상의 패시베이션시 이온 오염물은 브레이크 다운 전압을 감소시키고 누설 전류를 유발할뿐 아니라, N-형 도치층이 서로 절연되어야 하는 도핑된 N-영역 사이의 가볍게 도핑된 P-형 영역상에 형성되게 한다. 상기 효과는 반도체 물리학분야의 전문가에게 잘 공지되어있고 A.S. 그로브에 의한 반도체 교과서 : "반도체 장치의 물리학 및 기술",10, 11 및 12장 ; 존 윌리 & 선, 인코포레이티트(1967)에 기술된다.
본 발명의 목적은 제1실리콘 웨이퍼를 제2유리 기판 웨이퍼에 결합하고 및/또는 제1실리콘 웨이퍼를 애노드 결합에 의해 표면상에 스퍼터된 유리 필름을 가지는 제2실리콘 웨이퍼에 결합하는 웨이퍼 적층 방법을 개발하여 종래 기술에 의해 제공된 방법의 제한 사항 및 문제점을 극복하는 것이고, 웨이퍼 레벨상에서 수행될 이런 결합 방법은 밀봉된 공동 구조가 적층된 웨이퍼의 각 개별 다이에 대해 만들어지게하고 공동 내측의 전기적으로 동작하는 기능 장치 및 밀봉 영역 및 공동의 외측 전기 접속 영역 사이에 높은 신뢰성의 전기 절연된 공급 쓰로우를 포함한다. 이것은 본 발명의 비 제한적이고, 바람직한 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참조한 하기의 설명뿐 아니라, 첨부된 특허청구범위에서 제한된 본 발명에 따른 방법에 의해 이루어진다. 게다가 본 발명의 밀봉 공동 장치는 본 발명에 따른 비제한적인 예를 도시하는 도면을 참조한 하기 설명뿐 아니라, 첨부된 특허 청구범위에서 제한된다.
본 발명은 다음에 상세히 기술되고 도시된 바와같이 경제적인 비용으로 이루어진 각각의 다이상에 전기 공급 쓰로우를 포함하는 밀봉 공동을 요구하는 다른 종류의 센서를 제공한다.
상기 방법은 밀봉된 공동에 진공을 가지는 절대적인 압력 센서, 지진중량 스프링 시스템 주위의 영역에서 제어된 압력을 가지는 가속계 및 공진 구조를 위한 제어된 압력을 가지는 밀봉 공동 및 다른 형태의 기능 장치를 만들기에 특히 적당하다. 상기 방법은 다른 형태의 마이크로작동기 같이 환경에 대해 보호될 필요가 있는 섬세한 구조 주위의 칩 레벨상에 마이크로패키지를 이루기 위하여 사용될수 있어서, 낮은 가격의 플라스틱 패키징이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 새로운 방법은 제 2,3,4,5,6,7 및 8 도를 참조하여 이 새로운 기술로 만들어진 압력 센서에 대해 기술될 것이다. 제3도는 4개의 피에조저항기를 가지는 압력 감지 격판(30)을 포함하는 제 6,7 및 8도에 따른 제 1 실리콘 웨이퍼(120)의 한 개의 압력 센서 다이(20)의 단면도를 도시한다. 제 2도는 동일한 다이(20)의 평면도이다. 상기 피에조저항기(31,32,33 및 34)는 알루미늄 상호 연결 라인(71,72,73 및 74) 및 매몰 확산된 전도체(41,42,43 및 44)를 통하여 상호 연결 영역(51,52,53 및 54)에 대한 알루미늄 와이어 결합 패드에 전기적으로 접속된다. 이들 전도체, 통상 P-형은 이온 주입에 의해 도핑되고 N-형 기판(26)을 덮는 N-형 에피텍셜층(25)하에 매몰된다. 이들 매몰된 전도체를 형성하는 방법은 제 1 실리콘 웨이퍼의 표면상에 더이상의 스텝(step)을 발생시키지 않아서 만들어질 구조의 밀봉 영역에서 폴리싱된 실리콘 웨이퍼의 표면이 부드럽다는 장점을 가진다. 이것은 높은 생산성을 가지는 신용할 수 있는 웨이퍼 적층 구조 방법을 유도하고 높은 신뢰성의 센서 또는 기능 장치가 밀봉 영역처럼 낮은 제조 압력으로 만들어진다. 마크된 다이(22)의 표면상 영역은 애노드 결합이 수행되는 영역이고, 라인(17)은 유리의 공동 주변을 가리키고 라인(18)은 알루미늄 와이어 결합 및 상호접속 영역(51,52,53 및 54)에 액세스하기 위하여 필요한 유리의 비아(via) 홀의 주변을 가리킨다. 매몰된 전도체는 하나의 매몰되고 확산된 전도체(42)가 에피텍셜층(25)을 통하여 각각의 단부에서 P+ 확산부(60 및 61)에 의해 접촉되는 제 3 도의 단면도에 도시된 바와같이 접촉 확산부(60,61)를 통한 알루미늄 상호접속 영역과 라인 및 패시베이션부(28)에 접속된다. 제 4 및 5 도는 유리 부재(14)에 애노드 결합후 제 2 및 3 도의 실리콘 다이(20)를 도시하고, 제 6,7 및 8 도에서 도시된 바와같이 실리콘 다이(20)는 상기 제 1 실리콘 웨이퍼(120) 부분이고 유리부재(14)는 유리(114)의 제 2 웨이퍼 부분이다. 제 4 및 5도의 유리 부재(14)는 상기 유리 부재(14)에서 리세스를 형성하고 애노드 결합후 실리콘 부재(20)에 결합하는 밀봉 경계 영역(23)을 가진 밀봉 공동(16)을 형성하는 섹션(15)를 가진다. 제 5 도를 참조하여, 바깥쪽 와이어 결합 영역(예를들어, 영역(52))으로부터, 예를들어 제 1 접촉 확산부(60)을 통하여 공동(16)의 밀봉 영역(23) 아래를 교차하는 매몰된 전도체(42) 아래로, 그리고 제 2 접촉 확산부(61)를 통하여 두개의 피에조저항기(31 및 33)에 접속하는 제 2 알루미늄 상호접속 라인(71)으로 전기 접속 경로를 따르는 것은 가능하다.
애노드 결합 가공은 실리콘 마이크로센서 분야에서 일하는 사람들에게 잘 공지되었고 여기서 상세히 설명되지 않을 것이다. 그러나, 원리는 제8(a) 및 8(b)도를 참조하여 짧게 논의될 것이다. 다중칩 실리콘 웨이퍼(120)는 웨이퍼들이 서로 잘 정렬되고 접촉하여 배치된 후 가열된 척(116)상에 유리 웨이퍼(114)와 함께 배치된다. 두 개의 웨이퍼 구조가 300내지 450 degC범위의 온도로 가열될 때, 유리에서 나트륨 이온같은 양 이온은 전력 공급기(117)로부터 전기 접속 및 탐침(118 및 119)을 통한 유리상에 전압을 인가함으로써 전기장의 영향하에 이동 및 표류할 것이다. 유리(114)에서 양이온은 실리콘 웨이퍼(120)경계면 쪽으로 표류하여, 경계 영역상에 전기장을 형성하므로, 두 개의 웨이퍼(114 및 120)를 원자 레벨 친밀 접촉으로 통합시키는 정전기력을 형성한다. 실온으로 냉각시킨후, 이온은 "결빙"되고 더 이상 이동하지 않지만, 정전기력은 부분적으로 남아있고, 높고 지속하는 결합세기와 접촉하는 원자와 함께 두 개의 웨이퍼를 고정한다. 이것은 제6 및 7도에서 도시된 바와같이 공동(95a 내지 95h)을 가지는 유리 기판 쓰로우 홀(96a 내지 96h)이 및 제6도 및 제7도에 도시된 바와같이 에칭 격판을 가지는 실리콘 웨이퍼에 결합되게 하고, 여기서 제7도는 단면 라인(Y7-Y7)에 의해 표시된 제6도의 구조를 통한 단면도이다.
본 발명에 따른 방법은 전도체의 절연 PN접합을 이루는 수용층 및 또는 도치층을 형성하는 종래 기술에 관련된 문제를 완전히 해결한다. 매몰 전도체의 사용은 에피텍셜층 아래의 매몰된 전도체 각각의 PN접합을 절연하고 유리 이온의 영향을 단리시킨다. 유리로 이온은 PN-접합부가 배치된 에페텍셜층의 표면상에 영향을 미친다. 이것은 제3 및 제5도 구조의 밀봉 영역으로부터 작은 단면을 도시하는 제9(a) 및 제9(b)도에서 도시되고, 여기서 제9(a)도는 제3도에서 도시된 애노드 결합전 상세한 구조를 도시하고 제9(b)도는 제5도에서 도시된 애노드 결합후 상세한 구조를 도시한다. 실리콘에 대한 경계면(23)에서 유리(15)의 양이온(모든 나트륨(Na+)이온(318))중 첫 번째)은 수용 전자층(319)이 N-형 에피텍셜층(22)의 표면에 형성되게 하고 PN-접합부(331) 주위의 크로싱 전도체 절연 공간 하전 영역(321) 및 매몰된 P-형 전도체(42)의 PN-접합부(332) 주위의 공간 하전 영역(322)에 전혀 영향을 주지 않는다. 이것은 N-영역에서 동일한 수용층이 형성될 때 P-형 전도체의 절연 PN-접합부가 보다 좁게 이루어져서, 표면 공간 하전 영역의 폭을 감소시키고 이 접합부에서 절연 전압 비율의 제어되지 않은 감소를 유발하는 상기된 제1도에서 도시하는 표면 전도체를 가지는 종래 기술 방법과 대조된다.
그 다음에, 본 발명의 프레임내에 어떤 변화가 설명된다. 제2,3,4 및 5도에 설명되고 도시된 애노드 결합에 의한 웨이퍼 적층구조는 밀봉영역에서 텅빈 실리콘 표면(23)에 대해 수행된다. 애노드 결합은 실리콘 부재(20)의 패시베이션 필름(80)에 유리 부재(14)의 결합을 도시하는 제10도에서 도시된 바와같이 제1실리콘 웨이퍼(120)의 표면상에 실리콘 이산화물 및/또는 실리콘 질화물같은 얇은 패시베이션 필름상에 직접적으로 행해질수 있다.
제7도는 유리 웨이퍼(114)는 하나의 표면상에 스퍼터 증착된 유리를 가지는 제2실리콘 웨이퍼에 의해 대치된다. 제11도는 크로싱 전도체(42)상의 영역(122)에서 완전한 밀봉을 형성하는 제1실리콘 부재(20)에 결합된 스퍼터 증착된 유리 필름(141)을 가지는 제2실리콘 부재인 이 결과 구조의 단면도를 도시한다. 진공 기준 체적(160)은 이 경우 제2실리콘 부재(140)의 영역(150)에서 홀의 선택적인 에칭에 의해 이루어진다.
제3도에서 도시된 바와같은 압력 센서 다이(20)를 가지는 제7도의 제1다중 칩 실리콘 웨이퍼(120)는 제12(a)-(e)도를 참조하여 다음에 설명될 바와같은 공지된 실리콘 가공 기술에 의해 가공될 수 있다. 가공은 N-형 1-0-0 단결정 기판(26)을 가지는 제12(a)도에서 도시된 바와같이 시작한다. 제1포토마스크 단계는 마스크층같은 포토레지스트를 사용하는 붕소의 이온 주입에 의해 형성되고 그 다음 드라이브인 확산 단계에 의해 매몰된 전도체(42)를 형성한다. 이것은 PN접합부의 위치에서 임의의 스텝없이 크로싱에 대한 절연된 P영역의 표면 도핑을 유발한다. 이것은 제12(b)도에서 도시된 바와같은 에피텍셜 N-형 층(25)을 성장시킴으로써 발생되어, 표면 효과로부터 잘 보호된 단결정 실리콘에 매몰된 전도체(42)를 만든다. 제12(c)도에서 도시된 바와같은 다음의 두 개의 단계는 포토마스킹 및 도핑에 의해 매몰된 P-형 전도체(42)의 각 단부에서 P-형 접촉부(60 및 61)를 형성하고 그 다음 피에조저항 부품(31 및 32)은 패시베이션층(28)이 제공된다. 상기 구조는 제12(d)도에서 도시된 바와같은 선택적인 에칭에 의해 격판(30)을 형성하고 제12(e)도에서 도시된 바와같은 패시베이션층(28) 및 금속 상호접속부재(52 및 71)를 통하여 접촉홀을 만들어 완성된다. 상기 구조는 제5도에 도시된 바와같은 유리 부재 또는 제11도에 도시된 바와같은 스퍼터링 유리를 가지는 제2실리콘 부재에 애노드 결합된다.
본 발명의 다수의 특성은 상기 방법 및 제13 및 14도에서 도시된 바와같은 방법을 사용하여 이루어진 가속도계의 제2예를 설명함으로써 도시될수 있다. 제1실리콘 부재(220)로 이루어진 지진 중량 스프링 시스템을 가지는 실리콘 가속도계 구조는 실리콘 기판(226)의 프레임 섹션으로부터 매달린 두 개의 스프링 부재(231 및 232)상에 매달려있는 중앙 지진 푸르프(proof)중량부 (230)를 가지는 제1웨이퍼의 가공결과 제14도의 부분으로서 도시되고 제13도의 평면도에서 도시된다. 피에조저항 부품(233 및 234)은 알루미늄 상호접속 부재(271,272,273 및 274) 및 매몰되고 확산된 전도체 크로싱(241,242,243 및 244)을 통하여 바깥쪽 결합 패드 및 알루미늄 상호접속 부재(251,252,253 및 254)에 전기적으로 접속된다. 제14도에 도시된 바와같은 유리부재(215 및 275)는 경계 영역(222 및 280)에서 실리콘 부재(220)의 각 측면에 애노드 결합되어, 상기 유리 부재(215)가속계의 지진 중량 스프링 시스템(230,231,232)주위에 완전히 밀봉된 공동(260a 및 260b)를 형성한다. 푸르프 중량부(230) 및 상기 유리 부재(215)의 뚜껑 부분(250)사이의 거리 및 또는 푸르프 중량부(230) 및 하부 유리부재(275)사이의 거리는 기계적 충격 상황에서 푸르프 중량부의 운동의 기계적 과부화 보호를 위하여 그리고 공동에서 제어된 환경을 사용하여 압착 필름 댐핑을 위하여 사용된다. 제13 및 14도는 저항기(233 및 234)를 가지는 하프 브릿지(half-bridge)를 구비한 피에조저항 가속계를 도시한다. 공진 구조는 동일한 방식으로 구성되고 접속되어 검출 원리로서 공진 구조를 가지는 가속계를 만든다.
동일 방식으로 본 발명은 제어된 환경 또는 진공의 공동내에 밀봉된 다양한 기능 장치에 사용된다. 그래서, 상기 기능 장치는 예를들어 격판 또는 스프링 중량부 시스템이 사용되든지 아니던지, 공동 안쪽 영역에 본래 공지된 방식으로 접속될 수 있다.
제1도는 미합중국특허 제4291293호에 지시된 바와같은 밀봉 영역을 크로싱(crossing)하기 위한 표면 전도체를 사용할 때 종래기술에 관련된 중요한 이온 오염 문제를 도시한 도.
제2도는 매몰된 전도체로 이루어진 실리콘 격판을 가지는 피에조저항 압력 센서의 실리콘 부분 표면 및 본 발명에 따른 방법을 사용하여 표면상에 형성된 텅빈 실리콘 표면 및 밀봉 영역의 평면도.
제3도는 라인 Y3-Y3을 따르는 제2도 구조의 단면도.
제4도는 본 발명에 다른 방법을 사용함으로써 매몰된 전도체로 이루어진 센서 다이(die) 샌드위치의 구성 부분으로서 형성된 진공 기준 체적을 가지는 피에조저항 실리콘 압력 센서 다이 샌드위치의 표면 및 텅빈 실리콘 표면에 밀봉된 진공 공동을 가지는 유리 커버의 평면도.
제5도는 라인 Y5-Y5를 따른 제4도 구조의 단면도.
제6도는 애노드 결합에 의해 실리콘 기판에 결합된 마이크로기계 유리 기판 및 진공 기준 체적 및 웨이퍼상에 형성된 결합 영역을 가지는 다중 압력 센서 다이를 가지는 표면을 도시한 도면.
제7도는 라인 Y7-Y7을 따른 제6도의 단면도.
제8(a)도는 단면도에서 애노드 가공의 구조를 도시한 도.
제8(b)도는 평면도의 구조를 도시한 도.
제9도는 크로싱 전도체의 절연 공간 하전 영역에서 애노드 결합 가공에 이용된 이온으로부터 어떤 효과의 제거를 도시하는 본 발명에 따른 밀봉 영역의 단면도.
제9(a)도는 애노드 결합전 구조를 도시한 도.
제9(b)도는 애노드 결합후 구조를 도시한 도.
제10도는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 매몰된 전도체로 이루어진 센서 다이 샌드위치 구조 및 패시베이션된 실리콘 표면에 밀봉된 진공 공동을 가지는 유리 커버의 일체형으로서 형성된 진공 기준 체적을 가지는 피에조 실리콘 압력 센서 다이 샌드위치 구조의 단면도.
제11도는 매몰된 전도체와, 진공 공동을 가지는 실리콘 커버로 만들어진 센서 다이 샌드위치 구조의 통합부로서 형성되고 애노드 결합 및 스퍼터된 유리층을 사용함으로써 텅빈 실리콘 구조로 밀봉된 진공 기준 체적을 가지는 피에조조항 실리콘 압력 센서 다이 샌드위치 구조의 단면도.
제12(a)도 내지 제12(e)도는 제4도 및 제5도에 도시된 바와같은 밀봉된 진공 기준 체적을 가지는 압력 센서 구조를 형성할 수 있도록 제2도 및 제3도에서 도시된 바와같은 매몰 전도체로 이루어진 피에조저항 압력 센서의 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위하여 사용된 생산 단계를 도시한 도.
제13도는 두 개의 유리 기판의 애노드 결합에 의해 실리콘 부분의 각각 측면상 하나에 형성된 지진 중량 스프링 시스템 주변에 형성된 밀봉된 공동 및 실리콘 부분의 밀봉 영역을 크로싱하는 매몰된 전도체를 가지는 피에조저항 가속계의 평면도.
제14도는 라인 Y14-Y14을 따른 제13도의 구조의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
16 : 공동 20 : 압력 센서 다이
23 : 밀봉 영역 25 : 에피텍셜층
30 : 압력 감지 격판 31,32,33,34 : 피에조 저항기
423 : 패시베이션부 424 : 폴리실리콘층
440 : 공간 하전 영역 443 : pn-접합부

Claims (25)

  1. 기판을 형성하는 실리콘 웨이퍼 표면을 가지며, 공동 수단 안쪽의 기능 장치 수단을 상기 공동 수단의 바깥쪽 전기 단자에 접속하기 위해 공동 수단 부분을 형성하는 뚜껑 수단 및 상기 웨이퍼 표면 사이에 형성된 밀봉 영역을 가로지르는 전기적으로 절연된 전도체 수단을 공통적으로 가지는 밀봉 공동 수단을 제공하기 위한 방법에 있어서, a) N형 단결정 실리콘 기판을 제공하는 단계와, b) 마스크 층으로서 상기 기판의 상부상에 포토레지스트를 사용하는, 매몰된 전도체가 붕소의 이온 주입에 의해 형성되는 포토마스크 단계를 수행하고, 따라서 제공된 PN접합부의 위치에서 기판 표면에 임의의 스텝없이 상기 전도체에 대한 절연된 P-형 영역의 표면 도핑을 제공하기 위한 드라이브-인 확산 단계와, c) 표면 효과로부터 보호될 단결정 실리콘에 매몰된 상기 전도체를 제공하기 위하여 상기 전도체에 인접한 상기 매몰된 전도체의 상부 및 상기 기판의 상부상에 에피텍셜 N형 층을 성장시키는 단계와, d) 포토마스킹 및 도핑 단계에 의해 상기 에피텍셜층의 상부 레벨로부터 매몰된 P형 전도체의 각각의 단부 아래로 연장하는 P형 접촉부를 형성하는 단계와, e)상기 에피텍셜층 및 상기 접촉부의 상부상에 패시베이션 층을 제공하는 단계와, f)상기 기능 장치 수단을 제공하고 상기 기능 장치를 상기 접촉부에 전기적으로 접속하는 단계와, g) 상기 기능 장치 및 상기 웨이퍼 표면 부분상에 상기 뚜껑 수단을 제공하여, 상기 뚜껑 수단의 적어도 일부가 상기 매몰된 전도체상에 놓이도록 배치하는 단계와, h) 가열 수단상에 상호 정렬된 상태로 상기 실리콘 웨이퍼 기판 및 상기 뚜껑 수단을 배치시키는 단계와, i) 상기 웨이퍼 수단 및 상기 뚜껑 수단 사이에 전기장을 인가하는 단계와, j) 상기 뚜껑 수단의 양 이온이 상기 웨이퍼 수단 및 상기 뚜껑 수단을 원자 레벨 친밀 접촉으로 끌어당기는 정전기력을 형성하도록 상기 웨이퍼 수단에서 경계면쪽으로 상기 전기장의 영향하에 이동 및 표류되게 하는 상승된 온도로, 상기 결합된 웨이퍼 수단 및 뚜껑 수단 구조를 가열하는 단계와, k) 적어도 일부분의 상기 정전기력을 유지하고 상기 웨이퍼 수단 및 상기 뚜껑 수단을 결합하도록 상기 이온을 고정시키기 위해 상기 결합된 구조를 냉각시키고, 상기 인가된 전기장을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 뚜껑 수단은 미리형성된 유리 부재인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 뚜껑 수단은 상기 공동 측면상 및 접촉 측면상에 스퍼터 증착된 유리 필름을 갖는 미리형성된 실리콘 부재인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상승된 온도는 300-450degC 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 d)는 상기 에피텍셜층의 피에조저항 부품을 패터닝 및 도핑하고 P형 부품 접촉부를 상기 부품의 각 단부에 제공하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 단계 e)는 상기 피에조저항 부품 및 상기 부품 접촉부상에 상기 패시베이션 층을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 단계 e)는 상기 패시베이션층의 접촉 홀을 상기 전도체 접촉부 및 상기 부품 접촉부 아래에 만드는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단계 f)는 금속 상호접속 부재를 상기 패시베이션층에서 상기 접촉 홀을 통하여 상기 전도체 접촉부 및 상기 부품 접촉부에 접촉시키기 위하여 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 단계 f) 및 g)중간의 추가 단계 i)는 적어도 하나의 상기 피에조저항 부품 아래에 격판 부분을 제공하기 위하여 상기기판의 바닥측으로부터 그것의 일부분을 선택적으로 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 단계 f) 및 g)사이의 추가 단계 m)는 제1두께의 제1 및 제2얇은 부분 및 상기 제1 및 제2얇은 부분중간에 있고 제2두께보다 큰 제 3부분을 형성하기 위하여 상기 기판의 하부측으로부터 상기 기판의 일부분을 선택적으로 에칭하고 상기 기판의 잔류 부분을 통하여 추가로 에칭하는 단계를 포함하고, 상기 에피텍셜층 및 상기 패시베이션층은 지진 중량 스프링 구조를 형성하기 위하여 상기 제1, 제2 및 제3부분의 구역과 이격되고 상기 제1 및 제2부분은 스프링을 형성하고 상기 제3부분은 중심 지진 푸르프 중량부를 형성하고, 상기 피에조 저항 부품은 상기 중량 스프링 구조상에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 피에조 부품은 상기 제1 및 제2얇은 부분상에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 단계 g)는 에칭된 상기 기판의 하부 부분상에 걸쳐 적어도 상기 기판의 일부를 덮는 하부 커버 수단을 제공하고, 상호 정렬된 상태로 상기 실리콘 웨이퍼 기판 및 상기 하부 커버 수단을 상기 가열 수단상에 배치시킴으로써 단계 h-k)로 상기 하부 커버 수단을 제공하고, 상기 웨이퍼 기판 및 상기 하부 커버 수단을 서로 원자 친밀 접촉으로 끌어당기는 정전기력을 형성하기 위해 상기 하부 커버 수단의 양 이온이 상기 추가의 전기장의 영양하에서 상기 웨이퍼 기판에서 경계면쪽으로 이동 및 표류하도록 하는 상승된 온도로, 상기 결합된 웨이퍼 수단, 뚜껑 수단 및 하부 커버 수단 구조를 가열하고, 적어도 일부의 상기 정전기력을 유지하고 상기 웨이퍼 수단 및 하부 커버 수단을 함께 결합하도록 상기 이온을 고정하기 위해 상기 결합된 구조를 냉각하고, 상기 추가의 인가된 전기장을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 하부 커버 수단은 미리 형성된 유리 판인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 단계 e)는 상기 전도체 접촉부 아래에 상기 패시베이션 층의 접촉홀을 만드는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 단계 f)는 상기 패시베이션에서 상기 접촉 홀을 통하여 상기 전도체 접촉부와 접촉하기 위해 금속 상호 접속 부재를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼 기판 및 상기 뚜껑 수단은 서브 분리가능 다중 칩 웨이퍼 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼 기판, 상기 뚜껑 수단 및 상기 하부 커버 수단은 서브 분리가능 다중 칩 웨이퍼 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 기판을 형성하는 N형 실리콘 웨이퍼의 표면을 가지며, 공동 수단 안쪽의 기능 장치 수단을 상기 공동 수단 바깥쪽의 전기 단자에 접속하기 위해 공동 수단의 부분을 형성하는 뚜껑 수단 및 상기 웨이퍼 표면사이에 형성된 밀봉 영역을 가로지르는 전기 절연된 전도체 수단을 공통적으로 가지는 뚜껑 수단을 구비한 밀봉 공동 장치에 있어서, 상기 전도체 수단은 상기 N형 기판에 매몰되고, 상기 뚜껑 수단이 애노드 결합을 통하여 전기적으로 접속되는 에피텍셜 N형 층에 의해 덮혀 지는 P형 전도체이고, 전도체 접촉 수단은 상기 전도에 수단의 각 단부에 제공되고, 상기 에피텍셜층의 상부 패시베이션층을 통하여 접촉 홀이 상기 접촉 수단에 금속 액세스를 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 밀봉 공동장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 뚜껑 수단은 미리 형성된 유리 부재인 것을 특징으로 하는 밀봉 공동 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 뚜껑 수단은 공동측상에 및 접촉 영역측에 스퍼터 증착 유리 필름을 가지는 미리 형성된 실리콘 부재인 것을 특징으로 하는 밀봉 공동장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 기능 장치는 상기 실리콘 웨이퍼 및 중량 스프링 구조의 스프링 부분상에 제공된 피에조저항 부품과 일체형으로 만들어지는 중량 스프링 구조 바탕 가속계인 것을 특징으로 하는 밀봉 공동 장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 기능 장치는 상기 실리콘 웨이퍼로 및 격판상에 제공된 피에조저항 부품과 일체형인 격판을 가지는 압력 센서인 것을 특징으로 하는 밀봉 공동 장치.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 유리인 하부 커버 수단은 애노드 결합을 통해 상기 기판의 하부측에 부착되는 것을 특징으로 하는 밀봉 공동 장치.
  23. 제17항에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼 기판 및 상기 뚜껑 수단은 서브 분리가능 다중 칩 웨이퍼 형태인 것을 특징으로 하는 밀봉 공동 장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼 기판, 상기 뚜껑 수단 및 상기 하부 커버 수단은 서브 분리가능 다중 칩 웨이퍼 형태인 것을 특징으로 하는 밀봉 공동 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 단결정 실리콘 기판(a)은 N형 표면층을 가지는 P형 기판인 것을 특징으로 하는 방법.
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