KR20010078652A - 미세구조물 패키징방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체의 미세구조물을 패키징하는 방법에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 구조물의 움직임을 가능하게 하는 구조물 웨이퍼의 희생층을 먼저 식각한 후, 덮게 웨이퍼로 접합한 상태에서 스루홀 형성 및 금속화 공정을 행하는 미세구조물의 패키징에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 본딩패드의 식각으로 인한 수율저하를 방지함과 전극형성 공정을 단순화시킴으로 동시에 제작비면에서도 저렴한 신규한 미세구조물 패키징 방법을 제공할 수 있다.

Description

미세구조물 패키징방법 {Packaging Methods for Microstructures and Microsystems}

본 발명은 반도체의 미세구조물을 패키징하는 방법에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 구조물의 움직임을 가능하게 하는 구조물 웨이퍼의 희생층을 먼저 식각한 후, 덮게 웨이퍼로 접합한 상태에서 스루홀 형성 및 금속화 공정을 행하는 미세구조물의 패키징에 관한 것이다.

종래의 반도체의 패키징 방법으로는 먼저 SIMOX 웨이퍼를 이용하여 금속화공정을 행한 후 구조물을 형성하고, 다음으로 구조물의 움직임을 가능하게 하는 구조물 하부의 희생층 제거공정에 의하여 웨이퍼를 제작하는 공정과 구조물을 보호하기 위하여 스루 홀(through hole)이 형성된 덮게 웨이퍼를 형성하고 웨이퍼 본딩하는 것으로 구성되어 진다.

이를 도면에 의하여 좀더 상세하게 설명하기로 한다.

도 1a은 종래의 반도체 패키징 방법으로서 SIMOX 웨이퍼(10)에 사진공정(Pho tolithography)과 식각공정을 이용하여 접지 연결 및 구조물 지지기둥(anchor)(11)을 도 1b에서와 같이 형성하고, 도 1c와 같이 구조물을 형성하기 위하여 원하는 두께의 에피택셜 층(13)을 성장시킨다. 다음으로 구조물의 패턴마스크 및 덮게 웨이퍼의 접합을 위한 정렬마크(15)를 형성하기 위하여 마스크층으로 습식열산화나 화학증기증착(CVD)을 이용하여 양쪽면에 산화막(14)을 도 1d와 같이 형성시킨다. 이후 접합정렬을 위한 마크(15)를 형성하고, 형성될 구조물과 외부회로와의 연결을 위한 금속패드(17)를 형성하기 위하여 습식식각 또는 건식식각의 방법을 이용하여 산화막에 접촉창(contact window)(16)을 도 1f에서와 같이 형성한다. 접촉창에 금속패드(17)를 형성한 다음 구조물을 형성할 마스크를 이용하여 산화막에 패턴을 형성하고 상기의 산화막을 마스크로 하여 하부의 실리콘을 건식식각, 일반적으로 딥 반응이온식각(Deep reactive ion etching),을 이용하여 도 1h와 같은 구조물을 형성한다. 다음으로 상기 구조물의 움직임을 가능하게 하기 위하여 불산이나 완충된 불산을 이용하여 소정의 원하는 만큼만 시간조절에 의해 구조물 하부의 희생층(12)을 도 1i에서와 같이 제거하며 상기 제반 공정에 의해 구조물이 형성된 웨이퍼를 준비하게 된다.

다음으로 덮게 웨이퍼(20)를 형성하기 위하여 그림 1j와 같은 웨이퍼를 습식열산화하여 도 1k의 식각마스크를 형성한다. 식각 마스크가 형성된 웨이퍼의 뒷면에 사진식각공정을 이용하여 접합을 위한 정렬마크를 위한 패턴을 도 1l에서와 같이 형성하고, 도 1m에서와 같이 실리콘식각에 의하여 정렬마크를 형성한다. 다음으로 덮게 웨이퍼의 상부에 오프닝(opening) 패턴(21)을 도 1n과 같이 형성하고 도 1o 및 1p에서와 같이 실리콘 식각과 산화막제거에 의하여 덮게 웨이퍼를 형성하고,상기 덮게 웨이퍼를 상기 구조물이 형성된 웨이퍼와 웨이퍼 본딩함으로써 패키지를 완료하는 것으로 구성되어진다.

상기한 종래의 패키징 기술은 다음과 같은 문제점을 지니고 있다.

첫째, 금속화 공정(metalization)후에 구조물 하부의 희생층 제거공정을 시행하는 경우 사용되는 식각액, 예로 HF, BHF등,으로부터 금속층을 보호해야 하는데 이에 대한 적절한 대안이 없어 희생층의 제거시 금속층의 식각으로 인하여 수율저하를 초래하고,

둘째, 구조물을 보호하는 방안으로 덮게 웨이퍼를 사용하는데 와이어연결을 위한 스루홀을 형성한 후 덮게웨이퍼 본딩을 실시하므로 덮게웨이퍼의 두께를 얇게 하는데 한계가 있으며, 두께의 제한으로 인하여 소정크기 이상의 스루홀을 형성해야 하므로 이로 인한 칩의 면적감소를 기대하는 것이 곤란하며,

셋째, 두께웨이퍼로 인한 센서나 액츄에이터의 노이즈를 줄이기 위해서는 덮게웨이퍼에 별도의 금속화 공정이 필요로 되는 번잡함이 수반된다.

상기와 같은 종래기술의 단점을 극복하기 위하여 본 발명은 구조물의 움직임을 가능하게 하는 구조물 웨이퍼의 희생층을 먼저 식각한 후, 덮게 웨이퍼로 접합한 상태에서 스루홀 형성 및 금속화 공정을 시행함으로써 본딩패드의 식각으로 인한 수율저하를 방지함과 동시에 공정을 단순화함으로써 제작비면에서도 저렴한 신규한 미세구조물 패키징 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 미세구조물 패키징방법으로서

1a 내지 1i는 하부의 구조물 웨이퍼의 제작과정을 나타내며,

1j 내지 1p는 상부의 덮게 웨이퍼의 제작과정을 나타내며,

1q는 구조물 웨이퍼와 덮게웨이퍼가 접합한 상태의 완성된 형태를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 미세구조물 패키징 방법으로서

1a 내지 1e는 하부의 구조물 웨이퍼의 제작과정을 나타내며,

1f 내지 1ks는 상부의 덮게 웨이퍼의 제작과정을 나타내며,

1l 내지 1p는 상기 두 웨이퍼가 접합하여 완성된 소자의 제작과정을 나타낸다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: SIMOX 웨이퍼 11:구조물 지지기둥 12,31: 희생층

13: 에피택셜층 16: 접촉창, 17: 금속패드

40: 덮게 웨이퍼 31,41: 산화막 42: 정렬마크

43: 홈(cavity) 44: 접착층 46: 스루홀

47: 금속패드 48: 금속층 49: 금속선

본 발명은 상부에 구조물의 두께와 같은 실리콘층과 중간에 희생층을 갖는 실리콘 직접 접합 웨이퍼에 구조물이 움직일 수 있도록 희생층을 식각하는 공정;

하부에 접합층을 구비한 덮게 웨이퍼를 상기 공정에 의하여 준비된 실리콘 직접접합 웨이퍼의 상부에 접합하는 공정;

상기 접합된 덮게 웨이퍼를 실리콘 이방성 식각에 의해 스루홀을 형성하는 공정;

상기 스루홀이 형성된 덮게 웨이퍼의 상면 및 구조물 웨이퍼상의 패드에 금속층을 형성하는 공정; 및 전기 공정에 의하여 완성된 웨이퍼를 소자단위로 자르고, 리드프레임에 붙인후 금속선으로 연결하고 플라스틱으로 몰딩하는 일련의 공정으로 구성되어진다.

이하 본 발명의 내용을 첨부 도면에 의하여 좀더 상세하게 설명하기로 한다.도 2는 본 발명에 따른 패키지 제조방법을 공정 단계별로 순차적으로 도시한 것으로서, 도 2a 내지 도 2e는 하부의 구조물 웨이퍼의 제작과정을 나타내고 있으며, 도 2f 내지 도 2k는 상부의 덮게 웨이퍼의 제작과정을, 또한 도 2l 내지 도 2p는 상기 개별과정에 의하여 준비된 상기 두 웨이퍼가 접합하여 완성된 소자의 제작과정을 각각 보여주고 있다.

먼저 하부에 위치한 구조물 웨이퍼의 제작과정을 도면에 기초하여 상세하게 설명하기로 한다. 도 2a와 같이 상부에 구조물의 두께와 같은 실리콘층(30)과 소정 두께의 희생층(31)을 지니는 실리콘 직접접합 웨이퍼(SDB wafer)를 습식 열산화하여 산화층(32)을 형성한 후, 도 2b에서와 같이 상기 웨이퍼의 뒷면에 덮게 웨이퍼 정렬에 필요한 정렬마크(33)를 형성시킨다. 다음으로 도 2c에서와 같이 웨이퍼 상부에 구조물형성을 위한 마스크를 이용하여 산화막에 구조물 패턴을 이동시킨다. ICP-RIE(Inductive coupled plasma reactive ion etcher)와 같은 딥 실리콘 식각장비를 이용하여 희생층(31)이 노출될 때까지 도 2d와 같이 실리콘을 식각한다. 상기 과정에 의하여 노출된 식각층과 구조물 하부의 희생층을 불산이나 완충된 불산등을 이용하여 습식식각을 하거나 가스상 식각장비를 이용하여 도 2e에서와 같이 구조물이 움직일 수 있도록 식각한다.

다음으로 상부의 덮게 웨이퍼의 제작과정을 설명하기로 한다. 도 2f와 같은 덮개를 형성할 웨이퍼(40)를 세척한 후 식각마스크를 형성하기 위하여 도 2g에서와 같은 산화막(41)을 형성한다. 상기 산화막이 형성된 덮게용 웨이퍼에 사진식각공정을 통해 도 2h와 같은 접합을 위한 정렬마크(42)를 형성한다. 다음으로 덮게용 웨이퍼(40)가 하부의 구조물 웨이퍼에 접착된 후 구조물이 움직일 수 있고, 접속패드가 형성될 수 있도록 사진 식각 공정과 실리콘 이방성 식각을 이용하여 도 2i에서와 같은 홈(Cavity)(43)을 형성시킨다. 이후, 마스크로 사용된 산화막(41)을 불산이나 완충된 불산을 이용하여 도 2j와 같이 식각제거한 후, 덮게 웨이퍼의 접합면에 접착층(44)을 증착함으로써 덮게 웨이퍼를 완성한다(도 2k).

상기의 개별공정을 거쳐 제조된 덮게 웨이퍼(40)와 구조물 웨이퍼를 정렬하여 상호 접합하고(도 2l), 이어서 덮게 웨이퍼를 랩핑(lapping)과 CMP(Chemico- Me chanical Polishing)를 이용하여 소정의 원하는 두께로 얇게 조정한 후(도 2m), 실리콘 이방성 식각으로 스루홀(46)을 형성하고 마스크 산화막(45)을 제거한다(도 2n ). 상기 공정에 뒤이어 Evaporation을 이용하여 금속패드(47)와 덮게웨이퍼의 상면에 금속층(48)을 도 2o와 같이 형성시킴으로써 소자제작을 완성하면 웨이퍼를 소자단위로 자르고 도면에는 도시하지 않은 리드프레임에 붙인 후 도 2p에서와 같이 금속선(49)으로 연결하고, 도면에는 도시하지 않은 플라스틱으로 몰딩을 하면 본 발명의 소자가 완성된다.

본 발명에 의하면 SOI MEMS 소자(가속도센서, 각속도센서, 액츄에이터 등)에서 움직이는 부분을 웨이퍼수준에서 패키징하므로서 종래의 값비싼 금속캔 패키지나 세라믹 DIP(dual line package)대신에 SMD 타입의 값싼 플라스틱 패키지를 이용할 수 있다. 또한 금속화 공정을 웨이퍼 수준의 패키징 후에 와이어 연결을 위한 스루홀을 이용하여 본딩패드를 형성함으로써 종래의 금속화 공정 후 희생층 제거를 위한 습식에칭에서 발생하던 본딩패드의 식각으로 인한 수율감소를 방지할 수 있게 한다.

또한 본 발명은 덮게 웨이퍼의 스루홀을 섀도우 마스크로 이용하여 기존의 본딩패드 형성을 위한 사진공정을 생략함으로써 수율이 높고 제작비가 저렴한 MEMS소자를 제공할 수 있는 장점을 지닌다.

Claims (2)

1. 하부의 구조물 웨이퍼와 상부의 덮게 웨이퍼로 구성되는 미세구조물의 패키징 방법에 있어서,

   상부에 구조물의 두께와 같은 실리콘층(30)과 중간에 희생층(31)을 갖는 실리콘 직접 접합 웨이퍼에 구조물이 움직일 수 있도록 희생층을 식각하는 공정;

   하부에 접합층(44)을 구비한 덮게 웨이퍼(40)를 전기 공정에 의하여 준비된 실리콘 직접접합 웨이퍼의 상부에 접합하는 공정;

   덮개 웨이퍼를 랩핑(lapping)과 CMP를 이용하여 원하는 두께로 얇게 하는 공정;

   상기 접합된 덮게 웨이퍼를 실리콘 이방성 식각에 의해 스루홀(46)을 형성하는 공정;

   상기 스루홀이 형성된 덮게 웨이퍼의 상면 및 구조물 웨이퍼상의 패드에 금속층(47, 48)을 형성하는 공정; 및

   전기 공정에 의하여 완성된 웨이퍼를 소자단위로 자르고, 리드프레임에 붙인 후 금속선으로 연결하고 플라스틱으로 몰딩하는 일련의 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세구조물의 패키징 방법.
2. 제 1항에 있어서, 덮개 웨이퍼의 스루홀(46)을 섀도우 마스크로 이용하여 본딩패드를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세구조물의 패키징 방법