JPH08306936A - 密封空洞デバイス及びその方法 - Google Patents

密封空洞デバイス及びその方法

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JPH08306936A
JPH08306936A JP8113021A JP11302196A JPH08306936A JP H08306936 A JPH08306936 A JP H08306936A JP 8113021 A JP8113021 A JP 8113021A JP 11302196 A JP11302196 A JP 11302196A JP H08306936 A JPH08306936 A JP H08306936A
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Sensonor AS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 大領域のポリシリコン表面への陽極結合を可
能にする。 【解決手段】 空洞の内側の機能デバイスを該空洞の外
側の電気端子に接続するために密封領域を通して電気絶
縁導体を有する。該導体は、単結晶シリコン基板におい
てドープされた埋め込み交差部の使用により設けられ、
これにより、種々の形式の集積シリコンデバイス、例え
ば、センサーの作成を可能にする。さらに、発明は、新
規の方法によって作成されたデバイスに関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、密封領域を通して電
気的に絶縁された導体によりシリコンウェーハ表面に密
封空洞を作成し、空洞内の機能デバイスを該空洞外の電
気端子に電気的に接続するための方法に関する。密封空
洞を作成するこの方法は、低費用バッチ処理のための必
要条件を満たすために、ウェーハレベルにおいて行われ
る。方法は、機械的過負荷保護と圧搾膜減衰の如く特徴
を含む加速度計等の力センサーとともに、制御された雰
囲気又は真空を有する基準容積を含む圧力センサーとダ
イ構造の一体部分として真空基準容積を有する振動共振
構造を含むセンサー等の、シリコンセンサーを構成する
ために特に良く適する。方法はまた、環境に対して、表
面微細加工構造の如く精密構造の保護のためにチップレ
ベルにおけるマイクロパッケージのための良好な代替物
を設け、これにより、高価な金属又はセラミックパッケ
ージの代わりに、低費用プラスチックパッケージを使用
可能にする。
【０００２】発明はまた、発明の方法によって作成され
た密封空洞デバイスに関する。
【０００３】
【従来の技術及び発明が解決しようとする問題点】シリ
コンマイクロセンサーとマイクロシステムは、ますます
重要になり、急速に成長している。シリコン圧力センサ
ーは、すでに、重要な産業上の生産要素であり、シリコ
ン加速度計とシリコン流量センサーの如く新形式のセン
サーが成長する市場に出された。マイクロアクチュエー
タの領域内で、単結晶シリコンから構成されたインクジ
ェットノズル、燃料噴射ノズルとマイクロポンプが、す
でに市販される。将来において、多数の新製品が、開発
され、センサーとマイクロアクチュエータの分野内で市
場に出されるだけでなく、同一単シリコンチップにおい
てセンサー、マイクロアクチュエータと電子回路を有す
る完全なマイクロシステムが、まもなく現実になるであ
ろう。この技術分野内の産業成長を制限する技術要因
は、センサー組み立て及びパッケージ技術に関連した複
雑さと高費用である。そのような真の３次元構造の組み
立てのための新方法が必要とされることが、発明者の考
えである。そのような組み立て方法は、組み立て及びパ
ッケージ費用を低下させるために、ウェーハレベルにお
いて行われ、高信頼性デバイス及びマイクロシステムを
生産するべきである。空洞内の機能デバイスを外側と接
続するために密封領域上に電気接続部を配設した、シリ
コンの表面において密封空洞を設ける方法は、今日非常
に限定される。このため、絶対圧力センサー、マイクロ
加速度計、及び高Ｑ因子を有する共振構造を使用するデ
バイスの如く、高信頼性、高精度センサーのための新方
法が必要とされる。シリコンにおける３次元構造の微細
加工の方法の概観は、Ｋｅｎｄａｌｌ ｅｔ ａｌ．”
Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ
ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｓｉ
ｌｉｃｏｎ”；Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ
Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ，Ｖｏｌ １．３７（１９９
２）によって与えられる。
【０００４】ウェーハを密着させるために利用されウェ
ーハ積層プロセスと呼ばれる重要な産業上の先行技術プ
ロセス及び方法の議論が、以下に行われる。
【０００５】金シリコンの使用による共融ボンディング
は、多年の間、シリコンダイの組み立てのために使用さ
れてきた非常に公知の方法である。方法はまた、ウェー
ハの一つの表面上に堆積された薄い金膜を使用すること
により、シリコン対シリコンのウェーハボンディングの
ために試行されたが、この方法は、次の重要な欠点を被
る。第１の限界は、金がシリコンにおける高速拡散剤で
あり、このため、方法は、金の浸透が導体の間に電気短
絡と高漏れ電流を生じさせるために、表面又はその近く
のＰＮ接合の領域において使用できないという事実によ
る。第２の限界は、熱膨張係数の大きな差により、即
ち、共融金シリコンに対して１３×１０-6ｐｐｍ／ｄｅ
ｇＣとシリコンに対して２．６×１０-6ｐｐｍ／ｄｅｇ
Ｃであり、シールにおいて高応力を生ずる。第３の欠点
は、金シリコン共融ボンディングが、シリコン表面に常
に存在する薄い自然酸化物に非常に感応し、こうして、
共融融成物を形成させるために洗気作用を必要とし、大
領域での完全な密封を困難にする。
【０００６】米国特許第４，０２３，５６２号において
Ｙａｍａｄａ ｅｔ ａｌ．によって記載されたセンサ
ーを作成するために、シリコン又は他の材料へのシリコ
ンダイの組み立てのために、半田付けがまた、使用され
る。そのようなプロセスは、ダイレベルにおいて部品を
組み立てるために使用されるが、大領域にわたった微小
パターンの一様な半田付けを獲得する際の困難により、
ウェーハレベルにおけるウェーハ上のすべてのダイの組
み立てのための高歩留りプロセスとして制御が困難であ
る。Ｙａｍａｄａ他は、Ａｕ−Ｓｎ共融半田を使用す
る。この先行技術の方法の別の不都合は、もろい硬質半
田材料の使用による高固有応力であり、Ａｕ−Ｓｎに対
して１６×１０-6ｐｐｍ／ｄｅｇＣとシリコンに対して
２．６×１０-6ｐｐｍ／ｄｅｇＣの熱膨張の大きな差が
ある。
【０００７】長年の間使用されてきた別の方法は、ペー
ストの形式において印刷されるガラスを含む、シリコン
対シリコンを密着させるための密封材料としてのガラス
の使用である。そのような先行技術の例は、ヨーロッパ
特許公告０１２７１７６である。この先行技術の方法の
使用は、今まで主に、電気接続部が存在せず必要とされ
ない裏面側密封のみに限定された。
【０００８】ガラス対シリコンの陽極結合は、ガラスの
使用により、ウェーハボンディングとウェーハ積層のた
めにますます使用される方法であり、熱膨張係数は、シ
リコンのそれに十分に一致される。そのようなガラスの
例は、ＣｏｒｎｉｎｇからのＰｙｒｅｘ７７４０、Ｓｃ
ｈｏｔｔ／ＤＥＳＡＧからのＴＥＭＰＡＸ、及びＨｏｙ
ａからのＳＤ２である。方法としての陽極結合の概観
は、Ｋ．Ｂ．Ａｌｂａｕｇｈ ａｎｄ Ｐ．Ｅ．Ｃａｄ
ｅ：”Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ＡｎｏｄｉｃＢｏｎ
ｄｉｎｇ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｏ Ｐｙｒｅｘ
Ｇｌａｓｓ”；Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ，ＩＥＥＥ Ｓ
ｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒａｎｄ Ａｃｔｕ
ａｔｏｒ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｈｉｌｔｏｎ Ｈｅａｄ
Ｉｓｌａｎｄ，ＳＣ，１９８８，ｐ．１０９、及びＢ
ｅｎｇｔｓｏｎ：”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗａ
ｆｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ：Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｉ
ｎｔｅｒｆａｃｉａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”；Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏ
ｌ．２１，Ｎｏ．８，１９９２，ｐｐ８４１〜８６２に
よって与えられる。陽極結合可能なガラス基板が圧力セ
ンサーを作成するためにいかに使用されるかに関する先
行技術の良い例は、ヨーロッパ特許公告０１２７１７６
においてＹａｍａｄａ他によって記載され、これによれ
ば、パイレックス基板は、電気的に能動な部品とＰＮ接
合を有するシリコンの領域ではなく、支持及び圧力入口
機能のために圧力センサーの非パターン化裏面側へ結合
される。この方法はまた、電気接続部を含むシリコンチ
ップの側とは反対の側においてシリコン隔膜の下に真空
基準容積を形成するために使用される。陽極結合はま
た、シリコン基板に堆積されたスパッタ化薄ガラス膜の
使用により行われる。この方法は、Ｈａｎｎｅｂｏｒｇ
ｅｔ ａｌ：”Ａｎｏｄｉｃ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ
ＳｉｌｉｃｏｎＣｈｉｐｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｐｕｔｔ
ｅｒ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ Ｐｙｒｅｘ７７４０ Ｔｈ
ｉｎ Ｆｉｌｍｓ”；Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔ
ｈｅ １２ｔｈ Ｎｏｒｄｉｃ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｊｅｖｎａｋｅｒ，Ｊｕｎｅ
８〜１１，ｐｐ．２９０〜２９３，ＩＳＢＮ８２−７２
６７−８５８−６において記載される。スパッタ化パイ
レックス膜を使用することによるシリコン対シリコン組
み立ては、非常に小さな固有応力を特徴とし、Ｈａｎｎ
ｅｂｏｒｇ ｅｔ ａｌ．：”Ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔ
ｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅ
ｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＯｕｔｐｕ
ｔ”；Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，
９（１９８６）ｐｐ．３４５〜３６１、及びＨｏｌｍ
ｅｔ ａｌ．：”Ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄ Ｃｏｍｍ
ｏｎ Ｍｏｄｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｐｉ
ｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｅｓ
ｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒｓｍａｄｅ ｂｙ ｄｉｆｆｅ
ｒｅｎｔ Ｍｏｕｎｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ”；Ｄｉ
ｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ
ｏｆ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ’９１，Ｓａｎ−Ｆｒ
ａｎｃｉｓｃｏ，ｐｐ．９７８〜９９１によって記載さ
れた如く、非常に良好な長期安定性のセンサーを生産す
る。陽極結合はまた、Ｈｅｎｍｉ ｅｔ ａｌ．：”Ｖ
ａｃｕｕｍ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏ
ｓｅｎｓｏｒｓ ｂｙ Ｇｌａｓｓ−Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ａｎｏｄｉｃ Ｂｏｎｄｉｎｇ”；Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇ ｆｒｏｍ Ｔｈｅ ７ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔ
ａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ
ｓ，ｐｐ．５８４〜５８７により、マイクロセンサーの
真空パッケージに対して示される。
【０００９】圧力センサーにおいて密封空洞構造を構成
する方法は、米国特許４，２９１，２９３においてＹａ
ｍａｄａ他によって提示され、この場合、ガラスカバー
は、シリコン表面上に拡散交差導体を含むシリコンチッ
プの表面領域において薄いポリシリコン膜に対して密封
され、密封領域において単結晶シリコン表面とポリシリ
コン膜の間にパッシベーションを有する。しかし、発明
者達は、先行技術の次の限界と欠点を認識した。ポリシ
リコン表面への陽極結合は、ポリシリコン膜に対して共
通の表面粗さ及び混在物により大領域において困難であ
り、こうして、ウェーハレベルよりもダイレベルにおけ
る陽極結合のために方法をより適切にする。この先行技
術の方法に関する別の重要な技術上の問題は、陽極結合
ガラスからの移動イオンが、結合温度においてパッシベ
ーション膜へポリシリコン膜を通してドリフトするのを
避ける困難さであり、これにより、電気不安定性及び信
頼性の問題を生じさせる。この先行技術の問題は、図１
（ａ）と図１（ｂ）において示される。図１（ａ）は、
ガラスの密封の前の、米国特許４２９１２９３による先
行技術の密封領域の小断面部を示し、パッシベーション
４２３の頂部におけるポリシリコン層４２４を示し、一
つの拡散Ｐ形交差導体４４２を有し、ｐｎ接合４４３の
絶縁空間電荷領域４４０が、ｐ側の線４４４までとＮ形
基板領域４２６の線４４５にまで達する。パッシベーシ
ョン膜４２３においてイオンがなく、空間荷電領域４４
０は、表面領域を含むｐ導体の全周を一様厚で取り囲
む。図１（ｂ）は、ポリシリコン層４２４の表面へガラ
スを結合させた、陽極結合の後の同一構造を示す。約３
００〜４５０ｄｅｇＣにおいて行われる陽極結合プロセ
ス中、ナトリウムイオンＮａ+は、ガラスからポリシリ
コン膜４２４を通ってパッシベーション層４２３へドリ
フトする。電子の蓄積層４４６は、軽くドープされたＮ
形シリコン部４２６の表面において形成され、表面４４
７において絶縁空間荷電領域４４０の幅の縮小につなが
り、これにより、絶縁耐電圧を低下させ、そして接合の
電気的破壊は、こうして、低電圧において生ずる。その
ような効果は、陽極結合の後の非機能デバイスにつなが
り、歩留り問題として現出し、そしてこの効果はまた、
パッシベーションにおけるＮａ+イオンの移動性によ
り、現場における動作中、破壊的障害を生ずる。ＰＮ接
合でのパッシベーションにおけるイオン汚染は、破壊電
圧の低下と漏れ電流の発生につながるだけでなく、互い
に絶縁されるドープされたＮ領域の間の軽くドープされ
たＰ形領域においてＮ形反転層を形成させる。そのよう
な効果は、半導体物理の分野において知識を有する人達
に対して非常に公知であり、なかでも、Ａ．Ｓ．Ｇｒｏ
ｖｅ：”Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ”，Ｃｈａｐｔｅｒ １０，１１ ａｎｄ １２；Ｊ
ｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ．Ｉｎｃ．（１９６
７）による半導体教科書に記載される。
【００１０】本発明の目的は、陽極結合により、表面上
のスパッター化ガラス膜を用いて、第１シリコンウェー
ハを第２ガラス基板ウェーハに、及び第１シリコンウェ
ーハを第２シリコンウェーハに結合することによるウェ
ーハ積層の方法を開発することにより、先行技術の方法
の限界と問題を克服することであり、ウェーハレベルに
おいて行われるこの結合方法は、積層ウェーハの各個別
ダイに対して密封空洞構造を構成可能にし、空洞の内側
の電気動作する機能デバイスと密封領域及び空洞の外側
の電気接続領域との間に高信頼性電気絶縁フィードスル
ーを含む。これは、発明の非限定的な好ましい実施態様
を示す添付の図面を参照した以下の説明とともに、添付
のクレイムにおいて記載された如く本発明による方法を
用いて達成される。さらに、発明の密封空洞デバイス
は、発明による非限定的な実施例を示す図面を参照した
以下の説明とともに、添付のクレイムにおいて記載され
る。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】本発明は、次に詳細に
記載され示された費用効果のある方法において構成され
る各ダイにおいて電気フィードスルーを含む密封空洞を
必要とする種々の形式のセンサーを提供する。
【００１２】方法は、密封空洞において真空を有する絶
対圧力センサーと、サイズモ式質量バネ系の回りの領域
において制御圧力を有する加速度計と、共振構造及び他
の形式の機能デバイスのための制御圧力を有する密封空
洞とを作成するために特に適する。方法はまた、種々の
形式のマイクロアクチュエータの如く環境に対して保護
される必要のある精密構造の回りのチップレベルにおい
てマイクロパッケージを構成するために使用され、これ
により、低費用プラスチックパッケージを使用可能にす
る。
【００１３】
【実施例】発明による新規な方法は、図２、図３、図
４、図５、図６、図７と図８を参照することにより、こ
の新技術により作成された圧力センサーを参照して以下
に記載される。図３は、４つのピエゾ抵抗器を有する感
圧性隔膜３０を含む、図６、図７と図８による第１シリ
コンウェーハ１２０の一つの圧力センサーダイ２０の断
面図を示す。図２は、同一ダイ２０の平面図である。該
ピエゾ抵抗器３１、３２、３３と３４は、アルミニウム
相互接続線７１、７２、７３と７４と、埋め込み拡散導
体４１、４２、４３と４４を介して、相互接続領域５
１、５２、５３と５４に対するアルミニウムワイヤボン
ディングパッドに電気的に接続される。一般にＰ形のこ
れらの導体は、イオン注入によりドープされ、Ｎ形基板
２６を覆うＮ形エピタキシャル層２５の下に埋め込まれ
る。これらの埋め込み導体を作成する方法は、第１シリ
コンウェーハの表面において段差を生ぜず、これによ
り、作成される構造の密封領域において研磨されたシリ
コンウェーハの非常になめらかな表面を利用する。これ
は、高歩留りを有する信頼性あるウェーハ積層方法を生
み、高信頼性センサー又は機能デバイスを、密封領域と
して低い固有応力で作成させる。マークされたダイ２２
の表面における領域は、陽極結合が行われる領域であ
り、線１７は、ガラスの空洞の周囲を示し、そして線１
８は、アルミニウムワイヤボンディングと相互接続領域
５１、５２、５３と５４への接近のために必要とされた
ガラスのヴァイアホールの周囲を示す。埋め込み導体
は、図３の断面図において示された如く、パッシベーシ
ョン２８において接触拡散部６０、６１と接触ホールを
介して、アルミニウム相互接続領域及び線に接続され、
図３において、一つの埋め込み拡散導体４２が、エピタ
キシャル層２５を通して各端部においてＰ+拡散部６０
と６１と接触される。図４と図５は、ガラス部材１４へ
の陽極結合の後の図２と図３のシリコンダイ２０を示
し、シリコンダイ２０は、該第１シリコンウェーハ１２
０の一部であり、そしてガラス部材１４は、図６、図７
と図８において示された如く、ガラス１１４の第２ウェ
ーハの一部である。図４と図５のガラス部材１４は、該
ガラス部材において凹部を形成し、こうして、陽極結合
の後にシリコン部材２０へ結合される密封界面領域２３
を密封空洞１６に形成する区分１５を有する。図５を参
照することにより、外側ワイヤボンディング領域、例え
ば、領域５２の一つから、第１接触拡散部６０を介し
て、空洞１６の密封領域２３の下に交差する埋め込み導
体４２と至り、第２接触拡散部６１を介して、２つのピ
エゾ抵抗器３１と３３への接続部を確立する第２アルミ
ニウム相互接続線７１へつながる電気接続パスに従うこ
とが可能である。
【００１４】陽極結合プロセス自体は、シリコンマイク
ロセンサーの分野において作業する人達に非常に公知で
あり、ここで詳細には記載されない。しかし、原理は、
図８（ａ）と図８（ｂ）を参照して簡単に議論される。
マルチチップシリコンウェーハ１２０は、ウェーハが十
分に位置合わせされ、相互に接触された後、加熱チャッ
ク１１６においてガラスウェーハ１１４とともに配置さ
れる。２ウェーハ構造が、３００〜４５０ｄｅｇＣの範
囲における温度まで加熱された時、ガラスにおけるナト
リウムイオンの如く正イオンは可動になり、そして電気
接続部及びプローブ１１８、１１９を介して、電源１１
７からガラスに電圧を与えることにより、電界の影響下
でドリフトする。ガラス１１４における正イオンは、シ
リコンウェーハ１２０における界面の方にドリフトし、
こうして、界面領域に電界を生じさせ、これにより、２
つのウェーハ１１４と１２０を原子レベルの密な接触ま
で引き合わせる静電力を生成する。室温まで冷却した
後、イオンは「凍結」し、そしてもはや可動ではない
が、静電力は、部分的に残留し、２つのウェーハを、高
持続結合強度を有する原子接触において一緒に保持す
る。これにより、図６と図７において示された如く、エ
ッチングされた隔膜を有するシリコンウェーハへ結合さ
れた空洞９５ａ〜９５ｈとスルーホール９６ａ〜９６ｈ
を有するガラス基板を生ずる。この場合、図７は、切断
線Ｙ７−Ｙ７’によって記された図６の構造の断面図で
ある。
【００１５】発明による方法は、導体の絶縁ＰＮ接合に
影響を与える蓄積層及び／又は反転層を形成する先行技
術に関連した問題を完全に解決する。埋め込み導体の使
用は、エピタキシャル層の下の埋め込み導体の各々のＰ
Ｎ接合を、ガラスからのイオンの影響下から隔離する。
ガラスからのイオンは、ＰＮ接合が位置しないエピタキ
シャル層のみの表面において影響を有する。これは、図
３と図５の構造の密封領域からの小断面部分を示す図９
（ａ）と図９（ｂ）において見られ、この場合、図９
（ａ）は、図３に示された陽極結合の前の詳細構造を示
し、そして図９（ｂ）は、図５に示された陽極結合の後
の詳細構造を示す。図９（ｂ）から、シリコンとの界面
２３におけるガラス１５の正イオン、なかでも、Ｎａ+
イオン３１８は、電子の蓄積層３１９をＮ形エピタキシ
ャル層２２の表面において形成させ、交差導体を絶縁す
る、ＰＮ接合３３１の回りの空間荷電領域３２１と、埋
め込みＰ形導体４２のＰＮ接合３３２の回りの空間荷電
領域３２２に全く影響しない。これは、前述の図１に示
された表面導体を有する先行技術の方法に反し、この場
合、Ｐ形導体の絶縁ＰＮ接合は、Ｎ領域において同一蓄
積層が形成される時、狭幅にされ、表面空間荷電領域の
幅の縮小と、これにより、この接合における絶縁電圧率
の非制御な低下につながる。
【００１６】次に、この発明の範囲内の変形が説明され
る。前述の図２、３、図４と図５において示された陽極
結合によるウェーハ積層は、密封領域において露出シリ
コン表面２３に対して行われる。陽極結合はまた、シリ
コン部材２０のパッシベーション膜８０へのガラス部材
１４の結合を示す図１０において示された如く、第１シ
リコンウェーハ１２０の表面において二酸化シリコン及
び／又は窒化シリコンの如く薄いパッシベーション膜に
おいて直接に行われることが公知である。
【００１７】図７のガラスウェーハ１１４は、表面の一
つにおいてスパッター堆積されたガラス膜を有する第２
シリコンウェーハによって置換される。図１１は、この
合成構造の断面図を示し、１４０は、第２シリコン部材
であり、スパッター堆積されたガラス膜１４１が、第１
シリコン部材２０へ結合され、交差導体４２上の領域１
２２において完全なシールを形成する。真空基準容積１
６０は、この場合、第２シリコン部材１４０の領域１５
０においてホールの選択的エッチングにより作成され
る。
【００１８】図３において示された如く、圧力センサー
ダイ２０を有する図７の第１マルチチップシリコンウェ
ーハ１２０は、図１２（ａ）〜（ｅ）を参照して、次に
説明される如く、非常に公知のシリコンプロセス技術に
よって処理される。処理は、図１２（ａ）において示さ
れた如く、Ｎ形１−０−０単結晶基板２６で開始する。
第１フォトマスク段階は、マスク層としてフォトレジス
トを使用して、ホウ素のイオン注入により形成される埋
め込み導体４２を規定し、その後、押込み拡散段階が行
われる。これは、ＰＮ接合の位置において表面に段差が
ない、交差のための絶縁Ｐ領域の表面ドーピングを生ず
る。これ続いて、図１２（ｂ）において示された如く、
エピタキシャルＮ形層２５が成長され、これにより、導
体４２を表面効果から十分に保護された単結晶シリコン
へ埋め込ませる。図１２（ｃ）において示された如く次
の２つの段階は、フォトマスクとドーピングによって埋
め込みＰ形導体４２の各端部においてＰ形接点６０と６
１を形成することと、ピエゾ抵抗要素３１と３２をパタ
ーン化及びドーピングすることである。接点６０、６１
と要素３１、３２の上に、パッシベーション層２８が設
けられる。構造は、図１２（ｄ）において示された如く
選択的エッチングにより隔膜３０を形成し、図１２
（ｅ）において示された如く、パッシベーション層２８
と金属相互接続部材５２と７１を通して接触ホールを作
成することにより完成される。構造は、今、図５に示さ
れたガラス部材か、又は図１１に示されたスパッター化
ガラスを有する第２シリコン部材へ陽極結合される準備
ができる。
【００１９】本発明の一般性質は、図１３と図１４に示
された如く、この方法を使用することにより組立てられ
た加速度計の第２実施例を説明することにより示され
る。第１シリコン部材２２０へ組み込まれたサイズモ式
質量バネ系を有するシリコン加速度計構造は、シリコン
基板２２６のフレーム区分から懸架された２つのバネ部
材２３１と２３２に掛けられた中央サイズモ式保証質量
２３０を有する第１ウェーハの処理から生成されるとし
て、図１４の一部として示され、また、図１３の平面図
に示される。ピエゾ抵抗要素２３３と２３４は、アルミ
ニウム相互接続部材２７１、２７２、２７３と２７４と
埋め込み拡散導体交差部２４１、２４２、２４３と２４
４を介して、外側ボンディングパッドとアルミニウム相
互接続部材２５１、２５２、２５３と２５４へ電気接続
される。図１４に示された如くガラス部材２１５と２７
５は、界面領域２２２と２８０においてシリコン部材２
２０の各側へ陽極結合され、こうして、該ガラス部材２
１５の加速度計のサイズモ式質量バネ系２３０、２３
１、２３２の回りに完全に密封された空洞２６０ａと２
６０ｂを形成する。保証質量２３０と該ガラス部材２１
５のふた部２５０の間の距離及び／又は保証質量２３０
と底面ガラス部材２７５の間の距離は、機械的衝撃状況
において保証質量の移動の機械的過負荷保護及び／又は
空洞において制御された雰囲気を使用する圧搾膜減衰の
ために使用される。図１３と図１４は、抵抗器２３３と
２３４を有する半ブリッジのピエゾ抵抗加速度計を示
す。共振構造は同様な方法において集積及び接続され、
これにより、検出原理として共振構造を有する加速度計
を作成する。
【００２０】同様にして、本発明は、制御された雰囲気
又は真空の空洞内で密封される非常に多様な機能デバイ
スのために使用される。こうして、そのような機能デバ
イスは、隔膜又はバネ質量系が使用されても、例えば、
空洞内の接触領域へそれ自体公知な方式で接続される。
【００２１】本発明の主なる特徴及び態様は以下のとお
りである。
【００２２】１．基板を形成するシリコンウェーハの表
面と協働する密封空洞手段を設けるための方法であり、
密封領域を横断した電気絶縁導体手段が、該空洞手段内
の機能デバイス手段を該空洞手段外の電気端子へ接続す
るために、該空洞手段の一部を規定するふた手段と該ウ
ェーハ表面との間に形成される方法において、 ａ）Ｎ形シリコン単結晶基板を設けることと、 ｂ）埋め込み導体が、マスク層として該基板の頂部にフ
ォトレジストを使用して、例えばホウ素のイオン注入に
よって形成されるフォトマスク段階を実施し、続いて、
押込み拡散段階を行い、こうして設けられたＰＮ接合の
位置における基板表面において段差のない該導体の絶縁
Ｐ形領域の表面ドーピングを設けることと、ｃ）該埋め
込み導体の頂部においてエピタキシャルＮ形層を成長さ
せ、該導体を設けるために該導体に隣接した該基板の該
頂部が、表面効果から保護されるために単結晶シリコン
へ埋め込まれることと、 ｄ）フォトマスク及びドーピング段階により、該エピタ
キシャル層の頂部レベルから該埋め込みＰ形導体の各端
部に至るＰ形接点を形成することと、 ｅ）該エピタキシャル層と該接点の頂部にパッシベーシ
ョン層を設けることと、 ｆ）該機能デバイス手段を設け、該機能デバイスを該接
点へ電気接続することと、ｇ）該機能デバイスと該ウェ
ーハ表面の一部に該ふた手段を設け、これにより、該埋
め込み導体の上にあるように該ふたの縁の少なくとも一
部を位置付けることと、 ｈ）該シリコンウェーハ基板と該ふた手段を加熱手段に
おいて相互に整合した状態において位置付けることと、 ｉ）該ウェーハ手段と該ふた手段の間に電界を印加する
ことと、 ｊ）組み合わせウェーハ手段及びふた手段構造を高温ま
で加熱し、該ふた手段における正イオンを可動にし、該
ウェーハ手段との界面の方に該電界の影響下でドリフト
させ、該ウェーハ手段と該ふた手段を原子レベルの密な
接触まで引き合わせる静電力を生成することと、 ｋ）該静電力の少なくとも一部を維持し、該ウェーハ手
段と該ふた手段を共に結合させるために、該組み合わせ
構造を冷却させ、該イオンを不動にし、該印加電界を除
去することとを具備する方法。
【００２３】２．該ふた手段が、ガラスの予成形部材で
ある上記１に記載の方法。
【００２４】３．該ふた手段が、空洞側と接触領域側に
おいて、スパッター堆積されたガラス膜を有するシリコ
ンの予成形部材である上記１に記載の方法。
【００２５】４．該高温が、３００〜４５０ｄｅｇＣの
範囲である上記１に記載の方法。
【００２６】５．該段階ｄ）が、さらに、該エピタキシ
ャル層においてピエゾ抵抗要素をパターン化及びドーピ
ングすることと、該要素の各端部にＰ形要素接点を設け
ることとを含み、そして該段階ｅ）が、さらに、該ピエ
ゾ抵抗要素と該要素接点の上に該パッシベーション層を
設けることを含む上記１に記載の方法。
【００２７】６．該段階ｅ）が、さらに、該導体接点と
該要素接点まで該パッシベーション層において接触ホー
ルを作成することを含む上記５に記載の方法。
【００２８】７．該段階ｆ）が、該パッシベーション層
における該接触ホールを通して該導体接点と該要素接点
に接触させるように、金属相互接続部材を設けることを
含む上記６に記載の方法。
【００２９】８．該段階ｆ）とｇ）の中間のさらに他の
段階ｌ）が、該ピエゾ抵抗要素の少なくとも一つの下に
隔膜部分を設けるために、該基板の底面側から部分を選
択的にエッチングすることを含む上記７に記載の方法。
【００３０】９．該段階ｆ）とｇ）の中間のさらに他の
段階ｍ）が、第１厚の第１及び第２薄化部分と、第２の
より大きな厚さを有する該第１及び第２薄化部分の中間
の第３部分とを生成するために、該基板の底面側から部
分を選択的にエッチングし、さらに、該基板の残余部分
を通して、該第１、第２及び第３部分の離間した区分の
該エピタキシャル層と該パッシベーション層をエッチン
グし、サイズモ式質量バネ構造を生成することを含み、
該第１及び第２部分は、バネを形成し、該第３部分は、
中央サイズモ式保証質量を形成し、該ピエゾ抵抗要素
は、該質量バネ構造において位置する上記７に記載の方
法。
【００３１】１０．該ピエゾ抵抗要素が、該第１及び第
２薄化部分において位置する上記９に記載の方法。
【００３２】１１．該段階ｇ）が、さらに、少なくとも
エッチング除去された部分の上に該基板の底面部分を覆
う底面カバー手段を設けることと、該シリコンウェーハ
基板と該底面カバー手段を該加熱手段において相互に整
合した状態において位置付け、該ウェーハ手段と該底面
カバー手段の間にいっそうの電界を印加し、組み合わせ
ウェーハ手段、ふた手段及び底面カバー手段構造を高温
まで加熱し、該底面カバー手段におけるさらに多くの正
イオンを可動にし、該ウェーハ基板との界面の方に該い
っそうの電界の影響下でドリフトさせ、該ウェーハ基板
と該底面カバー手段を原子レベルの密な接触まで引き合
わせる静電力を生成し、該組み合わせ構造を冷却させ、
該イオンを不動化させ、該静電力の少なくとも一部を維
持し、該ウェーハ手段と底面カバー手段を結合させ、該
いっそうの印加電界を除去することにより、該底面カバ
ー手段を段階ｈ〜ｋ）により処理することとを含む上記
８又は９に記載の方法。
【００３３】１２．該底面カバー手段が、ガラスの予成
形スラブである上記１１に記載の方法。
【００３４】１３．該段階ｅ）が、さらに、該導体接点
まで該パッシベーション層において接触ホールを作成す
ることを含む上記１に記載の方法。
【００３５】１４．該段階ｆ）が、該パッシベーション
層における該接触ホールを通して該導体接点に接触する
ように金属相互接続部材を設けることを含む上記１１に
記載の方法。
【００３６】１５．該シリコンウェーハ基板と該ふた手
段が、細分可能なマルチチップウェーハ形式である上記
１に記載の方法。
【００３７】１６．該シリコンウェーハ基板、該ふた手
段と該底面カバー手段が、細分可能なマルチチップウェ
ーハ形式である上記１１に記載の方法。
【００３８】１７．基板を形成するＮ形シリコンウェー
ハ手段の表面と協働するふた手段を有する密封空洞デバ
イスであり、密封領域を横断して電気的に絶縁された導
体手段が、該空洞手段の一部を規定する該ふた手段と該
ウェーハ表面の間に形成され、該空洞手段の内側の機能
デバイス手段を、該空洞手段の外側の電気端子に接続
し、該導体手段が、該Ｎ形基板において埋め込まれたＰ
形導体であり、該ふた手段が、陽極結合を通して静電気
的に付着されたエピタキシャルＮ形層によって覆われ、
導体接触手段が、該導体手段の各端部において設けら
れ、そして該エピタキシャル層の頂部におけるパッシベ
ーション層を通した接触ホールが、該接触手段への金属
接近のために設けられる密封空洞デバイス。
【００３９】１８．該ふた手段が、ガラスの予成形部材
である上記１７に記載のデバイス。
【００４０】１９．該ふた手段が、空洞側と接触領域側
において、スパッター堆積されたガラス膜を有するシリ
コンの予成形部材である上記１７に記載のデバイス。
【００４１】２０．該機能デバイスが、該シリコンウェ
ーハと一体的に作成された質量バネ構造に基づいた加速
度計であり、ピエゾ抵抗要素が該構造のバネ部において
設けられる上記１７に記載のデバイス。
【００４２】２１．該機能デバイスが、該シリコンウェ
ーハと一体的に作成された隔膜を有する圧力センサーで
あり、ピエゾ抵抗要素が、該隔膜において設けられる上
記１７に記載のデバイス。
【００４３】２２．例えばガラスの底面カバー手段が、
陽極結合を通して該基板の底面側へ付着される上記２０
又は２１に記載のデバイス。
【００４４】２３．該シリコンウェーハ基板と該ふた手
段が、細分可能なマルチチップウェーハ形式である上記
１７に記載のデバイス。
【００４５】２４．該シリコンウェーハ基板、該ふた手
段と該底面カバー手段が、細分可能なマルチチップウェ
ーハ形式である上記２２に記載のデバイス。
【００４６】２５．該シリコン単結晶基板が、Ｎ形表面
層を有するＰ形基板である上記１に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】米国特許第４２９１２９３によって教示された
密封領域に交差するための表面導体を使用する時の、先
行技術に関連した重要なイオン汚染問題を示す。
【図２】発明による方法を使用することにより埋め込み
導体と表面において形成した露出シリコン表面密封領域
を構成されたシリコン隔膜を有するピエゾ抵抗圧力セン
サーのシリコン部の表面の平面図である。
【図３】線Ｙ3−Ｙ3’に沿った図２の構造の断面図であ
る。
【図４】発明による方法を使用することにより埋め込み
導体と露出シリコン表面に密封された真空空洞を有する
ガラスカバーを構成されたセンサーダイサンドイッチの
一体部分として形成された真空基準容積を有するピエゾ
抵抗シリコン圧力センサーダイサンドイッチの表面の平
面図である。
【図５】線Ｙ5−Ｙ5’に沿った図４の構造の断面図であ
る。
【図６】陽極結合によりシリコン基板に結合された微細
加工ガラス基板の表面の図であり、真空基準容積とボン
ディング領域を有する複数の圧力センサーが、ウェーハ
上に形成される。
【図７】線Ｙ7−Ｙ7’に沿った図６の構造の断面図であ
る。
【図８】陽極結合プロセスの原理を示す断面図と、原理
を示す平面図である。
【図９】交差導体の絶縁空間荷電領域における陽極結合
プロセスに参与するイオンからの効果の除去を示す発明
による密封領域の断面詳細図と、陽極結合の前の構造
と、陽極結合の後の構造を示す。
【図１０】発明による方法を使用することにより埋め込
み導体とパッシベーションシリコン表面に密封した真空
空洞を有するガラスカバーを構成されセンサーダイサン
ドイッチ構造の一体部分として形成された真空基準容積
を有するピエゾ抵抗シリコン圧力センサーダイサンドイ
ッチ構造の断面図である。
【図１１】埋め込み導体と真空空洞を有するシリコンカ
バーを構成されたセンサーダイサンドイッチ構造の一体
部分として形成され、陽極形成を使用することにより露
出シリコン表面とスパッター化ガラス層に密封された真
空基準容積を有するピエゾ抵抗シリコン圧力センサーダ
イサンドイッチ構造の断面図である。
【図１２】図２と図３において示された如く、埋め込み
導体を構成されたピエゾ抵抗圧力センサーのシリコンウ
ェーハを製造するために使用された生産段階を示し、図
４と図５において示された如く、密封真空基準容積を有
する圧力センサー構造の形成を可能にする。
【図１３】シリコン部の各側において一つの、２つのガ
ラス基板の陽極結合により形成され、埋め込み導体がシ
リコン部の密封領域に交差するサイズモ式質量バネ系の
回りに形成された密封空洞を有するピエゾ抵抗加速度計
の平面図である。
【図１４】線Ｙ14−Ｙ14’に沿った図１３の構造の断面
図である。
【符号の説明】
２０ ダイ ２５ Ｎ形エピタキシャル層 ３０ 感圧性隔膜 ３１ ピエゾ抵抗器 ４１ 埋め込み拡散導体 ５１ 相互接続領域 ７１ 接続線 １２０ シリコンウェーハ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板を形成するシリコンウェーハの表面
    と協働する密封空洞手段を設けるための方法であり、密
    封領域を横断した電気絶縁導体手段が、該空洞手段内の
    機能デバイス手段を該空洞手段外の電気端子へ接続する
    ために、該空洞手段の一部を規定するふた手段と該ウェ
    ーハ表面との間に形成される方法において、 ａ）Ｎ形シリコン単結晶基板を設けることと、 ｂ）埋め込み導体が、マスク層として該基板の頂部にフ
    ォトレジストを使用して、例えばホウ素のイオン注入に
    よって形成されるフォトマスク段階を実施し、続いて、
    押込み拡散段階を行い、こうして設けられたＰＮ接合の
    位置における基板表面において段差のない該導体の絶縁
    Ｐ形領域の表面ドーピングを設けることと、ｃ）該埋め
    込み導体の頂部においてエピタキシャルＮ形層を成長さ
    せ、該導体を設けるために該導体に隣接した該基板の該
    頂部が、表面効果から保護されるために単結晶シリコン
    へ埋め込まれることと、 ｄ）フォトマスク及びドーピング段階により、該エピタ
    キシャル層の頂部レベルから該埋め込みＰ形導体の各端
    部に至るＰ形接点を形成することと、 ｅ）該エピタキシャル層と該接点の頂部にパッシベーシ
    ョン層を設けることと、 ｆ）該機能デバイス手段を設け、該機能デバイスを該接
    点へ電気接続することと、ｇ）該機能デバイスと該ウェ
    ーハ表面の一部に該ふた手段を設け、これにより、該埋
    め込み導体の上にあるように該ふたの縁の少なくとも一
    部を位置付けることと、 ｈ）該シリコンウェーハ基板と該ふた手段を加熱手段に
    おいて相互に整合した状態において位置付けることと、 ｉ）該ウェーハ手段と該ふた手段の間に電界を印加する
    ことと、 ｊ）組み合わせウェーハ手段及びふた手段構造を高温ま
    で加熱し、該ふた手段における正イオンを可動にし、該
    ウェーハ手段との界面の方に該電界の影響下でドリフト
    させ、該ウェーハ手段と該ふた手段を原子レベルの密な
    接触まで引き合わせる静電力を生成することと、 ｋ）該静電力の少なくとも一部を維持し、該ウェーハ手
    段と該ふた手段を共に結合させるために、該組み合わせ
    構造を冷却させ、該イオンを不動にし、該印加電界を除
    去することとを具備する方法。
  2. 【請求項２】 基板を形成するＮ形シリコンウェーハ手
    段の表面と協働するふた手段を有する密封空洞デバイス
    であり、密封領域を横断して電気的に絶縁された導体手
    段が、該空洞手段の一部を規定する該ふた手段と該ウェ
    ーハ表面の間に形成され、該空洞手段の内側の機能デバ
    イス手段を、該空洞手段の外側の電気端子に接続し、該
    導体手段が、該Ｎ形基板において埋め込まれたＰ形導体
    であり、該ふた手段が、陽極結合を通して静電気的に付
    着されたエピタキシャルＮ形層によって覆われ、導体接
    触手段が、該導体手段の各端部において設けられ、そし
    て該エピタキシャル層の頂部におけるパッシベーション
    層を通した接触ホールが、該接触手段への金属接近のた
    めに設けられる密封空洞デバイス。
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