(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＥＭＳデバイスに温度補償用の温度センサを組み込む。【解決手段】ＭＥＭＳデバイスは、シリコンサブアセンブリに接続されたシリコンピン１０８上に形成されたＰ−Ｎデバイス１１６を含み、このＰ−Ｎデバイスは、シリコンピンが第１ガラスウェーハの中に埋め込まれる前に、シリコンピンを製作するために使用されるシリコン基板の上に形成される。１つの実施形態では、Ｐ−Ｎデバイスを形成するステップは、不純物をシリコンピンの内部に選択的に拡散させるステップと、Ｐ−Ｎデバイスを温度センサとして動作するように構成するステップとを含む。【選択図】図１
2009267365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスウェーハに取り付けられたＭＥＭＳ構成要素と、
前記ＭＥＭＳ構成要素と信号で通信するシリコンピンであって、前記ガラスウェーハの外面に近接して配置された１つの端部部分を有する前記シリコンピンと、
前記シリコンピンの前記１つの端部部分に取付けられ、前記ＭＥＭＳ構成要素の温度を検出するように構成された温度センサであって、前記シリコンピンの前記１つの端部部分の上に配置されあらかじめ選択的拡散によって形成されたＰ−Ｎデバイスを備え、前記Ｐ−Ｎデバイスは、前記シリコンピンの前記形成の前に、かつ、前記シリコンピンが前記ガラスウェーハの内部に埋め込まれる前に作り出される、温度センサと
を備えたＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
ガラスウェーハと、
少なくとも１つの可動の機械的デバイスを有し、前記ガラスウェーハに結合されたシリコンサブアセンブリと、
前記ガラスウェーハの内部に配置され、前記シリコンサブアセンブリに近接して配置された導電性要素と、
前記導電性要素に結合された第１端部を含み、前記導電性要素から概ね垂直に延在するシリコンピンであって、前記ガラスウェーハの外面に近接して配置された第２端部をさらに含むシリコンピンと、
前記シリコンピンの前記第２端部の上に配置され選択的拡散によって形成されたＰ−Ｎデバイスであって、前記シリコンピンの前記形成の前に、かつ、前記シリコンピンが前記ガラスウェーハに埋め込まれる前に作り出される、Ｐ−Ｎデバイスと
を備えたＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
適切な凹部と導電性要素とを備えた第１ガラスウェーハを製造するステップと
シリコンサブアセンブリを製造するステップと、
前記シリコンサブアセンブリの少なくとも一部分を前記第１ガラスウェーハに接合するステップと、
Ｐ−Ｎデバイスを製造するために適切にドープされたエピタキシャル層をシリコンウェーハの内部に成長させるステップと、
前記シリコンウェーハをエッチングしてシリコンピンを形成するステップであって、少なくとも１つのシリコンピンは前記シリコンピンの第１端部の上に形成された前記Ｐ−Ｎデバイスを有するステップと、
前記シリコンピンを少なくとも前記第１ガラスウェーハの内部に埋め込むステップと、
前記シリコンピンの埋め込まれなかった部分を研磨除去するステップと、
前記埋め込まれたシリコンピンが導電性要素から概ね垂直に延在し、前記Ｐ−Ｎデバイスを有する前記シリコンピンの前記第１端部は前記導電性要素に結合された前記シリコンピンの第２端部から遠位置に配置された状態で、前記導電性要素を前記第１ガラスウェーハに近接させて配置するステップと
を含むＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
一般に、ＭＥＭＳジャイロスコープデバイスなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、温度に応じてセンサ出力ドリフトを補償するために温度補償回路を必要としており、ここで、センサはＭＥＭＳデバイスの少なくともその可動の機械的な１つの特徴または複数の特徴を含んでいる。従来のＭＥＭＳデバイスはセンサから遠く離れた温度を測定しており、これが温度の変化を正確かつ適時に補償する能力を制限している。いくつかのデバイス、特に、例えばＭＥＭＳジャイロスコープにとって、正確かつ適時の温度補償は、正確な読み取り値を提供するためのデバイスの能力に直接関連する可能性がある。
【０００２】
周囲温度（すなわち、外部の空気の温度）は急速にまたは緩慢に変化し得る。周囲温度の変化のために、および／または、制御電子回路によって引き起こされた温度変化のために、ＭＥＭＳデバイスの様々な部分も温度を変化させる。様々な部分を作るために使用される材料の異なる熱膨張係数の結果として、外部からまたは内部的に誘起された熱応力が、特にＭＥＭＳデバイスの可動部分の内部において機械的歪みを引き起こす可能性がある。また、熱応力、またおそらくはその部分の延性の変化が、可動部分の共振周波数を変化させる恐れもある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、一般に、シリコン基板の上に形成されたＰ−Ｎデバイスを有するＭＥＭＳデバイスに関し、少なくとも１つのシリコンピンがこのシリコン基板からエッチングされガラスウェーハの内部に埋め込まれる。シリコンピンはシリコンサブアセンブリに接続され、シリコンピンがガラスウェーハの中に埋め込まれる前にＰ−Ｎデバイスがシリコンピンの上に形成される。１つの実施形態では、シリコンサブアセンブリは、第２ガラスウェーハとこれに隣接して配置された第１ガラスウェーハとの間に配置される（例えば、挟まれる）。例として、シリコンピンだけが第１および第２ガラスウェーハの中に埋め込まれ、シリコンサブアセンブリは埋め込まれない。シリコンサブアセンブリはガラスウェーハの間に単に挟まれるだけである。１つの実施形態では、１つまたは複数のシリコンピンは、Ｐ−Ｎデバイスを作るために不純物を選択的に拡散させ、次いでＰ−Ｎデバイスを温度センサとして動作させるために所望の電気接続と測定システムとをセットアップすることによって温度センサとして動作することができる。
【０００４】
本発明の１つの態様において、ＭＥＭＳデバイスはガラスウェーハとシリコンサブアセンブリとを含む。シリコンサブアセンブリは少なくとも１つの可動の機械的デバイスを含む。導電性要素がガラスウェーハの内部に配置され、シリコンサブアセンブリに近接して配置される。シリコンピンは導電性要素に結合された第１端部を含み、その導電性要素から概ね垂直に延在する。さらに、シリコンピンは、ガラスウェーハの外面に近接して配置された第２端部を含む。さらに、ＭＥＭＳデバイスは、シリコンピンがシリコン基板からエッチングされる前に、かつ、シリコンピンがガラスウェーハに埋め込まれる前にシリコンピンの第２端部の上に配置され、選択的拡散（例えば不純物を選択的に拡散させること）によって形成されたＰ−Ｎデバイスを含む。１つの実施形態では、Ｐ−Ｎデバイスは、シリコンピンの第２端部として使用されるべきシリコン基板の部分の上にエピタキシャル層を成長させることによって形成される。
【０００５】
本発明のさらなる他の態様において、ＭＥＭＳデバイスを製造するための方法は、（１）適切な凹部と導電性要素とを備えた第１ガラスウェーハを製造するステップと、（２）シリコンサブアセンブリを製造するステップと、（３）シリコンサブアセンブリの少なくとも一部分を第１ガラスウェーハに接合するステップと、（４）Ｐ−Ｎデバイスを製造するために適切にドープされたエピタキシャル層をシリコンウェーハの内部に成長させるステップと、（５）シリコンウェーハをエッチングして、少なくとも１つのシリコンピンがそのシリコンピンの第１端部の上に形成されたＰ−Ｎデバイスを有する複数のシリコンピンを形成するするステップと、（６）シリコンピンを少なくとも第１ガラスウェーハの中に埋め込むステップと、（７）シリコンピンの埋め込まれなかった部分を研磨除去するステップと、（８）埋め込まれたシリコンピンが導電性要素から概ね垂直に延在し、Ｐ−Ｎデバイスを有するシリコンピンの第１端部が導電性要素に結合されたシリコンピンの第２端部から遠位置に配置された状態で、導電性要素を第１ガラスウェーハに近接させて配置するステップと、を含む。
【０００６】
本発明のさらなる他の態様において、ＭＥＭＳデバイスを製造するための方法は、（１）適切な凹部と導電性要素とを備えた第１ガラスウェーハを製造するステップと、（２）シリコンサブアセンブリを製造するステップと、（３）シリコンサブアセンブリの少なくとも一部分を第１ガラスウェーハに接合するステップと、（４）Ｐ−Ｎデバイスを製造するために不純物をシリコンウェーハの内部に選択的に拡散させるステップと、（５）シリコンウェーハをエッチングして、少なくとも１つのシリコンピンがそのシリコンピンの第１端部の上に形成されたＰ−Ｎデバイスを有する複数のシリコンピンを形成するするステップと、（６）シリコンピンを少なくとも第１ガラスウェーハの中に埋め込むステップと、（７）シリコンピンの埋め込まれなかった部分を研磨除去するステップと、（８）埋め込まれたシリコンピンが導電性要素から概ね垂直に延在し、Ｐ−Ｎデバイスを有するシリコンピンの第１端部が導電性要素に結合されたシリコンピンの第２端部から遠位置に配置された状態で、導電性要素を第１ガラスウェーハに近接させて配置するステップと、を含む。
【０００７】
本発明の好適な実施形態および代替の実施形態を以下の図面を参照して以降で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の例示の実施形態による、ガラスウェーハとシリコンサブアセンブリとＰ−Ｎデバイスを有するシリコンピンとを含むＭＥＭＳデバイスの概略の断面図である。
【図２】本発明の例示の実施形態による図１のＭＥＭＳデバイスを製造する方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以降の説明では、本発明の様々な実施形態を完全に理解するためにある特定の詳細が述べられる。しかし、当業者なら、本発明がこれらの詳細を用いずに、またはこれらの詳細の様々な組合せを用いて実施されてよいことを理解するであろう。他の場合には、Ｐ−Ｎデバイスとシリコン基板とガラスウェーハとを有するＭＥＭＳジャイロスコープなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関連する周知の構造および方法ならびにその製造方法は、本発明の実施形態の説明をいたずらに曖昧にするのを避けるために、詳細には示されないことも説明されないこともある。
【００１０】
一般に、以降の説明はシリコンピンの上に形成されたＰ−Ｎデバイスを有するＭＥＭＳデバイスを対象としており、このシリコンピンは、２つのガラスウェーハの間に配置されまたは他の形で挟まれたシリコンサブアセンブリに接続され、この場合、Ｐ−Ｎデバイスはシリコンピンがどちらか一方のガラスウェーハの中に埋め込まれる前に形成される。Ｐ−Ｎデバイスを形成するステップは、Ｐ−Ｎデバイスが温度センサとして動作するように不純物を選択的に拡散させるステップを含んでよい。１つの有利な実施形態では、シリコンピンの上に形成されたＰ−Ｎデバイスは、他のタイプの温度センサよりも実質的な信号対雑音の改善を実現できる。例として、シリコンピンの上に形成されたＰ−Ｎデバイスは、熱電対または白金抵抗温度検出器（ＲＴＤ）などの他のタイプの温度センサよりも約１０の３乗（１０３）優れた、指数関数的に改善された信号対雑音比を実現できる。１つの実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、温度に応じて変わるＭＥＭＳセンサの出力ドリフトを補償するために温度補償回路を必要とするＭＥＭＳジャイロスコープであってよい。
【００１１】
図１は、第１ガラスウェーハ１０２と第２ガラスウェーハ１０３とを有するＭＥＭＳデバイス１００を示す。各ガラスウェーハ１０２、１０３は、それぞれのガラスウェーハ１０２、１０３に接合されたその固有の導電性要素１０６を有してよく、各ガラスウェーハの中でそれぞれの導電性要素１０６は、異なるようにも、対称的にも、同一であるようにも構成されてよい。シリコンサブアセンブリ１０４がガラスウェーハ１０２、１０３の間に配置され、または、挟まれる。１つの実施形態では、シリコンサブアセンブリ１０４は、例えば線形加速度または回転加速度を測定するために使用されてよい機械的デバイスなどの少なくとも１つの可動の機械的デバイスを含む。少なくとも１つのシリコンピン１０８はシリコンサブアセンブリ１０４から延在し、かつ第１端部１１０と第２端部１１２とを含む。例示の実施形態において、第１端部１１０は導電性要素１０６に結合され、第２端部１１２は第１ガラスウェーハ１０２の外面１１４に近接して配置される。シリコンピン１０８は導電性要素１０６から概ね垂直に延在してよい。第２端部１１２には、シリコンピン１０８の内部に不純物を選択的に拡散させてＮ型またはＰ型のどちらかのエピタキシャル層を生成することによって形成することができるＰ−Ｎデバイス１１６が配置される。生成される層の型は、Ｎ型であれＰ型であれシリコンピン１０８の組成物に依存する。重要なことは、Ｐ−Ｎデバイス１１６は、ガラスウェーハ１０２のガラス材料が溶融してシリコンピン１０８を埋め込む前に選択的に拡散されることである。例として、複数のシリコンピン１０８がシリコンサブアセンブリ１０４から様々な方向に延在してよく、一方または両方のガラスウェーハ１０２、１０３の中に埋め込まれてよいが、少数のシリコンピン１０８だけはＰ−Ｎデバイス１１６を含むべきである。通常、多くのシリコンピン１０８はＰ−Ｎデバイスなしで構成され、内部のシリコンサブアセンブリ１０４をガラスウェーハ１０２、１０３の外側に存在しているデバイスに接続するために使用される。Ｐ−Ｎデバイスを実際に含んでいる残りのシリコンピンのうち、少なくとも１つのシリコンピンが温度センサとして動作することができる。
【００１２】
各ガラスウェーハ１０２、１０３は単一でワンピースの構造体から別々に形成されてよい。１つの実施形態では、ガラスウェーハ１０２、１０３は高い熱衝撃耐性を有する。ガラスウェーハ１０２、１０３が形成されるガラス材料は、Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ（登録商標）またはＰｙｒｅｘ（登録商標）ブランドのガラス材料であってよい。例として、当接関係で配置された後のガラスウェーハ１０２、１０３の全厚さは、約０．３８１〜０．７６２ｍｍ（１５〜３０×１０００分の１インチ（そうでない場合は、一般にミルと呼ばれる））の範囲であってよい。
【００１３】
シリコンサブアセンブリ１０４は、ガラスウェーハ１０２、１０３の間に配置、または、挟まれる前に、単一結晶のシリコン構造体から形成できる。さらに、シリコンサブアセンブリ１０４は線形加速度または回転加速度を検出するために使用されてよい構成要素などの可動の機械的構成要素を含んでよい。可動の機械的構成要素は、例えばシリコンサブアセンブリ１０４の内部にエッチングされた片持ち式の梁などの様々な形状をとることができる。
【００１４】
さらに、ＭＥＭＳデバイス１００には導電性要素１０６が含まれ、この導電性要素１０６の少なくともその一部はシリコンサブアセンブリ１０４に近接して配置され、ガラスウェーハ１０２、１０３の少なくとも一方に接合されてよい。導電性要素１０６は金属の細片の形状をなしてよい。導電性要素１０６は、信号をシリコンピン１０８に送り、次いでシリコンピン１０８はガラスウェーハ１０２、１０３を通って信号を伝達するように構成されてよい。導電性要素１０６は、連続的な細片であっても、セグメントに分けられてもよく、シリコンサブアセンブリ１０４の一部に電気的に接続できる。例示の実施形態では、導電性要素１０６はシリコンピン１０８とシリコンサブアセンブリ１０４との間の電気的接続を行う。
【００１５】
例示の実施形態では、シリコンピン１０８は、導電性要素１０６に結合された第１端部１１０と、ガラスウェーハ１０２の外面１１４に近接して配置された第２端部１１２とを有する。シリコンピンを含むガラスウェーハを形成する工程の例は、ドイツの会社であるＰｌａｎ  Ｏｐｔｉｋ株式会社によって行われる。シリコンピン１０８を形成する間に、以降でより詳細に説明するように、第２端部１１２は初めに外面１１４を超えて延在してよく、次いで後に、外面１１４と同一平面になるように、またはほぼ同一平面になるように、機械加工されてよい。例として、Ｐ−Ｎデバイスの少なくとも一方の面、特に第２端部１１２の遠位面（すなわち、導電性要素１０６から遠い方の面）は、ガラスウェーハ１０２の外面１１４によって覆われないままに残される。さらに、シリコンピン１０８の上へのＰ−Ｎデバイスの形成は、シリコンピン１０８が少なくとも第１ガラスウェーハ１０２を形成するガラス材料の中に埋め込まれる、または入れられる前に行なわれる。１つの実施形態では、シリコンピン１０８は導電性要素１０６から概ね垂直に延在してよい。
【００１６】
さらに、シリコンピン１０８の第２端部１１２を参照すると、Ｐ−Ｎデバイス１１６はこの第２端部１１２の上に作り出される、または形成される。Ｐ−Ｎデバイス１１６を形成することの１つの目的は、ＭＥＭＳデバイス１００の上に直接構築された温度センサを実現することである。有利には、Ｐ−Ｎデバイス１１６は、ＭＥＭＳデバイス１００と共に使用できる熱電対または抵抗温度検出器（ＲＴＤ）などの他のタイプの温度測定デバイスに比較して、シリコンサブアセンブリ１０４についてのより正確な温度測定を行うことができる。
【００１７】
Ｐ−Ｎデバイス１１６は、シリコンピン１０８の第２端部１１２の上にエピタキシャル層を成長させることによって形成される。１つの実施形態では、Ｐ−Ｎデバイスをシリコンピン１０８の上に形成するステップがシリコンピン１０８を形成する前に行われるということは、ドーピングまたはエピタキシがシリコンピン１０８の形成の前になされることを表している。例として、ドーピングまたはエピタキシがシリコン基板の上に行われ、次に、Ｐ−Ｎデバイスが選択されたシリコンピン１０８の端部１１２の上にすでに配置された状態で、シリコンピン１０８が基板からエッチングされる。次に、シリコンピン１０８は少なくとも第１ガラスウェーハ１０２のガラス材料の中に埋め込まれる、または入れられる。一般に、エピタキシャルは、例えばシリコン基板などの単結晶基板の上に成長させた秩序ある結晶体を表す。１つの実施形態では、エピタキシャル層は、シリコンピン１０８の端部１１２となるシリコン基板の一部分が種結晶として機能することから気体または液体の前駆体から成長させることができ、これによって、エピタキシャル層は所望の格子の構造と方位とをとることができる。他の実施形態では、当技術分野で知られている他の堆積または成長工程に従って、エピタキシャル層をシリコン基板上に堆積させてもよい。
【００１８】
Ｐ−Ｎデバイス１１６は、そうでない場合にはドーパントと呼ばれる不純物を、摂氏約８００〜９００度（℃）の範囲の高温度でシリコンピン１０８の第２端部１１２の近傍に選択的に拡散させることによって作り出すことができる。好ましくは、選択的拡散は、シリコンピン１０８がエッチングされる前にまたは他の形でベースシリコンウェーハから作られる前に、完了される。１つの実施形態では、Ｐ−Ｎデバイス１１６はＮ型半導体材料の上に配置されたＰ型半導体材料を含む。他の実施形態では、Ｐ−Ｎデバイス１１６はＰ型半導体材料の上に配置されたＮ型半導体材料を含む。
【００１９】
Ｐ−Ｎデバイス１１６は、順バイアスまたは逆バイアスされたものでよいが、好ましくは温度センサとして機能するように逆バイアスされる。逆バイアス構成では、Ｐ−Ｎデバイスを通る電流は指数関数的な温度依存性を有する。外部の電子回路を使用してこの電流が測定され次いで温度が計算される。
【００２０】
Ｐ−Ｎデバイス１１６の順バイアスおよび逆バイアス特性によって、このデバイスはダイオードとして使用できるようになる。例として、Ｐ−Ｎダイオードの形態をとるＰ−Ｎデバイス１１６によって電荷が一方向に流れるようになるが、しかし反対方向には流れなくなる。例えば、負の電荷（電子）は、順バイアスされた場合、接合部を通ってＮからＰに流れ、しかし、ＰからＮには流れず、逆バイアスされた場合、その逆になる。Ｐ−Ｎデバイス１１６が順バイアスされているとき、電荷は抵抗が減少しているので自由に流れる。Ｐ−Ｎデバイス１１６が逆バイアスされているときは、電荷の流れに対する抵抗値はより大きくなり結果として生じる電荷の流れは最小になり、例えば、温度を測定するために使用できるのはこの最小電流である。場合によってはＰ−Ｎデバイス１１６を形成する代わりに、しかし前述の構成要素をガラスウェーハ１０２の中に埋め込んだ後で、ショットキバリア、ダイオードまたは整流器（図示せず）をシリコンピン１０８の第２端部１１２の場所に形成してもよい。
【００２１】
本発明の１つの態様において、図２は、適切な凹部と導電性要素とを有する第１ガラスウェーハを製造するステップ３０２を含むＭＥＭＳデバイスを製造するための方法３００を示す。ステップ３０４で、シリコンサブアセンブリを製造するステップと、これをガラスウェーハに接合するステップと、ガラスウェーハに接合された少なくとも１つの可動の機械的デバイスをサブアセンブリが保有するようにリリースを行うステップがなされる。ステップ３０６では、シリコンウェーハの中に適切にドープされたエピタキシャル層を成長させるステップ、または、不純物を選択的に拡散させるステップがなされ、このシリコンウェーハはその後でエッチングされてピンが形成され、このピンのいくつかはそのピンの端部の上に形成されたＰ−Ｎデバイスを有する。ステップ３０８では、シリコンピンをガラスウェーハの中に埋め込むステップと、シリコンの埋め込まれなかった部分を研磨除去するステップがなされる。ステップ３１０で、埋め込まれたピンが導電性要素から概ね垂直に延在し、このシリコンピンの第１端部は導電性要素に結合し、シリコンピンの第２端部はそこから遠位置に配置される状態で、導電性要素がガラスウェーハの上に形成される。ステップ３１２では、シリコンサブアセンブリを有するガラスウェーハを埋め込まれたピンを有するガラスウェーハといっしょに接合するステップと、Ｐ−Ｎデバイスの少なくとも１つの表面をガラスウェーハの外面で覆われないままに残して、シリコンサブアセンブリと導電性要素とシリコンピンの一部とをカプセル化するステップが行われ、埋め込みはＰ−Ｎデバイスを形成した後で行なわれる。
【００２２】
上述のように、本発明の好適な実施形態について例を示して説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は好適な実施形態の開示によって限定されない。そうではなく、本発明は、以下に続く特許請求の範囲を参照することによって全体的に決定されるべきである。
【符号の説明】
【００２３】
１００  ＭＥＭＳデバイス
１０２  第１ガラスウェーハ
１０３  第２ガラスウェーハ
１０４  シリコンサブアセンブリ
１０６  導電性要素
１０８  シリコンピン
１１０  シリコンピンの第１端部
１１２  シリコンピンの第２端部
１１４  第１ガラスウェーハの外面
１１６  Ｐ−Ｎデバイス
【図１】
2009267365.tif 000003
【図２】
2009267365.tif 000004
【外国語明細書】
2009267365000001.pdf