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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6144752
(24)【登録日】2017年5月19日
(45)【発行日】2017年6月7日
(54)【発明の名称】高周波数ＣＭＵＴ
(51)【国際特許分類】
H04R 19/00 20060101AFI20170529BHJP
H04R 1/40 20060101ALI20170529BHJP
H01L 29/84 20060101ALI20170529BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20170529BHJP
B81C 1/00 20060101ALI20170529BHJP
A61B 8/14 20060101ALI20170529BHJP
【ＦＩ】
H04R19/00 330
H04R1/40 330
H01L29/84 Z
B81B3/00
B81C1/00
A61B8/14
【請求項の数】18
【全頁数】20
(21)【出願番号】特願2015-501818(P2015-501818)
(86)(22)【出願日】2013年3月15日
(65)【公表番号】特表2015-519769(P2015-519769A)
(43)【公表日】2015年7月9日
(86)【国際出願番号】US2013032437
(87)【国際公開番号】WO2013142367
(87)【国際公開日】20130926
【審査請求日】2016年3月11日
(31)【優先権主張番号】13/427,856
(32)【優先日】2012年3月22日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】390020248
【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】507107291
【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド
(74)【上記1名の代理人】
【識別番号】100098497
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
(72)【発明者】
【氏名】スティーブン アドラー
(72)【発明者】
【氏名】ピーター ジョンソン
(72)【発明者】
【氏名】アイラ オークトゥリー ワイガント
【審査官】
大石 剛
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許第０６４３０１０９（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
米国特許第０７４８９５９３（ＵＳ，Ｂ２）
【文献】
特開２００７−２０８５４８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ａ６１Ｂ ８／１４
Ｂ８１Ｂ ３／００
Ｂ８１Ｃ １／００
Ｈ０１Ｌ ２９／８４
Ｈ０４Ｒ １／４０
Ｈ０４Ｒ １９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
トランスデューサ構造であって、
或る導電型と表面領域とを有する基板と、
前記基板に接する後構造であって、頂部表面を有し、非導電性である前記後構造と、
前記後構造の前記頂部表面に接する第１の導電構造であって、前記第１の導電構造が、頂部表面を有し、前記基板の前記表面領域の上にあって前記表面領域から離間しており、前記第１の導電構造の前記頂部表面が、中央領域と周りの周辺領域とを有する、前記第１の導電構造と、
前記第１の導電構造の前記周辺領域に接する第２の導電構造であって、前記第１の導電構造の前記頂部表面の前記中央領域を露出させるように前記第２の導電構造を完全に貫通して延びる開口を有する、前記第２の導電構造と、
を含み、
前記第２の導電構造が前記後構造の前記頂部表面に接する、トランスデューサ構造。
或る導電型と表面領域とを有する基板と、
前記基板に接する後構造であって、頂部表面を有し、非導電性である前記後構造と、
前記後構造の前記頂部表面に接する第１の導電構造であって、前記第１の導電構造が、頂部表面を有し、前記基板の前記表面領域の上にあって前記表面領域から離間しており、前記第１の導電構造の前記頂部表面が、中央領域と周りの周辺領域とを有する、前記第１の導電構造と、
前記第１の導電構造の前記周辺領域に接する第２の導電構造であって、前記第１の導電構造の前記頂部表面の前記中央領域を露出させるように前記第２の導電構造を完全に貫通して延びる開口を有する、前記第２の導電構造と、
を含み、
前記第２の導電構造が前記後構造の前記頂部表面に接する、トランスデューサ構造。
【請求項2】
請求項１に記載のトランスデューサ構造であって、
前記第２の導電構造が頂部表面を有し、前記第２の導電構造の前記頂部表面が接合パッド領域を有する、トランスデューサ構造。
前記第２の導電構造が頂部表面を有し、前記第２の導電構造の前記頂部表面が接合パッド領域を有する、トランスデューサ構造。
【請求項3】
請求項１に記載のトランスデューサ構造であって、
前記第１の導電構造が、シリコン膜と、前記シリコン膜に接して前記シリコン膜に重なる、金属シリサイドプレートとを含む、トランスデューサ構造。
前記第１の導電構造が、シリコン膜と、前記シリコン膜に接して前記シリコン膜に重なる、金属シリサイドプレートとを含む、トランスデューサ構造。
【請求項4】
請求項３に記載のトランスデューサ構造であって、
前記基板の前記表面領域に接する非導電構造を更に含む、トランスデューサ構造。
前記基板の前記表面領域に接する非導電構造を更に含む、トランスデューサ構造。
【請求項5】
請求項４に記載のトランスデューサ構造であって、
前記シリコン膜と前記非導電構造との間にあり、前記シリコン膜と前記非導電構造とに接する、真空密封キャビティを更に含む、トランスデューサ構造。
前記シリコン膜と前記非導電構造との間にあり、前記シリコン膜と前記非導電構造とに接する、真空密封キャビティを更に含む、トランスデューサ構造。
【請求項6】
請求項１に記載のトランスデューサ構造であって、
前記基板に接する金属シリサイドパッドと、
前記金属シリサイドパッドに接する導電接合パッドと、
を更に含み、
前記後構造が、前記導電接合パッドの一部に接し、前記導電接合パッドの前記一部を水平方向に囲む、トランスデューサ構造。
前記基板に接する金属シリサイドパッドと、
前記金属シリサイドパッドに接する導電接合パッドと、
を更に含み、
前記後構造が、前記導電接合パッドの一部に接し、前記導電接合パッドの前記一部を水平方向に囲む、トランスデューサ構造。
【請求項7】
請求項１に記載のトランスデューサ構造であって、
前記第２の導電構造に接するパッシベーション構造を更に含み、前記パッシベーション構造が、前記第１の導電構造の前記中央領域を露出させる開口を有する、トランスデューサ構造。
前記第２の導電構造に接するパッシベーション構造を更に含み、前記パッシベーション構造が、前記第１の導電構造の前記中央領域を露出させる開口を有する、トランスデューサ構造。
【請求項8】
請求項１に記載のトランスデューサ構造であって、
前記基板の底部表面に接する導電接合パッドを更に含む、トランスデューサ構造。
前記基板の底部表面に接する導電接合パッドを更に含む、トランスデューサ構造。
【請求項9】
請求項１に記載のトランスデューサ構造であって、
前記後構造が前記表面領域を横方向に囲む、トランスデューサ構造。
前記後構造が前記表面領域を横方向に囲む、トランスデューサ構造。
【請求項10】
トランスデューサ構造を形成する方法であって、
基板に接する後構造を形成することであって、前記後構造が頂部表面を有し非導電性であり、前記基板が或る導電型及び表面領域を有する、前記後構造を形成することと、
前記後構造の前記頂部表面に接する第１の導電構造を形成することであって、前記第１の導電構造が、頂部表面を有し、前記基板の前記表面領域の上にあって前記表面領域から離間されており、前記第１の導電構造の前記頂部表面が中央領域と周りの周辺領域とを有する、前記第１の導電構造を形成することと、
前記第１の導電構造の前記周辺領域に接する第２の導電構造を形成することであって、前記第２の導電構造が、前記第１の導電構造の前記頂部表面の前記中央領域を露出させるように前記第２の導電構造を完全に貫通して延びる開口を有する、前記第２の導電構造を形成することと、
を含み、
前記第２の導電構造が前記後構造の前記頂部表面に接する、方法。
基板に接する後構造を形成することであって、前記後構造が頂部表面を有し非導電性であり、前記基板が或る導電型及び表面領域を有する、前記後構造を形成することと、
前記後構造の前記頂部表面に接する第１の導電構造を形成することであって、前記第１の導電構造が、頂部表面を有し、前記基板の前記表面領域の上にあって前記表面領域から離間されており、前記第１の導電構造の前記頂部表面が中央領域と周りの周辺領域とを有する、前記第１の導電構造を形成することと、
前記第１の導電構造の前記周辺領域に接する第２の導電構造を形成することであって、前記第２の導電構造が、前記第１の導電構造の前記頂部表面の前記中央領域を露出させるように前記第２の導電構造を完全に貫通して延びる開口を有する、前記第２の導電構造を形成することと、
を含み、
前記第２の導電構造が前記後構造の前記頂部表面に接する、方法。
【請求項11】
請求項１０に記載の方法であって、
前記第１の導電構造を形成することが、
膜を形成するように前記後構造に接する基板構造をエッチングすることと、
前記第１の導電構造を形成するように前記膜をシリサイド化することと、
を含む、方法。
前記第１の導電構造を形成することが、
膜を形成するように前記後構造に接する基板構造をエッチングすることと、
前記第１の導電構造を形成するように前記膜をシリサイド化することと、
を含む、方法。
【請求項12】
請求項１０に記載の方法であって、
前記第１の導電構造が、シリコン膜と、前記シリコン膜に接して前記シリコン膜に重なる金属シリサイドプレートとを含む、方法。
前記第１の導電構造が、シリコン膜と、前記シリコン膜に接して前記シリコン膜に重なる金属シリサイドプレートとを含む、方法。
【請求項13】
請求項１２に記載の方法であって、
前記基板の前記表面領域に接する非導電構造を形成することを更に含む、方法。
前記基板の前記表面領域に接する非導電構造を形成することを更に含む、方法。
【請求項14】
請求項１３に記載の方法であって、
前記シリコン膜と前記非導電構造の間にあって前記シリコン膜と前記非導電構造に接する真空密封キャビティを形成することを更に含む、方法。
前記シリコン膜と前記非導電構造の間にあって前記シリコン膜と前記非導電構造に接する真空密封キャビティを形成することを更に含む、方法。
【請求項15】
請求項１０に記載の方法であって、
前記基板に接する金属シリサイドパッドを形成することと、
前記金属シリサイドパッドに接する導電接合パッドを形成することと、
を更に含み、
前記後構造が、前記導電接合パッドの一部に接し、前記導電接合パッドの前記一部を水平方向に囲む、方法。
前記基板に接する金属シリサイドパッドを形成することと、
前記金属シリサイドパッドに接する導電接合パッドを形成することと、
を更に含み、
前記後構造が、前記導電接合パッドの一部に接し、前記導電接合パッドの前記一部を水平方向に囲む、方法。
【請求項16】
請求項１０に記載の方法であって、
前記第２の導電構造に接するパッシベーション構造を形成することを更に含み、前記パッシベーション構造が、前記第１の導電構造の前記中央領域を露出させる開口を有する、方法。
前記第２の導電構造に接するパッシベーション構造を形成することを更に含み、前記パッシベーション構造が、前記第１の導電構造の前記中央領域を露出させる開口を有する、方法。
【請求項17】
請求項１０に記載の方法であって、
前記基板の底部表面に接する導電接合パッドを形成することを更に含む、方法。
前記基板の底部表面に接する導電接合パッドを形成することを更に含む、方法。
【請求項18】
請求項１０に記載の方法であって、
前記後構造が前記表面領域を横方向に囲む、方法。
前記後構造が前記表面領域を横方向に囲む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）に関し、より具体的には、高周波数ＣＭＵＴに関する。
【背景技術】
【0002】
容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）は、受信した超音波を電気信号に変換するため、また、交流電気信号を送出される超音波に変換するために静電容量の変化を利用する半導体ベースの超音波トランスデューサである。
【0003】
図１Ａ〜図１Ｃは従来技術のＣＭＵＴアレイ１００を示す。図に示すＣＭＵＴアレイ１００は、単一行内に配置される３個のＣＭＵＴ要素１０２を有し、各ＣＭＵＴ要素１０２は１２個のＣＭＵＴセル１０４を有し、ＣＭＵＴセル１０４は、ＣＭＵＴセル３個分の幅及びＣＭＵＴセル４個分の長さのアレイで配置される。さらに、ＣＭＵＴ要素１０２の各隣接対は１６μｍの最小間隔Ｘを有し、ＣＭＵＴセル１０４の各隣接対は５μｍの最小間隔Ｙを有する。
【0004】
ＣＭＵＴアレイ１００はさらに、従来の様に形成される半導体基板１１０、及び半導体基板１１０に接する酸化後構造１１２を有する。半導体基板１１０は頂部表面を有し、この頂部表面は多数の離間したＣＭＵＴ表面領域１１３を有する。さらに、半導体基板１１０は、０．０１Ω／ｃｍ以下の抵抗を有するように重くドープされる。酸化後構造１１２は、各ＣＭＵＴ表面領域１１３を水平方向に囲むが覆わない。また、酸化後構造１１２は、酸化後構造１１２を完全に貫通して延びて半導体基板１１０を露出させる基板コンタクト開口１１４を有する。
【0005】
図１Ａ〜図１Ｃに示すように、ＣＭＵＴアレイ１００は、多数のセル酸化物構造１１６、対応する数のシリコン膜１２０、及び対応する数の真空密封キャビティ１２２を含む。セル酸化物構造１１６は、半導体基板１１０の頂部表面上のＣＭＵＴ表面領域１１３に接する。シリコン膜１２０は、酸化後構造１１２の頂部表面に接し、セル酸化物構造１１６の上にセル酸化物構造１１６から離間して置かれる。真空密封キャビティ１２２は、酸化後構造１１２によって水平方向に囲まれ、垂直方向にセル酸化物構造１１６とシリコン膜１２０との間に置かれる。各シリコン膜１２０は厚さが約２．２μｍである。
【0006】
ＣＭＵＴアレイ１００はさらに、多数のアルミニウムプレート１２６（これは任意選択で銅を含み得る）を含む。各アルミニウムプレート１２６は、一群のシリコン膜１２０の頂部表面に接しそれらを覆い、アルミニウムプレート１２６及び一群のシリコン膜１２０は、ＣＭＵＴ要素１０２の一部である。アルミニウムプレート１２６は、シリコン膜１２０のシート抵抗を減少させ、アルミニウムプレート１２６の頂部表面上の接合パッド領域１２８への低抵抗経路を提供する。例えば、厚さが１５００Åのアルミニウムプレートは、約１８０ｍΩ／スクウェアのシート抵抗を有する。
【0007】
さらに、ＣＭＵＴアレイ１００は、多数のアルミニウム接合パッド１３０（これは任意選択で銅を含み得る）を含み、アルミニウム接合パッド１３０は半導体基板１１０と接するように基板コンタクト開口１１４内にある。また、ＣＭＵＴアレイ１００は、酸化後構造１１２と、アルミニウムプレート１２６と、アルミニウム接合パッド１３０とに接し、これらの上にある、厚さが約２０００Åのパッシベーション層１３２を含む。パッシベーション層１３２は、アルミニウム接合パッド１３０を露出させる多数の接合パッド開口１３６と、アルミニウムプレート１２６の頂部表面上の接合パッド領域１２８を露出させる多数の接合パッド開口１３８とを有する。
【0008】
シリコン膜１２０、上に重なるアルミニウムプレート１２６部分、上に重なるパッシベーション層１３２部分が、多数の膜スタック１４０を形成し、多数の膜スタック１４０は、対応する数の真空密封キャビティ１２２の直上にある。膜スタック１４０は、真空密封キャビティ１２２及びセル酸化物構造１１６とともに、ＣＭＵＴセル１０４を形成する。さらに、ＣＭＵＴアレイ１００は半導体基板１１０の底部表面に接する音響減衰構造１４２を有する。
【0009】
動作において、第１のバイアス電圧が半導体基板１１０に印加され、半導体基板１１０は第１のコンデンサプレートとして機能し、第２のバイアス電圧がシリコン膜１２０に印加され、シリコン膜１２０は第２のコンデンサプレートとして機能する。このように、コンデンサプレートの両端の電圧が真空密封キャビティ１２２の両端にかかる。受信機として用いられる場合、超音波が膜スタック１４０を振動させる。この振動は、第１のコンデンサプレートと第２のコンデンサプレートの間の静電容量を変化させ、それによって、静電容量の変化にしたがって変化する電気信号が生成される。
【0010】
送信機として用いられる場合、バイアスされる第１及び第２のコンデンサプレートの両端に印加される交流電気信号により、膜スタック１４０が振動し、この振動により超音波が送出される。膜スタック１４０が振動する速さ又は周波数は、真空密封キャビティ１２２の横方向寸法及び膜スタック１４０の剛性を含む、多数の要因に依存する。膜スタック１４０の剛性は、膜スタック１４０の厚さに部分的に依存する。
【0011】
超音波が外向きに送出されることに加えて、超音波は半導体基板１１０の底部表面に向かって後方にも送出される。これらの後方超音波は、半導体基板１１０の厚さ及び動作周波数に応じて半導体基板１１０内で共振し得、得られる画像の質を劣化させ得る。音響減衰構造１４２は、半導体基板１１０内の超音波を吸収し減衰させる。
【0012】
図２Ａ〜図２Ｎは、ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００におけるステップを示す。図２Ａに示すように、方法２００は、従来の様に形成される単結晶シリコンウェハ２１０を利用する。シリコンウェハ２１０は、ダイサイズ領域の行及び列を有し、各ダイサイズ領域に１つ又は複数のＣＭＵＴセルが同時に形成され得る。
【0013】
簡潔にするため、図２Ａ〜図２Ｎは、２つ以上の同一のＣＭＵＴセルの同時形成を示さずに、単一のＣＭＵＴセルを有するＣＭＵＴ構造の形成を示す。図２Ａ〜図２Ｎは接合パッド構造の形成も示す。また、シリコンウェハ２１０は頂部表面を有し、この頂部表面はＣＭＵＴ表面領域２１１を有する。また、シリコンウェハ２１０は、０．０１Ω／ｃｍ以下の抵抗を有するように重くドープされる。
【0014】
方法２００は、従来の様にシリコンウェハ２１０の頂部表面上にパターニングされたフォトレジスト層を形成することによって開始される。パターニングされたフォトレジスト層が形成された後、シリコンウェハ２１０の頂部表面が既定の時間エッチングされて、２つ又はそれ以上の表面側アライメントマークが形成される。
【0015】
ウェットエッチャントが用いられる場合、結果の構造はエッチング後にリンスされる。リンス後、パターニングされたフォトレジスト層は、灰に洗浄剤を加えたものなどを用いて、従来の様に除去される。パターニングされたフォトレジスト層が除去された後、結果の構造は、ピラニアエッチングなどにより（例えば、１２０℃でＨ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２＝５０：１の溶液を用いることで、約２４０ｎｍ／分で除去される）、有機物を除去して清浄にされる。
【0016】
次に、図２Ａに示すように、方法２００は、周知のシリコン局所酸化（ＬＯＣＯＳ）プロセス（例えば、パターニングされたハードマスクの形成後、１０５０℃の蒸気で１４０分間）を用いてシリコンウェハ２１０の頂部表面上に酸化後構造２１２を約８５００Åの厚さ形成することにより継続する。酸化後構造２１２は、ＣＭＵＴ表面領域２１１を露出させＣＭＵＴ表面領域２１１を水平方向に囲む約６０μｍ幅のセル開口２１３（ハードマスクが置かれた位置であり、ＣＭＵＴセルが形成される位置）を有する。ＬＯＣＯＳプロセスはさらに、シリコンウェハ２１０の底部表面に接する裏側酸化物構造２１４を同時に形成する。
【0017】
この後、図２Ｂに示すように、シリコンウェハ２１０の頂部表面上のＣＭＵＴ表面領域２１１のセル開口２１２Ａに厚さが約４５５０Åのセル酸化物層２１６を成長させる。セル酸化物層２１６の成長により、酸化後構造２１２が成長し続け、約１０５００Åの厚さに達する。
【0018】
セル酸化物層２１６が形成された後、図２Ｃに示すように、シリコンオンオキサイド（ＳＯＩ）ウェハ２２０が、酸化後構造２１２の頂部表面に真空中で融着されて、真空密封キャビティ２２２が形成される。キャビティ２２２の深さは、セル酸化物層２１６の頂部表面から酸化後構造２１２の頂部表面まで垂直方向に測定して、約３１００Åである。
【0019】
ＳＯＩウェハ２２０は、ハンドルウェハ２２４、厚さが約１．１μｍでありハンドルウェハ２２４に接する埋め込み絶縁層２２６、及び厚さが約２．２μｍの単結晶シリコン基板構造２２８を有する。基板構造２２８は、埋め込み絶縁層２２６に接する第１の表面と、酸化後構造２１２に接する第２の表面とを有する。
【0020】
基板構造２２８が酸化後構造２１２に融着された後、図２Ｄに示すように、ハンドルウェハ２２４が従来の様に除去され、その後、絶縁層２２６が従来の様に除去される。次に、図２Ｅに示すように、基板構造２２８の第１の表面上にパターニングされたフォトレジスト層２３０が形成される。
【0021】
パターニングされたフォトレジスト層２３０が形成されると、図２Ｆに示すように、基板構造２２８の露出された領域がエッチングされて、ＣＭＵＴ膜２３２が形成される。このエッチングにより、アライメントマークも再度露出される。（その代わりに又はそれに加えて、アライメントマークがシリコンウェハ２１０の裏側に形成されてもよい。）パターニングされたフォトレジスト層２３０は従来の様に除去される。
【0022】
図２Ｇに示すように、パターニングされたフォトレジスト層２３０が除去された後、パターニングされたフォトレジスト層２４０が、酸化後構造２１２及びＣＭＵＴ膜２３２上に形成される。パターニングされたフォトレジスト層２４０が形成されると、図２Ｈに示すように、酸化後構造２１２の露出された領域は、シリコンウェハ２１０が露出されるまでエッチングされる。このエッチングにより、幅が約５０μｍの基板コンタクト開口２４１が形成される。パターニングされたフォトレジスト層２４０は従来の様に除去される。
【0023】
パターニングされたフォトレジスト層２４０が除去された後、図２Ｉに示すように、厚さが約１５００Åのアルミニウム層２４２（これは任意選択で銅を含み得る）が堆積されて、シリコンウェハ２１０、酸化後構造２１２、及びＣＭＵＴ膜２３２に接する。この後、パターニングされたフォトレジスト層２５０がアルミニウム層２４２上に形成される。
【0024】
次に、図２Ｊに示すように、アルミニウム層２４２の露出された領域がエッチングされて、酸化後構造２１２を介して延びてシリコンウェハ２１０に接するアルミニウム接合パッド２５２と、ＣＭＵＴ膜２３２の頂部表面に接しＣＭＵＴ膜２３２を覆うアルミニウムプレート２５４が形成される。パターニングされたフォトレジスト層２５０は従来の様に除去される。
【0025】
図２Ｋに示すように、パターニングされたフォトレジスト層２５０が除去された後、厚さが約２０００Åのパッシベーション層２５６が、酸化後構造１１２、アルミニウム接合パッド２５２、及びアルミニウムプレート２５４に接し、これらの上に置かれるように形成される。パッシベーション層２５６は、後続のパッケージングステップの間アルミニウムプレート２５４が損傷しないように保護する。ＣＭＵＴ膜２３２とアルミニウムプレート２５４及びパッシベーション層２５６の真空密封キャビティ２２２の上にある部分とが、膜スタック２５８を形成する。パッシベーション層２５６が形成されると、パターニングされたフォトレジスト層２６０がパッシベーション層２５６上に形成される。
【0026】
この後、図２Ｌに示すように、パッシベーション層２５６の露出された領域がエッチングされて、アルミニウム接合パッド２５２を露出させる接合パッド開口２６１と、図１Ａの接合パッド開口１３８のような、アルミニウムプレート２５４の接合パッド領域を露出させる接合パッド開口とが形成される。図２Ｍに示すように、パターニングされたフォトレジスト層２６０は従来の様に除去される。
【0027】
次に、結果の構造が処理のため反転され、裏側酸化物構造２１４が従来の様に除去される。例えば、裏側酸化物構造２１４は、化学機械研磨を用いて除去され得る。或いは、裏側酸化物構造２１４は、オーストリア共和国フィラッハＡ−９５００Ｄｒａｕｂｏｄｅｎｗｅｇ２９のＳＥＺ Ａｕｓｔｒｉａ ＧｍｂＨによるＳＥＺエッチングなどの片側ウェットエッチングを用いて除去され得る。
【0028】
裏側酸化物構造２１４が除去された後、タングステンエポキシ混合物などの音響減衰構造２６２が、シリコンウェハ２１０の底部側に堆積されて、図２Ｎに示すように、ＣＭＵＴセル２７０を備えたＣＭＵＴ構造２６４が形成される。シリコンウェハ２１０は、１つ又は複数のＣＭＵＴ要素及びセルを各々有する、多数の個別のダイを形成するようにダイシングされる。
【0029】
各ＣＭＵＴセル２７０は、比帯域幅（ＦＢ）が１００％よりも広く、Ｑが１よりも小さくなるように設計される。また、ＣＭＵＴ膜２３２と、上に重なるアルミニウムプレート２５４及びパッシベーション層２５６の部分（膜スタック２５８）が、約２０ＭＨｚの最高周波数で振動するように構成される。
【0030】
ＣＭＵＴセル２７０の１つの制限は、比帯域幅を１００％よりも広くかつＱを１よりも小さく維持しながら、より高い周波数（Ｆ０〜４０ＭＨｚ）で動作する能力である。最高周波数２０ＭＨｚは、エコー心電図などのいくつかの接触又は接触に近い身体画像化アプリケーションに適しているが、より高い周波数の動作では、より高解像力の医療画像化アプリケーションや、構造欠陥の画像化又は化学吸収に起因する周波数シフトの検出などの非浸襲評価アプリケーションが可能になる。これらのアプリケーションは、４０ＭＨｚ又はそれ以上の最高周波数を必要とする。
【0031】
所望の比帯域幅（＞１００％）及びＱ（＜１）を維持しながらより高周波数（＞２０ＭＨｚ）で動作するには、膜スタック２５８の厚さを薄くしなければならない。膜スタック２５８の厚さを薄くすると、周波数が変化して、それに従って真空密封キャビティ２２２の横方向寸法を小さくする必要がある。
【0032】
膜スタック２５８の厚さを薄くするために、ＣＭＵＴ膜２３２になるシリコン基板構造２２８の厚さを薄くし得る。例えば、シリコン基板構造２２８の厚さは、構造的な安定性を維持しながら２．２μｍ〜１μｍまで薄くし得る。しかし、厚さが１μｍになっても、効率的な高周波数動作を実現するには厚すぎる。
【0033】
また、膜スタック２５８の厚さを薄くするために、アルミニウムプレート２５４の厚さも低減し得る。しかし、アルミニウムプレート２５４の厚さを薄くすることは望ましくない。というのは、アルミニウムプレート２５４の厚さが薄くなるにつれ、アルミニウムプレート２５４のシート抵抗が大きくなるからである。
【0034】
例えば、厚さが２５０Åのアルミニウムプレートは、厚さが１５００Åのアルミニウムプレートの約１８０ｍΩ／スクウェアのシート抵抗と比較して、約１Ω／スクウェアのシート抵抗を有する。ＣＭＵＴアレイでは、接合パッド領域がＣＭＵＴセルからかなり離れた距離にあり、１Ω／スクウェアのシート抵抗を有する材料を介して電荷キャリアがこの長い距離を移動することは望ましくない。
【0035】
パッシベーション層２５６に関して、膜スタック２５８の厚さを薄くするために、パッシベーション層２５６の厚さを有意に薄くすることはできない。これは、後続のパッケージングステップの間パッシベーション層２５６がアルミニウムプレート２５４を保護するからである。そのため、パッシベーション層２５６の厚さは、必要とされる保護のレベルによって決まり、アルミニウムプレート２５４の厚さが薄くされる場合にはパッシベーション層２５６の厚さを厚くする必要があり得る。
【0036】
このように、ＣＭＵＴ膜２３２の厚さが可能な限り薄くされると、膜スタック２５８の最高振動周波数をさらに高くする手法が依然として必要とされている。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1A】従来技術のＣＭＵＴアレイ１００の平面図である。
【0038】
【0039】
【0040】
【図2A】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2B】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2C】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2D】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2E】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2F】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2G】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2H】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2I】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2J】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2K】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2L】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2M】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【図2N】ＣＭＵＴ構造を形成する従来技術の方法２００を示す断面図である。
【0041】
【図3A】本発明の実施形態に従った例示のＣＭＵＴアレイ３００の平面図である。
【0042】
【0043】
【0044】
【図4A】本発明に従ったＣＭＵＴ構造を形成する方法４００の例を示す断面図である。
【図4B】本発明に従ったＣＭＵＴ構造を形成する方法４００の例を示す断面図である。
【図4C】本発明に従ったＣＭＵＴ構造を形成する方法４００の例を示す断面図である。
【図4D】本発明に従ったＣＭＵＴ構造を形成する方法４００の例を示す断面図である。
【0045】
【図5A】本発明の別の実施形態に従ったＣＭＵＴアレイ５００の例の平面図である。
【0046】
【0047】
【0048】
【図6A】本発明の代替実施形態に従ったＣＭＵＴ構造を形成する方法６００の例を示す断面図である。
【図6B】本発明の代替実施形態に従ったＣＭＵＴ構造を形成する方法６００の例を示す断面図である。
【図6C】本発明の代替実施形態に従ったＣＭＵＴ構造を形成する方法６００の例を示す断面図である。
【0049】
【図7A】本発明の別の実施形態に従った例示のＣＭＵＴアレイ７００の平面図である。
【0050】
【0051】
【発明を実施するための形態】
【0053】
図３Ａ〜図３Ｃに示すように、ＣＭＵＴアレイ３００は、単一行内に配置される３個のＣＭＵＴ要素３０２を有し、各ＣＭＵＴ要素３０２は１２個のＣＭＵＴセル３０４を有し、ＣＭＵＴセル３０４は、ＣＭＵＴセル３個分の幅及びＣＭＵＴセル４個分の長さのアレイで配置される。さらに、ＣＭＵＴ要素３０２の各隣接対は１６μｍの最小間隔Ｘを有し、ＣＭＵＴセル３０４の各隣接対は５μｍの最小間隔Ｙを有する。
【0054】
ＣＭＵＴアレイ３００はさらに、従来の様に形成される半導体基板３１０、及び半導体基板３１０に接する後構造３１２を含む。半導体基板３１０は頂部表面を有し、この頂部表面は多数の離間したＣＭＵＴ表面領域３１３を有する。さらに、本実施例では、半導体基板３１０は、約０．０１Ω／ｃｍ以下の抵抗を有するように重くドープされる。
【0055】
後構造３１２は、非導電性であり、各ＣＭＵＴ表面領域３１３を水平方向に囲むが覆わない。また、本実施例では、後構造３１２は、後構造３１２を完全に貫通して延びて半導体基板３１０を露出させる、多数の基板コンタクト開口３１４を有する。後構造３１２は、例えば、酸化物で実装され得る。
【0056】
図３Ａ〜図３Ｃに示すように、ＣＭＵＴアレイ３００は、多数の非導電構造３１６、対応する数のシリコン膜３２０、及び対応する数の真空密封キャビティ３２２を含む。非導電構造３１６は、半導体基板３１０の頂部表面上のＣＭＵＴ表面領域３１３に接する。シリコン膜３２０は、導電性であり、後構造３１２の頂部表面に接し、非導電構造３１６の上に非導電構造３１６から離間している。また、真空密封キャビティ３２２は、後構造３１２によって水平方向に囲まれ、垂直方向に非導電構造３１６とシリコン膜３２０の間にある。
【0057】
この実施例では、各シリコン膜３２０は厚さが約１．０μｍである。また、各キャビティ３２２の深さは、非導電構造３１６の頂部表面から後構造３１２の頂部表面まで垂直方向に測定して、約１２００Åである。
【0058】
ＣＭＵＴアレイ３００はさらに、シリコン膜３２０の露出される表面に対応し、これらを覆う多数の金属シリサイドプレート３２６を含む。金属シリサイドプレート３２６は、互いに離間され、シリコン膜３２０のシート抵抗を減少させる。各金属シリサイドプレート３２６は頂部表面を有し、この頂部表面は中央領域及びその周囲の周辺領域を有する。ＣＭＵＴアレイ３００はさらに、半導体基板３１０と接するように基板コンタクト開口３１４内に置かる、多数の金属シリサイドパッド３２８を含む。
【0059】
また、ＣＭＵＴアレイ３００は、多数のアルミニウム構造３３０（これは任意選択で銅を含み得る）を含む。各アルミニウム構造３３０は、後構造３１２及び一群の金属シリサイドプレート３２６に接する。アルミニウム構造３３０及び一群の金属シリサイドプレート３２６は、ＣＭＵＴ要素３０２の一部である。
【0060】
各アルミニウム構造３３０は、接合パッド領域３３２と、アルミニウム構造３３０を完全に貫通して延びて、一群の金属シリサイドプレート３２６内の金属シリサイドプレートの中央領域を露出させる多数の開口３３４とを有する。その結果、各アルミニウム構造３３０は、一群の金属シリサイドプレート３２６内の金属シリサイドプレートの周辺領域に接する。アルミニウム構造３３０は、金属シリサイドプレート３２６からアルミニウム構造３３０上の接合パッド領域３３２への低抵抗経路を提供する。接合パッド領域３３２は、後にワイヤが接合される領域である。
【0061】
本実施例では、各金属シリサイドプレート３２６は、約２５０Åの厚さ及び約４〜５Ω／スクウェアのシート抵抗を有し、アルミニウム構造３３０は、約８５００Åの厚さ及び約３２ｍΩ／スクウェアのシート抵抗を有する。そのため、接合パッド領域３３２から真空密封キャビティ３２２の中央の上にある点までのシート抵抗は、アルミニウム構造３３０のシート抵抗と金属シリサイドプレート３２６のシート抵抗の合成である。その結果、アルミニウム構造３３０は、金属シリサイドプレート３２６に対してシート抵抗補償を提供する。
【0062】
ＣＭＵＴアレイ３００はさらに、多数のアルミニウム接合パッド３４０（これは任意選択で銅を含み得る）を含み、アルミニウム接合パッド３４０は、金属シリサイドパッド３２８との電気的接続をするための基板コンタクト開口３１４内にある。本実施例では、金属シリサイドパッド３２８は約２５０Åの厚さを有し、アルミニウム接合パッド３４０は約８５００Åの厚さを有する。
【0063】
シリコン膜３２０及び上に重なる金属シリサイドプレートが、多数の膜スタック３４２を形成し、これら多数の膜スタック３４２は対応する数の真空密封キャビティ３２２の直上にある。膜スタック３４２は、真空密封キャビティ３２２及び非導電構造３１６とともに、ＣＭＵＴセル３０４を形成する。さらに、ＣＭＵＴアレイ３００は、任意選択で、半導体基板３１０の底部表面に接する音響減衰構造３４４を有する。
【0064】
動作において、第１のバイアス電圧が、第１のコンデンサプレートとして機能する半導体基板３１０に印加され、第２のバイアス電圧が、第２のコンデンサプレートとして機能するシリコン膜３２０に印加される。このように、コンデンサプレートの両端の電圧が真空密封キャビティ３２２の両端にかかる。
【0065】
受信機として用いられる場合、超音波が膜スタック３４２を振動させる。この振動は、第１のコンデンサプレートと第２のコンデンサプレートの間の静電容量を変化させ、それによって、静電容量の変化にしたがって変化する電気信号が生成される。送信機として用いられる場合、バイアスされる第１及び第２のコンデンサプレートの両端に印加される交流電気信号により膜スタック３４２が振動し、この振動により超音波が送出される。
【0066】
超音波が外向きに送出されることに加えて、超音波は半導体基板３１０の底部表面に向かって後方にも送出される。これらの後方超音波は、半導体基板３１０の厚さ及び動作周波数によっては半導体基板３１０内で共振し得、得られる画像の質を劣化させ得る。存在する場合、音響減衰構造３４４が、半導体基板３１０における超音波を吸収し減衰させる。
【0067】
この例の利点の１つは、ＣＭＵＴアレイ３００が厚いアルミニウムプレートの代わりにそれよりもはるかに薄い金属シリサイドプレートを用いることである。本発明の別の利点は、ＣＭＵＴアレイ３００により厚いパッシベーション層が不要となり、ひいては、コストのかかるマスキングステップが不要となることである。厚いパッシベーション層をなくし得るのは、金属シリサイドプレート３２６及びアルミニウム構造３３０が後続のパッケージングステップの間の保護を必要としないためである。
【0068】
結果として、ＣＭＵＴ膜３２０の厚さが可能な限り薄くされると、本発明におけるＣＭＵＴ膜３２０に重なる材料の厚さの合計は、従来技術のＣＭＵＴアレイ１００のアルミニウムプレート１２６及びパッシベーション層１３２の厚さの合計よりも実質的に薄くなる。
【0069】
例えば、厚さ２０００Åのパッシベーション層１３２をなくすことによって、かつ、従来技術アレイ１００の厚さ１５００Åのアルミニウムプレート１２６の代わりに、厚さ２５０Åの金属シリサイドプレート３２６を用いることによって、ＣＭＵＴ膜３２０に重なる材料の厚さが約３２５０Å薄くなる。ＣＭＵＴ膜３２０の上にある材料の厚さを薄くすることによって、ＣＭＵＴ膜３２０の厚さを薄くすることと相まって、真空密封キャビティ３２２の横方向寸法を小さくすることにより振動の最大レートが増加され得る。そのため、比帯域幅を１００％より大きく、かつ、Ｑを１未満に維持しながら、振動レートが４０ＭＨｚ又はそれ以上に達し得る。
【0070】
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明に従ったＣＭＵＴ構造を形成する例示の方法４００を示す。方法４００は、方法４００では酸化後構造２１２及びセル酸化物層２１６の厚さが薄くされる点を除き、図２Ｈに示すパターニングされたフォトレジスト層２４０の除去まで、従来技術の方法２００に類似のステップに従い得る。
【0071】
また、方法４００では、セル酸化物層２１６の頂部表面から酸化後構造２１２の頂部表面まで垂直方向に測定したキャビティ２２２の深さは、約１２００Åである。そのため、方法４００では、方法２００と同じ参照数字を用いて両方法に共通の構造を示す。
【0072】
図４Ａに示すように、パターニングされたフォトレジスト層２４０が除去された後、方法４００は、ＣＭＵＴ膜２３２上に金属シリサイドプレート４１０を形成し、半導体基板２１０の露出された領域上の基板コンタクト開口２４１に金属シリサイドパッド４１２を形成するように、従来の金属シリサイドステップで継続する。金属シリサイドプレート４１０は、中央領域及び周囲の周辺領域を備えた頂部表面を有する。
【0073】
例えば、コバルト、白金、チタン、又はニッケルなどのシリサイド材料が、約２５０Åの深さまでスパッタ堆積され得る。或いは、シリサイドの漏出を防ぐキャップを形成する、２００Åのコバルトに続く５０Åのチタンを用いることもできる。シリサイド材料がスパッタ堆積された後、従来の様に、例えば、Ｎ２内で５２５℃で１分間、初期急熱プロセスが実施される。
【0074】
初期急熱プロセスに続いて、酸化後構造２１２から、例えば、Ｈ３ＰＯ４／Ｈ２Ｏ２を２０分間用いて、未反応シリサイド材料が湿式除去される。未反応材料が除去されると、例えば、Ｎ２内で８００℃で１分間、第２の急熱プロセスが実施される。第２の急熱プロセスによりシリサイド反応が完了する。
【0075】
図４Ｂに示すように、金属シリサイドプレート４１０及び金属シリサイドパッド４１２の形成に続いて、酸化後構造２１２、金属シリサイドプレート４１０、及び金属シリサイドパッド４１２に接するように、厚さが約８５００Åのアルミニウム層４１４（これは任意選択で銅を含み得る）が堆積される。この後、パターニングされたフォトレジスト層４１６がアルミニウム層４１４上に形成される。
【0076】
次に、図４Ｃに示すように、アルミニウム層４１４の露出された領域がエッチングされて、酸化後構造２１２の上にありそれを介して延びて金属シリサイドパッド４１２に接するアルミニウム接合パッド４２０と、酸化後構造２１２及び金属シリサイドプレート４１０に接するアルミニウム構造４２２とが形成される。また、このエッチングにより、アルミニウム構造４２２に開口４２４が形成される。開口４２４は、金属シリサイドプレート４１０の周辺領域に接するアルミニウム構造４２２を残して、金属シリサイドプレート４１０の中央領域を露出させる。次いで、パターニングされたフォトレジスト層４１６が従来の様に除去される。
【0077】
音響減衰構造が必要とされる場合、結果の構造は処理のため反転され、裏側酸化物構造２１４が従来の様に除去される。例えば、裏側酸化物構造２１４は、化学機械研磨を用いて除去され得る。又は、裏側酸化物構造２１４は、ＳＥＺエッチングなどの片側ウェットエッチングを用いて除去されてもよい。
【0078】
裏側酸化物構造２１４の除去に続いて、タングステンエポキシ混合物などの音響減衰構造４２６が、シリコンウェハ２１０の底部に従来の様に形成されて、図４Ｄに示すように、ＣＭＵＴセル４３２を有するＣＭＵＴ構造４３０が形成される。次いで、シリコンウェハ２１０がダイシングされて、各々１つ又は複数のＣＭＵＴ要素及びセルを有する、多数の個別のダイが形成される。
【0080】
ＣＭＵＴアレイ５００は、ＣＭＵＴアレイ３００に類似しており、そのため、両ＣＭＵＴアレイに共通の構造を示すために同じ参照数字を用いる。図５Ａ〜図５Ｃに示すように、ＣＭＵＴアレイ５００は、ＣＭＵＴアレイ５００がアルミニウム構造３３０に接しその上にある多数のパッシベーション構造５１０を含む点でＣＭＵＴアレイ３００と異なる。
【0081】
各パッシベーション構造５１０は、金属シリサイドプレート３２６及び接合パッド領域を露出させる多数の開口５１２を含む。そのため、パッシベーション層が、金属シリサイドプレート３２６の全てを覆うように形成されなくてもアルミニウム構造３３０が保護され得るように、アルミニウム構造３３０の上に交互に形成され得る。その結果、金属シリサイドプレート３２６の中央領域の上にはパッシベーション層がない。
【0083】
方法６００は、図４Ｃに示すパターニングされたフォトレジスト層４１６の除去まで、方法４００と同じであり、図６Ａに示すように、金属シリサイドプレート４１０、アルミニウム接合パッド４２０、及びアルミニウム構造４２２上のパッシベーション層６１０の堆積で続く。パッシベーション層６１０が形成されると、パターニングされたフォトレジスト層６１２がパッシベーション層６１０上に従来の様に形成される。
【0084】
その後、図６Ｂに示すように、パッシベーション層６１０の露出された領域がエッチングされて、アルミニウム接合パッド４２０、金属シリサイドプレート４１０の中央領域、及びアルミニウム構造４２２の接合パッド領域を露出させる。次いで、図６Ｃに示すように、パターニングされたフォトレジスト層６１２は従来の様に除去される。音響減衰構造が必要とされる場合、結果の構造が反転されて、裏側酸化物構造４２６を形成するように方法４００と同様に処理が続く。
【0086】
ＣＭＵＴアレイ７００は、ＣＭＵＴアレイ５００に類似しており、そのため、両ＣＭＵＴアレイに共通の構造を示すために同じ参照数字を用いる。図７Ａ〜図７Ｃに示すように、ＣＭＵＴアレイ７００は、ＣＭＵＴアレイ７００が、半導体基板３１０に接し半導体基板３１０と電気的に接続されるように半導体基板３１０内に延びる多数の裏側コンタクト７１０を含む点で、ＣＭＵＴアレイ５００と異なる。
【0087】
半導体基板３１０は重くドープされているので、裏側コンタクト７１０は、半導体基板３１０にオーミック接触する。また、半導体基板３１０への電気的接続は裏側からなされるので、基板コンタクト開口３１４、金属シリサイドパッド３２８、及びアルミニウム接合パッド３４０は省かれ得る。また、代替としてパッシベーション構造５１０が省かれ得、そのため、ＣＭＵＴアレイ３００が、裏側コンタクトを備えるが、基板コンタクト開口３１４、金属シリサイドパッド３２８、及びアルミニウム接合パッド３４０を備えずに形成されるようにし得る。
【0088】
裏側コンタクト７１０は、裏側酸化物構造２１４が除去された後、米国特許第７，６４６，０６４号において裏側アルミニウムプラグ３９０の形成に際して説明されたものと同じようにして形成され得、米国特許第７，６４６，０６４号は参照により本明細書に組み込まれる。裏側コンタクト７１０の形成に続いて、音響減衰構造が必要とされる場合には、次に音響減衰構造４２６が、裏側コンタクト７１０を露出させるように従来の方式で音響減衰構造４２６内に開口が形成されることを除き、前と同様に形成される。
【0089】
本発明の特許請求の範囲内で多くの他の実施形態及び変形が可能であることが当業者には理解されよう。