JP2007067398A - 過酷な化学的、熱的環境に晒される半導体をベースにした圧力センサー用メタルコンタクトシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車の排気ガス環境のように、酸や上昇された温度環境に露出される半導体圧力センサー装置に適した強度な耐腐食性の電気的導電性コンタクトシステムを提供する。
【解決手段】 好ましい実施例（１０）は、プラチナ最上層（２６）、タンタル下部層（２４）を有する。双方ともに、高い電気的導電性の層であり、酸性の環境に対し耐腐食性を示す。金属化の最上層はまた、外部接続（例えば、ワイヤボンディング、はんだバンプ、チップーチップ融合）のために好ましい金属を提供する。金属化の下部層はまた、上層金属と下部層、典型的にシリコンベースのグラスとの間の接着層としても機能し、ある場合には、拡散バリアとして機能する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、概して半導体圧力センサー装置に関し、特に、過酷な化学的、熱的環境への露出に適したセンサー装置についてのコンタクトシステムを提供することに関する。

半導体装置、例えば半導体をベースにした圧力センサーは、酸性の自動車排気ガス環境のような過酷な環境下で使用されている。ピエゾ抵抗型のセンサーの場合、電気的に導電性の金属化（metallization）が利用されており、センサーハウジングからセンサーのオーミックコンタクトへの電気的接続を一般にワイヤボンディング接続によって可能にしている。オーミックコンタクトは、ドープされたシリコンによって圧力センサーのピエゾ抵抗部分に電気的に接続されている。

過酷な環境での半導体ベースの圧力センサーの使用は、一般に良く使われているアルミニウムベースの金属化の酸性環境で生じ得る腐食への感受性によってしばしば制限される。この問題に対処するため種々のアプローチが採られている。１つのアプローチは、特許文献１に開示されており、センサーとワイヤボンドがジェルによって覆われ、センサーが腐食から保護されている。しかしながら、ジェルは、酸性および湿気に対して透過性であり、それゆえ、もし、金属化システムが露出される媒体に対して本質的に頑強でなければ、センサーは、最終的に腐食により故障してしまう。

苛酷な環境に晒される半導体ベースの圧力センサーの金属腐食に関するチャレンジは、特許文献２、特許文献３および特許文献４において述べられている。これらは、本発明と異なり、電気的に導電性でありかつ耐腐食性のある金属コンタクトシステムを開示していない。その代わり、これらの特許文献は、内在する金属化を保護するためのコーティングおよび／またはパッケージする種々のセンサーを開示しているが、それらの技術は、望まれているものよりも大きく、また高価な半導体センサーになっている。例えば、特許文献４に使用される電気的絶縁層は、パッケージの枠組みを強いるアルミニウムボンドパッドを覆っておらず、より大きな、それゆえ高価な半導体圧力センサーを必要とする。

特許文献５は、アルミニウムの金属化の腐食問題を解決するため、金、チタン−タングステンの金属化を開示している。しかしながら、チタン−タングステン層は、金層の不完全さを介してある排気ガス環境に晒されたときに腐食されやすく、また、チタン−タングステン層のエッジで腐食されやすい。

米国特許第６，６５１，５０８ 米国特許第６，５８４，８５３ 米国特許第６，０３０，６８４ 米国特許第６，０８５，５９６ 米国特許第６，１０７，１７０

本発明の目的は、上記した従来技術の制限から脱し半導体圧力センサーへの耐腐食性のある電気的接続システムを提供することである。
本発明の他の目的は、過酷な酸性および熱的環境への露出に対して好適な半導体ベースの圧力センサーとともに使用される、耐腐食性のある、低コストな電気的接続システムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、自動車の排気システムにおいて好適に使用される半導体タイプの圧力センサーについて低コストな電気的接続システムを提供することである。

本発明の教示するところによれば、ピエゾ抵抗型圧力センサに適するように不純物がドープされ、かつ典型的にガラスパッシベーション層が形成された半導体基板は、金属電気コンタクトの配置のためドープされた半導体の領域を露出するようにパターン化される。好ましいオーミックコンタクト層、例えば、プラチナシリサイドまたはタンタルシリサイドがドープされた半導体の露出された領域に形成され、タンタル層がオーミックコンタクト層上に付着され、典型的に、緻密な膜を形成するため好ましい方法を用いてパッシベーション層が付着される。タンタルの耐腐食性は、例外的である。アルミニウムやチタン−タングステンと異なり、タンタルは、フッ酸を除き、１５０℃以下のすべての酸に対して事実上不活性である。但し、フッ酸は、多くのアプリケーションにおいて問題ではない。大部分のケースでは、プラチナや他の貴金属、例えば、金、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、ロジウムのような耐腐食金属の１つもしくはそれ以上の層が加えられることが好ましい。後者の他の貴金属は、
半導体圧力センサーをセンサーパッケージに接続する一般的な電気的接続技術、
例えばワイヤボンディング等に対しタンタルよりも導電性が高い。

本発明によれば、自動車の排気ガス環境のように、酸や上昇された温度環境に露出される半導体圧力センサー装置に適した強度な耐腐食性の電気的導電性コンタクトシステムを提供する。

電気的コンタクトシステムの他の目的、効果は、以下の本発明の好ましい実施の態様において詳細に説明される。図１を参照すると、センサーのダイアフラム部分で切断した断面図が示され、半導体タイプのピエゾ圧力センサー１０は、シリコンからなる半導体基板１２を有し、半導体基板１２は、基板表面１２ａに導電性リードを形成する不純物ドープ領域１４を有している。ピエゾ抵抗型の圧力センサーの場合、ピエゾ抵抗１５が導電性リードの部分に示されている。好適なパッシベーション層、例えば二酸化シリコン２０とその上の窒化シリコン１８、あるいは二酸化シリコン２０とその上の炭化シリコン３２が基板表面１２ａ上に形成され、それから開口（ビア）２２がパッシベーション層１８／３２、２０に形成される。耐腐食性のオーミックコンタクト層、例えば、プラチナシリサイド１６、またはタンタルシリサイド１７が、一般的な半導体プロセスで開口２２内に形成される。そして、タンタルからなる緻密な層２４がオーミックコンタクト１６／１７上に形成され、この層２４は、開口２２の側面からパッシベーション層１８／３２の表面にまで延びている。アルミニウムやチタン−タングステンと異なり、タンタルは、フッ化水素酸を除き、１５０℃以下のすべての酸に対して事実上不活性である。しかしながら、フッ化水素酸への露出は、ほとんどのアプリケーションにおいて問題ではなく、フッ化水素酸に対する感受性は、いくつかの場合に、センサーの製造中に、費用効果の良いウエットケミカルエッチングを可能にする。タンタル層が腐食に対して頑強であることは重要であり、なぜなら、露出されたエッジ３５での腐食が抑制されることが必要であり、もし、保護のために更なる上層があるとしても、上層はその不完全さにより信頼することができない。不完全さのいくつかの例は、ピンホール、傷、および組立中に引き起こされるダメージであり、これらは腐食を導き得る。例えば、特許文献２は、ワイヤボンディング中に、どのようにして導電性パッドに小さなクラックが形成され得るのか、そしてクラックが腐食を導き得ることを記載している。センサー１０は、最上層としてタンタル層２４を用いて使用されるけれども、すなわち、ケミカル攻撃に対する保護のために耐腐食金属によって覆われる必要はないけれども、ワイヤボンディングに対してより導電性のある材料の層２６、例えば、プラチナ層などを追加することが望ましく、半導体センサーを、ワイヤボンド２８およびジェル２９で覆われた図２に示すセンサーパッケージ２の他の構成部品との電気的な接続を容易にする。

タンタルは、周期表のグループＶＢの元素である。“化学およびプロセス産業のための構成材としてのタンタル−重要調査”(Tantalum as a material of construction for the chemical and processing industry − A critical survey)、ユー グランベルグ、エム レナー、およびエッチ ディークマン、金属および腐食４６、ｐ６９１、６９２、１９９５に報告されているように、「電子配置により、このグループの金属および隣のＶＩとＶＩＢのグループの金属は、非常に陰性であり、それ故、“反応性”（Reactive）金属と呼ばれている。他方、高い反応性はまた、周囲温度で非常に安定的な酸素の形成を導き、従って、一般的な化学的不活性に必須の条件を提供する。しかしながら、金属を保護するために、酸化層は金属と強固に結合しなければならず、低いレベルの内部応力のみを生じさせ、かつ損傷の際に自発的に形成されるようにするため、酸化層は欠陥がなく、非常に薄くなければならない。すべての条件は、タンタルおよびその酸化物、Ｔａ₂Ｏ₅によって満足され、これは、結果として強力な化学的不活性をもつ高い反応性金属の興味深い現象となる。

タンタル層２４は、もし所望されるならば、ニオブ層３０に置き換えることができよう。ニオブは、タンタルと同様に、ＶＢグループの元素であり、その物理的および化学的性質は、タンタルに類似しており、ほとんどタンタルと同様に耐腐食性である。

プラチナや金のように高価な耐腐食性金属は、典型的にパッシベーション層に良く接着しない。それゆえ、高価な金属とパッシベーション層の間の接触層として機能するタンタル層により利点が提供される、タンタルは、窒化シリコンや二酸化シリコン等のシリコンガラス層に良く接着する。タンタル層は、例えば金に対する拡散バリアとしても機能することにも留意すべきである。

過酷な酸の環境に対するプラチナタンタル金属化の優れた化学的な頑強さは、いくつかのテストによって証明された。例えば、あるテストでは、アルミニウム金属化を有するピエゾ抵抗型圧力センサー、金 チタン−タングステン金属化を有するピエゾ抵抗型圧力センサー、およびプラチナタンタル金属化を有するピエゾ抵抗型半導体センサーが、信越によって製造されたジェル（gel）、Ｓｉｆｅｌ８０７０によって覆われ、１０．１１Ｍの塩酸水溶液に８０℃で浸された。アルミニウムセンサーは、溶液から２時間後に取り出され、ＳＥＭ解析は、アルミニウム金属化の強烈な腐食を示した。金 チタン−タングステンセンサーおよびプラチナタンタルセンサーは、１２０時間後に塩酸溶液から取り出され、ＳＥＭ解析は、金とチタン−タングステン層の強烈な腐食を示したが、プラチナタンタル金属化の腐食の兆候は全く示さなかった。

別なテストでは、アルミニウム金属化を有するピエゾ抵抗型圧力センサー、金 チタン−タングステン金属化を有するピエゾ抵抗型圧力センサー、およびプラチナタンタル金属化を有するピエゾ抵抗型半導体センサーが、５．０２Ｍ硫酸溶液と４．９７Ｍ硝酸溶液に８０℃で浸された。アルミニウムセンサーは、９０分後に溶液から取り出され、ＳＥＭ解析は、アルミニウム金属化の強烈な腐食を示した。金 チタン−タングステンセンサーおよびプラチナタンタルセンサーは、１６時間後に溶液から取り出され、ＳＥＭ解析は、金チタン−タングステン金属化の強烈な腐食を示したが、プラチナタンタル金属化の腐食の兆候を示さなかった。

プラチナタンタルコンタクトシステムの金属化は、一般的な半導体プロセスによって製造することができる。一例を示せば、半導体基板からスタートし、メタルコンタクトのためのビアを露出するようにパッシベーション層（例えば、二酸化シリコン上の窒化シリコン）をパターン化し、ビアにオーミックコンタクトを形成し、例えば、プラチナをスパッタリングし、プラチナシリサイドを形成するためにプラチナを熱処理し、必要としない領域（例えば、イオンビームミリング）からプラチナを除去することでプラチナシリサイドを形成し、約５００オングストロームの厚さにスパッタリング（または緻密な膜を生成する他のデポジション方法）によりタンタル層を付着し、それからタンタルの酸化を抑制するために原位置で約４０００オングストロームの厚さのプラチナ層を付着し、一般的なフォトリソグラフ処理（スピンフォトレジスト、レジストキュア、紫外線照射および現像）でプラチナタンタル金属層をパターン化し、必要のない領域からプラチナ（Ｐｔ）およびタンタル（Ｔａ）層を除去し（例えば、イオンビームミリング）、フォトレジスト（金属エッチマスク）を分解する。

いくつかの好ましい実施例を介して本発明を説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において変更や修正を行うことができる。例えば、タンタル層２４またはニオブ層３０は、もし望むならば、タンタル合金またはニオブ合金にそれぞれ置換し得るものである。また、最上のプラチナ層２６は、もし望むならば、１つもしくはそれ以上の以下の貴金属またはその合金に置換され、または補強することができる：金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、またはロジウム。さらに、シリサイドの代わりに、十分に高くドープされた半導体基板の表面領域を良好なオーミックコンタクトを形成するために用いることができる。

本発明は、ピエゾ抵抗型圧力センサーにおける使用を述べたが、開示された金属化システムの利益は、他の半導体ベースの圧力センサー技術、例えばキャパシティブタイプへ適用できることは明らかである。

本発明に従い作成された電気接続システムを示す半導体ベースの圧力センサーの切断された断面の正面図である。 パッケージにワイヤボンドされたセンサーを有する図1に示すセンサーを含む圧力センサーパッケージの断面の正面図である。

符号の説明

１０：圧力センサー
１２：半導体基板
１２ａ：基板表面
１４：不純物ドープ領域
１５：ピエゾ抵抗
１６：プラチナシリサイド
１７：タンタルシリサイド
１８：窒化シリコン
２０：二酸化シリコン
２２：開口
２４：タンタル層
２６：プラチナ層
２８：ワイヤボンディング
２９：ジェル
３０：ニオブ層
３５：エッジ

Claims (20)

1. 過酷な化学的および熱的環境において使用するピエゾ抵抗型センサーの金属電気接続システムであって、
   半導体基板、半導体基板の一部に電気的に導電性の不純物がドープされた不純物ドープ領域、不純物ドープ領域を含む半導体基板の表面上に形成されたパッシベーション層、パッシベーション層に形成され、不純物ドープ領域の一部を露出する開口、不純物ドープ領域の一部に形成され、開口に整合されるオーミックコンタクト、およびオーミックコンタクト上の開口に形成されたタンタルおよびタンタル合金の少なくともいずれかを含む層を有する、金属電気接続システム。
2. 前記タンタルおよびタンタル合金の少なくともいずれかを含む層は、開口の側面およびパッシベーション層上に延在する、請求項１に記載の金属電気接続システム。
3. 金属電気接続システムはさらに、前記タンタルおよびタンタル合金の１つからなる層上に貴金属層を含む、請求項１に記載の金属電気接続システム。
4. 前記貴金属は、プラチナ（白金）である、請求項３に記載の金属電気接続システム。
5. 前記貴金属は、プラチナ、金、イリジウム（iridium）、パラジウム(palladium)、ルテニウム(ruthenium)、ロジウム(rhodium)、およびこれらの合金からなるグループの中から選択される、請求項３に記載の金属電気接続システム。
6. 前記タンタルおよびタンタル合金の少なくともいずれかを含む層は、約５００オングストロームの厚さである、請求項１に記載の金属電気接続システム。
7. プラチナは、約４０００オングストロームの厚さである、請求項４に記載の金属電気接続システム。
8. オーミックコンタクトは、プラチナシリサイドである、請求項１に記載の金属電気接続システム。
9. オーミックコンタクトは、タンタルシリサイドである、請求項１に記載の金属電気接続システム。
10. 金属電気接続システムはさらに、半導体基板上に形成され、不純物ドープ領域に電気的に内部接続されたピエゾ抵抗素子を含む、請求項１に記載の金属電気接続システム。
11. 過酷な化学的および熱的環境において使用するピエゾ抵抗型センサーの金属電気接続システムであって、
    半導体基板、半導体基板の一部に電気的に導電性の不純物がドープされた不純物ドープ領域、不純物ドープ領域を含む半導体基板の表面上に形成されたパッシベーション層、パッシベーション層に形成され、不純物ドープ領域の一部を露出する開口、不純物ドープ領域の一部に形成され、開口に整合されるオーミックコンタクト、およびオーミックコンタクト上の開口に形成されたニオブおよびニオブ合金の少なくともいずれかを含む層を有する、金属電気接続システム。
12. 前記ニオブおよびニオブ合金の少なくともいずれかを含む層は、開口の側面およびパッシベーション層上に延在する、請求項１１に記載の金属電気接続システム。
13. 金属電気接続システムはさらに、前記ニオブおよびニオブ合金の少なくともいずれかを含む層上に貴金属層を含む、請求項１１に記載の金属電気接続システム。
14. 前記貴金属は、プラチナである、請求項１３に記載の金属電気接続システム。
15. 前記貴金属は、プラチナ、金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、およびこれらの合金からなるグループの中から選択される、請求項１３に記載の金属電気接続システム。
16. 前記ニオブおよびニオブ合金の少なくともいずれかを含む層は、約５００オングストロームの厚さである、請求項１１に記載の金属電気接続システム。
17. プラチナは、約４０００オングストロームの厚さである、請求項１４に記載の金属電気接続システム。
18. オーミックコンタクトは、プラチナシリサイドである、請求項１１に記載の金属電気接続システム。
19. オーミックコンタクトは、タンタルシリサイドである、請求項１１に記載の金属電気接続システム。
20. 金属電気接続システムはさらに、半導体基板上に形成され、不純物ドープ領域に電気的に内部接続されたピエゾ抵抗素子を含む、請求項１１に記載の金属電気接続システム。