JP3751392B2 - 半導体素子の電極構造およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成されたシリコンからなり当該基板の物理量を検出して電気信号に変換する半導体素子と、この半導体素子上に形成されかつ電気信号を外部に伝達する電極配線とを備えた半導体素子の電極構造およびその製造方法に係り、例えば、高温水蒸気の圧力検出、エンジン燃焼系の圧力検出、樹脂射出成形圧力の検出等に使用される圧力センサチップに利用することができる。
【０００２】
【背景技術】
従来より、組み込み制御等に用いられるセンサには、小型のシリコン基板等の上に形成されかつ当該基板の物理量を電気信号に変換する半導体素子と、この半導体素子上に形成されかつ電気信号を外部に伝達する電極配線とを備えたセンサチップが利用されており、このような小型のセンサであれば、センサの取り付けにスペースを多くとる必要がないので、必要に応じて測定箇所を多数設定することができ、高精度の制御システムを構築することができる。例えば、既存の組み込み制御用の圧力センサとしては、図８に示されるような内部に圧力センサチップを収納したものがある。
【０００３】
圧力センサ１は、本体部２と、この本体部２の一方の端部に接続される流体導入部３と、本体部２の他方の端部に接続されるリード線収納部４とを含んで形成されている。
本体部２の内部には圧力センサモジュール１１が収納され、流体導入部３には測定対象となる流体を導く流体導入孔５が形成され、リード線収納部４の内部には電気信号を図８では図示しない外部の信号処理手段に伝達するリード線６が収納固定されている。
【０００４】
圧力センサモジュール１１は、流体圧を検出して電気信号に変換する圧力センサチップ２１と、この圧力センサチップ２１を支持する支持台１２と、この支持台１２に接合され前記圧力センサチップ２１を覆うケース１３と、圧力センサチップ２１と支持台１２との間に介装される台座１４とを含んで形成されている。支持台１２には孔１５が形成され、その下端は前記流体導入孔５に接続されているとともに、当該孔１５の上端は台座１４に形成された貫通孔１６に接続される。そして、測定対象となる流体は、前記流体導入孔５と、支持台１２の孔１５と、台座１４の貫通孔１６とによって前記圧力センサチップ２１に導かれる。
【０００５】
ケース１３にはその内外を貫通する中継基板１７が設けられ、この中継基板１７と前記圧力センサチップ２１との間は内部配線１８により連絡されるとともに、中継基板１７の外側には、前記リード線６と接続するための入出力端子１９が設けられている。
圧力センサチップ２１は、図９に示されるように、前記台座１４上に固定されるダイアフラム３１と、このダイアフラム３１上に形成される半導体素子４１および電極配線５１とを含んで形成される。
ダイアフラム３１は、台座１４と接合される脚部３２と測定対象となる流体の圧力変化に応じて変形する感圧部となる基板３３とを有し、この基板３３の上に絶縁膜３４を介して半導体素子４１が形成されるとともに、半導体素子４１の上面は、前記電極配線５１を接続するための開口を形成した保護膜３５で覆われ、さらにその上には電極配線５１が形成されて保護膜３５の開口部分で半導体素子４１と接続されている。
【０００６】
前記基板３３上には、図１０の模式図に示されるように、半導体素子４１が４箇所形成され、これらの半導体素子４１を前記電極配線５１によって互いに連絡して４つの半導体素子４１を歪みゲージとするブリッジ回路５２を形成し、このブリッジ回路５２の端部に設けられた入出力端子５３に前記内部配線１８が接続されている。
そして、前述した基板３３の変形は、半導体素子４１により電気信号に変換され、この電気信号は電極配線５１、内部配線１８、中継基板１７、入出力端子１９、リード線６によって外部の信号処理手段に伝達される。
【０００７】
ところで、このような構造の圧力センサ１は、高温水蒸気の圧力検出やエンジン燃焼系の圧力検出や樹脂射出成形圧力の検出に使用されることがあり、このような高温環境下においては、上述した圧力センサチップ２１のように基板３３と半導体素子４１との間に絶縁膜３４が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）型圧力センサチップが用いられる。
そして、従来のＳＯＩ型圧力センサチップ２１の半導体素子の電極構造７１では、図１１の部分拡大断面図に示すように、シリコンからなる半導体素子４１の一部にホウ素を混入してコンタクト部４２を形成し、このコンタクト部４２にアルミニウム製の前記電極配線５１を接合していた。
【０００８】
しかし、このような構造の圧力センサチップ２１では、圧力センサ１の内部が３００℃以上の高温雰囲気になると、電極配線５１のアルミニウムが半導体素子４１のシリコンと反応して拡散し、半導体素子４１の抵抗が部分的に変化するので、高温環境下における正確な歪み抵抗値を得ることが困難であるという問題がある。
このため、図１２に示されるように、電極配線１５１を金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれかとし、この電極配線１５１および前記コンタクト部４２の間に、高融点窒化金属（窒化チタン）からなるバリア層６１と、高融点金属（チタン）層６２とを介装した半導体素子の電極構造１７１が特開平４−３５０９７３号公報で開示されている。
このような半導体素子の電極構造１７１であれば、バリア層６１によって電極配線１５１の金属が半導体素子４１のシリコン中に拡散することがなくなり、半導体素子４１の歪み抵抗値が高温環境下で変化することもない。尚、高融点金属層であるチタン層６２は前述したコンタクト部４２とのオーミック接触を確保するために介装されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような半導体素子の電極構造１７１では、電極配線１５１とバリア層６１とが接合されることとなるが、高融点金属窒化物（窒化チタン）とＡｕ、Ｐｔ、Ｎｉとの付着力が弱いため、当該接合面で剥離する場合があり、歪みなどの物理量を検出するセンサチップとして安定した性能を発揮できないことがあるという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、電極配線の金属が半導体素子のシリコンに拡散することがなく、かつ半導体素子のコンタクト部と電極配線との付着力を強固にすることのできる半導体素子の電極構造およびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体素子の電極構造は、基板上に形成されたシリコンからなり前記基板の物理量を検出して電気信号に変換する半導体素子上に形成されるとともに、前記電気信号を外部に伝達する半導体素子の電極構造であって、前記半導体素子のコンタクト部上に形成された高融点金属窒化物からなるバリア層と、このバリア層の上に形成された電極配線とを有し、前記バリア層は、その厚さ方向位置に応じて前記高融点金属窒化物の組成比が異なっており、前記バリア層はその層内に前記電極配線を構成する金属が前記半導体素子に拡散することを防止するバリア性を備えるとともに、前記バリア層および前記電極配線の接合境界部における前記バリア層部分は、当該バリア層を形成する高融点金属窒化物の組成比が当該バリア層に接合される対象に対する付着が強固となるように設定されており、前記高融点金属窒化物は同一金属の窒化物であり、前記高融点金属窒化物は窒化チタンであるとともに、前記バリア層は、前記電極配線に接して配置される第１の窒化チタン膜と、この第１の窒化チタン膜の下部に配置される第２の窒化チタン膜とを有し、前記第１の窒化チタン膜は、前記電極配線との付着が強固となるような組成比であり、前記第２の窒化チタン膜は、前記電極配線を構成する金属成分が前記半導体素子のコンタクト部に拡散することを防止できる組成比であり、前記第１の窒化チタン膜の膜厚は５００Å〜１０００Å、前記第２の窒化チタン膜の膜厚は３０００Å〜４０００Åとなっていることを特徴とする。
ここで、高融点金属窒化物とは、窒化チタン等の耐熱性の良好なものであり、電極配線を構成する金属成分がシリコン製の半導体素子に拡散することを防止できるバリア性を備えたものをいう。
【００１２】
このような本発明によれば、バリア層を構成する高融点金属窒化物の組成比が厚さ方向に応じて異なっているので、バリア層に段階的または連続的に異なる性能を持たせることが可能となる。
従って、バリア層のある部分ではバリア性を重視した組成比とし、他の部分では他部材との付着性を重視した組成比とすることが可能となり、このようなバリア層を備えたセンサチップであれば、上述した問題も解決され、３００℃以上の高温状態においても安定した性能が発揮される。
【００１３】
以上において、バリア層としては、その層内に電極配線を構成する金属が半導体素子に拡散することを防止するバリア性を備え、バリア層および電極配線の接合境界部におけるバリア層部分の高融点金属の組成比は、当該バリア層と接合される対象に対する付着が強固となるように設定されたバリア層とするのが好ましい。
ここで、「高融点金属の組成比を付着が強固となるように設定する」とは、薄膜と基板との付着力測定に用いられるいわゆる引っ張り法、引き剥がし法による試験を行った場合、バリア層および電極配線間、バリア層および半導体素子のコンタクト部間のいずれにおいても層間剥離が生じないような付着力を有する高融点金属窒化物の組成比をいう。
具体的には、例えば、高融点金属窒化物が窒化チタンであれば、窒化チタンに対するチタン成分の割合が６０％以上でありかつ限りなく純粋な金属チタンに近くなるような組成比をいう。
【００１４】
一方、バリア層の層内における高融点金属窒化物は、バリア性を損なわないような組成比となっていることが好ましく、例えば上述した窒化チタンであれば、窒化チタンに対するチタン成分の割合が６０％未満であれば、バリア機能が維持される。
バリア層が上述した高融点金属窒化物の組成比となっていれば、接合境界部における層間剥離を生じることがなくかつバリア性を損なうこともないので、センサチップの性能が一層安定化される。
尚、上述した半導体素子の電極構造では、コンタクト部とバリア層との付着性よりも電極配線とバリア層との付着性の方が弱く、主として電極配線とバリア層との付着を強固にすれば本発明の目的が達成される。
【００１５】
また、バリア層としては、高融点金属窒化物の組成比が互いに異なる膜を積層した２層構造となったバリア層を採用するのが好ましい。
すなわち、バリア層が２層構造となっていることにより、一定組成比の高融点金属窒化物の膜を段階的に形成することが可能となり、各々の膜にバリア性、付着性等要求性能に応じた性質を持たせることが可能となる。
さらに、上述したバリア層を構成する高融点金属窒化物は、同一金属の窒化物であるのが好ましい。
すなわち、同一金属の窒化物によりバリア層を形成すれば、異種金属窒化物間の付着性を検討する必要もなく、スパッタリングによる膜形成に際してもターゲットとなる金属の種類の変更をする必要もなくバリア層形成の工程の合理化を図ることができる。
【００１６】
また、上述した高融点金属窒化物は窒化チタンであるのが好ましく、バリア層は、電極配線との接合境界部に配置される第１の窒化チタン膜と、この下部に配置される第２の窒化チタン膜とを有し、第１の窒化チタン膜の組成比は、窒化チタンに対するチタンの原子数割合が６２％〜７５％であるとともに、第２の窒化チタン膜の組成比は、窒化チタンに対するチタンの原子数割合が５０％〜５９％であるのが好ましい。
上述した組成の第１の窒化チタン膜と第２の窒化チタン膜とを積層してバリア層とすれば、電極配線との付着性を確保しかつバリア性を維持した高性能の半導体素子の電極構造を形成することが可能となる。
【００１７】
また、本発明に係る半導体素子の電極構造の製造方法は、基板上に形成されたシリコンからなり当該基板の物理量を検出して電気信号に変換する半導体素子上に形成されるとともに、前記電気信号を外部に伝達する半導体素子の電極構造の製造方法であって、前記半導体素子の電極構造は、前記半導体素子のコンタクト部上に形成された高融点金属窒化物からなるバリア層と、このバリア層の上に形成された電極配線とを有し、当該バリア層がその厚さ方向位置に応じて前記高融点金属窒化物の組成比が異なる膜を積層した多層構造となっていて、前記バリア層はその層内に前記電極配線を構成する金属が前記半導体素子に拡散することを防止するバリア性を備えるとともに、前記バリア層および前記電極配線の接合境界部における前記バリア層部分は、当該バリア層を形成する高融点金属窒化物の組成比が当該バリア層に接合される対象に対する付着が強固となるように設定されており、前記高融点金属窒化物は同一金属の窒化物であり、前記高融点金属窒化物は窒化チタンであるとともに、前記バリア層は、前記電極配線に接して配置される第１の窒化チタン膜と、この第１の窒化チタン膜の下部に配置される第２の窒化チタン膜とを有し、前記第１の窒化チタン膜は、前記電極配線との付着が強固となるような組成比であり、前記第２の窒化チタン膜は、前記電極配線を構成する金属成分が前記半導体素子のコンタクト部に拡散することを防止できる組成比であり、前記第１の窒化チタン膜の膜厚は５００Å〜１０００Å、前記第２の窒化チタン膜の膜厚は３０００Å〜４０００Åとなっており、前記バリア層は、高融点金属をターゲットとして不活性ガス中に窒素ガスを添加した雰囲気中で行われるリアクティブスパッタリングにより形成され、当該バリア層を構成する各々の膜は、前記窒素ガスの添加量を時間とともに段階的に変化させて形成されることを特徴とする。
【００１８】
このような本発明によれば、窒素ガスの添加量を変化させるだけで上述したバリア層を備えた半導体素子の電極構造を形成することが可能となり、バリア層形成の合理化が図られるとともに、窒素ガスの添加量を段階的に変化させることにより、窒素ガスの添加量を常に調整する必要がなくなるので、バリア層形成のための工程作業の簡単化が図られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、既に説明した部材または部分と同一の部材または部分については、同一符号を付してその説明を省略または簡略する。
図１には、本発明の実施形態に係る半導体素子の電極構造の部分拡大図が示されており、背景技術における図１１または図１２に相当する図である。
半導体素子の電極構造２７１は、基板３３上に形成されるシリコン製の半導体素子４１と、この半導体素子４１のコンタクト部４２上に形成された高融点金属窒化物である窒化チタンからなるバリア層２６１と、このバリア層２６１の上に形成された電極配線１５１とを含んで形成されている。
【００２０】
この電極配線１５１との接合境界部には、前記バリア層２６１を構成する第１の窒化チタン膜２６１Ａが配置され、さらに第１の窒化チタン膜２６１Ａの下部には当該第１のチタン膜２６１Ａとは窒化チタンの組成比の異なる第２の窒化チタン膜２６１Ｂが配置され、前記バリア層２６１は２層構造をなしている。
第１の窒化チタン膜２６１Ａは、上部に配置される電極配線１５１との付着を強固にするために、チタン分の多い組成となっていて、具体的には窒化チタンに対するチタンの原子数割合が６２％〜７５％となっている。
第２の窒化チタン膜２６１Ｂは、３００℃以上の高温雰囲気中で電極配線１５１中の金属が半導体素子４１に熱拡散するのを防止するために、チタン分の少ない組成となっていて、具体的には、窒化チタンに対するチタンの原子数割合が５０％〜５９％となっている。
尚、第１の窒化チタン膜２６１Ａの膜厚Ｔ１は５００Å〜１０００Å、第２の窒化チタン膜２６１Ｂの膜厚Ｔ２は３０００Å〜４０００Åとなっていて、膜厚Ｔ２に対して膜厚Ｔ１は十分小さな厚さ寸法となっている。
また、電極配線１５１は、耐熱性の良好な金属を採用するのが望ましいので、前述した金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち、金（Ａｕ）によって形成されている。
【００２１】
このような半導体素子の電極構造２７１は、マグネトロンスパッタリングにより形成される。
予め、保護膜３５にコンタクト部４２と電極配線１５１とを接続するための開口を形成した後、２種類の窒化チタンからなるバリア層２６１をリアクティブスパッタリングにより形成する。
【００２２】
具体的には、ターゲットをチタンとするスパッタリング装置を用いて、まず、第１の窒化チタン膜２６１Ａの組成比となるようにアルゴンガス中に窒素ガスを添加してスパッタリングを行う。
第１の窒化チタン膜２６１Ａに必要な膜厚さが確保された後、第２の窒化チタン膜２６１Ｂの組成比となるように窒素ガスの添加量を調整する。そして、第２の窒化チタン膜２６１Ｂの必要厚さが確保された後、最後に、純粋なアルゴンガス雰囲気中で金（Ａｕ）をターゲットとしてマグネトロンスパッタリングを行い、電極配線１５１を形成する。
【００２３】
以上のような実施形態によれば、以下のような効果がある。
バリア層２６１を構成する窒化チタンの組成比が第１の窒化チタン膜２６１Ａと第２の窒化チタン膜２６１Ｂとで異なっているので、その各々で異なる性能を持たせることができる。
すなわち、第１の窒化チタン膜２６１Ａには電極配線１５１との付着性能を持たせ、第２の窒化チタン膜２６１Ｂにはバリア性能を持たせることにより、半導体素子の電極構造２７１をバリア性と付着性の良好な電極構造とすることができる。従って、バリア層２６１を備えたこのような半導体素子の電極構造２７１を組み込んだセンサチップであれば、３００℃以上の高温雰囲気であっても、安定した性能を発揮することができる。
【００２４】
また、バリア層２６１が第１の窒化チタン膜２６１Ａおよび第２の窒化チタン膜２６１Ｂという同一金属の窒化物からなっているので、リアクティブスパッタリングによるバリア層の形成に際して、アルゴンガス中の窒素ガス添加量を１回調整するだけで、上記性能を具備するバリア層を形成することができるので、バリア層形成工程の合理化および簡単化を図ることができる。
【００２５】
【実施例】
上述した第１の窒化チタン膜２６１Ａおよび第２の窒化チタン膜２６１Ｂの組成比は、具体的には、次のようにして決定している。
まず、リアクティブスパッタリングにおいて、窒素ガス添加量と形成される窒化チタン膜の組成比との関係をオージェ電子分光による定量分析によって求めた。
その結果、図２に示すように、スパッタリング装置中の窒素流量比、すなわち装置内の全ガス量に対する窒素ガスの割合が増加するに従って、窒化チタンは、グラフＬ１に示すように窒化チタンに対するチタンの原子数割合が低下していき、窒素流量比が略５０％で平衡状態となることがわかった。
【００２６】
「バリア性の評価」
基板３３上に形成された半導体素子４１上に、チタンの原子数割合が７９％、７５％、６２％、５９％、５６％、５３％、５０％という７種類の異なる窒化チタンによって、図１における第２の窒化チタン膜２６１Ｂ（膜厚３０００Å〜４０００Å）を７種類形成した。
そして、これらの第２の窒化チタン膜２６１Ｂ上に金（Ａｕ）からなる電極配線１５１を形成し、４５０℃、５００℃、５５０℃の高温雰囲気で１時間放置してそれぞれの窒化チタン膜のバリア性を確認した。その結果を表１に示す。
尚、表１中のバリア性の確認は、次のような評価を基準としている。
◎ バリア性は良好で半導体素子への拡散は認められない。
△ 部分的に拡散が生じ、半導体素子が部分的に合金化している。
× 当該温度条件におけるバリア性はなく、半導体素子が全て合金化してい
る。
【００２７】
【表１】
【００２８】
これにより、前述した第２の窒化チタン膜２６１Ｂとしては、チタン原子数割合が５０％〜５９％の窒化チタンをすれば、バリア性が十分確保できることがわかった。
【００２９】
「付着性の評価」
チタン原子数割合５０％の窒化チタンを第２の窒化チタン膜２６１Ｂ（膜厚４０００Å）として、この第２の窒化チタン膜２６１Ｂ上に、チタンの原子数割合が７９％、７５％、６２％、５９％、５６％、５３％、５０％という７種類の異なる窒化チタンによって、図１における第１の窒化チタン膜２６１Ａ（膜厚５００Å〜１０００Å）を７種類形成した。
そして、バリア性の評価と同様に、各々の第１の窒化チタン膜２６１Ａの上に電極配線１５１（Ａｕ）を形成した半導体素子の電極構造２７１についてそれぞれの付着性を評価した。
【００３０】
ここで、付着性の評価は、引き剥がし法および引っ張り法による試験を行い、引き剥がし法による試験は、図３に示すように、半導体素子４１上にバリア層２６１、電極配線１５１を積層形成した電極構造２７１に幅２０mmのテープ８１を貼り、テープ８１をＰ方向に剥がした後に当該半導体素子の電極構造２７１の剥がれ状況を確認したものである。
一方、引っ張り法による試験は、図４に示すように、半導体素子４１上にバリア層２６１、電極配線１５１を積層形成した電極構造２７１の電極配線１５１の上面に金属細線（Ａｕ線 φ０．０５mm）８２をボールボンディングし、当該金属細線８２をＵ方向に引っ張った後に半導体素子の電極構造２７１の剥がれ状況を確認したものである。
【００３１】
また、上記付着性の確認に加えて、上述した半導体素子の電極構造２７１を４５０℃、５００℃、５５０℃の高温雰囲気で１時間放置して、第１の窒化チタン膜２６１Ａと電極配線１５１との合金化状態を確認した。
このような試験を加えたのは、電極配線１５１が合金化すると電極配線の抵抗値に変化が生ずるとともに、電極配線１５１に接合して外部に配線するための金属細線が剥離する不具合が生じ、適切な電気信号を外部の信号処理手段に伝達することができなくなってしまうためである。
以上の３種類の試験を行った結果を表２に示す。
【００３２】
尚、表２中の付着性の確認は、次のような評価を基準としている。
◎ 付着性は良好で電極配線の剥離は認められない。
△ １０％程度の電極配線の剥離が認められる。
× 電極配線が剥離し、付着性が良好とは言い難い。
また、表２中の合金化状態の確認は、次のような評価を基準としている。
◎ 合金化はなく、状態は良好である。
○ 合金化が若干認められるが、状態はほぼ良好である。
△ 合金化が一部に認められる。
× 合金化した部分が多く、状態不良である。
【００３３】
【表２】
【００３４】
これにより、第１の窒化チタン膜２６１Ａとしては、チタン原子数割合が６２％〜７５％の窒化チタンを採用すると、電極配線１５１との付着性が良好であり、かつ電極配線１５１との合金化もほとんどないことがわかった。
【００３５】
上述の試験結果に基づいて、第１の窒化チタン膜２６１Ａのチタン原子数割合を７０％とし、第２の窒化チタン膜２６１Ｂのチタン原子数割合を５０％とした半導体素子の電極構造２７１を形成した。
そして、３００℃という高温雰囲気中に長時間暴露して、半導体素子４１のコンタクト部４２および第２の窒化チタン膜２６１Ｂの間の抵抗値の変化率と、電極配線１５１および第１の窒化チタン膜２６１Ａの間の抵抗値の変化率を測定した。
【００３６】
コンタクト部４２および第２の窒化チタン膜２６１Ａの間の抵抗値の変化率は、図５に示されるグラフＬ２のように、３００℃という高温雰囲気中に５００時間以上放置しても抵抗値の変化がほとんど認められず、第２の窒化チタン膜２６１Ｂの優れたバリア性を確認することができた。
尚、図５中グラフＬ３は背景技術の図１１に示される半導体素子の電極構造７１の抵抗変化率を測定したものであり、抵抗値が大きく変動しているのがわかる。
【００３７】
電極配線１５１および第１の窒化チタン膜２６１Ａの間の抵抗値の変化率は、図６に示されるグラフＬ４のように、３００℃という高温雰囲気中に５００時間以上放置しても、やはり抵抗値の変化はほとんど認められず、第１の窒化チタン膜２６１Ａが電極配線１５１と付着性が良好であり、かつ電極配線１５１との合金化も生じることのないものであることが確認できた。
尚、図６におけるグラフＬ５は、背景技術の図１１に示される半導体素子の電極構造７１の抵抗値の変化率を測定したものであり、前述と同様に抵抗値が大きく変化しているのがわかる。
【００３８】
尚、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、次に示すような変形をも含むものである。
すなわち、前述の実施形態では、第１の窒化チタン膜２６１Ａのチタン原子数割合として６２％〜７５％のものを採用し、第２の窒化チタン膜２６１Ｂとして５０％〜５９％のものを採用し、３００℃という高温雰囲気における長期耐久性を確認していたが、これに限らず、第１の窒化チタン膜、第２の窒化チタン膜の組成比の決定に際しては、実際の使用場面での温度条件、要求される耐久性等を考慮して適宜設定すればよい。
【００３９】
また、前述の実施形態では、半導体素子の電極構造２７１はバリア層２６１が第１の窒化チタン膜２６１Ａと第２の窒化チタン膜２６１Ｂとからなる２層構造であったが、これに限らず、図７に示すように、第１の窒化チタン膜２６１Ａと、この下部に配置される第２の窒化チタン膜２６１Ｂと、さらにこの第２の窒化チタン膜２６１Ｂとコンタクト部４２との間に窒化チタンまたはチタンからなる第３の膜３６１Ｃを備えた３層構造のバリア層３６１を備えた半導体素子の電極構造３７１であってもよい。
この場合、第３の膜３６１は、コンタクト部４２とのオーミック接触を一層良好にするために介装されるものであり、半導体素子４１が単結晶である場合には、第３の膜の組成をチタンリッチとすることが望ましく、その膜厚は、第１の窒化チタン膜２６１Ａと同様に５００Å〜１０００Å程度とするのが好ましい。
【００４０】
さらに、前述の実施形態では、バリア層２６１の窒化チタンの組成比は段階的に変化していたが、これに限らず、窒化チタンの組成比がその厚さ方向位置に応じて連続的に変化するようなバリア層であってもよい。
要するに、バリア層の厚さ方向位置に応じて、当該位置におけるバリア性、付着性等の機能を確保できるような構造であれば、本発明の目的を達成することができる。
【００４１】
そして、前述の実施形態では、高融点金属窒化物は窒化チタンとしていたが、これに限らず、他の金属窒化物によってバリア層を形成してもよい。要するに、本発明におけるバリア層は、高温雰囲気においても熱拡散によって半導体素子が合金化することがなく、かつ電極配線との付着性が良好なバリア層であれば、本発明の目的を達成することができる。
【００４２】
また、前述の実施形態では、電極構造、配線構造をマグネトロンスパッタリングにより形成していたが、これに限らず、イオンビームスパッタリング等他のスパッタリングによって形成してもよい。要するに、バリア層の形成に際してリアクティブスパッタリングが併用できるような方法であればよい。
さらに、圧力センサチップ２１は、基板にサファイアを用いて、その上に半導体素子４１を形成した、いわゆるＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）型圧力センサチップであってもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および形状等は本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
前述のような本発明の半導体素子の電極構造によれば、バリア層を構成する高融点金属窒化物の組成比が厚さ方向に応じて変化させてバリア層に段階的または連続的に異なる性能を持たせることができるので、電極配線の金属が半導体素子のシリコンに拡散することがなく、かつ半導体素子のコンタクト部と電極配線との付着力を強固にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体素子の電極構造を表す部分断面図である。
【図２】前述の実施形態におけるバリア層を構成する窒化チタンの組成比と、リアクティブスパッタリングにおける窒素流量比の関係を表す相関図である。
【図３】前述の実施形態のバリア層の付着性確認のための引き剥がし法による試験方法を表す断面図である。
【図４】前述の実施形態のバリア層の付着性確認のための引っ張り法による試験方法を表す断面図である。
【図５】前述の実施形態における高温雰囲気への暴露時間と、バリア層およびコンタクト部の抵抗変化率との関係を表す関係図である。
【図６】前述の実施形態における高温雰囲気への暴露時間と、バリア層および電極配線の間の抵抗変化率との関係を表す関係図である。
【図７】前述の実施形態の変形となる半導体素子の電極構造を表す部分断面図である。
【図８】従来例における半導体素子の電極構造を用いた圧力センサチップを利用した圧力センサを表す断面図である。
【図９】従来の圧力センサチップを表す断面図である。
【図１０】従来の圧力センサチップ上に形成された電極配線を表す模式図である。
【図１１】従来の半導体素子の電極構造を表す部分断面図である。
【図１２】従来の半導体素子の電極構造を表す部分断面図である。
【符号の説明】
３３ 基板
４１ 半導体素子
４２ コンタクト部
１５１ 電極配線
１７１、２７１、３７１ 半導体素子の電極構造
２６１、３６１ バリア層
２６１Ａ 第１の窒化チタン膜
２６１Ｂ 第２の窒化チタン膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成されたシリコンからなり当該基板の物理量を検出して電気信号に変換する半導体素子と、この半導体素子上に形成されかつ電気信号を外部に伝達する電極配線とを備えた半導体素子の電極構造およびその製造方法に係り、例えば、高温水蒸気の圧力検出、エンジン燃焼系の圧力検出、樹脂射出成形圧力の検出等に使用される圧力センサチップに利用することができる。
【０００２】
【背景技術】
従来より、組み込み制御等に用いられるセンサには、小型のシリコン基板等の上に形成されかつ当該基板の物理量を電気信号に変換する半導体素子と、この半導体素子上に形成されかつ電気信号を外部に伝達する電極配線とを備えたセンサチップが利用されており、このような小型のセンサであれば、センサの取り付けにスペースを多くとる必要がないので、必要に応じて測定箇所を多数設定することができ、高精度の制御システムを構築することができる。例えば、既存の組み込み制御用の圧力センサとしては、図８に示されるような内部に圧力センサチップを収納したものがある。
【０００３】
圧力センサ１は、本体部２と、この本体部２の一方の端部に接続される流体導入部３と、本体部２の他方の端部に接続されるリード線収納部４とを含んで形成されている。
本体部２の内部には圧力センサモジュール１１が収納され、流体導入部３には測定対象となる流体を導く流体導入孔５が形成され、リード線収納部４の内部には電気信号を図８では図示しない外部の信号処理手段に伝達するリード線６が収納固定されている。
【０００４】
圧力センサモジュール１１は、流体圧を検出して電気信号に変換する圧力センサチップ２１と、この圧力センサチップ２１を支持する支持台１２と、この支持台１２に接合され前記圧力センサチップ２１を覆うケース１３と、圧力センサチップ２１と支持台１２との間に介装される台座１４とを含んで形成されている。支持台１２には孔１５が形成され、その下端は前記流体導入孔５に接続されているとともに、当該孔１５の上端は台座１４に形成された貫通孔１６に接続される。そして、測定対象となる流体は、前記流体導入孔５と、支持台１２の孔１５と、台座１４の貫通孔１６とによって前記圧力センサチップ２１に導かれる。
【０００５】
ケース１３にはその内外を貫通する中継基板１７が設けられ、この中継基板１７と前記圧力センサチップ２１との間は内部配線１８により連絡されるとともに、中継基板１７の外側には、前記リード線６と接続するための入出力端子１９が設けられている。
圧力センサチップ２１は、図９に示されるように、前記台座１４上に固定されるダイアフラム３１と、このダイアフラム３１上に形成される半導体素子４１および電極配線５１とを含んで形成される。
ダイアフラム３１は、台座１４と接合される脚部３２と測定対象となる流体の圧力変化に応じて変形する感圧部となる基板３３とを有し、この基板３３の上に絶縁膜３４を介して半導体素子４１が形成されるとともに、半導体素子４１の上面は、前記電極配線５１を接続するための開口を形成した保護膜３５で覆われ、さらにその上には電極配線５１が形成されて保護膜３５の開口部分で半導体素子４１と接続されている。
【０００６】
前記基板３３上には、図１０の模式図に示されるように、半導体素子４１が４箇所形成され、これらの半導体素子４１を前記電極配線５１によって互いに連絡して４つの半導体素子４１を歪みゲージとするブリッジ回路５２を形成し、このブリッジ回路５２の端部に設けられた入出力端子５３に前記内部配線１８が接続されている。
そして、前述した基板３３の変形は、半導体素子４１により電気信号に変換され、この電気信号は電極配線５１、内部配線１８、中継基板１７、入出力端子１９、リード線６によって外部の信号処理手段に伝達される。
【０００７】
ところで、このような構造の圧力センサ１は、高温水蒸気の圧力検出やエンジン燃焼系の圧力検出や樹脂射出成形圧力の検出に使用されることがあり、このような高温環境下においては、上述した圧力センサチップ２１のように基板３３と半導体素子４１との間に絶縁膜３４が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）型圧力センサチップが用いられる。
そして、従来のＳＯＩ型圧力センサチップ２１の半導体素子の電極構造７１では、図１１の部分拡大断面図に示すように、シリコンからなる半導体素子４１の一部にホウ素を混入してコンタクト部４２を形成し、このコンタクト部４２にアルミニウム製の前記電極配線５１を接合していた。
【０００８】
しかし、このような構造の圧力センサチップ２１では、圧力センサ１の内部が３００℃以上の高温雰囲気になると、電極配線５１のアルミニウムが半導体素子４１のシリコンと反応して拡散し、半導体素子４１の抵抗が部分的に変化するので、高温環境下における正確な歪み抵抗値を得ることが困難であるという問題がある。
このため、図１２に示されるように、電極配線１５１を金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれかとし、この電極配線１５１および前記コンタクト部４２の間に、高融点窒化金属（窒化チタン）からなるバリア層６１と、高融点金属（チタン）層６２とを介装した半導体素子の電極構造１７１が特開平４−３５０９７３号公報で開示されている。
このような半導体素子の電極構造１７１であれば、バリア層６１によって電極配線１５１の金属が半導体素子４１のシリコン中に拡散することがなくなり、半導体素子４１の歪み抵抗値が高温環境下で変化することもない。尚、高融点金属層であるチタン層６２は前述したコンタクト部４２とのオーミック接触を確保するために介装されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような半導体素子の電極構造１７１では、電極配線１５１とバリア層６１とが接合されることとなるが、高融点金属窒化物（窒化チタン）とＡｕ、Ｐｔ、Ｎｉとの付着力が弱いため、当該接合面で剥離する場合があり、歪みなどの物理量を検出するセンサチップとして安定した性能を発揮できないことがあるという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、電極配線の金属が半導体素子のシリコンに拡散することがなく、かつ半導体素子のコンタクト部と電極配線との付着力を強固にすることのできる半導体素子の電極構造およびその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体素子の電極構造は、基板上に形成されたシリコンからなり前記基板の物理量を検出して電気信号に変換する半導体素子上に形成されるとともに、前記電気信号を外部に伝達する半導体素子の電極構造であって、前記半導体素子のコンタクト部上に形成された高融点金属窒化物からなるバリア層と、このバリア層の上に形成された電極配線とを有し、前記バリア層は、その厚さ方向位置に応じて前記高融点金属窒化物の組成比が異なっており、前記バリア層はその層内に前記電極配線を構成する金属が前記半導体素子に拡散することを防止するバリア性を備えるとともに、前記バリア層および前記電極配線の接合境界部における前記バリア層部分は、当該バリア層を形成する高融点金属窒化物の組成比が当該バリア層に接合される対象に対する付着が強固となるように設定されており、前記高融点金属窒化物は同一金属の窒化物であり、前記高融点金属窒化物は窒化チタンであるとともに、前記バリア層は、前記電極配線に接して配置される第１の窒化チタン膜と、この第１の窒化チタン膜の下部に配置される第２の窒化チタン膜とを有し、前記第１の窒化チタン膜は、前記電極配線との付着が強固となるような組成比であり、前記第２の窒化チタン膜は、前記電極配線を構成する金属成分が前記半導体素子のコンタクト部に拡散することを防止できる組成比であり、前記第１の窒化チタン膜の膜厚は５００Å〜１０００Å、前記第２の窒化チタン膜の膜厚は３０００Å〜４０００Åとなっていることを特徴とする。
ここで、高融点金属窒化物とは、窒化チタン等の耐熱性の良好なものであり、電極配線を構成する金属成分がシリコン製の半導体素子に拡散することを防止できるバリア性を備えたものをいう。
【００１２】
このような本発明によれば、バリア層を構成する高融点金属窒化物の組成比が厚さ方向に応じて異なっているので、バリア層に段階的または連続的に異なる性能を持たせることが可能となる。
従って、バリア層のある部分ではバリア性を重視した組成比とし、他の部分では他部材との付着性を重視した組成比とすることが可能となり、このようなバリア層を備えたセンサチップであれば、上述した問題も解決され、３００℃以上の高温状態においても安定した性能が発揮される。
【００１３】
以上において、バリア層としては、その層内に電極配線を構成する金属が半導体素子に拡散することを防止するバリア性を備え、バリア層および電極配線の接合境界部におけるバリア層部分の高融点金属の組成比は、当該バリア層と接合される対象に対する付着が強固となるように設定されたバリア層とするのが好ましい。
ここで、「高融点金属の組成比を付着が強固となるように設定する」とは、薄膜と基板との付着力測定に用いられるいわゆる引っ張り法、引き剥がし法による試験を行った場合、バリア層および電極配線間、バリア層および半導体素子のコンタクト部間のいずれにおいても層間剥離が生じないような付着力を有する高融点金属窒化物の組成比をいう。
具体的には、例えば、高融点金属窒化物が窒化チタンであれば、窒化チタンに対するチタン成分の割合が６０％以上でありかつ限りなく純粋な金属チタンに近くなるような組成比をいう。
【００１４】
一方、バリア層の層内における高融点金属窒化物は、バリア性を損なわないような組成比となっていることが好ましく、例えば上述した窒化チタンであれば、窒化チタンに対するチタン成分の割合が６０％未満であれば、バリア機能が維持される。
バリア層が上述した高融点金属窒化物の組成比となっていれば、接合境界部における層間剥離を生じることがなくかつバリア性を損なうこともないので、センサチップの性能が一層安定化される。
尚、上述した半導体素子の電極構造では、コンタクト部とバリア層との付着性よりも電極配線とバリア層との付着性の方が弱く、主として電極配線とバリア層との付着を強固にすれば本発明の目的が達成される。
【００１５】
また、バリア層としては、高融点金属窒化物の組成比が互いに異なる膜を積層した２層構造となったバリア層を採用するのが好ましい。
すなわち、バリア層が２層構造となっていることにより、一定組成比の高融点金属窒化物の膜を段階的に形成することが可能となり、各々の膜にバリア性、付着性等要求性能に応じた性質を持たせることが可能となる。
さらに、上述したバリア層を構成する高融点金属窒化物は、同一金属の窒化物であるのが好ましい。
すなわち、同一金属の窒化物によりバリア層を形成すれば、異種金属窒化物間の付着性を検討する必要もなく、スパッタリングによる膜形成に際してもターゲットとなる金属の種類の変更をする必要もなくバリア層形成の工程の合理化を図ることができる。
【００１６】
また、上述した高融点金属窒化物は窒化チタンであるのが好ましく、バリア層は、電極配線との接合境界部に配置される第１の窒化チタン膜と、この下部に配置される第２の窒化チタン膜とを有し、第１の窒化チタン膜の組成比は、窒化チタンに対するチタンの原子数割合が６２％〜７５％であるとともに、第２の窒化チタン膜の組成比は、窒化チタンに対するチタンの原子数割合が５０％〜５９％であるのが好ましい。
上述した組成の第１の窒化チタン膜と第２の窒化チタン膜とを積層してバリア層とすれば、電極配線との付着性を確保しかつバリア性を維持した高性能の半導体素子の電極構造を形成することが可能となる。
【００１７】
また、本発明に係る半導体素子の電極構造の製造方法は、基板上に形成されたシリコンからなり当該基板の物理量を検出して電気信号に変換する半導体素子上に形成されるとともに、前記電気信号を外部に伝達する半導体素子の電極構造の製造方法であって、前記半導体素子の電極構造は、前記半導体素子のコンタクト部上に形成された高融点金属窒化物からなるバリア層と、このバリア層の上に形成された電極配線とを有し、当該バリア層がその厚さ方向位置に応じて前記高融点金属窒化物の組成比が異なる膜を積層した多層構造となっていて、前記バリア層はその層内に前記電極配線を構成する金属が前記半導体素子に拡散することを防止するバリア性を備えるとともに、前記バリア層および前記電極配線の接合境界部における前記バリア層部分は、当該バリア層を形成する高融点金属窒化物の組成比が当該バリア層に接合される対象に対する付着が強固となるように設定されており、前記高融点金属窒化物は同一金属の窒化物であり、前記高融点金属窒化物は窒化チタンであるとともに、前記バリア層は、前記電極配線に接して配置される第１の窒化チタン膜と、この第１の窒化チタン膜の下部に配置される第２の窒化チタン膜とを有し、前記第１の窒化チタン膜は、前記電極配線との付着が強固となるような組成比であり、前記第２の窒化チタン膜は、前記電極配線を構成する金属成分が前記半導体素子のコンタクト部に拡散することを防止できる組成比であり、前記第１の窒化チタン膜の膜厚は５００Å〜１０００Å、前記第２の窒化チタン膜の膜厚は３０００Å〜４０００Åとなっており、前記バリア層は、高融点金属をターゲットとして不活性ガス中に窒素ガスを添加した雰囲気中で行われるリアクティブスパッタリングにより形成され、当該バリア層を構成する各々の膜は、前記窒素ガスの添加量を時間とともに段階的に変化させて形成されることを特徴とする。
【００１８】
このような本発明によれば、窒素ガスの添加量を変化させるだけで上述したバリア層を備えた半導体素子の電極構造を形成することが可能となり、バリア層形成の合理化が図られるとともに、窒素ガスの添加量を段階的に変化させることにより、窒素ガスの添加量を常に調整する必要がなくなるので、バリア層形成のための工程作業の簡単化が図られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、既に説明した部材または部分と同一の部材または部分については、同一符号を付してその説明を省略または簡略する。
図１には、本発明の実施形態に係る半導体素子の電極構造の部分拡大図が示されており、背景技術における図１１または図１２に相当する図である。
半導体素子の電極構造２７１は、基板３３上に形成されるシリコン製の半導体素子４１と、この半導体素子４１のコンタクト部４２上に形成された高融点金属窒化物である窒化チタンからなるバリア層２６１と、このバリア層２６１の上に形成された電極配線１５１とを含んで形成されている。
【００２０】
この電極配線１５１との接合境界部には、前記バリア層２６１を構成する第１の窒化チタン膜２６１Ａが配置され、さらに第１の窒化チタン膜２６１Ａの下部には当該第１のチタン膜２６１Ａとは窒化チタンの組成比の異なる第２の窒化チタン膜２６１Ｂが配置され、前記バリア層２６１は２層構造をなしている。
第１の窒化チタン膜２６１Ａは、上部に配置される電極配線１５１との付着を強固にするために、チタン分の多い組成となっていて、具体的には窒化チタンに対するチタンの原子数割合が６２％〜７５％となっている。
第２の窒化チタン膜２６１Ｂは、３００℃以上の高温雰囲気中で電極配線１５１中の金属が半導体素子４１に熱拡散するのを防止するために、チタン分の少ない組成となっていて、具体的には、窒化チタンに対するチタンの原子数割合が５０％〜５９％となっている。
尚、第１の窒化チタン膜２６１Ａの膜厚Ｔ１は５００Å〜１０００Å、第２の窒化チタン膜２６１Ｂの膜厚Ｔ２は３０００Å〜４０００Åとなっていて、膜厚Ｔ２に対して膜厚Ｔ１は十分小さな厚さ寸法となっている。
また、電極配線１５１は、耐熱性の良好な金属を採用するのが望ましいので、前述した金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち、金（Ａｕ）によって形成されている。
【００２１】
このような半導体素子の電極構造２７１は、マグネトロンスパッタリングにより形成される。
予め、保護膜３５にコンタクト部４２と電極配線１５１とを接続するための開口を形成した後、２種類の窒化チタンからなるバリア層２６１をリアクティブスパッタリングにより形成する。
【００２２】
具体的には、ターゲットをチタンとするスパッタリング装置を用いて、まず、第１の窒化チタン膜２６１Ａの組成比となるようにアルゴンガス中に窒素ガスを添加してスパッタリングを行う。
第１の窒化チタン膜２６１Ａに必要な膜厚さが確保された後、第２の窒化チタン膜２６１Ｂの組成比となるように窒素ガスの添加量を調整する。そして、第２の窒化チタン膜２６１Ｂの必要厚さが確保された後、最後に、純粋なアルゴンガス雰囲気中で金（Ａｕ）をターゲットとしてマグネトロンスパッタリングを行い、電極配線１５１を形成する。
【００２３】
以上のような実施形態によれば、以下のような効果がある。
バリア層２６１を構成する窒化チタンの組成比が第１の窒化チタン膜２６１Ａと第２の窒化チタン膜２６１Ｂとで異なっているので、その各々で異なる性能を持たせることができる。
すなわち、第１の窒化チタン膜２６１Ａには電極配線１５１との付着性能を持たせ、第２の窒化チタン膜２６１Ｂにはバリア性能を持たせることにより、半導体素子の電極構造２７１をバリア性と付着性の良好な電極構造とすることができる。従って、バリア層２６１を備えたこのような半導体素子の電極構造２７１を組み込んだセンサチップであれば、３００℃以上の高温雰囲気であっても、安定した性能を発揮することができる。
【００２４】
また、バリア層２６１が第１の窒化チタン膜２６１Ａおよび第２の窒化チタン膜２６１Ｂという同一金属の窒化物からなっているので、リアクティブスパッタリングによるバリア層の形成に際して、アルゴンガス中の窒素ガス添加量を１回調整するだけで、上記性能を具備するバリア層を形成することができるので、バリア層形成工程の合理化および簡単化を図ることができる。
【００２５】
【実施例】
上述した第１の窒化チタン膜２６１Ａおよび第２の窒化チタン膜２６１Ｂの組成比は、具体的には、次のようにして決定している。
まず、リアクティブスパッタリングにおいて、窒素ガス添加量と形成される窒化チタン膜の組成比との関係をオージェ電子分光による定量分析によって求めた。
その結果、図２に示すように、スパッタリング装置中の窒素流量比、すなわち装置内の全ガス量に対する窒素ガスの割合が増加するに従って、窒化チタンは、グラフＬ１に示すように窒化チタンに対するチタンの原子数割合が低下していき、窒素流量比が略５０％で平衡状態となることがわかった。
【００２６】
「バリア性の評価」
基板３３上に形成された半導体素子４１上に、チタンの原子数割合が７９％、７５％、６２％、５９％、５６％、５３％、５０％という７種類の異なる窒化チタンによって、図１における第２の窒化チタン膜２６１Ｂ（膜厚３０００Å〜４０００Å）を７種類形成した。
そして、これらの第２の窒化チタン膜２６１Ｂ上に金（Ａｕ）からなる電極配線１５１を形成し、４５０℃、５００℃、５５０℃の高温雰囲気で１時間放置してそれぞれの窒化チタン膜のバリア性を確認した。その結果を表１に示す。
尚、表１中のバリア性の確認は、次のような評価を基準としている。
◎ バリア性は良好で半導体素子への拡散は認められない。
△ 部分的に拡散が生じ、半導体素子が部分的に合金化している。
× 当該温度条件におけるバリア性はなく、半導体素子が全て合金化してい
る。
【００２７】
【表１】
これにより、前述した第２の窒化チタン膜２６１Ｂとしては、チタン原子数割合が５０％〜５９％の窒化チタンをすれば、バリア性が十分確保できることがわかった。
【００２９】
「付着性の評価」
チタン原子数割合５０％の窒化チタンを第２の窒化チタン膜２６１Ｂ（膜厚４０００Å）として、この第２の窒化チタン膜２６１Ｂ上に、チタンの原子数割合が７９％、７５％、６２％、５９％、５６％、５３％、５０％という７種類の異なる窒化チタンによって、図１における第１の窒化チタン膜２６１Ａ（膜厚５００Å〜１０００Å）を７種類形成した。
そして、バリア性の評価と同様に、各々の第１の窒化チタン膜２６１Ａの上に電極配線１５１（Ａｕ）を形成した半導体素子の電極構造２７１についてそれぞれの付着性を評価した。
【００３０】
ここで、付着性の評価は、引き剥がし法および引っ張り法による試験を行い、引き剥がし法による試験は、図３に示すように、半導体素子４１上にバリア層２６１、電極配線１５１を積層形成した電極構造２７１に幅２０mmのテープ８１を貼り、テープ８１をＰ方向に剥がした後に当該半導体素子の電極構造２７１の剥がれ状況を確認したものである。
一方、引っ張り法による試験は、図４に示すように、半導体素子４１上にバリア層２６１、電極配線１５１を積層形成した電極構造２７１の電極配線１５１の上面に金属細線（Ａｕ線 φ０．０５mm）８２をボールボンディングし、当該金属細線８２をＵ方向に引っ張った後に半導体素子の電極構造２７１の剥がれ状況を確認したものである。
【００３１】
また、上記付着性の確認に加えて、上述した半導体素子の電極構造２７１を４５０℃、５００℃、５５０℃の高温雰囲気で１時間放置して、第１の窒化チタン膜２６１Ａと電極配線１５１との合金化状態を確認した。
このような試験を加えたのは、電極配線１５１が合金化すると電極配線の抵抗値に変化が生ずるとともに、電極配線１５１に接合して外部に配線するための金属細線が剥離する不具合が生じ、適切な電気信号を外部の信号処理手段に伝達することができなくなってしまうためである。
以上の３種類の試験を行った結果を表２に示す。
【００３２】
尚、表２中の付着性の確認は、次のような評価を基準としている。
◎ 付着性は良好で電極配線の剥離は認められない。
△ １０％程度の電極配線の剥離が認められる。
× 電極配線が剥離し、付着性が良好とは言い難い。
また、表２中の合金化状態の確認は、次のような評価を基準としている。
◎ 合金化はなく、状態は良好である。
○ 合金化が若干認められるが、状態はほぼ良好である。
△ 合金化が一部に認められる。
× 合金化した部分が多く、状態不良である。
【００３３】
【表２】
これにより、第１の窒化チタン膜２６１Ａとしては、チタン原子数割合が６２％〜７５％の窒化チタンを採用すると、電極配線１５１との付着性が良好であり、かつ電極配線１５１との合金化もほとんどないことがわかった。
【００３５】
上述の試験結果に基づいて、第１の窒化チタン膜２６１Ａのチタン原子数割合を７０％とし、第２の窒化チタン膜２６１Ｂのチタン原子数割合を５０％とした半導体素子の電極構造２７１を形成した。
そして、３００℃という高温雰囲気中に長時間暴露して、半導体素子４１のコンタクト部４２および第２の窒化チタン膜２６１Ｂの間の抵抗値の変化率と、電極配線１５１および第１の窒化チタン膜２６１Ａの間の抵抗値の変化率を測定した。
【００３６】
コンタクト部４２および第２の窒化チタン膜２６１Ａの間の抵抗値の変化率は、図５に示されるグラフＬ２のように、３００℃という高温雰囲気中に５００時間以上放置しても抵抗値の変化がほとんど認められず、第２の窒化チタン膜２６１Ｂの優れたバリア性を確認することができた。
尚、図５中グラフＬ３は背景技術の図１１に示される半導体素子の電極構造７１の抵抗変化率を測定したものであり、抵抗値が大きく変動しているのがわかる。
【００３７】
電極配線１５１および第１の窒化チタン膜２６１Ａの間の抵抗値の変化率は、図６に示されるグラフＬ４のように、３００℃という高温雰囲気中に５００時間以上放置しても、やはり抵抗値の変化はほとんど認められず、第１の窒化チタン膜２６１Ａが電極配線１５１と付着性が良好であり、かつ電極配線１５１との合金化も生じることのないものであることが確認できた。
尚、図６におけるグラフＬ５は、背景技術の図１１に示される半導体素子の電極構造７１の抵抗値の変化率を測定したものであり、前述と同様に抵抗値が大きく変化しているのがわかる。
【００３８】
尚、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、次に示すような変形をも含むものである。
すなわち、前述の実施形態では、第１の窒化チタン膜２６１Ａのチタン原子数割合として６２％〜７５％のものを採用し、第２の窒化チタン膜２６１Ｂとして５０％〜５９％のものを採用し、３００℃という高温雰囲気における長期耐久性を確認していたが、これに限らず、第１の窒化チタン膜、第２の窒化チタン膜の組成比の決定に際しては、実際の使用場面での温度条件、要求される耐久性等を考慮して適宜設定すればよい。
【００３９】
また、前述の実施形態では、半導体素子の電極構造２７１はバリア層２６１が第１の窒化チタン膜２６１Ａと第２の窒化チタン膜２６１Ｂとからなる２層構造であったが、これに限らず、図７に示すように、第１の窒化チタン膜２６１Ａと、この下部に配置される第２の窒化チタン膜２６１Ｂと、さらにこの第２の窒化チタン膜２６１Ｂとコンタクト部４２との間に窒化チタンまたはチタンからなる第３の膜３６１Ｃを備えた３層構造のバリア層３６１を備えた半導体素子の電極構造３７１であってもよい。
この場合、第３の膜３６１は、コンタクト部４２とのオーミック接触を一層良好にするために介装されるものであり、半導体素子４１が単結晶である場合には、第３の膜の組成をチタンリッチとすることが望ましく、その膜厚は、第１の窒化チタン膜２６１Ａと同様に５００Å〜１０００Å程度とするのが好ましい。
【００４０】
さらに、前述の実施形態では、バリア層２６１の窒化チタンの組成比は段階的に変化していたが、これに限らず、窒化チタンの組成比がその厚さ方向位置に応じて連続的に変化するようなバリア層であってもよい。
要するに、バリア層の厚さ方向位置に応じて、当該位置におけるバリア性、付着性等の機能を確保できるような構造であれば、本発明の目的を達成することができる。
【００４１】
そして、前述の実施形態では、高融点金属窒化物は窒化チタンとしていたが、これに限らず、他の金属窒化物によってバリア層を形成してもよい。要するに、本発明におけるバリア層は、高温雰囲気においても熱拡散によって半導体素子が合金化することがなく、かつ電極配線との付着性が良好なバリア層であれば、本発明の目的を達成することができる。
【００４２】
また、前述の実施形態では、電極構造、配線構造をマグネトロンスパッタリングにより形成していたが、これに限らず、イオンビームスパッタリング等他のスパッタリングによって形成してもよい。要するに、バリア層の形成に際してリアクティブスパッタリングが併用できるような方法であればよい。
さらに、圧力センサチップ２１は、基板にサファイアを用いて、その上に半導体素子４１を形成した、いわゆるＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）型圧力センサチップであってもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および形状等は本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
前述のような本発明の半導体素子の電極構造によれば、バリア層を構成する高融点金属窒化物の組成比が厚さ方向に応じて変化させてバリア層に段階的または連続的に異なる性能を持たせることができるので、電極配線の金属が半導体素子のシリコンに拡散することがなく、かつ半導体素子のコンタクト部と電極配線との付着力を強固にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体素子の電極構造を表す部分断面図である。
【図２】前述の実施形態におけるバリア層を構成する窒化チタンの組成比と、リアクティブスパッタリングにおける窒素流量比の関係を表す相関図である。
【図３】前述の実施形態のバリア層の付着性確認のための引き剥がし法による試験方法を表す断面図である。
【図４】前述の実施形態のバリア層の付着性確認のための引っ張り法による試験方法を表す断面図である。
【図５】前述の実施形態における高温雰囲気への暴露時間と、バリア層およびコンタクト部の抵抗変化率との関係を表す関係図である。
【図６】前述の実施形態における高温雰囲気への暴露時間と、バリア層および電極配線の間の抵抗変化率との関係を表す関係図である。
【図７】前述の実施形態の変形となる半導体素子の電極構造を表す部分断面図である。
【図８】従来例における半導体素子の電極構造を用いた圧力センサチップを利用した圧力センサを表す断面図である。
【図９】従来の圧力センサチップを表す断面図である。
【図１０】従来の圧力センサチップ上に形成された電極配線を表す模式図である。
【図１１】従来の半導体素子の電極構造を表す部分断面図である。
【図１２】従来の半導体素子の電極構造を表す部分断面図である。
【符号の説明】
３３ 基板
４１ 半導体素子
４２ コンタクト部
１５１ 電極配線
１７１、２７１、３７１ 半導体素子の電極構造
２６１、３６１ バリア層
２６１Ａ 第１の窒化チタン膜
２６１Ｂ 第２の窒化チタン膜
Claims (3)
- 基板上に形成されたシリコンからなり当該基板の物理量を検出して電気信号に変換する半導体素子上に形成されるとともに、前記電気信号を外部に伝達する半導体素子の電極構造であって、
前記半導体素子のコンタクト部上に形成された高融点金属窒化物からなるバリア層と、このバリア層の上に形成された電極配線とを有し、
前記バリア層は、その厚さ方向位置に応じて前記高融点金属窒化物の組成比が異なっており、
前記バリア層はその層内に前記電極配線を構成する金属が前記半導体素子に拡散することを防止するバリア性を備えるとともに、
前記バリア層および前記電極配線の接合境界部における前記バリア層部分は、当該バリア層を形成する高融点金属窒化物の組成比が当該バリア層に接合される対象に対する付着が強固となるように設定されており、
前記高融点金属窒化物は同一金属の窒化物であり、
前記高融点金属窒化物は窒化チタンであるとともに、前記バリア層は、前記電極配線に接して配置される第１の窒化チタン膜と、この第１の窒化チタン膜の下部に配置される第２の窒化チタン膜とを有し、
前記第１の窒化チタン膜は、前記電極配線との付着が強固となるような組成比であり、
前記第２の窒化チタン膜は、前記電極配線を構成する金属成分が前記半導体素子のコンタクト部に拡散することを防止できる組成比であり、
前記第１の窒化チタン膜の膜厚は５００Å〜１０００Å、前記第２の窒化チタン膜の膜厚は３０００Å〜４０００Åとなっていることを特徴とする半導体素子の電極構造。 - 請求項１に記載の半導体素子の電極構造において、
前記第１の窒化チタン膜の組成比は、窒化チタンに対するチタンの原子数割合が６２％〜７５％であるとともに、前記第２の窒化チタン膜の組成比は、窒化チタンに対するチタンの原子数割合が５０％〜５９％であることを特徴とする半導体素子の電極構造。 - 基板上に形成されたシリコンからなり当該基板の物理量を検出して電気信号に変換する半導体素子上に形成されるとともに、前記電気信号を外部に伝達する半導体素子の電極構造の製造方法であって、
前記半導体素子の電極構造は、前記半導体素子のコンタクト部上に形成された高融点金属窒化物からなるバリア層と、このバリア層の上に形成された電極配線とを有し、
当該バリア層がその厚さ方向位置に応じて前記高融点金属窒化物の組成比が異なる膜を積層した多層構造となっていて、
前記バリア層はその層内に前記電極配線を構成する金属が前記半導体素子に拡散することを防止するバリア性を備えるとともに、
前記バリア層および前記電極配線の接合境界部における前記バリア層部分は、当該バリア層を形成する高融点金属窒化物の組成比が当該バリア層に接合される対象に対する付着が強固となるように設定されており、
前記高融点金属窒化物は同一金属の窒化物であり、
前記高融点金属窒化物は窒化チタンであるとともに、前記バリア層は、前記電極配線に接して配置される第１の窒化チタン膜と、この第１の窒化チタン膜の下部に配置される第２の窒化チタン膜とを有し、
前記第１の窒化チタン膜は、前記電極配線との付着が強固となるような組成比であり、
前記第２の窒化チタン膜は、前記電極配線を構成する金属成分が前記半導体素子のコンタクト部に拡散することを防止できる組成比であり、
前記第１の窒化チタン膜の膜厚は５００Å〜１０００Å、前記第２の窒化チタン膜の膜厚は３０００Å〜４０００Åとなっており、
前記バリア層は、高融点金属をターゲットとして不活性ガス中に窒素ガスを添加した雰囲気中で行われるリアクティブスパッタリングにより形成され、
当該バリア層を構成する各々の膜は、前記窒素ガスの添加量を時間とともに段階的に変化させて形成されることを特徴とする半導体素子の電極構造の製造方法。
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1997
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| Publication number | Publication date |
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| JPH10185725A (ja) | 1998-07-14 |
| US5973408A (en) | 1999-10-26 |
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