JP5267619B2

JP5267619B2 - センサの製造方法

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Publication number: JP5267619B2
Application number: JP2011142837A
Authority: JP
Inventors: 加納　　一彦; 竹内　　幸裕
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: JP2011197013A

Description

本発明は、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との間に配置された金属配線のコンタクト部に接続され、ボンディングパッドが形成された電極を有するセンサの製造方法に関する。

薄膜部を有するセンサには、薄膜部において金属配線を形成し、この金属配線における物性値の変化により物理量等をセンシングするようになっているものがある。

例えば、熱式あるいは感熱式エアーフローセンサ（以下、単にフローセンサという。）では、基板上に白金等からなる金属配線によってヒータや温度計が形成されており、薄膜部表面のガス流れによるヒータの放熱量を温度計で検出し、流量を検出するようになっている。

このようなフローセンサの電極構造として、特許文献１に記載されたものがある。このフローセンサの電極構造を図１１に基づいて説明する。図１１はフローセンサの電極構造の断面構成を示している。図１１（ａ）（ｂ）に示すように、フローセンサでは下部絶縁膜１００と上部絶縁膜１０２との間に金属配線１０１が配置されている。上部絶縁膜１０２には開口部が形成されており、金属配線１０１とのコンタクト部に電極１０３が形成される。

図１１（ａ）に示す構成では、金属配線１０１とのコンタクト部に電極パッド部１０５を形成し、その直上にワイヤ１０４をボンディングするボンディング部としている。図１１（ｂ）に示す構成では、金属配線１０１とのコンタクト部から電極１０３を引き出して、ボンディング部１０５をコンタクト部の直上から外すようになっている。

特開平８−２７１３０８号公報

ところが、図１１（ａ）に示す構成では、Ｐｔ抵抗体１０１と絶縁膜１００との密着性は絶縁膜上のポリシリコン等との密着性と異なり非常に弱いため、Ｐｔ抵抗体１０１と絶縁膜１００との接続が外れる場合がある。このため、通常は、図１１（ｂ）に示す金属配線１０１とのコンタクト部から電極１０３を引き出して、ボンディングを行うパッド部１０５をコンタクト部の直上から外す構成がとられている。

ところで、ボンディングを行う際には、ボンディング性確保のためにパッド部１０５の下方が弾性変形する必要があるため、パッド部の下方にはある程度の厚み（通常１μｍ程度）の金属層が存在する必要がある。図１１（ａ）に示すコンタクト部の直上部にてボンディングを行う構成であれば、金属配線１０１の厚みと電極１０３の厚みの合計となるのに対し、図１１（ｂ）に示すコンタクト部から電極を引き出す構成の場合には、電極１０３のみでその厚みを稼がなければならないという問題がある。

また、電極材料として、半導体工程でよく用いられるアルミニウム系材料を採用する場合には、電極形成後にコンタクト抵抗を下げるとともに、ボンディング性を向上させる等の目的のためにアニール処理（４００℃程度）を行うと、電極材料であるＡｌが金属配線であるＰｔ内に拡散し、電極表面にＰｔ層に達する穴が無数に形成されるという問題がある。この結果、コンタクト部の直上部にボンディングを行う構成では、ボンディング性が低下する。また、コンタクト部から電極１０３を引き出す構成では、絶縁膜の端部付近で形成される段差部で電極１０３の段切れを生じやすくなる。

本発明は、上記点に鑑み、金属配線のコンタクト部と接続された電極のボンディングパッドにおけるボンディング性を向上させることが可能なセンサの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１の絶縁膜（２１、２２）と、開口部（２５）を有する第２の絶縁膜（２３、２４）と、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との間に配置され、開口部に対応する位置にコンタクト部（７）を有する金属配線（３〜５）と、開口部を介してコンタクト部と電気的に接続している電極（８）とを備えるセンサの製造方法であって、
第１の絶縁膜上に金属配線を形成する金属配線形成工程と、金属配線上に第２の絶縁膜を形成するとともに、第２の絶縁膜に開口部を形成する第２の絶縁膜形成工程と、開口部を介してコンタクト部に電極を形成する電極形成工程とを備え、
電極はアルミニウムから構成されるとともに、電極形成工程は電極に対して熱処理を行う熱処理工程を有しており、熱処理は電極の表面粗さ（Ｒａ）が１００Å以下となる条件で行うことを特徴としている。

このような条件で熱処理を行うことにより、電極材料にアルミニウムを用い、電極の熱処理（アニール処理）を行う場合であっても、電極表面に形成される穴を低減させることができ、ボンディング性を確保することが可能となる。また、電極の熱処理を行うことにより、コンタクト抵抗を下げる等の効果を得ることができる。

また、請求項２に記載の発明のように、金属配線として白金およびチタンを用いることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、熱処理は３００℃以下で行うことで電極表面に形成される穴を低減でき、電極表面の表面粗さ（Ｒａ）を１００Å以下にすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態のフローセンサの斜視図である。図１のフローセンサの電極取り出し部の製造工程図である。図１のフローセンサの電極取り出し部におけるボンディング時の状態を示す断面図である。第２実施形態の各種アニール条件におけるＡｌ電極表面の模式図である。第２実施形態の各種アニール条件と電極のボンディング強度との関係を示す特性図である。第３実施形態の電極内部の元素構成を示す特性図である。第３実施形態の電極内部の元素構成を示す特性図である。第３実施形態の電極内部の元素構成を示す特性図である。第３実施形態の電極内部の元素構成を示す特性図である。図６〜９の各種アニール条件と電極のボンディング強度との関係を示す特性図である。従来技術のセンサにおける電極構造を示す断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本第１実施形態では、本発明をフローセンサに適用している。図１は、本第１実施形態に係るフローセンサＳ１の斜視図である。

図１に示すように基板１の裏面から空洞部６が設けられ、ダイアフラム構造の薄膜部２が形成されている。基板１は、単結晶シリコン等で形成された半導体基板より構成されている。

薄膜部２における基板１の表面側には、中央付近に金属配線で構成された蛇行状のヒータ３が形成され、このヒータ３の両側のうち、図中の白抜き矢印で示す流体流れ方向の上流側に、金属配線で構成された測温体５が形成されている。測温体５の上流側の基板１上には、流体の温度を測定するための金属によって蛇行状に形成された流体温度計４が形成されている。なお、本第１実施形態では、ヒータ３、流体温度計４、測温体５には、Ｐｔ／Ｔｉ積層膜からなる金属配線（抵抗膜）を用いている。

また、図１に示すように、上記各金属配線３〜５は、基板１の端部まで引き回されており、その引き回し終端には、電極取り出し部が形成されている。電極取り出し部には、金属配線３〜５と電極８との電気的接続部であるコンタクト部７が形成されている。電極８としては、例えばＡｕ、Ｐｔ等からなる金属膜を用いることができる。本第１実施形態のフローセンサＳ１では、電極８はコンタクト部７から引き出されており、ワイヤボンディングが行われるボンディングパッド部８ａは、コンタクト部７から離れた部位に形成されている。

このようなフローセンサでは、流体温度計４より得られる流体温度よりも一定温度高い温度となるようにヒータ３を駆動する。そして、流体が流れることにより、図中の白抜き矢印で示す順流においては、測温体５は熱を奪われて温度が下がり、白抜き矢印の逆方向である逆流では熱が運ばれて温度が上がるため、この測温体５と流体温度計４との温度差から流体の流量および流れ方向が検出される。なお、温度測定は、電極８を介して流体温度計４および測温体５を形成している金属配線の抵抗値変動を検出することにより行っている。

次に、上記構成のフローセンサＳ１の製造方法について図２に基づいて説明する。図２は図１に示すフローセンサＳ１のＡ−Ａ断面図であり、フローセンサＳ１の電極取り出し部の拡大断面図である。なお、図２では図１で示した基板１の図示を省略している。
〔図２（ａ）に示す工程〕
まず、図１で示す基板１を用意し、この基板１上にプラズマＣＶＤ（ＰＥ−ＣＶＤ）法または減圧ＣＶＤ（ＬＰ−ＣＶＤ）法等により第１のシリコン窒化膜２１を成膜し、その上に、ＰＥ−ＣＶＤ法等により第１のシリコン酸化膜２２を成膜する。これにより、第１の絶縁膜２１、２２が形成される。

次に、第１のシリコン酸化膜２２上に抵抗膜３〜５の材料としての金属膜（Ｔｉ膜、Ｐｔ膜）を蒸着法やスパッタ法により順次堆積させる。Ｐｔ／Ｔｉ膜は、フォトリソグラフ法やスパッタ法を用いたイオンミリング等によりエッチングし、金属配線３〜５の形状にパターニングし、金属配線３〜５を形成する（金属配線形成工程）。

このとき金属配線３〜５は、後述のコンタクト部７から引き出されたパッド部８ａの下方に対応する位置にまで形成される。
〔図２（ｂ）に示す工程〕
次に、金属配線３〜５および第１のシリコン酸化膜２２上に、ＰＥ−ＣＶＤ法等により第２のシリコン酸化膜２３を成膜した後、このシリコン酸化膜２３の上に、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法等により第２のシリコン窒化膜２４を成膜する（第２の絶縁膜形成工程）。これにより、第２の絶縁膜２３、２４が形成される。その後、金属配線３〜５と電極８とのコンタクトのために、第２のシリコン酸化膜２３および第２のシリコン窒化膜２４に開口部２５を形成する。
〔図２（ｃ）に示す工程〕
次に、第２のシリコン酸化膜２３および第２のシリコン窒化膜２４に形成された開口部２５を覆い、さらに、コンタクト部７から引き出されるように電極８を成膜し形成する（電極形成工程）。本第１実施形態の電極８では、コンタクト部７から引き出された位置にパッド部８ａが形成される。

図３は、本第１実施形態で製造したフローセンサＳ１にワイヤボンディングした状態を示している。図３に示すように、本第１実施形態のフローセンサＳ１の構成では、ボンディングが行われるパッド部８ａの下方に金属配線３〜５が存在している。このため、電極８の厚みに金属配線３〜５の厚みを加えた金属層の厚みがボンディング性を決定することとなる。この結果、電極８が薄く形成されている場合であっても、ボンディング性を確保することができる。また、この種のセンサでは、信頼性の面から電極材料８としてＡｕ、Ｐｔ等の貴金属を用いることが多いため、電極８を薄く形成することにより、大きなコストダウンが可能となる。

なお、本第１実施形態では、金属配線３〜５と電極材料８とを異なる材料から構成したが、これに限らず、これらを同種の材料から構成することもできる。例えば金属配線３〜５と電極材料８とを、それぞれＰｔ／Ｔｉ膜から構成することができる。これにより、複数の材料を用いる場合に比較してコスト的なメリットが生じる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４、図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、電極材料が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

本第２実施形態では、電極材料８としてアルミニウム（Ａｌ）を用いている。また、本第２実施形態では、上記図２（ｃ）に基づいて説明した電極形成工程において、電極成膜後に電極８のコンタクト抵抗を下げるあるいはボンディング性を向上させる等の目的のために、電極８のアニール処理（熱処理工程）を行っている。なお、本第２実施形態では、アニール処理を拡散炉内においてＮ₂雰囲気で行っている。

以下、本第２実施形態のアニール処理の条件について図４、図５に基づいて説明する。図４は各種条件でアニールを行った場合の電極８表面の模式図および電極表面の表面粗さＲａを示している。電極８の表面粗さは、ＺＹＧＯ社のＮＥＷＶＩＥＷ２００測定器によって光学的に測定したものである。電極の表面粗さＲａは、ボンディング性確保のために１００Å以下であることが望ましい。

図４に示すように、４００℃、３５０℃といった３００℃を超える温度条件でアニールを行った場合には、電極表面に多数の穴（図４中の斜線部分）が形成されるとともに、隣り合う穴がつながっている。この電極表面の穴は、上記「発明が解決しようとする課題」で説明したように、電極材料であるＡｌが金属配線であるＰｔ層に拡散することにより形成される。また、３００℃を超える温度条件では、電極表面の表面粗さＲａが平均１０００Åを超えるものとなっている。

これに対して、３００℃、２５０℃といった３００℃以下の温度条件でアニールを行った場合には、３００℃を超える温度条件の場合に比較して、電極表面に形成される穴の大きさは小さくなり、穴の数も減少している。また、電極表面では隣り合う穴はつながっていない。このような３００℃以下の温度条件では、電極表面の表面粗さＲａは平均１００Åを下回っている。

図５は各種アニール条件とＡｕワイヤボンディング時のボールシェア強度との関係を示す特性図である。横軸はアニール条件、縦軸はボールシェア強度を示している。図５に示すように、アニール条件が、３００℃で１０分間、２５０℃で３０分間、２５０℃で１０分間の場合には、ボールシェア強度が高くなっていることが分かる。従って、３００℃で１０分間相当以下の熱処理であれば、高いボンディング強度を得ることができる。

以上のことから、本第２実施形態では、電極形成工程後に行う熱処理を３００℃以下の温度条件で行うように構成している。これにより、電極材料にＡｌに用いてアニール処理を行った場合に、電極表面における穴の形成を抑制し、電極の段切れを防止でき、ボンディング性を向上させることができる。

なお、アニールの熱処理温度を３００℃で行う場合には、熱処理時間は１０分程度が望ましい。この熱処理時間は、プロセス的には１０分間以上行うことが望ましいとされている。また熱処理温度が低くなれば、電極に与えられる時間当たりの熱量が小さくなるので、熱処理時間を長くすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６〜図１０に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に比較して、電極材料が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

本第３実施形態では、電極材料８として金、チタンからなるＡｕ／Ｔｉ積層膜あるいは金、ニッケル、チタンからなるＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉ積層膜を用いている。これらの電極材料は、アルミニウムと異なりＰｔ層に拡散しないという特性を有している。

Ａｕ／Ｔｉ膜のＴｉ、Ａｕ／Ｎｉ／Ｔｉ膜のＮｉおよびＴｉは、絶縁膜に対する密着層として用いられる。電極形成工程において、Ａｕ／Ｔｉ膜の場合には、Ｔｉ膜、Ａｕ膜が順次堆積され成膜される。Ａｕ／Ｎｉ／Ｔｉ膜の場合には、Ｔｉ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜が順次堆積され成膜される。

また、本第３実施形態では、上記第２実施形態と同様に電極形成工程において、電極成膜後に、電極８のアニール処理（熱処理工程）を行っている。これにより、電極８のコンタクト抵抗を下げ、ボンディング性を向上させることができる。電極材料としてＡｕ／ＴｉあるいはＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用いた場合には、アニールを３００℃以上の温度条件で行うと、コンタクト抵抗が下がり抵抗が安定する。このため、アニールを３００℃以上で行うことが望ましい。

なお、本第３実施形態では、アニール処理をＮ₂雰囲気で行う場合には拡散炉を用い、アニール処理を真空雰囲気で行う場合には真空炉を用いている。

以下、本第３実施形態におけるアニール条件について図６〜図１０に基づいて説明する。まず、電極８に対するアニール条件を変化させたときの電極表面へのＮｉ、Ｔｉの析出について図６〜図９に基づいて説明する。

図６〜図９は、電極部材内部における元素構成を分析した元素構成分析特性図であり、具体的にはオージェ分析によるデプスプロファイルである。図６〜図９における図中上側の特性図は電極材料としてＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用いた場合であり、図中下側の特性図は電極材料としてＡｕ／Ｔｉを用いた場合である。

各特性図の横軸はスパッタリング時間であり、換言すれば電極表面からの深度を示している。特性図中、右側に行くほど深度が深くなっている。縦軸はそれぞれの深度における元素濃度を示している。

図６は、電極成膜後（電極形成工程後）であってアニール処理を行う前の電極元素構成を示している。図６に示すように、電極材料としてＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用いた場合には、電極表面から順にＡｕ、Ｎｉ、Ｔｉの存在割合が大きくなっている。同様に、Ａｕ／Ｔｉの場合には、電極表面から順にＡｕ、Ｔｉの存在割合が大きくなっている。

図７は、電極成膜後にＮ₂雰囲気で３００℃６０分間のアニール処理を行った場合の電極元素構成を示している。図７に示すように、電極材料としてＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用いた場合には、電極表面にＮｉが析出していることが分かる。Ａｕ／Ｔｉの場合には、電極表面にはＴｉは析出していない。

図８は、電極成膜後にＮ₂雰囲気で４００℃６０分間のアニール処理を行った場合の電極元素構成を示している。図８に示すように、電極材料としてＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用いた場合には、電極表面にＮｉが析出している。また、Ａｕ／Ｔｉの場合には、電極表面にＴｉが析出している。

図９は、電極成膜後に真空雰囲気で３００℃５０分間のアニール処理を行った場合の電極元素構成を示している。図９に示すように、電極材料としてＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用いた場合には、電極表面にはＮｉは析出していない。また、Ａｕ／Ｔｉの場合にも、電極表面にはＴｉが析出していない。なお、真空雰囲気とは、酸素分圧が１０^-1Ｐａ以下の場合を示している。

以上のような電極表面へのＮｉあるいはＴｉの析出は、次のように考えることができる。図６〜図８に示した拡散炉によるＮ₂雰囲気程度では、炉内の酸素分圧はかなり高い。このため、炉内に存在している酸素により、下地のＴｉ、Ｎｉが吸い上げられて電極表面に酸化膜として析出する。これに対して、図９に示した真空炉による真空雰囲気では、酸素の分圧がほとんどゼロに近くなるので、電極表面にＮｉあるいはＴｉの酸化物が析出することがない。

次に、電極８に対するアニール条件を変化させたときの電極８のボンディング性について図１０に基づいて説明する。図１０は、各種アニール条件とＡｕワイヤボンディング時のボールシェア強度との関係を示す特性図である。横軸はアニール条件、縦軸はボールシェア強度を示している。図中左半分は電極材料がＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉの場合であり、右半分は電極材料がＡｕ／Ｔｉの場合である。

図１０に示すように、電極材料にＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用い、Ｎ₂雰囲気でアニールを行った場合には、シェア強度がほとんどゼロになっており、ボンディングが不可能となっている。これに対し、電極材料にＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用い、Ｎ₂雰囲気でアニールを行った場合には、成膜後のアニールを行っていない場合に比較してシェア強度が若干低下しているものの、ボンディングは充分可能である。

すなわち、Ｔｉ系の酸化物が電極表面に析出した場合は、ボンディング性が若干低下するが、ボンディングは可能であるのに対し、Ｎｉ系の酸化物が電極表面に析出した場合にはボンディングが不可能となる。また、ＴｉやＮｉが電極表面に析出すると経時劣化が生じるという問題もある。

また、図１０に示すように、電極材料にＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用い、真空雰囲気でアニールを行った場合には、Ｎ₂雰囲気でアニールを行った場合に比較してシェア強度は飛躍的に向上しており、ボンディングが可能となる。このように電極材料にＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用いる場合には、真空雰囲気でアニールを行い、電極表面へのＮｉの析出を防止することで、ボンディング性を向上させることができる。

電極材料にＡｕ／Ｔｉを用い、真空雰囲気でアニールを行った場合には、成膜後のアニールを行っていない場合に比較してシェア強度が若干低下しているものの、ボンディングは十分可能である。

以上のことから、本第３実施形態では、電極材料にＡｕ／Ｎｉ／Ｔｉを用いる場合には、電極形成工程後に行う熱処理を真空雰囲気で行うように構成している。これにより、電極表面へのＮｉの析出を防止することができ、電極へのボンディング性を確保することができる。また、電極表面へのＮｉの析出を防止することで、経時劣化を防ぐことができる。

また、電極材料としてＡｕ／Ｔｉを用いる場合には、Ｎ₂雰囲気あるいは真空雰囲気のいずれで行ってもボンディング性を確保できるが、電極表面へのＴｉの析出を防止して経時劣化を防ぐために、真空雰囲気でアニールを行うことが望ましい。

また、Ａｕ／Ｎｉ／ＴｉあるいはＡｕ／Ｔｉは金属配線であるＰｔ層に拡散しないので、これらＡｕ／Ｎｉ／ＴｉあるいはＡｕ／Ｔｉを電極材料として用いることで、電極表面に穴が形成されるのを防止することができる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では本発明のセンサ製造方法をフローセンサに適用したが、これに限らず、薄膜部を有し、この薄膜部に金属配線が形成されているセンサ一般に対して本発明を適用することができる。例えば、赤外線センサ、湿度センサ、ガスセンサ等に適用することができる。また、薄膜がダイアフラム状でなくとも、基板の凹部の開口部に薄膜部を配置するようなブリッジ状の薄膜部を有するセンサにも適用可能である。

Ｓ１フローセンサ
１基板
３流体温度計
４測温体
５ヒータ
７コンタクト部
８電極
２１第１のシリコン窒化膜
２２第１のシリコン酸化膜
２３第２のシリコン酸化膜
２４第２のシリコン窒化膜
２５開口部

Claims

第１の絶縁膜（２１、２２）と、開口部（２５）を有する第２の絶縁膜（２３、２４）と、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との間に配置され、前記開口部に対応する位置にコンタクト部（７）を有する金属配線（３〜５）と、前記開口部を介して前記コンタクト部と電気的に接続している電極（８）とを備えるセンサの製造方法であって、
前記第１の絶縁膜上に前記金属配線を形成する金属配線形成工程と、
前記金属配線上に前記第２の絶縁膜を形成するとともに、前記第２の絶縁膜に前記開口部を形成する第２の絶縁膜形成工程と、
前記開口部を介して前記コンタクト部に電極を形成する電極形成工程とを備え、
前記電極はアルミニウムから構成されるとともに、前記電極形成工程は前記電極に対して熱処理を行う熱処理工程を有しており、前記熱処理は前記電極の表面粗さ（Ｒａ）が１００Å以下となる条件で行うことを特徴とするセンサの製造方法。
前記金属配線は、白金およびチタンから構成されることを特徴とする請求項１に記載のセンサの製造方法。
前記熱処理は３００℃以下で行うことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサの製造方法。