JP6717846B2 - 銅熱抵抗薄膜温度センサチップおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、温度センサチップおよびその製造方法に関し、特に、銅熱抵抗器を温度感知素子として用いる温度センサチップおよびその製造方法に関する。
温度センサは、温度を感知し、温度を利用可能な出力信号に変換するセンサであり、主に、熱抵抗温度センサ、サーミスタ温度センサ、熱電対温度センサ、および一体型ＰＮ接合温度センサを含む。技術の発展に伴い、赤外線センサ、焦電検出器、ＭＯＳ電界効果トランジスタ赤外検出器、および光ファイバ温度センサはますます多くの応用性を有している。多様化した温度センサは、それぞれの利点および欠点を有する。最も一般的に用いられるいくつかの種類の温度センサは、熱抵抗温度センサ、サーミスタ温度センサ、および熱電対温度センサであり、これらは、わずかに異なる状況で適用される。サーミスタは一般に、単結晶半導体材料または多結晶半導体材料で作られ、温度に対して非常に感度が高い。これらの抵抗値は、温度に伴って段階的に変化し、変化は概して非線形である。熱電対温度センサは高温測定に非常に適しているが、負温度間隔において望ましくない測定効果を有する。また、熱電対温度センサの冷接点補償、基準接点温度制御、およびリード補償に対して予防策を取る必要があるため、測定プロセスが非常に複雑である。熱抵抗温度センサの抵抗値は、温度との望ましい線形関係を発揮し、良好な安定性を有する。したがって、熱抵抗温度センサは、中〜低温度範囲（−２００℃〜６５０℃）において最も一般的に用いられる温度検出器である。
現在、熱抵抗温度センサのほとんどは熱抵抗感知材料として白金を用い、その主な利点として、白金という金属の抵抗値は温度変化に伴って変化し、基本的に線形関係を生じ、この変化は望ましい再現性および安定性を有する。したがって、そのような熱抵抗温度センサは、高い測定精度および広い適用温度範囲を有し、中〜低温度範囲（−２００℃〜６５０℃）において最も一般的に用いられる温度検出器である。他の一般的に用いられる熱抵抗材料はニッケルであり、これは、白金の１．７倍の抵抗の温度係数を有し、より高い感度を有する。したがって、高価な白金熱抵抗器は、比較的低い精度要件を有する場合、ニッケル熱抵抗器によって代替され得る。白金およびニッケルと比べて、銅は最も良い線形性を有し、白金よりも高い抵抗の温度係数を有する。しかし銅は、低い抵抗性が低感度および低精度をもたらし、また、酸化、腐食などを生じやすいという明らかな欠点がある。上記欠点は、温度検出における銅の用途を著しく制限するものであり、長い間、銅が注目を集めることはなかった。
従来技術における上記欠点を克服するために、本発明の銅熱抵抗薄膜温度センサチップは、改善された薄膜プロセスを取り入れ、堆積された金属膜における不純物および欠陥の量を低減し、銅薄膜の抵抗性を大幅に改善するものである。センサの製造プロセスにおいて、銅薄膜が酸化および腐食することを防止するためにパッシベーション保護層が追加され、それによって耐久性を改善し、良好な線形を維持し、高いインピーダンス、優れた熱安定性、および低費用の利点をもたらす。高温真空熱処理によって、銅薄膜における微細欠陥が更に低減され、感温薄膜の抵抗の温度係数がより良く制御および調整され得る。
上記目的を実現するために、本発明は、基板、温度センサ、および２つの電極板を含む銅熱抵抗薄膜温度センサチップを提供する。検出抵抗器および抵抗調整回路を有する温度センサが基板上に配置される。検出抵抗器および抵抗調整回路の各々は複数の電気的に接続された抵抗素子から成る。抵抗素子は全てパッシベーション絶縁層によって被覆され、２つの電極板はそれぞれ抵抗調整回路の両端において抵抗素子に接続される。
抵抗素子は全て、感温薄膜を組織的に配列することによって形成される。感温薄膜は、銅熱抵抗薄膜層および銅熱抵抗薄膜層の表面を被覆するパッシベーション保護層を含む。銅熱抵抗薄膜層は感熱材料で作られ、結晶子または欠陥の長さが５００ｎｍを超えないナノ結晶質構造を有する。
また、感温薄膜は、基板と銅熱抵抗薄膜層との間に配置された種層を更に備える。銅薄膜のナノ構造は、感温薄膜の抵抗の温度係数を制御するために用いられ、種層の材料を選択することおよび製造中の焼鈍処理によって更に最適化され得る。
また、接続電極を除いたチップ全体が弾性保護層によって被覆される。
好適には、パッシベーション保護層は、温度センサの高温耐性を改善するために用いられる高温保護コーティングである。
好適には、パッシベーション保護層は様々な酸化物および窒化物で作られるが、特定の材料に限定されない。
好適には、パッシベーション保護層の酸化物は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、および酸化タンタルを含む。
好適には、パッシベーション保護層の窒化物は、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化タンタル、および窒化ケイ素を含む。
好適には、銅熱抵抗薄膜層は銅薄膜または銅合金薄膜であり、銅合金薄膜は、ＣｕＣｒ、ＣｕＮｉ、ＣｕＳｎ、ＣｕＮｉＦｅ、またはＣｕＮｉＴｉである。
また、銅熱抵抗薄膜層の厚さは２００〜５００００Åである。
好適には、検出抵抗器は蛇状または螺旋状であり、電極板は正方形、長方形、または円形である。
本発明は更に、以下のステップ、
Ｓ１．基板の表面を洗浄し、基板に感温薄膜を堆積すること、
Ｓ２．堆積された感温薄膜に、膜における微細欠陥を除去し感熱層の抵抗の温度係数（ＴＣＲ）を調整することを目的とした真空熱処理を実行すること、
Ｓ３．温度センサに抵抗素子を形成するために、真空熱処理された感温薄膜を組織的に配列すること、
Ｓ４．抵抗素子の上にパッシベーション絶縁層を堆積し、接続電極を構成するための感熱材料を露出させるためにパッシベーション絶縁層をウインドウ処理すること、
Ｓ５．パッシベーション絶縁層のウインドウに、後続のボールボンディングまたは直接表面実装パッケージのために利用可能な電極を成長すること、
Ｓ６．温度センサチップの抵抗値をレーザによって所定値に調整すること、および
Ｓ７．接続電極を除いたチップ全体に弾性保護層を堆積すること
を含む、銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法を提供する。
Ｓ１．基板の表面を洗浄し、基板に感温薄膜を堆積すること、
Ｓ２．堆積された感温薄膜に、膜における微細欠陥を除去し感熱層の抵抗の温度係数（ＴＣＲ）を調整することを目的とした真空熱処理を実行すること、
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Ｓ６．温度センサチップの抵抗値をレーザによって所定値に調整すること、および
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を含む、銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法を提供する。
好適には、ステップＳ１における基板に感温薄膜を堆積することは、
Ｓ１０１．基板に種層を堆積すること、
Ｓ１０２．感熱材料として機能するための銅熱抵抗薄膜層を種層にスパッタすること、および
Ｓ１０３．銅熱抵抗薄膜層にパッシベーション保護層をスパッタすること
を含む。
Ｓ１０１．基板に種層を堆積すること、
Ｓ１０２．感熱材料として機能するための銅熱抵抗薄膜層を種層にスパッタすること、および
Ｓ１０３．銅熱抵抗薄膜層にパッシベーション保護層をスパッタすること
を含む。
好適には、ステップＳ１における基板に感温薄膜を堆積することは、
Ｓ１１１．感熱材料として機能するための銅熱抵抗薄膜層を基板にスパッタすること、および
Ｓ１１２．銅熱抵抗薄膜層にパッシベーション保護層をスパッタすること
を含む。
Ｓ１１１．感熱材料として機能するための銅熱抵抗薄膜層を基板にスパッタすること、および
Ｓ１１２．銅熱抵抗薄膜層にパッシベーション保護層をスパッタすること
を含む。
上記方法において、基板の材料は、シリコン、酸化アルミニウム、サファイア、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、またはガラスセラミックスである。感熱材料薄膜と基板との接着性、抵抗の温度係数に関する製品要件などに従って、種層を追加するか否かが決定されなければならない。種層は、たとえば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、および酸化チタンなどの金属酸化物、またはたとえば窒化アルミニウムおよび窒化チタンなどの金属窒化物を含む。パッシベーション保護層は、たとえば窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化タンタル、および窒化ケイ素などの金属窒化物、およびたとえば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、および酸化タンタルなどの金属酸化物を含む。
好適には、ステップＳ３における真空熱処理の温度は１５０〜６００℃である。
好適には、銅熱抵抗薄膜層は銅薄膜または銅合金薄膜であり、銅合金薄膜は、ＣｕＣｒ、ＣｕＮｉ、ＣｕＳｎ、ＣｕＮｉＦｅ、またはＣｕＮｉＴｉである。
好適には、銅熱抵抗薄膜層の厚さは２００〜５００００Åである。
また、ステップＳ３において、複数の抵抗素子を電気的に接続することによって温度センサの検出抵抗器および抵抗調整回路が形成され、ステップＳ６において、温度センサチップの抵抗値は、抵抗調整回路の抵抗値を調整することによって所定値に調整される。
従来技術と比べて、本発明は、以下の技術的効果を有する。
（１）１ステップのプロセスによって膜が形成され、製造プロセスが単純である。
（２）銅熱抵抗薄膜温度センサは、同種の白金およびニッケル熱抵抗温度センサと比べて高い線形性を有する。
（３）使用される金属感応材料は超薄型であり、温度センサチップは高インピーダンス特性を有するのみならず、望ましい温度特性をも有する。
（４）銅材料は幅広く利用可能であり、他の種類の金属熱抵抗温度センサと比べて費用が大幅に低減される。
本発明の実施形態における技術の技術的解決策をより明確に説明するために、以下に、実施形態における技術を説明するために用いられる図面の簡単な説明が記載される。明らかに、以下で説明される図面は本発明のいくつかの実施形態にすぎず、当業者は創意的努力を伴わず、これらの図面に従って他の図面を得ることが可能である。
本発明に係る、銅熱抵抗薄膜温度センサチップの略構造図である。
本発明に係る、抵抗調整回路の図である。
本発明に係る、螺旋状抵抗素子の略図である。
本発明に係る、蛇状抵抗素子の略図である。
本発明に係る、銅熱抵抗薄膜温度センサチップの断面図である。
本発明は、添付図面を参照し、実施形態を併用して詳しく説明される。
実施形態
図１は、本発明に係る銅熱抵抗薄膜温度センサチップの略構造図である。センサチップは、基板３と、チップ３に組み込まれた温度センサとを含む。温度センサは、検出抵抗器４および抵抗調整回路５を有し、その各々は複数の抵抗素子を接続することによって形成される。抵抗素子は全て、パッシベーション絶縁層９によって被覆される。電極板１および２は、それぞれ抵抗調整回路５の両端において抵抗素子に接続される。接続電極を除いたチップ全体に弾性保護層１１が更に堆積される。
実施形態
図１は、本発明に係る銅熱抵抗薄膜温度センサチップの略構造図である。センサチップは、基板３と、チップ３に組み込まれた温度センサとを含む。温度センサは、検出抵抗器４および抵抗調整回路５を有し、その各々は複数の抵抗素子を接続することによって形成される。抵抗素子は全て、パッシベーション絶縁層９によって被覆される。電極板１および２は、それぞれ抵抗調整回路５の両端において抵抗素子に接続される。接続電極を除いたチップ全体に弾性保護層１１が更に堆積される。
抵抗素子は全て、感温薄膜を組織的に配列することによって形成される。感温薄膜は、種層６、種層の上の銅熱抵抗薄膜層７、および銅熱抵抗薄膜層の上のパッシベーション保護層８を含む。銅熱抵抗薄膜層７は感熱材料で作られ、結晶子または欠陥の長さが５００ｎｍを超えないナノ結晶質構造を有する。
銅熱抵抗薄膜層７は、銅薄膜または銅合金薄膜であり、銅合金薄膜は、ＣｕＣｒ、ＣｕＮｉ、ＣｕＳｎ、ＣｕＮｉＦｅ、またはＣｕＮｉＴｉである。銅合金薄膜は、たとえば耐腐食性の改善、圧力によって生じる隙間の低減、および薄膜の粗性の低減といった利点を有する。
図３および図４を参照すると、検出抵抗器４は、蛇状または螺旋状であってよく、電極板１および２は、正方形、長方形、または円形である。本発明は、上記形状に限定されるものではない。基板は、たとえばシリコン、酸化アルミニウム、サファイア、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、またはガラスセラミックスなどの材料で作られてよい。この実施形態において、基板はシリコン基板である。
図５に示す銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法は、以下のステップを含む。
（１）最初に基板３の表面が洗浄され、種層６が基板３に堆積される。種層の厚さは、主に抵抗の温度係数における製品の要件に従って調整され、あるいは実際の製品要件に依存して、調整されなくてもよい。種層６は、たとえば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、または酸化チタンなどの金属酸化物、または、たとえば窒化アルミニウムまたは窒化チタンなどの金属窒化物であってよい。この実施形態において、種層は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で作られる。
（２）２００〜１００００Åの厚さを有する銅熱抵抗薄膜層７は、感熱材料として機能するようにマグネトロンスパッタ方法を用いて種層６の上にスパッタされ、その後、パッシベーション保護層８が堆積される。銅熱抵抗薄膜層７は、銅薄膜または銅合金薄膜であり、銅合金薄膜は、ＣｕＣｒ、ＣｕＮｉ、ＣｕＳｎ、ＣｕＮｉＦｅ、またはＣｕＮｉＴｉである。パッシベーション保護層８は、様々な金属窒化物（たとえば窒化チタン、窒化タンタル、窒化アルミニウム、および窒化ケイ素など）材料および金属酸化物（たとえば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、および酸化ケイ素など）材料で作られる。この実施形態において、パッシベーション保護層は、窒化タンタル（ＴａＮ）で作られる。
（３）上記堆積された感温薄膜（感温薄膜は、種層６、銅熱抵抗薄膜層７、およびパッシベーション保護層８を含む）に熱処理が実行される。熱処理は真空環境で実行され、薄膜の品質を改善し、抵抗の温度係数を改善することができる。熱処理の温度は一般に１５０〜６００℃である。実際の温度は、製品の要件に依存する。この実施形態において、温度は３５０℃である。
（４）熱処理された感温薄膜は、温度測定のための抵抗素子を形成するために組織的に配列される。本明細書における組織的配列による抵抗素子の形成は、フォトリソグラフィおよび粒子ビームエッチングプロセスを用いて機能デバイスを形成することに相当する。
（５）組織的配列の後、形成された抵抗素子の上に、パッシベーション絶縁層９が堆積される。パッシベーション絶縁層９は、たとえば酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、および窒化ケイ素などの材料で作られてよい。この実施形態において、パッシベーション絶縁層は二酸化ケイ素である。パッシベーション絶縁層は、接続電極を構成するための感熱材料を露出するようにウインドウ処理される。
パッシベーション絶縁層のウインドウに電極１０が成長される。電極の材料は、金、銅、白金、ニッケル、銀、スズ、およびそれらの合金であってよい。この実施形態において、電極の材料は金であり、電極は、後続のボールボンディングまたは直接表面実装パッケージのために用いられる。
（６）温度センサにおける抵抗素子の抵抗値が、レーザ抵抗調整方法を用いて特定の値に調整される。
（７）接続電極を除いたチップ全体に弾性保護層１１が堆積され、これをもって、全プロセスが完了する。
温度センサの作動原理を以下で説明する。
図１に示す温度センサは、一般に、抵抗温度センサの理論上の原理を用いて温度を測定するものであり、すなわち、金属の抵抗性は、デバイ温度の近傍において温度に比例する。銅熱抵抗器の場合、標準温度の近傍において、ＲＴ＝Ｒ０［１＋ＡＴ＋ＢＴ２］であり、式中、Ｒ０およびＲＴはそれぞれ０℃およびＴ℃での銅抵抗器の抵抗値であり、ＡおよびＢは定数であるので、ＲＴを測定することによって温度の値が得られ得る。
図２は、本発明に係る抵抗調整回路の略図を示す。抵抗調整回路５は、点線のボックス内に示される。設計されたチップ抵抗は、実際に必要な抵抗値より低くなり、それらの差がレーザ抵抗調整を用いて調整される。特定の方法は、抵抗調整回路５内のいくつかの抵抗線、たとえば図２においてバツ印を付けた位置が、チップの抵抗値を特定の値に調整するために切断され、または意図的にヒューズを飛ばされる。実際の設計および動作において、抵抗調整回路の抵抗線は、精密な抵抗調整の目的を実現するために、それぞれ様々な抵抗値に対応する様々な設計寸法（長さおよび幅）を有してよい。
上記説明は、本発明の好適な実施形態にすぎず、本発明を限定することは意図されない。当業者にとって、本発明は様々な変更例および変形例を有し得るものである。本発明の主旨および原理の範囲内でなされる任意の変更、等価的置換、改善などは、本発明の範囲内に収まるものとする。
Claims (16)
- 基板（３）、温度センサ、および２つの電極板（１、２）を備える銅熱抵抗薄膜温度センサチップであって、検出抵抗器（４）および抵抗調整回路（５）を有する前記温度センサは前記基板（３）上に配置され、前記抵抗調整回路（５）の一端は前記検出抵抗器（４）の一端に接続され、前記２つの電極板（１，２）のうち一方の電極板（１）は前記検出抵抗器（４）の他端に接続され、前記２つの電極板（１，２）のうち他方の電極板（２）は前記抵抗調整回路（５）の他端に接続され、前記検出抵抗器（４）および前記抵抗調整回路（５）の各々は複数の電気的に接続された抵抗素子から成り、前記抵抗素子は全てパッシベーション絶縁層（９）によって被覆され、
前記抵抗素子は全て、感温薄膜を組織的に配列することによって形成され、前記感温薄膜は、銅熱抵抗薄膜層（７）、前記銅熱抵抗薄膜層（７）の表面を被覆するパッシベーション保護層（８）及び前記基板（３）と前記銅熱抵抗薄膜層（７）との間に配置された種層（６）を有し、前記銅熱抵抗薄膜層（７）は感熱材料で作られ、典型的な結晶子または欠陥の長さが５００ｎｍを超えないナノ結晶質構造を有する、銅熱抵抗薄膜温度センサチップ。 - 前記検出抵抗器（４）は蛇状または螺旋状であり、前記電極板（１）は正方形、長方形、または円形である、請求項１に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップ。
- 接続電極を除いた前記温度センサチップ全体が弾性保護層（１１）によって被覆される、請求項１に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップ。
- 前記パッシベーション保護層（８）は、前記温度センサの高温耐性を改善するために用いられる高温保護コーティングであり、
前記パッシベーション保護層（８）は金属酸化物または金属窒化物であり、
前記金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、および酸化タンタルのいずれかを備え、
前記金属窒化物は、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化タンタル、および窒化ケイ素のいずれかを備える、請求項１〜３のいずれかに記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップ。 - 前記銅熱抵抗薄膜層（７）は銅薄膜または銅合金薄膜であり、前記銅合金薄膜は、ＣｕＣｒ、ＣｕＮｉ、ＣｕＳｎ、ＣｕＮｉＦｅ、またはＣｕＮｉＴｉである、請求項１に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップ。
- 前記銅熱抵抗薄膜層（７）の厚さは２００〜５００００Åである、請求項１または５に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップ。
- 以下のステップ、
Ｓ１．基板の表面を洗浄し、前記基板に感温薄膜を堆積すること、
Ｓ２．前記堆積された感温薄膜に真空熱処理を実行すること、
Ｓ３．前記温度センサに抵抗素子を形成するために、前記真空熱処理された感温薄膜を組織的に配列すること、
Ｓ４．前記抵抗素子の上にパッシベーション絶縁層を堆積し、接続電極を構成するための感熱材料を露出させるために前記パッシベーション絶縁層をウインドウ処理すること、
Ｓ５．前記パッシベーション絶縁層のウインドウに電極を成長すること、
Ｓ６．前記温度センサチップの抵抗値を所定値に調整すること、および
Ｓ７．前記接続電極を除いたチップ全体に弾性保護層を堆積すること
を備える、請求項１〜６のいずれかに記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。 - ステップＳ１における前記基板に感温薄膜を堆積することは、
Ｓ１０１．前記基板に種層を堆積すること、
Ｓ１０２．前記感熱材料として機能するための銅熱抵抗薄膜層を前記種層にスパッタすること、および
Ｓ１０３．前記銅熱抵抗薄膜層にパッシベーション保護層をスパッタすること
を備える、請求項７に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。 - ステップＳ１における前記基板に感温薄膜を堆積することは、
Ｓ１１１．前記感熱材料として機能するための銅熱抵抗薄膜層を前記基板にスパッタすること、および
Ｓ１１２．前記銅熱抵抗薄膜層にパッシベーション保護層をスパッタすること
を備える、請求項７に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。 - 前記基板の材料は、シリコン、酸化アルミニウム、サファイア、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、またはガラスセラミックスである、請求項７〜９のいずれかに記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。
- 前記種層は金属酸化物または金属窒化物であり、前記金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、および酸化チタンを備え、前記金属窒化物は、窒化アルミニウムおよび窒化チタンのいずれかを備える、請求項８に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。
- 前記パッシベーション保護層は金属酸化物または金属窒化物であり、前記金属窒化物は、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化タンタル、および窒化ケイ素のいずれかを備え、前記金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、および酸化タンタルのいずれかを備える、請求項８または９に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。
- ステップＳ３における真空熱処理の温度は１５０〜６００℃である、請求項７に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。
- 前記銅熱抵抗薄膜層は銅薄膜または銅合金薄膜であり、前記銅合金薄膜は、ＣｕＣｒ、ＣｕＮｉ、ＣｕＳｎ、ＣｕＮｉＦｅ、またはＣｕＮｉＴｉである、請求項８または９に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。
- 前記銅熱抵抗薄膜層の厚さは２００〜５００００Åである、請求項１４に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。
- ステップＳ３において、複数の前記抵抗素子を電気的に接続することによって前記温度センサの検出抵抗器および抵抗調整回路が形成され、ステップＳ６において、前記温度センサチップの抵抗値は、前記抵抗調整回路の抵抗値を調整することによって所定値に調整される、請求項７に記載の銅熱抵抗薄膜温度センサチップの製造方法。
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