JPH08188869A - Method of forming thin metallic film of semiconductor element and production of gas sensor - Google Patents
Method of forming thin metallic film of semiconductor element and production of gas sensorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は半導体素子の金属薄膜形
成方法に関し、特に、同時スパッタリング(Co-sputteri
ng)法によって白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）、又は白
金（Ｐｔ）とタンタル（Ｔａ）を同時スパッタリングシ
ステムで堆積することにより、基板に対する付着力と電
極としての特性とを改善し、マイクロヒータ、パッド、
及び拡散障壁の材料としても応用可能な金属薄膜を形成
する方法及びガスセンサの製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a metal thin film for a semiconductor device, and more particularly to a co-sputtering method.
ng) method, platinum (Pt) and titanium (Ti) or platinum (Pt) and tantalum (Ta) are deposited by a co-sputtering system to improve the adhesion to the substrate and the characteristics as an electrode. ,pad,
Also, the present invention relates to a method for forming a metal thin film applicable also as a material for a diffusion barrier and a method for manufacturing a gas sensor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】集積回路における金属薄膜形成工程で
は、素子への接続、素子間の相互接続、チップと外部回
路との接続という三つの重要機能があり、集積回路の場
合、金属工程は、歩留まりと信頼性に最も大きな影響を
与える決定的な工程である。2. Description of the Related Art In the process of forming a metal thin film in an integrated circuit, there are three important functions: connection to elements, interconnection between elements, and connection between a chip and an external circuit. And is the decisive process that has the greatest impact on reliability.
【０００３】薄膜を形成するときに、金属工程は素子や
材料の性質に影響を与えてはならないし、一度薄膜が形
成されれば、金属が基板から離れてはいけない。例え
ば、金（Ａｕ）は一般的にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）
や窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）に対する付着がよくないものとし
て、チタン（Ｔｉ）はシリコン酸化膜、窒化膜に付着力
が優れたものとして知られている。When forming a thin film, the metal process should not affect the properties of the device or material, and once the thin film is formed, the metal should not leave the substrate. For example, gold (Au) is generally a silicon oxide film (SiO 2 ).
Titanium (Ti) is known to have excellent adhesion to the silicon oxide film and the nitride film, because of its poor adhesion to the silicon oxide film and the nitride film (Si 3 N 4 ).
【０００４】金属は、他の材料に影響を及ぼさないで、
マスク作業やエッチング作業等が容易に行うことがで
き、高い温度で安定であり、金又はアルミニウムによる
ワイヤボンディングや半田付けにも適する性質をもつも
のでなければならない。さらに、高い電気伝導度と低い
接触抵抗を有するほど好ましい。熱的、化学的に安定で
あり、酸化されにくいこと、腐食されにくいこと、堆積
時に薄膜が均一に形成されることの条件を満足すると、
金属工程に非常に適している。Metals do not affect other materials,
It must be capable of easily performing masking work, etching work, etc., stable at high temperatures, and having properties suitable for wire bonding and soldering with gold or aluminum. Furthermore, it is preferable that it has high electrical conductivity and low contact resistance. If it satisfies the conditions of being thermally and chemically stable, being hard to be oxidized, being hard to be corroded, and forming a thin film uniformly during deposition,
Very suitable for metal processing.
【０００５】アルミニウムは電気的移動（エレクトロマ
イグレーション）と腐食とに対する耐性が悪いという欠
点をもっているが、その他の全ての優れた条件をもって
おり、その形成工程が容易であるという重要な長所をも
っているので、金属工程に最も広く用いられる。しか
し、アルミニウムを堆積した後に続く工程が高い温度で
行われるか、素子が高い温度で動作しなければならない
場合、アルミニウム金属工程を用いるのは適切でない。Although aluminum has the drawback of poor resistance to electromigration and corrosion, it has all the other excellent conditions and has the important advantage of being easy to form. Most widely used in metal processing. However, it is not appropriate to use the aluminum metal process if the subsequent steps after depositing aluminum are performed at high temperature or if the device must operate at high temperature.
【０００６】強誘電体キャパシタ用電極として用いられ
ている電極材料として、白金／チタン、または白金／タ
ンタルの２層複合金属材料が用いられる。この他に、金
（Ａｕ）／クロム（Ｃｒ）／ニッケル（Ｎｉ）、金／チ
タンニウム、ニッケル−鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）合金等が電極
及びマイクロヒータとして用いられている。強誘電体の
電極材料のうち、チタン又はタンタルは基板と白金電極
との間に形成されて、電極の付着膜および拡散防止膜と
して用いられる。As an electrode material used as an electrode for a ferroelectric capacitor, a platinum / titanium or platinum / tantalum two-layer composite metal material is used. In addition, gold (Au) / chromium (Cr) / nickel (Ni), gold / titanium, nickel-iron (Ni—Fe) alloy, etc. are used as electrodes and microheaters. Among the ferroelectric electrode materials, titanium or tantalum is formed between the substrate and the platinum electrode and is used as an electrode adhesion film and a diffusion prevention film.
【０００７】図６はシリコン基板上に白金／チタンおよ
び白金／タンタルを堆積させたときの断面構造を示すも
ので、アニール条件により金属薄膜内で相互拡散が生じ
る結果、初期にスパッタリング堆積されていた金属薄膜
の状態が変化するのを示している。即ち、図６（ａ）は
シリコン基板上に白金／チタンをスパッタリング堆積し
た後、真空状態および酸素雰囲気でアニールしたときの
断面構造を示し、図６（ｂ）はシリコン基板上に白金／
タンタルをスパッタリング堆積した後、真空状態及び酸
素雰囲気でアニーリングしたときの断面構造を示してい
る。FIG. 6 shows a cross-sectional structure when platinum / titanium and platinum / tantalum are deposited on a silicon substrate. As a result of mutual diffusion in the metal thin film due to annealing conditions, sputtering deposition was initially performed. It shows that the state of the metal thin film changes. That is, FIG. 6A shows a sectional structure when platinum / titanium is deposited by sputtering on a silicon substrate and then annealed in a vacuum state and an oxygen atmosphere, and FIG. 6B shows platinum / titanium on the silicon substrate.
The cross-sectional structure when tantalum is deposited by sputtering and then annealed in a vacuum state and an oxygen atmosphere is shown.
【０００８】図７は、白金／チタン金属薄膜に対するオ
ージェ電子スペクトル(Auger Electron Spectroscopy)
の深さ方向のプロファイルの分析結果を示している。こ
こで、図７（ａ）は５００℃、酸素雰囲気下で３０分間
熱処理したときの深さ方向のプロファイルの結果を示
し、図７（ｂ）は８００℃、酸素雰囲気下で３０分間熱
処理したときの深さ方向のプロファイルの結果を示して
いる。図に示されるように、高温で熱処理するに従っ
て、相互拡散が激しく生じている。FIG. 7 shows Auger Electron Spectroscopy for a platinum / titanium metal thin film.
7 shows the analysis result of the profile in the depth direction of. Here, FIG. 7A shows the results of the profile in the depth direction when heat-treated at 500 ° C. in an oxygen atmosphere for 30 minutes, and FIG. 7B shows heat-treated at 800 ° C. in an oxygen atmosphere for 30 minutes. The result of the profile in the depth direction is shown. As shown in the figure, as the heat treatment is performed at a high temperature, the mutual diffusion is intense.
【０００９】一方、金属堆積工程の他の例として、半導
体応用素子におけるヒータ堆積及びパッド堆積工程があ
るが、図８及び９はこの工程を示すものである。まず、
研磨されたシリコン基板１（図８（ａ））に対してホウ
素の拡散工程を行った後（図８（ｂ））、低圧化学気相
成長装置(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)に
より、シリコン基板１の両面にシリコン窒化膜（Ｓｉ3
Ｎ4）２を約５００〜２５００Åの厚さで堆積する（図
８（ｃ））。このシリコン窒化膜２が堆積された基板上
に白金／チタンまたは白金／タンタルを堆積して温度セ
ンサ３ａと下部電極またはヒータ３ｂを形成する（図８
（ｄ））。スパッタリング法で基板の全面にシリコン窒
化膜４を形成した後（図９（ａ））、ワイヤボンディン
グさせる温度センサ３ａと下部電極またはヒータ３ｂの
コンタクトホールにある絶縁膜を反応性エッチング(Rea
ctive Ion Etcing)によりドライエッチングした後（図
９（ｂ））、白金／チタンあるいは白金／タンタルをス
パッタリング堆積して上部電極５を形成する（図９
（ｃ））。上部電極のような金属材料である白金／チタ
ンあるいは白金／タンタルをスパッタリング堆積して温
度センサのパッド６ａと下部電極またはヒータのパッド
６ｂを形成した後（図９（ｄ））、アニール工程を行
う。On the other hand, as another example of the metal depositing process, there are a heater depositing process and a pad depositing process in a semiconductor application device, and FIGS. 8 and 9 show this process. First,
After performing a boron diffusion process on the polished silicon substrate 1 (FIG. 8A) (FIG. 8B), the silicon substrate 1 is processed by a low pressure chemical vapor deposition apparatus (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Silicon nitride film (Si 3
N 4 ) 2 is deposited to a thickness of about 500 to 2500Å (FIG. 8C). Platinum / titanium or platinum / tantalum is deposited on the substrate on which the silicon nitride film 2 is deposited to form the temperature sensor 3a and the lower electrode or heater 3b (FIG. 8).
(D)). After the silicon nitride film 4 is formed on the entire surface of the substrate by the sputtering method (FIG. 9A), the temperature sensor 3a for wire bonding and the insulating film in the contact hole of the lower electrode or the heater 3b are reactively etched (Rea).
After dry etching by ctive ion etching (FIG. 9B), platinum / titanium or platinum / tantalum is deposited by sputtering to form the upper electrode 5 (FIG. 9).
(C)). After platinum / titanium or platinum / tantalum, which is a metal material such as the upper electrode, is deposited by sputtering to form the temperature sensor pad 6a and the lower electrode or heater pad 6b (FIG. 9D), an annealing process is performed. .
【００１０】図１０はタンタルを付着膜として用いた場
合のパッド部における金属薄膜をＡＥＳで深さ方向のプ
ロファイルを分析した結果である。図１０からわかるよ
うに、タンタルは全て酸化されている。FIG. 10 shows the results of AES analysis of the profile in the depth direction of the metal thin film in the pad portion when tantalum was used as the adhesion film. As can be seen from FIG. 10, all tantalum is oxidized.
【００１１】従って、下部金属と後続工程によりスパッ
タリング堆積したパッド金属との間で接触抵抗が高くな
り、電気的な接触不良が発生する可能性がある。アニー
ルを窒素雰囲気下または真空状態て行っても、白金／チ
タンまたは白金／タンタルを堆積後の工程が高温で行わ
れる場合には、素子の内部または外部から酸素が拡散し
て入ってきたり、金属材料間の相互拡散が生じて、初期
金属薄膜の固有特性が変化することになる。Therefore, the contact resistance between the lower metal and the pad metal sputter-deposited in the subsequent step becomes high, and electrical contact failure may occur. Even if annealing is performed in a nitrogen atmosphere or in a vacuum, if the process after depositing platinum / titanium or platinum / tantalum is performed at a high temperature, oxygen diffuses in from the inside or outside of the element, or metal enters. Interdiffusion between materials will occur, which will change the intrinsic properties of the initial metal thin film.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
白金／チタンあるいは白金／タンタル金属薄膜を強誘電
体薄膜用の下部電極として使用する場合は、電極の熱処
理又は下部電極上に堆積される誘電体薄膜形成時の高い
温度及び雰囲気によって金属薄膜内で相互拡散が生じて
ＤＣまたはＲＦスパッタリング堆積されたときの初期状
態とは異なる電極特性を示すので、強誘電体膜の誘電特
性が低下する。As described above, when the conventional platinum / titanium or platinum / tantalum metal thin film is used as the lower electrode for the ferroelectric thin film, it is heat treated or deposited on the lower electrode. Due to the high temperature and atmosphere at the time of forming the dielectric thin film, interdiffusion occurs in the metal thin film and exhibits electrode characteristics different from those in the initial state when deposited by DC or RF sputtering, so that the dielectric characteristics of the ferroelectric film deteriorate. .
【００１３】なお、白金／チタン、白金／タンタル、ま
たは金／チタン等の２層金属膜をマイクロヒータ及びパ
ッド物質として使用した場合は、接触金属(Contact Met
al)であるチタンとタンタルの拡散によって、金属膜の
特性が変化したり、パッド部のいて付着膜の酸化によっ
て電気的接続がとれないという問題が発生することもあ
る。When a two-layer metal film such as platinum / titanium, platinum / tantalum, or gold / titanium is used as the micro heater and the pad material, the contact metal (Contact Met
The diffusion of titanium and tantalum, which is al), may cause a problem that the characteristics of the metal film are changed or that the electrical connection cannot be made due to the oxidation of the adhesion film at the pad portion.
【００１４】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、電極金属を
相互拡散の少ない材料および構造で形成して、高温加熱
時にも拡散を防止する拡散障壁としての役割を果たし、
かつ強誘電体薄膜のような強誘電特性に悪影響を及ぼさ
ない、半導体素子の金属薄膜形成方法を提供することに
ある。The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to prevent diffusion even during high-temperature heating by forming an electrode metal with a material and a structure with less mutual diffusion. Acts as a diffusion barrier,
Another object of the present invention is to provide a method for forming a metal thin film for a semiconductor device, which does not adversely affect the ferroelectric characteristics of a ferroelectric thin film.
【００１５】また、本発明の他の目的は、スパッタリン
グ法で堆積した金属を高い温度においてマイクロヒータ
及び電極として使用したとき、金属薄膜の特性が時間が
経つにしたがって変化することを防ぎ、パッド部で発生
し得る接触不良を防ぐ、半導体素子の金属薄膜形成方法
及びガスセンサの製造方法を提供することにある。Another object of the present invention is to prevent the characteristics of the metal thin film from changing over time when the metal deposited by the sputtering method is used as a micro heater and an electrode at a high temperature, and the pad portion is prevented. It is an object of the present invention to provide a method for forming a metal thin film of a semiconductor element and a method for manufacturing a gas sensor, which prevent contact failure that may occur in 1.
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子の金
属薄膜形成方法は、基板上に貴金属物質と基板との付着
性に優れた金属を同時にスパッタリング堆積して混合金
属付着膜を形成する工程と、該混合金属付着膜上に該貴
金属物質をスパッタリング堆積して金属薄膜を形成する
工程とを含んでおり、そのことにより上記目的が達成さ
れる。According to the method of forming a metal thin film of a semiconductor device of the present invention, a step of forming a mixed metal adhesion film by simultaneously depositing a metal having excellent adhesion between a noble metal substance and the substrate on a substrate by sputtering. And a step of depositing the noble metal substance on the mixed metal-attached film by sputtering to form a metal thin film, whereby the above object is achieved.
【００１７】前記貴金属物質はＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐ
ｄ、Ｒｈの中から選択されたいずれか一つであることが
好ましい。The noble metal substance is Pt, Au, Ag, P
It is preferably any one selected from d and Rh.
【００１８】前記基板との付着性に優れた金属は、Ｔ
ｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの中から選択されたいずれ
か一つであることが好ましい。The metal having excellent adhesion to the substrate is T
It is preferably any one selected from i, Ta, Ni, Cr, and Mo.
【００１９】前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、
ＭｇＯの中から選択されたいずれか一つであることが好
ましい。The substrate is made of Si, SiO 2 , Si 3 N 4 ,
It is preferably any one selected from MgO.
【００２０】前記混合金属付着膜を形成する工程におい
て、堆積過程中に酸素を数ｓｃｃｍ〜数十ｓｃｃｍ程度
流してスパッタリング堆積してもよい。In the step of forming the mixed metal adhesion film, oxygen may be flowed at a rate of several sccm to several tens of sccm during the deposition process to carry out sputtering deposition.
【００２１】前記混合金属付着膜を形成する工程後、該
混合金属付着膜上に拡散障壁層を堆積する工程を更に含
んでいてもよい。After the step of forming the mixed metal deposition film, a step of depositing a diffusion barrier layer on the mixed metal deposition film may be further included.
【００２２】前記拡散障壁層はＴｉＮを堆積して形成し
てもよい。The diffusion barrier layer may be formed by depositing TiN.
【００２３】前記拡散障壁層は厚さ１００〜１０００Å
に形成することが好ましい。The diffusion barrier layer has a thickness of 100 to 1000Å
It is preferable to form it.
【００２４】前記拡散障壁層は、反応性スパッタリング
法を用いてアルゴンＡｒと窒素Ｎ2との混合ガスを流し
つつスパッタリング堆積してもよい。The diffusion barrier layer may be deposited by sputtering using a reactive sputtering method while flowing a mixed gas of argon Ar and nitrogen N 2 .
【００２５】また、本発明のガスセンサの製造方法は、
シリコン窒化膜が堆積されたシリコン基板上に貴金属物
質と基板との付着性に優れた金属を同時にスパッタリン
グ堆積して混合金属付着膜を形成する工程と、前記混合
金属付着膜上に前記貴金属物質をスパッタリング堆積し
てヒータを形成する工程とを含んでおり、そのことによ
り、上記目的が達成される。The method of manufacturing the gas sensor of the present invention is
Forming a mixed metal adhesion film by simultaneously depositing a precious metal material and a metal having excellent adhesion to the substrate on a silicon substrate on which a silicon nitride film is deposited to form a mixed metal adhesion film; and depositing the noble metal material on the mixed metal adhesion film. Sputter depositing to form the heater, which achieves the above objectives.
【００２６】前記混合金属付着膜は厚さ２００〜１５０
０Åに形成することが好ましい。The mixed metal deposition film has a thickness of 200 to 150.
It is preferable to form 0Å.
【００２７】前記ヒータは厚さ５００Å〜１μｍに形成
することが好ましい。The heater is preferably formed to have a thickness of 500Å to 1 μm.
【００２８】前記ヒータを形成する工程後、熱処理する
工程をさらに含んでいてもよい。After the step of forming the heater, a heat treatment step may be further included.
【００２９】[0029]
【作用】従来ではチタン膜やタンタル膜が半導体素子の
製造中にチャンバ内の雰囲気や熱処理時の雰囲気によっ
て酸化され、これらの膜を挟む上下の金属膜間で電気的
接続不良が発生していた。In the past, the titanium film and the tantalum film were oxidized by the atmosphere in the chamber or the atmosphere during the heat treatment during the manufacture of the semiconductor element, and the electrical connection failure occurred between the upper and lower metal films sandwiching these films. .
【００３０】本発明では白金などの貴金属物質とチタン
やタンタルなどの基板との付着性に優れた金属とを同時
スパッタリングして金属薄膜を形成することにより、貴
金属物質を介して電気的な通路が形成されて、確実な電
気的接続を行うことができる。また、チタンやタンタル
を酸化させることにより、金属薄膜を安定化させ、基板
との付着力を保持しつ、基板内の原子がこれらの膜に拡
散したり、チタンやタンタルがこれらの膜の上に形成さ
れる膜へ拡散することを防止する拡散障壁の役割を果た
す。In the present invention, a metal thin film is formed by co-sputtering a noble metal substance such as platinum and a metal such as titanium or tantalum having excellent adhesion to a substrate, so that an electrical path is formed through the noble metal substance. Once formed, a reliable electrical connection can be made. In addition, by oxidizing titanium or tantalum, the metal thin film is stabilized and the adhesion with the substrate is maintained, atoms in the substrate diffuse into these films, and titanium or tantalum is deposited on these films. Plays the role of a diffusion barrier that prevents diffusion into the film formed on the substrate.
【００３１】[0031]
【実施例】以下に、本発明を実施例について説明する。EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples.
【００３２】本発明では、図１に示すような同時スパッ
タリングシステムでスパッタリン堆積法によりシリコン
基板上に２種類の金属を同時に堆積することにより、白
金とチタン、または白金とタンタルが互いに混合されて
積層形成される。In the present invention, platinum and titanium or platinum and tantalum are mixed with each other by simultaneously depositing two kinds of metals on a silicon substrate by a sputter phosphorus deposition method in a simultaneous sputtering system as shown in FIG. Laminated.
【００３３】本発明による金属薄膜の製造方法では、強
誘電体コンデンサの下部電極として使用する場合、図２
（ａ）および（ｂ）に示したような順でまず、下部電極
を堆積する。図２（ａ）に示されるように、先ずシリコ
ン基板上に白金とチタン、または白金とタンタルを同時
スパッタリング堆積するときの方法により、堆積過程中
に酸素を数ｓｃｃｍ〜数十ｓｃｃｍ程度流してチタンお
よびタンタルの酸化（ＴｉＯ2、Ｔａ０x）を積極的に誘
導するものである。In the method of manufacturing a metal thin film according to the present invention, when it is used as a lower electrode of a ferroelectric capacitor, the method shown in FIG.
First, the lower electrode is deposited in the order shown in (a) and (b). As shown in FIG. 2A, first, according to a method of simultaneously sputtering and depositing platinum and titanium, or platinum and tantalum on a silicon substrate, oxygen is flowed at a rate of several sccm to several tens of sccm during the deposition process. And actively induces oxidation of tantalum (TiO 2 , Ta0 x ).
【００３４】スパッタリング中に酸素を流さずに堆積を
終了し、その後、４０℃〜６００℃の温度で酸素雰囲気
下、アニールすることによりチタンあるいはタンタルの
酸化を誘導することもできるが、スパッタリング中に酸
素を流してチタンまたはタンタルの酸化膜を製作した場
合の金属薄膜は、アニールで酸化膜を形成した場合の金
属薄膜より安定である。It is also possible to induce the oxidation of titanium or tantalum by finishing the deposition without flowing oxygen during sputtering, and then annealing at a temperature of 40 ° C. to 600 ° C. in an oxygen atmosphere to induce the oxidation of titanium or tantalum. The metal thin film when the titanium or tantalum oxide film is formed by flowing oxygen is more stable than the metal thin film when the oxide film is formed by annealing.
【００３５】図２（ｂ）は拡散障壁薄膜を基板上にもう
一つ形成した場合で、ＴｉＮ薄膜を反応性スパッタリン
グ法を用いてチタンターゲットにアルゴン（Ａｒ）と窒
素（Ｎ2）との混合ガスを流しつつスパッタリング堆積
したものである。FIG. 2B shows a case where another diffusion barrier thin film is formed on the substrate. A TiN thin film is mixed with argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) on a titanium target by using the reactive sputtering method. It is formed by sputtering while flowing a gas.
【００３６】チタンナイトライド（ＴｉＮ）金属薄膜は
６００℃以下のアニール温度では単独で使われても良い
特性の拡散障壁の役割を果たすが、６５０℃以上の温度
ではシリコン基板からシリコンがチタンナイトライド
（ＴｉＮ）薄膜を通して拡散したりする。かかる問題点
を改善するためには、約１０００Åの白金とチタン、ま
たは白金とタンタルの同時スパッタリング金属膜上に１
００〜１０００Åの厚さのチタンナイトライト（Ｔｉ
Ｎ）膜を２〜５Ｗ／ｃｍ2の電力で堆積させる。これに
より、高温における拡散障壁特性を改善させることがで
きる。The titanium nitride (TiN) metal thin film plays a role as a diffusion barrier which may be used alone at an annealing temperature of 600 ° C. or lower, but at a temperature of 650 ° C. or higher, silicon from the silicon substrate becomes titanium nitride. It diffuses through the (TiN) thin film. In order to improve such a problem, it is necessary to deposit about 1000 Å platinum and titanium or platinum and tantalum on the co-sputtering metal film.
Titanium night light with a thickness of 00 to 1000Å (Ti
N) Deposit the film at a power of 2-5 W / cm 2 . Thereby, the diffusion barrier property at high temperature can be improved.
【００３７】図３及び４は、本発明による同時スパッタ
リング法を用いてヒータ及びパッド等を堆積させたガス
センサの製造過程を示している。図３（ａ）に示すよう
に、研磨されたＰ型シリコン基板１０に対して図３
（ｂ）に示すようにホウ素の拡散工程を行った後、図３
（ｃ）に示すようにシリコン基板１０の両面に低圧化学
気相成長装置でシリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）２０を約５
００〜２５００Åの厚さで堆積する。このシリコン窒化
膜２０が堆積されたシリコン基板上に図３（ｄ）のよう
にマイクロヒータ３０を形成する。このヒータ３０は、
白金とチタン、または白金とタンタルを同時スパッタリ
ング法により２００〜１５００Å程度に堆積して付着膜
を形成させ、その後、その上に５００Å〜１μｍの厚さ
になるように白金を堆積して製作する。3 and 4 show a process of manufacturing a gas sensor in which a heater, a pad and the like are deposited by using the co-sputtering method according to the present invention. As shown in FIG.
After performing the boron diffusion step as shown in FIG.
As shown in (c), a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 20 is formed on both surfaces of the silicon substrate 10 by a low pressure chemical vapor deposition apparatus to about 5 times.
It is deposited to a thickness of 00 to 2500Å. A micro-heater 30 is formed on the silicon substrate on which the silicon nitride film 20 is deposited, as shown in FIG. This heater 30
Platinum and titanium, or platinum and tantalum are deposited by the co-sputtering method to a thickness of about 200 to 1500 Å to form an adhesion film, and then platinum is deposited to a thickness of 500 Å to 1 µm.
【００３８】ヒータで使用される白金とチタン、または
白金とタンタルの混合金属膜は、絶縁膜との付着力を高
め、かつ拡散障壁層として用いるための手段として白金
層の下方に堆積する。最も好ましい厚さは５００Åであ
る。更に、白金は高温材料であるため、発熱特性と温度
による抵抗変化の特性に優れる。従って、ヒータ３０、
温度センサ６０ａ、及び電極６０ｂとして同時に用いら
れる。The platinum-titanium or platinum-tantalum mixed metal film used in the heater is deposited below the platinum layer as a means for increasing its adhesion to the insulating film and for use as a diffusion barrier layer. The most preferable thickness is 500Å. Further, since platinum is a high temperature material, it has excellent heat generation characteristics and resistance change characteristics due to temperature. Therefore, the heater 30,
The temperature sensor 60a and the electrode 60b are simultaneously used.
【００３９】付着膜を同時スパッタリングするときには
酸素を１〜５ｓｃｃｍ程度流すが、これは付着膜内に存
在するチタンまたはタンタルを酸化させることにより、
付着膜を高温熱処理後にも安定化させるためである。When the attached film is co-sputtered, oxygen is supplied at about 1 to 5 sccm. This is done by oxidizing titanium or tantalum present in the attached film.
This is to stabilize the adhered film even after high-temperature heat treatment.
【００４０】前記のようにヒータ３０を形成した後、図
３（ｅ）のように絶縁特性が優れ、高い熱伝導度を備え
ているために、ヒータ３０から発熱した熱を後続工程で
形成される検知膜へ容易に熱を伝導するシリコン窒化膜
を反応性スパッタリング法で堆積することにより、層間
絶縁膜４０を形成する。その後、その上にホトエッチン
グ工程によりホトレジストをパターニングし、反応性イ
オンエッチング法により、シリコン窒化膜かならる層間
絶縁膜４０を選択的にドライエッチングして図３（ｆ）
のようにワイヤボンディングするべき部分を露出させる
コンタクトホールを形成する。After the heater 30 is formed as described above, the heat generated from the heater 30 is formed in a subsequent process because it has excellent insulating properties and high thermal conductivity as shown in FIG. 3 (e). The interlayer insulating film 40 is formed by depositing a silicon nitride film that easily conducts heat to the sensing film by a reactive sputtering method. After that, a photoresist is patterned thereon by a photoetching process, and the interlayer insulating film 40 which is made of a silicon nitride film is selectively dry-etched by a reactive ion etching method to form a pattern shown in FIG.
As described above, a contact hole exposing a portion to be wire-bonded is formed.
【００４１】ここにクロムマスクを用いてさらにホトレ
ジストをパターニングし、付着材料として白金とチタ
ン、または白金とタンタルを２００〜１５００Å堆積
し、電極材料として白金を３０００Å〜１μｍ程度堆積
する。続いて、図３（ｇ）及び図４（ａ）に示すよう
に、リフトオフ法により、ヒータパッド５０ａ、温度セ
ンサ６０ａ、電極６０ｂをそれぞれ形成する。その後、
図４（ｂ）のようにスパッタリング法を用いて白金を３
０００〜５０００Åの厚さに堆積し、ヒータパッド７０
ａと温度センサパッド７０ｂを形成する。更に、電極６
０ｂ上にＺｎＯ／Ａｌ2Ｏ3検知膜８０ａとＳｎＯ2／Ｐ
ｄ検知膜８０ｂをそれぞれ堆積する。この際、検知膜の
厚さは５００〜２０００Åが最も好ましい。A photoresist is further patterned here using a chromium mask, platinum and titanium or platinum and tantalum as adhesion materials are deposited to 200 to 1500 Å, and platinum as an electrode material is deposited to about 3000 Å to 1 μm. Subsequently, as shown in FIGS. 3G and 4A, the heater pad 50a, the temperature sensor 60a, and the electrode 60b are formed by the lift-off method. afterwards,
As shown in Fig. 4 (b), platinum is deposited by the sputtering method.
000 ~ 5000Å deposited on the heater pad 70
a and the temperature sensor pad 70b are formed. Furthermore, the electrode 6
ZnO / Al 2 O 3 sensing film 80a and SnO 2 / P on
The d detection films 80b are deposited respectively. At this time, the thickness of the detection film is most preferably 500 to 2000Å.
【００４２】このように表面工程を完了した後、図４
（ｃ）のようにシリコン基板１０の裏面にエッチング窓
をＲＩＥ法で形成した後、ＫＯＨ溶液を用いて異方性エ
ッチングをする。この際、エッチングはシリコン基板の
表面に形成されたシリコン窒化膜２０でストップし、図
４（ｄ）のような構造が形成される。After completing the surface process in this manner, FIG.
After forming an etching window on the back surface of the silicon substrate 10 by the RIE method as shown in (c), anisotropic etching is performed using a KOH solution. At this time, the etching is stopped at the silicon nitride film 20 formed on the surface of the silicon substrate, and the structure as shown in FIG. 4D is formed.
【００４３】前記工程により製造された素子のヒータ３
０、温度センサ６０ａ、電極６０ｂのそれぞれのパッド
部分をワイヤボンディングさせてヒータ特性及び素子の
電気的な特性を測定した結果、２５０〜４５０℃のヒー
タ動作温度で安定なヒータ特性および一定で変動のない
電気伝導度を示した。３００℃における温度センサの抵
抗は約７００Ωを示した。このような結果から、前記工
程の実施例のように白金とチタン、または白金とタンタ
ルが酸化されても、酸化がほとんど生じない白金層を介
して電気的接続が達成され、接着不良および接触不良の
ない素子を構成できることがわかる。The heater 3 of the element manufactured by the above process
No. 0, the temperature sensor 60a and the electrode 60b are wire-bonded to each other to measure the heater characteristics and the electrical characteristics of the element. As a result, the heater operating temperature is 250 to 450 ° C. It showed no electrical conductivity. The resistance of the temperature sensor at 300 ° C. was about 700Ω. From these results, even if platinum and titanium or platinum and tantalum are oxidized as in the example of the above process, electrical connection is achieved through the platinum layer that hardly causes oxidation, resulting in poor adhesion and poor contact. It can be seen that a device without a can be constructed.
【００４４】図５は、同時スパッタリング法で堆積され
た金属薄膜中の付着膜のオージェ電子スペクトルの深さ
方向のプロファイルを示す分析結果である。図から明ら
かなように、深さ方向に沿って金属薄膜の組成が均一で
あることを示している。FIG. 5 is an analysis result showing the profile in the depth direction of the Auger electron spectrum of the deposited film in the metal thin film deposited by the co-sputtering method. As is clear from the figure, the composition of the metal thin film is uniform along the depth direction.
【００４５】本発明の好ましい実施例によれば、前記貴
金属物質としてはＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｈの中か
ら選択されたいずれか一つを使用し、前記基板との付着
性に優れた金属はＴｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの中か
ら選択されたいずれか一つを使用する。なお、本発明の
一実施例によれば、前記基板はＳｉ、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ
4、ＭｇＯの中から選択されたいずれか一つである。According to a preferred embodiment of the present invention, as the noble metal material, any one selected from Pt, Au, Ag, Pd and Rh is used, and it has excellent adhesion to the substrate. As the metal, any one selected from Ti, Ta, Ni, Cr and Mo is used. According to an embodiment of the present invention, the substrate is made of Si, SiO 2 , Si 3 N.
4 , any one selected from MgO.
【００４６】[0046]
【発明の効果】本発明によれば、基板との付着力を保持
しながら、高温加熱時にも相互拡散を防ぎ、かつ良好な
電気的接続を得ることのできる金属薄膜を形成すること
ができる。従って、高温加熱工程が必要な半導体応用素
子のヒータ及びパッドの形成に好適に用いることができ
る。According to the present invention, it is possible to form a metal thin film capable of preventing mutual diffusion even at the time of heating at a high temperature while maintaining the adhesive force to the substrate and obtaining good electrical connection. Therefore, it can be suitably used for forming a heater and a pad of a semiconductor application device which requires a high temperature heating process.
【００４７】また、本発明により得られる金属薄膜は強
誘電体薄膜の強誘電特性に悪影響を及ぼさないので、強
誘電体の下部電極に用いて、信頼性の高いキャパシタを
形成することができる。Since the metal thin film obtained by the present invention does not adversely affect the ferroelectric characteristics of the ferroelectric thin film, it can be used as the lower electrode of the ferroelectric to form a highly reliable capacitor.
【００４８】更に、ガスセンサに用いることにより、金
属薄膜の特性の経時変化及びパッド部で発生しうる接触
不良のない優れたガスセンサを得ることができる。Further, by using it as a gas sensor, it is possible to obtain an excellent gas sensor which is free from changes in the characteristics of the metal thin film over time and inferior contact which may occur at the pad portion.
【図１】本発明の同時スパッタリングシステムの構成図
である。FIG. 1 is a configuration diagram of a simultaneous sputtering system of the present invention.
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明により製造された金
属薄膜の断面構造図である。2A and 2B are cross-sectional structural views of a metal thin film manufactured according to the present invention.
【図３】（ａ）から（ｇ）は本発明により同時スパッタ
リング工程方法を用いたガスセンサ製造工程の前半を示
す図である。3A to 3G are views showing the first half of a gas sensor manufacturing process using the simultaneous sputtering process method according to the present invention.
【図４】（ａ）から（ｄ）は本発明により同時スパッタ
リング工程方法を用いたガスセンサ製造工程の後半を示
す図である。4A to 4D are views showing the latter half of the gas sensor manufacturing process using the simultaneous sputtering process method according to the present invention.
【図５】本発明によりＰｔ、Ｔａが同時スパッタリング
されたＰｔ、Ｔａ付着膜のＡＥＳ深さプロファイルを示
すグラフである。FIG. 5 is a graph showing an AES depth profile of a Pt / Ta adhesion film in which Pt and Ta are co-sputtered according to the present invention.
【図６】（ａ）及び（ｂ）は従来の技術によって金属薄
膜をスパッタリング堆積した後、真空及び酸素雰囲気で
熱処理したときの断面構造図である。6A and 6B are cross-sectional structural views when a metal thin film is deposited by sputtering according to a conventional technique and then heat-treated in a vacuum and an oxygen atmosphere.
【図７】（ａ）は従来の技術によってＰｔ／Ｔｉ電極を
５００℃で熱処理したときのＡＥＳ深さプロファイルを
示すグラフであり、（ｂ）は従来の技術によってＰｔ／
Ｔｉ電極を８００℃で熱処理したときのＡＥＳ深さプロ
ファイルを示すグラフである。FIG. 7A is a graph showing an AES depth profile when a Pt / Ti electrode was heat-treated at 500 ° C. by a conventional technique, and FIG. 7B is a graph showing Pt / Pt / P by a conventional technique.
It is a graph which shows the AES depth profile when heat-processing a Ti electrode at 800 degreeC.
【図８】（ａ）から（ｄ）は従来の技術による半導体応
用素子におけるヒータ堆積工程による断面図である。FIG. 8A to FIG. 8D are cross-sectional views of a semiconductor application element according to a conventional technique in a heater deposition process.
【図９】（ａ）から（ｄ）は図８に続く従来の技術によ
る半導体応用素子における電極及びパッド堆積工程によ
る断面図である。9A to 9D are cross-sectional views of a conventional semiconductor application device following the process of FIG. 8 in the electrode and pad deposition process.
【図１０】従来の技術によるＰｔ／Ｔａ構造のパッド／
下部電極部におけるＡＥＳ深さプロファイルを示すグラ
フである。FIG. 10: Pt / Ta structure pad /
It is a graph which shows the AES depth profile in a lower electrode part.
１０ シリコン基板 ２０ シリコン窒化膜 ３０ ヒータ ４０ 層間絶縁膜 ５０ａ ビットパッド ６０ａ 温度センサ ６０ｂ 電極 ８０ａ ＺｎＯ／Ａｌ2Ｏ3検知膜 ８０ｂ ＳｎＯ2／Ｐｄ検知膜10 Silicon Substrate 20 Silicon Nitride Film 30 Heater 40 Interlayer Insulating Film 50a Bit Pad 60a Temperature Sensor 60b Electrode 80a ZnO / Al 2 O 3 Sensing Film 80b SnO 2 / Pd Sensing Film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 洪 炯基 大韓民國，京畿▲道▼，果川市，富林洞 41，主公エイピーティー． 903−105 (72)発明者 李 圭晶 大韓民國，ソウル市，瑞草區，盤浦４洞 エイピーティー． 309−601 (72)発明者 朴 ▲ヒョン▼洙 大韓民國，ソウル市，永登浦區，大林２ 洞，1057−31 (72)発明者 尹 童鉉 大韓民國，京畿▲道▼，果川市，富林洞 39−13 (72)発明者 金 成泰 大韓民國，ソウル市，恩▲平▼區，鷹岩２ 洞，242−６ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hong Yi Ki, Gyeonggi-do, Republic of Korea, Gwacheon, Fulim-dong 41, APT. 903-105 (72) Inventor, Lee Kyung, Korea, Seoul, Seocho, Banpo 4dong APT. 309-601 (72) Inventor Park ▲ Hyun ▼ Soo Korea, City of Seoul, Yeongdeungpo, Daehyeon 2-dong, 1057-31 (72) Inventor Yun Do Hyun, Republic of Korea, Gyeonggi-do, Gwacheon, Fulin Dong 39-13 (72) Inventor Kim Cheng Tai, Republic of Korea, Seoul, Ongyeong-guk, Hawak 2 Cave, 242-6
Claims (13)
優れた金属を同時にスパッタリング堆積して混合金属付
着膜を形成する工程と、 該混合金属付着膜上に該貴金属物質をスパッタリング堆
積して金属薄膜を形成する工程と、を含むことを特徴と
する半導体素子の金属薄膜形成方法。1. A step of forming a mixed metal deposition film by simultaneously depositing a precious metal substance and a metal having excellent adhesion to a substrate on a substrate to form a mixed metal deposition film, and depositing the precious metal substance on the mixed metal deposition film by sputtering deposition. And a step of forming a metal thin film by using the method.
ｄ、Ｒｈの中から選択されたいずれか一つであることを
特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属薄膜形成
方法。2. The noble metal material is Pt, Au, Ag, P
2. The method for forming a metal thin film of a semiconductor device according to claim 1, wherein the metal thin film is one selected from d and Rh.
ｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの中から選択されたいずれ
か一つであることを特徴とする請求項１に記載の半導体
素子の金属薄膜形成方法。3. The metal having excellent adhesion to the substrate is T
The method for forming a metal thin film of a semiconductor device according to claim 1, wherein the metal thin film is any one selected from i, Ta, Ni, Cr, and Mo.
3Ｎ4、ＭｇＯの中から選択されたいずれか一つであるこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属薄膜
形成方法。4. The substrate is made of Si, SiO 2 , Si
2. The method for forming a metal thin film of a semiconductor device according to claim 1, wherein the metal thin film is one selected from 3 N 4 and MgO.
いて、堆積過程中に酸素を数ｓｃｃｍ〜数十ｓｃｃｍ程
度流してスパッタリング堆積することを特徴とする請求
項１に記載の半導体素子の金属薄膜形成方法。5. The metal thin film for a semiconductor device according to claim 1, wherein, in the step of forming the mixed metal deposition film, oxygen is flowed during the deposition process at a flow rate of several sccm to several tens of sccm to carry out sputtering deposition. Forming method.
該混合金属付着膜上に拡散障壁層を堆積する工程がさら
に含まれることを特徴とする請求項１に記載の半導体素
子の金属薄膜形成方法。6. After the step of forming the mixed metal deposition film,
The method of claim 1, further comprising depositing a diffusion barrier layer on the mixed metal deposition film.
することを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の金
属薄膜形成方法。7. The method for forming a metal thin film of a semiconductor device according to claim 6, wherein the diffusion barrier layer is formed by depositing TiN.
Åに形成することを特徴とする請求項６記載の半導体素
子の金属薄膜形成方法。8. The diffusion barrier layer has a thickness of 100 to 1000.
7. The method for forming a metal thin film of a semiconductor device according to claim 6, wherein the thin film is formed in Å.
グ法を用いてアルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ2）との混合
ガスを流しつつスパッタリング堆積したことを特徴とす
る請求項６に記載の半導体素子の金属薄膜形成方法。9. The semiconductor according to claim 6, wherein the diffusion barrier layer is deposited by sputtering using a reactive sputtering method while flowing a mixed gas of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ). Method for forming metal thin film of device.
基板上に貴金属物質と基板との付着性に優れた金属を同
時にスパッタリング堆積して混合金属付着膜を形成する
工程と、 前記混合金属付着膜上に前記貴金属物質をスパッタリン
グ堆積してヒータを形成する工程と、を含むことを特徴
とするガスセンサの製造方法。10. A step of forming a mixed metal adhesion film by simultaneously depositing a metal having excellent adhesion to a noble metal substance and a substrate on a silicon substrate having a silicon nitride film deposited thereon by sputtering to form a mixed metal adhesion film. And a step of forming a heater by sputtering deposition of the noble metal substance.
５００Åに形成することを特徴とする請求項１０に記載
のガスセンサの製造方法。11. The mixed metal deposition film has a thickness of 200 to 1
The method for manufacturing a gas sensor according to claim 10, wherein the gas sensor is formed to have a thickness of 500Å.
形成することを特徴とする請求項１０に記載のガスセン
サの製造方法。12. The method of manufacturing a gas sensor according to claim 10, wherein the heater is formed to have a thickness of 500Å to 1 μm.
する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記
載のガスセンサの製造方法。13. The method of manufacturing a gas sensor according to claim 10, further comprising a step of heat treatment after the step of forming the heater.
Applications Claiming Priority (2)
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| WO2005093118A1 (en) * | 2004-03-29 | 2005-10-06 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Method for producing high heat resistant conductive thin film, high heat resistant conductive thin film produced by that method, multilayer film, and device having multilayer film |
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