WO2018091412A1 - Gassensor mit einem halbleitersubstrat mit mindestens einer isolationsschicht und einer leiterbahn - Google Patents

Gassensor mit einem halbleitersubstrat mit mindestens einer isolationsschicht und einer leiterbahn Download PDF

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WO2018091412A1
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Heribert Weber
Isolde Simon
Melissa Delheusy
Michael Knauss
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/05644—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof

Definitions

  • Semiconductor substrates are known in which a contacting of a conductor track is effected by so-called bondpads and bonding wires. From DE 101 19 405 A1 a semiconductor gas sensor with a membrane is known, which is used for gas analysis for
  • Insulating layer can not be formed long-term stable. Disclosure of the invention
  • measures are proposed to achieve a good mechanical adhesion and a good electrical connection between a conductor track and a contact pad. Furthermore, the measures should allow a sintering process to be carried out without having to fear any negative effects on the mechanical adhesion and electrical connection of the conductor track and the contact pad. This is achieved by depositing contact pads on an insulating layer within the laminate on which the adhesion is better than on the uppermost insulating layer. Part of the contact pads is also located on the top insulation layer and goes in there
  • Laminate which allows better adhesion than on the uppermost insulating layer, leads to contacts of semiconductor chips via contact lines such. Bonding wires or solder balls safely, electrically, for example, with circuit boards, can be connected.
  • Contact pads are the link between the electrical contacting of semiconductor circuit components and the "outside world", so that a secure electrical and long-term stable contact in the contact pads should be achieved here.
  • a bonding pad may be provided as the contact pad. If this bonding pad is electrically contacted by means of a bonding wire, then the bonding wire should on the one hand adhere well to the bonding pad to ensure a mechanically stable and low-resistance contact, and on the other hand the bonding pad should adhere well to the substrate so that forces during wire bonding and during bonding can be safely taken up in a later packaging process. Since the conductor tracks of semiconductor chips are connected directly to the bond pads, a bonding pad which loosens from the substrate generally also means an interruption of the electrical contact with the chip, which ultimately leads to the failure of the component. A good adhesion of contact pads, in particular bond pads, is especially important in the production of gas sensors of great importance.
  • the invention relates in particular to the case that a contact pad, in particular a bonding pad, on an insulating layer within a
  • Conductor tracks formed on the layer system are part of the layer composite of the contact pad metallization. That is, one or more or all layers of contact pad metallization seamlessly transition into the form of traces. In this case, one or more or all layers of the contact pad metallization may at least partially extend over the etching edge, which is formed when the insulation layer is exposed, on which the contact pad is to be deposited.
  • the etch stop in contrast to the prior art, takes place over the entire surface of a silicon nitride layer.
  • the absence of the Pt ring contact and the good adhesion of silicon oxide to silicon nitride ensure that the wet-chemical etching of silicon oxide in, for example, BOE always produces positive etching flanks and no edge breaks in
  • Metallization layers can occur.
  • the invention is further based on the finding that likewise deposition of aluminum directly on a sensor substrate or a silicon nitride plane, in connection with a sintering process for producing a gas sensor chip, is disadvantageous.
  • Aluminum can not withstand the high sintering temperatures
  • Electrode structures due to the lower mechanical stress, can be deposited on silica.
  • the inventive idea aims to deposit the contact pads on a layer within the layer system, which ensures better mechanical adhesion of the contact pads.
  • Adhesive layer is the essential idea of the invention, which Contact pads on an existing "adhesive layer" within a
  • Gas sensors may be provided by the invention, which, although high sintering temperatures are used, have a good adhesion of the contact pads on the substrate, without deteriorating the adhesion of the contact line, in particular the bonding wire or the solder balls on the contact pads.
  • a plurality of contact pad variants can advantageously be implemented successfully on a gas sensor chip according to the invention. It is further advantageous that the silicon nitride layer once for
  • Plasma etching processes relative to nitride is relatively low, with the result that, while implementing the already described
  • the invention provides an improved method for sintering a paste dot on the semiconductor substrate according to the invention and allows sintering temperatures of over 500 ° C.
  • the semiconductor substrate according to the invention can be used in a micromechanical or microelectromechanical gas sensor.
  • Insulation layer and the second, lower insulation layer are silicon oxide layers and the layer below the lower insulation layer is a silicon nitride layer. Furthermore, additional ones may be present under the silicon nitride layer
  • Layers are which are electrically conductive or dielectric
  • the contact line in particular the bonding wire or the solder ball, comprises or consists of gold and / or aluminum and / or platinum.
  • Contact pad area may consist of a Ta / Pt layer sequence.
  • the use of tantalum serves to improve the adhesion of platinum as
  • Contact pad has upper and lower contact pad edges.
  • a Ta / Pt trace is connected to the silicon nitride layer without contacting a ring of Pt in the region of the etching edge.
  • This has the advantage that negative flank angles can be avoided and the walls of the depression can be completely provided with Ta / Pt / Au material.
  • the contact pad and the etched depression form a common structure, in which the electrical contacting can be formed by means of a bonding wire or a solder ball in a later process step.
  • the upper contact pad edge is arranged substantially in the region of the first, upper insulating layer.
  • the lower contact pad edge is arranged in the region of the second lower insulating layer on the silicon nitride layer.
  • Silica an additional passivation layer of e.g. silicon nitride
  • Electrode structures are deposited directly on the silicon nitride layer.
  • the silicon nitride passivation layer it is possible to pattern the silicon nitride passivation layer such that it is located only under the contact pads, or, alternatively, under the contact pads and the electrode structures and the leads.
  • the upper, additional, silicon nitride passivation layer on the one hand is so thick that it forms a sufficient moisture barrier, but on the other hand is made so thin that the heat conduction in the
  • the further layer extends, in particular the
  • Silicon nitride layer into a region of a membrane of the gas sensor.
  • the trace is located under the contact pad.
  • the contact pad and its Ta / Pt substructure extends only within the depression to at most the lower contact pad edge.
  • the contact pad and its Ta / Pt sub-frame extends to the upper justifypadrand and beyond.
  • the contact pad and its Ta / Pt substructure extends only within the recess to max. to the contact pad edge, wherein on flanks of the recess at least partially a Ta / Pt metallization of the conductor is.
  • the contact pad may be formed as a bonding pad.
  • FIGS. Fig. 1 shows a first embodiment of a contact arrangement of a
  • Fig. 2 shows a second embodiment of another invention
  • FIGS. 1 and 2 show various contact arrangements on a semiconductor substrate 10 of a micromechanical or microelectromechanical gas sensor or a semiconductor substrate with electronic components
  • Circuit components The structures can be reacted in each case individually, simultaneously or in combination with the structure described in DE19824400 on a semiconductor substrate.
  • the semiconductor substrate 10 is provided with a first, upper insulating layer 1 1 made of silicon oxide and a second, lower, relatively thin insulating layer 12 also made of silicon oxide.
  • the layers take on an electrical insulation function against interconnects and can form part of the layer system in the membrane region of a e.g. Be gas sensors.
  • a layer 13 of silicon nitride is arranged below the second, lower insulating layer 12. With the help of the layer 13, it is possible, in combination with the insulating layers 1 1 and 12, as well as other layers, not shown, to influence or adjust the residual stress of the membrane and its thermal conductivity.
  • a conductor track 19 is provided, wherein the conductor track 19 is medium or directly connected to the layers 1 1, 12 and 13.
  • the layer sequence or a part of the layer sequence of the conductor track 19 forms the substructure of the Au metallization.
  • solder ball solderball
  • the solder ball is e.g. in a flip-chip assembly of the
  • a further silicon oxide layer 14 is placed, which is used together with the layers 1 1, 12, and 13 for the realization of a membrane with low thermal conductivity Among the aforementioned Layers is a base substrate 15 made of silicon, which was removed below the membrane area (not shown in the pictures).
  • Bondpad layer construction consisting of e.g. Ta / Pt / Au, is located within a depression 18. Another part of the bondpad layer structure is located on the upper insulation layer 1 1 made of silicon oxide. The depression is formed by wet-chemical etching in e.g. BOE with etch stop on the silicon nitride layer 13. Bondpad 16 and bonding wire 17 serve to contact a conductor 19 made of Ta / Pt material.
  • the conductor track 19 is mechanically connected in the middle region of the bond pad as far as the lower bondpad edge 24 directly to the layer 13 only in the area of a bottom 20 of the depression and at the upper bondpad edge 23 with the insulation layers 11 and 12 ⁇ tzflanken 21, which run funnel-shaped or conical and favor the occupation of the etching edge with conductor track and Bondpadmaterial.
  • the contact line 17, in particular the bonding wire or the solder ball may be formed of gold and / or platinum and / or aluminum.
  • the bonding pad 16 may be formed of gold and / or platinum and / or aluminum.
  • the conductor 19 may comprise platinum, wherein in particular under the platinum, a layer of tantalum is provided.
  • FIG. 2 shows an arrangement in which an additional thin silicon nitride layer 25 resting on the first, upper silicon oxide layer 1 1 is present in the region of the bonding pad 16, the Ta / Pt conductor 19 being provided on the upper, additional silicon nitride layer or layer 25 rests and is mechanically connected to this.
  • the layer 25 is on the one hand so thick that it represents a sufficient moisture barrier, but on the other hand is so thin that the heat conduction of the gas sensor is not significantly increased.
  • insulation includes any conceivable insulation, such as mechanical, electrical, thermal, etc. In a gas sensor, these are generally silica and / or
  • Each semiconductor substrate is provided with at least one etching stop layer 13 and optionally with a moisture barrier layer 25 of silicon nitride.
  • these layers can be further structured, ie not present over the entire surface. With reference to FIG. 2, this could mean that the layer 25 is located only underneath the bonding pad layer composite or only below the bond pad layer composite and the conductor tracks and electrode structures, eg, a gas sensor.
  • Each semiconductor substrate is provided with at least one layer 13 and with at least one bonding pad 16 and one electrical contact, in particular comprising a bonding wire 17 or a solder ball
  • the tracks can be within several dimensions
  • the insulating layers consist e.g. made of silicon nitride and / or silicon oxide.
  • Bonding pads and bonding wires can e.g. made of gold, platinum or aluminum. Due to the higher chemical stability and temperature resistance, gas sensors preferably use gold and platinum. The latter especially as trace material.
  • a layer of tantalum may additionally be located underneath.

Abstract

Es wird ein Gassensor mit einem Halbleitersubstrat (10) mit einem Schichtverbund mit mindestens einer Isolationsschicht (11, 12; beispielsweise Siliziumoxid) und mit mindestens einer weiteren Schicht (13, 25; beispielsweise Siliziumnitrid) und mit mindestens eine ein Kontaktpad (16) und eine elektrischen Kontaktierung (17) umfassende Kontaktanordnung zur Kontaktierung einer Leiterbahn (19; beispielsweise eine Ta/Pt-Leiterbahn) vorgeschlagen, wobei die Leiterbahn (19) direkt mit der weiteren Schicht (13, 25) verbunden ist, um eine sichere mechanische und elektrische Kontaktierung zu ermöglichen.

Description

Beschreibung Titel
Gassensor mit einem Halbleitersubstrat mit mindestens einer Isolationsschicht und einer Leiterbahn
Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit einem Halbleitersubstrat mit mindestens einer Isolationsschicht und mindestens einer ein Kontaktpad umfassenden Kontaktanordnung zur Kontaktierung einer Leiterbahn, wobei die Leiterbahn mittel- oder unmittelbar mit der Isolationsschicht verbunden ist.
Stand der Technik
Bekannt sind Halbleitersubstrate, bei denen eine Kontaktierung einer Leiterbahn durch sogenannte Bondpads und Bonddrähte erfolgt. Aus der DE 101 19 405 A1 ist ein Halbleitergassensor mit einer Membran bekannt, der zur Gasanalyse zum
Einsatz kommt, um zum Beispiel CO, H2, NOx und Kohlenwasserstoff zu messen. Die Membran wird hier von einem Substrat getragen und dient zur Aufnahme von Heizstrukturen und von Strukturen zur Gassensierung Aus DE 19824400 ist ein Bondpaddesign bekannt. Es ist eine Pt-Leiterbahn innerhalb eines Schichtsystems vorgesehen, bei dem der elektrische Kontakt zwischen Bondpad und Leiterbahn an der Unterseite des Bondpads in Form eines Ringkontakts erfolgt. Da beim Freilegen des Pt-Ringkontakts, z.B. mit Hilfe eines nasschemischen Ätzmediums, die Ätzkante im Deckoxid einen negativen Flankenwinkel annehmen kann (-> schlechte Haftung von Siliziumoxid auf Pt), besteht die Gefahr eines Kantenabrisses bei der Bondpadmetallisierung. D.h., bei dieser Variante besteht die Gefahr, dass eine sichere elektrische Verbindung vom Bondpad über die Oxidätzkante auf die Oberseite der obersten
Isolationsschicht nicht langzeitstabil ausgebildet werden kann. Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, um eine gute mechanische Haftung und eine gute elektrische Verbindung zwischen einer Leiterbahn und einem Kontaktpad zu erreichen. Weiterhin sollen die Maßnahmen es erlauben, dass ein Sinterprozess durchgeführt werden kann, ohne negative Auswirkungen auf die mechanische Haftung und elektrische Verbindung der Leiterbahn und des Kontaktpads befürchten zu müssen. Dies wird dadurch erreicht, dass Kontaktpads auf einer Isolationsschicht innerhalb des Schichtverbundes abgelegt werden, auf der die Haftung besser ist, als auf der obersten Isolationsschicht. Ein Teil der Kontaktpads befindet sich dabei auch auf der obersten Isolationsschicht und geht dort in
Leiterbahnstrukturen über.
Die Ablage von Kontaktpads auf einer Isolationsschicht innerhalb eines
Schichtverbunds, die eine bessere Haftung ermöglicht als auf der obersten Isolationsschicht, führt dazu, dass Kontaktierungen von Halbleiterchips über Kontaktleitungen wie z.B. Bonddrähte oder Lotkugeln in sicherer Weise elektrisch, zum Beispiel mit Leiterplatten, verbunden werden können. Die
Kontaktpads stellen das Bindeglied zwischen der elektrischen Kontaktierung von Halbleiterschaltungskomponenten und der„Außenwelt" dar, so dass hier eine sichere elektrische und langzeitstabile Kontaktierung im Bereich der Kontaktpads erreicht werden sollte.
In einer Ausführung kann als Kontaktpad ein Bondpad vorgesehen sein. Wird dieses Bondpad mit Hilfe eines Bonddrahts elektrisch kontaktiert, so sollte der Bonddraht einerseits gut auf dem Bondpad haften, um einen mechanisch stabilen und niederohmigen Kontakt sicher zu stellen, und andererseits sollte das Bondpad auf dem Untergrund gut haften, so dass Kräfte beim Drahtbonden und während eines späteren Verpackungsprozesses sicher aufgenommen werden können. Da die Leiterbahnen von Halbleiterchips direkt mit den Bondpads verbunden sind, bedeutet ein sich vom Untergrund lösendes Bondpad in der Regel auch eine Unterbrechung die elektrische Kontaktierung zum Chip, was letztlich zum Ausfall des Bauteils führt. Eine gute Haftung von Kontaktpads, insbesondere von Bondpads, ist speziell auch bei der Herstellung von Gassensoren von großer Bedeutung. Hier können z.B. Pastendots als Wandlerelemente zum Einsatz kommen, welche in einem Backend-Prozess auf die bereits fertig prozessierten Halbleiterchips aufgebracht werden und die Sinterprozesse mit Temperaturen > 500°C durchlaufen müssen. Bedingt durch die hohen Temperaturen kann es hier zu thermisch bedingtem Stress zwischen dem Kontaktpad und dem Untergrund und zum Haftungsverlust kommen. Durch den Vorschlag, Kontaktpads, insbesondere Bondpads, auf Isolationsschichten innerhalb des Schichtverbundes abzulegen, bei denen z.B. der thermische Mismatch zwischen dem Kontaktpad und dem Untergrund weniger stark ausgeprägt ist, kann auch bei hohen Temperaturen eine ausreichend gute Haftung von Kontaktpads, insbesondere von Bondpads sichergestellt werden.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den Fall, dass ein Kontaktpad, insbesondere ein Bondpad, auf eine Isolationsschicht innerhalb eines
Schichtsystems abgelegt und keine Leiterbahn innerhalb des Schichtsystem kontaktiert wird. Auf dem Schichtsystem gebildete Leiterbahnen sind Teil des Schichtverbundes der Kontaktpadmetallisierung. D.h., eine bzw. mehrere bzw. alle Schichten der Kontaktpadmetallisierung gehen nahtlos in die Form von Leiterbahnen über. Dabei können sich eine bzw. mehrere bzw. alle Schichten der Kontaktpadmetallisierung zumindest teilweise über die Ätzkante erstrecken, welche entstanden ist bei der Freilegung der Isolationsschicht, auf weiche das Kontaktpad abgelegt werden soll.
Alternativ ist es auch denkbar, dass bereits auf der obersten Isolationsschicht vorhandene Leiterbahnen mit Hilfe der Kontaktpads kontaktiert werden. Weiter ist es auch denkbar, dass Leiterbahnen erst nach der Herstellung der Kontaktpads auf der obersten Isolationsschicht erzeugt werden und die Kontaktpads elektrisch kontaktieren. Eine weitere Variante ist es, als finale Deckschicht eine
Passivierung vorzusehen, welche im Bereich der Kontaktpads und im Bereich unterhalb der Pastendots wieder entfernt wird. Somit ist eine gute Verbindung zwischen Kontaktpads und Drahtbond, als auch ein guter Kontakt zwischen Pastendot und Elektrodenstrukturen möglich. Bei der vorgestellten Erfindung erfolgt der Atzstopp im Gegensatz zum Stand der Technik jedoch vollflächig auf einer Siliziumnitridschicht. Das Fehlen des Pt- Ringkontakts und die gute Haftung von Siliziumoxid auf Siliziumnitrid, stellen sicher, dass beim nasschemischen Ätzen von Siliziumoxid in z.B. BOE immer positive Ätzflanken entstehen und keine Kantenabrisse in
Metallisierungsschichten auftreten können.
Die Erfindung beruht weiter auf der Erkenntnis, dass ebenfalls ein Ablegen von Aluminium direkt auf einem Sensorsubstrat bzw. einer Siliziumnitridebene, im Zusammenhang mit einem Sinterprozess zur Herstellung eines Gassensorchips nachteilig ist. Aluminium kann weder den hohen Sintertemperaturen
widerstehen, weil es während des Sinterprozesses schmelzen oder oxidieren kann, noch ist die Kontaktierung einer Pt-Leiterbahn mittels Aluminium
hochtemperaturfest (-> Lochbildung bei Al/Pt-Kontakt bereits ab ~250°C beobachtbar).
Die Erfindung beruht somit auf dem Gedanken, Ta/Pt/Au-Kontaktpads wegen der besseren Haftung auf Siliziumnitrid abzulegen, während die
Elektrodenstrukturen, aufgrund der geringeren mechanischen Beanspruchung, auf Siliziumoxid abgelegt werden können.
Gegenüber dem standardmäßigen Vorgehen, die Haftung von Kontaktpads auf der obersten Schicht zu verbessern, zielt der erfindungsgemäße Gedanke darauf ab, die Kontaktpads auf eine Schicht innerhalb des Schichtsystems abzulegen, welche eine bessere mechanische Haftung der Kontaktpads gewährleistet.
Dieses Vorgehen hat weiter den Vorteil, dass die erfindungsmäßig
beschriebenen Kontaktpads und Bondpads wie sie in der DE19824400 beschrieben werden, parallel auf einem Wafer / Chip umgesetzt werden können. Da das mit der gleichen Anzahl von Masken und Prozessschritten erfolgen kann, gibt es hier Vorteile hinsichtlich der resultierenden Prozesskosten.
Anstatt also Maßnahmen zu wählen, um die Haftung von Kontaktpads an der Oberfläche des Schichtsystems zu verbessern, wie z.B. eine zusätzliche
Haftschicht einzuführen, ist der wesentliche Gedanke der Erfindung, die Kontaktpads auf eine bereits existierende„Haftschicht" innerhalb eines
Schichtsystems abzulegen.
Durch die Erfindung können Gassensoren geschaffen werden, die, obwohl hohe Sintertemperaturen eingesetzt werden, eine gute Haftung der Kontaktpads auf dem Untergrund aufweisen, ohne die Haftung der Kontaktleitung, insbesondere des Bonddrahtes oder der Lotkugeln auf den Kontaktpads zu verschlechtern.
Wie schon beschrieben können auf einem erfindungsgemäßen Gassensorchip in vorteilhafter Weise mehrere Kontaktpadvarianten erfolgreich umgesetzt werden. Dabei ist es weiter von Vorteil, dass die Siliziumnitridschicht einmal zur
Verbesserung der Kontaktpadhaftung als auch als Ätzstopp bei dem
nasschemischen Ätzen der Öffnungen in der bzw. den sich darüber befindlichen Siliziumoxidschichten mit Hilfe von z.B. BOE dient.
Prinzipiell wäre es zwar denkbar, ein nasschemisches Ätzen durch einen Plasmaätzschritt zu ersetzen. Jedoch ist die Selektivität von
Plasmaätzprozessen gegenüber Nitrid verhältnismäßig gering, was dazu führt, dass, bei gleichzeitiger Umsetzung der bereits beschriebenen
Kontaktpadvarianten, die Stufe zwischen der Pt-Verdrahtungsebene und der Nitridschicht ansteigt. Dies erhöht wiederum die Gefahr von Kantenabrissen, speziell bei dünnen Metallisierungsdicken. Weiter muss beim Plasmaätzen noch die Homogenität der zu ätzenden Schicht und die des
Ätzprozesses mit in Betracht gezogen werden. Schlechte Homogenitäten über den Wafer bedeuten stark unterschiedliche Stufenhöhen und somit stark schwankende Kantenüberdeckungen.
Gegenüber einem nasschemischen Ätzprozess mit Stopp auf Siliziumnitrid, der zudem in einem sogenannten Batchprozess durchgeführt werden kann, besitzt zum Beispiel ein teurer Plasmaätzprozess gegenüber dem erfindungsgemäßen Vorgehen keinen wesentlichen Vorteil. Somit werden durch die Erfindung Kosten gesenkt und die Qualität eines Produkts verbessert. Die Erfindung schafft ein verbessertes Verfahren zum Sintern eines Pastendots auf dem erfindungsgemäßen Halbleitersubstrat und erlaubt Sintertemperaturen von über 500 °C. Das erfindungsgemäße Halbleitersubstrat ist in einem mikromechanischen bzw. mikroelektromechanischen Gassensor anwendbar.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors ist vorgesehen, dass mindestens eine erste, obere Isolationsschicht und eine zweiten, untere Isolationsschicht vorhanden sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gassensors bzw. Substrats ist vorgesehen, dass die erste, obere
Isolationsschicht und die zweite, untere Isolationsschicht Siliziumoxidschichten sind und die Schicht unter der unteren Isolationsschicht eine Siliziumnitridschicht ist. Des Weiteren können sich unter der Siliziumnitridschicht zusätzliche
Schichten befinden, welche elektrisch leitfähig sind oder dielektrische
Eigenschaften besitzen, wie z.B. Siliziumoxid. Auch ist es denkbar, dass sich zwischen der ersten oberen und der zweiten unteren Siliziumoxidschicht zusätzlich Platinleiterbahnen befinden können. In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Substrats für einen Gassensor ist außerdem vorgesehen, dass die Kontaktleitung, insbesondere der Bonddraht oder die Lotkugel Gold und/oder Aluminium und/oder Platin aufweist oder daraus besteht. Die oberste Schicht eines
Kontaktpads kann Gold und/oder Platin und/oder Aluminium aufweisen oder daraus bestehen. Die Leiterbahn und der Unterbau der obersten Schicht im
Kontaktpadbereich kann aus einer Ta/Pt Schichtenfolge besteht. Der Einsatz von Tantal dient dabei zur Verbesserung der Haftung von Platin als
Leiterbahnmaterial auf Siliziumoxid oder der Kontaktpadmetallisierung auf Siliziumnitrid. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einer Vertiefung die elektrische Kontaktierung und das Kontaktpad angeordnet sind. Die elektrische
Kontaktierung kann als Bonddraht oder als Lotkugel ausgebildet sein. Die Vertiefung ist durch ein nasschemischem Ätzverfahren hergestellt. Das
Kontaktpad weist einen oberen und einen unterem Kontaktpadrand auf. In der Vertiefung ist eine Ta/Pt-Leiterbahn mit der Siliziumnitridschicht verbunden, ohne einen Ring aus Pt im Bereich der Ätzkante zu kontaktieren. Dies hat den Vorteil, dass negative Flankenwinkel vermieden und die Wände der Vertiefung vollständig mit Ta/Pt/Au-Material versehen werden können. Das Kontaktpad und die geätzte Vertiefung bilden dabei eine gemeinsame Struktur, in der in einem späteren Prozessschritt die elektrische Kontaktierung mittels eines Bonddrahts oder einer Lotkugel ausgebildet werden kann. Der obere Kontaktpadrand ist im Wesentlichen im Bereich der ersten, oberen Isolationsschicht angeordnet. Der untere Kontaktpadrand ist im Bereich der zweiten unteren Isolationsschicht auf der Siliziumnitridschicht angeordnet.
Bei einer weiteren Variante kann auf die oberste Isolationsschicht aus
Siliziumoxid eine zusätzliche Passivierschicht aus z.B. Siliziumnitrid
abgeschieden werden, um z.B. eine Feuchteaufnahme des darunter befindlichen Schichtsystems zu verhindern bzw. zu verringern. In diesem Fall kann auf eine Strukturierung des Schichtsystems unterhalb der Kontaktpads verzichtet werden und die Kontaktpads und die über Leiterbahnen mit diesen verbundenen
Elektrodenstrukturen direkt auf der Siliziumnitridschicht abgelegt werden.
Alternativ dazu ist es möglich, die Siliziumnitrid Passivierschicht derart zu strukturieren, dass diese sich nur unter den Kontaktpads, oder, alternativ, unter den Kontaktpads und den Elektrodenstrukturen und der Anschlussleitungen befindet.
Um das Einsatzgebiet des Gassensors zu verbessern, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die obere, zusätzliche, Siliziumnitrid Passivierschicht, einerseits derart dick ist, dass diese eine ausreichende Feuchtebarriere darstellt, aber andererseits so dünn ausgeführt ist, dass sich die Wärmeleitung im
Membranbereich des Gassensors nicht wesentlich erhöht. ln einer Ausführung erstreckt sich die weitere Schicht, insbesondere die
Siliziumnitridschicht bis in einen Bereich einer Membran des Gassensors.
In einer Ausführung befindet sich die Leiterbahn unter dem Kontaktpad.
In einer Ausführung erstreckt sich das Kontaktpad und dessen Ta/Pt-Unterbau nur innerhalb der Vertiefung bis maximal zum unteren Kontaktpadrand.
In einer Ausführung erstreckt sich das Kontaktpad und dessen Ta/Pt-Unterbau bis zum oberen Kontaktpadrand und darüber hinaus.
In einer Ausführung erstreckt sich das Kontaktpad und dessen Ta/Pt-Unterbau nur innerhalb der Vertiefung bis max. zum Kontaktpadrand, wobei sich auf Flanken der Vertiefung zumindest teilweise eine Ta/Pt-Metallisierung der Leiterbahn befindet.
In allen Ausführungsformen kann das Kontaktpad als Bondpad ausgebildet sein.
Mit diesen Ausführungen werden stabile mechanische Verbindungen und gute elektrische Verbindungen erreicht.
Kurzbeschreibung der Figuren
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Kontaktanordnung eines
Halbleitersubstrates in einem erfindungsgemäßen Gassensorchip, wobei eine Vertiefung genutzt wird, und
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer weiteren erfindungsgemäßen
Kontaktanordnung eines Halbleitersubstrates in dem erfindungsgemäßen
Gassensorchip, wobei keine Vertiefung genutzt wird. Die Figuren 1 und 2 zeigen verschiedene Kontaktanordnungen auf einem Halbleitersubstrat 10 eines mikromechanischen bzw. mikroelektromechanischen Gassensors oder einem Hableitersubstrat mit elektronischen
Schaltungskomponenten. Die Strukturen können dabei jeweils einzeln, gleichzeitig oder auch in Kombination mit der in der DE19824400 beschriebenen Struktur auf einem Halbleitersubstrat umgesetzt werden.
Das Halbleitersubstrat 10 ist mit einer ersten, oberen Isolationsschicht 1 1 aus Siliziumoxid und einer zweiten, unteren, relativ dünnen Isolationsschicht 12 ebenfalls aus Siliziumoxid versehen. Die Schichten übernehmen eine elektrische Isolationsfunktion gegenüber Leiterbahnen und können Teil des Schichtsystems im Membranbereich eines z.B. Gassensors sein. Unterhalb der zweiten, unteren Isolationsschicht 12 ist eine Schicht 13 aus Siliziumnitrid angeordnet. Mit Hilfe der Schicht 13 ist es möglich, in Kombination mit den Isolationsschichten 1 1 und 12, sowie weiteren, nicht gezeigten Schichten, die Eigenspannung der Membran und deren Wärmeleitfähigkeit zu beeinflussen bzw. einzustellen.
Fig. 1 zeigt ein Halbleitersubstrat 10 für einen Gassensor mit mindestens einer ersten, oberen Isolationsschicht 1 1 und einer zweiten, unteren Isolationsschicht 12 und mit mindestens einer Schicht 13 in einem die Schichten 1 1 , 12, 13 umfassenden Schichtenverbund des Substrats. Zudem ist mindestens ein als Bondpad 16 ausgebildetes Kontaktpad und eine als Bonddraht 17 ausgebildete elektrischen Kontaktierung umfassende Kontaktanordnung vorgesehen.
Weiterhin ist eine Leiterbahn 19 vorgesehen, wobei die Leiterbahn 19 mittel- oder unmittelbar mit den Schichten 1 1 , 12 und 13 verbunden ist. Im Bereich des Bondpads 16 bildet hierbei die Schichtfolge bzw. ein Teil der Schichtfolge der Leiterbahn 19 (z.B. Ta/Pt) den Unterbau der Au-Metallisierung. Anstelle des Bonddrahtes kann auch eine Lotkugel (Solderball) als elektrischen Kontaktierung vorgesehen sein. Die Lotkugel wird z.B. bei einer Flip-Chip-Montage des
Gassensors eingesetzt.
Direkt unterhalb der Schicht 13 ist eine weitere Siliziumoxidschicht 14 platziert, welche zusammen mit den Schichten 1 1 , 12, und 13 zur Realisierung einer Membran mit geringer Wärmeleitung eingesetzt wird Unter den zuvor genannte Schichten befindet sich ein Grundsubstrat 15 aus Silizium, das unterhalb des Membranbereichs entfernt wurde (in den Bildern nicht gezeigt).
Die Fig. 1 zeigt eine erste Kontaktanordnung mit einer ein Bondpad 16 aus Au- Material und einen Bonddraht 17 ebenfalls aus Au-Material umfassende
Kontaktanordnung. Unter dem Au-Bondpad 16 befindet sich zudem das
Schichtsystemaus dem die Leiterbahnen und Elektrodenstrukturen eines Gassensors bestehen können, z.B. Ta /Pt. Der Großteil des gesamten
Bondpadschichtaufbaus, bestehend aus z.B. Ta/Pt/Au, befindet sich innerhalb einer Vertiefung 18. Ein weiterer Teil des Bondpadschichtaufbaus befindet sich auf der oberen Isolationsschicht 1 1 aus Siliziumoxid Die Vertiefung entsteht durch nasschemisches Ätzen in z.B. BOE mit Ätzstopp auf der Schicht 13 aus Siliziumnitrid. Bondpad 16 und Bonddraht 17 dienen zur Kontaktierung einer Leiterbahn 19 aus Ta/Pt-Material. Die Leiterbahn 19 ist im mittleren Bereich des Bondpads bis hin zum unteren Bondpadrand 24 unmittelbar mit der Schicht 13 mechanisch verbunden und zwar nur im Bereich eines Bodens 20 der Vertiefung und am oberen Bondpadrand 23 mit den Isolationsschichten 1 1 und 12.. Die Vertiefung hat dabei Ätzflanken 21 , die trichterförmig oder konisch verlaufen und die Belegung der Ätzflanke mit Leiterbahn- und Bondpadmaterial begünstigen.
Wie Fig. 1 veranschaulicht, ist eine untere Fläche der Ta/Pt-Leiterbahn 19 am Boden 20 der Vertiefung 18 direkt mit einer oberen Fläche der Schicht 13 aus Siliziumnitrid mechanisch verbunden. In dem Bereich der Vertiefung, in dem die Ta/Pt Leiterbahn 19 direkt auf dem Boden 20 der Vertiefung 18 aufliegt, erfolgt in einem späteren Schritt die elektrische Verbindung des Bonddrahtes 17 mit dem Bondpad 16 des Bondpadschichtverbunds
Nicht gezeigt in Fig. 1 ist, dass die Siliziumnitridschicht bzw. Schicht 13 auch im Bereich einer Membran des Gassensors angeordnet ist. Gezeigt ist, dass im Bereich einer, den Bonddraht 17 aufnehmenden und durch nasschemisches Ätzen hergestellten Vertiefung mit einem oberen und einem unterem
Bondpadrand 23, 24 und an Stelle 22 die Ta/Pt-Leiterbahn 19 sowohl auf der Siliziumnitridschicht 13 als auch auf den Isolationsschichten 1 1 und 12 abgelegt wird Das Bondpad 16 und die geätzte Vertiefung bilden eine gemeinsame Struktur, bei der der obere Bondpadrand 23 im Wesentlichen im Bereich der ersten, oberen Isolationsschicht 1 1 und der untere Bondpadrand 24 im Bereich der zweiten, unteren Isolationsschicht 12 auf der Siliziumnitridschicht 13 angeordnet ist.
Die Kontaktleitung 17, insbesondere der Bonddraht oder die Lotkugel können aus Gold und/oder Platin und/oder Aluminium gebildet sein. Das Bondpad 16 kann aus Gold und/oder Platin und/oder Aluminium gebildet sein. Die Leiterbahn 19 kann Platin aufweisen, wobei insbesondere unter dem Platin eine Schicht aus Tantal vorgesehen ist.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der im Bereich des Bondpads 16 eine zusätzliche, auf der ersten, oberen Siliziumoxidschicht 1 1 aufliegende dünne Siliziumnitridschicht 25 vorhanden ist, wobei die Ta/Pt-Leiterbahn 19 auf der oberen, zusätzlichen Siliziumnitridschicht bzw. Schicht 25 aufliegt und mit dieser mechanisch verbunden wird. Die Schicht 25 ist einerseits so dick, dass diese eine ausreichende Feuchtebarriere darstellt, aber andererseits so dünn ist, dass sich die Wärmeleitung des Gassensors nicht wesentlich erhöht.
Eine Isolationsschicht im Sinne dieser Beschreibung kann eine als
Feuchteschutz wirkende Isolierung sein. Der Begriff„Isolierung" umfasst dabei jede denkbare Isolierung, wie z.B. mechanisch, elektrisch wie thermisch. Bei einem Gassensor sind diese im Allgemeinen Siliziumoxid- und/oder
Siliziumnitridschichten. Somit ist der Begriff Isolierung hier weit auszulegen.
Jedes Halbleitersubstrat ist mit mindestens einer als Ätzstoppschicht 13 und optional mit einer als Feuchtebarriere wirkenden Schicht 25 aus Siliziumnitrid versehen. Optional können diese Schichten weiter strukturiert sein, d.h. nicht vollflächig vorliegen. Bezugnehmend auf Fig. 2 könnte dies bedeuten, dass sich die Schicht 25 nur unterhalb des Bondpadschichtverbunds bzw. nur unter dem Bondpadschichtverbund und den Leiterbahnen sowie Elektrodenstrukturen, z.B. eines Gassensors, befinden. Jedes Halbleitersubstrat ist mit mindestens einer Schicht 13 sowie mit mindestens einer ein Bondpad 16 und einer eine elektrische Kontaktierung, insbesondere einen Bonddraht 17 oder eine Lotkugel umfassenden
Kontaktanordnung zur Kontaktierung einer Leiterbahn 19 versehen, wobei die Leiterbahn19 unmittelbar mit der Schicht 13 aus Siliziumnitrid oder Schicht 25 verbunden ist.
Alternativ kann nach der Erfindung eine elektrische Kontaktierung, insbesondere durch einen Bonddraht 17 oder eine Lotkugel auch außerhalb der Vertiefung 18, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 dargestellt ist, platziert werden. Der Bonddraht 17 kann dabei eine auf der Oberfläche des Schichtverbundes angeordnete zusätzliche Leiterbahn 19", z.B. aus Gold, kontaktieren.
Die Leiterbahnen können sich hierbei innerhalb von mehreren
Isolationsschichten oder auf diesen befinden. Die Isolationsschichten bestehen z.B. aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid. Bondpads sowie Bonddrähte können z.B. aus Gold, Platin oder Aluminium bestehen. Aufgrund der höheren chemischen Stabilität und Temperaturbeständigkeit werden bei Gassensoren bevorzugt Gold und Platin eingesetzt. Letzteres vor allem als Leiterbahnmaterial. Zur Erhöhung der Haftung der Pt-Schicht kann sich unter dieser noch zusätzlich eine Schicht Tantal befinden.

Claims

Ansprüche
1 . Gassensor mit einem Halbleitersubstrat (10) mit einem ersten Schichtverbund mit mindestens einer Isolationsschicht (1 1 , 12) und mit mindestens einer weiteren Schicht (13, 25), mit mindestens einer ein Kontaktpad (16) und einer eine elektrische Kontaktierung (17) umfassende Kontaktanordnung zur
Kontaktierung einer Leiterbahn (19), dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem Kontaktpad (16) und der Leiterbahn (19) ausgebildeter zweiter
Schichtverbund auf dem ersten Schichtverbund angeordnet ist, wobei der zweite Schichtverbund im Bereich des Kontaktpads (16) unterhalb des Bonddrahts (17) mechanisch direkt mit der weiteren Schicht (13, 25) des ersten Schichtverbunds verbunden ist, und wobei mittels der Kontaktanordnung keine Leiterbahn innerhalb des ersten Schichtverbunds kontaktiert ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste, obere Isolationsschicht (1 1 ) oberhalb der weiteren Schicht (13, 25) und eine zweite, untere Isolationsschicht (12) unterhalb der weiteren Schicht (13,
25) vorhanden sind.
3. Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, obere Isolationsschicht (1 1 ) und die zweite, untere Isolationsschicht (12)
Siliziumoxidschichten sind und die weitere Schicht (13; 25) eine
Siliziumnitridschicht ist.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung (17) aus Gold und/oder Platin und/oder Aluminium gebildet ist, und dass das Kontaktpad (16) aus Gold und/oder Platin und/oder
Aluminium gebildet ist, und dass die Leiterbahn (19) Platin aufweist, wobei unter dem Platin eine Schicht aus Tantal angeordnet ist.
5. Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Kontaktpad (16) und die elektrische Kontaktierung(17) aufnehmende und durch nasschemisches Ätzen hergestellte Vertiefung (18) eine gemeinsame Struktur mit einem oberen und einem unterem Kontaktpadrand (23, 24) bilden, bei der der obere Kontaktpadrand (23) im Bereich der ersten, oberen
Isolationsschicht (1 1 ) angeordnet ist, und der untere Kontaktpadrand (24) im Bereich der zweiten, unteren Isolationsschicht (12) auf der weiteren Schicht (13) angeordnet ist.
6. Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich des Kontaktpads (16) eine zusätzliche, auf der ersten, oberen Siliziumoxidschicht (1 1 ) aufliegende Siliziumnitridschicht (25) vorhanden ist, und dass die Leiterbahn (19) auf der oberen, zusätzlichen
Siliziumnitridschicht (25) aufliegt und mit der Siliziumnitridschicht (25) verbunden ist.
7. Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Siliziumnitridschicht (25) sich bis in einen Bereich einer Membran des
Gassensors erstreckt.
8. Gassensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumnitridschicht (13, 25) strukturiert ist.
9. Gassensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die obere, zusätzliche Siliziumnitridschicht (25), einerseits derart dick ist, dass diese eine ausreichende Feuchtebarriere darstellt, aber andererseits so dünn ausgeführt ist, dass sich die Wärmeleitung des Gassensors nicht wesentlich erhöht.
10. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sich die Leiterbahn (19) unter dem Kontaktpad (16) befindet.
1 1 . Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kontaktpad (16) und dessen Ta/Pt-Unterbau nur innerhalb der Vertiefung bis maximal zum unteren Kontaktpadrand (24) erstreckt.
12. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kontaktpad (16) und dessen Ta/Pt-Unterbau bis zum oberen Kontaktpadrand (23) und darüber hinaus (24) erstreckt.
13. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kontaktpad (16) und dessen Ta/Pt-Unterbau nur innerhalb der Vertiefung bis max. zum Kontaktpadrand (24) erstreckt, und dass sich auf Flanken der Vertiefung zumindest teilweise eine Ta/Pt-Metallisierung der
Leiterbahn befindet.
14. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Leiterbahn (19) nur außerhalb des Schichtsystems (1 1 ,12,13,25) elektrisch kontaktiert wird.
15. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Kontaktpad (16) als Bondpad und die elektrische Kontaktierung (17) als
Bonddraht ausgebildet ist.
16. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Kontaktpad (16) als Bondpad und die elektrische Kontaktierung (17) als Lotkugel ausgebildet ist.
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