KR20070026201A - 가혹한 화학적 및 열적 환경에 노출되는 반도체계 압력센서의 금속 접점 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 자동차 배기 가스 환경과 같은 산성의 고온 환경에 노출되는 반도체 압력 센서 소자에 적합한 높은 내부식성의 도전성 접점 시스템을 제공한다. 바람직한 실시예(10)는 플래티늄으로 된 정상층(26)과 탄탈륨으로 된 하부층(24)을 포함한다. 이들 두 층은 도전성이 높은 층들이며, 산성의 환경에 내부식성을 나타낸다. 금속 배선(metallization)의 정상층에는 또한 외부 접속[예를 들면, 와이어 본딩, 솔더 범핑, 칩-칩 접합(chip-chip fusion)]을 위해 적합한 재료가 제공된다. 금속 배선의 하부층은 또한 정상부의 금속과 보다 아래 층, 통상 실리콘계 글라스 사이에서 접합층으로서 기능을 하며, 몇몇 경우에 확산 배리어로서 기능을 한다.
Description
도 1은, 본 발명에 따라 제조된 전기 접점 시스템을 나타내는 반도체계 압력 센서를 절개하여 단면으로 도시한 입면도이고,
도 2는 도 1의 센서를 포함하는 압력 센서 패키지를 이 패키지에 센서 와이어가 접합되어 있는 상태로 나타내는 단면으로 도시한 입면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 압전 저항형 압력 센서
12 : 반도체 기판
12a : 상부면
14 : 불순물 도핑 영역
15 : 압전 저항기
16 : 플래티늄 실리사이드(오믹 접촉)
17 : 탄탈륨 실리사이드(오믹 접촉)
18 : 질화 실리콘(패시베이션층)
20 : 이산화 실리콘
22 : 개구부
24 : 탄탈륨층
30 : 니오비움층
32 : 탄화 실리콘(패시베이션층)
본 발명은 일반적으로는 반도체 압력 센서 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 가혹한 화학적 및 열적 환경에 대해 노출되기에 적합한 그러한 소자를 위한 접점 시스템을 제공에 관한 것이다.
반도체계 압력 센서와 같은 반도체 소자가 산성(酸性)의 자동차 배기 가스 환경에서와 같은 가혹한 환경에서 사용되고 있다. 압전 저항형 압력 센서(piezoresistive pressure sensor)의 경우, 통상의 와이어 본딩 연결에 의해 센서 하우징에서부터, 그 압력 센서의 압전 저항부에 도핑 실리콘을 통해 전기적으로 연결된 센서의 오믹 접촉(ohmic contact)에 전기적 연결을 이룰 수 있도록 도전성 금속 배선(electrically conductive metallization)이 사용되어 왔다.
가혹한 환경에서 반도체계 압력 센서를 사용한다는 것은 종종 통상 사용되는 알루미늄계 금속 배선이 산성의 환경에서 발생할 수 있는 부식에 민감하다는 점에서 제약받아 왔다. 이러한 문제점을 다루기 위해 다양한 해결책이 취해졌다. 하나의 해결책으로는 미국 특허 제6,651,508호에 개시되어 있으며, 이 특허 문헌에서 는 센서 및 와이어 본딩이 센서를 부식으로부터 보호하기 위한 일환으로 겔로 덮인다. 그러나, 겔은 산 및 습기에 대해 투과성을 갖기 때문에, 금속 배선 시스템이 노출되는 매체에 대해 근본적으로 강건하지 않는 경우, 결국 센서는 부식으로 인해 손상될 것이다.
가혹한 환경에 노출된 반도체계 압력 센서의 금속 부식에 관하여 미국 특허 제6,584,853호, 제6,030,684호 및 제6,085,596호에서 문제 제기되었지만, 이들 특허 문헌에서는 본 발명과 달리 도전성 및 내부식성의 금속 접점 시스템은 개시하지 않았다. 대신에, 그러한 특허 문헌에서는 아래에 놓이게 되는 금속 배선을 보호하기 위한 다양한 센서 코팅 및 패키징 기법을 개시하고 있고, 결과적으로는 반도체 센서가 요구되는 것보다 크게 및/또는 고가로 되었다. 예를 들면, 미국 특허 제6,085,596호에 사용된 전기 절연층이 알루미늄 접합 패드를 덮지 않아, 패키징 계획(packaging schemes)(미국 특허 제6,085,596호의 도 3 및 도 4 참조)이 더 크고 결과적으로 더 고가의 반도체 압력 센서를 요구하게 한다.
미국 특허 제6,107,170호에는 알루미늄 금속 배선의 문제점을 해결하기 위해 금 및 텅스텐-티타늄 금속 배선을 개시하고 있다. 그러나, 티타늄-텅스텐 층은 금층의 불완전한 부분을 통해 그리고 텅스텐-티타늄층의 노출된 가장자리에서 특정 배기 가스 환경에 노출될 때에 부식될 수 있다.
본 발명의 목적은, 전술한 종래 기술에 있어서의 제약이 없는 반도체 압력 센서용 내부식성 전기 접점 시스템을 제공하는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목 적은, 가혹한 산성 및 열적 환경에 노출시키기에 적합한 반도체계 압력 센서에 사용하는 저렴한 내부식성 전기 접점 시스템을 제공하는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 자동차 배기 시스템에 사용하기에 적합한 반도체계 압력 센서를 위한 저렴한 전기 접점 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 교시에 따르면, 압전 저항형 압력 감지에 적합하도록 불순물이 도핑되고, 통상 글라스 패시베이션층(passivation layer)이 형성된 반도체 기판이 금속 전기 접점의 배치를 위해 도핑된 반도체의 영역을 노출시키도록 패턴화된다. 플래티늄 실리사이드 또는 탄탈륨 실리사이드와 같은 적합한 오믹 접촉(ohmic contact)층이 도핑 반도체의 노출 영역에 형성되고, 농축 박막(dense film) 형성에 적합한 임의의 방법을 사용하여, 탄탈륨 층을 오믹 접촉층 위에 그리고 통상 패시베이션층 위에도 형성한다. 탄탈륨은 뛰어난 내부식성을 갖고 있다. 알루미늄 및 티타늄-텅스텐과 달리, 탄탈륨은 대부분의 용례에 관계가 없는 불화수소산을 제외하면 실제로 150℃ 이하의 모든 산에 대해 불활성을 갖는다. 대부분의 경우, 반도체 압력 센서를 센서 패키지에 연결하기 위한 와이어 본딩(wire bonding)과 같은 통상의 전기적 연결 기법 탄탈륨보다 더 전도성을 갖는 플래티늄 혹은 금, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄 등의 다른 귀금속과 같은 내부식성 금속의 하나 이상의 층을 추가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 전기적 접점 시스템의 다른 목적, 이점 및 세부 사항은 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명을 통해 드러날 것이다.
발명의 상세한 설명 및 청구 범위에 걸쳐, 상부, 하부 및 그러한 층에 대한 기준은 도면에 도시된 층들의 방향을 기준으로 한 것이다.
도 1을 참조하면, 센서의 다이어프램 부분을 절단하여 도시한 반도체계 압전 저항형 압력 센서(10)는 불순물 도핑 영역(14)을 갖는 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(12)을 포함하며, 그 기판의 상부면(12a) 상에서 불순물 도핑 영역(14)이 도전성 도선을 형성한다. 압전 저항형 압력 센서의 경우, 압전 저항기(piezoresistor)(15)는 도전성 도선 부분에 있다. 예를 들면, 이산화 실리콘(20) 위의 질화 실리콘(18) 또는 이산화 실리콘(20) 위의 탄화 실리콘(32)과 같은 적절한 패시베이션층이 상부면(12a) 상에 도포되며, 이어서 개구부(비아)(22)가 패시베이션층(18/32, 22)에 형성된다. 예를 들면 플래티늄 실리사이드(16) 또는 탄탈륨 실리사이드(17)와 같은 내부식성 오믹 접촉층이 통상의 반도체 처리 방법에 의해 개구부(22) 내에 형성된다. 이어서, 탄탈륨(24)의 농축층(dense layer)이 오믹 접촉(16/17) 상에 형성되어, 개구부(22)의 측부 위에서 그리고 패시베이션층(18/32)의 상면 상에서 연장한다. 알루미늄 및 티타늄-텅스텐과 달리, 탄탈륨은 불화수소산을 제외하고 실제로 150℃ 이하의 모든 산에 대해 불활성을 갖는다. 그러나, 불화수소산에 대한 노출은 대부분의 용례에 관계가 없으며, 불화수소산에 대한 민감성은 몇몇 경우 센서의 제조 중에 저비용의 화학적 습식 에칭의 경우에 고려된다. 노출된 가장자리(35)에서의 부식이 방지될 필요가 있고, 또 있다하더라도 추가의 정상층들을 그런 층들의 결함으로 인해 보호에 의존할 수 없기 때문에 탄탈륨층이 부식에 대해 강건한 것은 중요하다. 결함의 몇 가지 예로는 핀 홀, 스크래 치, 또는 제조 중에 생성되어 부식을 야기할 수 있는 가능한 손상이 있다. 예를 들면, 미국 특허 제6,584,853호에는 와이어 본딩 중에 도전성 패드에 형성되어 부식을 야기할 수 있는 미세한 크랙이 어떻게 형성될 수 있는가에 대해 기술하고 있다. 센서(10)가 최외층으로서 탄탈륨층(24)을 사용할 수 있다하더라도, 즉, 화학적 공격에 대해 보호하기 위해 내부식성 금속으로 피복할 필요가 없다하더라도, 도 2에 도시한 바와 같이 와이어 본딩(28)에 의해 연결되고 겔(29)로 덮인 센서 패키지(2)의 다른 구성 부재에 대한 반도체 센서의 전기적 연결을 용이하게 위해 플래티늄층 등과 같은 와이어 본딩에 비해 도전성이 큰 재료의 층(26)을 추가하는 것이 일반적으로 바람직하다.
탄탈륨은 주기율표의 VB족 원소이다. U. Gramberg, M.Renner 및 H. Diekmann에 의해 "Material and Corrosion 46"(691, 692 페이지, 1995년)의 "화학 물질 및 처리 산업을 위한 구조용 재료로서의 탄탈륨-이론적 고찰(Tantalum as a material of construction for the chemical and processing industry - A critical survey)"에서 보고된 바에 따르면, "VB족 및 그에 이웃한 IV 및 VIB족 금속들은 그들의 전자 배열로 인해 강력한 전기적 음성을 나타내어 "반응성" 금속으로 불린다. .... 한편, 높은 반응성은 또한 상온에서도 매우 안정한 산화물의 형성을 초래하며, 이에 따라 전반적인 화학적 불활성을 위해 필요한 전제 조건을 제공한다. 그러나, 금속을 보호하기 위해, 단지 낮은 수준의 내부 응력을 야기하고 손상의 경우에 자발적으로 형성되도록 산화물층이 금속에 매우 얇고 결함없이 강력하 게 접합되어야 한다. 모든 조건이 탄탈륨 및 그 산화물 Ta2O5에 의해 충족되며, 그 결과 매우 높은 화학적 불활성도를 갖는 고반응성 금속의 주요한 현상이 초래된다."
탄탈륨층(24)은 원하는 경우 니오비움층(30)으로 대체될 수도 있다. 탄탈륨과 마찬가지로 니오비움은 VB족 원소이며, 그 물리적 및 화학적 특성이 탄탈륨과 유사하며, 탄탈륨에 거의 근사한 내부식성을 갖는다.
플래티늄 및 금과 같은 내부식성의 귀금속은 통상 패시베이션층에 잘 접착되지 않으며, 이에 따라 귀금속층과 패시베이션층 사이에 접합층으로서 기능을 하는 탄탈륨층에 의해 이점이 제공된다. 탄탈륨층은 질화 실리콘 및 이산화 실리콘과 같은 실리콘 글라스층에 잘 접착된다. 또한, 탄탈륨층은 예를 들면 금에 대한 확산 배리어(diffusion barrier)로서 기능을 할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
가혹한 산성 환경에 대한 플래티늄 탄탈륨 금속 배선의 우수한 화학적 강건성(robustness)이 몇 가지 테스트에 의해 입증되었다. 예를 들면, 하나의 테스트에서, 알루미늄 금속 배선을 갖는 압전 저항형 압력 센서, 금 티타늄-텅스텐 금속 배선을 갖는 압전 저항형 압력 센서 및 플래티늄 탄탈륨 금속 배선을 갖는 압전 저항형 압력 센서를 신에츠(Shin-Etsu)사에서 제조한 겔인 Sifel 8070으로 피복하여, 80℃에서 10.11M의 염산 용액에 담갔다. 2시간 후에 그 용액으로부터 알루미늄 센서를 제거하여 SEM 분석을 하였는데, 알루미늄 금속 배선의 광범위의 부식이 확인되었다. 금 티타늄-텅스텐 센서 및 플래티늄 탄탈륨 센서는 120시간 후에 용액으 로부터 제거하여 SEM 분석을 하였는데, 금 및 티타늄-텅스텐 층에서는 광범위의 부식이 확인되었지만, 플래티늄 탄탈륨 금속 배선에서는 어떠한 부식도 확인되지 않았다.
다른 테스트에서, 알루미늄 금속 배선을 갖는 압전 저항형 압력 센서, 금 티타늄-텅스텐 금속 배선을 갖는 압전 저항형 압력 센서 및 플래티늄 탄탈륨 금속 배선을 갖는 압전 저항형 압력 센서를 80℃에서 5.02M의 황산 및 4.97M의 질산으로 된 용액에 담갔다. 90분 후에 그 용액으로부터 알루미늄 센서를 제거하여 SEM 분석을 하였는데, 알루미늄 금속 배선의 광범위의 부식이 확인되었다. 금 티타늄-텅스텐 센서 및 플래티늄 탄탈륨 센서는 16시간 후에 용액으로부터 제거하여 SEM 분석을 하였는데, 금 및 티타늄-텅스텐 층에서는 광범위의 부식이 확인되었지만, 플래티늄 탄탈륨 금속 배선에서는 어떠한 부식도 확인되지 않았다.
플래티늄 탄탈륨 접점 시스템의 금속 배선은 종래의 반도체 처리 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들면, 반도체 기판에서 시작하여,
금속 접점을 위한 비아(via)를 노출시키도록 패시베이션층(예를 들면, 이산화 실리콘 위의 질화 실리콘)을 패턴화하고,
비아 내에서 오믹 접촉을 형성하며; 예를 들면 플래티늄 실리사이드를 형성하도록 플래티늄을 스퍼터링하고 열처리함으로써 플래티늄 실리사이드를 형성하고, 원하지 않는 영역으로부터 플래티늄을 제거(예를 들면, 이온 비임 밀링에 의해)하고,
약 500Å의 두께로 스퍼터링(또는 농축 박막을 얻을 수 있는 다른 증착 기 법)에 의해 탄탈륨층을 증착하고, 이어서 탄탈륨의 산화를 방지하도록 플래티늄층을 약 4000Å의 두께로 제위치에 증착하며,
플래티늄 탄탈륨 층을 통상의 포토리소그래피 방법(포토레지시트를 스피닝(spinning)하고, 이를 경화시키며, UV광에 노출시키고 이어서 그것을 현상함)으로 패턴화하고,
원하지 않는 영역으로부터 Pt 및 Ta를 제거하며(예를 들면, 이온 비임 밀링 또는 반응성 이온 에칭에 의해),
포토 레지스트(금속 에칭 마스크)를 용해시킨다.
본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였지만, 청구 범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 보호 범위 내에서 변형 및 수정이 이루어질 수 있기 때문에 본 발명이 그러한 실시예에 의해 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 탄탈륨층(24) 또는 니오비움층(30)은 원하는 경우 탄탈륨 합금 또는 니오비움 합금 층으로 각각 대체될 수 있다. 또한, 정상부의 플래티늄층(26)은 원하는 경우 금, 이리듐, 팔라듐, 루테늄 또는 로듐과 같은 귀금속 또는 이들의 합금의 하나 이상의 층으로 대체되거나 그러한 층이 추가될 수 있다. 게다가, 실리사이드 대신에, 반도체 기판에서 충분히 높은 농도로 도핑된 표면 영역이 양호한 오믹 접촉을 달성하는 데에 사용될 수 있다.
본 발명을 압전 저항형 압력 센서에 사용하는 것에 대해 설명하였지만, 개시된 금속 배선 시스템의 이점은 용량형(capacitive)과 같은 다른 반도체계 압력 감지 기법에 적용할 수 있다는 것은 명백하다.
본 발명에 따라 자동차 배기 가스 환경과 같은 산성의 고온 환경에 노출되는 반도체 압력 센서 소자에 적합한 높은 내부식성의 도전성 접점 시스템이 제공된다.
Claims (20)
- 가혹한 화학적 및 열적 환경에서 사용하는 압전 저항형 압력 센서(piezoresistive pressure sensor)의 금속 전기 접점 시스템으로서,반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 일부에 형성된 도전성 불순물 도핑 영역과, 상기 불순물 도핑 영역을 갖는 상기 반도체 기판의 표면에 형성된 패시베이션층(passivation layer)과, 상기 패시베이션층에 형성되어 상기 불순물 도핑 영역의 일부를 노출시키는 개구부와, 상기 개구부와 정렬된 상기 불순물 도핑 영역의 일부에 형성된 오믹 접촉(ohmic contact)과, 상기 개구부 내에서 상기 오믹 접촉 상에 형성된 탄탈륨 및 탄탈륨 합금 중 하나로 된 층을 포함하는 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 탄탈륨 및 탄탈륨 합금 중 하나로 된 층은 상기 개구부의 측부 위에서 그리고 상기 패시베이션층 상에서 연장하는 것인 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 탄탈륨 및 탄탈륨 합금 중 하나로 된 층 상에 귀금속층을 더 포함하는 것인 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 귀금속은 플래티늄인 것인 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 귀금속은 플래티늄, 금, 이리듐, 팔라듐, 루테늄, 로듐 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 탄탈륨 및 탄탈륨 합금 중 하나로 된 층은 두께가 약 500Å인 것인 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 플래티늄은 두께가 약 4000Å인 것인 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 오믹 접촉은 플래티늄 실리사이드인 것인 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 오믹 접촉은 탄탈륨 실리사이드인 것인 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 반도체 기판에 형성되어 상기 불순물 도핑 영역과 전기적으로 상호 연결된 압전 저항성 소자(piezoresistive element)를 더 포함하는 것인 압전 저항형 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 가혹한 화학적 및 열적 환경에서 사용하는 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템으로서,반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 일부에 형성된 도전성 불순물 도핑 영역과, 상기 불순물 도핑 영역을 갖는 상기 반도체 기판의 표면에 형성된 패시베이션층과, 상기 패시베이션층에 형성되어 상기 불순물 도핑 영역의 일부를 노출시키는 개구부와, 상기 개구부와 정렬된 상기 불순물 도핑 영역의 일부에 형성된 오믹 접촉과, 상기 개구부 내에서 상기 오믹 접촉 상에 형성된 니오비움 및 니오비움 합금 중 하나로 된 층을 포함하는 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 니오비움 및 니오비움 합금 중 하나로 된 층은 상기 개구부의 측부 위에서 그리고 상기 패시베이션층 상에서 연장하는 것인 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 니오비움 및 니오비움 합금 중 하나로 된 층 상에 귀금속층을 더 포함하는 것인 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 귀금속은 플래티늄인 것인 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 귀금속은 플래티늄, 금, 이리듐, 팔라듐, 루테늄, 로듐 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 니오비움 및 니오비움 합금 중 하나로 된 층은 두께가 약 500Å인 것인 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제14항에 있어서, 상기 플래티늄은 두께가 약 4000Å인 것인 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 오믹 접촉은 플래티늄 실리사이드인 것인 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 오믹 접촉은 탄탈륨 실리사이드인 것인 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 반도체 기판에 형성되어 상기 불순물 도핑 영역과 전기적으로 상호 연결된 압전 저항성 소자를 더 포함하는 것인 반도체 압력 센서의 금속 전기 접점 시스템.
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