JPH02226017A - 薄膜白金素子用接着層を有するセンサ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、流量センサに関し、特に所謂マイクロブリッ
ジ流量センサ（ＭＡＦ）に関するものである。

〔従来例〕

マイクロブリッジセンサでは、厚さ約１０００オングス
トロームのプラチナ膜を研磨されたシリコンウェハ面上
の約５０００オングストロームの厚さを有する原子的に
平滑な窒化シリコン基板に強力に接着しなければならな
い。窒化シリコン基板とプラチナ層の間に中間接着層を
設けないと、接着は弱く、プラチナに安定な電気的特性
を与えるために必要な約６００°Ｃ以上で行われる熱処
理における熱応力に耐えられない。

金属接着層は窒化シリコン基板と白金膜とを良好に接着
することができるが、これまでに研究された接着膜に好
適な高温溶融金属（例えば、クロム、チタン、タングス
テン、ニッケル、鉄、タンタル等）は全て熱処理中に白
金膜内に拡散してしまい、白金層の抵抗を増加させ温度
係数を減少させて白金層の電気的特性に悪影響を与える
ので、好ましくない。

本発明は、このような金属層または合金層の欠点を解消
した高温溶融金属酸化物層を用いた接着層及びその特性
を提供するものである。

上述の従来の流量センサは通常一対の薄膜温度センサと
薄膜ヒータを有する。この流量センサは更に富みを形成
された半導体基板とヒータ及びセンサを基板に接続し窪
みを架橋する構造を具えているので、少な（ともヒータ
とセンサの大部分は基板と接触しないような構造になっ
ている。ヒータは周囲温度の下で空気流のある状態でも
ない状態でも作動する。

第１図及び第２図にアメリカ合衆国特許第４５０１１４
４号に開示されたマイクロブリッジ流量センサの構造の
従来例を示す。図かられかるように、センサは一対の薄
膜センサ２２．２４、Ｆｌｕヒータ２６、及び好ましく
は単結晶シリコンの半導体基板２０からなる。半導体基
板２０はセンサ及びヒータを基板に接触しないように支
持している。この従来例では、ヒータ及びセンサは好ま
しくは格子状に形成され鉄ニツケル合金（パーマロイ）
でできており、例えば窒化シリコン層２８．２９からな
る誘電体の薄膜に包囲されている。単結晶シリコン基板
２０上に選択エツチングで形成された窪みによる空間３
０によってヒータ２６及びセッサ２２．２４は空気に包
囲されることになる。この構成の詳細は、アメリカ合衆
国特許第４５０１１４４号に記載されており、本明細書
でも参考のために引用する。

本発明ではマイクロブリッジ流量センサは抵抗素子、即
ちセンサ２２．２４及びヒータ２６の材料に白金を用い
ているが、本発明は白金の使用自体を意図するものでは
ない。応用例の中にはパーマロイより白金のほうが好ま
しい場合もある。窒化シリコンに対する白金の乏しい接
着力は製造過程における重大な問題である。

白金層を種々の酸化物を基にしたセラミクスに接着する
可能性についての研究は以前から行われている。例えば
、４５００オングストロームより厚い白金膜は酸化物を
基にしたセラミクスに対して接着力があると言われてお
り、この場合接着力はセラミクスの表面の粗さと、セラ
ミクスの微小構成要素に依存すると言われている。表面
の粗さは数ミクロンから十分の一インチの範囲にわたり
、２００〜３５００オングストロームの厚さの膜を接着
するには好ましくないので、粗さによる不連続を回避す
るために例えば表面の研磨が必要となる。

本発明の目的は、白金センサ層と窒化シリコン基板との
間に、粗さに対する処置を必要としない原子的に平滑な
接着層を提供することである。本発明の層は次の２つの
要求を満たさなければならない。

（１）白金及び窒化シリコンに対して強力な接着を形成
する。

（２）層を構成する原子またはいかなる不純物の白金層
内への拡散に対して物理的に安定である。

多くの非貴金属酸化物は窒化物基板にはよく接着するこ
とが経験的に知られており、接着層の窒化物に対する接
着力については問題ない。本発明が解決する問題は、熱
処理中に接着力や電気的特性の劣化を起こさずに、接着
層の白金層またはその他の貴金属層に対して信較性のあ
る接着力を得ることである。

クロム及びチタン・タングステン合金のように種々の金
属接着層が従来から知られているが、これらの材質は本
発明に用いるには全（通性さを欠いている。クロム及び
チタン・タングステン合金のような標準的な金属接着層
は高温の熱処理によって相互作用を起こし、白金内に拡
散する可能性があり、このため接着しなかったり、熱抵
抗係数（ＴＣＲ）や抵抗等の特性を非常に劣化させる結
果となる。接着促進材を用いないと、高温熱処理過程に
おいて、広範囲にわたる剥離、水泡、膠着等が発生する
。既知の従来例の１つは、標準のクロム（Ｃ「）接着膜
の白金センサへの使用に関連する制限を示している。こ
の従来例装置は、薄膜（厚さ１ｏｏｏオングストロ一ム
位まで）の白金抵抗の下に約５０オングストロームのク
ロム接着層を用いている。この構成により、熱処理温度
を、必然的に４００°Ｃ以下に制御して、クロムの白金
への拡散を回避しなくてはならないが、方白金は５００
°Ｃ以下の温度による熱処理では効果的に安定化しない
。熱処理温度が４００°Ｃを越えると白金とクロムの相
互拡散が起こり、白金センサの特性を著しく劣化させる
。例えば、熱抵抗係数は本発明によって得られる値の半
分以下に減少してしまう。

接着層は、金属不純物に関して純粋でなければならない
。純粋であることによって、接着層から白金への金属原
子の拡散を防ぐことができる。ある特定量の不純物原子
は熱処理後に白金膜の厚さに反比例する電気的逆効果を
有するので、この安定性は１ｏｏｏオングストローム程
の厚さの薄膜にとって非常に重要である。酸化接着膜は
安定で、かつ白金原子によく接着する表面原子を有して
いなければならない。しかしながら、安定な酸化層が全
て良好な接着性を示すとは限らない。酸化白金の接着は
弱（、熱処理の温度で分解されてしまうので、酸化表面
原子はうまく接着しない。したがって、強力な接着を形
成するには金属組成酸化物でなくてはならない。本願発
明者は、白金シリコン化合物が熱処理温度以上の温度で
も安定なので（ＰｔＳｉは１１００’ｃまで安定である
。）酸化シリコンは接着層の有力な候補ではないかと考
えたが、満足のいく材質ではなかった。シリコンは金属
ではなく、白金・シリコン間の接着はより一般的な形の
金属・白金間の接着に比較し得る程の強さを有していな
い。

金属酸化物による接着層の内好ましいものが共通に持っ
ている要素は、耐火性が高いということである。この要
素が本発明の良好な接着層の要件であることは、次の議
論によって支持される。それは、酸化物は金属原子を放
出して白金を侵す恐れのある分解に対して安定でなけれ
ばならないということである０本願発明者“は全ての金
属酸化物を調査した訳ではない、しかしながら、次の表
に融点と共に示された高温溶融金属酸化物は、白金と強
力に接着ししかも白金を侵さない接着層を形成すること
ができることが認められたものである。

この表にあげられた全ての酸化物は酸素の適当な分圧で
反応的にスバ・ンタリングによって付着させることがで
き、白金に拡散したり白金を侵す過剰な金属原子が存在
しないことを保証する。

金属酸化物　　　融点じＣ） Ｎｉ０　　　　　　　１９８４ Ｔａｘｅｓ　　　　　　　１８７０ Ｃｒｚ（ｈ　　　　　　　２４２０ ＡｌｚＯｚ　　　　　　　２０５０ 本発明では、中間金属酸化物薄膜、例えば酸化クロム（
ＣｒｚＯｓ　）　、酸化アルミニウム（ＡｌｚＯ：＋　
）、酸化タンタル（ＴａｚＯｓ　）　、酸化ニッケル（
ＮＡＯ）等を用いることにより、白金センサ膜の窒化シ
リコンへの接着を飛躍的に改善することができる。

更に上述の接着膜を設けることによって、時として見う
ける構造的欠陥の発生及びセンサの抵抗値のばらつきを
最小にすることもできる。

このような酸化物膜を作る方法として、高真空状態下で
の酸化物の電子ビーム蒸着がある。この方法によって良
好な酸化アルミニウム接着層を作ることができた。この
方法は、金属酸化物の正確な化学量論比が保証できるよ
うな過程で行えば、良好な接着層を得ることができる。

このことは、接着層からの過剰金属原子の移動によって
白金が侵されるのを防ぐのに必要である。電子ビーム蒸
着を用いれば、蒸着される膜の純度を高く保持すること
がスパッタリングと比較して容易となる。

純度は、高い熱抵抗係数を繰り返し得る場合非常に重要
である。

別の方法は、放電ガスに酸素化合物を用いたガス放電ス
パッタ蒸着である。十分に過剰酸素があれば、接着層を
完全に酸化させることができる。

次にあげるスパッタ蒸着を用いたセンサ層処理過程は、
接着安定性が著しく改善された白金センサの製造に利用
することができるものである。

（１，初期装置処理過程） ２、センサ層処理過程 ・蒸着前洗浄 ・スパッタリングシステムの装填及び高真空／低残留ガ
スレベルに減圧 ・スパッタエッチ洗浄 ・金属酸化物接着層（〜５０人）の反応的スパッタ ・７００’Ｃで熱処理 ・厚さ１０００人までの白金のスパッタ・金属酸化物接
着層（〜５０人）の反応的スパッタ ・フォトリソグラフィ／パターンイオンミルにより酸化
物／白金／酸化物層を形成 ここで示す例では、ＲＦスパッタリングを酸化物接着層
及び白金センサ膜の付着のために用いられる方法として
あげている。

殆どのスパッタリング過程に付きまとう問題はパックス
バッタ、即ち基板をスパッタエッチすることによって表
面の汚染物及び１００Å以下の薄い基板表面層を除去し
次の層がうまく付着するように清浄な基板を形成する能
力である。

しかしながら、本発明はスパッタリングの狭義な処理の
みに限定されるものではない。電子ビーム蒸着、イオン
ビーム付着等の方法を利用して、白金を用いたセンサ装
置の製造に必要な酸化物接着層及び白金センサ膜を形成
することもできる。

次の層を付着させるための清浄な基板表面を得るために
基板洗浄法を通用することもできる。

〔実施例〕

白金を用いたセンサを製造する場合、白金を窒化シリコ
ンに接着する際の縁部の接着が重要な問題となる。装置
の効果的な性能を得るのに必要な特性及び安定性を具え
るには５００〜１ｏｏｏ。

Ｃの高温熱処理が要求される。しかしながら、この不可
欠な熱処理過程によって、白金の窒化シリコンへの元来
乏しい接着力の問題が更に重大になる。この熱処理は、
装置の仕様に適合させるのに必要な感度、安定性及び信
頬性を得るのに欠かせないものである。

厚さ２０〜１００オングストローム程の薄い非反応性酸
化金属接着層＜ＣｒｚＯｓ　、Ｔａｘｅｓ　、Ｎ１ｚＯ
ｚ等）を用いることによって、非常に効果的に白金の窒
化シリコンへの接着力を強め、維持することができる。

この接着力は高温熱処理過程を経ても持続される。更に
、この薄状酸化物接着層を設けることによって、構造的
欠陥の発生を最小にすることができ、この結果白金セン
サ／ヒータ抵抗の均一性と特性を著しく改善することが
できる。

酸化物接着層は白金と反応して熱抵抗係数に悪影響を及
ぼしたり、好ましくない変化を抵抗値に与えたりはしな
い。したがって、酸化物接着層を白金センサの製造に用
いることによって、信鯨性を飛躍的に改善することがで
きる。

第３図は、表面４１上に窒化シリコンの薄膜４２を有す
るシリコン基板４０を示す。窒化シリコン膜４２は例え
ば５０００オングストロ一ム位の厚さを有する。窒化シ
リコンの表面４３上には非常に薄い（２０〜ｌＯＯオン
グストローム）非反応性金属酸化物の層が付着される。

多くの効果的な金属酸化物層の実施例の１つとして酸化
クロム（Ｃｒ２Ｏ２）をあげることができる。金属酸化
物層、例えば酸化クロム層の上に白金薄膜４５が付着さ
れる。本実施例では、白金薄膜層４５の厚さは約１００
０オングストロームとしであるが、形式によって厚さは
大きく変化する。白金ＩＷ４５と包囲窒化シリコン層４
７との間の接着を促進するために表面Ｃｒ、Ｏ，接着層
４６を用いることもできる。

このように薄状酸化物膜を用いることにより、白金の窒
化シリコンへの接着力を補強するだけでなく、構造的欠
陥や高温（５００〜７００°Ｃ）で白金のみの膜（即ち
接着層のない場合）で見られる非均−抵抗の発生を最小
にすることができる。

また、金属酸化物接着層と白金との間に明白な反応は起
こらず、金属接着層から原子が白金膜に拡散すると起こ
るような熱抵抗係数及び抵抗値の劣化も起こらない。

接着層の厚さが窒化シリコンを完全に被覆するのに必要
な極限値を越えても、接着力に影響を及ぼさないことが
望まれる。酸化クロムの接着層を用いた広範囲の実験に
よると、良好な接着のための極限最小厚さは約２０オン
グストロームであり、約５０オングストロームの厚さが
あることが望ましいことが発見された。５０オングスト
ロームの厚さは非常に好ましいが、厚さはこの値に限ら
れたものではなく、他の厚さでも良好な接着力を得るこ
とができる。酸化ニッケル及び酸化タンタルの効果的な
厚さは未知であるが、実験によって５０オングストロー
ムの厚さの接着層を用いると９５０’Ｃの熱処理を経て
も良好な接着力及び電気的特性を得られることがわかっ
た。

金属酸化物接着層の付着において、酸化物は静モードで
目的の金属から反応的にスパッタされる。

酸素集中は、完全に反応した材質が得られる以上に維持
される。

クロム、アルミニウム、チタン、タンタル、及びニッケ
ルの酸化物は白金の接着促進層として評価された。この
ように評価された酸化物膜は全て白金の接着を効果的に
促進し、白金のみの膜を熱処理した時に見られる有害な
化学反応や欠陥、剥離、制ｆｌできない抵抗値の変化等
を起こさずに、高温の熱処理を経ても安定性及び特性を
得ることができる。

第４図は、厚さ１０００オングストロームの白金膜を用
い、５ｉ３Ｎｉ＜層と白金膜との間に金属酸化物の接着
膜を設けた場合と設けない場合の、面積抵抗測定値と熱
処理温度の関係をグラフに表したものである。第４図に
は３本の曲線があるが、曲線Ａは、接着層を用いず白金
を窒化シリコン上に直に付着させた場合の結果を示す。

曲線Ｂは酸化タンタルの接着層を用いた場合、グラフＣ
は酸化ニッケルの接着層を用いた場合の結果を示す。３
本の曲線は４５０’Ｃまでの低い温度領域では互いに接
近して並走していることがわかる。しかし、４５０”Ｃ
を越えると、曲線Ａは不連続性を示し、鋭角状に上向き
に折れ、白金の欠陥及び剥離を起こす。一方、酸化タン
タル及び酸化ニッケルを用いた場合は９５０°Ｃまで良
好な熱処理ができることが示されている。

【図面の簡単な説明】 第１図及び第２図は流量感知用マイクロブリッジ素子の
従来例を示す断面図及び平面図、第３図は接着層に酸化
クロムを用いた本発明の構造の一実施例を示す断面図、
第４図は面積抵抗と熱処理温度の関係を表すグラフであ
る。 ４０゜ ４２゜ ４４゜ ４５゜ ４６゜ ４７゜ シリコン基十反 窒化シリコン層 金属酸化物層 白金層 金属酸化物層 窒化シリコン層 特許出願人　ハネウェル・インコーボレーテッド代理人
　　　弁理士　松　下　義　治 （（’１１０） Ｆｉｇ・ Ｆｉｇ・２ Ｆｉｇ・

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）接着増強中間層を用いて窒化シリコン上に薄膜状
   白金を付着したセンサ構造であって、白金の電気抵抗薄
   膜層を付着するための表面を有する窒化シリコン層と、 前記窒化シリコン層上に設けられ白金の接着増強層とし
   て用いられる金属酸化物の薄膜中間層と、 前記金属酸化物薄膜中間層上に設けられた白金の薄膜層
   とからなり、前記金属酸化物薄膜中間層によって白金の
   窒化シリコンへの接着力が増強されることを特徴とする
   、薄膜白金素子用接着層を有するセンサ構造。
2. （２）白金薄膜を用いたセンサ構造であって、シリコン
   基板と、 前記シリコン基板上の窒化シリコン薄膜と、前記窒化シ
   リコン上に、白金薄膜を窒化シリコン上に接着する際の
   補強材として付着された金属酸化物の薄膜中間層と、 前記中間層に付着され、これによって窒化シリコンへの
   付着力を補強された白金薄膜と、前記白金薄膜上に形成
   された金属酸化物薄膜層と、 前記金属酸化物薄膜層及び前記白金薄膜上に形成された
   パッシベーション窒化シリコン層とからなることを特徴
   とする、薄膜白金素子用接着層を有するセンサ構造。
3. （３）前記金属酸化物は、酸化クロム、酸化チタン、酸
   化タンタル、酸化ニッケル及び酸化アルミニウムからな
   る群から選択されることを特徴とする請求項第１項また
   は第２項に記載の薄膜白金素子用接着層を有するセンサ
   構造。
4. （４）前記金属酸化物は、周期表の第 I I I 、 I Ｖ
   、Ｖ、Ｖ I またはＶ I I I 族の金属の酸化物からな
   る酸化物群から選択されることを特徴とする請求項第１
   項に記載の薄膜白金素子用接着層を有するセンサ構造。