阅读说明：本技术 键合垫层系统、气体传感器和用于制造气体传感器的方法 (Bonding pad system, gas sensor and method for manufacturing gas sensor ) 是由 M·克瑙斯 H·内德尔曼 B·克莱因 V·孔德拉绍夫 R·巴拉基 M·拉皮萨 H·韦伯 于 2018-06-14 设计创作，主要内容包括：本发明建立键合垫层系统(1)、气体传感器和用于耐高温的键合垫层系统(1)的制造方法。键合垫层系统(1)沉积在作为基底的半导体芯片、例如微机械半导体芯片(11)上,在该微机械半导体芯片中集成有由介电层(13、14)组成的至少一个悬置的介电膜片、铂印制导线(10)和由铂制成的加热件(15)。在此,首先进行钽层(6)的沉积,在该钽层上进行第一铂层(5)的沉积,在该第一铂层上进行氮化钽层(4)的沉积,在该氮化钽层上进行第二铂层(3)的沉积,并且在该第二铂层上进行金层(2)的沉积,其中,在金层(2)中构造用于与键合线(8a)连接的至少一个键合垫(8)。键合垫(8)基本上位于半导体芯片(11)上的接触孔(9)的区域中和/或位于该区域外部,在该区域中借助于环形接触部实现引导至加热件(15)的铂印制导线(10)的连接。(The invention relates to a bonding pad system (1), a gas sensor and a method for producing a bonding pad system (1) resistant to high temperatures. The bond pad system (1) is deposited on a semiconductor chip as a substrate, for example a micromechanical semiconductor chip (11), in which at least one suspended dielectric membrane consisting of dielectric layers (13, 14), platinum conductor tracks (10) and a heating element (15) made of platinum are integrated. In this case, a tantalum layer (6) is deposited first, a first platinum layer (5) is deposited on the tantalum layer, a tantalum nitride layer (4) is deposited on the first platinum layer, a second platinum layer (3) is deposited on the tantalum nitride layer, and a gold layer (2) is deposited on the second platinum layer, wherein at least one bonding pad (8) for connecting to a bonding wire (8a) is formed in the gold layer (2). The bonding pads (8) are located substantially in and/or outside the region of the contact holes (9) on the semiconductor chip (11), in which the connection of the platinum conductor tracks (10) leading to the heating elements (15) is effected by means of annular contacts.)

键合垫层系统、气体传感器和用于制造气体传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种键合垫层系统、一种气体传感器和一种用于制造气体传感器的方法。

背景技术

虽然可以使用任意的微机械构件，但本发明和基于本发明的问题参照具有气体传感器芯片的构件阐释。

在制造微机械气体传感器时，通常在制成具有悬置的介电膜片(在该膜片中存在由铂制成的加热结构并且在该膜片上还存在叉指电极结构)的微机械芯片之后，将膏点施加到电极上，当确定的气体在该膏点附近时，该膏点例如改变其电阻，如在EP 085 92 31A1中描述的那样。

在施加膏点之后，必须烧结该膏点，以便可以除去有机的膏成分并且调设出期望的气体敏感性。所述烧结通常在可以明显超过400℃的温度中发生，如在DE 10 2015 209267A1中描述的那样。因为在烧结膏时微机械下部结构/传感器芯片已经完全处理，该微机械下部结构/传感器芯片必须能够在没有功能损害的情况下经受住烧结过程。这也意味着，键合垫和与印制导线平面的键合垫连接部在烧结过程期间不应分解。

在市场上已经存在以微机械的方式制造的气体传感器，在所述气体传感器中通过金键合线键合到钽/铂-键合垫层系统的铂层上。然而该系统并不充分过程稳定并且例如具有强烈分散的键合线附着值。

有利的是，设计出层系统，在该层系统中可键合性(键合线附着)是充分过程稳定的，以便能够确保大批量生产。

在实现这种层系统时还使用在DE 198 24 400A1中关于微机械空气质量传感器芯片所描述的印制导线接触方法，以便与由于在接触孔边缘处的边缘撕裂所产生的可能的印制导线中断部变得无关。如所述气体传感器芯片那样，空气质量传感器芯片也具有悬置的介电膜片，在该膜片中集成有由铂制成的加热结构。在DE 198 24 400A1中描述的印制导线接触方法中，将铝键合垫最大程度地施加在接触孔中并且在接触孔内部借助于环形接触部实施引导至加热件的铂印制导线的电连接。因此，铝键合垫在该接触孔内部部分地施加在铂层上以及施加在介电层系统的位于铂层下方的层上。通过这种类型的接触确保，由于不利的蚀刻侧壁所产生的接触孔处的边缘撕裂不会导致铂加热结构的电接触的中断。

发明内容

本发明实现根据权利要求1所述的键合垫层系统、根据权利要求10所述的气体传感器和根据权利要求11所述的用于制造气体传感器的方法。

因此，根据第一方面，本发明涉及一种键合垫层系统，该键合垫层系统位于半导体芯片上。该半导体芯片例如可以是微机械半导体芯片，在该微机械半导体芯片中集成了具有由铂制成的加热件的至少一个悬置的介电膜片。在制造键合垫层系统时，首先进行钽层的沉积，在该钽层上进行第一铂层的沉积，在该第一铂层上进行氮化钽层的沉积，在该氮化钽层上进行第二铂层的沉积，并且在该第二铂层上进行金层的沉积，该金层用于实现键合垫。金键合垫可以与键合线连接，其中，整个键合垫层系统可以位于半导体芯片上并且在那里基本上位于接触孔的区域中，在该区域中借助于环形接触部实现引导至加热件的铂印制导线的连接。此外可以考虑，由上面提到的键合垫层系统组成的键合垫也位于半导体芯片上的接触孔区域外部并且用于电极结构的电接触。

根据第二方面，本发明涉及一种气体传感器，包括至少一个根据第一方面的键合垫层系统以及膏点(Pastendot)。

根据第三方面，本发明涉及一种用于制造包括键合垫层系统和膏点的气体传感器的方法，该方法具有呈以下顺序的步骤：提供作为基底的半导体芯片、例如微机械半导体芯片，在该半导体芯片中集成具有由铂制成的加热件的至少一个悬置的介电膜片，沉积钽层，沉积第一铂层，沉积氮化钽层，沉积第二铂层，沉积金层，在金层上构造用于与键合线连接的至少一个键合垫，构造电极结构，构造膏点并且烧结膏点。

优选的扩展方案是各个从属权利要求的主题。

本发明提供一种键合垫层系统、一种气体传感器和一种相应的制造方法，该键合垫层系统包括特定的层序列，所述层序列是耐高温的并且在烧结膏点之后在后端过程中能够实现可靠的、稳定的和可大批量生产的线键合连接部。“耐高温”尤其理解为，即使键合垫层系统以及气体传感器暴露在烧结用于制造气体传感器的膏点的温度下时，所述键合垫层系统以及气体传感器的功能性在它们的性能方面也保持稳定。在此，温度尤其在400℃和超过400℃的范围中。

因为，本发明能够产生耐高温的键合垫层系统，该键合垫层系统例如可以用于大批量生产的气体传感器。

根据优选的扩展方案，半导体芯片是微机械半导体芯片，在该微机械半导体芯片中集成有包括介电层的至少一个悬置的介电膜片、铂印制导线和由铂制成的加热件。这能够实现层系统的多种应用可能性。

根据优选的扩展方案，至少一个键合垫基本上位于半导体芯片上的接触孔的区域中，在该区域中借助于环形接触部实现引导至加热件的铂印制导线的连接。

根据优选的扩展方案，至少一个键合垫基本上位于半导体芯片上的接触孔外部的区域中。由此可以实现在加热件和/或附加的电极结构和印制导线上的连接。

如提到的那样，耐高温的键合垫层系统具有钽/铂1/氮化钽/铂2/金的层序列。根据优选的扩展方案，钽层的层厚度为2-200纳米，第一铂层的层厚度为50-1000纳米，氮化钽层的层厚度为2-200纳米，第二铂层的层厚度为2-400纳米，并且金层的层厚度为50-1000纳米。因此，层厚度可以优化地适配于烧结过程，以便例如防止不期望的扩散过程，或确保确定的功能。

根据优选的扩展方案，钽层的层厚度为5-50纳米，第一铂层的层厚度为100-500纳米，氮化钽层的层厚度为5-50纳米，第二铂层的层厚度为10-150纳米，并且金层的层厚度为200-600纳米。通过层厚度关于期望的功能或所应用的烧结过程的优化适配，可以实现在沉积时的较短的过程时间和较少的材料消耗。

根据优选的扩展方案，由钽(Ta)和氮(N₂)制成的氮化钽层的层组分处于Ta_xN_y的关系中，其中，x在1和5之间并且y在0.04和6之间。通过所选择的层组分可以影响或阻碍原子穿过氮化钽层的扩散行为。

根据优选的扩展方案，氮化钽层的层组分是化学计量的。由此可以在烧结过程中控制另外层的原子穿过氮化钽层的扩散。

根据优选的扩展方案，键合垫层系统的钽层和第一铂层也用于制造电印制导线和例如呈叉指结构形式的电极。这样可以在最小的空间上建立具有小功率消耗的精确的微电子构件。

根据优选的扩展方案，用于与键合线连接的至少一个键合垫构造在键合垫层系统的第一铂层上的接触孔区域外部。以该方式，由键合垫层系统的钽层和第一铂层组成的引导至电极结构的印制导线可以借助于键合线可靠地并且长时间稳定地电接通。氮化钽层以标准方式借助于反应溅射技术制造，而根据本发明的方法的优选扩展方案，氮化钽层也可以通过所施加的钽层在超过600℃的温度中在氨气(NH₃)/氢气(H₂)气氛中或在氮气(N₂)/氢气(H₂)气氛中的温度处理形成。这能够实现氮化钽层的组分的特别精确的调节。

根据本发明的方法的优选扩展方案，钽层和第一铂层借助于光刻胶掩膜和随后的蚀刻步骤构造成印制导线和电极结构，例如叉指结构，其中，所述蚀刻可以借助于IBE蚀刻、等离子蚀刻、湿化学蚀刻和这些蚀刻方法的组合进行。

附图说明

下面参照在附图中表明的实施例详细阐释本发明。在此示出：

图1:根据本发明的第一实施方式的气体传感器的示意图；

图2:根据本发明的第二实施方式的键合垫层系统的示意图；和

图3:根据另外的实施方式的用于阐明用于制造键合垫层系统或气体传感器的方法的示意性流程图。

在附图中相同的附图标记表明相同的或功能相同的元件。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一实施方式的气体传感器的示意图。

示出根据本发明的气体传感器的实现可行性方案，该气体传感器包括键合垫层系统1，该键合垫层系统包括作为基底的具有空腔12的微机械半导体芯片11、两个介电层13和14、通向空腔区域12中的加热件15的铂印制导线10、钽层6、沉积在该钽层上的第一铂层5、沉积在该第一铂层上的氮化钽层4、沉积在该氮化钽层上的第二铂层3、沉积在该第二铂层上的金层2，其中，各个层沉积整面地、也通过接触孔9进行并且随后借助于标准方法进行各个层的结构化。还画出键合垫8、键合线8a、膏点7并且示意性画出电极结构(例如叉指结构)7a以及印制导线7b。键合垫8可以基本上构造在接触孔9的区域中，尤其直接在构造在该接触孔上方，或者也布置在接触孔9外部。

介电膜片层13和14可以包括二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)和它们的混合物并且每个介电膜片层本身由多个介电层或不同的介电层序列组成。

本发明的核心是，实现键合垫8，在该键合垫中，在烧结过程之后可以在金层2上可靠地固定由金制成的键合线8a。金线在金键合垫上的线键合在集成半导体芯片的电连接时以标准方式应用。然而，在这里键合垫在制造之后不再暴露给超过400℃的温度。因为金在高温时并且在确定的气氛条件下增强地扩散到铂和钽中并且会使键合垫8在底座上的附着恶化，因此根据本发明，还将氮化钽层4作为扩散屏障嵌入在金层2和位于该金层下方的第一铂层5(“铂1”)与钽层6之间，如在图1中示出的那样。由于金在氮化钽上的合适附着，在金层2和作为扩散屏障起作用的氮化钽层4之间附加地***第二铂层3(“铂2”)作为附着层。因此，由上面所述得出键合垫层系统，该键合垫层系统如下面所示那样构成：钽/铂1/氮化钽/铂2/金。该键合垫层系统以作为第一层沉积部的钽6开始位于具有空腔12的半导体芯片11、介电层13及14和铂印制导线10上或位于在那里存在的接触孔9中。

在制造气体传感器时，可以利用该层系统1的其他部分来制造电极7a。这样例如可以通过蚀刻掩膜和蚀刻过程的有针对性的使用将钽层6和第一铂层5构造为在膜片区域中和在膜片区域外部的电极7a和印制导线7b，随后可以将膏点7沉积到所述电极和印制导线上。在键合垫区域中，在膜片外部，在第一铂层5和钽层6上还存在氮化钽层4、第二铂层3和金层2，这导致上面已经描述的键合垫层系统：钽/铂1/氮化钽/铂2/金。

如果采用现有技术中的半导体芯片的构造、例如微机械空气质量传感器的构造，那么能够通过合适的掩膜制造用于气体传感器芯片的基底。因为铝和铂在相对较低的温度(200-300℃)时已经相互反应，这还会导致在两种材料的接触区域中形成孔并且还不能单独地例如通过胶化保护气体传感器中的键合垫8以免受环境影响，因此存在以下必要性：通过化学稳定的材料、如金或铂替代化学不稳定的铝。

因此，所述键合垫层系统1使用铂和金作为新的、高温稳定的键合垫层系统1的组成部分。为了能够确保层系统的第一铂层5良好地附着在半导体芯片的介电层13和14的层上，首先将钽层6沉积在半导体芯片上。该钽层在接触孔9中接触(以环形接触部的方式)由铂制成的加热件15的铂印制导线供应部10并且还用作为用于之后在介电层13和14上的层的附着层。随后将氮化钽层4、第二铂层3和金层2沉积到该钽层6和第一铂层5上并且使整体层系统结构化。各个层的沉积借助于溅射、反应溅射、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、脉冲激光再沉积和/或原子层沉积(ALD)进行。通过选择合适的沉积过程可以优化过程费用和时间。

在存在合适的过程实施和相应适配的掩膜的情况下，还能够这样结构化所沉积的层，使得产生电极结构(例如叉指结构)7a和印制导线7b，它们由第一铂层5和钽层6的序列组成。通常在这里这样发生，使得借助于第一掩膜平面将金层2、第二铂层3和氮化钽层4结构化并且随后借助于第二掩膜平面将第一铂层5和钽层6结构化。通过第一掩膜平面产生之后还用于电极7a的电接触的键合结构，而第二掩膜平面用于制造电极7a、该电极的电供应部，还用于实现在接触孔9的区域中的最终键合垫8和在接触孔区域9外部的最终键合垫8。以该方式，第一铂层5和钽层6的层序列(所述层序列是根据本发明所述的键合垫层系统1的组成部分)同时用于制造在作为传感器芯片起作用的半导体芯片上的电极7a和电印制导线7b。

各个层的结构化可以借助于掩膜和标准蚀刻方法、如IBE蚀刻、等离子蚀刻、湿化学蚀刻或这些蚀刻方法的组合进行。湿化学蚀刻步骤例如可以用于将金层2的边缘与第二铂层3和氮化钽层4的边缘间隔开。以该方式可以确保，金不能经由第二铂层3和氮化钽层4的边缘扩散并且不受控制地达到第一铂层5或钽层6中。各个层的层厚度和层组分可以进一步适配于烧结条件(温度、气氛、时间)。

这样例如能够通过增大层厚度来延长扩散路径。也就是说，物质的原子需要更长的时间来扩散穿过另外的物质。因为物质的相互扩散是取决于温度和/或时间的，所以层厚度的增大能够实现可以在较高的温度和/或时间的情况下进行的烧结过程。

在这里，典型的层厚度位于从几纳米至数微米的范围中。优选的层厚度对于钽层6而言位于2-200纳米的范围中，对于第一铂层5而言位于50-1000纳米的范围中，对于氮化钽层4而言位于2-200纳米的范围中，对于第二铂层3而言位于2-400纳米的范围中，并且对于金层2而言位于50-1000纳米的范围中。特别优选的层厚度对于钽层6而言位于5-50纳米的范围中，对于第一铂层5而言位于100-500纳米的范围中，对于氮化钽层4而言位于5-50纳米的范围中，对于第二铂层3而言位于10-150纳米的范围中，并且对于金层2而言位于200-600纳米的范围中。

在选择层厚度时基本上要考虑两个方面。即必要的烧结条件(温度、气氛、时间)和用于制造所述层所需的过程费用。如果可以使用较小的层厚度，这意味着在沉积时的较短的过程时间、较少的材料消耗，而且也意味着在所述层的结构化时的较短的过程时间。因为这三点导致较小的过程费用，所以力求针对各个烧结条件关于费用和功能选择最佳的层厚度。在氮化钽层4中，层组分又是重要的，该层组分对于原子穿过所述层的扩散行为有影响。因此，根据烧结条件可以有利地改变氮化钽层4的层组分。在此，所述改变可以位于以下范围内：Ta_xN_y，其中，1≤x≤5并且0.04≤y≤6。但是优选地，力求氮化钽层4的化学计量的组分。如上面已经描述的那样，氮化钽层4例如可以通过溅射制造。但此外也可以考虑，氮化钽层4可以通过钽层在温度超过600℃时在氨气(NH₃)/氢气(H₂)的气氛中或在氮气(N₂)/氢气(H₂)中的温度处理制造。

图2是根据本发明的第二实施方式的键合垫层系统的示意图。

示出的是根据本发明的键合垫层系统1的实现可行性方案，该键合垫层系统包括作为基底的微机械半导体芯片11、两个介电层13和14、加热件15的铂印制导线10、钽层6、在该钽层上沉积的第一铂层5、在该第一铂层上沉积的氮化钽层4、在该氮化钽层上沉积的第二铂层3、在该第二铂层上沉积的金层2。不同于第一实施方式，在这里键合线8a和键合垫8在接触孔9外部形成。

如在图2中示出，原则上也可以考虑构造传统的接触孔9，在该接触孔中通向加热件15的铂印制导线供应部10与所提出的键合垫层系统1接触并且在键合垫层系统1上在接触孔9外部设置有键合线8a和键合垫8。

图3示出用于阐释根据另外的实施方式的用于制造键合垫层系统或气体传感器的方法的示意性流程图。根据图3的方法适用于制造前面所述的装置并且可以根据所有关于这些装置所述的变型方案和扩展方案进行改型，反之亦然。

在步骤S01中提供作为基底的半导体芯片、例如微机械半导体芯片11，在该半导体芯片中集成有由介电层13、14、铂印制导线10和由铂制成的加热件15组成的至少一个悬置的介电膜片。在步骤S02中沉积钽层6。在步骤S03中沉积第一铂层5。在步骤S04中沉积氮化钽层4。在步骤S05中沉积第二铂层3。在步骤S06中沉积金层2。在步骤S07中，在金层2中、基本上在半导体芯片11上的接触孔9的区域中构造用于与键合线8a连接的键合垫8，在该接触孔中引导至加热件15的铂印制导线10的连接借助于环形接触部实现。此外，在该步骤中也能够在接触孔区域9外部设置键合垫。在步骤S08中，产生电极结构7a和印制导线7b。在步骤S09中构造膏点7。在步骤S10中烧结膏点7。步骤S01至S10优选以按它们的编号的顺序实施。在键合垫8上可以安装键合线8a。

虽然已参照优选实施例描述了本发明，但本发明不局限于此。所提到的材料和拓扑结果尤其仅是示例性的并且不局限于所阐释的示例。

用于根据本发明的键合垫层系统的特别优选的其他应用例如是气体传感器，该气体传感器例如使用在汽车工业或类似领域中的废气传感器中。