Low-resistance metal contact fabrication for silicon-based sensor elements

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Holmberg, Heikki
dc.contributor.author Mutanen, Ilkka
dc.date.accessioned 2013-11-14T10:27:52Z
dc.date.available 2013-11-14T10:27:52Z
dc.date.issued 2013-11-12
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/11347
dc.description.abstract The main goal of this thesis was to present a new contact metal fabrication process for Murata Electronics Oy's 3-axis ultra-low-noise acceleration sensor. The current metal pad structure utilized in production (Ti/Pt/Au) suffers from poor yield due to series resistance values exceeding the limit of 50 Ω. The problem arises from an increase in the contact resistance values of a sensor element during sintering. The objective is to find an alternative process or metal structure owing as small as possible series resistance values and/or variation, while keeping the possible intermetallic reactions in the metal stack in minimum. In the theoretical part, metal-semiconductor contacts as well as metal silicides, their properties and formation temperatures were studied. Low-resistance titanium silicide formation was found to be difficult or even impossible with Murata's equipment because of high silicidation temperature and titanium oxide formation, which deteriorates the contact performance. A better alternative in terms of electrical contact formation would be platinum, since it has a low contact resistance on substrate in question (p-type Si), and platinum silicide can be formed with a small thermal budget. In the experimental part, the possible effect of surface roughness on contact resistance between metal (Ti and Pt) and silicon was analysed, but no distinct correlation could be found. It was verified that up to a decade smaller resistance values could be achieved with a single layer of platinum compared to titanium. Inspired by the result, an optimal thickness and sintering temperature for the bottom platinum layer was determined, and resulting parameters were utilized in further studies with a platinum-based metal stack. Four different metal structures utilizing platinum as the first contact metal were presented and tested in practise. The most promising results were found for Pt/Ti/Pt/Au (thicknesses 100/225/125/125 nm, respectively) sintered at 400 °C, which was superior to Ti/Pt/Au in many ways, including smaller contact resistance and improved thermal stability. However, the adhesion of the structure was slightly inadequate, and before possible implementation to production, some effort should be made to improve the adhesion to a sufficient level. Possible improvements include for example higher sintering temperature and thinning of the first platinum layer. en
dc.description.abstract Tämän diplomityön päätavoitteena oli kehittää uusi metallikontaktin valmistusprosessi Murata Electronics Oy:n 3-aksiaaliseen ultra-matalakohinaiseen kiihtyvyysanturiin. Tuotannossa tällä hetkellä käytetty metallipadirakenne (Ti/Pt/Au) aiheuttaa huonoa saantoa sarjavastuksen ylittäessä sille asetetun 50 Ω rajan. Ongelma on seurausta kontaktivastuksen kasvusta sintrauslämpökäsittelyssä. Tavoitteena on löytää vaihtoehtoinen prosessi tai metallirakenne, jolla saavutetaan mahdollisimman pieni sarjavastus ja sen hajonta, sekä pidetään mahdolliset kontaktimetallien väliset reaktiot minimissä. Teoreettisessa osuudessa tutkittiin metalli-puolijohde -liitoksia ja silisidejä, sekä niiden ominaisuuksia ja muodostumislämpötiloja. Selvisi, että matalaresistanssisen titaanisilisidin muodostus on vaikeaa tai jopa mahdotonta Muratan laitteistolla korkean silisidinmuodostuslämpötilan ja titaanin oksidoitumisen takia, mikä myös huonontaa liitoksen laatua. Parempi vaihtoehto sähköisen kontaktin muodostuksen kannalta olisi platina, koska sillä on pieni kontaktivastus p-seostettuun piihin ja platinasilisidiä voidaan muodostaa huomattavasti matalammissa lämpötiloissa. Kokeellisessa osuudessa analysoitiin pinnankarheuden mahdollista vaikutusta metallin (Ti tai Pt) ja piin välillä, mutta selkeää korrelaatiota ei havaittu. Kokeissa todettiin, että jopa dekadin pienempiä vastusarvoja on mahdollista saavuttaa korvaamalla yksittäinen titaanikerros yksittäisellä platinakerroksella. Tämän tuloksen innoittamana määritettiin platinalle optimaalinen kerrospaksuus ja sintrauslämpötila. Saatuja parametrejä käytettiin jatkotutkimuksissa, joissa esitettiin ja testattiin käytännössä neljä vaihtoehtoista platinapohjaista metallirakennetta. Lupaavimmat tulokset saatiin Pt/Ti/Pt/Au-rakenteelle (paksuudet 100/225/125/125 nm), joka sintrattiin 400 °C:ssa. Ehdotetulla rakenteella saavutettiin Ti/Pt/Au-rakenteeseen verrattuna pienemmät vastusarvot ja parempi lämpötilastabiilisuus. Rakenteen toimivuutta haittaa kuitenkin hieman liian heikko adheesio, joka tulisi saada riittävälle tasolle ennen mahdollista tuotantoon ottamista. Mahdollisia adheesion parannuskeinoja ovat esimerkiksi korkeampi sintrauslämpötila ja ohuempi platinan pohjakerros. fi
dc.format.extent 79 + 9
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.title Low-resistance metal contact fabrication for silicon-based sensor elements en
dc.title Matalaresistanssisen metallikontaktin valmistus piipohjaiseen anturielementtiin fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö en
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.subject.keyword MEMS sensor en
dc.subject.keyword accelerometer en
dc.subject.keyword semiconductor technology en
dc.subject.keyword metal-semiconductor contact en
dc.subject.keyword contact resistance en
dc.subject.keyword metal silicide en
dc.subject.keyword dicing en
dc.subject.keyword evaporation en
dc.subject.keyword sintering en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201311157848
dc.programme.major Soveltava materiaalitiede fi
dc.programme.mcode MT3001 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Franssila, Sami
dc.programme MTE - Materiaalitekniikana koulutusohjelma fi
dc.location PK


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account