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

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2013-11-12
Department
Major/Subject
Soveltava materiaalitiede
Mcode
MT3001
Degree programme
MTE - Materiaalitekniikana koulutusohjelma
Language
en
Pages
79 + 9
Series
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.

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.
Description
Supervisor
Franssila, Sami
Thesis advisor
Holmberg, Heikki
Keywords
MEMS sensor, accelerometer, semiconductor technology, metal-semiconductor contact, contact resistance, metal silicide, dicing, evaporation, sintering
Other note
Citation