-
Die Erfindung betrifft eine mikrominiaturisierte Schaltungsanordnung
auf Festkörperbasis.
-
In Festkörperschaltungen macht sich der Platzbedarf der passiven Bauelemente
auf der Halbleiteranordnung störend bemerkbar, und zwar besonders dann, wenn die
Herstellung der Halbleiteranordnung vor der Aufbringung der passiven Elemente kompliziert
und damit teuer ist. Durch den Flächenbedarf der passiven Bauelemente wird häufig
der pro Fläche der Halbleiteranordnung unterzubringende Schaltungsinhalt begrenzt.
Das trifft besonders im Falle schneller low-power-Schaltkreise zu, bei denen eine
kapazitätsarme Separation der aktiven Bauelemente durch eingebettete Isolierschichten
unter häufiger Verwendung von Epitaxiehalbleiterscheiben angewendet wird und die
Widerstände besonders großflächi2 werden, während z. B. eingebrachte Transistoren
besonders klein sein können. Um zusätzliche Fläche für die passiven Bauelemente
zu gewinnen, ist bereits vor-eschlagen worden, passive Bauelemente auch auf die
Unterseite der Halbleiteranordnung aufzubringen und diese durch isolierte Leitungsverbindungen
durch den Halbleiterkörper hindurch mit den auf der Oberseite der Anordnung befindlichen
Bauelementen zu verbinden. Ein weiteres wichtiges Problem bei Festkörperschaltungen
stellt die Verdrahtungstechnik dar, da die Anzahl der Leitungskreuzungen, die sich
auf einer zweidimensionalen Schaltung unterbringen lassen. begrenzt ist. Das Problem
wird heute im all_erneiren dadurch gelöst, daß ein Schaltkreis mit bis zu etwa 20
bis 50 Bauelementen in ein Gehäuse eingebaut wird und viele dieser Funktionsblöcke
zu einer Gruppe, z. B: in Form einer Schaltungsplatte, zusammengefaßt werden, die
z. B. als gedruckte Schaltung oder als Mehrschichtleitungspaket ausgeführt wird.
-
Bei mikrominiaturisierten Schaltungsanordnungen ist es weiterhin bekannt,
einzelne Bauelemente, z. B. Transistoren, in eine auf Keramikbasis aufgebaute Dünnfilmschaltung
einzusetzen. Dabei lassen sich zwar beliebig viele passive Bauelemente pro Halbleiterbauelement
anordnen, man verliert aber den Vorteil der Scheibentechnik, da die aktiven Elemente
einzeln in die Schaltung eingesetzt werden müssen. Es ist ferner bekannt, eine Vielzahl
von Keramikplättchen mit je einem Bauelement zu versehen. Diese Plättchen werden
übereinandergestapelt, wobei die Bauelemente auf den verschiedenen Plättchen vorzugsweise
durch am Rand des Stapels angeordnete Verbindungsdrähte zu einer gewünschten Schaltung
miteinander verbunden werden. Dieser Technologie ist aber die der Halbleitertechnik
zugrunde liegende Problematik fremd. Außerdem sind bei dieser bekannten Anordnung
auf den einzelnen Platten keine Mittel vorgesehen, um die Platten beim Stapelvorgang
in gegenseitigen formschlüssigen Eingriff zu bringen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikrominiaturisierte
Schaltungsanordnung auf Festkörperbasis anzugeben, bei der für die passiven Bauelemente
eine ausreichende Fläche zur Verfügung steht und bei der weiterhin die Verdrahtung
in einer einfachen und zuverlässigen Weise durchgeführt werden kann. Erfindungsgemäß
wird die Aufgabe bei einer mikrominiaturisierten, in Photomaskentechnik hergestellten
Schaltungsanordnung auf Festkörperbasis dadurch gelöst, daß sie aus mehreren etagenförmig
übereinandergestapelten, aktive und passive Bauelemente sowie Leitbahnen enthaltenden
Halbleiterscheiben besteht, daß je ein Scheibenpaar mit einander zugeordneten, ebenfalls
in Photomaskentechnik hergestellten Pfosten und Vertiefungen derart versehen ist,
daß die Halbleiterscheiben durch den Stapelvorgang in gegenseitigem formschlüssigem
Eingriff miteinander stehen und daß die auf verschiedenen Scheiben angeordneten
Bauelemente über einander zugeordnete Kontaktstellen auf den Oberflächen benachbarter
Scheiben nach dem Stapelvorgang elektrisch miteinander verbunden sind.
-
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist in der F i g. 1 dargestellt. Eine Halbleiterscheibe 1, welche z. B. aus polykristallinem
Halbleitermaterial mit darin eingebetteten einkristallinen Halbleiterbereichen 2,
die durch die Isolierschicht 3 separiert sind und aktive Bauelemente, z. B. den
Transistor 4 enthalten, besteht, ist an ihrer Oberfläche mit Vertiefungen 5 versehen.
Auf der Oberfläche der Halbleiteranordnung befindet sich die Isolierschicht 6. Auf
die Isolierschicht 6 sind passive Bauelemente, z. B. der Kollektorwiderstand 7 und
Leitungsbahnen, z. B. die Leitungsbahn 8, welche den Widerstand 7 mit der Kollektorzone
des Transistors 4 verbindet, und die Leitungsbahnen 9 und 10 aufgebracht. Auf die
Halbleiterscheibe 1 ist eine Halbleiterscheibe 11, die z. B. aus polykristallinem
Halbleitermaterial besteht, aufgesetzt. polykristallinem Halbleiterscheibe 11 ist
mit der Isolierschicht 12 bedeckt. Sie besitzt die Pfosten l_3, die so ausgebildet
und angeordnet sind, daß sie. in die Vertiefungen 5 der Halbleiterscheibe 1 hineinpassen
und teilweise in sie hineinragen. Es werden z. B. bei der Herstellung der Verbindungsstellen
der beiden Halbleiterscheiben mittels Photomaskentechnik zueinander passende Maskensätze
verwendet; die Scheiben müssen dann nur beim Zusammensetzen zueinander justiert
werden. Es verbleibt zwischen den Halbleiterscheiben ein Spalt mit einer Weite von
z. B. etwa 10 #t. Auf die Isolierschicht 12 der Halbleiterschicht 11 sind
passive Bauelemente aufgebracht, z. B. der Basiswiderstand 14. Der Widerstand 14
ist über die Leitungsbahn 15, die Verbindungsstellen 13-5 und die Leitungsbahn
9 mit der Basiszone des Transistors 4 verbunden. Ebenso ist der Widerstand 7 über
die Leitungsbahn 10 und die Verbindungsstelle 5-l3 mit der Leitungsbahn 16 auf der
Halbleiterscheibe 11 verbunden. Die Halbleiterscheibe 1, welche vorzugsweise aktive
Halbleiterbauelemente und Leitungsbahnen und eventuell auch passive Bauelemente
besitzt, wird also auf die beschriebene NN'eise über Verbindungsstellen, nämlich
biet über die Berührungsstellen Vertiefung-Pfosten (5-13) mit der Halbleiterscheibe
11 verbunden, auf welche vorzugsweise passive Bauelemente und Leitungsbahnen aufgebracht
sind.
-
Für die Herstellung einer zuverlässigen Verbindun@_ zwischen beiden
Halbleiterscheiben ist es notwendig, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Materialien der beiden Scheiben einander angepaßt sind. Erfindungsgemäß wurden
beide Scheiben aus dem gleichen Halbleitermaterial hergestellt.
-
Besteht die Halbleiterscheibe mit den aktiven Bauelementen ausschließlich
aus einkristallinem Halbleitermaterial, so ist es gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Scheiben zweckmäßig,
auch
die Scheiben mit den passiven Bauelementen aus einkristallinem Halbleitermaterial
auszubilden.
-
Die Pfosten bzw. Vertiefungen der Halbleiterscheiben werden durch
geeignete Maskierung mit großer Genauigkeit und relativ klein, z. B. mit etwa 10
#t Durchmesser, hergestellt; ihr Platzbedarf ist also gering.
-
Es ist von Vorteil, die Berührungsflächen der Verbindungsstellen der
Scheiben vor und/oder nach dem Aufbringen der Leitungsbahnen zusätzlich zu metallisieren.
Insbesondere werden dabei z. B. Schichten aus verschiedenen Metallen aufgebracht,
wovon die unterste z. B. Chrom enthält und die Haftfestigkeit erhöht; eine mittlere
die Leitfähigkeit verbessert und die oberste einen niedrigen Schmelzpunkt zur Herstellung
einer Lötverbindung besitzt. Man kann zwischen die Berührungsflächen ein vorzugsweise
weiches Metall, z. B. Gold, bringen, welches eventuell eine geeignete Form besitzt,
um Abstandsunterschiede zwischen den Scheiben auszugleichen, indem es sich beim
Zusammendrücken der Scheiben verformt. Bei Verwendung von Gold bei einer erhöhten
Temperatur von etwa 200 bis 400° C entsteht dann eine Thermokompressionsverbindung
zwischen den Leitungsbahnen auf den beiden Scheiben. Zinn oder Indium zwischen den
Kontaktflächen kann auch zum Schmelzen gebracht werden, so daß eine Lötverbindun;
entsteht.
-
Es ist vorteilhaft, pro Halbleiterscheibe nur wenige, z. B. zwei oder
drei Pfosten-Vertiefungspaare vorzusehen und diese nur für die Justierung der Scheiben
zu benutzen. Als Verbindungsstellen für die Halbleiterscheiben werden dann allein
Pfosten ohne gegenüberliegende Vertiefungen benutzt.
-
Ein solches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist in der F i g. 2 dargestellt. 1 ist wieder die Scheibe mit den vorzugsweise
aktiven Bauelementen, 11 die Scheibe mit den vorzugsweise passiven Bauelementen,
17 sind Justierpfosten und 18 die zugehörigen Vertiefungen. Von dem Verbindungspfosten
13, der z. B. auf seiner Oberfläche metallisiert ist, führt die Leitungsbahn 19
zum Kollektorwiderstand 20 auf der Scheibe 11. Über die Leitungsbahn
21 z. B. ist die Verbindungsstelle 13 mit der Kollektorzone des Transistors 4 in
der Scheibe 1 verbunden. Es ist auch möglich, auf die Scheibe mit vorzugsweise
aktiven Bauelementen mehrere Scheiben mit vorzugsweise passiven Bauelementen aufzusetzen
bzw. mehrere Scheiben mit vorzugsweise aktiven Bauelementen und/oder mehrere Scheiben
mit vorzugsweise passiven Bauelementen zu einer etagenförmigen Schaltungsanordnung
zusammenzusetzen. Die inneren Scheiben sind dabei z. B. auf ihrer Ober-und Unterseite
mit Leitungsbahnen und passiven Elementen versehen, die durch isolierte Leitungsverbindungen
durch das Scheibchen hindurch miteinander verbunden sind. Ein Ausführungsbeispiel
einer solchen Schaltungsanordnung ist in der F i g. 3 dargestellt. Bei ihr ist auf
der Oberseite der Scheibe 1 mit den aktiven Bauelementen - in der F i g. 3 sind
es die beiden Transistoren 4 und 4' - eine Scheibe 11 und auf der Unterseite eine
Scheibe 25 mit passiven Bauelementen angebracht. Die Verbindung der Schaltung auf
der Oberseite der aktiven Scheibe 1 mit der Schaltung auf ihrer Unterseite bzw.
mit der unteren Scheibe 25 geschieht dabei erfindungsgemäß über die ringsum isolierten
Bereiche 22, welche z. B. niederohmige, durch Diffusion hergestellte Zonen
23
besitzen und mit den Leitungsbahnen auf beiden Seiten der Scheibe 1 in
Verbindung stehen. Eine Verbindung kann erfindungsgemäß auch dadurch erzielt werden,
daß z. B. ringförmige Isolierbereiche in hochdotiertem Material hergestellt werden
und durch diese hindurch die Verbindung vorgenommen wird. Die Scheibe 11 trägt z.
B. nur Widerstände (24 und 24'), die Scheibe 25 nur Kondensatoren (26). Somit ist
es also möglich, Widerstände und Kondensatoren auf verschiedenen Scheiben unterzubringen
und damit ihre Herstellung zu trennen. Auf diese Weise wird die Anwendung unterschiedlicher
technologischer Verfahren, wie z. B. die Herstellung aufgedampfter Chromnickelwiderstände
und anodisch oxydierter Tantalkondensatoren, erleichtert.
-
Da sich die Herstellun; von Leitungsverbindun,-,en durch die Scheibe
hindurch selbstverständlich auch bei Scheiben mit vorzugsweise passiven Bauelementen
anwenden läßt, ist es möglich, Scheiben in beliebieer Anzahl und Reihenfolge übereinander
zu stapeln.
-
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bietet weiterhin
den Vorteil der sogenannten Matrixtechnik, die darin besteht, daß Scheiben mit aktiven
Bauelementen vorfabriziert und Scheiben mit Schaltungslogik nach Bedarf aufgesetzt
werden können. Darüber hinaus wird die Ausbeute beim Herstellungsprozeß erhöht,
da die einzelnen Scheiben vorher getestet werden können, so daß nur gute Scheiben
zusammengesetzt werden. Bei der herkömmlichen Technik bedeutet dagegen ein Fehler
bei der Widerstands- oder Kondensatorherstellung auf der Passivierungsschicht den
Verlust der teuren Scheibe mit z. B.@ fertigen Transistoren.