DE1465748B2 - Hermetisch gekapselte Bauelemente, insbesondere integrierte Schaltungen in Sandwich-Bauweise - Google Patents

Hermetisch gekapselte Bauelemente, insbesondere integrierte Schaltungen in Sandwich-Bauweise

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DE1465748B2 DE19641465748 DE1465748A DE1465748B2 DE 1465748 B2 DE1465748 B2 DE 1465748B2 DE 19641465748 DE19641465748 DE 19641465748 DE 1465748 A DE1465748 A DE 1465748A DE 1465748 B2 DE1465748 B2 DE 1465748B2
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Description

1 2
Die vorliegende Erfindung betrifft hermetisch ge- schälen und Auseinanderbrechen sind. Es wurde weiter
kapselte Bauelemente, insbesondere integrierte Schal- beobachtet, daß diese Substanz fest anhaftende wider-
tungen in Sandwich-Bauweise mit im inneren verlau- standsfähige Deckschichten, insbesondere auf Silizium,
fenden streifenartigen Leitungsführungen. Germanium und Galliumarsenid liefert. Werden diese
Bei der Fabrikation von Transistoren, Festkörper- 5 Materialien zusammen mit Leitern wie Molybdän und dioden, usw. ist es gewöhnlich nötig, diese Vorrich- Wolfram benutzt, welche etwa im gleichen Bereiche tungen zum Schutz vor äußeren Einflüssen völlig ein- liegende Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, so zukapseln. Es wird so bei gleichzeitigem mechanischem lassen sich relativ zahlreiche haltbare Gebilde mit geSchutz des Bauelementes verhindert, daß chemische schichteter Struktur herstellen.
Bestandteile der Atmosphäre, Feuchtigkeit usw. in die io Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zuVorrichtung eindringen, was insbesondere in der Ge- gründe, eine Struktur für hermetisch gekapselte Baugend hervorstehender Teile, Zuleitungen usw. Fehler elemente, insbesondere integrierte Schaltungen in und damit unkorrektes Arbeiten verursachen kann. Sandwich-Bauweise mit im inneren verlaufenden Weiterhin ist es bei Verfahren zur Herstellung dünner streifenartigen Leitungsführungen bzw. ein Verfahren Schichten im allgemeinen notwendig, sukzessive lei- 15 zum Herstellen derartiger Strukturen anzugeben. Dertende und nichtleitende Schichten auf ein geeignetes artige Herstellungsverfahren sollen im Rahmen der Substrat aufzutragen, wobei dieses isolierende Substrat Technologie der dünnen Schichten bzw. verwandter Glas oder Halbleitermaterial wie Germanium, Silizium, Technologien relativ einfach durchführbar sein. Die Galliumarsenid sein kann. Die genannten Halbleiter- hierbei erstellten Schichten sollen eine hervorragende Substanzen werden auch als Substrat bei der Techno- 20 Widerstandskraft gegen Auseinanderbrechen und Ablogie der integrierten Schaltungen angewendet. Bei schälen infolge innerer mechanischer Beanspruchungen diesen ist es manchmal erforderlich, über drei, vier aufweisen und gleichzeitig ausgezeichnete Adhäsionsoder sogar mehr Zwischenschichten zu verfügen, von eigenschaften besitzen. Ferner soll das Verfahren auch denen einige leitende Eigenschaften aufweisen, andere geeignet sein zur völligen Einkapselung bzw. zur herwiederum zur Isolation dienen. 25 metischen Versiegelung kleiner elektronischer Vorrich-
Es ist klar, daß bei solchen Strukturen eine ungenü- tungen bzw. integrierter Schaltanordnungen. Die zugende Haftfähigkeit oder auf Grund des Herstellungs- sammengesetzten Strukturen von sukzessiven isolierenverfahrens oder durch wiederholte Wärmebehandlung den und leitenden Materialien sollen auch ohne Schainnerhalb der Struktur auftretende hohe mechanische den zu erleiden zyklische Temperaturänderungen verBeanspruchungen dazu führen können, daß die ein- 3° tragen.
zelnen Schichten auseinanderblättern oder daß andere Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schäden entstehen. Eine oft vorkommende Ursache sändwichartige Struktur gelöst, die dadurch gekenn-
hierfür liegt darin, daß die verschiedenen Schichten zeichnet ist, daß isolierende Schichtfolgen 14, 24 aus
entweder eine nicht ausreichende Adhäsion aufweisen Aluminiumoxyd und leitende Schichtfolgen 13, 20 aus
oder daß sie infolge während des Fabrikationsprozesses 35 dünnen Schichten der Metalle der Wolfram- und
oder beim anschließenden Gebrauch auftretender Be- Molybdängruppe bestehen.
anspruchung brechen. Eine andere Ursache kann auch Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Fi-
darin bestehen, daß Materialien mit verschiedenen guren beschrieben. Es bedeutet
Wärmeausdehnungskoeffizienten, benutzt wurden. Be- F i g. 1 einen Seitenriß eines Teils einer nach der
sonders oft führt thermische Ausdehnung dazu, daß 40 Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellten sand-
die Schichten auseinanderbrechen oder abschälen. Ist wichartigen Struktur,
die abblätternde Schicht leitend, wird offensichtlich F i g. 2 einen Grundriß der Struktur nach F i g. 1. die Kontinuität der elektrischen Leitungsführung inner- Die Durchführung des erfindungsgemäßen Herstelhalb der Schaltung gestört. Handelt es sich um eine lungsverfahrens erfolgt allgemein nach den Methoden isolierende Schicht, so. ergibt sich entweder ein uner- 45 der Erzeugung dünner isolierender Schichten und herwünschter Kurzschluß oder es können auf jeden Fall metisch dicht schließender Schichten aus einer Dünn-Feuchtigkeit und schädliche atmosphärische Bestand- filmkomponente, wobei diese zunächst auf Substrate teile in die Struktur eintreten. Lange Zeit benutzte mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen man in der Technologie dünner Schichten Silizium- etwa 3 · 10~6 und 5 · 10~e/° C aufgebracht werden,
monoxyd (SiO) als Material für isolierende Schichten 5° Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch vorteilhaft sowie Gold und ähnliche Metalle zur Herstellung in allen den Fällen anzuwenden, in denen es erwünscht leitender Schichten, Streifen bzw. Kontaktführungen ist, an speziellen Teilen einer Halbleitervorrichtung mit zwischen den verschiedenartigen Schaltelementen. Wie Hilfe von streifenförmigen Leitern aus den Metallen schon erwähnt, schälen derartige Schichten oft nach Molybdän oder Wolfram elektrische Zuleitungen ander Fabrikation ab, oder sie brechen auseinander. Es 55 zubringen, wobei es nötig sein kann, diese Leitungsist schon lange bekannt, daß Aluminiumoxyd gute führungen mit Ausnahme derjenigen Gebiete, an denen isolierende Eigenschaften besitzt, es wurde jedoch in eine Kontaktweiterführung erwünscht ist, mit einem der Vergangenheit deshalb nicht gebraucht, weil es isolierenden Medium zu umgeben. Auch ist das Verschwierig ist, dieses Material unter Verwendung von fahren anwendbar in solchen Fällen, in denen es erforin der Technologie bekannten Verfahren in der Form 60 derlich ist, auf bereits vorhandene Leitungsführungen dünner Schichten zufriedenstellend auf ein Substrat andereähnlichestreifenförmigeLeitungenaufzubringen, aufzubringen. was durch Benutzung von zusätzlich zwischengefügten Es wurde gefunden, daß wegen der ähnlichen Werte isolierenden Schichten aus Aluminiumoxyd geschieht, des Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Aluminium- welches zwischen den isolierend zu trennenden Leitern oxyd und bei den meisten Halbleitermaterialien Schich- 65 angeordnet wird. Es ergibt sich so die Möglichkeit, ten dieser Materialien, wenn sie aiifeinandergebracht Leitungsführungen in mehreren Ebenen übereinander werden, eine ausgezeichnete thermische Angleichung sicher herzustellen.·
besitzen und daher relativ widerstandsfähig gegen Ab- Benutzt man die obengenannten Prinzipien, in Ver-
bindung mit gewissen Substraten oder Grundmaterialien wie Glas, Germanium und Silizium, so können widerstandsfähige Dünnschichtstrukturen hergestellt werden, wobei Aluminiumoxyd als isolierendes und einkapselndes sowie Molybdän und Wolfram als leitendes Material verwendet werden. Die so entstehenden Schichten besitzen untereinander ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, und was vielleicht von größerer Tragweite is , das Aluminiumoxyd bildet mit den übrigen Substanzen extrem stark haftende dünne Schichten. Es sollte weiterhin betont werden, daß Aluminiumoxyd außerordentlich undurchlässig gegenüber allen Flüssigkeiten ist. Daher wird die außerordentliche starke Haftkraft der Deckschicht dahingehend wirken, daß auch bei Vorhandensein gewisser Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten ein Schälen oder Aufbrechen der verschiedenen Schichten der Vorrichtung verhindert wird. , . ·■
Ein anderes unangenehmes Problem bei der Herstellung solcher Vorrichtungen bestand bisher darin, daß die schützende Schicht an den Stellen der Einkapselung, die in der Nähe der äußeren Schaltkreiszuführungen (lands) liegen, oft dazu neigt abzuspringen oder an diesen, gefährdeten Stellen in der Nähe der Zuführungen einzureißen, so daß die Gefahr des Eindringens von Feuchtigkeit und schädlichen atmosphärischen Bestandteilen gegeben ist.
In Fig. 1 ist die Darstellung einer sandwichartigen Struktur zu sehen, in der die verschiedenen Schichten isolierenden Mediums auf ein Substrat und auf verschiedene streifenförmige Leitungsführungen aufgebracht sind. Wie man aus der gestrichelten· Linienführung der Zeichnung ersieht, ist diese Vorrichtung lediglich ein schmaler Schnitt aus einer größeren Dünnschichtvorrichtung, wie sie z. B. bei der Technik integrierter Schaltungen benutzt werden kann. Die in F i g. 1 gezeigte Darstellung umfaßt ein Substrat 10, welches aus Silizium oder einem ähnlichen Halbleitermaterial besteht und eine planare Struktur 12 aufweist, welche durch Diffusion oder durch ein anderes geeignetes Verfahren hergestellt ist. Diese planare Vorrichtung 12 kann ein Planartransistor, eine Diode oder irgendeine andere planare Vorrichtung sein, wie sie in der Halbleitertechnik bekannt ist. Die isolierenden Deckschichten auf dem Substrat umfassen eine erste Schicht 14 aus Aluminiumoxyd, welche alle anderen Teile der Vorrichtung außer der Fläche 12 der Planarvorrichtung umschließt. Diese selbst soll mit dem streifenförmigen Leiter der Zuführung 16 leitend verbunden werden. Bei der Aufbringung der ersten dünnen Aluminiumoxydschicht 14 wird der Teil der Planar- vorrichtung, auf dem dieser von außen kommende Kontakt hergestellt werden soll, mit einer Maske versehen und der gesamte restliche Teil der Oberfläche des Substrats beschichtet. Dann wird die strejfenförmige Leitung 16 aufgebracht, was etwas klarer aus der Anordnung der F i g. 2 hervorgeht, in der dies durch unterbrochene Striche dargestellt ist. Unter der Annahme, daß als nächstes ein zum ersten Leiter quer verlaufender diesen kreuzender zweiter Leiter auf dem Substrat angebracht werden soll, ist es natürlich klar, daß zwischen beiden Leitern eine Isolation eingefügt werden muß. Hierzu wird eine kleine Aluminiumoxydfläche 22 an der Stelle der beabsichtigten Überkreuzung zwischen beiden streifenförmigen Leitern 18 und 20 aufgebracht. Schließlich wird eine isolierende Deckschicht auf die exponierten Oberflächen beider streifenförmigen Leiter 16 und 20 aufgebracht, was durch das Bezugszeichen 24 angezeigt ist. Es sei erwähnt, daß es in manchen Fällen wünschenswert sein kann, nicht nur die entsprechenden Figuren dargestellte Teilfiäche, sondern die gesamte Oberfläche des Substrats abzudecken. Die Grundrißdarstellung der F i g. 2 veranschaulicht lediglich das spezielle Ausführungsbeispiel der Erfindung, die das Überschneiden der beiden mittels einer strichlierten Linienführung als kleine isolierende Maske 22 dargestellten streifenförmigen Leiter 16 und 20
ίο betreffen. Das Anschlußende 18, welches eine Einfügung in einen äußeren Stromkreis ermöglicht, ist in dieser Darstellung deutlich gezeigt und es ist in der Technik bekannt, diese Leiterenden durch Lötung, durch Druckanwendung oder durch verschiedene andere Verfahren zu kontaktieren. Die nachstehende Tabelle zeigt die Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Zahl von gängigen Materialien, welche oft in dem weiten Gebiet der Dünnschicht-Technologie gebraucht werden. Außerdem sind darin die Materialien Wolfram, Molybdän, Aluminiumoxyd enthalten, welche besondere Anwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung finden.
Silizium Wärmeausdehnungskoeffizient
25 Wolfram Ausdehnung in % pro 0C
Molybdän zwischen 3 und 4 · 10-6/°C
30 Aluminium 4,5-10-1V0C
Gold, Kupfer ... 5-10-6/°C
Aiuminiumoxyd 23 · 10-6/°C
Normalglas etwa 16-ΙΟ-6/0 C
3 bis 5-IO-8/0 C
zwischen 5 und 10 · IO-6/0 C
Aus der obenstehenden Tabelle kann man auch ersehen, daß Aluminiumoxyd, Molybdän, Wolfram, Silizium und Glas sämtliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, welche allgemein in der Nähe von 5 · 10~6/°C liegen. Es wird ebenso bemerkt, daß Aluminium, Kupfer und Gold, die bisher weitgehend zur Herstellung solcher" streifenförmigen Leitungsiührungen benutzt wurden, Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich weitgehend von denen der vorher genannten Materialien wie Glas, Siliziumdioxyd.
und Aluminiumoxyd unterscheiden. Daher ist es gut verständlich, daß immer dann, wenn eine aus diesen Materialien in geschichteter Struktur aufgebaute Vorrichtung einer zyklischen Wärmebehandlung unterworfen wird, beträchtliche inhomogene Ausdehnungen stattfinden, wobei die Tendenz besteht, daß die Struktur in ihrem Zusammenhalt Schaden nimmt. Durch Benutzung der Kombination von Molybdän und Aluminiumoxyd ist es möglich, eine weitgehende Widerstandsfähigkeit gegenüber derartigen schädlichen Effekten zu erzielen.
Insgesamt kann gesagt werden, daß dünne Schichten aus Aluminiumoxyd eine gute Haftkraft gegenüber den verschiedensten Materialien aufweisen. Die genannten Schichten besitzen aber ebenso gute isolierende Eigenschaften. Werden fernerhin Aluminiumoxydschichten kombiniert mit Molybdänleitern, so können umfangreichere zusammengeschichtete Vorrichtungen erstellt werden mit weit günstigeren Eigenschaften als die bisher unter Anwendung von Siliziumdioxyd und Aluminium verarbeitenden Verfahren erreichbar waren.
Nach den Lehren der vorliegenden Erfindung zu erstellende Deckschichten aus Aluminiumoxyd kön-
nen mittels einer Reihe zur Verfügung stehender bekannter Verfahren aufgebracht werden. Zum Beispiel kann Aluminium in einer Atmosphäre mit hohem Sauerstoff-Partialdruck aus der Dampfphase heraus niedergeschlagen werden, wie es dargestellt ist in dem Beitrag von E. D a S i 1 ν a and P. White in The Journal of the Electrochemical Society, June 1962, page 12, vol. 109, entitled »Electrical Properties of Evaporated Aluminium Oxide Films«. Eine andere Verfahrensmöglichkeit ist durch thermische Verdampfung gegeben, welche mittels eines Elektronenbombardements, wobei das Al2O3 aufgeheizt wird, ausgeführt werden kann. Eine dritte Möglichkeit beruht darauf, eine geeignete chemische Reaktion mit Hilfe von Kathodenzerstäubung von Aluminium in einer Sauerstoffatmosphäre zu erzielen. In ähnlicher Weise können Molybdän oder Wolfram verdampft werden durch Kathodenzerstäubung oder durch ein thermisches Verdampfungsverfahren. Es sollte angemerkt werden, daß dünne Schichten aus Aluminiumoxyd bisher außerordentlich schwierig hergestellt werden konnten und daß erst seit kurzer Zeit die Möglichkeit besteht, etwa die oben aufgezählten Verfahren für diesen Zweck nutzbar zu machen. Die genannten Verfahren ermöglichen einen Niederschlag in Form dünner Schichten, ohne daß das Material, auf das die Schicht aufgebracht wird, bis in die Nähe des Schmelzpunktes des Aluminiums aufgeheizt wird, was eine völlige Zerstörung der meisten Dünnschichtvorrichtungen nach sich ziehen würde. Bisher wurden weder Wolfram noch Molybdän in solchen Vorrich— tungen für Zwecke der Leitungsführung benutzt, weil ihr elektrischer Widerstand etwa doppelt so hoch liegt wie der von Kupfer, Aluminium oder Gold und anderer für Leitungszwecke gebräuchlicher Metalle. Auch bestehen größere Schwierigkeiten, diese höher schmelzenden Metalle in einem Zustand niederzuschlagen, in dem sie einen brauchbaren Massenwiderstand aufweisen.

Claims (7)

Patentansprüche: 40
1. Hermetisch gekapselte Bauelemente, insbesondere integrierte Schaltungen in Sandwich-Bauweise mit im Inneren verlaufenden streifenartigen Leitungsführungen, dadurch gekennzeichnet, daß isolierende Schichtfolgen (14, 24) aus Aluminiumoxyd und leitende Schichtfolgen (13, 20) aus dünnen Schichten der Metalle der Wolfram- und Molybdängruppe bestehen.
2. Verfahren zur Herstellung hermetisch gekapselter Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils mit der streifenförmigen Leitungsführung elektrisch leitend zu verbindenden Schaltungselemente auf das Substrat (10) aufgebracht und auf diejenigen Teile der Gesamtoberfläche, die keine leitende Verbindung mit der Leitungsführung aufweisen sollen, eine erste Deckschicht aus Aluminiumdioxyd (14) niedergeschlagen wird, daß dann gegebenenfalls durch eine Maske hindurch das Muster der Leitungsführung auf dieser ersten Aluminiumdioxydschicht unter Einbeziehung der zu verknüpfenden Elemente aus den Metallen der Wolfram-Molybdän-Gruppe aufgebracht und schließlich das so entstandene Gebilde mit einer zweiten Deckschicht (24) aus Aluminiumdioxyd isolierend und völlig hermetisch abgeschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung und die Niederschlagung des Aluminiumoxyds in einem einzigen Prozeß durch Verdampfen von Aluminium bei Anwesenheit eines hohen Partialdrucks von Sauerstoff bewirkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten aus Aluminiumoxyd durch ein thermisches Verdampfungsverfahren mittels Verdampfung der Aluminiumoxydquelle unter der Einwirkung eines Elektronenbombardements und nachfolgendem Niederschlagen auf dem Substrat durch Kondensation erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringung der Deckschichten aus Aluminiumoxyd durch chemische Umsetzung mittels Kathodenzerstäubung von Aluminium in eine Sauerstoffatmosphäre erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster der Leitungsführung durch Aufdampfen der metallischen Substanzen im Hochvakuum hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- , zeichnet, daß das Muster der Leitungsführung durch Verdampfung der metallischen Substanzen mittels Elektronenbombardement hergestellt wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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