DE1640307A1 - Duennschichttechnik zur Herstellung integrierter Schaltungen - Google Patents

Duennschichttechnik zur Herstellung integrierter Schaltungen

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DE1640307A1 DE19661640307 DE1640307A DE1640307A1 DE 1640307 A1 DE1640307 A1 DE 1640307A1 DE 19661640307 DE19661640307 DE 19661640307 DE 1640307 A DE1640307 A DE 1640307A DE 1640307 A1 DE1640307 A1 DE 1640307A1
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Description

Wpl.-lng. R. Beetz u. 81-11.298p-Tp-r (6) " 28.10.1969
Dipl.-Ing. U:mpr©cht
München 22. etainidorfeti. 10
Dünnschichttechnik zur Herstellung integrierter Schaltungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen in Dünnschichtform und insbesondere auf ein Verfahren zur Erzeugung einer solchen integrierten Schaltung auf einfache Weise unter Verwendung eines einheitlichen Grundmaterials bzw. -gefüges, aus dem auf einer isolierenden Unterlage vielfältige Schaltungen mit aktiven und passiven Schaltungselementen in Dünnschichttechnik aufgebaut werden können.
Im Bereich der Halbleitertechnik wird im allgemeinen unter einem "aktiven Schaltungselement" bzwo einem "passiven Schaltungselement" ein als "Strom-Generator" bzw, unter Erzeugung von Ladungsträgern wirkenden Impedanznetzwerk bzw. ein nicht als "Strom-Generator" oder Energiequelle arbeitendes Impedanznetzwerk verstanden.
Beispiele für aktive Bau- bzw. Schaltungselemente sind Fotozellen, Transistoren und Dioden, während zu den passiven Schaltungselementen Widerstände, Kondensatoren und Spulen gehören.
In letzter Zeit besteht eine allgemeine Tendenz zur
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NeU6 Unterlage:" · <- ~ : ·> · ·. r. ?. Kr. 1 SsU 3 des Änderunaige«. v. 4.9.1967)
INSPECTED
-Z-
Miniaturisierung von elektrischen Schaltungen, und es werden derzeit intensiv Entwicklungsarbeiten hinsichtlich der Erzeugung von Schaltungen und Schaltungselementen auf der ebenen Oberfläche einer gemeinsamen Unterlage unter Anwendung der Dünnschicht- bzw. Dünnfilmtechnik durchgeführt.
Eine solche Herstellung von Schaltungen mit flächenhafter Ausbildung wird im allgemeinen nach zwei Methoden erreicht. Nach der einen Methode werden die Schaltungen bzw. Schaltungselemente mit Hilfe einer Dünnschichttechnik hergestellt, nach der leitende Teile, Widerstände u. dgl· auf einer isolierenden Unterlage, wie auf Keramik oder Glas, durch "(Foto)Druck" oder Vakuumbedampfung erzeugt werden, und nach der anderen Methode der Bildung von sog. hybridisierten integrierten Schaltungen werden Transistoren, Dioden u. dgl. auf bzw. in einem Halbleiterkristallsubstrat gebildet, und die anderen Komponenten (die passiven Schaltungselemente) werden auf der gleichen Unterlage durch Bedampfen oder andere geeignete Mittel erzeugt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die erstere Technik, d. h. auf die sogenannte Dünnschichttechnik zur Herstellung integrierter Schaltungen, welche die Bildung aktiver Schaltungselemente und passiver Schaltungselemente auf einer isolierenden Unterlage und die Verbindung dieser Schaltungselemente miteinander durch Bedampfung oder andere Mittel gemäß einer vorher festgelegten elektronischen Schaltung umfaßt, welche auf diese Weise gebildet werden sollo
Bei der Herstellung einer elektronischen Schaltung in Dünnfilmtechnik wurden bisher die zuvor getrennt hergestellten aktiven Schaltungselemente, wie Transistoren und
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Dioden auf eine geraeinsame Unterlage aufgebracht? die so erhaltene Schaltung hat jedoch einen unerwünschten bzw«, unnötigen Platzbedarf infolge der Höhe der zugefügten Elemente, und sie ist außerdem hinsichtlich der Fertigung kostspielig und weniger verläßliche Während es außerdem möglich ist, die vorerwähnten passiven Schaltungselemente, wie Widerstände und Kondensatoren, durch Bedampf ung zu erzeugen, mußten diese Elemente einzeln auf der Unterlage jeweils in einem gesonderten Bedampfungsprozeß gemäß der jeweiligen Eigenart an der in der Schaltung vorgesehenen Stelle gebildet werden,. Dadurch wird der Herstellungsprozeß kompliziert und teuer, und aus diesem Grunde wurde diese Art der Dünnfilmtechnik praktisch nicht angewendet, obgleich sie den Vorteil hat, daß die erhaltene Schaltung genau und sehr verläßlich ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein neues Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen in Dünnschichtform, das in einfacher Weise ausgeführt werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines neuen passiven Schaltungselementes bzw. eines neuen aktiven Schaltungselementes in integrierten Schaltungen in Dünnschichtform»
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Dünnschichtschaltung aus mindestens einem aktiven Element und mindestens einem passiven Element, wie z. B. Widerstand oder Kondensator, welches einstückig zusammen mit dem aktiven Element gebildet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahreneschrittes
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a) Niederschlag eines anodisierbaren Metalls auf einer
Oberfläche eines Grundkörpers aus Isoliermaterial zur
Bildung einer ersten Metallschicht}
b) Oxydation der Oberfläche der ersten Metallschicht bis zu einer bestimmten Tiefe mittels anodischer Oxydation
zur Erzielung einer Oxydschicht des anodisierbaren Metalls und Erzeugung eines bestimmten Widerstandes der
ersten metallischen Schicht;
c) Niederschlag eines leitfähigen Metalls bestimmter Dicke auf der Oxydschicht zur Bildung einer zweiten Metallschicht}
d) Ätzen der ersten und der zweiten Metallschicht und der Oxydschicht derart, daß die erste Metallschicht in wenigstens zwei Hauptteile und einen Zwischenteil aufgeteilt wird, der im wesentlichen die beiden Hauptteile leitend verbindet, daß einer der Hauptteile der ersten metallischen Schicht mit der Oxydschicht bedeckt sein kann, auf welcher zwei getrennte Teile der zweiten Metallschicht vorgesehen werden, und daß der andere der Hauptteile der ersten metallischen Schicht so ausgebildet wird, daß er einen ausreichenden gewünschten Widerstands- oder Kapazitätswert aufweist, falls das passive Element entweder ein Widerstand oder ein Kondensator ist, und im Falle des Kondensators außerdem mit der Oxydschicht und der zweiten Metallschicht versehen wird.
e) Niederschlag eines Halbleitermatorials auf der Oxydschicht derart, daß sie mit den beiden getrennten Teilen der zweiten Metallschicht auf der Oxydschicht verbunden ist, wodurch ein Dlinnsohichtfeldeffekt-Transistor gebildet
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wird, bei dem die erste Metallschicht als isolierte Gatterelektrode, die Oxydschicht als Isolator, die beiden Zweitmetallschichten als Emitter- und Kollektorelektrode dienen und das niedergeschlagene Halbleitermaterial als Kanal des Dünnschichtfeldeffekt-Transistors diento
Von den passiven Schaltungselementen werden die Widerstände durch Ausnutzung der ersten Schicht gebildet. Die anodisch oxydierbaren Materialien werden wegen ihres hohen Widerstandes vorteilhaft als Material für Widerstände vorgesehen. Der Wert des Widerstandes eines Widerstandselementes kann über die Dicke der durch anodische Oxydation erzeugten Oxydschicht eingestellt werden.
Ein kapazitives Element wird erhalten, indem man das zwischen der ersten und der dritten Schicht vorhandene Oxyd der zweiten Schicht als dielektrische Schicht ausnutzt.
Ein Transistor kann beispielsweise gebildet werden, indem man einen Teil der dritten Schicht entfernt und dann ein Halbleitermaterial, wie CdS oder CdSe unter Bildung eines Feldeffekt-Transistors darauf abscheidet. In diesem Fall werden Emitter- und Saugelektrode (source and drain electrodes) unter Ausnutzung der dritten Schicht gebildet, während für die Gitter- bzw. Sperrelektrode (gate electrode) die erste Schicht ausgenutzt wird.
Bei der Herstellung einer integrierten Schaltung in Dünnschichtform mit diesen aktiven und passiven Schaltungselementen auf einer isolierenden Unterlage gemäß der Erfindung werden also Teile der isolierenden dünnen (Mittel) Schicht und der oberen dünnen Metallschicht oder der ano-
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disch oxydierbaren unteren Metallschicht zur Bildung einer Mehrzahl von Dünnschichtelementen selektiv entfernt, und ein Halbleitermaterial wird auf einem Teil dieser Dünnschichtelemente zur Bildung eines aktiven Elementes in Dünnschichtform abgeschieden, während die anderen Dünnschichtelemente so, wie sie sind, oder mit einer Teilbearbeitung als passive Elemente verwendet werden, und ein Teil oder die Gesamtheit des unteren dünnen Metallfilms bildet eine gemeinsame leitende Verbindung.
Es folgt eine Beschreibung zur Erläuterung der Erfindung unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung; darin zeigen:
Fig. 1 bis 5 schematisch die einzelnen Schritte eines Fertigungsverfahrens gemäß der Erfindung;
Fig. 6 ein Schaltbild für die Anordnung gemäß Fig. 5 und
Fig. 7 die Anordnung gemäß Fig. 5 in der Perspektive»
In Fig. 1 ist eine isolierende Unterlage 1, die im allgemeinen aus Keramik oder Borsilikatglas hergestellt wird. Das Material für die isolierende Unterlage ist jedoch nicht allein auf diese vorstehend erwähnten beschränkt, sondern es können auch Einkristallunterlagen, wie Saphir, verglaste Keramik oder entglaste Gläser (devitroceramic) verwendet werden» Auf dieser isolierenden Unterlage 1 wird ein anodisch, oxydierbares Metall 2, wie Ta4 Nb, Zrf Ti oder Al usw. abgeschieden« Die Abscheidung kann durch Bedampfen oder Kathodenzerstäubung in vorbestimmter Dicke zur Erasie«
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lung eines erforderlichen Schichtwiderstandes der Metallschicht 2 und Bildung eines Oxydes als Isolierschicht 3 vorgenommen werden.
Pur die anodische Oxydation werden im allgemeinen sehr vielfältige Lösungen verwendet; als Beispiel kann eine Mischung aus Oxalsäure, Wasser und Äthylenglykol im Verhältnis von 1:2:3 angegeben werden» Zitronensäure, Phosphorsäure oder verdünnte Salpetersäure werden ebenfalls verwendet. Die Dicke der Oxydschicht 3 hängt von der verwendeten Lösung, der Spannung, Stromstärke und Zeit für den OxydationsVorgang ab. Eine gewünschte Stärke der Metallschicht 2 sowie der Oxydschicht 3 kann also durch Einstellung dieser Faktoren erhalten werden.
Danach wird ein Metall mit guter Leitfähigkeit, wie Aluminium, auf der Isolierschicht 3 durch Bedampfen unter Bildung einer Schicht k (Fig. z) abgeschieden. In der beschriebenen Weise werden also drei Schichten, von denen die erste aus einem Metall, die zweite aus einem Isolator und die dritte wiederum aus einem Metall besteht, auf der isolierenden Unterlage 1 gebildet.
Dann werden zur Vervollständigung der Anordnung die dritte und zweite Schicht teilweise mit Hilfe der Fotoätztechnik, die in der Halbleiterindustrie weitgehend angewandt wird, unter Bildung einer Mehrzahl von Dünnschichtelementen, wie a, b und c (Fig. 3) entfernte Die Abmessungen und Flächenausdehnung jedes der so gebildeten Dünnschichtelemente muß in Übereinstimmung mit der Struktur des gewünschen Elements gewählt werden,
Die Dünnschichtelemente werden dann gemäß der jeweils
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angestrebten Verwendung bzw. Funktionsweise einzeln weiter bearbeitet bzw.. fertiggestellt. Beispielsweise kann ein aus dem Element a zu bildender Widerstand durch Entfernen des obersten dünnen Metallfilms und anschließende selektive Entfernung der Isolatorschicht und der ersten Metallschicht erhalten werden, wobei das resultierende Element die in Fig. 7 gezeigte Gestalt annimmt. Das Element b dient zur Bildung eines aktiven Schaltungselementes; seine Breite wird lediglich zum Zwecke der besseren Übersicht vergrößert wiedergegeben. Dieses aktive Schaltungselement wird durch Entfernen des Mittelteils der oberen Metallschicht h gebildet, wobei zwei leitende Teile 5 und 6 stehen bleiben, wie es in Fig. k gezeigt wird} dann wird ein Halbleiterkristall 7» d. h. polykristallines oder einkristallines CdSe oder anderes Material quer über die leitenden Teile 5 und 6 durch Bedampfen oder andere Mittel abgeschieden, wodurch ein Transistor vom Feldeffekt-Typ, wie in Fig. 5 gezeigt, erhalten wird, bei dem die erste dünne Metallschicht 2 als Gitter- bzw. Sperrelektrode dient und die metallischen Leiter 5 und 6 der dritten Schicht als Saugelektrode und Emitterelektrode dienen.
Das kapazitive Element c kann, wie es ist, ohne weitere Behandlung als Kondensator verwendet werden.
Die in der beschriebenen Weise erhaltenen Bauelemente, für welche die dünne Metallschicht 2 als gemeinsame leitende Verbindung dient, bilden eine funktioneile Schaltung, deren Schaltbild "in Fig. 6 gezeigt wird. In Fig. 7 ist die vollständige Schaltung gemäß Fig. 5 perspektivisch dargestellt, wobei die Bezugszeichen 8, 9» 10 und 11 die ausgezogenen Anschlüsse (lead terminals) des Widerstandes a, der Saugelektrode 5 und der Emitterelektrode 6 des Feldeffekt-Transistors b und des Kondensators c bezeichnen.
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Obgleich die vorangehende Beschreibung unter Bezugnahme auf eine einfache Schaltung als Beispiel für funktionelle Schaltungen angegeben wurde, ist es selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls für die Herstellung komplizierter funktioneller Schaltungen mit einer Vielzahl von aktiven Dünnschichtelementen und passiven Dünnschichtelementen angewendet werden kann«
Wie aus der vorangehenden Beschreibung folgt, ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bekannten Methoden zur Erzeugung integrierter Schaltungen in Dünnschichtform vorteilhaft, und zwar sind insbesondere folgende Vorzüge zu nennen:
Gemäß den bekannten Verfahren werden ein passives Schaltungselement und ein aktives Schaltungselement gesondert hergestellt, wonach das aktive Schaltungselement eingebaut wird. Darüber hinaus wurden die einzelnen Elemente aus unterschiedlichen Materialien gebildet und erforderten somit eine Anzahl von Bedampfungsschritten, während gemäß der Erfindung der wesentliche Teil eines aktiven Schaltungselementes und ein Hauptteil eines passiven Schaltungselementes aus dem gleichen Material und gleichzeitig gebildet werden, wodurch die Zahl der Bedampfungsschritte bedeutend vermindert werden kann, was eine Verringerung der Herstellungskosten ermöglicht, und da die Zahl der Zwischenanschlüsse bzw. -verbindungen (interconnections) herabgesetzt werden kann, wird eine hohe Verläßlichkeit der erzeugten Schaltungen bzw. Baugruppen erreicht.
Darüber hinaus wird es gemäß der Erfindung zum ersten Male möglich, die Zusatzelemente einer Schaltung insgesamt
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in Dünnschichtform auszuführen, was einen großen Vorteil hinsichtlich einer Subminxaturisierung bedeutet und die Präzision und Charakteristiken einer Schaltung verbessert, welches die vorteilhaften Merkmale einer Dünnschichtschaltung sind.
Hier sei auch nochmals darauf hingewiesen, daß die elektronischen Baugruppen gemäß der Erfindung für verschiedenartige Typen von elektronischen Schaltungen eingesetzt werden können, insbesondere für alle Digital- und Analog-Schaltungen unter Verwendung von Halbleitern und weiterhin für einen weiten Bereich von Anwendungen einschließlich derjenigen der Nachrichten- und Hochfrequenz-Technik,,
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Claims (1)

  1. cur Her·teilung einer Integrierten EXina* •chlehteehaltung ·«· «indeeten· einen aktiven Eleaent und aiadeetena einem paeeiven Eleaeat» vie *· B, Vlderatand eder Kendementor» welche· einstückig wiMiiin ait de« aktiven Eleaent gebildet i»t, gekennaelchnet durch folgende Verfahrenaaehrittet
    a) Niederschlag einee anodieierbaren Metall· auf el» η·τ Oberfläche eine· Grundktfrpcre au· Zaoller«aterial aur Bildung einer eraten Metallaehichtt
    b) Oxydatien der Oberfl »ehe der eraten Metallschicht ble au einer beetlneten Tiefe Mittel· anedlecher Oxydatien mr Sralelung einer Ojtydechicht de· anodi ei erbaren Metalle und Crseugung eine· beetion ten Videretandee der eraten «e· talliaehen Schicht}
    o) Mlederaehlag eine« leitfähig« Metall· beatienter Dicke auf der Ozvdaehieht sur Bildung einer «weiten Me«· tallaeklehti
    d) Xtaea der eraten und der «weiten Metallschicht «ad der Oxydaehicht derart· daß die erste Metallechieht in wc» nigsten· awei Hauptteile und einen Zwiachenteil aufgeteilt wird« der la weeentUohea die seiden Haupttelle leitead verbindet, das einer der Hauyttelle der ersten aetalll· eehea Schicht ait der Osvdeehieht bedeckt aein kamt» auf welcher strel getrennte Teile der «weiten Metallechieht vergeaehen werden, und daß der andere der Hauptteile der
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    erst·* Metallischen Sehleht se ausgebildet wird« daß er einen ausreichenden gewünschten Widerstand··* «der Kapaai«· tMtswert «nrw*i*t( fail· da· ρ*··1τ« BlwMnt «ntvedcr •in Vid«r«tand od«r «in Kondensator ie*, and i« fall· d·· K«nd«n«ator· auO«rd«a «it der Oxydaefaicht und der ■weiten Metalleehieht versehen wird·
    e) Niederschlag eines Ralbleitenaaterlals auf der Oxydeeniolit derart» daß ·1· alt d«n beiden getrennten Teilen der «weiten Metalleenieht mat der Oxydeehicht verbunden ist» wodurch ein DOnttseniehtfeldeffekt-Transi-•tor gebildet wird, bei des die erste Metallsehlokt al· isolierte Oat torelektrode, die Oxydsohicht als Isolator» die beiden Ewelt«·teilsohl ehten als Eaitter- und Xollek· torelektrode dienen und das niedergeschlagene Halbleiter· material als Kanal des DUmxeohiehtfeldeffekt-Traneistors dient«
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    BAD ORIGINAL
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