DE1811995A1 - Vorrichtung zur Bildung ohmscher Anschluesse bei elektronischen Bauteilen oder Schaltungen - Google Patents

Description

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HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTOART

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Texas Instruments Inc. Dallas, Texas, U.S.A.

VORRICHTUNG ZUR BILDUNG OHMSCHER ANSCHLÜSSE !BEI"ELEKTRONISCHEN BAUTEILEN ODER^-SCHALTyNGEiL

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einer Halbleiterunterlage, in oder an deren einer Oberfläche eines oder mehrere Schaltungselemente gebildet sind und auf der eine Isolierschicht angeordnet ist, die mindestens eine öffnung aufweist, durch die Teile des oder der Schaltungselemente freigelegt werden.

Die Entwicklung integrierter Halbleiterschaltkreise und großintegrierter Anordnungen (large scale integration) - LSI gewinnt auf dem Gebiet mikrominiaturisierter Elektronik

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an Bedeutung; dabei werden eine Vielzahl aktiver und/oder passiver Bauteile in oder auf einem oder mehreren Halbleiterträgern gebildet^ wonach die Bauteilanschlüsse in einer dem zu erstellenden Schaltkreis entsprechenden Weise miteinander verbunden, werden, wobei bezweckt werden mag, einen in solcher Art gefertigten Grundschaltkreis für mehr als nur eine endgültige Ausführungsform geeignet zu machen. Beispielsweise kann ein integrierter Schaltkreis in monolithischer Bauweise eine Zahl aktiver und passiver Bauteile wie Transistoren und Widerstände enthalten, die durch Eindiffundierung in die Oberfläche einer größeren Halbleiterunterlage erzeugt und durch eine Isolierschicht darüber abgedeckt wurden, wonach metallische Schichten auf der isolierenden Abdeekschlcht zwischen Widerstands- und Transistoranschlüssen über in die Isolierschicht eingebrachte Löcher nach einem vorgegebenen Muster zsu verbinden gestatten. Bei anwachsender Schaltkreiskomplexität und entsprechend gewachsener Anzahl an-Verbindungen wird jedoch speziell in LSl-Anordaimgen die Bildung mehrerer Metallfilm-Verbindungen mit entsprechender elektrischer Isolation zwischen ihnen insbesondere an den Kreuzungsstellen notwendig. Dies ist dann erforderlich, wenn auf einer einzelnen Halbleiterunterlage eine Vielzahl getrennter Schaltkreise gebildet werde und es danach erforderlich wird, die getrennten Sehaltkreise untereinander nach der oder jener Schaltungsvorlage zu verbinden.

Bei integrierten Schaltkreisen und speziell bei LSI-Änord-

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nungen, bei denen zwei, drei oder mehr Verbindtingsebenen erforderlich sind, werden die besser leitenden elektrischen Leiter wie Silber, Kupfer, Gold und Aluminium für die unten liegenden Ebenen aus* den folgenden grundsätzlichen Oberlegungen heraus verwendet (dabei ist mit unten liegenden Ebenen die erste Ebene eines Verbindungssystems mit zwei Ebenen beziehungsweise die erste und zweite Ebene eines Systems mit drei Ebenen gemeint): erstens sollte die Dicke einer Zwischenverbindungsschicht minimal sein, damit übersie eine stetige Isolierschicht gelegt werden kann. Im allgemeinen wächst insbesondere bei Verwendung anorganischer Isolierschichten, wie hochfrequenzzerstäubtem Siliziumoxyd, die Schwierigkeit des Aufbringens einer guten Isolierschicht mit der Dicke der metallischen Zwischenverbindung. Man fand andererseits, daß die Dicke der Isolierschicht gleich oder größer der Dicke des darunterliegenden Metallfilms sein sollte, um ein übersprechen ausreichend zu dämpfen. Mit einem Anwachsen der Dicke einer Isolierschicht wachsen jedoch auch Probleme,die als Aufbrechen (cracking), Zerbrechlichkeit (erasing) und als starke Hinterschneidungen (undercutting) an den Stellen der eingeätzten Durchführungslöcher bekannt sind, in bemerkenswerter. Weise.

Zweitens sollte die Dicke einer metallischen Zwischenschicht zur Erreichung eines geringen Schichtwiderstands .möglichst groß sein. In einigen Logikkreisen werden V/erte von nur

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0,01 Ohm für den Schichtwiderstand benötigt. Versuche zur Verwendung eines einzelnen Metalls, das keine so hohe Leitfähigkeit wie beispielsweise Gold oder Aluminium hat* VMr* den bei digitalen integrierten Schaltkreisen und LSI^An*- ordnungen allgemein aufgegeben, da dann die Dicke» die zur Erreichung eines geringen Schichtwiderstands notwendig ist, so groß wird, daß das Ätzen einer dicken ZwischehVerbindung in ein Präzisionsmuster außerordentlich schwierig ist, wie es auch schwierig wird, zwischen den einzelnen Schichten wirksam zu isolieren, ohne die Tendenz des leichten Ab* lösens der Schicht zu fördern» Der Plächenwiderstand ist bei nicht ausgeprägt flachenhäfteh Kontakten, beispielswei*· se bei Mesa-Dioden-Kontakten und Transistoren kreisförmigen Aufbaus nicht problematisch, da dann die Strome mehr durch den Metallfilm als entlang des Metallfilms fließen. Der in Richtung senkrecht zu einem Metallfilm auf>tretende Widerstand ist. Unabhängig von seinem spezifischen Widerstand, infolge der extremen Dünne der Schicht vernachlS3sigbar klein* Besonders integrierte Schaltkreise vom Typ Bipolar Silizium sowie LSi-Logik-Anordnungen vom Hoehgeschwindigkeitstyp (high speed logic) sind gegen Zwischen* Verbindungswiderstande empfindlich, da sie mit relativ hohen Strömen arbeiten.

Unverkennbar sind also diese zwei erwähnten grundsätzlichen Erfordernisse unvereinbar, solange keine Zwischenverbindungen

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hoher Leitfähigkeit benutzt werden; eine Lösung des Problems liegt also nur in der Verwendung elektrisch hochleiten-4er Metalle wie beispielsweise Silber, Kupfer, Gold oder Aluminium, die die folgenden Widerstandswerte bei 20° C

aufweisen:	Silber	1,6 χ	10"6	Ohm	cm
Kupfer	l,67x	10"6	Ohm	cm
Gold	2,3 x	ΙΟ"6	Ohm	cm
Aluminium	2,69x	ΙΟ"6	Ohm	cm.

Da nun aber Silber, Kupfer und Gold gegenüber den entsprechenden Isolierschichten, wie Siliziumoxyd, geringe Adhäsion aufweisen, können solche Metalle nur in Betracht gezogen werden, wenn man sie in Verbindung mit anderen Metallen in Form von Filmen anwendet, die zwei oder drei Metalle enthalten.

Gold ist für hochleitende Metallschichten besonders vorteilhaft, da es hinsichtlich Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit sowie elektrischer Leitfähigkeit einzigartige Eigenschaften aufweist. Kupfer, Silber und Aluminium zeigen zwar eine hohe Leitfähigkeit, führen aber zu Problemen hinsichtlich Oxydation, Korrosion und selbst chemischer Angreifbarkeit während des ÄtzVorgangs der Durchführungslöcher in der Isolierschicht. So können Durchführkontakte geringen ohmschen Widerstands mit Metallen außer Gold nur sehr schwierig realisiert werden. Silber oxydiert und korrodiert in

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Luft bei Raumtemperatur und ist demgemäß hinsichtlich ohmscher Kontakte problematisch. Aluminium macht besondere Schwierigkeiten, da es in Anwesenheit von Siliziumoxyd thermisch instabil ist; diese Eigenschaft führt in der Regel dazu, daß an Grenzflächen zioschen Aluminium und Siliziumoxyd gebildete Körper aus Glas und Oxyden wegen der Bildung unlöslichen Aluminiumoxyds nur schv/er entfernt werden können.

Eine andere erwünschte Eigenschaft hochleitender Metalle ist wie erwähnt eine niedrige Aktivierungsenergie der Selbstdiffusion gemäß der Formel: D = A · e"^ mit Q als Aktivierungsenergie der Selbstdiffusion in Kcal/Mol,

A als Prequenzfaktor in cm /see,

D als Diffusions-Koeffisient der Selbstdiffusion in cm /see R = 1,987 cal/Mol/°K
T als Tempratur in K
bei folgenden Werten:

Kupfer	48 kcal/Mol
Silber	kk kcal/Mol
Gold	42 kcal/Mol
Aluminium	34 kcal/Mol

Die Aktivierungsenergxe wird bei Ebenen, die hohe Ströme ^; führen, besonders wichtig, da Metalle niederer Aktivierungs-

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energie die Eigenschaft aufweisen, bei hohen Strömen zu Unterbrechungen zu führen. Hinsichtlich hoher Ströme ist somit Kupfer das am besten und Aluminium das am wenigsten geeignete Metall» Tatsächlich wird auch Aluminium bei neueren Anordnungen mit sehr hoher Stromdichte nicht benutzt.

Da das Erfordernis niederen Schichtwiderstands so schwerwiegend ist» können nur solche Metallkombinationen benutzt werden, die metallurgisch stabil sind. Ein metallurgisch stabiles 2wei-Met all-System ist gekennzeichnet als ein System, in dem keine intermetallischen Verbindungen auftreten, die Neigung, gegenseitig feste Lösungen zu bilden sehr gering ist, und bei dem eutektische Temperaturen, falls solche überhaupt existieren, beachtlich über allen Fertigungstemperaturen der herzustellenden Anordnungen liegen. Eine Vielzahl von Erscheinungen tritt beim Erhitzen nichtstabiler bi-metallischer oder triTinetalliseher Lagen auf. Sobald die Metalle sich durch Interdiffusion untereinander vermischen, erfolgt ein kennzeichnender Anstieg im spezifischen Widerstand des leitenden Metalls , der mit dessen Verunreinigung wächst. Andere nachteilige Effekte sind Schwellungen, Äbblätterungen, Blasen ziehen oder mehr subtilere Phänomene wie KirkendallT Porosität.

Das zweite Metall, das bei bi^metallischen oder tri-metallischen Zwischenverbindungen benutzt wird, sollte zusätzlich zu seiner metallurgischen Stabilität mit dem hochleitenden Metall eine gute Adhäsion zu den Verschiedenen Oxyden und Glasisolationen und guten ohmschen Kontakt zur Silizium-Unterlage aufweisen. Ein solches zweites Metall ist Molybdän, das gegenwärtig für

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Zwischenverbindungen allgemein benutzt wird, wie im US-Patent 3 29o 57ο der Anmelderin beschrieben wurde. Molybdän mit Gold bildet ein gutes Verbindungssystem in integrierten Schalt-·-.-

kreisen. ..... ·.-.-.

Die Nachteile des derzeitigen Standes der Technik liegen in der Eigenschaft des Molybdäns begründet, leiclELÖsliche Oxyde, , zxx bilden, sowie in der Bildung hinterschnittener öffnungen beim Ätzen eines Lochs durch eine SiO«- Schicht auf, einem Verbindungssystem Molybdän-Gold-Molybdän.

Bei einem Verbindungssystem Molybdän-Gold-Molybdän mit den üblichen Silizium-Oxyd-Isolierlagen zwischen den einzelnen Verbindungsebenen entsteht wie gesagt das Problem der hinterschnittenen öffnungen. Die Löcher, die zur ohmschen Verbindung zwischen einzelnen Verbindungsebenen in die Siliziumoxydschicht eingebracht wurden, neigen zu Glockenboden-Konturen an ihren Seiten; d.h. der Bodenteil des Lochs ist gross, während der obere Teil des Lochs klein bleibt. Infolge eines solchen Überhangs der S.O^ Lochseitenwände ist es schwierig, eine zuverlässige und kontinuierliche Verbindung von der metallischen Zwischenverbindung auf der Oberfläche der Siliziuraoxydschicht sur Oberfläche der unteren metallischen Zwischenverbindung, die durch das Loch freigelegt wurde, herauszustellen.

Zusätzlich bildet wie gesagt Molybdän eine Anzahl leicht löslicher Oxyde. Während des Ätzens des Lochs in der Siliziumoxydschicht zur Freilegung der unteren metallischen Zwischenverbindung wird das Molybdänoxyd in der Zwischenschicht «wischen Molybdän und Siliziumoxyd durch die Ätzlösung leichter angegriffen, was zu einer stehr starken Hinterschneidung führt.. Diese Hinters chneidung kann so tief sein, dass irifolge

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Ablösenä der Siliziumoxydschicht von der oxydierten Molybdän-Oberfläche der unteren Zwischenverbindung der hinterschnittene ' Teil des Siliziumoxyds von der restlichen Siliziumoxydschicht abbricht, wodurch eine Unterbrechung der ohmsehen Verbindung herbeigeführt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist, die oben erwähnten Nachteile des

Standes der Technik zu vermeiden, wobei ä

1. das isolierende Material zwischen den einzelnen metallischen Verbindungsebenen eine adäquate elektrische Isolation bewirkt sowie im wesentlichen frei von Poren ist, um die Möglichkeit eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Verbindungsebenen auszuschliessen, und

2. das gesamte Halbleiter- und Verbindungssystem aus Metallen und Isolierstoffen oder Oxyden hergestellt ist, die strukturell zuverlässige Materialien darstellen, und nicht bei der Handhabung während des Fabrikationsprozesses nachgeben oder aufbrechen. Das Material sollte physikalisch und chemisch stabil sein, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird, so dass kein Material mit einem anderen oder mit der Halbleiterunterlage in unerwünschter Weise reagiert. "

überdies sollten die Metalle und die isolierenden Werkstoffe fest aneinander haften, wobei zwischen dem letzten oder oberen Metallfilra einer Ebene und dem ersten Metallfilm einer nächsten Ebene an leitenden Kreuzungen ein guter ohmscher Kontakt zwischen beidenen Ebenen bestehen sollte.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der ein. ,-gangs genannten Art gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass mindestens ein dem Anschluss der Schaltungselemente dienendes, auf der Isolierschicht angeordnetes, mehrschichtiges Verbindungssystem, das über die öffnungen der

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Isolierschicht mit ausgewählten Schalungselementen elektrisch verbunden ist, und dass das Verbindungssystem eine erste Schicht aus Wolfram und insbesondere darüber eine oder mehrere Metellfilme aufweist, von denen mindestens einer aus einem Metall hoher spezifischer Leitfähigkeit besteht.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt , dass ein neues verbessertes Kontaktierungssystem zur Verbindung" zwischen mehreren Ebenen in integrierten Halbleiterschaltkreisen Jk und LSI-Anordnungen geschaffen wurde, das alle oder im wesentlichen alle der oben erwähnten erstrebenswerten Eigenschaften aufweist₃ dessen Durchführungslöcher in den Isolierschichten , nicht hinterschnitten sind, dessen Grenzschichten zwischen isolierenden und metallischen Lagen von einem Grenzflächenangriff während der Bildung der Durehführungslöcher durch die isolierende Lage sicher sind und das eine verbesserte flächenhafte Kontaktierung für Halbleiteranordnungen und speziell für nicht hermetisch eingekapselte Anordnungen ermöglicht.

Zweckmässigerweise hat das Zwisehenverbindungssystem zur Herstellung ohmscher Kontakte mittels Wolfram an integrierten ™ Halbleitervorrichtungen bei ein- oder mehrschichtigen metallischen Zwischenverbindungen eine äussere Metallschicht aus Wolfram, die gut an Silizium und Siliziumoxyd haftet, sowie eine Zwischenschicht aus hochleitendem Metall. Verschiedene Lagen metallischer Zwischenverbindungen werden durch isolierende Schichten voneinan-

der getrennt, wobei Löcher in letzteren die Durchführung ohmscher Verbindungen zwischen den einzelnen metallischen Ebenen gestatten. Die oberste metallische Zwisehenverbindungssehißht kann eine gut haftende Metallage insbesondere aus Wolfram mit einer sie abdeckenden hochleitenden Metallage aufweisen.

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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung können den beigefügten Ansprüchen und/oder der folgenden Beschreibung entnommen werden, die der Erläuterung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung dient. Es zeigen: ä

Fig. 1 eine vergrößerte Schnittzeichnung eines hinterschnittenen Durchführungslochs in der Isolierschicht zwischen verschiedenen Zwischenverbindungsebenen eines MolybdänGold- Molybdän- Zwischenverbindungssystems,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittzeichnung eines Durchführungslochs mit leicht geneigten Seitenwänden in der Isolierschicht, die zwischen verschiedenen Zwischenverbindungsebenen des Zwisclienverbindungssysteins der Erfindung liegt,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung der Bauteile in einem der Baugruppen des in Fig. 4 gezeigten Halbleiterträgers, wobei ein Stromlaufplan der Baugruppe/der Pig. in Fig. 5 wiedergegeben wird,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Halbleiterträger, der eine Vielzahl von Baugruppen enthält und für die praktische Ausführung der Erfindung geeignet ist,

Fig. 5 einen Stromlaufplan eines elektronischen Schaltkreises in einer der Baugruppen der Fig. 3»

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bis § Sehfcittgeiöhiiüflg&h elftes feils" des integrierten Söiiältkreises der Figt 3 entlang der Miiie 4-4* Welche die eiiizeliien Hersteliuiigssehrltte eines Vieleiseften^MwisGheiF Verbindüngssys'-tefes getaäÖ döf vbrliegendeii ßrfihäüiig darstellenj

Fig*1Ö eine Anslöht eiiiei' Hälbleitörailöidiitifig gemaÖ döi* Erfittdüng und

Pig« 11 eine Söhnittfeeiöliiiuiig entlang der iiiiiö 11=11 der Hg* TO.

Eine Äusführüngsforiö der Erfindung hat ein Vielebenen-liiAfiöeiienverbihdungssystem mit einem aus drei Metallen äüsämmengesetäien System von Zvrischenveriiindungeni und zwar aus Wolfram- liööhieitendes Metall- Wolfram, "bei dem jeweils zwei metaliisohe Zv/ischenverbindungsebenen voneinander durch, eine Isolierschicht getrennt sind« Durch löcher in der islierenden Schicht werden ohmsche Anschlüsse zwischen jeweils zwei Zwischenverbindungsebenen oder zwischen einer Zv/ischenverBindungselDene und Teilen des Halbleiterträgers, auf dem die elektronischen Bauteile gebildet sind, hergestellt.

Als man erfindungsgemäß Zwischenverbindungen in einem Vielebenen-Zwischenverbindungssystem statt mit Molybdan-Gold-Molybdän mit Wolfram-hochleiteiides Metall-Wolfram bei Isolierzwischenschichten beispielsweise aus Siliziumoxyd durchführte j erhielt man.ein völlig unerwartetes Ergebnis hinsichtlich der Seiten-Irontur und Wandneiguiig der in den Silizium-Oxydschichten ge-

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■bildeten Durchführungslöcher. Wird nämlich die Seitenwandneigung der Löcher in einer Silizium-Oxydschicht sehr steil und annähernd rechtwinklig zur Oberfläche der Gesamtanordnung, entstehen Schwierigkeiten für eine kontinuierliche Metallisierung der oberen oiliziumoxydoberfläche über die geneigten Lochseitenwände zur unteren metallischen Zwischenverbindungsebene. Besondere Nachteile ergeben sich dann, wenn ein .Durchführungsloch gemäß Fig.1 eine hinterschnittene öffnung in Form eines Glockenbodens bildet, wie dies beim bisherigen Stand der Technik üblicherweise beobachtet wurde.

Warum ein hinterschnittenes Loch 101 (Pig.1) mit negativgeneigten Seiten 100 während des Ätzens eines Lochs in einer Siliziumoxydschicht 102 auftritt, ist nicht völlig klar. Wahrscheinlich aber sind die Gründe in ein-igen charakteristischen Besonderheiten eines oberen Molybdänfilms 103 zu suchen, der auf einem mittleren Goldfilm 104, und dieser auf einem unteren Molybdänfilm 105 und letzterer auf einem Siliziumträger 106 liegt, wobei das System Molybdän-Gold-Molybdän (103, 104, 105) eine untere Zwischenverbindungsebene darstellt. ·

Wird nun statt Molybdän Wolfram benutzt, hat gemäß Fig.2 ein Durchfiihrungsloch 110 eine völlig unerwartet sanft positiv geneigte Seite 111, deren Neigungswinkel zwischen 20 und 40 liegen kann, was noch besser ist als 45 als oberer Grenze eines erwünschten Neigungsbereichs, Fig.2 zeigt, daß eine in einer zweiten Ebene liegende Zwisehenverbindungsschicht auf der oberen Oberfläche der Silizium-Oxydschicht 102

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über die sanft abfallende Seite 111 des,Durchführungslochs=110 mit einer unteren Zwischenverbindungsschicht, die aus einem oberen Wolframfilm 112, einem mittleren Göldfilm 113 sowie einem unteren Wolframfilm 114 besteht, leicht elektrisch verbunden werden kann ohne Jede Gefahr, daß der elektrische Anschluß abbricht, oder der Kontakt in anderer Weise unterbrochen wird.

Ein anderer unerwarteter Vorteil bei Gebrauch von Wolfram statt Molybdän ist das Ausbleiben einer Untersehneidung 107 (Pig.1) an der Grenzfläche Molybdän-Siliziumoxyd bei der Herstellung des !ochs 101, Die Untersehneidungsgesehwindigkeit bei Molybdänoxyd 115- (Fig.1-) ist größer als die vor-¹ hergesagte Geschwindigkeit des Reagierens und Entfernens von Reaktionsprodukten einer Xtzlösung entlang eines Kanals von 4-5 Micro- ,der schätzungsweisen Dicke des Molybdän- * oxyds der. Grenzfläche Siliziumoxyd-Molybdän. Wird der Ätzprozess nicht sehr sorgfältig gesteuert und überwacht, kann -" diese Uhtersohneidung bei Molybdän einige mils fortschreiten, wobei beispielsweise die Oxydschicht um den so unterschnittenen Bereich aufspringen kann, (pop up), wodurch das Glockenbodenlochproblem noch größer wird. Man vermutet auch, daß hie und da während der Erzeugung des Lochs die Verbindung zwischen der Siliziumoxydschicht 102 und dem Molybdänfilm 103 am unteren Lochrand aufreißt, wodurch ein Abätzen des Siliziuiaoxyds nahe der Molybdän Siliziumoxyd Grenzschicht stattfindet, was wiederum ein Loch mit nachteiligen Konturen verursacht.

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■unabhängig von physikalischen oder chemischen Abläufen fehlt der Üntersehneidüngs- Oder Glockenbodenformeffekt bei einer Wolfram Siliziümöxyd-* Anordnung f wie aus Fig<2 zu ersehen ist* An der Grenzfläche Wolfram Siliziumoxyd tritt am Wolframoxyd 115 a im wesentlichen keine Unter« schneidung auf* Durch Vergleich der bekannten Eigenschaften ™ voii Molybdän mit deäefi des Wolframs läßt sich weder erklären* warum die 61ockeiibodenform nicht auftritt* noch das "Fehlen des tFnterschneidiingseffekts äii der Grenzfläche erklären« Der Einsatz von Wolfram gestattet somit die Herstellung äußerst komplexer Schältkreisanordnungen_} die bis zum heu* tigen lage bei Verwendung von Molybdän nicht mit auch nur einigem Erfolg durchführbar¹ wären.

Wolfram stellt auf Silizium einen guten ohmschen Anschluß herf speziell bei stärker Dotierung des Anschlußbereichs* legiert jedoch mit der Silizium-Oberfläche nicht in unerwünschter Weise, so daß die Anordnung verschlechert würde* | Überdies haftet Ϋ/olfram gut an Siliziumoxyd, kann in gesteuerter Weise mit einem Ätzmi.ttel geätzt werden und ist bei einer Kombination mit Gold für dieses Im wesentlichen undurchlässig; die soeben erwähnte Ätzflüssigkeit kann beispielsweise eine wässrige lösung aus 5?° Kaliumf errizyanid Kj ^e (GIT)₆ und 1^ Uätriumborat (Ha₂ B- Ογ χ 10 H₂O) sein, welche die anderen Werkstoffe nicht angreifen. In dieser Beziehung sollte beachtet werden, daß mit Wolfram als Auflageschicht auf dem Silizium-Halbleiter und Gold als Auf-

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lageschicht auf Wolfram ein im wesentlichen legierungsfreies Kontaktsystem geschaffen ist, da Wolfram nicht mit Silizium und Gold nicht mit Wolfram legiert.

Gold hat die Eigenschaften, elektrisch sehr gut zu leiten, sich durch bekannte Aufdampfe *.techniken leicht niederschlagen zu lassen, sich für Photo-Eesist-Ätzverfahren gut zu eignen bei geometrisch getreuer Bestimmung und Abbildung von Anschlüssen und Zwischenverbindungsmustern, sowie sich leicht mit Gold-Anschlußleitungen zu verbinden.

Bei Anwendungsfällen, in denen sehr hohe Ströme auftreten, erhält man eine noch bessere Vorrichtung dadurch, daß man Goldfilme durch Kupferfilme ersetzt. Obwohl mehr Mühe und Sorgfalt bei der Herstellung von Zwischenverbindungen darauf gelegt werden muß, daß am Kupfer die Gefahr einer Oxydation oder eines Angriffs durch Säuren während der verschiedenen Verfahrensstufen gering gehalten wird, zeigt sich die Notwendigkeit der Verwendung von Kupfer statt Gold infolge der hohen Ströme, die die bessere Leitfähigkeit und geringere Aktivierungsenergie der Diffusion des Kupfers .zum Zwecke eine's niedrigeren spezifischen Widerstands der Zwischenverbindungen erfordern.

Eine in Fig.4 gezeigte scheibenförmige Unterlage 10 aus Halbleitermaterial, in diesem lall aus Silizium-Halbleiter-^ material, trägt eine Anzahl von Baugruppen 11 - 26* Obwohl zur besseren Illustration nur 16 solcher Baugruppen gezeichnet sind, wird normalerweise eine viel größere Zahl

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auf einer Unterlage angebracht. Jede dieser Baugruppen 11 bis 26 enthält eine bestimmte Anzahl von Transistoren; Widerständen, Kondensatoren oder dergleichen und weist interne Zwischenverbindungen zur Herstellung einer gewünschten elektrischen Schaltkreisfunktion auf. Beispielsweise stellt die Baugruppe 13 einen Schaltkreis nach Pig.5 als Stromlaufplan und nach Pig,3 als Lageplan dar. Der Schaltkreis der Baugruppe 13 enthält PNP-Transistoren 32, 33, 34, 35; NPN-Transistören 36, 37, 43, 45,^47, 50; einen Widerstand RT und sieben weitere Widerstände; einen Kondensator; Bingangsanschlüsae A, B, X; einen Ausgangsanschluß G- sowie einen Spannungsanschluß V. Alle Anschlüsse A, B, X, G, V sind auch in Pig.3 zu erkennen.

Zur Darstellung einer einheitlichen elektrischen Punktion sollen die vier Baugruppen 13, 16, 21, 26 gemäß Pig.4 so miteinander verbunden werden, daß ein Zwischenverbindungsstück 28 Anschüsse B, D, J, 0 der Baugruppen 13, 16, 21, kurz schließt. In gleicher Weise soll ein Zwischenverbindungs-· stück 29 Anschlüsse V, P, L, H sowie ein Zwischenverbindungsstück 30 Anschlüsse X, H, M, Q miteinander verbinden. Da. schon eine große Zahl elektrischer Zwischenverbindungen einer ersten JSbene zur Verbindung der verschiedenen Transistoren untereinander sowie der einzelnen anderen Bauteile und Anschlüsse - wie in Pig.5 gefordert - notwendig sind, wird verständlich, daß die Zwischenverbindungsstiicke 28, 29, 30 notwendigerweise über den metallischen Zwischenverbindungen der ersten Ebene (Pig.3) zu liegen haben. Aus diesem Grund, und auch.well die Zwischenverbindungen zwischen

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den einzelnen Baugruppen vorzugsweise in einem Arbeitsgang durchgeführt werden, der von demjenigen getrennt ist,- in dem die Zwischenverbindungen innerhalb der Baugruppen selbst durchgeführt werden, wird das Zwischenverbindungsmuster nach. Fig.4 in einer zweiten Ebene gefertigt, die durch ein isolierendes Medium von dem Zwischenverbindungsmuster der ersten Ebene getrennt ist.

Die Transistoren und anderen Bauteile des Schaltkreises können in oder auf der Halbleiterunterlage IO gemäß irgendeiner der bekannten Techniken zur Herstellung integrierter Schaltkreise gebildet sein, beispielsweise durch epitaxiales Wachstum oder durch Diffusion. In Fig.6, einer Schnittzeichnung durch einen Teil des integrierten Schaltkreises der Fig.5 ist eine BauteileanOrdnung vor Anbringung jeglicher metallischer Zwischenverbindungen gezeigt. Ein NPN-Transistor 36 hat einen N-dotierten Kollektor in der Unterlage 10, eine P-diffundierte Basiszone 51 sowie eine N-diffundierte Emitterzone 52. Der Widerstand Rl wird durch eine P-diffundierte Zone 53 gebildet, die gleichzeitig mit der Basiszone 51 öes Transistors erzeugt wurde. Eine Isolierschicht 54 auf der oberen Ober- , fläche der Unterlage 10 zeigt eine stufige Form aufgrund der einzelnen schrittweisen Diffus ions vorgänge.. Danach werden Öffnungen oder Löcher in die Isolierschicht 54 eingebracht, wonach die Zwischenverbindungen in Form ohmscher Anschlüsse für die erste Zwischenverbindungsebene zu fertigen sind.

In einem nächsten Herstellungsgang wird ein Wolframfilm 55

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(Pig.7) von etwa Dicke auf die Oberfläche der Isolierschicht 5h sowie in direktem ohmsehen Kontakt dem Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, innerhalb der Löcher der Siliziumoxydschicht aufgebracht. Zum Niederschlagen des Wolframfilms · 55 können verschiedene Techniken verwendet werden, beispielsweise Verdampfung mittels eines Elektronenstrahls bzw. Gleich- oder Wechselfeldzerstäubung. Ist für eine Anordnung nur eine Zwischenverbindungsschicht erforderlich, wie dies bei weniger komplexen integrierten Schaltkreisen oder einem einzelnen Bauteil der Fall sein kann, so wird ein Goldfilm ( nicht gezeigt ) auf wenigstens einen Teil des Wolframfilms aufgebracht, um eine hochleitende Verbindung der Anschlußleitungen zu schaffen und eine Oxydation des Wolframs zu verhindern, falls dies erforderlich ist. Flächenhafte Kontakte zur Verbindung von Anschlüssen im Abstand von Halbleiterübergängen werden damit von den Wolfram- und Goldfilmen gebildet, und nicht nur durch Wolfram allein (Kontakte 71* 72, 73 der Fig. 7). Unter Benutzung üblicher photographiseher Masken- und Ätztechniken werden ausgewählte Stücke des Wolframfilms 55 entfernt, wodurch ein Zwischenverbindungsmuster mit ohmschen Anschlüssen in einer ersten Zwischenverbindungsebene zustand kommt; dabei führt ein Zwischenverbindungsstück 71 in ohmscher Verbindung von der Basis des Transistors 36 zu einem Ende des Widerstands Rl5 ein Zifischenverbindungsstück 72 ist ohmBch mit dem Emitter des Transistors 36 verbunden, und ein Zwischenverbindungsstück 73 verbindet ohmisch

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den Kollektor des Transistors J56 mit dem Spannungsanschluß V wie in Pig. 7 dargestellt.

Gemäß Fig.8 wird über den Wolframfilm 55eine Isolierschicht 56 durch irgendeine geeignete Technik, beispielsweise Aufdampfen oder Aufsprühen gelegt und dann selektiv geätzt, um die Oberfläche des Wolframfilms lediglich an der Anschlußstelle V freizulegen. Zweck der Isolierschicht 56 ist es, die Zwischenverbindung 55 der ersten Ebene von noch herzustellenden Zwischenverbindungen einer zweiten Metallebene zu isolieren. Diese Isolierschicht 56 kann aus anorganischen Materialien wie Siliziumnitrid, Aluminiumoxyd, Siliziumoxyd, oder auch aus verschiedenen organischen isolierenden Materialien bestehen. Im speziellen Falle der Fig.· 8 besteht sie aus Siliziumoxyd, das durch Kathodenzerstäubung im Wechselfeld auf eine Dicke von etwa IO 000 A niedergeschlagen wurde. Die Schicht wurde dann teilweise durch konventionelle Techniken

am
wieder entfernt, um wie erwähnt/Anschlußfeld V einen Teil der Oberfläche des Wolframfilms 55 freizulegen.

Auf die Isolierschicht 5S wird ein weiterer Wolframfilm 57 mit einer Dicke von etwa 1200 A aufgebracht, auf den ein Goldfilm 58 mit einer Dicke von etwa 7 500 1 beispielsweise aufgedampft wird. Die metallischen Filme 57 und 58 werden nun selektiv geätzt, so daß sie ein Muster für die Zwischenverbindungen 29 einer zweiten Ebene darstellen. Am Anschlußfeld V wird zwischen den. Wolframfilmen 57 und 55 eine Ver-

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bindung hergestellt. Das Gold lässt sich leicht in einer alkoholischen KJ-j-Lösung abätzen, während das Wolfram durch Ätzen in einer basischen Lösung aus Kaliuraferricyanid beseitigt wird. Eine Beseitigung eines ^{m Cr}° oücken Wolframfilms in 1 oder 2 Minuten bei vernachlässigbarer Hinterschneidung des | Metalls ist typisch. Der obenaufliegende Goldfilm 58 haftet auf dem Wolframfilm 57 gut. Ein nach außen führender goldener Verbindungsdraht kann jetzt beispielsweise durch Wärme und Druck mit dem Goldfilm 58 verbunden werden. Einer der Vorteile der Anordnung gemäß Pig.5 ist eine außerordentlich gute Haftung der Wolframfilme 55 und 57 an der Isolierschicht 56. Benötigt man ein Zwischenverbindungssystem mit 3, ^ oder mehr (n) Ebenen, kann jede metallische Zwischenverbindungsebene außer der letzten aus reinem Wolfram sein, während nur die letzte Verbindungsebene aus der Kombination Wolfram-Gold bestehen sollte, da die obenaufliegende Goldschicht eine bessere Verbindung mit einem nach außen führenden Draht ermöglicht. Palis es erwünscht ist, eine Anschluß- "

leitung direkt an eine tief erliegende Ebene aus Wolfram zu führen, kann eine Goldschicht nur auf dem Teil der Wolframschicht, das durch ein Loch in der darüberliegenden Isolierschicht freigelegt wurde, gebildet werden, so daß ein Golddraht an die begrenzte Goldfläche angeschlossen werden kann.

Die einzelne WoIframschicht der Zwischenverbi ndungsstücke

71* 72, 73 einer ersten Zwischenverbindungsebene (Fig.7)

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kann durch eine dreischichtige Sandwichstruktur gemäß Fig.9a und 9b ersetzt werden. Eine solche Struktur beinhaltet eine erste untere Schicht 55a aus Wolfram mit einer Dicke von beispielsweise etwa ¹^¹⁰¹*⁰"¹¹¹, die einen ohmschen Kontakt zum Halbleitermaterial bildet und andererseits über der schützenden Isolierschicht $k liegt und an dieser haftet; eine zweite oder Zwischenschicht 55b aus Gold, die mit einer

_. , _t . . , .5o micro-inch . . . Dicke von beispielsweise auf die erste Wolframschicht 55a gelegt wurde, sowie eine dritte obere Schicht

5 micro-inch 55c aus Wolfram mit einer Dicke von etwa beispielsweise über dem Goldfilm 55°· ^D^^e soeben beschriebene Wolfram-Gold-Struktur hat einen Flächenwiderstand von etwa 0,03 Ohm. Die abschließende obere Metallschicht, die über der Isolierschicht 56 liegt, enthält dann den Wolframfilm 57 sowie den Goldfilm 58·, wie zuvor mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben wurde.

Die Isolierschicht 56 und die Wolframschicht 55c werden am Anschlußfeld V getrennt geätzt, so daß zwischen dem Wolframfilm 57 und der Goldschicht 55b ein direkter ohmscher Kontakt hergestellt werden kann. Dadurch, daß man eine Ätzflüssigkeit verwendet, die zwar das Wolfram, nicht jedoch das Gold angreift, beispielsweise die zuvor beschriebene Ätzflüssigkeit, ist es möglich, das Einbringen des Lochs am Anschlußfeld V sorgfältig zu steuern und zu überwachen, so daß die Wolframschicht 55 nicht gänzlich durchgeätzt wird. Zusätzlich tritt während dieses Ätzvorgangs ein Farbwechsel

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auf (ein Umschlag von silberner auf goldene Farbe), wo- . durch eine bequeme visuelle überwachung des Xtzvorgangs ermöglicht wird. Die Wolframschicht 55c und der Wolframfilm 57 haften dicht an der Isolierschicht 56 und verstärken den " inneren Zusammenhalt des ganzen Vielebenen-Zwischenverbindungssystems. Durch das Ersetzen des einzelnen Wolframfilms 55 durch die aus drei Metallschichten aufgebaute Sandwichstruktur Wolfram-Gold-Wolfram wächst die elektrische Leitfähigkeit der Zwischenverbindung der ersten Ebene infolge der zusätzlich hinzukommenden niederohmigen Goldschicht 55b und fällt der elektrische .übergangswiderstand zwischen der ersten und zweiten Ebene^infolge ö*es direkten ohmschen Kontakts zwischen dem Wolframf-ilm 57 der zweiten Ebene zu der Goldschicht 55b des freigelegten Oberflächenteils der ersten Ebene. Wie zuvor erwähnt, wird das Wolfram-GoId-WoIfram-Zwischenverbindungssystem für Anordnungen gewählt, die einen λ niedrigen Zwischenverbindungswiderstandskoeffizienten erfordern, was ein bloßer Wolframfilm nicht erfüllen kann.

Es sie einzusehen, daß für LSI-Anordnungen mit sehr verwickelten Schaltkreisen das zuvor erwähnte Zwischenverbindungssystem mit zwei Ebenen auf eine beliebige Anzahl von Zwischenverbindungsebenen erweitert werden kann, indem einfach fortgefahren xfird, jeweils eine Isolierschicht 5¹J, eine Wolframschicht 55a, eine Goldschicht 55b sowie eine Wolframschicht 55c η-mal übereinander anzuordnen, wodurch auch ^J höchst komplexe Schaltkreise realisiert werden können. Die

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oberste Metallschicht dürfte normalerweise aus dem Wolframfilm 57 bestehen, der wenigstens teilweise durch den Goldfilm 58 gemäß Fig.9a abgedeckt wird. Wie früher erwähnt, erhält man eine zuverlässige/Zwischenverbindung für Anordnungen mit Ebenen in denen sehr hohe Ströme fließen sollen, indem man statt der Goldschicht 55b einen Kupfer-™ film verwendet, wie dies Fig.9a und 9b zeigt. Infolge der Neigung des Kupfers zu oxydieren und auf die Bindung zwischen den Golddrähten und dem oberen Metallfilm 58 einzuwirken, bleibt jedoch in den meisten Anordnungen Gold das bevorzugte Metall für die Deckschicht als endgültig oberster Metallfilm 58, der den Einflüssen der Umgebung ausgesetzt ist. Natürlich bleiben die anderen Metallfilme wenigstens im wesentlichen durch die sie überlagernden Materialien abgedeckt.

Selbstverständlich kann das Wolfram noch andere Bestandteile enthalten, die seine vorteilhaften Eigenschaften noch stärfe ker hervortreten lassen, ohne diese in Frage zu stellen. Dies sei durch ein Beispiel erläutert: obwohl der Wolframfilm auf einer Siliziumoberfläche mit dieser einen guten ohmschen Kontakt herstellt, insbesondere dann, wenn der Teil der Unterlage unter dem ohmschen Kontakt mit entsprechenden Verunreinigungen hoch dotiert wurde, kann doch der Widerstand des Übergangs Silizium-Wolfram weiter dadurch erniedrigt werden, falls erwünscht, daß eine dünne Schicht aus Platinsilizid oder eine äußerst dünne Schicht aus Aluminium oder Titan (ungefähr 200 K dick) zwischen der

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Wolfram- und der Siliziumschicht gebildet wird. In letzterem Falle reagiert Aluminium mit dem Wolfram, wobei es eine Aluminium-Wolfram-Verbindung bildet; in diesem Falle muß die Dicke der Aluminiumschicht so begrenzt sein, daß das |

Aluminium die Wolframschicht nicht durchdringt und seine Qualitäten hisichtlich der Goldschicht verdirbt. E 3 wird darauf hingewiesen, daß diese Techniken zur Verbesserung eines Silizium-Metall-übergangswi-.derstands nicht notwendigerweise die grundsätzlichen metallurgischen Eigenschaften des Systems verändern; es werden lediglich Verbesserungen in der Schichthaftung erzielt indem ein dünner Aluminium-Film oder Titanfilm als vorbereitender Überzug aufgebracht wird. Da die Metalle Aluminium, Titan oder Wolfram in Luft leicht oxydieren, kann das System erfolgreich durch eine der bekannten Filmbeschichtungsanlagen mit mehreren Niederschlagsquellen erzeugt werden, wobei eine Metallschicht nach der anderen ohne Unterbrechung des Vacuums niederg'e- . i schlagen werden kann. Würde das Vacuum zwischen dem Niederschlagen der einzelnen Filme (speziell zwischen dem AIuminium- und dem ersten Wolframfilm) unterbrochen, so ergäbe dies eine geringere Adhäsion und/oder einen höheren Obergangswiderstand. . ^f

Während die beschriebenen Ausftlhrungsbeispiele und Verfahren der vorliegenden Erfindung auf integrierte Schaltkreise und

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speziell auf die Herstellung von Vielebenen-Zwischenverbindungen für diese ausgerichtet waren, so können doch diese Verfahren und Strukturen noch für andere Anwendungsbeispiele, wie im Bereich diskreter Bauteile, hybrid integrierter Kreise oder bei der Herstellung dünner Filmkondensatoren Verwendung finden, sowie überall dort, wo es wünschenswert erscheint, Schichten wechselweise aus Metall und elektrischem Isoliermaterial zu bilden.

Beispielsweise zeigen Fig. 10 und 11 einen diskreten NPM-Siliziumtransistor gemäß der vorliegenden Erfindung. Die P-leitende Basiszone sowie die N-leitende Emitterzone sind in eine N-leitende Kollektorunterlage 60 eindiffundiert _a wobei der Übergang KollektorBasis und der Übergang Basis-Emitter unter einer Isolierschicht 61 endigen. Flächenhafte Kontakte 6_s2 und 63 aus Wolfram 64 und Gold 65 liegen bei der Isolierschicht 61 und haften an dieser, wobei sie ohmsche Kontakte zu Basis- und Emitterzone des Transistors nach Art der obigen Beschreibung bilden. Wegen der vorteilhaften Korrosionsbeständigkeit des Wolframs des flächenhaften Kontakts eignet sich eine Halbleiteranordnung nach Pig.IO und 11 besonders zum Einsatz in einer nicht hermetisch geschlossenen Kapselung wie beispielsweise einer Plastikkapselung gemäß einer älteren Anmeldung (amtl. Aktenzeichen ) der Anmelderin.

, τ Patentansprüche -

Claims (1)

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   Patentansprüche

   Halbleiter-Vorrichtung mit einer Halbleiterunterlage., in oder an deren einer Oberfläche eines oder mehrere Schaltungselemente gebildet sind und auf der eine Isolierschicht angeordnet ist, die mindestens eine Öffnung aufweist, durch die Teile des oder der Schaltungselemente freigelegt sind, gekennzeichnet durch mindestens ein dem Anschluss ä der Schaltungelemente dienendes, auf der Isolierschicht (5¹O angeordnetes, mehrschichtiges Verbindungssystem (55)j das über die Öffnungen der Isolierschicht mit ausgewählten Schaltungselementen elektrisch verbunden ist, und dass das Verbindungssystem eine erste Schicht (55a) aus Wolfram und insbesondere. darüber eine oder mehrere Metallfilme aufweist, von denen mindestens einer aus einem Metall hoher spezifischer Leitfähigkeit besteht.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Verbxndungssystem (55) eine zweite Isolierschicht (56) liegt, die mehrere Öffnungen aufweist, durch die Teile des Verbindungssystems freigelegt sind, und dass auf der i zweiten Isolierschicht weitere elektrische Verbindungselemente (57, 58) angeordnet sind, de gewisse Teile des mehrschichtigen Verbindungssystems durch die Öffnungen der zweiten Isolierschicht hindurch miteinander elektrisch verbinden.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Verbindungssystem eine erste untere Schicht _s (55a) aus Wolfram und darüber als zweite Schicht einen Metallfilm (55b) hoher elektrischer Leitfähigkeit hat.

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   H. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass der Metallfilm (55b) aus Gold, Kupfer, Silber oder Aluminium ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Verbindungssystem zusätzlich zu der ersten und zweiten Schicht (55 bzw. 55b) als Deckschicht einer dritten Schicht (55c) aus Wolfram ihat.

   _ 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ™ , ■ der Metallfilm hoher spezifischer Leitfähigkeit des ersten elektrischen Verbindungssystems aus Kupfer besteht, während er bei einem zweiten mehrschichtigen Verbindungssystem, das die Verbindungselemente bildet, aus Gold besteht.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

   die Halbleitervorrichtung nicht hermetisch eingeschlossen ist, dass die Halbleiterunterlage zwei Zonen entgegengesetzten .Leitfähigkeitstyps aufweist, die einen pn-übergang bilden, weicheren einer Oberfläche der Halbleiterunterlageri unter der Isolierschicht endet, und von dem ein Teil durch eine fe ' Öffnung der Isolierschicht freigelegt wird, und daß auf der Isolierschicht ein an ihr haftender Metallfilm angeordnet ist, der mit dem freigelegten Teil des pn-übergangs durch die Öffnung hindurch einen ohmschen Kontakt bildet und Wolfram enthält.

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