DE1910736C3 - Verfahren zum Herstellen von gegeneinander elektrisch isolierten, aus Aluminium bestehenden Leiterbahnen und Anwendung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von gegeneinander elektrisch isolierten, aus Aluminium bestehenden Leiterbahnen und Anwendung des VerfahrensInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gegeneinander elektrisch isolierten, aus
Aluminium bestehenden Leiterbahnen für elektrische Bauelemente, bei dem zunächst eine erste Leiterbahn
zur Isolation in ihren Oberflächenbereich in eine Aluminiumoxidschicht übergeführt wird.
Für die rationelle Fertigung von Halbleiterbauelementen,
insbesondere von solchen, deren Herstellung auf der Planartechnik beruht, ist das Anbringen von
Leiterbahnen und die Isolierung dieser Leiterbahnen von großer Bedeutung.
Während man zur Isolation von Kontaktierungsdrähten an elektrischen Bauelementen überwiegend Lacküberzüge
verwendet, ist man bei Bauelementen in der Mikroelektronik auf Aufdampf- und Oxidationsprozesse
unter Anwendung fotolithographischer Verfahren oder Maskentechnik angewiesen. Dabei werden die
einen integrierten Schaltkreise bildenden Bauelemente durch Aufdampfen von metallischen Alumiiiiumleiterbahnen
auf die isolierende und zugleich die Bauelemente schützende Oxidschicht miteinander verbunden.
Aus IBM Technical Disclousure Bulletin, Vol. 10, Juli 1967, Nr. 2, S. 160, ist es bekannt, eine Aluminiumkontaktschicht auf einer Siliciumdiode anzubringen, die durch eine S1O2- und eine A^Os-Schicht teilweise von der Halbleiteroberfläche isoliert ist.
Aus IBM Technical Disclousure Bulletin, Vol. 10, Juli 1967, Nr. 2, S. 160, ist es bekannt, eine Aluminiumkontaktschicht auf einer Siliciumdiode anzubringen, die durch eine S1O2- und eine A^Os-Schicht teilweise von der Halbleiteroberfläche isoliert ist.
Aus der FR-PS 15 57 396 ist es bekannt, auf Halbleiteroberflächen zwei übereinander angeordnete
Aluminiumkontaktschichten anzubringen, die durch eine isolierende Aluminiumoxidschicht voneinander
getrennt sind.
Das Aufbringen mehrerer zur Verschaltung der einzelnen Bauelemente notwendiger Leiterbahnen,
welche sich kreuzen oder sogar übereinanderliegen und nur durch eine Isolationsschicht getrennt sind, bereitet
selbst bei Anwendung sehr komplizierter Maskierungsund Oxidationsprozesse sowie der bekannten Methode
der Fotoätztechnik erhebliche Schwierigkeiten und führt oft zu großen Streuungen der elektrischen Werte
sowie zu elektrischen und mechanischen Ausfällen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das bekannte Verfahren zur Anbringung von übereinandergeschichteten
Aluminiumleiterbahnen auf einem Halbleiterbauelement, das zur elektrischen Isolation der
Leiterbahnen untereinander Aluminiumoxidschichten vorsieht, durch eine geeignete Maßnahme so weiter zu
entwickeln, daß die elektrische Isolation der übereinander angeordneten Leiterbahnen technisch hinreichend
zuverlässig ist und die übrigen Eigenschaften des Halbleiterbauelements beibehalten, wenn nicht verbessert
werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1
gelöst. Eine zusätzliche, auf der Aluminiumoxidschicht angebrachte Isolierschicht hat für die nach dem
Verfahren gefertigten elektrischen Bauelemente den Vorteil, die Ausfallquote ei heblich zu verringern und die
Betriebssicherheit dieser Bauelemente wesentlich zu verbessern.
Eine Verstärkung der Aluminiumoxidschicht, wie sie είπε zusätzliche Isolierschicht bewirkt, hat außerdem
eine kapazitive Entkoppelung der an die Isolierschichten angrenzenden, benachbarten Leiterbahnen zur
Folge, was wiederum eine erhebliche Verbesserung für das hiernach gefertigte elektrische Bauelement darstellt,
da kapazitive Koppelungen störend wirken. Eine derartige Qualitätsverbesserung der nach diesem
Verfahren gefertigten elektrischen Bauelemente wäre mit einer durch Oxidation der Aluminiumschicht
gewonnenen Aluminiumoxidschicht allein nicht möglich, da es technisch nicht möglich ist, hiermit
ausreichend dicke Aluminiumoxidschichten herzustellen.
Bei Verwendung einer zusätzlichen Siliciumnitridschicht zeigt diese darüber hinaus noch eine gute
passivierende Wirkung. Auch dadurch wird die Qualität der hiernach gefertigten elektrischen Bauelemente
verbessert.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die zusätzliche SiC>2-Schicht durch Aufstäuben (Sputtern) mittels
Kathodenzerstäubung und die zusätzlichen Isolierschichten aus S1O2 oder S13N4 durch Pyrolyse der
entsprechenden Silane aufzubringen. Die doppelte Isolation ist für spezielle Anwendungszwecke, z. B. für
großflächige Bauelemente von großem Nutzen.
Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, die auf der Aluminiumleiterbahn vorgesehene Aluminiumoxidschicht
durch anodische Oxidation zu erzeugen. Als Elektrolyt ist dabei vorzugsweise eine solche Lösung zu
verwenden, welche die zu bildende Oxidschicht nicht angreift. Gemäß einem besonders günstigen Ausf'ihrungsbeispiel
nach der Lehre der Erfindung wird deshalb eine schwache organische Säurelösung wie
beispielsweise eine dreiprozentige Oxalsäurelösung verwendet. Als Kathode dient zweckmäßigerweise, um
metallische Verunreinigungen vollkommen auszuschließen, ein Graphitstab.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist aber nicht nur auf die anodische Oxidationsmethode
beschränkt, sondern kann auch mittels einer chemischen Oxidation durchgeführt werden. Dabei wird die
Aluminiumoxidschicht unter Verwendung einer mindestens 90°C heißen, sodahaltigen Alkalichromatlösung
gebildet.
Die nach dem Verfahren auf Aluminiummetallisierungen zu einem Teil aus Aluminiumoxid bestehenden
Isolierschichten zeichnen sich durch eine besonders gleichmäßige und homogene Ausbildung aus. Außerdem
wird die Haftfestigkeit der Aluminiumschicht auf der Kristalloberfläche noch zusätzlich verbessert.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß in der gleichen Reihenfolge mehrere aus Aluminium,
Aluminiumoxid und einer weiteren Isolierschicht bestehende Schichten übereinander aufgebracht werden
können, welche gegebenenfalls zur Erzeugung spezieller geometrischer Strukturen an bestimmten, hierfür
vorgesehenen Stellen, evtl. unter Verwendung von Maskierungsschichten und der Fotoätztechnik, wieder
entfernt werden können.
Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist deshalb besonders gut geeignet zur Herstellung von
nach der Planartechnik gefertigten integrierten Schaltkreisen.
Es ist aber ebenso vorteilhaft anwendbar zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, welche unter
Verwendung von Kontaktierungsdrähten aus Aluminium in ein Kunststoffgehäuse eingebaut werden. Dies ist
besonders dann von Bedeutung, wenn die Kunststofftirnhülliing
durch Hie Kunststoffspritztechnik erfolgt.
weil bei dieser Methode sehr leicht eine Berührung der dicht beieinanderliegenden Kontaktdrähte stattfinden
kann. Durch die aufgewachsene Isolierschicht aus Aluminiumoxid und einer weiteren Isolierschicht wird
ein Kurzschluß verhindert.
Ein weiterer Anwendungsbereich des Verfahrens ergibt sich bei der Herstellung von Dünnfilmschaltungen.
in welchen Widerstände und Kondensatoren in Mehrfachschaltung miteinander verbunden sind.
Weitere Einzelheiten der Erfindung und des Standes der Technik werden im folgenden anhand der F i g. 1 bis
4 und an Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im Schnittbild eine herkömmliche Leiterbahnfolge (vgl. FR-PS 15 57 396), welche zur
Kontaktierung beispielsweise eines integrierten Halbleiterschaltkreises verwendet werden kann. Dabei wird
auf den die Halbleiterbauelemente enthaltenden Kristallkörper 1 durch Aufdampfen im Vakuum von 4.10"5
Torr mit Hilfe einer aus einer Wolframwendei bestehenden, einen Aluminiumdraht enthaltenden Aufdampfquelle
(in der Figur nicht abgebildet) eine etwa 1 μπι dicke Alumiumschicht 2 als untere Leiterbahn
abgeschieden. Durch eine anschließende anodische Oxidation in dreiprozentiger Oxalsäurelösung werden
die Oberflächenbereiche dieser Aluminiumschicht 2 in eine Aluminiumoxidschicht 3 übergeführt. Dabei wird
der zu oxidierende Kristallkörper (1, 2) als Anode geschaltet und zur Spannungsführung neben der
aufgedampften Aluminiumschicht 2 am Rand des Kristallkörpers — welcher übrigens eine Vielzahl
gleichartiger Schaltkreise enthält und erst vor der Montage in die einzelnen Bauelemente zerteilt wird —
eine Zinnperle (in der Figur nicht dargestellt) in den Kristallkörper in HCI-Atmosphäre einlegiert. Am
Zinnkontakt wird dann ein dünner Draht angelötet und der Kristallkörper bis auf die zu oxidierende Aluminiumfläche
mit Pizein oder Fotolack abgedeckt. Ah Kathode wird ein Graphitstab verwendet. Bei einer
Stromstärke von 0,4 mA, das entspricht ungefähr 15 mA/cm2 und 60 V, ist die vollständige Oxidation der
Aluminiumoberfläche nach ungefähr 20 Minuten erreicht und die mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnete
Schicht entstanden. Im Anschluß daran wird die gesamte Anordnung einem erneuten Aufdampfprozeü,
wie bereits beschrieben, unterworfen und die zweite, also obere Leiterbahn 4 aus Aluminium hergestellt. Die
beiden Leiterbahnen 2 und 4 sind durch die AbOj-Schicht
3 elektrisch voneinander isoliert.
Bei einer Mehrlagenverdrahtung, d. h. wenn mehr als zwei Leiterbahnen voneinander isoliert geführt werden
sollen, ist der Vorgang zu wiederholen. Soll Kontaktkorrosion der oberen Leiterbahnebene mit dem Kunststoff
vermieden werden, so ist auch diese mit einer Oxidschicht 16 zu versehen.
Die F i g. 2 und 3 zeigt ein anderes Beispiel nach dem Stande der Technik, bei dem zum Unterschied
gegenüber dem Beispiel nach F i g. 1 zusätzlich die Verfahrensschritte der Fotoätztechnik angewandt wurden.
Dabei wird, wie in F i g. 2 dargestellt, wieder von einem Halbleiterkristallkörper 1, der die für die
Schaltung notwendigen Bereiche enthält (in der Figur nicht dargestellt) ausgegangen, auf welchem zunächst
ganzflächig eine Aluminiumschicht 2 aufgedampft worden ist, welche unter Verwendung der Fototechnik
an bestimmten hierfür vorgesehenen Stellen 5 von der Oberfläche wieder entfernt worden ist. Auf diese
Aluminiumstruktur ? wird durch anodische Oxidation, wie bereits bei F i e. 1 beschrieben, eine Aluminiumoxid-
schicht 3 erzeugt, nachdem vorher ein bestimmter Bereich 6 der Aluminiumschicht 2 mit einem Fotolack 7
maskiert worden ist.
F i g. 3 zeigt diese Anordnung nach dem Aufdampfen einer zweiten oberen Leiterbahn 8. Mit dem Bezugszeichen
1 ist wieder der Halbleiterkristallkörper, mit 2 die erste Leiterbahn und mit 3 die isolierende Aluminiumoxidschicht
bezeichnet. Dabei treten an der mit dem Bezugszeichen 9 bezeichneten Stelle Übergangskontaktstellen
für die obere (8) und die untere (2) Leiterbahn auf, während an der mit 10 bezeichneten
Stelle die beiden Leiterbahnen (2 und 8) durch die aufgewachsene Aluminiumoxidschicht 3 voneinander
isoliert sind. Die obere Leiterbahnebene kann nun erneut einem fototechnischen Ätzprozeß unterworfen
werden und dadurch eine spezielle Leiterbahnstruktur hergestellt werden. Ebenso ist es auch möglich, eine
weitere Aluminiumoxidschicht zu erzeugen.
Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach der Lehre
der Erfindung, bei dem zusätzlich auf die zwischen den Leiterbahnen 12, 14 erzeugte Aluminiumoxidschicht 13
eine besondere, aus S1O2 bestehende Zwischenschicht 15
aufgebracht ist. Dabei wird von einem Halbleiterkristallkörper 11 ausgegangen, auf welchem ganzflächig
oder selektiv eine Aluminiumschicht 12 als erste Leiterbahn in einer Schichtdicke von 0,8 μπι, wie bereits
beschrieben, aufgedampft wird. Diese Aluminiumschicht 12 wird einer anodischen Oxidation unterworfen und
dadurch eine Aluminiumoxidschicht 13 auf ihrer Oberfläche in einer Schichtdicke von 0,5 μΐη erzeugt.
Bevor die zweite Leiterbahn 14 durch Aufdampfen von Aluminium, wie bereits beschrieben, in einer Schichtdikke
von 0,8 μηι erzeugt wird, wird die gesamte
Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer S1O2-Schicht
15 versehen. Dies kann entweder durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder durch Pyrolyse
von Silanen, beispielsweise von Tetraäthoxisilan, erfolgen. Diese zusätzliche, aus S1O2 bestehende Isolationsschicht
garantiert eine doppelte Isolation der beiden Leiterbahnebenen.
Eine Strukturierung der Leiterbahnen unter Verwendung der Fotoätztechnik ist in gleicher Weise auch hier anwendbar wie bei dem Beispiel nach F i g. 2.
Eine Strukturierung der Leiterbahnen unter Verwendung der Fotoätztechnik ist in gleicher Weise auch hier anwendbar wie bei dem Beispiel nach F i g. 2.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. Verfahren zum Herstellen von gegeneinander elektrisch isolierten, aus Aluminium bestehenden
Leiterbahnen für elektrische Bauelemente, bei dem zunächst eine erste Leiterbahn zur Isolation in ihren
Oberflächenbereich in eine Aluminiumoxidschicht übergeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Aluminiumoxidschicht (AbOj) (13)
eine zusätzliche, aus S1O2 oder S13N4 bestehende
Isolierschicht (15) und darauf eine zweite Leiterbahn (14) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche SiC>2-Schicht durch
Aufstäuben mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die S1O2- oder SijN.i-Schicht durch
Pyrolyse der entsprechenden Silane erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidschicht
durch anodische Oxidation hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt bei der
anodischen Oxidation, eine schwache organische Sä'ure verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt eine dreiprozentige
Oxalsäurelösung verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der anodischen
Oxidation als Kathode ein Graphitstab verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der anodischen
Oxidation eine Stromdichte von ungefähr 15 mA/cm2 eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der
anodischen Oxidation auf etwa 20 Minuten eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxidschicht
durch chemische Oxidation hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Oxidation unter
Verwendung einer mindestens 90°C heißen, sodahaltigen Alkalichromatlösung durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß in der gleichen Reihenfolge mehrere aus Aluminium, Aluminiumoxid
und einer weiteren Isolierschicht bestehende Schichten übereinander aufgebracht werden, die
gegebenenfalls zur Erzeugung spezieller geometrischer Strukturen an bestimmten, hierfür vorgesehenen
Stellen, evtl. unter Verwendung von Maskierungsschichten und der Fotoätztechnik, wieder
entfernt werden.
13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von nach der
Planartechnik gefertigten integrierten Schaltkreisen.
14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen,
welche unter Verwendung von Kontaktierungsdrähten aus Aluminium in ein Kunststoffgehäuse
eingebaut werden.
15. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, zur Herstellung von Dünnfi'rnschaltungen,
in denen Widerstände und Kondensatoren in Mehrfachschaltung miteinander verschaltet
sind.
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