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 Verfahrens

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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 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.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:
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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