DE2041819A1

DE2041819A1 - Herstellungsverfahren fuer integrierte Schaltungen

Info

Publication number: DE2041819A1
Application number: DE19702041819
Authority: DE
Inventors: Harlow Justin Edwards
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1969-09-22
Filing date: 1970-08-22
Publication date: 1971-04-22
Also published as: FR2062952B3; GB1279167A; FR2062952A7

Description

Deutsche ITT Industries GmbH. J.E. Harlow, III -

78 Freiburg i.B., Hans-Bunte-Str.19 Pat.Au/Th. - Fl 643

20. August 1970

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. B.

Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen

Die Priorität der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika Nr. 859 928 vom 22. September 1969 wird in Anspruch genommen.

Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung von integrierten Schaltungen,die eine verbesserte elektrische Isolation für Gleich- und Wechselströme zwischen den diskreten Komponenten der integrierten Schaltung besitzen.

Ein Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen vom "Beam Lead"-Typ besteht darin, daß verschiedenartige diskrete L Komponenten innerhalb eines Plättchens gebildet werden und ι

die Oberfläche mit einem geeigneten Verbindungsmuster versehen wird. Die gegenüberliegende Oberflächenseite des Plattchens wird danach so maskiert, daß Teile des Plättchens rund um jede diskrete Komponente freiliegen. Danach wird ein brauchbares Ätzmittel auf die maskierte Oberfläche zur Entfernung des Teils des Plättchens angewendet, der sich rund um jede diskrete Komponente befindet. Abschließend werden die einzelnen integrierten Schaltungen eines Plättchens voneinander getrennt, wobei jede integrierte Schaltung einzelne icolierte diskrete Komponenten enthält, die durch die als "Beam Leads"

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bezeichneten Zuleitungen zusammengehalten werden. Es. ist ersichtlich, daß bei Verwendung dieser Methode die einzelnen Komponenten sehr schwierig zu handhaben sind und die Hauptunterstützung für jede Komponente durch die Zwischenverbindungen erfolgt. Deshalb müssen diese Verbindungen ausreichend dick sein, um die Schaltung tragen zu können, dies erfordert aber Dicken größer als 2Oyum. Wegen der erforderlichen Dicke dieser Zuleitungen kann Aluminium für die Zwischenver-, bindungen nicht verwendet werden/ da dies zu schwierig und praktisch undurchführbar ist.

Deshalb muß eine teurere Kombination aus Platin, Titan und Gold verwendet werden. Das Platin bildet dabei den ersten Kontakt zur Oberfläche. Darauf wird das Titan als Zwischenschicht aufgebracht, so daß das Gold als letzte Schicht gut haftet.

t Überdies müssen diese Plättchen sehr dünn sein - etwa in der Größenordnung von 25 bis 50-um. Die Bauelemente können deshalb außer durch die Zuleitungen kaum Wärme ableiten, so daß sie nur für kleine Verlustleistungen verwendbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist also die Entwicklung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung von integrierten Schaltungen vom "Beam Lead"-Typ, wobei diese integrierten Schaltungen eine verbesserte Wärmeabteilüng und eine verbesserte Isolation für Gleich- und Wechselströme besitzen sollen.

Die Erfindung betrifft demnach ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von integrierten Schaltungen.

Die Verbesserung besteht erfindungsgemäß in der Aufeinanderfolge der einzelnen Verfahrensschritte der Bildung eines zusammengesetzten Körpers aus einem Halbleiterplättchon, einem Halbleitersubstrat und einer üwischenliegonden Glasschicht,

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Bildung elektrisch leitender Verbindungen zwischen bestimmten diskreten Komponenten des Halbleiterplättchens und Entfernung von Plättcheninaterial von der Plättchenoberfläche bis zu der dazwischenliegenden Glasschicht und unterhalb eines Teils mindestens einer der Zwischenverbindungen/ so daß wenigstens eine diskrete Komponente von einer anderen isoliert ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bestehen darin, daß der zusammengesetzte Körper dadurch gebildet wurde, daß auf einem Siliciumsubstrat eine Glasschicht gebildet wurde, daß auf diese Glasschicht ein Siliciumplättchen aufgebracht wurde, daß dieser Schichtenaufbau zwischen den Kohleaufnahmen einer hydraulischen Presse befestigt und bei 84 at Druck bis auf eine Temperatur von 12OO°C erhitzt wurde und daß der Druck beim Abkühlen bis zum Erreichen der Raumtemperatur aufrechterhalten wurde. Das Glas kann hierbei mittels einer Suspension von Glaspulver in Alkohol auf das Substrat aufgebracht worden sein. Als Material für die Zwischenverbindungen wird bevorzugt Aluminium verwendet, an dessen Stelle aber auch ein Schichtenaufbau beispielsweise aus Platin, Titan und Gold treten kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Die Figuren 1 bis 6 zeigen einen Teil des Plattchens und die Aufeinanderfolge der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;

die Fig. 7 zeigt eine Aufsicht auf einen Teil des Plättchens nach der Durchführung des letzten Verfahrensschrittes; die Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch den in Fig. 7 gezeigten Plättchenteil entlang der Linie X-X¹.

Ein Teil des in Fig. 4 gezeigten zusammengesetzten Körpers kann durch eine Anzahl aufeinanderfolgender Operationen gebildet werden. Eine derartige Folge wird anschließend beschrieben. Ausgangspunkt ist ein zylinderförmiges Substrat

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mit etwa 25 mm Durchmesser und einer Dicke von 250 - 300,Um. Der spezifische Widerstand des Substrats ist nicht kritisch, er liegt typischerweise im Bereich von 0,1 bis 100 Ohm cm. Aufgrund der guten thermischen Eigenschaften, des Substrats ist die Wärmeableitung des fertigen Bauelementes nach der Erfindung besser als die des Bauelementes nach dem Stand der Technik. Dieses Substrat gestattet auch eine leichtere Handhabung des fertigen Bauelementes so wie es auch die Endmontage erleichtert. Das Substratmaterial dürfte auch den gleichen" thermischen Ausdehnungskoeffizieten wie das Plättchenmaterial besitzen. In dem zusammengesetzten Körper dürften also über einen großen Temperaturbereich nur geringe Spannungen entstehen. Für integrierte Schaltungen mit guten thermischen Eigenschaften und gutem Hochfrequenzverhalten wird sehr oft Silicium als Ausgangsmaterial verwendet und auch bei diesen Beispielen besteht das Substrat 1 in Fig. 1 aus Silicium. Abgesehen davon kann natürlich als Ausgangsmaterial für das Substrat auch anderes brauchbares Material wie beispielsweise Galliumarsenid oder Germanium für gewisse Bauelemente verwendet werden. "'

Fig. 2 zeigt den Schichtenaufbau des Substrats 1 und des Plättchens 3, verbunden durch eine dazwischenliegende Glasschicht 2. In diesem Beispiel besteht das Plättchen·3 ebenfalls aus Silicium und hat einen Durchmesser von fetwa 25 mm und eine Dicke von 250 bis SOO^um. Der spezifische Widerstand des Plättchens 3 ergibt sich ebenfalls aus Überlegungen im Zusammenhang mit der fertigen integrierten Schaltung. Für Plättchen 3 kann ein spezifischer Widerstand, im Bereich von 0,1 bis 100 0hm cm verwerdet werden. Auch das Silicium des Plättchens 3 kann durch andere Materialien wie Germanium oder Galliumarsenid ersetzt werden. Allgemein kann als zwischenliegende Glasschicht 2 irgendein brauchbares Material verwendet werden, das das Substrat und das Plättchen elektrisch isoliert, den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Plättchen und das Substrat besitzt und dessen Erweichungstemperatur höher liegt als die bei der Diffusion angewendeten Temperaturen.

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Es sind mehrere derartige Gläser handelsüblich, beispielsweise die Type 1715 der Corning-Glas-Werke mit einem Ausdehnungskoeffizieten etwa gleich dem von Silicium und einem Erweichungspunkt von etwa HOO⁰C. Dieses Material ist für die Herstellung des in Fig. 4 gezeigten zusammengesetzten Körpers brauchbar. Dieses Aluminiumsilikatglas wird im allgemeinen als Pulver geliefert und kann zur Bildung einer Suspension mit Alkohol gemischt werden. Eine derartige Suspension kann auf die Oberfläche des Substrates mittels einer Zentrifuge so aufgebracht werden, daß sich eine Schicht in der Dicke von etwa 25 ,um ergibt. Danach wird das .Plattchen 3 auf die Suspension aufgebracht und damit der Schichtenaufbau gebildet, der zwischen die Kohleaufnahmen einer hydraulischen Presse plaziert wird. Hochfrequenzspulen werden danach an die Kohleaufnahmen angekoppelt, so daß sich eine Hoch frequenz-Induktionsheizung ergibt. Auf das Bauelement wird anschließend ein Druck von etwa 84 at bei einer Temperatur von etwa 1200 C ausgeübt. Nachdem die Temperatur von etwa 1200⁰C erreicht ist, wird das Bauelement bei dem Druck von 84 at bis zu Raumtemperatur abgekühlt und erst dann der Druck entfernt. Damit ist gesichert, daß die Schichten des in Fig. 2 gezeigten Körpers zuverlässig miteinander verbunden sind.

Nun ist es notwendig, die Dicke des in Fig. 3 gezeigten Plättchens 3 auf etwa 12 Aim zu verringern, so wie dies die verringerte Dicke des Plättchens 3a anzeigt. Es ist wichtig, daß die gegenüberliegende Oberfläche des dünneren Plättchens 3 ziemlich parallel ist. Der bequemste Weg zur Verringerung der Dicke des Plättchens 3 ist die Plazierung in einer Hoffmann-Parallelläppmaschine, wobei eine ziemlich planparallele Oberfläche des Plättchens entsteht. Wird auf den zusammengesetzten Körper ein Zweiebenenläpp-Prozeß angewendet, dann muß das ursprüngliche Substrat offensichtlich 500 bis 600 ,um dick sein, da sowohl das Plättchen 3a als auch das Substrat 1 um den gleichen Betrag reduziert werden.

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Eine Ausweichlösung könnte in der chemischen Verringerung der Dicke des Plättchens 3 um etwa 25 ,um durch Anwendung irgendeiner bekannten Ätzlösung, die beispielsweise Flußsäure, Salpetersäure und Essigsäure in brauchbaren Verhältnissen enthält, bestehen. Das Plättchen würde dann auf seine endgültige Dicke von etwa 25 ,um gebracht, indem seine Oberfläche in einer Siliciumdioxyd enthaltenden Schleiflösung poliert wird.

Anschließend können die in Fig. 4 gezeigten elektrischen Komponenten 4 innerhalb der Oberfläche des Plättchens 3a gebildet werden. Eine Anzahl aktiver oder passiver Komponenten kann dabei unter Anwendung der üblichen photolithographischen Maskierung, der Diffusions- und Abscheidungsverfahren gebildet werden, die allgemein gut bekannt und mehrfach in Handbüchern, wie beispielsweise von Warner und Fordemwalt 1965 in "Integrated Circuit Design Principles and Fabrications" beschrieben wurden. Es ist natürlich möglich, den in Fig. 4 gezeigten zusammengesetzten Körper in abweichender Formj beispielsweise durch Anwendung einer Nidrigtemperaturverglasung des Substrats 1 herzustellen und ein dünnes Plättchen 3ä, in dem die erforderlichen diskreten Komponenten bereits gebildet wurden, auf der verglasten Oberfläche zu befestigen. Dabei müßte das Glas eine Erweichungstemperatur haben, die merklich niedriger als die Temperatur ist, die bei den Diffusionsschritten zur Herstellung.der ursprünglichen Komponenten auftritt, damit keine Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften der vorher gebildeten Komponenten eintreten kann.

In der Folge können die gewünschten Zwischenverbindungen für die integrierte Schaltung gebildet werden. Dazu wird die Oberfläche des Plättchens 3a passend maskiert mit der in Fig.5 gezeigten Passivierungsschicht 5, Freigelegte Löcher in der maskierenden Schicht bilden die Kontaktflächen zu den einzelnen Komponenten. Die passivierende Schicht ist vorzugsweise ein Oxyd des Siliclums, beispielsweise Siliciumdioxyd.

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Diese Schicht 5 kann durch die üblichen Aufdampftechniken entsprechend dem Stand der Technik hergestellt werden. Andere brauchbare Maskierungsmaterialien, wie beispielsweise Siliciumnitrid können ebenfalls verwendet werden, wobei Siliciumnitrid unter Verwendung der üblichen Glimmentladungsverfahren abgelagert werden kann, die beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 1 521 553 beschrieben sind. Die passivierende Schicht könnte zuerst bis zu einer Dicke von 1 ,um oder weniger abgeschieden werden, wobei sie die gesamte Oberfläche des Plättchens 3a vollständig überzieht. Unter Verwendung der üblichen photolithographischen Verfahren können Löcher selektiv in die passivierende Schicht 5 eingeätzt werden, um so die Anschlüsse der innerhalb des Plättchens gebildeten diskreten Komponente freizulegen. Dabei könnte die zur Entfernung von Siliciumdioxyd üblicherweise verwendete Ätzlösung aus Ammoniumfluorid und verdünnter Flußsäure im Volumenverhältnis von 4:1 verwendet werden. Eine brauchbare Metallisierung wird anschließend über die gesamte maskierte Oberfläche und die freigelegten Anschlüsse der Komponenten aufgedampft. Ein brauchbares Metall würde Aluminium 'sein, das in einer Dicke von etwa 4 bis 10/Um nach einer bekannten Technik, beispielsweise Elektrodenstrahlaufdampfung, Drahtverdampfung oder Glimmentladung aufgebracht werden kann. Unter Anwendung der hier schon erwähnten photolithographischen Verfahren kann das gewünschte Muster der Zwischenv"erbindungen durch selektives Abätzen des unerwünschten Aluminiums, das durch Löcher im Lackmuster freiliegt, endgültig gebildet werden. Ein brauchbares Aluminiumätzmittel kann eine Lösung von Natriumhydroxyd sein. Die Anschlüsse des endgültigen Zwischenverbindungsmusters können dabei weniger als etwa 25/Um breit sein. Wegen seiner ökonomischen Verwendung wurde Aluminium als Beispiel angeführt. Es können jedoch auch andere brauchbare Materialien für die Bildung des Zwischenverbindungsmusters verwendet werden. Als Beispiels kann hier der wesentlich teurere Schichtenaufbau aus Platin, Titan und Gold angeführt werden, bei dem das Platin auf der Silicium-

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oberfläche abgelagert wird, das Titan auf der Platinschicht und das Gold auf der Titanschicht.

Nachdem das gewünschte in Fig. 6 durch dieAnschlüsse 6 angedeutete Zwischenverbindungsmuster gebildet wurde, entfernt man das Siliciummaterial rund um jede diskrete Komponente von der Plättchenoberfläche, aus bis zu der Glasschicht 2 und unterhalb der Anschlüsse 6. Es ergibt sich eine vollständige gleich- und wechselstrommäßige Isolation jeder einzelnen Komponente 3b von der anderen durch den in den Fig. 7 und 8 gezeigten dazv/ischengebildeten Luftspalt 7. Dies wird wieder unter Anwendung der üblichen photolithographischen Verfahren durch Freilegen nur der Teile der Schicht erreicht, die entfernt werden sollen. Anschließend wird der Körper in eine brauchbare gepufferte Ätzlösung getaucht, die, wie oben beschreiben, aus Ammoniumfluorid und Flußsäure im Verhältnis 4:1 besteht. Nachdem die Plättchenoberfläche in der oben beschriebenen Art freigelegt wurde, kann der zusammengesetzte Körper in ein bekanntes Ätzmittel getaucht werden, das beispielsweise aus Flußsäure, Salpetersäure und evt. verdünnter Essigsäure besteht. Ein derartiges Ätzmittel ist allgemein als CP6 bekannt. Aus den Fig. 7 und 8 ist ersichtlich, daß das CP6 vorzugsweise das Silicium bis zur vollen Dicke des Plättchens 3a entfernt, da es dort durch die von CP6 nicht angreifbare Glasschicht 2 gestoppt wird. Da die Plättchendicke etwa 13yUm und die Breite jedes Anschlusses etwa 25,um beträgt und das Ätzmittel das etwa 13,Um dicke Silicium des Plättchens 3b entfernt, werden auch 13 ,um des Siliciums unter jeder Seite des Anschlusses 6 mit der gleichen Rate abgetragen, mit der das Silicium von den freigelegten Flächen entfernt wird. Dabei reicht die Ätzzeit nicht aus, damit sich das Ätzmittel unterhalb der passivierenden Schicht 5 verteilen kann und deshalb kommt es nicht zu einem erheblichen Angriff oder zu einer Beeinflussung der darin gebildeten Komponenten 3b.

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Nach völliger Durchführung des Verfahrens kann das Substrat eine Anzahl von unabhängigen voneinander getrennten integrierten Schaltungskomponenten tragen. Durch Anwendung der üblichen allgemein bekannten Ritztechniken kann das Substrat in einzelne integrierte Schaltungen geteilt werden und diese beispielsweise in ein TO-5 Gehäuse montiert werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE . · .

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen/ insbesondere von integrierten Schaltungen, gekennzeichnet durch die einzelnen Verfahrensschritte der Bildung eines zusammengesetzten Körpers aus einem HaIbleiterplättchen, einem Halbleitersubstrat und eine zwischenliegenden Glasschicht,

Bildung elektrisch leitender Verbindungen zwischen bestimmten diskreten Komponenten des Halbleiterplättchens und

Entfernung von Plättchenmaterial von der Plättchenoberfläche bis zu der dazwischenliegenden Glasschicht und unterhalb eines Teils mindestens einer.der Zwischenverbindungen, so daß wenigstens eine diskrete Komponente von einer anderen isoliert ist.
2. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Körper durch Pressen des Halbleiterplättchens, des Halbleitersubstrates und der Glasschicht gebildet wurde.
3. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Körper durch die weiteren Schritte der Bildung von Glas auf einem Siliciumsubstrat; Plazierung eines Siliciumplättchens auf diesem Glas zur Bildung eines Schichtenaufbaus; Plazierung dieses Schichtenaufbaus zwischen Kohleaufnahmen, die in einer hydraulischen Presse befestigt sind; Erhitzen der Kohleaufnahmen mit dem Schichtenaufbau bis zu ungeführt 12OO°C bei etwa 84 at Druck; Abkühlung des Schichtenaufbaus bis zu Raumtemperatur unter Aufrechterhaltung des Druckes und Abschalten des Druckes gebildet wurde.

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4. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas
auf dem Substrat dadurch gebildet wurde, daß aus Glaskörperchen und einem Alkohol eine Suspension hergestellt und diese Mischung auf das Substrat aufgebracht wurde.
5. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohleaufnahmen durch Hochfrequenzinduktion erhitzt wurden.
6. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abschal-

ten des Druckes der Körper in einem Diffusionsofen pla- ™

ziert wurde und diskrete Komponenten in der Oberfläche
des Plättchens gebildet wurden.
7. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Verbindungen gebildet wurden durch

überziehen der Plättchenoberfläche mit einer passivierenden Maske, die Löcher enthält, mit denen die Anschlüsse der diskreten Komponenten freigelegt werden;
Ablagerung einer Metallschicht über der Maske und den freigelegten Anschlußstellen der elektrischen Komponenten und selektives Entfernen der Metallschichten, wobei Metall- Λ

flächen erhalten bleiben, die die leitenden Zwischenverbindungen zwischen bestimmten diskreten Komponenten bilden.
8. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Maske aus einem Siliciumoxyd besteht und eine Dicke von weniger als etwa l,um besitzt.

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9. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Maske aus einem Siliciumnitrid besteht und eine Dicke von weniger als etwa 1 ,um besitzt.
10. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Aluminium in einer Dicke von wenigstens 4 ,um besteht.
11. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht eine erste das Plättchen berührende Schicht aus Platin, eine zweite die erste berührende Schicht aus Titan und eine dritte Schicht aus Gold enthält, die auf der zweiten Schicht aufgebracht ist.
12. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium auf photolithograhischem Wege selektiv entfernt wird, indem das gewünschte Muster der Zwischenverbindungen unter Freilegung von Aluminiumflächen gebildet wird und der Körper in ein Aluminiumätzmittel eingetaucht wird, um das freigelegte Aluminium zu entfernen während das gewünschte Zwischenverbindungsmuster auf dem Plättchen verbleibt.
13. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dctS Plättchenmaterial durch folgende weitere Schritte entfernt wird: Entfernung derjenigen Teile der Maske zur Freilegung der darunterliegenden Plättchenoberfläche, die an den überlappenden Abschnitt der Anschlüsse jeder Komponente angrenzen und die sich in gewissem Abstand rund um jede diskrete Komponente ausdehnen und Eintauchen des Körpers in ein Ätzmittel, das das Plättchenmaterial selektiv nur in einer bevorzugten Richtung entfernt, so daß die Anschlüsse unterschnitten werden und die diskreten Komponenten vollständig voneinander isoliert

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