DE69309306T2

DE69309306T2 - Elektrische Verbindungsstrukturen

Info

Publication number: DE69309306T2
Application number: DE69309306T
Authority: DE
Inventors: Robert Dorothy; Dean Face; Daniel Laubacher
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1992-12-15
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2013-12-08
Also published as: EP0674808B1; DE69309306D1; WO1994014201A1; CA2150913A1; EP0674808A1; US5567330A; TW245839B; KR950704819A; JPH08504541A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft elektrische Verbindungsstrukturen, bestehend aus wenigstens einer bei hoher Temperatur supraleitenden Signalschicht auf einen Substrat, die anschließend aneinander und gegebenenfalls an eine Stromversorgungs- und Masseebenen enthaltende Sockel-Unterstruktur gebunden werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Anhaltende Fortschritte bei der Konstruktion von elektronischen Schaltkreisen und Schaltkreis-Elementen führen zu einen Bedarf für Mehrchip-Kapselungen, durch die höhere Chipdichten, kürzere Verbindungen und höhere Ausbeuten erhalten werden. Mehrchipmodule werden in Computern des oberen Bereiches und Luftfahrt-Anwendungen verwendet, und es wird darüber hinaus erwartet, daß sie in sehr naher Zukunft in Telekommunikations- und Personalcomputer-Anwendungen verwendet werden. Es besteht ein Bedarf für Mehrchipmodule mit einer sogar noch höheren Dichte und noch kürzeren Verbindungen.
Das U.S.-Patent 4 954 480, Imanaka et al, ausgegeben am 4. September 1990, offenbart ein supraleitendes Mehrschicht- Schaltkreissubstrat, umfassend isolierende Schichten und Verbindungsmuster aus einen supraleitenden, zwischen den isolierenden Schichten befindlichen, keramischen Material. Die Muster des supraleitenden, keramischen Materials sind über Durchgangslöcher miteinander verbunden.
WO92720108 offenbart eine supraleitende Hybrid-Mehrchip-Verbindung, umfassend ein erstes und ein zweites Modul, von denen jedes auf das Substrat aufgetragene supraleitende Leiter und supraleitende Masseebenen-Leitungen umfaßt, wobei das erste und das zweite Modul so angeordnet sind, daß ihre Leiter sich gegenüberliegen und zwischen den Leitern des ersten Moduls und denen des zweiten Moduls eine selektive elektrische Verbindung erzeugt wird.
Das allgemein anerkannte Verfahren zur Herstellung von Mehrschicht-Verbindungsstrukturen besteht aus der aufeinanderfolgenden Abscheidung von Schichten durch verschiedene physikalische und chemische Abscheidungstechniken. Um qualitativ gute, bei hoher Temperatur supraleitende Schichten mit ausreichend hohen kritischen Stromdichten zu erzeugen, wird angenommen, daß diese bei hoher Temperatur supraleitenden Schichten und die anderen Schichten epitaktisch gezogen werden müssen. Die aufeinanderfolgende, epitaktische Abscheidung von mehreren Schichten ist schwierig, insbesondere mit Hinsicht auf zusätzliche, erforderliche Beschränkungen. Beispielsweise müssen die Materialien so ausgewählt werden, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten aller Materialien im wesentlichen dieselben sind, und verwendete dielektrische Materialien müssen ebenfalls die richtige Dielektrizitätskonstante und einen niedrigen Mikrowellenverlust aufweisen.
Diese Erfindung macht elektrische Verbindungsstrukturen verfügbar, bestehend aus bei hoher Temperatur supraleitenden Signalschichten mit erhöhter Dichte und kürzeren Verbindungen. Diese Erfindung macht darüber hinaus Verfahren zur Herstellung solcher Strukturen verfügbar, die nicht die epitaktische Abscheidung aller Schichten umfassen und somit nicht die oben beschriebenen, schwerwiegenden Beschränkungen aufweisen.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diege Erfindung umfaßt verschiedene elektrische Verbindungsstrukturen, bestehend aus bei hoher Temperatur supraleitenden Signalschicht-Unterstrukturen. Eine Strukturkategone umfaßt Signalschicht-Unterstrukturen, die mit dielektrischen Schichten aneinander gebunden sind, und eine Unterstruktur, die Stromversorgungs- und Masseebenen enthält. Bei einem Typ einer solchen Verbindungsstruktur umfaßt jede der Signalschichten einen bei hoher Temperatur supraleitenden Film, der epitaktisch auf einem Einkristall-Substrat gezogen ist. Bei einem zweiten Typ einer solchen Verbindungsstruktur umfaßt diese Signalschicht-Unterstruktur wenigstens einen, bei hoher Temperatur supraleitenden Film, der epitaktisch auf einem Einkristall-Substrat gezogen ist, und wenigstens einen, bei hoher Temperatur supraleitenden Film, der epitaktisch auf einem dielektrischen Material gezogen ist.
Diese Erfindung umfaßt darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsstruktur der oben beschriebenen ersten Kategorie, umfassend:
(1) Bildung einer Unterstruktur A durch das:
(a) Abscheiden eines ersten elektrisch leitenden Films, der als Stromversorgungsebene oder Masseebene dienen kann, auf ein Substrat;
(b) Abscheiden einer Schicht aus dielektrischem Material auf den elektrisch leitenden Film; und
(c) Abscheiden eines zweiten elektrisch leitenden Films, der als Masseebene oder Stromversorgungsebene dienen kann, auf die Schicht aus dielektrischem Material; und
(2) Bildung einer Unterstruktur B durch das:
(a) Abscheiden eines bei hoher Temperatur supraleitenden Films auf ein erstes Einkristall-Substrat, das so ausgewählt ist, daß es ein epitaktisches Ziehen des supraleitenden Films ermöglicht, und das Strukturieren des supraleitenden Films, wodurch eine erste strukturierte Signalschicht gebildet wird;
(b) Bilden von Metall-Kontaktstellen auf der ersten strukturierten Signalschicht;
(3) Binden der freiliegenden, strukturierten Signalschicht von Unterstruktur B an den freiliegenden, elektrisch leitenden Film von Unterstruktur A mit einem dielektrischen Material mit einer Dicke von wenigstens 2 µm und einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5;
(4) Vermindern der Dicke des ersten Einkristall-Substrats auf eine Höchstdicke von etwa 25 µm;
(5) Bilden einer Unterstruktur C durch das:
(a) Abscheiden eines bei hoher Temperatur supraleitenden Films auf ein zweites Einkristall-Substrat, das so ausgewählt ist, daß es ein epitaktisches Ziehen des supraleitenden Films ermöglicht, und das Strukturieren des supraleitenden Films, wodurch eine zweite strukturierte Signalschicht gebildet wird;
(b) Bilden von Metall-Kontaktstellen auf der zweiten strukturierten Signalschicht;
(6) Binden der freiliegenden, strukturierten Signalschicht von Unterstruktur C an das reduzierte, erste Einkristall- Substrat der kombinierten Unterstrukturen A und B mit einem dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5;
(7) Erzeugen von Löchern durch die Oberfläche (das zweite Kristallsubstrat) der kombinierten Unterstrukturen A, B und C bis zur Masseebene, Stromversorgungsebene und den Signalschichten; und
(8) Abscheiden von Metall in den in (7) erzeugten Löchern, um Kontaktlöcher zu den Ebenen und Schichten zu erzeugen, wodurch eine elektrische Verbindungsstruktur erhalten wird.
Diese Erfindung umfaßt darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsstruktur, umfassend das:
(1) Bilden einer Unterstruktur D durch das:
(a) Abscheiden eines bei hoher Temperatur supraleitenden Films auf ein erstes Einkristall-Substrat, das so ausgewählt ist, daß es ein epitaktisches Ziehen des supraleitenden Films ermöglicht, und das Strukturieren des supraleitenden Films, wodurch eine erste, strukturierte Signalschicht gebildet wird;
(b) Bilden von Metall-Kontaktstellen auf der ersten strukturierten Signalschicht;
(c) Abscheiden eines dielektrischen Materials mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5 durch epitaktisches Ziehen auf die erste strukturierte Signalschicht und das freiliegende Substrat;
(d) Abscheiden eines bei hoher Temperatur supraleitenden Films auf das dielektrische Material durch epitaktisches Ziehen und das Strukturieren des Films, wodurch eine zweite, strukturierte Signalschicht gebildet wird;
(e) Bilden von Metall-Kontaktstellen auf der zweiten strukturierten Signalschicht, wodurch die Unterstruktur D erhalten wird;
(2) Bilden einer Unterstruktur A durch das:
(a) Abscheiden eines ersten elektrisch leitenden Films, der als Stromversorgungsebene oder Masseebene dienen kann, auf ein Substrat;
(b) Abscheiden einer Schicht aus dielektrischem Material auf den elektrisch leitenden Film;
(c) Abscheiden eines zweiten elektrisch leitenden Films, der als Masseebene oder Stromversorgungsebene dienen kann, auf die Schicht aus dielektrischem Material;
(3) Binden der freiliegenden, strukturierten Signalschicht von Unterstruktur D an den freiliegenden, elektrisch leitenden Film von Unterstruktur A mit einer Schicht aus dielektrischem Material mit einer Dicke von wenigstens 2 µm und einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5; und
(4) Erzeugen von Löchern durch die Oberseite (reduziertes erstes Kristallsubstrat) der kombinierten Unterstrukturen D und A zur Stromversorgungsebene, Masseebene und den Signalschichten und das Abscheiden von Metall in die Löcher, wodurch Kontaktlöcher zu den Ebenen und Schichten gebildet werden, wodurch die elektrische Verbindungsstruktur erhalten wird.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt einer elektrischen Verbindungsstruktur dieser Erfindung.
Figur 2 ist ein schematischer Querschnitt einer elektrischen Verbindungsstruktur dieser Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung macht elektrische Verbindungsstrukturen verfügbar, die aus bei hohen Temperaturen supraleitenden Signalschichten bestehen. Eine Kategorie von Strukturen umfaßt Signalschicht-Unterstrukturen, die durch dielektrische Schichten aneinander und an Stromversorgungs- und Masseebenen gebunden sind, und Verfahren zu ihrer Herstellung. Mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung können die Eigenschaften der verschiedenen Schichten einer solchen fertigen Mehrschichtstruktur leichter als bei dem üblicherweise akzeptierten Verfahren, des epitaktischen Abscheidens einer Schicht auf die andere, optimiert werden. Diese Fähigkeit zur Optimierung der einzelnen Schichten, d.h. der Erzeugung qualitativ guter, bei hoher Temperatur supraleitender Signalschichten und dielektrischer Schichten mit den richtigen Merkmalen, führt zu einer überlegenen elektrischen Verbindungs struktur.
Ein Verfahren zur Herstellung der elektrischen Verbindungsstruktur dieser Kategorie der vorliegenden Erfindung umfaßt das Erzeugen von Signal-Unterstrukturen durch das Abscheiden eines jeweils bei hoher Temperatur supraleitenden Films, der als Signalschicht auf einem Einkristall-Substrat dienen soll, das so ausgewählt ist, daß es ein epitaktisches Wachstum des supraleitenden Films ermöglicht. Der supraleitende Film wird dann strukturiert, wodurch eine strukturierte Signalschicht gebildet wird, und Metall-Kontaktstellen werden an verschiede nen Positionen auf der strukturierten Signalschicht gebildet.
Eine Sockel-Unterstruktur wird durch das Abscheiden eines elektrisch leitenden Films auf einem Substrat gebildet. Eine Schicht aus dielektrischem Material wird auf dem Film abgeschieden, und anschließend wird ein zweiter elektrisch leitender Film auf der Schicht aus dielektrischem Material abgeschieden. Einer der Filme dient als Masseebene, und der andere als Stromversorgungsebene.
Die strukturierten Signal-Unterstrukturen werden dann mit dielektrischem Material mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5 an die Sockel-Unterstruktur gebunden. Die erste freiliegende, strukturierte Signaischicht wird mit einer dielektrischen Schicht an den freiliegenden, elektrisch leitenden Film der Sockel-Unterstruktur gebunden. Die Oberseite dieser kombinierten Struktur ist das Einkristall-Substrat, auf dem der bei hoher Temperatur supraleitende Film abgeschieden wurde, und dieses Substrat wird dann auf eine Höchstdicke von etwa 25 µm, vorzugsweise etwa 5 µm, am meisten bevorzugt 1 µm oder weniger, vermindert. Die zweite und jede zusätzliche Signal-Unterstruktur werden mit dielektrischem Material mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5 und einer Dicke von etwa 1 µm oder weniger an die kombinierte Struktur gebunden. Bei jeder Unterstruktur wird die freiliegende, strukturierte Signalschicht an das verminderte Kristallsubstrat der zuvor zugefügten Unterstruktur gebunden. Die Dicke des die Signalschicht tragenden Substrats wird nach dem Binden der Unterstruktur an die kombinierte Struktur, aber vor dem Binden von zusätzlichen Signalschicht-Unterstrukturen auf etwa 25 µm oder weniger, vorzugsweise etwa 5 µm und am meisten bevorzugt 1 µm oder weniger vermindert. Durch die Oberseite der fertigen, kombinierten Struktur werden Löcher zu den verschiedenen Masse-, Stromversorgungs- und Signalebenen in der kombinierten Struktur erzeugt. In diesen Löchern wird Metall abgeschieden, um Kontaktlöcher zu den Masse-, Stromversorgungs- und Signalebenen zu erzeugen und die elektrische Verbindungsstruktur zu vervollständigen.
Das Verfahren zur Herstellung dieses Typs der elektrischen Verbindungsstruktur umfaßt die Bildung der Unterstruktur A, umfassend ein Substrat 1 in Figur 1, eine elektrisch leitende Schicht 2, die entweder als Stromversorgungs- oder Massebene dient, eine Schicht aus dielektrischem Material 3 und eine elektrisch leitende Schicht 4, die entweder als Stromversorgungs- oder Masseebene dient. Eine Unterstruktur B wird dann gebildet, indem eine supraleitende Signalschicht 6 auf einem Signal-Kristallsubstrat 7 abgeschieden und strukturiert wird, gefolgt von der Bildung von Metall-Kontaktstellen auf der strukturierten Signalschicht 6. Eine Unterstruktur C wird gebildet, indem eine supraleitende Schicht 8 auf einem zweiten Einkristallsubstrat 10 abgeschieden und strukturiert wird, gefolgt von der Bildung von Metall-Kontaktstellen auf der strukturierten Signalschicht 8. Die Unterstruktur B wird an die Unterstruktur A gebunden, indem die strukturierte Signalschicht 6 von B mit dem dielektrischen Material 5 an die elektrisch leitende Schicht 4 von A gebunden wird. Die Dicke des Kristallsubstrats 7 wird dann auf weniger als etwa 25 µm vermindert. Unterstruktur C wird dann an die kombinierten Unterstrukturen A und B gebunden, indem die strukturierte Signalschicht 8 von C an das verminderte Kristallsubstrat 7 von A + B gebunden wird, wobei das dielektrische Material 9 verwendet wird. Die Dicke des Kristallsubstrats 10 wird dann gegebenenfalls auf einen Höchstwert von etwa 5 µm vermindert. Dann werden vom Kristallsubstrat 10 in die kombinierten Unterstrukturen A + B + C zu den verschiedenen Ebenen und Signalschichten Löcher erzeugt und Metall abgeschieden, um Kontaktlöcher zu erzeugen. Ein solches Kontaktioch ist als 11 dargestellt.
Die elektrisch leitenden Schichten können Metalle wie Gold, Silber oder Kupfer oder Oxid-Hochtemperatur-Supraleiter sein. Supraleiter, die zur Verwendung in jeder der Strukturen der vorliegenden Erfindung als elektrisch leitende Schichten oder Signalschichten geeignet sind, umfassen MBA&sub2;Cu&sub3;Ox, wobei M Y, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb oder Lu ist; Oxide im Bi-Sr-Ca-Cu-O-System wie Bi&sub2;Sr3-zCazCu&sub2;O&sub8;, wobei z etwa 0,4 bis etwa 0,8 ist; Oxide im Tl-Ba-Ca-Cu-O-System wie Tl&sub2;Ba&sub2;CuO&sub6;, Tl&sub2;Ba&sub2;CaCu&sub2;O&sub8; und Tl&sub2;Ba&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;O&sub1;&sub0; und die Tl-Pb-Oxide Tl0,5Pb0,5- Sr&sub2;CaCu&sub2;O&sub7;, Tl0,5Pb0,5Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;O&sub9; und Tl0,5Pb0,5Sr&sub2;Ca&sub3;Cu&sub4;O&sub1;&sub1;, vorzugsweise mit Supraleitungs-Übergangstemperaturen von 90 K oder darüber.
Wenn die elektrisch leitenden Schichten der Unterstruktur A die Oxid-Supraleiter sind, werden diese Schichten und die dielektrische Schicht epitaktisch gezogen, um qualitativ gute supraleitende Schichten mit einer ausreichend hohen kritischen Stromdichte zu erzeugen. Es wird ein Einkristall-Substrat verwendet, und das Material muß für das epitaktische Wachstum des Oxids geeignet sein. Für das epitaktische Wachstum der Hochtemperatur-Supraleiter verwendete Substrate sind LaAlO&sub3;, MgO, Saphir, NdGaO&sub3; und durch Yttrium stabilisiertes Zirconiumdioxid. Eine vorher abgeschiedene 30 bis 50 nm Schicht aus epitaktischem Ceroxid, Magnesiumoxid oder einem Seltenerdoxid dient als Pufferschicht zwischen dem Substrat und dem supraleitenden Film, um eine Verbesserung des epitaktischen Wachstums zu unterstützen. Der hier verwendete Begriff "Einkristall-Substrat" umfaßt Einkristall-Substrate mit oder ohne Pufferschicht.
Die Oxidfilme und das dielektrische Material können durch jeden der zum Abscheiden solcher Filme bekannten Mechanismus abgeschieden werden, wie durch Magnetron-Zerstäubung oder Laser-Ablationszerstäubung. Die Dicken der Schicht der Oxid- Stromversorgungsebene und der Oxid-Masseebene sind nicht kritisch, betragen normalerweise aber etwa 1 µm. Das dielektrische Material 3 zwischen der Masse- und der Stromversorgungsebene weist vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von wenigstens etwa 5, noch mehr bevorzugt von wenigstens etwa 10, und eine typische Dicke von etwa 10 nm bis etwa 10 µm, normalerweise etwa 1 µm, auf. Es sollte für das epitaktische Wachstum auf der supraleitenden Oxidschicht 2 geeignet sein und ebenfalls für das epitaktische Wachstum der Oxidschicht 4 geeignet sein. Das Substratmaterial, der Oxid-Supraleiter und das Dielektrikum weisen alle im wesentlichen dieselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Beispiele für geeignete dielektrische Materialien sind Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Lanthanaluminat oder andere Perovskite.
Um einen Kontakt mit einem niedrigen Widerstand für die aus Oxid-Supraleiter bestehenden Schichten zu erzeugen, die die anschließend erzeugten Masse- und Stromversorgungsebenen für die Metall-Kontaktlöcher umfassen, werden auf den Oxid-Supraleitern Metall-Kontaktstellen gebildet, bevor die Unterstruktur A an eine Signalschicht gebunden wird. Zur Bildung der Kontaktstellen sind Metalle wie Gold und Silber besonders nützlich. Das Metall kann direkt auf der Oberfläche der Oxidschicht 4 abgeschieden werden. Durch die Oxidschicht 4 und die dielektrische Schicht 3 werden durch Ionenstrahlätzen, Laserablation oder chemisches Ätzen Löcher erzeugt. Dann wird ein Metall auf der Oxidschicht 2 abgeschieden und getempert, indem die Unterstruktur A auf eine Temperatur von etwa 500 ºC erwärmt wird, 10 - 15 min lang bei dieser Temperatur gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Erwärmen und Abkühlen wird in einer Sauerstoff-Atmosphäre durchgeführt. Wenn die elektrisch leitenden Schichten von Unterstruktur A Metalle sind, sind keine zusätzlichen Metall-Kontaktstellen erforderlich.
Wenn die elektrisch leitenden Schichten von Unterstruktur A Metalle sind, sind die Einschränkungen in bezug auf das Substratmaterial und das dielektrische Material beträchtlich gelockert, obwohl das dielektrische Material vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von wenigstens etwa 5, noch mehr bevorzugt von wenigstens etwa 10 aufweist. Das Substrat braucht kein Einkristall zu sein, und geeignete Substrate umfassen Keramiken, Gläser oder ein beliebiges nichtleitendes Material. Das dielektrische Material kann ein Polymer oder eine nichtkristalline, anorganische Zusammensetzung sein. Die Dicke der Masseebene und der Stromversorgungsebene sind nicht kritisch, betragen normalerweise aber etwa 1 µm.
Die Unterstrukturen B und C oder zusätzliche Unterstrukturen umfassen supraleitende Dünnfilm-Signalschichten. Jede bei hoher Temperatur supraleitende Dünnfilm-Signalschicht wird hergestellt, indem ein bei hoher Temperatur supraleitender Dünnfilm epitaktisch auf einem Einkristall-Substrat abgeschieden wird. Der supraleitende Film muß eine zum Transportieren von Strom ausreichende Dicke aufweisen, vorzugsweise von etwa 0,2 µm bis etwa 2 µm. Geeignete Substrate umfassen LaAlO&sub3;, MgO, NdGaO&sub3; und Saphir. Eine vorher abgeschiedene 30 bis 50 nm Schicht aus epitaktischem Ceroxid, Magnesiumoxid oder einem Seltenerdoxid dient als Pufferschicht zwischen dem Substrat und dem supraleitenden Film, um eine Verbesserung des epitaktischen Wachstums zu unterstützen. Der hier verwendete Begriff "Einkristall-Substrat" umfaßt Einkristall-Substrate mit oder ohne Pufferschicht. Wiederum kann der Oxidfilm durch ein beliebiges der für das Abscheiden solcher Filme bekannten Mechanismen abgeschieden werden, wie durch Magnetron-Zerstäubung oder Laser-Ablationszerstäubung. Der supraleitende Oxidfilm wird dann mit einer Struktur versehen, um die erwünschte Konfiguration der Signalschicht des Supraleiters zu erzeugen. Es können photolithographische Techniken verwendet werden, gekoppelt mit naßchemischem Ätzen oder Reaktions- Ionenstrahlätzen. Um einen Kontakt der anschließend erzeugten Kontaktlöcher mit einem niedrigen Widerstand zur Supraleiter- Signalschicht zu erhalten, werden auf den Oxid-Supraleitern Metall-Kontaktstellen gebildet, bevor die Signalschicht an die Sockel-Unterstruktur A oder eine andere Signalschicht-Unterstruktur gebunden wird. Ein Metall wie Silber oder Gold kann direkt auf der Oberfläche der strukturierten Signalschicht abgeschieden werden. Die Signalschicht wird dann auf eine Temperatur von etwa 500 ºC erwärmt, 10 - 15 min lang bei dieser Temperatur gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Erwärmen und Abkühlen wird in einer Sauerstoff- Atmosphäre durchgeführt.
Eine Signalschicht-Unterstruktur wird durch eine Schicht aus dielektrischem Material 5 an die Unterstruktur A gebunden. Die Schicht ist etwa 2 µm bis etwa 4 µm dick, und die Dielektrizitätskonstante beträgt weniger als 5, vorzugsweise weniger als 4. Ein Polymer ist bevorzugt, und ein Fluorpolymer oder ein Polyimid ist besonders bevorzugt. Diese Polymere weisen niedrige Dielektrizitätskonstanten im Bereich von etwa 2 - 3 auf und sorgen für eine mechanische Nachgiebigkeit, wodurch Fehlanpassungen von thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Schichten der elektrischen Verbindungstruktur ausgeglichen werden.
Die freiliegende, strukturierte Signalschicht der Unterstruktur B wird an den freiliegenden, elektrisch leitenden Film der Unterstruktur A gebunden. Das dielektrische Material 5 wird auf eine der obigen Oberflächen der Unterstruktur aufgetragen und die andere Unterstruktur in Berührung mit dem normalerweise klebrigen, dielektrischen Material angeordnet. Das Härten des dielektrischen Materials laminiert die beiden Unterstrukturen zusammen. Die Dicke des ersten Einkristall- Substrats, das jetzt die Oberseite der kombinierten Unterstrukturen A und B darstellt, wird durch mechanisches Läppen und/oder Polieren, chemisch unterstütztes Läppen und/oder Polieren, chemisches Ätzen oder Ionenätzen auf eine Höchstdicke von etwa 25 µm, vorzugsweise etwa 5 µm, am meisten bevorzugt etwa 1 µm vermindert.
Eine Unterstruktur C, umfassend ein zweites Einkristall-Substrat 10 mit einer strukturierten Signalschicht 8 und Metall- Kontaktstellen, wird durch eine Schicht aus dielektrischem Material 9 mit dem in der Dicke verminderten Einkristall 7 verbunden, d.h. mit der Oberseite der Kombinationsstruktur A und B. Es können oben für den vorherigen Bindungsschritt verwendete Dielektrika verwendet werden. Die Dicke der dielektrischen Schicht 9 beträgt normalerweise etwa 1 µm.
Die Oberseite der neu kombinierten, durch das Verbinden gebildeten Struktur (A + B + C), die zwei Signalebenen enthält, ist das zweite Einkristall-Substrat. Gegebenenfalls wird die Dicke dieses Substrats jetzt durch mechanisches Läppen und/oder Polieren, chemisch unterstütztes Läppen und/oder Polieren, chemisches Ätzen oder Tonenätzen auf einen Höchstwert von etwa 25 µm, vorzugsweise etwa 5 µm, am meisten bevorzugt etwa 1 µm oder weniger vermindert. Alternativ kann die ursprüngliche Dicke des Einkristall-Substrats belassen werden. Es ist keine zusätzliche Passivierungsschicht erforderlich; dieses Einkristall-Substrat erfüllt diesen Zweck.
Zusätzliche Signalschichten, Stromversorgungsschichten und Masseschichten können der Struktur durch das Wiederholen des oben beschriebenen Verbindungsverfahrens, gefolgt von der Verminderung der Dicke des Substrats, hinzugefügt werden.
Löcher werden durch die Oberseite der kombinierten Struktur und beliebige, dazwischenliegende Schichten bis zur Stromversorgungsebene, der Masseebene und den Signalschichten durch Ionenstrahlätzen, Laserablation oder chemisches Ätzen erzeugt.
Löcher zu den Signalschichten und einer Oxid-Supraleiter Stromversorgungsebene und -Masseebene werden so angeordnet, daß sie mit den auf den Oxid-Supraleitern gebildeten Kontaktstellen übereinstimmen. Ein Metall wie Gold oder Silber wird dann unter Verwendung der durch Ionenstrahlen unterstützten Abscheidung in diesen Löcher abgeschieden, wodurch die verbindenden Kontaktlöcher zu diesen Ebenen und Signalschichten gebildet werden.
Ein zweites Verfahren zur Herstellung der elektrischen Verbindungsstruktur der vorliegenden Erfindung umfaßt die Erzeugung von zwei Unterstrukturen, deren Aneinanderbinden und das Herstellen der verbindenden Kontaktlöcher zu den verschiedenen Ebenen. Die Zahlen in der folgenden Beschreibung beziehen sich auf Figur 2.
In diesem Verfahren wird eine Unterstruktur D hergestellt, indem ein bei hoher Temperatur supraleitender, als Signalschicht 8 dienender Film auf einem Einkristall-Substrat 10 abgeschieden wird, das so ausgewählt ist, daß es ein epitaktisches Ziehen des supraleitenden Films ermöglicht. Der supraleitende Film wird dann strukturiert. Geeignete Substrate, Supraleiter und Abscheidungs- und Strukturierungstechniken sind so, wie sie zuvor zur Bildung der Unterstrukturen B und C im vorherigen Verfahren beschrieben wurden.
Dann werden auf der strukturierten Signalschicht Metall-Kontaktstellen gebildet, ebenfalls wie zuvor beschrieben. Ein dielektrisches Material 9 mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5 wird durch epitaktisches Wachstum auf der strukturierten Signalschicht 8 und jeglichem freiliegenden Substrat 10 abgeschieden. Die Oberfläche des dielektrischen Materials 9 ist nicht planar, sondern folgt im wesentlichen der Struktur der Signalschicht 8. Seine Dicke beträgt normalerweise etwa 1, um oder weniger. Dann wird ein bei hoher Temperatur supraleitender Dünnfilm durch epitaktisches Wachstum auf dem dielektrischen Material 9 abgeschieden und der Film strukturiert, wodurch eine zweite, strukturierte Signalschicht 6 gebildet wird. Auf der zweiten, strukturierten Signalschicht werden Metall-Kontaktstellen gebildet. Dadurch wird die Unterstruktur D vervollständigt.
Auf dieselbe Weise und unter Verwendung derselben, zuvor beschriebenen Materialtypen wird eine Unterstruktur A gebildet. Ein elektrisch leitender Film, der entweder als Stromversorgungsebene oder als Masseebene 2 dienen kann, wird auf einem Substrat 1 abgeschieden. Wenn der elektrisch leitende Film ein Supraleiter ist, werden Metall-Kontaktstellen auf dem Film gebildet. Eine Schicht aus dielektrischem Material 3, vorzugsweise mit einer Dielektrizitätskonstante von wenigstens etwa 5, noch mehr bevorzugt von wenigstens etwa 10, wird auf der Masse- oder Stromversorgungsebene 2 abgeschieden. Ein zweiter, elektrisch leitender Film, der als Masseebene oder Stromversorgungsebene 4 dienen kann, wird auf dem dielektrischen Material 3 abgeschieden, wodurch die Unterstruktur A vervollständigt wird. Einer der elektrisch leitenden Filme dient als Stromversorgungsebene und der andere als Masseebene.
Die freiliegende, strukturierte Signalschicht 6 der Unterstruktur D wird dann mit einer Schicht des dielektrischen Materials 5 mit einer Dicke von 2 bis 4 µm und einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5 an den freiliegenden, elektrisch leitenden Film 4 des Untersubstrats A gebunden. Die Dicke des Einkristall-Substrats 10 (ursprünglich ein Teil der Unterstruktur D) wird durch mechanisches Läppen und/oder Polieren, chemisch unterstützes Läppen und/oder Polieren, chemisches Ätzen oder Ionenätzen gegebenenfalls auf eine maximale Dicke von etwa 5 µm, vorzugsweise auf etwa 1 µm, verringert.
Dann werden durch Ionenstrahlätzen, Laserablation oder chemisches Ätzen Löcher durch die Oberseite der kombinierten Struktur und jeglicher dazwischenliegender Schichten bis zur Stromversorgungsebene, Masseebene und den Signalschichten erzeugt. Die Löcher werden so positioniert, daß sie mit den zuvor auf den Signalschichten gebildeten und etwaigen, aus einem Supraleiter bestehenden Stromversorgungs- oder Masseebenen bestehenden Metall-Kontaktstellen übereinstimmen. Wenn die Stromversorgungs- oder Masseebenen Metall sind, sind Löcher zu einem beliebigen Punkt auf ihrer Oberfläche ausreichend. Oft wird im Loch ein Metall wie Gold oder Silber abgeschieden, wobei die durch Ionenstrahlen unterstützte Abscheidung zur Bildung von verbindenden Kontaktlöchern wie 11 zu den Ebenen- und den Signalschichten verwendet wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß auf beiden äußeren Substratoberflächen Mehrfachchips montiert werden können, wodurch eine erhöhte Dichte und kürzere Verbindungen erhalten werden. Die Verwendung von Hochtemperatur- Supraleitern ermögliche eine Verminderung des Querschnitts von Leitungen, während eine gute Signalqualität beibehalten wird, wodurch eine erhöhte Dichte von Verbindungen ermöglicht wird. Die Verbindungsstrukturen der vorliegenden Erfindung sind in Mehrfachchipmodulen für Computer und die Telekommunikation nützlich.
In den Beispielen werden die folgenden Abkürzungen verwendet:
HTS - Hochtemperatur-Supraleiter
PMMA - Polymethylmethacrylat
UV - Ultraviolett

BEISPIEL 1

Um einige kritische Merkmale des Verbindungssystems zu demonstrieren, wurde eine Teststruktur auf die folgende Weise hergestellt.
Eine 30 - 50 nm Schicht aus epitaktischem Ceroxid wurde durch Magnetron-Zerstäubung auf jeweils eine Oberfläche von zwei 1,2 cm x 1,2 cm x 0,05 cm Einkristall-Saphirsubstraten abgeschieden. Auf jeder der Ceroxid-Schichten wurden durch Magnetron-Zerstäubung epitaktische, bei hoher Temperatur supraleitende Dünnfilme von YBa&sub2;Cu&sub3;Ox abgeschieden. Eine Schicht aus amorphem Fluorpolymer (TEFLON AF2400) mit einer Dicke von etwa 4 µm wurde durch Schleuderbeschichten auf die supraleitende Dünnfilm-Oberfläche des einen Substrats aufgetragen und das andere Substrat so auf der Oberseite des Fluorpolymers angeordnet, daß die beiden supraleitenden Dünnfilme einander gegenüberlagen, wobei der Polymerfilm sich zwischen ihnen befand. Die beiden Saphir-Substrate bildeten die Außenflächen der Struktur. Das Fluorpolymer wurde 1 h lang bei 170 ºC gehärtet, wodurch eine verbundene Struktur mit einer dielektrischen Schicht mit einer Dielektrizitätskonstante von 1,91 und einem Hochfrequenz-Verlustfaktor von weniger als 3 x 10&supmin;&sup4; erhalten wurde.
Um die Verminderung der Dicke eines Substrats zu demonstrieren, wurde eines der Saphir-Substrate mit der oben hergestellten Struktur mit Wachs an einem Glasträger befestigt, der während des Poliervorgangs als Sockel diente. Dieser Polierschritt wurde in einem Logitech-Poliersystem durch Autokollimätion mit sichtbarem Licht an der Rückseite des supraleitenden Dünnfilms an dem mit Wachs am Glas befestigten Substrat durchgeführt. Bei dem anfänglichen Polieren wurde Diamant- Schleifstaub mit Mikrometergröße verwendet, um Material schnell zu entfernen. Das endgültige Polieren wurde durch Polieren mit Diamanten-Schleifstaub mit Submikrongröße bewerkstelligt, um die erwünschte Dicke zu erreichen. Die Dicke des Substrats wurde von einer Dicke von 0,05 cm auf eine Dicke von weniger als 0,0002 cm (2 µm) poliert.
Beim Testen wurde durch Verwendung einer Hochfrequenz-Induktionstechnik [LakeShore (DRC91C)] gezeigt, daß die kritische Temperatur keines der supraleitenden Dünnfilme durch das Herstellungsverfahren beeinflußt wurde. Die fertige Struktur demonstrierte 1) die Fähigkeit, ein Material mit einer sehr niedrigen Dielektrizität verfügbar zu machen, das mit zwei epitaktischen, bei hoher Temperatur supraleitenden Dünnfilmen verbunden ist, ohne daß Eigenschaften verschlechtert werden, 2) die Fähigkeit, die Dicke eines Substrats auf die erforderliche Dicke (etwa 1 µm) zu vermindern, und 3), daß ein Polymer mit einem relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) (etwa 80 ppm/ºC) eine ausreichende Nachgiebigkeit aufweist, um das schlechte Zusammenpassen in bezug auf den CTE mit Substraten und Dünnfilmen (etwa 10 ppm/ºC) über den Temperaturbereich von Interesse zu bewältigen.

Claims

1. Elektrische Verbindungsstruktur, bestehend aus bei hoher Temperatur supraleitenden Signalschicht-Unterstrukturen, die anschließend durch dielektrische Schichten (3, 5) aneinander und an eine Stromversorgungsebenen und Masseebenen enthaltende Unterstruktur gebunden werden.

2. Struktur nach Anspruch 1, wobei die supraleitenden Signalschicht-Unterstrukturen einen bei hoher Temperatur supraleitenden, epitaktisch auf einem Einkristall-Substrat (7) gezogenen Film (6) umfassen.

3. Struktur nach Anspruch 1, wobei die supraleitende Signalschicht-Unterstruktur wenigstens einen bei hoher Temperatur supraleitenden, epitaktisch auf einem Einkristall- Substrat (7) gezogenen Film (6) und wenigstens einen bei hoher Temperatur supraleitenden, epitaktisch auf einem dielektrischen Material gezogenen Film umfaßt.

4. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsstruktur, umfassend:

(1) Bildung einer Unterstruktur A durch das:

(a) Abscheiden eines ersten elektrisch leitenden Films (2), der als Stromversorgungsebene oder Masseebene dienen kann, auf ein Substrat;

(b) Abscheiden einer Schicht (3) aus dielektrischem Material auf den elektrisch leitenden Film; und

(c) Abscheiden eines zweiten elektrisch leitenden Films (4), der als Masseebene oder Stromversorgungsebene dienen kann, auf die Schicht aus dielektrischem Material; und

(2) Bildung einer Unterstruktur B durch das:

(a) Abscheiden eines bei hoher Temperatur supraleitenden Films (6) auf ein erstes Einkristall- Substrat (7), das so ausgewählt ist, daß es ein epitaktisches Ziehen des supraleitenden Films ermöglicht, und das Strukturieren des supraleitenden Films, wodurch eine erste strukturierte Signalschicht gebildet wird;

(b) Bilden von Metall-Kontaktstellen auf der ersten strukturierten Signalschicht;

(3) Binden der freiliegenden, strukturierten Signalschicht von Unterstruktur B an den freiliegenden, elektrisch leitenden Film von Unterstruktur A mit einem dielektrischen Material (5) mit einer Dicke von wenigstens 2 µm und einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5;

(4) Vermindern der Dicke des ersten Einkristall-Substrats auf eine Höchstdicke von etwa 25 µm;

(5) Bilden einer Unterstruktur C durch das:

(a) Abscheiden eines bei hoher Temperatur supraleitenden Films (8) auf ein zweites Einkristall- Substrat (10), das so ausgewählt ist, daß es ein epitaktisches Ziehen des supraleitenden Films ermöglicht, und das Strukturieren des supraleitenden Films, wodurch eine zweite strukturierte Signalschicht gebildet wird;

(b) Bilden von Metall-Kontaktstellen auf der zweiten strukturierten Signalschicht;

(6) Binden der freiliegenden, strukturierten Signalschicht von Unterstruktur C an das reduzierte, erste Einkristall-Substrat der kombinierten Unterstrukturen A und B mit einem dielektrischen Material (9) mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5;

(7) Erzeugen von Löchern durch die Oberfläche der kombinierten Unterstrukturen A, B und C bis zur Masseebene, Stromversorgungsebene und den Signalschichten; und

(8) Abscheiden von Metall in den in (7) erzeugten Löchern, um Kontaktlöcher zu den Ebenen und Schichten zu erzeugen, wodurch eine elektrische Verbindungsstruktur erhalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Dicke des zweiten Einkristall-Substrats (10) auf eine Höchstdicke von etwa 5 µm verringert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die elektrisch leitenden Filme in Unterstruktur A supraleitende Oxide sind und Metall-Kontaktstellen auf den Filmen gebildet werden, indem Löcher durch die zweite, elektrisch leitende Schicht und das dielektrische Material bis zur ersten elektrisch leitenden Schicht erzeugt werden und darin Metall eingebracht und getempert wird, bevor Unterstruktur A an Unterstruktur B gebunden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend das Binden einer zusätzlichen Signalschicht-Unterstruktur oder einer zusätzlichen Träger-Unterstruktur oder sowohl zusätzlichen Signalschicht-Unterstrukturen und zusätzlichen Träger-Unterstrukturen mit dielektrischem Material mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5 an die kombinierten Unterstrukturen A, B und C.

8. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsstruktur, umfassend das:

(1) Bilden einer Unterstruktur D durch das:

(a) Abscheiden eines bei hoher Temperatur supraleitenden Films (8) auf ein erstes Einkristall- Substrat (10), das so ausgewählt ist, daß es ein epitaktisches Ziehen des supraleitenden Films ermöglicht, und das Strukturieren des supraleitenden Films, wodurch eine erste, strukturierte Signalschicht gebildet wird;

(c) Abscheiden eines dielektrischen Materials (9) mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5 durch epitaktisches Ziehen auf die erste strukturierte Signalschicht und das freiliegende Substrat;

(d) Abscheiden eines bei hoher Temperatur supraleitenden Films auf das dielektrische Material (9) durch epitaktisches Ziehen und das Strukturieren des Films, wodurch eine zweite, strukturierte Signalschicht (6) gebildet wird;

(e) Bilden von Metall-Kontaktstellen auf der zweiten strukturierten Signalschicht, wodurch die Unterstruktur D erhalten wird;

(2) Bilden einer Unterstruktur A durch das:

(a) Abscheiden eines ersten elektrisch leitenden Films (2), der als Stromversorgungsebene oder Masseebene dienen kann, auf ein Substrat (1);

(b) Abscheiden einer Schicht (3) aus dielektrischem Material auf den elektrisch leitenden Film (2);

(d) Abscheiden eines zweiten elektrisch leitenden Films (4), der als Masseebene oder Stromversorgungsebene dienen kann, auf die Schicht (3) aus dielektrischem Material;

(3) Binden der freiliegenden, strukturierten Signalschicht von Unterstruktur D an den freiliegenden, elektrisch leitenden Film von Unterstruktur A mit einer Schicht (5) aus dielektrischen Material mit einer Dicke von wenigstens 2 µm und einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5; und

(4) Erzeugen von Löchern durch die Oberseite (reduziertes erstes Kristallsubstrat) der kombinierten Unterstrukturen D und A zur Stromversorgungsebene, Masseebene und den Signalschichten und das Abscheiden von Metall in die Löcher, wodurch Kontaktlöcher zu den Ebenen und Schichten gebildet werden, wodurch die elektrische Verbindungsstruktur erhalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Dicke des ersten Einkristall-Substrats (10) auf eine Höchstdicke von etwa 5 µm verringert wird.

10. Struktur und Verfahren nach Anspruch 1, 4 oder 8, wobei es sich bei dem dielektrischen Material, das die Unterstrukturen aneinanderbindet, um ein Polymer handelt.

11. Struktur und Verfahren nach Anspruch 2, 4 oder 8, wobei es sich bei der Stromversorgungsebene und der Masseebene um epitaktisch gezogene Hochtemperatur-Oxid-Supraleiter handelt und die Einkristall-Substrate der Signalschichten LaAlO&sub3;, MgO, Saphir oder NdGaO&sub3; sind.