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Verfahren zum Herstellen von mechanisch abgestützten, elektrisch leitenden Anschlüssen an Halbleiterscheiben
Die Technik integrierter Halbleiterschaltungen hat sich in neuerer Zeit rasch entwickelt, und die gegenwärtigen Bemühungen auf diesem Gebiet gehen dahin, die elektrische Isolation zwischen den ein- zelnen Elementen derartiger integrierter Schaltungen befriedigend auszuführen. Beim Aufbau einer in- tegrierten Schaltung kann entweder von einem monolithischen Halbleiterblock ausgegangen werden, in den die zwischen den einzelnen Elementen erforderliche Isolation durch eindiffundierte Zonen bestimmten Leitfähigkeitstyps gebildet wird, oder von mehreren einzelnen Halbleiterscheiben, die entsprechend miteinander verbunden werden.
Bei der monolithischen Ausführungsform hängt die Isolation zwischen einzelnen Elementen vom Leitfähigkeitstyp des zwischenliegenden Materials ab, und bei solchen Schaltungen können über dieses Material elektrische Kopplungen auftreten. Eine solche Kopplung ist bei bestimmten Schaltungen und Anwendungsgebieten tragbar.
In vielen Fällen ist jedoch eine absolute Isolation zwischen den einzelnen Elementen notwendig. In diesen Fällen wird deshalb von Halbleiterscheiben ausgegangen, wobei aber Halbleiterscheiben äusserst kleiner Abmessungen in einem entsprechend komplizierten Vorgang miteinander verbunden werden müssen.
Bei einer in der franz. Patentschrift Nr. 1. 313. 346 beschriebenen Anordnung dieser Art sind jeweils zwei benachbarte Halbleiterscheibchen durch Halbleitermaterial gekoppelt. Ein solcher Aufbau ist mechanisch spröde und das Halbleitermaterial gewährleistet keine gute elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Schaltelementen an den Scheibchen. Bei einer andern bekannten Anordnung, die in der franz. Patentschrift Nr. l. 314. 097 beschrieben ist, sind alle Schaltelemente über einer gemeinsamen Basis gezüchtet, wobei die elektrischen Verbindungen mit den einzelnen Schichten nach üblicher Technik hergestellt werden. Ein solcher Aufbau ist nicht nur spröde und mit unerwünschten Kopplungen durch die Basis behaftet, sondern stellt auch schwierige Probleme hinsichtlich der Herstellung der elektrischen Verbindung der einzelnen Elemente.
Die beschriebenen Verfahren ergeben ausserdem den Nachteil, dass die erreichbare Kompaktheit der Anordnung der einzelnen Schaltungselemente begrenzt ist.
Es ist daher ein Verfahren erwünscht, mit dem die bei der monolithischen Methode erreichbare hohe Kompaktheit der Anordnung der einzelnen Elemente der Schaltung zusammen mit der bei der Scheiben-Methode erreichbaren vollständigen elektrischen Isolation zwischen den einzelnen Elementen erhalten werden kann.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zum Herstellen von mechanisch abgestützten, elektrisch leitenden Anschlüssen an Halbleiterscheiben, bei dem von einer Halbleiterplatte ausgegangen wird, die in eine Vielzahl kleinerer Scheiben unterteilt werden soll, von denen jede einen oder mehrere Elementarbereiche bildet, wobei die Halbleiterplatte an ihrer Oberfläche eine Isolierschicht mit Öffnungen zur
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Ermöglichung von elektrischen Anschlüssen an Elementarbereichen der Scheibe trägt.
Das erfindungsgemässe Verfahren vermeidet die geschilderten Nachteile der bekannten Verfahren zum Herstellen integrierter Schaltungen dadurch, dass an der die Isolierschicht tragenden Oberfläche der Halbleiterplatte ein System von Leiterschienen ausgebildet wird, die je Kontaktteile aufweisen, welche die Isolierschicht und die Öffnungen zwecks Herstellung elektrischer Anschlüsse an den Elementarbereichen überdecken, und die ferner auskragende Verbindungsteile aufweisen, die einstückig mit den Kontaktteilen und mit einer zum mechanischen Abstützen der Halbleiterscheiben ausreichenden Festigkeit ausgebildet sind, worauf jene Teile der Halbleiterplatte, die unterhalb der auskragenden Verbindungsteile zwischen den gewünschten Scheibenumrissen liegen, weggeätzt werden.
Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass es an sich bekannt ist, einerseits an der Oberfläche einer Halbleitereinrichtung mit Isolierschicht Anschlüsse an Öffnungen dieser Isolierschicht anzubringen und anderseits Halbleitereinrichtungen mit elektrischen Anschlüssen zu versehen, die zur mechanischen Abstützung brauchbar sind, doch wären hiefür relativ komplizierte Herstellungsverfahren erforderlich.
Durch die Erfindung wird nicht nur eine gute elektrische, sondern auch eine gute mechanische Verbindung der einzelnen Schaltelemente an den verschiedenen Halbleiterscheiben erreicht, ferner auch eine gute elektrische Trennung zwischen den Halbleiterscheiben und zugleich eine einfache Möglichkeit für die Verbindung der Gesamtanordnung mit äusseren Leitungen.
Die Leiterschienen werden vorteilhaft mehrschichtig ausgebildet, u. zw. bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch Niederschlagen von Titan auf die Halbleiterplatte und nachfolgende Ausbildung einer mittleren Schicht aus Platin sowie einer äusseren Schicht aus Gold.
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ausgebildet werden.
Bevorzugt werden die Leiterschienen zwischen je zwei benachbarten Halbleiterscheiben ausgebildet, wobei an jeder Scheibe ein Kontaktteil vorgesehen wird und ein auskragender Verbindungsteil die beiden Scheiben miteinander verbindet.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Halbleiterscheibe unter Verwendung bekannter Maskier-, satz-fund Diffusionstechniken mit dem Ziel behandelt, eine Anordnung oder eine Mehrzahl einzelner Schaltungselemente entsprechend einer gewünschten Schaltungskonfiguration innerhalb der Scheibe zu erzeugen. Auf einer Fläche der Scheibe wird ein die einzelnen Elemente entsprechend dem gewünschten Schaltungsaufbauverbindendes Metallfilmmuster niedergeschlagen. Dieses Muster wird hiebei auf Oxydabdeckungen, die auf der Oberfläche vorgesehen sind, sowie durch dieselben hindurch auf der Oberfläche aufgebracht. Insbesondere wird hiezu vorteilhafterweise eine MehrfachMetallschichtanordnung, beispielsweise aufeinander folgende Titan-, Platin- und Goldschichten verwendet.
Ausserdem wird die Dicke der Goldschicht in denjenigen Gebieten stark vergrössert, in denen die Begrenzungen zwischen einzelnen Schaltungselementen der integrierten Schaltung liegen. Anschliessend wird die gegenüberliegende Oberfläche der Scheibe entsprechend einem Muster maskiert, das sich in Ausrichtung mit den Elementen der integrierten Schaltung befindet, so dass eine Entfernung des Halbleitermaterials ermöglicht wird, das zwischen den einzelnen Elementen oderbestimmtenEle- mentengruppen liegt. Eine solche Entfernung kann beispielsweise mit Hilfe chemischer Ätzverfahren oder mit Hilfe mechanischen oder elektrischen Bombardements erfolgen. Das gewählte Materialabtragverfahren muss eines sein, das die Begrenzungen der einzelne Elemente überbrückenden Metallverbindungen nicht erodiert. Ein hiefür geeignetes Ätzmittel ist. z.
B. die Fluorwasserstoff-SalpetersäureStandardmischung, die zur Entfernung von Silicium dient. Als Folge dieses Materialabtragverfahrensschrittes wird eine integrierte Schaltungsanordnung erhalten, bei der die einzelnen Elemente oder Scheibchen aus einem einzigen Ausgangsmaterialblock hergestellt worden sind, aber nunmehr einen gewissen Abstand voneinander haben und durch die starken Metallverbindungen mechanisch gehaltert und elektrisch in der gewünschten Weise miteinander verbunden sind.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung beruht in der Nutzanwendung der Entdeckung, dass die Grenzfläche zwischen einer Schicht eines aktiven Metalles, z. B. Titan oder Tantal, und einem dielektrischen Oxyd, z. B. Siliciumdioxyd, eine praktisch unüberwindbare Barriere gegen ein Eindringen schädlicher Substan- zen bildet. Viele Halbleiterbauelemente der Schaltung haben pn-Übergänge, die die Oberfläche schneiden. Demgemäss kann die aktive Oberfläche eines Halbleiterbauelementes, d. h. eine Oberfläche, die durch die Begrenzungen von pn-Übergängen geschnitten wird, hermetisch abgedichtet werden, u. zw. durch zunächst erfolgendes Aufbringen einer Siliciumdioxydschicht, auf der dann eine Schicht eines aktiven Metalles niedergeschlagen wird.
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Darüber hinaus kann ein weiterer Schutz der aktiven Oberfläche erhalten werden durch Aufbringen einer zusätzlichen Schicht eines Kontaktmetalles, z. B. Platin, Silber oder Gold oder einer Kombina- tion hievon, auf der Oberseite der Schicht aktiven Metalles, die die vertikalen Projektionen der darun- ter liegenden pn-Übergänge abdeckt, sowie sich über dieselben hinaus vorerstreckt. Bei einem solchen
Aufbau wird daher ein seitliches, längs der Schichtengrenzflächen erfolgendes Eindringen von Verun- reinigungen durch die Oxyd aktive Metall-Kombination verhindert, während eine in Querrichtung durch die etwas poröse Schicht aktiven Metalles und Oxydschicht hindurch erfolgenden Diffusion durch die äusseren Kontaktmetallbeschichtungen, z. B. durch Platin-, Silber-und/oder Goldschichten ausgeschlos- sen wird.
Bei Verwendung der vorstehend beschriebenen Oxydschichten, Schichten aktiven Metalles und Kon- taktmetalles zur Bildung der starken Metallverbindungen zwischen den einzelnen Halbleiterbauelemen- tenwerden nicht nur eine mechanische Halterung und eine elektrische Verbindung erreicht, sondern die
Halbleiterbauelemente sind zugleich hermetisch in einem einfachen Arbeitsgang abgedichtet worden.
Vorteilhafterweise werden die Halbleiterelemente zunächst mit einer Oxydschicht bedeckt. Anschlie- ssend wird eine Schicht eines aktiven Metalles auf der Oxydschicht zur Bildung einer Metall-Oxyd-
Grenzfläche abgeschieden, die ein Eindringen schädlicher Substanzen zu den pn-Übergängen hin verhindert. Dann wird auf der Oberseite der Schicht aktiven Metalles eine Kontaktmetallschicht abge- schieden und zwischen den Schaltungselementen verdickt, so dass nicht nur die pn-Übergängevor einem Eindringen schädlicher Substanzen geschützt sind, sondern auch zugleich die notwendige Halterung er- zeugt wird, also die einzelnen Schaltungselemente in vorbestimmtem Abstand und vorbestimmter Lage zueinander gehalten werden.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben ; es zeigen : Fig. l eine perspektivische Ansicht, teilweise geschnitten, eines Teiles einer integrierten Schaltung, die entsprechend der Erfindung hergestellt worden ist, Fig. 2 eine Draufsicht auf eine integrierte Schaltung gemäss der Erfindung, Fig. 3 das Schaltbild der Anordnung nach Fig. 2.
In Fig. 1 sind Teile von sechs Scheibchen einer integrierten Schaltung --10-- dargestellt. Es sei bemerkt, dass die Figur im Interesse der Klarheit eine nicht massstabgerechte Vergrösserung darstellt. Es sind nur vier der Scheibchen-11, 12,13 und 14-- so weit dargestellt, dass ihre mechanische und elektrische Verbindung zu sehen ist. Die Teile der Scheibchen --40 und 41-- zeigen die mögliche Weiterführung der Anordnung. Im einzelnen können die Scheibchen-11, 12,13 und 14-- aus einkristallinem Silicium bestehen, sie sind aus einer Scheibe herausgearbeitet, die etwa 0, 076 bis 0, 127 mm dick und etwa 645 mmz gross ist.
Wie aus der Schnittansicht der Fig. l ersichtlich ist, wird die Halbleiterscheibe einer Reihe von Diffusionsschritten mit dem Ziel unterworfen, planare Halbleiterbauelemente zu erzeugen, wie diese für die jeweilige Schaltung gewünscht sind. So weist beispielsweise das letzte Scheibchen --11-- eine n+-Emitterzone --21-- auf, ferner zwischenliegende p- und n-Zonen --22 bzw. 23--, wieder gefolgt von einer als Unterlage dienenden n+-Zone --24--. Der sich hierauf beziehende Herstellungsvorgang soll im einzelnen nicht beschrieben werden, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist. Die hiefür in Frage kommenden Techniken, einschliesslich epitaktische Abscheidung, gefolgt von Maskier- und Diffusionsschritten, sind allgemein bekannt. Ferner sei bemerkt, dass zusätzlich zu aktiven Elementen, z. B.
Transistoren und Dioden, auch passive Elemente, z. B. Widerstände und Kondensatoren, in die Scheibe eingearbeitet, z. B. eindiffundiert, werden und in der Schaltung enthalten sein können. Auch kann ein einziges Scheibchen mehr als ein Schaltungselement enthalten, u. zw. beispielsweise sowohl aktive als auch passive Schaltungselemente.
Auf die Diffusionsbehandlung folgend, wird die Halbleiterscheibe mit einer Metallfilmverbindungsanordnung versehen, die beispielsweise mit Hilfe von aus der Dampfphase erfolgendes Abscheiden durch Metallmasken hindurch oder durch mittels photochemischer Verfahren hergestellter Masken hindurch erzeugt wird. Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, ist jedes einzelne Scheibchen auf einer Seite, ausgenommen die Teile, die mit Metallelektroden versehen sind, mit einem Siliciumdioxydfilm bedeckt.
So ist beispielsweise beim Scheibchen --11-- die Verbindung zur n+-Zone-21-mit Hilfe des abgeschiedenen Metallfilmes --18-- erfolgt und zur p-Zone --22-- mitHilfe desMetallfilmes --17--. Eine Verbindung zur n+-Zone-24-- geschieht über den Metallelektrodenteil-25--. Eine Verbindung zu benachbarten Halbleiterbauelementen ist, wie aus den Zeichnungen hervorgeht, beispielsweise im Falle der Elektrode --18-- mit Hilfe des verdickten Metallteiles --19-- zur Oberfläche des benachbarten Scheibchens --12-- hergestellt. Die Verbindung von der Elektrode --17-- erfolgt über den verdickten Metallteil --20-- zur Oberfläche des Scheibchens --14--. In ähnlicher Weise verläuft eine Verbindung
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wird.
Aktive Metalle, auf die vorliegend allgemein Bezug genommen wird, stehen in den Gruppen IVa, Va und VIa des periodischen Systems. Die aktiven Metalle umfassen insbesondere Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Tantal, Niob und Chrom. Die Grenzfläche zwischen Oxyd und einem dieser aktiven Metalle oder einer Kombination derselben bildet, wie gefunden worden ist, eine praktisch unüberwind-
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--19-- wird100000 dick und erzeugt die mechanische Stabilität zum Halten der getrennten Schaltungselemente in gegenseitigem Abstand voneinander und sorgt zugleich für die gewünschte elektrische Verbindung derselben. Es wird daher durch die Verwendung des vorstehend beschriebenen Oxyd-Metall-Schichtauf- baues ein hermetischer Abschluss erhalten, wobei gleichzeitig die einzelnen Elemente elektrisch mit- einander verbunden und mechanisch gehaltert sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen von mechanisch abgestützten, elektrisch leitenden Anschlüssen an Halbleiterscheiben, ausgehend von einer Halbleiterplatte, die in eine Vielzahl kleinerer Scheiben unterteilt werden soll, von denen jede einen oder mehrere Elementarbereiche bildet, wobei die Halbleiterplatte an ihrer Oberfläche eine Isolierschicht mit Öffnungen zur Ermöglichung von elektrischen Anschlüssen an Elementarbereichen der Scheibe trägt, dadurch gekennzeichnet, dass an dieser Oberfläche ein System von Leiterschienen (18 bis 20,25 bis 27) ausgebildet wird, die je Kontaktteile (18,17, 25 und Teile von 19,20, 26) aufweisen, welche die Isolierschicht (16) und die Öffnungen zwecks Herstellung elektrischer Anschlüsse an den Elementarbereichen (21, 22. 24) überdecken,
und die ferner auskragende Verbindungsteile (Teile von 19, 20, 26) aufweisen, die einstückig mit den Kontaktteilen und mit einer zum mechanischen Abstützen der Halbleiterscheiben (12,11, 13) ausreichenden Festigkeit ausgebildet sind, worauf jene Teile der Halbleiterplatte, die unterhalb der auskragenden Verbindungsteile zwischen den gewünschten Scheibenumrissen liegen, weggeätzt werden.