DE2719731A1

DE2719731A1 - Mehrschichtschaltung

Info

Publication number: DE2719731A1
Application number: DE19772719731
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Lazzari
Original assignee: CII HONEYWELL BULL
Current assignee: CII HONEYWELL BULL
Priority date: 1976-05-06
Filing date: 1977-05-03
Publication date: 1977-11-17
Also published as: IT1206367B; FR2350697B1; FR2350697A1; NL7704945A; GB1527199A; US4311727A; JPS617740B2; JPS52139958A; US4350743A; US4189524A

Description

Patentanwälte

Dtpl.-!ng. Dlpl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernebergerstrasee 19

8 München 60

3. Mai 1977

COMPAGNIE INTERNATIONALE POUR L'INPORMATIQÜE CII- HONEYWELL BULL
94, Avenue Gambetta
PARIS (20) / Frankreich

Unser Zeichen: C 3137

Mehrschichtschaltung

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Struktur von Mehrechichtschaltungen, die in wesentlichen für den Aufbau von miniaturisierten elektronischen Bauelementen bestimmt sind.

Derartige Mehrschichtschaltungen sind normalerweise aus einem Stapel von abwechselnd leitenden und isolierenden dünnen Schichten gebildet, die auf irgendeine geeignete Weise (chemisch, aus wässriger Lösung, im Vakuum oder dergl.) übereinanderliegenä gebildet werden; mit der Erfindung sollen Mängel beseitigt werden, die bei jeder der herkömmlichen Arten der Bildung der Schichten entstehen.

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Die dünnen Schichten können je nach Bedarf im Verlauf ihrer Ausbildung bei der Herstellung des Stapels so geformt werden, daß die gewünschten Konfigurationen einer räumlichen elektrischen Schaltung erhalten werden. Der Ausdruck "dünne Schicht" ist hier im Sinne der üblichen Dünnschichttechnik zu verstehen: Es handelt sich um Schichten, deren Dicken zwischen einigen hundert Angström und einigen Mikron (weniger als 10 Mikron) liegen können.

Ein besonderes Problem bei Dünnschichtschaltungen ist die Entstehung von Kurzschlüssen sowohl im Verlauf der Fertigung als auch im Betrieb. Dieses Problem ist von besonderer Bedeutung, weil es nicht nur die Fertigungsrentabilität beeinflußt, sondern auch die Zuverlässigkeit der Produkte.

Ganz allgemein ist es erwünscht, daß die leitenden Sohichten in den Mehrschichtschaltungen möglichst dick und die dazwischenliegenden Isolierschichten möglichst dünn sind, damit der elektrische "Wirkungsgrad" möglichst groß ist. Kurzschlüsse treten umso häufiger auf, je dünner die isolierenden Schichten sind, was unmittelbar zu verstehen ist. Es ist aber auch festzustellen, daß die Häufigkeit von Kurzschlüssen mit der Dicke der leitenden Sohichten wächst, was eine Erklärung erforderlich machen kann:

Unabhängig von der angewendeten Technik für die Bildung der Schichten verschlechtert sich der Oberflächenzustand einer leitenden Schicht umso mehr, je mehr ihre Dicke wächst. Das Dickenwachstum ist nämlich in allen Fällen kristallin, und die Größe der Kristalle nimmt mit der Dicke schnell zu, insbesondere unter der Wirkung der

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darin entstehenden Zwillingskristalle und der Anhäufung von Fehlern im mikroskopischen Maßstab, die in den meisten Fällen von kleinen kristallinen Verwachsungen stammen. Eine sehr dünne Schicht reproduziert aber sehr getreu den Oberflächenzustand des "Substrats", auf das sie aufgebracht ist. Wenn also eine sehr dünne isolierende Schicht auf einer dicken leitenden Schicht gebildet wird, die aus den zuvor angegebenen Gründen einen schlechten Oberflächenzustand hat, gibt die sehr dünne Isolierschicht alle Mängel der leitenden Schicht wieder, und sie weist Dickenänderungen auf, die sehr leicht bis zum Entstehen von Mikroporositäten führen können, was das Erscheinen von Kurzschlüssen zur Folge hat.

Diese Gefahr des Entstehens von Kurzschlüssen bei der Fertigung erzwingt also eine nicht vernachlässigbare Begrenzung des Verhältnisses der Dicken der leitenden und der isolierenden Schichten in den Mehrschichtschaltungen.

Die Mehrschichtschaltungen müssen aber auch während des Betriebs der Anlagen, in die sie eingebaut sind, oft beträchtliche Temperaturerhöhungen aushalten, die beispielsweise etwa 450° C erreichen können. Die Leitermaterialien, die wegen ihres für die Übertragung elektrischer Ströme günstigen geringen spezifischen Widerstandes in den Mehrschichtschaltungen üblicherweise verwendet werden, sind die vier Metalle Kupfer, Aluminium, Silber und Gold. Alle diese üblichen Metalle weisen einen verhältnismäßig großen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf (der beispielsweise bei Kupfer 14 · 10 /⁰C beträgt), und sie kristallisieren bei erhöhter Temperatur leicht aus, wobei die Korngröße schnell zunimmt. Die Gitter der kristallinen Struktur erleiden daher beträchtliche

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mechanische Spannungen, wodurch Risse und Sprünge entstehen können. Somit kann eine Metall-Isoliermaterial-Metall-Struktur ein Kurzschluß werden, wenn sie einer Temperaturerhöhung ausgesetzt war, welche die kristalline Eigenstruktur des Metalls verändert hat.

Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile und insbesondere die Schaffung von Mehrschichtschaltungen, die jedes gewünschte, beliebig große Verhältnis zwischen den Dicken der leitenden Schichten und der Isolierschichten aufweisen können. Das Problem der Temperaturerhöhungen ist gegenüber den Isolierschichten nicht in Betracht zu ziehen, da die üblichen Materialien der Isolierschichten bei den Temperaturen, die für die Betriebssicherheit der Schaltungen in Betracht zu ziehen sind, eine sehr große Wärmefestigkeit haben.

Zur Lösung der zuvor angegebenen Aufgabe weisen die Mehrschichtschaltungen nach der Erfindung eine neuartige Struktur auf, die im wesentlichen darin besteht, daß zwischen jeder dicken Schicht aus einem Leitermaterial mit geringem spezifischem Widerstand und verhältnismäßig großem Wärmeausdehnungskoeffizient und wenigstens der Isolierschicht, die die Leiterschicht von der nächsten dicken Leiterschicht im Stapel trennen soll, eine dünne Leiterschicht aus einem metallischen Leitermaterial eingefügt ist, dessen spezifischer Widerstand im Vergleich zu demjenigen des die eigentlichen Leiter der Mehrschichtschaltung bildenden Leitermaterials mit geringem spezifischen Widerstand verhältnismäßig groß ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient wenigstens im Bereich der Anwendungstemperaturen der Schaltung klein ist, und dessen Kristallgitter und Kristallform denjenigen des Leitermaterials mit geringem spezifischem Widerstand wenigstens ähnlich sind.

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Die zusätzliche dünne leitende Schicht mit den zuvor angegebenen Eigenschaften kann entweder nur auf einer Seite der dicken leitenden Schicht aufgebracht werden, nämlich auf der Seite, an der anschließend eine dünne Isolierschicht "bei der fortlaufenden Bildung des Stapels angebracht wird; es kann jedoch für das endgültige Ergebnis auch als günstiger angesehen werden, jede dicke leitende Schicht zwischen zwei derartige zusätzliche dünne Schichten einzufügen, insbesondere im Hinblick auf die Erwärmungen bei der Anwendung der Schaltungen.

Die Ausbildung der zusätzlichen dünnen leitenden Schichten gewährleistet, daß jede sehr dünne Isolierschicht im Stapel auf ein "Substrat" mit sehr gutem Oberflächenzustand aufgebracht wird und somit in diesem Stadium keine merkliche Mikroporosität aufweist, ungeachtet der Tatsache, daß das Verhältnis ihrer Dicke im Vergleich zu derjenigen der Leiterschicht mit geringem spezifischem Widerstand, über der sie sich befindet, so groß ist, wie dies für den gesuchten Zweck erwünscht sein kann, d.h. für die Stromstärke, welche die Schaltung im Betrieb führen muß. Die Wahl des Materials der zusätzlichen leitenden Schichten gewährleistet zumindest, ja verstärkt sogar, die mechanische Homogenität der Mehrschichtschaltung wegen der kristallographischen Verwandtschaft zwischen den Leitermaterialien der dicken und dünnen Schichten. Wenn ferner die Bildung der Schichten unter Wärmeanwendung erfolgt, was insbesondere beim Aufdampfen im Vakuum oder in kontrollierter Atmosphäre der Fall ist, kann die Bildung einer zusätzlichen Leiterschicht, die in kristalliner Hinsicht thermisch stabiler ist, in gewissem Grade eine Verringerung der Fehlstellen gewährleisten, die bei der Bildung der darunterliegenden Lederschicht mit geringerem

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spezifischem Widerstand entstehen konnten: Das "zusätzliche" Material wird nämlich von dem Material der darunterliegenden Leiterschicht über eine gewisse, vorhersehbare Dicke "dotiert", und im Verlauf dieser Dotierung werden die Zwillingskristalle an der Oberfläche der aufgebrachten Schicht dadurch zerstört, daß ihr Material sich beim Dotieren mit den Kristallen des zusätzlichen Leitermaterials über die erwähnte Dicke kombiniert. Ferner ergibt die Einfügung des zusätzlichen Leitermaterials einen weiteren Vorteil: Die Möglichkeit der Oxidation des Leitermaterials mit geringem spezifischem Widerstand ist ganz allgemein sehr viel größer als diejenige des Materials der Zwischenschicht mit großem spezifischem Widerstand. Bei der Bildung der Isolierschicht, die bei dem Aufbringen durch Aufdampfen in kontrollierter Atmosphäre auf der Grundlage eines Oxids erfolgt, konnte der erforderliche Sauerstoff eine Oberflächenoxidation der Schicht aus dem Leitermaterial mit geringem spezifischem Widerstand verursachen, und dies trat auch ein. Dieser Nachteil wird durch die zusätzliche Schicht vermieden.

Die Ausbildung der zuvor erwähnten "Sandwich"-Struktur ergibt eine weitere Verringerung der Häufigkeit der angegebenen Mängel, die bei den "normalen" Leiterschichten von Mehrschichtschaltungen auftreten.

Wenn dann bei der Verwendung eine Mehrschichtschaltung nach der Erfindung eine beträchtliche Erwärmung erleidet, die beispielsweise, wie erwähnt, bis zu 450⁰C gehen kann (was in der Praxis als Grenzwert angesehen wird), ergibt diese Erwärmung keine Zerstörung der elektrischen Isolation, sondern sie verhält sich wie eine einfache "Wärmebehandlung", die lediglich die zuvor erwähnte Dotierung verstärkt und die Mehrschichtanordnung als Ganzes gegenüber Kurzschlüssen stabilisiert, also auch gegenüber 709846/ 1019

s'päteren Erwärmungen. Die "nutzbare" Dicke der Schichten mit geringem spezifischem Widerstand kann für die normale Stärke der elektrischen Ströme bei der Anwendung der Mehrschichtschaltungen in Abhängigkeit von einem in der Praxis bekannten Wert berechnet werden, nämlich der Leichtigkeit der Dotierung des zusätzlichen Materials durch das in thermischer Hinsicht weniger stabile Material, das somit in das zusätzliche Material eindiffundiert,

Man kann also beispielsweise vorsehen, daß vor jeder Auslieferung und praktischen Anwendung eine nach der Erfindung ausgebildete Mehrschichtschaltung systematisch einer Wärmebehandlung bei dieser maximalen Temperatur unterzogen und dann geprüft wird; wenn dann kein Kurzschluß aufgetreten ist, besteht eine sehr große Wahrscheinlichkeit für die Zuverlässigkeit der Mehrschichtanordnung im Verlauf der späteren Verwendung.

Zum besseren Verständnis kann ein Beispiel betrachtet werden, bei dem das Leitermaterial mit geringem spezifischem Widerstand, das die leitenden "dicken" Schichten bilden soll, Kupfer ist, das Material der zusätzlichen Schichten Chrom ist, und das Isoliermaterial Siliciumdioxid ist. Chrom und Kupfer haben "ähnliche" kristallographische Bezugsgrößen: Kupfer kristallisiert kubisch flächenzentriert, Chrom kristallisiert kubisch raumzentriert, und die Gitterabstände sind bei den beiden Materialien ähnlich. Chrom dehnt sich bekanntlich bei einer Temperatur, die etwa 450° C nicht überschreitet, nicht merklich aus. Es oxidiert nur wenig unterhalb dieser Temperaturgrenze, wenn es in oxidierender Atmosphäre erwärmt wird.

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Man stellt dann eine gewisse Anzahl von Mustern der Mehrschichtschaltung, beispielsweise zweihundert, in zwei Serien her. In der ersten Serie wird nur die übliche Struktur angewendet: regelmäßig abwechselnde "dicke" Kupferschichten mit einer Dicke von 1 bis 4 Mm und "dünne" Isolierschichten mit einer Dicke in der Größenordnung von wenigstens 800 Ä aus Siliciumdioxid. In der zweiten Serie wird die Erfindung dadurch angewendet, daß jede "dicke" Schicht der zuvor angegebenen Art von jeder dünnen Isolierschicht durch eine dünne Zwischenschicht aus Chrom mit einer Dicke in der Größenordnung von 2000 Ä getrennt wird.

Man kann dann feststellen, daß bei den Mehrschichtanordnungen der ersten Serie der Ausschuß nach der Fertigung in der Größenordnung von 8 <f» liegt und auf wenigstens 96 i* geht, wenn man anschließend eine "Wärmebehandlung" der zuvor angegebenen Art vornimmt. Bei den Mehrscfciichtanordnungen der zweiten Serie liegt dagegen der Ausschuß anfänglich in der Größenordnung von 2 $, und er geht nach der'Wärmebehandlung" nur auf etwa 15 $>·

Das zuvor angegebene Beispiel, bei dem die Leitermaterialien Kupfer und Chrom sind, ist natürlich nur zur Erläuterung angegeben. Es kann sowohl in kristallograptiischer Hinsicht als auch in elektrischer und thermischer Hinsicht eine verhältnismäßig große Auswahl zur Verfügung stehen, doch treten dann gewisse Einschränkungen bei dieser Auswahl auf:

einerseits je nach dem gewählten Verfahren zum Aufbringen der Schichten;

andrerseits in Abhängigkeit davon, ob die Verwendung von magnetischen Materialien im Stapel zulässig ist oder nicht,

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Von dem zweiten Gesichtspunkt aus werden nämlich alle magnetischen Materialien ausgeschieden, die sonst verwendbar wären, wie Beta-Kobalt oder Nickel, außer wenn, im Verlauf der Herstellung eine derartige Dotierung vorgenommen wird, daß diese Materialien in der endgültigen Form unmagnetisch sind, was gegebenenfalls durch Einführung eines zusätzlichen dotierenden Elements erfolgen kann, das*eine solche Umwandlung bewirkt.

Für die Herstellung der MehrSchichtschaltungen durch Aufdampfen in kontrollierter Atmosphäre werden natürlich die Stoffe ausgeschieden, die "schlecht verdampfen"; dies gilt insbesondere für Metalloide, wie Strontium, Kalzium, Thallium, Rhodium, auch wenn ihre übrigen Eigenschaften mit der praktischen Anwendung der Erfindung bei anderen Auftragsverfahren vereinbar wären.

Von den (einfachen) Stoffen, die wie Kupfer oder auf ähnliche Weise kristallisieren, verbleiben nach Anwendung der zuvor erwähnten Ausscheidungskriterien nur Chrom, in der Beta-Form aufgebrachtes Titan und Vanadium bei einer Fabrikation, die das Aufdampfen in konditionierter Atmosphäre anwendet, wenn Kupfer als das "normale" Leitermaterial in den Mehrschichtanordnungen verwendet wird.

Dagegen wird die Verwendung von Aluminium als Material mit geringem spezifischem Widerstand erleichtert, da es nach Bedeckung mit den zusätzlichen dünnen Schichten gemäß der Erfindung beim anschließenden Aufbringen der Schichten aus Siliciumdioxid nicht mehr oxidiert, was bisher die Verwendung von Aluminium erschwert hat.

Es ist zu bemerken, daß die Verwendung von Stoffen oder Legierungen, deren Kristallographie derjenigen der

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Materialien mit geringem spezifischem Widerstand ähnlich, aber nicht damit identisch ist, dadurch ermöglicht wird, daß zumindest beim Aufdampfen im Vakuum die beim Aufbringen dünner Schichten bekannte Erscheinung der Epitaxie eintritt; diese Erscheinung besteht darin, daß ein erneut aufgedampfter Stoff die Gitterstruktur des dann das Substrat bildenden Stoffes zu "kopieren" sucht.

Die Dicken der zusätzlichen Schichten brauchen bei der praktischen Anwendung der Erfindung etwa 5000 S nicht zu überschreiten, ebenso wie dies bei den Dicken der Isolierschichten nicht erforderlich war und auch jetzt nicht erforderlich ist, und auf keinen Fall braucht eine Dicke von einem Mikron überschritten zu werden; wenn auch die Dicken dieser Schichten nicht kritisch sind, wird dadurch auf jeden Fall die Verschwendung von Material bei der industriellen Herstellung vermieden.

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Claims

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

3. Mai 1977

COMPAGNIE INTERNATIONALE POUR L¹INFORMATIQUE CII- HONEYWELL BULL
94, Avenue Gambetta
PARIS (20) / Frankreich

Unser Zeichen: C 3137

Patentansprüche

λ) Mehrschichtschaltung mit einem Stapel aus dünnen leitenden Schichten, die abwechselnd mit dünneren isolierenden Schichten angeordnet sind, wobei die Mehrschichtschaltung im Betrieb Temperaturänderungen in einem vorbestimmten Temperaturbereich ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede dünne leitende Schicht ihrerseits aus einem Stapel von übereinanderliegenden Schichten besteht, der wenigstens eine Schicht aus einem ersten Leitermaterial geringen spezifischen Widerstands mit in dem vorbestimmten Temperaturbereich merklicher Wärmeausdehnung und wenigstens eine dünnere Schicht aus einem zweiten Leitermaterial mit merklich höherem spezifischem Widerstand und in dem vorbestimmten Temperaturbereich praktisch vernachlässigbarer Wärmeausdehnung enthält, und daß die kristallographischen Bezugsgrößen der beiden Leitermaterialien hinsichtlich Kristallformen und Kristallgittern von sich aus und/oder epitaktisch kompatibel sind.

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ORIGINAL INSPECTED

2. Mehrschichtschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht aus dem ersten Leitermatieral zwischen zwei Schichten aus dem zweiten Leitermaterial eingefügt ist.

3. Mehrschichtschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Leitermaterial Kupfer, Aluminium, Silber, Gold oder eine Legierung aus diesen Metallen ist, und daß das Isoliermaterial ein für Temperaturänderungen im vorbestimmten Temperaturbereich unempfindliches keramisches Material ist.

4. Mehrschichtschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Leitermaterial Chrom, Beta-Titan, Vanadium oder eine Legierung dieser Metalle ist.

5. Mehrschichtschaltung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Leitermaterial Nickel oder Kobalt ist, das mit einem Dotierungsmaterial dotiert ist, das die magnetischen Eigenschaften inhibiert

6. Mehrschichtschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial das erste Leitermaterial ist.

7. Mehrschichtschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial im Verlauf einer Wärmebehandlung in das zweite Leitermaterial eindiffundiert ist.

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