Безкорпусная герметизация полупроводниковых приборов

p> Свойства защитных плёнок Si3N4 зависят от P/S, то есть от количества энергии, приходящейся в единицу времени на единицу поверхности мишени. В качестве травления для плёнок нитрида кремния используют состав из семи частей смеси 4%-го водного раствора NH4F и одной части 49%-ой HF. Скорость осаждения плёнок возрастает с увеличением P/S и приблизительно пропорционально квадрату P/S. Скорость травления, наоборот, уменьшается с возрастанием P/S.

Защита p-n-переходов легкоплавкими стеклами

Для защиты полупроводниковых приборов функциональные поверхности активных элементов p-n-переходов защищают слоем стекла, который связывает мигрирующие ионы, улучшает надежность приборов и герметизирует переход от внешних воздействий. Стеклом защищают большинство типов p-n-переходов: планарные, сплавные, диффузионные, так как окисная пленка полностью их не защищает от проникновения влаги . Состав стекла выбирают в зависимости от типа прибора и режима его сборки. КТР стекла и рабочая температура изменяются в зависимости от исходных компонентов.

Слой защитного стекла наносят как на чистую поверхность полупроводника с p-n-переходом, так и на слой окисла или пассивированную поверхность. Кроме того, стеклом защищают готовые диоды и транзисторы. В этом случае для укреплении всей структуры прибора стекло наносят на часть металлических выводов, смежных с полупроводниковым материалом. Пленка стекла защищает от утечек тока по поверхности, а также служит в качестве эффективных химического и механического барьеров против миграции примесных ионов в пассивированный слой полупроводника. Действие легкоплавких стекол не ограничивается простой защитой от внешних воздействий. Стекло в жидком состоянии действует как гетер металлических ионов, оставшихся на поверхности кристалла.

Ниже приведены некоторые составы легкоплавких стекол, применяемых для защиты p-n-переходов.

Состав1. Халькогенидное стекло, которое содержит 24% мышьяка, 67% серы, 9% йода. Готовят это стекло в нейтральной атмосфере при 500-6000С, а наносят на кристалл при 250-3000С в течении 1 мин.

Состав 2. Стекло, которое содержит модификатор, кремнезем и соли борной кислоты. Модификатор состоит из окиси алюминия с концентрацией 5-24% и цинка или кадмия, а также может включать окись бериллия. Общая концентрация модификатора в стекле не должна превышать 40%.

Состав 3. Боросиликатное стекло. Которое содержит 80 % оксида кремния, 14 % окиси бора и 6% вольфрама. Стекло наносят испарением в вакууме при 200 С и образующая плёнка обладает большой механической прочностью и высокой стойкостью к термоциклированию в диапазоне температуре от –196 до +100 С без проявления микротрещин.

Состав 4. Стеклянную плёнку на поверхности полупроводникового кристалла создают нагреванием его в течение 1-3 ч при температуре 400–700 С в среде, содержащей кислород, пары окислов или галоидов свинца, сурьмы и других металлов. Внедрение атомов свинца или сурьмы в решётку O–Si–O или
O–Ge–O ослабляет процесс окисления поверхности кристалла с образованием плёнки стекла.

Состав 5. Для защиты кремниевых приборов используют порошкообразное стекло , состоящие из 50% окиси свинца, 40 % окиси кремния и 10% окиси алюминия, а для защиты германиевых приборов — 60% окиси свинца, 30% окиси кремния и 10% окиси алюминия. Состав приготавливают из суспензии в дистиллированной воде, наносят на поверхность кристалла и сплавляют при температуре 1000 С. Наносят стекло методами центрофугирования, седиментации суспензии или осаждения из паровой фазы.

Состав 6. На поверхность полупроводникового кристалла наносят смесь микропорошков со спиртом или другим летучим наполнителем, которая включает
70% окиси кремния, 20% окиси бора, 5% окиси лития, натрия или калия, 5% окиси алюминия или свинца. После термообработки в вакууме при температуре
300 С в ткчение15 минут образуется стеклообразная плёнка толщиной 1 мкм, на поверхности которой разложением этилокремниевой кислоты наращивается плёнка окиси кремния, которую сплавляют с нижним слоев стекла при темературе
700–900 С . В результате образуется стеклянная плёнка, имеющая следующий состав: 80% окиси кремния, 18% окиси бора, 2% щелочных метал0лов и окислов типа Al2O3 или PbO.

Состав 7. На поверхность кремния наносят окисный слой Al2O3*SiО2, а на него осаждают соединение типа Ai( OcnH2n+1)*Si(OcnH2n+1), где n=
1,2,3,4. При нанесение плёнок стекла на окислые слои толщиной менее 200нм возможно проникновение ионов из стекла через окисный слой к поверхности р-п- перехода, чувствительной к их воздействию. По мере проникновения ионов к поверхности р-п-перехода, на этой поверхности могут возникать каналы, которые увеличивают нестабильность приборов, поэтому эти стеклянные плёнки не очень эффективны в качестве защитных для ионночувствительных поверхностей различных приборов.

Состав 8. Боратное стекло— наиболее перспективное, так как отличается низкой электропроводностью и малыми диэлектрическими потерями, высокой механической прочностью, а также термической и климатической стойкостью.
Боратное стекло имеет структуру, отличающуюся от структуры силикатных стёкол, и способно выдерживать умеренные концентрации катионов (например, натрий до 0,1%), не увеличивая электропроводимость. Боратное стекло отвечает требованиям герметизации полупроводниковых приборов: свободно от щелочных металлов, уплотняется (спаивается) при температуре до 800С, относительно инертно и водонепроницаемо, имеет регулируемые коэффициенты температурного расширения.

Боратные стёкла состоят из бората цинка, окиси цинка, окиси кадмия, окиси алюминия, окиси кремния. Кроме того, они могут включать окись бериллия и в небольших окись титана, циркония, ниобия, лантана, церия, скандия, гафния, галлия, индия и их смеси. Эти составы стойки к расстёклыванию в широком диапазоне температур и обладают полной смешиваемостью составных частей.

В качестве примера можно привести следующий состав стекла этого типа:
22–25 % окиси кремния, 32–38% бората цинка, 12–20% окиси алюминия, 15–30% окиси цинка. Такое стекло обладает коэффициентом температурного расширения, равным 38 *10-7/С в диапазоне температур от ) до 200 С. Толщина плёнки стекла от 1 до 20 мкм. На рисунке 40 показана диаграмма тройной композиции: окись цинка – окись бора– двуокись кремния.

Состав 9. Составы стёкол этого типа приведены в таблице 26 и включают тройные композиции: мышьяк–сера–талий и мышьяк–силен–талий .

В качестве добавки к составу As-S-Tl, As-Se-Tl может быть использован германий, введение которого в определённых пропорциях позволяет изменять
КТР стекла. Кроме того, стекло состава As-Se-Tl-Ge обладает высоким электрическим сопротивлением и способностью к испарению в вакууме.
Температура размягчения его равна 250–300 С.

Состав 10. Стекло содержит 80,6% окис кремния, 4,15% окис натрия,
2,5% окиси алюминия, 12,6% окиси бора, 0,1 % окиси кальция, 0,05% окис магния, обладает КТР равный КТР кремния, и высокой адгезионной способностью. Стекло наносят на поверхность полупроводникового кристалла в виде суспензии, мелких частичек в жидкости. Для получения суспензии стекло размельчают до размера 0,1-2 мкм в шаровой мельнице и разводят в метиловом спирте, ацетоне или воде.

Наиболее благоприятные результаты по однородности защитных плёнок могут быть получены при использовании в качестве жидкого компонента жидкости, имеющей диэлектрическую постоянную в интервале от 6 до 12. В качестве примера можно рекомендовать смесь, состоящую из 10 куб. см изопропилового спирта, 3 см3 вторичного бутилового спирта, 64 см3 третичного бутилового спирта, 23 см3 бензина, и имеющую диэлектрическую постоянную равную 10.

Сплавление стеклянных частиц с поверхностью полупроводникового материала происходит в течение 5-10 минут при температуре на 25-80 С выше температуры размягчения стекла. После сплавления на поверхности кристалла образуется однородная, свободная от пор, тонкая стеклянная плёнка.

Порошок стекла С-44-1 применяется для получения защитных диэлектрических плёнок в производстве гибридных и монолитных интегральных микросхем методом термического вакуумного напыления с непрерывной подачей на испаритель. Цвет порошка от серого до темно-серого. Размер частиц от
0,04 до 0,09 мм. Диэлектрическая проницаемость плёнок стекла на частоте 102-
106 Гц равна 5, а тангенс угла диэлектрических потерь на той же частоте –
0,005, электрическая прочность 3*106 В/см, температурный коэффициент ёмкости в интервале температур от –60 до +125 С на частоте 106 Гц равен
(от 10 до 25)*10-5 1/С.

Порошок боросиликатного стекла B2O3*SiO2 применяется для получения защитных диэлектрических плёнок в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем методом бункерного вакуумного напыления. Химический состав порошка 80-85 % окиси кремния и 15-20% окиси бора. Микропримеси не превышают : алюминия 10-1, висмута 10-2, железа 10-1, марганца 5*10-2 , меди 10-1 , никеля 10-2 , магния 5*10-2 , олова 5* 10-2 , свинца 0,05, серебра 0,01, титана 0,05, хрома 0,1, цинка 0,01%. Плёнки из такого стекла имеют удельное объёмное сопротивление 1014–1016 Ом*см , дитэлектрическую проницаемость на частоте 102-108 Гц, равную 4, тангенс угла диэлектрических потерь на той же частоте, равен (от 2 до 7)*10-4, электрическую прочность
(от2 до 5)* 106 В/см, ткр ёмкости в интервале температур от –60 до + 125
С, равный от 1*10-5 до 3*10-5 1/С. Толщина плёнок от 0,2 до 5 мкм.

Гранулят стекля С48-7 применятся для защиты кремниевых меза-структур.
В состав стекла входит 31% окиси кремния, 10,8% окиси бора, 7,5% окис алюминия, 6, 1% окиси цинка и 44,7% окиси свинца . Коэффициент линейного расширения в интервале температур от 20 до 300 С равен 48*10-7 1/С.
Температура размягчения 530 С. Термическая стойкость не ниже 160 С. удельное объёмное сопротивление при 400 С равно 2,5*1010 Ом*см. Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 МГц и температуре 20 С равен 9*10-
4, а диэлектрическая проницаемость равна 8. Материал представляет собой куски стекла произвольной формы с размерами не более 5 мм.

Стёкла С52-1 и С52-2 — боросиликатная композиции, обладающие химической стойкостью. Стекло С52-1 отличается от стекла С52-2 пониженным содержанием окиси алюминия. Увеличение содержания окиси алюминия несколько снижает электрическое сопротивление стекла и увеличивает его вязкость при высоких температурах. Для компенсации этого влияния в состав стекла вводят окислы бария и лития. Крупные ионы бария уменьшают подвижность щелочных ионов и этим повышают электрическое сопротивление стекла, а ионы лития снижают его вязкость при высоких температурах, облегчая процесс стеклования. Температурный коэффициент стёкол одинаков и равен 52*10-7 1/С.
Температура размягчения соответственно ровна 585 и 580 С, термостойкость –
180 и 190 С, диэлектрическая проницаемость – 6 и 5,8, а тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 МГц равен 40 и 45.

Операция нанесения стекла на поверхность полупроводниковых пластин или кристаллов хорошо вписывается в общий технологический процесс изготовления приборов групповыми методами, легко поддаются автоматизации и механизации. Защита полупроводниковых приборов и интегральных схем стеклом часто проводится комплексным методом, то есть стекло используют в сочетании с другими защитными покрытиями : плёнками окиси нитрида кремния или окиси металлов , что позволяет добиться высоких электрических характеристик приборов.

Защита поверхности p-n-переходов силанированием.

В последнее время широкое применение получил метод силанирования, позволяющий добиться более надёжной защиты поверхности p-n-переходов и стабилизации электрических параметров . При силанировании на поверхности р- п-перехода получают тонкие плёнки , которые обладают высокой влаго- и газонепроницаемостью, инвертностью к различным химическим реагентам., высокой адгезионной способностью. Термостойкостью (до 300 С) – главная отличительная особенность плёнок. Наиболее перспективными являются диметил- и триметилземещённый силан. Недостатком метилзамещённых силанов являются выделение при силанировании хлористого водорода, который взаимодействует с элементами, образующими р-п-переход, например алюминий. Образующийся хлористый алюминий очень гидроскопичен и может шунтировать р-п-переход.

При на несении силановых плёнок важными факторами являются кислотность среды и чистота исходного продукта, от которых зависят молекулярный вес силана и однородность его химического состава. Существует ряд способов нанесения силановых плёнок (при условии предварительного увлажнения поверхности р-п-переходов):
1. погружение в жидкие метилхлорсиланы;
2. погружение в растворы метилхлорсиланов или их смеси;
3. выдержка в парах силанов или их смесей.

Первый способ даёт лучшие результаты, но при его использовании создаётся высокая концентрация хлористого водорода, который интенсивно разрушает алюминий. Этот же недостаток неизбежен и при силанировании из газовой фазы, что отрицательно влияет на сплавные кремневые приборы, имеющие алюминиевые электроды. Используя способ силанирования р-п-переходов поргружением в растворы, можно устраивать некоторые недостатки двух других способов. Этот способ позволяет:
. регулировать концентрацию метилхлорсиланов;
. удалять продукты реакции из сферы реакции, подбирая соответствующий растворитель;
. улучшать технологичность процесса, поскольку есть возможность вводить добавки, нейтрализующие соляную кислоту;
. создавать гомогенную среду для поликонденсации плёнки, так как в растворитель переходят продукты гидролиза.

В качестве растворителей обычно применяют ксилиол, толуол и бензол.
Большое значение при создании силановой плёнки имеет толщина водного покрытия и стабильность давления паров воды над увлажняемой поверхностью.
Кроме того, не меньшее влияние на толщину плёнки имеет структура поверхности, её химический состав, степень гидрофильность.

Силанирование не только закрепляет существующую структуру поверхности, но и в некоторых случаях улучшает электрические параметры переходов, поскольку при нанесении плёнок устраняются структурные дефекты поверхности..

Технологический процесс нанесения защитной силановой плёнки состоит в следующем. После травления в кислотном травителе и промывки в деонизированной воде кристаллы с р-п-переходами погружают в жидкость органозамещённого силана на время, в течение которого происходит полное смачивание поверхности. Обычно используют смесь метилхлорсилана и двух частей триметилхлорсилана. Реакция этой смеси в влагой, которая имеется на поверхности кремниевого кристалла, вызывает разложение соляной кислоты и образование тонкой защитной плёнки.

Разновидностью процесса силанирования является получение защитных плёнок пиролитическим осаждением органокремниевых соединений. Кристаллы помещают в молибденовую лодочку, расположенную на нагревателе в кварцевой реакционной трубе, через которую пропускают гелий, предварительно насыщенный тетраэтоксимоносиланом. Температура нагревателя поддерживается равной 800 с. Скорость пропускания газовой смеси над пластинами с р-п- переходами выбирают от 50 до 60 м/ч. Толщина изолирующей плёнки 25 000 А.
Скорость выращивания плёнок 800 А/мин.

Затем наносят второй слой изоляционной плёнки, пропуская гелий через сосуд , содержащий жидкий этилтриэтоксисилан. Смесь подают через реакционную трубу в течение 5 минут при температуре 800 С. Толщина второго защитного покрытия 2000 А. Скорость выращивания второго слоя выбирают равной 400 А/мин.

Таким образом, одним из основных преимуществ метода силанирования перед методом защиты переходов лаками и эмалями является возможность химического связывания защитной плёнки с поверхностью р-п-перехода. Это обеспечивает не только надёжную адгезию, но и позволяет устранить некоторые структурные нарушения поверхности, что способствует заметному улучшению электрических параметров переходов.

Защита поверхности р-п-переходов окислением.

Окисление считается в настоящее время наиболее перспективным методом защиты поверхности р-п-переходов. Реальная поверхность германия и кремния после травления при выдержке на воздухе покрывается плёнкой окисла, однако, несмотря на то что окислы германия и кремния обладают хорошими диэлектрическими свойствами и потенциально пригодны для защиты поверхности переходов, образующаяся плёнка очень чувствительна к окружающей среде и не может служить пассивирующим покрытием. Для защиты могут быть использованы только достаточно толстые окисные плёнки, получаемые выращиванием. Задача получения стабильной плёнки двуокиси германия является достаточно сложной.
Более просто окисные плёнки получают на кремнии.

Известны четыре основных способа выращивания окисных плёнок на кремниевых пластинах и кристаллах для стабилизации их поверхностных свойств:
1. термическое выращивание;
2. пиролитическое окосление;
3. химическое окисление;
4. анодное окисление;

Термическое выращивание. Выращивают окиную плёнку на поверхности кремния чаще всего методом открытой трубы. Тщательно очищенный азот, увлажнённый водяными парами, прорускают через деионизиванную воду, откуда он попадает в трубу, где в высокотемпературной зоне печи (1100–1300 С) находятся пластины кремния. Для создания совершённой плёнки двуокиси пластины перед окислением механически или химически полируют.

В другом случае окисление ведут в атмосфере ( чаще также в потоке) чистого кислорода, специально очищенного атмосферного воздуха или водяного пара. На рис показана зависимость толщины плёнки от h скорости роста плёнки SiO2 от температуры. Как видно, она имеет экспоненциальный характер.

Рост плёнки двуокиси кремния в различных условиях описывается выражением:

hm=kt,

где h – толщина плёнки; t – время; k– константа, определяемая давлением и температурой; m– показатель степени;

Если окисление ведут в чистом кислороде или парах воды, m=2. Плёнка, выращенная в кислороде, имеет более совершенную структуру.

Часто используют окисление в три стадии: в осушенном, в увлажненном ( для ускорения процесса) и вновь в осушенном кислороде. Однако предельная толщина термически выращенной окисной плёнки не превышает 1,5 мкм. Более толстые плёнки имеют трещины. Для практических целей используют плёнки двуокиси кремния толщиной 0,2–1,2 мкм.

При использовании водяного пара под давлением, скорость выращивания окисной плёнки возрастает. После травления и промывки кристаллы с р-п- переходами обрабатывают в течение 15 минут в азотной кислоте при температуре 100 С и сушат на воздухе. Затем кристаллы окисляют при температуре 650 С и давлении водяных паров 50 ат в течение 2 часов. В результате на поверхности пластины образуется защитная окисная плёнка толщиной 3000 А.

Получать окисную плёнку в среде водяного пара можно при температуре
1200 С в течение 5 часов при атмосферном давлении . После оксидирования водяной пар заменяют инертным газом, который пропускают через пластины в течении 1 часа при той же температуре. Плёнку получают толщиной 20 000А.

Пиролитическое окисление. Описанная технология создания защитных окисных плёнок непригодна для германия, так как плёнка двуокиси германия нестабильна и не может служить надёжной защитой против диффузии. Уже при
700 С двуокись германия в инертной или восстановительной среде реагирует с объёмом , образуя летучую моноокись.

Нагрев в окислительной среде при температуре 700 С вызывает разрушение пленки Ge2O. Для защиты р-п-переходов на германиевых пластинах выращивают плёнки окиси кремния. Широкое распространение получили защитные плёнки окиси кремния, выращиваемые на германии методом термораспада кремнийогранических соединений. Покрытие, образующееся при пиролитическом разложении органооксисиланов, наносится очень просто, обладает хорошей механической стойкостью и легко удаляется при травлении в плавиковой кислоте.

Поток очищенного аргона 1 проходит через печь. Когда температура поднимается до 700 С аргон пропускают через органооксисилан 2, пары которого разлагаются в рабочей камере 3, и на пластинах 5 германия осаждается слой двуокиси кремния. Когда требуемая толщина плёнки достигнута, вновь пускают чистый аргон и отключают печи. При 200 С пластины вынимают.

Эту же технология можно использовать для защиты электронно-дырочных переходов на пластинах арсенида галлия.

Пиролитеческое наращивание плёнки двуокиси кремния вследствии сравнительно низкой температуры процесса незаменимо в тех случаях, когда окисления подвергаются структуры с заданным распределением примеси.
Воздействие высокой температуры (в случае термического окисления) вызывает заметную диффузию примесей и изменение свойств структуры, поэтому пиролитическую плёнку окиси выращивают в настоящее время и на кремнии.
Иногда делают комбинированное покрытие: на термически выращенный слой окиси кремния осаждают пиролитический окисел.

Получение защитной пёнки на кристаллах с р-п-переходами заключается в осаждении слоя SiO2 из паровой фазы. Кристаллы с р-п-переходами нагревают до температуры 700 с. Через трубу пропускают кислород и тетраоксисилан со скоростью 0,5 л/мин. Тетраоксисилан подвергают термическому разложению с образованием плёнки двуокиси кремния на поверхности кристаллов. В течение 8 минут образуется плёнка толщиной 1500 А. Кристалл, покрытые окисной плёнкой, отжигают в вакууме при температуре 750 С в течение 2 часов. После этого процесс повторяют. Общая толщина плёнки 7500 А

При другом способе получения оксидной плёнки нагревают полупроводниковый кристалл в среде, содержащий окислительный газ, два или более газа, реагирующих друг с другом с образованием кремния. Эта смесь газов может включать в себя двуокись углерода, двуокись водорода и тетрахлорид кремния. Температура процесса получения плёнки 1250 С. Общая скорость течения газовой смеси 1 л/мин. Отношение двуокиси углерода и тетрахлорида кремния должно быть 0,8Ж0,15. В рабочей камере пара тетрахълорида кремния и хлористого водорода. Кремний окисляется двуокисью углерода и осаждается на полупроводниковую пластину. Скорость осаждения плёнки окиси кремния 0,4 мкм/мин.

Кроме того, защитные окисные плёнки кремния могут быть получены , с помощью электрического разряда в смеси тетрахлорида кремния и озона.
Тетрахлорид кремния и озон вводят в рабочую камеру в паровой фазе. Под действием электрического разряда происходит реакция тетрахлорида кремния с озоном. Процесс может проходить при комнатной температуре. Химическая реакция идёт по формуле :

Для получения защитной плёнки пластины кремния или германия помещают в рабочую камеру и пропускают через нее кислород и аргон в течение 15-30 минут для очистки камеры от воздуха и влаги. Затем через пластину пропускают аргон, насыщенный SiCl4 со скоростью 0,06 м3/ч и озон со скоростью 0,02 м3/ч. Процесс проводят в течение от 1 до 5 часов в зависимости от требуемой толщины плёнки. Скорость нанесения защитной плёнки
5 мкм/ч.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6