СТЕКЛО ДЛЯ СТРУКТУР КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ Российский патент 1997 года по МПК C03C3/85 

Изобретение относится к составам некристаллизующихся стекол, предназначенных для диэлектрической изоляции активных элементов кремниевых интегральных схем и создания структур кремний-на-изоляторе (КНИ) и кремниевых структур с диэлектрической изоляцией (КСДИ).

Известно припоечное стекло для спаев с молибденом, включающее, мас. SiO₂ 55-68, Al₂O₃ 15-18, CaO 7-13, BaO 6-16, при массовом соотношении Al₂O₃/CaO+BaO от 0,6:1 до 1:1 [1]
Недостатком данного стекла является относительно высокий коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) (42-48)•10^-7 K^-1, что не позволяет получать согласованных спаев с кремнием, а также относительно низкая температура начала деформации (725^oC).

Наиболее близким к изобретению является стекло для интегральных схем, включающее, мас. SiO₂ 60-74, Al₂O₃ 8-16, BaO - 4-26, SrO 2-18, ZrO₂ 0,5-4, при суммарном содержании BaO+SrO - 12-28% [2] Данное стекло позволяет получать качественные диэлектрические слои на кремниевых пластинах, согласованные по КТЛР с кремнием. Недостатком данного стекла является низкая механическая прочность спая при соединении двух кремниевых пластин в процессе формирования структур КНИ и КСДИ, образование в области спая опор и полостей.

Задачей изобретения является получение механически прочного, не имеющего пор и полостей спая при соединении кремниевых пластин структур КНИ.

Задача достигается тем, что стекло для структур кремний-на-изоляторе, включающее SiO₂, Al₂O₃, BaO, ZrO₂, дополнительно содержит CaO и GeO₂, при следующем соотношении компонентов, мас.

SiO₂ 57-70,
Al₂O₃ 10-20,
BaO 9-25,
SrO 1-12,
ZrO₂ 0,1-2,
CaO 1-6,
GeO₂ 1-6.

Уменьшение содержания SiO₂ ниже 57 мас. приводит к повышению КТЛР стекла и деформации (прогибу) структур КНИ вследствие рассогласования КТЛР кремния и стекла. Увеличение содержания SiO₂ свыше 70 мас. приводит к повышению температуры начала деформации стекла и ухудшению адгезии к кремнию.

Уменьшение содержания Al₂O₃ ниже 10 мас. приводит к повышению КТЛР стекла. Увеличение содержания Al₂O₂ свыше 20 мас. приводит к повышению температуры начала деформации стекла и ухудшению адгезии к кремнию.

Уменьшение содержания BaO ниже 9 мас. приводит к повышению температуры начала деформации стекла и образованию в области спая пор и полостей. Увеличение содержания BaO свыше 25 мас. вызывает увеличение КТЛР стекла.

Уменьшение содержания SrO ниже 1 мас. приводит к повышению температуры начала деформации стекла и ухудшению адгезии к кремнию. Увеличение содержания SrO свыше 12 мас. вызывает увеличение КТЛР стекла.

Уменьшение содержания ZrO₂ ниже 0,1 мас. приводит к увеличению КТЛР стекла. Увеличение содержания ZrO₂ свыше 2 мас. приводит к повышению температуры начала деформации стекла, увеличению его кристаллизационной способности и ухудшению адгезии к кремнию.

Уменьшение содержания CaO ниже 1 мас. приводит к повышению кристаллизационной способности стекла, ухудшению адгезии к кремнию и снижению механической прочности спая. Увеличение содержания CaO свыше 6 мас. приводит к повышению КТЛР стекла, что вызывает деформацию (прогиб) структур КНИ вследствие рассогласования КТЛР стекла и кремния.

Уменьшение содержания GeO₂ ниже 1 мас. приводит к повышению температуры начала деформации стекла, ухудшению адгезии к кремнию, снижению механической прочности спая и образованию в области спая пор и полостей. Увеличение содержания GeO₂ свыше 6 мас. приводит к увеличению КТЛР стекла, деформации (прогибу) структур КНИ и снижению химической стойкости стекла.

Один из наиболее перспективных способов создания структур кремний-на-изоляторе основан на спаивании приборной монокристаллической и опорной кремниевых пластин через слой стекловидного диэлектрика с последующим утонением приборной пластины до пленки заданной толщины. Известные в науке и технике стекловидные диэлектрики для изоляции активных элементов кремниевых интегральных схем не позволяют получать бездефектные, механически прочные, без пор и полостей спаи кремниевых пластин. Стекловидные диэлектрики предлагаемых составов обеспечивают получение качественных КНИ-структур диаметром 1000 и более мм с минимальным прогибом (<30 мкм), выдерживающих все стандартные высокотемпературные (до 1200^oC) операции, применяемые в технологии изготовления интегральных схем.

Примеры реализации.

Были синтезированы стекла (NN 1-5), составы которых приведены в табл. 1.

В качестве исходных компонентов использовали оксиды марок "осч" и "хч". Исходные компоненты отвешивали в соответствии с заданным составом и перемешивали в агатовой ступке. Синтез стекол проводили в индукционной печи в платино-родиевом тигле при температуре 1700^oC в течение 4 часов. Выборку стекол проводили в виде гранулята путем отливки расплава в дистиллированную воду. Полученный гранулят измельчали в агатовом барабане на планетарной мельнице до удельной поверхности 8000 см²/г.

Полученное порошкообразное стекло наносили методом пульверизации водной суспензии на монокристаллические кремниевые пластины диаметром 100 мм. Спаивание кремниевых пластин через слой стекловидного диэлектрика осуществляли в диффузионной печи CDO-125/4 при температуре 1180-1220^oC под давлением 10-40 г/см² с выдержкой при максимальной температуре 30-90 мин.

Образцы для измерения КТЛР и диэлектрических характеристик прессовали из порошкообразного стекла. Режимы термообработки образцов для измерения КТЛР и диэлектрических характеристик соответствовали режимам спаивания кремниевых пластин. После термообработки на образцы для измерения диэлектрических характеристик наносили и вжигали при 600^oC серебряные электроды.

Оптимальные режимы спаивания кремниевых пластин для стекол различных составов приведены в табл. 2.

В табл. 3 приведены значения КТЛР и диэлектрических характеристик образцов стекол, термообработанных по режимам, соответствующим режимам спаивания кремниевых пластин.

Для оценки качества спая кремниевые пластины после соединения скрайбировали на образцы с размерами 5х5 мм. Исследования на оптическом и растровом электронном микроскопах сколов и шлифов образцов спаев, полученных в оптимальных режимах на основе стекол составов 1-5, показало, что в области спая отсутствуют поры и полости. Для стекол составов 1-5, механическая прочность при растяжении спаев, полученных в оптимальных режимах, была выше прочности кремния разрушение спая происходило по кремнию.

Изменение температуры спаивания кремниевых пластин и температуры термообработки отпрессованных образцов в пределах +10^oC от оптимальной, а также дополнительная термообработка в течение 2-х часов при температуре спаивания не оказывали влияния на значения КТЛР, диэлектрических характеристик стекловидных материалов и качество спая.

Плотность дислокаций в монокристаллических кремниевых пластинах после спаивания не превышала 5•10³ см^-2, что свидетельствует о низких внутренних напряжениях в кремнии и хорошей согласованности стекловидных диэлектриков с кремнием по КТЛР (КТЛР монокристаллического кремния составляет 35•10^-7K^-1 в интервале 20-500^oC). Прогиб структур КНИ диаметром 100 мм не превышал 20 мкм.

Применение предложенных составов стекол вместо известных позволяет значительно улучшить характеристики структур КНИ КСДИ и полупроводниковых интегральных схем на их основе, а также повысить выход годных при их производстве.

Использование: для диэлектрической изоляции активных элементов кремниевых интегральных схем и создания структур кремний-на-изоляторе (КНИ) и кремниевых структур с диэлектрической изоляцией (КСДИ). Стекло для структур кремний-на-изоляторе имеет следующий состав, в мас.%: оксид кремния 57-70 БФ SiO₂, оксид алюминия 10-20 БФ Al₂O₃, оксид бария 9-25 БФ BaO, оксид стронция 1-12 БФ SrO, оксид циркония 0,1-2 БФ ZrO₂, оксид кальция 1-6 БФ SaO, оксид стронция 1-6 БФ GeO₂. КЛТР стекол в интервале 20-500^oC (34-35)•10^-7 K^-1, диэлектрическая проницаемость при частоте 10⁶ Гц 8-9. 3 табл.

Стекло для структур кремний-на-изоляторе, включающее SiO₂, Al₂O₃, BaO, SrO, ZrO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит CaO и GeO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.

SiO₂ 57 70
Al₂O₃ 10 20
BaO 9 25
SrO 1 12
ZrO₂ 0,1 2
CaO 1 6
GeO₂ 1 6р