СТЕКЛО ДЛЯ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИЭЛЕКТРИКА ДЛЯ СТРУКТУР КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ Российский патент 1997 года по МПК C03C10/06 

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

Известно кристаллизующееся стекло [1] для изоляции элементов интегральных схем (ИС), включающее, мас. SiO₂ 50-55, Al₂O₃ - 20-25, MgO 5-10, TiO₂ 8-12, SrO 5-10. Недостатком данного кристаллизующегося стекла является повышенная чувствительность значений коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) к незначительным колебаниям режимов термообработки, что связано с наличием в закристаллизованном материале нескольких кристаллических фаз, отличающихся значениями КТЛР ( бета кристобалит, кордиерит, стронциевый анортит, стронциевый осумилит, рутил и др.). Отклонение значений КТЛР ситалла от КТЛР кремния затрудняет получение согласованных с кремнием спаев и приводит к деформации кремниевых пластин, возникновению в кремнии внутренних напряжений и дислокаций, и, в конечном итоге, к ухудшению параметров кремниевых приборов к низкому выходу годных при производстве ИС. Другим недостатком данного кристаллизующегося стекла является невозможность получения качественного, бездефектного спая при соединении двух кремниевых пластин в процессе формирования структур КНИ и КСДИ из-за высокой вязкости стекловидного материала при термообработке структур вследствие быстро протекающего процесса кристаллизации.

Наиболее близким к заявляемому составу является кристаллизующееся стекло для изготовления стеклокристаллического цемента для изоляции элементов ИС [2] включающие, мас. SiO₂ 47-58, Al₂O₃ 15-22, TiO₂ 6-12, SrO и/или BaO 3-25, один компонент из группы: CeO₂ 0,01-0,5, ZrO₂ 0,5-3,0, SnO₂ 0,5-3,0 - прототип. Данное кристаллизующееся вещество позволяет получить качественные диэлектрические слои на кремниевых пластинах, согласованные по КТЛР с кремнием. Недостатком данного кристаллизующегося стекла является низкое качество спая при соединении двух кремниевых пластин в процессе изготовления структур КНИ и КСДИ из-за высокой вязкости материала при формировании спая вследствие быстро протекающего процесса кристаллизации и повышенного содержания кристаллической фазы. Следствием этого является низкая механическая прочность спая и образование в области спая пор и полостей.

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

Задача достигается тем, что стекло для стеклокристаллического диэлектрика для структур кремний-на-изоляторе, включающее SiO₂, Al₂O₃, BaO, SrO, TiO₂, CeO₂, дополнительно содержит CaO и GeO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.

SiO₂ 46-59,
Al₂O₃ 10-23,
BaO 16-28,
SrO 1-10,
TiO₂ 0,01-8,
CeO₂7 0,01-0,5,
CaO 1-6,
GeO₂ 1-8.

Уменьшение содержания SiO₂ ниже 46 мас. приводит к повышению содержания кристаллической фазы в закристаллизованном материале относительно оптимального и ухудшению адгезии закристаллизованного материала к кремнию. Увеличение содержания SiO₂ свыше 59 мас. приводит к уменьшению содержания кристаллической фазы относительно оптимального и к ухудшению диэлектрических свойств.

Уменьшение содержания Al₂O₃ ниже 10 мас. приводит к снижению содержания кристаллической фазы в закристаллизованном материале и ухудшению диэлектрических свойств. Увеличение содержания Al₂O₃ свыше 23 мас. приводит к повышению температуры спаивания и ухудшению адгезии к кремнию.

Уменьшение содержания BaO ниже 16 мас. приводит к снижению содержания кристаллической фазы в закристаллизованном материале и ухудшению диэлектрических свойств. Увеличение содержания BaO свыше 28 мас. вызывает увеличение КТЛР закристаллизованного материала, что приводит к деформации структур кремний-диэлектрик вследствие рассогласования КТЛР стекловидного диэлектрика и кремния.

Уменьшение содержания SrO ниже 1 мас. приводит к снижению содержания кристаллической фазы в закристаллизованном материале и ухудшению диэлектрических свойств. Увеличение содержания SrO свыше 10 мас. вызывает увеличение КТЛР закристаллизованного материала.

Увеличение содержания TiO₂ свыше 8 мас. приводит к резкому повышению скорости кристаллизации стекловидного материала при термообработке и ухудшению вследствие этого адгезии к кремнию.

Уменьшение содержания CeO₂, TiO₂ ниже 0,01 мас. приводит к ухудшению диэлектрических свойств стеклокристаллического материала. Увеличение содержания CeO₂ свыше 0,5 мас. приводит к повышению содержания кристаллической фазы в закристаллизованном материале и ухудшению адгезии к кремнию.

Уменьшение содержания CaO ниже 1 мас. приводит к повышению температура начала деформации материала и образованию в области спая пор и полостей. Увеличение содержания CaO свыше 6 мас. приводит к повышению содержания кристаллической формы в закристаллизованном материале и ухудшению адгезии к кремнию.

Уменьшение содержания GeO₂ ниже 1 мас. приводит к резкому повышению скорости кристаллизации стекловидного материала в процессе термообработки и ухудшению вследствие этого адгезии к кремнию, снижению механической прочности спая и образованию в области спая пор и полостей. Увеличение содержания GeO₂ свыше 8 мас. вызывает увеличение КТЛР закристаллизованного материала, что приводит к деформации структур КНИ, а также снижение химической стойкости.

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, например, ситалловое стекло марки C40-2 [1, 3] не позволяют получать бездефектные, механически прочные, без пор и полостей спаи кремниевых пластин. Стекловидные диэлектрики предлагаемых составов обеспечивают получение качественных КНИ-структур диаметром 100 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 ступе. Синтез стекол осуществляли в индукционной печи в платино-родиевом тигле при температуре 1700^oC в течение 4 ч. Выработку стекол приводили 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 кремневые пластины диаметром 100 мм. Спаивание кремниевых пластин через слой стекловидного диэлектрика осуществляли в диффузионной печи СДО-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. Режим 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 стеклокристаллических материалов, закристаллизованных по режимам, соответствующим режимам спаивания кремниевых пластин.

Для оценки качества спая кремниевые пластины после соединения скрайбировали на образцы с размерами 5x5 мм. Исследования на оптическом и растровом электронном микроскопах сколов и шлифов образцов-спаев, полученных в оптимальных режимах на основе стекол составов 1 5, показано, что в области спая отсутствуют пары и полости. Для стекловидных материалов составов 1 5, механическая прочность при растяжения спаев, полученных в оптимальных режимах, была выше прочности кремния разрушение спая происходило по кремнию.

Изменение температуры спаивания кремниевых пластин и температуры кристаллизации отпрессованных образцовы в пределах +10^oC от оптимальной, а также дополнительная термообработка в течение 2-х часов при температуре спаивания и кристаллизации не оказывали влияния на значения КТЛР, диэлектрических характеристик стекловидных материалов в качестве 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 40•10^-7 K^-1 в интервале 20 800^oC). Прогиб структур КНИ диаметром 100 мм не превышал 20 мкм.

Применение предложенных составов кристаллизующихся стекол вместо известных позволяет значительно улучшить характеристики структур КНИ и 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 типа кремний-на-изоляторе (КНИ) и кремниевых структур с диэлектрической изоляцией (КСДИ). Стекло для стеклокристаллического диэлектрика для структур кремний-на-изоляторе содержит в мас.%: оксид кремния 46-59 БФ SiO₂, оксид алюминия 20-23 БФ Al₂O₃, оксид бария 16-28 БФ BaO, оксид стронция 1-10 БФ SrO, оксид титана 0,01-8 БФ TiO₂, оксид церия 0,01-0,5 БФ CeO₂, оксид кальция 1-6 БФ CaO, оксид германия 1-8 БФ GeO₂. КЛТР в интервале 20-800^oC (39-40)•10^-7K^-1, диэлектрическая проницаемость при частоте 10⁶ Гц 7,5-8. 3 табл.

Стекло для стеклокристаллического диэлектрика для структур кремний-на-изоляторе, включающее SiO₂, Al₂O₃, BaO, SrO, TiO₂, СeO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит CaO и GeO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.

SiO₂ 48 59
Al₂O₃ 10 23
BaO 16 28
SrO 1 10
TiO₂ 0,01 8
СeO₂ 0,01 0,5
CaO 1 6
GeO₂ 1 8,