DE2224515B2 - Verfahren zum verdichten von silikatglaesern - Google Patents

Verfahren zum verdichten von silikatglaesern

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten von aus der Dampfphase niedergeschlagenen, einer zuverlässig dichten Verkapselung dienenden Silikatglasschichten mittels Wärmebehandlung in einer Wasserdampfatmosphäre.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen, wie Dioden, Transistoren, integrierten Schaltungen u. dgl, ist es im allgemeinen notwendig, einen Schutz gegen Verunreinigungen, einschließlich Feuchtigkeit, vorzusehen, da diese einen schädlichen Einfluß auf die Arbeitsweise der Bauteile haben. Bei Siliziumbauteilen ist es üblich, eine Passivierungsschicht aus Silizhimdioxid oder Siliziumnitrid auf der zu schützenden Oberfläche vorzusehen. Derartige Verfahren sind z. B. aus der US-PS 32 60 626 oder der DT-AS 12 53 550 bekannt.
Siliziumdioxid und Siliziumnitrid sind jedoch als solche noch nicht in der Lage, ein Halbleiterbauteil für eine längere Zeit vollständig vor den ungewünschten Einflüssen von Verunreinigungen zu schützen, da diese langsam durch die Passivierungsschicht diffundieren und die Oberfläche des Halbleiters angreifen können. Außerdem sind in aller Regel in der Passivierungsschicht Kontaktöffnungen vorhanden, die besonders geeignet sind, Verunreinigungen aus der Umgebung
durchzulassen. . .
Wegen des durch derartige Passivieiangsschichten bishe7unzureichenden Schutzes werden die Bauteile Gewöhnlich entweder in hermetisch abgeschlossenen Behältern untergebracht oder in Kunstharz verkapselt Allerdings haben auch diese Schutzmaßnahmen Nachteile. Metallbehälter sind relativ teuer und benötigen so viel Raum, daß der Vorteil der durch die Halbleiter- und IC-Technologie erreichten geringen Abmessungen verlorengeht Bei der Verwendung von Harzverpackungen hat sich herausgestellt, daß diese nicht völlig Undurchlässig für Feuchtigkeit sind Nach einiger Zeit diffundiert der Dampf häufig durch die Verkapselung und verschlechtert die Eigenschaftendes Bauteil
Es ist bereits festgestellt worden, daß Süikatgläser die meisten Verkapselungsprobleme lösen können. Ein Glasüberzug vergrößert die Abmessungen eines Halbleiterbauteils nur geringfügig, bietet einen gewissen mechanischen Schutz und ist für Feuchtigkert und andere Verunreinigungen relativ undurchlässig.
Silikatgläser werden gewöhnlich mittels Dampfphasenreaktionen auf den Oberflächen von Halbleiterbauteilen niedergeschlagen. Wenn derartige Gläser aus der Dampfphase niedergeschlagen werden, sind sie noch nicht dicht und undurchlässig genug, um gute Bauteilstabilitä" ZJ garantieren. Jedoch wurde bereit:, die Möglichkeit gefunden, diese Gläser dadurch hinreichend zu verdichten, wenn sie in bestimmten Atmosphären, wie reinem Stickstoff, bei ungefähr 8000C ca. 15 Minuten erhitzt werden.
Siliziumbauteile besitzen normalerweise Elektrodenkontakte und andere aus Aluminium hergestellte Leiter, wobei es häufig notwendig is·, die Aluminiumkontakte vor dem Anbringen der Glasschicht herzustellen. Da sich bei relativ niedrigen Temperaturen ein Silizium-Aluminium-Eutektikum bildet, können diese Bauteile für eine längere Zeitdauer nicht unbeschadet über 45O0C erhitzt werden. Deshalb werden die Bauteileigenschaften bei den bisher für die Verdichtung der Gläser notwendigen Temperaturen nachteilig beeinflußt, wenn die Bauteile Aluminiumkontakte aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus der Dampfphase niedergeschlagene Silikatglasschicht der eingangs genannten Art so zu verdichten, daß andere, zuvor angebrachte Materialien, wie z.B. Aluminium, keine schädlichen Einwirkungen erleiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schichten auf eine Temperatur von 400 bis 4500C erhitzt werden. Die erhöhte Dichtigkeit wird vorzugsweise durch die Abnahme der chemischen Ätzrate bestimmt
Wie eingangs bereits erwähnt, befassen sich die US-PS 32 60626 sowie die DT-AS 12 53 550 mit Verfahren, mit denen sich die vorliegende Erfindung nicht beschäftigt. So wird in der US-PS 32 60 626 die Verwendung unter anderem von Wasserstoff ausschließlich im Zusammenhang mit der Herstellung einer Oxidschicht auf einem Körper aus monokristallinem Halbleitermaterial offenbart In der DT-AS 12 53 550 ist lediglich ein Verfahren zur Erzeugung von Siliziumdioxidschichten offenbart, ohne daß ein gesonderter Verdichtungsvorgang an einer bereits hergestellten Schutzschicht oder gar die Behandlung von Glasschichten auch nur andeutungsweise angesprochen wird.
Schließlich ist in der US-PS 34 40 496 zwar bereits die Verdichtung einer Borsilikatglasschicht in Dampf oder Sauerstoff erwähnt, wobei die beiden angeführten Atmosphären als gleichwertige Alternativen erwähnt
sind Jedoch konnte auch diese Entgegenhaltung keine Anregung zur Auffindung der vorgeschlagenen Lehre geben, da bei dem bekannten Vorschlag die Verdichtung des Borsilikatglases dadurch erreicht wird, daß der sie tragende Körper auf eine Temperatur von 1000 bis 135O0C in Dampf oder Sauerstoff für ungefähr 15 bis 6f Minuten erhitzt wird. Die Erfindung erniöguchi in überraschend einfacher Weise demgegenüber die Anwendung niedriger Temperaturbereiche.
Die Zeichnung enthält ein Diagramm, in dem die Ätzrate über der Verdichtungszeit bei 4500C in Abhängigkeit unterschiedlicher Glaszusammensetzungen in verschiedenen Atmosphären aufgetragen ist
Obwohl die Erfindung auf jedes mit aus der Dampfphase niedergeschlagenem Silikatglasfilm überzogenes Teil anwendbar ist, ist sie von besonderer Bedeutung im Zusammenhang mit der Herstellung von Silizium-Bipolar-Transistoren mit Aluminium-Elektrodenkontakten. Ein üblicher Bipolar-Transistor kann ein N-leitendes Siliziumplättchen aufweisen, in das ein *> P-Basisbereich diffundiert ist, der seinerseits ein oder mehrere eindiffundierte N-Emitterbereiche aufweist. Auf einer Hauptfläche des Plättchens können zumindest Basis- und Emitterkontakte aus im Vakuum niedergeschlagenem Aluminium vorgesehen sein, während ein Kollektor-Aluminiumkontakt auf der der genannten Hauptfläche des Plättchens gegenüberliegenden Fläche vorgesehen ist Alternativ kann das Bauteil alle drei Kontakte auf derselben Oberfläche des Plättchens tragen. Die zuletzt genannte Anordnung wird bevorzugt dann angewendet, wenn das Plättchen an einem Hybrid-IC entweder »flip-chip«- oder »beam lead«- angebracht ist, der gedruckte Metalleiter auf einem isolierenden Substrat besitzt
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei Silikatglas-Filmen anwendbar, die mittels der verschiedenen Dampf-Niederschlagsverfahren hergestellt werden, wie beispielsweise mittels chemischem Dampfniederschlagen, Sprühen oder Glimmentladung.
Die Erfindung wird am Beispiel des Verkapseins eines NPN-Bipolartransistors mit einem Borsilikatglas näher erläutert. Eine ausführliche Beschreibung eines Verfahrens der Synthese und des Niederschiagens sowohl von Borsilikatgläsern als auch anderer Silikatg'äser durch Zersetzen und Oxidation der Hydride der Bestandteile ist in der US-Patentschrift 34 81 781 enthalten. Im wesentlichen besteht dieser Prozeß aus folgenden Verfahrensschritten:
1. Einbringen des zu überziehenden Bauteils in einen Reaktionsraum und Erhitzen auf eine vorbestimmte Temperatur, und danach
2. Zugeben der Reaktionsmittel in gasförmigem Zustand, und zwar mittels eines inerten Trägergases, so daß die Reagenzien im Reaktionsraum oxidiert und auf der Bauteiloberfläche niedergeschlagen werden.
Angenommen, daß der zu überziehende Transistor Aluminiumkontakte besitzt, so wird er unter Abwesenheit von Sauerstoff auf die Niederschlagstemperatur erhitzt, um ein Oxidieren des Aluminiums zu verhindern. Als nächstes sollten die Reagenzien in den Reaktionsraum in richtiger Reihenfolge gegeben werden, um die Bildung sauerstoffarmer Schkhten zu vermeiden.
Zunächst wird das System auf eine Temperatur von ungefähr 4000C gebracht. Danach wird Stickstoff in die Niederschlagskammer gegeben und der Transistor in die Kammer eingeführt
Dann wird Silan eingespeist und der Sauerstofffluß begonnen. Vorzugsweise wird eine Schicht aus Siliziumdioxid auf der Bauteiloberfläche niedergeschlagen, bevor die Glasschicht angebracht wird, um die Aluminiumteile zu schützen. Daher wird zunächst nur Silan und Sauerstoff zugeführt, und zwar so lange, bis sich eine Siliziumdioxidschicht von ungefähr 500 bis 2000 A Dicke gebildet hat Alternativ kann eine Siliziumnitridschicht mittels bekannter Verfahren aufgebracht werden.
Danach wird das Borsilikatglas durch Zufügen von Diboran zur Gasmischung gemäß US-Patent 34 81 781 aufgebracht
Die Dicke dieses Oberzugs kann schwanken, jedoch gib* eine Schicht von ungefähr 1 bis 5 Mikrometer bereits einen genügenden Schutz für das Bauteil, wenn sie in der nachstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Weise behandelt wird.
Um stabile Schichten und hinreichenden Schutz der Bauteile zu erreichen, hat es sich bereits als erforderlich erwiesen, daß das bei diesen niedrigen Temperaturen aufgebrachte Glas verdichtet werden muß. Dies wurde bisher, sofern Aluminiumkontakte nicht vorhanden waren, durch Erhitzen auf eine Temperatur von vornehmlich 8003C in reiner Stickstoff atmosphäre für ungefähr 15 Minuten erreicht. Wenn jedoch Aluminiumkontakte vorhanden sind, wird der Transistor bei diesen Temperaturen zerstört
Mit der Erfindung hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß die Temperatur bis auf ungefähr 400 bis 4500C erniedrigt werden kann, wenn die Verdichtung in einer Wasserdampfatmosphäre durchgeführt wird. Die Behandlungszeit beträgt mehrere Stunden.
Um die mit der Erfindung verbesserten Verdichtungsergebnisse zu verdeutlichen, wurden glasüberzogene Bauteile in verschiedenen trocknen und feuchten Atmosphären gleich lange und bei derselben Temperatur wärmebehandelt und danach dem gleichen Ätzmittel ausgesetzt, um die Ätzraten zu vergleichen. Die Ätzrate ist nämlich ein Maß für die Dichte des geätzten Glases, wobei die Ätzrate umso langsamer ist, je dichter das Glas ist.
Das benutzte Ätzmittel bestand aus 1,5 Volumeneinheiten 69%igem, konzentriertem HF, 1,0 Volumeneinheiten 70%igem, konzentriertem HNO3 und 30 Volumeneinheiten entionisiertem Wasser.
Das beiliegende Diagramm zeigt Werte der Ätzrate typischer Borsilikatglaszusammensetzungen als Funktion der logarithmisch aufgetragenen Verdichtungszeit bei 4500C. Bei den Untersuchungen winden Glaszusammensetzungen mit 15 bis 19mol-% B2O3 verwandt, jedoch können bevorzugte Glassorten 15 bis 20 mol-% B2O3 enthalten. Die Ätzrate der bei 4000C niedergeschlagenen Filme ist auf der Ordinate, also der Nullinie für die Verdichtungszeit aufgetragen. Der zu Beginn während der ersten zwei Minuten sich einstellende Abfall der Ätzrate ist primär auf das Ausglühen der während des Niederschiagens der Schicht entstandenen Gitterspannungen zurückzuführen. Danach verringert sich die Ätzrate proportional dem Logarithmus der Verdichtungszeit. Der Verlauf jeder Kurve ist charakteristisch für die jeweilige Atmosphäre.
Für jede Atmosphäre hängt die relative Größe der Ätzrate zu einer bestimmten Zeit von der Glaszusammensetzung ab, wie durch einen Vergleich der beiden unteren Kurven miteinander festgestellt werden kann. Diese beiden Kurven zeigen die Verdichtung zweier verschiedener Borsilikatgläser in Dampfatmosphäre.
Die Kurven zeigen, daß Wasserdampf den Verdich-
tungsprozeB erheblich beschleunigt Die drei Kurven für die nasse Atmosphäre zeigen weiterhin einen Übergang zu einer konstanten Ätzrate mit zunehmender Zeit der Wärmebehandlung. Das Konstantbleiben der Ätzrate bedeutet, daß das Glas völlig verdichtet ist. Diese Tatsache wurde experimentell durch Erhitzen der Muster von den letzten dargestellten Kurvenpunkten auf 9000C erhärtet Die sich ergebenden Atzraten entsprachen dem durch die Kurven angegebenen Niveau.
Die zum Erreichen nahezu vollständiger Verdichtung erforderliche Wärmebehandlungszeit einer bestimmten Glaszusammensetzung kann durch Extrapolieren der logarithmischen Kurve für eine bestimmte Atmosphäre und Temperatur bis zu ihrem Schnitt mit der endgültigen Niveaulinie ermittelt werden. Verdichtungszeiten für die 15 mol-%ige B2O3-Zusammensetzung sind: 3 Stunden für Dampf, 33 Stunden für nassen Stickstoff und 25 000 Stunden für trockenes Argon. Die Zeit bis zur vollständigen Verdichtung ist länger als die durch Extrapolieren ermittelte, da die Kurve mit zunehmender Annäherung an das thermische Niveau zunehmend flacher verläuft Selbstverständlich können auch kürzere Zeiten angewendet werden, wenn nicht vollständige Verdichtung erwünscht ist
Wasserdampf beschleunigt die Verdichtung von Silikatgläsern auch bei Temperaturen oberhalb von 4500C. Aber die Beschleunigung wird mit zunehmender Temperatur geringer, da dann der Temperatureffekt gegenüber dem Wasserdampfeffekt überwiegt.
Es wurden Siliziumplättchen von Planartransistoren
des 2N3261-Typs, die beispielsweise als npn-Kleinleistungstransistoren oder Schalttransistoren eingesetzt werden können, mit niedergeschlagenem Siliziumdioxid hergestellt, mit Aluminium metallisiert und unter Dampf mit einer 5 μπι dicken Schicht aus Borsilikatglas
ίο versehen. Es wurden obere und untere Schichten aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von 2000 A verwendet. Die Verdichtung wurde in einer Dampfatmosphäre bei 450° C für 24 Stunden durchgeführt. In das Glas wurde dann mit Glycerinflußsäure unter Benutzung einer dicken Fotoresistschicht ein Muster geätzt, um die äußeren Anschlüsse des Aluminiums freizulegen. Diese Bauteile wiesen keine sichtbaren Fehler auf und besaßen elektrische Eigenschaften, die sich von aluminiummetallisierten Vergleichsbauteilen, die nicht verglast oder wärmebehandelt waren, nicht unterschieden.
Obwohl im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die Werte für die Ätzraten nur für einfache Borsilikatgläser angegeben
J3 wurden, bewirkt die Erfindung einen entsprechenden Effekt auch bei anderen Gläsern, beispielsweise bei Aluminium-Borsilikat- und Zink-Borsilikat-Gläsern.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verdichten von aus der ■Dampfphase niedergeschlagenen, einer zuverlässig S dichten Verkapselung dienenden Silikatglasschichten mittels Wärmebehandlung in einer Wasserdampfatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten auf eine Temperatur von 400 bis450°C erhitzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas mittels Dampf phasenreaktion unter Verwendung einer Mischung aus Diboran, Silan und Sauerstoff niedergeschlagen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasschicht von 1 bis 5 um Dicke Biedergeschlagen wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas ungefähr 15 bis 20 mol.-% B2O3 enthält und die Wärmebehandlungszeit mindestens 3 Stunden beträgt
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 zum Herstellen einer Schutzschicht auf einem Halbleiterbauteil, das an einer Oberfläche eines Halbleitergrundblocks einen PN-Übergang und Aluminiumkontaktanschlüsse besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche einschließlich des PN-Übergangs mit einer Schicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid versehen, dann auf der Siliziumdioxid- bzw. Siliziumnitridschicht im Dampfniederschlagverfahren eine Schicht eines Borsilikatglases angebracht und schließlich die Wärmebehandlung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Wärmebehandlungsdauer vom Abfall der sich bei Verwendung von Flußsäure ergebenden Ätzrate abhängig gemacht wird.
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