DE2720639A1 - Glas, vorzugsweise zur passivierung von halbleitervorrichtungen, verfahren zu seiner herstellung und halbleitervorrichtung mit einer derartigen glasschicht - Google Patents

Glas, vorzugsweise zur passivierung von halbleitervorrichtungen, verfahren zu seiner herstellung und halbleitervorrichtung mit einer derartigen glasschicht

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DE2720639A1 DE19772720639 DE2720639A DE2720639A1 DE 2720639 A1 DE2720639 A1 DE 2720639A1 DE 19772720639 DE19772720639 DE 19772720639 DE 2720639 A DE2720639 A DE 2720639A DE 2720639 A1 DE2720639 A1 DE 2720639A1
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Description

"Glas, vorzugsweise zur Passivierung von Halbleitervorrichtungen, Verfahren zu seiner Herstellung und Halbleitervorrichtung mit einer derartigen Glasschicht"
Die Erfindung bezieht sich auf Glas, vorzugsweise zur Passivierung von Halbleitervorrichtungen, das SiO_, PbO und AlpO_ enthält. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Glases sowie auf Halbleitervorrichtungen, die mit einem derartigen Glas versehen sind.
Eine Passivierungsschicht bei Halbleitervorrichtungen dient dazu, den halbleitenden Kristall und
709848/0844
PHN. 8399. Y 3.5.77.
insbesondere pn-Uebergänge vor Einflüssen der Atmosphäre, wie Wasser, Wasserdampf, und vor dem Einfluss wandernder Ionen zu schützen. Diese wandernden Ionen können als Verunreinigung von der Umgebung oder von einer z.B. aus Kunststoff be— 5 stehenden Umhüllung herrühren.
Aus den US-Patentschriften 3 801 878 und 3 801 879 ist eine Klasse alkalifreier Alumino(boro)silikatgläser bekannt, die sich besonders gut zur Anwendung für diesen Zweck eignen. Die Brauchbarkeit von Gläsern für diesen
Zweck hängt von ihren elektrischen Eigenschaften und der Anpassung ihrer physikalischen Eigenschaften, wie Ausdehnungskoeffizient ,. Erweichungstemperatur , usw., an die des betreffenden Halbleitersystems ab.
Uebliche Gläser mit angepassten thermischen
15 Eigenschaften und insbesondere alkalifreie Aluminoborosilikatgläser sind in bezug auf ihre elektrischen Eigenschaften weniger günstig, u.a. weil sie Polarisationserscheinungen zeigen. Dieser Nachteil wird dadurch behoben, dass ein Glas, das an sich ionenleitend ist, durch Einführung mehrwertiger
Ionen, vorzugsweise in der höchsten Wertigkeit, etwas elektronenleitend gemacht wird. In den vorgenannten US-Patentschriften wird dies dadurch erreicht, dass ein Glas mit hohem Bleigehalt gewählt wird, das in einer oxidierenden Atmosphäre geschmolzen wird.
Es hat sich aber herausgestellt, dass sich in
709848/0844
PHN.8399. ζ 3.5.77.
diesen Gläsern eine ungenügende Konzentration an reaktiven Bleiionen in der Oberflächenschicht befindet, gerade an den Stellen, an denen ihr Vorhandensein am meisten erwünscht ist. Dies hat denn auch zur Folge, dass die passivierende Wirkung des Glases bei einer Halbleitervorrichtung ungenügend ist, wodurch die Lebensdauer einer derartigen Vorrichtung in der Praxis kurz ist. Ausserdem ist die Durchschlagfestigkeit einer solchen Schicht verhältnismässig niedrig.
Bei den Versuchen, die zu der Erfindung geführt haben, hat sich ergeben, dass das Vorhandensein von Germanaten in dem Glas einen besonders günstigen Einfluss ausübt. Germanatgläser weisen eine offenere:Struktur als die entsprechenden germanatfreien Silikatgläser auf, so dass vorhandene Bleiione in GeO„-haltigen Gläsern eine genügende Bewegungsfreiheit haben, um zu der Oberflächenschicht zu wandern.
Das Glas nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass seine Zusammensetzung in Mol$ zwischen
20 den folgenden Grenzen liegt: SiO2 50 - 70
Al2O 3,5 - 2θΊ
f ——— y 1 , vorzugsweise PbO 7,5 - hOJ Α12υ3 ' etwa gleich 2
GeO2 3-20
wobei das Glas.Wasser in cm Wasserdampf ausgedrückt,
*> gemessen bei 0C und 76 cm Hg, pro cm Glas zwischen
709848/0844
PHN. 8399.
5 77
-U -U
10 . 10 und 100 . 10 enthält.
Für eine befriedigende Wirkung des Glases ist das Vorhandensein einer geringen Menge Wasser in diesem Glas von wesentlicher Bedeutung. Bei der Herstellung des Glases sollen solche Massnahmen getroffen werden, dass Wasser in das Glas eingeführt wird, z.B. dadurch, dass statt Al„0_ wasserhaltige Ausgangsstoffe, wie wasserhaltiges Aluminiumoxid (HA10„), gewählt werden.
Ein Wasserüberschuss im Gemenge ist nicht 10 schädlich: er verdampft beim Schmelzen.
Für die passivierende Wirkung eines Glases ist eine offene Struktur offenbar von Bedeutung. Dies wird durch das Vorhandensein von Germaniumoxid im Glas begünstigt und auch das eingebaute Wasser spielt dabei eine Rolle.
Ausserdem ist es zum Erhalten einer "offenen" Strukur günstig, wenn das Glas nach dem Schmelzen und Homogenisieren von einer gerade über dem Umwandlungsbereich liegenden Temperatur auf Zimmertemperatur z.B. in kaltem Wasser abgeschreckt wird.
Die Dielektrizitätskonstante £ des Glases nach der Erfindung variiert zwischen etwa 7»2 und 11,7 und die Verglasungstemperatur, d.h. die Temperatur, bei der die Viskosität des Glases 10 Poises beträgt, variiert zwischen etwa 825 und 9750C.
709848/0844
PHN. 8399. > 3.5.77.
Das Glas nach der Erfindung unterscheidet sich von dem bekannten Glas durch eine viel höhere Durchschlagfestigkeit und erteilt der mit ihm passivierten Halbleitervorrichtung eine viel längere Lebensdauer.
Das geeignetste Verfahren zum Anbringen der glasartigen Schicht auf den zu schützenden Halbleitervorrichtungen ist das in der DT-OS 26 OO 321 beschriebene Verfahren, nach welchem die Schicht mit Hilfe von Elektrophorese einer Dispersion von Glasteilchen in einem flüssigen Dispersionsmittel angebracht wird, wobei diese Dispersion eine spezifische Leitfähigkeit von höchstens 10 JL cm aufweist und vorzugsweise ein Zusatzdispergiermittel in Form eines ionisierbaren Stoffes enthält, das ein mehrwertiges Metallion und mindestens ein Ion mit mindestens einer
15 apolaren organischen Gruppe enthält.
Nach anderen Verfahren wird das Glas durch Kathodenzerstäubung oder mittels einer Suspension angebracht, die mit einem Pinsel oder mit einem Abstreifmesser aufgebracht wird, während das Glas auch durch Absetzen, vorzugsweise durch Zentrifugieren, angebracht werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise für einige Glaszusammensetzungen an Hand der Beschreibung eines Verfahrens zum Anbringen der Schicht auf einer integrierten Schaltung auf einem Halbleiterkristall und an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
709848/084A
PHN. 8399·
- 3.5.77.
Als Ausgangsstoffe werden Quarzsand, Bleisilikat (85,h Gew.^ PbO und 1^,6 Gew.# Si0 2) Aluminiumoxid (66,8 Gew.# Al2O3 und 33,2 Gew.# H2O) Zinkweiss (Zn©), Germaniumoxid (GeO2) und Magnesiumoxid (93 Gew.$ MgO, k Gew.# si02 und 3 Gew.^ CaO) gewält. Aus diesen Stoffen
wurden durch Schmelzen die in der Tabelle erwähnten Glaszusammensetzungen hergestellt. Die Schmelze wurde in kaltem
Wasser abgeschreckt und dann zu einer KorngrÖsse zwischen 0,1 und 10 /um mit einem Mittelwert von 3/Um gemahlen. In der
Tabelle werden die Dielektrizitätskonstante (2) bei 1 MHz, die Durchschlagspannung V_ in Volt (d.h. die Spannung bei welcher ein elektrischer Durchschlag in der Schicht erfolgt) in einer nachstehend an Hand der Zeichnung zu beschreibenden Anordnung, also für eine Schichtstärke von 11 /um, die Ver-
^5 glasungstemperatur T 1 in 0C (d.h. die Temperatur, bei der
die Viskosität des Glases 10 '5 Poises beträgt) und die
11 2
Menge Ladung Q pro Oberflächeneinheit in 10 q/cm Glasoberfläche angegeben, wobei q für die elektrostatische Ladungseinheit steht. Die Grosse Q bezieht sich auf die dielektrische Doppelschicht, die an der Grenzfläche zwischen Glas und Si-Kristall erhalten wird. Als Vorzeichen wird das Vorzeichen auf der Glasseite eingehalten.Durch die grosse positive Ladung auf der Kristallseite, die durch Anwendung der Gläser nach der Erfindung erhalten ist,
-> werden eine starke passivierende Wirkung und eine hohe
Durchschlagfestigkeit erzielt. Der Wassergehalt let in cm
Wasserdampf, gemessen bei 0°C und 76 cm Hg, pro cm Glas angegeben. 709848/084*
TABELLE
ο to CO .Γ* OO "^ O 00
Nr. Zusammensetzung in Mol.# SiO2 PbO Al2O3 ZnO MgO GeO2 H2O . (1 MHz) Vf
(Volt)		 T
gl		 Q .
10 q/cm
1
2
3
4
5
6		 66,8
52,8
56,8
56,8
56,8
56,8		 11,5
21,5
19,5
21,5
13,5
21,5		 11,5
15,5
13,5
11,5
11,5
17,5		 0,1
0,1
0,1
ο,ι
0,1
0,1		 0,1
ο,ι
0,1 .
0,1
0,1
0,1		 10
10
10
10
18
4		 12x10"^
15x10"^
13,5x10"4
17x1O"4
15x10
13x1O~4 		7,22
10,97
9,87
9,81
8,79
10,87		 1 100
300
400
1000
550		 950
843
867
904
872
896		 -36,2
-15,2
-16,1
-22,5
-37,^
-24,5
C£>
ro
co
cc
00 U)
VO
PHN. 8399. *ϊ- Λ0 3.5.77.
Durch die Schmelze von Glas Nr. k wurde in
einem gesonderten Versuch trockener Sauerstoff hindurch-
-k geleitet. Dadurch sank der Wassergehalt auf 7 · 10 herab.
Dieses Glas wies keine günstigen passivierenden Eigenschäften auf.
Die Teilchen werden in einem aus Isoparaffinen bestehenden Dispergiermittel zusammen mit einem Zusatzdispergiermittel dispergiert. Letzteres enthält z.B.:
1 Gewichtsteil einer Ca-Seife von sulfobernsteinsaurem Didecylester,
1 Gewichtsteil einer Cr-Seife eines Gemisches von
Alkylsalicylaten, deren Alkylgruppe 8 bis Ik C-Atome enthält, und
1 Gewichtsteil eines Kopolymers von Laurylstearyl-15 methacrylat und 2-Methyl-5-vinylpyridin.
0,75 S dieses Gemisches wird in 1 Liter Isoparaffin gelöst. 20 ml dieser Lösung wird mit 10 g Glaspulver einer der obenstehenden Zusammensetzungen (Teilchengrösse etwa 3 /um) und 10 ml einer Lösung von 20g/l Laurylstearylpolymethacrylatlösung in einem Isoparaffinegemisch einem Liter eines Isoparaffinegemisches zugesetzt.
Die spezifische Leitfähigkeit dieser Dispersion
1 P 1 1
beträgt etwa 5 · 10~ -Π-~ cm" .
Eine Halbleiterscheibe wird mit einer Pt-Gegenelektrode in einem Abstand von 11 mm in die Dispersion
709846/08U
PHN. 8399. 3.^.77.
gehängt und daran wird eine Spannung von 200 V angelegt.
Nach etwa 1 Minute ist eine 11 /um dicke Glasschicht erhalten.
Eine auf diese Weise erhaltene Halbleitervorrichtung weist eine besonders lange Lebensdauer auf, wenn sie« atmosphärischen Einflüssen ausgesetzt wird.
In der Zeichnung ist eine Halbleitervorrichtung mit einer passivierenden Glasschicht nach der Erfindung dargestellt, die aus einer 230 ;um dicken Scheibe (1) aus N-leitendem Silicium besteht, die b,is zu einer Tiefe von 40/um durch Diffusion von Bor P-leitend gemacht wird (2). Vorher sind die Gebiete (6) durch eine örtliche sehr tiefe P-Diffusion angebracht. Dann wird bis zu einer Tiefe von 15/um durch Diffusion von Phosphor örtlich eine N-leitende Zone (3) angebracht. Der dabei gebildete Kern(5) besteht aus dem ursprünglichen N-leitenden Silicium. Die Glasschichten (k) dienen zum Schützen der darunter liegenden PN-Uebergänge.
709848/0844
Leerseite

Claims (10)

  1. PATENTANSPRUECHE:
  2. Μ.
  3. Glas, vorzugsweise zur Passivierung von Halbleitervorrichtungen, das SiO2, PbO und A12O„ enthält, dadurch gekennzeichnet, dass seine Zusammensetzung in Mol.$ zwischen den folgenden Grenzen liegt:
    SiO2 50 - 75
  4. Al2O 3,5 - 20 Ί pb0
  5. ( Tt—η ' ν ' vorzu6sweise PbO 7,5-^0 J 2 3 etwa gleich
  6. GeO2 3-20,
  7. 3
    wobei das Glas Wasser, in cm Wasserdampf ausgedrückt,
  8. 3 gemessen bei O0C und 76 cm Hg, pro cm Glas zwischen
  9. -k -k
  10. 10 . 10 und 100 . 10 enthält.
    2. Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine Zusammensetzung zwischen den folgenden Grenzen in M0I.9& liegt:
    SiO2 50-75
    Al2O 10 - 201 Pb0
    L \ 1, vorzugsweise PbO 10 - 25 J AJ"2W3 etwa gleich GeO2 3-20,
    3
    wobei das Glas Wasser, in cm Wasserdampf ausgedrückt,
    gemessen bei O0C und J6 cm Hg pro cm Glas zwischen
    -k -k
    10 . 10 und 100 . 10 enthält.
    3. Verfahren zur Herstellung von Glas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens für einen Teil des Ausgangsgemenges wasserhaltige Ausgangsstoffe, namentlich wasserhaltiges Aluminiumoxid, verwendet werden.
    709?U R/0844
    ORIGINAL INSPECTED
    PHN. 8399.
    3.5.77.
    U. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Glas nach dem Schmelzen und Homogenisieren auf eine Temperatur unter Zimmertemperatur abgeschreckt wird. 5. " Halbleitervorrichtung die versehen ist mit einer passivierenden Schicht eines Glases nach einem der Ansprüche 1 oder 2.
DE2720639A 1976-05-10 1977-05-07 Glas, verwendbar zur Passivierung von Halbleitervorrichtungen und Verfahren zu seiner Herstellung Expired DE2720639C2 (de)

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