DE3702837C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsglas- Zusammensetzung zur Passivierung von Halb­ leiterelementen gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Der Ausdruck "Passivierung" bedeutet ein Wachstum einer Oxidschicht auf der Oberfläche eines Halb­ leiters, um eine elektrische Stabilität durch Iso­ lierung der Transistoroberfläche von den elektrischen und chemischen Bedingungen in der Umgebung zu schaffen. Dies reduziert den Rückstrom-Streu­ verlust, verbessert die Durchbruchspannung und erhöht den Balastbarkeits-Nennwert (vgl. McGrow-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, 3rd Addition, S. 1170).
Unter verschiedenen Erfordernissen für ein Beschich­ tungsglas (vergütetes Glas) zur Passivierung von Halbleiterelementen ist es besonders angezeigt, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von im wesentlichen gleich dem des Halbleiterelements zu haben, um eine ausgezeichnete Abdichtung (Ver­ siegelung) durch Brennen des Beschichtungsglases bei einer Temperatur von etwa 700 bis 900°C zu schaffen und einen hohen chemischen Widerstand ge­ genüber verschiedenen chemischen Mitteln oder Säuren zu erhalten, die in Prozessen für die Herstellung von Halbleitereinrichtungen, beispielsweise einem Elektrodenherstellungsprozeß, verwendet werden. In diesem Zusammenhang beträgt ein thermischer Ausdeh­ nungskoeffizient eines Silikon-Halbleiters 32 bis 35×10-7/°C.
Für das Halbleiter-Passivierungs-Beschichtungsglas wird herkömmlicherweise ein Zink-Bor-Silikat- (ZnO-B₂O₃-SiO₂-)Glas oder ein bleihaltiges Glas, z. B. PbO-SiO₂-Glas oder PbO-B₂O₃-SiO₂-Glas, ver­ wendet.
Die US-PS 39 00 330 offenbart ein ZnO-B₂O₃-SiO₃- Passivierungsglas, das Ta₂O₅ enthält.
Das bleihaltige Glas ist im chemischen Widerstand besser als das Zink-Bor-Silikat-Glas. Das blei­ haltige Glas besitzt jedoch im allgemeinen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der eines Silikon-Halbleiterplättchens. Das Plättchen neigt daher dazu, sich zu werfen, zu biegen oder zu krümmen, nachdem es vor einem Brennvorgang mit dem bleihaltigen Glas beschichtet worden ist.
Unlängst ist das Plättchen großflächiger geworden, um einen Durchmesser von beispielsweise 7,62 bis 12,7 cm zu erhalten, wobei das Verwerfen in einer erhöhten Krümmung resultiert.
Das Verwerfen des Plättchens führt zu Schwierig­ keiten bei der Elektrodenmusterbildung auf der Plättchenoberfläche.
Die gebrannte Passivierungs-Bleiglasschicht auf dem Silikonplättchen neigt in unvorteilhafter Weise zum Springen bzw. zu Rißbildungen, so daß die Struktur des tafelförmigen Silikon-Halbleiterchips von einem Einfach-Rillentyp, der durch Einschneiden des Plättchens an der gebrannten Glasschicht geformt ist, in einen Doppel-Rillentyp geändert werden muß, der durch ein Einschneiden des Plättchens an dem nicht mit Glas beschichteten Teil gebildet ist. Dies resultiert in höheren Produktionskosten der Halbleitereinrichtung.
Dementsprechend beabsichtigt die vorliegende Er­ findung, das bleihaltige Beschichtungsglas zu ver­ bessern, das für eine Passivierung von Halbleiter­ elementen verwendet wird.
Die US-PS 39 63 505 offenbart ein bleihaltiges Dichtungsglas, das mit einem nicht-inerten Zinkoxid, z. B. Zink-Orthosilikat (Willemit), gemischt ist. Das US-Patent 45 22 925 offenbart ebenfalls ein Dichtungsglas, das eine Bleiborat-Glasmatrix und einen Willemit-Füller (Zink-Orthosilikat) enthält. Solche Gläser werden jedoch für die hermetische Versiegelung von Halbleiter-Packungen verwendet; aber sie sind nicht geeignet für eine Passi­ vierungsbeschichtung von Halbleitern, weil der thermische Ausdehnungskoeffizient übermäßig höher ist als der des Halbleiters.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beschichtungsglas (vergütetes Glas) zur Pas­ sivierung von Halbleiterelementen zu schaffen, das einen verbesserten thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten besitzt, der im wesentlichen gleich dem des Silikon-Halbleiterplättchens ist, so daß das Beschichtungsglas eine Passivierungsglas­ beschichtung mit hoher mechanischer und thermischer Schockbeanspruchung auf dem Silikon-Halbleiter­ plättchen durch Brennen mit einer reduzierten oder im wesentlichen keiner Krümmung des Plättchens schaffen kann.
Hierbei geht die Erfindung aus von einer Beschichtungs­ glas-Zusammensetzung zur Passivierung von Halbleiter­ elementen, bestehend aus 10 bis 50 Gew.-% eines Wille­ mit-(Zink-Orthosilikat-)Pulvers und einem nicht kristallisierbaren Bleisilikat-Glaspulver.
Die erfindungsgemäße Beschichtungsglas-Zusammensetzung zeichnet sich zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch aus, daß das Bleisilikat-Glaspulver im wesentlichen aus 40 bis 65 Gew.-% PbO, 30 bis 50 Gew.-% SiO₂ und 0 bis 20 Gew.-% Al₂O₃ besteht, wobei das Willemit-Pulver gegenüber diesem Bleisilikatglas inert ist.
Die Beschichtungsglas-Zusammensetzung kann eine aus­ gezeichnete Passivierungsschicht auf einem Silikon-Halb­ leiterplättchen durch ein Brennen bei einer Temperatur von 700°C bis 900°C schaffen.
Das inerte Willemit-Pulver wird benutzt für eine Herab­ setzung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Beschichtungsglases (Vergütungsglases), so daß er im wesentlichen gleich dem des Silikon-Halbleiterplättchens ist. Zu diesem Zweck beträgt die Menge des Willemit-Pulvers mindestens 10 Gew.-%. Die Verwendung von Willemit-Pulver von mehr als 50 Gew.-% verschlechtert die Fließfähigkeit des Beschichtungsglases bei Brenntemperatur, was zu einer ungenügenden Abdichtung auf den Silikon- Halbleiterplättchen führt. Daher beträgt die maximale Menge von Willemit-Pulver 50 Gew.-%.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Glaspulvers, das einen PbO-Bestandteil von weniger als 40 Gew.-% enthält, kann kaum eine Passivierungsbeschichtung schaffen, die auf dem Silikon-Halbleiterplättchen fest ab­ gedichtet ist, weil das Glas eine hohe Viskosität bei der Brenntemperatur besitzt. Dagegen besitzt ein Glas, das mehr als 70 Gewichtsprozent Blei enthält, eine beträchtlich hohe thermische Ausdehnung, die selbst durch ein Mischen mit Willemit nicht auf die des Silikon-Halbleiterplättchens herabgesetzt werden kann.
Das Bleisilikat-(PbO-SiO₂-)Glas und das Blei-Bor- Silikat-(PbO-B₂O₃-SiO₂-)Glas werden gewünscht mit einer Erweichungstemperatur von 550° bis 800°C und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 30 bis 55×10-7°C-1 innerhalb eines Temperatur­ bereiches von 30° bis 300°C.
Das erfindungsgemäß verwendete Bleisilikat-Glaspulver besteht - in Gewichtsanteilen - im wesentlichen aus 40 bis 65% PbO, 30 bis 50% SiO₂ und 0 bis 20% Al₂O₃.
Die Verwendung von SiO₂ mit weniger als 30 Gewichts­ prozent erhöht in unvorteilhafter Weise den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glases, während SiO₂ in einer Menge von mehr als 50 Gewichtsprozent die Viskosität des Glases bei Brenntemperatur erhöht.
Das Glaspulver kann Al₂O₃ enthalten, um das Glas zu sta­ bilisieren und vor einer Entglasung zu bewahren; aber Al₂O₃ über 20 Gewichtsprozent erhöht in unvorteilhafter Weise die Viskosität des Glases und erhöht außerdem den Rückstrom-Streuverlust des Halbleiters. Die Menge an Al₂O₃ beträgt maximal 20 Gewichtsprozent.
Das Blei-Bor-Silikat-Glaspulver, das wahlweise in der vor­ liegenden Erfindung benutzt wird, besteht aus - in Gewichtsanteilen - 40 bis 65% PbO, 0,1 bis 15% B₂O₃, 0,1 bis 50% SiO₂ und 0 bis 20% Al₂O₃.
B₂O₃ unterhalb 0,1% macht das Glas entglasbar und kann zu keinem homogenen Glas führen, während B₂O₃ oberhalb 15% das Glas phasenzerlegbar macht.
Das Glas besitzt einen unvorteilhaft erhöhten ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten, falls die Menge an SiO₂ unterhalb 0,1% ist, während es eine in unvorteilhafter Weise erhöhte Viskosität erhält, falls die Menge an SiO₂ oberhalb von 50% liegt.
Al₂O₃ kann ebenfalls benutzt werden; aber Al₂O₃ oberhalb von 20% kann nicht verwendet werden, wegen des Anstiegs der Glasviskosität und des Rückstrom- Streuverlustes.
Das oben beschriebene Blei-Silikat-Glaspulver und das Blei- Bor-Silikat-Glaspulver können beide wenigstens einen anderen Bestandteil enthalten, der aus MnO₂, CeO₂; Sb₂O₃, Ta₂O₅, SnO₂, Nb₂O₅, Bi₂O₃ und ZnO ausgewählt wird. Die Menge des zusätzlichen Bestandteiles bzw. der zusätzlichen Bestandteile ist begrenzt auf 5 Gewichtsprozent, weil das Glas inhomogen ist und einen erhöhten thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, wenn die Menge mehr als 5 Gewichtsprozent beträgt.
Wenn ZnO mit mehr als 5 Gewichtsprozent benutzt wird, dann wird das Glas phasenzerlegbar.
Erfindungsgemäß wird ein inertes Willemit-(Zink-Orthosilikat-)Pulver dem Blei-Silikat-Glaspulver oder Blei-Bor-Silikat-Glaspulver hinzugefügt, um dadurch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Passivierungs-Glasbeschichtung auf Halbleiter­ elemente herabzusetzen, so daß er im wesentlichen gleich dem des Halbleiters ist.
Willemitpulver ist somit inert gegenüber bleihaltigem Glaspulver. Wenn daher die Beschichtungsglas- Zusammensetzung bei der Brenntemperatur gebrannt wird, schmilzt das Glaspulver, um eine Glasschicht zu bilden, in der Willemitpartikel gleichförmig verteilt sind.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen Glaszusammensetzungen zusammen mit ihren Eigenschaften für Blei-Silikat- bzw. Blei-Bor-Silikat-Gläser, die in geeigneter Weise für die vorliegende Erfindung benutzt werden.
Tabelle 1
(PbO-SiO₂-Glas)
Tabelle 2
(PbO-B₂O₃-SiO₂-Glas)
Das Pulver jeder Glasprobe bzw. jedes Probeglases gemäß Tabellen 1 und 2 ist aufbereitet durch
  • (1) Mischen von Rohmaterialien, um eine Charge zu bilden, die jeweils die in der Tabelle gezeigte Zusammensetzung besitzt;
  • (2) Schmelzen der Charge bei einer Temperatur von 1500° bis 1600°C in etwa einer Stunde, um ein geschmolzenes Glas zu bilden;
  • (3) Wasserpulverisierung des geschmolzenen Glases, um kleine Glaskugeln zu formen;
  • (4) Feinzerteilung der kleinen Glaskugeln durch eine Kugelmühle; und
  • (5) Klassieren der feinzerkleinerten Partikel, um ein Glaspulver mit einer Partikelgröße von 44 µm oder kleiner zu erhalten.
Das mit dem Bleisilikat-Glaspulver oder dem Blei- Bor-Silikat-Glaspulver zu mischende Willemitpulver wird durch folgende Prozesse zubereitet:
  • (1) Mischen von ZnO-Pulver und SiO₂-Pulver mit einem Mol-Verhältnis von 2 : 1;
  • (2) Aufheizen der Mischung auf eine hohe Temperatur von etwa 1450°C, um gesinterte Körper zu erhalten; und
  • (3) Feinzerteilung der gesinterten Körper, um Zink-Orthosilikat-Pulver zu erhalten.
Das erhaltene Willemitpulver wurde mit verschiedenen Glaspulvern gemäß Tabellen 1 und 2 gemischt und durch die oben beschriebenen Verfahren zube­ reitet. Jede Mischung wurde gelöst oder dispergiert in einem organischen Lösungsmittel, bei­ spielsweise Isopropylalkohol, und galvanisch gefällt, um eine dünne Schicht auf einer Oberfläche eines Silikon-Halbleiterelements durch das Elektro­ phorese-Verfahren zu bilden. Nach dem Trocknen wurde das Halbleiterelement mit der dünn abgelagerten Pulverschicht in einen elektrischen Brennofen gegeben und auf eine Temperatur von etwa 700° bis 890°C in einem Zeitabschnitt von 10 bis 15 Min. erhitzt. Auf diese Weise wurde die dünne Pulverschicht gebrannt und eine Passivierungs-Glasbeschichtung auf dem Halbleiterelement gebildet.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient der erhaltenen Passivierungs-Glasbeschichtung wurde gemessen.
Tabelle 3 zeigt vier Beispiele der Passivierungs- Glasbeschichtungen von verschiedenen Glasproben der Tabellen 1 und 2 und von verschiedenen Mengen des Willemitpulvers zusammen mit entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Brenntem­ peraturen.
Tabelle 3
Aus einem Vergleich der Tabelle 3 mit den Tabellen 1 und 2 läßt sich erkennen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient jedes bleihaltigen Glases durch die Mischung des Willemitpulvers herabgesetzt ist, so daß eine Schicht der Passivierungs- Glasbeschichtung auf der Halbleiteroberfläche mit einem reduzierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist, der im wesentlichen gleich dem des Silikon-Halbleiters ist.
Durch Beobachtung wurde auch bestätigt, daß sich kein Silikon-Halbleiterplättchen verworfen (gekrümmt) hatte, nachdem die Passivierungs-Glasbeschichtung darauf gebildet war.
Nach dem Bilden von Elektroden auf jedem mit Pas­ sivierungs-Glasbeschichtung versehenen Halblei­ terelement wurden der Rückstrom-Streuverlust und die Durchbruchspannung gemessen. Ersterer war in vorteilhafter Weise klein, und letzterer erfüllte den zulässigen Wert.

Claims (2)

1. Beschichtungsglas-Zusammensetzung zur Passivierung von Halbleiterelementen, bestehend aus 10 bis 50 Gew.-% eines Willemit-(Zink-Orthosilikat-)Pulvers und einem nicht-kristallisierbaren Bleisilikat- Glaspulver, dadurch gekennzeichnet, daß das Bleisilikat-Glaspulver im wesentlichen aus 40 bis 65 Gew.-% PbO, 30 bis 50 Gew.-% SiO₂ und 0 bis 20 Gew.-% Al₂O₃ besteht, wobei das Willemit-Pulver gegenüber diesem Bleisilikatglas inert ist.
2. Beschichtungsglas-Zusammensetzung zur Passivierung von Halbleiterelementen, bestehend aus 10 bis 50 Gew.-% eines Willemit-(Zink-Orthosilikat-)Pulvers und einem nicht-kristallisierbaren Blei-Bor-Silikat- Glaspulver, dadurch gekennzeichnet, daß das Blei-Bor-Silikat-Glas im wesentlichen aus 40 bis 65 Gew.-% PbO, 0,1 bis 15 Gew.-% B₂O₃, 0,1 bis 50 Gew.-% SiO₂ und 0 bis 20 Gew.-% Al₂O₃ besteht, wobei das Willemitpulver gegenüber dem Blei-Bor-Silikat- Glas inert ist.
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