RU2083515C1 - Glass for crystalline-glass dielectric for structures of silicon-on- insulator type - Google Patents
Glass for crystalline-glass dielectric for structures of silicon-on- insulator type Download PDFInfo
- Publication number
- RU2083515C1 RU2083515C1 RU95115945A RU95115945A RU2083515C1 RU 2083515 C1 RU2083515 C1 RU 2083515C1 RU 95115945 A RU95115945 A RU 95115945A RU 95115945 A RU95115945 A RU 95115945A RU 2083515 C1 RU2083515 C1 RU 2083515C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- glass
- structures
- dielectric
- content
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
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). The invention relates to compositions of crystallizable glasses intended for dielectric isolation of active elements of silicon integrated circuits and the creation of structures such as silicon-on-insulator (SOI) and silicon structures with dielectric insulation (KSDI).
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.Known crystallized glass [1] for the isolation of integrated circuit elements (IC), including, by weight. SiO 2 50-55, Al 2 O 3 - 20-25, MgO 5-10, TiO 2 8-12, SrO 5-10. The disadvantage of this crystallized glass is the increased sensitivity of the coefficient of thermal linear expansion (KTLR) to insignificant fluctuations in the heat treatment regimes, which is associated with the presence of several crystalline phases in the crystallized material that differ in the KTLR values (beta cristobalite, cordierite, strontium anorthite, strontium osumilite, rutile and drutilite .). The deviation of the CTLR values of the glass from the CTLRs of silicon makes it difficult to obtain junctions compatible with silicon and leads to deformation of silicon wafers, the appearance of internal stresses and dislocations in silicon, and, ultimately, to a deterioration of the parameters of silicon devices to a low yield for IC manufacturing. Another disadvantage of this crystallizing glass is the impossibility of obtaining a high-quality, defect-free junction when two silicon wafers are connected during the formation of SOI and KSDI structures due to the high viscosity of the glassy material during heat treatment of structures due to the rapidly occurring crystallization process.
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.Closest to the claimed composition is crystallized glass for the manufacture of glass crystal cement for insulation of IP elements [2] including, by weight. SiO 2 47-58, Al 2 O 3 15-22, TiO 2 6-12, SrO and / or BaO 3-25, one component from the group: CeO 2 0.01-0.5, ZrO 2 0.5- 3.0, SnO 2 0.5-3.0 - prototype. This crystallizing substance makes it possible to obtain high-quality dielectric layers on silicon wafers, coordinated by CTRL with silicon. The disadvantage of this crystallizing glass is the low quality of the junction when connecting two silicon wafers during the manufacturing of the SOI and KSDI structures due to the high viscosity of the material during the formation of the junction due to the rapidly occurring crystallization process and the increased content of the crystalline phase. The consequence of this is the low mechanical strength of the junction and the formation of pores and cavities in the junction area.
Задачей изобретения является получение механически прочного, без пор и полостей спая при соединении кремниевых пластин структур КНИ. The objective of the invention is to obtain mechanically strong, without pores and cavities of the junction when connecting silicon wafers structures SOI.
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.The objective is achieved in that the glass for a glass crystal dielectric for silicon-on-insulator structures, including SiO 2 , Al 2 O 3 , BaO, SrO, TiO 2 , CeO 2 , additionally contains CaO and GeO 2 in the following ratio of components, wt.
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.SiO 2 46-59,
Al 2 O 3 10-23,
BaO 16-28,
SrO 1-10,
TiO 2 0.01-8,
CeO 2 7 0.01-0.5,
CaO 1-6,
GeO 2 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.The decrease in the content of SiO 2 below 46 wt. leads to an increase in the content of the crystalline phase in the crystallized material with respect to the optimum and a deterioration in the adhesion of the crystallized material to silicon. The increase in the content of SiO 2 over 59 wt. leads to a decrease in the content of the crystalline phase relative to the optimal and to a deterioration in dielectric properties.
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.The decrease in the content of Al 2 O 3 below 10 wt. leads to a decrease in the content of the crystalline phase in the crystallized material and a deterioration in dielectric properties. The increase in the content of Al 2 O 3 over 23 wt. leads to an increase in the temperature of soldering and deterioration of adhesion to silicon.
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. The decrease in the content of BaO below 16 wt. leads to a decrease in the content of the crystalline phase in the crystallized material and a deterioration in dielectric properties. The increase in the content of BaO over 28 wt. causes an increase in the thermal expansion coefficient of the crystallized material, which leads to deformation of the structures of the silicon-insulator due to the mismatch of the thermal expansion coefficient of the vitreous dielectric and silicon.
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. The decrease in the content of SrO below 1 wt. leads to a decrease in the content of the crystalline phase in the crystallized material and a deterioration in dielectric properties. The increase in the content of SrO over 10 wt. causes an increase in the CTLR of the crystallized material.
Увеличение содержания TiO2 свыше 8 мас. приводит к резкому повышению скорости кристаллизации стекловидного материала при термообработке и ухудшению вследствие этого адгезии к кремнию.The increase in the content of TiO 2 over 8 wt. leads to a sharp increase in the rate of crystallization of the vitreous material during heat treatment and deterioration as a result of adhesion to silicon.
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.The decrease in the content of CeO 2 , TiO 2 below 0.01 wt. leads to a deterioration in the dielectric properties of the glass crystal material. The increase in the content of CeO 2 over 0.5 wt. leads to an increase in the content of the crystalline phase in the crystallized material and a deterioration in adhesion to silicon.
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. The decrease in the content of CaO below 1 wt. leads to an increase in the temperature of the onset of deformation of the material and the formation of pores and cavities in the junction area. The increase in CaO content over 6 wt. leads to an increase in the content of the crystalline form in the crystallized material and a deterioration in adhesion to silicon.
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.The decrease in the content of GeO 2 below 1 wt. leads to a sharp increase in the rate of crystallization of the vitreous material during the heat treatment and deterioration as a result of adhesion to silicon, a decrease in the mechanical strength of the junction and the formation of pores and cavities in the junction area. The increase in the content of GeO 2 over 8 wt. causes an increase in the LTEC of the crystallized material, which leads to deformation of the SOI structures, as well as a decrease in chemical resistance.
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 1200oC) операции, применяемые в технологии изготовления интегральных схем.One of the most promising methods for creating silicon-on-insulator structures is based on soldering a single-crystal instrument and a silicon support wafer through a glassy dielectric layer, followed by thinning of the instrument wafer to a film of a given thickness. Vitreous dielectrics known in science and technology for isolating the active elements of silicon integrated circuits, for example, C40-2 grade glass glass [1, 3], do not allow defect-free, mechanically strong, without pores and cavities, junctions of silicon wafers. Vitreous dielectrics of the proposed compositions provide high-quality SOI structures with a diameter of 100 mm or more with a minimum deflection (<30 μm) that can withstand all standard high-temperature (up to 1200 o C) operations used in the manufacturing technology of integrated circuits.
Примеры реализации. Implementation examples.
Были синтезированы стекла (NN 1 5), составы которых приведены в табл. 1. Glasses were synthesized (NN 1 5), the compositions of which are given in table. one.
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 1700oC 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.As initial components, oxides of the osch and hch brands were used. The starting components were weighed in accordance with a predetermined composition and mixed in an agate mortar. The glasses were synthesized in an induction furnace in a platinum-rhodium crucible at a temperature of 1700 ° C for 4 hours. The glasses were produced in the form of granules by casting melt into distilled water. The obtained granulate was crushed in an agate drum on a planetary mill to a specific surface of 8000 cm 2 / g.
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 1220oC под давлением 10 40 г/см2 с выдержкой при максимальной температуре 30 90 мин.The obtained powdery glass was applied by spraying an aqueous suspension onto single crystal silicon wafers with a diameter of 100 mm. Soldering of silicon wafers through a glassy dielectric layer was carried out in an SDO-125/4 diffusion furnace at a temperature of 1180 1220 o C under a pressure of 10 40 g / cm 2 with exposure at a maximum temperature of 30 to 90 minutes.
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 600oC серебряные электроды.Samples for measuring CTRL and dielectric characteristics were pressed from powdery glass. The heat treatment regime of the samples for measuring the thermal expansion coefficient and dielectric characteristics corresponded to the modes of soldering of silicon wafers. After heat treatment, silver electrodes were deposited and burned at 600 ° C on samples for measuring dielectric characteristics.
Оптимальные режимы спаивания кремниевых пластин для стекол различных составов приведены в табл. 2. The optimal modes of soldering silicon wafers for glasses of various compositions are given in table. 2.
В табл. 3 приведены значения КТЛР и диэлектрических характеристик образцов стеклокристаллических материалов, закристаллизованных по режимам, соответствующим режимам спаивания кремниевых пластин. In the table. Figure 3 shows the CTLR values and the dielectric characteristics of samples of glass-crystalline materials crystallized by the regimes corresponding to the modes of soldering silicon wafers.
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. To evaluate the quality of the junction, silicon wafers after connection were scribed onto samples with dimensions of 5x5 mm. Investigations using optical and scanning electron microscopes of chips and thin sections of joint samples obtained in optimal conditions based on glasses of
Изменение температуры спаивания кремниевых пластин и температуры кристаллизации отпрессованных образцовы в пределах +10oC 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.Changes in the soldering temperature of silicon wafers and the crystallization temperature of pressed samples within +10 o C from the optimum, as well as additional heat treatment for 2 hours at the temperature of soldering and crystallization did not affect the CTLR values, dielectric characteristics of glassy materials as a junction.
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 800oC). Прогиб структур КНИ диаметром 100 мм не превышал 20 мкм.The dislocation density in single-crystal silicon wafers after soldering did not exceed 5 • 10 3 cm -2 , which indicates low internal stresses in silicon and good matching of glassy dielectrics with silicon according to the CTLR (CTLR of single-crystal silicon is 40 • 10 -7 K -1 in the
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. The use of the proposed compositions of crystallizing glasses instead of the known ones can significantly improve the characteristics of the SOI and KSDI structures and semiconductor integrated circuits based on them, as well as increase the yield for their production.
Claims (1)
Al2O3 10 23
BaO 16 28
SrO 1 10
TiO2 0,01 8
СeO2 0,01 0,5
CaO 1 6
GeO2 1 8,SiO 2 48 59
Al 2 O 3 10 23
BaO 16 28
SrO 1 10
TiO 2 0.01 8
CeO 2 0.01 0.5
CaO 1 6
GeO 2 1 8,
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95115945A RU2083515C1 (en) | 1995-09-12 | 1995-09-12 | Glass for crystalline-glass dielectric for structures of silicon-on- insulator type |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95115945A RU2083515C1 (en) | 1995-09-12 | 1995-09-12 | Glass for crystalline-glass dielectric for structures of silicon-on- insulator type |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2083515C1 true RU2083515C1 (en) | 1997-07-10 |
| RU95115945A RU95115945A (en) | 1997-09-27 |
Family
ID=20172039
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU95115945A RU2083515C1 (en) | 1995-09-12 | 1995-09-12 | Glass for crystalline-glass dielectric for structures of silicon-on- insulator type |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2083515C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017023452A1 (en) * | 2015-08-05 | 2017-02-09 | Ferro Corporation | High-k ltcc dieletric compositions and devices |
| RU2711609C1 (en) * | 2019-07-10 | 2020-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Glassy inorganic dielectric |
-
1995
- 1995-09-12 RU RU95115945A patent/RU2083515C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Авторское свидетельство СССР N 948921, кл. C 03 C 10/00, 1982. Авторское свидетельство СССР N 440351, кл. C 03 C 8/06, 1972. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017023452A1 (en) * | 2015-08-05 | 2017-02-09 | Ferro Corporation | High-k ltcc dieletric compositions and devices |
| US10065894B2 (en) | 2015-08-05 | 2018-09-04 | Ferro Corporation | High-K LTCC dielectric compositions and devices |
| US10494306B2 (en) | 2015-08-05 | 2019-12-03 | Ferro Corporation | High-K LTCC dielectric compositions and devices |
| RU2711609C1 (en) * | 2019-07-10 | 2020-01-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Glassy inorganic dielectric |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1676484B (en) | Glass-ceramic and method for its production | |
| CA1196032A (en) | Transparent glass-ceramics containing mullite | |
| US5968857A (en) | Glass-ceramics | |
| TWI289904B (en) | Strained semiconductor-on-insulator structures and methods for making strained semiconductor-on-insulator structures | |
| JP2608351B2 (en) | Semiconductor member and method of manufacturing semiconductor member | |
| US6197429B1 (en) | Method for making transparent glass-ceramics with high temperature dimensional stability | |
| Shyu et al. | Crystallization and Dielectric Properties of SrO–BaO–Nb2O5–SiO2 Tungsten‐Bronze Glass‐Ceramics | |
| KR20070044059A (en) | High strain glass/glass-ceramic containing semiconductor-on-insulator structures | |
| EP0262789A1 (en) | Capping layer for recrystallization process | |
| TWI470743B (en) | Glass-ceramic-based semiconductor-on-insulator structures and method for making the same | |
| EP0303320A2 (en) | A method of forming thin, defect-free, monocrystalline layers of semiconductor materials on insulators | |
| Shyu et al. | Crystallization of a PbO‐BaO‐TiO2‐Al2O3‐SiO2 Glass | |
| US7053015B2 (en) | SBN glass ceramics system | |
| RU2083515C1 (en) | Glass for crystalline-glass dielectric for structures of silicon-on- insulator type | |
| US4990464A (en) | Method of forming improved encapsulation layer | |
| Wei et al. | Thermal expansion coefficient tailoring of LAS glass-ceramic for anodic bondable low temperature co-fired ceramic application | |
| JPH04212409A (en) | Forming method for semiconductor substrate | |
| RU2083514C1 (en) | Glass for structures of silicon-on-insulator type | |
| CN101371348B (en) | Germanium on glass and glass-ceramic structures | |
| CN101884100B (en) | Improved substrate compositions and methods for forming semiconductor on insulator devices | |
| RU2711609C1 (en) | Glassy inorganic dielectric | |
| SU948921A1 (en) | Glass for making crystalline glass cement for insulating elements of integrated circuits | |
| GB2310314A (en) | Glass or glass ceramic substrates | |
| SU1143702A1 (en) | Glass for integrated ciruits | |
| KR101568897B1 (en) | Glass-ceramic-based semiconductor-on-insulator structures and method for making the same |