Пассивирующие и защитные покрытия ИС

В технологиях производства ИС для пассивирования и защиты используются неорганические пленки из нескольких компонентов, которые достаточно формально носят название стекла. Прежде всего к таким материалам относят SiO₂ и нитрид кремния. К настоящему моменту существуют различные технологические процессы нанесения стекол на кристалл ИС:

· непосредственное осаждение на защищаемую поверхность за счет окисления, напыления или пиролиза;

· нанесение готового стеклянного порошка материала в виде смеси или пасты с дальнейшим сплавлением;

· катодное реактивное распыление.

В качестве материалов применяются различные многокомпонентные стекла типа Al₂O₃ – SiO₂, B₂O₃ – SiO₂, Al₂O₃ – B₂O₃ и др. Возможно также применение стекол состава Si_xO_yN, которые осаждаются из смеси SiH₄+NH₃+O₂ при температурах 900-1000°С. Покрытия Al₂O₃–SiO₂ получаются при 860-1100°C. Кроме того, защитные покрытия можно получать при температурах 250°С-500°С из смеси тетраэтоксисилана и триизобутилалюминия с кислородом.

Рассмотрим фосфоросиликатные стекла (ФСС) состава SiO₂–P₂O₅, широко применяемые для защиты полупроводниковых ИС. Фосфоросиликатные стекла наносятся в основном двумя технологическими методами:

1. Низкотемпературный метод по реакции: SiH₄+PH₃+O₂ P₂O₅ + H₂O.

2. Высокотемпературный метод: POCl₃ + O₂ + SiO₂ SiO₂^.P₂O₅ + Cl₂­ или: POCl₃ + SiH₄ + CO₂ С SiO₂^.P₂O₅ + Cl₂­.

В обоих методах в качестве газа-носителя служит азот. Соответственно продукт реакции SiO₂^.P₂O₅ осаждается на предварительно подогретый диоксид кремния, при этом скорость осаждения может составлять до 0,4 мкм/мин. Толщина получаемого покрытия, как правило, составляет до 2 мкм. Во многих случаях, покрытие толщиной ~0,02 мкм оказывается достаточным для защиты от воздействия агрессивных факторов внешней среды. Необходимо заметить, что содержание Р₂О₅ в таком покрытии невелико, примерно 3-6%.

При больших концентрациях могут проявляться отрицательныеполяризационные явления. Их суть заключается в следующем. В кристаллическую решетку SiO₂ встраиваются частицы P₂O₅, образуя в результате ионы РО₄, из которых один атом фосфора оказывается положительно поляризованным, а другой – отрицательно, что приводит к ослаблению связи этих атомов с кислородом. Отрицательно поляризованные атомы фосфора способны с помощью атома кислорода связывать ионы, что в итоге придает покрытию геттерные свойства. Влияние концентрации P₂O₅ в пленках фосфоросиликатных стекол на защитные свойства покрытия хорошо видно на графике:

Рис. 10.1. Зависимость времени безотказной работы

ИС от концентрации Р₂О₅ в защитном покрытии при

агрессивном воздействии ионов Nа

Пленка фосфоросиликатного стекла толщиной 12,5 нм с концентрацией Р₂О₅, равной 4%, при поверхностной плотности N_Na+~10¹² ионов/см² защищает поверхность ИС в течение 10 лет, обеспечивая безотказную работу ИС при 80°С.

Заметим, что защитные свойства покрытий ФСС от разрушающего воздействия ионов натрия выше, чем при защите нитридом кремния. Твердость покрытий ФСС в 1,5 раза выше, чем SiO₂, а механические напряжения, которые они вызывают, уменьшаются с ростом концентрации P₂O₅ в покрытии и достигают наибольшего значения для чистого SiO₂. Благодаря возможности нанесения более толстых покрытий уменьшается количество пор, а защита от механических и тепловых повреждений значительно эффективнее, чем просто из покрытий SiO₂ и SiN₄.