Защитные неорганические покрытия в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем

ЗАЩИТНЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Шахмаева А.Р., Шангереева Б.А.

Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

Неорганические диэлектрические пленки широко используются в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС) в качестве покрытий, наносимых поверх слоя металлизации и предназначенных для пассивации поверхности кристалла, защиты ее от механических повреждений при сборочных операциях, а также от мельчайших проводящих частиц и загрязнений.

Влияние, оказываемое неорганическими защитными покрытиями на надежность полупроводникового герметизированного прибора (ПГП), очень велико.

Изучение и совершенствование свойств защитной пленки фосфоросиликатного стекла (ФСС) позволило за последние годы почти на порядок уменьшить процент отказов КМОП ИС в пластмассовых корпусах в условиях 850С и 85% [1]. В то же время, испытания широкого класса ИС, герметизированных в традиционные пластмассовые корпуса, показали, что их низкая функциональная надежность, в ряде случаев, связана с недостаточным вниманием изготовителей ИС к защитным неорганическим покрытиям [2].

В настоящее время в качестве неорганических защитных покрытий в ПГП наибольшее распространение получили пленки фосфоросиликатное стекло (ФСС) и нитрид кремния

Пленки ФСС используются в первую очередь вследствие их геттерирующих свойств к щелочным ионам, хорошим физико-механическим характеристикам и высокой технологичности [3].

Пленки нитрида кремния отличаются барьерными свойствами к влаге и

щелочным ионам [4, 5], причем считается, что Si3N4 не геттерирует щелочных ионов. Однако, в ряде случаев снижение величины подвижного заряда в ниже лежащих слоях связано с нанесением защитной пленки Si3N4 [6, 7]. Наблюдаемые свойства Si3N4 объяснялись либо диффузией натрия (№) в Si3N4 и его захватом на ловушках в процессе термообработки, либо взаимодействием № с атомарным хлором (О), выделяющимся в реакции SiCl4+NH3, и образованием нейтральных соединений.

В последнее время в технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем начинают использоваться низкотемпературные пленки Al2O3 и Ta2O5 [8-10]. Защитное действие этих покрытий исследовано недостаточно, хотя были сообщения об их хороших барьерных свойствах к влаге и ионам щелочных металлов [11, 12].

Нанесение неорганических защитных покрытий может отразиться на состоянии поверхности защищаемых приборов, став причиной нестабильности их электрических характеристик (см. рис.1).

С увеличением степени интеграции и уменьшением геометрических размеров элементов ИС влияние, оказываемое неорганическими защитными покрытиями на стабильность работы приборов увеличивается; особенно это относится к стабильности характеристик МОП ИС (рис.3).

Рис. 1. Зависимость сдвига порогового напряжения от времени МОП-транзисторов с

различными защитными покрытиями: • - защита пленкой ФСС, герметизация пластмассой,  - защита покрытием ФСС+БЬ^, герметизация пластмассой,  - защита покрытием Б^^+ФСС, герметизация пластмассой, о - защита пленкой Б13К4, герметизация в керамический корпус, Д - защита покрытием ФСС+ Б13К4, герметизация в керамический корпус.

Можно предположить, что рассмотренные нестабильности являются следствием взаимодействия поверхности кристалла с заряженными частицами плазмы при нанесении пленки Подробное экспериментальное исследование показало [13],

что источником нестабильности является сама пленка Б13К4. Установлено, что нанесение Б13К4 вызывает в кристалле механические напряжения, которые ведут к деградации электрических характеристик транзисторов. В то же время, основной механизм нестабильностей заключался в диффузии водорода, присутствующего в пленке Б13К4, через слой ФСС к границе раздела БьБЮг. Продуктом взаимодействия водорода с границей раздела является фиксированный положительный заряд, локализованный около истока, и поверхностные состояния, локализованные около области стока. Эксперименты с защитными пленками Б13К4, полученными разложением Б1Н4 и N20, показали аналогичные результаты.

Неорганические покрытия, наносимые на поверхность кристалла, могут приводить к возникновению механических напряжений, которые ведут к развитию нестабильностей и параметрических отказов приборов (рис. 2). Эффективность применения защитной неорганической пленки, по-видимому, будет зависеть как от природы самой пленки, так и от характера ее взаимодействия с поверхностью. Исследования, проведенные в [14], показали, что в случае низкотемпературных пленок Бю2 и Б^^, осажденных на подложки из и оялб, механические напряжения в пленках определяются не границей раздела пленок с подложкой, а свойствами самих пленок и, следовательно, не зависят от материала подложки. Термическая обработка в

атмосфере азота не вызывает изменений величины напряжений в пленке Si3N4 и существенно сказывается на напряжениях в пленке SiO2.

-8

£ 90

-1-1—|—1-1-1-1—1—и_I_I_I_1_

<05 10* ¿>Юс

Рис.2. Зависимость процента отказов КМОП ПЗУ в пластмассовых корпусах с защитными пленками ФСС (1) и Si3N4 (2) от времени работы при 1250С.

Рис. 3. Зависимость процента отказов КМОП ИС, герметизированных в пластмассовые корпуса, от толщины защитной неорганической пленки:

_ испытания в статическом режиме под смещением,

--------------- испытания в условиях повышенной влажности.

Влияние отжига на внутренние напряжения в защитных пленках ФСС и SiO2 рассматривалось в [15]. Показано, что термообработка при температурах, превышающих температуру осаждения пленок, приводит к образованию в них дополнительных механических напряжений, особенно по краям линий алюминия (Al) металлизации.

Таким образом, литературные данные свидетельствуют, что защитное неорганическое покрытие может быть источником нестабильности работы 1111 и ИС, а проблема оптимального неорганического защитного покрытия для ПГП еще далеко от окончательного решения.

Библиографический список:

1. Gallace L., Rosenfield M. Reliability of plastic-encapsulated integrated circuits in moisture environments, - RCA Review, 1984, V. 45, N 2, p. 249-290.

2. Merrett R.P. Ensuring the reliability of plastic encapaulated ICS in moist enviroments. -Proceedings of the TechnicalProgramme Semiconductors 83 International, Birmingham, England, 1983, p. 87-91.

3. Schnable G.L, Kern W., Comisolli R.B., Passivation coatings on silicon deveces. -J. Elechtrochem. Soc., 1975, V. 122, N8, P.1092-1103.

4. Burgess T.E., Baum J.C., Powkes P.M., et al. Thermal diffusion of sodium in silicon nitride shielded silicon oxide films. - J. Electrochem. Soc., 1969, V.116, N 7, p. 10051009.

5. Duffy M.T., Kern W. Preparation, properties and applications of chemically vapor deposited silicon nitride films.- RCA Revicew, 1970, V. 31, N 4, p. 742-753.

6. Медведев В.С. Геттерирующие свойства пленок нитрида кремния, полученных методом ВЧ реактивного распыления. -Электронная техника. Cep. 3. Микроэлектроника, 1982, вып. 1 (97), c. 42-46

7. Mac Kenna E., Kodama P. The suppression of ionic contamination during silicon nitride deposition. - J. Electrochem. Soc., 1972, V. 11, N 8, p. 1094-1099.

8. Comizzoli R.B. Surface and bulk electrical conduction in lowdeposition-temperature Si3N4 and Al2O3 films for silicon devices. - RCA Review, 1976, V. 37, N 4, p. 473-482.

9. Maeda K., Sato J., Ban Y. Behavior of various insulating films in high temperature water and moisture. - Japanese J. Appl. Phys., 1977, V. 16, N 5, p. 729-736.

10. Saraie J., Kwon J., Yodogawa Y. Chemical vapor deposition : of A2pO3 thin films under reduced pressures.-J.Electrochem. Soc., 1985, V. 132, N 4, p. 890-892.

11. Шнаревич Е.И , Рыбинский О.А., Злобин В.А. Диэлектрики интегральных схем. - M.: Энергия, 1975, - 120 с.

12. Исследование и разработка процессов получения силикатных пленок и покрытий из окисла тугоплавких металлов с использованием новых ЭОС для усовершенствования кремниевых КМОП БИС и приборов на GaAs: Отчет /НИИ «Пульсар». - М., 1985, -с. 119. -

13. Влияние состава и способа формирования диэлектрика межслойной изоляции на стабильность БИС-элементов в МДП БИС / Ф.М.Буканаева, Н.З. Гнатюк, А.И. Коробов, Т.Т. Русакова. - Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника, 1982, вып. 2(98), с. 84-86.

14. Назаров И.Н., Костин В.Н., Пережогин Т.А. Исследование концентрации натрия в пленках двуокиси кремния. - Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы, 1973, вып. 7, c. 31-35.

15. Blaauw C. Stress in chemical-vapor-deposited SiO2 and plasma-SiNx films on GaAs and Si.- J. Appl. Phys., 1983, V.54, N 9, p. 5065-5068.