2
Оглавление
Введение 6
Глава 1. Состояние вопроса и посишовка задачи 12
1.1. Тепловые процессы в полупроводниковых приборах 12
1.2. Дефекюобразование в полупроводниках при ипоювлепии полупроводниковых С1руК1ур 19
1.2.1. Выращивание монокристаллов и подюювка подложек 20
1.2.2. Термическое окисление кремния и ди)лекфичсские пленки 22
1.2.3. Диффузия как иеючник дислокационной аруюуры в полупроводниках 23
1.2.4. Эпитаксия 24
1.3. Деградационныс процессы в межсоединениях, индуцированные элсюричсским кжом 25
1.4 Импульсное юковое воздейавие на мноюслойные гонкоплёночные струюуры 28
1.5. Определение критических параметров и условий бсимказной работы слоев металлизации 30
Глава 2. Тепловое дсйс1вис юковых импульсов на счрукчуры металлизации 35
2.1. Температурные ноля в полупроводнике при наличии локальною 1еиловою иеючпика 35
2.2. Точечный иеючник на! рева 37
3
2.3.11рямоугольный исючник нагрева 45
2.4. Моделирование 1емнера1урпых нолей в полупроводниковой подложке при наличии сфсссовых элскфичсских вендейавий на
ее поверхносш 47
Глава 3. Тепловые режимы работ слоев мсгаллизации на кремнии при импульсных юковых воздейемших 51
3.1. Ме1 одическое оформление оксперимеша 51
3.1.1. Подгоювка образцов 52
3.1.2 Используемые 1ессовые сфушуры 54
ЗЛ.З.Программно-апнаратный комплекс с1рессовых воздеваний
на сисюмы мс1аллизации на кремнии 55
3.1.3.1. Экспсримсшальныс особенное I и при формировании ирямоуюльных импульсов юка 57
3.1.3.2. Раграбожа генераюра юковых импульсов с линейно-нарааающим фрошом 61
Глава 4. Деч радапиоиные процессы в сиасмах мааллизации на кремнии при пропускании импульсов юка высоких нло I нос I ей 65
4.1. Харакюр оплавления дорожек мс1 аллигации 65
4.2.11рямоу1 одьные импульсы 75
4.3 Импульсы с линейно нарааающим фрошом 81
4.4 Дефск I ообразовапие вбли ги иовсрхнос 1 но1 о ис I очника
I ермоудара 82
4.5. Генерация звука в полупроводниковых сгрук1урах при импульсном токовом возмущении 88
4
4.5.1. Распросгранение звука в тонкой пласшне 88
4.5.2. Мемодика проведения эксперимент 91
4.5.3. Механические колебания кремниевых нласшн при импульсном иафеве кошаюа 92
Выводы 97
Заключение 98
Лшсра1ура 99
Приложение
107
Список используемых условных обозначений
си/, к температурный коэффицисш сопротивления алюминия,
Л, Вз/м-К коэффициеш зеззлонроводноези полупроводника,
р, Омм удельное сопрозивление алюминия,
ст, Па упру! ос напряжение,
о,з(г,т),Иа юнзор напряжений,
т,с длшелыюегь юкового импульса,
я=Л/(<1-С), м2/с коэффициен I земнеразуронроводноези полупроводника,
Ь, м ширина дорожки ме1алли зации,
С, Дж/(К1 -К) удельная зеплоемкоезь полупроводника,
(1, К1 /м ззлозноезь кремния,
С(г,т) функция Грина задач юмлопроводиоаи и унруюсж,
А, м юлщина полупроводниковой плаежны,
А,/, м юлщииа пленки мезаллизации,
у, А/м2 нлогное зь элекфическою юка,
/, м длина дорожки мезалли зации,
А'л м'2 пло гное \ ь дислокаций,
ц, Дж/(м2-с) плоп1ос1ь 1 силовою по юка,
а дж эиержя юковою импульса,
Л, Ом сопротивление дорожки мезалли зации,
Я«, Ом сонрозивлснис дорожки мечаллизации при Т=Т„,
Л с время,
Г, К температура,
7л К 1емиера1ура окружающей среды в нормальных условиях,
У(/), в падение напряжения на дорожке мсшли зации.
6
Введение
Акіуальносіь ісмьі. Разрушение слоев мсі аллигации и коні акти мсіалл-иолуироводиик являеіся последним гнсном псобраіимою оікага полупроводниковых сірукіур 11 -3 ]. Эюму иредіиесівуюі элек формулированные дсірадационныс явления, коюрыс, как правило, начинаюіся на иереіибах меіалличсских плёнок, месіах локализации механических и сірукіурньїх дефекюв |4-5|. Дальнейшее их рагвиїие приводні к коніакіному плавлению на межфазных іраницах, а іакжс локальному оплавлению металлических пленок не юлько при стационарном проіекапии элекфическою юка, но и при вогдейсівии кжовых импульсов различной формы. К примеру, в мощных полупроводниковых приборах длиіельносіи импульсов соеіавляюі 100 1000 пс, а илошосги токов досіиіаюі значений 6 10п Л/м2 16]. При іаких сооіношениях между временем развиїия процесса и амплиіудой юка, малейшее оіклонсние оі нормального режима рабо і ы можеі приводи п> к дефекюобразованию и акіивно рашивающимся деірадационпьім процессам как в объеме, іак и на поверхносіи крисіалла. Иесмоіря на >ю, механизмы ісііловой деірадации в подобных сірукіурах осіаюіся практически нерассмої репными, либо анализирую іся меі одами
численною моделирования [7-8].
Особую остроту эта проблема приобреіаеі в насіояіцее время, кшда высокая интеї рация современных полупроводниковых приборов нредполаїаеі уменьшение минимальної о іополої ическої о размера компонешов в проектых нормах до 0,11-0,13 мкм |9|, наличие 6-8 уровней межсоединений [10], чт приводиі к увеличению НЛОIНОСIи юка в
7
линиях, а также активизации взаимною влияния соседних слоев меіаллизации.
Не менее значимо влияние электроде!радационных процессов на мощные полупроводниковые приборы и изделия СИЛОВОЙ )ЛСКіроники. Возникающие в них іермоударьі и іемпераіурньїе і радисты способе і вую і образованию петлевых дислокаций, сравнимых с і дубиной залеіания мелких рп-переходов. Подобные «проколы» рп-перехода дислокационной петлей приводні к резкому возрастанию і оков уїсчки, локализации силовых линий (нарушение распределения нолей, потенциалов).
Таким образом, электроде! радационные процессы в слоях меіаллизации и контакшых системах металл-полупроводник продолжают осіаваїься важной и акіуальной проблемой івердоіельной >лскіроники и фишки конденсированною состояния.
Цель лиссещанионной работы заключаемся в іеореіическом и экспериментальном изучении тепловых режимов работы и детрадациониых процессов в слоях меіаллизации и контактных системах металл-полупроводник при воздействии различных (по форме и электрической мощное і и) импульсов тока, а также анализе дефектообразотзапия в полупроводнике при наличии локальных тепловых источников.
Для достижения указанной цели было необходимо решиїь следующие задачи:
• Рассчитать температурные поля в полупроводниковой пластине,
создаваемые прямоугольным слоем меіаллизации при воздействии
на него импульса тока с линейно нарастающим фронтом.
Разработать и программно реализовать алюри їм расчета
8
1смисра1уры на поверхноаи и в обьеме полупроводника при наличии локальною (силовою исючника.
• Дс1алыю изучи II, дс! радационныс процессы и оплавление (локальное зарождение жидкой фазы и направленное ее распросгранение) при прохождении импульсов кжа с линейно нарастающим фрошом в юнкой ме1аллической пленке (тлщиной до 5 мкм), нанесенной на кремниевую иласшну (юлщиной до 500 мкм).
• Разрабошп, меюдику определения облает безо I ка той рабош исследуемой сисюмы при изменении ампли1уд110-времепных иарамефов тковых импульсов.
• Провссш анализ влияния формы и рашеров меюлличсской дорожки на значения кршических плошоасй юков, а 1акже механизмов дс1радации в сисюмах ме1алл-полупроводник при наличии юнких диэлектрических пленок оксида кремния.
• Эксиеримешальным и расчетным ну*ем определип> условия образования дислокационных нолупеюль в кремниевых пласминах вблизи исючника юрмоудара.
Научная новизна:
1. Рассчшана динамика формирования Iсиловых полей в полупроводниковой нласшне, создаваемых прямоу]ольным слоем ме1аллизации при воздейспзии па нею импульса с линейно нарастающим фронтом.
2. Эксиеримешально изучен процесс кошакшою плавления аруюур меюлл-полуироводник при воздейспзии импульсов юка с линейно нарааающим фрошом (су/си>1,5*10п Л/м2-с). Показано, чю
9
необрашмые деградационные процессы в рассмафиваемых системах при импульсном соковом возмущении связаны с локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее расироссранснисм иод дейетвием электрическою юка.
3. I [роведен анализ влияния формы и размеров металлической дорожки на значения критических шюшоетей юков. Экспсримешальным и расчешым нус ем показано, чсо при уменьшении размеров дорожки металлизации (ширина или юлщина) внло(ь до 1 мкм кришческие плотноеIи юка оетакися одинаковыми, а ссмперасурные ноля в подложках - подобными.
4. Экспериментально обнаружено зарождение иоверхностых дислокаций вдоль дорожки металлизации. Опьпным нуссм определены условия образования линейных дефектв вблизи ис сочника юрмоудара. Наблюдаемые экснсриметальные резулыапл ссодсвсржлаюсея расчетом юрмоупруюх напряжений в кремнии.
Прак(ичсскаи значимое!ь:
1. Результаты исследований являюсся основой для вырабо(КИ методов повышения десрадационной етойкоети конгакшых сисссм металл-полупроводник, а сакже подавления процессов образования расплавленных облает ей и дислокационных полунессль вблизи иеючника (ермоудара.
2. Разработан и программно реализован алюриш расчета 1емпсра1уры кошакшой сиетемы металл-полупроводник при нагревании металла токовым импульсом произвольной формы.
3. Впервые разработка методика определения облает и допуетимых изменений амплитудно-временных параметров соковою
- Київ+380960830922