Введение к работе
Актуальность темы. Разрушение слоев металлизации и контактов
металл-полупроводник является последним звеном необратимого отказа
полупроводниковых структур [1-5]. Этому предшествуют
электростимулированные деградационные явления, которые, как правило, начинаются на перегибах металлических плёнок, местах локализации механических и структурных дефектов [6-7]. Дальнейшее их развитие приводит к контактному плавлению на межфазных границах, а также локальному оплавлению металлических пленок не только при стационарном протекании электрического тока, но и при воздействии токовых импульсов различной формы. К примеру, в мощных полупроводниковых приборах длительности импульсов составляют 100 - 1000 не, а плотности токов достигают значений 610 А/м [8]. При таких соотношениях между временем развития процесса и амплитудой тока, малейшее отклонение от нормального режима работы может приводить к дефектообразованию и активно развивающимся деградационным процессам как в объеме, так и на поверхности кристалла. Несмотря на это, механизмы тепловой деградации в подобных структурах остаются практически нерассмотренными, либо анализируются методами численного моделирования [9].
Особую остроту эта проблема приобретает в настоящее время, когда высокая интеграция современных полупроводниковых приборов предполагает уменьшение минимального топологического размера компонентов в проектных нормах до 0,11-0,13 мкм [10], наличие 6-8 уровней межсоединений [11], что приводит к увеличению плотности тока в линиях, а также активизации взаимного влияния соседних слоев металлизации.
Не менее значимо влияние электродеградационных процессов на мощные полупроводниковые приборы и изделия силовой электроники. Возникающие в них термоудары и температурные градиенты способствуют образованию петлевых дислокаций, сравнимых с глубиной залегания мелких рп-переходов. Подобные «проколы» рп-перехода дислокационной петлей приводят к резкому возрастанию токов утечки, локализации силовых линий (нарушение распределения полей, потенциалов).
Таким образом, электродеградационные процессы в слоях металлизации и контактных системах металл-полупроводник продолжают оставаться важной и актуальной проблемой твердотельной электроники и физики конденсированного состояния.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом и экспериментальном изучении тепловых режимов работы и деградационных процессов в слоях металлизации и контактных системах металл-полупроводник при воздействии различных (по форме и электрической мощности) импульсов тока, а также анализ дефектообразования в полупроводнике при наличии локальных тепловых источников.
Для достижения указанной цели было необходимо решить следующие задачи:
Рассчитать температурные поля в полупроводниковой пластине, создаваемые прямоугольным слоем металлизации при воздействии на него импульса тока с линейно нарастающим фронтом. Разработать и программно реализовать алгоритм расчета температуры на поверхности и в объеме полупроводника при наличии локального теплового источника.
Детально изучить деградационные процессы и оплавление (локальное зарождение жидкой фазы и направленное ее распространение) при прохождении импульсов тока с линейно нарастающим фронтом в тонкой металлической пленке (толщиной до 5 мкм), нанесенной на кремниевую пластину (толщиной до 500 мкм).
Разработать методику определения области безотказной работы исследуемой системы при изменении амплитудно-временных параметров токовых импульсов.
Провести анализ влияния формы и размеров металлической дорожки на значения критических плотностей токов, а также механизмов деградации в системах металл-полупроводник при наличии тонких диэлектрических пленок оксида кремния.
Экспериментальным и расчетным путем определить условия образования дислокационных полупетель в кремниевых пластинах вблизи источника термоудара.
Научная новизна:
Рассчитана динамика формирования тепловых полей в полупроводниковой пластине, создаваемых прямоугольным слоем металлизации при воздействии на него импульса с линейно нарастающим фронтом.
Экспериментально изучен процесс контактного плавления структур металл-полупроводник при воздействии импульсов тока с линейно нарастающим фронтом (dj/dt>l,5-1014 А/м2-с). Показано, что необратимые деградационные процессы в рассматриваемых системах при импульсном токовом возмущении связаны с локальным
зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением под действием электрического тока.
Проведен анализ влияния формы и размеров металлической дорожки на значения критических плотностей токов. Экспериментальным и расчетным путем показано, что при уменьшении размеров дорожки металлизации (ширина или толщина) вплоть до 1 мкм критические плотности тока остаются одинаковыми, а температурные поля в подложках - подобными. Экспериментально обнаружено зарождение поверхностных дислокаций вдоль дорожки металлизации. Опытным путем определены условия образования линейных дефектов вблизи источника термоудара. Наблюдаемые экспериментальные результаты подтверждаются расчетом термоупругих напряжений в кремнии.
Практическая значимость:
Результаты исследований являются основой для выработки методов повышения деградационной стойкости контактных систем металл-полупроводник, а также подавления процессов образования расплавленных областей и дислокационных полупетель вблизи источника термоудара.
Разработан и программно реализован алгоритм расчета температуры контактной системы металл-полупроводник при нагревании металла токовым импульсом произвольной формы.
Впервые разработана методика определения области допустимых изменений амплитудно-временных параметров токового импульса (прямоугольной формы и с линейно нарастающим фронтом) для обеспечения безотказной работы исследуемых структур.
Основные положения, выносимые на защиту:
При прохождении одиночных токовых импульсов с линейно нарастающим фронтом (dj/dt>l,5-1014 А/м2-с и j>4,l-1010 А/м2) через алюминиевую дорожку металлизации на границе раздела алюминий-кремний развиваются «конкурирующие» деградационные процессы, связанные с локальным зарождением жидкой фазы (в т.ч. направленным ее распространением под действием электрического тока) и механизмом контактного плавления в системе Al-Si.
Анализ воздействия импульсов тока на участок металлизации по осциллограммам включения позволяет определить критическую мощность
прямоугольного импульса тока Qki=PkiTi= Уд/^7 =50—170 мДж, превышение которой приведет к началу необратимых изменений в контактной паре Al-Si.
В условиях нестационарного нагрева слоя металлизации прямоугольным импульсом тока (амплитудой до 6-Ю10 А/м2 и длительностью от 50 до 103 мкс) и токовыми импульсами с линейно нарастающим фронтом ((4,1-6,27)-1010 А/м2, dj/dt>l,5-10 А/м -с) проведен расчет термоупругих напряжений о, возникающих в кремниевой подложке. Показано, что при подобном воздействии возникающие о превышают характерные механические напряжения зарождения дислокаций в кремнии.
Образование линейных дефектов в кремнии вблизи источника термоудара носит пороговый характер с критическим значением Qk=90 мДж, что соответствует длительности т=300 мкс и амплитуде токового импульса jk=4,8 1010 А/м2.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VI Международной конференции «Математическое моделирование физических, технических, экономических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2005), VII Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, (Санкт-Петербург, 2005), VIII международной конференции Опто- наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы (Ульяновск, 2006).
Личный вклад. Постановка задач осуществлялась научным руководителем д.ф.-м.н. Скворцовым А. А. Разработка алгоритма расчета, его программная реализация, экспериментальные исследования тепловых режимов работы структур Al-Si выполнены автором самостоятельно. Автор использует результаты полученные им лично и в соавторстве с научным руководителем.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ,
из них 3 статьи в журналах из списка ВАК и 7 докладов на международных и
всероссийских конференциях.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта президента РФ
поддержки ученых молодых докторов наук №МД-1711.2005.2.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из 4 глав, введения,
