Введение к работе
Актуальность темы
Хорошо известно, что надежность и качество современных полупроводниковых устройств во многом определяется надежностью контактов металл – полупроводник и систем металлизации. Постоянное стремление к минимизации топологического размера элементов приводит к повышенным «тепловым нагрузкам» проводящих систем, активизации процессов электропереноса, способствующим ускоренной их деградации [1].
Деградационные процессы в рассматриваемых условиях могут развиваться как при статических, так и при импульсных воздействиях. Однако в большинстве работ температура рассматривается как постоянный во времени фактор. Нестационарные тепловые процессы и сопутствующие им эффекты, такие как тепловой удар, локальное оплавление и др. остаются практически нерассмотренными, либо анализируются методами численного моделирования [1].
Современное производство полупроводниковых материалов и оборудования предполагает использование в технологических процессах целого ряда материалов с низкой диэлектрической проницаемостью. Они используются в качестве альтернативы изоляторов для уменьшения емкости межэлементных соединений и увеличения срока эксплуатации устройств. Материалы с низкой диэлектрической проницаемостью обладают меньшей теплопроводностью по сравнению с известными диэлектриками, такими как диоксид кремния, германий, структуры из бериллиевой керамики, ситалла. Это сильно увеличивает вероятность термически активированной деградации отдельных элементов приборов [2].
Современные полупроводниковые приборы представляют собой сложные многокомпонентные системы, в состав которых входят контактные пары металл-полупроводник, объемные проводники в виде металлических проволок, а также паяные соединения типа металл-припой-диэлектрическая подложка. Они используются для передачи электрического сигнала от внешних источников к полупроводнику. Поэтому, в момент включения и выключения приборов, как и при их импульсном режиме работы, токовое импульсное воздействие приводит к образованию значительных тепловых возмущений [2-3]. В критических режимах работы это приводит к деградации соединений, что требует дополнительного исследования.
Постоянное совершенствование современной технологии приводит к росту плотности тока, увеличению количества уровней межэлементных соединений, а также к применению новых материалов и структур с низкой диэлектрической проницаемостью, что в итоге приводит к увеличению тепловыделения в слоях металлизаций, контактах металл-полупроводник, металл-окисел-полупроводник, а также приконтактных областях. Влияние электротепловых эффектов приводит к тепловой деградации таких структур. Поэтому исследования в данной области являются актуальной задачей.
Цель диссертационной работы
Заключается в теоретическом и экспериментальном изучении тепловой деградации полупроводниковых структур и систем металлизации при импульсном токовом воздействии, а также анализе термоупругих напряжений в исследуемых образцах с использованием методов математического моделирования.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методику анализа тепловых процессов в полупроводниковых структурах и системах металлизаций при воздействии токовыми импульсами различной формы и плотности тока j;
-
Провести теоретический анализ деградационных процессов в полупроводниковых структурах и системах металлизаций при импульсном токовом воздействии на основе разработанной методики;
-
Провести экспериментальное исследование процессов тепловой деградации в исследуемых структурах (системы металлизаций типа металл-диэлектрик, паяных соединений типа металл-припой-диэлектрическая подложка, объемных проводниках тока);
-
Методами математического моделирования в программном комплексе ANSYS описать термоупругое состояние исследуемых структур при токовом импульсном воздействии, выполнить расчет термоупругих напряжений.
-
Провести анализ процессов трещинообразования с помощью методов механики разрушения.
Научная новизна работы
1. Развита методика анализа тепловых процессов в системах металлизаций на примере структуры Al-Si, Cu – бериллиевая керамика, многослойных систем типа металл - окисел - полупроводник при токовом воздействии импульсами прямоугольной формы, а также с линейно возрастающим передним фронтом. Установлено влияние тепловых процессов, происходящих при данном воздействии, на деградацию исследуемых структур, и показано, что определяющую роль в тепловой деградации исследуемых соединений играют теплопроводящие свойства исследуемых систем.
2. Впервые исследованы электротепловые эффекты сложных структур типа полупроводник – окисел – металл. Показано, что при импульсном токовом воздействии происходит накопление тепла в приконтактной области, способствующее развитию необратимых деградационных процессов. Это выражается немонотонным ростом потенциала при прохождении импульса тока через дорожку металлизации.
3. Проведено исследование деградационных процессов межэлементных соединений полупроводниковых структур в виде объемных проводников при наличии градиента температур для образцов, помещенных в различные среды (воздух, вода, масло), и показано влияние геометрии образца на характер его разрушения.
4. Проведено описание тепловых процессов в паяных соединениях на примере структуры Cu–бериллиевая керамика и исследовано термоупругое состояние данной системы. Показано, что при токовом импульсном воздействии с j ~ 31011 - 81011A/м2 при наличии градиента температур T между паяными слоями в интервале 30-100 К возникают max , приводящие к процессам дефектообразования в исследуемых структурах.
Полученные экспериментальные данные и теоретические расчеты позволили определить максимальные толщины бериллиевой керамики, при которой сохраняется целостность образца для конкретной области перепада температур dT/dx. Впервые полученные кривые распределения напряжений для слоя металлизации и припоя, керамики и припоя, а также полученные численные данные о термоупругих напряжениях в местах наличия дефектов спая позволяют судить о пределах использования данного типа соединений с заданной геометрией.
5. Предложена модель анализа трещинообразования в структурах металл-полупроводник на основе использования инструментов механики разрушения (J-интеграл, коэффициент интенсивности напряжений и т.д.), которая позволяет получить зависимость упругопластических значений J-интеграла от длины трещины в образце.
Практическая значимость
-
Практическая значимость обусловлена разработанной методикой анализа тепловых процессов в системах металлизаций полупроводниковых структур и керамик;
-
Практический интерес представляют полученные численные результаты, которые позволяют определить допустимые режимы работы исследуемых соединений;
-
Теоретические результаты анализа трещинообразования в полупроводниковых структурах служат базой для дальнейших исследований в области механики разрушения многослойных структур.
Основные положения, выносимые на защиту
1. При воздействии на структуру Al – Si сериями прямоугольных токовых импульсов с j = 2,01010 А/м2 81010 А/м2 при промежутках времени между импульсами tс, сравнимых с длительностью импульса t0 (tс ~ t0), происходит накопление тепла в приконтактной области, способствующее развитию необратимых деградационных процессов.
2. Деградационные процессы в структурах металл – окисел – полупроводник связаны с контактным плавлением в системе металл-полупроводник, а также оплавлением всей дорожки металлизации при достижении температуры плавления алюминия (jкр 6,81010 А/м2).
3. Методами токового импульсного воздействия получены данные, свидетельствующие об ускоренном процессе тепловой деградации проволочных образцов в жидких средах за счет экранирования тепла и эффекта коллапса пузырьков.
4. При токовом импульсном воздействии с j ~ 31011 - 81011A/м2 при наличии градиента температур T между паяными слоями системы медь – припой ПСр72 – бериллиевая керамика в интервале 30-100 К возникают max , приводящие к процессам дефектообразования в исследуемых структурах. Наличие дефектов в спае приводит к снижению прочности данного типа соединений.
5. Количественная оценка значений J-интеграла для систем медь - бериллиевая керамика и алюминий-кремний позволила выработать критерии безопасных режимов работы данного типа соединений.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на XI международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2009 г.), международной научно-технической конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, 2010 г.), II международной научно-технической конференции «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике (Зеленоград, 2011 г.).
Личный вклад автора
Постановка задач осуществлялась научным руководителем д.ф.-м.н. А.А. Скворцовым. Экспериментальные исследования тепловых режимов работы полупроводниковых структур и систем металлизаций, алгоритмы расчетов, их программная реализация выполнены автором самостоятельно.
Достоверность
Обоснованность результатов диссертационного исследования достигается:
- проверкой теоретических положений и экспериментальными исследованиями;
- согласованием новых положений с уже известными теоретическими положениями в области физики конденсированного состояния и экспериментальными данными других авторов;
- обсуждением результатов диссертации на конференциях, семинарах, получением рецензий и отзывов от ведущих специалистов;
- публикациями основных результатов работы в рецензируемых центральных изданиях.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 2 статьи в журналах по перечню ВАК и 6 докладов на международных и всероссийских конференциях.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (контракт №14.740.11.0488), а также частично ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» мероприятие 1.2.1 - II очередь (ГК № 16.740.11.0514), контракт № П2161 («Создание кристаллических структур на основе эвтектических расплавов металлов, полупроводников и исследование их свойств»), грантами РФФИ №09-08-97011-р_поволжье_а, РФФИ №08-08-97036-р_поволжье_а.
Структура и объем диссертации
