Введение к работе
Актуальность
Проблема влияния размеров и формы систем пониженной размерности на их физические и химические свойства в последнее время приобрела ключевой характер в связи с мировой тенденцией технологического освоения нанометрового диапазона размеров при создании новых материалов, структур и приборов.
Очевидно, что современный научно-технический прогресс определяется развитием электроники, основой которой являются достижения в различных областях фундаментальных наук, главным образом физики твердого тела, физики полупроводников, твердотельной технологии.
Главная задача технологии интегральных схем - повышение их быстродействия решается путем уменьшения размеров элементов. В настоящее время размеры достигли нанометровой области, например корпорация Intel разрабатывает технологию с проектной нормой 22 нм. Таким образом, уменьшение размеров элементов приводит с одной стороны к значительному увеличению вьщеления тепла с единицы площади ИС, а с другой к снижению термической стабильности элементов ИС из-за увеличения вклада поверхности.
В этой связи проблема термической стабильности выходит на первый план и актуальной задачей является исследование изменений термодинамических свойств малоразмерных систем и поиск путей повышения их термической стабильности в процессе эксплуатации.
Целью диссертационной работы является исследование закономерностей поведения тонкопленочных систем нанометрового диапазона размеров при воздействии на них термического нагрева и/или электрической мощности и выявление путей повышения термической стабильности этих систем.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:
выявление причин, обуславливающих снижение термической стабильности с уменьшением размеров проводников;
исследование кинетики процесса низкотемпературного плавления тонкопленочных систем;
выявление особенностей механизма низкотемпературного плавления тонких пленок кремния;
исследование особенностей воздействия электрической мощности и/или термического воздействия на металлические пленки нанометровой толщины;
поиск путей по увеличению термической стабильности наноразмерных проводников.
Научная новизна
1. Установлено, что основной причиной деградации медного наноразмерного проводника, под токовой нагрузкой, является его распад на капли, вызванный гетерогенным плавлением, которое обусловлено
нагревом проводника, вследствие рассеиваемой на нем электрической мощности.
Выявлены кинетические особенности процесса распада тонких пленок никеля на капли. Установлено, что процесс распада на капли происходит в некотором температурно - временном интервале. Обоснован механизм этого явления с учетом гетерогенного плавления.
Выявлено, что размер зерна поликристаллических тонких пленок практически не влияет на температуру распада тонких пленок на капли.
Показано, что температура распада тонких пленок аморфного кремния на капли не имеет отношения к температуре фазового перехода, а представляет собой температуру, при которой тонкие пленки кремния приобретают заметную текучесть.
Экспериментально продемонстрировано, что нагрев медного проводника наноразмерной толщины, вызванный электрической энергией, рассеиваемой на нем, способствует появлению заметного температурного градиента. Этот градиент разрушает диэлектрический слой, защищающий проводник, приводя к появлению трещин в нем и последующему распаду проводника на капли в области трещин из-за его гетерогенного плавления.
Практическая значимость работы
Продемонстрировано, что защита наноразмерного проводника слоем диэлектрика позволяет предотвращать распад тонких пленок на капли.
Обоснованы пути решения проблемы распада проводника на кластеры из-за возникновения трещин в диэлектрике. Это герметизация проводника диффузионно-барьерным слоем и использование материалов с повышенной теплопроводностью, что увеличивает устойчивость проводника к процессу разрушения под воздействием электрической мощности.
Результаты работы используются при чтении курса лекций "Физико-химические основы технологии микроэлектроники", "Материалы и процессы формирования металлизации кремниевых СБИС"
На защиту выносятся следующие положения
обоснование снижения равновесной температуры плавления тонких пленок;
механизм распада тонких пленок на капли;
критерии повышения обеспечения стабильности нанометровых проводников, разработанные на основе анализа процессов деградации нанометровых проводников в условиях токовой нагрузки.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 10-я Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, Россия, 2006; 3-я Всероссийская конференция (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология», Санкт - Петербург - Хилово, Россия, 2006 г.; IV Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике», «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ - 2006 » 2006 г., Москва; Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов "Индустрия наносистем и материалы", Зеленоград, 2006 г; II Всероссийская конференция по наноматериалам IV Международный семинар "Наноструктурные материалы- 2007 Беларусь-Россия"; 2-ой Международный научно-технический симпозиум "Наноструктурные функциональные покрытия и материалы для промышленности". -Харьков: ННЦ "ХФТИ", ИЛИ "Контраст", 2007 г.; 9-ой международной конференции ОПТО-, НАНОЭЛЕКТРОНИКА, НАНОТЕХНОЛОГИИ И МИКРОСИСТЕМЫ, Ульяновск, 2007 г.; Международная конференция "Микро- и нанотехнологий -2007" ICMNE-2007, Москва - Звенигород, Россия; Всероссийская молодежная конференция "Электроника-2007", Зеленоград, 2007 г.; 3-й Международный научно-технический семинар "Ионно-плазменные нанотехнологий". - Харьков: ННЦ "ХФТИ", ИЛИ "Контраст", 2008 г.; 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, 2008 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 24 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале "Известия вузов. Электроника", в Сборнике научных трудов "Технологии микроэлектроники, оптоэлектроники и волоконной оптики" 2006 г. "Материалы, процессы, оборудование в нано-, микро-, и оптоэлектронике" 2008 г., а также в материалах (статьи и тезисы докладов) российских и международных конференций.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 145 страниц машинописного текста, включая 3 таблицы, 62 рисунка и список литературы в количестве 135 наименований.
