Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности фазовых превращений и дефектообразования в полупроводниковых структурах при локальном поверхностном нагреве 12
1.1. Структурные особенности основных полупроводниковых материалов и систем металлизации 12
1.2. Особенности системы металлизации полупроводниковых приборов и структур на основе алюминия
1.2.1. Однослойная металлизация на основе алюминия 18
1.2.2. Многослойные системы металлизации 21
1.3. Основные механизмы деградации полупроводниковых приборов 25
1.3.1. Классификация отказов 25
1.3.2. Основные деградационные механизмы, связанные с отказом системы металлизации 1.3.2.1. Электродиффузия 26
1.3.2.2. Механизмы контактного плавления 27
1.3.2.3. Электромиграция расплавленных зон 31
1.3.3. Дефектообразование в кремнии 39
Глава 2. Методика экспериментальных исследований 41
2.1. Исходные материалы и подготовка структур 41
2.2. Описание измерительного комплекса 44
2.2.1. Формирователь электрических импульсов тока различной формы 45
2.3. Метод регистрации тепловых процессов в системах металлизации на кремнии 54
Глава 3. STRONG Исследование фазовых превращений в кремнии при тепловых ударах на его поверхности 59
3.1. Анализ STRONG тепловых режимов работы полупроводниковой структуры 59
3.2. Фазовые превращения, связанные с оплавлением систем металлизации 68
3.3. Контактное плавление как пример фазовых превращений на межфазной границе полупроводник-металл 72
Глава 4. Дефектообразование в кремнии при поверхностных тепловых ударах 77
4.1. Образование дислокационных полупетель в условиях теплового удара на поверхности кремния 77
4.2. Динамика дислокаций в легированном кремнии 83
4.3. Предполагаемая модель магнитостимулированных изменений 86
4.4. Влияние магнитных полей на образование и динамику дислокаций в кремнии 96
4.5. Дислокационный ангармонизм в кремнии 101
Выводы 111
Список использованных источников
- Особенности системы металлизации полупроводниковых приборов и структур на основе алюминия
- Формирователь электрических импульсов тока различной формы
- Контактное плавление как пример фазовых превращений на межфазной границе полупроводник-металл
- Предполагаемая модель магнитостимулированных изменений
Особенности системы металлизации полупроводниковых приборов и структур на основе алюминия
Одним из перспективных материалов является также GaAs (класс соединений AinBv). Он занимает второе место (после кремния) по своему значению в современной электронной технике [3]. Арсенид галлия имеет неплохие теплофизические характеристики, достаточно большую ширину запрещенной зоны, высокую подвижность электронов, благоприятные особенности зонной структуры, обуславливающие возможность прямых межзонных переходов носителей заряда. Рассматривая соединения типа А1 , по масштабам применения, выделяются сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, а второй используется для изготовления фоторезисторов, обладающих высокой чувствительностью в видимой области спектра. Узкозонные полупроводники типа AnBVI представляют интерес для создания приемников далекого ИК-излучения. Пленки из селенида и теллурида ртути, благодаря высокой подвижности электронов, применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Карбид кремния (SiC) - полупроводник, позволяющий создавать приборы с характеристиками, недостижимыми для других типов полупроводников. Его основные преимущества: по сравнению с Si и GaAs обладает большой шириной запрещенной зоны, что означает больший диапазон рабочих температур (теоретически до 1000C); по сравнению с кремнием, при одном и том же значении напряжения пробоя уровень легирования SiC-диода может быть на два порядка выше, чем кремниевого; высокая радиационная стойкости SiC-приборов (по сравнению с Si и GaAs); высокая теплопроводность, что упрощает проблему теплоотвода; наличие собственной подложки большого размера [3] .
Несмотря на ряд преимуществ указанных материалов, основную долю в полупроводниковой микроэлектронике продолжает занимать кремний [4]. Это связано с его технологичностью, высокими электрофизическими характеристиками, дешевизной и экологичностью.
Выбор материала системы металлизации для полупроводниковых кристаллов во многом определяется требованиями, связанными с типом и условиями эксплуатации полупроводникового прибора [5]. В кремниевых полупроводниковых приборах для металлизации часто используют алюминий и его сплавы. Это обусловлено их низким удельным сопротивлением при комнатной температуре (2.7 мкОм.см) [6], хорошей адгезией к кремнию и таким диэлектрикам как SiO2 и Si3N4, а также низкой стоимостью. Проблемы коррозии и электромиграции решаются, как правило, подбором характеристик осаждаемых материалов и разработкой методов изготовления и герметизации сверхбольших интегральных микросхем [7]. Для металлизации полупроводниковых структур используются также золото и многокомпонентные соединения, такие как Ti-Pt, Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au. Для контакта с электродом затвора или подзатворным диэлектриком обычно используют тугоплавкие металлы (Mo, W) и их силициды (TiSi2, TaSi2, WSi2, MoSi2), а также их сочетания с легированным поликристаллическим кремнием [7, 8 ].
При изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных схем для получения омических контактов к кремнию, межсоединений и контактных площадок, а также электродов затвора метал-оксид-полупроводниковых структур широкое распространение получили пленки алюминия, что обусловлено следующими достоинствами этого металла: низкой стоимостью Аl и высокой технологичностью; электропроводностью пленок Аl; хорошей адгезией Аl к кремнию и его окислам; возможностью создания низкоомных контактов Аl с кремнием р- и n-типов проводимости; отсутствием в системе Аl-Si химических соединений; химической стойкостью Аl в окислительной среде [9]. Наряду с ранее перечисленными достоинствами металлизация А1 обладает рядом существенных недостатков: малая величина энергии активации самодиффузии атомов А1, вызывающая электромиграцию при плотностях тока примерно 106 А/cм2 и повышенных температурах, в результате чего появляются обрывы шин металлизации в процессе эксплуатации интегральных схем; возможность короткого замыкания через диэлектрик в многоуровневых системах металлизации вследствие образования острых выступов на пленке в результате электромиграции и рекристаллизации Аl; опасность гальванической коррозии Аl при одновременном использовании других металлов; большая скорость диффузии Аl по границам зерен, ограничивающая температуры использования до 300С; интенсивное химическое взаимодействие Аl с двуокисью кремния при температуре около 500С; низкая точка плавления в эвтектике систем алюминий — кремний (около 577С); большое различие ( 6 раз) коэффициентов термического расширения Аl; невозможность присоединения выводов с помощью пайки; высокое пороговое напряжение в металл-оксид-полупроводниковых структурах в связи с большой работой выхода [6].
Из-за перечисленных недостатков алюминиевая металлизация в настоящее время практически не применяется в интегральных схемах с мелкими эмиттерными переходами, а также в МДП интегральных схемах для создания затворных электродов. Для этой цели применяют однослойные и многослойные системы из различных металлов (в том числе Аl в качестве верхнего слоя).
Формирователь электрических импульсов тока различной формы
Поскольку исследования требуют наличия импульсов различной формы и энергии, то в работе применялись разные схемы формирования таких импульсов.
Для получения импульсов различной формы использовался задающий генератор и мощный силовой блок. В настоящей работе используется установка, состоящая из сварочного трансформатора переменного тока, выполняющего функции как задающего генератора (включается в сеть переменного тока частотой 50 Гц), так и выходного силового блока, позволяющего получить токи до 160 А.
На выходе трансформатора собрана схема с использованием тиристоров КУ211Ж, КУ211И (U=200В, I=200А), разработанных специально для переменного тока, закрываются тиристоры после каждого импульса автоматически. Подавая на управляющий электрод тиристора сигнал либо непосредственно от сети через ограничивающее сопротивление, либо от любого источника питания тока можно открывать и закрывать его в зависимости от задач исследования, начиная с 1-го импульса. Кроме того, тиристор позволяет регулировать момент открывания, формировать одиночный импульс, видоизменять его и регулировать силу тока на выходе устройства.
Для получения на выходе импульса тока с помощью нижеприведенных схем генераторов напряжений, использовался шунт (75мВ, 300А), который позволял пересчитывать значения напряжения в ток.
Широкие пределы регулирования можно получить, если цепь управления питать напряжением, сдвинутым по фазе относительного анодного напряжения. Это осуществлялось с помощью RC цепи (рисунок 2.6).
В такой схеме пределы регулирования напряжения на всем полупериоде позволяет изменять ток в нагрузке от максимального значения до нуля. В схеме 2.6 при отрицательных полуволнах напряжения конденсатор С1 заряжается через диод VD2 до напряжения Uc, напряжение на нем становится достаточным для открывания тиристора. Если использовать два тиристора, то можно получить импульсы длительностью от нескольких десятков микросекунд до 4-5 миллисекунд (при частоте питающей сети 50 Гц) (рисунок 2.7). Рисунок 2.7. Схема генератора переменного тока для формирования импульсов различной формы, длительностью от 10 мкс до 4 мс, справа– форма полученного импульса В генераторе использован метод фазового регулирования. Импульс начинается, когда отпирается тиристор VТ1 и закрывается, когда отпирается тиристор VТ2 при положительных полупериодах на их анодах. Задержки импульсов регулируется потенциометром R1 и длительность импульса - потенциометром R2. По форме импульсы представляют из себя синусоиды.
Генераторы импульсов на постоянном токе отличаются исключительным многообразием формы выходных импульсов. Эти генераторы могут быть выполнены как на транзисторах, так и на тиристорах. Учитывая требования к исследованиям полупроводниковых приборов в нашем случае, а именно довольно ограниченный ряд форм выходных импульсов и для унификации некоторых блоков приборов и установок на переменном токе с установкой на постоянном токе выбрано применение тиристорных схем. Кроме того, это обусловлено также большими токами, с которыми приходится иметь дело в процессе исследования мощных полупроводниковых приборов.
Слева - принципиальная схема генератора импульсов на постоянном токе, справа – форма полученного импульса. Данная принципиальная схема работает с внешним запуском и выдает импульсы пилообразного напряжения. Он работает в ждущем режиме. В интервале между импульсами конденсатор С заряжается до напряжения Uc=U0 и затем быстро разряжается через резистор R3 и тиристор VT1, когда на него подается управляющий импульс. После разряда конденсатора тиристор VT1 переключается в закрытое состояние, что обеспечивается соответствующим выбором резистора R1. При работе с различными частотами повторение постоянно времени =(R1 + R3 )С нужно выбирать так, чтобы конденсатор успел зарядиться снова. Диод VD1 предотвращает появление на выходе импульсов положительной полярности. Выходное напряжение представляет из себя короткие импульсы пилообразной формы.
Контактное плавление как пример фазовых превращений на межфазной границе полупроводник-металл
Первоначально экспериментальное исследование тепловых режимов тестовых структур (п. 2.1, 2.3) проводилось по осциллограммам включения U(t).
Рассмотрим процесс нагрева структуры на примере импульса тока с линейно нарастающим фронтом различной амплитуды. Осциллограммы включения системы Si-Al при пропускании таких импульсов длительностью 400 мкс представлены на рисунке 3.1.
Осциллограммы включения системы Si-Al при пропускании одиночного импульса тока с линейно нарастающим фронтом амплитудой длительностью 400 мкс и максимальным значением jmax и энергией W: 1–41010 A/м2 и 2.7 мДж; 2–61010 A/м2 и 7.0 мДж; 3–61010 A/м2 и 15 мДж ; 4– 11011 A/м2 и 27 мДж ; 5–1,21011 A/м2 и 47 мДж .Толщина пленки h1=2 мкм. На вставке: формы импульса тока При рассматриваемых выше тепловых нагрузках наблюдается лишь нагрев структур без каких-либо аномалий. Подобная ситуация (при аналогичных электрических мощностях), как и отмечалось в разделе п.2.3, наблюдается и для прямоугольных импульсов. Увеличение «тепловых нагрузок» на систему металлизации (путем увеличения мощности импульсов или частоты их следования, рисунок 2.19, 2.20) приводит к началу деградационных процессов на поверхности полупроводника.
Детально фазовые превращения рассмотрим на структуре Al-Si при пропускании импульса тока прямоугольной формы различной амплитуды при длительности импульса i=500 мкс (рисунок 3.2).
Вид осциллограмм включения U(t) (зонды 1-12) при прохождении одиночного импульса тока через алюминиевую дорожку металлизации, лежащую на кремнии. Длительность импульса i=500 мкс, амплитуда j (A/м2): 1- 4.5.1010; 2-5.0.1010 (контактное плавление, без оплавления Al); 3-5.2.1010 (контактное плавление, с частичным оплавлением Al); 4-5.6.1010 и 5-5.8.1010 (полное оплавление Al) [97] По результатам эксперимента можно условно разбить кривые на рисунке 3.2 на три области: ОА, АВ и ВС. Участок ОА (аналогично О А и 0 А ) характеризуется монотонным ростом U(t) при относительно малых временах t после включения импульса, связан с нагревом структуры (тонкой пленки металла) и определяется режимом отвода тепла в пластину полупроводника, когда выделяемая в единицу времени мощность в алюминии не успевает отводиться вся в кремниевую подложку, в результате чего структура нагревается.
На участках АВ, А В , А В на исследуемых структурах было зафиксировано начало фазообразования, проявляющееся на осциллограммах резким отклонением от монотонного роста («скачок» потенциала, что связано с процессами оплавления алюминия (температура плавления А1 = 66ҐС), т.е. формированием расплавленной зоны и распространением ее вдоль дорожки металлизации.
Участок ВС, В С, В С характеризуется процессом контактного плавления на межфазной границе алюминий-кремний: ростом потенциала и последующим его «сбросом» (температура плавления эвтектики системы Al-Si 577С) и расширением токопроводящего слоя, подобный механизм был рассмотрен в литературном обзоре (глава 1). Эти процессы развиваются при плотностях тока (называемых критическими) j 6-ІО10 А/м2 ( 150 мкс, сопротивление структуры при комнатной температуре R0=0.8 Ом).
В данных экспериментах начало деградационных процессов связывается, как правило, с отклонения потенциала U(t) от монотонного роста [98]. При этом, используя экспериментальные осциллограммы (в том числе полученные нами) можно определить область безопасной работы системы металлизации. Она ограничена сверху штрих-пунктирной линией на рисунке 3.3:
Предполагаемая модель магнитостимулированных изменений
Эти вопросы представляются весьма актуальными при изучении магнитопластического эффекта (МПЭ), т.е. влияния магнитных полей (МП) на механические свойства диамагнитных кристаллов. Впервые этот эффект был обнаружен экспериментально на монокристаллах NaCl [111]. Впоследствии выяснилось, что МПЭ проявляется в различных материалах: LiF, KCl, KBr, CsI, Al, Zn, NaNO2, C60, полимерах. При обнаружении и исследовании МПЭ использовались различные виды МП, весьма широкий спектр методик исследования микроструктуры и механических свойств, различные виды нагружений и температур [112,113].
Природа магнитопластичности в диамагнитных кристаллах связывается со спинзависимыми реакциями в подсистеме структурных дефектов [11,115]. Наблюдаемые кинетические особенности на различных материалах определяются, как правило, внутренней перестройкой дефектных комплексов в поле внутренних механических напряжений или при действии иных «внешних сил» [116,117]. Магнитопластичность элементарных полупроводников изучена не так подробно, как, например, ионных кристаллов, хотя в последнее время наблюдается заметная активность в изучении влияния МП на физико-механические свойства полупроводников, в том числе и монокристаллического кремния [118,119,120].
Так, в [116] экспериментально обнаружено, что под действием постоянного магнитного поля в монокристаллах Cz–n–Si (111) наблюдается изменение микротвердости, модуля Юнга и коэффициента пластичности кристаллов, что согласуется с изменением параметра кристаллической решетки и внутренних напряжений. Основную роль в наблюдаемых эффектах авторы связывают с магнитостимулированным увеличением количества оксидной фазы SiO2 и толщины пленки оксида кремния ( в 4 раза). Детальное исследование окисления кремния показало, что этот процесс является спин-селективной реакцией, в которой участвуют радикалы и радикальные пары как промежуточные парамагнитные частицы [116]. Влияние режимов пластической деформации на магнитные свойства монокристаллов Si (в т.ч. обогащенных изотопом 29Si) рассмотрено в [117,118]. Обнаружено, что пластическая деформация полупроводника изгибом и кручением приводит к появлению парамагнитных центров со спектрами электронного парамагнитного резонанса (далее - ЭПР), отличающихся от центров, исследованных ранее при одноосной деформации.
Исследование типа и концентрации легирующей примеси на динамику собственных и радиационно-стимулированных дефектов в Si при низко интенсивном электронном облучении рассмотрено в [112,113]. Установлено, что основную роль в процессе радиационно-стимулированного разупрочнения кремния играют комплексы, содержащие две вакансии.
Влияние МП на диффузионные процессы в бездислокационном кремнии обнаружено в [121]. Экспериментально зафиксировано, что предварительная экспозиция кристаллов в постоянном МП (В=1 Тл) приводит к увеличению глубины диффузии фосфора в кремнии р-типа (на 20%) по сравнению с контрольными образцами.
После обнаружения МПЭ [122] предпринимались попытки выяснения механизмов магнитопластичности. Объяснение этого эффекта с помощью силы Лоренца, действующей на заряженные дислокации, вихревых электрических полей, наличия ферромагнитных преципитатов в диамагнитном теле и т.д. [111, 123] не принесли успеха.
Кроме того, величина энергии \лвВ в сравнении с кТ при комнатной температуре и полей 10 Тл составляет — 10 3 . Поэтому такая составляющая, сообщаемая какому-либо структурному дефекту, не может повлиять на состояние дефекта и диамагнитной матрицы. Также существуют трудности и в теории дислокации: недостаток информации об атомной и электронной структуре реальных дислокаций в кристаллах; не всегда известна природа и характеристики взаимодействия дислокационного ядра со стопором; не ясны атомные механизмы преодоления препятствий движущимися дислокациями и т.д. [124]. Кроме того, сам участок дислокации со стопором (которым является примесный комплекс) представляют собой квазичастицу, состоящую из многих атомов. Поэтому необходимо допустить возможность влияния МП и на их собственную структуру еще до взаимодействия.
Для исследования и доказательства влияния МП на спиновую подсистему были разработаны резонансные методики: откликом исследуемой системы на резонанс было изменение макроскопического отклика (фототок, интенсивность фотолюминесценции и т.д.). Слабое МП может эффективно действовать на реакцию при помощи спин-зависимого переключения «каналов протекания» реакции. При таком подходе понятно почему «малая добавка» в энергию приводит к заметным изменениям параметров системы [123,125].
В 1991 году В.И.Альшицем [126] и М.И.Молоцким [127] было предложено использовать подобный подход для описания природы МПЭ. На рисунке 4.8 изображены движения спинов реагентов ответственные за синглет-триплетные переходы в радикальной паре (РП). Для осуществления перехода из Т+ или Т- в S-конфигурацию, хотя бы у одного партнера должна измениться проекция спина на ось квантования. Такой переворот спина изображен на рисунке 4.8 (а,б) штриховыми линиями. Переходы между Т0 и S состояниями индуцируются рассогласованием прецессии спинов партнеров. Как видно из рисунка 4.8, S и Т0 отличаются только тем, что в этих состояниях фазы прецессии S1 и S2 отличаются на 1800. Поэтому любые физические механизмы, которые могут изменить относительную фазу прецессии S1 и S2, будут вызывать синглет-триплетные переходы (S-Т0) переходы в РП [128].