Содержание к диссертации
Введение
1. Температурные поля и тепловые режимы работы многослойных структур на кремнии при импульсных токовых воздействиях 18
1.1. Расчет температурных полей в кремнии при воздействии импульсов тока на системы металлизации 19
1.1.1. Точечный источник тепла на поверхности полупроводника 20
1.1.2. Случай прямоугольной дорожки металлизации 23
1.2. Экспериментальные исследования температурных режимов работы систем металлизации на кремнии при импульсном токовом воздействии 25
1.2.1. Подготовка объектов исследования 25
1.2.1.1. Напыление пленок на подложки 28
1.2.1.2. Фотолитография и диффузионный отжиг структур 30
1.2.2. Методика проведения опытов 32
1.2.3. Нагрев теплоизолированного проводника токовым импульсом 36
1.2.4. Анализ температурных полей структур металлизации при импульсном токовом воздействии 38
1.2.4.1. Структура алюминий-кремний 38
1.2.4.2. Системы кремний-алюминий с полупроводниковыми и диэлектрически ми подслоями 45
1.2.4.3. Системы кремний-металл-алюминий 50
1.3. Генерация изгибных колебаний полупроводнико вых пластин локальными тепловыми источниками 58
2. Деградационные процессы и дефектообразование в по лупроводниковых структурах при импульсном токовом воздействии 68
2.1. Направленное оплавление дорожек металлизации 69
2.2. Контактное плавление в системах металл-полупроводник 80
2.3. Механические колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы 88
2.4. Дефектообразование вблизи поверхностных источников термоудара 94
Выводы к главе 2 98
3. Ультразвуковые исследования состояния дефектов структуры в монокристаллах кремния 100
3.1. Вклад носителей заряда в нелинейные модули упругости кремния (концентрационный энгармонизм) 101
3.1.1. Ангармонизм упругих свойств в кремнии птипа 102
3.1.2. Ангармонизм упругих свойств в кремнии р типа 105
3.2. Экспериментальная методика измерения модуля упругости 4-го порядка 108
3.2.1. Концентрационный ангармонизм 113
3.2.2. Дислокационный ангармонизм 117
4. Транспортные процессы в полупроводниках с участием линейных дефектов. Динамика дислокационных ансамблей и звуковое излучение при комнатных температурах 124
4.1. Акустическая эмиссия при образовании и скольжении дислокаций 127
4.1.1. Упругие поля излучения прямолинейных параллельных краевых дислокаций 128
4.1.2. Звуковое излучение, вызванное срывом или остановкой краевой дислокации 132
4.1.3. АЭ при периодическом перемещении краевой дислокации из одного положения равновесия в другое 138
4.2. Акустоэмиссионное зондирование линейных дефектов в кремнии 143
4.3. Акустическая эмиссия в сульфиде кадмия при токовых и тепловых воздействиях 160
4.4. О взаимосвязи акустической эмиссии и электростимулированной миграции дислокаций в кремнии 166
4.5. Влияние постоянных магнитных полей на подвижность дислокаций 175
4.5.1. Магнитопластичность немагнитных материалов 175
4.5.2. Влияние магнитного поля на акустическую эмиссию в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях 178
4.5.3. Акустоэмиссионное зондирование дислокационного кремния после обработки в магнитном поле 188
4.5.4. Изменение подвижности дислокаций в кремнии после обработки в постоянном магнит
ном поле 194
Выводы к главе 4 203
5. Транспортные процессы в кремнии с участием дислока ционных ансамблей при высоких температурах 206
5.1. Методические особенности изучения дислокационной динамики 206
5.2. Анализ транспортных процессов в полупроводнике с участием дислокаций 213
5.2.1. Роль внутренних напряжений при движении дислокаций в кремнии 218
5.2.2. Динамика линейных дефектов в поле внешних и внутренних сил 226
5.2.2.1. Влияние внешней нагрузки на скорость перемещения дислокаций 227
5.2.2.2. Влияние внутренних напряжений на подвижность дислокаций в поле внешних сил 232
5.3. Влияние магнитных полей на динамику дислокационных ансамблей 235
5.3.1 Влияние слабого магнитного поля на подвиность дислокаций в кремнии 235
5.3.2. Природа магнитопластичности диамагнитных кристаллов 244
5.3.3. Магниторезонансное упрочнение монокристаллов кремния 252
5.3.4. Эволюция магниточувствительных центров в магнитном поле 264
5.3.5. Экспериментальный анализ дислокационного транспорта после действия магнитного поля 266
5.4. Динамика дислокаций и образование расплавленных включений 278
6. Миграция примеси в полупроводниках с участием жидкой фазы 282
6.1. Массоперенос примеси в полупроводниках с участием жидкой фазы 284
6.1.1. Объемная миграция включений 285
6.1.2. Массоперенос расплавленных включений по поверхности полупроводника 289
6.2. Методика подготовки образцов и проведения эксперимента 290
6.3. Особенности перемещения вторых фаз в объеме монокристаллов кремния и германия 292
6.4. Особенность поверхностной миграции 302
6.5. Электротранспортные процессы в монокристаллах антимонида галлия с участием расплавленных включений GaSb-Sn 309
6.6. Роль температурных градиентов в электростимули-рованном движении расплавленных включений Ag-Те в теллуре 317
Выводы к главе 6 325
Заключение 327
Общие выводы 328
Литература 332
- Экспериментальные исследования температурных режимов работы систем металлизации на кремнии при импульсном токовом воздействии
- Анализ температурных полей структур металлизации при импульсном токовом воздействии
- Механические колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы
- Экспериментальная методика измерения модуля упругости 4-го порядка
Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что развитие физики и техники полупроводников, микро- и наноэлектроники оказывает решающее влияние на мировой научно-технический прогресс, способствует решению проблем глобальной информатизации, созданию новейших систем связи, разнообразной бытовой, медицинской и специальной аппаратуры. В XXI век полупроводниковая наноэлектро-ника входит с производством ультрасверхбольших интегральных схем динамической памяти 256 Мбит-1 Гбит и микропроцессоров с тактовыми частотами на уровне 0.5-1 ГГц [1,2].
Кремний с его уникальной комбинацией электрофизических и технологических свойств продолжает занимать в этой области доминирующее положение [1-3]. Можно без преувеличения сказать, что достижения в области кремниевой технологии определяют успехи в области микроэлектроники и электроники в целом. Крупномасштабное производство кремниевых приборов и особенно БИС выдвигает все более высокие требования к воспроизводимости параметров и эксплуатационной надежности. Большинство характеристик полупроводниковых устройств существенно зависит от плотности структурных дефектов и неконтролируемых примесей, содержащихся в полупроводниковой пластине. При проведении неизбежных термических операций примеси взаимодействуют со структурными дефектами, видоизменяют их или образуют новые дефекты, заметно влияя на структурно-примесное состояние не только приповерхностного слоя и пограничных областей, но и всей приборной структуры.
Актуальность этих вопросов особенно отчетливо проявляется и непрерывно возрастает в связи с резким повышением уровня инте-
грации в полупроводниковых структурах, где локальные плотности тока часто превышают 1010 А/м2.
Столь высокие плотности тока и возникающие температурные градиенты способствуют образованию и последующему транспорту линейных и объемных дефектов в полупроводниковых структурах. Наиболее ярко это проявляется в «мелких» р-n- переходах, системах металлизации, невыпрямляющих контактах и т.д.
Однако в имеющихся литературных данных о транспортных процессах в полупроводниках освещены не все аспекты рассматриваемой проблемы. В частности, отсутствует информация о динамике линейных дефектов при наличии механических напряжений и влиянии магнитных полей на подвижность поверхностных дислокационных сегментов. Практически не рассмотрены физические механизмы образования и последующей миграции линейных и объемных дефектов в системах металл-полупроводник с различными подслоями и в приконтактных областях полупроводника. Более того, процесс деградации таких структур, связанный с образованием расплавленных капель и вытеснением их током как по поверхности, так и в объеме полупроводника, не описан в рамках единого механизма. Отсутствует сравнительный анализ механизмов объемного и поверхностного массопереноса.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование разрушения слоев металлизации, дефектообразования, динамики линейных и объемных дефектов в полупроводниках при тепловых, механических, электрических и магнитных возмущениях.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
проанализировать температурные поля, создаваемые в полупроводниковой пластине точечным и прямоугольным участками слоя металлизации при его нагреве прямоугольными токовыми импульсами;
детально изучить в системах металл-полупроводник при импульсном токовом возмущении деградационные процессы, связанные с локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением под действием электрического тока; опытно-аналитическим путем определить условия образования линейных и объемных дефектов вблизи источника термоудара;
изучить нелинейность упругих свойств кремния (ангармонизм), создаваемую линейными (дислокациями) и точечными (легирующей примесью) дефектами;
рассмотреть электростимулированную динамику дислокаций в монокристаллах кремния и сульфида кадмия при комнатных температурах металлографическим методом и методом акустической эмиссии;
провести детальный анализ влияния магнитных полей на электростимулированную акустическую эмиссию и транспорт дислокаций в кремнии при комнатных температурах;
рассмотреть особенности дислокационного транспорта в поле внутренних механических напряжений в кремнии с учетом решеточного потенциального барьера кристалла и двух видов стопоров на базе магниточувствительных точечных дефектов и дислокаций леса;
исследовать магнитостимулированные транспортные процессы с участием дислокаций в кремнии при температурах 800-1000 К;
отработать методику магниторезонансного упрочнения элементарного полупроводника и применить ее к монокристаллическому кремнию;
изучить механизмы образования и транспорта расплавленных включений в полупроводниках в электрических и тепловых полях, провести сравнительный анализ процессов объемного и по-
ф верхностного массопереноса в электрическом поле.
Научная новизна диссертационной работы:
Теоретически изучены температурные поля, создаваемые на поверхности полупроводниковой пластины прямоугольными участками слоя металлизации при его нагреве прямоугольными токовыми импульсами. Построена математическая модель для расчета тепловых режимов работы контактной пары металл-полупроводник. Показано, что наличие различных подслоев (Si, Ge, SiCb, Ті, Ni, Mo) с отличными от подложки теплопроводящими свойствами увеличивает тепловую «нагрузку» на слои металлизации и может привести к снижению величины критической плотности тока.
Рассмотрены процессы образования акустических откликов в полупроводниковых структурах при импульсных токовых воздействиях. Установлены определяющие моменты генерации механических колебаний, связанных с включением и выключением импульсов тока. Выявлен гармонический характер зависимости амплитуды отдельной гармоники и всей энергии колебаний от длительности импульса.
* 3. Изучен и вскрыт механизм контактного плавления структур ме-
талл-полупроводник. Детально проанализировано импульсное воз-действие токов повышенной плотности (j>510 А/м ) и режимов термообработок на структуры металл-полупроводник. Показано,
что необратимые деградационные процессы в системах металл-полупроводник при импульсном токовом возмущении связаны с локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением под действием электрического тока.
Экспериментально установлены начальные этапы разрушения слоя металлизации при критических плотностях тока. Из анализа термоупругих напряжений кремниевой подложки предсказано и обнаружено зарождение поверхностных дислокаций по периметру дорожки металлизации. Экспериментально определены условия образования линейных и объемных дефектов вблизи источника термоудара.
Впервые проанализированы дислокационный и концентрационный ангармонизм в кремнии. Методом составного осциллятора изучены образцы кремния п- и р- типов, определены соответствующие константы деформационного потенциала для случая изгиба пластин кремния с ориентацией поверхности (111).
Проведено исследование магнитостимулированных электротранспортных процессов с участием дислокаций в кремнии при комнатных температурах. Впервые обнаружено, что магнитные поля с индукцией В<0.75 Тл, совмещенные с токовым воздействием j=(l-5)'10 А/м , оказывают сильное влияние на подвижность линейных дефектов и акустическую эмиссию в кремнии.
Впервые обнаружен эффект «магнитной памяти» дислокационного кремния и рассмотрены кинетические аспекты эффекта при естественных условиях хранения образца после отключения магнитного поля. Предложена кинетическая модель магнитостимулированных изменений подвижности линейных дефектов, связанных с образованием долгоживущих комплексов на базе парамагнитной примеси.
Впервые обнаружено резонансное влияние постоянного и скрещенного с ним переменного сверхвысокочастотного магнитных полей на подвижность дислокаций в монокристаллах кремния р-типа. Частота переменного и индукция постоянного магнитных полей, при которых наблюдается максимальное упрочнение кристаллов, удовлетворяют условию возбуждения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в дефектах структуры.
Проведен сравнительный анализ поверхностного и объемного электромассопереноса. Показано, что ускоренная миграция примеси по поверхности связана с вкладом электрокапиллярной составляющей скорости перемещения.
Практическая значимость результатов работы.
Результаты исследований являются основой для выработки комплексных методов повышения деградационной стойкости контактов металл-полупроводник и подавления дефектообразования вблизи источников термоудара и локальных концентраторов напряжений.
Конкретные практически важные результаты:
Установлены механизмы деградации в системах металл-полупроводник при импульсном токовом возмущении, связанные с локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением под действием электрического тока. Предложено стабилизировать многослойную структуру изотермическими отжигами в инертной атмосфере. Показано, что наличие как полупроводниковых, так и металлических подслоев способствует ускоренной деградации структуры.
Разработаны:
метод акустического контроля режимов работы контактных систем полупроводниковых структур;
методика оценки коэффициентов взаимной диффузии D/ в системах металл-полупроводник, основанная на регистрации времени контактного плавления и температуры при прохождении импульса тока, найдены температурные зависимости D; исследуемых систем;
методика акустоэмиссионного зондирования состояния линейных дефектов в полупроводниках;
методика исследования магнитостимулированных электротранспортных процессов с участием дислокаций в кремнии при комнатных температурах;
метод изучения магнитопластического эффекта в кремнии в диапазоне температур 800-1000 К;
методика изучения дислокационного ангармонизма с помощью составного осциллятора;
методика магниторезонансного упрочнения монокристаллов кремния в режиме ЭПР.
3. Показана возможность использования технологии формирования расплавленных включений для создания нового класса одно-электронных приборов.
Публикации и апробация работы. В ходе выполнения исследований по теме диссертации опубликовано 65 научных работ, из которых 33 статьи - в центральных отечественных журналах. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Основные результаты доложены на: международных конференциях "Микроэлектроника-94". Москва. 1994; International conference "Physical problems in material science of semiconductors".
Ukraine. 1995; III Международной конференции "Актуальные про
блемы твердотельной электроники". Дивноморское. 1996; I Всерос
сийской конференции по материаловедению и физико-химическим
основам технологии получения легированных кристаллов кремния.
Москва. 1996; International conference "Physical problems in material
science of semiconductors". Ukraine. 1997; VI всероссийской научно-
технической конференции с международным участием
"Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлек
троники". Дивноморское. Россия. 1997; Межвузовской научно-
технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 98"
Зеленоград. 20-22 апреля 1998; Всероссийском симпозиуме
"Аморфные и микрокристаллические полупроводники". Санкт-
Петербург. 1998; Международной конференции "Оптика полупро
водников". Ульяновск 1998; V всероссийской научно-технической
конференции с международным участием "Актуальные проблемы
твердотельной электроники и микроэлектроники". Дивноморское.
Россия. 1998; VI международной конференции "Актуальные про
блемы электронного приборостроения АПЭП-98". Т.4. Новоси
бирск. 23-26 сентября. 1998; Всероссийской научно-технической
конференции "Микро- и нанофотоника- 98". Звенигород. 1998; со
вещании "Нанофотоника". Нижний Новгород. 1999; Международ
ной конференции "Физические процессы в неупорядоченных полу
проводниковых структурах". Ульяновск. 1999; Международной на
учно-технической конференции "Актуальные проблемы твердо
тельной электроники и микроэлектроники. Таганрог. 1999; II Рос
сийской конференции по материаловедению и физико-химическим
основам технологий получения легированных кристаллов кремния
("Кремний-2000"). Москва. 2000; Международной конференции
"Оптика полупроводников". Ульяновск. 2000; II Международной
конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". 2000; международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Саратов. 2000; Международной конференции "Оптика, оптоэлектроника и технологии". Ульяновск. 2001; Всероссийской научно-технической конференции "Микро- и наноэлектроника 2001", Звенигород. 2001; Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов». Черноголовка. 2002; XI Петербургские чтения по проблемам прочности. С.Петербург. 2003; XV симпозиуме «Современная химическая физика». Туапсе. 2003; XI и XIII Московском семинаре «Физика деформации и разрушения твердых тел» (рук. проф. В.И.Алышщ, проф. А.М.Глезер).
Результаты работы получены при выполнении гранта РФФИ, гранта Министерства образования РФ и ФЦП "Интеграция".
Личный вклад. Автору принадлежит постановка задач исследований, обоснование способов их решения, непосредственное выполнение значительной части экспериментов, расчетов, систематизация и анализ результатов. Подавляющая часть экспериментов и расчетов, систематизация и анализ результатов были выполнены на кафедре физики и технологии интегральных микросхем УлГУ. Разработка методики магниторезонансного упрочнения монокристаллов кремния осуществлена совместно с сотрудниками института Физики твердого тела РАН (Черноголовка). Некоторые эксперименты по акустоэмиссионному зондированию дислокаций в сульфиде кадмия были проведены совместно с сотрудниками лаборатории полупроводниковых лазеров с электронной накачкой Физического института им, П.Н.Лебедева РАН (Москва). Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с аспирантами (Фролов В.А.,
Пирогов А.В., Соловьев А.А., Литвиненко О.В., Саланов А.А.), с научным консультантом Орловым A.M., с сотрудниками других научных групп: Осипьяном Ю.А., Моргуновым Р.Б., Баскаковым А.А., Насибовым А.С., Никитиным К.Е. и другими коллегами, которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество.
Научные положения, выносимые на защиту:
При прохождении одиночных прямоугольных токовых импульсов плотностью j>5 10 А/м через систему металлизации на кремнии развиваются деградационные процессы, обусловленные локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением под действием электрического тока, конкурирующим механизмом контактного плавления в системе, а также активным образованием линейных дефектов в приповерхностном (-50 мкм) слое полупроводника.
Возникающее в процессе электроотжига звуковое излучение в дислокационных пластинах кремния вызвано смещением дислокаций в электрическом поле. Определены подвижность, эффективный заряд дислокации и коэффициент диффузии атомов в её примесной атмосфере.
Электроотжиг (j=(l-5)105 А/м2, Т=320-450 К) дислокационных пластин кремния в постоянном магнитном поле с индукцией В<0.75 Тл сильно влияет на подвижность линейных дефектов и акустическую эмиссию кремния n-типа. Впервые зафиксировано, что предварительная обработка дислокационного образца в постоянном магнитном поле (В<1 Тл) приводит к изменению интенсивности его акустического отклика в зависимости от величины индукции магнитного поля.
Впервые обнаружено и описано смещение (до 20-40 мкм) поверхностных дислокаций (Т=873-1023 К) в неоднородном поле внутренних механических напряжений в монокристаллах кремния п- и р-типа с концентратором напряжений.
Впервые обнаружен эффект "магнитной памяти" дислокационного кремния и рассмотрены его кинетические аспекты при естественных условиях хранения образца после отключения магнитного поля. Впервые обнаружена и измерена зависимость максимального пробега фронтальных дислокаций (Т=873-1023 К) от времени экспозиции образцов в магнитном поле при комнатной температуре.
При обработке пластин кремния р-типа обнаружено резонансное влияние постоянного и скрещенного с ним переменного сверхвысокочастотного (9.6 ГГц) магнитных полей на подвижность дислокаций в монокристаллах кремния р-типа. Частота переменного и индукция постоянного магнитных полей, при которых наблюдается максимальное упрочнение кристаллов, удовлетворяют условию возбуждения электронного парамагнитного резонанса в дефектах структуры. Обнаружена анизотропия спектра ЭПР, детектируемая по изменению пробегов дислокаций.
Направленная миграция жидкофазных включений в объеме полупроводника осуществляется за счет термоэлектрических явлений на границе кристалл-расплав, электропереноса компонентов в объеме включения и температурных градиентов. Различные скорости объемной и поверхностной миграции (для системы Ge-Ag энергии активации 132 кДж/моль и 32 кДж/моль, соответственно) при одинаковых термодинамических условиях определяются электрокапиллярными эффектами, доминирующими в поверхностном массопере-носе пропорционально размеру включения.
Экспериментальные исследования температурных режимов работы систем металлизации на кремнии при импульсном токовом воздействии
Научная новизна диссертационной работы: 1. Теоретически изучены температурные поля, создаваемые на поверхности полупроводниковой пластины прямоугольными участками слоя металлизации при его нагреве прямоугольными токовыми импульсами. Построена математическая модель для расчета тепловых режимов работы контактной пары металл-полупроводник. Показано, что наличие различных подслоев (Si, Ge, SiCb, Ті, Ni, Mo) с отличными от подложки теплопроводящими свойствами увеличивает тепловую «нагрузку» на слои металлизации и может привести к снижению величины критической плотности тока. 2. Рассмотрены процессы образования акустических откликов в полупроводниковых структурах при импульсных токовых воздействиях. Установлены определяющие моменты генерации механических колебаний, связанных с включением и выключением импульсов тока. Выявлен гармонический характер зависимости амплитуды отдельной гармоники и всей энергии колебаний от длительности импульса. 3. Изучен и вскрыт механизм контактного плавления структур ме талл-полупроводник. Детально проанализировано импульсное воз-действие токов повышенной плотности (j 510 А/м ) и режимов термообработок на структуры металл-полупроводник. Показано, что необратимые деградационные процессы в системах металл-полупроводник при импульсном токовом возмущении связаны с локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением под действием электрического тока. 4. Экспериментально установлены начальные этапы разрушения слоя металлизации при критических плотностях тока. Из анализа термоупругих напряжений кремниевой подложки предсказано и обнаружено зарождение поверхностных дислокаций по периметру дорожки металлизации. Экспериментально определены условия образования линейных и объемных дефектов вблизи источника термоудара. 5. Впервые проанализированы дислокационный и концентрационный ангармонизм в кремнии. Методом составного осциллятора изучены образцы кремния п- и р- типов, определены соо Научная новизна диссертационной работы: 1. Теоретически изучены температурные поля, создаваемые на поверхности полупроводниковой пластины прямоугольными участками слоя металлизации при его нагреве прямоугольными токовыми импульсами.
Построена математическая модель для расчета тепловых режимов работы контактной пары металл-полупроводник. Показано, что наличие различных подслоев (Si, Ge, SiCb, Ті, Ni, Mo) с отличными от подложки теплопроводящими свойствами увеличивает тепловую «нагрузку» на слои металлизации и может привести к снижению величины критической плотности тока. 2. Рассмотрены процессы образования акустических откликов в полупроводниковых структурах при импульсных токовых воздействиях. Установлены определяющие моменты генерации механических колебаний, связанных с включением и выключением импульсов тока. Выявлен гармонический характер зависимости амплитуды отдельной гармоники и всей энергии колебаний от длительности импульса. 3. Изучен и вскрыт механизм контактного плавления структур ме талл-полупроводник. Детально проанализировано импульсное воз-действие токов повышенной плотности (j 510 А/м ) и режимов термообработок на структуры металл-полупроводник. Показано, что необратимые деградационные процессы в системах металл-полупроводник при импульсном токовом возмущении связаны с локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением под действием электрического тока. 4. Экспериментально установлены начальные этапы разрушения слоя металлизации при критических плотностях тока. Из анализа термоупругих напряжений кремниевой подложки предсказано и обнаружено зарождение поверхностных дислокаций по периметру дорожки металлизации. Экспериментально определены условия образования линейных и объемных дефектов вблизи источника термоудара. 5. Впервые проанализированы дислокационный и концентрационный ангармонизм в кремнии. Методом составного осциллятора изучены образцы кремния п- и р- типов, определены соответствующие константы деформационного потенциала для случая изгиба пластин кремния с ориентацией поверхности (111). 6. Проведено исследование магнитостимулированных электротранспортных процессов с участием дислокаций в кремнии при комнатных температурах. Впервые обнаружено, что магнитные поля с индукцией В 0.75 Тл, совмещенные с токовым воздействием j=(l-5) 10 А/м , оказывают сильное влияние на подвижность линейных дефектов и акустическую эмиссию в кремнии. 7. Впервые обнаружен эффект «магнитной памяти» дислокационного кремния и рассмотрены кинетические аспекты эффекта при естественных условиях хранения образца после отключения магнитного поля. Предложена кинетическая модель магнитостимулированных изменений подвижности линейных дефектов, связанных с образованием долгоживущих комплексов на базе парамагнитной примеси. 8. Впервые обнаружено резонансное влияние постоянного и скрещенного с ним переменного сверхвысокочастотного магнитных полей на подвижность дислокаций в монокристаллах кремния р-типа. Частота переменного и индукция постоянного магнитных полей, при которых наблюдается максимальное упрочнение кристаллов, удовлетворяют условию возбуждения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в дефектах структуры. 9. Проведен сравнительный анализ поверхностного и объемного электромассопереноса. Показано, что ускоренная миграция примеси по поверхности связана с вкладом электрокапиллярной составляющей скорости перемещения.
тветствующие константы деформационного потенциала для случая изгиба пластин кремния с ориентацией поверхности (111). 6. Проведено исследование магнитостимулированных электротранспортных процессов с участием дислокаций в кремнии при комнатных температурах. Впервые обнаружено, что магнитные поля с индукцией В 0.75 Тл, совмещенные с токовым воздействием j=(l-5) 10 А/м , оказывают сильное влияние на подвижность линейных дефектов и акустическую эмиссию в кремнии. 7. Впервые обнаружен эффект «магнитной памяти» дислокационного кремния и рассмотрены кинетические аспекты эффекта при естественных условиях хранения образца после отключения магнитного поля. Предложена кинетическая модель магнитостимулированных изменений подвижности линейных дефектов, связанных с образованием долгоживущих комплексов на базе парамагнитной примеси. 8. Впервые обнаружено резонансное влияние постоянного и скрещенного с ним переменного сверхвысокочастотного магнитных полей на подвижность дислокаций в монокристаллах кремния р-типа. Частота переменного и индукция постоянного магнитных полей, при которых наблюдается максимальное упрочнение кристаллов, удовлетворяют условию возбуждения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в дефектах структуры. 9. Проведен сравнительный анализ поверхностного и объемного электромассопереноса. Показано, что ускоренная миграция примеси по поверхности связана с вкладом электрокапиллярной составляющей скорости перемещения.
Анализ температурных полей структур металлизации при импульсном токовом воздействии
Первоначальные исследования тепловых режимов работы структур типа металл-полупроводник проводились на бинарной системе Si-Al. В качестве полупроводниковой матрицы использовались кремниевые пластины, с нанесенным по ранее описанной методике алюминиевым слоем, для регистрации температурных изменений на границе раздела металл-полупроводник и самой металлической пленки. Динамика температуры дорожки металлизации отслеживалась по изменению падения напряжения U в процессе прохождения импульса тока, которое снималось с потенциальных площадок (1...12, рис. 1.3) соответствующими зондами и фиксировалось цифровым запоминающим осциллографом С9-8 (рис. 1.4). Величина дискретизации сигнала измерительным прибором по времени ограничивалась условием мгновенного прогрева слоя металлизации, т.е. выравнивание температуры слоя происходило в течение одной временной дискреты. Характерное временя прогрева т, = clylhft kl алю 1 миниевой пленки толщиной 3 мкм при докритических значениях температуры имеет порядок 10 7 с. В связи с этим, сигналы регистрировались с дискретизацией от 500 не и выше. Ограничение длительности измерения определялось условием полубесконечности толщины пластины: время записи сигнала не превышало времени достижения температурным фронтом противоположной поверхности пластины т c3y3A32 !Хг 5 мс. Полученная таким образом осциллограмма включения-выключения импульса /(т) через интерфейс КОП-Я8232 записывалась в ЭВМ. Полученные экспериментальные результаты в виде осциллограмм включения U(i) сопоставлялись с результатами теоретических расчетов на основе представленной модели (1.14) с учетом Здесь RQ = 0.78 Ом сопротивление дорожки металлизации при То=290 К, измерение которого осуществлялось методом вольтметра-амперметра. Поскольку все параметры зависят от температуры, для расчетов Т(у,т) следует использовать их усредненные по температуре значения, что и делалось нами [36,41]. Для этого исследуемый временной промежуток разбивался на малые интервалы Дт, соответствующие подобранной в предыдущем параграфе дискретизации измерительного оборудования. И усредненное значение каждого параметра вычислялось как среднеинтегральное значение , принимаемое им на всех элементарных интервалах. Далее использовался известный в теории теплопроводности алгоритм расчета временной зависимости изменения температуры дорожки A71(t) по соотношению (1.14) или (1.15). Расчеты производились на ЭВМ, с помощью составленной на языке Pascal программы. Под среднеинтегральным значением величины b будем понимать Ь = — \Ь(Т )dT . Согласно полученному ранее выражению (1.14) температура дорожки металлизации Т(у, t) при прохождении токового импульса зависит как от времени, так и координаты у (вдоль Ь).
Для оценки значений температуры в центре (у = 0) и на краях (у = ±Ь/2) дорожки металлизации, анализировались температурные режимы в обоих случаях. Для этого записывалось уравнение (1.14) без учета слагаемого, связанного с отключением импульса 1.20) и (1.21) для центра и края длинной дорожки представляют собой функциональные зависимости, различающиеся только аргументами zh z2 - аналогами чисел Фурье F0 =х/4ат решений задач теории теплопроводности [15,16], что говорит о единообразном характере изменения температуры на всех участках металлизации. Для вычисления значений входящих в эти выражения специальных функций E\(z), Ф(г) использовались известные аппроксимации [15, 16, 42]: (z 13) представлялась в виде ряда [42] В формулы (1.20) и (1.21) входят также сопротивление дорожки металлизации R, коэффициенты теплопроводности А,3 и температуропроводности а $ = \- ,1 (с Зу $) кремниевой подложки, в исследуемом диапазоне температур 290 + 800 К имеющие значения: Хз=12-104-Г"1-2Вт/(м-К))С3=800+8-10"2-Г-1.5-103-Г 2Дж/(кгК)[40]; а=4.310 3 К" [38]; у3=2328/(1 Вычисления показали, что температура в центре дорожки всегда несколько выше, чем на краю (рис. 1.7). Этот результат каче ственно подтвержда ется тем, что оплав ление металлизации при повышенных 0.2 0.4 0.6 0.8 т, мс На профиль вставке: температурный AT =Т{--- х )-ТЧут ) дорожки металлизации при прохождении импульса тока длительностью 10=800 мкс и амплитудой: а-3.0 10ш А/м2; b-3.8 1010 А/м2;с-4.5-1010А/м2. плотностях тока всегда начинается от центра. Расчетная же разность температур при докритических значениях тока не превышала 10 С. В таких условиях максимальный разброс R по ширине металли ческой пленки не превосходит 5%, что позволило пренебречь неоднородностью, и считать температуру всей дорожки равной температуре в ее центре. Расчеты температурных режимов работы дорожки металлизации при пропускании токового импульса показали хорошее согласование с пересчитанными по (1.14) и (1.16) экспериментальными осциллограммами включения (рис. 1.8).
Механические колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы
Источниками механических колебаний в наших экспериментах служили нестационарные тепловые поля, возникающие при термоударах на поверхности полупроводника. Это реализовывалось пропусканием прямоугольных токовых импульсов различной амплитуды (j=(l-7)1010 А/м ) и длительности (т =50-200 мкс) через алюминиевые дорожки, нанесенные на поверхность кремниевой пластины [84]. Кроме того, акустические сигналы возбуждались ударом стального шарика массой 3..10 грамм о поверхность пластины. В качестве полупроводниковых подложек использовались ориентированные в направлении [111] легированные фосфором кремниевые пластины с удельным сопротивлением 30 Ом см. Технология подготовки тестовых структур и методика проведения опытов описаны ранее в разделе 1.2. Изгибные колебания фиксировались пьезокристаллическим датчиком, закрепленным на краю исследуемой пластины у основного базового среза. В роли датчика выступала пластина из пьезокерамики ЦТС-19, толщиной d—300 мкм и диаметром 13 мм, собственные частоты которой (f 4 МГц) находились выше спектрального состава сигнала-отклика. Это позволяло фиксировать частотную характеристику среды по электрическому отклику с датчика U(t), который подавался на запоминающий осциллограф С9-8, состыкованный с ЭВМ для записи и накопления полученных данных (см. раздел 1.2.). В целях разложения сигнала на элементарные составляющие производилась его частотная фильтрация с использованием стандартного алгоритма быстрого преобразования Фурье. Это позволяло рассматривать поведение как отдельных гармоник, так и энергии W изгибных колебаний пластины, связанных соотношением [85]: где т-масса пластины, соя и Ап собственные частоты и амплитуды колебаний пластины. Численные значения ши для пластины с зажатым краем легко рассчитать по уравнению [85] здесь h- полутолщина; Ь- ее радиус; d3- плотность, Е- модуль Юнга, ст-коэффициент Пуассона и Рге - корни соответствующего характеристического уравнения. Анализ параметров регистрируемого сигнала при механическом воздействии показал прямую пропорциональную зависимость между U(t) и колебательной скоростью v(t) [86]. Поэтому, энергия изгибных колебаний в нашем случае пропорциональна где Un - амплитуды гармоник экспериментального спектра. На рис. 2,11 приведены для сравнения спектры сигналов при меха ническом (а) и тепловом (токовом) ударах (б) для пластины с закреплен ным краем. Видно, что возбуждение сигналов происходит в частотном диапазоне от 0.5 до 20 кГц, которая соответствует модам изгибных коле баний. Действительно, рассчитанными по уравнению (2.22) значениями собственных частот изгибных колебаний дает хорошее согласие во всем спектральном интервале (таблица 2.1). Это указывает, что даже незначительные для слоев металлизации токовые импульсы приводят к возбуждению изгибных колебаний в пластине.
Генерация звука в этом случае обусловлена темпом расширения нагреваемых участков среды и имеет тепловую природу [14,87]. Рассмотрим применительно к анализируемой системе характерные особенности этого процесса. Если плотность мощности тепловых источников определяется выражением [14,87]: то при нагреве кремниевой пластины токовыми импульсами длительности т выполняется неравенство х ха,хх [17,40], а компоненты тензора напряжений аш имеют вид [14,87]: В уравнениях (2.23) и (2.24) т(х,у)-мощность, выделяющееся на контакте в единицу времени; ц-коэффициент поглощения [1/м]; і"(і)-функция времени, определяющая форму импульса; R расстояние от источника звука до точки наблюдения; %— температуропроводность полупроводника; С, и Сгскорости распространения продольных и поперечных волн; n=CL/Ct, то =a!CLvL т=%/С-характерные времена запаздывания звуковых волн; S- площадь контакта. Нетрудно видеть, что форма звукового импульса зависит как от огибающей токового импульса, так и от мощности импульса излучения. Поэтому моменты включения и выключения импульса тока, когда скорости изменения температуры прогреваемого объема максимальны, должны быть определяющими в процессе возникновения колебаний. Более того, взаимодействие волновых пакетов в моменты нагрева и охлаждения при различных т должно существенно влиять на амплитуду составляющих сигнал гармоник. Подробный анализ спектров при импульсном токовом воздействии в интервале Дт = 170 — 420 мкс подтверждает это. Более того, зависимость является периодической с характерным временем 7\ =1/ ft (рис.2Л2). Экстремальные значения амплитуды фиксированной гармо ники г; наступают при длительностях т, = . Где к=1,3,5,... соответ 2" Умствует минимумам, а к=2,4,6,...-максимумам амплитуды. Следовательно, в результате изменения вклада соответствующих гармоник, зависимость энергии изгибных колебаний от Т должна носить осциллирующий характер. Это наглядно подтверждается экспериментальной кривой W( х) (пунктирная линия, рис. 2,13) в интервале длительностей Ат=250-380 мкс. Общее увеличение W с ростом т связано, очевидно, с изменением плотности мощности тепловых источников Q. Увеличение Q вплоть до критических значений не может не отразиться на энергии колебаний. В самом деле, при достижении j=6 1010 А/м2 на кривой WG) (сплошная линия, рис.2.13.) наблюдается резкое увеличение энергии W.
Экспериментальная методика измерения модуля упругости 4-го порядка
Экспериментальное определение А3 осуществлялось методом составного акустического резонатора [96-98], который состоял из исследуемого образца - прямоугольной кремниевой пластины - и приклеенных на его торцах электроакустических преобразователей (рис. 3.2). Образцы размером 10x50x0.54 мм вырезались из кремниевых пластин ориентации (111) и- или р- типа различного уровня легирования вдоль направления основного базового среза - [110]. Пьезопреобразователи изготавливались из керамики ЦТС-19 с двумя металлизированными гранями. Ширина их максимально приближалась к толщине пластины h и составляла 400-:-500 мкм. Длина же этих датчиков подбиралась в соответствии с шириной пластины 6ч-8 мм.
Затем исследуемая пластина включалась в цепь обратной связи высокочастотного резонансного усилителя (рис. 3.2) с подстраиваемой частотой, и изучалась автогенерация звука в кристалле. Резонансный усилитель имел следующие характеристики: максимальная амплитуда выходного сигнала до способлении с клиновидными опорами (рис. 3.4). Стрела прогиба пластин К фикси ровалась микро метрическим винтом с точностью ±2.5 мкм. Максимальный прогиб кристалла в центре пластины составлял 800 мкм при общей длине пластины 62 мм. При больших деформациях наступало полное разрушение образцов. Здесь К— стрела прогиба, расстояние между опорами (рис. 3.3). Проинтегрировав условие (4.24) с учетом (4.26) и (4.27), можно получить выражение для относительного изменения частоты автогенерации ультразвуковых сигналов в колебательной системе с деформируемой пластиной: где To резонансная частота при отсутствии деформации, / — при наличии изгиба. Приращение частоты А/ оказалось пропорциональным квадрату стрелы прогиба, поэтому измеряемое значение )3 будет определяться тангенсом угла наклона экспериментальных зависимостей А/ Для удобства последующего экспериментального анализа представим вклад решеточного, концентрационного и дислокационного ангармонизма с учетом (4.3) и (4.28): где r=p,c,d. Изменением модулей Е0 И а, как было показано в [91] для дислокационного ангармонизма металлов и в настоящей работе (4.13) для концентрационного ангармонизма полупроводника, можно пренебречь по сравнению с изменением (3. Следует подчеркнуть, что модуль а в (4.2) является коэффициентом при нечетной степени упругой деформации, поэтому знакопеременный вклад этого члена в упругую энергию зависит от знака Е. Например, при изгибании пластины ее "верхняя" половина ис і пытывает сжатие относительно нейтрального слоя (ае 0), а "нижняя" - растяжение (ох3 0), так что усреднение упругой энергии по сечению дает нуль [58,99,100]. В отличие от этого 5 В; коэффициент усиления 0-500; добротность 75; полоса усиливаемых частот 3-10 МГц.
Наступление резонанса контролировалось по амплитуде электромагнитных колебаний в измерительном контуре, фиксируемой осциллографом С1-83. Значение резонансной частоты определялись в диапазоне 3- 7 МГц с помощью частотомера РЧЗ -07-0002, и зависело от средней скорости распространения упругих волн в пластине. После настройки колебательного контура на резонансную частоту/система выдерживалась 3-5 минут во включенном состоянии для установления теплового равновесия с окружающей средой и уменьшения относительного дрейфа резонансной частоты до 10 5 (рис. 3.3) Далее регистрировались показания частотомера при на-гружении (трехопорный изгиб) и разгружении кристалла. Изгиб экспе риментальных об разцов произво дился трехточеч ным способом на специально изго товленном при способлении с клиновидными опорами (рис. 3.4). Стрела прогиба пластин К фикси ровалась микро метрическим винтом с точностью ±2.5 мкм. Максимальный прогиб кристалла в центре пластины составлял 800 мкм при общей длине пластины 62 мм. При больших деформациях наступало полное разрушение образцов. Здесь К— стрела прогиба, расстояние между опорами (рис. 3.3). Проинтегрировав условие (4.24) с учетом (4.26) и (4.27), можно получить выражение для относительного изменения частоты автогенерации ультразвуковых сигналов в колебательной системе с деформируемой пластиной: где To резонансная частота при отсутствии деформации, / — при наличии изгиба. Приращение частоты А/ оказалось пропорциональным квадрату стрелы прогиба, поэтому измеряемое значение )3 будет определяться тангенсом угла наклона экспериментальных зависимостей А/ Для удобства последующего экспериментального анализа представим вклад решеточного, концентрационного и дислокационного ангармонизма с учетом (4.3) и (4.28): где r=p,c,d. Изменением модулей Е0 И а, как было показано в [91] для дислокационного ангармонизма металлов и в настоящей работе (4.13) для концентрационного ангармонизма полупроводника, можно пренебречь по сравнению с изменением (3. Следует подчеркнуть, что модуль а в (4.2) является коэффициентом при нечетной степени упругой деформации, поэтому знакопеременный вклад этого члена в упругую энергию зависит от знака Е. Например, при изгибании пластины ее "верхняя" половина ис і пытывает сжатие относительно нейтрального слоя (ае 0), а "нижняя" - растяжение (ох3 0), так что усреднение упругой энергии по сечению дает нуль [58,99,100]. В отличие от этого в слагаемом с участием В любая знакопеременная деформация приводит к одному и тому же изменению AW, что и использовалось нами при экспериментальном определении модуля упругости 4-го порядка.
