Введение к работе
Актуальность проблемы.
Одной из важнейших проблем высокотемпературной физики полупроводников являются контактные и поверхностные процессы, протекающие в возмущающих температурных и электрических полях.
Актуальность этих вопросов особенно отчетливо стала проявляться и непрерывно возрастать в связи с резким повышением уровня интеграции полупроводниковых приборов, где локальные плотности тока часто превышают Ю10 А/м2, а температурные перепады в переходных областях МДП- структур достигают критических значений.
Столь высокие плотности тока и температурные градиенты активизируют массоперенос, отчетливо проявляющийся в тонких полупроводниковых и металлических пленках, используемых для пассивации и металлизации р-п -переходов. Микроструктура этих слоев способствует быстрому вымыванию вещества под действием различных движущих сил и созданию неоднородностей как в самих пленках, так и на границах раздела. Образование таких дефектов вызывает локальные перегревы структур в процессе токовых нагрузок и способствует образованию вторых фаз.
Рассматриваемые процессы могут происходить как в объеме, так и на поверхности полупроводников. Более того, расплавленные включения могут перемещаться в электрическом поле. На их движение ключевую роль оказывают электроперенос атомов полупроводника во включении и термоэлектрические эффекты на границе полупроводник- расплав.
Направленная миграция вторых фаз может происходить не только при непрерывном прохождении тока, но и при воздействии токовых импульсов. Причем изменение стационарного режима работы на импульсный приводит к инверсии скорости миграции вторых фаз, что свидетельствует о смене главенствующего механизма перемещения.
Рассматриваемые электротранспортные процессы приводят к полному разрушению структур, образуя низкоомные каналы в активных структурах, способствующие шнурованию тока, и являются завершающей частью механизма полной деградации полупроводникового кристалла.
Несмотря на это, имеющаяся информация, посвященная деградационным механизмам в полупроводниковых структурах с участием жидкой фазы отражает не все аспекты данной проблемы.
Так например, нэ вскрыты причины образования оплавленных зон в системе металл- полупроводник и МДП-структурах, направленного оплавления последних при импульсном токовом воздействии. Следовательно, физические механизмы, приводящие к оплавлению остаются невыясненными.
Кроме того, процесс разрушения таких структур, связанный с образованием расплавленных капель и вытеснение их током вдоль силовых линий электрического поля как по поверхности, так и в объеме полупроводника не рассмотрено в рамках единого механизма. Отсутствует сравнительной анализ механизмов объемного и поверхностного массопереноса.
В связи с этим, исследование и анализ физических механизмов протекания высокотемпературных электротранспортных процессов в полупроводниковых структурах с момента нагрева системы и до процессов направленной миграции вторых фаз, является актуальной научной проблемой и имеет большое практическое значение.
Цель и задачи исследований. Целью работы является изучение
физических принципов деградационных процессов в структурах типа металл- полупроводник с полупроводниковыми и металлическими подслоями при импульсном токовом воздействии, образования и миграции вторых фаз в объеме и на поверхности полупроводников в температурных и электрических полях. Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Анализом влияния подслоев и термических воздействий на температурные режимы работы полупроводниковой матрицы и лежащих на ней полупроводниковых и металлизированных слоев. Z. Детальным изучением процессов зарождения жидкой фазы, оплавления и контактного плавления структур металл-полупроводник при импульсном токовом воздействии. 3. Исследованием контактных взаимодействий в системах металл-полупроводник в процессе отжига и их влиянием на температурные режимы полупроводниковой матрицы и лежащих на ней
полупроводниковых и металлических слоев.
4. Рассмотрением роли элекгропереноса и термоэлектрических
эффектов в процессе объемной и поверхностной миграции в
полупроводниках с участием жидкой фазы при непрерывном, и
импульсном токовом воздействиях. Сравнением механизмов объемной
и поверхностной миграции в постоянном электрическом поле.
5. Анализом диффузионных процессов, ответственных за деградацию
многослойных систем при повышенных плотностях тока.
Новые научные результаты.
1. Установлено, что 15-ти минутный изотермический отжиг системы
металл- полупроводник с кремниевым подслоем при Г=773 К
приводит к рекристаллизации пленки подслоя аморфного кремния с
изменением спектра плотности состояний в валентной зоне и
проявлением тонкой структуры.
2. Установлено, что используемые контактно- неоднородные
токопроводящие электрода типа А1 и Аи, несут основную
ответственность за деградацию структур типа металл-
полупроводник в связи с ускоренным термопереноссм вещества,
спровоцированным термоэлектрическими явлениями на границах
контактирующих фаз. Направленное распространение оплавленной
зоны определяется несбалансированным тепловыделением в
контактирующих твердой и жидкой фазах.
3. Изучен и вскрыт механизм контактного плавления структур
металл- полупроводник с полупроводниковыми и металлическими
подслоями при импульсном прохождении тока повышенной плотности.
Найдены температурные зависимости коэффициента многофазной
диффузии в системах металл- полупроводник.
4. Проведен термодинамический анализ высокотемпературного
контактного взаимодействия в многослойных тонкопленочных
структурах на кремниевой подложке. В тонкопленочной системе
типа Si-S10Z~TI происходит приоритетное образование
интерметаллидов типа TtSt и TtSiz.
5. Исследован механизм объемного и поверхностного вытеснения
расплавленных многокомпонентных включений на основе Si и Ge.
Рассчитаны численные значения эффективных зарядов ионов Ge, Si,
Al, Ag и коэффициентов Пельтье мекфазных границ. Показана
конкурирующая роль электропереноса и термоэлектрических
- б -
аффектов в процессе вытеснения зон током. Отмечно, что с увеличением размеров включений вклад термоэлектрических явлений над электропереносом возрастает и при критических размерах наблюдается инверсия скорости миграции. Величина критического размера зависит от температуры, электропроводности монокристаллической матрицы и состава расплава. 6. Проанализирован механизм огранения дрейфующих зон в. электрическом поле на примере системы SI-AI. Отмечено, что форма включений при миграции зависит от кристаллографической ориентации полупроводниковой матрицы и реакционной способности расплава.
Предложения, выносимые на защиту.
1. Изотермический отжиг пленки аморфного кремния сопровождается
изменением плотности состояний в валентной зоне и уменьшением
ее тешюсопротивления, что свидетельствует о ее
рекристаллизации.
-
Образование жидкой фазы. на поверхности полупроводника при импульсном токовом воздействии определяется контактными явлениями на границе токовых электродов и контактных областей структуры.
-
Разрушение многослойной системы с полупроводниковыми и металлическими подслоями, при импульсном токовом воздействии критической плотности, вызывается конкурирующими механизмами: направленным ее оплавлением и контактным плавлением в системе металл- полупроводник.
-
Направленная миграция включений в объеме полупроводника осуществляется за счет термоэлектрических явлений на границе кристалл- расплав и электропереноса компонентов в объеме включения.
-
Различные скорости объемной и поверхностной миграции (для системы Ge-Ag, энергии активации 132 кДж/моль и 32 кДж/моль) при одинаковых термодинамических условиях определяются электрокапиллярными эффектами, ускоряющими поверхностный массоперенос пропорционально размеру включения.
Практическая значимость работы.
1. Показана принципиальная возможность использования данных
оже- спектроскопии о плотности электронных состояний в
валентной зоне и ее энергетическом положении для определения
перехода кремниевой пленки из аморфного в поликристаллическое
состояние.
2. Установлено, что основная причина деградационных процессов в
многослойных структурах на кремниевой подложке при импульсном
воздействии тонов повышенной плотности определяется
контактирующими парами, находящимися в зоне больших
температурных градиентов.
3. Показана возможность осциллографической оценки предельно
допустимых импульсов тока (по амплитуде и длительности),
проходящих через структуру.
4. Предложен метод определения коэффициентов взаимной диффузии
D в системах металл- полупроводник, основанный на регистрации
времени контактного плавления и температуры при прохождении
токового импульса. Найдены температурные зависимости В
исследуемых систем.
5. Вскрыт механизм оплавления и контактного разрушения
исследуемых структур при импульсном воздействии токов
повышенной плотности. Установлено влияние амплитуда,
длительности импульса и термической обработки на характер
разрушения систем.
6. Разработана и опробирована методика проведения
сравнительного анализа процессов объемной и поверхностной
миграции (на примере системы Ge-Ag).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и обсуждались на: международной конференции "Микроэлектроника-94", г. Москва, 1994 г.; международной конференции "Physical problems in material science of semiconuactors", Украина, 1995, международной конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и шкроэлектроники", Дивноморское, 1996 г.
Результаты, полученные в работе использованы при іаключегош лицензионного договора на использование Ноу-Хау с
АООТ "Искра", г.Ульяновск.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 6 научных
работах.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 168 страницах
машинописного текста, включает 4-4- рисунка и 5 таблиц, библиографию из 150 наименований. Состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемой литературы.
