Введение к работе
Актуальность темы.
Анализ современного состояния микроэлектроники показал, что в производстве и эксплуатации интегральных устройств (ИУ) высокой степени интеграции появились новые негативные тенденции, заключающиеся в увеличении удельного веса брака и отказов пленочных элементов. Установлено, что наиболее ощутимо они проявляются в производстве и эксплуатации ИУ, содержащих прецизионные пленочные элементы, к которым предъявляются требования высокой точности параметров и высокой параметрической надежности.
Попытки традиционными методами устранить, либо хотя бы ослабить эти негативные тенденции не дали желаемых результатов. Между тем, детальный анализ их причин показал, что в специфических условиях, в ко-торых находится современная микроэлектроника (малые размеры, большая слойкость, высокая тепловая нагрузка и др.), на пленочные элементы И У отрицательно влияют внутренние механические напряжения (ВМН), что проявляется в форме разнообразных паразитных деформационных эфектов (ПДЭ). Поэтому их выявление и подавление может явиться одним из способов решения проблемы. Такая перспектива активизировалла исследования ПДЭ как в нашей стране, так и за ее пределами.
Анализ литературы, посвященной ПДЭ показал, что в ней объектом исследования преимущественно являются монокристаллические полупроводники, в которых по причинам наличия в энергетическом спектре носителей заряда запрещенной зоны и упорядоченности структуры, возникают значительные ПДЭ. Областью исследования в ней является зона пластичности, в которой ВМН генерируют дефекты, и уже через них влияют на параметры гиеночных элементов.
Из анализа следует, что зона упругости поликристаллических и аморфных пленочных структур, которые широко применяются для изготовления пленочных элементов ИУ, в значительной мере остались вне внимания специалистов. Поэтому исследование ПДЭ, возникающих в пленочных элементах ИУ, чему посвящена настоящая работа, является актуальным. Оно будет способствовать увеличению выхода годных и повышению качества ИУ.
Цели и задачи работы. Целями диссертационной работы являются исследование природы ПДЭ, возникающих в процессах производства и эксплуатации пленочных элементов ИУ, разработка их теоретических основ, физико-математических
моделей, методов выявления и подавления, обеспечивающих увеличение выхода годных и повышение надежности, способов использования для оценки качества изделий микроэлектроники и состояния их технологии.
Для достижения указанных целей в диссертационной работе потребовалось решить следующие локальные задачи:
провести анализ возможных причин увеличения удельного веса брака и отказов пленочных элементов и проблем устранения этих негативных явлений, наметить основные направления исследований;
определить роль пластической и упругой деформаций в возникновении ПДЭ;
выявить особенности упругой деформации вызываемой ВМН;
разработать способы выявления и определения значения ПДЭ;
исследовать основные механизмы влияния ВМН на конструкцию и технологию ИУ, характеристики пленок, параметры пленочных элементов, скорость деградации параметров;
разработать физико-математические модели ПДЭ, которые бы учитывали действие отмеченных выше механизмов;
провести проверку адекватности моделей;
разработать методы подавления ПДЭ;
проанализировать возможности использования ВМН для оценки качества пленочных элементов и состояния технологии их изготовления.
Научная новизна. Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:
выявлена одна из основных причин увеличения удельного веса брака и отказов пленочных элементов ИУ высокой степени интеграции;
исследованы природа и механизмы возникновения ПДЭ в поликристаллических и аморфных пленочных системах;
разработаны физико-математические модели ПДЭ, учитывающие действие отмеченных выше механизмов;
разработаны научные основы методов выявления ПДЭ, определения значений деформационных коэфициентов (потенциалов);
разработаны научные основы методов борьбы с ПДЭ;
предложена концепция использования ВМН в роли признака, с помощью которого можно оценивать качество пленочных элементов и состояние технологии их изготовления.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработаны принципиально новые методы увеличения выхода годных
пленочных элементов, основанные на подавлении ПДЭ, которые на 3 -
4 % уменьшают брак;
разработаны принципиально новые методы повышения качества пленочных элементов, основанные на подавлении ПДЭ, которые на 15 - 20 % увеличивают их параметрическую надежность;
разработан метод оценки параметрической надежности пленочных элементов по уровню их ВМН;
разработан метод оценки состояния тонкопленочной технологии по уровню ВМН в пленочных элементах.
Научные положения, выносимые на зашиту.
-
ПДЭ, возникающие в зоне упругости поликристаллических и аморфных пленочных структур, являются одной из основных причин увеличения удельного веса брака и отказов пленочных элементов ИУ высокой степени интеграции.
-
Источником ПДЭ являются ВМН, которые по причинам конструктивных и технологических особенностей ИУ, являются их неотъемлемым атрибутом.
-
Основной причиной возникновения в зоне упругости аморфных и поликрисгаллических пленочных элементов ПДЭ является изменение ВМН расстояния между атомами, молекулами и ионами. Нарушение ими симметрии кристаллов играет существенную роль лишь в текстурированных пленочных структурах.
-
Основные механизмы возникновения ПДЭ включают в себя:
прогиб гетеросисгем (ГС), который вызывает увеличение теплового сопротивления контакта подложка-подставка и ухудшение разрешающей способности процесса фотолитографии;
изменение ВМН энергии связи между частицами, которое сопровождается изменением энергии активации гетерогенных технологических и деградадионных процессов;
изменение ВМН силы связи между частицами, которое вызывает изменение механических характеристик пленочных элементов;
смещение энергетических уровней носителей заряда, которое в аморфных полупроводниках с высокой подвижностью последних сопровождается изменением их параметров;
изменение ВМН концентрации и подвижности поляронов малого радиуса в аморфных полупроводниках с низкой подвижностью носителей заряда;
изменение амплитуды колебаний узловых атомов, которое в проводниковых пленочных соединениях сопровождается изменением средней длины свободного пробега носителей тока;
изменение геометрических размеров пленочных элементов, которое
вызывает изменение концентрации и подвижности носителей тока; дрейф ВМН, который сопровождается соответствующим дрейфом параметров пленочных элементов.
-
Подавление ПДЭ является эффекппшым способом увеличения выхода годных и повышения параметрической надежности прецизионных пленочных элементов ИУ высокой степени интеграции.
-
Основной источник ПДЭ - ВМН можно использовать в роли признака, с помощью которого можно оценивать качество пленочных элементов и состояние их технологии.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 23 научно-технических конференциях, симпозиумах и научных семинарах, в том числе на Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика обеспечения надежности и качества РЭА" (г.Москва, 1978г.), Республиканской конференции "Управление качеством проек-тирования и изготовления продукции приборостроения" (г.Киев, 1979г.), Краткосрочном научно-техническом семинаре "Комплексная микроминиа-тюризация РЭА" (г.Ленштград, ЛДНТП, 1980г.), Всесоюзном научно-техни-ческом семинаре "Прогнозирование и диагностика в повышении эффектив- ности производства и эксплуатации РЭА" (г.Москва, 1982г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электрошгой аппаратуры и приборов" (г.Воронеж, 1984г.), Научно -техническом семинаре "Применение оптических методов в дистагщионных измерениях и контроле" (г.Москва, ВДНХ, 1985г.), Научно-технической конференции "Автоматизация конструкторского проектирования радиоэлектрошюй и электрошю-вычислительной аппаратуры" (г.Пенза, 1986г.), Отраслевом научно -техническом семинаре "Обмен опытом по созданию новых комплектов паст для гибридных интегральных схем и тонкопленочньгх материалов" (гЛьвов, 1986г.), Научно-технической конференции "Автоматизация конструкторского проектирования радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры" (г.Пенза, 1987г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизированные системы обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры" (гЛьвов, 1990г.), Республиканской конференции "Физика и химия поверхности и границ раздела узкозонных полупроводников" (г.Львов, 1990г.), Восьмом Всесоюзном симпозиуме "Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы" (г.Львов, 1991г.), Научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (г.Пенза, 1993г.), Международной научно-технической конференции
"Современные проблемы автоматизации разработки и производства радиоэлектронных средств и подготовки кадров" (гЛьвоп, 1994г.), Третьей Международной научно-технической конференции "Опыт разработки и применения приборно-технологических САПР в микроэлектронике" (г.Львов, 1995г.), Международной научно-техшгческой конференции "Современные проблемы автоматизированной разработки и производства радиоэлектронных средств, применения средств связи и подготовки кадров" (гЛьвоп, 1996г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 63 научные работы, в том числе 3 монографии, 37 научных статей, 23 тезиса докладов.
Изобретения. По теме диссертации получено три авторских свидетельства на изобретения.
Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использовались в девяти научно-исследовательских работах, которые на протяжении 1978 - 1990 г.г. выполнялись в Студенческом проектно-конст-рукторском бюро Львовского политехшгческого института. Они, в виде устройств контроля качества, инструкций по их эксплуатации, методик работы и конкретных рекомендаций по увеличешію эффективности производства, внедрены в практику проектирования и изготовлешія ИУ на предприятиях городов Львова, Ивано-Франковска, Москвы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 230 наименований. Общий объем работы 282 страницы сквозной нумерации, в том числе 241 страница основного текста, 65 рисунков и графиков, 38 таблиц.
