Введение к работе
ТГ,ПЛ !
i;vT".!"'.3j Актуальность проблемы. За короткий промежуток времени создана
отрасль промышленности по выпуску мнкроэлектронных изделий. Для га
рантирования качества этих изделий необходимо создать метрологи
ческое обеспечение этой отрасли. Требуется разработка методов и прибо
ров для измерения множества специфических параметров тонкопленочныя
элементов. Из-за субмнкронных размеров элементов ориентироваться при
ходится на непрямые методы измерений. При этом математическое
моделирование процессов в структурах, базирующееся на энергетических
днаграммах.учнтываюшее зарядовое состояние тонких пленок н генерацнон-
но-рекомбинаиионные процессы в них, является неотъемлемой компонентой
измерительного процесса.
В настоящее время уровень математического моделирования процессов в тонкопленочной полупроводниковой среде позволяет осуществлять прогнозирование свойств приборов и их всесторонние исследования до их изготовления. Осуществляются такие исследования методами теории поля. Достоинства полевых моделей проявляются в том, что они раскрывают внутренние механизмы работы приборов и позволяют исследб-влть перенос носителей заряда в объеме и на поверхностях тонкопле^ ночных элементов. На основе математических моделей могут разрабатываться тонкопленочные интегральные преобразователи, а также методы измерения параметров мнкроэлектронных приборов.
На основе аппарата термодинамики неравновесных процессов возможно построение расширенных математических моделей процессов токо-н теплопереноса в полупроводниковых средах, открывающих перспективы на пути развития теории внутренних полей субмикронных элементов интегральных схем и тонкопленочных преобразовательных устройств информационной техники. С помощью картины внутренних полей прибора можно оценить возможные деградацнонные процессы в нем, что открывает пути для проведения работ по повышению надежности н долговечности микроэлектронных изделий.
Качество тонкопленочных приборов определяется свойствами его омических контактов, их стабильностью и надежностью: Поэтому измерение параметров омических контактов актуальнейшая проблема при производстве интегральных схем и полупроводниковых тонкопленочных термопреобразователей. Второй важный класс метрологических задач в микроэлектронике и тонкопл'еночной преобразовательной технике - измерение параметров
зарядового состояния тонких пленок, от которого зависят основные характеристики работы прибора.
Целью диссертационной работы является развитие теории внутренних электрически* и тепловых полей сплошных тонкопленочных сред с "распределенным в них объемным зарядом как основы для построения физико-топологических моделей микроэлектрокных и термоэлектрических устройств, развитие основ формирования математических моделей приборов и преобразователей и методов численной реализации этих моделей.
Поставленная цель требует . проведения обширных,, исследований взаимодействия разнородных сред, механизмов образования приграничных слоев - распределенного объемного заряда н их перестройки под воздействием различного рода факторов, токо- и теплопереноса б средах с распределенным объемным зарядом. Исследования, проведены для Гокдаген-ных сред с неоднородным распределением примеси н для гетерострук-тур. Рассмотрены во взаимосвязи процессы перенос?. . заряде в тепла в неоднородных тонкопленочных средах.
Необходимы теоретические обобщения в области анализа внутреннкя электрических и тепловых поле'й тонкопленочных структур, Ht OCKOtC который могут быть развиты математические модели гзанмос&яганньш процессов переноса заряда и тепла t средах, содержащая распределенный объемный ьаряд, н решена проблема построения: расширении* фкзнко-
ТОПСЛОГКЧеСКНК Моделей МНКрОЗЛеКТСОКНЫК X ТСрМОЭЛСКТрИЧССКИС J'CT-
ройстіі к к?; численной рсализаиик.
Нг. защдау гыкосится теория математического прогко8Кро»гккл свойсть новых мнкреглектронных и тсрмсїлг.чтркческкя приборос к методы измерения их параметров, аклйчаюике:
і. Математические модели электрического вггииодейстлия рггда-родных контактирующих сред. .
? 'Чатгматическне модели внутренняя вл«ктрвческкн яслей мквро-*лг«1Т!х>йНвГп приборое, учитывающие сосредоточен кы« е плоскостях грзгая ргодел* сред елок зарядг.
2 Математические модели взднггосгяЗгкиь:;; npofieccos перекосе їч-рядь г тепла неоднородны:: срїдаи, ссдерясгшзЕ распределенной Згсмкый
-
Принципы построений фкзккс-тополэгйчгскйх коделе^л хикройлек-трониых ь термозлгктрнческик rtpsicopos . и информационных зрмЗрьзомтг-лгй. ' ' '- ""."."
-
Методику чнеленкой реализации одііо-j двуй- а трехмерных штс-
матнческнх моделей мнкроэлектронных и термоэлектрических приборов
6 Непрямые методы измерений плотностей фиксированного и подвиж
ного зарядов тонкопленочных элементов мнкроэлектронных и термоэлек
трических устройств и концентрации поверхностных центров захвата.
7 Методы и приборы для измерения параметров омических контак
тов элементов интегральных схем н тонкопленочных термоэлектрических
преобразователей и контроля технологических процессов производства
интегральных схем
Методы исследований. В работе применен двухэтапный метод исследования внутренних полей мнкроэлектронных структур. На первом папе методами термодинамики неравновесных процессов построена линеа-риюванмая модель контактного поля, раскрывающая механизмы взаимодействия контактирующих сред,и установлены граничные условия для контактирующих сред. На втором этапе, для полупроводниковых сред, содержащих невырожденный электронно- дырочный газ, на основе аппарата статистической физики конкретизированы соотношения между зарядгмии потенциалами, потоками и силами. В результате разработаны математические модели процессов токо- и тсплопереноса в мнкроэлектронной среде н на ее тупицах. Па базе полученных систем дифференциальных уравнений н к j. вых условий развиты методы построения фнзико-топологических моделей мнкроэлектронных и термоэлектрических приборов, численная реализация которых осуществляется методом сеток.
На основе сочетания математического моделирования для раскрытия внутренних механизмов функционирования приборов и построения теоретических характеристик с экспериментальным снятием характеристик релльиых структур, развиты непрямые методы измерения параметров тонкопленочных приборов.
Научная новизна работы заключается, в последовательном развитии теории внутренних полей микроэлектронных устройств. В результате проведенных исследований разработаны принципы построения физико-топологических моделей мнкроэлектронных устройств и тонкопленочных термоэлектриче<ких приборов, отражающих во взаимодействии процессы токо- н тсплопереноса в. структурах.
На основании рассмотрения во взаимосвязи контактных н термоэлектрических явлений к электромагнитных полей поставлены я решены задачи математического прогнозирования свойств тонкопленочных приборов до их изготовления. Сформированы математические модели для анализа внутренних электрических полей тонкопленочных приборов, содер-
жаших среды с неоднородным распределением примеси в гомогемкых н гетерогенных структурах, и расчета распределений объемного н поверхностного зарядов и проведена нх численная реализация, нашедшая практическое применение при создании технических средств и методов контроля зарядового состояния тонкопленочных микроэлектронных структур ;
построены н реализованы физико-топологнческне модели для широкого класса полупроводниковых приборов,
построены математические модели для анализа во взаимосвязи процессов токо- н . теплопереноса в . средах тонкопленочныя элементов интегральных схем и термоэлектрических преобразователей;
разработаны к внедрены приборы для измерения параметроа омических контактов н контроля технологических процессов создания интегральных схем;
сформированы математические модели для анализа процессов перестройки электрической системы термоэлектрически;: преобразователей под воздействием тепловых ударов, нашедшие применение при создании измерительных комплексов для исследования динамики тепловык процессов.
Значение теоретических обобщений состоит ? яоетроеннч математических моделей структур, использующих чу. энергетические диаграммы. Анализ процессов токо- и теплоперенсса в структурак ргскрывает внутренние механизмы функционирования приборов, зыявляет физические эффекты, свойственные конструкциям приборов ка каждом ноаом этапе six миниатюризации, позволяет, устанавливать причины нестабильности приборов, проводить исследогания стационарных и переходных процессов, г интегральных схемах.
Практическая ценность научных положений, изложенных в диссертационной работе заключается .в том, что они направлены на решение проблемы построения полевых моделей микроэлектсониык и термоэлектрических устройств, которые в грядущем десятилетни станут базой при создании автоматизированных систем проектирования интегральных схем. Отдельную практическую ценность составляет развиты^ » работе подход, который позволяет рассматривать вовзаимосвязіі процессы токо- и теплопереноса в структурах. На основе теплоілехтрнческнк солевых моделей устройств могут решаться 'задачи повышения долговечности изделий, выявления возможный деградзцно.чныя npoueccos поїьліієийя выхода годных изделий и увеличения их надежности.
Рсхиииацна работ При разработке термоэлеэтрнческих' пре-
ебр*зо*атсле$ одноразового дєястїкя для измерения температурь- ?ас-плввлениык сталей н создании преобразователе?, для контроля «ыслко-гр&днентхых ггзоеыи лотокоь нашли применение математические модели лрэаессс» перестройки злехтркческой системы термопар.
Ргэргботаны двг типа измерителей контактных сопротивлений аля контроля теякслогнчесхйя процессов металлизации токовыюлкых «лск-тродоа яитегр?іЛЬ!!Ь'!: схем, знедрение которых лозйолкло снизить себестоимость интегральных схем.
Разработаны методы и технические средства для контроля зарядового состояния михроз-лектрэннын структур.
Разработаны программы для; двух- я трехмерного анализа «кут-реняик 9лектростатичесхнк полей н распределений зарядов а мнхро-ьпеитрочмыи структурах к термозлеятрическнх преобразоаателях. Сформированы латематичесхие модели для аналиэг энутрекнкк полей полупрокэд-някоаых диодов, .МОП- а биполярных тра^нстороь, термометров солро-тналеняя и термопар, для МОП-транзистора реализована трехмерная численная модель.
Подтвержденный экономический »<рфехт от внедрения результатов олботы составил около 500 тыс. рус.
Лпрй<5ацн# работы. слезные положения диссертационной работы
докладывались я обсуждались на седьмой к девятой Всесоюзных научно-
тгяаичгсяо конференциях ло микроэлектронике {Ль»ов, 1976г;
Казань, IS&Or.), на леркой н аторой Всесоюзны?! иаучно-теяннческих хон-греренинях "Проблемы «глннеЯноЯ электротехники" (Кие», 198] г.; Киев, 19S4 г.), на пятой Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние я перспективы раэьитня средств измерения температуры'' (J)isos,,19S4r.), Всесоюзной научно-технической конференции " Метрологические проблемы микроэлектроники. " (Москва, 1981 г.), .1 Всесоюзной конференции по теоретической электротехнике (Ташкент, 1987г.), Республиканской конференции "Физика в технологий тонки;: лленок сложных полупроводников" (Ужгород, 1981 г.), Республиканской школе-семинаре по теоретической4- электротехнике ДШаих, lS8S-*S87rr.) н на научно-технических конференііняк 1970-1991 гг. Лы-сеского политехнического института.
Публикации. По результатам аыполиеилыи ис-:ледоьаияи и разработок опубликовано 56 научных трудов я гарегнетрироааньг ВИТИИ три отчета по научно-исследовательской работе
Обглм работы. Диссертация содержит 254 -стрзнииы машинописного
текста. 67 иллюстраций- (50с.) и список литературы, включающий 199 наименований
Структура работы определялась целями и задачами исследований. Работа состоит из введения, семи глав (I - линейная теория взаимодей-сівня одноконтинуумных сред, II - линейная теория взаимодействия двухконтинуумных сред, III - нелинейная теория взаимодействия контактирующих сред, IV - исследование вклада слоев заряда поверхностных электронных состояний в контактное поле структуры, V - анализ внутренних электрических полей и .зарядового состояния тонкопленочных МОП-структур и омических контактов, методы измерения поверхностного, фиксированного и подвижного зарядов и приборы для контроля процессов металлизации токовыводов тонкопленочных приборов, VI - математические модели процессов токо- и теплопереноса в тонкопленочных средах,VII -моделирование термоэлектрических преобразователей и субмнкронных приборов и заключения).