Введение к работе
Актуальность темы. Один из основных источников отказов интегральных схем (ИС) - отказы межсоединений или металлизации. В отличие от электронных схем на дискретных элементах в ИС токове-дущиэ проводники вносят в надежность свой вклад как равноправные пассивные элементы
С повышением степени интеграции изделий микроолектрешлкн уменьшаются геометрические размеры активных и пассивных элементов ИС. Микроминиатюризация полупроводншшшх приборов и ИС достигла такого уровня, при котором технические параметры конструктивных элементов зависит- от геометрических размеров.
Известно, что внешнее электрическое поле в электропроводящих твердых телах вызывает не только движение носителей тока, но и перемещение их собственных и примесных ионов. Перемещение ионов под действием электрического тока большой плотности приводит к переносу массы, это явление называют электропереносом или электродиффузией.
В связи с миниатюризацией электронных устройств, в частности при создании мощных полупроводниковых приборов и БИС с повышенной степенью интеграции, электродиффузия в тонкопленочных проводниках проявилв себя как одна из важнейших причин их отказа .'Это повлекло за собой интенсивное изучение электродиффузии в тонких пленках с целью определения практических рекомендаций по разработке высоконадежных тонкопленочных межсоединений и контак-. тных площадок ИС.
К настоящему времени уже сложились основные представления об электродиффузии в поликристаллических пленках. Разработаны некоторые методы предотвращения отказов тонкопленочннх межсоединений ИС. Однако эмпиричность большинства методов затрудняет использование их в задачах, повышения надежности микроэлектрон-. ной аппаратуры. Это наиболее заштно в разработке технологий субмикронного уровня ИС при создании БИС на элементах Джозефсона и сверхрешетках.
Аналогично дело обстоит и с большинством ранее созданных моделей надежности. Они либо опираются на чисто эмпирическую зависимость среднемедианного времени наработки на отказ гц от плотности тока в степени п, где п колеблется от I до 3
tM = AinexppV).
либо, детально описывая механизмы образования макродефектов, полностью игнорируют непосредственную причину выхода проводника данного вида из строя, что затрудняет их применение на практике.
Для типовых проводников КС отказы из-за, электродиффузии становятся существенными (долговечность менее десяти лет) при плотностях тока свыше 5 10* VCM2 и температурах выше 150"С. Если исходить из этих данных, при нормальном рабочем нагреве (40 - 50'С) мелкозернистой алюминиевой пленки со стандартным для ИС сечением Iff7 см2 отказы вследствие электродиффузии должны быть заметны при плотности тока 5 I05 /см2. Современное развитие микроэлектроники, применение рентгеновской и ионной литографии приводит к необходимости формирования проводящих элементов, работающих с плотностями тока свыше 5 I06 7СМ2. При этом время наработки на отказ пленок, для которых приведены эти данные, составит считанные часы. Следовательно, возникает задача изыскать способ увеличения времени наработки на отказ систем проводящей металлизации ИС при работе с плотностями токов до с I I07 /CMz'. Эта задача тем более актуальна, что с возрастанием степени интеграции доля отказов, падающих на межсоединения в КС, несмотря на существующие методы пассивации электрода|)фузж>нноя деградации, неуклонно возрастает.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и создание тонкопленочного проводника для эксплуатации в микроэлектронных приборах при плотностях тока МО7 /см2, модели деградации и электродиффузионной надежности проводника данного вида.
Задачи исследования.
-
Исследование видов отказов токопроводящей металлизации интегральных схем и влияния различного рода повреадений металлизации на процессы электромассопереноса, разработка оптимального подхода к проблемам электродвффузионной надежности элементов коммутационной системы ИС,
-
Изучение физических принципов влияния-тока большой плотности на проводники металлизации, сформированной по эпитаксиаль-ной технологии, создание модели деградации, расчет изменения параметров проводников в процессе эксплуатации.'
-
Разработка иромишдышопригодного экспериментального технологического процесса формирования нового вида металлизации, обеспечивающего высокую надежность в оговоренных выше условиях.
4. Проведение испытаний, подтверждающих надежность избранного метода пассивации электромассопереноса и фізико - математической модели деградации металлизации ИС данного вида, разработанной в диссертационной работе.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на основании теории электродиффузионного. массо-переноса и теории вакансионного порообразования. Для осуществления экспериментального процесса выращивания эпитаксиальных пленок металлов использована оценка совместимости материалов согласно теории псевдоморфного роста, а также теория молекуляр-но-лучевой гетероэпитаксии. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на специально сформированных для проведения эксперимента тест структурах. Теоретические расчеты по разработанным моделям осущетвлялись с использованием специализированных пакетов прикладных программ.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Предложен физический механизм электродиффузионной деградации тонкопленочннх проводников (ТП) ИС на основе эпитаксиальных пленок металла (ЭШ) в результате термического воздействии.
-
Предложен вариант расчета параметров тонкопленочных проводников на основе ЭШ в процессе разрушения по электродиффузионному механизму.
-
Предложена теоретическая формула температурной зависимости плотности потока активированных ионов для электромассопереноса в системе ЭМП.
-
Обоснована взаимосвязь электродиффузионного массоперепо-са с группой термических отказов.
-
Предложен способ значительного увеличения времени наработки на отказ систем сильноточной металлизации путем перехода к использованию в качестве материала металлизации ЭМП.
Практическая ценность. Положэния, выводы и рекомендации, подученные в работе, позволяют:
-
Оценить время наработки на отказ элементов систем сильноточной металлизации, выполненных на основе ЭШ.
-
Оценить изменение параметров тонкопленочного проводника во времени в зависимости от начальных условий эксплуатации.
-
Разработать метод визуальной диагностики электродиффузи-онных отказов с помощью оценки состояния коммутационной системы
в инфракрасном диапазоне.
-
Значительно повысить токовую нагрузку на элементы коммутационной системы, что обуславливает возможность применения разработанного вида металлизации в технологии субмикронного уровня.
-
Использовать разработанную методику формирования эпитак-сиальных пленок алюминия на подложках окиси магния в технологии ГИС и функциональной микроэлектроники.
.Внедрение результатов работы. Разработанная и вошедшая в диссертационную работу методика формирования апитаксиальшх алюминиевых пленок на изолирующем основании использовалась на А.0 "Авангард" при проведении НИР:
-
"Исследование и разработка устройств функциональной электроники на основе многослойных сегнетоэлектрических структур";
-
"Разработка пооперационной технологии изготовления акус-тоэлектронных изделий субмикронного разрешения методами радиационной микролитографии";
-
"Создание специализированных арсенид-галлиевых оптически управляемого ключа для формирования мощных наносекундных импульсов и мэлошумящего усилителя приемника для сверхширокополосных локаторов".
Научные положения выносимые на защиту:
-
Использование эпитаксиальных пленок металла существенно замедляет электродиффузионную деградацию тонкопленочных проводников микроэлектронных приборов при эксплуатации в условиях повышенной плотности тока (до 10 /см2).
-
Деградация тонкопленочного проводника на основе ЭМП под действием тока большой плотности происходит по термическому механизму.
-
Важнейшим фактором диагностирования места и времени возникновения макродефекта типа трещины, приводящего к отказу ТП, является градиент температурного поля по длине проводника.
-
Рост эпитаксизльнкх пленок алюминия на подложке от,иси магния осуществим при ^оси1нм/с, Тподл*бтС, Рр^Ю^Ра по островковому механизму.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях про-фессорско - преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университете 1992 - 1995 гг и на НТС отделения микроэлектроники АО "Авангард".
Публихации. По материалам диссертации опубликован» 3 пот»*-ныв работы: I статья, 2 депонированных рукописи.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоят ж$ введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 98 наименований, трех приложений. Основная часть работы изложена на 128 страницах машинописного текста. Работа содержит 10 таблиц, 27 рисунков.
