научная статья по теме К ВОПРОСУ ДИАГНОСТИКИ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «К ВОПРОСУ ДИАГНОСТИКИ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ МЕТАЛЛ–ПОЛУПРОВОДНИК»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 1, с. 36-46

= ДИАГНОСТИКА МИКРОСТРУКТУР

УДК 539.216.2;537.222.1

К ВОПРОСУ ДИАГНОСТИКИ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

© 2012 г. А. А. Скворцов*, А. М. Орлов, С. М. Зуев

Московский государственный технический университет "МАМИ" *E-mail: SkvortsovAA2009@yandex.ru, scvor@list.ru Поступила в редакцию 16.11.2010 г.

На основе анализа температурных полей в полупроводниковой пластине c поверхностным тепловым источником в виде слоя металлизации построена математическая модель тепловых режимов работы контактной пары металл—полупроводник. Экспериментально исследовано воздействие токовых импульсов (амплитудой j < 5 х 1010 А/m2 и длительностью 100—1000 ^s) как на бинарную систему алюминиевая пленка—кремниевая пластина (Al—Si), так и многослойные системы типа А1—подслой—$1, с полупроводниковыми (Si) и диэлектрическими (SiO2, Si3N4) подслоями. Показано, что наличие подслоя с отличными от подложки теплопроводящими свойствами увеличивает тепловую "нагрузку" на слои металлизации, снижая величину рабочих плотностей тока. Детально проанализировано импульсное воздействие токов повышенной плотности (j > 5 х 1010 А/m2) на системы металлизации. Показано, что деградационные процессы в таких структурах при импульсном токовом возмущении связаны с локальным зарождением жидкой фазы и контактным плавлением в системе металл—полупроводник. Предложена методика, позволяющая проводить диагностику многослойных тонкопленочных систем металлизации вплоть до развития деграда-ционных процессов при прохождении через них прямоугольных токовых импульсов.

ВВЕДЕНИЕ

Надежность и качество современных полупроводниковых устройств во многом определяется надежностью контактов металл—полупроводник и систем металлизации. Постоянное стремление к минимизации топологического размера элементов приводит к повышенным "тепловым нагрузкам" проводящих систем, активизации процессов электропереноса, способствующим ускоренной их деградации [1—4].

Деградационные процессы в рассматриваемых условиях могут развиваться как при статических, так и при импульсных воздействиях. Однако в большинстве работ [4—6], температура рассматривается как постоянный во времени фактор. Нестационарные тепловые процессы и сопутствующие с ними эффекты, такие как тепловой удар, локальное оплавление и др. остаются практически нерассмотренными, либо анализируются методами численного моделирования [7, 8].

Поэтому данная работа посвящена анализу температурных полей в полупроводнике с дорожкой металлизации при пропускании через нее импульсов тока, а также разработке методики диагностики систем металлизации, включая тепловую деградацию, вплоть до оплавления проводящих систем.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Рассматриваемая задача связана с анализом пространственно-временного изменения температурного поля Г(г,0 в полупроводниковой подложке при наличии локального теплового источника в виде нагреваемой металлической пленки на поверхности. Искомые поля Т(г,1) определяются условиями теплоотвода и описываются уравнением теплопроводности для сферически симметричной задачи [8, 9]

dT (r, t ) _ fd T (r, t ) 2 dT (r, t )

dt

_ a

dr

+ —

r dr

(1)

где г — полярное расстояние.

Граничное условие в точке нагрева источника мощностью ^(г, 1) записываются следующим образом

w0<t< т = liml -2nr

r ^0

wlt >t = 0

dr

(2) (3)

Здесь 2ПГ2 — площадь полусферического фронта распространения тепла, X — коэффициент теплопроводности кремния.

Решение для первого временного интервала 0 < I < т хорошо известно [9]

Т (г,')"70 = ¿Л ('- Ш) • (4)

где

е/ (г) = -2= | ехр (2)

о

а — коэффициент температуропроводности 81.

Выражение (4) описывает температурное поле, создаваемое включенным в нулевой момент времени точечным тепловым источником. Выключение токового импульса (отключение нагревателя мощностью при I = т можно представить как

начало работы в той же точке аналогичного источника мощностью —w. Результат их совместного действия — нулевой поток тепла. Окончательное решение представляет собой суперпозицию температурных полей от этих двух источников

Т (г, () - 70 -Ф^) -е((-х)]1 -Ф

2Хпг

V4« (( -т)

(5)

где 9(1 — т) — ступенчатая функция Хэвисайда, отражающая запаздывание источника отрицательного нагрева на величину длительности импульса.

Решение задачи о точечном источнике нагрева (5) можно использовать в качестве функции Гри-

на О (г, I) при построении решений для дорожек произвольной формы, представляя w в виде произведения плотности теплового потока на элемент площади металлической пленки q ■ й £' и интегрируя по отсчитываемой вдоль металлизации координате г'.

Т (г, () - Т0 = q(G (г - г', ()7Г. (6)

X'

Для нахождения температурного поля, создаваемого прямоугольным фрагментом металлизации длиной I и шириной Ь, введем декартову систему координат с началом отсчета в центре дорожки (рис. 1). Координаты х, у, I описывают точку измерения температуры внутри полупро-

где второе слагаемое, связанно с выключением токового импульса.

водника, а X, уУ —положение элемента поверхности металлической пленки йх'йу'.

В новой системе координат подстановка функции Грина (5) в (6) дает в квадратурах распределение температур в подложке с прямоугольным источником нагрева

(7)

Если длина дорожки I значительно превышает ширину Ь, то можно пренебречь утечкой тепла с

Т (х, у, г, ()- То /2

= —("7= [ 7х' [ 7у 'ехр 4Мл3о*л/(3 1 1

т Ч2 Ъ!2 ( ( Л 2 / Л2 2 Л

(х - х) + (у - у) + г

4а(

+

-¡¡2 -Ъ/2 т' ¡¡2 Ъ/ 2

+ —( %Т)7 [ 7х' [ 7у' ехр 4Мп а Т # -т)3 -¡2 -//2

г (х - х)2 + (у - у)2 + г2Л 4а ( - т)

Рис. 1. К выбору системы координат пластины.

концов проводника и положить пределы интегрирования по х' бесконечными, что заметно упрощает интегрирование последнего выражения. Кроме того, если в последнем уравнении положить г = 0, можно получить распределение температуры на поверхности полупроводника, совпадающее (при описанных ранее допущениях) с температурой слоя металлизации. Оно представляет особый интерес, так как предопределяет условия зарождения петлевых дислокаций при

релаксации упругих напряжений [10] и наиболее удобно для экспериментального определения.

С учетом плотности теплового потока при протекании постоянного тока силой I вдоль оси х дорожки (длиной 1 и шириной Ь) с сопротивлением Я равного

д = РЯ/(1Ь), (8)

температурный профиль поверхности Т(у, 1) представляется в виде

где

т (у, г)- Т =

12я

11Ь - у I *

(2 - у) 4аг

2\

2пХ1Ь 1\ 2

12&аг {ф (/2-у

+ (2 + у I Е

\ь! 2 + у)2 Л 4аг

4Пк 1Ь 11т ((-т) \(Ь - у) е

2ък 1Ь Н 2 ! 1

12Ш) (г -т) < 2пХ1Ь

ф

44аг

(2 - у)2 4а (г -т)

Ь/ 2 - у

ф 1Ь4+у

+ (2 + у IЕ1

\ь! 2 + у)2 Л

4а (г -т)

ф

д/4а (г -т)) ^4а (г -т)

Ь/ 2 + у

(9)

Е1 (г) =

_ гехр

— интегральная экспонента.

Следует подчеркнуть, что из последнего выражения, при его усреднении по у и устремлении ширины дорожки к бесконечности Ь ^ да, можно получить динамику температуры поверхности

т (г) - То = -0 (г V

Х1Ь

X1Ь

(10)

г

Рис. 2. Вид тестовой структуры с 12 потенциальными и 2-мя токовыми "I" контактами. На вставке А: фрагмент тестовой структуры. Увеличение 21х.

для бесконечной нагревающей плоскости. Последнее выражение в точности совпадет с полученным в [11] при помощи энергетического подхода временной зависимостью температуры для аналогичных структур:

Т(() - Т0 = 1. (11)

Очевидно, что соотношение (11) целесообразно использовать в случае малых времен нагрева, когда тепловой фронт от источника не достигает краев полупроводника, либо для широких дорожек.

Таким образом, полученные выражения позволяют рассчитать температурные поля поверхности кремния в режиме термоудара и сопоставить их с экспериментальными результатами.

МЕТОДИКА

Для проведения экспериментов были сформированы структуры типа металл—подслой—полупроводниковая пластина. В роли основного токо-

1

проводящего слоя выступал алюминий , а полупроводниковыми подслоями служили аморфные пленки кремния (81а) и германия ^еа).

В качестве подложек использовались легированные фосфором кремниевые пластины, ориентированные в направлении (111), с удельным сопротивлением р = 0.01 ^ • ст и 60-микронным я-эпи-таксиальным слоем (15 ^ • ст). Такие подложки предотвращали шунтирование слоев металлизации, облегчая анализ тепловых потоков в многослойных структурах. На некоторых подложках

1 Нанесение пленок Оеа и А1 на предварительно подготов-

ленную поверхность осуществлялось методом электроннолучевого испарения на установках "Оратория 9" в одном технологическом цикле, температура подложек (Т = 373 К) и рабочее давление в процессе напыления (р = 7 х 10-4 Ра) поддерживались постоянными. Скорости напыления кремния и германия были одинаковыми (0.8 пт/5), а алюминия — 2 птД

предварительно выращивались диэлектрические слои оксида кремния и пиролитические пленки 2

нитрида кремния .

После этого на пластинах формировались структуры, приведенные на рис. 2. Исследование рассматриваемых систем металлизации, осуществлялось на полученных тестовых структурах (рис. 2) по электрическому отклику, снятому с различных ее участков при прохождении одиночных токовых импульсов прямоугольной формы. Используемая при этом установка состояла из: задающего генератора (формировал прямоугольные импульсы тока (т = 15—1000 ^s), импульсы с линейно нарастающим фронтом, а также синхроимпульсы на запуск осциллографа); формирователя токовых импульсов (позволял пропускать через исследуемые образцы импульсы тока с максимальными jmax ~ 1011 A/m2); двухлучевого запоминающего осциллографа соединенного при помощи интерфейса КОП^8232 с персональным компьютером.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Осциллограммы включения U(t) в процессе прохождения импульса тока снимались соответ-

2 Выращивание термического окисла производилось в диффузионных печах по стандартной технологии [12] в диапазоне температур 1150—1250°С в сухом кислороде. Осаждение пленок нитрида кремния осуществлялось за счет реакции дихлорсилана с аммиаком при пониженном (~50 Па) давлении в интервале температур 700—900°С [12].

AT, K

0 0.2 0.4 0.6 0.8 t, мкс

Рис. 3. Расчетная временная зависимость

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком