Транспортные процессы в полупроводниках с участием линейных и объемных дефектов

2
Оглавление
Введение............................................... 7
Ф 1. Температурные поля и тепловые режимы работы много-
слойных структур на кремнии при импульсных токовых воздействиях........................................ 18
1.1. Расчет температурных полей в кремнии при воздей-
* ствии импульсов тока на системы металлизации .... 19
1.1.1. Точечный источник тепла на поверхности
полупроводника............................... 20
1.1.2. Случай прямоугольной дорожки металлиза-
ции ......................................... 23
1.2. Экспериментальные исследования температурных режимов работы систем металлизации на кремнии
при импульсном токовом воздействии.............. 25
1.2.1. Подготовка объектов исследования............ 25
^ 1.2.1.1. Напыление пленок на подложки 28
1.2.1.2. Фотолитография и диффузионный
отжиг структур........................ 30
1.2.2. Методика проведения опытов.................. 32
1.2.3. Нагрев теплоизолированного проводника токовым импульсом................................... 36
1.2.4. Анализ температурных полей структур металлизации при импульсном токовом
воздействии.................................. 38
1.2.4.1. Структура алюминий-кремний 38
^ 1.2.4.2. Системы кремний-алюминий с полу-
проводниковыми и диэлектрическими подслоями.......................... 45
3
1.2.4.3. Системы кремний-металл-алюминий .. 50
1.3. Генерация изгибных колебаний полупроводниковых пластин локальными тепловыми источниками .. 58
Выводы к главе 1 ................................... 67
2. Деградационные процессы и дефектообразование в полупроводниковых структурах при импульсном токовом
41 воздействии............................................ 68
2.1. Направленное оплавление дорожек металлизации ... 69
2.2. Контактное плавление в системах металл-полупроводник ...................................... 80
2.3. Механические колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы ............................. 88
2.4. Дефектообразование вблизи поверхностных источников термоудара.................................... 94
Выводы к главе 2.................................... 98
3. Ультразвуковые исследования состояния дефектов структуры в монокристаллах кремния.................... 100
3.1. Вклад носителей заряда в нелинейные модули упру-
гости кремния (концентрационный энгармонизм)... 101
3.1.1. Ангармонизм упругих свойств в кремнии п-
типа...................................... 102
3.1.2. Ангармонизм упругих свойств в кремнии р-типа.............................................. 105
3.2. Экспериментальная методика измерения модуля уп-
• ругости 4-го порядка............................ 108
3.2.1. Концентрационный ангармонизм............... 113
3.2.2. Дислокационный ангармонизм................. 117
Выводы к главе 3.................................... 123
4. Транспортные процессы в полупроводниках с участием линейных дефектов. Динамика дислокационных ансамблей и звуковое излучение при комнатных температурах .................................................
4.1. Акустическая эмиссия при образовании и скольжении дислокаций ......................................
4.1.1. Упругие поля излучения прямолинейных параллельных краевых дислокаций...................
4.1.2. Звуковое излучение, вызванное срывом или остановкой краевой дислокации...................
4.1.3. АЭ при периодическом перемещении краевой дислокации из одного положения равновесия в другое........................................
4.2. Акустоэмиссионное зондирование линейных дефектов в кремнии........................................
4.3. Акустическая эмиссия в сульфиде кадмия при токовых и тепловых воздействиях..........................
4.4. О взаимосвязи акустической эмиссии и элсктрости-мулированной миграции дислокаций в кремнии...........
4.5. Влияние постоянных магнитных полей на подвижность дислокаций.....................................
4.5.1. Магнитопластичность немагнитных материалов ............................................
4.5.2. Влияние магнитного поля на акустическую эмиссию в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях...................
4.5.3. Акустоэмиссионное зондирование дислокационного кремния после обработки в магнитном поле........................................
5
4.5.4. Изменение подвижности дислокаций в кремнии после обработки в постоянном магнитном поле.......................................... 194
*
Выводы к главе 4....................................... 203
5. Транспортные процессы в кремнии с участием дислокационных ансамблей при высоких температурах 206
ф 5.1. Методические особенности изучения дислокационной динамики....................................................... 206
5.2. Анализ транспортных процессов в полупроводнике
с участием дислокаций............................. 213
5.2.1. Роль внутренних напряжений при движении дислокаций в кремнии.............................. 218
5.2.2. Динамика линейных дефектов в поле внешних и внутренних сил.............................. 226
5.2.2.1. Влияние внешней нагрузки на скорость перемещения дислокаций 227
#
5.2.2.2. Влияние внутренних напряжений на подвижность дислокаций в поле внешних сил.................................. 232
5.3. Влияние магнитных полей на динамику дислокационных ансамблей........................................ 235
5.3.1 Влияние слабого магнитного поля на подвижность дислокаций в кремнии........................ 235
5.3.2. Природа магнитопластичности диамагнитных кристаллов........................................ 244
* 5.3.3. Магниторезонансное упрочнение монокристаллов кремния..................................................... 252
5.3.4. Эволюция магниточувствительных центров в магнитном поле.................................... 264
6
5.3.5. Экспериментальный анализ дислокационного
транспорта после действия магнитного поля .. 266
5.4. Динамика дислокаций и образование расплавленных
*
включений ......................................... 278
Выводы к главе 5........................................ 280
6. Миграция примеси в полупроводниках с участием жид-ф кой фазы............................................... 282
6.1. Массоперенос примеси в полупроводниках с участием жидкой фазы...................................... 284
6.1.1. Объемная миграция включений................. 285
6.1.2. Массоперенос расплавленных включений по поверхности полупроводника......................... 289
6.2. Методика подготовки образцов и проведения эксперимента ............................................... 290
6.3. Особенности перемещения вторых фаз в объеме монокристаллов кремния и германия........................ 292
6.4. Особенность поверхностной миграции................. 302
6.5. Электротранспорт ые процессы в монокристаллах антимонида галлия с участием расплавленных включений СаЗЬ-Бп...................................... 309
6.6. Роль температурных градиентов в электростимули-рованном движении расплавленных включений А§-
Те в теллуре....................................... 317
Выводы к главе 6........................................ 325
Заключение.............................................. 327
• Общие выводы............................................ 328
Литература.............................................. 332
#
Введение
Актуальность темы. Известно, что развитие физики и техники полупроводников, микро- и наноэлектроники оказывает решающее влияние на мировой научно-технический прогресс, способствует решению проблем глобальной информатизации, созданию новейших систем связи, разнообразной бытовой, медицинской и специальной аппаратуры. В XXI век полупроводниковая наноэлектроника входит с производством ультрасверхбольших интегральных схем динамической памяти 256 Мбит-1 Гбит и микропроцессоров с тактовыми частотами на уровне 0.5-1 ГГц [1,2].
Кремний с его уникальной комбинацией электрофизических и технологических свойств продолжает занимать в этой области доминирующее положение [1-3]. Можно без преувеличения сказать, что достижения в области кремниевой технологии определяют успехи в области микроэлектроники и электроники в целом. Крупномасштабное производство кремниевых приборов и особенно БИС выдвигает все более высокие требования к воспроизводимости параметров и эксплуатационной надежности. Большинство характеристик полупроводниковых устройств существенно зависит от плотности структурных дефектов и неконтролируемых примесей, содержащихся в полупроводниковой пластине. При проведении неизбежных термических операций примеси взаимодействуют со структурными дефектами, видоизменяют их или образуют новые дефекты, заметно влияя на структурно-примесное состояние не только приповерхностного слоя и пофаничных областей, но и всей приборной структуры.
Актуальность этих вопросов особенно отчетливо проявляется и непрерывно возрастает в связи с резким повышением уровня инте-
фации в полупроводниковых структурах, где локальные плотности
1П 9
тока часто превышают 10 А/м .
Столь высокие плотности тока и возникающие температурные градиенты способствуют образованию и последующему транспорту линейных и объемных дефектов в полупроводниковых структурах. Наиболее ярко это проявляется в «мелких» р-п- переходах, системах металлизации, невыпрямляющих контактах и т.д.
Однако в имеющихся литературных данных о транспортных процессах в полупроводниках освещены не все аспекты рассматриваемой проблемы. В частности, отсутствует информация о динамике линейных дефектов при наличии механических напряжений и влиянии магнитных полей на подвижность поверхностных дислокационных сегментов. Практически не рассмотрены физические механизмы образования и последующей мифации линейных и объемных дефектов в системах металл-полупроводник с различными подслоями и в приконтактных областях полупроводника. Более того, процесс дефадации таких структур, связанный с образованием расплавленных капель и вытеснением их током как по поверхности, так и в объеме полупроводника, не описан в рамках единого механизма. Отсутствует сравнительный анализ механизмов объемного и поверхностного массопереноса.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование разрушения слоев металлизации, дефектообразования, динамики линейных и объемных дефектов в полупроводниках при тепловых, механических, электрических и магнитных возмущениях.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
9
- проанализировать температурные поля, создаваемые в полупроводниковой пластине точечным и прямоугольным участками слоя металлизации при его нагреве прямоугольными токовыми
*
импульсами;
- детально изучить в системах металл-полупроводник при импульсном токовом возмущении деградационные процессы, свя-
Ф занные с локальным зарождением жидкой фазы и направленным
ее распространением под действием электрического тока; опытно-аналитическим путем определить условия образования линейных и объемных дефектов вблизи источника термоудара;
- изучить нелинейность упругих свойств кремния (ангармонизм), создаваемую линейными (дислокациями) и точечными (легирующей примесью) дефектами;
- рассмотреть электростимулированную динамику дислокаций в монокристаллах кремния и сульфида кадмия при комнатных температурах металлографическим методом и методом акустической эмиссии;
- провести детальный анализ влияния магнитных полей на элек-тростимулированную акустическую эмиссию и транспорт дислокаций в кремнии при комнатных температурах;
- рассмотреть особенности дислокационного транспорта в поле внутренних механических напряжений в кремнии с учетом решеточного потенциального барьера кристалла и двух видов стопоров на базе магниточувствительных точечных дефектов и дислокаций леса;
- исследовать магнитостимулированные транспортные процессы с участием дислокаций в кремнии при температурах 800-1000 К;
%
- отработать методику магниторезонансного упрочнения элементарного полупроводника и применить ее к монокристаллическо-му кремнию;
- изучить механизмы образования и транспорта расплавленных включений в полупроводниках в электрических и тепловых полях, провести сравнительный анализ процессов объемного и поверхностного массопсреноса в электрическом поле.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Теоретически изучены температурные поля, создаваемые на поверхности полупроводниковой пластины прямоугольными участками слоя металлизации при его нагреве прямоугольными токовыми импульсами. Построена математическая модель для расчета тепловых режимов работы контактной пары металл-полупроводник. Показано, что наличие различных подслоев (81, ве, БЮг, Тц №, Мо) с отличными от подложки теплопроводящими свойствами увеличивает тепловую «нагрузку» на слои металлизации и может привести к снижению величины критической плотности тока.
2. Рассмотрены процессы образования акустических откликов в полупроводниковых структурах при импульсных токовых воздействиях. Установлены определяющие моменты генерации механических колебаний, связанных с включением и выключением импульсов тока. Выявлен гармонический характер зависимости амплитуды отдельной гармоники и всей энергии колебаний от длительности импульса.
3. Изучен и вскрыт механизм контактного плавления структур металл-полупроводник. Детально проанализировано импульсное воздействие токов повышенной плотности ф>5'1010 А/м2) и режимов термообработок на структуры металл-полупроводник. Показано,
что необратимые деградационные процессы в системах металл-полупроводник при импульсном токовом возмущении связаны с локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением под действием электрического тока.
4. Экспериментально установлены начальные этапы разрушения слоя металлизации при критических плотностях тока. Из анализа термоупругих напряжений кремниевой подложки предсказано и обнаружено зарождение поверхностных дислокаций по периметру дорожки металлизации. Экспериментально определены условия образования линейных и объемных дефектов вблизи источника термоудара.
5. Впервые проанализированы дислокационный и концентрационный энгармонизм в кремнии. Методом составного осциллятора изучены образцы кремния п- и р- типов, определены соответствующие константы деформационного потенциала для случая изгиба пластин кремния с ориентацией поверхности (111).
6. Проведено исследование магнитостимулированных электро-транспортных процессов с участием дислокаций в кремнии при комнатных температурах. Впервые обнаружено, что магнитные поля с индукцией В<0.75 Тл, совмещенные с токовым воздействием ]=(1-5)-10" А/м2, оказывают сильное влияние на подвижность линейных дефектов и акустическую эмиссию в кремнии.
7. Впервые обнаружен эффект «магнитной памяти» дислокационного кремния и рассмотрены кинетические аспекты эффекта при естественных условиях хранения образца после отключения магнитного поля. Предложена кинетическая модель магнитостимулированных изменений подвижности линейных дефектов, связанных с образованием долгоживущих комплексов на базе парамагнитной приме-
8. Впервые обнаружено резонансное влияние постоянного и скрещенного с ним переменного сверхвысокочастотного магнитных полей на подвижность дислокаций в монокристаллах кремния р-типа. Частота переменного и индукция постоянного магнитных полей, при которых наблюдается максимальное упрочнение кристаллов, удовлетворяют условию возбуждения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в дефектах структуры.
9. Проведен сравнительный анализ поверхностного и объемного электромассопереноса. Показано, что ускоренная миграция примеси по поверхности связана с вкладом электрокап и ллярной составляющей скорости перемещения.
Практическая значимость результатов работы.
Результаты исследований являются основой для выработки комплексных методов повышения деградационной стойкости контактов металл-полупроводник и подавления дефектообразования вблизи источников термоудара и локальных концентраторов напряжений.
Конкретные практически важные результаты:
1. Установлены механизмы деградации в системах металл-полупроводник при импульсном токовом возмущении, связанные с локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением иод действием электрического тока. Предложено стабилизировать многослойную структуру изотермическими отжигами в инертной атмосфере. Показано, что наличие как полупроводниковых, так и металлических подслоев способствует ускоренной деградации структуры.
2. Разработаны:
- метод акустического контроля режимов работы контактных систем полупроводниковых структур;
- методика оценки коэффициентов взаимной диффузии D/ в системах металл-полупроводник, основанная на регистрации времени контактного плавления и температуры при прохождении импульса тока, найдены температурные зависимости D/ исследуемых систем;
- методика акустоэмиссионного зондирования состояния линейных дефектов в полупроводниках;
- методика исследования магнитостимулированных электротранс-портных процессов с участием дислокаций в кремнии при комнатных температурах;
- метод изучения магнитопластического эффекта в кремнии в диапазоне температур 800-1000 К;
- методика изучения дислокационного энгармонизма с помощью составного осциллятора;
- методика магниторезонансного упрочнения монокристаллов кремния в режиме ЭПР.
3. Показана возможность использования технологии формирования расплавленных включений для создания нового класса одноэлектронных приборов.
Публикации и апробация работы. В ходе выполнения исследований по теме диссертации опубликовано 65 научных работ, из которых 33 статьи - в центральных отечественных журналах. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Основные результаты доложены на: международных конференциях “Микроэлектроника-94”. Москва. 1994; International conference "Physical problems in material science of semiconductors".
Ukraine. 1995; III Международной конференции “Актуальные проблемы твердотельной электроники”. Дивноморское. 1996; I Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологии получения легированных кристаллов кремния. Москва. 1996; International conference "Physical problems in material science of semiconductors". Ukraine. 1997; VI всероссийской научно-технической конференции с международным участием
’’Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники”. Дивноморское. Россия. 1997; Межвузовской научно-технической конференции “Микроэлектроника и информатика - 98” Зеленоград. 20-22 апреля 1998; Всероссийском симпозиуме “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. Санкт-Петербург. 1998; Международной конференции “Оптика полупроводников”. Ульяновск 1998; V всероссийской научно-технической конференции с международным участием ’’Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники”. Дивноморское. Россия. 1998; VI международной конференции “Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98”. Т.4. Новосибирск. 23-26 сентября. 1998; Всероссийской научно-технической конференции “Микро- и нанофотоника- 98”. Звенигород. 1998; совещании “Нанофотоника”. Нижний Новгород. 1999; Международной конференции “Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах”. Ульяновск. 1999; Международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Таганрог. 1999; II Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния (“Кремний-2000”). Москва. 2000; Международной конференции “Оптика полупроводников”. Ульяновск. 2000; II Международной
конференции “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. 2000; международной конференции “Актуальные проблемы электронного приборостроения”. Саратов. 2000; Международной конференции “Оптика, оптоэлектроника и технологии”. Ульяновск. 2001; Всероссийской научно-технической конференции “Микро- и наноэлектроника 2001”. Звенигород. 2001; Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов». Черноголовка. 2002; XI Петербургские чтения по проблемам прочности. С.-Петербург. 2003; XV симпозиуме «Современная химическая физика». Туапсе. 2003; XI и XIII Московском семинаре «Физика деформации и разрушения твердых тел» (рук. проф. В.И.Алыниц, проф. А.М.Глезер).
Результаты работы получены при выполнении гранта РФФИ, гранта Министерства образования РФ и ФЦП “Интеграция”.
Личный вклад. Автору принадлежит постановка задач исследований, обоснование способов их решения, непосредственное выполнение значительной части экспериментов, расчетов, систематизация и анализ результатов. Подавляющая часть экспериментов и расчетов, систематизация и анализ результатов были выполнены на кафедре физики и технологии интегральных микросхем УлГУ. Разработка методики магниторезонансного упрочнения монокристаллов кремния осуществлена совместно с сотрудниками института Физики твердого тела РАН (Черноголовка). Некоторые эксперименты по акустоэмиссионному зондированию дислокаций в сульфиде кадмия были проведены совместно с сотрудниками лаборатории полупроводниковых лазеров с электронной накачкой Физического инсти гута им. П.Н.Лебедева РАН (Москва). Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с аспирантами (Фролов В.А.,
Пирогов A.B., Соловьев A.A., Литвиненко О.В., Саланов A.A.), с научным консультантом Орловым А.М., с сотрудниками других научных групп: Осипьяном Ю.А., Моргуновым Р.Б., Баскаковым
A.A., Насибовым A.C., Никитиным К.Е. и другими коллегами, которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. При прохождении одиночных прямоугольных токовых импульсов плотностью j>5 1010 А/м2 через систему металлизации на кремнии развиваются деградационные процессы, обусловленные локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением под действием электрического тока, конкурирующим механизмом контактного плавления в системе, а также активным образованием линейных дефектов в приповерхностном (-50 мкм) слое полупроводника.
2. Возникающее в процессе электроотжига звуковое излучение в дислокационных пластинах кремния вызвано смещением дислокаций в электрическом поле. Определены подвижность, эффективный заряд дислокации и коэффициент диффузии атомов в её примесной атмосфере.
3. Электроотжиг (j=(l-5)*Ю'* А/м2, Т=320-450 К) дислокационных пластин кремния в постоянном магнитном поле с индукцией В<0.75 Тл сильно влияет на подвижность линейных дефектов и акустическую эмиссию кремния п-типа. Впервые зафиксировано, что предварительная обработка дислокационного образца в постоянном магнитном поле (В<1 Тл) приводит к изменению интенсивности его акустического отклика в зависимости от величины индукции магнитного поля.
4. Впервые обнаружено и описано смещение (до 20-40 мкм) поверхностных дислокаций (Т=873-1023 К) в неоднородном поле внутренних механических напряжений в монокристаллах кремния п- и р-типа с концентратором напряжений.
5. Впервые обнаружен эффект “магнитной памяти” дислокационного кремния и рассмотрены его кинетические аспекты при естественных условиях хранения образца после отключения магнитного поля. Впервые обнаружена и измерена зависимость максимального пробега фронтальных дислокаций (Т=873-1023 К) от времени экспозиции образцов в магнитном поле при комнатной температуре.
6. При обработке пластин кремния р-типа обнаружено резонансное влияние постоянного и скрещенного с ним переменного сверхвысокочастотного (9.6 ГГц) магнитных полей на подвижность дислокаций в монокристаллах кремния р-типа. Частота переменного и индукция постоянного магнитных полей, при которых наблюдается максимальное упрочнение кристаллов, удовлетворяют условию возбуждения электронного парамагнитного резонанса в дефектах структуры. Обнаружена анизотропия спектра ЭПР, детектируемая по изменению пробегов дислокаций.
7. Направленная миграция жидкофазных включений в объеме полупроводника осуществляется за счет термоэлектрических явлений на границе кристалл-расплав, электропереноса компонентов в объеме включения и температурных градиентов. Различные скорости объемной и поверхностной миграции (для системы Ge-Ag энергии активации 132 кДж/моль и 32 кДж/моль, соответственно) при одинаковых термодинамических условиях определяются электрокапил-лярными эффектами, доминирующими в поверхностном массопере-носе пропорционально размеру включения.
1. Температурные поля и тепловые режимы работы многослойных структур на кремнии при импульсных токовых
воздействиях
Как уже отмечалось, надежность и качество полупроводниковых устройств во многом определяется надежностью контактов металл-полупроводник и межсоединений, поэтому представляет собой серьезное препятствие на пути дальнейшей интеграции полупроводниковых приборов. Уменьшение минимального топологического размера элементов приводит не только к проблеме электропереноса, связанной с увеличением плотности тока в линиях, но и к возрастанию общей длины соединений, следовательно, потерь и дисперсии сигналов [4-6].
Развивающиеся при этом деградационные процессы в рассматриваемых системах протекают как при статических, так и при импульсных воздействиях. Однако в большинстве работ [7-10], 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 [11-13].
Кроме того, импульсные режимы работы полупроводниковых приборов приводят к возникновению в районе дорожек металлизации локальных источников упругих напряжений. Последние возбуждают механические колебания, интенсивность которых определяется состоянием контакта металл-полупроводник, а также динамикой процессов нагрева и охлаждения [14,15].
Поэтому в данном разделе будет рассмотрена динамика температурных полей и образование механических колебаний в полупроводнике с дорожкой металлизации при пропускании через нее прямоугольных токовых импульсов.
19
1.1. Расчет температурных полей в кремнии при воздействии импульсов тока на системы металлизации
Рассматриваемая задача связана с анализом пространственно-временного изменения температурного поля 7T(r,t) в полупроводниковой подложке при наличии локального теплового источника в виде нагреваемой металлической пленки на поверхности. Искомые поля Т(г£) определяются условиями теплоотвода и описываются уравнением теплопроводности [15,16]
= aAT(r,t), (1.1)
ct
где r-радиус-вектор точки наблюдения, t-время, а = X / ( с у ^коэффициент температуропроводности пластины. Здесь ^.-теплопроводность, скудельная теплоемкость, у-плотность кремния.
В начальный момент времени (t=0) температура рассматриваемой структуры была равна температуре окружающей среды, что определяет начальное условие
Т ( r,0) =Т0= const. (1.2)
С учетом специфики рассматриваемых структур на полупроводнике, будем полагать металлическую пленку "тонкой", т. е. характерное время прогрева пленки xl~clylh^/Xl не будет превышать величину временной дискреты измерительного прибора (мгновенный прогрев). При этом температура слоя металлизации соответствует температуре лежащей под ней поверхности полупроводника. Кроме того, будем пренебрегать теплоотводом в воздух, теплопроводность которого в интересующем нас температурном интервале (300 - 850 К) на 3 порядка [17] меньше теплопроводности монокристаллического кремния. Пренебрегаем также потерями энергии на возможное тепловое и оптическое излучение.
Применительно к рассматриваемой ситуации, используем условие
20
полубесконечности подложки, которое реализуется при длительностях
тока т температурный фронт не достигает противоположной поверхности кристалла). Следовательно, граничное условие теплооотвода задается как
В противном случае появится необходимость учета отраженного теплового потока от обратной стороны подложки. Условие подвода тепла определяется геометрией нагревателя.
Рассмотрение начнем со случая точечного источника, когда размеры локального теплового источника на поверхности полупроводника значительно меньше области распространения теплового фронта.
1.1.1. Точечный источник тепла на поверхности полупроводника
Как правило, в полупроводниковой технологии используются круглые пластины, поэтому будем использовать сферическую систему координат. Пусть в центре системы координат в начальный момент времени 1=0 включается точечный источник тепла (мощностью >у), действие которого продолжается в течении времени т (длительность импульса). Тогда уравнение (1.1) для сферически симметричной задачи имеет вид
где г - полярное расстояние.
Граничное условие в точке нагрева записываются следующим образом
2 / А
токовых импульсов т < С'з73/?з / А-3 (т.е. за время прохождения импульса
Г(со,/) = Г0.
(1-3)
[15]
(1.4)
(1.5а)
21
Ч,>* = °-
(1.5b)
Здесь 2тсг - площадь полусферического фронта распространения тепла.
Вначале получим решение для первого временного интервала 0<t<x, а случай остывания структуры (t>x ) рассмотрим отдельно.
Задачи такого рода проще всего решаются операционным методом [15]. В этом случае изучается не сама функция /(/) (оригинал), а ее изображение /,,(*). Интегральное преобразование Лапласа fL(s) функции /(/) имеет вид:
ЛО) = }/(/)ехр(-й)А=/. [/■(/)].
О
Здесь s-опсраторная переменная.
В рассматриваемой задаче применение преобразования Лапласа по времени, с учетом начального распределения температуры (1.2), к уравнению теплопроводности (1.4) и граничным условиям (1.3, 1.5а) позволяет получить операторные уравнения
L(r,s)) - — (rTL (r,s))+ ГТ±-dr a
= 0
a
w
Г(оо,5) = Г0, - = lim
s r~>0
-2 nr -X
2 , дГ, (г,з)"
dr
(1.6)
, (1.7)
где Г/, (г, я) -изображение функции Т(г ,г).
Подставляя условия (1.7) в известное [15] общее решение уравнения (1.6):
гТ,
rTL (rf s) = А ехр
s
ґ і— -\
Л
+ Вех р
а
\
находим коэффициенты А, В и окончательный вид изображения TL(r,s):
22
/
\
(1.8)
С помощью таблиц преобразований Лапласа [15] находим оригинал выражения (1.8)
(1.9)
\Т1 о
Выражение (1.9) описывает температурное поле, создаваемое включенным в нулевой момент времени точечным тепловым источником. Выключение токового импульса (отключение нагревателя мощностью м>) при \г=ъ можно представить как начало работы в той же точке аналогичного источника мощностью ->г. Результат их совместного действия - нулевой поток тепла. Окончательное решение представляет собой суперпозицию температурных полей от этих двух источников
где 0(1-т )-ступенчатая функция Хэвисайда, отражающая запаздывание источника отри дательного нагрева на величину длительности импульса.
Решение задачи о точечном источнике нагрева (1.10) можно использовать в качестве функции Грина С(г,Х) при построении решений для дорожек произвольной формы, представляя в виде произведения плотности теплового потока на элемент площади металлической пленки ц-дЫ и интегрируя по отсчитываемой вдоль металлизации координате г'.
(1.10)
(1.11)
Г'
23
ч.
Так как наиболее распространенной в технологии геометрической формой дорожек металлизации являются длинные прямоугольные полосы, рассмотрим этот вариант подробнее.
1.1.2. Случай прямоугольной дорожки металлизации
Для нахождения температурного поля, создаваемого прямоугольным фрагментом металлизации длиной / и шириной Ь, введем декартову
систему координат с началом отсчета в центре дорожки (рис.
ко.
Координаты х, у, г описывают точку измерения температуры внутри полупроводника, а х', .у'-положение элемента поверхности металлической пленки сЬс '<Иу
Рис. 1.1. К выбору системы координат пластины
В новой системе координат подстановка функции Грина (1.10) в (1.11) дает в квадратурах распределение температур в подложке с прямоугольным источником нагрева Т(х, У,2,1)-Т0 =
(х-хУ+(у-уУ + г-
' ^ II2 Ы2 С __/\2 . _.І\2 . _2 Л
X Г " Гск' к'ехр -
АХ'Іі7а -,п -ь,2 I
4 а!
+
—7==х \(іх’ [б/у'ехрі-
А'к'іті'а т д/(/ — т)3 -1/2 ~ы2 ч
1/2 Ы 2
(х-х')2+(у-уУ+2 4а(і - т)
/\2
.2 \
(1.12)
где второе слагаемое, связанно с выключением токового импульса.
Если длина дорожки / значительно превышает ширину Ь, то можно пренебречь утечкой тепла с концов проводника и положить пределы ин-
24
тегрирования 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 [18] и наиболее удобно для экспериментального определения.
С учетом вышесказанного и того, что плотность теплового потока при протекании постоянного тока силой / вдоль оси х дорожки с сопротивлением /? равна
?=/3л//*, (1.13)
температурный профиль поверхности Т{у,() представляется в виде
т(у,О-г0 = 12я4си
4%ш
/2Л0(/-т)
ф
2 пХ1Ь Ы2-у
2 Ч 4а/
2 Л / +
ъ
гу
\ / Е
(Ы2+у)2 4д/
у у
+
, \^4я/
(Ь
+ Ф
Ы2+ у \ л/4аг
2п\1Ь /2Щ/- т)
гу
' (Ь!2-у)г
2 пХ1Ь
\ ** У / ф1
4д(/-т )
N
Ы2-у '
+ 2+Т'
(Ь/2 + у) 4 а{1 - т)
2 Л
+
+ Ф
W4a(f_т)J
(1.14)
гехр(-У
где ЕЛг) = — ас, -интегральная экспонента.
ж 5
Следует подчеркнуть, что из последнего выражения, при его усреднении ПО у И устремлении ширины дорожки к бесконечности 00, можно получить динамику температуры поверхности
(1.15а)
для бесконечной нагревающей плоскости. Последнее выражение в точности совпадет с полученным в [ 19] при помощи энергетического подхода временной зависимое чью температуры для аналогичных структур:
Очевидно, что соотношения (1.15) 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.
1.2. Экспериментальные исследования температурных режимов работы систем металлизации на кремнии при импульсном
В данном разделе детально описывается подготовка многослойных тонкопленочных структур (объектов исследования) и методик их экспериментального изучения.
Для проведения экспериментов были сформированы структуры типа металл-подслой-полупроводниковая пластина.
В роли основного токопроводящего слоя выступал алюминий, как наиболее распространенный материал слоев металлизации в полупроводниковых структурах [6,20,21]. Полупроводниковыми подслоями служили пленки кремния (БЦ) и германия (Сеа), применяемые, как правило, для пассивации полупроводниковых структур [18,20]. В роли метал-
(1.156)
токовом воздействии
1.2.1. Подготовка объектов исследования
лических подслоев выступали молибден, титан и никель, улучшающие контактные, адгезионные и барьерные свойства токопроводящих систем [20,21].
В качестве подложек использовались легированные фосфором кремниевые пластины, ориентированные в направлении (111), с удельным сопротивлением р=0.01 Ом см и 60-микронным п-эпитаксиальным слоем (15 Ом см). Такие подложки предотвращают шунтирование слоев металлизации, облегчая анализ тепловых потоков в многослойных структурах.
На некоторых подложках предварительно выращивались диэлектрические слои оксида или нитрида кремния.
Осаждение пленок нитрида кремния осуществлялось за счет реакции дихлорсилана с аммиаком при пониженном (-50 Па) давлении в интервале температур 700-900 °С. К преимуществам выбранного метода осаждения* следует отнести хорошую однородность формируемых пленок и высокую производительность процесса осаждения. Удельное сопротивление формируемых пленок было не ниже 7 1015 Ом см, а электрическая прочность не хуже 5 106 В/см.
Выращивание термического окисла производилось в диффузионных мечах по стандартной технологии [20,22,23] в диапазоне температур 1150-1250 °С в сухом кислороде. Для получения толстых пленок окисла (>10 мк) на поверхности пластины формировался слой пористого кремния [24-26], последующее окисление которого приводило к образованию толстых диэлектрических слоев.
Пористый кремний (ПК) является одним из наиболее интересных и перспективных материалов. Он был открыт в 50-х годах и применялся, в
’ Осаждение пленок осуществлялся на промышленных установках типа «Изотрон 2М» и «Изотрон ЗМ».
основном, для создания толстых (более 1 мкм) диэлектрических пленок, либо для осуществления эффективного геттерироваиия нежелательных примесей из кремния [27]. Реакционно-способная природа пористого кремния позволяет осуществлять селективное формирование пор определённой конфигурации [28,29] и, следовательно, создавать уникальные электронные компоненты и механические наноструктуры. Важным свойством ПК является эффективная люминесценция, открытая Канхемом (СапЬагп) в 1989 году [30]. Это открытие послужило началом целой серии разнообразных исследований этого материала, из-за открывающихся перспектив использования пористого кремния в микроэлектронике.
В наших опытах пористый кремний формировался на легированных бором бездислокационных пластинах р-Бі диаметром 50 мм с удельным сопротивлением 2,6-3,1 Ом см, что соответствует концентра-
I г ^
ции акцепторов Ыа=(5...6) 10 см' , на пластинах ориентированных в направлении [111].
Электрохимическое травление осуществлялось в электролите, представляющим собою смесь 48% плавиковой кислоты (Ш7) и этилового спирта (С2Н5ОН) в объёмном соотношении 1:1. Катодом служил химически чистый свинцовый электрод цилиндрической формы, обеспечивающий более равномерное распределение электрического тока на поверхности кремниевой пластины. Для поддержания постоянной температуры электрохимическая ячейка помещалась в термостат. Необходимый температурный режим поддерживался с помощью регулирующего потенциометра КСП и состыкованной с ним ХА-термопары, рабочий спай которой находился в непосредственной близости от фторопластового стакана с электролитом. Термопара располагалась в тонкостенном кварцевом чехле, свободный спай которой термостатировался при 0 °С.
Электрохимическая обработка осуществлялась в течение 20 минут при температуре 20 0 С. Для более эффективного травления, образец ос-
вещался галогенной лампой типа КГМ мощностью 150 Вт. В проводимых экспериментах плотность тока варьировалась в пределах (10...20) мА/см2. Возможные колебания тока не превышали 1 % относительно заданного номинала.
После формирования слоя пористого кремния, образцы тщательно промывались в дистиллированной воде, а затем сушились под струёй холодного воздуха. Качество полученных плёнок визуально контролировалось под УФ лучами осветительной лампы ОН-18А. Прошедшие такую подготовку образцы использовались для последующего окисления по описанной выше методике и использовались в дальнейшем для нанесения на них металлических пленок.
1.2.1.1. Напыление пленок на подложки
Нанесение пленок на предварительно подготовленную поверхность кремниевых пластин осуществлялось методом электроннолучевого испарения, сохранившим свою перспективность до настоящего времени из-за высоких скоростей напыления и возможности испарения тугоплавких металлов [21-23].
Для напыления полупроводникового материала использовались высокоомные слитки кремния р> 100 Ом см и германия р>ЮОмсмп-типа. В качестве исходного материала металлических пленок использовали: алюминий марки А995, титан ВТ-00, никель Н-0 и молибден МРН.
Для обеспечения чистоты эксперимента и предотвращения попадания примеси в межоперационных процессах, целесообразно проводить многослойное осаждение в одном технологическом цикле [4,21-23]. Именно поэтому, последовательное электронно-лучевое напыление материалов осуществлялось в едином процессе. Для этого испаряемые материалы подслоя и алюминия загружались в соответствующие водоох-
лаждаемые тигли установки напыления "Оратория-9", где и производилось их нанесение на подложечный материал.
Температура подложек (Т=373 К) и рабочее давление в процессе напыления (р-7'10'4 Па) поддерживались постоянными и контролировались предварительно отградуированной платино-платииородиевой (Р1-РгЯо) термопарой, находящейся вблизи напыляемых пластин, и вакуумметром. Скорости напыления кремния и германия были одинаковыми (У2=0.8 нм/с), а алюминия - У]=2 нм/с. Их выбор был продиктован оптимальной структурой осаждаемого материала.
В соответствии с ранее отработанной технологией нанесение алюминия начиналось через 15 минут после осаждения промежуточного слоя (подслоя). Толщина металлических подслоев 112 и скорость их напыления У2 соответствовали 100± 10 нм и 1.5 нм/с, соответственно. Толщина алюминиевой пленки во всех системах была не менее 1 мкм. Здесь и далее подстрочный индекс "Г1 относится к А1, "2"- к промежуточному слою 51, ве, Т1, N1, Мо, "3" - к полупроводниковой подложке.
Контроль качества осажденных пленок оценивался визуально (под микроскопом) и по результатам измерения удельного сопротивления че-тырехзондовым методом на установке ИУС-2.
Напыление молибдена (Мо) и никеля (№) по описанной выше методике способствовало получению подслоев с более высоким удельным
7 8
сопротивлением (рмо=4.5 10" Омм, рм=5Л10‘ Омм), чем для чистых металлов (рМо=5.4 Ю'8 Ом м, рм=6.8 10*8 Ом м) [17].
Причины наблюдаемых отличий связываются нами с частичным, по-видимому, зернограничным окислением, которое при повышенных концентрациях кислорода существенно влияет на процессы фазообразо-вания. Это подтверждается независимыми исследованиями К.А. Валиева [6], М. Кая [31] и М.А. Королева с соавторами [32], обнаружившими непосредственное воздействие растворенного кислорода в рассматривае-
мых металлах не только на кинетику твердофазных реакций, но и на возрастающую пороговую температуру силицидообразования. При этом не исключается возможность и частичного окисления образующихся силицидов при высокой концентрации кислорода в металлической пленке.
С учетом этого режимы напыления подбирались таким образом, чтобы концентрация кислорода в металлических подслоях не препятствовала процессам образования интерметаллических соединений и не искажала бы перераспределение тока и тепловых потоков в тонкопленочных системах в процессе импульсного воздействия.
Подготовленные таким образом многослойные структуры подвергались фотолито!рафической обработке с применением полупрозрачных фотошаблонов, разработанных и изготовленных авторами работы [19].
1.2.1.2. Фотолитография и диффузионный отжиг структур
Нанесение фоторезиста, сушка, экспонирование и проявление, при изготовлении тестовых структур, осуществлялись по стандартной технологии [21-23], с использованием фотошаблонов, изображенных на рисунке 1.2. Однако, используемые в ней методы вскрытия окон, не могли быть автоматически перенесены на исследуемые системы, поскольку подбор оптимального травителя для каждой многослойной структуры представляет значительную трудность и определяется конкретным материалом и способами нанесения пленок. Кроме того, используемые нами контактирующие пары сильно отличались по величине коррозионного потенциала.
Поэтому вскрытие окон в незащищенных фоторезистом участках требовало дополнительной отработки технологии и составов травителей.
Удаление алюминия осуществлялось в стандартном травителе на основе ортофосфорной и уксусной кислот [21,22,33]. При травлении подслоев титана в раствор дополнительно вводилась плавиковая кисло-
31
та. Что касается многослойных систем с подслоями никеля и молибдена, то они хорошо растворялись в присутствии азотной кислоты.
По окончании травления и удаления фоторезиста пластины промывались в изопропиловом спирте. Полное удаление фоторезиста обязательно контролировалось оптической микроскопией, поскольку остатки органических соединений на поверхности металла приводят к существенному изменению его поверхностного сопротивления и вносят неконтролируемое возмущение при последующих термических
обработках.
Изотермический отжиг полученных структур осуществлялся в диффузионной печи при Т=773±1 К в атмосфере азота, который подавался в рабочую зону реактора со скоростью 300 литров/час. Система автоматической загрузки-
выгрузки позволяла подбирать оптимальные скорости движения лодочки с пластинами в
1сзсзсзсзсзсзсз1
IСЗ СЗ СЗ СИ СЗ СЗ СЗI 1СЗСЗСЗСЗСЗСЗСЗ! 1СЗСЗСЗСЗСЗСЗСЗ! 1СЗСЗСЗСЗСЗСЗС31 1СЗСЗСЗСЭСЗСЭС31 1СЗСЗСЗСЗСЗСЗС31 1СЗСЗСЗСЗСЗСЗСЗ!
IСЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗI 1СЗСЗСЗСЗСЗСЗС31 I СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ!
1 СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ I 1СЗСЗСЗСЗСЗСЗСЗ! юаааапт
1СЗСЗСЗСЗСЗСЗСЗ! 1СЗСЗСЗСЗСЗСЗСЗСЗ|
I СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ СЗ Г-
Рис.1.2. Фотографии фотошаблона с элементом тестовой структуры (а), рабочего фотошаблона (б) и кремнивой пластины диаметром 76 мм после формирования структур (в).
32
рабочую зону и минимизировать температурные возмущения, вносимые этим процессом. Контроль температуры активной зоны реактора измерялся платино-платинородиевой термопарой.
1.2.2. Методика проведения опытов
Исследование многослойных систем до и после изотермического отжига, осуществлялось на полученных тестовых структурах (рис. 1.3) по электрическому отклику, снятому с различных се участков при прохождении одиночных токовых импульсов прямоугольной формы.
Рис.1.3. Вид тестовой структуры С 12 потенциальными и 2-МЯ ТОКОВЫМИ “1” контактами. На вставке А: фрагмент тестовой структуры. Увеличение 21х.
Используемая при этом установка (рис. 1.4) позволяла пропускать через исследуемые образцы прямоугольные импульсы тока. Длительность токовых импульсов задавалась генератором Г5-54, а их амплитуда определялась управляющим напряжением, задаваемым вручную на генераторе тока. Перед исследованиями производилась калибровка на соответствие амплитуды тока I и управляющего напряжения ий. Для регистрации механических колебаний, возникающих при поверхностных термоударах, на пластине располагался пьезоэлектрический датчик, сигнал с которого также регистрировался осциллографом.
33
И нтерфей с 1*8232
ЭВМ
синхроимпульс
Формирователь токовых и мпульсов
|Ука~ ИI 1^1-
Цифровой запом икающий осциллограф на базе ПК
Генератор нм пул ьсов Г5-54
-9 99
Осциллограф
С9-8
синхроимпульс
Рнс.1.4. Структурная схема установки для исследования тепловых режимов работы, дефектообразования и термостимулированных изгибных колебаний в полупроводниковых структурах при импульсных токовых воздействиях: 1- монокристалличе-ская пластина; 2- тестовая структура; З-пьезоэлекгрические датчики.
Генератор импульса тока, входящий в состав установки, обеспечивал следующие параметры:
- Диапазон регулировки силы тока до 140 А при сопротивлении нагрузки не более 0.5 Ом и до 50 А при сопротивлении наїрузки до 2 Ом;
- Длительность переднего и заднего фронтов не более 3 и 5 мке соответственно;
- Максимальная длительность импульса не менее 1.5 мс;
- Отклонение величины тока от установленного значения по прошествии 10 мке с момента включения импульса не более 1%;