автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Акустическая эмиссия монокристаллического кремния в электрических и тепловых полях

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Изгибные волны в пластинах.

1.2. Акустическая эмиссия в твердых телах.

1.3. Полупроводниковые структуры в возмущающих электрических и тепловых полях.

1.4. Влияние различных обработок на подвижность дислокаций в кристаллах.

2. Возбуждение изгибных колебаний и акустической эмиссии. Методы их исследования

2.1. Аппаратурное оформление. Возбуждение и регистрация изгибных колебаний кремниевых пластин.

2.2. Подготовка объектов исследований.

2.2.1. Формирование тестовых структур.

2.2.2. Введение и регистрация пробегов индивидуальных дислокаций.

2.3. Исследование дислокационного ангармонизма в кремнии

2.4. Возбуждение и регистрация акустической эмиссии

2.5. Дискретное преобразование Фурье

3. Изгибные колебания кремниевых пластин при наличии импульсного источника возмущения

3.1. Анализ изгибных колебаний, вызванных механическим ударом

3.2. Анализ изгибных колебаний, вызванных тепловым ударом

4. Акустическая эмиссия дислокационного кремния при токовых и тепловых воздействиях

4.1. Определение характера дислокационной структуры методом составного вибратора.

4.2. Влияние переходных процессов на акустическую эмиссию

4.3. Активационные барьеры, преодолеваемые дислокациями при их возмущении электрическим током.

4.4. Наблюдение за пробегами индивидуальных дислокаций

4.5. Моделирование движения краевой дислокации

4.5.1. Постановка задачи.

4.5.2. Описание модели.

Устойчивая работа полупроводниковых приборов — одна из основных проблем микроэлектроники. Особенно остро эта проблема встает сейчас, когда один современный микропроцессор содержит десятки миллионов элементов [1, 2]. При такой плотности упаковки весьма актуальной становится проблема устойчивой работы межсоединений, поскольку плотности тока часто приближаются к критическим значениям [3]. Особенно чувствительны микросхемы к работе в импульсном режиме, приводящему к резким изменениям температуры в области контакта металл-полупроводник. Постоянные колебания температуры вблизи ее предельного значения приводят, в конечном счете, к расплавлению металлизации или к ее отслоению от полупроводниковой основы. Эти проблемы усугубляются и различием коэффициентов термического расширения металла и полупроводника, приводящим к механическим напряжениям в контактной области и к генерации механических колебаний, облегчающих образование дефектов кристаллической структуры и появление трещин.

Помимо постоянного увеличения степени интеграции в современной микроэлектронике широкое применение находит использование различных гетероструктур [4], выращивание которых неизбежно приводит к появлению дислокаций несоответствия. Их перемещение вносит неконтролируемые возмущения в работу полупроводниковых приборов, особенно СБИС. Более того, движение дислокаций сопровождается генерацией акустических импульсов, которые в результате акустоэлектрического преобразования приводят к генерации токового шума полупроводниковых приборов [5].

Следовательно, для повышения надежности полупроводниковых приборов необходимо исследовать изменение температуры проводников при протекании через них импульсов тока. Это позволит выбрать наиболее оптимальные режимы работы приборов и оценить характеристики механических напряжений, возникающих при этом. Кроме того, необходимо

1. Состояние вопроса и задачи исследования

К одной из важнейших проблем твердотельной электроники и микроэлектроники следует отнести деградационные процессы в полупроводниковых устройствах при наличии возмущающих электрических и температурных полей.

Актуальность этой проблемы постоянно возрастает в связи с непрерывным повышением степени интеграции полупроводниковых приборов, где локальные плотности тока часто превышают 1011 А/м2, а температурные градиенты в переходных областях достигают критических значений [3]. Подобные условия вызывают акустоэмиссионные процессы как на поверхности, так и в объеме полупроводников. Поэтому метод акустической эмиссии (АЭ) становится перспективно важным инструментом как в области полупроводниковой электроники, так и других видах наукоемких производств [6, 7]. Он оказался весьма перспективным и при изучении поведения различных точечных, линейных, объемных дефектов в возмущающих тепловых, электрических и магнитных полях.

Анализ собственных колебаний полупроводниковых структур, возникающих в процессе их работы, может дать представление о происходящих деградационных процессах. Рассмотрим более подробно собственные колебания круглой пластины, которые могут быть возбуждены как механическим, так и тепловым ударом.

Основные результаты и выводы

1. Исследованы процессы образования акустических откликов в полупроводниковых структурах при импульсных токовых воздействиях. Показано, что при токовых импульсах {у < 2 • 101ОА/м2 и длительностях г = 100-500 мкс), проходящих через структуры, образование механических колебаний происходит за счет теплового расширения среды. Установлено, что определяющими моментами в процессе возникновения колебаний являются включение и выключение импульса тока, характеризующиеся максимальными скоростями изменения температуры во времени.

2. Показано, что зависимость амплитуды отдельной моды от длительности импульса носит гармонический характер с периодом Т% = 1//$. Экстремальные значения амплитуды фиксированной гармоники наступают при длительностях ц = где к = 1, 3, 5,. .соответствует минимумам, а к = 2, 4, 6,. — максимумам амплитуды. В связи с этим и зависимость энергии колебаний от длительности носит осциллирующий характер.

3. Исследованы электронный и дислокационный энгармонизм в кремнии. Показано, что с ростом концентрации легирующей примеси в кремнии электронный вклад в нелинейный модуль упругости четвертого порядка образцов возрастает линейно. Методом составного вибратора изучены образцы кремния п-типа (фосфор) в дипазоне концентраций легирующей примеси N = 2 • Ю20—8 • 1023 м-3. Определена константа деформационного потенциала донорного кремния Ф = 8.4 эВ.

Введение в образец дислокаций переподчиняет поведение нелинейного модуля (3 в пользу дислокационной структуры. По знаку изменения /3 показано, что дислокации, генерируемые в процессе отжига под нагрузкой, имеют краевой характер.

4. Впервые детально проанализирована акустическая эмиссия в кремнии при электростимулированном движении дислокаций в диапазоне плотностей токов з = (1.4-5.7) • 105 А/м2 и температур Т — 300 - 450 К. Сравнением дислокационных образцов с различной концентрацией линейных дефектов доказан дислокационный характер звукового излучения. Показано, что спектр АЭ имеет ярко выраженный максимум на частоте / = 0.15-0.5 Гц. Экспериментально оценена кажущаяся энергия активации акустической эмиссии Ев = 0.74 эВ.

5. Впервые проведен сравнительный анализ спектров акустической эмиссии полупроводника и динамики дислокаций при электроотжиге. Показано, что изменение спектрального состава (смещение максимума АЭ) определяется взаимодействием дислокационного ядра и примесной атмосферы. Этим объяснено изменение спектров звукового излучения при изотермическом отжиге. С использованием теории электропереноса и эксперимента рассчитаны эффективный заряд дислокации = —0.06 1/атом и коэффициент диффузии атомов в примесной атмосфере при токовом изотермическом отжиге Д* = 3 • 10~17 см2/с.

R. Haavind. Another Centure of Discovery? // Sol.St.Tech., 1999, Vol.42, No.12, P. 12

P. Burggraaf. Microelectronics' nanotechnology future // Sol.St.Tech., 2000, Vol.43, No.l, P.63-66

P. Маллер, Т. Кейминс. Элементы интегральных схем. М.: Мир, 1989.-630 с.

D. Ahlgren, В. Jagannathan. SiGe for Mainstream Semiconductor Manufacturing // Sol.St.Tech., 2000, Vol.43, No.l, P.53-58

С. Б. Kurman. Semiconductor Noise in the Framework of Semiclassical transport // Phys. Rev. B, 1996, Vol.54, No.24, P.17620-17627

В. А. Бродовой, A. M. Воскобойников, Лысенко A.E. и др. Акустическая эмиссия биполярных транзисторов в импульсном режиме / / ФТТ, 1991, т. 25, вып. 4, - С. 624-627

Т. Kosel, I. Grabec, P. Muzic. Intelligent locator of discrete acoustic emission sources // 4th Int. Conf. Sloven. Soc. Nondestruct. Test. "Appl. Contemp. Nondestruct. Test. Eng", Lubljana, 1997, P.31-40 •

Б. Г. Коренев. Некоторые задачи теории упругости и теплопроводности, решаемые в бесселевых функциях М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1960, 458 с.

9. Е. А. Дулькин, В. Г. Гавриляченко, О. Е. Фесенко. Исследование фазовых переходов в антисегнетоэлектрических кристаллах PbZrO3 и PbHfOz методом акустической эмиссии // ФТТ, 1997, т.39, вып.4, с.740-741

10. В. А. Плотников. Акустическая эмиссия и динамическая релаксация нехимической энергии при мартенситных превращениях // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып. 13, с.15-22

11. P. Masek, F. Chmelik, V. Sima et al. Misrostructure Processes Indused by Phase Transition in a CuAu Alloy as Studied by Acoustic Emission and Optical Cinematography // Acta Mater. 1999, Vol.47, No.l, P.427-434

12. Я. M. Олих. Акустическая эмиссия в халькогенидном стекле Geo.i8Aso.28S'eo.54 // ФТТ, 1998, т.40, вып.9, с.1623-1626

13. В. А. Грешников, Ю. Б. Дробот. Акустическая эмиссия. М.: Изд-во стандартов, 1976. 272 с.

14. В. С. Бойко, Р. И. Гарбер, А. М. Косевич. Обратимая пластичность кристаллов М.: Наука, 1991, 280 с.

15. Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков. Физика металлов М.: Атомиздат, 1978, 352 с.

16. В. Д. Нацик, К. А. Чишко. Звуковое излучение при аннигиляции дислокаций // ФТТ, 1972, т.14, вып.11, с.3126-3132

17. В. Д. Нацик, К. А. Чишко. Звуковое излучение дислокаций, движущихся у поверхности кристалла // ФТТ, 1978, т.20, вып.2, с.457-465

18. A. Trochidis, В. Polyros. Dislocation Annigilation and Acoustic Emission During Plastic Deformation of Cristalls //J. Mech. and Phiys. Solids, 1994, Vol.42, No.12, P.1933-1944

19. В. С. Бойко, В. Ф. Кивншк, JI. Ф. Кривенко. Экспериментальное исследование звукового излучения при аннигиляции дислокаций в кристалле // ЖЭТФ, 1980, т.78, вып.2, с.797-801

20. К. А. Чишко. Переходное излучение звука винтовой дислокацией, выходящей на поверхность изотропной пластины // ФТТ, 1989, т.31, вып.1, с.223-229

21. К. А. Чишко. Звуковое излучение при развитии сквозной трещины в пластине.// ФТТ. 1994. т.36. вып.8. С.2145-2153.

22. В. С. Бойко, Р. И. Гарбер, В. Ф. Кившик и др. Экспериментальное исследование переходного излучения звука дислокациями при выходе их на поверхность // ЖЭТФ, 1976, т.71, вып.2(8), с.708-713

23. В. С. Бойко, Л. Ф. Кривенко. Исследование пространственного распределения звукового излучения при пересечении поверхности скоплением дислокаций // ЖЭТФ, 1981, т.80, вып.1, с. 255-261

24. P. Merkett, М. Hoffman, J. Rodel. Detection of Prefracture Microcracking in AhOz by Acoustic Emission // J. of the Eur. Cer. Soc., 1998, Vol.18, No.8, P. 1645-1654

25. S. Zapperi, A. Vespignani, H. E. Stenli. Modeling Acoustic Emission in Microfracturing Fenomena // Mat. Res. Soc. Proc., 1996, Vol.409, P.355-358

26. L. Y. Chu, Y. G. Song. The Line-spring Model for Embedded Crack and Slightly Emergent Surface Crack // Int. J. Pressure Vessels and Pip, 1989, Vol.38, No.5, P.355-368

27. JI. Д. Ландау, E. M. Лифшиц. Теория упругости. M.: Наука, 1987, 248 с.

28. E. Susie, P. Muzic, I. Grabec. Description of Ground Surfaces Based Upon AE Analysis by a Neural Network // Ultrasonic, 1997, Vol.35, No.7, P 547-549

29. А. Ю. Виноградов, В. А. Михайлов, В. А. Хоник. Акустическая эмиссия при гетерогенном и гомогенном пластическом течении металлического стекла // ФТТ, 1997, т.39, вып.5, с.885-888

30. И. В. Блонский, В. А. Тхорин, А. Д. Цицилиано. Акустическая эмиссия в процессе лазерного отжига монокристаллов кремния // ФТТ, 1997, т.39, вып.З, С.505-509

31. Н. Gu, W. W. Duley. Resonant Acoustic Emission During Laser Welding of Metals // J. Rhys. D: Appl. Phys., 1996, Vol.29, No.2, P.550-555

32. A. M. Орлов, А. А. Скворцов, А. В. Пирогов, В. А. Фролов. Изгибные колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып.З, с.57-63

33. В. А. Калитенко, И. Я. Кучеров, В. М. Перга. Акустоэмиссия полупроводников при протекании электрического тока // ФТП, 1988, т.22, вып.4, - с.578-581

34. Р. П. Житару, Н. А. Палистранг. Влияние термообработки на относительную подвижность краевых и винтовых дислокаций в кристаллах NaCl // ФТТ, 1999, т.41, вып.6, с.1041-1043

35. И. В. Островский, JI. П. Стебленко, А. Б. Надточий. Влияние ультразвуковой обработки на подвижность коротких дислокаций в кристаллах кремния // ФТТ, 2000, т.42, вып.З, с.478-481

36. Физическая акустика под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1966. Т.1. 278 с.

37. Z. Gao, B.-F. Wang, K.-M. Wang et al. Chemical Acoustic Emission from Gas Evolution Processes Recorded by a Piezoelectric Transducer // Sens. and. Act. B, 1998, Vol.50, No.l, P.27-37

38. Экспериментальная механика. В 2-х кн. Кн.1. Под ред. А. Кобаяси. Пер. с англ. М.: Мир, 1990, 552 с.

39. А. В. Пирогов. Тепловой удар в системах иеталлизации на кремнии при импульсных токовых воздействиях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Ульяновск, 1999.

40. Измерения в электронике. Справочник под ред. В. А. Кузнецова. М.: Энергоатомиздат, 1987, 512 с.

41. В. JI. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников. Физика полупроводни-ков.М: Наука, 1990. 688 с.

42. М. Lefeld-Sosnowska. Dislocations Generated in Si Annealed under Normal or High Pressure // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No.l, P.105-110

43. Ю. П. Пшеничнов. Выявление тонкой структуры кристаллов. M.: Металлургия, 1974, 528 с.

44. Н. С. Жилин. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. Томск: Радио и связь. 1989. 384с.

45. К. Е. Никитин. О механизме аномального роста модуля Юнга при деформации кристаллов. // ФТТ. 1994. Вып.12. С.3587-3595.

46. С. JI. Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990, 584 с.

47. Экспериментальная механика. Под ред. А.Кобаяси. Кн.2. М.: Мир, 1990, 552 с.

48. В. Гольдсмит. Удар. М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1965, 340 с.

49. В. М. Болгов, А. С. Никифоров. Изгибные колебания бесконечной пластины, вызванные поперечным ударом // Акустический журнал, 1980, том XXVI, вып. 3, с.336-341

50. L. В. Hansen, К. Strokbro, В. I. Lundquist. Nature of Dislocations in Silicon // Phys. Rev. Let., 1995, Vol. 75, No. 24, P.4444-4447.

51. А. С. Охотин, А. С. Пушкарский, В. В. Горбачев. Теплофизические свойства полупроводников. М.: Атомиздат, 1972, 187 с.

52. JI. М. Лямшев. Лазерное термооптическое возбуждение звука. М.: Наука, 1989, 240 с.

53. А. М. Орлов, А. А. Скворцов, А. В. Пирогов, В. А. Фролов. Изгибные колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып.5, с.57-63

54. А. М. Орлов, А. В. Пирогов, Т. Г. Емельянова. Разрушение слоев металлизации в импульсном токовом режиме // Неорган, мат-лы, 1993, Т.29, вып.11, с. 1559-1562.

55. Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

56. Т. Yan, В. Е. Jones. Traceability of Acoustic Emission Measurement Using Energy Calibration Metods // Meas. Sci. Technol., 2000, Vol.11, No.l, P.L9-L12

57. A. Guarino, A. Garcimartin, S. Ciliberto. An Experimental Test of the Critical Behavior of Fracture Precursors // Eur. Phys. J. B, 1998, Vol.48, No.6, P. 13-24

58. J. R. К. Bigger, D. A. Mclnnes, A. P. Sutton et al. Atomic and Electronic Structures of the 90° Partial Dislocation in Silicon // Phys. Rev. Lett., 1992, Vol.69, No.15, P.2224-2227

59. D. Cavalcoli, A. Cavallini, E. Combia. Energy Levels Associated with Extended Defects in Plastically Deformed n-Type Silicon //J. Phys., 1997, Vol.53, No.7, P.1399-1409

60. A. M. Орлов, А. А. Скворцов, В. А. Фролов. Акустическая эмиссия в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып.З, с.28-32

61. S. MiPshtein. Dislocations in Microelectronics // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No.2, P.371-376

62. I. Malecki, J. Ranachowski. Application of Acoustic Emission (AE) Metod for Monitoring the Electrical Power Devices // Ultrason. World Congr., Berlin, 1995, Proc. Pt.2, P.609-610

63. H. R. Kolar, J. С. H. Spence, H. Alexander. Observation of Moving Dislocations Kinks and Unpinning // Phys.Rev.Let. 1996, Vol.77, No.19, P.4031-4034.

64. A. V. Latyshev, H. Minoda, Y. Tanishiro et al. Dynamical Step Edge Stiffness on the £¿(111) Surface // Phys. Rev. Lett., 1996, Vol.76, No.l, P. 94-97

65. Y.-P. Zhao, Y.-J. Wu, H.-G. Yang et al. In Situ Realtime Study of Chemical Ething Process of ¿>¿(100) Using Light Scattering // Appl. Phys. Lett., 1996, Vol.69, No.2, P.221-223

66. С. C. Speake, T. J. Quinn, R. S. Davis et al. Experiment and Theory in Anelasticity // Meas. Sei. Technol., 1999, Vol.10, No.2, P.430-434

67. F. Chmelik, E. Pink, J. Krol et al. Mechanisms of Serrated Flow in Aluminium Alloys with Pretipitates Investigated by Acoustic Emission // Acta Mater., 1998, Vol.46, No.12, P.4435-4442

68. F. Liu, M. Mostoller, V. Milman et al. Electronic and Elastic Propeties of Edge Dislocations in Si // Phys.Rev.B, 1995, Vol.51, No.23, P.17192-17195

69. Физическая акустика. Т. 4.: Применения физической акустики в квантовой физике и физике твердого тела: Ч.А / Под ред. У. Мэзона М.: Мир. 1969. 362с.

70. Г. JI. Вир, Г. Е. Пикус. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках. М.: Наука. 1972. 584с.

71. R. D. Isaac, А. V. Granato. Rate Theory of Dislocation Motion: Thermal Activation and Inertial Effects // Phys. Rev. B, 1988, Vol.37, No.16, P.9278-9285

72. Т. Судзуки, X. Есинага, С. Такеути. Динамика дислокаций и пластичность. М.: Мир. 1989. 296 с.

73. Yu. L. Iunin, V. I. Nikitenko. Dislocations Kinks Dynamics in Crystals with Deep Peierls Potential Relief // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No.l, P. 17-26

74. K. Sumino. Impurity Reaction with Dislocations in Semicoductors // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No.l, Р.11Ы22

75. S. Pizzini. Chemistry and Physics of Segregation of Impurities at Extended defects in Silicon // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No.l, P. 123-132

76. Ж. Фридель. Дислокации. M.: Мир, 1967, 644 с.

77. JI. Б. Зуев. Физика электропластичности щелочно-галоидных кристаллов. Новосибирск: Наука. 1990. 120 с.

78. В. Б. Фикс. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках (электроперенос). М.: Наука, 1969, 415 с.

79. А. М. Орлов, А. А. Скворцов, В. А. Фролов. Изменение спектра акустической эмиссии в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып.21, с.52-58.

80. Б. И. Болтакс. Диффузия в полупроводниках. М.: Физматлит, 1961, 462 с.

81. JI. Н. Лавриков, В. И. Исайчев. Диффузия в металлах и сплавах. Справочник. Киев: Наукова думка. 1987. 509 с.

82. 3. Ю. Готра. Справочник по технологии микроэлектронных устройств. Львов: Каменор, 1986. 288 с.

83. J. С. H.Spence, Н. R. Kolar, Н. Alexander. ТЕМ Imaging of Dislocation Kinks, their Motion and Pinning // J. Phys., 1997, Vol.53, No. 12, P.2325-2338

84. А. А. Скворцов, A. M. Орлов, В. А. Фролов и др. Электростимули-рованное движение краевых дислокаций в кремнии при комнатных температурах // ФТТ, 2000, т.42, вып.11, с. 1998-2003

85. В. Joos, Q. Ren. Peierls-Nabarro Model of Dislocations in Silicon with Generalized Stacking-Fault Restoring Forses // Phys. Rev. B, 1994, Vol.50, No.9, P.5890-5898

86. Q. Ren, B. Joos. Test of the Pierls-Nabarro Model for Dislocations in Silicon // Phys. Rev. B, 1995, Vol.52, No.18, P.13223-13228

M. I. Baskes, R. G. Haagland, I. Tsuji. An Atomistic Study of the Strength of an Extended-Dislocation Barrier // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 1998, Vol.6, No.l, P.9-18

S. Oberg. First-Principles Calculations of the Energy Barrier to Dislocation Motion in Si and GaAs // Phys. Rev. B, 1995, Vol.51, No. 19, P. 13138-13145

Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974, - 832 с.

Дж. Хирт, И. Лотте. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972, 516 с.