автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Электродиффузионная надежность тонкопленочного проводника на основе эпитаксиальной пленки алюминия

Л Я

^ Г >» и ^ 1

о г,ГчР и

-и И1"'

На правах рукописи

Архипов Алексей Владимирович

ЭЛЕКТРОДИФФУЗИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ПРОВОДНИКА НА ОСНОВЕ ЭШТ АКСИАЛЬНОЙ ПЛЕНКИ АЛШИЩЯ

Специальность:05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном электротехническком университете имени В.И.Ульянова (Ленина).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Мироненко И.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Яськов Д.А. кандидат технических наук, нач. лаб. АО "Светлана" Смирнов А.Д.

Ведущее предприятие - АО "Авангард", г.Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится " " 1996 г.

в _ час. на заседании диссертационного совета К 063.36.10.

Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу 197376, г.Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан V¿1 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Сеиенов Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Один из основных источников отказов интегральных схем (ИС) - отказы межсоединений или металлизации. В отлитие 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 микроэлектроники уменьшаются геометрические размеры активных и пассивных элементов ИС. Микроминиатюризация полупроводниковых 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 проявила 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 тонкопленочных межсоединений ИС. Однако эмпиричность большинства методов затрудняет использование их в задачах, повышения надежности микроэлектроп-. ной аппаратуры. Это наиболее заштно в разработке технологий субмикронного уровни 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 наработай на отказ гц от плотности тока в степени п, где п колеблется от I до 3

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 ¿ущ ИС сечением I(Г7 см2 отказы вследствие электродиффузии должны быть заметны при плотности тока 5 Ю5 А/смг. Современное развитие микроэлектроники, применение рентгеновской и ионной литографии приводит к необходимости формирования проводящих элементов, работающих с плотностями тока свыше 5 I06 VCM2. При этом время наработки на отказ пленок, для которых приведены эти данные, составит считанные часа. Следовательно, возникает задача изыскать способ увеличения времени наработки на отказ систем проводящей металлизации ИС при работе с плотностями токов до с I Ш7 A/CMz'. Эта задача тем более актуальна, что с возрастанием степени интеграции доля отказов, падающих на межсоединения в КС, несмотря на существующие метода пассивации электродайфузионноа деградации, неуклонно возрастает.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и создание тонкопленочного проводника для эксплуатации в микроэлектронных приборах при плотностях тока 1хЮ7А/см2, модели деградации и электродаффузионной надежности проводника данного вида.

Задачи исследования.

1. Исследование видов отказов токопроводящей металлизации интегральных схем и влияния различного рода повревдений металлизации на процессы электромассопереноса, разработка оптимального подхода к проблемам электродвффузионной надежности элементов коммутационной системы ИС,

2. 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.'

3. Разработка промишдышопригодного экспериментального технологического процесса формирования нового вида металлизации, обеспечивающего высокую надежность в оговоренных выше условиях.

4. Проведение испытаний, подтверждающих. надежность избранного метода пассивации электромассопереноса и физико - математической модели деградации металлизации ИС данного вида, разработанной в диссертационной работе.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на основании теории электродаффузионного. 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:

1. Предложен физический механизм электродиффузионной деградации тонкопленочных проводников (ТП) ИС на основе эпитаксиальных пленок металла (ЭШ) в результате термического воздействии.

2. Предложен вариант расчета параметров тонкопленочных проводников на основе ЭШ в процессе разрушения по электродиффузионному механизму.

3. Предложена теоретическая формула температурной зависимости плотности потока активированных ионов для злектромассопереноса в системе ЭМП.

4. Обоснована взаимосвязь электродиффузионного массоперепо-са с группой термических отказов.

5. Предложен способ значительного увеличения времени наработки на отказ систем сильноточной металлизации путем перехода к использованию в качестве материала металлизация ЭМП.

Практическая ценность. Положэния, выводы и рекомендации, полученные в работе, позволяют:

1. Оценить время наработки на отказ элементов систем сильноточной металлизации, выполненных на основе ЭМП.

2. Оценить изменение параметров тонкопленочного проводника во времени в зависимости от начальных условий эксплуатации.

3. Разработать метод визуальной диагностики электродиффузионных отказов с помощью оценки состояния коммутационной системы

в инфракрасном диапазоне.

4. Значительно повысить токовую нагрузку на элементы коммутационной системы, что обуславливает возможность применения разработанного вида металлизации в технологии субмикронного уровня.

5. Использовать разработанную методику формирования эпитак-сиальных пленок алюминия на подложках окиси магния в технологии ГИС и функциональной микроэлектроники.

.Внедрение результатов работы. Разработанная и вошаршая в диссертационную работу методика формирования апитаксиальшх алюминиевых пленок на изолирующем основании использовалась на АО "Авангард" при проведении НИР:

Г. "Исследование и разработка устройств функциональной электроники на основе многослойных сегнетоэлектрических структур";

2. "Разработка пооперационной технологии изготовления акус-тоэлектронных изделий субмикронного разрешения методами радиационной микролитографии";

3. "Создание специализированных арсенид-галлиевых оптически управляемого ключа для формирования мощных наносекундных импульсов и мэлошумящего усилителя приемника для сверхширокополосных локаторов".

Научные положения выносимые на защиту:

1. Использование эпитаксиальных пленок металла существенно замедляет электродиффузионную деградацию тонкопленочных проводников микроэлектронных приборов при эксплуатации в условиях повышенной плотности тока (до Ю/А/см2).

2. Деградация тонкопленочного проводника на основе ЭМП под действием тока большой плотности происходит по термическому механизму.

3. Важнейшим фактором диагностирования места и времени возникновения макродефекта типа трещины, приводящего к отказу ТП, является градиент температурного поля по длине проводника.

4. Рост эпитаксиальж'х пленок алюминия на подложке сиси магния осуществим при чос»1т/с> Тподл*бт°С, Рр8б=10~6Ра 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 гта1?-шэ работы: I статья, 2 депонированных рукописи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа соскедаг ив введения, четырех глав с выводами, заключения, списка ры, включающего 98 наименований, трех приложений. Основная часть работы изложена на 128 страницах машинописного текста. Работа содержит 10 таблиц, 27 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности и практической значимосга рассматриваемой задачи - увеличения надежности тонкопленочного проводника при работе с плотностями токов порядка Ю7 А/см2. Сформулированы задачи и кратко описано содержание глав диссертационной работы.

В первой главе¡содержится обзор теоретических и прикладных лработ, посвященных проблемам сильноточной металлизации и электродиффузионного разрушения проводников.

Проведенный анализ отказов позволяет определить важное значение электродиффузионного массопереноса в вопроса^ надежности ТП ИС в условиях эксплуатации при больших плотностях токов. Отмечается, что указанные плотности тока, порядка Ю6 А/см2, приводят к отказам межсоединений, выполненных по стандартной технологии, в промежутки времени, реально сравнимые или даже меньшие, чем время эксплуатации элементов микроэлектроники.

Очевидно, что для перехода к эксплуатации ТП ИС при более высоких плотностях тока необходимо увеличение степени структурного совершенства материала ТП. Такой подход позволит снизить скорость диффузионных процессов, протекающих в объеме материала, и уменьшить вероятность появления комплексов микродефектов, приводящих к нарушению условий непрерывности электродиффузионного потока, что служит причиной образования макродефектов, развитие которых определяет отказ ТП.

В соответствии с существующей теорией элвктродиффузионного массопереноса считается, что плотность потока активированных ионов (АИ) в макропара^етрах проводника определяется уравнением

•7 = "^Г е2эф а с е*Р (- Д %Г >• < 1 >

а скорость перемещения АИ

Р= и~е2зФР 3 ехр Л Н/и.}' ( 2 }

где: С - концентрация АИ; Б0 - коэффициент диффузии данного материала при I —»<»; егэф - эффективный заряд АИ; р - удельное сопротивление; 3 - плотность тока; дН - энергия активации процесса.

Опираясь на данные литературных источников и теорию электродиффузии, считаем, что наиболее радикальным методом, в данном случае, будет использование в качестве материала ТП монокристаллических пленок металла, что приведет к исчезновению ускоренных путей диффузии -типа границ зерен, а также центров зарождения макродефектов типа тройных точек.

Анализ существующих технологических процессов формирования тонких пленок металла показывает, что наиболее близкими параметрами к параметрам монокристаллических материалов обладают пленки, сформированные методом эпитаксиального роста. Это определяет выбор эпитаксиальных металлических пленок в качестве материала ТП ИС, работающих при высоких плотностях тока.

В главе также производится предварительный анализ данных о формировании ЭМП и рассматриваются общие принципы эпитаксии.

Во второй главе производится разработка физико-математической модели деградации ТП не основе ЭШ1 и рассматривается модель надежности элементов данного вида по описываемому механизму.

Анализ возможных путей переноса АИ в ЭМП показывает, что суммарный поток массы материала «1£ определяется суммой потоков переносимого вещества по объему «Гоб, по дислокациям <1д и по поверхности <1П

^ = ^б + ^д + '

Поскольку поверхностные диффузионные потоки значитетьно отличны от нуля только для слабоокислящихся материалов, а также вследствие ослабления силы электронного ветра и увеличения влияния электрического поля при приближении к поверхности, можно исключить поверхность в качестве ускоренного пути электродиффузии. Кроме того, соответственно теории псевдоморфного роста эпитаксиальных материалов, вклад поверхности раздела подложка -пленка можно ограничить дислокациями несоответствия. Такой под-

ход позволяет рассматривать только два из вероятных путей диффузии по объему и по дислокациям.

Сравнение скоростей перемещения АИ, согласно анализу уравнения (2), показывает, что в диапазоне эксплуатационных температур доминирующий путь переноса - это дислокации и в том числе дислокации несоответствия (ДН). Этот факт определяет роль дефектов данного вида в механизме электродиффузионного разрушения ЭМП.

Принимая в качестве данного, что электродиффузионный процесс остается по своей сути термоактивируемым диффузионным процессом, энергия активации которого отличается от энергии активации самодиффузии на величину И?, а перенос для металлов с гра-нецентрированной (ГЦК) решеткой осуществляется по вакансионному механизму, рассмотрим модель деградации элементов КС.

На первом этапе, при отсутствии таких важнейших стоков вакансий как границы зерен, формирование вакансионных . кластеров, микро- и макропор из пересыщенного вакансиями в момент роста пленки объема материала происходит на дислокациях. Поскольку плотность сети ДН эпитак^иальных материалов очень высока (для пары AI - MgO ss I06 см-1), считам, что релаксация избыточной концентрации вакансий происходит именно на дислокациях несоответствия, тем более, что они относятся к краевым дислокациям с вектором Бвргерса, перпендикулярным направлению движения вакансий по объему пленки.

Следовательно, по завершению первого этапа формируется металлическая пленка с болээ или менее равномерным распределением сквозных дислокационных трубок с диаметром » Ihm. При наличии в момент роста пленки избыточной концентрации вакансий на дислокациях образуются в зависимости от степени пересыщения либо шаровые микропоры, либо полузамкнутые или сквозные макропоры.

При подаче на проводник, сформированный из данного материала, постоянного или импульсного однонаправленного тока, в нем образуются два взаимозависимых равных по величине противонаправ-леных.потока Ли - активированных ионов и Jg - вакансий. Это обуславливает начало второго этапе деградации.

Согласно уравнению непрерывности электродиффуэиояного пото-

548 эС, + dlv .7 = 0

рассматриваемый процесс-не модат привести к отказу вследствие

-а-

истощения материала проводника в зоне разрушения.

Дальнейший анализ процесса позволяет выделить единственную действующую, в условиях проводника с полуидеальной структурой, причину нарушения условия непрерывности. Такой причиной моает считаться только разность условий переноса на разнонагретых участках проводника.

Действительно, любое макроповреждение проводника, нарушаю регулярности структуры, нарушение равномерности теплоотвода, технологические и конструкторские изменения сечения, а' также внешние источники неравномерного нагрева ведут к возникновению некоторого градиента температуры, что создает условие для нарушения непрерывности потока <1и и, соответственно, «1В.

В данном случае, процесс является экскалационным самоуско-рящимся. Чем больше уносится массы материала из зоны разрушения, и, соответственно, накапливается вакансий - фактической пустоты, тем сильнее разность температур вследствие выделения Джоулева тепле и тем больше различаются условия переноса.

Предлагаемся следующая схема деградации и отказа ТП иод действием тока большой плотности:

При атом очевидю, что электродиффузионный массоперенос выступает как элемент термического разрушения проводника. Форма проявления термического разрушения зависит от площади зоны разрушения и скорости нарастания процесса истощения материала.

Очевидно, что электродиффузия служит причиной возникновения избыточной концентрации вакансий в зоне разрушения, но не оказывает влияния на поглощение вакансий, которое происходит аналогично процессу, описанному на первом этапе.

За счет избыточной концентрации происходит дальнейший рост дислокационных пор, что приводит к уменьшению сечения проводника. Этот процесс можно описать, не касаясь конкретного механизма поглощения, из формального равенства чисто геометрического прироста объема поры дУц и суммарного объема поглощенных вакансий Уп.

дУц = п h tH(t)2 -Чв = 2R(t) h t

где: h - толщина пленки; R(t) - радиус поря в момент времени t; г0 - начальный радиус дислокационной поры; aJb - разность потока вакансий; V0B - объем одной вакансии.

■11 'г°2' ■ у:

1 V

где: н_ - количество поглощенных вакансий за время t.

я3

Поскольку V0B« 0,7VaT, где: VaT - объем одного атома <* /5 для ГЦК, то

7п h [R(t)z - r02}

Ne = —-g-. ( 3 )

a

1 r N_1 ,1/,

B(t) =—Г—2-1 2. ( 4 )

2 Ujb h t J .

Так как NB может быть оценено только для предельных значений R(t), то для характеристики процесса лучше воспользоваться формулой

R(t) =

п

ni - 0,56 aJjj t a3

2. ( 5 )

Таким образом, динамика деградации проводника под действием градиэнта электродиффузионного потока полностью описывается формулами 3 + 5.

Для построения модели надежности необходимо оценить зависимость плотности электродиффузионного потока, описываемой формулой (I),- от температуры и плотности тока для ЭМП. Подставляя в (I) формулы, описывающие оценочные и известные экспериментальные зависимости параметров электродиффузионного процесса от температуры, получим искомое уравнение

где: 0о - число атомов в единице объема; егэ(^ - эффективный заряд при Т—► 0; р0 - удельное сопротивление при 0; Н.-, -энергия активации при Т—► 0; дй - изменение энтропии при переходе иона в активированное состояние; г. и <*р - температурные

коэффициенты Н, гЭф и р, соответствешо.

Принимая во внимание, что в эпитаксиальной пленке перенос происходит не в плоскости расположения дислокаций, а перпендикулярно им, в уравнение вводится соотношение Харта для коэффициента диффузии И = Боб +

где: q = ^Д*/^ ; <1;д> - среднее время пребывания атома в дислокационной трубке. Коэффициент q находится в соответствии с оценкой Бокштейна. Следовательно:

X «р (-£§-)' (I + ввТ) (арТ - I). ( 6 )

к

Индексы "об" и "д" соответствуют переносу по объему и дислокациям

В диссертации рассматриваются два варианта расчета времени наработки на отказ ТП на основе ЭМП, определяющие модель надежности.

Первый вариант представляет собой частный случен, даещий-значение для оценки времени наработки на отказ при выешеэадан-ном постоянном во времени градиенте температуры. Выделением Дво-улева тепла пренебрегаем. Оценка производится по формуле, подученной из (4)

^ _ ^дд, 1

4 Д^ В2 (Ютах

гда: ЫКьУ'гр^' а "дГ линейная плот-

ность сети дислокаций.

В результате преобразований, пренебрегая слагаемым г2 р^ ввиду —»0, получим

7п1

г = __— 4ад,Тв •

При этом откаа - обрыв вследствие слияния растущих пор в единую трещину. Приведена оценка времени наработки на отказ по данному варианту ТП на основе ЭМП для трех различных значений плотностей тока.

Второй вариант представляет собой обобщенный подход к проблеме надежности ТП данного вида при разрушении по механизму аяе-ктродиффузионной термодеградации.

При атом отказом считается момент достижения в зоне разрушения температуры плавления. Основу предлагаемой системы уравнений составляет уравнения 5, 6 и уравнение распределения тепла в зоне разрушения

Первое слагаемое описывает поток тепла по пленочному проводнику с коэффициентом теплопроводности К; второе - излучение проводящей пленки через поверхность, р - коэффициент Томпсона; третье -. нергию, выделяющуюся вследствие протекания тока плотности 3 по проводнику с удельным сопротивлением р; четвертое описывает поток тепла через границу раздела пленка - подложка при рассмотрении подложки как полубесконечной массивной величины с постоянной температурой Т0, Н — коэффициент теплопередачи, Ь - толщина пленки, Т - температура пленки. Величина х определяется наш как длина переходной зоны.

Кроме того, система включает в себя уравнения, определяйте дJ как разность полных злектродиффузионных потоков (полный поток равен произведению плотности злектродиффузионного потока 3 па площадь сечения проводника Бсеч равной или в зоне разрушения ) и связи БС0Ч с радиусом растущей дислокационной порой и плотностью электрического тока:

ехр|-^| (1 + агТ) (арТ - 1);

^В

1 =

-XI - 2гоь * Рд1

*п = 3С8Ч = «ь (1 - 2 НС») рд1);

н<1) =

ГГ

. п! - 0,56 &<Т_ г а3

ч

В

К -2- - Зм— + З'р--(I - Т0) = 0.

ах2 йх й 0

с12Т ат 0 н

На атом катописание модели надежности можно считать завершенным. Расчет производится путем определения зависимости параметров проводника (Б2:1, т, от времени г.

Третья глава посвящена вопросу разработки экспериментальной методики формирования ЭМП. Опираясь на теорию псевдоморфного роста и используя оценочную формулу для размерного несоответствия ^ (?) (1) (1) (2)

■т а1 " а1 „ _ а1 + а1 х1--^- , ---—г,

где: а'^на'1' - параметры решеток соответственно подножки н пленки, определяем степень структурного согласования металлов, используемых в технологии микроэлектроники в качестве материалов ТП, и монокристаллических материалов, выпускаемых промышле-ностью, которые могут быть использована & качестве подложек в соответствии с поставленной задачей. Результаты этого анализа сведены в таблицу I.

Таблица I

^Металл . Подл>\а = [А] А1 4,0497 Аи 4,0704 Си 3,6074 •РЙ 3,8824 Р1; 3,9231 Ав 4,0779

Щ) . 4,2130 А 4,00 3,44 15,48 8,17 7.13 3,26

СаР2 ' . 5,4620 А 29,70 29,20 40,90 33,81 32,80 29,02

Ш . 4,0279 А - 0,54 - 1,05 11,01 3,68 2,64 - 1,23

БгИО,,. 3,8990 А - 3,80 - 4,30 7,77 0,43 - 0,62 - 4,49

Б1С . 4,3596 А 7,37 6,86 18,88 11,58 10,54 6,68

. 5,4297 А 29,12 28,62 40,33 33,23 32,22 28,44

Се 5,6574 А 33,12 32,63 44,25 37,21 36,21 32,45

В таблице I значения I* приведены в %; знак означает , <2> И». А

Что а^ < а1 .

Дальнейший выбор материалов производится путем наложения ограничений, представляемых базовой технологией, и требованиями, предъявляемыми к материалам подложек ГИС. В результате может быть образована серия рядов предпочтительности в соответствии с выбранным материалом пленки ели подложки. Так, для AI ряд предпочтительности выглядит следупцим образом: MgO, SrTi03, SIC, ЫР, Sl, СаР2. Для облегчения проведения эксперимента были использованы только чистые метвллн, хотя это и не является безусловным критерием. Шла избрана пара AI - MgO, имеющая 456 рассогласования.

В результате проведенного анализа эпитаксиальных технологических процессов в качестве базового избран процесс молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

На базе.стандартной экспериментальной сверхвысоковакуумной установки УСУ-4 собрана установка МЛЭ алюминия с типичной схемой, основанная на принципе тигельного испарения и создания молекулярного пучка из точечного источника с направленной апперту-рой.

Скорость осаждения материала не превышала I ш/с. Температура подложки варьировалась от 300 - 600 "С. Лучшие полученные образцы можно охарактеризовать как блочные ориентированные пленки с размером кристаллов порядка единиц микрометров (рисунок I).

рис Л 'cii и ЭГ фото образцов ЗИП AI

Рисунок I очевидно показывает, что роет пленки А1 на М£0 происходит, в указанных параметрах технологического процесса, по островковому механизму с последумцей коалесцркцией. Равномерность парамзтров пленки определялась лишь качеством поверхности подложек, равномерностью нагрева и аппертурой молекулярного источника. Максимальный размер использованных подложек 10 » 15мм.

Глава четвертая посвящена описанию эксперимента, поставленного с целью подтверждения теоретических разработок, изложенных во второй главе.

Из выращенных ранее эпитаксиальных пленок А1 на подокдазм 10 « 15 мм были сформированы тест-структуры тонкопленочных проводников с длиной 3 мм, шириной 4, 8 и 16 мкм и толщиной »0,5 мкн, что обеспечивало при последовательном включении в цепь плотности тока 2 Ю7, I Ю7 и 5 Ю6 А/см2.

Время испытания составило 1500 часов, что позволило приблизительно, с заданной доверительной вероятностью, оценить время наработки на отказ для каждого вида элементов. Условия, при которых проводились эксперименты, - лабораторные. Тершстатирова-ние, учитывая термический характер возникновения повреждений, не проводилось. Отказов вследствие электродиффузионного истощения массы проводника не зафиксировано. Наблюдаемые отказы были вызваны технологическими причинами в основном в контактах, обеспечивающих включение элементов тест-структур в цепь.

Учитывая только элементы без повреждений, прошедшие испытания, по формуле

г =

п

21 П ^ 1=1 а

Го

где: п - размер выборки; ^ - время непрерывной нагрузки; г0 -коэффициент, согласно принятой доверительной вероятности Р -0,8, было определено оценочное время безотказной работы 1;. Оно составило 23500, 31000 я 29000 часов, соответственно вышеприведенным типоразмерам пленки.

Паралельно проведен эксперимент с аналогичными тест-структурами полшсристалличвского алюминия на ситалловой подложке. Можно считать доказанным, что, при прочих равных условиях, время наработки на отказ этих образцов измеряется десятками часов, а для плотности тока 2хЮ7А/см2 оно составило менее 10 часов.

В главе таетгэ рассматривается теоретический расчет, произведенный согласно представленной в главе второй системе нелинейных уравнений. Были произведены расчеты параметров процесса температуры I, площади сечения в зоне разрушения Бсеч и плотности тока 3 в зависимости от времени наработки г.

Расчеты показали, что изменение параметров на начальном этапе происходит постепенно и плавно, затем нарастание изменений ускоряется и переходит в лавинообразную фазу. Дальнейшие изменения происходят практически мгновенно в-реальном масштабе времени. За время отказа принимается момент лавинообразного ускорения процесса. Теоретическая оценка времени наработки на отказ для начальной плотности тока 2 Ю7 А/см2 близка к экспериментальной и равна * 35000 часов. При меньшей плотности тока время наработки на отказ.при разрушении по данному механизму практически не ограничено.

Анализ результатов эксперимента подтвервдает предложенную модель деградации и возможности модели надежности по оценке времени наработки на отказ ТП на основе ЭМП.

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в результате проведенной работы.

1. Разработаная модель электродиффузионной деградации ТП ИС на основе ЭМП описывает истощение материала пленки вследствие нарушения непрерывности потока АИ в результате формирования различных условий переноса на разнонагретых участках проводника.

2. Разработаная модель надежности ТП ИС позволяет оценить зависимость параметров проводников данного вида в зоне разрушения от времени с учатом динамики изменения температур в системе подложка - пленка. Оценка времени наработки вд-отказ производится по полученным зависимостям в соответствии с принятым критерием отказа.

3. С использованием оценочных и эмпирических формул получена теоретическая температурная зависимость плотности электродиффузионного потока активированных ионов. Конечная формула адаптирована для электромассопереноса в системе ЭМП.

4.Обоснована взаимосвязь электродиффузионного массопереноса с группой термических отказов. При наличии в цепи постоянного или импульсного однонаправленного электрического тока ни одах термический олсаз не происходит без злскгродМфузионного массопереноса. Наиболее вероятным м.ехандзмон образован«« иакродо-

фекта типа трещины можно считать релаксацию внутренних напряжений пленки при достижении в зоне разрушения температуры близкой к температуре плавления.

5. Предложений вариант использования в качестве металлизации НС эпитаксиалъных плевок металла позволяет значительно увеличить время наработки на отказ элементов коммутационной системы ври работе с плотностями токов порядка I07 А/Ск|2.

6. Опытная методика формирования эпитаксиалъных пленок алюминия на подложках окиси магния может быть использована в технологии ГИС для формирования ТП, работающих при плотностях тока свыше Ю6 А/см2. Или в системах, требующих повышенного уровня надежности при временах наработки на отказ более 10 лет непрерывной работы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРИАВДИ

1.Архипов -A.B. Баканов Г.Ф. Сравнительная .оценка надежности системы металлизации интегральных схем на основе монокристаллических пленок / Изв. ЛЭТИ: Сб. науч. тр.// Ленингр. влектротехн." ИН - Т. - Д.,1992. г ВЫП. 448.- C.25.

2.Архипов A.B. Баканов Г.Ф. Механизм элэктродиффузионного разрушения тонкопленочных монокристаллических проводников - деп. в ВИНИТИ J4 1633 - В93 / СПбГЭТУ, СПб., 1993.

3.Архипов A.B. Баканов Г.Ф. Казак-Казакевич А.З. Энитаксиаль-ный рост кввзимонокристаллической алюминиевой' пленки на монокристаллической подложке из окиси магния - деп. в ВИЮТ № 830 -В94 / СПбГЭТУ, СПб., 1994.

Подписано к печати 14.03-96. • формат 60 84 1/16 Офсетная печать. Печ.л. 1.0 уч.-изд.л. 1.0. Тираж 100 акз. Зак.А» 52

Ротапринт МГЦ "Поликом" 19.376, Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова, 5