автореферат диссертации по электронике, 05.27.07, диссертация на тему:Разработка методики оценки допустимых уровней дефектности тонких металлических пленок (применительно к сборке ИС в полимерные корпуса)

Г'ГЭ УЯ

6 / ЛНЗ 2000

На правах рукописи

Тыщишин Василий Васильевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ДОПУСТИМЫХ УРОВНЕЙ

ДЕФЕКТНОСТИ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК (ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СБОРКЕ ИС В ПОЛИМЕРНЫЕ КОРПУСА)

Специальность 05.27.07~0борудование производства электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1999

Работа выполнена в Московском Государственном институте электронной техники (техническом университете).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кузнецов O.A.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Тимофеев D.H.

кандидат технических наук Закиров Р.Г.

Ведущее предприятие: НИИ "Гелий"

Защита состоится "_"__1999 года на заседании

диссертационного совета Д.053.02.04 Московского государственного института электронной техники (Технического университета) - МПИЭТ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ (ТУ).

Отзывы на автореферат просьба отправлять по адресу: 103498, Москва, К-498, МГИЭТ (ТУ).

Автореферат разослан "_"_1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ПШо'*! Л. И. И о гало и

Ii

hш. -т.03-1с . о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

/Актуальность проблемы.

До настоящего времени отсутствует системный подход к проектированию технологического процесса изготовления ИС, что снижает его эффективность и затрудняет переналадку при частой смене номенклатуры изделий. Проблема осложняется тем, что при разработке техпроцесса изготовления ИС недостаточное внимание . уделяется дефектности структуры исходных компонентов, которая оказывает существенное влияние на выход годных изделий. Широкое использование металлизированных металлических подложек при изготовлении НС делают актуальной проблему снижения уровня дефектности металлических тонких пленок. Одним из путей решения этой проблемы является оптимизация режимов нанесения пленок с учетом дефектности структуры металлических тонких пленок.

Практически никогда не удается избежать дефектов при получении металлических пленок. Поэтому решение проблемы разбивается на два этапа: определение допустимых уровней дефектности металлических пленок, при которых сохраняются ее необходимые технологические и эксплуатационные свойства; оптимизация технологических режимов изготовления кленок с учетом дефектности металлических пленок.

Цель работы. Целью диссертационной работы являются теоретические и экспериментальные исследования дефектности пленок, построение на их основе моделей дефектов и создание методики определения допустимых уровней дефектности гонких металлических пленок, используемых при сборке ИС.

Достоверность результатов. Достоверность разработанных меюдик и моделей обосновывается достаточным совпадением теоретических и экспериментальных данных полученных в результате проведенных экспериментов и экспериментальных данных из других литературных источников.

На защиту выносятся:

• методика определения допустимых уровней дефектности тонких металлических пленок;

• анализ влияния технологических параметров на формирование микропор в структуре пленки.

" Научная новизна.

• В работе впервые проведен комплексный анализ технологических факторов и физико-химических свойств материала пленки, воздействующих на пористость пленок.

• Созданы математические модели, описывающие влияние технологических и эксплуатационных факторов на эволюцию и трансформацию дефектов на различных стадиях жизни дефектов. .

• Получены закономерности описывающие влияние технологических и эксплуатационных факторов на параметры дефектов их эволюцию и трансформацию на различных стадиях жизни дефектов.

Практическая значимость.

• Разработана методика определения допустимых уровней дефектности тонких металлических пленок, используемых при сборке ИС.

• Разработана компьютерная программа моделирования дефектов, которая может использоваться при оценке допустимых уровней дефектности в пленках.

• Даны рекомендация по улучшению качества тонких пленок, используемых при сборке ИС.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы использовались в научно-исследовательских работах, выполненных на кафедре технологии приборо~ и машиностроения в рамках госбюджетных тем:

- "Основы оптимизации режимов техпроцесса сборки ИС с учетом дефектности структуры металлических пленок, нанесенных на металлические подложки", 640-ГБ-53-Б-ТПМ в период с 01.01.96 по 31.12.96г.

- "Основы оптимизации технологических процессов посадки кристаллов и герметизации ИС полимерными компаундами по критериям механической устойчивости соединений их элементов", 766-ГБ-53-Б-ТПМ в период с 01.01.97 по 31.12.97г.

- "Теоретические основы моделирования физико-механических процессов в пограничных зонах соединений СБИС", 881-ГБ-53-Б-Г1Э в период с 01.01.98 по 31.12.98г.

в лекционном материале по курсу "Технология приборостроения" в МГИЭТ (ТУ).

! Результаты диссертационной работы в виде методики оценки допустимых уровней дефектности тонких металлических пленок использовались при отбраковке полупроводниковых интегральных микросхем серии К-561, КР1561 на стадии входного контроля на предприятии "Винницкий ламповый завод" г.Вишшцы. Годовой экономический эффект от внедрения на 1999 год составил 100 гыс. рублей. На протяжении с 1997 по 1999 год при совместном

техническом сотрудничестве с НИИ "Гелий" г.Винницы была опробована методика оценки допустимых уровней дефектности тонких металлических пленок при отбраковке мощных МДП, У— ДМОП, ВСИТ транзисторов на стадии входного контроля. Годовой экономический эффект от внедрения на 1999 год составил 150 тыс. рублей.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника и информатика-97"(Москва, 1997), на межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-96" (Москва, 1996) и "Микроэлектроника и информатика-97" (Москва, 1997), на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-98" (Москва, 1998), "Микроэлектроника и информатика-99" (Москва, 1999).

Публикации.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 4 статьях, 5 тезисах научных докладов и 3 научно-исследовательских отчетах.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 129 страницах машинописного текста и иллюстрируется 47 рисунками и 1 таблицей к основному текс|у, список литературы включает и себя 102 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулирована цель работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзор литературы, посвяшенной исследованиям структурной дефектности в тонких металлических пленках. Анализ научно-технической информации по вопросу возникновения структурной дефектности в тонких металлических пленках показал, что структурная дефектность возникает как в структуре пленки, так и в области переходной зоны пленка-подложка на различных стадиях роста пленки и зависит от режимов нанесения пленки и физико-химических свойств пленки и подложки. Установлено, что дефектность структуры пленки оказывает существенное влияние на механические и электрические свойства пленки. Снижение дефектности в пленках и повышение качества пленок требует постановки дополнительных исследований процессов возникновения и развития дефектов, а также влияния параметров технологического процесса получения пленок на их эксплуатационные свойства.

В ряде работ были исследованы зависимости плотности макроскопической пористости от следующих технологических факторов: толщины металлической пленки, температуры подложки по время конденсации, скорости конденсации, температуры и времени отжига. В данных работах не исследовалось влияние давлении остаточного газа на пористость в пленке и не проводился комплексный анализ нлияния технологических факторов и фншко-

химических свойств материала пленки, воздействующих на процессы возникновения и роста пор в пленке. Приведенный обзор и анализ научно-технической литературы показал, что в представленных научных работах не рассматривался вопрос трансформации дефектов в процессе изготовления и в процессе эксплуатации изделий.

На основе проведенного анализа поставлены следующие задачи исследования:

1.Разработать методику оценки допустимых уровней дефектности.

2.Исследовать дефекты в металлических тонких пленках.

■ 3.Исследовать влияние технологических факторов на дефектность структуры пленок.

4.Теоретически исследовать влияние физико-химических свойств материала пленки на дефектность структуры пленок.

5. Дать практические рекомендации для обеспечения минимальной дефектности металлических тонких пленок при их изготовлении.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию дефектов в пленках. Исследовано влияние технологических факторов и физико-химических свойств материала пленки на:

-критический радиус и скорость образования сферических пор;

-напряжения в пленке, возникающие вследствие несовпадения параметров кристаллических решеток пленки и подложки, и их влияние на возникновение и развитие трещин в пленке.

В кристаллических твёрдых телах процесс зарождения и развития пор объясняется в основном механизмом диффузии "конденсации" вакансий из пересыщенного ими кристалла. Если в

кристалле сущест ует неравновесная концентрация вакансий Е,,

Рис. I. Макроскопические поры в пленке 1 - плбнка; 2 - подложка; 3 - поры

которая превосходит равновесную то такая система может

рассматриваться как пересыщенный раствор вакансий.

Поглощение избыточных вакансий внутренними неоднородностями приводит к образованию в плёнке макроскопических пор (рис.1). Это явление носит название "эффект Френкеля". Эффект Френкеля заключается в зарождении и росте пор вследствие диффузионного перемещения и коагуляции вакансий в кристаллических телах с избыточным содержанием вакансий.

Критический радиус ИСф сферической поры определяется по формуле:

И

2о

еф

кТ

(1)

-1п

где

Е=_рМ- (2)

4 УасРу/2пМг11Т

кТ У

^о =пехр -——— (3)

где КСф~ критические радиус сферической поры, при котором

устанавливается равновесие между процессом "залечивания" и процессом роста поры; О - удельная свободная энергия границы

раздела плёнка-вакуум; удельное (отнесенное к единице

объёма); изменение термодинамического потенциала "раствора"

вакансий при образовании поры единичного объёма; - объём

вакансии; к - постоянная Больцмана; X - температура плёнки; ^ -

Неравновесная концентрация вакансий; £,0 - равновесная

концентрация вакансий; П - число атомов в единице объёма

кристалла; 110 - энергия образования одиночной вакансии; 80 -

локальное изменение энтропии, связанное с образованием одиночной вакансии.

100 200 300 400 500 600 700 800 ^ Т, к

Рис.2.Теоретическая зависимость от температуры подложки Т и давления остаточного газа а вакуумной камере р

Скорость образования зародышей пор минимального саерхкритического размера сферической формы (надкритических зародышей пор) определяется по формуле:

АСгсф + Ц кТ

(2)

где

и - энергия активации диффузии вакансий; Г - частота тепловых колебаний вакансий; В - расстояние между двумя соседними положениями вакансий в решётке кристалла плёнки; Некритический радиус макроскопической поры, ДС^ф- работа обртования критического зародыша.

1.п(1),1/с

1.Е+41 Т 1.Е+31 • • 1.Е+21 1.Е+11 ■ -1.Е+01 ГЕ-ОЭ^о 1,Е-19 • 1.Е-29«• 1.Е-39 • • 1,Е-49 1.Е-59

—Рост=0,01Г1а —15—Рост=1,1Па

Рис.3. Теоретические зависимости скорости образования критических зародышей от температуры подложки и остаточного давления в вакуумной камере при осаждении пленки

Теоретические исследования пористости пленок показали, что при нанесении пленки на подложку на пористость пленки оказывают влияние технологические факторы (рис.2, рис.3) и физические параметры используемых материалов. Важным параметром процесса осаждения металлических пленок в вакууме является степень разрежения в камере, определяющая содержание примесей в растущей пленке. Давление остаточного газа оказывает влияние на неравновесную концентрацию вакансий в пленке, а также на скорость образования надкритических пор. При понижении давления остаточного газа -в камере в лленке снижается концентрация пор и уменьшаются размеры пор вследствие истощения ресурсов (вакансий), необходимых для роста макропор, одновременно понижение давления вызывает увеличение критического радиуса макропор.

Температура подложки влияет на критический радиус

зарождающихся пор. Причем изменение температуры может вызывать как увеличение, так и уменьшение критического радиуса поры, в зависимости от давления остаточного газа. Это объясняется влиянием давления остаточного газа на неравновесную концентрацию вакансий в пленке и, следовательно, на величину удельного изменения термодинамического потенциала "раствора" вакансий при образовании поры единичного объема.

Температура подложки также влияет на скорость образования макропор. Понижение температуры вызывает снижение метастабильной равновесной концентрации зародышей пор критически): размеров и замедление скорости роста пор, что создает условия для возникновения более крупных пор, но с меньшей концентрацией этих пор в объеме пленки.

Скорость осаждения пленки влияет на неравновесную концентрацию вакансий в пленке. Увеличение скорости осаждения пленки с одной стороны уменьшает неравновесную концентрацию вакансий в Пленке из-за уменьшения отношения давления остаточного газа к давлению пара металла над подложкой в процессе нанесения пленки, с другой стороны при значительном увеличении скорости осаждения наблюдается захват и "замуровывание" молекул остаточного газа в пленке.

Кроме технологических параметров на структуру пленки оказывают влияние физические параметры пленки и подложки. Так несоответствие параметров решетки пленки и подложки вызывает деформацию и напряжения в пленке, величина которых уменьшается с увеличением толщины пленки. Возникающие в пленке макропоры -являются концентраторами напряжений (рис.4 и рис.5) и могут вызывать появление трещин в направлении, перпендикулярном

плоскости пленки. Для снижения деформации и напряжений в зоне взаимодействия пленки и подложки необходимо использовать промежуточный слой из материала с подходящими физическими параметрами.

ьШШи

Рис.4. Эпюры радиальных напряжений при одноосном растяжении пленки с отверстием

Рис.5. Эпюры радиальных напряжений во всесторонне растягиваемой пленке с отверстием

Проведенные исследования позволили создать методику, предназначенную для определения допустимых уровней дефектности металлических пленок, используемых при сборке ИС. Методика может быть использована на стадии проектирования, отработки и оптимизации параметров техпроцесса сборки ИС.

Методика определения допустимых уровней дефектности металлических пленок, используемых при сборке ИС.

1.На основе данных структурного анализа или функциональных нарушений в пленке выполнить описание дефекта.

2.Классифицировать дефект и установить соответствующий вид дефектности.

3.Установить возможные причины возникновения дефектов и этапы техпроцесса на которых они появляются.

4.Определить влияние дефекта на критичные параметры (КП) пленки (электропроводность, напряженность в пленке, адгезия и т.д).

5-Определить дальнейшее поведение дефекта в процессе эксплуатации изделия (залечивание, стабильное состояние, развитие и рост) путем построения моделей и проведения экспериментов.

6.Определить область допустимых значений (ОДЗ) КП пленки.

7.Определить изменения КП пленки в результате поведения дефекта в процессе эксплуатации изделия.

8.При выходе любого из КП пленки за границы ОДЗ в результате поведения дефекта в процессе эксплуатации - определить параметр дефекта, приводящий к выходу КП за границы области ОДЗ.

9.Исходя из определенного раннее поведения дефекта в процессе эксплуатации изделия - определить допустимый уровень для

данного параметра дефекта при изготовлении пленки.

Пример использования методики.

1.При проведении структурного анализа изготовленной пленки в структуре пленки были обнаружены макроскопические поры, а на поверхности пленки сквозные поры.

2.Поры являются дефектами, вызванными неоднородностью микро и макроструктуры пленки.

3.Возможными причинами возникновения пор в пленке могут являться:

1)"бомбардировка" растущего слоя макроскопическими частицами испаряемого вещества, которые вылетают из тигля;

2)загрязнения на поверхности подложки;

3)поглощение остаточных газов пленкой во время конденсации;

4)диффузионно-вакансионные процессы образования пор.

4.Критичным параметром в данном примере является отсутствие сквозных пор.

5.Путем построения моделей и проведения экспериментов определено, что в процессе эксплуатации порам свойственно увеличение размеров, либо стабильное состояние.

6.0ДЗ определяется , требованием получения пленок без сквозных пор.

7.Установлено, что в процессе эксплуатации изделия порам свойственно расти, следовательно, при эксплуатации изделий возможно образование сквозных пор.

8.Образованию сквозных пор способствует содержание в пленке остаточного газа. Поэтому причиной, приводящей к выходу

КП за границы ОДЗ (отсутствие сквозных пор), является содержание остаточного газа в пленке.

9.Содержание остаточного газа в пленке ^ определяет количество и размеры пор в пленке. Требование отсутствия сквозных пор в пленке площадью в и толщиной Ь дается выражением:

<4>

допустимый уровень для 4 ПРН изготовлении пленки определяется выражением:

- 4 ГЬ 5<зЧг)

(5)

Третья глава посвящена экспериментальному подтверждению данных, теоретически полученных во второй главе. Приведено описание методики эксперимента и технического обеспечения экспериментальных исследований, проведенных экспериментов, полученных результатов и их сравнение с теоретически полученными данными. Экспериментальные данные по величине пористости в пленках алюминия подтверждают теоретические расчеты.

Основные результаты и выводы по работе

1. В тонких металлических пленках, полученных испарением в вакууме, в частности в пленках алюминия, возникает множество дефектов, в том числе и пор, образующихся путем диффузии и конденсации неравновесных вакансий, растущих вне "тени" друг друга.

2. Моделирование дефектов позволило описать механизмы возникновения и развития пор в тонких металлических пленках.

3 В результате моделирования, теоретических и экспериментальных исследований процессов зарождения и развития макронор в пленках выявлено, что:

1) на величину пористости в пленке влияют:

а) параметры техпроцесса нанесения пленки

- давление остаточных газов;

- температура подложки;

- скорость осаждения пленки;

б) материал пленки и состав остаточных газов.

2) на процесс возникновения пор в пленке влияют:

а) физико-химические свойства материала пленки

- число атомов в единице объема кристалла;

- поверхностная энергия материала пленки;

-энергия образования одиночной вакансии;

- локальное изменение энтропии, связанное с образованием одиночной вакансии;

б) параметры, перечисленные в пункте 1;

3) на скорость образования зародышей пор минимального свсрхкритичсского размера и процесс развития и роста пор в пленке влияют:

а) физико-химические свойства материала пленки

- работа образования зародыша сферической формы критических размеров;

- энергия активации диффузии вакансий в пленке;

- коэффициент диффузии вакансии в пленке;

- шаг кристаллической решетки материала пленки;

б) параметры, перечисленные в пункте 2.

4. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований определено, что большую опасность для ИС могут представлять поры, образующиеся в тонкопленочных металлических проводниках в процессе эксплуатации приборов.

5. Повышение температуры и электродиффузия стимулируют процессы возникновения и роста пор в готовых изделиях в процессе эксплуатации.

6. Возникновение пор в пленке в результате коагуляции избыточных вакансий в процессе эксплуатации является следствием неоптнмальных режимов техпроцесса при нанесении пленки.

7. Снижению пористости в пленке способствуют:

- снижение давления остаточных газов при

нанесении пленки;

- применение газов и материалов пленок слабо

взаимодсПсз в>юших друг с другом.

8. Предложенная методика оценки допустимых уровней дефектности структуры металлических пленок, доказывает возможность оценки качества изделий на промежуточных этапах изготовления ИС и прогнозирование возникновения и развития дефектов в пленках.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1.0.А.Кузнецов, Л.Д.Крылова, В.В.Тыщишин. Адаптация технологии сборки микросхем в полимерных корпусах для варианта, исключающего золото. Отчет по НИР, Москва, МИЭТ, 1996 - с. 41. 2.0.А.Кузнецов; • Л.Д.Крылова, В.В.Тыщишин. Основы оптимизации технологических процессов посадки кристаллов и герметизации ИС полимерными компаундами по критериям механической устойчивости соединений их элементов. Отчет по НИР, Москва, МИЭТ, 1997 - с. 75. 3.0.А.Кузнецов, Л.Д.Крылова, В.В.Тыщишин. Теоретические основы моделирования физико-механических процессов в пограничных зонах соединений элементов СБИС. Отчет по НИР, Москва, МИЭТ, 1998 -с.47.

4.Кузнецов O.A., Назаров Г.В., Тыщишин В.В. Оптимизация параметров техпроцесса ультразвуковой микросварки при сборке ИС с учетом дефектности структуры металлической пленки. Под ред. КандыбыП.Е. М.:МИЭТ 1998.

5.0.А.Кузнецов, В.В.Тыщишин. Общие принципы моделирования технологического процесса сборки ИС. Сборник научных трудов под ред. Кандыбы П.Е. Москва, МИЭТ 1998.

б.0.А.Кузнецов, В.В.Тыщишин. Математическое моделирование дефектов металлических пленок. Сборник научных трудов нод ред. Кандыбы П.Е. Москва, МИЭТ 1998.

7.Кузнецов O.A., Тыщишин В.В. Влияние состава газовой среды на свойства металлических пленок в процессе вакуумной конденсации. Сборник научных трудов под ред. Кандыбы П.Е. Москва, МИЭТ 1998.

в.Тыщишин В.В. Анализ влияния конструктивных особенностей оборудования и режимов техпроцесса нанесения тонких пленок на дефектность структуры пленок. Межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-96" Москва, МИЭТ, 1996, стр.120.

9.Тыщишин В.В. Определение допустимых уровней дефектности металлических тонких пленок с помощью моделей возникновения и поведения дефектов. Вторая Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Электроника и ииформатика-97". Москва, МИЭТ, 1997, стр.199. Ю.Тьицищин В.В. Применение пленок силицидов металлов в технологии изготовления СБИС. Межвузопская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-97". Москва, МИЭГ, 1997, стр.167.

11.Тыщишин В.В. Моделирование дефектов в металлических тонких пленках. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция . студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-98". Москва. МИЭТ, 19S8, стр.230.

12.Тыщишин В.В. Возникновение и развитие трещин в тонких металлических пленках. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника •и информатнка-99". Москва. МИЭТ, 1999, стр.228.