автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Тепловой удар в системах металлизации на кремнии при импульсных токовых воздействиях

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Пирогов Александр Васильевич

Тепловой удар в системах металлизации на кремнии при импульсных токовых воздействиях

Специальность 05.27.01 Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор технических наук,профессор ОРЛОВ A.M.

Ульяновск - 1999

Оглавление

1. Введение 4

2. Состояние вопроса и задачи исследования 6

2.1. Методы решения задач теплопроводности...........7

2.2. Импульсное токовое воздействие на многослойные тон-кошгеночные системы........................................9

2.3. Электроперенос..............................................11

2.4. Массоперенос примеси в полупроводниках с участием жидкой фазы..................................................14

2.5. Генерация звука в полупроводниковых структурах при импульсном токовом возмущении..........................15

3. Температурный режим работы многослойных структур на при импульсных токовых воздействиях 20

3.1. Методика проведения эксперимента .......... . 21

3.1.1. Описание экспериментальной установки..........21

3.1.2. Подготовка образцов . . ...........................23

3.1.3. Измерение толщины диэлектрических слоев . . 26

3.2. Анализ процесса нагрева проводников импульсом тока 33 3.2.1. Нагрев термоизолированного проводника .... 34

3.2.2. Однородная теплоотводящая среда................36

3.2.3. Динамика нагрева многослойной структуры . . 41

3.3. Учет нелинейных свойств теплоотводящей среды ... 46

3.4. Двумерное приближение процесса теплообмена..........49

3.5. Разрушение металлизации..................................56

4. Ультразвуковые колебания в полупроводниковых

структурах порожденные тепловым ударом

4.1. Методика проведения эксперимента...........

4.1.1. Методы регистрации механических колебаний .

4.1.2. Методика калибровки пьезодатчиков ......

4.2. Собственные колебания пластины ............

4.3. Колебания при различных условиях возбуждения . . .

4.3.1. Общий подход к анализу спектров механических колебаний.......................

4.3.2. Спектральные характеристики колебаний при механическом ударе................. 79

4.3.3. Спектральные характеристики колебаний, порожденных термоударом.............. 82

4.3.4. Зависимость энергетических и спектральных характеристик механических колебаний от плотности тока................... 91

4.3.5. Характеристики колебаний при сверхкритических плотностях тока. Структуры алюминий -кремний ....................... 93

4.3.6. Характеристики колебаний при сверхкритических плотностях тока. Структуры алюминий -кремний с подслоями ................101

61

62 62 71 73 77

77

5. Основные результаты и выводы 105

Литература 107

А. Программа сопряжения RS232 - КОП 120

Б. Условные обозначения 135

1 «Введение

Стабильность работы изделий микроэлектроники во многом определяется стабильностью металлизации и контактных областей [1]-[6], что особенно важно при постоянном уменьшении размеров кристалла и его рабочих объемов [1, 15]. Известно, что повышение температуры приводит к ускорению деградационных процессов [2, 6, 12, 21] в полупроводниковых структурах и это повышение в первую очередь связано с выделением джоулева тепла [16].

Ускорение деградационных процессов под действием постоянной во времени температуры достаточно хорошо изучено [16] , однако влияние нестационарных тепловых полей на надежность полупроводниковых приборов изучено недостаточно полно, эти поля возникают при прохождении импульсов тока через проводники. Локализация тепловыделения определяется электрофизическими свойствами материалов, структурными свойствами контактных областей и плотностями протекающих токов, причем импульсное тепловыделение (тепловой удар) оказывает двоякое действие на надежность полупроводникового прибора. С одной стороны, значительный рост температуры может привести к образованию расплава, с другой стороны под действием теплового расширения в объеме кристалла возникают механические колебания и, следовательно, механические напряжения, которые вызывают локальное изменение электрофизических параметров полупроводника.

При превышении определенного порога по механическим напряжениям в объеме чипа происходит образование дефектов кристаллической структуры, которые со временем сливаются в макротрещину. Это явление особенно явно будет проявляться в области контактов разнородных материалов, например: металл - металл, металл - полупроводник, диэлектрик - полупроводник и металл - диэлектрик, поскольку эти области насыщены точечными и линейными дефектами.

Следовательно, для повышения надежности приборов необходимо установить закономерности изменения температуры проводников под действием протекающего тока. Это позволит корректно выбрать допустимые плотности токов в импульсных режимах и оценить характеристики механических напряжений в объеме кристалла, вызванных термическими напряжениями.

2.Состояние вопроса и задачи исследования

В зависимости от поперечного сечения проводников, использующихся в изделиях микроэлектроники, ограничивается и максимально допустимый ток. Максимальная плотность тока в маломощных приборах лимитируется сокращением срока службы из -за процессов электропереноса, а в мощных-величиной рассеиваемого джоулева тепла [59, 12, 13]. Плотности токов, проходящих через межсоединения, в рабочих режимах достигают 107 — 1011 А/м2, причем с увеличением степени интеграции увеличиваются и плотности токов. Нижняя граница приведенного диапазона относится к мощным полупроводниковым приборам [10, 22], а верхняя к сверхбольшим интегральным микросхемам (СБИС) [14, 11]. Следует отметить, что повышение температуры ускоряет процессы массопереноса. Это повышение может быть вызвано джоулевым теплом.

В подавляющем большинстве работ температура как фактор, оказывающий влияние на процессы деградации параметров приборов, рассматривается как постоянная во времени величина. В немногочисленных работах, посвященных оценкам максимальных токов в импульсном режиме, приводятся достаточно грубые приближения [2, 22, 23, 24].

Перегрев локальных областей при токовых нагрузках и появление

оплавленных зон [18, 19, 21, И, 22, 25] приводят к необратимым изменениям в полупроводниковых приборах и, как следствие, их выходу из строя. По данным [6, 4, 59], таковыми областями являются слои металлизации и контакты металл-полупроводник.

Очевидно, что вопрос о контроле тепловых процессов, происходящих в полупроводниковых приборах, представляет практический интерес. В [12] приведена сводка используемых методов. В основном, они основаны либо на непосредственном измерении температуры, либо на измерении параметров приборов, зависящих от температуры. В настоящей работе в качестве перспективного метода рассматривается контроль за перегревом локальных областей, основанный на регистрации акустических колебаний, порожденных нестационарными тепловыми процессами.

Таким образом, надежность межсоединений в изделиях микроэлектроники связана с процессами выделения и передачи тепла, контактным плавлением, электронереносом в твердой и жидкой фазах. Актуальными являются также вопросы, посвященные контролю этих процессов.

2.1. Методы решения задач теплопроводности

Если пренебречь затратами энергии на деформацию тела, связанную с изменением его температуры, и конечной скоростью распространения тепла [42, 84], то связь между температурой точек тела, его теплофизическими параметрами и плотностью источников тепла для изотропной среды описывается уравнением теплопроводности

С(М, Г)§ = сИА(М, Т)&а,6Т(М, *)] + ?(М, Г) = 0, (2.1)

где Т ~ температура; I - время; С - теплоемкость в точке М\ д -плотность источников тепла; Л - температуропроводность.

Методы решения по общим признакам можно разделить на аналитические и численные.

Аналитические методы позволяют получить функциональные зависимости распределения температуры и проанализировать влияние различных факторов. Численные методы дают значения температуры в некоторых заданных точках тела в фиксированные моменты времени.

Возможности точных аналитических методов ограничены решением линейных задач теплопроводности, когда теплофизические характеристики материала не зависят от температуры, а граничные условия выражаются линейной комбинацией температуры и ее градиентов на поверхности. Точное решение для одномерных линейных уравнений типа ( 2.1 ) можно получить методом Фурье или эквивалентным ему, но более универсальным методом интегральных преобразований [42, 70]. Известные в настоящее время аналитические решения нелинейных задач ограничены небольшим классом функциональных зависимостей нелинейных параметров от температуры [42, 40] и мало пригодны для использования в интересующих нас условиях.

Следовательно, для применения точных методов решения уравнения теплопередачи необходимо допустить ряд упрощений. В работе [40] приведено решение задачи о нестационарной теплопередаче через слой термоизоляции при заданных через плоские ограничивающие поверхности тепловых потоках. Это решение можно использовать для описания температурных режимов в слое диэлектрика таких систем, как металл - диэлектрик - полупроводник.

Вычислительные методы, в отличие от аналитических, не дают наглядного представления о том, как будет изменяться решение задачи при смене условий. Однако численные методы возможно приме-

нить к значительно большему классу задач о передаче тепла. Значительное число работ посвящено численному моделированию температурных полей, возникающих при работе полупроводниковых приборов, Укажем на некоторые из них, В работе[7] рассматривается самосогласованная задача разогрева биполярных транзисторов, выполненных на гетеропереходах AlGQ.AsfGQ.As, Авторами [8] произведено сравнение расчетных и измеренных температурных полей в структурах "кремний на изоляторе". Измерение температуры производилось специально сформированными термопарами, К отличительным особенностям структур следует отнести наличие скрытого окисного моя, В [9] произведены результаты моделирования нестационарного температурного поля и сравнение его с экспериментальными данными; напученными для специально сформированных тестовых структур. Показано изменение температуры при вариациях расстояния между тепловыделяющими элементами.

2*2* Импульсное токовое воздействие на многослойные тонкопленочные системы

В работе [16] произведен анализ механизмов генерации тепла в мощных биполярных транзисторах, Авторами показано, что основными механизмами являются джоулево тепло и рекомбинация носителей как в статическом, так и в динамическом режимах, Поскольку скорость рекомбинации в области контактов металл - полупроводник значительно превышает объемную [66], а плотности токов в дорожках металлизации могут превышать плотности токов, протекающих в объеме полупроводника, то становится очевидным актуальность определения динамики изменения температуры металла.

Однако;вопрос о взаимосвязи величины плотности тока и длитель-

ноети импульса освещен недостаточно подробно. Найденные нами источники дают очень приближенные оценки.

В работе [17] приведено сравнение устойчивости к электромиграции А1™0,5 % См металлизации при протекании импульсного и постоянного токов и показано, что при одинаковых эффективных значениях тока в неовом случае соок службы меньше. Авторы связывают

1 А V А

это явление с ускорением процессов диффузии во время протекания импульсов в связи с повышением температуры из-за саморазогрева.

Протекание импульсов тока значительной величины может приводить к деградации параметров изделий микроэлектроники. В работе [24] установлена связь между величиной обратного тока 1д перехода база - эмиттер и параметрами импульса, пропускаемого через переход в обратном направлении;

/л - С/1-8**)0'5, (2.2)

где I - ток, пропускаемый через переход; - длительность импульса.

ТТгш яття.сгхттрлткшлпг ирлшчитгяу тока. ипямпжнп пяг.плга.шгр!тгар. ттпп-

л-а. дм л. ууа л.л. с- и л.&дм*.'» а. 4. «и л-а. а. -и- «'лига-.-алла V

водников. В работах [54. 55] приводится оценка максимального тока

предшествующего плавлению:

т - (сгуТт\0 5 , ^

и;

где с, 7, Тт - удельная теплоемкость, плотность, удельное сопротивление и температура плавления металла соответственно; - длительность импульса.

Процессы, сопровождающиеся плавлением в системе металл - полупроводник при импульсном воздействии токов большой шютности,

рассмотрены в работах [81, 30]. Авторы последней работы рассмотрели электромиграционные процессы в системе А1~81 при импульсном воздействии. Однако такие вопросы, как влияние импульсов тока на многослойные системы, механизмы их разрушения, возникающие при повышенных плотностях тока, рассмотрены явно недостаточно.

2.3. Электроперенос

В настоящее время плотность упаковки элементов в кристалле полупроводниковых приборов подошла вплотную к предельным значениям. Эти пределы обусловлены ограничениями, накладываемыми возможностями технологических процессов и максимально допустимыми плотностями тока - Ю10 А/м2 [15, 14]. В [20] сообщается о разработке микросхем динамических запоминающих устройств с характеристиками 1.25 Гбит/дюйм3. При высокой плотности упаковки доминирующим механизмом, влияющим на долговечность полупроводниковых приборов, является электроперенос [21]

Явление электропереноса заключается в увлечении атомов проводника движущимися электронами. Экспериментально электроперенос был обнаружен в 30-х годах на металлических растворах внедрения [26]. Существенный вклад в развитие теории этого процесса внес В. Б. Фикс. [28].

Согласно [27, 28], движение заряженных частиц в конденсированной среде характеризуется подвижностью, которая определяется как коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью щ и силой Д-, действующей на частицу. Эта сила при протекании тока пропорциональна заряду частицы Ъ и напряженности электрического поля Е. Фиксом [28] была установлена зависимость силы, дей-

ствующеи на атомы проводника, от скорости движения электронов проводимости:

Рп1 = -еЕ^ (2.4)

ПрСТр

где г - относится к атому г-ого компонента; е - заряд электрона по абсолютной величине; пв -число электронов проводимости в единице объема; пр - концентрация ионов в решетке; оа — 1/(уепата)- сечение рассеяния электрона на активированных ионах; ре -скорость движения электронов; та - время релаксации электронов на активированных ионах; па - концентрация активированных ионов; ар - сечение рассеяния электронов на ионах решетки.

Результирующая сила, действующая на ион, может быть записана в виде [27]:

-»-*-» / 710 (7 г, \

Я = + ¿гм. = еЕ[г-^) (2.5)

V ПР°Р/

Величина Z — ^^ не зависит от приложенного внешнего поля, и эту величину называют эффективным зарядом и обозначают 2* . Из уравнения ( 2.5 ) следует один из важных выводов о том, что в электродиффузии может принимать участие только активированный ион^и движение этого иона определяется взаимодействием с ионами проводимости.

Явление электропереноса наблюдается не только в металлах, но и в полупроводниках, несмотря на то, что концентрация электронов в них много меньше, чем в металлах. В.Б.Фикс показал [28], что сечения рассеяния на ионах в полупроводниках много больше, чем в металлах, так как они обладают значительно меньшими тепловыми

скоростями. Главным образом благодаря этому обстоятельству электронное увлечение в полупроводниках может оказаться существенным, что и отмечалось в работах [18, 81, 19].

Интересной особенностью электронного увлечения в металлах и полупроводниках является зависимость его (при Е=const) от температуры. По мнению В.Б. Фикса [28] и П. П. Кузьменко [26], сила электронного ветра для металлов убывает с повышением температуры, поскольку увеличивается амплитуда тепловых колебаний иона и; как следствие возрастает сечение рассеяния ар. Для полупроводников изменение температуры вызывает изменение концентрации электронов. Это может приводить к изменению не только величины, но и знака их эффективного заряда. На это обращено внимание в работах [18, 81].

Скорость изменения концентрации атомов в сечении проводника под действием электропереноса описывается выражением [59]:

где N - концентрация атомов; I - время пропускания тока; р ~ удельное сопротивление проводника; £> - коэффициент диффузии; к - постоянная Больцмана; Т - температура; Еа - энергия активации процесса.

Оценка долговечности проводников в интегральных микросхемах, произведенная на основе ( 2.6 ), приведена в [25]. Из этого выражения следует, что йЫ/дТ — 0, если цтa.d(^Z*:p) = т.е. для однородного проводника любой геометрии в отсутствие градиентов температуры и при неизменном полном токе не происходит образования пустот и накопления материала.

(2.6)

D — Dq exp (—Еа/кТ),

Если в некоторой области grad<0, то происходит накопление материала и при grad>0 - образование пустот. Время до обрыва проводника %р [21]

где 5 — сечение проводника.

В большинстве работ время нара