Работоспособность современных полупроводниковых приборов во многом определяется надежностью контактов металл-полупроводник и систем металлизации. Сложно комбинированные системы металлизации структуры, входящие в состав полупроводниковых чипов в процессе функционирования подвержены неоднородным тепловым «нагрузкам». Поэтому поиск оптимальных технологических процессов при производстве структур, а также анализ тепловых процессов (с целью минимизации тепловых и механических нагрузок) при их эксплуатации представляется весьма актуальной задачей [1-4].
Наиболее актуальным с практической точки зрения является дефектообразование в приповерхностном полупроводниковом слое в районе контакта металл-полупроводник в условиях термоударов, возникающих при прохождении токовых импульсов. Возникающие при этом структурные дефекты в полупроводнике, являются центрами концентрации напряжений, способствуют существенному изменению электрических свойств рассматриваемых областей полупроводника. Длительные импульсные воздействия могут приводить к разрушению металлизации и приконтактных областей и, как следствие, выходу из строя прибора.
Кроме того, наличие контакта металл полупроводник может приводить к образованию расплавленных зон при достижении температур плавления эвтектики. Вот почему в представленной работе рассматриваются процессы дефектообразования и тепловой деградации систем металлизации, нанесенных на полупроводник и керамику.
Методика проведения опытов детально описана в [1]. Как и ранее [1-3], нами использовались тонкие алюминиевые пленки (толщиной 1-3 мкм), напыленные на поверхность монокристаллических кремниевых пластин. При помощи фотолитографии на основе алюминиевой пленки формировались тестовые структуры в виде дрожки металлизации. При пропускании через них импульсов тока различных плотностей (вплоть до критических значений) происходил нагрев пленки с учетом теплофизических характеристик подложки вплоть до плавления токопроводящей металлизации. При использовании кремниевых пластин с предварительно нанесенной пленкой SiO2 деградационные процессы развивались при меньших плотностях, что связано с затруднением теплоотвода от межфазной границы.
Рисунок 1. Фотография разрушения структур после прохождения одиночных токовых импульсов длительностью структура τ =500 мкс; структура Al–SiO2— Si , j=7·1010 А/м2: слева — начальный этап зарождения расплавленной зоны, справа – направленное оплавление структуры. Ширина дорожки 75 мкм.
Исходя из полученных экспериментальных данных, был проведен анализ термоупругого состояния системы металлизаций полупроводниковых структур в местах контакта подложки с проводящей дорожкой в условиях теплового удара на поверхности. Данный анализ производился с помощью современных методов численного анализа. В качестве образца использовалась система Al-SiO2-Si при воздействии на неё прямоугольных токовых импульсов длительностью τ=400-900 мкс и амплитудой j=31010÷91010А/м2.
В ходе работы численными методами были рассчитаны температурный профиль и профиль напряжений соединения при пропускании через него токового импульса.
Рисунок 2. Профиль максимальной термоупругой деформации и термоупругих напряжений в образце (h=30 мкм, l=50 мкм, b=10 мкм) при токовом импульсном воздействии с j=7,51010А/м2. Распределение по длине образца.
Так, для алюминиевой металлизаций размерами h=30 мкм, l=50 мкм, b=10 мкм нанесенной на подложку SiO2-Si при пропускании прямоугольных токовых импульсов с j~7,5•1010А/м2 при наличии градиента температур возникающего в результате такого воздействия, при Т=500ºC максимальная линейная деформация образца составляет величину 1,07•10-8 мкм, максимальные напряжения составляют величину 3,49•106 Па.
Таким образом, в данной работе экспериментально проанализировано воздействие токовых импульсов на многослойные системы. Показано, что наличие диэлектрического подслоя увеличивает тепловую нагрузку на слои металлизации, что приводит к снижению величины критической плотности тока и приводит к образованию значительные напряжений в образце, что приводит к деформации исследуемой структуры.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №14-07-00869 и НИР в рамках государственного задания по проекту №2637.
Список литературы:
- Скворцов А.А., Орлов А.М., Зуев С.М. К вопросу диагностики деградационных процессов в системе металл-полупроводник.// Микроэлектроника 40. (2011). 6. 1–11.
- M. van Soestbergen, A. Mavinkurve, R.T.H. Rongen, K.M.B. Jansen, L.J. Ernstb, G.Q. Zhang Theory of aluminum metallization corrosion in microelectronics. //Electrochimica Acta. 55. (2010). 5459–5469.
- 3. -K. Hu, J. Ohm, L. M. Gignac, C. M. Breslin, S. Mittal et al. Electromigration in Cu(Al) and Cu(Mn) damascene lines. //Journal of Applied Physics. 111. 093722 (2012).
- T.A. Nguyen, P.-Y. Joubert, S. Lefebvre, G. Chaplier, L. Rousseau Study for the non-contact characterization of metallization ageing of power electronic semiconductor devices using the eddy current technique. //Microelectronics Reliability. 51. (2011). 1127–1135.[schema type=»book» name=»ТЕПЛОВАЯ ДЕГРАДАЦИЯ СИСТЕМ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР И КЕРАМИК» author=»Скворцов Аркадий Алексеевич, Зуев Сергей Михайлович, Корячко Марина Валерьевна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-13″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]