Научная статья на тему 'Физико-механические модели размерных эффектов в технологиях микроэлектроники'

Физико-механические модели размерных эффектов в технологиях микроэлектроники Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
255
42
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ / ТЕХНОЛОГИЯ / МИКРОЭЛЕКТРОНИКА / МЕЛЬЧАЙШАЯ ТВЕРДАЯ ЧАСТИЦА / ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ / ДИЭЛЕКТРИК

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Богомольный Валентин Матвеевич

Оценка размеров мельчайшей твердой кристаллической частицы использована для обоснования неразрушающего метода измерения поверхностной энергии твердых диэлектриков. Теория наноразмерных эффектов в устройствах диэлектрической электроники дает возможность расчета концентрации напряженности электрического поля вблизи вершин микровыступов на шероховатой поверхности электродов структур металл−диэлектрик−металл. Эта модель может быть полезной для выбора параметров технологии электроадгезионного соединения элементов интегральных микросхем. Результаты расчетов по приведенным формулам сравниваются с экспериментом.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PHYSICAL-MECHANICAL MODELS OF DIMENSIONAL DEFECTS IN MICROELECTRONIC TECHNOLOGIES

The evaluation of the dimensions of a smallest solid crystal particle is used for substantiating a non-destructive method of measuring the surface energy of solid dielectrics. The theory of nano-dimensional effects in dielectric electronic devices makes it possible to determine stress concentration of the electric field in the vicinity of the tops of micro-convexes on the rough surface of electrodes of metal-dielectric-metal structures. This model may be useful in choosing the parameters of the technology of electroadhesive joining of elements of integral micro-chips. The results calculated using the presented formulae are compared with experimental results.

Текст научной работы на тему «Физико-механические модели размерных эффектов в технологиях микроэлектроники»

Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 391-393

УДК 539.3

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ В ТЕХНОЛОГИЯХ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

© 2011 г. В.М. Богомольный

Российский госуниверситет туризма и сервиса, Московская область

yurakudrov@yandex.ru

Поступила в редакцию 15.06.2011

Оценка размеров мельчайшей твердой кристаллической частицы использована для обоснования неразрушающего метода измерения поверхностной энергии твердых диэлектриков. Теория наноразмерных эф -фектов в устройствах диэлектрической электроники дает возможность расчета концентрации напряженно -сти электрического поля вблизи вершин микровыступов на шероховатой поверхности электродов структур металл-диэлектрик-металл. Эта модель может быть полезной для выбора параметров технологии элект-роадгезионного соединения элементов интегральных микросхем. Результаты расчетов по приведенным формулам сравниваются с экспериментом.

Ключевые слова: размерный эффект, технология, микроэлектроника, мельчайшая твердая частица, поверхностная энергия, диэлектрик.

Количественная оценка влияния на поверхностную энергию твердых тел размерных эффектов необходима при разработке новых материалов и электрофизических упрочняющих технологий в машиностроении и приборостроении.

В микроэлектронике современные представления о поверхностной энергии твердых тел прежде всего связаны с количественной оценкой влияния радиуса кривизны вершин «микроострий» на шероховатой поверхности металлических электродов на величину и распределение электрических и температурных полей в тонком диэлектрическом слое структур металл—диэлектрик—металл (МДМ) [1-3]. Оценка радиуса кривизны вершины «микроострия» может быть сравнима с размером мельчайшей механически устойчивой твердой частицы [1].

Наночастицы, группируясь на поверхности металлического электрода, образуют микровыступы, возле вершин которых возникает аномально высокая концентрация напряженности электрического поля, которая примерно в 50— 80 раз превышает усредненную (интегральную по толщине) величину. Радиус кривизны вершин микровыступов может составлять величину ~ 10—18 нм, а их плотность составляет ~ 108 м—2 [2]. Поэтому в сравнительно слабых электрических полях в тонкослойных структурах МДМ возникает инжекция электронов из металла в диэлектрик (который в результате

приобретает полупроводниковые свойства) [3]. При этом шероховатая граница «металл—диэлектрик» становится естественным усилителем инжекционных токов. Регистрация вольтампер-ных характеристик (ВАХ) в начальной обратимой стадии электротермического пробоя (когда еще нет механических разрушений на мезоскопическом уровне) позволяет наиболее точно измерить поверхностную энергию полярных диэлектриков.

В физическом материаловедении в настоящее время сложилось понимание того, что достаточно чистые кристаллические материалы состоят из мельчайших «зерен» (кластеров), размеры которых определяют физико-механические и электрические свойства твердых тел

[4, 5].

Диаметр элементарной мельчайшей твердой частицы Дэл вычисляется по формуле [1, 3]:

2

Дэл =

4 в1 3гкТ

(1)

где е — заряд электрона, £ — абсолютная диэлектрическая проницаемость, к — постоянная Больцмана, Т — температура образования твердой фазы. При £ = 88.5-10—12 Ф/м2, Т = 1700 К размер элементарной частицы равен Дэл = 16.7 нм.

Методом рентгено-структурного анализа были измерены диаметры наночастиц ферромагнетика Бе304: 8.4, 17.2 и 25 нм. Из этого эксперимента следует, что мельчайшие механически устойчивые частицы могут состоять из нескольких

элементарных частиц с диаметром Дср [1].

Формула (1) может быть использована для расчета размеров микропор в термическом окисле кремния. Это подтверждается экспериментальными данными [6].

Шаг первого уровня металлизации в кремниевых сверхбольших интегральных схемах составляет величину 152 нм, при этом межсоединения должны выдерживать ток порядка ~106 А/см2. При таких малых размерах проводника вклад поверхностной энергии материалов в электрическую и термодинамическую стабильность становится определяющим [3].

Поверхностную энергию полярных диэлектриков и высокоомных полупроводников типа ОаЛ8 можно измерить, регистрируя ВАХ по формуле

у = 2%ёСр4 < Е2г > Еупр ^Н^, (2)

где — пьезомодуль, йср — диаметр кристаллического зерна, <Е2> = —2У0/к — усредненная по толщине напряженность электрического поля (±У0 — электрические потенциалы на электродах структуры МДМ, И — толщина диэлектрического слоя); Еупр — модуль упругости, Н — высота микровыступа на поверхности электрода, Я

— радиус кривизны его вершины (Я = Дэл/2). При й33 = 2-10—10 кл/Н, <Е2> = 2.1-106 В/м; Еупр = 8.3-1010 н/м2, Н = 13.2-10—6 м, Я = = 4.2-10—8 м, йср = 1.2-10—7 м величина у = =3.46 Дж/м2. Полученная оценка поверхностной энергии у для пьезокерамики типа ЦТС-19 соответствует экспериментальным данным [5].

Наночастицы (кластеры, состоящие из десятков и сотен атомов) металлов проявляют необычные свойства. При действии лазерного излучения в инфракрасном диапазоне спектра волн (X = 0.5—1 мкм) с мощностью Ж > (1—2) Вт/см2 частица серебра становится источником электромагнитного излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазоне спектра. При дальнейшем увеличении мощности лазерного излучения металлические частицы размером ~5—25 мкм испаряются вследствие теплового взрыва. Таким образом, осуществляется очистка поверхности кристаллов [1].

Наночастица металла может быть селективным аккумулятором и преобразователем энергии электромагнитных волн. Светящаяся «точка» на конце иголочки из вольфрама — зонда сканирующего электронного микроскопа — является своеобразным «нанопрожектором» при исследовании строения клеток [10].

Наночастицы CdS (диаметром 4.4—6 нм) и РЬБ (диаметром 15—20 нм) являются акцепторами в полимерных фотовольтических компо-

зиционных материалах. Такие композиционные материалы могут быть использованы в фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии [1].

Вблизи вершин «микроострий» на поверхности электродов структур МДМ (диэлектрических диодов) возникает аномально высокая концентрация напряженности электрического поля Е™^ [3], которая вычисляется по формуле [1, 5]:

Е2тах =< Е2 > 2 Н, (3)

2 2 V Я

где Н — высота «микроострия», Я — радиус кривизны его вершины, <Е2> = и/И (и — напряжение между электродами, И — толщина диэлектрического слоя).

Измерение радиуса вершины «микроострия» на внутренней границе контакта металл—диэлектрик представляет достаточно сложную техническую задачу. Оценка величины Я может быть получена по формулам (1) и (3) (Я = Дап/2).

Приведенные экспериментальные данные и формулы позволяют определить:

— концентрацию электрических полей вблизи вершин микроострий на поверхности металлических электродов структур МДМ;

— оптимальную толщину подзатворного диэлектрика (полевых транзисторов), фотоприемников;

— поверхностную энергию твердых полярных диэлектриков, контактирующих с металлом;

— величину напряженности электрического поля на кончике острийного электрода, используемого при устройстве «точечных» электроадгези-онных межсоединений в устройствах микроэлектроники.

Список литературы

1. Богомольный В.М. Размерные эффекты образования наноструктур в композиционных материалах // Конструкции из композиционных материалов. 2008. №3. С. 58—63.

2. Рожков В.М. Длительность стадии разрядного канала // ЖТФ. 2003. Т. 73. Вып. 1. С. 51—54.

3. Богомольный В. М. Расчет резонансных эффектов при электротермическом разрушении структур металл—диэлектрик—металл // Измерительная техника. 2000. №6. С. 53—57.

4. Веснин Ю.Н. Вторичная структура кристаллов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. 105 с.

5. Богомольный В. М. Физика прочности. М.: МГУС, 2005. 308 с.

6. Ковчавцев А.П., Французов А. А. Пористость термического окисла кремния толщиной 30-600 Е // Микроэлектроника. 1979. Т. 8. Вып. 5. С. 439—444.

PHYSICAL-MECHANICAL MODELS OF DIMENSIONAL DEFECTS IN MICROELECTRONIC TECHNOLOGIES

VM. Bogomolny

The evaluation of the dimensions of a smallest solid crystal particle is used for substantiating a non-destructive method of measuring the surface energy of solid dielectrics. The theory of nano-dimensional effects in dielectric electronic devices makes it possible to determine stress concentration of the electric field in the vicinity of the tops of micro-convexes on the rough surface of electrodes of metal-dielectric-metal structures. This model may be useful in choosing the parameters of the technology of electroadhesive joining of elements of integral micro-chips. The results calculated using the presented formulae are compared with experimental results.

Keywords: size effect, technology, microelectronics, smallest solid particle, surface energy, dielectric.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.