CC BY
2
Вершков Д.А. студент 3 курса «Институт электроники и приборостроения»
Архипов А.В., к. техн. н.
доцент
кафедра «Наноинженерия» Самарский национальный исследовательский университет имени
академика С.П. Королева Россия, г. Самара
ЭЛЕКТРОДИФФУЗИОННАЯ НАДЁЖНОСТЬ ТОНКОПЛЁНОЧНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
ПЛЁНОК АЛЮМИНИЯ
В статье рассмотрен процесс электродиффузионного разрушения тонкоплёночного алюминиевого проводника. Проведён анализ причин возникновения электромассопереноса, а такжеосновныхметодов борьбы с данным явлением. В результате предложен новый
Ключевые слова: надёжность, дефект, электродиффузия, энергия активации, граница зерна, «тройная точка».
Прогресс в микроэлектронной технологии приводит к постоянному усложнению проектируемых устройств (повышению степени интеграции). Микроминиатюризация полупроводниковых приборов и интегральных схем достигла такого уровня, при котором технические параметры конструктивных элементов зависят от геометрических размеров. Причём структура конструктивных элементов ИМС существенно неравновесна в силу того, неравновесны физико-химические процессы при её формировании. Неравновесная структура активных и пассивных конструктивных элементов предопределяет деградацию и отказы при эксплуатации приборов. Длительность эксплуатации может изменяться от секунд до десятков лет.
В настоящее время предъявляются высокие требования к надежности работы микроэлектронных изделий. Поскольку в ИМС токоведущие проводники вносят в надежность свой вклад как равноправные пассивные элементы, то увеличение плотности тока в ИМС (вследствие увеличения степени интеграции и уменьшения геометрических размеров элементов) ведет к существенному снижению надежности ИМС. В частности, с увеличением плотности тока возрастает нагрузка на коммутационную структуру, что в итоге приводит к резкому повышению доли внезапных отказов ИМС, вызванных локальным разрушением сильноточной металлизации.
Известно, что внешнее электрическое поле в электропроводящих телах вызывает не только движение носителей тока, но и перемещение собственных или примесных ионов. Перемещение ионов под действием
электрического тока большой плотности приводит к возникновению в конденсированных средах, в частности в металлах, составляющей ионной проводимости, которая при определённых условиях равна или даже превосходит электронную. Поскольку в металлических телах ионная проводимость приводит к переносу массы, это явление называют электропереносом или электродиффузией [1].
Электродиффузия в тонкоплёночных проводниках проявила себя, как одна из основных причин их отказа. Для типовых проводников отказы из-за электродиффузии становятся заметными при плотностях тока 5*105 А/см2 при нормальном рабочем нагреве 40 - 50 0С и с повышением плотности тока интенсивность ЭПМ резко возрастает. Современный уровень развития микроэлектроники диктует нам необходимость создания проводящих элементов, работающих с плотностями тока выше 106 А/см2. При этом время наработки на отказ плёнок, для которых приведены эти данные составит считанные часы. Следовательно, задача создания сильноточной металлизации, максимально устойчивой к электродиффузионному разрушению является актуальной.
В данной работе будет рассмотрен процесс электродиффузии в плёнках А1. Выбор данного материала обусловлен тем, что он наиболее широко используется в качестве материала для тонких пленок, соединяющих элементы интегральной схемы благодаря его высокой электропроводности, хорошей адгезии и совместимости ко многим материалам.
Электродиффузионная деградация плёночных металлических проводниковвыражается в виде образования пустот и полостей с последующим образованием трещины и обрывом на одном полюсе проводника, в случае А1 это отрицательный электрод, и формирования «бугров» и «усов» на другом, что в свою очередь может вызвать короткое замыкание между соседними проводящими линиями. Накопление массы так же может вызвать разрушение изолирующего или защитного слоя и приводить затем к коррозии. В идеальном случае, когда отсутствуют температурные градиенты сама электродиффузия в однородном проводнике не может вызвать ни накопления, ни истощения массы даже при наличии изменений поперечного сечения проводника. Для возникновения электродиффузионных нарушений требуется наличие определённых причин, по которым была бы отлична от нуля дивергенция потока диффундирующих ионов. К таким причинам относятся: градиенты концентрации дефектов, температуры, эффективного заряда, а также градиенты коэффициента диффузии и размера зерна [2].
Существует несколько основных методов замедления процесса электродиффузионного разрушения проводника. Первый - уменьшение количества границ зёрен, являющихся ускоренными путями электромассопереноса [3]. Как правило это достигается путём увеличения размеров зерна плёнки. Эксперименты по определению влияния размера
зёренв тонких плёнках алюминия представлены в работе [1].Нас интересует лишь полученная в ходе экспериментов зависимость среднего времени до разрушения тонких плёнок алюминия от температуры и размера зерна, представленная на рисунке 1.
О \573 т К
1,75 2,11 2,42 70*/Г,К~1
Рисунок 1 - среднее время до разрушения тонких плёнок алюминия в зависимости от температуры и размера зёрен: 1 - T=773 K; <Ьз> = 8мкм;
2 - T=573 K; <Ьз> = 2мкм.
Время до разрушения (1р) мелкозернистой тонкой плёнки оказалось примерно на порядок меньше, чем крупнозернистой [1].Во всех экспериментах наблюдалось увеличение энергии активации электродиффузии для крупнозернистых плёнок [1].Нужно иметь ввиду, что увеличение энергии активации частично может быть обусловлено увеличением вклада кристаллической решётки в перенос атомов, а также может быть связано со структурными изменениями в плёнке; так, сообщалось, что преимущественная ориентация (111) более резко выражена в крупнозернистых плёнках, чем в мелкозернистых, которые имеют более беспорядочную ориентацию [2].
Стоит отметить, чтосуществует предельное значение величины размера зерна в зависимости от толщины плёнки. Для всех плёнок алюминия толщиной ~ 1мкм наибольший размер зерна при наивысшей температуре подложки составляет 8 - 10 мкм [2]. Повышение толщины плёнки ведёт к увеличению доли отказов по другим причинам. В связи с этим, данный метод не представляется возможным рассматривать в качестве радикального способа борьбы с электродиффузионным разрушением проводников.
Второй метод - нанесение на поверхность металлизации различных покрытий типа SiO2, разного рода стёкол и так далее. Считается, что эффект снижения скорости электродиффузии при нанесении на проводник защитного покрытия заключается в ограничении подвижности ионов по поверхности вследствие заполнения разрушенных электронных связей, а
также в механическом давлении, которое оказывает пассивирующий слой [1].Рассмотрим в качестве примера плёнку А1 толщиной 0,8 мкм, которую после изготовления охлаждали воздухом с целью получения окисного слоя. Охлаждение проводилось со скоростью 250 град/мин [1]. При этом на поверхности плёнки образовался рыхлый слой окисла толщиной15- 20 нм (рисунок 2). В данном случае, по-видимому, окисление происходило настолько интенсивно, что границ зёрен практически не наблюдается (рисунок 2).Субмикрорельеф в виде волнистости в пределах отдельных зёрен обусловлен сжимающими механическими напряжениями, возникающими при окислении плёнки [1].
Рисунок 2 - Микрорельеф поверхности плёнки алюминия, подвергнутой охлаждению воздухом Значительное межзеренное окисление и возникающие при этом напряжения сдерживают массоперенос под действием электрического тока.
Существенное влияние на среднее время жизни тонкоплёночных проводников многоэтапность формирования плёнки, т.е. количество циклов напыления при её формировании [1]. С экспериментом, описывающим данное явление можно ознакомиться в [1], мы же ограничимся рассмотрением результатов, полученных в ходе исследования. Плёнки, полученные за 3 цикла напыления, вышли из строя за 560 часов, в то время, как нанесённые за 1 цикл отказали уже через 75 часов, при прочих равных условиях. Увеличение срока службы плёнок алюминия полученных за несколько циклов напыления также связывают с образованием на границе раздела окисной плёнки.
Из многочисленных экспериментальных данных установлено, что пассивирующие покрытия наиболее эффективны при невысоких температурах эксплуатации, а также при толщинах плёнки - 500нм [1]. При таких условиях срок службы пассивированных проводников на порядок выше по сравнению с плёнками из чистого алюминия [1].
Третий метод заключается в применении в качестве материала плёночных проводников ИС не чистых металлов, а сплавов различного рода. Иллюстративные данные по влиянию сплавов на медианное время отказов для тонкоплёночного проводника из А1 приведены в таблице 1.
Таблица 1 - зависимость медианного времени отказов (МВО) проводника из Al от добавки другого металла (1=2*106 см-2)
Сплав, вес % МВО, ч
Л1 (99.999) 30-45
Si (1.8) 100-200
Си (4) 2500
Си 4, Si (1.7) 4000
N (1) 3000
Сг (1) 8300
Mg (2) 1000
Си 4, Mg (2) 10000
Си 4, № 2, Mg (1.5) 32000
Ли (2) 55
Ag (2) 45
Стоит отметить, что наибольший срок службы алюминиевого проводника был получен в случае четырёхкомпонентного сплава Al с Си, Mg и М, но ценность таких проводников снижается из-за сложности сплава и нежелательных последствий присутствия Mg [2].Из таблицы 1 также следует, что не все примеси способствуют увеличению tр, в частности это относится к примесям Au и Ag.Считается также, что при высоких температурах примеси должны быть менее эффективными [1]. Большинство исследователей сходятся во мнении, что замедляющее действие примесей на электродиффузию в тонкоплёночных проводниках заключается во взаимодействии примеси с дефектами кристаллической структуры тонкой плёнки (преимущественно с границами зёрен за счёт упругого, химического и электрического взаимодействия), в результате чего снижается поверхностная энергия границ зёрен [1]. Снижение поверхностной энергии границ может быть достигнуто за счёт образования на границах зёрен интерметаллических соединений или за счёт совершенствования кристаллической структуры межзёренных границ в результате концентрирования на них атомов примеси [1]. Существенной проблемой данного метода является тот факт, что одна и та же примесь в различных количествах может как ускорять, так и замедлять процесс массопереноса [3].
Данный метод представляет известный интерес. Однако, сложность подбора компонентов сплава, а также отсутствие глубокой теоретической базы для объяснения эффекта замедления электродиффузии делает его нетехнологичным и бесперспективным [3].
Таким образом, результатом анализаприведённых методов борьбы с электродиффузионной деградацией является вывод, чтони один из них не может быть признан радикальным и научно обоснованным.
В процессе анализа процесса электродиффузионного разрушения тонкоплёночных проводников было определено, что нарушения структуры Al вследствие элеткромассопереносаобразуются на полюсах (т.е. происходит
перенос активированных ионов и вакансий вдоль проводника) и скапливаются в дефектах структуры типа «тройной точки». Также наблюдалось увеличение энергии активации эклектродиффузии для крупнозернистой алюминиевой плёнки с преимущественной ориентацией зёрен (111) и в противоположность ускоренный перенос вещества в мелкозернистой плёнке с разностной ориентацией границ.В результате можно прийти к выводу о необходимости использования крупнозернистой плёнки с малоугловыми границами, ориентированными поперёк сформированного проводника, то есть фактический переход к монокристаллической структуре. Данный шаг теоретически должен значительно повысить электродиффузионную надёжность алюминиевого проводника, так как в результате в значительной степени уменьшается количество дефектов структуры, а именно «тройных точек» и границ зерён, являющихся ускоренными путями электромассопереноса, а также происходит упорядочение кристаллической структуры, в результате чего будет исключён разброс в размере зёрен.
Использованные источники:
1. Колешко В.М.Массоперенос в тонких плёнках [Текст]/В.М. Колешко, В.Ф. Белицкий.-Мн: Наука и техника,1980. - 296 с.
2. Тонкие плёнки - взаимная диффузия и реакции / Под ред. Дж. Поута, К. Ту, Дж. Мейера - М.: Мир, 1982. - 576 с.
3. Архипов А. В. Электродиффузионная надежность тонкопленочных проводников на основе эпитаксиальной пленки алюминия[Текст]: дисс. канд. техн. наук: . Санкт-Петербург, 1996.
Виноградов С.И.
Уральский государственный экономический университет
Россия, г. Екатеринбург
ОЦЕНКА УРОВНЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ САХАЛИНСКОЙ ОБЛАСТИ
На современном этапе развития России немаловажное значение приобретают вопросы экономической безопасности регионов. Стабильность и финансовая устойчивость региона с точки зрения экономической безопасности являются фундаментом для успешного развития и процветания региона, а также помогают улучшать благосостояние общества в целом. Для того, чтобы оценить уровень экономической безопасности, оценить сильные и слабые стороны региона, необходимо проанализировать, что понимается под данным термином.
Экономическая безопасность региона - это совокупность условий и факторов, характеризующих текущее состояние экономики, стабильность, устойчивость и поступательность ее развития. Одновременно это степень, с одной стороны, интеграции региональной экономики с экономикой Федерации, а с другой - региональной независимости.
