Тепловые удары как источники структурных дефектов в монокристаллах кремния Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.793.14; 621.3.064.48

ТЕПЛОВЫЕ УДАРЫ КАК ИСТОЧНИКИ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ В МОНОКРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ

© А.А. Скворцов, М.В. Корячко, В.В. Глинский

Ключевые слова: тепловой удар; система металлизации; деградация; контактное плавление; дефектообразова-ние.

Исследованы деградационные процессы в тонких алюминиевых пленках, напыленных на кремниевые пластины (образование жидкой фазы в металле и на границе раздела металл - полупроводник). Зафиксировано образование петлевых дислокаций вблизи источника термоудара.

В работе рассмотрены процессы дефектообразова-ния в приповерхностных областях кремния при наличии локального источника тепла на его поверхности в виде дорожки металлизации, нагреваемой прямоугольным импульсом тока. Возможность пластической деформации определяется величиной и направлением градиента температуры УТ, возникающего при распространении тепла от локального источника нагрева, и создаваемых термических напряжений:

п,(^т) = -К ат [Т(^,2,х) - Та} 5,,

(1)

Здесь К - модуль всестороннего сжатия; ат - коэффициент теплового расширения материала пластины; 5„ -тензор Кронекера. Для расчета УТ поперек длинной прямоугольной дорожки металлизации на кремнии (вдоль оси у) при прохождении одиночного импульса тока использовалось выражение [1]:

дТ (у, т) ду '

2%МЪ

щ (Ъ/2 - у)2(Ъ/2+у)2

4<эт

4<эт

(2)

Здесь I - амплитуда прямоугольного импульса; I, Ь, Я -длина, ширина и сопротивление дорожки; а, X - температуро- и теплопроводность кремния соответственно. Очевидно, что при у = +Ь/2 (периметр дорожки металлизации) градиент температуры в (2) неограниченно возрастает, что создает возможность для зарождения дислокаций вблизи указанных областей. Таким образом, исходя из анализа температурных полей в полупроводниковой пластине, создаваемых токовыми импульсами (плотности тока ] > 51010 А/м2), предсказано образование линейных дефектов вблизи источников термоудара (рис. 1).

Экспериментальное исследование тепловых режимов осуществлялась на системе Si-Al. В качестве полупроводниковой матрицы использовались кремниевые пластины и-типа (диаметром 76 мм, толщиной 450 мкм и удельным сопротивлением 10 Ом-см) с напыленным алюминиевым слоем толщиной Н1 = 1-3 мкм. Для регистрации температурных изменений в приповерхностных слоях полупроводника на поверхности кремния формировалась тестовая структура, детально

описанная в [1]. Через нее пропускались прямоугольные импульсы с регистрацией осциллограмм включения Щ(ґ).

Проведенные нами металлографические исследования выявили дислокационные ямки травления вблизи границ алюминиевой металлизации после удаления алюминия в растворах ортофосфорной кислоты. Выявление дислокационной структуры осуществлялось с помощью стандартного СР-травителя.

Установлено, что активное дефектообразование происходит даже после прохождения одиночного токового импульса амплитудой, = 8,5-1010 А/м2 и длительностью т = 100 мкс. При этом характер распределении дислокационных ямок травления отчетливо указывает на транспорт дислокаций, анализ которого, к сожалению, существенно затруднен из-за быстротечности процесса и сложности температурного профиля (рис. 2). Как уже отмечалось, наибольшее число дислокаций, возникающих в процессе термоудара, локализуется в областях с максимальными перепадами температур. Их плотность ^ на 3-4 порядка превосходит плотность дислокаций исходного кремния N0. Поэтому последующая оценка всегда проводилась непосредственно у границы тестовой структуры.

Дефектность полупроводниковых структур во многом определяется энергией

т

Q = I- — -| и (ґ )А

(3)

проходящего через структуру токового импульса. Для вскрытия этой закономерности через приготовленные тестовые структуры однократно пропускался контролируемый токовый импульс с регистрацией потенциала П^). Отличительной особенностью полученных результатов является пороговый характер образования дислокаций с критическим значением Qk = 90 мДж, соответствующим амплитуде токового импульса }1 = 8,51010 А/м2. Полученное значение хорошо согласуется с полученной ранее величиной Qki для данной плотности тока и определяет развитие деградационных процессов на границе раздела металл - полупроводник при достижении температуры пластического течения Бг

12 Я

о

1729

Рис. 1. Профили температуры и градиента Т в поперечном направлении дорожки при прохождении одиночного прямоугольного импульса плотности тока у = 8-1010 А/м2 при х = 50 мкс с момента включения импульса. Схема образования петлевых дислокаций вблизи источника термоудара. 1 - линия скольжения дислокаций

Рис. 2. Гистограмма распределения дислокаций по длинам пробегов от тестовой структуры после пропускания импульса тока амплитудой 4,8.1010 А/м2 (I = 18 А) и длительностью 150 мкс. Сплошная линия - температурный профиль на поверхности полупроводника в момент выключения токового импульса

ЛИТЕРАТУРА

1. Скворцов А.А., Орлов А.М., Зуев С.М. К вопросу диагностики деградационных процессов в системе металл-полупроводник // Микроэлектроника. 2011. Т. 40. Вып. 6. С. 1-11.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-07-00620-а) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (ГК № 16.740.11.0514) и НИР в рамках государственного задания по проекту № 7.5397.2011.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Skvortsov A.A., Koryachko M.V., Glinskiy V.V. HEATSTROKES AS SOURCES OF STRUCTURAL DEFECTS IN SILICON MONO-CRYSTALS

In work degradations processes in the thin aluminum films which are raised dust on silicon plates are investigated. Formation of loopback dislocations near a thermal shock source is recorded.

Key words: heatstroke; metallization system; degradation; contact melting.

1730