Мустафаева Д.Г., Мустафаев М.Г. Методы и способы

Материалы Международной научно-технической конференции,
1 – 5 декабря 2014 г.
МОСКВА
INTERMATIC – 2 0 1 4, часть 3
МИРЭА
МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПЛЕНОЧНЫХ ПРИБОРНЫХ
СТРУКТУР ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ПРОИЗВОДСТВЕ
© 2014 г.
Д.Г. МУСТАФАЕВА, М.Г. МУСТАФАЕВ
Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет), г. Владикавказ
Уменьшение размеров элементов способствует активации различных процессов
деградации и обостряет проблему обеспечения надежности, как приборных структур,
так и радиоэлектронных устройств в целом [1, 2].
Проведенный анализ показывает, что: большое число отказов приборных структур обусловлено дефектами оксидов; часты отказы из-за нарушения металлизации;
большое число отказов вызвано ошибками при применении.
Различные виды дефектов в подложке (дислокации, дефекты упаковки, примесные структуры) действуют на прибор путем увеличения токов утечки через p-nпереходы и границы инверсионных слоев. Токи утечки определяют время восстановления информации в динамических системах памяти.
Дефекты, возникающие в системе многослойных соединений, многообразны:
пробой диэлектрика между слоями металлизации, коррозия металлизации, электромиграция материала токопроводящих дорожек, деградация контактов металлполупроводник.
Явления взаимной диффузии материалов и электромиграция имеют место и в
контактах металл – полупроводник. Интенсивность электромиграции является функцией плотности постоянного тока, в полосках металлизации, она экспоненциально зависит от абсолютной температуры.
Для совершенствования надежности элементов интегральной электроники
(ЭИЭ), зависящей от производственных процессов, необходимо провести работу по
повышению электрической прочности слоев оксида SiO2, т.к. электрический пробой оксидной пленки приводит к отказу элементов. Изменения производственного процесса,
уменьшение числа посторонних частиц в воздухе чистых комнат, позволяют существенно уменьшить количество дефектов в оксидных пленках. Совершенствование чистоты при проведении производственного процесса позволяет понизить уровень дефектности, повысить их надежность.
Обеспечение надежности в значительной степени связано с усложнением технологии производства ЭИЭ, введением новых технологий производства, совершенствованием методов анализа отказов и дефектов, методов моделирования, контроля над
производственными процессами, введением новых методов контроля, совершенствованием способов обеспечения надежности.
Для формирования приборных структур с улучшенными параметрами применяют кремний-на-изоляторе. В структурах кремний-на-изоляторе (КНИ) несоответствие
кристаллических решеток кремния и диоксида кремния меньше, чем у кремния и сапфира, и это позволяет уменьшить количество дефектов и снизить механические напряжения между пленкой и подложкой после формирования оксида.
Для получения качественного слоя кремния над диэлектриком после ионной
имплантации проводится отжиг, в результате которого аморфизированный слой кремния становится поликристаллическим. Отжиг сопровождается полным освобождением
приповерхностного слоя от кислорода. Качество слоя кремния определяется особен-
55
ностями взаимодействия механизмов, сопровождающих отжиг имплантированных слоев: восстановление кристаллической структуры за счет отжига радиационных дефектов и миграции примеси к скрытому слою.
Поверхность раздела между верхним слоем кремния и скрытым слоем SiO2 становится неровной, одновременно в скрытом слое наблюдаются преципитаты. Эти факторы уменьшают эффективную толщину скрытого слоя SiO2, что и приводит к снижению напряжения пробоя. Подбор дозы имплантации ионов кислорода и температуры
подложки воспроизводимо обеспечивает для КНИ структур снижение плотности дислокаций и повышение напряжение пробоя скрытого слоя SiO2.
Плотность дефектов в верхнем слое Si существенно зависит от условий проведения имплантации. При имплантации с большой дозой верхний слой Si содержит
большое количество кристаллических дефектов, ухудшающих качество структуры. При
формировании скрытых слоев SiO2 необходимо обеспечить малую дефектность верхнего слоя Si. Для снижения плотности дефектов имплантацию и отжиг проводится в
несколько этапов.
Последовательный набор суммарной дозы при формировании диоксида кремния во время проведения процесса имплантации обеспечивает снижение плотности
дефектов в КНИ-структурах.
Для определения качества кремниевого слоя измеряется время жизни генерируемых носителей (по измерению емкости МДП-структур во времени). При проведении
имплантации за один процесс время жизни носителей оказалось относительно небольшим, а скорость поверхностной рекомбинации высокой, последняя оказывает доминирующее влияние на скорость изменения емкости. При многократном наборе интегральной дозы, скрытый слой не влияет на изменения емкости, и время жизни генерируемых носителей увеличивается. Это свидетельствует о хорошей кристаллической
структуре и малой плотности дефектов. В процессе отжига происходит постепенное
перераспределение внедренных атомов кислорода из аморфизированной области начального распределения ионов в глубину к ее границе с неповрежденным монокристаллом.
Для снижения плотности дефектов в структурах и уменьшения механических
напряжений предложена структура кремний на изоляторе со скрытым слоем диэлектрика на основе двухслойной системы, состоящей из диоксида кремния и нитрида
кремния. Формирование слоя нитрида кремния поверх слоя диоксида кремния снижает
механические напряжения и величину встроенного заряда на границе раздела кремний-диэлектрик, уменьшается дефектность, обуславливая улучшение параметров полупроводниковых приборов за счет снижения центров рекомбинации.
Для снижения плотности дефектов в поверхностном слое кремния можно провести имплантация азота вместо кислорода. Имплантация азота с последующим отжигом позволяет сформировать толстые изолированные слои Si, т.е. обходится без последующего эпитаксиального наращивания и упрощает технологический процесс. Сначала на пластинах Si выращивают слой термического оксида, который в процессе имплантации N2 предотвращает распыление Si и уменьшает загрязнение поверхности.
Затем проводят термический отжиг в атмосфере Ar. Замена кислорода на азот позволяет снизить почти на порядок дозу имплантации ионов, соответственно снижая количество дефектов.
Механизмы деградации, влияющие на срок службы и надежность ЭИЭ: надежность электрической схемы и воздействия окружающей среды. Примерами механизма
деградации, зависящего от электрической схемы, является воздействие электростатических разрядов, электромиграция. Примерами воздействия окружающей среды являются отказы, вызванные влиянием посторонних частиц, тепловые воздействия, механические воздействия, коррозия. Для обеспечения надежности проводят отбраковку
ЭИЭ по признаку надежности на конечном этапе производства и совершенствование
конструкции ЭИЭ. Надежность должна быть предусмотрена конструкцией, для этого,
чтобы он был эффективен, нужно знать механизмы отказов, как влияют параметры
56
схем и условия окружающей среды на эти механизмы. Учитывая это можно сформулировать некоторые принципы методологии разработки высоконадежных ЭИЭ:
- изучить процессы, определяющие механизмы, разработать модель системы,
определить параметры модели для прогнозирования;
- сформулировать задачи проектирования;
- проектировать систему, руководствуясь этими задачами, проверить надежность системы, базируясь на модели и на этих задачах, проверить надежность.
ЭИЭ высокой надежности конструируются, чтобы выдерживать разряды электростатического электричества при эксплуатации в аппаратуре. Защита от воздействия
электростатических разрядов состоит из эффективной защиты электронных компонентов и самих приборов.
Надежность также зависит от посторонних частиц, коррозии, механических и тепловых нагрузок. При разработке ЭИЭ принимаются меры для обеспечения надежности ЭИЭ при этих воздействиях. Конструкция, исходные материалы, защитные покрытия выбираются с учетом воздействий этих факторов.
Несогласованность коэффициентов теплового расширения отдельных элементов может быть причиной отказов многих ЭИЭ, причиной понижения надежности. Анализ тепловых воздействий и связанных с ними механических нагрузок позволяет оценить оптимальность выбранных материалов и уточнить вероятные механизмы отказов.
Развитие конструкций ЭИЭ, уменьшение размеров компонентов, увеличивает
напряженности электрического поля в схемах, плотности токов в полосках металлизации и усложняет работы по обеспечению надежности и устранению дефектов, возникающих при разработке и постановке производственного процесса.
Исследования физических причин деградации позволяют улучшить технологию
изготовления и применения приборов, а путем изучения закономерностей развития
процессов во времени предсказывать поведения прибора. Знание механизмов отказа
позволяет рассчитывать надежность прибора на этапе его проектирования, а также
предсказывать надежность разрабатываемой аппаратуры.
Большинство элементов интегральной электроники соединяются друг с другом,
а также с остальной частью электрической системы, с помощью контактов металлполупроводник. В значительной степени характеристики приборных структур зависят
от свойств металлизационных покрытий.
Распространенными структурами барьерных контактов являются сплавы, распыленные поверх силицидов. Такие структуры имеют определенные недостатки.
Проведенный анализ и исследования показали, что в противоположность структурам на основе силицидов, вольфрам образует хороший контакт с низким значением
контактного сопротивления.
Применение вольфрама повышает наработку на отказ. Осаждение вольфрама
проводят на поверхности вскрытых областей кремния. Вольфрам, нанесенный при
низком давлении, обеспечивает малые контактные сопротивления.
Вольфрам имеет более высокую температуру образования контакта и устойчив
к электромиграции. Как силициды, так и металлы имеют свои преимущества и недостатки. Первые имеют надежный контакт при высоких температурах, обладают достаточно низким поверхностным сопротивлением. Вместе с тем силициды обладают свойствами, которые ограничивают их применение. Качество оксида, образованного из силицидов, низкое, хотя значение поверхностного сопротивления может достигать единиц Ом/□. Для надежной работы ЭИЭ необходимы низкие значения поверхностного
сопротивления.
Уменьшение размеров ЭИЭ приводит к увеличению поверхностного сопротивления диффузионных областей за счет уменьшения, как глубины залегания переходов,
так и ширины линий. Для селективно нанесенного вольфрама изменения сопротивления от глубины залегания перехода не происходит.
Технология изготовления микропленочных приборных структур предъявляет повышенные требования к рабочим характеристикам и надежности контактов субмикронного размера. Для улучшения термической стабильности контактов необходимо введе-
57
ние барьерных слоев между кремнием и пленкой контакта. Диффузионный барьер для
контактной металлизации должен обладать химической и механической стабильностью, электропроводностью и обеспечить подавление взаимной диффузии элементов
на границах раздела. Использование барьерного металла на поверхности раздела
вольфрам/кремний позволяет реализовать вольфрамовые межсоединения и при проведении высокотемпературных операций после металлизации.
Минимальная толщина пленки, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к диффузионному барьеру, составляет сотые доли микрона. При этом обеспечивается хорошая термическая стабильность контактов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мустафаев Г.А. Взаимосвязь конструктивно-технологических и надежностных характеристик преобразователей // Цветная металлургия, 1995, №6, с.27–29.
2. Мустафаев Г.А., Мустафаев М.Г. Методологические подходы повышения надежности и качества изделий радиоэлектроники // Международная научно-техническая
конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения»,
2013, ч.6, с.42–44.
58