WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Буздуган Алексей Анатольевич ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ДЕГРАДАЦИИ И РАЗРАБОТКА ПОДХОДОВ К ПОВЫШЕНИЮ СТАБИЛЬНОСТИ НАНОРАЗМЕРНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ СБИС 05.27.06 – технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2009 г.

Работа выполнена на кафедре «Материалы и процессы твердотельной электроники» Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный консультант: Д.Г. Громов доктор технических наук,

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, В.С. Минаев кандидат технических наук, В.А. Галперин Ведущая организация – НИИ физических проблем имени Ф.В. Лукина

Защита состоится “ ” 2009 г.

на заседании диссертационного Совета Д.212.134.03 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд № 4806, д. 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан “ ” 2009 г.

Соискатель: _ Буздуган А.А.

Ученый секретарь диссертационного Совета, д.ф.-м.н., профессор _ В.Б. Яковлев 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Проблема влияния размеров и формы систем пониженной размерности на их физические и химические свойства в последнее время приобрела ключевой характер в связи с мировой тенденцией технологического освоения нанометрового диапазона размеров при создании новых материалов, структур и приборов.

Очевидно, что современный научно-технический прогресс определяется развитием электроники, основой которой являются достижения в различных областях фундаментальных наук, главным образом физики твердого тела, физики полупроводников, твердотельной технологии.

Главная задача технологии интегральных схем - повышение их быстродействия решается путем уменьшения размеров элементов. В настоящее время размеры достигли нанометровой области, например корпорация Intel разрабатывает технологию с проектной нормой 22 нм.

Таким образом, уменьшение размеров элементов приводит с одной стороны к значительному увеличению выделения тепла с единицы площади ИС, а с другой к снижению термической стабильности элементов ИС из-за увеличения вклада поверхности.

В этой связи проблема термической стабильности выходит на первый план и актуальной задачей является исследование изменений термодинамических свойств малоразмерных систем и поиск путей повышения их термической стабильности в процессе эксплуатации.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей поведения тонкопленочных систем нанометрового диапазона размеров при воздействии на них термического нагрева и/или электрической мощности и выявление путей повышения термической стабильности этих систем.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:

выявление причин, обуславливающих снижение термической стабильности с уменьшением размеров проводников;

исследование кинетики процесса низкотемпературного плавления тонкопленочных систем;

выявление особенностей механизма низкотемпературного плавления тонких пленок кремния;

исследование особенностей воздействия электрической мощности и/или термического воздействия на металлические пленки нанометровой толщины;

поиск путей по увеличению термической стабильности наноразмерных проводников.

Научная новизна 1. Установлено, что основной причиной деградации медного наноразмерного проводника, под токовой нагрузкой, является его распад на капли, вызванный гетерогенным плавлением, которое обусловлено нагревом проводника, вследствие рассеиваемой на нем электрической мощности.

2. Выявлены кинетические особенности процесса распада тонких пленок никеля на капли. Установлено, что процесс распада на капли происходит в некотором температурно – временном интервале. Обоснован механизм этого явления с учетом гетерогенного плавления.

3. Выявлено, что размер зерна поликристаллических тонких пленок практически не влияет на температуру распада тонких пленок на капли.

4. Показано, что температура распада тонких пленок аморфного кремния на капли не имеет отношения к температуре фазового перехода, а представляет собой температуру, при которой тонкие пленки кремния приобретают заметную текучесть.

5. Экспериментально продемонстрировано, что нагрев медного проводника наноразмерной толщины, вызванный электрической энергией, рассеиваемой на нем, способствует появлению заметного температурного градиента. Этот градиент разрушает диэлектрический слой, защищающий проводник, приводя к появлению трещин в нем и последующему распаду проводника на капли в области трещин из-за его гетерогенного плавления.

Практическая значимость работы 1. Продемонстрировано, что защита наноразмерного проводника слоем диэлектрика позволяет предотвращать распад тонких пленок на капли.

2. Обоснованы пути решения проблемы распада проводника на кластеры из-за возникновения трещин в диэлектрике. Это герметизация проводника диффузионно-барьерным слоем и использование материалов с повышенной теплопроводностью, что увеличивает устойчивость проводника к процессу разрушения под воздействием электрической мощности.

3. Результаты работы используются при чтении курса лекций ”Физико-химические основы технологии микроэлектроники”, ”Материалы и процессы формирования металлизации кремниевых СБИС” На защиту выносятся следующие положения обоснование снижения равновесной температуры плавления тонких пленок;

механизм распада тонких пленок на капли;

критерии повышения обеспечения стабильности нанометровых проводников, разработанные на основе анализа процессов деградации нанометровых проводников в условиях токовой нагрузки.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 10-я Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, Россия, 2006; 3-я Всероссийская конференция (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология», Санкт – Петербург – Хилово, Россия, 2006 г.;

IV Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике», «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ – 2006 » 2006 г., Москва;

Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов “Индустрия наносистем и материалы”, Зеленоград, 2006 г; II Всероссийская конференция по наноматериалам IV Международный семинар “Наноструктурные материалы- 2007 Беларусь-Россия”; 2-ой Международный научно-технический симпозиум “Наноструктурные функциональные покрытия и материалы для промышленности”. – Харьков: ННЦ “ХФТИ”, ИПП “Контраст”, 2007 г.; 9-ой международной конференции ОПТО-, НАНОЭЛЕКТРОНИКА, НАНОТЕХНОЛОГИИ И МИКРОСИСТЕМЫ, Ульяновск, 2007 г.; Международная конференция “Микро- и нанотехнологий -2007” ICMNE-2007, Москва – Звенигород, Россия; Всероссийская молодежная конференция “Электроника-2007”, Зеленоград, 2007 г.; 3-й Международный научно-технический семинар “Ионно-плазменные нанотехнологии”. – Харьков: ННЦ “ХФТИ”, ИПП “Контраст”, 2008 г.; 15-я Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция студентов и аспирантов, Москва, 2008 г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 24 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале “Известия вузов. Электроника”, в Сборнике научных трудов ”Технологии микроэлектроники, оптоэлектроники и волоконной оптики” 2006 г. “Материалы, процессы, оборудование в нано-, микро-, и оптоэлектронике” 2008 г., а также в материалах (статьи и тезисы докладов) российских и международных конференций.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 145 страниц машинописного текста, включая 3 таблицы, 62 рисунка и список литературы в количестве 135 наименований.

Содержание диссертации Во введении показана актуальность проведенных исследований, сформулирована цель работы, показана научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, практическая ценность работы.

В первой главе диссертации рассмотрены проблемы, возникающие в малоразмерных элементах ИС при увеличении плотности компонентов на единицу площади.

Обозначена проблема влияния размеров и форм систем пониженной размерности на их физические и химические свойства.

Показано, что повышение быстродействия систем на сегодняшний день и ближайшее время будет решать путем уменьшением размеров элементов ИС и, соответственно, увеличения степени интеграции. Это приводит к значительному увеличению тепла с единицы площади ИС, что повышает требования к термической стабильности элементов ИС. Сформулирована одна из главных задач – исследование физико – химических и термодинамических свойств малоразмерных проводниковых систем, понимание которых должно явиться ключом к разработке способов повышения их термической стабильности.

Указывается, что одной из возможных причин снижения термической стабильности с уменьшением размеров элементов ИС может быть понижение температуры плавления такого рода объектов.

На примере тонких пленок меди было показано, что наблюдаемые отклонения ряд авторов предлагают описывать следующим уравнением:

H Tmelt L AL SAS (1) Tmelt r Tmelt H0 V H где Tmelt(r) – температура плавления тонкой пленки, H(Tmelt) – изменение теплоты плавления при плавлении тонкой пленки, H0 – изменение энтальпии в результате фазового перехода при температуре Tmelt, S – поверхностная энергия пленки в твердом состоянии, L – поверхностная энергия пленки в жидком состоянии, AS – площадь поверхности твердой плоской пленки, AL – площадь поверхности диспергированной пленки, V – объем.

На основании проведенного анализа сделан вывод о том, что для повышения термической стабильности малоразмерных проводниковых систем необходимо основные усилия направить на исследования закономерностей поведения тонкопленочных систем при воздействии на них термического нагрева и/или электрической мощности.

Во второй главе, являющейся методической, приведены сведения об используемых в работе известных измерительных устройствах и представлено описание оригинальной методики проведения экспериментов по определению температуры плавления – диспергирования тонких пленок.

Представлены маршруты изготовления тестовых структур для проведения экспериментов по определению температуры плавления – диспергирования тонких.

Отмечено, что наряду со стандартными методиками для измерения пленок толщиной менее 100 нм, использовали атомносиловую микроскопию.

Представлены данные о разработанной «in-situ» методике определения температуры плавления – диспергирования. В основу методики положен контроль проводимости тонких пленок, которая уменьшается при диспергировании. Для измерения проводимости непосредственно в процессе отжига был собран измерительный комплекс (рис. 1). Устройство позволяет измерять сопротивление или проводимость исследуемого образца в процессе нагрева в вакууме, производить оцифровку полученных данных.

Рис. 1 Схема установки для «in-situ» контроля температуры плавления тонких пленок металлов на диэлектрических подложках Для исследования изменения морфологии тонких пленок использовали метод сканирующей или растровой микроскопии.

Третья глава посвящена детальному исследованию процесса низкотемпературного плавления тонких пленок (никеля, кремния и меди).

Представлены данные исследования процесса плавлениядиспергирования для пленок толщиной от 10 до 100 нм.

Экспериментальные результаты показали, что пленки меди и никеля достаточно большой толщины (50 – 100 нм) плавятся и диспергируют на капли при температурах на (200 – 250) К и (650-700) К ниже, чем температура плавления объемной меди и никеля соответственно.

Выяснилось, что строго определенной температуры этого процесса нет.

Он происходит в некотором временном и температурном интервале, стартует в каком-либо месте и далее распространяется фронтом.

Было предположение, что это все обусловлено кинетическими особенностями процесса плавления, а значит, влияние размера зерна будет определять температур процесса плавления. Однако, проведенный эксперимент показал, что при разнице размера зерна в три раза отличие температуры плавления составило 10 С, что является не существенным.

Такое поведение тонких пленок, а именно существование температурного диапазона их распада на капли объясняется явлением гетерогенного плавления. Любая реальная система всегда имеет поверхность. Поверхность – это оборванные связи, и атомы, располагающиеся на ней, имеют одну степень свободы по сравнению с атомами внутри кристалла. Установленным фактом является более высокая частота и амплитуда колебания атомов на поверхности по сравнению с объемом. Как следствие другим фактом является более низкая температура Дебая этих слоев, а, следовательно, и температура плавления, а также экспериментальный факт – это то, что плавление даже массивного образца всегда начинается с поверхности и идет к центру.

И равновесная термодинамика и прямые экспериментальные измерения с учетом поверхности показывают, что в любой реальной системе, всегда обладающей поверхностью, процесс плавления имеет вид, представленный на рис. 2. Из рисунка 2 следует что: первое – при наличии поверхности полное расплавление происходит при равновесное температуре; второе – при некоторой температуре ниже температуры плавления (область ) на поверхности кристаллической фазы в равновесии с ней существует жидкая фаза определенной толщины.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»