Высокотемпературные электротранспортные процессы в полупроводниковых структурах с участием жидкой фазы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ульяновский государственный университет

Р Г Б ОД

2 5 НОЯ 1&5

На правах рукописи

Скворцов Аркадий Алексеевич

высокотемпературные элжтротранспортные процессы в полупроводниковых структурах с участием жидкои фазы

Специальность 01.04.10- физика полупроводников и диэлектриков

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ульяновск - 1996

Работа выполнена в Ульяновском государственном университете на кафедре Физики и технологии интегральных микросхем.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

А.М.Орлов

Официальные оппоненты -доктор технических наук, профессор

В.С.Земсков

доктор физико- математических наук, профессор Н.Т.Гурин

Ведущая организация -Московский институт стали и

сплавов (технологический университет)

Защита состоится "ХО_" ^'^¿/ъи. 199^ г. в п1Ь " часов на заседании диссертационного совета К 053.37.02 по защите кандидатских . диссертаций Ульяновского государственного университета (432700, г.Ульяновск, ул.Л.Толстого, 42)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 432700, г.Ульяновск, ул. Л.Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, научная часть.

Автореферат разослан "

г.

Ученый секретарь / х

диссертационного совета / / С.С.Моливер

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.

Одной из важнейших проблем высокотемпературной физики полупроводников являются контактные и поверхностные процессы, протекающие в возмущающих температурных и электрических полях.

Актуальность этих вопросов особенно отчетливо стала проявляться и непрерывно возрастать в связи с резким повышением уровня интеграции полупроводниковых приборов, где локальные плотности тока часто превышают 1010 А/м2, а температурные перепады в переходных областях МДП- структур достигают критических значений.

Столь высокие плотности тока и температурные градиенты активизируют массоперенос, отчетливо проявляющийся в тонких полупроводниковых и металлических пленках, используемых для пассивации и металлизации р-п -переходов. Микроструктура этих слоев способствует быстрому вымыванию вещества под действием различных движущих сил и созданию неоднородностей как в самих пленках, так и на границах раздела. Образование таких дефектов вызывает локальные перегревы структур в процессе токовых нагрузок и способствует образованию вторых фаз.

Рассматриваемые процессы могут происходить как в объеме, так и на поверхности полупроводников. Более того, расплавленные включения могут перемещаться в электрическом поле. На их движение ключевую роль оказывают электроперенос атомов полупроводника во включении и термоэлектрические эффекты на границе полупроводник- расплав.

Направленная миграция вторых фаз может происходить не только при непрерывном прохождении тока, но и при воздействии токовых импульсов. Причем изменение стационарного режима работы на импульсный приводит к инверсии скорости миграции вторых фаз, что свидетельствует о смене главенствующего механизма перемещения.

Рассматриваемые электротранспортные процессы приводят к полному разрушению структур, образуя низкоомные каналы в активных структурах, способствующие шурованию тока, и являются завершающей частью механизма полной деградации полупроводникового кристалла.

Несмотря на это, имевшаяся информация, посвященная деградационным механизмам в полупроводниковых структурах с участием жидкой фазы отражает не все аспекты данной проблемы.

Так например, не вскрыты причины образования оплавленных зон в системе металл- полупроводник и МДП-структурах, направленного оплавления последних при импульсном токовом воздействии. Следовательно, физические механизмы, приводящие к оплавлению остаются невыясненными.

Кроме того, процесс разрушения таких структур, связанный с образованием расплавленных капель и вытеснение их током вдоль силовых линий электрического поля как по поверхности, так и в объеме полупроводника не рассмотрено в рамках единого механизма. Отсутствует сравнительной анализ механизмов объемного и поверхностного массопереноса.

В связи с этим, исследование и анализ физических механизмов протекания высокотемпературных электротранспортных процессов в полупроводниковых структурах с момента нагрева системы и до процессов направленной миграции вторых фаз, является актуальной научной проблемой и имеет большое практическое значение.

Цель и задачи исследований. Целью работы является изучение

физических принципов деградационных процессов в структурах типа металл- полупроводник с полупроводниковыми и металлическими подслоями при импульсном токовом воздействии, образования и миграции вторых фаз в объеме и на поверхности полупроводников в температурных и электрических полях. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализом влияния подслоев и термических воздействий на температурные режимы работы полупроводниковой матрицы и лежащих на ней полупроводниковых и металлизированных слоев.

2. Детальным изучением процессов зарождения жидкой фазы, оплавления и контактного плавления структур металл-полупроводник при импульсном токовом воздействии.

3. Исследованием контактных взаимодействий в системах металл-полупроводник в процессе отжига и их влиянием на температурные режимы полупроводниковой матрицы и лежащих на ней

полупроводниковых и металлических слоев.

4. Рассмотрением роли элекгропереноса и термоэлектрических эффектов в процессе объемной и поверхностной миграции в полупроводниках с участием жидкой фазы при непрерывном, и импульсном токовом воздействиях. Сравнением механизмов объемной и поверхностной миграции в постоянном электрическом поле.

5. Анализом диффузионных процессов, ответственных за деградацию многослойных систем при повышенных плотностях тока.

Новые научные результаты.

1. Установлено, что 15-ти минутный изотермический отжиг системы металл- полупроводник с кремниевым подслоем при Т=773 К приводит к рекристаллизации пленки подслоя аморфного кремния с изменением спектра плотности состояний в валентной зоне и проявлением тонкой структуры.

2. Установлено, что используемые контактно- неоднородные токопроводяще электроды типа А1 и Аи, несут основную ответственность за деградацию структур типа металл-полупроводник в связи с ускоренным тармопереноссм вещества, спровоцированным термоэлектрическими явлениями на границах контактирующих фаз. Направленное распространение оплавленной зоны определяется несбалансированным тепловыделением в контактирующих твердой и жидкой фазах.

3. Изучен и вскрыт механизм контактного плавления структур металл- полупроводник с полупроводниковыми и металлическими подслоями при импульсном прохождении тока повышенной плотности. Найдены температурные зависимости коэффициента многофазной диффузии в системах металл- полупроводник.

4. Проведен термодинамический анализ высокотемпературного контактного взаимодействия в многослойных тонкопленочных структурах на кремниевой подложке. В тонкопленочной системе типа Б1~БЮг~Т1 происходит приоритетное образование интерметаллидов типа Т131 и Т131г.

5. Исследован механизм объемного и поверхностного вытеснения расплавленных многокомпонентных включений на основе и Се. Рассчитаны численные значения эффективных зарядов ионов (Те, Б1, А1, Ag и коэффициентов Пельтье мекфазных границ. Показана конкурирующая роль электропереноса и термоэлектрических

- б -

эффектов в процессе вытеснения зон током. Оплечно, что с увеличением размеров включений вклад термоэлектрических явлений над электропереносом возрастает и при критических размерах наблюдается инверсия скорости миграции. Величина критического размера зависит от температуры, электропроводности монокристаллической матрицы и состава расплава, б. Проанализирован механизм ограневия дрейфующих зой в. электрическом поле на примере системы Si-Al. Отмечено, что форма включений при миграции зависит от кристаллографической ориентации полупроводниковой матрицы и реакционной способности расплава.

Предложения, выносимые на защиту.

1. Изотермический отжиг пленки аморфного кремния сопровождается изменением плотности состояний в валентной зоне и уменьшением ее теплосопротивления, что свидетельствует о ее рекристаллизации.

2. Образование жидкой фазы. на поверхности полупроводника при импульсном токовом воздействии определяется контактными явлениями на границе токовых электродов и контактных областей структуры.

3. Разрушение многослойной системы с полупроводниковыми и металлическими подслоями, при импульсном токовом воздействии критической плотности, вызывается конкурирующими механизмами: направленным ее оплавлением и контактным плавлением в системе металл- полупроводник.

4. Направленная миграция включений в объеме полупроводника осуществляется за счет термоэлектрических явлений на границе кристалл- расплав и электропереноса компонентов в объеме включения.

5. Различные скорости объемной и поверхностной миграции (для системы Ge-Ag, энергии активации 132 кДж/моль и 32 кДж/моль) при одинаковых термодинамических условиях определяются электрокаднллярными эффектами, ускоряющими поверхностный массоперенос пропорционально размеру включения.

Практическая значимость работы.

1. Показана принципиальная возможность использования данных оже- спектроскопии о плотности электронных состояний в валентной зоне и ее энергетическом положении для определения перехода кремниевой пленки из аморфного в поликристаллическое состояние.

2. Установлено, что основная причина деградационных процессов в многослойных структурах на кремниевой подложке при импульсном воздействии тонов повышенной плотности определяется контактирующими параш, находящимися в зоне больших температурных градиентов.

3. Показана возможность осциллографической оценки предельно допустимых импульсов тока (по амплитуде и длительности), проходящих через структуру.

4. Предложен метод определения коэффициентов взаимной диффузии D в системах металл- полупроводник, основанный на регистрации времени контактного плавления и температуры при прохождении токового импульса. Найдены температурные зависимости D исследуемых систем.

5. Вскрыт механизм оплавления и контактного разрушения исследуемых структур при импульсном воздействии токов повышенной плотности. Установлено влияние амплитуда, длительности импульса и термической обработки на характер разрушения систем.

6. Разработана и опроСирована методика проведения сравнительного анализа процессов объемной и поверхностной миграции (на примере системы Ge-Ag).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

докладывались и обсуждались на: международной конференции кМикроэлектронина-94", г. Москва, 1994 г.; международной конференции "Physical problems in material science of semiconflactors", Украина, 1995, международной конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и аикроэлектроники", Дивноморское, 1996 г.

Результаты, полученные в работе использованы при ¡включении лицензионного договора на использование Ноу-Хау с

АООТ "Искра", г.Ульяновск.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 6 научных работах.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 168 страницах

машинописного текста, включает 4-4- рисунка и 5 таблиц, библиографию из 150 наименований. Состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении кратко изложено состояние рассматриваемой

проблемы, отражена научная и практическая новизна работы, описывается ее содержание.

Первая глава носит обзорный характер.

На основании анализа литературных данных пс высокотемпературным элвктротранспортным процессам i полупроводниковых структурах делается заключение о состояши проблемы. Отмечено, что имеется информация о возникновение расплавленных включений в МИД-структурах и их направленно! миграции как по поверхности, так и в объеме полупроводников Установлены основные механизмы, способствующие движенш включений в электрическом поле.

Большое количество работ посвящено зернограшгаюй диффузк как в объеме поликристаллов, так и в тонкопленочных образцах Показана главенствующая роль электромиграции и зерногранично: диффузии при ускоренной деградации МДП- и други полупроводниковых структур. Разработано несколько моделе данного явления.

Однако, практически не изучено импульсное токово воздействие на многослойные тонкопленочные структуры, лежащи на полупроводниковой подложке. Хотя и показана роль последнег при образовании жидкой фазы на поверхности и в объем полупроводника. Саш процессы образования вторых фаз и в направленная миграция не проанализированы в рамках единог механизма. Отсутствует сравнительный анализ процессов объемнс

и поверхностной миграции при идентичных термодинамических условиях.

Во второй главе рассмотрено поведение многослойных

структур на кремнии в импульсном тоновом режиме функционирования.

Изучаемые многослойные структуры получали путем последовательного электронно- лучевого осаждения алюминия и материала подслоя на высокоомную кремниезую подложку (р=30-40 Оя-см). В роли подслоев выступали аморфные полупроводниковые

и (Те) и металлические Шо, Т1 и N1) пленки. Толщина подслоев варьировалась.

Измерения проводились на экспериментальной установке, включающей регулируемый источник импульсного тока, генератор, определяющий стартовую задержку и длительность импульса и двухлучевой запоминающий осциллограф, регистрирующий электрический отклик с исследуемой - тестовой структуры в процессе прохождения токового импульса.

Анализ происходящих в системах изменений при импульсном токовом воздействии проводился с помощью уравнения, определяющего температуру тонкой металлической пленки Т в процессе прохождения импульса тока:

гЧ Г к 1 /-т-Ч

тл = V - ' -=~ + ' /4- I. (1)

5 [к, с2.а3 V а3 J

где а- длительность импульса (при *с=0 1=0), Т - температура окружающей среды, I- протекающий через проводник ток, 1гг -

толщина пленки подслоя, , %г, а3, с3, З3- среднеинтегральные значения сопротивления ¿П-пленки, теплопроводности материала подслоя, температуропроводности, теплоемкости и плотности полупроводниковой подложки.

В работе получено хорошее согласование эксперимента и результатов расчета Г1 при отсутствии подслоя (7г2=0). Сильное изменение температурных режимов работы полупроводниковой матрицы наблюдали при введении подслоя между кремниевой пластиной и токоведущей дорожкой. Увеличение тепловых нагрузок на систему фиксировалось как при росте так и при уменьшении

%г. Последнее изменялось за счет рекристаллизации аморфного кремниевого подслоя при изотермическом отжиге в атмосфере азота при Т=773 К.

Аморфность напыленной пленки и ее рекристаллизация при отжиге, контролировалась электронной оже- спектроскопией (ЭОС). Используемая методика ' позволяла однозначно фиксировать плотность состояний р(Е) в валентной зоне напыленного кремния и ее изменение при изотермическом отжиге пленки.

В спектре р(Е) неотожженной пленки отсутствовала тонкая структура, характерная для монокристаллического кремния. Кроме того, наблюдалась значительное отличие энергетического положения оже-пика поверхностной пленки (2?=84.3) от положения Ь23УУ пика монокремния (91 эВ). Следовательно, используемый режим напыления способствует формированию аморфной пленки кремния, что хорошо согласуется с литературными данными.

15-ти минутный изотермический отжиг переводит ее в поликристаллическое состояние, что наглядно подтверждается проявлением тонкой структуры в спектре р(Е) и смещением потолка валентной зоны на 1.3 эВ.

Изменения Т1 при термическом воздействии в тонкопленочных структурах с металлическими подслоями, позволяли фиксировать процессы массопереноса в них. На основании предложенных соотношений и методики оценены эффективные коэффициенты взаимной диффузии в системах" Б 1-Ыо-А1 (Г^°=2>10-16 м2/с) и БЬ-Ш-лг (£^;=8-1(Г16 м2/с). Полученные значения Ое£ свидетельствовали о перераспределении компонентов в подобных структурах с участием различных диффузионых механизмов.

В третьей главе проведен анализ твердофазного

взаимодействия в системах металл- полупроводник с металлическими подслоями.

Взаимодействие и перераспределение компонентов в процессе отжига фиксировалось по изменению электрофизических параметров контакта металл- полупроводник (ВАХ, переходное сопротивление), методом ЭОС и с помощью контролируемого химического растворения.

Как показали исследования, электрические характеристики структур на основе контакта кремний (р=0.5 Ом-см)- алюминий

соответствуют барьеру Шотки. Используя ВАХ структуры определены значения высоты барьера Шотки срь=0.45 эВ, тока насыщения Гз=9.7>10~4 А и коэффициента неидеальности гг=1.26 для рассматриваемого контакта.

Введение подслоев изменяет характер контактов, что подтверждается линейностью и симметричностью ВАХ. Более того, твердофазное взаимодействие в . многослойных структурах на кремниевой подложке сказывается на величине удельного переходного сопротивления контактов (рк). Особенно отчетливо это проявляется в системе типа St-Mo-Al. Изотермический отжиг вплоть до 39 минут при Т=773 К увеличивает рк системы более чем в три раза, что, очевидно, связано с образованием внсокоомных ннтерметаллидов в процессе отжига. Низкоомные соединения не вносят заметного вклада в рк , как это и наблюдалось в системах Sl-Tl-Al и Si-Nl-Al. Поэтому детальное исследование транспортных процессов и твердофазного взаимодействия производилось методом ЭОС и контролируемого химического растворения.

Анализ системы Si-lo-Al показал, что процесс напыления, последующее формирование тестовых структур и 3-х месячное хранение при комнатной температуре приводили к высокой взаимной проницаемости компонентов еще до изотермического отжига. Кроме того, характер концентрационного распределения указывал на невозможность использования тонких мелкокристаллических слоев Мо в качестве барьерного. По концентрационным профилям Мо до и после 52 минутного изотермического отжига при Г=773 К оценили коэффициент диффузии Мо D=2«10~2° мг/с.

Анализ транспортных процессов в системе Sl-Tt-Al также показал быстрое взаимопроникновение компонентов, что согласуется с данными других авторов. Однако 60-ти минутный отжиг при Т=773 К приводил к возмущению коррозионного потенциала, увеличивающемуся при дальнейшем отжиге вплоть до 120 минут.

Концентрационные профили структур, отожженных в течении 60 и 105 минут при Т=773 К, снимались методом ЭОС.

Установлено, что после 60-ти минутного отжига в обогащенной по титану области происходит образование интерметаллида типа TlsSi3Al, что хорошо согласуется с

литературными данными.

Дальнейший 45-ти минутный отжиг при той же температуре приводит к значительному перераспределению компонентов и образованию нескольких интерметаллидных фаз. Наиболее вероятными являются соединения на базе силицида и дасилицида титана. Как показали независимые исследования расматриваемой системы, тройные соединения образуются на их основе путем замещения титана атомами кремния и (или) алюминия.

Полученные в данной главе экспериментальные результаты и сопоставление их с данными главы 2 подтверждают сделанные в ней выводы о процессах массопереноса, присходящих в тонкопленочных многокомпонентных структурах при термических воздействиях.

В четвертой главе рассмотрено импульсное воздействие

высоких плотностей тока (/>5-1010 А/м2) на многослойные структуры с полупроводниковыми и металлическими подслоями на кремниевой подложке.

Детально исследован механизм разрушения неотожкенных структур. Показано, что прохождение импульса тока сопровождалось оплавлением, образованием капель сложного ■ состава и их направленной миграцией в электрическом поле, приводящей к полному и необратимому разрушению структур. Происходящие при этом процессы четко отражались на осциллограммах включения, снимаемых при прохождении токовых импульсов.

Обнаружено заметное влияние 13-ти минутного изотермического отжига при Т-773 К как на характер разрушения структур, так и на ход осциллографических кривых.

Проведенные исследования показали, что импульсное воздействие на отожженные структуры приводит к закономерному зарождению и направленному распространению жидкой фазы.

Зарождение жидкой фазы у отрицательного электрода определялось температурными градиентами, обусловленными геометрическими неоднородаостями и перегибами исследуемых структур, усугубляемыми термоэлектрическими явлениями в области контакта медных токовых электродов с А1-дорожкой.

Создаваемая асимметрия тепловых штоков усиливала

температурный градиент в области перехода дорожки металлизации

б отрицательную контактную площадку Н2р). понижая общую температуру в приконтактной области. Это способствовало

появлению преимущественных транспортных потоков J атомов А1 по границам зерен:

30 Ев'°'с 35Г

з = -и.------2_ (2)

дх Грй дх

где Е , 0 и В- энергия активации самодиффузии, концентрация и

коэффициент самодиффузии атомов А1, к - постоянная Больцмана.

Транспортный поток атомов алюминия в температурном градиенте способствовал вымыванию вещества из зернограничного слоя и образованию пор. Это приводило, к уменьшению активной площади поперечного сечения дорожек металлизации, увеличению плотности тока и локальному оплавлению А1 в этой зоне.

Направленное распространение образовавшейся зоны связывалось с различным выделением джоулева тепла в контактирующих алюминиевых фазах. При этом протяженность оплавленной зоны I определялась уравнением: з ,

г-г-х

а ,/2

1 = -~ ' [Рох" Роз] • И)

где Н- объемная теплота плавления алюминия, а.,- коэффициент температуропроводности расплавленного А1, £>- поперечное сечение слоя металлизации, р и р0з~ удельное сопротивление жидкого и твердого алюминия. Расчет по уравнению (3) хорошо согласовался с экспериментом для всех исследуемых систем.

В работе детально исследовались процессы контактного плавления многослойных тонкопленочных структур типа полупроводник- металл. На основе анализа этого процесса предложена методика для численной оценки коэффициента многофазной диффузии 5 по скорости растворения пленки полупроводника в расплаве:

К

100

2 ^ 4

7

(4)

4 - • Вг

7

где сг2 и с^- плотность подслоя и расплава соответственно, С^ -концентрация атомов подслоя в расплаве (вес.Ж), Дт- время контактного плавления, р- числовая константа. Для численных

расчетов О по уравнению (4) были использованы снятые при различных / осциллограммы включения Щт). Продолжительность контактного плавления Дт; оценивалась по временному интервалу между сбросами потенциалов соответствующих осциллограмм включения, а температура по максимальному падению напряжения в слое металлизации исследуемых тестовых структур:

и К

Коэффициенты Я и М определялись температурной зависимостью удельного сопротивления Al ( Г>934 К):

p(T)=K+M-T¡ , (6)

где К=1.35-1СГ7 Ом-м , Ж=1.47•10"10 Ом-м/К.

Полученные результаты хорошо согласуются с немногочисленными литературными данными для конкретных Т, а температурные завсимости для систем Sí-Al, Ge-Al и Tl-Al, согласованные с диаграммами фазовых состояний получены, по-видимому, впервые.

В пятой главе приведены результаты исследования процессов

направленной миграции включений по поверхности и в объеме полупроводниковых монокристаллов кремния (n-тип, р--0.01 Ом•см) и германия (р-тип, р=30 Ом-см).

Под включением понимали жидкую каплю второй фазы, находящуюся в объеме или на поверхности полупроводника. При этом химический состав матрицы существенно отличался от химического состава включения, а его размер существенно превышал межатомные расстояния.

В работе проанализировано также огранение включений. При объемной миграции, включения типа Sí-Al ограняются плоскостями

(111), (110) и (110). На примере систем Ge-Ag и Sl-Ag показано, что форма включений вторых фаз зависит не только от кристаллографических свойств матрицы, но и от реакционной активности расплава при конкретных Т. При этом установлено, что массоперенос осуществляется за счет потоков атомов матрицы через включение.

Если направленная миграция определяется процессами

растворения - кристаллизации на межфазных границах (кинетический контроль р-6«D) или транспортом компонентов расплава (диффузионный контроль ¡3'S»D), то результирующие уравнения имеют вид:

w FGpQpeZ* 7гСР1р

- ----———- .1 . (7)

J lIJiT N^lil^X

w fCpeZ* у2срь

—= _2)---д. .1 . (8)

J N^7

Здесь и далее р и Х- электро- и теплопроводность проводящего включения, Р- коэффициент Пельтье границы кристалл-расплав, V и

I- мольный объем и размер включения, С- равновесная концентрация растворенного в металле полупроводника, D-коэффициент диффузии атомов полупроводника в расплаве, 5-толщина диффузионого слоя у границ раздела расплав- кристалл, I-тешюта перехода единицы объема твердой фазы в раствор, р-константа скорости реакции растворения-кристаллизации, fQ-число Авогадро, й- постоянная Больцмана, е- элементарный заряд.

Анализ процессов объемной миграции, проведенный на системах Si-Al, Ge-Al и Sí-Ag показал, что в конкурирующем влиянии электропереноса и теплоты Пельтье первое остается определяющим, хотя роль второго возрастает с ростом размера включений.

Сопоставление экспериментальных результатов с теорией позволило определить эффективный заряд атомов полупроводника Z*

Параметр система Ge-Ag

Т, К 973 1043 1123

Z* -1.2 -1.2 -2.8

Р, 10"2 (В) 6.2 10.1 16.2

система Sl-Ag

т, к 1113 1173 1223

2* -5.7 -5.8 -5.6

Р, Ю-2 (В) 6.8 16.4 17.9

в расплавах Ge-Ag, Si-Ag и коэффициенты Пельтье Р границы кристалл- расплав.

По температурной зависимости удельной скорости миграции оценена энергия активации процессов массопереноса для систем Sl-Ag и Ge-Ag.

В работе проведен сравнительный анализ процессов объемной и поверхностной миграции на примере Ge-Ag. Обнаружена существенная разница в скоростях перемещения включений по поверхности и в объеме.

Ускоренная миграция по поверхности - объяснялась дополнительным вкладом электрокапиллярных эффектов. При этом, размерная зависимость электрокапиллярной составляющей скорости имеет вид:

1 *

ш=ос->е -Е-г (9)

2т) °

здесь а- числовой коэффициент, Е- напряженность поля во включении, tj- динамическая вязкость расплава, е*- поверхностная плотность заряда переноса. По предложенной методике определены электрокапиллярная составляющая скорости и поверхностная плотность заряда переноса е*= 4.7-10"7 Кл/м2 для расплава Ge-Ag.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследована рекристаллизация пленок аморфного кремния е температурном интервале 500-600°С. Установлено, что этот процесс сопровождается изменением плотности состояний е валентной зоне и значительным увеличением теплопроводности рекристаллизованной пленки St.

2. Детально проанализировано импульсное воздействие токое

1 П Р

повышенной плотности (>6-10 А/м ) и режимов термообработок не многослойные структуры. Основные механизмы деградации связаны с локальным зарождением жидкой фазы и направленным ее распространением в электрическом поле.

Однозначно доказано, что локальное зарождение жидкой фазь определяется как температурными градиентами, обусловленныш

геометрическими неоднородностями и перегибами исследуемых структур, так и различными теплопроводящими свойствами полупроводниковых ' и диэлектрических слоев. При этом термоэлектрические эффекты на границах токоподводящих электродов и алюминиевых дорожек усиливают температурный градиент у одного из электродов и ускоряют вымывание вещества по границам зерен металла. Это приводит к локализации силовых линий электрического поля и расплавлению структуры.

Впервые обнаружено направленное распространение образовавшейся массы к положительному электроду, определяемое несбалансированным тепловыделением в контактирующих твердой и жидкой фазах. Получено аналитическое выражение, определящее величину оплавленной зоны после прохождения токового импульса через структуру. Для всех исследуемых систем найдено хорошее согласие результатов расчета с экспериментом.

3. Выявлен и детально проанализирован механизм контактного плавления многослойных систем при прохождении токового импульса, установлена температурная стабильность этого процесса. Предложена методика оценки коэффициентов многофазной диффузии при импульсном токовом воздействии на многослойные системы. Полученные результаты хорошо согласуются с данными других авторов, а температурные зависимости для систем Si-Al и Ge-Al, согласованные с диаграммами фазового состояния, получены, по-видимому, впервые.

4. Изучено поведение расплавленных включений в элементарных полупроводниках во внешнем электрическом поле.

Установлено, что общей закономерностью процесса миграции примесных зон в Ge и Sí являются одновременное осаждение из расплавленной капли, растворение в ней атомов матрица под действием локализуемой на межфазных границах теплоты Пельтье и сил электропереноса в объеме включения. Показано, что размерная зависимость скорости вытеснения включений подчиняется линейному закону. Исследовано влияние температуры. и природы примеси на массоперенос в расплаве.

Определены вклады электропереноса и тепоты Пельтье в результитрующую скорость вытеснения зон током. Для различных по размерам включений он не является постоянным; в одних и тех же условиях вклад электропереноса уменьшается по мере увеличения

толщины включений.

Проведен сравнительный анализ поверхностного и объемного электромассопереноса. Показано, что ускоренная миграция примеси по поверхности полупроводника связана с вкладом электрокапиллярной составляющей скорости.

5. Методами электроной оже- спектроскопии изучено перераспределение и твердофазное взамодействие компонентов при отжиге (2,=500°0) в моногослойных структурах на кремнии. Подтверждена главенствующая роль зернограничной диффузии в процессе массопереноса компонентов. Выявлены механизмы изменения теплопроводящих свойств подслоев в системах металл-полупроводник, связанные с образованием высокоомяых интерметаллических соединений на базе силицидов, что подтверждается характерам изменения БАХ исследуемых контактов.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Скворцов A.A., Орлов A.M., Емельянова Т.Г., Костишо Б.М. Слои металлизации в импульсном токовом режиме. //Тезисы доклада Международной конференции иМикроэлектроника-94". Москва, 1994. с. 299.

2. Skvortcov A.A., Kostlshko В.M., Orlov A.M. The peculiartes of diffusion processes In thin films system with nano-cryatalllne underlayer. //Abstract booklet internacional conference "Physical problems in material science of semiconductors". Ulcraine, 1995. a. 137.

3. Орлов A.M., Костишо Б.М., Скворцов A.A., Пирогов A.B. Разрушение многослойных тонкопленочных структур в импульсном токовом режиме. //Известия РАН. Неорганические материалы. 1995. Том.31. If5. с. 668-672.

4. Орлов A.M., Костишко Б.М., Скворцов A.A. Роль диффузионных процессов при контактном плавлении слоев металлизации многослойных структур Sl-Sia(Ge&)-Al. //Известия РАН. Неорганические материалы. 1996. Том.32. N3. с. 277-280.

5. Скворцов A.A., Костишко Б.М. Твердофазное взаимодействие в тонкопленочной системе Si-Mo-Al. //Твердотельная электроника. Под. ред. C.B. Булярского. Ульяновск. 1996. с.141-147.

6. Орлов A.M., Костишко Б.М., Скворцов A.A. Перераспределение компонентов многослойной структуры Al-Tl-Sl в процессе диффузионного отжига. //Тезисы доклада международной конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники". Таганрог. 1996. с.36.

Подписано в печать с оригинал-макета 22.10.96. Формат 84x108/32. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 90 экз. Заказ № 92/^ ? /

Подразделение оперативной полиграфии УлГУ. 432700, г.Ульяновск, ул. Л.Толстого, 42, УлГУ.