Главная » 2014»Август»6 » Скачать Массоперенос в полупроводниковых материалах с участием жидкой фазы. Саланов, Андрей Александрович бесплатно
5:53 AM
Скачать Массоперенос в полупроводниковых материалах с участием жидкой фазы. Саланов, Андрей Александрович бесплатно
Массоперенос в полупроводниковых материалах с участием жидкой фазы
Диссертация
Автор: Саланов, Андрей Александрович
Название: Массоперенос в полупроводниковых материалах с участием жидкой фазы
Справка: Саланов, Андрей Александрович. Массоперенос в полупроводниковых материалах с участием жидкой фазы : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.10 Ульяновск, 2005 137 c. : 61 05-1/502
Объем: 137 стр.
Информация: Ульяновск, 2005
Содержание:
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и постановка задачи исследования
11 Включения в монокристаллических матрицах Механизмы их возникновения и влияние на электрофизические свойства полупроводниковых структур
12 Транспорт включений во внешних возмущающих полях
13 Особенности транспортных процессов в электрическом поле
131 Электроперенос компонентов в монокристаллической матрице и в объеме включения
132 Роль термоэлектрических параметров при вытеснении включений вторых фаз из объема монокристаллической матрицы
14 Термоэлектрические свойства полупроводниковых материалов и межфазных границ бинарных сис
Выводы
Глава 2 Массоперенос примеси в монокристаллических полупроводниках с участием жидкой фазы
21 Методические особенности экспериментального исследования миграции расплавленных включений в полупроводниковых системах (GaSb-Sn, Ag-Te и Al-Si)
211 Выращивание монокристаллов теллура
212 Подготовка образцов и методы нанесения примеси, ф участвующей в формировании включений вторых
213 Высокотемпературный отжиг в постоянном и импульсном электрическом поле
214 Методы оценки размеров мигрирующих включений и глубины их проникновения
22 Миграция расплавленных включений в постоянном элек-" - трическом поле
• Система Al-Si
• Система GaSb-Sn 23 Влияние осевого температурного градиента на электромиграцию расплавленных включений
24 Роль импульсного токового воздействия на тепловые и транспортные процессы в полупроводниках
241 Электромиграция жидких включений на основе алюминия в монокристаллах кремния при импульсном электрическом воздействии
242 Тепловой режим слоев металлизации на кремнии при импульсном токовом воздействии
2421 Изготовление тестовых структур 2422 Программно-аппаратный комплекс для исследования системы металлизации Al-Si при импульсном токовом воздействии
Глава 3 Термоэлектрические свойства сплавов полупроводникметалл
31 Температурные измерения абсолютной термо-эдс сплавов
311 Методическое обеспечение эксперимента
3111 Подготовка материалов ф 311,2 Программно-аппаратный комплекс для исследования температурных зависимостей коэффициента Зеебека
3113 Влияние скорости нагрева на точность измерения абсолютной термо-эдс исследуемых систем (на примере теллура)
Ш 312 Система Оа8Ь-8п
313 Система
314 Система 1п-Те
315 Система ЕН-Те
32 Определение коэффициента Пельтье межфазного перехода твердая фаза-расплав по динамике кристаллизации расплава в электрическом поле
321 Подготовка образцов и настройка измерительной установки
322 Изменение коэффициента Пельтье межфазного перехода твердая фаза-расплав при введении металлической примеси в полупроводниковую матрицу
Выводы
Введение:
Актуальность темы
Успехи в развитии технологии межсоединений играют ключевую роль в развитии современных интегральных микросхем. Сегодня состояние системы межсоединений определяет как степень интеграции полупроводниковых элементов в составе ИМС, так и эксплуатационные качества и стоимость микросхем.
Каждое поколение ИМС требовало инновационных разработок в области планарной системы межсоединений, начиная с того момента, когда степень интеграции ограничивалась разрешающей способностью технологии литографии. Это привело к созданию высокоинтегрированных многоуровневых систем металлизации [1-2]. Миниатюризация приборов потребовала уменьшения ширины проводников и, следовательно, уменьшения их поперечного сечения, что повлекло за собой возрастание плотности токов. Кроме того, сэндвич-структуры, включая диэлектрические прослойки, заметно увеличивают тепловые нагрузки на рассматриваемые контактные системы.
Совокупность отмеченных факторов определяет ускоренную деградацию межсоединений, связанную в основном с направленным переносом материала металлизации в поле как постоянного, так и импульсного тока, а
1Л О в критических режимах работы (/"—10 А/м ) - возникновением подвижных оплавленных зон [3-8].
Расплавленные области сворачиваются в капли и вытесняются током вдоль или против силовых линий электрического тока. Причем воздействие постоянного электрического тока имеет некоторые отличия от влияния импульсного [9-11], что практически не рассмотрено в специальной литературе.
Перемещение зоны может происходить как в объеме, так и по поверхности полупроводникового кристалла. Основными движущими механизмами являются электроперенос в объеме расплавленного включения и термоэлектрические эффекты на границе полупроводниковой матрицы с расплавом. Присутствие температурных градиентов, скоплений всевозможных дефектов и неконтролируемое перераспределение тепла в контактирующих фазах в процессе токовых нагрузок значительно ускоряют образование вторых фаз и их направленный массоперенос. В то же время транспорту дефектов при одновременном присутствии электрических и тепловых полей уделяется недостаточное внимание. Как правило, при анализе деградационных процессов температура в области исследуемых объектов принимается постоянной [1,5,12-14].
Рассматриваемые электротранспортные процессы приводят к разрушению структур вследствие как неконтролируемого перераспределения легирующих компонентов активных элементов, так и разрушения металлизации, и являются завершающей частью механизма полной деградации полупроводникового прибора.
Наряду с этим, образование расплавленных включений второй фазы наблюдается и при выращивании сильнолегированных полупроводниковых монокристаллов вследствие флуктуаций и перераспределения концентрации легирующей примеси [15-17]. Перемещаясь в существующем температурном поле по объему монокристалла, включения изменяют как структурные, так и многие электрофизические свойства последнего, поскольку являются источником различных структурных дефектов (антиструктурные точечные дефекты, дислокации и т.д.) [18-22].
Вот почему, исследование всего комплекса высокотемпературных электротранспортных процессов в полупроводниковых структурах с момента нагрева системы и до процессов направленной миграции расплавленных включений вторых фаз является актуальной научной проблемой и имеет большое практическое значение.
Цель работы
Работа посвящена комплексному анализу массопереноса примеси в монокристаллических полупроводниковых материалах с участием жидкой фазы во внешних возбуждающих полях. Экспериментальному рассмотрению подлежит как непосредственное исследование динамики миграции расплавленных включений на основе металлов, так и все аспекты и механизмы, вызывающие данное перемещение.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: исследование массопереноса с участием расплавленных включений на основе металлов в элементарных и сложных полупроводниковых монокристаллах как в постоянных или импульсных электрических полях, так и при совместном действии с осевым температурным полем; анализ протекания деградационных процессов, развивающихся в тонкопленочных алюминиевых дорожках металлизации на основе кремниевых монокристаллических пластин при прохождении одиночных токовых импульсов высокой плотности; измерение термоэлектрических параметров исследуемых полупроводниковых материалов; исследование электрических свойств сплавов полупроводник-металл с привлечением холловских измерений.
Научная новизна
1. Детально проанализирован массоперенос с участием расплавленных включений на основе металлов как в элементарных, так и в сложных полупроводниковых монокристаллах. Данные по миграции включений при одновременном присутствии как электрического, так и градиентного температурного поля, получены впервые. Выявлена аддитивность вкладов в массоперенос, внешних сил связанных с электрическим и тепловым полями. Это позволило численно рассчитать как параметры электромиграции, так и параметры, определяющие перемещение в поле градиента температуры.
2. Используя методику торпедирования вклада электропереноса час- . тиц полупроводника в расплаве [9] исследовалось перемещение расплавленных включений на основе алюминия в монокристаллическом кремнии при воздействии токовых импульсов различной скважности. Установлено увеличение скорости перемещения расплавленных зон по мере роста скважности токовых импульсов.
3. Проанализировано протекание деградационных процессов, развивающихся в тонкопленочных алюминиевых дорожках металлизации на основе кремниевых монокристаллических пластин при прохождении оди
10 2 ночных токовых импульсов высокой плотности (/—10 А/м ). Разделены различные фазы деградации, связанные как с образованием прослойки расплава в результате контактного плавления металла с полупроводником, так и с непосредственным расплавлением металла.
4. Двумя независимыми методами измерена величина коэффициента Пельтье межфазного перехода твердая фаза-расплав систем А§-Те и ВьТе.
Привлечение измерений постоянной Холла позволило определить предельную растворимость висмута в теллуре при комнатной температуре.
Практическая значимость работы
1. Проведенные исследования миграционной способности включений второй фазы позволили численно определить такие важнейшие параметры, определяющие электродеградационную стойкость структур полупроводник-металл, как энергия активации перемещения включений, эффективный заряд полупроводника, растворенного в объеме включения, и его коэффициент диффузии, константа скорости растворения-кристаллизации.
2. Предложен метод выявления безопасных пределов токовой нагрузки на структуры металлизации путем контроля изменения падания напряжения на требуемом участке проводника. Представленная информация впервые позволяет точно выявить последовательность процессов, приводящих к полной деградации контактных областей металл-полупроводник при локальных перегревах структур.
3. Разработана методика выделения термоэлектрических параметров сопутствующих фаз в бинарных сплавах из их температурных зависимостей термо-эдс.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Скорость электростимулированного движения расплавленных включений на основе металлов в монокристаллических полупроводниках линейно зависит от их размера. В качестве движущих сил подобного перемещения выступают электроперенос полупроводника в объеме включения и выделение (поглощение) теплоты Пельтье на межфазных границах включения с полупроводниковой матрицей, причем вклад последней по мере увеличения размера включения (?) для исследуемых систем возрастает и при определенных становиться доминирующим.
2. Скорость электростимулированного движения расплавленных включений в неоднородном температурном поле представлена аддитивными вкладами от присутствующих возмущающих полей. Это позволяет рассчитать основные параметры электро- и термомиграции.
3. Динамика перемещения включений второй фазы изменяется при переходе от постоянного к импульсному электрическому воздействию. Увеличение скважности импульсов приводит к возрастанию вклада теплоты Пельтье в общий баланс движущих включение сил и одновременному снижению вклада электропереноса.
4. Деградационные процессы в структуре Al-Si при импульсном токовом возмущении обусловлены активно протекающими процессами фа-зообразования, к числу которых относятся контактное плавление и оплавления металла на поверхности Si.
Максимальная длительность токового воздействия т, предшествующего этапам разрушения металлизации, связана с величиной плотности то-кау*как jk\/tfr.
5. Термоэлектрические свойства двухфазных бинарных сплавов металл-полупроводник, независимо от агрегатного (жидкого или твердого) состояния, определяются долевым соотношением присутствующих фаз. На основании предложенной методики расчета впервые определены температурные зависимости термо-эдс (а) фаз, присутствующих при нагреве исследуемых бинарных сплавов.
Апробация работы
Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах и доложены на: Международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии», Ульяновск, 2002; Девятой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Красноярск, 2003; Пятой международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии», Ульяновск, 2003; Шестой международной конференции «Опто-, наноэлектро-ника, нанотехнологии и микросистемы», Сочи, 2004.
Работа неоднократно докладывалась на конференциях студентов и аспирантов, научных семинарах физико-технического факультета Ульяновского государственного университета.
Личное участие автора
Основные теоретические положения представленной работы разработаны совместно с д.т.н. Орловым A.M. и д.ф.-м.н. Скворцовым A.A. Постановка и проведение экспериментов по теме диссертации, а также все аналитические расчеты проделаны автором самостоятельно.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением серийно выпускаемой измерительной аппаратуры, стандартных методик, согласованностью полученных результатов с данными других независимых групп исследователей. Результаты всех основных исследований обсуждались на всероссийских и международных конференциях.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи и 6 тезисов докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 137 е., включая 54 рисунка, 5 таблиц, 143 наименования литературы.
