ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН КАТАСТРОФИЧЕСКОЙ ДЕГРАДАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КРЕМНИЕВЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ

April 28, 2012 by admin Комментировать »

Кулинич О. А., Глауберман М. А., Чемересюк Г. Г., Яцунский И. Р. Учебно-научно-производственный центр Одесский Национальный Университет им. И. И. Мечникова ул. Маршала Говорова, 4, Одесса – 65063, Украина Тел.: 80482-6072-52, факс: 80482-544491, e-mail: eltech@elaninet.com

Аннотация – Работа посвящена выявлению причин катастрофической деградации параметров кремниевых транзисторов, которые были сформированы по обычной планарной технологии.

I.  Введение

Разброс, нестабильность и катастрофическая деградация параметров кремниевых МОП – транзисторов (далее просто «МОП – транзисторы») в значительной степени определяются несколькими причинами: состоянием структурного совершенства исходного материала и состоянием технологии их изготовления.

Влияние структурных и точечных дефектов в кремниевых пластинах в состоянии поставки, а также образованных после окисления и нанесения металлизации, выявленных с помощью химических обработок, на параметры МОП – транзисторов хорошо изучены и описаны (см., например, [1, 2]).

Сложности технологических процессов, состоящих из нескольких десятков различных операций и переходов, несовершенства и нестабильности отдельных технологических операций, использование ручного труда в проведении большого количества операций, приводит к отклонению от технологических параметров, и как следствие, к появлению дефектов процесса изготовления приборов. С целью обнаружения дефектов и устранения дефектных структур из последующего цикла изготовления, а также, для проверки соответствия изготовленных МОП – транзисторов требованиям технологических условий, должна вводиться система контроля качества.

Целью данных исследований является выявление и последующее изучение причин катастрофической деградации параметров кремниевых МОП- транзисторов.

II. Объект и предмет исследований

Объектом и предметом изучения является исследование причин катастрофической деградации параметров собранных в корпус кремниевых МОП – транзисторов, изготовленных на пластинах кремния КДБ – 10/100 по обычной планарной технологии с толщинами оксидных слоев (0,1 ± 0,01) мкм, параметры которых катастрофически деградировали. Под понятием «Катастрофическая деградация» понимается полный отказ работы МОП – транзисторов сразу после изготовления или после длительной работы приборов (более 20000 часов).

III.  Методы исследований

Исследование причин катастрофической деградации параметров кремниевых МОП – транзисторов проводили методами растровой электронной микроскопии на электронном сканирующем микроскопе системы “Cam – Scan" с рентгеновским микроанализатором системы “Link – 860".Количественный рентгеновский микроанализ проводился с использованием программы ZAF – 4/F2S. Структуры МОП – транзисторов подвергались аргонному и химическому послойному травлению. Металл снимался в растворе щелочи NaOH, ЭЮг (диоксид кремния) стравливался в плавиковой кислоте с последующей отмывкой в деионизованной воде. Для выявления дефектов на поверхности кремния использовали химические избирательные травители Сэкко и Сиртля [3,4]. Травление аргоном проводилось при напряжении 1,5 кВ, ток пучка – 35 мА, угол между образцом и пучком аргона составлял 90 , время травления – от 25 до 43 минут. Измерение вольт-амперных характеристик проводилось при следующих режимах: затворное напряжение U3 =(2+4) В, напряжение сток – исток 11си = (6-10) В, ток стока 1с =(5-10) мА. Из партии МОП – транзисторов в 2000 шт. отбирались сразу отказавшие в работе транзисторы и транзисторы, отказавшие в работе после наработки в течение 20000 часов в вышеуказанных режимах. После этого аккуратно вскрывались корпуса транзисторов (для устранения фактора механического повреждения) и проводились исследования вышеуказанными методами.

IV.  Обсуждение полученных результатов и выводы

На рис 1а, 16 представлены картины выявленных скрытых дефектов, нарушения целостности металлизированной дорожки к затвору и механическое повреждение площадки под термокомпрессию, которые проявляются после ионного травления в течение 25 минут. Просмотр данного участка в режиме обратносмещенных электронов и поглощенного тока показал, что имеются участки с более низкой проводимостью в области механического повреждения и обрыва. Микрорентгеноспектральный анализ токоведущей дорожки показал наличие в ней как алюминия и молибдена, так и наличие силицидов типа AlxSiz и MoxSiz. Интерметаллические соединения типа AlxAuy и AlxAuyMoz обнаружены в области термокомпрессионных контактов (рис. 2).

Рассмотрим основные механизмы, приводящие к образованию обрывов термокомпрессионных контактов. При соединении металлизированных площадок на МОП – транзисторе с внешними выводами корпуса используют золотую проволоку, которую методом термокомпрессионной сварки присоединяют к контактным площадкам истока, стока, затвора. Выявленные интерметаллические соединения приводили к охрупчиванию и, как следствие, к обрывам термокомпрессионных золото – алюминиевых контактов. Эти соединения имеют сложный состав, зависящий от условий их образования (концентрации золота и алюминия, температуры и давления в процессе термокомпрессии, наличия свободного кремния, температуры окружающей среды и времени эксплуатации готового МОП – транзистора). Образование этих соединений приводит, вследствие различия постоянных кристаллических решеток и термических коэффициентов, к возникновению механических напряжений на границе раздела. Хорошо известно, что предел текучести кристаллических веществ зависит от температуры [5]. При прохождении тока контакты разогреваются, что и приводит к пластическому течению, и, как следствие, к разрушению контактов Детальный анализ механизма отказа дал возможность установить, что в процессе термокомпрессионной сварки при температуре около 300 °С происходит взаимодействие и взаимодиффузия золота и алюминия, причем диффузия золота в алюминий происходит с большей скоростью, вследствие более высокого значения коэффициента диффузии золота (рис. 3). Эта диффузия приводит к образованию на границе раздела Au – AI интерметаллических соединений с параметрами постоянных решетки и коэффициентами термического расширения отличными от аналогичных параметров решеток Au и AI, что и ведет к возникновению механических напряжений.

Выявлено, что при стравливании металлизации и обработке поверхности кремния избирательными травителями Сэкко (100) или Сиртля (111), нарушения сплошности металлизации локализованы в местах максимального скопления дислокаций (рис. 4) либо дефектов слоистой неоднородности (рис. 5). В этих областях, несмотря на хорошую адгезию металла к кремнию, возникали механические напряжения, которые приводили к разрушению металла. Некоторые случаи нарушения сплошности металлизации можно было связать с подтравливанием металла под фоторезистом. Нарушение металлического покрытия, как показали эксперименты, в значительной степени зависит от технологии формирования приборов. Особенные трудности возникают в процессе фотолитографии. Известно, что толщина и качество резистивного слоя зависят от вязкости фоторезиста, способа его нанесения, температуры и влажности окружающей среды, свойств поверхности подложки. Было установлено, что гидрофильность поверхности подложки способствует растравлению рисунка, так как травитель легче проникает под край пленки фоторезиста. Равномерность сплошного слоя резиста зависит от свойств металлического покрытия. Малейшая неровность в металлической пленке приводила к разрыву фоторезистивного слоя и, как следствие, к растравливанию металла в дальнейших операциях. Кроме того, необходимо поддерживать четкий температурный режим фотолитографического процесса. Нарушение режима сушки приводило к неполному удалению растворителя, а это, в свою очередь, вызывало экранирование фоточувстви- тельных свойств резиста при экспонировании. Если сушка осуществлялась при низких температурах, наблюдалась плохая адгезия фотослоя к подложке, преобладала когезия, в результате имело место отслаивание фоторезиста при проявлении, что приводило к нарушению рисунка.

Установлено также, что даже незначительное отклонение от нормы хотя бы одного из факторов процесса проявления (концентрации проявителя, времени, температуры и т.д.) приводило или к нарушению четкости края границы или к частичному нарушению фотослоя, что в дальнейшем сказывалось в проявлении дефектности токопроводящих дорожек и контактных площадок.

Большую группу отказавших после большого времени наработки приборов составляли приборы, у которых токоведущие дорожки и термокомпрессионные контакты не претерпели видимых изменений.

Детальный анализ показал, что катастрофическая деградация параметров произошла вследствие резкого повышения тока, текущего через затвор. Рентгеновский анализ качества оксидных слоев показал наличие в оксиде большого количества металлических примесей, ионов Na+ и К+, причем, их концентрация достигала максимальной величины на границе кремний-оксид. Было замечено, что концентрация металлических примесей была максимальна в более пористых оксидах. Кроме металлических примесей рентгеновский анализ выявил на границе оксид- кремний большую концентрацию кислорода. В процессе эксплуатации приборов, происходила диффузия примесей к границам раздела металл-оксид и оксид-кремний, что приводило к изменению высот потенциальных барьеров и образованию энергетических состояний в запрещённой зоне кремния. Вследствие наличия большой концентрации таких состояний на границе оксид-кремний возрастала вероятность резкого увеличения туннельного тока и тока утечки [6]. Все эти факторы привели к резкому возрастанию тока, текущего через затвор (электрическому пробою) и, как следствие, к катастрофической деградации параметров приборов.

IV.  Список литературы

[1]   VelchevN., Toncheva L., Dimitrov I. Electrical properties of MOS structures with process-induced defects // Cryst. Lattice Defects – 1980, № 4, pp. 159-166.

[2]   Гпауберман М. А., Кулинич О. А., Садова Н. Н.

Вплив структурних дефекте у приповерхневих шарах кремыю на рухливють носив заряду в канал1 МОН-транзистор1в та порогову напругу // УФЖ,

2002, Т. 47, № 8, С. 779-783.

[3]   Sirtle £., Adler A. Metalik – 1961, V. 52, pp. 529-532.

[4]   Secco d’Aragona F. J. Electrochem. Soc. – 1972, V. 119, pp. 948-952.

[5]   Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии – М.: Мир, 1984, С. 472.

[6]   Helmreich D, Sirtle Е. Semiconductor silicon – N.Y.: Huff and Sirtle, 1977, pp. 626.

INVESTIGATION OF THE CAUSES OF CATASTROPHIC DEGRADATION OF SILICON MOS-TRANSISTOR PARAMETERS

Kulinich O., Glauberman M, Chemeresuk G., Yatsunsky I. Scientific Field Study Center Mechnikov Odessa National University

4,         Marshal Govorov St., Odessa – 65063, Ukraine Tel.: 80482-6072-52, fax: 80482 544491 E-mail: eltech@elaninet.com

Abstract – The aim of the present paper is to find out the causes of the catastrophic degradation of parameters of silicon MOS-transistors formed by the ordinary planar technology.

The basic causes of degradation are as follows:

–    thermal compression contact rupture, which can be explained by formation of intermetallic compounds in the contact area, resulting in brittleness of the contacts;

–    breaking of the metallic interconnections and contact pads integrity, resulting from inobservance of the photolithography technological conditions as well as from presence of a developed defect structure on the silicon surface and formation of silicide compounds.

Keywords: catastrophic degradation, MOS-transistor, silicon.

Рис. 1а. Электронное изображение дефектов токопроводящих дорожек.

Fig. 1а. Electron-beam image of conducting path defects

Puc. 3. Электронное изображение диффузии золота в алюминий.

Fig. 3. Electron-beam image of gold diffusion into aluminum

Puc. 16. Электронное изображение дефектов контактных площадок.

Fig. 1b. Electron-beam image of bond area defects

Puc. 4. Электронное изображение скопления дислокаций.

Fig. 4. Electron-beam image of a bunch of dislocations

Puc. 2. Электронное изображение дефекта типа обрыв.

Fig. 2. Electron-beam image of a break-type defect

Puc. 5. Электронное изображение дефекта слоистой неоднородности.

Fig. 5. Electron-beam image of a stratified heterogeneity defect

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты