Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Тепловые процессы в системах металлизаций полупроводниковых структур и керамик

Диссертация: Тепловые процессы в системах металлизаций полупроводниковых структур и керамик
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В ходе работы проанализированы тепловые процессы в местах дефектов спая металл — диэлектрик. Показано, что при наличии в паяном соединении областей соприкосновения металлизации с подложкой из ВеО термоупругие напряжения в момент включения и выключения токового импульсного воздействия превышают предел прочности для данного типа соединения. Так для медной металлизации при ДТ~ 120 К и выше возникают… Читать ещё >

Тепловые процессы в системах металлизаций полупроводниковых структур и керамик (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Список используемых обозначений
  • 1. Состояние вопроса и задачи исследования
    • 1. 1. Природа тепловой деградации полупроводниковых структур и систем металлизации
    • 1. 2. Механизмы тепловой деградации
  • 2. Теоретический анализ тепловых процессов в системах металлизаций и методические аспекты работы
    • 2. 1. Тепловые процессы, происходящие в проводнике при пропускании импульса тока
    • 2. 2. Методика проведения эксперимента
    • 2. 3. Тепловые процессы при наличии геометрических неоднородностей
  • 3. Деградационные процессы в объемных проводниках при наличии градиента температур
    • 3. 1. Тепловые процессы в проводнике при пропускании импульса тока
    • 3. 2. Экспериментальная часть
  • 4. Тепловые процессы в паяных соединениях
    • 4. 1. Расчет температурных напряжений в паяном соединении
    • 4. 2. Экспериментальное изучение состояния паяных соединений
    • 4. 3. Моделирование тепловых процессов в структуре металлдиэлектрик
    • 4. 4. Теоретические основы расчета термоупругих напряжений в системах металл-диэлектрик
    • 4. 5. Расчет термоупругих напряжений в системах металл-диэлектрик в комплексе ANS YS
    • 4. 6. Анализ механики разрушения металлизаций на поверхности диэлектрика

Хорошо известно, что надежность и качество современных полупроводниковых устройств во многом определяется надежностью контактов металл-полупроводник и систем металлизации. Постоянное стремление к минимизации топологического размера элементов приводит к повышенным «тепловым нагрузкам» проводящих систем, активизации процессов электропереноса, способствующим ускоренной их деградации [14].

Деградационные процессы в рассматриваемых условиях могут развиваться как при статических, так и при импульсных воздействиях. Однако в большинстве работ [5,6], температура рассматривается как постоянный во времени фактор. Нестационарные тепловые процессы и сопутствующие с ними эффекты, такие как тепловой удар, локальное оплавление и др. остаются практически нерассмотренными, либо анализируются методами численного моделирования [7,8].

Поэтому данная работа посвящена анализу температурных полей в полупроводнике с дорожкой металлизации при пропускании через нее импульсов тока, а также разработке методики диагностики систем металлизации, включая тепловую деградацию, вплоть до оплавления проводящих систем.

В настоящее время проведено большое число исследований электрофизических процессов и явлений, возникающих в структуре полупроводниковых приборов («краевой эффект», «шнурование» тока, электротермическая деградация, локальный перегрев). Данные процессы отрицательно влияют на рабочие и эксплуатационные характеристики приборов. Считается [9], что ключевую роль в деградации играют именно тепловые процессы. Поэтому анализ данных явлений является актуальной задачей в рамках физического материаловедения, а также микро — и наноэлектроники.

Межэлементные соединения интегральных микросхем реализуются на основе тонкопленочных дорожек металлизации малого размера. В моменты включения и выключения приборов, как и при их работе в импульсном режиме, действие возникающего при таком воздействии термоудара на металлизацию приводит к локальным тепловым возмущениям. Следствием этого является деградация полупроводниковых приборов и микросхем. Поэтому анализ тепловых процессов в кристалле может дать важную информацию о характере возникновения и динамике протекания рассматриваемых явлений.

Результаты последних исследований показали, что деградационные процессы в системах алюминиевая пленка — кремниевая подложка при прохождении импульса тока связаны с процессами контактного плавления на границе Al-Si, а также оплавлением Al-металлизации при достижении соответствующих температур. Полученные результаты позволяют проводить четкую диагностику контактных систем и определять их область безопасной работы.

В ходе работы было обнаружено, что процессы тепловой деградации при импульсном токовом воздействии возникают во всех соединениях приборов микроэлектроники, таких как системы металлическая пленкадиэлектрическая подложка, объемные проводники тока (металлические проволоки и межсоединения), паяные соединения типа металл-диэлектрик. Поэтому методики исследования деградационных процессов, описанные в данной работе, могут быть применены для анализа практически всех типов соединений, используемых в современных полупроводниковых приборах, что имеет значительную практическую ценность.

Основные результаты и выводы.

1. Предложена методика анализа тепловых процессов в системах металлизации: на примере структуры Al-Cu при воздействии на образец токовыми импульсами прямоугольной формы, а также с линейно нарастающим передним фронтом.

Впервые получены данные о температуре образца при таком воздействии.

2. Впервые исследовано воздействие на структуру типа металл — окисел — полупроводник последовательности ряда импульсов с одинаковой скважностью и частотой. Показано, что при импульсном токовом воздействии происходит накопление тепла в приконтактной области, способствующее развитию необратимых деградационных процессов. Это выражается немонотонным ростом потенциала при прохождении импульса тока через дорожку металлизации.

3. Впервые исследованы электротепловые эффекты сложных структур типа полупроводник — окисел — металл. На примере системы Al-Si при наличии диэлектрической ступеньки на поверхности диэлектрика при воздействии импульсов с критическими плотностями тока j~8T010 А/м2 показано, что за оплавление токоведущей дорожки несет ответственность градиент температуры, активизирующий транспортные процессы в металлической пленке, что приводит к уменьшению значения «критической» плотности тока. Зарождение жидкой фазы только у отрицательного электрода свидетельствует о несимметричных тепловыделениях в контактной области медных токовых зондов с алюминиевой дорожкой и однозначно связано с термоэлектрическими явлениями. Убедительным подтверждением этому служит симметричное зарождение жидкой фазы у обеих токовых площадок при использовании Al зондов.

4. Методами токового импульсного воздействия изучены процессы деградации и разрушения объемных проволочных образцов в разных средах на воздухе, в воде, в масле). Оценено влияние геометрии образца на характер разрушения. Определено, что при пропускании импульсов с.

1 I 9 критическими плотностями тока ]кр >8,8−10 А/м образуется область перегорания проводника, размеры которой зависят от амплитуды импульса.

Экспериментальным путем были полученные данные, свидетельствующие об ускоренном процессе тепловой деградации проволочных образцов за счет экранирования тепла и коллапса пузырьков.

В электролитах с высокой теплопроводностью ] прямоугольных токовых импульсов, приводящих к деградации проволок, намного меньше ] для образцов находящихся на воздухе. Так, для алюминиевой проволоки длиной.

30 мм и радиусом поперечного сечения г порядка 2,5 мкм]кр = 4,65 ТО11 А/м2.

• 112 • 112 на воздухе,р = 4,32 ТО А/м — в воде, ]кр = 4,13 -10 А/мвмасле.

5. Проведен анализ тепловых, а также деградационных процессов (термических и механических) контактных зон металлизированной керамики (на примере структуры Си — бериллевая керамика). Показано, что при токовом импульсном воздействии с ] ~ 3−1011−8-1011А/м2 при наличии градиента температур АТ между паяными слоями в интервале 30−100 К возникают атах приводящие к процессам дефектообразования в исследуемых структурах.

Определены максимальные толщины бериллиевой керамики для конкретной области перепада температур сЛ7с1х. Впервые получены кривые распределения напряжений для слоя металлизации и припоя, а также керамики и припоя. Они позволяют судить о пределах использования данного типа соединений с заданной геометрией.

6. В ходе работы проанализированы тепловые процессы в местах дефектов спая металл — диэлектрик. Показано, что при наличии в паяном соединении областей соприкосновения металлизации с подложкой из ВеО термоупругие напряжения в момент включения и выключения токового импульсного воздействия превышают предел прочности для данного типа соединения. Так для медной металлизации при ДТ~ 120 К и выше возникают термоупругие напряжения приводящие к активному дефектообразованию.

Для бериллиевой керамики данные процессы возникают при AT = 100 К и выше.

Полученные данные позволяют выявлять области безопасной работы данного типа соединений.

7. При оценке опасности, которую представляет напряженно-деформированное состояние для целостности конструктивного элемента, и предсказания возможного развития трещин, были использованы критерии разрушения, основанные на вычислении J-интеграла с использованием стандартной программы ANS YS.

Впервые получена зависимость упругопластических значений J-интеграла от длины трещины в образце.

Было отмечено, что данный метод описывает лишь механизм распространения трещин, имеющий чисто механическую природу.

Заключение

.

Автор выражает признательность коллективу кафедры Физического материаловедения Ульяновского государственного университета, а также всем соавторам научных работ за терпимое отношение и помощь при проведении исследований, проф. C.B. Булярскому, проф. А. Г. Рокаху, проф. Р. Б. Моргунову, проф. Н. Т. Турину, проф. В. В. Учайкину, проф. О. Ю. Сабитову, к.ф.-м.н. А. Г. Гришину, к.ф.-м.н. В. В. Рыбину за творческие контакты и плодотворные обсуждения результатов, проф. A.M. Орлову за всестороннее содействие.

Автор искренне благодарен проф. A.A. Скворцову за многолетний интерес и поддержку данной тематики.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.И., Холодков И. В. Физическая Электроника и Электронные Приборы. М., ИГХТУ им. Менделеева, 2008 г., 500 стр.
  2. A.M., Скворцов A.A., Рыбин В. В. К вопросу диагностики деградационных процессов в системе алюминий кремний при импульсных электрических воздействиях. // ЖТФ, т. 32, вып. 6, 2006 г., с. 18−23.
  3. A.A. Скворцов, В. В. Рыбин, С. М. Зуев. Особенности электростимулированного разрушения алюминиевой металлизации при наличии диэлектрических ступенек на поверхности кремния. // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 6, стр.73−79.
  4. A.M., Костишко Б. М., Скворцов A.A. Физические основы технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, Ульяновск. УлГУ, 2001 г, с. 370.
  5. A.A. Скворцов, A.M. Орлов, С. М. Зуев. К вопросу диагностики деградационных процессов в системе металл-полупроводник. // Микроэлектроника, 2011, том 40, № 6, стр. 1−11.
  6. J.O. Bird. Electrical and Electronic Principles and Technology. Newnes. 2004, 420 pp.
  7. М.Д. Скубилин, В. В. Поляков. Электронная техника: производство и применение. ТТИ-ЮФУ, 2010 г. 375 с.
  8. В. Зенин, А. Кочергин, А. Рягузов. Влияние качества напайки кристалла на нагрев силового полупроводникового прибора// Силовая электроника № 1, 2010. 340 с.
  9. В.Э. «К расчету температурного поля проводника при его медленном нагреве током высокой плотности», Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана, сер. «Естественные науки», 1(6), 2001, с.51−60
  10. В.И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники. М.: ЮРАЙТ Высшее образование, 2009 год. 463 стр.
  11. A.M., Скворцов A.A., Фролов В. А. Акустическая эмиссия в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях. // Письма в ЖТФ, т. 25, вып. 21, 1999 г. с. 25−32.
  12. А.И. Дмитриев, A.A. Скворцов, О. В. Колпак, Р. Б. Моргунов, И. И. Проскуряков. Влияние режима пластической деформации на магнитные свойства монокристаллов кремния Cz-Si. // ФТТ, т.53, вып. 8, 2011 г., с. 14 731 478.
  13. И.Я. Орлов и др. Основы радиоэлектроники. Н. Новгород, Нижегородский университет им. Н. И. Лобачевского. 2011, 169 с.
  14. A.M., Скворцов A.A., Литвиненко О. В. Генерация изгибных колебаний полупроводниковых пластин локальными тепловыми источниками. // ЖТФ, т. 73, вып. 6, 2003 г., с. 76−81.
  15. A.M., Скворцов A.A., Насибов A.C., Литвиненко О. В. Акустическая эмиссия в сульфиде кадмия при токовых и тепловых воздействиях. // Письма в ЖТФ, т. 26, вып. 22, 2000 г. с.45−49.
  16. В.Н. Лозовский, Г. С. Константинова, C.B. Лозовский. Нанотехнология в электронике. Введение в специальность. Лань, 2008 г, 415 с.
  17. A.M., Скворцов A.A., Пирогов A.B., Фролов В. А. Изгибные колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы. // Письма в ЖТФ, т. 25, вып. 5., 1999 г., с. 57−63.
  18. Н. П., Банных О. А., Рохлин Л. Л., Диаграммы состояния двойных металлических систем. М. Машиностроение, 1996 г., 507 с.
  19. WaynerP. //Byte. 1994. 8. P. 67{74}.
  20. Burggra P. II Sol. St. Tech. 2000. V. 43. N 1. P. 63.66.
  21. Wang H., Fischman G.S. II J. Appl. Phys. 1994. N 3. P. 1557.1562.
  22. P., Кейминс Т. Элементы интегральных микросхем. M.: Мир, 1989, 630 с.
  23. Kato N.I., Nishikava A., Saka H. dislocations in Si generated by fatigue at room temperature//Mater. Sei. Semicond. Process., 2001, v.4, № 1−3, p.113−115.
  24. Burggraaf P. Microelectronics' nanotechnology future // Sol. StateTech., 2000, v.43, № l, p. 63−66.
  25. A.B. Теория теплопроводности. M.: высшая школа, 1967, 600 с.
  26. .Г. Задачи теории теплопроводности и термоупругости: Решения бесселевых функциях. М.: Гос. Изд-во физ.-мат. лит., 1980, 400 с.
  27. A.M., Пирогов A.B., Емельянова Т. Г. Разрушение слоев металлизации в импульсном токовом режиме // Неорганические материалы, т. 29, № 11, 1993, с. 1559−1562.
  28. К.Е. О механизме аномального роста модуля Юнга при деформации кристаллов. // ФТТ. 1994, т. 36, вып. 12, с 3587—3595.
  29. B.C., Гарбер Р. И., Косевич A.M. Обратимая пластичность кристаллов. М.: Наука, 1991, 280 с.
  30. Milstein S. Dislocations in microelectronics // Phys. stat. sol. (a), v. 171, 1999, p. 371−376.
  31. B.H., Данилов Г. Н., Рыбченков A.A. Синергетические особенности быстрого охлаждения твердых тел. // Из. Вузов. Сер.физ., 2002, т. 45, № 4, с. 69−73.
  32. А.И., Хоменко A.B. Синергетика пластической деформации. // Успехи физ. мет., 2010, т.2, № 3, с. 189−263.
  33. .В. Статистическая теория движения дислокаций при наличии спонтанных процессов блокирования-деблокирования. // ФТТ, 2001, т.43, вып. 5, с. 813−817.
  34. Ю.А., Литвинов Ю. М., Фаттахов Э. А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982. 240 с.
  35. М.А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Наука, 1973, 736 с.
  36. A.C., Пушкарский A.C., Горбачев В. В. Теплофизические свойства полупроводников. М.: Атомиздат, 1972, 187 с.
  37. Дислокации и физические свойства полупроводников.// Отв. ред. Регель А. Р. Л.: Наука, 1967. 64 с.
  38. A.M. Дислокации в теории упругости. Киев: Наук. Думка, 1978,219 с.
  39. Т., Есинага X., Такеути С. Динамика дислокаций и пластичность. М.: Мир, 1989, 296 с.
  40. . Дислокации. М.: Мир. 1967. 626 с.
  41. R., Stach Е.А., Tromp R. & others. Interactions of moving dislocations in semiconductors with point, line and planar defects. // Phys. Stat. Sol. (a) 1999. Vol. 171, P. 133−146.
  42. Rabier J., Cordier P., Tondellier Т., Dement J.L., Garem H. Dislocations microstructure in Si plastically deformed at RT // J. Phys. Condense. Matter., 2000, v. 12, № 496. P. 217−225.
  43. К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977, 615 с.
  44. A.JI. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборов, Энергия, Москва, 1979, 167 с.
  45. Бир Г. Л., Пикус Г. Е., Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках, Наука, Москва, 1972, 584 с.
  46. Л.Д. Ландау, Л. М. Лифшиц. Теория упругости. М. Наука, 1987 г., с. 248.
  47. А.А. Скворцов, A.M. Орлов, А. А. Саланов // Письма в ЖТФ. 2001. Т.27. В. 19. С. 76−84.
  48. В.И., Троицкий O.A. Электропластическая деформация металлов. М: Наука. 1985.278 с.
  49. Ю.А., Литвинов Ю. М., Фаттахов Э. А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь. 1982. 240 с.
  50. В.И., Даринская Е. В., Петржик Е. А. Магнитопластический эффект в монокристаллах алюминия.//ФТТ. 1992. Т.24. № 1. С. 155−158.
  51. К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. М.: Мир. 1984.475с.
  52. В.А., Стебленко Л. П., Обуховский В. В., Робур Е. Г. Электропластический эффект в кристаллах кремния.// ФТТ. 1994. Т.36. № 9. С.2618−2621.
  53. Г. Электроника дефектов в полупроводниках. М.: Мир. 1974. 463с.
  54. Е.Д. Мишина, К. А. Воротилов, В. А. Васильев и др. // ЖЭТФ. 2002. Т. 122. Вып. 3 (9). С. 582−585.
  55. А.Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах. М.: Высшая школа. 1983. 457 с.
  56. H.H. Структура и структурно-чувствительные свойства реальных кристаллов. Киев. Вигца школа. 1983. 264 с.
  57. Проектирование датчиков для измерения механических величин. Под ред. Осадчего Е. П. М.: Машиностроение. 1979. 480 с.
  58. Ю. В. Воробьев, В. Н. Добровольский, В. И. Стриха. Методы исследования полупроводников. К.: Вищашк. Головное изд-во, 1988.
  59. В.В. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1985. — 264 с.
  60. В.Н., Фролова Т. Н. Нестационарные и релаксационные процессы в полупроводниках. Владимир, Изд-во Владим. гос. ун-та, 2002. — 124 с.
  61. B.C. Стеклообразные полупроводниковые сплавы. М.: Металлургия. 1991. — 407 с.
  62. М.Г. Полупроводниковый кремний на пороге XXI века. //Известия ВУЗов. Материалы электронной техники. № 1. 2000. С.4−14.
  63. A.A., Шпигель И. С. Электрический взрыв проводников. М.: Мир. 1965. 360 с.
  64. O.A. Кузнецов, А. И. Погалов. Прочность паяных соединений. М.: Машиностроение, 1987. 112 стр.
  65. A.A. Скворцов, C.M. Зуев. Деградационные процессы в системах металл-диэлектрик. // Труды 2-й международной научно-технической конференции «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике». Зеленоград, 2011 г. с.57−60.
  66. К.В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985. — 392 с.
  67. Д.В. Технология материалов электроники. Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2001. -Ч .1.- 119 с.
  68. Вычислительные методы в механике разрушения. Под редакцией С. Атлури. М.: Мир. 1990. 390 с.
  69. В.Г., Горбань А. П. Основы физики микроэлектронных систем металл-диэлектрик-полупроводник. К.: Наукова думка, 1978. 316 с.
  70. И.С., Мейлихов Е. З. Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1234 стр.
  71. .М. Электронные явления переноса в полупроводниках. Москва, Издательство «Наука», 1985 год 320 стр.
  72. B.C., Киселев В. Н., Мукашев Б. Ф. Дефекты в кремнии и на его поверхности. М., 1990 г. 378 с.
  73. А.М. Орлов, И. О. Явтушенко, A.B. Журавлева. Стартовые режимы возбуждения плазмы в проводящих водных растворах. // М. ЖТФ, 2010, том 80, вып. 2. с.56−62.
  74. B.C. Тесленко, А. П. Дрожжин, Г. Н. Санкин. Автоцикличный кольцевой пробой в электролите с вынужденным коллапсом пузырьков. // Письма в ЖТФ, 2006, т.32, вып. 4. с.9−14.
  75. В.Я. Ушаков, В. Ф. Климкин, С. М. Коробейников, В. В. Лопатин. // Пробой жидкостей при импульсном напряжении. Томск: Издательство НТЛ, 2005 488 с.
  76. А.И., Юдин В. В. Технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. «Высшая школа», 1986. 368 с.
  77. Hutchinson J.W. Fundamentals of the phenomenological theory of nonlinear fracture mechanics. Trans. ASME, J. Appl. Mech., 1983, 1051 p.
  78. Tarui Y. VLSI Technology (Fundamentals and Aplications). Springer 1986 (Tokyo 1981) pp.450.
  79. И.И., Ивкин B.M., Горбач В. Б. Методика численного моделирования распределения температуры в кремниевых БИС. //Электронная техника. Серия 3.Микроэлектроника. Вып.4. 1992. С.28−30.
  80. ГОСТ 11 069 2001. Алюминий первичный. Марки. 560 с.
  81. А.И., В.В. Юдин. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.// М.: Высшая школа, 1968.-364 с.
  82. А.С.Шалумов, А. С. Ваченко, О. А. Фадеев, Д. В. Багаев. Введение в ANS YS: прочностной и тепловой анализ. // М.:Мир, 2002, 350 с.
  83. К. А. Басов Графический интерфейс комплекса ANS YS. // М.: Мир, 2006, 257 с.
  84. А. Сирин Руководства по моделированию, построению геометрии и динамике в Ansys. // Екатеринбург, 2005, 322 с.
  85. Пер. В. П. Югова ANSYS 5.7 Thermal Analysis Guide. Решение задач теплообмена.//М., 2001, 215 с.
  86. А.С.Шалумов, А. С. Ваченко, О. А. Фадеев, Д. В. Багаев Введение в ANSYS: прочностной и тепловой анализ. // М., 2008, 253 с.
  87. Е.Г.Андреева, С. П. Шамец, Д. В. Колмогоров Расчет стационарных магнитных полей и характеристик электротехнических устройств с помощью Ansys// М.:Мир, 2004, 319 с.
  88. , М., 1980, The J-integral fracture toughness for Mode II, Int. J. ofFracture, 16(4), pp. R175-R178.
  89. Kobayashi A.S., Chiu S.T., Beeuwkes R.A., numerical investigation on the use of J-integral, Eng. Fracture Mech., 5 (1973) pp. 293−305.
  90. Irwin G.R., Fracture. Handbuch der Physik VI, Fligge, Ed Springer (1958), pp. 551−590.
  91. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: В 2-х томах. Т.2. Пер. с англ./ Под ред. Ю. Мураками. М. Мир, 1990. — 1016 с.
  92. Landes J.D., Begley J.A. The effect of specimen geometry on /rc, ASTM STP 514, 1972, pp. 1−20.
  93. Rice J.R., A path independent integral and the approximate analysis of strain concentrations by notches and cracks. / Appl. Mech., (1968) pp. 379−386.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!