Анализ надежности тонких металлических пленок

В литературе имеется большой объем материалов, описывающих экспериментальные исследования надежности тонких металлических пленок, выполненных различными исследователями, в частности на пленках из алюминия, титана и других материалов. Эти исследования были обусловлены тем, что в системах металлизации изделий МЭ, ТС, выполненных с использованием указанных материалов, наблюдались отказы вследствие их коррозии и окисления [30]. Для исследования отказов, но указанным механизмам необходимы специальные методики. Одна из таких методик исследований была апробирована в основном на металлических пленках из алюминия.

Образцы (рис. 4.2) были получены термическим испарением алюминия в вакууме и его конденсацией на поверхность скола поваренной соли. Давление остаточных газов в камере составляло 2 • 10^-5 мм рт. ст. (-2,66 • 10^-3 11а). Температура подложки — 373 К, скорость осаждения — 1,4 нм/с. Материал подложки, поваренная соль, имел сравнительно равномерную полосу пропускания в диапазоне 500—5000 см^-1, фрагмент ИК-спсктра изображен на рис. 4.3. Пленки имели иоликрисгаллическую структуру (рис. 4.4), что согласуется с известными из литературы данными по межплоскостным расстояниям алюминия^[1].

КЭП — контроль электрических параметров; ПФК — параметрический и функциональный контроль;

СГП — склад готовой продукции со.

• 1 — глобар; 2 — печь; 3 — микрокювета; 4 — регулятор температуры;
• 5 — термопара; 6 — диафрагмы; 7 — секторное зеркало;
• 8 — монохроматор; 9 — усилитель; 10 — релаг; И — мотор;
• 12 — пишущий механизм; 13 — часы

При проведении исследований каждый из образцов закреплялся в полой металлической микрокювете, которая затем помещалась в трубчатую печь. В отверстие печи направлялся пучок света от глобара спектрографа, включалась печь, запускались часы и ежечасно проводились измерения, результаты которых в сглаженной форме и в координатах «относительное пропускание — время» представлены на рис. 4.8 и 4.9 в диапазоне температур 398—723 К. Как только относительное пропускание образца достигало заметной величины, снимался инфракрасный спектр пропускания. Было выполнено сравнение спектра (рис. 4.10) с известными из литературных источников аналогичными спектрами, которое подтвердило их идентичность и зафиксировало факт роста оксида в лабораторной атмосфере (интенсивное поглощение в полосе частот 650 см^-1). Был проведен электронно-микроскопический анализ образцов (рис. 4.11).

Аналитическое представление сглаженных графических зависимостей относительного пропускания от времени имеет вид (для образцов с номерами 1, 2, 3, 5):

алюминиевых пленок.

Расчет предсказывает высокую надежность коммутации в условиях хранения ИС при толщине Т°>1,2 10^-4 см, W_x = 5 ккал/моль, W_t< 1,25 ккал/ моль, co_r = 1 * 10¹³ с^-1, относительной влажности 60 ± 5%. Для указанных условий средний срок службы элементов коммутации ориентировочно составляет не менее 100 000 ч (3,6 • 10⁸с). Используя выражения моделей интенсивности отказов пленок и пленочных элементов и инструментальные значения оператора, нетрудно получить соответствующие им инструментальные модели интенсивности их отказов (см. гл. 3). Причем высокая чувствительность моделей, построенных на основе спектрофотометрии, достигается за счет экспоненциальной функции в T (t), которая позволяет заметить окисление 5—10 монослоев металла и одновременно просканировать спектр получаемого оксида.

Можно записать общую спектрофотометрическую модель интенсивности отказов окисляющихся металлических пленок:

Появление отказов алюминиевой металлизации в И С объясняется экспоненциальным характером зависимостей (4.1), (4.2), срабатывание которых происходит при температуре, большей 623 К (W_r> 1,25 ккал/моль), что особенно наглядно проявляется из сравнения графиков на рис. 4.8. По-видимому, на эти результаты повлияло наличие пространственных неоднородностей в коммутации микросхем и выделение тепла на них при протекании тока при включении в электрическую схему ИС.

Осцилляторное поведение изотерм окисления. У полученных при исследовании кинетики окисления алюминиевых пленок изотерм окисления (траекторий) наблюдается осциллирующий вид [36]. Предположим, что оксид растет в соответствии с механизмом зародышеобразования (в литературе этот факт отмечен для ряда металлических пленок) и имеются два типа зародышей — мелкие и крупные. Обозначим через N, (N₂) число мелких (крупных) зародышей в некотором единичном объеме. Пусть диа;

X

метр мелких (крупных) зародышей соответственно Т_х А, Т₂ ~ —, А — длина падающей волны. Если N₂ «N_{} то значительная часть энергии падающей волны рассеивается, поскольку эффективная площадь рассеяния (ЭПР) крупных зародышей почти в четыре раза больше ЭПР мелких зародышей согласно допущению. Это проявляется в некоторый фиксированный момент времени в виде снижения величины относительного пропускания (эффект затенения) и составляет пространственную сторону эффекта осцилляции.

На границе раздела металлической пленки и оксида из-за несоответствия параметров решеток появляются растягивающие напряжения, приводящие к конденсации вакансий в местах максимального растяжения и образованию пор.

Проделан анализ по механизму порообразования в предположении цилиндричности сквозных пор, образующихся в металлической пленке при отжиге ее в вакууме. Предположим, что пора на границе раздела имеет полусферическую форму с диаметром Т_г Если толщина исходной пленки обеспечивает прохождение электромагнитного излучения с длиной волны X, то падающая волна рассеивается, причем в случае «: 1 явление А.

рассеяния описывается законом Релея. Эффективность рассеяния учтем введением эффективной площади рассеяния (ЭПР) поры по аналогии с ЭПР цели в радиолокации. Тогда для металлической сферы.

В случае — «1 ЭПР поры может быть вычислена по формуле X

Таким образом, для преобладают дифракционные явления.

X

уб и интенсивность отраженной волны невелика, а ЭПР пропорциональна.

X

Если пора растет, то величина ЭПР монотонно возрастает, и при 7] ~ — ЭПР поры увеличивается примерно в четыре раза, поскольку будет работать первая зона Френеля. По мере роста поры надо ожидать осцилляторного поведения ЭПР поры с уменьшением амплитуды за счет последовательного прохождения второй, третьей и т. д. зон Френеля. Причем при условии I

— «1,6 величина ЭПР пропорциональна площади поперечного сечения 2Х

полусферы, что подтверждает наличие эффекта затенения, обусловленного достижением некоторого числа пор N критического размера.

При X = 2,5 мкм Tj = 1,25 мкм, площадь облучаемой поверхности.

Г²

T_s = 1,2−10^-1 см². Геометрическая площадь поры T_sr = — = 1,1*10^-8 см².

X

Поскольку ЭПР = AT_sr при Tj = —, то Г_эфф = 4,4 • 10~⁸ см².

Чтобы создать эффект затенения, т. е. обратное отражение света от границы раздела «воздух — оксид» по направлению к глобару, необходимо.

Временная сторона эффекта объяснима, если воспользоваться аналогией с экологической моделью Лотке¹. Тогда дифференциальные уравнения процесса гибели и размножения зародышей, при допущении, что скорость размножения (гибели) мелких (крупных) зародышей пропорциональна их числу за вычетом (прибавкой) взаимодействующих пар, примут вид.

¹ Возможность использования модели Лотке для объяснения эффекта осцилляции обсуждалась авторами с профессором, доктором физмко-математических наук В. И. Скобелкиным в 1974 г.

Уравнения такого вида исследованы С. Лефшецом, и их приближенные решения имеют вид.

где точки с координатами (0; 0); —т — точки равновесия, т. е. отвечают.

U Ъ)

осцилляторному поведению изотерм.

При обработке методом двухступенчатого анодирования алюминий высокой степени чистоты способен образовывать матрицы нанопор, высокоупорядоченные и плотноупакованные, в оксиде алюминия. Диаметр пор составляет от 1 до 200 нм и более. Соотношение глубины поры к ее диаметру высокое — от 1 до 10 000 и более. Расстояния между порами равны двум их диаметрам. Такие матрицы используются для создания автоэмиссионных катодов, для чего поры заполняют металлом их электрохимической обработкой в растворах солей металлов. Сетка — управляющий электрод, позволяющий управлять потоком электронов. Она формируется вакуумным напылением металла на поверхность стенок пор. Над поверхностью катодов можно создать анод, используя различные технологические приемы. И, таким образом, получают аналог электронной лампы. Можно реализовать вакуумные микросхемы БИС, формируя такие микролампы в локальных местах и соединяя их соответствующим образом. На рис. 4.12 показана микрофотография структур, выполненная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

• [1] Hair М. L. Infrared spectroskopy in surface chemistry. N. Y.: Decker, 1967.
• [2] Примерно в таком варианте, как это описано в работе: Hair М. L. Infrared spectroskopyin surface chemistry. N. Y.: Decker, 1967.