Акустическая эмиссия монокристаллического кремния в электрических и тепловых полях

Устойчивая работа полупроводниковых приборов — одна из основных проблем микроэлектроники. Особенно остро эта проблема встает сейчас, когда один современный микропроцессор содержит десятки миллионов элементов [1, 2]. При такой плотности упаковки весьма актуальной становится проблема устойчивой работы межсоединений, поскольку плотности тока часто приближаются к критическим значениям [3]. Особенно чувствительны микросхемы к работе в импульсном режиме, приводящему к резким изменениям температуры в области контакта металл-полупроводник. Постоянные колебания температуры вблизи ее предельного значения приводят, в конечном счете, к расплавлению металлизации или к ее отслоению от полупроводниковой основы. Эти проблемы усугубляются и различием коэффициентов термического расширения металла и полупроводника, приводящим к механическим напряжениям в контактной области и к генерации механических колебаний, облегчающих образование дефектов кристаллической структуры и появление трещин.

Помимо постоянного увеличения степени интеграции в современной микроэлектронике широкое применение находит использование различных гетероструктур [4], выращивание которых неизбежно приводит к появлению дислокаций несоответствия. Их перемещение вносит неконтролируемые возмущения в работу полупроводниковых приборов, особенно СБИС. Более того, движение дислокаций сопровождается генерацией акустических импульсов, которые в результате акустоэлектрического преобразования приводят к генерации токового шума полупроводниковых приборов [5].

Следовательно, для повышения надежности полупроводниковых приборов необходимо исследовать изменение температуры проводников при протекании через них импульсов тока. Это позволит выбрать наиболее оптимальные режимы работы приборов и оценить характеристики механических напряжений, возникающих при этом. Кроме того, необходимо.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

К одной из важнейших проблем твердотельной электроники и микроэлектроники следует отнести деградационные процессы в полупроводниковых устройствах при наличии возмущающих электрических и температурных полей.

Актуальность этой проблемы постоянно возрастает в связи с непрерывным повышением степени интеграции полупроводниковых приборов, где локальные плотности тока часто превышают 1011 А/м2, а температурные градиенты в переходных областях достигают критических значений [3]. Подобные условия вызывают акустоэмиссионные процессы как на поверхности, так и в объеме полупроводников. Поэтому метод акустической эмиссии (АЭ) становится перспективно важным инструментом как в области полупроводниковой электроники, так и других видах наукоемких производств [6, 7]. Он оказался весьма перспективным и при изучении поведения различных точечных, линейных, объемных дефектов в возмущающих тепловых, электрических и магнитных полях.

Анализ собственных колебаний полупроводниковых структур, возникающих в процессе их работы, может дать представление о происходящих деградационных процессах. Рассмотрим более подробно собственные колебания круглой пластины, которые могут быть возбуждены как механическим, так и тепловым ударом.

Основные результаты и выводы.

1. Исследованы процессы образования акустических откликов в полупроводниковых структурах при импульсных токовых воздействиях. Показано, что при токовых импульсах {у < 2 • 101ОА/м2 и длительностях г = 100−500 мкс), проходящих через структуры, образование механических колебаний происходит за счет теплового расширения среды. Установлено, что определяющими моментами в процессе возникновения колебаний являются включение и выключение импульса тока, характеризующиеся максимальными скоростями изменения температуры во времени.

2. Показано, что зависимость амплитуды отдельной моды от длительности импульса носит гармонический характер с периодом Т% = 1//$. Экстремальные значения амплитуды фиксированной гармоники наступают при длительностях ц = где к = 1, 3, 5,. .соответствует минимумам, а к = 2, 4, 6,. — максимумам амплитуды. В связи с этим и зависимость энергии колебаний от длительности носит осциллирующий характер.

3. Исследованы электронный и дислокационный энгармонизм в кремнии. Показано, что с ростом концентрации легирующей примеси в кремнии электронный вклад в нелинейный модуль упругости четвертого порядка образцов возрастает линейно. Методом составного вибратора изучены образцы кремния п-типа (фосфор) в дипазоне концентраций легирующей примеси N = 2 • Ю20—8 • 1023 м-3. Определена константа деформационного потенциала донорного кремния Ф = 8.4 эВ.

Введение

в образец дислокаций переподчиняет поведение нелинейного модуля (3 в пользу дислокационной структуры. По знаку изменения /3 показано, что дислокации, генерируемые в процессе отжига под нагрузкой, имеют краевой характер.

4. Впервые детально проанализирована акустическая эмиссия в кремнии при электростимулированном движении дислокаций в диапазоне плотностей токов з = (1.4−5.7) • 105 А/м2 и температур Т — 300 — 450 К. Сравнением дислокационных образцов с различной концентрацией линейных дефектов доказан дислокационный характер звукового излучения. Показано, что спектр АЭ имеет ярко выраженный максимум на частоте / = 0.15−0.5 Гц. Экспериментально оценена кажущаяся энергия активации акустической эмиссии Ев = 0.74 эВ.

5. Впервые проведен сравнительный анализ спектров акустической эмиссии полупроводника и динамики дислокаций при электроотжиге. Показано, что изменение спектрального состава (смещение максимума АЭ) определяется взаимодействием дислокационного ядра и примесной атмосферы. Этим объяснено изменение спектров звукового излучения при изотермическом отжиге. С использованием теории электропереноса и эксперимента рассчитаны эффективный заряд дислокации = —0.06 1/атом и коэффициент диффузии атомов в примесной атмосфере при токовом изотермическом отжиге Д* = 3 • 10~17 см2/с.

R. Haavind. Another Centure of Discovery? // Sol.St.Tech., 1999, Vol.42, No.12, P. 12.

P. Burggraaf. Microelectronics' nanotechnology future // Sol.St.Tech., 2000, Vol.43, No. l, P.63−66.

P. Маллер, Т. Кейминс. Элементы интегральных схем. М.: Мир, 1989.-630 с.

D. Ahlgren, В. Jagannathan. SiGe for Mainstream Semiconductor Manufacturing // Sol.St.Tech., 2000, Vol.43, No. l, P.53−58.

С. Б. Kurman. Semiconductor Noise in the Framework of Semiclassical transport // Phys. Rev. B, 1996, Vol.54, No.24, P.17 620−17 627.

В. А. Бродовой, A. M. Воскобойников, Лысенко A.E. и др. Акустическая эмиссия биполярных транзисторов в импульсном режиме / / ФТТ, 1991, т. 25, вып. 4, — С. 624−627.

Т. Kosel, I. Grabec, P. Muzic. Intelligent locator of discrete acoustic emission sources // 4th Int. Conf. Sloven. Soc. Nondestruct. Test. «Appl. Contemp. Nondestruct. Test. Eng», Lubljana, 1997, P.31−40 •.

Б. Г. Коренев. Некоторые задачи теории упругости и теплопроводности, решаемые в бесселевых функциях М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1960, 458 с.

9. Е. А. Дулькин, В. Г. Гавриляченко, О. Е. Фесенко. Исследование фазовых переходов в антисегнетоэлектрических кристаллах PbZrO3 и PbHfOz методом акустической эмиссии // ФТТ, 1997, т.39, вып.4, с.740−741.

10. В. А. Плотников. Акустическая эмиссия и динамическая релаксация нехимической энергии при мартенситных превращениях // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып. 13, с.15−22.

11. P. Masek, F. Chmelik, V. Sima et al. Misrostructure Processes Indused by Phase Transition in a CuAu Alloy as Studied by Acoustic Emission and Optical Cinematography // Acta Mater. 1999, Vol.47, No. l, P.427−434.

12. Я. M. Олих. Акустическая эмиссия в халькогенидном стекле Geo. i8Aso.28S'eo.54 // ФТТ, 1998, т.40, вып.9, с.1623−1626.

13. В. А. Грешников, Ю. Б. Дробот. Акустическая эмиссия. М.: Изд-во стандартов, 1976. 272 с.

14. В. С. Бойко, Р. И. Гарбер, А. М. Косевич. Обратимая пластичность кристаллов М.: Наука, 1991, 280 с.

15. Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков. Физика металлов М.: Атомиздат, 1978, 352 с.

16. В. Д. Нацик, К. А. Чишко. Звуковое излучение при аннигиляции дислокаций // ФТТ, 1972, т.14, вып.11, с.3126−3132.

17. В. Д. Нацик, К. А. Чишко. Звуковое излучение дислокаций, движущихся у поверхности кристалла // ФТТ, 1978, т.20, вып.2, с.457−465.

18. A. Trochidis, В. Polyros. Dislocation Annigilation and Acoustic Emission During Plastic Deformation of Cristalls //J. Mech. and Phiys. Solids, 1994, Vol.42, No.12, P.1933;1944.

19. В. С. Бойко, В. Ф. Кивншк, JI. Ф. Кривенко. Экспериментальное исследование звукового излучения при аннигиляции дислокаций в кристалле // ЖЭТФ, 1980, т.78, вып.2, с.797−801.

20. К. А. Чишко. Переходное излучение звука винтовой дислокацией, выходящей на поверхность изотропной пластины // ФТТ, 1989, т.31, вып.1, с.223−229.

21. К. А. Чишко. Звуковое излучение при развитии сквозной трещины в пластине.// ФТТ. 1994. т.36. вып.8. С.2145−2153.

22. В. С. Бойко, Р. И. Гарбер, В. Ф. Кившик и др. Экспериментальное исследование переходного излучения звука дислокациями при выходе их на поверхность // ЖЭТФ, 1976, т.71, вып.2(8), с.708−713.

23. В. С. Бойко, Л. Ф. Кривенко. Исследование пространственного распределения звукового излучения при пересечении поверхности скоплением дислокаций // ЖЭТФ, 1981, т.80, вып.1, с. 255−261.

24. P. Merkett, М. Hoffman, J. Rodel. Detection of Prefracture Microcracking in AhOz by Acoustic Emission // J. of the Eur. Cer. Soc., 1998, Vol.18, No.8, P. 1645−1654.

25. S. Zapperi, A. Vespignani, H. E. Stenli. Modeling Acoustic Emission in Microfracturing Fenomena // Mat. Res. Soc. Proc., 1996, Vol.409, P.355−358.

26. L. Y. Chu, Y. G. Song. The Line-spring Model for Embedded Crack and Slightly Emergent Surface Crack // Int. J. Pressure Vessels and Pip, 1989, Vol.38, No.5, P.355−368.

27. JI. Д. Ландау, E. M. Лифшиц. Теория упругости. M.: Наука, 1987, 248 с.

28. E. Susie, P. Muzic, I. Grabec. Description of Ground Surfaces Based Upon AE Analysis by a Neural Network // Ultrasonic, 1997, Vol.35, No.7, P 547−549.

29. А. Ю. Виноградов, В. А. Михайлов, В. А. Хоник. Акустическая эмиссия при гетерогенном и гомогенном пластическом течении металлического стекла // ФТТ, 1997, т.39, вып.5, с.885−888.

30. И. В. Блонский, В. А. Тхорин, А. Д. Цицилиано. Акустическая эмиссия в процессе лазерного отжига монокристаллов кремния // ФТТ, 1997, т.39, вып. З, С.505−509.

31. Н. Gu, W. W. Duley. Resonant Acoustic Emission During Laser Welding of Metals // J. Rhys. D: Appl. Phys., 1996, Vol.29, No.2, P.550−555.

32. A. M. Орлов, А. А. Скворцов, А. В. Пирогов, В. А. Фролов. Изгибные колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып. З, с.57−63.

33. В. А. Калитенко, И. Я. Кучеров, В. М. Перга. Акустоэмиссия полупроводников при протекании электрического тока // ФТП, 1988, т.22, вып.4, — с.578−581.

34. Р. П. Житару, Н. А. Палистранг. Влияние термообработки на относительную подвижность краевых и винтовых дислокаций в кристаллах NaCl // ФТТ, 1999, т.41, вып.6, с.1041−1043.

35. И. В. Островский, JI. П. Стебленко, А. Б. Надточий. Влияние ультразвуковой обработки на подвижность коротких дислокаций в кристаллах кремния // ФТТ, 2000, т.42, вып. З, с.478−481.

36. Физическая акустика под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1966. Т.1. 278 с.

37. Z. Gao, B.-F. Wang, K.-M. Wang et al. Chemical Acoustic Emission from Gas Evolution Processes Recorded by a Piezoelectric Transducer // Sens. and. Act. B, 1998, Vol.50, No. l, P.27−37.

38. Экспериментальная механика. В 2-х кн. Кн.1. Под ред. А. Кобаяси. Пер. с англ. М.: Мир, 1990, 552 с.

39. А. В. Пирогов. Тепловой удар в системах иеталлизации на кремнии при импульсных токовых воздействиях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Ульяновск, 1999.

40. Измерения в электронике. Справочник под ред. В. А. Кузнецова. М.: Энергоатомиздат, 1987, 512 с.

41. В. JI. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников. Физика полупроводни-ков.М: Наука, 1990. 688 с.

42. М. Lefeld-Sosnowska. Dislocations Generated in Si Annealed under Normal or High Pressure // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No. l, P.105−110.

43. Ю. П. Пшеничнов. Выявление тонкой структуры кристаллов. M.: Металлургия, 1974, 528 с.

44. Н. С. Жилин. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. Томск: Радио и связь. 1989. 384с.

45. К. Е. Никитин. О механизме аномального роста модуля Юнга при деформации кристаллов. // ФТТ. 1994. Вып.12. С.3587−3595.

46. С. JI. Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990, 584 с.

47. Экспериментальная механика. Под ред. А.Кобаяси. Кн.2. М.: Мир, 1990, 552 с.

48. В. Гольдсмит. Удар. М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1965, 340 с.

49. В. М. Болгов, А. С. Никифоров. Изгибные колебания бесконечной пластины, вызванные поперечным ударом // Акустический журнал, 1980, том XXVI, вып. 3, с.336−341.

50. L. В. Hansen, К. Strokbro, В. I. Lundquist. Nature of Dislocations in Silicon // Phys. Rev. Let., 1995, Vol. 75, No. 24, P.4444−4447.

51. А. С. Охотин, А. С. Пушкарский, В. В. Горбачев. Теплофизические свойства полупроводников. М.: Атомиздат, 1972, 187 с.

52. JI. М. Лямшев. Лазерное термооптическое возбуждение звука. М.: Наука, 1989, 240 с.

53. А. М. Орлов, А. А. Скворцов, А. В. Пирогов, В. А. Фролов. Изгибные колебания полупроводниковых пластин при наличии импульсного источника возбуждения тепловой природы // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып.5, с.57−63.

54. А. М. Орлов, А. В. Пирогов, Т. Г. Емельянова. Разрушение слоев металлизации в импульсном токовом режиме // Неорган, мат-лы, 1993, Т.29, вып.11, с. 1559−1562.

55. Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

56. Т. Yan, В. Е. Jones. Traceability of Acoustic Emission Measurement Using Energy Calibration Metods // Meas. Sci. Technol., 2000, Vol.11, No. l, P. L9-L12.

57. A. Guarino, A. Garcimartin, S. Ciliberto. An Experimental Test of the Critical Behavior of Fracture Precursors // Eur. Phys. J. B, 1998, Vol.48, No.6, P. 13−24.

58. J. R. К. Bigger, D. A. Mclnnes, A. P. Sutton et al. Atomic and Electronic Structures of the 90° Partial Dislocation in Silicon // Phys. Rev. Lett., 1992, Vol.69, No.15, P.2224−2227.

59. D. Cavalcoli, A. Cavallini, E. Combia. Energy Levels Associated with Extended Defects in Plastically Deformed n-Type Silicon //J. Phys., 1997, Vol.53, No.7, P.1399−1409.

60. A. M. Орлов, А. А. Скворцов, В. А. Фролов. Акустическая эмиссия в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып. З, с.28−32.

61. S. MiPshtein. Dislocations in Microelectronics // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No.2, P.371−376.

62. I. Malecki, J. Ranachowski. Application of Acoustic Emission (AE) Metod for Monitoring the Electrical Power Devices // Ultrason. World Congr., Berlin, 1995, Proc. Pt.2, P.609−610.

63. H. R. Kolar, J. С. H. Spence, H. Alexander. Observation of Moving Dislocations Kinks and Unpinning // Phys.Rev.Let. 1996, Vol.77, No.19, P.4031−4034.

64. A. V. Latyshev, H. Minoda, Y. Tanishiro et al. Dynamical Step Edge Stiffness on the ??(111) Surface // Phys. Rev. Lett., 1996, Vol.76, No. l, P. 94−97.

65. Y.-P. Zhao, Y.-J. Wu, H.-G. Yang et al. In Situ Realtime Study of Chemical Ething Process of ?>?(100) Using Light Scattering // Appl. Phys. Lett., 1996, Vol.69, No.2, P.221−223.

66. С. C. Speake, T. J. Quinn, R. S. Davis et al. Experiment and Theory in Anelasticity // Meas. Sei. Technol., 1999, Vol.10, No.2, P.430−434.

67. F. Chmelik, E. Pink, J. Krol et al. Mechanisms of Serrated Flow in Aluminium Alloys with Pretipitates Investigated by Acoustic Emission // Acta Mater., 1998, Vol.46, No.12, P.4435−4442.

68. F. Liu, M. Mostoller, V. Milman et al. Electronic and Elastic Propeties of Edge Dislocations in Si // Phys.Rev.B, 1995, Vol.51, No.23, P.17 192−17 195.

69. Физическая акустика. Т. 4.: Применения физической акустики в квантовой физике и физике твердого тела: Ч. А / Под ред. У. Мэзона М.: Мир. 1969. 362с.

70. Г. JI. Вир, Г. Е. Пикус. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках. М.: Наука. 1972. 584с.

71. R. D. Isaac, А. V. Granato. Rate Theory of Dislocation Motion: Thermal Activation and Inertial Effects // Phys. Rev. B, 1988, Vol.37, No.16, P.9278−9285.

72. Т. Судзуки, X. Есинага, С. Такеути. Динамика дислокаций и пластичность. М.: Мир. 1989. 296 с.

73. Yu. L. Iunin, V. I. Nikitenko. Dislocations Kinks Dynamics in Crystals with Deep Peierls Potential Relief // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No. l, P. 17−26.

74. K. Sumino. Impurity Reaction with Dislocations in Semicoductors // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No. l, Р.11Ы22.

75. S. Pizzini. Chemistry and Physics of Segregation of Impurities at Extended defects in Silicon // Phys. Stat. Sol. (a), 1999, Vol.171, No. l, P. 123−132.

76. Ж. Фридель. Дислокации. M.: Мир, 1967, 644 с.

77. JI. Б. Зуев. Физика электропластичности щелочно-галоидных кристаллов. Новосибирск: Наука. 1990. 120 с.

78. В. Б. Фикс. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках (электроперенос). М.: Наука, 1969, 415 с.

79. А. М. Орлов, А. А. Скворцов, В. А. Фролов. Изменение спектра акустической эмиссии в дислокационном кремнии при токовых и тепловых воздействиях // Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып.21, с.52−58.

80. Б. И. Болтакс. Диффузия в полупроводниках. М.: Физматлит, 1961, 462 с.

81. JI. Н. Лавриков, В. И. Исайчев. Диффузия в металлах и сплавах. Справочник. Киев: Наукова думка. 1987. 509 с.

82. 3. Ю. Готра. Справочник по технологии микроэлектронных устройств. Львов: Каменор, 1986. 288 с.

83. J. С. H. Spence, Н. R. Kolar, Н. Alexander. ТЕМ Imaging of Dislocation Kinks, their Motion and Pinning // J. Phys., 1997, Vol.53, No. 12, P.2325−2338.

84. А. А. Скворцов, A. M. Орлов, В. А. Фролов и др. Электростимули-рованное движение краевых дислокаций в кремнии при комнатных температурах // ФТТ, 2000, т.42, вып.11, с. 1998;2003.

85. В. Joos, Q. Ren. Peierls-Nabarro Model of Dislocations in Silicon with Generalized Stacking-Fault Restoring Forses // Phys. Rev. B, 1994, Vol.50, No.9, P.5890−5898.

86. Q. Ren, B. Joos. Test of the Pierls-Nabarro Model for Dislocations in Silicon // Phys. Rev. B, 1995, Vol.52, No.18, P.13 223−13 228.

M. I. Baskes, R. G. Haagland, I. Tsuji. An Atomistic Study of the Strength of an Extended-Dislocation Barrier // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 1998, Vol.6, No. l, P.9−18.

S. Oberg. First-Principles Calculations of the Energy Barrier to Dislocation Motion in Si and GaAs // Phys. Rev. B, 1995, Vol.51, No. 19, P. 13 138−13 145.

Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974, — 832 с.

Дж. Хирт, И. Лотте. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972, 516 с.