Оценка тепловых нагрузок и деградации микроэлектронных межсоединений при нестационарном нагреве

Работа выполнена в рамках государственного задания вуза Министерства науки и высшего образования (проект № FZRR-2023-0009).

Эволюция электронных устройств и усовершенствование технологии в части разработки высоко интегрированных интегральных схем привела к развитию таких направлений как искусственный интеллект [1-3], интеллектуальные мобильные устройства [4; 5], цифровой медицинский мониторинг [6; 7] и т.д. Эти технологические тенденции требуют более высоких рабочих плотностей тока и соответствующих тепловых нагрузок для обеспечения обработки и передачи данных с высокой пропускной способностью [8].

Для достижения высокой плотности интеграции внедряются технологии формирования полупроводниковых структур, такие как systemin-package (SiP - это технология, при которой различные электронные компоненты, такие как чипы, пассивные элементы, модули, интегрируются в один пакет), многослойное трехмерноеформирование и т.д. Очевидно, что сложные технологические решения требуют специальные электрические соединения между цепями и элементами. От их стабильной работы зависит функционирование всего устройства. Дефектные электрические соединения будут способствовать ограничению миниатюризации и быстрому выходу устройства из строя [9-10]. Поэтому исследователи ищут новые материалы как для систем металлизации и контактов, так и для полупроводниковых подложек. Так, например, в [9], показано, что в отличие от кремниевых подложек, карбид кремния (SiC) удовлетворяет условиям для применения в высоковольтных и высокотемпературных полупроводниковых структурах благодаря своим электрическим и тепловым свойствам. Однако высокий значения модуля Юнга SiC и высокая стоимость производства подложек сдерживают его широкое применение в технологической практике [9]. В том числе поэтому кремнийпродолжает сохранять лидерство при изготовлении силовых полупроводниковых приборов и структур. Однако и на нем не все проблемы систем металлизации и омических контактов решены. К примеру, в работе [10] представлены результаты исследований ухудшения адгезионной прочности поверхности раздела тонкая металлическая пленка/подложка, подвергнутой термоциклированию. Известно [11], что традиционные методы ускоренных термоциклических испытаний, предполагающие нагрев всей структуры в климатической камере, зачастую не в полной мере отражают реальные условия эксплуатации. Они не всегда могутвоспроизвести условия локальных быстропротекающих процессов (перегрев может происходить за десятки микросекунд). Это обстоятельство инициирует поиск и разработку методов, позволяющих моделировать циклические термоудары в системах металлизации Вот почему целью данной работы было исследование тепловых нагрузок и процессов деградации микроэлектронных межсоединений при нестационарном нагреве последовательностью токовых импульсов.

Проведение исследований проводилось по методике, изложенной [12]. Для пропускания серии прямоугольных токовый импульсов источник прямоугольных токовых импульсов амплитудой до 40 А и длительностью до 1 ms, осциллограф и оптический микроскоп. Длительность импульсов и скважность варьировались в диапазонах τ=50...500 мкс и S=2...10 соответственно.

Эксперименты проводили на структурах, детально описанных в [13]. Тонкая металлическая пленка алюминия наносилась на полированную поверхность кремниевой пластины n-типа (легирована фосфором, удельное электрическое сопротивление ρ=15 Ом.см). Кристаллографическая ориентация Si-пластины соответствовала направлению (111) [13].

Тестовые структуры изготавливались методом оптической фотолитографии [13; 14] и представляли собой прямолинейные дорожки металлизации шириной 75 мкм, длиной – 4 мм и толщиной 2...5 мкм соответственно. При пропускании через пленочный проводник электрических импульсов методом вольтметра-амперметра регистрировалось падение напряжения с участка тестовой структуры U(t). Изготовленная установка позволяла пропускать как одиночные импульсы (рис.1), так и их последовательность (рис.2). На рис.1 приведена фотография осциллограммы U(t) в процессе прохождения токового импульса прямоугольной формы.

Ранее было показано, что такая форма осциллограммы свидетельствует об обратимом нагреве системы металлизации. Причем время охлаждения структуры превышает длительность импульса ~1.5τ. При этом плотность тока в импульсе не должна превышать j=5∙10 10 А/м 2.

Пересчет осциллограмм U(t) в динамику температуры осуществлялся по известной формуле:

(1)

Здесь α,∙R

0 – температурный коэффициент сопротивления и электрическое сопротивление тестовой структуры при комнатной температуре соответственно.

())T)t(T(IR)t(U

00

1 −+=α

Рисунок 1. Фотография экрана осциллографа с осциллограммой включения, полученной после прохождения электрического импульса через тест-структуру. Типичная осциллограмма последовательности импульсов приведена на рис.2. Очевидно, что при интервале времени между электрическими импульсами t>τ, область полупроводника под дорожкой металлизации структура успевает охладиться. Поэтому вид U(t) после каждого импульса практически не меняется (рис. 2). Увеличение амплитуды импульса тока или снижение скважности приводит к накоплению тепла в структуре, что проявляется в изменении вида U(t). Так, на рис.3 видно увеличение как максимального значения U(t) при увеличении числа прошедших импульсов через структуру, так и изменение крутизны U(t). Тепловая «нагрузка» на заключительном этапе (Δt=2.0...3.0 мс, рис.3) способствует развитию необратимых процессов. Это и есть начало электротепловой деградации (последний импульс, интервал Δt=2.5...3.0 мс, рис.3) Рисунок 2. Осциллограмма включения, снятая при прохождении последовательности прямоугольных токовых импульсов амплитудой j=4.5∙10 10 А/м 2, длительностью Τ 0i = 250 мкс и скважностью S=1.6.

Наблюдаемый резкий всплеск потенциала U(t) на осциллограммах (стрелка на рис.3) обусловлен накоплением тепла в области контакта и его нагреву до температур образования жидкой фазы. Изменение удельного сопротивления при фазовом переходе Al-металлизации и определяет скачек потенциала. Более того, в нашей системе Al-Si возможно формирование расплавленной прослойки на границе раздела. В случае системы алюминий – кремний имеет минимум на диаграмме фазового состояния. При этом процесс контактного плавления может происходить при температурах T kp ниже температуры плавления контактирующих материалов (температура плавления эвтектики в системе Al-Si∙T kp=577∙ 0 C). В наших экспериментальных условиях образующаяся зона расплава удерживается силами поверхностного натяжения. Если при этом толщина зоны контактного плавления растет пропорционально корню из времени h x~t 1/2, то лимитирующей стадией такого процесса является диффузионный перенос атомов[14-16].

Рисунок 3 Динамика падения напряженияU(t), снятого с участка тестовой структуры, в процессе прохождения последовательности 6-ти прямоугольных электрических импульсов: j=4.5∙10 10 А/м 2, Τ=0.4мс, скважность S=1.25 Для детального анализа результатов тепловой деградации после прохождения последовательности импульсов проводилась электронная микроскопия поверхности образцов с помощью оптической и электронной микроскопии JSM-5910LVJEOL. Пример теплового разрушения структуры приведены на рис.4,5.

Рисунок 4. Микрофотография электротепловой деградации дорожки алюминиевой металлизации после прохождения электрического импульса Τ=500 мкс и j=4.5∙10 10 А/м 2.

Рисунок 5. РЭМ фотография разрушения с параметрами, указанными на рис.4.

Таким образом, из экспериментального изучения воздействия последовательности электрических импульсов прямоугольной формы следует отметить, что основным механизмом разрушения структуры являются фазовые превращения с участием жидкой фазы. В случае воздействия одиночным прямоугольным импульсов амплитудой и длительностью Τ=85…500 мкс основным механизмом является оплавление алюминия. Установлено также, что при прохождении последовательности импульсов характер деградационных процессов не меняется.