Кулинич О. А., Глауберман М. А., Чемересюк Г. Г., Яцунський І. Р. Навчально-науково-виробничий центр Одеський Національний Університет ім. І. І. Мечникова вул. Маршала Говорова, 4, Одеса – 65063, Україні Тел.: 80482-6072-52, факс: 80482-544491, e-mail: eltech@elaninet.com

Анотація – Робота присвячена виявленню причин катастрофічної деградації параметрів кремнієвих транзисторів, які були сформовані за звичайною планарной технології.

I. Вступ

Розкид, нестабільність і катастрофічна деградація параметрів кремнієвих МОН – транзисторів (далі просто «МОП – транзистори») в значній мірі визначаються кількома причинами: станом структурної досконалості вихідного матеріалу і станом технології їх виготовлення.

Вплив структурних і точкових дефектів в кремнієвих пластинах в стані поставки, а також утворених після окислення і нанесення металізації, виявлених за допомогою хімічних обробок, на параметри МОП – транзисторів добре вивчені і описані (див., наприклад, [1, 2]).

Складнощі технологічних процесів, що складаються з декількох десятків різних операцій і переходів, недосконалості та нестабільності окремих технологічних операцій, використання ручної праці в проведення великої кількості операцій, призводить до відхилення від технологічних параметрів, і як наслідок, до появи дефектів процесу виготовлення приладів. З метою виявлення дефектів і усунення дефектних структур з наступного циклу виготовлення, а також, для перевірки відповідності виготовлених МОП – транзисторів вимогам технологічних умов, повинна вводитися система контролю якості.

Метою даних досліджень є виявлення і подальше вивчення причин катастрофічної деградації параметрів кремнієвих МОН-транзисторів.

II. Об’єкт і предмет досліджень

Об’єктом і предметом вивчення є дослідження причин катастрофічної деградації параметрів зібраних в корпус кремнієвих МОН – транзисторів, виготовлених на пластинах кремнію КДБ – 10/100 по звичайної планарної технології з товщинами оксидних шарів (0,1 ± 0,01) мкм, параметри яких катастрофічно деградували. Під поняттям «Катастрофічна деградація» розуміється повна відмова роботи МОП – Транзисторів відразу після виготовлення або після тривалої роботи приладів (більше 20 000 годин).

III. Методи досліджень

Дослідження причин катастрофічної деградації параметрів кремнієвих МОН – транзисторів проводили методами растрової електронної мікроскопії на електронному скануючому мікроскопі системи “Cam – Scan” з рентгенівським мікроаналізаторів системи “Link – 860”. Кількісний рентгенівський мікроаналіз проводився з використанням програми ZAF – 4/F2S. Структури МОП – транзисторів піддавалися аргоном і хімічному пошаровому травленню. Метал знімався в розчині лугу NaOH, ЕЮг (діоксид кремнію) підбурювали в плавикової кислоті з наступною відмиванням в деіонізованої воді. Для виявлення дефектів на поверхні кремнію використовували хімічні виборчі травители секку і Сіртля [3,4]. Травлення аргоном проводилося при напрузі 1,5 кВ, струм пучка – 35 мА, кут між зразком і пучком аргону становив 90, час травлення – від 25 до 43 хвилин. Вимірювання вольт-амперних характеристик проводилося при наступних режимах: затворної напруга U3 = (2 +4) В, напруга стік – витік 11си = (6-10) В, струм стоку 1з = (5-10) мА. З партії МОП – транзисторів в 2000 шт. відбиралися відразу відмовили в роботі транзистори і транзистори, відмовили в роботі після напрацювання протягом 20000 годин у вищевказаних режимах. Після цього акуратно відкривали корпусу транзисторів (для усунення фактора механічного пошкодження) і проводилися дослідження вищевказаними методами.

IV. Обговорення отриманих результатів і висновки

На рис 1а, 16 представлені картини виявлених прихованих дефектів, порушення цілісності металізованої доріжки до затвору і механічне пошкодження майданчика під термокомпрессію, які проявляються після іонного травлення протягом 25 хвилин. Перегляд даної ділянки в режимі обратносмещенном електронів і поглиненого струму показав, що є ділянки з більш низькою провідністю в області механічного ушкодження та обриву. Мікрорентгеноспектрального аналіз токоведущей доріжки показав наявність в ній як алюмінію і молібдену, так і наявність силіцидів типу AlxSiz і MoxSiz. Интерметаллические з’єднання типу AlxAuy і AlxAuyMoz виявлені в області термокомпрессіонних контактів (рис. 2).

Розглянемо основні механізми, що приводять до утворення обривів термокомпрессіонних контактів. При з’єднанні металізованих майданчиків на МОП – транзисторі із зовнішніми висновками корпусу використовують золоту дріт, яку методом термокомпрессіонной зварювання приєднують до контактних майданчиків витоку, стоку, затвора. Виявлені интерметаллические з’єднання приводили до охрупчіванію і, як наслідок, до обривів термокомпрессіонних золото – алюмінієвих контактів. Ці сполуки мають складний склад, що залежить від умов їх утворення (концентрації золота й алюмінію, температури і тиску в процесі термокомпрессіі, наявності вільного кремнію, температури навколишнього середовища і часу експлуатації готового МОП – транзистора). Освіта цих сполук призводить, внаслідок відмінності постійних кристалічних граток і термічних коефіцієнтів, до виникнення механічних напружень на межі розділу. Добре відомо, що межа плинності кристалічних речовин залежить від температури [5]. При проходженні струму контакти розігріваються, що і призводить до пластичного плину, і, як наслідок, до руйнування контактів Детальний аналіз механізму відмови дав можливість встановити, що в процесі термокомпрессіонной зварювання при температурі близько 300 ° С відбувається взаємодія і взаімодіффузія золота й алюмінію, причому дифузія золота в алюміній відбувається з більшою швидкістю, внаслідок більш високого значення коефіцієнта дифузії золота (рис. 3). Ця дифузія призводить до утворення на межі розділу Au – AI інтерметалічних сполук з параметрами постійних решітки та коефіцієнтами термічного розширення відмінними від аналогічних параметрів решіток Au і AI, що і веде до виникнення механічних напруг.

Виявлено, що при стравлювання металізації і обробці поверхні кремнію виборчими протруювачами секку (100) або Сіртля (111), порушення суцільності металізації локалізовані в місцях максимального скупчення дислокацій (мал. 4) або дефектів шаруватої неоднорідності (рис. 5). В цих областях, незважаючи на хорошу адгезію металу до кремнію, виникали механічні напруги, які приводили до руйнування металу. Деякі випадки порушення суцільності металізації можна було пов’язати з подтравливания металу під фоторезистом. Порушення металевого покриття, як показали експерименти, в значній мірі залежить від технології формування приладів. Особливі труднощі виникають в процесі фотолітографії. Відомо, що товщина і якість резистивного шару залежать від в’язкості фоторезиста, способу його нанесення, температури і вологості навколишнього середовища, властивостей поверхні підкладки. Було встановлено, що гідрофільність поверхні підкладки сприяє растравленію малюнка, так як травитель легше проникає під край плівки фоторезиста. Рівномірність суцільного шару резиста залежить від властивостей металевого покриття. Найменша нерівність в металевій плівці приводила до розриву фоторезистивной шару і, як наслідок, до растравліванію металу в подальших операціях. Крім того, необхідно підтримувати чіткий температурний режим фотолітографічного процесу. Порушення режиму сушіння призводило до неповного видалення розчинника, а це, в свою чергу, викликало екранування фоточувстві-них властивостей резиста при експонуванні. Якщо сушка здійснювалася при низьких температурах, спостерігалася погана адгезія фотослоя до підкладки, переважала когезія, в результаті мало місце відшарування фоторезиста при прояві, що призводило до порушення малюнка.

Встановлено також, що навіть незначне відхилення від норми хоча б одного з чинників процесу прояви (концентрації проявника, часу, температури і т.д.) призводило або до порушення чіткості краю кордону або до часткового порушення фотослоя, що надалі позначалося в прояві дефектності струмопровідних доріжок і контактних площадок.

Велику групу відмовили після великого часу напрацювання приладів становили прилади, у яких струмовідні доріжки і термокомпрессіонние контакти не зазнали видимих ​​змін.

Детальний аналіз показав, що катастрофічна деградація параметрів сталася внаслідок різкого підвищення струму, поточного через затвор. Рентгенівський аналіз якості оксидних шарів показав наявність в оксиді великої кількості металевих домішок, іонів Na+ і К+, Причому, їх концентрація досягала максимальної величини на кордоні кремній-оксид. Було відмічено, що концентрація металевих домішок була максимальна в більш пористих оксидах. Крім металевих домішок рентгенівський аналіз виявив на кордоні оксид-кремній велику концентрацію кисню. В процесі експлуатації приладів, відбувалася дифузія домішок до кордонів розділу метал-оксид і оксид-кремній, що приводило до зміни висот потенційних бар’єрів і утворення енергетичних станів у забороненій зоні кремнію. Внаслідок наявності великої концентрації таких станів на кордоні оксид-кремній зростала ймовірність різкого збільшення тунельного струму і струму витоку [6]. Всі ці чинники привели до різкого зростання струму, поточного через затвор (електричного пробою) і, як наслідок, до катастрофічної деградації параметрів приладів.

IV. Список літератури

[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 дефекті у приповерхневих кулях кремию на рухлівють носив заряду в канал1 МОН-транзістор1в 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] Рейв К. Дефекти і домішки в напівпровідниковому кремнії – М.: Мир, 1984, С. 472.

[6] Helmreich D, Sirtle Е. Semiconductor silicon – NY: 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. Електронне зображення дефектів струмопровідних доріжок.

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

Puc. 3. Електронне зображення дифузії золота в алюміній.

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

Puc. 16. Електронне зображення дефектів контактних майданчиків.

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

Puc. 4. Електронне зображення скупчення дислокацій.

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

Puc. 2. Електронне зображення дефекту типу обрив.

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

Puc. 5. Електронне зображення дефекту шаруватої неоднорідності.

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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»