Файл: 1. Типы химической связи, Особенности материалов электрон техники.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 57
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
23. Взаимодействие дислкокаций с точечными дефектами.
Наиболее важны 2 типа взаимодействий : упругое и электрическое .
Упругое взаимодействие обусловлено полями упругх нормальных напряжений вокруг дислокации и примесных атомов.Знак напряжени0 вокруг атомов примеси зависит от соотношения атомных радиусов вещества основания примеси.В растворе если радиус примеси > радиуса основы матрица растворителя возникает напряжение сжатия , в противном случае напряжение растяжения . В растворах внедрение напряжения всегда склеивющее . Атом создающий растягивающее напряжение будет стремиться в сжатую область вблизи дислокации , атом создающий сжимающее напряжение в растянутую. Элек. Взаимодейсвие проявляются в п/п и ионных крист. Оборванные связи в дислокациях действуют как акцепторы дохватывают электроны проводимости и тем самым создают кулоновское взаимодействие между дислокациями и полож ионами . Примеси создающие примесные атмосферы вокруг исходных дислокаций (атмосферы Котрелла) тормозят их размножение и перемещение. Степень закрепленности дислокации зависит от температуры их образования. При высоких температурах образования , когда атомы примеси достаточно подвижны дислокации оказывается максимально закрепленными атмосферами ,поэтому ростовые дислокации, образующиеся при выращивании кристалла значительно менее подвижны чем дислокации ,возникающие при более низких температурах.
24. Зарождение дислокаций
Зарождение и движение дислокаций происходит в результате упругих макронапряжений даже в относительно современных кристаллах зарождение дислокаций происходит на каких то концентраторах напряжения . Источники: различные поверхностные и лбьемные неоднородности .В приборных структурах основной вклад дают напряжения ,возникающие на границе п/п материала мат . соседнего слоя .Из за различия коэф термического линейного расширения образование дислокаций может быть вызвано пластической деформацией и хрупким разрушением.Важную роль играет наследование дслокаций монокристалла из затравки, а в случае эпитакс слоев –из подложки.Чаще всего размножение дислокаций осуществляется по механизму Франка-Рида .Источник Ф-Р образ в результате действия приложенного напряжения на дислокацию ,закрепл в 2 точках. Закрепление препятствует премещению дислок линии как целого, поэтому закрепл участок выгибается по действием напряжения,действ в плоскость скольжения дислок. Тут рис
25. Наблюдение дислокаций
Дефекты структуры существенно изменяют свойства п/п матер.и структур. Влияние дислок на электрофиз свойства связано с тем , что они вносят в запрещенную разрешенные уровни энергии , поэтому они должны быть охарактеризованы с макс. Степенью точности .Методы визуализации дислокации могут быть классифицированы:1. Наблюдение дислок в обьеме кристалла с помощью ИК-спектроскопии , рентгеновской ,электронной , сканирующей микроскопии 2. Выявление мест выхода дислокации на поверхность кристалла с помощью избират травления и наблюд в оптич микроскопии . Наблюдение в обьеме основано на взаимодействии электрона , рентгеновского и инфракрасного излучения с полями деформации вокруг дислокации . Наиболее простым и распространенным методом является исследование ям от травления с помощью опт микроскопов.Дислокация со значительной краевой компонентой притягивает к себе точечные компоненты , поэтому вблизи линии линии дислокации концентрация дефектов всегда выше. Скорость травления кристалла вблизи выхода линии дислокации на поверхности кристалла всегда выше . Метод заключается в травлении поверхн грани или шлифов кристалла предварительно подобранным реактивом. Места выхода дислокации травятся с большой скоростью ,что приводит к образованию ямок травления . Такое травление называется избирательным или селективным, оно приводит к образованию фигур травления . Фигура травления выявляет присутствие дислокации,границ субзерен и других дефектов .Фигуры или ямки травления ограничены наиболее плотноупакованными плоскостями и имеют строго определенную форму. Ямки травления наблюдают с помощью микроскопа и подсчитывают их поверхностную плотность. Поверхностная плотность не должна превышать десять в четвертой сантиметр в -2
26. Поверхностные дефекты
К поверхностным дефектам относятся различного рода поверхности раздела , которые можно подразделить на 2 группы: Межфазные и внутрифазные. Под внутрифазными понимают области контакта различно ориентированных крист ершеток одной и тойже фазы. Если углы разориенации относительно невилики <5град ,то границы нзываются малоугловыми или субграницами , а раздел ими области –субзернами. Малоугловые границы формируютсмя стенками дислокации, при дислокации располагаются др под др .Это вязано с тем ,что система дислок параллельна плоскост скольжения наименее устойчива когда дислокации располжены дро под др .Под микроскопом субграница выглядит как цепочка ямок травления , равно отстоящих др от др.Чем меньше угол разориентации тем меньше плотность дисл и больше плотности ямок травления . Если углы разориентации велики и превышают 5 град , то границы наз-ся большеугловыми , а раздел ими области материала – кристаллами или зернами . материал содержащий такие границы яв-ся поликристаллическим. Тут рис.
1>
27. Проводящие материалы
Особенности тонкопленочных металлов
Электросопротивление чистых металлов всегда ниже, чем электросопротивление металлов с примесями и сплавов, и повышается с увеличением температуры. Согласно правилу Маттиссена удельное сопротивление металла равно сумме сопротивления, обусловленного рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки, и остаточного сопротивления, вызываемого рассеянием электронов на статических дефектах структуры
ρ= ρт +ρост
где рт - удельное сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки; рост - остаточное сопротивление.
Наиболее существенный вклад в остаточное сопротивление вносит рассеяние на примесях, которые всегда присутствуют в реальном проводнике либо в виде загрязнений, либо в виде легирующего элемента. Помимо примесей некоторый вклад, в остаточное сопротивление вносят собственные дефекты структуры - вакансии, атомы внедрения, дислокации, границы зерен.
В микроэлектронике наиболее часто применяются не объемные проводники, а пленки на их основе. Такие пленки используются в качестве межэлементных соединений с низким сопротивлением, контактных площадок, обкладок конденсаторов, выпрямляющих и омических контактов.
Электрические свойства тонких пленок металлов и сплавов могут значительно отличаться от свойств объемных образцов тех же материалов. Одной из причин такого различия является разнообразие структурных характеристик тонких пленок.
Зависимость удельного сопротивления тонкой проводящей пленки ρпл от толщины dпл
С
труктура тонких пленок на разных стадиях осаждения существенно изменяется. При приложении электрического поля происходит переход электронов через узкие диэлектрические зазоры между соседними островками за счет термоэлектронной эмиссии и туннелирования. При увеличении количества осажденного металла зазор между островками уменьшается, проводимость пленок растет. При образовании сплошной пленки ее удельное сопротивление приближается к удельному сопротивлению объемного материала ρоб но остается больше него из-за большой концентрации дефектов.
Для сравнительной оценки проводящих свойств тонких пленок используют удельное поверхностное сопротивление (или сопротивление на безразмерный квадрат). Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине
R□=ρ/d где ρ - удельное электросопротивление; d - толщина пленки.
Подбором толщины пленки можно изменить R□ независимо от удельного сопротивления. Кроме того, для определения удельного поверхностного сопротивления не требуется измерения толщины пленки. Так как удельное поверхностное сопротивление не зависит от величины квадрата, сопротивление тонкой пленки рассчитывается по формуле
R= R□lo/do где lо - длина резистора; dо - ширина резистора.
28. Проводящая разводка ИС на основе Al
В интегральных схемах для формирования электрической разводки наиболее часто используется алюминий. Алюминий имеет малое удельное сопротивление (2,8 мкΩ*см), обладает хорошей адгезией к SiO2, легко напыляется, дает возможность осуществить контакт с алюминиевой и золотой проволокой, имеет низкую стоимость.
Однако при использовании А1 в качестве металлизации возникают следующие проблемы:
1) Al проникает через переход с малой глубиной залегания, что приводит к возникновению утечек тока через переход и проколу перехода;
2) при высоких плотностях тока происходит разрыв элементов алюминиевой разводки в результате электромиграции;
3) в многослойной алюминиевой разводке образуются выступы Al, что ухудшает изоляцию между слоями и может даже привести к их зако-
Проникновение Al вчерез переход развивается след. образом.
После формирования слоя Аl и фотолитографии проводят операцию вжигания при температуре 400 - 500 "С. Такая операция необходима, так как на поверхности Si всегда есть тонкий слой естественного оксида. Алюминий начинает взаимодействовать с оксидом кремния уже при 300 °С и граница контакта смещается в глубь Si. Происходит растворение Si в А1, а после охлаждения - рекристаллизация. Алюминии свою очередь Проникает в подложку, что может привести к проколу перехода. Для устранения этого эффекта используется предварительное введение в Аl добавок Si в пределах 1 -1,5 %. 
Другой метод устранения эффекта прокола заключается в формировании тонкого подслоя поликристаллического кремния перед нанесением АЦ8») слоя, что задерживает развитие прокола и способствует продлению срока службы контакта. Однако в этом случае повышается контактное сопротивление.
Явление разрыва элементов алюминиевой разводки, возникающее при высоких плотностях тока и повышенной температуре после продолжительной работы, обусловлено эффектом электромиграции. Это один из основных факторов, снижающих надежность интегральных схем. Электромиграция представляет собой массоперенос проводящего материала. Он происходит путем передачи импульса от электронов, движущихся под влиянием электрического поля, положительным ионам металла.
Сопротивление электромиграции проводящих пленок Аl может быть увеличено несколькими способами. Во-первых, прибегают к формированию алюминиевого слоя с большими размерами зерен, например, напылением на нагретую подложку. Во-вторых, легируют алюминий медью до 4%.
Ухудшение изоляции между слоями многослойной алюминиевой разводки, связанное с образованием выступов А1, происходит по следующей причине. Выступы Аl образуются в результате многократных термообработок и охлаждений из-за рассогласования температурных коэффициентов линейного расширения с примыкающими слоями и релаксации напряжений в пленках Аl. В результате образующиеся шипы могут достигать 5 - 7 мкм и прокалывать межслойный диэлектрик. В качестве контрмеры применяются сплавы Аl(Сu) и Аl с увеличенным размером зерен.
29.Проводящая разводка ИС на основе меди.
В ИС шириной линии <0,25 мкм сопротивление проводящей разводки на основе Al начинает заметно ограничивать быстродействие ИС. Необходимо использовать проводящие материалы с более низким чем у Al удельным электросопротивлением, таким материалом является Cu удельное сопротив.=1,7 мкОм/см в объемном виде и 1,9 мкОм/см в пленочном.Cu гораздо более стойка к эффекту электромиграции. Эффект электромиграции определяется коэф-том самодиффузии материалов который значительно меньше чем у Al.Возможно также диф-я по границам зерен, которая для меди может быть довольно заметная для уменьшения диффузии по границам зерен в Cu перспективным является ее легирование Кадмием или Кальцием. Эти примеси лишь незначительно увеличивают удельное электросопротивление сплава диффундирует к краницам зерен и блокирует диффузию по ним.
Однако использование меди в качестве проводящ. разводки сопряжено со значительными проблемами. Это связанно с тем, что Cu-одна из самых вредных примесей в кремниевой электронике. Она оказывает заметное влияние на св-ва Si уже при концентрации 1012 см-3. Обладает очень высоким коэф-том диф-зии в Si, что приводит к быстрому ухудшению св-в в Si. Cu может принимать три валентных состояния и соотв-но создавать в з.з. Si три примесных глубоких уровня.
2 акцепторных и 1 донорный с энергией ионизации 0,24 эВ; 0,37 эВ и 0,73 эВ.
Глубокие уровни в п/п явл. ловушками для носителей заряда. Их присутствие приводит к уменьшению концентрации носителей заряда их подвижности и времени жизни. Чаще всего это крайне нежелательно. Использование меди в качестве проводящей разводки затруднено в следствии невозможности использования плазмо-хим. травления при операции фотолитографии. Т.к. отсутствуют летучие соединения Cu с гологенами и явл. серьезным препятствием. Cu окисляется в воздушной среде при Т=200 0С. Поэтому необходимо использовать низкотемпературные процессы и формировать защитные слои для Cu.
Применение хим. осаждений из газовой фазы с использованием Ме огранич. соед. настоящее время для Cu не применятся из-за высокой температуры.
Основным методом осаждения Cu на данный момент может считаться электохим-ое осаждение из растворов CuSO4.
Анализ всех существующих проблем показывает, что для формирования медной разводки необходимо разработать спец. технологии.
В наст. время разраб-ые технологии формирования медной разводки ИС заключается в следующем:
1.Нанесение диэлектрика и формирование в нем рисунка проводящей разводки в виде канавки.
2.Формирование барьерного слоя для предотвращения диффузии меди в соседние слои.
Наилучшими барьерным св-ми обладает Ta и TaN.
Слой должен быть достаточно тонким чтобы избежать заметного повышения сопротивления разводки, но в тоже время должен быть непрерывным, чтобы исключить загрязнение Si медью.
3.Осаждение тонкого затравочного слоя меди методами физич. распыления.
Формирование такого слоя позволяет в дальнейшем использовать электролитическое осаждение толстого слоя меди, поскольку для этого метода необходим непрерывный проводящий слой.
4.Осаждение толстого слоя меди с помощью электролитического осаждения.
5.Хим-мех-кая шлифовка в слое Cu и барьерного слоя до диэлектрика.
6.Осаждение диэлектрического слоя.
30. Выпрямляющие контакты металл-п/п
Применение диодов на р-n переходах в быстродействующих ИС оказывается недостаточно эффективным из-за сравнительно большого времени их переключения и большой занимаемой площади. Во многих случаях предпочтение отдается диодам Шоттки. Диод Шоттки - это выпрямляющий контакт металл - полупроводник. Такие приборы найти широкое применение в качестве ограничительных элементов, препятствующих насыщению тока транзистора, и дискретных элементов логических и запоминающих матриц. Наиболее важным параметром диодов Шоттки при их использовании в схемах является падение напряжения на диоде при некотором определенном уровне прямого тока. Требуемое падение напряжения достигается изменением высоты барьера диода. Для этого подбирают тот или иной металл.
Основной недостаток диодов Шоттки заключается в том, что их электрические характеристики весьма чувствительны к состоянию границы раздела металл - полупроводник. Загрязнения, оксидные слои вызывают существенные изменения свойств диодов.
Для образования диодов Шоттки используют большой набор металлов (Ni, Тi,W, Мо,Pt, Рd) и их силицидов. Алюминий также может служить для формирования диода Шоттки (высота барьера 0,7 эВ), но воспроизводимость его параметров низкая. Наибольшей высотой барьера обладает силицид платины (0,84 эВ). Диоды с гораздо меньшими высотами барьера получают при использовании Ti (0,53 эВ) и W (0,59 эВ).
При использовании Аl в качестве основной разводки возникает проблема стабилизации контакта металлизации к другим металлам и силицидам, так как Аl образует интерметаллические соединения. Так, при нагреве уже до -300 "С начинается взаимодействие Аl с РtSi и образуется интерметаллическое соединение РtАl2, в результате чего изменяются характеристики диода Шоттки. Для исключения этого вводятся диффузионные барьеры между Аl и диодом Шоттки. Чаще всего используется сплав W (90 %)-Ti (10 %). Титан вводится для улучшения адгезии барьерного слоя, так как чистый W обладает низкими адгезионными свойствами.
31. Барьерные слои, конденсаторы, резисторы, контактные площадки ИС
Из чистых химически стойких металлов (Та, Rе) изготавливают металлопленочные резисторы. Использование в качестве пленочных резисторов слоев из Сг, W, Мо позволяет получать сопротивление до 500 -600 Ω/□, но при этом такие резисторы обладают более высоким температурным коэффициентом сопротивления, чем резисторы на основе Та и Re. Широко используются резистивные сплавы никеля и хрома (называемые нихромом), содержащие 80 % Ni и 20 % Сr. Резисторы на основе нихрома обладают высокими значениями электросопротивления, стабильностью свойств и совместимостью с планарной технологией.
Металлические слои используются для формирования обкладок конденсаторов. В качестве обкладок обычно используют Аl или Та. В первом случае диэлектриком служит А12О3, во втором - Та2О5.
Контактные площадки интегральной схемы - это металлизированные участки на кристалле, служащие для присоединения внешних выводов и контроля электрических параметров. Их изготавливают обычно из А1 или Аи. Существенным преимуществом Аи является его коррозионная стойкость.
Для выполнения разводки в корпусе может применяться проволока из Аl или Аи диаметром 25 - 50 мкм.
При соединении проволокой из Аl может произойти ее разрушение непосредственно в месте контакта из-за пониженной механической прочности. Соединение золотой проволокой выполняется с меньшими затруднениями благодаря ее высокой пластичности, однако при этом могут формироваться интерметаллические соединения (так называемая "пурпурная чума" – АuАl2), ослабляющие контакт. Для предотвращения образования интерметаплических соединений следует сводить к минимуму время, в течение которого Аu и Аl находятся в контакте при высокой температуре
32. Разводка в корпусе ИС. Применение проводящих материалов на основе оксидов.
Применяется проводка из AL b Au ,d
25-50мкм. Для контактирования золотой проволки к контактной площадке используют термокомпрес и пайка, алюминиевой – ультразвуковая пайка При использовании алюмин прволки может происходить её обрыв непосредственно в месте контакта. Соединения из золотой проволки более надежны . Однако могут формироваться интерметаллические соединения в случае контакта золота с алюмин контактной площадкой , что приводит к разрушению контакта . Для предотвращения интеметалич соединений необходимо сводить к минимуму время контакта алюмин и золота .
Применение проводящих материалов на основе оксидов. Подавляющее большинство чстых оксидов металлов в норм условиях яв-ся хорошим диэлектриком. Однако при этом окисл проводимость некоторых мет оксидов резко возрастает. Такие материалы можно использовать в качестве контактных и резистирующих слоев. Наибольший интерес представляет SnO2 . удельное сопротивление пленок зависит от степени отклонения от стехеометрического состава , может составлять 10 в минус 5 Om *cm. Кроме того , такие слои обладают высокой прозрачностью в видимой и инфракрасной частях спектра . Сочетание таких свойств , оптической прозрачности и высокой электрич проводимости обусловливает их применение в качестве проводящих покрытий в жидкокристаллических экранах , теевизионных трубках и т.д. Кроме диоксида олова для таких же целей используют In2O3 и сплавы оксидов In и олова.
33. Классификация полупроводниковых материалов
Полупроводники представляют собой очень многочисленный класс материалов. Самым существенным признаком полупроводника является электропроводность, меньшая, чем у проводников, и большая, чем у диэлектриков. Удельное электросопротивление полупроводников изменяется а пределах 10-2 -109 Ω*cм.
Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества. Основу электроники составляют неорганические полупроводники. Неорганические полупроводники делятся на твердые и жидкие. Твердые - на кристаллические, поликристаллические и аморфные. Кристаллические в свою очередь делятся на элементарные, химические соединения и твердые растворы. К элементарным относятся Si и Gе. К химическим соединениям - соединения типа A3B5, A2B6, A4B4, A4B6
Полупроводники являются основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать один в другой различные виды энергии в малом объеме твердого тела без существенных потерь. Это обусловило широкое применение полупроводников в микроэлектронике и оптоэлектронике.
Примеси в полупроводниках
Различают примесные и собственные (т.е. беспримесные) полупроводники. В собственных полупроводниках переход электронов в зону проводимости осуществляется только из валентной зоны, поскольку в запрещенной зоне отсутствуют разрешенные уровни, вносимые примесными атомами. Носителями заряда в таком полупроводнике являются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Общее количество носителей в обеих зонах совпадает.