Thermal shock and degradation of metallization systems on silicon

Abstract

Purpose The purpose of this study is to investigate the mechanisms of degradation of aluminum metallization under conditions of thermal shock caused by rectangular current pulses (amplitude j < 8 × 1010 A/m2, duration t < 800 μs). Design/methodology/approach The results were obtained using oscillography and optical microscopy and through the construction of an empirical model of the thermal degradation of metallization systems. Findings Initially, for the authors’ studies, they deduced an equation that associated the depth of melting with the parameters of a current pulse. Research limitations/implications The authors were able to observe effects only in systems with appropriate adhesion of the thin metal films. For the systems with bad adhesion, the main mechanisms of degradation were associated with the melting of the metal, the formation of melted drops (up to 20 mcm in size) and the movement of these drops along the electrical field due to the electrocapillary effect. Practical/implications The mechanisms the authors studied could only occur in high-power semiconductor devices. Originality/value The principal mechanism of melting of a metallization track is linked to the heat dissipation at the interface of solid and liquid phases under conditions of thermal shock. The authors estimated the mechanical stresses in subsurface layers of silicon in the proximity of a non-stationary thermal source. The authors’ results show that the mechanical stresses that are strong enough to form dislocations emerge with current flow with power measuring approximately 0.7 Pkr.

The Formation and Migration of Molten Inclusions in Silicon

“…The field of crystal structural nonuniformity (gradient of dislocation density) also can promote migration of the melt regions [7,8]. These are just the above factors that cause the interest of researchers in the electromigration processes at the semiconductor surface and in the bulk involving melt regions [9].…”

Термомиграция Расплавленных Зон По Поверхности Кремния В Условиях Теплового Удара

“…Поэтому цель настоящей работы -анализ процессов термомиграции расплавленных зон по поверхности окисленного кремния на завершающих этапах теплового разрушения тонкой пленки металла. Исследования проводились на установке [12,13], состоящей из источника прямоугольных импульсов тока (амплитуда до 60 А, длительность до 1 ms), цифрового запоминающего осциллографа и цифрового оптического микроскопа. В роли объектов исследования выступали структуры Al−SiO 2 −Si.…”

“…На пластинах предварительно выра-щивались диэлектрические слои оксида кремния (SiO 2 ) толщиной 50 nm. В роли токопроводящего слоя выступали пленки алюминия толщиной не более 5 µm [12,13].…”

Влияние Постоянных Магнитных Полей На Динамику Расплавленных Зон В Поле Структурной Неоднородности Кремния

“…В полупро-водниковых кристаллах подобные объекты могут образовываться при росте сильнолегированных кристаллов [2], зонной плавке градиентом температуры [3], легировании [4], а также в условиях тепловой деграда-ции структур на межфазных границах металл−полупроводник при высо-ких электрических нагрузках [5][6][7]. Известно также [1,8], что динамика расплавленных зон в кристаллах возможна не только в присутствии электрических и тепловых полей [1,2], но и в условиях неоднородного распределения структурных дефектов кристалла (вакансии, дислокации и т.…”