ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МИКРОСХЕМ ПАМЯТИ НА

ОРЛОВ1 Андрей Александрович; СОГОЯН2 Армен Вагоевич, к.т.н.;
ГЕРАСИМОВ3 Владимир Федорович, к.т.н.
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МИКРОСХЕМ ПАМЯТИ
НА СИГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рассматриваются особенности поведения базовых ячеек микросхем сигнетоэлектрической памяти при воздействии импульсного рентгеновского излучения с энергией 10…100 кэВ. На основании совместного численного решения системы уравнений термоупругости с учетом пьезоэффекта получены оценки порогов отказов микросхем FRAM.
The characteristics of the dose rate behavior of the FRAM under x-ray pulse irradiation of 10…100 keV are investigated. FRAM dose
rate threshold levels are estimated under numerical solution of the thermoelasticity and piezoelectricity equation.
У
никальные физические свойства
сегнетоэлектрических материалов,
такие как наличие спонтанной поляризации, переключаемой внешним полем;
позволили создать на их основе новый
класс сегнетоэлектрических запоминающих устройств (FRAM) с практически
неограниченным числом циклов записи-считывания информации, большим
быстродействием и сроком сохранности данных, с низкой потребляемой
мощностью и потенциально высокой
радиационной стойкостью [1 – 3].
В существующих на сегодняшний день
серийно выпускаемых FRAM ячейки
памяти конструктивно представляют собой конденсаторные структуры,
для изготовления которых используются сегнетоэлектрические материалы цирконат-титанат свинца (РZТ
– Pb(Zr, Ti)O3) или танталат висмута
стронция (SBT – SrBi2Ta2O9). В качестве материала электродов в основном
применяется Pt с подслоями Ti, TiО2 в
комбинации с Ir.
Наличие в конструкции FRAM материалов с большими атомными номерами
при воздействии рентгеновского излучения (РИ) с энергиями в диапазоне
10…100 кэВ может приводить к существенной неоднородности энерговыделения в структурах ячеек памяти и появлению особенностей реакции FRAM на
эти воздействия по сравнению со стандартными запоминающими устройствами (ЗУ) на основе КМОП-технологии. Эти особенности при импульсном
воздействии РИ определяются, с одной
стороны, возникновением в структурах ячеек памяти термомеханических
1
3
и тепловых эффектов, а с другой, – наличием у сегнетоэлектриков спонтанной поляризации и пьезоэлектрических свойств.
Возникающие при импульсном воздействии РИ на сегнетоэлектрик термомеханические эффекты, проявляющиеся
в виде волн механических напряжений,
могут приводить вследствие пьезоэлектрического эффекта к появлению импульсов напряжения на обкладках конденсатора ячейки памяти, воздействующих на сопряженные МОП-структуры.
В то же время значительное энерговыделение при поглощении РИ в материале сегнетоэлектрика и платиновых
обкладках конденсатора ячеек памяти
может привести к нагреву сегнетоэлектрика до температуры Кюри (РZТ
– TK ~ 290° C) и выше, и, как следствие,
к его термической деполяризации и нарушению состояния ячейки.
В [4 – 5] показано, что значительная
деполяризация (на 50 % и более) у пьезокерамик происходит уже при термообработке в области температур меньше TK и завершается при небольшом
перегреве выше TK.
Величина максимально возможного
нагрева элементов структуры может
быть определена в первом приближении по формуле:
ΔTmax ~ D/c,
(1)
где: D – доза, поглощенная в пленке,
с – удельная теплоемкость (для PZT
с = 350 Дж/кг×К). Возможную при этом
амплитуду импульса напряжения ΔU
на обкладках сегнетоэлектрического
конденсатора ячейки можно приближенно оценить из соотношения:
ΔU ~
(2)
где: P – модуль вектора поляризации;
S – площадь обкладок; C – емкость
конденсатора; ε – максимальный компонент тензора диэлектрической проницаемости; α – коэффициент линейного теплового расширения; E – модуль Юнга; d33 – характерное значение
пьезоэлектрического коэффициента.
Для характерных значений параметров
при флюенсе РИ 1 кал/см2 амплитуда
импульса ΔU составит около 0,3 В.
В целях уточнения радиационного отклика ячейки FRAM проводилось моделирование процессов теплопереноса
и эволюции механических напряжений
в сегнетоэлектрическом конденсаторе на примере структуры Si (5 мкм) /
Pt (0,05 мкм)/ PZT (0,15 мкм)/ Pt (0,2
мкм) / Si (5 мкм) площадью 1×1 мкм2
при воздействии импульса РИ. Длительность импульса принималась равной 10
нс, средняя энергия квантов составляла
40 кэВ при потоке энергии в диапазоне 1 … 10 кал/см2. Численное решение
уравнений термоупругости осуществлялось в системе COMSOL.
На рис. 1 в качестве примера приведены расчетные зависимости температуры сегнетоэлектрического слоя вблизи
нижней обкладки (а) и потенциала на
верхней обкладке (б) от времени при
воздействии импульса РИ с потоком
энергии 1 кал/см2.
В результате проведенного моделирования установлено следующее.
– начальник отдела филиала ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России»; 2 – доцент НИЯУ «МИФИ»;
– в.н.с. филиала ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России».
SPEC_2011_SPT-1.indd 57
PS
d
~
d 33α E ΔTmax ,
C ε 0ε
57
16.01.2012 13:26:54
Спецтехника и связь № 4-5 2011
а
б
Рис. 1. Зависимости температуры сегнетоэлектрического слоя вблизи нижней обкладки (а) и
потенциала на верхней обкладке (б) от времени при уровне флюенса энергии 1 кал/см2
Установлено, что при воздействии импульсного РИ с уровнями до 10 кал/см2
возникающие в структуре термомеханические напряжения и генерируемые
ими импульсы напряжения на обкладках конденсатора с сегнетоэлектрическим диэлектриком не превышают
2…3 В и не являются критичными для
сопряженных МОП-структур. Критический нагрев платиновых обкладок и
вещества цирконата-титаната свинца
до температуры Кюри (TK ~ 290° C) достигается при уровнях потока энергии
РИ порядка 3…5 кал/см2.
Полученный результат согласуется с
имеющимися
экспериментальными
данными воздействия РИ на легкоплавкие (оловянисто свинцовые, висмутовые и др.) и тугоплавкие (серебросодержащие) припои. В частности,
критические уровни РИ, приводящие
к расплавлению легкоплавких припоев
составляют порядка 2…3 кал/см2. Для
серебросодержащих припоев эти уровни находятся в диапазоне 8…10 кал/см2.
Критичные уровни, при которых плавятся внутренние межсоединения, выполненные из золотой проволоки диаметром 40…60 мкм, составляют порядка
10 кал/см2.
Представленные выше результаты моделирования позволяют сделать вывод,
что при воздействии РИ в FRAM могут
возникать специфические по отношению к традиционным технологиям ЗУ
отказы, вызываемые термическими эффектами, которые должны учитываться разработчиками аппаратуры. Стой-
кость серийных FRAM к воздействию
РИ по тепловым и термомеханическим
эффектам составляет порядка 1,5 кал/
см2, что не ниже стойкости других ИС.
Заключение
В процессе воздействия импульсного РИ на сегнетоэлектрик накопителя
FRAM происходят: нагрев элементов
ячейки; термомеханические процессы,
а также процессы объемной и поверхностной ионизационной проводимости
диэлектрика.
В результате воздействия импульсного РИ:
♦ до флюенса порядка 1 кал/см2 не обнаружено значительных радиацион-
но-индуцированных импульсов напряжения на конденсаторах ячеек
памяти, связанных с генерацией и
распределением механических возмущений;
♦ при уровне флюенса более 10 кал/
см2 возникают волны механических
напряжений, которые, в свою очередь, могут приводить к генерации
уже заметных импульсов напряжений на обкладках конденсатора с сегнетоэлектрическим диэлектриком и
отказу сопряженных МОП-структур;
при этом может происходить радиационный нагрев платиновых обкладок и вещества цирконата-титаната свинца до температуры Кюри
(TK ~ 290° C) Литература
1. Валеев А.С., Дягилев В.Н., Львович А.А. и др. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства./ Электронная промышленность, 1994. – Вып. 6. –
С. 75 – 79.
2. R.E.Jones Jr., P.Zurcher, P.Chu и др. Memory applications based on ferroelectric and
high-permittivity dielectric thin films./ Microelectronic Engineering, 1995. – V. 29. –
PP. 3 – 11.
3. Валеев А., Воротилов К. Сегнетоэлектрические пленки. Возможность интеграции с технологией ИС. /Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1998. –
Т. 3 – 4. – С. 75 – 78.
4. Мухтеремов Д.Н., Пешиков Е.В. Физика и химия твердого тела. – М.: Изд. НИФХИ им. Л.Я. Карпова, 1972. – Вып. 3.
5. Мухтеремов Д.Н., Пешиков Е.В. Методы радиационных воздействий в исследовании структуры и свойств твердых тел. – Ташкент: Фан, 1971. – 65 с.
58
SPEC_2011_SPT-1.indd 58
16.01.2012 13:26:54