CC BY
46
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.
Уникальные 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 БЯАМ ячейки памяти конструктивно представляют собой конденсаторные структуры, для изготовления которых используются сегнетоэлектрические материалы цирконат-титанат свинца (РZТ
— РЬ^г, Т1)03) или танталат висмута стронция (ЯВТ — ЯгВ12Та209). В качестве материала электродов в основном применяется Р1 с подслоями Т1, ТЮ2 в комбинации с 1г.
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-техноло-гии. Эти особенности при импульсном воздействии РИ определяются, с одной стороны, возникновением в структурах ячеек памяти термомеханических
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 сегнето-электрика до температуры Кюри (Р7Т
— Тк~ 290° С) 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 Тк и завершается при небольшом перегреве выше Тк.
Величина максимально возможного нагрева элементов структуры может быть определена в первом приближении по формуле:
конденсатора ячейки можно приближенно оценить из соотношения:
AT ~ D/c
/-1 1 max J-y/ ‘-і
(1)
AU ~ PS
C
d
£0£
d33aEA Tmax > (2)
где: D — доза, поглощенная в пленке, с — удельная теплоемкость (для PZT с = 350 Дж/кг*К). Возможную при этом амплитуду импульса напряжения Ли на обкладках сегнетоэлектрического
где: Р — модуль вектора поляризации; Я — площадь обкладок; С — емкость конденсатора; е — максимальный компонент тензора диэлектрической проницаемости; а — коэффициент линейного теплового расширения; Е — модуль Юнга; — характерное значение пьезоэлектрического коэффициента. Для характерных значений параметров при флюенсе РИ 1 кал/см2 амплитуда импульса Ли 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 (5 мкм) / Р1 (0,05 мкм)/ Р7Т (0,15 мкм)/ Р1 (0,2 мкм) / (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.
1 — начальник отдела филиала ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России»;2 — доцент НИЯУ «МИФИ»;
3 — в.н.с. филиала ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России».
SPEC_2011_SPT-1.indd 57
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 сегнетоэлектри-ческим 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 (Тк~ 290° С) 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 сег-нетоэлектрическим диэлектриком и отказу сопряженных МОП-структур; при этом может происходить радиационный нагрев платиновых обкладок и вещества цирконата-тита-ната свинца до температуры Кюри (Тк ~ 290° С)И
Литература
1. Валеев А.С., Дягилев В.Н., Львович. А.А. и др. Интегрированные сегнетоэлек-трические 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. НИФ-ХИ 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.
16.01.2012 13:26:54
