Токовые характеристики неоднородных проводящих микроструктур интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОНИКА

УДК 537.86

ТОКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕОДНОРОДНЫХ ПРОВОДЯЩИХ МИКРОСТРУКТУР ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

СТАРОСТЕНКО В.В.

Описываются распределения плотности тока для неоднородных проводящих микроструктурных элементов, входящих в кристалл интегральных микросхем, при воздействии электромагнитных полей. Показывается влияние параметров неоднородности металлических пленок на величину тока, протекающего по металлизации. Рассматривается зависимость пороговой плотности тока от длительности импульса для микроучастков неоднородной структуры металлизации, устанавливается влияние прилегающих микроструктурных элементов и граничных условий на характер данной зависимости.

Воздействие мощных импульсных электромагнитных полей (ИЭМП) на радиоэлектронную аппаратуру приводит к сбоям в работе или выходу ее из строя, что связано, как правило, с развитием деградационных процессов в интегральных микросхемах (ИМС) и выходом их из строя [1,2]. Из микроструктурных элементов (МСЭ), расположенных в кристалле ИМС (токопроводящих дорожек и контактных площадок, элементов на основе p-n-переходов и т.д.), наименее стойкие к воздействию мощных ИЭМП токопроводящие элементы [3-6]. При напряженности ИЭМП, превышающей пороговые значения, микросхемы выходят из строя, причем в 70% случаев это происходит из-за выгорания металлизации [3,6]. Пороговые значения напряженности ИЭМП зависят от ориентации ИМС относительно падающей электромагнитной волны, длительности и формы огибающей импульса, технологии изготовления и степени интеграции ИМС [4,6]. Выгорание металлизации, как и других МСЭ ИМС, происходит достаточно специфично и сводится к локализации тепла на неоднородностях МСЭ с последующим объединением выгоревших участков.

Вуншем и Беллом была получена полуэмпирическая зависимость удельной пробойной мощности от длительности импульса для диода (Рпор/8=ґ(1), где Рпор — пороговое значение пробойной мощности, S — площадь p-n-перехода, t—длительность импульса) [7]. В дальнейшем подобная зависимость получена для транзистора и проводника.

Вунш и Белл получили также полуэмпирическую зависимость пороговой плотности тока от длительности импульса, вызывающего отказ проводящей структуры (рис.1) [8].

Рис.1

В данной зависимости выделены 3 характерных участка:

участок I (длительность импульса ф< 1 мкс, пороговая плотность тока іПор=АД-1/2, где A — коэффициент пропорциональности) — адиабатический режим нагревания металлической пленки;

участок II (1 мкс < ф <100 мкс, ]пор=ВД-1/4, где В — коэффициент пропорциональности) — квазиадиабатический характер нагревания металлической пленки;

участок III Ди>100 мкс, ]пор»8-106А/см2=еош^ — стационарный режим нагревания металлической пленки.

Коэффициенты пропорциональности (A, B) определяются экспериментальными данными и зависят от характера отвода теплоты (граничных условий).

В ИМС проводящие МСЭ контактируют с другими МСЭ и отвод теплоты от проводящих участков определяется электрофизическими параметрами прилегающих слоев. Представляет интерес определить пороговую плотность тока в проводящих МСЭ в зависимости от длительности импульса и неоднородности МСЭ с учетом характеристик прилегающих слоев и кристалла ИМС.

Модель кристалла и определение тока в проводящих микроструктурных элементах

Для определения тока в проводящих МСЭ при воздействии ИЭМП на ИМС вначале необходимо решить дифракционную задачу и найти поле вблизи МСЭ [9]. Затем необходимо решить электротепловую задачу, основанную на уравнении теплопроводности, в котором в качестве теплового источника фигурирует ток, протекающий по МСЭ.

Учесть реальную топологию МСЭ, расположенных в кристалле ИМС, невозможно. Однако с учетом того, что при воздействии ИЭМП на ИМС, как правило, выполняется условие (длина волны воздействующего ИЭМП намного больше геометрических размеров МСЭ), можно заменить кристалл ИМС слоистой

РИ, 2003, № 1

15

структурой, показанной на рис.2. Распределение тепла в различных МСЭ и подложки находится из решения уравнения теплопроводности [10]:

С/-Р/ •-

ді

д_

дх

К (T, і) д К/ (T, і)-|г

н—

_ йх _ ду L ду \

-q/ у, Д

(1)

где Т/ — температурное поле на 1-м слое; С/ -удельная теплоемкость 1-слоя; р / — плотность материала 1-слоя; К/ (T, і) — коэффициент теплопроводности; q/ (х, у, і) — удельная мощность источников тепла.

В модели кристалла предполагается однородность МСЭ вдоль z-направления. Проводящий слой (A1, рис.2) имитирует дорожки вдоль x-направления, разделенные между собой диэлектриком. Предполагается, что ориентация воздействующего ИЭМП и ИМС такова, что напряжение прикладывается вдоль x-направления.

Зернистость металлизации и неоднородность контакта с прилегающими слоями приводит к возникновению омической неоднородности проводящих МСЭ, которую можно учесть, располагая неоднородные участки в приконтактных областях (рис.3).

Для учета омической неоднородности проводящие слои дискретизуются и заменяются двумерной сеткой проводимостей (сопротивлений) [11]. С учетом этого плотность тока для дискретного микроучастка МСЭ определяется следующим выражением:

j(i,k) =■

U •a(i,k)

Г Ny 1

S • Z • 1 № і

(2)

где U—действующее значение напряжения, приложенного вдоль x — направления к кристаллу; o(i, k) — электропроводность микроучастка металлической пленки; hx — длина микроучастка; S — поперечное сечение микроучастка; Ny—количество микроучастков металлической пленки по толщине (ось у, рис.3); Z—сопротивление проводящего слоя с диэлектрическими включениями вдоль x — направления.

Сопротивление Z рассчитывается исходя из характеристик материалов МСЭ, их соединения, геометрических параметров, а также с учетом частоты воздействующего ИЭМП [12].

При воздействии мощных ИЭМП по металлизации ИМС протекают токи большой плотности, что приводит к разогреву проводящей микроструктуры и изменению электропроводности микроучастков, которые учитывались с помощью следующей зависимости:

о(цкд) = а 0(цк) •--

1 + а

_1_______

T(i,k,t)

(3)

где а 0(i, к) — электропроводность микроучастка металлической пленки при 300 К; а — температурный коэффициент сопротивления металлической пленки.

Распределение плотности тока в неоднородной проводящей пленке

Неоднородная металлическая пленка характеризуется следующими параметрами неоднородности (см. рис.3):

— степенью неоднородности микроучастка проводя-

S - S

щей пленки d (5s = —-------100%, где S0, Sn —

S0

значение электропроводности однородного и неоднородного микроучастка при температуре Т=300 К);

—геометрическими размерами неоднородного микроучастка (Dx, Dy);

— месторасположением неоднородных микроучастков вдоль металлической пленки. Все эти параметры влияют на распределение тока и характер развития деградационных процессов в металлической пленке.

На рис.4 приведено распределение плотности тока для различных значений неоднородности микроучастков, их месторасположения и геометрических размеров.

Наибольший ток протекает по микроучасткам, расположенным между неоднородными участками металлической пленки (см. рис.3). При этом плотность тока возрастает с увеличением размеров неоднородных микроучастков вдоль оси у. Для однородных участков, расположенных между микроучастками со степенью неоднородности 5s=100% и глубиной неоднородности Ду=0,36 мкм (участки 3, рис.3), имеет место наибольшее значение плотности тока. Эти участки являются наименее стойкими при воздействии ИЭМП.

Степень неоднородности микроучастков также влияет на величину плотности тока. Увеличение степени неоднородности микроучастков с одинаковой геометрией (участки 1 и 2, степень неоднородности 8s= 100% и 5s=50% соответственно, рис.3) приводит к повышению плотности тока (рис.4).

С точки зрения месторасположения неоднородных микроучастков важную роль играет взаимное расположение микроучастков, находящихся на различных сторонах металлизации (вдоль оси у, рис.3).

16

РИ, 2003, № 1

Заключение

j-106, А/см2 18 16 14 1210

1,10 106 у, мкм

x, мм

Рис. 4

Такое месторасположение вызывает сужение токового канала и увеличение плотности тока.

На основе динамической модели воздействия ИЭМП на проводящие микроструктурные элементы ИМС получено распределение плотности тока в неоднородной проводящей микроструктуре. Установлено влияние различных параметров неоднородности (степени неоднородности, геометрии неоднородных микроучастков и их взаимного расположения) на распределение тока. Получена зависимость пороговой плотности тока от длительности импульса. Данная зависимость хорошо согласуется с известной зависимостью Вунша-Белла для однородной проводящей структуры. Уточнены временные участки и исследовано влияние параметров неоднородности металлической пленки, прилегающих микроструктурных элементов и теплообмена кристалла с окружающей средой на пороговую плотность тока.

Неоднородное распределение плотности тока по структуре металлической пленки вызывает различную скорость развития деградационных процессов в микроучастках металлизации. Это приводит к появлению локальных участков и «точечному выгоранию» металлической пленки. Для неоднородной металлической пленки получена зависимость порогового значения плотности тока от длительности импульса для различных геометрических размеров неоднородных микроучастков (рис.5).

j. 106, А/см2

t, мкс

Рис. 5

Полученная зависимость в определенном диапазо -не длительностей импульсов качественно соответствует кривой Вунша-Белла (см. рис.1). В частности, можно выделить два характерных участка: 1) 1и< 1 мкс, 2) 1 < 1и < 50 мкс. Данные участки можно аппроксимировать аналитическими зависимостями, аналогичными таковым у Вунша- Белла. В то же время коэффициенты аппроксимации (A, B) определяются не только параметрами металлической пленки (электропроводностью, теплопроводностью, теплоемкостью всех микроучастков металлизации), но и электрофизическими параметрами прилегающих слоев.

Показано, что в отличие от кривой Вунша для однородной металлической структуры, при воздействии импульсов длительностью ф>100 мкс не наблюдается постоянство пороговой плотности тока. Это связано с тем обстоятельством, что в разработанной модели учтены как процессы теплообмена неоднородной проводящей микроструктуры с другими микроструктурными элементами ИМС, так и процессы теплообмена кристалла с окружающим пространством.

Литература: 1. Гадецкий Н.П., КравцовК.А., Магда ИИ Исследование воздействия электромагнитных излучений ультракороткой длительности импульса на радиоэлектронную аппаратуру СВЧ диапазона / / Материалы 6-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 1996. С. 441-446. 2. Бригидин А.М., Листопад НИ, Титович ИА, Ясюля Г.И. Исследование восприимчивости полупроводниковых приборов и интегральных схем к воздействию ВЧ и СВЧ помех // Радиотехника и электроника. Минск: Вышэйшая школа. 1990. Вып.19. С. 115-119. 3. Antinone J. Electrical Overstress Protection for Electronic Devices. 1986, New York. 387 p. 4. Магда И. И., Блудов С. Б. Исследование физических механизмов деградации изделий электронной техники в мощных электромагнитных полях // Материалы 3-й Крымской конференции «СВЧ-техни-ка и спутниковый прием», г. Севастополь, 1993. Т. 5. С. 523-526. 5. Sowa A. The susceptibility of semiconductors to the voltage surges which simulated the danger caused by lighting overvoltages // 7- th Symp. Reliability electron., Budapest, 1988. Р.594-597. 6. Старостенко B.B., Таран Е.П., Григорьев E.B., Борисов А.А. Воздействие электромагнитных полей на интегральные микросхемы // Измерительная техника. 1998. № 4. С.65-67. 7. Wunsch D.C., Bell R.R. Determination Of Threshold Failure Of Semiconductor Diodes And Transistors Due To Pullse Voltages // IEEE Trans., 1968. Vol. NS-15, № 6. Р.244-259. 8. Wunsch D.C., Bell R.R. Determination Of Threshold Failure In Metallization Due To Pullse Voltages / / IEEE Trans., 1970. Vol. NS-18, № 4. Р.212-220. 9. Таран Е.П. Влияние высших типов волн на распределение электромагнитных полей вблизи неоднородности // Ученые записки ТНУ. 2000. Т. 13, № 2. С. 107-112. 10. Автоматизация теплового проектирования микроэлектронных устройств средствами САПР. Львов: Выща шк. 1988. 356 с. 11. Таран Е.П., Старостенко B.B., Григорьев E.B. Локальная деградация металлизации в интегральных микросхемах при воздействии электромагнитных полей // Радиофизика и электроника. 1998. Т. 3, №1. С.123-126. 12. Таран Е.П., Старостенко B.B., Глумова М.В., Рукавишников А.В. Динамика развития необратимых деградационных процессов в проводящих микроструктурах интегральных микросхем при воздействии импульсных электромагнитных полей // Вестник Харьковского Национального университета, 2002. № 544. Вып. 1. С. 167-172.

Поступила в редколлегию 22.10.2002 Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Чурюмов Г.И.

Старостенко Владимир Викторович, канд. физ.-мат. наук, зав. кафедрой радиофизики ТНУ. Научные интересы: моделирование вакуумных и твердотельных устройств СВЧ, исследование деградационных процессов в различных объектах и средах при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95022, Симферополь, ул.Б.Куна, 31, кв.13, тел.: раб. (0652)230360, дом. (0652)575401.

РИ, 2003, № 1

17