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