Особенности поведения микросхем памяти на сигнетоэлектриках при воздействии импульсного рентгеновского излучения

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 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 – T_K ~ 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 T_K и завершается при небольшом перегреве выше T_K .

Величина максимально возможного нагрева элементов структуры может быть определена в первом приближении по формуле:

ΔT max ~ 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:

PS d д U ~--d 33а Eд7max , (2)

C   ε0ε 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.

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 ( T_K ~ 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-