Проблема разрушения проводящих тонкопленочных структур в интегральных микросхемах под воздействием СВЧ-излучения

Быстрое развитие электронных технологий все больше подталкивает к необходимости миниатюризации и дальнейшему переходу на толщины, соизмеримые с единицами нанометров, однако эти изменения сопровождаются рядом трудностей, обусловленных проблематикой неполноты теоретических знаний об эффектах, происходящих на столь малых величинах.

С уменьшением размера электрических компонентов и самих устройств необходимо учитывать все большее количество как внешних, так и внутренних факторов, влияющих на работоспособность системы в целом [1, 2]. В связи с этим очень важно понимание процессов, происходящих в электронных устройствах, на толщинах нанометрового диапазона. Таким образом целью исследования является изучение структуры тонкопленочных проводящих материалов и процессов, возникающих при воздействии на них СВЧ-излучения [3].

На сегодняшний день фактически в любой электронной аппаратуре (ЭА) используются интегральные микросхемы (ИМС). Увеличение степени интеграции современной микроэлектроники, миниатюризацией элементной базы, созданием многофункциональных ИМС все более важными становятся вопросы защиты ЭА от влияния электромагнитного излучения и помех. Устойчивая работа ЭА может быть гарантирована только при безотказном функционировании ее элементов: диодов, транзисторов, ИМС и др. [4].

Структурный анализ повреждения ИМС показывает [5], что наиболее распространенными явлениями повреждения ИМС являются вторичный пробой, плавление металлизации и пробой диэлектрика. На рисунке 1а, 1б и 1в представлены фрагменты повреждения разных ИМС: с разрывом металлизации по входам, с пробоем защитного диода и с перегоранием токоведущей линии на углу поворота.

а                        б                          в

Рис. 1. Характерные виды повреждений интегральных микросхем

Современные ИМС и электрические активные и пассивные элементы (резисторы, транзисторы, емкости и т.д.) создаются на основе пленочных технологий, увеличивающих степень интеграции компонентов за счет уменьшения их размеров. Элементы ИМС базируются на диэлектрических подложках, поверх которых располагаются изолирующие и проводящие пленки, выполняющие роль электрических соединителей активных элементов. Количество таких слоев, чередующихся между собой может достигать нескольких десятков.

Основной проблемой при эксплуатации ИМС с многослойными пленочными структурами является интенсивное воздействие электромагнитного излучения, которое может привести к разрушению проводящих слоев и выводу из строя всей микросхемы, что в последствии может нарушить работу как других микросхем, так и прибора в целом.

В связи с этим актуальным является изучение физических явлений, нарушающих работу элементов ИМС в электромагнитных полях (электромагнитная совместимость ИМС), а также способов экранирования оборудования и пленочных структур от пагубного воздействия электромагнитного излучения. В качестве исследуемых образцов использовались металодиэлектрические структуры (МДС), полученные методом магнетронного напыления алюминия на гибкие диэлектрические подложки из полиэтилентерефталата (лавсан) и фторопласта.

Рис. 2. Алюминиевая пленка толщиной 20 нанометров на подложке из лавсана

На рисунках показаны фотографии образцов МДС на подложках из лавсана и фторопласта под микроскопом, после воздействия на них СВЧ-излучения мощностью 600 Ватт в течение определенного времени. На втором рисунке образец с подложкой из лавсана и напылением алюминия толщиной в двадцать нанометров, подверженный излучению длительностью в одну секунду. На образце МДС отчетливо видна множественная деградация структуры параллельно движению токов.

На третьем рисунке образец с подложкой из лавсана и напылением алюминия толщиной примерно десять нанометров, подверженный излучению длительностью в две секунды. Увеличение длительность облучения повлекло за собой обширное тепловое разрушение пленки, и серьезной деформации подложки.

Рис. 3. Алюминиевая пленка толщиной 10 нанометров на подложке из лавсана

На четвертом рисунке образец с подложкой из фторопласта и напылением алюминия толщиной примерно 30 нанометров, подверженный излучению дли- тельностью в одну секунду. Заметны характерные электрические пробои структуры металлизированной пленки вдоль всего образца.

Рис. 4. Алюминиевая пленка толщиной 30 нанометров на подложке из фторопласта

Изучив полученные образцы можно прийти к выводу, что в тонкопленочных структурах под кратковременным воздействием СВЧ-излучения происходит механическая деформация осажденной атомарной структуры на диэлектрической подложке вдоль движения токов за счет частичного поглощения энергии и как следствие теплового разрушения целостности материала. Разрушение одной или нескольких пленочных слоев может привести к временному, или же необратимому прекращению работы микросхемы, что в свою очередь приводит к лавинообразному отказу всех взаимодействующих с ней элементов, и безвозвратно повреждает интегральную микросхему. Однако факт того, что металлодиэлектрические структуры поглощают электромагнитное излучение, а также и отражают его, может использоваться в дальнейшем как основа, для создания средств эффективного экранирования электронной аппаратуры и микросхем, защищая сверхчувствительные части от наводок и помех.