Устойчивость электроники к агрессивным средам

Экстремальные температуры выступают одним из самых негативных влияний для работоспособности микропроцессоров, т.к. при высоких температурах происходит ускорение процессов деградации полупроводниковых структур, увеличивается вероятность теплового пробоя и изменяются электрические характеристики компонентов, но также и низкие температуры могут приводить к изменению параметров полупроводниковых переходов и нарушению работы системы охлаждения [1]. При влиянии высоких температур возникают полупроводниковые эффекты в виде негативного влияния на носители заряда (происходит экспоненциальный рост концентрации собственных носителей заряда в кремнии), что ведет к росту утечки токов, снижению порогового напряжения МОП-транзисторов, уменьшается крутизна передаточной характеристики, также происходит изменение подвижности носителей (уменьшение тока насыщения транзисторов, увеличение показателя времени переключения, снижение показателей максимальной рабочей частоты) [2].

Температурные экстремальные воздействия вызывают термомеханические эффекты, в виде изменений механического напряжения, что вызывает деформацию кристалла микропроцессора, растрескивание диэлектриков, нарушение контактных соединений. Тепловые эффекты в межсоединениях проявляются в виде изменения показателей сопротивления проводников, задержек в распространении сигналов [3]. Эффекты в системе питания, вызванные ростом температур, увеличивают статическую составляющую, снижают эффективность динамического питания, увеличивают потери в целях распределения питания. IR-падения напряжения ведут к росту падения напряжения на линиях питания, уменьшают запасы помехоустойчивости, создают возможности возникновения функциональных сбоев. Часто присутствуют такие каскадные эффекты и образные связи в виде теплового разгона с увеличением токов утечки, дополнительного тепловыделения и соответственно способствуют дальнейшему росту температуры. Локальные эффекты в виде неравномерного распределения температуры приводят к градиентам электрических параметров, ускоренной деградации горячих точек.

Циклические температурные нагрузки могут вызывать усталостное разрушение материалов, деградацию параметров транзисторов, нарушение целостности межсоединений [0] .

Радиационное воздействие вызывает быструю ионизацию материалов, образование дефектов в кристаллической решетке полупроводников и деградацию изолирующих свойств диэлектриков, происходи генерация электронно-дырочных пар, осуществляется пространственное распределение заряда вдоль трека частицы, накопление заряда в диэлектриках с формированием объемного заряда с изменением пороговых напряжений транзисторов. Структурные дефекты проявляются в разупорядочении кристаллической решетки, в уменьшении времени жизни носителей, происходит деградация подвижности и изменение концентрации легирующих примесей. Тиристорный эффект могут быть связаны с активацией паразитных биполярных структур, с резким ростом тока потребление, а переворот бита может приводить к инжекции заряда в чувствительных узлах, к изменению логического состояния, возникновению ошибок в системе и т.д.

Воздействие химически активных веществ на микропроцессоры приводит к коррозии металлических элементов, деградации защитных покрытий и нарушению герметичности корпусов. Электрохимическая коррозия вызывает анодное растворение металлизации, образование гальванических пар, вызывает миграции ионов металлов. Химическая коррозия ведет к окислению слоев, деградации защитных покрытий, к изменению свойств диэлектриков. Влияние кислот и щелочек вызывает растворение защитных оксидов, травление металлизации, деградацию полимерных материалов, воздействие галогенов ведет к образованию летучих соединений, к разрушению межсоединений, к существенному изменению свойств полупроводника.

Для защиты от агрессивной среды микропроцессоров применяются герметичные корпуса с высокой степенью защиты, также многослойные защитные покрытия, системы активного охлаждения, виброизоляционные платформы. В Российской Федерации активно ведется развитие технологии защиты «кремний на изоляторе» (КНИ-структуры). Технологическое решение представляет собой специальную конструкцию полупроводниковых приборов, в которых тонкий слой монокристаллического кремния отделен от подложки слоем диэлектрика, как правило из диоксида кремния для изоляции активной области от подложки.

Применяется несколько технологических маршрутов для создания структуры КНИ, среди которых могут быть выделены ионное внедрение или ионная имплантация, которая работает по принципу бомбардировки пластин кремния ионами кислорода, водорода, азота. Другим способом «метод сращивания пластин» выступает нагрев кремниевых пластин до сверхвысоких температур, которые потом последовательно соединяются между собой с уточнением рабочего слоя при необходимости. Технология эпитаксии образовывает поверхностных слой за счет выращивание необходимой кремниевой пленки на поверхности диэлектрика. Методология управляемого скола компании Soitec применяет в технологии две пластины одна из которых подвергается термическому окислению, а вторая насыщается ионами водорода. Эффекты в тонком слое кремния приводят к полному обеднению канала, к уменьшению короткого канала и ведут к снижению паразитных емкостей. Скрытый оксид уменьшает паразитные токи утечки, подавляет защелкивания, улучшает изоляцию элементов. Особенность технологии состоит в формировании четкой границы раздела, ведет к контролю дефекто-образования, к управлению толщины слоев.

Элементная база МОП-транзисторов в связи с особенности проектирования КНИ уменьшает паразитные емкости, повышая радиационную стойкость, улучшает частотные характеристики. Архитектура КНИ-процессо-ра представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Архитектура КНИ-процессора

Электрофизические процессы осуществляются в тонком слое кремния с полным обеднением канала, с уменьшением эффекта короткого канала, со снижением паразитарных емкостей, а проектирование активных элементов осуществляется с учетом эффекта плавающего тела, с учетом оптимизации топологии. При производстве КНИ-процессора применяется толщина близкая к нижней границе диапазона (5-50 нм), то включается режим полного обеднения канала транзистора и улучшается управляемость прибора и снижаются паразитные эффекты, когда величина толстого активного слоя устанавливается для КНИ - процессора 100-200 нм, то обеспечивается лучший теплоотвод и возможность создания более сложных трехмерных структур.

Скрытый оксид – это слой диоксида кремния, как правило толщиной 100-400 нм выполняет несколько критически важных функций, обеспечивает полную диэлектрическую изоляцию активной области от подложки и снижает очень сильно паразитные емкости и токи утечки. Скрытый оксид формирует эффективный барьер для распространения дефектов из подложки в активную область и улучшается радиационная стойкость устройства, препятствуя образованию паразитных каналов проводимости.

Кремниевая подложка – это нижний слой структуры КНИ микропроцессора, которая выполняет роль механической основы и участвует в процессах теплоотвода. Но в тоже время, кремниевая подложка хоть и электрически изолирована от активной области скрытым оксидом, её свойства существенно влияют на общие характеристики КНИ микропроцессора. Кристаллографическая ориентация и уровень легирования кремниевой подложки оптимизируются при производстве для обеспечения механической прочности и эффективного теплоотвода. В активном слое кремния формируются транзисторные структуры, состоящие из истока, затвора и стока, поэтому их расположение и конфигурация определяются принципами диэлектрической изоляции. Тенденцией развития также выступает создание суперскалярной архитектуры системы команд микропроцессора с внеочередным исполнением команд [5]. Соответственно модификации параметров позволяют производить КНИ микропроцессоры для работы в различных агрессивных средах. Паразитарные емкости КНИ микропроцессора могут быть существенно снижены за счет полной изоляции активных областей друг от друга и от подложки, а также минимизации площади переходов. Уменьшение толщины активного слоя является одним из ключевых трендов в развитии КНИ микропроцессоров.