НаноэлеНтрониНа и радиация
П.А.Александров, В.И.Жук, В.Л.Литвинов
В течение многих лет развития твердотельной электроники разработчики последовательно уменьшают размеры активных приборов (диодов, транзисторов) и пассивных компонентов (проводников, конденсаторов и др.). Эта тенденция обусловлена двумя главными причинами — стремлением максимально сконцентрировать приборы на единице площади, что позволяет увеличить функциональные возможности малого объема микросхемы*, и потребностью в повышении быстродействия. Но снижение размеров элементов неизбежно влечет за собой изменение отношения поверхность/объем, перераспределяя роль факторов, влияющих на работу прибора [1, 2]. Один из таких внешних факторов — радиация.
Угроза облучения и технологическая защита
В реальной жизни все электронные схемы работают в условиях облучения. Это фоновое излучение, идущее от земной поверхности из-за естественной радио-
* Здесь термин «микросхема» выбран в качестве краткого общего названия интегральной схемы, относящейся как к на-но-, так и микроэлектронике, поскольку предлагаемый подход и основанные на нем способы резервирования предназначены для использования и там, и там.
© Александров П.А., Жук В.И.,
Литвинов В.Л., 2015
Петр Анатольевич Александров, доктор физико-математических наук, профессор, директор Института информационных технологий Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Область научных интересов — физика поверхности и нанотехно-логии.
Виктор Ильич Жук, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник того же института. Специалист по вычислительной технике, в частности по методам повышения надежности вычислительных систем.
Валерий Лазаревич Литвинов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник того же института. Занимается радиационной физикой твердого тела, физикой полупроводников и полупроводниковых приборов.
активности пород; излучение, связанное с выходящим из глубины земли радоном; излучение от радиоактивных примесей в полупроводниковых и других материалах, используемых в интегральной схеме, и, наконец, космическое фоновое излучение. Если размер приборов достаточно «большой», то указанное выше излучение практически не играет никакой роли. В зависимости от типа и энергии части-
цы последствия попадания ее в микросхему могут варьироваться от изменения концентрации носителей заряда из-за производимой ею ионизации (вплоть до электрического пробоя) до образования сплошных дыр из-за выбивания атомов со своих положений. «Зона поражения» вдоль трека частицы составляет от ~10-2 до ~10 мкм. Однако деградируют характеристики весьма мало благодаря небольшому совокупному флюенсу, т.е. среднему количеству частиц, попавших в 1 см2 микросхемы за время облучения: в естественных земных условиях интенсивность излучения (число частиц, приходящихся в единицу времени на единицу площади) лежит в диапазоне от единиц до сотен. Зато для специальной электроники, работающей в космической и атомной технике, эта интенсивность, как и полный флюенс, получаемый за все время работы микросхемы, на много порядков больше, чем обычный фон. В этом случае деградация параметров прибора приводит к отказу микросхемы.
Как же можно противостоять такой деградации? Один путь — резервирование аппаратуры (использование одинаковых устройств, работающих одновременно). Другой путь — технологический, допускающий разные варианты. Во-первых, использовать в приборах высокие электрические поля (что дает уменьшение рассеяния носителей заряда на дефектах), а также основные носители заряда и материалы с высоким уровнем легирования (относительное изменение концентрации носителей, и так значительной изначально, под действием радиации будет в этом случае невелико). Во-вторых, строить устройства на основе эффектов, слабо зависящих от облучения (фазовых переходов в халькогенидных стеклах и сегнетоэлек-триках, переноса спина вместо переноса зарядов и т.д.). К приборам первого рода относятся полевые транзисторы с р-и-переходом, стабилитроны, туннельные диоды, к приборам второго рода — переключатели на халькогенидных стеклообразных полупроводниках, сегнетоэлектриках и др.
Проиллюстрируем сказанное на простом графике (рис.1). Без облучения, т.е. при нулевом флю-енсе, не все приборы изначально работоспособны по разного рода технологическим причинам. Поэтому вероятность безотказной работы микросхемы, как показано на рис.1,я, уже немного ниже единицы. При облучении по мере роста флюенса частицы создают в приборах микросхемы и на границах разделов между составляющими их материалами дефекты и наведенные заряды. Однако благодаря относительно большому размеру прибора действия разных частиц усредняются, и внезапный отказ вследствие попадания одной частицы произойти не может. Зависимость вероятности отказа отдельного прибора, входящего в микросхему, и вероятности отказа всей микросхемы от флюенса будет плавной (а не ступенчатой).
Помимо активных приборов в микросхеме присутствует заметное количество (превышаю-
флюенс флюенс
Рис.1. Зависимость вероятности безотказной работы электронного устройства от полного флюенса: а — для микросхем с приборами «большого» размера, б — для случая на-ноэлектроники. Пунктиром показана допустимая вероятность безотказной работы.
щее число приборов) межсоединений, обеспечивающих электрический контакт между ними, — обычно металлических проводов. Хорошо известно, что если активные приборы достаточно «большие», то межсоединения тоже имеют большое сечение и поэтому устойчивы к облучению.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод: при «большом» размере приборов и при гипотетическом идеальном условии, что все они одинаковы и деградируют с одинаковой скоростью, резервирование с целью только повысить радиационную устойчивость малоэффективно и неоправданно. Действительно, при равной скорости деградации всех приборов ставить рядом с резервируемым основным узлом такие же приборы, микросхемы и целые компьютеры, чтобы повысить стойкость к радиации, смысла не имеет, так как они выходят из строя точно так же, как и основной узел. Но в наноэлектронике ситуация складывается совершенно другая.
Переходим к наноэлектронике
Сегодня от лабораторной практики создания на-ноэлектронных приборов и микросхем на их основе переходят к их промышленному производству. На этом этапе изучение действия облучения на микросхемы в условиях, приближенных к реальным, становится актуальным. Для реальных условий особенно важно увеличение степени интеграции до 1011—1012 приборов на 1 см2 и соответствующее ему уменьшение размеров приборов. Но при такой миниатюризации результат действия излучения на приборы существенно изменяется. Зададимся вопросом, что произойдет, когда область повреждений, создаваемая одной частицей, будет примерно того же размера, что и прибор (а это и происходит при переходе к наноэлектронике)?
Сначала рассмотрим, что случится с межсоединениями, в нашем случае с нанопроводами. При попадании частицы в провод малого сечения возможны локальное плавление, образование де-
Рис.2. Разрыв медного нанопровода в результате бомбардировки атомами Ar с начальной энергией 20 кэВ; а — разрыв, б — отверстие.
фектов, дырок, сравнимых по размеру с размерами сечения провода, и, наконец, его полный разрыв. В работе [3] были проведены численные расчеты по проверке модельных представлений о действии излучения на металлические нанопро-вода. Методом молекулярной динамики [4] моделировалось облучение медных проводников ионами Ar+с энергией 20 кэВ. Основные выводы из этих расчетов сводятся к следующим.
Ионы Ar+ в подавляющем большинстве случаев «прошивают» нанопроводник и уносят основную часть энергии в окружающее пространство, теряя в подложке ее часть (~1 кэВ).
Наблюдаются повреждения двух типов. Первые — крупные критические повреждения, представляющие собой разрывы и/или отверстия большого диаметра. Вторые — точечные дефекты в объеме образца, распыленные атомы меди и поверхностные повреждения (изменения шероховатости, появление горбов и кратеров).
Доля крупных дефектов зависит от прилегающего объема (в частности, подложки). В данном случае их было не так много, а влияние кремниевой подложки особенно сказывалось в случае разрывов. Отметим, что наличие разрывов и отверстий определялось «визуально» по рассчитанным картинкам расположения атомов и что сопротивление проводников специально не вычислялось, но надо полагать, оно резко меняется.
Условия и результаты расчетов, размеры и форма проводников, первичные повреждения
и некоторые их характеристики приведены в таблице и иллюстрируются на рис.2.
Полученные результаты хорошо согласуются с изложенными в работах [3, 4] представлениями о радиационных повреждениях в наноэлектрон-ных материалах. Здесь в первую очередь надо обратить внимание на появление разрывов. Если провод или прибор находится на подложке и поток частиц направлен сверху вниз, то вторичные частицы, генерируемые этим потоком, будут двигаться преимущественно тоже вниз, производя дефекты в подложке, что мало влияет на работу вышележащего провода или прибора. В обратном случае (подложка находится сверху) вторичные частицы, рожденные в подложке, дают максимальное дефектообразование в проводе или приборе. Из таблицы видно, что количество дефектов типа «разрывы», приводящих к отказам в работе провода или прибора, для случая «под подложкой» больше, чем в случае «на подложке».
Отмеченные выше перемены геометрии межсоединений могут приводить к «резким» изменениям их свойств при попадании отдельных частиц. Это, прежде всего, увеличение сопротивления межсоединений и снижение их теплоотдачи. Рост сопротивления обусловлен увеличением поверхностного рассеяния, искажением распределения электрического поля из-за критических дефектов и, конечно, самим уменьшением локального геометрического сечения проводника, вплоть до обрыва. Поскольку теплопроводность в металлических проводниках определяется переносом электронов, указанные эффекты будут увеличивать и их тепловое сопротивление. Нетрудно видеть, что даже в рамках классических предста
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.