Три защиты, в одном устройстве!
Устройство благодаря которому у Вас уменьшится количество пасмурных дней в году.

Спрашивайте
в ближайших компьютерных магазинах,
у своего провайдера

ГРОМООТВОДЫ ДЛЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Оригинал статьи находится по адресу http://www.sciam.ru/2003/2/computers-p.shtml

Подобно маленьким молниям, разряды статического электричества разрушают современные микросхемы. Компоненты микросхем становятся меньше и сложнее, и инженерам приходится изобретать новые способы защиты от электростатических разрядов.

Электронные устройства становятся миниатюрнее и быстрее. Электростатические разряды препятствуют этим процессам.

Пройдитесь в тапочках по пушистому ковру, прикоснитесь к чему-нибудь металлическому и - щелк! Возникший благодаря трению заряд мгновенно перетекает на другой предмет. Мы чувствуем легкий укол - сущий пустяк по сравнению с тем, что приходится испытывать современной электронике.

В сухую зимнюю погоду несколько шагов по новому ковру могут обернуться разрядом в 35 киловольт. Такое высокое напряжение не опасно для жизни - количество стекающего заряда ничтожно, но достаточно, чтобы вывести из строя нежные электронные детали. Микросхемы становятся миниатюрнее, а значит, и чувствительнее к электростатическим разрядам (ЭСР). Удастся ли найти новые методы борьбы с электростатическими повреждениями и сохранить темп развития электроники?

ОБЗОР: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА

Любители покопаться в компьютерах знают, что, прежде чем забраться внутрь корпуса, необходимо отвести накопленный заряд. Микропроцессоры и другие чипы имеют встроенные схемы защиты, но для аппаратуры завтрашнего дня дополнительные меры предосторожности будут решающими. Проблема ЭСР возникает уже на стадии производства, начиная от изготовления подложки и заканчивая упаковкой и доставкой деталей к месту сборки готовых систем. Каждый этап связан с определенной электростатической опасностью.

Обычно статическое электричество наиболее опасно в ходе производства деталей и наладки устройств. Оно почти не создает проблем, когда электронные компоненты успешно смонтированы, к примеру, внутри компьютера, так как некоторые методы защиты действуют только в этом случае. Опасность возникает на самых ранних этапах производства: даже использование фотолитографических масок с чисто механическим принципом действия сопряжено с определенным риском. Главной угрозой для микроэлектроники следует считать разрушение активных элементов вследствие перегрева или электрического пробоя изолирующих слоев. Однако магнитным головкам дисковых накопителей свойственны свои специфические проблемы, связанные с магнитным полем разрядов и аэродинамическими свойствами деталей.

РАЗРУШЕНИЕ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ПРОВОДОВ

Тепловой удар

Что же разрушает электронику при ЭСР? Главный виновник - выделяемое током разряда тепло, которого достаточно, чтобы расплавить используемые материалы. В момент ЭСР температура внутри микросхемы достигает 1500 °С, что выше точек плавления алюминия, меди и кремния. Повреждения возникают даже до плавления. Свойства диодов и транзисторов зависят от легирования полупроводников: при помощи аккуратно внедренных примесных атомов (диффузантов) создаются области с особыми электронными свойствами. При чрезмерном перегреве диффузанты мигрируют, разрушая четкую структуру этих областей, которая необходима для нормальной работы электронного устройства.

Шнурование (концентрация) тока и тепловой пробой осложняют дело, "собирая" тепло в одной точке: когда какая-нибудь область полупроводника существенно нагревается, ее сопротивление падает, и ток начинает течь в основном через горячее место, еще больше нагревая его. Геометрия и пропорции микроэлементов устройства играют главную роль в обеспечении равномерного протекания тока и предупреждении теплового пробоя. Теплопроводность, теплоемкость и температура плавления материала в равной степени определяют его способность сосредотачивать в себе или равномерно рассеивать тепло.

В современных устройствах соединительные дорожки, идущие вдоль слоев полупроводника, и вертикальные межслойные контактные отверстия так же важны, как и сложные транзисторы. И те, и другие уменьшаются в размерах наравне со всеми остальными элементами для повышения быстродействия и вычислительной мощности полупроводниковых микросхем. Долгие годы в качестве материала соединителей использовали алюминий, температура плавления которого составляет всего 660 °С. С 1997 г. в микроэлектронной промышленности стали применять медные соединители главным образом из-за хорошей электрической проводимости меди, позволяющей изготавливать миниатюрные и быстрые схемы. Другое достоинство меди - высокая температура плавления, равная 1 083 °С, обеспечивающая соединителям высокую теплостойкость.

Замена материала изоляторов в новом поколении микрочипов отрицательно повлияла на их чувствительность к ЭСР. Рынок заполнен микросхемами, в которых изолирующие области изготовлены из слабополяризуемых материалов. Благодаря их низкой диэлектрической проницаемости (e) удается уменьшить паразитную емкость между проводниками и, следовательно, снизить уровень взаимных наводок и увеличить скорость передачи высокочастотных сигналов и коротких импульсов. К сожалению, теплопроводность слабополяризуемых материалов меньше, чем у двуокиси кремния (традиционного диэлектрика), поэтому они хуже отводят тепло, выделяемое при статических разрядах. Это приходится компенсировать тщательной проработкой схемы, применением широких соединительных проводников и другими способами снижения нагрева. Использование меди вместе со слабополяризуемыми диэлектриками повысило устойчивость чипов к электростатическим разрядам, сыграло важную роль в развитии гигагерцовых устройств.

Обратимся теперь к транзисторам - "рабочим лошадкам" микросхем. Сегодня в основе цифровых технологий лежат полевые МОП-транзисторы (канальные полевые униполярные транзисторы со структурой затвора "металл-окисел-полупроводник"). Обычная МОП-структура состоит из истока и стока - двух легированных областей, разделенных так называемым каналом. Электрод, называемый затвором, расположен над каналом и отделен от него тонким изолирующим слоем двуокиси кремния. Напряжение на затворе управляет силой тока, протекающего по каналу между истоком и стоком.

Последние поколения таких устройств изготавливались уже по нано-технологии. К примеру, в августе 2002 г. компания Intel объявила о своих планах освоить производство микросхем с затворами длиной 50 нм и толщиной оксида 1,2 нм - всего пять атомных слоев. Чем тоньше изолятор, тем меньше пробойное напряжение. Пробой диэлектрика обуславливается не перегревом, а носителями заряда (электронами или дырками), которые разрывают молекулярные связи и пробивают изолятор, подобно крохотным молниям. Такие дефекты оксида называют проколами. Использование сверхтонких слоев диэлектрика чревато возникновением проколов в затворах.

Сток и исток тоже чувствительны к ЭСР, которые при попадании в эти области приводят к тепловому пробою транзистора. Когда высокое напряжение разряда попадает, скажем, на сток, вокруг него возникает мощное электрическое поле. Оно ускоряет токонесущие электроны, сообщая им достаточно энергии, чтобы выбить и освободить другие электроны. За счет вторичных электронов (и соответствующих им дырок) сила тока увеличивается, разгоняя их и приводя к освобождению еще большего количества носителей заряда. Этот процесс, получивший название "лавинное умножение", сопровождается утечкой тока в подложку и переходом транзистора в нестабильное состояние с отрицательным сопротивлением, которое только ухудшает ситуацию. По мере возрастания тока возникает тепловой пробой, описанный выше.

Основной способ защиты транзисторов - включение в микрочипы схем защиты от ЭСР, отводящих токи разрядов в нулевой или в питающий электроды. Далее эти токи по шинам питания стекают в заземление.

Создание выносливых лазеров и светодиодов

Полупроводниковые лазеры и светодиоды применяются повсеместно - от супермаркетов до больших дисплеев. Хотя эти детали изготавливаются из тех же материалов, что и микропроцессоры, интеграция устройств защиты от ЭСР в полупроводниковую подложку в данном случае стоит неоправданно дорого. Стоимость единицы площади - самая важная характеристика дисплеев. При этом дисплейные светодиоды делают компактными и располагают их как можно теснее, практически не оставляя места для цепей защиты от ЭСР, а электростатическую уязвимость расценивают как приемлемое допущение. Поэтому при изготовлении светодиодов стараются использовать наиболее устойчивые к ЭСР материалы, поиску которых уделяется большое внимание.

Дэвид Кронин (David V. Cronin) изобрел механический способ защиты от разрядов, возникающих в процессе установки лазерных диодов. Пока диод не вставлен в гнездо, его ножки закорочены стальной пружинкой на металлический корпус (см. фото). Попадающие на выводы диода ЭСР стекают на корпус и не попадают на полупроводниковый элемент. Когда лазерный диод вставляют в гнездо, пружинка отходит от ножек.

Сейчас самым распространенным устройством защиты от ЭСР стал кремниевый p-n диод, который в отличие от защитных транзисторов такого же размера способен выдержать больший разряд: слабое место транзисторов - необходимость протекания тока по узкому каналу и опасность пробоя в изоляторе затвора. Широко используемая КМОП-структура (комплементарная структура "металл-окисел-полупроводник") включает в себя пригодный для отвода тока ЭСР p-n диод, который соединяет МОП-транзистор с подложкой кристалла. Не составляет особого труда включить в эту структуру дополнительные p-n диоды, ведущие к подложке, но это не снимает проблему оптимизации.

Примерно с 1995 г., когда ширина проводников в микросхемах стала меньше 250 нм, для окончательного отвода разрядного тока от шин питания к заземлению стали применяться так называемые фиксаторы питания. Некоторые из них выделяют разрядные импульсы из сигнала с помощью простых частотных фильтров, другие ориентируются на высокое напряжение разряда. Выделенный импульс включает мощные транзисторные схемы, надежно отводящие разрядный ток в заземление. Когда-то низкое быстродействие транзисторов не позволяло им реагировать на высокочастотную составляющую импульсов ЭСР, лежащую в гигагерцовой области спектра. Современные СВЧ-транзисторы избавились от этого недостатка.

Теперь в каждом микропроцессоре и во многих других электронных устройствах, таких, как микросхемы СВЧ, используются схемы защиты от ЭСР и фиксаторы питания. С появлением каждого нового поколения еще более миниатюрных микросхем разработка таких устройств становится сложнее, так как они тоже должны уменьшаться в размерах и при этом обеспечивать более надежную защиту транзисторов, по возможности не ухудшая все возрастающую производительность последних.

ПОЛУПРОВОДНИК ПОД ВЫСОКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Пробой диэлектрика
(а) Тонкие изолирующие слои уязвимы для пробоя: достаточно сильное электрическое поле создает в них проколы - цепочки молекулярных дефектов, которые, подобно молниям, насквозь пронизывают диэлектрик.
(b) Поскольку напряженность электрического поля - это напряжение (V) на единицу длины, то в более толстом слое она меньше, а значит, этот слой менее подвержен пробою.

Лавинное умножение
(с) Лавинное умножение возникает в полупроводнике под воздействием мощного электрического поля, ускоряющего электроны до такой степени, что они выбивают другие электроны. Освобожденные электроны и соответствующие им дырки увеличивают силу тока.
(d) Поле ускоряет вновь возникшие носители заряда, которые выбивают еще больше электронов, и так далее по нарастающей. В результате сила тока достигает очень большой величины.

Шнурование электрического тока
(e) С ростом температуры сопротивление полупроводника падает, поэтому если какая-то его область существенно нагревается (обозначена желтым), то основной ток течет именно через нее (так называемое шнурование тока).
(f) Сконцентрированный ток усугубляет нагрев (обозначено оранжевым), который, в свою очередь, приводит к еще большему шнурованию тока.

Пробой полевого транзистора

(g) На полученном при помощи электронного микроскопа изображении полевого транзистора, поврежденного электростатическим разрядом, отчетливо видны последствия шнурования тока. Цвета отражают высоту полупроводника. Обширная зелено-желтая область - результат выброса расплавленного кремния.

Кремний на диэлектрике

В микроэлектронной технологии "кремний на диэлектрике" (КНД) не удается использовать традиционные для МОП-структур методы защиты от ЭСР. Эта технология обеспечивает более высокое быстродействие за счет уменьшения паразитных емкостей транзисторов (вспомним, что и в металлических проводниках паразитные емкости снижают скорость прохождения сигналов). В КНД-устройствах активные элементы располагаются в тонкой кремниевой пленке, отделенной от подложки слоем диэлектрика. Наличие изолирующей пленки препятствует использованию вертикальных диодов, отводящих ток разряда в подложку. Единственный выход - создать аналогичные планарные структуры в тонкой пленке кремния. В 1994 г. начались исследования в этом направлении. Считалось, что создать надежные средства защиты от ЭСР в рамках КНД не удастся. Но в 2000 г. компания IBM наладила серийный выпуск микропроцессоров, выполненных по этой технологии. В них планарные p-n диоды, соединяющие сигнальные шины с шинами питания, обеспечили прекрасную защиту от ЭСР. Такая методика может успешно применяться и в будущих сверхтонких устройствах, у которых толщина кремниевой пленки составит всего 20 нм.

КМОП-системы отлично подходят для цифровых микросхем, потому что в состоянии "0" они потребляют мало энергии, а в состоянии "1" хорошо проводят ток. Они не столь приспособлены для использования в устройствах высокоскоростного обмена информацией, таких, как сотовые телефоны, ноутбуки и карманные компьютеры, подключаемые к Интернету проводами или беспроводным способом. Ближайшие десять лет рынок таких устройств будет расти, а их быстродействие приблизится к 100 ГГц. Разумеется, потребуется создать еще более скоростные и миниатюрные микросхемы, которые, соответственно, будут чувствительнее к ЭСР. (СВЧ КМОП-устройства работают в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц и пока не преодолели десятигигагерцовый барьер.)

В высокочастотной технике находят применение вытесненные когда-то МОП-структурами биполярные транзисторы, возвращающиеся на рынок благодаря применению новых материалов, в частности кремний-германия (SiGe) и арсенида галлия (GaAs). В биполярных транзисторах, в отличие от полевых, ток между двумя областями - эмиттером и коллектором - управляется слабым током небольшой промежуточной области - базы. Характеристика полупроводника, получившая название "ширина запрещенной зоны", определяет, насколько материал близок к проводнику или диэлектрику. Подбирая ширину запрещенной зоны, можно создать транзистор, который будет в 100 раз быстрее кремниевого. Конструкторы регулируют ширину запрещенной зоны в области базы биполярного кремний-германиевого транзистора, изменяя концентрацию германия. Транзисторы, состоящие из полупроводников с разной шириной запрещенной зоны, называются биполярными транзисторами с гетеропереходом. (В 2000 г. Герберт Кремер (Herbert Kroemer) получил Нобелевскую премию по физике за свои ранние разработки таких транзисторов.) Кремний-германиевые транзисторы широко используются в высокочастотных осциллографах, сотовых телефонах, устройствах Глобальной системы навигации (GPS) и в высокоскоростных системах связи.

ИСКРЯЩАЯСЯ ФОТОМАСКА

Последние исследования Джулиан Монтоя (Julian Montoya) из Intel и Арнольда Штайнмана (Arnold Steinman) из Ion Systems (Беркли, штат Калифорния) показали, что маскирующие фигуры могут накапливать заряд и затем разряжаться на "соседей", разрушая маску (см. фото). Если расстояние между линиями велико, то пробой между ними наступает при более высоком напряжении и сопровождается хорошо заметными повреждениями. Между близко расположенными линиями могут возникать низковольтные разряды, приводящие к дефектам, которые трудно выявить на стадии контроля фотомаски. Это ведет к выпуску бракованных микросхем.

Практические методы обеспечения надежности фотомасок включают повышение влажности и ионизацию воздуха (это помогает рассеять заряд) в процессе изготовления, а также предотвращение накапливания заряда на используемом оборудовании. Сами маски могут быть изготовлены из рассеивающих материалов, с которых заряд постепенно стекает, не успевая достичь опасного уровня. Многое еще предстоит узнать о механизме разряда и о вызываемых им повреждениях маски.

Преимущества кремний-германия и КМОП-технологии можно объединить, разместив биполярный транзистор на поверхности обычного кремниевого КМОП-слоя. Методы защиты полученного устройства от электростатических разрядов очень схожи с методами, используемыми в КМОП-технологии: диоды, образующие кремний-германиевый биполярный транзистор, отводят от него разрядный ток, в то время как обычные диоды и МОП-транзисторы служат для защиты КМОП-структуры.

Описанные методы успешно применяются вплоть до 100 ГГц, но что нас ждет на более высоких скоростях? (IBM уже продемонстрировала лабораторные экземпляры транзисторов, рассчитанных на 200 ГГц, и наладила выпуск транзисторов на 120 ГГц.) Возможно, для скоростей в несколько сот гигагерц придется изобретать принципиально новые методы защиты от ЭСР.

Другая гетеропереходная технология основана на применении арсенида галлия, обладающего лучшими электрическими параметрами, чем кремний. Физики используют сверхчистый арсенид галлия для изучения квантового эффекта Холла и других экзотических феноменов. Этот материал применяется в усилителях мощности мобильных телефонов, в электронно-оптических переходниках, стыкующих электронные схемы с оптоволоконными линиями, а также в аппаратуре искусственных спутников Земли и межпланетных зондов.

Обычное КМОП-устройство тяжело изготовить из арсенида галлия, так как у этого материала, в отличие от кремния, нет естественных окислов, пригодных для создания изолирующих слоев. Отсутствие такого оксида также препятствует использованию тех методов защиты от ЭСР, которые успешно применяются в кремниевых, КНД и кремний-германиевых структурах. В результате арсенид-галлиевые устройства оказываются весьма чувствительными к ЭСР: не многие из них уцелеют после прикосновения человека, несущего на себе всего лишь киловольтовый заряд, не говоря уже о нескольких десятках киловольт, возникающих на теле после нескольких шагов по ковру.

ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

При нормальной работе полевого транзистора ток течет по тонкому каналу между стоком и истоком. Сила тока регулируется напряжением, приложенным к затвору.

Когда высокое напряжение разряда попадает на сток, стоковый ток резко возрастает вследствие лавинного умножения (1) и течет через подложку к тыльному контакту (2). Напряжение подложки изменяется до тех пор, пока транзистор не разблокируется. Тогда ток снова начинает течь к истоку (3). Наибольший нагрев, как правило, претерпевает место сопряжения стока и канала.

Схема защиты от ЭСР должна отводить разрядные импульсы, прежде чем они достигнут транзистора. Такая схема не должна влиять на прохождение рабочих сигналов и состояние активных элементов.

Искровые разрядники

Защита от ЭСР имеет большое значение для космической аппаратуры, на поверхности которой статический заряд создается такими источниками, как околоземные пояса Ван Аллена и солнечный ветер. Высокоэнергичные электроны способны проникать внутрь космических аппаратов и формировать статический заряд на поверхности монтажных плат внутри приборов. Разработка эффективных средств защиты арсенид-галлиевой аппаратуры от ЭСР - задача не из легких, но от ее решения зависит судьба будущих космических экспедиций.

Примерно десять лет назад Карлхайнц Бок (Karlheinz Bock), тогда еще работавший в Дармштадтском университете в Германии, продемонстрировал новый метод защиты арсенид-галлиевых микросхем, основанный на автоэмиссии в искровых разрядниках. Каждый разрядник представляет собой вытравленный в арсениде галлия конус, между вершиной которого и слоем материала имеется воздушный зазор. Напряжение статического разряда создает на острой вершине конуса мощное электрическое поле, которое вызывает искрение в воздушном зазоре, снимающее это напряжение. Автоэмиссионные средства защиты от ЭСР имеют целый ряд преимуществ по сравнению с диодными и транзисторными схемами. Во-первых, они обладают малой емкостью и поэтому слабее влияют на работу прибора. Во-вторых, что важнее, они способны многократно разряжать большие токи. Когда искровые разрядники выйдут из лабораторий и станут применяться на практике, они обеспечат надежную защиту от ЭСР в арсенид-галлиевых усилителях мощности и в космической аппаратуре.

Дальнейшее уменьшение размеров и увеличение быстродействия полупроводниковых приборов может заставить нас отказаться от традиционных методов защиты от ЭСР. Возможно, искровые разрядники найдут применение не только в арсенид-галлиевых устройствах. А может, удастся использовать новые материалы для изготовления более надежных транзисторов и с помощью внешних приспособлений исключить возможность возникновения ЭСР в наноэлектронике.

Когда в VI в. до н. э. Тал Милетский изучал электростатические заряды, он и не предполагал, что через 26 веков они будут определять надежность техники, а мы будем бороться с электростатикой. Механизмы заряда и разряда полупроводников, магнитных головок, фотомасок и других наноструктур еще долго будут в центре внимания исследователей и разработчиков. По мере уменьшения размеров электронных устройств и дальнейшего изучения электростатики будут появляться все новые схемы защиты от ЭСР.

ОБ АВТОРЕ

Стивен Вольдман (Steven H. Voldman) занимается проблемой электростатического разряда (ЭСР) и входит в группу разработчиков кремний-германиевых устройств компании IBM в Берлингтоне, штат Вермонт. В студенческие годы он принимал участие в разработке магнитных зеркал для удержания плазмы в лаборатории высоких напряжений Массачусетского технологического института. Стивен исследовал электростатические явления, наблюдаемые в КМОП, КНД и кремний-германиевых полупроводниках, а также в накопителях на магнитных дисках. Он отвечал за разработку магниторезисторные головки схем защиты от ЭСР для мощных микропроцессоров и других полупроводниковых микросхем. Обладатель 100 патентов США, он был признан лучшим изобретателем IBM в 1998, 2000 и 2001 гг. На досуге Стивен любит поиграть в хоккей.

БЕЗ ЛУКАВСТВА

Если впасть в панику, то тогда стоит побеспокоиться о квантовых компьютерах. Твердотельный прототип квантового компьютера строится на отдельных атомах, ядра которых выполняют роль отдельных логических элементов - кубитов.

1. Характеристики

2. Как это работает?

3. Как установить?

4. Хочу знать больше

5. Пользователям

6. Провайдерам

7. Ремонт

8. Издержки

9. Ссылки

Заказать по телефону:

+380(542) 22-55-44

+380(44) 332-97-68