научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЕВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ ДИАПАЗОНА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЕВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ ДИАПАЗОНА»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 2, с. 136-148

РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ СВЧ ДИАПАЗОНА

УДК 621.3.049.77:539.1.043

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЕВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ ДИАПАЗОНА © 2010 г. В. В. Елесин1, Г. В. Чуков2, Д. В. Громов1, В. В. Репин3, В. А. Вавилов4

1ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы", 2Московский инженерно-физический институт (государственный университет),

3ФГУПНИИМА "Прогресс", 4ОАО "НИИМЭ и Микрон" Е-таП:ууе1е$@$реЬ.ги Поступила в редакцию 14.08.2009 г.

Представлены результаты экспериментальных исследований влияния ионизирующих излучений на характеристики кремний-германиевых СВЧ ИС. Установлены параметры-критерии стойкости и определены абсолютные уровни стойкости $Юе ИС к дозовым и импульсным воздействиям ионизирующих излучений. Проведен сравнительный анализ показателей стойкости СВЧ ИС, изготовленных по различным технологиям.

1. ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших направлений развития отечественной микроэлектроники военного и специального назначения является создание нового поколения радиационно-стойкой электронной компонентной базы (ЭКБ) широкого спектра назначения, включая БИС СВЧ диапазона.

Обеспечение требований по радиационной стойкости в сочетании с высокими функциональными возможностями и широким частотным диапазоном представляет для разработчиков БИС подобного типа серьезную научно-техническую задачу. Одним из перспективных направлений разработки БИС диапазона СВЧ являются приборы на основе кремний-германия (8Юе) [1]. По имеющейся у авторов информации, радиационные испытания 8Юе СВЧ ИС, спроектированных отечественными дизайн-центрами, до настоящего времени не проводились. Результаты зарубежных исследований далеко не полно освещены в литературе, особенно в части воздействия импульсного ионизирующего излучения (ИИ) и вопросов стойкости СВЧ ИС со свойственными им параметрами-критериями.

В этой связи актуальной представляется задача исследования радиационной стойкости 8Юе элементной базы и СВЧ ИС, выполненных по 8Юе БиКМОП технологии. Основным вопросом настоящего исследования является выявление параметров-критериев стойкости 8Юе СВЧ ИС и определение абсолютных и относительных показателей стойкости по сравнению с ИС, выполненными по другим технологиям. Определенный интерес пред-

ставляет степень адекватности существующих имитационных методов проведения испытаний.

2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Объектами настоящего исследования являлись 8Юе гетероструктурные биполярные транзисторы я-р-я-типа и СВЧ ИС на их основе: малошумящий усилитель (МШУ), широкополосный усилитель (ШПУ) и генератор, управляемый напряжением (ГУН), спроектированные ФГУП "НИИМА "Прогресс" и изготовленные по технологии 8СВ25У с проектными нормами 0.42/0.25 мкм.

Испытания на импульсное воздействие ИИ проводились на моделирующей установке "АРСА" и лазерном имитаторе "РАДОН-5". Испытания на дозо-вое воздействие ИИ проводились на ускорителе электронов "У-31/33", в режиме тормозного гамма-излучения (моделирующая установка "У-31/33") и рентгеновском имитаторе "РЕИМ-М". Моделирующие установки, лабораторные имитаторы, средства дозиметрии и измерительная оснастка обеспечивались ОАО "ЭНПО СПЭЛС".

3. ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫЕ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Исследование радиационной деградации характеристик 8Юе ГБТ проводилось для приборов двух типов: стандартного (ГБТ S) и высоковольтного (ГБТ Ц), являющихся основными активными эле-

БЮ2

Б1/БЮе:С/Б1 эпислой

Поликремниевый затвор

Коллекторная область

и-Карман

Глубокая р-имплантация

Рис. 1. Поперечное сечение БЮе гетероструктурного биполярного транзистора.

ментами для построения СВЧ ИС. Поперечное сечение БЮе ГБТ изготовленного по технологии 8СВ25УО, показано на рис. 1, а основные параметры ГБТ приведены в табл. 1.

Экспериментальные зависимости амплитудного значения импульсной реакции тока коллектора при иКБ = 2 В от мощности дозы представлены на рис. 2. Согласно представленным результатам, при уровнях импульсного воздействия превышающих 3 х 109 ед/с зависимость является линейной, что соответствует известным результатам для классического биполярного транзистора [2]. Для обеспечения максимального уровня импульсного воздействия ИИ, равного

6.5 х 1012 ед/с, в работе использовались лазерные имитационные методы с калибровкой на моделирующей установке. В исследованном диапазоне мощностей доз катастрофических отказов и тиристорно-го эффекта в БЮе ГБТ не обнаружено.

Исследования характеристик БЮе ГБТ при дозо-вом воздействии ИИ проводились с использованием моделирующей установки "У-31/33". В процессе воздействия ГБТ находились в активном статическом режиме (иБЭ = 0.7 В, иКБ = 0 В), соответствующем области работы в реальных схемах. В интервалах между сеансами облучения проводились измерения значений токов базы 1Б и коллектора 1К ГБТ при

Таблица 1. Основные параметры БЮе ГБТ

Параметр Значение

Тип транзистора ГБТ Б ГБТ Н

Площадь эмиттера, мкм2 0.42 х 0.84 0.42 х 0.84

Максимальная частота единичного усиления, ГГц 45 25

Максимальная частота генерации, ГГц 90 70

Статический коэффициент передачи тока базы в 190 190

Напряжение пробоя иКЭ0, В 4.0 7.0

104

103

102

101

100 107

108 109 1010 1011 Р, ед/с

1012 10

13

Рис. 2. Экспериментальные зависимости амплитудного значения импульсной реакции тока коллектора 8Юе ГБТ от мощности дозы.

Рис. 3. Экспериментальные зависимости 1б и Р/Р0 81Се ГБТ от значения поглощенной дозы.

иБЭ = 0.7 В и иКЭ = 0.9 В, затем рассчитывался статический коэффициент передачи тока базы, нормированный на значение до облучения Р/Р0. Экспериментальные зависимости 1Б и Р/Р0 от значения поглощенной дозы представлены на рис. 3 для обоих типов ГБТ.

Согласно полученным результатам, наиболее критичным статическим параметром ГБТ при дозо-вом воздействии является ток базы, существенное увеличение которого обусловлено накоплением ра-диационно-индуцированного заряда в окисле возле перехода база—эмиттер, что приводит к увеличению

Рис. 4. Принципиальная схема (а) и топология (б) БЮе ИС СВЧ МШУ.

темпа рекомбинации носителей в базе [3, 4]. В свою очередь быстрое увеличение тока базы при значениях поглощенной дозы более 2 х 105 ед при практически не изменяющемся токе коллектора проводит к существенной деградации в: при уровне воздействия 1.2 х 106 ед в ГБТ уменьшается на 40%, а при дозе составляющей 2 х 107 ед базовый ток ГБТ увеличился в 10 раз, что привело к снижению в до 25% от начального значения. Представленные результаты находятся в соответствии с данными зарубежных

исследований дозовой деградации БЮе ГБТ, изготовленных по технологии БОВ25УО и представленных для сравнения на рис. 3.

4. ИС СВЧ МШУ И ШПУ

ИС МШУ и ШПУ построены на биполярных транзисторах: МШУ - по каскодной схеме, а ШПУ -по двухкаскадной схеме с ОЭ. Основные параметры ИС МШУ и ШПУ приведены в табл. 2. Упрощенные

Таблица 2. Основные параметры ИС СВЧ МШУ и ШПУ

Тип усилителя МШУ ШПУ

Рабочий диапазон частот, ГГц 0.1.3.0 0.1.3.0

Ток потребления, мА 12 или 20 31

Коэффициент усиления ^21|, дБ 10.20 8.16

Обратная изоляция ^12|, дБ —45...—20 -25.-22

КСВН входа не более 1.5 не более 2.2

КСВН выхода не более 1.5 не более 2.4

Коэффициент шума на частоте 1 ГГц, дБ не более 2 не более 6

Выходная мощность при 1 дБ сжатии на частоте 1 ГГц, дБм не менее +7 не менее +3.5

Напряжение питания, В 3 5

принципиальные схемы и топологии ИС МШУ представлены на рис. 4, ИС ШПУ на рис. 5.

Результаты экспериментального исследования характеристик ИС МШУ и ШПУ показаны на рис. 6 и рис. 7.

Экспериментальные зависимости малосигнального коэффициента усиления Ку и тока потребления 1п ИС МШУ и ШПУ от эквивалентной мощности дозы, представленные на рис. 8а, 8б, позволяют сделать следующие выводы:

— при импульсном воздействии ИИ поведение параметров-критериев ИС МШУ и ШПУ носит схожий характер;

— в момент воздействия импульса ИИ Ку уменьшается с ростом мощности дозы; при уровнях воздействия 4 х 109.. Л010 ед/с уменьшение Ку на частоте 400 МГц составляет 100% от исходного значения;

— при значениях мощности дозы превышающих 5 х 109 ед/с амплитудное значение 1п линейно возрастает с ростом мощности дозы; при уровне воздействия 1010 ед/с увеличение 1п составляет 100% от режимного значения;

— время потери работоспособности обеих ИС по параметрам Ку и 1п на предельных уровнях воздействия 3 х 1010...7 х 1010 ед/с не превышает 20 мкс;

— тиристорного эффекта и катастрофических отказов не обнаружено.

В результате исследований характеристик ИС МШУ при дозовом воздействии ИИ на моделирующей установке "У-31/33" до уровня 1.5 х 106 ед вы-

явлены наиболее критичные параметры: малосигнальный коэффициент усиления Ку на частотах ниже 0.4 ГГц, выходная мощность при 1 дБ сжатии Р1дБ на частоте 1 ГГц и ток потребления 1п в линейном режиме. Экспериментальные зависимости указанных параметров от поглощенной дозы представлены на рис. 9, согласно которому все три параметра-критерия уменьшаются с ростом поглощенной дозы. При максимальном уровне воздействия равном 1.5 х 106 ед их относительное изменение не превышает 6%. Обнаружен, но пока не получил должного объяснения, эффект зависимости уровня деградации Ку от частоты входного сигнала: на частотах выше 0.5 ГГц Ку на максимальном уровне воздействия практически не изменяется.

Деградация других измеряемых параметров (КСВН, Кш и Ку на частотах выше 0.5 ГГц) не выявлена — их изменение находится в пределах погрешности измерений.

На основе результатов, представленных на рис. 9, получен предварительный прогноз порогового уровня дозового воздействия для ИС МШУ. По результатам линейной экстраполяции 20% уменьшение выявленных параметров-критериев (Ку, Р1дБ и 1п) наступает при значениях поглощенной дозы в диапазоне значений от 5 х 106...1.2 х 107 ед.

Сравнительные результаты испытаний с использованием рентгеновского имитатора "РЕИМ-М" показывают качественно схожий характер деградации параметров-критериев стойкости ИС МШУ.

(а)

(б)

Рис. 5. Принципиальная схема (а

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.

Показать целиком