== ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ
НА СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАЗРАБОТКИ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ БИС НАВИГАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПО ОТЕЧЕСТВЕННОЙ КМОП КНИ ТЕХНОЛОГИИ С НОРМАМИ 0.35 мкм © 2012 г. В. В. Елесин1, 2, Г. Н. Назарова1, 2, Г. В. Чуков1, 2, Ю. А. Кабальнов3, А. А. Титаренко3
1 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" 2ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" 3ФГУП "ФНПЦНИИИС им. Ю.Е. Седакова" E-mail: vveles@spels.ru Поступила в редакцию 16.12.2011 г.
Представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований высокочастотных и шумовых свойств КНИ МОП-транзисторов и пассивных элементов отечественной "цифровой" КМОП КНИ-технологии с нормами 0.35 мкм. Разработаны новые элементы, отсутствующие в составе библиотеки и необходимые для построения монолитных СВЧ функциональных блоков. Приведены результаты проектирования и экспериментальных исследований кристаллов генераторного, усилительного и смесительного функциональных блоков с рабочими частотами 1.2—1.65 ГГц. На основе анализа результатов расчетно-экспериментального моделирования подтверждена принципиальная возможность создания на отечественной КМОП КНИ-технологии радиационно-стойкой монолитной БИС радиоприемного устройства спутниковой навигации с частотами 1.2—1.6 ГГц и уровнями стойкости до 1012 ед./с и 106 ед.
1. ВВЕДЕНИЕ
Использование структур "кремний-на-изоляторе" (КНИ) обеспечивает высокую радиационную стойкость БИС к импульсному воздействию, что определяется существенным снижением ионизационных токов, исключением эффекта "защелкивания", подавлением паразитных связей между соседними элементами [1]. С другой стороны малые паразитные емкости, свойственные КНИ-транзисторам по сравнению с приборами, выполненными по объемной КМОП-технологии, а также высокая изоляция между элементами делает КНИ-технологию привлекательной для разработки БИС СВЧ-диапазона. Важной областью применения СВЧ КМОП КНИ БИС может стать аппаратура спутниковой навигации стандартов ГЛОНАСС и GPS в частотном диапазоне 1.20— 1.65 ГГц [2, 3].
Ряд зарубежных кремниевых фабрик располагает КМОП КНИ технологическими процессами, позволяющими разработку аналого-цифровых БИС СВЧ-диапазона [4—6]. До последнего времени имеющиеся отечественные КМОП КНИ-тех-нологии применялись исключительно для разработки цифровых или низкочастотных аналого-цифровых БИС [7, 8]. В этой связи исследование СВЧ-характеристик отечественной КМОП КНИ-технологии с проектными нормами 0.35 мкм для разработки радиационно-стойкой БИС-радио-приемного устройства навигационного назначения является весьма актуальной задачей.
Ключевые этапы решения этой задачи:
— предварительное исследование высокочастотных и шумовых свойств КНИ МОП-транзисторов из состава стандартной "цифровой" библиотеки;
— разработка новых элементов библиотеки, таких как интегральные катушки индуктивности и варикапы, отсутствующих в составе библиотеки, но необходимых для построения функциональных блоков радиоприемного устройства;
— проектирование и изготовление тестовых кристаллов генераторного, усилительного и смесительного функциональных блоков с рабочими частотами 1.2—1.65 ГГц из состава СВЧ-тракта радиоприемного устройства;
— проведение экспериментального исследования характеристик этих кристаллов и определение предварительных уровней стойкости к дозо-вому и импульсному воздействию ионизирующего излучения.
2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Базовым технологическим процессом для настоящего исследования являлась отечественная КМОП-технология на основе структур "кремний на изоляторе" с проектными нормами 0.35 мкм. Исходно предназначенная для разработки цифровых БИС с напряжением питания 3.3 В, техно-
291
4*
Таблица 1. Тестовые структуры для исследования СВЧ-характеристик КМОП КНИ-технологии
№ Тестовая структура Описание
1 п -МОП-транзистор L = 0.35 мкм, W = 400 мкм, ^-тип
2 МШУ на п-МОП-транзисторе L = 0.35 мкм, W = 1000 мкм, ^-тип, режим: иси = 2.5 В, изи = 1.0 В
3 Варикап на />-МОП-транзисторе в области обеднения L = 1.0 мкм, W = 500 мкм, H-тип, режим: Uc = UH = 0 В, Us = 3 В, U= 0-3 В
4 Варикап на />-МОП-транзисторе в области насыщения L = 0.35 мкм, W= 500 мкм, Н-тип, режим: Uc = Ои = Ок = 1.5 В, U = 0-3 В
5 Диффузионный резистор R = 100 Ом, L = 60 мкм, W = 45 мкм
6 М1М-конденсатор С = 1.2 пФ, L = 140 мкм, W = 65 мкм
7-11 Набор интегральных катушек спиральных индуктивностей L = 1-14 нГн
логия имеет два уровня поликремния и четыре уровня металлизации.
Расчетно-экспериментальное моделирование СВЧ и шумовых свойств КНИ МОП-транзисторов, конденсаторов и резисторов проводилось с использованием элементов из стандартной библиотеки. Параллельно были разработаны новые недостающие для построения СВЧ-функцио-нальных блоков элементы библиотеки, такие как интегральные катушки индуктивности и варикапы. Тестовые структуры, сформированные для исследования стандартных и новых элементов, перечислены в табл. 1.
Экспериментальные исследования тестовых структур проводились в диапазоне частот 0.1— 20 ГГц средствами СВЧ зондовой станции Summit 12000B, векторного анализатора цепей Е8361А и анализатора параметров полупроводниковых приборов 4156С. Математическое исключение контактных площадок из результатов измерений тестовых структур осуществлялось посредством процедуры "деембеддинга" с применением структур "open" и "short" [9].
3. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И ШУМОВЫЕ
СВОЙСТВА КНИ МОП ТРАНЗИСТОРОВ
Базовый элемент КМОП КНИ-библиотеки — я-канальный МОП (я-МОП) транзистор. Показателями высокочастотных свойств транзистора служат частота единичного усиления (Ft) и максимальная частота генерации (^макс), а шумовых свойств — минимальный коэффициент шума (Кшмин). Для предварительной оценки Ft и F^ проведено зондовое измерение ¿-параметров ТС № 1 КНИ я-МОП-транзистора, внешний вид которой показан на рис. 1а, структурная схема стенда для зондовых исследований — на рис. 1б. Результаты экспериментального и расчетного моделирования частотных зависимостей ¿-параметров я-МОП-транзистора показаны на рис. 1в, 1г. По предварительной оценке при напряжениях
изи = 1.0 В и иси = 2.5 В значения Ft и Fj^^ составляют не менее 15 ГГц и 90 ГГц соответственно, что подтверждает возможность реализации усилительных и генераторных БИС навигационного частотного диапазона. Обнаруженное существенное различие в измеренных и расчетных ¿-пара-метрах тестовых структур я-МОП-транзистора указывает на необходимость уточнения параметров SPICE модели.
Один из кратчайших путей исследования шумовых свойств транзистора — определение матрицы шумовых параметров, что является сложной технической задачей [10]. Предварительная оценка шумовых свойств сделана на основе исследования коэффициента шума (Кш) тестовые структуры малошумящего усилителя, реализованного на я-МОП-транзисторе (тестовая структура № 2, табл. 1).
Тестовая структура малошумящего усилителя представляла собой КНИ я-МОП-транзистор, разваренный в измерительную оснастку проволочками определенной длины, играющими роль согласующих индуктивностей (см. рис. 1д). Подбор длины проволочек в цепях затвора, истока и стока осуществлялся расчетно-экспериментально по наилучшему согласованию (минимум КСВН) по входу/выходу. Режим транзистора при исследовании Кш соответствовал значениям
изи = 1.0 В, иси = 2.5 В и 1с = 18 мА.
Согласно результатам измерений, представленным на рис. 1д, на частоте 1.5 ГГц значение Кш составляет 2.2 дБ при величине коэффициента усиления (Ку) 12 дБ. Это свидетельствует в пользу возможности построения по данной технологии усилительных блоков с Ку более 20 дБ и Кш не более 2 дБ, но требует экспериментального определения параметров шумовой модели и/или последующего уточнения параметров SPICE модели я-МОП-транзистора по традиционной методике.
(а)
(б)
Частота: 100 МГц-20 ГГц (®)
20
15
Б
ч
„а 10
Частота: 100 МГц-20 ГГц (г)
1.5 2.0
Частота, ГГц
(д)
Рис. 1. Фотография тестового кристалла тестовой структуры № 1 КНИ я-МОП-транзистора с подведенными зондами (а), схема стенда для зондовых исследований (б); результаты расчетно-экспериментального моделирования ¿-параметров транзистора после процедуры математического исключения контактных площадок: ¿21 (в), ¿ц (г); результаты экспериментальных исследований СВЧ-параметров тестовой структуры МШУ на КНИ-транзисторе (д).
4. ПРИБОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОП КНИ ТРАНЗИСТОРА
Расчетное моделирование высокочастотных характеристик я-МОП-транзистора и оценка значений ¥, и ^макс осуществлялось с применени-
ем приборно-технологического моделирования средствами TCAD.
На рис. 2а представлен внешний вид структуры транзистора для моделирования [11], основные параметры которой приведены в табл. 2.
ПОЛИКРЕМНИИ ИСТОК ЗАТВОР
3
м
1000 800 600 400 200
0
-TCAD ----SPICE ^и = 2 B -- - —
у>— // //
/1 // ^и = 1.5 B
// л !/</ изи = 1 B
---U
1000 800 600
кА
S 400 200 0
-TCAD ----SPICE
Uси = 2 B
Uси = 1 B
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Uси, В
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Uзи, В
(б) (в)
Рис. 2. Структура я-МОП КНИ-транзистора (а); ВАХ-транзистора: (б) - выходная, (в) - проходная.
На рис. 2б, 2в приведены выходные и проходные ВАХ транзистора, полученные путем моделирования в TCAD и расчета по SPICE модели, хорошо согласующиеся между собой.
Важным элементом радиочастотных схем являются транзисторы с большой шириной затвора (до сотен мкм), для построения которых исполь-
зуются составные транзисторы с параллельным соединением нескольких параметризованных элементарных транзисторов с малой шириной. Моделирование транзисторной структуры проводилось в два этапа. На первом этапе средствами TCAD рассчитывались ¿-параметры одного элементарного транзистора. На втором этапе с помо-
Таблица 2. Основные параметры структуры КНИ МОП-транзистора
Параметр Значение
Толщина подзатворного окисла, А 70
Глубина залегания стока/истока, мкм 0.25
3 Концентрация примеси в канале, см 3 4.3 х 1017
Концентрация примеси в стоковой и истоковой областях, см 3 3.5 х 1018
Концентрация примеси в поликремниевом з
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.