eng
Выпуск #7/2016
Д.Андреев, О.Ковалева, Д.Копцев
Сверхвысокочастотные характеристики транзисторов, изготовленных по технологии кремний на изоляторе с длиной канала 180 нм
Сверхвысокочастотные характеристики транзисторов, изготовленных по технологии кремний на изоляторе с длиной канала 180 нм
Просмотры: 3206
Характеристики, полученные с помощью SPICE-модели BSIMSOI4, сравниваются с результатами экспериментальных измерений транзисторов, изготовленных в ПАО "Микрон" по технологии КМОП кремний на изоляторе (КНИ) 0,18 мкм.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.94.100
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.94.100
Главным преимуществом КНИ-технологии является повышенная по сравнению с технологией объемного кремния радиационная стойкость, необходимая для поддержания работоспособности высокотехнологичной радиоэлектронной аппаратуры в условиях ионизирующего излучения. Изготовленные по КНИ-технологии транзисторы имеют полную диэлектрическую изоляцию n- и p-карманов, ввиду чего отсутствуют паразитные npnp-структуры, а значит, исключено тиристорное защелкивание, свойственное, например, объемной КМОП-технологии. На рис.1 представлена типичная структура КНИ-транзисторов [3].
Современный маршрут проектирования интегральных схем обязательно включает этап схемотехнического моделирования разрабатываемого устройства. Увеличение точности моделирования позволяет снижать количество производственных итераций, что уменьшает стоимость разработки и ускоряет процесс выхода конечного изделия на рынок.
РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ
Авторами разработана тестовая матрица элементов, содержащая n- и p-канальные транзисторы. Тестовая матрица представляет собой набор транзисторов с разными геометрическими размерами, каждый из которых разведен в специальные контактные площадки, позволяющие проводить высокочастотные измерения с помощью зондовой станции. Также добавлены специальные структуры, обеспечивающие de-embedding – математическое извлечение результатов паразитного влияния топологической разводки на измеряемые характеристики элемента. Для реализации этой процедуры используются точно такие же ячейки, как и те, в которых разведены элементы для экстракции моделей, но вместо элементов в этих структурах присутствуют, соответственно, разрыв, закоротка на землю, проход (соединение входа с выходом).
На рис.2 показана высокочастотная контактирующая структура с обозначением контактных площадок для проведения измерений (а, b) и эквивалентная схема разводки транзисторов (c).
ИЗМЕРЕНИЯ СВЧ-ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРОВ
При проведении экспериментальных исследований использовался измерительный стенд, содержащий зондовую станцию Cascade Summit 11000M, векторный анализатор цепей Agilent PNA серии E8361A, анализатор полупроводниковых приборов Agilent B1500A, а также программное обеспечение Cascade WinCal XE для калибровки анализатора цепей и программное обеспечение Agilent IC-CAP для проведения измерений по постоянному току и определения S-параметров. Блок-схема измерительного комплекса приведена на рис.3.
Результаты измерений S-параметров транзисторов, полученные в режиме Vg = Vd = 1,8 В,
где Vg – напряжение затвор-исток, Vd – напряжение исток-сток, приведены на рис.4–5 и в табл.1. Длина каналов всех транзисторов составляет 0,18 мкм, ширина каналов – 5 мкм. Измерения проводились на пяти образцах каждого типа транзистора, один из которых располагался в центре пластины и четыре – по ее краям. В табл.1 приведены усредненные значения измеренных параметров.
Граничная частота Ft определена как частота, на которой значение параметра h21 = 0. Ниже приведены формулы для расчета h-параметров из S-параметров:
form01_2.ai, (1)
form02.ai, (2)
form03.ai, (3)
form04.ai, (4)
где R01 и R02 – действительные части входного и выходного импедансов Z01 и Z02.
Результаты экспериментальных исследований p-канальных транзисторов представлены в табл.2.
СРАВНЕНИЕ СО СХОЖИМИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
В настоящей работе выполнено сравнение значений параметров n-МОП-транзистора (тип 1, табл.1) с транзисторами, изготовленными по другим кремниевым технологиям с близкими топологическими нормами. Анализ сравнительных данных (табл.3) показывает, что полученные в работе значения граничных частот соответствуют уровню рассматриваемой технологии.
АНАЛИЗ РАБОТЫ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ BSIMSOI4
Для обработки результатов измерений использовался САПР IC-CAP фирмы Agilent. Моделирование транзисторов проводилось с помощью САПР Agilent GoldenGate. На рис.6–7 представлены сравнительные графики S-параметров, полученные при измерении и моделировании n-канального транзистора второго типа из табл.1. Моделирование транзистора проводилось в тех же режимах, что и измерения.
Из графиков видно, что S-параметры имеют заметное расхождение на частотах выше 1–2 ГГц.
ВЫВОДЫ
Результаты измерений СВЧ-параметров транзисторов, изготовленных по технологии КНИ КМОП 0,18 мкм, показывают, что рассматриваемая технология ОАО "НИИМЭ и Микрон" характеризуется граничной частотой n-канальных транзисторов 48 ГГц. Согласно результатам измерений S-параметров, максимальный коэффициент усиления однокаскадного усилителя может достигать 12 дБ на частоте 5 ГГц, что позволяет реализовывать с помощью технологии КМОП КНИ 0,18 мкм СВЧ-устройства для приема и передачи сигнала с рабочей частотой до 5 ГГц. Отдельные типы СВЧ-блоков, изготовленные по данной технологии, могут иметь рабочие частоты до 10–12 ГГц.
Сравнение результатов моделирования и измерений показало, что входящая в состав PDK модель не подходит для проектирования СВЧ-устройств с рабочими частотами выше 1 ГГц. При проектировании подобных устройств необходима коррекция имеющихся моделей для учета высокочастотных эффектов. Также для эффективного проектирования СВЧ-устройств необходима характеризация шумовых параметров модели.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы" по соглашению № 14.579.21.0072 от 24 ноября 2014 года (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57914X0072, шифр работы 2014-14-579-0129).
ЛИТЕРАТУРА
Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2011. 800 с.
The Regents of the University of California, BSIMSOIv4.4 MOSFET MODEL Users’ Manual, 2010.
Шелепин Н.А. Физические основы моделирования паразитных элементов КНИ КМОП СБИС // Нано- и микросистемная техника. – М.: Новые технологии, 2015.
Елесин В.В., Назарова Г.Н., Чуков Г.В., Кабальнов Ю.А., Титаренко А.А. и др. Исследование возможности разработки радиационно-стойких БИС навигационного назначения по отечественной КМОП КНИ технологии с нормами 0,35 мкм // МИКРОЭЛЕКТРОНИКА. 2012. Т. 41. № 4,
С. 291–303.
Kwangseok Han, Jeong-hu Han, Minkyu Je and Hyungcheol Shin. RF Characteristics of 0.18-µm CMOS Transistors // Journal of the Korean Physical Society. January 2002. Vol. 40. No. 1. РР. 45–48.
Akira Uchiyama, Shunsuke Baba, Yoshiki Nagatomo, and Jiro Ida. Fully Depleted SOI Technology for Ultra Low Power Digital and RF Applications // 2006 IEEE International SOI Conference Proceedings.
Современный маршрут проектирования интегральных схем обязательно включает этап схемотехнического моделирования разрабатываемого устройства. Увеличение точности моделирования позволяет снижать количество производственных итераций, что уменьшает стоимость разработки и ускоряет процесс выхода конечного изделия на рынок.
РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ
Авторами разработана тестовая матрица элементов, содержащая n- и p-канальные транзисторы. Тестовая матрица представляет собой набор транзисторов с разными геометрическими размерами, каждый из которых разведен в специальные контактные площадки, позволяющие проводить высокочастотные измерения с помощью зондовой станции. Также добавлены специальные структуры, обеспечивающие de-embedding – математическое извлечение результатов паразитного влияния топологической разводки на измеряемые характеристики элемента. Для реализации этой процедуры используются точно такие же ячейки, как и те, в которых разведены элементы для экстракции моделей, но вместо элементов в этих структурах присутствуют, соответственно, разрыв, закоротка на землю, проход (соединение входа с выходом).
На рис.2 показана высокочастотная контактирующая структура с обозначением контактных площадок для проведения измерений (а, b) и эквивалентная схема разводки транзисторов (c).
ИЗМЕРЕНИЯ СВЧ-ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРОВ
При проведении экспериментальных исследований использовался измерительный стенд, содержащий зондовую станцию Cascade Summit 11000M, векторный анализатор цепей Agilent PNA серии E8361A, анализатор полупроводниковых приборов Agilent B1500A, а также программное обеспечение Cascade WinCal XE для калибровки анализатора цепей и программное обеспечение Agilent IC-CAP для проведения измерений по постоянному току и определения S-параметров. Блок-схема измерительного комплекса приведена на рис.3.
Результаты измерений S-параметров транзисторов, полученные в режиме Vg = Vd = 1,8 В,
где Vg – напряжение затвор-исток, Vd – напряжение исток-сток, приведены на рис.4–5 и в табл.1. Длина каналов всех транзисторов составляет 0,18 мкм, ширина каналов – 5 мкм. Измерения проводились на пяти образцах каждого типа транзистора, один из которых располагался в центре пластины и четыре – по ее краям. В табл.1 приведены усредненные значения измеренных параметров.
Граничная частота Ft определена как частота, на которой значение параметра h21 = 0. Ниже приведены формулы для расчета h-параметров из S-параметров:
form01_2.ai, (1)
form02.ai, (2)
form03.ai, (3)
form04.ai, (4)
где R01 и R02 – действительные части входного и выходного импедансов Z01 и Z02.
Результаты экспериментальных исследований p-канальных транзисторов представлены в табл.2.
СРАВНЕНИЕ СО СХОЖИМИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
В настоящей работе выполнено сравнение значений параметров n-МОП-транзистора (тип 1, табл.1) с транзисторами, изготовленными по другим кремниевым технологиям с близкими топологическими нормами. Анализ сравнительных данных (табл.3) показывает, что полученные в работе значения граничных частот соответствуют уровню рассматриваемой технологии.
АНАЛИЗ РАБОТЫ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ BSIMSOI4
Для обработки результатов измерений использовался САПР IC-CAP фирмы Agilent. Моделирование транзисторов проводилось с помощью САПР Agilent GoldenGate. На рис.6–7 представлены сравнительные графики S-параметров, полученные при измерении и моделировании n-канального транзистора второго типа из табл.1. Моделирование транзистора проводилось в тех же режимах, что и измерения.
Из графиков видно, что S-параметры имеют заметное расхождение на частотах выше 1–2 ГГц.
ВЫВОДЫ
Результаты измерений СВЧ-параметров транзисторов, изготовленных по технологии КНИ КМОП 0,18 мкм, показывают, что рассматриваемая технология ОАО "НИИМЭ и Микрон" характеризуется граничной частотой n-канальных транзисторов 48 ГГц. Согласно результатам измерений S-параметров, максимальный коэффициент усиления однокаскадного усилителя может достигать 12 дБ на частоте 5 ГГц, что позволяет реализовывать с помощью технологии КМОП КНИ 0,18 мкм СВЧ-устройства для приема и передачи сигнала с рабочей частотой до 5 ГГц. Отдельные типы СВЧ-блоков, изготовленные по данной технологии, могут иметь рабочие частоты до 10–12 ГГц.
Сравнение результатов моделирования и измерений показало, что входящая в состав PDK модель не подходит для проектирования СВЧ-устройств с рабочими частотами выше 1 ГГц. При проектировании подобных устройств необходима коррекция имеющихся моделей для учета высокочастотных эффектов. Также для эффективного проектирования СВЧ-устройств необходима характеризация шумовых параметров модели.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы" по соглашению № 14.579.21.0072 от 24 ноября 2014 года (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57914X0072, шифр работы 2014-14-579-0129).
ЛИТЕРАТУРА
Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2011. 800 с.
The Regents of the University of California, BSIMSOIv4.4 MOSFET MODEL Users’ Manual, 2010.
Шелепин Н.А. Физические основы моделирования паразитных элементов КНИ КМОП СБИС // Нано- и микросистемная техника. – М.: Новые технологии, 2015.
Елесин В.В., Назарова Г.Н., Чуков Г.В., Кабальнов Ю.А., Титаренко А.А. и др. Исследование возможности разработки радиационно-стойких БИС навигационного назначения по отечественной КМОП КНИ технологии с нормами 0,35 мкм // МИКРОЭЛЕКТРОНИКА. 2012. Т. 41. № 4,
С. 291–303.
Kwangseok Han, Jeong-hu Han, Minkyu Je and Hyungcheol Shin. RF Characteristics of 0.18-µm CMOS Transistors // Journal of the Korean Physical Society. January 2002. Vol. 40. No. 1. РР. 45–48.
Akira Uchiyama, Shunsuke Baba, Yoshiki Nagatomo, and Jiro Ida. Fully Depleted SOI Technology for Ultra Low Power Digital and RF Applications // 2006 IEEE International SOI Conference Proceedings.
Отзывы читателей
