eng
Выпуск #1/2017
Д.Копцев, О.Кузнецова, Н.Шелепин
Малошумящий усилитель по технологии кремний-на-изоляторе с топологическими нормами 0,18 мкм
Малошумящий усилитель по технологии кремний-на-изоляторе с топологическими нормами 0,18 мкм
Просмотры: 4360
Проведено экспериментальное исследование возможности реализации МШУ на основе КМОП КНИ-технологии с нормами 0,18 мкм. Рассматриваются преимущества КНИ-технологии для изготовления СВЧ ИС. Разработан и изготовлен МШУ с использованием КМОП КНИ-технологии, имеющей шесть уровней алюминиевой металлизации.
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.88.94
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.88.94
Системы связи и радары L- и S-диапазонов длин волн стремительно развиваются в настоящее время во многом благодаря технологическому прогрессу субмикронных кремниевых технологий, обеспечивающих низкую стоимость устройств при массовом изготовлении и высокую степень интеграции. Для проектирования приемопередающих устройств необходима разработка соответствующей электронной компонентной базы, включающей усилители, смесители, умножители и другие функциональные элементы. Создание интегральных схем (ИС) с улучшенными характеристиками по помехозащищенности, энергопотреблению, быстродействию и "разумной" мощности требует разработки и применения новых технологических процессов [1].
Малошумящий СВЧ-усилитель – одно из основных устройств СВЧ-техники, которое применяется в устройствах радиосвязи и радиолокации, радиовещания и телевидения, автоматики, вычислительной техники, бытовой техники и т.п. Основное назначение МШУ – обеспечение минимального коэффициента шума при усилении, достаточном чтобы шумами последующих трактов можно было пренебречь. Для современных МШУ особенно актуальны минимизация вносимых потерь, повышение усилительных характеристик и расширение рабочего частотного диапазона.
Целью настоящей работы является исследование применения КНИ-технологии для разработки МШУ.
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КНИ-ТЕХНОЛОГИИ
Структуры КНИ обладают существенными преимуществами по сравнению с обычным монолитным кремнием и применяются для разработки радиационно-стойких ИС (и аппаратуры на их основе), ИС с низким энергопотреблением, а также для создания МЭМС. Существенным достоинством КНИ-технологии является полная диэлектрическая изоляция n- и p-карманов, ввиду чего отсутствуют паразитные четырехслойные n-p-n-p-структуры, а значит, отсутствует свойственная объемной КМОП-технологии возможность тиристорного защелкивания [2–4].
КНИ-технология позволяет реализовывать сложные аналого-цифровые схемы и добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных устройств при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров [5].
Следует отметить, что применение технологии КНИ не гарантирует получения высокой радиационной стойкости. Для технического уровня 180 нм изменения пороговых напряжений транзисторов при дозовом воздействии ионизирующих излучений (ИИ) становятся несущественными вследствие очень малой толщины подзатворного диэлектрика. Хотя в КНИ автоматически исключаются межтранзисторные утечки, возникает проблема внутритранзисторной утечки в n-МОП-приборах вследствие накопления в скрытом окисле положительного заряда и инверсии типа проводимости в области, прилегающей к скрытому окислу, что приводит к недопустимому увеличению токов утечки [6]. Проблемам моделирования этих эффектов для КМОП КНИ-технологии посвящена, в частности, работа [7].
РАЗРАБОТКА МАЛОШУМЯЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ
МШУ является универсальным блоком и может найти применение в приемо-передающих трактах, измерительных установках, в составе активных фильтров и пр. Этот класс устройств во многих случаях определяет важнейшие тактико-технические параметры радиотехнических систем, такие как чувствительность приемного тракта, ширину полосы рабочих частот, надежность и стоимость.
Разработанный МШУ построен по каскодной схеме на n-МОП транзисторах [8]. Длина каналов транзисторов составляет 0,18 мкм, а суммарная ширина – 435 и 496 мкм для транзисторов, включенных по схемам с общим истоком и общим затвором соответственно. Топологически приборы разделены на восемь параллельно включенных транзисторов, содержащих по 8 и 10 параллельных каналов, длиной по 6,8 и 6,2 мкм соответственно. Данная конструкция разработана для минимизации коэффициента шума. Интегральная структура МОП-транзисторов, изготовленных по технологии КМОП КНИ, представлена на рис.1.
Устройство разрабатывалось с помощью САПР Cadence Virtuoso и Agilent GoldenGate с использованием моделей, входящих в состав комплекта средств проектирования. Электрическая схема МШУ показана на рис.2. На следующем этапе проектирования была разработана топология СВЧ ИС МШУ (рис.3).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МШУ
Экспериментальные образцы изготовлены в ОАО "НИИМЭ и Микрон". На рис.4 приведено сравнение результатов моделирования S-параметров МШУ в САПР GoldenGate с использованием моделей, встроенных в комплект средств проектирования, и экспериментальных данных, полученных при измерении МШУ на зондовой станции Cascade с помощью векторного анализатора цепей Agilent.
На графике параметра S21 не наблюдается значительных неравномерностей в рассматриваемом диапазоне, на кривых S11 и S12 отсутствуют выбросы в форме пиков и интермодуляционных искажений. Расхождение показателей моделирования и измерения говорит о том, что используемые физико-математические модели ограниченно пригодны для проектирования СВЧ-устройств, и для более точного моделирования требуется уточнение высокочастотных параметров моделей.
Результаты измерений частотной зависимости коэффициента шума МШУ приведены на рис.5. Коэффициент шума соответствует теоретическим ожиданиям. Результаты моделирования коэффициента шума не приводятся, в связи с тем, что в существующих SPICE-моделях транзисторов отсутствует характеризация шумовых параметров.
Измеренный ток потребления малошумящего усилителя – 26 мА.
Интерес к разработке СВЧ МИС широкополосного МШУ подкреплен возможностью создания сложнофункциональной схемы СВЧ на одном кристалле, а также экономической целесообразностью при масштабном применении в производстве идентичных изделий. Для сравнения были рассмотрены основные параметры аналогов МШУ, разработанных по другим технологиям (см. таблицу).
Разработанный МШУ может найти применение в качестве сложно-функционального блока в составе приемо-передающих МИС L-диапазона.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана и изготовлена МИС МШУ на основе 0,18 мкм КНИ-технологии. Коэффициент усиления составляет не менее 11 дБ в диапазоне частот от 500 МГц до 1,5 ГГц, коэффициент шума – 4 дБ.
По полученным характеристикам разработанный МШУ уступает аналогичным устройствам, созданным по технологии GaAs, однако следует отметить, что устройство изготовлено по серийной отечественной КМОП КНИ-технологии без внесения корректировок в технологическую карту. Благодаря этому появляется возможность использования данного МШУ в качестве СФБ в составе сложно-функционального устройства, например, приемо-передатчика, включающего в себя как аналоговые СВЧ-устройства, так и цифровые схемы обработки сигналов. Это позволит значительно снизить стоимость конечного изделия, а также его массогабаритные характеристики.
Отметим, что актуальной является задача создания библиотеки, содержащей характеризованные СФБ, подобные разработанному МШУ. Это позволит значительно сократить время разработки сложно-функциональных устройств под требования заказчика.
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).
ЛИТЕРАТУРА
Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. – M.: ТЕХНОСФЕРА, 2011.
Андреев В.М., Зиновьев Д.В. Кремниевые структуры для приборов микроэлектроники. – МИЭТ, 2006.
Юдинцев В. Радиационно-стойкие интегральные схемы. Надежность в космосе и на земле //ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2007. № 5. С. 72–77.
Селецкий А.В., Шелепин Н.А. Эволюция конструктивно-технологических методик повышения радиационной стой-кости КМОП СБИС // Радиопромышленность. 2012. № 3. С. 46–57.
Зебрев Г.И. Моделирование дозовых и одиночных радиационных эффектов в кремниевых микро- и наноэлектронных структурах для целей проектирования и прогнозирования : Автореф. дис. докт. техн. наук. – М.: МИФИ, 2009. С. 48.
Шелепин Н.А. Физические основы моделирования паразитных элементов КНИ КМОП СБИС // Нано- и Микросистемная техника. 2015. № 5. С. 9.
Горбунов М.С. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИФИ, 2010.
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника / 12-е изд.; пер. с нем. – М., 2008. Т. 1.
http: //multicore.ru/index.php?id=1333
http: // ntlab.com/IP/rus/Hard/Analog_Mixed/LNA/
130iHP_LNA_04R.pdf
Козловский Э.Ю., Осипов А.М., Селезнев Б.И.
Вестник Новгородского государственного университета. 2013. T.1.
Procedia Computer Science. 2015. № 47. P. 135.
IEEE Trans. 2015. V.AP-9. № 15. P. 164.
Малошумящий СВЧ-усилитель – одно из основных устройств СВЧ-техники, которое применяется в устройствах радиосвязи и радиолокации, радиовещания и телевидения, автоматики, вычислительной техники, бытовой техники и т.п. Основное назначение МШУ – обеспечение минимального коэффициента шума при усилении, достаточном чтобы шумами последующих трактов можно было пренебречь. Для современных МШУ особенно актуальны минимизация вносимых потерь, повышение усилительных характеристик и расширение рабочего частотного диапазона.
Целью настоящей работы является исследование применения КНИ-технологии для разработки МШУ.
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КНИ-ТЕХНОЛОГИИ
Структуры КНИ обладают существенными преимуществами по сравнению с обычным монолитным кремнием и применяются для разработки радиационно-стойких ИС (и аппаратуры на их основе), ИС с низким энергопотреблением, а также для создания МЭМС. Существенным достоинством КНИ-технологии является полная диэлектрическая изоляция n- и p-карманов, ввиду чего отсутствуют паразитные четырехслойные n-p-n-p-структуры, а значит, отсутствует свойственная объемной КМОП-технологии возможность тиристорного защелкивания [2–4].
КНИ-технология позволяет реализовывать сложные аналого-цифровые схемы и добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных устройств при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров [5].
Следует отметить, что применение технологии КНИ не гарантирует получения высокой радиационной стойкости. Для технического уровня 180 нм изменения пороговых напряжений транзисторов при дозовом воздействии ионизирующих излучений (ИИ) становятся несущественными вследствие очень малой толщины подзатворного диэлектрика. Хотя в КНИ автоматически исключаются межтранзисторные утечки, возникает проблема внутритранзисторной утечки в n-МОП-приборах вследствие накопления в скрытом окисле положительного заряда и инверсии типа проводимости в области, прилегающей к скрытому окислу, что приводит к недопустимому увеличению токов утечки [6]. Проблемам моделирования этих эффектов для КМОП КНИ-технологии посвящена, в частности, работа [7].
РАЗРАБОТКА МАЛОШУМЯЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ
МШУ является универсальным блоком и может найти применение в приемо-передающих трактах, измерительных установках, в составе активных фильтров и пр. Этот класс устройств во многих случаях определяет важнейшие тактико-технические параметры радиотехнических систем, такие как чувствительность приемного тракта, ширину полосы рабочих частот, надежность и стоимость.
Разработанный МШУ построен по каскодной схеме на n-МОП транзисторах [8]. Длина каналов транзисторов составляет 0,18 мкм, а суммарная ширина – 435 и 496 мкм для транзисторов, включенных по схемам с общим истоком и общим затвором соответственно. Топологически приборы разделены на восемь параллельно включенных транзисторов, содержащих по 8 и 10 параллельных каналов, длиной по 6,8 и 6,2 мкм соответственно. Данная конструкция разработана для минимизации коэффициента шума. Интегральная структура МОП-транзисторов, изготовленных по технологии КМОП КНИ, представлена на рис.1.
Устройство разрабатывалось с помощью САПР Cadence Virtuoso и Agilent GoldenGate с использованием моделей, входящих в состав комплекта средств проектирования. Электрическая схема МШУ показана на рис.2. На следующем этапе проектирования была разработана топология СВЧ ИС МШУ (рис.3).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МШУ
Экспериментальные образцы изготовлены в ОАО "НИИМЭ и Микрон". На рис.4 приведено сравнение результатов моделирования S-параметров МШУ в САПР GoldenGate с использованием моделей, встроенных в комплект средств проектирования, и экспериментальных данных, полученных при измерении МШУ на зондовой станции Cascade с помощью векторного анализатора цепей Agilent.
На графике параметра S21 не наблюдается значительных неравномерностей в рассматриваемом диапазоне, на кривых S11 и S12 отсутствуют выбросы в форме пиков и интермодуляционных искажений. Расхождение показателей моделирования и измерения говорит о том, что используемые физико-математические модели ограниченно пригодны для проектирования СВЧ-устройств, и для более точного моделирования требуется уточнение высокочастотных параметров моделей.
Результаты измерений частотной зависимости коэффициента шума МШУ приведены на рис.5. Коэффициент шума соответствует теоретическим ожиданиям. Результаты моделирования коэффициента шума не приводятся, в связи с тем, что в существующих SPICE-моделях транзисторов отсутствует характеризация шумовых параметров.
Измеренный ток потребления малошумящего усилителя – 26 мА.
Интерес к разработке СВЧ МИС широкополосного МШУ подкреплен возможностью создания сложнофункциональной схемы СВЧ на одном кристалле, а также экономической целесообразностью при масштабном применении в производстве идентичных изделий. Для сравнения были рассмотрены основные параметры аналогов МШУ, разработанных по другим технологиям (см. таблицу).
Разработанный МШУ может найти применение в качестве сложно-функционального блока в составе приемо-передающих МИС L-диапазона.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана и изготовлена МИС МШУ на основе 0,18 мкм КНИ-технологии. Коэффициент усиления составляет не менее 11 дБ в диапазоне частот от 500 МГц до 1,5 ГГц, коэффициент шума – 4 дБ.
По полученным характеристикам разработанный МШУ уступает аналогичным устройствам, созданным по технологии GaAs, однако следует отметить, что устройство изготовлено по серийной отечественной КМОП КНИ-технологии без внесения корректировок в технологическую карту. Благодаря этому появляется возможность использования данного МШУ в качестве СФБ в составе сложно-функционального устройства, например, приемо-передатчика, включающего в себя как аналоговые СВЧ-устройства, так и цифровые схемы обработки сигналов. Это позволит значительно снизить стоимость конечного изделия, а также его массогабаритные характеристики.
Отметим, что актуальной является задача создания библиотеки, содержащей характеризованные СФБ, подобные разработанному МШУ. Это позволит значительно сократить время разработки сложно-функциональных устройств под требования заказчика.
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).
ЛИТЕРАТУРА
Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. – M.: ТЕХНОСФЕРА, 2011.
Андреев В.М., Зиновьев Д.В. Кремниевые структуры для приборов микроэлектроники. – МИЭТ, 2006.
Юдинцев В. Радиационно-стойкие интегральные схемы. Надежность в космосе и на земле //ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2007. № 5. С. 72–77.
Селецкий А.В., Шелепин Н.А. Эволюция конструктивно-технологических методик повышения радиационной стой-кости КМОП СБИС // Радиопромышленность. 2012. № 3. С. 46–57.
Зебрев Г.И. Моделирование дозовых и одиночных радиационных эффектов в кремниевых микро- и наноэлектронных структурах для целей проектирования и прогнозирования : Автореф. дис. докт. техн. наук. – М.: МИФИ, 2009. С. 48.
Шелепин Н.А. Физические основы моделирования паразитных элементов КНИ КМОП СБИС // Нано- и Микросистемная техника. 2015. № 5. С. 9.
Горбунов М.С. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИФИ, 2010.
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника / 12-е изд.; пер. с нем. – М., 2008. Т. 1.
http: //multicore.ru/index.php?id=1333
http: // ntlab.com/IP/rus/Hard/Analog_Mixed/LNA/
130iHP_LNA_04R.pdf
Козловский Э.Ю., Осипов А.М., Селезнев Б.И.
Вестник Новгородского государственного университета. 2013. T.1.
Procedia Computer Science. 2015. № 47. P. 135.
IEEE Trans. 2015. V.AP-9. № 15. P. 164.
Отзывы читателей
