CC BY
6я-область
X, мкм X мкм
а 6
Рис.1. Параметризированная структура ДМОП-транзистора после попадания ТЗЧ с объединенными контактами истока и подложки (а) и распределение потенциала в поперечном сечении в точке Y = -3,8; кривая 1 - распределение потенциала до попадания ТЗЧ,
кривая 2 - после попадания ТЗЧ (б)
жекции электронов (In) от контакта истока. В результате возникает положительная обратная связь с участием паразитного биполярного транзистора (и-сток-р-подложка-и-исток), которая приводит к неограниченному росту тока в цепи сток-исток и эффекту радиационно-индуцированного вторичного пробоя. Последний в значительной степени зависит от напряжения на стоке, которое задает электрическое поле в структуре, непосредственно определяющее процесс ударной ионизации, и наиболее характерен для транзистора в выключенном состоянии. Для увеличения стойкости прибора к эффекту вторичного пробоя необходимо уменьшать коэффициент передачи биполярного транзистора и сопротивление тела подложки. Это достигается уменьшением толщины эпи-таксиального слоя Hepi (в результате уменьшается количество ионизированного заряда вследствие его рекомбинации в сильнолегированной подложке Hsub) и введением высоколегированной р-области вблизи истока (p-sinker-область). Увеличение длины канала транзистора Lg и длины и-области дрейфа Lox также приводит к увеличению толщины базы биполярного транзистора и уменьшению коэффициентов передачи тока. Однако при этом существенно ухудшаются рабочие характеристики ДМОП-транзистора.
Таким образом, задача оптимизации транзистора сводится к поиску конструкции, которая обеспечит максимально возможные рабочие характеристики при заданном уровне стойкости к эффекту ТЗЧ.
Описание методики. Для исследования эффекта вторичного пробоя и проведения оптимизации структуры ДМОП-транзистора в САПР TCAD Sentaurus разработана методика, позволяющая проводить вычислительные эксперименты. Структурная схема исследования, условно состоящего из двух этапов, представлена на рис.2.
На первом этапе заложена возможность формирования структуры и ее последующей оптимизации без учета устойчивости к ТЗЧ. Такая оптимизация, обычно применяемая при разработке силовых МОП-транзисторов, заключается в нахождении структуры с минимальным сопротивлением транзистора в открытом состоянии Ron при заданном значении пробивных напряжений сток-исток VBD. Алгоритм поиска оптимальных значений выполняется с использованием модуля, реализованного в программ-
Рис.2. Структурная схема исследования эффекта радиационно-индуцированного вторичного пробоя: 1 - вариация параметров структуры для оптимизации с целью получения оптимальной пары значения напряжения пробоя VBD и сопротивления в открытом состоянии RON; 2 - генерация конечно-разностной сетки и профилей распределения примеси; 3 - расчет электрофизических параметров физической структуры; 4 - анализ и расчет VBD и RON, 5 - поиск наименьшего сопротивления RON при определенном напряжении VBD; 6 - структура с оптимальными параметрами VBD и RON; 7 - генерация конечно-разностной сетки и профилей распределения примеси; 8 - попадание ТЗЧ в структуру транзистора при вариации ЛПЭ и напряжений стока; 9 - анализ тока в цепи стока-истока и расчет наличия/отсутствия эффекта ТЗЧ; 10 - изменение конструктивно-технологических параметров структуры ДМОП-транзистора; 11 - определение чувствительности параметров к эффекту ТЗЧ
ном пакете MATLAB. Параметризированная структура ДМОП-транзистора формируется с помощью связки утилит физического технологического моделирования Sentaurus Process и конструктора структур Sentaurus Device Editor (SDE). Это позволяет добиться более эффективного использования машинных ресурсов.
На втором этапе оптимизированная структура исследуется на предмет стойкости к эффекту вторичного пробоя. Для моделирования эффектов ТЗЧ в утилите Sentaurus Device подключается модель тяжелого иона [9], в которой скорость генерации вторичного заряда при попадании ТЗЧ рассчитывается по формуле
G(l, w, t) = Glet (l)R(w, l)T (t),
если l < l^ (lmax - длина трека при попадании ТЗЧ), иначе G(l, w, t) = 0.
Для пространственного распределения заряда R(w,l) используется функция распределения Гаусса:
R(w, l) = exp
\2 Л
w
V wt (l)
Радиус w определяется как расстояние, перпендикулярное направлению попадания ТЗЧ в структуру прибора. Характеристическое расстояние wt задано равным 70 нм. Функция , генерирующая плотность линейных потерь энергии (ЛПЭ), зависит только от ЛПЭ частицы. Это позволяет характеризовать эффекты одиночных отказов в зависимости от ЛПЭ частицы, без учета ее типа и энергии. Критерием для определения
у
при моделировании наличия или отсутствия эффекта радиационно-индуцированного вторичного пробоя является невосстановимое увеличение тока в цепи сток-исток выше 0,1 мкА при бомбардировке частицей с заданной величиной ЛПЭ в транзисторе, находящегося в выключенном состоянии, при заданном напряжении сток-исток.
Проект позволяет реализовывать как двухмерное, так и трехмерное моделирование. Последнее требует больших вычислительных ресурсов и времени и в ряде случаев не-оправдано. Двухмерное моделирование позволяет реализовать наихудший случай (структура с большой шириной канала) в плане стойкости к эффекту ТЗЧ, поскольку суммарный сгенерированный частицей заряд при двухмерном моделировании превышает суммарный заряд трехмерного моделирования при одинаковой плотности распределения заряда в полупроводнике. В самом критичном случае двухмерное моделирование будет соответствовать трехмерному при ширине транзистора меньше размера области сгенерированного заряда из-за попадания ТЗЧ, когда заряд по оси I (ширине) практически не изменяется. Наихудшая ситуация возникает и без использования модели, учитывающей температуру кристаллической решетки и разогрев носителей заряда при лавинном умножении, так как с повышением температуры напряжение лавинного пробоя возрастает и тем самым увеличивается стойкость структуры к эффекту ТЗЧ.
Если стойкость к эффекту ТЗЧ, не удовлетворяет заданным значениям, необходимо:
- определить набор конструктивно-технологических параметров, подавляющих паразитный биполярный транзистор, способствующий неограниченному росту тока;
- выбрать диапазон вариации каждого параметра из набора с учетом самых критичных значений;
- определить чувствительность каждого параметра с использованием утилиты PCMStudio;
- выбрать параметры, обладающие наибольшей чувствительностью;
- определить значения выбранных параметров, позволяющие получить необходимую стойкость транзистора к эффекту ТЗЧ для определенных напряжений стока при вариации ЛПЭ или для определенных ЛПЭ при вариации напряжений стока;
- перейти к первому этапу исследования и повторить оптимизацию структуры с фиксированным набором и значениями параметров для поиска оптимальной пары значений напряжения пробоя и сопротивления в открытом состоянии.
Измененная структура ДМОП-транзистора повторно исследуется на стойкость к эффекту радиационно-индуцированного вторичного пробоя. Процесс может проводиться многократно до получения необходимой стойкости транзистора. Данный алгоритм позволяет получить необходимую стойкость ДМОП-транзистора к эффекту ТЗЧ с максимально возможными рабочими характеристиками.
Реализация методики. Зависимость напряжения стока ДМОП-транзистора от ЛПЭ частицы исследовалась при проектировании микросхемы 1469КТ1Т, в составе которой входит ДМОП-транзистор. При разработке этого ДМОП-транзистора применялась описанная методика. Найдено минимальное сопротивление в открытом состоянии при напряжении пробоя около 80 В при определенной пиковой концентрации и длине 2,4 мкм и-области дрейфа. В соответствии с проведенной численной оптимизацией изготовлены тестовые образцы ДМОП-транзистора. По экспериментальным ВАХ и измеренным электрофизическим величинам тестовых образцов проведена калибровка физических моделей, используемых в вычислениях. Достигнуто совпадение экспериментальных и расчетных ВАХ, а также параметров транзистора.
После оптимизации исследовалась стойкость транзистора к эффекту вторичного пробоя при УЗ=0 В, УИ=0 В, РС=(14-24) В и напряжении на контакте к подложке
Уп=0 В. При экспериментальных испытаниях стойкости ДМОП-транзистора к эффекту ТЗЧ ширина транзистора была меньше или примерно равной размеру области распределения индуцированного заряда после попадания ТЗЧ, поэтому выбрано двухмерное моделирование.
На рис.3 приведены расчетные и экспериментальные зависимости напряжения стока от ЛПЭ частицы, при которых не происходит эффекта радиационно-
индуцированного вторичного пробоя. Назовем это напряжение граничным напряжением стока Увв при заданной ЛПЭ частицы. Незначительное различие экспериментальных данных и результатов моделирования может быть связано с вариацией параметров технологических операций при производстве устройств, а также с тем, что использовалось двухмерное моделирование без учета температурных зависимостей напряжения пробоя при лавинном умножении носителей заряда.
Полученные параметры стойкости транзистора к эффекту радиационно-индуцированного вторичного пробоя по результатам моделирования соответствуют ЛПЭ, равной 10 МэВ-см /мг, при напряжении 24 В. С использованием рассмотренного алгоритма составлена задача достижения радиационной стойкости транзистора для напряжения стока 25 В при ЛПЭ частицы 60 МэВ-см2/мг. Данные значения необходимы для эксплуатации изделия в аппаратуре космического назначения.
Для повышения граничного напряжения стока при заданной ЛПЭ, равной 60 МэВ-см2/мг, определялись список параметров, наиболее влияющих на это напряжение, и их чувствительность к этому напряжению.
На рис.4,а показан график ¥т при вариации ЛПЭ частицы ДМОП-транзистора при уменьшении толщины эпитаксиального слоя Иери а на рис.4,б - при увеличении длины канала Ьё. При уменьшении толщины эпитаксиального слоя увеличивается граничное напряжение стока при фиксированных ЛПЭ частицы по сравнению с базовой структурой, но уменьшается напряжение пробоя УВо. Увеличение длины канала транзистора
Рис.3. Расчетные и экспериментальные зависимости граничного напряжения стока VDB от ЛПЭ частицы; 1 - моделирование в САПР TCAD; 2 - эксперимент (ЭНПО СПЭЛС); 3 - эксперимент (Universite Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgium)
Рис. 4. Зависимость граничного напряжение стока УвВ от ЛПЭ частицы при уменьшении толщины эпитаксиального слоя Нр (а) и увеличении длины канала транзистора (б)
так же позволяет увеличить VDB, но при этом значительно увеличивается входная нагрузочная емкость.
Наличие контакта к подложке снизу не оказывает заметного влияния на зависимость VBD транзистора от ЛПЭ частицы, так же как и изменение концентрации в области контакта к подложке сверху.
В результате проведенных исследований выявлено, что увеличение граничного напряжение стока при ЛПЭ, равной 60 МэВ-см2/мг, до 25 В возможно при увеличении длины разделительного слоя SiO2 между стоком и каналом транзистора Lox до 6,4 мкм, а также увеличении глубины залегания и-области дрейфа до контакта с сильнолегированной подложкой. При этом сопротивление в открытом состоянии увеличивается не более чем в 2 раза при эквивалентном напряжении пробоя относительно базовой структуры с длиной и-области дрейфа 2,4 мкм.
Таким образом, разработанная в среде приборно-технологического моделирования Synopsys Sentaurus TCAD методика исследования и оптимизации конструктивно-технологических параметров латерального ДМОП-транзистора с учетом стойкости к эффекту радиационно-индуцированного вторичного пробоя позволяет получить при заданном уровне стойкости максимально возможные рабочие характеристики прибора. Проект верифицирован по экспериментальным данным.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации с использованием оборудования ЦКП «Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники» на базе НПК «Технологический центр» (ГК№ 07.514.12.4025).
Литература
1. Кузнецов Е.В., Шемякин А.В. Мощные СВЧ LDMOS-транзисторы для беспроводных технологий передачи данных (Обзор) // Изв. вузов. Электроника. -2009. -№ 6 (80). - С. 8-15.
2. Experimental and Numerical investigation about SEB/SEGR of Power MOSFET / G. Busatto, A. Porzio, F. Velardi et al. // Microelectronics Reliability. -2005. -Vol. 45. -N 10-14, October. -P. 1711-1716.
3. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 2004. -319 с.
4. May T.C., Woods M.H. Alpha-particle-induced soft errors in dynamic memories // IEEE Trans. on Electron Devices. - 1979. - Vol. ED-26. -N 1. -Jan. - P. 2-9.
5. Fischer T.A. Heavy-ion-induced, gate-rupture in power MOSFETs // IEEE Trans. on Nuclear Science. -1987. - Vol. 34. -N 6. -P. 1786-1791.
6. Waskiewicz A.W., Groninger J.W., Strahan V.H., Long D.M. Burnout of power MOS transistors with heavy ions of Californium-252 // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 1986. - Vol. 33. - N 6. - P. 1710-1713.
7. Johnson G.H., Hohl J.H., Schrimpf R.D., Galloway K.F. Simulating single event burnout of N-channel power MOSFET's // IEEE Transaction on Electron Devices. -1993. - Vol. 40. - N 5. -P. 1001-08.
8. Красюков А.Ю., Кузнецов Е.В. Исследование эффекта пробоя подзатворного диэлектрика, вызванного попаданием единичной тяжелой заряженной частицы в планарный силовой МОП-транзистор // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу. - 2007. - № 4. - С. 41-46.
9. Sentaurus Device User Guide Version E-2010.12, December 2010.
Статья поступила 28 августа 2012 г.
Кузнецов Евгений Васильевич - начальник лаборатории перспективной элементной базы и технологических маршрутов НПК «Технологический центр». (г. Москва). Область научных интересов: технология микро- и наноэлектроники, математическое моделирование полупроводниковых устройств.
Рязанцев Дмитрий Владимирович - инженер НПК «Технологический центр»
(г. Москва). Область научных интересов: технология микро- и нано-
электроники, математическое моделирование полупроводниковых устройств. E-mail: D.Ryazancev@tcen.ru
УДК 621.382: 621.396
Метод расширения полосы пропускания усилителей с переменным коэффициентом усиления
Е.О. Белоусов, А.Г. Тимошенко
Национальный исследовательский университет ««МИЭТ»
Рассмотрен усилитель с переменным коэффициентом усиления для применения в составе системы автоматической регулировки усиления радиоприемного устройства. Представлен метод расширения полосы пропускания для обработки широкополосных сигналов на промежуточной частоте при работе с сигналами миллиметрового диапазона длин волн.
Ключевые слова: интегральные схемы, усилитель с переменным коэффициентом усиления, автоматическая регулировка усиления, широкополосные усилители.
Усилитель с переменным коэффициентом усиления (КУ) применяется в приемопередающих устройствах, устройствах чтения дисков, ТВ-приемниках [1-4] и пр. В супергетеродинных радиоприемных устройствах, в которых сигнал после приема антенной должен быть усилен до полного размаха относительно опорного напряжения АЦП, усилитель с переменным КУ применяется в составе схемы обработки сигнала на промежуточной частоте [5]. Уровень сигнала на входе приемника может меняться в зависимости от расстояния до передатчика. Для исключения возможности перехода в насыщение последующих каскадов схемы диапазон перестройки КУ должен быть большим. Такой усилитель должен иметь большую полосу пропускания при любой величине управляющего воздействия для возможности работы с широкополосными сигналами.
Схемы КМДП-усилителей с широким диапазоном перестройки КУ [1, 2], с одной стороны, имеют малую полосу пропускания и не годятся для работы с широкополосными сигналами, с другой - у них небольшой диапазон перестройки КУ.
В настоящей работе представлена схема усилителя, обладающего большим диапазоном перестройки КУ, широкой полосой пропускания и согласованным на 50 Ом входным импедансом. Большой диапазон перестройки КУ достигается за счет применения в каждом каскаде с переменным КУ схемы синфазной обратной связи (СОС).
Исследование и разработка узлов усилителя с переменным КУ. Одним из вариантов каскада с переменным КУ является дифференциальный усилитель с диодной нагрузкой и и-канальными входами [6] (рис.1,а). Коэффициент усиления каждой из ветвей данной схемы равен:
к =--1п1 + п • (1)
, 2 + 4 \
Йп4 + ^ „ „ )
псЪ 2 ' 4
Из (1) можно сделать вывод, что при нахождении транзисторов схемы в пологой области КУ будет зависеть только от отношения крутизны входного транзистора к крутизне нагрузочного транзистора. Варьирование КУ схемы проводится посредством изменения тока источника /гаг, что приводит к изменению крутизны транзисторов каскада.
© Е.О. Белоусов, А.Г. Тимошенко, 2013
