Анализ конструктивно-технологических погрешностей активных элементов МИС СВЧ и их влияния на электрические параметры

Александров Р.Ю., Мешков С.А. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИС СВЧ И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Введение

В сложившейся ситуации, когда растут потребности рынка не только военной индустрии, но и имеет место популяризация использования МИС СВЧ, например, в технике для мобильной телефонии, появляется насущная необходимость в достаточно универсальных моделях, которые бы позволили с высокой степенью достоверности оценивать надёжностные параметры МИС СВЧ. Экономическая ситуация и уровень полупроводниковой технологии таков, что российским предприятиям экономически выгодны разработка и единичное/мелкосерийное производство МИС СВЧ высокой сложности. Основная проблема связана необходимостью повышения процента выхода годных МИС СВЧ при их изготовлении. С экономической точки зрения здесь ситуация следующая: с увеличением числа элементов растёт и стоимость изготовления кристалла, но

зато падают затраты на сборку по отношению к одному элементу, из чего очевидно, что существует некий оптимум, который без труда может быть найден. Итак, вторая проблема, требующая решения — построение многофакторной универсальной модели, дающей исходный материал для проведения оптимизации параметров и режимов операций технологического процесса, которая бы позволила существенным образом повысить процент выхода годных МИС СВЧ.

Очевидно, решение подобной задачи должно быть разбито на несколько самостоятельных этапов. Другим упрощением, которым мы воспользуемся, будет выбор для решения поставленной задачи конкретного прибора МИС СВЧ с последующим обобщением на все активные элементы. Рассматривать мы будем биполярный гетеротранзистор, наиболее перспективные приборы, которые, кроме всего прочего, позволят без особых усилий обобщить полученную модель. В качестве характеристического параметра мы будем использовать ВАХ прибора и оценивать её влияние на один из эксплуатационных параметров некоего изделия МИС СВЧ на базе рассматриваемого активного прибора. В качестве готового изделия мы будем рассматривать смеситель, а в качестве эксплуатационного параметра достаточно удобно использовать его спектральные характеристики. Для выбранного прибора мы проведём анализ его конструктивнотехнологических погрешностей и построим матрицу переменных всех технологических операций, необходимых для изготовления выбранных приборов. Поскольку число таких переменных очень велико и, кроме того, число технологических приёмов для формирования определённой области рассматриваемого прибора, может быть также большим, мы приходим к необходимости существенно сократить набор имеющихся переменных, выбросив из рассмотрения малозначимые переменные, влияние которых на характеристический параметр слабо. Удобным инструментом для этого может служить т.н. факторный анализ, которым мы и воспользуемся.

Итак, рассмотрим основные технологические этапы изготовления активных приборов МИС СВЧ. Изготовление кристалла

Механическая обработка кристаллов

Формирование рабочей структуры устройства Пассивация микросхемы Резка пластины на отдельные приборы Сборка и герметизация прибора.

Среди перечисленных этапов мы видим основной — формирование рабочей структуры устройства, который необходимо раскрыть глубже. Итак, для формирования рабочей структуры активного устройства МИС СВЧ используются следующие технологические приёмы:

Ионно-плазменное, ионно-лучевое травление Ионное распыление

Эпитаксия, в основном это молекулярно-лучевая эпитаксия Осаждение плёнок из металлоорганических соединений Зонная перекристаллизация Ионная имплантация Фотолитография

Вакуумное, плазменное напыление.

Биполярные гетеротранзисторы широко используются как в цифровых, так и в аналоговых МИС на рабочих частотах выше диапазона Ки. За счёт своей структуры они обеспечивают более быстрое переключение, в основном за счёт уменьшенного сопротивления базы и ёмкости между коллектором и подложкой. Цена таких транзисторов относительно невысока, что связано с меньшей требовательностью технологического процесса в сравнении, например, с полевыми транзисторами. Кроме высокого быстродействия, биполярные гетеротранзисторы обеспечивают более высокое по сравнению с ЕЕТ предельное напряжение. Важным преимуществом для биполярного транзисторы с эмиттерным гетеропереходом является простота технологической реализации. Вертикальная структура ГБТ позволяет рационально использовать площадь кристалла в планарном технологическом процессе. Тонкие слои базы формируются путем эпитаксии, что даже в случае субмикронных толщин базы позволяет отказаться от электронно-лучевой литографии. Дополнительным преимуществом таких транзисторов по сравнению с полевыми транзисторами является однополярное питание. Кроме того, биполярные гетеротранзисторы обладают хорошей линейностью, низкими фазовыми шумами, они легко согласуются. Наибольшее распространение получили БГТ на подложках из Ge, ОаДэ, 0аЫ, 1пР, 1п0аАзР.

Технологический цикл изготовления интегрального биполярного гетеротранзистора включает в себя этапы получения и очистки монокристаллического материала подложки, механической обработки кристаллов, а также этапы физико-химической обработки поверхности подложки.

Сильнолегированная, тонкая базовая область даёт: улучшение скорости переключения и граничной частоты

полуизолирующие подложки снижают ёмкость коллектор-подложка практически до нуля.

Ухудшение р — ключевой параметр для изучения надёжности пассивация базовой легирующей примеси или её деактивация рекомбинация в паразитных поверхностных областях ухудшение контактного сопротивления.

В результате протекания физических процессов старения надежность биполярных гетеротранзисторов может ухудшаться вследствие возникновения следующих факторов:

Снижение усиления по току и увеличение напряжения база — эмиттер при высоких токах эмиттера; Увеличение сопротивления контактов, вызванное деградацией связи между омическими контактами эмиттера (металлизацией) и полупроводниковой областью эмиттера. Для решения этой проблемы может быть использован контактный слой из материала InGaAs.

Разрастание кристаллических дефектов в контакте "эмиттер — база";

Дрейф усиления по току (снижение) и увеличение напряжения "база — эмиттер" для конкретного тока коллектора, вызванное окислением мезаструктуры эмиттера в области контакта "эмиттер — база".

Рассмотрим влияние этих факторов на электрические характеристики транзистора.

Эквивалентная схема биполярного гетеротранзистора

Взаимосвязь входных и выходных параметров биполярного транзистора может быть описана различными способами, среди которых можно отметить представление в аналитической форме, посредством S-параметров, а также в виде эквивалентной схемы. В этом случае реальные процессы в нелинейном устройстве можно заменить на набор активных (источники тока и напряжения) и пассивных (резисторы, емкости) элементов, адекватно описывающих взаимосвязь входных и выходных параметров.

До недавнего времени с моделированием работы биполярных гетеротранзисторов и, соответственно, устройств и схем с его участием, было затруднено вследствие отсутствия универсальной модели эквивалентной схемы. Однако в последнее время ситуация коренным образом изменилась: Калифорнийский Уни-

верситет в Сан-Диего (University of California San Diego, UCSD) при содействии компаний Rockwell, TRW, Hewlett-Packard, Texas Instruments, Cadence, Silvaco, Meta-Software и Иллинойского университета (University of Illinois) разработал модель эквивалентной схемы БГТ [3], кроме того, компания Agilent в своём программном продукте ADS (Agilent Advanced Design System) реализовала модель [4], которая выполнена на основе эквивалентной схемы UCSD. Кроме перечисленных, были разработаны другие модели [5, 6], которые могут быть использованы для моделирования в различных программных средах, а

также описаны на языке Verilog-A. Типовая вольт-амперная характеристика при использовании модели UCSD приведена на рис. 3.

Построение модели, что вполне очевидно, велось путем внесения изменений в уже существующие модели полупроводниковых приборов, и для БГТ базовой моделью являлась SGP (SPICE Gummel-Plot). Выделим ключевые моменты, которые использовались для формализации и построения модели биполярного гетеротранзистора [7]:

Полу-изолирующая подложка препятствует паразитным эффектам подложки, которые рассчитывались для кремния.

При современном уровне полупроводниковой технологии проблемы, связанные с поверхностью или границами раздела, такие, как паразитные токи, пренебрежимо малы и в данной модели не учитываются.

Выход параметров за границы предельно допустимых благодаря термическим воздействиям может быть снижен (исключен) при помощи соответствующей эмиттерной обратной связи или технологии теплового отвода.

Благодаря высокому легированию базы и высокому КПД эмиттера эффекты начального и токового уплотнения (набегания) обычно пренебрежимо малы и в данной модели не учитываются

Квази-насыщение обычно не наблюдается.

Данная модель на настоящее время считается общепризнанной и используется ведущими разработчиками программного обеспечения в своих программных продуктах. Например, эта модель реализована в системе Agilent Advanced Design System (ADS), поддерживается полный список всех параметров эквивалентной схемы (см. рис. 2) в элементе HBT_Model, а также n-p-n и p-n-p транзисторы с параметрами этой модели.

Благодаря меза-структуре биполярного гетеротранзистора весь базо-коллекторный переход делится на активную часть ниже эмиттера и паразитную часть под базовыми контактами (см. рис. 1) . Поскольку движение тока практически вертикальное от эмиттера к суб-коллектору, паразитная часть может быть представлена как дополнительный p-n диод, обратно смещённый при обычной работе.

Однако существуют два эффекта, которые играют очень важную роль для моделирования биполярного гетеротранзистора. Первый — это саморазогрев, второй — зависимость тока от скорости пролёта частиц, вызванная модуляцией скорости и сильной токовой инжекцией в коллектор. Последний эффект является специфичным для биполярных гетеротранзисторов, выполненных на основе материалов III-V. Поэтому важен источник нелинейных искажений [8, 9] и им нельзя пренебрегать. Для учёта саморазогрева в рас-

сматриваемой модели добавлена подсхема, учитывающая тепловые процессы, которая основана на взаимосвязи тока и мощности, а также напряжения и температуры. Источник тока (мощности) представляет собой элемент, рассеивающий мощность (эквивалентную произведению тока на напряжение). Транзистор имеет термическое сопротивление и термическую ёмкость, подключенные к внешнему температурному узлу.

Все элементы, входящие в эквивалентную схему биполярного гетеротранзистора, можно классифицировать на две основных категории: к первой из них относятся элементы, тесно связанные с конструкцией прибора. К элементам второй категории относятся параметры, обусловленные несовершенством технологии и конструкции прибора, их значения определяются физическими моделями работы транзистора, заложенными в данную эквивалентную схему. В качестве примера последних можно привести индуктивности выводов, ёмкости переходов, эквивалентные последовательные сопротивления выводов.

Моделирование параметров биполярного гетеротранзистора

Самым распространённым методом визуального представления параметров полупроводниковых транзисторов является семейство его вольт-амперных характеристик, которые дают наглядное представление о возможных режимах работы данного прибора. Однако очевидно, что ВАХ транзистора чувствительна к изменениям далеко не всех параметров его модели. В качестве примера можно привести всевозможные эквивалентные ёмкости, как линейные, так и нелинейные, изменение которых никак не сказывается на форме вольт-амперной характеристики прибора. Тем не менее, ВАХ важна как инструмент выбора рабочей точки прибора.

Итак, для выбранной модели биполярного гетеротранзистора, задавшись номинальными значениями параметров эквивалентной схемы, проведём моделирование вольт-амперной характеристики прибора по следующей схеме.

В результате моделирования в одной из программных сред, получим семейство ВАХ для заданных параметров модели биполярного гетеротранзистора. При изменении параметров эквивалентной схемы ветви характеристики могут смещаться горизонтально или вертикально, а также может изменяться кривизна и форма нелинейного квазипараболического участка.

СВЧ смеситель на биполярном гетеротранзисторе и схема моделирования его характеристик

Смесители служат для преобразования входного сигнала на одной частоте в сигнал на промежуточной частоте, что необходимо для фильтрации сдвига фазы и других операций обработки данных. В идеале операция преобразования частоты выполняется без снижения амплитуды входного сигнала или внесения дополнительных шумов. В качестве активных элементов смесителей могут выступать либо диоды, либо транзисторы различных типов.

Обычно желаемая выходная частота (fp4— ^г) - промежуточная частота. Основным показателем качества для смесителей является отношение мощности ПЧ к мощности РЧ, которое называется потерями преобразования и указывается в децибелах. Вносить вклад в увеличение потерь преобразования могут несколько причин. Во-первых, это может быть плохое согласование импедансов на РЧ и ПЧ-портах. Во-вторых, это ВАХ активного прибора. В зависимости от требуемых параметров смесители могут быть выполнены как на

одном диоде или полевом транзисторе, так и нескольких, для улучшения их характеристик. Более сложные устройства используют симметричные цепи для нейтрализации нежелательных частотных компонентов и облегчения устранения шумов, созданных изменением амплитуды в локальном генераторе. Недостатком смесителей с несколькими диодами или транзисторами является необходимость увеличения выходной мощности локального генератора, что сложно получить на СВЧ. Проблема надёжности смесителя ассоциируется с генерацией нежелательных гармоник, которые могут привести к паразитной генерации других цепей микросхемы, искажениям сигнала, появлению 1^ шума.

Для проведения моделирования параметров смесителя, таких, как спектр его выходного сигнала и коэффициент передачи в рабочем диапазоне частот, необходимо задаться основными его параметрами, как то: центральная рабочая частота, необходимая промежуточная частота, допустимые потери преобразования, а также для расчёта цепей смещения понадобится допустимый потребляемый смесителем ток (ток коллектора 1с) . За основу возьмём схему смесителя на одиночном биполярном транзисторе, в которой входной сигнал подаётся на базу транзистора, а частота с локального генератора - на эмиттер. В такой схеме обеспечивается хорошая развязка сигналов. Для создания эталонной схемы смесителя с набором параметров, соответствующих исходной модели биполярного гетеротранзистора, необходимо выполнить 5 этапов: рассчитать цепи смещения по постоянному току, смоделировать S-параметры для входного сигнала и сигнала промежуточной частоты, на основе полученных данных рассчитать параметры цепей согласования для входа и выхода смесителя и, наконец, выполнить окончательную проверку разработанной схемы. Результирующая схема смесителя после этого будет выглядеть следующим образом (см. рис. 4). Смоделированные характеристики полученного смесителя (спектр и коэффициент передачи) будут в дальнейшем использоваться как исходный вариант для сравнения с результатами, полученными в результате варьирования параметров модели биполярного гетеротранзистора.

Выбор информационного параметра оценки смесителя по критерию максимальной чувствительности

Как было сказано выше, вольт-амперная характеристика биполярного гетеротранзистора реагирует не на все изменения значений параметров модели, некоторые параметры проявляются только на высоких частотах, и поэтому их влияние на характеристики постоянного тока никак не сказываются (например, конденсаторы). Самым информативным параметром для характеристики любого объекта, в том числе и смесителя на транзисторе, является его спектр. Поэтому на примере коэффициентов чувствительности будет показано, что реакция спектра на изменение параметров модели транзистора быстрее, а также то, что изменение спектра происходит при варьировании таких параметров, значения которых никак не отражаются на изменении вольт-амперной характеристики биполярного гетеротранзистора.

Результаты моделирования спектра смесителя в зависимости от изменения параметров модели биполярного гетеротранзистора

Объём настоящей работы не позволяет рассмотреть все параметры модели биполярного гетеротранзистора, влияющие на изменение спектра смесителя, поэтому ограничимся в качестве примера несколькими параметрами.

К примеру, положительное приращения параметра эквивалентной схемы биполярного транзистора - коэффициента идеальности тока между базой и коллектором Ш - на 1% дало нелинейное смещение ветвей ВАХ транзистора в среднем на 1,25 В (см. рис. 5), изменения же спектра более существенны (см. рис. 6); среднее относительное изменение по спектральным составляющим составляет 18. Таким образом, коэффициенты чувствительности к изменению этого параметра:

ВАХ: к1 = =125 = 125 ;

1 А(и) 0,01

18

Спектр: к =-----= 1800 .

2 0,01

Как видно, реакция спектра более выражена, чем реакция ВАХ.

Кроме того, изменение значений таких параметров, как, например, Сьс (ёмкость между базой и коллектором), никак не отражающееся на вольт-амперной характеристике (то есть коэффициент чувствительности ВАХ к этому параметру равен нулю), вызывает изменения в спектральной характеристике смесителя (коэффициент чувствительности около 5000). Причём нелинейные ёмкости вызывают не только изменение спектральной плотности, но и приводят к появлению множества дополнительных гармоник.

В таблице сведены коэффициенты чувствительности ВАХ и спектра смесителя к изменениям некоторых параметров: как видно, спектр реагирует намного быстрее.

Коэффи циенты чувствительности

ВАХ Спектр

Nh I 125 1800

Nf 1 750 5800

Cbc 1 5000

Is 1 1,08 40

В качестве иллюстрации чувствительности коэффициента передачи смесителя к изменению нескольких параметров приведены следующие зависимости, полученные в результате моделирования (см. рис. 7). Заключение

Исследование взаимосвязи конструктивно-технологических параметров биполярного гетеротранзистора со спектром смесителя на его основе создаёт фундамент для построения модели индивидуальной надёжности интегрального биполярного гетеротранзистора и в конечном итоге представляет основу, которая может быть с успехом использована для прогнозирования надёжности МИС СВЧ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Твердотельная электроника: Учеб. пособие — 2-е изд., доп. / В. А. Гуртов. - М: Техносфера,

2005. — 408 с.

2. GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applications / S. Kayali, G. Ponchak, R. Shaw. — Pasadena: California Institute of Technology, 1996. — 221 ps.

3. UCSD HBT Model Equations (http://hbt.ucsd.edu/).

4. A nonlinear Circuit Simulation Model for GaAs And InP Heterojunction Bipolar Transistor // Microwave Journal, pp. 126-134 Dec. 2003.

5. M. Rudolph, R. Doerner, K. Beilenhoff, P. Heymann. Scalable GalnP/GaAs HBT Large-Signal Model

// IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 48, pp. 2370 . 2376, Dec. 2000.

6. M. Rudolph, R. Doerner, K. Beilenhoff, P. Heymann. Unified Model for Collector Charge in Heterojunction Bipolar Transistors // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 50, pp. 1747 - 1751,

July 2002 (http://www.fbh-berlin.de/modeling.html).

7. M. Rudolph, R. Doerner. Key Issues of Compact Models for GaAs Heterojunction Bipolar Transistors // IEEE Transaction, 2005.

8. M. Iwamoto, P. M. Asbeck, T. S. Low, C. P. Hutchinson, J. B. Scott, A. Cognata, X. Qin, L. H. Camnitz, D. C. D'Avanzo, .Linearity Characteristics of GaAs HBTs and the In_uence of Collector Design,. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 48, pp. 2377. 2388, Dec. 2000.

9. M. Rudolph, R. Doerner, .Large-Signal HBT Model Requirements to Predict Nonlinear Behaviour. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2004, 43 - 46.

Q:

Рис.1. Структура биполярного гетеротранзистора

Cta

2 62 01 51 050- 5-

о

Ро1

IQQuA

8QuA

6QuA

4QuA

тCKI ©

_L

И

,и< Г ф

&

1 о

Рис.2. Эквивалентная схема биполярного гетеротранзистора

Vcc, V

Рис.3. ВАХ биполярного гетеротранзистора

Рис.4. Схема моделирования спектра смесителя на биполярном гетеротранзисторе

о

о

100uA

80uA

60uA

40uA

Vcc, V

Рис.5. Изменение ВАХ биполярного гетеротранзистора при варьировании параметра модели

О

- г о-

-4 0-0 0-8 0-10 0-12 0-14 0-16 0- 1 В 0-2 0 0-я г о

О I-*

СП СП ет

^ Ghz

Рис.6. Изменение спектра смесителя на НВТ при варьировании параметра модели

0 0

- 0 5

- 1 0

- 1 5

CQ тз - 2 0

с CL - 2 5

- 3 0

- 3 5

- 4 0

N

Л\

\\

Y 1\

\п

I I I I I I I I I I I I I I

J\J ГО ГО ь-' I—'‘i—i« 1—'‘i—i^ I—** ь-'“CD

Красный - параметры по умолчанию Синий - Is, N11

Зелёный - №

Голубой - СЬс Жёлтый - №

Pout, dB

Рис.7. Изменение коэффициента передачи смесителя на HBT при варьировании параметра модели