eng
Выпуск #4/2020
Р.Алексеев, А.Цоцорин, М.Черных
МОЩНЫЕ СВЧ LDMOS-ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ РАБОЧИХ ЧАСТОТ ДО 3 ГГц
МОЩНЫЕ СВЧ LDMOS-ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ РАБОЧИХ ЧАСТОТ ДО 3 ГГц
Просмотры: 1466
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.195.4.98.100
Мощные СВЧ LDMOS‑транзисторы для рабочих частот до 3 ГГц
Р. Алексеев 1, А. Цоцорин, к. ф.-м. н.2, М. Черных, к. т. н.3
В АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» (АО «НИИЭТ») – одном из отечественных лидеров разработчиков и производителей отечественных СВЧ‑изделий и интегральных микросхем, проведена модернизация LDMOS‑технологии и создано новое поколение мощных СВЧ LDMOS‑транзисторов для рабочих частот до 3 ГГц с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
LDMOS‑технология (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductors) уже сравнительно давно зарекомендовала себя на рынке мощных СВЧ кремниевых транзисторов, применяемых в базовых станциях сотовой системы радиосвязи, радиопередатчиков P-, L-, S‑диапазонов частот, РЛС наземного и воздушного базирования, систем навигации и др. И даже несмотря на рост объемов производства приборов на основе более перспективных полупроводниковых материалов, например нитрида галлия, кремниевые LDMOS‑транзисторы продолжают сохранять традиционно сильные позиции в целом ряде областей благодаря отлаженности технологических процессов и высокому соотношению цена-качество. Это подтверждается тем, что ведущие зарубежные производители электронной компонентной базы продолжают развивать LDMOS‑технологию, повышают диапазон рабочих частот до 4 ГГц, включая WiMax [1], и предлагают потребителям изделия уже 10-го поколения [2].
Также как и зарубежные лидеры в области микроэлектроники, АО «НИИЭТ» проводит за счет собственных средств инициативные работы по совершенствованию LDMOS‑технологии с внедрением новейших конструктивно-технологических решений. Работа проводится на технологической линии кристального производства ПАО «Микрон».
Было проведено усовершенствование ключевых конструктивных элементов транзисторной структуры, их описание и микрофотография поперечного сечения готовой транзисторной структуры представлены на рис. 1.
Увеличение толщины термически выращенного оксида кремния над дрейфовой областью стока. Слой оксида кремния над LDD дрейфовой областью стока (LDD – Lightly Doped Drain) представляет собой суперпозицию двух слоев: первый слой выращен путем термического окисления, второй слой получен осаждением из газовой фазы при умеренных температурах.
Недостатком осажденного слоя является относительно большая плотность дефектов, которая приводит к возникновению значительной концентрации ловушек на границе двух слоев. Такие ловушки (нестабильный положительный заряд) способны оказывать значительное влияние на стабильность протекающего через LDD‑область тока. В новой конструкции толщина термического окисла была увеличена, что позволило отдалить границу раздела диэлектрических слоев от поверхности кремния и снизить влияние межслойных зарядов.
Внедрение двухуровневого полевого электрода. Классическая архитектура LDMOS‑транзистора предполагает использование полевого электрода (ПЭ) двух типов: близкорасположенного к поверхности кремния с малым перекрытием LDD‑области для относительно низковольтных приборов и протяженного высокорасположенного, применяемого в высоковольтных изделиях [3]. Проведенные исследования [4, 5] показали, что при оптимальной конструкции эти два типа ПЭ могут быть построены таким образом, чтобы получить положительный синергетический эффект. В новой конструкции ПЭ выполняется двухуровневым. Первый уровень формируется из нитрида титана вблизи затвора транзистора с небольшой протяженностью перекрытия LDD‑области, в то время как верхний уровень располагается на поверхности первого межслойного диэлектрика. Данная конструкция позволяет добиться увеличения напряжения пробоя сток-исток (Uпроб СИ) и уменьшения сопротивления сток-исток в открытом состоянии (RСИ). Конструкция двухуровневого полевого электрода приведена на рис. 2.
Увеличение толщины верхнего токонесущего слоя металла. При конструировании мощных приборов критичным фактором является площадь сечения металлизации стока (ширина токоведущих шин при фиксированной толщине), обеспечивающей высокий уровень тока стока, определяемый предельной плотностью тока в металле. В то же время большая площадь металлизации сказывается на уровне паразитных межэлектродных емкостей.
Конструктивно-технологические усовершенствования, реализованные на кристальном производстве в ПАО «Микрон», дали возможность увеличить толщину металлизации, что позволило уменьшить ширину токоведущих шин при сохранении необходимой площади сечения металлизации.
Внедрение описанных усовершенствований позволило добиться следующих улучшений: увеличить удельную мощность на единицу периметра затвора; повысить пробивное напряжение сток-исток при уменьшении сопротивления сток-исток в открытом состоянии; увеличить стойкость транзисторной структуры в части срыва паразитного биполярного транзистора во вторичный пробой; повысить коэффициент полезного действия стока и повысить коэффициент усиления по мощности.
Усовершенствование LDMOS‑технологии прошло успешное опробование. Для сравнения были взяты транзисторные кристаллы, выполненные по усовершенствованной технологии (Транзистор 1, кристалл 1), и кристаллы предыдущего поколения, но аналогичного форм-фактора с тем же самым периметром затвора (Транзистор 2, кристалл 2). Конструкции транзисторов, изготовленных из кристаллов 1 и 2 были идентичны. Сравнение статических параметров транзисторов приведено в табл. 1, сравнение энергетических параметров транзисторов приведено в табл. 2. Измерения энергетических параметров были проведены по методу согласованной нагрузки в следующем режиме: UСИ = 50 В, fтест = 860 МГц, Q = 10, τ = 300 мкс.
Кроме того, на транзисторах 1 и 2 был проведен тест на устойчивость паразитного биполярного транзистора к вторичному пробою. В рамках исследований на сток транзистора подавалось напряжение, превышающее Uпроб, с целью определения уровня тока, при котором происходит вторичный пробой паразитного биполярного транзистора (рис. 3). Срыв во вторичный пробой на транзисторах 1 не наблюдался.
* * *
В АО «НИИЭТ» разработано новое поколение мощных СВЧ LDMOS‑транзисторов с улучшенными эксплуатационными характеристиками: пробивное напряжение сток-исток, сопротивление сток-исток в открытом состоянии, ток стока насыщения, удельная выходная мощность, коэффициент усиления по мощности и коэффициент полезного действия стока. Кроме того, устранение эффекта срыва паразитного биполярного транзистора во вторичный пробой в значительной мере повышает надежность приборов и аппаратуры в целом. Испытание транзисторов с модернизированной конструкцией и доработанной технологией полностью подтвердило расчетные данные, что открывает широкие возможности для дальнейшего развития отечественной СВЧ‑электроники.
Литература
Theeuwen S. J. C. H., Qureshi J. H. LDMOS Technology for RF Power Amplifiers // IEEE transactions on microwave theory and techniques. 2012. V. 60. № 6. P. 1755–1763.
Сайт фирмы Ampleon [Электронный ресурс]. – https://www.ampleon.com / – Дата обращения 24.02.2020.
Ткачев А. Ю. Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных СВЧ LDMOS‑транзисторов. Автореферат диссертации кандидата технических наук: 05.13.18. // Воронеж: Воронежский госуниверситет, 2011. 16 с.
Алексеев Р. П., Быкадорова Г. В., Лановой В. К.,
Ледовская Е. О., Кондрашин М. А. Влияние полевого электрода на электрофизические характеристики СВЧ LDMOS‑транзисторов // Наука сегодня: реальность и перспективы: материалы международной научно-практической конференции. 23 февраля 2017 г. – Вологда, 2017. С. 24–26.
Алексеев Р. П. и др. Приборно-технологическое проектирование LDMOS‑транзисторов с отрицательным градиентом примеси LDD‑области // Радиолокация, навигация, связь: 24-я Международная научно-техническая конференция. г. Воронеж. 17–19 апреля 2018 г. – Воронеж. 2018. Т. 5. С. 257–264.
Р. Алексеев 1, А. Цоцорин, к. ф.-м. н.2, М. Черных, к. т. н.3
В АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» (АО «НИИЭТ») – одном из отечественных лидеров разработчиков и производителей отечественных СВЧ‑изделий и интегральных микросхем, проведена модернизация LDMOS‑технологии и создано новое поколение мощных СВЧ LDMOS‑транзисторов для рабочих частот до 3 ГГц с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
LDMOS‑технология (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductors) уже сравнительно давно зарекомендовала себя на рынке мощных СВЧ кремниевых транзисторов, применяемых в базовых станциях сотовой системы радиосвязи, радиопередатчиков P-, L-, S‑диапазонов частот, РЛС наземного и воздушного базирования, систем навигации и др. И даже несмотря на рост объемов производства приборов на основе более перспективных полупроводниковых материалов, например нитрида галлия, кремниевые LDMOS‑транзисторы продолжают сохранять традиционно сильные позиции в целом ряде областей благодаря отлаженности технологических процессов и высокому соотношению цена-качество. Это подтверждается тем, что ведущие зарубежные производители электронной компонентной базы продолжают развивать LDMOS‑технологию, повышают диапазон рабочих частот до 4 ГГц, включая WiMax [1], и предлагают потребителям изделия уже 10-го поколения [2].
Также как и зарубежные лидеры в области микроэлектроники, АО «НИИЭТ» проводит за счет собственных средств инициативные работы по совершенствованию LDMOS‑технологии с внедрением новейших конструктивно-технологических решений. Работа проводится на технологической линии кристального производства ПАО «Микрон».
Было проведено усовершенствование ключевых конструктивных элементов транзисторной структуры, их описание и микрофотография поперечного сечения готовой транзисторной структуры представлены на рис. 1.
Увеличение толщины термически выращенного оксида кремния над дрейфовой областью стока. Слой оксида кремния над LDD дрейфовой областью стока (LDD – Lightly Doped Drain) представляет собой суперпозицию двух слоев: первый слой выращен путем термического окисления, второй слой получен осаждением из газовой фазы при умеренных температурах.
Недостатком осажденного слоя является относительно большая плотность дефектов, которая приводит к возникновению значительной концентрации ловушек на границе двух слоев. Такие ловушки (нестабильный положительный заряд) способны оказывать значительное влияние на стабильность протекающего через LDD‑область тока. В новой конструкции толщина термического окисла была увеличена, что позволило отдалить границу раздела диэлектрических слоев от поверхности кремния и снизить влияние межслойных зарядов.
Внедрение двухуровневого полевого электрода. Классическая архитектура LDMOS‑транзистора предполагает использование полевого электрода (ПЭ) двух типов: близкорасположенного к поверхности кремния с малым перекрытием LDD‑области для относительно низковольтных приборов и протяженного высокорасположенного, применяемого в высоковольтных изделиях [3]. Проведенные исследования [4, 5] показали, что при оптимальной конструкции эти два типа ПЭ могут быть построены таким образом, чтобы получить положительный синергетический эффект. В новой конструкции ПЭ выполняется двухуровневым. Первый уровень формируется из нитрида титана вблизи затвора транзистора с небольшой протяженностью перекрытия LDD‑области, в то время как верхний уровень располагается на поверхности первого межслойного диэлектрика. Данная конструкция позволяет добиться увеличения напряжения пробоя сток-исток (Uпроб СИ) и уменьшения сопротивления сток-исток в открытом состоянии (RСИ). Конструкция двухуровневого полевого электрода приведена на рис. 2.
Увеличение толщины верхнего токонесущего слоя металла. При конструировании мощных приборов критичным фактором является площадь сечения металлизации стока (ширина токоведущих шин при фиксированной толщине), обеспечивающей высокий уровень тока стока, определяемый предельной плотностью тока в металле. В то же время большая площадь металлизации сказывается на уровне паразитных межэлектродных емкостей.
Конструктивно-технологические усовершенствования, реализованные на кристальном производстве в ПАО «Микрон», дали возможность увеличить толщину металлизации, что позволило уменьшить ширину токоведущих шин при сохранении необходимой площади сечения металлизации.
Внедрение описанных усовершенствований позволило добиться следующих улучшений: увеличить удельную мощность на единицу периметра затвора; повысить пробивное напряжение сток-исток при уменьшении сопротивления сток-исток в открытом состоянии; увеличить стойкость транзисторной структуры в части срыва паразитного биполярного транзистора во вторичный пробой; повысить коэффициент полезного действия стока и повысить коэффициент усиления по мощности.
Усовершенствование LDMOS‑технологии прошло успешное опробование. Для сравнения были взяты транзисторные кристаллы, выполненные по усовершенствованной технологии (Транзистор 1, кристалл 1), и кристаллы предыдущего поколения, но аналогичного форм-фактора с тем же самым периметром затвора (Транзистор 2, кристалл 2). Конструкции транзисторов, изготовленных из кристаллов 1 и 2 были идентичны. Сравнение статических параметров транзисторов приведено в табл. 1, сравнение энергетических параметров транзисторов приведено в табл. 2. Измерения энергетических параметров были проведены по методу согласованной нагрузки в следующем режиме: UСИ = 50 В, fтест = 860 МГц, Q = 10, τ = 300 мкс.
Кроме того, на транзисторах 1 и 2 был проведен тест на устойчивость паразитного биполярного транзистора к вторичному пробою. В рамках исследований на сток транзистора подавалось напряжение, превышающее Uпроб, с целью определения уровня тока, при котором происходит вторичный пробой паразитного биполярного транзистора (рис. 3). Срыв во вторичный пробой на транзисторах 1 не наблюдался.
* * *
В АО «НИИЭТ» разработано новое поколение мощных СВЧ LDMOS‑транзисторов с улучшенными эксплуатационными характеристиками: пробивное напряжение сток-исток, сопротивление сток-исток в открытом состоянии, ток стока насыщения, удельная выходная мощность, коэффициент усиления по мощности и коэффициент полезного действия стока. Кроме того, устранение эффекта срыва паразитного биполярного транзистора во вторичный пробой в значительной мере повышает надежность приборов и аппаратуры в целом. Испытание транзисторов с модернизированной конструкцией и доработанной технологией полностью подтвердило расчетные данные, что открывает широкие возможности для дальнейшего развития отечественной СВЧ‑электроники.
Литература
Theeuwen S. J. C. H., Qureshi J. H. LDMOS Technology for RF Power Amplifiers // IEEE transactions on microwave theory and techniques. 2012. V. 60. № 6. P. 1755–1763.
Сайт фирмы Ampleon [Электронный ресурс]. – https://www.ampleon.com / – Дата обращения 24.02.2020.
Ткачев А. Ю. Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных СВЧ LDMOS‑транзисторов. Автореферат диссертации кандидата технических наук: 05.13.18. // Воронеж: Воронежский госуниверситет, 2011. 16 с.
Алексеев Р. П., Быкадорова Г. В., Лановой В. К.,
Ледовская Е. О., Кондрашин М. А. Влияние полевого электрода на электрофизические характеристики СВЧ LDMOS‑транзисторов // Наука сегодня: реальность и перспективы: материалы международной научно-практической конференции. 23 февраля 2017 г. – Вологда, 2017. С. 24–26.
Алексеев Р. П. и др. Приборно-технологическое проектирование LDMOS‑транзисторов с отрицательным градиентом примеси LDD‑области // Радиолокация, навигация, связь: 24-я Международная научно-техническая конференция. г. Воронеж. 17–19 апреля 2018 г. – Воронеж. 2018. Т. 5. С. 257–264.
Отзывы читателей
