TL6931 RF-ASIC Veijo Korhonen Tavoitteet Opiskelija saa kuvan integroitujen RFpiirien suunnittelusta. Perehtyminen yleisimpiin valmistusprosesseihin, pakkaustekniikoihin ja suunnittelutyökaluihin antaa valmiuksia RF-ASIC- piirien kehitystyöhön. 1
Sisältö 1. Johdanto integroituun RF-tekniikkaan 2. Teknologiat, Puolijohdeprosessit Pakkausteknologia 3. Suunnittelumenetelmät Suunnitteluprosessi Suunnittelutyökalut 4. Mallintaminen ja simulointi SPICE, ADS S-parametrit 5. Tyypilliset rakennelohkot, Vahvistin, mikseri Piirien mitoitus 6. Mittaus ja testaus 7. Suunnitteluesimerkkejä Harjoitukset työasemalla Johdanto 2
RF-signaali Johdanto Mikä tekee signaalista RF:ää? Taajuus? Amplitudi? Siirtolinjan pituus? Johdanto RF-ASIC-suunnittelu on analogiaelektroniikkasuunnittelua Signaalit jatkuva-aikaisia ja amplitudisia. Komponentit samoja kuin diskreettikomponenttisuunnittelussa. Vastukset Kondensaattorit Kelat Diodit Transistorit Piirien toteutuksessa voidaan käyttää valmiita soluja (standard cell) tai suunnitella niitä myös itse (full custom). Samassa piirissä voi olla myös digitaalisia osia. 3
Johdanto RF-ASIC piirien erityispiirteitä Pakkausteknologia Kotelointi ja liittäminen Puolijohdeprosessit Analogiakomponenttien tekeminen Simulointi SPICE-mallit S-parametrit Lämpösuunnittelu Lämpötilariippuvuus Jäähdytys Johdanto RF-systeemisuunnittelu RF-ASIC on suunniteltava osaksi koko RF-ratkaisua 4
Puolijohdeprosessit Substraatit Itseispuolijohteet (IV-ryhmä) Pii (Si) Pii-germanium (SiGe) Pii-karbidi (SiC) Yhdistepuolijohteet (III-V ryhmät) Gallium-arseeni (GaAs) Indium-fosfaatti (InP) Indium-gallium-fosfaatti (InGaP) Gallium-nitridi (GaN) 5
Rakenne Kidehila Seostaminen n-puolijohde p-puolijohde Toiminta pn-rajapinta 6
Kidehila: puhtaat puolijohteet IV-ryhmän alkuaineet voivat muodostaa ns. timanttihilan Yksi atomi on kiinnittynyt neljällä sidoksella viereisiin atomeihin IV-ryhmään kuuluvat mm. hiili, pii, germanium ja tina Kidehila: yhdistepuolijohteet III- ja V-ryhmien atomit voivat yhdessä muodostaa kidehilan Galium ja arseeni: GaAs Indium ja fosfori: InP 7
Muita Piikarbidi: SiC Mekaanisesti kestävä Kestää lämpöä, säteilyä ja jännitettä Pii-germanium: SiGe Nopeampi kuin pii -> suurtaajuus sovellukset Silicon-On-Insulator (SOI) Eristeen pinnalle kasvatettu ohut piikerros Eristeenä lasi (SOG), safiiri (SOS) tai timantti Seostaminen N-puolijohde N-tyypin puolijohde saadaan seostamalla V-ryhmän alkuainetta IV-ryhmän puolijohteen kanssa tai yhdistepuolijohteissa muuttamalla yhdistesuhdetta N-tyypin puolijohteessa kiderakenteessa on ylimääräinen elektroni (=varauksenkuljettaja) P-puolijohde P-tyypin puolijohde saadaan seostamalla III-ryhmän alkuainetta IV-ryhmän puolijohteen kanssa tai yhdistepuolijohteissa muuttamalla yhdistesuhdetta P-tyypin puolijohteessa kiderakenteessa on ylimääräinen aukko (=varauksenkuljettaja) 8
PN-rajapinta Kun p- ja n-puolijohde yhdistetään, rajapinnassa olevat elektronit ja aukot kumoavat toisensa (rekombinoituvat) ja syntyy tyhjennysalue Tyhjennysalueen yli vaikuttaa sähkökenttä Estosuuntainen ulkoinen jännite kasvattaa tyhjennysaluetta Myötäsuuntainen ulkoinen jännite pienentää tyhjennysaluetta Jännitettä, jolla pn-rajapinta muuttuu johtavaksi, kutsutaan kynnysjännitteeksi 9
Monoliittisen (yksikiteisen) pii kasvatus Czochralskin menetelmä (CZ-menetelmä) Piitankojen valmistus Vyöhykementelmä (Floating-zone, FZmenetelmä) Piitankojen valmistus Soveltuu myös yhdistepuoijohteille Epitaksiaalinen kasvatus (epi-menetelmä) Piikiekkojen kalvojen kasvatus Piin kasvatus SOI (Silicon-On-Insulator) alustoille 10
Czochralskin menetelmä Kvartsihiekasta valmistettua puhdasta piitä sulatetaan Siemenkide kastetaan sulaan piihin Siemenkidettä pyöritetään ja samalla nostetaan Sula pii kiteytyy jähmettyessään Veto- ja pyöritysnopeuksilla säädetään tangon paksuutta Vyöhykemenetelmä Siemenkiteen päällä on monikiteistä piitä Monikiteinen pii sulatetaan siemenkiteen päältä Sulanutta vyöhykettä siirretään ylöspäin Monikiteinen pii kiteytyy jähmettyessään yksikiteiseksi 11
Epitaksiaalinen kasvatus Piikiekot (wafer) kuumennetaan kammiossa Piipohjainen kaasu (silaani, ditai trikloorisilaani piitetrakloridi+vety,) johdetaan kammioon Kaasun pii pelkistyy piikiekon pinnalle ja muodostaa yksikiteistä piitä Kaasu voidaan saostaa, jolloin saadaan n- tai p-tyypin piitä Kiekkojen valmistus Sorvaus Tangot eivät ole vakioläpimittaisia ja ne sorvataan tiettyyn standardimittaan: 3, 100 mm, 200 mm Sahaus Kiekot sahataan valitun kidesuunnan mukaan (<100>, <111>) saostuksen ja syövytyksen helpottamiseksi. Kiekkojen reunassa oleva viiste kertoo kidesuunnan. Kiillotus Sahauspinta kiillotetaan (kumpikin puoli) ja kiekkojen paksuus tarkistetaan. Kiekot voidaan myös syövyttää mekaanisesti rikkoontuneiden pintaosien poistamiseksi (etupuoli). 12
Piirien valmistus Kalvojen kasvatus Pii, piioksidi, piinitridi Metallit Oksidointi Terminen oksidointi Seostaminen Diffuusio Ioni-istutus Kuviointi (litografia) Maskaus Elektronisuihku Syövytys Märkäsyövytys Kuiva- eli plasmasyövytys Kalvoja voidaan kasvattaa usealla eri menetelmällä Kaasufaasi (Chemical Vapour Deposition) Monikiteinen pii, piioksidi, piinitridi Sputterointi (Sputtering) Metallit 13
Kaasufaasi (CVD) Sputterointi 14
Oksidointi Terminen oksidointi (thermal oxidation) Oksidia käytetään eristeenä, diffuusiomaskina, liitosten passivointiin ja hilaoksidina Oksidia voidaan kasvattaa joko hapen (kuivaoksidointi) tai vesihöyryn avulla (märkäoksidointi) Oksidointilämpötila 800-1200 C Seostaminen (doping) Diffuusio Seostuskaasun atomit ajetaan kidehilaan lämmön avulla Seostuksen tiheys pienenee syvemmälle mentäessä Ioni-istutus (ion implantation) Ionisoidut seostusatomit ammutaan sähkökentän avulla kidehilaan Seostusprofiilia voidaan säätää, koska tunkeutumissyvyys riippuu ionien nopeudesta 15
Kuviointi (photo litography) Valoherkän pinnoitteen avulla piin pintaan muodostetaan halutut kuvioinnit seostusta ja syövytystä varten Valotuksessa voidaan käyttää valoa, UV-valoa tai röntgen säteitä, jotka kovettavat valoherkän pinnan maskin avulla Kuviointi voidaan tehdä myös elektronisuihkun avulla jolloin maskeja ei tarvita Syövytys (etching) Syövytyksessä poistetaan ylimääräinen materiaali kuvioinnin mukaan Märkäsyövytyksessä käytetään fluorivetyhappon (HF) ja ammoniumfluoridin (NH 4 F) vesiliuoksia Isotrooppista eli syöpyminen tapahtuu kaikkiin suuntiin => allesyöpyminen Eräät emäkset ovat anisotrooppisia ja syöpyminen etenee eri nopeudella eri kidesuuntiin Kuivasyövyksessä (dry/plasma etching) käytetetään CF x - radikaaleja, jotka kiihdytetään sähkökentällä Sähkökentän suunnalla voidaan valita syövytyssunnta ja allesyöpymistä ei tapaahdu 16
Plasmasyövytys Transistorit Bipolar junction (BJT) Heterojunction bipolar (HBT) Junction field effect transistor (JFET) Metal-semiconductor field effect transistor (MESFET) Metal-oxide-semiconductor (MOS) High electron mobility transistor (HEMT) 17
Bipolaari transistori (BJT) Transistori toimii virtavahvistimena Kollektori, kanta ja emitteri diffusoidaan toistensa päälle Virta kulkee pääasiassa pinnan suuntaisesti (lateral pnp/npn) Käyttämällä haudattua kerrosta (buried layer) saadaan pystysuuntainen (vertical) rakenne Transistorien hajasuureet ovat pienemmät kuin lateraalirakenteella ja siten mm. f t ja β ovat suurempia 18
Heterojunction bipolar transistor, HBT Käyttämällä erilaisia kidemateriaaleja saadaa aikaan heteroliitos Si/SiGe InP/InGaAs GaAs/AlGaAs AlGaN/GaN Heteroliitos on ominaisuuksiltaan huomattavasti parempi kuin samasta materiaalista tehty liitos (homojunction) mm. f t voi olla useita kymmeniä GHz Junction field effect transistor (JFET) Yksinkertainen rakenne Transistori toimii jänniteohjattuna virtageneraattorina eli hilavirta on hyvin pieni Hila G on alemmassa potentiaalissa kuin nielu D ja lähde S => estosuuntainen pn-liitos kanavan ja hilan välillä Usein hila biasoidaan negatiiviseen potentiaaliin 19
Metal-semiconductor field effect transistor (MESFET) Metalli-puolijohdeliitos muodostaa schottky-liitoksen, joka toimii kuten pn-liitos Metal-oxide-semiconductor (MOS) Eniten käytetty transistori integroiduissa piireissä Hilan ja kanavan välissä on ohut oksidikerros Hila nykyisin monikiteistä piitä (polypii), jolloin hila myös itsekohdistuu kanavaan Hila ei tarvitse negatiivista biasointia kuten JFET ja MESFET Hitaampi kytkintaajuus kuin BJT:llä hilakapasitanssin takia 20
21
High electron mobility transistor (HEMT) Heteroliitos FET Toimintataajuudet jopa satoja GHz Indiumin määrällä voidaan säätää kohinalukua tai vahvistusta (vähemmän indiumia, vähemmän kohinaa ja enemmän indiumia enemmän vahvistusta) Käytetään MMIC:ssä (Monolithic Microwave IC) Passiivikomponentit Vastukset Metalli Polypii Allas Kondensaattorit Hila Poly-poly Kelat Metalli 22
Johtavuus, konduktanssi G (conductivity) Sähkövirran kuljetuskyky, joka perustuu varauksenkuljettajien liikkeeseen Elektronit (v 1500 8500 cm 2 /Vs) Aukot (v 450 cm 2 /Vs) Ionit Varauksenkuljettajien nopeus ja määrä määräävät johtavuuden, nopeus pienenee lämpötilan kasvaessa Resistiivisyyden R käänteisarvo (G=1/R) Yksikkö Siemens S tai 1/Ω (Ω -1 ) Aineilla on ominaisjohtavuus ρ, jonka yksikkö on S/m tai S/m 2 (vrt. Ω ) R = (ρ * L) / (t * W) ; L=pituus, t=paksuus, W=leveys Metallivastukset Metallit ovat hyviä johteita, koska niissä on paljon vapaita elektroneja Metallijohtimilla voidaan tehdä pieniä ja suhteellisen tarkkoja vastuksia Metallivastuksilla on lämpötilariippuvuus on pieni R = R 0 *(1+α*(T-T 0 )), R 0 vastuksen arvo vertailulämpötilassa T 0, α lämpötilakerroin 23
Ominaisvastuksia Materiaali Ominaisvastusarvo+ 20 ºC [Ωm] x 10-6 Lämpötilakerroin[1/ ºC] x 10 3 Hopea 0,0159 4,1 Kupari 0,0172 4,3 Kulta 0,0222 4,0 Alumiini 0,0283 4,6 Nikkeli 0,078 6,7 Tina 0,12 4,0 Polypii (monikiteinen pii) CMOS-prosessissa hilana käytetystä polypiistä voidaan tehdä vastuksia Usein analogiaprosesseissa on kaksi eri polypii-kerrosta, joilla on eri neliövastukset esim. 10 ja 1000 Polypiin johtavuus riippuu diffuusion konsentraatiosta ja tarkkuus on huono (15-20%) Voimakas lämpötilariippuvuus R = R 0 *(1+α*(T-T 0 )+β(t-t 0 ) 2 ) 24
Pienillä diffuusiokonsentraatioilla (=suuri vastus) lämpötilariippuvuus on suuri Diffuusio- ja allasvastukset Vastuksia voidaan tehdä myös piin pinnalle diffusoimalla, jolloin ominaisuudet ovat samankaltaiset kuin polypiivastuksilla Allasvastuksilla saadaan suuria vastusarvoja (suuri neliövastus > 2000) Diffuusio- ja allasvastusten haittana ovat hajakapasitanssi ja vuotovirta 25
Vastusten absoluuttinen tarkkuus on yleensä huono mutta suhteellinen tarkkuus (kahden vastuksen suhde) on parempi ja sitä voidaan parantaa hyvällä lay-out suunnittelulla Lämpötilariippuvuutta voidaan joissakin tapauksissa hyödyntää mm. antureissa Kondensaattorit Kondensaattorin kapasitanssi riippuu levyjen pinta-alasta, niiden välisestä etäisyydestä ja eristemateriaalista C = ε 0 *ε r *A/d ; missäε 0 =tyhjiön permittiivisyys ja ε r =eristeen permittiivisyys Kodensaattorin hajasuureista tärkein on sarjavastus (ESR, equivalent series resistance) 26
Hilakondensaattorit Kondensaattori voidaan tehdä MOS-transistorin hilan ja kanavan välille Eristeenä hilaoksidi Haittana suuri sarjavastus huonosti johtavan kanavan takia Kapasitanssitiheys alle 2 ff/µm 2 Hilakapasitanssi on ei-toivottu ilmiö MOStransistorissa ja sitä ei yleensä käytetä kondensaattorien tekemiseen Poly-poly-, poly-metalli, metalli-metallikondensaattorit Eristeenä joko piioksidi tai piinitridi Kapasitanssitiheys n. 0.3 1 ff/µm 2 eli suurin kapasitanssiarvoja ei voi käyttää Absoluuttiset arvot kohtuullisia ja (10%) suhteelliset (kahden kapasitanssin suhde) hyviä (5%) 27