КНИ-биполярные и BCD-процессы для ИМС космической силовой электроники

Качеству и надёжности аппаратуры космической техники всегда уделяется огромное внимание. В настоящее время к электронной компонентной базе (ЭКБ), применяемой в космической аппаратуре, предъявляются следующие особые требования:

Создание современной ЭКБ, стойкой к ДИ космического пространства, невозможно без применения совокупности технологических, конструктивных и схемотехнических методов, а также без проведения моделирования влияния дестабилизирующих излучений на этапе проектирования компонентов. К технологическим методам относятся как разработка специализированных техпроцессов изготовления ИМС, так и улучшение радиационных свойств слоёв и материалов, входящих в конструкцию ИМС или её элементной базы. В настоящее время такими методами являются: технология «кремний на изоляторе» (КНИ), специализированные операции создания диэлектрических слоёв, в особенности подзатворного диэлектрика (GOX) и скрытого слоя оксида кремния (BOX) в КНИ-структурах. К конструктивным способам повышения стойкости относится использование специальных корпусов, методов локальной защиты и т.п. Схемотехнические методы включают в себя использование специализированных схемотехнических решений для блоков ИМС, применение библиотек элементов с мажоритированием на уровне вентилей, кодеров, декодеров Хэмминга, так называемых «резервных» библиотек элементов, отбор библиотечных компонентов, разработка эффективных блоковых кодов и ряд других приёмов [1, 2].

В настоящей статье описываются преимущества использования КНИ-биполярных и BCD-техпроцессов для ИМС космической силовой электроники.

Техпроцессы для ИМС космической силовой электроники

В космической силовой электронике ИМС в основном применяются в DC/DC-модулях систем вторичного электропитания, в конечных DC/DC-преобразователях систем распределённого питания, в драйверах электромоторов, драйверах плазменных панелей, электронных трансформаторах и другой преобразовательной аппаратуре.

Схемотехника DC/DC-модулей си-стем вторичного электропитания с бортовым питанием 27 и 100 В основана на использовании ИМС ШИМ-контроллеров, операционных усилителей (ОУ) и компараторов, прецизионных регулируемых стабилитронов, LDO-регуляторов [3]. Перечисленные классы ИМС традиционно изготавливаются по радиационно стойкой 20–40 В биполярной технологии. Основные производители ИМС данного класса – Texas Instruments, STMicroelectronics, Microsemi, Linear Technology, Aeroflex.

ИМС классических конечных DC/DC- преобразователей представляют собой неизолированные импульсные понижающие стабилизаторы напряжения с синхронным или асинхронным выпрямлением со встроенными в ИМС или внешними силовыми транзисторами. Конечный DC/DC-преобразователь также может иметь в своём составе LDO-регулятор. Малые размеры преобразователей напряжения достигаются за счёт использования высокой частоты переключения (до 1 МГц) и схемы контроля выходного тока, что позволяет, соответственно, уменьшить размер индуктивности и снизить количество компонентов. Так как конечные преобразователи, как правило, преобразуют напряжение порядка 3,3¼5,0 В в стабилизированное напряжение в диапазоне 0,8¼1,5 В, то ИМС для них изготавливается по радиа-ционно стойким низковольтным (7–15 В) биполярной или КМОП-технологиям. В случае использования более высоких входных напряжений 8–15 В для изготовления ИМС данного класса обычно применяют радиационно стойкий 20–40 В BCD-процесс. Основные производители ИМС данного класса – фирмы Texas Instruments и Linear Technology.

ИМС драйверов предназначены для использования в драйверах электромоторов (управление затворами MOSFET и IGBT), в bust или buck АС/DC-инверторах, драйверах плазменных панелей, электронных трансформаторах. Основным технологическим процессом для изготовления ИМС данного класса является 100–400 В радиационно стойкий ВСD-процесс.

Технологические и конструктивные методы, используемые при разработке и изготовлении вышеназванных классов ИМС, позволяют получать стойкость к НД на уровне 30–100 крад и к воздействию ТЗЧ не ниже 30–60 МэВ×см²/мг. Дальнейшее усовершенствование технологического процесса позволяет не только увеличить стойкость ИМС к ДИ, но и повысить надёжность ИМС за счёт упрощения схемотехнических решений. Из последних достижений в этой области следует отметить использование КНИ-технологии для производства ИМС космической электроники.

В технологии КНИ приборный слой монокремния электрически изолирован от остальной части кремниевой подложки и элементы ИМС электрически изолированы друг от друга канавками, заполненными оксидом кремния. Это позволяет:

Особенности радиационно стойкого КНИ-биполярного техпроцесса

Из особенностей основных, существующих в настоящее время КНИ-биполярных техпроцессов можно выделить метод формирования КНИ-изоляции: меза- и канавочная структура изоляции. Для КНИ-мезаструктуры скрытые слои формируются в n-подложке с концентрацией примеси, как в эпитаксиальном слое стандартного (не радиационно стойкого) техпроцесса, затем формируются мезаканавки, проводится их окисление и заполнение поликремнием (PolySi). Получившаяся структура «спекается» с подложкой носителем, после чего «лишний» слой n-подложки убирается шлифовкой.

Для КНИ-техпроцесса с канавочной изоляцией используются КНИ-подложки типа Unibond с достаточно толстым 2–5 мкм слоем приборного кремния, в котором формируются n⁺- и р⁺-скрытые слои. Далее выращивается эпитаксиальный слой, формируются диффузионные слои глубоких коллекторов n-p-n- и p-n-p-транзисторов. Формирование канавочной изоляции методом глубокого ПХ-травления обычно проводят после завершения всех необходимых высокотемпературных операций с температурой выше 1 000°С.

Финальная структура n-p-n- и p-n-p-транзисторов КНИ-биполярных техпроцессов представлена на рисунке 1.

В дополнение к отмеченным выше достоинствам КНИ-процесса можно добавить, что для КНИ-биполярного техпроцесса характерны более низкая ёмкость перехода «коллектор – подложка», отсутствие модуляции величины ёмкости этого перехода при изменении напряжения на коллекторе. Кроме того, отсутствует необходимость в дополнительном n-скрытом слое для изоляции вертикального p-n-p-транзистора.

Особенности радиационно стойкого КНИ BCD-техпроцесса

Наличие в библиотеке BCD-процесса вертикальных n-p-n- и p-n-p-биполяр-ных транзисторов наряду с КМОП-, JFET- и ДМОП-транзисторами (см. рис. 2) предполагает использование толстоплёночной КНИ-структуры со скрытыми слоями в приборном слое кремния.

Для КНИ BCD-техпроцесса используются КНИ-подложки типа Unibond с 1,5¼2 мкм слоем приборного кремния, в котором формируются n⁺- и р⁺-скрытые слои. Затем выращивается эпитаксиальный слой, формируются диффузионные слои элементной базы и канавочная изоляция. Толстоплёночная КНИ-технология, используемая для BCD-техпроцесса, обладает отличной совместимостью с конструкцией большинства ИМС, изготовленных ранее по обычной радиационно стойкой BCD-технологии. Помимо этого её отличает простота добавления в техпроцесс возможностей для создания дополнительных элементов (транзисторов, резисторов и т.п.). Наличие скрытых слоёв и контакта с карманом в радиационно стойкой толстоплёночной КНИ-технологии позволяет:

Для КМОП-транзисторов ключевыми особенностями техпроцесса и конструкции, увеличивающими стойкость к ДИ, являются:

Основные характеристики биполярных ИМС для DC/DC-модулей

В специализированных DC/DC-модулях систем вторичного электропитания и другой преобразовательной аппаратуре специального назначения в настоящее время в основном используются такие типы ИМС, как ШИМ-контроллеры, ОУ и компараторы, прецизионные регулируемые стабилитроны. Основные электрические параметры ИМС данных классов, используемых в DC/DC-модулях, приведены в таблице 1.

СКТБ «Микроника» в настоящее время осуществляет разработку как ИМС данных типов, так и DC/DC-модулей на их основе [11], предназначенных для космической и специальной аппаратуры. Для производства ИМС используется КНИ-биполярный техпроцесс со стойкостью к поглощённой дозе гамма-облучения не ниже 100 крад и устойчивостью к воздействию ТЗЧ не ниже 60 МэВ×см²/мг. Стойкость к ДИ достигается как технологическими методами, описанными выше, так и посредством специализированных схемотехнических решений в блоках ИМС.

Основные характеристики BCD-микросхем конечных DC/DC-преобразователей

В последнее время наблюдается рост предложений продуктов для распределённых систем питания, которые в ряде применений обладают преимуществами перед централизованными системами питания:

Наряду с компаниями Texas Instruments и Linear Technology разработкой ИМС данного класса для космической электроники, основные электрические параметры которых приведены в таблице 2, занимается СКТБ «Микроника» [12]. Использование спе-циального КНИ BCD-техпроцесса по-зволяет получать стойкость к поглощённой дозе гамма-облучения не ниже 100 крад и устойчивость к воздействию ТЗЧ не ниже 60 МэВ×см²/мг.

Заключение

Полная диэлектрическая изоляция каждого отдельного элемента (транзистора, резистора, конденсатора и пр.) в КНИ-технологиях позволяет полностью исключить эффект защёлки и токи утечки в подложку, уменьшить паразитные ёмкости и, таким образом, делает данные технологии наиболее пригодными для использования в производстве ИМС космической электроники. Хотя элементы в КНИ-технологиях существенно меньше по объёму в сравнении с традиционными технологиями, они могут быть чувствительны к воздействию одиночных ионизирующих частиц, что определяется главным образом паразитными электрическими структурами. Для уменьшения влияния этого фактора используются как технологические (специальные методы формирования подзатворного диэлектрика), так и конструктивные (охранные кольца, скрытые слои, H-затвор) методы.

Литература

1. Lacoe R. CMOS scaling, design principles and hardening-by-design methodologies. 2003 IEEE NSREC. Short Course. Radiation effects in advanced commercial technologies: How design scaling has affected the selection of space borne electronics. July 2003. Monterey, California.
2. Oldham T. R. How device scaling affects single event effects sensitivity. 2003 IEEE NSREC. Short Course. Radiation effects in advanced commercial technologies: how design scaling has affected the selection of space borne electronics, July 2003. Monterey, California.
3. Каталог компании International Rectifier: www.irf.com/product-info/datasheets/hirel/ml1000605d.pdf
4. Silicon On Insulator, Application Note 1107, Intersil Corp.: www.soiconsortium.org/pdf/SOI_Implementation_WhitePaper_Infotech_v2.pdf
5. PR40 Process: 40V Complementary Bipolar Plus JFET (CBiFET) Process, Intersil Corp.: www.intersil.com/en/products/pr40-adv-complementary-bipolar-process.html
6. Sharma A., Teverovsky A. Reliability Evaluation of Fully Depleted SOI (FDSOI) Technology for Space Applications: nepp.nasa.gov/docuploads/f8b88988-9a2d-462b-986eb801f50978a9/eval_fdsoiparti_neppfinalreport.pdf
7. Musseau O. SEU in SOI SRAMs-a static model / O. Musseau, J.L. Leray, V. Ferlet-Cavrois, Y.M. Coic, B. Giffard – IEEE Transactions on Nuclear Science, 1994, Vol. 41, Issue 3, p. 607–612.
8. Токарев В.В., Тютюнников С.И. Отчёт по результатам испытаний МОП-транзисторов на воздействие нуклонов. – ОИЯИ, лаборатория ФВЭ, г. Дубна, март 2013.
9. Токарев В.В., Тютюнников С.И. Отчёт по результатам предварительных испытаний полевых транзисторов на воздействие ТЗЧ на оборудовании ОИЯИ в июне 2014 г. – ОИЯИ, лаборатория ФВЭ, г. Дубна, июнь 2014.
10. Schwank J. Total Dose Effects in MOS Devices // Radiation Effects – From Particles to Payloads. IEEE NSREC Short Course, 2002. P. III-1 – III-123.
11. Котов В., Цевелюк Е., Токарев В. DC/DC-модули мощностью до 15 Вт для 27- и 100-вольтного бортового питания // Силовая электроника. – 2017.
12. Рудаковский Д., Котов В., Битно Л. Распределённая система электропитания на основе AC/DC- и DC/DC-преобразователей компании «Микроника» // Силовая электро-ника. – 2012. – № 6. – C. 8–11.