Eigenschaften der HF-Schaltungen - All

Potential einer kostengünstigen 90 nm-CMOS-Plattform hoher Leistung
für HF-Anwendungen
Nachweis der Eigenschaften an zwei HF-Schaltungen
Als Basis für eine kostengünstige HF-CMOS-Plattform dient die in elektronik
industrie Heft ½-2006 beschriebene 90 nm-CMOS-Technologie, auf die
zusätzliche Lagen aufgebracht werden, um Induktivitäten hoher Güte und
verlustarme Verbindungen zu integrieren. Damit weist diese Plattform
verbesserte analoge und HF-Leistungsmerkmale für aktive und passive
Komponenten auf.
In diesem Beitrag werden die HF-Eigenschaften der 90 nm HF-CMOSPlattform in Verbindung mit Induktivitäten hoher Güte auf dem IC betrachtet
und durch zwei rauscharme LNAs für 5,5 und 24 GHz nachgewiesen.
Eigenschaften der HF-Schaltungen
Die schlagenden Vorteile der „Above-IC“-Technologie (Bilder 1 und 2) sind
durch die erfolgreiche Realisierung von zwei HF-Schaltungen nachgewiesen
worden: Ein rauscharmer Verstärker LNA (Low Noise Amplifier) für 5,5 GHz
mit ESD (Electrostatic Discharge)-Schutz und ein 24 GHz-LNA mit
nachträglich aufgebrachten Induktivitäten.
5,5 GHz-LNA mit ESD-Schutz
Die Ausstattung moderner HF-CMOS-Schaltungen mit ESD-Schutz hat sich zu
einer anspruchsvollen Aufgabenstellung entwickelt: Bei Betriebsfrequenzen
oberhalb 1 GHz verschlechtern sowohl herkömmliche ESD-Schutzstrategien
(wie der Einsatz kleiner Dioden) als auch neuartige ESD-Ansätze (wie etwa
Resonanzkreise) die HF-Eigenschaften. Darüber hinaus bieten sie nicht das
erforderliche Maß an ESD-Sicherheit. Eine Lösungsmöglichkeit liegt im
Einsatz von Parallel-Induktivitäten, die sich sehr robust gegenüber ESD
verhalten. Wenn sie allerdings in gegenwärtig aktuellen CMOS-Prozessen
implementiert werden, ist ihr Serienwiderstand zu hoch, um den
Spannungsabfall über der Induktivität abzubauen. Dies kann zu einer
gefährlichen Spannungsüberhöhung am extrem dünnen Gate-Oxyd führen.
Eine attraktive und kostengünstige Lösung kann nun darin bestehen, die
Induktivität mit Dünnfilm-WLP-Techniken aufzubauen. Deren
Serienwiderstand ist sehr gering, so daß sich diese „Above-IC“-Induktivitäten
sehr gut zum ESD-Schutz eignen.
Um die ESD- und HF-Eigenschaften dieser nachträglich auf dem Chip
integrierten Induktivitäten zu bestimmen, ist ein voll integrierter LNA für 5,5
GHz als Funktionsmuster ausgeführt worden. Die Induktivität liegt als „Plug
and Play“-ESD-Schutz am HF-Eingang des LNA, der in 90 nm HF-CMOSTechnologie implementiert ist.
Derart geschützt widersteht der LNA an seinem Eingang einer ESD-Belastung
von über 8 kV gemäß dem HBM (Human Body Model). Darüber hinaus
verbessert die hohe Güte der Induktivitäten für Anpaßnetzwerk und
Lastankopplung ganz entscheidend die HF-Eigenschaften der Schaltung:
Leistungsverstärkung von 16 dB und ein Rauschmaß von lediglich 2,5 dB bei
einem extrem niedrigen Leistungsbedarf von nur 2,4 mW. Diese
Leistungskennwerte wurden mit einem identischen LNA verglichen, dessen
Induktivitäten aber als BEOL-Metallschichten realisiert wurden. Dieser Aufbau
war in gleichem Maße robust gegen ESD-Belastung, aber die Vorteile der
„Above-IC“-Induktivitäten zeigten sich deutlich in einer Verbesserung des
Verstärkungsfaktors, Verringerung des Rauschfaktors und wesentlich kleinerer
Leistungsaufnahme.
Wenn die Verkleinerung der Strukturen anhält und die Durchbruchspannung
des Gate-Oxyds weiter sinkt, dann kann es notwendig werden, zusätzlich
kleine Klemmdioden zum ESD-Schutz einzuführen. Diese Dioden können die
Spannung, die sich am Gate-Oxyd als Folge einer ESD-Belastung aufgebaut
hat, auf einen MIM-Kondensator umleiten. Dieser verträgt eine wesentlich
höhere Spannungsbelastung als das dünne Gate-Oxyd. Experimente haben
gezeigt, daß sich die Klemmdioden zusätzlich zu den auf dem IC liegenden
Induktivitäten realisieren lassen, wodurch sich die HF-Eigenschaften nur
geringfügig verschlechtern.
24 GHz-LNA mit „Above-IC“-Induktivitäten hoher Güte
In dem Maße, in dem die Betriebsfrequenzen der HF-Schaltungen steigen,
sollte das Potential der 90 nm HF-CMOS-Technologie für höhere
Frequenzbereiche untersucht werden. Unter Umständen wird ein Übergang zu
Millimeterwellen notwendig, um die Nachfrage nach den immer weiter
steigenden Datenraten in der Kommunikation zu befriedigen. In einem ersten
Schritt ist das HF-Potential der Technologie im oberen K-Band ausgelotet
worden.
Dazu dient ein 24-GHz-LNA als einstufiger Verstärker in SourceBasisschaltung (Bild 4). Zur Stabilisierung ist die Source induktiv beschaltet;
damit kann auch ein Kompromiß zwischen Rauschverhalten und
Eingangsanpassung gefunden werden. Die Koppelkondensatoren an Ein- und
Ausgang sind auf dem Chip als BEOL-MIM-Kapazitäten ausgeführt, während
„Above-IC“-Induktivitäten und BEOL-MIM-Kondensatoren für die
Impedanzanpassung an Ein- und Ausgang sorgen.
Die Meßwerte, die dieser Verstärker bei einer Versorgungsspannung von 1
Volt liefert, ließen ihn im Vergleich mit modernen Lösungen in CMOSTechnologie bei 24 GHz in gutem Licht erscheinen: Ein Rauschmaß von 3,2
dB und eine Verstärkung von 7,5 dB konnten bei einem niedrigen
Leistungsbedarf von 10,6 mW erreicht werden (Bilder 3a und b). Diese
Ergebnisse verdeutlichen das Potential der 90 nm CMOS-Technologie, ergänzt
um WLP-Technologie für Induktivitäten hoher Güte auf dem Chip, für einen
Betrieb im höheren Frequenzbereich.
Aussichten für eine Skalierung
Die Beschäftigung von IMEC mit 90 nm HF-CMOS unterstreicht, daß sich
HF-CMOS als Mitbewerber der Technologie der Wahl für die
Massenproduktion (RFID, WLAN...) von Anwendungen im unteren bis
mittleren Frequenzbereich von 0,9 bis 10 GHz entwickelt, mit gleichzeitig
guten Aussichten für höhere Frequenzbereiche. Dieser Schluß wird sehr
wahrscheinlich auch noch für die 65 nm-Technologie gelten. Anders dürfte es
bei 45 nm-Strukturen aussehen: Wegen der Einführung fortschrittlicher
Prozeß-Module und neuer Architekturen könnten sich damit realisierte CMOSBauteile signifikant von 90 nm- und 65 nm-CMOS unterscheiden. Derzeit gibt
es allerdings noch keinen weltweiten Konsens über die Architektur und
Prozeß-Module: Die große Vielfalt an möglichen Architekturen (Bulk, SOI
(Silicon on Insulator) als Verarmungstyp und FinFETs), an Gate-Materialien
(SiON, high-k) und Gate-Elektrodenmaterial (poly, voll siliziertes poly,
Metall-Gate) erfordert umfangreiche Untersuchungen zur Abschätzung ihres
Potentials für HF-Anwendungen.
Vor kurzem hat sich der Multigate-MOSFET, insbesondere der FinFET, als
eine der vielversprechendsten technologischen Lösungen zur Erfüllung der
ITRS-Anforderungen an weitere Skalierung herausgestellt. In einem FinFETBauteil besteht der Kanal aus einer sehr dünnen Silizium-Finne, welche die
Kontaktbereiche von Source und Drain verbindet. Dabei entscheidet die
Finnen-Geomterie (Höhe, Abstand und Breite) mit über den Steuerstrom, den
Serienwiderstand und analoge Leistungsmerkmale. Für HF-Schaltungen wird
das niederfrequente Rauschen als zusätzlicher Parameter in die Gestaltung der
optimalen Finnen-Geometrie eingehen.
Wie allgemein für Full-Depleted-Technologien, gelten auch hier eine
verbesserte Steuerung der Kurzkanal-Effekte und hohe immanente
Verstärkung. Wegen der unterschiedlichen Architekturen und der grundsätzlich
anderen Gleichungssysteme für die Beschreibung des Stromtransports sind
aber noch viele Anstrengungen zur Entwicklung skalierbarer und kompakter
Modelle für aktive Bauteile auf der Basis von FinFETs und Varaktoren nötig.
Schlußfolgerungen
Diese Untersuchung hat die Leistungsfähigkeit der 90 nm HF-CMOSTechnologie für Anwendungen im niedrigen, mittleren und sogar höheren
Frequenzbereich demonstriert. Besondere Beachtung galt dabei der Güte
integrierter passiver Komponenten. Zwei Versuchsschaltungen wiesen nach,
daß die 90 nm CMOS-Technologie in Verbindung mit der „Above-IC“Integration von Dünnfilm-Induktivitäten kostengünstige HF-Schaltungen mit
ausgezeichneten Kenndaten liefert: Eine auf dem IC aufgebrachte Induktivität
diente als „Plug and Play“-Lösung für den ESD-Schutz des HF-Eingangs eines
5,5 GHz-LNAund ein LNA für 24 GHz wurde entwickelt und experimentell
verifiziert.
Als entscheidende Einflußgrößen einer weiteren Skalierung gelten neue
Architekturen und Prozeß-Module. Über welches Potential künftige 45 nm-
Bauteile in analogen und HF-Anwendungen verfügen, muß in eingehenden
Untersuchungen geklärt werden.
Autoren : M. van Bavel, O. Dupuis, A. Mercha, G. Carchon und D. Linten,
IMEC, Belgien
Bildunterschriften
Bild 1: Prinzip der kombinierten BEOL- und WLP-Verbindungsstrukturen.
Bild 2: FIB (Focused Ion Beam)-Querschnitt von fünf Metallisierungslagen in
BEOL und „Above-IC“-Verbindungen.
Bild 3a : Meßwerte für ein LNA mit „Above-IC“-Induktivität zum ESDSchutz, Leistungsverstärkung.
Bild 3b : Meßwerte für ein LNA mit „Above-IC“-Induktivität zum ESDSchutz, Rauschmaß.
Bild 4: Chip-Foto des 24-GHz-LNA.