抗輻照加固BICMOS結(jié)構(gòu)電路的版圖簡化設(shè)計(jì)

代雪峰，唐 寧，王 淪

(1.東北大學(xué)理學(xué)院物理系，沈陽 110004;2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

隨著核技術(shù)和空間技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的電子元器件需要工作在空間電離輻射的環(huán)境中，其中廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)與附屬設(shè)備或中央處理器之間進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換的通信接口類芯片得到更多關(guān)注。因此，在空間輻照環(huán)境下，通信接口類電路的電參數(shù)變化以及壽命等抗輻照加固特性［1－3］已經(jīng)成為設(shè)計(jì)工程師首要關(guān)心的問題。

目前，國內(nèi)航天工程中能夠采用的通信接口電路以國外MAX公司基于RS232、RS422/RS485等通訊協(xié)議的系列工業(yè)級產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)，通過對芯片電路抗輻照加固設(shè)計(jì)后進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用。然而，這類芯片產(chǎn)品大多采用BICMOS電路結(jié)構(gòu)，依據(jù)電參數(shù)范圍不同，內(nèi)部包含器件種類繁多，如高壓MOS管、常壓MOS管、NPN型雙極管等，考慮到不同類型器件的輻照損傷機(jī)理不同，BICMOS結(jié)構(gòu)電路在進(jìn)行抗輻照加固處理時(shí)不僅增加設(shè)計(jì)難度，而且工藝復(fù)雜。這里以通信接口類芯片內(nèi)部常用的振蕩器單元為例，利用3μm抗輻照MOS工藝設(shè)計(jì)規(guī)則，對片上不同種類的器件單元進(jìn)行同一規(guī)則的版圖設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一種新的BICMOS結(jié)構(gòu)電路的抗輻照加固技術(shù)。

2 振蕩器單元電路

圖1為基于RS232協(xié)議的通信接口類芯片內(nèi)部采用的振蕩器電路。電路上電后，左邊支路組成電源和地之間的直流通路產(chǎn)生振蕩器單元的偏置電流，通過電流鏡像，可以對C2電容進(jìn)行充放電，依據(jù)C2電容充放電時(shí)間，決定C2電容上極板電位的上升下降時(shí)間，通過五級環(huán)路保證負(fù)反饋系統(tǒng)充足的180度相移實(shí)現(xiàn)振蕩。在通信接口類芯片中，振蕩器單元為電荷泵單元提供時(shí)鐘，通過周期性能量傳遞提供所需供電信號，為實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，存儲在電荷泵中的供電信號驅(qū)動能力充足時(shí)，可以停止振蕩器工作，降低電荷泵內(nèi)部開關(guān)頻率，故附屬振蕩器單元會設(shè)計(jì)一個(gè)供電信號監(jiān)測電路，控制振蕩器單元的CTRL端。

圖1 振蕩器單元電路圖

3 監(jiān)測電路

圖2所示，在雙極型二級管帶隙基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過電阻串分壓方式，對供電電壓進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)供電電壓超出設(shè)定值時(shí)，在電阻串上產(chǎn)生的電流破壞基準(zhǔn)源工作狀態(tài)，輸出端產(chǎn)生高電平，控制振蕩器對C2電容進(jìn)行泄流放電，使其停止工作。當(dāng)供電電壓低于設(shè)定值時(shí)，監(jiān)測單元消除對振蕩器的控制，振蕩器開始工作。

圖2 供電信號監(jiān)測電路圖

4 雙極器件的版圖設(shè)計(jì)

目前，BICMOS工藝都是在標(biāo)準(zhǔn)MOS或標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝基礎(chǔ)上增加掩膜步驟，工藝復(fù)雜，大多數(shù)工藝至少需要15塊掩膜版，更特殊的情況下，使用的掩膜版高達(dá)30塊，故該工藝加工出的芯片產(chǎn)品，增加生產(chǎn)成本，延長制造時(shí)間。另外，從抗核加固設(shè)計(jì)技術(shù)上，MOS器件和雙極器件輻照損傷機(jī)制不同，增強(qiáng)了BICMOS結(jié)構(gòu)電路進(jìn)行抗輻照加固設(shè)計(jì)的難度。因此，為簡化上述問題帶給BICMOS結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，降低集成電路設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，最終依照抗輻照加固MOS工藝的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行雙極器件的版圖設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

基于抗輻照MOS工藝設(shè)計(jì)規(guī)則，重新定義MOS器件的四個(gè)端子，MOS器件的源極和漏極對應(yīng)橫向NPN型雙極器件的發(fā)射極和集電極;MOS器件的背柵對應(yīng)橫向NPN型雙極器件的基極;MOS器件的柵極在橫向NPN型雙極器件中發(fā)揮不同的作用，依據(jù)MOS器件的工作原理，通過對柵極上施加不同的偏置電壓，在多晶硅－氧化物－半導(dǎo)體方向上形成電場，引起MOS器件溝道區(qū)反型，實(shí)現(xiàn)MOS器件的工作態(tài)。而依據(jù)雙極器件的工作原理，通過對多晶硅柵極施加固定偏置電壓，在多晶硅－氧化物－半導(dǎo)體方向上不建立電場，無法形成溝道區(qū)。在半導(dǎo)體表面橫向上，利用多晶硅柵極寬度設(shè)定發(fā)射區(qū)和集電區(qū)橫向間距，再加上單元表面橫向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)橫向NPN型雙極器件的工藝參數(shù)。

圖3 雙極器件版圖結(jié)構(gòu)

5 仿真結(jié)果

通過圖4仿真結(jié)果得出，VPLUS供電信號監(jiān)測點(diǎn)設(shè)定為5.64V，該值決定了振蕩器是否停止工作。振蕩器輸出時(shí)鐘頻率也由供電信號上升過程中的固定值受到了調(diào)頻。

圖4 帶監(jiān)測電路的振蕩器單元仿真結(jié)果

6 結(jié) 束 語

這種新的BICMOS結(jié)構(gòu)電路的抗輻照設(shè)計(jì)技術(shù)，可以基于抗輻照MOS工藝的設(shè)計(jì)規(guī)則，對片上雙極器件進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，大大減少了掩膜版層數(shù)，降低了BICMOS結(jié)構(gòu)電路進(jìn)行抗輻照加固設(shè)計(jì)的加工成本和風(fēng)險(xiǎn)。最終得出仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］劉忠立，譯.先進(jìn)半導(dǎo)體材料及器件的輻射效應(yīng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［2］Schwank J.R，Shaneyfelt M.R，F(xiàn)leetwood D.M，et al.Radiation Effects in MOS Oxides［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2008，55(4):1833 －1853.

［3］Lacoe R.C，Osborn J.V，Koga R，et al.Application of Hardness－By－Design Methodology to Radiation－Tolerant ASIC Technologies［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2000，47(6):2334 －2341.