Введение к работе
Актуальность. Цифровые микросхемы на арсениде галлия обладают высокими быстродействием и энергетической эффективностью. Они реализуются на полевых транзисторах с затвором Шотки. Сочетание быстродействия с высокой радиационной стойкостью делает их наиболее предпочтительными для авиационной и космической электроники, а также средств цифровой связи. К 1990 г. микросхемы на арсениде галлия догнали кремниевые по степени интеграции и опередили их по освоению элементов с минимальными размерами.
Вопреки ожиданиям, быстрое развитие технологии не сопровождалось столь же быстрым внедрением новых изделий в аппаратуру. Схемы, предназначенные для высоконадежной аппаратуры, не могли реально в ней использоваться из-за своих низких эксплуатационных показателей: надежности, помехоустойчивости, стойкости к перегрузкам и др. Основное применение микросхемы нашли в контрольно-измерительной технике и стационарной аппаратуре связи.
Определим основные факторы, которые привели к ухудшению эксплуатационных характеристик арсенид-галлиевых ИМС по сравнению с кремниевыми аналогами:
Во-первых, это несовершенство технологии на начальном этапе освоения производства. В данной работе технологические вопросы не рассматриваются.
Во-вторых, быстродействие ИМС достигнуто не только за счет высокой подвижности электронов, но и путем использования минимальных размеров элементов и сильнолегированных активных полупроводниковых слоев. Уменьшение размеров и низкие пробивные напряжения структур в значительной степени ответственны за снижение показателей надежности и стойкости к перегрузкам.
В-третьих, с появлением арсенид-галлиевых ИМС был достигнут предел, за которым повышение быстродействия аппаратуры обеспечивается не быстродействием кристаллов, а совершенствованием конструкции ИМС и условиями их работы в составе устройства. Первые микросхемы на арсениде галлия обладали низкой помехоустойчивостью, а потребители не были готовы к применению столь скоростных изделий.
И последнее, в сознании разработчиков ИМС преобладал подход к проектированию, направленный на достижение рекордного быстродействия. Отсутствовала методология проектирования, ориентированная на оптимальное сочетание функциональных и эксплуатационных показателей.
4 Оптимальное сочетание параметров ИМС и создание конструктив* технологических запасов требуют выполнения двух основных условий:
- возможность достижения компромисса между функциональными
эксплуатационными показателями ИМС;
- наличие методов расчета или прогноза влияния состава, размеров
размещения элементов на конечные потребительские характеристп
изделия. *
Цель работы: комплексное развитие теории и . мето; формообразования и расчета взаимодействия элементов в обеспечен маршрута оптимального проектирования цифровых микросхем на арсени галлия.
Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи:
разработана методика предварительных расчетов основні конструктивных и производственных показателей ИМС;
разработаны методы расчета краевых и размерных эффектов элементах ИМС с микронными размерами;
предложены новые конструктивные элементы, позволяющие увеличі съем кристаллов с пластины и усовершенствовать систему контроля;
разработаны новые эффективные элементы защиты ИМС электростатического разряда и методика расчета системы защиты;
разработана методика моделирования помехоустойчивости ИМС учетом реактивных параметров корпуса и монтажа;
обоснована процедура совместной оптимизации электрической схемы конструкции ИМС для достижения наилучших параметі быстродействия, помехоустойчивости и стойкости к электростатическо разряду;
методы проектирования элементов ИМС проверены при практическ реализации изделий электронной техники.
Научная новизна полученных результатов.
1. Предложены новые конструктивные элементы и функциональные уз ИМС с лучшими техническими характеристиками:
элемент памяти для ППЗУ;
тестовый элемент для электрооптического контроля;
экраны для снижения паразитного управления ПТШ.
источники тока на нормально-закрытых ПТШ;
входные трансляторы и выходные формирователи, повышаюп устойчивость ИМС к импульсным помехам;
элементы защиты ИМС от электростатического разряда с меньн входной и выходной емкостью.
2. Разработана комплексная методика повышения помехоустойчивости
микросхем, включающая этапы:
обоснование требований к сигналам и конструкциям изделия;
новые схемы входных трансляторов и выходных формирователей;
моделирование сигналов с учетом реактивных элементов конструкции;
новая система контроля ИМС;
рекомендации по применению.
3. Процедура разработки элементов защиты ИМС от электростатического
разряда, включающая:
новые электрические схемы элементов защиты;
методику расчета разрядных токов;
критерий отказа ИМС;
алгоритм совместной оптимизации электрической схемы и конструкции
изделия.
4. Экспериментально и теоретически исследованы размерные эффекты в
элементах микросхем. -Предложены новые методики расчетов
электрических параметров полевых транзисторов, полупроводниковых
резисторов, металлизированных проводников.
Новизна предложенных конструктивных элементов и электрических схем подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения. Приоритет научных положений подтверждается их обсуждением на конференциях и семинарах, а также ссылками других авторов на опубликованные результаты.
Практическая значимость результатов работы.
-
Требования к параметрам сигналов, средствам контроля и конструкции корпусов включены в Руководящий материал по применению сверхскоростных микросхем на арсениде галлия и широко используются как разработчиками, так и потребителями ИМС.
-
В распространенных программах для проектирования ИМС "TEMP" и "КВАЗИ" использованы методика расчета параметров корпусов и усовершенствованная модель полевого транзистора.
-
Методы обеспечения помехоустойчивости и стойкости к электростатическому разряду включены в учебные программы ВУЗов МГИЭТ(ТУ) и МИРЭА.
-
Новые конструктивные элементы, электрические схемы периферийных узлов и методы их расчета обеспечили оптимизацию конструкций и параметров ИМС серии К6500 (14 типов), а также разработку новых перспективных изделий на арсениде галлия.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных теоретических результатов и разработанных моделей элементов обусловлена их согласием с известными положениями физики полупроводников и физики полупроводниковых приборов, а также подтверждается экспериментальными исследованиями. Достоверность разработанных методов и методик проектирования конструктивных элементов ИМС подтверждается результатами ^экспериментов над образцами изделий и тестовыми структурами. Достоверность новых конструктивных решений подтверждена при проведении экспертизы заявок на изобретения. Возможность применения методических рекомендаций подтверждена их успешным использованием разработчиками и потребителями изделий электронной техники.
Внедрение результатов работы.
Результаты диссертации использованы в НИР и ОКР, выполнявшихся по важнейшей тематике и комплексным целевым программам МЭП СССР и Академии Наук РФ, направленным на создание и совершенствование отечественных микросхем на арсениде галлия. Разработанные методы конструктивного проектирования внедре-ны при разработке новых ИМС серии К6500, а также в НИР по созданию БИС ОЗУ и микропроцессорных БИС в АООТ НИИМЭ и "Микрон". Результаты работ использованы в ИРЭ РАН при разработке ИМС по теме "Навигатор-СВЧ", в АОЗТ "Светлана-микроэлектроника" в НИР "Пакет" и "Призыв", в АОЗТ "Планета-Аргал" при модернизации серийных изделий.
Методы конструктивного проектирования внедрены в учебные программы ВУЗов МГИЭТ (ТУ) и МИРЭА (ТУ).
Модели элементов и методики расчета внедрены в системы автоматизированного проектирования "КВАЗИ" и "ТЕМП".
Подтвержденный Актами о внедрении экономический эффект составляет 50 млн. рублей в ценах 1993 года.
На защиту выносятся:
-
Методика моделирования полевого транзистора, учитывающая зависимости порогового напряжения от размеров прибора и краевой емкости затвора от режима работы ПТШ.
-
Механизм и методика моделирования явления синхронных сбоев в цифровых ИМС.
-
Механизм, критерий отказов и методика расчета критических режимов при электростатическом разряде через выводы ИМС.
-
Комплекс требований к параметрам сигналов, конструкции корпусов и к системе контроля ИМС.
-
Новые конструктивные элементы и электрические схемы блоков, расширяющие функциональные возможности и улучшающие технические и эксплуатационные характеристики микросхем.
-
Внедрение новых методов расчета элементов цифровых ИМС в маршрут проектирования изделий электронной техники на ряде предприятий электронной промышленности России.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях:
-
Координационное совещание по проблемам памяти, Москва, МИЭТ, октябрь 1986 г.
-
Отраслевая научно-техническая конференция "Проблемы развития полупроводниковых ИМС на основе арсенида галлия", Москва, декабрь 1988 г.
-
Всесоюзный симпозиум "Проблемы радиоизмерительной техники", г. Горький, октябрь 1989 г.
-
Научно-техническая конференция "Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем", Севастополь, сентябрь, 1990 г.
-
Координационное совещание по элементной базе измерительной техники, София, ЦИИТ, октябрь 1990 г.
-
Европейская конференция по проблемам измерительной техники. Роттердам, 1990 г.
-
Всесоюзная научно-техническая школа "Устройства и системы хранения информации", Алушта, октябрь 1991 г.
-
Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94", Звенигород, ноябрь 1994 г.
-
Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-95", Звенигород, декабрь 1995 г.
Публикации.
Результаты диссертации опубликованы в 36 печатных работах, среди которых аналитические обзоры, учебное пособие, 5 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения, статьи в научных журналах и сборниках организаций, в которых ВАК рекомендовано опубликовать работы, включенные в докторские диссертации. Результаты работы включены в 10 научно-технических отчетов по хоздоговорным и госбюджетным темам.
