Структурно-функциональные методы разработки быстродействующих цифровых БИС для специализированной микроэлектронной аппаратуры в условиях серийного производства Приходько, Павел Сергеевич

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Приходько, Павел Сергеевич. Структурно-функциональные методы разработки быстродействующих цифровых БИС для специализированной микроэлектронной аппаратуры в условиях серийного производства : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.27.01.- Москва, 1998.- 48 с.: ил.

Введение к работе

1. Актуальность темы.

Постоянное увеличение функциональной сложности специализированной микроэлектронной аппаратуры порождает широкий класс актуальных проблем, обусловленных задачами повышения надежности, снижения массы и габаритов, энергопотребления и стоимости. Особое значение в специализированной микроэлектронной аппаратуре имеют характеристики температурной стабильности, радиационной стойкости, надежности и помехоустойчивости. Соответственно повышаются требования к основной части элементной базы микроэлектронной аппаратуры - быстродействующим цифровым интегральным микросхемам в отношении их электрических характеристик, номенклатуры, объемов выпуска и стоимости, которые растут значительно быстрее, чем возможности их удовлетворения на современном этапе развития микроэлектронной технологии. Причем возникающие при этом противоречия приходится разрешать в рамках специфической системы понятий «сложность - надежность - масса - энергопотребление - стоимость».

Чтобы правильно оценить затраты и риски конкретных проектов, обусловленные уровнем требований, предъявляемых к конечным изделиям, предприятию необходимо иметь адекватную информационную модель разработки изделия и его технологической реализации. Поэтому для успешной разработки и производства быстродействующих БИС нужна эффективная система проектирования и внедрения изделий в серийное производство, гибко настраиваемая и эффективно управляемая в рамках совокупности технологий, которыми предприятие владеет в данный период времени.

Очевидно, что при построении современной системы разработки цифровых быстродействующих БИС нужна четкая формализация на различных уровнях абстрагирования семейства понятий и определений эффективности как собственно БИС, так и системы разработки и изготовления. В настоящей диссертации различные аспекты проблемы эффективности рассматриваются

в рамках существующего уровня систем создания цифровых БИС для условий серийного производства. Особое внимание уделяется анализу и систематизации накопленного научно-технического опыта практического решения задач проектирования в областях:

выработки технических требований к изделию;

подготовки, организации и планирования разработки БИС;

управления процессом разработки БИС;

формирования и организации интегрированной инфраструктуры разработки и внедрения БИС;

повышения эксплуатационных критериев надежности и стойкости быстродействующих цифровых БИС к внешним воздействующим факторам.

При этом автор получает возможность в полной мере использовать результаты своей многолетней деятельности в качестве разработчика функционально-законченных серий специализированных БИС и организатора работы соответствующих коллективов разработчиков микроэлектронной элементной базы, результаты творческого сотрудничества и выполнения совместных работ со специалистами в области САПР БИС, АСУТП, разработчиками технологий и систем контроля, чтобы с позиций структурно-функционального анализа последовательно рассмотреть и исследовать всю совокупность методов разработки быстродействующих цифровых БИС и их внедрения в серийное производство.

Основные концепции совершенствования систем разработки БИС в части развития проектирования интегральной технологии, а также автоматизированных систем управления показателями качества и надежности на этапах проектирования и производства изделий были сформулированы в известной работе Ю.Н. Дьякова*.

'Дьяков Ю.Н. Электронизация // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. -1987. -Вып. 2 (122). -С. 3 - 13.

Современна» практика развития этих вопросов показывает, что система разработки быстродействующих специализированных БИС, определяемая как совокупность административных, организационных, научных, производственных, информационных, технологических и других подсистем, в свою очередь может рассматриваться как объект, эксплуатация которого обеспечивает получение проектов соответствующих конкретных специализированных микросхем. Причем повышенные требования к устойчивости их работы по отношению к внешним воздействующим факторам (ВВФ) существенным образом ужесточают задачи как глубины анализа и понимания процессов функционирования микросхем, так и качества соответствующих проектных решений.

Таким образом, тема настоящей диссертации, посвященная созданию системы структурно-функциональных методов разработки цифровых быстродействующих специализированных микросхем и реализации на их основе цикла проектирования, изготовления и внедрения функционально законченных серий цифровых БИС для специализированной микроэлектронной аппаратуры, является актуальной.

Диссертационная работа выполнена на основе НИР и ОКР в рамках отраслевых КЦП «Память-2», «Память-3», «Программа-95», межотраслевой «Программы разработки радиационностойких изделий микроэлектроники на основе технологии «Кремний на изоляторе» («Аргамак») и «Российской Государственной программы развития электронной техники».

2. Цель работы и задачи исследований.

Проблемой рассматриваемой работы является создание быстродействующих цифровых БИС для специализированной микроэлектронной аппаратуры при существенном сокращении временных и материальных затрат на стадиях проектирования и внедрения в условиях серийного производства.

Целью диссертации является решение названной проблемы посредством создания системы структурно-функциональных методов разработки быстродействующих цифровых БИС, внедрение которых обеспечивает высокие функционально-параметрические запасы и надежность элементной базы специализированной микроэлектронной аппаратуры и тем самым способствует ускорению научно-технического прогресса в отечественной микроэлектронике.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач в области системного моделирования, структурно-схемотехнического и конструктивно-технологического проектирования, организации разработки и серийного производства БИС.

Основными задачами работы являются:

Системная организация и развитие информационной интеграции методов разработки быстродействующих цифровых БИС.
Создание интегрированной системы информационной поддержки принятия проектных решений и построения развернутой структурно-функциональной модели процесса разработки специализированных БИС.
Развитие последовательной иерархической системы комплекса структурно-функциональных методов разработки и внедрения БИС для специализированной микроэлектронной аппаратуры.
Исследование, разработка и практическая реализация новых технологических методов создания структур кремний на изоляторе (КНИ) на основе имплантационной технологии для быстродействующих цифровых СБИС и УБИС нового поколения с экстремальными эксплуатационными характеристиками.
Комплексное обеспечение надежности и контроля качества в системе структурно-функциональных методов разработки быстродействующих цифровых специализированных БИС.

Основным инструментом исследования в диссертационной работе является структурно-функциональный подход, обеспечивающий методологическое единство построения системы информационной интеграции разработки и внедрения быстродействующих цифровых БИС. При этом для решения проблемы представления системных моделей в рамках понятий международных стандартов управления качеством ISO 9000 используется метод иерархического описания сложных систем IDEF0, являющийся фактически стандартом современных системных исследований. Используя понятие жизненного цикла изделий электронной техники, в настоящей работе рассмотрены и систематизированы известные методы разработки и внедрения сложных изделий ряда авторитетных отечественных ученых: Валиева К.А., Дьякова Ю.Н., Норенкова И.П., Баталова Б.В., Ильина В.М. и др., а также зарубежных специалистов: Деминга У., Мурога С, Ватанебэ М. Кроме того, в диссертационной работе проводится ретроспективный анализ опыта научно-технического поиска, разработок и внедрения микросхем в НИИМЭ и заводе «Микрон», играющего роль основной фактологической базы построения общей модели системы разработки и внедрения БИС.

3. Новые научные результаты.

1. Разработана методология системной интеграции процессов и методов проектирования и изготовления цифровых СБИС, основанная на концепции функциональной взаимосвязи элементов жизненного цикла изделия в соответствии с серией международных стандартов ISO 9000, включая методику оценки технико-экономической эффективности вариантов стратегий разработки специализированных изделий в рыночных условиях и математические модели информационных представлений основных этапов жизненного цикла проектируемых изделий.

Построена развернутая структурно-функциональная модель процесса проектирования специализированных СБИС и интегрального информационного обеспечения, связывающего основные этапы разработки и внедрения микросхем для СМА. Модель расширяет возможности производителя СБИС в управлении этапами жизненного цикла микросхем и позволяет адекватно оценивать затраты и риски конкретных проектов.
Создана иерархическая система структурно-функциональных методов проектирования специализированных электрически программируемых СБИС с матричной структурой, включающая разработку и формирование моделей влияния ВВФ на всех уровнях описания функционирования данного класса ИС, выделение и обоснование доминирующих критериев работоспособности, выявление критических межуровневых связей в ансамбле моделей функционирования БИС, и комплекс конструктивно-технологических, структурно-схемотехнических и аппаратно-алгоритмических методов повышения запасов работоспособности специализированных микросхем.
Построена концепция многовариантной оптимизации функционально-параметрических запасов БИС в пространстве условий эксплуатации и внешних воздействующих факторов на основе квадратичной аппроксимации критериальных функций работоспособности.
Разработан автоматизированный расчетно-экспериментальный метод прогнозирования параметров элементной базы специализированных БИС ПЛУ, основанный на предложенной феноменологической токозависимой модели биполярного планарного транзистора и базовой совокупности экспериментально определяемых опорных параметров.
Показано, что наиболее эффективным методом повышения стойкости быстродействующих биполярных СБИС ПЛУ к внешним воздействующим факторам на элементном уровне является увеличение плотностей токов

в транзисторах до значений, при которых начинается спад коэффициента усиления обратно пропорционально квадрату тока эмиттера.

Разработан метод достехиометрического ионного синтеза скрытых диэлектрических слоев тройной химической фазы в кремний на основе многостадийной имплантации ионов азота и кислорода в кремний (SMON-метод). Проведена оптимизация технологии формирования приборных КНИ-структур на основе кремний - оксинитрид кремния методом многостадийной ионной имплантации с последующими отжигами. Исследованы характеристики разработанной элементной базы КМОП СБИС на созданных КНИ-структурах.
Предложен комплекс законченных структурно-функциональных решений, обеспечивающих повышение степени интеграции, надежности и коэффициента программируемости широкой номенклатуры специализированных БИС ПЗУ, ПИЗУ, ЭПЛМ, ЭПМЛ и БМК при снижении мощности потребления и увеличении быстродействия.

4. Практическая значимость новых научных результатов.

Предложенные в диссертационной работе структурно-функциональные методы разработки быстродействующих цифровых БИС положены в основу «сквозной» системы проектирования и освоения специализированных изделий в условиях серийного производства, включая подсистему автоматизированной разработки элементов (АРЭ), организованную иа базе созданной интегральной информационной технологии.
Развитая автором система методов проектирования позволила разработать и внедрить в промышленное производство ряд функционально-законченных серий (Р1656, 1656, М556, Н556, 556, 1622, 1556) специализированных электрически программируемых БИС с матричной организацией и БМК с техническими параметрами на уровне лучших мировых достижений

в части обеспечения достаточных функционально-параметрических запасов работоспособности с учетом влияния внешних воздействующих факторов.

Использование предложенных методов повышения эксплуатационных характеристик позволило в 3 - 4 раза снизить рассеиваемую мощность, достичь значения гарантированного коэффициента программируемости БИС ШІУ не менее 0,7 и обеспечить функционирование разработанных изделий в широком температурном диапазоне от -60 до +125 С при 15 %-ных конструктивно-технологических запасах.
Разработаны основы технологии и реализован замкнутый технологический маршрут изготовления СБИС на структурах кремний на изоляторе, основанный на использовании многократной имплантации в кремний ионов азота и кислорода. Доказана высокая эффективность предложенного в работе метода многостадийного ионного синтеза для создания высококачественных КНИ-структур. Результаты электрических измерений транзисторов и микросхем на КНИ-структурах подтвердили преимущества КНИ элементной базы и перспективность КНИ-технологии для построения СБИС с предельными характеристиками.
Достоверность новых научных результатов.

Достоверность новых научных результатов подтверждается: 1. Получением проектных данных БИС методами моделирования на рабочих станциях с использованием систем моделирования электронных схем типа CADENCE, P-Spice и отечественных систем САПР с открытой архитектурой, а также применением персональных вычислительных средств АРМ разработчика при подготовке базы исходных данных для многопараметрического моделирования изделий.

Соответствием рассчитанных теоретических результатов на основе предложенных моделей данным натурных экспериментов с точностью до 15-20%.
Большим объемом статистически значимых результатов, полученных с использованием АИС типа «Вахта», «Элекон-СФ», измерительной системы на базе программируемого тестера Т-4503 и электронного сканирующего микроскопа типа «Stereoscan». Для получения экспериментальных данных измерялись тестовые кристаллы и промышленные образцы разработанных БИСПЛУиБМК.
Совпадением полученных научных результатов с общепризнанными положениями о влиянии ВВФ на физические свойства полупроводников, применением основ теории транзисторов и транзисторных схем, использованием методов математической статистики при планировании экспериментов и обработке результатов исследований.
Практическими результатами разработки БИС ПЛУ серий 556, М556, 1656, 1622, 1556 и их выпуском в серийном производстве на заводе «Микрон» и на предприятиях отрасли.

Ее также подтверждает и соответствующая научно-техническая экспертиза многочисленных заявок на изобретения. Достоверность представлений автора о природе циклического ионного синтеза подтверждается результатами экспериментальных исследований и измерениями тестовых КНИ-структур.

6. Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы в НИР и ОКР, направленных на разработку и изготовление серий электрически программируемых специализированных цифровых СБИС с матричной структурой и БМК. Суммарный экономический эффект от использования разработанных

автором методов в серийном производстве «АООТ НИИМЭ и завод «Микрон» и применения изготовленных БИС в аппаратуре у потребителя составляет более 1200 тыс. руб. (в ценах 1998 г.).

7. На защиту выносятся следующие основные научные положення:

Методологической основой организации информационных технологий проектирования специализированных БИС в условиях серийного производства является формализация предметной области задач проектирования на базе методов многокритериальной оптимизации ресурсов запасов работоспособности, нормированных по условиям предпочтений заказчика и производителя.
Базовыми элементами системной методологии проектирования специализированных цифровых СБИС на принципах структурно-функционального подхода являются:

декомпозиция проекта на функциональные объекты структурного, схемотехнического и элементного уровней системного описания;

выделение доминирующих критериев работоспособности объектов, определяющих межуровневые связи в системе иерархического моделирования;

определение ограничений на параметры моделей поведения объектов в специализированной микроэлектронной аппаратуре соответственно критериям работоспособности на выделенных уровнях иерархии СБИС;

многопараметрическая оптимизация структурных решений для реализации критериальных ограничений на параметры объектов системного описания проектируемых СБИС.

3. Комплекс конструктивно-технологических, структурно-схемотехни
ческих и аппаратно-алгоритмических методов повышения функционально-
параметрических запасов работоспособности и надежности быстродейст
вующих цифровых БИС, основанный на:

функциональной интеграции элементов матрицы (а.с. № 1318090), оптимизации токовых режимов работы транзисторов, объектно-направленной модернизации технологии (а.с. № 1506481) и структурно-параметрической оптимизации конструктивно-технологического базиса (патент №2072590);

применении оригинальных схемотехнических решений основных узлов БИС, включая нелинейное шунтирование токозадающих резисторов активными элементами, коммутацию выходного сопротивления адресных формирователей (а.с. № 593250), программирование режимов работы источников тока и напряжения, дублирование фазорасщепительного транзистора инвертора (а.с. № 1734122), вариацию порога чувствительности выходного усилителя (а.с. № 593250), защиту невыбранных перемычек (а.с. № 586493) и контроль утечек накопителя (а.с. № 1305775);

использовании на структурном уровне БИС программирования фазы выходного сигнала (а.с. № 780033), корректирующих кодов (а.с. № 1332385), внутрикристального и системно-аппаратного импульсного питания (а.с. № 1435044), резервирования (а.с. № 242858), избыточных элементов для функционального контроля (а.с. № 903984), позволивших обеспечить высокий уровень эксплуатационных параметров СБИС в требуемом объеме пространства изменений условий эксплуатации и внешних воздействующих факторов.

Многостадийный ионный синтез оксинитридных изолирующих скрытых слоев тройной химической фазы в кремнии (Si_x, N_y, O_z) является наиболее эффективным методом практической реализации технологии формирования структур кремний на изоляторе для создания нового поколения быстродействующих цифровых микросхем.
Результаты экспериментального исследования параметров элементной базы СБИС на КНИ-структурах, включая интегральные характеристики разработанного базового матричного кристалла со структурой кремний

на изоляторе, подтверждают перспективность широкого применения КНИ-технологии для производства субмикронных СБИС и УБИС для следующего поколения специализированной микроэлектронной аппаратуры.

8. Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на III, IV и V Координационных совещаниях по проблеме «Исследование, разработка и применение интегральных полупроводниковых схем памяти» (г. Москва, 1978 г., 1984 г. и 1988 г.); на научно-технических семинарах НТО РЭС им. А.С. Попова «Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем» и «Приборы с отрицательным сопротивлением» (г. Рязань, 1981 г.; г. Москва, 1985 г.); на научно-технической Отраслевой конференции (г. Воронеж, 1984 г.); на семинаре «Обеспечение радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры» (г. Севастополь, 1985 г.); на Всесоюзной научной конференции «Достояние и перспективы развития микроэлектронной техники» (г. Минск, 1985 г.); на совещании-семинаре под руководством академика К.А. Валиева Секции элементной базы Совета по автоматизации научных исследований при президиуме АН СССР (г. Москва, 1987 г.); на VII Международной конференции по микроэлектронике «MICROELECTRONICS'90» (г. Минск, 1990 г.); на IV школе-семинаре «Опыт разработки, производства и применение БИС БМК и ПЛИС» (г. Гурзуф, 1991 г.); на научно-практической конференции «Конверсия в электронике и микроэлектронике» (г. Гурзуф, 1993 г.); на Российской конференции с участием зарубежных ученых «MICROELECTRONICS'94» (г. Звенигород, 1994 г.); на международных научно-технических симпозиумах «6^th and 7^th Annual European Lam Technical Symposium» (Германия, г. Мюнхен, 1993 - 1995 гг.); на Международной практической конференции высшей школы «Методы проектирования СБИС» (Landelijke, PICO - dag) (Голландия, г. Эндховен, 1994 г.); на Международ-

ной конференции «SOI International Conference» (США, г. Тасон, 1995 г.); на I, II и III Всероссийских семинарах-совещаниях по технологии «Кремний на изоляторе» (КНИ) (г. Зеленоград, 1996, 1997, 1998 гг.); на IX научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-97) (г. Гурзуф, 1997 г.); на третьей Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (г. Москва, 1997 г.); на 26 Международном салоне «Наука, технология и изобретения» (Швейцария, г. Женева, 1998 г.).

Отдельные результаты работы представлялись на конкурсы НТО РЭС им. А.С. Попова, на ВДНХ СССР, на международные выставки (Китай, г. Пекин, 1994 г.; Венгрия, г. Будапешт, 1997 г.). Изделия были отмечены дипломами НТО РЭС им. Попова (1985, 1988 гг.); медалями ВДНХ СССР, Бронзовой медалью Международного салона изобретений (Испания, г. Барселона, 1998 г.).

9. Публикация результатов работы.

Основные результаты работы изложены в 26 статьях, 12 тезисах докладов на международных, всесоюзных и республиканских конференциях, в 17 авторских свидетельствах и патентах на изобретения, 3 стандартах предприятия и 14 научно-технических отчетах по НИР и ОКР, в которых автор являлся научным руководителем или главным конструктором разработки.

10. Структура и объем работы.