Введение к работе
В диссертационной работе исследованы вопросы создания и применения встраиваемых измерительных систем никосекундного разрешения на кристалле для оценки временных параметров нанометровых цифровых элементов интегральных схем (ЦЭИС).
Актуальность проблемы. Измерение времени задержки в ЦЭИС является исключительно важным этапом при создании систем на кристалле (СнК) ультрабольшой степени интеграции (УБИС) с использованием нанометрового технологического процесса. Время задержки по фронту t, и спаду t, сигнала определяется при различных схемах включения элементов, температурных режимах схемы, режимах питания и комбинациях входных и выходных сигналов при tr*tf. Сложность задачи состоит в определении времени задержки распространения сигнала в единичном элементе цифровой интегральной схемы (ЦИС) с пикосекундным разрешением. Время задержки может составлять 60...200 пикосекунд и менее в ЦИЭС, изготовленных по папометровым технологическим процессам. От точности измерения времени задержки зависит качество создаваемых цифровых библиотечных элементов, что в свою очередь влияет на достоверность результатов статического анализа и динамического моделирования СнК при использовании современных систем автоматизированного проектирования (САПР).
Измерительные системы позволяющие определять время задержки в элементах ЦИС условно разделяют на внешние и внутренние. Внешние измерительные системы характеризуется либо высокой ценой измерительного оборудования, либо низкой точностью измерения временных параметров, что не позволяет решать актуальные проблемы, связанные с переходом на нанометровые технологические процессы. Внутренние системы представляют особенный интерес для отечественной полупроводниковой индустрии и прикладной науки, поскольку на данный момент только они способны решать важные научно-технические задачи с требуемой точностью и при минимальной цене реализации. К сожалению, большое количество разработок, выполненных по данной тематике, являются коммерческой тайной и не публикуются в открытой печати. Они представляют собой ноу-хау крупных зарубежных полупроводниковых компаний, таких как STMicroelectronics, Intel, AMD, Dongbu Hi-Tek, Samsung, Xilinx, а также разработчиков САПР и библиотек Mentor Graphics, Artisan Components, Cadence, Synopsys и др.
Актуальность диссертационной работы. Автором разрабатывается и предлагается к использованию новый класс измерительных систем на кристалле, определенных как встраиваемые время-цифровые преобразователи (ВВЦП). Данные схемы моїут осуществлять как функциональный, так и параметрический контроль элементов ИС. Важной особенностью предлагаемых схем является их уникальная возможность
определять величину задержки в одном элементе ИС с пикосекундным разрешением. Высокая точность измерения позволит обеспечить качественную подготовку к запуску очередной серии микросхем на основе базовых матричных кристаллов (БМК), произвести отладку гехнологаческого маршрута фабрики. Измерительные схемы, собранные с использованием ВВЦП, позволяют уточнить величину многих вторичных параметров определяющих работу аналогово-цифровых схем. Это позволяет обеспечить высокую степень предсказуемости параметров изготовленной микросхемы с заранее определенными характеристиками, что существенно экономит средства на этапе разработки и запуска в серию изделия. Встраиваемые системы контроля и диагностики ИС (ВСКиДИС) характеризует низкая цена измерительного оборудования. Такие схемы могут быть реализованы на кристаллах ИС и в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) с использованием стандартных библиотечных элементов. Важным преимуществом реализации такого рода схем является достижение технологической независимости разрабатываемого устройства от технологического процесса, используемого в производстве полупроводниковых приборов. Измерительная система, разработанная на базе стандартных библиотечных элементов, может быть сравнительно легко воспроизведена при миграции производства на новые технологические нормы и процессы. На базе предлагаемых внутрикристальных (встраиваемых) измерительных систем могут быть созданы новые устройства, такие как сенсоры и датчики различного назначения: напряжения, тока, температуры, ускорения, и др..
В отечественной полупроводниковой индустрии это направление развивают научно-технические центры и конструкторские бюро таких компаний как ОАО «Микрон», группа компаний «Ангстрем», ОАО «Интеграл» (Республика Беларусь). В отечественной науке данное направление активно развивают' в НИУ ИТМО на кафедре вычислительной техники под руководством проф. Шатунова А. Е. и в НИУ МИЭТ.
За рубежом значительных успехов достигли проф. P. Fischer, R. Sohnius, A. Bogliolo, A. Doganis, J. Chen, A. Yakovlev, Sung Woo Chung, K. Skadron, и др..
Цель работы. Целью работы является разработка новых методов и средств измерений на БМК обеспечивающих измерение времени задержки в единичном элементе ЦИС с пикосекундным разрешением. Для достижения цели решались следующие задачи:
-
Обзор и сравнительный анализ существующих методов измерений на кристалле. Определение наиболее перспективных направлений развития.
-
Разработка теоретических основ построения встраиваемых высокоточных измерительных систем, связанных с разработкой новых аппаратио-реализуемых методов внутрикристального измерения временных задержек.
-
Разработка измерительного комплекса аппаратных средств на кристалле, позволяющих производить измерения временных характеристик цифровых элементов ИС на основе разработанных методов.
-
Получение экспериментальных данных и их сравнение с данными моделирования, устанавливающих обоснованность теоретических исследований и их применимость на практике.
-
Разработка архитектуры тестового кристалла, концепции системного решения тестовой платы и создание методики тестирования БМК.
Методы исследования. В данной работе использованы численные методы математического анализа, теории вероятностей, методы математической статистики, цифровой обработки сигналов, теории конечных автоматов, теории измерений.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в обосновании нового научного подхода к вопросу проектирования и реализации встраиваемых измерительных модулей пикосекупдного разрешения на кристалле, глубоком теоретическом обосновании методов с последующей практической реализацией, имеющей важное народнохозяйственное значение в области контроля качества и диагностики ИС, а также при создании качественных моделей элементов ИС для САПР.
Основные научные положении, выносимые на защиту:
-
Метод случайной выборки для измерения времени задержки в элементе ЦИС с использованием фронтов равномерно распределенного на интервале измерения случайного сигнала.
-
Метод реверсивной случайной выборки, обеспечивающий сокращение длины неинформагивных интервалов измерения, за счет использования случайного сигнала на входе тестируемого элемента ЦИС.
-
Метод Гауссозой линзы, обеспечивающий исследование границ информативной области участка измерения и позволяющий уменьшить время тестирования.
-
Метод накопления фазовой ошибки в кольцевых генераторах не использующий генерацию случайной последовательности импульсов.
5. Критерии точности и достоверности результата измерения.
Практическая ценность. Выполненные теоретические и экспериментальные
исследования позволяют строить измерительные системы па кристалле для оценки временных пархметров ЦИЭС с целью создания высокоточных моделей библиотечных элементов БМК для САПР. Разрабоганы и созданы прототипы реальных измерительных систем на кристалле пикосекупдного разрешения. Создана методика калибровки схем. Предложенный метод измерений на кристалле впервые был реализован автором в декабре
2005 года ка базе южнокорейской полупроводпикопой фабрики Dongbu Hi-Tek, что подтверждено пятью публикациями в журналах IEEE и выступлениями на различных конференциях, как в России, так и за рубежом.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: V научно-технической конференции молодых специалистов по радиоэлектронике, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, ОАО «Авангард», 2012 г., XL научной и учебно-методической конференции СП6ТУ НИУ ИТМО, Российская Федерация, г. Санкт-Петербург, 2012 г., VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО); ШЕЕ симпозиуме по разработке и диагностике электронных схем и систем (DDECS-2011, Германия); XL научной и учебно-методической конференции (СПбГУ ИТМО); II Международной конференции «Электроника России: стратегия возрождения» (CivEl -2010), 2-й международной конференции по фотонике (ICP2011, Малазия, 2011 г).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, из них в рецензируемых научных журналах и изданиях - 8 работ.
Гранты. В 2011 г. автором выигран грант правительства Санкт-Петербурга для аспирантов вузов расположенных на территории города по материалам исследования диссертационной работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основной объем диссертации составляет 146 страниц, включая 56 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 106 наименований.
