Исследование и разработка аналого-цифровых КМОП КНИ БМК с расширенными функциональными возможностями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Фролов, Дмитрий Петрович

  • Фролов, Дмитрий Петрович
  • кандидат науккандидат наук
  • 2014, Москва
  • Специальность ВАК РФ05.27.01
  • Количество страниц 141
Фролов, Дмитрий Петрович. Исследование и разработка аналого-цифровых КМОП КНИ БМК с расширенными функциональными возможностями: дис. кандидат наук: 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах. Москва. 2014. 141 с.

Оглавление диссертации кандидат наук Фролов, Дмитрий Петрович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Введение

1.2 Анализ эксплуатационных требований и выбор базовой технологии создания специализированных АЦ БМК

1.3 Анализ архитектур и схемно-конструктивных решений АЦ БМК

1.4 Исследование архитектур реконфигурируемых и программируемых аналоговых матричных структур

1.5 Исследование методов реализации МЭУ на основе АЦ БМК

1.6. Исследование методов топологической "персонализации" АЦ БМК

1.7 Анализ методов межкомпонентного согласования уровней аналоговых сигналов

1.8 Выводы

1.9 Постановка задачи

Глава 2. Архитектурные методы расширения функциональных

возможностей аналого-цифровых БМК

2.1 Метод формирования состава АЦ БМК с блочной архитектурой на основе анализа комплексных функций МЭУ

2.2 Разработка МЭУ на основе АЦ БМК с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов

2.3 Разработка конструктивных методов снижения числа слоев "персонализации" матричных СБИС

2.4 Маршрут построения топологии АЦ БМК с эффективным использованием коммутационного пространства

2.5 Выводы

Глава 3. Исследование и разработка универсальной реконфигурируемой

аналоговой базовой ячейки АЦ БМК

3.1 Алгоритм синтеза универсальной реконфигурируемой аналоговой

ячейки матричных кристаллов

3.2 Разработка реконфигурируемой аналоговой ячейки и метод построения электрически реконфигурируемых матричных СБИС

3.3 Расчет и оценка эффективности использования состава предложенной реконфигурируемой аналоговой ячейки

3.4 Выводы

Глава 4. Схемотехнические методы расширения диапазонов питающих и

сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК

4.1 Метод преобразования сигналов на основе стекового соединения

КМОП КНИ транзисторов

4.2. Разработка схем аналоговых базовых элементов для межкомпонентного согласования сигналов

4.3. Разработка схем цифровых базовых элементов для межкомпонентного согласования сигналов

4.4. Разработка универсальной реконфигурируемой ячейки ввода/вывода АЦ БМК и результаты экспериментальных исследований

4.5. Выводы

Глава 5. Практическое применение результатов в разработке микросхем

аналого-цифровых БМК и МЭУ на их основе

5.1. Разработка микросхем АЦ БМК с расширенными функциональными возможностями

5.1.1 Разработка КМОП КНС АЦ БМК с блочной архитектурой

5.1.2. Разработка КМОП КНИ АЦ БМК высокой степени интеграции

5.2. Реализация аналого-цифровых МЭУ различного функционального назначения на основе АЦ БМК

5.3. Выводы

Заключение

ЛИТЕРАТУРА

Приложения

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», 05.27.01 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка аналого-цифровых КМОП КНИ БМК с расширенными функциональными возможностями»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В настоящее время активно осуществляется модернизация существующих и создание новых образцов аппаратуры специального и двойного назначения. Основой модернизации является замена используемых функциональных узлов, выполненных на микросхемах малой степени интеграции, на современные аналоговые и аналого-цифровые СБИС. Согласование впервые вводимых в эксплуатацию субмикронных ИС с уже используемой электронной компонентной базой (ЭКБ) вызывает множество проблем, прежде всего связанных с разным напряжением питания микросхем и уровнями сигналов.

Микроэлектронные устройства (МЭУ) аппаратуры специального назначения различны по своей функциональности, электрическим параметрам, и, в большинстве своем, являются мелкосерийными изделиями (годовая потребность в отдельных СБИС может исчисляться десятками или даже единицами штук). Эти факторы оказывают влияние на сложность и длительность разработки, производства и испытаний каждого МЭУ, что определяет высокую конечную стоимость таких СБИС.

Для существенного сокращения сроков модернизации аппаратуры, сложности и стоимости такой модернизации, а также с целью обеспечения повторной пригодности разработанных функциональных блоков, необходимо применять полузаказное проектирование.

При этом наиболее эффективным направлением разработки полузаказных ИС для аппаратуры специального назначения является применения базовых матричных кристаллов (БМК). Это обусловлено тем, что при создании БМК изготавливаются тестовые микросхемы, подвергаемые всем видам квалификационных испытаний с последующим выпуском групповых технических условий (ТУ), что значительно упрощает процесс аттестации СБИС, разрабатываемых на их основе. Этот фактор значительно

сокращает стоимость и сроки производства МЭУ, особенно в условиях их мелкосерийности.

Аналого-цифровые БМК (АЦ БМК) расширяют возможности по применению методов цифровой обработки сигналов при модернизации аналоговых МЭУ, позволяя усложнять их функционал, и разрабатывать сложные аналого-цифровые устройства в однокристальном исполнении.

Разработка отечественных микросхем аналого-цифровых БМК является особенно актуальной, ввиду специфики применения аппаратуры и с учетом того, что использование импортной элементной базы затруднено или невозможно.

Эксплуатационные требования аппаратуры специального назначения сужают возможность выбора технологического базиса. Выполнение условий по стойкости к внешним факторам обеспечивается преимущественно за счет использования технологий "кремний на изоляторе" (КНИ). Область применения и условия эксплуатации микросхем предъявляют дополнительные требования к конструкции и составу БМК. Разработка базовых кристаллов для использования в аппаратуре специального назначения, расширение их функциональных возможностей и улучшение технико-экономических характеристик, требуют развития методов проектирования БМК.

Таким образом, разработка аналого-цифровых БМК с расширенными функциональными возможностями и развитие методов их проектирования, является актуальной и значимой задачей. В работе исследуются архитектурные и схемотехнические методы, позволяющие решить эту задачу.

Цель и задачи диссертации

Цель диссертационной работы состоит в разработке аналого-цифровых КМОП КНИ БМК с расширенными функциональными возможностями и в развитии методов их проектирования.

Предложенные в диссертации методы, алгоритмы и маршруты позволяют решать следующие задачи:

1. разрабатывать аналоговую реконфигурируемую ячейку аналого-цифровых базовых матричных кристаллов с целью ее применения в матричных и программируемых СБИС;

2. проектировать функциональные элементы АЦ БМК, позволяющие обеспечивать согласование уровней сигналов при интеграции СБИС на основе субмикронных БМК в аппаратуру без использования дополнительных преобразователей уровней;

3. разрабатывать состав и конструктивное исполнение аналого-цифровых БМК с расширенными функциональными возможностями в части увеличения диапазона обрабатываемых сигналов и усложнения функций реализуемых устройств;

4. проектировать микроэлектронные устройства на основе АЦ БМК с учетом требований по согласованию многоуровневых напряжений питания.

Научная новизна диссертации

1. На основе анализа существующих архитектур и схемно-конструктивных решений аналого-цифровых БМК выявлены факторы, ограничивающие их применение для модернизации аппаратуры специального назначения, и предложена модификация комплексной функции МЭУ, позволяющая учитывать особенности блочных архитектур БМК и требования по межкомпонентному согласованию сигналов.

2. На основе анализа типовых микроэлектронных устройств и блочных архитектур БМК установлен набор основных комплексных и элементарных функций МЭУ, и предложены метод формирования состава базового матричного кристалла и соответствующий маршрут проектирования МЭУ на его основе, позволяющие учитывать требования по межкомпонентному согласованию сигналов.

3. Предложен алгоритм синтеза реконфигурируемой аналоговой ячейки аналого-цифровых БМК, основанный на применении методов морфологического синтеза и структурной оптимизации, который позволяет минимизировать число составных компонентов ячейки.

4. Предложен метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, основанный на применении принципа стекового соединения КНИ КМОП транзисторов, для построения и включения в состав БМК функциональных элементов, обеспечивающих межкомпонентное согласование сигналов в аппаратуре.

Практическая значимость работы

1. Построение комплексной функции микроэлектронного устройства для проектирования на основе АЦ БМК с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов позволяет определять состав АЦ БМК и дополнительные компоненты, требующие разработки в виде функциональных элементов или блоков.

2. Метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК позволяет проектировать высоковольтные аналоговые и цифровые устройства в рамках стандартного субмикронного процесса без введения дополнительных технологических операций.

3. На основе предложенного метода разработан схемотехнический базис для межкомпонентного согласования сигналов в виде библиотечных функциональных элементов АЦ БМК, позволяющих реализовывать МЭУ с расширенными диапазонами напряжений питания и/или входных/выходных сигналов. Разработана конструкция и электрическая схема универсальной реконфигурируемой ячейки ввода/вывода, реализующая функцию преобразования сигналов.

4. На основе исследованных методов снижения числа слоев "персонализации" матричных СБИС разработаны рекомендации для

построения топологии АЦ БМК с эффективным использованием коммутационного пространства.

5. На основе анализа типовых схем ОУ и компараторов, и в соответствии с предложенным алгоритмом синтеза, разработана конструкция и электрическая схема реконфигурируемой аналоговой ячейки АЦ БМК. Она позволяет сконфигурировать семь типовых схем сравнения и усиления, и предназначена для применения в АЦ БМК и/или программируемых ИС.

6. Результаты работы внедрены в процессе разработки и производства ряда микросхем КНИ (КНС) аналого-цифровых БМК (К1451БК1У, 5400БК1Т, 5400БК2У и др.), в части разработки конструкции микросхем, состава и электрических схем встроенных функциональных блоков и библиотечных элементов.

7. На основе разработанных микросхем АЦ БМК изготовлен ряд СБИС аналого-цифровых МЭУ с использованием предложенного маршрута проектирования с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Маршрут проектирования МЭУ на основе аналого-цифрового БМК, позволяющий учитывать требования по межкомпонентному согласованию сигналов.

2. Алгоритм синтеза универсальной реконфигурируемой аналоговой ячейки АЦ БМК, основанный на применении методов морфологического синтеза и структурной оптимизации, позволяющий минимизировать число составных компонентов ячейки.

3. Метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, основанный на принципе стекового соединения КНИ КМОП транзисторов.

4. Конструкция аналого-цифрового базового матричного кристалла и результаты реализации МЭУ на его основе.

Степень достоверности и апробации результатов

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных научно-технических конференциях.

Практические результаты работы апробированы и внедрены в процессе разработки аналого-цифровых БМК и СБИС на их основе, что подтверждено актами о внедрении.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, из которых 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, и 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях. Получено 6 свидетельств о государственной регистрации топологии ИМС.

Глава 1. Литературный обзор 1.1. Введение

Радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) классифицируют по множеству признаков: конструктивным особенностям, назначению, сложности исполнения [1]. В зависимости от функциональной сложности аппаратуру подразделяют на системы, комплексы, устройства. По назначению ее можно классифицировать на аппаратуру гражданского назначения (коммерческую аппаратуру широкого применения), военную и аппаратуру специального назначения. Также активно употребляется термин "аппаратура двойного назначения" - аппаратура, которая используется в гражданских целях, но обладает характеристиками, позволяющими применять ее в составе вооружений и военной техники.

Наиболее многочисленной группой является аппаратура двойного и специального назначения ввиду обширной области применения и узкой направленности решаемых задач. К указанной группе относятся системы управления атомными реакторами, аппаратура наземной и морской военной техники, системы и комплексы связи, навигации, радиолокации, бортовая аппаратуры авиационной, ракетной и космической техники.

Активно проводимая модернизация существующих образцов и создание новой аппаратуры требуют разработки микроэлектронных устройств (МЭУ), прежде всего СБИС, пригодных для использования в ее составе. К подобным МЭУ, предназначенным для работы в тяжелых условиях эксплуатации, предъявляются жесткие требования по надежности, температурному диапазону и стойкости к воздействию внешних факторов [2].

Указанные микроэлектронные устройства различны по своему назначению, функциональности, электрическим параметрам, при этом в большинстве своем они являются мелкосерийными изделиями (годовая потребность в отдельных СБИС может исчисляться десятками или даже

единицами штук). Эти факторы оказывают влияние на сложность и длительность разработки, что определяет высокую конечную стоимость таких СБИС.

В литературе [3] принято подразделять интегральные схемы по признаку ориентации на массовое потребление или на конкретный заказ на стандартные и специализированные. В свою очередь специализированные СБИС, то есть схемы, разрабатываемые для удовлетворения требований конкретного заказчика (разработчика аппаратуры), классифицируют на заказные и полузаказные. Очевидно, что разработка МЭУ для аппаратуры специального назначения требует разработки именно специализированных СБИС. Для существенного сокращения сроков и сложности разработки, а также с целью обеспечения универсализации (повторной пригодности) разработанных схем отдельных функциональных узлов и блоков, необходимо применять полузаказное проектирование.

Полузаказные интегральные схемы традиционно классифицируются на ИС на основе библиотечных элементов или стандартных ячеек, и на ИС на основе матричных структур [4]. С учетом мелкосерийности специализированных МЭУ для снижения стоимости разработки наиболее перспективным направлением является использование полузаказных схем на основе регулярных матричных структур, прежде всего, на основе базовых матричных кристаллов (БМК). Так как в своем большинстве, МЭУ представляют собой аналого-цифровые системы, то их реализация требует наличия аналоговых и цифровых функциональных элементов.

В отечественной практике имеется успешный опыт создания СБИС для специальной аппаратуры на основе цифровых БМК, в том числе и для радиационно-стойких применений. Также применяют микросхемы аналоговых БМК для реализации аналоговых функций МЭУ. Однако, разработка аналого-цифровых устройств, в основном, базируется на печатной сборке с использованием дискретных серийных микросхем. При этом могут применяться СБИС на основе аналоговых и цифровых БМК. Существующие

отечественные аналоговые и цифровые БМК, как правило обладают ограниченным набором элементов, недостаточной емкостью для современных схем, и не позволяют реализовывать сложные МЭУ в однокристальном исполнении. Ввиду специфики применения аппаратуры использование импортной элементной базы затруднено или невозможно [5].

Таким образом, для разработки аналого-цифровых МЭУ на основе полузаказных СБИС актуальным является использование аналого-цифровых БМК (АЦ БМК). Это дает существенное преимущество для ускорения разработки и снижения массогабаритных показателей современных МЭУ и аппаратуры на их основе.

Специфика применения МЭУ для аппаратуры специального назначения требует создания АЦ БМК, пригодных к использованию в тяжелых условиях эксплуатации, в том числе в условиях воздействия ионизирующего излучения и/или других радиационных воздействий. Данные требования ставят задачу обоснованного выбора технологического базиса для реализации АЦ БМК, а также накладывают дополнительные требования к конструкции и компонентному составу.

Второй важной задачей развития методов проектирования полузаказных схем для создания МЭУ является обеспечение интеграции разрабатываемых субмикронных СБИС в существующую аппаратуру.

В настоящее время для передовых отечественных технологических процессов типовым напряжением питания ИС является диапазон от 1,8 В до 3,3 В. В то же время в аппаратуре активно используются СБИС с широким диапазоном уровней входных/выходных сигналов и напряжений питания: типовой диапазон по уровням напряжений может составлять от 5 до 30 В. Во многом это связано с использованием образцов электронных компонентов, производимых по проектным нормам от 1 мкм и выше.

Разработка и введение в эксплуатацию новых современных СБИС на основе АЦ БМК должны сопровождаться согласованием с уже используемой элементной базой, то есть отдельных узлов аппаратуры с разным

напряжением питания между собой.

С целью оперативного проектирования современных полузаказных КМОП СБИС (с проектными нормами 0,18 мкм - 0,5 мкм), к которым предъявляются требования по согласованию с более высоковольтными компонентами аппаратуры, в рамках разработки АЦ БМК необходимо разработать 1Р-блоки и библиотечные элементы, обеспечивающие такое согласование.

Таким образом, создание эффективных аналого-цифровых БМК с целью их использования в аппаратуре специального назначения, а также совершенствование и развитие методов проектирования специализированных полузаказных СБИС, является актуальной и значимой задачей.

Для решения этой задачи необходимо провести анализ в области существующих разработок аналого-цифровых БМК для формирования представления о текущих достижениях, существующих проблемах, и выбора направления дальнейших исследований с целью повышения эффективности и расширения функциональных возможностей АЦ БМК, и развития методов построения МЭУ на их основе. Для этого в ходе проведения литературного анализа необходимо:

1. исследовать эксплуатационные требования, предъявляемые к ИС аппаратуры двойного и специального назначения, и методы их обеспечения на всех уровнях проектирования МЭУ;

2. исследовать имеющийся научно-технический задел в области разработки АЦ БМК, опыт проектирования зарубежных и отечественных производителей, основные архитектуры и конструкции;

3. исследовать методы расширения диапазона напряжений питания и входных/выходных напряжений для субмикронных ИС;

4. исследовать методы реализации МЭУ на основе АЦ БМК и маршрут проектирования матричных СБИС;

5. сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

1.2 Анализ эксплуатационных требований и выбор базовой технологии создания специализированных АЦ БМК.

Эксплуатационные требования к специализированным СБИС

Аппаратура двойного и специального назначения при эксплуатации часто подвергается воздействию внешних факторов среды. Согласно ГОСТ [6], под внешними воздействующими факторами (ВВФ) понимают явление, процесс или среду, внешние по отношению к изделию или его составным частям, которые могут вызвать ограничение или потерю работоспособности изделия в процессе эксплуатации.

При этом к аппаратуре предъявляются требования по широкому спектру параметров. Стойкость к некоторым из них (сейсмический удар, синусоидальная вибрация, стойкость к агрессивным средам, и т. д.) определяется свойствами используемых материалов, конструктивным исполнением самой аппаратуры и корпусами микросхем.

В работе проанализированы требования по стойкости к двум факторам, обеспечение стойкости к которым непосредственно зависит от конструкции и технологии изготовления СБИС. Это температурные воздействия и воздействия ионизирующего излучения.

Анализ требований к аппаратуре специального назначения по температурной стойкости показал, что для реализации на основе АЦ БМК наиболее широкого спектра СБИС, необходимо обеспечить их функционирование в диапазоне рабочих и предельных температур от -150 до + 125 градусов Цельсия.

Вторым ключевым фактором является воздействие ионизирующего излучения, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков [7, 8]. Доминирующие механизмы отказов КМОП ИС при воздействии ионизирующего излучения связаны с поверхностными (дозовыми) ионизационными эффектами в МОП-структурах [9,10].

При облучении в окисле происходит генерация электронно-дырочных пар и их первичная рекомбинация [11]. Таким образом, в подзатворном окисле происходит накопление положительного заряда, а на границе раздела 81\8Ю2 возникают дополнительные уровни поверхностных состояний (ПС). Захват носителей заряда в объеме диэлектрика и на уровне ПС вызывает сдвиг пороговых напряжений и изменение крутизны МОП-транзистора.

Обобщение литературных данных показывает, что основными эффектами воздействия излучения наКМОП СБИС являются:

- образование ионизационных токов р-п переходов;

- отпирание паразитных диодных структур, накопление и релаксация зарядов в неподключенной подзатворной области;

- кратковременное уменьшение напряжений питания элементов за счет протекания ионизационных токов по шинам питания и общей;

- ионизация диэлектрических областей и образование токов утечки;

- тепловой вторичный пробой и пережег шин металлизации в следствии протекания ионизационных токов при предельных уровнях излучения.

Таким образом, для возможности реализации на основе АЦ БМК наиболее широкого спектра СБИС аппаратуры специального назначения, необходимо обеспечить его стойкость к ионизирующему излучению и функционирование в расширенном температурном диапазоне.

Методы улучшения эксплуатационных характеристик СБИС

В ходе литературного анализа выделены и систематизированы основные методы повышения стойкости СБИС к ВВФ на различных уровнях проектирования.

Анализ литературы [12-16] показывает, что повышение стойкости к ионизирующему излучению возможно с помощью различных конструктивно-технологических методов:

1. снижение толщины подзатворного окисла кремния;

2. применение технологии КНИ/КНС;

3. имплантация скрытого оксида ионами различных элементов;

4. радиационно-термическая отбраковка (РТО);

5. использование альтернативных материалов затвора;

6. лазерный отжиг;

7. замена традиционного окисла кремния другими диэлектриками.

В работе были рассмотрены и систематизированы конструктивно-схемотехнические способы снижения радиационной чувствительности МОП ИМС:

1. использование резервирующих систем [11];

2. оптимизация смещения МОП транзисторов [17];

3. схемотехническая компенсация радиационного сдвига порогового напряжения;

4. введение дополнительных структур задержек [11];

5. введение методов цифровой коррекции [11].

Применение специальных приемов проектирования топологии МОП ИМС также способствует повышению их радиационной стойкости.

Комплексное применение указанных методов при проектировании МЭУ, входящих в состав специализированной аппаратуры, позволяет обеспечивать требования по стойкости к ВВФ.

Выбор базовой технологии создания специализированных АЦБМК.

Применение большинства стандартных методов улучшения эксплуатационных характеристик при разработке СБИС ограничено спецификой матричной структуры БМК.

Использование специализированных топологических приемов затруднено вследствие ограничения возможностей согласования отдельных узлов схемы. Это связано с дискретностью набора компонентов, фиксированностью их геометрического расположения, и использованием для трассировки фиксированного числа слоев металлизации.

Использование различных схемотехнических приемов также ограниченно дискретностью набора компонентов. На схемотехническом уровне проектирования актуальными остаются архитектурные методы: использование резервирующих систем, изменение структуры сигналов, проверка бит четности, методы цифровой коррекции и т.д.

Таким образом, видно, что при разработке матричных СБИС наиболее эффективными являются технологические методы повышения стойкости к ВВФ. Анализируя существующие технологии производства ИС, очевидно, что наиболее подходящими являются технологии "кремний на изоляторе" (КНИ, SOI (англ.)) и "кремний на сапфире" (КНС, SOS (англ.)).

Подложка, выполненная по технологии КНИ, представляет собой трёхслойную структуру, которая состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика, и размещённого на нём тонкого поверхностного слоя кремния (рис. 1.1).

Диэлектрик SiO:

Диэлектрик S¡0;

Рис. 1.1. Структуры МОП транзисторов, выполненные по технологиям:

а) объемного кремния; б) КНИ.

В литературе [18, 19] подробно описаны основные преимущества КНИ технологии в сравнении с объемным кремнием. Изоляция скрытым окислом в КНИ транзисторах имеет существенно меньшую емкость, чем изоляция рп-переходом в объемных транзисторах, что уменьшает паразитные емкости (на 30 - 50 %), увеличивает быстродействие и снижает энергопотребление. Электростатическое качество КНИ транзисторов лучше за счет подавления

геометрических короткоканальных эффектов. Из-за высокой степени изоляции перекрываются пути для развития паразитного тиристорного эффекта. Боковая межприборная изоляция (например, изоляция LOCOS) дает возможность в КНИ ИС более компактно располагать элементы, поскольку нет необходимости в карманах и глубоких канавках.

Рассмотрим более подробно свойства КНИ структур, обеспечивающие повышенную стойкость к радиационным воздействиям.

Микросхемы, выполненные по КМОП технологии на объемном кремнии подвержены радиационному защелкиванию, т.к. их структура содержит чередующиеся слои р- и n-типа проводимости (рис. 1.2а), представляющие собой паразитные транзисторы. Переход этих транзисторов в активную область происходит за счет отпирания их эмиттерных переходов при протекании ионизационного тока. Нахождение схемы в таком состоянии может привести к отказам за счет перегорания элементов ее конструкции.

а) б)

Рис. 1.2. Вертикальный разрез КМОП-пары: а) по технологии на объемном кремнии; б) по КНИ технологии.

В структурах КМОП КНИ/КНС (рис. 1.26) радиационное защелкивание отсутствует. Уровень бессбойной работы (УБР) также повышается из-за физически меньшего объема, откуда собирается ионизационный ток при облучении, и малого времени жизни в эпитаксиальной пленке кремния.

Исходя из вышеприведенных данных по преимуществам КНИ/КНС технологий, можно утверждать, что они наиболее пригодны для реализации СБИС специального назначения.

Существующие особенности КНИ технологии накладывают ограничения на процесс проектирования БМК: на состав, конструкцию базовых ячеек (БЯ) и схемы разрабатываемых на их основе функциональных узлов. Важным ограничением функциональности является сложность использования в КНИ структурах биполярных транзисторов

Таким образом, выбор конструкции БМК, состава, электрических параметров отдельных элементов должен быть осуществлен с учетом ограничений, накладываемых базовой технологией.

В работе предлагается в качестве базовой технологии для разработки АЦ БМК выбрать субмикронный КМОП КНИ процесс. Имеющееся в настоящее время технологии отечественных предприятий позволяют изготавливать КНИ СБИС с проектными нормами уровня 0,25 мкм.

Похожие диссертационные работы по специальности «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», 05.27.01 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фролов, Дмитрий Петрович, 2014 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Баканов Г.Ф., Соколов С.С., Суходольский В.Ю. Основы конструирования

и технологии радиоэлектронных средств: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / под ред. И.Г. Мироненко. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 368 с.

2. ГОСТ 25467-82 Изделия электронной техники. Классификация по условиям применения и требования по стойкости к внешним воздействующим факторам.

3. Грушвицкий Р. И., Мурсаев А. X., Угрюмов Е. П. Проектирование систем

на микросхемах программируемой логики. — СПб.: БХВ -Петербург, 2002, — 608 е.: ил.

4. Стешенко В. Проектирование СБИС. Стили и этапы проекта. // Компоненты и технологии. - 2003. - № 4. - С. 2-5.

5. В. Зубавичус Применение импортных ЭРИ в современной специальной

аппаратуре. // Современная электроника - 2006. - № 4. - С. 18.

6. ГОСТ 26883-86 Внешние воздействующие факторы. Термины и определения.

7. РМГ 78-2005 ГСИ Излучения ионизирующие и их измерения. Термины и

определения.

8. Виноградов Ю.А. Ионизирующая радиация: обнаружение, контроль, защита. - М.: СОЛОН-Р, 2002. 224 с.

9. Радиационные эффекты в КМОП ИС/ А. Ю. Никифоров, В. А. Телец, А. И.

Чумаков.-М.: Радио и связь, 1994. — 164 с.

10. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов A.B. Поверхностные радиационные эффекты в ИМС. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 253 с.

11. Радиационно-стойкие интегральные схемы. Надежность в космосе и на земле, Журнал «Электроника: Наука, Технология, Бизнес». — 2007. - №5. -С. 72-77.

12. McGarrity J. М. Considerations for Hardening MOS Devices and Circuits for

131

Low Radiation Doses. - IEEE Trans. Nucl. Sci, 1980, vol. NS-27, № 6, R 1739-1744.

13. Aubuchon K. G. Radiation Hardening of p-MOS Devices by Optimization of the Thermal Si02 Gate Insulator // IEEE Trans. Nucl. Sci, 1971, N 6, R 117125.

14. В.Д. Попов Пострадиационный эффект в ИС // Журнал «Электроника: Наука, Технология, Бизнес» №4. - 2002 г. - С. 36-39.

15. Hughes Н. L. Radiation Hardness of LSI/VLSI Fabrication Process - IEEE Trans. Nucl. Sci., 1979, vol. NS-26, № 6, P. 5053—5055.

16. Schlesier К. M. Radiation Hardening of CMOS/SOS Integrated Circuits.-IEEE Trans. Nucl. Sci., 1974, vol. NS-21, № 6, P. 152—158.

17. Патрикеев JI. H., Подлепецкий Б. П., Попов В. Д. Радиационная стойкость полупроводниковых приборов и интегральных схем.- М.: Изд-во МИФИ, 1975,- 127 с.

18. Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: Учебное пособие. — М.: МИФИ, 2008. — 288 с.

19. Асеев А.Л., Попов В.А., Володин В.П., Марютин В.Н. Перспективы применения структур кремний-на-изоляторе в микро-, наноэлектронике и микросистемной технике // Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам / Сборник статей под ред. П.П. Мальцева. -М.: Техносфера, 2005. - С. 305-314.

20. У. Шумахер. Полупроводниковая электроника: Техническая информация, технологии и характеристики. - Изд-во Infineon - 2004 г. - 588 с.

21. Рындин Е.А., Коноплев Б.Г. Субмикронные интегральные схемы: элементная база и проектирование. - Таганрог: Изд-во ТГРУ, 2001. - 147 с.

22. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник П. П. Мальцев, Н. С. Долидзе, М. И. Критенко и др. — М.: Радио и связь, 1994. — 240 е.: ил.

23. Dr. Danny Rittman. Structured ASIC design: a new design paradigm beyond ASIC, FPGAand SoC. - 2004. - Интернет-ресурс: http://www.tayden.com

24. Интернет-ресурс: http://www.ims-chips.de/content/pdftext/White_paper_

MS_Array_09_ll.pdf

25. Интернет-ресурс: http://www.datasheetarchive.com/dl/Datasheets-8/DSA-156613.pdf

26. Интернет-ресурс: http://www.triadsemi.com/wp-content/uploads/2009/ 12/vca4_databrief.pdf

27. Интернет-ресурс: http://www.triadsemi.com/services/rad-hard-vcas/

28. Воробьев А.Д., Трудновская Е.А., Васюнин Д.А., Качина Е.М., Лагун А.М., Лукьянова Е.В. Аналого-цифровой базовый матричный кристалл АЦМ2 // Современные наукоемкие технологии., № 3 -2005., С 56-57.

29. Воробьев А.Д. Реализация радиоэлектронной аппаратуры на основе аналого-цифровых базовых матричных кристаллов // Успехи современного естествознания. — 2005. - № 1 - С. 89-90.

30. Интернет-ресурс: http://www.angstrem.ru/products/Integrated-schemes-bmk/Analog-digital-basic-matrix-crystals/5515ХТ1 U.html

31. С. Аленин, В. Иванов, В. Полевиков, Е. Трудновская Реализация специализированных аналогово-цифровых устройств на основе БиКМОП БМК типа Н5515ХТ1. // Chip News. 2000, - №2.

32. Полевиков В.В., Шагурин И.И., Шиллер В.А. БМК «Рапира»: особенности конструкции и характеристики библиотеки функциональных элементов // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. М., 1998. № 2. С. 57-65.

33. Л.Ю. Виляев, Ю.Н. Владимиров, В.В. Полевиков, И.Н. Шагурин Аналого-цифровой БМК «Рапира» и библиотека функциональных элементов на его основе // Актуальные проблемы микроэлектроники и твердотельной электроники. — 2007. - С. 123-124.

34. Интернет-ресурс: http://okb-nzpp.chat.ru/i300.htm

35. Попов Ю.И, Шлемин Д.А. Аналого цифровой базовый матричный кристалл И-300 // «Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи». Тезисы докладов. 8-й Межрегиональной НТК. 1998. -М.: МТУ СИ. - С. 157 - 159.

36. US5691664 - Programmable analog array and method for establishing a

feedback loop therein.

37. US7969186 - Apparatus and method for forming a mixed signal circuit with fully customizable analog cells and programmable interconnect.

38. J. D. Gray Application of Floating-Gate Transistors in Field Programmable Analog Arrays. // School of Electrical and Computer Engineering Georgia Institute of Technology , - December 2005. - 58 p.

39. P. Hasler, T. S. Hall, С. M. Twigg Large-scale field-programmable analog arrays // IEEE transactions on circuits and systems—I: regular papers, vol. 52, № 11, november 2005, P. 2298 - 2307.

40. С. Карпов Новое семейство цифро-аналогового программируемого системного чипа Actel SmartFusion // журнал "Компоненты и технологии", №4, 2010 г.-С. 72 -74.

41. A.Balavoine Implementation of the locally competitive algorithm on a field programmable analog array // School of Electrical and Computer Engineering Georgia Institute of Technology , December 2009, - 69 p.

42. T. S. Hall Field Programmable Analog Arrays: A Floating-gate Approach // School of Electrical and Computer Engineering Georgia Institute of Technology, July 12, 2004, - 115 p.

43. Fernández D., Madreñas J., Michalik P., Kapusta D. A Reconfigurable Translinear Cell Architecture for CMOS Field-Programmable Analog Arrays // Electronics, Circuits and Systems, 2008. ICECS 2008. 15th IEEE International Conference on, - P. 1034 - 1037

44. F. Baskaya, S. Reddy, Sung Kyu Lim, Tyson Hall, and David V. Anderson Mapping Algorithm for Largescale Field Programmable Analog Array // ACM International Symposium on Physical Design, 2005. - P. 152-158.

45. T. S. Hall, P. Hasler Field-Programmable Analog Arrays Enable Analog Signal Processing Education // ASEE Southeast Section Conference, 2005. - 9 p.

46. F. Baskaya, D. V. Anderson, and S. K. Lim Net-Sensitivity-Based Optimization of Large-Scale Field-Programmable Analog Array (FPAA) Placement and Routing // IEEE transactions on circuits and systems—II: express briefs, vol.

56, №. 7, July 2009. P. 565 - 569.

47. Мишин Г. Универсальные аналоговые программируемые ИС: выбор элементарных функциональных узлов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. - № 4. - 2004. - С. 26 - 30.

48. По материалам компании "ПРИБОР-СИСТЕМЫ". Программируемая аналоговая логика бросает вызов методам макетирования // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. - № 4. - 2004. - С. 32 - 33.

49. A.L. Wilson, Ji Luo, J. В. Bernstein, J. A. Tuchman, Hu Huang, Kuan-Jung Chung A Continuous-Time Laser Programmable Analog Array for Radiation Environments // 2004 MAPLD International Conference. - 2004. - 9 p.

50. Edward K. F. Lee and P. Glenn Gulak A CMOS Field-Programmable Analog Array // IEEE journal of solid-state circuits, vol. 26, №. 12, December 1999. -P. 1860- 1867.

51. M. Pons, F. Moll, A. Rubio, J. Abella, X. Vera, and A. Gonzalez, "VCTA: A Via-Configurable Transistor Array Regular Fabric" // 18th IEEE/IFIP International Conference on VLSI and System-on-Chip, VLSI-SoC,2010. - P. 541-547.

52. M. Pons, F. Moll, A. Rubio, J. Abella, X. Vera, A. González. Design of Complex Circuits Using the Via-Configurable Transistor Array Regular Layout Fabric. // In 24th IEEE International SoC Conference , Poster Session, Taipei (Taiwan), Sep 2011.-P. 1-4.

53. Собакин Е.Л. Цифровая схемотехника. Учеб. пособие. 4.1. - Томск: Изд. ТПУ, 2002. - 160с.

54. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. - М.: Радио и Связь, 1990,- 496 с.

55. Макромоделирование аналоговых интегральных схем. / А .Т. Алексеенко, Б.И. Зуев, В.Ф. Ламекин, и др. - М.: Радио и Связь, 1983г. - 416 с.

56. Полевиков В.В. Методы и средства проектирования аналого-цифровых базовых матричных кристаллов и микроэлектронных устройств на их основе: диссер. к. т. н. : 05.13.05 Москва, 2003, 160 с. : 61 04-5/155-3.

57. Жигальский А.А. Проектирование и конструирование микросхем: Учебное пособие. - Томск: ТУ СУР, 2007. - 195 с.

58. Yajun Ran, Malgorzata Marek-Sadowska: An integrated design flow for a via-configurable gate array. ICC AD 2004. - P. 582-589.

59. M. Pons, F. Moll, Antonio Rubio, Jaume Abella, Xavier Vera and Antonio González. Via-Configurable Transistors Array: a Regular Design Technique to Improve ICs Yield DFM&Y 2007 2nd International Workshop on Design for Manufacturability and Yield (in conjunction with ITC'07) Santa Clara (California), October 25 - 26, 2007. - P. 166 - 169.

60. Интернет-ресурс: http://www.triadsemi.com/vca-technology/

61. An SOI-based High-Voltage, High-Temperature Gate-Driver for SiC FET / Huque, M.A., Vijayaraghavan, R., Zhang, M., Blalock, B.J., Tolbert, L.M., Islam, S.K. Power Electronics Specialists Conference, 2007. PESC 2007. IEEE. - 17-21 June 2007. - P. 1491 - 1495.

62. K. Penmetsa, K.V. Noren, H.L. Hess, K.V. Buck . "High Voltage Operational Amplifiers in SOI Technology" // 12th NASA Symposium on VLSI Design, Coeur d'Alene, Idaho, USA, Oct. 4-5, 2005. - 4 p.

63. S. Mandegaran, A. Hajimiri "A Breakdown Voltage Multiplier for High Voltage Swing Drivers", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 42, No 2, February 2007, P. 302 - 312.

64. E. Mentze, H. Hess, K.M. Buck, and T. Windley, A Scalable High-Voltage Output Drive for Low-Voltage CMOS Technologies, IEEE Trans. VLSI Systems, vol.14, no,12,Dec 2006.-P. 1347-1353

65. V. Sukumar, S. Subramanium, P. Don, K. Buck, H. Hess, Harry W. Li, D. Cox. "High voltage bandgap reference design using SOI Technology". - 4 p.

66. S.R. Bradburn, H.L. Hess An integrated high-voltage buck converter realized with a low-voltage CMOS process // Circuits and Systems, 53rd IEEE International Midwest Symposium on 1-4 Aug. 2010, P. 1021 - 1024

67. J. E. Founds, H. L. Hess, E. J. Mentze, К. M. Buck, M. E. Richardson, "High Voltage Switching Circuit for Nanometer Scale CMOS Technologies," 13th

NASA Symposium on VLSI Design, June 2007., 4 p.

68. Кириллова E. Методология проектирования прецизионных аналоговых блоков. Компоненты и технологии, №11, 2006. - 6 с.

69. Акимов С.В. Модель морфологического множества уровня спецификации // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2005. № 174. С.76-87.

70. В.И. Эннс, Ю.М. Кобзев. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика. Горячая линия - Телеком, М.: - 2005 г., 454 с.

71. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 3-е изд. стер. / Волович Г. И. — М. : Додэка-ХХ1, 2011. — 528 с. : ил.

72. Микроэлектронные устройства для обработки непрерывной информации / P.P. Бабаян; Ин-т проблем управления им. В.А. Трапезникова. - М.: Наука, 2003. - 207 с.

73. Фролов Д.П. Применение метода морфологического синтеза для проектирования реконфигурируемой аналоговой ячейки полузаказных аналого-цифровых СБИС с матричной структурой // Известия ВУЗов, Электроника, 2013, №5 (103), С.45-51.

74. A. Shar. Design of a high-speed CMOS comparator. //Master Thesis in Electronics System at Linkoping Institute of Technology, 2007, 30 p.

75. ANALOG INTEGRATED CIRCUIT DESIGN DAVID JOHNS and KEN MARTIN , Univ. of Toronto, ISBN: 0-471-14448-7, 1997, 706 p.

76. Ahmad Shar Design of a high-speed CMOS comparator. Master Thesis in Electronics System at Linkoping Institute of Technology, 2007. - 30 p

77. Коломбет E. А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: "Радио и связь", - 1991. - 376 с. - ил.

78. Ю.М.Кобзев, Д.П,Фролов, А.В.Эннс, В.И.Эннс, С.А.Осокин Радиационно-стойкий аналого-цифровой КНС БМК К1451БК1У: состав и возможности проектирования // Труды ФГУП "НПЦ АП" Системы и приборы управления, 2010. №4. С. 17-23.

79. Кобзев Ю.М., Фролов Д.П., Эннс В.И., Осокин С.А. Проектирование схем

на базе КМОП КНИ/КНС технологии для обработки аналоговых сигналов с напряжением, превышающим номинальное напряжение питания // Труды ФГУП "НПЦ АП" Системы и приборы управления, 2012, №3. С. 10-20.

80. A.-J. Annema, G. Geelen, P. de Jong 5.5 V I/O in a 2.5 V in a 0.25 urn CMOS technology, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 36, №3, 2001. - P. 528 - 538

81. B. Serneels, T. Piessens, M. Steyaert, W. Dehaene, A high-voltage output driver in a 2.5-V 0.25um CMOS technology, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 3, Mar. 2005.-P. 576 - 58.

82. Интернет-ресурс: http://www.dcsoyuz.com/products/cristals

83. Фролов Д.П., Эннс В .В. Блок КИИ КМОП 12-разрядного АЦП для радиационностойких применений // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС №2011630087 от 26.08.2011 г.

84. Фролов Д.П., Эннс В.И. Особенности проектирования схем управления питанием для аппаратуры специального назначения на основе КНС БМК. // 18-ая н.-т. конф. студ. и асп. "Микроэлектроника и информатика-2011". Тезисы докладов, М.: МИЭТ, 2011, С. 92.

85. Ю.М. Кобзев, Д.П. Фролов, В.В. Эннс, В.И. Эннс Исследования радиационной стойкости схем на основе аналого-цифрового БМК К1451БК1У. Развитие серии аналого-цифровых БМК для создания СБИС специального назначения. // Радиационная стойкость электронных систем — СТОЙКОСТБ-2011, вып.14, Москва, - 2011. -С. 57-58.

86. Д.П. Фролов, В.И. Эннс Проектирование трансляторов уровней цифровых сигналов для полузаказных субмикронных аналого-цифровых СБИС // 19-ая н.-т. конф. студ. и асп. "Микроэлектроника и информатика-2012". Тезисы докладов, М.: МИЭТ, 2012, С. 89.

87. О.Э. Оганесян, Д.П. Фролов Особенности проектирования прецизионных схем на основе АЦ БМК на примере СБИС преобразователя напряжение-частота // 20-ая н.-т. конф. студ. и асп. "Микроэлектроника и информатика-2013". Тезисы докладов, М.: МИЭТ, 2013, С. 101.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.