Разработка библиотек сложно- функциональных блоков СВЧ диапазона на основе отечественной КМОП КНИ технологии уровня 0,18 мкм и выше для создания перспективных изделий микроэлектроники СВЧ диапазона

Выполнение работ по теме:
"Разработка библиотек сложно- функциональных блоков СВЧ диапазона на основе отечественной КМОП КНИ технологии уровня 0,18 мкм и выше для создания перспективных изделий микроэлектроники СВЧ диапазона"

«В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 24.11.2014г. № 14.578.21.0075 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 24.11.2014г. по 31.12.2014г. выполнялись следующие работы:

1.1. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
1.2. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
1.3. Проведено обоснование и выбор направления исследований, методы, способы и средства решения поставленных задач.
1.4. Проведен анализ и разработана научно-методическая база для моделирования доминирующих радиационных эффектов в базовых СВЧ элементах КМОП КНИ технологии.

В результате выполнения первого этапа ПНИ были получены следующие результаты:

  • проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ:
  • определена система параметров и классификация БИС синтезаторов частот (СЧ) СВЧ диапазона;
  • выявлены типовые и предельные характеристики экспериментальных и серийно-выпускаемых БИС СЧ;
  • проанализированы типовые архитектуры БИС СЧ на основе схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ-СЧ);
  • определены показатели стойкости и доминирующие радиационные эффекты в БИС СЧ;
  • проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96. Подготовлен отчет о патентных исследованиях;
  • на основе результатов анализа научно-технической литературы, патентных исследований выбрано направление дальнейших исследований в части:
  • разработки библиотек элементов, сложно-функциональных блоков (СФБ) для БИС радиационно-стойких ФАПЧ-СЧ СВЧ диапазона;
  • разработки схемно-топологических и конструктивно-технологических способов обеспечения радиационной стойкости БИС ФАПЧ-СЧ СВЧ диапазона;
  • проведен анализ и разработана научно-методическая база для моделирования доминирующих радиационных эффектов в базовых СВЧ элементах КМОП КНИ технологии, в частности:
  • разработаны системные модели синтезаторов частот для определения требований к параметрам СФБ синтезаторов частот, а также для анализа влияния деградации параметров СФБ на интегральные параметры СЧ при радиационном воздействии;
  • определены доминирующие механизмы радиационных отказов в элементах КМОП КНИ интегральных схем (ИС) СВЧ диапазона;
  • проанализированы существующие модели радиационного отклика в элементах КМОП КНИ ИС СВЧ диапазона.

 

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом».

 

 

В ходе выполнения проекта в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению с Минобрнауки России о предоставлении субсидии от 24.11.2014 г. № 14.578.21.0075 на этапе № 2 в период с 01.01.2015 г. по 30.06.2015 г. выполнялись следующие работы:

 

2.1. Определение архитектуры целочисленных и дробных синтезаторов частот СВЧ диапазона, разработка системной модели синтезатора частот, определение системы параметров, типовых и предельных функциональных и эксплуатационных характеристик сложно-функциональных блоков синтезаторов частот СВЧ диапазона при изготовлении в рамках КМОП КНИ технологии уровня 0,18; 0,25 мкм.
2.2. Определение базового набора библиотеки СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот СВЧ диапазона.
2.3. Определение состава базовых СВЧ элементов, системы параметров.
2.4. Разработка методического подхода и схемно-топологических принципов проектирования библиотеки радиационно-стойких СФБ БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона.
2.5. Разработка методики и конструктивно-технологических принципов создания библиотек базовых СВЧ элементов.
2.6. Проектирование библиотеки базовых СВЧ элементов (транзисторов, варикапов, индуктивностей).
2.7. Разработка макетного образца автоматизированного стенда зондовых измерений вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и шумовых параметров (МО СЗИ).2.8. Разработка специализированного программного обеспечения автоматизации процессов зондовых измерений вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и шумовых параметров для МО СЗИ.

2.9. Подготовка и проведение исследовательских радиационных испытаний одного типа БИС синтезатора частоты иностранного производства (PE3336) – технологического аналога на дозовое и импульсное воздействие ионизирующего излучения и отдельных ядерных частиц космического пространства.

2.10. Участие в конференции RAD-2015.

В результате выполнения второго этапа ПНИ были получены следующие результаты:

  • определена архитектура целочисленных и дробных синтезаторов частот (СЧ) СВЧ диапазона, включающая в своем составе следующие сложно-функциональные блоки (СФБ): опорный кварцевый генератор, делитель опорной частоты (ДОЧ), делитель частоты (ДЧ) в цепи обратной связи (ОС), частотно-фазовый детектор (ЧФД), зарядно-разрядный блок (ЗРБ), фильтр нижних частот (ФНЧ), генератор, управляемый напряжением (ГУН), регистры управления, интерфейсный блок управления и блок контроля захвата фазы;
  • разработаны системные модели СЧ во временной и частотной областях, необходимые для функциональной верификации выбранной архитектуры, формирования требований к параметрам СФБ и оценки основных параметров СЧ (уровень фазового шума, время переключения на новую частоту и уровень паразитных составляющих в спектре выходного сигнала). Предложена методика расчета параметров пассивных элементов ФНЧ, входящего в состав разработанных системных моделей синтезатора частот;
  • определены системы параметров, типовые и предельные функциональные и эксплуатационные характеристики СФБ синтезаторов частот СВЧ диапазона при изготовлении в рамках КМОП КНИ технологии уровня 0,18; 0,25 мкм;
  • определен базовый набор библиотеки СФБ целочисленных и дробных СЧ СВЧ диапазона, включающий в себя ГУН; предварительный делитель частоты (ПДЧ), являющийся базовым элементом ДЧ в цепи ОС; счетчики-делители, являющиеся базовыми элементами ДОЧ и ДЧ в цепи ОС; ЧФД; ЗРБ; блок контроля захвата фазы; интерфейсный блок и регистры управления;
  • исследованы принципы работы и проведен сравнительный анализ типовых структурных и электрических схем базовых СФБ синтезаторов частот СВЧ диапазона, выявлены достоинства и недостатки наиболее распространенных схем построения ГУН; ДЧ в цепи ОС; ПДЧ; ЧФД; ЗРБ и блока контроля захвата фазы;
  • с использованием разработанных системных моделей, основанных на поведенческих моделях логических элементов, реализованных в виде программного кода на языке Verilog-A, подтверждена функциональная состоятельность предложенных схем построения ПДЧ; счетчиков-делителей; ДЧ в цепи ОС и ДОЧ;
  • определен состав базовых СВЧ элементов, включающий радиочастотные n-МОП и p-МОП транзисторы, варикапы на основе МОП транзисторов (МОП варикапы), резисторы, конденсаторы на основе структуры «металл-изолятор-металл» (MIM конденсаторы), интегральные катушки индуктивности, микрополосковые линии передачи, контактные площадки. Проведен анализ системы параметров и способов реализации базовых СВЧ элементов в монолитном исполнении;
  • на основе результатов анализа литературных источников и расчетного моделирования в САПР, разработан методический подход и схемно-топологические принципы проектирования библиотеки радиационно-стойких СФБ ГУН и ПДЧ БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона;
  • определен типовой состав библиотеки базовых СВЧ элементов, необходимых для проектирования СФБ синтезаторов частот СВЧ-диапазона: n-МОП и p-МОП транзисторы, МОП варикапы, спиральные интегральные катушки индуктивности, MIM конденсаторы, низкоомные резисторы, микрополосковые линии передачи и контактные площадки;
  • разработаны методики и конструктивно-технологические принципы создания библиотек базовых СВЧ элементов для КМОП КНИ технологии;
  • выполнено проектирование библиотеки базовых СВЧ элементов (n-МОП и p-МОП транзисторов, МОП варикапов, MIM конденсаторов, резисторов, интегральных катушек индуктивности, микрополосковой линии передачи, контактных площадок;
  • разработан макетный образец автоматизированного стенда зондовых измерений вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и шумовых параметров (МО СЗИ);
  • разработано специализированное программное обеспечение автоматизации процессов зондовых измерений вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и шумовых параметров для МО СЗИ;
  • подготовлены и проведены исследовательские радиационные испытания одного типа БИС синтезатора частоты иностранного производства (PE3336) – технологического аналога на дозовое и импульсное воздействие ионизирующего излучения и отдельных ядерных частиц космического пространства;
  • принято участие в конференции RAD-2015.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.
 

В ходе выполнения проекта в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению с Минобрнауки России о предоставлении субсидии от 24.11.2014 г. № 14.578.21.0075 на этапе № 3 в период с 01.07.2015 г. по 31.12.2015 г. выполнялись следующие работы:

 

3.1 Проектирование схем и топологий базовых СВЧ элементов и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.
3.2 Изготовление экспериментальных образцов (ЭО) кристаллов, содержащих базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.
3.3 Разработка программы и методики экспериментальных исследований ЭО кристаллов, содержащих базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.
3.4 Приобретение комплектующих изделий и оборудования для создания макетного образца автоматизированного рабочего места контроля параметров и тестирования сложно-функциональных блоков БИС (МО АРМ).
3.5 Изготовление МО АРМ.
3.6 Наладка и исследование параметров МО АРМ.
3.7 Наладка и исследование параметров МО СЗИ.
3.8 Разработка макетного образца автоматизированного стенда экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки (МО СЭ).
3.9 Приобретение (продление) лицензии на программные средства САПР.
3.10 Участие в конференциях Radecs-2015, Крымико-2015.

 

В результате выполнения третьего этапа ПНИ были получены следующие результаты:

 

  • выполнено проектирование схем и топологий базовых СВЧ элементов (радиочастотных МОП-транзисторов, варикапов, MIM конденсатора, резистора, катушек индуктивности) и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот, в т.ч.:

§ генератора, управляемого напряжением, построенного на основе LC-резонатора и имеющего дифференциальную структуру с перекрестными обратными связями;
§ предварительного делителя частоты с коэффициентом деления частоты 16/18, выполненного на основе логики на переключателях тока;
§ 8-ми разрядных счетчиков-делителес фиксированным (R=50) и переменным (N=240…250) коэффициентами деления частоты;
§ частотно-фазового детектора, выполненного на основе логических элементов «И-НЕ»;
§ блока контроля захвата фазы, реализованного по классической аналоговой схеме построения, требующей использования внешней фильтрующей цепи;
§ зарядно-разрядного блока, выполненного на основе каскодного токового зеркала и выходного каскада на переключателях тока;
§ интерфейсного блока управления, построенного на базе 4-х разрядного сдвигового регистра;
§ регистра управления, построенного на основе 4-х разрядного регистра хранения;

  • в результате расчетного моделирования в САПР установлено, что значения параметров генератора, управляемого напряжением, предварительного делителя частоты, счетчиков-делителей, частотно-фазового детектора, блока контроля захвата фазы, зарядно-разрядного блока, интерфейсного блока и регистра управления соответствуют требованиям технического задания;
  • подано заявление на государственную регистрацию топологии интегральной микросхемы «Радиационно-стойкий генератор, управляемый напряжением, СВЧ-диапазона»;
  • разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы тестовых СФБ БИС синтезаторов частот;
  • по КМОП КНИ технологии с проектной нормой 0,18 мкм изготовлены экспериментальные образцы кристаллов, содержащих базовых СВЧ элементы (радиочастотные МОП транзисторы A- и H-типа; варикапы; катушки индуктивности; MIM конденсатор; резистор) и СФБ (генератор, управляемый напряжением; предварительный делитель частоты; счетчики-делители; частотно-фазовый детектор; блок контроля захвата фазы; зарядно-разрядный блок; интерфейсный блок и регистр управления) целочисленных и дробных синтезаторов частот;
  • разработаны программа и методики экспериментальных исследований ЭО кристаллов, содержащих базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот, в диапазоне рабочих температур -60…+125 °С и при радиационных воздействиях;
  • приобретены комплектующие изделия и оборудование для создания макетного образца автоматизированного рабочего места контроля параметров и тестирования сложно-функциональных БИС (МО АРМ);
  • изготовлен макетный образец автоматизированного рабочего места, предназначенный для проведения исследований электрических параметров интегральных микросхем по методам 500-1 и 500-7 по ОСТ 11 073.013-2008, в том числе при повышенной и пониженной температуре;
  • выполнены наладка и исследование параметров МО АРМ. На основе анализа технической и эксплуатационной документации на оборудование, входящее в состав МО АРМ, установлены технические характеристики МО АРМ;
  • выполнены наладка и исследование параметров макетного образца автоматизированного стенда зондовых измерений вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и шумовых параметров (МО СЗИ), позволяющего проводить измерения параметров базовых СВЧ элементов и СФБ на пластине с максимальным диаметром 200 мм в автоматизированном (полуавтоматическом) режиме и обладающего следующими основными параметрами: диапазон задания напряжения и тока ±100 В и ±100 мА соответственно; разрешающая способность задания напряжения и тока 25 мкВ и 1 фА соответственно; максимальная частота зондирующего сигнала при измерении вольт-фарадных характеристик 5 МГц; типовая погрешность измерения величины емкости ±0,1 %; максимальная частота измерения шумовых параметров 50 ГГц;
  • разработан макетный образец автоматизированного стенда экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки (МО СЭ), позволяющий проводить зондовые измерения вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик, шумовых и S-параметров базовых СВЧ элементов библиотеки и определение на основе полученных экспериментальных данных значений параметров SPICE-моделей, используемых для описания исследуемых базовых элементов в составе электрических цепей при схемно-топологическом моделировании;
  • выполнено продление лицензии на пакет САПР, включающих в своем составе программные средства приборно-технологического моделирования и экстракции параметров моделей элементов;
  • принято участие в международных конференциях КрыМиКо-2015 с 4-мя устными докладами и RADECS-2015 c 4-мя стендовыми докладами.

 

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

 

 

 

В ходе выполнения проекта в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению с Минобрнауки России о предоставлении субсидии от 24.11.2014 г. № 14.578.21.0075 на этапе № 4 в период с 01.01.2016 г. по 30.06.2016 г. выполнялись следующие работы:

 

4.1 Проведение экспериментальных исследований ЭО кристаллов, содержащих базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот в диапазоне рабочих температур -60…+125°С и при радиационных воздействиях.
4.2 Разработка методики автоматизированных зондовых измерений вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и шумовых параметров элементов библиотеки.
4.3 Создание методики экстракции параметров моделей элементов библиотек.
4.4 Разработка моделей базовых элементов библиотек для САПР, учитывающих доминирующие радиационные эффекты.
4.5 Системное и схемотехническое моделирование, создание моделей СФБ синтезаторов частот с учетом радиационных эффектов.
4.6 Анализ результатов экспериментальных исследований и расчетного моделирования.
4.7 Разработка специализированного программного обеспечения автоматизации процессов экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки для МО СЭ.
4.8 Наладка и исследование параметров МО СЭ.
4.9 Подготовка и проведение исследовательских радиационных испытаний 2х типов БИС синтезаторов частоты иностранного производства (ADF4112, LMX2326).
4.10 Испытания МО СЭ.
4.11 Ввод в эксплуатацию автоматизированного стенда экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки.
4.12 Исследования влияния корпуса и оснастки на СВЧ характеристики ЭО кристаллов, содержащих СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот в процессе исследований в диапазоне температур и радиационных воздействий. Разработка модели учитывающей влияние корпуса и оснастки на СВЧ характеристики ЭО.
4.13 участие в конференции «Стойкость-2016» и XII Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи (SIBCON-2016).

 

В результате выполнения четвертого этапа ПНИ были получены следующие результаты:

 

  • проведены экспериментальные исследования экспериментальных образцов (ЭО) кристаллов, содержащих базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот в диапазоне рабочих температур -60…+125°С и при радиационных воздействиях, по результатам которых установлено соответствие объектов исследований требованиям Технического задания;
  • разработана методика автоматизированных зондовых измерений вольт-амперных (ВАХ), вольт-фарадных (ВФХ) характеристик и шумовых параметров элементов библиотеки. Методика обеспечивает проведение автоматизированных зондовых измерений ВАХ, ВФХ, частотных зависимостей S-параметров и шумовых параметров МОП-транзисторов, изготовленных по КМОП КНИ технологии с проектной нормой 0,18 мкм, с использованием макетного образца автоматизированного стенда зондовых измерений (МО СЗИ) и специализированного программного обеспечения автоматизации процессов зондовых измерений на базе САПР IC-CAP;
  • создана методика экстракции параметров моделей элементов библиотек, обеспечивающая проведение автоматизированной экстракции (определения) значений параметров макромоделей радиочастотных МОП-транзисторов на основе ядра BSIMSOI4 и дополнительных элементов схемы «внешнего» транзистора;
  • разработана модель базового элемента библиотеки – радиочастотного МОП-транзистора, учитывающая доминирующие эффекты при дозовом воздействии ионизирующего излучения (ИИ). Модель предназначена для использования в схемотехнических/схемно-топологических САПР и применима для КНИ n-МОП транзисторов с топологией А-типа, реализованных по стандартным топологическим правилам, предоставляемым фабрикой. Модель применима для МОП-транзисторов с минимальной длиной затвора 0,18 мкм (ограничено правилами проектирования) и шириной в диапазоне десятки…сотни мкм, в т.ч. для структур с многосекционной топологией, и обеспечивает учет дозовых эффектов в диапазоне до 300×103 ед;
  • разработаны схемотехнические и поведенческие модели СФБ синтезаторов частот – генератора, управляемого напряжением (ГУН), счетчиков-делителей, зарядно-разрядного блока (ЗРБ), учитывающие радиационные эффекты при дозовом воздействии ИИ или воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ). Проведено системное и схемотехническое моделирование с учетом радиационного воздействия, в результате которого подтверждены доминирующие радиационные эффекты, свойственные данным СФБ и синтезаторам частот в целом, в т.ч сбои в счетчиках-делителях при воздействии ОЯЧ, приводящие к функциональному сбою синтезатора частот; дозовая деградация уровня паразитных составляющих в спектре выходного сигнала синтезатора частот, обусловленная увеличением тока утечки в третьем состоянии ЗРБ и дозовая деградация основных параметров ГУН (частоты и мощности выходного сигнала, тока потребления);
  • проведен анализ результатов экспериментальных исследований и расчетного моделирования базовых СВЧ элементов и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот, на основании которого определены основные характеристики и параметры разработанных и изготовленных базовых СВЧ элементов и СФБ и особенности применения специализированных электромагнитных и стандартных SPICE-моделей из состава комплекта средств проектирования. Проведена характеризация технологического процесса в части СВЧ-параметров и радиационной стойкости. Установлено, что значения частоты единичного усиления и максимальной частоты генерации составляют порядка 30 ГГц и 110..125 ГГц соответственно, уровни стойкости при дозовом воздействии ИИ составляет не менее 250×103 ед, что подтверждает возможность реализации радиационно-стойких синтезаторов частот с частотой выходного сигнала 3 ГГц и более на основе разработанной библиотеки базовых СВЧ элементов и СФБ;
  • разработано специализированное программное обеспечение (СПО) автоматизации процессов экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки для макетного образца автоматизированного стенда экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки (МО СЭ), представляющее собой программный модуль BSIMSOI_RF и предполагающее использование совместно с САПР IC-CAP. BSIMSOI_RF включает в своем составе набор специализированных подпрограмм (макросов), написанных на языке PEL (Parameter Extraction Language), позволяющих пошагово в автоматизированном режиме проводить экстракцию параметров моделей базовых элементов на основе вольт-амперных характеристик и частотных зависимостей S-параметров;
  • выполнены наладка и исследование параметров макетного образца автоматизированного стенда экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки (МО СЭ), позволяющего проводить измерения характеристик и параметров базовых СВЧ элементов на пластине с максимальным диаметром 200 мм в автоматизированном (полуавтоматическом) режиме и определять на основе полученных экспериментальных данных значения параметров SPICE-моделей, используемых для описания исследуемых базовых СВЧ элементов в составе электрических цепей при схемно-топологическом моделировании;
  • осуществлена подготовка и проведены исследовательские радиационные испытания БИС синтезаторов частоты ADF4112 ф. Analog Devices Inc. и LMX2326 ф. Texas Instruments. Согласно результатам испытаний, параметром-критерием стойкости ADF4112 и LMX2326 к дозовому воздействию ИИ является ток потребления в режиме пониженного энергопотребления. Пороговое значение линейных потерь энергии при воздействии отдельных ядерных частиц по критерию возникновения тиристорного эффекта и катастрофического отказа составляет не менее 68 МэВ×см2/мг;
  • в соответствии с Программой и методиками испытаний макетного образца автоматизированного стенда экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки, проведены испытания МО СЭ, по результатам которых установлено, что МО СЭ выдержал испытания по всем пунктам указанной Программы и методики;
  • осуществлен ввод в эксплуатацию автоматизированного стенда экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки;
  • проведены исследования влияния корпуса и оснастки на СВЧ характеристики ЭО кристаллов, содержащих СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот в процессе исследований в диапазоне температур и радиационных воздействий. Представлен комплексный методических подход к разработке модели для схемотехнической САПР, учитывающей влияние корпуса и оснастки на СВЧ характеристики ЭО;
  • принято участие в конференции «Стойкость-2016» и XII Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи (SIBCON-2016) со стендовым и устным докладами.

 

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

 

 

64