Исследование и разработка методики теплового моделирования аналого-цифровых кремниево-германиевых БиКМОП интегральных микросхем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Дацук Антон Михайлович

• Дацук Антон Михайлович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Дацук Антон Михайлович

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ ОБЩЕГО МАРШРУТА И ОТДЕЛЬНЫХ ЭТАПОВ ТЕПЛОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КРЕМНИЕВО-ГЕРМАНИЕВЫХ БиКМОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

1.1. Актуальность проблемы увеличения точности трехмерной

электротемпературной модели для электротемпературного моделирования

1.2. Анализ современных подходов измерения теплопроводности тонких пленок

1.3. Современные подходы к решению задачи электротемпературного моделирования

1.3.1. Тепловое моделирование с использованием программы ANSYS

1.3.2. Электротемпературное моделирование на основе теоремы синтеза реактивных двухполюсников методом Фостера

1.3.3. Электротемпературное моделирование, используемое компанией Keysight Electrothermal

1.4. Выводы

ГЛАВА 2. ТРЕХМЕРНАЯ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ КОНСТРУКЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА КРЕМНИЕВО-ГЕРМАНИЕВЫХ БиКМОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

2.1. Разработка трехмерной электротемпературной модели с учетом значений теплопроводности кремния и диоксида кремния для заданного кремниево-германиевого технологического процесса

2.2. Выводы

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КРЕМНИЯ ДЛЯ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР КРЕМНИЕВО-ГЕРМАНИЕВЫХ БиКМОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

3.1. Разработка тестовых структур для учета влияния разогрева на близлежащие устройства

3.2. Настройка моделирования для получения реальных значений теплопроводности кремния

3.3. Экстракция реальных значений теплопроводности кремния

3.4. Экспериментальное исследование реальных значений теплопроводности кремния

3.5. Выводы

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР КРЕМНИЕВО-ГЕРМАНИЕВЫХ БиКМОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

4.1. Разработка тестовых структур и их анализ в программе температурного моделирования ANSYS

4.2. Настройка моделирования для получения реальных значений теплопроводности диоксида кремния

4.3. Разработка и автоматизация метода экстракции реальных значений теплопроводности диоксида кремния

4.4. Экспериментальное исследование реальных значений теплопроводности диоксида кремния

4.5. Выводы

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ВЕРИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ КРЕМНИЕВО-ГЕРМАНИЕВЫХ БиКМОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

5.1. Реализация электротемпературного моделирования для заданного кремниево-германиевого технологического процесса

5.2. Разработка технологического файла для электротемпературного моделирования

5.3. Особенности сравнения тестовой принципиальной схемы и ее топологического представления

5.4. Сравнение результатов моделирования трехмерной электротемпературной модели с полученными коэффициентами теплопроводности кремния и диоксида кремния и моделей резисторов, квалифицированных в кремнии

5.5. Выводы

ГЛАВА 6. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРАКТИКЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФРАГМЕНТОВ КРЕМНИЕВО-ГЕРМАНИЕВЫХ БиКМОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

6.1. Моделирование источника опорного напряжения на основе точных значений теплопроводности тонких пленок в САПР Keysight Electrothermal

6.2. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Модели металлических резисторов, используемых для экстракции теплопроводности диоксида кремния

Приложение Б. Программная реализация добавления источников разогрева в параметрические ячейки

Приложение В. Технологический файл для технологии IHP SG13S/G2 со значениями теплопроводности кремния и диоксида кремния после проведения калибровки

Приложение Г. Формат данных выходного файла сравнения электрического и топологического представлений схемы

Приложение Д. Акт о внедрении результатов диссертационной работы на тему «Исследование критических технологических операций создания 3D-структур со сквозными отверстиями в кремнии»

Приложение Е. Акт о внедрении результатов диссертационной работы на тему «Разработка конструкций и технологии изготовления трехмерных интегральных структур, повышающих эффективность холодной эмиссии в устройствах микровакуумной техники»

Приложение Ж. Акт о внедрении результатов диссертационной работы в технологические процессы компании IHP GmbH

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ИОН - источник опорного напряжения

ИС - интегральная схема

КМОП - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник БиКМОП - технология изготовления микросхем с использованием биполярных и КМОП-транзисторов на одном кристалле

МДП - металл-диэлектрик-полупроводник

САПР - система автоматизированного проектирования

ТКН - температурный коэффициент напряжения

ТКС - температурный коэффициент сопротивления

ADS - Advanced Design System

AEL - Application Extension Language

AMF - Adaptive Mesh Refinement

CDL - Cell Definition Language

DC - Direct Current

DRC - Design Rule Check

LVS - Layout versus Schematic

MFT - Multi-Finger Transistor

MTA - Multi-Transistor Array

NVN - Netlist versus Netlist

PDK - Process Design Kit

QRC - Quality Factor (Inductance), Resistance, Capacitance

SKILL - Silicon Compiler Interface Language (SCIL)

TCL - Tool Command Language

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методики теплового моделирования аналого-цифровых кремниево-германиевых БиКМОП интегральных микросхем»

Актуальность работы

При разработке компонентов мощных высокочастотных, а также монолитных интегральных схем (ИС) для таких устройств, как модули усилителей мощности, точность моделирования схемы зависит от того, насколько точно учитывается температура устройства. Многие современные модели транзисторов включают моделирование саморазогревания, однако в них не учитываются термическое взаимодействие между устройствами, а также теплоперенос через кристалл и корпус микросхемы. Это может привести к значительным погрешностям, особенно в проектах с высокой степенью интеграции, где несколько мощных транзисторов находятся в непосредственной близости друг к другу. Различные системы автоматизированного проектирования (САПР) для электротемпературного анализа обеспечивают точные результаты моделирования микросхем в зависимости от степени нагрева путем использования температуры устройства, учитывающей тепловое взаимодействие и термические характеристики корпуса.

Для проектирования ИС используется библиотека базовых компонентов и функций, или PDK (Process Design Kit), которая описывает различные активные и пассивные элементы, а также модели этих элементов для конкретного технологического процесса. Такая базовая библиотека обычно предоставляется производителем ИС. Поставляемые модели приборов, такие как транзисторы и резисторы, включают в себя параметры саморазогрева. Однако при этом модель не учитывает влияние разогрева самого прибора на близлежащие устройства. Более того, топологическое размещение элементов, а также корпусирование могут оказать существенное воздействие на электротемпературные характеристики схемы, что также не учитывается в существующих моделях [1].

Краеугольной проблемой при моделировании электротемпературных параметров схемы является разработка технологического файла, который используется программой электротемпературного моделирования. На основе технологического файла программа электротемпературного моделирования строит трехмерную электротемпературную модель, поэтому технологический файл должен максимально точно описывать технологические параметры, в частности теплопроводность тонких пленок кремния (Ksi) и диоксида кремния (Ksio2). Поскольку экстракция Ksi и Ksio2 очень трудоемка, за основу обычно берут

справочные значения. Однако в реальных схемах значения теплопроводности могут сильно варьироваться, например, из-за различной степени легирования кремния, что может привести к неверным результатам электротемпературного моделирования, особенно в ИС с высокой плотностью размещения компонентов. Точное значение Ksio2 необходимо также для увеличения точности моделирования температурных эффектов в технологиях, содержащих много уровней металлизации, а также в технологиях flip-chip. Поскольку существующие методы электротемпературного моделирования не встроены в PDK, данный вид моделирования часто не выполняется разработчиками, что приводит к снижению надежности и отказоустойчивости микросхем.

Одной из самых распространенных программ моделирования температурных эффектов ИС на сегодняшний день является САПР ADS (Advanced Design System) компании Keysight [2], ориентированная на использование в прикладных задачах электротемпературного моделирования высокочастотных и монолитных интегральных схем. Keysight ADS выполняет полный трехмерный температурный анализ микросхемы, используя данные по рассеиванию мощности из электрического моделирования схем, информацию о расположении устройства - из проекта топологии, а также температурные характеристики материала - из комплекта описаний технологических процессов (PDK). Электротемпературное моделирование выполняется путем последовательных вычислений с помощью программ электрического и температурного моделирования схем. При этом программа температурного моделирования выдает уточненные значения температуры в программу электрического моделирования схемы, которая, в свою очередь, на их основе вырабатывает скорректированные данные по рассеиванию мощности для температурного моделирования. Процесс повторяется до достижения требуемой точности решения по температуре и рассеиваемой мощности.

Традиционный метод [3, 4] позволяет получить значения теплопроводности тонких пленок с высокой точностью, однако в случае композитных материалов (например, в процессе изготовления ИС с разными степенями легирования подложки) этот метод является слишком трудоемким. В работе предложена методика получения значений Ksi и Ksio2 композитных структур, основанная на приведении в соответствие результатов электротемпературного моделирования биполярных транзисторов и различных металлических структур и результатов измерений тех же

компонентов, изготовленных в виде ИС. Разработана программная методика калибровки параметров технологического файла, являющегося частью трехмерной электротемпературной модели, на основе САПР Keysight Electrothermal. Улучшенная таким образом электротемпературная модель позволяет моделировать с высокой точностью различные температурные эффекты в ИС. Данная методика не ограничена интеграцией с САПР Keysight ADS и поддерживает интеграцию с другими САПР, включая Cadence Virtuoso, посредством программы Keysight HeatWave. Компоненты, необходимые для запуска электротемпературного моделирования, включая технологический стек, были встроены в PDK. Данное решение дает возможность оценить работоспособность схемы до ее изготовления в виде ИС. Результаты работы были проверены путем измерений температурных сопротивлений биполярных транзисторов и различных структур с разным набором уровней металлизации на кремниевой пластине. В результате применения предложенной в работе методики удалось достичь точности результатов моделирования: в пределах 5 % - для активных устройств и в пределах 8 % - для металлических структур и в технологиях flip-chip.

Представленная методика позволяет получить значения Ksi и Ksio2, используемые в трехмерной электротемпературной модели, для различных кремниево-германиевых технологических процессов. В работе демонстрируются результаты квалификации полученной трехмерной электротемпературной модели на фабрике IHP для следующих технологических процессов: SG13S и SG25H4. Проведено исследование и показано, что влияние теплопроводности других пленок на результаты электротемпературного моделирования пренебрежимо мало.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы являются исследование и разработка трехмерной электротемпературной модели за счет калибровки значений теплопроводности кремния и диоксида кремния для электротемпературного моделирования мощных высокочастотных, а также монолитных интегральных схем в заданной кремниево-германиевой технологии.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ традиционных методов экстракции значения теплопроводности тонких пленок. Обоснование выбора программы электротемпературного моделирования Keysight Electrothermal. Анализ коэффициентов теплопроводности

тонких пленок в трехмерной электротемпературной модели и их влияние на точность моделирования;

2. Разработка тестовых схем для получения значений теплопроводности кремния и диоксида кремния композитных структур на основе измерений реальных значений теплового сопротивления;

3. Разработка методики калибровки значений теплопроводности кремния композитных структур с учетом теплового влияния активных устройств, расположенных в непосредственной близости. Калибровка значений теплопроводности кремния основана на результатах измерений теплового сопротивления биполярных транзисторов на кремниевой пластине;

4. Разработка методики калибровки значений теплопроводности диоксида кремния композитных структур на основе данных измерений теплового сопротивления металлических резисторов на кремниевой пластине;

5. Внедрение и тестирование разработанных методик в различные кремниево-германиевые технологические процессы и последующее применение результатов для моделирования температурных эффектов в реальных схемах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих результатах:

1. В результате исследования установлено влияние значений теплопроводности кремния и диоксида кремния на точность электротемпературного моделирования и предложена трехмерная электротемпературная модель, используемая программой электрического и температурного моделирования и увеличивающая точность моделирования за счет найденных значений теплопроводности кремния и диоксида кремния. Отличительной особенностью экстракции коэффициентов теплопроводности данной модели является возможность измерения композитных структур как с учетом влияния материалов, применяемых в заданной кремниево-германиевой технологии, так и с учетом влияния рассеиваемых мощностей приборов, выделяемых в виде тепла, на близлежащие устройства;

2. Разработаны алгоритмы калибровки коэффициентов теплопроводности тонких пленок в трехмерной электротемпературной модели для расчета температуры устройств и их температурного взаимодействия для различных вариантов топологических и конструктивно-технологических решений интегральных схем в

кремниево-германиевых технологиях за счет добавления в модель эффективных значений теплопроводности кремния и диоксида кремния;

3. Предложена методика тестирования трехмерной электротемпературной модели на основе моделей приборов, содержащих параметры саморазогрева и уже квалифицированных в интегральном виде.

Практическая значимость работы заключается в повышении точности трехмерной электротемпературной модели за счет найденных значений теплопроводности тонких пленок кремния и диоксида кремния, что позволяет разработчикам микросхем моделировать электротемпературные эффекты интегральных схем как с учетом параметров саморазогрева, так и с учетом влияния разогрева близлежащих устройств. При этом погрешность результатов моделирования и измерений, проводимых в кремнии, составляет 5 % для биполярных и МОП-транзисторов, резисторов и 8 % для различных металлических структур и схем типа flip-chip. Разработанные методики и алгоритмы позволяют сократить время калибровки коэффициентов теплопроводности и уменьшить вероятность случайных ошибок при внедрении данных коэффициентов в трехмерную электротемпературную модель. Методики позволяют исключить разработку моделей саморазогрева приборов (транзисторов и резисторов), поскольку при моделировании будет учтено как влияние саморазогрева прибора, так и температурное влияние прибора на другие устройства, расположенные в непосредственной близости. Разработанные методики и алгоритмы внедрены во все технологические процессы IHP БиКМОП 130 нм и 250 нм и позволяют существенно увеличить точность электротемпературного моделирования и получить точные температурные карты микросхем до изготовления их в кремнии.

Разработанные методики теплового моделирования слоев кремния и двуокиси кремния, а также экспериментальные результаты по определению коэффициентов теплопроводности этих слоев позволили повысить точность моделирования и способствовали решению научно-технической задачи по распределению тепла в мощных КМОП и БиКМОП аналого-цифровых микросхемах при выполнении научно-исследовательской работы на тему «Исследование критических технологических операций создания ЗБ-структур со сквозными отверстиями в кремнии» (шифр «314-Г3-ИЭМС», задание №№ 8.9313.2017/БЧ от 09.02.2017 г.). Также данные методики позволили решить научно-технические задачи по расчету

электрических характеристик аналого-цифровых микросхем в среде сквозного конструктивно-схемотехнического моделирования Cadence для КМОП и БиКМОП элементной базы при выполнении научно-исследовательской работы на тему «Разработка конструкций и технологии изготовления трехмерных интегральных структур, повышающих эффективность холодной эмиссии в устройствах микровакуумной техники» (шифр «237-Приоритет-ИЭМС», соглашение № 14.578.21.0219 от 26.09.2016 г.).

На защиту выносятся:

1. Трехмерная электротемпературная модель, учитывающая влияние реальной теплопроводности тонких пленок кремния и диоксида кремния;

2. Методика получения значений теплопроводности кремния композитных структур на основе данных измерений температурного сопротивления биполярных транзисторов на кремниевой пластине;

3. Методика получения эффективных значений теплопроводности диоксида кремния композитных структур на основе результатов измерений температурного сопротивления различных металлических структур на кремниевой пластине;

4. Алгоритмы калибровки эффективных значений теплопроводности тонких пленок для трехмерной электротемпературной модели.

Личный вклад автора

Результаты, изложенные в настоящей диссертационной работе и приведенные в положениях, выносимых на защиту, получены автором лично. Некоторые технические решения созданы в соавторстве с коллегами при решении совместных задач. Личный вклад автора включает формулировку цели и задач исследования, выбор путей их решения, выбор и разработку методик исследования, разработку алгоритмов, внедрение в технологические процессы поставщика интегральных схем IHP, проведение измерений и обработку материалов. Основная часть материалов написана лично автором. Совместные работы напечатаны после обсуждения с соавторами.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и демонстрировались на следующих научно-технических мероприятиях:

- 19-я Международная конференция «Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems - 2018, IEEE», г. Тулуза, Франция, 2018 г.;

- 25-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2018», НИУ «МИЭТ», г. Москва, Россия, 2018 г.;

- 18-я Международная конференция «Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF) - 2017, IEEE», г. Анахайм, Калифорния, США, 2017 г.;

- Международная конференция «The International Conference on Information Security and Digital Forensics», г. Салоники, Греция, 2014 г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем (МЭС)», г. Москва, Россия, 2005 г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем (МЭС)», г. Москва, Россия, 2006 г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем (МЭС)», г. Москва, Россия, 2018 г.;

- лекции на тему «RFIC Design Flow with ADS PDKs for IHP SiGe BiCMOS Technologies», Langenbeck-Virchow-Haus, г. Берлин, Германия, 2016 г. [5];

- лекции на тему «Design Kit Tutorial with ADS PDKs for IHP SG13S BiCMOS Technology», Пекинский технологический институт, г. Пекин, Китай, 2017 г. [6];

- лекции на тему «SG13S PDK Tutorial - Cadence and ADS Interoperability», IHP, Технологический парк, г. Франкфурт-на-Одере, Германия, 2017 г. [7];

- лекции на тему «SG13S PDK Tutorial - Cadence and ADS Interoperability», IHP, Технологический парк, г. Франкфурт-на-Одере, Германия, 2018 г. [8];

- лекции на тему «PV Cloud» и «Cadence and ADS Interoperability», IHP, Технологический парк, г. Франкфурт-на-Одере, Германия, 2018 г. [9].

Публикации

По материалам диссертации опубликовано восемь работ, включая шесть статей в изданиях, входящих в перечень ВАК, и две статьи в сборниках научных трудов и тезисах докладов научно-технических конференций, а также прочитано пять международных лекций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из перечня сокращений, введения, шести глав, заключения, списка литературных источников, семи приложений. Объем работы составляет 113 страниц и включает 52 рисунка, шесть таблиц, список источников из 104 наименований.

ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ ОБЩЕГО МАРШРУТА И ОТДЕЛЬНЫХ ЭТАПОВ ТЕПЛОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КРЕМНИЕВО-ГЕРМАНИЕВЫХ БиКМОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

1.1. Актуальность проблемы увеличения точности трехмерной электротемпературной модели для электротемпературного моделирования

В настоящий момент актуальными являются проблема увеличения точности трехмерной электротемпературной модели, а также проблема квалификации технологического файла, описывающего параметры теплопроводности тонких пленок и их толщин. Поскольку программы электротемпературного моделирования включаются в маршрут проектирования кремниево-германиевых технологий сравнительно недавно, методики квалификации технологического файла, который определяет точность конечной трехмерной температурной модели, отсутствуют. В табл. 1.1 представлен обзор поддержки электротемпературного моделирования различными производителями ИС.

Как видно из таблицы, практически все зарубежные фабрики поддерживают модели приборов (Я3, PSP, НШМ, ШШМ, MEXTRAM и УВ1С), в которых учитывается температура саморазогрева активных компонентов. Однако данные модели не поддерживают моделирование температурного взаимодействия между приборами ИС. Постоянное увеличение плотности размещения компонентов ИС на кристалле и использование мощных высокочастотных схем приводит к увеличению температуры и температурным градиентам как на поверхности, так и внутри ИС. Соответственно, рабочая температура транзисторов зависит от их расположения в чипе. Для получения точных данных о температуре во время работы компонентов необходимо проводить электротемпературное моделирование, которое учитывает не только расположение компонентов ИС в топологии, но и температурные эффекты после помещения чипа в корпус, а также различные системы охлаждения. Европейские производители ИС, такие как STMicro и Х^АВ, уже поддерживают в поставляемом маршруте проектирования электротемпературное моделирование ИС. Российские компании к разработке маршрута электротемпературного моделирования еще не приступили. Компании 1НР за счет предложенных в данной работе методик удалось разработать и внедрить полный маршрут

электротемпературного моделирования для кремниево-германиевых (SiGe) технологий (SG13S, SG13G2, SG25H3/H4, SGB25V, SGB25VGD).

Т а б л и ц а 1.1 Обзор поддержки электротемпературного моделирования европейскими и российскими производителями интегральных схем

Поддержка моделей саморазогрева (self-heating)

Поддержка электротемпературного моделирования в PDK

Точные значения теплопроводности материалов

Совместимость PDK с другим программным обеспечением и отсутствие дополнительных шагов при проектировании ИС

В последнее время электротемпературному моделированию на разных уровнях уделено много внимания [ 10]—[ 19]. Большинство публикаций адресованы моделированию на транзисторном уровне c использованием программ SPICE, ELDO, SABER и программ теплового моделирования, например ANSYS. Программа ANSYS использует метод конечных элементов для расчета температурного градиента. Комбинирование электрических и температурных программ позволяет провести электротемпературное моделирование ИС. Программа температурного расчета использует данные электрического моделирования (мощность рассеивания) и рассчитывает температурный градиент. Программа электрического моделирования выполняется еще раз на основе рассчитанных температур. Так происходит до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность по температуре и рассеиваемой мощности. Этот метод называется алгоритмом релаксации (relaxation method) и подробно описан в работах различных авторов [12, 13, 19].

Другой подход заключается в создании дополнительных «температурных» входов для всех компонентов PDK. Обычные терминалы компонентов образуют

электрическую цепь, а температурные входы объединяются между собой, образуя термическую цепь. В итоге электрическое и температурное моделирование происходит не последовательно, а параллельно. Это позволяет более точно отслеживать быстрые изменения мощности рассеивания и температурных всплесков. Данный подход отражен в работах [ 16]—[ 18].

На основе технологического файла, топологии, а также специальных температурных слоев программа электротемпературного моделирования строит трехмерную электротемпературную модель. Высокая точность параметров теплопроводности материалов, описанных в технологическом файле, является необходимым условием для достижения корректных результатов электротеплового моделирования. Как видно из табл. 1.1, ни один из производителей ИС не поставляет технологический файл, описывающий толщины тонких пленок, используемых в технологии, а также их значения теплопроводности. Основные материалы и их значения теплопроводности, применяемые в технологии 1НР БиКМОП SG13S, приведены в табл. 1.2.

Т а б л и ц а 1.2 Коэффициенты теплопроводности различных материалов, используемых в технологическом процессе

Материал Ро^ SiO2 А1 W

Теплопроводность, Вт/(м-К) 20 1 237 174

Теплопроводность кремния не указана в таблице, поскольку его значение зависит от температуры. Справочные значения кремния указаны в источниках [20, 21]. Реальные значения теплопроводности зависят от конкретного технологического процесса. Как видно из табл. 1.2, значения теплопроводности материалов существенно больше, чем теплопроводность кремния, в то время как толщина кремниевой подложки значительно больше, чем толщина других материалов данной технологии. Толщина кремниевой подложки для технологии 1НР БиКМОП SG13S составляет 750 мкм, в то время как максимальная толщина металла в данной технологии составляет 3 мкм. Поскольку значения теплопроводности алюминия почти в два раза выше теплопроводности кремния, а толщина алюминия примерно в 20 раз меньше, можно сделать вывод, что металлические слои нагреваются

мгновенно по сравнению с кремниевой подложкой. Следовательно, металлические слои не оказывают влияния на результаты электротемпературного моделирования, поэтому ими можно пренебречь.

Аналогичным образом можно показать, что влиянием поликремния можно также пренебречь. Несмотря на то что теплопроводность поликремния в четыре - восемь раз меньше теплопроводности кремния, его толщина в данной технологии составляет всего 0,16 мкм. Полный обзор слоев и их толщин, применяемых в данной технологии, показан на рис. 1.1. Влияние вольфрама на результаты моделирования можно также не учитывать, поскольку его значение теплопроводности выше кремния, а толщина в данной технологии равна толщине поликремния.

Рис. 1.1. Обзор слоев и их толщин, применяемых в технологии 1НР БиКМОП SG13S

Несмотря на то что значение диоксида кремния отличается от теплопроводности кремния примерно в 100 раз, его толщина составляет 16,2 мкм, что является существенным для моделирования температурных эффектов металлических

резисторов. Из результатов различных исследований [22]-[27] следует, что теплопроводность диоксида кремния также зависит от температуры. Однако из данных исследований видно, что значения теплопроводности диоксида кремния варьируются для различных технологических процессов и, следовательно, эти значения должны быть получены для каждой отдельно взятой технологии.

Таким образом, для того чтобы разработать технологический файл и улучшить тем самым трехмерную электротемпературную модель для последующего моделирования различных ИС в кремниево-германиевой технологии, необходимо провести точную экстракцию значений Ksi и Ksio2. Полученные результаты значений Ksi и Ksio2 необходимо внести в технологический файл, поставляемый вместе с PDK. Для внедрения электротемпературного моделирования в PDK необходимо добавить геометрию источников разогрева в топологию устройств, чтобы избежать дополнительных шагов в маршруте проектирования ИС. Геометрия источников разогрева должна автоматически пересчитываться в зависимости от параметров и геометрии компонентов. Слои источников разогрева не должны являться технологическими, чтобы избежать потенциального вмешательства в пользовательскую микросхему. PDK должен быть совместим с программным обеспечением ведущих производителей, таких как Keysight ADS и Cadence Virtuoso (посредством программы HeatWave). Разработанный PDK должен работать с ИС как в Cadence Virtuoso, так и в Keysight ADS без перерисовывания схематического и топологического представлений схемы.

1.2. Анализ современных подходов измерения теплопроводности тонких пленок

Традиционный метод измерения теплопроводности материала схематично показан на рис. 1.2 [28]. На одной стороне материала рассеивается мощность P (1), что приводит к образованию теплового потока w (2), текущего к другому материалу (3), который отводит тепло и имеет некую заранее известную температуру То. В это время измеряется температура AT между источником тепла и материалом, который отводит тепло. Связь между тепловым градиентом и мощностью определяется формулой (1.1):

y2T _ pflegt (1 1)

X

где X - коэффициент теплопроводности материала. Для простой фигуры, в которой распространение теплового градиента происходит в одномерном измерении, для решения аналитической модели берут производную, что позволяет получить выражение для теплопроводности:

Р

Л = А?

(1.2)

Измеряя величину АТ для заданного значения Р, определяют значение коэффициента теплопроводности материала в необходимом температурном диапазоне.

Г

То + АТ

Рис. 1.2. Традиционный метод измерения теплопроводности материала: 1 - источник тепла; 2 - исследуемый материал; 3 - теплоотвод

Теплообмен между размещенными в одной конструкции элементами может быть трех видов (кондуктивныи, конвективный и радиационный):

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дацук Антон Михайлович, 2019 год

ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ

[1] Дацук А. М. "Автоматизация электротермического моделирования интегральных схем на основе экстракции реальных значений термической проводимости кремния," Микроэлектроника и информатика, НИУ МИЭТ, г. Москва, Россия, 2018.

[2] W2349EP. (2017) Keysight ADS electro-thermal simulator. [Online]. Available: http://www.keysight.com/en/pd-2145993-pn-W2349EP/ads-electro-thermal-simulator-element?cc=DE&lc=ger

[3] D. G. Cahill, "Thermal conductivity measurement from 30 to 750 k: the 3ю method," Review of scientific instruments, vol. 61, no. 2, pp. 802-808, 1990.

[4] Дорохин М. В., Ерофеева И. В., Кузнецов Ю. М., "Измерение теплопроводности методом 3ю," Практикум. Нижегородский госуниверситет, Нижний Новгород, c. 18, 2016.

[5] A. Datsuk. (2016) RFIC Design Flow with ADS PDKs for IHP SiGe BiCMOS Technologies. [Online]. Available: https://www.ihp-microelectronics.com/de/services/-mpw-prototyping/workshops-tutorials/ads-tutorial/about

[6] A. Datsuk and W. Wichmann. (2017) Design Kit Tutorial with ADS PDKs for IHP SG13S BiCMOS Technology. [Online]. Available: https://www.ihp-microelectronics.com/de/services/mpw-prototyping/workshops-tutorials/design-kit-tutorial-for-ihp-sg13-bicmos-technology-in-china/agenda-speakers.html

[7] A. Datsuk et al. (2017) SG13S PDK Tutorial - Cadence and ADS Interoperability. [Online]. Available: https://www.ihp-microelectronics.com/de/services/mpw-prototyping/workshops-tutorials/SG13-BiCMOS-PDK-Tutorial-Cadence-and-ADS-Interoperability/the-tutorial

[8] A. Datsuk and W. Wichmann. (2018) SG13 BiCMOS PDK Tutorial - Cadence and ADS Interoperability. [Online]. Available: https://www.ihp-microelectronics.com/en/-services/mpw-prototyping/workshops-tutorials/ihp-workshop-tutorial/the-tutorial.html

[9] A. Datsuk. (2018) PV Cloud. [Online]. Available: https://www.ihp-microelectronics.com/en/services/mpw-prototyping/workshops-tutorials/ihp-workshop-tutorial/the-workshop.html

[10] W. van Petegem, B. Geerarts, W. Sansen, and B. Graindourze, "Electrothermal simulation and design of integrated circuits," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 29, no. 2, pp. 143-146, Feb. 1994.

[11] W. K. C. W. H. Kao, "Atlas: An integrated thermal layout and simulation system for

IC," in Proc. European Design and Test Conf., Paris, France, pp. 43-48, 1994.

[12] Y. Cheng et al., "ETS-A: A New Electrothermal Simulator for CMOS VLSI Circuits," In Proc. European Design and Test Conf., Paris, France, pp. 566-570, 1996.

[13] T. Li, C.-H. Tsai, and S.-M. Kang, "Efficient transient electrothermal simulation of CMOS VLSI circuits under electrical overstress," in Proc. IEEE/ACM Int. Conf. Computer-Aided Design. Digest of Technical Papers (IEEE Cat. No. 98CB36287), Nov. 1998, pp. 6-11.

[14] S.-S. Lee and D. J. Allstot, "Electrothermal simulation of integrated circuits," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 28, no. 12, pp. 1283-1293, Dec. 1993.

[15] G. Digele, S. Lindenkreuz, and E. Kasper, "Fully coupled dynamic electro-thermal simulation," IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 5, no. 3, pp. 250-257, Sep. 1997.

[16] M.-Sabry, A. Bontemps, V. Aubert, and R. Vahrmann, "Realistic and efficient simulation of electro-thermal effects in VLSI circuits," IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 5, no. 3, pp. 283-289, Sep. 1997.

[17] S. Wünsche, C. Clauß, P. Schwarz, and F. Winkler, "Electro-thermal circuit simulation using simulator coupling," IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 5, no. 3, pp. 277-282, Sep. 1997.

[18] V. Székely, A. Poppe, M. Rencz, A. Csendes, and A. Pahi, "Self-consistent electrothermal simulation: fundamentals and practice," Microelectronics Journal, vol. 28, pp. 247-262, 1997.

[19] V. Székely, A. Poppe, A. Pahi, A. Csendes, G. Hajas, and M. Rencz, "Electrothermal and logi-thermal simulation of VLSI designs," IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 5, no. 3, pp. 258-269, Sep. 1997.

[20] S. Selberherr, "Analysis and simulation of semiconductor devices," p. 119, 1984.

[21] P. Leturcq, J.-M. Dorkel, A. Napieralski, and E. Lachiver, "A new approach to thermal analysis of power devices," IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 34, no. 5, pp. 1147-1156, May 1987.

[22] J. H. Orchard-Webb, "A new structure for measuring the thermal conductivity of integrated circuit dielectrics," in Proc. Int. Conf. Microelectronic Test Structures, Mar. 1990, pp. 41-45.

[23] H. A. Schafft, J. S. Suhle, and P. G. A. Mirel, "Thermal conductivity measurements of thin-film silicon dioxide," in Proc. Int. Conf. Microelectronic Test Structures, Mar. 1989, pp. 121-125.

[24] K. E. Goodson, M. I. Flik, L. T. Su, and D. A. Antoniadis, "Annealing-temperature dependence of the thermal conductivity of LPCVD silicon-dioxide layers," IEEE Electron Device Letters, vol. 14, no. 10, pp. 490-492, Oct. 1993.

[25] A. Saxena and M. Bourgeois, "Thermal conductivity of thin dielectric films and its impact on multilevel metallizations," in VMIC Conf. ISMIC, 1993, pp. 251-257.

[26] F. Brotzen, P. Loos, and D. Brady, "Thermal conductivity of thin SiO2 films," Thin Solid Films, vol. 207, no. 1-2, pp. 197-201, 1992.

[27] J. C. Lambropoulos, M. Jolly, C. Amsden, S. Gilman, M. Sinicropi, D. Diakomihalis, and S. Jacobs, "Thermal conductivity of dielectric thin films," Journal of applied physics, vol. 66, no. 9, pp. 4230-4242, 1989.

[28] M. v. Arx and H. Baltes, "Thermal properties of CMOS thin films," Ph. D. dissertation, ETH Zurich, 1998.

[29] Ненашев А. П., "Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов," М.: Высш. шк., c. 432, 1990.

[30] Козынко П. А., "Разработка подсистем электротеплового моделирования БИС и печатных плат в среде промышленной САПР," канд. диссертация, М.: МИЭМ, с. 29, 2010.

[31] H. B. Parameswaran, "Oxide microstructures fubrication: A novel approach," Sensors and Materials, vol. 10, pp. 115-122, 1989.

[32] A. Reisman, M. Berkenblit, S. Chan, F. Kaufman, and D. Green, "The controlled etching of silicon in catalyzed ethylenediamine-pyrocatechol-water solutions," Journal of the electrochemical society, vol. 126, no. 8, pp. 1406-1415, 1979.

[33] H. Seidel, L. Scepregi, A. Heuberger, and H. Baumgartel, "Anisotropic etching of crystalized silicon in alkaline solutions, orientation dependance and behaviour of passivation layers," J. Electrochem. Soc., vol. 137, pp. 3612-3626, 1990.

[34] R. Lenggenhager and H. Baltes, CMOS thermoelectric infrared sensors. ETH Zurich, 1994.

[35] Жаров А. В., Савинский Н. Г., Павлов А. А., Евдокимов А. Н., "Экспериментальный метод измерения теплопроводности наножидкости," Фундаментальные исследования, № 6-8, 2014.

[36] Коротких А. Г., "Теплопроводность материалов: учебное пособие," Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011.

[37] Магомедов Я. Б., Гаджиев Г. Г., Омаров З. М., "Влияние температуры на термоэлектрические параметры кремния," Фазовые переходы, упорядоченные состояния, новые материалы, т. 2, с. 1-3, 2009.

[38] D. De Koninck, "Thermal conductivity measurements using the 3ю technique: Application to power harvesting microsystems," Ph. D. dissertation, McGill University Montréal, Canada, 2008.

[39] F. Volklein and H. Baltes, "A microstructure for measurement of thermal conductivity of polysilicon thin films," Journal of microelectromechanical systems, vol. 1, no. 4, pp. 193-196, 1992.

[40] T. Geballe and G. Hull, "Seebeck effect in silicon," Physical Review, vol. 98, no. 4, p. 940, 1955.

[41] T. Starz, U. Schmidt, and F. Volklein, "Microsensor for in-situ thermal-conductivity measurements of thin-films," Sensors and materials, vol. 7, no. 6, pp. 395-403, 1995.

[42] O. Paul and H. Baltes, "Thermal conductivity of CMOS materials for the optimization of microsensors," Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 3, no. 3, p. 110, 1993.

[43] D. G. Cahill and R. O. Pohl, "Thermal conductivity of amorphous solids above the plateau," Physical review B, vol. 35, no. 8, p. 4067, 1987.

[44] F. Volklein, "Thermal conductivity and diffusivity of a thin film SiO2-Si3n4 sandwich system," Thin Solid Films, vol. 188, no. 1, pp. 27-33, 1990.

[45] D. Denlinger, E. Abarra, K. Allen, P. Rooney, M. Messer, S. Watson, and F. Hellman, "Thin film microcalorimeter for heat capacity measurements from 1.5 to 800 k," Review of Scientific Instruments, vol. 65, no. 4, pp. 946-959, 1994.

[46] Ansys, Ine, "Ansys theory reference," 2007.

[47] A. Comsol, "Comsol multiphysics ver. 3.3," http://www.comsol.se, 2006.

[48] M. Rencz, V. Székely, and A. Poppe, "A fast algorithm for the layout based electrothermal simulation," in Proc. Automation and Test in Europe Conf. 2003 Design and Exhibition, Mar. 2003, pp. 1032-1037.

[49] Гиллемин Э. А., "Синтез пассивных цепей,"М.: Связь, с. 720, 1970.

[50] Атабеков Г. И., "Основы теории цепей," М.: УРСС, с. 432, 2006.

[51] Зевеке Г. В., Ионкин П. А. и др., "Основы теории цепей," М.: Энергия, 1975.

[52] Ястребов H. И., "Модификация метода реализации пассивного двухполюсника с потерями по Фостеру," Вестник НТУУ, 2008.

[53] V. Székely, "Accurate calculation of device heat dynamics: a special feature of the trans-tran circuit-analysis program," Electronics Letters, vol. 9, no. 6, pp. 132-134, Mar. 1973.

[54] Петросянц К. О., Рябов Н. И., Казаков В. И., Макеев В. В., Русаков Д. Н., Чиркин Г. К., "Моделирование транзисторных структур силовой электроники," Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005. Сборник научных трудов / Под общ. ред. А. Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, с. 151-158, 2005.

[55] Петросянц К. О., Козынко П. А., "Совершенствование подсистемы теплового моделирования печатных плат в САПР mentor graphics," Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006. Сборник научных трудов / Под общ. ред. А. Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, с. 148-151, 2006.

[56] Петросянц К. О., Рябов Н. И., Харитонов И. А., Козынко П. А., "Реализация процесса электротеплового моделирования в САПР БИС mentor graphics," Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов / Под общ. ред. А. Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, с. 243-246, 2008.

[57] Петросянц К. О., "Тепловое моделирование компонентов МЭС: от субмикронных элементов СБИС до сложных электронных блоков," Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов / Под общ. ред. А. Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, с. 239-242, 2008.

[58] Петросянц К. О., Рябов Н. И., "Моделирование датчиков температуры мощных интеллектуальных ИС," Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010. Сборник трудов / Под общ. ред. академика А. Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, с. 80-85, 2010.

[59] Петросянц К. О., Харитонов И. А., Адонин А. С., Сидоров А. В., Александров А. В., "Создание IBIS-моделей цифровых микросхем с учетом воздействия внешних факторов," Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2012. Сборник трудов / Под общ. ред. академика РАН А. Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, с. 187-192, 2012.

[60] Козынко П. А., "Моделирование электротепловых режимов печатных плат и БИС в среде промышленной САПР," Проблемы разработки перспективных микро-и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов / Под общ. ред. А. Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, с. 533-538, 2008.

[61] А. Мадера, "Расчет динамического режима полупроводниковых микросхем с учетом тепловой обратной связи," Микроэлектроника. Т. 2, с. 175-177, 1982.

[62] Мадера А. Г., "Моделирование теплообмена в технических системах," М.: НО Научный фонд «Первая исследовательская лаборатория имени академика В. А. Мельникова», с. 208, 2005.

[63] M. Pedram and S. Nazarian, "Thermal modeling, analysis, and management in VLSI circuits: Principles and methods," Proceedings of the IEEE, vol. 94, no. 8, pp. 14871501, Aug. 2006.

[64] W. Batty, E. Christoffersen, S. David, A. J. Panks, R. G. Johnson, M. Snowden, and M. B. Steer, "Steer steady-state and transient electro-thermal simulation of power devices and circuits based on a fully physical thermal model," Budapest: THERMINIC 2000 Proceedings, pp. 125-130, 2000.

[65] T.-Y. Chiang, K. Banerjee, and K. C. Saraswat, "Compact modeling and spice-based simulation for electrothermal analysis of multilevel ULSI interconnects," in Proc. IEEE/ACM Int. Conf. Computer Aided Design. ICCAD 2001. IEEE/ACM Digest of Technical Papers (Cat. No. 01CH37281), Nov. 2001, pp. 165-172.

[66] SILICONFRONTLINE. (2018) Ethan. [Online]. Available: http://www. siliconfrontline.com/products/ethan

[67] Keysight Technologies, "HeatWave," Reference Manual, 2016.

[68] Keysight, "Keysight EEsof EDA premier communications design software," Keysight EEsof EDA premier communications design software product overview brochure, 2017.

[69] A. Datsuk, M. Kaynak, and T. Krupkina, "Automation of electro-thermal simulations based on thermal conductivity optimization," in Proc. Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE) 2018 19th Int. Conf. Thermal, Apr. 2018, pp. 1-4.

[70] F. Korndorfer, A. Datsuk, and M. Kaynak, "Layout based electro-thermal simulation setup," in Proc. IEEE 18th Topical Meeting Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), Jan. 2018, pp. 68-70.

[71] H. Rücker, B. Heinemann, W. Winkler, R. Barth, J. Borngräber, J. Drews, G. Fischer, A. Fox, T. Grabolla, U. Haak, D. Knoll, F. Korndörfer, A. Mai, S. Marschmeyer, P. Schley, D. Schmidt, J. Schmidt, K. Schulz, B. Tillack, D. Wolansky, and Y. Yamamoto, "A 0.13^m SiGe BiCMOS technology featuring fT/fmax of 240/330 GHz and gate delays below 3 ps," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 45, no. 9, pp. 1678-1686, 2010.

[72] Cadence Design Systems, "Assura," Command Reference, 2016.

[73] Polyteda. (2018) Physical verification tools. [Online]. Available: http://-www.polyteda.com

[74] S. Russo, V. d'Alessandro, L. L. Spina, N. Rinaldi, and L. K. Nanver, "Evaluating the self-heating thermal resistance of bipolar transistors by DC measurements: A critical review and update," in Proc. IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, Oct. 2009, pp. 95-98.

[75] E. W. Cheney and D. R. Kincaid, Numerical mathematics and computing. Cengage Learning, 2012.

[76] C. F. Gerald, Applied numerical analysis. Pearson Education India, 2004.

[77] D. Kincaid and E. W. Cheney, Numerical analysis: mathematics of scientific computing. Brooks/Cole, 2003.

[78] F. Hanson, "MCS 471 class optimization notes: Method of golden section search," 1997.

[79] Keysight. (2018) E5270B Базовый блок для прецизионных измерений. [Online]. Available: https://www.keysight.com/ru/pd-502208-pn-E5270B/8-slot-precision-measurement-mainframe?cc=RU&lc=rus

[80] Keysight. (2018) E5262A Высокоскоростной параметрический анализатор, 2 канала. [Online]. Available: https://www.keysight.com/ru/pd-503375-pn-E5262A/2-channel-mpsmu-mpsmu-high-speed-source-monitor-unit?cc=RU&lc=rus

[81] A. Datsuk, F. Korndörfer, M. Kaynak, Z. Cao, and K. Dhawan, "Automated extraction of silicon dioxide thermal conductivity values based on electro-thermal simulations," 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus).

[82] N. Weimann, D. Stoppel, M. Schukfeh, A. Datsuk et al., "SciFab - a wafer-level heterointegrated InP DHBT/SiGe BiCMOS foundry process for mm-wave applications," phys. stat. sol. (a), vol. 213, no. 4, pp. 909-916, 2016.

[83] M. B. Kleiner, S. A. Kuhn, and W. Weber, "Thermal conductivity measurements of thin silicon dioxide films in integrated circuits," IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 43, no. 9, pp. 1602-1609, Sep. 1996.

[84] C. R. Crowell, C.-C. Shih, K. Jonggook, and V. C. Tyree, "Temperature dependence of resistance in black's equation and in calibration for sweat and nist structures: the parameter tEO," in Proc. IEEE Int. Integrated Reliability Workshop Final Report (Cat. No. 99TH8460), Oct. 1999, pp. 142-143.

[85] Y. Touloukian, R. Powell, C. Ho, and P. Klemens, "Thermal conductivity - metallic elements and alloys," Thermophysical Properties of Matter, vol. 1, 1970.

[86] Z. Dyka, F. Vater, C. Wittke, A. Datsuk, and P. Langendorfer, "Using supply voltage metal layers as low cost means to hinder several types of physical attacks," Proc. ISDF2014, Thessaloniki, Greece, 2014.

[87] Si2. (2018) Openaccess. [Online]. Available: http://www.si2.org/openaccess

[88] Y. Inoue, "Openaccess overview: industrial experience," Proc. Asia and South Pacific Conf. Design Automation, p. 2, 2006.

[89] Дацук А. М., Марчук В. И., "Усовершенствованные алгоритмы сравнения графов электрических схем," Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005. Сборник научных трудов / Под общ. ред. А. Л. Стемпковского. М.: ИППМРАН, c. 107-112, 2005.

[90] Харари Ф., "Теория графов," М.: Мир, 1973.

[91] V. Marchuk, I. Lopanenko, and M. Kanshin, "Advanced physical verification algorithms (DRC/LVS) for sub-micron technologies," CTC, 2003.

[92] Дацук А. М., Цветков А. В., "Определение и сравнение М-фактора для устройств с типом, определенным пользователем (GENERIC)," Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006. Сборник научных трудов / Под общ. ред. А. Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, c. 126-129, 2006.

[93] S. Cowper and A. Grudanov, "Cloud-based DRC/LVS tools: affordable EDA for smescloud-based drc/lvs tools: affordable EDA for smes," EENews, 2017.

[94] IHP. (2018) Low-volume and multi-project service. [Online]. Available: https://-www.ihp-microelectronics.com/en/services/mpw-prototyping/sigec-bicmos-technologie s.html

[95] GLOBALFOUNDRIES. (2018) Globalfoundries launches RF ecosystem program to accelerate time-to-market for wireless connectivity, radar and 5g applications. [Online].

Available: https://globenewswire.com/news-release/2018/03/20/1442860/0/en/-

GLOBALFOUNDRIES-Launches-RF-Ecosystem-Program-to-Accelerate-Time-to-

Market-for-Wireless-Connectivity-Radar-and-5G-Applications.html

[96] P. Zampardi, "A study of new base pushout effects in modern bipolar transistors,"

Ph. D. dissertation Dept. Elect. Eng. UCLA Los Angeles CA, 1997.

[97] M. T. Ozalas, "The impact of electro-thermal coupling on HBT power amplifiers," in Proc. IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symp. (CSICS), Oct. 2014, pp. 1-4.

[98] Титце У., Шенк К., "Полупроводниковая схемотехника," М.: ДМКПресс, 12-e изд., 2008.

[99] Павлов В. Н., Ногин В. Н., "Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов," М.: Горячая линия, Телеком, c. 320, 2001.

[100] Лаврентьев Б. Ф., "Схемотехника электронных средств. Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений," М.: Издательский центр «Академия», с. 336, 2010.

[101] Волович Г. И., "Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств," М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 3-е изд. стер., с. 528, 2011.

[102] R. Gillon, P. Joris, H. Oprins, B. Vandevelde, A. Srinivasan, and R. Chandra, "Practical chip-centric electro-thermal simulations," in Proc. 14th Int. Workshop Thermal Investigation of ICs and Systems, Sep. 2008, pp. 220-223.

[103] Хоровиц П., Хилл У., "Искусство схемотехники," М.: Издательский дом «МИР», ч. 1, 2-е изд. стер., c. 319-321, 1984.

[104] А. М. Дацук, А. М. Балашов, В. П. Тимошенков, Т. Ю. Крупкина, "Электротермическое моделирование источника опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны кремния," Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2018. Сборник научных трудов / Под общ. ред. А. Л. Стемпковского. М.: ИППМРАН, с. 189-193, 2018.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Модели металлических резисторов, используемых для экстракции теплопроводности диоксида кремния

Модель металлического резистора M1: inline subckt RthM1 PLUS MINUS parameters R=0 RthM1 (PLUS MINUS) rmod_M1R model rmod_M1R resistor r=R +tc1=3.4e-3 +tc2=0 ends RthM1

Модель металлического резистора M2: inline subckt RthM2 PLUS MINUS parameters R=0

RthM2 (PLUS MINUS) rmod_M2R model rmod_M2R resistor r=R +tc1=3.5e-3 +tc2=0 ends RthM2

Модель металлического резистора M3: inline subckt RthM3 PLUS MINUS parameters R=0

RthM3 (PLUS MINUS) rmod_M3R model rmod_M3R resistor r=R +tc1=3.5e-3 +tc2=0 ends RthM3

Модель металлического резистора TM1: inline subckt RthTM1 PLUS MINUS parameters R=0

RthTM1 (PLUS MINUS) rmod_TM2R model rmod TM1R resistor r=R

+tc1=3.7e-3 +tc2=0 ends RthTM1

Модель металлического резистора TM2: inline subckt RthTM2 PLUS MINUS parameters R=0

RthTM2 (PLUS MINUS) rmod_TM2R model rmod_TM2R resistor r=R +tc1=3.7e-3 +tc2=0 ends RthTM2

Приложение Б. Программная реализация добавления источников разогрева в параметрические ячейки

// addThermalLayer

defun addThermalLayer(cxt, heatLayer, bbox, addThermalText, label) {

decl x1 = nth(0, bbox); decl y1 = nth(1, bbox); decl x2 = nth(2, bbox); decl y2 = nth(3, bbox);

dbCreateRectById(cxt, heatLayer, list(x1, y1, x2, y2)); if(addThermalText) { dbCreateLabel(cxt,

list(heatLayer, "drawing"), (x1+x2)/2, (y1+y2)/2, 0, 0.01, label);

}

}

где параметр cxt - код сессии редактора топологии, в которой должен быть создан источник разогрева; heatLayer - слой, в котором должен быть создан источник разогрева; bbox - массив координат, определяющий размеры и расположение источника разогрева; label - название модели прибора; addThermalText - флаг, который позволяет контролировать добавление названия модели.

Возникают ситуации, когда, например, резистор состоит из множества прямоугольников, которые касаются друг друга. В этом случае нет необходимости добавлять имя модели в каждую фигуру. Параметр addThermalText и позволяет контролировать этот случай.

Две дополнительные функции addThermalResLayer и addThermalTransLayer были добавлены для создания источников разогрева для резисторов и транзисторов соответственно.

// addThermalResLayer

defun addThermalResLayer(cxt, bbox, addThermalText, label) {

addThermalLayer(cxt, "HeatRes", bbox, addThermalText, label);

}

// addThermalTransLayer

defun addThermalTransLayer(cxt, bbox, addThermalText, label) {

addThermalLayer(cxt, "HeatTrans", bbox, addThermalText, label);

}

Приложение В. Технологический файл для технологии IHP SG13S/G2 со значениями теплопроводности кремния и диоксида кремния после проведения калибровки

# Tcl example of a complete thermal technology description in Tcl gda::Flow flow

# invoke the following procedure to define IHP's SG13S technology

proc rephbtTech {flow} {

# silicons thermal_conductivity as a function of temperature

# Temperature dependent conductivity K(T): {T1 K1 T2 K2 ... TN KN} set Si_K_T {

25 83.011696289063 40 77.752760390625 55 73.0503990625 70 68.82406875 85 65.007846015625 100 61.547131367188 115 58.396416367187 130 55.51752921875 145 52.878151488281 160 50.450792039063 175 48.21193640625 190 46.141339714844

205 44.221505671875 220 42.437229355469 370 20 } ;#end

set SiO2_K_T {

-60 1.175 -40 1.1946666666667 -20 1.2143333333333 0 1.234 25 1.2536666666667 40 1.2733333333333 60 1.293 80 1.3126666666667 100 1.3323333333333 120 1.352 140 1.3716666666667 160 1.3913333333333 180 1.411 200 1.4306666666667 220 1.4503333333333

} ;#end

#----------------------

# MATERIAL DEFINITIONS set K_list "

{Si {$Si_K_T} } {PolySi 20 } {SiO2 {$SiO2_K_T}} {Al 237 4e-8 } {W 174 4e-8 }

# K_list is enclosed in quotes, so $Si_K_T is evaluated

# VOLUMETRIC HEAT CAPACITY (use material names from K_list)

# {name heat_capacity_per_unit_volume J/(mA3 K)} set Cv_list {

{Si 1.63e6}

} ;# no $variables used, so braces {} are ok

# {name thickness(m) bkgnd-material {lyr1 mat1}...{lyrN matN}} set layer_list {

{ substrate 750e-6 Si }

{ str 0.375e-6 SiO2 {Activ Si} {Activ_mask Si}}

{ tarnspower 40e-9 SiO2 {Activ Si} {Activ_mask Si} {EmWind Si}}

{ gateoxide 4e-9 SiO2 {EmWind Si} {Cont W}}

{ respower 0.160e-6 SiO2 {PolyRes PolySi} {EmWind Si} {Cont W} }

{ contact 0.5e-6 SiO2 {Cont W} }

{ metal 1 0.42e-6 SiO2 {Metal1 Al} }

{ via1 0.54e-6 SiO2 {Via1 W} }

{ metal2 0.49e-6 SiO2 {Metal2 Al} }

{ via2 0.54e-6 SiO2 {Via2 W} }

{ metal3 0.49e-6 SiO2 {Metal3 Al} }

{ via3 0.54e-6 SiO2 {Via3 W} }

{ metal4 0.49e-6 SiO2 {Metal4 Al} }

{ via4 0.54e-6 SiO2 {Via4 W} }

{ metal5 0.49e-6 SiO2 {Metal5 Al} }

{ topvia1 0.85e-6 SiO2 {TopVia1 W} }

{ topmetal1 2e-6 SiO2 {TopMetal1 Al} }

{ topvia2 2.8e-6 SiO2 {TopVia2 W} }

{ topmetal2 3e-6 SiO2 {TopMetal2 Al} }

{ passivation 1.9e-6 SiO2 {Passiv Al} }

# the last parameter is optional, so $Cv_list may be omitted

gdDefineTech flow $K_list $layer_list $Cv_list }

Приложение Г. Формат данных выходного файла сравнения электрического и топологического представлений схемы

Данные сравнения электрической схемы: <имя ячейки> - имя ячейки верхнего уровня;

<формат схемы> - формат описания схемы (поддерживаемые форматы: CDL, SPICE, VERILOG);

<путь к файлу> - путь к файлу, содержащему описание электрической схемы; <код выхода> - код завершения программы, где 0 - схема не содержит ошибок, 1 - есть LVS-ошибки.

Описание цепей схемы:

<количество цепей> - целочисленное значение, определяющее количество цепей в схеме;

<индекс цепи> - целочисленное значение, определяющее номер цепи; <имя цепи> - имя цепи в ИС;

<тип цепи> - определяет, является ли цепь внешней или внутренней; <номер соответствия> - целочисленное значение, определяющее индекс цепи, поставленной в соответствие;

<код ошибки> - целочисленное значение, где 0 - цепь поставлена в соответствие, 1 - цепь не поставлена в соответствие;

<код разрыва> - определяет, разорвана цепь или нет. Описание устройств схемы:

<количество устройства> - целочисленное значение, определяющее количество устройств в схеме;

<индекс устройства> - целочисленное значение, определяющее номер устройства;

<тип устройства> - определяет тип устройства (транзистор, резистор, емкость и т.

д.);

<имя устройства> - имя устройства в ИС; <модель> - название модели устройства в ИС;

<внутренний тип> - внутренний тип устройства после проведенных преобразований (например, после объединения параллельных устройств);

<номер соответствия> - целочисленное значение, определяющее индекс устройства, поставленного в соответствие;

<код ошибки> - целочисленное значение, где 0 - устройство поставлено в соответствие, 1 - устройство не поставлено в соответствие. Описание портов устройства:

<количество портов> - целочисленное значение, определяющее количество портов устройства;

<имя порта> - имя порта устройства; <номер порта> - номер порта устройства. Описание параметров устройства:

<количество параметров> - целочисленное значение, определяющее количество параметров устройства;

<имя параметра> - название параметра устройства; <значение> - значение параметра устройства.

Далее формат повторяется, пока не будут перечислены все цепи и устройства схемы. После описания электрической схемы следуют данные сравнения топологии в том же формате. Пример cmr-файла приведен ниже: ipHV_0u75_05_1 cdl

"/ihp/pdk/users/datsuk/workarea/SG13S/cds/polyteda/ipHV_0u75_05_1//ihp/pdk/users/d atsuk/workarea/SG13 S/cds/polyteda/ipHV_0u75_05_1/T380_driver 1 a_ipHV_0u75_05_ 1.cdl" 0 5 0 D 2 0 0 -1 1 G 2 1 0 -1 2 NW 2 2 0 -1 3 S 2 3 0 -1 4 NET5 1 4 0 -1 2 0 33 XI1 ntap1 1 1 0 2 TIE 2 WELL 4 3 R 262.847 W 0.78u L 0.78u 1 34 MP0 pmosHV 2 0 0 4 D 0 G 1 S 3 BULK 4 4 M 1 W 0.75u L 0.5u NG 1 ipHV_0u75_05_1 spice

"/ihp/pdk/users/datsuk/workarea/SG13S/cds/polyteda/ipHV_0u75_05_1//ihp/pdk/users/d atsuk/workarea/SG13S/cds/polyteda/driver_ls3/T380_driver1a_driver_ls3.spo" 0 5 0 D 2 0 0 -1 1 G 2 1 0 -1 2 NW 2 2 0 -1 3 S 2 3 0 -1 4 LVS_6 1 4 0 -1 2 0 44 m_pmosHV_1 pmosHV 2 1 0 4 D 3 G 1 S 0 BULK 4 4 L 0.5u W 0.75u X 0.62 Y 0.96 1 47 x_ntap1_2 ntap1 1 0 0 2 TIE 2 WELL 4 3 R 262.847 X 2.27 Y 0.82

Приложение Д. Акт о внедрении результатов диссертационной работы на тему «Исследование критических технологических операций создания 3Б-структур со сквозными отверстиями в кремнии»

о внедрении результатов диссертационной работы Дацука A.M.

Настоящим актом подтверждается, что результаты, полученные в ходе работы над кандидатской диссертацией Дацука A.M. «Исследование и разработка методики теплового моделирования аналого-цифровых кремний-германиевых БиКМОП микросхем», внедрены в Национальном исследовательском университете «МИЭТ» при выполнении научно-исследовательской работы по теме «Исследование критических технологических операций создания 3D структур со сквозными отверстиями в кремнии», шифр "314-ГЗ-ИЭМС" Задание № 8.9313.2017/БЧ от 09.02.2017 г.

Разработанные Дацуком A.M. методики теплового моделирования слоев кремния и окиси кремния, а также экспериментальные результаты по определению коэффициентов теплопроводности этих слоев позволили повысить точность моделирования, и способствовали решению научно-технические задачи по распределению тепла в мощных КМОП и БиКМОП аналого - цифровых микросхемах.

АКТ

Зам. зав. кафедрой ИЭМС

Крупкина Т.Ю.

Приложение Е. Акт о внедрении результатов диссертационной работы на тему «Разработка конструкций и технологии изготовления трехмерных интегральных структур, повышающих эффективность холодной эмиссии в устройствах микровакуумной техники»

Настоящим актом подтверждается, что результаты, полученные в ходе работы над кандидатской диссертацией Дацука A.M. «Исследование и разработка методики теплового моделирования аналого-цифровых кремний-германиевых БиКМОП микросхем», внедрены в Национальном исследовательском университете «МИЭТ» при выполнении научно-исследовательской работы по теме «Разработка конструкций и технологии изготовления трехмерных интегральных структур, повышающих эффективность холодной эмиссии в устройствах микровакуумной техники», шифр "237-Приоритет-ИЭМС" соглашение №14.578.21.0219 от 26.09.2016 г.

Разработанные Дацуком A.M. методики теплового моделирования кремний-германиевых, а также кремниевых ИМС позволили решить научно-технические задачи по расчету электрических характеристик аналоге -цифровых микросхем в среде сквозного конструктивно-схемотехнического моделирования Cadence в рамках элементной базы КМОП и БиКМОП ИС с учетом конструктивно-технологические особенностей элементной базы СВЧ микро- и наноэлектроники.

20 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Дацука A.M..

Приложение Ж. Акт о внедрении результатов диссертационной работы в технологические процессы компании IHP GmbH