автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Автоматизация измерений, построение моделей и библиотек элементов СВЧ монолитных интегральных схем на базе отечественных GaAs и GaN технологий

На правах рукописи

- 9

¿¿Л^рг

Сальников Андрей Сергеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ И БИБЛИОТЕК ЭЛЕМЕНТОВ СВЧ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА БАЗЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ваАв И СаЫ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ДЕК 2014

Томск-2014

005556572

005556572

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР).

Научный руководитель: Бабак Леонид Иванович

доктор технических наук, доцент, ТУСУР, г. Томск

Официальные оппоненты: Никифоров Александр Юрьевич

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный институт «МИФИ», г. Москва профессор кафедры электроники

Толстолуцкий Сергей Иванович

кандидат технических наук, доцент, ФГУП «Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи», г. Ростов-на-Дону начальник сектора

Ведущая организация: Закрытое акционерное общество «Светлана-

Элекгронприбор», г. Санкт-Петербург

Защита состоится « 26» декабря 2014 г. в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634050 г. Томск, проспект Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться на сайге http://www.tusur.ro/ru/news/diss.html и в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634045 г. Томск, ул. Красноармейская, 146.

Автореферат разослан «_£У_» Н0Я&РЯ 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01 доктор физико-математических наук

А.Е. Мандель

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. СВЧ монолитные интегральные схемы (МИС) стали принципиально новой электронной компонентной базой для радиоэлектронных устройств и систем. Они могут производиться в больших объемах, имеют малые массо-габаритные показатели и низкую стоимость изготовления, хорошую воспроизводимость параметров, высокую надёжность. Использование МИС позволяет улучшить такие характеристики систем, как чувствительность, дальность действия, скорость передачи данных, экономичность и др. В частности, СВЧ МИС находят свое применение в системах высокоскоростной передачи данных, спутниковой и мобильной связи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии. Занимают они свою нишу также в радиоэлектронных системах военного и космического назначения, средствах оптической связи, автомобильных радарах, базовых станциях сотовой связи и т.д. При этом наблюдается тенденция к освоению всё более высоких рабочих частот. Вместе с тем требования к качеству и скорости проектирования СВЧ МИС всё более ужесточаются.

Большое распространение получили технологии изготовления СВЧ МИС на основе ОаЛэ и йаЫ полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). СаАБ псевдоморфные (рНЕМТ) и метаморфные (тНЕМТ) технологии обеспечивают наилучший компромисс между характеристиками МИС и их стоимостью. ОаЫ НЕМТ технологии позволяют изготавливать СВЧ МИС с высокой выходной мощностью и повышенной устойчивостью к внешним воздействиям. В настоящее время отечественные предприятия (ФГУП НПП «Исток», НПП «Пульсар», ОАО «НИИПП», НПФ «Микран», ОАО «Октава» и др.) осваивают 0,15-0,25 мкм ваАз рНЕМТ и GaN промышленные технологии изготовления МИС.

Проектирование СВЧ МИС невозможно без использования специализированных САПР СВЧ устройств. При этом важным элементом процесса проектирования являются библиотеки элементов, которые интегрируются в САПР и позволяют осуществить моделирование и разработку топологии МИС для конкретной технологии изготовления. Библиотека элементов позволяет наиболее просто передать сведения о технологии проектировщикам МИС как внутри предприятия, так и сторонним организациям. Построение библиотек элементов - сложная и трудоемкая научно-практическая задача, требующая наличия высокоточного измерительного оборудования и специализированного программного обеспечения, знаний и опыта в области СВЧ измерений, математического моделирования и проектирования СВЧ МИС.

Зарубежные предприятия-изготовители СВЧ МИС, ориентированные на решение технологических задач, собственными сипами либо в сотрудничестве с разработчиками САПР целенаправленно проводят работу по созданию и поддержанию в актуальном состоянии библиотек элементов. Однако, по имеющимся сведениям, в России на данный момент нет верифицированных библиотек моделей элементов для отечественных СаЛэ и ваИ технологий изготовления СВЧ МИС, которые передаются сто-рошшм организациям для осуществления проектирования на технологии предпри-

ятия-производителя. В литературе практически отсутствуют работы, касающиеся организации и методологии построения библиотек элементов СВЧ МИС для ОаДв и ваК технологий (т.е. состава и порядка выполнения таких работ, способов решения задач на отдельных этапах и др.). Сведения по зарубежным коммерческим библиотекам моделей элементов (типам моделей, вычислительным алгоритмам, способам построения и интеграции моделей и т.д.) являются собственностью фирм и обычно закрыты.

В связи с этим отечественные проектировщики ваАя и ваИ МИС часто вынуждены разрабатывать собственные модели элементов или адаптировать имеющиеся стандартные модели в коммерческих САПР СВЧ устройств. Такой подход приводит к неэффективным затратам времени и труда, не гарантирует качества моделей и не позволяет на современном уровне организовать разделение труда между разработчиками и изготовителями СВЧ МИС

Можно заключить, что деятельность по систематической разработке и всесторонней верификации библиотек элементов для отечественных ОаАч и GaN технологий СВЧ МИС в России не развита. Полноценные библиотеки элементов, пригодные для передачи сторонним организациям-проектировщикам, пракпиески отсутствуют. При этом на отечественных предприятиях зачастую имеет место ситуация, когда разработка библиотек отстаёт от запуска технологического процесса изготовления МИС или вообще не ведётся.

Очевидно, решение научных и практических задач разработки библиотек элементов для отечественных ваАв и GaN технологий является весьма актуальной проблемой. Это позволит ускорить и облегчить проектирование российских СВЧ МИС, проводить его при эффективном взаимодействии предприятий-изготовителей МИС с организациями-проектировщиками.

Создание библиотек элементов СВЧ МИС связано с решением целого ряда задач. Так, построение моделей компонентов СВЧ МИС проводится на основе измерений характеристик тестовых структур на полупроводниковой подложке. При этом необходимо решать вопросы автоматизации измерений, хранения и статистического анализа их результатов.

Важной задачей является построение математических моделей компонентов СВЧ МИС. Специфика интегральных схем такова, что конструктивные параметры (например, геометрические размеры) компонентов задаются проектировщиком и варьируются в процессе разработки. Поэтому требуется проводить построение параметрических моделей компонентов, характеристики которых зависят от геометрических размеров, напряжений смещения и др. Однако распространенный способ такого построения, состоящий в изготовлении и измерении характеристик большого числа тестовых компонентов на сетке конструктивных параметров, является трудоемким и дорогостоящим.

В качестве параметрических моделей активных и пассивных компонентов могут использоваться эквивалентные схемы (ЭС), в которых значения элементов зависят от

конструктивных параметров. Такие модели имеют целый ряд достоинств, включая быстродействие и простоту использования. Однако методы построения параметрических ЭС-моделей являются индивидуальными для каждого типа компонента и плохо формализуются. С точки зрения универсальности, а также простоты, скорости и автоматизации построения перспективными являются поведенческие (формальные) модели. Такие модели представляют компоненты СВЧ МИС в виде математического описания связи между их входными параметрами и исследуемыми характеристиками безотносительно физических процессов в компоненте. К сожалению, наиболее часто используемый тип поведенческой модели в виде искусственной нейронной сети (ИНС) имеет существенный недостаток, состоящий в значительных затратах времени на ее построение.

На основе вышеизложенного можно сформулировать цель и основные задачи исследования.

Цель и задачи.

Целью диссертационного исследования является разработка методик и программного обеспечения для автоматизированных измерений и построения параметрических моделей элементов МИС, создание библиотек элементов СВЧ МИС на основе отечественных ваАв и ваЫ гетероструктурных технологий для повышения эффективности автоматизированного проектирования.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Разработка методик построения параметрических ЭС-моделей различных типов пассивных сосредоточенных компонентов СВЧ МИС на основе измерения характеристик ограниченного числа тестовых компонентов и электромагнитного анализа.

2. Исследование и сравнительный анализ методов построения поведенческих моделей элементов СВЧ МИС.

3. Построение поведенческих моделей активных и пассивных компонентов СВЧ МИС и интеграция их в средства проектирования.

4. Разработка методик и программного обеспечения для автоматизации процесса измерения характеристик элементов СВЧ МИС, хранения результатов измерения и их статистической обработки.

5. Разработка формализованной методики разработки библиотек элементов СВЧ МИС, выделение задач на каждом этапе создания библиотеки, определение и исследование способов их решения.

6. Построение и верификация моделей пассивных и активных компонентов, разработка библиотек элементов для отечественных ОаЛ8 и ваЫ технологий изготовления СВЧ МИС.

Научная новизна.

1. Предложена новая методика построения параметрических моделей пассивных сосредоточенных элементов СВЧ МИС на основе совместного использования СВЧ измерений и электромагнитного моделирования, использующая

небольшое количество изготовленных тестовых элементов для определения электрофизических параметров материалов и верификации модели.

2. Впервые показано, что метод обратных средневзвешенных расстояний позволяет значительно (до 500 раз) сократить время построения поведенческих моделей активных и пассивных компонентов СВЧ МИС относительно других распространенных методов при сравнимой точности и быстродействии модели.

3. Впервые построены и интегрированы в САПР поведенческие модели пассивных и активных элементов СВЧ МИС на основе метода обратных средневзвешенных расстояний.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

1. Предложена обобщенная методика определения электрофизических параметров материалов для электромагнитного (ЭМ) моделирования на основе экстракции простых ЭС пассивных компонентов СВЧ МИС и анализа уравнений, характеризующих физические свойства компонента.

2. Проведено сравнительное исследование методов многомерной аппроксимации применительно к построению поведенческих моделей.

3. Показана эффективность использования метода обратного средневзвешенного расстояния при построении поведенческих моделей активных и пассивных компонентов СВЧ МИС.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработанная методика позволяет использовать при построении параметрических ЭС-моделей пассивных сосредоточенных элементов небольшое число (3-5) изготавливаемых тестовых структур, что приводит к снижению стоимости за счёт экономии места на полупроводниковой пластине и снижению трудозатрат на проектирование и измерение тестовых элементов.

2. Реализованные поведенческие модели пассивных и активных элементов СВЧ МИС отличаются универсальностью, простотой и высокой скоростью построения. Разработанная поведенческая шумовая модель ОаАя рНЕМТ транзистора способна рассчитывать шумовые параметры прибора при различных напряжениях смещения, значительно (в 2 раза) превышает по быстродействию нелинейную шумовую модель и может использоваться для ускорения моделирования линейных и малошумящих СВЧ усилителей.

3. Разработано программное обеспечение для автоматизации измерений, хранения и статистического анализа результатов измерений характеристик СВЧ МИС, построения поведенческих моделей элементов СВЧ МИС.

4. С использованием предложенных методик и разработанных программ для отечественной СаЛя и ОаК НЕМТ технологии изготовления МИС построены параметрические ЭС- и ОСР-модели пассивных и активных элементов.

5. Предложенная формализованная методика позволяет на систематической основе разрабатывать библиотеки элементов СВЧ МИС на базе GaAs и GaN технологий.

6. Разработаны и интегрированы в САПР Microwave Office библиотеки элементов СВЧ МИС для нескольких GaAs и GaN отечественных технологий.

7. Предложены реализация моделей и структура библиотеки, разработана программа построения библиотек элементов для средств автоматизированного проектирования СВЧ устройств, создаваемых в ЛИКС ТУСУР на основе программной платформы Indesys Framework.

8. С использованием созданной библиотеки и моделей элементов разработаны и экспериментально исследованы монолитные копланарные усилители диапазона 30-38 ГГц на основе 0,13 мкм GaAs рНЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН.

Методология и методы исследования. Методология исследования заключалась в литературном обзоре по тематикам отдельных этапов построения библиотеки, разработке методик построения параметрических моделей пассивных и активных компонентов СВЧ МИС, практическом построении библиотек элементов и, затем, в обобщении полученного опыта и знания в виде формализованной методики построения библиотек элементов для GaAs и GaN МИС. В ходе исследований использовались методы измерений СВЧ параметров на полупроводниковой пластике и обработки их результатов, экстракции моделей в виде эквивалентных схем, электромагнитного моделирования СВЧ элементов, алгоритмизации и программирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Типовые измерения параметров рассеяния тестовых структур совместно с уравнениями, связывающими электрические параметры и геометрические размеры пассивного сосредоточенного компонента СВЧ МИС, позволяют получить достаточные данные для электромагнитного моделирования компонента с целью построения его параметрической модели.

2. Метод обратных средневзвешенных расстояний позволяет значительно (до 500 раз) сократить время построения поведенческих моделей СВЧ компонентов относительно других распространенных методов при сравнимой точности и быстродействии модели.

3. На основе метода обратных средневзвешенных расстояний могут быть построены поведенческие модели активных и пассивных компонентов СВЧ МИС, обеспечивающие достаточную для проектирования точность и быстродействие.

Степень достоверности и апробация результатов. Все положения диссертации, выносимые на защиту, были представлены и обсуждены на конференциях и опубликованы в виде научных статей.

Основные результаты исследования докладывались на следующих научно-технических конференциях: Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо), г. Севастополь, и 2010, 2011, 2013,

2014 гг.; Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», ТУСУР, г. Томск, 2011 г.; Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники», КГТУ, г. Красноярск, 2010,2011гг.; Международная конференция «Innovations in Information and Communication Science and Technology», ТУСУР, г. Томск, 2012, 2013,2014 гг.

Результаты исследования опубликованы в 26 статьях, в том числе 9 из них - в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов диссертаций на соискание учёных степеней.

Представленная работа выполнялась как составная часть НИР на кафедре «Компьютерные системы в управлении и проектировании» (КСУП) ТУСУРа в рамках хоздоговоров с ИСВЧПЭ РАН (г. Москва), ОАО «Октава» (г. Новосибирск), ОАО «НИ-ИПП» (г. Томск), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Нанотехнологии и наноматериалы», «Создание электронной компонентной базы», «Микроэлектроника» (мероприятия 1.1, 1.2.1,1.2.2, 1.3.1 и 1.3.2, государственные контракты П1418, П1492, П2188, П669, П499, 16.740.11.0092, 14.740.11.1261, 14.740.11.1136, 14.740.11.0135), НИР при поддержке Администрации Томской области (контракт №354/1 от 21.10.09).

Результаты внедрены на предприятиях ЗАО НПФ «Микран», ОАО «Октава», ОАО «НИИПП».

По результатам диссертации получено 4 свидетельства об интеллектуальной собственности (топологии интегральных схем, свидетельства о регистрации программных продуктов).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, списка сокращений и девяти приложений. Общий объем работы составляет 274 страницы. Основная часть включает 154 страницы, в том числе 116 страниц текста, 95 рисунков и 45 таблиц. Список используемых источников содержит 164 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, рассмотрена степень разработанности темы, показана необходимость разработки библиотек элементов и обшей методики их построения, указаны решаемые при этом задачи, в том числе развитие разных подходов к построению параметрических моделей СВЧ МИС. Определены цель и задачи исследования, показаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, изложены положения, выносимые на защиту, представлены сведения об апробации результатов.

В первой главе приводятся результаты проведенного литературного обзора по теме диссертационного исследования. Глава состоит из шести подразделов, посвященных основным принципам проектирования и производства СВЧ МИС, автоматизации измерений СВЧ МИС, организации хранения и статистического анализа данных при измерениях СВЧ МИС, тестовым структурам для измерения характеристик

СВЧ МИС, математическим моделям компонентов СВЧ МИС, структуре и построению библиотек элементов СВЧ МИС.

Отмечается, что создание полупроводниковых технологий является недостаточным условием для разработки и выпуска СВЧ МИС. Проблема промышленного изготовления СВЧ МИС на отечественных предприятиях является комплексной и включает в себя несколько задач: 1) разработка и запуск технологической линии; 2) комплексная характеризация СВЧ МИС и её элементов; 3) разработка моделей пассивных и активных элементов СВЧ МИС и построение библиотеки элементов СВЧ МИС; 4) разработка и выпуск широкой номенклатуры СВЧ МИС.

Весь процесс проектирования и изготовления СВЧ МИС на основе новой технологии можно разделить на две основные стадии. На первой, предварительной стадии, проводится работа по систематизации данных о технологии и топологии элементов, построению моделей и разработке библиотек элементов СВЧ МИС. На второй стадии осуществляется собственно проектирование и изготовление СВЧ МИС. Если технология является стабильной, первая стадия выполняется один раз и повторяется только в случае внесения изменений в технологический процесс. На современном этапе в проектировании и производстве СВЧ МИС широко используются различные средства автоматизации, позволяющие ускорить процесс, повысить эффективность труда и снизить вероятность ошибок.

Одной из задач, решаемых на этапах разработки библиотеки элементов, проектирования и изготовления СВЧ МИС, является автоматизация измерений характеристик МИС и их элементов. С вопросом автоматизации в значительной степени связан вопрос организации хранения и статистического анализа данных при измерениях СВЧ МИС. На настоящий момент существуют программные средства для автоматизации, хранеш1я и статистического анагаза результатов СВЧ измерений. Однако проведённый обзор показал, что имеющееся зарубежное программное обеспечение (ПО) имеет определённые недостатки; в частности, высокая стоимость делает его недоступным для небольших компаний и исследовательских лабораторий.

При моделировании элементов СВЧ МИС обычно выделяют следующие виды моделей: 1) физико-технологические модели; 2) модели в виде эквивалентных схем (компактные модели); 3) поведенческие модели. Каждый вид моделей обладает своими достоинствами и недостатками.

Физическое моделирование учитывает физические явления и процессы в компоненте СВЧ МИС и поэтому является наиболее точным, однако требует значительных затрат времени и вычислительных ресурсов. Для моделирования пассивных компонентов СВЧ МИС в большинстве случаев более быстрым является электромагнитное (ЭМ) моделирование, основанное на численном решении уравнений электродинамики (программы Sonnet, HFSS, CST Microwave Studio, Axiem, Momentum и др.).

Модели в виде ЭС являются гораздо более быстродействующими и экономичными по сравнению с физическими моделями. ЭС СВЧ компонента состоит из идеальных RiC-элементов и управляемых источников, описывающих разные физические

эффекты. При построении модели СВЧ компонента в виде ЭС необходимо решить две задачи: выбор (синтез) структуры ЭС и расчёт параметров (значений элементов). Процедура получения параметров ЭС из результатов измерений получила название экстракции. Особый интерес для проектирования СВЧ МИС представляют параметрические ЭС-модели, в которых учитываются зависимости характеристик компонента от конструктивных параметров (например, геометрических размеров) и (или) внешних условий (температура, накопленная доза радиации и т.п.). Обычно при построении параметрических (масштабируемых) моделей для выбранной структуры ЭС получают значения её элементов при разных значениях конструктивных параметров компонента, после этого аппроксимируют найденные зависимости элементов ЭС в пространстве конструктивных параметров.

Поведенческие модели представляют компонент СВЧ МИС в виде «черного ящика» без учета его физической природы. Они также быстродействующие, но процедуры их построения не зависят от тала компонента (в отличие от физических и ЭС-моделей) и могут быть формализованы. Поведенческие модели могут быть построены на основе как непосредственных измерений, так и физического моделирования характеристик компонента. С математической точки зрения, построение поведенческой модели является задачей многомерной аппроксимации. В качестве входных (независимых) переменных выступают изменяемые параметры компонента СВЧ МИС (частота, конструктивные параметры, напряжения смещения и т.д.), в качестве выходных (зависимых) - моделируемые характеристики, например, параметры рассеяния.

Имеются ряд хорошо исследованных и широко распространенных методов, которые используются при построении поведенческих моделей компонентов СВЧ МИС - например, ИНС, сплайны. Однако этим методам присущи определённые недостатки. В частности, существенным недостатком ИНС являются значительные затраты машинного времени для построения модели (обучения сети и определения её оптимальных настроек). Многомерные сплайны не могут обеспечить необходимую точность во многих задачах построения поведенческих моделей СВЧ элементов. В связи с этим целесообразно исследование других известных методов многомерной аппроксимации применительно к задаче построения моделей СВЧ МИС.

Высокие требования к характеристикам и сложность современных СВЧ МИС делает их проектирование практически невозможным без использования специализированных САПР. При этом САПР должны предоставлять возможность настройки средств моделирования и построения топологии МИС с учётом особенностей технологии их изготовления. С этой целью в современных САПР СВЧ устройств реализована поддержка библиотек элементов СВЧ МИС. Библиотека элементов - это специальное программное дополнение, включающее всю необходимую для проектирования информацию о технологии. При разработке и изготовлении СВЧ МИС на одном предприятии библиотеки элементов являются связующим звеном между технологами и проектировщиками. При выполнении указанных функций в разных организациях библиотеки элементов приобретают важное значение как инструмент эффективного

взаимодействия между предприятиями-изготовителями и организациями-проектировщиками.

Библиотеки элементов СВЧ МИС содержат электрические модели компонентов, масштабируемые топологические ячейки, электрофизические параметры и послойную геометрию структуры МИС, набор формальных правил проверки топологии на корректность. При этом каждая САПР имеет свой формат представления данных, поэтому библиотеки элементов для разных САПР на данный момент не взаимозаменяемы. Следует отметить, что библиотеки элементов СВЧ МИС по общепринятой классификации относятся к классу библиотек базовых элементов (англ. Process Design Kit), в отличие от библиотек стандартных элементов (англ. Standard Cell), которые распространены в практике проектирования цифровых ИС. В литературе представлено недостаточно информации о методологии и способах решения многих задач на этапах создания библиотек элементов СВЧ МИС, для зарубежных библиотек эта информация практически закрыта.

В заключение главы подводятся итоги проведенного обзора и формулируются основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию новых методов построения параметрических моделей активных и пассивных компонентов СВЧ МИС.

Для построения параметрических моделей пассивных компонентов СВЧ МИС в известных работах используют их параметры рассеяния, полученные путём непосредственных СВЧ измерений изготовленных тестовых структур или ЭМ моделирования компонентов для разных конструктивных состояний (например, разных сочетаний геометрических размеров). Первый способ является более точным, но дорогостоящим, поскольку необходимо провести проектирование значительного числа тестовых структур компонентов при различном сочетании конструктивных параметров и изготовить их на полупроводниковой пластине. Более экономичным с точки зрения стоимости изготовления полупроводниковых пластин является второй способ, при котором результаты измерений нескольких (3-5) тестовых структур используются только для верификации моделей. Однако в этом случае для ЭМ моделирования требуется точное знание электрофизических параметров материалов и геометрических параметров конструкций компонентов, а их экспериментальное определение требует изготовления дополнительных специальных тестовых структур, использования специализированных дорогостоящих приборов и освоения методик измерения.

Поэтому предлагается новая методика построения параметрических моделей пассивных сосредоточенных элементов СВЧ МИС, совместно использующая для получения исходных данных как экспериментальные измерения небольшого числа изготовленных тестовых элементов в «узловых» конструктивных состояниях, так и результаты ЭМ моделирования гораздо большего количества «виртуальных» элементов. Повышение точности параметрических моделей в промежуточных конструктивных состояниях элемента, а также более простое определение параметров физической структуры и материалов обеспечиваются путём применеши в качестве промежуточ-

ного звена между измерениями и ЭМ моделированием простых ЭС-моделей пассивных элементов.

Принципиальной особенностью предлагаемой методики является то, что данные (электрофизические параметры) для ЭМ анализа «виртуальных» пассивных элементов определяются прямо из результатов типовых измерений ^-параметров небольшого числа изготовленных тестовых элементов. Это исключает необходимость специальных измерений электрофизических параметров (например, на постоянном токе или низких частотах) с помощью дополнительного оборудования. С целью получения указанных данных используется экстракция простых ЭС реальных элементов по измерениям ^-параметров, а также анализ уравнений, связывающих электрические параметры и геометрические размеры для конкретного типа пассивного элемента. Изготовленные «узловые» тестовые пассивные элементы используются также для верификации параметрической модели.

Предлагаемая методика построения параметрических моделей пассивных сосредоточенных элементов СВЧ МИС с использованием измерений и ЭМ анализа состоит из следующих этапов:

1. Измерение параметров рассеяния изготовленных «узловых» тестовых пассивных элементов на редкой сетке конструктивных состояний (3-5 элементов).

2. Построение на основе результатов измерения ^-параметров простых ЭС-моделей тестовых элементов в «узловых» конструктивных состояниях.

3. Расчёт на основе полученных значений элементов ЭС и анализа уравнений, характеризующих физические свойства компонентов, электрофизических параметров материалов, необходимых для ЭМ моделирования (диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь для диэлектрических материалов, сопротивление слоев металлизации для проводников и т.п.).

4. Расчёт в программе ЭМ моделирования с использованием полученных электрофизических данных ^-параметров «виртуальных» тестовых пассивных элементов на более частой сетке конструктивных состояний.

5. Построение параметрической ЭС-модели компонента на основе 5-параметров «виртуальных» элементов, её верификация по измеренным ^-параметрам реальных тестовых элементов.

В общем виде представленная методика применима к различным видам сосредоточенных пассивных компонентов СВЧ МИС. В диссертации предлагаются конкретные реализации методики для построения параметрических моделей тонкопленочного резистора, спиральной квадратной катушки индуктивности и МДМ конденсатора на ОаАв подложке.

Методика рассмотрена на примере построения модели тонкопленочного резистора на основе силицида вольфрама (\У50 (рис. 1я). Его конструктивными параметрами являются длина I и ширина и\ На тестовой пластине (ваАв подложке) были изготовлены резисторы четырёх типоразмеров: 15x100, 20x80, 30x30 и 60x60 мкм (условно обозначаются 1115x100, К20х80,1130x30 и 1160x60). На рис. 2 черными кружками по-

казаны конструктивные состояния в пространстве параметров w и /, соответствующие изготовленным резисторам («узловым» тестовым элементам).

Вначале была проведена экстракция ЭС-модели (рис. 16) для 4-х изготовленных тестовых резисторов, исходя из результатов измерения их S-параметров в диапазоне частот 0,1-40 ГГц. Для ЭМ моделирования требуется знать поверхностное сопротивление резистивного материала и сопротивление переходных областей (см. рис. la), возникающее из-за различных эффектов на границе между металлом контакта и резистивного материала. Элемент ЭС R (см. рис. 16) описывает оба эффекта одновременно. Из литературы известно выражение для сопротивления резистора Rr на постоянном токе:

Rr = Rs —+2RC —, (1)

w w

где Rs - удельное поверхностное сопротивление резистивного материала (WSi); Rr - переходное сопротивление контакта резистивной и проводящей пленок на единицу ширины. Полагая Rr = R и подставив значения /, w, R для изготовленных тестовых элементов в (1), получим переопределенную систему уравнений. Используя метод наименьших квадратов для её решения, определяем нужные параметры: Rs = 51,9 Ом/кв.; Rc= 2,7-10"5 Ом м.

Структура для проведения ЭМ моделирования приведена на рис. 3. ЭМ моделирование выполнялось в пакете Sonnet Lite с помощью метода моментов. Часть данных, необходимых для ЭМ моделирования, были известны из параметров технологического процесса, в частности, это параметры подложки: гг= 12,9; tgS = 0,001; толщина hs„b = 100 мкм; проводимость металлизации сте, = = 4,07-10"7 См/м. Для корректного учёта сопротивления переходной области в структуру было добавлено сквозное отверстие (см. рис. 3) с конечным сопротивлением. На контактное сопротивление на высоких частотах оказывает влияние скин-эффект, поэтому высота отверстия hH = 0,1 мкм и проводимость металла с = 2,5 104 См/м были подобраны для наилучшего совпа-

Переходиые оштега

Реэисгинйыл материал (WSi)

а)

R I.

о-

Рисунок 1 - Конструкция (а) и ЭС (6) тонкопленочного WSi резистора

О «Виртуальные» элементы • Реальные «узловые» элементы и-.мкм

20 40 60 80 100

Рисунок 2 - Сетка конструктивных состояний тестовых элементов

Рисунок 3 - Структура для ЭМ

моделирования

дения измеренных и смоделированных параметров рассеяния в диапазоне частот. Графики с результатами измерений и ЭМ моделирования частотных зависимостей параметра |5'21| для 4-х тестовых структур (рис. 4) показывают хорошее их совпадение.

После этого было выполнено ЭМ моделирование 5-параметров резисторов на сетке конструктивных состояний м> от 15 мкм до 60 мкм и / от 20 мкм до 100 мкм, их общее количество равно 20 (рис. 2). Эти «виртуальные» тестовые элементы были использованы для построения параметрической ЭС-модели. Методика построения заключается в экстракции ЭС (рис. 16) для каждого конструктивного состояния и последующей аппроксимации значений элементов К. Ь, С в пространстве конструктивных параметров (и1,/). Рассчитанная в диапазоне частот 0,1-40 ГГц относительная среднеквадратичная ошибка (СКО) параметров рассеяния, максимальная относительная ошибка по модулю тах8]5у и максимальная абсолютная ошибка по фазе тахАф^у) для параметрической ЭС-модели в «узловых» конструктивных состояниях приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Погрешности параметрической модели тонкопленочного резистора

Элемент СКО, % тах5|£#!, % тахДср(5'/,.), °

Ю5x100 3,33 4,16 3,33

Ю0х80 3,42 3,27 3,05

ЯЗОхЗО 3,05 5,03 3,13

1160x60 3,18 5,01 3,99

Таким образом, точность построенной параметрической модели тонкопленочного резистора достаточна для использования в САПР.

Спиральная катушка индуктивности изготавливается в двух слоях металлизации (гальваника и напыленная пленка), её конструкция в трехмерном представлении приведена на рис. 5. Конструктивными параметрами катушки являются ширина спирали Ц', зазор между витками 5' и количество витков Т. Для ЭМ моделирования, кроме параметров подложки, необходимо задать толщины металлических слоев спирали 1спир = 5 мкм и контактной линии !выв = 0,3 мкм, известные из данных о технологии, и удельные проводимости слоев аСпнр и авыв. Последние величины трудно контролируются, однако их можно рассчитать из удельных поверхностных сопротивлений спирали А?стяр и контактной линии которые и подлежат определению

Для нахождения указанных параметров вначале в диапазоне частот 0,1-40 ГГц были измерены параметры рассеяния четырех тестовых катушек индуктивности, отличающихся своими геометрическими размерами (\У10810Т1.5, \У10810Т2.5,

|5д||, дБ

-3,5

-3,6 «60x60--3,7 -3.8

-10,1 -Ш.2

-13

•13.1

Я 15x1001

Измерения ЭМ моделирование

х

, Я"

Частота, ГГц Рисунок 4 - Сравнение результатов ЭМ моделирования и измерений тестовых резисторов

\V10S10T3.5, \V10S10T4.5). Далее по измеренным ¿'-параметрам для этих катушек были построены модели в виде простой ЭС (рис. 6). С этой целью применена основанная на решении системы компонентных уравнений аналитическая методика экстракции элементов модели, модифицированная автором. Модификация заключалась в использовании, дополнительно к компонентным уравнениям, соотношения для резонансной частоты катушки, которая непосредственно измеряется, это позволяет более точно и просто определить элементы ЭС.

Мо< тик

кф>--&:

Сгафаль

ВД-056

Кфг Ж

Рисунок б - Простая ЭС катушки индуктивности

Рисунок 7 - Определение коэффициента формы для изогнутой линии

Рисунок 5 - Конструкция квадратной спиральной катушки индуктивности

Методика экстракции позволяет получить значение элемента Я эквивалентной схемы (рис. б), на низких частотах эта величина приблизительно равна сопротивлению катушки на постоянном токе. Сопротивление изогнутой линии, например, спирали или меандра, на постоянном токе можно рассчитать по формуле:

К = КФспир^спиг + КФвыв^еш , (2)

где Кф - коэффициент формы, который рассчитывается как сумма коэффициентов формы отдельных отрезков линии (рис. 7).

Подставив в (1) значения Л, Кфсппг и Кфвыв для каждой тестовой структуры индуктивности, получаем переопределенную систему уравнений, из которой методом наименьших квадратов находим значения Язспир и Ичбыв- Зная их, удельную проводимость каждого слоя металлизации можно найти по формуле

_ 1 _ 1

Р Л&5 '

(3)

где р - удельное объемное сопротивление, г - толщина, & - удельное поверхностное соответствующего слоя. Значения удельных проводимостей составили <5сппр = = 4,17 107 См/м; аВЬ№ = 2,16 107 См/м.

После определения электрофизических параметров проводилось ЭМ моделирование набора катушек индуктивности для всех сочетаний конструктивных параметров IV - 10; 15; 20 мкм, 5 = 5; 10 мкм, Т= 1,5; 2,5; 3,5. Полученные в результате моделирования ^-параметры на сетке конструктивных состояний являлись основой для построения параметрической ЭС-модели. Для неё использовалась более сложная по сравнению со схемой на рис. 6 структура ЭС (рис. 8а), способная описывать компонент в более широком диапазоне частот. Сравнение частотных характеристик модуля

и фазы параметров 5и и 52Ь рассчитанных для катушки \\'10510Т4.5 по параметрической модели и полученных при измерениях, представлено на рис. 86,е. Как видно из рисунка, модель хорошо воспроизводит результаты измерений до частоты первого резонанса (13,9 ГГц).

1" т

Т"

а) о) в)

Рисунок 8 - ЭС (а) и параметры рассеяния Б11 (б) и 521 (в) параметрической модели

катушки

Методика была применена также для построения параметрической модели МДМ-конденсатора на основе материала ТааСХ на ОаАв подложке. Верхняя обкладка изготавливается в том же слое, что и спираль катушки индуктивности, нижняя - в одном с контактной линией. Поэтому для ЭМ моделирования использовались полученные ранее электрофизические параметры слоев металлизации. Относительная диэлектрическая проницаемость конденсатора е.дцэл (при известной толщине IдцЭЛ = 0,3 мкм) определялась на основе измеренных ^-параметров для 4-х тестовых конденсаторов. По ¿"-параметрам была выполнена экстракция элементов ЭС для всех конденсаторов. Далее найденные значения емкости Сс для тестовых конденсаторов подставлялись в выражения вида

Сс = С, -г Ср = + 2(м< + 1)Сп, (4)

где С5о - удельная ёмкость конденсатора; Сю — ёмкость, обусловленная краевыми эффектами, на единицу периметра. Из переопределенной системы уравнений находим удельную ёмкость С.$ и далее определяем Едиэл по формуле

£А£П.--. (э)

где £о = 8,85-10" ~ Ф/м - диэлектрическая постоянная. Далее методика построения параметрической модели конденсатора не отличается от рассмотренных выше.

В этой же главе изучается возможность построения поведенческих параметрических моделей активных и пассивных компонентов СВЧ МИС. С этой целью были исследованы три метода многомерной аппроксимации. Метод искусственных нейронных сетей (ИНС) общеизвестен и широко распространен в разных областях науки и техники. Метод радиальных базисных функций (РБФ) является частным случаем нейронной сети, активирующая функция которой относится к классу РБФ. Метод обратного средневзвешенного расстояния (ОСР)— это детерминированный алгоритм интерполяции функций с неравномерной сеткой данных, легко обобщаемый на произвольную размерность переменных. В данном методе на значение аппроксимирующей

функции в каждой точке влияют все точки исходных данных с весами, уменьшающимися по мере удаления от этих точек. Метод разработан для интерполяции геоинформационных данных и, насколько известно автору, до сих пор не использовался для построен™ моделей электронных компонентов.

Для сравнения указанных методов использовалась тестовая задача аппроксимации параметров рассеяния полевого GaAs рНЕМТ транзистора, известных в 150 рабочих точках по постоянному току. Входным! изменяемыми параметрами модели выступали частота / (диапазон изменения 1..40 ГГц), напряжения смещения сток-исток Vlh (0..5 В) и затвор-сток Vgs (-1,6..0 В). Аппроксимируемыми функциями были элементы матрицы ^-параметров в малосигнальном режиме (отдельно реальная и мнимая части). Для построения поведенческих моделей использовалась обучающая выборка, содержащая 150 файлов рассчитанных по имеющейся нелинейной модели прибора 5-параметров (по одному на каждую рабочую точку, в каждом по 40 частот). Для оценки точности моделей использовалась контрольная выборка из 40 файлов, рассчитанных по нелинейной модели в других рабочих точках. В табл. 2 для поведенческих моделей, полученных методами ИНС, РБФ и ОСР, приведено среднее значение относительной СКО, рассчитанной для файлов контрольной выборки по всем четырем параметрам рассеяния и всем частотам. Также для каждой из моделей представлены оценка ее быстродействия (время расчета по модели 40 файлов с параметрами рассеяния) и время, необходимое для ее построения.

Таблица 2 - Сравнение поведенческих моделей на тестовой задаче

Метод СКО Время расчета 40 файлов, мс Время построения модели, мин., с.

ИНС 6,7% 144 42 мин. 8 с.

РБФ 9.87% 36 027 5 мин. 20 с.

ОСР 6,29% 210 5,3 с.

Видно, что модель в виде ИНС показала хорошую точность и высокое быстродействие. Недостатком является большое время, требуемое для ее построения (обучения сети). Модель на основе РБФ уступает ИНС по точности и сильно проигрывает по быстродействию, что делает ее использование нецелесообразным. Модель ОСР обеспечивает точность, сравнимую с моделью ИНС, при этом ее быстродействие на 45-50% хуже. Однако это не очень существенно, так как модели ИНС и ОСР сами по себе являются весьма быстродействующими (время, необходимое на расчет с помощью ОСР-модели 5-параметров транзистора на 40 частотах в 40 рабочих точках, составляет 210 мс). Между тем, время построения модели ОСР почти в 500 раз меньше. Это, помимо собственно экономии времени, позволяет провести автоматический поиск наиболее удачных настроек параметров метода для конкретного элемента МИС (для метода ИНС такой поиск является весьма трудоемким и времязатратным). Таким образом, модель ОСР обеспечивает намучший компромисс между всеми показателями.

С целью большей наглядности для модели ОСР на рис. 9 представлена диаграмма ошибок. Она представляет собой ВАХ транзистора, в каждой точке которой указана относительная СКО в процентах, рассчитанная по всем ¿-параметрами и частотам.

Для практических и исследовательских целей было проведено построение поведенческих моделей пассивных и активных компонентов СВЧ МИС, изготовленных по 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии с помощью двух методов — ИНС и ОСР. В табл. 3 приведены оценки точности, быстродействия и времени построения поведенческих моделей, позволяющих рассчитать малосигнальные S-параметры, для следующих компонентов MIIC: 1) тонкопленочного резистора; 2) квадратной спиральной катушки индуктивности; 3) ключевого транзистора (2 состояния); 4) усилительного транзистора. Для всех исследованных компонентов точность поведенческих ОСР-моделей близка по точности к моделям на основе ИНС (несколько лучше либо несколько хуже), при этом скорость построения ОСР-моделей значительно выше. По скорости анализа ОСР-модели в 1,2-2,9 раза хуже. Однако, как уже отмечалось, указанный недостаток несущественен, так как быстродействие ОСР-моделей исследованных компонентов СВЧ МИС остается высоким (время расчета характеристик компонента в 40-100 точках составляет единицы миллисекунд). Построенные поведенческие ОСР-модели компонентов были интегрированы в САПР Microwave Office и использованы при моделировании МИС.

Таблица 3 - Результаты построения поведенческих моделей активных и пассивных компонентов СВЧ МИС

Элемент Среднее значение СКО. % Время построения модели, с. Время расчета 1 файла, мс.

ИНС ОСР ИНС ОСР ИНС ОСР

Тонкопленочный резистор 1,33 1,88 12,8 0,5 2,2 2,5

МДМ конденсатор 8,85 6,1 468 3,5 3,5 4.9

Катушка индуктивности 14.0 14,3 103,8 2.51 2,0 3,3

Ключевой транзистор 23,8 19,6 599,3 6,28 10,5 30,6

Усилительный транзистор 9,74 5,75 8940 11,8 2,55 5,34

При построении МШУ, смесителей и других шумящих СВЧ устройств требуются шумовые модели СВЧ транзисторов. Они позволяют рассчитать 4 шумовых параметра прибора (минимальный коэффициент шума /*„„■„, модуль и фазу комплексного оптимального коэффициента отражения генератора Гор1> шумовое сопротивление Я„), которые затем используются при моделировании устройств. В САПР для таких задач

Рисунок 9 - Диаграмма ошибок, рассчитанная для метода ОСР

часто применяют нелинейные ЭС-модели транзисторов, дополненные шумовыми источниками, так как необходимо рассчитывать шумовые параметры транзисторов при разных напряжениях смещения. Однако использование нелинейных шумовых моделей транзисторов приводит к существенному увеличению времени моделирования.

Для устранения данного недостатка была построена поведенческая шумовая ОСР-модель 0,15 мкм GaAs рНЕМТ транзистора фирмы Win Semiconductors с шириной затвора 4x100 мкм, которая позволяет рассчитать частотные зависимости малосигнальных параметров рассеяния и шумовых параметров при любых напряжениях смещения. Данные для обучающей и контрольной выборки были получены с использованием верифицированной нелинейной шумовой модели прибора, имеющейся в библиотеке изготовителя. Исследования показали, что среднее значение относительной СКО описания S- и шумовых параметров составляет 3,9%, что свидетельствует о хорошей точности модели. Полученная поведенческая шумовая модель СВЧ транзистора интегрирована в САПР Microwave Office, она превышает по быстродействию исходную нелинейную шумовую модель прибора в 2 раза.

В третьей главе приведены практические результаты разработки методик, алгоритмов и программного обеспечения для характеризации и моделирования компонентов СВЧ МИС.

Представлены алгоритмы и программное обеспечение для автоматизации процесса измерения вольт-амперных характеристик СВЧ транзисторов с помощью управляемого источника питания. Данный подход позволяет проводить измерения В АХ и S-параметров без изменения конфигурации измерительного стенда.

Представлены разработанная база данных для хранения результатов измерения параметров компонентов СВЧ МИС и программа для управления базой данных, позволяющая проводить измерения, сохранять и просматривать их результаты. Также описана программа для статистического анализа результатов измерений. На рис. 10 представлен пример определения разброса граничной частоты транзистора fT по пластине с помощью программы статистического анализа.

Описана программа для построения поведенческих моделей элементов СВЧ МИС.

Приводятся результаты разработки тестовых структур для определения электрофизических параметров материалов и измерения характеристик элементов СВЧ МИС, изготовленных по отечественным GaAs и GaN технологиям. Разработанный тестовый модуль содержит структуры для измерения поверхностного сопротивления полупроводниковых и металлических слоев, приведенного контактного сопротивления, удельной ёмкости, опенки ухода размеров полупроводникового слоя. Приве-

Рисунок 10 - Распределение параметра

/г по подложке, рассчитанное в программе статистического анализа

дены результаты измерения пяти идентичных структур в разных точках пластины. Разработанные тестовые структуры могут использоваться для параметрического контроля технологии изготовления СВЧ МИС. Кроме того, представлены примеры тестовых структур для выполнения измерений СВЧ характеристик элементов, калибровки и деэмбеддинга.

В четвёртой главе рассмотрена общая методика разработки библиотек элементов СВЧ МИС, отдельные объекты библиотеки элементов, примеры разработки библиотек для отечественных ОаАя и Оа1\ технологий изготовления МИС и их использование в процессе проектирования.

На основе проведенных исследований и полученного опыта была предложена методика разработки библиотек элементов СВЧ МИС, изготовленных по ОаАь и ОаЫ технологиям. Она включает в себя следующие этапы:

1. Формулирование требований к библиотеке элементов с учётом особенностей технологии и потребностей предприятия-изготовителя СВЧ МИС.

2. Изучение технологии изготовления СВЧ МИС. Выделение особенностей топологии, списка элементов и их параметров, топологических ограничений.

3. Разработка топологических моделей элементов СВЧ МИС. Настройка проектных норм МИС.

4. Проектирование и изготовление на полупроводниковой пластине тестовых структур да я определения электрофизических параметров материалов и ха-рактеризации элементов СВЧ МИС. Зондовые измерения характеристик тестовых структур на полупроводниковой пластине.

5. Построение параметрических электрических моделей пассивных и активных элементов по результатам измерений. Подготовка описания параметров материалов и толщин слоёв для программ ЭМ моделирования.

6. Верификация моделей - сравнение результатов моделирования и измерений.

7. Разработка программных модулей и структуры библиотеки элементов. Интеграция электрических и топологических моделей элементов в САПР.

8. Подготовка описания библиотеки элементов. Опытная эксплуатация и комплексное (системное) тестирование разработанной библиотеки.

Основными объектами библиотеки элементов являются взаимосвязанные электрическая модель, топология, трехмерное представление для ЭМ анализа, справочная информация и дополнительные параметры, как показано на рис. 11.

Символ элемента

'.Г'"" Т"

,- визскт нег*шг Т=4.5 УУ=10ип 55=7 иЯ1

ы -с 1 гу! ^ <*»-- ] 1

Модель

Топология

30 ЭМ представление

Справка

Рисунок 11 - Элемент в библиотеке как связь отдельных объектов

Приведены сведения по разработанным библиотекам для отечественных GaAs и GaN технологий, в том числе 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии ОАО НИИПП, 0,25 мкм GaN НЕМТ технологии ОАО НИИПП, 0,13 мкм GaAs mHEMT технологии ИС-ВЧПЭ РАН, 0,35 мкм GaAs гетероструктурной технологии ЗАО НПФ «Микран». Библиотеки разработаны для коммерческой САПР N1 AWR Microwave Office в частотном диапазоне до 40 ГТц. Кроме того, предложена структура библиотеки и создано программное обеспечение для построения библиотек элементов, которые используются в собственных средствах автоматизации проектирования СВЧ устройств на основе платформы Indesys, разрабатываемых в ЛИКС ТУ СУР.

В качестве примера в табл. 4 сведены основные характеристики библиотеки элементов для 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии ОАО НИИПП. Для представленных в таблице элементов разработаны разные виды электрических моделей, а также топологические модели (если не указано иначе, приведена СКО S-параметров моделей).

Таблица 4 - Характеристики библиотеки элементов для 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии

№ п/п Наименование элемента Группа элементов Тип элемента (модели) Максимальная СКО модели в группе, %

1. NL (4 модели) Nonlinear Транзисторы (нелинейная модель) ВАХ— 10,9 по 8-пар-рам — 11,7

2. А (10 моделей) Small Signal Транзисторы (малосигнальная модель) 3.77-5.43

3. SW1 (5 моделей) Switch HEMT Транзисторы (модель в ключевом режиме) Закр. реж. - 5,9 Откр. реж. -1,7

4. VIA. DC PAD, RFPORT Interconnects Сквозное отверстие в подложке, контактные плошадки для ОС и К1

5. MLIN, MTRACE... (12 моделей) Microstrips Отрезок линии передачи, изгибы, тройники, скачок ширины линии и другие неоднородности линии передачи. не оценивалась

б. МШСАР Passive Масштабируемая модель МДМ-конденсатора 4.27

7. TFRES Passive Масштабируемая модель тонкопленочного резистора 1.71

8. W_S_T_ (8 моделей) Inductors Модели фиксированной квадратной спиральной катушки индуктивности 7,5

9. SQRIND Inductors Масштабируемая модель квадратной спиральной индуктивности 5,3 до частоты первого резонанса

10. DICE Substrate Рамка кристалла Служебный элемент

11. MSUB Substrate Подложка Служебный элемент

Разработанные библиотеки элементов использовались при практическом проектировании СВЧ малошумящих и мощных усилителей на основе СтаЛ8 и ОаТ\ технологий. В частности, библиотека элементов для 0,13 мкм ОаД8 шНЕМТ технологии ИС-ВЧПЭ РАН использовалась при проектировании комплекта копланарных усилителей Ка-диапазона. На рис. 12 представлены полученные экспериментально основные параметры изготовленного двухкаскадного копланарного усилителя и его фотография, на рис. 13 - результаты моделирования и измерений частотных характеристик.

:: I Ч"

ов» »»

«А

I "I

: I

Л,

О

' Щ

Мо

Я5

Экспериментальные параметры двухкаскадного усилителя: полоса пропускания: 34-37,5 ГГц а 18...20 дБ; |8И| < -12 дБ: |822| < -5...-8 дБ: Рт, = 7...8 дБм.

Рисунок 12 - Фотография и основные параметры МИС двухкаскадного копланарного усилителя, изготовленного по 0,13 мкм (¡аЛэ тНЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН

£ !

\ У: — Ро \

ХЧ ;

is.il

"Л . ,У' / 4

Л/ *

-Н -- и

в. дБ

1 пс

! X "

и

X......._ \\яТ

V 1 ш

Частота, ГГц

а)

Частота. ГГц б)

Рисунок 13 - Смоделированные (а) и измеренные (б) частотные характеристики МИС двухкаскадного копланарного усилителя

Заключение. Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Предложена новая методика построения параметрических моделей пассивных элементов СВЧ МИС, позволяющая на основе типовых измерений 5-параметров небольшого количества изготовленных тестовых элементов определить электрофизические параметры для ЭМ моделирования на сетке геометрических размеров.

2. Показано, что метод обратных средневзвешенных расстояний может быть успешно использован для построения поведенческих моделей пассивных и активных компонентов СВЧ МИС.

3. Разработано ПО для автоматизации измерений, хранения и статистического анализа данных, построения поведенческих моделей элементов СВЧ МИС.

4. На основе метода обратных средневзвешенных расстояний построены поведенческие модели пассивных и активных элементов МИС для отечественных ОаАз и ОаМ технологий, характеризующиеся достаточной точностью, быстродействием и малым временем построения модели.

5. Предложена методика, позволяющая на систематической основе разрабатывать библиотеки элементов СВЧ МИС на базе ОаАв и GaN технологий.

6. Предложена структура библиотеки элементов для средств автоматизации проектирования СВЧ устройств, разрабатываемых в ЛИКС ТУ СУР на основе платформы Indesys.

7. Разработаны библиотеки элементов для нескольких отечественных GaAs и GaN технологий изготовления СВЧ МИС в частотном диапазоне до 40 ГГц. На основе отечественной GaAs mHEMT технологии разработаны МИС ко-планарных усилителей Ка-диапазона.

В Приложении А описаны разработанные библиотеки элементов. В Приложении Б представлены примеры ЭС для пассивных компонентов GaAs МИС. Приложение В посвящено разработке поведенческих моделей элементов СВЧ МИС. В Приложении Г приводятся результаты разработки и измерения тестовых структур для определения электрофизических параметров материалов. В Приложении Д рассмотрена автоматизация измерений ВАХ с помощью разработанной программы. В Приложении Е приведен пример применения программы статистического анализа. В Приложении Ж приведен обзор программных средств для хранения и статистического анализа данных при измерениях СВЧ МИС. В Приложении 3 представлено описание измерительного стенда НОЦ "Нанотехнологии". Приложение И содержит документы о внедрении результатов исследований.

Основное содержание диссертации отражено в 26 работах, в числе которых следующие:

1. Сальников А.С., Коколов А. А., Шеерман Ф.И. Разработка библиотек элементов в среде Microwave Office для отечественных технологий изготовления СВЧ МИС. Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» - Красноярск: Из-во СФУ. -2010.-С. 330-335

2. Сальников А.С. Применение программной системы Indesys MS для автоматизации измерения вольт-амперных характеристик СВЧ полупроводниковых приборов, материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР-2010» -Томск: В-Спектр, 2010.-4.2 -С. 176-179.

3. Добуш И.М., Коколов АА., Дмитриенко К.С., Сальников А.С., Федоров Ю.В., Черкашин М.В., Шеерман Ф.И., Бабак Л.И. Копланарный монолитный усилитель Ка-диапазона на основе отечественной GaAs наногетероструктурной технологии - Доклады ТУСУР. - 2010 - № 1(21). - Ч. 2 - С. 55-62.

4. Коколов А. А., Сальников А. С., Шеерман Ф. И. Методика построения библиотек элементов СВЧ монолитных интегрштьных схем и автоматическая генерация топологий для электромагнитного анализа // 20-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2010). Севастополь, 13-17 сентября 2010 г.: Материалы конф. в 2 т. - Севастополь: Вебер, 2010. - Т. 1. - С. 196-197.

5. Сальников АС., Добуш И.М., Кошевой С.Е., Шеерман Ф.И. Автоматизация зондовых измерений параметров рассеяния и вольтамперных характеристик транзисторов с использованием программной среды Indesys-MS // Доклады ТУСУР. - Издательство ТУСУРа. - 2010. - 2 (22) - С. 140-144.

6. Сальников А.С., Ющенко А.Ю. Обзор тестовых структур для измерения электрофизических параметров материалов при изготовлении СВЧ монолитных интегральных схем // Доклады ТУСУР. - Издательство ТУСУРа. - 2010. -2 (22)-С. 145-148.

7. Сальников А.С., Коколов А.А., Шеерман Ф.И. Разработка библиотеки элементов для проектирования отечественных гетероструктурных СВЧ МИС в среде Microwave Office // Доклады ТУСУР. - Издательство ТУСУРа. - 2010 2 (22) -С. 157-160.

8. Сальников А.С., Ющенко А.Ю. Измерение электрофизических параметров материалов с помощью тестовых структур при изготовлении гетероструктурных СВЧ МИС И Материалы докладов VII Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (10-11 ноября 20 И г). - Томск: В-Спекгр, 2011. - С. 75-79.

9. Добуш И.М., Степачева А.В., Коколов А.А., Сальников А.С., Бабак Л.И. Программное обеспечение для автоматизации измерений, деэмбеддинга и построения линейных моделей СВЧ полевых транзисторов И Доклады ТУСУР. -Томск: Изд-во ТУСУР, 2011. -4.2 (24)-С. 99-105.

Ю.Сальников А.С., Добуш И.М., Каратаев Е.П. Программное обеспечение для хранения результатов измерений СВЧ МИС и статистического анализа в составе системы INDESYS-MS // Доклады ТУСУР. - Томск: Изд-во ТУСУР, 2011. -4.2 (24) - С. 218-223.

ll.Salnikov A.S., Dobush I.M., Stepacheva A.V., Karataev E.P., Abramov A.O. Software for Measurement Automatic and Statistical Analysis of MMIC Component Parameters II Innovations in Information and Communication Science and Technology nCST, 2012. - P. 204-208

12. Сальников A.C., Добуш И.М., Торхов H.A. Экспериментальное исследование и построение моделей пассивных компонентов СВЧ монолитных интегральных схем с учетом технологического разброса // Доклады ТУСУР.-2012 - № 2 (26), часть 2. - С. 113-118. (ISSN 1818-0442)

13. Salnikov A.S., Kalentyev A.A., Goryainov A.E. Implementation of element model libraries in the Indesys Framework // Innovations in Information and Communication Science and Technology IICST, 2013. -P. 149-154.

14. Salnikov A. S. Behavioral model building for microwave integrated circuit passive elements // Teoreticeskaa i prikladnaa nauka. - 2014. -T. 9. - №. 17. - C. 141-144.

15. Сальников A.C. Исследование поведенческих моделей элментов СВЧ МИС // 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014). Севастополь, 2-7 сентября 2014 г.: Материалы конф. в 2 т. - Севастополь: Вебер, 2010. - Т. 1. - С. 119-120.

16. Сальников А.С., Добуш И.М., Горяинов А.Е., Бабак Л.И. Построение параметрической модели монолитного тонкопленочного резистора на основе СВЧ измерений и электромагнитного моделирования // Доклады ТУСУР.-2014.- № 3 (33). -С.109-117.

Заказ 937. Тираж 100. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40 Тел. 533018.