Аннотации том 22 № 4, 2017 год

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МАРШРУТЫ

УДК 621.382 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-305-321

Обзор

Мемристорные структуры для микро- и наноэлектроники. Физика и технология

А.Н. Белов, А.А. Перевалов, В.И. Шевяков

Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия

shev@dsd.miee.ru

Развитые технологии КМОП-структур и энергонезависимая память на их основе столкнутся с фундаментальными ограничениями уже в 2018–2020 гг. В настоящее время проводится интенсивный поиск приборов на основе новых физических принципов, которые потенциально будут иметь более высокую степень интеграции. В качестве таких приборов предлагается использовать мемристоры.

Представлен обзор литературы, посвященной последним разработкам в области создания мемристорных структур, а также массивам на их основе. Детально рассмотрены материалы, технологии создания и физические принципы функционирования мемристорных структур, а также современные технологии создания массивов этих структур. Представлены три наиболее перспективные направления развития мемристоров на основе халькогенидов, оксидов металлов и твердых электролитов.

Обзор будет полезен исследователям и специалистам в области создания кремниевой энергонезависимой памяти.

Ключевые слова: мемристорные структуры; интегральные схемы; халькогениды; оксиды металлов; твердые электролиты.

Для цитирования: Белов А.Н., Перевалов А.А., Шевяков В.И. Мемристорные структуры для микро- и наноэлектроники. Физика и технология. Обзор // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 305–321. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-305-321

УДК 621.315.592 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-322-330

Механизм формирования квантово-размерных слоев гетероструктур AlGaN/GaN/InGaN/GaN

Е.Н. Вигдорович

Физико-технологический институт Московского технологического университета, г.Москва, Россия

evgvig@mail.ru

Электрофизические свойства кремния ограничивают его применение для оптоэлектронных элементов и приборов СВЧ-техники. В этой области материалы с большей шириной запрещенной зоны, в частности GaN, AlN, InN и твердые растворы на их основе, значительно превосходят кремний. В результате появляется возможность изготовления устройств с высокой эффективностью, например светодиодов и фотоприемников, которые могут работать в широкой области спектра излучения. Кроме того, материалы на основе GaN успешно используются для создания мощных СВЧ-приборов, таких как транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), работающие при высоких температурах.

Рассмотрены технологические особенности формирования активных слоев в гетероструктурах AlGaN/GaN/InGaN/GaN с использованием металлоорганических соединений. В качестве исходных веществ применялись особо чистый аммиак NH₃ и металлоорганические соединения галлия, алюминия и индия в триметильной форме. Исследована температурная зависимость скорости роста эпитаксиальных слоев GaN. Показано, что данная зависимость незначительная в широком интервале температур. Подтверждено важное значение адсорбционных процессов на поверхности роста. Для моделирования процесса и определения условий формирования состава твердых растворов на основе GaN проведен термодинамический анализ закономерностей при реализации изучаемого процесса. Установлено, что при формировании твердых растворов Ga_1–xIn_xN в области высоких температур не удается получить содержание InN больше 0,4 мольных долей, при снижении температуры роста до 600 °С заметно улучшаются условия вхождения In в твердый раствор и концентрация InN увеличивается до 0,9 мольных долей. Выяснено, что при выращивании твердых растворов GaAlN в широком диапазоне температур можно получать твердые растворы с содержанием AlN от 0,1 до 0,9 мольных долей.

Экспериментальные исследования подтвердили расчеты. Поэтому при выращивании слоев квантовых ям Ga_1–xIn_xN в активной области гетероструктур для промышленных чипов синих светодиодов с содержанием индия х = 0,1…0,15 необходимо снижать температуру роста. Однако при низких температурах возникают трудности с ростом эпитаксиальных слоев высокого кристаллического качества.

Ключевые слова: нитриды; светодиоды; транзисторы; гетероструктуры; металлоорганические соединения.

Для цитирования: Вигдорович Е.Н. Механизм формирования квантово-размерных слоев гетероструктур AlGaN/GaN/InGaN/GaN // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 322–330. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-322-330

УДК 53.083.91 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-331-340

Применение комбинированных оптических методов для контроля процесса травления щелевой изоляции

А.Д. Волоховский^1,2, Н.Н. Герасименко^1,3, Д.С. Петраков¹

¹Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия

²ОАО «Ангстрем-Т», г. Москва, Россия

³Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, г. Москва, Россия

rmta@miee.ru

Процесс контроля технологической операции травления щелевой изоляции применяется в технологическом цикле производства КМОП-изделий. Для повышения оперативности и информативности этого контрольного процесса может быть применен метод оптической скаттерометрии, позволяющий заменить сразу несколько использовавшихся ранее методов.

С помощью размерной схемы, учитывающей реальные особенности процедуры, описан процесс травления щелевой изоляции. Представлены комбинированные методы контроля процесса щелевой изоляции. Исследованы границы применимости оптической скаттерометрии и рассмотрены методы, которые можно использовать вне этих границ, в частности в диапазоне менее ~20 нм.

Разработанная методика позволяет контролировать непосредственно в технологическом цикле не только линейный размер, но и глубину канавки травления и наклон ее стенок, которые ранее не контролировались. Контроль этих параметров в технологическом цикле снижает издержки производства и повышает надежность интегральных схем. Процесс опробован на примере технологии 180 нм, но обсуждаются возможности применения процесса для меньших проектных норм.

Ключевые слова: метрология; контроль процессов; скаттерометрия; травление; щелевая изоляция.

Для цитирования: Волоховский А.Д., Герасименко Н.Н., Петраков Д.С. Применение комбинированных оптических методов для контроля процесса травления щелевой изоляции // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 331–340. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-331-340

УДК 621.1.016.7:628.8 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-341-349

Термодинамический анализ процесса воздухоподготовки чистых помещений

А.С. Рябышенков

Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия

ryabyshenkov@mail.ru

Исследована возможность применения эксергетического метода термодинамического анализа как средство мониторинга энергоэффективности системы воздухоподготовки чистых помещений. Повышение энергоэффективности можно достичь за счет тщательного термодинамического анализа затрат энергии при изменении состояния воздушного потока в системе кондиционирования и фильтрации воздуха.

Использована математическая модель системы кондиционирования воздуха с рециркуляционным контуром. Проведены оценки эксергетической эффективности в выбранной системе кондиционирования и потерь эксергии в основных ее элементах в зависимости от различных факторов. Получена диаграмма Грассмана потоков и потерь эксергии для выбранной системы кондиционирования в теплый и холодный периоды года.

Применение эксергетического анализа позволяет определить основные способы уменьшения энергетических потерь и выбрать оптимальный вариант схемного решения системы кондиционирования и фильтрации воздуха.

Ключевые слова: системы кондиционирования воздуха; чистые помещения; рециркуляционный контур; энергоэффективность; эксергетический баланс; диаграмма Грассмана.

Для цитирования: Рябышенков А.С. Термодинамический анализ процесса воздухоподготовки чистых помещений // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 341–349. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-341-349

ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.382.8.017.7 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-350-360

Оценка адекватности тепловой модели КМОП цифровых интегральных схем по переходным тепловым характеристикам

В.А. Сергеев, Я.Г. Тетенькин

Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, г. Ульяновск, РоссияУльяновский государственный технический университет, г. Ульяновск, Россия

sva@ulstu.ru

Эффективным диагностическим методом контроля качества цифровых интегральных схем (ЦИС) является измерение их тепловых параметров. Значения тепловых параметров реальных изделий определяются качеством их производства и могут существенно отличаться от расчетных значений.

Описан способ измерения переходной тепловой характеристики (ПТХ) ЦИС с использованием температурной зависимости частоты кольцевого генератора, построенного на логических элементах ЦИС. На примере ПТХ ЦИС типа CD4011 показан итерационный алгоритм расчета параметров линейной одномерной тепловой схемы ЦИС в приближении Фостера по значениям ПТХ в точках наименьшей крутизны, которые соответствуют нулям второй производной. Алгоритм апробирован при нахождении нулей второй производной ПТХ путем прямого численного дифференцирования ПТХ и дифференцирования аппроксимирующего ПТХ полинома 9-й степени. Показано, что ПТХ исследуемой ЦИС соответствует трехзвенной тепловой схеме.

Рассмотренные варианты расчета дают практически одинаковые значения тепловых параметров тепловой схемы, которые достаточно хорошо идентифицируются с характерными слоями конструкции ЦИС.

Ключевые слова: цифровые интегральные схемы; тепловая схема; тепловые параметры; переходная тепловая характеристика; измерение; алгоритм расчета.

Для цитирования: Сергеев В.А., Тетенькин Я.Г.Оценка адекватности тепловой модели КМОП цифровых интегральных схем по переходным тепловым характеристикам // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 350–360. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-350-360

УДК 681.324.687 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-361-368

Повышение эффективности моделирования переходных процессов в КМОП-микросхемах с учетом одиночных радиационных эффектов

В.С. Кононов¹, Н.А. Шелепин²

¹АО «Специализированное конструкторско-технологическое бюро электронных систем», г. Воронеж, Россия

²АО «Научно-исследовательский институт молекулярной электроники», г. Москва, Россия

n.shelepin@list.ru

Стандартные программы позволяют моделировать КМОП-микросхемы с учетом воздействия радиации на активные элементы. Однако применение таких программ при моделировании микросхем с учетом одиночных радиационных эффектов (ОРЭ) не отличается эффективностью в основном из-за сложности эквивалентных схем, описывающих ОРЭ.

Предложена техника описания ОРЭ с применением П-образной аппроксимации реального вида ионизационных токов в p–n-переходах, что позволяет задавать эти токи в виде исходных данных. Аппроксимированные значения токов отдельно вычисляются с помощью программы TCAD Sentaurus для набора типовых элементов и хранятся в виде библиотеки. При моделировании ОРЭ в КМОП-микросхемах с автоматически синтезированной топологией на основе функциональной библиотеки использованы метки двух типов, которыми снабжены библиотечные элементы. Метки первого типа присваиваются на постоянной основе всем библиотечным элементам при создании библиотеки, метки второго типа – на этапе функционального описания проектируемой микросхемы.

Рассмотренный подход упрощает работу наиболее распространенных синтезаторов, которые допускают манипулирование библиотечными элементами, что предпочтительнее. Субъективный фактор при выборе меток библиотечных элементов оправдан при выявлении слабых мест в конструкции микросхемы и при оценке реакции КМОП-микросхемы на ОРЭ в этих местах.

Ключевые слова: микросхема; КМОП; одиночные радиационные эффекты; моделирование; компонент; библиотека.

Для цитирования: Кононов В.С., Шелепин Н.А. Повышение эффективности моделирования переходных процессов в КМОП-микросхемах с учетом одиночных радиационных эффектов // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 361–368. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-361-368

СХЕМОТЕХНИКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

УДК 621.3.049.771.14:621.3.062 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-369-378

Алгоритмы логико-топологического синтеза библиотечных элементов и блоков с регулярной структурой для технологических норм проектирования 32 нм

С.В. Гаврилов¹, Е.С. Карева^1,2, Д.И. Рыжова^1,2

¹Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, г. Москва, Россия

²Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия

sergey_g@ippm.ru

Переход на уровень нанометровых технологий с размером транзистора 32 нм и ниже приводит к формированию нового направления в наноэлектронике – проектирование на основе транзисторов с вертикальным затвором (FinFET). При уменьшении размеров транзисторов до 32 нм и ниже применение FinFET-технологии становится одним из немногих способов повышения быстродействия и снижения потребляемой мощности. Данное направление меняет маршрут проектирования и требует разработки новых подходов как в логическом, так и в топологическом проектировании. Традиционный подход к проектированию микроэлектронных систем основывается на независимом решении задач логического и топологического проектирования. Однако совмещение логического и топологического синтеза приводит к значительному увеличению размерности задачи, что, в свою очередь, сказывается на времени проектирования.

Разработаны алгоритмы логического анализа и синтеза микроэлектронных схем с FinFET-технологией при совместном решении проблем логического и топологического синтеза. Проблема сокращения размерности задачи решена путем введения ограничений на топологическую реализацию при совмещении логического и топологического синтеза. Ограничения осуществляются за счет разработки и использования регулярного топологического шаблона с фиксированной топологией в нижних слоях.

Предложенный подход позволяет уменьшить количество правил проектирования в сотни тысяч раз (в зависимости от сложности схемы) по сравнению с нерегулярными структурами, а применение IG FinFET-транзисторов обеспечивает лучшие характеристики по быстродействию и мощности по сравнению со стандартной КМОП-технологией.

Ключевые слова: комплементарная структура металл–оксид–полупроводник (КМОП); сверхбольшие интегральные схемы (СБИС); транзистор с вертикальным затвором (FinFET); логический синтез; топологический синтез; последовательно-параллельный ориентированный граф без циклов (SP-DAG); компоненты, связанные по постоянному току (DCCC).

Для цитирования: Гаврилов С.В., Карева Е.С., Рыжова Д.И. Алгоритмы логико-топологического синтеза библиотечных элементов и блоков с регулярной структурой для технологических норм проектирования 32 нм // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 369–378. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-369-378

УДК 621.3.049.77:658:512.2 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-379-385

Использование модификации алгоритма работы сетей Петри для функционального моделирования логических схем, представленных на вентильном уровне

Д.А. Булах, Г.Г. Казённов, А.В. Лапин

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,г. Москва, Россия

dima@pkims.ru

Основным алгоритмом моделирования цифровых схем, применяемых в цифровых симуляторах, является алгоритм событийного моделирования. Однако неявный выбор очередности срабатывания одновременно переключающихся сигналов может приводить к возникновению отличий в получаемых результатах моделирования.

Предложен новый алгоритм событийного функционального моделирования цифровых интегральных схем, основанный на использовании модифицированного математического аппарата сетей Петри. Аппарат сетей Петри дает возможность имитировать параллельные конструкции с помощью последовательных инструкций. Поэтому нет необходимости разделять события с помощью дельта-задержки. Описанный подход позволяет устранить неоднозначность переключений сигналов, происходящих в один момент времени, за счет отказа от использования дельта-задержки. Представлены результаты работы алгоритма на примере моделирования на вентильном уровне ряда комбинационных и последовательностных схем.

Полученные временные диаграммы, а также время моделирования показывают, что предложенный алгоритм не уступает существующим средствам моделирования в плане достоверности и быстродействия.

Ключевые слова: цифровой симулятор; логическое моделирование; функциональное моделирование; алгоритм событийного моделирования; сети Петри.

Для цитирования: Булах Д.А., Казённов Г.Г., Лапин А.В. Использование модификации алгоритма работы сетей Петри для функционального моделирования логических схем, представленных на вентильном уровне// Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 379–385. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-379-385

МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА

УДК 681.586 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-386-397

Влияние параметров конструкции актюаторов на чувствительность частотных микроакселерометров

Аунг Тхура, Б.М. Симонов, С.П. Тимошенков

Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия

serborsel@mail.ru

Электростатический актюатор применяется в конструкциях микромеханических акселерометров, гироскопов, вибромоторов и других приборов. Изменение величины зазора между гребенками ротора и статора разных форм влияет на электростатическую силу. В микроэлектромеханических датчиках актюатор гребенчатой конструкции используется для возбуждения колебаний резонатора.

В работе получено уточненное уравнение для расчета электростатической силы актюатора гребенчатой и балочной конструкций. С помощью моделирования в программе ANSYS исследовано влияние величины перекрытия между зубцами гребенок на электростатическую силу и емкость, а также изменение частоты колебаний резонатора при воздействии силы. Аналогичные исследования выполнены для резонатора балочной конструкции.

Применение как балочной, так и гребенчатой конструкции с малым перекрытием зубцов гребенок позволяет уменьшить паразитные электростатические силы (по осям y, z) и повысить чувствительность частотного микроакселерометра за счет большего изменения частоты колебаний резонатора при воздействии силы.

Ключевые слова: актюаторы гребенчатой и балочной конструкций; резонатор; электростатическая сила; перекрытие между гребенками; чувствительность.

Для цитирования: Аунг Тхура, Симонов Б.М., Тимошенков С.П. Влияние параметров конструкции актюаторов на чувствительность частотных микроакселерометров // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 386–397. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-386-397

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 621.3.049.77 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-398-402

Методика регулирования концентрации углеродных нанотрубок при формировании композитной металлизации ИС

П.К. Кондратьев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук, г. Москва, Россия

Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия

inmeozi@gmail.com

Методика регулирования концентрации углеродных нанотрубок (УНТ) включает в себя три стадии. На первой, до синтеза нанотрубок, проводится литографическая фрагментация катализатора при условии его формирования с помощью «фазового расслоения», фрагментации неактивным металлом, регулирования длительности электрохимического осаждения либо структуризации под самоформирующиеся массивы. На второй стадии должны соблюдаться определенные условия синтеза УНТ, способствующие формированию разреженных структур. Третья стадия, применяемая в случае необходимости, предусматривает лазерное структурирование либо извлечение областей массивов вклеиванием в промежуточную подложку. В зависимости от задач и технологических возможностей допускаются и другие комбинации описанных методов.

Отмечена важность регулирования концентрации УНТ в формируемой электрохимическими методами композитной металлизации интегральных схем. Вопрос рассмотрен с позиции как технологических возможностей, так и необходимости получения требуемых характеристик. Описаны оба варианта электрохимического формирования композитов, такие как осаждение меди в предварительно выращенные массивы УНТ и одновременное осаждение меди и УНТ.

Представленная методика совместима с технологиями СБИС и 3D ИС и позволяет получать образцы композитных проводников с прогнозируемыми и регулируемыми концентрациями УНТ, что напрямую влияет на характеристики создаваемых структур.

Ключевые слова: композит; металлизация; интегральные схемы; 3D ИС; углеродные нанотрубки; массивы; низкая плотность; регулирование концентрации; металлическая матрица; медь; электрохимическое осаждение.

Для цитирования: Кондратьев П.К. Методика регулирования концентрации углеродных нанотрубок при формировании композитной металлизации ИС // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 398–402. DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-398-402

УДК 621.382+621.396.6 DOI: 10.214151/1561-5405-2017-22-4-402-406

DICE КМОП КНИ-триггер, устойчивый к воздействию тяжелых заряженных частиц для применения в приемных трактах

В.П. Тимошенков, И.А. Фатеев

Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия

fateev@mri-progress.ru

В интегральных КМОП-схемах под действием космической радиации происходят различного рода нарушения функционирования. Частицы высокой энергии при взаимодействии с материалом полупроводника вносят неравновесный заряд, способный вызывать импульсы тока и напряжения на логических выводах внутренних схем. При дальнейшем распространении импульсы могут привести к разным видам одиночных событий. Один из вариантов борьбы с одиночными событиями – использование специальных ячеек с повышенной стойкостью к воздействию тяжелых заряженных частиц.

Представлен новый вариант сбоеустойчивого триггера на основе DICE для использования в приемных трактах бортовой аппаратуры. Одна из особенностей приемных трактов – наличие большого числа конфигурационных регистров. Изменения данных в регистрах происходят крайне редко, что позволяет использовать в них предлагаемый вариант триггера. Получен критерий для применения данного триггера. Продемонстрированы теоретические расчеты показателей стойкости к воздействию тяжелых заряженных частиц по сравнению со стандартным DICE-триггером. Представлен физический уровень предлагаемого триггера.

Данный триггер имеет сходные показатели устойчивости к воздействию тяжелых заряженных частиц космического пространства относительно стандартного DICE-триггера. При этом предлагаемый триггер имеет выигрыш по площади ~ 20%, что может дать около 10% уменьшения площади приемного тракта.

Ключевые слова: DICE; ТЗЧ; сбоеустойчивость; master-slave-триггер.

Для цитирования: Тимошенков В.П., Фатеев И.А. DICE КМОП КНИ-триггер, устойчивый к воздействию тяжелых заряженных частиц для применения в приемных трактах // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 4. – С. 402–406. DOI: 10.214151/15