Автоматизация измерений, построение моделей и библиотек элементов СВЧ монолитных интегральных схем на базе отечественных GaAs и GaN технологий

• Автор: Сальников, Андрей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 274 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1 Проблемы автоматизации измерений и контроля, моделирования и построения библиотек элементов СВЧ МИС

1.1 Основные принципы проектирования и производства СВЧ МИС

1.1.1 Состояние отечественных технологий, схема процесса проектирования и производства СВЧ МИС
1.1.2 Принципы организации производства, контроля качества технологии и функции используемых программных средств

1.1.3 Процесс автоматизации проектирования СВЧ МИС

1.1.4 Бизнес-процессы организации разработки СВЧ МИС

1.2 Автоматизация измерений СВЧ МИС, хранения и обработки результатов

1.3 Тестовые структуры для измерения характеристик СВЧ МИС

1.3.1 Обзор структур для измерения электрофизических параметров
1.3.2 Тестовые и калибровочные структуры для измерения СВЧ параметров МИС и их компонентов
1.4 Математические модели компонентов СВЧ МИС
1.4.1 Физико-технологическое и электромагнитное моделирование элементов СВЧ МИС
1.4.2 Модели компонентов СВЧ МИС в виде эквивалентных схем
1.4.3 Параметрические (масштабируемые) модели пассивных компонентов СВЧ МИС
1.4.4 Поведенческие модели компонентов СВЧ МИС
1.5 Библиотеки элементов СВЧ МИС и их структура
1.5.1 Общие сведения о библиотеках элементов
1.5.2 Типовой состав библиотеки элементов
1.5.3 Стандартизация библиотек элементов
1.5.4 Состояние разработки библиотек элементов за рубежом и в России
1.5.5 Выводы
1.6 Основные задачи исследования
2 Построение параметрических моделей пассивных и активных элементов СВЧ МИС
2.1 Методика построения параметрических моделей пассивных элементов
СВЧ МИС на основе совместного использования ЭМ моделирования и СВЧ
измерений
2.2 Построение параметрической модели тонкопленочного VlSi резистора

2.2.1 Определение поверхностного и контактного сопротивлений тонкопленочного резистора
2.2.2 ЭМ моделирование тонкоплёночного резистора
2.2.3 Построение параметрической модели тонкопленочного резистора
2.3 Построение параметрической модели МДМ конденсатора
2.3.1 Определение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика МДМ конденсатора
2.3.2 ЭМ моделирование МДМ конденсатора
2.3.3 Построение параметрической модели МДМ конденсатора
2.4 Построение параметрической модели квадратной спиральной катушки индуктивности
2.4.1 Выбор эквивалентной схемы катушки индуктивности
2.4.2 Методика экстракции ЭС катушки индуктивности
2.4.3 Определение сопротивлений спирали и контактной линии катушки индуктивности
2.4.4 ЭМ моделирование катушки индуктивности
2.4.5 Построение параметрической модели монолитной спиральной катушки индуктивности
2.5 Сравнение поведенческих моделей элементов СВЧ МИС
2.5.1 Описание тестовой задачи
2.5.2 Результаты и выводы
2.6 Построение поведенческих моделей элементов СВЧ МИС методом обратного средневзвешенного расстояния
2.6.1 Построение поведенческих моделей активных и пассивных элементов СВЧ МИС
2.6.2 Построение поведенческой шумовой модели СВЧ транзистора
3 Разработка алгоритмов и программного обеспечения для автоматизации
измерений СВЧ МИС и их элементов, хранения и статистического анализа данных, построения поведенческих моделей
3.1 Разработка алгоритмов и программного обеспечения для автоматизации измерений СВЧ МИС и их элементов
3.1.1 Разработка программы для написания, отладки и тестирования алгоритмов управления измерительными приборами
3.2 Разработка базы данных для хранения результатов измерений СВЧ МИС и элементов
3.2.1 Постановка требований
3.2.2 Разработка структуры базы данных

3.2.3 Программа для управления базой данных
3.3 Разработка программы статического анализа результатов измерений
3.3.1 Анализ задачи
3.3.2 Общее описание программы статистического анализа
3.4 Программное обеспечение для построения поведенческих моделей
компонентов СВЧ МИС
3.5 Тестовые структуры для измерения параметров материалов и
характеристик элементов СВЧ МИС
3.5.1 Тестовые структуры для ОаАз рНЕМТ технологии
3.5.2 Тестовые структуры для ОаИ НЕМТ технологий
4 Разработка библиотек элементов СВЧ МИС на базе отечественных
технологий и их использование при автоматизированном проектировании
4.1 Общее описание методики разработки библиотек элементов
4.2 Реализация методики разработки библиотек элементов СВЧ МИС
4.2.1 Объекты библиотеки элементов
4.2.2 Структура библиотеки элементов и её интеграция в САПР
4.2.3 Разработка структуры библиотек моделей элементов для САПР 1пс1езуз
4.3 Разработка библиотек элементов для отечественных ОаАз и ОаП
технологий
4.3.1 Библиотека элементов 0,13 мкм тНЕМТ технологии
4.3.2 Библиотека элементов для 0,15 мкм ваК НЕМТ технологии
4.3.3 Библиотеки элементов 0,15 мкм ОаАз рНЕМТ технологии
4.3.4 Библиотека элементов для 0,35 мкм ОаАз рНЕМТ технологии
4.4 Копланарные усилители, разработанные с использованием библиотеки
элементов
Заключение
Список литературы
Список сокращений
Приложение А. Библиотеки элементов для отечественных технологий
Приложение Б. ЭС для ОаАз и ваИ пассивных компонентов
Приложение В. Построение поведенческих моделей активных и пассивных компонентов СВЧ МИС
Приложение Г. Разработка и измерение тестовых структур для измерений параметров материалов и элементов СВЧ МИС
Приложение Д. Автоматизация измерений ВАХ в непрерывном и импульсном режимах в программе АШошайопТез!

МКРВО. В данном методе проводится дискретизация пространства, аналогично двум предыдущим методам. Затем проводится пошаговое интегрирование во времени, на каждом шаге решаются уравнения Максвелла в интегральной форме для каждой ячейки пространства. Данный метод, также как и МКЭ, подходит для моделирования произвольных трехмерных структур. При этом за счёт того, что для решения не используется матричный подход, при анализе сложной геометрии затрачивается меньше оперативной памяти. Особенно эффективен данный метод для анализа импульсных воздействий и расчёта отклика на сигнал во временной области. Однако в МКРВО каждый порт рассчитывается последовательно, поэтому при анализе многопортовых схем метод работает медленно.
Существует большое количество коммерческих программ численного решения уравнения электродинамики. Приведем некоторые примеры. Компания Sonnet Software [28] (США) выпускает несколько версий одноименной программы ЭМ моделирования, различающиеся по стоимости и производительности. Программа использует метод моментов для решения задач электродинамики, позволяет вычислять S-, Y-, Z-параметры и проводить экстракцию SPICE-моделей на основе результатов ЭМ моделирования. Программа поддерживает импорт графической информации в разных форматах (GDSII, DXF), а также интеграцию с несколькими САПР СВЧ устройств. Программный пакет HFSS [29] (ANSYS, США) имеет более широкие возможности за счёт использования нескольких программ решения уравнений электродинамики (несколько модификаций ММ, МКЭ, разрывный метод Галёркина и т.д.). Также имеется большое количество вспомогательных программ для линейного анализа схем для моделирования сложных систем, разбиения сетки, построения широкополосных SPICE-моделей, статистического анализа. Кроме того, в пакете имеются программы линейного и нелинейного анализа электрических цепей, что позволяет проводить эти виды моделирования совместно с электромагнитным. Схожими большими возможностями ЭМ моделирования произвольных трехмерных объектов обладает Microwave Studio компании CST [30] (США). Данная программа использует метод конечных интегралов, как во временной, так и в частотной области. Для улучшения моделирования объемных структур произвольной геометрической формы был разработан оригинальный метод построения пространственной сетки, позволяющий учитывать толщину металлических перегородок внутри одной большой ячейки разбиения без необходимости учащения сетки. Все дополнительные возможности современных пакетов моделирования (построение широкополосных SPICE-моделей, оптимизация и т.п.) также реализованы.
Компании, выпускающие САПР СВЧ устройств, в дополнение к своей основной системе разрабатывают собственные программы ЭМ моделирования. В состав САПР ADS [11] (Keysight, прежнее название Agilent, США) входят в качестве опций програм-