Введение к работе
Актуальность темы.
В результате быстрого развития микроэлектронных технологий, іеукдонного понышения степени интеграции, быстродействия и надежности шкросхем основу элементной базы . современных интегральных іадио'їлектронних устройств составляют большие и сверхбольшие штегральные схемы (БИС и СБИС), определившие качественно новый уровень :о,\шлекспоіі микроминиатюризации. При этом все шире исгюльччотся пепиаличированные (чакачные и получакачпые) СБИС, с помощью которых настигается чначптельное улучшение технико-экономических характеристик ппаратуры конкретного назначения.
Как показывает практика, сравнительно невысокой стоимости таких нотем можно добиться в основном за .счет снижения удельных затрат на [роектирование. Важную роль в решении данной задачи ш расі математическое юделироиание, позволяющее ичбегать дорогостоящих ошибок при разработке пециализированных СБИС. Именно поэтому, а также потому, что кепериментальные исследования занимают слишком много времени и лишком дороги, а зачастую просто невыполнимы, стало необходимым рішенешіе средств математического моделирования на всех -папах .роектиронания и производства СБИС.
Существующие в настоящее время системы моделирования элементов и ірагментов интефалытых схем расчитаны. как правило, на мощтто ычислительную базу, что приводит к росту чатрат на проектирование. При роекпіровашш полностью заказных СБИС, имеющих нерегулярную структуру, озникают дополнительные трудности'.
полупроводниковые компоненты имеют индивидуальные' .структурно-імюлогичеекие особенности, требующие многократного повторения процедуры юделирования при анализе характеристик элементов и фрагментов СБИС:
- снижение минимальных топологических размеров -до десятых долей микрона требует применения двух- и трехмерных математических моделей повышенной точности;
~ СБИС часто содержат сложные функциональные элементы, требующие проведения, физико-топологического моделирования на общей координатной сеже.
'>го приводит к значительному росту требуемого времени моделирования и необходимости использования больших объемов памяти ЭВМ. Если моделирование проводится в исследовательских целях, то при отсутствии жестких временных ограничений традиционные методы в большинстве случаев моїут успешно применяться. Однако при реальном проектировании, в условиях, когда время ограничено и-многократная корректировка топологии -элементов и фрагментов СБИС требует многократного повторения процедуры моделирования, существующие методы моделирования, как правило, не удовлетворяют предъявляемым требованиям точности или предполагают неоправданно большие затраты времени и вычислительных ресурсов.
Следовательно, поиск оптимального соотношения -точность - сложность" при проведении математического моделирования в каждом конкретном случае яаляется одной из ключевых задач, для эффективного решения которой необходим широкий набор методов, алгоритмов и программ моделирования, отличающихся друг от друга объемом вычислений, точностью результатов, временем поиска решения, способом представления исходных данных.
Поэтому актуальной задачей яаляется исследование и разработка методов, алгоритмов и программ моделирования элементной базы СБИС.
Состояние вопроса.
1 Іроектирование специализированных СБИС на основе адаптированной к САПР -элементной базы открывает большие возможности для разработки и
5 совершенствования методов математического моделирования, позволяющих сократить время и стоимость проектирования.
13 основу данной методологии проектирования СБИС положены следующие конструктивные особенности адаптированных к СМИ' логических иемешов:
1) логические -иементы строятся на основе оіраниченного набора
структлрн'о-топодогичееких фрагменгов-примитивон (СТП). размещаемых в
лннеііку и реализующих отдельные час і и элементов:
-
для различных технологии (пМОП. КМОП, И:Л и др.) и различных типов -иеменгов (И-1ІІІ. ИЛИ-1ІІЇ н др.) CTII имеют простую унифицированную нряхки mibiivio форму:
-
копсір\ктивііо обеспечиваемся работоспособность члемента при любом порядке сборки из СУП. что обеспечивает топологическую инвариантность внешних выводов -«е.ментов. учло» п тд. (гибкая цошлевка), а также снижение сложности и повышение эффективное пі алгоритмов синтеза микротопологии:
-
помимо "входных" и "выходных" в состав СТП входят "транзитные" и "пустые" примитивы, что обеспечивает проницаемость элементов, узлов и блоков СБИС для транзитных шин;
5) условные границы СТП пересекают поверхности раздела
полупроводниковых областей с различными типами проводимости или
рачличнымн концентрациями примеси, а также поверхности рачдела
полупроводник-диэлектрик, металл-полупроводник, металл-диэлектрик под
прямым утлом:
6) все СП 1 в пределах логического элемента имеют одинаковые размеры;
7) все СТП па кристалле СВИС имеют одинаковые размеры по
направлениям двух координатных осей (одна из которых перпендикулярна
плоскости кристалла) и моїут масштабироваться вдоль третьей координатной
оси в зависимости от требуемых параметров логических элементов
(быстродействие, паїруточная способность и др.):
8) логические элементы в пределах учла размещаются и линейку, е
минимальным топологическим зазором; ,
9) все -элементы в линейке содержат одинаковое число СП I.
Данные особенности позволяют сократить занимаемую площадь,
увеличить быстродействие, помехоустойчивость и надежносгь СБИС, а также
значительно повысить степень автоматизации проектирования. При этом
недостаточно изучены и реализованы преимущества, которые открывают
перечисленные свойства адаптированных к САШ' интеїральньїх логических
элементов применительно к математическом) моделированию
специализированных СБИС.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и средств математического моделирования элементов интегральных схем применительно к заказным и полузаказным СБИС на основе адаптированной к САПР элементной базы, что позволит сократить время моделирования интегральных радиоэлектронных устройств и необходимые объемы памяти ЭВМ, а также повысить степень автоматизации процесса моделирования.
Для достижения поставленной пели в работе решались следующие основные задачи:
- разработка и исследование модифицированных конструкций етрукгурно-
тонологических примитивов и библиотек адаптированных к САПР интеїральньїх логических элементов, позволяющих с максимальном эффективностью решать задачи моделирования разработанных на их основе специализированных СБИС;
- разработка и исследование методики физико-топологического моделирования
адаптированных к САПР интегральных логических элементов,, в основу которой положен принцип сопряжения полученных для структурно-
7 топологических примитивов распределении потенциала і? концентрации свободных носителей заряда;
- разработка и исследование методики численного интегрирования токов во
внешних выводах полупроводниковых компонентов на грубых координатных сегках:
- разработка и исследование методов электрического моделирования
интечралъных логических элементов, в основу которых положено
определение линии пересечения поверхностей, представляющих вольт-
амперные характеристики полупроводниковых компонентов'.
- разработка и исследование метода определения максимального переірева
кристалла СВИС (фрагмента кристалла) на основе принципа электро-тешювой аналогии с целью сокращения размерности задачи и времени се решения.
Научная новизна.
1.Разработана и исследована методика физико-топологического моделирования адаптированных к САПР биполярных интегральных логических элементов заказных и иолузаказных СБИС и элементов на базе МДІ 1-структур, в основу которой положен принцип сопряжения распределении потенциала и концентраций свободных носителей заряда для ограниченного набора СТП.
2.Разработана и исследована методика повышения точности численного интегрирования токов бо внешних выводах полупроводниковых структур на фубых координатных сетках.
3 Разработаны и исследованы методы электрического моделирования интегральных логических элементов СБИС, в основу которых положено определение пересечения поверхностей, представляющих вольт-амперные характеристики пол\ проводниковых компонентов.
4.Рафаботан и исследован метод определении максимального переірева кристаллов заказных и по.т\заказных СБИС па ".тч цитированных к СЛІП'
8 элементов*, в. основу которого положен принцип последовательного преобразования электро-тепловых моделей на каждом уровне конструктивной иерархии к определенному упрощенному виду.
5.Разработаны модели для оценки занимаемой площади и суммарной длины соединений фрагментов СБИС на основе адаптированной к САПР элементной базы.
Практическая значимость.
В соответствии с предложенными методами ' применительно к специализированным СБИС на основе адаптированной к САПР элементной базы разработаны алгоритмы и программы физико-топологического и электрического моделирования интегральных логических элементов, алгоритм и программа оценки характеристик туннельных контактов в трехмерных КМОП-СБИС в зависимости от параметров технологического процесса, алгоритм и программа определения максимального перегрева кристалла (фрагмента кристалла) СБИС. Достигнуто значительное сокращение времени моделирования и необходимых объемов памяти ЭВМ по сравнению с алгоритмами и программами, созданными на основе традиционных методов моделирования. Разработаны библиотеки логических элементов трехмерных КМОП-СБИС, отвечающие всем требованиям адаптированной к САПР элементной базы и позволяющие существенно повысить основные технико-экономические характеристики заказных СБИС на их основе. Разработаны конструкции универсальных структурно-топологических примитивов, предусматривающих возможность программирования функционального назначения СТП посредством трех г пяти, заказных фотошаблонов и позволяющих создавать полузаказные И2Л, ТТЛШ, ЭСЛ, пМОГТ ОМОП и КМОП-СБИС на основе нового типа базовых матричных кристаллов - "море СТП".
Внедрении результатов работы.
Г Іредложепиме пакеты программ физико-топологического,
электрического п теплового моделирования приняты к иепольчовапию в НИИ ')Т (г. Воронеж). НИИ М13С (і'. Таганрог), а также используются в учебном процессе ТРТУ (г. Таганрог).
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были
одобрены па Всероссийской научно-технической конференции
"1 інтеллектулльньїе СЛІП' - 93" (Геленджик, 1993 г.). Всероссийских научно-технических конференциях; с международным участием "Актуальные проблемы твердоіельноп электроники и микроэлектроники" (IDM-94 - 11')М-97) (Таганрог, 1994 - 1997 гг.), на ХХХХ - ХХХХШ научно-технических конференциях ТРТУ (Таганрог, 1994 - 1997 гг.), Всероссийской конференции студентов и аспирантов (Таганрог, 1996 г.).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту;
модифицированные конструкции структурно-топологических примитивов и библиотеки логических элементов на их основе для И'Л, ТТЛ1П, ЭСЛ, пМОП, DMOH, КМОП, трехмерных КМОП-СБИС, отвечающие всем требованиям адаптированной к САПР элементной базы, анализ основных технико-экономических показателей фрагментов заказных СБИС на основе адаптированных к САГИ'элементов по сравнению с традиционными;
- универсальные (программируемые) СТП, полузаюгшие КМОП СБИС на
основе нового типа базовых .матричных кристаллов - "'морс С ТІ Г;
- методики фшико-тогюлогичеекого моделирования адаптированных к
САІП' элементов СБИС и повышения точности численного интегрирования
токов во внешних выводах полупроводниковых структур на грубых
координатных сетках;
методы и алгоритмы электрического моделирования И"Л, nMOII, DMOFI, КМОП-элементов СБИС, результаты электрического моделирования логических элементов;
метод и алгоритм определения максимального перегрева кристаллов заказных и полузаказных СБИС на базе адаптированных к САПР логических элементов, результаты моделирования фрагментов СБИС.
Публикации.
По теме исследовании опубликовано 12 печатных работ, получены положительные решения по заявкам:
-
N94005726 на выдачу патента РФ от 27.11.95: Интегральный логический элемент./КоноплевБ.П, Рындин Е.А. Приоритет от 18.02.94.
-
N95105202/21 на выдачу патента РФ от 13.08.96: Ингаральный логический элемент./Коноплев Б Г., Рындин Е.А. Приоритет от 06.04.95.
В ВНИТЦ зарегистрировано 5 отчетов по научно-исследовательским работам, выполненных при непосредственном участии автора.
Структура и обьем'работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списки литературы и приложений. Работа изложена на 239 страницах машинописного текста и содержит список литературы на К) страницах, 102 рисунка, 5 таблиц.
