用于高密度三维集成的TSV设计

三维集成技术的发展需要高密度和高深宽比的硅通孔(TSV)阵列。由于TSV填充材料与TSV衬底材料之间的热膨胀系数不匹配,TSV在使用或加工过程中会出现严重的热应力问题,造成器件失效甚至是晶圆损坏。设计了一种具有低热应力和高深宽比的中空TSV。单个TSV呈现橄榄球形状,TSV中部直径最大,其次是顶部的直径,最小的是底部直径。采用金属钨进行空心填充,因为钨的热膨胀系数与硅衬底的更匹配。当出现热失配时,空心填充使得空心结构为填充金属与硅的热膨胀提供了缓冲空间,能够大幅度减小TSV衬底所受到的热应力。仿真结果表明沿着TSV轴向方向和径向方向,热应力分别减小了62.4%和60.5%。基于设计的TSV结构,开发了一套基于8英寸(1英寸=2.54 cm)硅晶圆的工艺流程,成功实现了1600/mm^(2)超高密度阵列的加工制作,能够应用于高密度三维集成。

环栅晶体管制备中SiGe选择性刻蚀技术综述

环栅(Gate-all-around,GAA)晶体管是3 nm以下节点替代现有鳍式晶体管(FinFET)最有竞争力的器件结构,能有效改善器件尺寸不断微缩带来的短沟道效应。与FinFET相比,GAA器件制备的工艺流程中内侧墙制备和沟道释放是新引入的工艺模块,均需要SiGe选择性刻蚀技术。工艺要求SiGe作为牺牲层被选择性刻蚀去除,且尽可能减少对Si沟道的损伤。本文对环栅晶体管制备工艺中所需的SiGe选择性刻蚀技术进行了综述,主要分析了器件结构的发展趋势及SiGe选择性刻蚀的应用,并分类综述了常规SiGe选择性刻蚀方法以及新型选择性刻蚀技术的发展历程,分析了各种技术的优点和不足。最后对SiGe选择性刻蚀技术面临的挑战进行了分析,并对其未来可能的发展趋势进行了展望。

一种基于MIPI D-PHY物理层的高速比较器

基于MIPI D-PHY物理层传输协议,文章设计一种高速低功耗的自偏置比较器电路,并对电路进行理论分析和仿真验证。该高速比较器总体结构由二级运放构成:共栅极和共源极以及工作在线性区的NMOS管组成第1级放大结构;电流源作负载的四管运放组成第2级放大结构。差分信号通过NMOS源极进行输入,提升信号的共模电压接收范围。电路结构中无额外电流源偏置,提高数据传输速率的同时减小了功耗。基于SMIC 0.18μm CMOS工艺设计,采用1.8 V电压供电,仿真结果表明:高速比较器能准确接收低共模电平的差分信号,直流增益为37.4 dB,传输速率达到2.5 Gb/s,功耗达到326μW/(Gb/s),可以接收到差分信号的共模电平范围为30~330 mV。

面向空间应用的GaN功率器件及其辐射效应

研究氮化镓(GaN)功率器件及其辐射效应对于解决空间应用需求、促进新一代航天器建设具有重大意义。介绍了GaN功率器件的主要结构及工作原理,综述了近年来国内外在GaN功率器件的总剂量效应和单粒子效应两方面的研究进展,并对辐射效应在GaN功率器件中造成的退化和损伤机制进行分析与讨论。研究结果显示:GaN功率器件具有较强的抗总剂量能力,但是抗单粒子能力较弱,易发生漏电和单粒子烧毁,且烧毁点多发生在栅极边缘的漏侧。对GaN功率器件辐照损伤机理的研究缺乏权威理论,有待进一步探索,为其空间应用提供理论支撑。目前,平面结构的GaN功率器件是主流的技术方案,单片集成及高频小型化是GaN功率器件未来发展的方向。

机动状态下国产铯原子钟稳定性分析

车载机动状态下的守时系统可以满足一些特殊应用场合的实际需求,其核心部分便是原子钟。主要利用守时车辆在三级道路上移动前后的数据,分析了国产小型铯原子钟在无溯源车载机动状态下的动态Allan标准偏差(ADEV)以及噪声的幂律谱,为未来国产小型铯原子钟的移动应用提供支撑。结果表明,铯原子钟车载机动状态对铯原子钟的频率稳定度有一定的影响,ADEV的采样时间τ为1~1000 s频率稳定度最大恶化了1.15×10^(-11),恶化约一个数量级;采样时间τ≥1000 s稳定度恶化相对较小,最大恶化了8.74×10^(-13),恶化一倍左右。在噪声方面,铯原子钟机动状态主要受到白色调相噪声的影响。

基于先验信息的压缩感知重建温度场技术

针对利用压缩感知方法重建微处理器芯片温度场存在错失真实热点、从而影响重建精度的问题,提出了一种基于先验信息的压缩感知重建温度场方法。通过对温度场先验信息的处理,结合主成分分析和模拟退火算法有针对性地设计观测矩阵,优化温度传感器的布置,提高重建精度。实验结果表明:与基于特征图的重建方法、基于模拟退火算法布置传感器的方法和基于随机采样的压缩感知重建温度场方法相比,该方法在平均温度误差、最大温度误差和均方误差方面至少分别提升了29.9%、46.6%和53.7%,有更优越的温度场重建性能。

一种高精度快速激光修调方案设计

在激光修调过程中,激光的修调路径和控制策略是影响修调精度和修调速度的关键因素,而常规激光修调方案难以同时满足高精度和快速修调。因此,提出了一种高精度快速激光修调方案,使用“离散+连续”结构的金属薄膜电阻图形提高修调效率和可靠性;利用阶梯形的激光修调路径提升修调精度;采用动态测试步长的控制策略提高修调速度。采用上述方案对60个金属薄膜电阻样品进行激光修调,结果表明:修调精度可达0.004%,平均测试步长为2.53,验证了所提出的修调方案可有效提升修调精度和修调速度。进一步将该方案应用在200个温度传感器芯片的校准中,结果表明200个温度传感器芯片的测温误差均校准至±0.2℃以内,平均测试步长为6.29。

一种FPGA⁃TDC防气泡误差编码器设计

在设计基于现场可编程门阵列(FPGA)的时间数字转换器(TDC)时,时钟偏斜等因素产生的气泡误差会造成抽头延迟链(TDL)中的延迟单元失效,导致TDC的分辨率变差。提出了一种防气泡误差编码器,通过统计抽头延迟链中发生变化的抽头个数,该编码器使抽头延迟链跳变顺序按照时间顺序映射,从而消除气泡误差的影响。利用Xilinx Virtex UltraScale+FPGA对该防气泡误差编码器的有效性进行验证,使用该编码器后,基于双端采样法的抽头延迟链TDC分辨率由3.18 ps提升至1.76 ps。实验结果表明,所提出的防气泡误差编码器能够解决气泡误差导致的延迟单元失效的问题,避免分辨率的损失。

面向可穿戴式的基于LSTM神经网络的智能心音异常诊断芯片

心血管疾病是造成全球死亡人数最多的疾病之一,因此对心血管疾病的预防与提前诊断至关重要。人工听诊技术与计算机心音诊断技术无法满足对心音长时间听诊的需求,因而可穿戴式听诊设备越来越受到关注,但是其具有高精度与低功耗的要求。该文设计了低功耗的面向可穿戴式的基于长短期记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)的智能心音异常诊断芯片,提出了包括预处理、特征提取以及异常诊断的心音异常诊断系统,并搭建了基于听诊器的心音采集FPGA系统,采用了数据增强的方法解决数据集的不平衡问题。基于预训练模型设计了智能心音异常诊断芯片,在SMIC180 nm工艺下完成了版图设计和MPW流片。后仿真结果表明,智能心音异常诊断芯片的诊断准确率为98.6%,功耗为762μW,面积为3.06 mm×2.45 mm,满足可穿戴式智能心音异常诊断设备的高性能与低功耗的需求。

脉冲神经网络权重量化方法与对抗鲁棒性分析

类脑芯片中的脉冲神经网络(SNNs)具有高稀疏性和低功耗的特点,在视觉分类任务中存在应用优势,但仍面临对抗攻击的威胁。现有研究缺乏对网络部署到硬件的量化过程中鲁棒性损失的度量方法。该文研究硬件映射阶段的SNN权重量化方法及其对抗鲁棒性。建立基于反向传播和替代梯度的监督训练算法,并在CIFAR-10数据集上生成快速梯度符号法(FGSM)对抗攻击样本。创新性地提出一种感知量化的权重量化方法,并建立与对抗攻击的训练与推理相融合的评估框架。实验结果表明,在VGG9网络下,直接编码对抗鲁棒性最差。在权重量化前后,4种编码和4种结构参数组合方式下,推理精度损失差与层间脉冲活动的平均变化幅度分别增大73.23%和51.5%。该文指出稀疏性因素对鲁棒性的影响相关度为:阈值增加大于权重量化bit降低大于稀疏编码,所提对抗鲁棒性分析框架与权重量化方法在PIcore类脑芯片中得到了硬件验证。

面向下一代GaN功率技术的超薄势垒AlGaN/GaN异质结功率器件

AlGaN/GaN异质结型功率电子器件具有高工作温度、高击穿电压、高电子迁移率等优点,在推动下一代功率器件小型化、智能化等方面具有很大的材料和系统优势。从5种实现增强型GaN基功率电子器件的方法入手,重点介绍了采用超薄势垒AlGaN(小于6 nm)/GaN异质结实现无需刻蚀AlGaN势垒层的GaN基增强型器件的物理机理和实现方法。同时介绍了在超薄势垒AlGaN/GaN异质结构上实现增强型/耗尽型绝缘栅高电子迁移率晶体管单片集成的研究进展,进一步论证了在大尺寸Si基AlGaN/GaN超薄势垒平台上同片集成射频功率放大器、整流二极管、功率三极管等器件的可行性,为Si基GaN射频器件、功率器件、驱动和控制电路的单片集成奠定了技术基础。

基于Chan-Taylor和优化BP神经网络的5G室内定位算法

为提高复杂环境下5G室内定位精度,针对不同应用场景设计了基于Chan-Taylor和优化BP神经网络的5G室内定位算法。当无样本可用时,提出了融合Chan-Taylor算法,使用Chan算法计算出定位值作为Taylor算法初始值进行迭代计算;当有小样本可用时,采用BP神经网络效果更佳;当有大样本可用时,使用遗传算法改进BP神经网络以提高定位精度。在不同场景下对三种算法进行了对比实验,实验结果表明:无样本可用时,Chan-Taylor算法具有更好的鲁棒性和适用性;在45个样本训练情况下,BP定位精度最高,为0.3649 m;在400个样本训练情况下,GA-BP定位精度最高。

国产氢原子钟移动守时性能测试与分析

为了进一步研究国产氢原子钟在移动状态下的守时性能,比较静态、动态下氢钟性能的差异:对比分析使用比相仪和计数器采集数据效果的差异;再对比分析氢原子钟在静止和移动状态下频率稳定度的差距;然后测试分析氢原子钟由移动状态进入静止状态初期的频率稳定度;最后对原子钟的3种主要噪声进行分析。结果表明,在短期稳定度方面,计数器采集数据的阿伦方差远大于比相仪采集数据的阿伦方差,相差约2个量级;移动状态下,氢钟频率稳定度降低1个量级左右,短期稳定度下降到10^(-12)量级;由移动过程向静止过程转换的过程中,氢钟钟差数据的阿伦方差处于静止和移动状态下的阿伦方差之间,短期稳定度与静止状态下的阿伦方差处于同1个量级,可以达到10^(-13)量级,但这一阶段频率稳定度的波动较大;移动状态下,3种主要噪声均有增加,调相白噪声的增加量最大,说明调相白噪声对振动比较敏感,移动期间其对频率稳定度的影响较大。

面向水平GAA内侧墙模块的干法Si_(0.7)Ge_(0.3)选择性刻蚀研究

针对环栅(Gate-All-Around,GAA)Si_(0.7)Ge_(0.3)的内侧墙(Inner spacer)空腔刻蚀难以精确控制尺寸和形貌的问题,本研究基于常规电感耦合等离子体(inductively coupled plasma,ICP)刻蚀设备,采用CF_(4)/O_(2)/He混合气体进行Si_(0.7)Ge_(0.3)干法各向同性选择性刻蚀实验,探究了包括激励射频源(source radio frequency,SRF)功率、气压、刻蚀前侧壁清洗工艺等因素对刻蚀结果的影响与机制。研究结果表明,SRF对刻蚀深度的影响是存在线性区与准饱和区的,气压与刻蚀深度在实验区间内呈二次函数关系,稀释的氢氟酸(Diluted HF,DHF)与O_(3)交替清洗相对单一的DHF清洗方案在界面钝化层的去除与刻蚀形貌的控制上有更优的表现。经工艺方案优化,最终获得良好的工艺结果:刻蚀精度达到了0.61 nm/s,最优粗糙度Rq为0.101 nm,刻蚀轮廓矩形度高(d/t~83.3%)。本研究为内侧墙空腔刻蚀提供了一种解决方案。

基于TSV的3D IC层次化物理实现技术

随着集成电路特征尺寸逼近物理极限,硅通孔(TSV)实现层间互连的三维集成电路(3D IC)成为延续摩尔定律的一种趋势.但现有集成电路设计工具、工艺库、设计方法尚不成熟,难以实现三维集成中超大尺寸基板芯片的时序收敛问题.为此,本文提出了一种利用现有传统的EDA工具完成基于TSV的3D IC物理设计的流程.首先,用热应力模型将三维硅通孔投影成二维阻挡层,从而将三维集成电路设计转化成若干含阻挡层的二维集成电路分别实现;其次,针对超大尺寸基板芯片的时序收敛困难问题,提出了一种标准单元布局方法,通过在版图中划定若干固定放置区用于限定关键时序单元的摆放,并迭代确定这些关键单元在固定放置区中的位置,实现大尺寸芯片的时序收敛.基于所提出的三维集成电路设计流程完成了一款三维集成的网络路由芯片基板芯片的设计,结果表明,相比传统的设计流程,提出的3D IC物理设计流程可使超大尺寸基板芯片从时序无法收敛优化到可收敛并满足时序要求,验证了所提出的3D IC物理设计流程的可行性.

高深宽比倾斜沟槽的深硅刻蚀技术

针对微电子机械系统(MEMS)行业对3D加工日益增长的需求,提出了一种结合法拉第笼和倾斜衬底支架,利用改进的BOSCH工艺进行任意角度深硅刻蚀的创新工艺方案。首先通过仿真计算对法拉第笼的特征尺寸进行了优化,进一步采用法拉第笼和用于制备倾角的衬底支架,对BOSCH工艺参数进行了调整,最终获得了倾角为30°、深度超过25μm、深宽比高达7.9∶1的倾斜沟槽。结果表明利用法拉第笼和倾斜衬底支架,采用深硅刻蚀工艺可以制备高深宽比的倾斜沟槽,而且沟槽角度可以通过加工不同倾角的支架实现。结合法拉第笼和倾斜衬底支架进行等离子体刻蚀可为其他倾斜结构的制备工艺提供参考。

eFuse器件的电迁移三维有限元仿真

应用有限元分析软件建立了电可编程熔丝(eFuse)器件的三维有限元模型,通过离子流通量散度法和最小原子浓度法对eFuse器件的电迁移熔断过程进行了多物理场耦合有限元仿真,仿真结果能够较好地拟合器件的实际熔断效果。通过仿真对比了不同阴极面积和不同编程电压条件下的电迁移过程及熔断效果。结果表明,更大的阴极面积能够提高熔丝局部的温度梯度,从而提高熔断效率;更高的编程电压能够提供更高的电流密度和温度,从而加速电迁移的发生并增大了eFuse熔断区的面积。提出了一种具有外部辅助加热功能的eFuse器件结构,并在不同条件下进行了电迁移熔断仿真,结果表明该结构能够显著提高eFuse器件局部的离子流通量散度,从而提高eFuse存储单元的熔断效率和编程良率。

不同GNSS在高纬度地区时间传递性能分析

全球卫星导航系统(GNSS)载波相位时间传递技术是高精度时间传递领域的主要研究方法之一,但目前关于该部分的研究主要集中在中低纬度地区,在高纬度地区并不多见。不同GNSS由于星座设计不同,在高纬度地区结构差异较大,因此需要对不同GNSS在高纬度地区的时间传递性能进行分析。实验结果表明,在高纬度地区时间传递中,Galileo稳定度最高,GPS和BDS次之,GLONASS最差。同时因在高纬度地区卫星的高度角普遍偏低,为合理平衡低高度角时可视卫星多和多路径误差大的矛盾,对不同截止高度角下获取的链路时间传递性能进行了分析。结果表明,在5°截止高度角下,高纬度地区的时间传递链路稳定性最好。

微结构硅基光电二极管的近红外响应特性研究

宽带隙红外光谱响应由于其在硅基光电探测器中的潜在应用而受到了广泛关注。利用离子注入和飞秒脉冲激光制备了一系列掺杂硅基光电二极管,并研究了硫掺杂硅基材料及器件后的宽带隙红外光谱响应特性。结果发现,PN型光电二极管在近红外和中红外光谱区域内表现出几个典型的光响应特征峰值。这几个特征峰对应于不同的子带隙光响应特征的起始能量,与硅带隙内掺杂硫的活性能级一致。这种光谱响应拓宽技术为制造低成本宽带隙硅光电探测器提供了有力的参考方案。

人工智能技术驱动的纺纱质量预测研究进展

本文探讨了人工智能技术在纺纱质量预测领域的应用、创新与不足,介绍了Hadoop技术为纺纱质量预测建模提供可靠高效的数据处理与运算平台,重点阐述了智能建模方法在纺纱质量预测领域的研究进展。通过分析得出基于数据与知识融合驱动的人工智能技术,构建出多工序关联的混合智能模型,用以准确描述纱线质量与纤维特性、工艺参数、环境参数等之间的非线性映射关系,可为试纺、过程参数设计、态势预测等环节提供指导,具有重要的理论研究意义。