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1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analoge Elektronik - Einführung Analog – Zeitkontinuierlich Digital - Zeitdiskret Einführung: Aufgaben.

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Präsentation zum Thema: "1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analoge Elektronik - Einführung Analog – Zeitkontinuierlich Digital - Zeitdiskret Einführung: Aufgaben."—  Präsentation transkript:

1 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analoge Elektronik - Einführung Analog – Zeitkontinuierlich Digital - Zeitdiskret Einführung: Aufgaben und Zukunft der AE -B. Razavi Design of analog CMOS integrated circuits -J. Millman Microelectronics -Anfang ´80 – Fortschritt in IC Herstellung, komplexe digitale Algorithmen können als ICs implementiert werden… Funktionen die traditionell analog gemacht wurden können viel einfacher mit DSP realisiert werden. -Verschwinden von analogen Elektronik? -AE hat überlebt trotz dem weiteren großen Fortschritt der DE in letzten 20 Jahren. -AE ist notwendig Verarbeitung von physikalischen Signalen -ADC sind notwendig -1. Aufgabe: Design von schnellen und präzisen ADCs

2 2Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AE (2) -Physikalische Signale sind oft zu schwach und werden durch Störsignale beeinträchtigt -2. Aufgabe: Design von Verstärkern und Filtern Digitale Kommunikation -Binäre Daten werden über große Distanzen gesendet – Dämpfung und Verzerrung -3. Aufgabe: Design von Empfänger -Andere Beispiele: Elektronik in Festplatten: µV - Eingangssignal muss verstärkt und gefiltert werden. Drahtlose Empfänger, optische Übertragung FilterADCDSP Verstärker 01011

3 3Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AE (3) Design von Prozessoren und Speicher -Schnelle internen Signale werden verzerrt und müssen zeitkontinuierlich betrachtet werden -Sense Amplifiers -Design von Logikzellen Optische Sensoren

4 4Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs AE (4) Digitales Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Leistungsverbrauch Analoges Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit, Leistungsverbrauch, Verstärkung, Genauigkeit, Versorgungsspannung… Analoge Schaltungen sind viel empfindlicher gegenüber Übersprechen und Rauschen Analogdesign kann nur schwer automatisiert werden Unterschiedliche Ebenen von Abstraktion B A G D S PMOS Verstärker

5 5Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Geschichte 1904 Vakuumdiode – Fleming -Negative Kathode – Glühemission – positive Anode 1906 Triode 1947 Halbleitertransistor Brattain, Bardeen, Shockley 1960 MOSFET 1964 Mooresches Gesetz Halbleiter…

6 6Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Silizium (15% der Erde) SiO 2 – einer der besten bekannter Isolatoren -(GaAs ICs benutzen Si 3 N 4 oder reines GaAs als Isolator) (GaAs – bessere Mobilität, Rauschen, Lichtdioden…) Atomen freie Elektronen – Dotierungsatomen in cm 3 Si Reines Material wird benutzt (1/ ) 1) Chemische Medoden: Rohsilizium –> HSiCl 3 (Trichlorsilan) -> Destillierung -> T -> Si -> (Polykristall - Solarsilizium) Si (Siemens Prozess) 2) Poly Si wird geschmolzen + P-Dotierung. Impfkristall wird in die Schmelze gebracht und unter Drehen hinausgezogen -> Verunreinigungen bleiben in der Schmelze (Stoffe neigen möglichst rein zu kristallisieren) -> Si Kristall (Halbleitersilizium) -> Wafers werden gesägt (Czochralski Prozess) Technologie HCl HSiCl 3 Rohsilizium Solar Si Reines Halbleitersilizium 1) 2) 3)

7 7Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Technologie Front-End Prozesse – Erzeugung von Transistoren Deponierung von Dotierungssubstanzen, Oxidation, Isolierung von Transistoren Back-End Prozesse – Erzeugung von Metalllagen (Al, Cu), Isolatorlagen (SiO2, Glas), Via Löcher (Wolfram). Photolithographie Schritte: Polymer Photolack wird aufgebracht Stepper wird benutzt: Reticle-Dia mit 5X Verkleinerung mittels UV Licht (200 nm) wird projiziert. Photolack wird belichtet, belichtete Stellen härten NaOH wird benutzt, Photolack durch Ätzung entfernt Elektronenstrahllithographie

8 8Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Technologie – Implantation von Diffusionswannen Standard N-Well Prozess mit epi-Lage Wafer (Monokristall) Schritt 1 Epi Lage – ein epitaktisch gewachsene Si Schicht (Monokristall) Schritt 2 Schwachdotierte N- und P-Wannen für P und N-Kanal Transistoren werden erzeugt -Maske ist SiO 2 Oxidation Nitrid wird aufgebracht Photolack Ätzung. Ionen (P) werden mit 80KV beschleunigt, Ionenimplantation, Dotierung…

9 9Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Wafer Epi Lage SiO 2 Si 2 N 3 Photolack Implantation von Diffusionswannen Wafer Epi Lage Wafer Epi Lage SiO 2 Wafer Epi Lage SiO 2 Si 2 N 3 UV Licht Ätzen Ionenimplantation

10 10Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Feldoxid Dickes Oxid (Feldoxid) – Isolierung zwischen Transistoren Maske: SiO 2 + Silizium-Nitrid LOCOS: Lokale feuchte Oxidation: Si + 2H 2 O - > SiO 2 + 2H 2 (Oberfläche nicht eben) STI: Plasma Ätzung – Trench – CVD (Chemical Vapour Deposition) Oxid (benutzt Gas Si(OC 2 H 5 ) 4 ) – Polieren (CMP – Chemical Mechanical Polishing) – ebene Oberfläche – erlaubt mehr Metalllagen.

11 11Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Feldoxid SiO 2 Si 2 N 3 Wafer Epi Lage SiO 2 Si 2 N 3 Lack Ätzen H2OH2O Oxidation SiO 2 Anisotropische Ätzung u. Polieren

12 12Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Oxid Transistoren (aktive Bereiche) und ohmsche Kontakte sind jetzt isoliert. Der kritischste Schritt – Erzeugung vom Gate – Oxid Trockene thermische Oxidierung (in Sauerstoff Atmosphäre) °C. (Si + O 2 -> SiO 2 ) – 7nm Oxid

13 13Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Oxid Epi Lage Oxidation 800° C 0 2

14 14Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Transistor Ganzflächige Abscheidung von Polysilizium – ( CVD ) (Silan – SiH 4 ). Photolack + Polysilizium wird abgeätzt – Gate Elektroden. Maske deckt die aktive Bereiche ab. Rundumisolierung von Gate Elektroden spacer definiert schwach dotierte Source und Drain As (Arsen) und P (Phosphor) Ionen – n+ Drain, Source, ohmsche Kontakte – Polysilizium Gates dienen als Masken – Prozess ist selbstjustierend (self-aligment) B (Bor) Ionen – p+ Drain, Source, ohmsche Kontakte Thermische Ausheilung – Diffusion von Ionen. Ti wird angebracht – TiSi 2 bildet sich am Silizium – SiO 2 Oberfläche reagiert nicht – Ti wird abgeätzt – (self aligned silicide)

15 15Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Transistor SiH 4 Chemische Abscheidung Poly-Silizium Photolack Oxidation Ionenimplantation P+ Poly Si thermische Ausheilung

16 16Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Metallisierung (selbstjustierendes Silizid) Poly Si Anisotropische Ätzung Aufbringen gasförmigen Titans Silizierung (TiSi 2 ) Ätzung

17 17Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Metallisierung SiO2 und Phosphorglas werden angebracht 1) Via Öffnungen werden gemacht 2) und mit Titan und Wolfram aufgefüllt 3) Polieren 4) Aufbringen von Dielektrikum 5) Sputtern von Al oder Cu 6) Metall wird strukturiert 7) Polieren … Passivierung Die letzte Maske – Öffnungen in Passivierung

18 18Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Metallisierung Poly Si Aufbringen von SiO2 und Bor-Phosphor-Silikat-Glas Aufbringen von Wolfram Sputtern von Al oder Cu Strukturierung Aufbringen vom Dielektrikum


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