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 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

AE (2) 001 010 100 Filter ADC DSP Verstärker 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 1 1 1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

AE (3) Design von Prozessoren und Speicher Optische Sensoren Schnelle internen Signale werden verzerrt und müssen zeitkontinuierlich betrachtet werden Sense Amplifiers Design von Logikzellen Optische Sensoren Ausgewählte 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 G D S B PMOS A PMOS Verstärker Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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

Reines Halbleitersilizium Technologie Silizium (15% der Erde) SiO2 – einer der besten bekannter Isolatoren (GaAs ICs benutzen Si3N4 oder reines GaAs als Isolator) (GaAs – bessere Mobilität, Rauschen, Lichtdioden…) 1022 Atomen - 1010 freie Elektronen – 1016 Dotierungsatomen in cm3 Si Reines Material wird benutzt (1/1000000) 1) Chemische Medoden: Rohsilizium –> HSiCl3 (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) Solar Si 1) 3) Reines Halbleitersilizium HCl 2) HSiCl3 Rohsilizium Ausgewählte 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 Ausgewählte 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 SiO2 Oxidation Nitrid wird aufgebracht Photolack Ätzung. Ionen (P) werden mit 80KV beschleunigt, Ionenimplantation, Dotierung… Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Implantation von Diffusionswannen UV Licht Ionenimplantation Ätzen Wafer Epi Lage SiO2 Si2N3 Photolack Wafer Epi Lage SiO2 Si2N3 Wafer Epi Lage SiO2 Wafer Epi Lage Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Feldoxid Dickes Oxid (Feldoxid) – Isolierung zwischen Transistoren Maske: SiO2 + Silizium-Nitrid „LOCOS“: Lokale „feuchte“ Oxidation: Si + 2H2O - > SiO2 + 2H2 (Oberfläche nicht eben) „STI“: Plasma Ätzung – Trench – CVD (Chemical Vapour Deposition) Oxid (benutzt Gas Si(OC2H5)4 ) – Polieren (CMP – Chemical Mechanical Polishing) – ebene Oberfläche – erlaubt mehr Metalllagen. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Anisotropische Ätzung u. Polieren Feldoxid H2O Oxidation Anisotropische Ätzung u. Polieren Ätzen SiO2 Si2N3 SiO2 Si2N3 Lack SiO2 Wafer Epi Lage Ausgewählte 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) 100 min @ 800°C. (Si + O2 -> SiO2) – 7nm Oxid Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Oxid Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 800° C 02 Oxidation 800° C 02 Epi Lage Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Transistor Ganzflächige Abscheidung von Polysilizium – ( CVD ) (Silan – SiH4). 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 – TiSi2 bildet sich am Silizium – SiO2 Oberfläche reagiert nicht – Ti wird abgeätzt – (self aligned silicide) Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs thermische Ausheilung Ionenimplantation SiH4 Chemische Abscheidung Oxidation Photolack Poly-Silizium P+ Poly Si Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Metallisierung (selbstjustierendes Silizid) Aufbringen gasförmigen Titans Silizierung (TiSi2) Ätzung Anisotropische Ätzung Poly Si Ausgewählte 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 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

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