Ivan Peric ivan.peric@ziti.uni-heidelberg.de http://sus/Lehre Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Getaktete Verstärker (switched Caapcitor Circuits) ADCs Filter CMOS Technologie MOS Transistor Verstärker Rückkopplung AC Analyse Verstärkervarianten Getaktete Verstärker (switched Caapcitor Circuits) ADCs Filter Komparatore Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Analoge Elektronik - Aufgaben Design von Sensoren Verstärkern und Filtern ADCs Logikzellen Empfänger, Sender Speicher L Sensor 001 010 100 Filter ADC DSP Verstärker S E 1 1 1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

AE (4) Digitales Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Leistungsverbrauch Analoges Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit, Leistungsverbrauch, Genauigkeit (z.B. Linearität, Verstärkung), 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 Transistor Verstärker System 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 (1/106) 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

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

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

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

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

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

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

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

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

Transistor Ti wird angebracht – TiSi2 bildet sich am Silizium – SiO2 Oberfläche reagiert nicht – Ti wird abgeätzt – (self aligned silicide) 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

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 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

MOS Transistor

MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Source Drain N N verarmt Leitungsband Löcher Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs N Silizium P Silizium Leitungsband Elektronen Löcher Valenzband Valenzelektronen + Donator-Ione Valenzelektronen + Anzeptor-Ione Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs ΔEe ΔEh Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Gate Source Drain N N verarmt Leitungsband Löcher Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor – Gate Spannung q N N N N - q Leitungsband Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs q N Leitungsband Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor - Inversion q0 N N N N - q0 ψ0 Leitungsband n Elektronen Valenzband ψ0 ~ 0.85 V ψ n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs q0 N ψ0 Leitungsband n Elektronen Valenzband ψ0 ~ 0.85 V ψ n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung - Kanal VG=VT0+ΔV VG=VT0+ΔV q0+Δq N N - Δq N N - q0 ψ0 Leitungsband Elektronen Valenzband n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung - Kanalladung VG=VT0+ΔV VG=VT0+ΔV q0+Δq N N - Δq N N - q0 ψ0 Ladung pro Fläche Leitungsband Oxydkapazität pro Fläche Valenzband Q‘ ( q/cm2) n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung – Drain/Source Bias VG=VT0+ΔV Vs Vs VG=VT0+ΔV q0+Δq N N - Δq N N - q0 Vs Ψ0+VS Ladung pro Fläche Leitungsband Oxydkapazität pro Fläche Valenzband Q‘ ( q/cm2) n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Gate Spannung – Drain/Source Bias VG=VT0+ΔV VT VDS ΔV VG=VT0+ΔV q0+0 N N N N - q0 ΔV Ψ0+VS Ladung pro Fläche Leitungsband Oxydkapazität pro Fläche Valenzband Q‘ ( q/cm2) n p Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Spannung - Strom VGS Vds Vds sehr klein N N N N Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Breite/Lange des Gates Drain Spannung - Strom VGS Vds Vds sehr klein N N N N Mobilität Breite/Lange des Gates Ladungsdichte E-Feld Querschnitt Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Spannung - Strom VGS Vds Vds sehr klein N N N N Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Spannung - Strom VGS Vds I N N N N Vds eVds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Spannung - Stromsättigung VGS Vds Ilim VT Isat I N N N N Vdssat=Vgs-VT Vds Pinch off eVDB Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Spannung - Stromsättigung VGS Vds I N N N N Vds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Spannung - Stromsättigung VGS Vds I N N N N Vds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Drain Spannung - Stromsättigung VGS Vds I N N N N Vds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Stromsättigung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs VGS Vds I N N N N Vds Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Analyse des Feedbacksystems (Übertragungsfunktion) Xo Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Xs Signalquelle am Eingang Ausgang Feedback Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Kleinsignalmodell

Kleinsignalmodell Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs gmvgs rds + vgs - Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs