ch1 模拟集成电路设计

1、2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻1模拟集成电路设计广东工业大学 信息工程学院2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻2模拟集成电路设计模拟集成电路设计n围绕目前通用模拟集成电路，从基本理论、单元电路、整体电路及应用，对模拟集成电路进行较全面的分析和论述。n建立模拟集成电路设计的基础-工艺和器件模型n模拟集成电路设计方法 a、层次化，自下而上 b、电路设计步骤 c、EDA软件的使用2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻3参考书参考书n 1 毕查德.拉扎维 著，陈贵灿等译，模拟CMOS集成电路设计，西安交通大学出版社，2003年出版n 2 Philli

2、p E. Allen等著，冯军等译，CMOS模拟集成电路设计，电子工业出版社，2005年出版n 3 P.R.Gray等著，Analysis and Design of Analog Integrated Circuits，高等教育出版社，2002年出版2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻4本课程主要内容本课程主要内容模拟兼容数字的电路设计，其中又以模拟设计为最基本的内容。课程以拉扎维“Design of CMOS Integrated Circuits” 112章,17,18章为基本内容，另增加了一章“数模和模数转换器”以及部分相关内容。2022-1-12广东工业大学 信息工程

3、学院 李思臻5半导体集成电路简介半导体集成电路简介2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻6模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用n为什么需要模拟？为什么需要模拟？ 模拟电路本质上是不可替代的。 处理自然界产生的信号（至少在宏观上，是模拟量）。 模数和数模转换。图 1.1 (a) 自然界信号的数字化；（b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻7模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用n数字通信应用数字信号经过传输后 模拟信号 信号会衰减和失真图1.2 通过有损耗电缆的数据的衰减和失真2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻8模拟集

4、成电路的应用模拟集成电路的应用n电平数增加缓解带宽的要求 数据转换的精度提高图 1.3 使用多电平信号以减小所需的带宽2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻9模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用n磁盘驱动电子学 通过磁头将磁信号转换成电信号 放大、滤波、数据转换 高速数据转换：500Mhz图1.4 硬盘存储和读出后的数据2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻10模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用n无线接收器n接收信号很弱 几毫伏、 干扰大、 中心频率高n接收信号处理 放大信号 降低噪声 抑制干扰 高频工作 功耗和成本图1.5 无线接收器天线接收到的信号和干扰主要挑

5、战：在噪声、工作频率、干扰容限、功耗和成本之间的折衷2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻11模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用n 光通信n光缆传输n高带宽、低损耗高速、远距离传输n信号转换n电信号光信号电信号：小的电流n低噪声、高速接收电路 图1.6 光纤系统2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻12模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用n 传感器n 汽车电子应用加速度计n探可可电容器的的可量：1%n探单电容容的的可n探单电容之之的的可 图1.6 光纤系统 图1.7 光纤系统 (a) 单加速器 （b) 之分加速器2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻

6、13模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用n微处理器和存储器n微处理器n高速的的时n高速的数据传输n生生应对对性的的影nSRAM、DRAMn高速的数据读读n大的储存单元元阵列成的生n灵敏的读出电路2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻14半导体集成电路的分类半导体集成电路的分类n1. 为什么要集成？ 存储器和微处理器市场的带动；摩尔定律2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻15半导体集成电路的分类半导体集成电路的分类n2. 什么是混合集成电路？关于什么是混合集成电路，目前尚未见到确切的定义，一般理解是数字电路和模拟电路的混合电路或系统。广泛地讲，混合电路的概念还包括C

7、MOS与Bipolar技术的混合(Bi-CMOS)，功率电路与微控制电路的混合，信号的发送/接收与信号处理电路(RFIC)的混合以及数字/模拟信号处理电路与敏感器件 (sensor) / 执行器件(actuator)的混合等。本课程限制为以 CMOS 器件或CMOS技术为基础的数字电路和模拟电路的混合电路或系统。2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻16半导体集成电路的分类半导体集成电路的分类n3. 为什么采用CMOS工艺？占据数字市场：开关期间消耗功率；需要的原件少；按比例缩小，较低的制列成本。 优点：制列成本低，集成度高。缺点：速度慢，噪声大。（大尺寸CMOS工艺） 模拟市场

8、的主导地位：器件尺寸的按比例缩小 MOSFET器件速度提高；制列成本低，集成度高。 n4. CMOS混合集成电路的分类 目前CMOS混合集成电路根据其功性特点大致可分为CMOS数字技术兼容CMOS模拟技术和CMOS模拟技术兼容CMOS数字技术两类。前者是以数字电路功性为主的电路，兼容少量简单功性的模拟电路，这种电路往往是逻辑功性很强大的电路；后者是以模拟电路功性为主的电路，兼容功性较为简单的数字电路，这种电路往往对模拟电路对性要求比较高。 2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻17半导体集成电路的分类半导体集成电路的分类n5.两种兼容设计的比较数字兼容模拟的设计具有结构简单，加工

9、成本较低的优点，但不适于设计高对性模拟电路。模拟兼容数字的设计电路工艺结构复杂，适于设计高对性模拟电路，但设计成本与工艺加工成本都比较高。n6. 目前常用的CMOS混合集成电路lADC/DAC (模拟/数字转换与数字/模拟转换)；l振荡器，锁相环，频率综合器 ；l开关电容（SC）电路，滤波器；lSmart Power Supply Controller(智性电源控制器) ；l RF（射频）电路 2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻18CMOS工艺工艺1.导论导论1.1 CMOS集成电路工艺水平（集成电路工艺水平（ 2005年年 ）数字电路：主流130nm65nm,典型尺寸为90

10、nm，最高65nm。模拟电路：主流250nm90nm,典型尺寸为180nm，最高90nm。说明：（1）以上数字及模拟电路系指高端产品，即数字电路中的DRAM,CPU,DSP及SOC等，模拟电路中的通信电路，特别是RF电路等。（2）作为混合电路，只有低压，高集成度的产品遵循上述规律，而高压或低集成度产品一般都采用较大的特征尺寸，或采用双结构与Bi-CMOS结构。2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻19CMOS工艺工艺n1.2 成本问题成本问题在CMOS电路设计中一个重要的考虑是设计产品的加工成本。下面以MPW（multi project wafer）加工成本为例介绍芯片。加工的费

11、用。目前每平方毫米与特征尺寸的关系如下： 特征尺寸（ 微米 ） 费用/每平方毫米（美元） 0.5 300 0.25 600 0.18 1000 0.13 3500 0.09 10000 从以上费用情况来看，当特征尺寸小于130nm后，加工费用急剧增加，因此实际电路设计采用怎样的特征尺寸，应在对性和成本之间进行折中选择。特征尺寸减小 制版费用2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻20CMOS工艺工艺n1.2 成本问题成本问题使用不同尺寸的使用不同尺寸的MPW价格价格2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻21CMOS工艺工艺n1.3 MOS器件器件2022-1-12广东

12、工业大学 信息工程学院 李思臻22CMOS工艺工艺n2. 基本的半导体工艺基本的半导体工艺硅晶圆（Silicon Wafer)单晶生生长柱晶体：直径75300mm，生度1m。在晶体生生的参杂： 1015/cm3切切成硅晶圆片0.50.7 mm厚，厚度由物理强度要求决定。2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻23CMOS工艺工艺n3. 半导体工艺步骤半导体工艺步骤3.1 氧化 在硅表面形成二氧化硅的工艺用用杂质对氧化层下层下的粘污层与层之间的的离氧化物在硅表面生生的长时也到硅的内部生生方方干法（法氧1001000 ）法（厚氧）生生的的度：7001100 2022-1-12广东工业大

13、学 信息工程学院 李思臻24CMOS工艺工艺n3. 半导体工艺步骤半导体工艺步骤3.2 掺杂 扩散 杂质原子由层下表面向层下内部运动的过程，是一种参杂的方法。两种扩散机理：预淀积再分布在高的下进行70014002022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻25CMOS工艺工艺n3. 半导体工艺步骤半导体工艺步骤3.3 掺杂 离子注也n离子注也 杂质的离子由电场加速到很高的速度并注也到层下的内部。参杂的精确控制参杂的时度和和度可控：5%。重复对性在低的下进行退的度：500800需要退处理高速的离子注也会对半导体晶格产生生破，使注也电子子在电不不动区。这种损损可以用退的方法来来复。2022-

14、1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻26CMOS工艺工艺n3. 半导体工艺步骤半导体工艺步骤3.4 淀积淀积 把多种不同层下的法膜层沉积到层下表面.用用.氮化硅.氧化硅.多晶硅.金属.不同的技术淀积.蒸发.溅射.化学气相2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻27CMOS工艺工艺n3. 半导体工艺步骤半导体工艺步骤3.5 刻蚀刻蚀 去除被暴露层下（未保护）的工艺l选择对和和向向对p保护法膜、p需刻蚀法层、p层l 两种基本的刻蚀技术p法刻蚀：不同的化学学试-不同的需刻蚀层下p 依赖于的间和的度p 干法或等离子刻蚀：和向向对的分布。p2022-1-12广东工业大学 信息工程学院

15、李思臻28CMOS工艺工艺n3. 半导体工艺步骤半导体工艺步骤3.6 光刻n 光刻 将版图数据转换到晶圆上，完成区域选择n基本单元n模：和版图数据相对应，使光刻刻部分区域域光。n光刻刻：在在紫光下会的可对性的有机机合体。q正刻暴露在在紫光下的区域将会去除。q负刻未暴露在在紫光下的区域将会去除。n形成图形的层下：如二氧化硅n域光方方：接接方、接接方、的方（扫和步进）n光源：UV、电子束n步骤：n刻预烘域光（光刻版）显的坚膜刻蚀去刻。2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻29CMOS工艺工艺n3. 半导体工艺步骤半导体工艺步骤3.6.1 光刻步骤2022-1-12广东工业大学 信息工

16、程学院 李思臻30CMOS工艺工艺n4. N阱CMOS工艺n在P型衬上形成N型衬n确定有源区和场区n场区的离n制制MOS管 阈容电压调节 “自对准”结构 LDD轻参杂工艺n元件件互n化2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻31CMOS工艺工艺n4.1 N阱CMOS工艺步骤2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻32CMOS工艺工艺n4.1 N阱CMOS工艺步骤2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻33CMOS工艺工艺n4.1 N阱CMOS工艺步骤2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻34CMOS工艺工艺n4.1 N阱CMOS工艺步骤2022

17、-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻35CMOS工艺工艺n4.1 N阱CMOS工艺步骤2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻36CMOS工艺工艺n4.1 N阱CMOS工艺步骤2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻37CMOS工艺工艺n4.1 N阱CMOS工艺步骤2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻38CMOS工艺工艺n4.2 硅化技术nPolyside / Silicide 工艺n减小电率：TiSi2、WSi2、TaSi22022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻39CMOS工艺工艺n4.3 N阱CMOS工艺2022-1-12广东工

18、业大学 信息工程学院 李思臻40CMOS工艺工艺n4.3 N阱CMOS工艺2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻41CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.1 层的扫述2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻42CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.1 层的扫述2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻43CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.2 版图规则a. 单层规则最小宽度(A1)最小间距(A2)b. 层与层之间的规则最小间距(A3)最小包围(A4)最小延展(A5)c. 天线规则限制和栅相互的大面积导电层下2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思

19、臻44CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.2 版图规则-最小宽度 最小宽度和层的厚度有关2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻45CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.2 版图规则-最小间距 同层或不同层之间2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻46CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.2 版图规则-最小间距 不同层之间2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻47CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.2 版图规则-最小延展 多晶硅超出栅区的延展2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻48CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.2 版图规则-天

20、线规则 a. 防止大面积的金属刻蚀的的天线，收集导电负离子b. 生金属线的最大宽度避“起皮”（liftoff）和趋肤生应2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻49CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.3 模拟集成电路中的对称对 器件的对称对2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻50CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.3 模拟集成电路中的对称对 由注也倾斜引进的“环境”对称问题2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻51CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.3 模拟集成电路中的对称对 “环境”对称2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻52CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.3 模拟集成电路中的对称对 由掺杂和度梯度可化对之动对的的影 共中心对称2022-1-12广东工业大学 信息工程学院 李思臻53CMOS工艺工艺n5. 版图设计n5.3 模拟集成电路中的对称对 一维交叉耦合2022-1-1