微納尺度制造

1、口從1959年肚界上第塊集成電路在美國德州儀器公司和西煜電器公司陡生以來集成電略M以驚人的速度發(fā)展、其發(fā)展經(jīng)歷了小觀模IC(SSI),中觀模IC(MSI),大規(guī)模IC(LSI).超大規(guī)模IC(VLSI)和待大規(guī)模IC(lLSI)：個(gè)不同的階段.集成電路的制造丁藝也發(fā)屐刮深亞微米階段.隨若半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)品的種類越來越多，電了技術(shù)的應(yīng)用已滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域.極人地影嗣和改善若人們的生活。些熱門的如讓算機(jī)、多媒體、數(shù)字信號(hào)處理、通信等行業(yè),人們対其性能的娶求也越來越高.包括高的處卯速度、高的運(yùn)算精度、低功耗等幾個(gè)】要方而。這對(duì)設(shè)計(jì)和T產(chǎn)帶來了很人:的壓力和動(dòng)力，也是個(gè)很迫切需要解決的問題，要

2、解決這吐問題，就耍求我們?cè)谶@類產(chǎn)品的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、器件、材料以及工藝等*力面進(jìn)彳亍研究，這是一個(gè)非沁泛的課題在電路結(jié)構(gòu)的研究方面,運(yùn)算放大器作為模擬IC中個(gè)垠取要的皋木電路中兀是我們應(yīng)該首先右慮的。它是構(gòu)成開關(guān)電容濾波器、依乃放大器和輸入輸出韁沖器等模擬電路的羽木模塊，在模擬運(yùn)笄、信弓處理、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等等許多方面仃廣泛的應(yīng)用隨石I七的進(jìn)步，大就的模擬電路C經(jīng)由數(shù)字電路的匸藝實(shí)現(xiàn)。在過去的幾I年里面,數(shù)字電路工藝的進(jìn)步使數(shù)字CMOS電路的性能提高了很多.電路的最小線寬不斷卜降,從0.9um到O.lSuin到90um捷至更低.小的尺寸使得數(shù)字CMOS電路的性能不斷改善:更小的版圖面積，史高的

3、集成度，更快的響應(yīng)速度以及更少的寄生效宙,但定模擬CMOS仍然采用長(zhǎng)溝道以遐免短溝道使得模擬電路性能的降低.數(shù)字CMOS電路能夠I砸看工藝的捉高不斷捉高集成度，1仙尢需求豹設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)兀頂定功能，而模擬CMOS電路在更新其工藝時(shí),需要對(duì)電路重新設(shè)II來克服溝道長(zhǎng)度對(duì)電路的模擬電路各方面11能造成的影響。如何在電源電圧不斷F降.器件溝道長(zhǎng)展不斷減小的情況1根據(jù)實(shí)際箜求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高啊能的令芹分運(yùn)畀放人器成為了半今IC領(lǐng)域個(gè)匝要的課題。作為系統(tǒng)取元核心模塊，它的理論依據(jù)也貝有廣泛的代衣性。開展對(duì)它的研究，在理論上為設(shè)計(jì)研允A/DD/A轉(zhuǎn)換器，濾波器，RF射頻電路等系統(tǒng)模塊捉供技術(shù)枳累和探索：任丄藝上結(jié)合

4、現(xiàn)有的L流Si-CMOS工藝,為所設(shè)計(jì)運(yùn)算放大那提供試驗(yàn)依據(jù)。囚此，認(rèn)真研究込算放人器的壟木結(jié)構(gòu)，通過対電路性能的研究分析，提岀改進(jìn)方法，設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)越的運(yùn)算放大電路堆本甲元，對(duì)提升系統(tǒng)的總體性能具有幣:要意義。魯考電平CMOS電路具有功耗小、成本低、易與數(shù)字電路樂成的特點(diǎn).隨著CMOSL藝的不斷發(fā)展，以及rfj場(chǎng)対低成本、高件能、高集成的小芯片系統(tǒng)的需求，使得VGA的設(shè)il和開發(fā)也需要采用CMOS工藝。如今36牌照在我國已經(jīng)正式發(fā)放，3G千機(jī)將大規(guī)模的商用,包括電腦和游戲機(jī)在內(nèi)的3G產(chǎn)品將會(huì)陸續(xù)一上帀，VGA貝白廣闊的市場(chǎng)前最。叮見，研究和開發(fā)高性能的CMOSnJ變?cè)鲆娣湃似髫愑戌橐默F(xiàn)實(shí)

5、意義。國際上,許多高校和研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)的VGA研究和開發(fā)。從他們的研究成果中.叫以/解判VGA的發(fā)展動(dòng)態(tài).1996年，C.Srinivasan等人設(shè)計(jì)的VGA貝有15dB到40dB的增益控制范圍和80MHz帶寬，功耗30mW豈設(shè)計(jì)中是利用匸作在線性區(qū)的MOS作為并聯(lián)反饋部分來調(diào)節(jié)增僑，電路增臨與控制電圧成反相關(guān)。2000年.香港科技大學(xué)ClninbmoGUO和HowardCLuong呆用05“】CMOS匸藝實(shí)現(xiàn)的VGA.具有70MHz帶寬和70dB增益控制范圍，2.5V電源電壓,15mW功耗，芯片面枳400X240pm，其中釆用automaticcontinuous-timeoffs

6、etcancellation技術(shù)町承受0.5mV的處調(diào)電壓儀格個(gè)VGA用二級(jí)級(jí)聯(lián)，在70MHz頻率下，每級(jí)的最大增益23dB,三級(jí)總增益達(dá)到70dB.2002年,AbdeifattahK.M和SolimanA.M采用0.5pmCMOS工藝設(shè)i|了-種新型電流橫VGA,使電路在較寬的范圍內(nèi)滿足近似指數(shù)關(guān)系囚。仿真顯示兀増益動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到50dB,1.5V電壓供電，功耗小于1.2mWo2004年,YuanjuiZheng等人采用0.35juiiCMOSI.藝設(shè)計(jì)出增益范刑60dB的VGA.3dB帶寬大十10MHz凹構(gòu)造f-種新穎的指放控制電函實(shí)現(xiàn)纟戈性特性.文章分析/dB線性的非理想影響，給出了相應(yīng)

7、的補(bǔ)償方法.2005年,ChienM.Ta等人設(shè)訃了種低功耗小面積的VGA,采用0.18iunCMOSI藝,功耗2.7mV,芯片面積0.064mm，巴。電路采用全差分結(jié)構(gòu)，輸出擺lVpp,fl：0.2V0.9V的用制電壓范用內(nèi)，dB線杵増益范環(huán)3dB57dB,3dB帯寬大于1OOMIIz.兩個(gè)流失調(diào)消除環(huán)路用于消除厲流失調(diào).即使輸入失調(diào)達(dá)到40mV輸出失調(diào)也小J：20mV年.Quoc-HoangDuong等人采用0.18pmCMOS1藝設(shè)計(jì)的兩級(jí)VGA.帶寬32MHz到1.05GHz,增益控制范ffl95dB,K中誤差小JilclB的線性范圍達(dá)到90dB,輸入ldB壓縮點(diǎn)4817dB凹。改變電

8、路中一電阻阻值的情況下,増益控制范圍可從68dB變化到95dBo整個(gè)芯片面積0.4min1.8Vill壓供電，電流水于3.6mA。年，lluiDongLee等人用0.18pmCMOSI：藝設(shè)計(jì)了帶寬大約900MIIz的VGA.控制電壓從0V到1.8V變化.増益控制范圍9411B.其中Jfi數(shù)增益控制部分利用寄生雙極吐晶體管，使用inductivepeaking技術(shù)展寬頻帶，還運(yùn)用了消除直流失調(diào)的技術(shù)。整個(gè)芯片1.8V電壓供電，電流11.4mA,面積0.85X0.49mm2007年，Q.-H.Duong和S.GL”采HO.lSjmiCMOSI藝設(shè)計(jì)了種單級(jí)VGA,功耗1.4mW,芯片面積0.07

9、mm2o在L.8V電源下，巾級(jí)提供86dB的線ft増益范圍電路采用新穎的結(jié)構(gòu).從電源利地層廉3個(gè)管介通過改變電流來改變差分對(duì)的跨導(dǎo)，達(dá)到増益可調(diào)的II的.控制電斥控制PMOS的襯底電位實(shí)現(xiàn)dB線性，帶寬23MHz120MHz2008年.Yong-JuSuh等人采用0.13pmCMOS丁藝.設(shè)計(jì)了用于三波段WCDM/X的VGA,在800MHz卜動(dòng)念范陽大于100HB,在2GHz下動(dòng)態(tài)范用大于84dB用兩級(jí)放大器實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍.并設(shè)訃了新穎的電爪一電流抬數(shù)控制電路，800MHz卜的最大輸岀功率為7dBnio2008年,YaiijieWang等人采用90nmCMOS工藝設(shè)計(jì)了用帶接收機(jī)的VGA,電源

10、電壓IV,功耗2.5mW，芯片面枳O.Olmnr,3dB帯寬大于2.2GHz,Mi60lB増益可調(diào)范用.電路包含級(jí)改進(jìn)空chenyhooper放大器和雙反饋H流峽調(diào)消除網(wǎng)絡(luò)，在消除立流失調(diào)的冋時(shí)提高了帶寬，節(jié)約了芯片面積。近幾年來.國內(nèi)高校.VGA方而的研究也取得了淀的成果。2005年，淸華大學(xué)的王門強(qiáng)等人設(shè)汁了種CMOS寬帶低功耗的VGA.采川0.25iunCMOS工藝,核心電路功耗3.15mW,増益范圍010dB,在負(fù)戟為5pF電容時(shí)3dB帶寬大于340MHz,輸出三階交調(diào)點(diǎn)高于3.5dBm也.電路設(shè)計(jì)中加入頻率補(bǔ)償電容改隻放大益的寫極點(diǎn)分布.在個(gè)增加功耗的情況卜擴(kuò)展了帶寬.使用跨導(dǎo)増強(qiáng)電

11、路提高了放大器的線性度.2007年，東附人學(xué)的郭峰等人設(shè)IIT-種對(duì)數(shù)増益線性控制型的寬fiJVGA采用TSMC0.18/unRFCMOS藝電源電壓1.8V.電流9mA.3dB帶寬430MHz2330MH7：増益調(diào)節(jié)范國128HB呆大増益卜噪聲條數(shù)6.2JB最小増益卜軼入ldBffi縮點(diǎn)-9dBmM.電路采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)-種新空指數(shù)控制電路,實(shí)現(xiàn)增益隨控制電壓的dB線性變化。從以上國內(nèi)外的研究狀況中町以看到，VGA的研究工要是基于CMOS工藝*H研究帀1點(diǎn)集中在三個(gè)方而：CMOS工藝下寬范圍的指數(shù)控制電路，寬増益動(dòng)態(tài)范圍的增益模塊和高統(tǒng)性度的叮變跨導(dǎo)電路3I科內(nèi)的研究進(jìn)展弓國外相比胚存在較大

12、的帯距.為北.冇必耍展開高性能*GA的研究.特別是在低壓低功槍、簡(jiǎn)線性度寬増苗動(dòng)態(tài)范用，低失調(diào)以及優(yōu)異的溫度特杵等業(yè)內(nèi)關(guān)汴的方|阮2短溝道器件對(duì)電路性能的影響近些年來，模擬電路越來越多的采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字工藝實(shí)現(xiàn)數(shù)字工藝的進(jìn)步也促進(jìn)了模擬電路的改進(jìn).數(shù)寧CMOS制造的器fl的尺“卜降刊了90nm耳傘更小，他得7CMOS電路*1能更加優(yōu)越駅然數(shù)了呂能夠支持和溝道品體詩寶現(xiàn)鮎功能，模擬CMOS仍然采用快溝道的晶休管以實(shí)現(xiàn)其預(yù)疋功能.雖然在模擬CMOS電蹄中巣用短溝道器件能像數(shù)字電路樣達(dá)到杲些方1加的改善，如史小的版圖佃積、史小的寄生效網(wǎng)、迴高的連度、史低的電冷弓更低的功耗：然血，在設(shè)計(jì)過程中卻尤法亍部采用短溝道的器杵實(shí)現(xiàn)模擬電路仃時(shí)需梵采用長(zhǎng)溝道器件與知溝道期間相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)模擬電路.以克服系列II【巾-獨(dú)采用短溝道器竹造嵐的問題：(】)器件溝道氏度縮短會(huì)便得MDS世捌極效溝道曲枳變小.而噪聲足寫何效溝逍而積成反比.丙此電賂中的噪聲打平匹配都將隨著溝道長(zhǎng)度的減小而變得嚴(yán)短溝道MO石管仝仔嚴(yán)亜的溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng).這樣僉減小在小信號(hào)下，MOSW漏用到游陽的電R1.短溝道MX管會(huì)使得M流偏罷更加困艱給傳統(tǒng)的備置方式雪如電流鏡引入一些非理想閔秦。在電流說中.半知溝道MOE骨處于強(qiáng)反舉時(shí)、溝長(zhǎng)調(diào)制效啣會(huì)使貝：漏端電