DE2621335A1 - Monolithisch integrierter kapazitaets-kettenleiter fuer analog/digital- oder digital/analog-umsetzer - Google Patents
Monolithisch integrierter kapazitaets-kettenleiter fuer analog/digital- oder digital/analog-umsetzerInfo
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Description
Amtliches Aktenzeichen:
Neuanmeläung
Aktenzeichen der Anmelderin: YO 974 064
Monolithisch integrierter Kapazitäts-Kettenleiter für Analog/Digital- oder Digital/Analog-Umsetzer
Pie "rfinSung betrifft einen monolithisch integrierten KaOazitäts-Kettenleiter
für Analog/Digital- oder Digital/Analog-Umsetzer.-bestehend aus eine bestimmte Kapazität aufweisenden Querglieäern
und die doppelte Kapazität aufweisenden Längsgliedern, wobei die Serienschaltung der Längsglieder zwischen einem Ausgangsanschluß
und einem Bezugspotentialanschluß liegt und wobei jedes einer Bitposition zugeordnete Querglied über ein von den Binärwerten steuerbares Schalterpaar entweder mit dem Bezugspotential
oder mit einer weiteren Bezugsspannung verbindbar ist.
Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzer haben ein großes Anwendungsgebiet
gefunden, insbesondere bei digitalen Steuerungen, Rechenanlagen und Übertragungseinrichtungen.
Bekannte Umsetzer verwenden Widerstands-Kettenleiter. Mit derartigen
Kettenleiter ausgestattete Umsetzer v/eisen jedoch mehrere Nachteile auf. Diese Kettenleiter müssen aus vielen Gliedern bestehen
und müssen dann trotzdem mit beträchtlichem Aufwand abgeglichen werden, um die geforderte Genauigkeit zu erzielen. D.h.
also, daß die eingesetzten Widerstands-Kettenleiter sehr aufwendig
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sind. In integrierter Halbleitertechnik sind diese Kettenleiter
nur sehr schwer herzustellen. Die erzielbare maximale Umsetzungsgeschwindigkeit ist durch die Widerstände und ihre parasitären
Kapazitäten bedingte Zeitkonstante begrenzt.
Neuerdings wurden bereits Kapazitäts-Kettenleiter in Analog/Digital-
und Digital/Analog-Umsetzern eingesetzt. Diese Kettenleiterart
weist die Vorteile auf, daß sie kostenmäßig weniger aufwendig
ist und höhere Umsetzungsgeschwindigkeiten gewährleistet. Ein Beispiel eines derartigen Kapazitäts-Kettenleiters ist im US-Patent
Nr. 3 665 458 beschrieben. Dieser Kettenleiter läßt sich in Dünnschicht-Technologie herstellen, er ist aber nicht für eine
Herstellung in integrierter Halbleitertechnik geeignet und es sind keine Vorkehrungen für einen geeigneten Abgleich getroffen.
Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen Kapazitäts-Kettenleiter
anzugeben, der die für den Einsatz in Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzern erforderlichen Eigenschaften aufweist,
in integrierter Halbleitertechnik herstellbar und in einfacher
Weise elektrisch abgleichbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Analog/Digital-Umsetzers, bei dem auch die
Wirkungsweise eines Digital/Analog-Umsetzers zu ersehen ist,
Fign. 2A und 2B eine Draufsicht und eine Schnittansicht der
monolithischen Mehrschichtstruktur eines er-
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- 3 findungsgemäßen
Kapazitäts-Kettenleiters,
Fign- 3Au. 3B Schaltbild und Ersatzspannungsquelle eines
Kettengliedes, an dem der elektrische Abgleich des erfindungsgemäßen Kapazitäts-Kettenleiters
gezeigt wird,
Fig. 4 das Schaltbild eines Abschnittes des Kapazitäts-
Kettenleiters , aus dem die parallelen Abgleichkapazitäten
und die Verbindungsstellen zur Steuerung für den Abgleich zu ersehen sind, und
Fign. 5Au. 5B Draufsicht und Schnittansicht der monolithischen
Mehrschichtstruktur eines Abschnittes des erfindungsgemäßen
Kapazitäts-Kettenleiters mit den zugeordneten Abgleichkapazitäten.
Zunächst sei die Schaltung für das C-2C-Netzwerk r gemäß Fig. 1
betrachtet f das in einem Analog/Digital-Umsetzer verwendet wird.
Der Kapazitäts-Kettenleiter enthält eine Vielzahl von FET-Schalterr
paaren 10-11, 12-13 und 14-15. Jeweils der eine FET-Schalter der '
Schalterpaare ist an eine gemeinsame Bezugsspannung VR geführt,
während der jeweils andere FET-Schalter sämtlicher Schalterpaare an das gemeinsame Massepotential geführt sind. Ober die FET-Schal-
] terpaare erfolgt die Ladung oder Entladung eines Kondensators mit ;
der Kapazität C. Mit Ausnahme der ersten und letzten sind sämtliche Kapazitäten C jeweils mit einem zugeordneten Verbindungspunkt einer Serienschaltung von Kondensatoren mit den Kapazitäten
2C verbunden. Die erste Kapazität C ist mit einem Ausgangsanschluß
verbinden, an dem eine analoge Ausgangsspannung Vn aufgebaut wird.
Die letzte Kapazität C ist an den gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen einer Kapazität 2C und einer Kapazität C angeschlossen,
wobei letztere nach Masse geführt ist. Die Gate-Elektroden der FET-Schalterpaare werden über die binären Ausgangssignale einer
Signalquelle gesteuert. Diese Ausgangssignale sind entsprechend
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-A-
d.-d.., d„-d2, ..., ^n~d n bezeichnet.
Die soweit beschriebene Schaltung bildet einen Digital/Analog-Umsetzer.
Werden also den FET-Schalterpaaren voneinander unabhängige Signale ά.. , d„, .. . , d zugeführt so erhält man am
Ausgang des Kapazitäts-Kettenleiters eine entsprechende analoge Ausgangsspannung VQ. Die Digital/Analog-Umsetzung erfolgt unter
idealen Bedingungen nach der Gleichung:
V0 = VR Cd12~2 + ... + dn2"n), (1)
wobei d. entsprechend der binären Eingangssignale die Binärwerte
0 oder 1 kennzeichnet.
Der Digital/Analog-ümsetzer bildet einen Teil eines Analog/Digital-Umsetzers,
wie er in Fig. 1 dargestellt ist, wobei die analoge Ausgangsspannung V des Kapazitäts-Kettenleiters als
Eingangsspannung einem Eingang eines Vergleichers 16 zugeführt
wird. Der andere Eingang des Vergleichers 16 erhält die analoge
Eingangsspannung die in einen Digitalwert umgesetzt werden soll. Über den Ausgang des Vergleichers 16 wird eine UND-Schaltung 17
entweder durchgeschaltet oder gesperrt. Eine Taktimpulsquelle
führt einem Eingang der UND-Schaltung 17 Taktimpulse zu, die dann, wenn der Vergleicher 16 die UND-Schaltung 17 durchschaltet, einem
Zähler 19 zugeführt werden. Die einzelnen Stufen des Zählers 19
sind mit den Gate-Elektroden der zugeordneten FET-Schalterpaare verbunden, so daß auf diese Weise die Rückführung vervollständigt
ist. Der Ausgang des Zählers 19 bildet gleichzeitig den Digitalausgang
des Analog/Digital-Umsetzers. Im Betrieb ist der Zähler 19 zunächst zurückgestellt, so daß sämtliche Werte d.=0 sind. Die
analoge Ausgangsspannung V des Kapazitäts-Kettenleiters ist durch einen der Gate-Elektrode eines FETs 20 zugeführten Startimpuls
VINT auf Massepotential gebracht. Die Aufgabe des FET 20 besteht
darin, die Umsetzung zu starten und den Kapazitäts-Kettenleiter zu eichen. Der Ausgang des Kapazitäts-Kettenleiters muß
bei jeder Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzung zum Beginn
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auf eine festgelegte Spannung gebracht werden. Leckströme am Ausgang können eine Spannungsverschiebung verursachen, wenn
er in bestimmten Zeitintervallen nicht mit dieser festen Spannung
verbunden wird. D.h. also, daß vor jeder Umsetzung der FET 20 über die Spannung V φ in den leitenden Zustand gebracht und
damit an den Ausgang Massepotential gelegt wird. Irgendwelche Anfangsbedingungen auf den Knoten zwischen den in Serien geschalteten
Kapazitäten 2C haben keinen Einfluß auf die erzielte Ausgangsspannung, die lediglich eine Funktion der Spannungsänderungen
ist, die nach dem Start auftreten.
Beim beschriebenen Analog/Digital-Umsetzer wird ein Zählvorgang verwendet. Selbstverständlich ist der beschriebene Kapazitäts-Kettenleiter
auch bei anderen Umsetzungsalgorithmen anwendbar (beispielsweise bei binären Suchvorgängen), wenn die Steuerung
und Taktgebung entsprechend angepaßt wird.
Die Fign. 2A und 2B zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des in Fig. 1 dargestellten Kapazitäts-Kettenleiters. Der Kettenleiter
ist in monolithisch integrierter Technik auf einem Siliziumsubstrat 22 verwirklicht. Auf das Substrat 22 wird zunächst
eine Siliziumdioxidschicht aufgebracht. In dieser Schicht werden Diffusionsfenster freigelegt und eine Anzahl von Zonen 23 unter
Anwendung der üblichen Diffusionstechnik in das Substrat 22 eingebracht.
Die sich bei dem Diffusionsprozeß bildende Siliziumdioxidschicht wird entfernt und dann in der gewünschten Dicke neu
gebildet. Auf die gesamte Oberfläche wird eine polykristalline Siliziumschicht aufgedampft, maskiert und geätzt, um so die polykristallinen
Zonen 24 zu bilden. Die Kapazität zwischen den Diffusionszonen 23 und der poykristallinen Zone 24 ist C. Die
Kapazitäten 2C entstehen zwischen einer Aluminiumschicht 26 und
der poykristallinen Schicht 24, indem eine Siliziumdioxidschicht auf die polykristalline Schicht 24 und darauf die Aluminiumschicht
26 aufgebracht wird. Dabei entsteht die zusammenhängende Siliziumdioxidschicht 25. Die Aluminiumschicht 26 und die Verbindungs-
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leitung 27 werden durch konventionelle Aufdampf- und Ätztechniken
hergestellt. Die Flächen der diffundierten Zonen 23, der poykristallinen
Siliziumschichten 24 und der Aluminiumschichten und die Dicken der dazwischenliegenden Siliziumdioxidschichten
sind so gewählt, daß das gewünschte Kapazitätsverhältnis c-2C
entsteht.
Die parasitären Kapazitäten über den FET-Schalterpaaren 10-11 ,
12-13, und 14-15 zwischen den Diffusionszonen und dem Substrat und
zwischen den Gates und den Diffusionszonen haben keinen Einfluß
auf die Funktionstüchtigkeit jedes Netzwerkes, da nur die Spannungsänderung am E-ingang die Aus gangs spannung bestimmt und die
beim Öffnen und Schließen der FET-Schalter auftretenden Übergänge
keinen Einfluß haben. Parasitäre Effekte an den inneren Schaltungeknoten,
insbesondere wenn sie spannungsabhängig sind, können sich jedoch störend auswirken. Diese parasitären Effekte werden
jedoch bei der in den Fign. 2A und 2B gezeigten Struktur fast vollständig eliminiert, da jede Schicht vollständig innerhalb
des Gebietes einer tieferliegenden Schicht liegt mit Ausnahme der schmalen Zwischenverbindungen zwischen den beiden Schichten
benachbarter Strukturen. Die parasitären Kapazitäten zwischen der Aluminiumschicht und der Diffusionszone oder dem Substrat
und zwischen der polykristallinen Schicht und dem Substrat können extrem klein gehalten werden.
Die in jeder Schalterposition in das Netzwerk hinein gesehene Kapazität liegt zwischen 1/2C und 2/3C. Bei einer Oxiddicke
von 2000 Α zwischen den polykristallinen Schichten und den Diffusionszone
und einer Dicke von 1000 S zwischen den Aluminiumschichten und den polykristallinen Schichten ergeben sich bei
Flächen von 250 χ 250 μπι für die Kapazitäten C und 2C Werte von
12,5 und 25 pf. Die Umladezeit des Netzwerks über eine Schalteinheit
beträgt bei einer Genauigkeit von 10 Bits (± 0f0i %) weniger
als 50 Nanosekunden, wenn eine geeignete Größe der Schalter vorgesehen
wird. Der Leistungsbedarf des Kettenleiters beträgt bei einer Umsetzungskapazität von 10 Bit und einer halben Million Um-YO
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— 7 —
Setzungen pro Sekunden weniger als 1 Milliwatt.
Setzungen pro Sekunden weniger als 1 Milliwatt.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Kapazitäts-Kettenleiters
besteht darin, daß er elektrisch einstellbar ist. Werden bei dem idealisierten Netzwerk gemäß Fig. 1 Toleranzen berücksichtigt,
so ergibt sich für die Ausgangsspannung:
V0 = VR (a^d ~1 + Ct2 d2 2"2 + ... + Otn dn 2~n) , (2)
wobei O1, α». ..., α die tatsächlichen Gewichtungen für jede
Bitposition angeben (im Normalfall sind sämtliche Werte α = 1). Werden Toleranzen eingeführt, so ist es wünschenswert, die
Spannung in jeder Bitpositon so einzustellen, daß das Produkt zwischen der tatsächlichen Gewichtung jeder Bitposition 6. und
der eingestellten Spannung konstant wird. Dies kann dadurch geschehen,
daß jede Eingabeeinheit des Kapazitäts-Kettenleiters, gemäß Fig. 1 durch die in Fig. 3A gezeigte Eingabeeinheit 29
ersetzt werden. In jeder Eingabeposition wird die Kapazität C. so unterteilt, daß nur ein Bruchteil δ. der Kapazität von Masse-
!potential auf die Bezugsspannung V umgeschaltet wird, wenn der
Eingangswert b geändert wird. Der restliche Teil der Kapazität,
nämlich 1-6.) · C, bleibt ständig mit Massepotential verbunden.
Die in Fig. 3B dargestellte Ersatzspannungsquelle zeigt, daß die Gesamtkapazität weiterhin C. bleibt, wohingegen die Spannung
nunmehr ein Bruchteil 8. der Bezugsspannung V7, ist. Man erhält
χ - κ
damit für die Ausgangsspannung:
VO - VR (α1θ1 1d12"1 + α2δ2ά22"2 + ··· + anV"n) (3)
Setzt man a^O1=Ci2O2 = .,. = an<$n = Κ<Λ , so vereinfacht sich die
Gleichung (3) zu
V0 = K VR (d.,2"1 + d22~2 + .., + dn2~n) . (4)
Der einzige Unterschied gegenüber der Umsetzung bei idealen Be-
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dingungen steht also darin, daß die Ausgangsspannung um einen
Betrag K reduziert wird, der durch die Toleranzen bestimmt ist. Sind die Toleranzen für den schlechtesten Fall bekannt, so kann
der Faktor K so gewählt werden, daß er für sämtliche Ätzwerke einen festen Wert annimmt.
Die praktische Verwirklichung des theoretischen Netzwerkes von Fig. 3A ist in Fig. 4 mit dem Schaltbild des Abgleichnetzwerkes
angegeben. Wie dargestellt, enthält ein Abschnitt 29 des Kapazitäts-Kettenleiters
mehrere FET-Schalterpaare 12O-13O, 121-131, 122-132.,
123-133 und 124-134. Der gemeinsame Verbindungspunkt des FET-Schalterpaares 120-130 ist mit einer Kapazität C. ,„, verbunden.
Das folgende FET-Schalterpaar 121-131 ist mit einer Kapazität C. ,.
verbunden. Diese Abstufung der Kapazitätswerken setzt sich für jedes weitere Schalterpaar fort. Die Gate-Elektroden sämtlicher
FETs 120 bis 124 sind gemeinsam mit dem Eingang für das Bit d. verbunden. Die Gate-Elektroden der FETs 130 bis 134 liegen gemeinsam
am Eingang für das Bit d.. Außerdem sind die FETs 130 bis 134 an Masse gelegt. Der elektrische Abgleich erfolgt dadurch,
daß jeder der FETs 120 bis 124 entweder mit der Bezugsspannung
V_. oder mit Masse verbunden wird. Dies ist in Fig. 4 durch
κ.
kleine Kreise in den entsprechenden Verbindungsstellen angedeutet.
Die Herstellung der jeweiligen elektrischen Verbindung kann beispielsweise mit Laserstrahlen erfolgen. Jeder Abschnitt des
in Fig. 1 dargestellten Kapazitäts-Kettenleiters enthält also einen abgleichbaren Teil, wie er in Fig. 4 dargestellt ist.
Es ist also zu bemerken, daß zum Abgleich des Kettenleiters nicht die Kapazitätswerte verändert werden, sondern daß für jeden Abschnitt
des Kapazitäts-Kettenleiters die Eingangsspannungen geeignet
eingestellt werden. Wird also eine Bitposition abgeglichen, so bleibt die ümsetzungsfunktion der weiteren Bits unverändert.
Da das Netzwerk linear ist, kann jede Bitposition unabhängig von allen anderen eingestellt werden. Die Abgleichschaltung 30 legt
also fest, ob die FETs 120-124 mit der Bezugsspannung V_. oder mit
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Massepotential verbunden sind. Mit externen Prüfpunkten verbundene
Prüfleitung t--t sind allen Abschnitten des Kapazitäts-Kettenleiters
gemeinsam, während die ebenfalls mit einem externen Prüfpunkt verbundene Prüf leitung b.. nur mit dem i-ten
Abschnitt verbunden ist. Um also den i-ten Abschnitt des Ketten-leiters abzugleichen, werden mit Hilfe von Signalen d. und b.
die Schalter 120-124 und 310-314 durchgeschaltet. Die Eingänge
zum i-ten Abschnitt des Kettenleiters sind dann mit den Prüf-punkten t..-t verbunden. Da die Ausgangsspannung des Kettenleiters
K V_,·2 x sein soll, wenn nur Abschnitt i geprüft wird,
ist es sehr einfach, mittels eines binären Suchvorganges festzulegen, welcher der FETs 120-124 mit der Bezugsspannung V_ und
welcher mit Massepotential zu verbinden ist. Die entsprechenden Verbindungen v/erden dann beispielsweise mit Hilfe der Lasertechnik
hergestellt. Es sei daraufhingewiesen, daß während des elektrischen Abgleichvorganges des i-ten Abschnittes die Eingänge zu
allen anderen Abschnitten des Kettenleiters mit Masse verbunden sind. Dies geschieht mit Hilfe der binären Signal d..~d , die
jeden Eingang über die PETs 11, 13 usw. (Fig. 1) mit Masse
verbinden. Lediglich das binäre Signal d. für den abzugleichenden i-ten Abschnitt sorgt für die angegebenen elektrischen
Verbindungen. Auf diese Weise wird während und nach dem Abgleichprozeß der Abschnitt 29 in Fig. 3A in seiner Schaltung festgelegt.
Die monolithische Mehrschichtstruktur eines einzelnen Abschnittes,
dessen Schaltbild in Fig. 4 angegeben ist, ist aus der Draufsicht und dem Querschnitt, entsprechend den Fign. 5A und 5B zu
ersehen. Die Herstellung dieser Struktur erfolgt wiederum in der bereits angegebenen üblichen Technik. Durch Veränderung der
Muster der verwendeten Masken werden die Diffusionszonen 230-235 im Substrat 22 und über der Siliziumdioxidschicht 25 die polykristallinen
Schichten 240-245 erzeugt. Schließlich wird über der polykristallinen Schicht 240 eine Aluminiumschicht 26 aufgebracht.
Ein auf die Oberfläche der Siliziumdioxidschicht 25 auf-
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gebrachter Leiterzug 28 verbindet über geeignete Kontakte in der
Siliziumdioxidschicht 25 sämtliche polykristallinen Schichten 240-245 miteinander. Die Nominalkapazität zwischen der Aluminiumschicht
26 und der polykristallinen Schicht 240 ist 2C.. Die Nominalkapazität zwischen der polykristallinen Schicht 24O und
der Diffusionszone 230 ist C. ,~. Die Nomonalkapazität zwischen
der polykristallinen Schicht 241 und der Diffusionszone 231
ist C. .. usw.
Die mit dem beschriebenen Kapazitäts-Kettenleiter aufgebauten Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzerf die also erfindungsgemäß abgleichbar sind, bieten wesentliche Vorteile,- insbesondere
aufgrund der beschriebenen Kapazitätsstruktur. Der die Basis bildende Kapazitäts-Ketttenleiter und das Abgleichnetzwerk
für jeden Abschnitt dieses Kettenleiters lassen sich. in integrierter Schaltungstechnik herstellen. Parasitäre Eingangseffekte
und Schaltertoleranzen haben keinen Einfluß auf die Funktionstüchtigkeit. Da von der Bezugsspannung keine statischen
Ströme geliefert werden r ist eine hohe Genauigkeit und
ein niedriger Leistungsbedarf gewährleistet. Diese Vorteile lassen
sich mit Hilfe einer unaufwendigen Struktur verwirklichen.
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Claims (4)
1. Monolithisch integrierter Kapazitäts-Kettenleiter für
Analog/Digital- oder Digital/Analog-Umsetzer, bestehend
aus eine bestimmte Kapazität aufweisenden Ouergliedern und die doppelte Kapazität aufweisenden Längsgliedern,
wobei die Serienschaltung der Längsglieder zwischen einem Ausgangsanschluß und einem Bezugspotentialsanschluß liegt
und wobei jedes einer Bitposition zugeordnete Ouerglied über ein von den Binärwerten steuerbares Schalterpaar
entweder mit dem Bezugspotential oder mit einer weiteren Bezugsspannung verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kapazitäts-Kettenleiter ein Halbleitersubstrat umfaßt, in das für jedes Querglied eine Diffusionszone eingebracht
ist, daß über einer Isolationsschicht innerhalb des Bereiches jeder Isolationszone eine erste leitende Schicht
aufgebracht ist, daß über einer Isolationsschicht innerhalb jeder ersten leitenden Schicht eine zweite leitende Schicht
aufgebracht ist und daß jeweils die erste leitende Schicht einer Bitposition mit der zweiten leitenden Schicht der I
nachfolgenden Bitposition elektrisch leitend verbunden ist, j wobei jeweils die Diffusionszone und die erste leitende ,
Schicht die Kapazität des Quergliedes und die erste leiten- ; de Schicht und die zweite leitende Schicht die Kapazität \
des Längsglied bilden. '
2. Kapazitäts-Kettenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekenn- :
zeichnet, daß die Kapazität jedes Quergliedes aus M parallel! geschalteten, entsprechend aufgebrachten Einzelkapazitäten j
zusammengesetzt ist, deren Kapazitätswerte sich jeweils um den Faktor 1/2m mit m = 1 bis M abgestuft sind und ,
die über jeweils zugeordnete Schalterpaare weiter verbunden sind, indem der eine Schalter zum Bezugspotential und der
jeweils andere Schalter zu Abgleichszwecken entweder zu dem Bezugspotential oder zu der weiteren Bezugsspannung
geführt ist.
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3. Kanazitäts-Kettenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes Schalterpaar aus zwei FETs besteht, an deren Gate-Elektroden die Binärsignale angelegt
sind.
4. Kapazitäts-Kettenleiter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Silizium, die
Isolationsschichten aus Siliziumdioxid, die erste leitende Schicht aus polykristallinen Silizium und die zweite
leitende Schicht aus Aluminium besteht.
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6098E2/0896
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