CN104935334A - 硅基低漏电流双固支梁可动栅nmos相位检测器 - Google Patents

Abstract

本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器，由双固支梁可动栅NMOS管和低通滤波器构成。NMOS管为增强型，制作在Si衬底上，栅极悬浮在栅氧化层上方，与下拉电极和绝缘层共同构成一个固支梁可动结构。固支梁的下拉偏置电压设计等于NMOS管的阈值电压。当双固支梁都被下拉时，输入信号通过双固支梁可动栅NMOS管实现信号相乘，经低通滤波器后完成相位检测。当仅其中一个固支梁被下拉时，器件具有较高击穿电压，被选通的信号经过双固支梁可动栅NMOS管实现信号放大，从而使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换。同时由于固支梁可动栅的设计使得器件减小了漏电流，有效地降低了漏电流功耗。

Description

硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器

技术领域

本发明提出了硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

由于近代微波通信技术雷达技术的飞速发展，特别是线性调频脉冲多普勒和相控阵雷达的发展，在时域里就必须考虑信号波形的问题。所以对相位的测量和计量有较高的要求。要使信号经过传输网络而不产生相位失真，就必须满足传递函数的幅值保持不变和相位是频率的线性函数。所以，在这些领域中微波相位检测器有着重要的作用和意义。

同时，对于传统基于MOS管的相位检测器而言，随着工艺水平的提高，MOS电路按比例缩小所带来的诸如热载流子效应、集成度增加、封装密度增加等一系列可靠性问题是集成电路向低压低功耗方向发展的内在动力。本发明即是基于Si工艺设计一种具有极低栅极漏电流的双固支梁可动栅NMOS相位检测器。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器，在大规模集成电路中，由于栅极漏电流的存在增加了相位检测器在工作中的功耗，而漏电流在本发明中得到有效的降低。此外，传统的集成电路中的信号放大模块与相位检测模块是独立分开的，分开的电路模块不仅提高了成本，而且无形中增加了功率消耗；而本发明将信号放大模块与相位检测模块集成到一起，应用双固支梁可动栅选通不同的输入信号，使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。

技术方案：本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器是由双固支梁可动栅NMOS管和低通滤波器组成；该双固支梁可动栅NMOS管基于Si衬底，与传统工艺不同，其栅极不是附在氧化层上的多晶硅而是一个悬浮在氧化层的上方的Al制固支梁。

本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器由双固支梁可动栅NMOS管和低通滤波器构成，双固支梁可动栅NMOS管为增强型，制作在P型Si衬底上，输入引线由多晶硅制作，固支梁可动栅的两端固定在锚区上，固支梁可动栅的中部悬浮在栅氧化层上方，锚区制作在P型衬底上，下拉电极制作在双固支梁可动栅NMOS管的栅氧化层的两侧，下拉电极上方是一层绝缘层，偏置电压经高频扼流圈输入固支梁可动栅上，下拉电极接地；NMOS管有源区位于栅氧化层的两旁并与引线10连接。

所述的固支梁可动栅，其下拉偏置电压设计为等于双固支梁可动栅NMOS管的阈值电压；当固支梁可动栅上的电压小于阈值电压时，固支梁可动栅是悬浮在栅氧化层的上方，而只有在固支梁可动栅上的电压达到或大于阈值电压时固支梁可动栅才会下拉到贴在栅氧化层上，栅氧化层下方产生沟道，从而使双固支梁可动栅NMOS管导通；

待测信号与参考信号通过两个固支梁可动栅输入，当两个固支梁可动栅(5)都被下拉时，待测信号与参考信号通过双固支梁可动栅NMOS管实现信号相乘，经过低通滤波器后，滤除高频分量得到与相位差相关的分量完成相位检测，输出相位检测信号；当双固支梁可动栅NMOS管的仅其中一个固支梁可动栅被下拉时，对应下方为反型层沟道；另外一个固支梁可动栅处于悬浮状态，对应下方为高阻区，形成一个反型层沟道与高阻区串联的高击穿电压放大器，被选通的信号经过双固支梁可动栅NMOS管输出放大信号，从而使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换。

双固支梁可动栅NMOS管的固支梁可动栅的下拉偏置电压设计为与MOS管的阈值电压相等。所以在本发明中的NMOS管工作中，当在栅极上的电压小于阈值电压时，固支梁可动栅是悬浮在栅氧化层的上方，而只有在栅极上的电压达到或大于阈值电压时，固支梁可动栅才会被下拉到贴在栅氧化层上，栅氧化层下方形成沟道，从而使NMOS管导通。相比于传统的NMOS管，本发明中的NMOS管的固支梁在悬浮状态时栅氧化层中的场强较小，因此漏电流也大大减小。

此外，传统的集成电路中的信号放大模块与相位检测模块是独立分开的，分开的电路模块不仅提高了成本，并且无形中增加了功率消耗；而本发明将信号放大模块与相位检测模块集成到一起，应用双固支梁可动栅选通不同的输入信号，使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。而且，当只有一个固支梁可动栅被下拉，其对应下方形成反型层沟道；另外一个固支梁可动栅处于悬浮状态，对应下方为高阻区；有利于增大器件反向击穿电压。

有益效果：本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器能有效的减小栅极漏电流，具有较低的栅极漏电流功耗。同时，本发明的相位检测器将信号放大模块与相位检测模块集成到一起，通过双固支梁可动栅的下拉来选通不同的输入信号，就可以在同一电路下实现信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。此外，当只有一个固支梁可动栅被下拉导通，其对应下方形成反型层沟道；另外一个固支梁可动栅处于悬浮状态，对应下方为高阻区；有利于增大反向击穿电压。

附图说明

图1为本发明硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器的俯视图。

图2为图1硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器的P-P’向的剖面图。

图3为图1硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器的A-A’向的剖面图。

图4为图1双固支梁可动栅NMOS管的两个固支梁均下拉时的沟道示意图。

图5为图1双固支梁可动栅NMOS管的单个固支梁下拉时的沟道示意图。

图中包括：双固支梁可动栅NMOS管1，P型Si衬底2，输入引线3，栅氧化层4，固支梁可动栅5，下拉电极6，绝缘层7，锚区8，NMOS管有源区9，引线10，通孔11，低通滤波器12，高频扼流圈13，相位检测输出14，信号放大输出15。

具体实施方式

本发明是由双固支梁可动栅NMOS管1与低通滤波器12级联构成，双固支梁可动栅NMOS管1为增强型，基于P型Si衬底2制作，输入引线3是多晶硅制作。本发明中的NMOS管的栅极悬浮在栅氧化层4的上方，形成固支梁可动栅5。固支梁可动栅5的两个锚区8制作在P型Si衬底2上。下拉电极6制作在固支梁可动栅5的正下方，NMOS栅氧化层4的两侧。下拉电极6上方是绝缘层7。偏置电压经高频扼流圈13输入固支梁可动栅5上，下拉电极6接地。

本发明中的双固支梁可动栅NMOS管1为增强型，固支梁可动栅5的下拉偏置电压设计为与MOS管的阈值电压相等。所以在本发明中的双固支梁可动栅NMOS管工作中，在固支梁可动栅5上的电压小于阈值电压时，固支梁可动栅5是悬浮在栅氧化层4的上方，而只有在固支梁可动栅5上的电压达到或大于阈值电压时，固支梁可动栅5才会下拉到贴在栅氧化层上，栅氧化层下方产生沟道，从而使双固支梁可动栅NMOS管导通。通过控制固支梁可动栅5的下拉来选通不同的输入信号，从而使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。其两种模式工作原理可以解释如下：

相位检测模式：如图4所示当双固支梁可动栅NMOS管1的两个固支梁可动栅5都被下拉时，双固支梁可动栅NMOS管1下方形成沟道，输入信号通过双固支梁可动栅NMOS管1实现信号相乘，经低通滤波器12，滤除高频分量得到与相位差相关的分量完成相位检测，输出相位检测信号14。具体地，参考信号u_rs接到电位接近于地的输入固支梁可动栅5，有较灵敏的控制作用；而待测信号u_ts接在较高的固支梁可动栅5；直流偏置应使双固支梁可动栅NMOS管1工作在放大区。此时NMOS管的漏级输出电流为：

i_D＝g_m1v_g1+g_m2v_g2    (1)

$\left\{\begin{array}{c}{g}_{m1}=a_0+a_1{v}_{g1}+a_2{v}_{g2}\\ g_{m2}=b_0+b_1{v}_{g1}+b_2{v}_{g2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂分别为由管子参数、直流偏置决定的常数；g_m1和g_m2分别为两个栅极的跨导。将(2)代入式(1)中可以得:

$i_D=a_1{u}_{rs}+a_1{u}_{rs}^2+(a_2+b_1)u_{rs}{u}_{ts}+b_0{u}_{ts}+b_2{u}_{ts}^2---\left(3\right)$

而对于参考信号和待测信号分别为：

将(4)代入(3)中得：

通过低通滤波器12最终得到与参考信号和待测信号之间相位差Δφ＝φ_ts-φ_rs相关的分量，从而实现了对相位的检测。

放大模式：如图5所示，当双固支梁可动栅NMOS管1的仅其中一个固支梁可动栅5被下拉，对应下方反型层沟道；另外一个固支梁可动栅5处于悬浮状态，对应下方为高阻区；从而形成一个反型层沟道与高阻区串联的高击穿电压放大器，被选通的信号输入双固支梁可动栅NMOS管1实现信号放大，输出放大信号15。其输入与放大后的信号关系如式(6)

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rs}^{\′}=A_v{u}_{rs}\\ u_{ts}^{\′}=A_v{u}_{ts}\end{array}\right.---\left(6\right)$

本发明的固支梁栅NMOS管1在工作中，固支梁可动栅5只有在栅极上电压大于或等于阈值电压时才贴在栅氧化层4上，而其他情况下都是悬浮的，所以栅氧化层4中的场强较小，因此漏电流也大大减小。

硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器的制备方法包括以下几个步骤：

1)准备P型Si衬底2；

2)底氧生长；

3)沉积氮化硅；

4)光刻、刻蚀氮化硅形成NMOS管有源区9；

5)场氧化；

6)去除氮化硅和底氧层；

7)进行栅氧化，调整阈值电压，使双固支梁可动栅NMOS管1为增强型；

8)沉积多晶硅，并光刻，保留输入引线3和固支梁的锚区8位置的多晶硅；

9)电镀蒸发生长Al；

10)涂覆光刻胶，保留下拉电极上方的光刻胶；

11)反刻Al，形成下拉电极6；

12)淀积绝缘层，外延生长0.1μm的Si_xN_1-x绝缘层7；

13)光刻窗口，刻蚀掉多余的Si_xN_1-x；

14)涂覆光刻胶，保留下拉电极的绝缘层7；

15)利用反应离子刻蚀，形成下拉电极上的氮化硅绝缘层；

16)通过旋涂方式形成PMGI牺牲层，然后光刻牺牲层，仅保留固支梁可动栅5下方的牺牲层；

17)电镀蒸发生长Al；

18)涂覆光刻胶，保留固支梁上方的光刻胶；

19)反刻Al，形成固支梁可动栅5；

20)涂覆光刻胶，光刻注入孔，注入N+磷离子，形成NMOS管有源区7；

21)制作通孔9和引线10，涂覆光刻胶，去除有源区电极接触区的光刻胶，真空蒸发金锗镍/金，剥离，合金化形成欧姆接触；

22)释放PMGI牺牲层，形成悬浮的固支梁可动栅5；

23)将已制备的双固支梁可动栅NMOS管1与低通滤波器12级联到一起构成相位检测系统。

本发明与现有技术的区别在于：

本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器能够有效的减小NMOS管的栅极漏电流，降低功耗，并且能够在同一电路下在信号放大与相位检测两种不同模式下切换。本发明的硅基双固支梁可动栅NMOS的相位检测器是由双固支梁可动栅NMOS管和低通滤波器组成。双固支梁可动栅NMOS管与传统的NMOS管的最大区别在于，双固支梁可动栅NMOS管的栅极是悬浮在氧化层的上方，与下拉电极和绝缘层共同形成固支梁可动结构。固支梁栅的下拉偏置电压设计为等于NMOS管的阈值电压。当固支梁栅上加载的电压小于NMOS管的阈值电压时，固支梁栅与其下方的氧化层有着一定的间隙，由于悬浮状态时的栅氧化层中的场强较小，所以栅极的漏电流将大大减小，从而使得功耗得到有效的减低。此外，传统的集成电路中的信号放大模块与相位检测模块是独立分开的，分开的电路模块不仅提高了成本，且无形中增加了功率消耗；而本发明将信号放大模块与相位检测模块集成到一起，应用双固支梁可动栅选通不同的输入信号，使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换，实现了一个电路多种功能、低功耗、低成本。而且，当只有一个固支梁可动栅被下拉导通，其对应下方形成反型层沟道；另外一个固支梁可动栅处于悬浮状态，对应下方为高阻区；有利于增大反向击穿电压。

满足以上条件的结构即视为本发明的硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器。

Claims (2)

1.一种硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器，其特征在于该相位检测器由双固支梁可动栅NMOS管（1）和低通滤波器（12）构成，双固支梁可动栅NMOS管（1）为增强型，制作在P型Si衬底（2）上，输入引线（3）由多晶硅制作，固支梁可动栅（5）的两端固定在锚区（8）上，固支梁可动栅（5）的中部悬浮在栅氧化层（4）上方，锚区（8）制作在P型衬底（2）上，下拉电极（6）制作在双固支梁可动栅NMOS管（1）的栅氧化层（4）的两侧，下拉电极（6）上方是一层绝缘层（7），偏置电压经高频扼流圈（13）输入固支梁可动栅（5）上，下拉电极（6）接地；NMOS管有源区（9）位于栅氧化层（4）的两旁并与引线10连接。

2. 根据权利要求1所述的硅基低漏电流双固支梁可动栅NMOS相位检测器，其特征在于所述的固支梁可动栅（5），其下拉偏置电压设计为等于双固支梁可动栅NMOS管（1）的阈值电压；当固支梁可动栅（5）上的电压小于阈值电压时，固支梁可动栅（5）是悬浮在栅氧化层（4）的上方，而只有在固支梁可动栅（5）上的电压达到或大于阈值电压时固支梁可动栅（5）才会下拉到贴在栅氧化层（4）上，栅氧化层（4）下方产生沟道，从而使双固支梁可动栅NMOS管（1）导通；

待测信号与参考信号通过两个固支梁可动栅（5）输入，当两个固支梁可动栅（5）都被下拉时，待测信号与参考信号通过双固支梁可动栅NMOS管（1）实现信号相乘，经过低通滤波器（12）后，滤除高频分量得到与相位差相关的分量完成相位检测，输出相位检测信号（14）；当双固支梁可动栅NMOS管（1）的仅其中一个固支梁可动栅（5）被下拉时，对应下方为反型层沟道；另外一个固支梁可动栅（5）处于悬浮状态，对应下方为高阻区，形成一个反型层沟道与高阻区串联的高击穿电压放大器，被选通的信号经过双固支梁可动栅NMOS管（1）输出放大信号（15），从而使得同一电路可以在信号放大与相位检测两种不同模式下切换。