CN102129481A

CN102129481A - 优化rf mos变容器布局的方法和rf mos变容器

Info

Publication number: CN102129481A
Application number: CN2010100226974A
Authority: CN
Inventors: 吴颜明
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: CN102129481B

Abstract

优化RF MOS变容器布局的方法，包括：确定RF MOS变容器栅极条数目预定值；测试栅极条长度为不同值时对应的电容值随频率变化的衰减率，根据电容值的衰减率的范围确定栅极条长度范围；在栅极条长度范围内选取栅极条长度数值，测试栅极条数目为不同值时对应的电容值衰减率，根据电容值的衰减率的范围确定栅极条数目范围。本发明还提供基于上述方法形成的RF MOS变容器，所述RF MOS变容器的栅极条两侧的端部均通过接触孔与第一金属互连线电连接，栅极条长度范围为0.5～3微米，宽度范围为1～24微米，数目范围为2～12个。所述布局减小了RF MOS变容器的串联电阻Rs，抑制了高频时RF MOS变容器的电容衰减，提高了RF MOS变容器的调谐范围和品质因子。

Description

优化RF MOS变容器布局的方法和RF MOS变容器

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，特别涉及一种优化RF MOS变容器布局的方法和采用所述优化方法形成的RF MOS变容器。

背景技术

在典型的通信系统中，发射器将信息信号调制，并且放在高频载波上进行传输。发射器利用高频载波，将信息信号传播出去。接收器需使用压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)将信息信号从高频载波中分离出来。在VCO中，含有电感和变容器所组成的LC电路，所述VCO就是利用变容器的电容随着电压改变而改变的特性，从而实现VCO的振荡频率随之改变。

通常应用于射频领域(Radio Frequency，RF)变容器包括金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)变容器和PN结变容器。PN结变容器调谐范围小，品质因子低，难以与标准的MOS工艺匹配；而相比之下，MOS变容器调谐范围大，品质因子高，容易与标准的MOS工艺匹配。因此，MOS变容器成为目前的主流变容器。

一般地，应用于射频领域的MOS(RF MOS)变容器包括栅极、栅介质层以及半导体衬底。栅极作为电容器的一极，半导体衬底作为电容器的另一极。当电压施加给栅极时，引起半导体衬底电荷的积聚或消耗，从而改变RF MOS变容器的电容。随着半导体衬底上电荷的积聚，RF MOS变容器达到最大电容值“C_max”。随着半导体衬底上电荷的消耗，RF MOS变容器达到最小电容值“C_min”。如图1所示，图1为RF MOS变容器的电容随着电压变化的特性曲线图。随着加在RF MOS变容器栅极的电压Vg从-2V增加到+2V，RF MOS变容器的电容值从“C_min”增加到“C_max”。“C_max”与“C_min”之比决定了调谐范围(Tuning Ratio)。

本领域技术人员一直致力于扩大RF MOS的调谐范围。例如申请号为200510078351.5的中国专利提供了一种RF MOS变容器结构。如图2所示，所述RF MOS变容器包括：半导体衬底21，位于半导体衬底21上的金属栅极22，位于金属栅极22和半导体衬底21之间的有源半导体板(active semiconductorplate)25、置于金属栅极22和有源半导体板25之间的介质层26，位于有源半导体板25和半导体衬底21之间的下部绝缘层23。其中所述金属栅极22与电容器介电层26相接触。所述金属栅极22与介质层26相互对齐。所述有源半导体板25包括轻掺杂区24l、重掺杂区24h。所述重掺杂区24h作为有源半导体板25a的地电极。下部绝缘层23用于使RF MOS变容器与半导体衬底21绝缘。

在应用中发现，上述布局的RF MOS变容器在高频(大于1GHz)时电容值衰减严重(degradition)，影响实际使用。因此，需要一种优化的RF MOS变容器的布局。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种优化RF MOS变容器布局的方法和RF MOS变容器，抑制了高频时RF MOS变容器电容值衰减(degradition)。

为解决上述问题，本发明提供一种优化RF MOS变容器布局的方法，包括：

根据RF MOS变容器的栅极面积，确定RF MOS变容器栅极条数目预定值；

根据栅极条数目预定值，测试栅极条长度为不同值时对应的电容值随频率变化的衰减率，根据电容值的衰减率的范围确定栅极条长度范围；

在栅极条长度范围内选取栅极条长度数值，测试栅极条数目为不同值时对应的电容值随频率变化的衰减率，根据电容值的衰减率的范围确定栅极条数目范围。

可选的，所述电容值的衰减率的范围为大于等于80％。

可选的，所述方法还包括步骤：在栅极条长度范围内选取栅极条长度数值，测试栅极条数目为不同数值时对应的调谐范围，根据调谐范围的范围优化栅极条的数目范围。

可选的，所述调谐范围为大于等于4.8。

可选的，所述方法还包括步骤：在栅极条长度范围内选取栅极条长度数值，测试栅极条数目为不同数值时对应的品质因子，根据品质因子的范围优化栅极条的数目范围。

可选的，所述品质因子范围为大于4.9。

相应的，本发明还提供一种根据上述优化RF MOS变容器布局的方法形成的RF MOS变容器，所述RF MOS变容器具有栅极，所述栅极包含多个栅极条，所述栅极条的两侧的端部均通过接触孔与第一金属互连线电连接，所述栅极条长度范围为0.5～3微米，所述栅极条宽度范围为1～24微米，所述栅极条数目范围为2～12个。

可选的，所述栅极面积为1～864平方微米。

可选的，所述栅极面积为24平方微米。

可选的，所述栅极为多晶硅，所述栅极的导电类型为N型。

可选的，所述RF MOS变容器还包括：深掺杂阱、源/漏极，所述源/漏极、掺杂阱的导电类型与栅极的导电类型相同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.栅极条两侧的端部均通过接触孔与第一金属互连线电连接，减小了栅极电阻R_ploy和连线电阻R_wire，抑制了电容值的衰减；

2.栅极条长度范围为0.5～3微米，减小了沟道电阻R_ch，抑制了电容的衰减；

3.栅极条数目范围为2～12，抑制了电容值的衰减，同时提高了RF MOS变容器的调谐范围和品质因子。

4.本发明所述的优化RF MOS变容器的布局的方法，适用于具有不同栅极面积的RF MOS变容器，有利于改进RF MOS变容器的器件性能。

附图说明

图1是RF MOS变容器的电容随着电压变化的特性曲线图。

图2是现有技术RF MOS变容器的器件结构示意图。

图3是本发明一个实施例的RF MOS变容器的布局示意图。

图4是本发明一个实施例的流程示意图。

图5是栅极条数目为1的情况下，RF MOS变容器的栅极条长度与电容值的关系曲线图。

图6是栅极条长度为1微米的情况下，RF MOS变容器的栅极条数目与电容值的关系曲线图。

图7是栅极条长度为1微米的情况下，RF MOS变容器的栅极条数目与调谐范围和品质因子的关系曲线图。

具体实施方式

本发明的发明人发现，现有技术的RF MOS变容器在高频(大于1GHz)时的电容值衰减(degradation)严重。经过研究，衰减的主要原因是由于串联电阻R_s对RF MOS变容器的电容值具有调制效应，引起了电容值的衰减。所述串联电阻R_s包含了栅极电阻R_poly、沟道电阻R_ch、扩散电阻R_diff、接触电阻R_cont以及引线电阻R_wire。其中栅极电阻R_poly、沟道电阻R_ch在串联电阻R_s中的比例最大。发明人发现通过优化RF MOS变容器的布局，能够降低栅极电阻R_poly和沟道电阻R_ch，可以有效降低串联电阻R_s，从而抑制高频时RF MOS变容器的电容值的衰减。

因此，本发明提供一种优化RF MOS变容器的布局的方法，图4是本发明一个实施例的流程示意图。请参考图4，下面将结合具体实施例对本发明的实施方式做详细的说明。

首先执行步骤S1，根据RF MOS变容器的栅极面积，确定RF MOS变容器栅极条数目预定值。

请参考图3，图3是本发明一个实施例的RF MOS变容器的布局示意图。所述RF MOS变容器具有栅极。所述栅极为多晶硅，所述栅极具有N型导电类型。所述栅极包含多个栅极条，所述栅极条相互平行。所述栅极条的形状相同，尺寸相同。所述栅极条两端通过接触孔与第一金属互连线电连接，这样可以减小连线电阻R_wire。所述栅极条具有长度L和宽度W，所述长度为栅极条从栅极条一侧的源极到栅极条另一侧的漏极的沟道长度方向的尺寸，所述宽度为栅极条垂直于沟道长度方向的尺寸。所述栅极面积具体等于所述栅极条的长度、宽度、数目的乘积。

发明人发现，在所述栅极面积一定的情况下，RF MOS变容器电容值的衰减率与RF MOS变容器的布局有关系。所述电容值的衰减率具体是指RF MOS变容器高频(例如10GHz)的电容值C_max2与低频(例如100MHz)时电容值C_max1的百分比值。所述百分比值越大，则RF MOS变容器的电容值随频率变化越小，RF MOS变容器的性能越好。所述RF MOS变容器的布局具体是指RF MOS变容器的栅极条的数目、长度、宽度的数值的选取以及RF MOS变容器结构的优化。

本发明中所述栅极面积范围为1～864平方微米。作为本发明的实施例，所述栅极面积为24平方微米。所述RF MOS变容器的栅极条数目预定值可以为1或其他自然数，作为本发明的优选实施例，所述RF MOS变容器的栅极条数目预定值为1。需要说明的是，所述栅极面积可以为1～864平方微米范围内的其他数值。确定RF MOS变容器的栅极条数目的方法不变。

步骤S2，根据栅极条数目预定值，测试栅极条长度为不同值时对应的电容值随频率变化的衰减率，根据电容值的衰减率的范围确定栅极条长度范围。

所述测试栅极条长度为不同值时对应的电容值的衰减率具体包括在RFMOS变容器的栅极条+1.2V的电压，测试在低频下的电容值C_max1和高频下的电容值C_max2，然后计算C_max2与C_max1的百分比值，所述百分比值就是电容值的衰减率。所述电容值的衰减率的范围可以根据实际情况进行设置。本实施例中，所述电容值的衰减率的范围要求大于80％。所述低频具体是指100MHz，所述高频具体是指10GHz。所述栅极条的长度根据实际进行选择，本实施例中，所述栅极条长度分别为1微米、2微米、3微米、4微米、6微米、8微米、12微米、24微米。

作为一个实施例，请参考图5，图5为栅极条数目为1的情况下，RF MOS变容器的栅极条长度与电容值的关系曲线图。

频率为100MHz时，RF MOS变容器的栅极条长度分别为1微米、2微米、3微米、4微米、6微米、8微米、12微米、24微米对应的电容值C_max1分别为300.02fF、305.57fF、305.91fF、305.09fF、306.35fF、306.43fF、310.68fF、320.02fF。

频率为10GHz时，RF MOS变容器的栅极条长度分别为1微米、2微米、3微米、4微米、6微米、8微米、12微米、24微米对应的电容值C_max2分别为256.56fF、269.15fF、243.93fF、200.31fF、128.61fF、86.31fF、51.09fF、29.63fF。

RF MOS变容器的栅极条长度分别为1微米、2微米、3微米、4微米、6微米、8微米、12微米、24微米时电容值的衰减率分别为：86％、88％、80％、66％、42％、28％、16％、9％。当栅极条长度大于3微米时，电容值的衰减率小于80％。有鉴于此，发明人将栅极条长度范围设置为小于等于3微米。在长度小于等于3微米范围内，RF MOS变容器的沟道电阻R_ch较小，相应的串联电阻R_s较小，高频时对RF MOS变容器电容值的调制效应较小，相应的，RF MOS变容器电容值的衰减率达到80％以上。发明人发现，随着RFMOS变容器栅极条的长度逐渐减小，RF MOS变容器的寄生电容比重增加，会影响RF MOS变容器的调谐范围以及品质因子，因而RF MOS变容器栅极条的长度应大于一定的尺寸，比如0.5微米。因此所述栅极条的长度范围为0.5～3微米。

电容值的衰减率范围可以为其它范围，相应的所述RF MOS变容器栅极条的长度范围会发生变化，但是确定RF MOS变容器栅极条的长度范围的方法与本实施例方法相同，在此不做详述。

步骤S3，在栅极条长度范围内选取栅极条长度数值，测试栅极条数目为不同值时对应的电容值的衰减率，根据电容值的衰减率的范围确定栅极条数目范围。本实施例中，在所述栅极条长度范围0.5～3微米内选取栅极条长度数值，所述栅极条长度数值选取为1微米。所述测试栅极条数目为不同值时对应的电容值的衰减率具体过程包括测试在低频下的电容值C_max1和高频下的电容值C_max2，然后计算C_max2与C_max1的比值，所述比值就是电容值的衰减率。所述步骤S3电容值的衰减率的范围与所述步骤S2电容值的衰减率的范围根据实际情况进行设置，可以相同或不同。作为本发明优选实施例，步骤S3中电容值的衰减率的范围位于步骤S2电容值的衰减率的范围之内。本实施例中，所述电容值的衰减率的范围要求大于90％，这样可以更加优化RF MOS变容器的布局，提高RF MOS变容器的性能。

作为一个实施例，请参考图6，图6为栅极条为1微米情况下，RF MOS变容器的栅极条数目与电容值的关系曲线图。

频率为100MHz时，栅极条数目分别为1、2、4、6、8、12、24对应的电容值C_max1分别为300.02fF、302.97fF、303.6fF、304.56fF、305.44fF、309.60fF、324.53fF。

频率为10GHz时，栅极条数目分别为1、2、4、6、8、12、24对应的电容值C_max2分别为256.56fF、288.99fF、293.88fF、295.69fF、296.88fF、300.90fF、314.83fF。

栅极条数目分别为1、2、4、6、8、12、24电容值的衰减率分别为：86％、95％、97％、97％、97％、97％、97％。在栅极条数目小于2时，电容值的degradation小于90％。有鉴于此，发明人将栅极条数目范围设置为大于等于2。在栅极条数目大于等于2为范围内，RF MOS变容器的电容值的degradation大于90％，进一步增大了RF MOS变容器电容值的衰减率。

通过上述步骤，栅极面积为24平方微米的所述RF MOS变容器布局优化为：栅极条长度范围为0.5～3微米，栅极条数目范围为大于等于2个，RF MOS变容器的电容值的衰减率大于90％。需要说明的是，栅极面积可以为本发明所提供的栅极面积范围内的其他数值，确定栅极条长度范围和栅极条数目范围的方法不变。

进一步优化的，所述方法还包括步骤：在栅极条长度范围内选取栅极条长度数值，测试栅极条数目为不同数值时对应的调谐范围，根据调谐范围的范围优化栅极条的数目范围。本实施例中，在所述栅极条长度范围0.5～3微米内选取栅极条长度数值，所述栅极条长度数值选取为1微米。所述调谐范围为大于等于4.8。所述调谐范围(Tuning Ratio)具体是指一定频率下，RF MOS变容器的最大电容值C_max与最小电容值C_min的比值。所述测试不同栅极条数目情况下调谐范围具体过程包括RF MOS变容器的栅极条施加-1.2V和+1.2V的电压，在频率为10GHz的情况下，测试栅极条的数目分别为1、2、4、6、8、12、24时RF MOS的最小电容值C_min和最大电容值C_max、调谐范围。

作为一个实施例，请参考图7，图7为栅极条长度为1微米的情况下，RF MOS变容器的栅极条数目与调谐范围、品质因子的关系曲线图。

频率为10GHz时，栅极条数目分别为1、2、4、6、8、12、24对应的最小电容C_min分别为55.08fF、53.88fF、54.66fF、56.24fF、57.79fF、61.34fF、73.14fF。

频率为10GHz时，栅极条数目分别为1、2、4、6、8、12、24对应的最大电容值C_max分别为256.56fF、288.99fF、293.88fF、295.69fF、296.88fF、300.90fF、314.83fF。

栅极条数目分别为1、2、4、6、8、12、24的调谐范围分别为：4.66、5.36、5.38、5.26、5.14、4.91、4.30。

根据调谐范围的要求，所述RF MOS变容器的栅极条数目应小于等于12个。

再进一步优化的，所述方法还包括步骤：在栅极条长度范围内选取栅极条长度数值，测试栅极条数目为不同数值时对应的品质因子。根据品质因子(Q)的范围优化栅极条的数目范围。本实施例中，在所述栅极条长度范围0.5～3微米内选取栅极条长度数值，所述栅极条长度数值选取为1微米。所述品质因子范围为大于4.9。所述品质因子等于电容存储的能量与电阻消耗的能量的比值。所述测试不同栅极条数目情况下品质因子具体过程包括RF MOS变容器的栅极条施加-1.2V和+1.2V的电压，在频率为10GHz的情况下，测试栅极条的数目分别为1、2、4、6、8、12、24时RF MOS品质因子。

作为一个实施例，请参考图7，图7为栅极条长度为1微米的情况下，RF MOS变容器的栅极条数目与调谐范围的关系曲线图。

栅极条数目分别为1、2、4、6、8、12、24的品质因子分别为：2.46、5.01、7.70、8.49、8.61、8.87、9.99。

根据调谐范围的要求，所述RF MOS变容器的栅极条数目应大于等于2个。

需要说明的是，所述调谐范围与品质因子也可以根据实际需要设置为其他值，确定RF MOS变容器的栅极条数目范围的方法不变，在此不做详述。

综上，本发明提供一种优化RF MOS变容器布局的方法，基于上述方法可以优化RF MOS变容器的布局。上述方法适用于不同栅极面积的RF MOS变容器布局，经过上述方法优化后的RF MOS变容器的电容值的衰减率大于80％，进一步优化后得到的RF MOS变容器的调谐范围大于4.9，品质因子大于4.8。

采用上述方法形成所述RF MOS变容器结构。所述RF MOS变容器包括栅极，所述栅极由多个栅极条构成，所述栅极条的两侧的端部均通过接触孔与第一金属互连线电连接，所述栅极条长度范围为0.5～3微米，所述栅极条宽度范围为1～24微米，所述栅极条数目范围为2～12个。所述RF MOS变容器的面积为1～864平方微米。作为一个实施例，所述RF MOS变容器的面积为24平方微米。所述RF MOS变容器的布局为：所述栅极条数目为12，栅极条长度为1微米，栅极条宽度为2微米。所述RF MOS变容器电容值的衰减率为97％，调谐范围为4.91，品质因子为8.87。所述RF MOS变容器的布局也可以为：所述栅极条数目为2，栅极条长度为1微米，栅极条宽度为12微米。所述RF MOS变容器的布局也可以为：栅极条数目为6，所述栅极条长度为1微米，栅极条宽度为4微米。所述RF MOS变容器的布局还有多种，可以参考参考图4、图5、图6中的测试数据进行选择，只要满足所述栅极条的长度满足0.5～3微米，栅极条数目满足2～12的范围内，就能取得较好的电容值的衰减率、调谐范围及品质因子。

作为一个实施例，请参考图3，图3为本发明一个实施例的RF MOS变容器布局示意图。所述RF MOS变容器栅极面积为24平方微米。所述RF MOS变容器的栅极包含4个栅极条G，所述栅极条为叉指形栅极条。每个栅极条的形状相同，尺寸相同。每个栅极条之间的距离可以相同，也可以不同，作为本发明的一个优选实施例，所述栅极条距离相同。所述栅极条长度为1微米，宽度为6微米。所述栅极条两侧的端部通过接触孔302与第一金属互联层303电相连。所述栅极为多晶硅栅，所述栅极具有N型导电类型。

另外，所述RF MOS变容器还包含源/漏极、掺杂阱、隔离结构。所述源/漏极位于栅极条G两侧的有源区AA中。所述源/漏极一般成对出现。所述源/漏极、掺杂阱的导电类型与栅极的导电类型相同。图3中S为源极，D为漏极，305为深掺杂阱，304为隔离结构。为了保证器件的结构均匀性，所述RF MOS晶体管还包括若干伪栅极条(Dummy gate)(G1)，从而使半导体衬底表面的结构分布均匀。所述伪栅极条的数量一般为1～6个。在本实施例中，伪栅极条的数量为2，对称分布于所述栅极两侧，且所述伪栅极条与每个栅极条平行。所述伪栅极条与相邻的栅极条的间距相等。所述伪栅极条与相邻的栅极条的间距、相邻的栅极条之间的距离可以相同，也可以不同。在本具体实施例中，为保证线宽的均匀性，所述伪栅极条与相邻的栅极条的间距等于相邻的栅极条之间的距离。

综上，本发明通过提供一种优化RF MOS变容器布局的方法，减小RFMOS变容器的串联电阻R_s，减小了高频时串联电阻R_s对电容值的调制效应，增大了RF MOS变容器电容值的衰减率，本发明还提供一种基于上述方法形成的RF MOS变容器。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以作出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种优化RF MOS变容器布局的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的优化RF MOS变容器布局的方法，其特征在于，所述电容值的衰减率的范围为大于等于80％。

3.根据权利要求1所述的优化RF MOS变容器布局的方法，其特征在于，还包括步骤：在栅极条长度范围内选取栅极条长度数值，测试栅极条数目为不同数值时对应的调谐范围，根据调谐范围的范围优化栅极条的数目范围。

4.根据权利要求3所述的优化RF MOS变容器布局的方法，其特征在于，所述调谐范围为大于等于4.8。

5.根据权利要求3所述的优化RF MOS变容器布局的方法，其特征在于，还包括步骤：在栅极条长度范围内选取栅极条长度数值，测试栅极条数目为不同数值时对应的品质因子，根据品质因子的范围优化栅极条的数目范围。

6.根据权利要求5所述的优化RF MOS变容器布局的方法，其特征在于，所述品质因子范围为大于4.9。

7.一种根据权利1～6中任一项所述的优化RF MOS变容器布局的方法形成的RF MOS变容器，其特征在于：所述栅极条的两侧的端部均通过接触孔与第一金属互连线电连接，所述栅极条长度范围为0.5～3微米，所述栅极条宽度范围为1～24微米，所述栅极条数目范围为2～12个。

8.根据权利要求7所述的RF MOS变容器，其特征在于，所述栅极面积为1～864平方微米。

9.根据权利要求8所述的RF MOS变容器，其特征在于，所述栅极面积为24平方微米。

10.根据权利要求7所述的RF MOS变容器，其特征在于，所述栅极为多晶硅，所述栅极的导电类型为N型。

11.根据权利要求7所述的RF MOS变容器，其特征在于，还包括：深掺杂阱、源/漏极，所述源/漏极、掺杂阱的导电类型与栅极的导电类型相同。