CN104900720B - 变容管结构 - Google Patents

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Abstract

一种MOS变容管结构，包括：具有阱区的半导体主体，以及布置在所述阱区上的多个栅极电极和多个阴极电极，其中所述栅极电极包括细长焊盘，并且多个阴极触点通过阴极连接图案相连，所述阴极连接图案包括多个臂，所述多个臂中的每个臂布置为在相应的栅极电极焊盘的一部分上延伸。

Description

变容管结构
技术领域
本发明涉及一种变容管结构，具体地，涉及一种金属氧化半导体(MOS)变容管结构。
背景技术
变容管包括可以用作电压控制电容器的一种二极管。变容管在RF和毫米波本地振荡器中具有特定应用。变容管结构的布局对于实现高性能是至关重要的。
对于高频率和高性能的应用(频带Ku、K、Ka至频带W和THz应用)电路设计涉及模拟和微波设计技术的组合，并且可以包含传输线、分路器、耦合器和变压器。集成本地振荡器还提出了挑战。这些挑战主要与在实际实现方案中可实现的有限调谐范围和对由于通信标准强制的相位噪声性能形式的严格要求有关。为了实现较低的相位噪声，必须将振荡器振幅最大化。通常，在集成振荡器中使用的调谐元件是变容管。变容管被用作根据向其端子施加的DC电压来修改其电容的可变电容器。通过三个参数(电容比(Cmax/Cmin)、调谐范围TR＝(Cmax-Cmin)/(Cmax+Cmin)和质量因子Q对电容管性能加以表征。由于调谐范围受到以下因素的限制，变容管性能对振荡器调谐特性具有直接影响：
1)固定(寄生)电容和变容管电容之间的比率；以及
2)变容管的电压频率特性(电容比)
在较低的GHz频率范围内，变容管示出了比电感器高得多的质量因子，因此它对于振荡器相位噪声性能具有较小的影响。然而，对于10GHz和以上的频率，变容管的质量因子可以严格地限制共振器性能，因此限制振荡器相位噪声。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种MOS变容管结构，包括：具有阱区的半导体主体，以及布置在所述阱区上的多个栅极电极和多个阴极电极，其中所述栅极电极包括细长焊盘，并且通过阴极连接图案将多个阴极触点相连，所述阴极连接图案包括多个臂，所述多个臂中的每个臂布置为在相应的栅极电极焊盘的部分上延伸。
由于其他电极之间的互连可以延伸通过细长电极而无需完全掩盖它们，所以提供细长电极是有利的。因此，在将电极/接触点之间的互连形成在阱区上方的多层中的堆叠型变容管结构中，细长电极允许通孔提供与它们的互连而延伸通过在它们上的其它互联。阱区可以包括Nplus-Nwell层或Pplus-Pwell层。所述栅极电极可以形成变容管结构的阳极。
所述结构可以包括布置在正方形顶点处的四个栅极电极焊盘。“想象的”正方形可以以变容管结构的中心为中心。应认识到，可以设置其他数目的栅极电极。
细长焊盘可以是L形。细长焊盘可以与彼此是电学隔离的。半导体阱区是四个电极所共有的。备选地，细长焊盘可以具有三个部分；通过中心部分分隔的第一部分和第二部分，第一部分和第二部分布置为彼此垂直并通过与所述第一部分和第二部分成45°的第二部分相连。因此，所述电极可以具有八角形的四分之一的周界形状。应认识到，所述电极可以具有其它细长形状，可以是多个截面的。
细长焊盘可以在中心部分的任一侧具有两个端部。阴极连接图案的臂可以布置为在中心部分上延伸。所述端部中的一个或所述两个端部可以向栅极连接图案提供连接点。因此，所述电极的细长特性允许阴极图案在所述电极上延伸，同时可以沿阴极图案侧(但是与阴极图案分离)设置通孔，以便连接其它互连金属层中的电极。
变容管结构可以包括第一栅极连接图案和第二栅极连接图案，所述栅极连接图案在间隔开的层中延伸。具体地，阴极连接图案可以在第一层中延伸，第一栅极连接图案在第二层中延伸，以及第二栅极连接图案在堆叠于半导体主体表面上的第三层中延伸。应认识到，所述层可以包括MOS结构的互连金属(IM)层。
所述第一栅极连接图案可以配置为向栅极电极的第一子集提供互连。第二栅极连接图案可以配置为向栅极电极的第二子集提供互连，所述第二子集包括在第一子集外部的栅极电极。第一子集可以包括布置为彼此相对的两个栅极电极，并且第二子集可以包括布置为彼此相对的两个栅极电极。因此，MOS变容管结构可以包括差分MOS变容管结构。例如可以将所述栅极电极以相同角度间隔地布置在变容管结构的中心周围。所述第一和第二子集可以包含多于两个的电极。
第一和/或第二栅极连接图案可以包括连续的周界部分。这样允许与来自变容管结构任意侧的栅极相连。由于周界部分可以定义图案的外侧边沿，这种结构是有利的，因此如果将变容管结构布置在具有针对更高电容的其它变容管结构的网络中，则周界部分提供将相邻结构进行互连的方便方式。
可以将所述变容管结构配置为与其它变容管结构一起布置为阵列，阴极连接图案、第一栅极连接图案和第二栅极连接图案配置为与相邻变容管结构的相应图案形成电连接。由于可以形成变容管结构的阵列以提供更高的电容，这种“自动对接”特性是有利的。
变容管结构可以是实质上正方形的，并且所述周界部分可以布置在所述结构的周界处。
阴极连接图案、第一栅极连接图案和第二栅极连接图案可以以堆叠结构设置在三个间隔开的层中。
可以通过从阱区的体部分延伸的触点来设置阴极电极。阴极电极可以包括在由栅极电极限定的区域内的中心阴极电极，以及布置在每个栅极电极的与中心阴极电极直接相对的一侧上的其它阴极电极。因此，阴极连接图案可以包括星形图案。阴极电极可以包括位置与每个栅极电极相邻的并且远离所述中心电极的至少四个其它电极。阱区的体部分可以提供扩散阴极。
第一和第二栅极连接图案可以包括通过从周界部分延伸的连接桥梁链接的突起物，布置第一栅极连接图案的突起物和连接桥以及第二栅极连接图案的突起物和连接桥，使得它们不发生交叠。此外，突起物和连接桥梁可以布置为与栅极电极不发生交叠，而不是在该点处令它们连接到所述电极的通孔。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括第一方面的变容管结构的集成电路。
根据本发明的第三方面，提供了一种形成MOS变容管结构的方法，所述方法包括以下步骤：
接收半导体主体，所述半导体主体包括具有多个栅电极的阱区以及布置在所述阱区上的多个阴极电极，其中所述栅极电极包括细长焊盘；以及
通过阴极连接图案连接多个阴极电极，所述阴极连接图案包括多个臂，所述多个臂中的每个臂布置为在相应的栅极电极焊盘的一部分上延伸。
根据本发明的第四方面，提供了一种包括第一方面的变容管结构的电子设备。
本发明可应用于多种RF和mm波频率同步器，并且可以在本地振荡器中提供较低的相位噪声。此外，本发明可应用于锁相环集成电路以及振荡器、混频器、RF加热信号合成器、硅调谐器、Q增强滤波器、集成RF滤波器和RF放大器。
附图说明
以下参考附图仅示例性地详细描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了示例变容管结构的平面图；
图2到8示出了形成图1的变容管结构的一系列步骤；
图9示出了布置为在网络中彼此相邻的多个变容管结构；以及
图10示出了装配所述变容管结构的示例方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了示例变容管结构1的平面图。所述变容管结构1实质上是正方形的，包括半导体主体2的有源区域。半导体主体2包括阱区，在所述阱区上形成变容管结构。阱区(不可视)延伸到半导体主体2，在所述半导体主体2上形成第一电极3a-d。第一电极3a-d包括与半导体主体2中的栅极的连接点，并形成变容管结构1的阳极。第一或阳极电极是细长结构。第一电极3a-d可以是多晶硅。在该示例中，所述变容管结构在N-阱体型中包括N+栅极，并且可以在P-阱体型中包括P+栅极。应认识到，本文所述的结构可以应用于其它MOS变容管类型。
因此，形成变容管结构的半导体主体的体部分(bulk)包括变容管结构1的扩散阴极4。
在该示例中，第一电极3a-d是L型。应认识到，其它细长形状也是有可能的。存在四个第一电极3a-d，可以将其称为“栅极电极”。将第一、第二、第三和第四栅极电极3a-d布置在变容管结构1的中心点周围。具体地，四个阳极电极布置在正方形的顶点处。所述正方形可以以半导体主体2的有源区域为中心。因此，L型电极沿从每个顶点延伸的正方形侧边部分延伸。
由于第一电极的细长特性允许互连或层内互连延伸通过细长电极，而不必完全遮挡所述电极或将其遮挡到无法与所述电极进行连接的程度，因此，所述结构是有利的。因此，细长电极允许至少一个导电轨在第一层中延伸通过第一部分电极(不必与所述电极相连)，与此同时，其它第二部分为通孔提供基础，例如，使得第二层中的连接可以提供与所述电极的连接。与已知指型变容管和岛栅型电容管相比较，利用细长电极优点的变容管结构可以导致改善的电容比、调谐范围和质量因子Q。
变容管结构1包括三个电极连接器5、6、7，每个形成为导电图案。电极连接器每个形成在不同金属层中，所述层在平铺于半导体主体上的间隔开的平面内延伸。所述第一电极连接器包括阴极电极连接器5，配置为提供与阱区的连接，并且还配置为将所述体部分的完全不同的区域相互连接。在使用时，所述阴极电极连接器配置为对阱区施加偏压。第二电极连接器包括第一栅极连接器6。第一栅极(或“阳极”)连接器6配置为提供与第一电极的子集3a和3c的连接。所述第三电极连接器包括第二栅极(或“阳极”)连接器7。所述第二栅极连接器7配置为提供与第一电极的子集(包括其它电极3b和3d)的连接。
图2到8示出了形成变容管结构1的步骤。图2示出了半导体主体2的有源区域。主体2包括形成在其上的第一电极3a-d。四个第一电极3a-d是细长的并且是L型的。四个电极在它们之间具有间隙，使得它们是形成在有源区域上的四个不同形成物。包围第一电极3a-d的主体2的区域包括主要部分4。
图10示出了形成变容管结构的处理。步骤101包括接收在其中形成变容管阱区的半导体主体2。
图3示出了多个触点或通孔30、33，形成在第一电极3a-d上以及包括阴极4的阱区体部分的完全不同的区域上。具体地，将通孔30分为五组。第一组位于由四个第一电极3a-d所限定的区域内，所述区域可以是有源区域的中心。四个其它“外部”组位于每个细长电极3a-d的相对侧。因此，四个其它组中的每个组平铺在从第一组延长的线上，在四个第一电极3a-d所在的每个顶点上径向向外。第一电极3a-d的通孔33从这些电极的端部延伸。因此，每个第一电极包括间隔开的两个端部部分32a、32b的中心部分31。因此，第一电极3a-d的通孔33从每个第一电极的端部部分32a、32b延伸。端部部分每个都具有两个通孔33的集合(尽管在该示例中示出了所述通孔，然而可以设置任意数量)。在该示例中，按组划分在每个第一电极的端部部分处的通孔。通孔30、33提供与第一互连金属层的电学连接。
因此，图3示出了图10的步骤102，在变容管阱区上形成通孔以便延伸到第一层。将所述栅极电极的通孔形成在细长电极的两端。
图4示出了形成第一互连金属层40。来自第一电极3a-d的形成每个通孔对的两个通孔在第一互连金属层40中连接在一起。因此，基础焊盘46形成在每对“阳极电极”通孔33的顶上。阴极或包括电极连接器的“星形”连接图案41形成在第一互连金属层40中，互连五组的所有通孔30。星形连接图案41包括中心部分42，四个臂43a-d从中沿间隔相同角度的方向径向延伸。每个臂43a-d在对应阳极电极3a-d的中心部分31上延伸。由于所述臂在第一互连金属层40中延伸，在臂43a-d和它延伸通过的电极3a-d之间不进行电学连接。每个臂结束在头部部分44a-d中。中心部分42与第一组的通孔30相连，头部部分44a-d与外部组的通孔相连，所述臂43a-d与通孔30组相连。星形连接的臂与细长电极3a-d的宽度相交，因此，阳极电极和扩散阴极之间的寄生电容较低。因此，所述臂43a-d可以形成为比星形连接的中心42和头部部分44a-d更窄。
因此，图4示出了在图10的步骤103，形成星形连接图案41以便向形成在阱区的体部分中的阴极4提供通用导电层。星形连接图案41在每个第一电极3a-d的部分上延伸。
图5示出了形成其它第一电极通孔50。将通孔按对分组并将其形成在基础焊盘46的顶上，所述基础焊盘46位于细长第一电极3a-d的两端上方。通孔50提供与第二互连金属层的连接，如图6所示。
因此，步骤104包括形成通孔以便在第二金属中提供针对阳极/栅极电极的连接点。
图6示出了在第二互连金属层中形成第一栅极连接图案60。第一栅极连接图案60配置为连接第一阳极电极3a-d的子集。在该示例中，图案60将两个阳极电极(即，第二阳极电极3b和第四阳极电极3d)相连。在主体2的阱区上阳极电极3b和3d彼此相对。图案60包括周界环61，布置为在变容管结构1的四周延伸。所述环61实质上是正方形的。所述图案60还包括第一电极连接件62和第二电极连接件63。所述元件62、63彼此相对，在两个间隔开的位置处每个元件都被连接到周界环62的内侧边沿。第一电极连接件62包括第一突起物64，从邻近所述通孔50的方形周界环61的第一侧延伸，最终从第四阳极电极3d的第一端32a延伸。所述元件62与所述通孔50相连。第一电极连接件62还包括第二突起物65，从与通孔50相邻的方形周界环61的第二邻边延伸，最终从第四阳极电极3d的第二端32b延伸。所述元件62与所述通孔50相连。突起物64和65的远端通过桥梁部分66连接在一起。桥梁部分66与所述臂43d交叉，并从第四阳极电极3d偏移。
类似地，第二电极连接件63包括第一突起物67，从邻近所述通孔50的方形周界环61的第三侧延伸，最终从第二阳极电极3b的第一端32a延伸。所述元件62与所述通孔50相连。第二电极连接件63还包括第二突起物68，从邻近通孔50的方形周界环61的第四邻边延伸，最终从第二阳极电极3b的第二端32b延伸。所述元件63与所述通孔50相连。突起物67和68的远端通过桥梁部分69连接在一起。桥梁部分69与所述臂43b相交，并从第二阳极电极3b偏移。
因此，图6示出了图10的步骤105，形成第一栅极连接图案60以便互连阳极电极的子集。
第一阳极电极3a和第三阳极电极3c的其它对通孔50具有在其上延伸的基础焊盘，形成在第二互连金属层中。
图7示出了形成其它阳极电极通孔70。将通孔按对分组，并将其形成在形成于第二互连金属层中的基础焊盘的顶上，所述第二互连金属层位于第一阳极电极3a和第三阳极电极3c的两端32a、32b的上方。所述通孔70在第二互连金属层和第三互连金属层之间提供连接，如图8所示。
因此，步骤106包括形成通孔70以便在第三金属层中提供针对第一电极的子集的连接点。
图8示出了在第三互连金属层中形成第二栅极连接图案80。第二栅极连接图案80配置为将阳极电极3a-d的子集进行互连。在该示例中，图案80将两个阳极电极(即，第一阳极电极3a和第三阳极电极3c)相连。在主体2的阱区上阳极电极3a和3c彼此相对。因此，图案80包括周界环81，布置为在变容管结构1的四周延伸。所述环71基本为方形。所述图案80还包括第一电极连接件82和第二电极连接件83。所述元件82、83彼此相对，在两个间隔开的位置处每个元件都被连接到周界环82的内侧边沿。第一电极连接件82包括第一突起物84，从邻近所述通孔70的方形周界环81的第一侧延伸，最终从第一阳极电极3a的第一端32a延伸。所述元件82与所述通孔70相连。第一电极连接件82还包括第二突起物85，从与通孔70相邻的方形周界环81的第二邻边延伸，最终从第一阳极电极3a的第二端32b延伸。所述元件82与所述通孔70相连。突起物84和85的远端通过桥梁部分86连接在一起。桥梁部分86与所述臂43d交叉，并从第一阳极电极3a偏移。
类似地，第二电极连接件83包括第一突起物87，从邻近所述通孔50的方形周界环81的第三侧延伸，最终从第三阳极电极3c的第一端32a延伸。所述元件82与所述通孔70相连。第二电极连接件83还包括第二突起物88，从邻近通孔70的方形周界环81的第四邻边延伸，最终从第三阳极电极3c的第二端32b延伸。所述元件83与所述通孔70相连。突起物87和88的远端通过桥梁部分89连接在一起。桥梁部分89与所述臂43c相交，并从第三阳极电极3c偏移。由于这样减少了平行耦合通路，桥梁部分86、89和66、69与L型电极3a-d的偏移是有利的。
图8示出了图10的步骤107，形成第二栅极连接图案80以便与阳极电极的子集互连。
因此，第一栅极连接图案60提供与第一子集的阳极电极的连接，并且在第二互连金属层中的结构1的整个四周是可访问的。第二栅极连接图案80提供与第二子集的阳极电极(即，其它阳极电极)的连接，并且在第三互连金属层中的结构1的整个四周是可访问的。与相反对的阳极电极相连的两个栅极连接图案允许当在周界环沿所述结构四周延伸的情况下具有对称布局时，有区别地使用设备。
图9示出了彼此邻接布置的多个变容管结构1。在需要高电容的情况下这种布置是有利的。在这种排列中，第一变容管结构1a的星形连接图案41可以电学连接到相邻的第二变容管结构1b的星形连接图案41。类似地，第一和第二变容管结构1a、1b的第一栅极连接图案60可以电学相连，且第二栅极连接图案80也可以电相连。因此，可以彼此相邻地布置变容管结构，由于所述结构的对称特性和所有连接图案41、60、80延伸到所述结构的边沿，可以容易地形成变容管结构1的阵列。在所述结构周围延伸的周界环61、81提供与阳极子集的方便且灵活连接。

Claims (13)

1.一种MOS变容管结构，包括：具有阱区的半导体主体，以及布置在所述阱区上的多个栅极电极和多个阴极电极，其中所述栅极电极包括细长焊盘，并且多个阴极触点通过阴极连接图案相连，所述阴极连接图案包括多个臂，所述多个臂中的每个臂布置为在相应的栅极电极焊盘的一部分上延伸
其中所述结构包括第一栅极连接图案和第二栅极连接图案，所述栅极连接图案在间隔开的第一层和第二层中延伸；
其中所述第一栅极连接图案配置为向栅极电极的第一子集提供互连，并且所述第二栅极连接图案配置为向栅极电极的第二子集提供互连，所述第二子集包括在第一子集外部的栅极电极。
2.根据权利要求1所述的MOS变容管结构，其中所述结构包括布置在正方形顶点处的四个栅极电极焊盘。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的MOS变容管结构，其中所述细长焊盘是L形。
4.根据前述任一权利要求所述的MOS变容管结构，其中所述细长焊盘具有在中心部分的任一侧的两个端部，其中所述臂布置为在所述中心部分上延伸，并且所述端部向栅极连接图案提供连接点。
5.根据权利要求1所述的MOS变容管结构，其中所述第一子集包括布置为彼此相对的两个栅极电极，并且所述第二子集包括布置为彼此相对的两个栅极电极。
6.根据权利要求1或2所述的MOS变容管结构，其中所述第一和/或第二栅极连接图案包括连续的周界部分。
7.根据权利要求6所述的MOS变容管结构，其中所述结构是实质上正方形的，并且所述周界部分布置在所述结构的周界处。
8.根据权利要求1或2所述的MOS变容管结构，其中将所述变容管结构配置为与其它变容管结构一起布置为阵列，所述阴极连接图案、第一栅极连接图案和第二栅极连接图案配置为与相邻变容管结构的相应图案形成电连接。
9.根据权利要求1所述的MOS变容管结构，其中所述阴极连接图案、第一栅极连接图案和第二栅极连接图案以堆叠结构设置在三个间隔开的层中。
10.根据权利要求1或2所述的MOS变容管结构，其中所述半导体主体的体部分提供扩散阴极。
11.根据权利要求10所述的MOS变容管结构，其中所述阴极电极包括在由栅极电极限定的区域内的中心阴极电极，以及布置在每个栅极电极的与所述中心阴极电极直接相对的一侧上的其它阴极电极。
12.根据权利要求11所述的MOS变容管结构，其中所述阴极电极包括位置与每个栅极电极相邻并且远离所述中心阴极电极的至少四个其它电极。
13.一种集成电路，包括根据权利要求1到12中的任一权利要求所述的变容管结构。
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