CN104935297B - 基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅或非门的rs触发器 - Google Patents

基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅或非门的rs触发器 Download PDF

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Abstract

本发明的基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET或非门的RS触发器，原理和结构简单，由基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET实现的或非门电路构成RS触发器，降低成本的同时减小了功耗。由于悬臂梁结构在非工作状态时的漏电流极低，有效地降低了功耗。在MOSFET沟道上方对称设计的两个悬臂梁作为可动栅极，在悬臂梁下方各有一个下拉电极，下拉电极上覆盖着一层绝缘的氮化硅介质层。当MOSFET两个输入为低电平时，悬臂梁都处于悬浮状态，MOSFET处于非导通状态，漏极输出为高电平；当至少一个输入端为高电平时，高电平对应的悬臂梁被下拉，此时MOSFET处于导通状态，漏极输出为低电平，从而实现了或非门逻辑功能。

Description

基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅或非门的RS触发器
技术领域
本发明提出了基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或非门的RS触发器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
目前集成电路已经进入了超深亚微米时代，随着器件尺寸的不断减小，集成度的不断提高，功耗问题变得日益突出，严重制约了集成电路小型化的发展，集成电路的低功耗设计已经成为一个重要的课题。触发器是构成数字集成电路系统的基本构件，被广泛的应用于计算机、通信和许多其他的系统中，其中RS触发器是构成其它各种功能触发器的基本组成部分。近年来，由于MEMS技术的快速发展，对梁结构有了比较深入的研究，使基于Si基COMS(互补金属氧化物半导体)工艺设计的低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET成为可能，实现了基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET或非门的RS触发器。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET或非门的RS触发器，双悬臂梁作为MOSFET的可动栅极，为信号的输入端，通过双悬臂梁开关HEMT实现或非门功能，最后由两个或非门组合成RS触发器，电路结构得到简化，使用的晶体管数量减少，同时也减低了电路功耗。
技术方案：本发明的基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅或非门的RS触发器的两个悬臂梁可动栅N型MOSFET制作在P型Si衬底上，沟道栅氧化层的上方有两个对称设计的悬臂梁，材料为Au，作为MOSFET的可动栅，其下拉电压设置为MOSFET的阈值电压，悬臂梁的一端固定在锚区上，锚区与输入引线相连，作为信号的输入端，悬臂梁的另一端悬浮在沟道栅氧化层和下拉电极上，锚区和输入引线的制备材料为多晶Si，下拉电极上覆盖一层绝缘的氮化硅介质层；其中左边的一个N型MOSFET的输入引线与上拉电阻相连作为一个输出端相应的，另一个N型MOSFET的输入引线与上拉电阻相连作为另一个输出端Q，源极接地，实现或非门逻辑功能，当两个悬臂梁的输入引线都输入低电平时，悬臂梁处于悬浮态，沟道处于非导通状态，漏极输出为高电平。当至少一个悬臂梁的输入引线上输入高电平时，输入高电平的悬臂梁被下拉，沟道处于导通状态，漏极输出为低电平。
所述该RS触发器由两个基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET实现的或非门电路构成RS触发器，其中每一个Si基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的漏极8连接到另一个Si基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的输入引线上，而MOSFET未与漏极相连的另外两个输入引线分别作为RS触发器的R端口和S端口；当悬臂梁的输入为低电平而处于悬浮态时，由于没有栅极漏电流，使得电路中的功耗被有效地降低。
有益效果：本发明相对于现有的RS触发器具有以下优点：
1.本发明通过两个双悬臂梁开关HEMT实现或非门，结构简单，减少了晶体管的数量，降低了成本；
2.本发明通过采用悬臂梁结构，HMET的导通和关断差异明显，有效地减少了RS触发器的逻辑错误；
3.本发明由于采用悬臂梁结构，使RS触发器在悬臂梁处于悬浮态时漏电流减小，从而有效地降低了功耗。
附图说明
图1为本发明基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET或非门的RS触发器的俯视图，
图2为本发明Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的P-P’向的剖面图，
图3为本发明Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET的A-A’向的剖面图，
图4为Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET在悬臂梁下拉时的沟道示意图。
图中包括：P型Si衬底1，栅氧化层2，氮化硅介质层3，下拉电极4，输入引线5，悬臂梁锚区6，源极7，漏极8，悬臂梁9，有源区引线孔10，源漏引线11，上拉电阻12。
具体实施方式
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET或非门的RS触发器。该RS触发器由直流偏置源、上拉电阻、双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET构成；N型MOSFET为耗尽型，制作在Si衬底上，沟道栅氧化层的上方有两个对称设计的悬臂梁，材料为Au，作为MOSFET的可动栅，其下拉电压设置为MOSFET的阈值电压，悬臂梁横跨在锚区上，锚区与输入引线相连，作为信号输入端，锚区和输入引线的制备材料为多晶Si，悬臂梁的下面各分布着一个下拉电极，下拉电极上覆盖一层绝缘的氮化硅介质层。
双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的漏极与上拉电阻相连，源极接地，实现或非门逻辑功能。当两个悬臂梁的输入引线都输入低电平时，悬臂梁处于悬浮态，沟道处于非导通状态，漏极输出为高电平。当至少一个悬臂梁的输入引线上输入高电平时，输入高电平的悬臂梁被下拉，沟道处于导通状态，漏极输出为低电平。
RS触发器由两个基于Si基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的或非门电路构成；当悬臂梁的输入为低电平而处于悬浮态时，由于没有栅极漏电流，使得电路中的功耗被有效地降低。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参见图1-4，本发明提出了一种基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET或非门的RS触发器。该RS触发器由直流偏置源、上拉电阻12、双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET构成；N型MOSFET为耗尽型，制作在Si衬底1上，沟道栅氧化层2的上方有两个对称设计的悬臂梁9，材料为Au，作为MOSFET的可动栅，其下拉电压设置为MOSFET的阈值电压，悬臂梁9横跨在悬臂梁锚区6上，悬臂梁锚区6与输入引线5相连，作为信号输入端，悬臂梁锚区6和输入引线5的制备材料为多晶Si，悬臂梁9的下面各分布着一个接地的下拉电极4，下拉电极4上覆盖一层绝缘的氮化硅介质层3。
双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的漏极8与上拉电阻12相连，源极7接地，实现或非门逻辑功能。当两个悬臂梁的输入引线5都输入低电平时，悬臂梁9处于悬浮态，沟道处于非导通状态，漏极8输出为高电平。当至少一个悬臂梁9的输入引线5上输入高电平时，输入高电平的悬臂梁9被下拉，沟道处于导通状态，漏极8输出为低电平。基于Si基双悬臂梁可动栅MOSFET实现的或非门电路对应的真值表如下：
RS触发器由两个或非门电路组合而成，其中每一个Si基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的漏极8连接到另一个Si基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的输入引线5上，而MOSFET未与漏极8相连的另外两个输入引线5分别作为RS触发器的R端口和S端口。左边的为RS触发器的S端口，右边的为RS触发器的R端口，对应左边的漏极8为RS触发器输出端口Q，右边的漏极8为RS触发器输出端口Q非。当R端输入为高电平时，S端输入为低电平时，Q输出为高电平，Q非输出为低电平，触发器置1；当R端输入为低电平、S端输入为高电平时，Q输出为低电平，Q非输出为高电平，触发器置0；当RS端均输入为低电平时，触发器保持状态不变；RS端输入均为高电平时，触发器状态不确定。
当悬臂梁8的输入为低电平而处于悬浮态时，由于没有栅极漏电流，使得电路中的功耗被有效地降低。
本发明的Si基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET制备方法如下：
1)准备P型Si衬底1；
2)底氧生长；
3)沉淀氮化硅和有源区光刻；
4)场氧化；
5)去除氮化硅和底氧层；
6)进行栅氧化，形成栅氧层2，调整阈值电压，使N型MOSFET为增强型；
7)沉淀多晶Si并光刻、刻蚀多晶Si图形，形成悬臂梁锚区6和输入引线5。
8)蒸发生长Al；
9)涂覆光刻胶，保留下拉电极4上方的光刻胶；
10)反刻Al，形成下拉电极4；
11)外延生长一层0.1μm的SixN1-x绝缘层；
12)涂覆光刻胶，保留下拉电极4上的光刻胶；
13)利用反应离子刻蚀，形成下拉电极4上的氮化硅介质层3；
14)通过旋涂方式形成PMGI牺牲层，然后光刻牺牲层，仅保留MOSFET沟道上的光刻胶；
15)蒸发生长Al；
16)涂覆光刻胶，保留悬臂梁9位置的光刻胶；
17)反刻Al，形成悬臂梁9栅；
18)磷(P)离子注入形成N+源区7和漏区8；
19)制作源漏区通孔10和引线11：涂覆光刻胶，去除源漏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；
20)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁9下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。
区分是否为该结构的标准如下：
本发明的基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET或非门的RS触发器，具有两个可动的悬臂梁作为栅极，共同控制N型MOSFET的工作状态。悬臂梁下方各有一个下拉电极，下拉电极接地，下拉电极上覆盖一层绝缘的氮化硅介质层，悬臂梁其下拉电压的大小设置为MOSFET栅极工作电压。悬臂梁横跨在锚区上，锚区与输入引线相连，信号的输入端。基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET用于实现或非门逻辑，当MOSFET两个输入为低电平时，悬臂梁都处于悬浮状态，此时MOSFET沟道处于非导通状态，漏极输出为高电平；当至少一个输入端为高电平时，高电平对应的悬臂梁被下拉，此时MOSFET的沟道处于导通状态，漏极输出为低电平。由两个基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET实现的或非门电路构成RS触发器，其中每一个Si基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的漏极连接到另一个Si基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的输入引线上，而MOSFET未与漏极相连的另外两个输入引线分别作为RS触发器的R端口和S端口。当悬臂梁的输入为低电平而处于悬浮态时，栅极漏电流极低，有效地降低了功耗。
满足以上条件的结构即视为本发明的基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET或非门的RS触发器。

Claims (2)

1.一种基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅或非门的RS触发器，其特征是： 该RS触发器的两个悬臂梁可动栅N型MOSFET制作在P型Si衬底（1）上，沟道栅氧化层（2）的上方有两个对称设计的悬臂梁（9），材料为Au，作为MOSFET的可动栅，其下拉电压设置为MOSFET的阈值电压，悬臂梁（9）的一端固定在锚区（6）上，锚区（6）与输入引线（5）相连，作为信号的输入端，悬臂梁（9）的另一端悬浮在沟道栅氧化层（2）和下拉电极（4）上，锚区（6）和输入引线（5）的制备材料为多晶Si，下拉电极（4）上覆盖一层绝缘的氮化硅介质层（3）；
其中左边的一个N型MOSFET的输入引线（5）与上拉电阻（12）相连作为一个输出端，相应的，另一个N型MOSFET的输入引线（5）与上拉电阻（12）相连作为另一个输出端Q，源极（7）接地，实现或非门逻辑功能，当两个悬臂梁（9）的输入引线都输入低电平时，悬臂梁（9）处于悬浮态，沟道处于非导通状态，漏极（8）输出为高电平；当至少一个悬臂梁（9）的输入引线（5）上输入高电平时，输入高电平的悬臂梁（9）被下拉，沟道处于导通状态，漏极（8）输出为低电平。
2.根据权利要求1所述的基于硅基低漏电流双悬臂梁可动栅或非门的RS触发器，其特征是：该RS触发器由两个基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅MOSFET实现的或非门电路构成RS触发器，其中每一个Si基双悬臂梁可动栅结构的N型MOSFET的漏极（8）连接到另一个基于Si基低漏电流双悬臂梁可动栅NMOSFET的输入引线（5）上，而MOSFET未与漏极（8）相连的另外两个输入引线（5）分别作为RS触发器的R端口和S端口；当悬臂梁的输入为低电平而处于悬浮态时，由于没有栅极漏电流，使得电路中的功耗被有效地降低。
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