CN105004924B - 硅基低漏电流双悬臂梁可动栅nmos相位检测器 - Google Patents

Abstract

本发明的硅基低漏电流双悬臂梁可动栅NMOS相位检测器，由双悬臂梁可动栅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悬臂梁可动结构。悬臂梁的下拉偏置电压设计等于NMOS管的阈值电压。当双悬臂梁都被下拉时，输入信号通过双悬臂梁可动栅NMOS管实现信号相乘，经低通滤波器后完成相位检测。当仅其中一个悬臂梁被下拉时，器件具有较高击穿电压，被选通的信号经过双悬臂梁可动栅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。同时由于悬臂梁可动栅的设计使得器件减小了栅极漏电流，有效地降低了漏电流功耗。

Description

硅基低漏电流双悬臂梁可动栅NMOS相位检测器

技术领域

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

背景技术

在无线通信中，精确地测量信号之间的相位差具有重要的意义。随着国防、科研、生产等各个领域的广泛发展，相位差测量逐步向高精度、高智能化的方向发展。微波相位检测器在相位调制器、相移键控(PSK)、锁相环(PLL)、微波定位、天线相位方向图的测试、近场诊断、测量各种微波器件的相位特性等等方面都有极其广泛的应用。

同时，对于传统基于MOS管的相位检测器而言，随着特征尺寸缩小至纳米量级，器件的短沟道效应变得越来越严重，漏电流的组成机制变得更为复杂，漏电功耗对工艺和温度的改变更加敏感，传统低功耗技术的有效性受到了很大局限。

本发明即是将传统MOS工艺与MEMS技术结合，设计了一种具有极低的栅极漏电流的悬臂梁可动栅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悬臂梁可动栅NMOS相位检测器，对于传统MOS管的相位检测器而言，栅极漏电流的存在增加了相位检测器的功耗。本发明解决了这些问题，使得漏电流得到有效的降低。此外，传统微波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，应用双悬臂梁可动栅选通不同通道的输入信号，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，当只有一个悬臂梁可动栅被下拉，其对应下方为反型层沟道；另外一个悬臂梁可动栅处于悬浮状态，对应下方为高阻区；有利于增大器件的反向击穿电压。

技术方案：本发明的硅基低漏电流双悬臂梁可动栅NMOS相位检测器是由双悬臂梁可动栅NMOS管和低通滤波器组成；该双悬臂梁可动栅NMOS管为增强型，基于Si衬底制造。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制悬臂梁。

本发明的硅基低漏电流双悬臂梁可动栅NMOS相位检测器由双悬臂梁可动栅NMOS管和低通滤波器构成，双悬臂梁可动栅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，悬臂梁可动栅的一端固定在锚区上，悬臂梁可动栅的另一端悬浮在栅氧化层上方，锚区制作在P型衬底上，下拉电极制作在双悬臂梁可动栅NMOS管栅氧化层的外侧，下拉电极上方是一层绝缘层，偏置电压经高频扼流圈输入悬臂梁可动栅上，下拉电极接地；NMOS管有源区位于栅氧化层的两旁并与引线连接。

所述的悬臂梁可动栅，其下拉偏置电压设计为等于双悬臂梁可动栅NMOS管的阈值电压；当悬臂梁可动栅上的电压小于阈值电压时，悬臂梁可动栅是悬浮在栅氧化层的上方，而只有在悬臂梁可动栅上的电压达到或大于阈值电压时悬臂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，从而使双悬臂梁可动栅NMOS管导通；

待测信号与参考信号通过两个悬臂梁可动栅输入，当两个悬臂梁可动栅都被下拉时，待测信号与参考信号通过双悬臂梁可动栅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；当双悬臂梁可动栅NMOS管的仅其中一个悬臂梁可动栅被下拉时，对应下方为反型层沟道；另外一个悬臂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悬臂梁可动栅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。

硅基低漏电流双悬臂梁可动栅NMOS相位检测器在工作中，由于悬浮悬臂梁可动栅的设计使得栅氧化层中的场强较小，直流漏电流大大减小，从而有效的降低 了功耗。

在本发明中，双悬臂梁可动栅NMOS管的栅极悬浮在栅氧化层的上方，与NMOS管栅氧化层外侧的下拉电极和绝缘层共同构成一个悬臂梁可动结构。悬臂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，只有偏置电压达到或大于阈值电压时，悬臂梁可动栅才会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，本发明的双悬臂梁可动栅NMOS管在工作中，悬浮状态时栅氧化层中的场强较小，因此直流漏电流也大大减小。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，应用双悬臂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，当只有一个悬臂梁可动栅被下拉，对应下方形成反型层沟道；另外一个悬臂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悬臂梁可动栅NMOS相位检测器在工作中能有效的减小栅极漏电流。从而使得漏电流功耗得到有效的降低。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，通过双悬臂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。而当只有一个悬臂梁可动栅被下拉时，其对应下方形成反型层沟道；另外一个悬臂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悬臂梁可动栅NMOS相位检测器的俯视图。

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

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

图4为图1双悬臂梁可动栅NMOS管的两个悬臂梁均下拉时的沟道示意图。

图5为图1双悬臂梁可动栅NMOS管的单个悬臂梁下拉时的沟道示意图。

图中包括：双悬臂梁可动栅NMOS管1，P型Si衬底2，输入引线3，栅氧化层4，悬臂梁可动栅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

本发明是由双悬臂梁可动栅NMOS管1与低通滤波器12级联构成，双悬臂梁可动栅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。栅极是悬浮在栅氧化层4的上方，形成悬臂梁可动栅5。悬臂梁可动栅5的两个锚区8制作在P型Si衬底2上。悬臂梁可动栅5的下拉电极6制作在悬臂梁可动栅5的正下方，NMOS栅氧化层4外侧。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输入悬臂梁可动栅5上，下拉电极6接地。

在本发明中悬臂梁可动栅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悬臂梁可动栅NMOS管工作中，在悬臂梁可动栅5上的电压小于阈值电压时，悬臂梁可动栅5是悬浮在栅氧化层4的上方，而只有在悬臂梁可动栅5上的电压达到或大于阈值电压时，悬臂梁可动栅5才会下拉到贴在栅氧化层上，栅氧化层下方产生沟道，从而使双悬臂梁可动栅NMOS管导通。

待测信号与参考信号通过两个悬臂梁可动栅5输入，通过控制悬臂梁可动栅5的下拉导通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所示当双悬臂梁可动栅NMOS管1的两个悬臂梁可动栅5都被下拉而导通时，双悬臂梁可动栅NMOS管1下方形成沟道，输入信号通过双悬臂梁可动栅NMOS管1实现信号相乘，经低通滤波器12后完成相位检测，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悬臂梁可动栅5，有较灵敏的控制作用；而待测信号u_ts接在较高的悬臂梁可动栅5；直流偏置应使双悬臂梁可动栅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)

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:

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，当双悬臂梁可动栅NMOS管1的仅其中一个悬臂梁可动栅5被下拉，其对应下方反型层沟道；另外一个悬臂梁可动栅5处于悬浮状态，对应下方为高阻区；从而形成一个反型层气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悬臂梁可动栅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)

本发明的双悬臂梁栅NMOS管1在工作中，悬臂梁可动栅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，因此直流漏电流也大大减小。

硅基低漏电流双悬臂梁可动栅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，使双悬臂梁可动栅NMOS管1为增强型；

8)沉积多晶硅，并光刻，保留输入引线3和悬臂梁的锚区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，仅保留悬臂梁可动栅5下方的牺牲层；

17)电镀蒸发生长Al；

18)涂覆光刻胶，保留悬臂梁上方的光刻胶；

19)反刻Al，形成悬臂梁可动栅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，形成悬浮的悬臂梁可动栅5；

23)将已制备的双悬臂梁可动栅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悬臂梁可动栅NMOS相位检测器能够有效的减小NMOS管在工作时的栅极漏电流，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。本发明的硅基双悬臂梁可动栅NMOS的相位检测器是由双悬臂梁可动栅的NMOS管和低通滤波器组成。双悬臂梁可动栅 NMOS管与传统的NMOS管的最大区别在于，双悬臂梁可动栅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悬臂梁可动结构。悬臂梁栅的下拉偏置电压设计为等于NMOS管的阈值电压。NMOS管的悬臂梁可动栅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上，而其他情况下都是悬浮的，所以栅氧化层中的场强较小。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，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，应用双悬臂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。

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

Claims (1)

1.一种硅基低漏电流双悬臂梁可动栅NMOS相位检测器，其特征在于该相位检测器由双悬臂梁可动栅NMOS管(1)和低通滤波器(12)构成，双悬臂梁可动栅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，悬臂梁可动栅(5)的一端固定在锚区(8)上，悬臂梁可动栅(5)的另一端悬浮在栅氧化层(4)上方，锚区(8)制作在P型衬底(2)上，下拉电极(6)制作在双悬臂梁可动栅NMOS管(1)栅氧化层(4)的外侧，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)输入悬臂梁可动栅(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；

所述的悬臂梁可动栅(5)，其下拉偏置电压设计为等于双悬臂梁可动栅NMOS管(1)的阈值电压；当悬臂梁可动栅(5)上的电压小于阈值电压时，悬臂梁可动栅(5)是悬浮在栅氧化层(4)的上方，而只有在悬臂梁可动栅(5)上的电压达到或大于阈值电压时悬臂梁可动栅(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，从而使双悬臂梁可动栅NMOS管(1)导通；

待测信号与参考信号通过两个悬臂梁可动栅(5)输入，当两个悬臂梁可动栅(5)都被下拉时，待测信号与参考信号通过双悬臂梁可动栅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)；当双悬臂梁可动栅NMOS管(1)的仅其中一个悬臂梁可动栅(5)被下拉时，对应下方为反型层沟道；另外一个悬臂梁可动栅(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悬臂梁可动栅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。