CN105140226A - 硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门 - Google Patents
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Abstract
硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门，其特征在于该与非门由两个NMOS管(10)和一个电阻R串联所构成，整个结构基于P型Si衬底(1)上制作，这两个NMOS管(10)均具有悬臂梁浮动栅(4)，该悬臂梁浮动栅(4)由Al制作，其一端固定在锚区(2)上，另一端横跨在栅氧化层(9)上方，在悬臂梁浮动栅(4)下方有两个下拉电极(5)，分布在锚区(2)与栅氧化层(9)之间，下拉电极(5)是接地的，其上还覆盖有氮化硅介质层(6)；第一输入信号(A)接一个NMOS管(10)的悬臂梁浮动栅(4)，第二输入信号(B)接另一个NMOS管(10)的悬臂梁浮动栅(4)，信号输出端(Vout)为NMOS管(10)与电阻R之间，这种结构具有低漏电流、低功耗的特点。
Description
技术领域
本发明提出了硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
在数字集成电路中，与非门逻辑电路是一种最为常见的逻辑电路之一，它以结构简单、易于集成、速度快等诸多优点而被广泛应用于各种集成电路中。与非门可以看做是与门和非门的叠加，有两个输入一个输出，若输入均为高电平‘1’时，则输出为低电平‘0’，若输入中至少有一个为低电平‘0’，则输出为高电平‘1’，这种简单的逻辑变换实际上是靠MOS器件的开关特性实现的，但是随着集成电路规模的不断增大、集成度不断提高以及芯片面积的不断缩小，MOS器件的开关特性受到了很大的影响，其中最主要的问题就是传统MOS器件的栅极存在漏电流，这就导致了与非门器件的直流功耗变大了，对于器件乃至整个系统都有着不可忽略的影响。
随着MEMS技术的不断深入发展，一种具有MEMS悬臂梁浮动栅的MOS管能够有效的解决栅极漏电流的问题，如果将这种具有低漏电流、低直流功耗的MOS管应用于与非门逻辑电路，这对于整个系统而言能够大大改善功耗过大的问题，本发明在Si衬底上设计了一种具有极小的栅极漏电流的悬臂梁栅的与非门。
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悬臂梁浮动栅的与非门，在理想情况下，MOS开关器件的栅极电流应为零，然而由于栅氧化层厚度很小，导致了栅极漏电流的存在，而栅极漏电流会使与非门器件的直流功耗大大增加，对于拥有大量此类逻辑器件的系统，这种情况就更加严重了，会导致系统的瘫痪和损坏，而本发明就极为有效的降低了与非门逻辑器件中的栅极漏电流，从而很好的降低了与非门器件的直流功耗。
技术方案：本发明的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门由两个NMOS开关管和一个电阻R串联所构成，整个结构基于P型Si衬底上制作，这两个NMOS开关管均具有悬臂梁浮动栅，该悬臂梁浮动栅由Al制作，其一端固定在锚区上，另一端横跨在栅氧化层上方，在悬臂梁浮动栅下方有两个下拉电极，分布在锚区与栅氧化层之间，下拉电极是接地的，其上还覆盖有氮化硅介质层；第一输入信号接一个NMOS开关管的悬臂梁浮动栅，第二输入信号接另一个NMOS开关管的悬臂梁浮动栅，信号输出端为NMOS开关管与电阻R之间，这种结构具有低漏电流、低功耗的特点。
两个NMOS开关管的阈值电压设计为相等，而悬臂梁浮动栅的下拉电压设计为与NMOS管的阈值电压相等，只有当NMOS管的悬臂梁浮动栅与下拉电极间的电压大于阈值电压时，悬浮的悬臂梁浮动栅才会下拉贴至栅氧化层上使得NMOS管导通，否则NMOS管就截止。
两个NMOS开关管的悬臂梁浮动栅上都存在高电平时，NMOS管的悬臂梁浮动栅就会下拉并使其导通，此时输出低电平；当两个NMOS管的悬臂梁浮动栅上分别出现一高电平和一低电平时，只有一个NMOS管的悬臂梁浮动栅会下拉，电路无法形成通路，此时输出高电平；当两个NMOS管的悬臂梁浮动栅上都存在低电平时，NMOS管的悬臂梁浮动栅还是处于悬浮状态，没有导通，因此输出高电平。
在本发明中，与非门内部结构中的两个开关都是用具有MEMS悬臂梁浮动栅结构的NMOS管制作的，这两个NMOS管的阈值电压设计为相等，而悬臂梁栅的下拉电压设计为与NMOS管的阈值电压相等。NMOS管的悬臂梁栅是悬浮在栅氧化层上方的，通过锚区固定住，由于下拉电极接地，只有当悬臂梁栅与下拉电极间的电压大于阈值电压时，悬臂梁栅才会吸附下来并贴至氧化层上，从而使得NMOS管导通，否则NMOS管就截止，该NMOS管的悬臂梁结构使得栅极泄漏电流大大减小，从而降低了直流功耗。
有益效果：本发明的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门具有可以上下浮动的悬臂
梁栅极，这种结构大大的减小了与非门MOS开关的栅极漏电流，从而降低了与非门电路的直流功耗，提高了系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门示意图，
图2为本发明的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门的内部原理图，
图3为本发明的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门的俯视图，
图4为图3硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门的P-P’向的剖面图，
图5为图3硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门的A-A’向的剖面图。
图中包括：NMOS开关管1，P型Si衬底2，引线3，接触孔4，锚区5，悬臂梁浮动栅6，下拉电极7，氮化硅介质层8，NMOS管有源区9，栅氧化层10，电阻R。
具体实施方式
本发明的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门主要是由两个NMOS开关管和一个电阻串联相接而成的，其中NMOS开关管采用了一种独特的MEMS悬臂梁浮动栅结构。整个与非门结构是基于Si衬底制作的，其中NMOS开关管的栅极并不是贴附在栅氧化层上的，而是悬浮在氧化层上方的悬臂梁结构，该悬臂梁由Al制作，在悬臂梁栅下方还设有两个下拉电极，用于吸附悬臂梁，该下拉电极是接地的。
在与非门逻辑电路中，这两个NMOS开关管是串联连接的，其中一个NMOS开关管的漏极通过一个高阻值的电阻R连接到电源VCC上，另一个NMOS开关管的源极接地，取NMOS开关管与电阻R之间一点作为输出端Vout，从而构成与非门电路。当两个NMOS开关管的悬臂梁浮动栅上都加载有高电平‘1’时，由于下拉电极接地，从而使得NMOS开关管的悬浮栅极被下拉电极吸附并贴至栅氧化层上，此时两个NMOS开关管均导通，由于电阻R的分压作用使得输出端为低电平‘0’；当其中一个NMOS开关管的悬臂梁浮动栅上加载高电平‘1’、而另一个NMOS开关管的悬臂梁浮动栅上加载低电平‘0’时，使得一个NMOS管导通，另一个NMOS开关管截止，整个电路没有形成通路，所以输出端为高电平‘1’；当两个NMOS开关管的悬臂梁浮动栅上都加载有低电平‘0’时，两个NMOS开关管的悬浮栅极都不会被下拉，使得两个NMOS开关管均是截止状态，整个电路并没有形成通路，所以输出端为高电平‘1’。此处的高电平‘1’是大于NMOS开关管的阈值电压绝对值的电源电压，可根据需要设置为相应的值，而低电平‘0’即是地。
本发明的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门是基于P型Si衬底2制作的，开关是由NMOS开关管构成，而这两个NMOS管的栅极是悬浮在栅氧化层10上方的悬臂梁栅6，并且由Al制作，悬臂梁栅6是通过锚区5固定住的，在悬臂梁栅6的下方淀积有一个下拉电极7，它分布在锚区5与NMOS开关管有源区9之间，其上覆盖有氮化硅介质层8，该下拉电极是接地的，这两个独特结构的NMOS管1串联连接并与电阻R共同构成了与非门电路。
本发明的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门的制备方法为：
1)准备P型Si衬底；
2)进行P型Si衬底2的初始氧化，形成一层SiO2层；
3)去除表面氧化层，提供平整的硅表面；
4)底氧生长；
5)涂覆光刻胶，去除下拉电极处的光刻胶；
6)淀积一层多晶硅，其厚度约为0.3μm；
7)去除剩余光刻胶以及光刻胶上的多晶硅，形成下拉电极；
8)沉积氮化硅并光刻氮化硅，保留下拉电极上的氮化硅介质层和有源区的氮化硅；
9)进行场氧化；
10)去除底氧层和有源区的氮化硅；
11)进行栅氧化，并对有源区进行氧化，生长一层氧化层；
12)涂覆光刻胶，去除悬臂梁栅的锚区位置的光刻胶；
13)淀积一层多晶硅，其厚度约为0.3μm；
14)去除剩余光刻胶以及光刻胶上的多晶硅，形成多晶硅锚区；
15)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在Si衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁栅下方的牺牲层；
16)蒸发淀积Al，形成悬臂梁图形；
17)涂覆光刻胶，保留悬臂梁栅上方的光刻胶；
18)反刻Al，形成悬臂梁栅极；
19)涂覆光刻胶，光刻出磷的注入孔，注入磷，形成NMOS管有源区；
20)光刻并刻蚀接触孔、引线；
21)释放聚酰亚胺牺牲层，形成悬浮的悬臂梁浮动栅；
本发明的不同之处在于：
在本发明中，构成与非门结构的两个开关是由NMOS开关管构成的，它们串联相接，该NMOS开关管的栅极并不是如传统MOS管一样贴附在栅氧化层上，而是悬浮在氧化层上方的悬臂梁结构，两个NMOS开关管的阈值电压设计为相等，悬臂梁栅的下拉电压设计为MOS管的阈值电压，当悬臂梁栅与下拉电极间的电压大于NMOS开关管的阈值电压时，悬臂梁栅才会下拉贴至栅氧化层上，从而使得NMOS开关管导通，否则NMOS开关管截止。由于NMOS开关管的悬臂梁浮动栅的存在，使得栅极漏电流大大降低，直流功耗也进一步减小。
满足以上条件的结构即视为本发明的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门。
本发明图1中的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门的符号和真值表：
Claims (3)
1.一种硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门，其特征在于该与非门由两个NMOS开关管(1)和一个电阻R串联所构成，整个结构基于P型Si衬底(2)上制作，这两个NMOS开关管(1)均具有悬臂梁浮动栅(6)，该悬臂梁浮动栅(6)由Al制作，其一端固定在锚区(5)上，另一端横跨在栅氧化层(8)上方，在悬臂梁浮动栅(6)下方有两个下拉电极(7)，分布在锚区(5)与栅氧化层(10)之间，下拉电极(7)是接地的，其上还覆盖有氮化硅介质层(8)；第一输入信号(A)接一个NMOS开关管(1)的悬臂梁浮动栅(6)，第二输入信号(B)接另一个NMOS开关管(1)的悬臂梁浮动栅(6)，信号输出端(Vout)为NMOS开关管(1)与电阻R之间，这种结构具有低漏电流、低功耗的特点。
2.根据权利要求1所述的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门，其特征在于两个NMOS开关管(1)的阈值电压设计为相等，而悬臂梁浮动栅(6)的下拉电压设计为与NMOS管的阈值电压相等，只有当NMOS管的悬臂梁浮动栅(6)与下拉电极间的电压大于阈值电压时，悬浮的悬臂梁浮动栅(6)才会下拉贴至栅氧化层上使得NMOS管导通，否则NMOS管就截止。
3.根据权利要求1所述的硅基低漏电流悬臂梁浮动栅的与非门，其特征在于两个NMOS开关管的悬臂梁浮动栅(6)上都存在高电平时，NMOS管的悬臂梁浮动栅(6)就会下拉并使其导通，此时输出低电平；当两个NMOS管的悬臂梁浮动栅(6)上分别出现一高电平和一低电平时，只有一个NMOS管的悬臂梁浮动栅(6)会下拉，电路无法形成通路，此时输出高电平；当两个NMOS管的悬臂梁浮动栅(6)上都存在低电平时，NMOS管的悬臂梁浮动栅(6)还是处于悬浮状态，没有导通，因此输出高电平。
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