CN105161798A - 硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器及制备方法，该滤波器结构基于P型Si衬底制作，其中组成开关电容滤波器的MOS开关具有一个悬浮在栅氧化层上的悬臂梁栅，该悬臂梁栅下方设有一个下拉电极，下拉电极接地，其上覆盖一层氮化硅介质层，两个NMOS开关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。只有当悬臂梁栅与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，悬臂梁栅极才会被吸附下来，NMOS管才导通，否则NMOS管截止。输入信号通过隔直电容C0与NMOS管的源极相连，通过电容C1的充放电向后级传输，时钟信号经过高频扼流圈L加载到NMOS管的悬臂梁栅上。
Description
技术领域
本发明提出了硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
开关电容滤波器是一种被广泛应用于通信电路系统中的信号处理电路，它能有效的处理模拟信号，无需进行A/D转换，设计简单，极大的提升了系统的可靠性，开关电容滤波器一般是由MOS开关、MOS电容和运算放大器构成的，由于MOS器件的优越特性，开关电容滤波器也具有速度快、集成度高、精度控制好等优点。但是随着集成电路的不断发展，人们对开关电容滤波器的要求也越来越高，传统的MOS开关也显露出了诸多问题，其中最主要的问题就是传统MOSFET器件的栅极漏电流，随着器件尺寸的不断缩小，栅极漏电流越来越显著，从而也导致了开关电容滤波器的功耗增加，这已经逐渐变成了一个人们不得不面对的问题。
随着MEMS技术的不断提高，一种具有MEMS悬臂梁可动栅结构的MOS开关就有效的解决了栅极漏电流的问题，将这种开关应用于开关电容滤波器将有效的增强滤波器的滤波性能，本发明就是在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开关电容滤波器。
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悬臂梁栅的开关电容滤波器及制备方法，通过控制MOS开关的悬臂梁栅来实现开关的导通与关断，这样经过电容的充放电与MOS放大器的运算来实现信号的滤波功能，在本发明的开关电容滤波器中，滤波器的中心频率仅取决于电容的比值和开关的时钟频率，滤波性能也与这两者有着密切的关系，因此选取适当的电容值和时钟频率就能得到人们所需求的开关电容滤波器。
技术方案：本发明的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器基于P型Si衬底制作，包括两个MOS开关管、MOS电容和运算放大器，P型Si衬底上设有锚区、悬臂梁栅、下拉电极、氮化硅介质层、NMOS管有源区、栅氧化层，其中，MOS开关管的栅极是由MEMS悬臂梁栅制作而成，通过一个锚区固定，横跨在整个栅氧化层上，锚区淀积在P型Si衬底上，在悬臂梁栅的下方还制作了一个下拉电极，分布在锚区与栅氧化层之间，下拉电极上覆盖有一层氮化硅介质层，第一NMOS开关管和第二NMOS开关管串联连接，与电容C1、C2和运算放大器共同构成开关电容滤波。
把NMOS管的栅极做成了悬臂梁结构，该悬臂梁结构包括锚区、悬臂梁栅、下拉电极、氮化硅介质层，并且悬臂梁栅上接有高频扼流圈L，NMOS开关管源极接有隔直电容C0，下拉电极是接地的，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。只有当NMOS管的悬臂梁栅与下拉电极之间的电压大于阈值电压时，悬浮的悬臂梁栅才会下拉使得NMOS管导通，否则NMOS管就截止。
第一NMOS开关管和第二NMOS开关管的悬臂梁栅上接有完全对称相反的时钟信号，这样第一NMOS开关管和第二NMOS开关管就会处于一开一关的状态，当第一NMOS开关管导通、第二NMOS开关管截止时，输入信号会向电容C1充电，当第一NMOS开关管截止、第二NMOS开关管导通时，电容C1就会向后级放电，再经过积分电路的运算实现信号的滤波功能，此开关电容滤波器的滤波性能仅取决于电容C1、C2的比值和开关频率。
信号的输入端是接NMOS管的源极，然后通过栅极的控制实现源极向漏极的传输，NMOS管源极和漏极是由有源区和接触孔共同构成。
NMOS管的栅极不是贴附在栅氧化层上的，它通过一个锚区固定，悬浮在栅氧化层上方，与栅氧化层之间有一层空隙，形成了独特的悬臂梁结构，该悬臂梁栅由Al制作，在悬臂梁的下方设计有一个下拉电极，分部在锚区与沟道之间，同时还有一层绝缘介质覆盖在下拉电极上，该下拉电极的作用就是用来控制悬臂梁栅的下拉与上升的，此处下拉电极是接地的，当正电压加到悬臂梁栅上时，由于下拉电极的吸附作用，悬臂梁栅就处于down态；而悬臂梁栅上无电压时，悬臂梁栅就处于up态，从而NMOS管就不断的导通与断开，通过对电容的不断充放电就实现了信号的滤波功能。
在该NMOS管的悬臂梁栅极上还各自接上了一个高频扼流圈，该高频扼流圈是为了防止输入交流信号通过悬臂梁栅极的耦合作用对栅极上的直流偏置产生影响，同时，输入交流信号也要通过一个隔直电容来防止栅极上的直流偏置通过悬臂梁栅极的耦合作用对输入信号的影响。
本发明的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器的制备方法如下：
1)准备P型Si衬底；
2)进行P型Si衬底的初始氧化，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，形成悬浮的悬臂梁栅。
在本发明中，开关电容滤波器的两个NMOS开关管具有MEMS悬臂梁结构的栅极，它与栅氧化层之间有一层空隙，悬臂梁栅下方设有一个下拉电极，下拉电极接地，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。只有当悬臂梁栅极与下拉电极间的电压大于阈值电压时，悬臂梁栅极才能下拉并贴至栅氧化层上，MOS管才能导通，否则MOS管处于截止状态，正是因为MOS管独特的悬臂梁栅极结构，使得栅极漏电流大大减小，开关电容滤波器的微功耗也得到降低。
有益效果：本发明的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器具有可浮动的悬臂梁栅，它不仅结构简单、集成度高，而且在栅极漏电的控制方面有很好的效果，这使得开关电容滤波器的滤波性能更加优越。
附图说明
图1为本发明的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器的原理图
图2为本发明的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器的俯视图
图3为图2硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器的P-P’向的剖面图
图4为图2硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器的A-A’向的剖面图
图中包括：运算放大器1，P型Si衬底2，引线3，接触孔4，锚区5，悬臂梁栅6，下拉电极7，氮化硅介质层8，NMOS管有源区9，栅氧化层10，第一NMOS开关管11，第二NMOS开关管12，高频扼流圈L，隔直电容C0，电容C1、C2。
具体实施方案
本发明的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器是基于P型Si衬底2制作的，两个开关是由NMOS管构成，该NMOS管由源极、漏极、锚区5、悬臂梁栅6、下拉电极7和氮化硅介质层8所组成。
NMOS管的源极和漏极分别作为输入和输出，两个NMOS开关管串联相接，中间并联接有接电容C1，输入信号就是通过这两个开关的通与断使电容不断充放电，从而使得信号向后传输并实现滤波功能。
这两个NMOS管的悬臂梁栅6是横跨在栅氧化层10上的，在悬臂梁栅6的下方存在着一个下拉电极7，分布在锚区5与沟道之间，其上覆盖有氮化硅介质层8，而锚区5是淀积在P型Si衬底2上的，时钟信号通过高频扼流圈L加到悬臂梁栅6上，实现两个NMOS管的一通一断，而输入信号通过一个隔直电容C0接到NMOS管的源极，经过不断的充放电与运算放大器1的运算实现了滤波功能，其滤波特性仅取决于电容C1、C2的比值和时钟频率fc，因此根据不同的滤波性能可以选取不同的参数值。
本发明的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器的制备方法为：
1)准备P型Si衬底2；
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7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7；
8)沉积氮化硅并光刻氮化硅，保留下拉电极7上的氮化硅介质层8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，去除悬臂梁的锚区5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5；
15)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在P型Si衬底2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6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6上方的光刻胶；
18)反刻Al，形成悬臂梁栅极6；
19)涂覆光刻胶，光刻出磷的注入孔，注入磷，形成NMOS管有源区9；
20)光刻并刻蚀接触孔4、引线3；
21)释放聚酰亚胺牺牲层，形成悬浮的悬臂梁栅6；
本发明的不同之处在于：
本发明的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器具有MEMS悬臂梁栅极结构，该悬臂梁栅极通过锚区悬浮在栅氧化层上方，在悬臂梁栅下有一个下拉电极，该下拉电极接地。两个NMOS开关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。当悬臂梁栅极与下拉电极的电压大于阈值电压时，悬臂梁栅下拉并吸附至栅氧化层上，从而导致MOS管导通，否则MOS管就截止，该开关电容滤波器由于其独特的悬臂梁栅极结构，使得栅极漏电流有效的降低，直流功耗也得到减小。
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栅的开关电容滤波器。
Claims (2)
1.一种硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器，其特征在于该滤波器基于P型Si衬底(2)制作，包括两个MOS开关管、MOS电容和运算放大器，P型Si衬底(2)上设有锚区(5)、悬臂梁栅(6)、下拉电极(7)、氮化硅介质层(8)、NMOS管有源区(9)、栅氧化层(10)，其中，MOS开关管的栅极是由MEMS悬臂梁栅(6)制作而成，通过一个锚区(5)固定，横跨在整个栅氧化层(10)上，锚区(5)淀积在P型Si衬底(2)上，在悬臂梁栅(6)的下方还制作了一个下拉电极(7)，分布在锚区(5)与栅氧化层(10)之间，下拉电极(7)上覆盖有一层氮化硅介质层(8)，第一NMOS开关管(11)和第二NMOS开关管(12)串联连接，与电容C1、C2和运算放大器(1)共同构成开关电容滤波。
2.一种如权利要求1所述的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器的制备方法，其特征在于本发明的硅基低漏电流悬臂梁栅的开关电容滤波器的制备方法如下：
1.准备P型Si衬底；
2.进行P型Si衬底的初始氧化，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；
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