CN1330002C - 射频可变电容器的结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用CMOS工艺用以提高品质因数的射频(RF)可变电容器的结构以及制造这种射频可变电容器的方法。该RF可变电容器的电容可变范围在第一最小值和第一最大值之间，其结构包括第一电容器，该第一电容器的电容可变范围在大于第一最小值的第二最小值和大于第一最大值的第二最大值之间，还包括第二电容器，该第二电容器串联连接到第一电容器上，并具有固定值的电容。
Description
技术领域
本发明涉及一种可变电容器，更特别的，涉及一种在利用CMOS工艺时以提高品质因数的射频可变电容器的结构，和制造这种射频可变电容器的方法。
背景技术
在移动通信系统中，为了支持多个频带宽度设计了射频(RF)块，特别地，对应于每个频带宽度在直接与频带宽度相关的滤波器中应该使用具有不同电容值的可变电容器作为电容器。此外，作为RF块的一个部件的压控振荡器(VCO)调整施加到可变电容器上的电压以改变电容值，并由此来改变谐振频率。这样，可变电容器就成为可调滤波器或用于RF块的VCO中非常重要的元件。
同时，根据移动通信系统的近期趋势，已经开发了利用硅工艺技术的RF集成电路IC，而现在在设计RF IC时所面对的问题是如何在几十GHz的频带宽度中适当地模拟无源元件。特别地，很难使用如电感器和可变电容器这样的无源元件集成一个VCO。也就是说，如果在几十GHz的RF带宽中使用无源元件，就会使品质因数减小，并随着频率提高，由耦合效应和衬底上的集肤效应所带来的损耗就会增加。
为了解决这个问题，U.S.专利No.6,355,534公开了一种利用微机电系统(MEMS)技术实现可变电容器的方法。在U.S.专利No.6,355,534中公开的MEMS可变电容器使用空气作为电介体，因此具有高品质因数、宽调谐范围，并可以容易地实现对工艺或温度变化的补偿。此外，该MEMS可变电容器具有低相位噪声、非常低的介入损失和小的功率消耗。这样，该MEMS可变电容器就可以被用在需要宽动态范围的可调滤波器和需要低相位噪声的VCO中。
然而，尽管具有上述优点，但该MEMS可变电容器具有从至少5V到几十V的调谐电压。因此，很难在具有低功率消耗的元件中，特别是在用于CMOS和RF通信装置的低电压工作系统中使用该MEMS可变电容器。此外，而且，为了将MEMS可变电容器集成到CMOS RFIC中，还需要额外的处理，增加了成本。
发明内容
本发明提供了一种射频(RF)可变电容器的结构，其通过减小内部寄生电阻成分使在利用CMOS工艺的同时改善品质因数。
本发明还提供了一种制造具有上述结构的RF可变电容器的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种射频(RF)可变电容器的结构，其电容可变范围在第一最小值和第一最大值之间，该结构包括：第一电容器，其电容可变范围在大于第一最小值的第二最小值和大于第一最大值的第二最大值之间；和第二电容器，其串联连接到第一电容器上，并具有固定值的电容。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造射频(RF)可变电容器的方法，该射频可变电容器的电容可变范围在第一最小值和第一最大值之间，该方法包括：(a)利用MOS工艺形成第一电容器，该第一电容器的电容可变范围在大于第一最小值的第二最小值和大于第一最大值的第二最大值之间；和(b)形成第二电容器，该第二电容器串联连接到在步骤(a)中形成的第一电容器上，并具有固定值的电容。
最好，根据第一电容器的品质因数以及第二最小值和第二最大值之间的电容可变范围来确定第二电容器的电容。
附图说明
通过结合附图对本发明优选实施例的详细描述将使本发明的上述和其他方面和优点变得更明显，附图中：
图1是品质因数对频率的曲线图；
图2示意性地说明了根据本发明应用了射频(RF)可变电容器的装置结构；
图3说明了根据本发明在图2中所示的RF可变电容器的等效电路的例子；
图4是品质因数分别对根据本发明的可变电容器的频率和现有技术的可变电容器频率的曲线图；和
图5A和5B是在根据本发明的可变电容器和现有技术的可变电容器被分别提供给一个VCO时相位噪声对偏移频率的曲线图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细地描述本发明。
图1是品质因数对频率的曲线图。参考图1，随着频率增加，品质因数减小。
在电容器中，品质因数代表装置损耗程度，被表示为阻抗的虚数部分/阻抗的实数部分。这种情况下，虚数部分代表电容，实数部分代表电阻。超过几MHz频率的品质因数可以被简化为如公式1所示。
Q1/(2πfRC) ………(1)
这里，R代表电容器内的寄生电阻，C代表耗尽电容(depletion capacitance)和氧化电容(oxide capacitance)的组合。
公式1中，为了在射频(RF)带宽处得到高品质因数，应该减少电容器内的寄生电阻成分。
图2示意性地说明了根据本发明应用了射频(RF)可变电容器的装置结构。参考图2，该装置包括需要电容调谐的电路21和可变电容器单元23。这里，需要电容调谐的电路21包括RF滤波器、放大器或压控振荡器(VCO)。当需要电容的可变范围在第一最小值Cmin1和第一最大值Cmax1之间时，可变电容器单元23包括第一电容器25，其电容的可变范围在大于第一最小值Cmin1的第二最小值Cmin2和大于第一最大值Cmax1的第二最大值Cmax2之间，还包括第二电容器27，其串联连接到第一电容器25上，并具有固定值Cfix的电容，该固定值是根据第一电容器25的品质因数和在第二最小值与第二最大值之间的电容值的可变范围来确定的。
第一电容器25可以由CMOS电容器制造工艺来形成，第二电容器27可以由半导体制造工艺来形成，也就是说，从金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器、分形电容器或聚苯乙烯电容器中选出一种来形成。该MIM、分形或聚苯乙烯电容器是线性的，具有高品质因数，并且对温度变化的灵敏性低。
第二电容器27可以由附加的操作步骤来进行制造，这些附加的操作步骤包括在作为CMOS电容器的第一电容器25的栅电极或源/漏电极延伸出的栅、源/漏极线上覆盖一个绝缘层、覆盖一个导电层、产生一个感光耐蚀层(photoresist layer)、掩模以及蚀刻。当然，在制造第二电容器27的过程之前，要进行在栅极线或源/漏极线的一个预定部分用第一金属进行金属处理的步骤。钛(Ti)、铂(Pt)或银(Au)可以被用作第一金属。SiO2或SiN可以被用作绝缘层，银(Au)可以被用作导电层。
电容值正比于形成电容器的两块板的面积和两块板之间电介体的介电常数，反比于两块板之间的间隔。因此，可以通过采用改变两块板的面积或两块板之间的间隔或改变两块板之间的电介体的方法来进行几次调谐处理而得到第一和第二电容器25和27所期望得到的电容值。为了改变两块板之间的间隔或两块板的面积，可以使用利用静电功率法(electrostatic power method)、热力法(themal method)或电磁法的微致动器(microactuator)。特别地，第一电容器25通过增加面积来增大电容值。这样，如果第一电容器25的面积增加了，接头数量就会同时增加。这样，栅极电阻或源/漏极电阻以及沟道电阻彼此并联连接，就使得整个电阻被减小了。
与第一电容器25的栅电极或源/漏电极串联连接的第二电容器27的电容值是根据第一电容器25的品质因数和第二最小值Cmin2与第二最大值Cmax2之间的电容值可变范围来确定的。换句话说，如果第一电容器25的品质因数高，就不需要增大第一电容器25的面积。因此，具有小电容值的第二电容器27被连接到第一电容器25上。另一方面，如果第一电容器25的品质因数低，就应该增大第一电容器25的面积。因此，为了得到第一所需的最小值Cmin1和第一所需的最大值Cmax1，具有大电容值的第二电容器27被连接到第一电容器25上。
图3说明了根据本发明在图2中所示的RF可变电容器单元23的等效电路的例子。第一电容器25和第二电容器27的等效电路可以根据连接到该等效电路上的外围电路以不同的方式来实现。这里，图3示出了一个例子，该例子中第二电容器27串联连接到第一电容器25的栅电极上。
参考图3，第一电容器25包括电阻器R2、R3和R4，电容器C4、C5和C6以及电感器L2和L3。第二电容器27包括电阻器R1，电容器C1、C2和C3以及电感器L1。电阻器R1代表第二电容器27的串联寄生电阻，电容器C1代表第二电容器27的实际电容，电容器C2和C3代表衬底的寄生电容，以及电感器L1代表第二电容器27的串联寄生电感。其间，电阻器R2代表衬底的寄生电阻，电阻器R3代表MOS沟道电阻，电阻器R4代表源/漏电极(S/D)33的寄生电阻，电容器C4代表第一电容器25的实际可变电容，电容器C5代表衬底的寄生电容，电容器C6代表叠加电容，电感器L2代表栅电极(G)32的寄生电感，以及电感器L3代表源/漏电极(S/D)33的寄生电感。这里，附图标记31和33分别表示连接到需要电容调谐的电路21上的第一和第二电极端子。
寄生电阻和电容是根据本发明调整可变电容器单元23的品质因数的因素。如从上述结构中看到的，电容可变范围在大于第一所需最小值Cmin1的第二最小值Cmin2和大于第一所需最大值Cmax1的第二最大值Cmax2之间的第一电容器25，即电容器C4，和具有预定固定值Cfix电容的第二电容器27，即电容器C1彼此串联连接，使得可以得到在第一最小值Cmin1和第一最大值Cmax1之间的电容可变范围。
其间，第一电容器25的电阻器R3和R4对应于寄生电阻成分，第二电容器27的电阻器R1对应于寄生电阻成分。第二电容器27的寄生电阻成分比第一电容器25的寄生电阻成分小得多，因此可以忽略。因此，可以仅考虑第一电容器25的寄生电阻成分。与单个可变电容器被设计成电容可变范围在小于第二最小值Cmin2的第一最小值Cmin1和小于第二最大值Cmax2的第一最大值Cmax1之间的情况相比，电容可变范围在第二最小值Cmin2和第二最大值Cmax2之间的第一电容器25的电容增大的同时，电阻成分被减小到以与接头的数量成正比。因此，与使用单个可变电容器的情况相比，减小了作为第一电容器25的寄生电阻成分的电阻器R3和R4。
换句话说，如果作为可变电容器的第一电容器25被串联连接到作为固定电容器的第二电容器27上，则整个寄生电阻成分就减小了，从而品质因数提高了。
图4是品质因数分别对根据本发明的可变电容器频率和现有技术的可变电容器频率的曲线图。41代表现有技术的单个可变电容器，43代表根据本发明的可变电容器。参考图4，在根据本发明的可变电容器中，品质因数比现有技术的单个可变电容器的品质因数提高了大约三倍。
图5A和5B是在根据本发明的可变电容器和现有技术的可变电容器被分别提供给一个VCO时相位噪声对偏移频率的曲线图。在偏移频率为100kHz时图5A中的相位噪声为-80.64dBc，图5B中的相位噪声为-109.6dB。在使用根据本发明的可变电容器的VCO中，相位噪声比使用现有技术的单个可变电容器的VCO的相位噪声改善了大约30dBc。
这样，改善了在RF带宽处发生的可变电容器的低品质因数，因此，减小了形成负电阻的有源元件的互导(transconductance)。这样，可以减小由热噪声产生的VCO的相位噪声，并可以减小由RF收发器中的VCO带来的功率消耗。
如上所述，在根据本发明的可变电容器的结构中，减小了寄生电阻成分，使得品质因数得以提高，并可以减小需要使用可变电容器的结构进行电容调谐的电路的相位噪声和功率消耗。此外，用CMOS工艺制造可变电容器，使得很容易地使可变电容器作为具有另一个CMOS电路的一个芯片。
尽管已经参考优选实施例对本发明进行了详细地说明和描述，但本领域中的技术人员应当理解，在不脱离由所附的权利要求和其等效内容所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种改变。
Claims (9)
1.一种射频(RF)可变电容器的结构，该射频可变电容器的电容可变范围在第一最小值和第一最大值之间，该结构包括：
第一电容器，其具有可变的电容范围；和
第二电容器，其串联连接到第一电容器上，并具有固定值的电容，并且所述第二电容器的电容根据所述第一电容器的品质因数以及所述第一电容器的可变电容范围来确定。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，第一电容器包括MOS电容器。
3.如权利要求1所述的结构，其特征在于，从金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器、分形电容器或聚苯乙烯电容器中选出一种形成第二电容器。
4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，在第一电容器的栅电极上形成第二电容器。
5.如权利要求1所述的结构，其特征在于，在第一电容器的漏或源电极上形成第二电容器。
6.一种制造射频(RF)可变电容器的方法，该射频可变电容器的电容可变范围在第一最小值和第一最大值之间，该方法包括：
(a)利用MOS工艺形成第一电容器，该第一电容器具有可变的电容范围；和
(b)形成第二电容器，该第二电容器串联连接到在步骤(a)中形成的第一电容器上，并具有固定值的电容，并且所述第二电容器的电容根据所述第一电容器的品质因数以及所述第一电容器的可变电容范围来确定。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，从金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器、分形电容器或聚苯乙烯电容器中选出一种形成第二电容器。
8.如权利要求6所述方法，其特征在于，在第一电容器的栅电极上形成第二电容器。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在第一电容器的漏或源电极上形成第二电容器。
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