CN1828939A - 射频开关和将双栅晶体管修改成射频开关的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种把双栅晶体管修改成射频开关的方法和一种射频开关。该方法把第一信号输入附加到晶体管的第一栅极上，把第二信号输入附加到晶体管的源区或漏区上，把共用栅极接触附加到第一栅极和第二栅极上，把信号输出附加到晶体管的第二栅极上，把源/漏区接触附加到附加了第二信号输入的源或漏区上，以及调制施加给共用栅极和源/漏区接触的电压以控制射频开关。

Description

射频开关和将双栅晶体管修改成射频开关的方法
技术领域
本发明针对一种半导体结构，其包括用作射频混频器和开关的双栅结构。
背景技术
开关射频(rf)能量的装置对于芯片上无线应用来说是很重要的。射频开关的理想特性包括低损耗、高隔离、大的动态范围和低失真。随着晶体管设计的提高和发展，不同类型的晶体管的数量持续增加。例如，利用了鳍片形状沟道区的一种类型的晶体管称为鳍片型场效应晶体管(FinFET)，鳍片形状沟道区覆盖有栅极导体并具有用作源/漏区的鳍片的外部部分。在针对Hu等人(下文为“Hu”)的美国专利6,413,802中公开了这样一种FinFET，并且此文引入同一公开内容供参考。在美国专利公开号20030111686中公开了FinFET器件的双栅方案，此处引入供参考。近年来开发的另一种类型的晶体管是双栅金属氧化物半导体(MOS)晶体管，例如在美国专利公开号20040235283中公开的，此处也引入供参考。在射频器件领域中利用这种发展的晶体管技术是很有利的，下面描述的本发明针对这种优势。
发明内容
本发明提出了修改为射频混频器和开关的双栅晶体管结构。这些晶体管结构可以包括任何类型的晶体管、例如鳍片型场效应晶体管(FinFET)以及金属氧化物半导体(MOS)双栅晶体管。
FinFET实施例具有一鳍片，其具有在鳍片一端处的源区、在鳍片的相反端处的漏区以及在鳍片中心的沟道区。MOS实施例具有在源区和漏区之间的沟道区。在两种类型的实施例中，本发明包括位于沟道区的第一侧上的第一栅极以及位于与第一侧相反的沟道区的第二侧上的第二栅极。共用栅极接触还附加到第一栅极和第二栅极上。可选择地，分离的栅极接触可以用于修改晶体管的操作。第一信号输入附加到第一栅极上，而第二信号输入附加到源区或漏区上。并且，源/漏区接触连接附加了信号输入的源或漏区。可选择地，该结构可以仅包括单个源区或单个漏区，那么其连接第二输入信号。信号输出附加到第二栅极上。典型地，当装置用作射频混频器时，第一信号输入和信号输出包括射频信号，第二信号输入可以包括开关电压或第二射频输入。
本发明的方法实施例把任何双栅晶体管修改成射频开关。该方法把第一信号输入附加到晶体管的第一栅极上，把第二信号输入附加到晶体管的源区或漏区上，把共用栅极接触附加到第一栅极和第二栅极上，把信号输出附加到晶体管的第二栅极上，把源/漏区接触附加到附加了第二信号输入的源区或漏区上，以及调制施加给共用栅极和源/漏区接触的电压以控制射频开关。
由于通过第一信号输入和第二信号输入接收的不同射频信号混合的结果，信号输出产生一混合的信号。当共用栅极接触控制第一栅极和第二栅极的电压以小于增加了源/漏区接触的电压的沟道区的阈值电压时，射频开关导通。当共用栅极接触控制第一栅极和第二栅极的电压以大于增加了源/漏区接触的电压的沟道区的阈值电压时，射频开关截止。当射频开关截止时，射频开关不会把来自第一输入的信号传递给信号输出，而当射频开关导通时，射频开关把来自第一信号输入的射频信号传递给信号输出。当随时间改变第二信号输入、例如射频信号时，输出信号将包括第一信号输入和第二信号输入的乘积，由此“混合”两个信号输入。
当结合下列说明书和附图思考时，将更好地明白和理解本发明的这些和其它的方案和目的。然而，应明白，通过举例说明而非限制的方式，给出了说明本发明优选实施例和许多具体细节的下列说明书。可以在不脱离其精神的本发明的范围内做出许多变化和修改，并且本发明包括所有这样的修改。
附图说明
通过参考附图的下列详细说明中将更好地理解本发明，其中：
图1是双栅FinFET的示意图；
图2是双栅MOS晶体管的示意图；
图3是利用作为射频混频器和开关的晶体管的示意图；
图4示例了方法实施例的流程图。
具体实施方式
参考在附图中示例并在后面的说明书中详细说明的非限制性的实施例，更加充分地说明本发明及其各种特征和优势。应注意，不必按比例来描绘图中所示例的特征。省略公知部件和处理技术的说明，不至于不必要地搞混本发明。此处所使用的例子仅试图促进本发明可以实践的方法的理解以及进一步能够使本领域技术人员实践本发明。因此，不应构造例子来限制本发明的范围。
本发明提出了修改作为射频混频器和开关的双栅晶体管结构。这些晶体管结构可以包括任何类型的晶体管，此文介绍了包括鳍片型场效应晶体管(FinFET)和金属氧化物半导体(MOS)双栅晶体管的两个非限制性的例子以举例说明本发明。当此文利用两种类型的晶体管来举例时，本领域的普通技术人员应明白，本发明可应用于任何类型适合的晶体管，并且本发明不仅限于此处所讨论的两种类型的晶体管。
在图1和3中示例了FinFET实施例。这些实施例具有在绝缘衬底10上所形成的鳍片12。鳍片12具有在鳍片12一端处的源区20、在鳍片12的相反端处的漏区24、以及在鳍片中心中的沟道区22。图2和3中所示的MOS实施例具有在源区32和漏区34之间的沟道区42。图2中的零件44示例了底部栅极绝缘体。在两种类型的实施例中，本发明包括位于沟道区22、42的第一侧上的第一栅极14、36以及位于与第一侧相反的沟道区22、42的第二侧上的第二栅极16、38。图2最清楚地示例了栅极氧化物40，并且尽管其在图中不可能被看到，但在图1结构中的沟道区22的每侧上包括类似的栅极氧化物。
图3示意性地示例了FinFET和MOS器件两种。在图3中，栅极标注为54和56，沟道区或体区标注为52，以及漏区和源区标注为58和60。图3中所示的示意图意图应用于所有类型的双栅晶体管，例如图1和2中所示的FinFET和MOS晶体管。
共用栅极接触64附加到第一和第二栅极54、56上。第一信号输入50附加到第一栅极54上，而第二信号输入66附加到源区或漏区58上。并且，电压控制源/漏接触62连接附加了第二信号输入66的源或漏区58。信号输出68附加到第二栅极56上。
本发明的方法实施例把任何双栅晶体管修改成射频开关。如图4中的流程图形式所示，该方法把第一信号输入附加到晶体管的第一栅极上400，把第二信号输入附加到晶体管的源区或漏区上402，把共用栅极接触附加到第一栅极和第二栅极上404，把信号输出附加到晶体管的第二栅极上406，把源/漏区接触附加到附加了第二信号输入的源或漏区上408，以及调制施加给共用栅极和源/漏区接触的电压以控制射频开关410，如下所述。
沟道区或体区52足够薄和轻掺杂，以便当第一和第二栅极处于相对于源区和漏区测量的阈值电压以下的电势时充分耗尽多数载流子。从而，当栅极电压小于增加了源/漏区接触62的电压Vd的沟道区52的阈值电压Vt时，体区相当于绝缘电介质。
当共用栅极接触64控制第一栅极54和第二栅极56的电压Vg小于增加了源/漏区接触62的电压Vd的沟道区52的阈值电压Vt时，没有形成反型层，以及两个栅极通过充分耗尽的半导体体区相互电容性耦合，并且射频开关导通。当Vg＜Vd+Vt时，体区耗尽了全部自由载流子并实际上成为绝缘体。从而，只要射频导通，那么就在栅极之间形成了大电容量。
当共用栅极接触64控制第一栅极54和第二栅极56的电压Vg大于增加了源/漏区接触62的电压Vd的沟道区52的阈值电压Vt时，至少出现一反型层并且其电连接第二信号输入。反型载流子的存在使信号输出栅极56与第一信号输入栅极54屏蔽。当Vg＞Vd+Vt时，反型层形成在连接了n+周界(perimeter)的体区中。如果该n+周界处于固定的电势，那么通过两个反型层极大地衰减了一个栅极上的任何射频信号，相对的栅极出现非常小的耦合。于是开关断开。
在体区周界中是高掺杂的n+区的情况下，当Vg＜Vd+Vt时，薄半导体体区充分耗尽；而当Vg＞Vd+Vt时，薄半导体体区很强地反型而具有电子。本开关是双向的。此外，调制当被接近偏置Vt时的源区/漏区低于栅极电压，将产生射频混频器。当把第一频率的射频信号FIN施加给第一信号输入，把第二频率的第二射频信号FLO施加给第二信号输入时，信号输出将包括通过第一和第二信号输入数学乘积近似地给出的新信号，并将由通过FOUT＝N×FIN+M×FLO给出的二次频率的级数FOUT构成，其中N和M为任意整数。典型地，希望获得FOUT＝FIN+FLO或FOUT＝F1-F2以用于信号处理、例如中频处理、放大或检波，或用于合成新的频率，并通过公知的技术、例如高Q滤波器或数字信号处理从最终的信号输出中选择N×FIN和M×FLO的期望和或差。
当射频开关断开时，射频开关不会把来自第一信号输入50的信号传递给信号输出68，而当射频开关导通时，射频开关会把来自第一信号输入50的信号传递给信号输出68。当随时间改变第二信号输入、例如射频信号时，输出信号将包括第一信号输入和第二信号输入的乘积，由此“混合”两个信号输入。
当开关导通时，由于通过第一信号输入50(FIN)和第二信号输入66(FLO)接收的不同射频信号的混合的结果，信号输出68产生一混合的射频信号(FOUT)。根据输出信号的滤波的选择，射频信号的这种混合可以为增加了第二(FLO)信号的第一信号(FIN)或可以为减去了第二(FLO)信号的第一信号(FIN)，(FOUT＝FIN+/-FLO)。
本发明提供了用于射频CMOS技术中的高度集成的射频开关并通过单片制造实现了非常低成本实施的发送器、接收器和收发器。操作速度固有地良好匹配晶体管的速度，这源于相同或相似的双栅/鳍片型场效应晶体管。这通过高产量的结果而进一步减少成本。
按照优选实施例介绍了本发明时，本领域技术人员应认识到，可以通过在附加权利要求的精神和范围内的修改来实践本发明。

Claims (33)

1、一种射频开关，包括：
一鳍片，其具有在所述鳍片一端处的源区、在所述鳍片的相反端处的漏区以及在所述鳍片中心的沟道区；
位于所述沟道区的第一侧上的第一栅极；
位于与所述第一侧相反的所述沟道区的第二侧上的第二栅极；
附加到所述第一栅极上的第一信号输入；
附加到所述源区和所述漏区的所述之一上的信号频率输入；以及
附加到所述第二栅极上的信号输出。
2、根据权利要求1的射频开关，其中由于通过所述第一信号输入和所述第二信号输入接收的不同射频信号混合的结果，所述信号输出产生一混合的射频信号。
3、根据权利要求1的射频开关，进一步包括连接到附加了所述第二信号输入的所述源区和所述漏区之一的源/漏区接触。
4、根据权利要求3的射频开关，其中当所述第一栅极和所述第二栅极的电压小于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关导通。
5、根据权利要求4的射频开关，其中当所述射频开关截止时，所述射频开关不会把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
6、根据权利要求3的射频开关，其中当所述第一栅极和所述第二栅极的电压大于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关截止。
7、根据权利要求6的射频开关，其中当所述射频开关导通时，所述射频开关把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
8、一种射频开关，包括：
一鳍片，其具有在所述鳍片一端处的源区、在所述鳍片的相反端处的漏区以及在所述鳍片中心的沟道区；
位于所述沟道区的第一侧上的第一栅极；
位于与所述第一侧相反的所述沟道区的第二侧上的第二栅极；
附加到所述第一栅极和所述第二栅极上的共用栅极接触；
附加到所述第一栅极上的第一信号输入；
附加到所述源区和所述漏区的所述之一上的第二信号输入；以及
附加到所述第二栅极上的信号输出。
9、根据权利要求8的射频开关，其中由于通过所述第一信号输入和所述第二信号输入接收的不同射频信号混合的结果，所述信号输出产生一混合的射频信号。
10、根据权利要求8的射频开关，进一步包括连接到附加了所述第二信号输入的所述源区和所述漏区之一的源/漏区接触。
11、根据权利要求10的射频开关，其中当所述共用栅极接触控制所述第一栅极和所述第二栅极的电压以小于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关导通。
12、根据权利要求11的射频开关，其中当所述射频开关截止时，所述射频开关不会把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
13、根据权利要求10的射频开关，其中当所述共用栅极接触控制所述第一栅极和所述第二栅极的电压以大于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关截止。
14、根据权利要求13的射频开关，其中当所述射频开关导通时，所述射频开关把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
15、一种射频开关，包括：
一鳍片，其具有在所述鳍片一端处的源区、在所述鳍片的相反端处的漏区以及在所述鳍片中心的沟道区；
位于所述沟道区的第一侧上的第一栅极；
位于与所述第一侧相反的所述沟道区的第二侧上的第二栅极；
附加到所述第一栅极和所述第二栅极上的共用栅极接触；
附加到所述第一栅极上的第一信号输入；
附加到所述源区和所述漏区的所述之一上的第二信号输入；
连接到附加了所述第二信号输入的所述源区和所述漏区之一的源/漏区接触；以及
附加到所述第二栅极上的信号输出。
16、根据权利要求15的射频开关，其中由于通过所述第一信号输入和所述第二信号输入接收的不同射频信号混合的结果，所述信号输出产生一混合的射频信号。
17、根据权利要求15的射频开关，其中当所述共用栅极接触控制所述第一栅极和所述第二栅极的电压以小于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关导通。
18、根据权利要求15的射频开关，其中当所述射频开关截止时，所述射频开关不会把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
19、根据权利要求15的射频开关，其中当所述共用栅极接触控制所述第一栅极和所述第二栅极的电压以大于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关截止。
20、根据权利要求15的射频开关，其中当所述射频开关导通时，所述射频开关把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
21、一种射频开关，包括：
一金属氧化物半导体晶体管，其具有源区、漏区和沟道区；
位于所述沟道区的第一侧上的第一栅极；
位于与所述第一侧相反的所述沟道区的第二侧上的第二栅极；
附加到所述第一栅极上的第一信号输入；
附加到所述源区和所述漏区的所述之一上的第二信号输入；以及
附加到所述第二栅极上的信号输出。
22、根据权利要求21的射频开关，其中由于通过所述第一信号输入和所述第二信号输入接收的不同射频信号混合的结果，所述信号输出产生一混合的射频信号。
23、根据权利要求21的射频开关，进一步包括连接到附加了所述第二信号输入的所述源区和所述漏区之一的源/漏区接触。
24、根据权利要求23的射频开关，其中当所述第一栅极和所述第二栅极中的电压小于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关导通。
25、根据权利要求24的射频开关，其中当所述射频开关截止时，所述射频开关不会把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
26、根据权利要求23的射频开关，其中当所述第一栅极和所述第二栅极中的电压大于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关截止。
27、根据权利要求26的射频开关，其中当所述射频开关导通时，所述射频开关把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
28、一种把双栅晶体管修改成射频开关的方法，所述方法包括：
把第一射频输入附加到所述晶体管的第一栅极上；
把第二射频输入附加到所述晶体管的源区和漏区之一上；
把共用栅极接触附加到所述第一栅极和所述第二栅极上；
把信号输出附加到所述晶体管的第二栅极上；
把源/漏区接触附加到附加了所述第二信号输入的所述源区和所述漏区之一上；以及
调制施加给所述共用栅极接触和所述源/漏区接触的电压以控制所述射频开关。
29、根据权利要求28的方法，其中由于通过所述第一信号输入和所述第二信号输入接收的不同射频信号混合的结果，所述信号输出产生一混合的射频信号。
30、根据权利要求28的方法，其中，在所述调制期间，当所述第一栅极和所述第二栅极中的电压小于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关导通。
31、根据权利要求30的方法，其中，在所述调制期间，当所述射频开关截止时，所述射频开关不会把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
32、根据权利要求28的方法，其中，在所述调制期间，当在所述第一栅极和所述第二栅极中的电压大于增加了所述源/漏区接触的电压的所述沟道区的阈值电压时，所述射频开关截止。
33、根据权利要求32的方法，其中，在所述调制期间，当所述射频开关导通时，所述射频开关把来自所述第一信号输入的射频信号传递给所述信号输出。
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