SE527215C2 - Integrerad omkopplingsanordning - Google Patents

Description

(TI FJ 'Q F ...s G1 mance CMOS-SOI antenna switch for the 2.5-5-GHz band", Solid- State Circuits, IEEE Journal of, volym 38, utgåva: 7, juli 2003, sid. 1279-1283.

För lägsta systemkostnad med den ökade komplexiteten hos elek- troniska system föredrages även att de analoga delarna inne- fattande frekvenssyntes integreras i CMOS-integrerade kretsar utan några ändringar i CMOS-processen.

Redogörelse för uppfinningen PIN-dioder som nämnts ovan är med enkelhet tillgängliga i bi- polära eller BiCMOS-processer. Sådana PIN-dioder är emellertid svåra att framställa i CMOS-processer medan goda signalegen- skaper bibehålls, vilka processer föredras för fler och fler RF-kretsar.

MOS-varaktorer, t.ex. de som beskrivs av P. Andreani och S.

Mattisson, "On the Use of MOS Varactors in RF VCO's", IEEE Jornal of Solid-State Circuits, volym 35, nr 6, juni 2000, sid. 905 och av A. Litwin och S. Mattisson i U.S. patent nr 6 100 770 och kopplade, såsom varaktorerna beskrivna i EP 0 978 949 A1, har en begränsad kvot mellan minimi- och maximi- kapacitans. Detta kommer i sin tur att orsaka antingen otill- räcklig isolation eller för hög impedans i signalbanan, bero- ende på varaktorns storlek.

Det är följaktligen ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en monolitiskt integrerad MOS-varaktorbaserad om- kopplingsanordning, som sörjer för hög kapacitanskvot mellan ackumulations- och utarmningsmod.

Det är i detta avseende ett särskilt syfte med uppfinningen att åstadkomma en sådan varaktorbaserad omkopplingsanordning, som har en högre kapacitanskvot än bulkbaserade anordningar enligt teknikens ståndpunkt.

Det är ytterligare ett syfte med uppfinningen att åstadkomma en sådan varaktorbaserad omkopplingsanordning, som har en max- imal kapacitans satt av styrets oxidtjocklek och en minimal kapacitans nära noll.

Det är ännu ett syfte med föreliggande uppfinning att åstad- komma en sådan varaktorbaserad omkopplingsanordning, som när den framställs i en känd CMOS- eller BiCMOS SOI-process inte behöver några ytterligare processteg.

Det är ytterligare ett syfte med uppfinningen att åstadkoma en radiokommunikationsterminalanordning innefattande en mono- litiskt integrerad MOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning, som uppfyller de ovannämnda syftena.

Det är ännu ett syfte med uppfinningen att åstadkomma en an- tennanordning innefattande en antenn kapabel att kunna kopplas om och en monolitiskt integrerad MOS-varaktorbaserad omkopp- lingsanordning åstadkommen för att koppla om antennen, vilken varaktorbaserad omkopplingsanordning uppfyller de ovan nämnda syftena.

Dessa syften uppnås enligt föreliggande uppfinning medelst mo- nolitiskt integrerade MOS-varaktorbaserade omkopplingsanord- ningar, radiokommunikationsterminalanordningar och antennan- ordningar i enlighet med bifogade patentkrav.

Enligt en första aspekt på föreliggande uppfinning åstadkommas en monolitiskt integrerad MOS-varaktorbaserad omkopplingsan- ordning innefattande ett styre ovanpå ett SOI-substrat (SOI, silicon-on-insulator), kontaktområden i SOI-substratet på var sida om styret och ett brunnområde under styret, vilket sam- mankopplar kontaktområdena, varvid kontaktområdena är åtskil- da, företrädesvis medelst ett avstånd av åtminstone 10 nm, från styret i ett horisontellt eller lateralt plan, d.v.s. det finns åtminstone 10 nm mellan vart och ett av kontaktområdena och styret, såsom sett från ovan. Företrädesvis är kontaktom- rådena och brunnområdet dopade till samma dopningstyp, t.ex. n-typ.

Brunnområdet upptar hela tjockleken av kislet på isolatorn och begränsas således nedåt av SOI-substratets isolatorskikt. Fö- reträdesvis har brunnområdet en vald dopämneskoncentration och en tjocklek av mindre än 200 nm för att tillhandahålla full- ständigt utarmade SOI-tillverkade anordningar.

Den MOS-varaktorbaserade omkopplingsanordningen enligt uppfin- ningen har en minimal överlappskapacitans mellan styret och kontaktområdena. Varaktorn är konstruerad så att brunnområdet under styret kan utarmas fullständigt, medan franskapacitansen mellan styret och kontaktområdena effektivt lämnas som den enda styre-till-kiselkapacitansen.

Den uppfinningsenliga SOI- och MOS-varaktorbaserade omkopp- lingsanordningen har en mycket stor kapacitanskvot mellan ac- kumulations- och utarmningsmod jämfört med bulkanordningar. I ackumulationsmod definieras den maximala kapacitansen av sty- rets oxidtjocklek. I utarmningsmod är den vertikala kapacitan- sen nästan noll, eftersom den begravda oxiden typiskt är två storleksordningar tjockare än styreoxiden. Således erhålls en varaktorbaserad omkopplingsanordning med en mycket hög minimi- till-maximi-kapacitansskvot och effektiv mikrovågsomkoppling möjliggörs.

Enligt en andra aspekt på föreliggande uppfinning åstadkommas en radiokommunikationsterminalanordning innefattande den ovan 527 215 beskrivna monolitiskt integrerade, MOS-varaktorbaserade om- kopplingsanordningen.

Enligt en tredje aspekt på föreliggande uppfinning åstadkommes en antennanordning kapabel att kunna omkopplas och den ovan beskrivna monolitiskt integrerade, MOS-varaktorbaserade om- kopplingsanordningen inrättad att koppla om antennanordningen.

Ytterligare kännetecken hos uppfinningen och fördelar med den- samma komer att bli uppenbara från den detaljerade beskriv- ningen av föredragna utföringsformer av föreliggande uppfin- ning givna här nedan och de medföljande figurerna l-2, vilka endast ges i illustrerande syfte och skall således inte vara begränsande för föreliggande uppfinning.

Kort beskrivning av ritninqarna Figurerna 1 och 2 är kraftigt förstorade tvärsektionsvyer av en del av en halvledarstruktur innefattande en delvis fram- ställd MOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning enligt en fö- redragen utföringsform av föreliggande uppfinning.

Figurerna 3 och 4 illustrerar schematiskt en radiokommunika- tionsterminalanordning respektive en antennanordning enligt ytterligare föredragna utföringsformer av föreliggande uppfin- ning.

Qgtgljerad beskrivning av föredragna utföringsformer En halvledarstruktur visas i figur 1 i tvärsektion. Ett van- ligt SOI-struktursubstrat 11 innefattar ett begravt kiseloxid- skikt BOX och ett monokristallint kiselskikt därpå. Det mono- kristallina kiselskiktet är ett tunt skikt som företrädesvis har en tjocklek av mindre än omkring 200 nm för att fulltstän- digt utarmade eller delvis utarmade MOS-anordningar skall kun- na framställas. 527 P J ...fx C31 Grunda diken eller andra isolationsomrâden 12 är bildade i SOI-substratets 11 monokristallina kiselskikt för att omge den uppfinningsenliga MOS-varaktorbaserade omkopplingsanordningen.

Isolationsområden 12, vilka företrädesvis är bildade genom maskning och etsning, är fyllda med isolerande material. På grund av det monokristallina kiselskiktets lilla tjocklek räcker isolationsområdena 12 ned till det begravda kiseloxid- Skiktet BOX .

Ett n-brunnområde 13 är bildat i SOI-substratets 11 monokris- tallina kiselskikt medelst dopning av det monokristallina ki- selskiktet till t.ex. n-typ. Ovanpå n-brunnområdet 13 är ett styre, innefattande ett halvledarstyreskiktområde 15 ovanpå ett isolerande styreskiktområde 14, bildat.

På motsatta sidor om n-brunnområdet 13 är kraftigt n-typsdopade kontaktområden 17, 18 bildade i SOI-substratets 11 monokristallina kiselskikt. Dessa kontaktområden 17, 18 motsvarar emitter- och kollektorområden hos en MOS-transistor.

Enligt föreliggande uppfinning sträcker sig n-brunnområdet 13 lateralt ordentligt bortom styret åtminstone i riktningarna mot kontaktområdena 17, 18 och som ett resultat är kontaktom- rådena 17, 18 lateralt separerade från styret, företrädesvis medelst ett avstånd av åtminstone 10 nm. Ovanpå SOI-substratet 11 på motsatta sidor om styret finns en isolerande utsidig si- doväggsspacer 16 för att erbjuda isolation mellan styret och kontaktområdena 17, 18.

Ett schematiskt visat anslutningsdon 19 anslutet till styret och ett likaledes schematiskt visat anslutningsdon 20, vilket kortsluter kontaktområdena 17, 18, illustreras även i figur 1.

Kontaktområdena 17, 18 är kortslutna antingen medelst externa metallanslutningar eller genom att vara i fysisk kontakt vid åtminstone en av styrets ändar. 527 215 7 Varaktorn framställs genom använda processteg vanliga i en CMOS-process på SOI. Konstruktionen är liknande en NMOS- transistor med undantaget att p-brunnen är utbytt mot en n-brunn och att LDD-utsträckningarna (LDD, Lightly Doped Dra- in) blockeras vid implantationssteget för att bilda den late- rala separationen mellan styret och kontaktområdena 17, 18.

Det monokristallina kiselskiktets tjocklek och dopningsnivå väljes för att tillåta n-brunnen under styret att bli full- ständigt utarmad när en förutbestämd positiv spänning V+ an- bringas på kontaktområdena 17, 18 och en negativ spänning V- anbringas på styret. Tjockleken är företrädesvis mellan 30 och 200 nm. Ett tvärsnitt av halvledarstrukturen i fullständigt utarmat tillstånd visas i figur 2.

En väldigt låg parasitisk resistans erhålls genom att hålla transistorstyrets längd kort och genom att hålla styrebredden relativt smal. En stor kapacitans bildas sedan genom att ett flertal varaktorer ansluts parallellt för att erhålla den öns- kade totala kapacitansen, även om varaktorns totala yta kommer att öka genom att göra så.

Det finns många fler möjliga sätt att realisera en MOS-varak- torbaserad omkopplingsanordning genom att använda CMOS-pro- cessteg. I en alternativ föredragen utföringsform av förelig- gande uppfinning ändras dopningstypen i varaktorn från n- till p-typ för att erhålla en p-typsackumulationsvaraktoranordning.

En föredragen utföringsform av en radiokommunikationsterminal- anordning 31 innefattande den monolitiskt integrerade MOS- varaktorbaserade omkopplingsanordningen i figurerna 1-2 visas schematiskt i figur 3. Den monolitiskt integrerade MOS-varak- torbaserade omkopplingsanordningen i figurerna 1-2 är företrä- desvis inrättad att omkoppla en antenn hos radiokommunika- tionsterminalanordningen 31.

CT! PJ \'l k) -_..\ bï En föredragen utföringsform av en antennanordning 41 innefat- tande en antenn 42 kapabel att kunna omkopplas och den monoli- tiskt integrerade MOS-varaktorbaserade omkopplingsanordningen i figurerna 1-2 verksam för att omkoppla antennanordningen il- lustreras schematiskt i figur 4, varvid varaktoromkopplingsa- nordningen betecknas med 43. I en version av utföringsformen i figur 4 är den monolitiskt integrerade MDS-varaktorbaserade omkopplingsanordningen i figurerna 1-2 inrättad att omkoppla antennen mellan sändande och mottagande tillstånd.

Det skall inses att medan den MOS-varaktorbaserade omkopp- lingsanordningen enligt föreliggande uppfinning primärt är av- sedd för radiofrekvensantennanordningar och radiokommunika- tionsterminalanordningar, kan den likaledes vara användbar i andra tillämpningar i kisel eller andra integrerade halvledar- kretsar.

Claims (17)

527 215 9 Patentkrav

1. Monolitiskt integrerad MOS-varaktorbaserad omkopplings- anordning innefattande: ett SOI-substrat (SOI, Silicon-On-Insulator) (ll), - ett styre ovanpå nämnda SOI-substrat, där nämnda styre innefattar ett halvledarskiktområde (15) ovanpå ett isolationsskiktområde (14), - kontaktområden (17, 18) i nämnda substrat på var sida om nämnda styre, - ett brunnområde (13) anordnat under nämnda styre, där nämnda brunnområde samankopplar nämnda kontaktområden, k ä n n e t e c k n a d a v att - nämnda kontaktområden (17, 18) och nämnda brunnområde (13) är dopade till en första dopningstyp, och - nämnda kontaktområden (17, 18) är lateralt separerade från nämnda styre.

2. MOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning enligt krav 1, varvid nämnda kontaktområden (17, 18) är lateralt separerade från nämnda styre med ett avstånd av åtminstone 10 nm.

3. HOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning enligt krav 1 eller 2, varvid nämnda kontaktområden (17, 18) är kraftigare dopade än nämnda brunnområde (13).

4. MOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning enligt något av kraven 1-3, varvid nämnda brunnområde (13) avgränsas nedåt av en isolator (BOX) och har en tjocklek av mindre än 200 nm. 01 |\J \1 PO _.Å ufl 10

5. MOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning enligt krav 4, varvid nämnda brunnområde (13) har en tjocklek och en dopäm- neskoncentration för att tillåta fullständig utarmning av nämnda brunnområde (13) när nämnda kontaktområden (17, 18) hålles vid en förutbestämd elektrisk potential.

6. MOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning enligt något av kraven 1-5, varvid nämnda kontaktområden (17, 18) är an- slutna (20) till varandra.

7. MOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning enligt något av kraven 1-6, innefattande ett flertal styren anslutna paral- lellt och ett flertal av nämnda kontaktområden (17, 18) an- slutna parallellt.

8. MOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning enligt något av kraven 1-7 varvid nämnda MOS-varaktorbaserade omkopplings- anordning är anordnad i en CMOS- eller BiCMOS-baserad krets innefattande anordningar med implanterade LDD-utsträckningar.

9. MOS-varaktorbaserad omkopplingsanordning enligt något av kraven 1-8 varvid en isolerande utsidig sidoväggsspacer (16) förefinns på substratet på motsatta sidor om styret för att erbjuda isolation mellan styret och kontaktområdena (17, 18).

10. Radiokommunikationsterminal (31) innefattande den mo- nolitiskt integrerade MOS-varaktorbaserade omkopplingsanord- ningen enligt något av kraven 1-9.

11. Antennanordning (41) innefattande en antenn (42) kapa- bel att kunna omkopplas, och den monolitiskt integrerade MOS- varaktorbaserade omkopplingsanordningen (43) enligt något av kraven 1-9 inrättad att omkoppla nämnda antennanordning.

12. Antennanordning enligt krav 11, varvid nämnda monoli- tiskt integrerade MOS-varaktorbaserade omkopplingsanordning är inrättad att omkoppla nämnda antenn mellan sändande och motta- gande tillstånd.

13. Radiokomnnikationsterminalanordning (31) innefattande antennanordningen (41) enligt krav 11 eller 12.

14. Förfarande för att tillverka en monolitiskt integre- rad krets, som inkluderar en MOS-varaktorbaserad omkopplings- anordning, innefattande stegen att: ett SOI-substrat (SOI, Silicon-On-Insulator) (ll) åstadkoms, - ett brunnområde (13) dopat till en första dopningstyp åstadkoms i nämnda SOI-substrat, - ett styre åstadkoms ovanpå nämnda brunnområde (13), där nämnda styre innefattar ett halvledarskiktområde (15) ovanpå ett isolationsskiktområde (14), - kontaktområden (17, 18) åstadkomes i nämnda substrat på var sida om nämnda styre, så att nämnda brunnområde samankopplar nämnda kontaktområden, k ä n n e t e c k n a t a v att - nämnda kontaktområden (17, 18) bildas lateralt separe- rade från nämnda styre genom dopning av nämnda substrat till nämnda första dopningstyp.

15. Förfarande enligt krav l4, varvid nämnda kontaktområden (17, 18) blockeras vid implantation av LDD-utsträckningar i en CMOS-process på SOI.

16. Förfarande enligt krav 14 eller 15, varvid en isoleran- de utsidig sidoväggsspacer (16) bildas på substratet på mot- satta sidor om styret för att erbjuda isolation mellan styret och kontaktområdena (17, 18).

17. Förfarande enligt något av kraven 14-16, varvid nämnda kontaktområden (17, 18) bildas lateralt separerade från nämnda styre med ett avstånd av åtminstone 10 nm.