專利名稱：射頻開關和將雙柵晶體管修改成射頻開關的方法
技術領域：
本發明針對一種半導體結構，其包括用作射頻混頻器和開關的雙柵結構。
背景技術：
開關射頻(rf)能量的裝置對于芯片上無線應用來說是很重要的。射頻開關的理想特性包括低損耗、高隔離、大的動態范圍和低失真。隨著晶體管設計的提高和發展，不同類型的晶體管的數量持續增加。例如，利用了鰭片形狀溝道區的一種類型的晶體管稱為鰭片型場效應晶體管(FinFET)，鰭片形狀溝道區覆蓋有柵極導體并具有用作源/漏區的鰭片的外部部分。在針對Hu等人(下文為“Hu”)的美國專利6,413,802中公開了這樣一種FinFET，并且此文引入同一公開內容供參考。在美國專利公開號20030111686中公開了FinFET器件的雙柵方案，此處引入供參考。近年來開發的另一種類型的晶體管是雙柵金屬氧化物半導體(MOS)晶體管，例如在美國專利公開號20040235283中公開的，此處也引入供參考。在射頻器件領域中利用這種發展的晶體管技術是很有利的，下面描述的本發明針對這種優勢。
發明內容
本發明提出了修改為射頻混頻器和開關的雙柵晶體管結構。這些晶體管結構可以包括任何類型的晶體管、例如鰭片型場效應晶體管(FinFET)以及金屬氧化物半導體(MOS)雙柵晶體管。
FinFET實施例具有一鰭片，其具有在鰭片一端處的源區、在鰭片的相反端處的漏區以及在鰭片中心的溝道區。MOS實施例具有在源區和漏區之間的溝道區。在兩種類型的實施例中，本發明包括位于溝道區的第一側上的第一柵極以及位于與第一側相反的溝道區的第二側上的第二柵極。共用柵極接觸還附加到第一柵極和第二柵極上。可選擇地，分離的柵極接觸可以用于修改晶體管的操作。第一信號輸入附加到第一柵極上，而第二信號輸入附加到源區或漏區上。并且，源/漏區接觸連接附加了信號輸入的源或漏區。可選擇地，該結構可以僅包括單個源區或單個漏區，那么其連接第二輸入信號。信號輸出附加到第二柵極上。典型地，當裝置用作射頻混頻器時，第一信號輸入和信號輸出包括射頻信號，第二信號輸入可以包括開關電壓或第二射頻輸入。
本發明的方法實施例把任何雙柵晶體管修改成射頻開關。該方法把第一信號輸入附加到晶體管的第一柵極上，把第二信號輸入附加到晶體管的源區或漏區上，把共用柵極接觸附加到第一柵極和第二柵極上，把信號輸出附加到晶體管的第二柵極上，把源/漏區接觸附加到附加了第二信號輸入的源區或漏區上，以及調制施加給共用柵極和源/漏區接觸的電壓以控制射頻開關。
由于通過第一信號輸入和第二信號輸入接收的不同射頻信號混合的結果，信號輸出產生一混合的信號。當共用柵極接觸控制第一柵極和第二柵極的電壓以小于增加了源/漏區接觸的電壓的溝道區的閾值電壓時，射頻開關導通。當共用柵極接觸控制第一柵極和第二柵極的電壓以大于增加了源/漏區接觸的電壓的溝道區的閾值電壓時，射頻開關截止。當射頻開關截止時，射頻開關不會把來自第一輸入的信號傳遞給信號輸出，而當射頻開關導通時，射頻開關把來自第一信號輸入的射頻信號傳遞給信號輸出。當隨時間改變第二信號輸入、例如射頻信號時，輸出信號將包括第一信號輸入和第二信號輸入的乘積，由此“混合”兩個信號輸入。
當結合下列說明書和附圖思考時，將更好地明白和理解本發明的這些和其它的方案和目的。然而，應明白，通過舉例說明而非限制的方式，給出了說明本發明優選實施例和許多具體細節的下列說明書。可以在不脫離其精神的本發明的范圍內做出許多變化和修改，并且本發明包括所有這樣的修改。
通過參考附圖的下列詳細說明中將更好地理解本發明，其中圖1是雙柵FinFET的示意圖；圖2是雙柵MOS晶體管的示意圖；
圖3是利用作為射頻混頻器和開關的晶體管的示意圖；圖4示例了方法實施例的流程圖。
具體實施例方式
參考在附圖中示例并在后面的說明書中詳細說明的非限制性的實施例，更加充分地說明本發明及其各種特征和優勢。應注意，不必按比例來描繪圖中所示例的特征。省略公知部件和處理技術的說明，不至于不必要地搞混本發明。此處所使用的例子僅試圖促進本發明可以實踐的方法的理解以及進一步能夠使本領域技術人員實踐本發明。因此，不應構造例子來限制本發明的范圍。
本發明提出了修改作為射頻混頻器和開關的雙柵晶體管結構。這些晶體管結構可以包括任何類型的晶體管，此文介紹了包括鰭片型場效應晶體管(FinFET)和金屬氧化物半導體(MOS)雙柵晶體管的兩個非限制性的例子以舉例說明本發明。當此文利用兩種類型的晶體管來舉例時，本領域的普通技術人員應明白，本發明可應用于任何類型適合的晶體管，并且本發明不僅限于此處所討論的兩種類型的晶體管。
在圖1和3中示例了FinFET實施例。這些實施例具有在絕緣襯底10上所形成的鰭片12。鰭片12具有在鰭片12一端處的源區20、在鰭片12的相反端處的漏區24、以及在鰭片中心中的溝道區22。圖2和3中所示的MOS實施例具有在源區32和漏區34之間的溝道區42。圖2中的零件44示例了底部柵極絕緣體。在兩種類型的實施例中，本發明包括位于溝道區22、42的第一側上的第一柵極14、36以及位于與第一側相反的溝道區22、42的第二側上的第二柵極16、38。圖2最清楚地示例了柵極氧化物40，并且盡管其在圖中不可能被看到，但在圖1結構中的溝道區22的每側上包括類似的柵極氧化物。
圖3示意性地示例了FinFET和MOS器件兩種。在圖3中，柵極標注為54和56，溝道區或體區標注為52，以及漏區和源區標注為58和60。圖3中所示的示意圖意圖應用于所有類型的雙柵晶體管，例如圖1和2中所示的FinFET和MOS晶體管。
共用柵極接觸64附加到第一和第二柵極54、56上。第一信號輸入50附加到第一柵極54上，而第二信號輸入66附加到源區或漏區58上。并且，電壓控制源/漏接觸62連接附加了第二信號輸入66的源或漏區58。信號輸出68附加到第二柵極56上。
本發明的方法實施例把任何雙柵晶體管修改成射頻開關。如圖4中的流程圖形式所示，該方法把第一信號輸入附加到晶體管的第一柵極上400，把第二信號輸入附加到晶體管的源區或漏區上402，把共用柵極接觸附加到第一柵極和第二柵極上404，把信號輸出附加到晶體管的第二柵極上406，把源/漏區接觸附加到附加了第二信號輸入的源或漏區上408，以及調制施加給共用柵極和源/漏區接觸的電壓以控制射頻開關410，如下所述。
溝道區或體區52足夠薄和輕摻雜，以便當第一和第二柵極處于相對于源區和漏區測量的閾值電壓以下的電勢時充分耗盡多數載流子。從而，當柵極電壓小于增加了源/漏區接觸62的電壓Vd的溝道區52的閾值電壓Vt時，體區相當于絕緣電介質。
當共用柵極接觸64控制第一柵極54和第二柵極56的電壓Vg小于增加了源/漏區接觸62的電壓Vd的溝道區52的閾值電壓Vt時，沒有形成反型層，以及兩個柵極通過充分耗盡的半導體體區相互電容性耦合，并且射頻開關導通。當Vg＜Vd+Vt時，體區耗盡了全部自由載流子并實際上成為絕緣體。從而，只要射頻導通，那么就在柵極之間形成了大電容量。
當共用柵極接觸64控制第一柵極54和第二柵極56的電壓Vg大于增加了源/漏區接觸62的電壓Vd的溝道區52的閾值電壓Vt時，至少出現一反型層并且其電連接第二信號輸入。反型載流子的存在使信號輸出柵極56與第一信號輸入柵極54屏蔽。當Vg＞Vd+Vt時，反型層形成在連接了n+周界(perimeter)的體區中。如果該n+周界處于固定的電勢，那么通過兩個反型層極大地衰減了一個柵極上的任何射頻信號，相對的柵極出現非常小的耦合。于是開關斷開。
在體區周界中是高摻雜的n+區的情況下，當Vg＜Vd+Vt時，薄半導體體區充分耗盡；而當Vg＞Vd+Vt時，薄半導體體區很強地反型而具有電子。本開關是雙向的。此外，調制當被接近偏置Vt時的源區/漏區低于柵極電壓，將產生射頻混頻器。當把第一頻率的射頻信號FIN施加給第一信號輸入，把第二頻率的第二射頻信號FLO施加給第二信號輸入時，信號輸出將包括通過第一和第二信號輸入數學乘積近似地給出的新信號，并將由通過FOUT＝N×FIN+M×FLO給出的二次頻率的級數FOUT構成，其中N和M為任意整數。典型地，希望獲得FOUT＝FIN+FLO或FOUT＝F1-F2以用于信號處理、例如中頻處理、放大或檢波，或用于合成新的頻率，并通過公知的技術、例如高Q濾波器或數字信號處理從最終的信號輸出中選擇N×FIN和M×FLO的期望和或差。
當射頻開關斷開時，射頻開關不會把來自第一信號輸入50的信號傳遞給信號輸出68，而當射頻開關導通時，射頻開關會把來自第一信號輸入50的信號傳遞給信號輸出68。當隨時間改變第二信號輸入、例如射頻信號時，輸出信號將包括第一信號輸入和第二信號輸入的乘積，由此“混合”兩個信號輸入。
當開關導通時，由于通過第一信號輸入50(FIN)和第二信號輸入66(FLO)接收的不同射頻信號的混合的結果，信號輸出68產生一混合的射頻信號(FOUT)。根據輸出信號的濾波的選擇，射頻信號的這種混合可以為增加了第二(FLO)信號的第一信號(FIN)或可以為減去了第二(FLO)信號的第一信號(FIN)，(FOUT＝FIN+/-FLO)。
本發明提供了用于射頻CMOS技術中的高度集成的射頻開關并通過單片制造實現了非常低成本實施的發送器、接收器和收發器。操作速度固有地良好匹配晶體管的速度，這源于相同或相似的雙柵/鰭片型場效應晶體管。這通過高產量的結果而進一步減少成本。
按照優選實施例介紹了本發明時，本領域技術人員應認識到，可以通過在附加權利要求的精神和范圍內的修改來實踐本發明。
權利要求
1.一種射頻開關，包括一鰭片，其具有在所述鰭片一端處的源區、在所述鰭片的相反端處的漏區以及在所述鰭片中心的溝道區；位于所述溝道區的第一側上的第一柵極；位于與所述第一側相反的所述溝道區的第二側上的第二柵極；附加到所述第一柵極上的第一信號輸入；附加到所述源區和所述漏區的所述之一上的信號頻率輸入；以及附加到所述第二柵極上的信號輸出。
2.根據權利要求1的射頻開關，其中由于通過所述第一信號輸入和所述第二信號輸入接收的不同射頻信號混合的結果，所述信號輸出產生一混合的射頻信號。
3.根據權利要求1的射頻開關，進一步包括連接到附加了所述第二信號輸入的所述源區和所述漏區之一的源/漏區接觸。
4.根據權利要求3的射頻開關，其中當所述第一柵極和所述第二柵極的電壓小于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關導通。
5.根據權利要求4的射頻開關，其中當所述射頻開關截止時，所述射頻開關不會把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
6.根據權利要求3的射頻開關，其中當所述第一柵極和所述第二柵極的電壓大于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關截止。
7.根據權利要求6的射頻開關，其中當所述射頻開關導通時，所述射頻開關把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
8.一種射頻開關，包括一鰭片，其具有在所述鰭片一端處的源區、在所述鰭片的相反端處的漏區以及在所述鰭片中心的溝道區；位于所述溝道區的第一側上的第一柵極；位于與所述第一側相反的所述溝道區的第二側上的第二柵極；附加到所述第一柵極和所述第二柵極上的共用柵極接觸；附加到所述第一柵極上的第一信號輸入；附加到所述源區和所述漏區的所述之一上的第二信號輸入；以及附加到所述第二柵極上的信號輸出。
9.根據權利要求8的射頻開關，其中由于通過所述第一信號輸入和所述第二信號輸入接收的不同射頻信號混合的結果，所述信號輸出產生一混合的射頻信號。
10.根據權利要求8的射頻開關，進一步包括連接到附加了所述第二信號輸入的所述源區和所述漏區之一的源/漏區接觸。
11.根據權利要求10的射頻開關，其中當所述共用柵極接觸控制所述第一柵極和所述第二柵極的電壓以小于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關導通。
12.根據權利要求11的射頻開關，其中當所述射頻開關截止時，所述射頻開關不會把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
13.根據權利要求10的射頻開關，其中當所述共用柵極接觸控制所述第一柵極和所述第二柵極的電壓以大于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關截止。
14.根據權利要求13的射頻開關，其中當所述射頻開關導通時，所述射頻開關把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
15.一種射頻開關，包括一鰭片，其具有在所述鰭片一端處的源區、在所述鰭片的相反端處的漏區以及在所述鰭片中心的溝道區；位于所述溝道區的第一側上的第一柵極；位于與所述第一側相反的所述溝道區的第二側上的第二柵極；附加到所述第一柵極和所述第二柵極上的共用柵極接觸；附加到所述第一柵極上的第一信號輸入；附加到所述源區和所述漏區的所述之一上的第二信號輸入；連接到附加了所述第二信號輸入的所述源區和所述漏區之一的源/漏區接觸；以及附加到所述第二柵極上的信號輸出。
16.根據權利要求15的射頻開關，其中由于通過所述第一信號輸入和所述第二信號輸入接收的不同射頻信號混合的結果，所述信號輸出產生一混合的射頻信號。
17.根據權利要求15的射頻開關，其中當所述共用柵極接觸控制所述第一柵極和所述第二柵極的電壓以小于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關導通。
18.根據權利要求15的射頻開關，其中當所述射頻開關截止時，所述射頻開關不會把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
19.根據權利要求15的射頻開關，其中當所述共用柵極接觸控制所述第一柵極和所述第二柵極的電壓以大于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關截止。
20.根據權利要求15的射頻開關，其中當所述射頻開關導通時，所述射頻開關把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
21.一種射頻開關，包括一金屬氧化物半導體晶體管，其具有源區、漏區和溝道區；位于所述溝道區的第一側上的第一柵極；位于與所述第一側相反的所述溝道區的第二側上的第二柵極；附加到所述第一柵極上的第一信號輸入；附加到所述源區和所述漏區的所述之一上的第二信號輸入；以及附加到所述第二柵極上的信號輸出。
22.根據權利要求21的射頻開關，其中由于通過所述第一信號輸入和所述第二信號輸入接收的不同射頻信號混合的結果，所述信號輸出產生一混合的射頻信號。
23.根據權利要求21的射頻開關，進一步包括連接到附加了所述第二信號輸入的所述源區和所述漏區之一的源/漏區接觸。
24.根據權利要求23的射頻開關，其中當所述第一柵極和所述第二柵極中的電壓小于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關導通。
25.根據權利要求24的射頻開關，其中當所述射頻開關截止時，所述射頻開關不會把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
26.根據權利要求23的射頻開關，其中當所述第一柵極和所述第二柵極中的電壓大于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關截止。
27.根據權利要求26的射頻開關，其中當所述射頻開關導通時，所述射頻開關把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
28.一種把雙柵晶體管修改成射頻開關的方法，所述方法包括把第一射頻輸入附加到所述晶體管的第一柵極上；把第二射頻輸入附加到所述晶體管的源區和漏區之一上；把共用柵極接觸附加到所述第一柵極和所述第二柵極上；把信號輸出附加到所述晶體管的第二柵極上；把源/漏區接觸附加到附加了所述第二信號輸入的所述源區和所述漏區之一上；以及調制施加給所述共用柵極接觸和所述源/漏區接觸的電壓以控制所述射頻開關。
29.根據權利要求28的方法，其中由于通過所述第一信號輸入和所述第二信號輸入接收的不同射頻信號混合的結果，所述信號輸出產生一混合的射頻信號。
30.根據權利要求28的方法，其中，在所述調制期間，當所述第一柵極和所述第二柵極中的電壓小于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關導通。
31.根據權利要求30的方法，其中，在所述調制期間，當所述射頻開關截止時，所述射頻開關不會把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
32.根據權利要求28的方法，其中，在所述調制期間，當在所述第一柵極和所述第二柵極中的電壓大于增加了所述源/漏區接觸的電壓的所述溝道區的閾值電壓時，所述射頻開關截止。
33.根據權利要求32的方法，其中，在所述調制期間，當所述射頻開關導通時，所述射頻開關把來自所述第一信號輸入的射頻信號傳遞給所述信號輸出。
全文摘要
本發明提供一種把雙柵晶體管修改成射頻開關的方法和一種射頻開關。該方法把第一信號輸入附加到晶體管的第一柵極上，把第二信號輸入附加到晶體管的源區或漏區上，把共用柵極接觸附加到第一柵極和第二柵極上，把信號輸出附加到晶體管的第二柵極上，把源/漏區接觸附加到附加了第二信號輸入的源或漏區上，以及調制施加給共用柵極和源/漏區接觸的電壓以控制射頻開關。
文檔編號H01L29/423GK1828939SQ200610006159
公開日2006年9月6日 申請日期2006年1月25日 優先權日2005年1月25日
發明者愛德華·J·諾瓦克 申請人:國際商業機器公司