一種提高射頻開關性能的射頻晶體管、芯片及移動終端的制作方法

本發明涉及一種射頻晶體管，尤其涉及一種提高射頻開關性能的射頻晶體管，同時也涉及包括該射頻晶體管的射頻開關芯片及移動終端，屬于射頻集成電路技術領域。

背景技術：

現有的移動終端設備如智能手機、平板電腦等都集成了使用不同頻帶(gsm/edge、td-scdma/wcdma、fdd/td-lte)的多項無線通信服務。這些移動終端設備不僅需要在多模多頻的蜂窩式頻帶中工作，而且還提供了wi-fi、wimax、gps、藍牙、rfid和其他非蜂窩式通信服務。利用射頻開關，能夠實現對多模和多頻帶功率放大器的使用，從而降低設計的復雜性并減少成本和功耗。另外，wi-fi、藍牙等模塊同樣需要依靠射頻開關在傳輸和接收信號之間切換。此外，為了提高敏感性和避免串音，多天線設計越來越流行。這些原因使得射頻開關在無線移動終端設備的射頻前端設計中扮演越來越重要的角色。

帶寬作為射頻開關的主要性能指標之一，其決定了射頻開關的最高工作頻率和最低工作頻率，通常用品質因數來表示。品質因數越低，帶寬就越大，射頻開關的性能越高。由于射頻開關的關斷電容和導通電阻直接影響其品質因數，只有減小射頻開關的關斷電容和導通電阻，才可以降低射頻開關的品質因數。因此，如何減小射頻開關的關斷電容和導通電阻，實現提高射頻開關的性能是目前急需解決的問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的首要技術問題在于提供一種提高射頻開關性能的射頻晶體管。

本發明所要解決的另一技術問題在于提供一種包括上述射頻晶體管的射頻開關芯片及移動終端。

為了實現上述發明目的，本發明采用下述的技術方案：

根據本發明實施例的第一方面，提供一種提高射頻開關性能的射頻晶體管，包括第一金屬層、第二金屬層、多晶硅層及有源區；其中，所述第一金屬層通過接觸孔與所述有源區連接，所述第一金屬層通過通孔與所述第二金屬層連接；

所述第二金屬層的布線方向與所述多晶硅層的布線方向垂直，用以減少所述第一金屬層與所述多晶硅層之間的并行區域及所述接觸孔、所述通孔的數量。

其中較優地，所述多晶硅層與所述第二金屬層采用梳狀布線方式，所述第一金屬層采用條形布線方式。

其中較優地，所述有源區包括源區和漏區，所述有源區的上方設置有直柵式或曲柵式的所述多晶硅層，所述多晶硅層伸出所述有源區；

當所述多晶硅層為曲柵式結構時，減少所述第一金屬層與所述多晶硅層之間的并行區域及所述接觸孔、所述通孔的數量，同時增加相同芯片面積的空間容納的射頻晶體管的溝道寬度，使得關斷電容和導通電阻減小。

其中較優地，所述多晶硅層的上方均勻設置有所述第一金屬層，所述第一金屬層穿過所述多晶硅層的空檔區域后分別與所述有源區的源區和漏區連接。

其中較優地，所述第一金屬層上方設置有位置對稱的所述第二金屬層，所述第二金屬層采用叉指狀結構布線方式，所述第二金屬層與所述第一金屬層的交疊區域通過所述通孔連接。

其中較優地，所述射頻開關的品質因數為：fom＝coff×ron，其中，fom為品質因數，coff為關斷電容，ron為導通電阻。

其中較優地，所述關斷電容為：coff＝cfet+(c1+c2+c3+c4)/2，其中，cfet為射頻晶體管的本征電容，c1為所述接觸孔與所述多晶硅層之間的并行電容，c2為所述第一金屬層與所述多晶硅層之間的并行電容，c3為所述通孔與所述多晶硅層之間的并行電容，c4為所述第二金屬層與所述多晶硅層之間的并行電容。

根據本發明實施例的第二方面，提供一種射頻開關芯片，其中包括上述的射頻晶體管。

根據本發明實施例的第三方面，提供一種移動終端，其中包括上述的射頻晶體管。

本發明所提供的射頻晶體管一方面通過使第二金屬層的布線方向與多晶硅層的布線方向垂直，不僅減少了多晶硅層與第一金屬層之間的并行區域，而且也減少了接觸孔、通孔的數量，使得射頻晶體管金屬布線帶入的電容會變小，從而使得關斷電容變小。另一方面，該射頻晶體管充分利用第一金屬層布線和接觸孔節約下來的空間，使得相同芯片面積的空間可以容納更大的射頻晶體管的溝道寬度，從而減小導通電阻。通過減小射頻晶體管金屬布線帶入的電容及導通電阻，可以降低射頻開關的品質因數，提升帶寬，從而提高射頻開關的性能。

附圖說明

圖1為射頻晶體管的電容模型結構示意圖；

圖2為射頻晶體管的布線方式中，第一金屬層、第二金屬層及有源區之間的連接關系示意圖；

圖3為現有技術中的射頻晶體管的布線方式示意圖；

圖4為本發明的實施例1所提供的射頻晶體管的布線方式示意圖；

圖5為本發明的實施例2所提供的射頻晶體管的布線方式示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術內容做進一步的詳細說明。

基于射頻開關的最高工作頻率和最低工作頻率由帶寬決定，而射頻開關的最高工作頻率和最低工作頻率通常用品質因數來表示。其中，品質因數越低，帶寬就越大。品質因數fom可以表示為：

fom＝coff×ron(1)

其中，coff為關斷電容，ron為導通電阻。由公式(1)可以得出：關斷電容coff和導通電阻ron直接影響了射頻開關和整個通訊系統的性能。

在現有技術中，通常認為關斷電容coff主要由工藝參數決定，而忽視了射頻開關的射頻晶體管(主要指射頻mosfet晶體管，以下簡稱射頻mos管)的布線方式對關斷電容coff的影響。事實上，通過多次的仿真和實驗證明，射頻mos管在不同的布線方式下關斷電容coff的數值有著明顯的區別，并且頻率越高區別越明顯。關斷電容coff可以表示為：

coff＝cfet+cline(2)

其中，cfet為射頻mos管的本征電容，cline為射頻mos管金屬布線帶入的電容。由于射頻mos管的本征電容cfet基本全部集中在射頻mos管的有源區內，所以射頻mos管的本征電容cfet的大小主要由射頻mos管的工藝參數和射頻mos管的溝道長度決定。在相同工藝下，射頻mos管的工藝參數是給定的，該工藝參數難以進行修改。那么，在射頻開關中，為了減小關斷電容coff、導通電阻ron以及節約射頻開關面積，通常在工藝允許的情況下選擇最小的射頻mos管的溝道長度。所以在給定的工藝條件下，很難通過調節射頻mos管的本征電容cfet來改變關斷電容coff的大小。

射頻mos管金屬布線帶入的線路電容(cline)可以表示為：

cline＝cgd×cgs/(cgd+cgs)+cds(3)

其中，cgd為射頻mos管的柵極與漏極之間電容，cgs為射頻mos管的柵極與源極之間的電容，cds為射頻mos管的漏極與源極之間的電容。由于射頻mos管是對稱器件，并考慮射頻開關的對稱性，因此，射頻mos管的源極與漏極的金屬布線盡量對稱一致。基于射頻mos管的源極與漏極近似對稱一致，可以得出：射頻mos管的柵極與漏極之間電容cgd與射頻mos管的柵極與源極之間的電容cgs相等，所以公式(3)可以變形為：

cline＝cgs/2+cds(4)

為了計算方便，本發明所提供的射頻晶體管以比較常見的兩層金屬布線來構建計算模型。如圖1所示，該射頻mos管包括第一金屬層1、第二金屬層2、多晶硅層3、有源區4。其中，有源區4設置于絕緣襯底9上，并且有源區4包括源區7與漏區8；源7區、漏區8分別通過相應的接觸孔6實現與第一金屬層1的連接。第一金屬層1與第二金屬層2之間通過相應的通孔5連接。射頻mos管的柵極與漏極之間電容cgd或者射頻mos管的柵極與源極之間的電容cgs為第一金屬層1、第二金屬層2、通孔5、接觸孔6分別與多晶硅層3之間的電容的總和。其中，接觸孔6與多晶硅層3之間的電容表示為c1，第一金屬層1與多晶硅層3之間的電容表示為c2，通孔5與多晶硅層3之間的電容表示為c3,第二金屬層2與多晶硅層3之間的電容表示為c4。由于射頻mos管的源極與漏極的金屬布線盡量對稱一致，所以接觸孔6與多晶硅層3之間的電容c1、第一金屬層1與多晶硅層3之間的電容c2、通孔5與多晶硅層3之間的電容c3在射頻mos管的源極和漏極對稱一致。由于射頻mos管的漏極與源極之間的電容遠小于射頻mos管的柵極與漏極之間電容cgd或者射頻mos管的柵極與源極之間的電容cgs，綜上所述可以得出：

cline＝(c1+c2+c3+c4)/2(5)

將公式(5)帶入公式(2)可以得出：

coff＝cfet+(c1+c2+c3+c4)/2(6)

由于射頻mos管的本征電容cfet是一個和工藝相關的參數，在工藝條件一致，且射頻mos管參數相同(主要指射頻mos管的溝道長度和寬度)的情況下，射頻mos管的本征電容cfet可以認為是一個常數。那么，通過減小接觸孔6與多晶硅層3之間的電容c1、第一金屬層1與多晶硅層3之間的電容c2、通孔5與多晶硅層3之間的電容c3及第二金屬層2與多晶硅層3之間的電容c4，即可實現減小關斷電容coff。

如圖2所示，空白框區域為有源區4，向左傾斜的斜線框區域為第一金屬層1，向右傾斜的斜線框區域為第二金屬層2。其中，有源區4與第一金屬層1之間通過接觸孔6連接，第一金屬層1與第二金屬層2之間通過通孔5連接。

在目前通用的射頻開關中，射頻mos管常用的布線方式如圖3所示，該射頻mos管采用叉指狀結構的布線方式。其中，在有源區4(源區和漏區)的上方設置有梳狀布線方式的多晶硅層3，多晶硅層3通過接觸孔6與條形布線方式第一金屬層1連接，形成射頻mos管的柵端(柵極)。在多晶硅層3的上方設置有梳狀布線方式的第一金屬層1，第一金屬層1通過接觸孔6分別與有源區4連接，即第一金屬層1通過接觸孔6分別與射頻mos管的源區和漏區連接，并且分別與源區和漏區相連接的第一金屬層1呈叉指狀且位置對稱。在第一金屬層1的上方覆蓋有梳狀布線方式的第二金屬層2，第一金屬層1與第二金屬層2之間通過通孔5連接，通過第二金屬層2形成射頻mos管的源端和漏端(源極和漏極)。需要強調的是，由于射頻mos管的源極與漏極對稱，所以源極和漏極具有可互換性。該射頻mos管還采用條形布線方式的第一金屬層1通過接觸孔6實現與射頻mos管的絕緣襯底9連接，形成襯底端。

由于接觸孔6與多晶硅層3之間的電容c1為接觸孔6與多晶硅層3之間的并行電容，第一金屬層1與多晶硅層3之間的電容c2為第一金屬層1與多晶硅層3之間的并行電容，通孔5與多晶硅層3之間的電容c3為通孔5與多晶硅層3之間的并行電容，第二金屬層2與多晶硅層3之間的電容c4為第二金屬層2與多晶硅層3之間的并行電容；那么在射頻mos管的溝道寬度給定的情況下，接觸孔6與多晶硅層3之間的電容c1的電容值由接觸孔6的數量及接觸孔6與多晶硅層3之間的間距決定，第一金屬層1與多晶硅層3之間的電容c2的電容值由第一金屬層1布線與多晶硅層3布線之間的間距決定，通孔5與多晶硅層3之間的電容c3的電容值由通孔5的數量及通孔5與多晶硅層3之間的間距決定，第二金屬層2與多晶硅層3之間的電容c4的電容值由第二金屬層2布線與多晶硅層3布線之間的間距決定。

在上述射頻mos管的布線方式中，由于射頻mos管的多晶硅層3的布線方向與第一金屬層1及第二金屬層2的布線方向平行，增加了接觸孔6、通孔5的數量，并且多晶硅層3與第一金屬層1之間的并行區域也比較大，導致射頻mos管金屬布線帶入的線路電容(cline)變大，使得關斷電容coff也變大。

為了減小射頻mos管金屬布線帶入的線路電容(cline)，本發明所提供的射頻晶體管采用兩種布線方式，下面通過具體的實施例對兩種布線方式進行具體說明。

實施例1

如圖4所示，本實施例所提供的射頻晶體管采用第一種布線方式。該布線方式為叉指狀結構。在有源區4(源區和漏區)的上方設置有梳狀布線方式的直柵式多晶硅層3，該多晶硅層3伸出有源區4，多晶硅層3通過接觸孔6與條形布線方式的第一金屬層1連接，形成射頻mos管的柵端(柵極)。在臨近多晶硅層3的位置設置有與射頻mos管絕緣襯底9相連接的第一金屬層1，該第一金屬層1通過接觸孔6與絕緣襯底9連接，形成襯底端。在多晶硅層3的上方均勻設置有條形布線方式的第一金屬層1，第一金屬層1穿過多晶硅層3梳狀布線的空檔區域，并且第一金屬層1與空檔區域無交疊。第一金屬層1的通過接觸孔6與有源區4連接，即第一金屬層1通過接觸孔6分別與射頻mos管的源區和漏區連接。由于射頻mos管的源極與漏極對稱，所以源極和漏極具有可互換性，致使源區和漏區的位置也具有可互換性。在第一金屬層1上方設置有位置對稱的梳狀布線方式的第二金屬層2，第二金屬層2的布線呈叉指狀結構且與多晶硅層3的布線方向垂直。與有源區4相連接的第一金屬層1和第二金屬層2的交疊區域通過通孔5連接，通過第二金屬層2形成射頻mos管的源端和漏端(源極和漏極)。

本實施例所提供的射頻晶體管采用上述布線方式時，通過使第二金屬層2的布線方向與多晶硅層3的布線方向垂直，減少了多晶硅層3與第一金屬層1之間的并行區域，并且也減少了接觸孔6、通孔5的數量，使得射頻mos管金屬布線帶入的線路電容(cline)會變小，關斷電容coff也變小。通過仿真實驗可以得出：本實施例所提供的射頻晶體管采用第一種布線方式可以使關斷電容coff減小30％～100％，但是導通電阻ron會增加0％～20％。由公式(1)可以得出：品質因數fom整體變小，使得帶寬變大，從而提高射頻開關的性能。

實施例2

如圖5所示，本實施例所提供的射頻晶體管采用第二種布線方式。該布線方式與實施例1中的第一種布線方式的不同之處在于：多晶硅層3的布線方式為曲柵式結構。同樣地，第一金屬層1穿過多晶硅層3曲柵式布線的空檔區域，并且第一金屬層1與空檔區域無交疊。第一金屬層1的通過接觸孔6與有源區4連接，即第一金屬層1通過接觸孔6分別與射頻mos管的源區和漏區連接。在本實施例中，其他部分的具體布線同實施例1所述，在此不再贅述。上述第二種布線方式中，通過使第二金屬層2布線方向與多晶硅層3布線方向垂直，從而減少了多晶硅層3與第一金屬層1之間的并行區域，并且也減少了接觸孔6、通孔5的數量，使得射頻mos管金屬布線帶入的線路電容(cline)會變小，關斷電容coff也變小。并且，采用上述第二種布線方式可以充分利用第一金屬層1布線和接觸孔6節約下來的空間，使得相同芯片面積的空間可以容納更大的射頻mos管的溝道寬度，從而實現減小導通電阻ron。由公式(1)可以得出：品質因數fom會變得更小，使得帶寬變得更大，從而提高射頻開關的性能。

本發明所提供的提高射頻開關性能的射頻晶體管一方面通過使第二金屬層布線方向與多晶硅層布線方向垂直，不僅減少了多晶硅層與第一金屬層之間的并行區域，而且也減少了接觸孔、通孔的數量，使得本射頻晶體管金屬布線帶入的電容會變小，從而使得關斷電容變小。另一方面，該射頻晶體管充分利用第一金屬層布線和接觸孔節約下來的空間，使得相同芯片面積的空間可以容納更大的射頻晶體管的溝道寬度，從而實現減小導通電阻。通過減小射頻晶體管金屬布線帶入的電容及導通電阻，可以降低射頻開關的品質因數，提升帶寬，從而提高射頻開關的性能。

本發明所提供的射頻晶體管可以被用在射頻開關芯片中，用于提高射頻開關性能。對于該射頻開關芯片中的射頻晶體管的具體結構，在此就不再一一詳述了。

另外，上述射頻晶體管還可以被用在移動終端中，作為射頻集成電路的重要組成部分。這里所說的移動終端是指可以在移動環境中使用，支持gsm、edge、td_scdma、tdd_lte、fdd_lte等多種通信制式的計算機設備，包括移動電話、筆記本電腦、平板電腦、車載電腦等。此外，本發明所提供的技術方案也適用于其他射頻集成電路應用的場合，例如通信基站等。

以上對本發明所提供的提高射頻開關性能的射頻晶體管、芯片及移動終端進行了詳細的說明。對本領域的一般技術人員而言，在不背離本發明實質精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將屬于本發明專利權的保護范圍。