專利名稱：射頻(rf)放大器電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是涉及一種具有低電容的MOSFET(金屬氧化半導體場效晶體管)，特別涉及此種MOSFET的結構及其在電路上的實用。
在傳統(tǒng)的MOSFET柵極的結構中，源極側的接合面(junction)以及米勒效應所分別造成的內部電容與米勒效應電容是MOSFET中最主要的寄生效應。藉由MOSFET的小信號分析可以得知，米勒效應電容會對柵極-漏極間電容產(chǎn)生加乘的效果而導致在MOSFET中具有一大電容。這種大電容使MOSFET的性能大受影響。舉例來說，這種大電容會造成接合面的漏電流，因而增加待用狀態(tài)(standby)時的功率損耗或信號損失。所以降低米勒效應電容與門極-漏極間電容是必需的。
達到上述目的的一個方法是降低漏極接合面的寬度。藉此可以減小柵極-漏極電容值。由于米勒效應對柵極-漏極間電容的加乘效果，減小柵極-漏極間電容會使總電容值減小，也使MOSFET中的寄生效應降低。因此，隨著寄生效應的降低，MOSFET的增益也提高了。另外，MOSFET在高頻頻寬的性能也會明顯地受到柵極-漏極間電容及米勒效應電容影響而下降。
另外，有一種晶體管被稱為非對稱性梯形柵極(ATG)MOSFET，其柵極在漏極側的寬度較源極側的寬度短，而形成梯形。
P.Grignoux等人在“具有非直角柵極幾何圖形的MOSFET晶體管模型”一文中所提出的「Modeling of MOSFET Transistor withNon-rectangular-gate Geometries 」中，揭示了一具有不規(guī)則形狀柵極的MOSFET，但卻忽略了二次效應，如基體效應(body effect)及信道長度調變(channel length modulation)。此外，P.Grignoux等人并沒有提及ATG晶體管的頻寬效應。
T.H.Kuo等人在“同心MOSFETs的非對稱性與不匹配性”一文中所提出的「Mismatch and Asymmetric Characteristic of ConcentricMOSFETs 」揭示了同軸晶體管的非對稱性特性，包括了偏壓及電流不匹配。T.H.Kuo等人并沒有提及這種晶體管的頻寬效應。
A.El-Hennaway等人在“TG-MOSFET的模型與特征”一文中所提出的「Modeling and Characterization of TG-MOSFET」揭示了一短信道梯形柵極MOSFET(TG-MOSFET)。A.El-Hennaway等人提供了仿真結果及模型分析，但卻沒有提到任何有關頻寬的問題。
雖然非矩形柵極MOSFET的特性及結構已被提出，但這些組件在如高頻信號的應用上卻尚未進行深入的研究。
為了克服現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一新式的ATG-MOSFET結構及其在電路上的應用，減小或避免寄生效應。以為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種射頻(RF)放大器電路，包括一MOSFET(金屬氧化物半導體場效晶體管)，做為一放大器組件，此MOSFET被建構為一非對稱梯形柵極(ATG)MOSFET。
本發(fā)明亦提供一種非對稱梯形柵極(ATG)MOSFET裝置，包括多個并聯(lián)的非對稱梯形柵極(ATG)MOSFET單體。其中，每一單體具有一柵極、一源極區(qū)及一漏極區(qū)，每一單體的源極區(qū)與漏極區(qū)的一是與相鄰的單體共享。
其中，每一單體的柵極是以與漏極區(qū)成45度角的方向向源極區(qū)逐漸加寬。
本發(fā)明將ATG-MOSFET應用于射頻(RF)放大器電路中，利用ATG-MOSFET的特性減小寄生效應而增加了射頻(RF)放大器的性能。
為讓本發(fā)明的上述目的、特征及優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并結合附圖，作詳細說明如下。
圖2A是柵極-漏極間接合面電容的頻率響應等效MOSFET放大器電路圖；圖2B是加入米勒效應電容的柵極-漏極間接合面電容頻率響應等效MOSFET放大器電路圖；圖3是一ATG-MOSFET的布局圖；圖4A是多個串連的ATG-MOSFET的布局圖；圖4B是圖4A中的ATG-MOSFET的電路圖；圖5顯示了單一LNA組件的性能；圖6顯示了單一AGT-MOSFET及對稱性柵極MOSFET LNA的單元功率-頻率增益(unity-power-frequency gain)及載波頻率；圖7顯示了cascade的ATG-MOSFET及對稱性柵極MOSFET LNA的單元功率-頻率增益(unity-power-frequency gain)及載波頻率。圖中符號說明100、110～RF電路；300～ATG-MOSFET；302～源極區(qū)；304～漏極區(qū)；306～柵極；400-1、400-2、…、400-N～ATG-MOSFET單體；CGD、CDS、CGS～電容；CMiller、C’Miller、C”Miller～米勒效應電容。
圖2A是柵極-漏極間接合面電容的頻率響應等效MOSFET放大器電路圖。圖2A中的放大器提供一增益A。圖2A中的電路圖被重新整理成圖2B，以突顯米勒效應電容CMiller。假設在電容CGD兩端的電壓與增益A成正比，電容CGD因米勒效應而造成一等效大電容。從柵極端看入的米勒效應電容為C’Miller＝(1+A)CGD…………………(1)而從漏極看入的米勒效應電容為C”Miller＝(1+1/A)CGD………………(2)假設電容CGD約為1至3pF之間，從式子(1)可以看出當增益A增加，米勒效應電容C’Miller大幅增加。在式子(2)中亦可以看出米勒效應電容C”Miller也大于電容CGD。由米勒效應所造成的大電容對于放大器在高速及高頻的操作上非常不利。為了增加電路速度及放大器的頻寬并同時保持增益不變，米勒效應電容必需減小。因此，CGD亦必需減小。
本實施例提供了一具有ATG結構的MOSFET，特別應用于RF放大器中。藉由在漏極側形成一較窄的信道，使柵極-漏極間接合面面積減小而減小電容CGD。依據(jù)式子(1)及(2)，當CGD減小，米勒效應電容亦跟著減小。如此可使放大器具有較高的速度及較大的頻寬。一般來說，漏極區(qū)的寬度會被控制在能夠提供一介于0.02至0.5pF/μm的電容CGD。再者，形成一能提供低于0.35pF/μm的電容的漏極區(qū)也可以降低CGD并提供適當?shù)穆O電流。
圖3顯示了一ATG-MOSFET 300的平面圖，包括一源極區(qū)302、一漏極區(qū)304、一柵極306。源極區(qū)302及漏極區(qū)304的寬度分別為WS及WD。柵極306的長度為L。在MOSFET 300中，所能導通的最大驅動電流(IDMAX)是WS/L的函數(shù)。因此，在需要每一個MOSFET能夠有較大的驅動電流的電路中，建構較大的WS/L比是必需的。這種應用可以在高頻RF放大器中看到，如

圖1A及圖1B中所示的電路100及110。驅動電流的大小可以在數(shù)mA之間，但還是端賴電路的參數(shù)而決定。
在ATG-MOSFET 300中，如果增加WS/L比會造成較大的寬WD而使WS/WD的比趨向1。這種現(xiàn)象使ATG-MOSFET減低米勒效應的優(yōu)點消除。因此，具有較大WS/L比的ATG-MOSFET造成米勒效應的增加而不利于RF放大器在高頻(如數(shù)百MHz以上)的操作速度及頻寬。一般來說，市面上標示為高頻組件的產(chǎn)品均操作在900MHz以上。舉例來說，RF行動產(chǎn)器通常操作在900MHz、1800MHz或2.4GHz。軍用組件甚至操作在更高的頻率。
圖4A顯示了一ATG-MOSFET 400的平面圖，ATG-MOSFET 400適用于高頻RF放大器電路中。ATG-MOSFET 400是由多個ATG-MOSFET單體400-1、400-2、…、400-N串連所組成，且每兩個相鄰的ATG-MOSFET單體共享一源極區(qū)或漏極區(qū)。舉例來說，ATG-MOSFET單體400-1具有一源極區(qū)402、一柵極404及一漏極區(qū)406，而ATG-MOSFET單體400-2與ATG-MOSFET單體400-1共享一漏極區(qū)406，更具有一柵極408及源極410。ATG-MOSFET單體400-3與ATG-MOSFET單體400-2共享一源極區(qū)410，更具有一柵極412及一漏極414。
圖4B是ATG-MOSFET 400電路圖，并顯示了將ATG-MOSFET單體400-1、400-2、…、400-N并聯(lián)的聯(lián)機方式。聯(lián)機420、422及424分別將柵極、漏極與源極并聯(lián)。
ATG-MOSFET單體的并聯(lián)使每一個單體400-1、400-2、…、400-N可以具有一較小的WD值及一適當?shù)腤S/WD比，并同時有減低米勒效應電容的功效。另一方面，ATG-MOSFET單體的并聯(lián)提供了一由每一個單體的驅動電流加合而得到的總驅動電流，使在高頻操作中的IDMAX是足夠的。
因此，多個并聯(lián)的ATG-MOSFET提供了一等效的MOSFET，此等效MOSFET可提供一大驅動電流IDMAX，并具有較小的米勒效應電容。再者，這種ATG-MOSFET 400的特殊結構同時也減小了總組件電容(devicecapacitance)。組件電容主要包括了CMiller(CGD的倍數(shù))及一漏極與基底間的接合面電容Cj。對于兩個并聯(lián)但不共享摻雜區(qū)(漏極或源極)的ATG-MOSFET單體來說，其總組件電容將會是2CMiller+2Cj但是，由于ATG-MOSFET 400是在每兩個單體間共享一個摻雜區(qū)，所以其總組件電容將會是2CMiller+Cj因此，ATG-MOSFET 400的總組件電容小于等量分隔并聯(lián)的ATG-MOSFET 400單體所產(chǎn)生的總組件電容。
在Cho等人所提出的「An Analytic Current-Voltage andCapacitance-Voltage Model of the Asymmetric-Trapezoidal-GateMOSFET」(Electron Device and Material Symposium，1997)中，揭示了適于做為ATG-MOSFET 400-1、400-2、…、400-N的組件。在Cho等人所提出的組件中，柵極是以與源極區(qū)成45度角的方向向漏極區(qū)變寬。
在Wong等人所提出的「A DC Model for Asymmetric TrapezoidalGate MOSFET’s in Strong Inversion」(IEEE Transactions on ElectronDevice，Vol.45，no.7，July 1998)中，亦揭示了適于做為ATG-MOSFET400-1、400-2、…、400-N的組件。Wong等人揭示了ATG-MOSFET的優(yōu)異性能。
在實際制作一使用于高頻RF電路的ATG-MOSFET 400時，組件的等效WS，即每一單體400-1、400-2、…、400-N的WS的總和必需至少有200μm，且依電路對最大驅動電流IDMAX的需求而改變。
ATG-MOSFET的制造方法與傳統(tǒng)的對稱性柵極MOSFET非常類似。最大的不同處在于ATG-MOSFET的多晶硅層是使用梯形的布局形成。所以在此并不需要新的制造技術來產(chǎn)生這些優(yōu)良的組件性能。
RF電路100及110是利用具有ATG-MOSFET 400特性的MOSFET組件以及相同結構但不同的電容參數(shù)來仿真其操作。這些特性是經(jīng)由Cho等人所得到。RF電路100及110亦使用一具有對稱性柵極的傳統(tǒng)MOSFET進行仿真。數(shù)個具有不同尺寸的傳統(tǒng)MOSFET使用「BSIMpro」進行量測及「BSIM3v.3」模型進行仿真，以提供一測試參考。接著，使用HP8510量測S參數(shù)。這種測量提供了MOSFET的RF特性以及可能導致寄生效應產(chǎn)生的漏電流路徑。圖5-7顯示了仿真的結果。
圖5顯示了RF電路100的單元電流增益(unity-current-gain)頻率(ft)特性。在圖5中，x軸代表頻率，y軸代表電流增益h21，h21是RF電路100的等效雙端口網(wǎng)絡(two port network)的四個參數(shù)的其中之一。在h21＝0dB時的頻率被定義為單元電流增益頻率ft。如圖5所示，傳統(tǒng)MOSFET與ATG-MOSFET的ft分別為9.83與10.7GHz。
圖6顯示了RF電路100的單元功率增益(unity-power-gain)頻率(fmax)及ft。圖7A及7B則顯示了RF電路110的單元功率增益(unity-power-gain)頻率(fmax)及ft。在圖6A、6B、7A及7B中，代表載波頻率，S21代表功率增益。S21是等效雙端口網(wǎng)絡中另一組四個參數(shù)中的其中之一。在功率S21＝0dB時的頻率被定義為單元功率增益頻率fmax。
等效雙端口網(wǎng)絡及其相對的參數(shù)組是為人所熟知的。舉例來說，在K Chang，John Wiley & Sons，1994便對等效雙端口網(wǎng)絡有詳盡的描述。
以下的表格摘要了在圖5、6A、6B、7A及7B中的結果，其所使用的單位為GHz。
在上表中以電流增益及功率增益的角度可以看出，RF電路100及110的高頻性能在使用ATG-MOSFET時均較使用傳統(tǒng)的MOSFET時良好，且并不需大幅改變其制程。
本發(fā)明雖已以較佳實施例披露如上，但其并非用以限制本發(fā)明。任何熟知本領域技術者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可做些許的更動與潤飾。因此本發(fā)明的保護范圍當視權利要求并結合說明書與附圖所界定者為準。
權利要求
1.一種射頻(RF)放大器電路，包括一金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)，做為一放大器組件，該金屬氧化物半導體場效晶體管被建構成一非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管。
2.如權利要求1所述的電路，其中該金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)具有一源極區(qū)、一漏極區(qū)及一柵極，該源極區(qū)的寬度大于該漏極區(qū)的寬度。
3.如權利要求2所述的電路，其中該漏極區(qū)的寬度小到足以減小該金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)的米勒效應(Miller effect)電容，且提供了一電容值落于0.02fF/μm與0.5fF/μm間的電容CGD。
4.如權利要求3所述的電路，其中該柵極以與該漏極區(qū)成45度角向源極區(qū)方向逐漸加寬。
5.如權利要求2所述的電路，其中該射頻(RF)放大器是用以放大高于800MHz的信號。
6.如權利要求4所述的電路，其中該金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)包括多個并聯(lián)的非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)，以導通該射頻(RF)放大器的驅動電流。
7.如權利要求6所述的電路，其中每一非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)的柵極以與漏極區(qū)成45度角向源極區(qū)方向逐漸加寬。
8.如權利要求6所述的電路，其中每一非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)的漏極區(qū)寬度小到足以減小該金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)的米勒效應(Miller effect)電容，且提供了一電容值落于0.02fF/μm與0.5fF/μm間的電容CGD。
9.如權利要求1所述的電路，其中該射頻(RF)放大器是用以放大高于800MHz的信號，其中該非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)具有多個非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)單體，每一單體的源極區(qū)與漏極區(qū)的一與相鄰的單體共享。
10.如權利要求9所述的電路，其中該等非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)單體并聯(lián)。
11.如權利要求10所述的電路，其中每一非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)單體的柵極以與漏極區(qū)成45度角向源極區(qū)方向逐漸加寬。
12.一種非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)裝置，包括多個并聯(lián)的非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)單體，每一單體具有一柵極、一源極區(qū)及一漏極區(qū)，每一單體的源極區(qū)與漏極區(qū)的一是與相鄰的單體共享。
13.如權利要求12所述的裝置，其中該源極區(qū)的寬度大于該漏極區(qū)的寬度。
14.如權利要求13所述的裝置，其中該漏極區(qū)的寬度小到足以減小該金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)的米勒效應(Millereffect)電容，且提供了一電容值落于0.02fF/μm與0.5fF/μm間的電容CGD。
15.如權利要求12所述的電路，其中每一非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)單體的柵極以與漏極區(qū)成45度角向源極區(qū)方向逐漸加寬。
16.如權利要求12所述的電路，其中該非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)裝置的最大驅動電流等于每一非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)單體的最大驅動電流和。
17.如權利要求12所述的電路，其中每一非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)單體的源極區(qū)與漏極區(qū)的一是與相鄰的單體共享。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非對稱梯形柵極(ATG)金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET,包括多個具有一柵極的非對稱梯形柵極(ATG)MOSFET單體。每一單體的源極區(qū)與漏極區(qū)之一是與相鄰的單體共享。該些單體是以并聯(lián)的方式連接而提供所需的驅動電流并降低驅動電容。非對稱梯形柵極(ATG)MOSFET是應用于高頻的射頻(RF)放大器。
文檔編號H01L29/78GK1381902SQ0111071
公開日2002年11月27日 申請日期2001年4月13日 優(yōu)先權日2001年4月13日
發(fā)明者王是琦, 高啟弘 申請人:華邦電子股份有限公司