[發明專利]用于SOI射頻開關的偏壓生成電路

有效

• 申請號: 200980152324.4
• 申請日: 2009-12-15
• 公開（公告）號: CN102265402A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: A·B·博圖拉;E·J·諾瓦克
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L29/00
• 分類號: H01L29/00
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 吳立明

技術領域

本發明涉及半導體電路，并且更具體地涉及如下半導體電路，其包括在絕緣體上半導體(SOI)襯底上的射頻開關和用于射頻開關的偏壓生成電路，以及涉及操作該半導體電路的方法。

背景技術

諸如場效應晶體管之類的半導體器件被用作模擬和射頻(RF)應用中RF信號的切換設備。絕緣體上半導體(SOI)襯底通常用于這種應用，這是因為器件之間通過襯底的寄生耦合會由于絕緣埋層的低介電常數而減小。例如，硅(包括體硅襯底的整個襯底)的介電常數，大約在11.9GHz范圍中。作為對比，將包含器件的頂部半導體層與操作襯底隔離開的氧化硅的介電常數大約為3.9。通過提供介電常數小于體襯底中半導體材料的介電常數的絕緣埋層，SOI襯底減小了各自半導體器件與襯底之間的電容性耦合，并且因此減小了半導體器件之間通過襯底的次級電容性耦合。

然而，即使使用SOI襯底，半導體器件之間電信號的次級電容性耦合也會由于在射頻應用中所采用的高頻范圍而變得顯著，該范圍可以是例如從大約900MHz到大約1.8GHz，并且可以包括甚至更高的頻率范圍。這是因為電部件之間的電容性耦合隨著頻率線性增加的緣故。

對于SOI襯底上形成的射頻(RF)開關，包括RF開關以及頂部半導體層中信號處理單元的半導體器件通過絕緣埋層電容性耦合到底部半導體層。即使頂部半導體層中的半導體器件采用從大約3V至大約9V的電源電壓，天線電路中的瞬態信號與信號反射也會將頂部半導體層中的實際電壓增加至大約30V。這種電壓情況在經受這種高電壓信號的半導體器件與底部半導體層上部內感應電荷層之間感應出顯著的電容性耦合，該感應電荷層隨著頂部半導體層中半導體器件中的RF信號的頻率而改變厚度和電荷極性。該感應電荷層與頂部半導體層中的其他半導體器件電容性耦合，其他半導體器件包括假定與RF開關電隔離的半導體器件。底部半導體層中的感應電荷層與其他半導體器件之間的假性電容性耦合提供次級電容性耦合，該次級電容性耦合為降低RF開關有效性的寄生耦合。在此情況下，雖然RF開關已經關斷，但RF信號還是被通過次級電容性耦合施加到其他半導體器件。

參考圖1，現有技術射頻開關包括在絕緣體上半導體(SOI)襯底8上形成的一組串聯連接的場效應晶體管。SOI襯底8包括底部半導體層10、絕緣埋層20和頂部半導體層30。頂部半導體層30包括頂部半導體部分32以及在相鄰頂部半導體部分32之間提供電隔離的淺溝槽隔離結構33。每個場效應晶體管包括柵極電極42、柵極電介質40、柵極間隔物44以及頂部半導體部分32中形成的源極區域和漏極區域(未示出)。場效應晶體管經由一組接觸通孔88和金屬線98串聯連接。接觸通孔88嵌入在線中央(MOL)介電層80中，并且金屬線98形成于互連級介電層90中。

電壓擺幅大約高達+/-30V的高壓信號通過電容性耦合在底部半導體層10的上部部分中感應出電荷層11，電容性耦合由半導體器件與底部半導體層10之間的一組電容器22示意性地指示。在頂部半導體層30中的半導體器件中的電壓具有負電壓時感應電荷層11包含正電荷，而在頂部半導體層30中的半導體器件中的電壓具有正電壓時感應電荷層11包含負電荷。半導體器件中的RF信號的高頻在與RF信號頻率相同的頻率上引起感應電荷層11的厚度以及感應電荷層中電荷的極性的變化。

在累積模式中，將驅散感應電荷層11中的電荷所需的時間由RC時間常數表征，RC時間常數由一組電容器22的電容與襯底電阻所決定。襯底電阻為感應電荷層11與電接地之間的電阻，這通常由半導體芯片邊界上的邊緣密封所提供。襯底電阻利用感應電荷層11與電接地之間的電阻器12象征性地表示。因為底部半導體層10通常采用具有大約5Ohms-cm的電阻率以最小化渦電流的高電阻率半導體材料，所以這種襯底電阻可能會極其高。進一步，到邊緣接縫的橫向距離可以高達半導體芯片橫向尺寸的一半，例如在大約1cm的量級上。在反型模式中，生成并驅散感應電荷所需的時間由體半導體中的生成與復合率來表征。

這種較大的襯底電阻12將用于驅散感應電荷層11中的電荷的RC時間常數增加為超出RF信號周期的時間尺度。因為感應電荷層11中電荷的驅散由于長RC時間常數而有效受阻，所以即使在RF開關關斷狀態期間，頂部半導體層30中的半導體器件與底部半導體層10之間的電容性耦合還是會導致信號耗損。進一步，從RF信號通過半導體器件的次級電容性耦合通過感應電荷層11，將假性RF信號導入由RF開關斷開的半導體器件。