(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、不純物を含有する前記半導体基板と連続した結晶の半導体層と、前記半導体層を囲む素子分離領域とを備え、前記半導体層に励起される音響定在波により所定の共振周波数で共振する音響共振器と、
前記半導体基板に形成され、前記半導体基板の温度を検出する温度検出部と、
前記半導体基板に形成され、前記温度検出部で検出される温度、前記不純物の種類、前記不純物の濃度に基づき温度補償の演算を行う演算部と、
前記半導体基板に形成され、前記演算部の演算結果に基づき前記共振周波数を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、不純物を第１の不純物濃度で含有する前記半導体基板と連続した結晶の第１の半導体層と、前記第１の半導体層を囲む素子分離領域とを備え、前記第１の半導体層に励起される音響定在波により第１の共振周波数で共振する第１の音響共振器と、
前記半導体基板に形成され、前記第１の共振周波数に基づく第１の発振周波数で発振する第１の発振器と、
前記半導体基板に形成され、前記不純物を前記第１の不純物濃度と異なる第２の不純物濃度で含有する前記半導体基板と連続した結晶の第２の半導体層と、前記第２の半導体層を囲む素子分離領域とを備え、前記第２の半導体層に励起される音響定在波により第２の共振周波数で共振する第２の音響共振器と、
前記半導体基板に形成され、前記第２の共振周波数に基づく第２の発振周波数で発振する第２の発振器と、
前記半導体基板に形成され、前記半導体基板の温度を検出する温度検出部と、
前記半導体基板に形成され、前記温度検出部で検出される温度、前記不純物の種類、前記第１および第２の不純物濃度、前記第１および第２の発振周波数に基づき温度補償の演算を行う演算部と、
前記演算部の演算結果に基づき前記第１および第２の発振周波数を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記第１の発振周波数と前記第２の発振周波数の差分を演算する差分演算部を有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層に印加する第１および第２の直流電圧を発生することを特徴とする請求項２または請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、不純物を含有する前記半導体基板と連続した結晶の半導体層と、前記半導体層を囲む素子分離領域とを備え、前記半導体層に励起される音響定在波により所定の共振周波数で共振する音響共振器と、
前記半導体基板に形成され、前記共振周波数に基づく発振周波数で発振する発振器と、
前記半導体基板に形成され、前記半導体基板の温度を検出する温度検出部と、
前記半導体基板に形成され、前記温度検出部で検出される温度、前記不純物の種類、前記不純物の濃度、前記発振器の発振周波数に基づき温度補償の演算を行う演算部と、
前記半導体基板に形成され、前記演算で必要な情報を記憶する記憶部と、
前記半導体基板に形成され、前記演算部の演算結果に基づき前記共振周波数を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記情報は、前記演算で用いられる演算式の係数を含むことを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記半導体層に印加する直流電圧を発生することを特徴とする請求項５または請求項６記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基準となる周波数を発生する発振器には、多くの場合水晶振動子が共振器として用いられている。水晶振動子はＱ値が高く、共振周波数の温度安定性に優れているものの、半導体集積回路との一体化が困難である。一方、水晶振動子を用いず、水晶発振器同等の高い周波数精度を実現する方法に関する提案も盛んに行われている。
【０００３】
例として、静電型ＭＥＭＳあるいは圧電型ＭＥＭＳ共振器を利用した発振器などをあげることができる。これらの発振器は、機械的共振、あるいは音響的共振を利用するという点で、動作原理の面で水晶発振器との類似性がある。また、ＬＣ共振器と比較すれば、高いＱ値が得られやすいという特長を有する。
【０００４】
しかしながら、これら機械的共振器、音響的共振器を半導体基板上に集積化することは、必ずしも原理的に不可能ではないものの、特殊な材料、構造や製造プロセス、実装方法などを必要とする。また製造プロセスのばらつきに起因する発振周波数の補正を個別に施す必要があるなど、多くの課題が残されている。
【０００５】
したがって、半導体基板上での形成が容易で高い周波数精度を有する発振器を備える半導体装置の実現が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許７６５６２４３明細書
【０００７】
【特許文献２】特開２０１１−１８７７６６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｊｏｈｎ  Ｊ．Ｈａｌｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｖｏｌ．１６１，（１９６７），ｐ．７５６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、半導体基板上への形成が容易で、高い周波数精度を有する発振器を備える半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施の形態の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成され、不純物を含有する前記半導体基板と連続した結晶の半導体層と、前記半導体層を囲む素子分離領域とを備え、前記半導体層に励起される音響定在波により所定の共振周波数で共振する音響共振器と、前記半導体基板に形成され、前記半導体基板の温度を検出する温度検出部と、前記半導体基板に形成され、前記温度検出部で検出される温度、前記不純物の種類、前記不純物の濃度に基づき温度補償の演算を行う演算部と、前記半導体基板に形成され、前記演算部の演算結果に基づき前記共振周波数を制御する制御部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態の半導体装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態の共振器の説明図である。
【図３】第１の実施の形態の共振器の模式図である。
【図４】弾性定数の温度依存性に関する理論計算と実測値を示す図である。
【図５】本実施の形態の半導体装置の温度補償のフローチャートである。
【図６】第２の実施の形態の半導体装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明者らは、半導体の結晶中に音響定在波を励起し、これを共振器として利用することにより発振器を構成する、という方法を提案している。この場合、特殊材料、特殊構造、特殊プロセス、特殊実装方法などを用いなくとも、標準的な半導体基板上に標準的な集積回路プロセスによって形成することが可能である。このため、この方法により発振器を構成すれば、高い周波数精度を有する発振器を抵コストで提供できることが期待される。
【００１３】
音響共振器の共振周波数は、音響波の速度と共振器のサイズによって決まる。水晶振動子では、特定の方位をもった結晶を切り出すことにより、共振周波数の温度依存性を極めて小さくすることができる。
【００１４】
一方、半導体結晶中を伝播する音響波の速度は、結晶の方位に対しては等方的であるものの、添加する不純物の種類や濃度に依存して異なることが知られている。このため、半導体結晶中に励起する音響定在波を使用する共振器において、高い周波数精度を実現するためには、何らかの方法で不純物濃度に起因する共振周波数の変化を補正する必要がある。
【００１５】
また、集積回路の製造プロセス中、ある程度、半導体中の不純物濃度のばらつきを避けることはできない。このため、このばらつきをも補償する方法が望まれる。
【００１６】
（第１の実施の形態）
本実施の形態の半導体装置は、半導体基板と、半導体基板に形成され、不純物を第１の不純物濃度で含有する第１の半導体層を備え、第１の半導体層に励起される音響定在波により第１の共振周波数で共振する第１の音響共振器と、半導体基板に形成され、第１の共振周波数に基づく第１の発振周波数で発振する第１の発振器と、半導体基板に形成され、不純物を第１の不純物濃度と異なる第２の不純物濃度で含有する第２の半導体層を備え、第２の半導体層に励起される音響定在波により第２の共振周波数で共振する第２の音響共振器と、半導体基板に形成され、第２の共振周波数に基づく第２の発振周波数で発振する第２の発振器と、半導体基板に形成され、半導体基板の温度を検出する温度検出部と、半導体基板に形成され、温度検出部で検出される温度と、不純物の種類、第１および第２の不純物濃度、第１および第２の発振周波数に基づき温度補償の演算を行う演算部と、演算部の演算結果に基づき第１および第２の発振周波数を制御する制御部と、を備える。
【００１７】
本実施の形態の半導体装置は、半導体の結晶中に音響定在波を励起し、これを共振器として利用する。そして、この共振器を用いて発振器を構成する。したがって、特殊材料、特殊構造、特殊プロセス、特殊実装方法などを用いなくとも、標準的な半導体基板上に標準的な集積回路プロセスによって、半導体基板上に発振器を備える半導体装置を形成することが可能である。そして、不純物濃度に起因する共振周波数の変化を効果的に補正する構成とすることで、高い周波数精度を実現する。
【００１８】
図１は、本実施の形態の半導体装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の半導体装置１００は、例えば、シリコンの半導体基板上に形成される。そして、不純物を第１の不純物濃度ＮＡで含有する第１の半導体層を備え、第１の半導体層に励起される音響定在波により第１の共振周波数で共振する第１の音響共振器１２ａを備える。また、半導体基板に形成され、第１の共振周波数に基づく第１の発振周波数ｆＡで発振する第１の発振器１４ａを備える。
【００１９】
そして、半導体基板に形成され、第１の半導体層と同一種類の不純物を第１の不純物濃度と異なる第２の不純物濃度ＮＢで含有する第２の半導体層を備え、第２の半導体層に励起される音響定在波により第２の共振周波数で共振する第２の音響共振器１２ｂを備える。また、半導体基板に形成され、第２の共振周波数に基づく第２の発振周波数ｆＢで発振する第２の発振器１４ｂを備える。
【００２０】
そして、半導体基板に形成され、半導体基板の温度を検出する温度検出部１６を備える。また、半導体基板に形成され、温度検出部１６で検出される温度と、第１および第２の半導体層の不純物の種類、第１および第２の不純物濃度、第１および第２の発振周波数に基づいて、温度補償の演算を行う演算部１８を備えている。そして、演算部１８の演算結果に基づき第１および第２の発振周波数を制御する制御部２０を備えている。
【００２１】
図２は、本実施の形態の共振器の説明図である。第１の共振器１２ａは第１の半導体層２２ａを備える。
【００２２】
そして、第１の半導体層２２ａは、幅ｗのサイズを備える。また、第１の半導体層２２ａは、不純物、例えば、ボロン（Ｂ）を含み、この不純物を第１の不純物濃度ＮＡで含有する。
【００２３】
この第１の半導体層１２ａの両端に、例えば、パルス電圧が印加されることで、半導体結晶が有する変形ポテンシャル効果により音響波が発生し、半導体結晶中を音速ｖＡの音響波が伝搬し音響定在波が励起される。そして、第１の共振器１２ａが第１の共振周波数で共振する。
【００２４】
また、第２の半導体層２２ｂは、第１の半導体層２２ａと同じ幅ｗのサイズを備える。また、第２の半導体層２２ｂは、第１の半導体層と同一種類の不純物、例えば、ボロン（Ｂ）、を第１の不純物濃度ＮＡと異なる第２の不純物濃度ＮＢで含有する。
【００２５】
この第２の半導体層１２ｂの両端に、例えば、パルス電圧が印加されることで半導体結晶中を音速ｖＢの音響波が伝搬し音響定在波が励起される。そして、第２の共振器１２ｂが第２の共振周波数で共振する。
【００２６】
図３は、本実施の形態の共振器の模式図である。図３（ａ）が上面図、図３（ｂ）が図３（ａ）のＡＡ断面図である。また、図３（ｃ）は変形例の共振器の模式断面図である。なお、第１の共振器１２ａと第２の共振器１２ｂは、半導体層の不純物濃度が異なる以外は同一の構造を備える。ここでは、第１の共振器１２ａを例に説明する。
【００２７】
第１の共振器１２ａは、例えば、半導体基板３０中に形成されるｐ型基板領域２６ａおよびｎ型ウェル２４ａに囲まれる第１のｐ型拡散層（第１の半導体層）２２ａを備える。ｐ型基板領域２６ａ、ｎ型ウェル２４ａ、および、第１のｐ型半導体層２２ａの境界には、素子分離領域２８が形成されている。半導体基板３０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）単結晶である。
【００２８】
第１のｐ型拡散層２２ａの両端には、端子Ａと端子Ｂが形成される。この端子Ａと端子Ｂとの間に交流のパルス電圧が印加されると、第１のｐ型拡散層中を音響波が伝搬し、特定の周波数において、半導体結晶中における電荷と音響波との結合により音響定在波が励起される。そして、第１の共振器１２ａが第１の共振周波数で共振する。図３に示すような構造で、音響定在波が励起され、共振器として機能することは発明者らによって確認されている。
【００２９】
また、共振周波数を制御するために、例えば、端子Ａと端子Ｂとの間に所定の直流電圧ＶＡが印加される。直流電圧ＶＡを印加することで生ずる音響波と電荷との間の相互作用により、半導体中を伝播する音響波の速度ｖＡが変化する。
【００３０】
半導体結晶中を音響波が伝搬する際、音響波の波長と同じ周期で、電子密度の疎密が生じる。そして、電荷密度に疎密がある状態において、音の伝播方向と同じ方向に直流的な電界を加えると、電界により電荷は加速され、ドリフト速度が速くなる。
【００３１】
十分に高い電界の下、電荷のドリフト速度が音響的な波の伝播速度よりも速くなると、音響波の振幅は次第に増幅されると同時に、音響波の伝播速度が速くなる。このように、音響フォノンと電子との相互作用を利用することにより、音響波の速度を変えることができる。したがって、端子Ａと端子Ｂ間に印加する直流電圧ＶＡを変化させることで、第１のｐ型拡散層２２ａに励起される音響定在波の共振周波数を変えることが可能となる。
【００３２】
なお、第１の半導体層１２ａへの直流電圧の印加方法は、端子Ａと端子Ｂ間に電圧を印加する方法に限らず、例えば、ｐ型拡散層２２ａ上に形成されるトランジスタ等を利用する方法も考えられる。具体的には、図３（ｃ）に示すように、ゲート電極２９とｎ型拡散層（図示せず）の間に電圧を印加することにより、トランジスタのチャネル領域を走行するキャリア（電子もしくは正孔）のドリフト速度を変化させることを通して、チャネル領域を伝播する音響波の速度を変えることができる。この場合には、ゲート電圧によるチャネル領域の寸法と平均電荷密度の変化も、音響波の速度変化に寄与する。さらには、トランジスタのチャネル領域を走行するキャリア（電子もしくは正孔）の一部が半導体結晶に衝突する際に発生するフォノンを音響波の発生源として用いることができる。
【００３３】
第１の不純物濃度（ＮＡ）および第２の不純物濃度（ＮＢ）は、ともに、１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが望ましい。１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であると、半導体結晶中において電荷と音響波との結合が小さいため音響定在波が生じにくい。また、１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より大きいと、不純物が固溶限を超えて析出する恐れがある。
【００３４】
また、第１の不純物濃度（ＮＡ）と第２の不純物濃度（ＮＢ）との差は、１％以上であることが望ましい。１％未満の場合、第１の共振器１２ａと第２の共振器１２ｂの共振周波数の差が小さくなりすぎるため、第１および第２の発振器１４ａ、１４ｂの発振周波数の差を検出することが困難となるためである。
【００３５】
第１の発振器１４ａおよび第２の発振器１４ｂについては、例えば、公知の発振回路を適用することが可能である。第１の発振器１４ａおよび第２の発振器１４ｂは半導体基板３０に形成される。例えば、半導体基板３０に形成されるトランジスタやキャパシタ等の素子により構成される。
【００３６】
温度検出部１６は半導体基板に形成される。例えば、半導体基板上に形成可能な公知の温度検出素子を用いることが可能である。
【００３７】
演算部１８は、温度検出部１６で検出される半導体基板の温度と、第１および第２の半導体層１２ａ、１２ｂの不純物の種類、第１および第２の不純物濃度ＮＡ、ＮＢ、第１および第２の発振周波数ｆＡ、ｆＢに基づき温度補償のための演算を行う。
【００３８】
演算部１８は、例えば、第１の発振周波数ｆＡと第２の発振周波数ｆＢの差分を演算する差分演算部（図示せず）を備える。差分演算部では、第１の発振器１４ａと第２の発振器１４ｂが発生する二つの発振周波数ｆＡとｆＢの差、すなわちΔｆ＝ｆＡ−ｆＢを演算する。
【００３９】
演算部１８も、半導体基板３０に形成される。例えば、半導体基板３０に形成されるトランジスタやキャパシタ等の素子により構成される。
【００４０】
制御部２０は、演算部１８の演算結果に基づき第１および第２の発振周波数ｆＡ、ｆＢを制御する。具体的には、例えば、制御部２０で第１の共振器１２ａおよび１２ｂの第１の共振周波数および第２の共振周波数の温度補償を行うための第１および第２の直流電圧ＶＡ、ＶＢを発生し、第１および第２の共振器１２ａおよび１２ｂへ印加する。これにより、温度変化が補償された第１の発振周波数ｆＡおよび第２の発振周波数ｆＢが得られることになる。
【００４１】
次に、本実施の形態の半導体装置の動作原理について詳述する。
【００４２】
半導体結晶中を伝播する音響波を用いて音響定在波を励起し、これにより共振器を構成した場合、各種半導体物性が有する温度依存性により、共振周波数も温度により変化する。表１は、半導体結晶の一例としてシリコン（Ｓｉ）を用いた場合の音響共振周波数の温度による変動要因と、その温度係数を示す。
【００４３】
【表１】
0005680012.tif 000002
【００４４】
表１に示されるように、共振周波数の温度変動の物理的な要因として、熱膨張係数と弾性定数の温度依存性に分けることができるが、支配要因は弾性定数の温度変化である。一方半導体結晶の弾性定数は、結晶中に含まれる不純物によって変化することが知られている。
【００４５】
さらに、弾性定数の値が異なるだけでなく、その温度係数も大きく変化する。不純物によるこのような弾性定数の違いは、結晶の弾性的性質自体が変わったためではない、ということが知られている。不純物により生成した電荷と音響波とが、変形ポテンシャル効果により相互に結合した結果として生じるものである。さらに、真性半導体と不純物半導体の弾性定数の差δｃ１１＝ｃ１１（ＰＵＲＥ）−ｃ１１（ＤＯＰＥＤ）は、変形ポテンシャル係数と、電荷密度を用いて、理論的に次の式により表すことができることが知られている。
【数１】
0005680012.tif 000003
【００４６】
図４は、弾性定数の温度依存性に関する理論計算と実測値を示す図である。上記（１）式を用いた理論計算の結果と実験値の比較を示す。実線が実測値、四角（□）印が計算値である。
【００４７】
この計算において、フェルミレベル（ＥＦ）＝２０．９ｅＶ、変形ポテンシャル＝８．６ｅＶ、電荷密度（Ｎ）＝１．９４ｘ１０１９ｃｍ−３、Δｃ１１（Ｔ＝０）＝３．７３ｄｙｎｅ／ｃｍ２、などのパラメータを用いた。
【００４８】
両者が極めて良く一致することから、計算に用いたパラメータの値が妥当であること、および計算の前提である理論と理論式が妥当であることがわかる。ここで用いられている理論、すなわち不純物量による半導体結晶の弾性定数の変化は、変形ポテンシャル効果に起因して生じるものであり、電荷と音響波の相互作用の結果である、という仮定には妥当性が認められる。
【００４９】
実際に理論式である（１）式を計算するには、括弧の中のフェルミ・ディラックの積分Ｆ１／２を求める必要がある。この積分は解析的に計算することはできないことが知られており、数表を参照するか、あるいは計算機を用いて数値計算しなければならない。また、Ｆ１／２は温度に対して非常に強い非線形性を有する関数である。
【００５０】
このため不純物を含む半導体結晶の弾性定数の温度依存性は、温度に対して強い非線形性を示す。したがって、単純に温度に対して比例するような補償では、必ずしも高精度で温度補償することができない。
【００５１】
本実施の形態では、図１に示すように、第１および第２の共振器１２ａ、１２ｂ、第１および第２の発振器１４ａ、１４ｂを用いる。半導体の不純物濃度がＮＡである第１の共振器１２ａの弾性定数をｃ１１Ａとし、不純物濃度がＮＢである第２の共振器１２ｂの弾性定数をｃ１１Ｂとする。不純物を含まない真性半導体の弾性定数をｃ１１ＰＵＲＥで表すとすると、ｃ１１Ａとｃ１１Ｂは、それぞれ次の式で与えられる。
【数２】
0005680012.tif 000004
【数３】
0005680012.tif 000005
ただし、これらの式の中の、δｃ１１Ａとδｃ１１Ｂは（１）式からＮＡとＮＢを用いて次の式で表すことができる。
【数４】
0005680012.tif 000006
【数５】
0005680012.tif 000007
【００５２】
これらの式で、不純物元素の種類が同じである場合には、フェルミエネルギーＥＦは共通の値である。
【００５３】
さらに、第１の共振器１２ａと第２の共振器１２ｂの半導体結晶内の音速ｖＡとｖＢは、それぞれの弾性定数と密度ρから次の式で求めることができる。
【数６】
0005680012.tif 000008
【数７】
0005680012.tif 000009
【００５４】
さらに、これらの音速ｖＡとｖＢからそれぞれの共振器の共振周波数ｆＡとｆＢを次の式で求めることができる。
【数８】
0005680012.tif 000010
【数９】
0005680012.tif 000011
これらの式から、二つの共振器の共振周波数の差Δｆを次の式で求めることができる。
【数１０】
0005680012.tif 000012
ただしここでｆＰＵＲＥは、不純物を含まない真性半導体で共振器を構成した場合に、弾性定数ｃ１１ＰＵＲＥから予想される共振周波数であり、この定義から明らかなように、不純物濃度には依存しない。
【数１１】
0005680012.tif 000013
【００５５】
（１）式と（１０）式を比較すると、二つの共振器の共振周波数の差Δｆが、真性半導体の弾性定数と不純物半導体の弾性定数の差δｃ１１＝ｃ１１（ＰＵＲＥ）−ｃ１１（ＤＯＰＥＤ）に比例することがわかる。このことを利用して、二つの共振器の共振周波数の差Δｆが、常に一定値Δｆ０となるように二つの共振器、すなわち、第１および第２の共振器１２ａ、１２ｂを制御することにより、真性半導体で共振器を構成した場合の共振周波数ｆＰＵＲＥとの差Δｆが常に一定の発振周波数を得ることができる。さらに、真性半導体で共振器を構成した場合の共振周波数ｆＰＵＲＥの温度依存性を補正して第１および第２の共振器１２ａ、１２ｂを制御することにより、温度に依存しない一定の発振周波数を得ることができる。
【００５６】
図５は、本実施の形態の半導体装置の温度補償のフローチャートである。本実施の形態の半導体装置における制御方法を示している。
【００５７】
まず前提として、真性半導体の弾性定数ｃ１１ＰＵＲＥとデバイスサイズ（半導体層の幅）ｗは、既知のパラメータであるとすることができる。一方、第１および第２の共振器の不純物濃度ＮＡとＮＢは製造プロセスのばらつきによる変動を考慮する場合、未知数である。しかしながら、第１および第２の発振器１４ａ、１４ｂの初期特性である発振周波数ｆＡ０とｆＢ０の測定結果から、不純物濃度ＮＡとＮＢの概算値を見積もることができる。
【００５８】
これらの結果から、第１および第２の共振器１２ａ、１２ｂの制御に必要な係数Δｆ０とαおよび共振器に印加する初期直流バイアス電圧ＶＡ０とＶＢ０を決定することができる。
【００５９】
これにより、実際に発振動作をさせると、第１および第２の発振器１４ａ、１４ｂから発振周波数ｆＡとｆＢが得られる。さらに演算部１８により発振周波数ｆＡとｆＢの差Δｆを算出する。
【００６０】
これらとは別に温度検出部１６により環境温度Ｔをモニターし、演算部１８で発振周波数の差ΔｆとΔｆ０＋αＴとを比較する。比較した結果が、もしΔｆ＞Δｆ０＋αＴという関係がある場合には、Δｆが小さくなるようにバイアス電圧ＶＡとＶＢを変化させるように制御部２０が制御する。
【００６１】
逆に演算部１８で比較した結果が、もしΔｆ＞Δｆ０＋αＴという関係がある場合には、Δｆが大きくなるようにバイアス電圧ＶＡとＶＢを変化させるように制御部２０が制御する。
【００６２】
このようなフィードバックの結果、定常状態ではΔｆ＝Δｆ０＋αＴという関係が成立する。さらに、真性半導体で共振器を構成した場合の共振周波数ｆＰＵＲＥの温度依存性を補正して第１および第２の共振器１２ａ、１２ｂを制御することが望ましい。これにより、温度に依存しない一定の発振周波数を第１および第２の発振器１４ａ、１４ｂで得ることができる。
【００６３】
このような制御を行わない場合と比較すると、発振周波数ｆＡとｆＢは環境温度Ｔに対する発振周波数の変動を大幅に抑制することができる。すなわち温度変化に対して、発振周波数の変動が小さく、周波数精度に優れた第１および第２の発振器１４ａ、１４ｂを得ることができる。
【００６４】
表２は、本実施の形態の効果の見積もりを示す図である。本実施の形態による効果について、（１）不純物濃度ばらつき±１０％、（２）直流バイアス電圧制御誤差±０．１ｍＶとの仮定の元に、周波数精度を見積もった結果を示す。表２では、温度補償を施さない場合（比較例１）、線形温度補償のみ施した場合（比較例２）と比較した。
【００６５】
【表２】
0005680012.tif 000014
【００６６】
このように、本実施の形態による温度補償機構を備えた半導体装置により、発振器の周波数の精度を向上させることができる。
【００６７】
（第２の実施の形態）
本実施の形態の半導体装置は、半導体基板と、半導体基板に形成され、不純物を含有する半導体層を備え、半導体層に励起される音響定在波により所定の共振周波数で共振する音響共振器と、半導体基板に形成され、共振周波数に基づく発振周波数で発振する発振器と、半導体基板に形成され、半導体基板の温度を検出する温度検出部と、半導体基板に形成され、温度検出部で検出される温度、不純物の種類、不純物の濃度、発振器の発振周波数に基づき温度補償の演算を行う演算部と、半導体基板に形成され、演算に必要な情報を記憶する記憶部と、半導体基板に形成され、演算部の演算結果に基づき共振周波数を制御する制御部と、を備える。
【００６８】
本実施の形態は、半導体基板に形成され、演算に必要な情報を記憶する記憶部を設けることで、温度補償の演算を容易にする。また、共振器は複数でなく１個のみ設ける。特に、上記の２点で第１の実施の形態と異なっている。以下、第１の実施の形態と共通する内容については記述を省略する。
【００６９】
図６は、本実施の形態の半導体装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の半導体装置２００は、例えば、シリコンの半導体基板上に形成される。そして、不純物を含有する半導体層を備え、半導体層に励起される音響定在波により所定の共振周波数で共振する音響共振器３２を備える。また、半導体基板に形成され、上記共振周波数に基づく発振周波数ｆで発振する発振器３４を備える。
【００７０】
そして、半導体基板に形成され、半導体基板の温度を検出する温度検出部３６を備える。また、半導体基板に形成され、温度検出部３６で検出される温度、上記半導体層の不純物の種類、上記不純物の濃度、および上記発振器の発振周波数に基づき温度補償の演算を行う演算部３８を備えている。そして、半導体基板に形成され、演算に必要な情報を記憶する記憶部５０を備えている。そして、演算部３８の演算結果に基づき上記発振器の発振周波数を制御する制御部４０を備えている。
【００７１】
記憶部５０は、例えば、半導体基板上に形成される不揮発性メモリである。記憶部５０には、例えば、共振器３２において音響定在波が励起される半導体結晶領域（半導体層）における不純物の種類と不純物の濃度に依存した情報がデータとして記憶される。演算部３８では記憶部５０に記憶される情報に基づいて温度補償の演算が行われる。  
【００７２】
次に、本実施の形態の半導体装置の動作原理について詳述する。
【００７３】
表１に示したように、共振周波数の温度変動の物理的な要因として、熱膨張係数と弾性定数の温度依存性に分けることができるが、支配要因は弾性定数の温度変化である。不純物を含まない真性半導体の場合には、弾性定数の温度依存性について、次の式を用いることにより、精度良く近似することができる。
【数１２】
0005680012.tif 000015
【００７４】
実際にこの計算に用いる係数ｃ１１０、β、Ｔ０の値を適切に選ぶことにより、図４中のＰＵＲＥで示したように、真性半導体の弾性定数ｃ１１に関する温度依存性の実測値と一致する計算結果を得ることができる。これらの係数ｃ１１０、β、Ｔ０の値は、半導体の種類に固有の値である。なお計算には次の値を用いた。
【数１３】
0005680012.tif 000016
【００７５】
一方、真性半導体の弾性定数ｃ１１（ＰＵＲＥ）と不純物半導体中の弾性定数ｃ１１（ＤＯＰＥＤ）の差、すなわちδｃ１１については、理論的に（１）式で表されることが知られている。実際、図４中のＤＯＰＥＤで示したように、（１）式と（１２）式を用いることにより、不純物半導体の弾性定数ｃ１１に関する温度依存性についても、実測値と一致する計算結果を得ることができる。
【００７６】
上記（１）式中、変形ポテンシャル係数もまた、半導体の種類に固有の値である。シリコン（Ｓｉ）の場合には、変形ポテンシャル係数＝８．６ｅＶであることが知られている。また、フェルミエネルギーＥＦは不純物の種類に固有の値である。
【００７７】
不純物量Ｎについては半導体プロセスのぱらつきを考慮する必要がある。ただし、発振器３４の初期特性である発振周波数ｆ０の測定結果から、不純物濃度Ｎの値を見積もることができる。本実施の形態では、不純物濃度Ｎの値としてこの見積もった値を用いるものとする。
【００７８】
本実施の形態では（１）式と（１２）式の計算に必要な係数、すなわち、不純物の種類、不純物の濃度、半導体の種類等に依存する係数、を情報として記憶部５０に記憶させる。そして、温度検出部３６により検出された温度Ｔと、記憶部５０から読み出された係数を用いることにより、演算部３８が温度補償の演算を行う。
【００７９】
そして、制御部４０が、演算部３８の演算結果に基づき上記発振器の発振周波数を制御する。例えば、共振器３２に印加される直流バイアス電圧Ｖを変化させて、発振器３４の発振周波数ｆの温度依存性を補償する。
【００８０】
なお、（１）式中に現れるフェルミ・ディラック積分の部分については、温度Ｔに対する非線形性が強く、演算部３８で必要な計算が複雑となる。このため、あらかじめフェルミ・ディラック積分を計算した結果を情報として記憶部５０に記憶しておき、この結果を随時読み出して演算部３８で演算する構成としてもかまわない。この場合は、演算部３８における処理が簡略となる。
【００８１】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、半導体装置、半導体装置の制御方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる半導体装置、半導体装置の制御方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
【００８２】
例えば、上記実施の形態においては、半導体基板、半導体層としてはシリコン（Ｓｉ）を例にとって説明したが、半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）に限定されず、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの他の単元素の半導体、または、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの化合物半導体を用いることも可能である。
【００８３】
また、実施の形態においては、半導体装置として発振器を備える場合を例にとって説明したが、音響共振器を用いた、例えば、周波数フィルター、各種力学的センサー、アンテナ、整合回路、増幅回路など、各種デジタル・アナログ集積回路を備える半導体装置にも本発明を適用することができる。
【００８４】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置、半導体装置の製造方法が、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【符号の説明】
【００８５】
１２ａ    第１の共振器
１２ｂ    第２の共振器
１４ａ    第１の発振器
１４ｂ    第２の発振器
１６      温度検出部
１８      演算部
２０      制御部
３２      共振器
３４      発振器
３６      温度検出
３８      演算部
４０      制御部
５０      記憶部
１００    半導体装置
２００    半導体装置
【図１】
0005680012.tif 000017
【図２】
0005680012.tif 000018
【図３】
0005680012.tif 000019
【図５】
0005680012.tif 000020
【図６】
0005680012.tif 000021
【図４】
0005680012.tif 000022