(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電形の半導体基板表面の第２導電形の低濃度の拡散領域とこの拡散領域内の第２導電形の高濃度の拡散領域とからなる第１の電極と、第１の電極の低濃度部分に絶縁膜を挟んで対向し、金属膜または高濃度の不純物を含む半導体膜からなる第２の電極とを備えるＭＯＳ型コンデンサを可変容量素子とし、 第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域内に、第１導電形の高濃度の拡散領域を有し、該第１導電形の高濃度の拡散領域は、前記第２導電形の高濃度の拡散領域から分離され、前記第２導電形の低濃度の拡散領域表面の中央付近にあり、電気的にフローティング状態であることを特徴とする可変容量回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路に搭載用の可変容量回路の構成にかんするものである。
【０００２】
【従来の技術】
水晶発振回路に可変容量回路を接続し、発振周波数を可変にしたものを、電圧制御型水晶発振回路と称する。
【０００３】
このような電圧制御型水晶発振回路を搭載し、水晶振動子の温度特性を打ち消すための温度補償信号を可変容量回路の制御電圧として使用するものは、間接補償方式の温度補償型水晶発振器と呼ばれる。
【０００４】
また、外部からの入力電圧を可変容量回路の制御電圧として使用するものは、電圧制御型水晶発振器と呼ばれる。
【０００５】
このような用途の可変容量回路は、少なくとも１つの可変容量素子を使用して構成され、従来の構成の１つの例を図４に示す。
【０００６】
図４に示すように、直流信号遮断用の固定容量１と、可変容量３とを直列に接続し、可変容量３の他端子を、電源などの任意の電位に接続する。
【０００７】
そして、固定容量１と可変容量３との接続点に、入力抵抗５を接続する。可変容量３の制御信号は、この入力抵抗５を介して印加される。
【０００８】
入力抵抗５は交流信号を遮断する役目を果たすものであり、もし制御信号を発生する回路の出力インピーダンスが充分高ければ、入力抵抗５を省略する場合もある。
【０００９】
また、可変容量３の接続先は、一方の端子を電源に接続した固定容量の他方の端子の場合もある。
【００１０】
ところで、最近の携帯電話機などの携帯用通信機器の小型化や軽量化の進展は著しいものがあり、それに搭載される部品に対する小型化や軽量化の要求もきわめて大きくなっている。
温度補償型水晶発振器などは携帯電話機搭載部品の中でも寸法が大きい部類であり、とくにその要求が厳しい。
【００１１】
そこで、温度補償型水晶発振器などの小型化や軽量化を図るために、水晶振動子以外の回路部品を、１チップの半導体集積回路に搭載するという試みがなされている。
【００１２】
図４に示すような可変容量回路を半導体集積回路に搭載する場合は、可変容量３は可変容量ダイオードやＭＯＳ型コンデンサなどで構成し、固定容量１は２層の多結晶シリコン膜などで構成するのが一般的である。
【００１３】
このうち可変容量ダイオードは、ｐｎ接合を順方向にバイアスしてはならないので、２つの電極の電位関係に制約ができ、ＭＯＳ型コンデンサに比べて容量変化率の点で不利である。
そこで、周波数可変幅が広く、温度補償範囲の拡大が可能なＭＯＳ型コンデンサの搭載が有利である。
【００１４】
このようにして構成した可変容量回路の１つの例を図５に示す。
【００１５】
図５は、可変容量回路を搭載する半導体集積回路の断面図を示すものである。
ただし図５においては、金属配線膜や保護膜などは、図示を省略している。
【００１６】
図５に示すように、第１導電形の半導体基板７の表面に、第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域９と、第１の電極の第２導電形の高濃度の拡散領域１１と、ゲート絶縁膜１３と、第２の電極１５とからなるＭＯＳ型コンデンサを、図４に示す可変容量３として構成する。
【００１７】
またさらに、フィールド酸化膜１７上に、第４の電極１９と、層間絶縁膜２１と、第３の電極２３とからなるコンデンサを、図４に示す固定容量１として構成する。
【００１８】
さらに、フィールド酸化膜１７の上に、適度な濃度の不純物を含む多結晶シリコン膜からなる入力抵抗５を構成する。
【００１９】
第２の電極１５と第４の電極１９と入力抵抗５とは、金属配線膜などで接続されるが、煩雑になるのを避けるために、図５では電気回路的な結線として示している。
【００２０】
なお、第２の電極１５と第４の電極１９と入力抵抗５とは、同一の多結晶シリコン膜を出発材料とし、不純物の種類や濃度を変更するだけでそれぞれを形成することもある。
あるいは、第３の電極２３と入力抵抗５とを、同一の多結晶シリコン膜から形成する場合もある。
【００２１】
あるいはまた、第２の電極１５や第４の電極１９などを、高融点金属ポリサイド膜などで形成することもある。
【００２２】
いずれの場合であっても、図４に示す可変容量回路を、発振回路などとともに１チップの半導体集積回路に搭載することは困難ではない。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１チップの半導体集積回路に搭載した可変容量回路を用いて構成した温度補償型水晶発振器は、位相ノイズ特性が悪いという課題がある。
【００２４】
またさらに、１チップの半導体集積回路に搭載した可変容量回路を用いて構成した電圧制御型水晶発振器は、信号に対する周波数変化の応答が悪いという課題がある。
【００２５】
〔発明の目的〕
本発明の目的は、半導体集積回路に搭載しても位相ノイズ特性の悪化がなく、応答性も良好な可変容量回路を提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明による可変容量回路の構成は、下記の通りとする。
【００２７】
すなわち、本発明による可変容量回路の構成は、第１導電形の半導体基板表面の第２導電形の低濃度の拡散領域と、この拡散領域内の第２導電形の高濃度の拡散領域とからなる第１の電極と、第１の電極の低濃度部分に絶縁膜を挟んで対向し、金属膜または高濃度の不純物を含む半導体膜からなる第２の電極とを備えるＭＯＳ型コンデンサを可変容量素子とし、第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域内に第１導電形の高濃度の拡散領域を有することを特徴とする。
【００２８】
そして、この可変容量回路において、第２導電形の低濃度の拡散領域内の第１導電形の高濃度の拡散領域は、第２導電形の高濃度の拡散領域から離れていることを特徴とする。
【００２９】
さらにまた、この可変容量回路において、第２導電形の低濃度の拡散領域内の第１導電形の高濃度の拡散領域は、第２導電形の低濃度の拡散領域表面の中央付近にあることを特徴とする。
【００３０】
〔作用〕
ＭＯＳ型コンデンサの容量値が可変となるためには、第２の電極からの電界により、半導体基板側の第１の電極表面の空乏層幅が変化することが必要であり、金属配線との接続部分以外の不純物濃度は低くなければならない。
したがって、第１の電極の大部分は抵抗が高くなっている。
【００３１】
また、第１の電極には、外部周波数制御信号などの任意の信号を与えることがあるので、電源電位である周囲の半導体基板から電気的に分離する必要があり、通常はｐｎ接合による素子分離が採用されている。したがって、第１の電極と周囲の半導体基板との間には、接合容量が存在する。
【００３２】
このような接合容量や電極抵抗を考慮すれば、図５に示す従来の可変容量回路の実際上の回路図は、図６に示すようなものである。
【００３３】
図６に示すように、可変容量３と任意の電位との間に電極抵抗２９が接続し、可変容量３と電源との間に接合容量２７が接続している。
【００３４】
接合容量２７の接続先の電源は、水晶発振回路の影響を受けて脈動しており、その電位の揺らぎが接合容量２７を通して可変容量３の第１の電極に伝達する。
電極抵抗２９があるため、この電位の揺らぎを抑えることができず、第１の電極の電位も脈動する。
【００３５】
この第１の電極の電位の脈動が、電源の脈動に同調しているならば、水晶発振周波数以外の周波数成分が存在しないので、水晶発振周波数に変調を与えることはない。
【００３６】
しかし、従来の可変容量３においては、第１の電極の電位の脈動が水晶発振周波数に追随できないため、第１の電極には水晶発振周波数とは異なる周波数成分の揺らぎが重畳してしまう。
【００３７】
ＭＯＳ型コンデンサの容量値は、第１の電極と第２の電極との電位差で決まるから、この電位の揺らぎによって水晶発振周波数とは異なる周波数成分の容量値の揺らぎが発生し、これが水晶発振周波数に変調を与える。
この変調が位相ノイズ特性の悪化として観測されるのである。
【００３８】
そこで、位相ノイズ特性の悪化を防止するためには、接合容量２７や電極抵抗２９が存在しないような構成にするか、あるいは接合容量２７や電極抵抗２９が存在したとしても影響がないような工夫を設けるかである。
前者の方法は物理的に困難なので、本発明では後者の方法を採用している。
【００３９】
本発明の最大の特徴は、第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域内に、第１導電形の高濃度の拡散領域を設けることである。
【００４０】
第１の電極の電位の揺らぎは、別の視点で見れば、多数キャリアの発生と少数キャリアの発生とを交互に促進する動作である。
【００４１】
多数キャリアは、文字通り多数存在するので、外乱への応答が速い。
このため、多数キャリアの発生を促す外乱には瞬時に応答することができる。
【００４２】
一方、少数キャリアの発生の速さは、結晶欠陥密度などに依存するが、多数キャリアに比べて桁違いに遅く、通常は１ｋＨｚ以上の信号には応答できない。
このため、１０ＭＨｚ帯の水晶発振周波数の外乱には追随できず、第１の電極の電位の揺らぎに遅い周波数成分が重畳してしまうのである。
【００４３】
そこで、あらかじめ少数キャリアの貯蔵庫を設けておき、外乱が来たときにはこの貯蔵庫から少数キャリアを注入することにする。
【００４４】
このような機構により、実質的に少数キャリアの発生が高速になり、外乱に追随できるようにすることができる。この貯蔵庫に相当するものが、すなわち第１導電形の高濃度の拡散領域である。
【００４５】
第１導電形の高濃度の拡散領域においては、第１導電形の多数キャリアが多数存在し、これが第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域に少数キャリアとして注入される。
【００４６】
この注入機構は、ＭＯＳトランジスタの動作と全く同じであり、１０ＭＨｚ帯の外乱よりもはるかに高速であるから、第１の電極の電位の揺らぎの周波数は、水晶発振周波数に一致する。
このため他の周波数成分が存在しなくなり、位相ノイズの悪化が防止できる。
【００４７】
そして、第１導電形の高濃度の拡散領域は、位相ノイズの悪化を防止するだけでなく、容量値を変更しようとする信号に対しての応答速度の高速化も果たしている。
【００４８】
ところで、半導体基板と、第１の電極の低濃度の拡散領域と、反対導電形の高濃度の拡散領域とは、構造上は接合型のバイポーラトランジスタと同じである。
したがって、可変容量としての動作が阻害されないようにするためには、これらがバイポーラトランジスタとして動作しないようにしなければならない。
【００４９】
バイポーラトランジスタとして動作しないようにする方法としては、種々考えられるが、最も簡単な方法は、エミッタとなる反対導電形の高濃度の拡散領域をフローティングにすること、あるいは反対導電形の高濃度の拡散領域を第１の電極の低濃度の拡散領域の中央付近に設けてベース厚を厚くすること、あるいはその両方を組み合わせることである。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を使用して本発明の可変容量回路における最適な実施形態を説明する。まず本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００５１】
図１は、本発明の第１の実施の形態における可変容量回路の構成を示す半導体集積回路の断面図を示している。ただし、この断面図において、煩雑になるのを避けるために、金属配線膜や保護膜などは図示を省略している。
【００５２】
〔第１の実施の形態の説明：図１〕
図１の断面図に示すように、第１導電形の半導体基板７の表面に、第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域９と、第１の電極の第２導電形の高濃度の拡散領域１１と、第１導電形の高濃度の拡散領域３１と、ゲート絶縁膜１３と、第２の電極１５とからなるＭＯＳ型コンデンサを構成する。このＭＯＳ型コンデンサが、図４に示す可変容量３である。
【００５３】
また、フィールド酸化膜１７の上に、第４の電極１９と、層間絶縁膜２１と、第３の電極２３とからなるコンデンサを構成する。このコンデンサが、図４に示す固定容量１である。
【００５４】
さらに、フィールド酸化膜１７の上に、適度な不純物を含む多結晶シリコン膜からなる入力抵抗５を構成する。
【００５５】
第２の電極１５と第４の電極１９と入力抵抗５とは、金属配線膜などで接続されるが、図１では電気回路的な結線として示している。また、保護膜などの記載も省略している。
【００５６】
図１に示すように、第１の電極は第２導電形であるから、第１導電形の半導体基板７との間に接合容量が存在する。
【００５７】
第１導電形の半導体基板７は電源に接続され、本来は一定電位に保たれる。
【００５８】
しかし、１０ＭＨｚ帯の水晶発振回路は電流の脈動が大きく、半導体集積回路の金属配線程度では、その脈動に伴う電位の変動を抑えるだけの力がないので、電源電圧もかなり脈動してしまう。
【００５９】
そのため、第１導電形の半導体基板７の電位は、水晶発振回路の動作中はつねに脈動している状態になる。
【００６０】
この第１導電形の半導体基板７の電位の脈動は、接合容量を介して第１の電極に伝達する。
【００６１】
第１の電極の大部分は、第２導電形の低濃度の拡散領域９であるから抵抗が高く、伝達された脈動を抑える力はない。したがって、第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域９の電位も脈動する。
【００６２】
この電位の脈動を別の視点で見れば、多数キャリアと少数キャリアの発生・再結合を交互に促進しようとする動作である。
【００６３】
多数キャリアは文字通り多数存在するから、発生を促す外乱に対して瞬時に応答する。
【００６４】
一方、半導体集積回路が正常に動作するレベルの結晶欠陥密度であれば、第２導電形の低濃度の拡散領域９内での少数キャリアの発生は遅く、通常は１ｋＨｚ以上の速さの外乱には追随できない。
【００６５】
したがって、このままでは第１の電極の電位の揺らぎに遅れが生じ、水晶発振周波数とは異なる周波数成分の揺らぎが重畳してしまうことになる。
従来技術における位相ノイズの悪化は、この事が原因である。
【００６６】
そこで本発明においては、図１に示すように、第２導電形の低濃度の拡散領域９内に、第１導電形の高濃度の拡散領域３１を設けている。
【００６７】
この第１導電形の高濃度の拡散領域３１内には、第１導電形の多数キャリアが多数存在し、第２導電形の低濃度の拡散領域９に少数キャリアの発生を促す外乱が来たときには、この第１導電形の多数キャリアが、第１導電形の高濃度の拡散領域３１から、第２導電形の低濃度の拡散領域９に少数キャリアとして注入される。
【００６８】
この注入機構は、ＭＯＳトランジスタのチャネルの形成動作と同じであり、ひじょうに高速である。
したがって、１０ＭＨｚ帯の外乱には楽々追随するから、第１の電極の電位の揺らぎに遅れが生じることはない。
【００６９】
このため、第１の電極の電位の揺らぎは電源の揺らぎに同調するので、水晶発振周波数と異なる周波数成分は存在しない。
【００７０】
したがって、本発明のように、第２導電形の低濃度の拡散領域９内に第１導電形の高濃度の拡散領域３１を設けることにより、位相ノイズの悪化を防止することができる。
【００７１】
またそれのみならず、可変容量の容量値を変更しようとする信号に対しての応答も高速になる。
【００７２】
ところで、第１導電形の高濃度の拡散領域３１は第２導電形の低濃度の拡散領域９に接し、第２導電形の低濃度の拡散領域９は第１導電形の半導体基板７に接しているから、これらは接合型のバイポーラトランジスタ構造をしている。
【００７３】
この構造が電気的にバイポーラトランジスタとして動作してしまうと、可変容量として動作できなくなるので、バイポーラトランジスタとして動作することを防止する必要がある。
【００７４】
その防止策の第１は、エミッタとなる第１導電形の高濃度の拡散領域３１をフローティングにする方法である。
【００７５】
バイポーラトランジスタを動作させるためには、エミッタとベースとが順方向となるようにバイアスする必要があるが、エミッタをフローティングにすれば順方向にバイアスすることが不可能になるため、バイポーラトランジスタとしては動作できない。
【００７６】
そして、第１導電形の高濃度の拡散領域３１は、第１の電極の電位の揺らぎに相当する数だけの多数キャリアを貯蔵しておけば済むから、ある程度の容積があれば、フローティングでも充分である。
したがって、第１導電形の高濃度の拡散領域３１の本来の役目を損なうことなく、バイポーラトランジスタとしての動作を防止することができる。
【００７７】
ところで、第１導電形の高濃度の拡散領域３１が、第１の電極の第２導電形の高濃度の拡散領域１１と接すると、高濃度同士のｐｎ接合となってしまい、逆方向耐圧が低くなってしまう。
【００７８】
その場合は、第１導電形の高濃度の拡散領域３１と第１の電極の第２導電形の高濃度の拡散領域１１とがほとんど短絡状態となるので、第１導電形の高濃度の拡散領域３１をフローティングにしたことにならない。
【００７９】
そこで、第１導電形の高濃度の拡散領域３１は、第１の電極の第２導電形の高濃度の拡散領域１１から分離して形成する必要がある。
これが本発明の第２の特徴である。
【００８０】
さて、バイポーラトランジスタ動作の防止策の第２は、ベース厚をできるだけ厚くすることである。
【００８１】
ベース厚とは、すなわち第１導電形の高濃度の拡散領域３１と第１導電形の半導体基板７との距離であるから、これを大きくすることである。
【００８２】
そのためには、第１導電形の高濃度の拡散領域３１を、第２導電形の低濃度の拡散領域９表面の中央付近に配置することである。
これが本発明の第３の特徴である。
【００８３】
つぎに、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態における可変容量回路の構成を示す断面図を示している。ただし、この断面図において、煩雑になるのを避けるために、金属配線膜や保護膜などは図示を省略している。
【００８４】
〔第２の実施の形態の説明：図２〕
図２の断面図に示すように、第１導電形の半導体基板７の表面に、第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域９と、第１の電極の第２導電形の高濃度の拡散領域１１と、第１導電形の高濃度の拡散領域３１と、ゲート絶縁膜１３と、第２の電極１５とからなるＭＯＳ型コンデンサを構成する。このＭＯＳ型コンデンサが、図４に示す可変容量３である。
【００８５】
また、フィールド酸化膜１７の上に、第４の電極１９と、層間絶縁膜２１と、第３の電極２３とからなるコンデンサを構成する。このコンデンサが、図４に示す固定容量１である。
【００８６】
さらに、フィールド酸化膜１７の上に、適度な不純物を含む多結晶シリコン膜からなる入力抵抗５を構成する。
【００８７】
第２の電極１５と第４の電極１９と入力抵抗５とは、金属配線膜などで接続されるが、図２では電気回路的な結線として示している。また、保護膜などの記載も省略している。
【００８８】
図２に示す第２の実施の形態と、図１に示す第１の実施の形態との差異は、第１導電形の高濃度の拡散領域３１の上部に、第２の電極１５が存在するかしないかである。
【００８９】
電気的な動作および効果はどちらも同じであるが、両者は製造方法に違いがある。
【００９０】
半導体集積回路の製造方法においては、第１の電極の第２導電形の高濃度の拡散領域１１などのような高濃度の拡散領域は、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレインの形成と同時に行うのが一般的であり、通常は第２の電極１５を形成した後、イオン注入と熱処理とにより形成される。
【００９１】
そこで、図２に示すように、第２の電極１５の中央付近を除去しておけば、第１導電形の高濃度の拡散領域３１もまた、第２の電極１５を形成した後に形成することができる。
【００９２】
つまり、図２に示す第２の実施の形態では、通常の半導体集積回路の製造方法を変更することなしに、第１導電形の高濃度の拡散領域３１を形成することができ、製造コストの増加を防ぐことができる。
【００９３】
図２に示す第２の実施の形態においても、第１導電形の高濃度の拡散領域３１を、第２導電形の低濃度の拡散領域９表面の中央付近に配置し、また第２導電形の高濃度の拡散領域１１から分離して配置することは、バイポーラトランジスタとしての動作を防止するために必要である。
【００９４】
つぎに、本発明の第３の実施の形態を説明する。図３は、本発明の第３の実施の形態における可変容量回路の構成を示す断面図を示している。ただし、この断面図において、煩雑になるのを避けるために、金属配線膜や保護膜などは図示を省略している。
【００９５】
〔第３の実施の形態の説明：図３〕
図３のブロック図に示すように、第１導電形の半導体基板７の表面に、第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域９と、第１の電極の第２導電形の高濃度の拡散領域１１と、第１導電形の高濃度の拡散領域３１と、ゲート絶縁膜１３と、第２の電極１５とからなるＭＯＳ型コンデンサを構成する。このＭＯＳ型コンデンサが、図４に示す可変容量３である。
【００９６】
また、第２の電極１５の上に、層間絶縁膜２１と、第３の電極２３とからなるコンデンサを構成する。このコンデンサが、図４に示す固定容量１である。
【００９７】
さらに、フィールド酸化膜１７の上に、適度な不純物を含む多結晶シリコン膜からなる入力抵抗５を構成する。
【００９８】
第２の電極１５と入力抵抗５とは、金属配線膜などで接続されるが、図３においては、電気回路的な結線として示している。また、保護膜などの記載も省略している。
【００９９】
図３に示す第３の実施の形態は、図１あるいは図２に示すように、固定容量１をフィールド酸化膜１７上に形成したときに、第４の電極１９と半導体基板７との間の寄生容量によって、容量変化率が低下することを避けるための工夫をしたものであり、第２の電極１５の上に固定容量１を重ねて形成している。
【０１００】
このようなスタック構造の場合でも、第１導電形の高濃度の拡散領域３１から第２導電形の低濃度の拡散領域９への少数キャリア注入による、第１の電極の電位の揺らぎを電源の揺らぎに同調させる効果に変化はない。
【０１０１】
以上のように実施の形態に基づき本発明を具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【０１０２】
たとえば、図３に示す第３の実施の形態では、第１導電形の高濃度の拡散領域３１の上部に第２の電極１５および第３の電極２３が存在しているが、図２に示す第２の実施の形態と同様に、第１導電形の高濃度の拡散領域３１の上部からこれらの電極を除去してもよい。
【０１０３】
【発明の効果】
以上のように、可変容量の半導体基板側の電極内に、少数キャリアの貯蔵庫となる反対導電形の拡散領域を設けることにより、この電極の電位の脈動が電源の脈動に同調できるようにして、水晶発振周波数以外の周波数成分をなくし、位相ノイズ特性の悪化を防止することができる。
【０１０４】
また、可変容量の容量値を変更しようとする信号に対する応答の高速化も実現できる。
【０１０５】
したがって、特性を損なうことなしに、半導体集積回路によって温度補償型水晶発振器および電圧制御型水晶発振器の小型化を実現することができ、その効果はひじょうに大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における可変容量回路の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における可変容量回路の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態における可変容量回路の構成を示す断面図である。
【図４】従来技術における可変容量回路の構成を示す回路図である。
【図５】従来技術における可変容量回路の構成を示す断面図である。
【図６】従来技術における可変容量回路の実際上の回路図である。
【符号の説明】
７：第１導電形の半導体基板
９：第１の電極の第２導電形の低濃度の拡散領域
１１：第１の電極の第２導電形の高濃度の拡散領域
１３：ゲート絶縁膜              １５：第２の電極
３１：第１導電形の高濃度の拡散領域
【図１】
0004551513.tif 000002
【図２】
0004551513.tif 000003
【図３】
0004551513.tif 000004
【図４】
0004551513.tif 000005
【図５】
0004551513.tif 000006
【図６】
0004551513.tif 000007