(57)【要約】【課題】ＣＭＯＳ回路の横に配置されたＭＥＭＳ振動子の温度を上記ＣＭＯＳ回路内で容易に検出する。【解決手段】本発明に係る半導体装置（１）は、ＭＥＭＳ振動子（１１）と、ＣＭＯＳ回路（１２）とを含む。上記ＣＭＯＳ回路は、温度検出のための温度センサ（１６）と、上記ＣＭＯＳ回路で消費する電流を検出可能な電流センサ（１９）と、上記電流センサでの検出結果に基づいて上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇分を求め、それに基づいて、上記温度センサで得られた温度情報を補正する温度情報補正回路（１７）と、上記温度情報補正回路で補正された温度情報に基づいて、上記クロック信号の周波数を補正するための回路（１５）とを含む。ＣＭＯＳ回路の横にＭＥＭＳ振動子が配置されることで、ＭＥＭＳ振動子とＣＭＯＳ回路との間に温度差を生じている場合でも、上記温度情報補正回路での補正によって、ＭＥＭＳ振動子の温度情報を容易に得ることができる。【選択図】図１
2013106176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ振動子と、
上記ＭＥＭＳ振動子を共振器として用いることでクロック信号を形成するＣＭＯＳ回路とを含み、
上記ＣＭＯＳ回路は、温度検出のための温度センサと、
上記ＣＭＯＳ回路で消費する電流を検出可能な電流センサと、
上記電流センサでの検出結果に基づいて上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇分を求め、それに基づいて、上記温度センサで得られた温度情報を補正する温度情報補正回路と、
上記温度情報補正回路で補正された温度情報に基づいて、上記クロック信号の周波数を補正するための回路と、を含む半導体装置。
【請求項２】
上記温度情報補正回路は、上記ＣＭＯＳ回路で消費する電流と、上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇との関係から上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇分を算出し、上記温度センサで得られた温度情報から上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇分を差し引くことで、上記温度情報の補正を行う請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
上記ＭＥＭＳ振動子のチップは、上記ＣＭＯＳ回路のチップの横に配置され、上記ＣＭＯＳ回路のチップとともに1つのパッケージ内に封止されて成る請求項２記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electromechanical Systems）振動子を共振器として用いて成るＭＥＭＳ発振器を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子の代わりに、ＭＥＭＳ振動子を用いたＭＥＭＳ発振器が注目されている。ＭＥＭＳ発振器は水晶発振器に比べて小型化が可能であり、また高周波への対応が容易とされる。ＭＥＭＳ振動子はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路とは異なるプロセスで製造される。従ってＭＥＭＳ発振器を備えた半導体装置は、ＭＥＭＳ振動子チップとＣＭＯＳ回路チップとが1つのパッケージ内に封止されたＳｉＰ（System in Package）として提供される。
【０００３】
特許文献１には、ＭＥＭＳ振動子を共振器として用いたＭＥＭＳ発振器が記載されている。このＭＥＭＳ発振器においては、ＭＥＭＳ振動子の温度補償が行われる。ＭＥＭＳ振動子の温度補償では、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数の温度変化に対して、該温度変化と逆の共振周波数の変化を与えるバイアス電圧が、検出電圧に対応してＭＥＭＳ振動子に与えられる。
【０００４】
特許文献２には、微細電気機械発振器での周波数調整や位相補償の技法が記載されている。ここで微細電気機械発振器は、ＭＥＭＳ発振器とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２００８８８号公報
【特許文献２】特表２００７−５１８３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明者は、ＭＥＭＳ振動子を共振器として用いて成るＭＥＭＳ発振器を備えた半導体装置について検討し、以下の課題を見いだした。
【０００７】
ＭＥＭＳ振動子の共振周波数は、温度に依存して変化するため、温度センサでの温度検出結果に基づいて、周波数の補正が必要となる。温度センサは、ＣＭＯＳ回路側に構築する場合が多い。温度センサをＣＭＯＳ回路側に構築する場合、ＭＥＭＳ振動子がＣＭＯＳ回路の上に積層される構造（これを「積層型構造」という）が採用される。積層型構造が採用されるのは、ＣＭＯＳ回路内の温度センサによって、ＭＥＭＳ振動子の温度を正しく検出するためである。つまり、ＣＭＯＳ回路内のＭＣＵで発生した熱をＭＥＭＳ振動子に伝達し易くすることで、ＣＭＯＳ回路とＭＥＭＳ振動子との温度差を可能な限り小さくする必要があるためである。
【０００８】
ＭＥＭＳ振動子をＣＭＯＳ回路の横に置く構造（これを「横置き型構造」という）の場合、ＭＥＭＳ振動子をＣＭＯＳ回路に密着させることができないから、ＣＭＯＳ回路内のＭＣＵ等で発生した熱をＭＥＭＳ振動子に伝達し難くなり、ＣＭＯＳ回路とＭＥＭＳ振動子との温度差を小さくすることができない。このため、ＣＭＯＳ回路の横に配置されたＭＥＭＳ振動子の温度をＣＭＯＳ回路内の温度センサで検出するのは困難とされる。
【０００９】
本発明の目的は、ＣＭＯＳ回路の横に配置されたＭＥＭＳ振動子の温度を上記ＣＭＯＳ回路内で容易に検出するための技術を提供することにある。
【００１０】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
【００１２】
すなわち、半導体装置は、ＭＥＭＳ振動子と、上記ＭＥＭＳ振動子を共振器として用いることでクロック信号を形成するＣＭＯＳ回路とを含む。上記ＣＭＯＳ回路は、温度検出のための温度センサと、上記ＣＭＯＳ回路で消費する電流を検出可能な電流センサと、上記電流センサでの検出結果に基づいて上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇分を求め、それに基づいて、上記温度センサで得られた温度情報を補正する温度情報補正回路と、上記温度情報補正回路で補正された温度情報に基づいて、上記クロック信号の周波数を補正するための回路とを含む。
【発明の効果】
【００１３】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
【００１４】
すなわち、ＣＭＯＳ回路の横に配置されたＭＥＭＳ振動子の温度を上記ＣＭＯＳ回路内で容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる半導体装置の構成例ブロック図である。
【図２】ＭＥＭＳ振動子がＣＭＯＳ回路の上に積層された積層型構造と、ＭＥＭＳ振動子がＣＭＯＳ回路の横に形成された横置き型構造の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１．実施の形態の概要
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
【００１７】
〔１〕本発明の代表的な実施の形態に係る半導体装置（１）は、ＭＥＭＳ振動子（１１）と、上記ＭＥＭＳ振動子を共振器として用いることでクロック信号を形成するＣＭＯＳ回路（１２）とを含む。上記ＣＭＯＳ回路は、温度検出のための温度センサ（１６）と、上記ＣＭＯＳ回路で消費する電流を検出可能な電流センサ（１９）と、上記電流センサでの検出結果に基づいて上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇分を求め、それに基づいて、上記温度センサで得られた温度情報を補正する温度情報補正回路（１７）と、上記温度情報補正回路で補正された温度情報に基づいて、上記クロック信号の周波数を補正するための回路（１５）とを含む。
【００１８】
ＭＥＭＳ振動子は発熱体では無いため、ＭＥＭＳ振動子の温度は、当該ＭＥＭＳ振動子の周囲温度に等しくなる。一方、上記ＣＭＯＳ回路の発熱は、上記ＣＭＯＳ回路での電流消費によるものであるから、上記電流センサでの電流検出結果に基づいて上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇分を求め、それに基づいて、上記温度情報を補正することによって、ＭＥＭＳ振動子の温度を容易に求めることができる。従って、ＭＥＭＳ振動子がＣＭＯＳ回路の横に形成された横置き型構造において、ＭＥＭＳ振動子とＣＭＯＳ回路との間に温度差を生じている場合でも、温度情報補正回路で補正された温度情報に従って分周回路での分周比が制御されることにより、良好な周波数補正を行うことができる。尚、上記温度情報補正回路での温度補正は、ＭＥＭＳ振動子がＣＭＯＳ回路の上に積層された積層型構造の場合においても有効である。このよにＭＥＭＳ振動子がＣＭＯＳ回路の横に形成された横置き型構造の場合でも、ＭＥＭＳ振動子がＣＭＯＳ回路の上に積層された積層型構造の場合でも、良好な周波数補正を行うことができるので、半導体装置１のＳｉＰ設計の自由度が増す。
【００１９】
〔２〕上記〔１〕において、上記温度情報補正回路は、上記ＣＭＯＳ回路で消費する電流と、上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇との関係からＣＭＯＳ回路の温度上昇分を算出し、上記温度センサで得られた温度情報から上記ＣＭＯＳ回路の温度上昇分を差し引くことで、ＭＥＭＳ振動子の温度情報を容易に得ることができる。
【００２０】
〔３〕上記〔１〕及び〔２〕の作用効果により、上記ＭＥＭＳ振動子のチップを上記ＣＭＯＳ回路のチップの横に配置し、上記ＣＭＯＳ回路のチップとともに1つのパッケージ内に封止することができる。
【００２１】
２．実施の形態の詳細
実施の形態について更に詳述する。
【００２２】
《実施の形態１》
図１には、本発明にかかる半導体装置が示される。
【００２３】
図１に示される半導体装置１は、ＭＥＭＳ振動子１１と、ＣＭＯＳ回路１２とを含む。ＭＥＭＳ振動子１１とＣＭＯＳ回路１２とは、1つのパッケージ内に封止される。ＭＥＭＳ振動子１１は、ＣＭＯＳ回路１２とは別のプロセスで半導体材料により構成された振動子である。ＣＭＯＳ回路１２は、バイアス回路１３、励振アンプ１４、分周回路１５、温度センサ１６、温度情報補正回路１７、ＭＣＵ及びその周辺回路１８、電流センサ１９を含み、公知の半導体集積回路製造技術により単結晶シリコン基板などの一つの半導体基板に形成される。ＭＥＭＳ振動子１１、バイアス回路１３、励振アンプ１４、分周回路１５、温度センサ１６、及び温度情報補正回路１７を含んでＭＥＭＳ発振器が形成される。
【００２４】
バイアス回路１３は、所定のバイアス電圧をＭＥＭＳ振動子１１に供給する。励振アンプ１４は、ＭＥＭＳ振動子１１の一方の端子から出力される電圧を増幅してＭＥＭＳ振動子１１の他方の端子に供給することによって、ＭＥＭＳ振動子１１を共振器として駆動する。励振アンプ１４には、特に制限されないが、インバータを適用することができる。分周回路１５は、励振アンプ１４の出力信号（クロック信号）を分周する。この分周回路１５の出力は、ＭＣＵ及びその周辺回路１２に伝達されるとともに、このＣＭＯＳ回路１２の外部に出力可能とされる。温度センサ１６は、ＣＭＯＳ回路１２内で温度検出を行う。温度センサ１６の出力は温度情報とされる。温度情報補正回路１７は、温度センサ１６から伝達された温度情報を補正する。補正された温度情報は分周回路１５に伝達される。分周回路１５は、温度情報補正回路１７から伝達された温度情報に応じてクロック信号の分周比を制御する。
【００２５】
電流センサ１９は、このＣＭＯＳ回路１２に高電位側電源Ｖｄｄが供給されることにより、このＣＭＯＳ回路１２で消費される電流を検出する。電流センサ１９での電流検出結果は、温度情報補正回路１７に伝達される。温度情報補正回路１７は、上記電流センサでの検出結果に基づいて上記ＣＭＯＳ回路１２の温度上昇分を求め、それに基づいて、上記温度センサで得られた温度情報を補正する。具体的には、上記温度情報補正回路１７において、ＣＭＯＳ回路１２で消費される電流とＣＭＯＳ回路１２の温度上昇との関係（「消費電流対温度上昇に関する情報」という）からＣＭＯＳ回路の温度上昇分が算出され、温度センサ１９で得られた温度情報から上記ＣＭＯＳ回路１２の温度上昇分が差し引かれることで、ＭＥＭＳ振動子１１の温度情報が得られる。消費電流対温度上昇に関する情報は、予め測定されたものを使用することができる。その場合、消費電流対温度上昇に関する情報をＭＣＵ内のフラッシュメモリ等に格納しておき、その情報を、ＭＣＵのリセット処理などにおいて、温度情報補正回路１７内のレジスタなどに書き込むように構成することができる。それにより温度情報補正回路１７は、このレジスタ内の情報を参照して、ＣＭＯＳ回路１２の温度上昇分を求めることができる。
【００２６】
図２には、ＭＥＭＳ振動子１１がＣＭＯＳ回路１２の上に積層された積層型構造（Ａ）と、ＭＥＭＳ振動子１１がＣＭＯＳ回路１２の横に形成された横置き型構造（Ｂ）とが示される。本例では、横置き型構造（Ｂ）が採用されている。
【００２７】
積層型構造（Ａ）の場合、ＭＥＭＳ振動子１１がＣＭＯＳ回路１２の上に積層されているため、ＣＭＯＳ回路１２内のＭＣＵで発生した熱をＭＥＭＳ振動子１１に容易伝達することができるため、ＣＭＯＳ回路１２とＭＥＭＳ振動子１１との温度差を小さくすることができ、ＭＥＭＳ振動子の温度を正しく検出することができる。一方、横置き型構造（Ｂ）の場合には、ＭＥＭＳ振動子１１がＣＭＯＳ回路１２に直接接触されていない。このため、ＭＥＭＳ振動子１１とＣＭＯＳ回路１２との間には、図示されないモールド材などが介在され、良好な温度伝達が行われないため、両者間に温度差を生じてしまう。
【００２８】
しかしながら本例では、横置き型構造であるにもかかわらず、温度情報補正回路１７において、ＣＭＯＳ回路１２で消費される電流とＣＭＯＳ回路１２の温度上昇との関係（消費電流対温度上昇に関する情報）からＣＭＯＳ回路１２の温度上昇分が算出され、温度センサ１９で得られた温度情報から上記ＣＭＯＳ回路１２の温度上昇分が差し引かれることで、ＭＥＭＳ振動子１１の温度情報が求められる。このため、温度情報補正回路１７で補正された温度情報に従って、分周回路１５での分周比が制御されることにより、良好な周波数補正を行うことができる。
【００２９】
実施の形態１によれば、以下の作用効果を奏する。
【００３０】
（１）温度情報補正回路１７は、電流センサ１９での検出結果に基づいてＣＭＯＳ回路１２の温度上昇分を求め、それに基づいて、温度センサ１６で得られた温度情報を補正する。このような温度補正が行われることにより、ＭＥＭＳ振動子がＣＭＯＳ回路の横に形成された横置き型構造の場合において、ＭＥＭＳ振動子とＣＭＯＳ回路との間に温度差を生じている場合でも、温度情報補正回路で補正された温度情報に従って分周回路での分周比が制御されることにより、良好な周波数補正を行うことができる。
【００３１】
上記温度情報補正回路１７での温度補正は、ＭＥＭＳ振動子がＣＭＯＳ回路の上に積層された積層型構造の場合においても有効である。図１に示される構成によれば、ＭＥＭＳ振動子１１がＣＭＯＳ回路１２の横に形成された横置き型構造の場合でも、ＭＥＭＳ振動子１１がＣＭＯＳ回路１２の上に積層された積層型構造の場合でも、良好な周波数補正を行うことができるので、半導体装置１のＳｉＰ設計の自由度が増すという利点もある。
【００３２】
（２）温度情報補正回路１７は、ＣＭＯＳ回路１２で消費する電流と、ＣＭＯＳ回路１２の温度上昇との関係からＣＭＯＳ回路１２の温度上昇分を算出し、温度センサ１６で得られた温度情報からＣＭＯＳ回路１２の温度上昇分を差し引くことで、上記温度情報の補正を行うように構成することができ、それにより、簡単な演算処理により温度情報の補正を行うことができる。
【００３３】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【００３４】
例えば、温度情報補正回路１７の出力に基づいて、バイアス回路１３で生成されるバイアス電圧を制御するようにしても、クロック信号の良好な周波数補正を行うことができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  半導体装置
１１  ＭＥＭＳ振動子
１２  ＣＭＯＳ回路
１３  バイアス回路
１４  励振アンプ
１５  分周回路
１６  温度センサ
１７  温度情報補正回路
１８  ＭＣＵ及びその周辺回路
１９  電流センサ
【図１】
2013106176.tif 000003
【図２】
2013106176.tif 000004