(57)【要約】【課題】小型化、低コスト化、低雑音化を図ったチャージポンプ式ＤＣ−ＤＣコンバーターを提供する。【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバーターは、発振回路１と、インバーター２と、ダイオード接続されたＭＯＳトランジスタ３ａ，３ｂと、ＭＯＳゲート酸化膜キャパシタ４ａ，４ｂとを含んでいる。ＭＯＳゲート酸化膜キャパシタ４ａ，４ｂのそれぞれは、半導体基板上に形成されたｎ型ウェル４１ａ，４１ｂと、ｎ型ウェル４１ａ，４１ｂ上に絶縁膜を介して形成される容量用電極４９ａ，４９ｂと、ｎ型ウェル４１ａ，４１ｂ内に形成されたｎ型拡散領域４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂとを備えている。昇圧動作に必要なコンデンサを、ＭＯＳゲート酸化膜キャパシタ４ａ，４ｂとして集積回路に内蔵することにより、小型化、低コスト化、低雑音化を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成される第１整流素子と、
前記半導体基板に形成される第１導電型の第１ウェル領域と、
前記第１ウェル領域上に形成される第１容量用電極と、
前記半導体基板の前記第１容量用電極の少なくとも側方に形成される第１導電型の第１拡散領域と、
前記半導体基板上に形成される第２整流素子と、
前記半導体基板に形成される第１導電型の第２ウェル領域と、
前記第２ウェル領域上に形成される第２容量用電極と、
前記半導体基板の前記第２容量用電極の少なくとも側方に形成される第１導電型の第２拡散領域とを備え、
前記第１拡散領域および前記第１容量用電極のいずれか一方は、前記第１整流素子の出力端および前記第２整流素子の入力端に電気的に接続され、前記第１拡散領域および前記第１容量用電極のいずれか他方には、交流信号が入力され、
前記第２拡散領域および前記第２容量用電極のいずれか一方は、前記第２整流素子の出力端に電気的に接続され、前記第２拡散領域および前記第２容量用電極のいずれか他方には、前記交流信号とは異なる交流信号が入力される、半導体装置。
【請求項２】
前記第１拡散領域は、前記第１容量用電極の少なくとも両サイドに形成され、
前記第２拡散領域は、前記第２容量用電極の少なくとも両サイドに形成される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１整流素子は、
前記半導体基板に形成される第２導電型の第３ウェル領域と、
前記第３ウェル領域上に形成される第１ゲート電極と、
前記半導体基板の前記第１ゲート電極の側方に形成される第１導電型の第３拡散領域と、
前記第１ゲート電極の側方であって、前記半導体基板の前記第３拡散領域が形成される位置とは異なる位置に形成される、第１導電型の第４拡散領域とを備え、
前記第２整流素子は、
前記半導体基板に形成される第２導電型の第４ウェル領域と、
前記第４ウェル領域上に形成される第２ゲート電極と、
前記半導体基板の前記第２ゲート電極の側方に形成される第１導電型の第５拡散領域と、
前記第２ゲート電極の側方であって、前記半導体基板の前記第５拡散領域が形成される位置とは異なる位置に形成される、第１導電型の第６拡散領域とを備える、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置を備えたコンバーター装置であって、
前記第１整流素子の入力端を入力とし、前記第２整流素子の出力端を出力とすることで、ＤＣからＤＣへの昇圧型の電圧変換を行なう、コンバーター装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置を備えたコンバーター装置であって、
前記第１整流素子の入力端に定電圧を印加し、前記交流信号を入力とし、前記第２整流素子の出力端を出力とすることで、ＡＣからＤＣへの昇圧型の電圧変換を行なう、コンバーター装置。
【請求項６】
前記交流信号は、無線信号、音声、および振動信号のいずれかである、請求項５に記載のコンバーター装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置およびコンバーター装置に関し、特に、キャパシタの機能を有する半導体装置、およびチャージポンプ動作を行なうコンバーター装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターは、ダイオード接続されたトランジスタと、コンデンサ（キャパシタ）と、それらを駆動する発振回路とから構成される。トランジスタは集積回路に内蔵される。コンデンサは外付けされる。
【０００３】
図４は、従来の技術における昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターの構成を示す図である。図５は、図４の構成のシンボル表記を示す図である。
【０００４】
図を参照して、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターは、発振回路１と、インバーター２と、外付けコンデンサ６１，６２と、ＭＯＳトランジスタ５ａ，５ｂとを含んでいる。
【０００５】
ＭＯＳトランジスタ５ａ，５ｂのそれぞれは、半導体基板上に形成されたｐ型ウェル５１ａ，５１ｂと、ｐ型ウェル５１ａ，５１ｂ内に形成されたｎ型拡散領域５３ａ，５３ｂと、半導体基板上に絶縁膜を介して形成されるゲート電極５９ａ，５９ｂと、ｐ型ウェル５１ａ，５１ｂ内に形成されたｎ型拡散領域５５ａ，５５ｂとを備えている。
【０００６】
ゲート電極５９ａ，５９ｂのそれぞれは、ｎ型拡散領域５３ａ，５３ｂとｎ型拡散領域５５ａ，５５ｂとの間に設けられる。
【０００７】
発振器１の出力が外付けのコンデンサ６１の一端に接続される。また、発振器１の出力は、インバーター２を介してコンデンサ６２の一端に接続される。これにより、コンデンサに対して、電荷の注入および抜き取りが行なわれる。
【０００８】
昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターの入力は、ｎ型拡散領域５３ａおよびゲート電極５９ａに接続される。
【０００９】
コンデンサ６１の他端は、ｎ型拡散領域５５ａ、ｎ型拡散領域５３ｂ、およびゲート電極５９ｂに接続される。
【００１０】
昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターの出力部は、コンデンサ６２の他端、およびｎ型拡散領域５５ｂに接続される。
【００１１】
コンデンサ６１，６２の電荷を、ダイオード接続されたＭＯＳトランジスタに導入することにより、チャージポンプ動作が行なわれる。これらの動作によって、昇圧動作が実現される。
【００１２】
下記特許文献１は、デプレッション型トランジスタを使用する昇圧回路を開示している。
【特許文献１】特開平５−２８７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術における昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターでは、集積回路内部に高容量のコンデンサを集積する事が困難であった。このため、通常は２つ以上の外付けコンデンサが必要であり、集積回路には少なくとも４つの端子（図４、５において符号７１ａ〜７１ｄが付与された四角形で示す。）を設ける必要がある。
【００１４】
このような状況から従来の技術においては、実装設計の小型化に制約が生じるという問題があった。他にも、チップ外に発振信号を出す必要があるため配線からの放射ノイズが問題になる場合がある。また、これらの制約や問題は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターの性能劣化やコスト高の要因ともなっていた。
【００１５】
また、上記特許文献１に開示された従来の昇圧回路において、デプレッション型トランジスタを製造するには追加プロセスが必要であり、コスト増大を招くという問題がある。さらにゲート電極とチャネル部の電位関係によって、シリコン基板側の電極の働きをするチャネルが消滅し、容量が電位によって大きく低下する場合がある。このことは、チャージポンプ動作によって必要な出力電流を確保できない要因となる。
【００１６】
この発明はそのような問題点を解決するためになされたものであり、小型化、低コスト化、低雑音化を図るための半導体装置、およびコンバーター装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成される第１整流素子と、前記半導体基板に形成される第１導電型の第１ウェル領域と、前記第１ウェル領域上に形成される第１容量用電極と、前記半導体基板の前記第１容量用電極の少なくとも側方に形成される第１導電型の第１拡散領域と、前記半導体基板上に形成される第２整流素子と、前記半導体基板に形成される第１導電型の第２ウェル領域と、前記第２ウェル領域上に形成される第２容量用電極と、前記半導体基板の前記第２容量用電極の少なくとも側方に形成される第１導電型の第２拡散領域とを備え、前記第１拡散領域および前記第１容量用電極のいずれか一方は、前記第１整流素子の出力端および前記第２整流素子の入力端に電気的に接続され、前記第１拡散領域および前記第１容量用電極のいずれか他方には、交流信号が入力され、前記第２拡散領域および前記第２容量用電極のいずれか一方は、前記第２整流素子の出力端に電気的に接続され、前記第２拡散領域および前記第２容量用電極のいずれか他方には、前記交流信号とは異なる交流信号が入力される。
【００１８】
好ましくは前記第１拡散領域は、前記第１容量用電極の少なくとも両サイドに形成され、前記第２拡散領域は、前記第２容量用電極の少なくとも両サイドに形成される。
【００１９】
好ましくは前記第１整流素子は、前記半導体基板に形成される第２導電型の第３ウェル領域と、前記第３ウェル領域上に形成される第１ゲート電極と、前記半導体基板の前記第１ゲート電極の側方に形成される第１導電型の第３拡散領域と、前記第１ゲート電極の側方であって、前記半導体基板の前記第３拡散領域が形成される位置とは異なる位置に形成される、第１導電型の第４拡散領域とを備え、前記第２整流素子は、前記半導体基板に形成される第２導電型の第４ウェル領域と、前記第４ウェル領域上に形成される第２ゲート電極と、前記半導体基板の前記第２ゲート電極の側方に形成される第１導電型の第５拡散領域と、前記第２ゲート電極の側方であって、前記半導体基板の前記第５拡散領域が形成される位置とは異なる位置に形成される、第１導電型の第６拡散領域とを備える。
【００２０】
この発明の他の局面に従うと、上記のいずれかに記載の半導体装置を備えたコンバーター装置は、前記第１整流素子の入力端を入力とし、前記第２整流素子の出力端を出力とすることで、ＤＣからＤＣへの昇圧型の電圧変換を行なう。
【００２１】
この発明のさらに他の局面に従うと、上記のいずれかに記載の半導体装置を備えたコンバーター装置は、前記第１整流素子の入力端に定電圧を印加し、前記交流信号を入力とし、前記第２整流素子の出力端を出力とすることで、ＡＣからＤＣへの昇圧型の電圧変換を行なう。
【００２２】
好ましくは前記交流信号は、無線信号、音声、および振動信号のいずれかである。
【発明の効果】
【００２３】
これら発明に従うと、小型化、低コスト化、低雑音化を図るための半導体装置、およびコンバーター装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態におけるチャージポンプ式コンバーターについて説明する。
【００２５】
チャージポンプ式コンバーターは、昇圧動作に必要な外付けコンデンサを、ＭＯＳゲート酸化膜キャパシタとして集積回路に内蔵することにより、小型化、低コスト化、低雑音化を図っている。
【００２６】
また、電極直下のウェル領域と同じ導電型の拡散層を電極周囲に形成することにより、キャパシタを構成している。これにより、装置の低コスト化、高出力化、安定化を図ることができる。
【００２７】
すなわち本実施の形態によると、昇圧用の外付け部品を使用することなく、半導体集積回路上でＤＣ−ＤＣ変換（またはＡＣ−ＤＣ変換）を行なうことが可能となる。
【００２８】
図１は、本発明の実施の形態の１つにおける昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターの構成を示す図である。図２は、図１の構成のシンボル表記を示す図である。
【００２９】
図を参照して、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターは、発振回路１と、インバーター２と、ダイオード接続されたＭＯＳトランジスタ３ａ，３ｂ（これに代えて、ダイオードなど他の整流素子を用いてもよい）と、ＭＯＳゲート酸化膜キャパシタ４ａ，４ｂとを含んでいる。
【００３０】
ＭＯＳトランジスタ３ａ，３ｂのそれぞれは、半導体基板上に形成されたｐ型ウェル５１ａ，５１ｂと、ｐ型ウェル５１ａ，５１ｂ上に絶縁膜を介して形成されるゲート電極５９ａ，５９ｂと、ｐ型ウェル５１ａ，５１ｂ内のゲート電極５９ａ，５９ｂの側方に形成されたｎ型拡散領域５３ａ，５３ｂと、Ｐｎ型ウェル５１ａ，５１ｂ内において、ｎ型拡散領域５３ａ，５３ｂとはゲート電極５９ａ，５９ｂの下部を介して向かい合うように形成されたｎ型拡散領域５５ａ，５５ｂとを備えている。
【００３１】
ＭＯＳゲート酸化膜キャパシタ４ａ，４ｂのそれぞれは、半導体基板上に形成されたｎ型ウェル４１ａ，４１ｂと、ｎ型ウェル４１ａ，４１ｂ上に絶縁膜を介して形成される容量用電極４９ａ，４９ｂと、ｎ型ウェル４１ａ，４１ｂ内の容量用電極４９ａ，４９ｂの側方に形成されたｎ型拡散領域４３ａ，４３ｂと、ｎ型ウェル４１ａ，４１ｂ内において、ｎ型拡散領域４３ａ，４３ｂとは容量用電極４９ａ，４９ｂの下部を介して向かい合うように形成されたｎ型拡散領域４５ａ，４５ｂとを備えている。
【００３２】
発振器１の出力が容量用電極４９ａに接続される。また、発振器１の出力は、インバーター２を介して容量用電極４９ｂに接続される。これにより、キャパシタの機能を有する部分に対して、電荷の注入および抜き取りが行なわれる。
【００３３】
昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターの入力は、ｎ型拡散領域５３ａおよびゲート電極５９ａに接続される。ｎ型拡散領域５５ａは、配線によりｎ型拡散領域４３ａ、ｎ型拡散領域４５ａ、ｎ型拡散領域５３ｂ、および容量用電極５９ｂに接続される。昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターの出力は、ｎ型拡散領域５５ｂ、ｎ型拡散領域４３ｂ、およびｎ型拡散領域４５ｂに接続される。
【００３４】
キャパシタの電荷を、ダイオード接続されたＭＯＳトランジスタの部分に導入することにより、チャージポンプ動作が行なわれる。これらの動作によって、昇圧動作が実現される。
【００３５】
ここで、ＭＯＳゲート酸化膜キャパシタ４ａ，４ｂについて説明する。
【００３６】
通常のＭＯＳトランジスタを作成する場合は、半導体基板に不純物を注入してウェルを形成する。ウェル上に薄い絶縁膜を形成し、その上にゲート電極を形成する。ゲート電極の両サイドにウェルと逆型の不純物を注入して拡散領域を形成する。
【００３７】
ＭＯＳゲート酸化膜キャパシタ４ａ，４ｂにおいては、ゲート電極相当部分（容量用電極４９ａ，４９ｂ）の両サイドにウェルと同型の不純物を注入する。これにより、容量用電極とウェルとの間にキャパシタが形成される。なお、不純物は少なくともゲート電極相当部分の片サイドに注入すればよい。また、ゲート電極を囲むように不純物を（例えばドーナツ状に）注入してもよい。
【００３８】
容量用電極４９ａ，４９ｂの下の絶縁膜によって形成される、電極とウェルの面積あたりの容量は、例えば３．３Ｖ耐圧プロセスでは１平方ミクロンあたり３ｆＦ以上になる。通常の容量形成法では、標準的な３層メタルプロセスで１平方ミクロンあたり０．２ｆＦ程度である。通常の容量形成法（通常の集積回路内コンデンサ形成法）と比べて、本実施の形態では、チップ内部にはるかに大きい容量を持たせる事が出来る。これにより、外付けコンデンサを使用せずに実用的な出力電流を確保することが可能になる。
【００３９】
［その他］
【００４０】
上記実施の形態では、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーター回路について説明したが、チャージポンプ動作の動力源である発振器１からの入力に代えて外部からのＡＣ（交流）信号を入力することとしてもよい。その場合、図１および２の「入力」端には、定電圧が印加される。すなわち上述の回路において、発振器１の部分を外部入力に変えると、ＡＣ−ＤＣコンバーター回路として使用することが可能である。
【００４１】
また、チャージポンプ動作を行なうために、任意のパルス信号を使用することもできる。このため、発振器１からの入力に代えて無線信号、音声および振動信号を入力させてもよい。この場合、入力を直流信号に変換する回路（たとえば無線電力転送回路）として本実施の形態における回路を使用可能である。
【００４２】
また、キャパシタ部分において、拡散領域にトランジスタを接続し、電極に交流信号を入力することとしたが、これらは逆にしてもよい。
【００４３】
なお、図１の半導体のｎ型とｐ型は逆にしても動作する。この場合、出力電圧の符号は逆になる。
【００４４】
また、図３のように図１および図２の回路を多段接続すると、より高い電圧を出力することが可能になる。
【００４５】
なお、上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態における昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターの構成を示す図である。
【図２】図１の構成のシンボル表記を示す図である。
【図３】図１および図２の回路を多段接続する例を示す図である。
【図４】従来の技術における昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバーターの構成を示す図である。
【図５】図４の構成のシンボル表記を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  発振回路（発振器）
２  インバーター
３ａ〜３ｄ  ダイオード接続されたＭＯＳトランジスタ
４ａ〜４ｄ  ＭＯＳゲート酸化膜キャパシタ
４１ａ，４１ｂ  ｎ型ウェル
４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂ，５３ａ，５３ｂ，５５ａ，５５ｂ，  ｎ型拡散領域
４９ａ，４９ｂ  容量用電極
５１ａ，５１ｂ  ｐ型ウェル
５９ａ，５９ｂ  ゲート電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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