JP2002262545A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2002262545A
JP2002262545A JP2001053728A JP2001053728A JP2002262545A JP 2002262545 A JP2002262545 A JP 2002262545A JP 2001053728 A JP2001053728 A JP 2001053728A JP 2001053728 A JP2001053728 A JP 2001053728A JP 2002262545 A JP2002262545 A JP 2002262545A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device comprising a high voltage generating circuit which utilizes a microtransformer having a structure suitable for the generation of a high voltage. SOLUTION: In the semiconductor device comprising the high voltage generating circuit, the high voltage generating circuit is provided with a voltage boosting circuit 1, in which a voltage boosting unit composed of a capacitor C and a rectifying transistor QN0 which is driven by the capacitor C to transfer electrical charge in one direction is connected in series in a plurality of stages between Vcc and an output terminal Vout, a transformer 2 provided with a primary coil and a secondary coil with the secondary side output thereof supplied to the capacitor of the voltage boosting circuit 2 and a pulse generator 3 to supply a pulse to a primary side of the transformer 2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、高電圧発生回路
を内蔵する半導体メモリ等の半導体装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor device such as a semiconductor memory having a built-in high voltage generating circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】NAND型、NOR型のフラッシュメモ
リでは、書き込みや消去動作に10〜20Vの高電圧を
必要とする。この様な高電圧は通常、図10に示すよう
な昇圧回路により生成されている。この昇圧回路のキャ
パシタを駆動するクロックの周囲をT、昇圧ユニット一
段当たりの容量をC、ダイオード接続された電荷転送ト
ランジスタのしきい値電圧をVt、昇圧ユニットの段数
をN、出力電流をIoutとすると、昇圧回路の出力電
圧Voutは、数1のようになる(J.F.Dickson,“On
-Chip High Voltage Generation in MOS Integrated Ci
rcuits Using anImproved Voltage Multiplier Techniq
ue”,IEEE Journal of Solid‐State Circuits,Vol.SC
‐11,No.3,pp374‐378,June 1976参照)。
2. Description of the Related Art NAND and NOR flash memories require a high voltage of 10 to 20 V for writing and erasing operations. Such a high voltage is usually generated by a booster circuit as shown in FIG. Let T be the circumference of the clock for driving the capacitor of this booster circuit, C be the capacitance per stage of the booster unit, Vt be the threshold voltage of the diode-connected charge transfer transistor, N be the number of stages of the booster unit, and Iout be the output current. Then, the output voltage Vout of the booster circuit becomes as shown in Expression 1 (JFDickson, “On
-Chip High Voltage Generation in MOS Integrated Ci
rcuits Using anImproved Voltage Multiplier Techniq
ue ”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.SC
-11, No. 3, pp374-378, June 1976).

【0003】[0003]

【数1】Vout=(N+1)(Vcc−Vt)−
(NT/C)Iout
Vout = (N + 1) (Vcc−Vt) −
(NT / C) Iout

【0004】この昇圧回路の回路面積は、昇圧回路の容
量の総和NCにほぼ比例している。近年半導体メモリの
微細化に伴い、電源電圧Vccは低下する傾向にある
が、フラッシュメモリの書き込み消去電圧は下がってい
ない。このことは、数1から明らかなように、昇圧回路
の段数を増やす必要があることを意味している。したが
って従来の昇圧回路を使っている限り、電源電圧Vcc
の低下に伴い昇圧回路の回路面積比率は増加してゆく。
特に電源電圧Vccが1.8V以下の世代では、昇圧回
路の面積がチップ面積のかなりの割合を占め、チップコ
ストを増大させる深刻な要因となる。
The circuit area of this booster circuit is almost proportional to the total sum NC of the capacity of the booster circuit. In recent years, the power supply voltage Vcc tends to decrease with the miniaturization of semiconductor memories, but the write / erase voltage of the flash memory has not decreased. This means that it is necessary to increase the number of stages of the booster circuit, as is apparent from Equation 1. Therefore, as long as the conventional booster circuit is used, the power supply voltage Vcc
, The circuit area ratio of the booster circuit increases.
In particular, in the generation in which the power supply voltage Vcc is 1.8 V or less, the area of the booster circuit occupies a considerable proportion of the chip area, which is a serious factor for increasing the chip cost.

【0005】こうした状況に鑑み、回路面積が小さくか
つ低電源電圧領域でも動作可能な高電圧生成回路の構成
手法として、半導体基板に形成されたマイクロトランス
フォーマ(microtransformer)を利用することが考えら
れる。磁界の変化による誘導起電力を利用したトランス
フォーマによる高電圧生成方式は、旧来からよく知られ
ている。トランスフォーマは、図11に示すように、巻
数比1:nの一次コイルと二次コイルを誘磁率の高い強
磁性体に巻き付けた構造をしている。強磁性体は磁束の
洩れをなくすためにいれてある。一次コイルに振幅Vの
パルス電圧を入力すると、磁束の洩れがない場合(すな
わち結合定数(coupling factor)が1の場合)、二次コ
イルでは振幅nVのパルスが生成される。但し、電流は
1/nになる。トランスフォーマにおいてエネルギーの
損失はない。また、二次コイルの出力に整流素子を設け
れば、出力電圧のDC化ができる。
[0005] In view of such a situation, it is conceivable to use a microtransformer formed on a semiconductor substrate as a configuration technique of a high-voltage generation circuit having a small circuit area and capable of operating even in a low power supply voltage region. 2. Description of the Related Art A high-voltage generation method using a transformer using an induced electromotive force due to a change in a magnetic field has been well known for a long time. As shown in FIG. 11, the transformer has a structure in which a primary coil and a secondary coil having a turns ratio of 1: n are wound around a ferromagnetic material having a high magnetic attraction. The ferromagnetic material is included to eliminate magnetic flux leakage. When a pulse voltage having an amplitude V is input to the primary coil, a pulse having an amplitude of nV is generated in the secondary coil when there is no leakage of magnetic flux (that is, when the coupling factor is 1). However, the current becomes 1 / n. There is no energy loss in the transformer. If a rectifier is provided at the output of the secondary coil, the output voltage can be converted to DC.

【0006】この様なトランスフォーマを半導体チップ
上に形成したもの(マイクロトランスフォーマ)を用い
れば、原理的にはフラッシュメモリの高電圧生成回路が
できる。しかし実際に有効に機能する高電圧生成回路を
作るためには、いくつかの課題を克服する必要がある。
If a transformer (microtransformer) in which such a transformer is formed on a semiconductor chip is used, a high voltage generation circuit of a flash memory can be formed in principle. However, in order to create a high-voltage generation circuit that functions effectively, it is necessary to overcome some problems.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】第一の課題は、マイク
ロトランスフォーマの構造と製造プロセスに関するもの
である。現状の半導体メモリで使用されている材料は空
気と同程度の透磁率しか持たないため、図11のような
3次元形状のトランスフォーマを採用する限り、強磁性
体の使用は必須となる。半導体チップ上に強磁性体コア
を形成する技術は進展しつつある(例えば、J.Y.Park
et al.,“Packaging-Compatible Microtransformers o
n a Silicon Substrate”,IEEE 50th Electronic Compo
nents & Technology Conference,pp206-210,2000,M.
Mino et al.,“Planar Microtransformer with Monolit
hically-Integrated Rectifier Diodes for Micro-Swit
ching Converters”,IEEE Transactions on Magnetics,
Vol.32,No.2,pp291-296,March 1996)。
The first problem relates to the structure and manufacturing process of a microtransformer. Since the material used in the current semiconductor memory has only the same magnetic permeability as air, the use of a ferromagnetic material is indispensable as long as a three-dimensional transformer as shown in FIG. 11 is employed. Technologies for forming ferromagnetic cores on semiconductor chips are evolving (for example, JYPark
et al., “Packaging-Compatible Microtransformers o
na Silicon Substrate ”, IEEE 50th Electronic Compo
nents & Technology Conference, pp206-210, 2000, M.
Mino et al., “Planar Microtransformer with Monolit
hically-Integrated Rectifier Diodes for Micro-Swit
ching Converters ”, IEEE Transactions on Magnetics,
Vol.32, No.2, pp291-296, March 1996).

【0008】しかし、3次元形状のトランスフォーマを
半導体メモリに搭載することを考えた場合、製造プロセ
スの複雑化によるコスト増が昇圧回路面積縮小によるコ
スト減を上回り、総コストとしては増大する可能性が高
い。また現段階で半導体チップ上に形成可能な強磁性体
コアは、概して低い誘磁率しか持たない(J.Driesen
et al.,“Electric and Magnetic FEM Modeling Strate
gies for Micro-Inductors",IEEE Transactions on Mag
netics,Vol.35,No.5,pp3577-3579,September 1999)。
However, when a three-dimensional transformer is mounted on a semiconductor memory, the increase in cost due to the complexity of the manufacturing process exceeds the cost reduction due to the reduction in the area of the booster circuit, and the total cost may increase. high. In addition, ferromagnetic cores that can be formed on semiconductor chips at this stage generally have a low magnetic attraction (J. Driesen)
et al., “Electric and Magnetic FEM Modeling Strate
gies for Micro-Inductors ", IEEE Transactions on Mag
netics, Vol.35, No.5, pp3577-3579, September 1999).

【0009】更に、強磁性体を微細化したことによる反
磁界の効果(白江公輔他著、“マイクロ磁気デバイス
のすべて”、工業調査会、1992)や、渦電流(eddy curr
ent)などの問題をクリアする必要がある。こうした諸問
題を回避するには、強磁性体を使用せず、現有の半導体
メモリ製造プロセスで形成可能で、なおかつ高い結合定
数を有するマイクロトランスフォーマが必要となる。最
近研究されている平面マイクロトランスフォーマ(Plane
r Microtransformer)は、その候補として有力である。
Further, the effect of the demagnetizing field due to the miniaturization of the ferromagnetic material (Kosuke Shirai et al., “All about Micro Magnetic Devices”, Industrial Research Institute, 1992), eddy current (eddy curr
ent) and other issues. In order to avoid these problems, a microtransformer which does not use a ferromagnetic material, can be formed by an existing semiconductor memory manufacturing process, and has a high coupling constant is required. Plane microtransformers (Plane
r Microtransformer) is a promising candidate.

【0010】平面マイクロトランスフォーマにはいくつ
かの種類がある。その一つは、図12のような形状をし
ている。一次コイルと二次コイルは同一のメタル配線層
で形成されており、コンタクトへの接続は第二のメタル
配線層でとる。渦巻き状の一次コイルと二次コイルが絡
まった構造をしているため、強磁性体を用いずとも高い
結合定数が実現できる。結合定数は巻数比1:1の場合
0.82、巻数比1:1.5の場合0.76となる(
J.R.Long,“Monolithic Transformers for Silicon RF
IC Design",IEEE Journal of Solid State Circuits, V
ol.35,No.9,pp1382-1382,September 2000)。
There are several types of planar microtransformers. One of them has a shape as shown in FIG. The primary coil and the secondary coil are formed by the same metal wiring layer, and the connection to the contact is made by the second metal wiring layer. Because of the structure in which the spiral primary coil and the secondary coil are entangled, a high coupling constant can be realized without using a ferromagnetic material. The coupling constant is 0.82 when the turns ratio is 1: 1 and 0.76 when the turns ratio is 1: 1.5 (
JRLong, “Monolithic Transformers for Silicon RF
IC Design ", IEEE Journal of Solid State Circuits, V
ol.35, No.9, pp1382-1382, September 2000).

【0011】平面マイクロトランスフォーマの第二のタ
イプは、図13のような渦巻き状のメタル配線を、図1
4に示すように、縦に重ねた形状とするものである。一
次コイルは第一のメタル配線層、二次コイルは第二のメ
タル配線層でつくり、明示していない第三のメタル配線
層でコンタクトへの接続をとる。したがって三層のメタ
ル配線層で実現可能である。第一と第二のメタル配線層
の間の間隔が十分小さければ、磁束の洩れを小さくでき
る。巻数比1:1のコイルでメタル配線層間の間隔が1
μm程度の場合、約0.9の結合定数が実現できる。
A second type of planar microtransformer uses a spiral metal wiring as shown in FIG.
As shown in FIG. 4, the shape is vertically overlapped. The primary coil is made of the first metal wiring layer and the secondary coil is made of the second metal wiring layer, and the connection to the contact is made by a third metal wiring layer (not shown). Therefore, it can be realized with three metal wiring layers. If the distance between the first and second metal wiring layers is sufficiently small, leakage of magnetic flux can be reduced. 1: 1 coil ratio and 1 spacing between metal wiring layers
In the case of about μm, a coupling constant of about 0.9 can be realized.

【0012】これらの平面マイクロトランスフォーマ
は、半導体メモリの高電圧生成回路用として使える可能
性を秘めている。しかし2V程度の電源電圧から20V
近い高電圧を生成するには、1:10以上の巻数比にす
る必要がある。従来の平面マイクロトランスフォーマの
場合、巻数比が大きくなるにつれ結合定数が小さくなる
傾向にある。このことは、マイクロトランスフォーマに
おけるエネルギー損失が増大し、レイアウト面積も増え
ることを意味している。したがって半導体メモリの高電
圧生成に使う場合は、巻数比が大きくなっても高い結合
定数が保てるようなマイクロトランスフォーマを開発す
る必要がある。
[0012] These planar microtransformers have the potential to be used for high voltage generation circuits in semiconductor memories. However, from a power supply voltage of about 2V to 20V
To generate a near high voltage, the turns ratio must be 1:10 or more. In the case of a conventional planar microtransformer, the coupling constant tends to decrease as the turns ratio increases. This means that the energy loss in the microtransformer increases and the layout area also increases. Therefore, when used for generating a high voltage in a semiconductor memory, it is necessary to develop a microtransformer that can maintain a high coupling constant even when the turns ratio becomes large.

【0013】マイクロトランスフォーマのもう一つの問
題は、半導体基板上に生成される渦電流である。磁束変
化を妨げるように流れる渦電流は、結合定数を低下させ
る働きをする。渦電流を減らすには平面マイクロトラン
スフォーマ近傍、特にその上下のメタル配線を減らすこ
とが有効であるが、半導体基板自体はなくすことができ
ない。文献では基板抵抗を高くして渦電流生成を抑え
ているが、半導体メモリの基板抵抗はメモリセルやトラ
ンジスタ特性に基づいて決定されるため、マイクロトラ
ンスフォーマのためだけに基板抵抗値を変更することは
できない。したがって基板抵抗を変えることなく、基板
上に生成される渦電流を低減することが必要となる。
Another problem with microtransformers is eddy currents generated on semiconductor substrates. The eddy current flowing so as to prevent a change in magnetic flux functions to lower the coupling constant. In order to reduce the eddy current, it is effective to reduce the metal wiring near the planar microtransformer, particularly above and below it, but the semiconductor substrate itself cannot be eliminated. In the literature, eddy current generation is suppressed by increasing the substrate resistance.However, since the substrate resistance of a semiconductor memory is determined based on the characteristics of memory cells and transistors, it is not possible to change the substrate resistance only for a microtransformer. Can not. Therefore, it is necessary to reduce the eddy current generated on the substrate without changing the substrate resistance.

【0014】第二の課題は、高電圧を生成する回路方式
に関するものである。半導体メモリへの適用を考えた場
合、トランスフォーマによって作られた交流高電圧か
ら、直流高電圧を効率的に生成する回路が必要となる。
このような回路はパワーデバイスの分野では良く知られ
ているが、そのいくつかの実現方式のうち、フラッシュ
メモリへの適用に適した方式を選択する必要がある。特
に、フラッシュメモリにおいて使用可能な素子を用い
て、最も有効に機能する高電圧生成回路をつくる必要が
ある。
The second problem relates to a circuit system for generating a high voltage. In consideration of application to a semiconductor memory, a circuit that efficiently generates a DC high voltage from an AC high voltage generated by a transformer is required.
Such a circuit is well known in the field of power devices, but it is necessary to select a method suitable for application to a flash memory among several realization methods. In particular, it is necessary to create a high-voltage generation circuit that functions most effectively using elements that can be used in a flash memory.

【0015】トランスフォーマを用いて半導体メモリ用
の高電圧を生成する方法は、既に米国特許第57215
06号、米国特許第5900764号、米国特許第61
11451号等で報告されている。しかしこれらで述べ
られている方式は、DRAMで使用する、電源電圧の高
々2倍程度の電圧を生成するものであり、10〜20V
といった高電圧の生成には適していない。
A method for generating a high voltage for a semiconductor memory using a transformer has already been disclosed in US Pat. No. 5,715,215.
No. 06, US Pat. No. 5,900,764, US Pat.
No. 11451, etc. However, the methods described therein generate a voltage used at most about twice as much as a power supply voltage used in a DRAM.
It is not suitable for generating such high voltages.

【0016】この発明は、高電圧生成に適したマイクロ
トランスフォーマの構造及びその様なマイクロトランス
フォーマを用いた高電圧発生回路を内蔵する半導体装置
を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a structure of a microtransformer suitable for generating a high voltage and a semiconductor device having a built-in high voltage generating circuit using such a microtransformer.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】この発明は、高電圧発生
回路を内蔵する半導体装置において、前記高電圧発生回
路は、キャパシタとこれにより駆動されて一方向に電荷
を転送する整流回路とからなる昇圧ユニットが基準端子
と出力端子の間に複数段直列接続された昇圧回路と、一
次コイルと二次コイルを備え、その二次側出力が前記昇
圧回路のキャパシタに供給されるトランスフォーマと、
このトランスフォーマの一次側にパルスを供給するパル
ス発生器と、を有することを特徴とする。
According to the present invention, in a semiconductor device having a built-in high-voltage generating circuit, the high-voltage generating circuit includes a capacitor and a rectifier circuit driven by the capacitor to transfer charges in one direction. A step-up circuit in which a step-up unit is connected in series at a plurality of stages between a reference terminal and an output terminal, including a primary coil and a secondary coil, and a transformer whose secondary side output is supplied to a capacitor of the step-up circuit;
A pulse generator for supplying a pulse to the primary side of the transformer.

【0018】この発明によると、従来の昇圧回路の駆動
パルスを、トランスフォーマにより昇圧して与えること
によって、昇圧回路の段数を少なくして十分な高電圧を
発生させることが可能になる。従って、フラッシュメモ
リ等の半導体装置における昇圧回路の占有面積を小さく
することが可能になる。
According to the present invention, it is possible to generate a sufficiently high voltage by reducing the number of stages of the boosting circuit by boosting and applying the driving pulse of the conventional boosting circuit by the transformer. Therefore, the area occupied by the booster circuit in a semiconductor device such as a flash memory can be reduced.

【0019】この発明において、トランスフォーマの二
次コイルの第1及び第2の端子にそれぞれ、アノードが
接地されたダイオードを接続することにより、昇圧回路
に正パルス電圧を供給することができる。また、トラン
スフォーマの二次コイルの第1の端子の出力が昇圧回路
の偶数段の昇圧ユニットのキャパシタに、第2の端子の
出力が昇圧回路の奇数段の昇圧ユニットのキャパシタに
供給されるようにすれば、昇圧回路を二相駆動すること
ができる。
In the present invention, a positive pulse voltage can be supplied to the booster circuit by connecting the diode whose anode is grounded to each of the first and second terminals of the secondary coil of the transformer. Also, the output of the first terminal of the secondary coil of the transformer is supplied to the capacitor of the even-numbered booster unit of the booster circuit, and the output of the second terminal is supplied to the capacitor of the odd-numbered booster unit of the booster circuit. Then, the booster circuit can be driven in two phases.

【0020】この発明において、好ましくは、トランス
フォーマの二次コイルの第1及び第2の端子とその出力
が供給されるキャパシタとの間にそれぞれ、二次コイル
からキャパシタの方向にのみ電流を流すように整流素子
を挿入する。これにより、トランスフォーマでの無用な
発振を防止することができる。更に、各整流素子の下流
側に、制御信号により電荷を放電するトランジスタを設
けることにより、昇圧回路を駆動する異なる位相のパル
スの重なりを確実に防止することが可能になる。この場
合、整流素子としては、ダイオード接続されたトランジ
スタを用いることが好ましく、これにより無用なバイポ
ーラ動作を防止することができる。
In the present invention, preferably, a current is caused to flow only in the direction from the secondary coil to the capacitor between the first and second terminals of the secondary coil of the transformer and the capacitor to which the output is supplied. A rectifying element is inserted in. Thus, unnecessary oscillation in the transformer can be prevented. Further, by providing a transistor that discharges electric charge according to a control signal on the downstream side of each rectifier element, it is possible to reliably prevent pulses of different phases that drive the booster circuit from overlapping. In this case, it is preferable to use a diode-connected transistor as the rectifying element, so that useless bipolar operation can be prevented.

【0021】この発明はまた、高電圧発生回路を内蔵す
る半導体装置において、前記高電圧発生回路は、一次コ
イルと二次コイルを備えて構成されたトランスフォーマ
と、このトランスフォーマの一次側にパルスを供給する
パルス発生器と、前記トランスフォーマの二次コイルの
第1及び第2の端子にそれぞれカソードが接続され、ア
ノードが接地されたダイオードと、前記トランスフォー
マの二次コイルの第1及び第2の端子と出力端子との間
にそれぞれ、二次コイルから出力端子の方向にのみ電流
を流すように介在させた、ダイオード接続されたトラン
ジスタと、を有することを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, in a semiconductor device having a built-in high voltage generating circuit, the high voltage generating circuit supplies a transformer having a primary coil and a secondary coil, and supplies a pulse to a primary side of the transformer. A pulse generator, a diode having a cathode connected to the first and second terminals of the secondary coil of the transformer, and a grounded anode, and first and second terminals of the secondary coil of the transformer. And a diode-connected transistor interposed between the output terminal and the secondary coil so that current flows only in the direction from the secondary coil to the output terminal.

【0022】この様に、従来の昇圧回路を用いることな
く、トランスフォーマと全波整流回路を組み合わせるこ
とによっても、10V程度の高電圧を発生させることが
可能である。この場合、全波整流回路を、ダイオードと
トランジスタの組み合わせで構成することにより、高い
高電圧発生効率を得ることができ、また無用なバイポー
ラ動作を防止することができる。
As described above, a high voltage of about 10 V can be generated by combining a transformer and a full-wave rectifier circuit without using a conventional booster circuit. In this case, by configuring the full-wave rectifier circuit with a combination of a diode and a transistor, high high-voltage generation efficiency can be obtained, and unnecessary bipolar operation can be prevented.

【0023】この発明による高電圧発生回路において、
好ましくはその出力端子に、出力電圧のレベルを検知し
て前記パルス発生器の活性及び非活性を制御する電圧リ
ミッタを設ける。また、トランスフォーマの一次コイル
及び二次コイルは、好ましくは、半導体基板上に絶縁膜
を介して積層された、渦巻き状にパターニングされた配
線層により形成された平面型コイルとし、半導体基板に
は、平面型コイルの中心を通って半導体基板に下ろされ
た垂線と交差する直線状の素子分離領域を形成する。こ
れにより、平面型コイルを用いた場合の渦電流によるエ
ネルギー損失を効果的に防止することができる。
In the high voltage generating circuit according to the present invention,
Preferably, the output terminal is provided with a voltage limiter for detecting the level of the output voltage and controlling the activation and deactivation of the pulse generator. Further, the primary coil and the secondary coil of the transformer are preferably stacked on a semiconductor substrate via an insulating film, and are planar coils formed by a spirally-patterned wiring layer. A linear element isolation region is formed which intersects with a vertical line drawn down to the semiconductor substrate through the center of the planar coil. This makes it possible to effectively prevent energy loss due to eddy current when using a planar coil.

【0024】この発明による半導体装置は更に、半導体
基板と、この半導体基板上に、渦巻き状にパターニング
された配線層により形成された平面型コイルと、前記半
導体基板に、前記平面型コイルの中心を通って前記半導
体基板に下ろされた垂線と交差する直線状に形成された
素子分離領域とを有することを特徴とする。
The semiconductor device according to the present invention further includes a semiconductor substrate, a planar coil formed on the semiconductor substrate by a spirally-patterned wiring layer, and a center of the planar coil on the semiconductor substrate. The semiconductor device is characterized by having a device isolation region formed in a straight line crossing a vertical line passing through the semiconductor substrate.

【0025】この発明による半導体装置は更に、半導体
基板と、この半導体基板を覆う第1の絶縁膜上に渦巻き
状にパターニングされた第1の配線層により形成された
第1のコイルと、この第1のコイルを覆う第2の絶縁膜
上に、第1のコイルと同軸的に渦巻き状にパターニング
された第2の配線層により形成された第2のコイルと、
前記半導体基板に、前記第1及び第2のコイルの中心を
通って前記半導体基板に下ろされた垂線と交差する直線
状に形成された素子分離領域とを有し、前記第2のコイ
ルを一次コイル、前記第1のコイルを二次コイルとして
トランスフォーマが構成されていることを特徴とする。
第2のコイルを覆う第3の絶縁膜上に更に、第1及び第
2のコイルと同軸的に渦巻き状にパターニングされた第
3の配線層により形成されて、第1のコイルと並列接続
されて一次コイルとして用いられる第3のコイルを有す
るものとしてもよい。
The semiconductor device according to the present invention further includes a first coil formed by a spirally patterned first wiring layer on a first insulating film covering the semiconductor substrate; A second coil formed by a second wiring layer coaxially spirally patterned with the first coil on a second insulating film covering the first coil;
The semiconductor substrate has a linearly formed element isolation region that intersects with a perpendicular drawn down to the semiconductor substrate through the center of the first and second coils. A transformer is configured by using a coil and the first coil as a secondary coil.
A third wiring layer patterned coaxially and spirally with the first and second coils on the third insulating film covering the second coil is connected in parallel with the first coil. And a third coil used as a primary coil.

【0026】以上のように、半導体基板上に平面型コイ
ルやこれを用いたトランスフォーマを形成する場合に、
その直下に素子分離領域を設けることにより、渦電流の
流れない平面型コイルを実現することができる。素子分
離領域は好ましくは、放射状に形成される。
As described above, when a planar coil and a transformer using the same are formed on a semiconductor substrate,
By providing the element isolation region immediately below, a planar coil in which eddy current does not flow can be realized. The element isolation region is preferably formed radially.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態を説明する。図1は、この発明の実施の形
態による半導体装置に搭載される高電圧発生回路の構成
を示している。具体的に半導体装置は、EEPROM、
フラッシュメモリ等である。この高電圧発生回路の本質
は、通常用いられる昇圧回路1と、マイクロトランスフ
ォーマ2とを組み合わせたことにある。昇圧回路1は、
整流回路としてのダイオード接続されたNMOSトラン
ジスタQN0と、これに一端が接続されたキャパシタC
とからなる昇圧ユニットを、電源Vccと出力端子Vo
utの間に複数段直列接続して構成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of a high voltage generating circuit mounted on a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Specifically, the semiconductor device is an EEPROM,
It is a flash memory or the like. The essence of this high-voltage generating circuit is that a commonly used booster circuit 1 and a microtransformer 2 are combined. The booster circuit 1
A diode-connected NMOS transistor QN0 as a rectifier circuit and a capacitor C having one end connected thereto.
And a power supply Vcc and an output terminal Vo.
It is configured by connecting a plurality of stages in series between ut.

【0028】マイクロトランスフォーマ2の一次コイル
には、パルス発生器3の出力パルスが供給される。二次
コイルの端子N1,N2に得られるパルス電圧が、昇圧
回路1の奇数段及び偶数段のキャパシタCに供給される
ようにしている。端子N1,N2には、アノードが接地
されたダイオードD1,D2がそれぞれ接続されてい
る。従って、端子N1,N2にはパルス駆動により交互
に正パルスが得られ、これにより昇圧回路1の電荷転送
による昇圧動作が行われる。
The output pulse of the pulse generator 3 is supplied to the primary coil of the micro transformer 2. The pulse voltages obtained at the terminals N1 and N2 of the secondary coil are supplied to the odd- and even-stage capacitors C of the booster circuit 1. Diodes D1 and D2 whose anodes are grounded are connected to the terminals N1 and N2, respectively. Therefore, positive pulses are alternately obtained at the terminals N1 and N2 by pulse driving, whereby a boosting operation by charge transfer of the boosting circuit 1 is performed.

【0029】マイクロトランスフォーマ2は、後述する
実施の形態の形状を採用するのが望ましいが、それ以外
のものを使ってもよい。またこのマイクロトランスフォ
ーマ2の巻数比1:nのnの値は大きい方が望ましい
が、n=1であってもインダクタンスならびに電流の時
間変化量が大きければ誘導起電力として高い値が得られ
る。したがってnの値は1以上であればよい。マイクロ
トランスフォーマ2は巻数比が大きくなるにつれ結合定
数は小さくなる傾向にあるため、20V近い高電圧をマ
イクロトランスフォーマのみで作るのは効率的でない。
そこでこの実施の形態では、マイクロトランスフォーマ
2として、好ましくは結合定数が比較的高い巻数比1:
5程度のものを用いる。これにより電源電圧Vccの数
倍程度のパルスを端子N1,N2に生成し、このパルス
を用いて昇圧回路1を駆動する。このようにすること
で、昇圧回路1の段数を減らすことができ、結果的に昇
圧回路面積を縮小できる。
It is desirable that the microtransformer 2 adopts the shape of the embodiment described later, but other shapes may be used. Further, it is desirable that the value of n of the turns ratio 1: n of the microtransformer 2 is large. However, even if n = 1, a high value can be obtained as the induced electromotive force if the time variation of the inductance and the current is large. Therefore, the value of n may be 1 or more. Since the coupling constant of the microtransformer 2 tends to decrease as the turns ratio increases, it is not efficient to produce a high voltage close to 20 V using only the microtransformer.
Therefore, in this embodiment, the micro transformer 2 preferably has a turn ratio of 1: 1, which has a relatively high coupling constant.
Use about five. As a result, pulses approximately several times the power supply voltage Vcc are generated at the terminals N1 and N2, and the booster circuit 1 is driven using these pulses. By doing so, the number of stages of the booster circuit 1 can be reduced, and as a result, the area of the booster circuit can be reduced.

【0030】図1のマイクロトランスフォーマ2におい
て、一次コイルのパルス振幅をV1、巻数比を1:n、
結合定数をkm、ダイオードD1,D2のアノード・カ
ソード間電圧をVfすると、二次コイルに得られるパル
ス電圧振幅は、V2=nkm(V1−Vf)となる。な
お、図1の昇圧回路1内の整流回路としては、ダイオー
ド接続のトランジスタを用いているが、整流作用を有す
る回路であれば、これ以外の回路構成を採用してもよ
い。
In the microtransformer 2 of FIG. 1, the pulse amplitude of the primary coil is V1, the turns ratio is 1: n,
Assuming that the coupling constant is km and the voltage between the anode and cathode of the diodes D1 and D2 is Vf, the pulse voltage amplitude obtained in the secondary coil is V2 = nkm (V1−Vf). Although a diode-connected transistor is used as the rectifier circuit in the booster circuit 1 of FIG. 1, any other circuit configuration may be used as long as the circuit has a rectifying function.

【0031】昇圧回路1で生成された電圧は、出力端子
Voutに接続された電圧ミリッタ4で検知される。出
力電圧が所望の電圧を超えていると判定されたら、電圧
ミリッタ4は、フラグ信号を第1状態とする。これによ
りパルス発生器3が非活性になり、昇圧動作が止まる。
一方、出力電圧が所望の電圧よりも低いと判定された
ら、電圧ミリッタ4はフラグ信号を第2状態とし、これ
を受けてパルス発生器3はパルス生成を開始する。昇圧
回路1の出力端子Voutに接続されたキャパシタCs
は、リップル削減のためのものである。このような電圧
リミッタ4の制御により、昇圧回路1の出力電圧を所望
の電圧に保つことができる。
The voltage generated by the booster circuit 1 is detected by a voltage militer 4 connected to the output terminal Vout. When it is determined that the output voltage exceeds the desired voltage, the voltage militer 4 sets the flag signal to the first state. As a result, the pulse generator 3 becomes inactive, and the boosting operation stops.
On the other hand, when it is determined that the output voltage is lower than the desired voltage, the voltage militer 4 sets the flag signal to the second state, and in response to this, the pulse generator 3 starts pulse generation. Capacitor Cs connected to output terminal Vout of booster circuit 1
Is for ripple reduction. By controlling the voltage limiter 4 as described above, the output voltage of the booster circuit 1 can be maintained at a desired voltage.

【0032】なお、以上では正の高電圧を生成する場合
を説明したが、この方式は負の電圧を生成する負電圧生
成回路にも応用できる。この場合はマイクロトランスフ
ォーマ2により増幅されたパルスを、負電圧生成回路
(Negative Charge Pump)に入力すればよい。
Although the case where a positive high voltage is generated has been described above, this method can also be applied to a negative voltage generating circuit that generates a negative voltage. In this case, the pulse amplified by the microtransformer 2 may be input to a negative voltage generation circuit (Negative Charge Pump).

【0033】図2は、他の実施の形態による高電圧発生
回路の構成を示す。図1の実施の形態と基本構成は同様
であり、対応する部分には同一符号を付して詳細な説明
は省く。この実施の形態においては、マイクロトランス
フォーマ2の二次側出力端子N1,N2と、昇圧回路1
の奇数段及び偶数段のキャパシタCに接続される端子N
3,N4との間にそれぞれ、端子N1,N2から端子N
3,N4側にのみ電流を流す整流回路として、ダイオー
ド接続のNMOSトランジスタQN1,QN2を挿入し
ている。
FIG. 2 shows a configuration of a high voltage generating circuit according to another embodiment. The basic configuration is the same as that of the embodiment of FIG. 1, and the corresponding parts are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, the secondary output terminals N1 and N2 of the microtransformer 2 and the booster circuit 1
N connected to the odd-numbered and even-numbered stage capacitors C
3 and N4 respectively from terminals N1 and N2 to terminal N
3, diode-connected NMOS transistors QN1 and QN2 are inserted as a rectifier circuit for flowing current only to the N4 side.

【0034】このような整流回路を設けると、二次コイ
ルで発生し得るLC発振を防ぐことができる。LC発振
が起こると、昇圧回路1の偶数段に入るパルスと奇数段
に入るパルスとが重なってしまい、正常な昇圧動作が行
なえなくなるので、整流回路を設けることは有効であ
る。
By providing such a rectifier circuit, it is possible to prevent LC oscillation that may occur in the secondary coil. When LC oscillation occurs, a pulse that enters an even-numbered stage of the booster circuit 1 and a pulse that enters an odd-numbered stage overlap, and a normal boosting operation cannot be performed. Therefore, providing a rectifier circuit is effective.

【0035】端子N3,N4には更に、電荷を放電させ
るためのNMOSトランジスタQN3,QN4を接続し
ている。これらのNMOSトランジスタQN3,QN4
による放電動作は、信号S1,S2により相補的に制御
されるものとする。即ち、端子N3にパルスが供給され
ている間は、端子N4は接地され、端子N4にパルスが
供給されている間は端子N3が接地されるようにする。
The terminals N3 and N4 are further connected to NMOS transistors QN3 and QN4 for discharging electric charges. These NMOS transistors QN3, QN4
Is controlled complementarily by the signals S1 and S2. That is, the terminal N4 is grounded while the pulse is supplied to the terminal N3, and the terminal N3 is grounded while the pulse is supplied to the terminal N4.

【0036】図3は、この様な制御を行ったときの、各
端子電圧波形を示している。制御信号S1,S2によっ
て、端子N3,N4のパルス信号を強制的にリセットす
ることで、昇圧回路1のキャパシタ駆動の重なりを防止
することができる。
FIG. 3 shows the terminal voltage waveforms when such control is performed. By forcibly resetting the pulse signals at the terminals N3 and N4 by the control signals S1 and S2, it is possible to prevent the capacitor driving of the booster circuit 1 from overlapping.

【0037】図4は、更に別の実施の形態による高電圧
発生回路である。この実施の形態では、昇圧回路を組み
合わせることなく、マイクロトランスフォーマ2とその
二次側出力に設けられた整流回路5のみで高電圧を生成
する。整流回路5は、全波ブリッジ整流回路であるが、
端子N1,N2と接地端子の間のブリッジ片には、pn
接合ダイオードD1,D2を用い、端子N1,N2と出
力端子Voutの間のブリッジ片には、ダイオード接続
されたNMOSトランジスタQN1,QN2を用いてい
る。
FIG. 4 shows a high voltage generating circuit according to still another embodiment. In this embodiment, a high voltage is generated only by the microtransformer 2 and the rectifier circuit 5 provided on the secondary side output thereof without combining a booster circuit. The rectifier circuit 5 is a full-wave bridge rectifier circuit,
The bridge piece between the terminals N1 and N2 and the ground terminal has pn
Using junction diodes D1 and D2, diode-connected NMOS transistors QN1 and QN2 are used for a bridge piece between the terminals N1 and N2 and the output terminal Vout.

【0038】巻数比が大きく且つ、結合定数の大きいマ
イクロトランスフォーマが得られる場合や、10V程度
の中間的な高電圧を生成する場合は、この実施の形態の
回路構成が有効となる。図4の整流回路5においてブリ
ッジ片にpn接合ダイオードとNMOSトランジスタを
使い分けているのは、理由がある。その理由を以下に説
明する。
The circuit configuration of this embodiment is effective when a microtransformer having a large turns ratio and a large coupling constant is obtained or when an intermediate high voltage of about 10 V is generated. There is a reason that a pn junction diode and an NMOS transistor are selectively used for the bridge piece in the rectifier circuit 5 of FIG. The reason will be described below.

【0039】pn接合ダイオードD1,D2は例えば、
図5に示すように、p型シリコン基板11に形成された
n型ウェル12をカソード層とし、このn型ウェル12
に形成されたp型層13をアノード層として構成され
る。カソード端子Kが端子N1,N2に、アノード端子
Aが接地端子に接続される。接地電位とマイクロトラン
スフォーマ2の端子N1,N2との間の整流の場合は、
この様なpn接合ダイオードD1,D2を用いても、p
型層13がp型基板11と共に接地されるため、バイポ
ーラ動作は起こりにくい。
The pn junction diodes D1 and D2 are, for example,
As shown in FIG. 5, an n-type well 12 formed on a p-type silicon substrate 11 is used as a cathode layer.
Is formed as an anode layer. The cathode terminal K is connected to terminals N1 and N2, and the anode terminal A is connected to a ground terminal. In the case of rectification between the ground potential and the terminals N1 and N2 of the microtransformer 2,
Even if such pn junction diodes D1 and D2 are used, p
Since the mold layer 13 is grounded together with the p-type substrate 11, the bipolar operation hardly occurs.

【0040】しかし、同様のpn接合ダイオードを端子
N1,N2と出力端子Voutの間に用いたとすると、
アノード端子Aが端子N1,N2に、カソード端子Kが
出力端子Voutに接続される。このとき、マイクロト
ランスフォーマ2から電流が供給され、端子N1の電圧
が約0Vから10V近くにまで急激に上昇すると、アノ
ード端子Aからn型ウェル12内に流れ込んだ順方向電
流は、端子N1とn型ウェル12の間の大きな電位差の
ためにその全てがn型ウェル12のコンタクト(即ちカ
ソード端子K)には吸収されず、一部はp型基板11に
流れ込む。このため出力電流(出力端子Voutに転送
されるべき電荷)が減少し、高電圧発生の効率が悪化す
る。また、p型基板11に流れ込むことでバイポーラ動
作することになり、近くにn型ウェルがあるとラッチア
ップ等の原因ともなる。
However, if a similar pn junction diode is used between the terminals N1 and N2 and the output terminal Vout,
The anode terminal A is connected to the terminals N1 and N2, and the cathode terminal K is connected to the output terminal Vout. At this time, when a current is supplied from the microtransformer 2 and the voltage of the terminal N1 rapidly rises from about 0 V to about 10 V, the forward current flowing from the anode terminal A into the n-type well 12 becomes equal to the terminals N1 and n. Because of the large potential difference between the mold wells 12, all of them are not absorbed by the contacts of the n-type well 12 (that is, the cathode terminal K), and a part of them flows into the p-type substrate 11. For this reason, the output current (charge to be transferred to the output terminal Vout) decreases, and the efficiency of high voltage generation deteriorates. In addition, a bipolar operation is performed by flowing into the p-type substrate 11, and if an n-type well is nearby, latch-up or the like may be caused.

【0041】この様な事情を考慮して、端子N1,N2
と出力端子Voutの間には、NMOSトランジスタQ
N1,QN2による整流回路を用いる。これにより、p
n接合ダイオードを用いた場合の不都合を解消すること
ができる。なお、NMOSトランジスタQN1,QN2
は、しきい値電圧が小さいものを用いて、順方向電圧降
下を極力小さくすること、また逆方向バイアス時には良
好なカットオフ特性を示すことが好ましい。
In consideration of such circumstances, the terminals N1 and N2
Between the NMOS transistor Q and the output terminal Vout.
A rectifier circuit using N1 and QN2 is used. This gives p
The inconvenience of using an n-junction diode can be eliminated. Note that the NMOS transistors QN1 and QN2
It is preferable to use a transistor having a small threshold voltage so as to minimize the forward voltage drop, and to exhibit good cutoff characteristics at the time of reverse bias.

【0042】図6は、図4の実施の形態を変形した実施
の形態である。ここでは、マイクロトランスフォーマ2
の巻比数を1:2nとして、二次コイルの中間ノードを
ダイオードD1,D2のアノード端子と共に接地してい
る点が図4と異なる。図4の実施の形態の場合、二次コ
イル端子N1又はN2と接地端子との間に得られる電圧
には、ダイオードD1,D2の順方向電圧Vfが入るか
ら、その電圧振幅は、V2=nkm(V1−Vf)とな
る。これに対して、図6のように構成すると、出力電圧
にVf成分が入ることはなく、損失をなくすことができ
る。従って、図6のような二次コイルの構成は、図1や
図2の実施の形態に適用することも有効である。
FIG. 6 shows an embodiment in which the embodiment of FIG. 4 is modified. Here, Micro Transformer 2
Is different from that of FIG. 4 in that the turn ratio is 1: 2n and the intermediate node of the secondary coil is grounded together with the anode terminals of the diodes D1 and D2. In the case of the embodiment shown in FIG. 4, the voltage obtained between the secondary coil terminal N1 or N2 and the ground terminal includes the forward voltage Vf of the diodes D1 and D2, and the voltage amplitude is V2 = nkm. (V1-Vf). On the other hand, with the configuration shown in FIG. 6, the Vf component does not enter the output voltage, and the loss can be eliminated. Therefore, it is effective to apply the configuration of the secondary coil as shown in FIG. 6 to the embodiment shown in FIGS.

【0043】ここまでの実施の形態で説明した高電圧生
成回路に使用するマイクロトランスフォーマ2は、大き
い巻数比で高い結合定数を実現するものでなければなら
ない。また渦電流の生成も極力抑制する必要がある。以
下こうした要請を満たしうるマイクロトランスフォーマ
の好ましい構成例を説明する。但し、以下に説明するマ
イクロトランスフォーマは、上述の各高電圧発生回路以
外の用途にも適用可能である。
The microtransformer 2 used in the high-voltage generating circuits described in the embodiments described above must realize a high coupling constant with a large turns ratio. Also, it is necessary to suppress generation of eddy current as much as possible. Hereinafter, a preferred configuration example of a microtransformer that can satisfy such a request will be described. However, the microtransformer described below can be applied to uses other than the above-described high voltage generation circuits.

【0044】図7は、マイクロトランスフォーマの構成
を斜視図で示している。半導体基板21上に、絶縁膜2
5aを介して二次コイル23が形成され、更にこの上に
絶縁膜25bを介して一次コイル24が同軸的に重ねら
れている。一次コイル24、二次コイル23は、互いに
逆巻に、渦巻き状にメタル配線層をパターニングした平
面型コイルである。一次コイル24の巻数をkとして、
二次コイル23は巻数をk×nとする。
FIG. 7 is a perspective view showing the structure of the microtransformer. An insulating film 2 is formed on a semiconductor substrate 21.
A secondary coil 23 is formed via 5a, and a primary coil 24 is further coaxially stacked thereon via an insulating film 25b. The primary coil 24 and the secondary coil 23 are flat coils in which a metal wiring layer is patterned in a spiral shape in a reverse direction to each other. Assuming that the number of turns of the primary coil 24 is k,
The secondary coil 23 has k × n turns.

【0045】この構成は、図14のタイプを応用して、
巻数比1:nのトランスフォーマを作ったものである。
図12のタイプの場合は巻数比を大きくするほど磁束の
洩れが大きくなるが、このタイプでは、磁束の洩れの巻
数比依存が少ない。
This configuration applies the type of FIG.
A transformer having a turn ratio of 1: n was produced.
In the case of the type shown in FIG. 12, the leakage of the magnetic flux increases as the turns ratio increases. In this type, however, the dependence of the leakage of the magnetic flux on the turns ratio is small.

【0046】半導体基板21には、渦電流を低減するた
め、コイル24,23の中心を通って基板に下ろした垂
線と交差する直線状の素子分離領域22を形成してい
る。具体的に図7では、互いに直交する2本の素子分離
領域22を形成しているが、1本のみでもよいし、放射
状に延びる複数本の素子分離領域を形成してもよい。素
子分離領域22としては、たとえばSTI(Shall
ow Trench Isolation)による埋め
込み絶縁膜或いは、LOCOSによる酸化膜を用いるこ
とができる。
In order to reduce eddy currents, the semiconductor substrate 21 is formed with a linear element isolation region 22 which passes through the centers of the coils 24 and 23 and intersects with a perpendicular drawn down to the substrate. Specifically, in FIG. 7, two element isolation regions 22 orthogonal to each other are formed. However, only one element isolation region 22 may be formed, or a plurality of radially extending element isolation regions 22 may be formed. As the element isolation region 22, for example, STI (Shall)
A buried insulating film by OW Trench Isolation or an oxide film by LOCOS can be used.

【0047】半導体基板21上に生成される渦電流は基
板の表面部を同心円状に流れるため、この様な素子分離
領域22があると渦電流がブロックされ、結果として渦
電流自体が流れにくくなる。このような素子分離領域に
よる渦電流の削減は、図12や図13の様な平面型マイ
クロトランスフォーマすべてに対して有効である。
Since the eddy current generated on the semiconductor substrate 21 flows concentrically on the surface of the substrate, the eddy current is blocked by such an element isolation region 22, and as a result, the eddy current itself becomes difficult to flow. . Such reduction of the eddy current by the element isolation region is effective for all the planar microtransformers as shown in FIGS.

【0048】図8は別の実施の形態によるマイクロトラ
ンスフォーマであり、一つの二次コイル23を二つの一
次コイル24a,24bで挟んだ構造として、絶縁膜2
5a,25b,25cを介して積層している。二つの一
次コイル24a,24bは、コンタクトC1−C2の
間、C3−C4の間で短絡して並列接続する。このコイ
ル構造を用いると、二次コイル23を磁束が一様に通過
するため、結合定数をより大きくすることができる。メ
タル配線層が4層以上ある場合はこの構造を採用するこ
とができる。
FIG. 8 shows a microtransformer according to another embodiment, which has a structure in which one secondary coil 23 is sandwiched between two primary coils 24a and 24b, and an insulating film 2 is formed.
The layers 5a, 25b, and 25c are stacked. The two primary coils 24a and 24b are connected in parallel by short-circuiting between the contacts C1 and C2 and between C3 and C4. When this coil structure is used, since the magnetic flux uniformly passes through the secondary coil 23, the coupling constant can be further increased. This structure can be adopted when there are four or more metal wiring layers.

【0049】図9は、図7に示したマイクロトランスフ
ォーマを複数個並列に並べたものである。各一次コイル
24は、コンタクトC1−C2−C3の間、C4−C5
−C6の間を短絡して、二次コイル23は同様に、コン
タクトC7−C8−C9の間、C10−C11−C12
の間を短絡して、全体として一つのトランスフォーマと
する。
FIG. 9 shows a plurality of the microtransformers shown in FIG. 7 arranged in parallel. Each primary coil 24 has between contacts C1-C2-C3, C4-C5
-C6, the secondary coil 23 is likewise connected between contacts C7-C8-C9, C10-C11-C12
Are short-circuited to form a single transformer as a whole.

【0050】マイクロトランスフォーマ内の配線抵抗及
び寄生容量は遅延をもたらすため、一つのマイクロトラ
ンスフォーマで大きな巻数を得ようとすると、高周波応
答が難しくなる。巻数を保ったまま配線を太くすると配
線抵抗は下げられるが、寄生容量とレイアウト面積が増
加してしまう。図9に示したように、マイクロトランス
フォーマをユニット化して複数個並列に並べてこれらを
並列接続すると、高周波応答の点でもレイアウト面積の
点でも有利になる。
Since the wiring resistance and the parasitic capacitance in the microtransformer cause a delay, it is difficult to obtain a high number of turns with a single microtransformer, so that high-frequency response becomes difficult. If the wiring is made thicker while maintaining the number of turns, the wiring resistance is reduced, but the parasitic capacitance and the layout area are increased. As shown in FIG. 9, when a plurality of microtransformers are unitized and arranged in parallel and connected in parallel, it is advantageous in terms of high-frequency response and layout area.

【0051】図9では省略したが、各マイクロトランス
フォーマの下部の半導体基板には、図7に示したと同様
に素子分離領域を設け、渦電流を低減させる。また、図
8に示した3層構造のマイクロトランスフォーマを複数
個並列に並べた構造を採用してもよい。
Although omitted in FIG. 9, an element isolation region is provided in the semiconductor substrate below each microtransformer in the same manner as shown in FIG. 7 to reduce eddy current. Further, a structure in which a plurality of three-layered microtransformers shown in FIG. 8 are arranged in parallel may be employed.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上述べたようにこの発明による高電圧
生成回路は、低い電源電圧でも小さなレイアウト面積で
高電圧が生成でき、しかも既存の半導体製造プロセスを
変更することなく実現できる。平面型マイクロトランス
フォーマの下部半導体基板には、素子分離領域を設ける
ことにより、渦電流を低減することができる。また一次
コイルと二次コイルを縦に重ねて巻数比を1:n(n≧
1)に設定すれば、巻数比が大きくかつ結合定数の大き
なトランスフォーマが得られる。
As described above, the high voltage generating circuit according to the present invention can generate a high voltage with a small layout area even with a low power supply voltage, and can be realized without changing the existing semiconductor manufacturing process. An eddy current can be reduced by providing an element isolation region in the lower semiconductor substrate of the planar microtransformer. In addition, the primary coil and the secondary coil are vertically overlapped and the turns ratio is 1: n (n ≧
If set to 1), a transformer having a large turns ratio and a large coupling constant can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の実施の形態による高電圧発生回路を
示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a high voltage generating circuit according to an embodiment of the present invention.

【図2】他の実施の形態による高電圧発生回路を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing a high voltage generation circuit according to another embodiment.

【図3】同実施の形態によるトランス出力波形を示す図
である。
FIG. 3 is a diagram showing a transformer output waveform according to the embodiment.

【図4】他の実施の形態による高電圧発生回路を示す図
である。
FIG. 4 is a diagram showing a high voltage generation circuit according to another embodiment.

【図5】同実施の形態に用いられるダイオードの構造を
示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a structure of a diode used in the embodiment.

【図6】他の実施の形態による高電圧発生回路を示す図
である。
FIG. 6 is a diagram showing a high voltage generation circuit according to another embodiment.

【図7】この発明の実施の形態におけるトランスフォー
マの構成を示す斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a transformer according to the embodiment of the present invention.

【図8】トランスフォーマの他の構造を示す斜視図であ
る。
FIG. 8 is a perspective view showing another structure of the transformer.

【図9】トランスフォーマの他の構成を示す斜視図であ
る。
FIG. 9 is a perspective view showing another configuration of the transformer.

【図10】従来の昇圧回路の構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a conventional booster circuit.

【図11】従来のトランスフォーマの構成を示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a conventional transformer.

【図12】従来の平面型トランスフォーマの構成を示す
図である。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a conventional planar transformer.

【図13】従来の平面型トランスフォーマの他の構成を
示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing another configuration of a conventional planar transformer.

【図14】従来の平面型トランスフォーマの他の構成を
示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing another configuration of a conventional planar transformer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…昇圧回路、2…トランスフォーマ、3…パルス発生
器、4…電圧リミッタ、5…整流回路、21…半導体基
板、22…素子分離領域、23…二次コイル、24,2
4a,24b…一次コイル、25a,25b…絶縁膜、
D1,D2…pn接合ダイオード、QN1,QN2,Q
N3,QN4…NMOSトランジスタ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Booster circuit, 2 ... Transformer, 3 ... Pulse generator, 4 ... Voltage limiter, 5 ... Rectifier circuit, 21 ... Semiconductor substrate, 22 ... Element isolation region, 23 ... Secondary coil, 24, 2
4a, 24b: primary coil, 25a, 25b: insulating film,
D1, D2 ... pn junction diodes, QN1, QN2, Q
N3, QN4 ... NMOS transistors.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02M 7/21 H01L 27/04 L Fターム(参考) 5B025 AD10 AE00 5E070 AA11 CB13 5F038 AZ04 BG03 BG04 BG05 BG08 CA07 DF01 DF05 DT12 EZ20 5H006 AA00 BB00 CA02 CA07 CB07 CC08 DA04 DC05 HA08 5H730 AA14 AS01 AS04 BB02 BB22 CC25 CC28 DD04 EE07 EE19 FD03 FF01 FF05 FG01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H02M 7/21 H01L 27/04 LF term (Reference) 5B025 AD10 AE00 5E070 AA11 CB13 5F038 AZ04 BG03 BG04 BG05 BG08 CA07 DF01 DF05 DT12 EZ20 5H006 AA00 BB00 CA02 CA07 CB07 CC08 DA04 DC05 HA08 5H730 AA14 AS01 AS04 BB02 BB22 CC25 CC28 DD04 EE07 EE19 FD03 FF01 FF05 FG01

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高電圧発生回路を内蔵する半導体装置に
おいて、 前記高電圧発生回路は、 キャパシタとこれにより駆動されて一方向に電荷を転送
する整流回路とからなる昇圧ユニットが基準端子と出力
端子の間に複数段直列接続された昇圧回路と、 一次コイルと二次コイルを備え、その二次側出力が前記
昇圧回路のキャパシタに供給されるトランスフォーマ
と、 このトランスフォーマの一次側にパルスを供給するパル
ス発生器と、を有することを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device having a built-in high voltage generation circuit, wherein the high voltage generation circuit includes a booster unit including a capacitor and a rectifier circuit driven by the capacitor to transfer charges in one direction. A booster circuit connected in series between a plurality of stages, a primary coil and a secondary coil, a transformer whose secondary side output is supplied to a capacitor of the booster circuit, and a pulse is supplied to the primary side of the transformer. And a pulse generator.
【請求項2】 前記トランスフォーマの二次コイルの第
1及び第2の端子にそれぞれ、アノードが接地されたダ
イオードが接続されていることを特徴とする請求項1記
載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a diode whose anode is grounded is connected to each of the first and second terminals of the secondary coil of the transformer.
【請求項3】 前記トランスフォーマの二次コイルの第
1の端子の出力が前記昇圧回路の偶数段の昇圧ユニット
のキャパシタに供給され、第2の端子の出力が前記昇圧
回路の奇数段の昇圧ユニットのキャパシタに供給される
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
3. An output of a first terminal of a secondary coil of the transformer is supplied to a capacitor of an even-numbered booster unit of the booster circuit, and an output of a second terminal is supplied to an odd-numbered booster unit of the booster circuit. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said semiconductor device is supplied to said capacitor.
【請求項4】 前記トランスフォーマの二次コイルの第
1及び第2の端子とその出力が供給されるキャパシタと
の間にそれぞれ、二次コイルからキャパシタの方向にの
み電流を流すように整流素子が挿入され、更に各整流素
子の下流側に、制御信号により電荷を放電するトランジ
スタが設けられていることを特徴とする請求項1記載の
半導体装置。
4. A rectifying element is provided between the first and second terminals of the secondary coil of the transformer and the capacitor to which the output is supplied, so that current flows only from the secondary coil toward the capacitor. 2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a transistor that is inserted and that discharges electric charges according to a control signal downstream of each rectifier.
【請求項5】 前記整流素子は、ダイオード接続された
トランジスタであることを特徴とする請求項4記載の半
導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein said rectifying element is a diode-connected transistor.
【請求項6】 高電圧発生回路を内蔵する半導体装置に
おいて、 前記高電圧発生回路は、 一次コイルと二次コイルを備えて構成されたトランスフ
ォーマと、 このトランスフォーマの一次側にパルスを供給するパル
ス発生器と、 前記トランスフォーマの二次コイルの第1及び第2の端
子にそれぞれカソードが接続され、アノードが接地され
たダイオードと、 前記トランスフォーマの二次コイルの第1及び第2の端
子と出力端子との間にそれぞれ、二次コイルから出力端
子の方向にのみ電流を流すように介在させた、ダイオー
ド接続されたトランジスタと、を有することを特徴とす
る半導体装置。
6. A semiconductor device having a built-in high voltage generation circuit, wherein the high voltage generation circuit includes a transformer having a primary coil and a secondary coil, and a pulse generator for supplying a pulse to a primary side of the transformer. A diode having a cathode connected to the first and second terminals of the secondary coil of the transformer and a grounded anode, and a first and second terminal and an output terminal of the secondary coil of the transformer. And a diode-connected transistor interposed therebetween so that current flows only in the direction from the secondary coil to the output terminal.
【請求項7】 前記出力端子に、出力電圧のレベルを検
知して前記パルス発生器の活性及び非活性を制御する電
圧リミッタが設けられていることを特徴とする請求項1
又は6記載の半導体装置。
7. A voltage limiter provided at the output terminal for detecting the level of an output voltage and controlling activation and deactivation of the pulse generator.
Or the semiconductor device according to 6.
【請求項8】 前記トランスフォーマの一次コイル及び
二次コイルは、半導体基板上に絶縁膜を介して積層され
た、渦巻き状にパターニングされた配線層により形成さ
れた平面型コイルであり、 前記半導体基板に、前記平面型コイルの中心を通って前
記半導体基板に下ろされた垂線と交差する直線状の素子
分離領域が形成されていることを特徴とする請求項1又
は6記載の半導体装置。
8. A primary coil and a secondary coil of the transformer are planar coils formed by a spirally patterned wiring layer laminated on a semiconductor substrate via an insulating film; 7. The semiconductor device according to claim 1, wherein a linear element isolation region that intersects with a vertical line passing through the center of said planar coil and lowered to said semiconductor substrate is formed.
【請求項9】 半導体基板と、 この半導体基板上に、渦巻き状にパターニングされた配
線層により形成された平面型コイルと、 前記半導体基板に、前記平面型コイルの中心を通って前
記半導体基板に下ろされた垂線と交差する直線状に形成
された素子分離領域とを有することを特徴とする半導体
装置。
9. A semiconductor substrate; a planar coil formed on the semiconductor substrate by a spirally patterned wiring layer; and a semiconductor substrate passing through the center of the planar coil to the semiconductor substrate. A semiconductor device comprising: an element isolation region formed in a straight line that intersects a lowered perpendicular.
【請求項10】 半導体基板と、 この半導体基板を覆う第1の絶縁膜上に渦巻き状にパタ
ーニングされた第1の配線層により形成された第1のコ
イルと、 この第1のコイルを覆う第2の絶縁膜上に、第1のコイ
ルと同軸的に渦巻き状にパターニングされた第2の配線
層により形成された第2のコイルと、 前記半導体基板に、前記第1及び第2のコイルの中心を
通って前記半導体基板に下ろされた垂線と交差する直線
状に形成された素子分離領域とを有し、 前記第2のコイルを一次コイル、前記第1のコイルを二
次コイルとしてトランスフォーマが構成されていること
を特徴とする半導体装置。
10. A first coil formed by a semiconductor substrate, a first wiring layer spirally patterned on a first insulating film covering the semiconductor substrate, and a first coil covering the first coil. A second coil formed on the second insulating film by a second wiring layer patterned spirally coaxially with the first coil; and a second coil formed on the semiconductor substrate. A transformer having a linear isolation element intersecting with a vertical line dropped on the semiconductor substrate through the center, wherein the second coil is a primary coil, and the first coil is a secondary coil. A semiconductor device characterized by being constituted.
【請求項11】 前記第2のコイルを覆う第3の絶縁膜
上に、第1及び第2のコイルと同軸的に渦巻き状にパタ
ーニングされた第3の配線層により形成されて、前記第
1のコイルと並列接続されて一次コイルとして用いられ
る第3のコイルを有することを特徴とする請求項10記
載の半導体装置。
11. A first wiring layer which is formed on a third insulating film covering the second coil by a third wiring layer which is coaxially patterned with the first and second coils and is spirally patterned. 11. The semiconductor device according to claim 10, further comprising a third coil connected in parallel with said coil and used as a primary coil.
【請求項12】 前記素子分離領域は放射状に形成され
ていることを特徴とする請求項8,9,10のいずれか
に記載の半導体装置。
12. The semiconductor device according to claim 8, wherein said element isolation region is formed radially.
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