CN100361393C - 可变电容元件及内置可变电容元件的集成电路 - Google Patents
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Abstract
一种可变电容元件，包括：埋入电极层(102)，在半导体衬底的上表面区域部分由导电型与半导体衬底不同的半导体层形成；布线层(114)，与在埋入电极层上方形成的埋入电极层的引出部连接；一对电容绝缘膜(105、110)，分别在埋入电极层的除引出部以外的区域部分之上形成，区域部分在一个平面上有相对且邻近的侧面；绝缘体层(108)，在一对电容绝缘膜的与上述邻近的侧面垂直的各外侧面相连接的区域形成；一对导电体层(104、109)，分别在各电容绝缘膜和各绝缘体层上形成；及布线层(107、112)，分别与绝缘体层上的一对导电体层的引出部连接。通过分别改变埋入电极层和一对导电体层之间的电压，可改变埋入电极层和一对导电体层之间的电容值。
Description
技术领域
本发明涉及可变电容元件，特别涉及用于高频电路的集成电路中所内置的可变电容元件。
背景技术
近年来，随着携带电话等移动通信市场的发展，以电路的小型化、低成本化为目的，电感器、电容器等以往是分立部件的元件的IC集成化十分重要。这样的元件之一是可变电容元件。可变电容元件用于改变振荡电路的振荡频率用途等。
在这样的现有技术中，有包含具备电容器切换单元的VCO电路的频率合成器(例如参照日本特开2001-339301号公报)、频带转换的集成电压控制振荡器(例如参照日本特开2001-196853号公报)、附带使用可变电容元件的频率校正功能的电压控制振荡器(例如参照日本特开2001-352218号公报)。
图6A表示在现有IC上构成的可变电容元件的平面结构。图6B表示图6A的B-B剖面。在图6A、图6B中，301是p型硅衬底，302是n型埋入电极层，303是n型表面电极层，304、309是第1、第2栅电极层，305、310是第1、第2栅极氧化膜。306、311是第1、第2栅电极侧的通孔(via)，307、312是第1、第2栅电极侧的布线层，308是绝缘体层，313是n型埋入电极侧的通孔，314是n型埋入电极侧的布线层。
n型埋入电极层302形成在不同导电型的p型硅衬底301的上层。第1、第2栅极氧化膜305、310分别为长方形，将各自一个长边相对置并且邻近地形成。第1、第2栅极氧化膜305、310的短边靠近绝缘体层308形成。在第1、第2栅极氧化膜305、310的上层、以及绝缘体层308的上层，分别形成第1、第2栅电极层304、309。第1、第2栅电极层304、309的引出部通过通孔306、311与除第1、第2栅极氧化膜305、310以外的区域的绝缘体层308上方的布线层307、312连接。n型表面电极层303形成在除第1、第2栅极氧化膜305、310以外的n型埋入电极层302的上面。n型埋入电极层302的引出部靠近第1、第2栅极氧化膜305、310的另一长边配置，通过通孔313与n型埋入电极侧的布线层314连接。
通过分别改变第1、第2栅电极层304、309和n型埋入电极层302间的电位差，来分别改变第1、第2栅电极层304、309和n型埋入电极层302间的MOS接合的耗尽层厚度。由此，分别改变第1、第2栅电极层304、309和n型埋入电极层302间的电容值，作为可变电容元件工作。此外，n型埋入电极层302和硅衬底301之间通过pn接合的耗尽层来分离。
同样的可变电容元件使用第1、第2栅电极层304、309和p型埋入电极层之间的MOS接合来构成。
在上述结构中，第1栅电极层304和第2栅电极层309各自的一个长边相对且邻近而形成，所以可以减小因各自的可变电容元件间的n型埋入电极层302造成的寄生电阻。但是，由于第1、第2栅电极层304、309为长方形，从第1、第2栅电极侧的通孔306、311至各自的可变电容元件的距离变长，所以因第1、第2栅电极层304、309产生的寄生电阻增大。因此，各个可变电容元件间的寄生电阻增大，存在高频信号的功率损失大的课题。特别是在用于振荡电路的谐振电路时，因各个可变电容元件间的寄生电阻而使振荡输出的噪声特性恶化。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种可变电容元件，可减小第1、第2栅电极层的寄生电阻，降低高频信号的功率损失。
本发明的可变电容元件包括：埋入电极层，在半导体衬底的上表面区域部分由导电型与所述半导体衬底不同的半导体层形成；第1布线层，与在所述埋入电极层的上方形成的所述埋入电极层的引出部连接；一对电容绝缘膜，分别在所述埋入电极层的除所述引出部以外的区域部分之上形成，所述区域部分在一个平面上具有相对且邻近的侧面；绝缘体层，在所述一对电容绝缘膜的与上述邻近的侧面相垂直的各个外侧面相连接的区域形成；一对导电体层，分别在各自的电容绝缘膜和各自的绝缘体层上形成；及第2布线层，分别与所述绝缘体层上的所述一对导电体层的引出部连接；通过分别改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电压，可分别改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电容值。
本发明的可变电容元件，在半导体衬底的上表面区域部分形成的埋入电极层的上层，形成第1、第2电容绝缘膜，各电容绝缘膜在其邻近的侧面相对配置，在这一点上，本发明的可变电容元件与以往例相同。本发明的可变电容元件的特征在于，在所述一对电容绝缘膜的与上述邻近的侧面相垂直的各个外侧面相连接的区域形成绝缘体层，分别在各自的电容绝缘膜和各自的绝缘体层上形成第1和第2导电体层，布线层分别与所述绝缘体层上的所述一对导电体层的引出部连接。
由此，不增大由各个可变电容元件间的埋入电极层产生的寄生电阻，而缩短从第1、第2导电体层的通孔至各个可变电容元件的距离，所以由第1、第2导电体层产生的寄生电阻变小。
因此，可以实现各个可变电容元件间的寄生电阻小的可变电容元件。特别是在用于振荡电路的谐振电路时，可以减小各个可变电容元件间的寄生电阻，从而改善振荡输出的噪声特性。
在所述可变电容元件中，一对电容绝缘膜各自的平面形状为长方形。
本发明的内置可变电容元件的集成电路使用上述结构的可变电容元件。该电路包括含有上述结构的可变电容元件的谐振电路，通过改变所述可变电容元件的埋入电极层上所施加的电压，可改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电容值，并作为振荡电路工作。
在另一结构的内置可变电容元件的集成电路中，包括：包含至少两个并联连接的上述结构的可变电容元件的谐振电路；以及将由电平变换电路获得的不同电压加在各个所述可变电容元件的埋入电极层上的部件；可改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电容值，并作为振荡电路工作。
上述任何一个内置可变电容元件的集成电路中最好包括：与上述谐振电路并联连接的至少一个具有上述结构的用于频率范围切换的可变电容元件；以及对加在用于各个所述频率范围切换的可变电容元件的埋入电极层上的电压进行多级切换的切换部件；
可多级地改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电容值。
对用于所述频率范围切换的可变电容元件的埋入电极层上所施加的电压进行切换的部件，可两级切换所述电压。
附图说明
图1A是实施方式1的可变电容元件的俯视图，图1B是图1A的可变电容元件的A-A剖面图；
图2A是实施方式2的内置可变电容元件的集成电路的电路图，图2B是图2A的内置可变电容元件的集成电路的特性图；
图3A是实施方式3的内置可变电容元件的集成电路的电路图，图3B是图3A的内置可变电容元件的集成电路的特性图；
图4A是实施方式4的内置可变电容元件的集成电路的电路图，图4B是图4A的内置可变电容元件的集成电路的特性图；
图5A是实施方式5的内置可变电容元件的集成电路的电路图，图5B是图5A的内置可变电容元件的集成电路的特性图；
图6A是现有例的可变电容元件的俯视图，图6B是图6A的可变电容元件的B-B剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
图1A表示实施方式1的可变电容元件的平面结构。图1B表示图1A的A-A剖面。在该图中，101是p型硅衬底，102是n型埋入电极层，103是n型表面电极层，105、110是第1、第2栅极氧化膜，108是绝缘体层，104、109是第1、第2栅电极层，106、111是第1、第2栅电极侧的通孔，107、112是第1、第2栅电极侧的布线层，113是n型埋入电极侧的通孔，114是n型埋入电极侧的布线层。
n型埋入电极层102形成在导电型不同的p型硅衬底101的上层。第1、第2栅极氧化膜105、110分别为长方形，在一个长边侧相互相对且邻近形成。与第1、第2栅极氧化膜105、110的另一长边侧相连接形成绝缘体层108。跨过第1、第2栅极氧化膜105、110的上层以及绝缘体层108的上层，形成第1、第2栅电极层104、109。在除第1、第2栅极氧化膜105、110以外的绝缘体层108的上方，配置第1、第2栅电极侧布线层107、112。第1、第2栅电极层104、109的引出部通过第1、第2栅电极侧的通孔106、111，与第1、第2栅电极侧布线层107、112连接。
n型表面电极层103在除第1、第2栅极氧化膜105、110以外的区域的n型埋入电极层102的上层形成。n型埋入电极层102的引出部通过n型埋入电极侧的通孔113与n型埋入电极侧布线层114连接，该n型埋入电极侧布线层114被配置成与第1、第2栅极氧化膜105、110的短边侧邻近。
第1、第2栅极氧化膜105、110具有作为电容绝缘膜的功能。通过分别改变n型埋入电极层102和第1、第2栅电极层104、109之间的电压，来分别改变n型埋入电极层102和第1、第2栅电极层104、109之间的电容值。
这里，假设本实施方式的第1、第2栅极氧化膜105、110与现有例的第1、第2栅极氧化膜305、310的宽度和长度、及对置的边之间的距离相同。这种情况下，本实施方式的可变电容元件与现有例比较，可以减小第1、第2栅电极层104、109产生的寄生电阻，而不增大各个可变电容元件间的n型埋入电极层102产生的寄生电阻。
这里，n型埋入电极层102和n型埋入电极侧的通孔113间的寄生电阻变大。但是，例如在用于差动式振荡电路的谐振电路的情况下，可以减小各个可变电容元件间的寄生电阻，仅假设接地点的寄生电阻增大，所以对作为振荡输出的噪声特性的特性恶化没有实质性的影响。
根据这样的结构，可以实现减小各个可变电容元件间的寄生电阻的可变电容元件。
作为一对电容绝缘膜使用的第1、第2栅极氧化膜105、110在形成为长方形之外，例如还可以形成为正方形、不规则四边形、平行四边形等。无论何种形状，第1、第2栅极氧化膜105、110都需要形成一个区域，该区域的平面具有相对且邻近的侧面，并且绝缘体层108在与该邻近的侧面垂直的方向上形成在该区域的各个外侧面的边界区域上。在这种结构中，第1、第2栅电极层104、109的在绝缘体层108上的部分作为引出部使用。
此外，在本实施方式的结构中，也可以使用p型埋入电极层取代n型埋入电极层102，用p型表面电极层取代n型埋入电极103。
(实施方式2)
图2A是表示实施方式2的内置可变电容元件的集成电路的电路图。该电路是将本发明的可变电容元件应用于振荡电路的第一例。在该图中，201是具有实施方式1所示结构的可变电容元件，202、203是第1、第2谐振用线圈，204、205是第1、第2 CMOS晶体管，206是电流源，207是频率控制端子，208、209是第1、第2振荡输出端子。
第1振荡输出端子208与可变电容元件201的第1栅电极层端子201a、第1 CMOS晶体管204的漏极端子、以及第2 CMOS晶体管205的栅极端子连接，而且通过第1谐振用线圈202与电源端子VDD连接。第2振荡输出端子209与可变电容元件201的第2栅电极层端子201b、第2 CMOS晶体管205的漏极端子、以及第1 CMOS晶体管204的栅极端子连接，而且通过第2谐振用线圈203与电源端子VDD连接。第1CMOS晶体管204的源极端子与第2 CMOS晶体管205的源极端子连接，通过电流源206接地。频率控制端子207连接至可变电容元件201的n型埋入电极层端子201c。第1、第2栅电极层端子201a、201b分别对应于图1A、图1B的第1、第2栅电极侧布线层107、112。n型埋入电极层端子201c对应于图1A、图1B的n型埋入电极侧布线层114。
图2B是表示可变电容元件201的电容值与振荡频率控制端子207的控制电压的关系的特性图。
在上述结构中，通过使用具有实施方式1结构的可变电容元件作为改变振荡频率的可变电容元件201，可以实现噪声特性良好的振荡电路。
再有，本电路是NMOS型互耦(cross-coupled)振荡电路，但在PMOS型互耦振荡电路的情况下，也可以应用本实施方式的结构，并实现同样的效果。
(实施方式3)
图3A是表示实施方式3的内置可变电容元件的集成电路的电路图。该电路是将本发明的可变电容元件应用于振荡电路的第2例。在该图中，201A、201B、201C是具有实施方式-1所示结构的可变电容元件，202、203是第1、第2谐振用线圈，204、205是第1、第2 CMOS晶体管，206电流源，207是频率控制端子，208、209是第1、第2振荡输出端子，210是电平变换电路。
第1振荡输出端子208与可变电容元件201A、201B、201C的各第1栅电极层端子201a、第1 CMOS晶体管204的漏极端子、以及第2 CMOS晶体管205的栅极端子连接，而且，通过第1谐振用线圈202与电源端子VDD连接。第2振荡输出端子209与可变电容元件201A、202B、201C的各第2栅电极层端子201b、第2 CMOS晶体管205的漏极端子、以及第1 CMOS晶体管204的栅极端子连接，而且，通过第2谐振用线圈与电源端子VDD连接。第1 CMOS晶体管204的源极端子与第2 CMOS晶体管205的源极端子连接，通过电流源206接地。频率控制端子207通过电平变换电路210与可变电容元件201A、201B、201C的各n型埋入电极层端子201c连接。
图3B表示可变电容元件201A、201B、201C的各电容值及合成的电容值与振荡频率控制端子207的控制电压的关系的特性图。
在上述结构中，使用具有实施方式1结构的三个可变电容元件作为改变振荡输出频率的可变电容元件201A、201B、201C，增加电平变换电路210来提供各自不同的控制电压，由此可以实现具有宽控制电压范围并且噪声特性良好的振荡电路。
再有，本电路是NMOS型互耦振荡电路，但在PMOS型互耦振荡电路的情况下，也可以应用本实施方式的结构，并实现同样的效果。
(实施方式4)
图4A是表示实施方式4的内置可变电容元件的集成电路的电路图。该电路是将本发明的可变电容元件应用于振荡电路的第3例。在该图中，201A、201D是具有实施方式1所示结构的可变电容元件，202、203是第1、第2谐振用线圈，204、205是第1、第2 CMOS晶体管，206是电流源，207是频率控制端子，211是频率范围切换控制端子，208、209是第1、第2振荡输出端子。
第1振荡输出端子208与可变电容元件201A、201D的各第1栅电极层端子201a、第1 CMOS晶体管204的漏极端子、以及第2 CMOS晶体管205的栅极端子连接，而且，通过第1谐振用线圈202与电源端子VDD连接。第2振荡输出端子209与可变电容元件201A、201D的各第2栅电极层端子201b、第2 CMOS晶体管205的漏极端子、以及第1 CMOS晶体管204的栅极端子连接，而且，通过第2谐振用线圈203与电源端子VDD连接。第1 CMOS晶体管204的源极端子与第2 CMOS晶体管205的源极端子连接，通过电流源206接地。频率控制端子207与可变电容元件201A的n型埋入电极层端子201c连接，频率范围切换控制端子211与可变电容元件201D的n型埋入电极层端子201c连接。
图4B表示对频率范围控制端子211进行切换的各个情况下的、将可变电容元件201A、201D合成后的电容值与振荡频率控制端子207的控制电压的关系的特性图。
在上述结构中，使用具有实施方式1结构的两个可变电容元件作为改变振荡输出频率的可变电容元件201A、201D，进行频率范围切换来赋予控制电压，由此可以实现具有由曲线a、b所示的两个频率范围且噪声特性良好的振荡电路。
再有，本电路是NMOS型互耦振荡电路，但在PMOS型互耦振荡电路的情况下，也可以应用本实施方式的结构，并实现同样的效果。
(实施方式5)
图5A是表示实施方式5的内置可变电容元件的集成电路的电路图。该电路是将本发明的可变电容元件应用于振荡电路的第4例。在该图中，201A、201B、201C、201D是具有实施方式所示结构的可变电容元件，202、203是第1、第2谐振用线圈，204、205是第1、第2 CMOS晶体管，206的电流源，207是频率控制端子，211是频率范围切换控制端子，208、209是第1、第2振荡输出端子，210是电平变换电路。
第1振荡输出端子208与可变电容元件201A、201B、201C、201D的各第1栅电极层端子201a、第1 CMOS晶体管204的漏极端子、以及第2 CMOS晶体管205的栅极端子连接，而且，通过第1谐振用线圈202与电源端子VDD连接。第2振荡输出端子209与可变电容元件201A、201B、201C、201D的各第2栅电极层端子201b、第2 CMOS晶体管205的漏极端子、以及第1 CMOS晶体管204的栅极端子连接，而且，通过第2谐振用线圈203与电源端子VDD连接。第1 CMOS晶体管204的源极端子与第2 CMOS晶体管205的源极端子连接，通过电流源206接地。频率控制端子207通过电平变换电路210与可变电容元件201A、201B、201C的各n型埋入电极层端子201c连接，频率范围切换控制端子211与可变电容元件201D的n型埋入电极层端子201c连接。
图5B表示对频率范围控制端子211进行切换的各个情况下的、将可变电容元件201A、201B、201C、201D合成后的电容值与振荡频率控制端子207的控制电压的关系的特性图。
在上述结构中，使用具有实施方式1结构的四个可变电容元件作为改变振荡输出的频率的可变电容元件201A、201B、201C、201D，附加电平切换电路210来提供各自不同的控制电压，进行曲线c、d所示的频率范围切换来赋予控制电压，由此可以实现具有宽的控制电压范围和两个频率范围、且噪声特性良好的振荡电路。
再有，本电路是NMOS型互耦振荡电路，但在PMOS型互耦振荡电路的情况下，也可以应用本实施方式的结构，并实现同样的效果。
Claims (6)
1.一种可变电容元件，包括：
埋入电极层，在半导体衬底的上表面区域部分由导电型与所述半导体衬底不同的半导体层形成；
第1布线层，与在所述埋入电极层的上方形成的所述埋入电极层的引出部连接；
一对电容绝缘膜，分别在所述埋入电极层的除所述引出部以外的区域部分之上形成，所述区域部分在一个平面上具有相对且邻近的侧面；
绝缘体层，在所述一对电容绝缘膜的与上述邻近的侧面相垂直的各个外侧面相连接的区域形成；
一对导电体层，分别在各自的电容绝缘膜和各自的绝缘体层上形成；及
第2布线层，分别与所述绝缘体层上的所述一对导电体层的引出部连接；
通过分别改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电压，可分别改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电容值。
2.如权利要求1所述的可变电容元件，其中，一对电容绝缘膜各自的平面形状为长方形。
3.一种内置可变电容元件的集成电路，包括具有权利要求1所述结构的可变电容元件的谐振电路，通过改变加在所述可变电容元件的埋入电极层上的电压，可改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电容值，并作为振荡电路工作。
4.一种内置可变电容元件的集成电路，包括：
至少包含两个并联连接的具有权利要求1所述结构的可变电容元件的谐振电路；以及
将由电平变换电路得到的不同电压加在各个所述可变电容元件的埋入电极层上的部件；
可改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电容值，并作为振荡电路工作。
5.如权利要求3或4所述的内置可变电容元件的集成电路，其中，具备：
与所述谐振电路并联连接的至少一个具有权利要求1所述结构的用于频率范围切换的可变电容元件；以及
对加在用于各个所述频率范围切换的可变电容元件的埋入电极层上的电压进行多级切换的切换部件；
可多级地改变所述埋入电极层和所述一对导电体层之间的电容值。
6.如权利要求5所述的内置可变电容元件的集成电路，其中，对用于所述频率范围切换的可变电容元件的埋入电极层上所施加的电压进行切换的部件，可对所述电压进行两级切换。
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