DE2365128C3

DE2365128C3 - Elektronische Uhr

Info

Publication number: DE2365128C3
Application number: DE2365128A
Authority: DE
Inventors: Shinji Suwa Nagano Morozumi
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1972-12-29
Filing date: 1973-12-29
Publication date: 1981-07-16
Also published as: JPS4991279A; GB1450559A; DE2365128B2; US3939642A; CH609518GA3; DE2365128A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Uhr nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aus der Druckschrift »Neue Uhrmacherzeitung«, Nr. 15,1971, Artikel »Lexikon der Uhrentechnik« ist es bekannt, elektronische Uhren mit einem als Zeitnormal dienenden Schwinger in Form eines Quarzkristalls mit AT/DT- oder GT-Schnitt und einer dessen Schwingung verarbeitenden integrierten Schaltung mit komplementären MOS-Transistoren zu verwenden. Grundsätzlich sollen bei elektrischen Uhren, insbesondere bei batteriebetriebenen Uhren die Genauigkeit möglichst groß und der Stromverbrauch möglichst gering sein. Die Genauigkeit hängt in großem Ausmaß von dem Temperaturgang der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes ab. Es ist bekannt, daß Schwingquarze mit hoher Resonanzfrequenz einen in Lesern Sinn günstigeren Temperaturgang aufweben. Andererseits erfordert eine hohe Resonanzfrequenz des Schwingquarzes einen entsprechenden Frequenzteiler, dessen Strombedarf jedoch mit zunehmender Eingangsfrequenz ansteigt

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische Uhr der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die auch bei Verwendung eines Schwingquarzes hoher Frequenz einen geringen Stromverbrauch aufweist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs gelöst Der Aufbau der integrierten Schaltung aus einem isolierenden Material ermöglicht die Verwendung des für hohe Frequenzen günstigen dynamischen Frequenzteilers, ohne daß die bei diesem sonst zu erwartenden Leckstromverluste in Kauf genommen werden müßte.

Aus der Zeitschrift »Electronics«, Heft 22, Oktober 1969, Seiten 113 bis 116 ist es an sich bekannt, als Substratmaterial für integrierte MOS-Schaltungen ein Isoliermaterial zu verwenden. Auch dynamische Zähl· schaltungen, die als Frequenzteiler geeignet sind, sind aus der US-PS 35 77 166 für sich bekannt Die der erfindungsgemäßen Uhr eine überraschende Wirkung verleihende Kombination der an sich bekannten Merkmale HeB sich sich dem Stand der Technik jedoch nicht entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Quarzkristalloszillatorschaltung,

Fig.2 ein Beispiel eines Aufbaus üblicher komplementärer Transistoren in einer eingegrabenen Schicht als Substrat,

F i g, 3 eine Ausführungsform einer statischen Teilerschaltung,

F i g. 4 Zeitverläufe von Signalen in F i g. 3,
F i g. 5 eine Ausführungsform des Aufbaus eines Teils der integrierten Schaltung der Erfindung, bei der einzelne Bauelemente durch isolierendes Material voneinander isoliert sind, wobei der P-Kanalteil vom Verarmungsschicht-Steuertyp und der N-Kanalteil vom Umkehrschicht-Steuertyp ist,

ίο Fig.6 eine Ausführungsform entsprechend Fig.5, bei der einzelne Bauelemente durch isolierendes Material voneinander isoliert sind, wobei sowohl der P-Kanal- als auch der N-Kanalteil vom Umkehrschicht-Steuertyp ist,

is Fig.7 ein Ausführungsbeispiel einer dynamischen Teilerschaltung,

F i g. 8 Zeitverläufe von Signalen in F i g. 6.
Im allgemeinen ist der Q- oder Gütewert einer Schaltung für elektronische Uhren extrem hoch. Es sind drei Schaltungen vorhanden, nämlich eine Oszillatorschaltung, wie sie beispielsweise in F i g. 1 dargestellt ist, mit einem Quarzkristallschwinger oder dergleichen, der leicht zum Schwingen zu bringen ist, eine Teilerschaltung, die das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung auf eine benötigte Frequenz herabteilt, und eine Ausgangsschaltung, die mit einem Mechanismus verbunden ist, um mit einer geeigneten Vorrichtung die Zeit in Abhängigkeit vom Ausgangssignal anzuzeigen. Im allgemeinen ist diese Teilerschaltung für sich oder mit einer anderen Schaltung zusammen kombiniert auf einem Plättchen integriert

Im allgemeinen weisen die komplementären AL-Gate -Feldeffekt-Transistoren, welche die integrierte Halbleiterschaltung für die Uhr bilden, eine Struktur auf, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist Wenn in dieser komplementären MOS-Schaltung die Versorgungsspannung V_DD nicht viel größer als die Summe der Schwellenwertspannungen Vor beider Kanäle (V<jtp + Vom) ist, besteht deren Stromverbrauch in einem Strom zum Laden und Entladen einer parasitären Drain-Kapazität Ca während ihre Ansprechgeschwindigkeit cmrch die Lade- und Entladegeschwindigkeit bestimmt wird.

Andererseits setzt sich eine parasitäre Kapazität C_D eines Drain-Anschlusses D, wie er beispielsweise in der Struktur der F i g. 2 dargestellt ist, hauptsächlich aus drei Kapazitäten zusammen: einer Kapazität Cm, die das Kontaktierungs- oder Verdrahtungsaluminium gegenüber dem Substrat bildet, wenn Sperren 1 und 2 verwendet werden, um die Transistoren zu trennen und

so zu isolieren, einer Übergangszonenkapazität Cj des Obergangs zwischen diffundierter Schicht und diffundierter Drain-Schicht und femer des Substrats und der diffundierten Drain-Schicht, und einer Gate-Kapazität Cq eines Eingangsteils der nächsten Stufe. Bei dieser Art Transistoren, bei welchen Source und Drain durch Bildung der diffundierten Schicht im Substrat erzeugt werden, sind die Verdrahtungskapazität Cu und die Übergangszonenkapazität Q unvermeidlich, und sie erhöhen demzufolge die parasitäre Kapazität Co- Wenn

μ beispielsweise eine Teilerschaltung gebildet wird, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, steigt der Stromverbrauch in einem Bereich höherer Frequenz plötzlich an, wie oben erwähnt, wenn nämlich die Ladung und Entladung so oft ausgeführt werden, daß die Ansprechgeschwindigkeit

μ für die Eingangsperiode zu niedrig ist. Ein Betrieb innerhalb der begrenzten Versorgungsspannung Von kann dann nicht fortgesetzt werden, obwohl ein Betrieb innerhalb eines ausreichend niedrigeren Frequenzberei-

ches keine Schwierigkeiten macht.

Im allgemeinen werden aufgrund des begrenzten verfügbaren Platzes als Energiequellen für Uhren, insbesondere Armbanduhren, lediglich Batterien mit niedriger Spannung und geringer Kapazität verwendet Wenn ein Quarzkristallschwinger, der eine ausgezeichnete Temperaturcharakteristik und eine hohe Eigen-Frequenz aufweist, im Oszillator verwendet wird, arbeitet die Schaltung aus dem oben angegebenen Grund nicht oder nur unzuverlässig, und zudem unterliegt die Batterie üblicherweise einem recht beachtlichen Verbrauch. Deshalb ist es nicht vorteilhaft, eine solche Schaltung in einer Uhr zu verwenden.

Vielmehr sollten alle Transistoren in der integrierten Halbleiterschaltung voneinander isoliert sein. Im Fall der in F i g. 2 dargestellten Struktur sind die Transistoren über die Dioden-Sperrcharakteristik des PN-Obergangs zwischen Drain und diffundierten Sperrschichten voneinander getrennt und isoliert Die verwendeten Sperren 1 und 2 sind stark dotierte diffundierte Schichten, deren Leitfähigkeit der des Substrates gleich ist Allerdings verringert sich die Leck-Drain-Durchbruchspannung bei der Herstellung der Transistoren leicht, und zwar aufgrund einer durch fehlerhafte Masken bewirkten schlechteren Dioden-Sperrdiarakteristik, aufgrund mangelhaften Fotoätzens, unterschiedlicher Diffusionsmasken, fehlerhafter Feldisolierungsschichten usw. Wenn ferner die Isolierung der Transistoren ohne Verwendung der diffundierten Sperrschichten durchgeführt wird, bewirken fehlerhafte Feldschichten ein extremes Anwachsen des Leckstroms, und so kommt es manchmal vor, daß der Leckstrom nach Masse bei einem Stillstand extrem anwächst oder die Drain-Durchbruchspannung recht niedrig wird. Demzufolge wird die Herstellungsausbeute wie auch die Zuverlässigkeit der Schaltung verringert, was in Wirklichkeit auf einer unvollständigen Isolierung der Bauelemente beruht Sogar wenn die Bauelemente voneinander durch einen größeren Abstand getrennt werden, um die Isolierung und die Drain-Durchbruchspannung quer über die Bauelemente zu verbessern, bringt diese nur eine schlechtere Integration der integrierten Schaltung oder eine Erhöhung der Plättchenabmessung, so daß man weit weg von einer grundsätzlichen Lösung ist

Außerdem wird in der Struktur, wie sie in Fig.2 dargestellt ist, und für welche die diffundierte Schicht erforderlich ist, eine Insel 7, die gegenüber einem Substrat 8 entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist, als Substrat für den anderen Transistor gebildet, um komplementäre Transistoren herzustellen. Da es notwendig ist, die Dolierstotfkonzentration der Insel zu begrenzen, wird eine Schicht diffundiert, die tiefer als die diffundierten Source-Drain-Schichten 1 bis 6 ist Demzufolge macht die Insel eine recht große seitliche Ausdehnung erforderlich. Es wird nämlich ein großer Raum zwischen dem P-Kanal- und dem N-Kanal-Transistor benötigt, was eine große Plättchenabmessung dieser integrierten Schaltungsart erforderlich macht

Bei der Erfindung, wie sie beispielsweise in F i g. 5 dargestellt ist, werden die Bauelemente durch Verwendung eines isolierenden Materials voneinander isoliert, Es ist eine Halbleiter-lsolatorsubstrat-(SiS)-Struktur dargestellt, bei der I bis 1,5 μ einkristallines Silizium auf Saphir oder Spinell als isolierendes Material gezüchtet ist, um ein P-Ieitendes Substrat zu bilden, wodurch MOS-Transistoren hergestellt werden, deren P-Kanalteil vom Verarmungsschicht-Steuertyp und dessen N-Kanalteil vom Umkehrschicht-Steuertyp ist. In diesem Fall, in welchem die Bauelemente durch Verwendung eines isolierenden Substrates 9 gebildet sind, und dsr Obergangsbereich zwischen den Drains 13 und 11 und einem Substrat 16 des Transistors sehr klein ist, wird die Obersangszonenkapazität Q der Drains 10 und 11 belanglos klein im Vergleich zur selben Kapazität bei einer üblichen Methode. Da außerdem die Verdrahtungskapazitlt Cw gemäß der Verringerung der

ίο Al-Verdrahtungslänge reduziert wird, wie unten ausgeführt ist, wird die parasitäre Drain-Kapazität auf fast die Hälfte vennidBert Deshalb wird der Stromverbrauch / auf etwa die Hälfte verringert, was es ermöglicht, die maximale Ansprechfrequenz /mix bei einer Versorgungsspannung Vdd erheblich zu verbessern., Außerdem ist dadurch, daß die Bauelemente durch das isolierende Substrat 9 getrennt sind, eine unvollständige Isolierung zwischen den Bauelementen, wie sii; bei üblichen Vorrichtungen aufgrund einer verschlechterten Diodencharakteristik auftritt, vollständig unterbunden. Zudem ist die Drain-Durchbruchspannung verbessert, da die Drains 10 und 11 außer mit der ^rfiwach dotierten Schicht 16 keinen Obergangsteil aufweisen. Die Al-Kontaktienmg- oder Verdrahtung ist allein auf dem isolierenden Substrat angeordnet, so daß keine Möglichkeit zur Bildung eines parasitären Transistors gegebe:?ist Deshalb können die Abstände zwischen den Bauelementen aufgrund der Verbesserung der Isolierung zwischen diesen weiter verringert werden, ohne daß es Schwierigkeiten hinsichtlich einer Verschlechterung der Ausbeute und Zuverlässigkeit geben könnte, die durch eine Erhöhung des Leckstroms und eine Verminderung der Durchbruchspannung bewirkt wird. Demzufolge wird die Gesamtabmessung des Plättchens reduziert Ausbeute und Zuverlässigkeit werden im Vergleich zu üblichen Weiten auf diese Weise beträchtlich verbessert

Überdies machen Transistoren dieser Alt keine Insel mit einer Leitfähigkeit, die gegenüber der des Substrats entgegengesetzt ist, erforderlich, wie es bei üblichen Vorrichtungen der Fall ist so daß keine großen Zwischenräume zwischen P-Kanal- und N-Kanal-Transisturen erforderlich sind. Auch im Fall des in F i g. 6 dargestellten Typs, bei dem es sich bei beiden Kanälen um eine Steuerung durch Umkehrschichten handelt, ist kein großer Abstand zwischen dem P-Kanal- und dem N-Kanal-Transistor erforderlich, da bei Transistorsubstraten 21 und 22, die umgekehrte Leitfähigkeiten aufweisen und nicht als diffundierte Schichten erzeugt

so sind, die seitliche Ausdehnung nicht berücksichtigt zu werden braucht, wie es beim Diffusionsprozeß der Fall ist Auch hier kann die Plättchengrölte gemäß der

Verbesserung der Integration reduziert werden. Wenn bei einer Stufe einer dynamischen Teilerschal-

tung, wis sie in Fig.7 dargestellt ist, und wie sie gewöhnlich bei höherer Frequenz verwendet wird, eine VersorgungsspannisJig V₀D von 1,5 V genommen wird und im bekannten Fall bei einer Frequenz eines Eingangstaktimpulses Φ_π-\ von 100 kHz und einer maximalen ArbeHsfrequenz 4« von etwa 200 kHz der Stromverbrauch 1 uA beträgt, so kann man gemäß der Erfindung 0,1 uA oder weniger und etwa 2MHz erreichen, da die parasitäre Drain-KapaziUt auf weniger als die Hälfte reduziert ist Die iFldche für eine Stufe der Teilerschaltung ist etwa halb so groß wie die einer herkömmlichen Schaltung, und gleichzeitig wird die Verschlechterung der Ausbeute ausgeschaltet, die auf einem durch schlechte Isolation zwischen den

Bauelementen verursachten Leckstrom beruht Somit sind die Zuverlässigkeit der Schaltungen und die Ausbeute der Schaltungsplättchen beträchtlich verbessert

Der Vorteil der Erfindung kommt auch anderen integrierten Schaltungen zugute, deren Bauelemente durch isolierendes Material getrennt sind, wie es beispielsweise bei der oben erwähnten SiS-Stniktur der Fall ist, und die von der Art sind, dafl Transistoren durch Bildung von Halbleiterschichten auf isolierenden Dünnoder Dickschichten wie Siliziumoxid oder Titanoxid hergestellt werden. Das Charakteristische besteht darin, daß die Schaltung bei hoher Frequenz aufgrund der kleinen Drain-Kapazität in einem Zustand niedrigen Stroms und niedriger Spannung arbeiten kann, und daß die Ausbeute verbessert werden kann entsprechend der Reduzierung von Transistorfehlern und einer Integrationsverbesserung. Deshalb ergibt sich ein beachtlicher Vorteil bei der Verwendung eines Quarzkristallschwingers mit GT-, AT- oder DT-Schnitt im Originalschwingungsteil, der einen hohen (?-Wert, ein gutes Temperaturverhalten und eine hohe natürliche Frequenz aufweist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:'

Elektronische Uhr mit einem als Zeitnormal dienenden Schwinger und einer dessen Schwingung verarbeitenden integrierten Schaltung mit komplementären MOS-Transistoren, gekennzeichnet durch die Kombination folgender an sich bekannter Merkmale:

Die einzelnen Schaltungselemente der integrierten Schaltung sind in voneinander getrennten Teilen einer auf einem Substrat (9, 16) aus isolierendem Material gezüchteten Halbleiterschicht gebildet und die integrierte Schaltung enthält wenigstens eine Stufe eines dynamischen Frequenzteilers,