JP2003086692A

JP2003086692A - 電圧制御圧電発振器

Info

Publication number: JP2003086692A
Application number: JP2001274371A
Authority: JP
Inventors: Satokatsu Nakamura; 里克中村; Yasuhiro Sakurai; 保宏桜井
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2003-03-20

Abstract

(57)【要約】【課題】電圧制御圧電発振器において、直流カット容
量と基板間に生じる寄生容量を除去するために、可変容
量素子の上部に直流カット容量を積み重ねる構成では、
従来可変容量素子としてＭＯＳコンデンサが使用されて
いたため、広い周波数可変幅を得ることが難しかった。【解決手段】半導体基板１０１上にバリキャップダイ
オード１０２を形成した後、さらにその上部に直流カッ
ト容量１０３を積み重ねて形成することにより、直流カ
ット容量１０３と基板１０１間に生じる寄生容量を除去
しながら、なおかつ可変容量素子としてバリキャップダ
イオードを使用することが可能になり、従来品と比べて
より広い周波数可変幅を持った電圧制御圧電発振器の提
供が可能になった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発振周波数を調節す
るために、制御電圧によって出力周波数を制御可能な電
圧可変容量素子を備えた電圧制御圧電発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動子は発振周波数が高度の安定性
を持ち、その温度特性が優れており、製造も比較的容易
であるため、圧電発振器は高い実用性を備えている。そ
して広い使用温度範囲にわたって周波数偏差を小さく抑
えたり、基準周波数に対して周波数を同期させて使用し
たりする用途には、圧電振動子の負荷容量として、印加
した直流電圧に従って容量値が変化する電圧可変容量素
子を用いた電圧制御圧電発振回路が用いられる。

【０００３】電圧制御圧電発振回路の基本構成を図７に
示す。発振周波数を制御する制御電圧は、バイアス抵抗
２０４を通して電圧可変容量素子２０１に印可される
が、該制御電圧が発振回路２０３へ影響を与えないよう
に直流カット容量２０２を設けることが一般に行われて
いる。また電圧可変容量素子２０１としては半導体ＰＮ
接合の空乏層を利用したバリキャップダイオードが、最
も広い容量変化比が得られるため、多く用いられる。

【０００４】近年コストおよび実装スペース低減の観点
から圧電発振回路は集積回路化されることが一般的にな
ってきている。電圧制御圧電発振回路を集積回路化した
場合、電圧可変容量素子および直流カット容量は一般に
図８のように形成される。直流カット容量３０２はＭＯ
Ｓ型コンデンサ３０１に隣接したフィールド酸化膜３０
５上に、層間絶縁膜３０９を挟んで、ポリシリコン（多
結晶シリコン）で構成した下側ポリシリコン電極３０４
と、アルミもしくはポリシリコンで構成した上側電極３
０３を両側電極として形成され、ＭＯＳ型コンデンサ３
０１とはメタル配線３０６によって接続される。なお、
３０７は第１導電型の半導体基板、３１０は第２導電型
の低濃度拡散領域、３１１は第２導電型の高濃度拡散領
域、３１２はゲート絶縁膜、３１３は電極である。

【０００５】しかし図８に示した従来の集積回路では、
直流カット容量３０２の下側ポリシリコン電極３０４が
フィールド酸化膜３０５を介して第１導電型の半導体基
板３０７に対向しているため、下側ポリシリコン電極３
０４と第１導電型の半導体基板３０７との間に寄生容量
３０８が生じる。この寄生容量３０８は回路上で考える
と、ＭＯＳ型コンデンサ３０１に並列に挿入されるた
め、該ＭＯＳ型コンデンサ３０１の容量可変比を損な
い、結果として電圧制御圧電発振器の周波数可変幅を低
減してしまうという問題を生じる。

【０００６】前記寄生容量３０８に対する対策として、
直流カット容量をフィールド酸化膜上ではなく、ＭＯＳ
型コンデンサのゲート電極上に重ねて形成する発明が特
開２０００−３２３７２９号公報に述べられている。図
９は特開２０００−３２３７２９号公報の図３に記載さ
れたＭＯＳ型コンデンサと直流カット容量を示す断面図
である。なお図９において図８と同一構成要素には同一
番号を付し、その説明を省略する。図９において直流カ
ット容量３０２は、電極３１３と層間絶縁膜３１４と電
極３１５とで構成されている。この構成によれば、直流
カット容量３０２を構成する電極３１３と第１導電型の
半導体基板３０７の間に発生する寄生容量を除去できる
ので、容量の可変可変比が低下するのを防止することが
できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来技術
は、使用する可変容量素子がＭＯＳ型コンデンサである
ところに問題がある。ＭＯＳ型可変容量はその容量可変
比があまり大きくないので、圧電発振器の周波数も所望
の可変幅を得るのが難しかった。また図９に見る如く、
ＭＯＳ型コンデンサ３０１上には、ゲート絶縁膜３１
２、電極３１３、層間絶縁膜３１４、電極３１５の順に
４層の膜が必要となり、その製造工程が非常に多くなっ
ていた。このような半導体素子の製造工程において、形
成する膜が１層増えることは非常にコストアップにつな
がるので、１層でも膜を減らすことが重要であったが、
前述のＭＯＳ型コンデンサの構成ではそれが難しかっ
た。

【０００８】本発明の目的は、直流カット容量と基板間
に生じる寄生容量を除去しながら、なおかつ可変容量素
子上に形成する膜の層数を増やさず、しかも従来品と比
べてより広い周波数可変幅を持った電圧制御圧電発振器
を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の電圧制御圧電発振器は次の特徴を備える。（１）電圧可変容量素子としてバリキャップダイオード
を半導体基板上に形成し、さらにその上部に直流カット
容量を積み重ねて形成したこと。

【００１０】さらにバリキャップダイオードと直流カッ
ト容量の構成に関して以下のいずれかの特徴を備える。（２）バリキャップダイオードは、第１導電型シリコン
基板もしくは第１導電型ウエルと、その表面に形成した
第２導電型拡散領域とから構成され、直流カット容量
は、前記第２導電型拡散領域表面とコンタクトを取った
ポリシリコンを下側電極とし、該下側電極との間に絶縁
膜を挟んで対向して形成されたアルミもしくはポリシリ
コンを上側電極として構成されること。（３）バリキャップダイオードは、第１導電型シリコン
基板もしくは第１導電型ウエルと、その表面に形成した
第２導電型拡散領域とから構成され、前記直流カット容
量は、前記第２導電型拡散領域を下側電極とし、該下側
電極との間に絶縁膜を挟んで対向して形成されたアルミ
もしくはポリシリコンを上側電極として構成されるこ
と。（４）バリキャップダイオードは、Ｐ型シリコン基板も
しくは第１導電型ウエルと、前記第１導電型シリコン基
板もしくは第１導電型ウエル上に、第２導電型不純物を
高濃度にドープしたポリシリコンを形成し、前記ポリシ
リコンから染み出した前記第２導電型不純物によって形
成される拡散領域とから構成され、直流カット容量は、
前記ポリシリコンを下側電極とし、該下側電極との間に
絶縁膜を挟んで対向して形成されたアルミもしくはポリ
シリコンを上側電極として構成されること。

【００１１】さらに発振回路の構成について以下の特徴
を備える。（５）集積回路化した発振回路は、反転増幅器の入出力
端子間に前記圧電振動子を並列接続し、該圧電振動子の
両端子は負荷容量を介して電源電位に接続し、前記負荷
容量の少なくとも一方は前記直流カット容量と前記バリ
キャップダイオードを直列接続したもので構成するこ
と。（６）集積回路化した発振回路は、反転増幅器の入出力
端子間に前記圧電振動子を並列接続し、該圧電振動子の
両端子は負荷容量を介して電源電位に接続し、前記負荷
容量の少なくとも一方は前記バリキャップダイオードで
構成するとともに反転増幅器と圧電振動子間に前記直流
カット容量を備えること。

【００１２】（７）第１導電型シリコン基板はＰ型シリ
コン基板であり、第１導電型ウエルはＰ型ウエルであ
り、第２導電型拡散領域はＮ型拡散領域であること。（８）第１導電型シリコン基板はＰ型シリコン基板であ
り、第１導電型ウエルはＰ型ウエルであり、第２導電型
不純物はＰ型不純物であること。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の基本構成を図１に示す。
図１において１０１は半導体基板を、１０２はバリキャ
ップダイオードを、１０３は直流カット容量を、１０４
は発振回路を、１０５は圧電振動子を、１０６は電圧制
御圧電発振器用集積回路を、１０７はパッケージ化され
た電圧制御圧電発振器をそれぞれ表す。

【００１４】Ｐ型半導体基板１０１（もしくはＰ型ウエ
ル）上にバリキャップダイオード１０２を形成し、その
上部に直流カット容量１０３を積み重ねて形成する。こ
のような構成にすることにより、従来直流カット容量の
下側電極と半導体基板との間に生じていた寄生容量をな
くすことができ、電圧可変圧電発振器の周波数可変幅を
大幅に増大させることが可能になる。

【００１５】次にバリキャップダイオードおよび直流カ
ット容量の構成を図４に示す。バリキャップダイオード
４０１は、Ｐ型ウエル４０３とその中に形成したＮ型拡
散領域４０２とから構成され、直流カット容量４０４
は、Ｎ型拡散領域４０２表面とコンタクトを取ったポリ
シリコンを下側電極４０５とし、該下側電極４０５との
間に絶縁膜４０６を挟んで対向して形成されたアルミも
しくはポリシリコンを上側電極４０７として構成され
る。半導体基板としては図に示したＮ型基板だけでなく
Ｐ型基板の使用も可能で、この場合にはバリキャップダ
イオードを作るのにウエルを設ける必要はない。

【００１６】バリキャップダイオード４０１と直流カッ
ト容量４０４は直列に接続されるため、直流カット容量
４０４の容量値が極端に小さい場合にはバリキャップダ
イオード４０１の容量可変比が制限され、結果として周
波数可変幅が狭くなってしまうという問題がある。バリ
キャップダイオード４０１の上に直流カット容量４０４
を積層する本発明の構成の場合、上側の層は下側のより
小さい面積としなければならないため、Ｎ型拡散領域４
０２の面積＞下側電極４０５の面積＞絶縁膜４０６の面
積＞上側電極４０７の面積となるが、これら４つの面積
をできるだけ同等に近づけて直流カット容量の表面積を
できるだけ大きく保つことが望ましい。また容量値をな
るべく大きくとるためには、直流カット容量の電極間距
離をなるべく短くすることも望まれる。

【００１７】上側電極としてアルミを用いることの利点
は、標準工程以外の追加の工程が不要であり、層数を少
なく抑えられることである。しかしアルミ層は通常最上
層に配置されることが多いため、これを上側電極として
用いた場合には電極間距離が長くなってしまい、直流カ
ット容量の容量値を大きくすることが難しいという問題
がある。こうした場合にはポリシリコン層を一層追加し
て上側電極をポリシリコンで構成することが望ましい。

【００１８】通常のＭＯＳ工程ではポリシリコン形成工
程の前に高温下で行われるゲート酸化膜形成工程がある
ため、それ以前にイオンを注入して作成したバリキャッ
プの特性が、前記工程によって変化してしまうという問
題がある。この対策としてはあらかじめ実験を繰り返
し、そのデータによって特性の変化を予測し、変化後の
特性が希望値の近傍になるようにバリキャップダイオー
ドの設計を行うことが考えられる。また近年非常に高パ
ワーのイオン注入機が登場しており、このような注入機
を使用すればポリシリコン形成後でも直接ウエル内にイ
オン注入してバリキャップを形成することが可能であ
る。

【００１９】次にバリキャップダイオードおよび直流カ
ット容量の他の構成を図５に示す。Ｎ型拡散領域５０２
の表面にＮ型拡散領域５０２の面積よりも小さい絶縁膜
５０６を形成し、その上にポリシリコンで上側電極５０
７を形成する。Ｎ型拡散領域５０２の表面が露出した部
分から電極をとり、該Ｎ型拡散領域５０２を下側電極と
し、前記上側電極５０７と合わせて直流カット容量５０
４を構成する。絶縁膜５０６およびポリシリコン電極５
０７形成の工程は、ゲート電極形成工程と同一であるた
め該工程をそのまま適用することが可能である。

【００２０】図５に示した構成では、Ｎ型拡散領域５０
２の上に積層される層数が２層と図３に示した構成に比
べて簡素化されている。このため前記した直流カット容
量の表面積をなるべく広く確保するという点においては
層数の多い図４の構成に比べて有利である。また製造工
程においても半導体の通常工程がそのまま適用でき、全
体の層数を少なく抑えることができる利点がある。

【００２１】次にバリキャップダイオードおよび直流カ
ット容量の他の構成を図６に示す。Ｐ型ウエル６０３
（もしくはｐ型基板）の表面に、Ｎ型に高濃度ドープし
たポリシリコン６０４を配置し、該ポリシリコン６０４
から染み出した不純物によって作られたＮ型拡散層６０
５と、Ｐ型ウエル６０３（もしくはＰ型基板）によって
バリキャップ６０１を構成する。直流カット容量６０２
は、前記高濃度ドープしたポリシリコン６０４を下側電
極とし、絶縁膜６０６をはさんでアルミもしくはポリシ
リコンを上側電極６０７として構成する。

【００２２】この構成によれば、高温下で行われるゲー
ト酸化膜形成工程後にバリキャップの形成の工程が行わ
れるため、前記した熱によってバリキャップの特性が変
化してしまう問題を回避することが可能である。

【００２３】次に電圧制御発振回路の回路構成としては
種々のものがあるが、図７に示すように圧電振動子７０
２の両端にバリキャップダイオード７０３および７０４
を設けた構成は、発振回路の負荷容量の容量可変比を大
きく取ることができ、結果として広い周波数可変幅の確
保が可能である。またこの構成は反転増幅器７０１入出
力両側のバリキャップダイオード７０３および７０４の
容量値を同時に変化させられるため、容量比のバランス
を損なうことなく容量の可変を行うことができる利点も
持っている。

【００２４】この回路構成に、バリキャップダイオード
７０３および７０４上に直流カット容量７０５および７
０６を積層して形成した本発明を適用することによっ
て、より広い周波数可変幅を確保することが可能にな
る。特にこの回路構成では反転増幅器７０１入出力両側
での寄生容量が低減できるため本発明の効果がより顕著
に現れる。

【００２５】さらに広い周波数可変幅を得るための回路
構成としては、図８に示すように直流カット容量８０５
および８０６を反転増幅器８０１と圧電振動子８０２の
間に配置する構成がある。この回路構成ではバリキャッ
プダイオード８０３および８０４の容量変化が直流カッ
ト容量８０５および８０６によって制限されないため、
図７に示した回路構成に比べて更に広い周波数可変幅を
確保することが可能になる。

【００２６】この回路構成の場合、直流カット容量８０
５および８０６は反転増幅器８０１への入出力経路上に
置かれたインピーダンスとなり、その大きさは容量値お
よび発振周波数にそれぞれ逆比例する。このインピーダ
ンスの値があまり大きすぎると系の発振余裕が低下し、
発振停止等の事態を引き起こしてしまう恐れが生じる。

【００２７】したがって直流カット容量８０５および８
０６の容量値は発振周波数との関係を考えながら極端に
小さ過ぎない適度な値を選ぶことが無難である。ただし
集積回路面積との関係等ででどうしても小さい容量値を
選ばざるをえないときは反転増幅器８０１の増幅率を増
強することで系の発振余裕を補うことが可能である。

【００２８】図７および図８に示した回路は反転増幅器
の入出力いずれの側にもバリキャップダイオードを設け
た構成であるが、どちらか片側を固定容量とした構成も
可能であり、この場合には当然直流カット容量は可変容
量素子がある側のみに設ければよい。

【００２９】以上本発明の実施の形態について述べた
が、本発明の対象となる発振回路や発振器の構成は必ず
しもここに述べたものに限定されるわけではなく、バリ
キャップダイオードを含んで集積回路された電圧可変発
振回路を用いた電圧制御圧電発振器に対して基本的に有
効である。また本実施形態では、Ｐ型半導体基板（もし
くはＰ型ウエル）上にバリキャップダイオードを形成し
た構成を開示したが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、バリキャップダイオードのｐｎ接合を順方向に
バイアスしないように電位関係を適宜設定して構成すれ
ば、Ｎ型半導体基板（もしくはＮ型ウエル）上にＰ型の
拡散領域を形成してバリキャップダイオードを構成する
ことも可能である。この場合には周波数制御電圧とし
て、基板電圧に対して負の電圧を印可して使用すること
になる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、可変容量素子としてバ
リキャップダイオードを使用し、その上に直流カット容
量を搭載した構成としたので、直流カット容量と基板間
に生じる寄生容量を除去しながら、なおかつ従来技術の
ように工程数を増やすことなく集積回路化することがで
きた。また可変容量素子としてバリキャップダイオード
を使用しているので、従来品と比べてより広い周波数可
変幅を持った電圧制御圧電発振器の提供が可能になっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成図である。

【図２】本発明におけるバリキャップダイオードと直流
カット容量部分の構成図である。

【図３】本発明におけるバリキャップダイオードと直流
カット容量部分の別の構成図である。

【図４】本発明におけるバリキャップダイオードと直流
カット容量部分の別の構成図である。

【図５】本発明を適用した電圧制御圧電発振回路の例で
ある。

【図６】本発明を適用した電圧制御圧電発振回路の別の
例である。

【図７】従来の電圧制御圧電発振回路の基本構成図であ
る。

【図８】従来の電圧制御発振器におけるＭＯＳ型コンデ
ンサと直流カット容量部分の構成図である。

【図９】従来の電圧制御発振器におけるＭＯＳ型コンデ
ンサに直流カット容量を重ねた構成を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１０１、３０７半導体基板１０２、３０１、４０１、５０１、６０１バリキャッ
プダイオード１０３、２０２、３０２、４０４、５０４、６０２直
流カット容量１０４、２０３発振回路１０５、７０２、８０２圧電振動子１０６発振器用集積回路１０７電圧制御圧電発振器２０１可変容量素子３０３、４０７、５０７、６０７上側電極３０４、４０５下側電極３０５フィールド酸化膜３０６メタル配線３０８寄生容量４０２、５０２、６０５Ｎ型拡散領域４０３、５０３、６０３Ｐ型ウエル４０６、５０６、６０６絶縁膜６０４高濃度ドープポリシリコン７０１、８０１反転増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バリキャップダイオードと直流カット容
量とを含む発振回路を集積回路化し、圧電振動子ととも
にパッケージした電圧制御圧電発振器において、前記バ
リキャップダイオードを半導体基板上に形成し、さらに
その上部に直流カット容量を積み重ねて形成したことを
特徴とする電圧制御圧電発振器。
【請求項２】前記バリキャップダイオードは、第１導
電型シリコン基板もしくは第１導電型ウエルと、その表
面に形成した第２導電型拡散領域とから構成され、前記
直流カット容量は、前記第２導電型の拡散領域表面とコ
ンタクトを取ったポリシリコンを下側電極とし、該下側
電極との間に絶縁膜を挟んで対向して形成されたアルミ
もしくはポリシリコンを上側電極として構成されること
を特徴とする請求項１記載の電圧制御圧電発振器。
【請求項３】前記バリキャップダイオードは、第１導
電型シリコン基板もしくは第１導電型ウエルと、その表
面に形成した第２導電型拡散領域とから構成され、前記
直流カット容量は、前記第２導電型拡散領域を下側電極
とし、該下側電極との間に絶縁膜を挟んで対向して形成
されたアルミもしくはポリシリコンを上側電極として構
成されることを特徴とする請求項１記載の電圧制御圧電
発振器。
【請求項４】前記バリキャップダイオードは、第１導
電型シリコン基板もしくは第１導電型ウエルと、前記第
１導電型シリコン基板もしくは第１導電型ウエル上に、
第２導電型不純物を高濃度にドープしたポリシリコンを
形成し、前記ポリシリコンから染み出した前記第２導電
型不純物によって形成される拡散領域とから構成され、
前記直流カット容量は、前記ポリシリコンを下側電極と
し、該下側電極との間に絶縁膜を挟んで対向して形成さ
れたアルミもしくはポリシリコンを上側電極として構成
されることを特徴とする請求項１記載の電圧制御圧電発
振器。
【請求項５】前記集積回路化した発振回路は、反転増
幅器の入出力端子間に前記圧電振動子を並列接続し、該
圧電振動子の両端子は負荷容量を介して電源電位に接続
し、前記負荷容量の少なくとも一方は前記直流カット容
量と前記バリキャップダイオードを直列接続したもので
構成することを特長とする請求項１から４のいずれかに
記載の電圧制御圧電発振器。
【請求項６】前記集積回路化した発振回路は、反転増
幅器の入出力端子間に前記圧電振動子を並列接続し、該
圧電振動子の両端子は負荷容量を介して電源電位に接続
し、前記負荷容量の少なくとも一方は前記バリキャップ
ダイオードで構成するとともに前記反転増幅器と前記圧
電振動子の間に直流カット容量を備えることを特長とす
る請求項１から４のいずれかに記載の電圧制御圧電発振
器。
【請求項７】第１導電型シリコン基板はＰ型シリコン
基板であり、第１導電型ウエルはＰ型ウエルであり、第
２導電型拡散領域はＮ型拡散領域であることを特徴とす
る請求項３記載の電圧制御圧電発振器。
【請求項８】第１導電型シリコン基板はＰ型シリコン
基板であり、第１導電型ウエルはＰ型ウエルであり、第
２導電型不純物はＰ型不純物であることを特徴とする請
求項４記載の電圧制御圧電発振器。