JP2003282724A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2003282724A
JP2003282724A JP2002088329A JP2002088329A JP2003282724A JP 2003282724 A JP2003282724 A JP 2003282724A JP 2002088329 A JP2002088329 A JP 2002088329A JP 2002088329 A JP2002088329 A JP 2002088329A JP 2003282724 A JP2003282724 A JP 2003282724A
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JP
Japan
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gate electrode
semiconductor device
present
oscillation circuit
drain
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JP2002088329A
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English (en)
Inventor
Toshisuke Yatsuyanagi
俊祐 八柳
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 携帯機器等に使用される水晶発振回路等の半
導体装置(可変容量素子)における容量比を自由に大き
くすることで、周波数の可変範囲を広くする。 【解決手段】 本発明の半導体装置は、MOS型トラン
ジスタ構造で、ゲート電極13とソース・ドレイン(拡
散層14)間の容量をバリキャップとして用いるものに
おいて、前記ゲート電極13下のチャネル領域15に形
成された不純物層が濃度勾配を有するように形成されて
いることを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、更に言えば、携帯機器等に使用される電圧制御水晶
発振回路における周波数の可変範囲を広げる技術に関す
る。
【0002】
【従来の技術】以下、従来の半導体装置について図面を
参照しながら説明する。
【0003】図8は従来の半導体装置の一例として、水
晶発振回路を示す構成回路図である。
【0004】例えば、携帯機器等に使用される電圧制御
水晶発振回路(VCXO:VoltageControlled Xtal Osc
illator)型水晶発振回路51は、図8に示すように外
部に接続される水晶発振子52を接続するための外部接
続端子53及び54を有する。また、CMOSインバー
タ55を有し、当該CMOSインバータ55は、その入
力側端子56と出力側端子57との間に接続されたバイ
アス抵抗Raと一体で増幅回路を構成する。
【0005】また、外部接続端子54には容量Caが接
続され、外部接続端子53には容量Cbを介して可変容
量素子(PN接合ダイオード)58、抵抗Rcが接続さ
れ、当該抵抗Rcの他端がVc端子である。
【0006】尚、このような水晶発振回路51は、例え
ば内部回路に所望のクロック信号を供給するクロック信
号発生回路等に用いられ、図示した説明は省略するが、
当該水晶発振回路51の出力を矩形波に整形する複数段
のインバータを介して所望の周波数のクロック信号を出
力可能にする。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記VCXO型水晶発
振回路51において、その可変容量素子58としてバラ
クタダイオード(PN接合)が用いられる場合が多い。
【0008】現在、上記PN接合ダイオードに印加する
逆方向電圧を制御することで容量を変化させ、例えば2
7MHzの水晶発振回路の場合において、水晶の発振周
波数を±100ppm〜200ppm程度変化させてい
る。
【0009】ここで、上記バラクタダイオードは、0〜
5Vの範囲で容量比(変化比)が2〜3倍である。尚、
濃度プロファイルを工夫しても5倍程度しか得られず、
周波数の可変範囲が狭かった。
【0010】また、低電圧化すると更に容量比が小さく
なるため、低電圧化し難い。更に、空乏層容量が小さい
ため、パターン面積が大きくなる。また、交流振幅が大
きい場合にあって、コントロール電圧が小さいと、順方
向電流が流れる等の問題がある。
【0011】
【課題を解決するための手段】そこで、上記課題に鑑み
本発明の半導体装置は、MOS型トランジスタ構造で、
ゲート電極とソース・ドレイン間の容量をバリキャップ
として用いるものにおいて、前記ゲート電極下のチャネ
ル領域に形成された不純物層が濃度勾配を有するように
形成されていることを特徴とするものである。
【0012】また、前記ゲート電極下のチャネル領域に
形成された不純物層が、当該ゲート電極の中央部で最も
不純物濃度が高くなるように形成されていることを特徴
とするものである。
【0013】更に、前記ゲート電極下のチャネル領域に
形成された不純物層が、当該ゲート電極の中央部で最も
不純物濃度が高く、ソース・ドレイン付近で不純物濃度
が最も低くなるように形成されていることを特徴とする
ものである。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体装置に係る
一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0015】図1において、水晶発振回路1は外部に接
続される水晶発振子2を接続するための外部接続端子3
及び4を有する。また、CMOSインバータ5を有し、
当該CMOSインバータ5は、その入力側端子6と出力
側端子7との間に接続されたバイアス抵抗Raと一体で
増幅回路を構成する。
【0016】また、外部接続端子4には容量Caが接続
され、外部接続端子3には容量Cbを介して可変容量素
子8、抵抗Rcが接続され、当該抵抗Rcの他端がVc
端子である。
【0017】尚、このような水晶発振回路1は、例えば
内部回路に所望のクロック信号を供給するクロック信号
発生回路等に用いられ、図示した説明は省略するが、当
該水晶発振回路1の出力を矩形波に整形する複数段のイ
ンバータを介して所望の周波数のクロック信号を出力可
能にする。
【0018】本発明では、先ず、従来の可変容量素子5
8として用いられていたバラクタダイオードに変えて、
MOS型トランジスタ構造を採用し、ゲート電極とソー
ス・ドレイン間の容量をバリキャップとして使用する。
このとき、ゲート電圧が、しきい値電圧以下ではオーバ
ーラップ容量のみとなり、またゲート電極が、しきい値
電圧以上ではチャネルがソース・ドレインと導通し、ゲ
ート面積分のゲート酸化膜容量に相当する大容量が得ら
れる。そのため、従来構成に比して大きな容量比を自由
に得ることができる。
【0019】しかし、上記したようなチャネル濃度が一
定で、しきい値電圧が一つである構成を採用した場合に
おいて、図3に点線で示すように容量変化が、しきい値
電圧(Vt)付近で急峻に変化してしまい、容量の電圧
制御がし難いという問題が発生する。
【0020】そこで、本発明の半導体装置(可変容量素
子)の特徴は、上記MOS型トランジスタ構造のゲート
電極とソース・ドレイン間の容量をバリキャップとして
使用するものであって、ゲート電極下のチャネル領域の
不純物濃度に勾配を持たせたことである。
【0021】図2において、11は例えばP型の半導体
基板で、当該基板11上に酸化膜等の絶縁物12を介し
てポリシリコン膜や高融点金属シリサイド膜から成るゲ
ート電極13が形成され、当該ゲート電極13に隣接す
るように基板表面にN型不純物拡散層(ソース・ドレイ
ン)14が形成されている。そして、ゲート電極下のチ
ャネル領域15のP型不純物濃度に勾配を持たせてい
る。
【0022】即ち、基板11(絶縁物12)上に図示し
ないフォトレジスト膜を形成し、当該フォトレジスト膜
に形成した開口部(図中のC領域に対応)を介して当該
C領域のみに、不純物をイオン注入し、その後の高温熱
処理工程によって不純物を拡散させ、濃度に勾配(グラ
デーション)を持たせることができる。
【0023】尚、本実施形態では、例えばボロンイオン
をおよそ80KeVの加速電圧で、およそ1×1015
cm2の注入量でイオン注入し、その後、およそ115
0℃で4時間熱処理を施すことで濃度勾配を持たせてい
る。図2に示すC領域が最も不純物濃度が濃く、続いて
当該C領域と隣り合うB領域の不純物濃度が濃く、当該
B領域と隣り合い、N型拡散層14に接するA領域の不
純物濃度が最も低くなっている。尚、前述したように不
純物層に濃度勾配を持たせるための熱処理工程は、半導
体装置の製造工程で通常行われているN型ウエルやP型
ウエル形成用の熱処理工程と同時に行うことで、徒に製
造工程数が増大することはない。
【0024】このように本発明では、チャネル濃度が勾
配を持ち、複数のしきい値電圧が存在する構成を採用す
ることで、N型拡散層14に近い側から反転層がゲート
電圧と共に徐々に形成されるため、従来のように容量変
化がしきい値電圧付近で急峻に変化することなく、緩や
かな容量変化が得られる。
【0025】図3の実線は、上記構成を採用したMOS
型バリキャップにおけるシミュレーション結果を示して
おり、上述したように緩やかに容量変化することが証明
された。
【0026】以下、本発明の他の実施形態について図面
を参照しながら説明する。
【0027】先ず、図4(a)は本発明の第2の実施形
態の半導体装置(可変容量素子)を示す平面図である。
【0028】図4(a)に示すように、第2の実施形態
の特徴は、ゲート電極23下に形成する不純物拡散層2
4の幅(つまり、ゲート幅)が多段階に構成されている
ことである。当該第2の実施形態ではゲート電極下の拡
散層24の形状を工夫することで、複数のしきい値電圧
を持ったMOS型トランジスタ構造を実現していること
である。
【0029】即ち、図4(a)に示すようにゲート電極
23の中心部で当該拡散層24の幅サイズが最も狭く、
ゲート電極23の両端部で拡散層24の幅サイズが最も
広くなるように構成している。25は活性領域を示して
いる。
【0030】これにより、本実施形態では、図4(b)
に示すように、しきい値電圧の狭チャネル効果により、
チャネル中央に向け、徐々にしきい値電圧が高くなるこ
とを利用している。
【0031】尚、図4(c)に示すようにゲート電極2
3Aに対して拡散層24Aの幅サイズが紙面左側(もし
くは紙面右側)から狭くなるように多段階に構成される
ものであっても構わない。25Aは活性領域を示してい
る。
【0032】また、図5は本発明の第3の実施形態の半
導体装置(可変容量素子)を示す平面図である。
【0033】図5に示すように、第3の実施形態の特徴
は、複数の異なるしきい値電圧を有するMOS型トラン
ジスタ(A),(B),(C)を複数個備えて成る可変
容量素子を構成したことである。
【0034】即ち、図5に示すようにゲート電極33と
ソース(S)・ドレイン(D)領域34から成るMOS
型トランジスタ(A),(B),(C)を構成してい
る。尚、前記MOS型トランジスタ(A)のゲート幅
(GW)は最も広く、前記MOS型トランジスタ(C)
のゲート幅は最も狭く、前記MOS型トランジスタ
(B)のゲート幅はその中間である。35は活性領域を
示している。
【0035】このように異なるしきい値電圧を持ったM
OSトランジスタを構成することで、第2の実施形態と
同様のバリキャップ特性を有する可変容量素子を実現で
きる。
【0036】更に、図6(a)は本発明の第4の実施形
態の半導体装置(可変容量素子)を示す平面図で、図6
(b)は図6(a)中のA−A線断面図である。
【0037】図6(a)、(b)に示すように、第4の
実施形態の特徴は、チャネル領域上に構成するゲート電
極43が細分化されている(ゲート長サイズが均一でな
い)ことである。当該第4の実施形態ではゲート電極4
3を細分化構成することで、複数のしきい値電圧を持っ
たMOS型トランジスタ構造を実現していることであ
る。
【0038】即ち、図6(a)、(b)に示すようにゲ
ート電極43の中心部が最もゲート長(GL)サイズが
長く、ゲート電極43の端部に向かうに従ってゲート長
サイズが短くなるように構成している。44は不純物拡
散層で、45は活性領域を示している。
【0039】これにより、本実施形態では、図6(c)
に示すように、しきい値電圧の短チャネル効果により、
チャネル中央に向け、徐々にしきい値電圧が高くなるこ
とを利用している。
【0040】尚、第5の実施形態として、図7に示すよ
うに、例えばチャネル領域上に構成する、細分化された
ゲート電極43Aのゲート長サイズが均一ではなく、図
6(a),(b)に示す実施形態とは逆に、その中央部
に配置されるゲート長が最も狭くなるように構成するも
のであっても構わない。44Aは不純物拡散層で、45
Aは活性領域を示している。
【0041】尚、第1、第2、第3、第4及び第5の実
施形態の説明では、本発明をNチャネルMOS型トラン
ジスタ構造に適用した一例を紹介してが、PチャネルM
OS型トランジスタ構造に適用するものであっても同等
の効果が得られる。
【0042】更に、本実施形態では、水晶発振回路に限
らず、セラミック発振回路、LC発振回路等の他の発振
回路等に適用可能なものである。
【0043】
【発明の効果】本発明の半導体装置によれば、MOS型
トランジスタ構造で、ゲート電極とソース・ドレイン間
の容量をバリキャップとして用いて、前記ゲート電極下
のチャネル領域に形成された不純物層が濃度勾配を有す
るように形成することで、携帯機器等に使用される水晶
発振回路等の半導体装置(可変容量素子)における容量
比を自由に大きくすることで、周波数の可変範囲を広く
するができる。
【0044】また、低電圧化しても大きな容量比が得ら
れる。また、得たい容量をパターン面積で制御できる。
【0045】更には、ダイオードのように順方向電流が
流れないといった利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用された水晶発振回路を示す構成回
路図である。
【図2】本発明の第1の実施形態の可変容量素子を示す
図である。
【図3】本発明に係る電圧変化に対する容量値の変化に
関する特性図である。
【図4】本発明の第2の実施形態の可変容量素子を示す
図である。
【図5】本発明の第3の実施形態の可変容量素子を示す
図である。
【図6】本発明の第4の実施形態の可変容量素子を示す
図である。
【図7】本発明の第5の実施形態の可変容量素子を示す
図である。
【図8】従来の水晶発振回路を示す構成回路図である。
【符号の説明】
1 水晶発振回路 2 水晶振動子 5 CMOSインバータ 8 可変容量素子 11 半導体装置 13 ゲート電極 14 拡散層 15 チャネル領域

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 MOS型トランジスタ構造で、ゲート電
    極とソース・ドレイン間の容量をバリキャップとして用
    いる半導体装置において、 前記ゲート電極下のチャネル領域に形成された不純物層
    が濃度勾配を有するように形成されていることを特徴と
    する半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記ゲート電極下のチャネル領域に形成
    された不純物層が、当該ゲート電極の中央部で最も不純
    物濃度が高くなるように形成されていることを特徴とす
    る請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記ゲート電極下のチャネル領域に形成
    された不純物層が、当該ゲート電極の中央部で最も不純
    物濃度が高く、ソース・ドレイン付近で不純物濃度が最
    も低くなるように形成されていることを特徴とする請求
    項1または請求項2に記載の半導体装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1858156A4 (en) * 2005-12-15 2010-01-20 Asahi Kasei Emd Corp OSCILLATOR CONTROLLED IN VOLTAGE
CN102420569A (zh) * 2011-11-23 2012-04-18 苏州麦格芯微电子有限公司 一种线性电压控制晶体振荡器
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