JP2008098301A - Oscillation circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発振回路に関し、特に、半導体集積回路に搭載する発振周波数制御用の可変容量素子と、直流信号遮断用の固定容量素子とを備えた発振回路に関する。 The present invention relates to an oscillation circuit, and more particularly to an oscillation circuit including a variable capacitance element for controlling an oscillation frequency and a fixed capacitance element for blocking a DC signal, which are mounted on a semiconductor integrated circuit.
従来のこの種の一般的な発振回路は、固定容量素子と可変容量素子とを、半導体基板上の別々の領域に形成している。ところが、このような構成によると、半導体基板上の別々の領域に固定容量素子と可変容量素子とを形成するので、半導体基板における面積の利用効率が劣るという不都合がある。また、固定容量素子は通常、フィールド酸化膜上に形成されるが、固定容量素子の下側の電極と半導体基板との間に寄生容量を生じてしまい、容量変化率が低下して、周波数可変幅が小さくなるという不都合もある。一方、導電性に優れた金属を固定容量素子の一つの電極に使用したいという要望がある。 In a conventional general oscillation circuit of this type, a fixed capacitance element and a variable capacitance element are formed in different regions on a semiconductor substrate. However, according to such a configuration, since the fixed capacitance element and the variable capacitance element are formed in different regions on the semiconductor substrate, there is an inconvenience that the use efficiency of the area in the semiconductor substrate is inferior. In addition, the fixed capacitance element is usually formed on the field oxide film, but parasitic capacitance is generated between the lower electrode of the fixed capacitance element and the semiconductor substrate, the capacitance change rate is lowered, and the frequency is variable. There is also a disadvantage that the width becomes small. On the other hand, there is a demand to use a metal having excellent conductivity for one electrode of a fixed capacitance element.
従来においても、上述の不都合を解消するものとして、固定容量素子と可変容量素子とを、半導体基板上のフィールド酸化膜が存在しない同一領域に上下に重ねて形成することが提案されているが、固定容量素子に金属電極は使用されていない。 Conventionally, as a means for solving the above-described inconvenience, it has been proposed to form a fixed capacitor element and a variable capacitor element so as to overlap each other in the same region where no field oxide film exists on the semiconductor substrate. A metal electrode is not used for the fixed capacitance element.
上記改良提案においては、固定容量素子は可変容量素子の上に直接位置し、ほぼ同サイズ、同形状で形成されている。この場合、固定容量素子の第2の電極(下部電極)上に絶縁膜を介して設けられる第3の電極(上部電極)を金属膜で構成すると、半導体基板上の全面に金属膜を形成し、エッチングして前記第3の電極(金属電極)をパターニングする際に、前記第2の電極の段差部に前記第3の電極が残らないようにオーバーエッチングをするが、その時に下地の酸化膜もエッチングされ、しまいにはシリコン基板もエッチングされ、シリコントレンチが発生する。上部電極にポリシリコンなどのシリコン系材料が使われる場合には、下地の酸化膜と選択比が良い条件でエッチングを行い、シリコントレンチが発生しないように制御することは容易であるが、金属膜を使った場合には同様の方法ではこれを防ぐことは困難である。そして、シリコントレンチが発生した場合、それが半導体基板に形成した拡散領域である可変容量素子に達し、これによってリークが発生して可変容量素子の信頼性が低下するという問題があった。本発明は、この問題を解消した発振回路を提供することを目的とする。 In the above improvement proposal, the fixed capacitance element is located directly on the variable capacitance element, and is formed in substantially the same size and shape. In this case, if the third electrode (upper electrode) provided on the second electrode (lower electrode) of the fixed capacitance element via the insulating film is formed of a metal film, the metal film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate. Then, when patterning the third electrode (metal electrode) by etching, overetching is performed so that the third electrode does not remain in the stepped portion of the second electrode. Are etched, eventually the silicon substrate is also etched to form silicon trenches. When a silicon-based material such as polysilicon is used for the upper electrode, it is easy to perform etching under conditions that have a good selection ratio with the underlying oxide film and to prevent the formation of silicon trenches. It is difficult to prevent this by using the same method. When a silicon trench is generated, it reaches a variable capacitance element that is a diffusion region formed in a semiconductor substrate, and this causes a problem that leakage occurs and the reliability of the variable capacitance element decreases. An object of the present invention is to provide an oscillation circuit that solves this problem.
すなわち、本発明の請求項1に係る発振回路は、増幅用のインバータと、前記インバータの入出力端それぞれに直列接続されて設けられた発振周波数制御用の可変容量素子および直流信号遮断用の固定容量素子と、振動子を外付けするための一対の端子と、前記可変容量素子の容量値を調整し発振周波数を制御する周波数制御用信号を入力するための端子とを備えた半導体集積回路に搭載する発振回路であって、半導体基板表面においてフィールド酸化膜により囲まれた領域にPN接合を有する可変容量素子を形成し、この可変容量素子の上に絶縁層を介してポリシリコン電極と、絶縁膜と、金属電極とを順次積層してなり、前記ポリシリコン電極のエッジ部分が前記フィールド酸化膜上に位置するように延在する固定容量素子を形成したものである。前記金属電極としては、モリブデン、タングステン、チタン等を用いることができる。 That is, an oscillation circuit according to claim 1 of the present invention includes an amplification inverter, an oscillation frequency control variable capacitor provided in series with each of the input and output terminals of the inverter, and a DC signal blocking fixed. A semiconductor integrated circuit including a capacitive element, a pair of terminals for externally attaching a vibrator, and a terminal for inputting a frequency control signal for adjusting a capacitance value of the variable capacitive element and controlling an oscillation frequency An oscillation circuit to be mounted, in which a variable capacitance element having a PN junction is formed in a region surrounded by a field oxide film on the surface of a semiconductor substrate, and insulated from a polysilicon electrode via an insulating layer on the variable capacitance element A fixed capacitance element is formed by sequentially laminating a film and a metal electrode, and extending so that an edge portion of the polysilicon electrode is positioned on the field oxide film. It is. As the metal electrode, molybdenum, tungsten, titanium, or the like can be used.
また、本発明の請求項2に係る発振回路は、上述した請求項1記載の構成において、固定容量素子を構成するポリシリコン電極は、側面がテーパ状に形成されている。 According to a second aspect of the present invention, in the oscillation circuit according to the first aspect described above, the side surface of the polysilicon electrode constituting the fixed capacitance element is tapered.
本発明の請求項3に係る発振回路は、上述した請求項1記載の構成において、半導体基板表面の各容量素子とは上下に重ならない位置に、破壊電圧保護用のスナップバックトランジスタを形成したものである。 According to a third aspect of the present invention, in the oscillation circuit according to the first aspect, a snap-back transistor for protecting a breakdown voltage is formed at a position that does not overlap with each capacitive element on the surface of the semiconductor substrate. It is.
本発明の請求項4に係る発振回路は、上述した請求項3記載の構成において、さらにフィールド酸化膜下の半導体基板表面に設けられた第1のN型拡散層と、前記フィールド酸化膜で区画された外側に形成された第2のN型拡散層とを有し、可変容量素子を構成するN型拡散層は、前記第1および第2のN型拡散層を介して外部端子に電気的に接続されるとともに、前記第2のN型拡散層はスナップバックトランジスタのコレクタ領域を構成するものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an oscillation circuit according to the third aspect, further comprising a first N-type diffusion layer provided on the surface of the semiconductor substrate below the field oxide film and the field oxide film. A second N-type diffusion layer formed on the outer side, and the N-type diffusion layer constituting the variable capacitance element is electrically connected to an external terminal via the first and second N-type diffusion layers. And the second N-type diffusion layer constitutes a collector region of the snapback transistor.
本発明に係る発振回路によれば、容量素子の寄生容量を低減することで、容量変化率の低下を防止して周波数可変幅を拡大でき、また、容量素子の形成領域の面積を縮小して小型化に寄与できるほか、固定容量素子の電極に金属を用いるので、導電性に優れ、容量としての機能が向上し、さらには、固定容量素子の下部電極の端をフィールド酸化膜上に設けるので、金属電極のパターニングの際にポリシリコン電極のエッジ部でオーバーエッチングによるシリコントレンチ発生の虞がなくなる。また、ポリシリコン電極の側面をテーパ状に形成すると、金属電極のパターニングの際に、前記ポリシリコン電極の側壁に金属電極材料が残らないものである。さらに、外部から入力する破壊電圧から回路を保護するためのスナップバックトランジスタを設けた場合には、他の保護素子、例えば、ESD保護ダイオードを設けた場合と比較して占有面積を縮小することができ、小型化に寄与することができる。 According to the oscillation circuit of the present invention, by reducing the parasitic capacitance of the capacitive element, it is possible to prevent a decrease in the rate of change in capacitance and expand the frequency variable width, and to reduce the area of the capacitor element forming region. In addition to contributing to downsizing, metal is used for the electrode of the fixed capacitor element, so that the conductivity is excellent, the function as a capacitor is improved, and the end of the lower electrode of the fixed capacitor element is provided on the field oxide film. In the patterning of the metal electrode, there is no possibility that silicon trenches are generated due to over-etching at the edge of the polysilicon electrode. In addition, when the side surface of the polysilicon electrode is tapered, the metal electrode material does not remain on the side wall of the polysilicon electrode when the metal electrode is patterned. Furthermore, when a snapback transistor for protecting a circuit from a breakdown voltage input from the outside is provided, the occupied area can be reduced as compared with the case where another protection element, for example, an ESD protection diode is provided. Can contribute to downsizing.
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。ここにおいて、図1は水晶振動子を外付けした状態の発振回路の全体構成を示す回路図、図2は図1の鎖線Aで囲まれた部分における容量素子構造を示す断面図、図3は同じく平面図である。まず、回路の全体構成を図1に基づいて説明する。発振回路1は、水晶振動子2を外付けするための端子3,4と、増幅用のインバータ5及びその帰還抵抗6を設ける一方、インバータ5の入力端子と前記端子3との間には、直流遮断用の固定容量素子であるモリブデン電極(図2では71)とポリシリコン電極(図2では72)を備えてなるコンデンサ7を設け、インバータ5の出力端子と前記端子4との間には、直列接続されたダンピング抵抗8と直流遮断用の固定容量素子であるコンデンサ9を備えている。なお、前記モリブデン電極(図2では71)は前記端子3側、前記ポリシリコン電極(図2では72)は前記インバータ5側に位置している。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Here, FIG. 1 is a circuit diagram showing the overall configuration of an oscillation circuit with an externally attached crystal resonator, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a capacitive element structure in a portion surrounded by a chain line A in FIG. 1, and FIG. It is also a plan view. First, the overall configuration of the circuit will be described with reference to FIG. The oscillation circuit 1 is provided with terminals 3 and 4 for externally attaching the crystal resonator 2, an amplification inverter 5 and its
また、端子3とコンデンサ7との間には、発振周波数制御用の可変容量素子であるPN接合ダイオード10のカソード側を接続している。このPN接合ダイオード10のカソード側(図2では102)は負荷抵抗12を介して、周波数制御用の外部電圧を入力するための制御電圧端子14にも接続する一方、アノード側(図2では101)は接地(VSS電位)している。同様に、端子4とコンデンサ9との間には、発振周波数制御用の可変容量素子であるPN接合ダイオード11のカソード側を接続している。そして、このPN接合ダイオード11のカソード側は負荷抵抗13を介して、周波数制御用の外部電圧を入力するための制御電圧端子14にも接続する一方、アノード側は接地(VSS電位)している。
Further, between the terminal 3 and the capacitor 7, the cathode side of a
さらに、PN接合ダイオード10のカソードには、破壊電圧保護用のNPN型スナップバックトランジスタ15のコレクタ端子(図2では151)を接続し、前記PN接合ダイオード10のアノードには、前記スナップバックトランジスタ15のエミッタ端子(図2では153)を接続している。そして、前記スナップバックトランジスタ15のゲート端子(図2では152)とエミッタ端子(図2では153)は接地(VSS電位)している。同様に、PN接合ダイオード11のカソードには、破壊電圧保護用のNPN型スナップバックトランジスタ16のコレクタ端子を接続し、前記PN接合ダイオード11のアノードには、前記スナップバックトランジスタ16のエミッタ端子を接続している。そして、前記スナップバックトランジスタ16のゲート端子とエミッタ端子は接地(VSS電位)している。
Further, a collector terminal (151 in FIG. 2) of an NPN-
続いて、容量素子構造を説明する。図2に示すように、図1の鎖線Aで囲まれた部分に対応する半導体基板(図示せず)のP型ウェル層21には、このP型ウェル層21よりも拡散濃度の高いP型拡散領域22、このP型拡散領域22よりも拡散濃度の高いP型拡散領域152とN型拡散領域23,24を形成し、これらの上にはフィールド酸化膜25,25aを設けている。また、前記各領域22,152,23,24よりも浅い領域に、より拡散濃度の高いP型拡散領域27とN型拡散領域26,151,153を設けている。上述したように、前記各N型拡散領域151,153とP型拡散領域152によって、NPN型スナップバックトランジスタ(図1では15)を構成している。そして、前記N型拡散領域26,151,153は、発振回路を構成するN型MOSトランジスタのソースおよびドレイン拡散層の形成と同一工程で形成することができ、また、前記P型拡散領域27は、発振回路を構成するP型MOSトランジスタのソースおよびドレイン拡散層の形成と同一工程で形成することができるため、少ない工程でNPN型スナップバックトランジスタを設けることが可能である。
Subsequently, the capacitive element structure will be described. As shown in FIG. 2, a P-
フィールド酸化膜25aおよびその下の各N型拡散領域23,24で区画された領域には、高濃度のP型拡散領域101とN型拡散領域102からなるPN接合ダイオード(図1では10)で構成される可変容量素子を形成している。このPN接合ダイオード101,102に対応する領域上には、ポリシリコン電極72と、絶縁体であるシリコン酸化膜74及びシリコン窒化膜73と、モリブデン電極71を順次積層してなる固定容量素子であるコンデンサ(図1では7)を形成している。可変容量素子を構成するN型拡散領域102と、固定容量素子を構成するポリシリコン電極72との間には、絶縁膜75が形成されている。
A region partitioned by the
図3でより理解できるように、モリブデン電極71はポリシリコン電極72よりも平面上小さく形成されている。ポリシリコン電極72は、図3の平面図上は明確に表されていないが、矩形状のシリコン窒化膜73とほぼ同じ形状にて、その下層に形成されている。フィールド酸化膜25aは、図3上鎖線で囲まれている絶縁膜75部分の外側で、環状に形成している。また、N型拡散領域26とN型拡散領域151は同電位となっている。
As can be understood from FIG. 3, the
上述のように、モリブデン電極71はポリシリコン電極72よりも平面上小さく形成される(図2参照)が、ポリシリコン電極72のエッジ部分はフィールド酸化膜25a上に位置している(図2参照)ので、モリブデン電極71のパターニングに際して、モリブデン形成時のオーバーエッチングが起こっても、前記フィールド酸化膜25aの存在により、エッジ部の直下に位置するN型拡散領域23,24に達するまでエッチングされることはない。これによってN型拡散領域23,24でシリコントレンチが発生しないのでリークが生じる虞がなくなる。また、ポリシリコン電極72の側面をテーパ状に形成することで、モリブデン電極71のパターニングの際に、ポリシリコン電極72の側壁にモリブデン電極材料が残らないようにすることができる。
As described above, the
図2に金属配線の取出部a〜fを示したが、金属配線による接続関係を説明すると、モリブデン電極71は、取出部aと取出部bを接続することで、N型拡散領域151とN型拡散領域102に接続される一方、前記取出部aを介して端子3に接続され、前記N型拡散領域151は、取出部bに接続する取出部aを介して端子3に接続される一方、取出部cを介してN型拡散領域26とともに端子14に接続される(図1参照)。このように、端子3,14と接続するための取出部b,cを容量素子形成領域の外部に設けたので、配線作業が容易となる。また、P型拡散領域27には、取出部dからP型ウェル層21を介して半導体基板に電位を与えるべく、VSS電位が付与され、N型拡散領域153にも取出部eからVSS電位が付与されている。さらに、ポリシリコン電極72は取出部fを介してインバータ5の入力端子に接続されている。このポリシリコン電極72における他素子との接続配線は、その上部のモリブデン電極71を小さく形成したことにより、平面上コンタクト部形成のためのスペースが確保され、容易になし得る。
FIG. 2 shows the extraction portions a to f of the metal wiring. The connection relationship between the metal wirings will be described. The
なお、図示していないが、コンデンサ9とPN接合ダイオード11についても、上述したコンデンサ7とPN接合ダイオード10と同様に形成されるものである。また、NPN型スナップバックトランジスタ15,16は、他の保護素子に換えてもよいし、保護素子を必ずしも設ける必要はない。
Although not shown, the capacitor 9 and the PN junction diode 11 are also formed in the same manner as the capacitor 7 and the
1 発振回路
2 水晶振動子
3,4,14 端子
5 インバータ
7,9 コンデンサ(固定容量素子)
10,11 PN接合ダイオード(可変容量素子)
15,16 NPN型スナップバックトランジスタ
25,25a フィールド酸化膜
71 モリブデン電極
72 ポリシリコン電極
73 シリコン窒化膜
74 シリコン酸化膜
75 絶縁膜
101 P型拡散領域
102 N型拡散領域
151,153 N型拡散領域
152 P型拡散領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oscillation circuit 2
10,11 PN junction diode (variable capacitor)
15, 16 NPN
Claims (4)
半導体基板表面においてフィールド酸化膜により囲まれた領域にPN接合を有する可変容量素子を形成し、この可変容量素子の上に絶縁層を介してポリシリコン電極と、絶縁膜と、金属電極とを順次積層してなり、前記ポリシリコン電極のエッジ部分が前記フィールド酸化膜上に位置するように延在する固定容量素子を形成してなる
ことを特徴とする発振回路。 An inverter for amplification, a variable capacitance element for controlling oscillation frequency and a fixed capacitance element for blocking DC signal provided in series with each input / output terminal of the inverter, and a pair of external oscillators An oscillation circuit mounted on a semiconductor integrated circuit comprising a terminal and a terminal for inputting a frequency control signal for adjusting a capacitance value of the variable capacitance element and controlling an oscillation frequency;
A variable capacitor having a PN junction is formed in a region surrounded by a field oxide film on the surface of the semiconductor substrate, and a polysilicon electrode, an insulating film, and a metal electrode are sequentially formed on the variable capacitor via an insulating layer. An oscillation circuit comprising: a laminated capacitor, and a fixed capacitance element extending so that an edge portion of the polysilicon electrode is positioned on the field oxide film.
The oscillation circuit further includes a first N-type diffusion layer provided on the surface of the semiconductor substrate below the field oxide film, and a second N-type diffusion layer formed on the outside partitioned by the field oxide film. The N-type diffusion layer constituting the variable capacitance element is electrically connected to an external terminal through the first and second N-type diffusion layers, and the second N-type diffusion layer is a snapback transistor. 4. The oscillation circuit according to claim 3, wherein the collector region is configured as follows.
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