JP4477051B2

JP4477051B2 - 半導体集積回路及びｍｅｍｓ型可変容量キャパシタの制御方法

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Publication number: JP4477051B2
Application number: JP2007236177A
Authority: JP
Inventors: 淳鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP2009070940A; US20120068672A1; US8076912B2; US8564258B2; US20090066299A1

Description

本発明は、半導体集積回路、より詳しくは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）を用いた可変容量キャパシタ（以下、ＭＥＭＳ可変容量キャパシタという）を制御するための半導体集積回路と、そのようなＭＥＭＳ型可変容量キャパシタの制御方法に関する。

ＭＥＭＳ可変容量キャパシタは、ＭＥＭＳ構造の相対的可動部分にキャパシタの電極を形成し、この可動部分を変形させることにより２つの電極間の距離を物理的に変化させて電極間の容量を変化させることができるキャパシタである。たとえば、キャパシタの電極（主電極）以外に、変形・容量変化のために設けられた補助電極が設けられ、この補助電極間に電圧（変形電圧Ｖａｃｔ）を印加することで、クーロン力によりキャパシタの電極間の距離を縮め、これによりキャパシタの静電容量を増加させることができる。逆に、補助電極間への電圧印加を停止すると、可動分の変形を戻そうとする弾性力が働き、キャパシタ電極は元の位置に戻り、キャパシタの静電容量も元の値まで減少する。

電極間の距離を縮めた後、キャパシタの静電容量を一定に維持したい場合には、補助電極間にある一定電圧（維持電圧Ｖｈｏｌｄ）を印加し続けて、そのキャパシタの電極の間の距離を一定に保つ必要がある。また、この維持電圧（Ｖｈｏｌｄ）は電極間の距離を縮める時の変形電圧（Ｖａｃｔ）に比べて低い電圧である。

この維持電圧Ｖｈｏｌｄは、補助電極間に挟まれる絶縁体の中にトラップされる電荷量を小さくしＭＥＭＳ可変容量キャパシタの信頼性を高めるため、また、消費電力を抑えるため、できるだけ低い電圧に設定されることが望ましい。

しかし、単純に維持電圧Ｖｈｏｌｄを低くすることは、容量変化のための時間が長くなるなどの不都合を生じさせることがある。
特開２００２−３６１９７号公報

この発明は、ＭＥＭＳ可変容量キャパシタの消費電力を小さくし、動作時間も短くすることができる半導体集積回路を提供するものである。

本発明の一態様に係る半導体集積回路は、ＭＥＭＳ構造を有し周波数変調のための主電極、及び前記主電極の間の距離を変化させてキャパシタの静電容量を変化させるための補助電極を備えたＭＥＭＳ可変容量キャパシタを制御するための半導体集積回路において、前記主電極間の距離を縮めるための第１電圧を生成する第１ポンプ回路と、前記第１電圧を所定の上限値に制限する第１リミッタ回路と、前記主電極間の距離を一定に保つための第２電圧を生成し第１の供給能力を有する第２ポンプ回路と、前記第２ポンプ回路で生成された前記第２電圧を所定の上限に制限する第２リミッタ回路と、前記第２電圧を生成し前記第１の供給能力よりも小さい第２の供給能力を有する第３ポンプ回路と、前記第３ポンプ回路で生成された前記第２電圧を所定の上限に制限する第３リミッタ回路と、前記第２電圧のリプルを抑えるためのリプル用キャパシタと、前記第１ポンプ回路及び前記第１リミッタ回路を動作させて前記第１電圧を生成している時間内に、前記第２ポンプ回路及び前記第２リミッタ回路を動作させて前記リプル用キャパシタを前記第２電圧まで充電すると共に、前記第１電圧の生成が終了した後は、前記第２ポンプ回路及び前記第２リミッタ回路の動作を停止させる一方、前記第３ポンプ回路及び前記第３リミッタ回路を動作させて前記第２電圧を発生させる制御回路と、前記第１電圧と前記第２電圧を選択的に前記補助電極に与えるスイッチ回路とを備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係るＭＥＭＳ可変容量キャパシタを制御する制御方法は、ＭＥＭＳ構造を有し周波数変調のための主電極、及び前記主電極の間の距離を変化させてキャパシタの静電容量を変化させるための補助電極を備えたＭＥＭＳ可変容量キャパシタを制御する制御方法において、第１ポンプ回路を動作させて、前記主電極間の距離を縮めるための第１電圧を生成している時間内に、第２ポンプ回路を動作させて、前記主電極間の距離を一定に保つため補助電極に供給されるべき第２電圧を生成し、スイッチ回路により前記第１電圧のみを前記補助電極に供給する制御を実行するステップと、前記第１電圧の生成が終了した後、前記第２ポンプ回路の動作を停止させる一方、前記第２ポンプ回路より供給能力が小さい第３ポンプ回路を動作させて前記第２電圧を生成して、前記スイッチ回路により前記第１電圧に代えて前記第２電圧のみを前記補助電極に供給する制御を実行するステップとを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、ＭＥＭＳ可変容量キャパシタの消費電力を小さくし、動作時間も短くすることができる。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１に、本実施の形態に係る半導体集積回路の構成を示す。この半導体集積回路は、ＭＥＭＳ型可変容量キャパシタ１０と、これを制御するためのドライバＩＣ２０とを備えている。ＭＥＭＳ型可変容量キャパシタ１０と、ドライバＩＣ２０とは、同一のシリコン基板（図示せず）上に形成し得る。ただし、両者を別の基板上に形成して配線で接続することも可能である。

図１にＭＥＭＳ可変容量キャパシタ１０の構造の一例を示す。このＭＥＭＳ可変容量キャパシタ１０は、基板（図示せず）に対し固定の梁部１１から延びる可動部１２と固定部１３とを有し、可動部１２に上部電極１４を、固定部１３に下部電極１５を形成してなる。下部電極１５の表面には、上部電極１４との短絡を防ぐため、シリコン酸化膜等からなる絶縁膜１６が形成されている。

上部電極１４が形成される可動部１２は梁部１１（基板）に対し弾性力を持って可動に構成されている。このため、上部電極１４は下部電極１５に対し物理的に移動することが可能である。上部電極１４と下部電極１５とで構成されるキャパシタの静電容量Ｃｒｆは、両電極間の距離ｄに応じて変化する。固定部１３は梁部１１に対して固定されている。

上部電極１４、下部電極１５は、電荷を保持するための主電極１４ａ、１５ａに加え、主電極１４ａ、１５ａ間の距離を縮め又は維持するための補助電極１４ｂ、１５ｂを備えている。補助電極１４ｂ、１５ｂ間に、距離ｄを縮めるための電圧（変形電圧Ｖａｃｔ）を印加することで、クーロン力により主電極１４ａ、１５ａ間の距離ｄを縮めることができる。逆に、補助電極１４ｂ、１５ｂの間への電圧印加を止めると、可動部１２は、元の位置に戻そうとする弾性力により、元の位置に戻る。したがって、主電極１４ａ、１５ａ間の距離を縮めた後は、補助電極１４ｂ、１５ｂ間にある一定電圧（維持電圧Ｖｈｏｌｄ）を印加し続けて、その距離ｄを一定に保つことで増加した容量Ｃｒｆを維持することができる。

また、この維持電圧Ｖｈｏｌｄは変形電圧Ｖａｃｔに比べて低い電圧となっている。維持電圧Ｖｈｏｌｄを低い電圧にすることで、補助電極１４ｂ、１５ｂ間に挟まれる絶縁体１６の中にトラップされる電荷量を小さくし、信頼性を高めている。

このような補助電極１４ｂ、１５ｂに印加する電圧をドライバＩＣ２０内の昇圧回路により生成する。図２に、距離ｄを変化・維持させる場合において、ドライバＩＣ２０が生成し補助電極１４ｂ、１５ｂ間に供給する電圧の時間変化を示す。はじめに、補助電極１４ｂ、１５ｂ間に、距離ｄを縮めるため、前述の変形電圧Ｖａｃｔを印加する。その後、距離ｄを縮めた後、これを一定に保つのに必要な電圧として、補助電極１４ｂ、１５ｂ間にＶａｃｔよりも低い維持電圧Ｖｈｏｌｄを印加する。これにより、距離ｄが小さくなったことにより増加した容量Ｃｒｆを高い状態に維持することができる。

図３にドライバＩＣ２０内の構造をブロック図により示す。このドライバＩＣ２０は、変形電圧Ｖａｃｔを生成・供給するための構成として、Ｖａｃｔ用ポンプ回路２１、Ｖａｃｔ用リミッタ回路２２、及びＶａｃｔ用スイッチ２３を備えている。

Ｖａｃｔ用ポンプ回路２１は、一般的なチャージポンプ回路により構成することができ、制御回路２８からのパルス信号により、図示しない電源電圧をパルス毎に昇圧する。Ｖａｃｔ用リミッタ回路２２は、Ｖａｃｔ用ポンプ回路２１の出力電圧を所定の上限値に制限するための回路であり、たとえば図４に示すように、分割抵抗２２１、差動増幅器２２２、及びインバータ回路２２３からなる。ポンプ回路２１からの出力信号が出力される出力ノードＡＣＴＮＯＤＥが、入力端子ＩＮに接続されている。

分割抵抗２２１は、抵抗分割比（Ｒ１、Ｒ２）に基づく出力電圧を出力する。差動増幅器２２２は、この出力電圧と、図示しない基準電圧発生回路で生成された基準電圧Ｖｒｅｆとを差動増幅する。この差動増幅信号が、インバータ回路２２３を介してＶａｃｔ用ポンプ回路２１にフィードバックされ、これにより、出力ノードＡＣＴＮＯＤＥの電圧が、一定の電圧（変形電圧Ｖａｃｔ）に保たれる。Ｖａｃｔ用スイッチ２３は、Ｖａｃｔ用ポンプ回路２１、及びＶａｃｔ用リミッタ回路２２が動作中のみオンとされ、その他の期間はオフとされている。

また、このドライバＩＣ２０は、維持電圧Ｖｈｏｌｄを生成・供給するための第１の系統として、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａ、Ｖｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ａ、及びＶｈｏｌｄ用スイッチ２６ａを備えている。Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａは、前述のＶａｃｔ用ポンプ回路と同様に、公知のチャージポンプ回路により構成することができ、制御回路２８からのパルス信号により、図示しない電源電圧をパルス毎に昇圧する。このＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａの供給能力は、後述するＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｂの供給能力より高く設定されている。また、Ｖｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ａは、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａの出力電圧を所定の上限値に制限するための回路であり、図４に示したような、Ｖａｃｔ用リミッタ回路２２と同様の構成とすることができる。これら第１の系統のＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａ、及びＶｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ａは、Ｖａｃｔ用ポンプ回路２１、及びＶａｃｔ用リミッタ回路２２が変形電圧Ｖａｃｔを生成している時間内において同時に動作するよう、制御回路２８により制御される。Ｖｈｏｌｄ用スイッチ２６ａは、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａ、及びＶｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ａが動作中のみオンとされ、その他の期間はオフとされている。Ｖｈｏｌｄ用スイッチ２６ａがオンとされている間、リプル用キャパシタ２７が充電される。

さらに、ドライバＩＣ２０は、維持電圧Ｖｈｏｌｄを生成・供給するための第２の系統として、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｂ、Ｖｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ｂ、及びＶｈｏｌｄ用スイッチ２６ｂを備えている。Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｂは、前述のＶａｃｔ用ポンプ回路２１及びＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａと同様に、公知のチャージポンプ回路により構成されることができ、制御回路２８からのパルス信号により、図示しない電源電圧をパルス毎に昇圧する。このＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｂの供給能力は、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａの供給能力より低く設定されている。すなわち、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｂは、その出力電圧を維持電圧Ｖｈｏｌｄに上げるまでの時間が、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａよりも長い。ただしその分、消費電力は小さくされている。

また、Ｖｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ｂは、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｂの出力電圧を所定の上限値に制限するための回路であり、具体的には、図４に示したような、Ｖａｃｔ用リミッタ回路２２と同様の構成とすることができる。Ｖｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ｂのバイアス電流（入力電圧ノードＩＮから分割抵抗２２１を流れる電流）は、Ｖｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ａのバイアス電流よりも小さく設定することができる。Ｖｈｏｌｄ用スイッチ２６ｂは、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｂ、及びＶｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ｂが動作中のみオンとされ、その他の期間はオフとされている。Ｖｈｏｌｄ用スイッチ２６ｂがオンとされている間、リプル用キャパシタ２７が充電される。

この第２の系統のＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｂ、及びＶｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ｂは、変形電圧Ｖａｃｔの生成が終了した後、第１の系統のＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａ、及びＶｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ａに代わって維持電圧Ｖｈｏｌｄを生成するよう、制御回路２８により制御される。すなわち、第１の系統（２４ａ、２５ａ、２６ａ）と第２の系統（２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ）は、同時に動作するのではなく、前者はＶａｃｔ用ポンプ回路２１、Ｖａｃｔ用リミッタ回路２２が動作している期間内のみ動作し、後者は、Ｖａｃｔ用ポンプ回路２１、Ｖａｃｔ用リミッタ回路２２の動作が停止後は常に動作する。

なお、この第１、第２の系統の共通の出力ノードＨＯＬＤＮＯＤＥには、維持電圧Ｖｈｏｌｄを一定に保つためのリプル用キャパシタ２７が設けられている。さらに、この出力ノードＨＯＬＤＮＯＤＥの電圧を選択的に出力するため、Ｖｈｏｌｄ用スイッチ２６ｃが設けられている。

ここで、比較例として、従来のドライバＩＣ２０´の構成を図５を参照して説明する。本実施の形態（図３）と同一の部分については同一の符号を付し、以下では説明は省略する。この従来のドライバＩＣ２０´は、維持電圧Ｖｈｏｌｄを生成・供給するための回路群が１系統（Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｃ、Vhold用リミッタ回路２５ｃ、Ｖｈｏｌｄ用スイッチ２６ｃ）だけ設けられている。このように電圧Ｖｈｏｌｄの生成・供給のための回路群（特にポンプ回路）が一系統のみ設けられている場合、消費電力の低減と動作の高速化を同時に達成することが困難である。この点、本実施の形態では、Ｖｈｏｌｄの生成・供給のための回路群として、消費電力が大きいが供給能力が高いポンプ回路を有する第１の系統と、供給能力が低いが低消費電力のポンプ回路を有する第２の系統とを備えており、消費電力の低減と動作の高速化を同時に達成することが可能となっている。この点、図６と図７を参照して説明する。

図６は、本実施の形態の動作を示すグラフである。このグラフは、変形電圧ＶａｃｔをＶａｃｔ用ポンプ回路２１及びＶａｃｔ用リミッタ回路２２を用いて生成している時間内において、第１の系統のＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａ、Ｖｈｏｌｄ用リミッタ回路２５ａを同時に動作させて、維持電圧Ｖｈｏｌｄを生成する。維持電圧Ｖｈｏｌｄは、Ｖｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａの供給能力に応じた時間Ｔ１で、所望の上限値まで上昇する。その後、電極１４ａ、１５ａ間の距離ｄが所望の距離まで縮まると、変形電圧Ｖａｃｔの供給は停止される。変形電圧Ｖａｃｔの供給が停止された後は、供給能力は低いが低消費電力である第２の系統のＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ｂが、第１の系統のＶｈｏｌｄ用ポンプ回路２４ａに代わって動作を開始する（２４ａの動作は停止）。

変形電圧Ｖａｃｔが生成・供給されている時間の長さは、その後維持電圧Ｖｈｏｌｄが生成・供給される時間に比べて一般的に短時間であり。このため、変形電圧Ｖａｃｔの供給停止後において、第１の系統（２４ａ、２５ａ、２６ａ）に代えて第２の系統（２４ｂ、２５ｂ、２６ｂ）により維持電圧Ｖｈｏｌｄを供給するようにすることは、消費電力の低減に役立つ。また、第１の系統のポンプ回路２４ａを、供給能力が高いものとしても、その動作は短時間に限定されるため、ドライバＩＣ２０全体として消費電力に影響は少ない。

一方、図５の従来の回路のように、維持電圧Ｖｈｏｌｄを生成・供給する回路群が１系統のみである場合、低消費電力化を図ろうとすれば、図７に示すように、ポンプ回路２４ｃの出力電圧Ｖｈｏｌｄが所望の上限値に達するまでに長い時間Ｔ２を要することになる。この時間Ｔ２を短かくするため、ポンプ回路２４ｃの供給能力を高くすれば、消費電力が増大してしまう。

このように、本実施の形態のドライバＩＣ２０は、供給能力の大きいポンプ回路２４ａとバイアス電流の大きいリミッタ回路２５ａを用いて大きな容量値を持つリプル用キャパシタ２７を維持電圧Ｖｈｏｌｄにまで充電して立ち上げ時間を短縮しながら、この維持電圧Ｖｈｏｌｄを所定値に維持するため、これらの回路２４ａ、２５ａに代えて、より供給能力の小さいポンプ回路２４ｂとバイアス電流の小さいリミッタ回路２５ｂとを用いる。これにより、消費電流を必要最小限としつつ、動作を高速にすることができる。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。

本発明の実施の形態に係る半導体集積回路の構成を示す。図１に示す電極１４、１５間の距離ｄを変化・維持させる場合において、ドライバＩＣ２０が生成し補助電極１４ｂ、１５ｂ間に供給する電圧の時間変化を示す。ドライバＩＣ２０内の構造を示すブロック図である。Ｖａｃｔ用リミッタ回路２２の構成例を示す回路図である。比較例としての従来のドライバＩＣの回路構成を示すブロック図である。本実施の形態の動作を示すグラフである。比較例の動作を示すグラフである。

符号の説明

１０・・・ＭＥＭＳ型可変容量キャパシタ、１１・・・梁部、１２・・・可動部、１３・・・固定部、１４・・・上部電極、１５・・・下部電極、１４ａ、１５ａ・・・主電極、１４ｂ、１５ｂ・・・補助電極、１６・・・絶縁膜、２０・・・ドライバＩＣ。

Claims

ＭＥＭＳ構造を有し周波数変調のための主電極、及び前記主電極の間の距離を変化させてキャパシタの静電容量を変化させるための補助電極を備えたＭＥＭＳ可変容量キャパシタを制御するための半導体集積回路において、
前記主電極間の距離を縮めるための第１電圧を生成する第１ポンプ回路と、
前記第１電圧を所定の上限値に制限する第１リミッタ回路と、
前記主電極間の距離を一定に保つための第２電圧を生成し第１の供給能力を有する第２ポンプ回路と、
前記第２ポンプ回路で生成された前記第２電圧を所定の上限に制限する第２リミッタ回路と、
前記第２電圧を生成し前記第１の供給能力よりも小さい第２の供給能力を有する第３ポンプ回路と、
前記第３ポンプ回路で生成された前記第２電圧を所定の上限に制限する第３リミッタ回路と、
前記第２電圧のリプルを抑えるためのリプル用キャパシタと、
前記第１ポンプ回路及び前記第１リミッタ回路を動作させて前記第１電圧を生成している時間内に、前記第２ポンプ回路及び前記第２リミッタ回路を動作させて前記リプル用キャパシタを前記第２電圧まで充電すると共に、前記第１電圧の生成が終了した後は、前記第２ポンプ回路及び前記第２リミッタ回路の動作を停止させる一方、前記第３ポンプ回路及び前記第３リミッタ回路を動作させて前記第２電圧を発生させる制御回路と、
前記第１電圧と前記第２電圧を選択的に前記補助電極に与えるスイッチ回路と
を備えることを特徴とする半導体集積回路。
前記第２リミッタ回路におけるバイアス電流は、前記第３リミッタ回路におけるバイアス電流よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路。
ＭＥＭＳ構造を有し周波数変調のための主電極、及び前記主電極の間の距離を変化させてキャパシタの静電容量を変化させるための補助電極を備えたＭＥＭＳ可変容量キャパシタを制御する制御方法において、
第１ポンプ回路を動作させて、前記主電極間の距離を縮めるための第１電圧を生成している時間内に、第２ポンプ回路を動作させて、前記主電極間の距離を一定に保つため補助電極に供給されるべき第２電圧を生成し、スイッチ回路により前記第１電圧のみを前記補助電極に供給する制御を実行するステップと、
前記第１電圧の生成が終了した後、前記第２ポンプ回路の動作を停止させる一方、前記第２ポンプ回路より供給能力が小さい第３ポンプ回路を動作させて前記第２電圧を生成して、前記スイッチ回路により前記第１電圧に代えて前記第２電圧のみを前記補助電極に供給する制御を実行するステップと
を備えたことを特徴とする制御方法。
前記第２電圧は、前記第１電圧よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の制御方法。