JP6284295B2 - 分圧回路 - Google Patents

Description

本発明は、分圧回路に関する。

最初に分圧回路の応用例として、抵抗による分圧回路を用いた定電圧出力回路を半導体ウエハ上に製造する場合について、図１を用いて説明する。

定電圧出力回路は、図１のように、基準電圧生成回路、アンプ、分圧回路、及び、出力トランジスタより構成される。定電圧出力回路は、一定の出力電圧を供給する。ここで用いられる分圧回路の例を図２に示す。直列に接続した抵抗１に並列にトリミング用のヒューズ２を配置してある。ヒューズ２を切断すると、並列に配置された抵抗に電流が流れ、分圧回路の分圧比が変化する。このようにして所望の電圧となるように調整することが可能である。

定電圧出力回路は半導体ウエハプロセスで製造されるが、製造上のばらつきが生じるので、何もしなければ、低電圧出力の大きさを決めるための基準電圧がばらついてしまう。そこで、その基準電圧のばらつきに応じ、製造後に分圧回路の分圧比を的確に調整することにより、基準電圧を調整し、定電圧出力回路の出力電圧をほぼ一定に設定することができる。

特に、近年では要求される定電圧出力回路から供給される出力電圧の精度は、高くなっていて、±１％や±０．５％である。このため、特許文献１では図３に示すように、粗調整回路がトリミングされ、その後、出力電圧が測定され、その測定値に合わせて微調整回路がトリミングされることで、定電圧出力回路の出力電圧を高精度にしている。また、特許文献２では図４に示すように、基準の抵抗Ｒｒｅｆの周囲にトリミング用の抵抗１Ｒ、３Ｒ、４Ｒが順次配置されることで、製造ばらつきが小さくなるようにしている。

特許第４１７５８６２号公報 特許第３７８７５９１号公報

しかし、特許文献１の方法では、粗調整と微調整とのトリミング工程が２回存在するので、その分、製造するための時間が長くなり、製造コストを押し上げることになる。また、特許文献２の方法では、近年要求されるレベルにまで、精度の向上を図ることは難しいと考えられる。

ここで、分圧回路に要求される精度は２種類ある。
まず、第１の精度は、分圧回路の分圧比をどれだけ小さい刻みで制御できるかという点である。例えば、定電圧出力回路の出力電圧の誤差を±１％や±０．５％とする場合、分圧回路の分圧比がこれより小さい刻みで変化する必要がある。分圧回路の分圧比が１０００Ω：１０００Ωつまり１：１であり、分圧比を１％の誤差で調整する場合、直列接続された複数の１０Ωの抵抗、及び、これらの抵抗に並列接続されたヒューズが必要になる。

次に、第２の精度は、ヒューズトリミングによって想定される分圧比と出来上りの分圧比との一致度である。今後、この一致度を分圧比の精度と呼ぶ。これは、半導体ウエハプロセスの製造ばらつきに依存する。この製造ばらつきの影響を抑制するために、分圧回路は、同じサイズの抵抗から構成される。この同じサイズの抵抗を単位抵抗と呼ぶ。例えば、分圧比１：２は、単位抵抗１本と、単位抵抗を２本直列接続したもので構成される。分圧回路の分圧比の精度は、それぞれの単位抵抗の抵抗値の相対比に依存する。

分圧回路を構成する抵抗には多結晶ポリシリコンがよく使われる。多結晶ポリシリコンには粒界があるので結晶性が局所的にばらつく。また、イオン注入による不純物の分布が、局所的にばらつく。そのため、抵抗の面積が小さいと、局所的なばらつきの影響が顕著になり、単位抵抗の抵抗値の相対比が悪くなる。反対に、抵抗の面積が大きくなると局所的なばらつきの影響が軽減されて単位抵抗の抵抗値の相対比が良くなる。ここで、相対比が悪いということは、単位抵抗１本同士の抵抗値の比が、理想値１：１からずれていることを意味する。こうした事情から、分圧回路の大きさを小さくしようとして、単位抵抗のサイズを小さくすると、分圧比の精度は一般に悪化する。

近年の半導体集積回路においては、価格競争のため、微細化が進んでいる。しかし、そのまま微細化すると、分圧回路の抵抗の面積が小さくなり、局所的なばらつきの影響が大きくなり、分圧比の精度は悪化する。この対策として、分圧回路の抵抗の面積を大きくすると、分圧比の精度はよくなるが、製造コストは高くなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、面積が小さくても分圧比の精度がよい分圧回路を提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、複数の抵抗と、前記複数の抵抗にそれぞれ対応して設けられ、前記複数の抵抗の短絡をそれぞれ制御する、複数の短絡制御素子と、を備えた分圧回路において、前記複数の抵抗の中で、抵抗値の大きい抵抗は、第一抵抗値の第一単位抵抗の、直列接続または並列接続で構成され、抵抗値の小さい抵抗は、第二抵抗値の第二単位抵抗の、並列接続で構成され、前記第二抵抗値は前記第一抵抗値よりも小さいことを特徴とする分圧回路とする。

本発明によれば、面積が小さく精度のよい分圧回路が得られる。

定電圧出力回路を示す図である。 分圧回路を示す模式図である。 参考文献１の図である。 参考文献２の図である。 従来の分圧回路を示す図である。 図５に示す分圧回路の分圧比を表す表である。 図５に示す分圧回路を構成する各抵抗の要求比精度を表す表である。 分圧回路を示す図である。 抵抗の断面図である。 分圧回路を示す図である。 分圧回路を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
再び、図１を用いて、分圧回路を利用した定電圧出力回路の構成を示す。
アンプは、基準電圧生成回路及び分圧回路からの２つの入力電圧を受け、この２つの電圧が等しくなるよう動作する。例えば、基準電圧が１．０Ｖであり、分圧回路の分圧比が１：１であると、定電圧出力回路の出力電圧は２．０Ｖになる。要求される定電圧出力回路の出力電圧の精度が、±１％であるとすると、出力電圧は、±１％の範囲、具体的には１．９８Ｖ〜２．０２Ｖの範囲に入っている必要がある。ここで、製造ばらつきのために、基準電圧が±８０ｍＶつまり±８％ばらつくとする。この時には、分圧回路の分圧比を、１：１を中心に、１％未満の刻みで±８％以上の範囲で、調整する必要がある。

これを実現できる分圧回路の一例を図５に示す。
単位抵抗を１Ｒとして、１／１６Ｒ、１／８Ｒ、１／４Ｒ、１／２Ｒ、１Ｒ、９Ｒ、１０Ｒを直列接続している。ここで、１／１６Ｒは、１６個の１Ｒの並列接続で構成し、１０Ｒは、１０個の１Ｒの直列接続で構成している。他も同様である。

複数のヒューズが、１／１６Ｒ、１／８Ｒ、１／４Ｒ、１／２Ｒ、１Ｒの各抵抗とそれぞれ並列接続される。つまり、複数のヒューズは、これら複数の抵抗にそれぞれ対応して設けられ、これら複数の抵抗の選択／非選択をヒューズの切断／短絡によりそれぞれ制御する。各抵抗間の端子を、順にＡ端子、Ｂ端子、・・・、Ｇ端子、Ｈ端子とする。Ａ端子は定電圧出力回路の出力端子に接続され、Ｇ端子はアンプの入力端子に接続され、Ｈ端子が接地端子に接続される。

ヒューズの切断（トリミング）によって、図６に示すように、分圧回路の分圧比は、１：１を中心に、０．６２５％刻みで−９．４％〜＋１０％の範囲で、調整することができる。

１／１６Ｒ、１／８Ｒ、１／４Ｒ、１／２Ｒ、１Ｒ、９Ｒ、１０Ｒの抵抗値の比は理想的には、１／１６：１／８：１／４：１／２：１：９：１０である。しかし、実際の抵抗値の比は理想比からずれる。各抵抗の抵抗値の比の精度を比精度と呼ぶ。

図５は、０．６２５％刻みの分圧回路なので、分圧回路の精度±１％を実現するためには、分圧比の精度を０．３７５％以下にする必要がある。分圧比の精度とは、ヒューズトリミングによって想定される分圧比と出来上がりの分圧比との一致度のことである。少し余裕を持たせるために、分圧比の精度は±０．２％以下が望まれる。

各抵抗の抵抗値はＲａであり、ＧＨ間の抵抗の抵抗値はＲｇｈであり、分圧比の精度は０．２％である場合、図７に示すように、各抵抗にそれぞれ要求される要求比精度Ｘは下記の式で算出される。
Ｘ（％）＝０．２×Ｒｇｈ／Ｒａ

上記の式及び図７に示すように、各抵抗の要求比精度Ｘは異なる。小さい抵抗値を有する抵抗の要求比精度はかなり緩いものとなる。例えば、全てのヒューズが切れている図６の例１において、ＡＧ間の抵抗の抵抗値は１０．９３７５Ｒであり、ＧＨ間の抵抗の抵抗値は１０Ｒであり、分圧比は１．０９４である。最も小さい抵抗値の抵抗である１／１６Ｒが３２％ずれ、１／１６Ｒの抵抗値が０．０６２５０Ｒから０．０８２５０Ｒにずれても、ＡＧ間の抵抗の抵抗値は１０．９３７５Ｒから１０．９５７５Ｒにずれるだけであり、分圧比は１．０９４から１．０９６にずれる、つまり０．２％ずれるだけである。つまり、大きい抵抗値を有する抵抗である１０Ｒは、０．２％しかずれることができないが、小さい抵抗値の抵抗である１／１６Ｒは、３２％もずれても良い。

図５の分圧回路は、各抵抗が単位抵抗を直列接続または並列接続したものにより構成されているので、１／１６Ｒは、１０Ｒよりも、１．６倍の面積を有する。面積が大きいと局所的なばらつきの影響が軽減されるので比精度は良くなる。局所的なばらつきは正規分布を有し、その標準偏差σは面積のルートに反比例すると、一般的に言われている。標準偏差σとはばらつきの幅を意味する。よって、１．６倍の面積を持つ時、ばらつきの幅は１／√（１．６）＝０．７９倍に小さくなる。しかし、１／１６Ｒに要求される比精度は、前述のように、３２％である。これは１０Ｒの０．２％の１６０倍に相当する。前記の計算から考えると、１／１６Ｒは１０Ｒの１／√（１６０）＝１／１２．６の面積で、要求比精度を満たせる。よって、１／１６Ｒがこのように大きな面積を有することは、要求比精度の観点からは無駄である。

そこで、本発明は、図８に示すように、２つの単位抵抗から構成される。これら２つの単位抵抗を第一単位抵抗５Ａ、第二単位抵抗５Ｂとする。この例では、第二単位抵抗の抵抗値は、第一単位抵抗の抵抗値の１／４である。抵抗値の低い１／８Ｒ及び１／１６Ｒが第二単位抵抗５Ｂの並列接続により構成される。他の抵抗は第一単位抵抗５Ａの並列接続、もしくは直列接続により構成される。

第一単位抵抗と第二単位抵抗の抵抗値の比は、製造ばらつきによりばらつくが、このばらつきが１０％以下である第一単位抵抗と第二単位抵抗を設けることは可能である。ここで、第一単位抵抗５Ａと第二単位抵抗５Ｂとの抵抗値の比が、想定比から仮に１０％ずれるとする。前述のように、１／８Ｒ及び１／１６Ｒは、１０％より大きい（悪い）要求比精度になっている。よって、抵抗値の低い１／８Ｒ及び１／１６Ｒを第二単位抵抗５Ｂの並列接続で構成し、他の抵抗を第一単位抵抗５Ａで構成しても、分圧回路の分圧比の精度は、０．２％を満たすことができる。ここで、１／８Ｒ及び１／１６Ｒが抵抗値の低い第二単位抵抗で構成されているので、１／８Ｒ及び１／１６Ｒの面積は、小さくなる。

つまり、単位抵抗が複数種類あると、単位抵抗同士の比精度はずれる。しかし、このずれよりも各抵抗間の要求比精度が大きい（悪い）のであれば、これらの各抵抗を異なる単位抵抗で構成し、面積を小さくすることが可能である。また、このずれよりも各抵抗間の要求比精度が小さい（良い）のであれば、これらの各抵抗は従前どおり１つの単位抵抗で構成されることになる。

換言すると、分圧回路の複数の抵抗の中で、要求比精度の高い抵抗１／４Ｒ、１／２Ｒ、１Ｒ、９Ｒ、１０Ｒは、第一抵抗値の第一単位抵抗５Ａの直列接続または並列接続で構成し、要求比精度の低い抵抗１／８Ｒ、１／１６Ｒは、第二抵抗値の第二単位抵抗５Ｂの直列接続または並列接続で構成することが可能な場合がある。ここで第二抵抗値は第一抵抗値よりも低くなっている。

なお、定電圧出力回路の出力電圧の要求精度が±１％である場合、最小の抵抗は１／１６Ｒ（０．０６２５Ｒ）であるが、±０．５％である場合、１／３２Ｒ（０．０３１２５Ｒ）である。分圧回路が従来例のように１つの単位抵抗だけで構成されると、１／３２Ｒの面積は非常に大きくなってしまうので、この場合に本発明が適用されると、本発明の効果がより大きくなる。

前述の例においては、第一単位抵抗５Ａと第二単位抵抗５Ｂとの抵抗値の比が４：１であるが、本発明はこれに限定されない。
また、単位抵抗は２種類として説明したが、本発明はこれに限定されない。１／４Ｒの第二単位抵抗の他に、１／８Ｒの第三単位抵抗があっても良い。

また、複数種類の単位抵抗の抵抗値の比が、必ずしも１：２の倍数に限定されない。第二単位抵抗の抵抗値は、第一単位抵抗の抵抗値よりも小さくなっていれば、本発明の効果が得られる。

また、本発明は、分圧回路の分圧比の狙い値が１種類である場合に限定されない。複数の狙い値が存在する場合、狙い値に応じて抵抗が追加される。すると、例えば、市場から多様な定電圧出力回路の出力電圧が要求されても、その出力電圧がトリミングのみで実現されるので、製品のコストを低くすることが可能である。

分圧回路を構成する抵抗の断面図を図９に示す。抵抗体は抵抗領域５、及び低抵抗領域４から成る。低抵抗領域４と配線３とはコンタクト６で接続される。

図１０では、第一単位抵抗と第二単位抵抗は、各々の抵抗領域は同一のシート抵抗を有する同一の材料から成る。抵抗値は、シート抵抗×長さ／幅、で表されるので、第一単位抵抗と第二単位抵抗とは、長さ、もしくは幅、もしくは長さと幅の両方が異なる。半導体製造プロセスにおいて、２種類のシート抵抗の材料を用いると、２種類のシート抵抗の抵抗値の比の精度は悪い（ばらつきが大きい）。しかし、長さや幅はフォトエッチングプロセスで決まるため、長さや幅の比の精度は、２種類のシート抵抗の抵抗値の比の精度よりも良い。よって、第一単位抵抗と第二単位抵抗が、各々の抵抗領域は同一のシート抵抗を有する同一の材料から成り、抵抗値の違いが長さもしくは幅の違いで得られる場合、第一単位抵抗と第二単位抵抗の抵抗値の比の精度は良くなる。第一単位抵抗と第二単位抵抗の抵抗値の比の精度がよいと、更に大きな抵抗値の抵抗を第二単位抵抗で構成することが可能になる。これは分圧回路のサイズ縮小を意味し、製造コストの低減にも繋がる。

また、抵抗値を大きくするために抵抗の長さの方が幅よりもサイズが大きいので、長さの比の精度は、幅の比の精度よりも良い。よって、第一単位抵抗と第二単位抵抗は、各々の抵抗領域は同一のシート抵抗を有する同一の材料から成り、第二単位抵抗の幅が第一単位抵抗の幅と同じで、長さが異なる場合、第一単位抵抗と第二単位抵抗の抵抗値の比の精度は一段と良くなる。

従来の抵抗分圧回路では、図５に示すように抵抗体の両端に低抵抗領域を備えている。第二単位抵抗を成す抵抗体の両端以外の位置に低抵抗領域を備えていると、図１０に示すように分圧回路の面積を小さくすることが可能である。

図１０の上側２つの抵抗体には、それぞれ４つの低抵抗領域と、３つの第二単位抵抗が存在する。従来の抵抗分圧回路では図５に示すように一つの抵抗体には一つの単位抵抗しか存在しない。よって、本願発明によれば従来技術よりも分圧回路の面積が小さくすることが可能である。この例では、一つの抵抗体に３つの第二抵抗が存在するが、３つに意味はない。一つの抵抗体が３箇所以上の低抵抗領域を備え、２つ以上の第二単位抵抗が前記一つの抵抗体を併有していれば、従来技術よりも分圧回路の面積が小さくなる。

図１０で、全ての抵抗体のサイズを同じにすると、抵抗体の形状ばらつきが小さくなるので比精度が良くなる。抵抗体のサイズが同じなので、第一単位抵抗と第二単位抵抗は、シート抵抗と幅が同じで、長さが異なる。低抵抗領域の位置を調整して、第二単位抵抗の抵抗値を第一単位抵抗の抵抗値の１／４にする。すると、ＡＢ間は１／１６Ｒ、ＢＣ間は１／８Ｒになる。

従来技術では図５に示すように抵抗体の長辺方向の２辺のみから、短絡制御素子との配線接続がなされていた。図１０に示すように、抵抗体の短辺方向からも短絡制御素子との配線接続がなされると、分圧回路の面積が小さくなる。

また、分圧回路の分圧比の精度向上ため、抵抗領域の上にメタル層のカバー８が配置される。図１１のように、低抵抗領域４同士が接続されると、低抵抗領域４の上にメタル層による配線が不要になるので、全ての抵抗領域を覆うカバー８を配置することができる。

また、分圧回路の両端の抵抗の外側に、電気的には機能しないダミー抵抗が配置されると比精度が向上する。これは両端の抵抗体の形状がずれ易いからである。例えば、図１１のように、ＧＨ間の１０Ｒの要求比精度は厳しいので、図中、一番下に（分圧回路の端に）ダミー抵抗７を配置すると比精度が向上する。なお、反対側の１／１６Ｒの要求比精度は緩いので、ばらつきが許容され、ダミー抵抗は不要である。換言すると、１／１６Ｒはダミー抵抗としても機能する。すると、面積が小さくなる。

また、形状の異なる抵抗体が隣にあると、抵抗体の形状がずれやすいので、異なる形状の抵抗体の間に、電気的には機能しないダミー抵抗を入れると比精度が向上する。図１１では、上側の２本の抵抗の形状が異なるので、上から数えて２本目と３本目の間にダミー抵抗を入れると比精度が向上する。

半導体ウエハプロセスにおいて、単位抵抗の相対比は、分圧回路の中心付近で良く、端の方で悪い。よって、抵抗値の高い単位抵抗から成る抵抗（要求比精度の高い抵抗）が分圧回路の中央付近に配置され、抵抗値の低い単位抵体から成る抵抗（要求比精度の低い抵抗）が端に配置された方が分圧比の精度が良い。図８の例では、要求比精度の緩い１／８Ｒ、１／１６Ｒの両方が、分圧回路の同じ端に配置されているが、１／１６Ｒを反対側の端に移動させた方が、分圧比の精度が良い。

また、抵抗分圧回路の抵抗体には多結晶ポリシリコン膜がよく用いられる。第一単位抵抗と第二単位抵抗は、同一の多結晶ポリシリコン膜から構成される。第二単位抵抗の多結晶ポリシリコン膜の中の不純物濃度が、第一単位抵抗のよりも多い。多結晶ポリシリコン膜のシート抵抗は、膜中の不純物濃度で調整できる。同じ多結晶ポリシリコン膜で不純物濃度の異なる２つの抵抗のシート抵抗の比の精度は、別の膜から成る２つの抵抗のシート抵抗の比の精度よりも良い。シート抵抗を変えると、第一単位抵抗と第二単位抵抗の抵抗値の比を大きく変えることが出来る。よって、抵抗値が大きく異なり、比較的抵抗値の精度の良い複数の単位抵抗が得られる。

１ 抵抗
２ トリミング用ヒューズ
３ 配線
４ 低抵抗領域
５ 抵抗領域
５Ａ 抵抗領域（第一単位抵抗）
５Ｂ 抵抗領域（第二単位抵抗）
６ コンタクト
７ ダミー抵抗
８ カバー

Claims (5)

1. 直列に接続された複数の抵抗と、前記複数の抵抗の一部に並列に接続された短絡制御素子と、を備え、
   前記複数の抵抗の個々の抵抗は、第一抵抗値を有する第一単位抵抗を直列に複数個接続または並列に複数個接続された第一構成と第二抵抗値を有する第二単位抵抗が直列に複数個接続または並列に複数個接続された第二構成のいずれかからなり、
   前記複数の抵抗は、少なくとも前記第一構成と前記第二構成と、を有し、
   前記第二単位抵抗の抵抗値は前記第一単位抵抗の抵抗値よりも小さく、
   前記第一単位抵抗および前記第二単位抵抗は、抵抗領域及び前記抵抗領域の両端に配置された低抵抗領域をそれぞれ有し、
   前記第二単位抵抗の抵抗領域の長さは前記第一単位抵抗の抵抗領域の長さよりも短いことを特徴とする分圧回路。
2. 前記第一単位抵抗と前記第二単位抵抗は、前記抵抗領域が同一のシート抵抗を有する同一の材料から成ることを特徴とする請求項１記載の分圧回路。
3. 前記第二単位抵抗の抵抗領域の幅が前記第一単位抵抗の抵抗領域の幅と同じことを特徴とする請求項１または請求項２記載の分圧回路。
4. 前記複数の抵抗の両端の外側に、電気的に機能しないダミー抵抗を配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の分圧回路。
5. 前記第一単位抵抗の両端の外側に、前記第二単位抵抗を配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の分圧回路。

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