JPS62206872A - Semiconductor device - Google Patents
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- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[発明の技術分野]
この発明は、電力用のMOSFETと、そのゲート駆動
電圧を昇圧するための昇圧回路を備えた半導体装置に関
し、特に昇圧回路の昇圧スピードを改善したものである
。[Detailed Description of the Invention] [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a semiconductor device including a power MOSFET and a booster circuit for boosting its gate drive voltage, and in particular to a semiconductor device that improves the boosting speed of the booster circuit. It is something.
[発明の技術的背景とその問題点]
近年、各種車載電力負荷等のスイッチング素子として用
いられる゛電力用のMOSFETと、その駆動回路等の
周辺回路を構成するICとを1チツプ上に構成した半導
体装置が捉案されている。[Technical background of the invention and its problems] In recent years, a power MOSFET, which is used as a switching element for various in-vehicle power loads, and an IC that constitutes peripheral circuits such as its drive circuit have been configured on a single chip. Semiconductor devices are being considered.
上記電力用のMOSFETとしては、半導体基板をドレ
イン領域とした電流容量の大ぎい縦形MOSFETが多
く用いられる。縦形MOSFETは、他のIC等も組込
まれる半導体基板がドレイン領域とされるので、その電
力負荷をドレインに接続することは難しく、このため縦
形MO3FETは、その電力負荷をソース側に接続した
ソースホロワ接続で用いられる。As the above-mentioned power MOSFET, a vertical MOSFET with a large current capacity and using a semiconductor substrate as a drain region is often used. In vertical MOSFETs, the drain region is the semiconductor substrate in which other ICs are also incorporated, so it is difficult to connect the power load to the drain. Therefore, vertical MOSFETs use a source follower connection in which the power load is connected to the source side. used in
ところで、ソースホロワ接続された縦形MOSFETは
、これがオン状態に転じたとぎソース電位が上昇するの
で・ゲート°ソース電圧V(JSが)小さくなってオン
抵抗が増え電力損失が増大する。By the way, in a vertical MOSFET connected as a source follower, the source potential increases when the MOSFET turns on, so that the gate source voltage V (JS) decreases, the on-resistance increases, and the power loss increases.
このためその駆動回路には、ゲート電圧昇圧用の昇圧回
路が組込まれて電力損失を減らすことが行なわれる。Therefore, a booster circuit for boosting the gate voltage is incorporated into the drive circuit to reduce power loss.
第7図は、このような昇圧回路の組込まれた従来の半導
体装置の一例を示すもので、第8図はその等価回路、第
9図は昇圧回路制御用のクロック信号である。FIG. 7 shows an example of a conventional semiconductor device incorporating such a booster circuit, FIG. 8 shows its equivalent circuit, and FIG. 9 shows a clock signal for controlling the booster circuit.
巽圧回路はコツククロフト・ウオルトン回路を基本とし
たチャージポンプ式のものが用いられている(IEEE
JOURNAL OF 5QLID−8TAT
E CIRCUITS、VOL。The Tatsumi pressure circuit uses a charge pump type based on the Kotscroft-Walton circuit (IEEE
JOURNAL OF 5QLID-8TAT
E CIRCUITS, VOL.
5C−11,NO,3,JIJNE 1976、P3
74 [on −Chip Hi
gh −Voltage Genera口
on in MNOS I nteoratcd
C1rcuits Using an Im
proved Voltage Multipli
er TechniqueJ )。5C-11, NO, 3, JIJNE 1976, P3
74 [on-Chip Hi
gh -Voltage Genera mouth on in MNOS I nteoratcd
C1rcuits Using an Im
proven Voltage Multiply
er TechniqueJ).
第8図の昇圧回路51における符号52は電源電圧Vd
dの入力端子、53は昇圧電圧vgの出力端子で、これ
ら入力端子52および出力端子53の間に、ゲートとド
レインが接続されたダイオード動作のMOSFETおよ
び昇圧用のコンデンサ54aと55a、54bと55
b 、 −をそれぞれ対とした昇圧段が、所要の昇圧電
圧に応じて複数段配設されている。Reference numeral 52 in the booster circuit 51 in FIG. 8 indicates the power supply voltage Vd.
d input terminal, 53 is an output terminal for the boosted voltage vg, and between these input terminal 52 and output terminal 53 are diode-operated MOSFETs whose gates and drains are connected, and boosting capacitors 54a and 55a, 54b and 55.
A plurality of boosting stages each having pairs of b and - are arranged in accordance with the required boosted voltage.
奇数段の各コンデンサ55a、55c、・・・の他端は
、逆位相の2相クロツクφ、φにお(プるφクロック信
号の入フッ端子57aに共通に接続され、偶数段の各コ
ンデンサ55b、・・・55n−+の他端は、φクロッ
ク信号の入力端子57bに共通に接続されている。The other ends of the capacitors 55a, 55c, . The other ends of the terminals 55b, . . . , 55n-+ are commonly connected to the input terminal 57b of the φ clock signal.
第7図に示寸ように上記の昇任回路51は、他のIC等
と電気的に分離するために、n形の基板58に形成され
たpウェル59内に作り込まれている。基板58に電源
電圧V(jdが接続され、pウェル59は接地電位とさ
れて基板58とpウェル59の接合部は逆バイアスされ
る。61a、61b、61G、・・・はpウェル59内
に形成されたn+領領域62はMOSFETのゲート酸
化膜、またはコンデンサの誘電体として働く酸化膜、6
3a、63b1・・・は多結晶シリコンのゲート電極、
64a、64b、・・・はコンデンサ形成用の多結晶シ
リコンの電機である。As shown in FIG. 7, the above-mentioned promotion circuit 51 is built into a p-well 59 formed in an n-type substrate 58 in order to be electrically isolated from other ICs. A power supply voltage V (jd) is connected to the substrate 58, the p-well 59 is set to the ground potential, and the junction between the substrate 58 and the p-well 59 is reverse biased. 61a, 61b, 61G, . . . The n+ region 62 formed in the oxide film 62 is a gate oxide film of a MOSFET or an oxide film that serves as a dielectric of a capacitor.
3a, 63b1... are polycrystalline silicon gate electrodes,
64a, 64b, . . . are polycrystalline silicon electric devices for forming capacitors.
n+領域61aをドレイン、n+領域61bをソースと
して、これらと酸化膜62およびゲート電極63aによ
りMOSFET54aが形成され、これと同様に、n+
領域611)をドレイン、n+領域61cをソースとし
て、これらと酸化膜62およびゲート電極63k)によ
り次段のMOSFET54bが形成される。A MOSFET 54a is formed by using the n+ region 61a as a drain and the n+ region 61b as a source, the oxide film 62, and the gate electrode 63a.
The next stage MOSFET 54b is formed by using the region 611) as a drain and the n+ region 61c as a source, together with the oxide film 62 and the gate electrode 63k).
また電極64a1酸化膜62、およびn+領域61bに
より臂圧用のコンデンサ55aが形成され、電極64b
、M化膜62、およびn+領域61Cにより次段のコン
デンサ55bが形成される。In addition, a capacitor 55a for knee pressure is formed by the electrode 64a1 oxide film 62 and the n+ region 61b, and the electrode 64b
, the M film 62, and the n+ region 61C form the next stage capacitor 55b.
このようにしてMOSFET5゛4a、54bと、コン
デンサ55a155bとは基板の主面に各別に形成され
ている。同様にして以下の各昇圧段のMOSFETおよ
びコンデンサが形成され、出力端子53がソースホロワ
接続された出力MOSFET4のゲートに接続されてい
る。5は電力負荷である。In this way, the MOSFETs 5'4a and 54b and the capacitor 55a155b are formed separately on the main surface of the substrate. Similarly, the following MOSFETs and capacitors of each step-up stage are formed, and the output terminal 53 is connected to the gate of the output MOSFET 4 connected as a source follower. 5 is a power load.
そしてまず第1段のコンデンサ55aが電源電圧■dd
によりVdd−Vth(VthはMOSFET54 a
の開鎖電圧)まで充電される。クロック信号φが立上が
ると、コンデンサ55aで結合されでいる節点56aの
電圧が昇圧され、これと同時にMOSFET54bが導
通制御されて昇圧された電圧は、第2段のコンデンサ5
5bに充電される。このときの節点56aと5])の充
電電位は、両コンデンサ55a、55bにより容M分割
される。次いでクロック信号φの立上りで節点56bの
電圧が昇圧され、これと同時にMOSFET54cが導
通制御されて昇圧された電圧は、第3段のコンデンサ5
5Cに充電される。First, the first stage capacitor 55a is connected to the power supply voltage ■dd
Vdd-Vth (Vth is MOSFET54 a
(open-chain voltage). When the clock signal φ rises, the voltage at the node 56a connected by the capacitor 55a is boosted, and at the same time, the conduction of the MOSFET 54b is controlled and the boosted voltage is applied to the second stage capacitor 5.
5b is charged. At this time, the charging potential of the nodes 56a and 5]) is divided by a capacity M by both capacitors 55a and 55b. Next, at the rising edge of the clock signal φ, the voltage at the node 56b is boosted, and at the same time, the MOSFET 54c is controlled to be conductive, and the boosted voltage is transferred to the capacitor 5 in the third stage.
Charged to 5C.
このようにして各段のコンデンサ55a、55b155
c1・・・には、前段の昇圧された電圧が重畳的に充電
されて各節点56a、56b、56c、・・・の電位が
順次に上り、出力端子53から所要電圧値に昇圧された
昇圧電圧■9が出力されて、これが出力MO3FET4
のゲートに加えられ、電力損失の減少が図られる。In this way, each stage of capacitors 55a, 55b155
c1... is charged with the boosted voltage of the previous stage in a superimposed manner, and the potential of each node 56a, 56b, 56c,... increases sequentially, and the boosted voltage from the output terminal 53 is boosted to the required voltage value. Voltage ■9 is output, this is the output MO3FET4
is added to the gate to reduce power loss.
しかしながら上述の半導体装置にあっては、電力用の出
力MOSFET4 (入力容量二数100〜数1000
pF)を駆動する昇圧回路が、各別に形成されたダイオ
ード動作のMOSFETとコンデンサとで構成された昇
圧段を多段に接続した構成となっていたため、昇圧スピ
ードが低下して、出力MOSFET4のスイッチングス
ピードが遅くなり電力損失を十分に低減し得ないという
問題点があった。また昇圧回路の構成に必要な面積が増
してチップ面積が大きくなり、コストアップを招くとい
う問題点があった。However, in the above-mentioned semiconductor device, the output MOSFET 4 for power (input capacitance 2
Since the booster circuit that drives the pF (pF) has a configuration in which booster stages each consisting of a diode-operated MOSFET and a capacitor are connected in multiple stages, the boosting speed decreases and the switching speed of the output MOSFET 4 decreases. There was a problem that the power loss could not be sufficiently reduced due to the slow speed. Further, there is a problem in that the area required for the configuration of the booster circuit increases, resulting in an increase in chip area, leading to an increase in cost.
[発明の目的]
この発明は、上記事情に基づいてなされたもので、昇圧
スピードを顕著に増大させて出力MOSFETのスイッ
チングスピードを速め、また昇圧回路の構成に必要な面
積を小さくしてチップコストの低減を図ることのできる
半導体装置を提供することを目的とする。[Object of the Invention] The present invention was made based on the above circumstances, and it significantly increases the boost speed to increase the switching speed of the output MOSFET, and also reduces the chip cost by reducing the area required for the configuration of the boost circuit. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can reduce the amount of noise.
[発明の概要]
この発明は、上記目的を達成するために、昇圧用のコン
デンサを、出力MO3FETのゲートを一方の電極とし
て当、7bMOSFETのゲート上に積み重ねるように
形成し、当該昇圧用のコンデンサを人容屋のコンデンサ
とすることにより、昇圧段は1段で電源電圧を所要電圧
値まで昇圧できるようにして、昇圧スピードを速めると
ともに、昇圧回路の構成に必要な面積を小さくできるよ
うにしたものである。[Summary of the Invention] In order to achieve the above object, the present invention forms a step-up capacitor with the gate of an output MO3FET as one electrode and stacks it on the gate of a 7b MOSFET. By using a capacitor from a human care shop, the power supply voltage can be boosted to the required voltage value in a single step-up stage, increasing the step-up speed and reducing the area required for the configuration of the step-up circuit. It is something.
[第1実施例〕
以下この発明の第1実施例を第1図の<A)、(B)〜
第3図に基づいて説明する。この実施例は、出力MOS
FETとして縦形MOSFETが用いられた半導体装置
に適用したものである。[First Embodiment] The first embodiment of the present invention will be described below with reference to <A), (B) to
This will be explained based on FIG. This example uses the output MOS
This is applied to a semiconductor device using a vertical MOSFET as an FET.
まず構成を説明すると、第1図の(A)、(B)に示す
ように、半導体基板はn+基板1上にn−エピタキシャ
ルl12を形成したものが用いられている。高抵抗のn
′″エピタキシャル層2の部分が実質的に縦形MOSF
ETのドレインとなる。以下この実施例では、上記のn
+オンn−のエピタキシャル基板を指してn形の半導体
基板3という。First, the configuration will be explained. As shown in FIGS. 1A and 1B, the semiconductor substrate used is an n+ epitaxial layer 112 formed on an n+ substrate 1. High resistance n
''The portion of the epitaxial layer 2 is substantially a vertical MOSF
It becomes the drain of ET. Hereinafter, in this example, the above n
A +on-n- epitaxial substrate is referred to as an n-type semiconductor substrate 3.
半導体基板3の主面には、縦形MOSFET4、および
昇圧回路Uの構成素子となるコンデンサC1nMO86
、pMO87、ダイオード8等がそれぞれ形成されてい
る。On the main surface of the semiconductor substrate 3, a vertical MOSFET 4 and a capacitor C1nMO86, which is a component of the booster circuit U, are provided.
, pMO 87, diode 8, etc. are formed, respectively.
上記各素子のうち、縦形MOSFET4の構成から述べ
ると、半導体基板3の主面にp形のチャンネル領域15
が形成され、このチャンネル領域15内にn+ソース領
域16が形成されている。Among the above-mentioned elements, the vertical MOSFET 4 has a p-type channel region 15 on the main surface of the semiconductor substrate 3.
is formed, and an n+ source region 16 is formed within this channel region 15.
17はp+コンタクト領域である。またn+ソース領j
liIi16およびドレイン領域となる半導体基板3の
n−領域間におけるチャンネル領域15上には、ゲート
酸化膜18を介して多結晶シリコンを用いたゲート電極
19が形成されている。17 is a p+ contact region. Also n + source area j
A gate electrode 19 made of polycrystalline silicon is formed on the channel region 15 between the liIi 16 and the n- region of the semiconductor substrate 3, which becomes the drain region, with a gate oxide film 18 interposed therebetween.
21はPSG膜、22はAM膜で形成されたソース電極
、23はドレイン耐圧を向上させるためのガードリング
である。21 is a PSG film, 22 is a source electrode formed of an AM film, and 23 is a guard ring for improving drain breakdown voltage.
そしてこの実施例では、ゲート電極19は、昇圧用のコ
ンデンサCの一方の電極も兼ね、ゲート電極19上に誘
電体層となる酸化膜24を介して多結晶シリコンからな
る他方の電極25が形成されている。而して縦形MOS
FET4のゲート電If!19上に、当該ゲート電極1
9、酸化膜24、および他方の電極25で構成された昇
圧用のコンデンサCが積重ねるように形成されている。In this embodiment, the gate electrode 19 also serves as one electrode of the boosting capacitor C, and the other electrode 25 made of polycrystalline silicon is formed on the gate electrode 19 with an oxide film 24 serving as a dielectric layer interposed therebetween. has been done. Therefore, vertical MOS
FET4 gate voltage If! 19, the gate electrode 1
9, an oxide film 24, and the other electrode 25, a boosting capacitor C is formed in a stacked manner.
特に縦形MOSFET4のゲート電極19は、複数個の
チャンネル領域に亘るように比較的大きな面積に形成さ
れ、また第1図<A>に示すように配線部まで含めると
さらに大きな面積に形成されるので、昇圧用のコンデン
サCは所要の大音量のものとすることができる。なお第
1図(A)および第1図(B)に示すように各ゲート1
9.19上に形成されたコンデンサは、並列接続されて
1個の昇圧用のコンデンサCとして用いられる。In particular, the gate electrode 19 of the vertical MOSFET 4 is formed to have a relatively large area so as to span multiple channel regions, and is even larger if the wiring portion is included as shown in FIG. , the boost capacitor C can be of a required large volume. In addition, as shown in FIG. 1(A) and FIG. 1(B), each gate 1
The capacitors formed on 9.19 are connected in parallel and used as one boosting capacitor C.
4圧用のコンデンサCは、上記のように大容蚤に形成さ
れるにも拘らず、縦形MOSFET4のゲート電極19
上に積重ねて形成されるので、前記第7図の従来のもの
のように半導体基板の主面上に、コンデンサ形成用の面
積をとることが全くない。Although the 4-voltage capacitor C is formed to have a large capacity as described above, the gate electrode 19 of the vertical MOSFET 4
Since the capacitors are stacked on top of each other, there is no need to take up any area on the main surface of the semiconductor substrate for forming the capacitors, unlike the conventional structure shown in FIG.
またダイオード8は、第1図(A)に示すようにn+多
結晶シリコンからなるゲート電極19が、フィールド酸
化WA26上に延在され、これにp′″多結晶シリコン
領域27が接続されている。多結晶シリコンのn+領域
19aとp+領域27との接合によりダイオード8が形
成される。後述するようにダイオード8のカソードには
、昇圧された電圧が加わるので、フィールド酸化膜26
上に形成されることにより半導体基板3等に対する絶縁
の問題が解決される。Further, in the diode 8, as shown in FIG. 1(A), a gate electrode 19 made of n+ polycrystalline silicon extends over the field oxidation WA 26, and a p'' polycrystalline silicon region 27 is connected to this. A diode 8 is formed by the junction between the n+ region 19a and the p+ region 27 of polycrystalline silicon.As will be described later, a boosted voltage is applied to the cathode of the diode 8, so that the field oxide film 26
By forming it on top, the problem of insulation with respect to the semiconductor substrate 3 and the like is solved.
次いで第1図(B)に示すようにnMO86は、p1ウ
ェル領ip! 28を基板領域として、n+ソース領域
29、n+ドレイン領域31、ゲート酸化膜32上に形
成されたゲート電極33等で構成されでいる。Next, as shown in FIG. 1(B), nMO86 is applied to p1 well region ip! The substrate region 28 is composed of an n+ source region 29, an n+ drain region 31, a gate electrode 33 formed on a gate oxide film 32, and the like.
また0MO87は、比抵抗が適宜に調整されたn拡散領
域34を基板領域として、p+ソース領域35、p1ド
レイン領域36、ゲート酸化膜37上に形成されたゲー
ト電極38等で構成されている。Further, the 0MO 87 is composed of a p+ source region 35, a p1 drain region 36, a gate electrode 38 formed on a gate oxide film 37, and the like, using an n diffusion region 34 whose resistivity is appropriately adjusted as a substrate region.
昇圧回路Uは、半導体基板3上に形成された上記の各素
子等を構成素子として第2図に示すように構成される。The booster circuit U is constructed as shown in FIG. 2 using the above-mentioned elements formed on the semiconductor substrate 3 as constituent elements.
第2図申付号9は制till電圧Vinの入力端子、1
0は電源電圧■ddの入力端子で、制御電圧V1nの入
力端子9はワンショットマルチバイブレータ11に接続
され、ワンショットマルチバイブレータ11の出力端子
がインバータ12を介して昇圧用のコンデンサCの一方
の電極に接続されている。電源電圧Vd(jの入力端子
10は充電路を構成するpMO87およびダイオード8
を介してコンデンサCの他方の電極に接続されている。2. Request number 9 is the input terminal for the control till voltage Vin, 1
0 is the input terminal of the power supply voltage ■dd, the input terminal 9 of the control voltage V1n is connected to the one-shot multivibrator 11, and the output terminal of the one-shot multivibrator 11 is connected to one side of the boost capacitor C via the inverter 12. connected to the electrode. The input terminal 10 of the power supply voltage Vd (j
It is connected to the other electrode of the capacitor C via.
ダイオード8は昇圧された電圧が、電源側へ漏れるのを
防止するため接続されている。The diode 8 is connected to prevent the boosted voltage from leaking to the power supply side.
このようにこの実施例では、昇圧段が大容量のコンデン
サC1およびpMO87の各1個等からなる1段だけで
構成されている。As described above, in this embodiment, the boosting stage is composed of only one stage consisting of one each of large-capacity capacitor C1 and pMO87.
また縦形MOSFET4のゲートはnMO86を介して
接地され、制tll1m圧vinの入力端子がインバー
タ13を介してnMO86のゲートに接続されている。Further, the gate of the vertical MOSFET 4 is grounded via the nMO 86, and the input terminal of the control tll1m voltage vin is connected to the gate of the nMO 86 via the inverter 13.
nMO86は、制御電圧v1(1がLレベルのとぎ、縦
形MO3F’ET4のゲー1〜を接地しで、これをオフ
に転じさせるために接続されている。The nMO86 is connected to ground the gates 1 to 1 of the vertical MO3F'ET4 and turn them off when the control voltage v1 (1 is at L level).
なおコンデンサCの他方の電極、ダイオード8のカソー
ド、および縦形M OS F E T 4のゲートは、
前記の半導体基板3上への一体的な形成の際に、既に接
続が行なわれている。The other electrode of the capacitor C, the cathode of the diode 8, and the gate of the vertical MOSFET 4 are as follows:
Connections have already been made during the integral formation on the semiconductor substrate 3 described above.
次に作用を説明する。Next, the action will be explained.
第3図に示すように入力端子9に入力する制御電圧v1
nがLレベルからHレベルに立上ると、ワンショットマ
ルチバイブレータ11から、その回路定数によって規定
されるパルス幅のHレベルの制御信号e1が出力される
。l」レベルの制御信号e1は、インバータ12で反転
されてLレベルとなり、このLレベル信号によりpMO
87が導通制御されて電源電圧Vddが昇圧用のコンデ
ンサCに充電される。As shown in FIG. 3, the control voltage v1 input to the input terminal 9
When n rises from the L level to the H level, the one shot multivibrator 11 outputs an H level control signal e1 having a pulse width defined by its circuit constants. The control signal e1 at the "L" level is inverted by the inverter 12 and becomes the L level, and this L level signal causes the pMO
87 is controlled to be conductive, and the boosting capacitor C is charged with the power supply voltage Vdd.
規定された時間経過後、制御信号e1がLレベルに転じ
ると、インバータ12の出力がHレベルとなり、このH
レベル信号によりコンデンサCの充電電圧が昇圧される
。When the control signal e1 changes to the L level after the specified time has passed, the output of the inverter 12 becomes the H level, and this H level
The charging voltage of capacitor C is boosted by the level signal.
昇圧電圧VQは、コンデンサCの容量をC1縦形MOS
FET4(7)/7−トWfflecQsとすると、V
Q=Vdd−(2C+CQS)
/(C+Co5)
で与えられる。The boosted voltage VQ is the capacitance of the capacitor C as C1 vertical MOS
If FET4(7)/7-tWfflecQs, then V
It is given by Q=Vdd-(2C+CQS)/(C+Co5).
昇圧用のコンデンサCの容重を、ゲート容量Cgsの値
以上の大容量に形成することは、この実施例においては
比較的容易であるが、今仮にC=cctsとすると、v
a*i、5Vddとなって電源電圧は50%昇圧される
。In this embodiment, it is relatively easy to form the capacitance of the boosting capacitor C to be larger than the value of the gate capacitance Cgs, but if C=ccts, then v
a*i becomes 5Vdd, and the power supply voltage is boosted by 50%.
モして昇圧段は1段で構成されているので、上記の昇圧
作用は極めて高速に行なわれ、縦形MOSFET4は、
昇圧された電圧■Qでゲートが駆動されてオンに転じ、
高速のスイッチング動作がなされて電力負荷5に通電さ
れる。Furthermore, since the boosting stage is composed of one stage, the above boosting action is performed at extremely high speed, and the vertical MOSFET 4 is
The gate is driven by the boosted voltage ■Q and turns on,
A high speed switching operation is performed to energize the power load 5.
したがって縦形MOSFET4は、通電によりソース電
位が上昇しても充分高いゲート電圧Vaが与えられるの
でそのオン抵抗は増えることがなく電力損失の増大が抑
えられる。Therefore, even if the source potential of the vertical MOSFET 4 rises due to energization, a sufficiently high gate voltage Va is applied to the vertical MOSFET 4, so that its on-resistance does not increase and an increase in power loss is suppressed.
制御電圧vinがLレベルになると、インバータ13を
介してnMO86が通電制御され、ゲート電圧V(Jが
ゼロとなって縦形MOSFET4は、オフに転じる。When the control voltage vin becomes L level, the nMO 86 is energized via the inverter 13, the gate voltage V (J becomes zero, and the vertical MOSFET 4 is turned off).
次いで具体例を従来例と比較して述べる。Next, a specific example will be described in comparison with a conventional example.
インバータ12がnグーヤンネルおよびpチャンネルの
MOSFETで構成されているとして、その特性をβ−
8μA/V2 、Vth=2V、!:L、、昇圧用のコ
ンデンサCの容量を1000pF、縦形MOSFET4
のゲート容量cqsを1000pF、制御信号e1のパ
ルス幅を15μs、Vdd−15■とすると、VQhl
、5VdlC昇圧するのに要する時間は約30μsであ
った。Assuming that the inverter 12 is composed of n-channel and p-channel MOSFETs, its characteristics are β-
8μA/V2, Vth=2V,! :L,, Capacity of boost capacitor C is 1000pF, vertical MOSFET4
Assuming that the gate capacitance cqs of is 1000 pF, the pulse width of control signal e1 is 15 μs, and Vdd-15■, VQhl
, the time required to boost the voltage by 5VdlC was approximately 30 μs.
これに対し、前記第8図に°示した従来の昇圧回路51
においては、昇圧段数を7段、昇圧用の各コンデンサ5
5a・・・の容Mを2pF、各MO8FE T 54
a ・・・をβ−8μA/V2 、Vth=2V。In contrast, the conventional booster circuit 51 shown in FIG.
In this case, the number of step-up stages is 7, and each step-up capacitor is 5.
5a... capacitance M is 2pF, each MO8FE T 54
a... is β-8μA/V2, Vth=2V.
クロックφ、φの周波数を1MH2とし、Vddおよび
縦形MOSFET4のゲート容量Cqs等は前記と同様
とすると、VgWl、5Vddに昇圧するのに要する時
間は約2msであった。Assuming that the frequency of the clocks φ and φ was 1MH2, and that Vdd and the gate capacitance Cqs of the vertical MOSFET 4 were the same as described above, the time required to boost the voltage to VgWl and 5Vdd was about 2 ms.
したがって上記両者の昇圧スピードを比較すると、この
発明の実施例のものは、従来のものより60〜70倍高
速である。Therefore, when comparing the boosting speeds of both of the above, the embodiment of the present invention is 60 to 70 times faster than the conventional one.
従来のもので、この発明の実施例のものと同等の昇圧ス
ピードを得ようとすると、MOSFETおよび昇圧用の
コンデンサともに60〜70f8程度に大ぎくする必要
があり、チップ面積の著しい増大を招く。If a conventional device were to obtain a boosting speed equivalent to that of the embodiment of the present invention, it would be necessary to increase the size of both the MOSFET and the boosting capacitor to approximately 60 to 70 f8, resulting in a significant increase in chip area.
[第2実施例]
第4図にはこの発明の第2実施例を示す。この実施例は
、出力MOSFETとして横形MOSFETが用いられ
た半導体装置に適用したものである。[Second Embodiment] FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. This embodiment is applied to a semiconductor device using a lateral MOSFET as an output MOSFET.
なお第4図において前記第1図の(A)、(B)にお【
プる部材または部位と同一ないし均等のものは、前記と
同一符号を以って示し重複した説明を省略する。In addition, in FIG. 4, in (A) and (B) of the above-mentioned FIG.
Components or parts that are the same as or equivalent to those shown above are designated by the same reference numerals as described above, and redundant explanation will be omitted.
横形MOSFET14は、n形の半導体基板3の主面に
、チャンネル領域となるpウェル39が形成され、この
pウェル39内に形成されたn+ソース領域40、n+
ドレイン領域41、およびゲート酸化llI42上に形
成されたゲート電4f!43等で構成されている。In the lateral MOSFET 14, a p-well 39 serving as a channel region is formed on the main surface of an n-type semiconductor substrate 3, and an n+ source region 40, an n+
A gate electrode 4f formed on the drain region 41 and the gate oxide llI42! It is composed of 43 mag.
そして上記ゲート電極43を一方の電極として、誘電体
層となる酸化膜24および他方の電極25により昇圧用
のコンデンサCが形成されている。A boosting capacitor C is formed by using the gate electrode 43 as one electrode, the oxide film 24 serving as a dielectric layer, and the other electrode 25.
横形MOSFET14のゲート電極43上に昇圧用のコ
ンデンサCを構成する場合においても、前記第7図に示
したように基板内に作り込むのと1七較すると、基板上
にコンデンサ形成用の面積を格別にとることなく、比較
釣人容量のコンデンサを形成することができる。Even when configuring the boost capacitor C on the gate electrode 43 of the horizontal MOSFET 14, compared to forming it in the substrate as shown in FIG. A capacitor with a comparative capacitance can be formed without taking any special measures.
横形MOSFET14は、前記縦形MOSFET4と較
べると、比較的小電力用の出力MOSFETとして使用
されるが、昇圧電圧により駆動されて電力損失の増大が
抑えられる作用は、前記第1実施例のものとほぼ同様で
ある。The horizontal MOSFET 14 is used as an output MOSFET for relatively low power compared to the vertical MOSFET 4, but the effect of being driven by a boost voltage and suppressing the increase in power loss is almost the same as that of the first embodiment. The same is true.
[第3実施例]
第5図および第6図には、この発明の第3実施例を示す
。[Third Embodiment] FIGS. 5 and 6 show a third embodiment of the present invention.
この実施例は、前記第1実施例の半導体装置におりる昇
圧回路の部分に、バックアップ用の昇圧回路を付設した
ものである。In this embodiment, a backup booster circuit is added to the booster circuit included in the semiconductor device of the first embodiment.
第5図において主昇圧回路U1は、前記第2図における
昇圧回路Uと同様に構成されている。In FIG. 5, the main booster circuit U1 is constructed similarly to the booster circuit U in FIG. 2.
バックアップ用の昇圧回路U2における符号44はパル
ス信号e2を発振する発振回路でセット端子Sおよびリ
セット端子Rが備えられ、リセット端子Rには制御電圧
Vinを反転するインバータ45が接続されている。Reference numeral 44 in the backup booster circuit U2 is an oscillation circuit that oscillates a pulse signal e2, and is provided with a set terminal S and a reset terminal R, and an inverter 45 that inverts the control voltage Vin is connected to the reset terminal R.
発振回路44の出力端子は、他のインバータ46を介し
て昇圧用のコンデンサC2の一方の電極に接続され、電
源電圧Vddの線路がpMO847およびダイオード4
8を介してコンデンサC2の他方の電極に接続されてい
る。コンデンサC2の他方の電極は、バックアップ用昇
圧電圧の出力端子となるもので、この出力端子がダイオ
ード49を介して主昇圧回路U1の出力端子に接続され
ている。The output terminal of the oscillation circuit 44 is connected to one electrode of the boosting capacitor C2 via another inverter 46, and the line for the power supply voltage Vdd is connected to the pMO 847 and the diode 4.
8 to the other electrode of the capacitor C2. The other electrode of the capacitor C2 serves as an output terminal for the backup boosted voltage, and this output terminal is connected via a diode 49 to the output terminal of the main booster circuit U1.
バックアップ用の昇圧回路U2は、主昇圧回路U1の昇
圧電圧がpMO86やダイオード8を介しての電荷漏れ
により低下するのを補うことをその目的の一つとするも
のなので、その昇圧スピードは主昇圧回路U1のように
速くする必要はない。One of the purposes of the backup booster circuit U2 is to compensate for the drop in the boosted voltage of the main booster circuit U1 due to charge leakage through the pMO 86 and the diode 8, so its boosting speed is lower than that of the main booster circuit. It doesn't need to be as fast as U1.
このため昇任用のコンデンサC2は、主昇圧回路Ui側
のコンデンサC1ぽど大容量のものとする必要がなく、
前記第1図等において縦形MOSFET4のゲート和種
19上の一部に形成することができ、または半導体基板
3の主面の一部に作り込むことができる。他のpMO3
47、ダイオード48.49も同様に比較的小容量のも
のでよく、半導体基板3の主面の一部等に作り込まれる
。Therefore, the boosting capacitor C2 does not need to have as large a capacity as the capacitor C1 on the main booster circuit Ui side.
It can be formed on a part of the gate type 19 of the vertical MOSFET 4 in FIG. Other pMO3
Similarly, the diodes 48 and 49 may have relatively small capacitance, and are formed in a part of the main surface of the semiconductor substrate 3.
これらの素子は小形で且つ個数が少ないので、その素子
形成に必要とされる面積増しは僅かである。Since these elements are small and small in number, only a small increase in area is required to form them.
作用を説明すると、制御17tf圧Vi n;/jCL
レベルからHレベルに立上がると、主昇圧回路U1は、
前記のように速い昇圧スピードで昇圧され、例えばvo
*”+、5Vddまで昇圧される。To explain the action, control 17tf pressure Vin;/jCL
When rising from the level to the H level, the main booster circuit U1
As mentioned above, the pressure is increased at a high speed, for example, vo
*”+, boosted to 5Vdd.
一方、バックアップ用の昇圧回路U2においては、制御
電圧VinのHレベルへの立上りで、発振回路44が発
振を開始し、早い繰り返し周期のパルス信号e2の1サ
イクル毎にコンデンサC2の出力側が小電圧レベルで段
階的に昇圧される。On the other hand, in the backup booster circuit U2, when the control voltage Vin rises to H level, the oscillation circuit 44 starts oscillating, and the output side of the capacitor C2 becomes a small voltage every cycle of the pulse signal e2 with a fast repetition period. The level will be boosted step by step.
この段階的な昇圧電圧で、主昇圧回路U1の昇圧電圧■
Qがバックアップされ、比較的長時間に亘って出力MO
SFET4を継続駆動する場合においても電荷の漏れ等
によるゲート駆動用昇圧電圧Vgの低下が補われる。With this stepwise boost voltage, the boost voltage of the main boost circuit U1 is
Q is backed up and the output MO remains for a relatively long time.
Even when the SFET 4 is continuously driven, a decrease in the boosted voltage Vg for gate driving due to charge leakage etc. is compensated for.
そしてバックアップ用昇圧回路U2のバックアップ作用
により、昇圧電圧VQは、最終的に2Vdd程度の電圧
レベルまで昇圧され、出力MO3FET4の電力損失が
一層軽減される。Then, due to the backup action of the backup booster circuit U2, the boosted voltage VQ is finally boosted to a voltage level of about 2Vdd, and the power loss of the output MO3FET4 is further reduced.
制御電圧VinがLレベルになると、両昇圧回路Lit
、 U2ともにリセットされ、またnMO86等の作
用により出力MOSFET4はオフに転じる。When the control voltage Vin becomes L level, both booster circuits Li
, U2 are both reset, and the output MOSFET 4 is turned off by the action of nMO86 and the like.
[発明の効果]
以上説明したように、この発明によれば昇圧用のコンデ
ンサを、出力MO3FETのゲートを一方の電極として
当該MOSFETのゲート上に積み屯ねるように形成し
たので、昇圧用のコンデンサを大容量のコンデンサとす
ることができて電源電圧を1段の昇圧段で新製電圧値ま
で昇圧することができる。したがって昇圧スピードが顕
著に増大して出力MOSFETのスイッチングスピード
が速められ、出力MOSFETの電力損失を十分に低減
することができる。また昇任回路の構成に必要な面積が
小さくなるので、チップ面積が小さくなりチップコスト
の低減を図ることができるという利点がある。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, the step-up capacitor is formed so as to be stacked on the gate of the output MOSFET with the gate of the output MO3FET as one electrode. can be made into a large-capacity capacitor, and the power supply voltage can be boosted to a new voltage value with one step-up stage. Therefore, the step-up speed is significantly increased, the switching speed of the output MOSFET is increased, and the power loss of the output MOSFET can be sufficiently reduced. Furthermore, since the area required for the configuration of the promotion circuit is reduced, there is an advantage that the chip area is reduced and chip cost can be reduced.
第1図はこの発明に係る半導体装置の第1実施例を示す
縦断面図、第2図は同上実施例の等価回路を示す回路図
、第3図は同上実施例の制御信号等を示すタイミングチ
ャート、第4図はこの発明の第2実施例を示す縦断面図
、第5図はこの発明の第3実施例を示す回路図、第6図
は同上第3実施例の制御信号等を示すタイミングチャー
ト、第7図は従来の半導体装置の縦断面図、第8図は同
上従来例の等価回路を示す回路図、第9図は同上従来例
に適用するクロック信号の波形図である。
3:半導体基板、
4:縦形MO3FET (出力MOSFET)、9:制
御電圧の入力端子、
10:電源電圧の入力端子、
14:横形MOSFET(出力MOSFET>、19.
43:ゲート電極、
24:誘電体層となる酸化膜、
25:コンデンサの他方の電極、
C,CI 、C2:昇圧用のコンデンサ、U、Ul、C
I2:昇圧回路。
′特許出願人 日産自!Jl車株式会社′#c2図
第3Σ
第5図
第6図FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the above embodiment, and FIG. 3 is a timing diagram showing control signals, etc. of the above embodiment. 4 is a vertical cross-sectional view showing a second embodiment of the invention, FIG. 5 is a circuit diagram showing a third embodiment of the invention, and FIG. 6 shows control signals, etc. of the third embodiment of the invention. 7 is a longitudinal sectional view of a conventional semiconductor device, FIG. 8 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the conventional example, and FIG. 9 is a waveform diagram of a clock signal applied to the conventional example. 3: Semiconductor substrate, 4: Vertical MO3FET (output MOSFET), 9: Control voltage input terminal, 10: Power supply voltage input terminal, 14: Horizontal MOSFET (output MOSFET>, 19.
43: Gate electrode, 24: Oxide film serving as dielectric layer, 25: Other electrode of capacitor, C, CI, C2: Boosting capacitor, U, Ul, C
I2: Boost circuit. 'Patent applicant Nissan Motor Company! JL Car Co., Ltd.'#c2 Figure 3Σ Figure 5 Figure 6
Claims (1)
号で昇圧制御し、昇圧された電圧で出力MOSFETの
ゲートを駆動する半導体装置において、 前記昇圧用のコンデンサを、前記出力MOSFETのゲ
ートを一方の電極として当該出力MOSFETのゲート
上に積重ねるように形成したことを特徴とする半導体装
置。[Scope of Claims] A semiconductor device in which a power supply voltage charged in a boosting capacitor is boosted by an external control signal, and the gate of an output MOSFET is driven by the boosted voltage, the boosting capacitor being connected to the output MOSFET. A semiconductor device characterized in that the gate of the MOSFET is stacked on the gate of the output MOSFET as one electrode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4870686A JPS62206872A (en) | 1986-03-07 | 1986-03-07 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4870686A JPS62206872A (en) | 1986-03-07 | 1986-03-07 | Semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62206872A true JPS62206872A (en) | 1987-09-11 |
Family
ID=12810760
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4870686A Pending JPS62206872A (en) | 1986-03-07 | 1986-03-07 | Semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS62206872A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5347152A (en) * | 1989-06-30 | 1994-09-13 | Texas Instruments Incorporated | Stacked CMOS latch with cross-coupled capacitors |
JP2009021643A (en) * | 1997-01-31 | 2009-01-29 | Panasonic Corp | Light-emitting apparatus and manufacturing method thereof |
-
1986
- 1986-03-07 JP JP4870686A patent/JPS62206872A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5347152A (en) * | 1989-06-30 | 1994-09-13 | Texas Instruments Incorporated | Stacked CMOS latch with cross-coupled capacitors |
JP2009021643A (en) * | 1997-01-31 | 2009-01-29 | Panasonic Corp | Light-emitting apparatus and manufacturing method thereof |
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