JPH1070416A - 集積化された電子装置 - Google Patents

集積化された電子装置

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JPH1070416A
JPH1070416A JP9060320A JP6032097A JPH1070416A JP H1070416 A JPH1070416 A JP H1070416A JP 9060320 A JP9060320 A JP 9060320A JP 6032097 A JP6032097 A JP 6032097A JP H1070416 A JPH1070416 A JP H1070416A
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Jean Hermann
エルマン ジャン
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
    • H03B5/36Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集積化された共振器を伴なうタイムベースを
そなえた電子装置を高品質かつ低コストでうることを目
的とする。 【解決手段】 上記電子装置において、特に共振器
(4)が、他の集積回路(3),(5)などとは別に、
基板(2)のうちの減少された厚みを有する所定の表面
部分内に切り出された本体と、該本体の少なくとも一部
上にデポジットされた圧電層及び該圧電層上にデポジッ
トされた電極形成用の金属層とで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は少なくとも完全に集
積化されたタイムベース(time base) をそなえる電子装
置に関し、より特定的には、CMOS技術を用いて集積
回路に組込まれた発振器と共振器とをそなえ、計時装置
に使用されうるタイムベースを、単一で同一の基板内に
集積化した電子装置に関する。
【0002】
【従来の技術】計時装置のタイムベースは通常、水晶共
振器と、いくらかでも安定した発振周波数を供給するよ
うに該共振器を振動させるメンテナンス回路とを有する
発振器と、分割チェーン (division chain) と、恐らく
は該分割チェーンの分割比を変更する周波数調整回路と
をそなえている。該メンテナンス回路、該分割チェーン
とともに該調整回路は通常CMOS技術を使用して形成
され、単一の基板内に集積される。一方、該水晶共振器
は該集積回路に特別に接続されなければならない外部素
子であり、これによって特定のアセンブリ動作とこの動
作に特有の特別のコストとが必要となる。このタイムベ
ースを使用する回路と同一の基板内に完全に集積可能な
タイムベースの問題は、このように容易に想像されう
る。
【0003】基準電流によって電力供給される容量を用
いて完全に電子的な発振器を実現することが既に提案さ
れた。1例は例えば“集積化された時間基準装置 (An i
ntegrated Time Reference) ”と題してISSCCコン
ファレンス1994において、 Robert A.Blauschildに
よって示された。かかる解決策はたとえそれが集積化さ
れても、時計の用途で要求されるような条件、すなわち
高精度と非常に少ない電力消費とを達成することはでき
ない。
【0004】米国特許US−A−4,890,370に
は、シリコンウェーハ内に集積化された共振器を製造す
るための該シリコンウェーハを構成するプロセスが記載
されている。しかしこの刊行物は、厚さモードで振動す
る薄い高周波の共振器(数10MHz )についてほんの少
し述べているにすぎない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、集積
化された共振器を伴なうタイムベースを少なくともそな
えた電子装置を提供することによって、従来技術の上述
した問題点に対する解決策を提供することにある。本発
明の他の目的は、低コストで製造が容易なこの種の装置
を提供することにある。
【0006】本発明の他の目的は、同じ基板内に、タイ
ムベース、その集積化された共振器、及び温度の関数と
しての周波数の調整手段をそなえた装置を提供すること
にある。
【0007】
【課題を解決するための手段】かかる目的に対して本発
明は、単結晶のシリコン基板と、共振器、該共振器を振
動させるメンテナンス回路、及び周波数分割チェーンを
含む発振器を有する集積回路とをそなえており、該メン
テナンス回路は該分割チェーンとともにCMOS回路で
構成されている集積化された電子装置であって、該共振
器は、該基板のうちの減少された厚みを有する所定範囲
の表面部分内で切り出された本体と、該本体の少なくと
も一部上にデポジットされた圧電材料の薄層と、電極を
形成するように該圧電層上にデポジットされた薄い金属
層とで形成された、集積化された共振器である。
【0008】好ましくは、該集積化された共振器は、2
つの各終端部と結合された伸長された中央部分をそなえ
ており、これによって2つの終端質量体がバーの両端に
一体に形成される。圧電層は該中央部分上にデポジット
される。該共振器はバーの中央部に接続されたアームか
らなる中間体によって基板に取付けられる。この共振器
は縦(長さ方向の)振動モード(length extensional mo
de) で振動するようにされており、これによって高い圧
電結合(圧電カップリング)がえられる。
【0009】該共振器のこの特定の構成は、製造プロセ
スでの後処理、すなわち、該共振器の製造プロセスが本
発明による電子装置のCMOS製造プロセスと両立する
ことを可能とし、またわずかの補足工程を必要とするに
すぎない。更に、該共振器の特定の形態と、選択された
振動モードとは、高い品質ファクターを得ることを可能
にし、またその各寸法は、僅かな電力消費によって所望
の周波数が、わずかなスペースを用いるのみでえられる
ように適応されうる。
【0010】有利には、本発明の装置は、温度の関数と
して共振器の周波数の振動を補償するための温度測定用
集積回路を組込むことによって、非常に安定した周波数
を提供することを可能とする。以下添付図面を参照し
て、本発明の1実施例が記載される。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は本発明による集積化された
電子装置1を概略的に示す。該装置1は、単結晶シリコ
ンの基板2をそなえる。集積回路3は該基板2内に形成
されていて、メンテナンス回路とタイムベースの分割チ
ェーンとをそなえる。集積回路3は共振器なしでタイム
ベースのいくつかの異なる素子によって事実上構成され
る。このような集積回路は、該基板2の頂部表面区域1
2内に、この集積回路3のいくつかの素子を形成するた
めに、CMOS製造プロセスによって該基板内に製造さ
れる。これは当業者にとって周知の態様でなされるの
で、ここでは詳細には説明しない。タイムベース3はメ
ンテナンス回路をそなえ、例えば計時器(タイムピー
ス)(図示されない)のディスプレイの制御回路に電力
供給するようにされた出力周波数を供給するように構成
される。
【0012】このために該集積回路3は、発振器によっ
て供給される周波数を分割するための分割チェーンを、
周知の態様で更にそなえる。有利には、正確な周波数を
得るとともに温度補償をするために、調整回路例えば禁
止回路 (inhibition circuit) が設けられる。かかる回
路も当業者にとって周知であるので、これ以上詳細には
説明しない。メンテナンス回路は集積回路3と同じ基板
2内に製造された集積化された共振器4と結合される。
【0013】図2は集積化された共振器4の形状を概略
的に示す。共振器4は基板2のより薄い部分に形成され
る。このより薄い部分は範囲を定められた区域14内で
ウェーハをエッチングすることによってえられる。この
より薄い部分の残余の厚さは約50マイクロメータであ
るが、この値は臨界的なものではない。好適には、共振
器4は中央の伸長された部分がバー6の形状に形成さ
れ、その各先端部に終端質量体 (masses) 7,7′が設
けられる。これらの質量体7,7′は共振器4の周波数
を低下させるために設けられる。該バーすなわち中央部
分6は、減結合(デカップリング)区域9によって基板
2に接続される。更に区域8が設けられるが、該区域8
の機能は該共振器の全体的な対称性(釣り合い)を確保
することにある。
【0014】図3を参照すると、共振器4が該共振器4
の中央部分6上にのみデポジットされた圧電材料の薄層
10をそなえていることが示されている。薄い金属層1
1が電極を形成するために圧電層10上にデポジットさ
れ、第2の電極は該共振器のシリコンがドープされた本
体によって形成される。圧電カップリングは該圧電層の
全体の表面によってのみ決定されるので、このデポジシ
ョンの形状は臨界的なものではない。
【0015】いくつかの異なる圧電材料の中での材料の
選択は特に共振器の電力消費を決定する。更に該材料は
発振器の周波数にあまり影響を与えないように安定して
いなければならない。更にこの材料は典型的なCMOS
製造プロセスと両立するような態様で該共振器上にデポ
ジットされうるものでなければならない。圧電材料とし
て窒化アルミニウムAlNを使用することは、実験上特
に好適であると認められた。事実、これは半導体材料で
あるけれども、その電気抵抗率は作動温度範囲内で十分
に高い。更に、マイクロエレクトロニクスで典型的な材
料と両立するこの材料は、本発明による装置1を得るた
めに意図されたCMOS製造プロセスと両立する温度で
スパッタリングプロセスによるデポジションを可能にす
る。
【0016】上述したような共振器の幾何学的構造は、
基板2に対する非常に良好な減結合性(デカップリン
グ)と、高い品質ファクターQをうることを可能にす
る。該品質ファクターは、1振動周期間にこの共振器に
よって失なわれるエネルギーに対する、該共振器の内部
エネルギー(運動エネルギーと位置(ポテンシャル)エ
ネルギーとの和)の比率の2π倍に等しいことをここに
記しておく。有利には、この減結合性は、終端質量体
7,7′の対称軸とこれらの質量体を接続する中央部6
との間をわずかにずらす(不整列とする)ことによって
更に最適化されうる。共振器4の各寸法の例は以下のと
おりである。すなわち長さは約2.1mm、幅は約0.7
mm、そして厚さは数10マイクロメータ(10-6m)で
ある。
【0017】集積化された共振器4の機能は次のとおり
である。金属層11と基板2との間に交流電圧を印加す
ることによって、圧電層10は共振器4の中央部分6の
振動を生じさせる。220Hz(=1.05MHz )の周波数
が本発明による共振器用に選択された。圧電層10は該
共振器が平面に沿って基本的縦振動モード(fundamental
length extensional mode) で振動するような態様で励
起される。中央部分6はその平面に沿って終端部7に向
って、また終端部7′に向って交互に伸長する。
【0018】かかるシリコン共振器の温度係数は約−3
0ppm /℃であることが実験上認められた。これによっ
て、タイムベースの周波数調整回路を制御することによ
ってこの振動を補償するために使用されうる出力信号を
有する温度測定回路を、同じ基板2内に結合させること
が高く推奨される。このために本発明による電子装置1
は有利には更に集積化された温度測定回路5をそなえ
る。該測定回路5は温度の関数として共振器4の周波数
の振動を補償するように配設された垂直のバイポーラト
ランジスタで形成されうる。かかる測定回路の例は、
“センサ及びアクチュエータ (Sensors and Actuator
s)”、A21−A23(1990)、第636〜第63
8頁の、 P.Krumenacher及び H.Ogueyによる論文“CM
OS技術によるスマートな温度センサ (Smart Temperat
ureSensor in CMOS Technology)”に記載されている。
【0019】共振器4の製造プロセスの1例が以下に記
載される。基板2の背面が、減少された厚みを有する、
範囲を定められた区域14を規定するために化学的にエ
ッチングされうる。これにつづいて、その前面のエッチ
ングが共振器4の幾何学的構造を規定するために実行さ
れうる。このあとで、単一の補足マスクを用いて圧電層
10をデポジットし更に該圧電層をメタライズする。
【0020】その特定の形状ばかりでなくその特殊の構
造によって、該共振器は集積化されたタイムベースを形
成するように集積回路3をそなえたタイムベース内に容
易に結合されうる。またこの共振器は、その電力消費に
関する限り、CMOS技術によりえられた集積回路3と
両立する。更にかかる共振器を構成するこの集積化され
たタイムベースは、公知の集積化された各タイムベース
に比してより安定しており、またより正確である。
【0021】本発明装置の好適な1実施例について上述
したけれども、本発明は、本発明の単なる1例として示
されるこの特定の実施例のみに限定されるものではな
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による集積化された電子装置を概略的に
示す図である。
【図2】図1の装置に用いられる集積化された共振器の
形状を概略的に示す図である。
【図3】集積化された共振器の構造を示す図2の線IIa
−IIaに沿う概略的な横断面図である。
【符号の説明】
2…基板 3…集積回路(タイムベース) 4…集積化された共振器 5…集積化された温度測定回路 6…共振器の中央部分 7,7′…共振器の終端質量体 8…共振器の対称性を確保する区域 9…共振器の減結合(デカップリング)区域 10…圧電層 11…金属層

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶のシリコン基板(2)と、共振
    器、該共振器を振動させるメンテナンス回路、及び周波
    数分割チェーンを含む発振器を有する集積回路(3)と
    をそなえており、該メンテナンス回路は該分割チェーン
    とともにCMOS回路で構成されている集積化された電
    子装置(1)であって、該共振器は、該基板(2)のう
    ちの減少された厚みを有する所定範囲の表面部分(1
    4)内で切り出された本体と、該本体の少なくとも一部
    (6)上にデポジットされた圧電材料の薄層(10)
    と、電極を形成するように該圧電層(10)上にデポジ
    ットされた薄い金属層(11)とで形成された、集積化
    された共振器(4)であることを特徴とする集積化され
    た電子装置。
  2. 【請求項2】 前記集積化された共振器(4)は、2つ
    の終端部(7,7′)に結合された中央伸長部(6)を
    そなえ、これによりその各端部に終端質量体が設けられ
    たバーによって前記集積化された共振体(4)が形成さ
    れ、該圧電層(10)は該中央伸長部(6)上にのみデ
    ポジットされている、請求項1に記載の集積化された電
    子装置。
  3. 【請求項3】 該圧電材料の薄層(10)は窒化アルミ
    ニウム(AlN)で形成されている、請求項1又は2に
    記載の集積化された電子装置。
  4. 【請求項4】 該装置(1)は更に、温度の関数として
    該共振器(4)の周波数の変動を補償するための集積化
    された温度測定回路(5)をそなえている、請求項1乃
    至3のうちのいずれか1項に記載の集積化された電子装
    置。
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