CN108039347A - 一种集成超低电容大骤回tvs的共模滤波器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件，采用芯片集成的设计方法将超低电容且具有大骤回特性的TVS和共模电感有效结合。本发明的集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件结构可以有效的将多路TVS和共模滤波器分立方案优化为集成方案，节省50％的面积；共模电感具有较高的共模阻抗，对高速信号线差分通道的共模噪声干扰具有很强的抑制作用，同时，超低电容和大骤回特性的TVS阵列在ESD触发TVS开通时，可以输出更低的钳位电压，对后级IC起到非常好的保护作用，可广泛应用在MIPI，HDMI，MHL，USB等高频信号端口，提高系统的外延抗干扰能力和ESD静电防护水平。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术和电子电路技术领域，涉及信号传输的外延(外延，ElectromagneticInterference)抗电磁干扰技术和ESD保护器件设计技术，特别涉及一种集成超低电容大骤回TVS(TVS，TransientVoltageSuppressors)的共模滤波器件结构。
背景技术
高速数据传输的通信系统中，差分线抗干扰能力强，信噪比高，辐射小，带宽容量大等众多优点，所以在目前的高速电路设计中，都选取差分线作为通信方式。目前，采用高速差分线的通用串行总线USB2.0、USB3.0、USB3.1和高清晰度多媒体接口(HDMI)作为高速信号传输接口已广泛普及并且已用于诸如个人计算机和数字高清晰度电视等的多种数字装置中，成为许多高速数据传输设备的常规接口，这些高速数据端口对PC外设的发展起到了革命性的推动作用，并且现在变得越来越流行。由于超高的数据传输速率，造成USB、HDMI等连接线缆对外高频辐射超标，并且容易耦合外界的共模干扰，对电子装置的电路造成损坏以及信号失真；同时由于带电热插拔，容易受到瞬间电压冲击和静电干扰。因此我们对USB、HDMI等此类高速数据传输端口的噪声防护时，需要着重从电磁兼容和静电保护两个方面考虑。
针对高速差分数据线的外延高频辐射共模干扰，通常是安装共模滤波器，以去除共模噪声；而针对ESD静电防护，则是采用超低电容的多路TVS阵列，元件的这种配置会占用PCB上的大幅面积，这在移动电子器件中是非常不利的。
发明内容
本发明提供了一种应用于高速数据传输端口电磁兼容和静电防护集成化的解决方案，创新性的将超低电容SCR大骤回TVS阵列和共模电感两种关键技术设计整合在一起，共模电感对高速信号线的共模噪声具有很强的抑制作用，TVS阵列由于采用了SCR结构而具有较低的钳位电压。
本发明采取的技术方案如下：
一种集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件，包括P型硅衬底，所述P型硅衬底上生长N型EPI，所述N型EPI上设有N阱掺杂区域和P阱掺杂区域，其中：
一组N阱掺杂区和P阱掺杂区相接，且此组N阱掺杂区内进行N+重掺杂和P+重掺杂，此组P阱掺杂区内进行N+掺杂和P+掺杂，构成P-N-P-N的四层三结SCR结构TVS；
一组P阱掺杂区内进行N+重掺杂和P+重掺杂，该N+重掺杂和P阱形成降容二极管；
所述SCR结构的TVS和所述降容二极管通过第一层金属和第二层金属互联形成保护两路I/O的超低电容TVS阵列，引出两个I/O端口和一个Gnd端口；
在第二层金属上覆盖绝缘Polymide层，利用电镀工艺技术形成两层上下对称的Cu线圈，而且两层Cu线圈中间采用Polymide层隔离，第二层Cu线圈上再覆盖一层Polymide层作为Cu线圈的钝化保护；TVS阵列的两个IO端口分别和两层Cu线圈的其中一端连接，并引出PAD作为共模电感的输入端口，两层Cu线圈的另外一端分别引出PAD作为共模电感的输出端口，超低电容TSV阵列的Gnd端口直接引出到Polymide层表面作为器件的Gnd端口。
所述共模电感Cu线圈与超低电容TVS阵列的第二层金属之间的Polymide绝缘层厚度不低于5微米。
所述超低电容TVS阵列结构中的SCR结构与降容二极管的P阱之间采用深槽隔离，降低寄生电容。
所述P型衬底电阻率为100ohm-500ohm，所述N型外延电阻率为10ohm-20ohm。
本发明所述集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件结构可以有效的将多路TVS和共模滤波器分立方案优化为集成方案，节省50％的面积；共模电感具有较高的共模阻抗，对高速信号线差分通道的共模噪声干扰具有很强的抑制作用，同时，超低电容和大骤回特性的TVS阵列在在ESD触发TVS开通时，可以输出更低的钳位电压，对后级IC起到非常好的保护作用。此集成化的ESD和共模滤波器件可广泛应用在MIPI，HDMI，MHL，USB等高频信号端口，提高系统的外延抗干扰能力和ESD静电防护水平。
附图说明
图1是本发明一种集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件剖面结构示意图。
图2是本发明一种集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件电路示意图。
图3是本发明中超低电容大骤回TVS的器件剖面示意图。
图4是本发明中超低电容大骤回TVS的SCR结构等效电路图。
图5是本发明中共模电感平面图示意图。
图6是沿图5共模电感平面图剖面线A-B截取的一部分截面示意图。
图7是I/O1和I/O2信号在共模电感中电流路径示意图。
具体实施方式
图1是本发明一种集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件的一种实施实例，如图所示，包括P型衬底区1；
在P型衬底区1上生长N型外延2；N型外延2内包括两种掺杂类型的阱：TVS的P阱3，TVS的N阱4，且N阱4和P阱3间距为0，N阱4内设置N+重掺杂7和P+重掺杂6，并且N+重掺杂7和P+重掺杂6通过金属一10短接在一起，作为TVS的阴极；P阱3内设置N+重掺杂7和P+重掺杂6，并且N+重掺杂7和P+重掺杂6通过金属二13短接在一起，作为TVS的阳极，ESD脉冲由阴极P+重掺杂6进去，经过P+重掺杂，N阱，P阱，N+重掺杂这四层SCR结构到达阳极，触发SCR开通并钳位到低电压。
而图1里左右两个P阱分别被隔离槽5分割为两个区域26和27，P阱26中设置N+重掺杂7，与P阱26形成降容二极管D1；P阱27中设置N+重掺杂7后，与P阱27形成降容二极管D2；P阱26和27中都设置P+重掺杂6，目的是为降容二极管D1和D2的阳极引出形成欧姆接触。降容二极管D1的阴极N+重掺杂7通过金属一9和11引出，并和TVS的阴极10短接在一起。而D1的阳极和D2的阴极通过金属二短接在一起引出，作为I/O输入端口。D2的阳极和TVS的阳极通过金属二短接在一起引出，作为器件的Gnd端口。介质一8和介质二12分别作为金属一和金属二的层间绝缘层，上述介质一和介质二均为二氧化硅材质，上述金属一和金属二均为铝硅铜材质。
在金属二13上覆盖Polymide1绝缘层14，再使用光刻板曝光Polymide1的开孔层24，用于金属二的引出；电镀第一层Cu金属线圈15，在第一层Cu金属线圈上覆盖Polymide2绝缘层16，再使用光刻板曝光Polymide2的开孔25，电镀第二层Cu金属线圈17，在第二层Cu金属线圈上覆盖Polymide3绝缘层18，再使用光刻板曝光PAD压焊点19，20，21，22，23，分别作为I/O1In，I/O2In，I/O1Out，I/O2Out，Gnd五个端口的引出。
图2是本发明一种集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件电路示意图，包括两路I/O的TVS阵列和CMC共模电感。ESD脉冲触发TVS阵列开通后，通过降容二极管D1和TVS路径泄放至Gnd。而共模噪声信号通过I/O传输线时，CMC共模电感会产生非常高的共模阻抗，抑制干扰。
图3是超低电容大骤回TVS的剖面图，从图中看到SCR结构是由P-N-P-N的四层三结组成，四层掺杂分别是P+重掺杂6，N阱4，P阱3，N+重掺杂7。从等效电路图4可以看到，SCR结构主要是由两个晶体管相互耦合而成。当ESD脉冲从I/O端口进入时，SCR被触发，PNP管和NPN管瞬间发生雪崩击穿，并很快进入到正反馈状态来导通ESD电流，SCR的击穿电压会骤回到1-2V的维持电压。图3中左右两个降容二极管D1的阴极通过金属一9和11引出，并和TVS的阴极10短接在一起。而D1的阳极和D2的阴极通过金属二短接在一起引出，作为I/O端口。D2的阳极和TVS的阳极通过金属二13短接在一起引出，作为器件的Gnd端口。
图5是共模滤波器的中共模电感平面示意图，共模电感的线圈通过光刻版曝光图形化于芯片上。图6是沿图5共模电感平面图剖面线A-B截取的一部分截面示意图。由两层互相绝缘且上下对称的金属线圈构成平面螺旋电感，由图6可看出上下两层线圈被定位于彼此间不同的垂直层面上。电感线圈采用电镀Cu的方式形成，并且在实际工艺过程中保证线圈的宽度、高度、间距的一致性。通过工艺和版图调整这些尺寸，使得线圈元件之间的磁耦合最大化，获得更高的共模阻抗。Cu线圈与TVS金属引线铝硅铜之间的隔离采用Polymide材料，两层Cu线圈之前的隔离亦采用Polymide材料，下层线通过通孔引出压焊点PAD作为I/O1In和I/O1Out的端口，上层线圈则直接引出压焊点PAD作为I/O2In和I/O2Out的端口。最上层Cu线圈不能裸露在外面，需要再覆盖一层Polymide材料作为钝化层。最后使用PAD层光刻板曝光Polymide，打开压焊点图形。所有的压焊点表面需要淀积NiPdAu(镍钯金)涂层来增加打线时可焊性。图7是I/O1和I/O2两路信号在共模电感中电流路径示意图。
Claims (4)
1.一种集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件，其特征在于，包括P型硅衬底，所述P型硅衬底上生长N型EPI，所述N型EPI上设有N阱掺杂区域和P阱掺杂区域，其中：
一组N阱掺杂区和P阱掺杂区相接，且此组N阱掺杂区内进行N+重掺杂和P+重掺杂，此组P阱掺杂区内进行N+掺杂和P+掺杂，构成P-N-P-N的四层三结SCR结构TVS；
一组P阱掺杂区内进行N+重掺杂和P+重掺杂，该N+重掺杂和P阱形成降容二极管；
所述SCR结构的TVS和所述降容二极管通过第一层金属和第二层金属互联形成保护两路I/O的超低电容TVS阵列，引出两个I/O端口和一个Gnd端口；
在第二层金属上覆盖绝缘Polymide层，利用电镀工艺技术形成两层上下对称的Cu线圈，而且两层Cu线圈中间采用Polymide层隔离，第二层Cu线圈上再覆盖一层Polymide层作为Cu线圈的钝化保护；TVS阵列的两个IO端口分别和两层Cu线圈的其中一端连接，并引出PAD作为共模电感的输入端口，两层Cu线圈的另外一端分别引出PAD作为共模电感的输出端口，超低电容TSV阵列的Gnd端口直接引出到Polymide层表面作为器件的Gnd端口。
2.根据权利要求1所述的集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件，其特征在于，共模电感Cu线圈与超低电容TVS阵列的第二层金属之间的Polymide绝缘层厚度不低于5微米。
3.根据权利要求1所述的集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件，其特征在于，超低电容TVS阵列结构中的SCR结构与降容二极管的P阱之间采用深槽隔离。
4.根据权利要求1所述的集成超低电容大骤回TVS的共模滤波器件，其特征在于，所述P型衬底电阻率为100ohm-500ohm，所述N型外延电阻率为10ohm-20ohm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Seven road 201202 Shanghai Pudong New Area Shiwan No. 1001 Applicant after: Shanghai Wei'an Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 201202 Shanghai city Pudong New Area Town Road No. 1001 to seven Shiwan Building 2 Applicant before: SHANGHAI CHANGYUAN WAYON MICROELECTRONICS Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180515 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |