JP2010512003A - トレンチ絶縁を用いたラッチアップ現象のない垂直方向tvsダイオードアレイ構造 - Google Patents

トレンチ絶縁を用いたラッチアップ現象のない垂直方向tvsダイオードアレイ構造 Download PDF

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Abstract

垂直方向半導体電源装置を製造するための製造処理に実質的に従う、過渡電圧サプレッサ(TVS)アレイを製造するための方法。この方法は、半導体基板にある第1の導電型のエピタキシャル層に複数の絶縁トレンチを開口するステップと、それに続いて、2つの絶縁トレンチの間に第2の導電型を有するボディ領域をドープするために、ボディマスクを適用するステップと、を含む。この方法はさらに、複数のダイオードを構成する第1の導電型の複数のドープ領域を注入するために、ソースマスクを適用するステップを含み、ここで、絶縁トレンチは寄生PNPもしくはNPNトランジスタを絶縁し、寄生PNPもしくはNPNトランジスタが異なる導電型のドープ領域の間でラッチアップするのを防止する。

Description

本発明は、概して過渡電圧サプレッサ(TVS)の回路構成と製造方法とに関する。より具体的には、本発明は、ラッチアップ現象の技術的難題を解決するために、絶縁トレンチを実装した垂直TVSアレイの改良された回路構成と製造方法とに関する。
過渡電圧サプレッサ(TVS)アレイの設計と製造に関する従来技術は技術的難題に未だ直面している。TVSアレイにおいて、標準的なCOMS処理ステップを適用することによって複数のPN接合ダイオードが半導体基板に製造され、そのため内蔵のPNPおよびNPN寄生トランジスタが存在する。EDSイベントの際もしくは過渡電圧が生じた際には、大きな電圧がこのTVSアレイに印加し、寄生NPNもしくはPNPトランジスタがオンになりラッチアップ現象が起こる。これによって、急激な激しい電圧のスナップバックが生じる。この急激で大きなスナップバックは、システムを不安定にする望ましくない影響を及ぼす可能性があり、損傷さえも引き起こし得る。また、TVSアレイにおける寄生NPNもしくはPNPトランジスタのラッチアップ現象はさらに、予期せぬ他の望ましくない電圧‐電流の過渡状態を導く可能性がある。TVSアレイにおける寄生PNPもしくはNPNラッチアップ現象に起因する技術的難題は、容易には解決できない。
具体的には、過渡電圧サプレッサ(TVS)は、集積回路に印加される不慮の過剰な電圧が生じたことに起因するダメージから集積回路を保護するために、一般に用いられている。集積回路は、正常な電圧範囲を超えても動作するように設計されている。しかしながら、静電気放電(ESD)、電気的高速過渡、および電光などの状態では、予期せぬ制御不能な高電圧が回路を偶発的に襲う。その様な過剰な電圧状態が生じた際に、集積回路に起こりうるダメージを回避するための保護機能として働かせるために、TVS装置は必要とされる。過剰な電圧によるダメージに対して脆弱な集積回路を実装している装置の数が増加すると、TVS保護の必要性も高まる。TVSの用途としては、例えば、USB電源、データ回線保護、デジタル映像インターフェース、高速イーサネット、ノートパソコン、モニタ、およびフラットパネルディスプレーなどに見られる。
図1Aおよび1Bは、TVS装置の回路図と電流‐電圧グラフとをそれぞれ示す。理想的なTVSでは、リーク電流を最小化するために、入力電圧Vinが降伏電圧Vbよりも低い場合に、電流を完全にブロックする(即ち、ゼロ電流)。また、理想的には、過渡電圧を効果的にクランプできるように、入力電圧Vinが降伏電圧Vbよりも高い状況下では、TVSはほぼゼロに近い抵抗を有する。過渡入力電圧が降伏電圧を超えた際に電流の伝導を可能にする、降伏電圧を有するPN接合装置を実装することで、TVSは過渡電圧保護を実現することができる。しかしながら、TVSのPN接合型は少数キャリアを持たず、図1Bに示されるもののように、その高い抵抗に起因してクランプ性能が悪くなる。代わりに、アバランシェ現象を引き金としてバイポーラトランジスタがオンになるバイポーラNPN/PNPを実装したTVSがある。この基部は少数キャリアで満たされており、アバランシェ電流がバイポーラゲインによって増幅されるので、バイポーラTVSはより良いクランプ電圧を実現することができる。
エレクトロニクス技術の進歩に伴い、ESD保護のための(特に高いバンド幅のデータバスを保護するための)TVSダイオードアレイを必要とする、ますます多くの装置とアプリケーションが存在する。4チャネルTVSの回路図に関する図2Aと、TVSアレイの装置実装の断面図に関する図2Bについて述べる。図ではアレイ装置の主要部分のみを示す。図2Aおよび2Bに示されるように、TVSアレイは、複数の直列に結合したハイサイド・ステアリングダイオードと、ローサイド・ステアリングダイオードとを含み、ここで、ハイサイド・ステアリングダイオードはVccに結合され、また、ローサイド・ステアリングダイオードは接地電位に結合される。さらに、これらのハイサイドおよびローサイドのステアリングダイオードは、中央のツェナーダイオードに並列に結合され、ここで、ステアリングダイオードは、ツェナーダイオードと比べて、ずっと小さな大きさであり、より低い接合静電容量を有する。また、図2Cに示されるように、このような実装では、寄生PNPおよびNPNトランジスタによって引き起こされるSCRの動作に起因した、別のラッチアップの問題がさらに発生する。中央のツェナーダイオードの絶縁破壊が引き金となってNPNをオンにし、これはさらにSCRをオンにし、その結果、ラッチアップ現象となる。また高い温度では、寄生NPNのNP接合点を通る高いリーク電流が、SCRをオンにし、NPNがオンになっていないにもかかわらずラッチアップ現象となり得る。寄生PNPおよびNPNトランジスタによって引き起こされるSCRの動作に起因したラッチアップを抑制するために、半導体基板上の実際の装置実装は、基板上で距離を基板面方向に伸ばす必要があり、これは、図2Bに示されるように、100マイクロメートルまで、もしくはそれ以上の距離にもなり得、また、この抑制は大抵十分な効果が無い。
図3Aおよび3Bは、イーサネット差動保護回路における、寄生PNPトランジスタを介したラッチアップに起因する特有の難題を図解する。このイーサネット保護回路では、Vccピンと接地ピンは共に、浮遊している。しかしながら、寄生SCR構造は設計上十分に弱くは無く、図3Bに示されるように、急激な電圧スナップバックを引き起こす。この様な急激で激しいスナップバックは、システムを不安定にする望ましくない影響を引き起こし、もしくは、ダメージさえも引き起こし得る。標準的なCMOS処理において、寄生PNPトランジスタが内蔵されるものがあるので、この難題は容易には解決することができず、Vccピンおよび接地ピンの双方が浮遊している事実は、ラッチアップ現象の影響を悪化させる。寄生PNPトランジスタのゲインを抑制するためには追加の埋め込み層が必要であり、これは、装置構成を複雑にし、製造コストを高くする。
それゆえ、回路設計と装置製造の分野において、上記で論じた難題を解決するための新規の改良された回路構成と製造方法とを提供する必要性が未だ存在する。特に、寄生PNP/NPNトランジスタのラッチアップを効果的に都合良く防ぐことが可能な、新規の改良されたTVS回路を提供する必要性が未だ存在する。
それゆえ、本発明の一様態では、従来のTVSアレイが直面する上記で論じた難題と制限とを克服することができるように、寄生PNP‐NPNトランジスタのラッチアップを防止するためのラッチアップ絶縁トレンチを実装した、TVSアレイのための新規の改良された装置構造が提供される。
本発明の別の様態では、隣接するダイオード間の基板面方向の距離を、ラッチアップ現象に気遣うことなく減少できるように、ダイオード間の絶縁トレンチを実装したTVSアレイが提供される。
簡潔に言えば、本発明の好ましい実施形態では、半導体基板にPN接合を構成するために、異なる導電型のドーパント領域として形成された複数のダイオードを含んだTVSアレイが開示される。TVSアレイはさらに、絶縁のために、ドーパント領域の間に絶縁トレンチを含み、この絶縁トレンチは寄生PNPもしくはNPNトランジスタのラッチアップを防止する。
本発明ではさらに、組込型の過渡電圧サプレッサ(TVS)アレイを備えた電子装置を製造するための方法が開示される。この方法は、異なる導電型の複数のドーパント領域をドーピングすることによって、これらドーパント領域の間のPN接合の間にダイオードを形成し、半導体基板にTVSアレイを製造するステップを含む。この方法はさらに、絶縁のためにドーパント領域の間に絶縁トレンチを形成し、異なる導電型のドーパント領域の間の寄生PNPもしくはNPNトランジスタのラッチアップ現象を防止するステップを含む。
本発明のこれらのおよび他の目的と利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読んだ後で、当業者には明らかとなるだろう。本発明の好ましい実施形態はさまざまな図面でも例示される。
従来のTVS装置を示す回路図である。 TVS装置の逆特性を示す、I‐Vグラフ(即ち、電圧に対する電流のグラフ)である。 複数のI/Oパッドに結合した複数のハイサイド・ダイオードとローサイド・ダイオードとを含み、ハイサイド・ダイオードとローサイド・ダイオードとに並列に結合した中央のツェナーダイオードを備える、TVSアレイの回路図を示す。 従来の装置構成に従う、図2AのTVSアレイの装置実装を図解する断面図である。 図2Bで実装されたような装置の潜在的なラッチアップを図解する等価回路図を示す。 図2Bに示される構造に従って構成された保護回路を備え、浮遊するためにVccピンとGNDピンとの双方を必要とし、また、寄生SCRのゲインを抑制するために埋め込み層を必要とする、イーサネット差動保護回路の回路図である。 従来のTVSアレイを用いた際のESD保護、もしくはTVS作用を図解するI‐Vグラフを示しており、これは望ましくない急激なかなり大きいスナップバックが生じることを導き出している。 寄生PNPもしくはNPNトランジスタのラッチアップを有意に低減する本発明の絶縁トレンチを実装したTVSアレイの断面図である。 寄生PNPもしくはNPNトランジスタのラッチアップを有意に低減する本発明の絶縁トレンチを実装した別のTVSアレイの断面図である。 ラッチアップが排除されるため、スナップバックが有意に低減されたESD保護作用もしくはTVS作用を図解するI‐Vグラフである。
本発明のTVSアレイの一部分の新規の改良された実装の断面図に関する図4について述べる。TVSアレイの一部分100は、示されるように、N+基板101上部の上のN‐epi層105の上に支持される2つのチャネルを備え、底表面はVcc電位にある陽極端子110へと結合されている。TVSアレイは、底表面に配置された陽極110と、接地電位へと結合される上表面に配置された陰極端子120との間に結合される。TVSアレイ100はさらに、第1のハイサイド・ダイオード125と、第1のローサイド・ダイオード130とを含み、これらのダイオードは第1のIO端子135へと結合される。TVSアレイ100はさらに、第2のローサイド・ダイオード140と、第2のローサイド・ダイオード145とを含み、これらのダイオードは第2のIO端子150へと結合される。第1のハイサイド・ダイオード125は、P+ドープ領域125‐Pと、N‐epi105との間のPN接合として形成される。第1のローサイド・ダイオード130は、N+領域135‐Nと、陰極端子120の下に配置されたP‐ボディ領域160との間のPN接合として形成され、第1のIOパッド135は第1のローサイド・ダイオード130のN+ドーパント領域135‐Nと、第1のハイサイド・ダイオード125のP+ドーパント領域125‐Pとに結合される。第2のローサイド・ダイオード145は、N+領域145‐Nと、陰極端子120の下に配置されたP‐ボディ領域160との間のPN接合として形成され、第2のIOパッド150は第2のローサイド・ダイオード145のN+ドーパント領域145‐Nと、第2のハイサイド・ダイオード140のP+ドーパント領域140‐Pとに結合される。より大きな領域のツェナーダイオード170は、P‐ボディ160と、N‐epiとの間のPN接合を用いて形成される。ツェナーダイオード170が引き金となってオンされ得るNPNトランジスタは、N+エミッタ領域155、Pボディ領域160、およびN+基板101によって形成され、それほど抵抗もなく大きな過渡電流を伝導する。TVSアレイ100はさらに、第1のハイサイド・ダイオード125と、第1のローサイド・ダイオード130との間に形成された第1の絶縁トレンチ180‐1を含む。TVSアレイ100はさらに、第2のハイサイド・ダイオード140と、第1のローサイド・ダイオード145との間に形成された第2の絶縁トレンチ180‐2を含む。絶縁トレンチは、ハイサイド・ダイオードと、ローサイド・ダイオードとによって形成された、複数のPN接合の間に内蔵して形成される寄生NPNもしくはPNPトランジスタのラッチアップを防止する。
図5は、本発明の別のTVSアレイの新規の改良された実装の断面図である。図5の装置100′は、図4の装置100と類似したものであるが、装置100′に追加のトレンチがある点で異なり、これにより、より良い絶縁が提供される。トレンチ180′‐1および180′‐2は、ローサイド・ダイオードを、中央のツェナーダイオード領域から分離し、それゆえ、N+領域155、Pボディ160、ならびにローサイド・ダイオード陰極領域135‐Nおよび145‐Nによって構成される基板面方向のNPNを絶縁破壊する。
図6は、ラッチアップが排除されるため、スナップバックが有意に低減された、ESD保護作用、もしくは、TVS作用を図解するI‐Vグラフである。I‐Vグラフに図解されるように、I‐V曲線210は、寄生NPNもしくはPNPトランジスタのラッチアップに起因した急激なスナップバックを示しており、これらのトランジスタはTVSアレイにおける基板の異なるドープ領域の間の高い電圧および電流でオンしそうである。絶縁トレンチ180‐1および180‐2を用いることで、ラッチアップ現象が排除され、スナップバックが大いに低減される。曲線210に示されるようなI‐V曲線は、スナップバックが生じた際の急激な電圧変化に起因したシステムの不安定性が過度に引き起こされることでこの様になる。
本発明は、目下のところ好ましい実施形態に関して記載されているが、その様な開示が限定として解釈されるべきでは無いことが理解されるだろう。さまざまな代替形態および変形形態が、上記開示を読んだ後で当業者には明らかとなるだろう。従って、添付の請求項は、本発明の趣旨と範囲内にある全ての変更形態および変形形態を包含するものとして解釈されることを意図している。

Claims (21)

  1. 半導体基板に複数のPN接合を構成するために、複数の異なる導電型の複数のドーパント領域として形成された、複数のダイオードと、
    寄生PNPもしくはNPNトランジスタを絶縁するために前記複数のダイオードの間に配置され、前記寄生PNPもしくはNPNトランジスタが、前記半導体基板にある複数の異なる導電型の前記複数のドープされた領域の間でラッチアップするのを防止する、絶縁トレンチと、
    を含む、
    過渡電圧サプレッサ(TVS)アレイ。
  2. 前記複数のPN接合が、前記半導体基板に垂直方向の複数のPN接合として形成され、
    第1の電気伝導性タイプの電極および第2の電気伝導性タイプの電極が、前記半導体基板の上表面と、底表面とに別々に配置された高電圧および低電圧へとそれぞれ結合する、
    請求項1のTVSアレイ。
  3. 2つの前記絶縁トレンチの間に配置され、前記半導体基板においてより大きな横方向の幅を有する、ツェナーダイオードを構成するための少なくとも2つの垂直方向に積層されたPN接合を、さらに含む請求項1のTVSアレイ。
  4. 前記ツェナーダイオードがさらに、前記ツェナーダイオードの直接隣に配置され、前記ツェナーダイオードを前記TVSアレイの別の前記複数のダイオードから絶縁する2つの絶縁トレンチによって絶縁され、それによって前記ラッチアップが防止される、
    請求項3のTVSアレイ。
  5. 少なくも2つの入力/出力(I/O)接合パッドをさらに含み、
    ハイサイド・ダイオードおよびローサイド・ダイオードとしてそれぞれ機能し、絶縁トレンチによって絶縁される2つのPN接合と、各接合パッドが結合し、
    各前記I/O接合パッドが、前記絶縁トレンチを覆う絶縁層にかぶせられる、
    請求項1のTVSアレイ。
  6. 前記半導体基板がさらに、N型エピタキシャル層を支持するN型基板を含み、ここで、前記複数のPN接合が複数の垂直方向PN接合として前記半導体基板に形成され、
    高電圧と結合するための陽極電極が前記基板の底表面に配置され、低電圧と結合するための陰極電極が前記基板の上表面に配置される、
    請求項1のTVSアレイ。
  7. 前記半導体基板がさらに、前記N型エピタキシャル層において、2つの前記絶縁トレンチの間に配置されたP‐ボディ領域を含み、
    ここで、前記ボディ領域がさらに、2つの前記絶縁トレンチの間のツェナーダイオードを構成する垂直方向に積層された複数のPN接合を形成するようにツェナーN‐ドープ領域を取り囲む、
    請求項6のTVSアレイ。
  8. 前記半導体基板がさらに、前記N型エピタキシャル層において、2つの前記絶縁トレンチの間に配置されたP‐ボディ領域を含み、
    ここで、前記ボディ領域がさらに、前記TVSアレイのローサイド・ダイオードとして機能するために、前記P‐ボディとPN接合を形成するようにN‐ドープ領域を取り囲む、
    請求項6のTVSアレイ。
  9. 第1の導電型のエピタキシャル層を支持する半導体基板の上に配置された、過渡電圧サプレッサ(TVS)アレイであって、
    ここで、
    前記TVSアレイがさらに、
    前記エピタキシャル層に開口された複数の絶縁トレンチであって、2つの前記トレンチの間にある前記エピタキシャル層に第2の導電型のボディ領域を備える、複数の絶縁トレンチと、
    過渡電圧を抑制するために過渡電流を運ぶ垂直方向に積層された複数のPN接合を含むツェナーダイオードを構成するための、前記ボディ領域にある、前記第1の導電型のツェナードープ領域と、
    を含む、
    過渡電圧サプレッサ(TVS)アレイ。
  10. 前記ツェナーダイオードがさらに、前記ツェナーダイオードを前記TVSアレイの別のPN接合から絶縁するために、前記ツェナーダイオードに直接隣接して配置された2つの絶縁トレンチによって絶縁され、それによってラッチアップが防止される、
    請求項9のTVSアレイ。
  11. 前記ボディ領域がさらに、ローサイド・ダイオードを構成するために、前記第1の導電型のローサイド・ダイオード・ドープ領域を含み、
    前記エピタキシャル層がさらに、前記ローサイド・ダイオードと入力‐出力(I/O)接合パッドを介して電気的に結合するハイサイド・ダイオードを構成するために、前記エピタキシャル層とPN接合を形成する前記第2の導電型のドープ領域を含む、
    請求項9のTVSアレイ。
  12. 前記エピタキシャル層がさらに、
    複数のダイオードを構成する複数の垂直方向のPN接合をその中に含み、
    前記半導体基板の上表面と、底表面とに別々に配置された、高電圧と低電圧とにそれぞれ結合するための第1および第2の電気伝導性タイプの電極と、電気的に結合する、
    請求項9のTVSアレイ。
  13. 前記半導体基板がさらに、
    前記半導体基板の複数の垂直方向PN接合として前記N型エピタキシャル層に複数のPN接合を形成するために、N型エピタキシャル層を支持するN型基板を含み、
    高電圧と結合するための陽極電極が前記基板の底表面に配置され、低電圧と結合するための陰極電極が前記基板の上表面に配置される、
    請求項9のTVSアレイ。
  14. 前記ボディ領域が、前記N型エピタキシャル層において、2つの前記絶縁トレンチの間に配置されたP‐ボディ領域であり、
    ここで、前記ボディ領域がさらに、2つの前記絶縁トレンチの間のツェナーダイオードを構成する垂直方向に積層された複数のPN接合を形成するようにツェナーN‐ドープ領域を取り囲む、
    請求項13のTVSアレイ。
  15. 前記ボディ領域が、前記N型エピタキシャル層において、2つの前記絶縁トレンチの間に配置されたP‐ボディ領域であり、
    ここで、前記ボディ領域はさらに、前記TVSアレイのローサイド・ダイオードとして機能するために、前記P‐ボディとPN接合を形成するようにN‐ドープ領域を取り囲む、
    請求項13のTVSアレイ。
  16. 垂直方向半導体電源装置を製造するための製造処理に実質的に従う、過渡電圧サプレッサ(TVS)アレイを製造するための方法であって、
    半導体基板において第1の導電型のエピタキシャル層に複数の絶縁トレンチを開口し、それに続いて、2つの前記絶縁トレンチの間に第2の導電型を有するボディ領域をドープするために、ボディマスクを適用するステップと、
    複数のダイオードを構成する前記第1の導電型の複数のドープ領域を注入するために、ソースマスクを適用するステップと、
    を含み、
    ここで、前記複数の絶縁トレンチは、寄生PNPもしくはNPNトランジスタを絶縁し、前記寄生PNPもしくはNPNトランジスタが複数の異なる導電型の前記複数のドープ領域の間でラッチアップするのを防止する、
    方法。
  17. 前記複数の絶縁トレンチを横断する複数の入力‐出力(IO)接合パッドを用いて、前記ボディ領域に取り囲まれた前記複数のローサイド・ダイオードに結合する、前記エピタキシャル層を備えた複数のハイサイド・ダイオードを構成するために、前記ボディ領域から離して、前記第2の導電型の複数のドープ領域を注入するための接合マスクを適用するステップ、をさらに含む、
    請求項16の方法。
  18. 複数のダイオードを構成する、前記第1の導電型の複数のドープ領域を注入する前記ステップが、
    より大きな幅を有するツェナードープ領域を形成するステップをさらに含み、
    ここで、前記ツェナードープ領域は、前記エピタキシャル層にある前記ボディ領域と共にツェナーダイオードとして機能するための垂直方向に積層された複数のPN接合を含む、
    請求項16の方法。
  19. 複数の絶縁トレンチを開口する前記ステップがさらに、
    異なる複数の導電型の前記複数のドープ領域の間の前記ラッチアップを防止するために、前記ツェナーダイオードに直接隣接して、前記ツェナーダイオードを絶縁するための複数の絶縁トレンチを開口するステップ、を含む、
    請求項18の方法。
  20. 前記TVSアレイのための電極として機能するように、前記基板の底表面に金属層を堆積するステップ、
    をさらに含む、請求項16の方法。
  21. 前記基板の上表面に金属層を堆積するステップと、
    前記半導体基板の前記底表面に形成された電極とは反対の導電性を持った前記TVSアレイのための電極として働き、複数の入力‐出力接合パッドとして機能する前記金属層をパターニングするステップと、
    をさらに含む、
    請求項16の方法。
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