JPWO2003041236A1 - サージ防護半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は雷サージおよびスイッチングサージ等の過電圧および過電流から、通信機器回路系を保護するための半導体サージ防護装置構造に関するものである。
背景技術
従来の方法により製造されるこの種のサージ防護装置は米国特許第5781392号に開示されている。しかし、この従来技術のよる装置は2線間のバランス動作を意図してはいるが、実際には同相で侵入する雷サージなどに対し2線毎に動作するpnpnサイリスタ素子が同一基板内に作り込んではあっても基本的には別素子を通過するため、特に短いパルスサージ動作及び低温状態でのサージ印加時にはアンバランスが生じる問題が残った。
このため、2線に侵入する雷サージなど同相サージ侵入の場合、動作するpnpn型サージ防護素子は同一素子のため完全なバランス動作が保証されるバランス回路を同一半導体基板内に実現、即ちモノリシック化を実現することが望まれていた。
また、高周波伝送回路においては、伝送損失を軽減するため回線に負荷される静電容量が小さいことが要求されている。
本発明の目的は、バランス動作が保証されたバランス回路を同一半導体基板内に形成してモノリシックなサージ防護半導体装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、静電容量の小さいサージ防護半導体装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、コンパクトで、長寿命なサージ防護半導体装置を提供することにある。
発明の開示
モノリシックなサージ防護半導体装置は、第1の表面と第2の表面とを有する第1導電型の半導体基板と、前記第1の表面から前記第2の表面に延在して前記半導体基板からなる互いに隣接する第1及び第2のサイリスタ素子領域と、前記第1のサイリスタ素子領域に隣接した第1及び第2のダイオード素子領域と、前記第2のサイリスタ素子領域に隣接した第3のダイオード素子領域と、前記第3のダイオード素子領域に隣接した第4のダイオード素子領域とを画成する第2導電型の分離領域と、前記第2の表面から前記第1及び第2のサイリスタ素子領域にそれぞれ形成され、前記第1のサイリスタ素子領域と前記第1及び第2のダイオード素子領域との間の前記分離領域及び前記第2のサイリスタ素子領域と前記第3のダイオード素子領域との間の前記分離領域とそれぞれ連続するように設けられた前記第2導電型の第1及び第2のアノード領域と、前記第1の表面から前記第1及び第2のサイリスタ素子領域にそれぞれ形成された第2導電型の第1及び第2のベース領域と、前記第1及び第2のベース領域にそれぞれ形成された前記第1導電型のエミッタ領域とを含む第1及び第2のサイリスタ素子と、前記第1の表面から前記第1及び第2のダイオード素子領域に形成された前記第2導電型の第1及び第2のアノード領域と前記第1導電型の共通のカソード領域とを有する第1及び第2のダイオード素子と、前記第1の表面から前記第3のダイオード素子領域に形成された前記第2導電型のアノード領域と前記第1導電型のカソード領域とを有する第3のダイオード素子と、前記第1の表面から前記第4のダイオード素子領域に形成された前記第2導電型のアノード領域と前記第1導電型のカソード領域とを有する第4のダイオード素子とから構成される。
発明を実施するための最良の形態
図1は第1の実施例によるサージ防護半導体装置10を示す断面図であり、図2はその等価回路(一点鎖線内)を含む使用回路である。
即ち、第1及び第2の表面を有するn−型半導体基板11の両面からp型不純物を選択的に拡散してp型分離領域40及び2つの互いに分離されたサイリスタ素子のアノード領域となるp型領域41、42を形成する。この分離領域40によりn−型半導体基板11は複数個の素子領域に分離される。即ち、第1の表面から第2の表面に延在する複数個のn−型半導体基板からなる素子領域43−45及び隣接するサイリスタ素子Thy1及び2のn−型領域46、47が分離される。
この場合、サイリスタ素子Thy1及び2の各p型アノード領域41、42はp型分離領域40にそれぞれ接続され、サイリスタ素子Thy1及び2はその間に介在する前記分離領域40に対して左右対称となるように分離して配置されている。
また、これらのn−型素子領域46、47には、半導体基板の不純物濃度より高い不純物濃度を有するn型埋め込み層32が第1の表面からそれぞれ形成され、次いで、p型ベース領域を形成した後、複数個のn+型エミッタ層を形成して互いに分離されて隣接する2つのサイリスタ素子Thy1及び2を形成する。
各素子領域43−45に対して、第1の表面からp型及びn型不純物を拡散してアノード領域及びカソード領域を形成する。これらのアノード領域及びカソード領域に電極を設けて横型ダイオード素子D1−D4を形成する。また、前記各n+型エミッタ層と前記アノード領域に電極を設けてサイリスタ素子Thy1及び2を形成する。
図1において、10は半導体チップ、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22は金属電極、23、24、25は金属電極端子、30及び31は二酸化珪素等の絶縁膜である。埋込拡散層32は半導体基板と同一導電型であり基板濃度より若干高い不純物濃度を有している。
金属電極14−15間は第1のサイリスタ素子Thy1を示し、金属電極17−18間は第2のサイリスタ素子Thy2を示す。
金属電極12−13間、16−13間、19−20間及び21−22間はそれぞれ第1乃至第4のダイオード素子D1、D2、D3、D4を示す。
半導体基板表面の金属配線による結線関係は、第1の金属電極端子23には第1のダイオード素子D1のアノード側金属電極12及び第3のダイオード素子D3のカソード側金属電極20を接続し、第2の金属電極端子24には第2のダイオード素子D2のアノード側金属電極16及び第4のダイオード素子D4のカソード側金属電極22を接続し、第3電極端子25には第1のサイリスタ素子Thy1のカソード側金属電極15及び第2のサイリスタ素子Thy2のアノード側金属電極17を接続し、第1と第2のダイオード素子D1及びD2のカソード側金属電極13は第1のサイリスタ素子Thy1のアノード側金属電極14に接続し、第3と第4のダイオード素子D3及びD4のアノード側19、21は第2のサイリスタ素子Thy2のカソード側金属電極18に接続結線される。これにより図2の一点鎖線内に示されるバランス型サージ防護回路を1つの基板上に形成するモノリシック化サージ防護半導体装置が得られる。
サージ防護半導体装置として、第1及び第2のサイリスタ素子Thy1、2及び第1乃至第4のダイオード素子D1−D4を前記したような配置形成すると共に、電極接続することによって、バランスに優れ、静電容量を小さくすることが可能となる。
この実施例においては、前記サイリスタ素子Thy1及びダイオード素子D1−D4の各金属電極は前記半導体基板の前記第1の表面上に配置されているので、実装する際の配線処理が容易となる。
第1のサイリスタ素子Thy1と第2のサイリスタ素子Thy2の順降伏電圧を第1のダイオード素子乃至第4のダイオード素子D1、D2、D3、D4の降伏電圧より低く設定する方法として、上記説明の如く埋込拡散層32を有する埋込構造型のサイリスタ構造を用いる方法の他、ダイオード素子のp型アノード拡散深さよりサイリスタ素子のp型ベース拡散深さを浅くする等の方法を用いてもよい。
また、通信回線での一次防護用途例として、サイリスタThy1の耐圧は、埋め込み層32により決定されが、230V、290V、310V、350V等が必要となり、ダイオード耐圧はそれ以上が必要であり、例えば、800V等である。
図2は、本発明によるサージ防護半導体装置の等価回路(一点鎖線内)を含む使用回路である。
ラインL1及びL2は信号線を示し、Sは通信機器等の被保護回路部を示す。金属電極端子23はL1に、金属電極端子24はL2に、金属電極端子25は接地線へと接続されている。
信号線の平常時には信号線−接地間は絶縁されるが、L1及びL2へ同相で侵入する正極を有す雷サージなどにおける過電圧あるいは過電流の発生時には、L1あるいはL2どちらに侵入したサージも第1のダイオード素子D1あるいは第2のダイオード素子D2を経由し、第1のサイリスタ素子Thy1を経由して電圧クランプされ、過電圧は接地され、被保護回路部Sは過電圧サージ及び過電流サージから保護されることになる。負極を有する雷サージなどの過電圧あるいは過電流発生時には、L1あるいはL2どちらに侵入したサージも第3のダイオード素子D3あるいは第4のダイオード素子D4を経由し、第2のサイリスタ素子Thy2を経由して電圧クランプされ、過電流は接地され、被保護回路部Sは過電圧サージ及び過電流サージから保護されることになる。
即ち、通常時には、前記一点鎖線内で示す保護素子部は、印加電圧値がサイリスタThy1及び2のブレークダウン電圧値以下のためオフ状態であり、通信信号電流は被保護回路Sへ流れる。
信号線L1及びL2から正極性サージが侵入した場合、Thy1はサージ電圧により導通状態となり、サージ電流は、
(1)L1侵入経路の際、23→D1→Thy1→25→GNDの経路で接地され、
(2)L2侵入経路の際、24→D2→Thy1→25→GNDの経路で接地される。
逆極性サージの場合、
(3)L1侵入経路に対して、23→D3→Thy2→25→GNDの経路で接地され、
(4)L2侵入経路に対して、24→D4→Thy2→25→GNDの経路で接地される。
図3は本発明による第2の実施例に係るサージ防護半導体装置を示す断面図である。なお、図3においては、同一部品には図1と同一の図番を付している。
サージ耐量等を考慮して、第1及び第2のサイリスタ素子Thy1及び2を縦型素子構造としており、前記第1及び第2のサイリスタ素子Thy1及び2はその間に介在する分離領域40に対して左右斜め対称に形成され、また、第3の金属電極端子25を第2の表面に設けている。その他は図1と同様である。この場合、他のダイオード素子D1〜D4も同様に縦型素子構造とすることもできる。
さらに、この実施例においては、前記サイリスタ素子Thy1及び2を縦型素子構造としているので、サージ耐量の増大したサージ防護半導体装置を得ることができる。
産業上の利用可能性
バランス型サージ防護回路を構成するに際し、pnpnサイリスタ素子のアノード拡散層と分離層を共通化するように埋込構造型のpnpnサイリスタ素子及びpnダイオード素子を同一半導体チップ上にモノリシックに構成しているので、チップ面積が減少して、バランスに優れ、静電容量の小さいコンパクトで信頼性の高いサージ防護半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明による第1の実施例に係るサージ防護半導体装置を示す断面図である。
図2は本発明によるサージ防護半導体装置の等価回路(一点鎖線内)を含む使用回路を説明する図である。
図3は本発明による第2の実施例に係るサージ防護半導体装置を示す断面図である。
Claims (12)
- 第1の表面と第2の表面とを有する第1導電型の半導体基板と、
前記第1の表面から前記第2の表面に延在して前記半導体基板からなる互いに隣接する第1及び第2のサイリスタ素子領域と、前記第1のサイリスタ素子領域に隣接した第1及び第2のダイオード素子領域と、前記第2のサイリスタ素子領域に隣接した第3のダイオード素子領域と、前記第3のダイオード素子領域に隣接した第4のダイオード素子領域とをそれぞれ画成する第2導電型の分離領域と、
前記第2の表面から前記第1及び第2のサイリスタ素子領域にそれぞれ形成され、前記第1のサイリスタ素子領域と前記第1及び第2のダイオード素子領域との間の前記分離領域及び前記第2のサイリスタ素子領域と前記第3のダイオード素子領域との間の前記分離領域とそれぞれ連続するように設けられた前記第2導電型の第1及び第2のアノード領域と、前記第1の表面から前記第1及び第2のサイリスタ素子領域にそれぞれ形成された第2導電型の第1及び第2のベース領域と、前記第1及び第2のベース領域にそれぞれ形成された前記第1導電型のエミッタ領域とを含む第1及び第2のサイリスタ素子と、
前記第1の表面から前記第1及び第2のダイオード素子領域に形成され、前記第2導電型の第1及び第2のアノード領域と前記第1導電型の共通のカソード領域とを有する第1及び第2のダイオード素子と、
前記第1の表面から前記第3のダイオード素子領域に形成され、前記第2導電型のアノード領域と前記第1導電型のカソード領域とを有する第3のダイオード素子と、
前記第1の表面から前記第4のダイオード素子領域に形成され、前記第2導電型のアノード領域と前記第1導電型のカソード領域とを有する第4のダイオード素子と、
を具備するサージ防護半導体装置。 - 前記第2の表面は絶縁膜で被覆される請求項1記載のサージ防護半導体装置。
- 前記第1及び第2のサイリスタ素子の前記アノード電極はそれぞれ隣接する前記分離領域に設けられる請求項1記載のサージ防護半導体装置。
- 前記第1及び第2のサイリスタ素子、前記第1−第4のダイオード素子は、前記第1の表面にそれぞれ前記アノードおよびカソード電極の形成された横型構造を有する請求項1記載のサージ防護半導体装置。
- 前記第1及び第2のサイリスタ素子はその間に介在する前記分離領域に対して左右対称に形成されている請求項1記載のサージ防護半導体装置。
- 第1、第2及び第3の金属端子を有し、前記第1の金属電極端子には前記第1のダイオード素子のアノード電極及び前記第3のダイオード素子のカソード電極を接続し、前記第2の金属電極端子には前記第2のダイオード素子のアノード電極及び前記第4のダイオード素子のカソード電極を接続し、前記第3電極端子には前記第1のサイリスタ素子のカソード電極及び前記第2のサイリスタ素子のアノード電極を接続し、前記第1と第2のダイオード素子の共通のカソード電極は前記第1のサイリスタ素子のアノード電極に接続し、前記第3と第4のダイオード素子のアノード電極は前記第2のサイリスタ素子のカソード電極に接続される請求項1記載のサージ防護半導体装置。
- 前記第1及び第2のサイリスタ素子の順降伏電圧を前記第1乃至第4のダイオード素子の降伏電圧より低く設定している請求項1記載のサージ防護半導体装置。
- 第1の表面と第2の表面とを有する第1導電型の半導体基板と、
前記第1の表面から前記第2の表面に延在して前記半導体基板からなる互いに隣接する第1及び第2のサイリスタ素子領域と、前記第1のサイリスタ素子領域に隣接した第1及び第2のダイオード素子領域と、前記第2のサイリスタ素子領域に隣接した第3のダイオード素子領域と、前記第3のダイオード素子領域に隣接した第4のダイオード素子領域とをそれぞれ画成する第2導電型の分離領域と、
前記第1の表面から前記第1のサイリスタ素子領域に形成され、前記第1のサイリスタ素子領域と前記第1及び第2のダイオード素子領域との間の前記分離領域と連続するように設けられた前記第2導電型の第1のアノード領域と、前記第2の表面から前記第1のサイリスタ素子領域に形成された第2導電型の第1のベース領域と、前記第1のベース領域に形成された前記第1導電型のエミッタ領域とを含む第1のサイリスタ素子と、
前記第2の表面から前記第2のサイリスタ素子領域に形成され、前記第2のサイリスタ素子領域と前記第3のダイオード素子領域との間の前記分離領域と連続するように設けられた前記第2導電型の第2のアノード領域と、前記第1の表面から前記第2のサイリスタ素子領域にそれぞれ形成された第2導電型の第2のベース領域と、前記第2のベース領域に形成された前記第1導電型のエミッタ領域とを含む第2のサイリスタ素子と、
前記第1の表面から前記第1及び第2のダイオード素子領域に形成された前記第2導電型の第1及び第2のアノード領域と前記第1導電型の共通のカソード領域とを有する第1及び第2のダイオード素子と、
前記第1の表面から前記第3のダイオード素子領域に形成された前記第2導電型のアノード領域と前記第1導電型のカソード領域とを有する第3のダイオード素子と、
前記第1の表面から前記第4のダイオード素子領域に形成された前記第2導電型のアノード領域と前記第1導電型のカソード領域とを有する第4のダイオード素子と、
を具備するサージ防護半導体装置。 - 前記第1のサイリスタ素子は、前記第1の表面にアノード電極が形成され、前記第2の表面にカソード電極が形成された縦型構造を有すると共に、前記第2のサイリスタ素子は、前記第1の表面に前記カソード電極が形成され、前記第2の表面に前記アノード電極が形成された縦型構造を有する請求項8記載のサージ防護半導体装置。
- 第1、第2及び第3の金属端子を有し、前記第1の金属電極端子には前記第1のダイオード素子のアノード電極及び前記第3のダイオード素子のカソード電極を接続し、前記第2の金属電極端子には前記第2のダイオード素子のアノード電極及び前記第4のダイオード素子のカソード電極を接続し、前記第3電極端子には前記第1のサイリスタ素子のカソード電極及び前記第2のサイリスタ素子のアノード電極を接続し、前記第1と第2のダイオード素子の共通のカソード電極は前記第1のサイリスタ素子のアノード電極に接続し、前記第3と第4のダイオード素子のアノード電極は前記第2のサイリスタ素子のカソード電極に接続される請求項8記載のサージ防護半導体装置。
- 前記第1及び第2のサイリスタ素子はその間に介在する前記分離領域に対して左右斜め対称に形成されている請求項8記載のサージ防護半導体装置。
- 前記第1及び第2のサイリスタ素子の順降伏電圧を前記第1乃至第4のダイオード素子の降伏電圧より低く設定している請求項8記載のサージ防護半導体装置。
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