明 細 書 Specification
サージ防護半導体装置 Surge protection semiconductor device
技術分野 Technical field
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。 The present invention relates to a semiconductor surge protection device structure for protecting a communication device circuit system from overvoltage and overcurrent such as lightning surge and switching surge.
背景技術 Background art
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 5 7 8 1 3 9 2号に開示されている。 し力 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 p n p n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。 Such a surge protector manufactured by a conventional method is disclosed in US Pat. No. 5,781,392. However, although this prior art device is intended for balanced operation between two wires, it is actually a pnpn series that operates every two wires in response to lightning surges that enter in-phase. Even though the star element is formed on the same substrate, it basically passes through another element, so that there remains a problem that unbalance occurs especially during short pulse surge operation and when a surge is applied in a low temperature state.
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 p n P 11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。 Therefore, in the event of in-phase surge intrusion such as a lightning surge that intrudes into the two wires, the pn P11 type surge protection element that operates is the same element, so a balanced circuit that guarantees complete balance operation is realized on the same semiconductor substrate. That is, it has been desired to realize a monolithic structure.
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。 In addition, in high-frequency transmission circuits, it is required that the capacitance applied to the line be small in order to reduce transmission loss. The purpose of the present invention is to use the same circuit as that in which balanced operation is guaranteed. An object of the present invention is to provide a monolithic surge protection semiconductor device formed in a semiconductor substrate. Another object of the present invention is to provide a surge protection semiconductor device having a small capacitance.
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。 Another object of the present invention is to provide a compact and long-life surge protection semiconductor device.
発明の開示 Disclosure of the invention
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 のダイォ 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 のダイォー 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 ォー 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 ィ 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 及ぴ第 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 のダイォー 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 力 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 のダイォー ド素子領域に形成された前記第 2 導電型のァノ一 ド領域と前記第 1 導電型の力 ソー ド領域と を 有する第 4 のダイ ォー ド素子とから構成される。 The monolithic surge protection semiconductor device includes a semiconductor substrate of a first conductivity type having a first surface and a second surface, and a semiconductor substrate extending from the first surface to the second surface. First and second thyristor element regions adjacent to each other, which are made of a semiconductor substrate; first and second diode element regions adjacent to the first thyristor element region; A second conductive type isolation region defining a third diode element region adjacent to the lister element region and a fourth diode element region adjacent to the third diode element region; Forming a first thyristor element region from the second surface in each of the first and second thyristor element regions; and forming a first thyristor element region between the first and second thyristor element regions. The isolation region and the second thyristor element A first and a second anode region of the second conductivity type provided so as to be continuous with the isolation region between the region and the third diode element region, respectively; From the surface of the first and second thyristor element regions to the first and second base regions of the second conductivity type, respectively, and the first and second base regions, respectively. A first and a second thyristor element including the first conductive type emitter region formed and formed; and a first and a second diode element region from the first surface. The second conductive formed First and second diode elements having first and second anode regions of a first type and a common force source region of the first conductivity type; and a third diode element from the first surface. A third diode element having an anode region of the second conductivity type formed in the diode element region and a cathode region of the first conductivity type; and a third diode element formed from the first surface. A fourth diode element having an anode region of the second conductivity type formed in the fourth diode element region and a force source region of the first conductivity type. .
図面の簡単な説明 BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
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。 FIG. 1 is a sectional view showing a surge protection semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
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。 FIG. 2 is a diagram for explaining a used circuit including an equivalent circuit (within a dashed line) of the surge protection semiconductor device according to the present invention.
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。 FIG. 3 is a sectional view showing a surge protection semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
発明を実施するための最良の形態 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
図 1 は第 1 の実施例によ るサージ防護半導体装置 1 0 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。 FIG. 1 is a sectional view showing a surge protection semiconductor device 10 according to the first embodiment, and FIG. 2 is a circuit used including an equivalent circuit thereof (within a dashed line).
即ち、 第 1 及び第 2 の表面を有する n —型半導体基板 1 1 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 4 0 及び 2つの互いに分離されたサイ リ スタ素子のァ ノー ド領域 と なる p 型領域 4 1、 4 2 を形成する。 この分離領域 4 0 に よ り n —型半導体基板 1 1 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 一型
半導体基板からなる素子領域 4 3 - 4 5及び隣接するサイ リ ス タ素子 T h y 1 及び 2 の n—型領域 4 6、 4 7 が分離され る。 That is, the p-type impurity is selectively diffused from both sides of the n-type semiconductor substrate 11 having the first and second surfaces, and the p-type isolation region 40 and the two isolated thyristor elements are separated. The p-type regions 41 and 42 serving as node regions are formed. The n − type semiconductor substrate 11 is separated into a plurality of element regions by the separation region 40. That is, a plurality of n-types extending from the first surface to the second surface The element region 43-45 made of the semiconductor substrate and the n-type regions 46 and 47 of the adjacent thyristor elements Thy1 and Thy2 are separated.
この場合、 サイ リ スタ素子 T h y 1 及び 2 の各 p型ァノ ー ド領域 4 1 、 4 2 は!)型分離領域 4 0 にそれぞれ接続され、 サイ リ スタ素子 T h y 1 及び 2 はその間に介在する前記分離 領域 4 0 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。 In this case, the p-type anode regions 41 and 42 of the thyristor elements Thy 1 and 2 have! ) The thyristor elements Thy 1 and 2 are connected to the mold separation region 40, respectively, and are arranged so as to be symmetrical with respect to the separation region 40 interposed therebetween.
また、 これ ら の n—型素子領域 4 6、 4 7 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 3 2 が第 1 の表面からそれぞれ形成され、 次いで、 p 型べ一 ス領域を形成 した後、 複数個の n +型ェ 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 T h y 1 及 ぴ 2 を形成する。 In these n-type element regions 46 and 47, n-type buried layers 32 having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate are formed from the first surface, respectively. After forming the mold base region, a plurality of n + -type emitter layers are formed to form two adjacent thyristor elements T hy1 and T 2 separated from each other.
各素子領域 4 3 _ 4 5 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ァノ ー ド領域及び力 ソー ド領域を形成 する。 これ らのァノ 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 D 1 — D 4 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 T h y 1 及び 2 を形成する。 P-type and n-type impurities are diffused from the first surface in each of the element regions 43 to 45 to form an anode region and a force source region. Electrodes are provided in these anode and cathode regions to form horizontal diode elements D 1 to D 4. Further, thyristor elements Thy1 and Thy2 are formed by providing electrodes in each of the n + -type emitter layers and the anode region.
図 1 において、 1 0 は半導体チップ、 1 2、 1 3、 1 4、 1 5、 1 6 、 1 7、 1 8、 1 9、 2 0、 2 1 、 2 2 は金属電 極、 2 3、 2 4、 2 5 は金属電極端子、 3 0及び 3 1 は二酸 化珪素等の絶縁膜である。 埋込拡散層 3 2 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。 In FIG. 1, 10 is a semiconductor chip, 12, 13, 14, 14, 15, 16, 17, 18, 18, 19, 20, 21 and 22 are metal electrodes, 23, and 24 and 25 are metal electrode terminals, and 30 and 31 are insulating films of silicon dioxide or the like. The buried diffusion layer 32 has the same conductivity type as the semiconductor substrate and has an impurity concentration slightly higher than the substrate concentration. You.
金属電極 1 4 — 1 5 間は第 1 のサイ リ スタ素子 T h y 1 を 示し、 金属電極 1 7 — 1 8 間は第 2 のサイ リ スタ素子 T h y 2 を示す。 The first thyristor element Thy1 is shown between the metal electrodes 14 and 15, and the second thyristor element Thy2 is shown between the metal electrodes 17 and 18.
金属電極 1 2 — 1 3 間、 1 6 — 1 3 間、 1 9 — 2 0 間及び 2 1 - 2 2 間はそれぞれ第 1 乃至第 4 のダイオー ド素子 D 1 D 2 、 D 3 、 D 4 を示す。 First to fourth diode elements D 1 D 2, D 3, D 4 between metal electrodes 1 2 to 13, 16 to 13, 19 to 20 and 21 to 22, respectively Is shown.
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 2 3 には第 1 のダイオー ド素子 D 1 のアノ ー ド側金 属電極 1 2 及ぴ第 3 のダイ ォー ド素子 D 3 のカ ソー ド側金属 電極 2 0 を接続し、 第 2 の金属電極端子 2 4 には第 2 のダイ ォー ド素子 D 2 のアノ ー ド側金属電極 1 6 及び第 4 のダイォ ー ド素子 D 4 の力 ソー ド側金属電極 2 2 を接続し、 第 3 電極 端子 2 5 には第 1 のサイ リ スタ素子 T h y 1 の力 ソー ド側金 属電極 1 5 及び第 2 のサイ リ スタ素子 T h y 2 のアノ ー ド側 金属電極 1 7 を接続し、 第 1 と第 2 のダイ オー ド素子 D 1 及 び D 2 の力 ソー ド側金属電極 1 3 は第 1 のサイ リ スタ素子 T h y 1 のア ノ ー ド側金属電極 1 4 に接続し、 第 3 と第 4 のダ ィオー ド素子 D 3及ぴ D 4 のアノー ド側 1 9 、 2 1 は第 2 の サイ リ スタ素子 T h y 2 の力 ソー ド側金属電極 1 8 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。 The connection relationship of the metal wiring on the surface of the semiconductor substrate is such that the first metal electrode terminal 23 has the anode-side metal electrode 12 of the first diode element D 1 and the third diode. The cathode-side metal electrode 20 of the element D 3 is connected, and the anode-side metal electrode 16 of the second diode element D 2 and the fourth diode are connected to the second metal electrode terminal 24. The force-side metal electrode 22 of the diode element D 4 is connected to the third electrode terminal 25, and the force-side metal electrode 15 of the first thyristor element T hy1 and the second metal terminal 22 are connected to the third electrode terminal 25. The anode side metal electrode 17 of the thyristor element T hy2 is connected, and the force side metal electrode 13 of the first and second diode elements D 1 and D 2 is connected to the first side electrode. The third and fourth diode elements D 3 and D 4 are connected to the anode side metal electrode 14 of the lister element T hy 1, and the anode sides 19 and 21 of the third and fourth diode elements D 4 are connected to the second side. Re It connected binding line data element T h y 2 forces saw de-metal electrode 1 8. As a result, a monolithic surge protection semiconductor device in which the balanced surge protection circuit shown in the dashed line in FIG. 2 is formed on one substrate is obtained.
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 T h y 1 、 2及び第 1 乃至第 4 のダイオー ド素子 D 1 —
D 4 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。 As surge protection semiconductor devices, first and second thyristor elements T hy1, 2 and first to fourth diode elements D 1 — By forming D 4 as described above and connecting the electrodes, it is possible to achieve excellent balance and to reduce the capacitance.
こ の実施例においては、 前記サイ リ スタ素子 T h y 1 及び ダイ ォー ド素子 D 1 一 D 4 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。 In this embodiment, since the metal electrodes of the thyristor element T hy1 and the diode elements D1 and D4 are arranged on the first surface of the semiconductor substrate, they are mounted. In this case, the wiring process becomes easy.
第 1 のサイ リ スタ素子 T h y 1 と第 2 のサイ リ スタ素子 T h y 2 の順降伏電圧を第 1 のダイ ォー ド素子乃至第 4 のダイ オー ド素子 D l 、 D 2 、 D 3、 D 4 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 3 2 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 ; 型アノ ー ド拡散深さ よ り サイ リ スタ素子の ; 型ベース 拡散深さ を浅く する等の方法を用いても よい。 The forward breakdown voltages of the first thyristor element T hy1 and the second thyristor element T hy2 are changed from the first to fourth diode elements Dl, D2, D3. , The breakdown voltage of D 4 may be set lower than the method of using the buried structure type thyristor structure having the buried diffusion layer 32 as described above; For example, a method may be used in which the diffusion depth of the thyristor element is made shallower than the diffusion depth of the die anode.
また、 通信回線での一次防護用途例と して、 サイ リ スタ T h y 1 の耐圧は、 埋め込み層 3 2 によ り 決定されが、 2 3 0 V、 2 9 0 V、 3 1 0 V、 3 5 0 V等が必要と な り 、 ダイ ォ ー ド耐圧はそれ以上が必要であ り 、 例えば、 8 0 0 V等であ る。 Also, as a primary protection application example in a communication line, the withstand voltage of the thyristor T hy1 is determined by the buried layer 32, but is determined to be 230 V, 290 V, 310 V, 350 V or the like is required, and the diode breakdown voltage is required to be higher, for example, 800 V or the like.
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。 FIG. 2 is a circuit diagram including an equivalent circuit (within a dashed line) of the surge protection semiconductor device according to the present invention.
ライ ン L 1 及ぴ L 2 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 2 3 は L 1 に、 金属電極端 子 2 4 は L 2 に、 金属電極端子 2 5 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一接地間は絶縁されるが、 L 1 及ぴ L 2 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、 L 1 あるいは L 2 どち らに侵入 したサージも第 1 のダイォー ド素子 D 1 あるいは第 2 のダイ オー ド素子 D 2 を経由 し、 第 1 のサイ リ スタ素子 T h y 1 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、 L 1 あるいは L 2 どち らに侵入したサー ジも第 3 のダイ ォー ド素子 D 3 あるいは第 4 のダイォー ド素 子 D 4 を経由 し、 第 2 のサイ リ スタ素子 T h y 2 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。 Lines L 1 and L 2 indicate signal lines, and S indicates a protected circuit unit such as a communication device. The metal electrode terminal 23 is connected to L1, the metal electrode terminal 24 is connected to L2, and the metal electrode terminal 25 is connected to the ground line. In the normal state of the signal line, the signal line and ground are insulated. The surge that has invaded is also voltage-clamped via the first diode element D1 or the second diode element D2, and then via the first thyristor element Thy1. Is grounded, and the protected circuit section S is protected from overvoltage surge and overcurrent surge. When an overvoltage or overcurrent such as a lightning surge with a negative electrode occurs, the surge that has entered either L1 or L2 passes through the third diode element D3 or the fourth diode element D4. Then, the voltage is clamped via the second thyristor element T hy2, the overcurrent is grounded, and the protected circuit portion S is protected from overvoltage surge and overcurrent surge.
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 T h y 1 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 る。 That is, in a normal state, the protection element portion shown in the one-dot chain line is off because the applied voltage value is equal to or less than the breakdown voltage value of the thyristors T hy1 and Thy 2 , and the communication signal current is protected. Flow to circuit S.
信号線 L 1 及び L 2から正極性サージが侵入した場合、 T h y 1 はサージ電圧によ り 導通状態とな り 、 サージ電流は、 When a positive surge enters from the signal lines L 1 and L 2, T y 1 becomes conductive due to the surge voltage, and the surge current becomes
( 1 ) L 1 侵入経路の際、 2 3 → D l → T h y l → 2 5 → G N Dの経路で接地され、 (1) During the L1 intrusion route, grounded through the route of 23 → Dl → Thyl → 25 → GND,
( 2 ) L 2侵入経路の際、 2 4 → D 2 → T h y l → 2 5 → G N Dの経路で接地される。 (2) During the L2 intrusion route, it is grounded through the route of 24 → D2 → Thyl → 25 → GND.
逆極性サージの場合、 In the case of reverse polarity surge,
( 3 ) L 1 侵入経路に対 して、 2 3 → D 3 → T h y 2 → 2
5→ G N Dの経路で接地され、 (3) For the L1 entry route, 23 → D3 → Thy2 → 2 5 → Grounded via the path of GND,
( 4 ) L 2侵入経路に対して、 2 4 → D 4 → T h y 2 → 2 5 → G N Dの経路で接地される。 . (4) With respect to the L2 intrusion route, it is grounded through the route of 24 → D4 → Thy2 → 25 → GND. .
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。 FIG. 3 is a sectional view showing a surge protection semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same parts are given the same reference numbers as in FIG.
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 T h y 1 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 T h y 1 及び 2 はその間に介在する分離 領域 4 0 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 2 5 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 D 1 〜 D 4 も同 様に縦型素子構造とする こ と もでき る。 The first and second thyristor elements T hy1 and T hy 1 and 2 have a vertical element structure in consideration of surge withstand capability and the like, and the first and second thyristor elements T hy 1 And 2 are formed symmetrically to the left and right with respect to the separation region 40 interposed therebetween, and the third metal electrode terminal 25 is provided on the second surface. Others are the same as Fig.1. In this case, the other diode elements D1 to D4 can also have a vertical element structure.
さ らに、 こ の実施例においては、 前記サイ リ ス タ素子 T h y 1 及ぴ 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。 Further, in this embodiment, since the thyristor elements T hy1 and T hy2 have a vertical element structure, it is possible to obtain a surge protection semiconductor device with increased surge withstand capability. You.
産業上の利用可能性 Industrial applicability
バランス型サージ防護回路を構成するに際 し、 p n p nサ ィ リ ス タ素子のァノー ド拡散層 と分離層を共通化する よ う に 埋込構造型の P n 11サイ リ スタ素子及び p 11 ダイォー 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
And when to configure a balanced surge protection circuit, p n of pn service I Li is te buried structure type cormorants by sharing the separation layer and Ano de diffusion layer of the element P n 11 reuse static elements and p 11 Since the diode elements are monolithically configured on the same semiconductor chip, the chip area is reduced, and a compact, highly reliable surge protection semiconductor device with excellent balance and small capacitance is obtained. Be