瞬時電壓抑制器電路與用于其中的二極管元件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種瞬時電壓抑制器(transient?voltage?suppressor,TVS)電路與用于其中的二極管元件及其制造方法。瞬時電壓抑制器電路用以耦接至受保護電路，進而限制輸入受保護電路的瞬時電壓振幅，其包含抑制元件與至少一二極管元件。二極管元件形成于基板中，包括：井區(qū)，形成于基板上表面下；分隔區(qū)，形成于上表面下；第一導(dǎo)電型順向區(qū)，形成于分隔區(qū)一側(cè)的上表面下方；第二導(dǎo)電型逆向區(qū)，形成于分隔區(qū)另一側(cè)的上表面下方，其中順向區(qū)與逆向區(qū)由分隔區(qū)隔開；以及埋層，形成于井區(qū)下方的基板中，其具有與井區(qū)相同的導(dǎo)電型，且該埋層的雜質(zhì)濃度高于該井區(qū)的雜質(zhì)濃度。
【專利說明】瞬時電壓抑制器電路與用于其中的二極管元件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種瞬時電壓抑制器(transient voltage suppressor, TVS)電路與用于其中的二極管元件及其制造方法，特別是指一種可承受較高順向電流的TVS電路與用于其中的二極管元件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1A顯不典型的瞬時電壓抑制器(transient voltage suppressor, TVS)電路I,用以與至少一受保護電路2耦接，進而限制來自輸入輸出墊3的瞬時電壓的振幅，以保護受保護電路2免于被具有高電壓的瞬時訊號(如靜電)損害。一般而言，TVS電路I包含抑制元件SI，用以箝位上述瞬時訊號的電壓振福，并吸收其電流。由于此抑制元件SI需要在非常短的時間內(nèi)消耗高電流，因此具有大面積的PN接面，也因此使其具有非常高的寄生電容；如此一來，當受保護電路2正常操作時，受到此高寄生電容的影響，使其操作速度變慢，而限制了元件的應(yīng)用范圍。
[0003]圖3A與圖3B顯示現(xiàn)有技術(shù)用于TVS電路中的二極管元件100的剖視示意圖與雜質(zhì)濃度模擬分布圖。如圖3A所示，現(xiàn)有技術(shù)二極管元件100形成于基板11中，包含N型井區(qū)13、場氧化區(qū)12與隔絕區(qū)12a、P型順向區(qū)15與N型逆向區(qū)16。圖3B顯示現(xiàn)有技術(shù)二極管元件100中，自P型順向區(qū)15所在位置的上表面以下的雜質(zhì)濃度模擬分布圖。
[0004]一種改善前述受保護電路2操作速度變慢的方法，如圖1A所示，是于受保護電路2與抑制元件SI之間，插入至少一寄生電容較小的二極管元件D1。二極管元件Dl與抑制元件SI中的PN接面反向?qū)樱允闺娏黜樝蛄鹘?jīng)二極管元件D1，并由抑制元件SI吸收高電流；此種方法利用低電容串聯(lián)高電容的方式，以降低電容值，提高受保護電路2的操作速度。這種作法雖然可改善抑制元件SI電容值太高的問題，但二極管元件Dl仍須順向承受來自輸入輸出墊3的瞬時訊號高電流，因此，若要保持其較低的電容值，TVS電路I可承受的瞬時訊號電流值就會下降，如此也會限制TVS電路I的應(yīng)用范圍。
[0005]有鑒于此，本發(fā)明即針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種TVS電路與用于其中的二極管元件及其制造方法，以提高TVS電路可承受的電流值，并增加電路的保護與應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提出一種瞬時電壓抑制器電路與用于其中的二極管元件及其制造方法。
[0007]為達上述目的，就其中一個觀點言，本發(fā)明提供了一種瞬時電壓抑制器電路，用以耦接至一受保護電路，進而限制一輸入該受保護電路的瞬時電壓的振幅，該瞬時電壓抑制器電路包含:一抑制元件，具有一 PN接面，用以限制該瞬時電壓的振幅；以及至少一二極管元件，耦接于該受保護電路與該抑制元件之間，且與該PN接面反向?qū)?；其中，該二極管元件形成于一第一導(dǎo)電型基板中，該基板具有一上表面，該二極管元件包括:一第一導(dǎo)電型或第二導(dǎo)電型井區(qū)，形成于該上表面下的該基板中；一分隔區(qū)，形成于該上表面下的該基板中，由俯視圖視之，該分隔區(qū)位于該井區(qū)中；一第一導(dǎo)電型順向區(qū)，形成于該分隔區(qū)一側(cè)的該上表面下方；一第二導(dǎo)電型逆向區(qū)，形成于該分隔區(qū)另一側(cè)的該上表面下方，且該順向區(qū)與該逆向區(qū)由該分隔區(qū)隔開；以及一埋層，形成于該井區(qū)下方的該基板中，其具有與該井區(qū)相同的導(dǎo)電型，且該埋層的雜質(zhì)濃度高于該井區(qū)的雜質(zhì)濃度。
[0008]就另一觀點，本發(fā)明也提供了一種用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件，用以與該瞬時電壓抑制器電路中所包含的一具有PN接面的抑制元件反向?qū)?，該用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管兀件形成于一第一導(dǎo)電型基板中，該基板具有一上表面，該二極管兀件包含:一第一導(dǎo)電型或第二導(dǎo)電型井區(qū)，形成于該上表面下的該基板中；一分隔區(qū)，形成于該上表面下的該基板中，由俯視圖視之，該分隔區(qū)位于該井區(qū)中；一第一導(dǎo)電型順向區(qū)，形成于該場氧化區(qū)一側(cè)的該上表面下方；一第二導(dǎo)電型逆向區(qū)，形成于該場氧化區(qū)另一側(cè)的該上表面下方，且該順向區(qū)與該逆向區(qū)由該場氧化區(qū)隔開；以及一埋層，形成于該井區(qū)下方的該基板中，其具有與該井區(qū)相同的導(dǎo)電型，且該埋層的雜質(zhì)濃度高于該井區(qū)的雜質(zhì)濃度。
[0009]就再另一個觀點言，本發(fā)明也提供了一種用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件制造方法，該二極管元件用以與該瞬時電壓抑制器電路中所包含的一具有PN接面的抑制元件反向?qū)?，該制造方法包?提供一第一導(dǎo)電型基板，該基板具有一上表面；形成一第一導(dǎo)電型或第二導(dǎo)電型井區(qū)于該上表面下的該基板中，并形成一埋層于該井區(qū)下方的該基板中，該埋層具有與該井區(qū)相同的導(dǎo)電型，且該埋層的雜質(zhì)濃度高于該井區(qū)的雜質(zhì)濃度；形成一分隔區(qū)于該上表面下的該基板中，由俯視圖視之，該分隔區(qū)位于該井區(qū)中；形成一第一導(dǎo)電型順向區(qū)于該分隔區(qū)一側(cè)的該上表面下方；以及形成一第二導(dǎo)電型逆向區(qū)于該分隔區(qū)另一側(cè)的該上表面下方，且該順向區(qū)與該逆向區(qū)由該分隔區(qū)隔開。
[0010]上述瞬時電壓抑制器電路中，該抑制元件可包括一變阻器元件、一齊納二極管、二串聯(lián)對接的齊納二極管、或一無柵極金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxidesemiconductor, M0S)兀件。
[0011]其中一種較佳的實施例中，該分隔區(qū)包括一場氧化區(qū)或一純質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)。
[0012]其中一種較佳的實施例中，該二極管元件為多個，且安排于該抑制元件兩側(cè)。
[0013]在其中一種較佳的實施例中，該埋層與該井區(qū)由俯視圖視之，定義于相同區(qū)域。
[0014]下面通過具體實施例詳加說明，當更容易了解本發(fā)明的目的、技術(shù)內(nèi)容、特點及其所達成的功效。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1A顯不典型的瞬時電壓抑制器(transient voltage suppressor, TVS)電路I ;
[0016]圖1B-1D顯示應(yīng)用本發(fā)明的TVS電路中，抑制元件的數(shù)種實施例；
[0017]圖2顯示應(yīng)用本發(fā)明的TVS電路中，二極管的一種較佳的安排方式；
[0018]圖3A-3B顯示現(xiàn)有技術(shù)用于TVS電路中的二極管元件100的剖視示意圖與雜質(zhì)濃度模擬分布圖；
[0019]圖4A與4B顯示本發(fā)明的第一個實施例；[0020]圖5顯示本發(fā)明的第二個實施例；
[0021]圖6顯示本發(fā)明第的第三個實施例；
[0022]圖7顯示第一個實施例二極管元件200的俯視示意圖；
[0023]圖8顯示現(xiàn)有技術(shù)的TVS電路100與利用本發(fā)明的TVS電路200的電容對電壓的特性曲線；
[0024]圖9顯示現(xiàn)有技術(shù)的TVS電路100與利用本發(fā)明的TVS電路200在靜電測試的狀況下，溫度對電流的特性曲線。
[0025]圖中符號說明
[0026]I TVS 電路
[0027]2受保護電路
[0028]3輸入輸出墊
[0029]11,21,31,41 基板
[0030]12，22，32 場氧化區(qū)
[0031]12a, 22a, 32a 隔絕區(qū)
[0032]13，23，33，43 井區(qū)
[0033]24，34，44 埋層
[0034]15, 25, 35, 45 順向區(qū)
[0035]16, 26, 36, 46 逆向區(qū)
[0036]42純質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)
[0037]100, 200, 300, 400 二極管元件
[0038]Dl, Dn, Dp 二極管元件
[0039]D2齊納二極管
[0040]Ql MOS 元件
【具體實施方式】
[0041]本發(fā)明中的圖式均屬示意，主要意在表示制程步驟以及各層之間的上下次序關(guān)系，至于形狀、厚度與寬度則并未依照比例繪制。
[0042]請參閱圖4A與4B，顯示本發(fā)明的第一個實施例，圖4A顯示用于瞬時電壓抑制器(transient voltage suppressor, TVS)電路中的二極管元件200的剖視示意圖。如圖4A所示，二極管元件200形成于基板21中，其具有上表面21a。接著形成例如但不限于N型井區(qū)23于上表面21a下的基板21中。此外也形成埋層24于井區(qū)23下方的基板21中，埋層24具有與井區(qū)23相同的導(dǎo)電型，在本實施例中，也就是N型，且埋層24的N型雜質(zhì)濃度高于井區(qū)23的N型雜質(zhì)濃度。埋層24和井區(qū)23的形成次序可以對調(diào)。然后形成場氧化區(qū)22與隔絕區(qū)22a于上表面21a下的基板21中，由俯視圖(未示出)視之，場氧化區(qū)22位于井區(qū)23中；其中，場氧化區(qū)22與隔絕區(qū)22a例如為淺溝槽絕緣(shallow trenchisolation, STI)結(jié)構(gòu)或如圖所不的區(qū)域氧化(local oxidation of silicon, L0C0S)結(jié)構(gòu)。接著，分別形成P型順向區(qū)25于場氧化區(qū)22 —側(cè)的上表面21a下方，與N型逆向區(qū)26于場氧化區(qū)22另一側(cè)的上表面21a下方，且順向區(qū)25與逆向區(qū)26由場氧化區(qū)22隔開。
[0043]接下來請參閱圖4B，顯示第一個實施例圖4A中，虛線箭號方向上的雜質(zhì)濃度模擬分布圖。如圖4B所示，縱軸代表雜質(zhì)濃度，橫軸代表距離上表面21a的深度；由雜質(zhì)濃度分布曲線可以了解P型順向區(qū)25、N型井區(qū)23、N型埋層24與P型基板21的雜質(zhì)濃度與深度的關(guān)系。比較現(xiàn)有技術(shù)圖3B與本實施例圖4B，可以看出本實施例相對于圖3A與3B所示的現(xiàn)有技術(shù)，另外包含埋層24形成于井區(qū)23之下。此種安排方式的優(yōu)點包括:在元件規(guī)格上，由于多了一個雜質(zhì)濃度較高的埋層，可提高TVS電路中，二極管元件所能承受的瞬時順向電流，增加TVS電路的應(yīng)用范圍；在制程上，井區(qū)23與埋層24，皆可以利用相同的微影制程步驟形成屏蔽，僅需要增加形成埋層24的離子植入制程步驟，因此幾乎不會增加制造成本。
[0044]詳言之，當受保護電路于正常操作時，其操作訊號的電壓與電流相對較小，因此，對此正常操作時的操作訊號而言，主要是受到二極管200中，P型順向區(qū)25與N型井區(qū)23所產(chǎn)生的較低的電容影響，其電容與現(xiàn)有技術(shù)的二極管100的電容相當。另一方面，當受保護電路接收到高電壓與電流的瞬時訊號(如靜電)時，此瞬時訊號會受到P型順向區(qū)25與N型雜質(zhì)濃度較高的埋層24所產(chǎn)生的較高電容影響，因此可承受較高的順向電流?？偠灾?，利用本發(fā)明的TVS電路，于受保護電路正常操作時，其受到TVS電路的電容影響較小或與現(xiàn)有技術(shù)相當，而使受保護電路的操作速度較快或與現(xiàn)有技術(shù)相當；但當具有高瞬時電壓與電流的瞬時訊號(如靜電)，輸入受保護電路時，利用本發(fā)明的TVS電路，可利用其具有瞬時電容較高的特性，承受并消耗較高的電流，使得受保護電路可承受的瞬時電壓與電流較高，以增強其靜電保護能力。
[0045]圖5顯示本發(fā)明的第二個實施例，為應(yīng)用本發(fā)明的TVS電路中的二極管元件300的剖視示意圖。如圖所示，相較于第一個實施例，在本實施例中，二極管元件300形成于基板31中，包含場氧化區(qū)32與隔絕區(qū)32a、P型井區(qū)33、P型埋層34、P型順向區(qū)35、與N型逆向區(qū)36。本實施例旨在說明，在本發(fā)明的二極管中，井區(qū)與埋層可以同為N型(如第一個實施例)或P型(如第二個實施例)，只需要注意其導(dǎo)電型相同，且埋層的雜質(zhì)濃度高于井區(qū)的雜質(zhì)濃度即可。
[0046]圖6顯示本發(fā)明第的第三個實施例，為應(yīng)用本發(fā)明的TVS電路中的二極管元件400的剖視示意圖。如圖所示，相較于第一個實施例，在本實施例中，二極管元件400形成于基板41中，包含純質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)42、N型井區(qū)43、N型埋層44、P型順向區(qū)45、與N型逆向區(qū)46。本實施例旨在說明，在本發(fā)明的二極管中，不僅可利用場氧化區(qū)隔開順向區(qū)與逆向區(qū)，亦可以利用純質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)隔開順向區(qū)與逆向區(qū)。所謂純質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)是指基本上接近純質(zhì)(intrinsic)半導(dǎo)體的區(qū)間，也就是未摻雜或低摻雜雜質(zhì)的半導(dǎo)體區(qū)域。
[0047]請參閱圖1B-1D以及圖2,顯示應(yīng)用本發(fā)明的TVS電路中,抑制元件的數(shù)種實施例。如圖1B-1D以及圖2所示,抑制元件例如但不限于為如圖1B所示的變阻器元件V1、如圖1C所示的齊納二極管D2、如圖1D所示的二串聯(lián)對接的齊納二極管D2、或如圖2所示的無柵極金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor, M0S)兀件 Ql。
[0048]請繼續(xù)參閱圖2，顯示應(yīng)用本發(fā)明的TVS電路中，一種較佳的安排方式，為:二極管元件Dp與Dn為多個，且安排于抑制元件，在此處為MOS元件Ql兩側(cè)，其中，二極管元件Dp例如但不限于包含N型的井區(qū)與埋層，且二極管元件Dn例如但不限于包含P型的井區(qū)與埋層。
[0049]請參閱圖7,顯示第一個實施例二極管元件200的俯視示意圖。如圖所示,應(yīng)用本發(fā)明的TVS電路中，二極管元件200的埋層24與井區(qū)23由俯視圖圖7視之，定義于相同區(qū)域，也就是如圖所示，為重迭的區(qū)域，并且可以由同一微影制程步驟所定義，如此一來，可以幾乎不增加制造的成本，增強TVS電路承受瞬時訊號的能力。
[0050]請參閱圖8，顯示現(xiàn)有技術(shù)的TVS電路100與利用本發(fā)明的TVS電路200的電容對電壓的特性曲線，可以看出兩條曲線幾乎重迭，這表示當受保護電路于正常操作時，其電容的大小在上述兩種TVS電路100與200中是相同的，理由如前所述，這也表示應(yīng)用本發(fā)明所增加的埋層，在正常操作中，并不影響其電容，也就不影響其操作速度。
[0051]接著請參閱圖9，顯示現(xiàn)有技術(shù)的TVS電路100與利用本發(fā)明的TVS電路200在靜電測試的狀況下，溫度對電流的特性曲線，其中，在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，可以看出TVS電路100與200承受瞬時訊號電流的大小，如圖所示，相較于現(xiàn)有技術(shù)TVS電路100，利用本發(fā)明的TVS電路200可以承受較高的電流。也就是說，根據(jù)圖8與圖9，可以了解，利用本發(fā)明，在不影響正常操作速度下，可以承受較高的瞬時電流；另一方面，也可以說，利用本發(fā)明，在承受相同的瞬時電流情況下，可以提升受保護電路的正常操作速度。
[0052]以上已針對較佳實施例來說明本發(fā)明，只是以上所述，僅為使本領(lǐng)域技術(shù)人員易于了解本發(fā)明的內(nèi)容，并非用來限定本發(fā)明的權(quán)利范圍。在本發(fā)明的相同精神下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以思及各種等效變化。例如，在不影響元件主要的特性下，可加入其它制程步驟或結(jié)構(gòu)，如深井區(qū)等；又如，上述關(guān)于二極管元件的實施例中，制造二極管元件的方法步驟可以改變，井區(qū)與埋層可以形成于場氧化區(qū)之前，亦可形成于場氧化區(qū)之后；又如，井區(qū)與埋層可利用相同屏蔽定義，當然也可以不用任何屏蔽，而以全面性的雜質(zhì)植入技術(shù)來形成井區(qū)與埋層。本發(fā)明的范圍應(yīng)涵蓋上述及其它所有等效變化。
【權(quán)利要求】
1.一種瞬時電壓抑制器電路，用以耦接至一受保護電路，進而限制一輸入該受保護電路的瞬時電壓的振幅，其特征在于，該瞬時電壓抑制器電路包含: 一抑制元件，具有一 PN接面，用以限制該瞬時電壓的振幅；以及 至少一二極管元件，耦接于該受保護電路與該抑制元件之間，且與該PN接面反向?qū)? 其中，該二極管元件形成于一第一導(dǎo)電型基板中，該基板具有一上表面，該二極管元件包括: 一第一導(dǎo)電型或第二導(dǎo)電型井區(qū)，形成于該上表面下的該基板中； 一分隔區(qū)，形成于該上表面下的該基板中，由俯視圖視的，該分隔區(qū)位于該井區(qū)中； 一第一導(dǎo)電型順向區(qū)，形成于該分隔區(qū)一側(cè)的該上表面下方； 一第二導(dǎo)電型逆向區(qū)，形成于該分隔區(qū)另一側(cè)的該上表面下方，且該順向區(qū)與該逆向區(qū)由該分隔區(qū)隔開；以及 一埋層，形成于該井區(qū)下方的該基板中，其具有與該井區(qū)相同的導(dǎo)電型，且該埋層的雜質(zhì)濃度高于該井區(qū)的雜質(zhì)濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的瞬時電壓抑制器電路，其中，該分隔區(qū)包括一場氧化區(qū)或一純質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)。
3.如權(quán)利要求1所述的瞬時電壓抑制器電路，其中，該抑制元件包括一變阻器元件、一齊納二極管、二串聯(lián)對接的`齊納二極管、或一無柵極金屬氧化物半導(dǎo)體元件。
4.如權(quán)利要求1所述的瞬時電壓抑制器電路，其中，該二極管元件為多個，且安排于該抑制元件兩側(cè)。
5.如權(quán)利要求1所述的瞬時電壓抑制器電路，其中，該埋層與該井區(qū)由俯視圖視之，定義于相同區(qū)域。
6.一種用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件，用以與該瞬時電壓抑制器電路中所包含的一具有PN接面的抑制元件反向?qū)?，該用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件形成于一第一導(dǎo)電型基板中，該基板具有一上表面，其特征在于，該二極管元件包含: 一第一導(dǎo)電型或第二導(dǎo)電型井區(qū)，形成于該上表面下的該基板中； 一分隔區(qū)，形成于該上表面下的該基板中，由俯視圖視之，該分隔區(qū)位于該井區(qū)中； 一第一導(dǎo)電型順向區(qū)，形成于該分隔區(qū)一側(cè)的該上表面下方； 一第二導(dǎo)電型逆向區(qū)，形成于該分隔區(qū)另一側(cè)的該上表面下方，且該順向區(qū)與該逆向區(qū)由該場氧化區(qū)隔開；以及 一埋層，形成于該井區(qū)下方的該基板中，其具有與該井區(qū)相同的導(dǎo)電型，且該埋層的雜質(zhì)濃度高于該井區(qū)的雜質(zhì)濃度。
7.如權(quán)利要求6所述的用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件，其中，該分隔區(qū)包括一場氧化區(qū)或一純質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)。
8.如權(quán)利要求6所述的用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件，其中，該抑制元件包括一變阻器元件、一齊納二極管、二串聯(lián)對接的齊納二極管、或一無柵極金屬氧化物半導(dǎo)體元件。
9.如權(quán)利要求6所述的用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件，其中，該埋層與該井區(qū)由俯視圖視之，定義于相同區(qū)域。
10.一種用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件制造方法，該二極管元件用以與該瞬時電壓抑制器電路中所包含的一具有PN接面的抑制元件反向?qū)?，其特征在于，該制造方法包? 提供一第一導(dǎo)電型基板，該基板具有一上表面； 形成一第一導(dǎo)電型或第二導(dǎo)電型井區(qū)于該上表面下的該基板中，并形成一埋層于該井區(qū)下方的該基板中，該埋層具有與該井區(qū)相同的導(dǎo)電型，且該埋層的雜質(zhì)濃度高于該井區(qū)的雜質(zhì)濃度； 形成一分隔區(qū)于該上表面下的該基板中，由俯視圖視之，該分隔區(qū)位于該井區(qū)中； 形成一第一導(dǎo)電型順向區(qū)于該分隔區(qū)一側(cè)的該上表面下方；以及 形成一第二導(dǎo)電型逆向區(qū)于該分隔區(qū)另一側(cè)的該上表面下方，且該順向區(qū)與該逆向區(qū)由該分隔區(qū)隔開。
11.如權(quán)利要求10所述的用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件制造方法，其中，該分隔區(qū)包括一場氧化區(qū)或一純質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)。
12.如權(quán)利要求10所述的用于瞬時電壓抑制器電路中的二極管元件制造方法，其中，該埋層與該井區(qū)由俯視圖視之，定義`于相同區(qū)域。
【文檔編號】H02H9/04GK103515940SQ201210205997
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月18日
【發(fā)明者】黃宗義, 蘇金練 申請人:立锜科技股份有限公司