(57)【要約】【課題】  カットオフ周波数が変動しない高周波ノイズ除去フィルタとしての機能と、静電気等のサージを吸収する保護回路としての機能とを兼ね備えた回路保護装置を提供する。【解決手段】  回路保護装置１００は、入力電極１５１、Ｎ型埋め込み領域１３７、Ｐ型半導体基板１２２及び共通電極１６０でなる定電圧ダイオードと、出力電極１５２、電極間挿入部１４０、Ｐ型半導体基板１２２及び共通電極１６０でなるコンデンサと、抵抗体１２４とを備えている。入力電極１５１及び出力電極１５２は、抵抗体１２４に電気的に接続されている。定電圧ダイオードは保護回路として、また、抵抗体１２４とコンデンサとで高周波ノイズ除去用のフィルタとして機能する。【選択図】  図１
2005228807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
保護すべき回路の入力部と電気的に接続される回路保護装置であって、
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の第１主面から表面が露出するように形成され、前記半導体基板にＰＮ接合された第２導電型の埋め込み部と、
前記第１主面上の、前記埋め込み部が形成されていない領域に設けられ、コンデンサの電極間充填材として機能する電極間充填部と、
前記第１主面上の、前記埋め込み部及び前記電極間充填部が形成されていない領域を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられた抵抗体と、
前記埋め込み部を覆い、前記抵抗体と電気的に接続された入力電極と、
前記電極間充填部を覆い、前記抵抗体と電気的に接続された出力電極と、
前記半導体基板の第２主面に形成された共通電極とを備えた回路保護装置。
【請求項２】
前記共通電極が金または金を主成分とする材料で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の回路保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路等の入力部に保護回路として設けられる回路保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やパーソナルコンピュータ等の電子機器の外部接続端子から電子機器内に静電気等のサージ（以下、静電気サージという）が進入し、電子機器内の集積回路に瞬間的に大電圧が印加されると、集積回路が破壊されてしまう。静電気サージは、帯電した人や物が外部入力端子や集積回路チップの入力端子に接触した場合など、通常の使用形態でも頻繁に発生する。そのため、集積回路の入力部には、一般的に、静電気サージから集積回路を保護するための保護回路が取り付けられる。
【０００３】
図６は、特許文献１に記載した保護回路６００を示す図である。保護回路６００は、入力端子６０１、６０２と出力端子６０３、６０４との間に接続された２つの定電圧ダイオード６０５、６０６と、定電圧ダイオード６０５、６０６のカソード電極間に接続された抵抗６０７とで構成されている。定電圧ダイオード６０５、６０６のカソード電極側は、それぞれ、入力端子６０１及び出力端子６０３と接続されている。
【０００４】
定電圧ダイオード６０５、６０６には、アノード−カソード電極間の電位差が所定値を超えたときにのみ、図中に示すように電流Ｉ１，Ｉ２が流れる。これにより電圧が降下するため、保護回路６００からは、ある一定値以上の電圧は出力されない。よって、保護回路６００を設けておけば、保護回路６００の後に接続されている集積回路６１０には大電流が流れ込むことがなく、静電気サージによる回路破壊を防止することができる。
【０００５】
ところで、保護回路６００は、高周波ノイズ除去用のパイ型ローパスフィルタとしても機能する。出力端子６０３がハイインピーダンスである場合、カットオフ周波数ｆC2は、抵抗６０７の抵抗値Ｒ2 と定電圧ダイオード６０６におけるＰ型半導体部とＮ型半導体部との接合容量Ｃ2 とを用いて、次式（１）のように表される。
ｆC2＝１／２πＲ2Ｃ2                ・・・（１）
【０００６】
図７は、ローパスフィルタの出力特性を示す図である。図７における横軸は周波数、縦軸は、利得を示している。カットオフ周波数ｆC2は、利得が平坦な部分から３ｄＢ低下した位置における周波数と決められている。ローパスフィルタでは、入力信号のうちカットオフ周波数ｆC2以下の周波数帯域（以下、通過帯域Ｒａという）の信号は出力されるが、カットオフ周波数ｆC2よりも高いの周波数帯域（以下、阻止帯域Ｒｂという）の信号は、ほぼ除去されて出力されない。
【特許文献１】特開平１１−１６８１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、定電圧ダイオード６０６の接合容量Ｃ2は、定電圧ダイオード６０６を構成するＰ型半導体部とＮ型半導体部のＰＮ接合部に形成される空乏層の幅に反比例するので、入力電圧が変化すると空乏層の幅が変化し、上記式（１）で表されるカットオフ周波数ｆC2も変化してしまう。このようにカットオフ周波数ｆC2が変化すると、通過領域Ｒａと阻止領域Ｒｂとが変動するために、入力信号のうち、回路装置６１０に入力すべき周波数信号を除去してしまったり、除去されるべき周波数信号が後続の回路装置６１０に入力されたりする。このように、従来の保護回路６００では、入力電圧によってカットオフ周波数ｆC2が変化してしまうため、ローパスフィルタとしての働きは充分ではなかった。
【０００８】
それ故に、本発明は、カットオフ周波数が変動しない高周波ノイズ除去フィルタとしての機能と、静電気等によるサージを吸収する保護回路としての機能とを兼ね備えた回路保護装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る回路保護装置は、保護すべき回路の入力部と電気的に接続される回路保護装置であって、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の第１主面から表面が露出するように形成され、半導体基板にＰＮ接合された第２導電型の埋め込み部と、第１主面上の、埋め込み部が形成されていない領域に設けられ、コンデンサの電極間充填材として機能する電極間充填部と、第１主面上の、埋め込み部及び電極間充填部が形成されていない領域を覆う絶縁膜と、絶縁膜上に設けられた抵抗体と、埋め込み部を覆い、抵抗体と電気的に接続された入力電極と、充填部を覆い、抵抗体と電気的に接続された出力電極と、半導体基板の第２主面に形成された共通電極とを備える。
【００１０】
共通電極は、金または金を主成分とする材料で形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態に係る回路保護装置は、静電気等のサージを吸収する保護回路としての機能と高周波ノイズを除去するフィルタリング機能とを兼ね備え、かつ、簡単な構造を有している。また、ＲＣ回路を構成するコンデンサを備えているために、高周波ノイズ除去のカットオフ周波数が変動せず、所望の周波数の入力信号のみを安定して出力することができる。また、本発明に係る回路保護装置を用いれば、回路保護用の回路素子とフィルタリング用の回路素子とを個別に設ける必要が無いため、電子機器における部品点数を削減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る回路保護装置１００の断面図である。図１に示す回路保護装置１００は、図２に示す回路２００を実現するチップ素子であり、保護したい集積回路の入力部に接続される。この回路保護装置１００は、静電気等によるサージ（以下、静電気サージという。）を吸収することによって集積回路の破壊を防止する回路保護機能と、入力信号から高周波ノイズをカットするフィルタリング機能とを備えている。
【００１３】
図１に示す回路保護装置１００は、Ｐ型半導体基板１２２、Ｎ型埋め込み領域１３７、電極間挿入部１４０、抵抗体１２４、入力電極１５１、出力電極１５２、絶縁膜１２３、１３０及び共通電極１６０を備えている。
【００１４】
図２に示す回路２００は、入力端子１０１、定電圧ダイオード２０５、抵抗２０４、コンデンサ２０６、出力端子１０２及び共通端子１０３を備えている。定電圧ダイオード２０５のカソード電極及びアノード電極は、それぞれ、入力端子１０１及び共通端子１０３に接続されている。コンデンサ２０６の２つの電極は、それぞれ、出力端子１０２及び共通端子１０３と接続されている。抵抗２０４は、定電圧ダイオード２０５のカソード電極とコンデンサ２０６の一方の電極とに接続されている。
【００１５】
図１に示すＮ型埋め込み領域１３７とＰ型半導体基板１２２とは、ＰＮ接合されて図２に示す定電圧ダイオード２０５を構成している。図１に示す入力電極１５１は、Ｎ型埋め込み領域１３７の全面を覆うように形成されており、図２に示す定電圧ダイオード２０５のカソード電極になっている。また、図１に示す共通電極１６０は、図２に示す定電圧ダイオード２０５のアノード電極になっている。Ｎ型埋め込み領域１３７の深さは７μｍ程度であり、表面におけるリン濃度は３×１０19ｃｍ-3程度である。Ｐ型半導体基板１２２の比抵抗は、４．５Ω・ｍ程度になっている。
【００１６】
図１に示す出力電極１５２は図２に示すコンデンサ２０６の一方の電極を構成している。また、Ｐ型半導体基板１２２及び共通電極１６０は、コンデンサ２０６の他方の電極を構成している。電極間挿入部１４０は、厚みが５０ｎｍ程度の絶縁膜である。電極間挿入部１４０を形成する材料は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）や窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）など、入力電圧に対する容量値の変化が少ない材料であればよい。コンデンサ２０６の容量値は、電極間挿入部１４０のような電極間挿入物の厚みや誘電率で決められる。よって、電極間挿入部１４０として適当な材料を選択し大きさを適当に設計しておけば、所望の容量値を有するコンデンサ２０６を形成することができる。
【００１７】
絶縁膜１２３は、Ｐ型半導体基板１２２の表面のうちＮ型埋め込み領域１３７と電極間挿入部１４０とが形成されていない領域に形成されている。抵抗体１２４は、絶縁膜１２３上の一部に形成されており、図２に示す抵抗２０４を構成している。抵抗体１２４は、ポリシリコン層内にボロンを拡散させることによって所望の導電率になるよう、つまり、所望の抵抗値が得られるよう形成されている。抵抗体１２４の表面におけるボロン濃度は、３×１０19ｃｍ-3程度であり、シート抵抗値は９０Ω／□程度である。絶縁膜１３０は、抵抗体１２４の一部のみを露出させて抵抗体１２４と絶縁膜１２３とを覆っている。
【００１８】
入力電極１５１の一部は、図２に示す定電圧ダイオード２０５のカソード電極と抵抗２０４とを電気的に接続する配線を構成している。また、出力電極１５２の一部は、図２に示すコンデンサ２０６の一方の電極と抵抗２０４とを電気的に接続する配線を構成している。また、入力電極１５１、出力電極１５２及び共通電極１６０は、それぞれ、図２に示す入力端子１０１、出力端子１０２及び共通端子１０３を構成している。この回路保護装置１００は、出力電極１５２と保護対象となる集積回路チップの入力端子とが電気的に接続されるようにマザー基板上に取り付けられる。共通電極１６０は主に接地電極として使用される。
【００１９】
なお、上記した濃度や厚み等の値で各構成要素を形成した場合、サージ耐圧が２５ｋＶとなり、国際電気標準会議ＩＥＣ６１０００−４−２レベル４の規格を満たすことができる。また、図２に示す回路２００における、定電圧ダイオード２０５のツェナー電圧値を７Ｖ、接合容量を２５ｐＦとし、抵抗２０４の抵抗値を１００Ω、コンデンサの容量値を２５ｐＦとして、共通端子１０３を接地したときには、カットオフ周波数１００ＭＨｚ、サージ耐圧２５ｋＶとなる。ただし、上記した設計値は一例に過ぎず、入力する信号や保護対象となる回路の特性等に合わせて各数値等を調整すればよい。
【００２０】
この回路保護装置１００の製造方法の一例を、図３及び図４を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、Ｐ型半導体基板１２２の表面を酸化してシリコン酸化膜である絶縁膜１２３を形成する。絶縁膜１２３の上には、所望する厚さのポリシリコン膜を形成した後、所望の濃度になるまでボロンを拡散させることによって、抵抗体形成用膜３２４を形成する。
【００２１】
次に、抵抗体形成用膜３２４を所望の大きさにエッチングすることにより、図３（ｂ）に示す抵抗体１２４を形成する。図３（ｂ）に示す仕掛かり状態の回路保護装置を、仕掛かり回路保護装置３１０という。
【００２２】
次に、図３（ｃ）に示すように、仕掛かり回路保護装置３１０の表面に、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）等で酸化シリコンの絶縁膜１３０を形成する。図３（ｃ）に示す仕掛かり状態の回路保護装置を、仕掛かり回路保護装置３２０という。
【００２３】
次に、図３（ｄ）に示すように、後にＮ型埋め込み領域１３７を形成したい領域上に形成されている絶縁膜１２３及び絶縁膜１３０をエッチングして、コンタクト窓３１５を形成する。コンタクト窓３１５から露出したＰ型半導体基板１２２には、リンを注入して拡散させ、所望する深さと不純物濃度のＮ型埋め込み領域１３７を形成する。図３（ｅ）に示す仕掛かり状態の回路保護装置を、仕掛かり回路保護装置３３０という。
【００２４】
次に、図４（ａ）に示すように、後に電極間挿入部１４０を形成したい領域上の絶縁膜１３０及び絶縁膜１２３をエッチングして、コンタクト窓４５０を形成する。また、抵抗体１２４を覆っている絶縁膜１３０の一部もエッチングして、コンタクト窓４６０、４７０を形成する。
【００２５】
次に、図４（ｂ）に示すように、コンタクト窓４５０から露出したＰ型半導体基板１２２の表面を酸化させて、シリコン酸化膜でなる電極間挿入部１４０を形成する。図４（ｂ）に示す仕掛かり状態の回路保護装置を仕掛かり回路保護装置３４０という。
【００２６】
次に、仕掛かり回路保護装置３４０の表面に、電子ビーム蒸着法等によりアルミニウムを蒸着して入力電極１５１、１５２を形成する。この仕掛かり状態の回路保護装置を仕掛かり回路保護装置３５０という。
【００２７】
最後に、仕掛かり回路保護装置３５０の裏面に、金などの導電性の高い金属を電子ビーム蒸着法等で蒸着して共通電極１６０を形成すると、回路保護装置１００が完成する。なお、共通電極１６０は、この工程よりも先の工程で形成しておいてもよい。
【００２８】
次に、図２に示す回路図を用いて、本実施形態に係る回路保護装置１００の機能及び効果を説明する。抵抗２０４とコンデンサ２０６とで構成されるＲＣ回路は、入力信号から高周波ノイズを除去する１次のＲＣローパスフィルタを構成する。出力端子１０２がハイインピーダンスである場合、コンデンサ２０６の容量値をＣ1、抵抗２０４の抵抗値をＲ1とすると、ローパスフィルタのカットオフ周波数ｆC1は、次式（２）で示される。
ｆC1＝１／２πＲ1Ｃ1                ・・・（２）
上述のように電極間挿入部１４０を形成する材料には、容量値の変動が少ない材料が選ばれているので、入力電圧の変化に対するコンデンサ２０６の容量値の変動が少ない。よって、入力電圧が変化してもカットオフ周波数ｆC1が変化しないため、カットオフ周波数ｆC1以下の周波数帯域（図７における通過帯域Ｒａ）と、カットオフ周波数ｆC1よりも大きな周波数帯域（図７における阻止帯域Ｒｂ）とが変動しない。したがって、回路保護装置１００によれば、入力信号のうち特定周波数帯域の信号のみを安定して出力することができる。
【００２９】
これに加えて本実施形態に係る回路保護装置１００は、静電気サージから集積回路を保護する機能も備えている。図２に示す入力端子１０１と共通端子１０３との間に、つまり、図１に示す入力電極１５１と共通電極１６０との間に、所定値以上の電圧が印加された場合には、定電圧ダイオード２０５でツェナー降伏が起こり、電圧が降下する。例えば、図５（ａ）に示すように立ち上がりの鋭いサージ電圧が回路保護装置１００に印加されると、図５（ｂ）に示すように所定の閾値以下の電圧のみが出力される。よって、この回路保護装置１００の出力端子１０２に接続された集積回路チップ等には、所定値以上の電圧が印加されないため、静電気サージによる集積回路の破壊を防止することがきる。また、共通電極１６０を金など導電性が非常に高い金属材料で形成しておけば、回路保護装置１００を設置するマザー基板との直列抵抗を低減させることができ、サージ吸収効果をさらに向上させられる。
【００３０】
このように回路保護装置１００は、保護回路としての機能と、高周波ノイズフィルタとしての機能を兼ね備えている。よって、保護対象となる集積回路が実装されているマザー基板上に、回路保護用素子と高周波フィルタ素子とを個別に実装するよりも、製造工程を簡略化することができる。また、マザー基板上に実装する部品点数を削減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に係る回路保護装置は、カットオフ周波数が変動しない高周波ノイズ除去フィルタとしての機能と、静電気等のサージを吸収する保護回路としての機能とを兼ね備えているので、半導体集積回路を搭載したマザー基板上に設ける保護回路などのチップ素子等として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る回路保護装置の断面図
【図２】図１に示す回路保護装置の回路図
【図３】図１に示す回路保護装置の製造方法を説明する図
【図４】図３の続図
【図５】図１に示す回路保護装置における入力電圧と出力電圧とを説明する図
【図６】従来の保護回路
【図７】ローパスフィルタの特性を示す図
【符号の説明】
【００３３】
１００  回路保護装置
１０１  入力端子
１０２  出力端子
１０３  共通端子
１２２  Ｐ型半導体基板
１２３  絶縁膜
１２４  抵抗体
１３０  絶縁膜
１３７  Ｎ型埋め込み領域
１４０  電極間挿入部
１５１  入力電極
１５２  出力電極
１６０  共通電極
【図１】
2005228807.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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