(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＭＯＳ集積ＲＦスイッチであって、
ａ）ＲＦ信号インプットノードを有し、
ｂ）ロジカルインプットノードを有し、
ｃ）アノード、カソード及び電荷注入ノードを備え、カソードが該ＲＦ信号インプットに接続され、該アノードが接地されているダイオードを有し、
ｄ）負の信号から少なくとも０ボルト信号まで駆動することができるインプット及びアウトプットを備えた電荷注入ノードドライバを有し、該電荷注入ノードドライバインプットは該ロジカルインプットに接続され、該電荷注入ノードドライバアウトプットは該ダイオードの電荷注入ノードに接続されており、
ｅ）インプット及びアウトプットを備えた高電圧レベルトランスレータを有し、該高電圧レベルトランスレータのインプットは該ロジカルインプットに接続されており、
ｆ）インプット及びアウトプットを備えた高電圧ドライバを有し、該高電圧ドライバインプットは高電圧レベルトランスレータのアウトプットに接続され、
ｇ）高電圧ドライバアウトプット及び該ＲＦ信号インプットの間に接続されているＲＣフィルタを有する、
ＣＭＯＳ集積ＲＦスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的にＲＦスイッチングセル、特にＣＭＯＳ技術で組み込まれ、注入ノードを有する高電圧集積回路ダイオードを備えるＲＦスイッチングセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響インクジェット印刷のアプリケーションでは、印刷する領域を選択することができるようにＲＦスイッチアレーを使用する。音響インクプリントヘッドの例は、ローソン(Rawson)他によるＵＳ特許NO.5,339,101でその権利がゼロックス社(Xerox Corporation) に譲渡され、その技術が参考として本明細書にも組み込まれるものに開示されている。ローソン他は、音響インクプリントヘッドおよびプリントヘッドがインク液滴を射出するようにプリントヘッドをＲＦ電源に接続する方法を含むインクプリントヘッドの動作を記述している。本来ＲＦインプット（入力）はトランスジューサを作動（励振）してトランスジューサ内に音エネルギーを発生するのに使う。トランスジューサからの音エネルギーは、そのエネルギーをインク本体の上表面領域に集中させるフレネルレンズの方に上方へ向けられる。もし向けられたエネルギーが射出スレッショルド（しきい値）を超えると、インク液滴はプリントヘッドから射出される。スイッチは、インクジェットをオンにしたりオフにしたり液滴の射出を決定する、トランスジューサからのＲＦ信号を断続又は遮断するのに使われる。
【０００３】
図１は、従来の技術で知られるスイッチを示している。ノード１８はＲＦ信号源と接続されたインクジェットトランスジューサに接続されている。ノード１８と接地との間に接続されるＰ−ｉ−Ｎダイオード１０は、ＲＦ信号源のスイッチとして使われる。ノード１８とノ−ド２０との間に接続される抵抗器１２、及びノード２０と接地との間に接続されるコンデンサ１４は、高電圧ドライバ１６をＲＦ信号から絶縁するのに使われるＲＣネットワークを形成する。高電圧ドライバ１６は、ノード２０とノ−ド２２との間に接続される。ノード２２は、スイッチの”オン””オフ”を決定する、すなわちインクジェットを起動すべきか否かを決定するロジック（論理）に接続される。
【０００４】
作動にあたっては、ロジカル（論理）”オン”又は”オフ”がノード２２から高電圧ドライバ１６に与えられる。もしロジカル”オン”が受信されると、すなわち、インクジェットがインク液滴を射出すると思われるならば、高電圧ドライバ１６はノード２０を＋１５ボルトへ駆動する。抵抗器１２には電流が流れて、ノード１８もやはり＋０．７ボルトである。Ｐ−ｉ−Ｎダイオード１０は、＋０．７ボルトと接地の間で接続され、ノード１８から接地へ短絡された低インピーダンスとなる。インクジェット中のトランスジューサがＲＦ信号の全電圧スイング（振れ）を認めるとインクジェットが起動する。
【０００５】
もし、ロジカル”オフ”が受信されると、高電圧ドライバ１６はノード２０を−１５ボルトに駆動する。少量の電流が抵抗器１２を流れ、Ｐ−ｉ−Ｎダイオード１０はノード１８に対する低静電容量オープンスイッチとなる。インクジェットのトランスジューサがＲＦ信号の全電圧スイングに満たないと認めると、インクジェットは起動しない。
【０００６】
現在は、分離したコンポーネントであるＰ−ｉ−Ｎダイオードは、効率的な動作のための正確なダイオード特性を有するため、ＲＦスイッチアレーに使用されている。分離Ｐ−ｉ−Ｎダイオードを使用すると、ＲＦスイッチアレーのサイズもコストも増加する。分離Ｐ−ｉ−Ｎダイオードを使用する他の問題は、Ｐ−ｉ−Ｎダイオードを駆動するドライバーチップからＰ−ｉ−Ｎダイオードを絶縁するために、別個のＲＣ回路が必要であることである。ＲＦスイッチアレーをつくるのに集積ダイオードを使用することが好適であるが、現段階においては技術的な制約があるために使用することはできない。なぜならば、現在のＣＭＯＳ集積ダイオードはＲＦスイッチアレーに必要な性能要件を維持することができないからである。
【０００７】
完全なダイオードは、逆バイアスされると高インピーダンス値を有し、順バイアスされると低インピーダンス値を有する。しかし、これまでのＣＭＯＳ技術によりつくられたすべてのダイオードにおいては、これらの２つの要件は、ドーピングプロフィールの性質に起因して相容れないものである。ダイオードが逆バイアスされるとインピーダンス値が高くなるということは、ダイオードが順バイアスされるとオン抵抗値が高くなり、もしダイオードが順バイアスされるとインピーダンス値が低くなるならばダイオードが逆バイアスされると静電容量値が高くなる。さらなる問題は、普通のｎ＋又はｐ＋ＣＭＯＳダイオードは、低いブレークダウン（絶縁破壊）電圧と高い静電容量値を有することである。
【０００８】
しかしながら、集積ダイオードにおける注入ノードを使用する技術が開発されたため、これにより分離Ｐ−ｉ−Ｎダイオード特性により近いダイオード特性を有するＣＭＯＳ集積ダイオードをつくることができるようになった。
【０００９】
分離Ｐ−ｉ−Ｎダイオードの特質により近いダイオード特性を有する集積ＣＭＯＳダイオードの導入により、ＣＭＯＳ技術を使って完全な集積ＲＦスイッチングをつくることができるようになった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の主な目的は、集積高電圧ＣＭＯＳダイオードを含むＣＭＯＳ回路を有する集積ＲＦスイッチングセルの製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
手短かに言えば本発明では集積高電圧ＣＭＯＳダイオードを含む集積ＲＦスイッチングセルが提供される。すなわち、ＣＭＯＳ集積ＲＦスイッチであって、  ａ）ＲＦ信号インプットノードを有し、ｂ）ロジカルインプットノードを有し、ｃ）アノード、カソード及び電荷注入ノードを備え、カソードが該ＲＦ信号インプットに接続され、該アノードが接地されているダイオードを有し、ｄ）負の信号から少なくとも０ボルト信号まで駆動することができるインプット及びアウトプットを備えた電荷注入ノードドライバを有し、該電荷注入ノードドライバインプットは該ロジカルインプットに接続され、該電荷注入ノードドライバアウトプットは該ダイオードの電荷注入ノードに接続されており、ｅ）インプット及びアウトプットを備えた高電圧レベルトランスレータを有し、該高電圧レベルトランスレータのインプットは該ロジカルインプットに接続されており、ｆ）インプット及びアウトプットを備えた高電圧ドライバを有し、該高電圧ドライバインプットは高電圧レベルトランスレータのアウトプットに接続され、ｇ）高電圧ドライバアウトプット及び該ＲＦ信号インプットの間に接続されているＲＣフィルタを有する、ＣＭＯＳ集積ＲＦスイッチが提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ここで図２を参照すると、完全な集積ＲＦスイッチング回路を可能にするＣＭＯＳ集積回路ダイオード２４の平面図を見ることができる。図３は、図２の切断線３―３で切断したときのＣＭＯＳ集積回路ダイオード２４の断面図を示す。このダイオード２４は、既知のＣＭＯＳ形成プロセスを用いて形成されている；したがってダイオード２４のレイアウトについて以下詳説する。このデバイスが相補的ドーピング／技術によるＰ−ウェルＣＭＯＳ形成プロセスを用いて形成されていることに注目するべきである。
【００１３】
ダイオード２４自体は、中心線Ｃを有する円柱デバイスである。ダイオード２４は、リングを埋め込み（インプラントし）、ｐ＋基板４２とｐ−エピアノード２６をその中心に残したｐ−エピ３４からなる基板にｎ−ウェルカソード２８を形成することによって作られる。ｎ−ウェルカソード２８は、深さＤ１で示される約４ミクロンメートルの深さに埋め込まれているが、３．５〜４．５ミクロンメートルの範囲内であればその中のどこでもよい。ｎ−ウェルカソード２８は、中心線Ｃから約３０ミクロンメートル離れたところから始まり、約１８ミクロンメートルの幅をもっている；しかし中心線から約５〜４０ミクロンメートルの間の位置で約８０〜３０ミクロンメートルの幅を持てばよく、それらは所望のブレークダウン特性とＲＦスイッチング特性に依存して決められる。具体例として、ダイオード２４は約１８０ボルトのブレークダウン電圧と０．２５ｐｆのオフ静電容量をもつ。ｎ−ウェルカソード２８は、ｎ＋金属コンタクト３６を介して電気的に接続される。ｎ＋金属コンタクト３６を用いて、ｎ−ウェルカソード２８は金属配線３８に接続される。
【００１４】
ｎ−ウェルカソード２８によって形成されたダイオード２４のｐ―エピアノード２６は、図２に示されている上面のｐ―エピアノードコンタクト３２を介して接地される。ｐ＋基板４２は、裏面のウエハーコンタクト（不図示）を介して接地される。図３に示されているように、ｐ―エピ３４の深さは約１５ミクロンメートル（プロセス前）であるが、約１５〜２５ミクロンメートルの範囲であればよい。ｐ―エピ３４の深さを減らすと静電容量とオフインピーダンスが増大し、ブレークダウン電圧が減少する。そのデバイスは、１２ミクロンメートル未満の深さでは動作しないと予想される。しかしながら、ｐ―エピ３４の深さを増大させると、ダイオード２４のオンインピーダンスは増大する；従って、２５ミクロンメートル未満の深さを保つことが望ましい。
【００１５】
ダイオード２４の新たなコンポーネントは、不完全なリングをｎ−ウェルカソード２８の外側に形成しているｎ＋注入ノード３０であり、ｐ―エピ３４領域の一部分によってｎ−ウェルカソード２８から分離されている。理想的には、ｎ＋注入ノード３０は破断されていないことが望ましい；しかし、他の回路に接続するためにリングを破断することが必要となる。他の設計ではｎ＋注入ノード３０リングが破断されていなくてもよい。ｎ＋注入ノード３０は約０．３ミクロンメートルの深さに埋め込まれているが、約０．３ミクロンメートルから１ミクロンメートルまでの範囲であればよい。ｎ＋注入ノード３０は約６ミクロンメートル幅であるが、約１ミクロンメートルから２０ミクロンメートルまでの値も許容される。ｎ＋注入ノード３０とセンターラインＣ間の距離は、どのようなブレークダウン電圧が所望されるかによって変わる。２次元デバイスシミュレーションプログラム、特に、テクノロジーモデリングアソシエイツのメディシ（Technology Modeling Associates' Medici）プログラムを用いて、上述したようなパラメータをダイオードの他のエレメントに用いる場合でのシミュレーションによれば、例えば、約１５ミクロンメートルの距離では結果として１８０ボルトのブレークダウン電圧となる。ｎ＋注入ノード３０が正確に動作するには、ｎ＋注入ノード３０とｎ−ウェルカソード２８が短絡することを防ぐためにｎ−ウェルカソード２８から少なくとも１ミクロンメートルの間隔が必要である。しかしながら、ｎ＋注入ノード３０がｎ−ウェルカソード２８に接近しておかれると、ブレークダウン電圧は減少する。従って、もし最小距離が使われるなら、ブレークダウン電圧が非常に低くなることが予想される。
【００１６】
ダイオード２４の動作中に順方向バイアスモードか逆方向バイアスモードかのいづれかにそのダイオードをバイアスすることによって、ｎ＋注入ノード３０はダイオード２４の特性を変える。ｎ＋注入ノード３０が順バイアスされると、ｐ―エピアノード２６とｐ―エピ３４に対するｎ＋注入ノード３０に負のバイアスが与えられる。ｎ＋注入ノード３０の順バイアスにより電子をｐ−エピ３４とｐ−エピアノード２６に注入する。そのとき、ｎ−ウェルカソード２８は約−０．７Ｖに降下、即ち、ｐ−エピアノード２６とｐ−エピ３４より０．７ボルト降下する。そして、ｐ−エピ３４とｐ−エピアノード２６に電子が存在する限り、ダイオード２４はオン状態に保たれる。順バイアスされたｎ＋注入ノード３０から注入された電子は、ダイオード２４のオンインピーダンスを減少させる。このバイアスとインピーダンス設定特性により、ダイオードがオフ時にはそのダイオードは大きなＲＦ電圧信号を扱うことができ、また、そのダイオードがオン時にはそのダイオードは大きなＲＦ電流信号を扱うことができる。
【００１７】
ｎ＋注入ノード３０に注入する電流量を変えることによって、ダイオード２４のオンインピーダンスを変えることができる。電流が流れないときは、ダイオード２４は普通の２ターミナル（端子）ダイオードとして動作する。それは、オンインピーダンスを減らすための注入電子が存在しないからである。しかしながら、ｎ＋注入ノード３０に流れる電流量が増えるとより多くの電子が注入され、オンインピーダンスは下がる。１つのデバイスをテストした結果、ｎ＋注入ノード３０に流れる小電流が０．４ｍＡのときオンインピーダンスが７８．９オームであった。電流が３．１ｍＡに増加すると、オンインピーダンスは３８．５オームに低下した。電流が６．２５ｍＡに増加すると、オンインピーダンスは３５．９オームに低下した。
【００１８】
ｎ＋注入ノード３０が逆バイアスされると、ｐ−エピ３４に対してｎ＋注入ノード３０が正バイアスされる。ｎ＋注入ノード３０に順バイアスがかかると、ｐ−エピ３４には電子は注入されない。そのとき、ダイオード２４は通常どおりに動作するが、ｎ−ウェルカソード２８とｐ−エピ３４のドーピング値によっては、ダイオード２４は低逆バイアス静電容量をもつ。
【００１９】
図４は本発明によるＲＦスイッチの略線図である。ＲＦインプットボンディングパッド５０は図１に示される従来の技術による回路のノード１８に相当する。スイッチインプットノード５４は、図１の従来技術回路におけるノード２２に相当する。図１のP-i-N ダイオード１０は上記のように構成されるダイオード２４が取って代わっている。ダイオード２４のカソードはＲＦインプットボンディングパッド５０に接続され、ダイオード２４のアノードは接地されている。ダイオード２４のｎ＋注入ノード３０はノード５２においてダイオード注入ノードドライバ６０により駆動され、ダイオード注入ノードドライバ６０はスイッチインプットノード５４により制御される。
【００２０】
ダイオード注入ノードドライバ６０は、ｎ＋注入ノード３０を活性化したり不活性化することによりダイオード２４を正確に動作する０ボルトから−１ボルトまでの電圧を駆動することができなければならない。しかし、たとえば＋５ボルトから−５ボルトのようなより大きいスイングを使うと、ダイオード２４の切り換え速度が速くなる。こうしたドライバが当業者に知られている；この適用に適するある特定のＣＭＯＳドライバは、ＵＳ特許NO.5,321,293、モジャラディ(Mojaradi)他による”Integrated Device Having MOS Transistors which Enable Positive and Negative Voltage Swings" と称する発明で、本発明にその技術が参考として含まれるものにおいて開示されている。この例において、ダイオード注入ノードドライバ６０は、ロジカル"off" （オフ）が受信されると＋５ボルトの信号をｎ＋注入ノード３０に出力し、ロジカル"on"（オン）が受信されるとノード５２に５ｍＡの電流を流しながら−１ボルトの信号を出力する。
【００２１】
図１の高電圧ドライバ１６は図４におけるノード６６及びノード６８間に接続される高電圧ドライバ６２が取って代わっている。高電圧ドライバ６２は、図１の回路においては１５ボルトであるのに対して７５ボルトまでを駆動する。ドライバの機能は、ダイオード２４に蓄積されたあらゆる残留少数キャリアを速やかに取り除き、次いでダイオードを低静電容量逆バイアス領域へバイアスすることである。
【００２２】
高電圧ドライバ６２のひとつの実装は、図５に示すとうりである。それは２つのＰＭＯＳトランジスタ７０、７２及び７５ボルトの電圧源７４を含む。ＰＭＯＳトランジスタ７２は、７５ボルト電圧源７４及びノード６８の間に接続される。ＰＭＯＳトランジスタ７０は７５ボルト電圧源及びノード６６の間に接続される。２つのＰＭＯＳトランジスタ７０、７２のゲートは、結合されていると共にノード６６に結合されている。
【００２３】
図４に含まれる他の新たなエレメントは、スイッチインプットノード５４とノード６６との間の高電圧レベルトランスレータ( translator) ６４である。この高電圧レベルトランスレータ６４は、高電圧ドライバ６２がスイッチインプットノード５４に入ってくる信号によって正確に駆動されるよう、および高電圧ドライバ６２が図６に示される一対のカスケードを含むまざまな方法で実装されるように、使われる。一対のカスケードは、ＰＭＯＳトランジスタ７６及び高電圧トランジスタ７８の２つのトランジスタを含む。２つのトランジスタはノード６６と接地の間で互いに直列に接続される。ノード６６は高電圧ノードであるため、高電圧トランジスタ７８が接続される。高電圧トランジスタ７８はまたそのゲートを駆動するように接続されるバイアス電圧Ｖb を有し、それにより高電圧トランジスタ７８がいつも”ｏｎ”状態にて作動されているようになっている。ＰＭＯＳトランジスタ７６はスイッチインプットノード５４上の信号によって駆動される。
【００２４】
最後に、ｎ−ウェル抵抗器４６及びコンデンサ５８は、本質的に図１における抵抗器１２及びコンデンサ１４と同じエレメントである。
【００２５】
動作において、ＲＦ切り換え回路は以下のように作動する。ダイオード２４がオフにされると、それは大きなＲＦ電圧を維持することになるが、しかしそこを流れる電流はごく僅かであるかあるいは全く流れない。ダイオード２４がオンになると、そこに大量の電流が流れるが、ダイオード２４における電圧の降下はほとんど生じないかあるいは全く生じない。インクジェットを起動させるための条件として、ＲＦ電圧がインクジェットによって確認されるようにダイオード２４がオンされることが要求される。
【００２６】
ダイオード２４をオンにするためには、ｎ＋注入ノード３０がオンされて注入モードで作動しなければならない；したがって、ダイオード注入ノードドライバ６０は、−１ボルト信号をノード５２及びｎ＋注入ノード３０へ駆動するべきである。同時に、高電圧ドライバ６２はロー状態であるべきで、ＲＦインプットボンディングパッド５０を高電圧に駆動してはならない。ダイオード２４がＲＦインプットボンディングパッド５０を−０．７ボルトの電圧に設定すると、ＲＦインプットボンディングパッド５０と接地との間には負電圧が生じる。
【００２７】
しかしながら、インクジェットが起動しないときには、逆の状況が要求される。ダイオード２４はオフでなければならず、それによって大きなＲＦ電圧降下を維持しながら、電流はほとんど流れないことになる。この場合、ｎ＋注入ノード３０は、注入モードで作動してはならない。ｎ＋注入ノード３０をオフにするため、ダイオード注入ノードドライバ６０は０ボルト又はそれ以上の電圧を駆動しなければならず、この例においては＋５ボルトの電圧へノード５２及びｎ＋注入ノード３０を駆動する。同時に、高電圧ドライバ６２はオン状態にしてＲＦインプットボンディングパッド５０を高電圧に駆動しなければならない。
【００２８】
図７はＲＦインプットボンディングパッド５０に沿ってダイオード２４、コンデンサ５８、接地金属５６及びｎ−ウェル抵抗器４６を含むＲＦスイッチングサブ回路４４の平面配置図で、ＲＦスイッチングサブ回路４４に使われる空間節約レイアウト技術を図示するためのものである。
【００２９】
第一に、ダイオード２４はＲＦインプットボンディングパッド５０の真下に構成される。これによりダイオード２４とＲＦインプットボンディングパッド５０を接続する金属線の長さが減少されるので、ダイオード２４と、ＲＦインプットボンディングパッド５０と、接地との間の寄生静電容量が減少する。寄生静電容量はダイオード２４のオフインピーダンスを減少するので、これによりダイオード２４のオフインピーダンスをできるだけ大きく保つことができる。
【００３０】
第二に、ｎ−ウェル抵抗器４６は拡散ｎ−ウェル抵抗器を使って構成され、コンデンサ５８はこれを創造するために接地金属５６上にノード６８のための拡張ルート金属を使って構成される。通常は、これらの２つのコンポーネントは２つ別々に構成されたデバイスとして配置される；しかし、寄生静電容量を利用すると、コンデンサ５８は別々のエレメントとして構成される必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来のＲＦスイッチの略図である。
【図２】図２は、本発明によるＣＭＯＳ集積回路ダイオードの平面図である。
【図３】図３は、図２の切断線３−３によるＣＭＯＳ集積回路ダイオードの断面図である。
【図４】図４は、図３に示されるＣＭＯＳ集積回路ダイオードを使ったＲＦスイッチング回路の概略線図である。
【図５】図５は、図４のＲＦスイッチング回路に使われる高電圧ドライバー回路の概略線図である。
【図６】図６は、図４のＲＦスイッチング回路に使われる一対のカスケードの概略線図である。
【図７】図７は、図４の構成図にみられるＲＦスイッチングサブ回路の平面図である。
【符号の説明】
２４    ダイオード
２８    ｎ−ウェルカソード
３０    ｎ＋注入ノード
３２    ｐ−エピアノードコンタクト
【図１】
0004128252.tif 000002
【図２】
0004128252.tif 000003
【図３】
0004128252.tif 000004
【図４】
0004128252.tif 000005
【図５】
0004128252.tif 000006
【図６】
0004128252.tif 000007
【図７】
0004128252.tif 000008