在具有瞬态抑制二极管的滤波器中实现线性电容的器件及方法

摘要

一种具有单向模块化以及对称双向模块化能力的瞬态抑制二极管(TVS)电路，集成有电磁干扰(EMI)滤波器，设置在具有第一种导电形式的半导体衬底上。集成有EMI滤波器的TVS电路还包括用于对称双模块结构的设置于表面的接地端，以及用于单向模块结构的设置于半导体衬底底部的接地端，输入和输出端设置于顶部表面，半导体衬底上设置有至少一个稳压二极管和若干个电容，用于将接地端直接电容耦合到输入端及输出端，而无需介入浮体区域。

说明书

技术领域

本发明一般涉及带有包括瞬态抑制二极管(TVS)的电感的滤波电路的电路结构及制造方法。更特别的是，本发明涉及一种设置有增加了电容的电阻-电容(RC)或电感-电容(LC)的滤波电路的优化的电路结构和制造方法，用于对称的双向模块化的包括稳压二极管和稳压二极管触发双极晶体管的瞬态抑制二极管(TVS)。

背景技术

现有技术中设计及制造具有电阻-电容(RC)或电感-电容(LC)的滤波电路的方法面临着需要增加电容以达到一定滤波效果的挑战。为达到增加电容的目的，本技术领域的普通技术人员的典型做法是增加连接区域。然而，由于应用本方法生产的器件进一步具有较大的芯片尺寸或者在沟槽中具有更厚的氧化层，因此，会引起不必要的器件设计以及性能的退化。

除了这些技术挑战之外，设计以及制造例如由瞬态抑制二极管(TVS)和电磁干扰(EMI)滤波器组合而成的滤波电路的现有技术仍然面临着一个技术问题，就是由于目前用于EMI滤波器的电容的变化使得滤波性能变得不可靠。特别是如下文所要进一步叙述的那样，通过偏压的变化以及包括光线和噪声之类的若干环境影响都会感应到电容的变化。对于音频信号接收，当EMI滤波器所表现的性能不能被很精确地控制时，输入信号接收的质量就会受到负面影响。当操作环境状态改变时，EMI滤波器中电容的变化或许会导致例如截止频率这样的信号接收的特殊功能参数发生变化。因此，现在对于这个问题迫切需要一个有效的解决方法。

特别的，瞬态抑制二极管(TVS)电路通常与电磁干扰(EMI)滤波器一起设置，用于实现音频信号的接收。与EMI滤波器一起设置的TVS可以具有分别如图1A或图1B中所示的对称或非对称结构。如图所示的EMI滤波器设置有一个电阻-电容(RC)与电阻-电感(RL)的组合并集成有结合的TVS。EMI滤波器和TVS集成电路作为一个整体的器件设置，由此带来的进步是与TVS一起设置的EMI滤波器具有更好的滤波性能。典型的，在低通滤波器对800MHz至3GHz范围内的蜂窝带通信号(cellular band signals)进行衰减时，其衰减至少可以达到35dB。另外，这样的器件具有低寄生电阻、电容和电感。

在如图1A和1B所示的与TVS一起设置的EMI滤波器中，EMI滤波器所需的电容通常通过在滤波器中设置稳压二极管来提供，同时稳压二极管具有固有的结电容。因此，应用于TVS的稳压二极管中的二极管结电容也可以作为EMI滤波器电容。然而，所设置的稳压二极管的结电容也是偏置电压的函数。为达到如图1A和1B所示的EMI滤波器的设计意图，对称滤波器的偏压为零伏特，不对称滤波器的偏压为Vcc/2，其中，Vcc为电源电压。然而，电容或许会随偏压而产生改变，而这会导致滤波器的截止频率随着直流偏压而变化，从而导致滤波性能的不可靠。图1C和1D所示的是对称与非对称滤波器中的电容变化的大小与芯片级封装(CSP)和双列扁平无引线(DFN，Dual Flat No Lead)封装的直流偏压之间的函数关系。

当对称模块结构与对称EMI滤波器如图1A所示一起设置时，除了对依赖于直流偏压的电容变化十分敏感之外，二极管的结电容还对例如光线和噪音类的环境情况非常敏感，故而设置稳压二极管来使用一个浮动连接。当EMI与TVS集成的器件以芯片级封装(CSP)封装时，所设置的集成EMI-TVS要求一个更高的电容耐受值约20％，以使其在例如光线等环境情况发生变化时保持可靠的滤波性能。

因此，提供一种新的优化的电路结构和制造方法以解决上述的困难的需求在电路设计及器件制造领域依然存在。特别是，提供新的优化的EMI滤波器与TVS组合从而可以提供线性的可控的电容使所述的限制及困难可以得到解决的需要仍然存在。

发明内容

本发明的一个方面提供一种设置有RC和/或LC的滤波电路，例如集成有EMI滤波器的TVS保护电路。该滤波电路通过提供具有可调节厚度的氮化及氧化层所组成的新的优化的绝缘层，使电容值可以灵活增加以形成所要求的滤波电容值，而无需增加芯片连接区域也无需增加氧化物厚度。由此，上述常见的滤波电路所面临的技术困难可以得到解决。

本发明的另一个方面提供一种集成有EMI滤波器的TVS保护电路，通过提供一种优化的器件结构以使输入端与接地端之间的总电容值实质上保持一个常量，从而使上述的现有技术的所面临的限制与困难得到解决。

特别的，本发明的一个方面是形成一个集成有EMI滤波器的TVS电路，包括至少一个稳压二极管和若干电容并联在输入端和接地端之间，当不同的电压偏置加载在输入端与接地端之间时，其中的电容所具有的总电容值总体上保持一个固定值。

本发明的另一个方面是在半导体衬底上形成一个集成有EMI滤波器的TVS电路，其通过形成一个掺杂区域，使之与半导体衬底共同作用，具有如稳压二极管的功能，同时开设两组填入绝缘材料和一个多晶硅栅极的沟槽，并用一种氮化物(Si₃N₄)绝缘层和一种氧化物(SiO₂)绝缘层进行填充，使其具有MOS(金属氧化物半导体)电容的功能，其中栅极连接到输入端的MOS电容的数量实质上等于栅极连接到接地终端之间的MOS电容的数量，从而，当不同的偏压加载在输入端与接地端之间时，总电容值实质上保持一个固定值。类似的，在带有掺杂区域的器件的输出侧形成两个掺杂区域，具有稳压二极管的功能。两组填入绝缘材料和多晶硅栅极的沟槽，用一种氮化物(Si₃N₄)绝缘层和一种氧化物(SiO₂)绝缘层进行填充，所述沟槽被开设在掺杂区域作为MOS电容的功能，其中栅极连接输出端的MOS电容的数量实质上等于栅极连接接地端的MOS电容的数量，从而，当不同的偏压加载在输出端与接地端之间时，总电容值实质上保持一个固定值。

本发明的优选实施方式大体上公开了一种利用集成有电磁干扰(EMI)滤波器的瞬态抑制二极管(TVS)电路进行保护的电子器件。集成有EMI滤波器的TVS电路还包括并联在输入端和接地端之间的至少一个稳压二极管和若干个电容，当不同的电压偏置加载在输入端与接地端时，其中的电容所具有的总电容值实质上保持在一个固定值上。在一个典型实施方式中，EMI滤波器还包括一个对称的滤波器，该对称滤波器中连接输入端与连接接地端的电容数量相同。在一个特殊的典型实施方式中，集成有EMI滤波器的TVS由一个半导体衬底支持，若干个电容包括开设在半导体衬底上的若干个浅沟槽，所述的浅槽填入绝缘体材料，并填充有一氮化物(Si₃N₄)绝缘层和一氧化物(SiO₂)绝缘层。在另一个典型实施方式中，集成有EMI滤波器的TVS由一个半导体衬底支持，EMI滤波器还包括一个具有与开设在半导体衬底上的浅槽相同数量的电容的对称的滤波器，浅槽由一氮化物(Si₃N₄)绝缘层和一氧化物(SiO₂)绝缘层进行填充，并连接于输入端与接地端之间。在另一个典型实施方式中，集成有EMI滤波器的TVS由一个半导体衬底支持，其中，输入端形成于半导体衬底上的第一掺杂区域，接地端形成于半导体衬底上的第二掺杂区域；半导体衬底还包括设置于第一和第二掺杂区域之间的独立深沟槽。在另一个典型实施方式中，集成有EMI滤波器的TVS由一个具有第一种导电形式的半导体衬底支持，输入端形成于半导体衬底上的第一掺杂区域，接地端形成于半导体衬底上的第二掺杂区域，其中第一及第二掺杂区域由第二种导电形式掺杂，借此，第一和第二稳压二极管就可以形成在具有第二种导电形式的第一及第二掺杂区域与具有第一种导电形式的半导体衬底之间。

本发明进一步公开了一种集成有电磁干扰(EMI)滤波器的瞬态抑制二极管(TVS)电路，该TVS电路由具有第一种导电形式的半导体衬底支持。在对称模块结构的情况下，集成有EMI滤波器的TVS电路包括设置在底表面上的接地端和设置在顶表面上的输入及输出端，半导体衬底上设置有至少一个稳压二极管和若干个电容，利用直接电容耦合，而无需采用介入浮体区域的方法将接地端与输入及输出端进行耦合。在一种典型实施方式中，集成有EMI滤波器的TVS电路还包括两个设置于第二种导电形式的材料中的具有第一种导电形式的横向分隔的掺杂区域，以此形成一个双向模块化稳压二极管。所连接的第一掺杂区域形成输入端，所连接的第二掺杂区域形成接地端。另外，填入绝缘材料和多晶硅栅极且填充有一氮化(Si₃N₄)绝缘层和一氧化(SiO₂)绝缘层的第一组沟槽设置于第一掺杂区域，多晶硅栅极连接接地端。这样可以在输入端与接地端之间形成第一组MOS电容。类似的，填入绝缘材料和多晶硅栅极的第二组沟槽设置于第二掺杂区域，多晶硅栅极连接输入端。这样可以在输入端与接地端之间形成第二组MOS电容，其与第一组沟槽MOS电容相比具有相反的导电性。重复相同的设计以在输出与接地端之间形成稳压二极管和MOS电容。另两个设置于第二种导电形式的材料中的具有第一种导电形式的横向分隔的掺杂区域，以此形成一个双向模块稳压二极管。所连接的第四掺杂区域形成输出端，所连接的第三掺杂区域形成接地端。另外，填入绝缘材料和多晶硅栅极的第三组沟槽，由一氮化物(Si₃N₄)绝缘层和一氧化物(SiO₂)绝缘层进行填充，设置于第三掺杂区域，多晶硅栅极连接输出端。这样可以在输出端与接地端之间形成第一组MOS电容。类似的，填入绝缘材料和多晶硅栅极的第四组沟槽，由一氮化物(Si₃N₄)绝缘层和一氧化物(SiO₂)绝缘层进行填充，设置于第四掺杂区域，多晶硅栅极连接基地端。这样可以在输出端与接地端之间形成第二组MOS电容，其与第一组沟槽MOS电容相比具有相反的导电性。第二和第三掺杂区域都是接地端，并通过金属短接。

本领域的普通技术人员在结合各种附图阅读了以下的关于本发明的优选实施方式的详细叙述后，上述及其它的本发明所述对象及改进都将是显而易见的。

附图说明

图1A和1B是结合了EMI滤波器的TVS电路的电路图。

图1C和1D所示是由直流偏压的变化所引起的电容变化的图表。

图2所示为本发明中的结合有TVS电路的对称EMI滤波器的侧面剖视图。

图2A是一种典型实施方式的剖视图，其中，所形成的带有多晶硅填充沟槽的MOS沟槽电容由一氮化物(Si₃N₄)绝缘层和一氧化物(SiO₂)绝缘层组合而成的绝缘层进行填充。

图2B所示为在保持由一氮化物(Si₃N₄)绝缘层和一氧化物(SiO₂)绝缘层组合而成的绝缘层的总体厚度不变的情况下，沟槽电容的电容值随着氮化物层厚度的增加而增加的情况。

图3是电容值的变化与偏压之间的函数的示意图，由于本发明中的EMI-TVS器件所提供的第一及第二电容的自然属性从而导致总电容值实质上保持恒定。

图4所示是本发明中的与TVS电路组合的非对称EMI滤波器的侧面剖视图。

图5是图4中的EMI-TVS器件的电容值相对于直流偏压的变化图表。

具体实施方式

图2所示为本发明中与组合有TVS的对称EMI滤波器。与TVS组合的对称EMI滤波器由具有一N外延层115的N+衬底110支持，同时显示了位于左边的输入侧以及在右边的输出侧。衬底的输入侧由P型掺杂物掺杂为第一体区域120-1和第二体区域120-2。在第一掺杂体区域120-1和N外延层115之间形成稳压二极管122-1。另一个稳压二极管122-2形成于第二掺杂体区域120-2和N外延层115之间。所形成的第一体区域120-1具有第一连接掺杂区域125-1和第二连接掺杂区域125-2用于电连接电极130-1和130-2从而在其中接收输入电压。第一体区域还具有多个填入绝缘材料和多晶硅栅极的浅槽135-1、135-2和135-3，作用相当于MOS电容。沟槽电容135-1、135-2和135-3电连接接地端，所述的电连接是通过金属触点140-1至140-3连接到设置于衬底顶层表面上的触点金属145，而该触点金属再连接到接地端而完成的。所形成的第二体区域120-2也具有第一连接掺杂区域125G-1和第二连接掺杂区域125G-2用于电连接电极130G-1和130G-2以连接接地电压。第二体区域120-2还具有多个填入绝缘材料和多晶硅栅极的浅槽135’-1至135’-3，作用相当于MOS电容。沟槽电容135’-1至135’-3是分别通过金属触点140’-1至140’-3连接到设置在衬底顶层表面上的触点金属145’，从而电连接到输入端的。两个独立深沟槽150-1和150-2设置在第一和第二体区域120-1和120-2之间。深沟槽150-1和150-2用于隔离目的。该器件结构具有一横向寄生PNP晶体管。在横向PNP的基区加入深沟槽可以明显地减少寄生晶体管的增益，从而去除任何不需要的电流路径。

衬底的输出侧也由P型掺杂物掺杂为第一体区域170-1和第二体区域170-2。所形成的第一体区域170-1具有第一连接掺杂区域175-1和第二连接掺杂区域175-2用于电连接电极180-1和180-2以提供输出电压。稳压二极管172-1形成在第一掺杂体区域170-1和N-外延层115之间。另一个稳压二极管172-2形成于第二掺杂体区域170-2和N-外延层115之间。第一体区域还具有多个填入绝缘材料和多晶硅栅极的浅槽185-1、185-2和185-3，作用相当于MOS电容。沟槽电容185-1至185-3分别通过金属触点190-1至190-3连接到设置在衬底顶层表面上的触点金属195电连接到接地端。所形成的第二体区域170-2也具有第一连接掺杂区域175G-1和第二连接掺杂区域175G-2用于电连接电极180G-1和180G-2以连接接地电压。第二体区域170-2还具有多个填入绝缘材料和多晶硅栅极的浅槽185’-1至185’-3，作用相当于MOS电容。沟槽电容185’-1至185’-3分别通过金属触点190’-1至190’-3电连接到设置在衬底顶层表面上的连接金属195’，然后电连接到输出电压。两个接地体区120-2和170-2通过金属200短接。输入和输出端130和180通过一串联电阻205互连，电阻205是由多晶硅层于EMI-TVS器件的输入和输出端之间形成的，作用相当于滤波电阻。两个独立深沟槽150’-1和150’-2设置于第一和第二体区域170-1和170-2之间。深沟槽150’-1和150’-2用于隔离目的。该器件结构具有一横向寄生PNP晶体管。在横向PNP的基础区域加入深沟槽可以明显地减少寄生晶体管的所得，从而去除任何不需要的电流通路。

图2A所示是本发明的详细实施方式，其中，MOS电容，也就是浅槽135-1至135-3、135’-1至135’-3、185-1至185-3和185’-1至185’-3，填充有多晶硅栅极材料101和包括一氮化绝缘层102和一氧化绝缘层103的组合绝缘层。氧化绝缘层103用于释放在硅表面上的氮化层的薄膜应力。由于具有包括一氮化绝缘层102和一氧化绝缘层的组合绝缘层，电容值就可以进一步增加而不需要增加连接区域。如下表所示，硅氮化层的介电常数要高于硅氧化层。因此，在薄膜厚度相同的情况下，Si₃N₄可以提供更高的电容值。

  SiO₂ 氮化物(Si₃N₄)  介电常数  3.9  7.5  介电强度  107  107

图2B所示为，在保持由一氮化绝缘(Si₃N₄)层和一氧化绝缘(SiO₂)层组合而成的绝缘层的总体厚度恒定的情况下，沟槽电容的电容值随着氮化层厚度的增加而增加的情况。因此，在保持组合绝缘层总体厚度恒定的情况下，可以通过调整氮化物绝缘层的厚度来方便地调整滤波电路的电容值。该滤波电路的灵活性和应用范围可以通过调整这样的可调电容中氮化和氧化层的相应厚度来继续延伸及优化。

图3为相对于电压的电容值的变化示意图，即MOS电容的C-V图。图3中所示的电容—电压(C-V)图是一种典型的沟槽电容的C-V关系。电容形成于浅槽中的沟槽多晶硅之间。有一半的沟槽电容的栅极连接到输入端，另一半的沟槽电容的栅极连接到接地端。因此，C1代表连接在输入端和接地端之间的总电容值的一半，而C2代表连接在输入端和接地端之间的总电容值的另一半。电容值C1和C2的变化如C-V曲线所示，彼此互为镜像。两个电容值C1和C2的总和，即Ctotal＝C1+C2，保持在一个恒定的值而与电压的变化无关。滤波操作的对称性是通过将沟槽总数的一半连接到输入端而余下的连接到接地电压而达到的。

图4是本发明的优化器件结构中的与TVS电路200组合的非对称EMI滤波器的侧面剖视图。与TVS电路200组合的EMI滤波器由一半导体衬底201支持，半导体衬底201具有连接到接地电压的底部电极205。如图中所示，EMI滤波器和TVS器件200具有位于左边的输入侧和位于右边的输出侧。在输入侧，衬底210包括若干设置于由N+衬底210支持的N-外延层215上的沟槽207-1、207-2和207-3。带有外延层215的沟槽207-1至207-3通过穿过绝缘层230的金属触点265-1至265-3连接到输入电压。稳压二极管通过使用一个由横向稳压二极管触发的垂直NPN晶体管来实现。NPN集电极由N+掺杂层255实现，基极由P掺杂层240实现。发射极由N+掺杂衬底210实现。NPN的触发由形成于N+集电极255和P基极240之间的横向稳压二极管实现。P型体区的表面掺杂通过使用分离的浅P型植入进行调整，以控制稳压击穿电压。横向稳压二极管的P极端通过浅P+植入245与接地端短接。分离金属225用于连接浅P+植入以及通过N+掺杂层220和N-外延层将浅P+植入连接到衬底。

在输出侧，衬底210包括设置于由N+衬底210支持的N-外延层215上的若干个沟槽207’-1、207’-2和207’-3。带有外延层215的沟槽207’-1至207’-3通过穿过绝缘层230’的金属触点265’-1至265’-3连接到输出电压。稳压二极管通过使用一个由横向稳压二极管触发的垂直NPN晶体管来实现。NPN集电极由N+掺杂层255’形成，基极由P掺杂层240’形成。发射极由N+掺杂衬底210形成。NPN的触发由形成于N+集电极255’和P基极240’之间的横向稳压二极管实现。P型体区的表面掺杂通过使用分离的浅P型植入进行调整，以控制稳压击穿电压。横向稳压二极管的P极端通过浅P+植入区域245’与接地端短接。分离金属225’用于连接浅P+植入以及通过N+掺杂层220和N外延层将浅P+植入连接到衬底。输入和输出端250和250’通过一串联电阻互连，电阻是由多晶硅层在EMI-TVS器件200的输入和输出端之间形成的，作用相当于滤波电阻。

同样的，如图2A所示，功能为MOS沟槽电容的沟槽207-1至207-3以及207’-1至207’-3由包括一氮化绝缘层102和一氧化绝缘层103的组合绝缘层进行填充，这样就无需要求增加芯片尺寸或增加绝缘层的总体厚度来增加电容值。

在EMI-TVS集成器件中，输入输出端250和205’与接地端205无需借助它们之间的浮体而直接进行电容耦合而。当浮体连接于输入输出端和接地端之间，两者之间的网电容值是两个接触电容的串联电容值，这就比独立的接触电容值要小得多，因此，电容值需要更小的区域。由于不需要浮动基底，而采用直接的电容耦合，所以就不会对光线或其它环境情况的变化敏感。由于对称的电容值作为正负偏压，滤波电容值就不再取决于直流偏压。恒定的电容值在实际应用中带来特殊的进步，因为带有恒定电容值的器件可以通过变化范围从+Vcc到-Vcc的低频率的音频/数据信号，覆盖该器件额定电压的全部范围。使用本器件滤波的高频射频信号将处于低频信号的峰值之上。与此相反，如果滤波电容值的变化是电压的函数，则滤波器件性能的变化也取决于低频音频/数据信号的电压等级。在0偏压处，滤波器会对射频信号产生高度衰减，但是，如果其电容值随偏压减少，其衰减将会在+/-Vcc偏压处大幅减少。通过设置一个与本发明中的TVS电路200组合的非对称EMI滤波器就可以解决这个困难。

图5是电容值的变化与直流偏压比较的示意图。在MOS器件处于蓄积模式中时，电容值形成于多晶硅沟槽与N外延层以及N+源极区域之间。电容值不会因电压偏置而变化，其原因是，对于所有的正偏压来说，N外延层处于蓄积模式，而且从栅极到衬底的电容值都是MOS氧化物电容值。

尽管依据现有的优选实施方式对本发明进行了叙述，但应当认识到这样的公开不能被解释为限制。对于本领域的技术人员而言，阅读了上述公开内容后，多种变化及修改都将是显而易见的。相应的，应该认识到附后的权利要求书应被理解为覆盖了落入本发明真正精神与范围内的所有变化和修改。