(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツェナーダイオードであって、
半導体基板と、アノード電極と、カソード電極を有しており、
前記半導体基板が、
前記アノード電極に接続されているｐ型のアノード領域と、
前記アノード領域に接しているｎ型の電流パス領域と、
前記アノード領域及び前記電流パス領域に接しており、ｎ型であり、前記電流パス領域よりもｎ型不純物濃度が低いドリフト領域と、
前記カソード電極に接しており、前記ドリフト領域に接しており、前記ドリフト領域によって前記アノード領域及び前記電流パス領域から分離されており、ｎ型であり、前記電流パス領域及び前記ドリフト領域よりもｎ型不純物濃度が高いカソード領域、
を有し、
逆電圧を上昇させていくときに、逆降伏電圧よりも低い逆電圧で、前記カソード領域を前記アノード領域及び前記電流パス領域から分離している範囲の前記ドリフト領域全体が空乏化されるツェナーダイオード。
【請求項２】
前記半導体基板が、第１半導体層と、前記第１半導体層上に積層された絶縁層と、前記絶縁層上に積層された第２半導体層を有するＳＯＩ基板であり、
前記アノード領域、前記電流パス領域、前記ドリフト領域及び前記カソード領域が前記第２半導体層内に形成されており、
前記アノード領域の下側に前記電流パス領域が配置されており、
前記電流パス領域の下側に前記絶縁層が配置されており、
前記絶縁層の下側に前記第１半導体層が配置されており、
前記第１半導体層が前記カソード電極に接続されている、
請求項１のツェナーダイオード。
【請求項３】
前記ドリフト領域のｎ型不純物濃度が、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である請求項１または２のツェナーダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、ツェナーダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ツェナーダイオードが開示されている。ツェナーダイオードのｐｎ接合を構成するｎ領域のｎ型不純物濃度が低いと、ツェナーダイオードの降伏時にアバランシェ降伏が主に生じる。この場合、アバランシェ降伏は正の温度係数を有するため、ツェナーダイオードの特性が温度によって変化してしまう。これに対し、特許文献１のツェナーダイオードでは、高濃度のｐ領域と高濃度のｎ領域によりｐｎ接合が形成されている。これによって、ツェナーダイオードの降伏時にアバランシェ降伏とツェナー降伏の両方がバランスよく発生する。ツェナー降伏はアバランシェ降伏と反対の温度係数を有する。このため、アバランシェ降伏とツェナー降伏の両方を発生させることで、ツェナーダイオードの温度特性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３２１３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のツェナーダイオードでは、ｐｎ接合を構成するｎ型領域のｎ型不純物濃度が高い。このため、ツェナーダイオードに逆電圧が印加されたときに、ｎ型領域内に空乏層が伸びにくい。このため、このツェナーダイオードは、逆降伏電圧が低いという問題を有する。したがって、本明細書では、温度特性がよく、かつ、逆降伏電圧が高いツェナーダイオードを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示するツェナーダイオードは、半導体基板と、アノード電極と、カソード電極を有している。半導体基板は、アノード電極に接続されているｐ型のアノード領域と、アノード領域に接しているｎ型の電流パス領域と、アノード領域及び電流パス領域に接しており、ｎ型であり、電流パス領域よりもｎ型不純物濃度が低く、直接または他のｎ型領域を介してカソード電極に接続されているドリフト領域を有する。
【０００６】
このツェナーダイオードは、アノード領域と電流パス領域の間に第１のｐｎ接合が形成されており、アノード領域とドリフト領域の間に第２のｐｎ接合が形成されている。ツェナーダイオードに印加される逆電圧が低い間は、第１及び第２のｐｎ接合から空乏層が広がる。このとき、ドリフト領域のｎ型不純物濃度が低いので、第２のｐｎ接合からドリフト領域内に空乏層が広く伸展する。このため、ｐｎ接合に高い逆電圧が印加され難い。したがって、このツェナーダイオードは、逆降伏電圧が高い。
【０００７】
また、第１のｐｎ接合を構成する電流パス領域は、第２のｐｎ接合を構成するドリフト領域よりもｎ型不純物濃度が高い。このため、ツェナーダイオードに逆電圧が印加される際には、第２のｐｎ接合よりも第１のｐｎ接合のほうが降伏しやすい。したがって、ツェナーダイオードに印加される逆電圧が上昇すると、第１のｐｎ接合が降伏する。第１のｐｎ接合を構成する電流パス領域のｎ型不純物濃度が高いので、第１のｐｎ接合では、アバランシェ降伏とツェナー降伏の両方がバランスよく発生する。このため、このツェナーダイオードは、温度特性がよい。
【０００８】
上述したツェナーダイオードは、半導体基板が、第１半導体層と、第１半導体層上に積層された絶縁層と、絶縁層上に積層された第２半導体層を有するＳＯＩ基板であってもよい。この場合、アノード領域、電流パス領域及びドリフト領域が第２半導体層内に形成されていてもよい。また、第１半導体層がカソード電極に接続されていてもよい。
【０００９】
このような構成によれば、ツェナーダイオードがオフしている状態において、ドリフト領域内で等電位線が第１半導体層に沿って伸びるようになる。これによって、第１のｐｎ接合がより降伏し易くなる。
【００１０】
上述したツェナーダイオードは、アノード領域の下側に電流パス領域が形成されていることが好ましい。
【００１１】
このような構成によれば、精度よく電流パス領域を形成することができる。このため、量産時にツェナーダイオードの特性が安定する。
【００１２】
上述したツェナーダイオードは、半導体基板が、カソード電極に接続されており、ｎ型であり、ドリフト領域よりもｎ型不純物濃度が高いカソード領域と、カソード領域とドリフト領域に接しており、カソード領域をドリフト領域から分離しており、ｎ型であり、カソード領域よりもｎ型不純物濃度が低く、ドリフト領域よりもｎ型不純物濃度が高い中間濃度領域を有していてもよい。
【００１３】
このような構成によれば、ツェナーダイオードがオフしている状態において、半導体基板内で高い電界が生じ難くなる。これにより、ツェナーダイオードの降伏電圧をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１のツェナーダイオード１０の縦断面図。
【図２】実施例２のツェナーダイオード２１０の縦断面図。
【図３】実施例１のツェナーダイオード１０の電位分布を示す図。
【図４】実施例２のツェナーダイオード２１０の電位分布を示す図。
【図５】実施例３のツェナーダイオード３１０の縦断面図。
【図６】実施例４のツェナーダイオード４１０の縦断面図。
【図７】実施例１のツェナーダイオード１０の電界分布を示すグラフ。
【図８】実施例４のツェナーダイオード４１０の電界分布を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】
図１に示すツェナーダイオード１０は、ＳＯＩ基板１２と、アノード電極４０と、カソード電極４２を有している。ＳＯＩ基板１２は、裏面層１４と、絶縁層１６と、表面層１８を有している。裏面層１４は、シリコンにより構成されている。絶縁層１６は、酸化シリコンにより構成されている。絶縁層１６は、裏面層１４上に積層されている。表面層１８は、シリコンにより構成されている。表面層１８は、絶縁層１６上に積層されている。表面層１８は、絶縁層１６によって裏面層１４から絶縁されている。アノード電極４０とカソード電極４２は、表面層１８上に形成されている。
【００１６】
表面層１８内には、アノード領域２０、電流パス領域２２、ドリフト領域２４、及び、カソード領域２６が形成されている。アノード領域２０は、ｐ型領域であり、表面層１８の上面に露出する範囲に形成されている。アノード領域２０は、アノード電極４０に接続されている。電流パス領域２２は、ｎ型領域であり、アノード領域２０の下側に形成されている。電流パス領域２２は、アノード領域２０に接している。ドリフト領域２４は、電流パス領域２２よりもｎ型不純物濃度が低いｎ型領域である。ドリフト領域２４は、アノード領域２０及び電流パス領域２２に接している。カソード領域２６は、電流パス領域２２及びドリフト領域２４よりもｎ型不純物濃度が高いｎ型領域である。カソード領域２６は、ドリフト領域２４に接している。カソード領域２６は、ドリフト領域２４によってアノード領域２０及び電流パス領域２２から分離されている。カソード領域２６は、カソード電極４２に接続されている。なお、以下では、アノード領域２０と電流パス領域２２により構成されているｐｎ接合を、ｐｎ接合５０と呼び、アノード領域２０とドリフト領域２４により構成されているｐｎ接合を、ｐｎ接合５２と呼ぶ。
【００１７】
ドリフト領域２４には、略一定の濃度でｎ型不純物が分布している。電流パス領域２２は、ドリフト領域２４に対してｎ型不純物を注入することによって形成された領域である。したがって、電流パス領域２２では、ドリフト領域２４内の略均一なｎ型不純物濃度よりもｎ型不純物濃度が高い。また、カソード領域２６は、ドリフト領域２４に対してｎ型不純物を注入することによって形成された領域である。したがって、カソード領域２６では、ドリフト領域２４内の略均一なｎ型不純物濃度よりもｎ型不純物濃度が高い。すなわち、アノード領域２０に接するｎ型不純物濃度が均一な領域がドリフト領域２４であり、アノード領域２０に接しており、ドリフト領域２４よりもｎ型不純物濃度が高い領域が電流パス領域２２であり、ドリフト領域２４よりもｎ型不純物濃度が高く、ドリフト領域２４によってアノード領域２０及び電流パス領域２２から分離されている領域がカソード領域２６である。本実施例では、ドリフト領域２４のｎ型不純物濃度は１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満である。電流パス領域２２のｎ型不純物濃度は４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。また、電流パス領域２２のｎ型不純物濃度は６×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であることが好ましい。カソード領域２６のｎ型不純物濃度は１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。
【００１８】
ツェナーダイオード１０の使用時に、アノード電極４０とカソード電極４２の間に、カソード電極４２がプラスとなる電圧（すなわち、逆電圧）が印加される場合がある。逆電圧が印加されると、ｐｎ接合５０、５２から電流パス領域２２及びドリフト領域２４内に空乏層が伸展する。このとき、ドリフト領域２４のｎ型不純物濃度が低いため、空乏層はドリフト領域２４内に広く広がる。その結果、ドリフト領域２４の略全体が空乏化される。空乏化されたドリフト領域２４に比較的高い電圧が印加されるため、ｐｎ接合５０、５２に電圧が印加され難い。このため、ｐｎ接合５０、５２が降伏し難く、ツェナーダイオード１０は逆降伏電圧が高い。
【００１９】
また、電流パス領域２２はｎ型不純物濃度が高いので、ｐｎ接合５０はビルトインポテンシャルが高い。これに対し、ドリフト領域２４はｎ型不純物濃度が低いので、ｐｎ接合５２はビルトインポテンシャルが低い。このため、ｐｎ接合５０は、ｐｎ接合５２よりも降伏しやすい。したがって、上述した逆電圧をさらに大きくしていくと、ｐｎ接合５２よりも先にｐｎ接合５０が降伏する。これによって、図１の矢印６０に示すように、降伏電流が、カソード領域２６から、ドリフト領域２４及び電流パス領域２２を経由して、アノード領域２０に流れる。このとき、電流パス領域２２のｎ型不純物濃度が高いので、ｐｎ接合５０ではアバランシェ降伏とツェナー降伏の両方が略同程度の割合で生じる。アバランシェ降伏は正の温度係数を有し、ツェナー降伏は負の温度係数を有するため、これらの温度係数が相殺される。したがって、ツェナーダイオード１０は、温度特性が優れている。すなわち、ツェナーダイオード１０は、温度が変化した場合でも、その特性が変化し難い。
【００２０】
以上に説明したように、実施例１の構成によれば、逆降伏電圧が高く、かつ、温度特性が優れたツェナーダイオード１０を実現することができる。
【実施例２】
【００２１】
図２に示すツェナーダイオード２１０では、カソード領域２６の下方の絶縁層１６に、開口部２２０が形成されている。開口部２２０を通して、裏面層１４と表面層１８が繋がっている。また、裏面層１４が高濃度にｎ型不純物を有するｎ型半導体により構成されている。また、カソード領域２６が、開口部２２０を通じて裏面層１４まで達している。このため、ツェナーダイオード２１０では、裏面層１４が、カソード領域２６を介してカソード電極４２に接続されている。ツェナーダイオード２１０のその他の構成は実施例１のツェナーダイオード１０と等しい。
【００２２】
図３は、ｐｎ接合５０、５２が降伏しないレベルの逆電圧を印加した場合における実施例１のツェナーダイオード１０内の等電位線の分布を示している。また、図４は、図３と同じ逆電圧を印加した場合における実施例２のツェナーダイオード２１０内の等電位線の分布を示している。図３、４から明らかなように、実施例２のツェナーダイオード２１０では、実施例１のツェナーダイオード１０よりも、ｐｎ接合５０に高い電圧が加わるようになっている。このため、より高い逆電圧が印加されたときに、より確実にｐｎ接合５０を降伏させることができる。これにより、ツェナーダイオードの量産時におけるロバスト性が向上する。すなわち、製造誤差によって各領域の配置にずれが生じたとしても、ｐｎ接合５０が確実に降伏するツェナーダイオードを製造することができる。
【実施例３】
【００２３】
図５に示す実施例３のツェナーダイオード３１０では、カソード領域２６の隣に、表面層１８及び絶縁層１６を貫通し、裏面層１４に達する穴７０が形成されている。穴７０の側面は、絶縁膜７２に覆われている。穴７０内には、導電層７４が形成されている。導電層７４は、絶縁膜７２によって表面層１８の半導体層から絶縁されている。導電層７４は、カソード電極４２に接続されている。また、裏面層１４は、高濃度にｎ型不純物を有するｎ型半導体により構成されている。裏面層１４は、導電層７４と接している。すなわち、裏面層１４は、導電層７４を介して、カソード電極４２に接続されている。ツェナーダイオード３１０のその他の構成は、実施例１のツェナーダイオード１０と等しい。
【００２４】
実施例３のツェナーダイオード３１０でも、実施例２のツェナーダイオード２１０と同様に、裏面層１４がカソード電極４２に接続されている。したがって、ツェナーダイオード３１０でも、ｐｎ接合５０が降伏し易い。
【実施例４】
【００２５】
図６に示す実施例４のツェナーダイオード４１０では、ドリフト領域２４とカソード領域２６の間に、４つの中間濃度領域４０１〜４０４が形成されている。中間濃度領域４０１のｎ型不純物濃度ｎ１、中間濃度領域４０２のｎ型不純物濃度ｎ２、中間濃度領域４０３のｎ型不純物濃度ｎ３及び中間濃度領域４０４のｎ型不純物濃度ｎ４のそれぞれは、カソード領域２６のｎ型不純物濃度よりも低く、ドリフト領域２４のｎ型不純物濃度よりも高い。また、ｎ型不純物濃度ｎ１〜ｎ４は、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たす。すなわち、中間濃度領域４０１〜４０４は、カソード領域２６に近い領域ほど高いｎ型不純物濃度を有する。実施例４では、中間濃度領域４０１〜４０４のｎ型不純物濃度は、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、かつ、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。ツェナーダイオード４１０のその他の構成は、実施例１のツェナーダイオード１０と等しい。
【００２６】
ツェナーダイオード４１０においては、ｐｎ接合５０、５２が降伏しないレベルの逆電圧を印加されると、ドリフト領域２４と中間濃度領域４０１〜４０４の略全体が空乏化される。図７は、実施例１のツェナーダイオード１０においてドリフト領域２４が空乏化された場合における図１のＡ−Ａ線での電界分布を示している。図８は、実施例４のツェナーダイオード４１０においてドリフト領域２４と中間濃度領域４０１〜４０４が空乏化された場合における図６のＢ−Ｂ線での電界分布を示している。図７に示すように、実施例１のツェナーダイオード１０では、ｐｎ接合５２において電界がピークとなる。これに対し、実施例４のツェナーダイオード４１０では、ドリフト領域２４と中間濃度領域４０１〜４０４内で、電界が略一様に分布する。これは、中間濃度領域４０１〜４０４が、ドリフト領域２４よりも高いｎ型不純物濃度を有するためである。また、中間濃度領域４０１〜４０４が、カソード領域２６に近い領域ほど高いｎ型不純物濃度を有することによっても、電界分布が一様化されている。図７、８のグラフの面積（積分値）は、アノード領域２０とカソード領域２６の間で耐えることが可能な電圧を意味する。すなわち、当該面積が大きいほど、ツェナーダイオードの逆降伏電圧が高い。図７、８から明らかなように、実施例４のツェナーダイオード４１０は、実施例１のツェナーダイオード１０よりも逆降伏電圧が高い。言い換えると、実施例４の構造によれば、アノード領域２０とカソード領域２６の間の距離を短くしても、実施例１のツェナーダイオード１０と同程度の逆降伏電圧を得ることができる。したがって、実施例４の構造によれば、ツェナーダイオードを小型化することができる。
【００２７】
なお、実施例４のツェナーダイオード４１０は、４つの中間濃度領域４０１〜４０４を有していた。しかしながら、中間濃度領域は少なくとも１つ形成されていればよい。
【００２８】
また、実施例１〜４のツェナーダイオードは、ＳＯＩ基板を用いて形成されていた。しかしながら、これらのツェナーダイオードが、シリコンのバルク基板等、他の基板を用いて形成されていてもよい。
【００２９】
また、上述した実施例１〜４では、電流パス領域２２が、アノード領域２０の下側に形成されていた。しかしながら、電流パス領域２２がアノード領域２０に接している限りは、電流パス領域２２はどこに形成されていてもよい。例えば、電流パス領域２２が、ＳＯＩ基板１２の上面に露出する範囲であって、アノード領域２０に隣接する範囲に形成されていてもよい。但し、電流パス領域２２は、アノード領域２０の下側に形成されている方が好ましい。上述したように電流パス領域２２は不純物注入により形成されるが、不純物注入の深さ方向（基板の厚み方向）の精度は高い一方で、不純物注入の横方向（基板の表面に沿った方向）の精度はそれほど高くない。これは、不純物注入時に用いるマスクに位置ずれ等が生じるためである。アノード領域２０の下側に電流パス領域２２を配置すれば、イオン注入時に製造誤差の影響を受け難く、容易にアノード領域２０と電流パス領域２２を隣接させることができる。この構成によれば、容易にツェナーダイオードを製造することができる。
【００３０】
また、実施例１〜４のツェナーダイオードでは、アノード領域２０とカソード領域２６の間の距離によって逆降伏電圧が変化する。このため、製造時において、アノード領域２０とカソード領域２６の間の距離を変更するだけで、プロセスを追加することなく、逆降伏電圧を変更することができる。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３２】
１０：ツェナーダイオード
１２：ＳＯＩ基板
１４：裏面層
１６：絶縁層
１８：表面層
２０：アノード領域
２２：電流パス領域
２４：ドリフト領域
２６：カソード領域
４０：アノード電極
４２：カソード電極
５０：ｐｎ接合
５２：ｐｎ接合
【図１】
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【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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【図８】
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