(57)【要約】【課題】同一基板上にＩＣと一体化してサージ保護を可能とするサージ保護用半導体装置を提供する。【解決手段】Ｐ型半導体基板１０８上に形成されたＮ型半導体領域であるＮ型半導体層１０５の表面１０５ａから層内へ形成された高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と、その底面１０１ａからＮ型半導体層１０５の層内へ形成された第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２と、Ｎ型半導体層１０５の表面１０５ａから層内へ形成された第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３と、高濃度Ｐ型ウェル領域１０１の表面に形成された第１開口部１１１、及び第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３の表面に形成された第２開口部１１２を有してＮ型半導体層１０５の表面に形成された絶縁被膜であるＳｉＯ２膜１０９と、第１開口部１１０を覆い高濃度Ｐ型ウェル領域１０１に電気的に接続される第１電極１２１と、第２開口部１１１を覆い第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３に電気的に接続される第２電極１２２と、を有してサージ保護用半導体装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型半導体基板上に形成されたＮ型半導体領域の表面から層内へ形成された高濃度Ｐ型ウェル領域と、
前記高濃度Ｐ型ウェル領域の底面から前記Ｎ型半導体領域の層内へ形成された第１高濃度Ｎ型ウェル領域と、
前記Ｎ型半導体基板の表面から層内へ形成された第２高濃度Ｎ型ウェル領域と、
前記高濃度Ｐ型ウェル領域の表面に形成された第１開口部、及び前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域の表面に形成された第２開口部を有して前記Ｎ型半導体領域の表面に形成された絶縁被膜と、
前記第１開口部を覆い前記高濃度Ｐ型ウェル領域に電気的に接続される第１電極と、
前記第２開口部を覆い前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域に電気的に接続される第２電極と、
を有することを特徴とするサージ保護用半導体装置。
【請求項２】
前記Ｎ型半導体領域の表面の前記高濃度Ｐ型ウェル領域及び前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域よりも浅い領域において、前記高濃度Ｐ型ウェル領域と前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域の間の領域、及び、前記高濃度Ｐ型ウェル領域と前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域の周辺の領域に、高濃度のＮ型不純物拡散領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のサージ保護用半導体装置。
【請求項３】
前記高濃度Ｐ型ウェル領域及び前記第１高濃度Ｎ型ウェル領域、前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域、前記絶縁被膜、前記第１電極、及び前記第２電極を有するサージ保護用ダイオードが、複数直列に接続されて前記Ｎ型半導体基板に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のサージ保護用半導体装置。
【請求項４】
前記高濃度Ｐ型ウェル領域及び前記第１高濃度Ｎ型ウェル領域、前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域、前記絶縁被膜、前記第１電極、及び前記第２電極を有するサージ保護用ダイオードが、互いに逆極性で直列に接続されて前記Ｎ型半導体基板に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のサージ保護用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サージ保護用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、サージ保護用半導体素子を単一基板上に形成し、半導体素子間の寄生容量が小さく電気的な分離性が高いサージ保護用半導体装置が提案されている。高濃度Ｎ型半導体基板の表面に低濃度Ｐ型半導体層が形成され、その表面から層内へ高濃度Ｎ型半導体の第１ウェル領域が形成され、第１ウェル領域の底面から低濃度Ｐ型半導体層の層内へＰ型半導体の第２ウェル領域が形成されているサージ保護用半導体装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このサージ保護用半導体装置によれば、主ダイオードと副ダイオードとの直列接続によってサージ保護用半導体素子が構成される。これにより、高い耐サージ性と小さい端子間容量とを兼ね備えた複数のサージ保護用半導体素子を単一基板上に形成し、半導体素子間の寄生容量が小さく電気的な分離性が高いサージ保護用半導体装置を提供することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７―１４１８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のサージ保護用半導体装置は、ディスクリートを前提とし、基板の縦方向に双方向のダイオードを配置した構造をとるので、同一基板上にＩＣと一体化してサージ保護を可能とすることは困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、同一基板上にＩＣと一体化してサージ保護を可能とするサージ保護用半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］本発明は、上記目的を達成するために、Ｐ型半導体基板上に形成されたＮ型半導体領域の表面から層内へ形成された高濃度Ｐ型ウェル領域と、前記高濃度Ｐ型ウェル領域の底面から前記Ｎ型半導体領域の層内へ形成された第１高濃度Ｎ型ウェル領域と、前記Ｎ型半導体基板の表面から層内へ形成された第２高濃度Ｎ型ウェル領域と、前記高濃度Ｐ型ウェル領域の表面に形成された第１開口部、及び前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域の表面に形成された第２開口部を有して前記Ｎ型半導体領域の表面に形成された絶縁被膜と、前記第１開口部を覆い前記高濃度Ｐ型ウェル領域に電気的に接続される第１電極と、前記第２開口部を覆い前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域に電気的に接続される第２電極と、を有することを特徴とするサージ保護用半導体装置を提供する。
【０００８】
［２］前記Ｎ型半導体領域の表面の前記高濃度Ｐ型ウェル領域及び前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域よりも浅い領域において、前記高濃度Ｐ型ウェル領域と前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域の間の領域、及び、前記高濃度Ｐ型ウェル領域と前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域の周辺の領域に、高濃度のＮ型不純物拡散領域が形成されていることを特徴とすることを特徴とする上記［１］に記載のサージ保護用半導体装置であってもよい。
【０００９】
［３］また、前記高濃度Ｐ型ウェル領域及び前記第１高濃度Ｎ型ウェル領域、前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域、前記絶縁被膜、前記第１電極、及び前記第２電極を有するサージ保護用ダイオードが、複数直列に接続されて前記Ｎ型半導体基板に構成されていることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のサージ保護用半導体装置であってもよい。
【００１０】
［４］また、前記高濃度Ｐ型ウェル領域及び前記第１高濃度Ｎ型ウェル領域、前記第２高濃度Ｎ型ウェル領域、前記絶縁被膜、前記第１電極、及び前記第２電極を有するサージ保護用ダイオードが、互いに逆極性で直列に接続されて前記Ｎ型半導体基板に構成されていることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載のサージ保護用半導体装置であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、同一基板上にＩＣと一体化してサージ保護を可能とするサージ保護用半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るサージ保護用半導体装置の断面の状態の一例を示すサージ保護用半導体装置の断面図である。
【図２】図２は、図１におけるサージ保護用半導体装置の素子の接続状態を示す回路図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態に係るサージ保護用半導体装置の断面の状態の一例を示すサージ保護用半導体装置の断面図である。
【図４】図４は、図３におけるサージ保護用半導体装置の素子の接続状態を示す回路図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施の形態に係るサージ保護用半導体装置の断面の状態の一例を示すサージ保護用半導体装置の断面図である。
【図６】図６は、図５におけるサージ保護用半導体装置の素子の接続状態を示す回路図である。
【図７】図７は、ＩＣ上へサージ保護用半導体装置を配置する一例を示すブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[本発明の第１の実施の形態]
（サージ保護用半導体装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るサージ保護用半導体装置の断面の状態の一例を示すサージ保護用半導体装置の断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るサージ保護用半導体装置１０は、Ｐ型半導体基板１０８上に形成されたＮ型半導体領域であるＮ型半導体層１０５の表面１０５ａから層内へ形成された高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と、その底面１０１ａからＮ型半導体層１０５の層内へ形成された第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２と、Ｎ型半導体層１０５の表面１０５ａから層内へ形成された第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３と、高濃度Ｐ型ウェル領域１０１の表面に形成された第１開口部１１１、及び第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３の表面に形成された第２開口部１１２を有してＮ型半導体層１０５の表面に形成された絶縁被膜であるＳｉＯ２膜１０９と、第１開口部１１０を覆い高濃度Ｐ型ウェル領域１０１に電気的に接続される第１電極１２１と、第２開口部１１１を覆い第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３に電気的に接続される第２電極１２２と、を有して構成されている。
【００１４】
また、前記Ｎ型半導体層１０５の表面１０５ａの高濃度Ｐ型ウェル領域１０１及び第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３よりも浅い領域において、高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３の間の領域、及び、高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３の周辺の領域に、高濃度のＮ型不純物拡散領域１０４が形成されている。
【００１５】
高濃度Ｐ型ウェル領域１０１は、例えば、ボロン（Ｂ）等のイオン打ち込み又は不純物拡散により、不純物濃度が、１×１０１９〜２０/ｃｍ３になるように形成されている。
【００１６】
第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２は、、例えば、リン（Ｐ）等のイオン打ち込み又は不純物拡散により、不純物濃度が、１×１０１６〜１８/ｃｍ３になるように形成されている。
【００１７】
第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３は、、例えば、リン（Ｐ）等のイオン打ち込み又は不純物拡散により、不純物濃度が、１×１０１９〜２０/ｃｍ３になるように形成されている。
【００１８】
Ｎ型不純物拡散領域１０４は、例えば、リン（Ｐ）等の不純物拡散により、不純物濃度が、１×１０１６〜１７/ｃｍ３になるように形成されている。このＮ型不純物拡散領域１０４は、寄生チャネルの発生を低減するためのもので、濃く浅く不純物を拡散させる。
【００１９】
Ｎ型半導体領域としてのＮ型半導体層１０５は、Ｐ型半導体基板１０８上に形成され、リン（Ｐ）等の不純物濃度が、１×１０１７〜１８/ｃｍ３になるように形成されている。
【００２０】
ＳｉＯ２膜１０９は、絶縁被膜であり、シリコンの熱酸化膜として形成することができる。
【００２１】
第１電極１２１、第２電極１２２は、一般的に使用されるアルミニウム等の金属を使用したアルミ配線により形成される。
【００２２】
（サージ保護用半導体装置の動作）
図２は、図１におけるサージ保護用半導体装置の素子の接続状態を示す回路図である。高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２は、ＰＮ接合部ＰＮ１を形成しており、高濃度Ｐ型ウェル領域１０１に接続する第１電極１２１がアノード、第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３に接続する第２電極１２２がカソードであるダイオードＤ１を構成している。
【００２３】
高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２で形成されるＰＮ接合部ＰＮ１は、大量の不純物をドーピングし、Ｐチャネルの価電子帯からＮチャネルの伝導帯へ電子が移動しやすくなっている。この現象はトンネル効果によるもので、原子モデルでは共有結合のイオン化に該当する。このように降伏電圧が大幅に低くなるように設計されていることから、ある一定の電圧（降伏電圧もしくはツェナー電圧という）を上回ると、アバランシェ降伏現象により、急激に電流が流れるツェナーダイオードとして機能する。
【００２４】
第２電極１２２にサージが印加されると、第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３からＮ型不純物拡散領域１０４をサージ電流が通過し、高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２で形成されるＰＮ接合部ＰＮ１で降伏し、第１電極１２１へ抜けていく構造とされている。
【００２５】
高濃度のＮ型不純物拡散領域１０４は、寄生チャネルの発生を防ぐためのもので、濃く浅く不純物を拡散させる。
【００２６】
ここで、第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２を配置していることにより、Ｎ型半導体層１０５と高濃度Ｐ型ウェル領域１０１の間での降伏、又は、高濃度のＮ型不純物拡散領域１０４と高濃度Ｐ型ウェル領域１０１の間での降伏を防ぐことができる。
【００２７】
[本発明の第２の実施の形態]
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るサージ保護用半導体装置の断面の状態の一例を示すサージ保護用半導体装置の断面図である。本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態で示されたダイオードＤ１と同じ構成のダイオードＤ２が、それぞれＮ型半導体領域であるＮ型ウエル領域２０５、２０６に形成され、同一方向に直列に接続された構成とされている。この接続は、２以上を直列に接続する多段積みが可能であり、降伏電圧を増加させることが可能となる。
【００２８】
図３において、Ｎ型ウエル領域２０５に第１の実施の形態と同様の構成、すなわち、高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２で形成されるＰＮ接合部ＰＮ１、及び、第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３が形成され、これと同じ構成が、同一基板上のＮ型ウエル領域２０６にも形成されている。すなわち、Ｐ型半導体基板１０８上に形成されたＮ型半導体領域であるＮ型ウエル領域２０６の表面２０６ａから層内へ形成された高濃度Ｐ型ウェル領域２０１と、その底面２０１ａからＮ型ウエル領域２０６の層内へ形成された第１高濃度Ｎ型ウェル領域２０２と、Ｎ型ウエル領域２０６の表面２０６ａから層内へ形成された第２高濃度Ｎ型ウェル領域２０３と、高濃度Ｐ型ウェル領域２０１の表面に形成された第３開口部１１３、及び第２高濃度Ｎ型ウェル領域２０３の表面に形成された第４開口部１１４を有してＮ型半導体層１０５の表面に形成された絶縁被膜であるＳｉＯ２膜１０９と、第２開口部１１２及び第３開口部１１３を覆い高濃度Ｐ型ウェル領域２０１及び第２高濃度Ｎ型ウェル領域１０３に電気的に接続される第２電極１２２と、第４開口部１１４を覆い第２高濃度Ｎ型ウェル領域２０３に電気的に接続される第３電極１２３とからダイオードＤ２が形成されている。
【００２９】
Ｎ型半導体領域としてのＮ型ウエル領域２０５、２０６は、Ｐ型半導体基板１０８上に形成され、リン（Ｐ）等の不純物濃度が、１×１０１７〜１８/ｃｍ３になるように形成されている。また、Ｐ型不純物拡散領域１０７は、例えば、ボロン（Ｂ）等の不純物拡散により、不純物濃度が、１×１０１６〜１７/ｃｍ３になるように形成されている。Ｐ型不純物拡散領域１０７は、Ｎ型ウエル領域２０５、２０６以外のＰ型半導体基板１０８上の領域に形成されている。このＰ型不純物拡散領域１０７は、第１の実施の形態におけるＮ型不純物拡散領域１０４と同様に、寄生チャネルの発生を低減するためのもので、濃く浅く不純物を拡散させる。その他の各ウェル領域、不純物拡散領域の不純物濃度は、第１の実施の形態と同様である。
【００３０】
図４は、図３におけるサージ保護用半導体装置の素子の接続状態を示す回路図である。高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２は、ＰＮ接合部ＰＮ１を形成しておりダイオードＤ１を形成する。また、高濃度Ｐ型ウェル領域２０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域２０２は、ＰＮ接合部ＰＮ２を形成しておりダイオードＤ２を形成する。ダイオードＤ１とダイオードＤ２は第２電極１２２で接続され、同一方向に直列に接続された多段積みの構造となる。
【００３１】
上記の多段積みの構造は、半導体製造工程により必要な段数だけダイオード構造を形成し、配線により直列に接続した構成とすることにより、必要な降伏電圧とすることができ、高圧のサージにも対応可能なサージ保護用半導体装置を提供することが可能となる。
【００３２】
[本発明の第３の実施の形態]
図５は、本発明の第３の実施の形態に係るサージ保護用半導体装置の断面の状態の一例を示すサージ保護用半導体装置の断面図である。本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態で示されたダイオードＤ１と同じ構成のダイオードＤ３が、逆方向に直列に接続された構成とされている。この接続は、双方向接続とされていることから、どちらからのサージ電流に対してもサージ保護用半導体装置として機能する。
【００３３】
図５において、高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２で形成されるＰＮ接合部ＰＮ１、第２高濃度Ｎ型ウェル領域３０３、及び、ＰＮ接合部ＰＮ１と同じ構成が、同一基板上のＮ型ウエル領域３０５に形成されている。すなわち、Ｐ型半導体基板１０８上に形成されたＮ型半導体領域であるＮ型ウエル領域３０５の表面３０５ａから層内へ形成された高濃度Ｐ型ウェル領域３０１と、その底面３０１ａからＮ型ウエル領域３０５の層内へ形成された第１高濃度Ｎ型ウェル領域３０２と、高濃度Ｐ型ウェル領域３０１の表面に形成された第５開口部１１５、及び第２高濃度Ｎ型ウェル領域３０３の表面に形成された第６開口部１１６を有してＮ型ウエル領域３０５の表面に形成された絶縁被膜であるＳｉＯ２膜１０９と、第５開口部１１５を覆い高濃度Ｐ型ウェル領域３０１に電気的に接続される第４電極１２４と、第６開口部１１６を覆い第２高濃度Ｎ型ウェル領域３０３に電気的に接続される第５電極１２５とからダイオードＤ３が形成されている。
【００３４】
Ｎ型半導体領域としてのＮ型ウエル領域３０６は、Ｐ型半導体基板１０８上に形成され、リン（Ｐ）等の不純物濃度が、１×１０１７〜１８/ｃｍ３になるように形成されている。その他の各ウェル領域、不純物拡散領域の不純物濃度は、第１、第２の実施の形態と同様である。
【００３５】
図６は、図５におけるサージ保護用半導体装置の素子の接続状態を示す回路図である。高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２は、ＰＮ接合部ＰＮ１を形成しておりダイオードＤ１を形成する。また、高濃度Ｐ型ウェル領域３０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域３０２は、ＰＮ接合部ＰＮ３を形成しておりダイオードＤ３を形成する。ダイオードＤ１とダイオードＤ３は第５電極１２５で逆極性で接続され、双方向接続とされている。
【００３６】
上記の双方向接続により、どちらからのサージ電流に対してもサージ保護機能を有するサージ保護用半導体装置を提供することが可能となる。
【００３７】
（ＩＣとの一体化構造）
図７は、ＩＣ４００上へサージ保護用半導体装置を配置する一例を示すブロック構成図である。例えば、ＩＣ４００は、回路部４０１と、電源電圧Ｖｃｃのラインから入るサージ電流をグランドＧＮＤへ流して回路部４０１を保護するダイオードＤ４と、信号入力ＩＮのラインから入るサージ電流をグランドＧＮＤへ流して回路部４０１を保護するダイオードＤ５、さらに、電源電圧ＶｃｃとＩＮの間に入るサージに対しても回路部４０１を保護するダイオードＤ６から構成される。このダイオードＤ４、Ｄ５及びダイオードＤ６は、同一基板上に、回路部４０１と同一の半導体製造工程により形成することが可能である。
【００３８】
また、図７で示したダイオードＤ４、Ｄ５又はダイオードＤ６に、第２の実施の形態で示した多段積みのダイオードを使用することにより降伏電圧を増加させることが可能となるので、サージ保護能力を向上させることができる。
【００３９】
また、図７で示したダイオードＤ４、Ｄ５又はダイオードＤ６に、第３の実施の形態で示した双方向接続のダイオードを使用することによりどちらからのサージ電流に対してもサージ保護機能を付与できるので、サージ保護能力を向上させることができる。
【００４０】
（本発明の実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、次のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態の構造、すなわち、従来の縦方向ではなく横方向へダイオードを配置する構造をとることにより、ＩＣと同一の基板上へサージ保護用ダイオードを配置することが可能となる。さらに、Ｐ型半導体基板上にＮ型層を設ける構造の為、多段積みや、双方向接続など、汎用性が高いサージ保護用半導体装置とする効果を有する。
（２）高濃度Ｐ型ウェル領域１０１と第１高濃度Ｎ型ウェル領域１０２の間で降伏させる事により、サージ起因の接合間発熱は基板（Ｐ型半導体基板１０８）側へ拡散されるので、耐熱性能が高い保護用半導体装置とすることが可能となる。
（３）Ｐ型半導体基板１０８上に形成されるＮ型半導体層１０５、Ｎ型ウェル領域２０５、２０６、３０５に、Ｎ−でなくＮを使用する事で、電流能力が改善され、鋭い立ち上がりのサージ吸収が可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１０…サージ保護用半導体装置
１０１…高濃度Ｐ型ウェル領域
１０２…第１高濃度Ｎ型ウェル領域
１０３…第２高濃度Ｎ型ウェル領域
１０４…Ｎ型不純物拡散領域
１０５…Ｎ型半導体層
１０７…Ｐ型不純物拡散領域
１０８…Ｐ型半導体基板
１０９…ＳｉＯ２膜
１１１…第１開口部
１１２…第２開口部
１１３…第３開口部
１１４…第４開口部
１１５…第５開口部
１１６…第６開口部
１２１…第１電極
１２２…第２電極
１２３…第３電極
１２４…第４電極
１２５…第５電極
２０１…高濃度Ｐ型ウェル領域
２０２…第１高濃度Ｎ型ウェル領域
２０３…第２高濃度Ｎ型ウェル領域
２０５…Ｎ型ウェル領域
２０６…Ｎ型ウェル領域
３０１…高濃度Ｐ型ウェル領域
３０２…第１高濃度Ｎ型ウェル領域
３０３…第２高濃度Ｎ型ウェル領域
３０５…Ｎ型ウェル領域
４００…ＩＣ
４０１…回路部
ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３…ＰＮ接合部
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６…ダイオード
【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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