JP2000150919A - Overvoltage surge protective element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、耐圧の低い集積回
路等に通信線から侵入してくる過電圧サージを防護する
サイリスタ型過電圧サージ防護素子に関する。更に詳し
くは、pnpn型又はnpnp型のサイリスタ構造、並
びにその部分的改良が施された構造からなり、拡散によ
り不純物濃度が制御された半導体pn接合のブレークダ
ウン機構を利用したサイリスタ型過電圧サージ防護素子
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thyristor-type overvoltage surge protection device for protecting an overvoltage surge from entering a communication line into a low-withstand-voltage integrated circuit or the like. More specifically, a thyristor-type overvoltage surge protection element having a pnpn-type or npnp-type thyristor structure, and a pn-type or pnp-type thyristor structure, and a semiconductor pn-junction breakdown mechanism of which impurity concentration is controlled by diffusion is used. It is about.
【0002】[0002]
【従来の技術】集積回路等の駆動電圧はますます低電圧
化の傾向にある。集積回路自身にもある程度のサージ防
護耐量を備えてはいるものの、電源線からの過電圧サー
ジ、更には通信線からの過電圧サージに対してはこれを
防護することが必須となっている。防護素子が動作を開
始する電圧(ブレークダウン電圧)は出発シリコン基板
の抵抗率(又は不純物濃度)で決まるため、ブレークダ
ウン電圧の低いサージ防護素子は低抵抗、即ち不純物が
高濃度のシリコン基板を必要とする。一方サージ防護素
子は通信線に用いられる場合、伝送損失を少なくするた
めに低い静電容量であることが求められる。しかし不純
物濃度を高くするとシリコン基板の静電容量は高くな
り、このため低抵抗のシリコン基板では低い静電容量を
実現することが困難である。即ち、シリコン基板の不純
物濃度を制御するだけでは、ブレークダウン電圧の低下
と静電容量の低下を両立することができず、これらはト
レードオフの関係にあった。2. Description of the Related Art Driving voltages of integrated circuits and the like tend to be lower and lower. Although the integrated circuit itself has a certain level of surge protection capability, it is essential to protect it against overvoltage surges from power supply lines and further overvoltage surges from communication lines. Since the voltage (breakdown voltage) at which the protection element starts operating is determined by the resistivity (or impurity concentration) of the starting silicon substrate, a surge protection element with a low breakdown voltage has a low resistance, that is, a silicon substrate with a high impurity concentration. I need. On the other hand, when a surge protection element is used for a communication line, it is required to have a low capacitance in order to reduce transmission loss. However, when the impurity concentration is increased, the capacitance of the silicon substrate is increased. Therefore, it is difficult to realize a low capacitance with a low-resistance silicon substrate. That is, simply controlling the impurity concentration of the silicon substrate cannot achieve both a reduction in breakdown voltage and a reduction in capacitance, and these have a trade-off relationship.
【0003】このトレードオフの関係を改善するため
に、基板濃度に依存せずに動作電圧を制御したサージ防
護素子として、ブレークダウンの生じるベース接合(p
n接合)の一部にブレークダウン電圧の低い、シリコン
基板と同型の不純物を拡散した領域(埋込みトリガー領
域)を設けた両方向性サイリスタが開示されている(例
えば、特開平4−340276)。このサージ防護素子
の静電容量は埋込みトリガー領域以外の接合で決まり、
しかも基板における不純物濃度を低くして空乏層を大き
く伸ばすことができるため、静電容量を低くすることが
できる。一方、より低電圧で動作を行わせるために、表
面近傍に不純物濃度の高い接合(トリガー領域)を設け
たサージ防護素子が提案されている(例えば、特開平5
−190837、特開平4−106935)。これらの
サージ防護素子では不純物濃度の高いトリガー領域でブ
レークダウンを生じるため、動作電圧は近似的に不純物
が低い方の濃度で決められる。またトリガー領域におけ
る不純物を深く拡散して、その接合部を低濃度化するこ
とにより、高いブレークダウン電圧を得ることができ
る。図8に特開平5−190837号公報に記載された
サージ防護素子を示す。このサージ防護素子は、基板と
なるn-型の半導体層111と、両表面にそれぞれ露呈
したn’型の半導体層118,119と、一方の表面に
露呈し半導体層118に重なるようにこの半導体層11
8を包囲したp+型の半導体層112と、一方の表面に
露呈し半導体層118を包囲するように半導体層112
に内包されたn+型の半導体層113と、他方の表面に
露呈し半導体層119に重なるようにこの半導体層11
9を包囲したp+型の半導体層114と、他方の表面に
露呈し半導体層119を包囲するように半導体層114
に内包されたn+型の半導体層115と、半導体層11
3を半導体層112に短絡する電極131と、半導体層
115を半導体層114に短絡する電極132とを備え
る。このサージ防護素子では拡散した不純物の濃度及び
濃度勾配により動作電圧が制御される。In order to improve this trade-off relation, a surge protection element whose operating voltage is controlled independently of the substrate concentration is used as a base junction (p.
A bidirectional thyristor is disclosed in which a region (buried trigger region) in which an impurity of the same type as a silicon substrate is diffused (buried trigger region) having a low breakdown voltage is provided in a part of an n-junction (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-340276). The capacitance of this surge protection element is determined by the junction outside the embedded trigger area,
In addition, since the depletion layer can be greatly extended by lowering the impurity concentration in the substrate, the capacitance can be reduced. On the other hand, in order to operate at a lower voltage, a surge protection element provided with a junction (trigger region) having a high impurity concentration in the vicinity of the surface has been proposed (for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. Hei 5 (1999)).
-190837, JP-A-4-106935). In these surge protection elements, breakdown occurs in a trigger region having a high impurity concentration. Therefore, the operating voltage is approximately determined by the lower impurity concentration. Further, a high breakdown voltage can be obtained by deeply diffusing the impurity in the trigger region and reducing the concentration of the junction. FIG. 8 shows a surge protection element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H5-190837. This surge protection element has an n − -type semiconductor layer 111 serving as a substrate, n′ - type semiconductor layers 118 and 119 exposed on both surfaces, and a semiconductor layer 118 exposed on one surface and overlapping the semiconductor layer 118. Layer 11
8 and p + -type semiconductor layer 112 surrounding the semiconductor layer 112 so as to surround the semiconductor layer 118 exposed on one surface
The n + -type semiconductor layer 113 included in the semiconductor layer 11 and the semiconductor layer 11 are exposed on the other surface and overlap the semiconductor layer 119.
9 and p + -type semiconductor layer 114 that surrounds the semiconductor layer 114 so as to surround the semiconductor layer 119 exposed on the other surface
N + type semiconductor layer 115 encapsulated in the semiconductor layer 11
An electrode 131 short-circuits the semiconductor layer 3 to the semiconductor layer 112, and an electrode 132 short-circuits the semiconductor layer 115 to the semiconductor layer 114. In this surge protection element, the operating voltage is controlled by the concentration and concentration gradient of the diffused impurity.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平4
−340276号公報に示されたサイリスタでは、ブレ
ークダウン電圧の低い埋込みトリガー領域を形成するた
めには、より深い不純物拡散を要し、更にベース接合に
対して不純物濃度を制御する必要がある。このため拡散
する不純物の濃度のみで動作電圧を制御する場合には、
達成できる動作電圧の範囲が限定される欠点があった。
即ち、高濃度で深い拡散を施すことで得られる動作電圧
の制御範囲は、上限は基板濃度で決まるブレークダウン
電圧であり、下限はトリガー領域における不純物拡散の
プロファイル制御範囲の程度であった。また、上記特開
平5−1908373号公報等に示されたサージ防護素
子は、表面近傍の不純物濃度の高い接合でブレークダウ
ンが生じることにより、低電圧での動作が可能となった
ものの、トリガー部の狭い領域に電流が集中するため、
高いサージ電流耐量を得ることが困難であった。更に、
特開平4−106935号公報に示されるサージ防護素
子では、ベース層の外側の表面に露呈する部分、即ち素
子の周辺部にトリガー領域を設けるため、レイアウト
上、サージ防護素子のサイズが大きくなり、しかもシリ
コン表面が反転することを防止するためのチャネルスト
ッパが形成しにくい欠点があった。However, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No.
In the thyristor disclosed in JP-A-340276, in order to form a buried trigger region having a low breakdown voltage, deeper impurity diffusion is required and the impurity concentration needs to be controlled with respect to the base junction. Therefore, when the operating voltage is controlled only by the concentration of the diffused impurity,
The disadvantage is that the range of achievable operating voltages is limited.
That is, in the control range of the operating voltage obtained by performing the high-concentration deep diffusion, the upper limit is the breakdown voltage determined by the substrate concentration, and the lower limit is the extent of the impurity diffusion profile control range in the trigger region. The surge protection element disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-190873 and the like can operate at a low voltage because a breakdown occurs at a junction having a high impurity concentration in the vicinity of the surface. Current concentrates on the narrow area of
It was difficult to obtain a high surge current resistance. Furthermore,
In the surge protection device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-106935, a trigger region is provided at a portion exposed on the outer surface of the base layer, that is, at a peripheral portion of the device. In addition, there is a disadvantage that it is difficult to form a channel stopper for preventing the silicon surface from being inverted.
【0005】本発明の目的は、動作電圧と静電容量の双
方を低下することができ、しかも動作電圧の制御範囲が
より広く設計の自由度が大きい過電圧サージ防護素子を
提供することにある。本発明の別の目的は、素子のサイ
ズを大きくせず、しかもチャネルストッパの形成に支障
を来さない過電圧サージ防護素子を提供することにあ
る。An object of the present invention is to provide an overvoltage surge protection element which can reduce both the operating voltage and the capacitance, has a wider control range of the operating voltage, and has a greater degree of design freedom. Another object of the present invention is to provide an overvoltage surge protection device that does not increase the size of the device and does not hinder the formation of a channel stopper.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
図1及び図2に示すように、基板となる第一の導電型
(n-型)の第1半導体層11と、両表面にそれぞれ露
呈しかつ第1半導体層11に内包されたトリガー領域と
なる第一の導電型(n’型)の高濃度の第1及び第2不
純物領域21,22と、一方の表面に露呈し第1半導体
層11に内包された第1不純物領域21を包囲した第二
の導電型(p+型)の第2半導体層12と、一方の表面
に露呈し第1不純物領域21を第1半導体層11を介し
て包囲するように第2半導体層12に内包された第一の
導電型(n+型)の第3半導体層13と、他方の表面に
露呈し第1半導体層11に内包された第2不純物領域2
2を包囲した第二の導電型(p+型)の第4半導体層1
4と、他方の表面に露呈し第2不純物領域22を第1半
導体層11を介して包囲するように第4半導体層14に
内包された第一の導電型(n+型)の第5半導体層15
と、第3半導体層13を第2半導体層12に短絡する第
1電極31と、第5半導体層15を第4半導体層14に
短絡する第2電極32とを備え、第1不純物領域21と
第2半導体層12との間隔Y及び第2不純物領域22と
第4半導体層14との間隔Yによって定まるパンチスル
ー電圧を第1半導体層11と第2半導体層12及び第4
半導体層14間のpn接合の耐圧より低い電圧とするよ
うに構成されたことを特徴とする過電圧サージ防護素子
である。請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明で
あって、図3に示すように第2半導体層12及び第4半
導体層14と第1半導体層11との接合部分J1及びJ2
に他の部分に比して耐圧の低いトリガー領域となる第一
の導電型(n”型)の高濃度の第3及び第4不純物領域
23,24がそれぞれ設けられた過電圧サージ防護素子
である。The invention according to claim 1 is
As shown in FIGS. 1 and 2, a first semiconductor layer 11 of a first conductivity type (n − type) serving as a substrate, and a trigger region exposed on both surfaces and included in the first semiconductor layer 11, respectively. The first and second impurity regions 21 and 22 of high concentration of the first conductivity type (n ′ type) and the first impurity region 21 exposed on one surface and included in the first semiconductor layer 11 are surrounded. The second semiconductor layer 12 of the second conductivity type (p + type) is included in the second semiconductor layer 12 so as to be exposed on one surface and surround the first impurity region 21 via the first semiconductor layer 11. A third semiconductor layer 13 of the first conductivity type (n + type) and a second impurity region 2 exposed on the other surface and included in the first semiconductor layer 11.
2 of the second conductivity type (p + type) surrounding the second semiconductor layer 1
And a fifth semiconductor of the first conductivity type (n + type) included in the fourth semiconductor layer so as to be exposed on the other surface and to surround the second impurity region 22 via the first semiconductor layer 11. Layer 15
A first electrode 31 that short-circuits the third semiconductor layer 13 to the second semiconductor layer 12, and a second electrode 32 that short-circuits the fifth semiconductor layer 15 to the fourth semiconductor layer 14. The punch-through voltage determined by the distance Y between the second semiconductor layer 12 and the distance Y between the second impurity region 22 and the fourth semiconductor layer 14 is increased by the first semiconductor layer 11, the second semiconductor layer 12, and the fourth
An overvoltage surge protection element characterized in that the voltage is lower than the withstand voltage of the pn junction between the semiconductor layers. The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the junctions J 1 and J 2 between the second semiconductor layer 12 and the fourth semiconductor layer 14 and the first semiconductor layer 11 as shown in FIG.
The overvoltage surge protection element is provided with high-concentration third and fourth impurity regions 23 and 24 of the first conductivity type (n ″ type) which become trigger regions having a lower withstand voltage than other portions. .
【0007】請求項3に係る発明は、図4に示すように
基板となる第一の導電型(n-型)の第1半導体層11
と、両表面にそれぞれ露呈した第二の導電型(p++型)
の第6及び第7半導体層16,17と、一方の表面に露
呈し第6半導体層16に重なるようにこの第6半導体層
16を包囲した第二の導電型(p+型)の第2半導体層
12と、一方の表面に露呈し第6半導体層16を包囲す
るように第2半導体層12に内包された第一の導電型
(n+型)の第3半導体層13と、他方の表面に露呈し
第7半導体層17に重なるようにこの第7半導体層17
を包囲した第二の導電型(p+型)の第4半導体層14
と、他方の表面に露呈し第7半導体層17を包囲するよ
うに第4半導体層14に内包された第一の導電型(n+
型)の第5半導体層15と、第3半導体層13を第2半
導体層12に短絡する第1電極31と、第5半導体層1
5を第4半導体層14に短絡する第2電極32とを備
え、第6半導体層16及び第7半導体層17と第1半導
体層11との接合部分に他の部分に比して耐圧の低いト
リガー領域となる第一の導電型(n’型)の高濃度の第
5及び第6不純物領域25,26がそれぞれ設けられた
ことを特徴とする過電圧サージ防護素子である。請求項
4に係る発明は、請求項3に係る発明であって、図5に
示すように第2半導体層12及び第4半導体層14と第
1半導体層11との接合部分に他の部分に比して耐圧の
低いトリガー領域となる第一の導電型(n”型)の高濃
度の第3及び第4不純物領域23,24がそれぞれ設け
られた過電圧サージ防護素子である。According to a third aspect of the present invention, as shown in FIG. 4, a first conductive type (n − type) first semiconductor layer 11 serving as a substrate is provided.
And the second conductivity type (p ++ type) exposed on both surfaces
Of the second conductivity type (p + type) surrounding the sixth semiconductor layer 16 so as to be exposed on one surface and overlap the sixth semiconductor layer 16. A semiconductor layer 12, a third semiconductor layer 13 of a first conductivity type (n + type) which is exposed on one surface and is included in the second semiconductor layer 12 so as to surround the sixth semiconductor layer 16; The seventh semiconductor layer 17 is exposed so as to be exposed on the surface and overlap the seventh semiconductor layer 17.
Semiconductor layer 14 of the second conductivity type (p + type) surrounding
And the first conductivity type (n +) included in the fourth semiconductor layer 14 so as to be exposed on the other surface and surround the seventh semiconductor layer 17.
A fifth semiconductor layer 15, a first electrode 31 for short-circuiting the third semiconductor layer 13 to the second semiconductor layer 12, and a fifth semiconductor layer 1.
And a second electrode 32 for short-circuiting the first and second semiconductor layers 5 to the fourth semiconductor layer 14. The junction between the sixth semiconductor layer 16 and the seventh semiconductor layer 17 and the first semiconductor layer 11 has a lower withstand voltage than other portions. An overvoltage surge protection element characterized in that high-concentration fifth and sixth impurity regions 25 and 26 of the first conductivity type (n ′ type) serving as trigger regions are provided respectively. The invention according to claim 4 is the invention according to claim 3, wherein, as shown in FIG. 5, the second semiconductor layer 12, the junction between the fourth semiconductor layer 14 and the first semiconductor layer 11, and the other parts are formed. This is an overvoltage surge protection element provided with high-concentration third and fourth impurity regions 23 and 24 of the first conductivity type (n ″ type), which become trigger regions having a relatively low withstand voltage.
【0008】請求項5に係る発明は、図6に示すように
基板となる第一の導電型(n-型)の第1半導体層11
と、両表面にそれぞれ露呈した第一の導電型(n’型)
の第8及び第9半導体層18,19と、一方の表面に露
呈し第8半導体層18に重なるようにこの第8半導体層
18を包囲した第二の導電型(p+型)の第2半導体層
12と、一方の表面に露呈し第8半導体層18を包囲す
るように第2半導体層12に内包された第一の導電型
(n+型)の第3半導体層13と、他方の表面に露呈し
第9半導体層19に重なるようにこの第9半導体層19
を包囲した第二の導電型(p+型)の第4半導体層14
と、他方の表面に露呈し第9半導体層19を包囲するよ
うに第4半導体層14に内包された第一の導電型(n+
型)の第5半導体層15と、第3半導体層13を第2半
導体層12に短絡する第1電極31と、第5半導体層1
5を第4半導体層14に短絡する第2電極32とを備
え、第2半導体層12及び第4半導体層14と第1半導
体層11との接合部分に他の部分に比して耐圧の低いト
リガー領域となる第一の導電型(n”型)の高濃度の第
3及び第4不純物領域23,24がそれぞれ設けられた
ことを特徴とする過電圧サージ防護素子である。According to a fifth aspect of the present invention, as shown in FIG. 6, a first conductive type (n − type) first semiconductor layer 11 serving as a substrate is provided.
And the first conductivity type (n ′ type) exposed on both surfaces
Of the second conductivity type (p + type) surrounding the eighth semiconductor layer 18 so as to be exposed on one surface and overlap the eighth semiconductor layer 18. A semiconductor layer 12, a third semiconductor layer 13 of a first conductivity type (n + type) that is exposed on one surface and enclosed in a second semiconductor layer 12 so as to surround an eighth semiconductor layer 18; The ninth semiconductor layer 19 is exposed so as to be exposed on the surface and overlap the ninth semiconductor layer 19.
Semiconductor layer 14 of the second conductivity type (p + type) surrounding
And the first conductivity type (n +) included in the fourth semiconductor layer 14 so as to be exposed on the other surface and surround the ninth semiconductor layer 19.
A fifth semiconductor layer 15, a first electrode 31 for short-circuiting the third semiconductor layer 13 to the second semiconductor layer 12, and a fifth semiconductor layer 1.
And a second electrode 32 for short-circuiting the first semiconductor layer 5 to the fourth semiconductor layer 14. The second semiconductor layer 12 and the junction between the fourth semiconductor layer 14 and the first semiconductor layer 11 have a lower withstand voltage than other portions. An overvoltage surge protection element characterized in that third and fourth high-concentration third and fourth impurity regions 23 and 24 of a first conductivity type (n ″ type) serving as trigger regions are provided.
【0009】なお、本明細書では、第1半導体層、第3
半導体層、第5半導体層、第8半導体層、第9半導体層
及び第1〜第6不純物領域をそれぞれ第一の導電型であ
るn型とし、第2半導体層、第4半導体層、第6半導体
層及び第7半導体層をそれぞれ第二の導電型であるp型
としているが、本発明はこれに限らず、第1半導体層、
第3半導体層、第5半導体層、第8半導体層、第9半導
体層及び第1〜第6不純物領域をそれぞれp型とし、第
2半導体層、第4半導体層、第6半導体層及び第7半導
体層をそれぞれn型としてもよい。In this specification, the first semiconductor layer, the third semiconductor layer,
The semiconductor layer, the fifth semiconductor layer, the eighth semiconductor layer, the ninth semiconductor layer, and the first to sixth impurity regions are each of the first conductivity type of n-type, and the second semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, and the sixth Although the semiconductor layer and the seventh semiconductor layer are each of the p-type, which is the second conductivity type, the present invention is not limited to this, and the first semiconductor layer,
The third semiconductor layer, the fifth semiconductor layer, the eighth semiconductor layer, the ninth semiconductor layer, and the first to sixth impurity regions are each p-type, and the second semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, the sixth semiconductor layer, and the seventh Each of the semiconductor layers may be n-type.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】請求項1に係る過電圧サージ防護
素子では、p+ベース拡散領域である半導体層12,1
4とトリガー拡散領域である不純物領域21,22の横
方向の間隔Yを適切に設計することで動作開始電圧を規
定し、このブレークダウン電圧をパンチスルー電圧とす
る。即ち、動作開始領域とする拡散接合を素子表面近傍
の一部に形成し、第2半導体層12又は14の空乏層が
広がって不純物領域21又は22に達したときにその動
作電圧を決定するパンチスルー構造をとる。このサージ
防護素子では印加電圧により広がった空乏層が隣り合う
拡散領域に到達することにより導通する。このため間隔
Yの大きさに応じて動作電圧を決定することができ、動
作電圧の制御範囲がより広く設計の自由度が大きくな
る。このサージ防護素子はアバランシェ降伏と比べ、動
作する時間は短く、オン動作が速くなる。基板となる第
1半導体層11の不純物濃度を低くして、基板を高抵抗
にしておけば、pn接合の空乏層の広がりは大きくな
り、静電容量を小さくすることができる。またトリガー
領域である不純物領域21,22をn+エミッタの半導
体層13,15の内部に形成することにより、素子のサ
イズを大きくせず、かつトリガー領域でブレークダウン
した後でn+エミッタを十分にバイアスすることがで
き、素子全体を確実にオンすることができる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the overvoltage surge protection device according to the first aspect, the semiconductor layers 12, 1 which are p + base diffusion regions.
The operation start voltage is defined by appropriately designing the horizontal distance Y between the gate electrode 4 and the impurity regions 21 and 22 serving as trigger diffusion regions, and this breakdown voltage is used as a punch-through voltage. That is, a diffusion junction serving as an operation start region is formed in a part near the element surface, and when the depletion layer of the second semiconductor layer 12 or 14 spreads and reaches the impurity region 21 or 22, a punch for determining the operation voltage is formed. Take a through structure. In this surge protection element, the depletion layer spread by the applied voltage reaches the adjacent diffusion region to conduct. For this reason, the operating voltage can be determined according to the size of the interval Y, and the control range of the operating voltage is wider and the degree of freedom in design is increased. This surge protection element has a shorter operation time and a faster on-operation than the avalanche breakdown. If the impurity concentration of the first semiconductor layer 11 serving as the substrate is reduced and the resistance of the substrate is increased, the spread of the depletion layer of the pn junction increases, and the capacitance can be reduced. Further, by forming the impurity regions 21 and 22 serving as trigger regions inside the semiconductor layers 13 and 15 of the n + emitter, the size of the element is not increased, and the n + emitter can be sufficiently provided after breakdown in the trigger region. , And the entire device can be reliably turned on.
【0011】請求項2に係る過電圧サージ防護素子で
は、ベース基板接合部分J1及びJ2に埋込みトリガーで
ある不純物領域23,24を付加することで、第2のブ
レークダウン領域が設けられる。これにより、トリガー
領域の電流集中による故障し易い構造を改善し、サージ
電流耐量の向上を図るとともに過電圧サージに対して素
早く応答することができる。この構造のサージ防護素子
ではトリガーの不純物領域21,22でブレークダウン
の起こった後、キャリアは半導体層12,14のp+ベ
ース層内にドリフトする。しかし、ベース・基板接合J
1,J2のブレークダウン電圧はトリガー領域のブレーク
ダウン電圧に比べ十分に高く、ブレークダウン後のキャ
リアがゲート電流として作用するので、本来のブレーク
ダウン電圧よりは小さいが、トリガー領域のブレークダ
ウン電圧よりは大きい。このため、トリガー領域でオン
された後に、素子全体にオン領域が広がりにくくなって
いる。オンした後のキャリアがゲート電流として作用す
る程度のブレークダウン電圧を有するトリガー(不純物
領域23,24)をベース・基板接合J1,J2に設ける
ことにより、素子全体にオンを広げることが可能であ
り、サージに対して安定的な素子動作を実現できる。[0011] In the overvoltage surge protection device according to claim 2, by the base substrate junction J 1 and J 2 adding impurity regions 23 and 24 are embedded trigger, the second breakdown region is provided. As a result, it is possible to improve a structure in which a failure is easily caused by current concentration in the trigger region, improve a surge current withstand capability, and quickly respond to an overvoltage surge. In the surge protection element having this structure, carriers break down in the p + base layers of the semiconductor layers 12 and 14 after breakdown occurs in the impurity regions 21 and 22 of the trigger. However, base-substrate bonding J
1, the breakdown voltage of the J 2 is sufficiently higher than the breakdown voltage of the trigger area, the carrier after breakdown acts as a gate current, but smaller than the original breakdown voltage, the breakdown voltage of the trigger area Greater than. For this reason, after being turned on in the trigger region, it is difficult for the on region to spread over the entire device. By providing triggers (impurity regions 23, 24) at the base-substrate junctions J 1 and J 2 having a breakdown voltage such that carriers after turning on act as a gate current, the ON can be spread over the entire device. Therefore, a stable element operation with respect to a surge can be realized.
【0012】請求項3に係る過電圧サージ防護素子で
は、p+ベース層である半導体層12,14に重なるよ
うにp++拡散層である半導体層16,17をn’トリガ
ー領域である不純物領域25,26上に形成することに
より、トリガー領域内のp++/n’ダイオードのアバラ
ンシェ降伏により動作電圧が決まる。表面に半導体層1
6,17と不純物領域25,26で構成される降伏電圧
の低いpnツェナダイオードを設けることで、接合が素
子の縦方向に形成されるため、不純物濃度の均一部の面
積が従来のトリガー接合より大きく、ブレークダウンが
安定する。請求項4に係る過電圧サージ防護素子では、
図4に示す構造に更に埋込みトリガーを付加すること
で、請求項3に係る過電圧サージ防護素子の作用効果に
加えて請求項2に係る過電圧サージ防護素子と同様の作
用効果がある。請求項5に係る過電圧サージ防護素子で
は、接合の降伏機構がアバランシェ降伏である。埋込み
トリガーを付加することで、請求項2に係る過電圧サー
ジ防護素子と同様の作用効果がある。In the overvoltage surge protection device according to the third aspect, the semiconductor layers 16 and 17 which are p ++ diffusion layers are overlapped with the semiconductor layers 12 and 14 which are p + base layers, and the impurity regions which are n 'trigger regions. Formed on 25, 26, the operating voltage is determined by the avalanche breakdown of the p ++ / n 'diode in the trigger region. Semiconductor layer 1 on the surface
By providing a pn Zener diode having a low breakdown voltage, which is composed of the elements 6, 17 and the impurity regions 25 and 26, the junction is formed in the vertical direction of the element. Large, stable breakdown. In the overvoltage surge protection element according to claim 4,
By adding an embedded trigger to the structure shown in FIG. 4, the same operation and effect as the overvoltage surge protection element according to claim 2 can be obtained in addition to the operation and effect of the overvoltage surge protection element according to claim 3. In the overvoltage surge protection element according to the fifth aspect, the junction breakdown mechanism is avalanche breakdown. By adding the embedded trigger, the same operation and effect as those of the overvoltage surge protection element according to claim 2 can be obtained.
【0013】請求項1ないし5に係るサージ防護素子
は、プレーナ技術により製造される。即ち、n型(又は
p型)のシリコン基板の表面に所定の厚さでシリコン酸
化膜を形成し、この酸化膜の一部をフォトリソグラフィ
技術(以下、フォトリソという。)を用いて取り除き、
そこから不純物を拡散してベース領域とエミッタ領域を
逐次形成する。この酸化とフォトリソと拡散を所定の回
数繰返すことにより、pnpn型又はnpnp型のサイ
リスタ構造のサージ防護素子が得られる。n型(又はp
型)の埋込みトリガー領域である不純物領域23,24
を設ける場合には、その拡散ははじめに行う。ベース拡
散層12,14はp型(又はn型)不純物を拡散し、エ
ミッタ拡散層13,15はn型(又はp型)不純物を拡
散する。またブレークダウン電圧の小さいn型(又はp
型)のトリガー領域である不純物領域21,22,2
5,26は基板と同型のn型(又はp型)不純物を拡散
する。エミッタ拡散とトリガー拡散は同時に行ってもよ
いが、完成したサージ防護素子の諸特性を満足させるに
は別々の拡散で行ってもよい。The surge protection element according to claims 1 to 5 is manufactured by planar technology. That is, a silicon oxide film having a predetermined thickness is formed on the surface of an n-type (or p-type) silicon substrate, and a part of the oxide film is removed using a photolithography technique (hereinafter, referred to as photolithography).
An impurity is diffused from there to form a base region and an emitter region sequentially. By repeating this oxidation, photolithography and diffusion a predetermined number of times, a surge protection element having a pnpn-type or npnp-type thyristor structure can be obtained. n-type (or p
Regions 23 and 24 as buried trigger regions of (type)
Is provided, the diffusion is performed first. The base diffusion layers 12 and 14 diffuse p-type (or n-type) impurities, and the emitter diffusion layers 13 and 15 diffuse n-type (or p-type) impurities. Also, an n-type (or p-type) having a small breakdown voltage
Regions 22, 22, 2, which are trigger regions of (type)
Numerals 5 and 26 diffuse n-type (or p-type) impurities of the same type as the substrate. The emitter diffusion and the trigger diffusion may be performed at the same time, but may be performed in separate diffusions in order to satisfy various characteristics of the completed surge protection device.
【0014】上記拡散方法はイオン注入法でも可能であ
るが、高濃度の不純物拡散を行うため、好ましくは2段
階拡散法がよい。熱拡散では実現不可能な低ドーズ量が
必要な場合には、イオン注入法が有効である。ベース拡
散前のフォトリソ工程で、ベース拡散領域内の一部にベ
ース拡散を行わない部分を設けておく。この非ベース拡
散部分を取り囲み、かつベース拡散部分内にエミッタ拡
散をする。トリガー拡散部は上記非ベース拡散部分に形
成される。トリガー拡散部をベース拡散層内部の非ベー
ス拡散部分に設けることにより、ベース拡散層外部(素
子の周辺部)に設けた場合と比較してサージ防護素子の
サイズを小さくすることができる上、チャネルストッパ
の形成に支障を来さない利点を生じる。このトリガーの
拡散部は、後に形成される金属電極と電気的絶縁性を維
持するため、その表面は酸化膜で保護される。金属電極
は表面に露呈したベース拡散部とエミッタ拡散部を短絡
する一枚電極である。トリガーの上部の酸化膜上には好
ましくは金属電極を形成するのがよい。これは、樹脂封
止等の工程における酸化膜の汚染からの保護と、電流サ
ージによる酸化膜の破壊防止のためである。金属電極に
することにより、素子が電流サージで故障することなく
高いサージ電流耐量を有するようになる。Although the above-mentioned diffusion method can be performed by an ion implantation method, a two-stage diffusion method is preferably used in order to perform high-concentration impurity diffusion. When a low dose that cannot be realized by thermal diffusion is required, the ion implantation method is effective. In the photolithography process before the base diffusion, a part in which the base diffusion is not performed is provided in a part of the base diffusion region. Surround the non-base diffusion and allow emitter diffusion into the base diffusion. The trigger diffusion is formed in the non-base diffusion. By providing the trigger diffusion portion in the non-base diffusion portion inside the base diffusion layer, the size of the surge protection element can be reduced as compared with the case where the trigger diffusion portion is provided outside the base diffusion layer (at the periphery of the device). There is an advantage that the formation of the stopper is not hindered. The surface of the diffusion portion of the trigger is protected by an oxide film in order to maintain electrical insulation with a metal electrode to be formed later. The metal electrode is a single electrode that short-circuits the base diffusion portion and the emitter diffusion portion exposed on the surface. Preferably, a metal electrode is formed on the oxide film above the trigger. This is to protect the oxide film from contamination in a process such as resin sealing and to prevent the oxide film from being broken by a current surge. By using a metal electrode, the element can have a high surge current withstand without a failure due to a current surge.
【0015】図4、図5及び図6に示した過電圧サージ
防護素子の動作は、次のように考えられる。サージ防護
素子に過電圧サージが印加されると、逆バイアスされた
ベース拡散層とトリガー拡散層の接合でアバランシェブ
レークダウンを起こし、キャリアは倍増され、トリガー
領域を通じて基板側とベース内に広がる。基板側に広が
る電子は、電荷中性条件を満たすために注入されるホー
ルと再結合し、生成したエネルギーは大部分が熱とな
る。ベース内にドリフトするホールは、エミッタ直下の
ベース内を走行し、ベース横抵抗分でエミッタをバイア
スするだけの電圧降下が生じる。この電圧降下によりエ
ミッタからキャリアが注入される。注入された電子はベ
ース層内を経由し、基板側へ走行することにより、素子
がオンになる。The operation of the overvoltage surge protection device shown in FIGS. 4, 5 and 6 can be considered as follows. When an overvoltage surge is applied to the surge protection element, avalanche breakdown occurs at the junction between the reverse-biased base diffusion layer and the trigger diffusion layer, carriers are doubled, and spread to the substrate side and the base through the trigger region. The electrons spreading on the substrate recombine with holes injected to satisfy the charge neutrality condition, and most of the generated energy becomes heat. The hole drifting in the base travels in the base immediately below the emitter, and a voltage drop occurs to bias the emitter by the base lateral resistance. This voltage drop causes carriers to be injected from the emitter. The injected electrons pass through the inside of the base layer and travel toward the substrate, thereby turning on the device.
【0016】[0016]
【実施例】次の本発明の実施例を説明する。 <実施例1〜4>図1に示されるサージ防護素子を作製
した。リンをドープしたn型のシリコン基板11の表面
にシリコン酸化膜11aを形成した後、ベース拡散前の
フォトリソ工程で、ベース拡散領域内の一部にベース拡
散を行わない部分を設けておく。即ちシリコン酸化膜を
一部残しておく。次いでフォトリソによりシリコン酸化
膜を取り除いた部分に不純物を拡散してp+型の半導体
層12及び14を形成した。次に上記非ベース拡散部分
を取り囲み、かつベース拡散部分内にエミッタ拡散を行
って半導体層13及び15を形成した。引続いて非ベー
ス拡散部分のシリコン酸化膜を取り除き、ここにn’の
不純物領域21及び22を形成した。このトリガー拡散
は不純物領域21及び22がベース拡散部である半導体
層12及び14と所定の間隔Yだけあけて行った。即
ち、非ベース拡散領域部の径とトリガー拡散領域部の径
を制限することにより、バンチスルー動作を目的とした
構造のサージ防護素子を作製した。このトリガー拡散領
域部は、後に形成される金属電極31及び32と電気的
絶縁性を維持するため、その表面が再びシリコン酸化膜
11a,11aで被覆される。金属電極31,32は表
面に露呈したベース拡散部とエミッタ拡散部を短絡する
一枚電極である。Embodiments The following embodiments of the present invention will be described. <Examples 1 to 4> A surge protection element shown in FIG. 1 was produced. After the silicon oxide film 11a is formed on the surface of the n-type silicon substrate 11 doped with phosphorus, a portion in the base diffusion region where no base diffusion is performed is provided in a photolithography process before the base diffusion. That is, a part of the silicon oxide film is left. Then, impurities were diffused by photolithography in the portion from which the silicon oxide film was removed to form p + -type semiconductor layers 12 and 14. Next, the semiconductor layers 13 and 15 were formed by surrounding the non-base diffusion portion and performing emitter diffusion in the base diffusion portion. Subsequently, the silicon oxide film in the non-base diffusion portion was removed, and n ′ impurity regions 21 and 22 were formed there. The trigger diffusion was performed with the impurity regions 21 and 22 spaced apart from the semiconductor layers 12 and 14 as base diffusion portions by a predetermined distance Y. That is, by limiting the diameter of the non-base diffusion region and the diameter of the trigger diffusion region, a surge protection element having a structure intended for bunch-through operation was manufactured. The surface of the trigger diffusion region is again covered with silicon oxide films 11a, 11a in order to maintain electrical insulation from metal electrodes 31 and 32 to be formed later. The metal electrodes 31 and 32 are single electrodes that short-circuit the base diffusion portion and the emitter diffusion portion exposed on the surface.
【0017】このサージ防護素子では、一方(ベース拡
散部)から延びる空乏層が、他方(トリガー拡散領域
部)の拡散層に到達することによる接合が降伏するパン
チスルー動作である。更に詳しくは基板に対して負のバ
イアスのかかったベースは、主に基板方向に空乏層が形
成される。その広がり方は、ベース・基板接合の法線方
向及び水平方向である。この場合、水平方向に伸長した
空乏層の広がり幅は、間隔Y内のシリコン酸化膜の界面
に近いほど大きくなる。この空乏層が非ベース拡散領域
内に形成されたトリガー拡散領域に到達すると、キャリ
アによるチャンネルが形成され、ベース・基板間で導通
する。In this surge protection element, the depletion layer extending from one (base diffusion portion) reaches the diffusion layer of the other (trigger diffusion region portion) in a punch-through operation in which the junction is broken down. More specifically, a depletion layer is formed mainly in the direction of the substrate when the base is negatively biased with respect to the substrate. The spread is in the normal direction and the horizontal direction of the base-substrate junction. In this case, the width of the depletion layer extending in the horizontal direction increases as the distance from the interface of the silicon oxide film within the interval Y increases. When the depletion layer reaches the trigger diffusion region formed in the non-base diffusion region, a channel by carriers is formed, and conduction is made between the base and the substrate.
【0018】逆バイアスされた接合の空乏層の広がり幅
は、例えば片側段階接合では、近似的に次の式(1)で
表される。The spread width of the depletion layer of the reverse-biased junction is approximately expressed by the following equation (1) for, for example, a one-sided junction.
【0019】[0019]
【数1】 (Equation 1)
【0020】但し、Wは空乏層の広がり幅、εはシリコ
ンの誘電率、qは電荷素量、Vappは印加電圧、Ndは基
本不純物濃度である。Here, W is the spread width of the depletion layer, ε is the dielectric constant of silicon, q is the elementary charge, V app is the applied voltage, and N d is the basic impurity concentration.
【0021】図7に、非ベース拡散部とトリガー拡散部
の差である間隔Yを10μm、20μm及び30μmの
3通りに変えてみたときの実施例1〜4の4種類のサー
ジ防護素子のブレークダウン電圧が変化する状況を示
す。実施例1のサージ防護素子は図1の半導体層12又
は14(p+ベース層)の抵抗が324Ωであって、n-
の半導体層11の不純物濃度が2×1014/cm3であ
る。実施例2のサージ防護素子はp+ベース層の抵抗が
138Ωであって、n-の半導体層11の不純物濃度が
1×1015/cm3である。実施例3のサージ防護素子
はp+ベース層の抵抗が136Ωであって、n-の半導体
層11の不純物濃度が2×1014/cm3である。更に
実施例4のサージ防護素子はp+ベース層の抵抗が11
6Ωであって、n-の半導体層11の不純物濃度が2×
1014/cm3である。上記実施例1〜4の4種類のサ
ージ防護素子で異なるのは、p+ベース層の不純物濃度
であり、この不純物濃度をシート抵抗として測定してい
る。不純物濃度が高い程、シート抵抗は小さくなる。FIG. 7 shows the breaks of the four types of surge protection devices of Examples 1 to 4 when the interval Y, which is the difference between the non-base diffusion portion and the trigger diffusion portion, is changed to three values of 10 μm, 20 μm and 30 μm. This shows a situation where the down voltage changes. Surge protection device of Example 1 is a resistance 324Ω semiconductor layer 12 or 14 of FIG. 1 (p + base layer), n -
Has an impurity concentration of 2 × 10 14 / cm 3 . In the surge protection element of the second embodiment, the resistance of the p + base layer is 138Ω, and the impurity concentration of the n − semiconductor layer 11 is 1 × 10 15 / cm 3 . In the surge protection element of the third embodiment, the resistance of the p + base layer is 136Ω and the impurity concentration of the n − semiconductor layer 11 is 2 × 10 14 / cm 3 . Furthermore, the surge protection element of the fourth embodiment has a resistance of the p + base layer of 11
6 Ω, and the impurity concentration of the n − semiconductor layer 11 is 2 ×
10 14 / cm 3 . What differs between the four types of surge protection elements of Examples 1 to 4 is the impurity concentration of the p + base layer, and this impurity concentration is measured as the sheet resistance. The higher the impurity concentration, the lower the sheet resistance.
【0022】図7から明らかなように、シート抵抗が大
きい(不純物濃度が低い)程、動作電圧は高くなる。理
論的にはn-の半導体層11の不純物濃度と間隔Yが決
まれば、一義的にブレークダウン電圧が決まるのである
が、現実には拡散は、同時に横方向(Y方向)に拡散す
る分があるため、実効的な空乏層の広がり幅Wはそれぞ
れの場合で異なる。その結果、p+ベース層の不純物濃
度が高い(シート抵抗が低い)と、横方向の拡散が大き
く、空乏層の広がり幅Wは設計値より小さくなるため、
ブレークダウン電圧は小さくなる。また上記実施例2の
素子と実施例3の素子のようにシート抵抗が同程度(1
38Ωと136Ω)であっても、基板であるn-の半導
体層11の不純物濃度がが低い実施例3の素子の場合に
は、不純物濃度が高い実施例2の素子と比べて、空乏層
の広がり幅Wが大きいので、より低い電圧でブレークダ
ウンを起こす。以上のことから、間隔Yに依存して、ブ
レークダウン電圧が変化していることが判る。即ち、印
加電圧の平方根に比例する空乏層の広がり幅Wが、間隔
Yと等しくなる時点でチャネルが形成される。これらの
データ並びに理論式を用いることで、所定のブレークダ
ウン電圧の設計値がマスク上で可能となる。また空乏層
が広がることで素子がオン状態に移行するため、応答時
間が改善され、サージ応答特性が向上する。As is clear from FIG. 7, the operating voltage increases as the sheet resistance increases (the impurity concentration decreases). Theoretically, if the impurity concentration of the n − semiconductor layer 11 and the interval Y are determined, the breakdown voltage is uniquely determined. However, in reality, diffusion is simultaneously performed in the lateral direction (Y direction). Therefore, the effective width W of the depletion layer differs in each case. As a result, when the impurity concentration of the p + base layer is high (the sheet resistance is low), the diffusion in the lateral direction is large, and the spread width W of the depletion layer is smaller than the design value.
The breakdown voltage becomes smaller. Further, the sheet resistance is almost the same (1) as in the element of the second embodiment and the element of the third embodiment.
38 Ω and 136 Ω), the device of Example 3 in which the impurity concentration of the n − semiconductor layer 11 as the substrate is low is lower than that of the device of Example 2 in which the impurity concentration is high. Since the spread width W is large, breakdown occurs at a lower voltage. From the above, it can be seen that the breakdown voltage changes depending on the interval Y. That is, a channel is formed when the width W of the depletion layer proportional to the square root of the applied voltage becomes equal to the interval Y. By using these data and the theoretical formula, a design value of a predetermined breakdown voltage becomes possible on the mask. In addition, since the element shifts to the ON state due to the expansion of the depletion layer, the response time is improved and the surge response characteristic is improved.
【0023】<実施例5>図4に示されるサージ防護素
子を作製した。p+ベース拡散領域である半導体層12
及び14に重なるように非ベース拡散部分に、p++拡散
層である半導体層16及び17をn+トリガーである不
純物領域25及び26の上に形成した。これによりp++
/n’接合のツェナダイオードが形成され、このツェナ
ダイオードの降伏により動作電圧が決まるサージ防護素
子を得た。実施例1で作製したサージ防護素子に、更に
p++拡散層16,17をトリガーn’拡散領域25,2
6上に、しかも周辺を取り囲むベース拡散領域である半
導体層12,14に重なるように拡散するため、サージ
防護素子の縦方向にpnpnpnpの7層構造(半導体
層16→不純物領域25→半導体層12→半導体層11
→半導体層14→不純物領域26→半導体層17)とな
る。動作電圧を決定する拡散接合が、p++拡散層16,
17とトリガーn’拡散領域25,26である。これら
の拡散領域は互いに高濃度であり、アバランシェ降伏は
低電圧で起る。トリガーn’上に拡散するp++拡散は、
これと同時プロセスでベース表面濃度を上げるための拡
散領域としてもよい。Example 5 A surge protection device shown in FIG. 4 was manufactured. Semiconductor layer 12 which is ap + base diffusion region
Semiconductor layers 16 and 17, which are p ++ diffusion layers, were formed on impurity regions 25 and 26, which are n + triggers, in the non-base diffusion portion so as to overlap with N and. This gives p ++
A / n ′ junction Zener diode was formed, and a surge protection element whose operating voltage was determined by the breakdown of the Zener diode was obtained. Further, p ++ diffusion layers 16 and 17 are added to the surge protection element manufactured in Example 1 to trigger n ′ diffusion regions 25 and 2.
6 so as to overlap with the semiconductor layers 12 and 14, which are base diffusion regions surrounding the periphery, so that a seven-layer structure of pnpnpnp (semiconductor layer 16 → impurity region 25 → semiconductor layer 12) is formed in the longitudinal direction of the surge protection element. → Semiconductor layer 11
→ the semiconductor layer 14 → the impurity region 26 → the semiconductor layer 17). The diffusion junction that determines the operating voltage is the p ++ diffusion layer 16,
17 and trigger n 'diffusion regions 25 and 26. These diffusion regions are highly concentrated with respect to each other and avalanche breakdown occurs at low voltages. The p ++ diffusion that spreads over the trigger n 'is
At the same time, a diffusion region for increasing the base surface concentration may be used.
【0024】<実施例6>図3に示されるサージ防護素
子を作製した。この構造の製造方法は、最初に動作させ
るトリガー・ベース接合のブレークダウン電圧よりも高
い動作電圧でブレークダウンを起す第2トリガー領域で
ある不純物領域23及び24をベース・基板接合J1及
びJ2に形成する。この第2トリガー領域は、基板の導
電型と同一でよい。第2トリガー領域形成後には、実施
例1に記載の製造方法に準じ、表面近傍にブレークダウ
ン電圧の低い第1トリガー領域である不純物領域21を
形成する。このような構造にすることで、先ず表面近傍
のトリガー部がパンチスルーによりブレークダウン降伏
を起こし、電子・ホールはそれぞれ基板、ベース内を走
行する。ベースを走行するホールが、ベース・基板接合
部に形成した第2トリガー領域をブレークダウンさせる
ためのゲート電流の役目を果す。ブレークダウン後の電
流経路が表面近傍のトリガー部と、第2トリガー部を通
過する経路となり、トリガー部のみに電流が集中するこ
とがなく、過電圧サージに対する特性は向上し、特に素
子破壊しない電流の大きさを示すサージ電流耐量が著し
く向上する。Example 6 A surge protection element shown in FIG. 3 was manufactured. In the manufacturing method of this structure, the impurity regions 23 and 24, which are the second trigger regions that cause a breakdown at a higher operating voltage than the breakdown voltage of the trigger-base junction to be operated first, are connected to the base-substrate junctions J 1 and J 2 Formed. This second trigger area may be the same as the conductivity type of the substrate. After the formation of the second trigger region, an impurity region 21 which is a first trigger region having a low breakdown voltage is formed near the surface according to the manufacturing method described in the first embodiment. With such a structure, first, the trigger portion near the surface causes breakdown due to punch-through, and electrons and holes travel in the substrate and the base, respectively. The hole running in the base serves as a gate current for breaking down the second trigger region formed in the base-substrate junction. The current path after the breakdown becomes a path that passes through the trigger section near the surface and the second trigger section, so that the current does not concentrate only on the trigger section, the characteristic against the overvoltage surge is improved, and especially the current that does not break down the element. The surge current resistance indicating the size is remarkably improved.
【0025】なお、図6に示されるサージ防護素子で
は、動作時には先ず表面近傍のトリガー部がアバランシ
ェによりブレークダウン降伏を起こし、電子・ホールは
それぞれ基板、ベース内を走行する。以下、上記と同様
の動作を行う。In the surge protection device shown in FIG. 6, during operation, the trigger portion near the surface first causes breakdown breakdown due to avalanche, and electrons and holes travel in the substrate and the base, respectively. Hereinafter, the same operation as described above is performed.
【0026】[0026]
【発明の効果】以上述べたように、従来、基板濃度で決
っていたサージ防護素子の動作電圧を不純物拡散で素子
表面近傍に形成するpn接合で決めるようにしたので、
低電圧で動作するサージ防護素子を実現することができ
る。このような構造では基板濃度が低いため静電容量は
低くなり、動作電圧と静電容量のトレードオフ関係を改
善することができる。また拡散による不純物濃度の制御
で動作電圧を制御することに加えて、ベース拡散領域と
トリガー拡散領域の横方向の間隔Yを適切に設計するこ
とで動作開始電圧を広範囲に設定することができ、素子
設計の段階で動作電圧を予想することで設計の自由度が
大幅に増す。As described above, the operating voltage of the surge protection element, which was conventionally determined by the substrate concentration, is determined by the pn junction formed near the element surface by impurity diffusion.
A surge protection element that operates at a low voltage can be realized. In such a structure, the capacitance is low because the substrate concentration is low, and the trade-off relationship between the operating voltage and the capacitance can be improved. In addition to controlling the operating voltage by controlling the impurity concentration by diffusion, by appropriately designing the horizontal distance Y between the base diffusion region and the trigger diffusion region, the operation start voltage can be set in a wide range, By estimating the operating voltage at the element design stage, the degree of freedom in design is greatly increased.
【0027】第2半導体層及び第4半導体層と第1半導
体層との接合部分に第2トリガー(埋込みトリガー)を
設けることで、安定なブレークダウン動作が起こるた
め、サージ防護素子の繰返し安定した動作を達成するこ
とができ、特にサージ電流耐量を著しく向上することが
できる。特に、サージ防護素子の端子が多端子の場合で
あっても、直ちに応用が可能であって、任意の2端子間
の動作電圧を決めている接合にトリガー部を作り込み、
端子ごとに動作電圧が選べるようにし、所望の動作電圧
の素子として使用することが可能となり、動作電圧と同
数の品種を用意することがなくなり、生産性・在庫管理
の手間を省略することができる。By providing the second trigger (embedded trigger) at the junction between the second and fourth semiconductor layers and the first semiconductor layer, a stable breakdown operation occurs. The operation can be achieved, and in particular, the surge current withstand capability can be significantly improved. In particular, even if the surge protection element has multiple terminals, it can be applied immediately, and a trigger section is formed at a junction that determines the operating voltage between any two terminals.
The operating voltage can be selected for each terminal, and the device can be used as a device having a desired operating voltage. This eliminates the need to prepare the same number of products as the operating voltage, thereby eliminating the need for productivity and inventory management. .
【図1】請求項1に係るサージ防護素子の図2のA−A
線断面図。FIG. 1 is a sectional view of the surge protection device according to FIG.
Line sectional view.
【図2】図1のシリコン酸化膜及び電極を除いたサージ
防護素子の平面図。FIG. 2 is a plan view of the surge protection element of FIG. 1 from which a silicon oxide film and electrodes are removed.
【図3】請求項2に係るサージ防護素子の断面図。FIG. 3 is a sectional view of the surge protection element according to claim 2;
【図4】請求項3に係るサージ防護素子の断面図。FIG. 4 is a sectional view of a surge protection element according to claim 3;
【図5】請求項4に係るサージ防護素子の断面図。FIG. 5 is a sectional view of the surge protection element according to claim 4;
【図6】請求項5に係るサージ防護素子の断面図。FIG. 6 is a sectional view of the surge protection element according to claim 5;
【図7】実施例1の非ベース拡散部とトリガー拡散部の
差である間隔Yを変えてみたときのサージ防護素子のブ
レークダウン電圧が変化する状況を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a situation in which the breakdown voltage of the surge protection element changes when the interval Y, which is the difference between the non-base diffusion part and the trigger diffusion part, is changed in the first embodiment.
【図8】従来のサージ防護素子の断面図。FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional surge protection element.
11 第1半導体層(n-型) 12 第2半導体層(p+型) 13 第3半導体層(n+型) 14 第4半導体層(p+型) 15 第5半導体層(n+型) 16 第6半導体層(p++型) 17 第7半導体層(p++型) 18 第8半導体層(n’型) 19 第9半導体層(n’型) 21 第1不純物領域(n’型) 22 第2不純物領域(n’型) 23 第3不純物領域(n”型) 24 第4不純物領域(n”型) 25 第5不純物領域(n’型) 26 第6不純物領域(n’型) 31 第1電極 32 第2電極Reference Signs List 11 first semiconductor layer (n − type) 12 second semiconductor layer (p + type) 13 third semiconductor layer (n + type) 14 fourth semiconductor layer (p + type) 15 fifth semiconductor layer (n + type) 16 sixth semiconductor layer (p ++ type) 17 seventh semiconductor layer (p ++ type) 18 eighth semiconductor layer (n 'type) 19 ninth semiconductor layer (n' type) 21 first impurity region (n ' 22) Second impurity region (n 'type) 23 Third impurity region (n "type) 24 Fourth impurity region (n" type) 25 Fifth impurity region (n' type) 26 Sixth impurity region (n ' (Type) 31 First electrode 32 Second electrode
Claims (5)
(11)と、 両表面にそれぞれ露呈しかつ前記第1半導体層(11)に内
包されたトリガー領域となる第一の導電型の高濃度の第
1及び第2不純物領域(21,22)と、 一方の表面に露呈し前記第1半導体層(11)に内包された
第1不純物領域(21)を包囲した第二の導電型の第2半導
体層(12)と、 一方の表面に露呈し前記第1不純物領域(21)を前記第1
半導体層(11)を介して包囲するように前記第2半導体層
(12)に内包された第一の導電型の第3半導体層(13)と、 他方の表面に露呈し前記第1半導体層(11)に内包された
第2不純物領域(22)を包囲した第二の導電型の第4半導
体層(14)と、 他方の表面に露呈し前記第2不純物領域(22)を前記第1
半導体層(11)を介して包囲するように前記第4半導体層
(14)に内包された第一の導電型の第5半導体層(15)と、 前記第3半導体層(13)を前記第2半導体層(12)に短絡す
る第1電極(31)と、 前記第5半導体層(15)を前記第4半導体層(14)に短絡す
る第2電極(32)とを備え、 前記第1不純物領域(21)と前記第2半導体層(12)との間
隔(Y)及び前記第2不純物領域(22)と前記第4半導体層
(14)との間隔(Y)によって定まるパンチスルー電圧を前
記第1半導体層(11)と前記第2半導体層(12)及び第4半
導体層(14)間のpn接合の耐圧より低い電圧とするよう
に構成されたことを特徴とする過電圧サージ防護素子。1. A first semiconductor layer of a first conductivity type serving as a substrate.
(11) and first and second high-concentration first and second impurity regions (21, 22) of the first conductivity type which are exposed on both surfaces and become trigger regions included in the first semiconductor layer (11), respectively. A second conductivity type second semiconductor layer (12) that is exposed on one surface and surrounds the first impurity region (21) included in the first semiconductor layer (11); The first impurity region (21) is
The second semiconductor layer is surrounded by a semiconductor layer (11).
A third semiconductor layer (13) of the first conductivity type included in (12) and a second impurity region (22) exposed on the other surface and included in the first semiconductor layer (11). A second semiconductor layer (14) of the second conductivity type and the second impurity region (22) exposed on the other surface;
The fourth semiconductor layer is surrounded by a semiconductor layer (11).
A first conductive type fifth semiconductor layer (15) included in (14), a first electrode (31) for short-circuiting the third semiconductor layer (13) to the second semiconductor layer (12), A second electrode (32) for short-circuiting the fifth semiconductor layer (15) to the fourth semiconductor layer (14); a distance between the first impurity region (21) and the second semiconductor layer (12); (Y), the second impurity region (22), and the fourth semiconductor layer
A punch-through voltage determined by an interval (Y) between the first semiconductor layer (11) and a voltage lower than a withstand voltage of a pn junction between the first semiconductor layer (11), the second semiconductor layer (12), and the fourth semiconductor layer (14). An overvoltage surge protection device characterized in that it is configured to:
と第1半導体層(11)との接合部分に他の部分に比して耐
圧の低いトリガー領域となる第一の導電型の高濃度の第
3及び第4不純物領域(23,24)がそれぞれ設けられた請
求項1記載の過電圧サージ防護素子。2. A second semiconductor layer (12) and a fourth semiconductor layer (14).
First and second high-concentration third and fourth impurity regions (23, 24) of the first conductivity type serving as trigger regions having a lower withstand voltage than other portions are formed at the junction between the first semiconductor layer (11) and the first semiconductor layer (11). The overvoltage surge protection device according to claim 1, wherein the overvoltage surge protection device is provided.
(11)と、 両表面にそれぞれ露呈した第二の導電型の第6及び第7
半導体層(16.17)と、 一方の表面に露呈し前記第6半導体層(16)に重なるよう
にこの第6半導体層(16)を包囲した第二の導電型の第2
半導体層(12)と、 一方の表面に露呈し前記6半導体層(16)を包囲するよう
に前記第2半導体層(12)に内包された第一の導電型の第
3半導体層(13)と、 他方の表面に露呈し前記第7半導体層(17)に重なるよう
にこの第7半導体層(17)を包囲した第二の導電型の第4
半導体層(14)と、 他方の表面に露呈し前記第7半導体層(17)を包囲するよ
うに前記第4半導体層(14)に内包された第一の導電型の
第5半導体層(15)と、 前記第3半導体層(13)を前記第2半導体層(12)に短絡す
る第1電極(31)と、 前記第5半導体層(15)を前記第4半導体層(14)に短絡す
る第2電極(32)とを備え、 前記第6半導体層(16)及び第7半導体層(17)と前記第1
半導体層(11)との接合部分に他の部分に比して耐圧の低
いトリガー領域となる第一の導電型の高濃度の第5及び
第6不純物領域(25,26)がそれぞれ設けられたことを特
徴とする過電圧サージ防護素子。3. A first semiconductor layer of a first conductivity type serving as a substrate.
(11) and the sixth and seventh conductive types exposed on both surfaces, respectively.
A second conductive type second semiconductor layer surrounding the sixth semiconductor layer so as to be exposed on one surface and overlap the sixth semiconductor layer;
A semiconductor layer (12), and a third semiconductor layer (13) of the first conductivity type, which is exposed on one surface and enclosed in the second semiconductor layer (12) so as to surround the six semiconductor layers (16). A fourth conductive type fourth electrode surrounding the seventh semiconductor layer (17) so as to be exposed on the other surface and overlap the seventh semiconductor layer (17).
A semiconductor layer (14) and a first conductive type fifth semiconductor layer (15) which is exposed on the other surface and is enclosed by the fourth semiconductor layer (14) so as to surround the seventh semiconductor layer (17). ), A first electrode (31) for shorting the third semiconductor layer (13) to the second semiconductor layer (12), and a short circuit for the fifth semiconductor layer (15) to the fourth semiconductor layer (14). A second electrode (32), the sixth semiconductor layer (16) and the seventh semiconductor layer (17) and the first electrode
High-concentration fifth and sixth impurity regions (25, 26) of the first conductivity type, which are trigger regions having a lower breakdown voltage than other portions, are provided at the junction with the semiconductor layer (11). An overvoltage surge protection device characterized by the following.
と第1半導体層(11)との接合部分に他の部分に比して耐
圧の低いトリガー領域となる第一の導電型の高濃度の第
3及び第4不純物領域(23,24)がそれぞれ設けられた請
求項3記載の過電圧サージ防護素子。4. A second semiconductor layer (12) and a fourth semiconductor layer (14).
First and second high-concentration third and fourth impurity regions (23, 24) of the first conductivity type serving as trigger regions having a lower withstand voltage than other portions are formed at the junction between the first semiconductor layer (11) and the first semiconductor layer (11). The overvoltage surge protection device according to claim 3, which is provided.
(11)と、 両表面にそれぞれ露呈した第一の導電型の第8及び第9
半導体層(18,19)と、 一方の表面に露呈し前記第8半導体層(18)に重なるよう
にこの第8半導体層(18)を包囲した第二の導電型の第2
半導体層(12)と、 一方の表面に露呈し前記第8半導体層(18)を包囲するよ
うに前記第2半導体層(12)に内包された第一の導電型の
第3半導体層(13)と、 他方の表面に露呈し前記第9半導体層(19)に重なるよう
にこの第9半導体層(19)を包囲した第二の導電型の第4
半導体層(14)と、 他方の表面に露呈し前記第9半導体層(19)を包囲するよ
うに前記第4半導体層(14)に内包された第一の導電型の
第5半導体層(15)と、 前記第3半導体層(13)を前記第2半導体層(12)に短絡す
る第1電極(31)と、 前記第5半導体層(15)を前記第4半導体層(14)に短絡す
る第2電極(32)とを備え、 前記第2半導体層(12)及び第4半導体層(14)と前記第1
半導体層(11)との接合部分に他の部分に比して耐圧の低
いトリガー領域となる第一の導電型の高濃度の第3及び
第4不純物領域(23,24)がそれぞれ設けられたことを特
徴とする過電圧サージ防護素子。5. A first semiconductor layer of a first conductivity type serving as a substrate.
(11) and the eighth and ninth of the first conductivity type exposed on both surfaces, respectively.
A second conductive type second semiconductor layer (18, 19) surrounding the eighth semiconductor layer (18) so as to be exposed on one surface and overlap the eighth semiconductor layer (18);
A semiconductor layer (12); and a third semiconductor layer (13) of the first conductivity type, which is exposed on one surface and enclosed in the second semiconductor layer (12) so as to surround the eighth semiconductor layer (18). ), A fourth of the second conductivity type surrounding the ninth semiconductor layer (19) so as to be exposed on the other surface and overlap the ninth semiconductor layer (19).
A semiconductor layer (14) and a first conductive type fifth semiconductor layer (15) which is exposed on the other surface and is included in the fourth semiconductor layer (14) so as to surround the ninth semiconductor layer (19). ), A first electrode (31) for shorting the third semiconductor layer (13) to the second semiconductor layer (12), and a short circuit for the fifth semiconductor layer (15) to the fourth semiconductor layer (14). The second semiconductor layer (12) and the fourth semiconductor layer (14) and the first electrode (32).
High-concentration third and fourth impurity regions (23, 24) of the first conductivity type, which become trigger regions having a lower breakdown voltage than other portions, are provided at the junction with the semiconductor layer (11), respectively. An overvoltage surge protection device characterized by the following.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10325270A JP2000150919A (en) | 1998-11-16 | 1998-11-16 | Overvoltage surge protective element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10325270A JP2000150919A (en) | 1998-11-16 | 1998-11-16 | Overvoltage surge protective element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000150919A true JP2000150919A (en) | 2000-05-30 |
Family
ID=18174945
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10325270A Withdrawn JP2000150919A (en) | 1998-11-16 | 1998-11-16 | Overvoltage surge protective element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000150919A (en) |
-
1998
- 1998-11-16 JP JP10325270A patent/JP2000150919A/en not_active Withdrawn
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---|---|---|---|
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