JP2003110119A - 静電サージ保護用素子 - Google Patents

静電サージ保護用素子

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JP2003110119A
JP2003110119A JP2001305255A JP2001305255A JP2003110119A JP 2003110119 A JP2003110119 A JP 2003110119A JP 2001305255 A JP2001305255 A JP 2001305255A JP 2001305255 A JP2001305255 A JP 2001305255A JP 2003110119 A JP2003110119 A JP 2003110119A
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junction
layer
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voltage
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Kazuo Yamagishi
和夫 山岸
Kazumi Yamaguchi
和己 山口
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Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Kansai Nippon Electric Co Ltd
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Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Kansai Nippon Electric Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861Diodes
    • H01L29/8618Diodes with bulk potential barrier, e.g. Camel diodes, Planar Doped Barrier diodes, Graded bandgap diodes
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 静電サージ保護用素子の容量が大きいと、静
電サージ保護用素子が入力側に接続される半導体装置へ
の入力信号の高速化、高周波化の要求を満たすことがで
きないという問題がある。 【解決手段】 n型シリコン基板11の一主面(表面
側)上にn型層12がエピタキシャル成長して設けら
れており、他主面(裏面側)にアノード電極13が電気
的接触して設けられている。n型層12の表面層に選
択的にp型領域14が形成され、p型領域14の表面層
に選択的にn型領域15が形成されている。そし
て、n型領域15の表面にカソード電極17が電気
的接触して設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、静電気放電(Elec
trostatic Discharge:以下、ESDと記す)から半導
体装置を保護する静電サージ保護用素子に関する。 【0002】 【従来の技術】ESDは、半導体装置の破壊や損傷を引
き起こし、半導体装置の信頼性を左右する重要な要因で
ある。従来、ESDから半導体装置を保護するために、
例えば、図3に示すように、半導体装置1の入力側に所
定電圧以上で動作するように設計された定電圧ダイオー
ド(ツェナーダイオード)2を設ける方法が知られてい
る。静電サージ保護用素子として用いられる一般的な定
電圧ダイオードについて、図4を参照して説明する。高
濃度n型であるn型シリコン基板3の一主面(表面
側)の表面層に不純物としてボロンのイオン注入または
拡散により選択的に、高濃度p型であるp型ガードリ
ング領域4と、ガードリング領域4に取囲まれてp
領域5が形成され、シリコン基板3表面にシリコン酸化
膜6が形成されている。そして、シリコン酸化膜6の開
口からp型領域5の表面にA端子に接続される金属か
らなるアノード電極7が電気的接触して設けられてい
る。また、シリコン基板3の他主面(裏面側)の表面に
K端子に接続される金属からなるカソード電極8が電気
的接触して設けられている。以上の構成によりアノード
電極7とカソード電極8間にガードリング領域4および
型領域5とn型シリコン基板3による直列的には
単一のPN接合J1が形成されている。そしてこのPN
接合J1は接合面積に比例する寄生容量C1を有してい
る。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体装置
への入力信号の高速化、高周波化の要求を満たすには、
定電圧ダイオードの寄生容量C1を低減する必要がある
が、比例関係にあるPN接合J1の接合面積を小さくし
て寄生容量C1を低減しようとすると、接合面積とトレ
ードオフの関係にあるESD耐量が下がるという問題が
ある。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、
接合面積を小さくせずに寄生容量を低減した静電サージ
保護用素子を提供することにある。 【0004】 【課題を解決するための手段】本発明の静電サージ保護
用素子は、一主面上に低濃度n型層がエピタキシャル成
長して設けられており、他主面上にアノード電極が電気
的接触して設けられた高濃度n型半導体基板と、低濃度
n型層の表面層に選択的に形成されたp型領域と、この
p型領域の表面層に選択的に形成されており、表面上に
カソード電極が電気的接触して設けられた高濃度n型領
域とを具備している。 【0005】 【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施例の静電
サージ保護用素子としての双方向性ダイオードについ
て、図1を参照して説明する。高濃度n型であるn
シリコン基板11の一主面(表面側)上に低濃度n型で
あるn型層12がエピタキシャル成長して設けられて
おり、他主面(裏面側)にA端子に接続される金属から
なるアノード電極13が電気的接触して設けられてい
る。n型層12の表面層に不純物としてボロンのイオ
ン注入または拡散により選択的に、n型層12より高
濃度のp型であるp型領域14が形成され、p型領域1
4の表面層に、不純物としてリンまたはヒ素のイオン注
入または拡散により選択的にn型領域15が形成さ
れ、これらが形成されたn型層12の表面にシリコン
酸化膜16が形成されている。。そして、シリコン酸化
膜16の開口からn型領域15の表面にK端子に接続
される金属からなるカソード電極17が電気的接触して
設けられている。 【0006】上記構成により、カソード電極17とアノ
ード電極13間にp型領域14とn 型領域15からな
る逆方向接続のPN接合J2と、p型領域14とn
層12からなる順方向接続のPN接合J3との2つのP
N接合J2、J3が直列接続された構成となっている。 【0007】上記構成の双方向性ダイオードの電圧−電
流特性は、図2に示すように、A端子を接地電位として
K端子側に正電圧を印加した場合を+方向、負電圧を印
加した場合を−方向で示すと、K端子側に正電圧を印加
した場合は、PN接合J2の降伏電圧より少し高いブレ
ークオーバ電圧VBO1(定電圧ダイオードのVzに相
当)でブレークダウンが起こり、K端子側に負電圧を印
加した場合は、PN接合J3より少し高い、すなわち、
ブレークオーバ電圧VBO1より高いブレークオーバ電
圧VBO2でブレークダウンが起こり、その後にトラン
ジスタ効果によりそれぞれの方向での降伏電圧は急激に
減少し、ネガティブレジスタンス波形となる。 【0008】上記構成により、PN接合J2の寄生容量
C2とPN接合J3の寄生容量C3とが直列接続され、
この直列接続されたときの容量Cwは(1)式で表され
る。 Cw=C2×C3/(C2+C3)…(1) 【0009】次に、印加電圧=0Vのときの容量につい
て、上述した定電圧ダイオードのPN接合J1の容量C
1とで比較する。先ず、PN接合J2において、接合面
積がPN接合J1の接合面積と等しく、n型領域15
のn型不純物濃度がn型シリコン基板3と略等しいと
すると、PN接合J2のP側であるp型領域14のp型
不純物濃度がPN接合J1のP側であるガードリング領
域4およびp型領域5より低いため、PN接合J2の
空乏層の広がりがPN接合J1より大きく、寄生容量C
2はC1より小さくなる。また、ESD耐量を定電圧ダ
イオードより大きくするために、PN接合J2の接合面
積をPN接合J1の接合面積より大きくすると、寄生容
量C2は、接合面積が等しい場合より大きくなる。上記
の関係を考慮して、例えば、C2が式(2)になるよう
に設計されるとする。 C2≒C1…(2) 【0010】次に、PN接合J3において、接合面積が
PN接合J2の接合面積より大きいので、寄生容量C3
は接合面積がPN接合J2の接合面積と等しい場合より
大きくなる。しかし、PN接合J3のN側であるn
層12はエピタキシャル成長により形成しているため、
型層12のn型不純物濃度は、PN接合J2のN側
であるn型領域15より、例えば、1桁以上低くする
ことができ、従って、PN接合J3の空乏層の広がりを
PN接合J2より大きくでき、寄生容量C3を寄生容量
C2≒C1の半分以下にすることができる。上記によ
り、例えば、C3が式(3)になるように設計されると
する。 C3≒C1/2…(3) 【0011】以上より、式(1)に式(2)、(3)を
代入すると、式(4)で表され、定電圧ダイオードに較
べて、約3分の1の容量に低減できる。 Cw≒C1×(C1/2)/(C1+C1/2)=C1/3…(4 ) 【0012】次に、この双方向性ダイオードを、図3に
示す定電圧ダイオード2の替わりに半導体装置1の静電
サージ保護用素子として使用するときの動作について説
明する。 【0013】先ず、A端子を接地電位としてK端子に半
導体装置1の入力信号がブレークオーバ電圧VBO1
下で供給されると、双方向性ダイオードは、PN接合J
2に逆方向印加され、p型領域14側に空乏層が広がる
ため、寄生容量Cwは印加電圧=0Vのときよりさらに
低くなり、ESDから保護される半導体装置1の入力信
号の高速化、高周波化の要求を満たすことができる。 【0014】次に、A端子を接地電位としてK端子にE
SD電圧が印加されると、双方向性ダイオードは、図2
に示すように、一旦、ブレークオーバ電圧VBO1でブ
レークダウンした後、トランジスタ効果によるネガティ
ブレジスタンス波形により降伏電圧が低くなった状態で
ESDによる電流が流れる。PN接合におけるESD破
壊は一般的に降伏電圧×降伏電流による局所的な熱破壊
により生じる。従って、図2に示すように、双方向性ダ
イオードのブレークオーバ電圧VBO1を定電圧ダイオ
ードのVzと同じとした場合、双方向性ダイオードはネ
ガティブレジスタンス波形により降伏電圧が低くなった
分、熱破壊に至るまでのESD耐量としての降伏電流値
を定電圧ダイオードより大きくでき、双方向性ダイオー
ド内でESD電圧を吸収することが可能となるESD耐
量を高くできる。 【0015】 【発明の効果】本発明の静電サージ保護用素子によれ
ば、カソード電極とアノード電極間にp型領域と高濃度
n型領域からなる逆方向接続のPN接合J2と、p型領
域と低濃度n型層からなる順方向接続のPN接合J3と
の2つのPN接合が直列接続された構成とすることによ
り、それぞれの寄生容量C2、C3も直列接続され、そ
の容量の和Cwは、定電圧ダイオードのPN接合J1の
寄生容量C1より小さくすることができ、また、この素
子の降伏電圧−電流波形がネガティブレジスタンス波形
となり、定電圧ダイオードよりESD耐量が高くなり、
この静電サージ保護用素子を用いることにより、ESD
から保護される半導体装置の入力信号の高速化、高周波
化の要求を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】 本発明の一実施例の双方向性ダイオードの要
部断面図。 【図2】 図1に示す双方向性ダイオードの電圧−電流
特性図。 【図3】 従来の静電サージ保護用素子を用いた回路
図。 【図4】 定電圧ダイオードの要部断面図。 【符号の説明】 11 n型シリコン基板 12 n型層 13 アノード電極 14 p型領域 15 n型領域 16 シリコン酸化膜 17 カソード電極

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】一主面上に低濃度n型層がエピタキシャル
    成長して設けられており、他主面上にアノード電極が電
    気的接触して設けられた高濃度n型半導体基板と、低濃
    度n型層の表面層に選択的に形成されたp型領域と、こ
    のp型領域の表面層に選択的に形成されており、表面上
    にカソード電極が電気的接触して設けられた高濃度n型
    領域とを具備した静電サージ保護用素子。
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CN112713864A (zh) * 2019-10-25 2021-04-27 立锜科技股份有限公司 用于总线传送数据的输出级电路

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