JP2003110119A - 静電サージ保護用素子 - Google Patents
静電サージ保護用素子Info
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Abstract
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
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+型
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
p+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+型
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−型
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−型
層12はエピタキシャル成長により形成しているため、
n−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以
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。
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)
- 【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。
Priority Applications (2)
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Cited By (4)
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JP2004335758A (ja) * | 2003-05-08 | 2004-11-25 | Sanken Electric Co Ltd | ダイオード素子及びその製法 |
WO2006022287A1 (ja) * | 2004-08-27 | 2006-03-02 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | サージ保護用半導体装置 |
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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 |
-
2001
- 2001-10-01 JP JP2001305255A patent/JP2003110119A/ja active Pending
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