JP2005203707A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きなＥＳＤ耐量を有する表面型ダイオードを備える半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１１の表層部において、隣接して配置されるｎ導電型不純物拡散領域１２とｐ導電型不純物拡散領域１３とを有し、ｎ導電型不純物拡散領域１２とｐ導電型不純物拡散領域１３の界面でＰＮ接合部Ｓが形成されてなる表面型ダイオード１００ｄを備える半導体装置１００とする。上記の構造を有する表面型ダイオード１００ｄは、ｎ導電型不純物拡散領域１２およびｐ導電型不純物拡散領域１３の拡散深さや表面不純物濃度を適宜設定することで、大きなＥＳＤ耐量を持つように設計することができる。これによって、表面型ダイオード１００ｄを備える半導体装置１００は、ＥＳＤやサージ電圧・電流による破壊が抑制された半導体装置とすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面型ダイオードを備える半導体装置に関する。

静電気放電（Electro Static Discharge、ＥＳＤ）やサージ電圧・電流によるＭＯＳトランジスタ等の破壊を防止するため、入出力保護用のダイオードを備える半導体装置が、例えば、特開平２−５８２６２号公報（特許文献１）に開示されている。

図６は、特許文献１に開示されているＥＳＤ保護ダイオード９０の斜視断面図である。

図６に示すように、ＥＳＤ保護ダイオード９０は、ｐ型不純物基板９１上に形成されたｎ型不純物ウェル９２内のｎ型不純物拡散領域９３とｐ型不純物拡散領域９４によって構成される表面型ダイオードである。ウェル９２のｎ型不純物のドーピング・レベルは、拡散領域９３のｎ型不純物のドーピング・レベルよりはるかに低い。
特開平２−５８２６２号公報

図６のダイオード９０におけるＥＳＤ耐量等のＥＳＤ保護に関する特性は、ｎ型不純物拡散領域９３およびｐ型不純物拡散領域９４の不純物濃度や拡散深さに依存する。また、図中に示した隣接するｎ型不純物拡散領域９３とｐ型不純物拡散領域９４の間隔Ｌや、間隔Ｌにあるｎ型不純物拡散領域９３とｐ型不純物拡散領域９４の長さＷにも依存する。

そこで本発明は、大きなＥＳＤ耐量を有する表面型ダイオードを備える半導体装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、半導体基板の表層部において、隣接して配置されるｎ導電型不純物拡散領域とｐ導電型不純物拡散領域とを有し、前記ｎ導電型不純物拡散領域とｐ導電型不純物拡散領域の界面でＰＮ接合部が形成されてなる表面型ダイオードを備える半導体装置とすることを特徴としている。

上記の構造を有する表面型ダイオードは、ｎ導電型不純物拡散領域およびｐ導電型不純物拡散領域の拡散深さや表面不純物濃度を適宜設定することで、大きなＥＳＤ耐量を持つように設計することができる。従って、当該表面型ダイオードを備える半導体装置は、ＥＳＤやサージ電圧・電流による破壊が抑制された半導体装置とすることができる。

請求項２に記載の発明は、前記ｎ導電型不純物拡散領域もしくはｐ導電型不純物拡散領域の拡散深さが、２．６［μｍ］以上であることを特徴としている。

これにより、前記表面型ダイオードのＥＳＤ耐量を、大きく向上することができる。

請求項３に記載の発明は、前記ｎ導電型不純物拡散領域もしくはｐ導電型不純物拡散領域の表面不純物濃度が、５×１０^１７［／ｃｍ^３］以上であることを特徴としている。

これによっても、前記表面型ダイオードのＥＳＤ耐量を、大きく向上することができる。

請求項４に記載の発明は、前記ｎ導電型不純物拡散領域とｐ導電型不純物拡散領域とが、マスクを用いたイオン注入により形成され、前記隣接する領域にあるｎ導電型不純物拡散領域のマスク開口部とｐ導電型不純物拡散領域のマスク開口部の間隔が、３．０［μｍ］以上、４．４［μｍ］以下であり、前記間隔にあるｎ導電型不純物拡散領域もしくはｐ導電型不純物拡散領域のマスク開口部の周部長さが、２００００［μｍ］以上であることを特徴としている。

これによれば、当該表面型ダイオードにおいて、１６．５Ｖ以上のＤＣ耐圧が確保できると共に、１５ｋＶ以上のＥＳＤ耐量を確保することができる。

請求項５に記載の発明は、前記周部長さが、３００００［μｍ］以上であることを特徴としている。

これによれば、当該表面型ダイオードにおいて、１６．５Ｖ以上のＤＣ耐圧が確保できると共に、２５ｋＶ以上のＥＳＤ耐量を確保することができる。

請求項６に記載のように、前記ｎ導電型不純物拡散領域とｐ導電型不純物拡散領域の平面形状は、短冊形状であることが好ましい。

これによれば、単純な平面形状であるため、前記隣接する領域にあるｎ導電型不純物拡散領域のマスク開口部とｐ導電型不純物拡散領域のマスク開口部の間隔や、前記間隔にあるｎ導電型不純物拡散領域もしくはｐ導電型不純物拡散領域のマスク開口部の周部長さを容易に設定できる。従って、当該平面型ダイオードの設計が容易であり、単純な平面形状であるため、占有面積も小さくすることができる。

請求項７に記載の発明は、前記半導体基板上にＬＯＣＯＳが配置され、半導体基板の表面における前記ＰＮ接合部が、前記ＬＯＣＯＳの下に配置されてなることを特徴としている。

これによれば、当該平面型ダイオードのＰＮ接合部を、ＬＯＣＯＳにより保護することができる。また、ＰＮ接合部の不純物濃度が初期設定値からずれにくく、所望のＤＣ耐圧およびＥＳＤ耐量が確保された平面型ダイオードとすることができる。

請求項８に記載のように、本発明の半導体装置は、前記半導体基板における前記表面型ダイオードの形成部位以外の領域に、ＭＯＳトランジスタが形成されてなる半導体装置に好適である。

ＭＯＳトランジスタは、種々の半導体装置に用いられているが、ＥＳＤやサージ電圧・電流によって破壊され易い。本発明の半導体装置は、上記のように大きなＥＳＤ耐量を有する表面型ダイオードを備えているため、同じ半導体基板の別領域にＭＯＳトランジスタが形成されていても、ＥＳＤやサージ電圧・電流によるこれらの破壊を効果的に抑制することができる。

請求項９に記載のように、本発明の半導体装置は、車戴用の半導体装置に好適である。

車載用の半導体装置は、自動車用バッテリー電圧である１６．５Ｖに対応するため、ＤＣ耐圧として、１６．５Ｖ以上が必要である。また、人から発せられる静電気がキーを通して入力されることを想定して、ＥＳＤ耐量として、一般的に、１５ｋＶ以上が必要である。さらに、事故等により配線被服が破れる等の最悪の場合を想定した時には、ＥＳＤ耐量として、２５ｋＶ以上が必要である。上記のように、本発明の半導体装置は、これらの厳しい規格をクリアすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の半導体装置の基本的な構成を模式的に示した、斜視断面図である。

図１に示す半導体装置１００は、半導体基板１１の表層部に形成されたｐ導電型ウェル１１ｗ内おいて、隣接して配置されるｎ導電型不純物拡散領域１２とｐ導電型不純物拡散領域１３とを有し、ｎ導電型不純物拡散領域１２とｐ導電型不純物拡散領域１３の界面でＰＮ接合部Ｓが形成されてなる表面型ダイオード１００ｄを備える半導体装置である。

図１の半導体装置１００では、半導体基板１１における表面型ダイオード１００ｄの形成部位以外の領域に、ＭＯＳトランジスタ（図示省略）等が形成される。一般的にＭＯＳトランジスタは種々の半導体装置に用いられているが、ＥＳＤやサージ電圧・電流によって破壊され易い。図１の半導体装置では、表面型ダイオード１００ｄが後述するように大きなＥＳＤ耐量を有しており、この表面型ダイオード１００ｄが、別領域に形成されたＭＯＳトランジスタ等をＥＳＤやサージ電圧・電流に対して保護し、これらによる破壊を効果的に抑制することができる。

表面型ダイオード１００ｄの主な構成要素であるｎ導電型不純物拡散領域１２とｐ導電型不純物拡散領域１３は、マスクを用いたイオン注入により形成される。図１に示した符号ＬはＰＮ間距離で、隣接する領域にあるｎ導電型不純物拡散領域１２のマスク開口部とｐ導電型不純物拡散領域１３のマスク開口部の間隔である。また、図１に示した符号Ｗは接合幅で、間隔Ｌにあるｎ導電型不純物拡散領域１２もしくはｐ導電型不純物拡散領域１３のマスク開口部の周部長さである。表面型ダイオードを構成するｎ導電型不純物拡散領域とｐ導電型不純物拡散領域は、互いに等間隔で交互に複数個配置するようにしてもよい。この場合には、接合幅Ｗは、ＰＮ間距離Ｌにあるｎ導電型不純物拡散領域もしくはｐ導電型不純物拡散領域のマスク開口部における周部長さの総和になる。

図１に示すｎ導電型不純物拡散領域１２とｐ導電型不純物拡散領域１３の平面形状は短冊形状であり、単純な平面形状であるため、図１におけるＰＮ間距離Ｌや接合幅Ｗを容易に設定できる。従って、平面型ダイオード１００ｄの設計は容易であり、単純な平面形状であるため、占有面積も小さくすることができる。尚、ｎ導電型不純物拡散領域１２とｐ導電型不純物拡散領域１３内の表面にある符号１２ｃと１３ｃの部分は、それぞれ、金属電極（図示省略）とオーミックコンタクトを取るために形成されたｎ導電型高濃度不純物拡散領域とｐ導電型高濃度不純物拡散領域である。

また、図１では図示を省略しているが、半導体基板１１上にはＬＯＣＯＳが配置され、半導体基板１１の表面におけるＰＮ接合部Ｓは、ＬＯＣＯＳの下に配置される。これによって、平面型ダイオード１００ｄのＰＮ接合部Ｓを、ＬＯＣＯＳにより保護することができる。また、ＰＮ接合部Ｓの不純物濃度が初期設定値からずれにくく、所望のＤＣ耐圧およびＥＳＤ耐量が確保された平面型ダイオードとすることができる。

図１にある表面型ダイオード１００ｄにおいて、ＥＳＤ耐量等のＥＳＤ保護に関する特性は、ｎ導電型不純物拡散領域１２の拡散深さＸｎと表面不純物濃度Ｙｎの値に大きく依存する。

図２は、図１にある表面型ダイオード１００ｄにおいて、ＥＳＤ耐量とｎ導電型不純物拡散領域１２の拡散深さＸｎの関係を調べた結果である。尚、図２の試験において、ｐ導電型不純物拡散領域１３の表面不純物濃度Ｙｐは、５．０×１０^１８［／ｃｍ^３］とし、ｐ導電型不純物拡散領域１３の拡散深さＸｐは、２．９［μｍ］としている。ｐ導電型ウェル１１ｗの表面不純物濃度Ｙｐｗｅｌｌは、約６．５×１０^１６［／ｃｍ^３］としている。また、ＰＮ間距離Ｌは、３．６［μｍ］とし、接合幅Ｗは、２０１６０［μｍ］としている。ＥＳＤ耐量は、１５０ｐＦの容量と１５０Ωの抵抗を用いた接触放電により評価し、素子破壊が起きる電圧を測定した。

図２の結果に見られるように、ｎ導電型不純物拡散領域１２の拡散深さＸｎが２．６［μｍ］まではほぼ一定の電圧１５ｋＶで素子破壊が起きたが、拡散深さＸｎが２．６［μｍ］以上になると、ＥＳＤ耐量が増大している。これは、ｎ導電型不純物拡散領域１２の拡散深さＸｎを大きくしていくと、隣接するｐ導電型不純物拡散領域１３との界面に形成されるＰＮ接合部Ｓの面積が増大するためであると考えられる。以上のようにして、ｎ導電型不純物拡散領域１２の拡散深さＸｎを２．６［μｍ］以上とすることで、表面型ダイオード１００ｄのＥＳＤ耐量を、大きく向上することができる。

以上のように、図１に示す表面型ダイオード１００ｄにおけるｎ導電型不純物拡散領域１２の拡散深さＸｎや表面不純物濃度Ｙｎを適宜設定することで、大きなＥＳＤ耐量を持つように設計することができる。従って、図１の表面型ダイオード１００ｄを備える半導体装置１００は、ＥＳＤやサージ電圧・電流による破壊が抑制された半導体装置とすることができる。尚、図１の表面型ダイオード１００ｄはｐ導電型ウェル１１ｗ内に形成された表面型ダイオードであり、ｎ導電型不純物拡散領域１２の拡散深さＸｎや表面不純物濃度Ｙｎを適宜設定することで、大きなＥＳＤ耐量が得られた。同様にして、ｎ導電型ウェル内に形成された表面型ダイオードについても、同様のことが言える。

図３は、図１にある表面型ダイオード１００ｄにおいて、ＥＳＤ耐量とｎ導電型不純物拡散領域１２の表面不純物濃度Ｙｎの関係を調べた結果である。尚、図３の試験において、ｐ導電型不純物拡散領域１３の表面不純物濃度Ｙｐ等の条件は、図２の場合と同様である。

図３の結果に見られるように、ｎ導電型不純物拡散領域１２の表面不純物濃度Ｙｎが５×１０^１７［／ｃｍ^３］まではほぼ一定の電圧１５ｋＶで素子破壊が起きたが、表面不純物濃度Ｙｎが５×１０^１７［／ｃｍ^３］以上になると、ＥＳＤ耐量が増大している。これは、ｎ導電型不純物拡散領域１２の表面不純物濃度Ｙｎを大きくしていくと、結果的に前記拡散深さＸｎを深くしていくのと同様の効果が生じ、隣接するｐ導電型不純物拡散領域１３との界面に形成されるＰＮ接合部Ｓの面積が増大するためであると考えられる。以上のようにして、ｎ導電型不純物拡散領域１２の表面不純物濃度Ｙｎを５×１０^１７［／ｃｍ^３］以上とすることによっても、表面型ダイオード１００ｄのＥＳＤ耐量を、大きく向上することができる。

図４は、図１にある表面型ダイオード１００ｄにおいて、ＥＳＤ耐量と接合幅Ｗの関係を調べた結果である。図４の試験は、ｎ導電型不純物拡散領域１２の拡散深さＸｎが２．６［μｍ］で表面不純物濃度Ｙｎが５×１０^１７［／ｃｍ^３］の場合と、拡散深さＸｎが３．７［μｍ］で表面不純物濃度Ｙｎが１．７×１０^１９［／ｃｍ^３］の場合について行っている。その他の条件は、図２の場合と同様である。

図４の結果に見られるように、表面型ダイオード１００ｄにおけるＥＳＤ耐量は、上記のいずれの場合についても、接合幅Ｗに比例して単調に増大する。このため、ＥＳＤ耐量だけであれば、接合幅Ｗを大きくすることで、必要なＥＳＤ耐量を確保することができる。一方、接合幅Ｗに比例して表面型ダイオード１００ｄの素子面積も増大するため、小型化のためには、接合幅Ｗは小さいほうが好ましい。従って、ＥＳＤ耐量の確保と小型化を両立させるためには、ｎ導電型不純物拡散領域１２の拡散深さＸｎと表面不純物濃度Ｙｎ、および接合幅Ｗを最適化する必要がある。

図５は、図１にある表面型ダイオード１００ｄにおいて、ＤＣ耐圧およびＥＳＤ耐量とＰＮ間距離Ｌの関係を調べた結果である。図５の試験は、接合幅Ｗが２０１６０［μｍ］の場合と３１２００［μｍ］の場合について行っている。尚、ＤＣ耐圧については、接合幅Ｗに依存しないため、一本のグラフで示されている。

図５の結果に見られるように、表面型ダイオード１００ｄにおいて、ＤＣ耐圧は、ＰＮ間距離Ｌの増加に伴って増大する。逆に、ＥＳＤ耐量は、ＰＮ間距離Ｌの増加に伴って減少する。従って、ＤＣ耐圧とＥＳＤ耐量を共に確保するためには、ＰＮ間距離Ｌと接合幅Ｗを最適化する必要がある。

図１の半導体装置１００を車載用として用いる場合、自動車用バッテリー電圧である１６．５Ｖに対応するため、ＤＣ耐圧として、１６．５Ｖ以上が必要である。また、人から発せられる静電気がキーを通して入力されることを想定して、ＥＳＤ耐量として、一般的に、１５ｋＶ以上が必要である。さらに、事故等により配線被服が破れる等の最悪の場合を想定した時には、ＥＳＤ耐量として、２５ｋＶ以上が必要である。

図５の結果に見られるように、ＰＮ間距離Ｌが３．０［μｍ］以上、４．４［μｍ］以下であり、接合幅Ｗが２００００［μｍ］以上の場合には、１６．５Ｖ以上のＤＣ耐圧が確保できると共に、１５ｋＶ以上のＥＳＤ耐量を確保することができる。また、ＰＮ間距離Ｌが３．０［μｍ］以上、４．４［μｍ］以下であり、接合幅Ｗが３００００［μｍ］以上の場合には、１６．５Ｖ以上のＤＣ耐圧が確保できると共に、２５ｋＶ以上のＥＳＤ耐量を確保することができる。これによって、ＰＮ間距離Ｌと接合幅Ｗがこれらの範囲にある場合には、上記の車載用半導体装置に対する厳しい規格をクリアすることができる。従って、図１に示す表面型ダイオード１００ｄを備える半導体装置１００は、車戴用の半導体装置に好適である。

本発明の半導体装置の基本的な構成を模式的に示した、斜視断面図である。 ＥＳＤ耐量とｎ導電型不純物拡散領域の拡散深さＸｎの関係を調べた結果である。 ＥＳＤ耐量とｎ導電型不純物拡散領域の表面不純物濃度Ｙｎの関係を調べた結果である。 ＥＳＤ耐量と接合幅Ｗの関係を調べた結果である。 ＤＣ耐圧およびＥＳＤ耐量とＰＮ間距離Ｌの関係を調べた結果である。 従来のＥＳＤ保護ダイオードの斜視断面図である。

符号の説明

１００ 半導体装置
１００ｄ 表面型ダイオード
１１ 半導体基板
１１ｗ ｐ導電型ウェル
１２ ｎ導電型不純物拡散領域
１３ ｐ導電型不純物拡散領域
Ｓ ＰＮ接合部
Ｌ ＰＮ間距離
Ｗ 接合幅
１２ｃ ｎ導電型高濃度不純物拡散領域
１３ｃ ｐ導電型高濃度不純物拡散領域
Ｘｎ ｎ導電型不純物拡散領域の拡散深さ
Ｙｎ ｎ導電型不純物拡散領域の表面不純物濃度

Claims (9)

1. 半導体基板の表層部において、隣接して配置されるｎ導電型不純物拡散領域とｐ導電型不純物拡散領域とを有し、前記ｎ導電型不純物拡散領域とｐ導電型不純物拡散領域の界面でＰＮ接合部が形成されてなる表面型ダイオードを備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記ｎ導電型不純物拡散領域もしくはｐ導電型不純物拡散領域の拡散深さが、２．６［μｍ］以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ｎ導電型不純物拡散領域もしくはｐ導電型不純物拡散領域の表面不純物濃度が、５×１０^１７［／ｃｍ^３］以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記ｎ導電型不純物拡散領域とｐ導電型不純物拡散領域とが、マスクを用いたイオン注入により形成され、
   前記隣接する領域にあるｎ導電型不純物拡散領域のマスク開口部とｐ導電型不純物拡散領域のマスク開口部の間隔が、３．０［μｍ］以上、４．４［μｍ］以下であり、
   前記間隔にあるｎ導電型不純物拡散領域もしくはｐ導電型不純物拡散領域のマスク開口部の周部長さが、２００００［μｍ］以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記周部長さが、３００００［μｍ］以上であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記ｎ導電型不純物拡散領域とｐ導電型不純物拡散領域の平面形状が、短冊形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記半導体基板上にＬＯＣＯＳが配置され、
   前記半導体基板の表面における前記ＰＮ接合部が、前記ＬＯＣＯＳの下に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記半導体基板における前記表面型ダイオードの形成部位以外の領域に、ＭＯＳトランジスタが形成されてなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記半導体装置が、車戴用の半導体装置であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。

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