JP2006024662A

JP2006024662A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2006024662A
Application number: JP2004200057A
Authority: JP
Inventors: Yuki Doi; 祐樹土井
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-01-26
Also published as: US20060006490A1

Abstract

【課題】サージ電流の集中を緩和し、サージ電圧を向上させたダイオード構造を含む半導体装置を提供する。
【解決手段】Ｐ＋型半導体基板１０に不純物を拡散させて形成されたＰウェル１２と、Ｐウェル１２の外周に沿って当該Ｐウェルよりも高い濃度で不純物を拡散させて形成された外周Ｐ＋型拡散層１４と、外周Ｐ＋型拡散層１４で囲まれた領域において水平方向には所定の間隔をおいて配置されるとともに、垂直方向には一つおきにずらして配置され、各々が前記Ｐウェル１２よりも高い濃度で不純物を拡散させて形成されたＰ＋型拡散層１６と、外周Ｐ＋型拡散層１４およびＰ＋型拡散層１６、または隣接するＰ＋型拡散層のそれぞれの間にて高い濃度で不純物を拡散させて連続して形成されたＮ＋型拡散層１８とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に内部回路を保護するための保護素子として用いられる半導体装置に関する。

内部回路を保護するための保護素子として用いられるダイオードは、例えば特許文献１に記載のものが挙げられる。
このダイオードは、図６に示したように、Ｐ型半導体基板６００の一主面にＮ＋型拡散層６０１が格子状に配置され、その周囲および各格子で囲まれた領域に格子と等間隔で対向するＰ＋型拡散層６０２が配置され、Ｎ＋型拡散層６０１には入力端子６０３が、Ｐ＋型拡散層６０２にはグランド（ＧＮＤ）６０４がそれぞれ接続されている。

この保護ダイオード素子は、抵抗が低い方が保護素子としての能力が高いことが知られている。抵抗の高いＰ型半導体基板６００内を、長い距離を要して作られている保護用ダイオード素子Ｄ９〜Ｄ１２の面積よりも、短い距離で足りる保護用ダイオード素子Ｄ１〜Ｄ８の面積を大きくした方が保護能力が大きい。そこで、特許文献１に記載された技術では、保護用ダイオードを格子状に作りこみ、対向する面をＰ＋型拡散層６０２で配置することによって、Ｎ＋型拡散層６０１と対向する面積を増加させて、抵抗の低い保護用ダイオード素子の面積を増加させることにより、素子としての保護能力を向上させていた。
特開平５−２３５３７９号公報

ところで、特許文献１に記載された技術による保護用ダイオードの構造では、Ｎ＋型拡散層６０１を格子状に配置するため、図６においては地点Ａにおいては、Ｎ＋型拡散層６０１の交差点（コーナー部）で接する４箇所のＰ＋型拡散層６０２からの電流が一点に集中することになるため、サージ電圧としては逆に低下するおそれがあった。

そこで、本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであり、サージ電流の集中を緩和し、サージ電圧を向上させたダイオード構造を含む半導体装置を提供することを目的としている。

本発明に係る半導体装置は、上述した課題を解決するために、第一導電型半導体基板の所定の領域の外周に沿って高濃度で不純物を拡散させて形成された第一導電型の外周部高濃度拡散層と、第一導電型の外周部高濃度拡散層で囲まれた領域において水平方向には所定の間隔をおいて配置されるとともに、垂直方向には一つおきにずらして配置され、各々が高濃度で不純物を拡散させて形成された第一導電型の高濃度拡散層と、第一導電型の外周部高濃度拡散層および第一導電型の高濃度拡散層の間、または隣接する第一導電型の高濃度拡散層のそれぞれの間にて高い濃度で不純物を拡散させて連続して形成された第二導電型の高濃度拡散層とを含むことを特徴としている。

また、本発明に係る半導体装置は、第一導電型半導体基板に不純物を拡散させて形成された第一導電型埋め込み拡散層と、第一導電型埋め込み拡散層の外周に沿って第一導電型埋め込み拡散層よりも高い濃度で不純物を拡散させて形成された第一導電型の外周部高濃度拡散層と、第一導電型の外周部高濃度拡散層で囲まれた領域において水平方向には所定の間隔をおいて配置されるとともに、垂直方向には一つおきにずらして配置され、各々が第一導電型埋め込み拡散層よりも高い濃度で不純物を拡散させて形成された第一導電型の高濃度拡散層と、第一導電型の外周部高濃度拡散層および第一導電型の高濃度拡散層の間、または隣接する第一導電型の高濃度拡散層のそれぞれの間にて高い濃度で不純物を拡散させて連続して形成された第二導電型の高濃度拡散層とを含むことを特徴としている。

また、この半導体装置において、第二導電型の高濃度拡散層の端縁が凹状で形成されたところに対向する位置に、第一導電型の外周部高濃度拡散層が凸状に形成されていてもよい。

また、これらの半導体装置において、第一導電型の高濃度拡散層の外周が正方形にて形成されていてもよい。また、第一導電型の高濃度拡散層の外周が六角形にて形成されていてもよい。また、第一導電型の高濃度拡散層の外周が円形にて形成されていてもよい。

また、前記のいずれかの半導体装置において、第一導電型の高濃度拡散層と第二導電型の高濃度拡散層との間隔が、全領域にわたって均一であってもよい。

また、前記のいずれかの半導体装置において、第二導電型の高濃度拡散層の幅が、全領域にわたって均一であってもよい。

また、前記のいずれかの半導体装置において、第一導電型の高濃度拡散層の幅と、第一導電型の高濃度拡散層および第二導電型の高濃度拡散層の間隔とが等しくてもよい。

さらに、前記のいずれかの半導体装置において、第一導電型の高濃度拡散層の幅をｄ１とし、第二導電型の高濃度拡散層の幅をｄ２とし、第一導電型の高濃度拡散層と第二導電型の高濃度拡散層との間隔をｄ３とし、第二導電型の高濃度拡散層の間隔をｄ４としたとき、下記式（１）を満たすことを特徴とする半導体装置：
ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４／３（１）。

このような構成により、第二導電型の高濃度拡散層の分岐点（コーナー部）で接する第一導電型の高濃度拡散層が３箇所以下になるため、従来に比べて各分岐点における第一導電型の高濃度拡散層から集中する電流を緩和することができ、サージ電圧を向上させることができる。

また、第二導電型の高濃度拡散層の端縁を凹部で形成し、これに対向する位置には第一導電型の外周部高濃度拡散層を凸状に形成することにより、両拡散層で対向する辺の長さの総計（「周囲長」という）を大きくすることができる。これにより、同じ面積の半導体装置であっても、サージ電圧を向上させることができるようになる。

また、半導体装置内における不均一部分を減らし、例えば前記式（１）を満たすことにより、両拡散層の幅と、第一導電型の高濃度拡散層および第二導電型の高濃度拡散層の間隔とが同じになり不均一な部分がなくなるため、第二導電型の高濃度拡散層からの電流を均一に分散させることができ、より効果的なサージ電圧の向上化を図ることができる。

本発明によれば、サージ電流の集中を緩和し、サージ電圧を向上させることが可能になる。

以下、本発明に係る半導体装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態に係る半導体装置としてのダイオードを示す図であり、図１（ａ）には上面図を示し、図１（ｂ）にはＡ−Ａ’断面図を示す。
図１のダイオードにおいて、第一導電型半導体基板であるＰ＋型半導体基板１０には、不純物を拡散させて形成された第一導電型埋め込み拡散層としてのＰウェル１２が形成されている。

また、Ｐウェル１２には、Ｐウェル１２の外周に沿ってこのＰウェル１２よりも高い濃度で不純物を拡散させて形成された第一導電型の外周部高濃度拡散層である外周Ｐ＋型拡散層１４が形成されている。

さらに、この外周Ｐ＋型拡散層１４で囲まれた領域において水平方向には所定の間隔をおいて配置されるとともに、垂直方向には一つおきにずらして配置されるＰ＋型拡散層１６が、アレイ状に各拡散層の外周が正方形になるように形成されている。このＰ＋型拡散層１６の各々は、Ｐウェル１２よりも高い濃度で不純物を拡散させて形成される。

また、外周Ｐ＋型拡散層１４およびＰ＋型拡散層１６、または隣接するＰ＋型拡散層１６のそれぞれの間にて高い濃度で不純物を拡散させて連続して形成された第二導電型の高濃度拡散層としてのＮ＋型拡散層１８が形成されている。「連続して」とは、中断されることがないことを表す。

また、外周Ｐ＋型拡散層１４とＮ＋型拡散層１８との間、およびＰ＋型拡散層１６とＮ＋型拡散層１８との間には、所定の幅で絶縁層２０が形成されている。特に図１（ｂ）に示したように、この絶縁層２０により、外周Ｐ＋型拡散層１４とＮ＋型拡散層１８との間、およびＰ＋型拡散層１６とＮ＋型拡散層１８との間は電気的に切断されることになり、絶縁層２０は両者の分離領域として作用する。

ここで、Ｎ＋型拡散層１８はカソードとして接続され、外周Ｐ＋型拡散層１４および複数のＰ＋型拡散層１６はアノードとして互いに接続されるようになっている。

また、Ｎ＋型拡散層１８の端縁に凹状の部分（凹部１７）で形成されたところに対向する位置に、外周Ｐ＋型拡散層１４が凸状突き出た部分（凸部２１）で形成されていてもよい。これにより、この端縁における両拡散層で対向する辺の長さの総計（「周囲長」という）を大きくすることができる。これにより、同じ面積の半導体装置であっても、サージ電圧を向上させることができるようになる。

なお、ここでいう周囲長は、図２に示したように、外周Ｐ＋型拡散層１４の内周に沿って配置された絶縁層と接するＮ＋型拡散層１８の周囲長、およびアレイ状に配置されたＰ＋型拡散層１６の周囲に配置された各絶縁層２０と接するＮ＋型拡散層１８の周囲長を指す。

また、図１（ａ）において、Ｐ＋型拡散層１６とＮ＋型拡販層１８との間の間隔、すなわちＰ＋型拡散層１６の周囲に形成されている絶縁層２０の幅は、Ｎ＋型拡散層１８内での電流集中を回避するという観点から、均一であることが好ましい。また、同様に、外周Ｐ＋型拡散層１４の内周に形成されている絶縁層２０の幅も全域にわたって均一であることが好ましい。さらに、両絶縁層２０の幅は、同じであってもよい。また、Ｎ＋型拡散層１８も、不均一な部分が生じるとその部分にＰ＋型拡散層１６（および外周Ｐ＋型拡散層１４）からの電流が集中するおそれがあるという観点から、全域にわたって均一であってもよい。

また、Ｐ＋型拡散層１６を幅ｄ１とし、絶縁層２０の幅をｄ３としたとき、ｄ１＝ｄ３であってもよい。また、Ｎ＋型拡散層１８の幅をｄ２としたとき、ｄ１＝ｄ２であってもよい。

また、Ｎ＋型拡散層１８内で電流が集中しないようにするという観点からは、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３であることが好ましい。さらに、Ｎ＋型拡散層１８の間隔をｄ４としたとき、下記式を満たしていてもよい。

ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４／３（１）

前記式（１）を満たすことにより、両拡散層の幅と、Ｐ＋型拡散層１６（および場合によっては外周Ｐ＋型拡散層１４）およびＮ＋型拡散層１８の間隔とが同じになり不均一な部分がなくなるため、Ｎ＋型拡散層１８からの電流を均一に分散させることができ、より効果的なサージ電圧の向上化を図ることができる。

また、ｄ１＝１μｍ（マイクロメートル）として、互いに同じ大きさである従来構造の周囲長と、本実施形態の周囲長とを比較すると、従来構造では１９２μｍ、本実施形態では２００μｍとなる。これにより、同一面積のダイオードであっても、周囲長を大きくすることができるため、前述した効果を得ることができる。

図３は、第一の実施形態の変形例を示した図である。
この変形例では、Ｎ＋型拡散層１８の端縁に凹部を設ける代わりに、最外周のＮ＋型拡散層１９をストレー状にし、図１にて外周Ｐ＋型拡散層１４の凸部２１を設けていたところに隣接するＰ＋型拡散層２８を長方形状にした以外は、図１で示したダイオードと同様の構成が含まれる。

第一の実施形態によれば、第二導電型の高濃度拡散層であるＮ＋型拡散層１８の分岐点（コーナー部）で接する第一導電型の高濃度拡散層であるＰ＋型拡散層１６（および外周Ｐ＋型拡散層１４）が３箇所以下になるため、従来に比べて各分岐点におけるＮ＋型拡散層１９から集中する電流を緩和することができ、サージ電圧を向上させることができる。

（第二の実施形態）
図４は、本発明の第二の実施形態に係る半導体装置としてのダイオードを示す図である。

当該第二の実施形態では、図１で示したような正方形のＰ＋型拡散層１６の代わりに、外周が六角形で形成されるＰ＋型拡散層３０を配置させること以外は、第一の実施形態に係るダイオードと同様の構成が含まれる。

この第二の実施形態の場合、例えばＰ＋型拡散層３０の幅ｄ１を六角形の互いに対向する辺間の距離とし、Ｎ＋型拡散層１８の幅ｄ２を隣接する絶縁層２０と絶縁層２０との間の距離とし、Ｐ＋型拡散層３０（または外周Ｐ＋型拡散層１４）とＮ＋型拡散層１８との間隔ｄ３をＰ＋型拡散層３０の端辺およびこれに対向する当該Ｐ＋型拡散層３０の周囲の絶縁層２０の外周辺との距離とし、Ｎ＋型拡散層１８の間隔ｄ４を一つのＰ＋型拡販層３０を取り巻く絶縁層の六角形の互いに対向する辺間の距離として、上記式（１）を満たすようにすることもできる。

第二の実施形態によれば、第一の実施形態と同様に、Ｎ＋型拡散層１８の分岐点（コーナー部）で接するＰ＋型拡散層３０（および外周Ｐ＋型拡散層１４）が３箇所以下になるため、従来に比べて各分岐点におけるＮ＋型拡散層から集中する電流を緩和することができ、サージ電圧を向上させることができる。

（第三の実施形態）
図５は、本発明の第三の実施形態に係る半導体装置としてのダイオードを示す図である。

当該第三の実施形態では、図１で示したような正方形のＰ＋型拡散層３２の代わりに、外周が円形で形成されるＰ＋型拡散層３２を配置させること以外は、第一の実施形態に係るダイオードと同様の構成が含まれる。

この第三の実施形態の場合、例えばＰ＋型拡散層３２の幅ｄ１を各Ｐ＋型拡散層３２の直径とし、Ｎ＋型拡散層１８の幅ｄ２を隣接する絶縁層２０と絶縁層２０との間の最短距離とし、Ｐ＋型拡散層３２（または外周Ｐ＋型拡散層１４）とＮ＋型拡散層１８との間隔ｄ３をＰ＋型拡散層３２の直径を外方に延ばしたときのＰ＋型拡散層３２とＮ＋型拡散層１８との間の距離とし、Ｎ＋型拡散層１８の間隔ｄ４を一つのＰ＋型拡販層３２を取り巻く絶縁層２０を形成する外円の直径として、上記式（１）を満たすようにすることもできる。

第三の実施形態によれば、第一の実施形態と同様に、Ｎ＋型拡散層１８の分岐点（コーナー部）で接するＰ＋型拡散層３２（および外周Ｐ＋型拡散層１４）が３箇所以下になるため、従来に比べて各分岐点におけるＮ＋型拡散層から集中する電流を緩和することができ、サージ電圧を向上させることができる。特に、各拡散層および絶縁層が円形で形成されているため、ダイオード中に不均一な部分がなくなるため、Ｐ＋型拡散層３２からの電流をより効果的に均一に分散させることができ、より効果的なサージ電圧の向上化を図ることができる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、Ｐ＋型拡散層とＮ＋型拡散層とを入れ替えてダイオードを構成しても、本発明の効果を得ることができる。この場合にあっては、ＰウェルのかわりにＮウェルが形成されることになる。

また、Ｐ＋型拡散層を正方形（および長方形）、六角形、円形で形成した例を示したが、これに限定されることはなく、周囲に電流を均一に分散できる形状であるならば、どのような形状であっても差し支えない。

本発明の第一の実施形態に係る半導体装置としてのダイオードを示す図である。前記第一の実施形態における周囲長を説明する図である。前記第一の実施形態の変形例を示す図である。本発明の第二の実施形態に係る半導体装置としてのダイオードを示す図である。本発明の第三の実施形態に係る半導体装置としてのダイオードを示す図である。従来のダイオードを示す図である。

符号の説明

１０Ｐ＋型半導体基板
１２Ｐウェル
１４外周Ｐ＋型拡散層
１６，２８，３０，３２Ｐ＋型拡散層
１７凹部
１８Ｎ＋型拡散層
２１凸部

Claims

第一導電型半導体基板の所定の領域の外周に沿って高濃度で不純物を拡散させて形成された第一導電型の外周部高濃度拡散層と、
前記第一導電型の外周部高濃度拡散層で囲まれた領域において水平方向には所定の間隔をおいて配置されるとともに、垂直方向には一つおきにずらして配置され、各々が高濃度で不純物を拡散させて形成された第一導電型の高濃度拡散層と、
前記第一導電型の外周部高濃度拡散層および前記第一導電型の高濃度拡散層の間、または隣接する前記第一導電型の高濃度拡散層のそれぞれの間にて高い濃度で不純物を拡散させて連続して形成された第二導電型の高濃度拡散層とを含むことを特徴とする半導体装置。
第一導電型半導体基板に不純物を拡散させて形成された第一導電型埋め込み拡散層と、
前記第一導電型埋め込み拡散層の外周に沿って当該第一導電型埋め込み拡散層よりも高い濃度で不純物を拡散させて形成された第一導電型の外周部高濃度拡散層と、
前記第一導電型の外周部高濃度拡散層で囲まれた領域において水平方向には所定の間隔をおいて配置されるとともに、垂直方向には一つおきにずらして配置され、各々が前記第一導電型埋め込み拡散層よりも高い濃度で不純物を拡散させて形成された第一導電型の高濃度拡散層と、
前記第一導電型の外周部高濃度拡散層および前記第一導電型の高濃度拡散層の間、または隣接する前記第一導電型の高濃度拡散層のそれぞれの間にて高い濃度で不純物を拡散させて連続して形成された第二導電型の高濃度拡散層とを含むことを特徴とする半導体装置。
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記第二導電型の高濃度拡散層の端縁が凹状で形成されたところに対向する位置に、前記第一導電型の外周部高濃度拡散層が凸状に形成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一導電型の高濃度拡散層の外周が正方形にて形成されることを特徴とする半導体装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一導電型の高濃度拡散層の外周が六角形にて形成されることを特徴とする半導体装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一導電型の高濃度拡散層の外周が円形にて形成されることを特徴とする半導体装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一導電型の高濃度拡散層と前記第二導電型の高濃度拡散層との間隔が、全領域にわたって均一であることを特徴とする半導体装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第二導電型の高濃度拡散層の幅が、全領域にわたって均一であることを特徴とする半導体装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一導電型の高濃度拡散層の幅と、前記第一導電型の高濃度拡散層および前記第二導電型の高濃度拡散層の間隔とが等しいことを特徴とする半導体装置。
請求項７〜９のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一導電型の高濃度拡散層の幅をｄ１とし、前記第二導電型の高濃度拡散層の幅をｄ２とし、前記第一導電型の高濃度拡散層と前記第二導電型の高濃度拡散層との間隔をｄ３とし、前記第二導電型の高濃度拡散層の間隔をｄ４としたとき、下記式（１）を満たすことを特徴とする半導体装置：
ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４／３（１）。