JP2006222213A - Surge protecting semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はサージ保護用半導体素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device for surge protection and a method for manufacturing the same.
静電気放電(以下、ESD(Electro Static Discharge)と記す。)は、半導体装置の破壊や破損を招く一大要因である。半導体装置をESD等のサージから保護するために、従来からサージ保護用半導体素子が用いられている。 Electrostatic discharge (hereinafter referred to as ESD (Electro Static Discharge)) is a major factor that causes destruction and breakage of semiconductor devices. In order to protect a semiconductor device from a surge such as ESD, a semiconductor element for surge protection has been conventionally used.
例えば発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)は、GaAs(砒素化ガリウム)やGaN(窒化ガリウム)等の化合物半導体でなるために、サージに対して非常に弱い。よって、サージが侵入した場合にも、耐電圧を越える電圧がLEDに印加されないようにするために、LEDにサージ保護用半導体素子を並列接続して同封したLEDパッケージが提案されている(例えば特許文献1、特許文献2参照)。
For example, a light emitting diode (LED) is very weak against surge because it is made of a compound semiconductor such as GaAs (gallium arsenide) or GaN (gallium nitride). Therefore, in order to prevent a voltage exceeding the withstand voltage from being applied to the LED even when a surge enters, an LED package is proposed in which a semiconductor element for surge protection is connected in parallel to the LED (for example, a patent).
図4は、従来のサージ保護用半導体素子100の一例を示している。このサージ保護用半導体素子100は、N型半導体基板102、P型領域103、絶縁膜104、第1の表面電極105、第2の表面電極106および、裏面電極107を備えている。PN接合されたP型領域103とN型半導体基板102、および、これらの表面に設けられた第1の表面電極105と裏面電極107でツェナーダイオードが構成されている。
FIG. 4 shows an example of a conventional surge
図5は、このサージ保護用半導体素子100を同封したLEDパッケージ130を示している(括弧内の数字はここでは無視する)。また、図5(b)は、図5(a)の回路図である。サージ保護用半導体素子100は、正電圧の供給を受けるフレーム110a上に配置されて、LED120と共に透明樹脂部112で封止されている。第1の表面電極105は、ワイヤ111によってフレーム110b(アース)に接続されている。LED120は、そのP側電極およびN側電極が、それぞれ第2の表面電極106および第1の表面電極105と電気的に接続されている。
FIG. 5 shows an
フレーム110aを通って裏面電極107にESDが侵入した場合には、図4に示すN型半導体基板102とP型領域103の接合部でツェナー降伏が生じるために、第1の表面電極105から外部にESDによる大電流を逃すことができる。よって、第2の表面電極106に接続されたLED120等の保護対象物の破壊や損傷を防止することができる。
When ESD enters the
なお、LED120を発光させるための通常電圧は、N型半導体基板102とP型領域103との降伏電圧以下の電圧になっているので、通常電圧印加時には、裏面電極107と第1の表面電極105間は導通せず、裏面電極107と第2の表面電極106間のみで導通するようになっている。
ところで、LED等保護すべき素子に対するサージ保護効果を高めるためには、サージ保護用半導体素子のサージ耐量を向上させる必要がある。 By the way, in order to enhance the surge protection effect for the elements to be protected such as LEDs, it is necessary to improve the surge resistance of the semiconductor element for surge protection.
従って本発明の目的は、サージ耐量がより高いサージ保護用半導体素子を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor element for surge protection having a higher surge resistance.
本発明に係るサージ保護用半導体素子は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板の表面から内部に形成した第1の第2導電型領域と、第1の第2導電型領域から所定の距離だけ離れた位置で第1の第2導電型領域を周回する第2の第2導電型領域と、第1の第2導電型領域の表面と第2の第2導電型領域よりも外側の半導体基板表面の一部とを露出して、半導体基板表面を覆う絶縁膜と、絶縁膜から露出した第1の第2導電型領域に設けた第1の表面電極と、絶縁膜から露出した半導体基板表面に設けた第2の表面電極と、半導体基板の裏面に設けた裏面電極とを備え、第2の第2導電型領域と半導体基板との接合部で発生した空乏層が、第1の第2導電型領域と半導体基板との接合部のうち、少なくとも表面欠陥が存在する領域を覆うことを特徴とする。 A semiconductor device for surge protection according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, a first second conductivity type region formed inside from the surface of the semiconductor substrate, and a predetermined amount from the first second conductivity type region. A second second conductivity type region that circulates the first second conductivity type region at a position separated by a distance; a surface of the first second conductivity type region; and an outer side of the second second conductivity type region. An insulating film that exposes a part of the surface of the semiconductor substrate and covers the surface of the semiconductor substrate, a first surface electrode provided in the first second conductivity type region exposed from the insulating film, and a semiconductor exposed from the insulating film A depletion layer generated at a junction between the second second conductivity type region and the semiconductor substrate is provided with a second surface electrode provided on the substrate surface and a back electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate. Of the junction between the second conductivity type region and the semiconductor substrate, cover at least the region having surface defects. The features.
第1の第2導電型領域と第2の第2導電型領域との間の距離d1は、半導体基板の誘電率をε、半導体基板と第2の第2導電型半導体領域との電位差をV、電子電荷量をq、第1の第2導電型領域と第2の第2導電型領域との間の領域における第1導電型不純物濃度をNDとするときに、
本発明に係るサージ保護用半導体素子において、第1の第2導電型領域の平面形状は円形状であり、第2の第2導電型領域の平面形状は、第1の第2導電型領域と中心を同じにする環状であることが望ましい。 In the semiconductor device for surge protection according to the present invention, the planar shape of the first second conductivity type region is circular, and the planar shape of the second second conductivity type region is the same as that of the first second conductivity type region. It is desirable for the ring to have the same center.
本発明に係るサージ保護用半導体素子の製造方法は、第1導電型の半導体基板の表面から内部に、第1の第2導電型領域を形成する工程と、第1の前記第2導電型領域から所定の距離だけ離れた位置で第1の第2導電型領域を周回する第2の第2導電型領域を形成する工程と、第1の第2導電型領域の表面と第2の第2導電型領域よりも外側の半導体基板表面の一部とを露出して、半導体基板を覆う絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜から露出した第1の第2導電型領域と半導体基板表面とに、第1および第2の表面電極を形成する工程と、半導体基板の裏面に裏面電極を形成する工程とを備え、第2の第2導電型領域と半導体基板との接合部で発生した空乏層が、第1の第2導電型領域と半導体基板との接合部のうち、少なくとも表面欠陥が存在する領域を覆うように、第2の第2導電型領域を形成することを特徴とする。 A method for manufacturing a semiconductor device for surge protection according to the present invention includes the step of forming a first second conductivity type region from the surface of a first conductivity type semiconductor substrate to the inside, and the first second conductivity type region. Forming a second second conductivity type region that circulates the first second conductivity type region at a position away from the first distance by a predetermined distance, a surface of the first second conductivity type region, and a second second Exposing a part of the surface of the semiconductor substrate outside the conductive type region to form an insulating film covering the semiconductor substrate; a first second conductive type region exposed from the insulating film; and a surface of the semiconductor substrate A depletion layer generated at a junction between the second second conductivity type region and the semiconductor substrate, comprising: forming the first and second surface electrodes; and forming a back electrode on the back surface of the semiconductor substrate. However, at least a surface defect is present in the junction between the first second conductivity type region and the semiconductor substrate. To cover the area to be stationary, and forming a second second conductivity type region.
本発明に係るサージ保護用半導体素子では、基板表面近傍におけるPN接合部分が空乏層で覆われているために、この部分にサージ電流が流れ込むことがない。基板表面には、製造中に受けたストレスによって欠陥(表面欠陥)が発生しているので、基板表面におけるPN接合部のサージ耐量は、基板表面以外におけるPN接合部のサージ耐量よりも低くなっている。本発明に係るサージ保護用半導体素子では、サージ耐量が低い部分への電流の流入を防止することによって、サージ保護用半導体素子全体のサージ耐量を向上させている。よって、本発明に係るサージ保護用半導体素子を用いれば、LED等の保護対象物に対するサージ保護効果をより高めることができる。 In the semiconductor element for surge protection according to the present invention, since the PN junction portion in the vicinity of the substrate surface is covered with the depletion layer, no surge current flows into this portion. Since defects (surface defects) are generated on the surface of the substrate due to stress received during manufacturing, the surge resistance of the PN junction on the substrate surface is lower than the surge resistance of the PN junction other than on the substrate surface. Yes. In the semiconductor element for surge protection according to the present invention, the surge resistance of the entire semiconductor element for surge protection is improved by preventing the current from flowing into the portion where the surge resistance is low. Therefore, if the semiconductor element for surge protection according to the present invention is used, the surge protection effect for a protection object such as an LED can be further enhanced.
(第1の実施形態)
図1(a)および(b)は、本発明の実施形態に係るサージ保護用半導体素子1の断面図および、N型半導体基板2の平面図を示している。このサージ保護用半導体素子1は、N型半導体基板2、第1のP型領域3、第2のP型領域8、絶縁膜4、第1の表面電極5、第2の表面電極6および、裏面電極7を備えている。PN接合されたN型半導体基板2と第1のP型領域3、および、これらの表面に設けられた第1の表面電極5および裏面電極7でツェナーダイオードが構成されている。
(First embodiment)
FIGS. 1A and 1B show a cross-sectional view of a surge
N型半導体基板2は、シリコン基板にリンなどのN型不純物が添加された基板である。第1のP型領域3および第2のP型領域8は、いずれもN型半導体基板2の表面から内部に形成された、ボロンなどのP型不純物濃度が高い領域である。図1(b)に示すように、第1のP型領域3の平面形状は、半径がR1の円形状になっている。また、第2のP型領域8の平面形状は、内径がR2(>R1)で第1のP型領域と中心を同じにする円環状になっている。なお、第1のP型領域3および第2のP型領域8の平面形状は、図1(b)に示す形状に限定されるわけではないが、円に近い形状であることが望ましい。
The N-
図1(a)に示すように、第1の表面電極5は、第1のP型領域3上に配置されている。第2の表面電極6は、N型半導体基板2表面のうち、第2のP型領域8よりも外側に配置されている。裏面電極7は、N型半導体基板2の裏面に形成されている。N型半導体基板2の表面のうち、第1の表面電極5および第2の表面電極6が形成されていない領域は、周辺部を除いて絶縁膜4で覆われている。
As shown in FIG. 1A, the
第2のP型領域8は、第1の表面電極5、第2の表面電極6および、裏面電極7のいずれにも接しておらず、電気的に浮遊状態にある。よって、裏面電極7への電圧非印加時(ゼロバイアス時)にも、ESDによる大電圧印加時にも、N型半導体基板2と第2のP型領域8との接合部J28から空乏層DLが伸びている。
The second P-
第2のP型領域8は、接合部J28から発生した空乏層DLが、N型半導体基板2と第1のP型領域3との接合部J23のうち、絶縁膜4直下の部分(図2(a)における表層部S23)を覆うように予め設計しておく。このような空乏層DLは、第2のP型領域8のP型不純物濃度、第1のP型領域3と第2のP型領域8との間の距離d1、および、第2のP型領域の深さd3を適当に設計することによって発生させることができる。なお、第2のP型領域8の深さd3は、N型半導体基板2において表面欠陥が存在している深さよりも深くなっている必要が有る。
In the second P-
第2のP型領域8とN型半導体基板2との接合部から発生する空乏層DLの幅Wは、第1のP型領域3と第2のP型領域8との間に位置するN型半導体基板2の不純物濃度ND[cm-3]と次式(1)に示す関係になっている。
第1のP型領域の不純物濃度を、1020cm-3、その深さd4を5μmとし、第2のP型領域の不純物濃度を1020cm-3、その深さd3を10μmとする。このとき、N型半導体基板2のうち第1のP型領域3と第2のP型領域8との間の領域では、第1のP型領域3および第2のP型領域8から拡散してきたP型不純物によってN型不純物濃度が相殺されるので、そのN型不純物濃度は1014cm-3程度になる。このときに、空乏層の厚みは、距離d1と同じ2μmになる。
The impurity concentration of the first P-type region is 10 20 cm −3 , its depth d4 is 5 μm, the impurity concentration of the second P-type region is 10 20 cm −3 , and its depth d3 is 10 μm. At this time, in the region between the first P-
N型半導体基板2のうち第1のP型領域3と第2のP型領域8との間の領域におけるN型不純物濃度は、N型半導体基板2のN型不純物濃度と、第1のP型領域3と第2のP型領域8との間の距離と、第1のP型領域3と第2のP型領域8のP型不純物濃度とに依存する。言い換えれば、空乏層の幅Wは、N型半導体基板2そのもののN型不純物濃度と、第1のP型領域3と第2のP型領域8との間の距離と、第1のP型領域3および第2のP型領域8のP型不純物濃度とに依存する。
The N-type impurity concentration in the region between the first P-
距離d1は、空乏層の幅W以下の幅であれば良いので、次式(2)を満たすように、各部を設計すればよい。
このような条件を満たすパラメータの一例を挙げると、N型半導体基板2のN型不純物濃度は1018〜1020cm-3、その厚みが100〜400μm、第1のP型領域3のP型不純物濃度が1019〜1021cm-3、その深さが1〜10μm、第2のP型領域8のP型不純物濃度が1019〜1021cm-3、その深さd3が5〜20μm、距離d1が1〜5μmである。
As an example of parameters satisfying such conditions, the N-type impurity concentration of the N-
このサージ保護用半導体素子1の使用態様の一例であるLEDパッケージ13およびその回路を、図5(a)および(b)に示している。簡単に説明すると、サージ保護用半導体素子1は、正電圧の供給を受けるフレーム110a上に配置されて、LED120と共に透明樹脂部112で封止されている。第1の表面電極5は、ワイヤ111によってフレーム110b(アース)に接続されている。LED120は、そのP側電極が第2の表面電極6に、また、N側電極が第1の表面電極5に接続されるよう配置される。
FIG. 5A and FIG. 5B show an
LED120を発光させるための通常電圧が裏面電極7に印加されたときには、裏面電極7と第2の表面電極6とが導通して、LED120が発光する。N型半導体基板2と第1のP型領域3は、降伏電圧がこの通常電圧以上になるように設計されているので、通常電圧印加時には、裏面電極7と第1の表面電極5とは導通しない。
When a normal voltage for causing the
一方、裏面電極7にESDによる大電圧が印加された場合には、N型半導体基板2と第1のP型領域3の接合部J23でツェナー降伏が発生して、第1の表面電極5からフレーム10bにESDによる大電流(ESD電流)を逃すことができる。
On the other hand, when a large voltage due to ESD is applied to the
ここで、本実施形態に係るサージ保護用半導体素子1と、図4に示す従来のサージ保護用半導体素子100とにおけるESD電流の経路の違いを、図2(a)および(b)を用いて説明する。図2(a)および(b)において、太線矢印はESD電流の流れを示している。
Here, the difference in the path of the ESD current between the surge
図2(b)に示す従来のサージ保護用半導体素子100では、P型領域103とN型半導体基板102との接合部J123のうち、表層部S123にもESD電流が流れ入むことになっていた。これに対して図2(a)に示す本発明に係るサージ保護用半導体素子1では、第1のP型領域3の側面が空乏層DLによって覆われているために、空乏層DLが形成されていない領域からのみ第1のP型領域3にESD電流が流れ込む。よって、表層部S23にはESD電流が流れ込むことがない。
In the conventional surge
N型半導体基板2の表層部における融点は、表面欠陥の影響により、表面欠陥が存在していない領域の融点よりも低くなっている。そのため、表層部S23のサージ耐量は、表層部S23以外における接合部J23のサージ耐量よりも低くなっている。本実施形態に係るサージ保護用半導体素子1は、サージ耐量が低い表層部S23へのESD電流の流入を防止することによって、サージ保護用半導体素子1全体のサージ耐量を向上させている。
The melting point of the surface layer portion of the N-
次に、図3を用いて、サージ保護用半導体素子1の製造方法の一例を説明する。まず、N型半導体基板2の表面のうち、第2のP型領域8を形成する領域を露出するマスクを形成して、露出したN型半導体基板2表面からボロン等のP型不純物をドーピングおよび熱拡散させて、第2のP型領域8を形成する(図3(a))。また、第1のP型領域3を形成する領域を露出するマスクを形成して、露出したN型半導体基板2表面からボロン等のP型不純物をドーピングおよび熱拡散させて、第1のP型領域3を形成する(図3(b))。なお、第2のP型領域8を第1のP型領域3よりも浅く形成する場合には、先に第1のP型領域3を形成すればよい。
Next, an example of a method for manufacturing the surge
次に、1100℃程度での熱酸化と化学気相成長法(CVD:Chemical Vapor Deposition)を用いて、N型半導体基板2上に絶縁膜4を形成する。そして、フォトリソグラフィによって絶縁膜4を選択的にエッチングして、N型半導体基板2と第1のP型領域3との表面の一部を露出するコンタクト窓9を開口する(図3(c))。なお、絶縁膜4は、図1に示すようにN型半導体基板2表面のうち周辺部を露出するように形成してもよいし、周辺部も覆うようにしておいてもよい。図3(c)に示すように、絶縁膜4をN型半導体基板2の周辺部を除いて形成しておけば、ウエハからチップに切断する際に絶縁膜4に掛かるストレスを低減することができる。
Next, the insulating film 4 is formed on the N-
次に、コンタクト窓9をアルミニウムなどの金属材料で埋めることによって、N型半導体基板2および第1のP型領域3と接する第1の表面電極5および第2の表面電極6を形成する。最後に、チタン、金、銀、ニッケル、又はこれらを含む金属を蒸着して、多層または単層の裏面電極7を形成する。
Next, the
本発明に係るサージ保護用半導体素子1は、第1のP型領域3側面のうち、少なくとも表面欠陥による影響を被る部分(表層部S23)が空乏層DLによって覆われるように設計した、浮遊状態の第2のP型領域8を備えている。このような第2のP型領域8を備えているために、表層部S23にはサージによる大電流が流れ込むことがない。よって、本発明に係るサージ保護用半導体素子1は、高ESD耐量のフリップチップ型ツェナーダイオードとなる。よって、本発明に係るサージ保護用半導体素子1を用いれば、LED等保護すべき素子の保護効果を向上させることができる。
The
なお、本発明に係るサージ保護用半導体素子1において、第1の表面電極5からサージが侵入した場合には、第1の表面電極5と裏面電極7との間で順方向に電流が流れ、裏面電極7から外部にサージを逃すことができる。本発明に係るサージ保護用半導体素子1では、空乏層DLによって電流経路が制限されるために、第1の表面電極5と第2の表面電極6とを結ぶような電流経路はできにくい。よって、本発明に係るサージ保護用半導体素子1は、裏面電極7からサージが侵入する場合だけでなく、第1の表面電極5からサージが侵入する場合にも、第2の表面電極6上に接続した保護対象物を保護することができる。
In the surge
なお、上記実施形態では、N型半導体基板2に、P型不純物領域(第1のP型領域3および第2のP型領域8)を設けた場合を説明したが、導電型を逆にした場合にも本発明は有効である。つまり、N型半導体基板2の代わりにP型半導体基板を用いて、第1のP型領域3および第2のP型領域8の代わりにN型領域を設けるようにしてもよい。
In the above embodiment, the case where the P-type impurity regions (the first P-
本発明に係るサージ保護用半導体素子は、LED等を静電気等のサージから保護するサージ保護用半導体素子として有用である。 The semiconductor device for surge protection according to the present invention is useful as a semiconductor device for surge protection that protects LEDs and the like from surges such as static electricity.
1 サージ保護用半導体素子
2 N型半導体基板
3 第1のP型領域
4 絶縁膜
5 第1の表面電極
6 第2の表面電極
7 裏面電極
8 第2のP型領域
100 サージ保護用半導体素子
102 N型半導体基板
103 P型領域
104 絶縁膜
105 第1の表面電極
106 第2の表面電極
107 裏面電極
110a、110b フレーム
111 ワイヤ
120 LED
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記半導体基板の表面から内部に形成した第1の第2導電型領域と、
前記第1の第2導電型領域から所定の距離だけ離れた位置で当該第1の第2導電型領域を周回する第2の第2導電型領域と、
前記第1の第2導電型領域の表面と前記第2の第2導電型領域よりも外側の前記半導体基板表面の一部とを露出して、前記半導体基板表面を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜から露出した前記第1の第2導電型領域に設けた第1の表面電極と、
前記絶縁膜から露出した前記半導体基板表面に設けた第2の表面電極と、
前記半導体基板の裏面に設けた裏面電極とを備え、
前記第2の第2導電型領域と前記半導体基板との接合部で発生した空乏層が、前記第1の第2導電型領域と前記半導体基板との接合部のうち、少なくとも表面欠陥が存在する領域を覆うことを特徴とする、サージ保護用半導体素子。 A first conductivity type semiconductor substrate;
A first second conductivity type region formed inside from the surface of the semiconductor substrate;
A second second conductivity type region that circulates around the first second conductivity type region at a position away from the first second conductivity type region by a predetermined distance;
An insulating film that covers the surface of the semiconductor substrate by exposing a surface of the first second conductivity type region and a part of the surface of the semiconductor substrate outside the second second conductivity type region;
A first surface electrode provided in the first second conductivity type region exposed from the insulating film;
A second surface electrode provided on the surface of the semiconductor substrate exposed from the insulating film;
A back electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate,
The depletion layer generated at the junction between the second second conductivity type region and the semiconductor substrate has at least surface defects in the junction between the first second conductivity type region and the semiconductor substrate. A semiconductor element for surge protection characterized by covering an area.
前記第2の第2導電型領域の平面形状は、前記第1の第2導電型領域と中心を同じにする環状であることを特徴とする、請求項1に記載のサージ保護用半導体素子。 The planar shape of the first second conductivity type region is circular,
2. The surge protection semiconductor device according to claim 1, wherein a planar shape of the second second conductivity type region is an annular shape having the same center as that of the first second conductivity type region.
前記第1の前記第2導電型領域から所定の距離だけ離れた位置で前記第1の第2導電型領域を周回する第2の第2導電型領域を形成する工程と、
前記第1の第2導電型領域の表面と前記第2の第2導電型領域よりも外側の前記半導体基板表面の一部とを露出して、前記半導体基板を覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜から露出した前記第1の第2導電型領域と前記半導体基板表面とに、第1および第2の表面電極を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面に裏面電極を形成する工程とを備え、
前記第2の第2導電型領域と前記半導体基板との接合部で発生した空乏層が、前記第1の第2導電型領域と前記半導体基板との接合部のうち、少なくとも表面欠陥が存在する領域を覆うように、前記第2の第2導電型領域を形成することを特徴とする、サージ保護用半導体素子の製造方法。 Forming a first second conductivity type region from the surface of the first conductivity type semiconductor substrate to the inside;
Forming a second second conductivity type region that goes around the first second conductivity type region at a position away from the first second conductivity type region by a predetermined distance;
Exposing the surface of the first second conductivity type region and a portion of the surface of the semiconductor substrate outside the second second conductivity type region to form an insulating film covering the semiconductor substrate; ,
Forming first and second surface electrodes on the first second conductivity type region exposed from the insulating film and the surface of the semiconductor substrate;
Forming a back electrode on the back surface of the semiconductor substrate,
The depletion layer generated at the junction between the second second conductivity type region and the semiconductor substrate has at least surface defects in the junction between the first second conductivity type region and the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device for surge protection, wherein the second second conductivity type region is formed so as to cover the region.
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- 2005-02-09 JP JP2005033103A patent/JP2006222213A/en active Pending
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