JP2015198190A - Semiconductor device for protection using zener diode and thyristor - Google Patents

Semiconductor device for protection using zener diode and thyristor Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem that, while there are cases where a p-type well region 22 is commonly used as a collector region of a pnp transistor constituting a thyristor, a base region of an npn transistor constituting the thyristor together with the pnp transistor, and an anode region of a Zener diode, an n-type region C3 formed in the p-type well region 22 can be used as a cathode region of a Zener diode, but, when a normal n-type region is formed, a device may be destroyed in the case of the breakdown of a Zener diode.SOLUTION: An n-type region C3 is formed deeply. A semiconductor device for protection has a structure where, when a concentration of n-type impurities is observed from a surface of a semiconductor substrate in a depth direction, local maximum values in the impurity concentration are observed at a shallow level near the surface of the substrate and at a deep level far from the surface of the substrate. Accordingly, a current concentration phenomenon is relieved, so that the device can be prevented from being destroyed.

Description

本明細書では、IC回路等に過電圧が印加するのを防止する保護回路を提供する半導体装置を開示する。特にツェナーダイオードとサイリスタを備えており、過電圧が生じるとツェナーダイオードが降伏してサイリスタが点弧し、IC回路等に過電圧が印加するのを防止する保護回路を実装している半導体装置を開示する。本明細書では、保護回路によって過電圧から保護する回路を保護対象回路という。   The present specification discloses a semiconductor device that provides a protection circuit that prevents an overvoltage from being applied to an IC circuit or the like. In particular, a semiconductor device is disclosed that includes a Zener diode and a thyristor, and mounts a protection circuit that prevents the Zener diode from breakdown and the thyristor from igniting when an overvoltage occurs, and applying an overvoltage to an IC circuit or the like. . In this specification, a circuit that is protected from overvoltage by a protection circuit is called a protection target circuit.

特許文献1に、ツェナーダイオードとサイリスタを利用し、保護対象回路を過電圧から保護する保護回路が開示されている。特許文献1の技術では、保護対象回路の電源線にサージ電圧が印加されると、ツェナーダイオードが降伏してサイリスタが点弧する。保護回路が保護対象回路を過電圧から保護する。   Patent Document 1 discloses a protection circuit that uses a Zener diode and a thyristor to protect a circuit to be protected from overvoltage. In the technique of Patent Document 1, when a surge voltage is applied to the power supply line of the circuit to be protected, the Zener diode breaks down and the thyristor is ignited. The protection circuit protects the circuit to be protected from overvoltage.

特許文献1の技術では、サイリスタを構成するpnpトランジスタのコレクタ領域と、pnpトランジスタと相俟ってサイリスタを構成するnpnトランジスタのベース領域をp側ウェル領域で形成し、前記pnpトランジスタのベース領域と、前記npnトランジスタのコレクタ領域をn側ウェル領域で形成する。p型ウェル領域内にp型領域を形成し、p型領域とn型ウェル領域に接する位置にn型領域を形成する。p型領域とn型領域によってツェナーダイオードを構成する。 In the technique of Patent Document 1, a collector region of a pnp transistor constituting a thyristor and a base region of an npn transistor constituting a thyristor in combination with the pnp transistor are formed by a p-side well region, and the base region of the pnp transistor is The collector region of the npn transistor is formed by an n-side well region. A p + type region is formed in the p type well region, and an n + type region is formed at a position in contact with the p + type region and the n type well region. A zener diode is constituted by the p + type region and the n + type region.

米国特許7538997号公報US Pat. No. 7,538,997

特許文献1の技術では、n型領域に接するp型領域を、p型ウェル領域内に形成する。p型ウェル領域内にp型領域を形成すると、p型領域とn型領域によって形成されるツェナーダイオードの降伏電圧を下げることができ、保護回路が導通する際の電源線電圧を下げることができる。 In the technique of Patent Document 1, a p + type region in contact with the n + type region is formed in the p type well region. When the p + type region is formed in the p type well region, the breakdown voltage of the Zener diode formed by the p + type region and the n + type region can be lowered, and the power supply line voltage when the protection circuit becomes conductive is lowered. be able to.

しかしながら特許文献1の技術では、p型ウェル領域内にp型領域を形成する必要があり、それが製造工程を複雑化する。p型ウェル領域内にn型領域を設け、p型ウェル領域とn型領域によってツェナーダイオードを形成することができれば、p型領域が不用となり、製造工程が簡単化する。 However, in the technique of Patent Document 1, it is necessary to form a p + type region in the p type well region, which complicates the manufacturing process. If an n-type region is provided in the p-type well region and a zener diode can be formed by the p-type well region and the n-type region, the p + -type region is unnecessary, and the manufacturing process is simplified.

しかしながらp型ウェル領域内にp+型領域を設けず、p型ウェル領域内にn型領域を設けるだけにすると、p型ウェル領域とn型領域によって形成されるツェナーダイオードが降伏してサージ電流が流れる際に、電流集中現象が発生して半導体装置が破壊されることがある。ただ単にp型領域を省略するだけでは、実用的な保護回路を実現できない。 However, if the p + type region is not provided in the p type well region, but only the n type region is provided in the p type well region, the Zener diode formed by the p type well region and the n type region breaks down and a surge current is generated. When current flows, a current concentration phenomenon may occur and the semiconductor device may be destroyed. A simple protection circuit cannot be realized simply by omitting the p + -type region.

p型ウェル領域内にn型領域を設けることでツェナーダイオードを形成した場合に半導体装置が破壊される原因を研究した結果、下記が判明した。
p型ウェル領域内に設けるn型領域は、pn接合を利用するダイオードを実現するだけでなく、ダイオードのカソード電極とのオーミック接触を確保するコンタクト領域を兼用する。そのために少なくとも半導体基板の表面ではn型領域とする必要がある。本明細書でいう+は、半導体基板の表面に形成された金属膜とオーミック接触する不純物濃度であることを意味する。半導体基板の表面において、金属膜とオーミック接触する不純物濃度を持つn型領域を形成するためには、n型不純物を半導体基板の表面から浅く注入してから拡散させる。そうして製造されるn型領域の表面における不純物濃度は濃く、金属膜とオーミック接触する。反面、そうして製造されるn型領域は浅い。
n型領域が浅いと、サージ電圧によってツェナーダイオードが降伏してp型ウェル領域とn型領域の間をサージ電流が流れる際に、半導体基板の表面近傍に電流集中現象が発生し、その電流集中現象によって半導体基板の表面近傍に位置するp型ウェル領域で破壊が生じることが分かった。
本明細書で開示する技術は、前記の電流集中現象の発生を抑えれば、半導体装置の破壊を防止できるという知見に基づいて創作された。
As a result of investigating the cause of the destruction of the semiconductor device when the Zener diode is formed by providing the n-type region in the p-type well region, the following has been found.
The n-type region provided in the p-type well region not only realizes a diode using a pn junction, but also serves as a contact region that ensures ohmic contact with the cathode electrode of the diode. For this purpose, at least the surface of the semiconductor substrate needs to be an n + type region. In the present specification, + means that the impurity concentration is in ohmic contact with the metal film formed on the surface of the semiconductor substrate. In order to form an n-type region having an impurity concentration in ohmic contact with the metal film on the surface of the semiconductor substrate, the n-type impurity is implanted shallowly from the surface of the semiconductor substrate and then diffused. The n-type region thus manufactured has a high impurity concentration on the surface and is in ohmic contact with the metal film. On the other hand, the n-type region thus manufactured is shallow.
If the n-type region is shallow, a current concentration phenomenon occurs near the surface of the semiconductor substrate when a surge current flows between the p-type well region and the n-type region due to breakdown of the Zener diode due to the surge voltage. It has been found that the breakdown occurs in the p-type well region located near the surface of the semiconductor substrate due to the phenomenon.
The technology disclosed in this specification was created based on the knowledge that if the occurrence of the current concentration phenomenon is suppressed, the semiconductor device can be prevented from being destroyed.

本明細書で開示する半導体装置には、過電圧から保護する必要があるIC回路といった保護対象回路を保護する保護回路が組み込まれている。その保護回路は、ツェナーダイオードとサイリスタを備えており、過電圧が生じるとツェナーダイオードが降伏してサイリスタが点弧する。
本明細書で開示する半導体装置は、p側ウェル領域を備えており、そのp側ウェル領域が、サイリスタを構成するpnpトランジスタのコレクタ領域と、そのpnpトランジスタと相俟ってサイリスタを構成するnpnトランジスタのベース領域と、ツェナーダイオードのアノード領域を兼用する。すなわち、p側ウェル領域を、ツェナーダイオードのアノード領域に利用する。ツェナーダイオードを形成するために、p側ウェル領域内にp型領域を設ける従来技術と相違する。
本明細書で開示する半導体装置は、ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域を備えている。そのn型領域は、前記のp側ウェル領域(ツェナーダイオードのアノード領域を兼用している)内にあって、半導体基板の表面に臨む範囲に形成されている。ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域の不純物濃度の分布を半導体基板の表面から深さ方向に観察すると、表面に近い浅いレベルで最初の極大値が観測され、それよりも深いレベルで再び極大値が観測される。不純物濃度の極大値が観測されるレベルが少なくとも2以上あればよく、3レベル以上存在することを排除するものでない。
浅いレベルに不純物濃度の極大値が観測される場合、半導体基板の表面に臨む位置における不純物濃度も濃く、金属膜とオーミック接触する濃度にすることができる。深いレベルにも不純物濃度の極大値が観測され場合、サージ電流が表面近傍に集中する現象が抑制され、半導体装置の破壊を防止することができる。
The semiconductor device disclosed in this specification incorporates a protection circuit that protects a protection target circuit such as an IC circuit that needs to be protected from overvoltage. The protection circuit includes a Zener diode and a thyristor. When an overvoltage occurs, the Zener diode breaks down and the thyristor is ignited.
The semiconductor device disclosed in this specification includes a p-side well region, and the p-side well region is coupled with a collector region of a pnp transistor constituting the thyristor and an npn constituting the thyristor together with the pnp transistor. The base region of the transistor is also used as the anode region of the Zener diode. That is, the p-side well region is used for the anode region of the Zener diode. This is different from the conventional technique in which a p + -type region is provided in the p-side well region in order to form a Zener diode.
The semiconductor device disclosed in this specification includes an n-type region that becomes a cathode region of a Zener diode. The n-type region is formed in a range facing the surface of the semiconductor substrate in the p-side well region (also serving as the anode region of the Zener diode). When the impurity concentration distribution in the n-type region that becomes the cathode region of the Zener diode is observed from the surface of the semiconductor substrate in the depth direction, the first maximum value is observed at a shallow level near the surface, and the maximum value is again reached at a deeper level. A value is observed. There should be at least two or more levels at which the maximum value of the impurity concentration is observed, and it does not exclude the presence of three or more levels.
When the maximum value of the impurity concentration is observed at a shallow level, the impurity concentration at the position facing the surface of the semiconductor substrate is also high, and the concentration can be in ohmic contact with the metal film. When the maximum value of the impurity concentration is observed even at a deep level, the phenomenon of surge current concentration near the surface is suppressed, and the semiconductor device can be prevented from being destroyed.

ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域は、半導体基板の表面からp型ウェル領域内にn型不純物を注入する注入工程と、p型ウェル領域内に注入したn型不純物を拡散する加熱工程を経て製造することができる。
この際に、注入エネルギーが相違する複数回の注入工程を実施してから加熱工程を実施すると、半導体基板の表面から深さ方向に不純物濃度の分布を観察したときに、不純物濃度の極大値が2以上の深さレベルで観測されるn型領域を得ることができる。
ただし、本明細書に記載の半導体装置は、複数回の注入処理を必須とするものでない。注入エネルギーを時間的に変化させることによって、一回の注入工程で複数の深さに注入することができる。あるいは、注入エネルギーが相違する2種類以上の不純物を同時に注入することによって、複数の深さに注入することができる。
The n-type region serving as the cathode region of the Zener diode includes an implantation step of injecting n-type impurities into the p-type well region from the surface of the semiconductor substrate and a heating step of diffusing the n-type impurities implanted into the p-type well region. It can be manufactured after that.
At this time, if a heating process is performed after performing a plurality of implantation steps with different implantation energies, the maximum value of the impurity concentration is obtained when the impurity concentration distribution is observed in the depth direction from the surface of the semiconductor substrate. An n-type region observed at a depth level of 2 or more can be obtained.
However, the semiconductor device described in this specification does not necessarily require a plurality of implantation processes. By changing the implantation energy with time, it is possible to implant at a plurality of depths in a single implantation step. Alternatively, two or more kinds of impurities having different implantation energies can be implanted at a plurality of depths at the same time.

n型領域を深さ方向に観察したときに不純物濃度の極大値が2以上の深さレベルで観測される場合、そのn型領域は浅い拡散層と深い拡散層を備えているということができる。浅い拡散層が存在することから、ツェナーダイオードのカソード領域とカソード電極をオーミック接触させることができる。深い拡散層が存在することから、ツェナーダイオードが降伏して電流が流れる際に、電流が浅いレベルに集中せず、深いレベルにまで分散される。これによって、n型領域の周囲に存在するp型ウェル領域内における電流集中度合が緩和され、p型ウェル領域で損傷が発生することを防止できる。p型領域を省略し、p型ウェル領域内にn型領域を形成するだけで、実用的な保護回路を形成することが可能となる。 When the maximum value of the impurity concentration is observed at a depth level of 2 or more when the n-type region is observed in the depth direction, it can be said that the n-type region includes a shallow diffusion layer and a deep diffusion layer. . Since the shallow diffusion layer exists, the cathode region of the Zener diode and the cathode electrode can be in ohmic contact. Since the deep diffusion layer exists, when the Zener diode breaks down and a current flows, the current is not concentrated at a shallow level but is distributed to a deep level. As a result, the degree of current concentration in the p-type well region existing around the n-type region is relaxed, and damage can be prevented from occurring in the p-type well region. A practical protection circuit can be formed simply by omitting the p + type region and forming an n type region in the p type well region.

p型ウェル領域内に形成するn型領域は、半導体基板を平面視したときに1個の連続体であってもよいが、複数個に分割されていてもよい。複数個に分割された複数個のn型領域が、相互に離反した状態で分布していると、電流集中が一層に抑制される。   The n-type region formed in the p-type well region may be a single continuous body when the semiconductor substrate is viewed in plan, or may be divided into a plurality of pieces. When the plurality of n-type regions divided into a plurality are distributed in a state of being separated from each other, current concentration is further suppressed.

本明細書に記載の技術によると、p型ウェル領域内にp型領域を設ける必要がなく、製造工程が簡単化する。また、浅いn型領域に加えて深いn型領域を設けるだけで、半導体装置の信頼性が大きく向上する。 According to the technique described in this specification, it is not necessary to provide a p + type region in the p type well region, and the manufacturing process is simplified. Further, the reliability of the semiconductor device is greatly improved by simply providing a deep n-type region in addition to the shallow n-type region.

実施例の保護回路の回路図を示す。The circuit diagram of the protection circuit of an Example is shown. 実施例の半導体装置の断面を示す。A cross section of a semiconductor device of an example is shown. n型領域の拡大断面を示す。An enlarged cross section of an n-type region is shown. 複数個に分割されたn型領域を示す。The n-type area | region divided | segmented into plurality is shown. サージ電圧とサージ電流の関係を示す。The relationship between surge voltage and surge current is shown.

以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
(第1特徴)平面視したときに、複数個に分割された複数個のn型領域の集合によって、ツェナーダイオードのカソード領域が形成されている。
(第2特徴)個々のn型領域を平面視したときの形状が、三角形・四角形・五角形以上の多角形・円形のいずれかである。
(第3特徴)n型不純物の注入エネルギーを切換えて注入工程を繰り返す。
(第4特徴)n型不純物の注入エネルギーを時間的に変化させながら注入工程を実施する。
(第5特徴)注入エネルギーが相違する2種類のn型不純物を同時に注入する。
The features of the technology disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.
(First Feature) When viewed in plan, a cathode region of a Zener diode is formed by a set of a plurality of n-type regions divided into a plurality of regions.
(Second feature) The shape of each n-type region in plan view is either a triangle, a quadrangle, a pentagon or more polygon, or a circle.
(Third feature) The implantation process is repeated by switching the implantation energy of the n-type impurity.
(Fourth feature) The implantation step is performed while changing the implantation energy of the n-type impurity with time.
(Fifth feature) Two types of n-type impurities having different implantation energies are implanted simultaneously.

図1は、電源線2に過大な電圧が印加されたときに、過大な電圧が印加されないように保護する必要がある保護対象回路(本実施例ではIC回路)4のための保護回路6を示している。保護回路6は、電源線2と接地線12の間に保護対象回路4と並列に接続されている。電源線2に過大な電圧が印加されたときには保護回路6が動作して電源線2と接地線12を接続するように動作することによって、保護対象回路4に過大な電圧が印加されるのを防止する。   FIG. 1 shows a protection circuit 6 for a protection target circuit (IC circuit in this embodiment) 4 that needs to be protected so that an excessive voltage is not applied when an excessive voltage is applied to the power line 2. Show. The protection circuit 6 is connected in parallel with the protection target circuit 4 between the power supply line 2 and the ground line 12. When an excessive voltage is applied to the power line 2, the protection circuit 6 operates to connect the power line 2 and the ground line 12, so that an excessive voltage is applied to the protection target circuit 4. To prevent.

図1の参照願号は下記を示している。
E1:pnpトランジスタのエミッタ領域。E2:npnトランジスタのエミッタ領域。
B1:pnpトランジスタのベース領域。 B2:npnトランジスタのベース領域。
C1:pnpトランジスタのコレクタ領域。C2:npnトランジスタのコレクタ領域。
A3:ツェナーダイオードのアノード領域。C3:ツェナーダイオードのカソード領域。
2:電源線。4:IC回路等の保護対象回路。6:保護回路。8:抵抗。10:抵抗。12:接地線。
pnpトランジスタのベース領域B1と、npnトランジスタのコレクタ領域C2を共通部材で構成し、pnpトランジスタのコレクタ領域C1と、npnトランジスタのベース領域B2と、ツェナーダイオードのアノード領域A3を共通部材で形成すれば、保護回路6の回路を実現することができる。
The reference application number in FIG.
E1: Emitter region of a pnp transistor. E2: emitter region of npn transistor.
B1: Base region of the pnp transistor. B2: base region of npn transistor.
C1: Collector region of the pnp transistor. C2: collector region of the npn transistor.
A3: Zener diode anode region. C3: Zener diode cathode region.
2: Power line. 4: Protection target circuit such as an IC circuit. 6: Protection circuit. 8: Resistance. 10: Resistance. 12: Ground wire.
If the base region B1 of the pnp transistor and the collector region C2 of the npn transistor are formed by a common member, the collector region C1 of the pnp transistor, the base region B2 of the npn transistor, and the anode region A3 of the Zener diode are formed by a common member. The circuit of the protection circuit 6 can be realized.

図2は、保護回路6の回路を実現する半導体装置の断面構造を示す。図示の明瞭化のためにハッチを省略する。p型エミッタ領域E1と、n型ベース領域B1(n型ウェル領域20)と、p型コレクタ領域C1(p型ウェル領域22)によって、pnpトランジスタが構成される。n型コレクタ領域C2(n型ウェル領域20)と、p型ベース領域B2(p型ウェル領域22)と、n型エミッタ領域E2によって、npnトランジスタが構成される。pnpトランジスタとnpnトランジスタによってサイリスタが構成される。また、p型アノード領域A3(p型ウェル領域22)と、n型カソード領域C3によってツェナーダイオードが構成される。 FIG. 2 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device that realizes the circuit of the protection circuit 6. The hatch is omitted for clarity of illustration. The p + type emitter region E1, the n type base region B1 (n type well region 20), and the p type collector region C1 (p type well region 22) constitute a pnp transistor. The n-type collector region C2 (n-type well region 20), the p-type base region B2 (p-type well region 22), and the n + -type emitter region E2 constitute an npn transistor. A thyristor is configured by the pnp transistor and the npn transistor. The p-type anode region A3 (p-type well region 22) and the n-type cathode region C3 constitute a Zener diode.

pnpトランジスタのn型ベース領域B1と、npnトランジスタのn型コレクタ領域C2は共通部位(n型ウェル領域20)で構成される。pnpトランジスタのp型コレクタ領域C1と、npnトランジスタのp型ベース領域B2と、ツェナーダイオードのp型アノード領域A3は共通部位(p型ウェル領域22)で構成される。なお参照番号14は電源線2とn型ウェル領域20をオーミック接触させるn型領域であり、参照番号16は接地線12とp型ウェル領域22をオーミック接触させるp型領域であり、参照番号18はLOCOS酸化膜である。n型ウェル領域20は抵抗8を兼用し、p型ウェル領域22は抵抗10を兼用する。図2の半導体装置によって図1の保護回路6の回路が得られる。 The n-type base region B1 of the pnp transistor and the n-type collector region C2 of the npn transistor are configured by a common portion (n-type well region 20). The p-type collector region C1 of the pnp transistor, the p-type base region B2 of the npn transistor, and the p-type anode region A3 of the Zener diode are configured by a common portion (p-type well region 22). Reference numeral 14 is an n + -type region in which the power supply line 2 and the n-type well region 20 are in ohmic contact, and reference numeral 16 is a p + -type region in which the ground line 12 and the p-type well region 22 are in ohmic contact. Reference numeral 18 denotes a LOCOS oxide film. The n-type well region 20 also serves as the resistor 8, and the p-type well region 22 also serves as the resistor 10. The circuit of the protection circuit 6 of FIG. 1 is obtained by the semiconductor device of FIG.

図2に示すように、ツェナーダイオードのカソード領域C3は、p型ウェル領域22内に形成されており、p型ウェル領域22自体がツェナーダイオードのアノード領域A3となる。アノード領域を得るためにp型領域を形成することがない。図2の構造はシンプルであって、製造しやすい。
図2に示すように、ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域C3は、p型ウェル領域22内にあって、半導体基板の表面に臨む範囲に形成されている。また、半導体基板の表面に臨む範囲に形成されている他の高濃度拡散領域14、E1,E2,16よりも深く形成されている。
As shown in FIG. 2, the cathode region C3 of the Zener diode is formed in the p-type well region 22, and the p-type well region 22 itself becomes the anode region A3 of the Zener diode. No p + type region is formed to obtain the anode region. The structure of FIG. 2 is simple and easy to manufacture.
As shown in FIG. 2, the n-type region C3 that becomes the cathode region of the Zener diode is formed in the p-type well region 22 so as to face the surface of the semiconductor substrate. Further, it is formed deeper than the other high-concentration diffusion regions 14, E 1, E 2, and 16 formed in the range facing the surface of the semiconductor substrate.

他の高濃度拡散領域14、E1,E2,16は、半導体基板の表面に形成する図示しない金属膜とのオーミック接触を得るための領域であり、表面における不純物濃度が高い必要がある。そのために不純物を浅く注入してから拡散している。
ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域C3も、半導体基板の表面に形成する図示しない金属膜とのオーミック接触を得るための領域であり、表面における不純物濃度が高い必要がある。そのために不純物を浅く注入してから拡散する必要がある。しかしそれだけだと、ツェナーダイオードが降伏して電流が流れる際に、n型領域C3の周囲に位置するp型ウェル領域22の表面近傍に電流が集中してp型ウェル領域22で損傷が発生することがある。
そこで、ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域C3については、不純物を浅く注入する工程と、不純物を深く注入する工程を経て製造される。浅い注入レベルと深い注入レベルから拡散してn型領域C3を形成するので、n型領域C3の表面における不純物濃度が高く(そのためにカソード電極とオーミック接触する)、しかも深部にまで達している。
The other high-concentration diffusion regions 14, E1, E2, and 16 are regions for obtaining ohmic contact with a metal film (not shown) formed on the surface of the semiconductor substrate and need to have a high impurity concentration on the surface. Therefore, the impurity is diffused after being implanted shallowly.
The n-type region C3 serving as the cathode region of the Zener diode is also a region for obtaining ohmic contact with a metal film (not shown) formed on the surface of the semiconductor substrate, and the impurity concentration on the surface needs to be high. For this purpose, it is necessary to diffuse impurities after they are implanted shallowly. However, if that is the case, when the Zener diode breaks down and a current flows, the current concentrates near the surface of the p-type well region 22 located around the n-type region C3 and damage occurs in the p-type well region 22. Sometimes.
Therefore, the n-type region C3 that becomes the cathode region of the Zener diode is manufactured through a process of implanting impurities shallowly and a process of implanting impurities deeply. Since the n-type region C3 is formed by diffusing from the shallow implantation level and the deep implantation level, the impurity concentration on the surface of the n-type region C3 is high (for that reason, ohmic contact with the cathode electrode) and reaches the deep part.

図2の半導体装置によると、電源線2にサージ電圧が生じてツェナーダイオードのアノード領域A3とカソード領域C3の間をサージ電流が流れる際には、電流が半導体基板の表面近傍の浅いレベルに集中せず、深いレベルにまで分散して流れる。電流集中現象の発生が防止され、半導体装置の損傷が防止される。   According to the semiconductor device of FIG. 2, when a surge voltage is generated in the power supply line 2 and a surge current flows between the anode region A3 and the cathode region C3 of the Zener diode, the current is concentrated at a shallow level near the surface of the semiconductor substrate. Without flowing, it will flow to a deep level. Occurrence of the current concentration phenomenon is prevented, and damage to the semiconductor device is prevented.

図3は、n型領域C3の拡大断面を示す。×印は拡散前の不純物注入レベルを示している。(1)は注入レベルが一つだけの場合を示す。この場合、n型領域C3が浅すぎ、電流集中現象が発生する。(2)は、浅いレベルと深いレベルに注入してから拡散した場合を示す。n型領域C3が深くまで達する。これによって電流集中が緩和される。(3)は、深いレベルの注入範囲を浅いレベルの注入範囲よりも狭めた場合を示す。この場合、n型領域C3の輪郭を構成する曲線の半径が大きくなり、電流の分散が一層に促進される。電流集中がよく防止される。   FIG. 3 shows an enlarged cross section of the n-type region C3. A cross indicates an impurity implantation level before diffusion. (1) shows the case where there is only one injection level. In this case, the n-type region C3 is too shallow and a current concentration phenomenon occurs. (2) shows a case where diffusion is performed after implantation at a shallow level and a deep level. The n-type region C3 reaches deep. This alleviates current concentration. (3) shows a case where the deep level implantation range is narrower than the shallow level implantation range. In this case, the radius of the curve constituting the contour of the n-type region C3 is increased, and current distribution is further promoted. Current concentration is well prevented.

図3の(2)(3)では、浅いレベルに注入する不純物濃度が濃く、拡散処理した後の表面における不純物濃度が濃い。表面に形成する図示しないカソード電極とオーミック接触する。
図3の(2)(3)では、浅いレベルに注入する不純物濃度と、深いレベルに注入する不純物濃度が一致している。これに代えて、浅いレベルに注入する不純物濃度を濃くし、深いレベルに注入する不純物濃度を薄くしてもよい。また、カソード電極とオーミック接触する濃度が維持される条件下で浅いレベルに注入する不純物濃度を薄くし、深いレベルに注入する不純物濃度を濃くしてもよい。
図3の(2)(3)から拡散したn型領域の不純物濃度を、半導体基板の表面から深さ方向に観察すると、表面に近い浅いレベルで不純物濃度が極大となり、それより深いレベルにおいて不純物濃度が再び極大となる。不純物濃度が極大となるレベルが2以上あれば、電流集中を抑制することができる。
In (2) and (3) of FIG. 3, the impurity concentration implanted at a shallow level is high, and the impurity concentration on the surface after the diffusion treatment is high. It is in ohmic contact with a cathode electrode (not shown) formed on the surface.
In (2) and (3) of FIG. 3, the impurity concentration implanted into the shallow level is the same as the impurity concentration implanted into the deep level. Alternatively, the impurity concentration implanted at a shallow level may be increased and the impurity concentration implanted at a deep level may be decreased. Alternatively, the impurity concentration implanted at a shallow level may be reduced and the impurity concentration implanted at a deep level may be increased under the condition that the concentration in ohmic contact with the cathode electrode is maintained.
When the impurity concentration of the n-type region diffused from (2) and (3) in FIG. 3 is observed in the depth direction from the surface of the semiconductor substrate, the impurity concentration becomes maximum at a shallow level near the surface, and the impurity concentration at a deeper level. The concentration becomes maximum again. If the level at which the impurity concentration becomes maximum is 2 or more, current concentration can be suppressed.

図4は、ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域C3を、複数個に分割した実施例を示している。個々の領域を平面視したときの形状は、多角形(頂点数が3以上であればよい)、円形、長円形、楕円等のいずれであってもよい。ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域C3を複数個に分割すると、電流集中が効果的に抑制される。   FIG. 4 shows an embodiment in which the n-type region C3 serving as the cathode region of the Zener diode is divided into a plurality of parts. The shape of each region in plan view may be any of a polygon (the number of vertices is 3 or more), a circle, an oval, an ellipse, and the like. When the n-type region C3 that becomes the cathode region of the Zener diode is divided into a plurality of regions, current concentration is effectively suppressed.

図5は、保護回路6にサージ電圧が加わったときの電圧と電流の関係を示す。
グラフ40は、保護回路6をサイリスタのみで構成し、ツェナーダイオードを利用しない場合の特性を示す。この場合、サージ電圧がVB1となるまで保護回路6が動作せず、保護対象回路4を保護しきれない場合が生じる。
グラフ42は、ツェナーダイオードを利用するものの、ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域C3が浅い(他の高濃度拡散領域14、E1,E2,16と同一深さ)の場合の特性を示す。ツェナーダイオードを利用することで、保護回路6が動作を始めるときの電圧をVB3にまで低下させることができる。保護対象回路4を保護するのに必要な電圧に調整することができる。ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域C3が浅い場合、電流が集中して半導体装置が破壊されることがある。またホールド電圧がVH2にまで低下してしまう。保護回路6の動作速度を上げるためには、ホールド電圧が高い方が好ましい。
グラフ44は、ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域C3が深い(2以上のレベルに注入してから拡散したために、他の高濃度拡散領域14、E1,E2,16より深い)の場合の特性を示す。ツェナーダイオードを利用することで、保護回路6が動作を始めるときの電圧をVB3にまで低下させることができる。ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域C3が深い場合、電流集中が発生せず、半導体装置が破壊されることがない。またホールド電圧はVH3となる。VH2<VH3である。n型領域C3が深い場合、保護回路6の動作速度が高速化できる。
FIG. 5 shows the relationship between voltage and current when a surge voltage is applied to the protection circuit 6.
The graph 40 shows the characteristics when the protection circuit 6 is composed of only thyristors and no zener diode is used. In this case, the protection circuit 6 does not operate until the surge voltage reaches VB1, and the protection target circuit 4 may not be completely protected.
The graph 42 shows the characteristics when the Zener diode is used, but the n-type region C3 that is the cathode region of the Zener diode is shallow (the same depth as the other high-concentration diffusion regions 14, E1, E2, and 16). By using the Zener diode, the voltage when the protection circuit 6 starts operating can be reduced to VB3. The voltage can be adjusted to a voltage necessary to protect the circuit 4 to be protected. When the n-type region C3 that is the cathode region of the Zener diode is shallow, current may concentrate and the semiconductor device may be destroyed. In addition, the hold voltage decreases to VH2. In order to increase the operating speed of the protection circuit 6, it is preferable that the hold voltage is high.
The graph 44 shows the case where the n-type region C3 which is the cathode region of the Zener diode is deep (deeper than the other high-concentration diffusion regions 14, E1, E2, 16 because it has been diffused after being injected to a level of 2 or more). Show the characteristics. By using the Zener diode, the voltage when the protection circuit 6 starts operating can be reduced to VB3. When the n-type region C3 serving as the cathode region of the Zener diode is deep, current concentration does not occur and the semiconductor device is not destroyed. The hold voltage is VH3. VH2 <VH3. When the n-type region C3 is deep, the operation speed of the protection circuit 6 can be increased.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

2:電源線
4:保護対象回路(IC回路)
6:保護回路
8:抵抗
10:抵抗
12:接地線
14:n領域
16:p領域
18:LOCOS酸化膜
20:n型ウェル領域
22:p型ウェル領域
2: Power line 4: Protection target circuit (IC circuit)
6: protection circuit 8: resistor 10: resistor 12: ground line 14: n + region 16: p + region 18: LOCOS oxide film 20: n-type well region 22: p-type well region

Claims (3)

サイリスタを構成するpnpトランジスタのコレクタ領域と、前記サイリスタを構成するnpnトランジスタのベース領域と、ツェナーダイオードのアノード領域を兼用するp側ウェル領域と、
前記ツェナーダイオードのカソード領域となるn型領域を備えており、
前記n型領域は、前記p側ウェル領域内に形成されており、半導体基板の表面に臨む範囲に形成されており、前記半導体基板の前記表面に臨む位置におけるn型不純物の濃度が金属膜とオーミック接触する濃度であり、少なくとも、前記半導体基板の前記表面に近い浅いレベルと、前記浅いレベルよりも深いレベルにおいて、n型不純物の濃度が極大となることを特徴とする半導体装置。
A collector region of a pnp transistor constituting the thyristor, a base region of the npn transistor constituting the thyristor, and a p-side well region also serving as an anode region of the Zener diode;
An n-type region serving as a cathode region of the Zener diode;
The n-type region is formed in the p-side well region, is formed in a range facing the surface of the semiconductor substrate, and the concentration of the n-type impurity at the position facing the surface of the semiconductor substrate is the metal film A semiconductor device characterized in that the concentration of n-type impurities is at least at a shallow level close to the surface of the semiconductor substrate and at a deeper level than the shallow level, the concentration being ohmic contact.
前記n型領域は、前記半導体基板の前記表面から前記p型ウェル領域内にn型不純物を注入する注入工程と、前記n型不純物が拡散する加熱工程を経て製造したものであり、
注入エネルギーが相違する複数回の注入工程を実施したことを特徴とする請求項1に記載の装置。
The n-type region is manufactured through an implantation step of injecting an n-type impurity from the surface of the semiconductor substrate into the p-type well region and a heating step of diffusing the n-type impurity.
The apparatus according to claim 1, wherein a plurality of injection steps with different injection energies are performed.
前記半導体基板を平面視したときに、相互に離反した複数個の前記n型領域が存在することを特徴とする請求項1または2に記載の装置。   The apparatus according to claim 1, wherein when the semiconductor substrate is viewed in plan, there are a plurality of the n-type regions separated from each other.
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