JP2669384B2

JP2669384B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP2669384B2
Application number: JP4017295A
Authority: JP
Inventors: 健一郎 ▲高▼橋
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 1997-10-27
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: JPH08236612A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は接合分離構造の半導体装
置に係わり、特に外来異常電圧やスイッチング応答から
半導体装置を保護する構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の接合分離構造の半導体装置を図６
および図７に示す。図６は平面図であり、図６は図７の
Ａ−Ａ′部の断面図である。

【０００３】半導体基板がＰ型半導体基体１上にＮ型半
導体層であるＮ型エピタキシャル層２が形成されて構成
され、Ｎ型エピタキシャル層がＰ型絶縁拡散層３により
島状領域２にそれぞれ分離された接合分離構造となって
いる。

【０００４】Ｐ型半導体基板１およびＰ型絶縁拡散層３
を使用する電位における最低電位に設定することによ
り、Ｐ型絶縁拡散層３により島状に区画されたＮ型エピ
タキシャル層の島状領域２のそれぞれの電位を自由に設
定でき、その内にそれぞれの回路素子を形成することが
できる。

【０００５】ここでＰ型絶縁拡散層３をベースとし、そ
の両側の島状領域２，２をそれぞれエミッタ、コレクタ
とする寄生バイポーラトランジスタが形成される。

【０００６】この寄生バイポーラトランジスタにおい
て、静電気等の外部からの異常電圧や、スイッチングに
よる過渡応答等でパンチスルー降伏を起こしたり、オン
状態になることにより、Ｐ型絶縁拡散層３をはさんで隣
り合うＮ型エピタキシャル層の島状領域２，２間で電流
経路９に電流が流れる。

【０００７】Ｎ型エピタキシャル層の島状領域２の表面
には、回路構成に従い、表面アルミ配線６や表面アルミ
配線６が絶縁保護膜５に設けられたコンタクト孔を通し
て電気的に接続するＮ型表面高濃度拡散層８やＰ型表面
高濃度拡散層が形成されているため、図７に示すよう
に、寄生バイポーラトランジスタによる電流が流れる電
流経路９はＮ型島状領域２では表面近傍に位置し、Ｐ型
絶縁拡散層３の部分では、拡散層の幅が表面近傍から深
さ方向に細くなり、不純物濃度も表面より低下するた
め、電流増幅率ｈ_FEが表面より深い部分で大きくなり、
電流は表面からの深さ対電流増幅率特性に従い、比較的
深い部分を流れる。そしてこの電流経路９を電流が流れ
た時、Ｐ型絶縁拡散層３に隣接するＮ型島状領域２の部
分の表面近傍を集中して流れるため、その部分の発熱が
局所的に大きくなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように従来技術の
半導体装置では、第１導電型（Ｐ型）の絶縁拡散層とそ
の両側に位置する第２導電型（Ｎ型）の半導体層である
エピタキシャル層の島状領域とで形成される寄生バイポ
ーラトランジスタが、外部からの異常電圧や、スイッチ
ングにおける過渡応答等でパンチスルー降伏を起こした
り、オン状態になることによって、絶縁拡散層をはさん
で隣り合う島状領域間で電流が流れる場合、その電流経
路の平面形状における場所は島状領域内の素子構造でま
ちまちであり、かつどのような場合でも電流経路はエピ
タキシャル層の島状領域の表面近傍を流れ、その部分の
電流密度が高くなり、局所的に高温となるため、破壊さ
れやすいという問題点があった。

【０００９】したがって本発明の目的は、接合分離構造
に発生する寄生バイポーラトランジスタの電流が流れる
平面形状における経路をまず定め、そしてこの経路を表
面から内部に遠ざけることで表面の電流密度を減少させ
て、破壊を防止した半導体装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、第１導
電型の半導体基体上に第２導電型の半導体層を形成して
半導体基板を構成し、前記半導体層の上面より前記半導
体層を貫通して前記半導体基体に達する第１導電型の絶
縁拡散層を形成することにより前記半導体層を複数の島
状領域に区画する接合分離構造を有する半導体装置にお
いて、前記半導体層の第１の島状領域と第２の島状領域
間に形成された前記絶縁拡散層には他の部分より低不純
物濃度もしくは狭い幅あるいは低不純物濃度で狭い幅の
特定部分を有する半導体装置にある。

【００１１】ここで、前記第１および第２の島状領域の
少なくとも一方の島状領域と前記半導体基体との間に電
気抵抗率が前記半導体層より小さい第２導電型の埋込拡
散層が形成され、前記埋込拡散層と前記絶縁拡散層との
最短距離は前記半導体層の膜厚の２倍以内であることが
好ましい。あるいは、前記第１および第２の島状領域の
少なくとも一方の島状領域と前記半導体基体との間に電
気抵抗率が前記半導体層より小さい第２導電型の埋込拡
散層が形成され、前記一方の島状領域の表面に前記半導
体層より高不純物濃度の第２導電型の表面高濃度拡散層
が形成され、前記一方の島状領域の表面における前記表
面高濃度拡散層と前記絶縁拡散層の前記特定部分との間
の最短距離よりも、前記一方の島状領域と前記半導体基
体における前記埋込拡散層と前記絶縁拡散層の前記特定
部分との間の最短距離が小であることが好ましい。ま
た、平面形状において前記絶縁拡散層が延在する方向に
おける前記特定部分の長さは１０μｍ〜３０μｍである
ことが好ましい。

【００１２】また、前記半導体基板の中央部に集積回路
が形成され、周辺部にボンディングパッドが形成された
半導体装置において、前記第１および第２の島状領域は
前記集積回路を構成する素子をそれぞれ形成する領域で
あることができる。あるいは前記半導体基板の中央部に
集積回路が形成され、周辺部にボンディングパッドが形
成され、前記ボンディングパッドの近傍に前記集積回路
を保護する保護素子が形成された半導体装置において、
前記第１および第２の島状領域ならびに前記前記絶縁拡
散層の前記特定部分によって前記保護素子を構成するこ
とができる。

【００１３】

【作用】このように本発明では、絶縁拡散層に他の部分
より低濃度もしくは狭い幅あるいは低濃度で狭い幅の特
定部分を設けたから、絶縁拡散層の他の部分と比べて相
対的にこの特定部分における寄生バイポーラトランジス
タの電流増幅率ｈ_FEが大きくなり、また降伏電圧が低下
する。したがって寄生バイポーラトランジスタが外部か
らの異常電圧やスイッチングによる過渡現象等でパンチ
スルー降伏を起こしたり、オン状態になることによって
流れる電流はこの特定部分を通過するから、この寄生バ
イポーラトランジスタのエミッタ、コレクタとなる第１
および第２の島状領域内の構造によらずに電流の平面座
標上の経路が特定される。そして島状領域と半導体基体
との間に電気抵抗率が小さい第２導電型の埋込拡散層を
絶縁拡散層の特定部分に近づけて形成することにより、
電流の主流は表面より深い箇所を流れることになり、半
導体層の表面付近に集中する電流を緩和し、これにより
破壊を防止することができる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を説明する。

【００１５】図１および図２は本発明の第１の実施例の
半導体装置を示す図であり、図１は平面図、図２は図１
のＡ−Ａ′部における断面図である。

【００１６】ボロンを不純物とし抵抗率３０ΩｃｍのＰ
型単結晶シリコンからなるＰ型半導体基体１上に、Ｎ型
半導体層としてリンを不純物とし抵抗率１０Ωｃｍ、膜
厚３５μｍのＮ型エピタキシャル層２が成長されて半導
体基板を構成している。

【００１７】ボロンを不純物としピーク濃度が１×１０
¹⁶〜１×１０¹⁷／ｃｍ³のＰ型絶縁拡散層３によりＮ型
エピタキシャル層が各島状領域２に区画分割されてい
る。このＮ型エピタキシャル層の島状領域２にはそれぞ
れの回路素子（図示省略）を形成することができる。こ
のＰ型絶縁拡散層３は、後から説明する特定部分１０を
除いて、表面から同じ深さの位置において同一の幅でか
つ同一の不純物濃度で平面座標（図１）を延在してい
る。

【００１８】それぞれの島状領域において、Ｐ型半導体
基体１とＮ型エピタキシャル層２との間に、アンチモン
を不純物としピーク濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³のＮ型高濃度埋込拡散層４が選択的に形成されてい
る。このＮ型高濃度埋込拡散層４にリンを不純物として
不純物濃度が１×１０¹⁶〜１×１０¹⁷／ｃｍ³のＮ型高
濃度縦型拡散層７によりＮ型エピタキシャル層２を貫通
してその表面に引き出され、絶縁保護膜５に形成された
コンタクト孔を通して表面アルミ配線６に接続してい
る。また、エピタキシャル層の表面にＮ型表面高濃度拡
散層８が形成されて絶縁保護膜５に形成されたコンタク
ト孔を通して表面アルミ配線６に接続している。

【００１９】隣接する島状領域２，２間に存在するＰ型
絶縁拡散層３の一部分に本発明では特定部分１０を形成
している。この特定部分１０とは、Ｐ型絶縁拡散層３の
他の部分と比較して、低不純物濃度もしくは狭い幅ある
いは低不純物濃度で狭い幅の部分である。すなわち表面
からの同一深さにおける不純物濃度、幅を比較した場合
に、Ｐ型絶縁拡散層３の特定部分１０ではＰ型絶縁拡散
層３の他の部分より低濃度もしくは狭い幅となってい
る。

【００２０】図１および図２では特定部分１０が他の部
分より狭い幅となっている例を図示しており、例えばＰ
型絶縁拡散層３の他の部分が２０μｍの表面の幅で延在
しているのに対してＰ型絶縁拡散層３の特定部分１０の
表面の幅は１５μｍと狭くなっており、この比率で深さ
方向でも特定部分１０の幅は狭幅化している。

【００２１】また、Ｐ型半導体基体１とＮ型エピタキシ
ャル層２との間のＮ型高濃度埋込拡散層４の先端箇所と
Ｐ型絶縁拡散層３の特定部分１０の同じ深さの箇所との
間隔は７０μｍ以下、例えば５０μｍに接近させてい
る。

【００２２】このような構造にすることにより、Ｎ型エ
ピタキシャル層の隣り合う島状領域間で、その間に存在
するＰ型絶縁拡散層をベース拡散層とする寄生バイポー
ラトランジスタが、パンチスルー降伏を起こしたり、Ｐ
型絶縁拡散層に電流が流れ込むことによって、オン状態
になることによって流れる電流経路９を、Ｐ型絶縁拡散
層３の狭幅化した特定部分１０の箇所を貫通するように
特定することができ、しかもＮ型高濃度埋込拡散層４を
狭幅化した特定部分１０に接近させているため、電流の
大部分を表面から深い部分に流すことができ、電流密度
の緩和がはかられ、破壊耐量を改善することができる。

【００２３】また、接合分離型半導体装置ではラッチア
ップ防止や縦型バイポーラトランジスタや縦型ＭＯＳＦ
ＥＴのオン抵抗低減のための形成工程の製造プロセスが
有るのが通常であるから、この形成工程と同時にＮ型高
濃度埋込拡散層４やＮ型高濃度縦型拡散層７を形成する
ことにより何らの製造工程の増加を必要としないで本発
明の構造を得ることができる。

【００２４】特定部分１０を含むＰ型絶縁拡散層３は、
エピタキシャル層成長前にドープしたボロンの上方への
拡散とエピタキシャル層成長後の表面からのボロンの下
方への拡散とにより形成されるから、Ｎ型エピタキシャ
ル層２の深さ方向における中心付近で最も細くなり、従
がって図２に示すように、電流経路９は主にＮ型高濃度
埋込拡散層４からＰ型絶縁拡散層の狭幅化した特定部分
１０のＮ型エピタキシャル層における層厚の中心付近に
発生し、その表面近傍にはほとんど電流が流れない。こ
のように特定部分１０のＮ型エピタキシャル層における
中心付近の深さにおける箇所に電流経路９を位置させる
ためには、実際上、Ｎ型高濃度埋込拡散層４とＰ型絶縁
拡散層の狭幅化した特定部分１０との最短距離をＮ型エ
ピタキシャル層２の半導体層の膜厚の２倍以内とする必
要がある。

【００２５】また、狭幅化した特定部分１０の長さＬ
（図１）は、大きいほど破壊耐量を向上させることがで
きるが、Ｐ型絶縁拡散層の狭幅化した特定部分１０の表
面近傍にはＰ型絶縁拡散層の他の部分の表面近傍より電
流が多く流れる傾向がある。このために、特定部分１０
の表面の付近にＮ型表面高濃度拡散層８の形成を必然と
する素子形成はできないから特定部分１０の長さＬが大
きいほど面積利用効率が低下する。そしてエピタキシャ
ル層内部における狭幅化した特定部分１０とＮ型高濃度
埋込拡散層４との最短距離より、表面における狭幅化し
た特定部分１０とＮ型表面高濃度拡散層８との最短距離
を大きくしないとエピタキシャル層の表面に流れる電流
の割合を増加させてしまう。

【００２６】従って、Ｐ型絶縁拡散層の狭幅化した特定
部分１０の長さＬは、破壊耐量と面積利用効率の二律背
反する項目を考慮して最適に設定する必要があり、多く
の場合、Ｌを１０μｍ以上で３０μｍにすることによ
り、破壊耐量および面積利用率の両者が実用上問題がな
いものとなる。

【００２７】次に図３乃至図５を参照して本発明の第２
の実施例を説明する。図３は平面図、図４は図３のＡ−
Ａ′部の断面図、図５は図３のＢ−Ｂ′部の断面図であ
る。尚、図３乃至図５において図１および図２と同一も
しくは類似の箇所は同じ符号で示してあるから重複する
説明はなるべく省略する。

【００２８】図１および図２に示した第１の実施例にお
けるエピタキシャル層の島状領域２は、半導体基板の中
央部に集積回路が形成され、周辺部にボンディングパッ
ドが形成された半導体装置において、集積回路を構成す
る素子をそれぞれ形成する領域であり、本発明の構造を
用いることにより集積回路の破壊を防止するものであっ
た。

【００２９】これに対して図３乃至図５に示す第２の実
施例におけるエピタキシャル層の島状領域２は、半導体
基板の中央部に集積回路が形成され、周辺部にボンディ
ングパッドが形成され、ボンディングパッドの近傍に集
積回路を異常電圧から保護する保護素子が形成された半
導体装置において、絶縁拡散層の特定部分１０とともに
保護素子を構成するものであり、本発明の構造を用いる
ことにより保護素子そのものの破壊を防止するものであ
る。

【００３０】第２の実施例において、それぞれの拡散層
における導電型や不純物濃度は第１の実施例と同様であ
るが、パターンのみが第１の実施例と異なる。

【００３１】表面アルミ配線６のうち、正方形の部分は
いわゆるボンディングパッド６Ｂであり、各ボンディン
グパッド６Ｂから半導体基板の中央部（内部）に形成さ
れてある集積回路に配線６Ｓを引き出す途中で、それぞ
れ絶縁保護膜５のコンタクト孔を通し、Ｎ型高濃度縦型
拡散層７を経由してＮ型高濃度埋込拡散層４へ低抵抗で
電気的に接続されている。

【００３２】表面アルミ配線６の内、ボンディングパッ
ド６Ｂに接続されていない配線６Ｇは接地配線であり、
ボンディングパッド６Ｂの下に横たわるＮ型高濃度埋込
拡散層４に、絶縁保護膜５のコンタクト孔を通し、Ｎ型
高濃度縦型拡散層７を経由して低抵抗で電気的に接続さ
ており、共通放電電極配線として機能し、接地電位に固
定されている。

【００３３】またＰ型半導体基体１および特定部分１０
を含むＰ型絶縁拡散層３も接地電位に固定されている。

【００３４】ボンディンパッド６Ｂによる各入力および
出力端子に正常に印加される電圧の範囲は０Ｖ以上で＋
２００Ｖ以下であり、この電圧が−５０Ｖ以下または＋
３００Ｖ以上となった際に内部の集積回路の回路素子が
破壊される半導体装置において、Ｐ型絶縁拡散層３の狭
幅化した特定部分１０のパンチスルー電圧が２４０Ｖ、
Ｐ型絶縁拡散層３の他の部分のパンチスルー電圧が２８
０Ｖ程度になるように設計してその製造条件を定める。

【００３５】入力または出力端子に接地電位より電圧を
引き下げるような外部からの電気的な力が印加しても、
対象としている入力または出力端子と接続され同電位と
なっているＮ型エピタキシャル層２から、Ｐ型半導体基
体１およびＰ型絶縁拡散層３へ順方向電流が流れる。こ
の場合、電流は表面を流れずまた一部分に集中すること
もなく、充分な電流耐量が得られる。

【００３６】逆に、入力または出力端子に＋２００Ｖよ
り高く引き上げるように外部から電気的な力が印加した
場合、＋２４０Ｖまで上昇した段階で、対象としている
入力または出力端子と接続されこの端子と同電位となっ
ているＮ型エピタキシャル層の島状領域２から、接地電
位に固定されたＮ型エピタキシャル層の共通放電拡散層
として機能する島状領域２Ｃを通り、Ｎ型高濃度縦型拡
散層７を経由して接地電位の表面アルミ配線６Ｇに放電
される。

【００３７】図５に示すように、この電流の電流経路９
は第１の実施例で説明したように、平面座標上ではＰ型
絶縁拡散層３への狭幅化した特定部分１０を通り、また
この特定部分１０に接近して形成されたＮ型高濃度拡散
層４の存在により、Ｎ型エピタキシャル層の島状領域
２，２Ｃの表面にはほとんど流れず、深い部分を流れる
ため、電流密度が局所的に高くなることはなく、破壊耐
量を充分に確保することができる。

【００３８】尚、第１および第２の実施例において、Ｐ
型絶縁拡散層３の狭幅化した特定部分１０の両側に近接
するＮ型高濃度埋込拡散層４を設けた。これは片側のみ
に設けるより両側に設けた方がより確実に電流経路９を
表面から離間させることができるからである。しかし島
状領域２内に形成される素子構造によっては一方側のＮ
型高濃度埋込拡散層４を省略してもそれなりの効果が得
られる。また、第１および第２の実施例において、第１
導電型をＰ型とし第２導電型をＮ型として説明した。し
かし第１導電型をＮ型とし第２導電型をＰ型としてもよ
い。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、接合分離
構造の半導体装置において、エピタキシャル層の島状領
域を区分する絶縁拡散層に他の部分より低不純物濃度も
しくは狭い幅あるいは低不純物濃度で狭い幅の特定部分
を設けたから、ここの寄生バイポーラトランジスタの電
流増幅率ｈ_FEが大きくなり、また降伏電圧が低下する。
したがって寄生バイポーラトランジスタに流れる電流は
この特定部分を通過し、第１および第２の島状領域内の
構造によらずに電流の平面座標上の経路を特定すること
ができる。したがってその対策、利用、その電流経路に
対する島状領域内の素子配置等の改善が容易となる。そ
して島状領域と半導体基体との間の電気抵抗率が小さい
第２導電型の埋込拡散層をこの特定部分に近づけて形成
することにより、電流の主流は表面より深い箇所を流れ
ることになり、エピタキシャル層の表面付近に集中する
電流を緩和することができ、外部からの異常電圧や、ス
イッチングの過渡応答としての異常電圧に対し、耐量の
強い素子となる。これによりエピタキシャル層の島状領
域内に形成される回路素子の破壊が防止され、あるいは
エピタキシャル層の島状領域を保護素子とする場合はこ
の保護素子自体の破壊が防止される。

【００４０】また、本発明によれば、一様の幅の絶縁拡
散層をベース拡散層とする寄生トランジスタと、絶縁拡
散層の狭幅化した特定部分をベース拡散層とする寄生ト
ランジスタとの相対的な電気的特性の精度は本質的に良
好に保つことができるので、例えば一様の幅の絶縁拡散
層の接合分離構造に回路素子を形成し、それを保護する
保護素子に狭幅化した特定部分を有する絶縁拡散層を用
いることで、従来より独立した保護ダイオードの形成で
発生する問題、すなわち回路素子の耐圧とこれを保護す
る保護ダイオード降伏電圧の相対的バラツキの問題は、
本発明を用いることで回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ′部を矢印の方向に視た断面図で
ある。

【図３】本発明の第２の実施例を示す平面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ′部を矢印の方向に視た断面図で
ある。

【図５】図３のＢ−Ｂ′部を矢印の方向に視た断面図で
ある。

【図６】従来技術を示す平面図である。

【図７】図６のＡ−Ａ′部を矢印の方向に視た断面図で
ある。

【符号の説明】

１Ｐ型半導体基体２Ｎ型エピタキシャル層の島状領域２ＣＮ型エピタキシャル層の共通放電拡散層として
の島状領域３Ｐ型絶縁拡散層４Ｎ型高濃度埋込拡散層５絶縁保護膜６表面アルミ配線６Ｂ表面アルミ配線のボンディングパッド６Ｓ表面アルミ配線の集積回路への配線６Ｇ表面アルミ配線の接地配線７Ｎ型高濃度縦型拡散層８Ｎ型表面高濃度拡散層９電流経路１０Ｐ型絶縁拡散層の狭幅化した特定部分

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体基体上に第２導電型
の半導体層を形成して半導体基板を構成し、前記半導体
層の上面より前記半導体層を貫通して前記半導体基体に
達する第１導電型の絶縁拡散層を形成することにより前
記半導体層を複数の島状領域に区画する接合分離構造を
有する半導体装置において、前記半導体層の第１の島状領域と第２の島状領域間に形
成された前記絶縁拡散層には他の部分より低不純物濃度
もしくは狭い幅あるいは低不純物濃度で狭い幅の特定部
分を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記第１および第２の島状領域の少なく
とも一方の島状領域と前記半導体基体との間に電気抵抗
率が前記半導体層より小さい第２導電型の埋込拡散層が
形成され、前記埋込拡散層と前記絶縁拡散層との最短距
離は前記半導体層の膜厚の２倍以内であることを特徴と
する請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】前記第１および第２の島状領域の少なく
とも一方の島状領域と前記半導体基体との間に電気抵抗
率が前記半導体層より小さい第２導電型の埋込拡散層が
形成され、前記一方の島状領域の表面に前記半導体層よ
り高不純物濃度の第２導電型の表面高濃度拡散層が形成
され、前記一方の島状領域の表面における前記表面高濃
度拡散層と前記絶縁拡散層の前記特定部分との間の最短
距離よりも、前記一方の島状領域と前記半導体基体にお
ける前記埋込拡散層と前記絶縁拡散層の前記特定部分と
の間の最短距離が小であることを特徴とする請求項１記
載の半導体装置。
【請求項４】前記絶縁拡散層の前記特定部分の長さは
１０μｍ〜３０μｍであることを特徴とする請求項１、
請求項２もしくは請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】前記半導体基板の中央部に集積回路が形
成され、周辺部にボンディングパッドが形成された半導
体装置であって、前記第１および第２の島状領域は前記
集積回路を構成する素子をそれぞれ形成する領域である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】前記半導体基板の中央部に集積回路が形
成され、周辺部にボンディングパッドが形成され、前記
ボンディングパッドの近傍に前記集積回路を保護する保
護素子が形成された半導体装置であって、前記第１およ
び第２の島状領域ならびに前記前記絶縁拡散層の前記特
定部分によって前記保護素子を構成することを特徴とす
る請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】前記第１および第２の島状領域をそれぞ
れエミッタおよびコレクタとしその間の前記絶縁拡散層
をベースとした寄生バイポーラトランジスタのオン電流
の経路を前記絶縁拡散層の前記特定部分に特定したこと
を特徴とする請求項１記載の半導体装置。