JP4136372B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に種々の半導体素子とともに同一基板上にザップダイオードが設けられた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置のプロセス完了後に半導体装置内の抵抗などの回路要素の調整をおこないたい場合がある。そのような場合の対応策の一つとして、たとえば抵抗と並列にダイオードを設けておき、高エネルギーの印加により短絡するいわゆるツェナーザップの方法がある(富士時報67巻、2号、107頁、1994年2月10日発行)。ザップダイオードはこのツェナーザップで用いられる素子である。
【0003】
図11は、拡散層内に形成された従来のザップダイオードを示す縦断面図である。図11に示すように、ザップダイオードは、N-半導体層11の表面層にP-ウェル領域12を形成し、そのP-ウェル領域12内にP+アノード領域13およびN+カソード領域14を形成し、それらP+アノード領域13およびN+カソード領域14にそれぞれアノード電極15およびカソード電極16を接続した構成となっている。ザップ後は、降伏電圧以上の逆バイアス電圧の印加によりPN接合が破壊され、図12に示すように、アノード電極15とカソード電極16との間が短絡して抵抗17となる。
【0004】
上述した構成のザップダイオードでは、P-ウェル領域12が、制御回路を形成する拡散領域と共通にされて、制御回路の電源ラインやGNDラインに設定されて用いられることが多い。そのため、ザップダイオードの一方の電位は電源電位かまたは接地電位に設定されるため、その形成位置が制限されてしまう。また、ザップダイオードにより寄生サイリスタが構成されてしまう場合があり、ラッチアップなどの問題がある。
【0005】
そこで、本発明者は、先に、半導体基板上に絶縁膜を介してザップダイオードを形成するという提案をした(特開平11−297846号公報)。このザップダイオードの縦断面構造を図13に示す。図13に示すように、ザップダイオードは、半導体基板21の表面上に絶縁膜22を形成し、その上にポリシリコンよりなるN+カソード領域23、P+アノード領域24およびN+カソード領域25を形成し、両端のN+カソード領域23,25に層間絶縁膜26を介してアノードまたはカソードとなる金属電極27,28を接続した構成となっている。
【0006】
この構成によれば、ザップダイオードが半導体基板から絶縁されているため、形成位置が自由であるという利点がある。また、構成が単純であり、ザップダイオードを電源電位やGND電位以外の中間電位に設定することができるという利点もある。さらには、寄生動作を抑制することができるという利点もある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らのその後の検討により、ザップダイオードを半導体基板上の絶縁膜上に形成した場合、PN接合の破壊時に破裂破壊が起こり、抵抗値が大きくなったりオープン状態になるなど、ザップ後の特性が安定しないという欠点のあることが判明した。
【0008】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、他の半導体素子が形成された基板上に絶縁膜を介して、ザップ後の特性が安定したザップダイオードが形成された半導体装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置は、他の半導体素子が形成された半導体基板上に絶縁膜を介してザップダイオードを形成し、そのザップダイオード上に層間絶縁膜を形成し、その層間絶縁膜上に金属膜を積層することにより、ザップダイオードのPN接合部を金属膜で覆う構成としたものである。この発明によれば、ザップダイオードに降伏電圧以上の逆バイアス電圧が印加されるとPN接合が破壊されるが、その際に破裂破壊を起こしてもザップダイオードはPN接合部上の金属膜により短絡して抵抗となる。また、ザップダイオードを金属膜で覆うことによって、ザップダイオードを覆った金属膜がヒートシンクの働きをして、熱の集中を緩和することで破裂破壊を抑制していると考えられる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置のザップダイオードの構成を示す縦断面図である。図1に示すように、半導体基板31の表面上に絶縁膜32が形成されている。この絶縁膜32の上にポリシリコンが積層されている。このポリシリコンの両端は第1のN+カソード領域33と第2のN+カソード領域35になっており、その間がP+アノード領域34となっている。
【0011】
これらの領域33,34,35からなるポリシリコン上には層間絶縁膜36が積層されている。この層間絶縁膜36を貫通するコンタクトホールを介して、アノードまたはカソードとなる第1の金属電極37および第2の金属電極38がそれぞれ第1のN+カソード領域33および第2のN+カソード領域35に接続されている。
【0012】
また、層間絶縁膜36上には、第1のN+カソード領域33とP+アノード領域34とのPN接合部、およびP+アノード領域34と第2のN+カソード領域35とのPN接合部を覆うように金属膜39が設けられている。実施の形態1では、この金属膜39は第1の金属電極37と一続きになっており、第2の金属電極38とは絶縁されている。つまり、第1の金属電極37は金属膜39を兼ねている。また、金属膜39は、特に限定しないが、たとえば図1に示すように、第1のN+カソード領域33、P+アノード領域34および第2のN+カソード領域35のほぼ全体を覆うように形成されている。
【0013】
図2は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置のザップダイオードの構成を示す平断面図である。図2に示すように、第1のN+カソード領域33とP+アノード領域34とのPN接合部、およびP+アノード領域34と第2のN+カソード領域35とのPN接合部の各幅aは、第1のN+カソード領域33と第1の金属電極37(図2には現われていない)とのコンタクト部41、および第2のN+カソード領域35と第2の金属電極38(図2には現われていない)とのコンタクト部42の各幅Aよりも狭くなっている。
【0014】
図2に示す例では、第1および第2のN+カソード領域33,35はPN接合部の幅と同じ幅aで均一にコンタクト部41,42の近傍まで伸びている。それに対して、図3に示す変形例のように、第1および第2のN+カソード領域33,35がPN接合部の幅と同じ幅aで少し伸び、そこからコンタクト部41,42の近傍まで徐々に広がるように伸びていてもよい。
【0015】
図4〜図7は、ザップダイオードを構成する半導体領域の種々の組み合わせによる構成およびそのシンボルを示す図である。図4に示す構成のザップダイオード51は標準的なPNダイオード構造のものであり、PN接合部を一つ有する。図5に示す構成のザップダイオード52は図1〜図3に示すザップダイオードで用いたNPN構造のものである。図6に示す構成のザップダイオード53は図1〜図3に示すザップダイオードとは逆の構成となるPNP構造のものである。NPNおよびPNPのいずれの構造でもPN接合部を2つ有する。
【0016】
図7に示す構成のザップダイオード54はP+半導体領域とN+半導体領域を2個ずつ交互に配置したPNPN構造のものであり、PN接合部を3つ有する。図4〜図7に示すいずれの構成においても、PN接合部は層間絶縁膜36を介して金属膜39により覆われる。なお、図5〜図7に示すいずれの構成においても、2端子という意味でダイオードと呼ぶことにする。
【0017】
ところで、図1には現われていないが、半導体基板31にはザップダイオード以外にたとえばMOSトランジスタやバイポーラトランジスタやIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、あるいは抵抗やコンデンサなどの他の半導体素子よりなる回路要素が形成されている。これらの半導体素子はたとえば制御回路などを構成しており、ザップダイオードは制御回路やその回路要素に接続されている。
【0018】
図8に示すように、ザップダイオード5が回路又は回路要素6に並列に接続された分枝においては、ザップダイオード5の降伏電圧以下の電源電圧に対しては、ザップダイオード5の分枝は働かない。しかし、ザップダイオード5に降伏電圧以上の逆バイアス電圧を印加してザップダイオード5を短絡すると、ザップダイオード5の分枝が働いて回路又は回路要素6は短絡された状態となる。
【0019】
また、図9に示すように、ザップダイオード5が回路又は回路要素6に直列に接続されている場合、ザップダイオード5の降伏電圧以下の電源電圧に対しては、回路又は回路要素6は接続されていないことになる。ザップダイオード5を短絡させると、回路又は回路要素6が動作するようになる。
【0020】
上述した実施の形態1によれば、ザップダイオードが層間絶縁膜36を介して金属膜39により覆われているため、ザップダイオードに降伏電圧以上の逆バイアス電圧を印加してPN接合を破壊する際に破裂破壊が起こってもザップダイオードはその上の金属膜39により短絡して抵抗となる。したがって、低い抵抗値で安定した特性を有するザップダイオードを備えた半導体装置が得られる。
【0021】
また、実施の形態1においてザップダイオードをNPN構造またはPNP構造とすれば、降伏電圧以下であればザップダイオードはいずれの方向の電圧も阻止するので接続されていないのと同じである。したがって、周囲の回路又は回路要素6に影響を及ぼさないという利点がある。また、いずれの方向の電圧によってもザップ可能であるという利点がある。また、実施の形態1においてザップダイオードをPNPN構造にすれば、より高い降伏電圧のザップダイオードが得られる。
【0022】
また、実施の形態1によれば、ザップダイオードのPN接合部の幅aがコンタクト部41,42の幅Aよりも狭いため、配線およびコンタクト部41,42の抵抗が小さくなり、PN接合部にエネルギーが集中し易くなる。それによって、小さなエネルギーでも容易にザップが可能なザップダイオードを備えた半導体装置が得られる。
【0023】
実施の形態2.
図10は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置のザップダイオードの構成を示す縦断面図である。実施の形態2においても実施の形態1と同様に、半導体基板71の上に絶縁膜72を介してN+カソード領域73、P+アノード領域74およびN+カソード領域75が形成されており、両端のN+カソード領域73,75に層間絶縁膜76を介して金属電極77,78が接続されている。そして、実施の形態2では、層間絶縁膜76上には、第1のN+カソード領域73とP+アノード領域74とのPN接合部、およびP+アノード領域74と第2のN+カソード領域75とのPN接合部を覆う金属膜79が、他の電極から独立して設けられている。つまり、実施の形態2では金属膜79は第1の金属電極77および第2の金属電極78のいずれとも絶縁されている。
【0024】
なお、実施の形態2におけるザップダイオードの平断面構成、ザップダイオードを構成する半導体領域の種々の組み合わせによる構成、ザップダイオードと制御回路やその回路要素との接続形態については実施の形態1と同じであるので、説明を省略する。この実施の形態2によれば、実施の形態1と同様に、ザップ後に低い抵抗値で安定した特性を有するザップダイオードを備えた半導体装置が得られる。
【0025】
以上において本発明は種々変更可能である。たとえば、ザップダイオードを構成する半導体領域の種々の組み合わせに関し、合計で5つ以上のP+半導体領域とN+半導体領域とを交互に並べた構成としてもよい。
【0026】
【発明の効果】
本発明によれば、ザップダイオードに降伏電圧以上の逆バイアス電圧を印加してPN接合を破壊する際に破裂破壊が起こってもザップダイオードはPN接合部上の金属膜により短絡して抵抗となるため、低い抵抗値で安定した特性を有し、かつ絶縁膜を介して半導体基板上に形成されたザップダイオードを備えた半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置のザップダイオードの構成を示す縦断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置のザップダイオードの平面構成を示す平断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置のザップダイオードの平面構成の他の例を示す平断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置のザップダイオードを構成する半導体領域の組み合わせによる構成およびそのシンボルの一例を示す図である。
【図5】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置のザップダイオードを構成する半導体領域の組み合わせによる構成およびそのシンボルの一例を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置のザップダイオードを構成する半導体領域の組み合わせによる構成およびそのシンボルの一例を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置のザップダイオードを構成する半導体領域の組み合わせによる構成およびそのシンボルの一例を示す図である。
【図8】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置においてザップダイオードとその他の回路等との基本的な接続形態の一例を示すブロック図である。
【図9】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置においてザップダイオードとその他の回路等との基本的な接続形態の他の例を示すブロック図である。
【図10】本発明の実施の形態2にかかる半導体装置のザップダイオードの構成を示す縦断面図である。
【図11】従来のザップダイオードの構成を示す縦断面図である。
【図12】図11に示すザップダイオードのザップ後の様子を概念的に示す縦断面図である。
【図13】従来のザップダイオードの別の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
5,51〜54 ザップダイオード
6 回路又は回路要素
31,71 半導体基板
32,72 絶縁膜
33,35 N型半導体領域(N+カソード領域)
34 P型半導体領域(P+アノード領域)
36,76 層間絶縁膜
37,38,77,78 金属電極
39,79 金属膜
41,42 コンタクト部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device in which a zap diode is provided on the same substrate together with various semiconductor elements.
[0002]
[Prior art]
There is a case where it is desired to adjust circuit elements such as resistance in the semiconductor device after the process of the semiconductor device is completed. As one of countermeasures in such a case, there is a so-called Zener Zap method in which a diode is provided in parallel with a resistor and short-circuited by application of high energy (Fuji Time Report Vol. 67, No. 2, page 107, 1994). (Issued February 10, 2013). A zap diode is an element used in this zener zap.
[0003]
FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing a conventional zap diode formed in a diffusion layer. As shown in FIG. 11, in the zap diode, a P − well region 12 is formed in the surface layer of the N − semiconductor layer 11, and a P + anode region 13 and an N + cathode region 14 are formed in the P − well region 12. In addition, the
[0004]
In the zap diode having the above-described configuration, the P − well region 12 is often used in common with a diffusion region forming a control circuit and set as a power supply line or a GND line of the control circuit. For this reason, since one potential of the zap diode is set to the power supply potential or the ground potential, the formation position thereof is limited. In addition, a parasitic thyristor may be formed by the zap diode, which causes a problem such as latch-up.
[0005]
Therefore, the present inventor previously proposed that a zap diode be formed on a semiconductor substrate via an insulating film (Japanese Patent Laid-Open No. 11-297846). FIG. 13 shows the longitudinal sectional structure of this zap diode. As shown in FIG. 13, in the zap diode, an
[0006]
According to this configuration, since the zap diode is insulated from the semiconductor substrate, there is an advantage that the formation position is free. Further, there is an advantage that the configuration is simple and the zap diode can be set to an intermediate potential other than the power supply potential and the GND potential. Furthermore, there is an advantage that parasitic operation can be suppressed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, as a result of subsequent studies by the present inventors, when a zap diode is formed on an insulating film on a semiconductor substrate, a rupture failure occurs when the PN junction is broken, and the resistance value increases or becomes open. It has been found that there is a drawback that later properties are not stable.
[0008]
The present invention has been made in view of the above problems, and a semiconductor device in which a zap diode having stable characteristics after zapping is formed on a substrate on which another semiconductor element is formed via an insulating film. The purpose is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention forms a zap diode through an insulating film on a semiconductor substrate on which another semiconductor element is formed, and forms an interlayer insulating film on the zap diode. By laminating a metal film on the interlayer insulating film, the PN junction portion of the zap diode is covered with the metal film. According to the present invention, when a reverse bias voltage equal to or higher than the breakdown voltage is applied to the zap diode, the PN junction is destroyed, but even if rupture breakdown occurs at that time, the zap diode is short-circuited by the metal film on the PN junction. And become resistance. In addition, it is considered that by covering the zap diode with a metal film, the metal film covering the zap diode functions as a heat sink, thereby suppressing burst destruction by relaxing the concentration of heat.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a zap diode of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, an
[0011]
An interlayer
[0012]
On the
[0013]
FIG. 2 is a plan sectional view showing a configuration of a zap diode of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, each width of the PN junction between the first N + cathode region 33 and the P + anode region 34 and the PN junction between the P + anode region 34 and the second N + cathode region 35. a represents the
[0014]
In the example shown in FIG. 2, the first and second N + cathode regions 33 and 35 extend uniformly to the vicinity of the
[0015]
FIGS. 4 to 7 are diagrams showing various combinations of semiconductor regions constituting the zap diode and their symbols. The
[0016]
The
[0017]
By the way, although not shown in FIG. 1, the
[0018]
As shown in FIG. 8, in the branch in which the
[0019]
Further, as shown in FIG. 9, when the
[0020]
According to the first embodiment described above, since the zap diode is covered with the
[0021]
In the first embodiment, if the zap diode has an NPN structure or a PNP structure, the zap diode blocks the voltage in any direction as long as it is lower than the breakdown voltage. Therefore, there is an advantage that the surrounding circuit or the
[0022]
Further, according to the first embodiment, since the width a of the PN junction portion of the zap diode is narrower than the width A of the
[0023]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a zap diode of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the N + cathode region 73, the P + anode region 74 and the N + cathode region 75 are formed on the
[0024]
In addition, the cross-sectional configuration of the zap diode in the second embodiment, the configuration by various combinations of semiconductor regions constituting the zap diode, and the connection configuration between the zap diode and the control circuit and its circuit elements are the same as in the first embodiment. Since there is, description is abbreviate | omitted. According to the second embodiment, as in the first embodiment, a semiconductor device including a zap diode having a stable characteristic with a low resistance value after zapping is obtained.
[0025]
In the above, the present invention can be variously changed. For example, regarding various combinations of semiconductor regions constituting the zap diode, a total of five or more P + semiconductor regions and N + semiconductor regions may be alternately arranged.
[0026]
【The invention's effect】
According to the present invention, even if a burst breakdown occurs when a reverse bias voltage higher than the breakdown voltage is applied to the zap diode to break the PN junction, the zap diode is short-circuited by the metal film on the PN junction to become a resistance. Therefore, a semiconductor device having a stable characteristic with a low resistance value and having a zap diode formed on a semiconductor substrate via an insulating film can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a zap diode of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a plan sectional view showing a planar configuration of a zap diode of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a plan sectional view showing another example of the planar configuration of the zap diode of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a configuration of a combination of semiconductor regions constituting a zap diode of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and its symbol;
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a configuration of a combination of semiconductor regions constituting a zap diode of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and its symbol;
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a configuration of a combination of semiconductor regions constituting a zap diode of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and its symbol;
FIG. 7 is a diagram showing an example of a configuration by a combination of semiconductor regions constituting a zap diode of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and its symbol;
FIG. 8 is a block diagram showing an example of a basic connection form between a zap diode and other circuits in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a block diagram showing another example of a basic connection form between a zap diode and other circuits in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a zap diode of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a conventional zap diode.
12 is a longitudinal sectional view conceptually showing a state after zapping of the zap diode shown in FIG. 11. FIG.
FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing another configuration of a conventional zap diode.
[Explanation of symbols]
5, 51 to 54
34 P-type semiconductor region (P + anode region)
36, 76
Claims (3)
前記ザップダイオードは、前記半導体基板上に積層された絶縁膜上に設けられており、P型半導体領域およびN型半導体領域からなるPN接合部を有し、少なくとも前記PN接合部が層間絶縁膜を介して当該PN接合部の長手方向に金属膜で覆われていることを特徴とする半導体装置。In a semiconductor device in which a zap diode used for adjustment of circuit elements after completion of a semiconductor process is formed on the same semiconductor substrate together with other semiconductor elements,
The zap diode is provided on an insulating film stacked on the semiconductor substrate, and has a PN junction made up of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region, and at least the PN junction has an interlayer insulating film. The semiconductor device is covered with a metal film in the longitudinal direction of the PN junction .
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