JP4795613B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐圧素子を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、ICの電源端子には低インピーダンスが要求される。そのため、ICの電源端子に、静電破壊対策やノイズ対策用の保護抵抗を挿入することができない。そこで、従来より、静電破壊対策やノイズ対策として、基板に電荷を逃がすための保護ダイオードなどが設けられている。この構成はパワーICにおいても同様である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パワーICでは電源端子に高電圧が印加されるため、保護ダイオードとして特別に高耐圧ダイオードを作製しなければならないという問題点がある。
【0004】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、パワーICの高電圧が印加される電源端子に対して、静電破壊対策やノイズ対策用の高耐圧の保護ダイオードを特別な製造工程を追加することなく設けることができる構成の半導体装置を提供することを目的とする。
【0005】
【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においては、第1導電型の半導体基板内に、電源端子に電気的に接続される第2導電型のウェルを形成し、このウェル内に第2導電型のチャネルストッパー領域を形成するとともに、ウェルの外側に第1導電型の基板ピックアップ領域を形成する。そして、この基板ピックアップ領域とチャネルストッパー領域との間隔を、ウェルと基板とにより構成される寄生ダイオードの耐圧が定格電圧以上で、かつウェル内に作製した高耐圧素子の耐圧以下となるような間隔に設定する。
【0006】
この発明によれば、ウェル内に形成されたチャネルストッパー領域と、ウェルの外側に形成された基板ピックアップ領域とが、ウェルと基板とにより構成される寄生ダイオードの耐圧が定格電圧以上で、かつウェル内に作製した高耐圧素子の耐圧以下となるような間隔で離れ、ウェルと基板との間の寄生ダイオードの耐圧が定格電圧以上で、かつ高耐圧素子の耐圧以下となる。
【0007】
【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。なお、以下の各実施の形態においては、第1導電型をP型とし、第2導電型をN型として説明するが、本発明は、第1導電型がN型で、第2導電型がP型の場合にも適用可能である。
【0008】
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要部を示す平面図であり、図2は図1のA−Aにおける縦断面図である。なお、図1および図2においてゲート電極を二点鎖線で示し、また、絶縁膜、コンタクト部およびその他の電極等については、図1では省略し、図2では二点鎖線で示す。また、図3は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の構成を示す回路図である。
【0009】
P型半導体よりなる基板11の主面側にN型のウェル12が形成されている。このウェル12内の、ウェル12の周囲には、ウェル12よりも不純物濃度が高いN型のチャネルストッパー領域13が形成されている。チャネルストッパー領域13は、例えば図1に示すように、ウェル12内の、ウェル12の周囲に環状に形成されている。また、ウェル12の外側で、基板11の表面には、基板11よりも不純物濃度が高いP型の基板ピックアップ領域14がチャネルストッパー領域13と対向するように形成されている。基板ピックアップ領域14は、例えば図1に示すようにウェル12の外側に環状に形成されている。
【0010】
チャネルストッパー領域13の内側には、P型のオフセットドレイン領域15が形成されている。このオフセットドレイン領域15内にはP型のドレイン領域16が形成されている。また、チャネルストッパー領域13の内側には、オフセットドレイン領域15から少し離れてP型のソース領域17が形成されている。オフセットドレイン領域15とソース領域17との間の表面上にはゲート絶縁膜18が形成され、さらにその上にゲート電極19が形成される。また、オフセットドレイン領域15の表面上には電界緩和用の厚い酸化膜、すなわちLOCOS酸化膜20が形成される。
【0011】
チャネルストッパー領域13および基板ピックアップ領域14には、それぞれ層間絶縁膜21を貫通するコンタクト部を介して第1の金属電極22および第2の金属電極23が電気的に接続する。第1の金属電極22はソース電極を兼ねており、ソース領域17に電気的に接続する。また、ドレイン領域16には、LOCOS酸化膜20および層間絶縁膜21を貫通するコンタクト部を介してドレイン電極24が電気的に接続する。
【0012】
以上のように構成された高耐圧PMOSFET1では、図3に示すように、ソース端子となるソース電極、すなわち第1の金属電極22が電源ライン2を介して図示しない電源端子に電気的に接続される。したがって、ウェル12は電源ライン2を介して図示しない電源端子に電気的に接続される。第2の金属電極23は接地されるため、ウェル12と基板11との間には、基板11をアノードとし、ウェル12をカソードとする寄生ダイオード3が生じることになる。ドレイン端子となるドレイン電極24は負荷4に接続されるとともに図示しない内部回路に適宜接続される。ゲート端子となるゲート電極19は図示しない電源制御回路等に適宜接続される。
【0013】
ここで、基板ピックアップ領域14とチャネルストッパー領域13との間隔は、寄生ダイオード3の耐圧が定格電圧以上で、かつ高耐圧PMOSFET1の耐圧以下となるように設定される。一例として、高耐圧PMOSFET1の耐圧が70Vの場合には、マスク上の寸法で基板ピックアップ領域14とウェル12との間隔を6μmとし、かつチャネルストッパー領域13の、ウェル12の端(ウェル端)からのアンダーサイズを2μmに縮小するのがよい。このようにすると、ウェル12と基板11との間の耐圧が、高耐圧PMOSFET1の耐圧(70V)よりも低い60Vとなる。したがって、静電気やノイズなどの正のバイアスが電源端子に印加されると、ウェル12と基板11との間でブレークダウンが発生して電荷が吸収される。なお、このときの寄生ダイオード3の耐圧が定格電圧以上であるのはいうまでもない。
【0014】
また、たとえば電源電圧の定格が30Vの場合には、マスク上の寸法で基板ピックアップ領域14とウェル12との間隔を2μmとし、かつチャネルストッパー領域13の、ウェル12の端(ウェル端)からのアンダーサイズを0μmとしてもよい。このようにすれば、ウェル12と基板11との間の耐圧を35Vに設定することができる。この値は、電源電圧30Vをばらつきを考慮して保証することができる最小値に相当する。
【0015】
このように、基板表面にブレークダウンポイントを形成することによって、基板ピックアップ領域14とウェル12との距離、基板ピックアップ領域14とチャネルストッパー領域13との距離、ウェル12とチャネルストッパー領域13との距離に応じて高耐圧PMOSFET1の周辺耐圧を変えることができるので、電源定格電圧に応じて高耐圧PMOSFET1の周辺耐圧を最適化することが可能となる。図4は、チャネルストッパー領域13と基板ピックアップ領域14との間の等電位線を表す図であり、図5は、図4に示す半導体装置n+のチャネルストッパー領域−P+基板ピックアップ領域間距離と耐圧との関係を示す特性図である。
【0016】
上述した実施の形態1によれば、チャネルストッパー領域13と基板ピックアップ領域14とが、ウェル12と基板11とにより構成される寄生ダイオード3の耐圧が定格電圧以上で、かつ高耐圧PMOSFET1の耐圧以下となるような間隔で離れるので、その寄生ダイオード3の耐圧が定格電圧以上で、かつ高耐圧PMOSFET1の耐圧以下となる。したがって、静電気やノイズなどが電源端子に印加されると、ウェル12と基板11との間でブレークダウンが発生し、それによって電荷が吸収されるので、内部高耐圧PMOSFETや高耐圧PMOSFETに接続されている他の素子、あるいは他の電源端子に接続されている素子などの破壊を防止することができる。
【0017】
また、上述した実施の形態1によれば、ブレークダウンを起こすためのダイオードとして寄生ダイオード3を利用している。そのため、特別な製造プロセスを追加したり、特別なダイオードを追加したりせずに済む。
【0018】
また、上述した実施の形態1によれば、高耐圧PMOSFET1の周囲の耐圧、すなわちウェル12と基板11とにより構成される寄生ダイオード3の耐圧は、従来、高耐圧PMOSFET1の耐圧よりも高いのが一般的であるが、この寄生ダイオード3の耐圧を高耐圧PMOSFET1の耐圧よりも低くするため、チャネルストッパー領域13と基板ピックアップ領域14との間隔が従来よりも小さくなる。したがって、高耐圧PMOSFET1のサイズが小さくなり、この高耐圧PMOSFET1を搭載したチップのサイズも縮小される。
【0019】
なお、図6に示すように、ウェル12内に作製される高耐圧素子は、図2に示す高耐圧PMOSFET1の構成に、ソース領域17を囲むようにN型のベース領域25を設けた高耐圧PDMOS構造となっていてもよい。
【0020】
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の要部を示す縦断面図であり、同図においては絶縁膜、コンタクト部および電極等を二点鎖線で示す。また、図8は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の構成を示す回路図である。
【0021】
P型半導体よりなる基板51の主面側にコレクタ領域となるN型のウェル52が形成されている。このウェル52内の、ウェル52の周囲には、ウェル52よりも不純物濃度が高く、コレクタピックアップ領域を兼ねるN型のチャネルストッパー領域53が形成されている。ウェル52の外側で、基板51の表面には、基板51よりも不純物濃度が高いP型の基板ピックアップ領域54がチャネルストッパー領域53と対向するように形成されている。
【0022】
チャネルストッパー領域53の内側には、P型のベース領域55が形成されている。このベース領域55内にはN型のエミッタ領域56が形成されている。また、ベース領域55内には、エミッタ領域56から離れてP型のベースピックアップ領域57が形成されている。ベース領域55の表面上には電界緩和用の厚い酸化膜、すなわちLOCOS酸化膜60が形成される。
【0023】
チャネルストッパー領域53および基板ピックアップ領域54には、それぞれ層間絶縁膜61を貫通するコンタクト部を介して第1の金属電極62および第2の金属電極63が電気的に接続する。第1の金属電極62はコレクタ電極を兼ねる。また、エミッタ領域56およびベースピックアップ領域57には、それぞれLOCOS酸化膜60および層間絶縁膜61を貫通するコンタクト部を介してエミッタ電極64およびベース電極65が電気的に接続する。
【0024】
以上のように構成された高耐圧NPNトランジスタ5では、図8に示すように、コレクタ端子となるコレクタ電極、すなわち第1の金属電極62が電源ライン2を介して図示しない電源端子に電気的に接続される。したがって、ウェル52は電源ライン2を介して図示しない電源端子に電気的に接続される。第2の金属電極63は接地されるため、ウェル52と基板51との間には、基板51をアノードとし、ウェル52をカソードとする寄生ダイオード7が生じることになる。エミッタ端子となるエミッタ電極64は負荷4に接続されるとともに図示しない内部回路に適宜接続される。ベース端子となるベース電極65は図示しない電源制御回路等に適宜接続される。
【0025】
ここで、基板ピックアップ領域54とチャネルストッパー領域53との間隔は、寄生ダイオード7の耐圧が定格電圧以上で、かつ高耐圧NPNトランジスタ5の耐圧以下となるように設定される。一例として、高耐圧NPNトランジスタ5のエミッタ−コレクタ間耐圧が30Vの場合に、マスク上の寸法で基板ピックアップ領域54とウェル52との間隔を2μmとし、かつチャネルストッパー領域53の、ウェル52の端(ウェル端)からのアンダーサイズを0μmとすると、ウェル52と基板51との間の耐圧が、高耐圧NPNトランジスタ5の耐圧(30V)よりも低い25Vとなる。したがって、静電気やノイズなどの正のバイアスが電源端子に印加されると、ウェル52と基板51との間でブレークダウンが発生して電荷が吸収される。なお、このときの寄生ダイオード7の耐圧が定格電圧以上であるのはいうまでもない。
【0026】
上述した実施の形態2によれば、チャネルストッパー領域53と基板ピックアップ領域54とが、ウェル52と基板51とにより構成される寄生ダイオード7の耐圧が定格電圧以上で、かつ高耐圧NPNトランジスタ5の耐圧以下となるような間隔で離れるので、その寄生ダイオード7の耐圧が定格電圧以上で、かつ高耐圧NPNトランジスタ5の耐圧以下となる。したがって、静電気やノイズなどが電源端子に印加されると、ウェル52と基板51との間でブレークダウンが発生し、それによって電荷が吸収されるので、内部高耐圧NPNトランジスタや高耐圧NPNトランジスタに接続されている他の素子、あるいは他の電源端子に接続されている素子などの破壊を防止することができる。
【0027】
また、上述した実施の形態2によれば、ブレークダウンを起こすためのダイオードとして寄生ダイオード7を利用している。そのため、特別な製造プロセスを追加したり、特別なダイオードを追加したりせずに済む。
【0028】
また、上述した実施の形態2によれば、高耐圧NPNトランジスタ5の周囲の耐圧、すなわちウェル52と基板51とにより構成される寄生ダイオード7の耐圧は、従来、高耐圧NPNトランジスタ5の耐圧よりも高いのが一般的であるが、この寄生ダイオード7の耐圧を高耐圧NPNトランジスタ5の耐圧よりも低くするため、チャネルストッパー領域53と基板ピックアップ領域54との間隔が従来よりも小さくなる。したがって、高耐圧NPNトランジスタ5のサイズが小さくなり、この高耐圧NPNトランジスタ5を搭載したチップのサイズも縮小される。
【0029】
以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々設計変更可能であり、たとえば実施の形態1および実施の形態2において、耐圧や寸法等の数値は一例であり、本発明はこれらの数値に制限されるものではない。
【0030】
【発明の効果】
本発明によれば、ウェル内に形成されたチャネルストッパー領域と、ウェルの外側に形成された基板ピックアップ領域とが、ウェルと基板とにより構成される寄生ダイオードの耐圧が定格電圧以上で、かつウェル内に作製した高耐圧素子の耐圧以下となるような間隔で離れ、ウェルと基板との間の寄生ダイオードの耐圧が定格電圧以上で、かつ高耐圧素子の耐圧以下となる。それによって、静電気やノイズの発生時に高耐圧素子の周囲の寄生ダイオードがブレークダウンして電荷を吸収するので、高耐圧素子を保護することができる。したがって、特別な製造工程を追加することなく、さらには、特別な高耐圧のダイオードを追加することなく、高電圧が印加される電源端子の静電耐量およびノイズ耐量が向上してなる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要部を示す平面図である。
【図2】図1のA−Aにおける縦断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1にかかる半導体装置の構成を示す回路図である。
【図4】実施の形態1においてチャネルストッパー領域と基板ピックアップ領域との間の等電位線を表す図である。
【図5】図4に示す半導体層のチャネルストッパー領域−基板ピックアップ領域間距離と耐圧との関係を示す特性図である。
【図6】実施の形態1の変形例の要部を示す縦断面図である。
【図7】本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の要部を示す縦断面図である。
【図8】本発明の実施の形態2にかかる半導体装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
1 高耐圧PMOSFET(高耐圧素子)
2 電源ライン(電源端子)
3,7 寄生ダイオード
5 高耐圧NPNトランジスタ(高耐圧素子)
11,51 基板
12,52 ウェル
13,53 チャネルストッパー領域
14,54 基板ピックアップ領域
15 オフセットドレイン領域
16 ドレイン領域
17 ソース領域
18 ゲート絶縁膜
19 ゲート電極
20,60 LOCOS酸化膜
22,62 第1の金属電極
23,63 第2の金属電極
24 ドレイン電極
25,55 ベース領域
56 エミッタ領域
57 ベースピックアップ領域
64 エミッタ電極
65 ベース電極

Claims (7)

  1. 第1導電型の半導体基板内に形成された第2導電型のウェルと、
    前記ウェル内に作製された高耐圧素子と、
    前記ウェル内にて前記高耐圧素子の外側の、当該ウェルの端部から離れた領域に形成され、かつ前記ウェルよりも不純物濃度が高い第2導電型のチャネルストッパー領域と、
    前記チャネルストッパー領域と電気的に接続する第1の金属電極と、
    前記ウェルの外側に形成され、かつ前記基板よりも不純物濃度が高い第1導電型の基板ピックアップ領域と、
    を具備し、
    前記高耐圧素子は、互いに離れて形成された第1導電型のソース領域および第1導電型のオフセットドレイン領域と、前記オフセットドレイン領域の表面に形成されたLOCOS酸化膜と、前記オフセットドレイン領域内に形成された第1導電型のドレイン領域と、前記ソース領域と前記オフセットドレイン領域との間の表面上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ソース領域に電気的に接続され、かつ前記第1の金属電極を兼ねるソース電極と、前記ドレイン領域に電気的に接続されたドレイン電極と、を備え、
    前記基板ピックアップ領域は、前記ウェルと前記基板との間の耐圧が定格電圧以上で、かつ前記高耐圧素子の耐圧以下となるように、前記チャネルストッパー領域から離れて設けられ、前記チャネルストッパー領域、前記ウェル、前記基板、および前記基板ピックアップ領域により保護ダイオードが構成されたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1の金属電極に対向するように形成され、かつ前記基板ピックアップ領域を介して前記基板と電気的に接続する第2の金属電極をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ウェルは、回路に電源電圧を供給する電源端子に電気的に接続されることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記ウェル内にて、前記オフセットドレイン領域から離れ、かつ前記ソース領域を囲む第2導電型のベース領域をさらに具備することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。
  5. 第1導電型の半導体基板内に形成された第2導電型のウェルと、
    前記ウェル内に作製された高耐圧素子と、
    前記ウェル内にて前記高耐圧素子の外側の、当該ウェルの端部から離れた領域に形成され、かつ前記ウェルよりも不純物濃度が高い第2導電型のチャネルストッパー領域と、
    前記チャネルストッパー領域と電気的に接続する第1の金属電極と、
    前記ウェルの外側に形成され、かつ前記基板よりも不純物濃度が高い第1導電型の基板ピックアップ領域と、
    を具備し、
    前記高耐圧素子は、前記ウェルをコレクタ領域とし、前記第1の金属電極をコレクタ電極とし、前記チャネルストッパー領域がコレクタピックアップ領域を兼ねて、さらに、前記チャネルストッパー領域の内側に形成された第1導電型のベース領域と、前記ベース領域の表面に形成されたLOCOS酸化膜と、前記ベース領域内に形成され、かつ前記ベース領域よりも不純物濃度が高い第1導電型のベースピックアップ領域と、前記ベース領域内に形成された第2導電型のエミッタ領域と、前記ベースピックアップ領域を介して前記ベース領域と電気的に接続するベース電極と、前記エミッタ領域と電気的に接続するエミッタ電極と、を備え、
    前記基板ピックアップ領域は、前記ウェルと前記基板との間の耐圧が定格電圧以上で、かつ前記高耐圧素子の耐圧以下となるように、前記チャネルストッパー領域から離れて設けられ、前記チャネルストッパー領域、前記ウェル、前記基板、および前記基板ピックアップ領域により保護ダイオードが構成されたことを特徴とする半導体装置。
  6. 前記チャネルストッパー領域は、平面形状が環状であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体装置。
  7. 前記基板ピックアップ領域は、平面形状が環状であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体装置。
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