JP4929860B2

JP4929860B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4929860B2
Application number: JP2006162769A
Authority: JP
Inventors: 祥司尾添
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2006-06-12
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-06-12
Also published as: JP2007335474A; US20070285856A1; US7583486B2

Description

本発明は、保護対象としての半導体素子への逆電圧の印加を防止し、当該半導体素子を保護する保護機能を備えた半導体装置に関する。

従来、例えば特許文献１に、逆電圧に対する保護機能を備えた半導体回路が開示されている。この半導体回路は、交換可能な電池等の電源によって駆動される内部回路と、電源から内部回路に供給される電流の向きに対して逆方向となるように、内部回路に並列接続されたショットキーバリアダイオードからなる保護回路とを備える。

従って、電源が内部回路に対して正常に接続されている場合には、ショットキーバリアダイオードに電流が流れることがない。一方、内部回路に流れる電流の方向が逆になるように電源が接続された場合、ショットキーバリアダイオードに順方向電流が流れて、内部回路が保護される。このように保護回路としてショットキーバリアダイオードを用いることで、電源が正常に接続されている場合における、保護回路による消費電力の低減を図っている。
特開２００３−１２４３２４号公報

上述した特許文献１のように、保護対象の回路（内部回路）に流れる電流の向きに対して逆方向に保護ダイオード（ショットキーバリアダイオード）を並列接続すると、その回路に対する逆電圧の印加を防止することができる。

しかしながら、例えば、静電気の放電などによって、瞬間的に保護ダイオードの降伏電圧を超える電圧が保護ダイオードに対して逆方向に印加されると、保護ダイオードの特性が変化したり、もしくは保護ダイオードが破損したりして、所望の保護機能が発揮されなくなる可能性がある。このため、保護ダイオードを用いる場合には、この保護ダイオードによる保護機能が確実に維持されるような対策を取ることが望まれる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、保護ダイオードに対して逆方向に電圧が印加される状況が生じた場合であっても、保護ダイオードによる保護機能を維持することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の半導体装置は、
逆電圧の印加から保護すべき保護対象としての、順方向における電流値と電圧値との関係が温度に応じて変化する感温ダイオードと、
前記感温ダイオードと並列に接続され、前記感温ダイオードへの前記逆電圧の印加方向を順方向とする保護ダイオードと、
前記保護ダイオードと並列に接続され、前記保護ダイオードに降伏電圧よりも大きい逆電圧が印加されたときに、その逆電圧により充電されるコンデンサとを備えることを特徴とする。

請求項１に記載の半導体装置は、保護対象としての感温ダイオードに並列に接続され、当該感温ダイオードへの逆電圧の印加方向を順方向とする保護ダイオードを備えている。このため、上述した従来技術と同じように、保護対象としての感温ダイオードへの逆電圧の印加を防止して、当該感温ダイオードを保護することができる。

さらに、請求項１に記載の半導体装置は、保護ダイオードに対して並列に接続されたコンデンサを備える。このため、静電気の放電などによって、保護ダイオードの降伏電圧を超える電圧が保護ダイオードに対して逆方向に印加される状況が生じても、その電圧は、瞬間的にコンデンサへの充電によって吸収される。従って、保護ダイオードに対して降伏電圧を超える逆方向電圧の印加を抑制して、保護ダイオードの特性の変化や破損を防止することができ、保護ダイオードによる保護機能を維持することができる。

請求項２に記載したように、前記感温ダイオード、前記保護ダイオード、及び前記コンデンサは、ＳＯＩ基板に形成され、少なくとも前記保護ダイオードは、ＳＯＩ基板に形成されたトレンチ内の絶縁膜によって絶縁分離された領域に形成されることが好ましい。

半導体基板内において素子領域を絶縁分離する技術としては、ＰＮ接合分離も知られている。しかしながら、ＰＮ接合分離を用いた場合、隣接した素子領域に過大な電圧が印加されると、ＰＮ接合による分離部が降伏したり、その分離部から空乏層が伸びたりして、保護ダイオードの動作に影響を及ぼす可能性がある。さらに、過大な電圧が印加されなくとも、分離部のＰＮ接合との寄生動作によって保護ダイオードの特性が変化してしまう可能性もある。

その点、請求項２に記載したように、ＳＯＩ基板内の絶縁層に達するトレンチを形成し、そのトレンチ内の絶縁膜によって絶縁分離された領域に保護ダイオードを形成すれば、周囲の領域とは電気的に完全に分離することができるので、保護ダイオードによる保護機能を充分に発揮させることができる。

また、請求項３に記載したように、前記保護ダイオードは、基板の表面に形成された絶縁膜上に配置された多結晶シリコン層に、選択的に不純物を注入して形成されても良い。このような保護ダイオードも、請求項２の保護ダイオードと同様に、周囲からの影響を受けることなく保護ダイオードとしての動作を行うことができるので、充分な保護機能を発揮することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による半導体装置における等価回路を示す回路図である。

図１に示すように、本実施形態による半導体装置は、温度検出素子として機能する感温ダイオード１０を備えている。この感温ダイオード１０は、順方向における電流値と電圧値との関係が温度に応じて変化する温度特性を有している。感温ダイオード１０には、図示しない定電流源からの定電流が順方向に流れるように、定電流源が接続されている。従って、定電流が順方向に流されているときの感温ダイオード１０における電圧降下の変動を、図示しないコンパレータ等を用いて判定することにより、感温ダイオード１０の周囲の温度を検出することができる。

このような感温ダイオード１０と並列に、かつ当該感温ダイオード１０の順方向が逆方向となる向きに保護ダイオード２０が接続されている。この保護ダイオード２０の降伏電圧Ｖｚは感温ダイオード１０の順方向における立上り電圧Ｖｆよりも大きな値に設定されている。このため、感温ダイオード１０の順方向に電圧が生じたとき、感温ダイオード１０が先にオンするので、基本的に、電流は感温ダイオード１０のみを流れ、保護ダイオード２０を流れることはない。

一方、静電気などの放電によって、感温ダイオード１０に対し、その感温ダイオード１０の降伏電圧Ｖｚを超えるような逆方向電圧が印加された場合には、その逆方向電圧によって保護ダイオード２０がオンし、保護ダイオード２０に順方向電流が流れる。これにより、感温ダイオード１０に過大な逆方向電圧が印加されて、感温ダイオード１０の電流電圧特性が変化したり、感温ダイオード１０が破損してしまうことを防止できる。

本実施形態による半導体装置は、さらに、上述した保護ダイオード２０と並列に接続されたコンデンサ３０を備えている。

上述したような静電気の放電による電圧は、保護ダイオード２０の逆方向に印加されることも考えられる。この場合、感温ダイオード１０に順方向電流が流れるが、その電圧によって感温ダイオード１０がオンするまでには僅かではあるが時間的な遅れが生じる。このため、降伏電圧Ｖｚを超える過大な電圧が、僅かな時間ではあるが、保護ダイオード２０に印加される恐れがある。

そこで、本実施形態においては、保護ダイオード２０に対して並列にコンデンサ３０を接続した。このため、静電気の放電などによって、保護ダイオード２０の降伏電圧Ｖｚを超える電圧が保護ダイオード２０に対して逆方向に印加される事態が生じても、その電圧は、瞬間的にコンデンサ３０への充電によって吸収される。従って、僅かな時間とはいえ、保護ダイオード２０に対する降伏電圧Ｖｚを超える過大な逆方向電圧の印加を抑制して、保護ダイオード２０の特性の変化や破損を防止することができ、保護ダイオード２０による保護機能を維持することができる。

なお、このコンデンサ３０は、感温ダイオード１０に対して逆方向電圧が生じたときにも、その逆方向電圧を吸収するように作用するので、感温ダイオード１０に過大な逆方向電圧が印加されることも抑制できる。

次に、感温ダイオード１０、保護ダイオード２０、及びコンデンサ３０を半導体基板に形成した場合の具体的な構造について説明する。

図２（ａ）は、感温ダイオード１０の構造を示す断面図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）における感温ダイオード１０を上方からみた平面図である。図２（ａ）に示すように、感温ダイオード１０は、支持基板１上に、例えば酸化ケイ素膜などの絶縁層２を介してｐ^-型の活性層３が配置されたＳＯＩ基板１００に形成されている。

感温ダイオード１０は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、活性層３の表層部において交互に矩形状に形成されたｐ⁺型層１１及びｎ⁺型層１２及びを有している。また、感温ダイオード１０の順方向におけるｎ⁺型層１２からｐ⁺型層１１への電流の導通を確保するために、ｐ⁺型層１１とｎ⁺型層１２とを接続する接続電極１４を備えている。さらに、一方の端部に配置されたｐ⁺型層１１に接触するように一方の電極１３ａが形成され、他方の端部に配置されたｎ⁺型層１２に接触するように他方の電極１３ｂが形成されている。これら一方及び他方の電極１３ａ，１３ｂと接続電極１４は、例えばアルミニウムからなり、酸化膜などの絶縁膜７に設けた開口部を介して、上述したｐ⁺型層１１及び／又はｎ⁺型層１２と電気的に導通接触している。

ＳＯＩ基板１００の活性層３には、絶縁層２に達するようにトレンチ４が形成され、そのトレンチ４の側壁には絶縁膜５が形成されている。この絶縁膜５として、例えば熱酸化、ＣＶＤあるいはスパッタ等によって形成可能な酸化ケイ素膜を用いることができる。また、その絶縁膜５としては、窒化ケイ素膜を用いることも可能であるし、酸化ケイ素膜と窒化ケイ素膜との複合膜であっても良い。なお、トレンチ４の側壁に絶縁膜５を形成した後には、トレンチ４の中央に残される空洞部を、例えば多結晶シリコン６によって埋め戻し、基板１００の平坦性を確保しておく。

以上のように、感温ダイオード１０が形成された領域は、ＳＯＩ基板１００内の絶縁層２及びこの絶縁層２に達するトレンチ４の側壁に形成された絶縁膜５によって、周囲の領域とは電気的に完全に分離されている。このように絶縁分離されたれた領域に感温ダイオード１０を形成すれば、周囲の領域における電位などによって、感温ダイオード１０の動作が影響を受けることを防止できる。従って、感温ダイオード１０により、高精度な温度検出を行うことができる。

次に、この感温ダイオード１０の製造方法の一例について簡単に説明する。

最初に、支持基板１、絶縁層２および活性層３からなるＳＯＩ構造の半導体基板１００を準備する。次に、活性層３上にフォトレジスト膜を形成し、ｐ⁺型層１１の形成領域において所定の開口部を有するようにパターニングする。次に、このフォトレジスト膜をマスクとして、例えばボロン（Ｂ）をイオン注入し、ｐ⁺型層１１を活性層３の表層に選択的に形成する。同様にして、別位置に所定の開口部を有するフォトレジスト膜マスクを形成し、例えばリン（Ｐ）をイオン注入し、ｎ⁺型層１２を活性層３の表層に選択的に形成する。

次に、例えば、トレンチ形成領域に開口部を有する窒化ケイ素膜を形成し、この窒化ケイ素膜をマスクとして、活性層３をドライエッチングし、絶縁層２に達するトレンチ４を形成する。そして、例えばＣＶＤ法により、トレンチ４の側壁に絶縁膜５として酸化ケイ素膜を形成する。次いで、例えばＣＶＤ法により、多結晶シリコン６を堆積して、トレンチ４の中央の空洞部を埋め戻す。

次に、上述した電極１３ａ，１３ｂ，１４の形成領域を覆うパターンを有する窒化ケイ素膜を形成し、この窒化ケイ素膜をマスクとして、活性層３を熱酸化させる。これによって、厚い絶縁膜７が活性層３の表面に選択的に形成される。次いで、窒化ケイ素膜を除去した後、電極１３ａ，１３ｂ，１４等を形成する。

以上のようにして、図２（ａ）、（ｂ）に示す感温ダイオード１０を形成することができる。

次に、図３（ａ），（ｂ）に基づいて、保護ダイオード２０の構造について説明する。なお、図３（ａ）は、保護ダイオード２０の構造を示す断面図である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の保護ダイオード２０を上方からみた平面図である。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、保護ダイオード２０は、活性層３の表層部に形成されるｐ⁺型層２１及びｎ⁺型層２２の数が異なる点を除き、感温ダイオード１０と同様の構成を有している。すなわち、保護ダイオード２０は、活性層３の表層部に形成されたｐ⁺型層２１及びｎ⁺型層２２と、これらｐ⁺型層２１及びｎ⁺型層２２に電気的に接続された電極２３ａ，２３ｂを有している。

さらに、保護ダイオード２０の形成領域も、ＳＯＩ基板１００内の絶縁層２及びこの絶縁層２に達するトレンチ４の側壁に形成された絶縁膜５によって、周囲の領域とは電気的に完全に分離されている。このように絶縁分離されたれた領域に保護ダイオード２０を形成することで、周囲の領域における電位などによる影響を受けることなく、保護ダイオード２０に感温ダイオード１０の保護機能を充分に発揮させることができる。

次に、図４に基づいて、コンデンサ３０の構造について説明する。図４に示すように、コンデンサ３０は、トレンチ４によって絶縁分離された活性層３の絶縁膜７上に形成される。

コンデンサ３０は、多結晶シリコン等の導電性物質からなる一対の下部電極３１及び上部電極３４を備えている。この一対の下部電極３１及び上部電極３４の間には、誘電体として機能する層間絶縁膜（例えば酸化ケイ素膜）３２が設けられる。また、コンデンサ３０は、上部電極３４などを覆うように形成された上部絶縁膜３５を有する。さらに、層間絶縁膜３２及び上部絶縁膜３５に形成された開口部３２ａ，３５ａを介して、それぞれ一対の下部電極３１及び上部電極３４に電気的に接続する配線層３３，３６を有する。このような構成により、ＳＯＩ基板１００上にコンデンサ３０を形成することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができる。

例えば、上述した実施形態においては、感温ダイオード１０及び保護ダイオード２０をＳＯＩ基板１００の活性層３、つまり単結晶シリコン層に形成する例について説明したが、それらのダイオード１０，２０を多結晶シリコン層に形成しても良い。感温ダイオード１０を多結晶シリコン層に形成する例について、図５に基づいて説明する。

感温ダイオード１０を多結晶シリコン層に形成する場合には、まず、半導体基板２０１の主表面上に絶縁膜２０２を形成する。そして、この絶縁膜２０２上に、多結晶シリコンを例えばＣＶＤ法により堆積させ、エッチングによりこの多結晶シリコンを矩形状にパターニングする。

次に、パターニングされた多結晶シリコンの表面に熱酸化膜を形成する。そして、レジスト塗布、露光処理、レジストの選択的除去、及びイオン注入という一連の工程をそれぞれ行い、多結晶シリコン内にｐ^＋型層２０３及びｎ^＋型層２０４を形成する。尚、ｐ^＋型層２０３及びｎ^＋型層２０４の各領域は、縦長の方形状に、交互に隣接される状態で形成される。

次に、すように、多結晶シリコン上に層間絶縁層２０５を形成すると共に、この層間絶縁層２０５に開口部を形成して、一対の電極２０６ａ，２０６ｂ及び接続電極２０７を形成する。

このようにすれば、図５に示すように、半導体基板２０１上において、多結晶シリコン層を用いた感温ダイオード１０を形成することができる。この感温ダイオード１０も、半導体基板２０１の主表面を覆う絶縁膜２０２上に形成されるので、他の領域や素子からの影響を受けずに動作することが可能である。

また、上述した実施形態においては、逆電圧の印加から保護すべき保護対象として感温ダイオードを例示したが、トランジスタ素子を保護対象としても良い。

本実施形態による半導体装置における等価回路を示す回路図である。（ａ）は、感温ダイオード１０の構造を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）における感温ダイオード１０を上方からみた平面図である。（ａ）は、保護ダイオード２０の構造を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の保護ダイオード２０を上方からみた平面図である。コンデンサ３０の構造を示す断面図である。実施形態の変形例による感温ダイオードの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０感温ダイオード
２０保護ダイオード
３０コンデンサ
１００ＳＯＩ基板

Claims

逆電圧の印加から保護すべき保護対象としての、順方向における電流値と電圧値との関係が温度に応じて変化する感温ダイオードと、
前記感温ダイオードと並列に接続され、前記感温ダイオードへの前記逆電圧の印加方向を順方向とする保護ダイオードと、
前記保護ダイオードと並列に接続され、前記保護ダイオードに降伏電圧よりも大きい逆電圧が印加されたときに、その逆電圧により充電されるコンデンサと
を備えることを特徴とする半導体装置。
前記感温ダイオード、前記保護ダイオード、及び前記コンデンサは、ＳＯＩ基板に形成され、
少なくとも前記保護ダイオードは、ＳＯＩ基板に形成されたトレンチ内の絶縁膜によって絶縁分離された領域に形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記保護ダイオードは、基板の表面に形成された絶縁膜上に配置された多結晶シリコン層に、選択的に不純物を注入して形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。