JP4944460B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、過電圧から回路素子を保護する半導体装置に関する。
従来の半導体装置では、Ｎ型の半導体基板上にＮ型のエピタキシャル層が形成されている。エピタキシャル層に形成されたＮ型の拡散層には、Ｐ型の拡散層が重畳して形成されている。そして、Ｐ型の拡散層上にはアノード電極が形成され、基板裏面にはカソード電極が形成され、両拡散層のＰＮ接合を用いてツェナーダイオードが構成されている。Ｐ型の拡散層の周辺にはＰ型のガード領域が形成され、更に、その外側にもう１つのガード領域が形成されている。両ガード領域に囲まれたエピタキシャル層に接触するように、ショットキーバリア用金属層が形成されている。そして、ショットキーバリア用金属層のシリサイドとエピタキシャル層とでショットキーバリアダイオードが構成されている。従来の半導体装置では、ツェナーダイオードとショットキーバリアダイオードとを並列接続し、素子自体の順方向電圧（Ｖｆ）の低減を実現している（例えば、特許文献１参照。）。
従来の半導体装置では、Ｎ型の半導体領域の表面に高不純物濃度のＰ型の拡散層と、該拡散層の間に低不純物濃度のＰ型の拡散層が形成されている。Ｎ型の半導体領域の表面に形成された電極は、高不純物濃度のＰ型の拡散層とオーミック接触し、低不純物濃度のＰ型の拡散層との間にショットキーバリアを形成している。高不純物濃度のＰ型の拡散層の形成領域では、ＰＮ接合を用いたツェナーダイオードが形成されている。一方、低不純物濃度のＰ型の拡散層の形成領域では、ツェナーダイオードとショットキーバリアとから成るダイオードが形成されている。この構造により、Ｐ型の拡散層からＮ型の半導体領域に注入される自由キャリア（正孔）を少なくし、ＰＮ接合領域近傍に蓄積される自由キャリア（正孔）を低減する。そして、逆回復電流密度を小さくしている（例えば、特許文献２参照。）。
従来のプレーナ型半導体装置では、Ｎ型の半導体領域に形成されたＰ型の半導体領域上面には、アノード電極が形成されている。Ｎ型の半導体領域上面には、アノード電極と接続した導電性フィールドプレートが形成されている。また、Ｎ型の半導体領域上面に形成された等電位リング電極と導電性フィールドプレートとは、抵抗性フィールドプレートで接続している。そして、導電性フィールドプレートと抵抗性フィールドプレートとの境界下部に位置する絶縁膜の膜厚を厚くし、等電位リング電極側の抵抗性フィールドプレートの下部に位置する絶縁膜の膜厚を薄くしている。この構造により、抵抗性フィールドプレートの効果を強くし、導電性フィールドプレートと抵抗性フィールドプレートとの境界下部における空乏層の曲率を小さくする。そして、電界集中し易い領域での耐圧向上を実現している（例えば、特許文献３参照。）。
特開平８−１０７２２２号公報（第２−４頁、第１図）
特開平９−１２１０６２号公報（第５−６頁、第２図）
特開平８−１３０３１７号公報（第３−６頁、第２、４図）
上述したように、従来の半導体装置では、１素子内にツェナーダイオードとショットキーバリアダイオードとを並列接続している。この構造により、順方向電圧（Ｖｆ）はショットキーバリアダイオードの特性が利用され、低電圧駆動を実現できる。しかしながら、ショットキーバリアダイオードでは、主電流はエピタキシャル層を流路とする。そのため、エピタキシャル層での寄生抵抗が大きく、ＯＮ抵抗値を低減できないという問題がある。
また、従来の半導体装置では、ツェナーダイオードにおいて、エピタキシャル層上面に形成されたアノード電極の端部下方にＰ型のガード領域を形成している。同様に、ショットキーバリアダイオードでは、ショットキーバリア用金属層の端部下方にＰ型のガード領域を形成している。この構造により、電界集中し易い領域をＰ型のガード領域で保護している。しかしながら、Ｐ型のガード領域が最外周に配置される構造では、逆バイアスが印加された際に、アノード電極の端部やショットキーバリア用金属層の端部近傍において、空乏層の曲率が変化し易い。特に、空乏層の終端領域近傍に上記端部が配置された場合には、空乏層の曲率変化が大きくなる。その結果、空乏層の曲率変化した領域に電界集中が起こり易く、所望の耐圧特性を実現し難いという問題がある。
また、従来の半導体装置では、ツェナーダイオードの動作時に、Ｎ型のエピタキシャル層領域に少数キャリアである自由キャリア（正孔）が過度に蓄積される。そして、ツェナーダイオードのターンオフ時には、この蓄積された自由キャリア（正孔）をＰ型の拡散層から排除する必要がある。このとき、Ｐ型の拡散層近傍の自由キャリア（正孔）濃度が高く、逆回復電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）の絶対値が大きくなる。そして、逆回復電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）に起因し、保護ダイオードが破壊するという問題がある。
上述した各事情に鑑みて成されたものであり、本発明の半導体装置では、一導電型の半導体層に離隔して形成される逆導電型の第１及び第２のアノード拡散層と、前記半導体層に形成される一導電型のカソード拡散層と、前記第２のアノード拡散層と連結し、前記カソード拡散層側へと延在するように、前記半導体層に形成される逆導電型の第３のアノード拡散層と、前記半導体層上面に形成される絶縁層と、前記絶縁層に形成されたコンタクトホールを介して前記第１及び第２のアノード拡散層と接続し、且つ前記第１のアノード拡散層と前記第２のアノード拡散層との間の前記半導体層とショットキー接合するアノード電極とを有し、前記第３のアノード拡散層上方の前記絶縁層上面には、前記アノード電極または前記アノード電極と接続する金属層が配置されることを特徴とする。従って、本発明では、回路素子よりも低い順方向電圧（Ｖｆ）で、保護ダイオードがＯＮ動作するので、過電圧から回路素子を保護することができる。また、アノード領域では、第３のアノード拡散層が第２のアノード拡散層よりカソード拡散層側に配置している。この構造により、アノード電極の端部による耐圧劣化を防ぎ、保護ダイオードは所望の耐圧特性を維持できる。
また、本発明の半導体装置では、前記半導体層の前記第２のアノード拡散層上方には、前記コンタクトホールを開口することで形成される前記アノード電極の端部が配置されることを特徴とする。従って、本発明では、アノード電極の端部下方での空乏層の曲率変化を小さくし、電界集中を防ぎ、保護ダイオードの耐圧劣化を防ぐことができる。
また、本発明の半導体装置では、前記第２のアノード拡散層は、少なくとも不純物濃度の異なる２つの逆導電型の拡散層から構成されることを特徴とする。従って、本発明では、アノード電極の端部近傍に高不純物濃度の拡散層を形成することができる。この構造により、電界集中し易い領域での空乏層の広がりを抑止し、保護ダイオードの耐圧劣化を防ぐことができる。
また、本発明の半導体装置では、前記第３のアノード拡散層の不純物濃度は、前記第２のアノード拡散層を構成する前記逆導電型の拡散層の不純物濃度より低いことを特徴とする。従って、本発明では、保護ダイオードに逆バイアスが印加された際に、空乏層の終端領域を第２のアノード拡散層から離間させる。この構造により、空乏層の終端領域での曲率変化を小さくし、保護ダイオードの耐圧劣化を防ぐことができる。
また、本発明の半導体装置では、前記カソード拡散層には逆導電型の排出用拡散層が重畳して形成され、前記逆導電型の排出用拡散層にはカソード電極が接続していることを特徴とする。従って、本発明では、保護ダイオードの動作時に、カソード拡散層を介して半導体層内の自由キャリア（正孔）を再結合により消滅させることができる。また、カソード電位が印加された逆導電型の排出用拡散層を介して半導体層内の自由キャリア（正孔）を排出することができる。この構造により、逆回復電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）の絶対値を小さくし、保護ダイオードの破壊を防ぐことができる。
また、本発明の半導体装置では、前記アノード電極または前記アノード電極と接続する金属層は、前記第３のアノード拡散層よりも前記カソード電極側に延在していることを特徴とする。従って、本発明では、アノード電極またはアノード電極と接続する金属層が、フィールドプレートとして用いられる。この構造により、フィールドプレート効果により、保護ダイオードの耐圧特性を向上させることができる。
また、本発明の半導体装置では、前記アノード電極上方には、前記アノード電極にアノード電位を印加する配線層用のコンタクトホールが配置されていることを特徴とする。従って、本発明では、アノード電極への配線の引き回しを抑止し、配線パターン面積を縮小させることができる。
また、本発明の半導体装置では、前記アノード電位が印加された配線層の下方の前記半導体層上には、前記カソード拡散層と同電位となる電界遮断膜が配置され、前記電界遮断膜は、前記アノード電位が印加された配線層と前記カソード拡散層が交差する領域に配置されていることを特徴とする。従って、本発明では、電界遮断膜は、アノード電位が印加された配線層に対してシールド効果を有し、カソード領域が反転し、アノード領域と分離領域とがショートすることを防止できる。
本発明では、半導体層にツェナーダイオードとショットキーバリアダイオードを並列に配置させた保護ダイオードが形成されている。保護ダイオードではショットキーバリアダイオードの低い順方向電圧（Ｖｆ）特性を利用する。そして、保護ダイオードは所望の回路素子と並列に接続される。この構造により、過電圧が回路素子へと印加された際に、回路素子よりも先に保護ダイオードが動作し、回路素子の破壊を防ぐことができる。
また、本発明では、ショットキーバリア用金属層の端部の下方にＰ型の拡散層が形成されている。そして、該Ｐ型の拡散層と連結し、カソード領域側に低不純物濃度のＰ型の拡散層が延在している。この構造により、保護ダイオードに逆バイアスが印加された際に、空乏層の終端領域での曲率変化を小さくし、耐圧特性を向上させることができる。
また、本発明では、アノード電極の端部の下方に二重拡散構造の高不純物濃度の拡散層が形成されている。この構造により、アノード電極の端部近傍まで空乏層が広がることを防ぎ、その領域での電界集中を防ぐことができる。そして、保護ダイオードの耐圧劣化を防ぐことができる。
また、本発明では、カソード領域にカソード電位が印加されたＰ型の拡散層が形成されている。この構造により、保護ダイオードの動作時において、半導体層内の自由キャリア（正孔）の濃度を低減することができる。そして、逆回復電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）の絶対値を小さくし、保護ダイオードの破壊を防ぐことができる。
また、本発明では、カソード電極側へと延在されたアノード拡散層の上面にアノード電位が印加された金属層またはアノード電極が形成されている。この構造により、保護ダイオードに逆バイアスが印加された際に、フィールドプレート効果が得られ、空乏層の曲率変化を小さくし、耐圧特性を向上させることができる。
以下に、本発明の一実施の形態である半導体装置について、図１〜図７を参照し、詳細に説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施の形態である保護ダイオードを説明するための断面図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施の形態であるツェナーダイオードを説明するための断面図である。図３は、本実施の形態である保護ダイオードとツェナーダイオードの順方向電圧（Ｖｆ）を説明する図である。図４は本実施の形態である保護ダイオードを組み込んだ回路を説明する図である。図５（Ａ）は、本実施の形態である保護ダイオードに関し、逆バイアス状態の電位分布を説明する図である。図５（Ｂ）は、本実施の形態である保護ダイオードでの衝突電離発生領域を説明する図である。図６は、本実施の形態である保護ダイオードに関し、逆バイアス状態の電位分布を説明する図である。図７は、本実施の形態である保護ダイオードとツェナーダイオードの自由キャリア（正孔）の濃度プロファイルを説明する図である。図８は、本実施の形態である保護ダイオードを説明するための断面図である。
図１（Ａ）に示す如く、ツェナーダイオードとショットキーバリアダイオードを並列に配置させた保護ダイオード１は、主に、Ｐ型の単結晶シリコン基板２と、Ｎ型のエピタキシャル層３と、Ｎ型の埋込拡散層４と、アノード領域として用いられるＰ型の拡散層５、６、７、８、９と、カソード領域として用いられるＮ型の拡散層１０、１１と、Ｐ型の拡散層１２、１３と、アノード電極として用いられるショットキーバリア用金属層１４と、カソード電極として用いられる金属層１５と、絶縁層１６、１７と、アノード電極と接続する金属層１８とから構成されている。
Ｎ型のエピタキシャル層３が、Ｐ型の単結晶シリコン基板２上面に堆積されている。尚、本実施の形態でのエピタキシャル層３が本発明の「半導体層」に対応する。そして、本実施の形態では、基板２上に１層のエピタキシャル層３が形成されている場合を示すが、この場合に限定するものではない。例えば、本発明の「半導体層」としては、基板上面に複数のエピタキシャル層が積層されている場合でも良い。また、本発明の「半導体層」としては、基板のみの場合でも良く、基板としては、Ｎ型の単結晶シリコン基板、化合物半導体基板でも良い。
Ｎ型の埋込拡散層４が、基板２及びエピタキシャル層３の両領域に形成されている。図示したように、Ｎ型の埋込拡散層４は、分離領域１９で区画された、保護ダイオード１の形成領域に渡り、形成されている。
Ｐ型の拡散層５、６が、エピタキシャル層３に形成されている。Ｐ型の拡散層５は、例えば、その表面の不純物濃度が１．０Ｅ１６〜１７（／ｃｍ２）程度、拡散深さが５〜６（μｍ）程度となる拡散条件により形成されている。Ｐ型の拡散層６は、例えば、その表面の不純物濃度が１．０Ｅ１９〜２０（／ｃｍ２）程度、拡散深さが１〜３（μｍ）程度となる拡散条件により形成されている。そして、Ｐ型の拡散層５は、Ｎ型のエピタキシャル層３とＰＮ接合領域を形成し、Ｐ型の拡散層５、６はツェナーダイオードのアノード領域として用いられる。尚、本実施の形態でのＰ型の拡散層５、６が本発明の「逆導電型の第１のアノード拡散層」に対応する。しかしながら、本発明の「逆導電型の第１のアノード拡散層」としては、Ｐ型の拡散層５あるいはＰ型の拡散層６のみの場合でも良い。また、Ｐ型の拡散層５、６に、例えば、その表面の不純物濃度が１．０Ｅ１７〜１８（／ｃｍ２）程度、拡散深さが２〜４（μｍ）程度となるＰ型の拡散層を形成し、３重拡散構造とする場合でも良い。
Ｐ型の拡散層７、８が、Ｐ型の拡散層５の周囲を囲むように一環状に、エピタキシャル層３に形成されている。Ｐ型の拡散層７は、例えば、その表面の不純物濃度が１．０Ｅ１６〜１７（／ｃｍ２）程度、拡散深さが５〜６（μｍ）程度となる拡散条件により形成されている。Ｐ型の拡散層８は、例えば、その表面の不純物濃度が１．０Ｅ１７〜１８（／ｃｍ２）程度、拡散深さが２〜４（μｍ）程度となる拡散条件により形成されている。そして、Ｐ型の拡散層７は、Ｎ型のエピタキシャル層３とＰＮ接合領域を形成し、Ｐ型の拡散層７、８はツェナーダイオードのアノード領域として用いられる。また、Ｐ型の拡散層７、８はアノード電極となるショットキーバリア用金属層１４の端部２０下方に形成されている。Ｐ型の拡散層７より高不純物濃度であるＰ型の拡散層８は、Ｐ型の拡散層７と重畳して形成されている。尚、本実施の形態でのＰ型の拡散層７、８が本発明の「逆導電型の第２のアノード拡散層」に対応する。しかしながら、本発明の「逆導電型の第２のアノード拡散層」としては、Ｐ型の拡散層７あるいはＰ型の拡散層８のみの場合でも良く、また、３重拡散構造等の多重拡散構造の場合でも良い。
Ｐ型の拡散層９は、Ｐ型の拡散層５の周囲を囲むように一環状に、Ｐ型の拡散層７、８と形成領域の一部を重畳して形成されている。Ｐ型の拡散層９は、例えば、その表面の不純物濃度が１．０Ｅ１５〜１６（／ｃｍ２）程度、拡散深さが１〜３（μｍ）程度となる拡散条件により形成されている。そして、Ｐ型の拡散層９は、Ｐ型の拡散層７、８よりＮ型の拡散層１０側に延在して形成されている。そして、Ｐ型の拡散層９の不純物濃度は、Ｐ型の拡散層７、８の不純物濃度よりも低濃度である。尚、本実施の形態でのＰ型の拡散層９が本発明の「逆導電型の第３のアノード拡散層」に対応する。
Ｎ型の拡散層１０、１１が、Ｐ型の拡散層５の周囲を囲むように一環状に、エピタキシャル層３に形成されている。Ｎ型の拡散層１０、１１とＮ型のエピタキシャル層３とは、ツェナーダイオード及びショットキーバリアダイオードのカソード領域として用いられる。そして、Ｎ型の拡散層１０は広い拡散領域とすることで、寄生抵抗値を低減する。一方、Ｎ型の拡散層１１は狭い拡散領域であるが、高不純物濃度とすることで低抵抗化を図る。尚、本実施の形態でのＮ型の拡散層１０、１１が本発明の「一導電型のカソード拡散層」に対応する。しかしながら、本発明の「一導電型のカソード拡散層」としては、Ｎ型の拡散層１０あるいはＮ型の拡散層１１のみの場合でも良く、また、３重拡散構造等の多重拡散構造の場合でも良い。
Ｐ型の拡散層１２、１３が、Ｎ型の拡散層１０に、その形成領域を重畳させるように形成されている。また、Ｐ型の拡散層１２、１３は、Ｐ型の拡散層５の周囲を囲むように一環状に形成されている。Ｐ型の拡散層１２は、例えば、その表面の不純物濃度が１．０Ｅ１６〜１７（／ｃｍ２）程度、拡散深さが５〜６（μｍ）程度となる拡散条件により形成されている。Ｐ型の拡散層１３は、例えば、その表面の不純物濃度が１．０Ｅ１９〜２０（／ｃｍ２）程度、拡散深さが１〜３（μｍ）程度となる拡散条件により形成されている。そして、Ｎ型の拡散層１１とＰ型の拡散層１３には、カソード電極として用いられる金属層１５がコンタクトしている。この構造により、Ｐ型の拡散層１２、１３は、Ｎ型の拡散層１０、１１と同電位となる。尚、本実施の形態でのＰ型の拡散層１２、１３が本発明の「逆導電型の排出用拡散層」に対応する。しかしながら、本発明の「逆導電型の排出用拡散層」としては、Ｐ型の拡散層１２あるいはＰ型の拡散層１３のみの場合でも良く、また、３重拡散構造等の多重拡散構造の場合でも良い。
ショットキーバリア用金属層１４が、エピタキシャル層３上面に形成されている。ショットキーバリア用金属層１４は、例えば、チタン（Ｔｉ）層上面に、チタンナイトライド（ＴｉＮ）層を堆積する。太線で示すように、Ｐ型の拡散層５とＰ型の拡散層７との間に位置するエピタキシャル層３表面には、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ２）層のシリサイド層２１が形成されている。そして、ショットキーバリア用金属層１４のシリサイド層２１とエピタキシャル層３とでショットキーバリアダイオードが構成される。尚、チタン（Ｔｉ）層に替えて、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）等の金属を用いても良い。この場合には、シリサイド層２０として、タングステンシリサイド（ＷＳｉ２）層、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ２）層、コバルトシリサイド（ＣｏＳｉ２）層、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ２）層、プラチナシリサイド（ＰｔＳｉ２）層等が形成される。
金属層１５が、エピタキシャル層３上面に形成されている。金属層１５は、例えば、バリアメタル層上にアルミシリコン（ＡｌＳｉ）層、アルミ銅（ＡｌＣｕ）層またはアルミシリコン銅（ＡｌＳｉＣｕ）層が積層された構造である。そして、金属層１５はカソード電極として用いられ、Ｎ型の拡散層１１及びＰ型の拡散層１３にカソード電位を印加している。
絶縁層１６、１７が、エピタキシャル層３上方に形成されている。絶縁層１６、１７は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｓｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）膜、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜等が選択的に積層されて、形成されている。絶縁層１６にはコンタクトホール２２が形成されている。コンタクトホール２２はショットキーバリア用金属層１４で埋設され、ショットキーバリア用金属層１４がアノード電極として用いられる。尚、本実施の形態での絶縁層１６、１７が本発明の「絶縁層」に対応する。しかしながら、本発明の「絶縁層」としては、上記シリコン酸化膜等が選択的に積層された膜であれば良い。
金属層１８が、Ｐ型の拡散層９の形成領域上方を覆うように、絶縁層１７上面に形成されている。金属層１８は、例えば、バリアメタル層上にアルミシリコン（ＡｌＳｉ）層、アルミ銅（ＡｌＣｕ）層またはアルミシリコン銅（ＡｌＳｉＣｕ）層が積層された構造である。金属層１８は、絶縁層１７に形成されたコンタクトホール２３を埋設し、ショットキーバリア用金属層１４と接続する。この構造により、保護ダイオード１に逆バイアスが印加された際には、金属層１８はフィールドプレートとして用いられ、保護ダイオード１の耐圧特性を向上させる。
尚、本実施の形態では、図１（Ｂ）に示すように、ショットキーバリア用金属層１４が、図１（Ａ）に示す金属層１８のように、Ｐ型の拡散層９の形成領域上方を覆うように形成されている場合でも良い。この場合には、保護ダイオード１に逆バイアスが印加された際には、ショットキーバリア金属層１４がフィールドプレートとして用いられ、保護ダイオード１の耐圧特性を向上させる。
図２（Ａ）では、ツェナーダイオード３１を示している。尚、ツェナーダイオード３１では、図１に示す保護ダイオード１と、ほぼ同等の耐圧特性を有する構造である。以下に、その構造を説明する。
Ｎ型のエピタキシャル層３３がＰ型の単結晶シリコン基板３２上面に堆積されている。Ｎ型の埋込拡散層３４が基板３２とエピタキシャル層３３との両領域に形成されている。Ｐ型の拡散層３５、３６、３７が、エピタキシャル層３３に形成されている。Ｐ型の拡散層３５、３６は、Ｎ型のエピタキシャル層３３とＰＮ接合領域を形成し、Ｐ型の拡散層３５、３６、３７はツェナーダイオードのアノード領域として用いられる。
Ｎ型の拡散層３８、３９が、エピタキシャル層３３に形成されている。Ｎ型の拡散層３８、３９とＮ型のエピタキシャル層３３とは、ツェナーダイオードのカソード領域として用いられる。そして、Ｐ型の拡散層４０、４１が、Ｎ型の拡散層３８に形成されている。
絶縁層４２がエピタキシャル層３３上面に形成され、絶縁層４２にはコンタクトホール４３、４４が形成されている。金属層４５がコンタクトホール４３を介してＰ型の拡散層３７と接続し、アノード電極として用いられる。金属層４６がコンタクトホール４４を介してＮ型の拡散層３９、Ｐ型の拡散層４１と接続し、カソード電極として用いられる。
絶縁層４７が絶縁層４２上に形成され、絶縁層４７にはコンタクトホール４８が形成されている。金属層４９がコンタクトホール４８を介して金属層４５と接続している。また、金属層４９がＰ型の拡散層３６の形成領域上方を覆うように形成され、フィールドプレート効果を有する。
尚、本実施の形態では、図２（Ｂ）に示すように、金属層４５が、図２（Ａ）に示す金属層４９のように、Ｐ型の拡散層３６の形成領域上方を覆うように形成されている場合でも良い。
次に、図３では、保護ダイオード１の順方向電圧（Ｖｆ）を実線で示し、ＰＮダイオード３１の順方向電圧（Ｖｆ）を点線で示している。
図１を用いて上述したように、保護ダイオード１には、ＰＮダイオードとショットキーバリアダイオードとが並列に配置されている。この構造により、例えば、Ｖｆが０．８（Ｖ）以下の場合には、保護ダイオード１がＰＮダイオード３１よりも順方向電流（Ｉｆ）が大きく、電流能力が優れていることがわかる。一方、Ｉｆが１．０Ｅ−８（Ａ）の場合には、保護ダイオード１がＰＮダイオード３１よりも低電位で駆動することがわかる。つまり、この素子特性により、出力端子に接続するＭＯＳトランジスタ等と保護ダイオード１とを並列接続することで、例えば、ブラウン間内の放電時やモーター負荷等のＬ負荷ターンオフ時に発生する過電圧等からＭＯＳトランジスタ等を保護することができる。
具体的には、図４に、電源ライン（Ｖｃｃ）とグランド（ＧＮＤ）との間にＮチャネル型のＭＯＳトランジスタＸ、Ｙが直列接続し、ＭＯＳトランジスタＸのソース電極とＭＯＳトランジスタＹのドレイン電極とが出力端子に接続している回路を示す。
ここで、電源ライン（Ｖｃｃ）と出力端子との間に保護ダイオード１を接続していない回路の出力端子に過電圧が印加された場合を説明する。逆バイアスが印加されている状態のＭＯＳトランジスタＸのソース−ドレイン間には、過電圧により順方向バイアスが印加される。このとき、ソース−ドレイン間には許容値以上の電流が流れ、ＰＮ接合領域が破壊され、ＭＯＳトランジスタＸが破壊されてしまう。
しかしながら、本実施の形態では、電源ライン（Ｖｃｃ）と出力端子との間に、保護ダイオード１とＭＯＳトランジスタＸとを並列接続している。この場合、図３を用いて上述したように、出力端子に過電圧が印加されると、保護ダイオード１が先に動作し、過電圧により発生する電流の大部分を保護ダイオード１により電源ライン（Ｖｃｃ）へと逃がすことができる。その結果、過電圧によりＭＯＳトランジスタＸのソース−ドレイン間を流れる電流を低減し、ＰＮ接合領域の破壊を防止することができる。
次に、図５（Ａ）では、太い実線が空乏層の端部領域を示し、点線が等電位線を示し、一点鎖線が、３１８（Ｖ）の等電位線を示している。ショットキーバリア用金属層１４の端部２０下方には、Ｐ型の拡散層７、８が二重拡散構造で形成されている。そして、Ｐ型の拡散層７、８が重畳した領域は高不純物濃度領域であり、実線で示すように、空乏化していない領域が存在する。その結果、ショットキーバリア用金属層１４の下方では、等電位線の間隔が狭まらず、電界集中が発生し難い状態となっている。つまり、ショットキーバリア用金属層１４の端部２０での電界集中を緩和し、保護ダイオード１の耐圧特性を向上させることができる。
また、Ｐ型の拡散層９がＰ型の拡散層７、８と連結し、Ｐ型の拡散層７がカソード電極側へと延在している。Ｐ型の拡散層９は低不純物濃度であり、図示したように、空乏層で満たされている。そして、Ｐ型の拡散層９が形成されている領域では、等電位線の間隔が緩やかに推移している。つまり、空乏層で満たされたＰ型の拡散層９が、アノード電極側から最外周に配置される。この構造により、図示したように、空乏層の終端領域での曲率変化を小さくし、保護ダイオード１の耐圧特性を向上させている。その結果、ショットキーバリアダイオードを形成することでの耐圧劣化という問題点を改善し、ショットキーバリアダイオードによる低い順方向電圧（Ｖｆ）による駆動を実現できる。
また、金属層１８が、Ｐ型の拡散層９よりもカソード電極側へと延在している。図示したように、アノード電位が印加された金属層１８によるフィールドプレート効果により、等電位線の一部は金属層１８の端部２４へ収束するように変位している。そして、金属層１８の端部２４下方で等電位線が集中し、電界集中し易い状態となっている。図５（Ｂ）に示すように、カソード電極側に位置するＰ型の拡散層９の端部２５近傍で衝突電離が発生している。この図からも、Ｐ型の拡散層７、８を形成することで、電界集中が発生し易いショットキーバリア用金属層１４の端部２０での耐圧劣化を防止していることがわかる。
図６では、図５（Ａ）の逆バイアス状態から、金属層１８の端部２４の位置をＰ型の拡散層９上面に変更させた場合の電位分布を示している。太い実線が空乏層の端部領域を示し、点線が等電位線を示し、一点鎖線が、２７９（Ｖ）の等電位線を示している。図示したように、アノード電位が印加された金属層１８によるフィールドプレート効果により、等電位線の一部は金属層１８の端部２４へ収束するように変位している。この場合、金属層１８の端部２４の位置がアノード電極側へと位置することで、空乏層の広がりが抑えられている。その結果、図５（Ａ）の場合と比較すると、保護ダイオードの耐圧特性が劣化していることがわかる。
尚、本実施の形態では、フィールドプレートとしての役割を担う金属層１８が、Ｐ型の拡散層９よりもカソード電極側へと延在している場合について説明しているが、この場合に限定するものではない。Ｐ型の拡散層９の不純物濃度、拡散深さ、また、金属層１８下方の絶縁層の厚み等により、金属層１８の端部２４とＰ型の拡散層９の端部２５との位置関係は任意の設計変更が可能である。例えば、Ｐ型の拡散層９の拡散深さ及び金属層１８下方の絶縁層の厚みが同条件において、Ｐ型の拡散層９の不純物濃度が、本実施の形態よりも高濃度となる場合がある。この場合、金属層１８の端部２４が、Ｐ型の拡散層９の端部２５よりもカソード電極側に延在する構造となる。この構造により、金属層１８からの電界影響を強め、保護ダイオード１の耐圧特性を向上させることができる。一方、Ｐ型の拡散層９の不純物濃度が、本実施の形態よりも低濃度となる場合がある。この場合、Ｐ型の拡散層９の端部２５が、金属層１８の端部２４よりもカソード電極側に延在する構造となる。この構造により、金属層１８からの電界影響を弱め、保護ダイオード１の耐圧特性を向上させることができる。
次に、図７では、実線が保護ダイオード１のＡ−Ａ断面（図１（Ａ）参照）における自由キャリア（正孔）の濃度プロファイルを示し、点線がツェナーダイオード３１のＢ−Ｂ断面（図２（Ａ）参照）における自由キャリア（正孔）の濃度プロファイルを示している。尚、縦軸はエピタキシャル層内における自由キャリア（正孔）の濃度を示し、横軸はアノード領域からの離間距離を示している。そして、図では、保護ダイオード１及びツェナーダイオード３１のそれぞれにＶｆ＝０．８（Ｖ）印加された状態での濃度プロファイルを示している。
先ず、図１に示すように、保護ダイオード１の動作時には、Ｐ型の拡散層５とＮ型のエピタキシャル層３とのＰＮ接合領域には順方向電圧（Ｖｆ）が印加され、エピタキシャル層３にはＰ型の拡散層５から自由キャリア（正孔）が注入される。一方、図２に示すように、ツェナーダイオード３１の動作時には、同様に、Ｐ型の拡散層３４とＮ型のエピタキシャル層３３とのＰＮ接合領域には順方向電圧（Ｖｆ）が印加され、エピタキシャル層３３にはＰ型の拡散層３４から自由キャリア（正孔）が注入される。つまり、保護ダイオード１及びツェナーダイオード３１の両者とも、Ｐ型の拡散層５、３４の近傍領域では、ほぼ同じ自由キャリア（正孔）の濃度となる。
次に、図１に示すように、保護ダイオード１では、ショットキーバリアダイオードが形成されることで、Ｐ型の拡散層７、８、９がＰ型の拡散層５から離間して形成されている。この構造により、順方向電圧（Ｖｆ）が印加されるＰＮ接合領域が低減し、Ｎ型のエピタキシャル層３に注入される自由キャリア（正孔）は低減する。その結果、ツェナーダイオード３１と比較すると、保護ダイオード１では、Ｐ型の拡散層５から離間した領域では自由キャリア（正孔）の濃度が低下する。尚、エピタキシャル層３では、自由キャリア（正孔）が分布することで伝導度変調が起こり、主電流は低いＯＮ抵抗で流れるようになる。そして、ＯＮ抵抗値が大きいというショットキーバリアダイオードの問題点を解決することができる。
最後に、図１に示すように、保護ダイオード１のカソード領域は、Ｎ型の拡散層１０、１１による二重拡散構造で形成されている。この構造により、Ｎ型の拡散層１０近傍領域では、Ｐ型の拡散層５から注入された自由キャリア（正孔）は、Ｎ型の拡散層１０、１１から注入された自由キャリア（電子）と再結合する。このとき、Ｎ型の拡散層１０を広く拡散させることで、再結合を促進させることができる。
更に、保護ダイオード１では、Ｎ型の拡散層１０にカソード電位が印加されたＰ型の拡散層１２、１３が形成されている。そして、上記再結合せず、Ｐ型の拡散層１２、１３へと到達した自由キャリア（正孔）は、Ｐ型の拡散層１２、１３からエピタキシャル層３外へと排出される。その結果、カソード領域近傍での自由キャリア（正孔）の濃度は大幅に低下し、エピタキシャル層３内の自由キャリア（正孔）の濃度も低下させることができる。一方、図２に示すように、ツェナーダイオード３１のカソード領域も同様な構造をしており、カソード領域近傍での自由キャリア（正孔）の濃度は大幅に低下する。
上述したように、保護ダイオード１では、ショットキーバリアダイオードが形成され、且つ、エピタキシャル層３から自由キャリア（正孔）を排出し易いカソード領域が形成されている。この構造により、保護ダイオード１のＰＮ接合領域の近傍に蓄積される自由キャリア（正孔）濃度を低くすることができる。その結果、保護ダイオード１のターンオフ時には、逆回復電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）の絶対値を小さくし、ソフトリカバリー特性を得ることができる。そして、逆回復電流の時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）に起因する保護ダイオード１の破壊を防ぐことができる。
次に、図８に示すように、保護ダイオード１は、例えば、楕円形状に形成されている。楕円形状の直線領域Ｌには、中心領域にアノード領域として用いられるＰ型の拡散層５（実線で囲まれた領域）が配置されている。そして、楕円形状の直線領域Ｌ及び曲線領域Ｒには、Ｐ型の拡散層５の周囲を囲むように、Ｐ型の拡散層７（二点鎖線で囲まれた領域）、８（点線で囲まれた領域）が一環状に形成されている。上述したように、Ｐ型の拡散層７、８は、ショットキーバリア用金属層１４（図１参照）の端部２０（図１参照）での電界集中を緩和し、保護ダイオード１の耐圧特性を向上させる。
楕円形状の直線領域Ｌ及び曲線領域Ｒには、Ｐ型の拡散層７、８の周囲を囲むように、Ｐ型の拡散層９（一点鎖線で囲まれた領域）が一環状に形成されている。
また、楕円形状の直線領域Ｌ及び曲線領域Ｒには、Ｐ型の拡散層９の周囲を囲むように、カソード領域として用いられるＮ型の拡散層１０（三点鎖線で囲まれた領域）が一環状に形成されている。そして、Ｎ型の拡散層１０が形成されている領域には、その形成領域を重畳させるように、一環状にＰ型の拡散層１２（四点鎖線で囲まれた領域）が形成されている。尚、図示していないが、Ｐ型の拡散層５には、その形成領域を重畳させるように、Ｐ型の拡散層６（図１参照）が形成されている。また、Ｎ型の拡散層１０には、その形成領域を重畳させるように、Ｎ型の拡散層１１（図１参照）及びＰ型の拡散層１３（図１参照）が形成されている。
この構造により、保護ダイオード１は、楕円形状の直線領域Ｌ及び曲線領域Ｒにおいて、電流を流すことができ、電流能力を向上させることができる。更に、楕円形状の曲線領域Ｒでは、その曲線形状及びＰ型の拡散層７、８により、電界集中が緩和され、保護ダイオード１の耐圧特性を向上させることができる。更に、保護ダイオード１を楕円形状とすることで、素子サイズを縮小させることができる。
Ｐ型の拡散層５からＰ型の拡散層７、８の一部まで開口するように、コンタクトホール２２（図１参照）が形成されている。コンタクトホール２２を介して、ショットキーバリア用金属層１４は、Ｐ型の拡散層５、Ｎ型のエピタキシャル層３（図１参照）及びＰ型の拡散層７、８と接続している。上述したように、ショットキーバリア用金属層１４が、エピタキシャル層３（図１参照）上面に、直接、形成されている。そして、ショットキーバリア用金属層１４は、コンタクトホール２２内ではその広い領域に渡り、平坦性を維持した状態で形成される。この構造により、ショットキーバリア用金属層１４の直上に、金属層１８がショットキーバリア用金属層１４に接続するコンタクトホール２３を形成することができる。つまり、ショットキーバリア用金属層１４用のコンタクトホール２２（図１参照）上にコンタクトホール２３が形成されている。その結果、ショットキーバリア用金属層１４への配線の引き回しを抑止し、配線パターン面積を縮小させることができる。尚、図８の説明では、図１に示す構成要素と同じ構成要素には、同じ符番を用い、図８では、かっこ内にその符番を図示している。
最後に、楕円形状の曲線領域Ｒでは、アノード電位が印加された配線層（図示せず）の下方であり、少なくともアノード電位が印加された配線層とＮ型の拡散層１０とが交差する領域には電界遮断膜５１が配置されている。電界遮断膜５１は、例えば、ＭＯＳトランジスタ（図示せず）のゲート電極を形成する工程と共用工程で形成され、ポリシリコン膜から形成されている。そして、エピタキシャル層３と電界遮断膜５１との間の絶縁層に形成されたコンタクトホール５２、５３を介して、電界遮断膜５１はカソード領域であるＮ型の拡散層１０と接続している。つまり、電界遮断膜５１には、実質、カソード電位と同電位が印加されている。この構造により、電界遮断膜５１は、アノード電位が印加された配線層に対しシールド効果を有する。そして、カソード電位とアノード電位との電位差によりカソード領域が反転し、アノード領域と分離領域１９（図１参照）とがショートすることを防止できる。
尚、本実施の形態では、アノード領域として用いるＰ型の拡散層５とＰ型の拡散層７との間にシリサイド層２１を形成する場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、保護ダイオードにおけるショットキーバリアダイオードの順方向電圧（Ｖｆ）特性の向上を図るために、Ｐ型の拡散層５とＰ型の拡散層７との間を広げ、シリサイド層２１を広い領域に渡り形成する場合もある。この場合には、Ｐ型の拡散層５とＰ型の拡散層７との間に、新たにアノード電位が印加されるＰ型の拡散層をほぼ一定間隔に配置することができる。そして、シリサイド層２１形成領域での空乏層の曲率変化を小さくし、保護ダイオードの耐圧特性を維持することができる。
また、Ｐ型の拡散層５がＰ型の拡散層７よりも深部まで拡散している構造とする場合でも良い。Ｐ型の拡散層５はＰ型の拡散層７より深く拡散することで、Ｐ型の拡散層５の底面がエピタキシャル層３表面から垂直方向へ大きく離間する。そして、Ｐ型の拡散層５とエピタキシャル層３との境界から広がる空乏層は、水平方向の広い領域に広がる。その結果、Ｐ型の拡散層５とＰ型の拡散層７との離間距離を大きくすることができ、シリサイド層２１の形成領域を広げることができる。その結果、ショットキーダイオードでの電流能力を向上させることができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
１ 保護ダイオード
２ Ｐ型の単結晶シリコン基板
３ Ｎ型のエピタキシャル層
５ Ｐ型の拡散層
７ Ｐ型の拡散層
８ Ｐ型の拡散層
１０ Ｎ型の拡散層
１３ Ｐ型の拡散層
１４ ショットキーバリア用金属層
１８ 金属層
２０ 端部
２１ シリサイド層
２ Ｐ型の単結晶シリコン基板
３ Ｎ型のエピタキシャル層
５ Ｐ型の拡散層
７ Ｐ型の拡散層
８ Ｐ型の拡散層
１０ Ｎ型の拡散層
１３ Ｐ型の拡散層
１４ ショットキーバリア用金属層
１８ 金属層
２０ 端部
２１ シリサイド層
Claims (8)
- 一導電型の半導体層に離隔して形成される逆導電型の第１及び第２のアノード拡散層と、
前記半導体層に形成される一導電型のカソード拡散層と、
前記第２のアノード拡散層と連結し、前記カソード拡散層側へと延在するように、前記半導体層に形成される逆導電型の第３のアノード拡散層と、
前記半導体層上面に形成される絶縁層と、
前記絶縁層に形成されたコンタクトホールを介して前記第１及び第２のアノード拡散層と接続し、且つ前記第１のアノード拡散層と前記第２のアノード拡散層との間の前記半導体層とショットキー接合するアノード電極とを有するショットキーバリアダイオードであり、
前記第２のアノード拡散層は、前記第１のアノード拡散層及び前記ショットキー接合する半導体層を囲むように配置され、
前記第３のアノード拡散層上方の前記絶縁層上面には、前記アノード電極または前記アノード電極と接続する金属層が配置されることを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体層の前記第２のアノード拡散層上方には、前記コンタクトホールを開口することで形成される前記アノード電極の端部が配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第２のアノード拡散層は、少なくとも不純物濃度の異なる２つの逆導電型の拡散層から構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。
- 前記第３のアノード拡散層の不純物濃度は、前記第２のアノード拡散層を構成する前記逆導電型の拡散層の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
- 前記カソード拡散層には逆導電型の排出用拡散層が重畳して形成され、前記逆導電型の排出用拡散層にはカソード電極が接続していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記アノード電極または前記アノード電極と接続する金属層は、第３のアノード拡散層よりも前記カソード電極側に延在していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記アノード電極上方には、前記アノード電極にアノード電位を印加する配線層用のコンタクトホールが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記アノード電位が印加された配線層の下方の前記半導体層上には、前記カソード拡散層と同電位となる電界遮断膜が配置され、
前記電界遮断膜は、前記アノード電位が印加された配線層と前記カソード拡散層が交差する領域に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
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