JP5309497B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
前記図7、図8に示す従来の保護ダイオードを有するMOS型半導体装置について説明する。図7(a)は保護ダイオードを有するMOS型半導体装置(チップ)の平面図であり、符号Sがソース金属電極8または端子を表し、符号Gはゲート金属電極パッド9または端子を表す。図7(b)は、図7(a)で、破線aで囲んだゲート金属電極パッド近傍の、リング状のツェナーダイオード領域10を透視させた拡大平面図、図7(c)は図7(b)の破線枠b部分の拡大平面図であり、ツェナーダイオードを構成するpn接合と、MOS型半導体装置の、ソースおよびゲートとそれぞれ接続されるコンタクト7−1、7−2と、透視状態のソース金属電極膜8とゲート金属電極パッド9を分離する層間絶縁膜7とを示している。図7(d)は図7(a)に示す保護ダイオードを有するMOS型半導体装置の等価回路である。図8は図7(b)のK−K'線の拡大断面図である。この保護ダイオードを有するMOS型半導体装置は、図8に示すように、低抵抗のn型シリコン基板100上に成長させた高抵抗のn型シリコンエピタキシャル層からなるドリフト層1の表面層に、選択的に形成されるpウエル2とこのpウエル2の表面から選択的に形成されるp+コンタクト領域3と高濃度n++型ソース領域4を備える。このn++型ソース領域4と前記ドリフト層1表面とに挟まれるpウエル2の表面に厚さ1000オングストローム程度のゲート酸化膜5を介して低抵抗ポリシリコン層からなるゲート電極6およびその上部を覆う層間絶縁膜7を備える。主動作領域である活性部表面には前記p+コンタクト領域3と高濃度n++型ソース領域4とポリシリコンゲート電極6とをそれぞれ備えるユニットセルを高密度に有する構造を有している。前記ポリシリコンゲート電極6は、各ユニットセルからそれぞれ引き出されてゲート金属電極パッド9に集束される。各ユニットセルの表面を覆う層間絶縁膜7にはn++型ソース領域4表面とp+コンタクト領域3表面とを共通に露出させる開口部がそれぞれ設けられてソース金属電極8がコンタクトしている。このソース金属電極8とゲート金属電極パッド9とがそれぞれ跨る層間絶縁膜7を介して下層に設けられるポリシリコン層には多段のpn層が直列に形成される構成のツェナーダイオード10が形成される。前記図7(b)に示す拡大平面図では、このソース金属電極8とゲート金属電極パッド9との間に見える部分であって、両者を絶縁分離する層間絶縁膜7の部分のみを斜線ハッチングにより示し、矩形のリング状に示す領域が透視的に見たツェナーダイオード10である。図7(c)に示すように、このツェナーダイオード10は所要のダイオード耐圧、たとえば、数ボルト(V)〜数10ボルト(V)が得られるようにpn接合の段数を選択して層間絶縁膜7に開口部7−1、7−2を設けている。ソース側に設けられた開口部7−1がソース金属電極8にコンタクトされ、ゲート側に設けられた開口部7−2がゲート金属電極膜9にコンタクトされることにより、MOS型半導体装置のゲートとソース間にツェナーダイオード10が接続される構成となる。
以上説明したように、従来の半導体装置のゲート・ソース電極間に挿入され、ゲート絶縁膜の静電破壊を防止するための保護用ツェナーダイオードは、主動作領域である活性部の外側外周端やゲートパッドの内周に沿って、接合面積を大きくするために周囲長をかせいだ単体のツェナーダイオードもしくは、所要の耐圧とするため折り返して多段のpn接合を直列結合化させたものが使われている。必要に応じて、ゲート・ソース間だけでなく、ゲート・ドレイン間にもクランプダイオードとして挿入されることがある。
一方、公知文献の面からは、ゲート抵抗を挿入することにより、ゲート・ソース間の静電破壊耐量を向上するMOSFETについてはよく知られている(特許文献1)。
また、半導体装置を静電破壊から防止するための抵抗体およびツェナーダイオードを挿入すると、実動作領域面積を減少させる問題が生じることに関する記述も見られる(特許文献2)。
本発明は、以上述べた点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、オン抵抗の増大を抑えて、ゲート電極といずれか一方の主電極との間の静電破壊耐量を向上させる半導体装置を提供することである。
半導体基板の一方の主面に、
主動作領域である活性部と、
該活性部表面に設けられる一方の主電極膜と、
前記活性部を流れる主電流を制御するゲート電極とを備え、
該ゲート電極が、前記活性部内の表面に絶縁膜を介して設けられる複数のストライプ状ゲート電極用ポリシリコン層から引き出され、前記活性部の外側の前記一方の主面の表面上に絶縁膜を介して設けられる矩形状のポリシリコン層表面に形成される矩形状のゲート金属電極パッドに集束させる構造を有し、
他方の主面には他方の主電極膜を有する半導体装置において、
前記活性部の外側に設けられる矩形状のポリシリコン層にp型層およびn型層が交互に多段かつ直列に接続して形成されてなる矩形状ツェナーダイオードを備え、
該矩形状ツェナーダイオードの表面に前記絶縁膜を介して前記ゲート金属電極パッドを有し、
前記ゲート金属電極パッドは、前記絶縁膜を介して前記一方の主電極膜と離間する離間部に隣接配置され、
前記p層およびn層はともに矩形状であり、該矩形状p層あるいはn層の長辺にて互いに隣接することによりpn接合を形成し、
前記p層およびn層が交互に多段直列接続する方向の前記矩形状ツェナーダイオードの一方の端部には、前記n層あるいはp層のいずれかからなる第1端部層が形成され、
該第1端部層は前記ゲート金属電極パッド端から前記離間部を跨いで前記一方の主電極膜の下部に張り出しており、
前記第1端部層上部の前記絶縁膜には、該第1端部層のうち前記離間部よりも前記一方の主電極膜側に張り出した部分の略全体にわたって前記一方の主電極膜とコンタクトするように第1コンタクト孔が形成され、
該第1コンタクト孔を介して前記第1端部層と前記一方の主電極膜が導電接続され、
前記矩形状ツェナーダイオードの前記p層およびn層が交互に多段直列接続する方向の他方の端部には、前記n層あるいはp層のいずれかからなる第2端部層が配置され、
該第2端部層は前記ゲート金属電極パッドの下部に配置され、
前記第2端部層の前記絶縁膜には、前記第2端部層の略全体にわたって前記ゲート金属電極パッドとコンタクトするように第2コンタクト孔が形成され、
該第2コンタクト孔を介して前記第2端部層と前記ゲート金属電極パッドが導電接続され、
前記ゲート金属電極パッドの下部には前記矩形状ツェナーダイオードが複数個形成されるとともに相互に分離して配置され、
該複数の矩形状ツェナーダイオードは全て互いに並列に接続されており、
前記矩形状ゲート金属電極パッドのうち、前記絶縁膜を介して前記一方の主電極膜に対向する三辺にそれぞれ1つずつ前記矩形状ツェナーダイオードが配置され、
前記三辺のうち短い二辺に形成される前記矩形状ツェナーダイオードの前記矩形状p層あるいはn層の一方の短手の辺が、前記三辺のうち長い一辺に形成される前記矩形状ツェナーダイオードの前記第2端部層と隣り合う半導体装置とするものである。
前記第1コンタクト孔が、前記第1端部層のうち前記一方の主電極膜側に張り出した部分の長手方向の一方の端部のみに形成され、
前記第2コンタクト孔が、前記第2端部層の長手方向の一方の端部のみに形成され、
前記第2コンタクト孔の前記第2端部層上における一方の端部の位置は、前記第1コンタクト孔が形成される前記第1端部層上の一方の端部とは反対の他方の端部側と同じ側に配置されていてもよい。
さらに、前記第1端部層は、前記第1コンタクト孔と前記矩形状ツェナーダイオードとの間に直列に挿入された電気抵抗の機能を有するとより好ましい。また、前記第2端部層は、前記第2コンタクト孔と前記矩形状ツェナーダイオードとの間に直列に挿入された電気抵抗の機能を有すると、より好ましい。
図1(b)、図2に示すように、符号Gで示す透視状態のゲート金属電極パッド9の下層には層間絶縁膜(ボロ フォスフォ シリケート ガラス膜、BPSG膜)7を挟んで矩形状ポリシリコン層に形成された多段ツェナーダイオード10が配置されている。図1(b)に示す矩形状のツェナーダイオードは任意のツェナーダイオード電圧を得るために、コンタクト7−1、7−2の場所を選択することにより、pn接合12の段数で耐圧の調整を行なう双方向型ツェナーダイオードとなっている。
図1(d)は、図1(b)に示すツェナーダイオードの金属電極とのコンタクト領域7−1、7−2をコンタクト領域7−3、7−4のように変更した場合である。このコンタクト形成位置を選ぶことにより、ツェナーダイオードに直列に抵抗Rを挿入することができ、ESD耐量の向上に貢献できる。この抵抗Rはツェナーダイオードを構成する拡散層のシート抵抗を利用するものであり、抵抗値はコンタクト間距離を変えることにより調整することが可能となる。
図4(a)は、前記図3(a)に示すツェナーダイオードに加えて、さらに、任意の活性部中に形成されているストライプ状ポリシリコン層を利用して、ゲート金属電極パッド部分以外の場所に形成した複数のツェナーダイオード部分の拡大平面図である。図4(a)のC−C’線における断面図を図4(c)に示す。図4(c)に示すように活性部と同じセル構造のゲート部分にツェナーダイオード形成したものを複数個、互いに並列接続となる配線によりゲート・ソース間に接続している。このように、任意に必要なツェナーダイオード面積を増加することができる。図4(a)のE−E'線とF−F'線の各拡大断面を図6の斜視断面図に示す。図4(a)のF−F'線と図6のF−F'線とは断面をとる場所が異なるが、断面形状は同じである。この図6では図4(a)では図示されなかった層間絶縁膜(BPSG膜)7をツェナーダイオード10とゲート金属電極パッド9とソース電極8との間に挟んでいることを示している。各金属電極8,9とツェナーダイオード10との接触は層間絶縁膜7にコンタクト用開口部(図6には図示せず)を設けることにより行われる。
図5(d)は前記図4(a)に示す半導体装置の変形例であり、図4(a)と同様に活性部内のセル構造と同じストライプ状ポリシリコン層にツェナーダイオードを形成し相互に並列接続したMOS型半導体装置を示す。図4(a)と異なるのはストライプ状ポリシリコン層にツェナーダイオードを形成する際、図4(a)よりストライプ状ポリシリコン層の数を増加させていること、すなわち、図4(a)のストライプ状ポリシリコンからなるゲート電極とゲート電極の間にもストライプ状ポリシリコン層を形成してツェナーダイオードを形成しており、相互に並列接続しているので、これによりツェナーダイオード面積が拡大し、ESD耐量がより向上させることができる。
図9はゲート−ドレイン間にツェナーダイオード10を接続するようにストライプ状ポリシリコン層に多段pn接合を形成したことを示す断面図である。
2: pウエル
3: p+コンタクト領域
4: n++型ソース領域
5: ゲート絶縁膜
6: ポリシリコンゲート電極
7: 層間絶縁膜、BPSG膜
7−1、7−2、7−3、7−4:ツェナーダイオードのコンタクト領域
8: ソース金属電極
9: ゲート金属電極パッド
10: ツェナーダイオード
11: ドレイン金属電極
12; pn接合
100: シリコン低抵抗基板。
Claims (4)
- 半導体基板の一方の主面に、
主動作領域である活性部と、
該活性部表面に設けられる一方の主電極膜と、
前記活性部を流れる主電流を制御するゲート電極とを備え、
該ゲート電極が、前記活性部内の表面に絶縁膜を介して設けられる複数のストライプ状ゲート電極用ポリシリコン層から引き出され、前記活性部の外側の前記一方の主面の表面上に絶縁膜を介して設けられる矩形状のポリシリコン層表面に形成される矩形状のゲート金属電極パッドに集束させる構造を有し、
前記半導体基板の他方の主面には他方の主電極膜を有する半導体装置において、
前記活性部の外側に設けられる矩形状のポリシリコン層にp型層およびn型層が交互に多段かつ直列に接続して形成されてなる矩形状ツェナーダイオードを備え、
該矩形状ツェナーダイオードの表面に前記絶縁膜を介して前記ゲート金属電極パッドを有し、
前記ゲート金属電極パッドは、前記絶縁膜を介して前記一方の主電極膜と離間する離間部に隣接配置され、
前記p層およびn層はともに矩形状であり、該矩形状p層あるいはn層の長辺にて互いに隣接することによりpn接合を形成し、
前記p層およびn層が交互に多段直列接続する方向の前記矩形状ツェナーダイオードの一方の端部には、前記n層あるいはp層のいずれかからなる第1端部層が形成され、
該第1端部層は前記ゲート金属電極パッド端から前記離間部を跨いで前記一方の主電極膜の下部に張り出しており、
前記第1端部層上部の前記絶縁膜には、該第1端部層のうち前記離間部よりも前記一方の主電極膜側に張り出した部分の略全体にわたって前記一方の主電極膜とコンタクトするように第1コンタクト孔が形成され、
該第1コンタクト孔を介して前記第1端部層と前記一方の主電極膜が導電接続され、
前記矩形状ツェナーダイオードの前記p層およびn層が交互に多段直列接続する方向の他方の端部には、前記n層あるいはp層のいずれかからなる第2端部層が配置され、
該第2端部層は前記ゲート金属電極パッドの下部に配置され、
前記第2端部層の前記絶縁膜には、前記第2端部層の略全体にわたって前記ゲート金属電極パッドとコンタクトするように第2コンタクト孔が形成され、
該第2コンタクト孔を介して前記第2端部層と前記ゲート金属電極パッドが導電接続され、
前記ゲート金属電極パッドの下部には前記矩形状ツェナーダイオードが複数個形成されるとともに相互に分離して配置され、
該複数の矩形状ツェナーダイオードは全て互いに並列に接続されており、
前記矩形状ゲート金属電極パッドのうち、前記絶縁膜を介して前記一方の主電極膜に対向する三辺にそれぞれ1つずつ前記矩形状ツェナーダイオードが配置され、
前記三辺のうち短い二辺に形成される前記矩形状ツェナーダイオードの前記矩形状p層あるいはn層の一方の短手の辺が、前記三辺のうち長い一辺に形成される前記矩形状ツェナーダイオードの前記第2端部層と隣り合うことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1コンタクト孔が、前記第1端部層のうち前記一方の主電極膜側に張り出した部分の長手方向の一方の端部のみに形成され、
前記第2コンタクト孔が、前記第2端部層の長手方向の一方の端部のみに形成され、
前記第2コンタクト孔の前記第2端部層上における一方の端部の位置は、前記第1コンタクト孔が形成される前記第1端部層上の一方の端部とは反対の他方の端部側と同じ側に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。 - 前記第1端部層は、前記第1コンタクト孔と前記矩形状ツェナーダイオードとの間に直列に挿入された電気抵抗の機能を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第2端部層は、前記第2コンタクト孔と前記矩形状ツェナーダイオードとの間に直列に挿入された電気抵抗の機能を有することを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置。
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