JPH01274469A - ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はとくに集積回路装置内に組み込むに適するダイ
オードに関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路とくにバイポーラ形や８１ＭＯ３形の集
積回路内に組み込まれるダイオードは、回路内の種々の
電位点に接続されあるいは種々の電圧が掛かる状態で使
用されるので、回路の他部分とはできるだけ電位的に分
離された状態で作り込むのが望ましく、このため半導体
基板から接合分離されたそれと逆導電形のエピタキシャ
ル層などの半導体領域内に、単独の形であるいは関連回
路素子と一緒に作り込まれる。第３図は高耐電圧ダイオ
ードをかかる半導体領域に単独の形で作り込んだ最も簡
単な従来例を示すものである。

この第３図の例では、まずｐ形の基板１の表面の所定の
個所に埋込層２用に強いｎ形の拡散をしておいた上で、
半導体領域３用にエピタキシャル層をｎ形で成長させ、
その表面から分離層４を強いｐ形で基板１に達するよう
に深く拡散することにより、エピタキシャル層を基板１
から接合分離された半導体領域３に分離する。ダイオー
ドはこの半導体領域３内に作り込まれ、このためにＰ形
層７とｎ形層８とをその表面から拡散して、その上の酸
化膜２０に明けた窓を介してこれらの層７および８にそ
れぞれ導電接触する接続膜４１および４２を設けてダイ
オード用の電極とする。

第３図のダイオードでは、半導体領域３としてのエピタ
キシャル層の不純物濃度および厚みを適切に選定し、か
つｐ形層７とｎ形層８を適切な不純物濃度および深さで
拡散することにより、所望の耐電圧値を得ることができ
る。ところが、ｐ形層７をエミッタ、ｎ形の半導体領域
３をベース。

ｐ形の分離層４および基板１をコレクタとする図示のよ
うなＰｆｌＰ形の寄生トランジスタＴｒが同時に作り込
まれるので、ｐ形層７からｎ形層８に流れる正規のダイ
オード電流のほかに、この寄生トランジスタを通じてｐ
形層７から基Ｆｉ、１に大量の漏洩電流が流れてしまう
、寄生トランジスタの電流増幅率をｈ４とし、ｐ形層７
に流れ込む全電流に対してこの漏洩電流が占める割合を
ｋとすると、ｋ−ｈ□／（１＋ｈ□）であり、寄生トラ
ンジスタの電流増幅率ｈＦｆｆｉはふつう１０程度なの
で、ｋの値はほぼ０．９となる。つまり、この従来例で
はｐ形層７に流入する電流の僅かに１０％しかダイオー
ド電流として利用できないことになる。

第４図はこの点を改良したもので、前のｎ形層のかわり
に図示のようにｐ形層７を取り囲み、かつ埋込層２に達
するように深く拡散された不純物濃度の高いウオール、
層５が設けられ、その接続膜４２との接続用に接続層６
が強いｎ形でその表面部に拡散される。これによって、
寄生トランジスタのベース領域内の不純物濃度が上がっ
てその電流増幅率が低下するが、それでも寄生トランジ
スタの電流増幅率がまだ０．５程度あるため、前式から
れかるように全電流の約３分の１が基板１の方へ流出し
てしまう。

第５図はこれのさらに改良であって、第４図のｐ形層７
のかわりに横形トランジスタを作り込んで、その電流増
幅率を利用しながら漏洩電流分を減少させるものである
。このため、半導体Ｎ域３の表面からエミッタ層１１と
それを取り囲むコレクタ層１２とをｐ形で拡散して、ｎ
形の半導体領域３をベース領域とする横形のＰｎＰ　）
ランジスタを図示のように作り込み、さらに接続膜４２
によってそのコレクタ層１２を前述の接続層６つまりベ
ース領域と短絡して、エミッタ層１１からコレクタ層１
２に流れるトランジスタ電流をダイオード電流とじて利
用する。

この例では、横形トランジスタの電流増幅率をり、、ｔ
とし、寄生トランジスタの電流増幅率をｈＦｔとすると
、漏洩電流の全電流に対する前述の比にはｈｒｔ／　（
１＋ｈｒｔ＋ｈｒｔＬ）になる、いま、横形トランジス
タの電流増幅率を通常の２０程度、寄生トランジスタの
電流増幅率を前述の０．５程度として上式に入れると、
比にの値は約１７４０となって、横形トランジスタを利
用することにより漏洩電流分が著しく減少されることが
わかる。

第６図に第４図および第５図に示されたダイオードにつ
いて上述の比ｋをかなり広い範囲のダイオード電流１ｄ
に対して実測した結果を示す、線Ａが横形トランジスタ
を利用した第５図のダイオードの場合であって、線Ｂの
第４図のダイオードの場合より漏洩電流が非常に少ない
ことがわかる。

本発明はかかる横形トランジスタを利用したダイオード
に関するものである。

〔発明が解決しようとする！ＩＩＩ） 上述のように横形トランジスタを利用したダイオードは
漏洩電流を減少させる上で非常に有利であるが、そのま
までは逆耐圧が低い欠点がある。

これは第５図に示すように、逆電圧がダイオードに掛か
ったとき、つまりダイオードの正側電極であるエミッタ
Ｊｌｌｌｌに接続された接続Ｗ！４４１に負の電圧が掛
かったとき、その下の酸化膜２０を介してこれに対面し
ているｎ形の半導体領域３の表面にｐ形のチャネルｃｈ
が誘導されやすいからである０例えば、半導体領域３が
バイポーラ集積回路用の比抵抗が２．５Ω１のエピタキ
シャルｔｉｌＪｌｌであり、酸化膜２０の厚みが１ｎと
かなり厚目の場合でも、僅かに１５Ｖ程度の逆電圧がせ
ま４１に掛かると、このチャネルｃｈが誘導されてダイ
オードの耐圧値がこれによって制約されてしまうことに
なり、これでは高耐電圧のダイオードは到底得られない
、半導体領域がＢＩＣＭＯ３集積回路用の比抵抗が３．
０ｎ口のエピタキシャル層である場合は、酸化膜の厚み
が１．５ｎ程度あうでもチャネルが誘導されるしきい値
は同様に１５Ｖ程度である。

そこで、前の第５図の構造のダイオードの平面的なパタ
ーンを第７図に示すようにすることが従来から行なわれ
ている０図かられかるようにに、この例では問題の接続
膜４１の下のコレクタ層１２が切り欠かれており、これ
によって接続膜４１の下の半導体領域３の表面にチャネ
ルが誘導されても、エミッタ層１１とコレクタ層１２と
の間が直ちには導通しないようにしたものである。しか
し、この手段ではコレクタ層の一部が切り欠かれること
によって、横形トランジスタの電流増幅率が５程度に下
がってしまい、前述の比にの値が上がって全電流の８％
程度が漏洩するようになる。

第８図も従来から知られている改良構造であつて、図か
られかるように第５図の構造のダイオードのコレクタ層
１２の内側に、一種のチャネルストッパとしてｎ形層１
３を環状に加えたものである。

しかし、容易にわかるように、この構造では横形トラン
ジスタの電流増幅率がかなり低下して例えば２程度にな
ってしまうので、全電流の約１５％もの洩れが生じるこ
とになり、ダイオードに横形トランジスタを利用した意
味合いが大部分失われてしまう、また、ｎ形Ｆ１１３を
追加しただけ、ダイオードを作り込むために要するチッ
プ面積が当然増えることになる。

もう一つこれに関連する厄介な問題は、高温下で電圧を
印加して置くと、酸化膜の状態が変化して常温に戻して
もその下にチャネルが形成されやすくなることである。

このいわゆる高温印加試験中に、酸化膜内の可動イオン
の分布が電界下の熱拡散により変化してその状態が固定
されてしまいやすいので、常温に戻った後にも逆方向電
圧が掛かると前述とは別の意味の洩れ電流が流れやすく
なる。いままでの説明した従来の構造のダイオードは、
いずれもかかる高温下の電圧印加によってその特性が影
響されやすい、なお、上記の酸化膜の状態の変化の様子
については、本件出願人の別当＠（特願昭６２−２９７
９５０号）に詳しく説明されてい、るのでそれを参照さ
れたい。

本発明は従来技術のもつかかる問題点を解決して、基板
側に流れる漏洩電流が少なく、かつ耐電圧値の向上に有
利なダイオードを得ることを目的とする。

（ＩＩ！ｌを解決するための手段〕 この目的は本発明によれば、冒頭に記載のように基板か
ら接合分離された半導体領域をベース領域としてその表
面から作り込まれた横形のトランジスタのエミッタと相
互に短絡したコレクタおよびベースとの間に形成するダ
イオードに対して、トランジスタのエミッタ層とコレク
タ層との間の半導体領域の表面上に絶縁膜を介して電極
膜を設け、この電極膜を半導体領域に対して所定の電位
に接続することにより達成される。

上記の構成にいう横形トランジスタ用のエミッタ層とコ
レクタ層とは、半導体領域とは逆の互いに同じ導電形で
その表面から拡散によって作り込まれる。この横形トラ
ンジスタの電流増幅率を上げて漏洩電流分を減少させる
には、エミッタ層を島状のパターンにしてコレクタ層を
これを取り囲む環状のパターンで作り込むのが望ましい
０本発明における電極膜下の絶縁膜は、通常の酸化膜例
えばいわゆるスチーム酸化膜であつてよく、その厚みも
通常の程度例えばＩｎ程度でよい。

この絶縁膜上に設けられる電極膜は、原理上はエミッタ
層とコレクタ層との間の半導体領域の表面上をエミッタ
層に接続される接続膜が横切る個所のその下側付近にの
み、この接続膜とは絶縁された状態で設けることでよい
が、この電極膜に所定の電位を与えるための接続が必要
なので、この接続を兼ねてそのパターンをエミッタ層を
外側から囲む環状ないしは半環状に形成するのが実際的
である。この電極膜用には、導電性ないしは半導電性の
アルミないしは多結晶シリコンを用いるのが好適である
。電極膜に付与する電位は、その下の半導体領域すなわ
ち横形トランジスタのベース領域と同電位とするのが最
も簡単でかつ充分であるが、電極膜下の半導体領域の表
面にそれとは逆のチャネルが誘導されるのを防止できる
掻性の電位、例えば半導体領域がｎ形の場合はそれより
若干正側の電位を与えることでもよい。

なお、本発明においても従来と同様にウオール層をベー
ス接続層を兼ねて設けるのが望ましく、もちろんこのウ
オール層はコレクタ層と半導体領域を接合分離する分離
層との間に設けられ、コレクタ層が環状とされる場合は
それをさらに外側から囲む環状のパターンで作り込むの
がよい。

〔作用〕

前述のいずれの従来例においても、ダイオードが作り込
まれた半導体領域の表面は、電位的には外部に対して露
出されたいわばむき出しの状態になっていて、外部から
電界が侵入するとその影響を受けやすく、とくに横形ト
ランジスタを利用したダイオードではこの半導体領域が
トランジスタのベース領域になっているので、外部電界
の僅かな影響によってもその特性が変動しやすい。

本発明はかかる点に問題の本質があることに着目してな
されたもので、上記の構成にいう１１！極膜を横形トラ
ンジスタのエミッタ層とコレクタ層との間の半導体領域
の表面の要部ないしはそのほぼ前面を覆うように設け、
この電極膜を所定の電位点、最も好適には半導体領域と
同電位点に接続することにより、その下の半導体領域を
電極膜で遮蔽してその表面電位を安定化させるようにし
たものである。

これによって、半導体領域の表面に外部の電界の影響に
よってエミッタ層とコレクタ層との間を導通させるチャ
ネルが形成されるおそれがなくなり、ダイオードの耐電
圧値が従来より格段に向上される。また、電極膜は半導
体領域の表面の電位を安定にするだけで、そのベース領
域としての作用になんらの影響も与えないから、横形ト
ランジスタの電流増幅率が高くかつ安定に維持されて、
ダイオードから基板に流れる漏洩電流をごく小さな値に
抑えることができる。さらに、上記のように電極膜の電
位を半導体領域と同電位にしておけば、高温下の電圧印
加試験時にも電極膜と半導体領域との間の絶縁膜に電圧
がかかることがないから、従来のように絶縁膜内の可動
イオンの分布状態が非可逆的に変化するおそれもなくな
る。

本発明は、このようにして漏洩電流の抑制と耐電圧値の
向上とを両立させて、所期の課題の解決に成功したもの
である。

（実施例〕 以下、第１図および第２図を参照しながら本発明の詳細
な説明する。これらの図では前に説明した第３図以降と
同じ部分に同じ符号が付けられており、冗長を避けるた
め説明が重複する部分は省略することとする。

第１図は電極膜に多結晶シリコンを用いた本発明の実施
例を示′すもので、同図（Ｑにはその断面が同図（ｂ）
にはその平面図がそれぞれ示されている。

この実施例におけるダイオードはＢ　ｉ　ＣＭＯ３集積
回路に組み込むに適したもので、半導体領域３としての
ｎ形のエピタキシャル層には、３ｎ１程度の比抵抗で約
１０μの厚みに成長させたものが用いられる。ｐ形の分
離層４は１０Ｉｓ〜１０１９原子／ｄの不純物濃度で同
じ導電形の基板ｌに達するまで深く拡散され、これによ
り半導体領域３が同図Φ）のように島状のｎ形の半導体
領域３がｐ形の基板１から接合分離される。ｎ形のウオ
ール層５は同図（ロ）のようにこの半導体領域３の外周
に沿う環状のパターンで設けられ、分離層と同程度の不
純物濃度で埋込Ｎ２の上面に達するまで例えば８ｎ程度
の深さに拡散される。

ダイオードとしての横形トランジスタは、半導体領域３
のウオール層５で囲まれた範囲にそれをｎ形のベース領
域として作り込まれ、そのｐ形のエミッタ層１１とコレ
クタ層１２とが半導体領域３の表面から１Ｑ１９〜１０
１原子／ｃｊの不純物濃度で２ｎ程度の深さに同時拡散
される。この実施例では同図（ロ）かられかるように、
エミッタ層１１は島状のパターンで、コレクタ層１２は
それを囲む環状のパターンでそれぞれ拡散される。エミ
ッタ層ＩＩとコレクタ層１２との間隔は、半導体領域３
の厚みと同程度のこの例ではｌＯｎ程度とするのがよい
、さらにウオール層５内には、接続層６が１０３０原子
／ｃｄ前後の不純物濃度をもつ強いｎ形で１〜１．５ｎ
の深さに環状のパターンで拡散される。

以上で拡散工程は終わり、ついで絶縁膜２１として例え
ばスチーム酸化膜を１ｎ程度の厚みに付けた上で、その
上に多結晶シリコンを０．５ｎ程度の厚みに成長させ、
集積回路内のＭ２Ｓ部へのゲートの作り込みと同時に、
本発明によるダイオード用に電極膜３１が形成される。

この電極膜３１は同図伽）にハツチラグを付して示され
たように、エミッタ層１１とコレクタ層１２との間の半
導体領域３の表面のほぼ全域を覆うように設けるのが最
も望ましい、この電極膜３１の形成の後、別の絶縁膜２
２としてＣＶＤ法により酸化膜が０．５ｎ程度の厚みに
成長され、これに明けた窓を介して所定個所にそれぞれ
導電接触するように、０．５〜１ｎの厚みのアルミ等か
らなる接続膜４１および４２が図示のように設けられる
。同図（ａ）かられかるように、電極膜３１は絶縁膜２
２によってその上の接続膜４１から絶縁される。

ダイオードの正側電極となる接続膜４１は、同図［有］
）に示されたようにその左端部において窓４１ａを介し
てエミッタ層１１と接続される。ダイオードの負側電極
である接続層４２は、その中央部において窓４２ａを介
してウオール層５の接続層６およびコレクタ層１２とに
導電接触して両者と接続し、これによって横形トランジ
スタのコレクタとベースとが短絡される。この接続層４
２の右端部は窓４２ｂを介して電極膜３１と導電接触し
ており、これによって電極膜３１が横形トランジスタの
短絡されたコレクタおよびベースと同電位に、つまり半
導体領域３と同電位に置かれる。

第２図は本発明の異なる実施例を示すもので、この実施
例では各半導体層の配置およびパターンは前の実施例と
同じであるが、電極膜が接続膜と一体に形成され、接続
膜に２層配線が採用されている。このため同図（ａ）に
示されたように、絶＆ｌ膜２２の上に１層目の接続膜４
１，４２．４３および電極膜３２が同じアルミ等で同時
に形成され、同図（ｂ）に示したようにこれらの内の接
続膜４２と環状の電極膜３２とが一体に形成される。ダ
イオードの負側電極である接続膜４２は前の実施例と同
じ（コレクタ層１２およびウオール層５の接続層６と導
電接触し、横形トランジスタのコレクタとベースを短絡
する。

接続層４１と４３はダイオードの正側電極用で、この内
の接続Ｊｉ４１が図示のようにエミッタ層１１と導電接
触される。２層目の接続膜４４は、同図（ａ）かられか
るように１層目の接続膜４１と４３との相互接続用で、
別の絶縁膜２２の上に設けられ、同図（ｂ）に示したよ
うにこの絶縁膜に明けた窓４４ａおよび４４ｂを介して
、その下の接続膜４１および４３とそれぞれ接続される
。

以上説明したいずれの実施例においても、電極膜３１な
いし３２は半導体領域３と同電位に置かれ、その上の接
続膜等がもつ電圧から半導体領域を静電的に有効に遮蔽
するので、エミッタ層１１とコレクタ層１２との間の半
導体領域３の表面にチャネルが形成されることがなくな
り、横形トランジスタとして形成されたダイオードの耐
電圧値を、少な（とも数十７以上の値に高めることがで
きる。また、ダイオード接続された横形トランジスタは
全く通常の構造に構成できるので、その電流増幅率とし
て数十程度の高い値を得ることができ、これによってダ
イオードの基板側への漏洩電流を２〜３％以下の低い値
に抑えることができる。

〔発明の効果〕

以上のとおり本発明では、基板から接合分離された半導
体領域をベース領域としてその表面から作り込まれた横
形のトランジスタのエミッタと相互に短絡されたコレク
タおよびベースとの間にダイオードを形成するに当たっ
て、トランジスタのエミッタ層とコレクタ層との間の半
導体領域の表面上に絶縁膜を介して電極膜を設け、この
電極膜を半導体領域に対して所定の電位例えばこれと同
電位を与えるようにしたので、エミッタ層とコレクタ層
との間の半導体領域の表面電位が電極膜によって外部か
らの電界の侵入に対して有効に保護され、ダイオードに
逆方向電圧が掛かったときにこれら両層間にチャネルが
誘導されることがなくなり、従って本発明によりダイオ
ードの耐電圧値を従来の数倍以上に向上することができ
る０本発明の電極膜によるこのチャネル誘導の防止のた
めには、横形トランジスタ用の半導体領域ないしは半導
体層の構成になんらの変更を加える必要もないので、横
形トランジスタの電流増幅率は常に高い値に保たれ、従
ってダイオード電流が基板側に洩れる割合を本発明によ
り数？≦以下の低い値に抑えることができる。

本発明は、このように横形トランジスタを利用するダイ
オードの漏洩電流の抑制と耐電圧の向上を両立させる特
長を有するほか、高温下の高電圧印加の条件でも、半導
体領域の表面上の絶縁膜中に生じうる可動イオンの好ま
しくない移動ないしは分布状態の変化を有効に防止して
、ダイオードの特性を格段に安定させる効果をも有する
。

本発明がもつ以上の効果は、バイポーラ形ないしはＢ１
ＭＯＳ形の集積回路装置に対してとくに有用で、本発明
によるダイオードをそれらに組み込むことにより、集積
回路装置の性能と動作信鯨性の向上に貢献することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図が本発明に関し、両図は本発明によ
るダイオードのそれぞれ異なる実施例の断面図および平
面図である。第３図以降は従来技術に関し、第３図から
第５図まではそれぞれ異なる構造の従来のダイオードの
断面図、第６図はそれらの漏洩電流の特性線図、第７図
は横形トランジスタを利用したダイオードの従来の改良
構造の平面図、第８図は他の改良構造の断面図である。 図において、 １：半導体基板、２：埋込層、３：半導体領域ないしは
エピタキシャル層、４：分離層、５：ウオール層、６：
接続層、７：従来構造のｎ形層、８：従来構造のｎ形層
、１１：エミッタ層、１２：コレクタ層、１３：従来構
造のｎ形層、２０二酸化膜、２１：絶縁膜ないしは酸化
膜、２２：別の絶縁膜ないしは酸化膜、３１，３２：電
極膜、４１．４２，４３．４４　Ｆ接続膜、４１ａ、４
２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂ　：接続層用窓、Ｃｈ：
チャネル、ｔｄ＋ダイオード電流、ｋ：ダイオード電流
に対する漏洩電流の比、Ｔｒ：寄生トランジス第１図 第２図 第７図 弓　　３　　第８図　　　　７

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　基板から接合分離された半導体領域をベース領域とし
   てその表面から作り込まれた横形のトランジスタのエミ
   ッタと相互に短絡したコレクタおよびベースとの間に形
   成するダイオードであって、トランジスタのエミッタ層
   とコレクタ層との間の半導体領域の表面上に絶縁膜を介
   して電極膜を設け、この電極膜を半導体領域に対して所
   定の電位に接続したことを特徴とするダイオード。