JP3155134B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関するもの
であり、特にトランジスタの２つの電極間に耐圧手段を
接続した構造を持つディスクリートトランジスタ、ＭＯ
Ｓデバイス、集積回路等の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、入力用トランジスタ等ではサー
ジ電圧に対する保護を図るためにツエナーダイオードを
２つの電極間に接続している。そして、バイポーラ型の
トランジスタでは、図９（イ）に示すように、ベースＢ
とコレクタＣ間に、一方、ＭＯＳトランジスタでは図９
（ロ）に示すようにゲートＧとソースＳ間に所定の耐電
圧を持ったツエナーダイオードＺＤ、ＺＤ’をそれぞれ
接続している。尚、図９（ロ）ではＺＤとＺＤ’は互い
に逆極性（バック・ツウ・バック）で接続されている。
【０００３】これらのツエナーダイオードはトランジス
タの用途に応じて５Ｖ、１５Ｖ、３０Ｖ、９０Ｖ等の如
く、特定の耐電圧を持つように形成される。集積回路で
は、ツエナーダイオードもＩＣチップ内に形成するのが
普通であるが、ディスクリートトランジスタ等でもツエ
ナーダイオードを同一の半導体基板に一体に形成するこ
とが広く行なわれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体装置
をテレビジョン受像機等のセットに組み込んで使用する
場合に、放熱が悪く、熱が半導体装置にこもると、ツエ
ナーダイオードの耐電圧が変化するという不具合が生じ
る。例えば、耐電圧３０Ｖとして設計されたツエナーダ
イオードは温度が高くなると、４０Ｖぐらいの耐電圧と
なるので、３０〜３５Ｖのサージ電圧を充分吸収し得な
くなり、セットの動作に不具合を生じさせてしまうこと
になる。
【０００５】本発明はこのような問題を解決し温度変化
に対し耐電圧が殆ど変化しない耐圧手段を備える半導体
装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明では、トランジスタの２つの電極間に該電極間
の耐電圧を図る耐圧手段を接続して成る半導体装置にお
いて、半導体基板の縦方向にトランジスタを形成し、一
方前記耐圧手段として前記半導体基板の横方向に各々の
領域が直接接するように順次形成したＰ領域と高濃度の
Ｎ領域から成る耐電圧５Ｖ程度の複数のツエナーダイオ
ードを設け、それらのツエナーダイオードを前記Ｐ領域
と前記高濃度のＮ領域との境界部分を覆うように半導体
基板上に施した金属膜で直列に接続して所定の耐電圧を
得るようにしている。尚、前記半導体基板をＮ型の基板
としたとき、前記ツエナーダイオードを構成するＰ領域
およびＮ領域を、その初段のツエナーダイオードのＰ領
域が前記トランジスタのＰ領域と共通に形成され、他の
Ｐ領域および高濃度のＮ領域が前記トランジスタを構成
する領域外に形成されるようにすると、複数のツエナー
ダイオードによるツエナー特性が後述するように急峻と
なる。また、前記ツエナーダイオードをトランジスタの
周囲にリング状に形成すると、ツエナーダイオードの電
流容量が増大する。
【０００７】
【作用】このような構成によると、例えば３０Ｖの耐電
圧は５Ｖ耐電圧のツエナーダイオードを６個直列に接続
することで得られ、しかも温度変化によって個々のツエ
ナーダイオードの耐電圧が変化しないので、全体として
の耐電圧も殆ど変化しないのである。つまり、５Ｖ耐電
圧のツエナーダイオードでは雪崩効果とトンネル効果が
混在しており、温度が上がると雪崩効果によって耐電圧
が上昇するが、トンネル効果によって耐電圧が下がるの
で、異なる現象に基づく耐電圧の変化が互いにキャンセ
ルされ、耐電圧の温度係数が実質的に零になる。
【０００８】
【実施例】以下、本発明を図面に従って説明する。本発
明を実施した図１において、（イ）はＮＰＮ型のトラン
ジスタ１のベースＢとコレクタＣ間に耐電圧５Ｖのツエ
ナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２を直列に接続して耐電圧
１０Ｖの耐圧手段を形成した例を示している。（ロ）は
Ｎ型ＭＯＳトランジスタのゲートＧとソースＳ間に耐電
圧５ＶのツエナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２、ＺＤ
１’、ＺＤ２’を図示の如く接続して、ＺＤ１とＺＤ２
とで耐電圧１０Ｖの第１耐圧手段３を形成し、ＺＤ１’
とＺＤ２’とで耐電圧１０Ｖの第２耐圧手段４を形成し
て、これら第１、第２耐圧手段３、４をバック・ツウ・
バック型接続とした例を示している。
【０００９】この図１の実施例では、１０Ｖの耐電圧を
得る例であるので、ツエナーダイオードを２個直列に接
続しているが、必要とする耐電圧の値によって、その直
列接続されるツエナーダイオードの数は変わる。例え
ば、２０Ｖの耐電圧を得るのであれば、４個のツエナー
ダイオードを直列接続し、３０Ｖの耐電圧を得るのであ
れば、６個のツエナーダイオードを直列接続する。
【００１０】このように、本実施例では１つのツエナー
ダイオードに１０Ｖや２０Ｖ、３０Ｖといった耐電圧を
持たせずに、耐電圧５Ｖのツエナーダイオードを複数用
いることで、所要の耐電圧を得ることを骨子としている
が、そのようにする利点を説明すると、まず、ダイオー
ドによる耐電圧の温度メカニズムには、次の２つの要因
がある。
【００１１】半導体中のキャリアの平均自由行程は結
晶温度が高くなると、短くなる。そのため、衝突電離に
必要なエネルギーを得るには、より強い電圧が必要とな
り、耐電圧は上昇する 結晶温度が高くなるとキャリアは価電子帯から伝導帯
へ空乏層を越えて直接遷移し易くなり、耐電圧は下がる
【００１２】では雪崩効果が支配的であり、ではト
ンネル効果が支配的である。そして、、の境目はシ
リコン半導体では、耐電圧５Ｖ付近であって、耐電圧が
それより高ければが支配的となり、低ければが支配
的となる。換言すれば、耐電圧５Ｖ付近では、が混
在するので、温度が高くなると、の雪崩効果によって
耐電圧が上昇しようとし、のトンネル効果によって耐
電圧が下降しようとする。そのため耐電圧の変化は相殺
され、温度係数ΔＶZ／Ｔ（ΔＶZは耐電圧変化分、Ｔは
温度）が殆ど零となる。
【００１３】尚、本実施例では、耐電圧５Ｖのツエナー
ダイオードを使用しているが、上記とが混在する耐
電圧領域（５.０Ｖ〜６.０Ｖ）であれば、同様に温度係
数は殆ど零であるので、本発明を実施するに際し耐電圧
５Ｖに拘る必要はなく、前記領域から耐電圧を選べばよ
い。
【００１４】次に、図１（イ）の半導体装置の構造を図
２を参照して説明する。図２において、Ｎ型半導体基板
１０にＰ層１１が設けられ、更にそのＰ層１１内にＮ+
層１２が形成されている。ここで、基板１０がコレク
タ、Ｐ層１１がベース、Ｎ+層１２がエミッタとなって
ＮＰＮ型トランジスタが構成されている。
【００１５】Ｐ層１１には更にＮ+層１３を設け、また
Ｐ層１１の右側に隣接する基板１０の表面にイオンイン
プラントによりＮ+層１４を形成する。そして、Ｎ+層１
３とＰ層１１の双方にコンタクトするアルミニウム膜１
５を図示の如く施す。Ｐ層１１とＰ+層１３との間のＰ
Ｎ接合によりツエナーダイオードＺＤ１が形成され、Ｐ
層１１とＮ+層１４との間のＰＮ接合によりツエナーダ
イオードＺＤ２が形成される。そして、２つのツエナー
ダイオードＺＤ１とＺＤ２はアルミニウム膜１５を介し
て接続される。一方、ツエナーダイオードＺＤ２のカソ
ードは基板（従って、コレクタ）に接続されていること
になる。このようにして、図１（イ）の接続構成を持っ
た半導体装置が実現される。
【００１６】尚、図２において、１６はＳiＯ2絶縁膜、
１７はアルミニウム膜で形成されたベース電極、１８は
同様にアルミニウム膜で形成されたエミッタ電極を示し
ている。コレクタ電極としては基板１０の裏面が使用さ
れる。１９はガードリングである。
【００１７】図２は半導体装置を半分に切断して示して
いるが、全体としてはツエナーダイオードＺＤ１、ＺＤ
２がトランジスタの周囲にリング状に形成されている。
このリング形状によってツエナーダイオードの電流容量
は飛躍的に大きくなる。尚、完全なリングでなく、途中
で途切れた形となっていてもよい。いずれにしてもリン
グ状に形成することにより電流容量の増大が図られる。
また、リング状でなくてもトランジスタの周囲に比較的
長く形成することによって電流容量を増大できる。図３
は縦軸に電流Ｉ、横軸に電圧Ｖをとってツエナーダイオ
ードＺＤ１とＺＤ２のトータルのツエナー特性を示して
いる。
【００１８】ここで、点２０でツエナーダイオードＺＤ
２がブレークダウンし、点２１で更にツエナーダイオー
ドＺＤ１がブレークダウンする。このようにＮ+層１４
を含むＰＮ接合のブレークダウンがＮ+層１３層を含む
ＰＮ接合のブレークダウンより早く起こるが、これは電
圧を上げていくと、まず、ツエナーダイオードＺＤ２が
降伏し、電流はＰ層１１の抵抗を通って流れるわけであ
るが、更に電圧を上げていくとＰ層１１とＮ+層１３の
接合であるツエナーダイオードＺＤ１が降伏し、そちら
に電流が流れることによる。
【００１９】次に図４はツエナーダイオードＺＤ１のＮ
+層１３をＰ層１１内でなく、直接基板１０上にイオン
インプラントにより形成し、更にＰ層２２を形成した実
施例であり、その他の部分は図２と同様である。この図
４の実施例によれば、図５に示す如く２つのＰＮ接合
（従って、ツエナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２）は同時
にブレークダウンするので、図３に比しツエナー特性が
急峻となっている。
【００２０】図６は耐電圧５Ｖツエナーダイオードを４
個直列に形成して耐電圧２０Ｖとした場合の実施例を示
している。このため基板１０上においてＰ層１１とＮ+
層１４との間に３つのＰ層２３、２４、２５と、２つの
アルミニウム膜２６、２７が追加されている。
【００２１】図７は図１（ロ）の場合の構造図であり、
基板３０に形成されるＭＯＳトランジスタよりも端の部
分に形成されるツエナーダイオード群を示している。基
板３０にＰ層３１が形成され、そのＰ層３１内に４個の
Ｎ層３２〜３５が形成されている。Ｎ層３２はアルミニ
ウム膜３６を介してゲート電極Ｇに接続され、Ｎ層３５
はアルミニウム膜３９を介してソース電極Ｓに接続され
る。
【００２２】それ以外にＮ層３３とＰ層３１を共通にコ
ンタクトするアルミニウム膜３７と、Ｎ層３４とＰ層３
１を共通にコンタクトするアルミニウム膜３８とが設け
られている。この図７の半導体装置は平面的に見ると、
図８のようになっており、基板をドレインとし、ソース
電極Ｓとゲート電極Ｇが図示の位置に、そして図７に示
すツエナーダイオード群が４０〜４３で示す４箇所にそ
れぞれ形成されている（電流容量を増大するために図７
の構造を４箇所に設けている）如く、ツエナーダイオー
ドはリング状になっていない。
【００２３】
【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、耐圧
手段の耐電圧が温度の影響を受けないので、設計した通
りの耐電圧が維持され、信頼性が向上する。また、各構
成要素をリング状に形成することにより電流容量が大き
くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した半導体装置の回路構成を示す
図。
【図２】本発明の第１実施例の構造図。
【図３】そのツエナー特性を示す図。
【図４】本発明の第２実施例の構造図。
【図５】そのツエナー特性を示す図。
【図６】本発明の第３実施例の構造図。
【図７】本発明の第４実施例の構造図。
【図８】そのツエナーダイオードの形成箇所を示す半導
体装置の模式的平面図。
【図９】従来例の回路構成を示す回路図。
【符号の説明】
１ ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ ２ Ｎ型ＭＯＳトランジスタ ＺＤ１、ＺＤ２、ＺＤ１’、ＺＤ２’ ツエナーダイオ
ード １０ 半導体基板
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 29/78 ６５７ 29/866 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/331 H01L 21/336 H01L 21/822 H01L 27/04 H01L 27/06 H01L 29/73 H01L 29/78 H01L 29/866

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】トランジスタの２つの電極間に該電極間の
    耐電圧を図る耐圧手段を接続して成る半導体装置におい
    て、 半導体基板の縦方向にトランジスタを形成し、一方前記
    耐圧手段として前記半導体基板の横方向に各々の領域が
    直接接するように順次形成したＰ領域と高濃度のＮ領域
    から成る耐電圧５Ｖ程度の複数のツエナーダイオードを
    設け、それらのツエナーダイオードを前記Ｐ領域と前記
    高濃度のＮ領域との境界部分を覆うように半導体基板上
    に施した金属膜で直列に接続して所定の耐電圧を得るよ
    うにしたことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】前記半導体基板はＮ型の基板であり、前記
    ツエナーダイオードを構成するＰ領域および高濃度のＮ
    領域は、初段のツエナーダイオードのＰ領域が前記トラ
    ンジスタのＰ領域と共通に形成され、他のＰ領域および
    高濃度のＮ領域が前記トランジスタを構成する領域外に
    形成されているとともに、前記トランジスタの周囲にリ
    ング状に形成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。
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