JP4278721B2

JP4278721B2 - 高い逆降伏電圧を有するツェナーダイオード

Info

Publication number: JP4278721B2
Application number: JP24462395A
Authority: JP
Inventors: ティーチェンウェイン; イーテゲッツロス
Original assignee: テキサスインスツルメンツインコーポレイテツド
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2015-09-22
Also published as: US5869882A; JPH08181334A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ツェナーダイオードに関し、特に、比較的高い逆降伏電圧を有するツェナーダイオードに関にする。
【０００２】
【従来技術】
ツェナーダイオードは、一方向のにみ導通する電流において通常のダイオードとして動作する特性を有する良く知られた電子部品である。しかし、もし、ツェナーダイオードの両端の電圧が、逆方向に或る知られた値に達すると、ダイオードは、降伏し逆方向に導通する。殆どの集積回路の設計において、ツェナーダイオードは、電力装置におけるスタックをスナッビング（snubbing) するため、および半導体装置の端子の両端の電圧を保護するために利用される。現在、一般に約６ボルトの範囲の降伏電圧を有する低電圧ＮＰＮツェナーダイオード構造が、上述の保護を与えるために用いられている。ツェナーダイオード接合は、ＮＰＮ装置のベースとエッミターの降伏によって形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の構造の欠点は、ツェナーダイオードの降伏電圧が低いことである。多くの場合、大きな降伏電圧を有するツェナーダイオードは、もし利用された場合、部品を少なくするという要求を満たすために必要となるであろう。例えば、Ｖ_gsの保護ツェナーダイオードは、このような保護が２０ボルトに近いが、２０ボルトを越えないことを要求する。６．５ボルトのツェナーダイオードとって、その電圧に到達するために、２つのこのようなツェナーダイオードと幾つかのＶ_bcs に対する要求がある。他の例は、大きな電圧が必要とされる場合に低側ドレイン−ゲートスナッブスタックである。また、関連した電圧は、例えば６０ボルトであり、それにより保護のために多くのツェナーダイオードを必要とする。これは、大きな量のダイ領域がツェナーダイオードだけのために用いられ、経済的でないことを意味している。従って、追加のダイ領域を必要としない、あるいは高々最小のダイ領域しか必要でない高い降伏特性を有するツェナーダイオードが非常に求められているとが明らかである。
ＮＰＮのツェナーダイオードのもつ他の欠点は、それが、製造工程において余分な工程を必要とすることである。処理ステップの数を減少することは一般に経済的な利点を与え、このことが常に求められている。
【０００４】
更なる欠点は、ＮＰＮツェナーダイオードのベース領域から基板への“パンチスルー”として知られている時ならぬ降伏の問題である。これは、ベース領域が十分高い電位に引き上げられ、ツェナーダイオードと基板間に望ましくない降伏を生じるときに、起こる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によって、上述の目的は達成され、従来技術において得られた以上の非常に高い電圧、一般的には約１７ボルト、で降伏するツェナーダイオードが提供される。このダイオードは、時間を過ぎてツェナー構造のドリフト電圧を最小にするばかりでなく従来技術の６ボルト範囲のツェナーダイオードに対して要求されたより少ない処理ステップの工程で得ることができる。
簡単にいえば、このツェナーダイオードは、反対の導電型の基板に設けられた第１のタンクを有する第１の導電型、好ましくはＰ型、の半導体を与えることにより製造される。第１のタンクは、比較的低い固有抵抗部分と比較的高い固有抵抗部分を有しており、この比較的低い固有抵抗部分は、基板から比較的高い固有抵抗部分を分離している。第１の導電型（好ましくはＰ⁺ アノードを形成する）の第１の領域は、第１のタンクの高い固有抵抗部分に設けられ、それと反対の導電型（第１のタンクと同じ導電型）で、第１のタンク（好ましくはＮ⁺ カソードを形成する）より高濃度にドープされている第２の領域は、第１の領域から離間されている。コンタクトは第１および第２の領域に設けられる。更に、このツェナーダイオードは、反対の導電型の粒子を反発するために、第１と第２の領域間の構造を有している。この構造は、例えば、(1) アノードに接続され、第１のタンクから離間されたフィールドプレート、(2) 第１のタンクと反対の導電型を有する、第１のタンクの表面にある領域、あるいは(3) 第１のタンクに設けられた第１の導電型の第２のタンク、このタンクは、第１の領域より第１のタンクにより深く伸びる第１の領域と隣接するか、第１の領域から接近して離されており、且つ第１の領域より低濃度にドープされている。
【０００６】
他の実施の形態によれば、ツェナーダイオードは、第１の導電型の半導体基板と、基板と反対の導電型を有する、基板に設けられた第１のタンク領域、および基板と反対で、第１のタンク領域より高濃度にドープされた導電型を有する、第１のタンク領域に設けられた第２のタンク領域を有している。第１の導電型の領域は第２のタンク領域に設けられ、第１のタンク領域に伸びている。第１のタンク領域より高濃度にドープされた、反対の導電型の第２の領域は第１のタンク領域に設けられ、第１の導電型の領域から離間されている。コンタクトは第１と第２の領域に与えられる。
【０００７】
【実施の態様】
先ず、図１と図２を参照すると、本発明によるツェナーダイオード１の第１の実施の態様が示されている。降伏が起きる接合は、アノードコンタクトとメタライゼーション５に接続されているＰ⁺領域３と、Ｐ型基板２内の高電圧（低固有抵抗）Ｎ型領域９内に注入された低電圧（高固有抵抗）Ｎ型領域７からなるタンクの間に設けられている。カソードコンタクトとメタライゼーション１３に接続されているＮ⁺領域１１は、一般にリングであり、Ｎ型タンク９に電気的に接続された低電圧Ｎ型タンク７にオーミックコンタクトするために用いられる。フィールド酸化物の層１５は、タンク７、９の表面上に設けられており、カソードコンタクト１３ばかりかＰ⁺領域３とＮ⁺領域１１の一部の上にも拡がっている。多結晶シリコンフィールドプレート１７の目的は、降伏を起こし、タンク７、９へ達する助けとなるＰ⁺アノード領域３の近くにあるフィールド酸化物１５の下に存在する電界を広げることである。ダイオード内の電流は、Ｐ⁺領域３からＮ⁺領域１１へフィールド酸化物１５の下を直接水平に流れようとする。これはフィールド酸化物１５の下で電荷を増大するようにし、それはツェナーダイオードの降伏電圧を変化する。フィールドプレート１７はタンク７のバルクへの電荷をはねつけることによって、この電荷の増大を最小にする。
【０００８】
変更例として、図５に示されるように、フィールドプレート１７に加えるか、フィールドプレート１７の代わりに、Ｐ⁺ 領域３に直接隣接して低電圧Ｎ型タンク７の表面は、場合によっては、フィールドプレートと同じ効果を与えるか、あるいはフィールドプレートの効果を増大するために、電荷４１によって示されるように低濃度で、正にドープされる。低濃度のドーピングはタンク７の表面から、そしてタンク７のバルクへ電子をはねつけるであろう。
メタライゼーションのない図１のツェナーダイオードの上面図である図１を参照すると、チップ上の他の素子からツェナーダイオードの電気的分離を与えるツェナーダイオード構造の周辺に矩形のＰ型モート(moat)がある（図２には示されていない）。それに続く矩形領域２１は基板２である。領域２１は高電圧Ｎ型領域９と低電圧Ｎ型領域７に続いている。次の矩形はＮ⁺ 領域１１であり、その中にある矩形領域２３はカソードメタライゼーション、即ちＮ⁺ 領域１１への接続１３が設けられるコンタクトである。次の矩形２５は高電圧Ｎ型領域９と低電圧領域７であり、フィールドプレートである多結晶領域１７に続いている。コンタクト２７のあるＰ⁺ アノード領域３である矩形はフィールドプレート１７内にあり、領域３内にはアノードメタライゼーション、即ちＰ⁺ 領域への接続５が設けられている。
【０００９】
動作において、アノードはカソードより低い電位にある。カソード領域１１はアノード領域３に対して正にされている。カソード電圧が１７ボルトに達すると、タンク７と９とアノード領域３間の接合は降伏し、電流が、フィールドプレート１７の効果により、タンク表面よりむしろタンク７のバルク内を横方向に、Ｎ⁺領域１１からＰ⁺領域３へ導通する。フィールドプレート１７はＮ型タンク７と９より低い電位であるアノードに接続されているので、正の電荷がＮ型タンク７と９の表面に沿って、Ｐ型アノード３の近くに累積する。
図３と図４を参照すると、本発明によるツェナーダイオード３０の第２の実施の形態が示されている。この実施の形態において、同じ数字は図１と図２の同じ素子を表している。この実施の形態は、降伏がタンク内のＰ⁺領域３の平らな底の部分に沿って垂直方向に生じる点において、図１と図２の実施の形態より優れている。これは、ツェナーダイオードの降伏電圧における変化を増大し、これははウォーキング降伏（walking breakdown)としても知られている問題である。
図４に見ることができるように、図１と図２のポリシリコンのフィールドプレート１７は除かれ、低電圧Ｐ型領域３１によって置き換えられている。Ｐ⁺領域３に隣接するか、あるいはＰ⁺領域３に接近して離されており、上に述べられた降伏電圧の問題における“ウォーキング”あるいは変化を避けるために、Ｐ⁺領域の下の距離を基板２の表面からタンク７へ伸ばしている。この実施の形態は、図１と図２の実施の形態より正確な基準電圧を与える。このデバイスの低い平らならＰ⁺領域に降伏のメカニズムを強制することにより、改善が計られる。降伏（破壊）は図１と図２の実施の形態におけるＰ⁺領域のコーナー近くに起る。これは、降伏におけるあらゆる“ウォーキング”問題の原因である。低電圧のＰ型タンク３１を用いることによって、効果的な短絡回路が低電圧タンク３１とＰ⁺領域３の間に作られる。低電圧タンク３１は、Ｐ⁺領域３よりタンク７へ深く伸び、且つ軽くドープされているので、低電圧タンク７と高電圧タンク９に対するその降伏電圧はＰ⁺領域の降伏電圧より非常に高い。従って、カソード領域１１の電圧がアノード領域に対して増大されると、低電圧タンク３１は、最も弱い点で降伏（破壊）が生じるＰ⁺アノード領域３の側壁に対して電圧バッファーとして作用する。これは、ディバイスのバルクに降伏を強制し、それにより“ウォーキング”問題を非常に小さくする。図４の実施の形態の上面図である図３を参照すると、外側のＰ⁺リング１９は、図１におけるように絶縁のためである。第２のリングは図１におけるように基板２である。次の矩形は高電圧タンク９で、低電圧タンク７に続いている。次の矩形は、Ｎ⁺カソード領域１１に接続するカソードメタライゼーション１３であり、これは、その中にコンタクト２３を有する次の矩形である。次のスペース２５はＮ型タンク７と９の連続部であり、低電圧タンク３１である中空の長円形の領域に続いている。中空の長円形の領域３１内の長円は内部の矩形５においてコンタクト２７を介してＰ⁺領域３と接続するメタライゼーション５である。
【００１０】
動作において、コーナーの降伏（破壊）と反対であるＰ⁺ 領域３とＮ⁺ 領域１１の底部間の降伏が垂直方向である点を除いて、全てのことが図１と図２に関して述べられている。
図３と図４の実施の形態の代わりとして、図６に示されているように、Ｐ⁺ 領域３は、それがＨＶＮタンク９に伸びているが、Ｎ⁺ カソード領域１１から離間しているように、低電圧タンク７を越えて横に伸ばされている。ここで、平坦な接合がＰ⁺ 領域３と低電圧タンク７との間に形成される。低電圧Ｐ型領域３１が省略される、という利点がある。
本発明は、特定の好適な実施の形態に関して述べられたが、多くの変化と変形は、直ちに当業者にとって明らかになるであろう。従って、従来技術にてらして、すべての変化および変形を含むように、特許請求の範囲ができるかぎり広く解釈されるべきである。
以上の記載に関連して、以下の各項を開示する。
（１）ツェナーダイオードであって、
(a)第１の導電型の半導体基板と、
(b)前記基板と反対の導電型を有する、前記基板に設けられた第１のタンクと、
(c)前記第１のタンクに設けられた前記第１の導電型の第１の領域と、
(d)前記タンクより高濃度にドープされ、前記第１の領域から離間された前記反対の導電型の第２の領域と、
(e)前記第１および第２の領域へのコンタクト、
を有するツェナーダイオード。
（２）更に、前記反対の導電型の粒子を撥ねつけるための、前記第１と第２の領域間に設けられた手段を含むことを特徴とする前記（１）に記載のツェナーダイオード。
（３）前記タンクは比較的低い固有抵抗部分と比較的高い固有抵抗部分を有し、前記第１と第２の領域の各々は、前記比較的高い固有抵抗部分に設けられ、前記比較的低い固有抵抗部分は前記比較的高い固有抵抗部分を前記基板から分離することを特徴とする前記（１）項に記載のツェナーダイオード。
（４）前記タンクは比較的低い固有抵抗部分と比較的高い固有抵抗部分を有し、前記第１と第２の領域の各々は、前記比較的高い固有抵抗部分に設けられ、前記比較的低い固有抵抗部分は前記比較的高い固有抵抗部分を前記基板から分離することを特徴とする前記（２）項に記載のツェナーダイオード。
（５）前記第１と第２の領域間に設けられた前記手段は、前記タンクから離間したフィールドプレートであることを特徴とする前記（２）項に記載のツェナーダイオード。
（６）前記第１と第２の領域間に設けられた前記手段は、前記タンクから離間したフィールドプレートであることを特徴とする前記（４）項に記載のツェナーダイオード。
（７）前記第１と第２の領域間に設けられた前記手段は、前記タンクと反対の導電性を有する前記タンクの表面にある領域であることを特徴とする前記（２）項に記載のツェナーダイオード。
（８）前記第１と第２の領域間に設けられた前記手段は、前記タンクと反対の導電型を有する前記タンクの前記比較的高い固有抵抗部分の表面にある領域であることを特徴とする前記（４）項に記載のツェナーダイオード。
（９）前記第１と第２の領域間に設けられた前記手段は、前記第１のタンクに設けられた前記第１の導電型の第２のタンクであり、前記第２のタンクは前記第１の領域に隣接するか、あるいは極めて接近しており、且つ前記第１の領域より低濃度にドープされていることを特徴とする前記（２）項に記載のツェナーダイオード。
（１０）前記第１と第２の領域間に設けられた前記手段は、前記第１のタンクに設けられた前記第１の導電型の第２のタンクであり、前記第２のタンクは前記第１の領域に隣接するか、あるいは極めて接近しており、且つ前記第１の領域より低濃度にドープされていることを特徴とする前記（２）項に記載のツェナーダイオード。
（１１）前記第２のタンクは前記第１の領域より深く前記第１のタンクに伸びていることを特徴とする前記（９）項に記載のツェナーダイオード。
（１２）前記第２のタンクは前記第１の領域より深く前記第１のタンクに伸びていることを特徴とする前記（１０）項に記載のツェナーダイオード。
（１３）ツェナーダイオードであって、
(a)第１の導電型の半導体基板と、
(b)前記基板と反対の導電型を有する、前記基板に設けられた第１のタンク領域と、
(c)前記基板と反対の導電型を有し、前記第１のタンク領域より高濃度にドープされた前記第１のタンク領域に設けられた第２のタンク領域、
(d)前記第２のタンク領域に設けられ、前記第１のタンク領域に伸びている、前記第１の導電型の第１の領域と、
(e)前記第１のタンク領域に設けられ、前記第１の領域から離間された前記第１のタンク領域より高濃度にドープされた前記反対の導電型の第２の領域と、
(f)前記第１と第２の領域に対するコンタクトと、
を有することを特徴とするツェナーダイオード。
（１４）前記第１の導電型はＰ型であり、前記第２の導電型はＮ型であることを特徴とする前記（１３）に記載のツェナーダイオード。
（１５）ツェナーダイオードであって、
(a)第１の導電型の半導体本体と、
(b)前記半導体本体に設けられた前記第１の導電型と反対の導電型のタンクと、
(c)前記第のタンクに設けられた前記第１の導電型の第１の領域と、
(d)前記タンクに設けられた前記本体より高度にドープされ、前記第１の領域から離間された前記反対の導電型の第２の領域と、
(e)前記本体の表面から実質的に完全に離間され、前記タンク内にある通路にそって、前記第１と第２の領域の一つから前記第１と第２の領域の他へ電流が流れるようにする手段、
(f)前記第１と第２の領域に対するコンタクトと、
を有することを特徴とするツェナーダイオード。
（１６）電流が流れるようにする前記手段は前記タンクの表面から前記タンクのバルクへ第１の導電型の電荷をはねつける手段を有することを特徴とする前記（１５）に記載のツェナーダイオード。
（１７）更に、前記第１と第２の領域の一つから前記第１と第２の領域の他へ流れている間、前記第１と第２の領域間の方向に垂直な方向に前記電流が流れるようにする手段を有することを特徴とする前記（１５）に記載のツェナーダイオード。
（１８）更に、前記第１と第２の領域の一つから前記第１と第２の領域の他へ流れている間、前記第１と第２の領域間の方向に垂直な方向に前記電流が流れるようにする手段を有することを特徴とする前記（１６）に記載のツェナーダイオード。
（１９）本ツェナーダイオードは、従来技術より非常に高い降伏電圧にすることができ、第１の導電型の半導体基板２内に設けられた反対の導電型の第１のタンクを有する半導体基板２を与えることにより作られる。第１のタンクは比較的低い、また比較的高い固有抵抗部分９、７を有し、比較的低い固有抵抗部分９は比較的高い固有抵抗部分７を半導体基板２から分離する。第１の導電型の第１の領域３は高い固有抵抗部分に設けられ、反対の導電型で、第１のタンクより高濃度にドープされた第２の領域１１は第１の領域３から離間されている。第１のタンクから離間されたフィールドプレート１７が反対の導電型の粒子をはねつけるために第１と第２の領域間に与えられる。第１のタンクの表面にある領域は、第１のタンクに配置された、第１のタンクと反対の導電型または第１の導電型の第２のタンクを有し、第１の領域に隣接し、第１の領域より第１のタンクに深く伸び、第１の領域より低濃度にドープされている。他の実施の形態によると、ダイオードは半導体基板と、この基板に設けられた第１のタンク領域、及び前の実施の形態におけるように第１のタンク領域に設けられた第２のタンク領域を有している。第１の導電型の第１の領域は、第２のタンクに設けられ、第１のタンク領域に伸びている。第１のタンク領域より高濃度にドープされた反対の導電型の第２の領域は、第１のタンク領域に設けられ、第１の領域から離間している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による、メタライゼーションのないツェナーダイオードの上面図である。
【図２】メタライゼーションのある図１のツェナーダイオードの断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による、ツェナーダイオードの上面図である。
【図４】図３のツェナーダイオードの断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態による、ツェナーダイオードの断面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態による、ツェナーダイオードの断面図である。

Claims

ツェナーダイオードであって、
一つの表面を有する、第１導電型の半導体基板と；
前記基板に配置された、前記第１導電型と反対の第２導電型の第１タンクと、
を有し、前記第１タンクは、高い電圧部分と低い電圧部分を有し、前記高い電圧部分は前記低い電圧部分を前記基板から分離し；
前記低い電圧部分に設けられ、前記表面より下に底部を有する前記第１導電型の第１領域と、；
前記低い電圧部分に設けられ、前記第１タンクより高濃度にドープされ、且つ、前記第１領域から離間された前記第２導電型の第２領域と；
前記第１領域と第２領域に設けられたコンタクトと；
前記第１領域と第２領域間から前記第２導電型と関連した大多数の荷電キャリヤをはねつけるための、前記第１と第２領域間に設けられた構造体と；
を備え、
前記構造体は、前記第１領域と周囲で接して前記基板に設けられ、且つ、前記表面から前記第１領域の底部より下へ前記第１タンクに延びていて、前記第１領域より低濃度にドープされた前記第１導電型の第２タンクを有することを特徴とするツェナーダイオード。
前記第１導電型はＰ型の導電型で、アノードを形成する前記第１領域への前記コンタクトを伴い、且つ、前記第２導電型はＮ型の導電型で、カソードを形成する前記第２領域への前記コンタクトを伴っていることを特徴とする請求項１に記載のツェナーダイオード。