JPS58111369A - 半導体装置 - 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】 制御されえ降伏電圧をもつ過電圧保■素子を含む半導体
装置に関する。なお、ここでツエナーダイオードとはア
バフンＶ工降伏等の降伏穐龜を素子の機能として使用す
るダイオードの意味とする。

従来、素子に内職して使用す−る過電圧保護素子の一っ
である保護ダイオードは、ダイオーＦＯＳ伏電圧Ｖ冨を
保護すべきｔヲンＶスタＯＶｃｍ。

電圧Ｘ〕低くするために種−４ＩＯ工夫を行っている。

このダイオードの形成方法としては、第１図中の大枠ム
に示すように、不活性なベース領域〇一部を深く拡散し
てコレクタ高濃度層とのり一チスルーによシｖｚを決定
する方法があ如、また第１図中の大枠ＢＫ示すようＫ、
上記のものと岡じ〈不活性なベース領域の一部にイオン
注入喀で高精度に制御し九コレクメと同一導電型の高濃
度領域を形成してＶｇを決定する方法があり、を大第畠
図中の丸棒（３に示すように，横方向のチャンネルスト
ッパとのリーチス〜−を利用してＶｔを決定する方法が
あ）、また第４図中の大枠ＤＫ示すように横方向でパン
チス〜−ＫｌｌＶｍを決定させる方法岬がある。第Ｓ図
ＫｌＭ，１〜第４図に示す半導体構造の勢価回路を示す
。なお、第１〜第４図中１１はＮ型のコレクタ基体、ｌ
！はＮ１ｍのコレクタ高濃度領域，４ｓがＰＩＪベース
領域、ｌ３ムはＰｇのダイオード形成用拡散領域、８４
はＮ型エミツ夕領域、３Ｓはベーλ電極、」・はエミッ
タ電極、１マＦｉＶリコン酸化膜、１ＩＦｉＮ型の高精
度拡散領域、寓・はｒ型の拡散領域である。

これらのうち、第１．ｆｆｉ図に示す構造のみが製品と
して確認されてお抄、第８９番図に示す構造のものは、
案が示されているにすぎない。これは第８，４図に示す
ものは基板表面に形成されるため、外部からの電荷の影
響によりＶｚが大幅に変動して全く使いものにならない
ためである。さて第１．１図に示す構造については半導
体基体内に動作部がある九めマＳＯ変動は問題にならな
いが。

ダイオード部を形成するための工程が当然必要となり、
コストアップとなる。ｔた内燃機関用点火装置の点火コ
イル制御用に必要とされるａＩｅｖ±ｎｏ％のＶｚの制
御が非常に困難で歩留夛的にもコストアップとなる。第
１．１図に示す構造のものは±ｍｓ１程度がパフツキと
して実測されている。

本発明は上記の点を考慮してなされえものであり、上記
のものに比べて、比較的容易な製造手法により得られ、
特性の安定した。しかも制御性Ｏ良い降伏電圧をもつ新
規な過電圧保護素子を含む半導体装置を提供することを
目的とする。

本発明の基本的素子構造は、半導体基体の一主表面に、
この基体の導電型と反対°導電型の第１領域及びこの第
１領域と離間して基体と同導電型でかつ基体より高不純
物濃度の第３領域が形成され。

前記第１飴域及び前記第２領埴聞の基体表面上の一部ま
たは全部が絶縁膜を介して導電膜で覆われ、かつこの導
電膜の少なくとも一部が前記第１領域及び前記第３領械
の一部と絶縁膜を介して重なるようｋしたことを特徴と
するものである。

そこで、本発明の基本構造を第６図に示す基本例を用い
て説明する。Ｎ型の半導体基体ｌの一主表面に（第１領
域である）Ｐ型の領域ｇ、Ｎ＋型りｔシＮ型の基体ｌよ
シ高不純物濃度をもつ（第３領域である）領域３を形成
し、これら表面をシリコン酸化膜喀の絶縁膜鳴で覆い、
領域露、領域３、及び領域３，８で囲まれた基体表面上
を絶縁膜４上から領域雪、領域３の少カくとも一部オー
バーヲツプするように導電電極６で覆い、この電極６を
ゲー）Ｇとする。基体ｌと領斌怠に適切に電極６を設け
７ノードムとしてこれに逆バイアスを印加し、ゲートＧ
と７ノードムとを第１図の如く電源８を介して接続する
（この場合ゲージ電圧Ｖ　ｏ　＝ｅ　）　＠そこで逆バ
イアス電圧を上けていくと、始めにゲー）Ｇ下の基体表
面に反転層マが形成され領域婁よシ領域畠まで到達し良
状態にある。

仁の時点のゲート・基体間の電圧をＶ！とする。

さらに逆バイアス電圧を上げてゆくと、この反転層マが
領域３より追い払われる形となシ１反転層フと領域８間
の表面に空乏領域マｌができ（もちろん基体内のＰＮ接
合部の全てにできるが説明上省略しである）、基体濃度
で決まる電界強度で７パフンシエ降伏現象を引き起むす
、このときの降伏電圧Ｖｚは必ず基体が本来有する耐圧
（Ｖｍｚｔｒｘ）よシも低く本発明者等の実験によれば
憾程度となることが確認されてお夛、素子保護用の内蔵
ダイオードとして好都合である。

さらＫ　Ｖ　ｚの制御性については、最も関係する雅 と１１足される領域３と領域３との離間距離虻関して、
耐圧を得るのに必要な一定の距離があれば。

残〕部分には反転層マができておシ１反転層内の電圧は
一定であるから、ＶｚＫ関係しない。即ち、本発明構造
によれば領域１，３間の距離精度が要求されず、この為
従来構造に比べＶｘのパフツキさらＫ、動作部の表面は
絶縁膜４を介して電極５で必ずシールドされているため
、外部からの電荷の影響を受けることが無く、経時愛化
のない安定し九降伏電圧Ｖｚを得ることができる。を九
、第８，４図に示す半導体構造では初期［反対して８倍
に達するＶｘの変動があるのに対し、本発明構造ではＶ
ｔの変動をほとんど皆無にできるという利点がある。な
お、半導体基体ｌや各領域雪。

３の導電型を反対導電製とした場合にも本発明の基本構
造を達成できゐ。

以下、本発明を図面に示す実施例によ〕詳述する。第６
図において、半導体基体ｌはＮ！！！！で濃度はり、Ｓ
刈０”ａｉｍψ、領域２はｒ！ＩＪＩの拡散層で表面濃
度はＩＸＩ　Ｏ’　＠ａ　ｔｍｓ／ｄ　、層の深さはｌ
Ｏｐｍｆ＆Ａ＊ζＯ領域１上に電極６を設はダイオード
構造においてアノ−トムを構成している。領域■はＮＩ
ｌ拡散層で表向濃度はｌＸｌ０”ａｔｍｓ７４Ｌ層の深
さはｌ＄μ閣である。を九絶縁ＩＩ４は８Ｍ０８膜で、
リンゲッタリングを行って５ＩＰｂ厚さ番、　ｏｐｗｓ
である。電極５．６は７〜ミニウムム１で厚さ番、０２
ｍであり１例えば内燃機関用点火装置などの出力用トラ
ンジスタの如くトランジスタ保護用ダイオードとして内
醜さ破る場合には、半導体基体ｌはコレクタに共通、領
域３はベース、領域３はエミッタと同時に形成し、絶縁
膜鳴はフィールドの８ｉ０．膜をそのまま便用し、電極
も、ベース、エミッタ電極と同時に形成でき１本発明素
子をトランジスタに内蔵させるＫあた）特別の工程は全
く不要である。？：、ζで通常ゲートＧは領域ＩＫ直接
ム１配線で接続するのが一般的であり、ｔた領域１とト
ランジスタのベース領域の不活性部を共通としても良い
。

そこで、本発明構造に基づく作用を説明する。

半導体基体本来の耐圧マＮＬＴＩＫは約１０００マであ
るが。

Ｎ体内にベース、エミッタをもつトランジスタのＶ　ａ
ｌｏは約４００Ｖである。本発明構造に基づく４伏ＩＩ
圧Ｖｚ　Ｆｉ実験ｏＭＪｌ、Ｖｘ　＝　Ｖｙ４／ｓ）ｒ
ｍｘ、ｖｘで与えられると判明した。ここで、Ｖｙ＃１
８ｉ０゜膜−の表面電荷密度ＱｓｓがＩＸＩ　Ｏ１”　
ａ　ｔｊｌｋｌ膚　とすると約ｓｏｖとなる。！　っテ
ＶＰ−５０Ｘ１０００７８ｋａ１１８（Ｙ）このＩ［Ｉ
ｌｉ例えば通常点火装置用の出力トランジスタに使用す
る保護用ツェナーダイオードの規格８８０　ｔ（Ｖ　ｘ
（Ｖ　ｃ　ｘ　ｏ　ヲ満ｆｉシ、そ（ＤＳフ７キ′４ｈ
実験結果によれば、上述した反転層７によ）領域諺、８
すなわち７ノード・カソード間の距離がＶｍに寄与しな
くなる反転層のバッファ効果の丸め、±Ｓ％程度とな〕
、第１，１図に示す如き従来の構造の素子のパフツキの
実ＩＩＨ±ＳＯ％に比較して格段に小さくなる。

ま丸紐時変化によるＶｘの安定性にりいても、特に外部
電荷から動作部がシールドされておシ、さらに膜内部の
可動電荷の影響に対しては、通常のゲッタリングを打つ
え場合Ｎａイオン等の正電荷がほとんどで、本実施例の
ように基本をＮ型としゲートＧをアノ−トムとトランジ
スタのベースに共通とする構造では、ゲートＧは貴電位
となる丸め、正電荷はグー）＠に引き工せられ、動作部
である基体の表面への影響は＃１とんど無く非常にの場
合逆方向電圧８００マ、１１０１Ｃ高温雰囲気）化を示
すものであるが、全く変動していない。さらに本素子を
第７図で示す等価回路でゲージ電圧を変化させてＩ−Ｖ
特性をみたのが第８図で示す動作特性であシ。

Ｖｚ＝ａＶｏ拳ｎ−４−Ｖｙ＋ｌｅＶｍＬｖｘＩｈＧ絶
縁膜質、基体表向濃度に関係する足数本素子では　畠＝
Ｑ、ｉｌ ｂ；絶縁膜質、膜厚、基体表面濃度、領域１の深さに関
係する定ｌＩｂ中１／８ で現わされる。Ｖｚ−ｂＸＶｏ・ムに対して直線的に変
化するため、ゲート電圧で簡単に必要なＶｇを慢ること
かできる。

さらに１反転層７のバッファ効果のため常に最少限の空
乏領域マｌでブレイクダウンするため。

ツェナーダイオードの動作抵抗も従来の素子に比して小
さく、同一動作面積で第１図に示す従来構造の１７ｇ　
−１１５、第１図に示す構造のＶ１０程度になることが
実験で確認されている。

次に第１ｏ図（ａ）　、　（ｂ）は第６図にて説明した
ツェナー素子を内蔵したトランジスタの実施例を示す。

１１はＮ型のコレクタ基体で濃度は１．４Ｘ１Ｇ”ａ−
１１１はＮ＋型のコレクタ拡散層、ｌｓはＰ８！のベー
ス領域、１８ムは同じくＰ型の領域で本発明構造のツェ
ナー素子の７ノ一ド部分であ夛、トランジスタのベース
の周囲ＫｖＡ〜−プ状に形成してあ）ベース領域１８と
離しであるが、寄生効果の心配がなけ゛れば、ペース領
域１３の端部不活性領域と共通としてもよい、１４はＮ
型のエミッタ領域、１４ムはＮ型の領域で本発明構造の
ツェナー素子のカソード部分であシ、エミッタ領塚１４
と同時に形成する。１ＪｌｉはムＩＫよるベース電極で
あり。

１ｉＡ＃ｉ本発明構造によるツェナー素子のゲート部分
であシ、ベース電極ＩＭと共通接続した構造。

となっている、Ｅで示した光枠部分が本発明構造に基づ
〈ツェナー素子である。本実施例の等価回絡はｖｇ５図
で示される。なお、本発明は半導体基体を含む各領域の
導電型を反対導電型にしても同様か効果が得られる。た
だし、その場合基体がＮ型の場合に比べて膜内の可動正
電荷の影響は受けやすくなる。さらに７ノード、カソー
ド両領域の形成は押込みエビ層等でも良く、またトフン
ジスタのベースとエミッタと同時に形成する必要は特に
無い。

また、本発明に基づく保護素子祉単体で用いたり、トフ
ンジスタチップ等に内蔵して用いた如、ま九ＩＣ回路素
子内に内蔵して用いるなど種々の応用が考えられ、その
使用範囲を制限されるものではない。

以上述べた如く本発明の要点は、従来はとんど明らかに
されていなかった、ゲート印加電圧によシ縛起され九半
導体基体の反転層と、この基体と同導電製の高―度領域
との降伏現象について研究を進め、その結果この構造の
降伏電圧Ｖｇ□制御性が反転層のバッファ効果のため非
常に良いこと、かつ必ず半導体基体本来の耐圧に対して
何分の１かにできる丸め例えば内蔵用保護ツェナーダイ
オードとして最適であること、しかも半導体基体の一主
表面から形成できるため保護する素子と同一の工程で特
に専用工程をもうけることなく形成できること、また必
ず絶縁膜上の電極で動作部をシールドする構造のえめ、
外部電荷によるＶｘの変動もなく、安定しえ動作電圧を
得うること、等の効果を明らかＫした。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は従来知られているツェナーダイオー
ド内蔵型トランジスタの断面図で、大枠ム〜Ｄが本発明
と対比されるダイオード部である。 第６囮祉ツエナーダイオード内蔵型トランジスタの等価
回路ＷＪ％第６図及び第７図は本発明による基本構造を
説明する丸めの一実施例を示す断面図及び等価回路図、
第８図及び第９図は本発明構造図（旬、（→は本発明の
応用例を示すツェナーダイオ−・ド内ｍ型ＦフンＶスタ
の平面図と断面図である。 １、−・・半導体基体、ｌ−・第１領域をなすＰ型領域
。 ３・・・第８領域をなすＮ型領域、４−・絶縁膜、６・
・・導電膜をなす電極。 代瑠人弁珊士　関部　隆 第　１　＠ 第２図 第３図　　　　　　　　ｌｉ５図 Ｃ 第７図 第４図 第６図 第　９ （ミ） ＦｆｒＮ５　　（Ｈｏｕｒ） 図 （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基体の一主表面に、この基体の導電型と反対導電
   ｍｏｔｓｘ領域及びヒの第１領域と一関して前記基体と
   岡−導電製でかつ前記基体よ）高不純物濃度の第１領域
   が形成され、前記第１領域及び前記第虐領域閤Ｏ基体表
   面上の一部壜えは全部が絶縁膜を介して導電層で覆われ
   、かつ仁の導電層の少なくとも一部が前記第１領械及び
   前記第１領域〇一部と絶縁膜を介して重１）会うように
   配置されることを特徴とする半導体装置。