JP2013222854A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】経時劣化、ウエハ面内、ウエハ間およびロット間のばらつき、ブレイクダウン前のリークが小さいクランプダイオードを有する半導体装置を提供する。
【解決手段】クランプダイオードを含む半導体装置は、半導体基板６に設けられた耐圧調整用第一導電型低濃度領域５と、耐圧調整用第一導電型低濃度領域５内に設けられた円形の第二導電型高濃度領域１と、耐圧調整用第一導電型低濃度領域５内に、第二導電型高濃度領域１と接せず、第二導電型高濃度領域１を囲むようにリング状に設けられた素子分離用絶縁膜２と、耐圧調整用第一導電型低濃度領域５内に、素子分離用絶縁膜２のリングの外に設けられた第一導電型高濃度領域３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関する。特に、半導体装置において用いられるクランプダイオードに関する。

半導体装置おいて用いられるクランプダイオードはｐ型半導体とｎ型半導体との接合耐圧を利用して回路に供給される電圧を一定にする（クランプする）デバイスである。クランプダイオードは、簡便に電圧を制限できるデバイスであり、その需要は高く、電子機器に広く用いられている。

電圧を一定に制限するクランプダイオードにおいては、耐圧のウエハ面内ばらつき、ウエハ間ばらつきおよびロット間ばらつきが小さいこと、経時変化が少ないことが、クランプダイオードを製造する上で、非常に重要である。加えて、ブレイクダウンするまでのリーク電流が小さいことも重要な点となる。簡素な構造ではあるが、上記の特性を全て満たすようにクランプダイオードを作りこむことは容易ではない。

特許文献１は上記の経時変化の改善を図るための発明を開示している。図７に特許文献１の図７に示されている構造の断面図を示す。図７に示すように、素子分離用絶縁膜２から第二導電型高濃度領域１を所定の距離だけ離し、更に、絶縁膜９を介し電極８を設け、前記電極８の電圧を調整することでクランプダイオードの経時変化の改善が可能となることが記載されている。また、図８に同文献の図６に示されている構造の断面図を示す。この構造のように図７における電極８が無い場合でも同様の効果が得られることが記載されている。

特開平１１−３０７７８７号公報

しかしながら、特許文献１に示された発明では経時変化の改善はされるが、ウエハ面内ばらつき、ウエハ間ばらつきおよびロット間ばらつきの大きさ、ブレイクダウンする前のリークの有無には特許文献１は触れていない。実際に特許文献１に示された発明においては、以下の理由でウエハ面内ばらつき及びロット間ばらつきは減少しない。

図７の構造の場合、電極８に与えられた電圧に応じた電界を、酸化膜９を介して、ｐｎ接合に印加するので、その電界によりｐｎ接合耐圧が変動する。理想的には同じ大きさの電圧を電極８に印加すれば耐圧は同じになると考えられるが、実際にはウエハ面内、ウエハ間およびロット間において酸化膜９の厚さが同じではなく、電極８の電圧によるｐｎ接合に加わる電界にばらつきが生じる。そのためにｐｎ接合耐圧がばらつくことになる。

また、図７および図８に存在する素子分離用絶縁膜２の下の第一導電型領域７が存在することで、その不純物がｐｎ接合付近の不純物分布に影響を与え、ｐｎ接合の耐圧が変化する。これも理想的には同じ条件で第一導電型領域７を作成すればｐｎ接合の耐圧は同じになるはずだが、実際にはウエハ面内、ウエハ間およびロット間において第一導電型領域７の濃度は同じではないため、ｐｎ接合耐圧に対する影響度合いがばらつき、結果的にｐｎ接合耐圧がばらついてしまう。

さらに、特許文献１によると図７の第二導電型高濃度領域１の平面形状を八角形としている（本明細書には図示していない）。このように角が存在する構造においては、電界強度は角部で強くなるため、耐圧はその角部で決定される。図９に第二導電型高濃度領域１の平面形状が矩形の場合と円形の場合の耐圧を示す。このように、明らかに円形に比べ矩形の第二導電型領域１を有するクランプダイオードの方が、耐圧が低い。つまり、矩形の角部に電界が集中し、その角部が耐圧を決定していることが明らかである。理想的には同じ条件でリソグラフィを行えば角部の形状は常に同じになるためｐｎ接合の耐圧は同じになるはずだが、実際にはウエハ面内、ウエハ間およびロット間において、角部の電界強度がばらつき、結果的にｐｎ接合耐圧がばらついてしまう。

このように、ｐｎ接合の耐圧をばらつかせる要因は多く、これらのバラツキを抑えるには、可能な限り構造を簡素にしてバラツキ要因となる要素は極限まで廃除しなければならない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、経時劣化、ウエハ面内、ウエハ間およびロット間のばらつき、ブレイクダウン前のリークが抑制されたクランプダイオードを提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係るクランプダイオードを含む半導体装置は、半導体基板に設けられた耐圧調整用第一導電型低濃度領域と、前記耐圧調整用第一導電型低濃度領域内に設けられた円形の第二導電型高濃度領域と、前記耐圧調整用第一導電型低濃度領域内に、前記第二導電型高濃度領域と接せず、前記第二導電型高濃度領域を囲むようにリング状に設けられた素子分離用絶縁膜と、前記耐圧調整用第一導電型低濃度領域内に、前記素子分離用絶縁膜のリングの外に設けられた第一導電型高濃度領域とを有する。

上述の手段を用いることにより、経時劣化、ウエハ面内およびウエハ間およびロット間のばらつき、ブレイクダウン前のリークが小さいクランプダイオードを提供することが可能となる。

本発明の代表例を示す図である。 クランプダイオードにおけるリーク特性の図である。 本発明の変形例１を示す図である。 本発明の変形例２を示す図である。 本発明の変形例４を示す図である。 本発明の変形例５を示す図である。 従来技術の実施例を示す図である。 従来技術の実施例を示す図である。 クランプダイオードにおける電流電圧特性の第二導電型高濃度領域１形状依存性を示した図である。

以下では発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。
図１は半導体装置におけるクランプダイオードの第一の実施形態を示す図である。図１（ａ）に平面図、図１（ｂ）に同図（ａ）の線分Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。

耐圧調整用第一導電型低濃度領域５が半導体基板６の表面に設けられており、耐圧調整用第一導電型低濃度領域５とは逆の導電型を有する第二導電型高濃度領域１が耐圧調整用第一導電型低濃度領域５の表面の一部に平面図において円形となるように設けられている。耐圧調整用第一導電型低濃度領域５の表面に、第二導電型高濃度領域１とは接せず、第二導電型高濃度領域１を囲むように、リング形状の素子分離用絶縁膜２が設けられている。ここで、リング形状とは必ずしも円環形状あるいはドーナツ形状のことではないので、素子分離用絶縁膜２のリング形状の内側の部分の形状は円形であるが、外形は本実施例では矩形である。更に耐圧調整用第一導電型低濃度領域５に、素子分離用絶縁膜２を囲むように矩形の第一導電型高濃度領域３が設けられている。第二導電型高濃度領域１と第一導電型高濃度領域３の表面は絶縁膜で覆われ、コンタクト４を介して、それぞれ異なる配線に接続される。

第一導電型高濃度領域３と第二導電型高濃度領域１の間に電圧が印加された際には、第二導電型高濃度領域１と耐圧調整用第一導電型低濃度領域５のｐｎ接合のブレイクダウンにより電圧を一定の電圧でクランプする。半導体装置は目的に応じて、クランプダイオードだけを含むことも、クランプダイオード以外にトランジスタなどからなる回路を含むこともある。

＜効果１＞本発明の図１に示すように、第二導電型高濃度領域１が素子分離用絶縁膜２と接せず設けられているため、特許文献１に記載されているように経時劣化抑制の効果が得られるが、それだけではなくｐｎ接合の耐圧以下の電圧におけるリーク電流も抑制できる効果が得られることを発明者は発見した。図２はクランプダイオードの電圧電流特性を示すグラフである。図２のグラフ中の“接しない”は図１に示すような第二導電型高濃度領域１と素子分離用絶縁膜２が接していない構造を示し、“接する”は第二導電型高濃度領域１と素子分離用絶縁膜２が接している構造を示している。このように、“接しない”構造の方が“接する”構造よりリーク電流が小さい。この理由を、第二導電型高濃度領域１に接する素子分離用絶縁膜２を形成する際、素子分離用絶縁膜２と耐圧調整用第一導電型低濃度領域５との間に歪が生じて耐圧調整用第一導電型低濃度領域５の禁制帯に準位が生成され、その準位を解して電流が流れるため、第二導電型高濃度領域１と素子分離用絶縁膜２が接している構造においてはリーク電流が大きくなると発明者は推察した。

従って、本発明の図１においては、特許文献１の経時劣化の抑制効果とあわせて、課題の一つであるリーク電流の抑制効果が得られる。

＜効果２＞本発明の図１において、従来構造の図７に示すような電極８および絶縁膜９が存在しないため、課題の一つである電極８からｐｎ接合耐圧に伝わる電界ばらつきが存在せず、結果的にｐｎ接合耐圧のバラツキが低減される。

＜効果３＞本発明の図１において、従来構造の図７および図８には存在した第一導電型領域７が存在しないため、課題の一つである第一導電型領域７のｐｎ接合耐圧に対する影響度合いのばらつきが無くなり、結果的にｐｎ接合耐圧のばらつきが効果２と合わせて更に低減される。

＜効果４＞本発明の図１において、第二導型電高濃度領域１の平面形状は円形で角が存在しないため、課題の一つである第二導電型高濃度領域１の角部におけるばらつきによる電界強度のばらつきが無くなり、結果的にｐｎ接合耐圧のばらつきが効果２と３と合わせて更に低減される。

＜変形例１＞図３に本発明の変形例１の平面図を示す。図３は素子分離絶縁膜２の第二導電型高濃度領域１に面した部分の平面形状が矩形の場合である。このように第二導電型高濃度領域１に素子分離絶縁膜２が接していなければ、素子分離絶縁膜２の平面形状は図１に示したような円形でなく、矩形や６角形などであっても上記の効果１乃至４が得られる。

＜変形例２＞図４（ａ）に本発明の変形例２の平面図、図４（ｂ）に同図（ａ）の線分Ｂ−Ｂ’の断面図を示す。図４に示した例においては、図３に示した素子分離絶縁膜２が存在しない。このように素子分離絶縁膜２が存在しない場合でも、上記の効果１乃至４が得られる。

＜変形例３＞図１、図３および図４においては第一導電型高濃度領域３が矩形のリング状に配置されている。は第一導電型高濃度領域３が矩形以外の形状であっても、あるいはリング状となっていなくても、上記の効果１〜効果４の効果が得られる。

＜変形例４＞また、クランプダイオードにおいて、どの電流帯でも同じ電圧でクランプさせるためには急峻なブレイクダウン特性が要求される。この急峻なブレイクダウン特性を得るためには寄生抵抗を減らせばよいが、本発明において、第二導電型高濃度領域１と第一導電型高濃度領域２の距離を短くすることで耐圧調整用第一導電型低濃度領域５の寄生抵抗を減らし急峻なブレイクダウン特性を得ることができる。

この耐圧調整用第一導電型低濃度領域５の寄生抵抗を極限まで減らした図１のタイプのクランプダイオードの平面図を図５（ａ）に示し、図４のタイプのクランプダイオードの平面図を図５（ｂ）に示す。

このように、素子分離絶縁膜２と第一導電型高濃度領域２のリング形状を全て円形からなる円環形状にし、夫々のサイズをデザインルールの最小値に設定することで、耐圧調整用第一導電型低濃度領域５の寄生抵抗を極限まで減らすことができ、最も急峻なブレイクダウン特性を得ることが可能となる。

＜変形例５＞図６（ａ）と（ｂ）は図５（ａ）と（ｂ）を変形したクランプダイオードの平面図である。このように第一導電型高濃度領域２のリング形状の外側の部分を円形以外の形状を成していても、耐圧調整用第一導電型低濃度領域５の寄生抵抗は図５と同じであるため、変形例４と同じ効果が得られる。

＜変形例６＞上記全ての本発明において、素子分離絶縁膜２はＬＯＣＯＳを想定しているが、この素子分離絶縁膜２がＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）でも同じ効果が得られる。このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で変形して実施できる。

１ 第二導電型高濃度領域
２ 素子分離用絶縁膜
３ 第一導電型高濃度領域
４ コンタクト
５ 耐圧調整用第一導電型低濃度領域
６ 半導体基板
７ 第一導電型領域
８ 電極
９ 絶縁膜

Claims (6)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板に設けられた耐圧調整用第一導電型低濃度領域と、
   前記耐圧調整用第一導電型低濃度領域内の表面近傍に設けられた円形の第二導電型高濃度領域と、
   前記耐圧調整用第一導電型低濃度領域内の表面に、前記第二導電型高濃度領域と接せず、前記第二導電型高濃度領域を囲むように設けられたリング形状を有する素子分離用絶縁膜と、
   前記耐圧調整用第一導電型低濃度領域内であって、前記素子分離用絶縁膜の外側に設けられた第一導電型高濃度領域と、
   を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記第一導電型高濃度領域が、リング形状を有しており、前記素子分離用絶縁膜を囲むように設けら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。
3. 前記素子分離用絶縁膜のリング形状が円環形状であり、
   前記第一導電型高濃度領域の少なくともリング形状の内側の部分が円形であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 半導体基板と、
   前記半導体基板に設けられた耐圧調整用第一導電型低濃度領域と、
   前記耐圧調整用第一導電型低濃度領域内の表面近傍に設けられた円形の第二導電型高濃度領域と、
   前記耐圧調整用第一導電型低濃度領域内の表面に、前記第二導電型高濃度領域と接せずに設けられた第一導電型高濃度領域と、
   を有することを特徴とする半導体装置。
5. 前記第一導電型高濃度領域が、リング形状を有し、前記第二導電型高濃度領域を囲むように設けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記第一導電型高濃度領域の少なくともリング形状の内側の部分が円形であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。

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