特許 6266485 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6266485

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/861 20060101AFI20180115BHJP

   H01L 29/868 20060101ALI20180115BHJP

   H01L 21/329 20060101ALI20180115BHJP

   H01L 29/866 20060101ALI20180115BHJP

   H01L 21/822 20060101ALI20180115BHJP

   H01L 27/04 20060101ALI20180115BHJP

   H01L 27/06 20060101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/91 K

   H01L29/90 S

   H01L27/04 H

   H01L27/06 311B

   H01L27/06 311C

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-196403(P2014-196403)

(22)【出願日】2014年9月26日

(65)【公開番号】特開2016-72259(P2016-72259A)

(43)【公開日】2016年5月9日

【審査請求日】2016年8月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】崔 秀明

【審査官】 恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−００４３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０６７９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１８２１２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１４８５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２０５１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２５９５１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２４４０９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−０９６５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１７４７４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／８６１

Ｈ０１Ｌ ２１／３２９

Ｈ０１Ｌ ２１／８２２

Ｈ０１Ｌ ２７／０４

Ｈ０１Ｌ ２７／０６

Ｈ０１Ｌ ２９／８６６

Ｈ０１Ｌ ２９／８６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｎ形の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域の上に設けられたＰ形の第２半導体領域と、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に設けられ、底部が前記第１半導体領域に接し、前記底部と反対側の上部の一部が前記第２半導体領域に接し、前記第２半導体領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するＰ形の第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の前記第１半導体領域とは反対側の表面に選択的に設けられ、前記第３半導体領域とによって前記第２半導体領域の一部を挟むＮ形の第４半導体領域と、
前記第２半導体領域の上および前記第４半導体領域の上に設けられ、前記第４半導体領域の上面の一部を露出する第１開口が設けられ、前記上面の面積に対する前記一部の面積の割合が１０％以上９０％以下である絶縁層と、
前記絶縁層の上に設けられ、前記第１開口を経由して前記第４半導体領域に接続された配線層と、
を備えた半導体装置。

【請求項2】

前記第１半導体領域と前記第３半導体領域とが接合する接合部における前記第１半導体領域の不純物濃度または前記第３半導体領域の不純物濃度は、１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上である請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に設けられ、底部が前記第１半導体領域に接し、前記底部と反対側の上部の一部が前記第２半導体領域に接したＮ形の第５半導体領域と、
前記第１半導体領域とは反対側の前記第２半導体領域の表面に選択的に設けられ、前記第５半導体領域とによって前記第２半導体領域の一部を挟むＰ形の第６半導体領域と、
をさらに備え、
前記第５半導体領域の不純物濃度は、前記第１半導体領域の不純物濃度よりも低く、
前記絶縁層には、前記第６半導体領域の上面の一部を露出する第２開口が設けられ、
前記配線層は、前記第２開口を経由して前記第６半導体領域に接続されている請求項１または２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第５半導体領域の上に設けられ、前記第５半導体領域の上の前記第２半導体領域に接するＮ形の第８半導体領域をさらに備え、
前記第８半導体領域は、前記第５半導体領域に接続されている請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第３半導体領域の上に設けられ、前記第３半導体領域の上の前記第２半導体領域に接するＰ形の第７半導体領域をさらに備え、
前記第７半導体領域は、前記第３半導体領域に接続されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第１半導体領域は、ヒ素（Ａｓ）またはアンチモン（Ｓｂ）を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＥＳＤ保護回路を備えた半導体装置では、ＥＳＤ保護回路を構成する素子としてＰＮダイオードが用いられている。また、ＥＳＤ保護では、ＰＮダイオードの降伏を利用する場合がある。

【0003】

ここで、ＥＳＤ保護回路を構成するＰＮダイオードは、一般的に半導体装置内で素子分離されている。ＰＮダイオードを半導体装置内で素子分離する方法としては、不純物拡散層によってＰＮダイオードを素子分離する方法がある。しかし、不純物拡散層の形成には、長時間に渡って熱処理が行われる。このため、不純物元素が半導体層内で熱拡散して、ＰＮ接合部における不純物濃度の分布が緩やかになる場合がある。

【0004】

ＰＮ接合部における不純物濃度の分布が緩やかになると、ＰＮダイオードの降伏電圧が下がり難くなる。このため、ＥＳＤ保護回路の下流に設けられる保護回路のクランプ電圧を下げることが難しくなっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第５１６２１８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明が解決しようとする課題は、降伏電圧を下げＥＳＤ保護を可能にする半導体装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態の半導体装置は、Ｎ形の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の上に設けられたＰ形の第２半導体領域と、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に設けられ、底部が前記第１半導体領域に接し、前記底部と反対側の上部の一部が前記第２半導体領域に接し、前記第２半導体領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するＰ形の第３半導体領域と、前記第２半導体領域の前記第１半導体領域とは反対側の表面に選択的に設けられ、前記第３半導体領域とによって前記第２半導体領域の一部を挟むＮ形の第４半導体領域と、前記第２半導体領域の上および前記第４半導体領域の上に設けられ、前記第４半導体領域の上面の一部を露出する第１開口が設けられ、前記上面の面積に対する前記一部の面積の割合が１０％以上９０％以下である絶縁層と、前記絶縁層の上に設けられ、前記第１開口を経由して前記第４半導体領域に接続された配線層と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１（ａ）は、実施形態に係る半導体装置の要部を表す模式的平面図であり、図１（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿った位置での切断面を表す図であり、図１（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の要部を表す模式的断面図であり、図１（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った位置での切断面を表す図である。

【図2】図２は、実施形態に係る半導体装置に組み込まれた回路の等価回路図である。

【図3】図３は、実施形態に係る半導体装置の用途の一例を表すブロック図である。

【図4】図４（ａ）は、実施形態に係る半導体装置のツェナーダイオードＤ３のＰ側の不純物濃度プロファイルを変化させた場合のＰＮ接合部付近の不純物濃度の変化の様子を表すグラフであり、図４（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置のツェナーダイオードＤ３のＰ側の不純物濃度プロファイルを変化させた場合のツェナーダイオード降伏の電流電圧曲線を表すグラフである。

【図5】図５は、実施形態に係る半導体装置のツェナーダイオードＤ３のＰ側の不純物濃度プロファイルの傾きを変化させた場合のＰＮ接合部付近の不純物濃度の様子を表すグラフである。

【図6】図６（ａ）は、参考例に係る半導体装置の深さ方向における不純物濃度プロファイルであり、図６（ｂ）のＸ−Ｙ線に沿った位置での不純物濃度を表すグラフであり、図６（ｂ）は、参考例に係る半導体装置を表す模式的断面図である。

【図7】図７（ａ）は、実施形態に係る半導体装置の深さ方向における不純物濃度プロファイルであり、図７（ｂ）のＸ−Ｙ線に沿った位置での不純物濃度を表すグラフであり、図７（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。

【図8】図８（ａ）は、半導体装置に存在する寄生のＮＰＮトランジスタが動作する場合と動作しない場合の電流電圧曲線を表すグラフであり、図８（ｂ）は、半導体装置に存在する寄生のＮＰＮトランジスタが動作する要因の一例を説明する模式的断面図である。

【図9】図９（ａ）は、実施形態に係る半導体装置のＰＮダイオードＤ２およびツェナーダイオードＤ３を表す模式的平面図であり、図９（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿った位置での切断面を表す図であり、図９（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置のＰＮダイオードＤ２およびツェナーダイオードＤ３を表す模式的断面図であり、図９（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った位置での切断面を表す図であり、図９（ｃ）は、実施形態に係る半導体装置のＰＮダイオードＤ２およびツェナーダイオードＤ３の電流電圧曲線を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

【0010】

図１（ａ）は、実施形態に係る半導体装置の要部を表す模式的平面図であり、図１（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿った位置での切断面を表す図であり、図１（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の要部を表す模式的断面図であり、図１（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った位置での切断面を表す図である。

【0011】

実施形態に係る半導体装置１には、複数のＥＳＤ保護ダイオード（以下、例えば、ＰＮダイオードＤ１、Ｄ２、ツェナーダイオードＤ３）が設けられている。ＰＮダイオードＤ１、Ｄ２、およびツェナーダイオードＤ３を組み合わせることによって、半導体装置１には、クローバ回路が設けられている。

【0012】

半導体装置１は、第１半導体領域（以下、例えば、半導体領域２０）と、第２半導体領域（以下、例えば、半導体領域３０）と、第３半導体領域（以下、例えば、半導体領域３３）と、第４半導体領域（以下、例えば、半導体領域３２）と、第５半導体領域（以下、例えば、半導体領域３５）と、第６半導体領域（以下、例えば、半導体領域３４）と、第７半導体領域（以下、例えば、半導体領域３６）と、第８半導体領域（以下、例えば、半導体領域３７）と、配線層１０と、絶縁層７０と、保護膜７１と、を備える。

【0013】

半導体領域２０は、半導体装置１の半導体基板である。半導体領域２０の導電形は、Ｎ^＋＋形である。半導体領域２０は、ヒ素（Ａｓ）またはアンチモン（Ｓｂ）を含む。さらに、半導体領域２０は、リン（Ｐ）を含んでもよい。

【0014】

半導体領域３０は、半導体領域２０の上に設けられている。半導体領域３０の導電形は、Ｐ⁻形である。半導体領域３０は、半導体領域２０に接している。半導体領域３０は、例えば、半導体領域２０の上に形成されたエピタキシャル成長層である。

【0015】

半導体領域３３は、半導体領域２０と半導体領域３０との間に選択的に設けられている。例えば、半導体領域３３の底部３３ｂは、半導体領域２０に接し、底部３３ｂと反対側の上部３３ｕの一部は、半導体領域３０に接している。半導体領域３３の導電形は、Ｐ^＋形である。半導体領域３３は、半導体領域２０と半導体領域３０とに接している。半導体領域３３の不純物濃度は、半導体領域３０の不純物濃度よりも高い。半導体領域３３と半導体領域２０とにより、ツェナーダイオードＤ３が構成されている。

【0016】

半導体領域３２は、半導体領域２０とは反対側の半導体領域３０の表面に選択的に設けられている。半導体領域３２の導電形は、Ｎ^＋形である。半導体領域３３の上の半導体領域３０の一部は、半導体領域３２と半導体領域３３とによって挟まれている。半導体領域３２は、半導体領域３０に接している。半導体領域３２と半導体領域３０とにより、ＰＮダイオードＤ２が構成されている。

【0017】

半導体領域３５は、半導体領域２０と半導体領域３０との間に選択的に設けられている。例えば、半導体領域３５の底部３５ｂは、半導体領域２０に接し、底部３５ｂと反対側の上部３５ｕの一部は、半導体領域３０に接している。半導体領域３５の導電形は、Ｎ^＋形である。半導体領域３５は、半導体領域３３が設けられていない半導体領域２０と、半導体領域３０との間に選択的に設けられている。半導体領域３５は、半導体領域２０と半導体領域３０とに接している。半導体領域３５の不純物濃度は、半導体領域２０の不純物濃度よりも低い。半導体領域３５と半導体領域３０とにより、ＰＮダイオードＤ１が構成されている。

【0018】

半導体領域３４は、半導体領域１０とは反対側の半導体領域３０の表面に選択的に設けられている。半導体領域３４の導電形は、Ｐ^＋形である。半導体領域３４は、半導体領域３２が設けられていない半導体領域３０の表面に選択的に設けられている。半導体領域３５の上の半導体領域３０の一部は、半導体領域３４と半導体領域３５とによって挟まれている。

【0019】

半導体領域３６は、半導体領域３３の上に設けられている。半導体領域３６は、半導体領域３３の上の半導体領域３０に接している。半導体領域３６は、半導体領域３３の上の半導体領域３０を囲んでいる（図１（ａ））。半導体領域３６の導電形は、Ｐ^＋形である。半導体領域３６は、半導体領域３３に接続されている。半導体領域３６は、半導体領域３０からＰＮダイオードＤ２およびツェナーダイオードＤ３を分離させた素子分離領域である。

【0020】

半導体領域３７は、半導体領域３５の上に設けられている。半導体領域３７は、半導体領域３５の上の半導体領域３０に接している。半導体領域３７は、半導体領域３５の上の半導体領域３０を囲んでいる（図１（ａ））。半導体領域３７の導電形は、Ｎ^＋形である。半導体領域３７は、半導体領域３５に接続されている。半導体領域３７は、半導体領域３０からＰＮダイオードＤ１を分離させた素子分離領域である。

【0021】

半導体領域３３、半導体領域３２、半導体領域３５、半導体領域３４、半導体領域３６、および半導体領域３７は、半導体領域２０中または半導体領域３０中に不純物元素が注入されて、加熱によって形成された不純物拡散領域である。

【0022】

絶縁層７０は、半導体領域３０、半導体領域３２、半導体領域３４、半導体領域３６、および半導体領域３７のそれぞれの上に設けられている。絶縁層７０には、半導体領域３２の上面３２ｕの一部を開口する第１開口（以下、例えば、開口７０ｈ１）と、半導体領域３４の上面３４ｕの一部を露出させる第２開口（以下、例えば、開口７０ｈ２）と、が設けられている。

【0023】

配線層１０は、絶縁層７０の上に設けられている。配線層１０は、開口７０ｈ１を経由して半導体領域３２に接続されている。また、配線層１０は、開口７０ｈ２を経由して半導体領域３４に接続されている。

【0024】

配線層１０は、半導体領域３２および半導体領域３４にオーミック接触をしている。保護膜７１は、絶縁層７０、配線層１０のそれぞれの上に設けられている。

【0025】

各半導体領域の主成分は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）である。また、各半導体領域の主成分は、シリコン炭化物（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等でもよい。また、実施形態では、特に断らない限り、Ｎ^＋＋形、Ｎ^＋形の順でＮ形（第１導電形）の不純物濃度が低くなることを表す。また、Ｐ^＋形、Ｐ⁻形の順でＰ形（第２導電形）の不純物濃度が低くなることを表す。

【0026】

Ｎ形不純物元素としては、例えば、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、リン（Ｐ）等が適用される。Ｐ形不純物元素としては、例えば、ホウ素（Ｂ）等が適用される。

【0027】

配線層１０の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）等の群から選ばれる少なくとも１つを含む金属である。また、絶縁層７０の材料は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物等を含む。

【0028】

図２は、実施形態に係る半導体装置に組み込まれた回路の等価回路図である。

【0029】

半導体装置１では、一例として、クローバ回路が構成されている。例えば、ＰＮダイオードＤ２およびツェナーダイオードＤ３とからなる組のダイオードと、ＰＮダイオードＤ１と、は並列に接続されている。半導体領域２０の電位は、グランド電位であるとする。

【0030】

例えば、配線層１０に負の過渡電圧が印加された場合、ＰＮダイオードＤ２は順方向に、ツェナーダイオードＤ３は逆方向に、ＰＮダイオードＤ１は逆方向に、それぞれバイアスされる。

【0031】

ツェナーダイオードＤ３のブレークダウン電圧は任意に設定可能である。従って、ツェナーダイオードＤ３のブレークダウン電圧をＰＮダイオードＤ１のブレークダウン電圧よりも低く設定することにより、ＰＮダイオードＤ１には逆方向に電流が流れず、ツェナーダイオードＤ３には逆方向に電流が流れる。これにより、過渡電流（サージ電流）は、半導体領域２０からツェナーダイオードＤ３、ＰＮダイオードＤ２を通じて配線層１０へと流れる（矢印Ａ）。

【0032】

一方、配線層１０に正の過渡電圧が印加された場合、ＰＮダイオードＤ２は逆方向に、ツェナーダイオードＤ３は順方向に、ＰＮダイオードＤ１は順方向にそれぞれバイアスされる。ＰＮダイオードＤ２のブレークダウン電圧よりもＰＮダイオードＤ１の順方向電圧の方が低く設定されている場合には、過渡電流は配線層１０からＰＮダイオードＤ１を通じて半導体領域２０に流れる（矢印Ｂ）。

【0033】

図３は、実施形態に係る半導体装置の用途の一例を表すブロック図である。

【0034】

半導体装置１は、例えば、電子製品５００の中に組み込まれている。電子製品５００は、ＥＳＤ保護ダイオード（半導体装置１）の他に、保護回路５０１を備えている。保護回路５０１は、接触器５０３に接続されている。保護回路５０１と接触器５０３との間に半導体装置１が設けられている。電子製品５００内の電子回路５０２は、半導体装置１と保護回路５０１とによって外的な過渡電流から保護されている。接触器５０３は、例えば、電子製品５００に取り付けられる電子部品である。

【0035】

例えば、過渡電流Ｉが接触器５０３から電子製品５００の中に侵入してくる場合を想定する。このような場合、予め、保護回路５０１よりも、半導体装置１によって過渡電流Ｉが優先的に吸収されることが望ましい。これにより、半導体装置１の後方に設けられた保護回路５０１に過渡電流Ｉが流れ難くなり、保護回路５０１の破損が防止できる。

【0036】

過渡電流Ｉが優先的に半導体装置１に吸収されるには、半導体装置１に過渡電流Ｉが侵入してくる際の半導体装置１の動的な抵抗（ダイナミック抵抗（Ｒｄｙｎ））が低いことが望ましい。例えば、半導体装置１のダイナミック抵抗が高いと、過渡電流Ｉが半導体装置１に吸収されず、過渡電流Ｉが保護回路５０１に流れ、保護回路５０１自体が破損する可能性がある。

【0037】

さらに、保護回路５０１に印加される電圧を低下させて、保護回路５０１を電気的に保護するには、ツェナーダイオードＤ３の降伏電圧ＶＢＲの絶対値を低下させることが望ましい。これにより、保護回路５０１に印加される電圧（クランプ電圧）がより低くなる。

【0038】

但し、ツェナーダイオードＤ３の降伏電圧ＶＢＲの絶対値を下げた場合には、ツェナーダイオードＤ３に逆バイアスが印加される際のリーク電流を十分に抑える必要がある。これにより、半導体装置１内でのスナップバック現象が引き起こされる。ここで、スナップバック現象とは、通常、電流電圧曲線では電圧上昇に応じて電流上昇が起きるが、電圧が上昇し、ある電圧を過ぎると、電圧低下しても電流が上昇する現象を言う。半導体装置１においては、このスナップバック現象が引き起こされ、ダイナミック抵抗の低抵抗化が実現する。

【0039】

図４（ａ）は、実施形態に係る半導体装置のツェナーダイオードＤ３のＰ側の不純物濃度プロファイルを変化させた場合のＰＮ接合部付近の不純物濃度の変化の様子を表すグラフであり、図４（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置のツェナーダイオードＤ３のＰ側の不純物濃度プロファイルを変化させた場合のツェナーダイオード降伏の電流電圧曲線を表すグラフである。

【0040】

図４（ａ）の横軸は、距離（μｍ）であり、縦軸は、不純物濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。図４（ａ）には、ヒ素（Ａｓ）と、ホウ素（Ｂ）と、の不純物濃度プロファイルが示されている。また、実施形態では、ヒ素（Ａｓ）の不純物濃度プロファイルとホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルとが交差する点での不純物濃度を「交点濃度」と定義する。ホウ素（Ｂ）に関しては、交点濃度を変えた３種の場合が例示されている。

【0041】

ここで、グラフのＸ軸、すなわち深さ方向軸におけるホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ｂ−２とヒ素（Ａｓ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ａｓとの交点の位置を基準（０．０μｍ）とした場合、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ｂ−１とヒ素（Ａｓ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ａｓとの交点の位置は、Ｘ軸において、基準から、−０．６μｍずれている。また、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ｂ−３とヒ素（Ａｓ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ａｓとの交点の位置は、基準から、Ｘ軸において、＋２．８μｍずれている。これらのずれ値は、各線に括弧書きで示されている。また、これらのずれ値がマイナス側にシフトするほど、交点濃度が高くなることを意味している。

【0042】

ここで、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルが曲線Ｂ−３の場合の降伏電圧（ＶＢＲ）の絶対値は、約９．１Ｖ（電流１ｍＡ）であり、曲線Ｂ−１の場合の降伏電圧（ＶＢＲ）の絶対値は、約７．２Ｖ（電流１ｍＡ）であった。すなわち、交点濃度が高くなるほど、降伏電圧（ＶＢＲ）の絶対値が小さくなることが分かった。この要因の一例として、交点濃度が高くなるほど、逆バイアス印加時のＰＮ接合部付近における空乏層の延びが抑制されることが考えられる。

【0043】

具体的には、半導体領域２０と半導体領域３３とが接合する接合部における半導体領域２０の不純物濃度または半導体領域３３の不純物濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上のときに、降伏電圧（ＶＢＲ）の絶対値は、約７．２〜７．６Ｖ（電流１ｍＡ）になることが分かった。

【0044】

また、図４（ｂ）には、ヒ素（Ａｓ）の不純物濃度プロファイルを変えずに、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルを変えた場合のツェナーダイオード降伏の電流電圧曲線が表されている。ここで、括弧内の数字が低くなるほど、交点濃度は高くなっている。
この結果から、交点濃度が高くなるほど、ツェナーダイオードＤ３のリーク電流が大きくなることが分かった。これは、交点濃度が高くなるほど、禁止帯の幅がより狭くなることが起因していると、考えられる。なお、ツェナーダイオードＤ３のリーク電流とは、ツェナーダイオードＤ３に逆バアイスを印加したときに、ツェナーダイオードＤ３が降伏する前に流れる電流を意味する。

【0045】

例えば、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ｂ−３とヒ素（Ａｓ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ａｓとの交点の位置がＸ軸において、基準から、＋２．８μｍずれた場合の電流値は、約９．４×１０^−１１（Ａ）（電圧：３．３Ｖ）であった。

【0046】

これに対し、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ｂ−１とヒ素（Ａｓ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ａｓとの交点の位置がＸ軸において、基準から、−０．６μｍずれた場合の電流値は、約９×１０^−１０（Ａ）（電圧：３．３Ｖ）になり、電流値が増加した。

【0047】

図５は、実施形態に係る半導体装置のツェナーダイオードＤ３のＰ側の不純物濃度プロファイルの傾きを変化させた場合のＰＮ接合部付近の不純物濃度の様子を表すグラフである。

【0048】

図５の横軸は、距離（μｍ）であり、縦軸は、不純物濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。

【0049】

図５には、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ｂ−１’、Ｂ−２’、Ｂ−３’のそれぞれとヒ素（Ａｓ）の不純物濃度プロファイルの曲線Ａｓとの交点濃度が約５×１０^１８（atoms/cm³）で一致している。但し、曲線Ｂ−１’、曲線Ｂ−２’、曲線Ｂ−３’の順に不純物濃度プロファイルの曲線の傾きが急峻になっている。

【0050】

ここで、降伏電圧ＶＢＲは、曲線の傾きが急峻になるほど下がる傾向にある。例えば、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルが曲線Ｂ−１’を描く場合の降伏電圧（ＶＢＲ）の絶対値は、約７．７Ｖ（電流１ｍＡ）であり、曲線Ｂ−２’を描く場合の降伏電圧（ＶＢＲ）の絶対値は、約７．６Ｖ（電流１ｍＡ）であり、曲線Ｂ−３’を描く場合の降伏電圧（ＶＢＲ）の絶対値は、約５．３Ｖ（電流１ｍＡ）であった。これは、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルが急峻になるほど、逆バイアス印加時のＰＮ接合部付近における空乏層の延びがさらに抑制されると考えられる。

【0051】

さらに、ツェナーダイオードＤ３のリーク電流は、交点濃度を調整した場合に比べて、相対的に下がることが分かった。例えば、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルが曲線Ｂ−３’の場合、電流値は、約４．５×１０^−１０（Ａ）（電圧：３．３Ｖ）であり、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルが曲線Ｂ−２’の場合、電流値は、約４．６×１０^−１０（Ａ）（電圧：３．３Ｖ）であり、ホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルが曲線Ｂ−１’の場合、電流値は、約３．６×１０^−１０（Ａ）（電圧：３．３Ｖ）であった。

【0052】

図６（ａ）は、参考例に係る半導体装置の深さ方向における不純物濃度プロファイルであり、図６（ｂ）のＸ−Ｙ線に沿った位置での不純物濃度を表すグラフであり、図６（ｂ）は、参考例に係る半導体装置を表す模式的断面図である。不純物濃度プロファイルは、例えば、ＳＩＭＳで実測される。

【0053】

参考例に係る半導体装置１００においては、各半導体領域の導電形が半導体装置１の導電形と逆になっている。つまり、半導体装置１のＮ形半導体領域が半導体装置１００ではＰ形半導体領域となり、半導体装置１のＰ形半導体領域が半導体装置１００ではＮ形半導体領域となっている。

【0054】

半導体装置１００には、半導体基板としてＰ^＋＋形の半導体領域２００が用いられている。半導体領域２００の上には、エピタキシャル成長によってＮ⁻形の半導体領域３００が形成されている。半導体領域２００と半導体領域３００との間には、Ｎ^＋形の半導体領域３３０が設けられている。半導体領域２００は、ホウ素（Ｂ）を含み、半導体領域３００は、リン（Ｐ）を含んでいる。

【0055】

ここで、シリコン結晶におけるホウ素（Ｂ）の拡散係数は、ヒ素（Ａｓ）の拡散係数に比べて高い。従って、半導体装置１００の製造過程中に半導体領域２００から半導体領域３００にホウ素（Ｂ）が拡散していく。これにより、半導体装置１００では、ツェナーダイオードＤ３におけるホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルが緩やかになり、ツェナーダイオードＤ３のリーク電流が十分に抑えられない可能性がある。

【0056】

図７（ａ）は、実施形態に係る半導体装置の深さ方向における不純物濃度プロファイルであり、図７（ｂ）のＸ−Ｙ線に沿った位置での不純物濃度を表すグラフであり、図７（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置を表す模式的断面図である。不純物濃度プロファイルは、例えば、ＳＩＭＳで実測される。

【0057】

これに対して、実施形態に係る半導体装置１では、半導体基板としてＮ^＋＋形の半導体領域２０が用いられている。半導体領域２０は、ヒ素（Ａｓ）を含んでいる。

【0058】

従って、半導体装置１の製造過程中には、半導体領域２０から半導体領域３０にヒ素（Ａｓ）は拡散し難く、ツェナーダイオードＤ３におけるホウ素（Ｂ）の不純物濃度プロファイルが半導体装置１００に比べて急峻になる。これにより、半導体装置１では、降伏電圧が低減するとともに、半導体装置１００に比べて、ツェナーダイオードＤ３のリーク電流を抑制することができる。

【0059】

さらに、実施形態に係る半導体装置１では、半導体装置１に存在する寄生のＮＰＮトランジスタが動作し、半導体装置１内でのキャリアが増加し、クランプ電圧がさらに低減する。

【0060】

図８（ａ）は、半導体装置に存在する寄生のＮＰＮトランジスタが動作する場合と動作しない場合の電流電圧曲線を表すグラフであり、図８（ｂ）は、半導体装置に存在する寄生のＮＰＮトランジスタが動作する要因の一例を説明する模式的断面図である。

【0061】

ここで、図８（ａ）に示された電流電圧曲線は、直列に繋がれたＰＮダイオードＤ２とツェナーダイオードＤ３との電流電圧曲線である。図８（ａ）の横軸は、逆バイアス電圧である。また、図８（ａ）には、半導体装置１のほか、参考例に係る半導体装置１００の電流電圧曲線が示されている。

【0062】

半導体装置１には、ＰＮダイオードＤ２およびツェナーダイオードＤ３とともに、Ｎ^＋形半導体領域３２（エミッタ）／Ｐ⁻形半導体領域３０およびＰ^＋形半導体領域３３（ベース）／Ｎ^＋＋形半導体領域２０（コレクタ）によって、ＮＰＮトランジスタが構成されている。

【0063】

Ｎ^＋形半導体領域３２と、Ｐ⁻形半導体領域３０およびＰ^＋形半導体領域３３との間に電圧が印加され、Ｎ^＋形半導体領域３２からＰ⁻形半導体領域３０およびＰ^＋形半導体領域３３に電子（ｅ）が注入されると、ツェナーダイオードＤ３が降伏する前に、ベース電流が流れてＮＰＮトランジスタがオンする場合がある。つまり、半導体装置１では、図８（ａ）に表すように、電圧（ＶＲ）が増加すると、ツェナーダイオードＤ３が降伏する前に、電圧（ＶＲ）が一旦下がり電流が増大するスナップバックが起きる。これにより、半導体装置１では、実質的な降伏電圧が低下する。

【0064】

これに対し、参考例に係る半導体装置１００には、寄生のＮＰＮトランジスタが内蔵されていない。従って、ＮＰＮトランジスタのスナップバックが起こらず、半導体装置１００の降伏電圧（ＶＢＲ）は、半導体装置１の降伏電圧に比べて高くなってしまう。

【0065】

図９（ａ）は、実施形態に係る半導体装置のＰＮダイオードＤ２およびツェナーダイオードＤ３を表す模式的平面図であり、図９（ｂ）のＡ−Ａ’線に沿った位置での切断面を表す図であり、図９（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置のＰＮダイオードＤ２およびツェナーダイオードＤ３を表す模式的断面図であり、図９（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った位置での切断面を表す図であり、図９（ｃ）は、実施形態に係る半導体装置のＰＮダイオードＤ２およびツェナーダイオードＤ３の電流電圧曲線を表すグラフである。

【0066】

図９（ｃ）に示された電流電圧曲線は、直列に繋がれたＰＮダイオードＤ２とツェナーダイオードＤ３との電流電圧曲線である。図９（ｃ）の横軸は、逆バイアス側の電圧である。図９（ｃ）には、半導体領域３２の上面３４ｕの面積Ｓａに対する開口面積Ｓｐの割合を変えた場合のスナップバックの変化の様子が表されている。

【0067】

図９（ｃ）に表すように、半導体領域３２の開口面積Ｓｐが小さくなるほど、スナップバックが起き易い傾向にある。従って、半導体領域３２の上面３２ｕの面積をＳａとし、開口７０ｈ１によって開口された上面３２ｕの一部の面積をＳｐとした場合、Ｓａに対するＳｐの割合は、１０％以上９０％以下に調整されている。

【0068】

Ｓａに対するＳｐの割合が１０％より小さい場合は、Ｎ^＋形半導体領域３２の開口が過小になり、Ｎ^＋形半導体領域３２と配線層１０とのコンタクト抵抗が増加してしまう。

【0069】

また、Ｓａに対するＳｐの割合が９０％より大きい場合は、Ｎ^＋形半導体領域３２において、配線層１０側とＰ⁻形半導体領域３０側とで電圧降下が起き難くなる。つまり、Ｎ^＋形半導体領域３２内で電位勾配（電界）が発生し難くなる。

【0070】

これにより、Ｎ^＋形半導体領域３２からＰ⁻形半導体領域３０およびＰ^＋形半導体領域３３に注入される電子が不足して、Ｐ⁻形半導体領域３０およびＰ^＋形半導体領域３３内のベース電流が増大し難くなる。つまり、ＮＰＮトランジスタがオンになり難くなる。

【0071】

このような場合、ツェナーダイオードＤ３が降伏した後に、ブレークダウン電流がベース電流となってスナップバックが起こる場合がある。しかし、この場合は、クランプ電圧がツェナーダイオードＤ３の単独の降伏電圧で決まり、クランプ電圧が低下しない場合がある。

【0072】

このように、実施形態では、半導体装置１の寄生のＮＰＮトランジスタを利用して、スナップバックを発生させ、ツェナーダイオードＤ３の降伏電圧を低下させているとともに、ツェナーダイオードＤ３のリーク電流を抑えている。これにより、半導体装置１に接続された保護回路のクランプ電圧を低減させることができ、ＥＳＤ保護が確実になる。

【0073】

上記の実施形態では、「部位Ａは部位Ｂの上に設けられている」と表現された場合の「の上に」とは、部位Ａが部位Ｂに接触して、部位Ａが部位Ｂの上に設けられている場合の他に、部位Ａが部位Ｂに接触せず、部位Ａが部位Ｂの上方に設けられている場合との意味で用いられる場合がある。また、「部位Ａは部位Ｂの上に設けられている」は、部位Ａと部位Ｂとを反転させて部位Ａが部位Ｂの下に位置した場合や、部位Ａと部位Ｂとが横に並んだ場合にも適用される場合がある。これは、実施形態に係る半導体装置を回転しても、回転前後において半導体装置の構造は変わらないからである。

【0074】

以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

【0075】

また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。

【0076】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0077】

１、１００ 半導体装置、 １０ 配線層、 ２０ 第１半導体領域、 ３０ 第２半導体領域、 ３２ 第４半導体領域、 ３２ｕ 上面、 ３３ 第３半導体領域、 ３４ 第６半導体領域、 ３４ｕ 上面、 ３５ 第５半導体領域、 ３６ 第７半導体領域、 ３７ 第８半導体領域、 ７０ 絶縁層、 ７０ｈ１ 第１開口、 ７０ｈ２ 第２開口、 ７１ 保護膜、 ２００ 半導体領域、 ３００ 半導体領域、 ３３０ 半導体領域、 ５００ 電子製品、 ５０１ 保護回路、 ５０２ 電子回路、 ５０３ 接触器、 Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ ＥＳＤ保護ダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】