JP2002198436A - 半導体集積回路装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体集積回路装置およびその製造方法Info
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Abstract
ーダイオードを内蔵した半導体集積回路装置において、
基板への漏れ電流を低減し、順方向電流能力を大幅に向
上させるダイオード素子を効率よく、集積化することを
目的とする。 【解決手段】 この半導体集積回路装置では、基板24
上に2層のエピタキシャル層25、26を積層し、これ
らをP+型の分離領域27により3つの島領域28、2
9、30に電気的に分離する。この第1の島領域28に
ダイオード素子21を形成するが、N+型のカソード導
出領域54に重畳してN+型ウェル領域39を形成す
る。そのことで、PN接合のN型領域の抵抗値が下がる
ことにより順方向電圧(VBEF)が低減し、順方向にお
ける電流(If)能力を大幅に向上させることができ
る。
Description
保護に適したスパークキラーダイオードを内蔵した半導
体集積回路装置に関する。
のように直流電源VCC、GND間に直列接続されたト
ランジスタ(Tr1―Tr2、Tr3―Tr4、Tr5
―Tr6)が並列接続され、Tr1―Tr2、Tr3―
Tr4およびTr5―Tr6の間から取り出された出力
端子をモータMに接続した回路構成を採用する。
タの回転/停止に伴う正/逆方向の起電力が発生する。
従来は、IC化された直列接続トランジスタのコレクタ
・エミッタ間に保護ダイオードを接続し、前記逆方向起
電力によって出力端子がGND電位より低く又はVCC
電位より高くなった際にダイオード4がONする事で前
記起電力を固定電位へ逃がし、直列接続されたトランジ
スタを含むICの内部を保護していた。特にダイオード
4に数Aもの大電流を流す場合は、ダイオード4として
個別部品を用いて構成していた。
点数を減らす為にダイオード4もIC化したいとの要望
もある。しかし、数Aもの大電流を流すダイオードを集
積化すると、集積回路内で不可避的に発生する寄生トラ
ンジスタ効果によって寄生電流が流れ、無効電流が流れ
るほか最悪の場合はラッチアップに至るという危険性を
はらんでいる。
えば特開平6―100459号公報に記載された構造が
提案された。
型半導体基板2との間にN+型の埋め込み層3が設けら
れ、この埋め込み層3を囲むようにP+型の分離領域4
が半導体層2表面から半導体基板1まで拡散され、1つ
のアイランド5を形成している。前記埋め込み層3の上
には一部重なるようにP+型の埋め込み層6が形成され
ている。このP+型の埋め込み層6を囲み、半導体層2
表面からN+型の埋め込み層3に到達するN+型の導出
領域7が設けられ、この囲まれた領域にはN+型の拡散
領域8が形成されている。更には導出領域7で囲まれた
領域において、前記拡散領域8を囲み、半導体層2から
P+型の埋め込み層6に到達するP+型の導出領域9が
設けられている。更には、前記拡散領域8にはカソード
電極10が、P+型の導出領域9にはアノード電極11
が設けられ、この電極はN+型の導出領域7と電気的に
接続されている。
込み層6がアノード領域、N+型の拡散領域8と導出領
域9で囲まれたN型の半導体領域がカソード領域とな
り、ダイオードが構成されている。
の埋め込み層3をベース、P+型の埋め込み層6をエミ
ッタ、P型の半導体基板1やP+型の分離領域4をコレ
クタとするPNP型の寄生トランジスタTr2が生じる
が、アノード電極の接続によりこの寄生トランジスタT
r2のベースとエミッタ間が同電位となるので、寄生P
NPトランジスタTr2がON動作することを防止でき
る。
半導体集積回路装置では、図11に示したように、負荷
が誘導性負荷の場合、モータの回転/停止に伴う正/逆
方向の起電力が発生するため、IC化された直列接続ト
ランジスタのコレクタ・エミッタ間に保護ダイオードを
接続し、前記逆方向起電力によって出力端子がGND電
位より低く又はVCC電位より高くなった際にダイオー
ド4がONする事で前記起電力を固定電位へ逃がし、直
列接続されたトランジスタを含むICの内部を保護して
いた。特にダイオード4に数Aもの大電流を流す場合
は、ダイオード4として個別部品を用いて構成してい
た。
オード4もIC化したいとの要望等により、数Aもの大
電流を流すダイオードを集積化したが、集積回路内で不
可避的に発生する寄生トランジスタ効果によって寄生電
流が流れ、無効電流が流れる等の問題より、図12に示
すようなダイオードをICの内部に取り入れた構造とし
た。
て、ダイオードをICの内部に取り入れることはできた
が、基板1への漏れ電流を完全に防止することは不可能
であるという課題が生じた。
の課題に鑑みてなされたもので、本発明である半導体集
積回路装置では、一導電タイプの縦型トランジスタと、
逆導電タイプの縦型トランジスタと、及びダイオード素
子とを共通基板上に集積化した半導体集積回路装置であ
って、一導電型の半導体基板と、該基板表面に積層した
逆導電型の第1および第2のエピタキシャル層と、該第
1および第2のエピタキシャル層を分離して島領域を形
成する一導電型の分離領域と、前記基板と前記第1のエ
ピタキシャル層との間に形成される逆導電型の埋め込み
層と、前記第1および第2のエピタキシャル層を分離し
て第1、第2および第3の島領域を形成する一導電型の
分離領域と、前記第1の島領域に形成される前記ダイオ
ード素子の逆導電型および一導電型のアノード導出領域
および逆導電型のカソード導出領域と、前記第2の島領
域に形成される前記一導電タイプの縦型トランジスタの
コレクタ導出領域、エミッタ領域およびベース導出領域
と、前記第3の島領域に形成される前記逆導電タイプの
トランジスタのコレクタ導出領域、エミッタ領域および
ベース領域とを備え、前記第1の島領域の前記逆導電型
のカソード導出領域と重畳して形成される逆導電型のウ
ェル領域を有することを特徴とする。
は、前記ダイオード素子の前記逆導電型のカソード導出
領域と重畳して前記逆導電型のウェル領域を形成するこ
とに特徴を有する。そのことにより、PN接合のN型領
域の抵抗値が下がることにより順方向電圧(VBEF)が
低減することで、順方向における電流(If)能力を大
幅に向上させる半導体集積回路装置を得ることができ
る。
半導体集積回路装置の製造方法では、同一の半導体基板
上に、ダイオード素子、一導電タイプの縦型トランジス
タ、および、逆導電タイプの縦型トランジスタとを形成
する半導体集積回路装置の製造方法において、一導電型
の半導体基板を準備する工程と、該基板に不純物を拡散
させ、前記ダイオード素子、前記一導電タイプの縦型ト
ランジスタ、および、前記逆導電タイプの縦型トランジ
スタ形成領域にそれぞれ埋め込み層を形成する工程と、
前記基板上に逆導電型の第1のエピタキシャル層を積層
する工程と、該第1のエピタキシャル層上に不純物を拡
散し、前記ダイオード素子、前記一導電タイプの縦型ト
ランジスタ、および、前記逆導電タイプの縦型トランジ
スタ形成領域にそれぞれ埋め込み層を形成する工程と、
前記第1のエピタキシャル層上に第2のエピタキシャル
層を積層する工程と、該第2のエピタキシャル層上に不
純物を拡散し、前記ダイオード素子および前記一導電タ
イプの縦型トランジスタ形成領域に逆導電型のウェル領
域を同時に形成する工程を有することを特徴とする。
は、好適には、前記ダイオード素子および前記一導電タ
イプの縦型トランジスタ形成領域に逆導電型のウェル領
域を同時に形成することで、本発明の半導体集積回路装
置の構造を容易に形成することができる。
て図面を参照しながら詳細に説明する。
トランジスタ22およびNPNトランジスタ23とを組
み込んだ半導体集積回路装置の断面図である。
さ2〜10μmの第1のエピタキシャル層25および厚
さ8〜10μmの第2のエピタキシャル層26が、2層
の合計膜厚が8〜16μm程度になるように形成されて
いる。そして、基板24と第1および第2のエピタキシ
ャル層25、26は、それらを貫通するP+型分離領域
27によってダイオード素子21を形成する第1の島領
域28、縦型PNPトランジスタ22を形成する第2の
島領域29およびNPNトランジスタ23を形成する第
3の島領域30が電気的に分離され、形成されている。
下方向に拡散した第1の分離領域31と、第1および第
2エピタキシャル層25、26の境界から上下方向に拡
散した第2の分離領域32と、第2エピタキシャル層2
6表面から形成した第3の分離領域33から成り、3者
が連結することで第1および第2のエピタキシャル層2
5、26を島状に分離する。
ード素子21は、基本的に縦型PNPトランジスタ22
と同様の構造を具備している。具体的にいうと、第1お
よび第2のエピタキシャル層25、26の境界部分にP
+型の埋め込み層35がアノード領域として形成されて
おり、第2のエピタキシャル層26表面からP+型の埋
め込み層35に達するP+型の拡散領域38がアノード
導出領域として形成されている。そして、これらP+型
領域に囲まれたN−型の第2のエピタキシャル層26が
カソード領域として形成されることでPN接合ダイオー
ドが構成されている。この時、第2のエピタキシャル層
26にN+型拡散領域37をアノード領域として形成
し、P+型拡散領域38とN+型拡散領域37とを短絡
してアノード導出領域としても良い。これはNPNトラ
ンジスタでいえば、ベース、コレクタ間を短絡して形成
したダイオードということになる。
ド領域として形成されているP+型領域に囲まれたN−
型の第2のエピタキシャル層26に、N+型ウェル領域
39が形成されている。このN+型ウェル領域39によ
り、PN接合のN型領域の抵抗値が下がることにより順
方向電圧(VBEF)が低減することで、順方向における
電流(If)能力を大幅に向上させることができる。
シリコン酸化膜によって被覆され、酸化膜に形成された
コンタクトホールを介して各種のアルミ電極が設けられ
ている。基板24には接合分離のための接地電位GND
が印加されている。
の拡大断面図を表した図であり、図2(B)は寄生トラ
ンジスタを示す等価回路図である。以下、基板24への
漏れ電流を左右する寄生トランジスタの動作について説
明する。
ジスタTR1は、N+型の第1の埋め込み層34をコレ
クタ、P+型の埋め込み層35をベースおよびN+ウェ
ル領域39をエミッタとして構成されている。一方、寄
生PNPトランジスタTR2は、P型の基板24をコレ
クタ、N+型の第1の埋め込み層34をベース、P+型
の埋め込み層35をエミッタとして構成されている。
ンジスタTR1のベース・コレクタはアノード電極53
によって短絡され、同じく寄生PNPトランジスタTR
2のベース・エミッタ間が短絡される。このとき、寄生
NPNトランジスタTR1のベース・コレクタ間にはP
+型の拡散領域38とP+型の埋め込み層35とが持つ
抵抗成分R1が接続され、寄生PNPトランジスタTR
2のベース・エミッタ間にはN+型の拡散領域37、N
+型の第2の埋め込み層36およびN+型の第1の埋め
込み層34とが持つ抵抗成分R2が接続される。本発明
のダイオード素子21の構造では、寄生NPNトランジ
スタTR1の抵抗成分R1の場合は、P+型の拡散領域
38とP+型の埋め込み層35との連結により構成され
ているため抵抗成分R1の値は極めて小さくなる。ま
た、寄生PNPトランジスタTR2の抵抗成分R2の場
合も、N+型の拡散領域37、N+型の第2の埋め込み
層36およびN+型の第1の埋め込み層34との連結に
より抵抗成分R2の値は極めて小さくなる。
りカソード領域の抵抗を下げることができるので、順方
向電流Ifの能力を向上することができる。
ース・エミッタ間に接続される抵抗成分R2の値は小さ
くできるので、寄生PNPトランジスタTR2のベース
電位(N+型の第1の埋め込み層34の電位)をエミッ
タ電位(P+型の埋め込み層35の電位)より高く維持
することができる。従って、寄生PNPトランジスタT
R2のON動作を阻止し、基板24への漏れ電流を小さ
く保つことが可能になる。
タTR2において、例えば、従来の構造では1Aを流し
たとき基板24への漏れ電流が100mAであったのに
対して、本発明の構造(抵抗成分R2の抵抗値を8Ωと
した場合)では20mAまで低減することができる。
NPトランジスタ22において、第1および第2のエピ
タキシャル層25、26の境界部分にP+型の埋め込み
層42がコレクタ領域として形成されており、第2のエ
ピタキシャル層26表面からP+型の埋め込み層42に
達するP+型拡散領域45がコレクタ導出領域として形
成されている。そして、これらP+型領域に囲まれたN
−型の第2のエピタキシャル層26にN+型のウェル領
域61がベース領域として形成されており、N+型のウ
ェル領域61にはP+型の拡散領域46がエミッタ領域
として、また、N+型の拡散領域47がベース導出領域
として形成されることで、縦型PNPトランジスタ22
は構成されている。また、P+型拡散領域45を囲むよ
うにN+型拡散領域44を形成し、N+型の第2の埋め
込み層43を介して第1の埋め込み層27に連結し、図
示せぬ電極により電源電位Vccあるいはエミッタ電極
56の電位を印加した。これはP+型の拡散領域45を
エミッタ、第2の島領域29をベース、P+型の分離領
域27をコレクタとする寄生PNPトランジスタの発生
を抑制するものであり、この縦型PNPトランジスタを
大電流用途に適したPNPトランジスタとすることがで
きる。
ンジスタ23において、第3の島領域30をコレクタ領
域としてP型の拡散領域をベース領域として、N+型の
拡散領域をエミッタ領域として形成されていることで構
成される。そして、基板24と第1のエピタキシャル層
25との間に第1のN+型の埋め込み層48が、また、
第1および第2のエピタキシャル層25、26の境界部
分にも第2のN+型の埋め込み層49が連結して形成さ
れている。更に、N+型の拡散領域50をコレクタ導出
領域とし、N+型の拡散領域50も第2のN+型の埋め
込み層49と連結して形成されている。このように、コ
レクタ電極60の下部に高濃度低抵抗領域を構成するこ
とによって、NPNトランジスタ23の飽和抵抗Vce
(sat)を低減する。従って、このNPNトランジス
タ23は高耐圧、大電流であり、モータドライバー等の
回路用途に適している。
路装置の製造方法について図3〜図10を参照にして説
明する。
シリコン基板24を準備し、この基板24の表面を熱酸
化して酸化膜を形成し、N+型の第1の埋め込み層3
4、41、48に対応する酸化膜をホトエッチングして
選択マスクとする。そして、基板24表面にN+型埋め
込み層34、41、48を形成するリン(P)を拡散す
る。
8を形成する不純物として、リン(P)以外でも、アン
チモン(Sb)やヒ素(As)を使用しても形成するこ
とができる。
域27の第1分離領域31を形成するため、イオン注入
を行う。図3において選択マスクとして用いた酸化膜を
全て除去した後、公知のフォトリソグラフィ技術により
P+型の第1の分離領域31を形成する部分に開口部が
設けられたフォトレジスト(図示せず)を選択マスクと
して形成する。そして、P型不純物、例えば、ホウ素
(B)をイオンエネルギー160keV、導入量1.0
×1014/cm2でイオン注入する。その後、フォトレ
ジストを除去する。
去した後、基板24をエピタキシャル成長装置のサセプ
タ上に配置し、ランプ加熱によって基板24に1140
℃程度の高温を与えると共に反応管内にSiH2Cl2ガ
スとH2ガスを導入することにより、低濃度エピ(ρ=
1.25Ω・cm)、厚さ2.0〜10.0μmの第1
のエピタキシャル層25を成長させる。そして、第1の
エピタキシャル層25の表面を熱酸化して酸化膜を形成
した後、N+型の第2の埋め込み層37、43、49に
対応する酸化膜をホトエッチングして選択マスクとす
る。そして、基板24表面にN+型埋め込み層34、4
1、48を形成するリン(P)を拡散する。
去した後、再び、第1のエピタキシャル層25の表面を
熱酸化して酸化膜を形成し、公知のフォトリソグラフィ
技術によりP+型の埋め込み層35、42およびP+型
の第2の分離領域39を形成する部分に開口部が設けら
れたフォトレジスト(図示せず)を選択マスクとして形
成する。そして、P型不純物、例えば、ホウ素(B)を
イオンエネルギー40keV、導入量3.0×1013/
cm2でイオン注入する。その後、フォトレジストを除
去する。このとき、第2のN+型埋め込み層36、4
3、49は同時に拡散され、第1のN+型埋め込み層3
4、41、48と連結する。
去した後、基板24をエピタキシャル成長装置のサセプ
タ上に配置し、ランプ加熱によって基板24に1140
℃程度の高温を与えると共に反応管内にSiH2Cl2ガ
スとH2ガスを導入することにより、低濃度エピ(ρ=
1.25Ω・cm)、厚さ8.0〜10.0μmの第2
のエピタキシャル層26を第1のエピタキシャル層25
上に成長させる。そして、第2のエピタキシャル層26
の表面を熱酸化して酸化膜を形成した後、公知のフォト
リソグラフィ技術によりN+型ウェル領域39、61を
形成する部分に開口部が設けられたフォトレジスト(図
示せず)を選択マスクとして形成する。そして、N型不
純物、例えば、リン(P)をイオンエネルギー160k
eV、導入量1.0×1012/cm2でイオン注入す
る。その後、フォトレジストを除去する。このとき、P
+型の埋め込み層35、42およびP+型の第2の分離
領域32は同時に拡散され、それぞれ第1のN+型埋め
込み層34、41およびP+型の第1の分離領域31と
連結する。
シャル層26の表面を熱酸化して酸化膜を形成し、N+
型のコレクタ導出領域37、44、50およびベース導
出領域47に対応する酸化膜をホトエッチングして選択
マスクとする。そして、第2のエピタキシャル層26表
面にN+型埋め込み層37、44、50およびベース導
出領域47を形成するリン(P)を拡散する。
去した後、再び、第2のエピタキシャル層26の表面を
熱酸化して酸化膜を形成し、公知のフォトリソグラフィ
技術によりP+型の拡散領域38、45、P+型のエミ
ッタ領域46およびP+型の第3の分離領域33を形成
する部分に開口部が設けられたフォトレジスト(図示せ
ず)を選択マスクとして形成する。そして、P型不純
物、例えば、ホウ素(B)をイオンエネルギー40ke
V、導入量3.0×1013/cm2でイオン注入する。
その後、フォトレジストを除去する。このとき、第2の
N+型埋め込み層36、43、49は同時に拡散され、
第1のN+型埋め込み層34、41、48と連結する。
このとき、N+型の拡散領域37、44、50は同時に
拡散され、それぞれ第2のN+型埋め込み層36、4
3、49と連結する。その結果、第1の島領域28には
ダイオード素子21が完成し、第2の島領域29には縦
型PNPトランジスタ22が完成する。
30にはP型のベース領域51およびN+型のエミッタ
領域52を形成することで、NPNトランジスタ23が
完成する。その後、図1に示すように、ダイオード素子
21にはアノード電極53、カソード電極54が、縦型
PNPトランジスタ22にはコレクタ電極55、エミッ
タ電極56、ベース電極57が、NPNトランジスタ2
3にはエミッタ電極58、ベース電極59、コレクタ電
極60がアルミ材料により形成されることで、外部電極
と接続される。
ダイオード素子において、カソード領域として形成され
ているP+型領域に囲まれたN−型の第2のエピタキシ
ャル層に、N+型ウェル領域が形成されている。このN
+型ウェル領域により、PN接合のN型領域の抵抗値が
下がることにより順方向電圧(VBEF)が低減すること
で、順方向における電流(If)能力を大幅に向上させ
ることができる。
により、ダイオード素子内に形成される寄生トランジス
タTR1の電流増幅率は向上し、寄生トランジスタTR
2の電流増幅率は低減することができ、基板への漏れ電
流の抑制効果が高まる。その結果、出力トランジスタ保
護に適したスパークキラーダイオードを半導体集積回路
装置に集積化でき、電子機器の小型化、高密度化に寄与
することができる。
である。
ド素子を説明するための(A)拡大断面図(B)等価回
路図である。
する断図面である。
する断図面である。
する断図面である。
する断図面である。
する断図面である。
する断図面である。
する断図面である。
明する断図面である。
である。
を説明するための断面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 ダイオード素子と、一導電タイプの縦型
トランジスタと、及び逆導電タイプの縦型トランジスタ
とを共通基板上に集積化した半導体集積回路装置であっ
て、 一導電型の半導体基板と、 該基板表面に積層されている逆導電型の第1および第2
のエピタキシャル層と、 該第1および第2のエピタキシャル層を分離して島領域
を形成している一導電型の分離領域と、 前記基板と前記第1のエピタキシャル層との間に形成さ
れている逆導電型の埋め込み層と、 前記第1および第2のエピタキシャル層を分離して第
1、第2および第3の島領域を形成している一導電型の
分離領域と、 前記第1の島領域に形成されている前記ダイオード素子
の逆導電型アノード導出領域、一導電型のアノード導出
領域および逆導電型のカソード導出領域と、 前記第2の島領域に形成されている逆導電型のウェル領
域に形成されている前記一導電タイプの縦型トランジス
タのコレクタ導出領域、エミッタ領域およびベース導出
領域と、 前記第3の島領域に形成される前記逆導電タイプのトラ
ンジスタのコレクタ導出領域、エミッタ領域およびベー
ス領域とを備え、 前記第1の島領域の前記逆導電型のカソード導出領域と
重畳して形成されている逆導電型のウェル領域を有する
ことを特徴とする半導体集積回路装置。 - 【請求項2】 前記第1の島領域に形成されている前記
逆導電型のウェル領域と前記第2の島領域に形成されて
いる前記逆導電型のウェル領域とは、同じ拡散工程にて
形成されている拡散領域であることを特徴とする請求項
1記載の半導体集積回路装置。 - 【請求項3】 同一の半導体基板上に、ダイオード素
子、一導電タイプの縦型トランジスタ、および、逆導電
タイプの縦型トランジスタとを形成する半導体集積回路
装置の製造方法において、 一導電型の半導体基板を準備する工程と、 該基板に不純物を拡散させ、前記ダイオード素子、前記
一導電タイプの縦型トランジスタ、および、前記逆導電
タイプの縦型トランジスタ形成領域にそれぞれ埋め込み
層を形成する工程と、 前記基板上に逆導電型の第1のエピタキシャル層を積層
する工程と、 該第1のエピタキシャル層上に不純物を拡散し、前記ダ
イオード素子、前記一導電タイプの縦型トランジスタ、
および、前記逆導電タイプの縦型トランジスタ形成領域
にそれぞれ埋め込み層を形成する工程と、 前記第1のエピタキシャル層上に第2のエピタキシャル
層を積層する工程と、 該第2のエピタキシャル層上に不純物を拡散し、前記ダ
イオード素子および前記一導電タイプの縦型トランジス
タ形成領域に逆導電型のウェル領域を同じ工程で形成す
ることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 - 【請求項4】 前記ダイオード素子形成領域に形成され
る前記逆導電型のウェル領域はカソード領域として形成
され、前記一導電タイプの縦型トランジスタ形成領域に
形成される前記逆導電型のウェル領域はベース領域とし
て形成されることを特徴とする請求項3記載の半導体集
積回路装置の製造方法。
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