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JP6066025B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関し、特に、ESD保護素子としてダイオードを備えた半導体装置に関するものである。
携帯端末機等のパワーアンプモジュールを構成するトランジスタとして、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタが適用されている。この種のバイポーラトランジスタは、HBT(Hetero Junction Bipolar Transistor)と称されており、メサ構造を有している。
このようなバイポーラトランジスタ等の半導体素子が、静電気放電によって破壊されたり、または、静電気放電によって誤動作したりする等の不具合を防止するために、半導体装置には、ESD(Electro Static Discharge)保護素子が形成されている。そのESD保護素子の一つとして、ダイオードがある。
バイポーラトランジスタのESD保護素子としてのダイオードは、ダイオードの耐電圧および抵抗等の電気的特性上、複数のダイオードが直列に接続される態様で形成されることになる。そのパターン(レイアウト)として、図19に示すように、所定数のダイオードJDを一方向に直線状に接続させたパターンがある。
このパターンが形成された半導体装置101では、直線状に接続された複数のダイオードJDのうち、一端側に位置するダイオードのP型領域に入力端子108が接続され、他端側に位置するダイオードJDのN型領域に出力端子109が接続される。
なお、ESD保護素子としてのダイオードを開示した特許文献として、たとえば、特許文献1および特許文献2がある。
特開2002−217374号公報 WO2001−18865号
しかしながら、従来の半導体装置では以下のような問題点があった。複数のダイオードを一方向に直線状に接続させるパターンでは、半導体装置の微細化に伴って、他の半導体素子等が形成される領域(パターン)と干渉するために、配置できないことがある。
このため、図20に示すように、直列に接続される一連のダイオードJDを、その途中において折り返したパターン(折り返しパターン)が採用されている。ところが、この折り返しパターンでは、出力端子109が入力端子108に接近することがある。そのため、入力端子108側に位置するダイオードJDと、出力端子109側に位置するダイオードJDとの配置関係によっては、ESD試験において入力端子側に位置するダイオードJDから電流がリークし、ダイオードJDが破壊されてしまう場合があることが判明した。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、ESD保護素子としてのダイオードが静電気放電によって破壊されにくい半導体装置を提供することである。
本発明に係る一の半導体装置は、主表面を有する基板と、入力端子および出力端子と、複数のダイオードとを有している。入力端子および出力端子は、基板にそれぞれ形成されている。複数のダイオードは、基板に形成され、N型領域およびP型領域をそれぞれ含み、入力端子から順次直列に接続されて出力端子に接続されている。複数のダイオードのそれぞれでは、N型領域とP型領域とが平面視的に位置する態様で、N型領域の一部に接するようにP型領域が形成されている。直列に接続された複数のダイオードは、第1直列接続部と第2直列接続部とを備えている。第1直列接続部では、入力端子から第1方向に延在し、入力端子から遠ざかるように電流が流れる。第2直列接続部では、入力端子に接近するように電流が流れる部分を含む。第1直列接続部には、入力端子から数えて一番目の第1ダイオードが含まれている。第2直列接続部には、出力端子から数えて一番目の最終ダイオードが含まれている。最終ダイオードは、第1ダイオードに対して、第1方向と交差する第2方向に距離を隔てて配置されている。第1ダイオードおよび最終ダイオードでは、第1ダイオードのP型領域と最終ダイオードのN型領域とが平面視的に直接対向する配置以外の配置に設定されている。
一の半導体装置によれば、第1ダイオードおよび最終ダイオードでは、第1ダイオードのP型領域と最終ダイオードのN型領域とが平面視的に直接対向する配置以外の配置に設定されていることで、静電気放電によってダイオードが破壊されるのを抑制することができる。
第1ダイオードと最終ダイオードの配置として、順方向とは逆向きの、第1ダイオードのN型領域と最終ダイオードのP型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定されていることが特に好ましい。また、第1ダイオードのP型領域と最終ダイオードのP型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定されていてもよいし、あるいは、第1ダイオードのN型領域と最終ダイオードのN型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定されていてもよい。
また、最終ダイオードは、第1ダイオードに対して、第2方向として、第1方向と直交する方向に距離を隔てて配置されていてもよい。なお、直交とは、幾何学的に厳密な直交を意図するものではなく、製造上のばらつきを含む。
また、最終ダイオードは、第1ダイオードに対して、第2方向として、第1方向と直交する方向から斜めに傾けた方向に距離を隔てて配置されていてもよい。そのような配置として、最終ダイオードは、入力端子から数えて二番目の第2ダイオードに対して、第1方向と直交する方向に距離を隔てて配置されていることが好ましい。また、最終ダイオードは、出力端子から数えて二番目のダイオードが、第1ダイオードに対して、第1方向と直交する方向に距離を隔てて位置する態様で、配置されていることが好ましい。
本発明に係る他の半導体装置は、主表面を有する基板と、入力端子および出力端子と、複数のダイオードとを有している。入力端子および出力端子は、基板にそれぞれ形成されている。複数のダイオードは、基板に形成され、N型領域およびP型領域をそれぞれ含み、入力端子から順次直列に接続されて出力端子に接続されている。複数のダイオードのそれぞれでは、N型領域とP型領域とが平面視的に位置する態様で、N型領域の一部に接するようにP型領域が形成されている。直列に接続された前記複数のダイオードは、第1直列接続部と第2直列接続部とを備えている。第1直列接続部は、入力端子から第1方向に延在し、入力端子から遠ざかるように電流が流れる。第2直列接続部は、入力端子に接近するように電流が流れる部分を含む。第1直列接続部には、入力端子から数えて一番目の第1ダイオードが含まれている。第2直列接続部には、出力端子から数えて一番目のダイオード以外の、第1ダイオードに最も接近する中間ダイオードが含まれている。中間ダイオードは、第1ダイオードに対して、第1方向と交差する第2方向に距離を隔てて配置されている。第1ダイオードおよび中間ダイオードでは、第1ダイオードのP型領域と中間ダイオードのN型領域とが平面視的に直接対向する配置以外の配置に設定されている。
他の半導体装置によれば、第1ダイオードと、第1ダイオードに最も接近する中間ダイオードとでは、第1ダイオードのP型領域と中間ダイオードのN型領域とが平面視的に直接対向する配置以外の配置に設定されていることで、静電気放電によってダイオードが破壊されるのを抑制することができる。
第1ダイオードと中間ダイオードの配置として、順方向とは逆向きの、第1ダイオードのN型領域と中間ダイオードのP型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定されていることが特に好ましい。また、第1ダイオードのP型領域と中間ダイオードのP型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定されていてもよいし、あるいは、第1ダイオードのN型領域と中間ダイオードのN型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定されていてもよい。
また、中間ダイオードは、第1ダイオードに対して、第2方向として、第1方向と直交する方向に距離を隔てて配置されていてもよい。なお、直交とは、幾何学的に厳密な直交を意図するものではなく、製造上のばらつきを含む。
また、中間ダイオードは、第1ダイオードに対して、第2方向として、第1方向と直交する方向から斜めに傾けた方向に距離を隔てて配置されていてもよい。そのような配置として、中間ダイオードは、入力端子から数えて二番目の第2ダイオードに対して、第1方向と直交する方向に距離を隔てて配置されていることが好ましい。また、中間ダイオードは、入力端子から数えて中間ダイオードの一つ手前のダイオードが、第1ダイオードに対して、第1方向と直交する第2方向に距離を隔てて位置する態様で、配置されていることが好ましい。
本発明の実施の形態1に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態1において、図1に示す断面線II−IIにおける部分断面図である。 比較例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 図3に示す断面線IV−IVにおける部分断面図である。 同実施の形態1において、第1変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態1において、第2変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 本発明の実施の形態2に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態2において、第1変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態2において、第2変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態2において、第3変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 本発明の実施の形態3に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態3において、第1変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態3において、第2変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態3において、第3変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 本発明の実施の形態4に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態4において、第1変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態4において、第2変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 同実施の形態4において、第3変形例に係る半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 従来の半導体装置における、直列に接続されたダイオードの配置を示す部分平面図である。 従来の半導体装置における、直列に接続されたダイオードの他の配置を示す部分平面図である。
前述したように、バイポーラトランジスタのESD保護素子としてのダイオードでは、半導体装置の微細化に伴って、直列に接続される一連のダイオードを、その途中において折り返した折り返しパターンが採用されている。
入力端子に過度の静電気放電が入ってきた場合には、複数のダイオードが一直線状に配置されているパターンでは、入力端子から一番目のダイオードから破壊が進むことがわかっている。一方、折り返しパターンでは、入力端子と出力端子とが接近することがあり、たとえば、配線と配線とが最も接近する箇所等において電流がリークすることで破壊が起こるのではないか等と考えられてきたが、具体的にはほとんど解析されていない。このため、入力端子と出力端子とをできるだけ離して配置させることが、設計の基本方針とされていた。
今回、発明者らは、種々の折り返しパターンについてESD試験を行い、ダイオードの静電気放電による破壊に関する知見を得た。ESD試験として、HBM(Human Body Model:人体モデル)試験を行った。HBM試験とは、人体に蓄積された電荷が人体から電子部品に放電する現象を模擬するもので、最も一般的なESD試験として知られている。以下、各実施の形態では、このHBM試験によって得られた、ダイオードが破壊されにくい半導体装置について具体的に説明する。
実施の形態1
ここでは、入力端子から数えて一番目のダイオードと、出力端子から数えて一番目(入力端子から数えて最終番目)のダイオードとが対向する配置の第1の態様について説明する。
図1および図2に示すように、半導体装置1におけるN型のGaAs基板2には、ESD保護素子として、それぞれN型領域NRおよびP型領域PRを含む複数のダイオードDが形成されている。複数のダイオードDは電気的に直列に接続されている。直列に接続された複数のダイオードDのうち、一端側に位置するダイオードDのP型領域PRに入力端子8が電気的に接続され、他端側に位置するダイオードDのN型領域NRに出力端子9が電気的に接続されている。
複数のダイオードDのそれぞれは、たとえば、図2に示すP型分離領域3によって互いに電気的に分離されている。また、複数のダイオードDのそれぞれでは、図1に示すように平面視した方向からN型領域NRを二分して、N型領域NRとP型領域PRとが平面視的に位置する態様で、N型領域NRの一方の領域の面に接するようにP型領域PRが形成されている。なお、この明細書でいう「平面視的」とは、二次元のパターンを意図するものであり、基板の主表面に対してほぼ垂直な方向から見たときのパターンを意図する。
複数のダイオードDは、図2に示すように、互いに隣り合う一のダイオードDのN型領域NRの上面と、他のダイオードDのP型領域PRの上面とを、配線5によって電気的に接続する態様で、入力端子8と出力端子9の間を順方向に直列に接続されている。配線5は、たとえば、金(Au)から形成され、その配線5とP型領域PRの上面(N型領域NRの上面)との間には、金の拡散を阻止するバリアメタル4(図2参照)が形成されている。なお、図1等では、ダイオードの導電型の符号が付されている関係上、P型領域PR等の上面に位置する配線の部分は、図示されていない。
図1に示すように、複数のダイオードDの接続パターンには、一つの折り返しパターンが配置されている。折り返しパターンが配置されることで、複数のダイオードDの接続パターンには、入力端子8からX方向に延在して入力端子8から遠ざかるように電流が流れる直列接続パターン11(第1直列接続部)と、入力端子8側に向かって接近するように電流が流れる部分を含む直列接続パターン12(第2直列接続部)とが含まれる。直列接続パターン11と直列接続パターン12とは、ほぼ平行に配置された部分を含む。
直列接続パターン11には、入力端子8から数えて一番目のダイオードDFが含まれている。一番目のダイオードDFは、入力端子に静電気が入ってきた場合には、最も高い電圧が印加されることになる。また、直列接続パターン12には、出力端子9から数えて一番目、すなわち、入力端子8から数えて最終番目のダイオードDLが含まれている。ダイオードDLは、ダイオードDFに対して、X方向とほぼ直交するY方向に距離を隔てて配置されている。
そのダイオードDFおよびダイオードDLでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に直接対向している。ここで、「直接対向する」とは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのP型領域PRとが、N型領域NRとP型領域PRとの間に他のダイオード等を介在させずに平面視的に対向していることを意図する。
その複数のダイオードDおよび配線5等を覆うように、GaAs基板2上にシリコン窒化膜6(図2参照)が形成されている。さらに、シリコン窒化膜6を覆うように、たとえば、ポリイミド等の絶縁膜7(図2参照)が形成されている。なお、半導体装置1のGaAs基板2における所定の領域には、ダイオードD(ESD保護素子)によって保護すべき半導体素子として、たとえば、メサ構造を有するヘテロ接合型のバイポーラトランジスタ(図示せず)が形成されている。
メサ構造を有するバイポーラトランジスタを備えた半導体装置では、ダイオードDは、バイポーラトランジスタのコレクター(N型)およびベース(P型)をそれぞれ形成する際に同時に形成される。すなわち、コレクターを形成する際に、ダイオードDのN型領域NRが形成され、ベースを形成する際に、ダイオードDのP型領域PRが形成されることになる。これにより、ダイオードDもメサ構造となる。
上述した半導体装置1のESD保護素子としてのダイオードDでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に直接対向しており、入力端子8から見ると、ダイオードDFのN型領域NRからダイオードDLのP型領域PRへは逆方向になっているため耐圧が高くなる。その結果、静電気放電によってダイオードDが破壊されてしまうのを抑制することができる。このことについて、比較例に係る半導体装置と対比して説明する。
図3および図4に示すように、比較例に係る半導体装置101におけるN型のGaAs基板102には、入力端子108と出力端子109との間に、複数のダイオードJDが配線105によって電気的に直列に接続されている。複数のダイオードJDのそれぞれでは、N型領域JNRの上面を二分して、N型領域JNRとP型領域JPRとが平面視的に位置する態様で、N型領域JNRの上面に接するようにP型領域JPRが形成されている。
複数のダイオードJDの接続パターンには、一つの折り返しパターンと、入力端子108からX方向に遠ざかるように電流が流れる直列接続パターン111と、入力端子108に接近するように電流が流れる直列接続パターン112とが配置されている。直列接続パターン111には、入力端子108から数えて一番目のダイオードJDFが含まれている。また、直列接続パターン112には、入力端子108から数えて最終番目のダイオードJDLが含まれている。
ダイオードJDLは、ダイオードJDFに対して、X方向とほぼ直交するY方向に距離を隔てて配置されている。そのダイオードJDFおよびダイオードJDLでは、ダイオードJDFのP型領域JPRとダイオードJDLのN型領域JNRとが平面視的に直接対向するように、配置されている。比較例に係る半導体装置101は、上記のように構成される。
比較例に係る半導体装置では、入力端子108から数えて一番目のダイオードJDFと、出力端子109から数えて一番目のダイオード、すなわち、入力端子108から数えて最終番目のダイオードJDLとが平面視的に対向している。そして、さらに、ダイオードJDFのP型領域JPRとダイオードJDLのN型領域JNRとが、平面視的に直接対向している。
この配置において、ESD試験によるパルスストレスによって入力端子108に数百V程度の電圧が印加されると、ダイオードJDFとダイオードJDLとの間では、順方向に電圧が印加されることになる。そのため、電流がリークしやすく、電流がリークした瞬間に熱破壊が生じて故障に至ることがわかった。
比較例に係る半導体装置101に対して、上述した半導体装置1では、入力端子8から数えて一番目のダイオードDFと、入力端子8から数えて最終番目のダイオードDLとが平面視的に対向しているものの、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのP型領域PRとが、平面視的に直接対向している。
そのため、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合には、ダイオードDFとダイオードDLとの間では逆方向に電圧が印加されることになる。これにより、ダイオードJDFとダイオードJDLとの間に順方向に電圧が印加される場合と比べて、ダイオードDFからダイオードDLへ電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができることがわかった。
なお、上述した半導体装置1では、折り返しパターンとして、折り返される箇所が一箇所の場合を例に挙げて説明したが、折り返される箇所は一箇所に限られるものではなく、他の半導体素子(図示せず)のパターン等との関係で複数箇所設けてもよい。こうして、上述した半導体装置1では、ESD保護素子としてのダイオードDを配置させる領域(パターン)の自由度が高くなり、半導体装置1の微細化に貢献することができる。
(形態1 第1変形例)
ダイオードDFおよびダイオードDLにおける、P型領域PRとN型領域NRの配置の第1変形例について説明する。
図5に示すように、第1変形例に係る半導体装置1Aでは、ダイオードDFに対して、ダイオードDLが、X方向とほぼ直交するY方向に距離を隔てて配置されている。そのダイオードDFおよびダイオードDLでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのN型領域NRとが平面視的に直接対向している。
なお、これ以外の構成については、図1等に示す半導体装置1と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
形態1における第1変形例に係る半導体装置1Aでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのN型領域NRとが平面視的に直接対向している。これにより、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードJDFとダイオードJDLとの間に順方向に電圧が印加されることになる比較例に係る半導体装置101(図3および図4参照)と比べて、ダイオードDFからダイオードDLへ電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
(形態1 第2変形例)
ダイオードDFおよびダイオードDLにおける、P型領域PRとN型領域NRの配置の第2変形例について説明する。
図6に示すように、第2変形例に係る半導体装置1Bでは、ダイオードDFに対して、ダイオードDLが、X方向とほぼ直交するY方向に距離を隔てて配置されている。そのダイオードDFおよびダイオードDLでは、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に直接対向している。
なお、これ以外の構成については、図1等に示す半導体装置1と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
形態1における第2変形例に係る半導体装置1Bでは、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に直接対向している。これにより、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードJDFとダイオードJDLとの間に順方向に電圧が印加されることになる比較例に係る半導体装置101(図3および図4参照)と比べて、ダイオードDFからダイオードDLへ電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
なお、形態1における第1変形例に係る半導体装置1Aおよび第2変形例に係る半導体装置1Bにおいても、折り返しパターンは一箇所に限られるものではなく、他の半導体素子(図示せず)のパターン等との関係で複数箇所設けてもよく、ESD保護素子としてのダイオードDを配置させる領域(パターン)の自由度を高めることができ、半導体装置1A、1Bの微細化に貢献することができる。
実施の形態2
ここでは、入力端子から数えて1番目のダイオードと、入力端子から数えて最終番目のダイオードとが対向する配置の第2の態様について説明する。
図7に示すように、半導体装置1Cでは、入力端子8から数えて最終番目のダイオードDLが、入力端子8から数えて二番目のダイオードDSFに対して、X方向とほぼ直交するY方向に距離を隔てて配置されている。すなわち、最も高い電圧が印加されることになる、入力端子8から数えて一番目のダイオードDFと、ダイオードDLとの配置関係では、ダイオードDFとダイオードDLとが、X方向(またはY方向)に対して斜めに距離を隔てて配置されている(斜め対向配置)。
そのダイオードDFおよびダイオードDLでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に斜めに直接対向している。なお、これ以外の構成については、図1等に示す半導体装置1と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体装置1Cでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に斜めに直接対向している。これにより、比較例に係る半導体装置(図3、図4参照)について説明したのと同様に、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードDFとダイオードDLとの間に順方向に電圧が印加されることになる配置と比べて、ダイオードDFからダイオードDLへ電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
なお、上述した半導体装置1Cにおいても、折り返しパターンは一箇所に限られるものではなく、他の半導体素子(図示せず)のパターン等との関係で複数箇所設けてもよく、ESD保護素子としてのダイオードDを配置させる領域(パターン)の自由度を高めることができ、半導体装置1Cの微細化に貢献することができる。
(形態2 第1変形例)
ダイオードDFおよびダイオードDLにおける、P型領域PRとN型領域NRの配置の第1変形例について説明する。
図8に示すように、第1変形例に係る半導体装置1Dでは、ダイオードDFとダイオードDLとが、X方向(またはY方向)に対して斜めに距離を隔てて配置されている(斜め対向)。さらに、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に斜めに直接対向している。なお、これ以外の構成については、図7または図1等に示す半導体装置1、1Dと同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
形態2における第1変形例に係る半導体装置1Dでは、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に斜めに対向している。これにより、比較例に係る半導体装置(図3、図4参照)について説明したのと同様に、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードDFとダイオードDLとの間に順方向に電圧が印加されることになる配置と比べて、ダイオードDFからダイオードDLへ電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
(形態2 第2変形例)
ダイオードDFおよびダイオードDLにおける、P型領域PRとN型領域NRの配置の第2変形例について説明する。
図9に示すように、第2変形例に係る半導体装置1Eでは、ダイオードDFとダイオードDLとが、X方向(またはY方向)に対して斜めに距離を隔てて配置されている(斜め対向)。さらに、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのN型領域NRとが平面視的に斜めに直接対向している。なお、これ以外の構成については、図7または図1等に示す半導体装置1、1Dと同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
形態2における第2変形例に係る半導体装置1Eでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのN型領域NRとが平面視的に斜めに対向している。これにより、比較例に係る半導体装置(図3、図4参照)について説明したのと同様に、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードDFとダイオードDLとの間に順方向に電圧が印加されることになる配置と比べて、ダイオードDFからダイオードDLへ電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
なお、形態2における第1変形例に係る半導体装置1Dおよび第2変形例に係る半導体装置1Eにおいても、折り返しパターンは一箇所に限られるものではなく、他の半導体素子(図示せず)のパターン等との関係で複数箇所設けてもよく、ESD保護素子としてのダイオードDを配置させる領域(パターン)の自由度を高めることができ、半導体装置1D、1Eの微細化に貢献することができる。
また、半導体装置1C、1D、1Eでは、ダイオードDLとダイオードDSFとが、X方向とほぼ直交するY方向に距離を隔てて配置されている。このため、ダイオードDLとダイオードDSFでは、ダイオードDSFのP型領域PRとダイオードDLのN型領域NRとが、平面視的に直接対向する配置(順方向)以外の配置にすることが好ましい。
さらに、形態2における第1変形例および第2変形例を含む上述した各半導体装置1D、1Eでは、ダイオードDFとダイオードDLとの斜め対向配置として、ダイオードDLが、ダイオードDSFに対して、Y方向に距離を隔てて配置される態様で、ダイオードDFとダイオードDLとが、X方向(またはY方向)に対して斜めに距離を隔てて配置されている場合を例に挙げて説明した。
斜め対向配置としては、これに限られるものではなく、たとえば、図10に示す半導体装置1Fのように、ダイオードDLがダイオードDFからY方向に距離を隔てられた位置から、X方向に多少ずらした位置にダイオードDLが配置されるような斜め対向配置であってもよい(形態2 第3変形例)。
このような斜め対向配置の半導体装置1Fであっても、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのP型領域PRとが、順方向にならないように平面視的に斜めに対向するように配置することで、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
また、上述した半導体装置1C、1D、1Eでは、ダイオードDFとダイオードDLとの斜め対向配置としては、最終番目のダイオードDLが二番目のダイオードDSFに対して、Y方向に距離を隔てて配置されている態様(ダイオード1個ずらし)の斜め対向配置を例に挙げた。
斜め対向配置としては、最終番目のダイオードDLが入力端子から三番目のダイオード(図示せず)に対して、Y方向に距離を隔てて配置されている態様(ダイオード2個ずらし)の斜め対向配置であってもよい。
実施の形態3
ここでは、入力端子から数えて一番目のダイオードと、入力端子から数えて最終番目のダイオードとが対向する配置の第3の態様について説明する。
図11に示すように、半導体装置1Gでは、入力端子から数えて最終番目の一つ前のダイオードDSLが、ダイオードDFに対して、X方向とほぼ直交するY方向に距離を隔てて配置される態様で、ダイオードDLとダイオードDFとが、X方向(またはY方向)に対して斜めに距離を隔てて配置されている(斜め対向配置)。また、そのダイオードDFおよびダイオードDLでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に斜めに直接対向している。
さらに、ダイオードDFと、ダイオードDFに最も接近するダイオードDSLとは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDSLのN型領域NRとが直接対向するように、配置されている。なお、これ以外の構成については、図1等に示す半導体装置1と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体装置1Gでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に斜めに直接対向している。また、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDSLのN型領域NRとが平面視的に直接対向している。
これにより、比較例に係る半導体装置(図3、図4参照)について説明したのと同様に、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードDFとダイオードDLとの間に順方向に電圧が印加されることになる配置と比べて、ダイオードDFからダイオードDLへ電流はリークしにくくなる。また、ダイオードDFからダイオードDSLへも電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
なお、上述した半導体装置1Gにおいても、折り返しパターンは一箇所に限られるものではなく、他の半導体素子(図示せず)のパターン等との関係で複数箇所設けてもよく、ESD保護素子としてのダイオードDを配置させる領域(パターン)の自由度を高めることができ、半導体装置1Gの微細化に貢献することができる。
(形態3 第1変形例)
ダイオードDFおよびダイオードDLにおける、P型領域PRとN型領域NRの配置の第1変形例について説明する。
図12に示すように、第1変形例に係る半導体装置1Hでは、ダイオードDFとダイオードDLとが、X方向(またはY方向)に対して斜めに距離を隔てて配置されている(斜め対向配置)。また、そのダイオードDFおよびダイオードDLでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのN型領域NRとが平面視的に斜めに直接対向している。
さらに、ダイオードDFと、ダイオードDFに最も接近するダイオードDSLとは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDSLのP型領域PRとが直接対向するように、配置されている。なお、これ以外の構成については、図11または図1等に示す半導体装置1、1Gと同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体装置1Hでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDLのN型領域NRとが平面視的に斜めに直接対向している。また、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDSLのP型領域PRとが平面視的に直接対向している。
これにより、比較例に係る半導体装置(図3、図4参照)について説明したのと同様に、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードDFとダイオードDLとの間に順方向に電圧が印加されることになる配置と比べて、ダイオードDFからダイオードDLへ電流はリークしにくくなる。また、ダイオードDFからダイオードDSLへも電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
(形態3 第2変形例)
ダイオードDFおよびダイオードDLにおける、P型領域PRとN型領域NRの配置の第2変形例について説明する。
図13に示すように、第2変形例に係る半導体装置1Kでは、ダイオードDFとダイオードDLとが、X方向(またはY方向)に対して斜めに距離を隔てて配置されている(斜め対向配置)。また、そのダイオードDFおよびダイオードDLでは、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に斜めに直接対向している。
さらに、ダイオードDFと、ダイオードDFに最も接近するダイオードDSLとは、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDSLのP型領域PRとが直接対向するように、配置されている。なお、これ以外の構成については、図11または図1、1Gに示す半導体装置1と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体装置1Kでは、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDLのP型領域PRとが平面視的に斜めに直接対向している。また、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDSLのP型領域PRとが平面視的に直接対向している。
これにより、比較例に係る半導体装置(図3、図4参照)について説明したのと同様に、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードDFとダイオードDLとの間に順方向に電圧が印加されることになる配置と比べて、ダイオードDFからダイオードDLへ電流はリークしにくくなる。また、ダイオードDFからダイオードDSLへも電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
なお、形態3における第1変形例に係る半導体装置1Hおよび第2変形例に係る半導体装置1Kにおいても、折り返しパターンは一箇所に限られるものではなく、他の半導体素子(図示せず)のパターン等との関係で複数箇所設けてもよく、ESD保護素子としてのダイオードDを配置させる領域(パターン)の自由度を高めることができ、半導体装置1H、1Kの微細化に貢献することができる。
また、形態3における第1変形例および第2変形例を含む上述した各半導体装置1G、1H、1Kでは、ダイオードDFとダイオードDLとの斜め対向配置として、ダイオードDSLが、ダイオードDFに対して、Y方向に距離を隔てて配置される態様で、ダイオードDFとダイオードDLとが、X方向(またはY方向)に対して斜めに距離を隔てて配置されている場合を例に挙げて説明した。
斜め対向配置としては、これに限られるものではなく、たとえば、図14に示す半導体装置1Lのように、ダイオードDLがダイオードDFからY方向に距離を隔てられた位置から、X方向に多少ずらした位置にダイオードDLが配置されるような斜め対向配置であってもよい(形態3 第3変形例)。
このような斜め対向配置の半導体装置1Lであっても、ダイオードDFおよびダイオードDLにおけるN型領域NRとP型領域PRとの配置と、ダイオードDFおよびダイオードDSLにおけるN型領域NRとP型領域PRとの配置において、順方向にならないように対向するように配置することで、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
また、上述した半導体装置1G、1H、1Kでは、ダイオードDFとダイオードDLとの斜め対向配置としては、最終番目から一つ前のダイオードDSLが一番目のダイオードDFに対して、Y方向に距離を隔てて配置されている態様(ダイオード1個ずらし)の斜め対向配置を例に挙げた。
斜め対向配置としては、最終番目から二つ前のダイオード(図示せず)が一番目のダイオードDFに対して、Y方向に距離を隔てて配置されている態様(ダイオード2個ずらし)の斜め対向配置であってもよい。この場合には、ダイオードDFと最終番目から二つ前のダイオードでは、ダイオードDFのP型領域と最終番目から二つ前のダイオードのN型領域とが、平面視的に直接対向する配置(順方向)以外の配置にすることが好ましい。
実施の形態4
ここでは、入力端子から数えて一番目のダイオードと、その一番目のダイオードに最も接近するダイオードとの配置関係について説明する。なお、一番目のダイオードに最も接近するダイオードとしては、入力端子から数えて最終番目のダイオードを除くものとする。
図15に示すように、半導体装置1Mでは、入力端子8から数えてk番目(最終番目以外)のダイオードDMが、ダイオードDFに最も接近している。そのダイオードDMはダイオードDFに対して、X方向とほぼ直交するY方向に距離を隔てて配置されている。そのダイオードDFおよびダイオードDMでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDMのP型領域PRとが、平面視的に直接対向している。なお、これ以外の構成については、図1等に示す半導体装置1と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体装置1Mでは、最も高い電圧が印加されることになるダイオードDFと、そのダイオードDFに最も接近するダイオードDMとでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDMのP型領域PRとが平面視的に直接対向している。
これにより、比較例に係る半導体装置(図3、図4参照)について説明したのと同様に、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードDFとダイオードDMとの間に順方向に電圧が印加されることになる配置と比べて、ダイオードDFからダイオードDMへ電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
なお、上述した半導体装置1Mにおいても、折り返しパターンは一箇所に限られるものではなく、他の半導体素子(図示せず)のパターン等との関係で複数箇所設けてもよく、ESD保護素子としてのダイオードDを配置させる領域(パターン)の自由度を高めることができ、半導体装置1Mの微細化に貢献することができる。
(形態4 第1変形例)
ダイオードDFおよびダイオードDMにおける、P型領域PRとN型領域NRの配置の第1変形例について説明する。
図16に示すように、第1変形例に係る半導体装置1Nでは、ダイオードDFとダイオードDMとが、Y方向に距離を隔てて配置されている。そのダイオードDFおよびダイオードDMでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDMのN型領域NRとが、平面視的に直接対向している。なお、これ以外の構成については、図15または図1等に示す半導体装置1、1Mと同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体装置1Nでは、最も高い電圧が印加されることになるダイオードDFと、そのダイオードDFに最も接近するダイオードDMとでは、ダイオードDFのN型領域NRとダイオードDMのN型領域NRとが平面視的に直接対向している。
これにより、比較例に係る半導体装置(図3、図4参照)について説明したのと同様に、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードDFとダイオードDMとの間に順方向に電圧が印加されることになる配置と比べて、ダイオードDFからダイオードDMへ電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
(形態4 第2変形例)
ダイオードDFおよびダイオードDMにおける、P型領域PRとN型領域NRの配置の第2変形例について説明する。
図17に示すように、第2変形例に係る半導体装置1Pでは、ダイオードDFとダイオードDMとが、Y方向に距離を隔てて配置されている。そのダイオードDFおよびダイオードDMでは、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDMのP型領域PRとが、平面視的に直接対向している。なお、これ以外の構成については、図15または図1等に示す半導体装置1、1Mと同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除いてその説明を繰り返さないこととする。
上述した半導体装置1Pでは、最も高い電圧が印加されることになるダイオードDFと、そのダイオードDFに最も接近するダイオードDMとでは、ダイオードDFのP型領域PRとダイオードDMのP型領域PRとが平面視的に直接対向している。
これにより、比較例に係る半導体装置(図3、図4参照)について説明したのと同様に、入力端子8に数百V程度の電圧が印加された場合に、ダイオードDFとダイオードDMとの間に順方向に電圧が印加されることになる配置と比べて、ダイオードDFからダイオードDMへ電流はリークしにくくなる。その結果、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
なお、形態4における第1変形例に係る半導体装置1Nおよび第2変形例に係る半導体装置1Pにおいても、折り返しパターンは一箇所に限られるものではなく、他の半導体素子(図示せず)のパターン等との関係で複数箇所設けてもよく、ESD保護素子としてのダイオードDを配置させる領域(パターン)の自由度を高めることができ、半導体装置1N、1Pの微細化に貢献することができる。
また、ダイオードDFとダイオードDMの配置としては、ダイオードDFとダイオードDMとがY方向に距離を隔てて配置されている場合を例に挙げて説明したが、図18に示す半導体装置1Rのように、ダイオードDMがダイオードDFからY方向に距離を隔てられた位置から、X方向(正または負)に多少ずらした位置にダイオードDMが配置されるような配置(二点鎖線参照)であってもよい(形態4 第3変形例)。このような対向配置の半導体装置1Rにおいても、静電気放電によるダイオードDの破壊または誤動作等を抑制することができる。
なお、各実施の形態に係る半導体装置1〜1Rでは、ダイオードDによって保護される半導体素子として、バイポーラトランジスタを例に挙げたが、メサ構造を有する半導体素子であれば、バイポーラトランジスタに限られない。
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、ESD保護素子として、直列に接続されたダイオードを備えた半導体装置に有効に利用される。
1 半導体装置、2 GaAs基板、3 P型分離領域、4 バリアメタル、5 配線、6 シリコン窒化膜、7 絶縁膜、8 入力端子、9 出力端子、11、12 直列接続パターン、D、DF、DSF、DSL、DL、DM ダイオード、NR N型領域、PR P型領域。

Claims (16)

  1. 主表面を有する基板と、
    前記基板にそれぞれ形成された入力端子および出力端子と、
    前記基板に形成され、N型領域およびP型領域をそれぞれ含み、前記入力端子から順次直列に接続されて前記出力端子に接続された複数のダイオードと
    を有し、
    前記複数のダイオードのそれぞれでは、前記N型領域と前記P型領域とが平面視的に位置する態様で、前記N型領域の一部に接するように前記P型領域が形成され、
    直列に接続された前記複数のダイオードは、
    前記入力端子から第1方向に延在し、前記入力端子から遠ざかるように電流が流れる第1直列接続部と、
    前記入力端子に接近するように電流が流れる部分を含む第2直列接続部と
    を備え、
    前記第1直列接続部には、前記入力端子から数えて一番目の第1ダイオードが含まれ、
    前記第2直列接続部には、前記出力端子から数えて一番目の最終ダイオードが含まれ、
    前記最終ダイオードは、前記第1ダイオードに対して、前記第1方向と交差する第2方向に距離を隔てて配置され、
    前記第1ダイオードおよび前記最終ダイオードでは、前記第1ダイオードの前記P型領域と前記最終ダイオードの前記N型領域とが平面視的に直接対向する配置以外の配置に設定された、半導体装置。
  2. 前記第1ダイオードおよび前記最終ダイオードでは、前記第1ダイオードの前記N型領域と前記最終ダイオードの前記P型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定された、請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第1ダイオードおよび前記最終ダイオードでは、前記第1ダイオードの前記P型領域と前記最終ダイオードの前記P型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定された、請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記第1ダイオードおよび前記最終ダイオードでは、前記第1ダイオードの前記N型領域と前記最終ダイオードの前記N型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定された、請求項1記載の半導体装置。
  5. 前記最終ダイオードは、前記第1ダイオードに対して、前記第2方向として、前記第1方向と直交する方向に距離を隔てて配置された、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記最終ダイオードは、前記第1ダイオードに対して、前記第2方向として、前記第1方向と直交する方向から斜めに傾けた方向に距離を隔てて配置された、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 前記最終ダイオードは、前記入力端子から数えて二番目の第2ダイオードに対して、前記第1方向と直交する方向に距離を隔てて配置された、請求項6記載の半導体装置。
  8. 前記最終ダイオードは、前記出力端子から数えて二番目のダイオードが、前記第1ダイオードに対して、前記第1方向と直交する方向に距離を隔てて位置する態様で、配置された、請求項6記載の半導体装置。
  9. 主表面を有する基板と、
    前記基板にそれぞれ形成された入力端子および出力端子と、
    前記基板に形成され、N型領域およびP型領域をそれぞれ含み、前記入力端子から順次直列に接続されて前記出力端子に接続された複数のダイオードと
    を有し、
    前記複数のダイオードのそれぞれでは、前記N型領域と前記P型領域とが平面視的に位置する態様で、前記N型領域の一部に接するように前記P型領域が形成され、
    直列に接続された前記複数のダイオードは、
    前記入力端子から第1方向に延在し、前記入力端子から遠ざかるように電流が流れる第1直列接続部と、
    前記入力端子に接近するように電流が流れる部分を含む第2直列接続部と
    を備え、
    前記第1直列接続部には、前記入力端子から数えて一番目の第1ダイオードが含まれ、
    前記第2直列接続部には、前記出力端子から数えて一番目のダイオード以外の、前記第1ダイオードに最も接近する中間ダイオードが含まれ、
    前記中間ダイオードは、前記第1ダイオードに対して、前記第1方向と交差する第2方向に距離を隔てて配置され、
    前記第1ダイオードおよび前記中間ダイオードでは、前記第1ダイオードの前記P型領域と前記中間ダイオードの前記N型領域とが平面視的に直接対向する配置以外の配置に設定された、半導体装置。
  10. 前記第1ダイオードおよび前記中間ダイオードでは、前記第1ダイオードの前記N型領域と前記中間ダイオードの前記P型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定された、請求項9記載の半導体装置。
  11. 前記第1ダイオードおよび前記中間ダイオードでは、前記第1ダイオードの前記P型領域と前記中間ダイオードの前記P型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定された、請求項9記載の半導体装置。
  12. 前記第1ダイオードおよび前記中間ダイオードでは、前記第1ダイオードの前記N型領域と前記中間ダイオードの前記N型領域とが平面視的に直接対向する配置に設定された、請求項9記載の半導体装置。
  13. 前記中間ダイオードは、前記第1ダイオードに対して、前記第2方向として、前記第1方向と直交する方向に距離を隔てて配置された、請求項9〜12のいずれかに記載の半導体装置。
  14. 前記中間ダイオードは、前記第1ダイオードに対して、前記第2方向として、前記第1方向と直交する方向から斜めに傾けた方向に距離を隔てて配置された、請求項9〜12のいずれかに記載の半導体装置。
  15. 前記中間ダイオードは、前記入力端子から数えて二番目の第2ダイオードに対して、前記第1方向と直交する方向に距離を隔てて配置された、請求項14記載の半導体装置。
  16. 前記中間ダイオードは、前記入力端子から数えて前記中間ダイオードの一つ手前のダイオードが、前記第1ダイオードに対して、前記第1方向と直交する第2方向に距離を隔てて位置する態様で、配置された、請求項14記載の半導体装置。
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