JP2004221569A - トリプル・ウェル半導体デバイスの静電放電保護回路 - Google Patents

トリプル・ウェル半導体デバイスの静電放電保護回路 Download PDF

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Abstract

【課題】単独か直列構成かいずれかでトリプル・ウェル半導体デバイスを使用する静電放電保護回路を提供する。
【解決手段】半導体デバイスは、好ましくはダイオード接合型構成である。半導体デバイスを直列構成で使用するとき、制御回路を使用してバイアス印加を制御することができる。領域3および3Aは、nドープされ、nドープ領域8まで下方に延びて、p−ドープ領域6を基板領域10から分離するようにリングを形成する。領域3および3Aは、領域6の分離をもたらす他の寸法の絶縁を有することができる。その上、領域3および3Aは、単一の打込み、または異なるエネルギーまたはドーズ量の複数の打込みを使用して形成することができる。領域6は、基板10からの分離を可能にするように、pドープされる。この実施形態では、p−nダイオードの金属学的接合は、p−領域6が領域3、領域3Aおよび領域8に境を接するところに形成される。
【選択図】図1

Description

本発明は、一般的に、静電放電(ESD)保護回路に関し、より詳細には、集積回路中に存在するトリプル・ウェル半導体デバイスを使用するESD保護回路に関する。
電子部品が集積回路の内部構造と共にますます小さくなるにつれて、電子部品を完全に壊すか、さもなければ害することはより簡単になっている。特に、多くの集積回路は、静電気の放電によって損傷を非常に受けやすい。静電放電(ESD)は、直接接触によって引き起こされるか、または静電界によって誘起される、異なる静電位(電圧)にあるボディ間の静電荷の移動である。静電気の放電、すなわちESDは、電子産業にとって重要な問題になっている。デバイスの故障は、必ずしも直ぐに壊滅的ではない。多くの場合、デバイスはほんの少し弱くなるだけであるが、通常の動作ストレスに耐える能力が弱くなり、したがって、信頼性の問題をもたらすかもしれない。したがって、様々な部品を保護するために、様々なESD保護回路をデバイスに含めなければならない。そのようなESD保護回路の設計中には、多様な考察が考慮される。
システム・オン・チップ(SOC)、先進のCMOSおよび高水準集積化を用いて、様々な回路機能およびシステム機能が共通のチップ基板に集積化される。産業界は、1つの回路で生じる雑音が他の回路に影響を与えないようにするために、相当な努力を費やした。産業界はこの雑音の分離の実現をうながすためトリプル・ウェル技術を使用してきた。残念なことに、トリプル・ウェル技術の導入にともなって、ESD回路に関して、いくつかの問題に対処しなければならない。
CMOS技術では、従来、シングル・ウェル分離またはダブル・ウェル分離が実現された。シングル・ウェル技術では、p型基板にnウェルが配置された。デュアル・ウェル技術でも同様に、pウェルはp型基板に配置された。シングル・ウェルとダブル・ウェルの両方で、ESD保護回路は同じであった。その理由は、シングル・ウェルからダブル・ウェルへの移行で、MOSFETをベースにしたESD保護回路か、またはダイオードをベースにしたESD保護回路かどちらかに必要とされる電気接続が変わらなかったからである。第1の問題は、シングル・ウェル技術またはダブル・ウェル技術からトリプル・ウェル技術への移行に起因する。トリプル・ウェル技術では、基板からpウェルとnウェルの両方を電気的に分離する領域が必要である。
電圧の混在した用途が使用されるとき、別の問題が生じる。電圧の混在した用途は、周辺電源電圧が固有のコア電圧電源と異なる場合か、または入力パッド電圧が固有のコア電圧電源を超える場合である。電圧の混在した用途では、印加電圧の条件より下でオンしない特別なESD回路が必要である。トリプル・ウェル技術では、このESD回路が問題である。というのは、機能状況にある間ずっと偶然にオンすることが無い状態で、構造をバイアスすることができなければならないからである。電圧の混在した環境でのESD回路には、MOSFETトランジスタの電気的超過ストレスのために、MOSFET構造を使用することができないかもしれない。MOSFETの電気的超過ストレスは、誘電体超過ストレスによる固有の電源条件より上で発生する。
したがって、上で指摘した問題を克服するトリプル・ウェル技術のESD回路を所有することは紛れもなく有利なことである。本発明は、そのようなESD回路を提供する。
単独か直列構成かどちらかでトリプル・ウェル半導体デバイスを使用する静電放電保護回路。半導体デバイスは、好ましくは、ダイオード接合型構成である。
一態様では、本発明は、また、トリプル・ウェル・デバイスが直列型構成であるときに、そのトリプル・ウェル・デバイスを制御する制御回路を含む。
前述および他の目的、態様、および有利点は、図面に関連した、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明から、より適切に理解されるであろう。
本明細書では、様々な領域を特定の型(すなわち、NまたはP)でドープされているものとして参照する。この特定の型は極性ではなくドーピングの型を意味し、このドーピングの型はN、N+、N−、P、P+、またはP−であることができることを理解されたい。
ここで図面を参照して、特に図1を参照すると、本発明の好ましい実施形態の教示に従ったトリプル・ウェルESD構造を表す断面図を示す。もっと具体的に言えば、ESD構造は、nドープ領域3および3Aを画定する絶縁物領域2、pドープ領域5、p−ドープ領域6、nドープ領域8を画定する絶縁物領域4、およびコンタクト12および14を含む。領域2および4は、たとえば、浅いトレンチ分離(STI)領域であることができる。
好ましい実施形態では、領域3および3Aは、nドープされ、nドープ領域8まで下方に延びて、p−ドープ領域6を基板領域10から分離するようにリングを形成する。領域3および3Aは、たとえば、nウェル打込み、リーチ・スルー打込み、またはドーパントが絶縁領域2の下方に延びnドープ領域8とつながることができるようにする任意の他の知られているドーピング・プロセスであることができる。図示しないが、領域3および3Aは、領域6の分離をもたらす他の寸法の絶縁を有することができる。その上、領域3および3Aは、単一の打込み、または異なるエネルギーまたはドーズ量の複数の打込みを使用して形成することができる。
領域6は、基板10からの分離を可能にするように、pドープされる。この実施形態では、p−nダイオードの金属学的接合は、p−領域6が領域3、領域3Aおよび領域8に境を接するところに形成される。本実施形態のこの金属学的接合によって、ESD保護に応用するためのダイオードが形成される。
p−nダイオードの陽極構造は、領域5および6を使用して形成され、この領域5は一般に領域6に比べてより高いドーピング濃度を有するので、領域5が電気接続用のコンタクト12を形成する。陽極領域は、ESD保護を実現する回路の入力パッドに電気的に接続することができる。
p−nダイオードの陰極構造は、領域3、3Aおよび領域8から形成される。陰極への電気接続は、電気接続14によって行われる。陰極構造を電気接続14でVDD電源に接続して、VDD電源へのESD放電電流の流れを実現することができる。領域3、3Aおよび領域8と基板10の間に形成される金属学的接合は、また、ESD保護に使用することができる第2のp−n接合を形成する。領域3、3Aおよび8を電気接続14を介して入力パッドに接続し、かつチップの基板領域10を接地することで、負の電気放電に対してESDダイオードを確立することができる。
ここで図2を参照すると、本発明の教示に従ったトリプル・ウェル・ダイオードの第2の好ましい実施形態の断面図を示す。図2は構造が図1と同様であり、複数のアノード構造の追加が陰極内に配置されている。もっと具体的に言えば、図2は、追加のP+陽極領域5A、p−陽極領域6A、n+/n−ウェル領域3B、および下方のnバンド8Aを含むように修正された図1のダイオードを表す。この構造の有利点は、3、3Aおよび3Bの局部的な配置によって、抵抗性領域8および8Aを避ける低抵抗陰極構造を可能にすることである。
領域8および8Aは、1つの連続したn−バンド(図示しない)であるか、またはn+/n−ウェル領域3、3A、および3Bで接続された複数の領域であることができる。その上、この実施は、共通の陽極領域に含まれた複数の陽極構造に向いている。この実施形態では、陰極と基板の間の領域も基板10に放電するESD用のダイオードとして作用することができる。さらに、p+/p−エミッタ、n−バンドのベース、およびp−基板のコレクタで形成される垂直方向のpnpが、基板への電気放電において役割を果たすことができる。
ここで図3を参照して、本発明の他の好ましい実施形態の教示に従ったトリプル・ウェル・ダイオードを表す断面図を示す。この実施形態で、n+領域16および16Aは、領域5に隣接した分離領域で画定される。電気接続18および18Aは、領域16および16Aに接続される。電気接続18および18Aが、ウェルおよびn−バンド領域の電気接続14と同一であることがある。この場合、p−領域6とn+領域16および16Aの間に形成されるp−n接合は、領域6と領域3、3A、および8の間に形成されるp−n接合に対して平行な横方向電流経路を実現する。この実施形態では、この構造のキャパシタンスはより大きいが、領域6から領域16および16AへのESD電流の横方向放電が可能になる。
他の回路構成では、電気接続18および18Aは、第2の電源VDD2に接続することができる。このやり方で、ESD回路は、入力パッドから第1および第2の電源への放電回路を有する単一入力から電気的に接続することができる。
さらに他の回路構成では、電気接続18および18Aは入力ノードに接続することができ、電気接続12は接地電位に接続することができる。電気接続12は、基板領域10の同じ電位であるか、または第2の接地電位であることができる。この構成で、トリプル・ウェル構造を使用して、負のESDパルスに対する電気放電を共通入力パッド接続から複数の接地レールに行うことができる。
その上、図3で表されるダイオード構造は、npnバイポーラESD構造として使用することができ、このnpnバイポーラESD構造では、領域16および16Aがエミッタであり、p−領域6がベース領域であり、そしてn−ウェル/n−バンド構造8がコレクタ構造として作用することができる。この実施のエミッタおよびコレクタは、逆にすることもできる。というのは、領域16および16Aはコレクタとして作用することができ、また領域8はエミッタとして作用することができるからである。
図3に表す構成において、nウェル/nバンド領域3、3Aおよび8をより高い電圧の電源に設置して、オーバシュートおよびアンダーシュート動作中に、これらの領域に電流が流れないようにすることができる。また、n領域16および16Aをより高い電源電圧に接続するようにすることもできる。このやり方で、望ましくない雑音の注入は、雑音注入が無いように保たれるべきである電源レールに雑音注入が入ることができないようにする電極に集めることができる。
図3の構造的な配置は、複数のp領域5を含むように修正されるかもしれないし、n−領域16および16Aは領域6の中に含められるかもしれない。このやり方で、多指(multi-finger)構造を形成して、領域3、3Aおよび8の中に全構造の分離を可能にすることができる。
ここで図4を参照すると、本発明の教示に従った図1のトリプル・ウェル・ダイオード要素で形成されたトリプル・ウェル混在電圧インタフェースESD構造の他の実施形態を表す断面図を示す。この実施形態では、各トリプル・ウェル・ダイオード構造は、空間的に隔てられかつ基板領域10中の隣り合う構造から独立したウェル/n−バンド領域を有する。電圧混在の用途では、入力信号が製品チップの固有電源電圧より上であるとき、入力信号が特定のESDダイオード構造を順方向にバイアスすることができるように、ESD構造を設計しなければならない。図1、図2、および図3で議論したようなダイオード構造を直列に接続して、第1の構造の陽極が入力パッドに接続され、かつその陰極が第2の構造の陽極構造に接続されるように、限りなく、複数のトリプル・ウェル・ダイオード要素構造を形成することで、トリプル・ウェル・ダイオード要素構造の順方向バイアスを回避することができる。このやり方で、一連のダイオード構造は、入力電圧がその一連の要素のターン・オン電圧に固有の電源電圧を加えたものを超えるまで、ダイオードを順方向バイアスにさせないように接続することができる。
たとえば、図1に示すようなダイオード構造を使用して、一連の要素を直列構成にすることができる。この場合、入力パッドは電気接続12に接続され、その出力は第1のトリプル・ウェル・ダイオード要素の接続14である。第1のトリプル・ウェル要素の陰極電気接続14は、第2のトリプル・ウェル要素の陽極要素12Aに接続される。これによって、複数の要素が形成され、この複数の要素はすべて同じ基板領域10の中に含まれている。最後のトリプル・ウェル・ダイオード要素14Aは、電源(たとえば、VDD)に接続される。このやり方で、nウェルおよびバンド領域で形成された分離構造は、トリプル・ウェル混在電圧ESD回路内に含まれた陰極として作用するような実利を有する。
ここで図5を参照すると、本発明の教示に従った図3のトリプル・ウェル・ダイオード要素で形成されたインタフェースESD構造を表す断面図を示す。図3のダイオード構造を使用して、複数のダイオード要素を直列構成にすることができ、この構成では、再び、各nウェル/n−バンド領域8は分離されており、隣り合う要素に境を接していない。この場合、入力パッドは電気接続12に接続され、その出力は第1のトリプル・ウェル・ダイオード要素の接続18および18Aである。そして、18および18Aの出力は、第2のトリプル・ウェル・ダイオード要素の陽極12Aに接続される。このやり方で、電気接続14は、入力電圧よりも高い電圧を有する高電圧電源に接続することができる。この構成で、nウェル/n−バンド構造8は、直列に接続された複数のトリプル・ウェル・ダイオード要素を通してではなくて、第2の電源に直接に放電する手段として作用する。各トリプル・ウェル・ダイオード構造は、独立した電源または複数の電源への独立した電気接続を持つことができる。複数のトリプル・ウェル・ダイオード構造の場合には、独立したn−ウェル/n−バンド領域は、数珠つなぎになった最後のトリプル・ウェル・ダイオード要素の電源接続とは違った異なる電源に接続することができる。この実施の有利点は、電気放電電流が複数の電源に流れることができ、雑音が異なる電源に分散されることである。
他の電気接続では、電極14を接続18および18Aに接続することができ、14Aを18Bおよび18Cに接続することができて、ESD回路を通った並列放電経路が可能になる。このやり方で、陽極から流れる電流は、両方の金属学的接合に放電される。この接続の有利点は、すべてのESD電流が構造を通って流れることである。
ここで図6を参照すると、本発明の教示に従って、nウェル/n−バンド領域が単一領域として併合された混在電圧インタフェース・トリプル・ウェルESD回路を表す断面図を示す。この実施形態では、入力は、陽極領域として作用する電気接続12に接続することができる。陰極は電気接続18および18Aに接続され、これらの電気接続18および18Aは第2段の第2の陽極12Aに接続される。第2段のダイオードの陰極は18Bおよび18Cであり、この18Bおよび18Cは電源に接続される。n−ウェルおよびn−バンド領域から成る分離領域14は、電源VDDに直接接続することができない。それは、電流が電源から1ダイオード電圧であるからである。これによって、混在電圧条件に先立ってダイオードがオンするようになる。トリプル・ダイオードの連続した段を併合することの有利点は、バンド間分離の規則を無くすることによる密度の有利さである。したがって、より密度の高い設計は、連続した段を併合することで構成することができる。
ここで図7を参照すると、本発明の教示に従って、別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続く混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を表す断面図を示す。図6の実施形態の不都合は、n−ウェル/n−バンド領域をESD放電に使用することが無くなり、VDD電源のために横方向放電電流経路だけが形成されることである。その結果として、併合された分離バンド・ダイオード領域から独立した第1のトリプル・ウェル・ダイオード段への放電を可能にする構造は、第1段のESDの有利さとすべて連続した段の密度の有利さの両方を有している。さらに、複数の独立した回路の場合、トリプル・ウェル・ダイオード構造の連続した段は、ESDおよび密度の有利さのために回路全体にわたって共有することができる。実験結果で、連続したダイオード段を共有することで、4倍の面積節約および3倍のESDの改善が明らかになった。したがって、図1、2および3に示すようなダイオード構造を、図6に示すように、入力パッドに接続された陽極を有し、かつ併合されたトリプル・ウェル・ダイオード分離領域の陽極に接続された陰極を有する第1のトリプル・ウェル・ダイオード段として使用して、ESDと密度の有利さを有する新しい実施形態が確立される。入力は電極22に接続する。第1段の陰極は、第2段の陽極に接続された電気接続23である。第2段の陰極24は第3段の陽極に接続される。第3段の陰極25は追加の段または電源電圧に接続される。nウェル/n−バンド領域26は、同じ電源、基準電圧または独立した電源に接続される。
ここで図8を参照すると、本発明の教示に従った図1のトリプル・ウェル・ダイオード構造の回路の実施を表す回路図を示す。もっと具体的に言えば、図1で述べたような2つのトリプル・ウェル・ダイオード構造30および32を示す。この実施形態では、陽極はp領域5であり、陰極は、n−バンド/nウェル領域8または他のn−ドープ領域3/3Aである。第1のトリプル・ウェルESDダイオード構造30は、入力パッド31に接続されたp/p+陽極5、および電源VDDに接続された陰極3/3Aを有する。第2のトリプル・ウェルESDダイオード構造32は、入力パッド31に接続される。この場合、n−バンド/n−ウェル構造8は、入力パッド31に接続することができ、基板は第2の電極である。第2の向きでは、入力パッド31をn−バンド/n−ウェル構造8に接続し、p+陽極領域を接地する。このようにして、負のアンダーシュートまたは負のパルスに対して、ESD電流が流れる。
ここで図9を参照すると、本発明の教示に従った図3のトリプル・ウェル構造を使用する静電放電回路を表す回路図を示す。この場合、2つのトリプル・ウェルESD構造90および92が使用される。第1のトリプル・ウェルESDダイオード構造90は、入力パッド31に接続されたp+陽極5および第1の陰極および第2の陰極を有し、第1の陰極はn−バンド/n−ウェル陰極構造8であり、第2の陰極は図3に示すようなn+打込み3である。このやり方で、第1および第2の陰極は、同じ電源または異なる電源に接続することができる。第2のトリプル・ウェルESDダイオード構造92は、入力パッド31に接続される。この場合、n−バンド/n−ウェル構造8は、入力パッド31に接続することができ、基板10は第2の電極である。
入力パッド31がn−バンド/n−ウェル構造8に接続され、かつp+陽極領域5が接地される異なる向きを構成することができる。この向きでは、負のアンダーシュートおよび負のパルスに対して、ESD電流が流れる。その上、図3の構造を使用して、n+拡散3を入力パッド31に接続することができ、分離されたp−領域6を基板10または第2の接地電極に接続することができる。この構成において、第1および第2のn−領域は、負のESDパルス事象に対してESD保護を実現することができる。さらに、n+領域はnpnバイポーラ要素として作用することができ、n+領域はエミッタであり、n−バンド/n−ウェル領域8はコレクタとして作用する。
トリプル・ウェルの他の実施形態
n打込み(たとえば、3および3a)を使用してリングを形成するほかに、トレンチ分離(約2.5ミクロン)(TI)および深いトレンチ分離(約5ミクロン以上)(DTI)のような分離構造も同様に使用することができる。以下で述べるようにそのような分離構造を使用することで、ダイオード構造の密度の改善が実現され、全体的なキャパシタンスが減少し、さらにラッチアップ保護が実現される。
ここで図10を参照すると、本発明の好ましい実施形態の教示に従った他のトリプル・ウェルESD構造を表す断面図を示す。もっと具体的に言えば、ESD構造は、トレンチ分離(TI)領域103および103Aを画定する絶縁物領域102、pドープ領域105、p−ドープ領域106、nドープ領域108、コンタクト1012および1014を画定する絶縁物領域104、およびn+/n−ドープ領域1016を含む。領域102および104は、たとえば、浅いトレンチ分離(STI)領域であることがある。
好ましい実施形態では、TI領域3および3A、およびn+/n−ドープ領域1016は、下方にnドープ領域108まで延び、領域108の中にあるか(図示のように)、または108の側面に境を接するか(図示しない)いずれかである。もしくは、追加のn+/n−ドープ領域をpドープ領域105の他方の側に追加することができる(図示しない)。さらに、TI領域103か103Aのいずれか一方は、103か103Aの位置にn+/n−ドープ領域1016を移動させることに置き換えることができる。
nドープ領域108は、高エネルギー・イオン打込みを使用して形成することができる。さらに、この領域はp−基板ウェーハを使用して形成することができ、n−ドープ領域108の形成の後にp−基板ウェーハへのエピタキシャル成長が行われる。エピタキシャル領域は、ドープされているか、またはp−ドープであることができる。このエピタキシャル領域がn−ドープである場合、この領域はp−領域に逆ドープされる。n−ドープ領域は、コレクタ構造または副コレクタ構造であって、分離されたp−ドープ領域106を形成する。n−ドープ領域は、高エネルギー・イオン打込み使用して形成されたマスクされた埋め込み層領域であることがある。
TI領域103および103Aは、nドープ領域108の形成前または後の半導体プロセスの初期に形成することができる。エピタキシャルを使用するプロセス・フローでは、TI領域103および103Aは、エピタキシャル堆積後に形成される。TI領域は、垂直な側壁、または傾斜した側壁を組み込んだ構造として形成することができる。TI領域は、反応性イオン・エッチング(RIE)・プロセスで形成することができる。TI領域の形成において、TI領域は、前部プロセスの完了前または後に完成させることができる。TIプロセスは、コンタクト・ステップのRIEエッチングで形成することができる。プロセス・フローで、CMOSの形成またはバイポーラ・トランジスタの形成の後に、TIプロセスを組み込むことができる。コンタクト形成で、シリコン・ウェーハ表面および関連した膜の積重ね、ガラス膜、および相互接続レベルで通しでエッチングするRIEプロセスが構成される。RIEプロセスの後に、絶縁物から成る充填プロセスまたはガラス堆積が行われる。ガラス堆積は、硼素−リン珪素ガラス(BPSG)またはリン珪素ガラス(PSG)または他のガラス材料であることがある。
TI領域103または103Aは、形成時または処理後にn−ドープ領域に接触するように、または接触しないように形成することができる。そのTI領域103または103Aは、n−ドープ領域108がTI領域の外縁を越えて延びるように配置することができる。
TI領域103または103Aは、一番上の面でn−ドープ領域108に境を接するがn−ドープ領域108の領域の底面より下に延びないように配置することができる。TI領域103または103Aは、領域108の上面と底面の両方の下に延びてp−基板の中に延びることができる。
領域106は、基板領域1010からの分離を可能にするようにp−ドープされる。この実施形態では、p−nダイオードの金属学的接合は、p−領域106が領域108および領域1016に境を接するところに形成される。この実施形態のこの金属学的接合で、ESD保護に応用するためのダイオードが形成される。
p−nダイオードの陽極構造は、領域105および106を使用して形成され、この領域105は一般に領域106に比べてより高いドーピング濃度を有するので、領域105が電気接続のためのコンタクト1012を形成する。陽極領域は、ESD保護を実現するように回路の入力パッドに電気的に接続することができる。
p−nダイオードの陰極構造は、領域108および1016で形成される。陰極への電気接続は、電気接続1014で行われる。陰極構造は、電気接続1014でVDD電源に接続されて、VDD電源にESD放電電流を流すことができる。領域8および1016と基板10の間に形成される金属学的接合は、また、ESD保護に使用することができる第2のp−n接合を形成する。領域8および1016を電気接続1014を介して入力パッドに接続し、かつチップ基板領域10を接地して、負の電気放電に対してESDダイオードを確立することができる。
ここで図11を参照すると、本発明の好ましい実施形態の教示に従った他のトリプル・ウェルESD構造を表す断面図を示す。ESD構造は、図10に示すものと同様であるが、TI構造103および103AがDPTI構造113および113Aで置き換えられている点が異なる。
DTI領域113および113Aについて言えば、CMOSまたはBiCMOS実施の場合には、CMOS MOSFET形成(たとえば、STI形成、ソース/ドレイン・イオン打込みおよびゲート構造)の形成前のプロセス・フローの初期に、深いトレンチが形成される。BiCMOSプロセスでは、浅いトレンチ分離、ベース構造およびエミッタ構造の形成前に、DTI領域を形成する。シリコン・ゲルマニウム技術またはシリコン・ゲルマニウム・カーボン技術の場合には、エピタキシャルSiGeまたはSiGeC膜の堆積前にDTI領域を形成する。DTI領域113について以下で述べるが、この議論はDTI領域113Aに同様に適用できる。
DTI領域113には、トレンチ開口を形成するためにRIEプロセスが必要である。そして、DTI領域113の側壁に絶縁物を形成する。それから、DTI領域113にポリシリコン膜を充填する。シリコン表面近くのDTI領域113の上にSTIを形成することができる。
TI領域またはDTI領域の導入は、ESD構造の最適化にとって有利である。TI領域またはDTI領域を使用することで、n−ドープ領域108の打込みの拡散を最小限にすることができる。横方向の化学的な拡散の減少によって、より高密度のESD構造が可能になり、2つの構造間の隣接の間隔をより狭くすることができる。その上、他の半導体構造および回路をESD回路にさらに近接して配置して、ESD回路と隣り合う周辺回路の間の浪費される面積の量を減らすことができる。
さらに、TI領域またはDTI領域の配置によって、基板領域中への少数キャリアまたは多数キャリアの注入を減少させることができるようになる。これによって、チップ基板中への雑音注入が最小限になる。また、TIまたはDTIの配置で、ESD回路の内部ラッチアップ耐性も改善される。内部ラッチアップは、ESD回路pnpトランジスタとESD構造に近接する外部npnトランジスタの間で起こることができる。
その上、外部ラッチアップも最小限にすることができる。ESD回路で電流が基板中に注入されて、電位擾乱をもたらすときに、外部ラッチアップが起こることがある。この基板電位の破壊で、回路に論理の乱れまたはラッチアップが生じることがある。TIおよびDTIは、ESD設計につきものの内部ガード・リング構造を形成して、内部ラッチアップ、外部ラッチアップ、雑音注入、および基板の乱れを最小限にする。
また、TI領域およびDTI領域で、回路のキャパシタンス負荷を改善することができる。TIおよびDTIが存在することで、n−バンド領域から側壁キャパシタンスを減らすことができる。これにより、チップ性能および負荷問題が改善される。第1のダイオード構造にTI領域またはDTI領域を配置することで、キャパシタンス負荷を減少させることができる。また、留意すべきことであるが、TI領域かDTI領域かどちらかが絶縁物側壁を有し、この領域が下にあるnドープ領域(たとえば、108、108A)と接触するようにポリシリコンを充填されるかもしれない。ここで図12を参照して、本発明の教示に従ったトリプル・ウェル・ダイオードの他の好ましい実施形態の断面図を示す。図12の構造は図10と同様であり、複数の陽極構造の追加が陰極内に位置している。もっと具体的に言えば、図12は、追加のp+陽極領域105A、p−陽極領域106A、TI領域103B、および下の方のnバンド108Aを含むように修正された図10のダイオードを表す。
領域108および108Aは、1つの連続したn−バンドか(図示しない)またはn+/n−ウェル領域103Aで接続された複数の領域であることができる。その上、この実施は、共通の陽極領域に含まれた複数の陽極構造に向いている。この実施形態では、陰極と基板の間の領域も、基板1010に放電するESD用ダイオードとして作用することができる。その上、p+/p−エミッタ、n−バンドのベース、およびp−基板のコレクタで形成される垂直pnpは、基板への電気放電の役割を果たすことができる。
ここで図13を参照すると、本発明の教示に従ったトリプル・ウェル・ダイオードの他の好ましい実施形態の断面図を示す。図13のトリプル・ウェル・ダイオードは、図12に示すダイオードを表すが、TI103および103AがDPTI構造133および133Bに取り替えられている点が異なる。
ここで図14を参照すると、本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続く他の混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を表す断面図を示す。図13の実施形態の不都合は、n−ウェル/n−バンド領域のESD放電への使用が無くなり、VDD電源のために横方向放電電流経路だけが形成されることである。その結果として、併合された分離バンド・ダイオード領域から独立した第1のトリプル・ウェル・ダイオード段に放電することができる構造は、第1段のESDの有利さとすべて連続した段の密度の有利さの両方を有する。その上、複数の独立した回路の場合、ESDおよび密度の有利さのために、連続した段のトリプル・ウェル・ダイオード構造は、回路全体にわたって共有することができる。実験結果で、連続したダイオード段を共有することで4倍の面積節約および3倍のESD改善が明らかになった。したがって、図10に示すようなダイオード構造を、図13に示すように、入力パッドに接続された陽極を有し、かつ併合されたトリプル・ウェル・ダイオード分離領域の陽極に接続された陰極を有する第1のトリプル・ウェル・ダイオード段として使用して、ESDおよび密度の有利さを有する新しい実施形態が確立される。入力は電極1422に接続する。第1段の陰極は、第2段の陽極1423に電気的に接続する。第2段の陰極は第3段の陽極1424に接続する。第3段の陰極1425は追加段または電源電圧に接続する。nウェル/n−バンド領域1426は、同じ電源、基準電圧、または独立した電源に接続する。
ここで図15を参照すると、本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている他の混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を表す断面図を示す。図15は図14を表すが、TI構造が深いトレンチ分離構造に取り替えられている点が違っている。
複数の電源および複数の接地を有するシステムでは、電源の順序付けが、順方向バイアスまたはラッチアップを防止するために重要である。電源間、接地間、および入力パッドと電源の間、または入力パッドと接地の間、または入力パッド間で、誤った順序付けが起こることがある。
電源投入順序がラッチアップの原因になることがある。不適切な順序が、順方向バイアスおよびラッチアップ事象の起動につながることがある。
ここで図16を参照すると、本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を表す断面図を示す。前に説明したように、連続したダイオード段の併合は、いくつかの密度の有利点を有する。入力は電極1012に接続する。第1段の陰極1014は、第2段の陽極1012aに電気的に接続する。第2段の陰極1014aは第3段の陽極1012bに電気的に接続する。第3段の陰極1014bは、追加段または電源電圧に電気的に接続する。nウェル/n−バンド領域162は、入力パッド電圧を感知する制御回路164(VREF)に接続する。入力パッド電圧が低い場合には、nウェル/n−バンド領域162はVDD電源にバイアスされる。しかし、入力パッド1012の電圧が高い場合には、nウェル/n−バンド領域162は浮動状態になって、n−バンド領域に含まれた寄生要素が順方向バイアスされることがないようになる。また、これによって、直列の数珠つなぎになった要素の短絡も防止される。
ここで図17を参照にすると、本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている他の混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を表す断面図を示す。図17に示すESD回路は、図16に関連して示し、また述べたものを表すが、ただDPTがSTIに取って替わっている点が違っている。
ここで図18を参照すると、本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を表す断面図を示す。前に説明したように、連続したダイオード段の併合はいくつかの密度の有利点を有する。図18は、多くの点で図16のESD回路に似ているが、ただSTIがn+/n−ウェルに置き換わっている点が違っている。その上、制御回路1818および1816が1812の電位を制御する。
ここで図19を参照すると、本発明の教示に従って図16〜18のESD回路と共に使用することができる制御回路1900の例を表す回路図を示す。n−バンドの制御回路1900は、p−チャネルまたはn−チャネルのMOSFET要素から成り、n−バンドの電圧状態を制御することができる。この実施形態では、p−チャネルMOSFET1902は、そのゲートが入力パッド1904に接続され、ソースが電源VDDに接続され、さらにドレインがn−バンド・ウェルに接続されている。
入力パッド1904がVDD電源より高くなると、n−バンドは浮動状態になる。これによって、n−バンドへの順方向バイアスおよび放電が防止される。電源が接地電位にあり、かつ電源が上昇するよりもパッドが速く上昇する場合、制御回路がVDD電源への放電を防止する。制御回路1900は、順序に依存しない関係をESD回路にもたらす。
n−バンド構造の電位制御によって、ESD回路または近接した回路の破壊につながるラッチアップおよび予期しない事象の発生を防止することができる。p−チャネルMOSFETの使用は、VDDとn−バンド電位の間のダイオード構成で使用することができ、そして、入力ノードとn−バンドの間に、より滑らかな遷移に対処するように設けることができる。その上、ダイオード構成のp−チャネル・トランジスタの使用は、n−バンドが全VDDすなわち電源電位に上昇することができるようにするために使用することができる。たとえば、VDDとn−バンドの間に、p−チャネルMOSFETのソースとドレインを配置することができる。p−チャネルMOSFETのゲートは、VDDに接続することができる。第2のトランジスタは、n−バンドと入力ノードの間にソースとドレインを接続し、そのゲートを入力パッドに接続して配置することができる。
説明したような、また特許請求されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、以上で示したような本発明の構造に対して様々な修正を行うことができる。本発明の精神によって、RFCMOS技術、BiCMOS技術、BiCMOSシリコン・ゲルマニウム技術、BiCMOSシリコン・ゲルマニウム・カーボン技術、およびシリコン・オン・インシュレータ(SOI)技術に存在する他のダイオード構造およびバイポーラ構造が可能になる。BiCMOS技術では、p−陽極構造を実現するようにシリコン表面にエピタキシャル領域を堆積することができる。選択エピタキシャル堆積技術を使用して、図1から図7に示すように表面の上にシリコン陽極構造を形成することができる。このようにして、トリプル・ウェルESD構造の精神は、本発明の有用性を達成するように、実行され、組み合わされ、および/または修正されることが可能である。このエピタキシャル膜は、エピタキシャル領域を形成するために、シリコン、ゲルマニウムまたはカーボンの原子を含むことができる。本発明の精神において、ショットキー・ダイオード、モット・ダイオード、およびツェナー・ダイオードは、本発明の有用性を実現するように陽極構造に形成することができ、また組み合わせることができ、および/または修正することができる。
上述の実施形態の様々な態様は、組み合わせることができ、および/または修正することができる。本発明では、共通の電圧の2つの電源間、異なる電圧の2つの電源間、接地と電源レールの間、および2つの接地レールの間に、電気回路および直列構成を接続することができる。複数のこれらの構造は、システム電源レールの間で組み合わせて、および並び替えて使用することができ、または共通基板または異なる基板のシステム・オン・チップ設計で使用することができる。
直流(dc)、交流(ac)、および過渡状態での制御回路の電位を改善するように、制御回路の様々な修正を実現することができる。
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
(1)第1のドーパントの型の基板と、
前記基板の内部にある、第2のドーパントの型の第1のドープされた領域と、
前記第1のドープされた領域の上にある第2のドープされた領域と、
前記第2のドープされた領域の上にある第3のドープされた領域と、
前記第3のドープされた領域の縁部を画定する縁構造と、
前記第2のドープされた領域を前記基板から隔離する第4の構造とを備える半導体デバイス。
(2)前記第4の構造が、前記第2のドーパントの型のドープされた領域である、上記(1)に記載の半導体デバイス。
(3)前記第4の構造が、絶縁物である、上記(1)に記載の半導体デバイス。
(4)前記第4の構造が、絶縁された側壁である、上記(3)に記載の半導体デバイス。
(5)前記縁構造が、浅いトレンチ分離である、上記(1)に記載の半導体デバイス。
(6)前記縁構造が、ポリシリコン・ゲート構造である、上記(1)に記載の半導体デバイス。
(7)前記第4の構造が、トレンチ分離(TI)である、上記(3)に記載の半導体デバイス。
(8)前記第4の構造が、深いトレンチ分離(DTI)である、上記(3)に記載の半導体デバイス。
(9)複数のデバイスを備える半導体であって、前記デバイスのそれぞれが、
第1のドーパントの型の基板と、
前記基板の内部にある、第2のドーパントの型の第1のドープされた領域と、
前記第1のドープされた領域の上にある第2のドープされた領域と、
前記第2のドープされた領域の上にある第3のドープされた領域と、
前記第3のドープされた領域の縁部を画定する縁構造と、
前記第2のドープされた領域を前記基板から隔離する第4の構造とを有する半導体。
(10)前記複数のデバイスのうちの第1のデバイスが、前記複数のデバイスのうちの第2のデバイスに直列に結合されている、上記(9)に記載の半導体。
(11)前記複数のデバイスのうちの前記第2のデバイスの縁構造が、基準制御回路に結合されている、上記(10)に記載の半導体。
(12)前記基準制御回路が、前記縁構造へのバイアス印加を制御する、上記(11)に記載の半導体。
(13)前記第1のドープされた領域が、前記第1のドープされた領域へのバイアス印加を制御する基準制御回路に接続される、上記(11)に記載の半導体。
(14)前記デバイスの各々の前記第4の構造が、前記第2のドーパントの型のドープされた領域である、上記(12)に記載の半導体。
(15)前記デバイスの各々の前記第4の構造が、絶縁物である、上記(12)に記載の半導体。
(16)前記デバイスの各々の前記第4の構造が、絶縁された側壁である、上記(15)に記載の半導体。
(17)前記デバイスのうちの1つの前記縁構造の1つが、ポリシリコン・ゲートである、上記(12)に記載の半導体。
(18)前記デバイスのうちの1つの前記第4の構造の1つが、トレンチ分離(TI)である、上記(12)に記載の半導体。
(19)互いに直列に結合された複数のトリプル・ウェル・ダイオードを備える回路であって、前記ダイオードの各々が共有のnドープ領域を有するものである回路。
(20)さらに、
前記共有のnドープ領域へのバイアス印加を制御するように、前記共有のnドープ領域に結合された制御デバイスを備える、上記(19)に記載の回路。
本発明の好ましい実施形態の教示に従ったトリプル・ウェルESD構造を示す断面図である。 本発明の教示に従ったトリプル・ウェル・ダイオードの第2の好ましい実施形態を示す断面図である。 本発明の他の好ましい実施形態の教示に従ったトリプル・ウェル・ダイオードを示す断面図である。 本発明の教示に従った図1のトリプル・ウェル・ダイオード要素から形成されるトリプル・ウェル混在電圧インタフェースESD構造の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の教示に従った図3のトリプル・ウェル・ダイオード要素から形成されるインタフェースESD構造を示す断面図である。 本発明の教示に従ってnウェル/n−バンド領域が単一領域として併合されている混在電圧インタフェース・トリプル・ウェルESD回路を示す断面図である。 本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている混在電圧インタフェース・トリプル・ウェルESD回路を示す断面図である。 本発明の教示に従った図1のトリプル・ウェル・ダイオード構造の回路の実施を示す回路図である。 本発明の教示に従った図3のトリプル・ウェル構造を使用する静電放電回路を示す回路図である。 本発明の好ましい実施形態の教示に従った他のトリプル・ウェルESD構造を示す断面図である。 本発明の好ましい実施形態の教示に従った他のトリプル・ウェルESD構造を示す断面図である。 本発明の教示に従ったトリプル・ウェル・ダイオードの他の好ましい実施形態を示す断面図である。 本発明の教示に従ったトリプル・ウェル・ダイオードの他の好ましい実施形態を示す断面図である。 本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている他の混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を示す断面図である。 本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている他の混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を示す断面図である。 本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を示す断面図である。 本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている他の混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を示す断面図である。 本発明の教示に従って別個の第1のダイオード段の後に連続したダイオード段すべての併合が続いている混在電圧インタフェース・トリプル・ウェル・ダイオードESD回路を示す断面図である。 本発明の教示に従った図16〜18のESD回路と共に使用することができる制御回路の例を示す回路図である。
符号の説明
2、4、102、104 絶縁物領域(浅いトレンチ分離(STI)領域)
3、3A、3B、103A nウェル領域(nドープ領域、陰極)
8、108、108A n−バンド構造
5、105、105A pドープ領域(陽極)
6、106 p−ドープ領域
10 基板
103、103A、103B、トレンチ分離構造(TI)
113、113A、133、133B 深いトレンチ分離構造(DTI)
164、1816、1818、1900 制御回路(VREF)

Claims (20)

  1. 第1のドーパントの型の基板と、
    前記基板の内部にある、第2のドーパントの型の第1のドープされた領域と、
    前記第1のドープされた領域の上にある第2のドープされた領域と、
    前記第2のドープされた領域の上にある第3のドープされた領域と、
    前記第3のドープされた領域の縁部を画定する縁構造と、
    前記第2のドープされた領域を前記基板から隔離する第4の構造とを備える半導体デバイス。
  2. 前記第4の構造が、前記第2のドーパントの型のドープされた領域である、請求項1に記載の半導体デバイス。
  3. 前記第4の構造が、絶縁物である、請求項1に記載の半導体デバイス。
  4. 前記第4の構造が、絶縁された側壁である、請求項3に記載の半導体デバイス。
  5. 前記縁構造が、浅いトレンチ分離である、請求項1に記載の半導体デバイス。
  6. 前記縁構造が、ポリシリコン・ゲート構造である、請求項1に記載の半導体デバイス。
  7. 前記第4の構造が、トレンチ分離(TI)である、請求項3に記載の半導体デバイス。
  8. 前記第4の構造が、深いトレンチ分離(DTI)である、請求項3に記載の半導体デバイス。
  9. 複数のデバイスを備える半導体であって、前記デバイスのそれぞれが、
    第1のドーパントの型の基板と、
    前記基板の内部にある、第2のドーパントの型の第1のドープされた領域と、
    前記第1のドープされた領域の上にある第2のドープされた領域と、
    前記第2のドープされた領域の上にある第3のドープされた領域と、
    前記第3のドープされた領域の縁部を画定する縁構造と、
    前記第2のドープされた領域を前記基板から隔離する第4の構造とを有する半導体。
  10. 前記複数のデバイスのうちの第1のデバイスが、前記複数のデバイスのうちの第2のデバイスに直列に結合されている、請求項9に記載の半導体。
  11. 前記複数のデバイスのうちの前記第2のデバイスの縁構造が、基準制御回路に結合されている、請求項10に記載の半導体。
  12. 前記基準制御回路が、前記縁構造へのバイアス印加を制御する、請求項11に記載の半導体。
  13. 前記第1のドープされた領域が、前記第1のドープされた領域へのバイアス印加を制御する基準制御回路に接続される、請求項11に記載の半導体。
  14. 前記デバイスの各々の前記第4の構造が、前記第2のドーパントの型のドープされた領域である、請求項12に記載の半導体。
  15. 前記デバイスの各々の前記第4の構造が、絶縁物である、請求項12に記載の半導体。
  16. 前記デバイスの各々の前記第4の構造が、絶縁された側壁である、請求項15に記載の半導体。
  17. 前記デバイスのうちの1つの前記縁構造の1つが、ポリシリコン・ゲートである、請求項12に記載の半導体。
  18. 前記デバイスのうちの1つの前記第4の構造の1つが、トレンチ分離(TI)である、請求項12に記載の半導体。
  19. 互いに直列に結合された複数のトリプル・ウェル・ダイオードを備える回路であって、前記ダイオードの各々が共有のnドープ領域を有するものである回路。
  20. さらに、
    前記共有のnドープ領域へのバイアス印加を制御するように、前記共有のnドープ領域に結合された制御デバイスを備える、請求項19に記載の回路。
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