JP2004281843A - Static discharge protective element and semiconductor integrated circuit device equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電気放電保護素子とこれを備える半導体集積回路装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
大規模半導体集積回路装置(LSI)には、LSIが接続された外部の周辺機器、周辺回路およびそれを取り扱う人間によって放電される静電気から内部回路を保護するための保護素子(静電気放電保護素子)が設けられる。
【0003】
図7は、典型的な内部回路と静電気放電保護素子を含む回路の概略図である。保護素子1は、一般に、外部端子に接続されるOLE_LINK1PadOLE_LINK13と内部回路5とをつなぐ信号線7に接続されている。このような回路では、内部回路5に許容できないサージ電流が信号線7にのると保護素子1の内部抵抗が一時的に低下して、サージ電流を保護素子1を介してアースに逃がすことで内部回路5を保護することができる。
【0004】
図8は、内部回路を構成する素子の一例としてCMOSインバータを用いた集積回路装置を説明するための図である。図8は、CMOSインバータを断面図で、信号線7を介してのCMOSインバータと内部回路1やパッド3との接続、配線11を介してた他の内部回路9との接続を回路図で示す。
【0005】
CMOSインバータは、Pad3から入力された信号を0Vから電源電圧Vddの範囲で反転させて他の回路に伝える。ここで、CMOSインバータは、半導体基板に形成されたn型の金属・酸化膜・半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)とp型のMOSFETを備える相補型電界効果トランジスタ(CMOSFET)を備える。
【0006】
CMOSFETは、一般に、シリコン基板501の表面に形成される。CMOSFETのn型MOSFETとp型MOSFETは、シリコン基板501の表面に形成された素子分離領域503により互いに電気的に分離されている。
【0007】
そして、n型MOSFETが形成される基板501の表面には、p型ウェル領域505が、p型MOSFETが形成される基板501表面にはn型ウェル領域514が形成されている。また、n型MOSFETは、一対のn型ソース・ドレイン領域507とこれらの間に形成されたゲート絶縁膜509、n型ポリシリコンなどからなるゲート電極511を備える。また、p型MOSFETは、一対のp型ソース・ドレイン領域515とこれらの間に形成されたゲート絶縁膜517、p型ポリシリコンなどからなるゲート電極519を備える。
【0008】
2つのMOSFETのゲート電極511、519は互いに信号線7を介してPad3に接続されている。n型MOSFETのソース・ドレイン領域507の一方は、アースに接続される。p型MOSFETのソース・ドレイン領域515の一方は電源523に接続され、電源電圧Vddが供給される。また、n型MOSFETのソース・ドレイン領域の他方は、p型MOSFETのソース・ドレイン領域の他方と接続され、信号線11を介して他の回路(さらに内部の回路)9と接続されている。
【0009】
図8のCMOSインバータでは、保護素子5がサージ電圧をアースに逃がしきれない場合には、CMOSFETのゲート絶縁膜501、517が破壊されてしまう。
【0010】
次に、保護素子1の例を、図9を用いて説明する。図9では、保護素子1を断面図で示し、保護素子1とPad3や内部回路5との接続を回路図で示す。
【0011】
保護素子1は、n型のMOSFETを備える。このn型MOSFETは、素子分離領域503とp型のウェル105が形成されたシリコンなどの基板501の表面に形成される。n型MOSFETは、一対のソース・ドレイン領域107と、このソース・ドレイン領域107に挟まれたシリコン基板501表面のチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜109およびゲート電極111を備える。
【0012】
ソース・ドレイン領域107のドレインは、信号線7に接続される。ゲート電極111とソースはともに接地されている。この形態で、信号線7に内部回路9の許容を超えるサージがのった場合、保護素子のソース・ドレイン107間が導通してサージをアースに逃がすことができる。
【0013】
すなわち、ゲート電極111が接地されているためにチャネル部の抵抗は高く、信号線7にサージが伝播した場合、ソース領域とドレイン領域の間の、特にドレイン付近に高電界が集中する。この高電界によって電子の衝突イオン化が生じ、生成した正孔がp型ウェル105に向かって流れる。すると、p型ウェル105の抵抗によりその電位が上昇し、寄生のバイポーラトランジスタがオンして、ソース・ドレイン領域107間が導通する。これにより、サージをアースへ逃がすことができ、内部回路9の保護が実現する。
【0014】
しかしながら、保護素子1にそれが耐え切れないサージが流れた場合、ゲート絶縁膜109が破壊する。その結果、ドレイン領域とゲート電極111の間が常に導通状態となり、信号線7上の信号は全てリーク電流となってアースに逃げてしまう。すると、必要な信号が内部回路9に届かなくなる。従って、保護素子が破壊した半導体集積回路装置は使用不可能となる。
【0015】
保護素子については、ドレイン領域に低不純物領域を設けて、サージにより発生した電流をより多くグラウンドまたは電源線に逃がす技術が提案されている(特許文献1参照)。また、ソース・ドレイン領域の配線コンタクト下部のみを高濃度とすることで、サージ印加時における電界集中が緩和して、サージに対する破壊耐性を改善する技術が提案されている(特許文献2参照)。しかし、これらの技術では、ゲート絶縁膜のサージ耐性を向上させることができない。
【0016】
【特許文献1】
特開平11−17022号公報
【特許文献2】
特開平4−336463号公報
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
保護素子1には、多くの場合、主な素子としてMOSFETが用いられる。静電気放電でゲート絶縁膜が破壊する場合、破壊箇所は局所的であることが多い。特に、ゲート絶縁膜のうち、ソース・ドレイン領域近傍の端部(チャネル長方向の両端)と、素子分離領域の端部上(チャネル幅方向の両端)において、局所的破壊の頻度が多いことがわかった。
【0018】
本発明は、このような局所的なゲート絶縁膜破壊を抑制し、静電気放電に対して耐性を備える静電気放電保護素子を具備した半導体集積回路装置を提供することを課題の一つとする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第一は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、半導体基板の表面に形成された、ゲート絶縁膜を両側から挟む一対のソース・ドレイン領域と、ゲート絶縁膜上に形成された不純物を含有する導電体よりなり、ソース・ドレイン領域の近傍にある一対の側部領域および側部領域に挟まれた中央領域を備え、一対の側部領域の不純物濃度が中央領域の不純物濃度よりも低いゲート電極とを備えることを特徴とする静電気放電保護素子を提供する。
【0020】
また、本発明の第二は、半導体基板と、半導体基板の表面に形成され、半導体基板の表面と境界をなす端部を備える素子分離領域と、半導体基板および境界上にわたり形成されたゲート絶縁膜と、半導体基板の表面に形成された、ゲート絶縁膜を挟む一対のソース・ドレイン領域と、ゲート絶縁膜上に形成された不純物を含有する導電体よりなり、境界上の部分領域および半導体基板上の中央領域を備え、部分領域の不純物濃度が中央領域の不純物濃度よりも低いゲート電極とを備えることを特徴とする静電気放電保護素子を提供する。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態および実施例について詳細に説明する。尚、以後の説明では、共通の構成に同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、実際の装置を製造する際は以下の説明と公知の技術を参酌して判断することができる。
【0022】
(第1の実施の形態)
まず、図1の上面図および図2(a),(b)の断面図を用いて第1の実施の形態に関わる保護素子を説明する。尚、ここでは保護素子(n型MOSFET)のみを説明する。半導体集積回路装置内での保護素子1とPad3や内部回路5との接続などは図7乃至図9における説明を参照することとし、重複する説明は省略する。
【0023】
図1は、本実施の形態に関わる保護素子の上面図である。そのA−A’断面(ゲート長方向断面)が図2(a)であり、B−B’断面(ゲート幅方向断面)が図2(b)である。
【0024】
尚、この実施の形態では、電子伝導型であるn型MOSFETを用いて説明する。今回、図1中の点線で囲んだ領域のゲート絶縁膜209(図1ではゲート211と同じ位置にある)の局所的破壊の頻度が多いことがわかった。つまり、ゲート絶縁膜209のうち、ソース・ドレイン領域207近傍の端部(チャネル長Lの両端)と、素子分離領域203の端部上(チャネル幅Wの両端)において、局所的な破壊頻度が高い。これは、MOSFETの微細化に伴い、ゲート絶縁膜209が薄膜化して、静電気放電に対する耐性が低下していることにも起因している。
【0025】
図2(a)および(b)にあるように、保護素子であるn型MOSFETは、シリコン等の半導体基板213の一表面に形成されている。この半導体基板213の表面には、STI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離領域203が形成されている。シリコン基板213の素子分離領域203に挟まれた領域がn型MOSFET予定領域である。
【0026】
n型MOSFET予定領域には、p型の不純物拡散層(ウェル)215が形成されている。このp型ウェル215の上には、一対のn+型ソース・ドレイン領域207が形成され、これらに挟まれたチャネル領域上にゲート絶縁膜209、ゲート電極211が順次積層形成されている。
【0027】
ここで、ゲート電極211は、Asなどのn型の不純物が添加された多結晶シリコン膜よりなる。そして、その側壁などには、n型の不純物に加えて、ホウ素などのp型の不純物が添加されたn型の低不純物濃度領域219、221が形成されている。
【0028】
低不純物濃度領域219は、ゲート電極211のうち、ソース・ドレイン領域207よりの両側部に、ソース・ドレイン領域207と重な合って形成されている(図2(a))。但し、低不純物濃度領域219とソース・ドレイン領域207は必ずしも重なり合う必要はない。ゲート長が短くなると、ソース・ドレイン領域207とゲート電極211とが離れていても、トランジスタは駆動するからである。
【0029】
また、低不純物濃度領域221は、ゲート電極211のうち、素子分離領域203とシリコン基板213のp型ウェル215の境界上に形成されている(図2(b))。つまり、低不純物濃度領域221は、境界とのその両側の素子分離領域203端部とシリコン基板213端部を覆うように形成されている。
【0030】
このような低不純物濃度領域219、221は、n型の不純物を添加して、ゲート多結晶シリコン211全体をn+型とした後、ホウ素などのp型の不純物を予定する低不純物濃度領域の位置に選択的に導入することで形成できる。
【0031】
例えば、イオン注入保護膜217をゲート電極211の上表面のうち、低不純物濃度領域221を形成する予定位置以外に形成する。そして、ゲート電極211の上面からp型不純物をイオン注入すれば、低不純物濃度領域221にのみ選択的にp型の不純物を導入できる。また、この保護膜217を利用して、ゲート電極211の側面に対して斜めにホウ素をイオン注入することで(側面に対し鋭角をなすように基板表面からイオンを注入する)、低不純物濃度領域219を形成することができる。
【0032】
このイオン注入工程により、ゲート電極211のイオン注入領域のドナー不純物濃度(n型不純物濃度)が相殺されて、実効不純物濃度が減少する。MOSFETが正孔伝導型(p型)である場合は、ゲート不純物種はアクセプタ(p型)であり、低不純物濃度領域219、221にはドナー型不純物(n型)を選択的にイオン注入する。
【0033】
また、素子分離領域203との境界上に低不純物濃度領域221を設ける方法としては、マスクを用いて選択的に低不純物濃度領域221とその他の領域とで不純物を打ち分けても良い。
【0034】
ゲート側壁の低不純物濃度領域219を設ける他の手段としては、側壁を除くゲート電極上にマスクを形成してこれを利用して、選択的にゲート側壁と他のゲート領域の不純物やその濃度を打ち分けても良い。イオン注入保護膜217には、例えばシリコン窒化物を用いることができる。尚、イオン注入保護膜217は、低不純物濃度領域の形成のために用いるものであり、その利用後は残置させてもよく、また、剥離してもよい。
【0035】
次に、低不純物濃度領域219と221の機能について図3(a)および(b)を用いて説明する。図3(a)は、ゲート幅方向の一部断面図であり、図3(b)は、ゲート長方向の一部断面図である。尚、図3(a)中、ソース・ドレイン領域207の上の、ゲート絶縁膜209とゲート電極211の脇にあるのはゲート側壁絶縁膜や層間分離膜などの絶縁膜である。
【0036】
まず、低不純物濃度領域219を持たないゲート電極211によれば、図3(a)の一部断面図にあるように、ソース・ドレイン領域207の広い表面から、ゲート電極211端(図3(a)の丸で囲んだ部分)にゲート電流が流れる。その結果、ゲート絶縁膜209が局所的に破壊してしまう。
【0037】
同じように、低不純物濃度領域221を持たないゲート電極211によれば、図3(b)の一部断面図に示すように、ゲート電極211下の素子分離領域203端からゲートに向かって、集中してゲート電流が流れ出す。その結果、素子分離領域203直上のゲート絶縁膜209(図3(b)の丸で囲んだ部分)が局所的に破壊する。本実施の形態の構造によれば、低不純物濃度領域219、221を設けることがで局所的破壊を防ぐことができる。
【0038】
図4に、ゲート電極下端(ゲート絶縁膜近傍の低い位置)における電子電流密度(A/cm−2)の分布を示す。図4の横軸は、ゲート電極の中央領域からドレインまたはソースに向う方向を示す(μm)。この分布は、ゲート電極中に不純物濃度ND=1020cm−3のドナーが存在する状態を想定しており、ゲート電流の殆どは電子電流からなる。また、ゲート幅Wは20μm、ゲート長Lは0.4μmとし、ゲート絶縁膜の膜厚は約3nmとした。さらに、ゲート電圧Vgは6Vとした。
【0039】
図4中の各データは、(a)がND=1018cm−3、(b)がND=5×1018cm−3、(c)がND=1×1019cm−3、(d)がND=2×1019cm−3、(e)がND=4×1019cm−3、(f)がND=5×1019cm−3、(g)がND=7×1019cm−3、(h)がND=1020cm−3のデータである。
【0040】
図4から、ゲート側壁低不純物濃度領域219のNDを減少させるにつれて、ゲート端における電子電流密度が減少することがわかる。その反面、ゲート側壁低不純物濃度領域のNDを減少させるにつれて、ゲート側壁低不純物濃度領域と隣接するゲート領域の境界(約0.165μm付近(側壁から約35nm付近))において、次第に電流電流密度が上昇していくこともわかる。ゲート側壁の低不純物濃度領域219の幅を規定するとすれば、ソース・ドレイン拡散層207とゲート電極211とがオーバーラップする幅が適切である。この幅は、例えば、ソース・ドレイン領域207のゲート電極211側端部の深さ×0.7で算出することができる。
【0041】
図5は、ゲート電極中における低不純物濃度領域219の不純物濃度(cm−3)と電子電流密度(A/cm2)の最大値の関係を示す。低濃度領域219の不純物濃度が1020cm−3から減少するにつれて、電子電流密度の最大値も減少していく。しかし、低濃度領域219の不純物濃度が1019cm−3以下になると、逆に電子電流密度の最大値が増加に転じる。これは、低不純物濃度領域219と通常の不純物濃度領域との境界に電界が集中し、ここにゲート電流も集中するためである。
【0042】
信頼性を向上させるためには、ゲート側壁低不純物濃度領域の濃度の上限は、図5より約7×1019cm−3となる。濃度の下限は、1×1019cm−3となる。これは、図5より約1×1019cm−3で最も低い値となること、これよりも低い濃度だと、側部でのゲート電極の金属的な性質が損なわれ、ゲート電極として機能しなくなる恐れがあるためである。濃度の数値に付した約とは、このような機能が働く数値範囲も含む趣旨である。また、これらの低不純物濃度領域の濃度範囲は、中央領域の濃度を1×1020cm−3から変えても同様の効果が得られると考えられる。
【0043】
図6に、この実施の形態の保護素子のスナップバック特性を示す。
【0044】
ここでは、ゲート幅Wを約500μm、ゲート長Lを約0.3μm、ゲート絶縁膜厚を約5nmとした。通常の保護素子はゲートが接地されているため、図6中の破線(Vg=0)の特性を示す。これでは、保護素子内部の抵抗が低下するためドレイン電圧=8V(Vt1)となる。このように、高い電圧Vt1では保護素子が作動するよりも前に内部回路が破壊する可能性がある。
【0045】
ここで、Vt1は寄生バイポーラトランジスタをON状態に遷移させるのに必要な電圧である。すなわち、ドレイン領域と基板間における衝突イオン化によって生成した正孔が基板電極に向かって流れ、その際に基板電極とチャネルの間に電位降下が発生して、ソース領域/基板/ドレイン領域で形成される寄生バイポーラトランジスタがON状態になる。Vt1はこの際に必要な、ドレイン領域/基板間の降伏電圧である。
【0046】
第1の実施の形態の保護素子(図6中の実線(Vgフローティング))では、ゲート領域中に低濃度領域221が設けられているためチャネル領域上のゲート電極が半ば電気的に浮遊状態にある。このため、チャネル領域の電位上昇に伴い容量結合によってチャネル領域上のゲート領域の電位も上昇する。その結果、Vt1が従来技術に比べて低下する。従って、静電気放電による素子分離領域端上のゲート電極の局所的な破壊を防止するとともに、Vt1を低下させることが可能となる。
【0047】
尚、ゲート形成後の酸化によってゲート電極端を十分に丸める場合は、素子分離領域上だけに低濃度不純物領域221を設ければ良い。また、素子分離領域形成のために、エッチングによって半導体基板にトレンチ(溝)を形成した際、トレンチ開口部のSi領域を酸化工程によって十分に丸めるのであれば、ソース・ドレイン端のゲート側壁だけを低濃度不純物領域219とすることもできる。
【0048】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。
【0049】
また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
【0050】
さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【0051】
【発明の効果】
ゲート電極の一部空乏化を促して、ゲート電流の局所的集中を緩和した保護素子とこれを備える半導体集積回路装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に関わる保護素子を説明するための平面図。
【図2】第1の実施の形態に関わる保護素子を説明するための断面図。
【図3】第1の実施の形態の保護素子を説明するための断面図。
【図4】第1の実施の形態の保護素子の特性を説明するための断面図。
【図5】第1の実施の形態の特性を説明するための特性図。
【図6】第1の実施の形態のドレイン電圧―ドレイン電流の関係を示す特性図。
【図7】従来の技術などを説明するための回路図。
【図8】従来の内部回路などを説明するための一部断面図および回路図。
【図9】従来の静電気放電保護素子などを説明するための一部断面図および回路図。
【符号の説明】
1・・・保護素子
3・・・パッド(Pad)
5・・・内部回路
7・・・信号線
9・・・他の内部回路
11・・・信号線
501・・・シリコン基板
503・・・素子分離領域
505・・・p型ウェル
507・・・n型ソース・ドレイン領域
509、517・・・ゲート絶縁膜
511・・・n型ゲート電極
513・・・p型拡散層
514・・・n型ウェル
515・・・p型ソース・ドレイン領域
519・・・p型ゲート電極
521・・・n型拡散層
523・・・電源電圧端子
105・・・p型ウェル
107・・・n型ソース・ドレイン領域
109・・・ゲート絶縁膜
111・・・n型ゲート電極
113・・・p型拡散層
203・・・素子分離領域
207・・・ソース・ドレイン領域
209・・・ゲート絶縁膜
211・・・ゲート電極
213・・・半導体基板
215・・・p型ウェル
217・・・イオン注入保護膜
219、221・・・低不純物濃度領域[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrostatic discharge protection element and a semiconductor integrated circuit device including the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A large-scale semiconductor integrated circuit device (LSI) includes a protection element (electrostatic discharge protection element) for protecting an internal circuit from external peripheral devices connected to the LSI, the peripheral circuit, and static electricity discharged by a person who handles the peripheral circuit. Is provided.
[0003]
FIG. 7 is a schematic diagram of a typical internal circuit and a circuit including an electrostatic discharge protection element. The
[0004]
FIG. 8 is a diagram for explaining an integrated circuit device using a CMOS inverter as an example of an element constituting an internal circuit. FIG. 8 is a cross-sectional view of the CMOS inverter, and a circuit diagram showing a connection between the CMOS inverter via the
[0005]
The CMOS inverter inverts the signal input from Pad3 in a range from 0 V to the power supply voltage Vdd and transmits the inverted signal to another circuit. Here, the CMOS inverter includes an n-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) formed on a semiconductor substrate and a complementary field-effect transistor (CMOSFET) including a p-type MOSFET.
[0006]
The CMOSFET is generally formed on the surface of the
[0007]
A p-
[0008]
The
[0009]
In the CMOS inverter of FIG. 8, if the
[0010]
Next, an example of the
[0011]
The
[0012]
The drain of the source /
[0013]
That is, since the
[0014]
However, when a surge that the
[0015]
With respect to the protection element, a technique has been proposed in which a low impurity region is provided in a drain region to allow more current generated by a surge to escape to a ground or a power supply line (see Patent Document 1). In addition, a technique has been proposed in which the concentration of the electric field only under the wiring contact in the source / drain region is reduced to thereby alleviate the electric field concentration at the time of applying a surge and improve the breakdown resistance against the surge (see Patent Document 2). However, these techniques cannot improve the surge resistance of the gate insulating film.
[0016]
[Patent Document 1]
JP-A-11-17022 [Patent Document 2]
JP-A-4-336463
[Problems to be solved by the invention]
In many cases, a MOSFET is used as the main element for the
[0018]
An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device provided with an electrostatic discharge protection element that suppresses such local breakdown of a gate insulating film and has resistance to electrostatic discharge.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention is a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and a pair of sources formed on the surface of the semiconductor substrate and sandwiching the gate insulating film from both sides. A drain region and a conductive region containing impurities formed on the gate insulating film, a pair of side regions near the source and drain regions, and a central region sandwiched between the side regions; A gate electrode having an impurity concentration in the side region lower than that in the central region.
[0020]
Further, a second aspect of the present invention is a semiconductor substrate, an element isolation region formed on the surface of the semiconductor substrate and having an end bordering the surface of the semiconductor substrate, and a gate insulating film formed over the semiconductor substrate and the boundary And a pair of source / drain regions formed on the surface of the semiconductor substrate and sandwiching the gate insulating film, and a conductor containing impurities formed on the gate insulating film. And a gate electrode having a partial region having an impurity concentration lower than that of the central region.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same components will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. In addition, each drawing is a schematic diagram, and its shape, dimensions, ratio, and the like are different from those of an actual device. However, when manufacturing an actual device, it is necessary to consider the following description and a known technique. Can be.
[0022]
(First Embodiment)
First, a protection element according to the first embodiment will be described with reference to a top view of FIG. 1 and cross-sectional views of FIGS. 2 (a) and 2 (b). Here, only the protection element (n-type MOSFET) will be described. The connection between the
[0023]
FIG. 1 is a top view of the protection element according to the present embodiment. FIG. 2A shows an AA ′ cross section (gate length direction cross section), and FIG. 2B shows a BB ′ cross section (gate width direction cross section).
[0024]
In this embodiment, an explanation will be given using an n-type MOSFET which is an electron conduction type. This time, it was found that the frequency of local destruction of the gate insulating film 209 (located at the same position as the
[0025]
As shown in FIGS. 2A and 2B, an n-type MOSFET serving as a protection element is formed on one surface of a
[0026]
A p-type impurity diffusion layer (well) 215 is formed in the expected n-type MOSFET region. A pair of n + -type source /
[0027]
Here, the
[0028]
The low
[0029]
The low
[0030]
Such low
[0031]
For example, the ion implantation
[0032]
By this ion implantation step, the donor impurity concentration (n-type impurity concentration) in the ion implantation region of the
[0033]
As a method of providing the low
[0034]
As another means for providing the low
[0035]
Next, the functions of the low
[0036]
First, according to the
[0037]
Similarly, according to the
[0038]
FIG. 4 shows the distribution of the electron current density (A / cm −2 ) at the lower end of the gate electrode (lower position near the gate insulating film). The horizontal axis in FIG. 4 indicates the direction from the central region of the gate electrode to the drain or source (μm). This distribution assumes a state in which a donor having an impurity concentration of N D = 10 20 cm −3 is present in the gate electrode, and most of the gate current is composed of the electron current. The gate width W was 20 μm, the gate length L was 0.4 μm, and the thickness of the gate insulating film was about 3 nm. Further, the gate voltage Vg was set to 6V.
[0039]
Each data in FIG. 4 is (a) ND = 10 18 cm −3 , (b) ND = 5 × 10 18 cm −3 , (c) ND = 1 × 10 19 cm −3 , (D) is N D = 2 × 10 19 cm −3 , (e) is N D = 4 × 10 19 cm −3 , (f) is N D = 5 × 10 19 cm −3 , (g) is N D = 7 × 10 19 cm −3 , (h) is data of N D = 10 20 cm −3 .
[0040]
From Figure 4, as to reduce the N D of the gate sidewalls low
[0041]
FIG. 5 shows the relationship between the impurity concentration (cm −3 ) of the low
[0042]
In order to improve the reliability, the upper limit of the concentration of the gate sidewall low impurity concentration region is about 7 × 10 19 cm −3 from FIG. The lower limit of the concentration is 1 × 10 19 cm −3 . This is the lowest value at about 1 × 10 19 cm −3 from FIG. 5. If the concentration is lower than this, the metallic properties of the gate electrode on the side are impaired, and the gate electrode functions as a gate electrode. This is because they may disappear. The term “approximately” added to the numerical value of the concentration includes a numerical range in which such a function works. It is considered that the same effect can be obtained even if the concentration of the low impurity concentration region is changed from 1 × 10 20 cm −3 in the central region.
[0043]
FIG. 6 shows a snapback characteristic of the protection element of this embodiment.
[0044]
Here, the gate width W was about 500 μm, the gate length L was about 0.3 μm, and the gate insulating film thickness was about 5 nm. Since the gate of the ordinary protection element is grounded, the characteristic shown by the broken line (Vg = 0) in FIG. In this case, since the resistance inside the protection element is reduced, the drain voltage becomes 8 V (Vt1). Thus, at the high voltage Vt1, the internal circuit may be broken before the protection element operates.
[0045]
Here, Vt1 is a voltage required to cause the parasitic bipolar transistor to transition to the ON state. That is, holes generated by impact ionization between the drain region and the substrate flow toward the substrate electrode, and at that time, a potential drop occurs between the substrate electrode and the channel, and the potential is formed in the source region / substrate / drain region. The parasitic bipolar transistor is turned on. Vt1 is a breakdown voltage required between the drain region and the substrate at this time.
[0046]
In the protection element according to the first embodiment (solid line (Vg floating) in FIG. 6), since the
[0047]
When the edge of the gate electrode is sufficiently rounded by oxidation after forming the gate, the low
[0048]
The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited thereto, and various changes can be made within the scope of the invention described in the claims.
[0049]
Further, the present invention can be variously modified in an implementation stage without departing from the gist thereof.
[0050]
Furthermore, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Further, components of different embodiments may be appropriately combined.
[0051]
【The invention's effect】
A protection element which promotes partial depletion of a gate electrode to reduce local concentration of a gate current and a semiconductor integrated circuit device including the protection element can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view for explaining a protection element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view for explaining a protection element according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a protection element according to the first embodiment.
FIG. 4 is a sectional view for explaining characteristics of the protection element according to the first embodiment;
FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining characteristics of the first embodiment.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a drain voltage and a drain current according to the first embodiment.
FIG. 7 is a circuit diagram for explaining a conventional technique and the like.
FIG. 8 is a partial cross-sectional view and a circuit diagram for explaining a conventional internal circuit and the like.
FIG. 9 is a partial sectional view and a circuit diagram for explaining a conventional electrostatic discharge protection element and the like.
[Explanation of symbols]
1 ...
5
Claims (5)
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記半導体基板の表面に形成された、前記ゲート絶縁膜を両側から挟む一対のソース・ドレイン領域と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された不純物を含有する導電体よりなり、前記ソース・ドレイン領域の近傍にある一対の側部領域および前記側部領域に挟まれた中央領域を備え、前記一対の側部領域の不純物濃度が前記中央領域の不純物濃度よりも低いゲート電極とを備えることを特徴とする静電気放電保護素子。A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate,
A pair of source / drain regions formed on the surface of the semiconductor substrate, sandwiching the gate insulating film from both sides;
A pair of side regions in the vicinity of the source / drain regions and a central region sandwiched between the side regions, comprising a conductor containing impurities formed on the gate insulating film; A gate electrode having a lower impurity concentration in the region than the impurity concentration in the central region.
前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体基板の表面と境界をなす端部を備える素子分離領域と、
前記半導体基板および前記境界上にわたり形成されたゲート絶縁膜と、
前記半導体基板の表面に形成された、前記ゲート絶縁膜を挟む一対のソース・ドレイン領域と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された不純物を含有する導電体よりなり、前記境界上の部分領域および前記半導体基板上の中央領域を備え、前記部分領域の不純物濃度が前記中央領域の不純物濃度よりも低いゲート電極とを備えることを特徴とする静電気放電保護素子。A semiconductor substrate;
An element isolation region formed on the surface of the semiconductor substrate and having an end portion bounding the surface of the semiconductor substrate,
A gate insulating film formed over the semiconductor substrate and the boundary,
A pair of source / drain regions formed on the surface of the semiconductor substrate and sandwiching the gate insulating film;
The semiconductor device includes a conductor containing impurities formed on the gate insulating film, and includes a partial region on the boundary and a central region on the semiconductor substrate, wherein an impurity concentration of the partial region is higher than an impurity concentration of the central region. An electrostatic discharge protection device comprising a low gate electrode.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009290211A (en) * | 2008-05-28 | 2009-12-10 | Samsung Electronics Co Ltd | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP2010212636A (en) * | 2009-03-12 | 2010-09-24 | Sharp Corp | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
KR101159426B1 (en) * | 2010-03-15 | 2012-06-28 | 숭실대학교산학협력단 | Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor haveing structure for electrostatic discahrge protection |
WO2016129173A1 (en) * | 2015-02-12 | 2016-08-18 | ソニー株式会社 | Transistor, protection circuit, and transistor manufacturing method |
WO2023189505A1 (en) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | ローム株式会社 | Semiconductor device |
-
2003
- 2003-03-18 JP JP2003073000A patent/JP2004281843A/en active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009290211A (en) * | 2008-05-28 | 2009-12-10 | Samsung Electronics Co Ltd | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP2010212636A (en) * | 2009-03-12 | 2010-09-24 | Sharp Corp | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
US8241985B2 (en) | 2009-03-12 | 2012-08-14 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor device having gate electrode with lower impurity concentration at edge portions than above channel and method of manufacturing the same |
KR101159426B1 (en) * | 2010-03-15 | 2012-06-28 | 숭실대학교산학협력단 | Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor haveing structure for electrostatic discahrge protection |
WO2016129173A1 (en) * | 2015-02-12 | 2016-08-18 | ソニー株式会社 | Transistor, protection circuit, and transistor manufacturing method |
US10522357B2 (en) | 2015-02-12 | 2019-12-31 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Transistor, protection circuit, and method of manufacturing transistor |
WO2023189505A1 (en) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | ローム株式会社 | Semiconductor device |
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