JP2006073568A - Protective element and semiconductor apparatus using the same - Google Patents

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Tetsuo Asano
哲郎 浅野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a protective element which can remarkably improve ESD (electrostatic discharge) voltage without degrading high-frequency characteristics and computational power of an element to be protected, and also to provide a semiconductor apparatus using the same. <P>SOLUTION: Between two terminals of the element to be protected which contains a pn junction, a Schottky junction, or capacitance; the protective elements, each consisting of a first n<SP>+</SP>-type region, an insulation region, and a second n<SP>+</SP>-region, are connected in parallel. The first n<SP>+</SP>-type region and/or the second n<SP>+</SP>-region contains a very narrow end on the side which faces the counterpart, with the end overlapped by and in contact with a metal layer. Due to this structure, very large electrostatic discharge is available between the first and second n<SP>+</SP>-regions which are close to each other, resulting in remarkably decreasing electrostatic energy to an operating region of HEMT while barely increasing parasitic capacitance. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、保護素子およびそれを用いた半導体装置に関し、特に被保護素子の高周波特性、計算処理スピードを劣化させずに静電破壊電圧を大幅に向上させる保護素子およびそれを用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a protection element and a semiconductor device using the protection element, and more particularly to a protection element that significantly improves the electrostatic breakdown voltage without deteriorating the high-frequency characteristics and calculation processing speed of the protected element, and a semiconductor device using the protection element. .

従来の半導体装置において、一般に静電気からデバイスを保護するには、静電破壊しやすいpn接合、ショットキ接合、容量を含むデバイスに、静電破壊保護ダイオードを並列に接続するという手法が採用されてきた。   In a conventional semiconductor device, in general, in order to protect a device from static electricity, a method of connecting an electrostatic breakdown protection diode in parallel to a device including a pn junction, a Schottky junction, and a capacitor that are easily damaged by electrostatic breakdown has been adopted. .

図24は、従来の半導体装置の静電破壊保護回路を示す。すなわち、外部入出力用のボンディングパッド301の近傍にpn接合ダイオードD1、D2を形成し、ダイオードD1のアノード側をボンディングパッド301に、カソード側を電源電位Vccに接続し、ダイオードD2のカソードをボンディングパッド301にアノードを接地電位に接続し、更にボンディングパッド301から延在する電極配線302をp型の拡散領域で形成した抵抗領域303の一端に接続し、抵抗領域303の他端を電極配線304に接続して内部回路に接続する構成を採用していた(例えば特許文献1参照。)。   FIG. 24 shows an electrostatic breakdown protection circuit of a conventional semiconductor device. That is, pn junction diodes D1 and D2 are formed in the vicinity of the external input / output bonding pad 301, the anode side of the diode D1 is connected to the bonding pad 301, the cathode side is connected to the power supply potential Vcc, and the cathode of the diode D2 is bonded. The anode is connected to the pad 301 to the ground potential, and the electrode wiring 302 extending from the bonding pad 301 is connected to one end of the resistance region 303 formed by the p-type diffusion region, and the other end of the resistance region 303 is connected to the electrode wiring 304. The structure which connected to and connected to the internal circuit was employ | adopted (for example, refer patent document 1).

また、図25の如く、化合物半導体装置において静電破壊電圧を大幅に向上するため、被保護素子の2端子間にn+/i/n+構造の保護素子360を接続した技術も知られている。図は、ソース315、ゲート317、ドレイン320を有するFETで構成したスイッチ回路装置であり、入力端子−制御端子間、出力端子−制御端子間に保護素子360を接続したものである(例えば特許文献2参照。)。   Also, as shown in FIG. 25, a technique in which a protective element 360 having an n + / i / n + structure is connected between two terminals of a protected element is known in order to significantly improve the electrostatic breakdown voltage in the compound semiconductor device. The figure shows a switch circuit device composed of an FET having a source 315, a gate 317, and a drain 320, in which a protection element 360 is connected between an input terminal and a control terminal, and between an output terminal and a control terminal (for example, Patent Documents). 2).

図26は、図25のOUT−1Pad部分を示す。保護素子360は、パッド下方に設けられるn+型領域350とn+型不純物の抵抗Rなどを4μmまで近接して配置することにより接続される。そして抵抗Rのパターンを利用して、静電エネルギーを減衰させる電流経路I、I’の形成領域を確保したものもある(例えば特許文献3参照。)。   FIG. 26 shows the OUT-1 Pad portion of FIG. The protective element 360 is connected by disposing an n + type region 350 provided below the pad and a resistance R of an n + type impurity close to 4 μm. In some cases, a region for forming current paths I and I ′ for attenuating electrostatic energy is secured by using a pattern of the resistor R (see, for example, Patent Document 3).

図27は集積回路装置(以下LSIと称する)であり、ロジック回路408の周囲に保護素子領域407を形成している。図はMOS型ICの静電気等による過大電圧に対する保護回路であり、ロジック回路408周囲にゲート接地pチャネル型MOSFET401とゲート接地nチャネル型MOSFET402の保護素子を配置したいわゆるCMOSバッファ回路型保護回路である。入出力端子パッド400に接続された信号線403は、nチャネル型MOSFET402を介して基準電圧GNDに接続され、且つpチャネル型MOSFET401を介して電源電圧Vccに接続されている。(例えば特許文献4参照。)。
特開平6−29466号公報 国際公開第2004/027869号パンフレット 第12図 国際公開第2004/023555号パンフレット 第23図 特開平7−169918号公報
FIG. 27 shows an integrated circuit device (hereinafter referred to as LSI), in which a protection element region 407 is formed around a logic circuit 408. The figure shows a protection circuit against an excessive voltage due to static electricity or the like of a MOS type IC, which is a so-called CMOS buffer circuit type protection circuit in which protective elements for a gate-grounded p-channel MOSFET 401 and a gate-grounded n-channel MOSFET 402 are arranged around the logic circuit 408. . The signal line 403 connected to the input / output terminal pad 400 is connected to the reference voltage GND through the n-channel MOSFET 402 and is connected to the power supply voltage Vcc through the p-channel MOSFET 401. (For example, refer to Patent Document 4).
JP-A-6-29466 International Publication No. 2004/027869 Pamphlet Fig. 12 International Publication No. 2004/023555 Pamphlet Figure 23 Japanese Patent Laid-Open No. 7-169918

一般に静電気からデバイスを保護するには図24のpn接合ダイオードの如き保護ダイオードを被保護素子(デバイス)に並列に接続する手法が採用されていた。   In general, in order to protect a device from static electricity, a method of connecting a protective diode such as a pn junction diode in FIG. 24 in parallel to a protected element (device) has been adopted.

しかし、マイクロ波デバイスにおいては、保護ダイオードを接続することによる寄生容量の増加が高周波特性の劣化を招き、その手法を採用することができない。特に、衛星放送、携帯電話、無線ブロードバンド用など、GHz帯以上のマイクロ波用途に用いられる、MESFET、HEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)等の化合物半導体装置では、良好なマイクロ波特性を確保するためゲート長もサブミクロンオーダーとなっており、ゲートショットキ接合容量が極めて小さく設計されている。そのため静電破壊に非常に弱く、GaAsMESFET、HEMTを集積化したMMICを含め、その取り扱いに細心の注意が必要であった。さらに、音響、映像、電源用など周波数の低い一般民生用半導体において、静電破壊電圧を上げるため広く採用されている保護ダイオードは、pn接合を有するため、その使用により寄生容量が最小でも数百fF以上と大きく増加してしまうため、上記の化合物半導体装置のマイクロ波特性を大きく劣化させる問題があった。   However, in a microwave device, an increase in parasitic capacitance caused by connecting a protective diode causes deterioration of high frequency characteristics, and the method cannot be employed. In particular, in a compound semiconductor device such as MESFET and HEMT (High Electron Mobility Transistor) used for microwave applications in the GHz band or higher, such as for satellite broadcasting, mobile phones, and wireless broadband, excellent microwaves are used. In order to ensure the characteristics, the gate length is also in the submicron order, and the gate Schottky junction capacitance is designed to be extremely small. For this reason, it is extremely vulnerable to electrostatic breakdown, and careful handling is required, including MMIC integrated with GaAs MESFET and HEMT. Furthermore, in general consumer semiconductors with low frequencies such as those for sound, video, and power supplies, protection diodes that are widely used to increase the electrostatic breakdown voltage have pn junctions. Since it greatly increases to fF or more, there has been a problem of greatly degrading the microwave characteristics of the compound semiconductor device.

一方、図25ではアイソレーション向上のため共通入力端子パッドINPad周辺、OUT−1Pad周辺及びOUT−2Pad周辺にn+型領域350が設けられる。このn+型領域350とn+型不純物のイオン注入により形成される抵抗R1、R2とを4μmまで近接して配置する。これら近接するn+型領域はその間に配置される絶縁領域(GaAs基板)355とともに保護素子360となる。   On the other hand, in FIG. 25, n + type regions 350 are provided around the common input terminal pad INPad, around the OUT-1Pad, and around the OUT-2Pad in order to improve isolation. The n + type region 350 and resistors R1 and R2 formed by ion implantation of n + type impurities are arranged close to 4 μm. These adjacent n + -type regions become a protection element 360 together with an insulating region (GaAs substrate) 355 disposed therebetween.

保護素子360は、pn接合がないため上記の保護ダイオードと比較して数fFと寄生容量が小さい。しかし、共通入力端子パッドINPadから入力された入力信号の一部が抵抗R1を介して高周波GND電位である制御端子パッドCtl−1Padに漏れることが判った。これは保護効果を高めるため制御端子パッドCtl−1Padに近い位置で抵抗R1が共通入力端子パッドINPadと80μmもの長距離に渡って近接して配置されているためである。   Since the protection element 360 has no pn junction, it has a small number of parasitic capacitances and several fF compared with the protection diode. However, it has been found that a part of the input signal input from the common input terminal pad INPad leaks to the control terminal pad Ctl-1Pad having the high-frequency GND potential through the resistor R1. This is because the resistor R1 is arranged close to the common input terminal pad INPad over a long distance of 80 μm at a position close to the control terminal pad Ctl-1Pad in order to enhance the protective effect.

このような数fF程度の寄生容量による入力信号の漏れは、例えばMESFETでは問題にはならない。しかし、特にオフ容量の小さいHEMTに接続する場合はわずか数fFとはいえHEMTの小さいオフ容量に対して無視できるレベルを超えているため高周波特性に影響を与えてしまい、インサーションロスが保護素子360を接続しない場合のインサーションロスよりも劣化してしまう問題があった。   Such a leakage of an input signal due to a parasitic capacitance of about several fF does not cause a problem in, for example, a MESFET. However, especially when connecting to a HEMT having a small off-capacitance, although it is only a few fF, it exceeds a negligible level with respect to a small off-capacitance of the HEMT, which affects the high-frequency characteristics, and the insertion loss is a protective element. There was a problem that it deteriorated more than the insertion loss when 360 is not connected.

更に図26では抵抗Rとなるn+型領域によって絶縁領域355に主電流経路I、側面の電流経路I’を形成し、これらを利用してより大きな静電エネルギーを放電している。そして保護素子の端子となるn+型領域同士が対向配置される距離が長いほど静電破壊に対する保護効果が高まるため、パッド下方のn+型領域350になるべく長く沿うように抵抗(n+型領域)Rを配置している。しかし、抵抗Rの幅は3μmまで縮めて寄生容量の低減を図っているが抵抗Rの幅をいくら狭めても保護素子360の端子となるn+型領域同士が対向配置される領域では少ないながら寄生容量が発生しHEMTスイッチのインサーションロスを劣化させてしまう。つまり静電破壊強度を高めるためn+型領域を長く対向させるほど寄生容量が増加し、特にオフ容量の小さい被保護素子に当該保護素子360を接続するとインサーションロスの劣化が顕著になる問題があった。   Further, in FIG. 26, the main current path I and the side current path I ′ are formed in the insulating region 355 by the n + type region serving as the resistance R, and a larger electrostatic energy is discharged using these. Since the protection effect against electrostatic breakdown increases as the distance at which the n + type regions serving as the terminals of the protective elements are opposed to each other is longer, the resistance (n + type region) R extends along the n + type region 350 below the pad as long as possible. Is arranged. However, the width of the resistor R is reduced to 3 μm to reduce the parasitic capacitance. However, even if the width of the resistor R is reduced, the n + -type regions serving as the terminals of the protective element 360 are small in the region where the n + -type regions are opposed to each other. Capacitance is generated and the insertion loss of the HEMT switch is deteriorated. In other words, in order to increase the electrostatic breakdown strength, the parasitic capacitance increases as the n + -type regions face each other longer. In particular, when the protective element 360 is connected to a protected element having a small off-capacitance, the degradation of the insertion loss becomes significant. It was.

また図27のごときCMOSロジック回路素子などのLSI410では、デバイスの微細化に伴いロジック回路408を構成する基本素子であるMOSFETの性能がますます向上している。つまりゲート長が短くゲート酸化膜が薄くなる方向に進んでいるが、その反面静電破壊に対しては弱い素子となっている。そこでこれを保護するためにロジック回路408の周辺に保護素子を複数配置した保護素子領域407を配置する。しかし保護素子のサイズが大きいほど保護効果が高まるため、現状ではロジック回路408の面積に対して保護素子領域407の面積が増大しすぎ、LSI410のコストが増大してしまう問題がある。また、保護素子領域407のサイズをある程度以上に大きくしても保護素子として動作が不均一になり、保護効果に限界が出るという問題も発生している。更に、保護素子領域407が大きいと、大きな保護素子を並列接続することになるので、保護素子の持つ寄生容量によりLSI410の計算処理スピードが落ちるという弊害もあった。   In the LSI 410 such as a CMOS logic circuit element as shown in FIG. 27, the performance of the MOSFET, which is a basic element constituting the logic circuit 408, is further improved with the miniaturization of the device. In other words, the gate length is shorter and the gate oxide film is becoming thinner, but on the other hand, the device is weak against electrostatic breakdown. In order to protect this, a protection element region 407 in which a plurality of protection elements are arranged is arranged around the logic circuit 408. However, since the protection effect increases as the size of the protection element increases, there is a problem in that the area of the protection element region 407 increases excessively with respect to the area of the logic circuit 408, and the cost of the LSI 410 increases. Further, even if the size of the protection element region 407 is increased to a certain extent, the operation as a protection element becomes non-uniform, and there is a problem that the protection effect is limited. Further, if the protective element region 407 is large, large protective elements are connected in parallel, and there is a disadvantage that the calculation processing speed of the LSI 410 is reduced due to the parasitic capacitance of the protective elements.

本発明はかかる課題に鑑みてなされ、第1に、基板に対向配置された2つの高濃度不純物領域と、前記2つの高濃度不純物領域の周囲に配置された絶縁領域とを備え、少なくとも一方の前記高濃度不純物領域は、他方の前記高濃度不純物領域との微小な対向面である第1側面と、該第1側面に対して十分大きく該第1側面から略垂直方向に離間して延在する第2側面と、前記基板から露出し電極パッドまたは配線から突出する金属層が重畳してコンタクトする第3側面と、該第3側面と対向する第4側面を有する棒状であり、前記2つの高濃度不純物領域を2端子として被保護素子の2端子間に接続し、前記第1側面および前記第4側面から前記他方の高濃度不純物領域の対応する側面に向かって前記一方の高濃度不純物領域の延在方向の前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第1電流経路と、該第1電流経路より外側で前記第2側面から前記他方の高濃度不純物領域に向かう前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第2電流経路により前記被保護素子の2端子間に印加される静電エネルギーを減衰させることにより解決するものである。   The present invention has been made in view of such a problem. First, it includes two high-concentration impurity regions disposed opposite to a substrate, and an insulating region disposed around the two high-concentration impurity regions. The high-concentration impurity region has a first side surface that is a minute facing surface of the other high-concentration impurity region, and is sufficiently large with respect to the first side surface and extends away from the first side surface in a substantially vertical direction. A bar-like shape having a second side surface, a third side surface in contact with a metal layer exposed from the substrate and protruding from the electrode pad or wiring, and a fourth side surface facing the third side surface, The high concentration impurity region is connected between two terminals of the protected element as two terminals, and the one high concentration impurity region is directed from the first side surface and the fourth side surface to the corresponding side surface of the other high concentration impurity region. Before the direction of extension A first current path serving as a path for electron current and hole current formed in the insulating region; and formed in the insulating region outside the first current path and from the second side surface toward the other high-concentration impurity region. The problem is solved by attenuating the electrostatic energy applied between the two terminals of the protected element by a second current path serving as a path for electron current and hole current.

また、前記他方の高濃度不純物領域は、他の電極パッドまたは他の配線の周辺に配置されることを特徴とするものである。   The other high-concentration impurity region is arranged around another electrode pad or another wiring.

また、前記第2電流経路の電流値は前記第1電流経路の電流値の5倍以上であることを特徴とするものである。   The current value of the second current path is at least five times the current value of the first current path.

また、前記第1側面の前記高濃度不純物領域の幅は5μm以下であることを特徴とするものである。   In addition, the width of the high concentration impurity region on the first side surface is 5 μm or less.

また、一組の前記高濃度不純物領域を両端子として前記被保護素子の2端子間に接続することにより、該被保護素子の静電破壊電圧がマシンモデルで300V以上で、且つ前記両端子間の寄生容量値が0.7fF以下となることを特徴とするものである。   Further, by connecting a pair of the high-concentration impurity regions as two terminals between the two terminals of the protected element, the electrostatic breakdown voltage of the protected element is 300 V or more in the machine model and between the two terminals. The parasitic capacitance value is 0.7 fF or less.

また、前記第2電流経路は、前記第2側面から15μm以上の幅を確保して形成されることを特徴とするものである。   The second current path is formed with a width of 15 μm or more from the second side surface.

第2に、基板上の動作領域に接続するソース電極、ゲート電極およびドレイン電極を有する少なくとも1つのFETと、前記FETのソース電極またはドレイン電極に接続する少なくとも1つの入力端子と、前記FETのドレイン電極またはソース電極に接続する少なくとも1つの出力端子と、前記FETにDC電位を印加する端子を有するスイッチ回路素子と、前記基板に対向配置された2つの高濃度不純物領域と、前記2つの高濃度不純物領域の周囲に配置された絶縁領域とを備え、少なくとも一方の前記高濃度不純物領域は、他方の前記高濃度不純物領域との微小な対向面である第1側面と、該第1側面に対して十分大きく該第1側面から略垂直方向に離間して延在する第2側面と、前記基板から露出して前記各端子のいずれかと電気的に接続する電極パッドまたは配線から突出する金属層が重畳してコンタクトする第3側面と、該第3側面と対向する第4側面を有する棒状であり、前記2つの高濃度不純物領域を2端子とする保護素子を前記スイッチ回路素子の2端子間に接続し、前記第1側面および前記第4側面から前記他方の高濃度不純物領域の対応する側面に向かって前記一方の高濃度不純物領域の延在方向の前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第1電流経路と、該第1電流経路より外側で前記第2側面から前記他方の高濃度不純物領域に向かう前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第2電流経路により前記スイッチ回路素子の2端子間に印加される静電エネルギーを減衰させることにより解決するものである。   Second, at least one FET having a source electrode, a gate electrode and a drain electrode connected to an operating region on the substrate, at least one input terminal connected to the source electrode or drain electrode of the FET, and the drain of the FET At least one output terminal connected to an electrode or a source electrode; a switch circuit element having a terminal for applying a DC potential to the FET; two high-concentration impurity regions disposed opposite to the substrate; and the two high-concentration regions An insulating region disposed around the impurity region, wherein at least one of the high-concentration impurity regions has a first side surface that is a minute facing surface of the other high-concentration impurity region, and the first side surface A second side surface which is sufficiently large and extends away from the first side surface in a substantially vertical direction, and is electrically exposed to any of the terminals exposed from the substrate. A bar having a third side surface in which a metal layer protruding from an electrode pad or wiring connected to the electrode and a contact is overlapped, and a fourth side surface opposite to the third side surface, and the two high-concentration impurity regions are connected to two terminals. A protection element to be connected between the two terminals of the switch circuit element, and the one high concentration impurity region extending from the first side surface and the fourth side surface toward a corresponding side surface of the other high concentration impurity region. A first current path serving as a path for electron current and hole current formed in the insulating region in a direction, and the insulating region from the second side surface toward the other high-concentration impurity region outside the first current path. The problem is solved by attenuating the electrostatic energy applied between the two terminals of the switch circuit element by the second current path that is the path of the formed electron current and hole current.

第3に、基板上の動作領域に接続するソース電極、ゲート電極およびドレイン電極を設けた第1および第2FETを形成し、両FETに共通のソース電極あるいはドレイン電極に接続する端子を共通入力端子とし、両FETのドレイン電極あるいはソース電極に接続する端子をそれぞれ第1および第2出力端子とし、両FETのゲート電極のいずれかに接続する端子をそれぞれ第1および第2制御端子とし、前記両制御端子に制御信号を印加して、前記両制御端子と前記ゲート電極とを接続する接続手段である抵抗を介していずれか一方のFETを導通させて前記共通入力端子と前記第1および第2出力端子のいずれか一方と信号経路を形成するスイッチ回路素子と、前記基板に対向配置された2つの高濃度不純物領域と、前記2つの高濃度不純物領域の周囲に配置された絶縁領域とを備え、少なくとも一方の前記高濃度不純物領域は、他方の前記高濃度不純物領域との微小な対向面である第1側面と、該第1側面に対して十分大きく該第1側面から略垂直方向に離間して延在する第2側面と、前記基板から露出して前記各端子のいずれかと電気的に接続する電極パッドまたは配線から突出する金属層が重畳してコンタクトする第3側面と、該第3側面と対向する第4側面を有する棒状であり、前記2つの高濃度不純物領域を2端子とする保護素子を前記スイッチ回路素子の2端子間に接続し、前記第1側面および前記第4側面から前記他方の高濃度不純物領域の対応する側面に向かって前記一方の高濃度不純物領域の延在方向の前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第1電流経路と、該第1電流経路より外側で前記第2側面から前記他方の高濃度不純物領域に向かう前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第2電流経路により前記スイッチ回路素子の2端子間に印加される静電エネルギーを減衰させることにより解決するものである。   Third, the first and second FETs having the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode connected to the operation region on the substrate are formed, and the terminal connected to the source electrode or the drain electrode common to both FETs is a common input terminal. The terminals connected to the drain electrode or source electrode of both FETs are the first and second output terminals, respectively, and the terminals connected to one of the gate electrodes of both FETs are the first and second control terminals, respectively. A control signal is applied to the control terminal, and one of the FETs is made conductive through a resistor which is a connecting means for connecting the two control terminals and the gate electrode, and the common input terminal and the first and second A switch circuit element that forms a signal path with any one of the output terminals, two high-concentration impurity regions disposed opposite to the substrate, and the two high-concentration regions An insulating region disposed around a pure region, and at least one of the high-concentration impurity regions includes a first side surface that is a minute facing surface of the other high-concentration impurity region, and the first side surface. A metal layer protruding from an electrode pad or wiring exposed from the substrate and electrically connected to any one of the terminals, and a second side surface that is sufficiently large and extends away from the first side surface in a substantially vertical direction. Is a rod-like shape having a third side surface in contact with each other and a fourth side surface facing the third side surface, and a protective element having the two high-concentration impurity regions as two terminals is provided between the two terminals of the switch circuit element. An electron current formed in the insulating region in the extending direction of the one high concentration impurity region from the first side surface and the fourth side surface toward the corresponding side surface of the other high concentration impurity region; Hall current A first current path serving as a path, and a second current serving as a path for electron current and hole current formed in the insulating region from the second side surface toward the other high concentration impurity region outside the first current path. The problem is solved by attenuating the electrostatic energy applied between the two terminals of the switch circuit element by the path.

また、前記他方の高濃度不純物領域は、前記接続手段の一部であることを特徴とするものである。   The other high-concentration impurity region is a part of the connection means.

また、前記スイッチ回路素子の少なくとも1つの前記制御端子と前記共通入力端子間に前記保護素子を接続することを特徴とするものである。   In addition, the protection element is connected between at least one of the control terminal and the common input terminal of the switch circuit element.

また、前記他方の高濃度不純物領域は、前記スイッチ回路素子の各端子のいずれかと電気的に接続する他の電極パッドまたは他の配線の周辺に配置されることを特徴とするものである。   The other high-concentration impurity region is arranged around another electrode pad or another wiring electrically connected to one of the terminals of the switch circuit element.

また、一組の前記高濃度不純物領域を両端子として該両端子間の寄生容量値が0.7fF以下の前記保護素子を、前記スイッチ回路素子の2端子間に接続することにより、該スイッチ回路素子の静電破壊電圧がマシンモデルで300V以上となることを特徴とするものである。   Further, by connecting the protection element having a pair of the high-concentration impurity regions as both terminals and having a parasitic capacitance value between both terminals of 0.7 fF or less between the two terminals of the switch circuit element, the switch circuit The electrostatic breakdown voltage of the element is 300 V or more in the machine model.

第4に、複数の入出力端子、電源端子及び接地端子を有する集積回路素子と、基板に対向配置された2つの高濃度不純物領域と、前記2つの高濃度不純物領域の周囲に配置された絶縁領域を有する保護素子を備え、少なくとも一方の前記高濃度不純物領域は、他方の前記高濃度不純物領域との微小な対向面である第1側面と、該第1側面に対して十分大きく該第1側面から略垂直方向に離間して延在する第2側面と、前記基板から露出して前記各端子のいずれかと電気的に接続する電極パッドまたは配線から突出する金属層が重畳してコンタクトする第3側面と、該第3側面と対向する第4側面を有する棒状であり、前記2つの高濃度不純物領域を2端子として前記集積回路素子の2端子間に接続し、前記第1側面および前記第4側面から前記他方の高濃度不純物領域の対応する側面に向かい前記一方の高濃度不純物領域の延在方向の前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第1電流経路と、該第1電流経路より外側で前記第2側面から前記他方の高濃度不純物領域に向かう前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第2電流経路により前記集積回路素子の2端子間に印加される静電エネルギーを減衰させることにより解決するものである。   Fourth, an integrated circuit element having a plurality of input / output terminals, a power supply terminal, and a ground terminal, two high-concentration impurity regions disposed opposite to the substrate, and insulation disposed around the two high-concentration impurity regions A protection element having a region, wherein at least one of the high-concentration impurity regions is a first side surface that is a minute facing surface of the other high-concentration impurity region, and the first side surface is sufficiently large with respect to the first side surface. A second side surface extending substantially vertically away from the side surface and an electrode pad exposed from the substrate and electrically connected to one of the terminals or a metal layer protruding from the wiring are in contact with each other. A bar having three side surfaces and a fourth side surface opposite to the third side surface, the two high-concentration impurity regions serving as two terminals, connected between two terminals of the integrated circuit element, and the first side surface and the first side surface Front from 4 sides A first current path serving as a path for electron current and hole current formed in the insulating region in the extending direction of the one high-concentration impurity region toward a corresponding side surface of the other high-concentration impurity region; Applied between the two terminals of the integrated circuit element by a second current path that is a path of electron current and hole current formed in the insulating region from the second side surface toward the other high concentration impurity region outside the path. The problem is solved by attenuating the electrostatic energy.

また、前記集積回路素子はCMOSロジック回路素子であることを特徴とするものである。   The integrated circuit element is a CMOS logic circuit element.

また、前記集積回路素子と前記保護素子を同一基板上に集積化することを特徴とするものである。   Further, the integrated circuit element and the protection element are integrated on the same substrate.

また、前記集積回路素子上に前記保護素子を配置したことを特徴とするものである。   Further, the protective element is disposed on the integrated circuit element.

また、前記配線は前記集積回路素子の電源端子に接続する第1配線および前記接地端子に接続する第2配線であることを特徴とするものである。   The wiring is a first wiring connected to a power supply terminal of the integrated circuit element and a second wiring connected to the ground terminal.

また、前記集積回路素子の入出力端子および電源端子間、入出力端子および接地端子間の少なくとも一方に前記保護素子を接続することを特徴とするものである。   The protection element is connected to at least one of the integrated circuit element between the input / output terminal and the power supply terminal and between the input / output terminal and the ground terminal.

また、前記他方の高濃度不純物領域は、前記集積回路素子の各端子のいずれかと接続する他の電極パッドまたは配線の周辺に設けられることを特徴とするものである。   The other high-concentration impurity region is provided in the vicinity of another electrode pad or wiring connected to one of the terminals of the integrated circuit element.

また、一組の前記高濃度不純物領域を両端子として該両端子間の寄生容量値が0.7fF以下の前記保護素子を、前記集積回路素子の2端子間に接続することにより、該集積回路素子の静電破壊電圧がマシンモデルで300V以上となることを特徴とするものである。   Further, by connecting the protective element having a pair of the high-concentration impurity regions as both terminals and having a parasitic capacitance value between both terminals of 0.7 fF or less between the two terminals of the integrated circuit element, the integrated circuit The electrostatic breakdown voltage of the element is 300 V or more in the machine model.

以上に詳述した如く、本発明に依れば以下の数々の効果が得られる。   As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.

第1に、保護素子は少なくとも一方の端子が棒状n+型領域であり、棒状n+型領域の第2側面から他方の端子であるn+型領域に向かう絶縁領域に形成される第2電流経路を利用して静電気を流すことができる。第2電流経路は絶縁領域の水平および垂直方向に数十μmと大きく広がって形成されるので非常に大きな静電気電流を流すことができ、保護効果が絶大である。また他の端子となるn+型領域と対向配置する面積が非常に微小であるため、この部分の寄生容量は非常に小さくなり、高周波信号が漏れることはない。従ってHEMTのようなオフ容量が極めて小さいデバイスを基本デバイスとするスイッチ回路装置に使用する場合においてさえ、保護素子の接続によるインサーションロスの劣化を防止できる。   First, the protection element uses a second current path formed in an insulating region where at least one terminal is a rod-shaped n + region and the second side surface of the rod-shaped n + region is directed to the n + region that is the other terminal. Can flow static electricity. Since the second current path is formed so as to extend as large as several tens of μm in the horizontal and vertical directions of the insulating region, a very large electrostatic current can flow and the protective effect is great. In addition, since the area facing the n + -type region serving as the other terminal is very small, the parasitic capacitance of this portion becomes very small and high-frequency signals do not leak. Therefore, even when the device is used in a switch circuit device having a very small off-capacitance device such as a HEMT as a basic device, it is possible to prevent deterioration of the insertion loss due to the connection of the protective element.

更に、棒状n+型領域上に重畳して金属層を配置するため、静電気は棒状n+型領域の全体にわたってまんべんなく流れ、これによっても保護効果の増大を図ることができる。   Further, since the metal layer is arranged on the rod-shaped n + type region, static electricity flows evenly over the entire rod-shaped n + type region, and this can also increase the protective effect.

第2に、スイッチ回路装置に保護素子を接続することにより、静電破壊に弱いスイッチ回路装置の2端子間の保護効果を大幅に高めることができる。また、保護素子の端子となる(棒状)n+型領域および金属層は全てスイッチ回路装置の他の構成要素と同一工程で形成できる。つまり特に工程を増やすことなく保護素子を接続することができる。   Second, by connecting a protection element to the switch circuit device, the protection effect between the two terminals of the switch circuit device that is vulnerable to electrostatic breakdown can be greatly enhanced. Further, the (bar-shaped) n + type region and the metal layer serving as the terminals of the protective element can be formed in the same process as other components of the switch circuit device. That is, the protective element can be connected without increasing the number of steps.

更に、保護素子はパッド間の絶縁領域に配置できる。従来のn+/i/n+型保護素子では保護効果を高めるために対向するn+型領域の距離を長くするなど、チップ内の保護素子の占有面積を必要としていたが、本実施形態によれば特に保護素子接続のためのスペースを必要とせず、他の構成要素が配置されない領域を利用して保護素子を接続することができる。   Further, the protective element can be disposed in an insulating region between the pads. The conventional n + / i / n + type protection element requires an area occupied by the protection element in the chip, such as increasing the distance between the opposing n + type regions in order to enhance the protection effect. The space for connecting the protective element is not required, and the protective element can be connected using a region where no other component is arranged.

第3に、保護素子の他方の端子としてパッドや配線周辺のアイソレーション確保のための周辺高濃度不純物領域や、抵抗等、スイッチ回路装置の構成要素を利用することにより、更に保護素子を接続するための占有面積を低減できる。   Thirdly, the protection element is further connected by using a component of the switch circuit device such as a peripheral high-concentration impurity region for securing isolation around the pad and the wiring, and a resistor as the other terminal of the protection element. Therefore, the occupied area can be reduced.

第4に、CMOSロジック回路などのLSIに従来のCMOSバッファ回路型保護回路に替えて本保護素子を接続することにより、ロジック回路の保護素子の占有面積を大幅に縮小でき、LSIの小型化、低コスト化を実現できる。   Fourth, by connecting this protection element to an LSI such as a CMOS logic circuit instead of the conventional CMOS buffer circuit type protection circuit, the area occupied by the protection element of the logic circuit can be greatly reduced, and the LSI can be downsized. Cost reduction can be realized.

例えば、ロジック回路素子と保護素子領域を1チップに集積化する場合には、ロジック回路素子領域の外周に配置される電源端子および接地端子に接続する配線と入出力端子パッドを利用して保護素子を接続できるので、ロジック回路のみのチップとほぼ同等のチップサイズで保護素子を接続できる。   For example, when the logic circuit element and the protection element region are integrated on one chip, the protection element is utilized by using wiring and input / output terminal pads connected to the power supply terminal and the ground terminal arranged on the outer periphery of the logic circuit element region. Therefore, the protective element can be connected with a chip size substantially equivalent to a chip having only a logic circuit.

また、保護素子を1つのチップで形成しロジック回路素子上に積層実装することができるので、ロジック回路素子のみのチップサイズで保護素子を接続でき、なおかつ保護効果を増大させることができる。   Further, since the protective element can be formed by one chip and stacked on the logic circuit element, the protective element can be connected with the chip size of only the logic circuit element, and the protective effect can be increased.

つまり、本発明の保護素子は、保護素子の2端子間においては、第1側面の幅が微小なため極わずかの寄生容量しか有することが無いにもかかわらず、第2電流経路が巨大な静電気電流を流す能力を持つため非常に大きな静電気電圧から被保護素子を保護することができる。具体的には一組の棒状n+型領域を両端子とする保護素子を接続することによりマシンモデル(200pF,0Ω)で300V以上の静電破壊電圧から被保護素子を保護することができ、なおかつそのときの寄生容量値は0.7fF(0Vバイアス時)以下となる。   That is, the protection element of the present invention has a very large second current path between the two terminals of the protection element even though the first side surface has a very small parasitic capacitance because the width of the first side surface is very small. Since it has the ability to flow current, the protected element can be protected from a very large electrostatic voltage. Specifically, by connecting a protective element having a pair of rod-shaped n + type regions as both terminals, the protected element can be protected from an electrostatic breakdown voltage of 300 V or more with a machine model (200 pF, 0Ω), and The parasitic capacitance value at that time is 0.7 fF (at 0 V bias) or less.

更に、棒状n+型領域を複数並列に接続することにより静電破壊からの保護能力を増加させることができる。   Furthermore, the ability to protect against electrostatic breakdown can be increased by connecting a plurality of rod-shaped n + type regions in parallel.

以下に本発明の実施の形態を図1から図23を用いて詳細に説明する。まず図1から図13を参照して本発明の第1の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、第1の実施形態の保護素子200を示す概要図である。図1(A)(D)は平面図であり、図1(B)は、図1(A)のa−a線断面図、図1(C)は図1(A)のb−b線断面図である。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a protection element 200 according to the first embodiment. 1A and 1D are plan views, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line aa in FIG. 1A, and FIG. 1C is a line bb in FIG. 1A. It is sectional drawing.

保護素子200は、基板101に対向配置された2つの高濃度不純物領域201とその周囲に配置された絶縁領域203とからなる。   The protective element 200 includes two high-concentration impurity regions 201 disposed opposite to the substrate 101 and an insulating region 203 disposed around the high-concentration impurity region 201.

基板101は、シリコン半導体基板、化合物半導体基板、HEMT用エピタキシャル基板等いずれの半導体基板でもよく、高濃度不純物領域201はこれらの基板に設けられる。2つの高濃度不純物領域201は同導電型の不純物領域であり、以下n型不純物の場合を例に説明する。   The substrate 101 may be any semiconductor substrate such as a silicon semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate, or an HEMT epitaxial substrate, and the high concentration impurity region 201 is provided on these substrates. The two high-concentration impurity regions 201 are impurity regions of the same conductivity type, and the case of n-type impurities will be described below as an example.

2つの高濃度不純物領域201は静電エネルギーを通せる距離、例えば4μm程度離間して設けられ、その不純物濃度は、共に1×1017cm−3以上である。また高濃度不純物領域201の周囲は絶縁領域203である。ここで、絶縁領域203とは、電気的に完全な絶縁ではなく、半絶縁性基板の一部、または基板101に不純物をイオン注入して絶縁化した絶縁化領域である。また、絶縁領域の不純物濃度は、5×1014cm−3以下程度、抵抗率は、1×10Ωcm以上が望ましい。さらに絶縁領域はノンドープのポリシリコンで形成してもよい。 The two high-concentration impurity regions 201 are provided at a distance allowing the passage of electrostatic energy, for example, about 4 μm, and both impurity concentrations are 1 × 10 17 cm −3 or more. The periphery of the high concentration impurity region 201 is an insulating region 203. Here, the insulating region 203 is not an electrically complete insulation but an insulated region obtained by ion implantation of impurities into a part of the semi-insulating substrate or the substrate 101. The impurity concentration in the insulating region is preferably about 5 × 10 14 cm −3 or less, and the resistivity is preferably 1 × 10 3 Ωcm or more. Furthermore, the insulating region may be formed of non-doped polysilicon.

少なくとも一方の高濃度不純物領域201は、第1側面S1と、第2側面S2と、第3側面S3と、第4側面S4とを有する棒状である。   At least one high-concentration impurity region 201 has a rod shape having a first side surface S1, a second side surface S2, a third side surface S3, and a fourth side surface S4.

第1側面S1は他方の高濃度不純物領域201との微小な対向面である。第2側面S2は第1側面S1に対して十分大きく基板深さ方向に形成され、第1側面S1から略垂直方向に延在する面である。図1(A)、(B)のごとく例えば棒状の高濃度不純物領域201の幅w1は少なくとも第1側面S1の部分で5μm以下(ここでは3μm)であり、第2側面S2の幅(長さ)w2は例えば10μm〜50μm程度である。   The first side surface S1 is a minute facing surface with the other high-concentration impurity region 201. The second side surface S2 is a surface that is sufficiently larger than the first side surface S1 in the substrate depth direction and extends from the first side surface S1 in a substantially vertical direction. As shown in FIGS. 1A and 1B, for example, the width w1 of the rod-shaped high-concentration impurity region 201 is 5 μm or less (here, 3 μm) at least in the first side surface S1, and the width (length) of the second side surface S2. ) W2 is, for example, about 10 μm to 50 μm.

そして基板上面方向を向いた第3側面S3には絶縁膜205が設けられ、絶縁膜205のコンタクトホール(破線で示す)を介して金属層201Mがコンタクトする。第4側面S4は基板深さ方向を向いた面である。金属層201Mは棒状n+型領域201と重畳する形状にパターンニングされて近傍の電極パッド201Pまたは配線201Wと連続する。すなわち金属層201Mは、電極パッド201Pまたは配線201Wから突出した形状となっている(図1(A)、(B))。また図示はしないが棒状の高濃度不純物領域201の幅w1は均一でなくとも良く例えば電極パッド201Pまたは配線201Wに近い部分は広く第1側面S1に向かうに従って狭くなるような形状でも良い。   An insulating film 205 is provided on the third side surface S3 facing the upper surface of the substrate, and the metal layer 201M contacts through a contact hole (shown by a broken line) in the insulating film 205. The fourth side surface S4 is a surface facing the substrate depth direction. The metal layer 201M is patterned in a shape overlapping with the rod-shaped n + type region 201 and is continuous with the neighboring electrode pad 201P or the wiring 201W. That is, the metal layer 201M has a shape protruding from the electrode pad 201P or the wiring 201W (FIGS. 1A and 1B). Although not shown, the width w1 of the rod-like high-concentration impurity region 201 may not be uniform. For example, a portion close to the electrode pad 201P or the wiring 201W may be wide and narrow toward the first side surface S1.

本明細書では以下、電極パッド201Pまたは配線201Wから突出する金属層201Mと重畳してコンタクトする高濃度不純物領域を棒状n+型領域201と称する。また、重畳するため平面図において図示を省略する場合も、金属層201Mの下方には棒状n+型領域201が配置されるとする。   In the present specification, hereinafter, the high concentration impurity region which is in contact with the metal layer 201M protruding from the electrode pad 201P or the wiring 201W is referred to as a rod-shaped n + type region 201. Further, even when illustration is omitted in the plan view because of overlapping, it is assumed that the rod-shaped n + type region 201 is disposed below the metal layer 201M.

金属層201Mの表面の幅w3は棒状n+型領域201と同様の3μmであり、第3側面S3とコンタクトする底面の幅w4は2μmである(図1(B))。金属層201Mは、電極パッド201Pの一辺に対して垂直方向に、あるいは、配線201Wの延在方向に対して垂直方向に、突出する。また図示はしないが金属層201Mの表面の幅w3は均一でなくとも良く例えば電極パッド201Pまたは配線201Wと接続する部分は広く第1側面S1に向かうに従って狭くなるような形状でも良い。   The width w3 of the surface of the metal layer 201M is 3 μm, which is the same as that of the rod-shaped n + type region 201, and the width w4 of the bottom surface in contact with the third side surface S3 is 2 μm (FIG. 1B). The metal layer 201M protrudes in a direction perpendicular to one side of the electrode pad 201P or in a direction perpendicular to the extending direction of the wiring 201W. Although not shown, the width w3 of the surface of the metal layer 201M may not be uniform. For example, the portion connected to the electrode pad 201P or the wiring 201W may be wide and narrow toward the first side surface S1.

尚、図1では保護素子200の他方の端子となる高濃度不純物領域も棒状n+型領域201の場合を示す。すなわち他方の端子も同様に第1側面S1から第4側面S4を有し、図1(A)のごとく電極パッド201Pまたは配線201Wから突出する金属層201Mが重畳してコンタクトする。   FIG. 1 shows a case where the high concentration impurity region serving as the other terminal of the protection element 200 is also a rod-shaped n + type region 201. That is, the other terminal similarly has the first side surface S1 to the fourth side surface S4, and the metal layer 201M protruding from the electrode pad 201P or the wiring 201W is in contact with each other as shown in FIG.

金属層201Mは、棒状n+型領域201とオーミック接合するオーミック金属層またはショットキー接合するショットキー金属層である。またはオーミック金属層やショットキー金属層の上にシリーズ抵抗低減のためさらに別の金属層を重畳させても良い。   The metal layer 201M is an ohmic metal layer that is in ohmic contact with the rod-shaped n + -type region 201 or a Schottky metal layer that is in Schottky junction. Alternatively, another metal layer may be superimposed on the ohmic metal layer or the Schottky metal layer to reduce series resistance.

本実施形態の保護素子200は上記のごとく2つの棒状n+型領域201の周囲に絶縁領域203を配置した構造であり、棒状n+型領域201をそれぞれ被保護素子の2端子に接続する。このとき棒状n+型領域201の離間距離を4μm程度にすると、2つの棒状n+型領域201がそれぞれ接続する被保護素子の2端子間に向かって外部より印加される静電エネルギーを、絶縁領域203を介して放電することができる。   The protection element 200 of the present embodiment has a structure in which the insulating region 203 is arranged around the two rod-shaped n + type regions 201 as described above, and the rod-shaped n + type region 201 is connected to the two terminals of the protected element. At this time, when the separation distance of the rod-shaped n + type region 201 is set to about 4 μm, the electrostatic energy applied from the outside toward the two terminals of the protected elements to which the two rod-shaped n + type regions 201 are connected is changed to the insulating region 203. It can be discharged through.

この離間距離4μmは、静電エネルギーを通すのに適当な距離であり、10μm以上離間すると保護素子200間での放電が確実でない。又、例えば1μm以下と近接し過ぎても、耐圧の不足や寄生容量の増大を招くため好ましくない。棒状n+型領域201の不純物濃度および絶縁領域203の抵抗値も、同様である。   This separation distance of 4 μm is an appropriate distance for passing electrostatic energy, and if the separation distance is 10 μm or more, the discharge between the protective elements 200 is not reliable. Further, for example, too close to 1 μm or less is not preferable because it causes insufficient withstand voltage and increases parasitic capacitance. The same applies to the impurity concentration of the rod-shaped n + -type region 201 and the resistance value of the insulating region 203.

図1(C)(D)は放電時の電流経路を表す概略図である。本実施形態では、放電の際に両端子の周囲の絶縁領域203には図の矢印の如く2つの電流経路I1、I2が形成される。尚、矢印の電流経路は概念図であり第1電流経路I1および第2電流経路I2の詳細については後述する。   1C and 1D are schematic views showing current paths during discharge. In the present embodiment, two current paths I1 and I2 are formed in the insulating region 203 around both terminals during discharge as shown by the arrows in the figure. The current path indicated by the arrow is a conceptual diagram, and details of the first current path I1 and the second current path I2 will be described later.

例えば図1(D)の左側に位置する棒状n+型領域201に着目すると、第1電流経路I1は、第1側面S1および第4側面S4から右側の棒状n+型領域201の対応する側面に向かい、棒状n+型領域201の延在方向となる絶縁領域203に形成される電子電流及びホール電流の経路である。つまり、第1側面S1間の電流経路と、図1(C)の如く第4側面S4から他方の棒状n+型領域201の第4側面S4に向かい、棒状n+型領域201およびその延在方向と重畳した基板深さ方向に形成される電流経路をいう。   For example, focusing on the rod-shaped n + region 201 located on the left side of FIG. 1D, the first current path I1 is directed from the first side surface S1 and the fourth side surface S4 to the corresponding side surface of the right rod-shaped n + region 201. This is a path of electron current and hole current formed in the insulating region 203 in the extending direction of the rod-shaped n + type region 201. In other words, the current path between the first side surface S1 and the fourth side surface S4 from the fourth side surface S4 to the fourth side surface S4 of the other rod-shaped n + region 201 as shown in FIG. A current path formed in the overlapping substrate depth direction.

一方第2電流経路I2は、第1電流経路I1の外側で図1(A)の左側の棒状n+型領域201の第2側面S2から右側の棒状n+型領域201に向かう絶縁領域203に形成される電子電流及びホール電流の経路である。   On the other hand, the second current path I2 is formed outside the first current path I1 in the insulating region 203 from the second side surface S2 of the left bar-shaped n + type region 201 in FIG. Electron current and hole current paths.

本実施形態の棒状n+型領域201は、他の棒状n+型領域201との対向面となる第1側面S1が微小であり、全体に金属層201Mをコンタクトさせている。これにより、寄生容量を大幅に低減し、且つ非常に大きな電流値を有する第2電流経路I2を形成できる。   In the rod-shaped n + type region 201 of the present embodiment, the first side surface S1 that is a surface facing the other rod-shaped n + type region 201 is minute, and the metal layer 201M is in contact with the whole. As a result, it is possible to significantly reduce the parasitic capacitance and form the second current path I2 having a very large current value.

従って保護素子200の2端子間に印加される静電エネルギーを、第1電流経路I1及び第2電流経路I2を利用して保護素子200の2端子間で放電させ大幅に減衰させることができる。   Accordingly, the electrostatic energy applied between the two terminals of the protection element 200 can be discharged between the two terminals of the protection element 200 using the first current path I1 and the second current path I2, and can be significantly attenuated.

つまり、棒状n+型領域201は、同じ(一つの)金属層201Mにコンタクトする領域であれば不連続な領域であってもよい。このような場合は不連続な領域がそれぞれ同一の金属層201Mにコンタクトすることにより第2電流経路I2が形成されるので、これらをまとめて保護素子200の一方の端子となる棒状n+型領域201とする。また棒状n+型領域201は、電極パッド201Pまたは配線201W下方に例えばアイソレーション向上のための高濃度不純物領域が配置されるような場合、これらと連続していてもよいし不連続であってもよい。   That is, the rod-shaped n + -type region 201 may be a discontinuous region as long as it is a region that contacts the same (one) metal layer 201M. In such a case, since the discontinuous regions are in contact with the same metal layer 201M to form the second current path I2, the rod-shaped n + type region 201 that collectively serves as one terminal of the protection element 200 is formed. And The rod-shaped n + type region 201 may be continuous or discontinuous when, for example, a high concentration impurity region for improving isolation is disposed below the electrode pad 201P or the wiring 201W. Good.

また、金属層201Mは棒状n+型領域201全体に静電気電流を流すために配置するので、両者は重畳して直接コンタクトする領域があればよく、パターンが完全に一致しなくてもよい。   In addition, since the metal layer 201M is disposed so as to allow the electrostatic current to flow through the entire rod-shaped n + type region 201, it is sufficient that there is a region where the two layers are in direct contact with each other, and the patterns do not have to match completely.

図2および図3は保護素子200の他方の端子が他の高濃度不純物領域202の場合を示す。図の如く本実施形態の保護素子200は、少なくとも一方の端子が棒状n+型領域201であればよい。つまり他の端子は棒状n+型領域201とは異なる形状の他の高濃度不純物領域でもよい。または金属層201Mがコンタクトしない他の高濃度不純物領域でもよい。以下他の高濃度不純物領域をn+型領域202として説明する。   2 and 3 show the case where the other terminal of the protection element 200 is another high-concentration impurity region 202. FIG. As shown in the drawing, in the protection element 200 of this embodiment, at least one terminal may be a rod-shaped n + region 201. In other words, the other terminal may be another high-concentration impurity region having a shape different from the rod-shaped n + type region 201. Alternatively, other high-concentration impurity regions that the metal layer 201M does not contact may be used. Hereinafter, another high-concentration impurity region will be described as an n + -type region 202.

図2は、棒状n+型領域201と同様の形状のn+型領域202領域が、棒状n+型領域201と直交する方向に延在される場合であり、図2(A)(C)は平面図、図2(B)はd−d線断面図である。また、図3はn+型領域202が、パッドと同様に奥行きがある形状の場合であり、図3(A)(C)は平面図、図3(B)はf−f線断面図である。尚、図2(A)のc−c線、図3(A)のe−e線断面図は図1(B)と同様である。   FIG. 2 shows a case where an n + type region 202 having the same shape as the rod-shaped n + type region 201 extends in a direction orthogonal to the rod-shaped n + type region 201. FIGS. 2A and 2C are plan views. FIG. 2B is a sectional view taken along the line dd. 3 shows a case where the n + -type region 202 has a shape similar to that of the pad, FIGS. 3A and 3C are plan views, and FIG. 3B is a sectional view taken along the line ff. . Note that the cross-sectional view taken along the line cc in FIG. 2A and the line ee in FIG. 3A is the same as FIG.

第1電流経路I1は、図1と同様に、第1側面S1および第4側面S4からn+型領域202の対応する側面に向かい、棒状n+型領域201の延在方向の絶縁領域203に形成される電子電流及びホール電流の経路である。   The first current path I1 is formed in the insulating region 203 in the extending direction of the rod-shaped n + type region 201 from the first side surface S1 and the fourth side surface S4 to the corresponding side surface of the n + type region 202, as in FIG. Electron current and hole current paths.

つまり、第1側面S1間の電流経路と、第4側面S4からn+型領域202に向かい、棒状n+型領域201およびその延在方向と重畳し、基板深さ方向に形成される電流経路をいう。   That is, the current path between the first side surface S1 and the current path formed in the substrate depth direction, overlapping the rod-shaped n + type region 201 and its extending direction from the fourth side surface S4 to the n + type region 202. .

一方第2電流経路I2は、第1電流経路I1の外側で棒状n+型領域201の第2側面S2からn+型領域202に向かう絶縁領域203に形成される電子電流及びホール電流の経路である。   On the other hand, the second current path I2 is a path of electron current and hole current formed in the insulating region 203 from the second side surface S2 of the rod-shaped n + type region 201 toward the n + type region 202 outside the first current path I1.

図1の如く両端子とも棒状n+型領域201の場合には第4側面S4から他の第4側面S4に向かって形成される電流経路とは棒状n+型領域201の延在方向のみとなる。   In the case where both terminals are rod-shaped n + type regions 201 as shown in FIG. 1, the current path formed from the fourth side surface S4 toward the other fourth side surface S4 is only the extending direction of the rod-shaped n + type region 201.

一方図2、図3のごとく他方の端子がn+型領域202の場合にはその形状により棒状n+型領域201の第4側面S4からn+型領域202の対応する側面(底面)に向かって形成される電流経路であっても、棒状n+型領域201の延在方向と重畳する方向から逸れる経路もある。本実施形態ではこのように少しでも棒状n+型領域201の延在方向と重畳する方向から逸れる方向に形成される電流経路は全て第2電流経路I2とする。   On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 3, when the other terminal is the n + type region 202, the shape is formed from the fourth side surface S4 of the rod-shaped n + type region 201 toward the corresponding side surface (bottom surface) of the n + type region 202. Even a current path that deviates from the direction overlapping with the extending direction of the rod-shaped n + region 201 may be present. In the present embodiment, the current paths formed in the direction deviating from the direction overlapping with the extending direction of the rod-shaped n + region 201 in this way are all second current paths I2.

またn+型領域202の場合は図2および図3のごとく金属層が配置されていなくてもよい。またn+型領域202に金属層がコンタクトする場合は、オーミック金属層(オーミック接合)でもよいしショットキー金属層(ショットキー接合)でもよい。   In the case of the n + type region 202, the metal layer may not be disposed as shown in FIGS. When the metal layer contacts the n + -type region 202, an ohmic metal layer (ohmic junction) or a Schottky metal layer (Schottky junction) may be used.

図4を参照して保護素子200の接続例を説明する。図は被保護素子100がGaAsMESFETの場合であり、図4(A)は平面図、図4(B)は図4(A)のg−g線断面図であり、図4(C)は図4(A)の等価回路図である。   A connection example of the protection element 200 will be described with reference to FIG. FIG. 4A shows a case where the protected element 100 is a GaAs MESFET, FIG. 4A is a plan view, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line gg of FIG. 4A, and FIG. FIG. 4A is an equivalent circuit diagram.

図4(A)、図4(B)のごとく、被保護素子100は、MESFETであり、半絶縁基板101(203)であるGaAs表面に設けた動作層62とショットキー接合を形成するゲート電極67と、動作層62両端に設けた高濃度不純物領域からなるソース領域64およびドレイン領域63と、その表面に設けられたソース電極66およびドレイン電極65とを有する。これらは動作領域68に櫛歯をかみ合わせた形状に配置される。   4A and 4B, the protected element 100 is a MESFET, and a gate electrode that forms a Schottky junction with the operation layer 62 provided on the GaAs surface which is the semi-insulating substrate 101 (203). 67, a source region 64 and a drain region 63 made of high-concentration impurity regions provided at both ends of the operation layer 62, and a source electrode 66 and a drain electrode 65 provided on the surface thereof. These are arranged in a shape in which comb teeth are engaged with the operation region 68.

ゲート電極67、ソース電極66およびドレイン電極65はそれぞれ配線130を介してゲートパッドGP、ソースパッドSP、ドレインパッドDPと接続する。これらはそれぞれゲート端子G、ソース端子S、ドレイン端子Dと接続する。また、各パッドの下方にはアイソレーション向上のためn+型不純物領域が形成されている。   The gate electrode 67, the source electrode 66, and the drain electrode 65 are connected to the gate pad GP, the source pad SP, and the drain pad DP through the wiring 130, respectively. These are connected to the gate terminal G, the source terminal S, and the drain terminal D, respectively. Further, an n + type impurity region is formed below each pad to improve isolation.

ソースパッドSPおよびゲートパッドGPを近接して配置し、対向するパッドの辺から垂直に金属層201Mを突出させる。金属層201Mはその下方の基板に設けられ保護素子200の端子となる棒状n+型領域201とコンタクトする。   The source pad SP and the gate pad GP are arranged close to each other, and the metal layer 201M protrudes vertically from the side of the opposing pad. The metal layer 201M is in contact with a rod-shaped n + type region 201 that is provided on the lower substrate and serves as a terminal of the protection element 200.

また、ゲートパッドGPからドレインパッドDPに向かう配線130を形成し、配線130から突出する金属層201Mおよび金属層201Mとコンタクトする棒状n+型領域201を配置する。ドレインパッドの下方にはアイソレーション向上のためn+型の周辺高濃度不純物領域が形成されるので、これを保護素子200の他のn+型領域202として利用する。   In addition, a wiring 130 from the gate pad GP to the drain pad DP is formed, and a metal layer 201M protruding from the wiring 130 and a rod-shaped n + region 201 that contacts the metal layer 201M are disposed. An n + -type peripheral high-concentration impurity region is formed below the drain pad to improve isolation, and this is used as another n + -type region 202 of the protection element 200.

これにより、ゲート端子G−ソース端子S間、ゲート端子G−ドレイン端子D間に保護素子200を接続することができる。   Thereby, the protection element 200 can be connected between the gate terminal G and the source terminal S and between the gate terminal G and the drain terminal D.

図4(B)、図4(C)の如く、MESFETにおいては、ゲートショットキ接合容量の小さいゲート端子G−ソース端子S間またはゲート端子G−ドレイン端子D間に、ゲート端子G側をマイナスにしてサージ電圧を印加する場合が最も静電破壊に弱い。この場合、動作領域68と動作領域68表面に設けられたゲート電極67との界面に形成されるショットキバリアダイオード61に対して逆バイアスに静電気が印加される状態となる。   4B and 4C, in the MESFET, the gate terminal G side is made negative between the gate terminal G and the source terminal S or between the gate terminal G and the drain terminal D having a small gate Schottky junction capacitance. When applying a surge voltage, it is most vulnerable to electrostatic breakdown. In this case, static electricity is applied in a reverse bias to the Schottky barrier diode 61 formed at the interface between the operation region 68 and the gate electrode 67 provided on the surface of the operation region 68.

つまり静電破壊からの保護は、弱い接合であるゲート電極67のショットキ接合にかかる静電エネルギーを軽減すれば良い。そこで、本実施形態では、MESFET100の2端子間に並列に上記の保護素子200を接続し、対応する2端子間から印加される静電エネルギーに対し、それを一部放電するためのバイパスとなる経路を設けることにより、静電破壊から弱い接合を保護している。   In other words, protection from electrostatic breakdown may be achieved by reducing the electrostatic energy applied to the Schottky junction of the gate electrode 67 which is a weak junction. Therefore, in the present embodiment, the protection element 200 is connected in parallel between the two terminals of the MESFET 100, and this serves as a bypass for partially discharging the electrostatic energy applied between the corresponding two terminals. By providing a path, the weak joint is protected from electrostatic breakdown.

ここで、図4は接続の一例であり、例えばドレインパッドDPから配線130に向かって棒状n+型領域201および金属層201Mが突出するパターンでもよい。   Here, FIG. 4 is an example of connection, and for example, a pattern in which the rod-shaped n + type region 201 and the metal layer 201M protrude from the drain pad DP toward the wiring 130 may be used.

また、MESFETではゲートショットキ接合が最も静電破壊に弱いため、ゲート端子G−ソース端子S間、ゲート端子G−ドレイン端子D間に保護素子を接続する一例を示したが、いずれか一方でもよいし、またはソース端子S−ドレイン端子D間に保護素子を並列に接続してもよい。   Further, in the MESFET, since the gate Schottky junction is most vulnerable to electrostatic breakdown, an example in which a protective element is connected between the gate terminal G and the source terminal S and between the gate terminal G and the drain terminal D is shown. Alternatively, a protective element may be connected in parallel between the source terminal S and the drain terminal D.

更に被保護素子100はMESFETに限らず、pn接合を有する接合型FET、シリコンバイポーラトランジスタ(npnトランジスタなど)、容量、MOSFET等に保護素子200を接続してもよい。   Furthermore, the protected element 100 is not limited to a MESFET, and the protective element 200 may be connected to a junction FET having a pn junction, a silicon bipolar transistor (such as an npn transistor), a capacitor, a MOSFET, or the like.

以下図5から図13を参照して、保護素子200の少なくとも一方を棒状n+型領域201とし金属層201Mをコンタクトさせることで保護効果が大幅に向上する点についてシミュレーション結果を参照して詳述する。   Hereinafter, with reference to FIG. 5 to FIG. 13, the point that the protective effect is greatly improved by making at least one of the protection elements 200 a rod-shaped n + type region 201 and contacting the metal layer 201 </ b> M will be described in detail with reference to simulation results. .

近年半導体のデバイスシミュレーション技術が発達し、デバイスの電気的特性だけでなく静電破壊についても詳しくシミュレーションできるようになった。その結果、静電破壊対策としての保護素子の適正な設計ができるようになってきた。   In recent years, semiconductor device simulation technology has been developed, and it has become possible to perform detailed simulation not only on the electrical characteristics of devices but also on electrostatic breakdown. As a result, it has become possible to appropriately design a protection element as a countermeasure against electrostatic breakdown.

具体的には、まずミックスドモードシミュレーションにより所定の電圧で容量に電荷を蓄積する。そして、結晶の温度をモニターしながら、その電荷を被測定素子の両端に放電する。デバイスの破壊は結晶の温度が結晶の溶ける温度の約8割になったときに起こると仮定し、マシンモデルにおける被測定素子の静電破壊レベルをシミュレーションするものである。   Specifically, first, charges are accumulated in the capacitor at a predetermined voltage by a mixed mode simulation. Then, while monitoring the temperature of the crystal, the charge is discharged to both ends of the element to be measured. It is assumed that the device breakdown occurs when the temperature of the crystal reaches about 80% of the temperature at which the crystal melts, and simulates the electrostatic breakdown level of the element under measurement in the machine model.

さらに最近は、別の静電破壊強度レベル評価法としてTLP(Transmission Line Pulse)法により静電破壊レベルを測定し、その測定値が同時にTLPのシミュレーションの値と一致しやすいことが判明し、脚光を浴びている。
本明細書では、まずマシンモデルにおける静電破壊レベルをミックスドモードでシミュレーションを行う。そして、静電破壊時の保護素子の物理的状況についてTLP法のシミュレーションを用いて詳しく解析する。そしてこれらのシミュレーションを組み合わせることにより、寄生容量が少なく、静電破壊保護レベルの優れた保護素子を設計できたことを説明する。
More recently, the electrostatic breakdown level was measured by the TLP (Transmission Line Pulse) method as another electrostatic breakdown strength level evaluation method, and it was found that the measured value easily coincided with the TLP simulation value at the same time. Have been bathed.
In this specification, first, an electrostatic breakdown level in a machine model is simulated in a mixed mode. Then, the physical state of the protective element at the time of electrostatic breakdown is analyzed in detail using a TLP simulation. Then, by combining these simulations, it will be explained that a protection element having a low parasitic capacitance and an excellent electrostatic breakdown protection level can be designed.

図5は、図1に示した両端子が棒状n+型領域201である保護素子200(以下a構造と称する)を設計したときにシミュレーションに使用した構造を表わした図である。図5(A)が斜視図であり図5(B)が図5(A)のh−h線断面図である。   FIG. 5 is a diagram showing the structure used for the simulation when the protection element 200 (hereinafter referred to as “a structure”) in which both terminals shown in FIG. 1 are rod-shaped n + type regions 201 is designed. 5A is a perspective view, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line hh of FIG. 5A.

a構造は、不純物濃度5×1014cm−3の50μm厚のシリコン基板101に3×1018cm−3の棒状n+型領域201を4μmの離間距離で配置し、アノード電極およびカソード電極となる金属層201Mを形成したものである。この程度の不純物濃度であればシリコン基板101はほぼ絶縁領域203として機能する。 In the a structure, a rod-shaped n + type region 201 of 3 × 10 18 cm −3 is arranged at a separation distance of 4 μm on a silicon substrate 101 having an impurity concentration of 5 × 10 14 cm −3 and a thickness of 50 μm to be an anode electrode and a cathode electrode. A metal layer 201M is formed. With this level of impurity concentration, the silicon substrate 101 substantially functions as the insulating region 203.

棒状n+型領域201の第1側面S1の幅w1は3μmで、金属層201Mのコンタクト部分の幅w2は2μmである。またシミュレーションにおいてデバイスサイズとなる奥行き(例えばFETであればゲート幅)は1μmで計算した。   The width w1 of the first side surface S1 of the rod-shaped n + type region 201 is 3 μm, and the width w2 of the contact portion of the metal layer 201M is 2 μm. In addition, the depth (for example, the gate width in the case of an FET) as a device size in the simulation was calculated at 1 μm.

また、行ったシミュレーションの方法は以下のとおりである。   Moreover, the simulation method performed is as follows.

上記のマシンモデルのシミュレーションでは200pFで1000Vを印加し、破壊に至った時点での電流値の計算を行った。具体的には結晶内部のいずれかの箇所で温度が1350Kに至った時点でのカソード−アノード間に流れた電流値を計算した。この電流値はそのまま静電破壊時に第1電流経路I1に流れた電流値となる。   In the simulation of the above machine model, 1000 V was applied at 200 pF, and the current value at the time of failure was calculated. Specifically, the value of the current flowing between the cathode and the anode when the temperature reached 1350 K at any location inside the crystal was calculated. This current value is the current value that flows in the first current path I1 during electrostatic breakdown as it is.

マシンモデルシミュレーションで得られた静電破壊時の電流値はTLPのシミュレーションに使用する。TLPシミュレーションではこの電流値を瞬間的に保護素子に印加し、そのときの電子電流密度分布を計算した。   The current value at the time of electrostatic breakdown obtained by the machine model simulation is used for TLP simulation. In the TLP simulation, this current value was instantaneously applied to the protective element, and the electron current density distribution at that time was calculated.

図5(C)はその結果である。つまり、a構造が上記マシンモデル評価法において破壊に至るとき流れる電流値を示している。第1電流経路I1は幅w1=1μmの場合1.19Aであり、幅w1=3μmではその3倍の3.57Aである。   FIG. 5C shows the result. That is, the value of current that flows when the a structure reaches breakdown in the machine model evaluation method is shown. The first current path I1 is 1.19 A when the width w1 = 1 μm, and 3.57 A, which is three times as large as the width w1 = 3 μm.

図6は、TLPシミュレーションで1.19Aを印加した場合(幅w1=1μmのa構造)のh−h線の断面における電子電流密度、ホール電流密度の分布である。   FIG. 6 is a distribution of electron current density and hole current density in the cross section of the hh line when 1.19 A is applied in the TLP simulation (a structure having a width w1 = 1 μm).

図6(A)の電子電流密度分布において、p0領域が2つの棒状n+型領域201にまたがる領域の中で最も密度が高い(電子電流密度1.0×10cm−3〜1.8×10cm−3)領域である。ここで、電子電流とホール電流を合わせた電流がトータル電流であるがホール電流より電子電流の方が大きい。つまり本実施形態では電子電流を電流の代表として、電子電流密度が1×10cm−3以上の領域(p0〜p5領域)を、保護素子200の電流経路と定義する。つまりこの領域が、図1(C)、(D)等で矢印で示す第1電流経路I1、第2電流経路I2領域である。 In the electron current density distribution of FIG. 6A, the p0 region has the highest density among the regions extending over the two rod-shaped n + type regions 201 (electron current density 1.0 × 10 7 cm −3 to 1.8 ×. 10 7 cm −3 ) region. Here, the sum of the electron current and the hole current is the total current, but the electron current is larger than the hole current. In other words, in this embodiment, an electron current is a representative current, and a region (p0 to p5 region) having an electron current density of 1 × 10 5 cm −3 or more is defined as a current path of the protection element 200. That is, this region is a first current path I1 region and a second current path I2 region indicated by arrows in FIGS.

p5領域までを電流経路とした理由は、電子電流密度を深さ方向に積分して電流値を計算したところp0からp5領域に全電流値の約9割分の電流が流れることがわかったため、p5領域より電子電流密度が小さい領域では、動作に影響しないと考えられるためである。   The reason why the current path up to the p5 region is used is that when the current value is calculated by integrating the electron current density in the depth direction, it is found that about 90% of the total current value flows from the p0 region to the p5 region. This is because the region where the electron current density is smaller than the p5 region is considered not to affect the operation.

図は保護素子200のh−h線断面であるので、第1電流経路I1の電子電流密度の断面図になる。このように第1電流経路I1は棒状n+型領域201と重畳し基板深さ方向に広がって形成される。図6(B)のホール電流密度分布も、図6(A)と同様の分布である。従って電子電流密度分布を第2電流経路I2に流れる電流値を計算するのに使用した。尚、ホール電流密度分布と電子電流密度分布がほぼ一致するということは静電気電流が流れたとき伝導度変調が電流経路の全領域に渡って発生しているため静電気電流値が大きくなったことを示す。   Since the drawing is a cross-sectional view taken along the line hh of the protection element 200, it is a cross-sectional view of the electron current density of the first current path I1. Thus, the first current path I1 is formed so as to overlap with the rod-shaped n + type region 201 and expand in the substrate depth direction. The hole current density distribution in FIG. 6B is similar to that in FIG. Therefore, the electron current density distribution was used to calculate the current value flowing through the second current path I2. It should be noted that the Hall current density distribution and the electron current density distribution almost coincide with each other when the electrostatic current flows, conductivity modulation occurs over the entire area of the current path, and the electrostatic current value has increased. Show.

図7は、図6(A)の電子電流密度分布図と同じ図と、その図を180度回転した図を合わせ、その間に棒状n+型領域201を配置し、図5の矢印α方向からの電子電流密度分布を表した平面図である。第1電流経路I1および第2電流経路I2が形成されている状況を示すが、第1電流経路I1は、対向面である第1側面S1間の電流経路を除きそのほとんどが棒状n+型領域201と重畳しているため図には現れていない。   FIG. 7 is the same diagram as the electron current density distribution diagram of FIG. 6A, and a diagram obtained by rotating the diagram by 180 degrees, and a rod-shaped n + region 201 is arranged between them. It is a top view showing electron current density distribution. Although the first current path I1 and the second current path I2 are formed, the first current path I1 is mostly a rod-shaped n + region 201 except for the current path between the first side surfaces S1, which are opposing surfaces. Are not shown in the figure.

一方第2電流経路I2は第1電流経路I1の外側で棒状n+型領域201の第2側面S2から対向する棒状n+型領域201の第2側面S2に向かって形成されており、第2電流経路I2が大きく広がっている様子がわかる。   On the other hand, the second current path I2 is formed on the outside of the first current path I1 from the second side surface S2 of the rod-shaped n + type region 201 toward the second side surface S2 of the rod-shaped n + type region 201 facing the second current path I2. It can be seen that I2 is spreading greatly.

平面図においてもp0領域からp5領域までが電流経路である。尚前述の如く、他方の端子がn+型領域202の場合、棒状n+型領域201の第4側面からn+型領域202の底面に向かう電流経路であっても、棒状n+型領域201の延在方向から逸れる電流経路がある。図7に示す平面図において棒状n+型領域201の延在方向から逸れて形成される電流経路はすべて第2電流経路I2である。   In the plan view, the current path is from the p0 region to the p5 region. As described above, when the other terminal is the n + type region 202, the extending direction of the rod-shaped n + region 201 even in the current path from the fourth side surface of the rod-shaped n + region 201 to the bottom surface of the n + region 202. There is a current path that deviates from In the plan view shown in FIG. 7, all current paths formed deviating from the extending direction of the rod-shaped n + type region 201 are the second current paths I2.

図8は、a構造の第1電流経路I1および第2電流経路I2を示す斜視図である。実際に静電気電流が流れる領域は、棒状n+型領域201を中心として図6(A)の電子電流密度分布図を回転させた3次元の領域に分布しており、図8に示す領域となる。ここで、ハッチングを付した、棒状n+型領域201の第1側面S1、第4側面S4間で、棒状n+型領域201の延在方向の電流経路が第1電流経路I1であり、第1電流経路I1の外側に形成される電流経路が第2電流経路I2である。この図により、第2電流経路I2に流れる電流が、第1電流経路I1に流れる電流に比べはるかに大きな電流となる理由がわかる。   FIG. 8 is a perspective view showing the first current path I1 and the second current path I2 of the a structure. The region where the electrostatic current actually flows is distributed in a three-dimensional region obtained by rotating the electron current density distribution diagram of FIG. 6A around the rod-shaped n + type region 201, and is the region shown in FIG. Here, between the first side surface S1 and the fourth side surface S4 of the bar-shaped n + type region 201 with hatching, the current path in the extending direction of the bar-shaped n + type region 201 is the first current path I1, and the first current The current path formed outside the path I1 is the second current path I2. This figure shows why the current flowing through the second current path I2 is much larger than the current flowing through the first current path I1.

図9は上記シミュレーションによる第2電流経路I2を説明する図である。図9(A)は図8のX=0面(図5(B)参照)の断面図であり、第2電流経路I2を棒状n+型領域201から10μm毎に区切って電流値を計算した図である。また、図9(B)は計算結果である。上記の図6、図7は、密度の値を一定間隔で区切ったp0〜p5領域で電子電流密度、ホール電流密度を2次元的に表した図である。   FIG. 9 is a diagram illustrating the second current path I2 based on the simulation. 9A is a cross-sectional view of the X = 0 plane of FIG. 8 (see FIG. 5B), and shows a current value calculated by dividing the second current path I2 from the rod-shaped n + region 201 every 10 μm. It is. FIG. 9B shows the calculation result. FIG. 6 and FIG. 7 are two-dimensional representations of the electron current density and the hole current density in the p0 to p5 regions where the density values are divided at regular intervals.

マシンモデルシミュレーションもTLPシミュレーションも2次元シミュレーションである。第1電流経路I1に流れる電流は2次元電流であるが、第2電流経路I2に流れる電流は3次元電流である。すなわちTLPシミュレーションで得られた電子電流密度分布を積分、回転することにより電子電流密度分布データを電流値化、3次元化し、第2電流経路I2に流れた電流値を計算した。   Both the machine model simulation and the TLP simulation are two-dimensional simulations. The current flowing through the first current path I1 is a two-dimensional current, but the current flowing through the second current path I2 is a three-dimensional current. That is, by integrating and rotating the electron current density distribution obtained by the TLP simulation, the electron current density distribution data is converted into a current value and three-dimensionalized, and the current value flowing through the second current path I2 is calculated.

すなわち、図9(A)のごとく、図6(A)の電子電流密度分布を積分、回転させ、第2電流経路I2の3次元電流の電流値を計算し、I21〜I25領域毎に表した。   That is, as shown in FIG. 9A, the electron current density distribution of FIG. 6A is integrated and rotated, and the current value of the three-dimensional current in the second current path I2 is calculated and expressed for each of the I21 to I25 regions. .

図9(B)のごとく、第2電流経路I2の電流値は第1領域I21〜第5領域I25の総和であり、幅w1=1μm、3μmのいずれも25.4Aとなる。このように、実際の計算結果を比較しても第1電流経路I1に流れる電流が3.57Aであるのに対し、第2電流経路I2に流れる電流が25.4Aと、第1電流経路I1に流れる電流に比べはるかに大きな電流となることが明らかとなった。   As shown in FIG. 9B, the current value of the second current path I2 is the sum of the first region I21 to the fifth region I25, and the width w1 = 1 μm and 3 μm are both 25.4A. Thus, even if the actual calculation results are compared, the current flowing through the first current path I1 is 3.57 A, whereas the current flowing through the second current path I2 is 25.4 A, which is the first current path I1. It was clarified that the current was much larger than the current flowing through.

そして、第1電流経路I1と第2電流経路I2の合計が、a構造の保護素子200が流せる電流値であり、幅w1=1μmの場合26.59A、幅w1=3μmでは28.97Aである。   The sum of the first current path I1 and the second current path I2 is a current value that can flow through the protection element 200 having the a structure, and is 26.59 A when the width w1 = 1 μm, and 28.97 A when the width w1 = 3 μm. .

図10は、pn接合ダイオードで上記と同様のシミュレーションを行った結果を示す。図10(A)はpn接合ダイオードのシミュレーションに使用した構造の断面図であり、図10(B)は電子電流密度の分布図である。   FIG. 10 shows the results of a simulation similar to the above performed with a pn junction diode. FIG. 10A is a cross-sectional view of the structure used for the simulation of the pn junction diode, and FIG. 10B is a distribution diagram of electron current density.

図10(A)のごとくpn接合ダイオードのシミュレーションの構造は、不純物濃度5×1014cm−3の50μm厚のシリコン基板に表面から0.2μmの深さまでn型領域502(不純物濃度1×1017cm−3)を形成し、そのn型領域502と4μmの距離に渡って接合を形成するように3×1018cm−3のp+型領域501を表面から0.02μmの深さまで形成する。そして、カソード電極504およびアノード電極503を形成したものである。奥行き1μmのマシンモデルシミュレーションの結果ダイオードは0.45Aで破壊に至ることがわかった。 As shown in FIG. 10A, the simulation structure of the pn junction diode is as follows. The n-type region 502 (impurity concentration 1 × 10 5) is formed from a surface to a depth of 0.2 μm on a 50 μm thick silicon substrate with an impurity concentration 5 × 10 14 cm −3. 17 cm −3 ), and a p + type region 501 of 3 × 10 18 cm −3 is formed to a depth of 0.02 μm from the surface so as to form a junction with the n-type region 502 over a distance of 4 μm. . A cathode electrode 504 and an anode electrode 503 are formed. As a result of a machine model simulation with a depth of 1 μm, it was found that the diode was destroyed at 0.45 A.

図10(B)はTLPシミュレーションで0.45A印加したときの電子電流密度分布の断面図であり、pn接合付近に電子電流が集中していることが判る。つまり第1電流経路I1が広がらず、奥行き1μmあたり0.45Aで電流の高密度部分の温度がシリコン溶融温度の8割となり、静電破壊してしまう。通常pn接合ダイオードは、p+型領域501とn型領域502のpn接合面を垂直に通過する電流のみで設計されており、ダイオード周辺には特にスペースを確保せず、またダイオード周辺は絶縁領域になっていない。このため保護素子200の第2電流経路I2に相当する電流経路はほとんど形成されず、形成されたとしてもシミュレーションの結果に影響を及ぼすものではない。   FIG. 10B is a cross-sectional view of the electron current density distribution when 0.45 A is applied in the TLP simulation, and it can be seen that the electron current is concentrated in the vicinity of the pn junction. That is, the first current path I1 does not spread, and the temperature of the high-density portion of the current at 0.45 A per 1 μm depth becomes 80% of the silicon melting temperature, resulting in electrostatic breakdown. Normally, a pn junction diode is designed only with a current that passes perpendicularly through the pn junction surfaces of the p + -type region 501 and the n-type region 502, and no space is particularly secured around the diode. is not. For this reason, a current path corresponding to the second current path I2 of the protective element 200 is hardly formed, and even if formed, the simulation result is not affected.

更に、図11から図12に示すn+/i/n+構造においても同様のシミュレーションを行った。   Furthermore, similar simulations were performed for the n + / i / n + structures shown in FIGS.

図11は、本実施形態の棒状n+型領域201を有する保護素子200で図2および図3の構造(b構造と称する)を代表して図3の構造を斜めから見た図である。尚、他の端子となるn+型領域202は棒状n+型領域201との対向面が左右に50μmの幅を有する構造とし、ここでは金属層206をコンタクトさせる。それ以外はa構造と同様である。   FIG. 11 is a view of the structure of FIG. 3 as seen from an angle, representing the structure of FIG. 2 and FIG. 3 (referred to as the “b structure”) in the protective element 200 having the rod-shaped n + type region 201 of the present embodiment. The n + type region 202 serving as another terminal has a structure in which the surface facing the rod-shaped n + type region 201 has a width of 50 μm on the left and right sides, and here, the metal layer 206 is contacted. The rest is the same as the a structure.

更に図12は、対向面(本実施形態の第1側面S1に相当)の幅が広い(距離が長い)構造の一例である。図25、図26に示す従来の保護素子360は、保護効果を高めるために対向面の距離を長くとっている。この構造と、本実施形態の保護素子200を比較するため、図12の構造で計算を行った。   Further, FIG. 12 shows an example of a structure in which the facing surface (corresponding to the first side surface S1 of the present embodiment) is wide (long distance). The conventional protection element 360 shown in FIGS. 25 and 26 has a long distance between the opposing surfaces in order to enhance the protection effect. In order to compare this structure with the protection element 200 of the present embodiment, calculation was performed with the structure of FIG.

まず、図12(A)はパッド下方のn+型領域と、n+型領域の抵抗を長い距離で対向させることによるn+/i/n+の最も単純な構造を示す。この構造は2次元構造のため、ある一定の幅を切り取ることによりそれを1単位としてシミュレーションすれば良い。すなわち図12(B)、図12(C)のような応用パターンにおいては、各形状のサイズが何単位分に相当するかを見積もり、その単位数に前記の1単位分の値を掛け合わせて計算する。   First, FIG. 12A shows the simplest structure of n + / i / n + by making the resistance of the n + type region below the pad and the resistance of the n + type region face each other over a long distance. Since this structure is a two-dimensional structure, a certain width may be cut out to simulate it as one unit. That is, in the application patterns as shown in FIGS. 12B and 12C, the number of units corresponding to the size of each shape is estimated, and the number of units is multiplied by the value of one unit. calculate.

シミュレーションは図25のパッド下方のn+型領域350と抵抗Rに相当する2つのn+型領域510を4μmの離間距離(w12)で対向配置し、一方のn+型領域510の幅w13を抵抗Rと同等の3μmとして計算した。そしてこのパターンの幅w11=1μm分を上記の1単位としてシミュレーションした。この1単位の構造をc構造と称する。   In the simulation, the n + type region 350 below the pad of FIG. 25 and two n + type regions 510 corresponding to the resistance R are arranged to face each other with a separation distance (w12) of 4 μm, and the width w13 of one n + type region 510 is set to the resistance R. The calculation was made with an equivalent 3 μm. The simulation was performed with the width w11 = 1 μm of the pattern as one unit. This one-unit structure is referred to as a c structure.

図12のパターンの計算値は対向面の距離に比例するので、1単位としてのc構造の計算結果から、図25のINPad部に相当するd構造(図12(B))、OUT−1Pad部に相当するe構造(図12(C))の計算値が掛け算により得られる。すなわち図12(B)の場合の対向面の距離は80μmで1単位の80倍、図12(C)の場合の対向面の距離は60μmで1単位の60倍の計算となる。   Since the calculated value of the pattern in FIG. 12 is proportional to the distance of the opposing surface, the d structure (FIG. 12B) corresponding to the INPad portion in FIG. The calculated value of the e structure (FIG. 12C) corresponding to is obtained by multiplication. That is, the distance between the opposing surfaces in the case of FIG. 12B is 80 μm, which is 80 times of one unit, and the distance of the opposing surfaces in FIG. 12C is 60 μm, which is 60 times of one unit.

上記の計算は第1電流経路I1の計算である。図12(B)は第1電流経路I1のみであり、計算値がその電流値となる。一方図12(C)の場合は対向面の端部に側面の電流経路I’(本実施形態の第2電流経路I2に相当)を含んでいる。従って、第1電流経路I1の計算値に第2電流経路I2の計算値を加えている。側面の電流経路I’については後述する。   The above calculation is for the first current path I1. FIG. 12B shows only the first current path I1, and the calculated value is the current value. On the other hand, in the case of FIG. 12C, a side current path I '(corresponding to the second current path I2 of the present embodiment) is included at the end of the opposing surface. Therefore, the calculated value of the second current path I2 is added to the calculated value of the first current path I1. The side current path I 'will be described later.

図13は今まで述べたすべての保護素子構造のシミュレーション結果をまとめた表であり、それぞれ静電破壊時に流れる電流値と、被保護素子に寄生して被保護素子の性能を劣化させる原因となる容量値を比較している。尚、容量値とはアノード−カソード間に0Vを印加したときの容量の値である。   FIG. 13 is a table summarizing the simulation results of all the protection element structures described so far. Each of the current values flowing at the time of electrostatic breakdown and the cause of deteriorating the performance of the protection element parasitic on the protection element. Capacitance values are being compared. The capacity value is a capacity value when 0 V is applied between the anode and the cathode.

既述のごとく、本実施形態の棒状n+型領域201を少なくとも一方の端子とする保護素子200(a構造、b構造)の、1μmあたりの第1電流経路I1の電流値は1.19Aであり、第2電流経路I2は、a構造が25.4A、b構造が28.4Aとなる。   As described above, the current value of the first current path I1 per 1 μm of the protection element 200 (a structure, b structure) having the rod-shaped n + type region 201 of this embodiment as at least one terminal is 1.19A. In the second current path I2, the a structure is 25.4A and the b structure is 28.4A.

また、棒状n+型領域201の幅w1について、現在一般的なプロセス設計ルールである3μmの場合と微細プロセスの設計ルールである1μmの場合についても比較した。   Further, the width w1 of the rod-shaped n + type region 201 was also compared between the case of 3 μm, which is a general process design rule, and the case of 1 μm, which is a fine process design rule.

静電破壊保護素子の性能指標としていかに低い寄生容量値で、いかに大きな電流を流せるかを表す”電流値/容量値”が考えられる。この指標が大きい方が保護素子の性能として高くなる。指標を各構造で比較すると、ダイオードは0.049と非常に小さく、c構造、d構造では11.3、e構造で15.0である。   As a performance index of the electrostatic breakdown protection element, “current value / capacitance value” indicating how much a large current can flow with a low parasitic capacitance value can be considered. The larger this index is, the higher the performance of the protection element. Comparing the index by structure, the diode is very small as 0.049, 11.3 for the c structure and d structure, and 15.0 for the e structure.

ここで、e構造では図26のごとくn+型領域510の側面同士の電流経路I’が形成されるため、従来構造のうちでは高い性能指標を示すが、n+型領域510が対向する幅が長く容量値が6.76fFと高くなってしまう。   Here, since the current path I ′ between the side surfaces of the n + type region 510 is formed in the e structure as shown in FIG. 26, a high performance index is shown in the conventional structure, but the width where the n + type region 510 is opposed is long. The capacitance value becomes as high as 6.76 fF.

しかし本実施形態では一般的なプロセスによる3μm幅であってもa構造で、69.0、b構造で59.2と高い性能指標を示す。さらに微細プロセスの1μm幅であればa構造で190、b構造で164となり、保護素子として非常に高い性能であることが明らかである。b構造はa構造に比べるとやや性能が落ちるが、他の端子となるn+型領域202の形状が自在にできるのでa構造に比べて占有面積が少なくできるのと電流を若干多く流せる利点がある。   However, in the present embodiment, even if the width is 3 μm by a general process, a high performance index of 69.0 for the a structure and 59.2 for the b structure is shown. Furthermore, if the width of the fine process is 1 μm, it is 190 for the a structure and 164 for the b structure, and it is clear that the protection element has very high performance. Although the b structure has a slightly lower performance than the a structure, the shape of the n + -type region 202 to be another terminal can be made freely, so that the occupied area can be reduced compared to the a structure and there is an advantage that a little more current can flow. .

以下に、側面の電流経路が形成されるe構造と、本実施形態のa構造、b構造について更に比較して説明する。   Hereinafter, the e structure in which the side current path is formed, and the a structure and b structure of the present embodiment will be further compared and described.

e構造は、実際のデバイスにおいては図25のごとくOUT−1Pad下方のn+型領域350に他のn+型領域で形成した抵抗Rの一部を接近させ、n+/i/n+構造による保護素子360を形成したものである。このとき、抵抗Rの幅w13を3μmと狭くすることで、OUT−1Pad下方のn+型領域の対向面、底面、抵抗Rの対向面、底面と対向面と逆側の側面を利用して非常に大きな電流経路(以下主電流経路I)を形成することができる(図12(C)、図26)。これにより、抵抗Rに金属層が重畳しないにも関わらず、寄生容量を比較的小さく押さえ、制御端子からゲート電極317に至る信号の経路途中の保護素子内で静電エネルギーを放電することにより被保護素子の静電破壊電圧を向上させることができる。そして主電流経路Iは対向面の距離に比例して大きくなる。つまりe構造では対向面の距離を稼いで静電破壊電圧を向上させることを目的としている。そして抵抗Rを引き回す必要のあるレイアウトの都合上、主電流経路Iに付随して、図26のごとく側面同士にも電流経路I’が形成される。このとき電流経路I’はいわば抵抗の連続性により偶然形成された電流経路である。   In an actual device, as shown in FIG. 25, the e structure has a part of the resistor R formed in another n + type region close to the n + type region 350 below OUT-1 Pad, and a protection element 360 having an n + / i / n + structure. Is formed. At this time, by reducing the width w13 of the resistor R to 3 μm, the opposite surface and bottom surface of the n + type region below the OUT-1 Pad, the opposite surface of the resistor R, and the side surface opposite to the bottom surface and the opposite surface can be used. A large current path (hereinafter, main current path I) can be formed (FIGS. 12C and 26). Thereby, although the metal layer does not overlap the resistor R, the parasitic capacitance is suppressed to be relatively small, and electrostatic energy is discharged in the protective element in the middle of the signal path from the control terminal to the gate electrode 317. The electrostatic breakdown voltage of the protective element can be improved. The main current path I increases in proportion to the distance between the opposing surfaces. In other words, the e structure aims to increase the electrostatic breakdown voltage by increasing the distance between the opposing surfaces. For convenience of layout in which the resistor R needs to be routed, a current path I 'is also formed on the side surfaces along with the main current path I as shown in FIG. At this time, the current path I 'is a current path formed by chance due to continuity of resistance.

スイッチ回路装置は、制御端子パッドCtl−1Padからn+型領域で形成した抵抗を介してゲート電極317に信号を伝えるパターンである。つまり図25は、このようなパターンによって、n+型領域(抵抗R)に金属層を重畳させることなく、制御端子からゲート電極317に至る経路途中で保護素子360を接続することができる。   The switch circuit device is a pattern for transmitting a signal from the control terminal pad Ctl-1Pad to the gate electrode 317 via a resistor formed in the n + type region. That is, in FIG. 25, the protection element 360 can be connected in the course of the path from the control terminal to the gate electrode 317 without overlapping the metal layer on the n + -type region (resistance R).

換言すれば、e構造の保護素子360は、図25のごときスイッチ回路装置のパターンでなければ実現できないとも言える。   In other words, it can be said that the protection element 360 having the e structure can be realized only by the pattern of the switch circuit device as shown in FIG.

また、e構造では対向面の距離を稼いで静電破壊電圧を向上させることを目的とするため、寄生容量が非常に大きくなってしまう。この寄生容量はオフ容量の大きなGaAsMESFETをキーデバイスとするスイッチ回路装置では問題にならなくても、オフ容量の小さいpHEMTをキーデバイスとするスイッチICではインサーションロス、アイソレーションといった高周波特性を劣化させてしまうという問題が発生する。   In addition, since the e structure aims at increasing the electrostatic breakdown voltage by increasing the distance between the opposing surfaces, the parasitic capacitance becomes very large. Although this parasitic capacitance is not a problem in a switch circuit device using a GaAs MESFET having a large off-capacitance as a key device, the switch IC using a pHEMT having a small off-capacitance as a key device deteriorates high-frequency characteristics such as insertion loss and isolation. The problem of end up occurs.

一方、本実施形態のa構造、b構造は、e構造で必要としていた対向面の距離を微小にするものである。   On the other hand, the a structure and b structure of the present embodiment make the distance between the opposing surfaces necessary for the e structure very small.

既に述べたが、デバイスシミュレーション技術の発達により、静電気が印加されたときの電子電流密度分布、ホール電流密度分布の状況を詳しく把握することが可能となった。   As already mentioned, the development of device simulation technology has made it possible to grasp in detail the situation of electron current density distribution and hole current density distribution when static electricity is applied.

具体的には、従来不可能であったミックスドモードシミュレーションによる容量計算、同じくミックスドモードシミュレーションによるマシンモデルの静電破壊電圧の計算、TLP法による静電気電流の電子電流密度分布計算、ホール電流密度分布計算ができるようになったことによる。   Specifically, capacity calculation by mixed mode simulation, which was impossible in the past, calculation of electrostatic breakdown voltage of machine model by mixed mode simulation, calculation of electron current density distribution of electrostatic current by TLP method, hole current density This is because the distribution can be calculated.

本出願人は、e構造の主電流経路に付随して形成される側面の電流経路I’について上記のごとき詳細なシミュレーションを行った。その結果、側面の電流経路I’は主電流経路Iに比べて極めて大きな静電気電流を流す能力があることが判った。   The present applicant performed a detailed simulation as described above for the side current path I 'formed along with the main current path of the e structure. As a result, it was found that the current path I 'on the side surface has a capability of flowing an extremely large electrostatic current as compared with the main current path I.

そこで、本実施形態ではa構造、b構造のごとく対向面を微小にし、金属を重畳させる構造とした。これにより、寄生容量を極めて小さくしながら、巨大な静電気電流を流すことを可能にした。更に、棒状n+型領域201と金属層201Mはわずかなスペースに配置できるので、e構造のごとくパターンの制約がほとんどなく、保護素子200の接続の汎用性を飛躍的に高めることができる。   Therefore, in this embodiment, the opposing surface is made minute as in the a structure and the b structure, and the metal is superposed. As a result, a huge electrostatic current can be passed while the parasitic capacitance is extremely small. Furthermore, since the rod-shaped n + type region 201 and the metal layer 201M can be arranged in a very small space, there is almost no pattern restriction like the e structure, and the versatility of the connection of the protection element 200 can be greatly improved.

尚、d構造においては実際のデバイス(図25)の静電破壊電圧の実測値が1800Vであった。この形状をマシンモデルでシミュレーションすると図のごとく電流値は99.2Aである。これら2つの数値は比例すると考えられ、1800/99.2=18.1(V/A)が静電破壊電圧実測値とマシンモデルシミュレーション電流値の比例係数となる。この比例係数は要求される静電破壊電圧から保護素子を設計する際に利用するが、これについては後述する。   In the d structure, the actual measured value of the electrostatic breakdown voltage of the actual device (FIG. 25) was 1800V. When this shape is simulated by a machine model, the current value is 99.2A as shown in the figure. These two numerical values are considered to be proportional, and 1800 / 99.2 = 18.1 (V / A) is a proportional coefficient between the electrostatic breakdown voltage actual measurement value and the machine model simulation current value. This proportionality factor is used when designing the protection element from the required electrostatic breakdown voltage, which will be described later.

図14から図16を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。第2の実施形態は、化合物半導体のSPDT(Single Pole Double Throw)スイッチ回路装置に第1の実施形態の保護素子200を接続した例であり、図14は回路概要図、図15は図14の回路を1チップに集積化したスイッチ回路装置である。   A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment is an example in which the protective element 200 of the first embodiment is connected to a compound semiconductor SPDT (Single Pole Double Throw) switch circuit device. FIG. 14 is a circuit schematic diagram, and FIG. This is a switch circuit device in which a circuit is integrated on one chip.

図14のごとく、第2の実施形態のスイッチ回路装置は、基本的なSPDTスイッチ回路装置であり、第1のFET1と第2のFET2のソース電極(あるいはドレイン電極)が共通入力端子INに接続され、FET1およびFET2のゲート電極がそれぞれ抵抗R1、R2を介して第1と第2の制御端子Ctl1、Ctl2に接続され、そしてFET1およびFET2のドレイン電極(あるいはソース電極)が第1と第2の出力端子OUT1、OUT2に接続されたものである。   As shown in FIG. 14, the switch circuit device of the second embodiment is a basic SPDT switch circuit device, and the source electrodes (or drain electrodes) of the first FET 1 and the second FET 2 are connected to the common input terminal IN. The gate electrodes of FET1 and FET2 are connected to first and second control terminals Ctl1 and Ctl2 via resistors R1 and R2, respectively, and the drain electrodes (or source electrodes) of FET1 and FET2 are first and second, respectively. Are connected to the output terminals OUT1 and OUT2.

第1と第2の制御端子Ctl1、Ctl2に印加される制御信号は相補信号であり、Hレベルの信号が印加された側のFETがONして、共通入力端子INに印加された入力信号をどちらか一方の出力端子に伝達するようになっている。抵抗R1、R2は、交流接地となる制御端子Ctl1、Ctl2の直流電位に対してゲート電極を介して高周波信号が漏出することを防止する目的で配置されている。   The control signals applied to the first and second control terminals Ctl1 and Ctl2 are complementary signals, and the FET on the side to which the H level signal is applied is turned ON, and the input signal applied to the common input terminal IN is changed. The signal is transmitted to one of the output terminals. The resistors R1 and R2 are arranged for the purpose of preventing high-frequency signals from leaking through the gate electrode with respect to the DC potential of the control terminals Ctl1 and Ctl2 that are AC grounded.

そして、出力端子OUT1に信号を通すときには制御端子Ctl1に例えば3V、制御端子Ctl2に0Vを印加し、逆に出力端子OUT2に信号を通すときには制御端子Ctl2に3V、Ctl1に0Vのバイアス信号を印加している。   When passing a signal through the output terminal OUT1, for example, 3V is applied to the control terminal Ctl1, and 0V is applied to the control terminal Ctl2. Conversely, when passing a signal through the output terminal OUT2, a bias signal of 3V is applied to the control terminal Ctl2 and 0V is applied to Ctl1. is doing.

図15のごとく、基板に、スイッチを行うFET1およびFET2を中央部に配置する。なお、本実施形態では基本デバイスがHEMTの場合を例に説明する。基板の周辺でFET1およびFET2の周囲には複数のパッドPが配置される。パッドPは具体的には共通入力端子IN、第1および第2出力端子OUT1、OUT2、第1および第2制御端子Ctl1、Ctl2に対応するパッドIC、O1、O2、C1、C2である。各FETのゲート電極に抵抗R1、R2が接続される。なお、点線で示した第2層目金属層は各FETのゲート電極17形成時に同時に形成されるゲート金属層(Pt/Mo)20である。実線で示した第3層目金属層は各素子の接続およびパッドの形成を行うパッド金属層(Ti/Pt/Au)25である。第1層目金属層は基板にオーミックに接合するオーミック金属層(AuGe/Ni/Au)であり、各FETのソース電極、ドレイン電極および各抵抗両端の取り出し電極を形成するが、図では、パッド金属層と重なるために図示されていない。   As shown in FIG. 15, FET 1 and FET 2 for switching are arranged on the substrate at the center. In the present embodiment, a case where the basic device is a HEMT will be described as an example. A plurality of pads P are arranged around the substrate and around the FET1 and FET2. Specifically, the pad P is a pad IC, O1, O2, C1, C2 corresponding to the common input terminal IN, the first and second output terminals OUT1, OUT2, and the first and second control terminals Ctl1, Ctl2. Resistors R1 and R2 are connected to the gate electrode of each FET. The second metal layer indicated by a dotted line is a gate metal layer (Pt / Mo) 20 formed simultaneously with the formation of the gate electrode 17 of each FET. A third metal layer indicated by a solid line is a pad metal layer (Ti / Pt / Au) 25 for connecting each element and forming a pad. The first metal layer is an ohmic metal layer (AuGe / Ni / Au) that is ohmicly bonded to the substrate, and forms the source electrode, drain electrode, and extraction electrodes at both ends of each resistor. It is not shown because it overlaps the metal layer.

FET1のゲート電極17と、制御端子パッドC1は抵抗R1で接続され、FET2のゲート電極17と制御端子パッドC2は抵抗R2で接続されている。   The gate electrode 17 of the FET 1 and the control terminal pad C1 are connected by a resistor R1, and the gate electrode 17 of the FET 2 and the control terminal pad C2 are connected by a resistor R2.

チップ中心に向かって伸びる櫛歯状の9本の第3層目金属層のパッド金属層25が出力端子パッドO1に接続されるドレイン電極16(あるいはソース電極)であり、この下に第1層目金属層のオーミック金属層で形成されるドレイン電極(あるいはソース電極)がある。またチップ中心から外側に伸びる櫛歯状の9本の第3層目金属層のパッド金属層25が共通入力端子パッドICに接続されるソース電極15(あるいはドレイン電極)であり、この下に第1層目金属層のオーミック金属層で形成されるソース電極(あるいはドレイン電極)がある。   The pad metal layer 25 of the nine third metal layers having a comb shape extending toward the center of the chip is the drain electrode 16 (or source electrode) connected to the output terminal pad O1, and below this is the first layer. There is a drain electrode (or a source electrode) formed of an ohmic metal layer as an eye metal layer. Further, a pad metal layer 25 of nine third metal layers having a comb shape extending outward from the center of the chip is a source electrode 15 (or drain electrode) connected to the common input terminal pad IC. There is a source electrode (or drain electrode) formed of an ohmic metal layer of the first metal layer.

この両電極は動作領域12に櫛歯をかみ合わせた形状に配置され、その間に第2層目金属層のゲート金属層20で形成されるゲート電極17が17本の櫛歯形状に配置される。   These two electrodes are arranged in a shape in which comb teeth are engaged with the operation region 12, and a gate electrode 17 formed of the gate metal layer 20 of the second metal layer is arranged in the shape of 17 comb teeth.

基板30には一点鎖線のごとく動作領域12が設けられる。動作領域12内にはソース領域およびドレイン領域が形成されており、それぞれソース電極15、ドレイン電極16と接続している。また、ゲート電極17はソース領域およびドレイン領域間の動作領域12表面とショットキー接合を形成している。   The operation region 12 is provided on the substrate 30 as indicated by a dashed line. A source region and a drain region are formed in the operation region 12 and are connected to the source electrode 15 and the drain electrode 16, respectively. The gate electrode 17 forms a Schottky junction with the surface of the operation region 12 between the source region and the drain region.

FET1のゲート電極17は、動作領域12外でゲート配線120により各櫛歯が束ねられ、抵抗R1を介して制御端子パッドC1に接続する。FET2のゲート電極17も同様にゲート配線120により各櫛歯が束ねられ、抵抗R2を介して制御端子パッドC2に接続する。抵抗R1、R2はそれぞれ高濃度不純物領域により形成される。   The gate electrode 17 of the FET 1 has its comb teeth bundled by the gate wiring 120 outside the operation region 12 and is connected to the control terminal pad C1 through the resistor R1. Similarly, the comb electrode teeth of the gate electrode 17 of the FET 2 are bundled by the gate wiring 120 and connected to the control terminal pad C2 through the resistor R2. The resistors R1 and R2 are each formed by a high concentration impurity region.

各パッドPはパッド金属層25により形成され、各パッドPの下方にはアイソレーション向上のためパッドPと直流的に接続する周辺高濃度不純物領域150(二点鎖線で示す)が配置される。そして、周辺高濃度不純物領域150は、各パッドPと直接接続し、パッドP下の全面(またはパッドP周辺)に、パッドPよりはみ出して設けられる。またパッドPから5μm以下程度離間してその周辺に設けられ、基板を介して直流的に接続してもよい。5μm以下程度の離間距離であれば、パッドPと周辺高濃度不純物領域150とは十分直流的に接続していると言える。   Each pad P is formed of a pad metal layer 25, and a peripheral high-concentration impurity region 150 (indicated by a two-dot chain line) connected to the pad P in a direct current manner is arranged below each pad P to improve isolation. The peripheral high-concentration impurity region 150 is directly connected to each pad P and is provided on the entire surface under the pad P (or around the pad P) so as to protrude from the pad P. Further, it may be provided around the pad P at a distance of about 5 μm or less and connected in a direct current manner through the substrate. If the separation distance is about 5 μm or less, it can be said that the pad P and the peripheral high-concentration impurity region 150 are sufficiently DC connected.

また、同様の理由からゲート配線120の周辺には、ゲート配線120と直流的に接続する周辺高濃度不純物領域150が配置されており、ゲート配線120は、ゲート電極17と同様に基板とショットキー接合を形成している。この場合もゲート配線120の下全面(またはゲート配線120下周辺)にゲート配線120よりはみ出して、またはゲート配線120から5μm以下程度離間して周辺に設けられる。   For the same reason, a peripheral high-concentration impurity region 150 connected to the gate wiring 120 in a direct current manner is disposed around the gate wiring 120, and the gate wiring 120 is similar to the gate electrode 17 in the substrate and Schottky. A junction is formed. Also in this case, the gate wiring 120 is provided on the entire lower surface (or the lower periphery of the gate wiring 120) from the gate wiring 120 or at a distance of about 5 μm or less from the gate wiring 120.

共通入力端子パッドICは、パッドの一辺に対して垂直に金属層201Mが突出し、その直下には棒状n+型領域201が設けられる。また、制御端子パッドC1もパッドの一辺に対して垂直に金属層201Mが突出し、その直下には棒状n+型領域201が設けられる。   In the common input terminal pad IC, a metal layer 201M protrudes perpendicularly to one side of the pad, and a rod-shaped n + type region 201 is provided immediately below the metal layer 201M. Further, the control terminal pad C1 also has a metal layer 201M protruding perpendicularly to one side of the pad, and a rod-shaped n + type region 201 is provided immediately below the metal layer 201M.

このように本実施形態のスイッチ回路装置では共通入力端子パッドICから突出する金属層201Mが棒状n+型領域201とコンタクトし、保護素子200の一方の端子となる。つまり共通入力端子パッドICが保護素子200の電極パッド201Pを兼用し、保護素子200の一方の端子が共通入力端子INと電気的に接続する。また同様に制御端子パッドC1が保護素子の電極パッド201Pを兼用し、保護素子200の他方の端子が制御端子Ctl1と電気的に接続する。   As described above, in the switch circuit device according to the present embodiment, the metal layer 201M protruding from the common input terminal pad IC is in contact with the rod-shaped n + type region 201 and becomes one terminal of the protection element 200. That is, the common input terminal pad IC also serves as the electrode pad 201P of the protection element 200, and one terminal of the protection element 200 is electrically connected to the common input terminal IN. Similarly, the control terminal pad C1 also serves as the electrode pad 201P of the protection element, and the other terminal of the protection element 200 is electrically connected to the control terminal Ctl1.

出力端子パッドO1もパッドの一辺に対して垂直に金属層201Mが突出し、その直下には棒状n+型領域201が設けられる。出力端子パッドO1が保護素子の電極パッド201Pを兼用して保護素子200の一方の端子は出力端子OUT1と電気的に接続する。また、制御端子パッドC1に接続する抵抗R1が、出力端子パッドO1と接続する棒状n+型領域201の近傍で直交する方向に延在する。つまり抵抗R1は保護素子200の棒状n+型領域201が対向配置する他方の端子となる。このように他方の端子となるn+型領域202は金属層と直接コンタクトする構造でなくてもよく、n+型領域202は制御端子パッドC1を介して制御端子Ctl1と電気的に接続する。   The output terminal pad O1 also has a metal layer 201M projecting perpendicularly to one side of the pad, and a bar-shaped n + region 201 is provided immediately below the metal layer 201M. The output terminal pad O1 also serves as the electrode pad 201P of the protection element, and one terminal of the protection element 200 is electrically connected to the output terminal OUT1. Further, the resistor R1 connected to the control terminal pad C1 extends in a direction orthogonal to the vicinity of the rod-shaped n + type region 201 connected to the output terminal pad O1. That is, the resistor R1 serves as the other terminal on which the rod-shaped n + type region 201 of the protection element 200 is disposed so as to be opposed. Thus, the n + type region 202 which becomes the other terminal does not have to be in direct contact with the metal layer, and the n + type region 202 is electrically connected to the control terminal Ctl1 through the control terminal pad C1.

なお、図の出力端子パッドO1部分の如く、棒状n+型領域201の第2側面S2、および金属層201Mは10μmから50μm程度の長さがあればよく、パッドPとの接続部分では幅広の形状であってもよい。   It should be noted that the second side surface S2 of the rod-shaped n + type region 201 and the metal layer 201M need only have a length of about 10 μm to 50 μm as in the output terminal pad O1 portion of the figure, and the connecting portion with the pad P has a wide shape. It may be.

これにより、スイッチ回路装置の共通入力端子IN−制御端子Ctl1間および制御端子Ctl1−出力端子OUT1間に保護素子200を接続することができる。   Thereby, the protection element 200 can be connected between the common input terminal IN and the control terminal Ctl1 and between the control terminal Ctl1 and the output terminal OUT1 of the switch circuit device.

図16の断面図を参照してHEMTの基板構造について説明する。尚、図16(A)は図15のi−i線、図16(B)は図15のj−j線、図16(C)は図15のk−k線断面図である。   The HEMT substrate structure will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. 16A is a cross-sectional view taken along line ii in FIG. 15, FIG. 16B is a cross-sectional view taken along line j-j in FIG. 15, and FIG. 16C is a cross-sectional view taken along line kk in FIG.

HEMTの基板30は、半絶縁性GaAs基板31上にノンドープのバッファ層32を積層して形成する。バッファ層32は、複数の層で形成される場合が多い。そして、バッファ層32上には、電子供給層となるnAlGaAs層33、チャネル(電子走行)層となるノンドープのInGaAs層35、電子供給層となるnAlGaAs層33を順次積層する。また、電子供給層33と、チャネル層35間にはスペーサ層34が配置される。 The HEMT substrate 30 is formed by laminating a non-doped buffer layer 32 on a semi-insulating GaAs substrate 31. The buffer layer 32 is often formed of a plurality of layers. Then, an n + AlGaAs layer 33 serving as an electron supply layer, a non-doped InGaAs layer 35 serving as a channel (electron travel) layer, and an n + AlGaAs layer 33 serving as an electron supply layer are sequentially stacked on the buffer layer 32. A spacer layer 34 is disposed between the electron supply layer 33 and the channel layer 35.

電子供給層33上には、障壁層となるノンドープのAlGaAs層36を積層し所定の耐圧とピンチオフ電圧を確保し、更にキャップ層となるnGaAs層37を最上層に積層する。キャップ層37には、パッド、ソース電極、ドレイン電極(または抵抗の取出し電極)等の金属層が接続し、不純物濃度を高濃度(1〜5×1018cm−3程度)とすることによりソース抵抗、ドレイン抵抗を低減し、オーミック性を向上させている。 On the electron supply layer 33, a non-doped AlGaAs layer 36 serving as a barrier layer is stacked to ensure a predetermined breakdown voltage and a pinch-off voltage, and an n + GaAs layer 37 serving as a cap layer is stacked on the uppermost layer. A metal layer such as a pad, a source electrode, and a drain electrode (or a resistance extraction electrode) is connected to the cap layer 37, and the impurity concentration is increased to a high concentration (about 1 to 5 × 10 18 cm −3 ). Resistance and drain resistance are reduced to improve ohmic properties.

HEMTは、電子供給層であるnAlGaAs層33のドナー不純物から発生した電子が、チャネル層35側へ移動し、電流パスとなるチャネルが形成される。この結果、電子とドナー・イオンは、ヘテロ接合界面を境として空間的に分離されることになる。電子はチャネル層35を走行するが、チャネル層35には電子移動度低下の原因となるドナー・イオンが存在しないため、クーロン散乱の影響が非常に少なく、高電子移動度を持つことができる。 In the HEMT, electrons generated from donor impurities in the n + AlGaAs layer 33 serving as an electron supply layer move to the channel layer 35 side, and a channel serving as a current path is formed. As a result, electrons and donor ions are spatially separated with the heterojunction interface as a boundary. Although electrons travel through the channel layer 35, the channel layer 35 does not have donor ions that cause a decrease in electron mobility, and thus has a very low influence of Coulomb scattering and can have high electron mobility.

尚、本明細書においてHEMTの高濃度不純物領域とは、絶縁化領域により分離され、キャップ層(後述)が露出した領域をいう。絶縁化領域は、電気的に完全な絶縁ではなく、図の如く不純物(B)をイオン注入することによりエピタキシャル層にキャリアのトラップ準位を設け、絶縁化した領域である。例えば、動作領域12は、図の一点鎖線の領域を絶縁化領域により分離して形成される。絶縁化領域にもエピタキシャル層として不純物は存在しているが、B注入により不活性化されている。尚、保護素子200の絶縁領域203は上記の絶縁化領域により形成されるとする。 In this specification, the high-concentration impurity region of HEMT means a region where a cap layer (described later) is exposed by being isolated by an insulating region. The insulating region is not electrically completely insulated, but is an insulated region in which an impurity (B + ) is ion-implanted to provide a carrier trap level in the epitaxial layer as shown in the figure. For example, the operation region 12 is formed by separating the region indicated by the alternate long and short dash line in FIG. Impurities are also present in the insulating region as an epitaxial layer, but are inactivated by B + implantation. It is assumed that the insulating region 203 of the protection element 200 is formed by the above insulating region.

つまり、HEMTは基板に選択的に形成された絶縁化領域203で基板を分離することにより、必要なパターンを形成している。従って、ソース領域37s、ドレイン領域37d、周辺高濃度不純物領域150および抵抗の構造は、HEMTのエピタキシャル層構造と同じであり、キャップ層37(不純物濃度1〜5×1018cm−3程度)を含んでいるため、機能的には高濃度不純物領域といえる。 That is, the HEMT forms a necessary pattern by separating the substrate by the insulating region 203 selectively formed on the substrate. Therefore, the structure of the source region 37s, the drain region 37d, the peripheral high concentration impurity region 150, and the resistance is the same as the HEMT epitaxial layer structure, and the cap layer 37 (impurity concentration of about 1 to 5 × 10 18 cm −3 ) is used. Therefore, it can be said to be a high concentration impurity region functionally.

動作領域12の、ソース領域37sまたはドレイン領域37dとなる基板のキャップ層37に第1層目金属層のオーミック金属層で形成されるソース電極45、ドレイン電極46が接続する。そしてその上層にはパッド金属層25によりソース電極15、ドレイン電極16が形成される。   A source electrode 45 and a drain electrode 46 formed of an ohmic metal layer of the first metal layer are connected to the cap layer 37 of the substrate that becomes the source region 37 s or the drain region 37 d in the operation region 12. A source electrode 15 and a drain electrode 16 are formed on the upper layer by a pad metal layer 25.

また、動作領域12の一部、すなわちソース領域37sおよびドレイン領域37d間のキャップ層37をエッチングして、露出したノンドープAlGaAs層36に第2層目金属層のゲート金属層20で形成されるゲート電極17を配置する。   Further, a part of the operation region 12, that is, the cap layer 37 between the source region 37s and the drain region 37d is etched, and the gate formed by the gate metal layer 20 of the second metal layer on the exposed non-doped AlGaAs layer 36. The electrode 17 is disposed.

前述の如くFETにおいて、最も静電破壊電圧が低いのはゲート電極17と動作領域12とのショットキー接合部分である。つまり、ゲート−ドレイン端子間、又はゲート−ソース端子間に印加された静電エネルギーが、ゲートショットキ接合に到達したとき、到達した静電エネルギーがゲート電極とソース電極間、またはゲート電極とドレイン電極間の静電破壊電圧を上回る場合、ゲートショットキ接合が破壊に至る。   As described above, in the FET, the electrostatic breakdown voltage is lowest at the Schottky junction between the gate electrode 17 and the operation region 12. That is, when the electrostatic energy applied between the gate and drain terminals or between the gate and source terminals reaches the gate Schottky junction, the reached electrostatic energy is between the gate electrode and the source electrode or between the gate electrode and the drain electrode. When the electrostatic breakdown voltage is exceeded, the gate Schottky junction is destroyed.

本実施形態では、スイッチ回路装置の共通入力端子IN−制御端子Ctl1間および出力端子OUT1−制御端子Ctl1間に保護素子200を接続することにより、共通入力端子IN−制御端子Ctl1間に印加された静電エネルギーがFET1のゲート電極17−ドレイン電極16間、又はゲート電極17−ソース電極15間に到達する前に、静電エネルギーを減衰させることができる。   In the present embodiment, the protective element 200 is connected between the common input terminal IN and the control terminal Ctl1 and between the output terminal OUT1 and the control terminal Ctl1 of the switch circuit device, so that it is applied between the common input terminal IN and the control terminal Ctl1. The electrostatic energy can be attenuated before the electrostatic energy reaches between the gate electrode 17 and the drain electrode 16 of the FET 1 or between the gate electrode 17 and the source electrode 15.

図16(B)は、保護素子200の2端子が共に棒状n+型領域201であり(a構造)、この場合共通入力端子パッドIC、制御端子パッドC1から棒状n+型領域201と重畳する金属層201Mが突出する。尚この場合金属層201Mはパッド金属層25により形成される。   FIG. 16B shows that the two terminals of the protective element 200 are both rod-shaped n + type regions 201 (a structure). In this case, the metal layer overlapping the rod-shaped n + type region 201 from the common input terminal pad IC and control terminal pad C1. 201M protrudes. In this case, the metal layer 201M is formed of the pad metal layer 25.

つまり共通入力端子パッドIC、制御端子パッドC1がそれぞれ保護素子200の電極パッド200Pを兼ねる構造である。保護素子200の2つの端子は、絶縁化領域203を挟んで4μmの距離で離間して配置される。   That is, the common input terminal pad IC and the control terminal pad C1 also serve as the electrode pads 200P of the protection element 200, respectively. The two terminals of the protection element 200 are spaced apart by a distance of 4 μm across the insulating region 203.

これにより、共通入力端子IN−制御端子Ctl1間、つまりFET1のソース−ゲート端子間(又はドレイン−ゲート端子間)に保護素子200を接続したことになり、この間に印加された静電エネルギーを減衰させることができる。   As a result, the protective element 200 is connected between the common input terminal IN and the control terminal Ctl1, that is, between the source and gate terminals (or between the drain and gate terminals) of the FET 1, and the electrostatic energy applied during this period is attenuated. Can be made.

また、共通入力端子パッドIC−制御端子パッドC1間に接続することにより静電気を最も初期段階で放電することができる。   Further, by connecting between the common input terminal pad IC and the control terminal pad C1, static electricity can be discharged at the earliest stage.

また、図16(C)では保護素子200の一方の端子のみが棒状n+型領域201の構造である(b構造)。抵抗R1は絶縁化領域203を形成することにより分離された高濃度不純物領域であり、その一部を保護素子200の他の端子となるn+型領域202として利用する。   In FIG. 16C, only one terminal of the protective element 200 has a structure of the rod-shaped n + type region 201 (b structure). The resistor R <b> 1 is a high-concentration impurity region that is isolated by forming the insulating region 203, and a part of the resistor R <b> 1 is used as the n + -type region 202 that serves as the other terminal of the protection element 200.

つまり、保護素子200の2端子は絶縁化領域203を挟んで4μmの距離で離間して配置され、制御端子Ctl1−出力端子OUT1間、つまりFET1のドレイン−ゲート端子間(又はソース−ゲート端子間)に保護素子200を接続したことになる。   In other words, the two terminals of the protective element 200 are spaced apart by a distance of 4 μm across the insulating region 203, and between the control terminal Ctl1 and the output terminal OUT1, that is, between the drain and gate terminals (or between the source and gate terminals) of the FET1. ) Is connected to the protective element 200.

また、信号が印加される制御端子パッドC1から動作領域に至る経路途中に接続できる。これにより、制御端子Ctl1−出力端子OUT1間に印加される静電エネルギーを、抵抗R1で一部熱として消費しながら、さらに保護素子200での放電により消費し、動作領域12に達するまでに、動作領域12の破壊電圧以下まで減衰することができる。   Further, it can be connected on the way from the control terminal pad C1 to which a signal is applied to the operation region. As a result, the electrostatic energy applied between the control terminal Ctl1 and the output terminal OUT1 is consumed as a part of heat by the resistor R1, and further consumed by the discharge in the protective element 200, until reaching the operation region 12. It can be attenuated below the breakdown voltage of the operating region 12.

図17、図18は図15のスイッチ回路装置の他の実施形態を示す。図17は平面図であり、図18(A)、図18(B)はそれぞれ図17のl−l線、m−m線断面図である。   17 and 18 show another embodiment of the switch circuit device of FIG. 17 is a plan view, and FIGS. 18A and 18B are cross-sectional views taken along lines l-l and m-m in FIG. 17, respectively.

保護素子200の一方の端子のみが棒状n+型領域201を有する場合、他方の端子となるn+型領域202は、抵抗R1に限らず、周辺高濃度不純物領域150であってもよい。つまり、パッドPに向かって、保護素子200の一方の端子が突出する構造またはパッドPから保護素子200の一方の端子が突出する構造である。   When only one terminal of the protective element 200 has the rod-shaped n + type region 201, the n + type region 202 serving as the other terminal is not limited to the resistor R <b> 1 but may be the peripheral high concentration impurity region 150. That is, it is a structure in which one terminal of the protective element 200 protrudes toward the pad P or a structure in which one terminal of the protective element 200 protrudes from the pad P.

図17の例えばFET1側では、共通入力端子パッドICの周辺高濃度不純物領域150の一辺に対向して保護素子200の棒状n+型領域201が配置される。つまり、制御端子パッドC1が保護素子200の一方の電極パッド201Pを兼用し、制御端子パッドC1から棒状n+型領域201と重畳する金属層201Mが突出する。保護素子200の一方の端子は制御端子Ctl1に接続する。   For example, on the FET1 side in FIG. 17, the rod-shaped n + type region 201 of the protection element 200 is disposed to face one side of the peripheral high concentration impurity region 150 of the common input terminal pad IC. That is, the control terminal pad C1 also serves as one electrode pad 201P of the protection element 200, and the metal layer 201M that overlaps the rod-shaped n + type region 201 protrudes from the control terminal pad C1. One terminal of the protection element 200 is connected to the control terminal Ctl1.

保護素子200の他の端子は、共通入力端子パッドICの周辺高濃度不純物領域150の一部であり、これをn+型領域202として利用する。つまりこの場合保護素子200の他の端子は、共通入力端子INと電気的に接続する。   The other terminal of the protection element 200 is a part of the peripheral high-concentration impurity region 150 of the common input terminal pad IC, and this is used as the n + -type region 202. That is, in this case, the other terminal of the protection element 200 is electrically connected to the common input terminal IN.

これにより、共通入力端子IN−制御端子Ctl1間に印加される静電エネルギーを、動作領域12の破壊電圧以下まで減衰することができる。   Thereby, the electrostatic energy applied between the common input terminal IN and the control terminal Ctl1 can be attenuated to a voltage lower than the breakdown voltage of the operation region 12.

同様に、出力端子パッドO1の周辺高濃度不純物領域150の一辺に対向して保護素子200の棒状n+型領域201が配置される。この場合ゲート配線120に接続する金属配線130から、棒状n+型領域201と重畳する金属層201Mが突出する。尚この場合金属配線130、金属層201Mはパッド金属層25により形成され、棒状n+型領域201は抵抗R1を介して制御端子Ctl−1と電気的に接続する。   Similarly, the rod-shaped n + type region 201 of the protection element 200 is arranged to face one side of the peripheral high concentration impurity region 150 of the output terminal pad O1. In this case, a metal layer 201 </ b> M that overlaps the rod-shaped n + type region 201 protrudes from the metal wiring 130 connected to the gate wiring 120. In this case, the metal wiring 130 and the metal layer 201M are formed by the pad metal layer 25, and the rod-shaped n + type region 201 is electrically connected to the control terminal Ctl-1 via the resistor R1.

保護素子200の他の端子は、出力端子パッドO1の周辺高濃度不純物領域150の一部であり、これをn+型領域202として利用する。つまりこの場合保護素子の他の端子は、出力端子OUT1と電気的に接続する。   The other terminal of the protective element 200 is a part of the peripheral high-concentration impurity region 150 of the output terminal pad O1, and this is used as the n + -type region 202. That is, in this case, the other terminal of the protective element is electrically connected to the output terminal OUT1.

つまり、絶縁化領域203を挟んで棒状n+型領域201と周辺高濃度不純物領域150を4μmの離間距離で配置することにより、FET1のゲート−ドレイン端子間、ゲート−ソース端子間の両方に保護素子200を接続できる。   That is, by arranging the rod-shaped n + type region 201 and the peripheral high concentration impurity region 150 with a separation distance of 4 μm across the insulating region 203, the protective element is provided between the gate and drain terminals of the FET 1 and between the gate and source terminals. 200 can be connected.

このように、スイッチ回路装置の2端子を保護素子の2端子と並列に接続することにより2端子間に外部より印加される静電エネルギーの大部分を保護素子内部で放電させ、保護素子内部において外部より印加される静電気エネルギーをほとんど消費できる。すなわち、被保護素子内部に侵入する静電エネルギーを大幅に減少させることにより被保護素子を静電気から保護することができる。   In this way, by connecting the two terminals of the switch circuit device in parallel with the two terminals of the protective element, most of the electrostatic energy applied from the outside between the two terminals is discharged inside the protective element. Almost all electrostatic energy applied from outside can be consumed. In other words, the protected element can be protected from static electricity by greatly reducing the electrostatic energy that enters the protected element.

更に、2端子間においては、対向面の幅が微小なため極わずかの寄生容量しか有することが無いにもかかわらず、第2電流経路が巨大な静電気電流を流す能力を持つため非常に大きな静電破壊保護効果を有するものである。   Furthermore, between the two terminals, the width of the opposing surface is very small, so that the second current path has a capability of flowing a huge electrostatic current even though it has very little parasitic capacitance. It has an electric breakdown protection effect.

特に、HEMTの場合は、GaAsFETと比較して基本デバイスのインサーションロスが小さいため、チップ内の高周波信号経路において高周波信号がわずかでも漏れる箇所があると、スイッチ回路装置としてのインサーションロスの増加が顕著となる。また、絶縁化領域203も、電気的に完全な絶縁ではなく絶縁化領域50中に空乏層が伸び、空乏層の変化により信号が漏れる。   In particular, in the case of HEMT, the insertion loss of the basic device is smaller than that of GaAsFET. Therefore, if there is a portion where a high-frequency signal leaks even a little in the high-frequency signal path in the chip, the insertion loss as a switch circuit device increases. Becomes prominent. Further, the insulating region 203 is not electrically completely insulated but a depletion layer extends into the insulating region 50, and a signal leaks due to the change of the depletion layer.

しかし、本実施形態によれば、保護素子200の対向面の面積を微小にすることによりこの部分での容量成分を小さくできる。従って、高周波信号の漏れを防止でき、インサーションロスを低減しつつ、静電破壊を防止することができる。   However, according to the present embodiment, the capacitance component at this portion can be reduced by reducing the area of the opposing surface of the protection element 200. Therefore, leakage of high frequency signals can be prevented, and electrostatic breakdown can be prevented while reducing insertion loss.

また、パッド間にa構造の保護素子200を接続することにより静電気が印加される最も初期段階で放電することができる。また抵抗Rを利用したb構造の保護素子200を接続することにより、静電エネルギーを抵抗R1で一部熱として消費しながら、さらに保護素子200での放電により消費し、動作領域12に達するまでに、動作領域12の破壊電圧以下まで減衰することができる。   In addition, by connecting the protection element 200 having the a structure between the pads, it is possible to discharge at the initial stage where static electricity is applied. Further, by connecting the protection element 200 having the b structure using the resistance R, the electrostatic energy is consumed as a part of the heat by the resistance R1, and further consumed by the discharge of the protection element 200 until reaching the operation region 12. In addition, it can be attenuated to a voltage lower than the breakdown voltage of the operation region 12.

尚、図ではパッド金属層25のみの1層構造を示したが、各パッドPは基板上にゲート金属層20、パッド金属層25をこの順に積層した2層構造であってもよい。   In the figure, a single-layer structure of only the pad metal layer 25 is shown, but each pad P may have a two-layer structure in which the gate metal layer 20 and the pad metal layer 25 are laminated in this order on the substrate.

このように、保護素子200の端子となる棒状n+型領域201は、スイッチ回路装置のパッド間などを利用して配置できる。また、スイッチ回路装置では、配線130が棒状n+型領域201が接続する配線201Wを兼用し、各端子パッドIC、C1、O1等が保護素子200の電極パッド201Pを兼用する。また他方の端子が棒状n+型領域201ではないn+型領域202の場合、各パッド(又は配線)の周辺高濃度不純物領域150または抵抗Rを利用できる。従って、保護素子200のチップ上の占有面積を小さくできる。   As described above, the rod-shaped n + type region 201 serving as a terminal of the protection element 200 can be arranged by using, for example, the pads of the switch circuit device. In the switch circuit device, the wiring 130 also serves as the wiring 201W to which the rod-shaped n + type region 201 is connected, and the terminal pads IC, C1, O1, etc. also serve as the electrode pad 201P of the protection element 200. When the other terminal is an n + type region 202 that is not a rod-shaped n + type region 201, the peripheral high concentration impurity region 150 or the resistance R of each pad (or wiring) can be used. Therefore, the occupation area on the chip of the protection element 200 can be reduced.

携帯電話などの無線通信市場では静電破壊電圧値としてマシンモデルで100V以上保証というニーズがある。従来では静電破壊電圧値100V以上の保証ができるpHEMTスイッチが実現できないため例えばpHEMTスイッチICが静電破壊しないよう共通入力端子IN、出力端子OUTにインダクタを外付けするなどして対応していた。   In the wireless communication market such as cellular phones, there is a need for guaranteeing an electrostatic breakdown voltage value of 100 V or more with a machine model. Conventionally, since a pHEMT switch capable of guaranteeing an electrostatic breakdown voltage value of 100 V or more cannot be realized, for example, an external inductor is attached to the common input terminal IN and the output terminal OUT to prevent the pHEMT switch IC from being electrostatically damaged. .

しかしインダクタを外付けすることにより整合がずれてしまいインサーションロスが増大する、実装面積が増大する、インダクタは容量、抵抗に比べ比較的高価なためコストアップになる、などの問題があった。   However, when an inductor is externally attached, there is a problem that matching is shifted and insertion loss is increased, a mounting area is increased, and an inductor is relatively expensive compared to a capacitor and a resistor, resulting in an increase in cost.

スイッチICは出荷時に静電破壊電圧を測定、選別することができないため、設計保証で静電破壊電圧値100Vの市場ニーズに応えるしか方法は無いが、100Vを保証するには実力として800V程度必要である。   Since the switch IC cannot measure and sort the electrostatic breakdown voltage at the time of shipment, there is only a method to meet the market needs of the electrostatic breakdown voltage value of 100V with the design guarantee, but about 800V is necessary to guarantee 100V. It is.

ここで、前述のごとく図12(B)のd構造において、静電破壊電圧実測値とマシンモデルシミュレーション電流値の比例係数となる電流値の比例係数が18.1(V/A)であった。つまり、静電破壊電圧800Vを保証するには800/18.1(比例係数)=44.2Aのマシンモデルシミュレーション電流値の実力のある保護素子が要求される。一般に保護素子はサイズを大きくすれば保護効果が増大し、44.2Aのマシンモデルシミュレーション電流値を得るのは簡単である。   Here, as described above, in the d structure of FIG. 12B, the proportional coefficient of the current value that is the proportional coefficient of the electrostatic breakdown voltage actual measurement value and the machine model simulation current value was 18.1 (V / A). . That is, in order to guarantee the electrostatic breakdown voltage of 800 V, a protective element capable of a machine model simulation current value of 800 / 18.1 (proportional coefficient) = 44.2 A is required. Generally, the protection effect increases as the size of the protection element increases, and it is easy to obtain a machine model simulation current value of 44.2A.

しかし単に保護素子のサイズを大きくしただけでは保護素子の持つ寄生容量により、インサーションロスが劣化する場合がある。つまり保護素子の接続によりインサーションロスが低いことを特徴とするpHEMTスイッチのインサーションロスを増加させてしまうのは問題である。   However, if the size of the protection element is simply increased, the insertion loss may deteriorate due to the parasitic capacitance of the protection element. That is, it is a problem to increase the insertion loss of the pHEMT switch characterized by the low insertion loss due to the connection of the protective element.

具体的にはpHEMTスイッチのオフ容量は90fF程度であり、この容量値に対して例えば1fF程度以下とネグリジブルな寄生容量を持つ保護素子でないと、保護素子の接続によりインサーションロスの増大を招くことになる。例えば図25に示すパターンで、pHEMTスイッチを形成したところインサーションロスが本来のpHEMTスイッチのインサーションロスに比べて2GHzで0.15dBも増大してしまった。   Specifically, the off capacitance of the pHEMT switch is about 90 fF, and if it is not a protective element having a negligible parasitic capacitance, for example, about 1 fF or less with respect to this capacitance value, the insertion loss increases due to the connection of the protective element. become. For example, when the pHEMT switch is formed in the pattern shown in FIG. 25, the insertion loss is increased by 0.15 dB at 2 GHz as compared with the insertion loss of the original pHEMT switch.

図25のパターンでは共通入力端子パッドINPad−制御端子パッドCtl−1Pad間または共通入力端子パッドINPad−制御端子パッドCtl−2Pad間にd構造の保護素子が接続されている。また制御端子パッドCtl−2Pad−出力端子パッドOUT−1Pad間または制御端子パッドCtl−1Pad−出力端子パッドOUT−2Pad間にe構造の保護素子が接続されている。   In the pattern of FIG. 25, a protection element having a d structure is connected between the common input terminal pad INPad and the control terminal pad Ctl-1Pad or between the common input terminal pad INPad and the control terminal pad Ctl-2Pad. Also, an e-structure protection element is connected between the control terminal pad Ctl-2Pad and the output terminal pad OUT-1Pad or between the control terminal pad Ctl-1Pad and the output terminal pad OUT-2Pad.

そして、d構造、e構造の保護素子の容量値がそれぞれ8.8fF、6.76fFもある(図13参照)。このように、容量値がpHEMTスイッチのオフ容量90fFに対して無視できないレベルになると、インサーションロスが増大してしまう。   The capacitance values of the d-structure and e-structure protection elements are 8.8 fF and 6.76 fF, respectively (see FIG. 13). Thus, when the capacitance value becomes a level that cannot be ignored with respect to the OFF capacitance 90 fF of the pHEMT switch, the insertion loss increases.

すなわち電流値/容量値としては、44(A)/1(fF)=44以上の保護素子が要求されることになる。本実施形態の保護素子200であれば、a構造、またはb構造のいずれもこの要求を満たすことができる。   That is, a protection element having a current value / capacitance value of 44 (A) / 1 (fF) = 44 or more is required. In the protection element 200 of this embodiment, either the a structure or the b structure can satisfy this requirement.

例えば棒状n+型領域201の幅w1=3μmのa構造を2つ並列に接続することにより28.97×2=57.94Aの電流値が得られる。また容量値も0.42×2=0.84fFと1fF以下となり、電流値、容量値ともに上記要求を満たすことができる。   For example, a current value of 28.97 × 2 = 57.94 A can be obtained by connecting two a structures each having a width w1 = 3 μm of the rod-shaped n + type region 201 in parallel. Further, the capacitance value is 0.42 × 2 = 0.84 fF and 1 fF or less, and both the current value and the capacitance value can satisfy the above requirements.

また同様に幅w1=3μmのb構造を2つ並列に接続することにより31.97×2=63.94Aの電流値が得られる。容量値も0.54×2=1.08fFと1fFに近い容量値となり、やはり電流値、容量値ともに上記要求を満たすことができる。   Similarly, a current value of 31.97 × 2 = 63.94 A can be obtained by connecting two b structures having a width w1 = 3 μm in parallel. The capacitance value is also 0.54 × 2 = 1.08 fF and a capacitance value close to 1 fF, and both the current value and the capacitance value can satisfy the above requirements.

尚、制御端子Ctl1をFET2のゲート電極に接続し、制御端子Ctl2をFET1のゲート電極に接続し、出力端子OUT1に信号を通すときには制御端子Ctl2に例えば3V、制御端子Ctl1に0Vを印加し、逆に出力端子OUT2に信号を通すときには制御端子Ctl1に3V、Ctl2に0Vのバイアス信号を印加する、リバースタイプのスイッチ回路装置でも同様に実施できる。   When the control terminal Ctl1 is connected to the gate electrode of the FET2, the control terminal Ctl2 is connected to the gate electrode of the FET1, and a signal is passed to the output terminal OUT1, for example, 3V is applied to the control terminal Ctl2, and 0V is applied to the control terminal Ctl1. Conversely, when a signal is passed through the output terminal OUT2, a reverse type switch circuit device in which a bias signal of 3V is applied to the control terminal Ctl1 and 0V is applied to Ctl2 can be similarly implemented.

以上絶縁領域203がHEMTの絶縁化領域の場合を例に説明したが、同様に基板に不純物を注入または拡散して絶縁化した領域を形成することによりシリコン基板にも適用できる。また絶縁領域はポリシリコンであってもよい。   Although the case where the insulating region 203 is an HEMT insulating region has been described as an example, the present invention can also be applied to a silicon substrate by forming an insulating region by implanting or diffusing impurities in the substrate. The insulating region may be polysilicon.

また図15および図17のパターンは基板がGaAsのMESFETにも適用できるので、MESFETによるMMICに保護素子200を接続する構造であってもよい。GaAs基板は半絶縁基板であるので、この場合はGaAs基板にn+型領域をイオン注入などにより形成する。   15 and 17 can also be applied to MESFETs having a substrate of GaAs. Therefore, the protection element 200 may be connected to the MMIC using MESFETs. Since the GaAs substrate is a semi-insulating substrate, in this case, an n + type region is formed in the GaAs substrate by ion implantation or the like.

図19には本発明の第3の実施形態を説明する。第1の実施形態の保護素子200は、MOSFET等を基本素子としてロジック回路を構成した集積回路装置(以下LSIと称する)に接続することもできる。   FIG. 19 illustrates a third embodiment of the present invention. The protection element 200 according to the first embodiment can also be connected to an integrated circuit device (hereinafter referred to as LSI) having a logic circuit using a MOSFET or the like as a basic element.

図19は平面図であり、本発明の半導体装置は、同一基板上にロジック回路素子と保護素子を集積化したものであり、具体的には中央部に配置されたロジック回路領域103と、ロジック回路領域103の外周部に設けられた保護素子領域102と、ロジック回路領域103の外側に延在する配線111、112を具備する構成となっている。ロジック回路は第1の配線111(電源端子パッドVに接続する内側の配線)、第2の配線112(接地端子パッドGに接続する外側の配線)により、電源端子Vccまたは接地端子GNDと接続される。   FIG. 19 is a plan view, and the semiconductor device of the present invention is obtained by integrating a logic circuit element and a protection element on the same substrate. Specifically, a logic circuit region 103 arranged in the central portion, The protection element region 102 provided on the outer periphery of the circuit region 103 and the wirings 111 and 112 extending outside the logic circuit region 103 are provided. The logic circuit is connected to the power supply terminal Vcc or the ground terminal GND by the first wiring 111 (inner wiring connected to the power supply terminal pad V) and the second wiring 112 (outer wiring connected to the ground terminal pad G). The

ロジック回路領域103は半導体装置の中央部付近に配置され電源配線およびGND配線がそれぞれ電源端子パッドV、接地端子パッドGと配線111、112により接続される。ロジック回路領域103は、例えばnチャネル型MOSFETおよびpチャネル型MOSFETで構成されたCMOSロジック回路である。   The logic circuit region 103 is disposed near the center of the semiconductor device, and the power supply wiring and the GND wiring are connected to the power supply terminal pad V, the ground terminal pad G, and the wirings 111 and 112, respectively. The logic circuit region 103 is a CMOS logic circuit configured by, for example, an n-channel MOSFET and a p-channel MOSFET.

またロジック回路領域103の外側を囲む保護素子領域102には、ロジック回路に接続される信号の入出力端子パッドIOが複数配置されている。入出力端子パッドIOは、パッドの一辺に対して垂直に金属層201Mが突出し、その直下には棒状n+型領域201が設けられる。   A plurality of input / output terminal pads IO for signals connected to the logic circuit are arranged in the protection element region 102 surrounding the logic circuit region 103. In the input / output terminal pad IO, a metal layer 201M protrudes perpendicularly to one side of the pad, and a rod-shaped n + type region 201 is provided immediately below the metal layer 201M.

このように集積化パターンでは、ロジック回路素子の入出力端子パッドIOから突出する金属層201Mが棒状n+型領域201とコンタクトし、保護素子200の一方の端子となる。つまり入出力端子パッドIOが保護素子200の電極パッド201Pを兼用して入出力端子と電気的に接続する。   Thus, in the integrated pattern, the metal layer 201M protruding from the input / output terminal pad IO of the logic circuit element contacts the rod-shaped n + region 201 and becomes one terminal of the protection element 200. That is, the input / output terminal pad IO is electrically connected to the input / output terminal also serving as the electrode pad 201P of the protection element 200.

また、第1配線111、第2配線112の周囲にも周辺高濃度不純物領域150が形成され、保護素子の棒状n+型領域201が対向配置する他方の端子(n+型領域202)となる。つまり他方の端子も電源端子Vccまたは接地端子GNDに接続する配線を兼用して電源端子Vcc又は接地端子GNDに電気的に接続する。   A peripheral high-concentration impurity region 150 is also formed around the first wiring 111 and the second wiring 112, and the rod-shaped n + type region 201 of the protective element serves as the other terminal (n + type region 202) arranged to face each other. That is, the other terminal is also electrically connected to the power supply terminal Vcc or the ground terminal GND by using the wiring connected to the power supply terminal Vcc or the ground terminal GND.

LSIの場合も、少なくとも金属層201Mが棒状n+型領域201とコンタクトする部分においては棒状n+型領域201が金属層201Mよりはみ出して設けられる。すなわちGaAsの場合もSiLSIの場合も棒状n+型領域201のエッジ−金属層201Mのコンタクト部エッジ間距離は、通常の動作において、どちらのエッジからもお互い相手側のエッジに空乏層が到達しないように設計する。棒状n+型領域201のエッジ−金属層201Mのコンタクト部エッジ間距離は0.2μmもあれば十分である。   Also in the case of LSI, the rod-shaped n + type region 201 is provided so as to protrude from the metal layer 201M at least in a portion where the metal layer 201M contacts the rod-shaped n + type region 201. That is, in the case of GaAs and SiLSI, the distance between the edge of the rod-shaped n + type region 201 and the contact portion edge of the metal layer 201M is set so that the depletion layer does not reach the opposite edge from either edge in normal operation. To design. The distance between the edge of the rod-shaped n + -type region 201 and the contact portion edge of the metal layer 201M is sufficient to be 0.2 μm.

これにより、ロジック回路素子の電源端子−入出力端子の2端子間、接地端子−入出力端子の2端子間にそれぞれ保護素子200を接続したことになり、ロジック回路に侵入する静電気を防止できる。   As a result, the protective element 200 is connected between the power supply terminal and the input / output terminal of the logic circuit element, and between the ground terminal and the input / output terminal of the logic circuit element, and static electricity entering the logic circuit can be prevented.

CMOSロジック回路を構成するnチャネル型MOSFETやpチャネル型MOSFETは、性能の向上に伴いゲート酸化膜がより薄くなり、ゲート長がより短くなり静電破壊に弱い構造となっている。従って、ロジック回路領域の周囲に保護素子領域を配置することにより、静電気がロジック回路領域に侵入する手前で静電気を放電することができる。   The n-channel type MOSFET and the p-channel type MOSFET constituting the CMOS logic circuit have a structure in which the gate oxide film becomes thinner and the gate length becomes shorter as the performance improves, and the structure is vulnerable to electrostatic breakdown. Therefore, by disposing the protective element region around the logic circuit region, the static electricity can be discharged before the static electricity enters the logic circuit region.

従来ではggnMOS(gate grounded nMOS)とggpMOS(gate grounded pMOS)を接続したCMOSバッファ回路型保護回路を配置した保護素子領域がロジック回路領域と比較して非常に大きく問題であった。しかし、本実施形態によれば入出力端子パッドから周囲の第1配線111および第2配線112に向かって棒状n+型領域201を突出させるだけでよく、大きな静電気電流を流すことができる。従って保護素子領域の面積を低減できる。また寄生容量が小さいためロジック回路素子の計算処理スピードを落とすことなく確実に静電気から被保護素子(LSI)を保護できる。   Conventionally, a protection element region in which a CMOS buffer circuit type protection circuit in which ggnMOS (gate grounded nMOS) and ggpMOS (gate grounded pMOS) are connected is disposed is very large compared to the logic circuit region. However, according to the present embodiment, it is only necessary to project the rod-shaped n + type region 201 from the input / output terminal pad toward the surrounding first wiring 111 and second wiring 112, and a large electrostatic current can flow. Therefore, the area of the protection element region can be reduced. Further, since the parasitic capacitance is small, the protected element (LSI) can be surely protected from static electricity without reducing the calculation processing speed of the logic circuit element.

また上記の如くロジック回路素子、保護素子を1チップに集積化したシリコンLSIの場合、絶縁領域203をバルク内に形成することが難しい場合が多い。このような場合は、高抵抗ポリシリコンを保護素子領域102に設け、その中にn+/i/n+構造の保護素子200を形成するとよい。   In the case of a silicon LSI in which logic circuit elements and protection elements are integrated on one chip as described above, it is often difficult to form the insulating region 203 in the bulk. In such a case, high-resistance polysilicon may be provided in the protective element region 102, and the protective element 200 having an n + / i / n + structure may be formed therein.

尚、上記の例では、入出力端子パッドIOから第1配線111、第2配線112の両方に向かって突出する保護素子200としたが、第1配線111方向のみ、第2配線112方向のみに突出するパターンであってもよい。これにより、第1配線111方向に突出されれば入出力端子−電源端子間に保護素子200を接続したことになり、第2配線112方向であれば入出力端子−接地端子間に接続したことになる。   In the above example, the protection element 200 protrudes from the input / output terminal pad IO toward both the first wiring 111 and the second wiring 112, but only in the direction of the first wiring 111 and only in the direction of the second wiring 112. A protruding pattern may be used. As a result, the protection element 200 is connected between the input / output terminal and the power supply terminal if it protrudes in the direction of the first wiring 111, and the connection is made between the input / output terminal and the ground terminal in the direction of the second wiring 112. become.

図示は省略するが上記のチップ160は、周辺に設けられたパッドを被覆するようにシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、ポリイミド系絶縁膜などのパッシベーション被膜が形成され、パッドの上部は、ボンディング接続のために開口されている。   Although not shown, the chip 160 is formed with a passivation film such as a silicon nitride film, a silicon oxide film, and a polyimide-based insulating film so as to cover a pad provided in the periphery. Is open for.

そして例えばチップ160はリードフレームのアイランドに接着材によりダイボンドされ、チップ160表面の電源端子パッドV、接地端子パッドG、入出力端子パッドIOは、金線等のボンディングワイヤの一端がボールボンディングでワイヤボンドされており、ボンディングワイヤの他端は対応する外部導出用のリードの先端部にステッチボンディングでワイヤボンドされる。   For example, the chip 160 is die-bonded to the island of the lead frame with an adhesive, and the power supply terminal pad V, the ground terminal pad G, and the input / output terminal pad IO on the surface of the chip 160 are wire-bonded at one end of a bonding wire such as a gold wire. The other end of the bonding wire is wire-bonded by stitch bonding to the tip of the corresponding lead for leading out.

このように、複数の入出力端子、電源端子及び接地端子を有する集積回路を被保護素子として、被保護素子の2端子に保護素子200の2端子と並列に接続する。これにより2端子間に外部より印加される静電エネルギーの大部分を保護素子200内部で放電させ、保護素子200内部において外部より印加される静電気エネルギーをほとんど消費できる。すなわち、被保護素子内部に侵入する静電エネルギーを大幅に減少させることにより被保護素子を静電気から保護することができる。   In this way, an integrated circuit having a plurality of input / output terminals, a power supply terminal, and a ground terminal is used as a protected element, and is connected in parallel with two terminals of the protective element 200 to two terminals of the protected element. As a result, most of the electrostatic energy applied from the outside between the two terminals is discharged inside the protective element 200, and the electrostatic energy applied from the outside inside the protective element 200 can be almost consumed. In other words, the protected element can be protected from static electricity by greatly reducing the electrostatic energy that enters the protected element.

更に、2端子間においては、対向面の幅が微小なため極わずかの寄生容量しか有することが無いにもかかわらず、第2電流経路が巨大な静電気電流を流す能力を持つため非常に大きな静電破壊保護効果を有するものである。   Furthermore, between the two terminals, the width of the opposing surface is very small, so that the second current path has a capability of flowing a huge electrostatic current even though it has very little parasitic capacitance. It has an electric breakdown protection effect.

図20から図23には第4の実施形態を示す。第4の実施形態は、LSIにチップオンチップで保護素子200が集積化されたチップ180を配置した構造である。   20 to 23 show a fourth embodiment. The fourth embodiment has a structure in which a chip 180 in which a protection element 200 is integrated on an LSI is provided on an LSI.

図20は斜視図であり、図の如く半導体装置は、ロジック回路素子と保護素子を個別のチップとして形成し、フレームなどに積層実装した構造である。   FIG. 20 is a perspective view. As shown in the figure, the semiconductor device has a structure in which a logic circuit element and a protection element are formed as individual chips and stacked on a frame or the like.

具体的には図の如く下層チップ170がロジック回路が集積化されたチップであり、上層チップ180が保護素子200が集積化されたチップ180である。下層チップはアイランド190上に固着され、下層チップ170上に上層チップ180が配置されている。ロジック回路素子は、図19と同様CMOSロジック回路であり、チップ周辺に接地端子に接続するGND配線112および接地端子パッドGが形成される。またGND配線112の内側に電源端子パッドV、入出力端子パッドIOが配置され、各パッドまたはGND配線112はロジック回路に接続する。なお、図示は省略するが上チップの下方に電源配線111が配置されている。   Specifically, as shown in the figure, the lower layer chip 170 is a chip on which logic circuits are integrated, and the upper layer chip 180 is a chip 180 on which protection elements 200 are integrated. The lower layer chip is fixed on the island 190, and the upper layer chip 180 is disposed on the lower layer chip 170. The logic circuit element is a CMOS logic circuit as in FIG. 19, and a GND wiring 112 and a ground terminal pad G connected to the ground terminal are formed around the chip. Further, a power supply terminal pad V and an input / output terminal pad IO are arranged inside the GND wiring 112, and each pad or the GND wiring 112 is connected to a logic circuit. Although illustration is omitted, the power supply wiring 111 is disposed below the upper chip.

チップ170、180は、周辺に設けられたパッドを被覆するようにシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、ポリイミド系絶縁膜などのパッシベーション被膜が形成され、パッドの上部は、ボンディング接続のために開口されている。   In the chips 170 and 180, a passivation film such as a silicon nitride film, a silicon oxide film, and a polyimide insulating film is formed so as to cover a pad provided in the periphery, and the upper part of the pad is opened for bonding connection. Yes.

入出力端子パッドIO、接地端子パッドG、電源端子パッドVは、図19の場合と同様にそれぞれパッド近傍に配置され対応するリード191にボンディングワイヤ192などにより接続される。   The input / output terminal pad IO, the ground terminal pad G, and the power supply terminal pad V are arranged near the pads and connected to the corresponding leads 191 by bonding wires 192 or the like, as in FIG.

保護素子200は半導体基板に複数の棒状n+型領域201を形成し、電極パッド201Pまたは配線201Wから突出する金属層201Mが、棒状n+型領域201にコンタクトしている。   The protection element 200 has a plurality of rod-shaped n + regions 201 formed on a semiconductor substrate, and a metal layer 201M protruding from the electrode pad 201P or the wiring 201W is in contact with the rod-shaped n + region 201.

保護素子200の電極パッド201Pも下層のロジック回路素子と同様にボンディングワイヤ192などによりそれぞれのパッド近傍に配置されるリード191に接続される。これにより、下層チップ170の電源端子パッドV、接地端子パッドG、入出力端子パッドIOと保護素子の対応する端子に接続する電極パッド201Pとが電気的に接続される。   The electrode pad 201P of the protection element 200 is also connected to the lead 191 disposed in the vicinity of each pad by a bonding wire 192 or the like, similarly to the logic circuit element in the lower layer. Thereby, the power supply terminal pad V, the ground terminal pad G, the input / output terminal pad IO of the lower layer chip 170 and the electrode pad 201P connected to the corresponding terminal of the protection element are electrically connected.

例えばチップの中心に延在する配線201W1から金属層201Mが突出し棒状n+型領域201とコンタクトする。そして当該配線201W1は電極パッド201P1を介してVcc電位が印加されるリード191に接続する。   For example, the metal layer 201M protrudes from the wiring 201W1 extending in the center of the chip and contacts the rod-shaped n + type region 201. The wiring 201W1 is connected to the lead 191 to which the Vcc potential is applied via the electrode pad 201P1.

そして配線201W1の両側に複数配列された電極パッド201P3から金属層201Mが突出し、棒状n+型領域201とコンタクトする。電極パッド201P3は入出力端子パッドIOに接続し、入出力信号が印加されるリード191に接続する。   The metal layer 201M protrudes from a plurality of electrode pads 201P3 arranged on both sides of the wiring 201W1, and contacts the rod-shaped n + type region 201. The electrode pad 201P3 is connected to the input / output terminal pad IO, and is connected to the lead 191 to which the input / output signal is applied.

更に保護素子のチップ周辺に配置された配線201W2も同様に棒状n+型領域201とコンタクトし、コーナー部に設けられた電極パッド201P2を介して接地端子パッドGに接続し、接地電位が印加されるリード191に接続する。   Further, the wiring 201W2 arranged around the chip of the protective element is also in contact with the rod-shaped n + type region 201 and connected to the ground terminal pad G through the electrode pad 201P2 provided at the corner portion, and a ground potential is applied. Connect to lead 191.

これにより、ロジック回路素子のVcc−入出力端子の2端子間、GND−入出力端子の2端子間にそれぞれ保護素子を接続したことになり、ロジック回路に侵入する静電気を防止できる。   As a result, the protection elements are connected between the Vcc-input / output terminal of the logic circuit element and the GND-input / output terminal of the two terminals, respectively, and static electricity entering the logic circuit can be prevented.

積層実装構造であれば、上層のチップは保護素子のみのチップにすることができ、ロジック回路に必要な基板スペックやプロセスを一切考慮する必要がない。従って保護素子に必要な絶縁領域を容易に得ることができる。チップオンチップのため保護素子と対応する被保護素子のパッド同士を近接して配置でき、効率的なレイアウトが可能となる。またチップ面積及びチップの実装面積を低減できるので、外形サイズを小型化できる。   In the case of a stacked mounting structure, the upper layer chip can be a chip having only a protective element, and there is no need to consider any substrate specifications and processes necessary for the logic circuit. Therefore, an insulating region necessary for the protective element can be easily obtained. Since it is chip-on-chip, the pads of the protected elements corresponding to the protective elements can be arranged close to each other, and an efficient layout becomes possible. Further, since the chip area and the chip mounting area can be reduced, the outer size can be reduced.

図21乃至図23は、上層チップとなる保護素子チップ180のパターン例である。図21は保護素子の両端子が共に棒状n+型領域201の場合であり、図21(A)がチップ平面図であり図21(B)が保護素子200の拡大図である。   FIG. 21 to FIG. 23 are pattern examples of the protection element chip 180 serving as the upper layer chip. FIG. 21 shows a case where both terminals of the protection element are rod-shaped n + type regions 201, FIG. 21A is a chip plan view, and FIG. 21B is an enlarged view of the protection element 200.

中央が電源端子に接続する配線201W1および電極パッド201P1であり、その両側が入出力端子に接続する電極パッド201P3である。そしてチップ周囲に配置された配線201W2および電極パッド201P2が接地端子に接続する。   The center is a wiring 201W1 and an electrode pad 201P1 connected to a power supply terminal, and both sides thereof are an electrode pad 201P3 connected to an input / output terminal. The wiring 201W2 and the electrode pad 201P2 arranged around the chip are connected to the ground terminal.

保護素子200の2端子は共に棒状n+型領域201であり、十分な保護効果が得られながら寄生容量が非常に小さい。つまりロジック回路の計算処理スピードを全く落とすことがない。   The two terminals of the protection element 200 are both rod-shaped n + type regions 201, and the parasitic capacitance is very small while obtaining a sufficient protection effect. In other words, the calculation processing speed of the logic circuit is not reduced at all.

このような場合図21(B)の矢印の如く第2電流経路I2が形成されるが、隣接する保護素子200(すなわちロジック回路の異なる入出力端子−電源または接地端子)間に同時に静電気が印加するケースは少ない。したがって隣接する保護素子200同士で必要な領域を共有でき、基板上に多数の保護素子200を形成する場合であってもチップ面積の増大を抑制できる。   In such a case, the second current path I2 is formed as shown by the arrow in FIG. 21B, but static electricity is applied simultaneously between the adjacent protection elements 200 (that is, different input / output terminals of the logic circuit—power supply or ground terminal). There are few cases to do. Therefore, a necessary area can be shared between adjacent protection elements 200, and an increase in chip area can be suppressed even when a large number of protection elements 200 are formed on a substrate.

図22は一方の端子がパッドに向かって突出する棒状n+型領域であり、他方の端子がパッドの場合である。図22(A)がチップ平面図であり図22(B)が保護素子200の拡大図である。   FIG. 22 shows a rod-shaped n + type region in which one terminal protrudes toward the pad, and the other terminal is a pad. FIG. 22A is a chip plan view, and FIG. 22B is an enlarged view of the protective element 200.

中央が電源端子に接続する配線201W1および電極パッド201P1であり、その両側が入出力端子に接続する電極パッド201P3である。そしてチップ周囲に配置された配線201W2および電極パッド201P2が接地端子に接続する。   The center is a wiring 201W1 and an electrode pad 201P1 connected to a power supply terminal, and both sides thereof are an electrode pad 201P3 connected to an input / output terminal. The wiring 201W2 and the electrode pad 201P2 arranged around the chip are connected to the ground terminal.

図のように入出力端子に接続する電極パッド201P3は棒状n+型領域201を有しない。このような場合は図22(B)の如くパッド周辺に設けられたn+型領域202と棒状n+型領域201に近接する他の辺の一部を利用して第2の電流経路I2が形成される。図21と比較しても明らかなとおり、保護素子200としての領域を大幅に低減できる。   As shown in the figure, the electrode pad 201P3 connected to the input / output terminal does not have the rod-shaped n + type region 201. In such a case, as shown in FIG. 22B, the second current path I2 is formed using the n + type region 202 provided around the pad and a part of the other side close to the rod-shaped n + type region 201. The As is clear from comparison with FIG. 21, the area as the protection element 200 can be greatly reduced.

図23は、一方の端子がパッドから突出する棒状n+型領域であり、他方の端子が配線の場合である。図23(A)がチップ平面図であり図23(B)が保護素子200の拡大図である。   FIG. 23 shows a case where one terminal is a rod-shaped n + type region protruding from a pad and the other terminal is a wiring. FIG. 23A is a chip plan view, and FIG. 23B is an enlarged view of the protective element 200.

中央が電源端子に接続する配線201W1および電極パッド201P1であり、その両側が入出力端子に接続する電極パッド201P3である。そしてチップ周囲に配置された配線201W2および電極パッド201P2が接地端子に接続する。   The center is a wiring 201W1 and an electrode pad 201P1 connected to a power supply terminal, and both sides thereof are an electrode pad 201P3 connected to an input / output terminal. The wiring 201W2 and the electrode pad 201P2 arranged around the chip are connected to the ground terminal.

図のように電源端子及び接地端子に接続する配線201W1、W2は棒状n+型領域201を有しない。このような場合は図23(B)の如く棒状n+型領域201に近接する配線の周辺に設けられたn+型領域202を利用して第2の電流経路I2が形成される。他方の端子が連続しているため上図に比べると保護素子として必要な領域を有効に活用できる。   As shown in the drawing, the wirings 201W1 and W2 connected to the power supply terminal and the ground terminal do not have the rod-shaped n + type region 201. In such a case, as shown in FIG. 23B, the second current path I2 is formed using the n + type region 202 provided around the wiring adjacent to the rod-shaped n + type region 201. Since the other terminal is continuous, a region necessary as a protection element can be effectively used as compared with the above figure.

本発明の保護素子を説明する(A)平面図、(B)断面図、(C)断面図、(D)平面図である。It is (A) top view, (B) sectional view, (C) sectional view, (D) top view explaining a protection element of the present invention. 本発明の保護素子を説明する(A)平面図、(B)断面図、(C)平面図である。It is (A) top view, (B) sectional drawing, (C) top view explaining the protection element of this invention. 本発明の保護素子を説明する(A)平面図、(B)断面図、(C)平面図である。It is (A) top view, (B) sectional drawing, (C) top view explaining the protection element of this invention. 本発明の保護素子を説明する(A)平面図、(B)断面図、(C)回路概要図である。It is (A) top view, (B) sectional drawing, (C) circuit schematic diagram explaining the protection element of this invention. 本発明の保護素子を説明する(A)斜視図、(B)断面図、(C)シミュレーション結果である。It is (A) perspective view, (B) sectional drawing, and (C) simulation result explaining the protection element of this invention. 本発明の保護素子のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the protection element of this invention. 本発明の保護素子のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the protection element of this invention. 本発明の保護素子の電流経路を説明する図である。It is a figure explaining the current pathway of the protection element of the present invention. 本発明の保護素子の電流経路を説明する(A)概念図、(B)シミュレーション結果である。It is the (A) conceptual diagram explaining the current path | route of the protection element of this invention, (B) It is a simulation result. 本発明のシミュレーションを説明する図である。It is a figure explaining the simulation of this invention. 本発明のシミュレーションを説明する図である。It is a figure explaining the simulation of this invention. 従来構造のシミュレーションを説明する図である。It is a figure explaining the simulation of the conventional structure. 従来構造と本発明のシミュレーション結果を比較する図である。It is a figure which compares the simulation result of the conventional structure and this invention. 本発明の半導体装置の回路図である。It is a circuit diagram of a semiconductor device of the present invention. 本発明の半導体装置を説明する平面図である。It is a top view explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置を説明する平面図である。It is a top view explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置を説明する平面図である。It is a top view explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置を説明する平面図である。It is a top view explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置を説明する平面図である。It is a top view explaining the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置を説明する平面図である。It is a top view explaining the semiconductor device of this invention. 従来技術を説明する図である。It is a figure explaining a prior art. 従来技術を説明する図である。It is a figure explaining a prior art. 従来技術を説明する図である。It is a figure explaining a prior art. 従来技術を説明する図である。It is a figure explaining a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

12 動作領域
17 ゲート電極
16、46 ドレイン電極
15、45 ソース電極
20 ゲート金属層
25 パッド金属層
30 基板
31 半絶縁性GaAs基板
32 バッファ層
33 電子供給層
35 チャネル(電子走行)層
34 スペーサ層
36 障壁層
37 キャップ層
37s ソース領域
37d ドレイン領域
66 ソース電極
65 ドレイン電極
63 ドレイン領域
64 ソース領域
67 ゲート電極
62 動作層
68 動作領域
61 ショットキーバリアダイオード
100 被保護素子
102 保護素子領域
103 ロジック回路領域
111、112 配線
120 ゲート配線
130 配線
150 周辺高濃度不純物領域
170 LSIチップ
180 保護素子チップ
190 アイランド
191 リード
192 ボンディングワイヤ
200 保護素子
201 棒状n+型領域
202 n+型領域
201W、201W1、201W2 配線
201P、201P1、201P2、201P3 電極パッド
201M 金属層
203 絶縁領域
205 絶縁膜
206 金属層
301 ボンディングパッド
302、304 電極配線
315 ソース
317 ゲート
320 ドレイン
350 n+型領域
360 保護素子
401 pチャネル型MOSFET
402 nチャネル型MOSFET
407 保護素子領域
408 ロジック回路
501 p型領域
502 n型領域
503 アノード電極
504 カソード電極
510 n型領域
I1 第1電流経路
I2 第2電流経路
S1 第1側面
S2 第2側面
S3 第3側面
S4 第4側面
IC、INPad 共通入力端子パッド
C1、C2、Ctl−1Pad、Ctl−2Pad 制御端子パッド
O1、O2、OUT−1Pad、OUT2−Pad 出力端子パッド
IN 共通入力端子
Ctl1、Ctl2 制御端子
OUT1、OUT2 出力端子
R1、R2 抵抗
V 電源端子パッド
G 接地端子パッド
IO 入出力端子パッド
Vcc 電源端子
GND 接地端子
D1、D2 ダイオード

DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Operation area | region 17 Gate electrode 16, 46 Drain electrode 15, 45 Source electrode 20 Gate metal layer 25 Pad metal layer 30 Substrate 31 Semi-insulating GaAs substrate 32 Buffer layer 33 Electron supply layer 35 Channel (electron travel) layer 34 Spacer layer 36 Barrier layer 37 Cap layer 37s Source region 37d Drain region 66 Source electrode 65 Drain electrode 63 Drain region 64 Source region 67 Gate electrode 62 Operation layer 68 Operation region 61 Schottky barrier diode 100 Protected device 102 Protection device region 103 Logic circuit region 111 , 112 wiring 120 gate wiring 130 wiring 150 peripheral high concentration impurity region 170 LSI chip 180 protection element chip 190 island 191 lead 192 bonding wire 200 protection element 01 Rod-shaped n + type region 202 N + type region 201W, 201W1, 201W2 wiring 201P, 201P1, 201P2, 201P3 Electrode pad 201M Metal layer 203 Insulating region 205 Insulating film 206 Metal layer 301 Bonding pad 302, 304 Electrode wiring 315 Source 317 Gate 320 Drain 350 n + type region 360 protection element 401 p channel type MOSFET
402 n-channel MOSFET
407 Protection element region 408 Logic circuit 501 p-type region 502 n-type region 503 anode electrode 504 cathode electrode 510 n-type region I1 first current path I2 second current path S1 first side surface S2 second side surface S3 third side surface S4 fourth Side IC, INPad Common input terminal pad C1, C2, Ctl-1Pad, Ctl-2Pad Control terminal pad O1, O2, OUT-1Pad, OUT2-Pad Output terminal pad IN Common input terminal Ctl1, Ctl2 Control terminal OUT1, OUT2 Output terminal R1, R2 Resistance V Power terminal pad G Ground terminal pad IO I / O terminal pad Vcc Power terminal GND Ground terminal D1, D2 Diode

Claims (26)

基板に対向配置された2つの高濃度不純物領域と、前記2つの高濃度不純物領域の周囲に配置された絶縁領域とを備え、
少なくとも一方の前記高濃度不純物領域は、他方の前記高濃度不純物領域との微小な対向面である第1側面と、該第1側面に対して十分大きく該第1側面から略垂直方向に離間して延在する第2側面と、前記基板から露出し電極パッドまたは配線から突出する金属層が重畳してコンタクトする第3側面と、該第3側面と対向する第4側面を有する棒状であり、
前記2つの高濃度不純物領域を2端子として被保護素子の2端子間に接続し、前記第1側面および前記第4側面から前記他方の高濃度不純物領域の対応する側面に向かって前記一方の高濃度不純物領域の延在方向の前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第1電流経路と、該第1電流経路より外側で前記第2側面から前記他方の高濃度不純物領域に向かう前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第2電流経路により前記被保護素子の2端子間に印加される静電エネルギーを減衰させることを特徴とする保護素子。
Two high-concentration impurity regions disposed opposite to the substrate, and an insulating region disposed around the two high-concentration impurity regions,
At least one of the high-concentration impurity regions is a first side surface that is a minute facing surface of the other high-concentration impurity region, and is sufficiently large with respect to the first side surface and spaced apart from the first side surface in a substantially vertical direction. A second side surface extending in the form of a bar, a third side surface in contact with a metal layer exposed from the substrate and projecting from the electrode pad or wiring, and a fourth side surface facing the third side surface,
The two high-concentration impurity regions are connected as two terminals between the two terminals of the protected element, and the one high-concentration impurity region is connected from the first side surface and the fourth side surface to the corresponding side surface of the other high-concentration impurity region. A first current path serving as a path for electron current and hole current formed in the insulating region in the extending direction of the concentration impurity region; and the other high concentration impurity region from the second side surface outside the first current path. A protective element, wherein electrostatic energy applied between two terminals of the protected element is attenuated by a second current path serving as a path of an electron current and a hole current formed in the insulating region toward.
前記他方の高濃度不純物領域は、他の電極パッドまたは他の配線の周辺に配置されることを特徴とする請求項1に記載の保護素子。   The protection element according to claim 1, wherein the other high-concentration impurity region is disposed around another electrode pad or another wiring. 前記第2電流経路の電流値は前記第1電流経路の電流値の5倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の保護素子。   2. The protection element according to claim 1, wherein a current value of the second current path is five times or more of a current value of the first current path. 前記第1側面の前記高濃度不純物領域の幅は5μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の保護素子。   The protective element according to claim 1, wherein a width of the high concentration impurity region on the first side surface is 5 μm or less. 一組の前記高濃度不純物領域を両端子として前記被保護素子の2端子間に接続することにより、該被保護素子の静電破壊電圧がマシンモデルで300V以上で、且つ前記両端子間の寄生容量値が0.7fF以下となることを特徴とする請求項1に記載の保護素子。   By connecting a pair of the high-concentration impurity regions as the two terminals between the two terminals of the protected element, the electrostatic breakdown voltage of the protected element is 300 V or more in the machine model and the parasitic between the two terminals The protective element according to claim 1, wherein a capacitance value is 0.7 fF or less. 前記第2電流経路は、前記第2側面から15μm以上の幅を確保して形成されることを特徴とする請求項1に記載の保護素子。   The protection element according to claim 1, wherein the second current path is formed with a width of 15 μm or more from the second side surface. 基板上の動作領域に接続するソース電極、ゲート電極およびドレイン電極を有する少なくとも1つのFETと、前記FETのソース電極またはドレイン電極に接続する少なくとも1つの入力端子と、前記FETのドレイン電極またはソース電極に接続する少なくとも1つの出力端子と、前記FETにDC電位を印加する端子を有するスイッチ回路素子と、
前記基板に対向配置された2つの高濃度不純物領域と、前記2つの高濃度不純物領域の周囲に配置された絶縁領域とを備え、
少なくとも一方の前記高濃度不純物領域は、他方の前記高濃度不純物領域との微小な対向面である第1側面と、該第1側面に対して十分大きく該第1側面から略垂直方向に離間して延在する第2側面と、前記基板から露出して前記各端子のいずれかと電気的に接続する電極パッドまたは配線から突出する金属層が重畳してコンタクトする第3側面と、該第3側面と対向する第4側面を有する棒状であり、
前記2つの高濃度不純物領域を2端子とする保護素子を前記スイッチ回路素子の2端子間に接続し、前記第1側面および前記第4側面から前記他方の高濃度不純物領域の対応する側面に向かって前記一方の高濃度不純物領域の延在方向の前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第1電流経路と、該第1電流経路より外側で前記第2側面から前記他方の高濃度不純物領域に向かう前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第2電流経路により前記スイッチ回路素子の2端子間に印加される静電エネルギーを減衰させることを特徴とする半導体装置。
At least one FET having a source electrode, a gate electrode and a drain electrode connected to an operating region on the substrate; at least one input terminal connected to the source electrode or drain electrode of the FET; and a drain electrode or source electrode of the FET A switch circuit element having at least one output terminal connected to the terminal, and a terminal for applying a DC potential to the FET;
Two high-concentration impurity regions disposed opposite to the substrate, and an insulating region disposed around the two high-concentration impurity regions,
At least one of the high-concentration impurity regions is a first side surface that is a minute facing surface of the other high-concentration impurity region, and is sufficiently large with respect to the first side surface and spaced apart from the first side surface in a substantially vertical direction. A second side surface that extends from the substrate, a third side surface that is exposed from the substrate and is electrically connected to any one of the terminals, and a metal layer that protrudes from the wiring and is in contact with the third side surface, and the third side surface A bar having a fourth side facing
A protective element having two terminals of the two high-concentration impurity regions is connected between the two terminals of the switch circuit element, and extends from the first side surface and the fourth side surface to the corresponding side surface of the other high-concentration impurity region. A first current path serving as a path for electron current and hole current formed in the insulating region in the extending direction of the one high-concentration impurity region, and the other side from the second side surface outside the first current path. The electrostatic energy applied between the two terminals of the switch circuit element is attenuated by a second current path that is a path for electron current and hole current formed in the insulating region toward the high concentration impurity region. Semiconductor device.
基板上の動作領域に接続するソース電極、ゲート電極およびドレイン電極を設けた第1および第2FETを形成し、両FETに共通のソース電極あるいはドレイン電極に接続する端子を共通入力端子とし、両FETのドレイン電極あるいはソース電極に接続する端子をそれぞれ第1および第2出力端子とし、両FETのゲート電極のいずれかに接続する端子をそれぞれ第1および第2制御端子とし、前記両制御端子に制御信号を印加して、前記両制御端子と前記ゲート電極とを接続する接続手段である抵抗を介していずれか一方のFETを導通させて前記共通入力端子と前記第1および第2出力端子のいずれか一方と信号経路を形成するスイッチ回路素子と、
前記基板に対向配置された2つの高濃度不純物領域と、前記2つの高濃度不純物領域の周囲に配置された絶縁領域とを備え、
少なくとも一方の前記高濃度不純物領域は、他方の前記高濃度不純物領域との微小な対向面である第1側面と、該第1側面に対して十分大きく該第1側面から略垂直方向に離間して延在する第2側面と、前記基板から露出して前記各端子のいずれかと電気的に接続する電極パッドまたは配線から突出する金属層が重畳してコンタクトする第3側面と、該第3側面と対向する第4側面を有する棒状であり、
前記2つの高濃度不純物領域を2端子とする保護素子を前記スイッチ回路素子の2端子間に接続し、前記第1側面および前記第4側面から前記他方の高濃度不純物領域の対応する側面に向かって前記一方の高濃度不純物領域の延在方向の前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第1電流経路と、該第1電流経路より外側で前記第2側面から前記他方の高濃度不純物領域に向かう前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第2電流経路により前記スイッチ回路素子の2端子間に印加される静電エネルギーを減衰させることを特徴とする半導体装置。
First and second FETs having a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode connected to an operation region on the substrate are formed, and a terminal connected to the source electrode or drain electrode common to both FETs is used as a common input terminal, and both FETs The terminals connected to the drain electrode or the source electrode are first and second output terminals, respectively, and the terminals connected to either of the FET gate electrodes are first and second control terminals, respectively. A signal is applied, and one of the FETs is made conductive through a resistor which is a connection means for connecting the two control terminals and the gate electrode, and the common input terminal and any of the first and second output terminals A switch circuit element that forms a signal path with either of them,
Two high-concentration impurity regions disposed opposite to the substrate, and an insulating region disposed around the two high-concentration impurity regions,
At least one of the high-concentration impurity regions is a first side surface that is a minute facing surface of the other high-concentration impurity region, and is sufficiently large with respect to the first side surface and spaced apart from the first side surface in a substantially vertical direction. A second side surface that extends from the substrate, a third side surface that is exposed from the substrate and is electrically connected to any one of the terminals, and a metal layer that protrudes from the wiring and is in contact with the third side surface, and the third side surface A bar having a fourth side facing
A protective element having two terminals of the two high-concentration impurity regions is connected between the two terminals of the switch circuit element, and extends from the first side surface and the fourth side surface to the corresponding side surface of the other high-concentration impurity region. A first current path serving as a path for electron current and hole current formed in the insulating region in the extending direction of the one high-concentration impurity region, and the other side from the second side surface outside the first current path. The electrostatic energy applied between the two terminals of the switch circuit element is attenuated by a second current path that is a path for electron current and hole current formed in the insulating region toward the high concentration impurity region. Semiconductor device.
前記他方の高濃度不純物領域は、前記接続手段の一部であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the other high-concentration impurity region is a part of the connection means. 前記スイッチ回路素子の少なくとも1つの前記制御端子と前記共通入力端子間に前記保護素子を接続することを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 8, wherein the protection element is connected between at least one of the control circuit element and the common input terminal. 前記他方の高濃度不純物領域は、前記スイッチ回路素子の各端子のいずれかと電気的に接続する他の電極パッドまたは他の配線の周辺に配置されることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置。   9. The other high-concentration impurity region is disposed around another electrode pad or another wiring that is electrically connected to one of the terminals of the switch circuit element. A semiconductor device according to 1. 前記第2電流経路の電流値は前記第1電流経路の電流値の5倍以上であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 7, wherein a current value of the second current path is five times or more of a current value of the first current path. 前記第1側面の前記高濃度不純物領域の幅は5μm以下であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 7, wherein a width of the high-concentration impurity region on the first side surface is 5 μm or less. 一組の前記高濃度不純物領域を両端子として該両端子間の寄生容量値が0.7fF以下の前記保護素子を、前記スイッチ回路素子の2端子間に接続することにより、該スイッチ回路素子の静電破壊電圧がマシンモデルで300V以上となることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置。   By connecting the protective element having a parasitic capacitance value of 0.7 fF or less between the two terminals of the switch circuit element with the pair of high-concentration impurity regions as both terminals, 9. The semiconductor device according to claim 7, wherein the electrostatic breakdown voltage is 300 V or more in a machine model. 前記第2電流経路は、前記第2側面から15μm以上の幅を確保して形成されることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 7, wherein the second current path is formed with a width of 15 μm or more from the second side surface. 複数の入出力端子、電源端子及び接地端子を有する集積回路素子と、
基板に対向配置された2つの高濃度不純物領域と、前記2つの高濃度不純物領域の周囲に配置された絶縁領域を有する保護素子を備え、
少なくとも一方の前記高濃度不純物領域は、他方の前記高濃度不純物領域との微小な対向面である第1側面と、該第1側面に対して十分大きく該第1側面から略垂直方向に離間して延在する第2側面と、前記基板から露出して前記各端子のいずれかと電気的に接続する電極パッドまたは配線から突出する金属層が重畳してコンタクトする第3側面と、該第3側面と対向する第4側面を有する棒状であり、
前記2つの高濃度不純物領域を2端子として前記集積回路素子の2端子間に接続し、前記第1側面および前記第4側面から前記他方の高濃度不純物領域の対応する側面に向かい前記一方の高濃度不純物領域の延在方向の前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第1電流経路と、該第1電流経路より外側で前記第2側面から前記他方の高濃度不純物領域に向かう前記絶縁領域に形成される電子電流及びホール電流の経路となる第2電流経路により前記集積回路素子の2端子間に印加される静電エネルギーを減衰させることを特徴とする半導体装置。
An integrated circuit element having a plurality of input / output terminals, a power supply terminal and a ground terminal;
A protective element having two high-concentration impurity regions disposed opposite to the substrate and an insulating region disposed around the two high-concentration impurity regions;
At least one of the high-concentration impurity regions is a first side surface that is a minute facing surface of the other high-concentration impurity region, and is sufficiently large with respect to the first side surface and spaced apart from the first side surface in a substantially vertical direction. A second side surface that extends from the substrate, a third side surface that is exposed from the substrate and is electrically connected to any one of the terminals, and a metal layer that protrudes from the wiring and is in contact with the third side surface, and the third side surface A bar having a fourth side facing
The two high-concentration impurity regions are connected as two terminals between two terminals of the integrated circuit element, and the one high-concentration impurity region extends from the first side surface and the fourth side surface to the corresponding side surface of the other high-concentration impurity region. A first current path serving as a path for electron current and hole current formed in the insulating region in the extending direction of the concentration impurity region; and the other high concentration impurity region from the second side surface outside the first current path. A semiconductor device characterized in that electrostatic energy applied between two terminals of the integrated circuit element is attenuated by a second current path that is a path of an electron current and a hole current formed in the insulating region toward the substrate.
前記集積回路素子はCMOSロジック回路素子であることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 16, wherein the integrated circuit element is a CMOS logic circuit element. 前記集積回路素子と前記保護素子を同一基板上に集積化することを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 16, wherein the integrated circuit element and the protection element are integrated on the same substrate. 前記集積回路素子上に前記保護素子を配置したことを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 16, wherein the protection element is disposed on the integrated circuit element. 前記配線は前記集積回路素子の電源端子に接続する第1配線および前記接地端子に接続する第2配線であることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   17. The semiconductor device according to claim 16, wherein the wiring is a first wiring connected to a power supply terminal of the integrated circuit element and a second wiring connected to the ground terminal. 前記集積回路素子の入出力端子および電源端子間、入出力端子および接地端子間の少なくとも一方に前記保護素子を接続することを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   17. The semiconductor device according to claim 16, wherein the protection element is connected to at least one of the input / output terminal and the power supply terminal and the input / output terminal and the ground terminal of the integrated circuit element. 前記他方の高濃度不純物領域は、前記集積回路素子の各端子のいずれかと接続する他の電極パッドまたは配線の周辺に設けられることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   17. The semiconductor device according to claim 16, wherein the other high-concentration impurity region is provided in the vicinity of another electrode pad or wiring connected to any one of the terminals of the integrated circuit element. 前記第2電流経路の電流値は前記第1電流経路の電流値の5倍以上であることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 16, wherein a current value of the second current path is five times or more of a current value of the first current path. 前記第1側面の前記高濃度不純物領域の幅は5μm以下であることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 16, wherein a width of the high concentration impurity region on the first side surface is 5 μm or less. 一組の前記高濃度不純物領域を両端子として該両端子間の寄生容量値が0.7fF以下の前記保護素子を、前記集積回路素子の2端子間に接続することにより、該集積回路素子の静電破壊電圧がマシンモデルで300V以上となることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   By connecting the protection element having a parasitic capacitance value of 0.7 fF or less between the two terminals of the integrated circuit element by using the pair of high-concentration impurity regions as both terminals, The semiconductor device according to claim 16, wherein the electrostatic breakdown voltage is 300 V or more in a machine model. 前記第2電流経路は、前記第2側面から15μm以上の幅を確保して形成されることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。

The semiconductor device according to claim 16, wherein the second current path is formed with a width of 15 μm or more from the second side surface.

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