JP2007053316A - Esd protection element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に係わり、特にLSI内部をサージ電流などから保護する、ESD保護素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to an ESD protection element that protects the inside of an LSI from a surge current or the like.
半導体集積回路中の電界効果トランジスタは、その高性能化に伴ってスケーリングされているが、近年ではそのゲート絶縁膜の厚みは二酸化珪素に換算して1nm近くにまで薄膜化されているものも珍しくない。ゲート絶縁膜が薄膜化されると、電気的な絶縁破壊耐圧は膜厚に依存して著しく低下する。このような薄膜ゲート絶縁膜を持つ半導体装置においては、製造中や使用時などに機械や人間の持つ静電気が電子回路中に入ると、ゲート絶縁膜に高い電圧がかかって破壊されることがある。このような現象をESD(Electro- Static Discharge)破壊と呼ぶ。 Field effect transistors in semiconductor integrated circuits have been scaled as their performance has increased, but in recent years, the thickness of the gate insulating film has been reduced to nearly 1 nm in terms of silicon dioxide. Absent. When the gate insulating film is thinned, the electrical breakdown voltage is significantly reduced depending on the film thickness. In a semiconductor device having such a thin gate insulating film, when static electricity of a machine or a human enters into an electronic circuit during manufacturing or use, the gate insulating film may be damaged due to a high voltage applied. . Such a phenomenon is called ESD (Electro-Static Discharge) destruction.
そこで多くの半導体装置は、外部からのサージ電流の侵入を防ぐための、ESD保護素子と呼ばれる半導体装置及び回路を持っており、ゲート絶縁膜がESD破壊されるのを防いでいる。 Therefore, many semiconductor devices have a semiconductor device and a circuit called an ESD protection element for preventing a surge current from entering from the outside, and the gate insulating film is prevented from being destroyed by ESD.
一方、半導体装置の高性能化に伴い、電界効果トランジスタの構造を変えることで、これまで以上の高性能化を達成しようとする研究が進んでおり、立体構造トランジスタも将来の半導体基本素子として期待されている。その中で、現在最も期待されているものの一つがFinFETと呼ばれる、Fin型(板状)活性領域を有するトランジスタである(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, with the improvement in performance of semiconductor devices, research to achieve higher performance than before has been advanced by changing the structure of field effect transistors, and three-dimensional transistors are also expected as basic semiconductor elements in the future. Has been. Among them, one of the most promising at present is a transistor having a Fin-type (plate-like) active region called FinFET (see, for example, Patent Document 1).
FinFETで構成されるLSIの場合、ESD保護素子もFinFETで構成する事が実用上簡便であるが、FinFETは、使用できるゲート絶縁膜の厚みに構造上限界があり、ゲートにサージが入力されるタイプのESD保護素子をFinFETで構成すると耐圧が低くなってしまうという問題があった。
このように従来、高性能なLSIを実現するにはFinFETを用いることが有効であるが、FinFETにおいてはゲートにサージが入るタイプのESD保護素子を実現することが難しいという問題があった。 Thus, conventionally, it is effective to use a FinFET to realize a high-performance LSI, but there is a problem that it is difficult to realize an ESD protection element of a type in which a surge enters the gate in the FinFET.
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、FinFETで構成されたLSI中に製造可能なESD保護素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an ESD protection element that can be manufactured in an LSI constituted by FinFETs.
上記課題を解決するために、本発明のESD保護素子の第1は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上の1領域に垂直に設けられた板状半導体層と、前記板状半導体層の中央部において、第1のゲート絶縁膜を介して前記板状半導体層を跨ぎかつこれを挟むように形成された第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極上に、第2のゲート絶縁膜を介して形成された第2のゲート電極とを具備し、前記板状半導体層は、前記第1のゲート絶縁膜を介して前記第1のゲート電極と対向するチャネル領域と、このチャネル領域の両側に形成された一対のソース・ドレイン電極とを含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a first ESD protection element according to the present invention includes a semiconductor substrate, an insulating layer formed on the semiconductor substrate, and a plate-like shape provided perpendicular to one region on the insulating layer. A semiconductor layer; a first gate electrode formed so as to straddle and sandwich the plate-like semiconductor layer via a first gate insulating film in a central portion of the plate-like semiconductor layer; And a second gate electrode formed on the gate electrode via a second gate insulating film, and the plate-like semiconductor layer is formed on the first gate electrode via the first gate insulating film. And a pair of source / drain electrodes formed on both sides of the channel region.
また、本発明のESD保護素子の第2は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に垂直に設けられた板状半導体層と、前記板状半導体層の中央部において、第1のゲート絶縁膜を介して前記板状半導体層を跨ぎかつこれを挟むように形成された第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極の引き出しパッドと、前記引出しパッド上に、第2のゲート絶縁膜を介して形成された第2のゲート電極とを具備し、前記板状半導体層は、前記第1のゲート絶縁膜を介して前記第1のゲート電極と対向するチャネル領域と、このチャネル領域を挟んで両側に形成された一対のソース・ドレイン電極とからなることを特徴とする。 The second ESD protection element of the present invention includes a semiconductor substrate, an insulating layer formed on the semiconductor substrate, a plate-like semiconductor layer provided vertically on the insulating layer, and the plate-like semiconductor layer. A first gate electrode formed so as to straddle and sandwich the plate-like semiconductor layer via a first gate insulating film, a lead pad for the first gate electrode, and the lead And a second gate electrode formed on the pad via a second gate insulating film, and the plate-like semiconductor layer is connected to the first gate electrode via the first gate insulating film. It is characterized by comprising a channel region facing each other and a pair of source / drain electrodes formed on both sides of the channel region.
本発明によれば、FinFETの本来の(第1の)ゲートに接続して、第2のゲート絶縁膜を介して第2のゲート電極を形成してESD保護素子としているので、FinFETの駆動力低下を最小限に抑えながら、総合的なゲート絶縁膜の耐圧を飛躍的に高めることができる。このことは、特にFinFETで構成されたLSIに組み込むESD保護素子として極めて有用である。 According to the present invention, since the second gate electrode is formed via the second gate insulating film by being connected to the original (first) gate of the FinFET, the ESD protection element is provided. The overall breakdown voltage of the gate insulating film can be dramatically increased while minimizing the decrease. This is extremely useful as an ESD protection element incorporated in an LSI composed of FinFETs.
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。 The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わるESD保護素子100の素子構造を示す摸式的な斜視図、図2はESD保護素子100の等価回路図および応用回路、図3(a)は上面図、図3(b)は、図3(a)のB−B線に沿った断面図、図3(c)は正面図である。なお、図ではESD保護素子100が矩形の半導体基板110の上に形成されるように描かれているが、半導体基板110は図示しない半導体チップの1領域であり、ESD保護素子は半導体チップに組み込めるものであることを注記しておく。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an element structure of an
より詳細には、シリコン基板110上に、シリコン酸化膜等からなる埋め込み絶縁膜111及びFin型(板状)半導体層112が形成されている。半導体層112の中央部はチャネル領域112cであり、チャネル領域112c上には、第1のゲート絶縁膜113を介して、これを跨ぎかつ挟むように第1のゲート電極114が形成されている。さらに、チャネル領域112cをチャネル長方向から挟んでソース・ドレイン領域(電極)115が形成されている。さらに、ゲート電極114と接して第2のゲート絶縁膜116が形成され、第2のゲート絶縁膜116上に第2のゲート電極117が形成されている。
More specifically, a buried
本実施形態では、第2のゲート電極117に電圧をかけると、これと容量的に結合した第1のゲート電極114にも電圧がかかり、チャネルがONする。この第2のゲート電極117及び第2のゲート絶縁膜116を設けることで、ゲートに高電圧がかかった場合でも、第1のゲート絶縁膜が破壊されることが無い。すなわち、FinFETの高駆動電流であるという特徴を大幅に損なうことなく、飛躍的に絶縁破壊耐圧を向上させることができる。
In this embodiment, when a voltage is applied to the
本実施形態のESD保護素子は、例えば図2に示したようなESD保護回路中に用いることができる。即ち、ESD保護素子のソース・ドレイン電極の一方とゲート電極を短絡し、入出力パッド118と内部回路119の結線に接続し、ソース・ドレイン電極の他方を接地する。このように接続すると、入出力電極パッド118にサージ電流が流れ込んだ場合、本実施形態に係るESD保護素子(トランジスタ)100がON状態になり、サージ電流が内部回路119中に流れ込むのを阻止する。サージでなく、しきい値以下の電圧がパッド118に入力された場合には何も起こらないため、通常の信号に関しては内部回路119とのやり取りが可能である。
The ESD protection element of the present embodiment can be used in, for example, an ESD protection circuit as shown in FIG. That is, one of the source / drain electrodes and the gate electrode of the ESD protection element are short-circuited, connected to the connection between the input /
これらの構造に望ましい要件は次の通りである。第1のゲート絶縁膜は、駆動力を確保するためなるべく薄いほうが良く、具体的には2nm以下程度にするのが良い。逆に、第2のゲート絶縁膜は、耐圧を確保するためになるべく厚いほうが良く、具体的には、4nm以上にすることが望ましい。 Desirable requirements for these structures are as follows. The first gate insulating film should be as thin as possible in order to secure driving force, and specifically, it should be about 2 nm or less. On the contrary, the second gate insulating film is preferably as thick as possible in order to ensure a withstand voltage, and specifically, it is desirable that the thickness be 4 nm or more.
また、第1のゲート絶縁膜を、例えば通常のシリコン酸化膜で形成し、第2のゲート絶縁膜を高誘電率(high−K)絶縁膜で形成すれば、絶縁耐圧を上げ、駆動電流を大きくすることができる。 Further, if the first gate insulating film is formed of, for example, a normal silicon oxide film and the second gate insulating film is formed of a high dielectric constant (high-K) insulating film, the withstand voltage is increased and the drive current is increased. Can be bigger.
次に、第1の実施形態のESD保護素子の製造方法について説明する。図4〜7は、本実施形態に係わる半導体装置(ESD保護素子)の製造工程を段階的に示す断面図である。ここではn型チャネルデバイスの例を示すが、p型チャネルデバイスについても同様にして作製できる。 Next, a method for manufacturing the ESD protection element of the first embodiment will be described. 4 to 7 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device (ESD protection element) according to this embodiment step by step. Although an example of an n-type channel device is shown here, a p-type channel device can be manufactured in the same manner.
まず、図4(a)、(b)、(c)に示すように、支持基板110上に絶縁膜111が形成され、絶縁膜111上にSOI層が形成されたSOI基板を準備する。このSOI基板上に、チャネルの保護膜として窒化シリコンをLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)などの方法で100nm程度堆積し、公知の素子分離技術によって、素子分離を行う。さらに、既存のパターニング技術により、SOI層126をパターニングし、チャネル112cが形成されるFin(板状半導体層112)を形成する。Finの幅は例えば10nmである。なお、図では複数のFinを形成するように描いているが、Finの数は本質ではなく、1枚であってもよい。
First, as shown in FIGS. 4A, 4 </ b> B, and 4 </ b> C, an SOI substrate in which an
次に、図5(a)、(b)、(c)に示すように、第1のゲート絶縁膜113として、1nmほどの二酸化シリコンをRTO(Rapid Thermal Oxidation)などによって形成し、その後プラズマ窒化をして誘電率を大きくする。さらに、第1のゲート電極114となるポリシリコン膜をLPCVDなどで100nm程度堆積し、板状半導体層112を跨ぎかつ挟むように埋め込む。さらに、この上に5nmほどの第2のゲート絶縁膜116及び100nmほどの第2のゲート電極117をLDCVDによって堆積する。
Next, as shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, as the first gate
その後、窒化シリコン膜からなるハードマスク層(図示せず)を堆積して、フォトリソグラフィー技術などを用いて上記ハードマスク層をパターニング、次いで、パターニングされたハードマスク層をマスクとしてRIE等でポリシリコン層をパターニングすると第1のゲート電極114、第2のゲート絶縁膜116、第2のゲート電極117が形成される(図5(a)、(b)、(c)参照)。ここで、さらにオフセットスペーサーなどを形成する場合もあるが図示していない。なお、図5(a)は平面図を、図5(b)は図5(a)のB−B線に沿った断面図を、図5(c)は正面図を示す。
Thereafter, a hard mask layer (not shown) made of a silicon nitride film is deposited, and the hard mask layer is patterned using a photolithography technique or the like, and then polysilicon is formed by RIE or the like using the patterned hard mask layer as a mask. When the layer is patterned, a
次に、図6(a)、(b)、(c)に示すように、p型の場合はボロンを1keVで1×1014cm-2、n型の場合は砒素を0.5keVで2×1015cm-2程度イオン注入し、ポケットまたはエクステンション領域を形成する。なお、図6(a)は平面図を、図6(b)は図6(a)のB−B線に沿った断面図を、図6(c)は正面図を示す。 Next, as shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, boron is 1 × 10 14 cm −2 at 1 keV for the p-type, and arsenic is 2 × 0.5 keV for the n-type. Ions are implanted at about × 10 15 cm −2 to form pockets or extension regions. 6A is a plan view, FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 6A, and FIG. 6C is a front view.
次に、図7(a)、(b)、(c)に示すように、二酸化シリコン10nm、窒化シリコン10nmからなる積層膜をLPCVD法によって堆積し、RIE(Reactive Ion Etching)などで上記積層膜をパターニングすることにより、ゲート側壁絶縁膜122を形成する。なお、図7(a)は平面図を、図7(b)は図7(a)のB−B線に沿った断面図、図7(c)は正面図を示す。
Next, as shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C, a laminated film made of silicon dioxide 10 nm and silicon nitride 10 nm is deposited by LPCVD, and the laminated film is formed by RIE (Reactive Ion Etching) or the like. By patterning, a gate sidewall insulating
次いでに、図示は省略するが、砒素を30keVで3×1015cm−2程度イオン注入してディープ拡散層領域を形成する。以降、コンタクト形成などを行うと図1に示したような構造を作製できるが、その前にホット燐酸処理をしてFin領域126上の保護膜を除去した後、CoやNiなどをスパッタし、熱処理することにより、セルフアラインシリサイド層をFin領域126およびゲート電極114上に形成してもよい。
Next, although not shown in the figure, arsenic is ion-implanted at 30 keV to about 3 × 10 15 cm −2 to form a deep diffusion layer region. Thereafter, when the contact formation or the like is performed, the structure as shown in FIG. 1 can be produced. Before that, after hot phosphoric acid treatment is performed and the protective film on the
なお、第1の実施形態ではSOI基板を使用したが、バルクの半導体基板上に絶縁層を介して半導体層を堆積し、板状半導体層に加工してもよい。 Although the SOI substrate is used in the first embodiment, a semiconductor layer may be deposited on a bulk semiconductor substrate via an insulating layer and processed into a plate-like semiconductor layer.
このように、第1の実施形態に依れば、FinFETの性能を損なうことなく、また、FinFETの高密度実装を生かしたESD保護素子を提供することができる。 Thus, according to the first embodiment, it is possible to provide an ESD protection element that does not impair the performance of the FinFET and makes use of the high density mounting of the FinFET.
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、第2のゲート電極を第1のゲート電極の直上に積み重ねたが、本発明はこれに限るものではなく、第1のゲート電極の引き出し部のパッド上に、第2のゲート電極を設けてもよい。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the second gate electrode is stacked directly on the first gate electrode. However, the present invention is not limited to this, and the second gate electrode is formed on the pad of the lead portion of the first gate electrode. The gate electrode may be provided.
図8(a),(b)は、第2の実施形態に係るESD保護素子の、夫々上面図およびB−B線に沿った断面図である。第2の実施形態では、第2のゲート絶縁膜及び第2のゲート電極は、ゲート電極引き出しパッド130上に形成されている。上記以外のESD保護素子の構成は第1の実施形態と同じなので、重複する説明を省略する。このように構成しても、FinFETの駆動力低下を最小限に抑えながら、総合的なゲート絶縁膜の耐圧を飛躍的に高めることができる。
FIGS. 8A and 8B are a top view and a cross-sectional view taken along line B-B, respectively, of the ESD protection element according to the second embodiment. In the second embodiment, the second gate insulating film and the second gate electrode are formed on the gate
また、第2の実施形態においても、第1のゲート絶縁膜は、駆動力を確保する為なるべく薄い方が良く、具体的には2nm以下程度にするのが良い。逆に、第2のゲート絶縁膜は、耐圧を確保する為なるべく厚い方が良く、具体的には、4nm以上にすることが望ましい。 Also in the second embodiment, the first gate insulating film is preferably as thin as possible in order to ensure the driving force, and specifically, should be about 2 nm or less. On the other hand, the second gate insulating film is preferably as thick as possible in order to ensure a withstand voltage, and specifically, it is desirable that the thickness be 4 nm or more.
また、第1のゲート絶縁膜を、例えば通常のシリコン酸化膜で形成し、第2のゲート絶縁膜を高誘電率(high−K)絶縁膜で形成すれば、絶縁耐圧を上げ、駆動電流を大きくすることができる。 Further, if the first gate insulating film is formed of, for example, a normal silicon oxide film and the second gate insulating film is formed of a high dielectric constant (high-K) insulating film, the withstand voltage is increased and the drive current is increased. Can be bigger.
このように、第2の実施形態に依れば、ゲート引き出しパッドを利用することにより、実装密度を損なうことなく、より自由度の大きいESD保護素子を提供することができる。 As described above, according to the second embodiment, by using the gate lead pad, it is possible to provide an ESD protection element with a higher degree of freedom without deteriorating the mounting density.
なお、上記実施の形態では、全てのデバイスをSOI基板上に作成しているが、バルクSi基板上に作製したFinFETにも全く同様に、本発明を適用できる。また、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々変更して実施することは可能である。 In the above embodiment, all devices are formed on an SOI substrate. However, the present invention can be applied to a FinFET manufactured on a bulk Si substrate. Various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
100…ESD保護素子
110…半導体基板
111…埋め込み絶縁層
112…板状半導体層(Fin)
112c…チャネル領域
113…第1のゲート絶縁膜
114…第1のゲート電極
115…ソース・ドレイン領域(電極)
116…第2のゲート絶縁膜
117…第2のゲート電極
118…入出力パッド
119…内部回路
126…SOI層
128…窒化シリコン膜
130…ゲート引出しパッド
DESCRIPTION OF
112c ...
116 ... second
Claims (5)
前記半導体基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上の1領域に垂直に設けられた板状半導体層と、
前記板状半導体層の中央部において、第1のゲート絶縁膜を介して前記板状半導体層を跨ぎかつこれを挟むように形成された第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極上に、第2のゲート絶縁膜を介して形成された第2のゲート電極とを具備し、
前記板状半導体層は、前記第1のゲート絶縁膜を介して前記第1のゲート電極と対向するチャネル領域と、このチャネル領域の両側に形成された一対のソース・ドレイン電極とを含むことを特徴とするESD保護素子。 A semiconductor substrate;
An insulating layer formed on the semiconductor substrate;
A plate-like semiconductor layer provided perpendicular to one region on the insulating layer;
A first gate electrode formed so as to straddle and sandwich the plate-like semiconductor layer via a first gate insulating film at a central portion of the plate-like semiconductor layer;
A second gate electrode formed on the first gate electrode through a second gate insulating film;
The plate-like semiconductor layer includes a channel region facing the first gate electrode through the first gate insulating film, and a pair of source / drain electrodes formed on both sides of the channel region. A featured ESD protection element.
前記半導体基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に垂直に設けられた板状半導体層と、
前記板状半導体層の中央部において、第1のゲート絶縁膜を介して前記板状半導体層を跨ぎかつこれを挟むように形成された第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極の引き出しパッドと、
前記引出しパッド上に、第2のゲート絶縁膜を介して形成された第2のゲート電極とを具備し、
前記板状半導体層は、前記第1のゲート絶縁膜を介して前記第1のゲート電極と対向するチャネル領域と、このチャネル領域を挟んで両側に形成された一対のソース・ドレイン電極とからなることを特徴とするESD保護素子。 A semiconductor substrate;
An insulating layer formed on the semiconductor substrate;
A plate-like semiconductor layer provided vertically on the insulating layer;
A first gate electrode formed so as to straddle and sandwich the plate-like semiconductor layer via a first gate insulating film at a central portion of the plate-like semiconductor layer;
A lead pad of the first gate electrode;
A second gate electrode formed on the lead pad through a second gate insulating film;
The plate-like semiconductor layer includes a channel region facing the first gate electrode through the first gate insulating film, and a pair of source / drain electrodes formed on both sides of the channel region. An ESD protection element characterized by the above.
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