JP2007294765A - Semiconductor device - Google Patents

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洋一 林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means of lowering the breakdown voltage of an SCR element used for the ESD protective circuit of a semiconductor device of SOI structure. <P>SOLUTION: The semiconductor device is equipped with a p-type silicon substrate, a buried insulating layer formed on the p-type silicon substrate, an SOI layer formed on the buried insulating layer, an n-well layer formed by diffusing n-type impurities into the p-type silicon substrate, a first p-type diffusion layer and a first n-type diffusion layer formed in the n-well layer, a second p-type diffusion layer and a second n-type diffusion layer formed in the p-type silicon substrate separating from the n-well layer, an anode electrode to the first p-type diffusion layer penetrating through the SOI layer and the buried insulating layer, an n-well electrode reaching to the first n-type diffusion layer, a cathode electrode to the second diffusion layer, and a substrate electrode reaching to the second p-type diffusion layer. Furthermore, a conductive diffusion layer formed by diffusing conductive impurities is provided in the SOI layer located between the anode electrode and the cathode electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、内部回路を保護するSCR(Silicon Controlled Rectifier)素子を用いたESD(Electro Static Discharge)保護素子を有するSOI(Silicon On Insulator)構造の半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having an SOI (Silicon On Insulator) structure having an ESD (Electro Static Discharge) protection element using an SCR (Silicon Controlled Rectifier) element that protects an internal circuit, and a manufacturing method thereof.

一般に、半導体装置においては、内部回路に電気的に接続する信号端子に静電気や落雷等により外部から破壊耐圧以上の高電圧(サージ電圧という。)が印加された場合に、内部回路に過剰な電流が流れることを防止するために、ESD保護回路を信号端子と内部回路との間に挿入してサージ電圧による大電流をバイパスさせ、内部回路に流れる電流を定格電流以下にして大電流から内部回路を保護することが行われている。   Generally, in a semiconductor device, when a high voltage (referred to as a surge voltage) exceeding the breakdown voltage is applied to a signal terminal electrically connected to an internal circuit from the outside due to static electricity or a lightning strike, an excessive current is applied to the internal circuit. In order to prevent current from flowing, an ESD protection circuit is inserted between the signal terminal and the internal circuit to bypass the large current caused by the surge voltage, and the current flowing in the internal circuit is reduced to the rated current or less to reduce the current from the large current to the internal circuit. It has been done to protect.

ESD保護回路としては、MOSFET(MOS(Metal Oxide Semiconductor) Effect Transistor)やPNダイオードやSCR素子を用いたものが一般的であるが、SCR素子は比較的小さい面積で、小さい保持電圧と小さいオン抵抗による高いESD保護機能を有することから広く用いられている。
一方、近年の半導体装置の高速化および高密度化に対応して内部回路に用いるMOSFET等の半導体素子(内部素子という。)が微細化し、MOSFETのゲート長の短縮化等が行われることに伴い、微細化に伴う短チャンネル効果を抑制するSOI構造の半導体装置が主流となってきている。このような微細化に伴って、内部回路を構成する内部素子の破壊耐圧は低下の傾向にあり、SOI構造の半導体装置に設けるSCR素子のブレークダウン電圧を下げることが期待されている。
As an ESD protection circuit, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor) Effect Transistor (PN), a PN diode, or an SCR element is generally used. However, the SCR element has a relatively small area, a small holding voltage, and a small on-resistance. Is widely used because of its high ESD protection function.
On the other hand, along with the recent increase in the speed and density of semiconductor devices, semiconductor elements such as MOSFETs (referred to as internal elements) used in internal circuits have become finer, and MOSFET gate lengths have been shortened. Semiconductor devices having an SOI structure that suppresses the short channel effect associated with miniaturization have become mainstream. Along with such miniaturization, the breakdown voltage of the internal elements constituting the internal circuit tends to decrease, and it is expected that the breakdown voltage of the SCR elements provided in the SOI structure semiconductor device is lowered.

SCR素子のブレークダウン電圧を下げるために、従来の半導体装置は、シリコンからなるバルク基板に形成したNウェル層およびPウェル層に、それぞれにP型拡散層とN型拡散層とを形成してSCR素子を形成し、Nウェル層のN型拡散層とPウェル層のN型拡散層との間に形成したゲート絶縁膜上にゲート電極を形成してnMOS素子を構成し、このnMOS素子のゲート電極と信号端子との間にキャパシタおよび抵抗器からなる制御回路を設け、信号端子にサージ電流が印加されたときにnMOS素子に生じるブレークダウンをトリガとしてSCR素子を機能させ、内部回路をサージ電圧による破壊から保護している(例えば、特許文献1参照。)。   In order to lower the breakdown voltage of the SCR element, a conventional semiconductor device has a P-type diffusion layer and an N-type diffusion layer formed on an N well layer and a P well layer formed on a bulk substrate made of silicon, respectively. An SCR element is formed, and a gate electrode is formed on the gate insulating film formed between the N-type diffusion layer of the N-well layer and the N-type diffusion layer of the P-well layer to form an nMOS element. A control circuit consisting of a capacitor and a resistor is provided between the gate electrode and the signal terminal, and the SCR element functions by using a breakdown generated in the nMOS element as a trigger when a surge current is applied to the signal terminal. It is protected from breakdown due to voltage (for example, see Patent Document 1).

また、SCR素子にMOSFETを組み合わせたLVTSCR(Low Voltage Triggering SCR)をバルク基板上に形成するときに、MOSFETのスナップバック特性等からMOSFETの不純物プロファイルを抽出し、これに対応させてSCR素子の寸法等を決定してSCR素子のブレークダウン電圧の低減を図っているものもある(例えば、特許文献2参照。)。   Further, when an LVTSCR (Low Voltage Triggering SCR) in which a MOSFET is combined with an SCR element is formed on a bulk substrate, an impurity profile of the MOSFET is extracted from the snapback characteristics of the MOSFET, and the dimensions of the SCR element are correspondingly extracted. In some cases, the breakdown voltage of the SCR element is reduced (see, for example, Patent Document 2).

このような、バルク基板に形成したSCR素子を用いたESD保護回路の場合は、サージ電圧による大電流がバイパスされたときのSCR素子の発熱により、内部素子が形成されているバルク基板が加熱され、その熱影響が内部素子に及ぶことが懸念される。
このような熱影響を防止するために、従来の半導体装置は、シリコン基板に埋込み絶縁層とSOI層とを積層してSOI構造を形成し、その埋込み絶縁層下のシリコン基板に拡散層を形成し、この拡散層上にSOI層および埋込み絶縁層を貫通させた導電性プラグを形成する技術(例えば、特許文献3参照。)を用いて、P型不純物を拡散させたP型シリコン基板上に、埋込み絶縁層とSOI層とを積層したSOI構造の半導体基板の埋込み絶縁層下のP型シリコン基板にN型不純物を拡散して形成されたNウェル層の表層に第1のP型拡散層と第1のN型拡散層とを形成し、Nウェル層の近傍のP型シリコン基板の表層に第2のP型拡散層と第2のN型拡散層とを形成し、これらP型シリコン基板に形成された各拡散層上に、SOI層および埋込み絶縁層を貫通し、各型拡散層に達する導電性プラグを形成してSCR素子として機能させ、サージ電圧による大電流がバイパスされたときの発熱を効率的に放散させている(例えば、特許文献4参照。)。
特開平10−92951号公報(第4頁段落0009−第5頁段落0015、第1図) 特開2005−251874号公報(第6頁段落0029−0031および第8頁段落0044−0046、第2図) 特開平10−321868号公報(第5頁段落0028−第6頁段落0039、第2図) 特開2002−270687号公報(第3頁段落0008および第6頁段落0027−第7頁段落0032、第8図)
In the case of such an ESD protection circuit using an SCR element formed on a bulk substrate, the bulk substrate on which the internal element is formed is heated by heat generation of the SCR element when a large current due to a surge voltage is bypassed. There is a concern that the thermal effect may affect the internal elements.
In order to prevent such a thermal effect, the conventional semiconductor device forms an SOI structure by stacking a buried insulating layer and an SOI layer on a silicon substrate, and forms a diffusion layer on the silicon substrate below the buried insulating layer. Then, on the P-type silicon substrate in which the P-type impurity is diffused by using a technique (for example, refer to Patent Document 3) for forming a conductive plug penetrating the SOI layer and the buried insulating layer on the diffusion layer. The first P-type diffusion layer is formed on the surface layer of the N-well layer formed by diffusing N-type impurities in the P-type silicon substrate below the buried insulating layer of the SOI structure semiconductor substrate in which the buried insulating layer and the SOI layer are stacked. And a first N-type diffusion layer, and a second P-type diffusion layer and a second N-type diffusion layer are formed on the surface layer of the P-type silicon substrate in the vicinity of the N-well layer. On each diffusion layer formed on the substrate, an SOI layer and A conductive plug that penetrates the buried insulating layer and reaches each type of diffusion layer is formed to function as an SCR element to efficiently dissipate heat generated when a large current due to surge voltage is bypassed (for example, a patent) Reference 4).
JP-A-10-92951 (page 4, paragraph 0009 to page 5, paragraph 0015, FIG. 1) JP 2005-251874 A (paragraph 0029-0031 on the sixth page and paragraphs 0044-0046 on the eighth page, FIG. 2) JP-A-10-321868 (5th page paragraph 0028-6th page paragraph 0039, FIG. 2) JP 2002-270687 (3rd page paragraph 0008 and 6th page paragraph 0027-7th page paragraph 0032, FIG. 8)

しかしながら、上述した従来の特許文献4の技術においては、P型シリコン基板にSCR素子を形成してバイパスされた大電流による発熱を効率的に放散させているものの、上記したように内部素子の破壊耐圧が低い場合は、内部素子が破壊する前に大電流をSCR素子に流すことが必要であり、SCR素子のブレークダウン電圧を十分に低くすることがSOI構造の半導体基板を用いた半導体装置の課題になる。   However, in the technique of the above-mentioned conventional patent document 4, although the SCR element is formed on the P-type silicon substrate and the heat generated by the bypassed large current is efficiently dissipated, as described above, the destruction of the internal element When the breakdown voltage is low, it is necessary to flow a large current through the SCR element before the internal element breaks down, and the breakdown voltage of the SCR element must be sufficiently lowered in a semiconductor device using an SOI structure semiconductor substrate. It becomes a challenge.

この場合に、特許文献1のようなnMOS素子を用いてESD保護回路を形成すると、通常動作(例えば1.5V)の場合に、ESD保護回路を構成するnMOS素子のチャネル領域にチャネルが形成されてリーク電流の要因となることを防止するためには、そのスレッショルド電圧を内部素子の定格電圧より高くする必要があり、SOI層の膜厚を厚く(例えば0.1μm程度)にしなければならず、リーク電流を防止するためにSOI層を厚くすると短チャンネル効果の抑制が不十分となって内部回路の高密度化を図ることができないという問題がある。   In this case, when the ESD protection circuit is formed using the nMOS element as in Patent Document 1, a channel is formed in the channel region of the nMOS element constituting the ESD protection circuit in the normal operation (for example, 1.5 V). In order to prevent leakage current, the threshold voltage must be higher than the rated voltage of the internal element, and the SOI layer must be thick (for example, about 0.1 μm). If the SOI layer is thickened to prevent leakage current, the short channel effect is not sufficiently suppressed, and the internal circuit cannot be densified.

このため、ESD保護回路のnMOS素子のゲート電圧を制御する制御回路を設けると、これを構成するキャパシタや抵抗器を設けるスペースを確保しなければならず、半導体装置が大型化するという問題がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、SOI構造の半導体装置のESD保護回路に用いるSCR素子のブレークダウン電圧を低くする手段を提供することを目的とする。
For this reason, when a control circuit for controlling the gate voltage of the nMOS element of the ESD protection circuit is provided, a space for providing a capacitor and a resistor constituting the control circuit must be secured, and there is a problem that the semiconductor device is increased in size. .
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide means for reducing the breakdown voltage of an SCR element used in an ESD protection circuit of a semiconductor device having an SOI structure.

本発明は、上記課題を解決するために、P型シリコン基板と、該P型シリコン基板上に形成された埋込み絶縁層と、該埋込み絶縁層上に形成されたSOI層と、前記P型シリコン基板にN型不純物を拡散して形成されたNウェル層と、該Nウェル層に形成された第1のP型拡散層および第1のN型拡散層と、前記Nウェル層と離間し、前記P型シリコン基板に形成された第2のP型拡散層および第2のN型拡散層と、前記SOI層および前記埋込み絶縁層を貫通し、前記第1のP型拡散層に達するアノード電極と、前記第1のN型拡散層に達するNウェル電極と、前記第2のN型拡散層に達するカソード電極と、前記第2のP型拡散層に達する基板電極とを備えた半導体装置において、前記アノード電極と、前記カソード電極との間のSOI層に、導電性不純物を拡散して形成された導電拡散層とを設けたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides a P-type silicon substrate, a buried insulating layer formed on the P-type silicon substrate, an SOI layer formed on the buried insulating layer, and the P-type silicon. An N well layer formed by diffusing an N type impurity in the substrate, a first P type diffusion layer and a first N type diffusion layer formed in the N well layer, and spaced apart from the N well layer; The second P-type diffusion layer and the second N-type diffusion layer formed on the P-type silicon substrate, and the anode electrode that penetrates the SOI layer and the buried insulating layer and reaches the first P-type diffusion layer A semiconductor device comprising: an N well electrode reaching the first N type diffusion layer; a cathode electrode reaching the second N type diffusion layer; and a substrate electrode reaching the second P type diffusion layer. , SOI between the anode electrode and the cathode electrode To, is characterized by providing a conductive impurity is formed by diffusing a conductive diffusion layer.

これにより、本発明は、サージ電圧を導電拡散層に導いて、埋込み絶縁層下のP型シリコン基板に形成される空乏層に電荷を注入することができ、埋込み絶縁層下の空乏層を反転しやすくして、サージ電圧の印加をトリガとしてSCR素子を低いブレークダウン電圧で作動させることができ、内部回路をバイパスさせてサージ電圧による大電流をP型シリコン基板に流してSOI層への熱影響を軽減することができると共に、内部回路をサージ電圧から保護することができるという効果が得られる。   As a result, the present invention can guide surge voltage to the conductive diffusion layer and inject charge into the depletion layer formed in the P-type silicon substrate under the buried insulating layer, and invert the depletion layer under the buried insulating layer. The SCR element can be operated with a low breakdown voltage triggered by the application of a surge voltage, and the internal circuit is bypassed and a large current due to the surge voltage is passed through the P-type silicon substrate to heat the SOI layer. The effect can be reduced, and the internal circuit can be protected from the surge voltage.

以下に、図面を参照して本発明による半導体装置およびその製造方法の実施例について説明する。   Embodiments of a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は実施例の半導体装置の断面を示す説明図、図2、図3は実施例の半導体装置の製造方法を示す説明図である。
なお、図1は半導体装置に形成した一つのSCR素子の近傍の断面を示している。また図1に示す破線は、各電極の結線状態を示している
図1において、1はSOI構造の半導体基板であり、比較的厚いシリコンに比較的低濃度のボロン(B)やアルミニウム(Al)等のP型の導電性不純物(P型不純物という。)を一様に拡散したシリコン基板2(P型シリコン基板2という。)上に酸化シリコン(SiO)等の絶縁材料からなる膜厚0.2μm程度の埋込み絶縁層3を積層し、その上に膜厚0.05μm程度の薄いシリコンに比較的低濃度のP型不純物を一様に拡散したSOI層4を積層して形成されており、このSOI層4には半導体装置の内部回路を構成する内部素子が形成される。
FIG. 1 is an explanatory view showing a cross section of the semiconductor device of the embodiment, and FIGS. 2 and 3 are explanatory views showing a method of manufacturing the semiconductor device of the embodiment.
FIG. 1 shows a cross section in the vicinity of one SCR element formed in a semiconductor device. Also, the broken line shown in FIG. 1 shows the connection state of each electrode. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate having an SOI structure, which is made of boron (B) or aluminum (Al) at a relatively low concentration in relatively thick silicon. A film thickness of 0 made of an insulating material such as silicon oxide (SiO 2 ) on a silicon substrate 2 (referred to as P-type silicon substrate 2) in which a P-type conductive impurity (referred to as P-type impurity) is uniformly diffused. A buried insulating layer 3 having a thickness of about 2 μm is laminated, and an SOI layer 4 in which a relatively low concentration P-type impurity is uniformly diffused is laminated on thin silicon having a thickness of about 0.05 μm. In the SOI layer 4, internal elements constituting the internal circuit of the semiconductor device are formed.

5は内部素子としてのnMOS素子であり、SOI層4上に形成された酸化シリコン等からなるゲート絶縁膜6を介してSOI層4に対向配置されたポリシリコン等からなるゲート電極7、ゲート電極7の両側面に形成された酸化シリコン等からなるサイドウォール8、ゲート電極7の両側に比較的高濃度のリン(P)や砒素(As)等のN型の導電性不純物(N型不純物という。)を拡散させて形成されたソース層9およびドレイン層10、ソース層9およびドレイン層10上にタングステン(W)等の導電材料で形成されたソース電極11およびドレイン電極12等で構成されており、ソース層9およびドレイン層10に挟まれたゲート電極7下の低濃度のP型不純物を拡散させたSOI層4がnMOS素子5のチャネル領域13として機能し、ゲート電極7に定格電圧が印加されたときに、チャネル領域13に形成されるチャネルにより、ソース層9とドレイン層10との間を流れる電流を制御する機能を有している。   Reference numeral 5 denotes an nMOS element as an internal element, a gate electrode 7 made of polysilicon or the like disposed opposite to the SOI layer 4 via a gate insulating film 6 made of silicon oxide or the like formed on the SOI layer 4, and a gate electrode The side wall 8 made of silicon oxide or the like formed on both side surfaces of the gate electrode 7 and N-type conductive impurities (referred to as N-type impurities) such as relatively high concentration phosphorus (P) or arsenic (As) on both sides of the gate electrode 7. .) Is formed by a source electrode 11 and a drain electrode 12 formed of a conductive material such as tungsten (W) on the source layer 9 and the drain layer 10. The SOI layer 4 in which a low-concentration P-type impurity is diffused under the gate electrode 7 sandwiched between the source layer 9 and the drain layer 10 is used as the channel region 13 of the nMOS element 5. And ability, when the rated voltage is applied to the gate electrode 7, the channel formed in the channel region 13 has a function of controlling the current flowing between the source layer 9 and the drain layer 10.

15は信号端子であり、内部回路と外部との間の信号を送受するための端子であって、内部素子としてのnMOS素子5のドレイン電極12に接続される。またnMOS素子5のソース電極11とゲート電極7はそれぞれ内部回路の所定の部位に電気的に接続されている。
20はSCR素子であり、低濃度のP型不純物を拡散させたP型シリコン基板2に低濃度のN型不純物を部分的に拡散して形成されたNウェル層21と、Nウェル層21の表層に高濃度のP型不純物を拡散して形成された第1のP型拡散層22および高濃度のN型不純物を拡散して形成された第1のN型拡散層23と、P型シリコン基板2のNウェル層21と離間し、かつその近傍の表層に高濃度のP型不純物を拡散して形成された第2のP型拡散層24および高濃度のN型不純物を拡散して形成された第2のN型拡散層25と、SOI層4および埋込み絶縁層3を貫通し、第1および第2のP型拡散層22、24並びに第1および第2のN型拡散層23、25に達する酸化シリコン等からなる電極絶縁膜27に内周面を内張りされた4つの電極ホール28に導電材料を埋込んで形成された第1のP型拡散層22に達するアノード電極32と、第1のN型拡散層23に達するNウェル電極33と、第2のP型拡散層24に達する基板電極34と、第2のN型拡散層25に達するカソード電極35と、アノード電極32とカソード電極35との間のSOI層4に高濃度のN型不純物を拡散して形成された導電拡散層37と、導電拡散層37の直上に導電材料で形成された制御電極38等とで構成されている。
A signal terminal 15 is a terminal for transmitting and receiving signals between the internal circuit and the outside, and is connected to the drain electrode 12 of the nMOS element 5 as an internal element. The source electrode 11 and the gate electrode 7 of the nMOS element 5 are electrically connected to predetermined portions of the internal circuit, respectively.
Reference numeral 20 denotes an SCR element, which includes an N well layer 21 formed by partially diffusing a low concentration N type impurity in a P type silicon substrate 2 in which a low concentration P type impurity is diffused, A first P-type diffusion layer 22 formed by diffusing high-concentration P-type impurities in the surface layer; a first N-type diffusion layer 23 formed by diffusing high-concentration N-type impurities; and P-type silicon A second P-type diffusion layer 24 formed by diffusing high-concentration P-type impurities in a surface layer that is separated from the N-well layer 21 of the substrate 2 and in the vicinity thereof, and formed by diffusing high-concentration N-type impurities. The second N-type diffusion layer 25, the SOI layer 4 and the buried insulating layer 3, and the first and second P-type diffusion layers 22 and 24 and the first and second N-type diffusion layers 23, Four electrode insulating films 27 made of silicon oxide or the like reaching 25 are lined up on the inner peripheral surface. An anode electrode 32 reaching the first P-type diffusion layer 22 formed by embedding a conductive material in the pole hole 28, an N-well electrode 33 reaching the first N-type diffusion layer 23, and a second P-type diffusion A substrate electrode 34 reaching the layer 24, a cathode electrode 35 reaching the second N-type diffusion layer 25, and a high-concentration N-type impurity are diffused in the SOI layer 4 between the anode electrode 32 and the cathode electrode 35. The conductive diffusion layer 37 is formed, and a control electrode 38 formed of a conductive material immediately above the conductive diffusion layer 37 and the like.

このSCR素子20の第1のP型拡散層22および第1のN型拡散層23および導電拡散層37は、アノード電極32およびNウェル電極33および制御電極38を介して信号端子15に直接接続し、第2のP型拡散層24および第2のN型拡散層25は、カソード電極35および基板電極34を介してアース(VSS)または電源電圧(VDD)に接続される。これによりSCR素子20が本実施例のESD保護素子として機能する。   The first P-type diffusion layer 22, the first N-type diffusion layer 23 and the conductive diffusion layer 37 of the SCR element 20 are directly connected to the signal terminal 15 via the anode electrode 32, the N-well electrode 33 and the control electrode 38. The second P-type diffusion layer 24 and the second N-type diffusion layer 25 are connected to the ground (VSS) or the power supply voltage (VDD) via the cathode electrode 35 and the substrate electrode 34. Thereby, the SCR element 20 functions as an ESD protection element of the present embodiment.

以下に、図2、図3にPで示す工程に従って本実施例の半導体装置の製造方法について説明する。
P1(図2)、P型シリコン基板2上に埋込み絶縁層3と、低濃度のP型不純物を拡散させたSOI層4と積層した半導体基板1からなる半導体ウェハ40を準備し、そのSOI層4にSCR形成領域41および内部回路形成領域42を設定し、そのSCR形成領域41にNウェル層21の形成領域(Nウェル形成領域43という。)を設定する。
A method for manufacturing the semiconductor device of this example will be described below in accordance with the process indicated by P in FIGS.
P1 (FIG. 2), a semiconductor wafer 40 comprising a semiconductor substrate 1 laminated on a P-type silicon substrate 2 with a buried insulating layer 3 and an SOI layer 4 in which a low-concentration P-type impurity is diffused is prepared. 4, an SCR formation region 41 and an internal circuit formation region 42 are set, and a formation region of the N well layer 21 (referred to as an N well formation region 43) is set in the SCR formation region 41.

そして、半導体ウェハ40のSOI層4上に熱酸化法等により酸化シリコンからなる薄い保護酸化膜44を形成する。
P2(図2)、保護酸化膜44上にフォトリソグラフィによりNウェル形成領域43を除く領域を覆うレジストマスク46を形成し、これをマスクとして注入イオン分布のピークがP型シリコン基板2の上面、つまり埋込み絶縁層3との界面より下となる注入エネルギで、低濃度のN型不純物をイオン注入してP型シリコン基板2にNウェル層21を形成する。
Then, a thin protective oxide film 44 made of silicon oxide is formed on the SOI layer 4 of the semiconductor wafer 40 by a thermal oxidation method or the like.
P2 (FIG. 2), a resist mask 46 covering the region excluding the N well formation region 43 is formed on the protective oxide film 44 by photolithography, and using this as a mask, the peak of the implantation ion distribution is the upper surface of the P-type silicon substrate 2, In other words, an N well layer 21 is formed on the P type silicon substrate 2 by ion-implanting a low concentration N type impurity with an implantation energy below the interface with the buried insulating layer 3.

本実施例のSOI層4は膜厚0.05μm、埋込み絶縁層3は膜厚0.2μmであるので、注入イオン分布のピークがSOI層4の上面から0.25μmより大きくなる注入エネルギを用いる。
P3(図2)、工程P2で形成したレジストマスク46の除去後に、保護酸化膜44を除去し、SOI層4上に熱酸化法等によりゲート絶縁膜6を形成するためのシリコン酸化膜47を形成し、その上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりポリシリコン層を形成し、ポリシリコン層上にフォトリソグラフィによりゲート電極7の形成領域を覆うレジストマスク46(不図示)を形成し、これをマスクとして異方性エッチングによりポリシリコン層をエッチングしてシリコン酸化膜47を露出させ、nMOS素子5のゲート電極7を形成する。
Since the SOI layer 4 in this embodiment has a film thickness of 0.05 μm and the buried insulating layer 3 has a film thickness of 0.2 μm, an implantation energy that causes the peak of the implanted ion distribution to be larger than 0.25 μm from the upper surface of the SOI layer 4 is used. .
After removing the resist mask 46 formed in P3 (FIG. 2) and step P2, the protective oxide film 44 is removed, and a silicon oxide film 47 for forming the gate insulating film 6 on the SOI layer 4 by a thermal oxidation method or the like is formed. A polysilicon layer is formed on the polysilicon layer by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and a resist mask 46 (not shown) covering the formation region of the gate electrode 7 is formed on the polysilicon layer by photolithography. The polysilicon layer is etched by anisotropic etching as a mask to expose the silicon oxide film 47, and the gate electrode 7 of the nMOS element 5 is formed.

P4(図2)、工程P3で形成したレジストマスク46を除去し、フォトリソグラフィによりSCR形成領域41のNウェル層21上の電極ホール28およびP型シリコン基板2上の電極ホール28の形成領域に開口部を有するレジストマスク46を形成し、これをマスクとして異方性エッチングによりシリコン酸化膜47、SOI層4および埋込み絶縁層3をエッチングし、SOI層4および埋込み絶縁層3を貫通してNウェル層21およびP型シリコン基板2上に達する各2つ、合計4つの電極ホール28を形成する。   The resist mask 46 formed in P4 (FIG. 2) and process P3 is removed, and the electrode hole 28 on the N well layer 21 and the electrode hole 28 on the P-type silicon substrate 2 in the SCR formation region 41 are formed by photolithography. A resist mask 46 having an opening is formed, and using this as a mask, the silicon oxide film 47, the SOI layer 4 and the buried insulating layer 3 are etched by anisotropic etching, penetrating the SOI layer 4 and the buried insulating layer 3, and N A total of four electrode holes 28 are formed, two each reaching the well layer 21 and the P-type silicon substrate 2.

そして、電極ホール28を形成するための前記のレジストマスク46を除去し、ゲート電極7上およびSOI層4上等に熱酸化法によりサイドウォール8を形成するための酸化シリコンからなる厚膜のシリコン酸化膜48を形成する。
このとき、電極ホール28の内周面および底面にもシリコン酸化膜48が形成される。
P5(図3)、シリコン酸化膜48の形成後に、異方性エッチングによりシリコン酸化膜48およびシリコン酸化膜47をエッチングして、ゲート電極7の上面およびSOI層4の上面、並びに電極ホール28の底面、つまりNウェル層21の上面およびP型シリコン基板2の上面を露出させる。
Then, the resist mask 46 for forming the electrode hole 28 is removed, and a thick silicon film made of silicon oxide for forming the sidewall 8 on the gate electrode 7 and the SOI layer 4 by thermal oxidation. An oxide film 48 is formed.
At this time, the silicon oxide film 48 is also formed on the inner peripheral surface and the bottom surface of the electrode hole 28.
P5 (FIG. 3), after the formation of the silicon oxide film 48, the silicon oxide film 48 and the silicon oxide film 47 are etched by anisotropic etching to form the upper surface of the gate electrode 7, the upper surface of the SOI layer 4, and the electrode hole 28. The bottom surface, that is, the top surface of the N well layer 21 and the top surface of the P-type silicon substrate 2 are exposed.

これにより、ゲート電極7とSOI層4との間にゲート絶縁膜6が、ゲート電極7の両側にサイドウォール8が形成されると共に、電極ホール28の内周面が電極絶縁膜27により内張りされる。
次いで、フォトリソグラフィによりSCR形成領域41のNウェル層21上の電極ホール28の一つ、およびP型シリコン基板2上の電極ホール28の一つを覆うレジストマスク46を形成し、これをマスクとして露出しているSOI層4の上面、並びにレジストマスク46により塞がれていない電極ホール28の底に露出しているNウェル層21およびP型シリコン基板2上に高濃度のN型不純物をイオン注入し、ゲート電極7の両側のSOI層4にnMOS素子5のソース層9とドレイン層10とを形成すると共に、Nウェル層21の表層に第1のN型拡散層23を、P型シリコン基板2の表層に第2のN型拡散層25を形成する。
As a result, the gate insulating film 6 is formed between the gate electrode 7 and the SOI layer 4, the sidewalls 8 are formed on both sides of the gate electrode 7, and the inner peripheral surface of the electrode hole 28 is lined with the electrode insulating film 27. The
Next, a resist mask 46 covering one of the electrode holes 28 on the N well layer 21 in the SCR formation region 41 and one of the electrode holes 28 on the P-type silicon substrate 2 is formed by photolithography, and this is used as a mask. High-concentration N-type impurities are ionized on the upper surface of the exposed SOI layer 4 and the N-well layer 21 and the P-type silicon substrate 2 exposed at the bottom of the electrode hole 28 not covered by the resist mask 46. The source layer 9 and the drain layer 10 of the nMOS element 5 are formed in the SOI layer 4 on both sides of the gate electrode 7, and the first N type diffusion layer 23 is formed on the surface layer of the N well layer 21. A second N-type diffusion layer 25 is formed on the surface layer of the substrate 2.

このとき、Nウェル層21とP型シリコン基板2との界面の上方に位置するSOI層4にも同時に高濃度のN型不純物をイオン注入して導電拡散層37を形成する。
P6(図3)、工程P5で形成したレジストマスク46を除去し、フォトリソグラフィによりSCR形成領域41のNウェル層21上およびP型シリコン基板2上の工程P5で塞がれていた電極ホール28に開口部を有するレジストマスク46を形成し、これをマスクとしてレジストマスク46が開口している電極ホール28の底に露出しているNウェル層21およびP型シリコン基板2上に高濃度のP型不純物をイオン注入し、Nウェル層21の表層に第1のP型拡散層22を、P型シリコン基板2の表層に第2のP型拡散層24を形成する。
At this time, a high-concentration N-type impurity is simultaneously ion-implanted into the SOI layer 4 located above the interface between the N-well layer 21 and the P-type silicon substrate 2 to form a conductive diffusion layer 37.
P6 (FIG. 3), the resist mask 46 formed in step P5 is removed, and the electrode hole 28 that has been blocked in step P5 on the N well layer 21 in the SCR formation region 41 and on the P-type silicon substrate 2 by photolithography. A resist mask 46 having an opening is formed on the N well layer 21 and the P-type silicon substrate 2 exposed at the bottom of the electrode hole 28 in which the resist mask 46 is opened. A type impurity is ion-implanted to form a first P-type diffusion layer 22 in the surface layer of the N well layer 21 and a second P-type diffusion layer 24 in the surface layer of the P-type silicon substrate 2.

なお、本工程は半導体ウェハ40の他の部位に形成されている図示しないpMOS素子のソース層、ドレイン層の形成時に同時に行うとよい。
P7(図3)、第1および第2のP型拡散層24、26、第1および第2のN型拡散層23、25、並びに導電拡散層37の形成後にレジストマスク46を除去し、スパッタ法等によりSOI層4上、電極ホール28の電極絶縁膜27の内側に導電材料からなる導電層を形成する。
This step is preferably performed simultaneously with the formation of a source layer and a drain layer of a pMOS element (not shown) formed in another part of the semiconductor wafer 40.
After the formation of P7 (FIG. 3), the first and second P-type diffusion layers 24 and 26, the first and second N-type diffusion layers 23 and 25, and the conductive diffusion layer 37, the resist mask 46 is removed, and sputtering is performed. A conductive layer made of a conductive material is formed on the SOI layer 4 and inside the electrode insulating film 27 in the electrode hole 28 by a method or the like.

そして、フォトリソグラフィにより内部回路形成領域42のソース電極11とドレイン電極12およびSCR形成領域41のアノード電極32とNウェル電極33、基板電極34、カソード電極35と、制御電極38の形成領域を覆うレジストマスク46(不図示)を形成し、これをマスクとして導電層をエッチングしてソース層9上のソース電極11、ドレイン層10上のドレイン電極12を形成すると共に、SOI層4および埋込み絶縁層3を貫通し、第1のP型拡散層22に達するアノード電極32、第1のN型拡散層23に達するNウェル電極33、第2のP型拡散層24に達する基板電極34、第2のN型拡散層25に達するカソード電極35、並びにアノード電極32とカソード電極35との間の導電拡散層37の直上に、制御電極38を形成する。   Then, the source electrode 11 and drain electrode 12 in the internal circuit formation region 42 and the anode electrode 32 and N well electrode 33 in the SCR formation region 41, the substrate electrode 34, the cathode electrode 35, and the control electrode 38 are covered by photolithography. A resist mask 46 (not shown) is formed, and using this as a mask, the conductive layer is etched to form the source electrode 11 on the source layer 9 and the drain electrode 12 on the drain layer 10, and the SOI layer 4 and the buried insulating layer. 3, an anode electrode 32 reaching the first P-type diffusion layer 22, an N-well electrode 33 reaching the first N-type diffusion layer 23, a substrate electrode 34 reaching the second P-type diffusion layer 24, a second Of the cathode electrode 35 reaching the N-type diffusion layer 25 and the conductive diffusion layer 37 between the anode electrode 32 and the cathode electrode 35, To form a very 38.

次いで、工程P7で形成したレジストマスク46を除去して図1に示す本実施例のSCR素子20が形成される。
その後、SOI層4上を覆う層間絶縁膜や各電極と層間絶縁膜上とを電気的に接続するコンタクトプラグおよびコンタクトプラグに電気的に接続する配線パターン、信号端子15等を形成して本実施例のSCR素子20有するESD保護回路を備えた半導体装置を製造する。
Next, the resist mask 46 formed in the process P7 is removed, and the SCR element 20 of this embodiment shown in FIG. 1 is formed.
Thereafter, an interlayer insulating film that covers the SOI layer 4, contact plugs that electrically connect each electrode to the interlayer insulating film, a wiring pattern that is electrically connected to the contact plugs, signal terminals 15 and the like are formed, and this embodiment is performed. A semiconductor device having an ESD protection circuit having the example SCR element 20 is manufactured.

この場合に、本実施例のSCR素子20を用いたESD保護回路は、図4に示すように結線される。
すなわち、電源電圧(VDD)とアース(VSS)との間には、通常動作時の電圧のときは非導通で、サージ電圧からの保護時にのみ導通するESD保護素子として本実施例のSCR素子20が配置されており、図5に示すように、そのアノード電極32およびNウェル電極33および導電拡散層37上の制御電極38は電源電圧(VDD)に接続され、カソード電極35および基板電極34はアース(VSS)に接続される。
In this case, the ESD protection circuit using the SCR element 20 of this embodiment is connected as shown in FIG.
That is, between the power supply voltage (VDD) and the ground (VSS), the SCR element 20 of this embodiment is an ESD protection element that is non-conductive when the voltage is in a normal operation and is conductive only when it is protected from a surge voltage. As shown in FIG. 5, the anode electrode 32, the N well electrode 33, and the control electrode 38 on the conductive diffusion layer 37 are connected to the power supply voltage (VDD), and the cathode electrode 35 and the substrate electrode 34 are Connected to ground (VSS).

また、図4に示すように、信号端子15と電源電圧(VDD)との間には、第1のダイオード61がそのアノード側を信号端子15に接続して配置され、信号端子15とアース(VSS)との間には、第2のダイオード62がそのカソード側を信号端子15に接続して配置されている。
このように構成されたESD保護回路は、以下のように作動する。
As shown in FIG. 4, between the signal terminal 15 and the power supply voltage (VDD), a first diode 61 is arranged with its anode side connected to the signal terminal 15, and the signal terminal 15 and the ground ( (VSS), a second diode 62 is arranged with its cathode side connected to the signal terminal 15.
The ESD protection circuit configured as described above operates as follows.

信号端子15にサージ電圧、例えばプラスのサージ電圧が印加された場合は、第1のダイオード61が順方向バイアスとなり、第2のダイオード62が逆方向バイアスとなるので、そのサージ電流は第1のダイオード61側から図4に太い実線で示した経路を伝わってアース(VSS)側へ流れる。
すなわち、第1のダイオード61を通過したサージ電流は、電源電圧線によってSCR素子20へ導かれ、そのアノード電極32およびNウェル電極33および制御電極38を介して第1のP型拡散層22および第1のN型拡散層23および導電拡散層37にプラスのサージ電圧が印加されると、Nウェル層21に形成された第1のN型拡散層23と第1のP型拡散層22とが同じプラスの電位になり、第1のN型拡散層23およびNウェル層21と第1のP型拡散層22との間は逆方向バイアスとなるので、Nウェル層21と第1のP型拡散層22とのPN接合において正孔の流出が抑止される。
When a surge voltage, for example, a positive surge voltage is applied to the signal terminal 15, the first diode 61 is forward biased and the second diode 62 is reverse biased. The current flows from the diode 61 side to the ground (VSS) side through a path indicated by a thick solid line in FIG.
That is, the surge current that has passed through the first diode 61 is guided to the SCR element 20 by the power supply voltage line, and the first P-type diffusion layer 22 and the via the anode electrode 32, the N well electrode 33, and the control electrode 38. When a positive surge voltage is applied to the first N type diffusion layer 23 and the conductive diffusion layer 37, the first N type diffusion layer 23 and the first P type diffusion layer 22 formed in the N well layer 21 Are at the same positive potential, and the first N-type diffusion layer 23 and the N-well layer 21 and the first P-type diffusion layer 22 are reversely biased. Hole outflow is suppressed at the PN junction with the mold diffusion layer 22.

このとき、制御電極38に導かれたサージ電圧により、アノード電極32とカソード電極35との間の導電拡散層37の電位が上昇し、埋込み絶縁層3下のNウェル層21と第2のN型拡散層25との間のP型シリコン基板2に形成される空乏層に電荷が注入され、埋込み絶縁層3下の空乏層が反転しやすくなって低いブレークダウン電圧でNウェル層21と第1のP型拡散層22とのPN接合の抑止のバランスが崩れ、第1のP型拡散層22、Nウェル層21、P型シリコン基板2、第2のN型拡散層25を経由してアノード電極32とカソード電極35との間に急激に電流が流れるブレークダウンが生じ、小さなオン抵抗となってSCR素子20を小さな保持電圧で大電流が流れ、その電流はアース線を伝わってアース(VSS)側へ流れる。   At this time, the surge voltage guided to the control electrode 38 increases the potential of the conductive diffusion layer 37 between the anode electrode 32 and the cathode electrode 35, and the N well layer 21 below the buried insulating layer 3 and the second N Charge is injected into a depletion layer formed in the P-type silicon substrate 2 between the P-type diffusion layer 25 and the depletion layer under the buried insulating layer 3 is easily inverted, so that the N well layer 21 and the second well layer 21 can be reversed with a low breakdown voltage. The balance of inhibition of PN junction with the first P-type diffusion layer 22 is lost, and the first P-type diffusion layer 22, the N-well layer 21, the P-type silicon substrate 2, and the second N-type diffusion layer 25 are passed through. A breakdown occurs in which an abrupt current flows between the anode electrode 32 and the cathode electrode 35, resulting in a small on-resistance and a large current flowing through the SCR element 20 with a small holding voltage. VSS) That.

信号端子15にマイナスのサージ電圧が印加された場合は、第2のダイオード62が順方向バイアスとなり、第1のダイオード61が逆方向バイアスとなるので、そのサージ電流は第2のダイオード62側から図4に太い破線で示した経路を伝わって電源電圧(VDD)側へ流れる。
すなわち、第2のダイオード62を通過したサージ電流は、アース線によってSCR素子20へ導かれ、カソード電極35および基板電極34を介して第2のP型拡散層24および第2のN型拡散層25にマイナスのサージ電圧が印加されると、電源電圧(VDD)に接続されている第1のP型拡散層22および第1のN型拡散層23および導電拡散層37には相対的にプラスのサージ電圧が印加され、上記プラスのサージ電圧が印加された場合と相対的に等価の状態なって、上記と同様の作用によりSCR素子20にブレークダウンが生じ、その電流は電源電圧線を伝わって電源電圧(VDD)側へ流れる。
When a negative surge voltage is applied to the signal terminal 15, the second diode 62 is forward-biased and the first diode 61 is reverse-biased, so that the surge current is from the second diode 62 side. The current flows along the path indicated by the thick broken line in FIG. 4 to the power supply voltage (VDD) side.
That is, the surge current that has passed through the second diode 62 is guided to the SCR element 20 by the ground wire, and the second P-type diffusion layer 24 and the second N-type diffusion layer through the cathode electrode 35 and the substrate electrode 34. When a negative surge voltage is applied to 25, the first P-type diffusion layer 22, the first N-type diffusion layer 23 and the conductive diffusion layer 37 connected to the power supply voltage (VDD) are relatively positive. When the positive surge voltage is applied, the state becomes relatively equivalent to the case where the positive surge voltage is applied, and a breakdown occurs in the SCR element 20 by the same operation as described above, and the current is transmitted through the power supply voltage line. To the power supply voltage (VDD) side.

これにより、内部回路がプラスおよびマイナスのサージ電圧から保護される。
このような作動を行う本実施例SCR素子20のブレークダウン電圧をシミュレーション計算により求めた結果を図6に示す。
本シミュレーション計算は、図1に示す結線状態で行われ、図6に示す横軸はアノード電極32とNウェル電極33、および導電拡散層37上の制御電極38に印加されたプラスの電圧を示し、縦軸はアノード電極32とカソード電極35との間に流れる電流を示す。
This protects the internal circuit from positive and negative surge voltages.
FIG. 6 shows the result of the simulation calculation of the breakdown voltage of the SCR element 20 of this example that performs such an operation.
The simulation calculation is performed in the connection state shown in FIG. 1, and the horizontal axis shown in FIG. 6 indicates the positive voltage applied to the anode electrode 32, the N-well electrode 33, and the control electrode 38 on the conductive diffusion layer 37. The vertical axis indicates the current flowing between the anode electrode 32 and the cathode electrode 35.

図6に示す△印は本実施例の導電拡散層37を形成しなかった場合の電圧−電流特性を示し、○印は導電拡散層37を形成した本実施例SCR素子20の場合の電圧−電流特性を示す。
図6に示すように、本実施例のSCR素子20の場合(図6に示す○印)のブレークダウン電圧は約20Vであり、導電拡散層37を形成していない場合のブレークダウン電圧約460Vに較べて大幅に低減されている。
6 indicates the voltage-current characteristics when the conductive diffusion layer 37 of this embodiment is not formed, and the ◯ mark indicates the voltage in the case of the SCR element 20 of the present embodiment where the conductive diffusion layer 37 is formed. Current characteristics are shown.
As shown in FIG. 6, the breakdown voltage in the case of the SCR element 20 of this embodiment (circles shown in FIG. 6) is about 20V, and the breakdown voltage in the case where the conductive diffusion layer 37 is not formed is about 460V. It is greatly reduced compared to.

この場合に、通常動作時のリーク電流を防止するためには、ブレークダウン電圧を内部素子の定格電圧より高くすることが必要であるので、ブレークダウン電圧が高すぎる場合は導電拡散層37のN型不純物濃度を高めてブレークダウン電圧を下げるようにし、ブレークダウン電圧が低すぎる場合は導電拡散層37のN型不純物濃度を薄くして、または導電拡散層37にP型不純物を注入してブレークダウン電圧を高めるようにし、ブレークダウン電圧を内部回路の定格電圧より高く、かつ破壊耐圧(通常、定格電圧の2倍程度)より低い電圧に設定する。   In this case, in order to prevent a leakage current during normal operation, it is necessary to make the breakdown voltage higher than the rated voltage of the internal element. Therefore, if the breakdown voltage is too high, N of the conductive diffusion layer 37 The breakdown voltage is lowered by increasing the type impurity concentration. If the breakdown voltage is too low, the N type impurity concentration of the conductive diffusion layer 37 is decreased, or a P type impurity is implanted into the conductive diffusion layer 37 to cause a break. The breakdown voltage is increased, and the breakdown voltage is set to a voltage higher than the rated voltage of the internal circuit and lower than the breakdown voltage (usually about twice the rated voltage).

図7は本実施例のSCR素子20の導電拡散層37に高濃度のP型不純物を注入した場合およびpMOS素子50を示したものである。
図7において、内部素子としてのpMOS素子50は、低濃度のN型不純物を拡散させたSOI層4に、上記のnMOS素子5と同様のゲート絶縁膜6、ゲート電極7、サイドウォール8、ゲート電極7の両側に比較的高濃度P型不純物を拡散させて形成されたソース層51およびドレイン層52、ソース層51およびドレイン層52上に上記と同様に形成されたソース電極11およびドレイン電極12等で構成されており、ソース層51およびドレイン層52に挟まれたゲート電極7下の低濃度のN型不純物を拡散させたSOI層4がpMOS素子50のチャネル領域53として機能し、ゲート電極7に定格電圧が印加されたときに、チャネル領域53に形成されるチャネルにより、ソース層51とドレイン層52との間を流れる電流を制御する機能を有している。
FIG. 7 shows a case where a high concentration P-type impurity is implanted into the conductive diffusion layer 37 of the SCR element 20 of this embodiment and the pMOS element 50.
In FIG. 7, a pMOS element 50 as an internal element includes an SOI layer 4 in which low-concentration N-type impurities are diffused, a gate insulating film 6, a gate electrode 7, sidewalls 8, gates similar to the nMOS element 5 described above. Source layer 51 and drain layer 52 formed by diffusing relatively high-concentration P-type impurities on both sides of electrode 7, and source electrode 11 and drain electrode 12 formed on source layer 51 and drain layer 52 in the same manner as described above. The SOI layer 4 in which a low-concentration N-type impurity is diffused under the gate electrode 7 sandwiched between the source layer 51 and the drain layer 52 functions as the channel region 53 of the pMOS element 50, and the gate electrode 7, the current flowing between the source layer 51 and the drain layer 52 is controlled by the channel formed in the channel region 53 when a rated voltage is applied. It has a function of.

図7に示すSCR素子20の導電拡散層37は、高濃度のP型不純物を拡散して形成され、その直上には制御電極38が形成されている。
この場合に、信号端子15は、図7に破線で示すように、内部素子としてのpMOS素子50のドレイン電極12およびゲート電極7に接続されると共に、上記と同様にSCR素子20の第1のP型拡散層22および第1のN型拡散層23および導電拡散層37に直接接続され、第2のP型拡散層24および第2のN型拡散層25はアース(VSS)または電源電圧(VDD)に接続される。
The conductive diffusion layer 37 of the SCR element 20 shown in FIG. 7 is formed by diffusing high-concentration P-type impurities, and a control electrode 38 is formed immediately above.
In this case, as shown by a broken line in FIG. 7, the signal terminal 15 is connected to the drain electrode 12 and the gate electrode 7 of the pMOS element 50 as the internal element, and in the same manner as described above, the first terminal of the SCR element 20 is connected. The second P-type diffusion layer 24 and the second N-type diffusion layer 25 are connected directly to the P-type diffusion layer 22, the first N-type diffusion layer 23, and the conductive diffusion layer 37. VDD).

なお、pMOS素子50のソース電極11は内部回路の所定の部位に電気的に接続される。
この場合に、導電拡散層37へのP型不純物の注入は、pMOS素子50のソース層51およびドレイン層52、およびSCR素子20の第1および第2のP型拡散層22、24を形成するときに(上記工程P5に相当する工程)行われ、上記工程P6に相当する工程においては、N型不純物をイオン注入してSCR素子20の第1および第2のN型拡散層23、25が形成される。
The source electrode 11 of the pMOS element 50 is electrically connected to a predetermined part of the internal circuit.
In this case, the implantation of P-type impurities into the conductive diffusion layer 37 forms the source layer 51 and the drain layer 52 of the pMOS element 50 and the first and second P-type diffusion layers 22 and 24 of the SCR element 20. Sometimes (a step corresponding to the step P5) is performed, and in the step corresponding to the step P6, N-type impurities are ion-implanted to form the first and second N-type diffusion layers 23 and 25 of the SCR element 20. It is formed.

なお、上記工程P5とP6とは順序を入れ替えてもよい。前記の上記工程P5に相当する工程と上記工程P6に相当する工程の場合も同様である。
また、ブレークダウン電圧の調整は、上記と同様に導電拡散層37のP型不純物濃度の変更や不純物の種類をN型不純物に変更して行う。
この場合の信号端子15との結線は、上記したように図1に示す場合も図7に示す場合も同様にSCR素子20のアノード電極32、Nウェル電極33、制御電極38に直接接続し、入力回路の第1段または出力回路の最終段がnMOS素子5の場合には図1に示すようにnMOS素子5のドレイン電極12と接続し、入力回路の第1段または出力回路の最終段がpMOS素子50の場合には図7に示すようにpMOS素子50のドレイン電極12およびゲート電極7と接続する。
Note that the order of the steps P5 and P6 may be changed. The same applies to the process corresponding to the process P5 and the process corresponding to the process P6.
In addition, the breakdown voltage is adjusted by changing the P-type impurity concentration of the conductive diffusion layer 37 or changing the type of impurities to N-type impurities as described above.
In this case, the connection with the signal terminal 15 is directly connected to the anode electrode 32, the N-well electrode 33, and the control electrode 38 of the SCR element 20 in the case shown in FIG. When the first stage of the input circuit or the final stage of the output circuit is the nMOS element 5, as shown in FIG. 1, it is connected to the drain electrode 12 of the nMOS element 5, and the first stage of the input circuit or the final stage of the output circuit is In the case of the pMOS element 50, it is connected to the drain electrode 12 and the gate electrode 7 of the pMOS element 50 as shown in FIG.

つまり、導電拡散層37の不純物濃度や不純物の種類を変更してブレークダウン電圧の調整を行った場合でもSCR素子20における結線状態を変更する必要はない。
上記のように、本実施例のSCR素子20は、埋込み絶縁層3下のP型シリコン基板2にNウェル層21、並びに第1および第2のP型拡散層22、24、第1および第2のN型拡散層23、25を形成し、SOI層4および埋込み絶縁層3を貫通し、これらの拡散層に達するアノード電極32、Nウェル電極33、カソード電極35、基板電極34を形成し、アノード電極32とカソード電極35との間のSOI層4に形成した導電拡散層37に、サージ電圧を導くようにしたので、サージ電圧の印加により埋込み絶縁層3下のP型シリコン基板2に形成される空乏層に電荷を注入することができ、埋込み絶縁層3下の空乏層が反転しやすくなり、信号端子15へのサージ電圧の印加をトリガとしてSCR素子20を低いブレークダウン電圧でブレークダウンさせることができ、内部回路をバイパスさせてサージ電圧による大電流をP型シリコン基板2に流すことが可能になり、SOI層4への熱影響を軽減すると共に、内部回路をサージ電圧の印加から保護することができる他、薄いSOI層4により内部回路の高密度化を図ることができる。
That is, even when the breakdown voltage is adjusted by changing the impurity concentration or the kind of the impurity in the conductive diffusion layer 37, it is not necessary to change the connection state in the SCR element 20.
As described above, the SCR element 20 of the present embodiment includes the N-type well layer 21 and the first and second P-type diffusion layers 22 and 24, the first and second P-type silicon substrates 2 under the buried insulating layer 3. 2 N-type diffusion layers 23 and 25 are formed, and an anode electrode 32, an N-well electrode 33, a cathode electrode 35, and a substrate electrode 34 that penetrate through the SOI layer 4 and the buried insulating layer 3 and reach these diffusion layers are formed. Since the surge voltage is guided to the conductive diffusion layer 37 formed in the SOI layer 4 between the anode electrode 32 and the cathode electrode 35, the surge voltage is applied to the P-type silicon substrate 2 below the buried insulating layer 3. Charges can be injected into the depletion layer to be formed, the depletion layer under the buried insulating layer 3 is easily inverted, and the SCR element 20 is made to have a low breakdown voltage triggered by application of a surge voltage to the signal terminal 15. It is possible to cause breakdown by bypassing the internal circuit and allowing a large current due to the surge voltage to flow through the P-type silicon substrate 2, reducing the thermal effect on the SOI layer 4 and making the internal circuit surge voltage. In addition, the thin SOI layer 4 can increase the density of the internal circuit.

また、信号端子15に制御電極38を直接接続したので、制御回路を設けるスペースを確保する必要がなくなり、SCR素子20を有するESD保護回路を備えた半導体装置の小型化を図ることができる。
更に、比較的厚い埋込み絶縁層3を介してP型シリコン基板2と導電拡散層37とを対向させるので、制御電極38にサージによる高電圧が印加されたとしても埋込み絶縁層3に絶縁破壊が生ずることはない。
Further, since the control electrode 38 is directly connected to the signal terminal 15, it is not necessary to secure a space for providing the control circuit, and the semiconductor device including the ESD protection circuit having the SCR element 20 can be downsized.
Furthermore, since the P-type silicon substrate 2 and the conductive diffusion layer 37 are opposed to each other through the relatively thick buried insulating layer 3, even if a high voltage due to a surge is applied to the control electrode 38, the buried insulating layer 3 does not break down. Never happen.

更に、内部素子としてのnMOS素子5やpMOS素子50のサードウォール8を形成する工程を利用して電極ホール28の電極絶縁膜27を形成し、それぞれのソース層9、ドレイン層10、並びにソース層51、ドレイン層52を形成するイオン注入工程を利用して第1および第2のN型拡散層23、25、並びに第1および第2のP型拡散層22、24を形成するので、SCR素子20を有するESD保護回路を備えた半導体装置の製造工程におけるレジストマスク46の枚数や工数を削減することができ、半導体装置の製造効率を向上させることができる。   Further, an electrode insulating film 27 of the electrode hole 28 is formed by using a process of forming the nMOS element 5 as an internal element and the third wall 8 of the pMOS element 50, and the source layer 9, the drain layer 10, and the source layer are formed. 51. Since the first and second N-type diffusion layers 23 and 25 and the first and second P-type diffusion layers 22 and 24 are formed using an ion implantation process for forming the drain layer 52, the SCR element Thus, the number and the number of resist masks 46 in the manufacturing process of the semiconductor device having the ESD protection circuit having 20 can be reduced, and the manufacturing efficiency of the semiconductor device can be improved.

この場合に、導電拡散層37に注入する不純物濃度を、第1および第2のN型拡散層23、25の濃度、または第1および第2のP型拡散層22、24の濃度と同じにすれば、前記のイオン注入工程で同時に形成することができ、半導体装置の製造効率を更に向上させることができる。
更に、上記工程P5およびP6のイオン注入工程におけるレジストマスク46の枚数を1枚増すことにはなるが、導電拡散層27に注入する不純物濃度を、第1および第2のN型拡散層23、25の不純物濃度以外の濃度、または第1および第2のP型拡散層22、24の不純物濃度以外の濃度とすれば、不純物濃度の変更や不純物の種類の変更により容易にブレークダウン電圧を調整することができ、ブレークダウン電圧を内部回路の定格電圧より高く、かつ破壊耐圧より低い電圧に設定してSCR素子20のブレークダウン電圧の適正化を図ることができる。
In this case, the impurity concentration implanted into the conductive diffusion layer 37 is the same as the concentration of the first and second N-type diffusion layers 23 and 25 or the concentration of the first and second P-type diffusion layers 22 and 24. If so, they can be formed simultaneously in the ion implantation step, and the manufacturing efficiency of the semiconductor device can be further improved.
Furthermore, although the number of resist masks 46 in the ion implantation process of the above processes P5 and P6 is increased by one, the impurity concentration implanted into the conductive diffusion layer 27 is changed to the first and second N-type diffusion layers 23, If the concentration is other than the impurity concentration of 25, or the concentration other than the impurity concentration of the first and second P-type diffusion layers 22 and 24, the breakdown voltage can be easily adjusted by changing the impurity concentration or the type of impurity. The breakdown voltage of the SCR element 20 can be optimized by setting the breakdown voltage higher than the rated voltage of the internal circuit and lower than the breakdown voltage.

以上説明したように、本実施例では、埋込み絶縁層下のP型シリコン基板にSCR素子のNウェル層、並びに第1および第2のP型拡散層、第1および第2のN型拡散層を形成し、SOI層および埋込み絶縁層を貫通し、各拡散層に達するアノード電極、Nウェル電極、カソード電極、基板電極を形成し、アノード電極とカソード電極との間のSOI層に導電拡散層を形成するようにしたことによって、サージ電圧を導電拡散層に導いて、埋込み絶縁層下のP型シリコン基板に形成される空乏層に電荷を注入することができ、埋込み絶縁層下の空乏層を反転しやすくして、サージ電圧の印加をトリガとしてSCR素子を低いブレークダウン電圧で作動させることができ、内部回路をバイパスさせてサージ電圧による大電流をP型シリコン基板に流してSOI層への熱影響を軽減することができると共に、内部回路をサージ電圧から保護することができる。   As described above, in this embodiment, the N-well layer of the SCR element, the first and second P-type diffusion layers, the first and second N-type diffusion layers are formed on the P-type silicon substrate below the buried insulating layer. An anode electrode, an N-well electrode, a cathode electrode, and a substrate electrode that penetrate through the SOI layer and the buried insulating layer and reach each diffusion layer are formed, and a conductive diffusion layer is formed on the SOI layer between the anode electrode and the cathode electrode. Thus, a surge voltage can be guided to the conductive diffusion layer to inject charges into the depletion layer formed in the P-type silicon substrate under the buried insulating layer, and the depletion layer under the buried insulating layer can be injected. The SCR element can be operated with a low breakdown voltage triggered by the application of a surge voltage, and a large current caused by the surge voltage is bypassed by bypassing the internal circuit. It is possible to reduce the thermal influence on the SOI layer by flowing, thereby protecting the internal circuit from a surge voltage.

また、信号端子に印加されたサージ電圧を導電拡散層に印加するようにしたことによって、制御回路等の付属回路を設ける必要がなくなり、SCR素子を有するESD保護回路を備えた半導体装置の小型化を図ることができる。
更に、導電拡散層に注入する不純物濃度を、第1および第2のN型拡散層、並びに第1および第2のP型拡散層の不純物濃度以外の濃度としたことによって、不純物濃度の変更や不純物の種類の変更により容易にブレークダウン電圧を調整することができ、SCR素子のブレークダウン電圧の適正化を図ることができる。
In addition, since the surge voltage applied to the signal terminal is applied to the conductive diffusion layer, there is no need to provide an auxiliary circuit such as a control circuit, and the semiconductor device having the ESD protection circuit having the SCR element can be downsized. Can be achieved.
Further, by changing the impurity concentration implanted into the conductive diffusion layer to a concentration other than the impurity concentrations of the first and second N-type diffusion layers and the first and second P-type diffusion layers, The breakdown voltage can be easily adjusted by changing the type of impurities, and the breakdown voltage of the SCR element can be optimized.

なお、上記図1および図2においては、Nウェル層の第1のP型拡散層および第1のN型拡散層、並びにNウェル層と離間した近傍のP型シリコン基板の第2のP型拡散層および第2のN型拡散層の配列を、N−P−N−Pに順に図示したが、配列は前記に限らず、Nウェル層の両側のNウェル層と離間した近傍のP型シリコン基板に、第2のP型拡散層、第2のN型拡散層それぞれ配列する等どのような配列であってもよい。要は、Nウェル層の第1のP型拡散層上に形成したアノード電極とP型シリコン基板の第2のN型拡散層上に形成したカソード電極との間SOI層に導電拡散層を形成すれば足りる。   1 and 2, the first P type diffusion layer and the first N type diffusion layer of the N well layer, and the second P type of the P type silicon substrate in the vicinity spaced apart from the N well layer are used. The arrangement of the diffusion layer and the second N-type diffusion layer is illustrated in order N-P-N-P. However, the arrangement is not limited to the above, and the P-type in the vicinity separated from the N-well layers on both sides of the N-well layer. Any arrangement may be employed, such as arranging the second P-type diffusion layer and the second N-type diffusion layer on the silicon substrate. In short, a conductive diffusion layer is formed in the SOI layer between the anode electrode formed on the first P-type diffusion layer of the N-well layer and the cathode electrode formed on the second N-type diffusion layer of the P-type silicon substrate. All you need is enough.

実施例の半導体装置の断面を示す説明図Explanatory drawing which shows the cross section of the semiconductor device of an Example 実施例の半導体装置の製造方法を示す説明図Explanatory drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device of an Example 実施例の半導体装置の製造方法を示す説明図Explanatory drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device of an Example 実施例のESD保護回路の構成例を示す説明図Explanatory drawing which shows the structural example of the ESD protection circuit of an Example. 実施例のESD保護回路のSCR保護素子の結線状態を示す説明図Explanatory drawing which shows the connection state of the SCR protection element of the ESD protection circuit of an Example 実施例のSCR素子の電圧−電流特性のシミュレーション結果を示すグラフThe graph which shows the simulation result of the voltage-current characteristic of the SCR element of an Example 実施例の半導体装置の断面を示す説明図Explanatory drawing which shows the cross section of the semiconductor device of an Example

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 P型シリコン基板
3 埋込み絶縁層
4 SOI層
5 nMOS素子
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 サイドウォール
9、51 ソース層
10、52 ドレイン層
11 ソース電極
12 ドレイン電極
13、53 チャネル領域
15 信号端子
20 SCR素子
21 Nウェル層
22 第1のP型拡散層
23 第1のN型拡散層
24 第2のP型拡散層
25 第2のN型拡散層
27 電極絶縁膜
28 電極ホール
32 アノード電極
33 Nウェル電極
34 基板電極
35 カソード電極
37 導電拡散層
38 制御電極
40 半導体ウェハ
41 SCR形成領域
42 内部回路形成領域
43 Nウェル形成領域
44 保護酸化膜
46 レジストマスク
47、48 シリコン酸化膜
50 pMOS素子
61 第1のダイオード
62 第2のダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 P-type silicon substrate 3 Embedded insulating layer 4 SOI layer 5 nMOS element 6 Gate insulating film 7 Gate electrode 8 Side wall 9, 51 Source layer 10, 52 Drain layer 11 Source electrode 12 Drain electrode 13, 53 Channel region 15 Signal terminal 20 SCR element 21 N well layer 22 First P type diffusion layer 23 First N type diffusion layer 24 Second P type diffusion layer 25 Second N type diffusion layer 27 Electrode insulating film 28 Electrode hole 32 Anode Electrode 33 N well electrode 34 Substrate electrode 35 Cathode electrode 37 Conductive diffusion layer 38 Control electrode 40 Semiconductor wafer 41 SCR formation region 42 Internal circuit formation region 43 N well formation region 44 Protective oxide film 46 Resist mask 47, 48 Silicon oxide film 50 pMOS Element 61 First diode 62 Second diode

Claims (6)

P型シリコン基板と、
該P型シリコン基板上に形成された埋込み絶縁層と、
該埋込み絶縁層上に形成されたSOI層と、
前記P型シリコン基板にN型不純物を拡散して形成されたNウェル層と、
該Nウェル層に形成された第1のP型拡散層および第1のN型拡散層と、
前記Nウェル層と離間し、前記P型シリコン基板に形成された第2のP型拡散層および第2のN型拡散層と、
前記SOI層および前記埋込み絶縁層を貫通し、前記第1のP型拡散層に達するアノード電極と、前記第1のN型拡散層に達するNウェル電極と、前記第2のN型拡散層に達するカソード電極と、前記第2のP型拡散層に達する基板電極とを備えた半導体装置において、
前記アノード電極と、前記カソード電極との間のSOI層に、導電性不純物を拡散して形成された導電拡散層とを設けたことを特徴とする半導体装置。
A P-type silicon substrate;
A buried insulating layer formed on the P-type silicon substrate;
An SOI layer formed on the buried insulating layer;
An N well layer formed by diffusing N type impurities in the P type silicon substrate;
A first P-type diffusion layer and a first N-type diffusion layer formed in the N well layer;
A second P-type diffusion layer and a second N-type diffusion layer formed on the P-type silicon substrate and spaced apart from the N-well layer;
An anode electrode that penetrates the SOI layer and the buried insulating layer and reaches the first P-type diffusion layer, an N-well electrode that reaches the first N-type diffusion layer, and a second N-type diffusion layer In a semiconductor device comprising a cathode electrode reaching and a substrate electrode reaching the second P-type diffusion layer,
A semiconductor device comprising a conductive diffusion layer formed by diffusing a conductive impurity in an SOI layer between the anode electrode and the cathode electrode.
請求項1において、
前記導電拡散層に拡散させる導電性不純物をN型不純物とし、
該導電拡散層に拡散させるN型不純物の濃度を、前記第1および第2のN型拡散層の不純物濃度と同じ濃度としたことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The conductive impurity diffused in the conductive diffusion layer is an N-type impurity,
A semiconductor device characterized in that the concentration of the N-type impurity diffused in the conductive diffusion layer is the same as the impurity concentration of the first and second N-type diffusion layers.
請求項1において、
前記導電拡散層に拡散させる導電性不純物をN型不純物とし、
該導電拡散層に拡散させるN型不純物の濃度を、前記第1および第2のN型拡散層の不純物濃度以外の濃度としたことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The conductive impurity diffused in the conductive diffusion layer is an N-type impurity,
A semiconductor device characterized in that the concentration of the N-type impurity diffused in the conductive diffusion layer is a concentration other than the impurity concentration of the first and second N-type diffusion layers.
請求項1において、
前記導電拡散層に注入する導電性不純物をP型不純物とし、
該導電拡散層に拡散させるP型不純物の濃度を、前記第1および第2のP型拡散層の不純物濃度と同じ濃度としたことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The conductive impurity injected into the conductive diffusion layer is a P-type impurity,
A semiconductor device characterized in that the concentration of the P-type impurity diffused in the conductive diffusion layer is the same as the impurity concentration of the first and second P-type diffusion layers.
請求項1において、
前記導電拡散層に注入する導電性不純物をP型不純物とし、
該導電拡散層に拡散させるP型不純物の濃度を、前記第1および第2のP型拡散層の不純物濃度以外の濃度としたことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The conductive impurity injected into the conductive diffusion layer is a P-type impurity,
A semiconductor device characterized in that the concentration of the P-type impurity diffused in the conductive diffusion layer is a concentration other than the impurity concentration of the first and second P-type diffusion layers.
請求項1ないし請求項5のいずれか一項において、
該SOI層に形成された内部回路に電気的に接続する信号端子を設け、
該信号端子に印加されたサージ電圧を、前記導電拡散層に印加することを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
Providing a signal terminal electrically connected to an internal circuit formed in the SOI layer;
A semiconductor device, wherein a surge voltage applied to the signal terminal is applied to the conductive diffusion layer.
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