JP2008181945A - Esd protection element and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電保護素子及び静電保護素子を備える半導体装置に関する。 The present invention relates to an electrostatic protection element and a semiconductor device including the electrostatic protection element.
一般に半導体集積回路(IC)は、静電放電(ESD)に弱いため容易に破壊される問題がある。静電放電であるESDサージの最も一般的な発生源の一つは、2000Vの静電気を蓄積する人間の体であってユーザが静電対策を行わずに半導体集積回路を収めているICパッケージを取扱うことによって、急激なESDサージの印加が生じ、半導体集積回路を構成する各回路や各素子の物理的な破壊を発生させることとなっていた。静電放電により誘起されたESDサージは、半導体集積回路の電界効果トランジスタ(FET)のゲート酸化膜を破壊することが多く、特にゲート酸化膜は、絶縁強度が10E7V/cmよりも大きい場合に破壊されることとなっていた。また、ESDサージは、PN接合を劣化させて半導体集積回路を破壊する場合もあった。 Generally, a semiconductor integrated circuit (IC) has a problem that it is easily broken because it is vulnerable to electrostatic discharge (ESD). One of the most common sources of ESD surges, which are electrostatic discharges, is a human body that accumulates 2000V of static electricity that contains an IC package that contains a semiconductor integrated circuit without any countermeasures taken by the user. By handling, an abrupt ESD surge is applied, causing physical destruction of each circuit and each element constituting the semiconductor integrated circuit. The ESD surge induced by electrostatic discharge often destroys the gate oxide film of a field effect transistor (FET) of a semiconductor integrated circuit. In particular, the gate oxide film is destroyed when the insulation strength is greater than 10E7 V / cm. Was supposed to be. In addition, the ESD surge sometimes deteriorates the PN junction and destroys the semiconductor integrated circuit.
このような静電放電から半導体集積回路を保護する一般的な方法は、ESDサージを被保護回路からそらせる目的で、半導体集積回路と電極パッドの経路間をシャントして抵抗性経路となるダイオードである静電保護素子を挿入することである。 A general method for protecting a semiconductor integrated circuit from such electrostatic discharge is a diode that becomes a resistive path by shunting the path between the semiconductor integrated circuit and the electrode pad for the purpose of diverting the ESD surge from the protected circuit. It is to insert an electrostatic protection element.
または、電極パッドと半導体集積回路間の所望のラインに対して電界効果トランジスタである静電保護素子を接続して、ゲート制御型ドレインアバランシェブレークダウンモードで制御することでESDサージを逃がす方法がある。 Alternatively, there is a method of releasing an ESD surge by connecting an electrostatic protection element, which is a field effect transistor, to a desired line between the electrode pad and the semiconductor integrated circuit and performing control in a gate-controlled drain avalanche breakdown mode. .
あるいは、半導体集積回路にESD保護回路を備える手法がとられている。図6に示すようにESD保護回路130では、OFF状態にしたMOSトランジスタを入出力信号線133に接続している。このESD保護回路130は、ゲート、ソースおよびpウェル基板をそれぞれグランドに接地したn型MOSトランジスタ132のドレインを入出力信号線133に接続し、ゲート、ソースおよびnウェル基板をそれぞれ外部供給電源(VDD)に接続したp型MOSトランジスタ131のドレインを同じく入出力信号線133に接続した回路構成としている。接続された静電保護素子の2つのMOSトランジスタ131,132はともにOFF状態にあるため、通常動作時には何ら電流を流さず、一方、ESDによるサージ電流が流入した場合はMOSトランジスタが高サージ電流を流すことにより半導体集積回路を保護することとなっている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、近年家庭用テレビジョン受像機の大型化に伴い、半導体分野においても高耐圧駆動用IC、例えば高耐圧ディスプレイドライバ用ICを形成できる高耐圧プロセスが開発されており、このような高耐圧プロセスで形成された駆動用ICは、高耐圧MOSトランジスタを備えており、この高耐圧MOSトランジスタを静電保護素子として使用した場合では、図6に示す電流−電圧特性から、高耐圧に耐えうるようにブレークダウン電圧(図7 領域b参照)が高く設定されることとなっていた。したがって、ESDサージが印加されると高耐圧化した静電保護素子は、電流−電圧特性において、スナップバックした瞬間(図7 領域a参照)、少ない電流でもブレークダウン電圧(図7 領域b参照)に到達してしまい、MOSトランジスタ自体が破壊されてしまうという問題を有していた。 By the way, with the recent increase in the size of home television receivers, a high withstand voltage process capable of forming high withstand voltage driving ICs, for example, high withstand voltage display driver ICs, has been developed in the semiconductor field. The driving IC formed by the above has a high breakdown voltage MOS transistor, and when this high breakdown voltage MOS transistor is used as an electrostatic protection element, it can withstand a high breakdown voltage from the current-voltage characteristics shown in FIG. On the other hand, the breakdown voltage (see region b in FIG. 7) is set high. Therefore, when the ESD surge is applied, the electrostatic protection element having a high withstand voltage has a breakdown voltage (see region a in FIG. 7) at the moment of snapback in the current-voltage characteristics (see region a in FIG. 7). Thus, the MOS transistor itself is destroyed.
本発明は、上述の点に鑑み、静電放電のESDサージによる破壊を防止することができる高耐圧な静電保護素子及びこの静電保護素子を備えた半導体装置を提供するものである。 In view of the above-described points, the present invention provides a high-breakdown-voltage electrostatic protection element capable of preventing destruction of an electrostatic discharge due to an ESD surge and a semiconductor device including the electrostatic protection element.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、静電保護素子は、半導体基体に形成された第1導電型の第1領域と、この第1領域に所定の間隔をもって形成された第1導電型の第1ウェル領域及び第2導電型の第2ウェル領域と、前記第1ウェル領域上に形成され、この第1ウェル領域よりも濃度が高い第1導電型の第2領域と、前記第2ウェル領域上に形成された第1導電型の第3領域と、前記第1ウェル領域と前記第3領域との間の前記第2ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第1電極とを備えた静電保護素子であって、前記第2領域を除く前記第1ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第2電極を設け、前記第1電極と前記第2電極とを接続したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, an electrostatic protection element is formed with a first region of a first conductivity type formed on a semiconductor substrate and a predetermined interval in the first region. A first conductivity type first well region and a second conductivity type second well region, and a first conductivity type second region formed on the first well region and having a higher concentration than the first well region. And a third region of the first conductivity type formed on the second well region, and the second well region between the first well region and the third region via an insulating film. An electrostatic protection element including a first electrode, wherein a second electrode disposed via an insulating film is provided on the first well region excluding the second region, and the first electrode and the first electrode Two electrodes are connected.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1電極の面積を、前記第2電極の面積より大きくしたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the area of the first electrode is made larger than the area of the second electrode.
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1電極下の絶縁膜の膜厚を、前記第2電極下の絶縁膜の膜厚より薄くしたことを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the invention according to
請求項4に記載の発明は、静電保護素子と、この静電保護素子で保護される被保護回路を備える半導体装置において、前記静電保護素子は、半導体基体に形成された第1導電型の第1領域と、この第1領域に所定の間隔をもって形成された第1導電型の第1ウェル領域及び第2導電型の第2ウェル領域と、前記第1ウェル領域上に形成され、この第1ウェル領域よりも濃度が高い第1導電型の第2領域と、前記第2ウェル領域上に形成された第1導電型の第3領域と、前記第1ウェル領域と前記第3領域との間の前記第2ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第1電極と、前記第2領域を除く前記第1ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第2電極を備え、前記第1電極と前記第2電極とを接続したことを特徴とする。 The invention according to claim 4 is a semiconductor device comprising an electrostatic protection element and a protected circuit protected by the electrostatic protection element, wherein the electrostatic protection element is a first conductivity type formed on a semiconductor substrate. A first conductivity type first well region and a second conductivity type second well region formed in the first region at a predetermined interval, and formed on the first well region. A first conductivity type second region having a concentration higher than that of the first well region; a first conductivity type third region formed on the second well region; the first well region and the third region; A first electrode disposed via an insulating film on the second well region between and a second electrode disposed via an insulating film on the first well region excluding the second region; The first electrode and the second electrode are connected.
また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記被保護回路の動作時に前記第1電極と前記第2電極を接地電位にするコトロール回路を備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the invention according to claim 4, further comprising a control circuit for setting the first electrode and the second electrode to a ground potential during operation of the protected circuit. To do.
本発明によれば、半導体基体に形成された第1導電型の第1領域と、この第1領域に所定の間隔をもって形成された第1導電型の第1ウェル領域及び第2導電型の第2ウェル領域と、前記第1ウェル領域上に形成され、この第1ウェル領域よりも濃度が高い第1導電型の第2領域と、前記第2ウェル領域上に形成された第1導電型の第3領域と、前記第1ウェル領域と前記第3領域との間の前記第2ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第1電極とを備えた静電保護素子であって、前記第2領域を除く前記第1ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第2電極を設け、前記第1電極と前記第2電極とを接続することで、ESDサージが印加された場合、第2電極に印加される電圧よりも小さい電圧を第1電極に印加して静電保護素子を動作するので、ESDサージに強い静電保護素子を得ることができる。 According to the present invention, the first conductivity type first region formed in the semiconductor substrate, the first conductivity type first well region and the second conductivity type second region formed in the first region at a predetermined interval. A second well region, a first conductivity type second region formed on the first well region and having a higher concentration than the first well region; and a first conductivity type formed on the second well region. An electrostatic protection element comprising: a third region; and a first electrode disposed via an insulating film on the second well region between the first well region and the third region, When an ESD surge is applied by providing a second electrode disposed via an insulating film on the first well region excluding the second region and connecting the first electrode and the second electrode, Applying a voltage smaller than the voltage applied to the second electrode to the first electrode to Since work, it is possible to obtain a strong electrostatic protection element ESD surge.
本実施の形態に係る静電保護素子は、半導体基体に形成された第1導電型の第1領域と、この第1領域に所定の間隔をもって形成された第1導電型の第1ウェル領域及び第2導電型の第2ウェル領域と、第1ウェル領域に形成され、この第1ウェル領域よりも濃度が高い第1導電型の第2領域と、第2ウェル領域上に形成された第1導電型の第3領域と、第1ウェル領域と第3領域との間の第2ウェル領域に絶縁膜を介して配置された第1電極とを備えた静電保護素子であって、第2領域を除く第1ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第2電極を設け、第1電極と第2電極とを接続している。 The electrostatic protection element according to the present embodiment includes a first conductivity type first region formed in a semiconductor substrate, a first conductivity type first well region formed in the first region with a predetermined interval, and A second conductivity type second well region and a first well region formed in the first well region and having a higher concentration than the first well region, and a first well region formed on the second well region. An electrostatic protection element comprising: a conductive third region; and a first electrode disposed via an insulating film in a second well region between the first well region and the third region, A second electrode disposed via an insulating film is provided on the first well region excluding the region, and the first electrode and the second electrode are connected.
したがって、ESDサージが印加された場合、第2電極の電位に印加される電位よりも小さい電位を第1電極に印加して静電保護素子を動作するので、ESDサージを逃がすことができ、ESDサージに強い静電保護素子を得ることができる。また、第2領域の印加電圧時に発生する空乏層が第1ウェル領域と第1領域(いわゆるオフセット領域)に広がることで、電界を緩和して高耐圧化を図ることができる。 Therefore, when an ESD surge is applied, the electrostatic protection element is operated by applying a potential smaller than the potential applied to the potential of the second electrode to the first electrode, so that the ESD surge can be released. An electrostatic protection element resistant to surge can be obtained. In addition, the depletion layer generated when the voltage applied to the second region is expanded to the first well region and the first region (so-called offset region), so that the electric field can be relaxed and a high breakdown voltage can be achieved.
ここで、第1電極に印加される電位は、第2電極に印加される電圧によって決まる。すなわち、第1電極と第1電極下の第2ウェル領域(第2ウェル領域上と第1領域上とに跨って第1電極が形成される場合には、第1電極と第1電極下の第2ウェル領域及び第1領域)により構成される容量(以下、第1電極の容量値」とする。)と第2電極と第1ウェル領域とにより構成される容量(以下、「第2電極の容量値」とする。)との比(以下、単に「容量比」と呼ぶことがある。)によって決まることになる。 Here, the potential applied to the first electrode is determined by the voltage applied to the second electrode. In other words, the first electrode and the second well region below the first electrode (if the first electrode is formed across the second well region and the first region, the first electrode and the first electrode A capacitor composed of the second well region and the first region (hereinafter referred to as a capacitance value of the first electrode), a capacitor composed of the second electrode and the first well region (hereinafter referred to as “second electrode”). (Hereinafter, simply referred to as “capacity ratio”).
この容量比は、例えば、第1電極の面積と第2電極の面積との面積比を変更することによって変えることができる。従って、第1電極の面積を第2電極の面積より大きくすることによって、第1電極に印加される電位を第2電極に印加される電圧に比べて低くすることができ、この低い電位により静電保護素子が動作されて、第3領域、第2ウェル領域、第1領域、第1ウェル領域、第2領域との間に電流が流れることにより静電破壊を防ぐことができる。 This capacity ratio can be changed, for example, by changing the area ratio between the area of the first electrode and the area of the second electrode. Therefore, by making the area of the first electrode larger than the area of the second electrode, the potential applied to the first electrode can be made lower than the voltage applied to the second electrode. The electrostatic protection element is operated to prevent electrostatic breakdown by causing a current to flow between the third region, the second well region, the first region, the first well region, and the second region.
また、容量比の変更は、第1電極の面積と第2電極の面積との比を変更するのではなく、第1電極下の絶縁膜の膜厚と第2電極下の絶縁膜の膜厚の比を変更することによっても行うことができる。 In addition, the change in the capacitance ratio does not change the ratio between the area of the first electrode and the area of the second electrode, but the film thickness of the insulating film under the first electrode and the film thickness of the insulating film under the second electrode. This can also be done by changing the ratio.
したがって、第1電極下の絶縁膜の膜厚を第2電極下の絶縁膜の膜厚より薄くすることによって、第1電極に印加される電位を第2電極に印加される電圧に比べて低くすることができ、この低い電位により静電保護素子が動作されて、第3領域、第2ウェル領域、第1領域、第1ウェル領域、第2領域との間に電流が流れることにより静電破壊を防ぐことができる。 Therefore, by making the film thickness of the insulating film under the first electrode thinner than the film thickness of the insulating film under the second electrode, the potential applied to the first electrode is made lower than the voltage applied to the second electrode. The electrostatic protection element is operated by this low potential, and an electrostatic current flows between the third region, the second well region, the first region, the first well region, and the second region. Destruction can be prevented.
本実施の形態に係る半導体装置は、上記静電保護素子と、この静電保護素子で保護される被保護回路を備える半導体装置において、静電保護素子は、半導体基体に形成された第1導電型の第1領域と、この第1領域に所定の間隔をもって形成された第1導電型の第1ウェル領域及び第2導電型の第2ウェル領域と、第1ウェル領域に形成され、この第1ウェル領域よりも濃度が高い第1導電型の第2領域と、第2ウェル領域に形成された第1導電型の第3領域と、第1ウェル領域と前記第3領域との間の第2ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第1電極と、第2領域を除く第1ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第2電極を備え、第1電極と第2電極とを接続している。 The semiconductor device according to the present embodiment is a semiconductor device including the electrostatic protection element and a protected circuit protected by the electrostatic protection element. The electrostatic protection element is a first conductive formed on a semiconductor substrate. Formed in the first well region, the first well region of the first conductivity type and the second well region of the second conductivity type formed in the first region with a predetermined interval, and the first well region. A second region of the first conductivity type having a higher concentration than the one well region; a third region of the first conductivity type formed in the second well region; and a first region between the first well region and the third region. A first electrode disposed on the two-well region via an insulating film; and a second electrode disposed on the first well region excluding the second region via the insulating film. And connected.
したがって、ESDサージが印加された場合、第2電極に印加される電圧よりも小さい電圧を第1電極に印加して静電保護素子を動作するため、ESDサージから半導体装置の破壊を防ぐことができる。 Therefore, when an ESD surge is applied, a voltage smaller than the voltage applied to the second electrode is applied to the first electrode to operate the electrostatic protection element, thereby preventing the semiconductor device from being destroyed from the ESD surge. it can.
また、被保護回路の動作時に第2電極と第1電極を接地部に接続して接地電位にし、被保護回路の非動作時には第2電極と第1電極を接地部から切り離すコントロール回路を備えている。 In addition, a control circuit is provided for connecting the second electrode and the first electrode to the grounding portion when the protected circuit is in operation and setting the ground potential, and for disconnecting the second electrode and the first electrode from the grounding portion when the protected circuit is not in operation. Yes.
したがって、被保護回路の動作時においても静電保護を行うことができ、常に半導体装置の破壊を防ぐことができる。ESD耐性に強い半導体装置を得ることができる。 Therefore, electrostatic protection can be performed even during operation of the protected circuit, and destruction of the semiconductor device can always be prevented. A semiconductor device having high ESD resistance can be obtained.
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。本実施の形態に係る静電保護素子の一例として、MOSトランジスタ構造を用いて説明する。図1は、本実施の形態に係る静電保護素子を示す構成図である。図2は、本実施の形態に係る静電保護素子を示す回路図である。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. As an example of the electrostatic protection element according to the present embodiment, a MOS transistor structure will be described. FIG. 1 is a configuration diagram showing an electrostatic protection element according to the present embodiment. FIG. 2 is a circuit diagram showing the electrostatic protection element according to the present embodiment.
本実施の形態に係る静電保護素子1は、図1に示すように、低濃度n−の第2ウェル領域(第1導電型の第1ウェル領域の一例に相当)13内に高濃度n+の2つのドレイン領域(第1導電型の第2領域の一例に相当)19a、19bを作りこみ、第2ウェル領域13の表面に電位取出し絶縁膜15a(第2電極下の絶縁膜の一例に相当)を介して電位取出し電極6a(第2電極の一例に相当)を備える。さらにp型の第3ウェル領域14(第2導電型の第2ウェル領域の一例に相当)内にp型バックゲート領域17及びn型ソース領域18(第1導電型の第3領域の一例に相当)を作り込み、第1ウェル領域12の表面と第3ウェル領域14の表面とフィールド絶縁層11の表面にあたる部分にゲート絶縁膜15b(第1電極下の絶縁膜の一例に相当)を介してゲート電極膜16bからなるゲート電極6b(第1電極の一例に相当)を備える構造である。第1ウェル領域12に所定の間隔をもって第2ウェル領域13と第3ウェル領域14が形成される。例えばp型のシリコン半導体基板10(半導体基体の一例に相当)である上の、n型の第1ウェル領域12(第1導電型の第1領域の一例に相当)表面には、素子分離領域11、例えば選択酸化(いわゆるLOCOS)によるフィールド絶縁層11で分離した素子形成領域が形成される。
As shown in FIG. 1, the
さらに、本実施の形態に係る静電保護素子1は、図2に示すように、第1ドレイン領域19a上のドレイン電極22aと第2ドレイン領域19b上のドレイン電極22bとを電気的に共通に接続し、一方のドレイン電極22aに電極パッド9を電気的に接続する。次にコントロール回路8に電位取出し電極6aとゲート電極6bが電気的に共通に接続される。p型ウェル領域14に形成されるn型ソース領域18のソース電極21及びp型バックゲート領域17のバックゲート電極20は接地部7に接続されることで得られる。
Furthermore, as shown in FIG. 2, the
容量比は、電位取出し電極6aの容量値C1とゲート電極6bの容量値C2からなっており、すなわち、電位取出し電極6aの面積S1、ゲート電極6bの面積S2、電位取出し絶縁膜15aの膜厚d1、ゲート絶縁膜15bの膜厚d2により、適宜決定される。
The capacitance ratio is composed of the capacitance value C1 of the
ここで、電位取出し電極6aの容量をC1、ゲート電極6bの容量をC2、電極パッド9に印加する電圧をV1、ゲート絶縁膜破壊電界をEg、電位取出し絶縁膜15a及びゲート絶縁膜15bの膜厚dが共通とすると、容量比の関係は、以下の式で表される。
容量比=C2/C1=V1/(Eg×d)・・・・(1)
Here, the capacitance of the
Capacity ratio = C2 / C1 = V1 / (Eg × d) (1)
先の式(1)から導出される容量比と電極パッド9に印加する電圧V1を用いることで、ゲート電極の電圧V2は、以下の式で求められる。なお、ゲート電極の電圧V2とは、接地電位に対するゲート電極6bの電位である。
V2=V1/容量比・・・・(2)
したがって、電極パッド9に高電圧のESDサージの電圧V1が印加されても、電位取出し電極6aの容量値C1とゲート電極6bの容量値C2を調整することで、電極パッド9に印加される電圧V1よりも小さい電圧V2をゲート電極6bに印加して静電保護素子1を動作するので、素子破壊をおこすことなく、ESD電圧を逃がすことができる。例えば、電位取出し電極6aの容量値C1=7.5とゲート電極6bの容量値C2=200として、V1=200Vが印加される場合、V2=7.5Vとなり、ゲート電圧は絶対最大定格に収めることできる。また、電位取出し電極6aの容量値C1=0.6とゲート電極6bの容量値C2=16として、V1=16Vが印加される場合、V2=0.6Vとなり静電保護素子1が動作してESDから保護することができる。
By using the capacitance ratio derived from the previous equation (1) and the voltage V1 applied to the
V2 = V1 / capacity ratio (2)
Therefore, even when a high-voltage ESD surge voltage V1 is applied to the
図3は、本実施の形態に係る静電保護素子1と被保護素子42を備えた半導体装置41を示す構成図である。本実施の形態に係る半導体装置41は、静電保護素子1と静電保護素子1で保護される被保護回路42で構成されている。この静電保護素子1は、電極パッド9と被保護回路42間をシャントするように接続されている。さらに、静電保護素子1には、コントロール回路8(図1参照)が接続されている。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a
コントロール回路8は、非保護回路42の動作・非動作状態に応じて、静電保護素子1を制御する。
The
本実施の形態に係る半導体装置41の動作を具体的に説明する。特にESDサージが電極パッド9から印加された場合を説明する。
The operation of the
被保護回路42は非動作状態であり、ESDサージの電圧V1が印加される場合を説明する。コントロール回路8は、非動作状態である。容量比は、電位取出し電極6aの容量値C1の方がゲート電極6bの容量値C2より小さく設定する。電極パッド9より印加したESDサージの電圧V1は、電位取出し電極6aの面積S1とゲート電極6bの面積S2からなる容量比によって決められることにより、この電位取出し電極6aに印加されるESDサージの電圧V1はゲート電極6bにより小さい電圧V2として印加する。すなわち変換された低い電圧V2は、静電保護素子1のゲート電極6bをオンし、ゲート電極6b直下のp型第3ウェル領域14のチャネルが開いて、n型ソース領域18からゲート電極6b直下チャネルからn型第1ウェル領域12の表面部分を経て、第2ウェル領域13を経て、ソース・ドレイン間に電流が流れる。または電位取出し絶縁膜15aの膜厚d1とゲート絶縁膜15bの膜厚d2からなる容量比を変えることで同様の効果を得ることができる。
The case where the protected
被保護回路42は動作状態であり、ESDサージの電圧V1が印加される場合を説明する。コントロール回路8は、電位取出し電極6aとゲート電極6bを共通に接地電位にするように接地部7に接続する。電極パッド9より印加したESDサージの電圧V1は、電位取出し電極6aとゲート電極6bを電気的に接続して接地部7に印加する。被保護回路42が動作状態のときは、ゲート電極6bと電位取出し電極6aからなる容量比に依存することなく、接地電位となる。このようにゲート電極6bとソース電極21を共通に接地部7に接続する構造をGGMOS(Gate Granded MOS)という。
The case where the protected
本実施の形態に係る静電保護素子1によれば、電位取出し電極6aの面積S1をゲート電極6bの面積S2よりも小さくし、電極パッド9から入ったESDサージの電圧V1を容量比に違いによって、電位取出し電極6aに印加される電圧よりも小さい電圧V2とすることでゲート電極6bに印加して静電保護素子1を動作させる。電流−電圧特性において、高いブレークダウン電圧でスナップバックする前(接合耐圧より低いところ)にESD電流を逃がすことができるため静電保護素子1の破壊を防ぐことが可能になる。
According to the
または、上述したように容量値は、電位取出し電極6a及びゲート電極6bの面積を変えることで得ることができたが、代わりに2つの電位取出し絶縁膜15aの厚さとゲート絶縁膜15bの厚さを変えることにより得ることができる。電極パッド9から入ったESDサージは、2つの容量値の容量比よって、電位取出し電極6aに印加される電圧よりも小さい電圧をゲート電極6bに印加して、静電保護素子1を動作することにより、素子破壊をおこすことなくESD電流を逃がすことができる。
Alternatively, as described above, the capacitance value can be obtained by changing the areas of the
本実施の形態に係る半導体装置41によれば、従来の高耐圧MOSトランジスタ構造の静電保護素子は、電流−電圧特性スナップバックするまでの電圧が高く設定されESD耐性が弱かったが、本半導体装置41であれば、被保護回路42の非動作時、電流−電圧特性において電極パッド9から入ったESDサージがより高い電圧になる前に容量比の違いによって十分低い電圧に変換した後、静電保護素子1のVthをオンさせることで、高いブレークダウン電圧でスナップバックする前にESDサージを逃がしてしまい、静電保護素子1の破壊を防ぐことができる。ESDに対して耐性向上効果が得られる。また、被保護回路42の動作時は、コントロール回路8よって電位取出し電極6aとゲート電極6bが接地部7に接続されてGGMOS(Gate Granded MOS)として動作することより電極パッド9からの印加電圧を安定的に接地部7に逃がすことができる。
According to the
本実施の形態に係る半導体装置41は、電極パッド9と被保護回路42間をシャントするように静電保護素子1を接続したが、半導体装置41内の内部回路の配線レイアウトによって、静電保護素子1の接続位置を適宜決めることができる。本半導体装置は、半導体集積回路を含むものである。
In the
次にMOSトランジスタ構造を用いた静電保護素子の製造方法について説明する。
図4は、本実施の形態に係る静電保護素子1の製造方法を示す工程図である。
先ず、図4(A)に示すように、第2導電型、例えばp型シリコン半導体基体10を用意し、フォトリソグラフィ技術及びイオンインプラテーション技術を用いて、このp型シリコン半導体基体10の一主面に熱酸化による選択酸化(LOCOS)処理してフィールド絶縁層11を形成する。例えば、フィールド絶縁層11は酸化膜厚が260nm程度の酸化シリコン層を成膜し、フォトリソグラフィ技術により所要の形状を形成する。
Next, a method for manufacturing an electrostatic protection element using a MOS transistor structure will be described.
FIG. 4 is a process diagram showing a method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 4A, a second conductivity type, for example, a p-type
次に、図4(B)に示すように、熱酸化により所要の厚さの絶縁膜31を形成する。例えば、絶縁膜31は膜厚30nm程度の酸化シリコン膜を成膜して形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, an insulating
次に、図4(C)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びイオンインプラテーション技術を用いて、高耐圧なMOSトランジスタを形成すべき素子形成領域に対応する領域上にフォトレジストマスク(図示せず)を形成し、フォトレジストマスクを介して、第1導電型の第1ウェル領域12を形成する領域にイオン注入する。例えば、第1ウェル領域12にはレジストマスクを介してリン(P)イオンを4×1012cm−2程度のドーズ量でイオンを注入する。さらに、フォトレジストマスクを除去した後、n型第1ウェル領域12は、1200℃程度の熱処理を長時間行い形成する。
Next, as shown in FIG. 4C, using a photolithography technique and an ion implantation technique, a photoresist mask (not shown) is formed on a region corresponding to an element formation region where a high voltage MOS transistor is to be formed. ) And is ion-implanted through a photoresist mask into a region where the first conductivity type
次に、図4(D)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びイオンプラテーション技術を用いて、第1導電型の第2ウェル領域13、第2導電型の第3ウェル領域14を形成する。例えば、p型第3ウェル領域14は、レジストマスクを介してボロン(B)イオンを3×1012cm−2程度のドーズ量でイオン注入する。また、n型第2ウェル領域13は、レジストマスクを介してリン(P)イオンを4×1012cm−2程度のドーズ量でイオンを注入する。p型第3ウェル領域14の拡散領域の範囲は、一端をバックゲート領域17側の素子分離領域11直下まで拡散され、他端をドレイン領域19b側の素子分離領域11から所要の間隔を隔てたゲート絶縁膜15b直下の領域に拡散される。この所要の間隔は狭くなるほど抵抗値が高くなるため、必要な特性によって適宜設計条件を決定する。
Next, as shown in FIG. 4D, a first conductivity type
次に、図4(E)に示すように、熱酸化により形成したp型シリコン半導体基体10の表面の絶縁膜31である酸化シリコン膜を除去し、熱酸化により電位取出し絶縁膜15a及びゲート絶縁膜15bとなる絶縁膜32を形成する。さらに、電位取出し電極膜16a、ゲート電極膜16bとなる電極膜33を形成する。例えば、絶縁膜32は15nm程度のSiO2膜で形成する。続いてCVD(化学気相成長)法により電位取出し電極膜16a及びゲート電極膜16bとなる膜厚100nm程度の多結晶シリコン膜を形成する。特に、フィールド絶縁層11上に形成される電位取出し絶縁膜15aとゲート絶縁膜15bとなる絶縁膜32及び電位取出し電極膜16aとゲート電極膜16bとなる多結晶シリコン膜33は、一部テーパー状に形成される。
Next, as shown in FIG. 4E, the silicon oxide film, which is the insulating
次に、図5(F)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びRIE(反応性イオンエッチング)等の異方性エッチング技術を用いて、例えば、絶縁膜32及び多結晶シリコン膜33を選択除去し、電位取出し電極膜16aと電位取出し絶縁膜15a及びゲート電極膜16bとゲート絶縁膜15bを形成する。このとき電位取出し電極6aは、電位取出し絶縁膜15aを介し電位取出し電極膜16aからなり、ゲート電極6bはゲート絶縁膜15bを介しゲート電極膜16bからなる。容量比は、電位取出し電極6aの容量値C1とゲート電極6bの容量値C2から得られる。この電位取出し電極6a及びゲート電極6bの容量値C1、C2は、電位取出し電極6aの面積S1、ゲート電極6bの面積S2、もしくは電位取出し絶縁膜15aの膜厚d1、ゲート絶縁膜15bの膜厚d2により、適宜決定される。例えば、ESDサージを変換する目的のため、電位取出し電極6aの容量値C1は、ゲート電極6bの容量値C2より小さくなる容量比である。すなわち、図2に示すように、電位取出し電極6aの面積S1は、ゲート電極6bの面積S2より小さくなる。
Next, as shown in FIG. 5F, for example, the insulating
次に、図5(G)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びイオンインプラ技術を用いて、例えば、p型ウェル領域14の電位取出し領域、いわゆるバックゲート領域17に高濃度p+の不純物イオンを注入する。例えば、p型不純物はドーズ量1×1015cm−2程度のボロン(B)をイオン注入し、p型バックゲート領域17を形成する。
Next, as shown in FIG. 5G, by using a photolithography technique and an ion implantation technique, for example, high concentration p + impurity ions are introduced into the potential extraction region of the p-
次に、図5(H)に示すように、フォトレジストマスクを除去した後、同様にフォトリソグラフィ技術及びイオンインプラ技術を用いて、n型ウェル領域13のドレイン領域19a、19bに高濃度n+のn型不純物イオンを注入する。p型ウェル領域14のソース領域に高濃度n+のn型不純物イオンを注入する。例えば、ドーズ量が5×1015cm−2程度の砒素(As)をイオン注入し、ソース領域18、ドレイン領域19a、19bを形成する。
Next, as shown in FIG. 5H, after removing the photoresist mask, high concentration n + is applied to the
次に、図5(I)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びRIE技術を用いて、バックゲート領域17、ソース領域18に接続するバックゲート電極20、ソース電極21、ドレイン領域19a、19bに接続するドレイン電極22a、22b、2つのフローティングゲートとなる電位取出し電極6a及びゲート電極6bの電極を形成する。バックゲート電極20、ソース電極21、ドレイン電極22a、22b、電位取出し電極6a及びゲート電極6bの取り出し電極(図示せず)は、例えば、AlCuなどを含み金属膜、等を蒸着し、フォトリソグラフィ技術及びRIE技術によってパターニングして形成することができる。その際、ソース電極21とバックゲート電極20を電気的に共通にして接地部(GND)7に接地し、2つのフローティングゲートとなる電位取出し電極6a及びゲート電極6bは、共通に電気的に接続させ、ドレイン電極22aに電極パッド9を電気的に接続するようにパターニング形成することができる。
Next, as shown in FIG. 5I, the
このようにして目的の高耐圧な静電保護素子1を得ることができる。本静電保護素子1を用いる半導体装置41では、ESDに強く破壊を防ぐことができる。
In this way, the desired high withstand voltage
このように、高耐圧な静電保護素子1は、ドレイン領域19a、19bの印加電圧時に発生する空乏層が低濃度のpウェル領域14の右端から右側のnウェル領域12とnウェル領域13に(いわゆるオフセット領域)に広がることで、電界を緩和して高耐圧化を図ることができる。
As described above, the high withstand voltage
なお、上述した静電保護素子1は、さらにバックゲート領域17を設けて、バックゲート電極20から接地部7に接続したが、バックゲート領域を設けずソース領域18のみを設けた構造として、ソース電極21を接地部7に接続した構造としてもよい。バックゲート領域17を設けた構造とした場合は、電位取出し電極6aに印加されるESDサージの電圧よりも小さい電圧をゲート電極6bに印加して、静電保護素子1のゲートをオンして動作させることにより素子破壊をおこすことなく、さらに安定的にESDサージを逃すことができる。
In the
なお、上述においては、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型として説明したが、第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としてもよい。本実施の形態に係る静電保護素子としては、MOSトランジスタ構造を用いたものに限定されるものでない。 In the above description, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type. The electrostatic protection element according to the present embodiment is not limited to one using a MOS transistor structure.
本実施の形態に係る静電保護素子1としては、LCD駆動用IC、PDP駆動用IC、パワーIC、パワーマネジメントIC等の半導体装置41に用いることができる。例えばパワーマネジメントICは、電圧、駆動電流も高いため内蔵されている出力トランジスタも大きいため、従来の静電保護素子(例えばダイオード)よりも出力トランジスタが大きな耐量を備えており、出力トランジスタ自身でESD保護をしていたが、本静電保護素子を備えることで出力トランジスタの大きさに関係なくESDサージを電位取出し電極に印加される電圧よりも小さい電圧をゲート電極に印加して、静電保護素子を動作することにより、素子破壊をおこすことなくESDサージを逃がすことから有効にESD保護動作を行うことができる。
The
1 静電保護素子
6a 電位取出し電極
6b ゲート電極
7 接地部
8 コントロール回路
9 電極パッド
10 半導体基体
11 フィールド絶縁膜
12 n型第1ウェル領域
13 n型第2ウェル領域
14 p型第3ウェル領域
15a 電位取出し絶縁膜
15b ゲート絶縁膜
16a 電位取出し電極膜
16b ゲート電極膜
17 バックゲート領域
18 ソース領域
19a 第1ドレイン領域
19b 第2ドレイン領域
20 バックゲート電極
21 ソース電極
22a、22b ドレイン電極
31 絶縁膜
32 絶縁膜
33 電極膜
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第2領域を除く前記第1ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第2電極を設け、
前記第1電極と前記第2電極とを接続した
ことを特徴とする静電保護素子。 A first conductivity type first region formed in a semiconductor substrate; a first conductivity type first well region and a second conductivity type second well region formed in the first region at a predetermined interval; A first conductivity type second region formed in the first well region and having a higher concentration than the first well region; a first conductivity type third region formed in the second well region; An electrostatic protection element comprising: a first electrode disposed via an insulating film on the second well region between the well region and the third region;
Providing a second electrode disposed on the first well region excluding the second region via an insulating film;
The electrostatic protection element, wherein the first electrode and the second electrode are connected.
ことを特徴とする請求項1に記載の静電保護素子。 The electrostatic protection element according to claim 1, wherein an area of the first electrode is larger than an area of the second electrode.
ことを特徴とする請求項1に記載の静電保護素子。 The electrostatic protection element according to claim 1, wherein a film thickness of the insulating film under the first electrode is made thinner than a film thickness of the insulating film under the second electrode.
前記静電保護素子は、半導体基体に形成された第1導電型の第1領域と、この第1領域に所定の間隔をもって形成された第1導電型の第1ウェル領域及び第2導電型の第2ウェル領域と、前記第1ウェル領域に形成され、この第1ウェル領域よりも濃度が高い第1導電型の第2領域と、前記第2ウェル領域に形成された第1導電型の第3領域と、前記第1ウェル領域と前記第3領域との間の前記第2ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第1電極と、前記第2領域を除く前記第1ウェル領域上に絶縁膜を介して配置された第2電極を備え、前記第1電極と前記第2電極とを接続した
ことを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device including an electrostatic protection element and a protected circuit protected by the electrostatic protection element,
The electrostatic protection element includes a first conductivity type first region formed in a semiconductor substrate, a first conductivity type first well region and a second conductivity type formed in the first region at a predetermined interval. A second well region; a first conductivity type second region formed in the first well region and having a higher concentration than the first well region; and a first conductivity type second region formed in the second well region. Three regions, a first electrode disposed on the second well region between the first well region and the third region via an insulating film, and the first well region excluding the second region A semiconductor device comprising: a second electrode disposed through an insulating film; and connecting the first electrode and the second electrode.
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4, further comprising a control circuit that sets the first electrode and the second electrode to a ground potential during operation of the protected circuit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007012591A JP2008181945A (en) | 2007-01-23 | 2007-01-23 | Esd protection element and semiconductor device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2149958A2 (en) | 2008-07-11 | 2010-02-03 | Sony Corporation | Battery pack, information processing apparatus, charge control system, charge control method by battery pack, and charge control method by charge control system |
-
2007
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