JP2008227197A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。特に、半導体装置内に形成されている回路を保護する保護回路が半導体装置内に形成されている半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a semiconductor device in which a protection circuit for protecting a circuit formed in the semiconductor device is formed in the semiconductor device.
半導体装置は、半導体装置に必要な機能を実現する回路(以下では内部回路という)と、半導体装置と外部装置を接続する外部配線を接続固定するための入力パッドを備えており、内部回路と入力パッドの間を内部配線で接続している。
半導体装置を使用する場合、入力パッドに接続されている外部配線に異常な高電圧が印加されることがある。例えば、帯電した静電気が外部配線に放電することによって非常に大きな電圧が印加されることがある。
入力パッドに接続されている外部配線に静電気等に起因して異常な高電圧が印加されると、内部回路が損傷することがある。特に、内部回路がゲート絶縁膜を利用していると、そのゲート絶縁膜に高電圧が作用してゲート絶縁膜が破壊されやすい。
The semiconductor device includes a circuit that realizes a function required for the semiconductor device (hereinafter referred to as an internal circuit) and an input pad for connecting and fixing an external wiring that connects the semiconductor device and the external device. The pads are connected by internal wiring.
When a semiconductor device is used, an abnormal high voltage may be applied to external wiring connected to the input pad. For example, a very large voltage may be applied when charged static electricity is discharged to the external wiring.
If an abnormal high voltage is applied to the external wiring connected to the input pad due to static electricity or the like, the internal circuit may be damaged. In particular, when the internal circuit uses a gate insulating film, a high voltage acts on the gate insulating film and the gate insulating film is easily destroyed.
そこで、半導体装置内に保護回路を形成する技術が知られており、その一例が特許文献1に開示されている。この技術では、入力パッドと接地用パッドの間に保護回路を形成する。保護回路は、保護回路で保護する内部回路に対して並列に接続されている。保護回路は、MOSで構成することができる。保護する内部回路に対して並列に接続されたMOSで入力パッドと接地用パッドを接続しておくと、外部配線を介して入力パッドに異常な高電圧が印加されると保護用のMOSがブレークダウンする。この結果、内部回路に異常な高電圧が印加されることを防止することができる。
Therefore, a technique for forming a protection circuit in a semiconductor device is known, and an example thereof is disclosed in
保護回路にMOSを利用すると、入力パッドに異常な高電圧が印加されたときにMOSがブレークダウンすることから、内部回路を異常な高電圧から保護することができる。内部回路を適切に保護するためには、MOSがブレークダウンした後のMOSの抵抗値も重要である。ブレークダウンしたMOSの抵抗値によってスナップバック波形の傾きが変化する性質があり、その傾きが適値に調整されているときに内部回路(特にゲート絶縁膜)を適切に保護することができるからである。 When the MOS is used for the protection circuit, the MOS breaks down when an abnormal high voltage is applied to the input pad, so that the internal circuit can be protected from the abnormal high voltage. In order to appropriately protect the internal circuit, the resistance value of the MOS after the breakdown of the MOS is also important. This is because the slope of the snapback waveform changes depending on the breakdown resistance of the MOS, and the internal circuit (especially the gate insulating film) can be properly protected when the slope is adjusted to an appropriate value. is there.
ブレークダウンしたMOSの抵抗値は、主としてドレイン領域の距離によって決まる。ここでいうドレイン領域は、ドレイン配線が接続されるドレインコンタクトと、ゲート電極に対向しているためにゲート電位によって反転層が形成される領域の間に存在する領域をいう。
ブレークダウンしたMOSの抵抗値を適値に調整するためにはドレイン領域を長くしなければならないことがある。この場合、ドレインコンタクトとゲート電極の間の距離を長く取る必要が生じ、保護用MOSを形成する範囲が大型化する。保護用MOSの形成範囲が大型化すると、半導体装置が大型化し、半導体装置の製造コストが上昇する。
ブレークダウン後に大きな抵抗値が必要とされる保護用のMOSを、小さな面積内に形成する技術が必要とされている。
The resistance value of the broken down MOS is mainly determined by the distance of the drain region. The drain region here refers to a region existing between a drain contact to which a drain wiring is connected and a region where an inversion layer is formed by a gate potential because it faces the gate electrode.
In order to adjust the resistance value of the broken down MOS to an appropriate value, it may be necessary to lengthen the drain region. In this case, it is necessary to increase the distance between the drain contact and the gate electrode, and the range in which the protective MOS is formed is increased. When the formation range of the protective MOS is increased, the semiconductor device is increased in size, and the manufacturing cost of the semiconductor device is increased.
There is a need for a technique for forming a protective MOS that requires a large resistance value after breakdown in a small area.
本発明は、入力パッドと、その入力パッドに接続されている内部回路と、その入力パッドに接続される外部配線を介してその入力パッドに異常な高電圧が印加されたときに内部回路を保護する保護回路を備えている半導体装置に関する。その保護回路は、入力パッドと接地用パッドの間に、内部回路と並列に接続されているMOSで構成されている。半導体装置を使用する場合には、接地用パッドにアース線が接続される。
本発明では、保護用のMOSのドレイン領域に、そのドレイン領域を通過する電流経路を蛇行させるパターンの絶縁領域が配置されていることを特徴とする。
ドレイン領域に電流経路を蛇行させる絶縁領域を配置すると、短いドレイン領域内に長い電流経路を確保することができ、大きな抵抗値に調整することができる。
The present invention protects an internal circuit when an abnormal high voltage is applied to the input pad through an input pad, an internal circuit connected to the input pad, and an external wiring connected to the input pad. The present invention relates to a semiconductor device including a protection circuit. The protection circuit is composed of a MOS connected in parallel with the internal circuit between the input pad and the ground pad. When a semiconductor device is used, a ground wire is connected to the ground pad.
The present invention is characterized in that an insulating region having a pattern that meanders a current path passing through the drain region is disposed in the drain region of the protective MOS.
If an insulating region that meanders the current path is arranged in the drain region, a long current path can be secured in the short drain region, and the resistance value can be adjusted to a large value.
ドレイン領域は、半導体基板の表面の所定範囲を表面に沿って伸びる層で形成することができる。この場合は、半導体基板の表面からドレイン領域を形成している層の底にまで達するフィールド酸化膜によって、電流経路を蛇行させる絶縁領域を形成することができる。フィールド酸化膜は、半導体基板の厚み方向に侵入する性質を持っており、ドレイン領域を形成している層の底にまで到達させることができる。半導体基板を平面視したときのフィールド酸化膜のパターンは任意に調整することができる。ドレイン領域内に、一対の櫛歯形状のフィールド酸化膜を向かい合わせて形成すると、電流経路を蛇行させるパターンの絶縁領域を用意に形成することができる。 The drain region can be formed of a layer extending along a predetermined range of the surface of the semiconductor substrate. In this case, the insulating region that meanders the current path can be formed by the field oxide film that reaches from the surface of the semiconductor substrate to the bottom of the layer forming the drain region. The field oxide film has a property of penetrating in the thickness direction of the semiconductor substrate and can reach the bottom of the layer forming the drain region. The pattern of the field oxide film when the semiconductor substrate is viewed in plan can be arbitrarily adjusted. When a pair of comb-shaped field oxide films are formed facing each other in the drain region, an insulating region having a pattern for meandering the current path can be prepared in advance.
本発明によると、保護用MOSを小型化することができる。1枚のウェーハから製造可能な半導体装置の数を増やすことができ、半導体装置の製造コストを低減することができる。
フィールド酸化膜によって絶縁領域を形成すると、フィールド酸化膜は多くの場合に内部回路を形成するのに必要な部材であることから、余分の工程、あるいは余分のマスクを必要とせずに、小型のMOSの抵抗値を必要な値に調整することができる。
According to the present invention, the protective MOS can be reduced in size. The number of semiconductor devices that can be manufactured from one wafer can be increased, and the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.
When an insulating region is formed by a field oxide film, since the field oxide film is a member necessary for forming an internal circuit in many cases, a small MOS is not required without an extra process or an extra mask. Can be adjusted to a required value.
下記の実施例に記載の技術の主要な特徴について列記する。
(形態1)ドレイン領域内に一対の櫛歯形状のフィールド酸化膜が向かい合わせて配置されている。
(形態2)保護する内部回路はゲート絶縁膜を備えている。ドレイン領域に形成されている絶縁領域のパターンは、ゲート絶縁膜の厚みにあわせて調整されている。
(形態3)内部回路に複数種類のゲート絶縁膜が形成されており、それに対応して複数種類の保護用MOSが形成されている。対応するゲート絶縁膜と対応するMOSが並列に接続されている。
The main features of the techniques described in the following examples are listed.
(Embodiment 1) A pair of comb-shaped field oxide films are disposed facing each other in the drain region.
(Mode 2) The internal circuit to be protected includes a gate insulating film. The pattern of the insulating region formed in the drain region is adjusted according to the thickness of the gate insulating film.
(Mode 3) A plurality of types of gate insulating films are formed in the internal circuit, and a plurality of types of protective MOSs are formed correspondingly. A corresponding gate insulating film and a corresponding MOS are connected in parallel.
本発明を具現化した実施例に係る半導体装置を説明する。図1は本実施例の半導体装置1を平面視したレイアウトを模式的に示す。
半導体装置1は、半導体基板をダイシングしたチップ2内に形成されており、半導体装置1に必要な機能を実現する内部回路12と、半導体装置1と外部装置を接続する外部配線8を接続固定する入力パッド6を備えている。内部回路12と入力パッド6は内部配線4で接続されている。
A semiconductor device according to an embodiment embodying the present invention will be described. FIG. 1 schematically shows a layout in plan view of a
The
外部配線8には異常な高電圧が印加されることがある。例えば、帯電した静電気が外部配線8に放電されることがある。上記の現象を本明細書ではESDという。ESDに起因する異常に高い電圧が外部配線8に印加された場合、それが入力パッド6を経由して内部回路12にそのまま印加されると、内部回路12が破壊されることがある。特に、内部回路12がゲート絶縁膜を備えている場合、そのゲート絶縁膜が破壊されやすい。ゲート絶縁膜の厚みは内部回路12の動作電圧に影響する。低いで動作電圧を実現するためには、ゲート絶縁膜を薄くする必要がある。高電圧から保護するためにゲート絶縁膜を厚くすることが許されないことが多いために、ゲート絶縁膜は破壊されやすい。
An abnormal high voltage may be applied to the external wiring 8. For example, charged static electricity may be discharged to the external wiring 8. The above phenomenon is referred to as ESD in this specification. When an abnormally high voltage due to ESD is applied to the external wiring 8, if the voltage is applied as it is to the
そこで半導体装置1は内部回路12を高電圧から保護する保護回路20を備えている。保護回路20は、内部配線10と14によって、入力パッド6と接地用パッド16の間に形成されている。半導体装置1を使用する場合には、接地用パッド16にアース線18が接続されて接地される。保護回路20は、内部回路12に対して並列に接続されている。
Therefore, the
図2(B)は、チップ2内に形成されている保護回路20の断面図を示している。説明の便宜のために、最初に図2(A)を参照して従来の保護回路60を説明する。保護回路60は、MOS構造を備えている。即ち、n型の半導体基板62内に形成されたp型のウエル64と、p型のウエル64内に形成されているn型のソース領域66と、p型のウエル64内に形成されているn型のドレイン領域72を備えている。n型のソース領域66とn型のドレイン領域72は間隔を置いて隔てられており、n型のソース領域66とn型のドレイン領域72を隔てているp型領域の上部にゲート絶縁膜68が形成されており、その上部にゲート電極70が形成されている。ドレインコンタクト74は、ドレイン領域72内において、ゲート電極70から最も遠い位置に形成されている。
ソース領域66は内部配線14によって接地用パッド16に接続されている。ゲート電極70はソース領域66に接続されている。ドレインコンタクト74は内部配線10によって入力パッド6に接続されている。
FIG. 2B shows a cross-sectional view of the
The
保護回路60を構成するMOSは、ドレインコンタクト74に高電圧が印加されるとブレークダウンする。ブレークダウンしたMOSの抵抗値は、ゲート電極70とドレインコンタクト74の距離(すなわちドレイン領域72の距離)によって決まる。内部回路12を保護するのに必要な抵抗値が高い場合には、長いドレイン領域72が必要とされ、保護回路60が大型化する。
The MOS constituting the
図2(B)は、本実施例の保護回路20の縦断面図を示している。保護回路20も、MOS構造を備えている。n型の半導体基板22内に形成されたp型のウエル24と、p型のウエル24内に形成されているn型のソース領域26と、p型のウエル24内に形成されているn型のドレイン領域32を備えている。n型のソース領域26とn型のドレイン領域32は間隔を置いて隔てられており、n型のソース領域26とn型のドレイン領域32を隔てているp型領域の上部にゲート絶縁膜28が形成されており、その上部にゲート電極30が形成されている。ドレインコンタクト34は、ドレイン領域32内において、ゲート電極30から最も遠い位置に形成されている。
ソース領域26は内部配線14によって接地用パッド16に接続されている。ゲート電極30はソース領域26に接続されている。ドレインコンタクト34は内部配線10によって入力パッド6に接続されている。
FIG. 2B shows a longitudinal sectional view of the
The
ドレイン領域32内に、ドレイン領域32を形成するn層の底面に達するフィールド酸化膜40,42が形成されている。フィールド酸化膜40,42は、ドレイン領域32の底面を貫通してp型ウエル24内に侵入している。
図3は、図2(B)のIII-III線断面を示している。一対のフィールド酸化膜40,42は、ドレイン領域32の両サイドから、幅方向の中央を超えた位置の近傍にまで伸びている。一対のフィールド酸化膜40,42は、櫛歯形状のパターンを向かい合わせて配置した形状となっている。この場合、ドレイン領域32を通過する電流は、矢印44に示すように蛇行する。ゲート電極30からドレインコンタクト34に達するまでの電流経路の距離が長くなっている。
このために、図2に対比して示すように、内部回路12を保護するのに必要な抵抗値が同じであっても、従来の技術によると長いドレイン領域72が必要とされていたのに対し、本実施例によると短いドレイン領域32で足りることになる。保護回路20は、保護回路60に比して、小型化されている。
In the
FIG. 3 shows a cross section taken along line III-III in FIG. The pair of
For this reason, as shown in comparison with FIG. 2, even though the resistance value necessary to protect the
保護回路20を構成するMOSは、ドレイン領域34に高電圧が印加されるとブレークダウンする。このとき、n型のソース領域26と、p型のウエル24と、n型のドレイン領域32で構成される寄生トランジスタ36がオンする。寄生トランジスタ36がオンすると、内部回路12に高い電圧がかかることがない。内部回路12を保護することができる。内部回路12を保護するためには、寄生トランジスタ36がオンするだけでなく、寄生トランジスタ36がオンしたときの抵抗値も重要である。寄生トランジスタ36がオンしたときの抵抗値によってスナップバック波形の傾きが変化する性質があり、その傾きが適値に調整されているときに内部回路を適切に保護することができるからである。
The MOS constituting the
本実施例では、ドレイン領域32内にフィールド酸化膜40,42を形成することによって、ドレイン領域32の抵抗値を調整している。ドレイン領域32が短くても、内部回路12を保護するのに必要な抵抗値を実現することができる。短いドレイン領域32で、保護回路20を実現することができる。
In this embodiment, the
保護する内部回路12に複数種類のゲート絶縁膜が形成されている場合、ゲート絶縁膜の種類によって必要な抵抗値が異なることがある。この場合、複数種類の保護用MOSが必要となる。本実施例によると、フィールド酸化膜40,42の形状によってMOSの抵抗値を調整できるので、抵抗値を異にする複数種類の保護用MOSを簡単に製造することができる。
When a plurality of types of gate insulating films are formed in the
フィールド酸化膜40,42は、内部回路12を製造するためにも必要とされることが多い。この場合、内部回路12のためのフィールド酸化膜を形成するのと同時にフィールド酸化膜40,42を形成することができる。フィールド酸化膜40,42の形成のために余分な工数が必要とされることがない。
The
本実施例では、図3に示すように、チップ2ないし半導体基板22を平面視した状態において、ドレイン領域32内において電流経路44が蛇行する。その電流経路44の形状は、フィールド酸化膜40,42の平面形状によって決まり、フィールド酸化膜40,42の厚みはほとんど影響しない。製造技術上の性格から、フィールド酸化膜40,42の厚みを正確に管理するのは容易でないのに対し、フィールド酸化膜40,42の平面形状は正確に管理しやすい。本実施例では、管理しやすいフィールド酸化膜40,42の平面形状でドレイン領域32の抵抗を調整することから、半導体装置1を量産したときのドレイン抵抗のばらつきを小さく抑えることができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
図2(B)において、ドレイン領域32を、不純物濃度が高い表面層と、不純物濃度が低い深部層の積層構造で形成するとともに、表面層を横断して深部層に達するフィールド酸化膜40を形成すると、ドレイン領域32内の電流経路を垂直面内で蛇行させることができる。この構造によっても、小型なドレイン領域で必要なドレイン抵抗を確保することが可能となる。しかしながら、この構造ではフィールド酸化膜40の厚みがドレイン抵抗に直接的に影響する。前記したように、フィールド酸化膜40の厚みを正確に管理するのは容易でないために、ドレイン抵抗を管理することが困難となる。電流経路を垂直面内で蛇行させる構造によると、ドレイン抵抗が所望の値からずれて内部回路を適切に保護することができなくなることが生じる。
さらに、電流経路を垂直面内で蛇行させる構造は、不純物濃度が高い表面層と、不純物濃度が低い深部層を必要とするために、製造プロセスが複雑化する。不純物濃度が高い表面層はソース領域にも必要とされるのに対し、不純物濃度が低い深部層はソース領域では必要とされない。表面層の形成範囲と深部層の形成範囲が異なることから、異なるマスクが必要となり、異なる不純物注入ステップが必要とされる。本実施例の構造は、製造プロセスが簡単であるという長所も持っている。
In FIG. 2B, the
Furthermore, the structure in which the current path meanders in the vertical plane requires a surface layer having a high impurity concentration and a deep layer having a low impurity concentration, which complicates the manufacturing process. A surface layer having a high impurity concentration is also required for the source region, whereas a deep layer having a low impurity concentration is not required in the source region. Since the surface layer formation range and the deep layer formation range are different, different masks are required, and different impurity implantation steps are required. The structure of this embodiment also has an advantage that the manufacturing process is simple.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
1:半導体装置
2:チップ
4:内部配線
6:入力パッド
8:外部配線
10:内部配線
14:内部配線
16:接地用パッド
18:アース線
20:保護回路
22:半導体基板
24:p型のウエル
26:ソース領域
28:ゲート絶縁膜
30:ゲート電極
32:ドレイン領域
34:ドレインコンタクト
36:寄生トランジスタ
40,42:フィールド酸化膜
1: Semiconductor device 2: Chip 4: Internal wiring 6: Input pad 8: External wiring 10: Internal wiring 14: Internal wiring 16: Grounding pad 18: Grounding wire 20: Protection circuit 22: Semiconductor substrate 24: p-type well 26: source region 28: gate insulating film 30: gate electrode 32: drain region 34: drain contact 36:
Claims (2)
その入力パッドに接続されている内部回路と、
その入力パッドに接続される外部配線を介してその入力パッドに異常な高電圧が印加されたときに前記内部回路を保護する保護回路を備えた半導体装置であり、
その保護回路は、前記入力パッドと接地用パッドの間に、前記内部回路と並列に接続されているMOSで構成されており、
そのMOSのドレイン領域に、そのドレイン領域を通過する電流経路を蛇行させるパターンの絶縁領域が配置されていることを特徴とする半導体装置。 An input pad;
An internal circuit connected to the input pad;
A semiconductor device including a protection circuit that protects the internal circuit when an abnormal high voltage is applied to the input pad via an external wiring connected to the input pad;
The protection circuit is composed of a MOS connected in parallel with the internal circuit between the input pad and the ground pad,
A semiconductor device characterized in that an insulating region having a pattern that meanders a current path passing through the drain region is arranged in the drain region of the MOS.
半導体基板の表面から前記層の底にまで達するフィールド酸化膜によって、電流経路を蛇行させる絶縁領域が形成されていることを特徴とする請求項1の半導体装置。 The drain region is formed of a layer extending along a predetermined range of the surface of the semiconductor substrate,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an insulating region that causes the current path to meander is formed by a field oxide film reaching from the surface of the semiconductor substrate to the bottom of the layer.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US8860146B2 (en) | 2010-07-01 | 2014-10-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
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2007
- 2007-03-14 JP JP2007064402A patent/JP2008227197A/en active Pending
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US8860146B2 (en) | 2010-07-01 | 2014-10-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
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