JP2008506264A

JP2008506264A - ２次元シリコン制御整流器

Info

Publication number: JP2008506264A
Application number: JP2007520483A
Authority: JP
Inventors: モーン，ラッセル; チン，コンソン; ジョズウィアク，フィリップ，チェスワフ; アーマー，ジョン; マーゲンス，マルクス，パウル，ジョセフ
Original assignee: サーノフコーポレーション; サーノフヨーロッパベーファウベーアー
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2008-02-28
Also published as: US20060011939A1; WO2006014515A3; WO2006014515A2; US7414273B2

Abstract

２次元シリコン制御整流器（２ＤＳＣＲ）は、格子じま模様のパターンを形成するアノードおよびカソードを持つ。かかるパターンは、所定のＳＣＲ面積内のアノード乃至カソードの接触長さ（アクティブ領域）を最大にし、すなわち、ＳＣＲ幅を有効に増大させる。物理的なＳＣＲ面積を増大させると、前記ＳＣＲの前記電流処理能力が増大する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参考として本明細書に組み込まれている２００４年７月７日に出願された米国特許仮出願第６０／５８５９３４号の利点を請求する。

本発明の実施形態は、一般に、集積回路（ＩＣ）内のシリコン制御整流器（ＳＣＲ）レイアウトに、より詳細には、ＳＣＲレイアウトの幅／面積比を最大にするＳＣＲレイアウトに関する。

シリコン制御整流器（ＳＣＲ）は、スイッチ抵抗経路が望まれる多くの応用先で広範囲に使用されていることがわかっている。たとえば、ＳＣＲは、ＩＣの出力また入力パッドと接地の間に配置された静電放電（ＥＳＤ）回路またはデバイス内で具体的に使用されていることがわかっている。ＥＳＤ回路は、保護されている回路が正常に動作しているとき、ＳＣＲによる高抵抗経路を提供し、ＥＳＤ事象が発生したとき、パッドから接地への低抵抗経路を提供する。ＥＳＤ事象により、ＳＣＲがトリガーされて低抵抗状態になり、それによって、ＥＳＤのために生じた電流が、パッドから、接地へ短絡される。このように、保護されている回路は、ＥＳＤ事象によって損傷を受けない。

ＳＣＲをこのように使用したＥＳＤ回路の多くの変形形態が存在する。参考として本明細書に組み込まれている、本願の譲受人に譲渡された米国特許第６７６８６１６号、第６７９１１２２号、第６８５０３９７号、および第６９０９１４９号は、いくつかのかかるＥＳＤ回路を説明している。

従来のＳＣＲでは、ＳＣＲによって処理することができる電流の量は、ＳＣＲの幅に比例する。図１は、片面ＳＣＲ１００の簡単な上面図を示す。このＳＣＲは、アクティブ領域１０６に沿ってお互いに当接するアノード１０２およびカソード１０４を含む。当技術分野でよく知られているように、ＳＣＲ１００は、一般に、ＰＮＰＮデバイスで形成され、その詳細はよく知られており、この簡単な図では示されていない。ＳＣＲ１００は、長さＬ、および幅Ｗを持つ。ＳＣＲ１００がトリガーされないとき、ＳＣＲは、アノード１０２からカソード１０４への高抵抗経路を持つ。逆に言えば、ＳＣＲ１００が、トリガーされて低抵抗状態になったとき、電流Ｉは、ＳＣＲ１００の幅Ｗに沿って、すなわちアクティブ領域１０６沿って、アノード１０２からカソード１０４へ流れる。ＳＣＲ幅Ｗが広くなればなるほど、アクティブ領域１０６が広くなり、ＳＣＲの電流処理能力がたかくなる。ＳＣＲ１００の深さは、ＩＣ製作パラメータによって固定されるので、ＳＣＲの電流処理能力は、単に、ＳＣＲ幅Ｗによって制御される。ＥＳＤ回路では、ＥＳＤ回路設計者が、ＥＳＤ事象からの適切な程度のＥＳＤ保護をもたらすＳＣＲ幅を選択する。

ＳＣＲの物理的な幅を増大させることなく、電流処理能力を増大させるために、両面ＳＣＲを使用することができる。図２は、第１のアノード２０２、カソード２０４、および第２のアノード２０６を含む両面ＳＣＲ２００の簡単な上面図を示す。２つのアノード２０２、２０６は、アクティブ領域２０８、２１０に沿って、カソード２０４に当接する。ＳＣＲがアクティブであるとき、電流は、両方のアノード２０２、２０６から、カソード２０４中に流れる。このように、このＳＣＲの有効幅は、片面ＳＣＲの２倍の有効幅となる。片面ＳＣＲと同様に、ＥＳＤ設計者は、ＳＣＲ２００の物理的な幅Ｗを調整することによって、電流処理の程度を制御する。

ＳＣＲを形成する回路の領域が、ＳＣＲ幅に対する空間が制限されている場合、設計者は、所望の電流処理能力に必要なＳＣＲの幅を得ることができない場合がある。その結果、設計に支障をきたすことになる。
米国特許仮出願第６０／５８５９３４号米国特許第６７６８６１６号米国特許第６７９１１２２号米国特許第６８５０３９７号米国特許第６９０９１４９号

したがって、ＳＣＲの物理的な幅を増大させることなく、ＳＣＲの電流処理能力を増大させる、すなわち、所定のＳＣＲ面積に対しての電流処理を増大させることが当技術分野において必要である。

本発明は、格子じま模様のパターンを形成するアノードおよびカソードを持つ２次元シリコン制御整流器（２ＤＳＣＲ）である。かかるパターンは、所定のＳＣＲ面積内のアノード乃至カソード接触長さ（アクティブ領域）を最大にし、すなわち、ＳＣＲ幅を実質的に増大させる。物理的なＳＣＲ面積を増大させると、ＳＣＲの電流処理能力が増大する。

本発明の先に説明した特徴を詳細に理解することができるように、先に簡単に要約した本発明のより具体的な説明を、実施形態を参照して行うことができ、その一部は添付の図面で説明される。しかし、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態だけを説明しており、したがって、本発明が他の同様に有効な実施形態を認めることができるように、その範囲を限定しているとみなすべきではないことに留意されたい。

本発明は、格子じま模様のパターンで配置したアノードおよびカソードを持つ２次元シリコン制御整流器（２ＤＳＣＲ）である。かかるパターンにより、ＳＣＲの有効幅が増大し、電流処理能力がＳＣＲの面積によって、すなわち、２次元状態で制御されることが可能になる。

図３は、格子じま模様のパターンで配置された複数のアノード３０２およびカソード３０４を含む２ＤＳＣＲ３００の簡単な上面図を示す。各アノード３０２およびカソード３０４は、実質的に、アノードおよびカソード領域のアクティブ・エッジの長さが実質的に同等である正方形となっている。かかる構造は、機能的な均一性をもたらす。しかし、ある設計では、矩形のまたは他の形のアノードおよびカソード領域を使用することができるように、非対称機能が望まれる場合がある。

アノードおよびカソードは、格子じま模様のパターンを形成するように、交互に、お互いに隣接して、行および列状態で位置付けられている。パターンの上方の１つの層または複数の層（しかし、図３には示されていない）では、相互接続構造を用いて、すべてのアノード３０２を相互接続し、またすべてのカソード３０４を相互接続し、実用的なＳＣＲデバイスを作製する。かかる相互接続構造は、当技術分野ではよく知られている。

トリガーされていないとき、アノード・カソード接合部（すなわち、アノードとカソードの間のアクティブ領域）は、高抵抗状態で動作する。しかし、トリガーされたとき、この接合部は低抵抗で動作し、電流は複数のアノードから、複数のカソード中に流れる。ＳＣＲ３００内の個々のアノードまたはカソードの位置に応じて、アノードまたはカソードは、電流を伝える２乃至４つの側面を持つ。たとえば、コーナー要素３０８（アノードまたはカソード）は、付近の要素と接触する２つの側面を持ち、中央の要素３１０は、隣接するものと接触する４つの側面を持ち、縁部の要素３１２は、隣接するものと接触する３つの側面を持つ。各接触縁部に沿ってアクティブ領域が形成され、電流が流れる。示された実施形態では、アクティブ領域を形成し、電流の流れを促進する（長さＳの）４５個の側面がある。簡単な例を使用すると、各側面がＳ単位の長さであると仮定すれば、２ＤＳＣＲは４５Ｓ単位の等しい幅を持つ。従来の片面ＳＣＲでは、幅は８Ｓ単位となり、両面ＳＣＲは１６Ｓ単位の幅を持つ。本発明は、ＳＣＲの面積全体を使用して、ＳＣＲの有効幅を増大させるので、有効幅は、これまでに得られたものよりはるかにより大きくなる。しかし、この簡単な実施例では、電流は、アノードまたはカソードの側面全体に沿って流れるものとみなされた。ＳＣＲのＮおよびＰウェルの構造のため、アクティブ領域を形成する接合領域は、側面長さＳの一部を消費する。

図４は、図３のＳＣＲ３００に関する、Ｎウェル４１０、４１６内の２つのＰ型アノード４０２、４０８、およびＰウェル４１４、４１２内の２つのＮ型カソード４００、４０４を示す。さらに、ＳＣＲの動作を改善するために、トリガー・タップ（図示せず）を用いることができ、それをアノードおよびカソード領域内に位置付けることができる。かかるトリガー・タップは、本願の譲受人に譲渡された米国特許第６７６８６１６号、第６７９１１２２号、第６８５０３９７号、および第６９０９１４９号内で、詳細に開示されている。

実際のＳＣＲ幅は、アノードまたはカソードがウェル縁部からとなる距離に相当しなければならない。Ｐ型ウェル４１２／４１４から、Ｎ型カソード４００／４０４までの距離は、Ｌｎと称され、Ｎ型ウェル４１０／４１６から、Ｐ型アノード４０２／４０８への距離は、Ｌｐと称される。両方の距離が等しいとき、それらは連結されて、距離ＬｎＬｐを形成する。図４の簡単なレイアウトでは、ウェル縁部が、ＳＣＲ幅に貢献するように示されている。これらの距離を用いると、ＳＣＲの実際の幅になる。電流の流れに貢献する実際の要素幅（Ｓａａ）は、ウェル縁部の長さＳ引く２ＬｎＬｐ、すなわちＳａａ＝Ｓ―２ＬｎＬｐである。お互いに隣接するすべての要素の幅Ｓａａを合計すると、２ＤＳＣＲの全有効幅がもたらされる。

ＬｎＬｐ調整後、グラフを形成するために、ＳＣＲ３００の全有効幅が、ＳＣＲの面積に応じて計算された。図５は、Ｘ軸およびＹ軸によって境界づけられたＸＹ平面によって表されたＳＣＲの面積、ならびにＺ軸によって表されたＳＣＲ幅に関するグラフ５００を示す。面５０２は、従来の片面ＳＣＲのＳＣＲ幅を表す。その一方、面５０４は、本発明の２ＤＳＣＲに関するＳＣＲ幅を表す。はっきりと示されているように、ＸおよびＹのある最小値では、２ＤＳＣＲの幅は、従来のＳＣＲよりはるかに急速に増大する。したがって、所与のＳＣＲが２ＤＳＣＲを使用している場合、より大きい有効幅を生じさせることができる。このグラフでは、Ｓ＝２．８２ｕｍ、ＬｎＬｐ＝０．３１ｕｍである。

２ＤＳＣＲ対従来のＳＣＲに関する幅の大幅な増大量を強調するために、図６は、図５の面５０２と５０４の間の差６０４に関するグラフ６００を示す。Ｚ平面は、参照できるように面６０２として示されている。

図７は、ＸＹ平面を見下ろすように、ＳＣＲ幅間の差に関するグラフ７００を示す。この実施例では、Ｓ＝２．８２ｕｍ、ＬｎＬｐ＝０．３１ｕｍである。８ｕｍより大きいＳＣＲ面積のＸおよびＹ寸法では、２ＤＳＣＲレイアウトは、従来の両面ＳＣＲレイアウトより大きいＳＣＲ幅をもたらす。実用的なＳＣＲでは、ＸまたはＹの寸法は全体的に２０ｕｍより大きく、２ＤＳＣＲレイアウトは、ＳＣＲのほとんどすべての実用的な実装形態において有利である。

図８は、ＸＹ平面を見下ろすように、ＳＣＲ幅間の差に関するグラフ８００を示しており、ただし、この実施例では、Ｓ＝１．０ｕｍ、ＬｎＬｐ＝０．１ｕｍである。このより小さい寸法の状態では、ＳＣＲ面積のＸおよびＹ寸法が２．５ｕｍより大きいとき、２ＤＳＣＲは、従来のＳＣＲに比べて有利であるということに留意されたい。

図９は、ＳＣＲ面積が一定、たとえば、１０ｕｍ×１０ｕｍである場合のＳに応じたＳＣＲ幅に関するグラフ９００を示す。かかるグラフを使用すると、固定された面積およびＬｎＬｐの場合のＳの最適値を確認することができる。図９のグラフでは、面積は１００ｕｍ^２、ＬｎＬｐ＝０．３ｕｍである。最適の幅は、１．１５ｕｍである。この図式解法を使用して、面積およびＬｎＬｐの値の対に対する最適な幅の値を見つけることができる。例：

図１０は、Ｓに応じたＳＣＲ幅に関するグラフ１０００を示しており、ただし、面積は一定に保たれている。各曲線は、０．１ｕｍから０．５ｕｍまでの範囲のＬｎＬｐのそれぞれ異なる値に対応する。ＬｎＬｐの値が増大するに伴い、ＳＣＲ幅を最適化するＳの値も増大する。

図１１は、ＴＳＭＣ０．１３ｕｍ製作プロセスを使用して作製された、アノード１１１０、１１１６を持つ２つのウェル１１０２、１１０６、およびカソード１１１２、１１１４を持つ２つのウェル１１０４、１１０８を含む２ＤＳＣＲレイアウト１１００である。ＴＳＭＣの０．１３ｕｍプロセスは、広く使用されているディープ・サブミクロンＩＣ製作プロセスである。レイアウト１１００は、Ｓ＝２．８２ｕｍ、ＬｎＬｐ＝０．３１ｕｍを持つ。このパターンは、より多くのウェルを追加して、所望のＳＣＲ幅を実現することによって、ＸとＹの両方の方向で拡張させることができる。また、このレイアウト１１００では、各アノードおよびカソード領域の中央部は、トリガー・タップ１１１８、１１２０、１１２２、１１２４を有する。これらのトリガー・タップは、アノード、カソード、またはその両方のいずれかに配置することができる。

実際性のために、製作ルールは、共通の層内のコーナー間の接点形状、すなわち、コーナーのウェルを禁止することがある。製作性を改善するために、ある導電型ウェルのコーナーを変更して、許容できる幾何学的形状、たとえば、多角形を作製することができる。図１２は、ＴＳＭＣの０．１３ｕｍ製作プロセスを使用して製作可能であるアノード１２１０、１２１６を持つ２つのウェル１２０２、１２０８、およびカソード１２１２、１２１４を持つ２つのウェル１２０４、１２０６を含む２ＤＳＣＲレイアウト１２００を示す。示された実施形態では、Ｎウェルはコーナー（領域１２１８）で接続される。当然、代替実施形態では、Ｐウェルを同様にコーナーで接続することができる。このレイアウト１２００では、トリガー・タップ１２２０、１２２２、１２２４、１２２６は、アノード領域およびカソード領域の中央に示される。あるいは、タップは、アノード、カソード、またはその両方のいずれかに存在することができる。他の代替形態では、トリガー・タップを、ウェルのコーナー領域１２２８に付加することができる。トリガー・タップのタイプおよび位置は、ＳＣＲの適用を支援するように選択される。

前記の説明は、本発明の実施形態を対象とするものであるが、本発明の他の実施形態を、その基本的な範囲から逸脱することなく考案することができ、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

従来の片面ＳＣＲの簡単な上面図である。従来の両面ＳＣＲの簡単な上面図である。本発明の２次元ＳＣＲ（２ＤＳＣＲ）の簡単な上面図である。図３の２ＤＳＣＲの４つのウェルに関する上面図である。従来の片面ＳＣＲと比べた２ＤＳＣＲの幅／面積比に関するグラフを示す図である。従来の両面ＳＣＲと比べた２ＤＳＣＲの幅／面積比に関するグラフを示す図である。従来の両面ＳＣＲと比べた２ＤＳＣＲの幅／面積比に関する上面図（ただし、Ｓ＝２．８２ｕｍ、ＬｎＬｐ＝０．３１ｕｍである）である。従来の両面ＳＣＲと比べた２ＤＳＣＲの幅／面積比に関する上面図（ただし、Ｓ＝２．０ｕｍ、ＬｎＬｐ＝０．１ｕｍである）である。２ＤＳＣＲのＳに応じたＳＣＲ幅に関するグラフを示す図である。複数のＬｎＬｐ値を使用する、２ＤＳＣＲのＳに応じたＳＣＲ幅に関するグラフを示す図である。本発明に従って作製されたＳＣＲの例示的レイアウトの上面図である。本発明に従って作製されたＳＣＲの第２の例示的レイアウトの上面図である。

Claims

シリコン制御整流器（ＳＣＲ）であって、
複数のアノードと、
複数のカソードと、を含み
ただし、前記アノードとカソードが、集積回路のある領域内に、格子じま模様のパターンで配置されている、シリコン制御整流器。
前記複数のアノードとカソード内の前記アノードとカソードのそれぞれが、実質的に正方形の平面形状を持つ、請求項１に記載のＳＣＲ。
前記複数のアノードとカソード内の前記アノードとカソードが、多角形の平面形状を持つ、請求項１に記載のＳＣＲ。
アノードから、カソードまでの電流の流れに貢献するアクティブ領域の幅が、要素の物理的な長さ引く２ＬｎＬｐによって画定され、ただし、前記要素が、アノードまたはカソードのいずれかであり、ＬｎがＰ型ウェルからＮ型カソードまでの距離であり、ＬｐがＮ型ウェルからＰ型アノードまでの距離である、請求項１に記載のＳＣＲ。
前記幅の合計が前記ＳＣＲの有効幅をもたらす、請求項４に記載のＳＣＲ。
シリコン制御整流器（ＳＣＲ）の電流処理能力を変更する方法であって、ただし、前記ＳＣＲが、複数のアノードと複数のカソードを含み、前記アノードとカソードが、集積回路のある領域内に、格子じま模様のパターンで配置され、前記方法が、
前記領域の長さおよび幅を変更して、前記ＳＣＲの前記電流処理能力を変更するステップを含む、方法。
前記複数のアノードとカソード内の前記アノードとカソードのそれぞれが、実質的に正方形の平面形状を持つ、請求項６に記載の方法。
前記複数のアノードとカソード内の前記アノードとカソードが、多角形の平面形状を持つ、請求項６に記載の方法。
アノードからカソードまでの電流の流れに貢献するアクティブ領域の幅が、要素の物理的な長さ引く２ＬｎＬｐによって画定され、ただし、前記要素がアノードまたはカソードのいずれかであり、ＬｎがＰ型ウェルからＮ型カソードまでの距離であり、ＬｐがＮ型ウェルからＰ型アノードまでの距離である、請求項６に記載の方法。
前記幅の合計が前記ＳＣＲの有効幅をもたらす、請求項９に記載の方法。