JP2010098316A - 集積回路において静電放電を防止し放散する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の素子よりも少ない構成部品しか必要とせずおよび／または複雑でない構造を備え、集積回路がオンまたはオフになったときにそれを保護することを可能にし、保護される集積回路に対する非常に低い寄生容量を有する、かさ高にならない保護素子を提供すること。
【解決手段】少なくとも１つの集積回路を静電放電から保護するための素子（１００）は、少なくとも、イオン化可能金属部分（１０６）と、イオン化可能金属部分に接して配置され、前記イオン化可能金属部分の金属と同様の性質の金属イオンを有する固体電解質（１０４）と、この固体電解質に電気的に接続された電極（１０２）とを備えており、固体電解質中の金属イオン濃度が、固体電解質中の金属イオン飽和濃度より小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、集積回路の分野に関し、より詳細には、集積回路を、前記集積回路の接続線上に現れる可能性のあるＥＳＤ（静電放電）から保護する分野に関する。

集積回路内に埋め込まれる現在の電子構成部品の大部分は、ＭＯＳ（金属酸化膜半導体）トランジスタをベースとする。これらのトランジスタでは、その電源電圧より数ボルト大きい、一般に約３．３Ｖ〜５Ｖである電圧が、これらのトランジスタのゲート酸化物に損傷を与える可能性がある。したがって、これらの構成部品の電源電圧が低くなるほど、これらの構成部品は過電圧によって損傷しやすくなる。

集積回路の通常環境における静電放電（ＥＳＤ）の電圧値は、一般に数十ボルト、さらには数百ボルトにさえ達する可能性がある。これらの電圧は、集積回路内に低電荷が存在し、したがってこうした放電中に低電流が集積回路中を流れる場合でも、破壊的になることがある。

図１は、例えばＣＭＯＳ構成部品を備える集積回路１６の入出力間にＥＳＤ保護素子１０が配置された一構成例を表しており、これらの入出力は、電気的入出力線１２およびアース線１４で表される。このＥＳＤ保護素子１０は、電気的入出力線１２上に現れる静電放電または過電圧を、こうした放電に集積回路１６を通過させずに、直接アース線１４に向けて追い出し、それによって集積回路１６をこうした過電圧から保護することを可能にする。

このような集積されたＥＳＤ保護素子は一般に、多くの構成部品（ダイオード、ＭＯＳトランジスタおよびバイポーラトランジスタ、抵抗器など）の組立体を備える。米国特許第７，２４２，５５８号は例えばこのようなＥＳＤ保護素子を開示している。その形成に必要な構成部品が多い場合、この保護素子はかさ高になり、このことは、保護することが望まれる回路内にこの保護素子を集積しなければならないとき重大な欠点である。さらに、多くの構成部品を備えるこのようなＥＳＤ保護素子は、保護される集積回路の通過帯域が、高い寄生容量によって制限されるという欠点を有する。最後に、少なくともこの保護素子のトランジスタに給電する必要があることを考えると、この保護素子は、保護される集積回路がオンになった場合にのみ動作する。

米国特許第７，１６４，５６６号は別のタイプのＥＳＤ保護素子を開示している。同明細書に開示された素子は、それを形成するために多くの技術的ステップを必要とする複雑な構造を備える。

米国特許第７，２４２，５５８号 米国特許第７，１６４，５６６号

本発明の一目的は、従来技術の素子よりも少ない構成部品しか必要とせずおよび／または複雑でない構造を備え、集積回路がオンまたはオフになったときにそれを保護することを可能にし、保護される集積回路に対する非常に低い寄生容量を有する、かさ高にならない保護素子を提供することにある。

このために、本発明は、少なくとも１つの集積回路を静電放電から保護するための素子を提案しており、この素子は少なくとも、
− イオン化可能金属部分と、
− イオン化可能金属部分に接して配置され、前記イオン化可能金属部分の金属と同様の性質の金属イオンを有する固体電解質と、
− この固体電解質に電気的に接続または結合された電極とを備えており、
固体電解質中の金属イオン濃度が、固体電解質中の金属イオン飽和濃度より小さい。

このような保護素子は、集積回路を静電放電から効率的に保護することを可能にし、周辺の分極構成部品を必要としない。前記保護素子はまた、非常にかさ高になることはなく、一般に、保護素子の寸法は約３００ｎｍに等しく、イオン化可能金属部分および固体電解質の厚さは、約１００ｎｍより薄くすることができる。このような素子により、例えば、約１秒間、約１０ｍＡに等しい電流を放散することが可能になる。

また、この保護素子は、保護される集積回路に対する寄生容量が非常に低く（例えば約１００ｐＦ未満）、したがって保護される集積回路の動作用通過帯域に対する影響が低くなる。

最後に、保護素子は、静電放電にさらされていないとき、インピーダンスが非常に大きくなり（Ｒ＞１０^９オーム）、それによって漏れ電流を引き起こさず、または非常に低い漏れ電流を引き起こす。

有利には、保護素子はさらに、イオン化可能金属部分に電気的に接続または結合された第２の電極を備えることができる。

有利には、イオン化可能金属部分は、銅および／または銀をベースとすることができ、および／または固体電解質はカルコゲニドをベースとすることができ、および／または１つまたは複数の電極はニッケルおよび／またはタングステンをベースとすることができる。

１つまたは複数の電極の厚さは、約１００ｎｍ〜３００ｎｍとすることができ、および／または固体電解質の厚さは、約１０ｎｍ〜１００ｎｍとすることができ、および／またはイオン化可能金属部分の厚さは、約５ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。またイオン化可能金属層が、電極の役割を保証するとき（この場合は、第２の電極がイオン化可能金属部分それ自体によって形成される）、その厚さは約５００ｎｍより薄く、例えば約３００ｎｍに等しく、またはその代わりに約３００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さでもよい。

保護素子はさらに、１つまたは複数の電極の材料が、イオンを固体電解質中に拡散させるのに適しているとき、イオン拡散を防ぐ材料からなる部分を含み、それによって１つまたは複数の電極と固体電解質との間に配置されるイオン拡散バリアを形成する。

保護素子はさらに、電極とイオン化可能金属部分との間、または電極同士の間に配置される、１つまたは複数の電極の材料からなる部分よりも導電率の低い抵抗性材料からなる部分を備えることができる。このような材料からなる部分により、保護素子中を流れる可能性のある最大電流を制限することが可能になる。

保護素子はさらに、その抵抗性材料からなる前記部分の材料が、イオンを固体電解質中に拡散させるのに適しているとき、その材料からなる前記部分と固体電解質の間に配置されるイオン拡散バリアを備えることができる。

保護素子の各部品は、電気的絶縁材料からなる部分によって囲むことができる。

本発明はまた、少なくとも１つの集積回路を静電放電から保護する方法に関し、この方法は、集積回路の電気的入力線および／または出力線に、上記の少なくとも１つの保護素子を電気的に接続または結合するステップを含み、保護素子の電極またはイオン化可能金属部分の一方が、集積回路の電気的入力線および／または出力線に電気的に接続または結合され、他方がアース線に電気的に接続または結合される。

アース線に電気的に接続または結合された電極またはイオン化可能金属部分は、アースに直接接続または結合してもよく、あるいはフィルタ、電源、トランス、さらにはカプラなどの少なくとも１つの電子デバイスによってアースに接続または結合してもよい。

保護素子が、イオン化可能金属部分に電気的に接続または結合された第２の電極を備える場合、イオン化可能金属部分は、この第２の電極によって、集積回路の電気的入力線および／または出力線に、またはアース線に、電気的に接続または結合することができる。

この方法はさらに、集積回路の電気的入力線および／または出力線に、上記の少なくとも１つの第２の保護素子を電気的に接続および／または結合するステップを含むことができる。第１の保護素子のイオン化可能金属部分が、集積回路の電気的入力線および／または出力線に電気的に接続または結合されるとき、第２の保護素子の電極は、集積回路の電気的入力線および／または出力線に、電気的に接続または結合することができ、第２の保護素子のイオン化可能金属部分はアース線に電気的に接続または結合することができる。第１の保護素子のイオン化可能金属部分が、アース線に電気的に接続または結合されるとき、第２の保護素子のイオン化可能金属部分は集積回路の電気的入力線および／または出力線に電気的に接続または結合することができ、第２の保護素子の電極はアース線に電気的に接続または結合することができる。

好ましくは、第２の保護素子が、第２の保護素子のイオン化可能金属部分に電気的に接続または結合された第２の電極を備える場合、第２の保護素子のイオン化可能金属部分は、第２の電極によって、集積回路の電気的入力線および／または出力線に、またはアース線に電気的に接続または結合することができる。

本発明はまた、少なくとも１つの集積回路の少なくとも１本の電気的入力線および／または出力線上に現れる静電放電を放散する方法に関し、この方法は少なくとも、
− 静電放電から生じる電流を、集積回路の電気的入力線および／または出力線、またはアース線に電気的に接続された保護素子の電極またはイオン化可能金属部分によって、上述の保護素子に運ぶステップと、
− イオン化可能金属部分から生じ、イオン化可能金属部分に接して配置された保護素子の固体電解質中に拡散された金属イオンを固体電解質中に移動させ、それにより少なくともイオン化可能金属部分および固体電解質によって形成される組立体の固有抵抗を低下させ、電極とイオン化可能金属部分の間に導電経路を形成するステップと、
− 静電放電から生じる電流を、アース線に電気的に接続または結合された電極またはイオン化可能金属部分によって、保護素子を介して追い出すステップとを含む。

金属イオンの移動中、イオン化可能金属部分および固体電解質によって形成される組立体の固有抵抗を、約１０^９オームより大きいＲ_ＨＩ値から約１０^３オームより小さいＲ_ＢＩ値に低下させることができる。

本放散方法はさらに、静電放電から生じる電流を追い出すステップの後、それまでに固体電解質中に移動された金属イオンを分散させる（ｄｉｓｐｅｒｓｉｎｇ）ステップであって、それによりイオン化可能金属部分および固体電解質によって形成される組立体の固有抵抗を増大させることができるステップを含むことができる。

この場合、金属イオンの分散中、イオン化可能金属部分および固体電解質によって形成される組立体の固有抵抗を、約１０^３オームより小さいＲ_ＢＩ値から約１０^９オームより大きいＲ_ＨＩ値に増大させる。

本発明はまた、少なくとも１つの集積回路を、集積回路の少なくとも１本の電気的入力線および／または出力線上に現れる静電放電から保護するための半導体素子の使用に関し、この半導体素子は少なくとも、
− イオン化可能金属部分と、
− イオン化可能金属部分に接して配置され、前記イオン化可能金属部分から生じる金属イオンを含む固体電解質と、
− 固体電解質に電気的に接続または結合された電極とを備え、
固体電解質中の金属イオン濃度が、固体電解質中の金属イオンの飽和濃度より小さく、
電極またはイオン化可能金属部分の一方が、集積回路の電気的入力線および／または出力線に電気的に接続または結合され、他方がアース線に電気的に接続または結合される。

本発明は、決して限定するものではなく、純粋に指示として示す、諸実施形態の説明を、添付の図面を参照して読めば、よりよく理解されよう。

従来技術によるＥＳＤ保護素子によって集積回路を保護するための構成を表す図である。 集積回路を静電放電から保護するために使用される第１の実施形態による保護素子を表す図である。 集積回路を静電放電から保護するために使用される第２の実施形態による保護素子を表す図である。 第１または第２の実施形態による保護素子の導電率の変動を、前記保護素子の電極同士の間に印加される電圧の値の関数としてグラフで表す図である。 集積回路が２つの保護素子によって保護される構成を表す図である。 集積回路が６つの保護素子によって保護される構成を表す図である。

以下で説明する様々な図の同一の、同様の、または等価な部分は、１つの図から次の図に移りやすくなるように、同じ参照番号を付けてある。

図を見やすくするために、図に表される様々な部分は、必ずしも同じ縮尺で示されていない。

様々な可能な形態（代替形態および実施形態）は、相互に排他的なものではなく、互いに組み合わせることができるものとして理解すべきである。

最初に図２を参照すると、図２は、集積回路を静電放電から保護するために使用される第１の実施形態による保護素子１００を表す。

この素子１００は、導体材料をベースとする、例えばタングステンおよび／またはニッケルなどの不活性金属をベースとする下部電極１０２を備えており、その下部電極１０２上に、例えばＧｅＳｅおよび／またはＧｅＳおよび／またはＷＯｘなどのドープされた、または非ドープのカルコゲニドをベースとする、および／またはテルルをベースとする固体電解質１０４が配置される。下部電極１０２は、例えば約１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する。固体電解質１０４は、例えば約１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する。下部電極１０２の材料がイオンを固体電解質１０４中に拡散させるのに適している場合（そのとき、これは「可溶」電極と呼ばれる）、下部電極１０２と固体電解質１０４の間にイオン拡散バリアを配置することができる。このようなイオン拡散バリアは、例えば、下部電極１０２から固体電解質１０４中にイオンが拡散されるのを防ぐように適合されるＷｎおよび／またはＴｉＮおよび／または他の任意の材料からなる部分によって形成される。このイオンバリアの厚さは、例えば約１０ｎｍ〜２０ｎｍである。

イオン化可能金属部分１０６、あるいは例えば銀および／または銅をベースとする活性金属部分が、固体電解質１０４上に配置される。この金属がイオン化可能といわれるのは、固体電解質１０４上へのこの金属の堆積中、または熱拡散ステップ中、または放射によって、この金属が固体電解質１０４中に金属イオンを拡散するからである。導体材料をベースとする、例えばタングステンおよび／またはニッケルなどの不活性金属をベースとする上部電極１０８が、イオン化可能金属部分１０６上に配置される。上部電極１０８の厚さは、例えば約１００ｎｍ〜３００ｎｍである。上部電極１０８の材料がイオンを固体電解質１０４中に拡散させるのに適している場合、例えば前述したものと同様の拡散バリアを、上部電極１０８とイオン化可能金属部分１０６の間に配置することができる。

固体電解質１０４は、イオン化可能金属部分１０６から生じる、イオン化可能金属部分１０６の金属と同様の性質の金属イオンを含む。こうした金属イオンは、固体電解質１０４上にイオン化可能金属部分１０６を堆積中、および／または必要なら続いて起こる拡散（例えば、熱処理によるか、またはＵＶ放射による）ステップの後、イオン化可能金属部分１０６から固体電解質１０４中に移動している。一代替形態では、固体電解質１０４を堆積中、例えば、固体電解質１０４とイオン化可能金属部分１０６の同時スパッタリングによって、固体電解質１０４中に金属イオンを取り込ませることができる。

固体電解質１０４中の金属イオン濃度は、固体電解質１０４の材料の金属イオン飽和濃度より小さく、概して言えば、例えば約５％〜５０％である。固体電解質１０４中の金属イオン飽和濃度の値は、金属イオンの性質、ならびに固体電解質材料の性質に応じて変わる。例えば、ＧｅＳｅをベースとする固体電解質１０４、およびＡｇをベースとするイオン化可能金属部分１０６の場合、固体電解質１０４中の銀イオン飽和濃度は、約３０％に等しい。したがって、本発明では、ＧｅＳｅ中の銀イオン濃度として約３０％未満の濃度が選択される。

下部電極１０２と、固体電解質１０４およびイオン化可能金属部分１０６によって形成される組立体と、上部電極１０８は、それぞれ保護素子１００を熱的かつ電気的に分離するための誘電性部分１１０、１１４、１１６で囲まれる。これらの誘電性部分は、例えばＳｉＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４をベースとする。

このような素子１００は寸法が小さい。例えば、両電極の厚さがそれぞれ約１００ｎｍに等しいとき、固体電解質１０４とイオン化可能金属部分１０６の合計厚さは約６５ｎｍに等しくなり、それによって約２６５ｎｍに等しい厚さの保護素子１００を形成することができる。保護素子１００の寸法は、例えば約３００ｎｍに等しい。

図３は、第２の実施形態による保護素子１００を表す。前述の第１の実施形態に比べて、第２の実施形態による保護素子１００はさらに、下部電極１０２と固体電解質１０４の間に配置された抵抗性材料からなる部分１１２を備える。この第２の実施形態の一代替形態では、この抵抗性材料からなる部分１１２を、上部電極１０８とイオン化可能金属部分１０６の間に配置することもできる。この部分１１２の抵抗性材料としては、導電率が下部電極１０２および／または上部電極１０８の材料より低くなり、それによって素子１００の内部で下部電極１０２と上部電極１０８の間に直列抵抗が形成され、電極１０２と１０８の間で保護素子１００の中を流れる電流を制限することが可能になり、したがって高過ぎるＥＳＤにさらされた場合、素子１００がいかなる破壊からも保護されるものが選択される。この抵抗性材料からなる部分１１２の寸法は、この抵抗性部分１１２の材料の必要な抵抗値および固有抵抗の関数として選択される。

保護素子１００が耐えることができる最大電流は実験的に決められ、保護素子１００が有することが意図される抵抗値は、最大継続時間中、保護される素子中を電流が流れ、あるいは保護される素子が最大ピーク電圧に耐えることができるように、この最大電流値、および保護される素子に関連するパラメータから計算される。この抵抗性部分１１２の材料としては、固体電解質１０４中にイオンを拡散しないものを選択することができる。この部分１１２の材料がイオンを固体電解質１０４中に拡散させるのに適している場合、例えば前述したものと同様の拡散バリアを、この抵抗性材料からなる部分１１２と固体電解質１０４の間に配置することができる。

素子１００はその２つの電極１０２と１０８の間に導電率を有し、その値は、固体電解質１０４、イオン化可能金属部分１０６と、場合によっては抵抗性部分１１２とによって形成される組立体の導電率によって完全に規定される。しかし、この組立体の導電率は、その端子に印加される電圧、言い換えれば、電極１０２と１０８の間に印加される電圧に依存する。

図４は、この導電率（単位オーム）の変動を、電極１０２と１０８の間に印加される電圧（単位ボルト）の値の関数としてグラフで表している。素子１００は、電極１０２と１０８の間の電圧が、閾値電圧Ｖ_ｔｈｏｎ、例えば約５００ｍＶ〜５Ｖを超えたときに引き起こされる第１の高インピーダンスの安定状態Ｒ_ＨＩ（例えば、Ｒ_ＨＩ＞１０^９オーム、またはその代わりに１０^６＜Ｒ_ＨＩ＜１０^９オーム）と、第２の低インピーダンス状態Ｒ_ＢＩ（例えば、Ｒ_ＢＩ＜１０^３オーム、またはその代わりに１０＜Ｒ_ＢＩ＜１０^３オーム）とを有する。保護素子１００に使用される材料の限界破壊電圧にできるだけ近づいた閾値電圧Ｖ_ｔｈｏｎが選択されることが好ましい。電極１０２と１０８の間の電圧値が、閾値電圧Ｖ_ｔｈｏｎの値より低い値の閾値Ｖ_{ｔｈｏｆｆ}、例えば約２００ｍＶ〜２Ｖより低くなったとき、低インピーダンス状態Ｒ_ＢＩから高インピーダンス状態Ｒ_ＨＩに自動的に戻る。図４では、Ｖ_{ｔｈｏｆｆ}の値がＶ_ｔｈｏｎの値より低くなり、それによってヒステリシスｄＶ_ｔｈが形成されることが分かるであろう。

ＥＳＤの出現中、素子１００の電極１０２および１０８の端子での電圧は、閾値電圧Ｖ_ｔｈｏｎを超える。このとき、固体電解質１０４中に見られる金属イオンは、移動現象によって固体電解質１０４中に導電経路を形成し、それによって素子１００の導電率を第１の高インピーダンス状態Ｒ_ＨＩから第２の低インピーダンス状態Ｒ_ＢＩへ推移させる。したがって、保護素子１００からＥＳＤを追い出すことができる。ＥＳＤが終結されたとき、電極１０２と１０８の間の電圧が降下して閾値Ｖ_{ｔｈｏｆｆ}より低くなり、それまでに移動した金属イオンが電解質１０４中に拡散することによって電解質１０４中にそれまでに形成された導電経路が除去される。次いで、保護素子１００は、高インピーダンスの安定状態Ｒ_ＨＩに自動的に戻る。

保護素子１００のいくつかのパラメータにより、スイッチング電圧Ｖ_ｔｈｏｎ、Ｖ_{ｔｈｏｆｆ}、およびヒステリシスｄＶ_ｔｈを変更することが可能になる。パラメータとしては、
− イオン化可能金属１０６の性質
− 固体電解質１０４の材料の性質
− 固体電解質１０４中に拡散される金属イオンの量
− イオン化可能金属１０６の拡散係数
− 固体電解質１０４中へのドーパントの付加
が挙げられる。

図５は、集積回路１６が静電放電から保護される一構成例を表す。図１に表す構成と同様に、保護される集積回路１６は、入力および／または出力線１２と、アースに接続された線１４とを備える。第１または第２の実施形態による、前述の第１の保護素子１００．１が、入出力線１２とアース線１４との間で、集積回路１６の上流に、集積回路１６と平行に接続される。また、第２の保護素子１００．２が、入出力線１２とアース線１４との間で、やはり集積回路１６の上流に、集積回路１６に平行に接続される。第１の保護素子１００．１の上部電極１０８．１は、入出力線１２に電気的に接続され、第１の保護素子１００．１の下部電極１０２．１は、アース線１４に電気的に接続される。逆に、第２の保護素子１００．２の上部電極１０８．２は、アース線１４に電気的に接続され、第２の保護素子１００．２の下部電極１０２．２は、入出力線１２に電気的に接続される。

したがって、保護素子１００．１および１００．２がそれぞれユニポーラ動作を有する（下部電極１０２と上部電極１０８の間で正の電圧の存在下、高インピーダンス状態Ｒ_ＨＩから低インピーダンス状態Ｒ_ＢＩへ推移する）ので、この結合により、集積回路１６のバイポーラ保護を保証することが可能になり、入出力線１２上に現れる等しく十分に正または負の値のＥＳＤから集積回路１６が保護される。にもかかわらず、集積回路１６のユニポーラ保護を保証したい場合、入出力線１２とアース線１４の間で、平行に、また保護される集積回路１６の上流に単一の保護素子１００を接続することだけが可能である。この場合、保護素子は、集積回路１６をそれから保護する必要がある、静電放電のタイプに応じて、第１の素子１００．１のように、または第２の素子１００．２のように接続されることになる。

保護素子１００は、寸法が小さいので、その中を流れる電流の最大値Ｉ_ｍａｘに耐えることができる。Ｉ_ｍａｘより大きい値の電流を引き起こすＥＳＤから集積回路を保護する必要がある場合、この場合は、互いに平行に接続されたいくつかの保護素子１００を使用することが可能である。図６は、６つの保護素子１００．１〜１００．６が、入出力線１２とアース線１４の間で、集積回路１６の上流に、集積回路１６に平行に接続された、このような構成の一例を表す。これら６つの保護素子１００．１〜１００．６のうち、最初の３つの保護素子１００．１〜１００．３は、入出力線１２に接続されたそれらの上部電極と、アース線１４に接続されたそれらの下部電極とを備え、２番目の３つの保護素子１００．４〜１００．６は、アース線１４に接続されたそれらの上部電極と、入出力線１２に接続されたそれらの下部電極とを備える。それによって、６つの保護素子１００による、ＣＭＯＳ素子１６のバイポーラ保護が実現され、したがって、静電放電の強電流に耐えることが可能になり、放電電流は、静電過電圧の符号に従って、保護素子１００のうち３つの素子の間で定期的に拡散される。

図６の例は一般化することができる。すなわちＮ個の保護素子１００によって集積回路１６を保護することができる。ただし、Ｎは厳密に正の整数である。さらに、バイポーラ保護の場合、Ｎ個の保護素子のいくつかは、図６に関して前述した構成と同様に、集積回路１６に他の保護素子とは逆向けに接続することができる。その上、入出力線とアース線の間に逆向けに接続された保護素子の数は、必ずしも入出力線とアース線の間に逆向けではない形で接続された保護素子の数に等しいとは限らない。

次に、前述した保護素子１００の形成方法を開示する。

最初に、下部電極１０２を、例えばスパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）、ＰＥＣＶＤ（プラズマ促進化学気相成長）、蒸着または他の任意の適切な堆積技術により、この下部電極１０２を形成するための導体材料を、ここでは図示されていない、例えばシリコン、ゲルマニウム、もしくはその代わりにＡｓＧａをベースとする半導体基板上に、またはＳＯＩ型ではない半導体基板上に堆積させることによって形成する。この基板は、有機材料をベースとするものでもよく、その場合は電気絶縁性である。この導体材料は、基板上および／または保護される１つまたは複数の集積回路の接続線上に形成される他の部品との電気的接続を形成するための、基板上に配置された金属層それ自体上に堆積することも可能である。次いで、堆積された導体材料層をエッチングして、必要な寸法および形状に従って下部電極１０２を形成する。静電放電の電流がその中を流れることが意図される下部電極１０２の断面の寸法は、保護素子１００中を流れることが意図される最大電流の値の関数として選択する。この下部電極は、例えば約１μｍに等しい寸法、および約３００ｎｍに等しい厚さの両側部を有する。

次いで、誘電性材料を堆積させ、下部電極１０２上で停止する平坦化によって、下部電極１０２のまわりに誘電性部分１１４を形成する。

第２の実施形態の例では、次いで、下部電極１０２上に、また誘電性部分１１４上に抵抗性材料層を堆積させ、次いで抵抗性部分１１２を形成するためにその層をエッチングする。第１の実施形態の場合、抵抗性部分１１２を形成するこれらのステップは省略する。

次いで、固体電解質１０４を形成するための材料、例えばカルコゲニドの層を、抵抗性部分１１２上または下部電極１０２上および誘電性部分上に堆積させる。次いで、イオン化可能金属部分１０６を形成するためのイオン化可能金属、例えば銅および／またはタングステンをベースとする層を、固体電解質１０４の材料層上に堆積させる。固体電解質層１０４上にイオン化可能金属１０６を堆積中、イオン化可能金属層１０６から生じる金属イオンが、固体電解質１０４を形成するためのカルコゲニド材料層中に拡散する。次いで、（固体電解質１０４およびイオン化可能金属部分１０６を形成するための）これらの層と、場合によっては抵抗性材料１１２とを、固体電解質１０４およびイオン化可能金属部分１０６を形成するために必要な寸法に従ってエッチングする。使用される（活性材料１０６以外の）材料の一部が、イオンを固体電解質１０４中に拡散させるのに適している場合、当該の部分と固体電解質１０４の間に例えば適切な材料層を堆積させ、必要な寸法までその材料層をエッチングすることによって、固体電解質１０４とこれらの材料との間に拡散バリアを形成するステップを実施することが可能である。

また、例えばこの材料が本来非ドープのとき、例えば固体電解質１０４上に予め堆積されたドーパント層から生じるドーパントをＵＶ露光もしくは付加的な熱処理によって熱拡散、及び堆積中のドーパントの自己拡散により、固体電解質１０４をドープするステップを実施することも可能である。さらに、イオン化可能金属部分１０６および固体電解質１０４に対して実行される、熱処理またはＵＶ放射でよい付加的な拡散ステップによって、固体電解質１０４中の金属イオン濃度を高めることも可能である。

固体電解質中に拡散される金属イオンの量は、固体電解質中の金属イオン濃度が、固体電解質中のこれらのイオンの飽和濃度の値より低くなるように選択される。この飽和濃度の値が未知であるとき、形成される固体電解質中の金属イオン濃度の値は、以下のテストを順次実施することによって得ることができる。
− 最初に、固体電解質中の金属イオン濃度の初期値を選択する。
− スイッチング電圧Ｖ_ｔｈｏｎを測定する。
− Ｖ_ｔｈｏｎが、保護される素子の破壊電圧より大きい場合、Ｖ_ｔｈｏｎ値を低くするために、固体電解質中の金属イオン濃度を増大させ、これを、保護される素子の破壊電圧より小さいＶ_ｔｈｏｎが得られるようになるまで（Ｖ_ｔｈｏｎが、保護素子の動作電圧（または電源電圧）より大きくなっている間）行う。得られた濃度が、Ｖ_ｔｈｏｎが保護される素子の破壊電圧より小さくなることを可能にするものであるとき、Ｖ_{ｔｈｏｆｆ}＞０が実際に満たされているかどうかチェックする。したがって、これらの条件が満たされている場合、固体電解質中の金属イオン濃度は飽和濃度よりもかなり低くなる。
− Ｖ_ｔｈｏｎが、保護素子の動作電圧（または電源電圧）より小さい場合、金属イオン濃度を、Ｖ_ｔｈｏｎが保護素子の動作電圧（または電源電圧）より大きくなるまで（Ｖ_ｔｈｏｎが、保護される素子の破壊電圧より小さくなっている間）減らす。やはり、Ｖ_{ｔｈｏｆｆ}＞０が実際に満たされているかどうかチェックする。したがって、これらの条件が満たされている場合、固体電解質中の金属イオン濃度は飽和濃度よりもかなり低くなる。

次いで、部分１１２、１０４、１０６のまわりでの堆積および平坦化によって誘電性部分１１０を形成する。最後に、上部電極１０８ならびに誘電性部分１１６を、例えば下部電極１０２および誘電性部分１１４と同様にして形成する。

概して言えば、保護素子１００の様々な部分を形成するために使用される材料は、スパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）、蒸着または他の任意の適切な堆積技術、またエッチングおよび／または平坦化、例えばＣＭＰ（化学的機械的研磨）によって、堆積することができる。

形成される固体電解質１０４の厚さは、具体的には、電解質を形成する材料（例えば、ドープされたカルコゲニド）の性質、高インピーダンス状態Ｒ_ＨＩでの抵抗値（この抵抗値は、関係式Ｒ＝σｅ／Ｓに従って、材料の厚さに比例する。ただし、ｅは材料の厚さ、σは材料の固有抵抗、Ｓはイオン化可能金属と接触する材料の表面積である）、材料の幾何形状（特に表面積Ｓ）、および材料の破壊電圧（破壊電圧は素子のスイッチング電圧より大きい）の関数として計算される。

イオン化可能金属部分１０６の厚さは、電極１０２、１０８の材料、電解質中の溶解のタイプ（自然拡散、および／またはイオン化可能金属１０６のＵＶドーピングまたは熱処理によって刺激される拡散）、必要なスイッチング電圧Ｖ_ｔｈｏｎ、および固体電解質１０４の厚さの関数として決まる。イオン化可能金属部分１０６の厚さは、例えば約５ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。

さらに、固体電解質１０４中のイオン化可能金属部分１０６に由来する金属イオンの濃度を、必要なスイッチング電圧が得られるように調整することができる。このスイッチング電圧は、高インピーダンス状態に自然に戻ることを保証するために、飽和電圧より低いものを選択することが好ましい。この調整は、イオン化可能金属部分１０６の適切な厚さを選択することによって行うことができ、この最適な厚さは様々な実験的なテストによって決定することができる。

図２および図３に表す例では、平面（ｘ，ｙ）における（図２および図３に表す、軸ｘ、ｙ、ｚに沿った）、下部電極１０２および上部電極１０８の寸法は、部分１１２、１０４、１０６より大きい。したがって、保護素子１００のアクティブゾーンの表面積（この表面積は、静電放電を放散中に電流が流れる表面積に相当する）は、平面（ｘ，ｙ）における固体電解質１０４の表面積によって規定され、この表面積は、同じ平面におけるイオン化可能金属部分１０６の表面積とほぼ同じである。この表面積は、例えば約７００ｎｍ^２〜０．０７μｍ^２である。

一代替形態では、平面（ｘ，ｙ）における電極の寸法を部分１１２、１０４、１０６より小さくすることが可能である。その場合、保護素子１００のアクティブゾーンの表面積は、平面（ｘ，ｙ）における電極１０２、１０８の寸法によって決まる。

１０ ＥＳＤ保護素子
１２ 電気的入出力線
１４ アース線
１６ 集積回路、ＣＭＯＳ素子
１００ 保護素子
１００．１ 第１の保護素子
１００．２ 第２の保護素子
１００．３ 保護素子
１００．４ 保護素子
１００．５ 保護素子
１００．６ 保護素子
１０２ 下部電極
１０２．１ 下部電極
１０２．２ 下部電極
１０４ 固体電解質
１０６ イオン化可能金属部分、活性材料
１０８ 上部電極
１０８．１ 上部電極
１０８．２ 上部電極
１１０ 誘電性部分
１１２ 抵抗性部分、抵抗性材料からなる部分
１１４ 誘電性部分
１１６ 誘電性部分

Claims (16)

1. 少なくとも１つの集積回路（１６）を静電放電から保護するための素子（１００、１００．１〜１００．６）であって、少なくとも、
   イオン化可能金属部分（１０６）と、
   前記イオン化可能金属部分（１０６）に接して配置され、前記イオン化可能金属部分（１０６）の金属と同様の性質の金属イオンを有する固体電解質（１０４）と、
   前記固体電解質（１０４）に電気的に接続された電極（１０２、１０２．１）とを備え、
   前記固体電解質（１０４）中の金属イオン濃度が、前記固体電解質（１０４）中の金属イオン飽和濃度より小さい、保護素子（１００、１００．１〜１００．６）。
2. 前記イオン化可能金属部分（１０６）に電気的に接続された第２の電極（１０８、１０８．１）をさらに備える、請求項１に記載の保護素子（１００、１００．１〜１００．６）。
3. 前記イオン化可能金属部分（１０６）が、銅および／または銀をベースとし、および／または前記固体電解質（１０４）が、カルコゲニドをベースとし、および／または１つまたは複数の前記電極（１０２、１０８）が、ニッケルおよび／またはタングステンをベースとする、請求項１または２に記載の保護素子（１００、１００．１〜１００．６）。
4. 前記電極（１０２、１０８）の厚さが、約１００ｎｍ〜３００ｎｍであり、および／または前記固体電解質（１０４）の厚さが、約１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、および／または前記イオン化可能金属部分（１０６）の厚さが、約５ｎｍ〜１００ｎｍである、請求項１から３のいずれか一項に記載の保護素子（１００、１００．１〜１００．６）。
5. 前記電極（１０２、１０８）の材料が、イオンを前記固体電解質（１０４）中に拡散させるのに適しているとき、前記電極（１０２、１０８）と前記固体電解質（１０４）の間に配置されるイオン拡散バリアをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の保護素子（１００、１００．１〜１００．６）。
6. 前記電極（１０２）と前記イオン化可能金属部分（１０６）との間、または前記電極（１０２、１０８）の間に配置される、前記電極（１０２、１０８）の材料よりも導電率の低い抵抗性材料からなる部分（１１２）をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の保護素子（１００、１００．１〜１００．６）。
7. 抵抗性材料からなる前記部分（１１２）の材料が、イオンを前記固体電解質（１０４）中に拡散させるのに適しているとき、抵抗性材料からなる前記部分（１１２）と前記固体電解質（１０４）の間に配置されるイオン拡散バリアをさらに備える、請求項６に記載の保護素子（１００、１００．１〜１００．６）。
8. 電気的絶縁材料（１１０、１１４、１１６）からなる部分によって囲まれる部品を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の保護素子（１００、１００．１〜１００．６）。
9. 少なくとも１つの集積回路（１６）を静電放電から保護する方法であって、請求項１から８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの保護素子（１００、１００．１、１００．３、１００．４）を、前記集積回路（１６）の電気的入力線および／または出力線（１２）に少なくとも電気的に接続するステップを含み、前記保護素子（１００、１００．１、１００．３、１００．４）の前記電極（１０２）または前記イオン化可能金属部分（１０６）の一方が、前記集積回路（１６）の前記電気的入力線および／または出力線（１２）に電気的に接続され、他方がアース線（１４）に電気的に接続される、保護方法。
10. 前記保護素子（１００、１００．１、１００．３、１００．４）が、前記イオン化可能金属部分（１０６）に電気的に接続された第２の電極（１０８、１０８．１）を備える場合に、前記イオン化可能金属部分（１０６）が、前記第２の電極（１０８、１０８．１）によって、前記集積回路（１６）の前記電気的入力線および／または出力線（１２）に、または前記アース線（１４）に電気的に接続される、請求項９に記載の保護方法。
11. 前記集積回路（１６）の前記電気的入力線および／または出力線（１２）に、請求項１から８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの第２の保護素子（１００、１００．２、１００．５、１００．６）を電気的に接続するステップをさらに含み、前記第１の保護素子（１００、１００．１、１００．３、１００．４）の前記イオン化可能金属部分（１０６）が、前記集積回路（１６）の前記電気的入力線および／または出力線（１２）に電気的に接続されるとき、前記第２の保護素子（１００、１００．２、１００．５、１００．６）の電極（１０２、１０２．２）が、前記集積回路（１６）の前記電気的入力線および／または出力線（１２）に電気的に接続され、前記第２の保護素子（１００、１００．２、１００．５、１００．６）の前記イオン化可能金属部分（１０６）が、前記アース線（１４）に電気的に接続され、また前記第１の保護素子（１００）の前記イオン化可能金属部分（１０６）が、前記アース線（１４）に電気的に接続されるとき、前記第２の保護素子（１００）の前記イオン化可能金属部分（１０６）が、前記集積回路（１６）の前記電気的入力線および／または出力線（１２）に電気的に接続され、前記第２の保護素子（１００）の前記電極（１０２）が、前記アース線（１４）に電気的に接続される、請求項９または１０のいずれか一項に記載の保護方法。
12. 前記第２の保護素子（１００、１００．２、１００．５、１００．６）が、前記第２の保護素子（１００、１００．２、１００．５、１００．６）の前記イオン化可能金属部分（１０６）に電気的に接続される第２の電極（１０８、１０８．２）を備える場合に、前記第２の保護素子（１００、１００．２、１００．５、１００．６）の前記イオン化可能金属部分（１０６）が、前記第２の電極（１０８、１０８．２）によって、前記集積回路（１６）の前記電気的入力線および／または出力線（１２）に、または前記アース線（１４）に電気的に接続される、請求項１１に記載の保護方法。
13. 少なくとも１つの集積回路（１６）の少なくとも１本の電気的入力線および／または出力線（１２）上に現れる静電放電を放散する方法であって、少なくとも、
    前記静電放電から生じる電流を、前記集積回路（１６）の前記電気的入力線および／または出力線（１２）またはアース線（１４）に電気的に接続された前記保護素子（１００、１００．１〜１００．６）の電極（１０２、１０２．１）またはイオン化可能金属部分（１０６）によって、請求項１から８のいずれか一項に記載の保護素子（１００、１００．１〜１００．６）に運ぶステップと、
    前記イオン化可能金属部分（１０６）から生じ、前記イオン化可能金属部分（１０６）に接して配置された前記保護素子（１００、１００．１〜１００．６）の固体電解質（１０４）中に拡散された金属イオンを、前記固体電解質（１０４）中に移動させ、それにより少なくとも前記イオン化可能金属部分（１０６）および前記固体電解質（１０４）によって形成される組立体の固有抵抗を低下させ、前記電極（１０２、１０２．１、１０２．２）と前記イオン化可能金属部分（１０６）の間の導電経路を形成するステップと、
    前記静電放電から生じる電流を、前記アース線に電気的に接続された前記電極（１０２）または前記イオン化可能金属部分（１０６）により、前記保護素子（１００、１００．１〜１００．６）を介して追い出すステップとを含む、放散方法。
14. 前記金属イオンの移動中、前記イオン化可能金属部分（１０６）および前記固体電解質（１０４）によって形成される前記組立体の固有抵抗が、約１０^９オームより大きいＲ_ＨＩ値から約１０^３オームより小さいＲ_ＢＩ値に低下される、請求項１３に記載の放散方法。
15. 前記静電放電から生じる電流を追い出すステップの後、それまでに前記固体電解質（１０４）中に移動した前記金属イオンを分散させ、それによって前記イオン化可能金属部分（１０６）および前記固体電解質（１０４）によって形成される前記組立体の固有抵抗を増大させるステップをさらに含む、請求項１３または１４のいずれか一項に記載の放散方法。
16. 前記金属イオンの拡散中、前記イオン化可能金属部分（１０６）および前記固体電解質（１０４）によって形成される前記組立体の固有抵抗が、約１０^３オームより小さいＲ_ＢＩ値から約１０^９オームより大きいＲ_ＨＩ値に増大される、請求項１５に記載の放散方法。

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