JP2012151230A - Protection element and semiconductor device having protection element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a protection element that can be formed in a relatively small area and can be operated as a protection element even if miniaturization of the element size is advanced.SOLUTION: A protection element includes: a first-conductivity-type well region 3 formed in a semiconductor substrate 1; a second-conductivity-type well region 4 formed adjacent to the first-conductivity-type well region 3; a MOS transistor of a second-conductivity-type channel formed in the first-conductivity-type well region 3; first wiring electrically connected to the first-conductivity-type well region 3, a source region of the MOS transistor, and a gate of the MOS transistor; and second wiring electrically connected to a drain region of the MOS transistor and the second-conductivity-type well region 4.

Description

本発明は、ESD等への対策用の保護素子、並びに、この保護素子を備えた半導体装置に係わる。   The present invention relates to a protection element for measures against ESD and the like, and a semiconductor device provided with this protection element.

ESD(Electro Static Discharge;静電気放電)に対する保護素子として、GGMOS(Gate Grounded MOSFET)構造が広く用いられている。
このGGMOS構造を採用した場合には、出力ドライバー機能と保護素子機能を兼用することにより、チップ面積を小さくできるメリットがある。
As a protection element against ESD (Electro Static Discharge), a GGMOS (Gate Grounded MOSFET) structure is widely used.
When this GGMOS structure is employed, the chip area can be reduced by combining the output driver function and the protection element function.

GGMOSを用いた保護素子は、ESDサージ電流をMOSFETのドレイン・チャネル・ソース間の寄生バイポーラ動作を利用して受け止め、内部回路を保護する。
この保護素子の動作原理は、ESDサージ電流によってチャネル基板電位を上昇させて、トリガー電位Vt1を超えたところで、ソース・チャネル・ドレイン間にバイポーラ電流が流れ始める。保持電圧Vh以降は、開いたバイポーラ経路にサージ電流が流れる。
The protection element using GGMOS receives an ESD surge current by utilizing a parasitic bipolar operation between the drain, channel and source of the MOSFET and protects the internal circuit.
The operating principle of this protective element is that the channel substrate potential is raised by the ESD surge current, and when the trigger potential Vt1 is exceeded, a bipolar current begins to flow between the source, the channel and the drain. After the holding voltage Vh, a surge current flows through the open bipolar path.

MOSFETは、スケーリングによって、ゲート絶縁膜の薄膜化やゲート長縮小によりESD耐圧が低くなり、ゲート絶縁膜の耐圧BVoxは顕著に低くなる。
一方、GGMOSが保護素子としてサージ電流を流す動作点に入るトリガー電位Vt1は、スケーリングしても低下傾向が緩やかであるため、90nm世代を境にBVox<Vt1と逆転する。そして、Vt1が相対的に高くなることから、サージの電位によっては保護素子として動作しにくくなる。
The MOSFET has a reduced ESD withstand voltage due to scaling and a reduction in gate length due to scaling, and the withstand voltage BVox of the gate insulating film is significantly reduced.
On the other hand, the trigger potential Vt1 that enters the operating point where the GGMOS acts as a protective element and flows a surge current has a gradual decrease tendency even after scaling, and therefore reverses to BVox <Vt1 after the 90 nm generation. Since Vt1 becomes relatively high, it becomes difficult to operate as a protection element depending on the surge potential.

このような問題から、90nm世代以降は、GGMOSを保護素子として使うことが難しくなってきており、BVox<Vt1とESDデザインウィンドウに入らないことが課題となっている(非特許文献1のFig.1、Fig2を参照)。
MOSFETがスケーリングしてもVt1の低下が緩やかな一因は、一般的に、スケーリングに伴いチャネル基板濃度が高くなるため、チャネルの低抵抗化によって基板電流による電位上昇が期待できない点が理由として挙げられる。
Due to such problems, it has become difficult to use GGMOS as a protection element after the 90 nm generation, and it is a problem that BVox <Vt1 and the ESD design window cannot be entered (FIG. 1 of Non-Patent Document 1). 1, see FIG. 2).
One reason for the gradual decrease in Vt1 even when the MOSFET is scaled is that, since the channel substrate concentration generally increases with scaling, the potential increase due to the substrate current cannot be expected due to the low resistance of the channel. It is done.

65nm世代の不具合事例として、ゲート絶縁膜破壊が保護素子のVt1>BVoxの関係の場合に起きていること等が報告されている(非特許文献2を参照)。
また、GGMOS以外の保護素子の構成として、Vt1を低く設定できるDTSCR(Diode Triggered Silicon Control Rectifier)等が報告されている(非特許文献1を参照)。
As a defect example of the 65 nm generation, it has been reported that the breakdown of the gate insulating film occurs when Vt1> BVox of the protective element (see Non-Patent Document 2).
Further, as a configuration of a protection element other than GGMOS, a DTSCR (Diode Triggered Silicon Control Rectifier) that can set Vt1 low has been reported (see Non-Patent Document 1).

そこで、90nm以下の世代では、GGMOS構造の保護素子の代わりに、RC回路やダイオード型の保護素子を設けている。   Therefore, in the generation of 90 nm or less, an RC circuit or a diode-type protection element is provided instead of the protection element having the GGMOS structure.

Mergens. et al,IEEE Transactions on Devices and Materials Reliability,Vol.5 No.3,Sep,pp.532-542,2005Mergens. Et al, IEEE Transactions on Devices and Materials Reliability, Vol.5 No.3, Sep, pp.532-542,2005 Guido Notermans,“Gate Oxide Protection and ggNMOSTs in 65nm”,30th EOS/ESD symposium,proceeding,2008Guido Notermans, “Gate Oxide Protection and ggNMOSTs in 65nm”, 30th EOS / ESD symposium, proceeding, 2008

RC回路やダイオード型の保護素子は、比較的大きい面積を必要とする。
このため、保護素子を用いた半導体装置において、装置の小型化やレイアウト設計の自由度に対して制約となる。
従って、デザインルールが90nm以下に縮小された場合でも、比較的小さい面積で保護素子を形成することが可能な構成が求められる。
The RC circuit and the diode-type protection element require a relatively large area.
For this reason, in a semiconductor device using a protection element, there are restrictions on the downsizing of the device and the freedom of layout design.
Therefore, even when the design rule is reduced to 90 nm or less, a configuration capable of forming a protective element with a relatively small area is required.

上述した問題の解決のために、本発明においては、比較的小さい面積で形成することができ、かつ、素子サイズの微小化が進んでも保護素子として動作させることを可能にする、保護素子を提供するものである。また、この保護素子を備えた半導体装置を提供するものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a protective element that can be formed with a relatively small area and can be operated as a protective element even if the element size is miniaturized. To do. Moreover, the semiconductor device provided with this protection element is provided.

本発明の保護素子は、半導体基板と、この半導体基板に形成された、第1導電型のウェル領域と、半導体基板に、第1導電型のウェル領域に隣接して形成された、第2導電型のウェル領域とを含む。
また、第1導電型のウェル領域に形成された、第2導電型チャネルのMOSトランジスタを含む。
さらに、第1導電型のウェル領域とMOSトランジスタのソース領域とMOSトランジスタのゲートとに電気的に接続された第1の配線と、MOSトランジスタのドレイン領域と第2導電型のウェル領域とに電気的に接続された第2の配線とを含む。
The protection element of the present invention includes a semiconductor substrate, a first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate, and a second conductivity formed in the semiconductor substrate adjacent to the first conductivity type well region. And a well region of the mold.
Also, a second conductivity type channel MOS transistor formed in the first conductivity type well region is included.
Further, the first wiring electrically connected to the first conductivity type well region, the source region of the MOS transistor, and the gate of the MOS transistor, the drain region of the MOS transistor, and the second conductivity type well region are electrically connected. Connected second wiring.

本発明の半導体装置は、回路素子と、この回路素子に接続され、上記本発明の保護素子の構成である保護素子とを備えたものである。   The semiconductor device of the present invention includes a circuit element and a protection element connected to the circuit element and having the configuration of the protection element of the present invention.

上述の本発明の保護素子の構成によれば、MOSトランジスタが形成された第1導電型のウェル領域に隣接して、第2導電型のウェル領域が形成され、MOSトランジスタのドレイン領域と第2導電型のウェル領域とが第2の配線に電気的に接続されている。
これにより、第2の配線からサージ入力が入ったときに、MOSトランジスタのドレイン領域からだけでなく、第1導電型のウェル領域と第2導電型のウェル領域とのPN接合面からも、キャリアを注入することができる。
従って、注入されるキャリアの量が大幅に増えるので、サージ入力が入ったときの電位上昇が速くなり、トリガー電位を低くして、保護素子を速く動作させることができる。
According to the above-described configuration of the protection element of the present invention, the second conductivity type well region is formed adjacent to the first conductivity type well region where the MOS transistor is formed, and the drain region of the MOS transistor and the second conductivity type well region are formed. A conductive type well region is electrically connected to the second wiring.
Thus, when a surge input is input from the second wiring, not only from the drain region of the MOS transistor but also from the PN junction surface between the first conductivity type well region and the second conductivity type well region. Can be injected.
Therefore, since the amount of injected carriers is greatly increased, the potential rises when a surge input is applied, so that the trigger potential can be lowered and the protection element can be operated quickly.

上述の本発明の半導体装置の構成によれば、回路素子に本発明の保護素子を接続しているので、保護素子を速く動作させることができ、サージ入力から回路素子を保護することができる。   According to the above-described configuration of the semiconductor device of the present invention, since the protection element of the present invention is connected to the circuit element, the protection element can be operated quickly and the circuit element can be protected from surge input.

上述の本発明によれば、トリガー電位を低くして、保護素子を速く動作させることができるため、素子サイズの微小化が進んでも保護素子として動作させることが可能になる。
また、MOSトランジスタを含む第1導電型のウェル領域と、隣接する第2導電型のウェル領域との範囲で保護素子を構成することができるので、比較的小さい面積で保護素子を形成することができる。
According to the present invention described above, since the trigger potential can be lowered and the protection element can be operated quickly, the element can be operated as a protection element even if the element size is miniaturized.
In addition, since the protection element can be configured in the range of the first conductivity type well region including the MOS transistor and the adjacent second conductivity type well region, the protection element can be formed with a relatively small area. it can.

第1の実施の形態の保護素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the protection element of 1st Embodiment. 図1の保護素子の製造方法を示す製造工程図である。It is a manufacturing process figure which shows the manufacturing method of the protection element of FIG. 図1の保護素子の製造方法を示す製造工程図である。It is a manufacturing process figure which shows the manufacturing method of the protection element of FIG. 図1の保護素子の製造方法を示す製造工程図である。It is a manufacturing process figure which shows the manufacturing method of the protection element of FIG. 図1の保護素子の製造方法を示す製造工程図である。It is a manufacturing process figure which shows the manufacturing method of the protection element of FIG. 図1の保護素子の製造方法を示す製造工程図である。It is a manufacturing process figure which shows the manufacturing method of the protection element of FIG. 図1の保護素子の製造方法を示す製造工程図である。It is a manufacturing process figure which shows the manufacturing method of the protection element of FIG. 図1の保護素子の製造方法を示す製造工程図である。It is a manufacturing process figure which shows the manufacturing method of the protection element of FIG. 第2の実施の形態の保護素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the protection element of 2nd Embodiment. 第3の実施の形態の保護素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the protection element of 3rd Embodiment. 図10の保護素子の製造方法を示す製造工程図である。It is a manufacturing process figure which shows the manufacturing method of the protection element of FIG. 半導体基板がN型の場合のN型の埋め込み領域の分離のしかたを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the method of isolation | separation of the N type buried region in case a semiconductor substrate is N type. 半導体基板がP型の場合のN型の埋め込み領域の分離のしかたを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the isolation | separation method of the N type buried region when a semiconductor substrate is a P type. 図1の構成からN型の埋め込み領域を除いた構成の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a configuration in which an N-type buried region is removed from the configuration of FIG. 1. 内部回路と保護素子との接続例を示す回路構成図である。It is a circuit block diagram which shows the example of a connection of an internal circuit and a protection element. 比較例の保護素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the protection element of a comparative example. 実施例及び比較例の各試料のドレイン電圧と電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the drain voltage of each sample of an Example and a comparative example, and an electric current.

以下、発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態とする)について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態
2.第2の実施の形態
3.第3の実施の形態
4.変形例
5.応用例
6.実験
Hereinafter, the best mode for carrying out the invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described.
The description will be given in the following order.
1. First Embodiment 2. FIG. Second Embodiment 3. FIG. Third embodiment 4. Modification 5 Application Example 6 Experiment

<1.第1の実施の形態>
第1の実施の形態の保護素子の概略構成図(断面図)を、図1に示す。
本実施の形態の保護素子は、ESD等への対策用の保護素子となるものである。
<1. First Embodiment>
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the protective element according to the first embodiment.
The protection element of the present embodiment is a protection element for measures against ESD or the like.

図1に示すように、半導体基板1の表面からある程度の深さに、第2導電型、ここではN型の埋め込み領域2が形成されている。このN型の埋め込み領域2の上に、第1導電型のウェル領域、ここではPwell領域3が形成されており、Pwell領域3の表面の右側の部分に、第2導電型チャネル、ここではN型チャネルのMOSFET(電界効果型MOSトランジスタ)が形成されている。
N型チャネルのMOSFETは、N型のソース・ドレイン領域6と、その間のP型のチャネル領域7と、チャネル領域7の表面の左右に形成されたN型のLDD領域8と、半導体基板1の表面上に形成された、ゲート絶縁膜10及びゲート電極11から成る。
As shown in FIG. 1, a second conductivity type, here N type buried region 2 is formed at a certain depth from the surface of the semiconductor substrate 1. A well region of the first conductivity type, here Pwell region 3, is formed on the N type buried region 2, and a second conductivity type channel, here N, is formed on the right side of the surface of the Pwell region 3. A type channel MOSFET (field effect type MOS transistor) is formed.
The N-type channel MOSFET includes an N-type source / drain region 6, a P-type channel region 7 therebetween, N-type LDD regions 8 formed on the left and right of the surface of the channel region 7, and a semiconductor substrate 1. The gate insulating film 10 and the gate electrode 11 are formed on the surface.

また、Pwell領域3の右の半導体基板1には、N型の埋め込み領域2と半導体基板1の表面とを電気的に接続するための、第2導電型のウェル領域、ここではNwell領域4が形成されている。
Pwell領域3、MOSFET、Nwell領域4のそれぞれの周囲には、半導体基板1に埋め込まれたフィールド酸化膜から成る素子分離層5が形成されている。
さらに、Pwell領域3、MOSFETのソース・ドレイン領域6、Nwell領域4のそれぞれの表面には、金属シリサイドから成るシリサイド層9が形成されている。ゲート電極11の上部にも、同様の金属シリサイドから成るシリサイド層12が形成されている。
ゲート電極11及びシリサイド層12の側壁には、絶縁層から成るサイドウォール13が形成されている。
The semiconductor substrate 1 on the right side of the Pwell region 3 has a second conductivity type well region, here Nwell region 4, for electrically connecting the N type buried region 2 and the surface of the semiconductor substrate 1. Is formed.
An element isolation layer 5 made of a field oxide film buried in the semiconductor substrate 1 is formed around each of the Pwell region 3, the MOSFET, and the Nwell region 4.
Further, silicide layers 9 made of metal silicide are formed on the surfaces of the Pwell region 3, the MOSFET source / drain region 6, and the Nwell region 4. A silicide layer 12 made of the same metal silicide is also formed on the gate electrode 11.
Sidewalls 13 made of an insulating layer are formed on the side walls of the gate electrode 11 and the silicide layer 12.

Pwell領域3及びNwell領域4とゲート電極11との上のシリサイド層9,12には、層間絶縁層15内に埋め込まれたプラグ層14が接続されている。
そして、プラグ層14に接続して、層間絶縁層15上に、配線層16が形成されている。この配線層16は、左右に2つ形成されている。左の配線層16(第1の配線)は、Pwell領域3と、MOSFETのソース領域と、ゲート電極11とに、電気的に接続されている。右の配線層16(第2の配線)は、MOSFETのドレイン領域と、Nwell領域4とに、電気的に接続されている。
A plug layer 14 embedded in an interlayer insulating layer 15 is connected to the silicide layers 9 and 12 on the Pwell region 3 and Nwell region 4 and the gate electrode 11.
A wiring layer 16 is formed on the interlayer insulating layer 15 so as to be connected to the plug layer 14. Two wiring layers 16 are formed on the left and right. The left wiring layer 16 (first wiring) is electrically connected to the Pwell region 3, the MOSFET source region, and the gate electrode 11. The right wiring layer 16 (second wiring) is electrically connected to the drain region of the MOSFET and the Nwell region 4.

さらに、例えば、2つの配線層16のうち、左の配線層16(第1の配線)を接地端子(グラウンド端子)に接続し、右の配線層16(第2の配線)を入出力端子に接続する。
このように、左の配線層16(第1の配線)及び右の配線層16(第2の配線)を、接地端子や入出力端子等の、保護素子と保護素子の外部とを電気的に接続する外部端子に電気的に接続する。
Further, for example, of the two wiring layers 16, the left wiring layer 16 (first wiring) is connected to the ground terminal (ground terminal), and the right wiring layer 16 (second wiring) is used as the input / output terminal. Connecting.
In this way, the left wiring layer 16 (first wiring) and the right wiring layer 16 (second wiring) are electrically connected between the protective element such as the ground terminal and the input / output terminal and the outside of the protective element. Electrically connect to the external terminal to be connected.

半導体基板1としては、シリコン基板や、その他の半導体(Geや化合物半導体等)から成る半導体基板を使用することができる。
シリサイド層9,12の金属シリサイドを構成する金属としては、ニッケル、コバルト、チタン等を用いることができる。
ゲート電極11は、ポリシリコン等により形成することができる。
サイドウォール13の絶縁層としては、TEOS(Tetraethyl orthosilicate)酸化膜等を使用することができる。
プラグ層14や配線層16の金属材料としては、タングステン、銅、アルミニウム等を使用することができる。
As the semiconductor substrate 1, a silicon substrate or a semiconductor substrate made of other semiconductors (Ge, compound semiconductor, etc.) can be used.
As a metal constituting the metal silicide of the silicide layers 9 and 12, nickel, cobalt, titanium, or the like can be used.
The gate electrode 11 can be formed of polysilicon or the like.
As the insulating layer of the sidewall 13, a TEOS (Tetraethyl orthosilicate) oxide film or the like can be used.
As the metal material of the plug layer 14 and the wiring layer 16, tungsten, copper, aluminum, or the like can be used.

本実施の形態の保護素子では、特に、Nwell領域4と、右の他の配線層16とを電気的に接続しているので、この配線層16に接続された端子(パッド)にサージ入力があったときに、配線層16からNwell領域4にキャリアが注入される。そして、Nwell領域4とその下に接続されたN型の埋め込み領域2とが同じ導電型であるため、N型の埋め込み領域2にもキャリアが注入される。
これにより、Pwell領域3に対して、右のNwell領域4及び下のN型の埋め込み領域2の双方とのPN接合面からキャリアが注入されるので、面積の広いPN接合面から多くのキャリアを注入することができる。このため、より低いドレイン電圧で電流が流れるようになり、トリガー電位Vt1を下げて、Vt1<BVoxとすることができる。
In the protection element of the present embodiment, in particular, the Nwell region 4 and the other wiring layer 16 on the right are electrically connected. Therefore, a surge input is applied to a terminal (pad) connected to the wiring layer 16. If so, carriers are injected from the wiring layer 16 into the Nwell region 4. Since the N well region 4 and the N type buried region 2 connected therebelow have the same conductivity type, carriers are also injected into the N type buried region 2.
As a result, carriers are injected from the PN junction surface with both the right Nwell region 4 and the lower N-type buried region 2 with respect to the Pwell region 3, so that many carriers are injected from the PN junction surface having a large area. Can be injected. For this reason, a current flows with a lower drain voltage, and the trigger potential Vt1 can be lowered to satisfy Vt1 <BVox.

本実施の形態の保護素子は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
半導体基板1としてN型シリコン基板を用いて、このN型シリコン基板上に、SiO膜21、Si膜22を順次堆積する。
その後、表面を覆ってレジスト(図示せず)を形成して、活性領域となる部分が残るようにパターニングを行う。そして、このレジストのパターンをマスクに使用して、Si膜22、SiO膜21、シリコン基板1を順次エッチングして、溝(トレンチ領域)23を形成する。
このとき、シリコン基板は、例えば350〜400nmの深さでエッチングを行う。
Si膜22が残った領域が後に活性領域となり、トレンチ領域が後に素子分離層となる。
The protection element of the present embodiment can be manufactured, for example, as described below.
Using an N-type silicon substrate as the semiconductor substrate 1, an SiO 2 film 21 and an Si 3 N 4 film 22 are sequentially deposited on the N-type silicon substrate.
Thereafter, a resist (not shown) is formed so as to cover the surface, and patterning is performed so that a portion to be an active region remains. Then, using this resist pattern as a mask, the Si 3 N 4 film 22, the SiO 2 film 21, and the silicon substrate 1 are sequentially etched to form a groove (trench region) 23.
At this time, the silicon substrate is etched at a depth of, for example, 350 to 400 nm.
The region where the Si 3 N 4 film 22 is left becomes an active region later, and the trench region later becomes an element isolation layer.

その後、溝23をSiO層24で埋め込む。例えば、高密度プラズマCVD(Chemical Vapor doposition)法を用いて埋め込みを行うことによって、段差被覆性が良好で緻密な膜を形成することが可能である。
続いて、CMP(Chemical Mechanical Polish;化学的機械的研磨)法によって研磨を行い、表面を平坦化する。Si膜22の境界付近の領域では、Si膜22上のSiO層24が除去できる程度まで研磨を行う。これにより、図2に示すように、溝23の内部のみにSiO層24が残る。
Thereafter, the groove 23 is filled with the SiO 2 layer 24. For example, a dense film with good step coverage can be formed by embedding using a high-density plasma CVD (Chemical Vapor doposition) method.
Subsequently, polishing is performed by CMP (Chemical Mechanical Polish) to flatten the surface. In the region near the boundary of the Si 3 N 4 film 22, it is polished to the extent that the SiO 2 layer 24 on the Si 3 N 4 film 22 can be removed. As a result, as shown in FIG. 2, the SiO 2 layer 24 remains only in the groove 23.

次に、Si膜22を、例えば熱燐酸により除去して、活性領域を形成する。
続いて、活性領域の表面を例えば10nmの厚さで酸化して、酸化膜(犠牲酸化膜)26を形成する。
Next, the Si 3 N 4 film 22 is removed by, for example, hot phosphoric acid to form an active region.
Subsequently, the surface of the active region is oxidized with a thickness of, for example, 10 nm to form an oxide film (sacrificial oxide film) 26.

次に、NMOSFETを形成する領域に、Pwell領域3、N型の埋め込み領域2、NMOSFETのVth調整のためのチャネル領域7を、それぞれ形成するためのイオン注入を行う。また、NMOSFETを形成する領域に隣接する領域に、Nwell領域4を形成するためのイオン注入を行う。   Next, ion implantation for forming the Pwell region 3, the N-type buried region 2, and the channel region 7 for adjusting the Vth of the NMOSFET is performed in the region where the NMOSFET is to be formed. Further, ion implantation for forming the Nwell region 4 is performed in a region adjacent to the region for forming the NMOSFET.

Pwell領域3及びチャネル領域7は、例えば、ホウ素を3段階でイオン注入する。各段階のイオン注入は、200〜300keV,2×1013atoms/cmと、100keV,2×1013atoms/cmと、20keV,3×1012atoms/cm等とする。この場合、Pwell領域3は、深さの異なる2段階のイオン注入により形成される。
N型の埋め込み領域2は、例えば、燐を400〜500keV,3×1013atoms/cmで形成する。
N型の埋め込み領域2と接続するためのNwell領域4は、例えば、燐を50〜200keV,3×1013atoms/cmでイオン注入して形成する。
このようにして、図3に示すように、N型の埋め込み領域2、Pwell領域3、Nwell領域4、チャネル領域7を形成することができる。また、図3に示すように、溝の内部に残ったSiO層24から、素子分離層5が形成される。
In the Pwell region 3 and the channel region 7, for example, boron is ion-implanted in three stages. Ion implantation of each stage, 200~300keV, and 2 × 10 13 atoms / cm 2 , 100keV, and 2 × 10 13 atoms / cm 2 , and 20keV, 3 × 10 12 atoms / cm 2 and the like. In this case, the Pwell region 3 is formed by two-stage ion implantation with different depths.
The N-type buried region 2 is formed of, for example, phosphorus at 400 to 500 keV and 3 × 10 13 atoms / cm 2 .
The Nwell region 4 for connection to the N-type buried region 2 is formed by, for example, ion implantation of phosphorus at 50 to 200 keV, 3 × 10 13 atoms / cm 2 .
In this manner, as shown in FIG. 3, the N-type buried region 2, the Pwell region 3, the Nwell region 4, and the channel region 7 can be formed. Further, as shown in FIG. 3, the element isolation layer 5 is formed from the SiO 2 layer 24 remaining inside the trench.

次に、酸化膜(犠牲酸化膜)26をフッ酸溶液で剥離する。
その後、ドライ酸化(酸素、700℃)により、シリコン基板の表面に、ゲート絶縁膜10となる酸化膜を厚さ7nm程度に形成する。
次に、減圧CVD法により、ポリシリコン層を150〜200nmの厚さで堆積する。減圧CVD法の条件は、例えば、SiHを原料ガスとして、堆積温度580〜620℃とする。
さらに、リソグラフィによって、レジストのパターニングを行った後に、レジストをマスクとして用いた異方性エッチングによって、ポリシリコン層をパターニングして、図4に示すように、ゲート絶縁膜10上にゲート電極11を形成する。このとき、例えば、ゲート長が100nm〜250nmになるようにパターニングする。
Next, the oxide film (sacrificial oxide film) 26 is removed with a hydrofluoric acid solution.
Thereafter, an oxide film to be the gate insulating film 10 is formed to a thickness of about 7 nm on the surface of the silicon substrate by dry oxidation (oxygen, 700 ° C.).
Next, a polysilicon layer is deposited to a thickness of 150 to 200 nm by a low pressure CVD method. The conditions of the low pressure CVD method are, for example, SiH 4 as a source gas and a deposition temperature of 580 to 620 ° C.
Further, after patterning the resist by lithography, the polysilicon layer is patterned by anisotropic etching using the resist as a mask to form a gate electrode 11 on the gate insulating film 10 as shown in FIG. Form. At this time, for example, patterning is performed so that the gate length is 100 nm to 250 nm.

続いて、NMOSFETを形成する領域に、例えば、ヒ素を5keV,2×1014atoms/cmでイオン注入することにより、図5に示すように、N型のLDD領域8を形成する。 Subsequently, for example, arsenic is ion-implanted at 5 keV and 2 × 10 14 atoms / cm 2 in the region where the NMOSFET is to be formed, thereby forming an N-type LDD region 8 as shown in FIG.

次に、サイドウォールスペーサーを形成するために、例えば、CVD法により、TEOS(Tetraethyl orthosilicate)酸化膜を、厚さ150〜200nmで堆積する。
続いて、TEOS酸化膜に対して異方性エッチングを行うことにより、図6に示すように、ゲート電極11の側壁にサイドウォール13を形成する。
Next, in order to form the sidewall spacer, a TEOS (Tetraethyl orthosilicate) oxide film is deposited with a thickness of 150 to 200 nm by, for example, a CVD method.
Subsequently, anisotropic etching is performed on the TEOS oxide film to form sidewalls 13 on the sidewalls of the gate electrode 11 as shown in FIG.

次に、NMOSFETを形成する領域に、例えば、燐を10〜15keV,1×1015〜3×1015atoms/cmでイオン注入を行うことにより、図7に示すように、N型のソース・ドレイン領域6を形成する。
その後、RTA(Rapid Thermal Annealing)法により、1000℃・5秒の条件で、不純物の活性化を行い、MOSFETを形成する。また、ドーパント活性化を促進し拡散を抑制する目的で、Spike RTA法により、1050℃,0secでアニールを行うことも可能である。
Next, for example, phosphorus is ion-implanted in the region where the NMOSFET is formed at 10 to 15 keV and 1 × 10 15 to 3 × 10 15 atoms / cm 2 , thereby forming an N-type source as shown in FIG. -The drain region 6 is formed.
Thereafter, impurities are activated by RTA (Rapid Thermal Annealing) at 1000 ° C. for 5 seconds to form a MOSFET. In addition, annealing can be performed at 1050 ° C. for 0 sec by the Spike RTA method for the purpose of promoting dopant activation and suppressing diffusion.

次に、表面に、シリサイド形成用の金属膜、例えば、ニッケル膜をスパッタ法により膜厚10nmで堆積する。
次に、400〜500℃・30秒の条件でRTA法を行い、シリコン(シリコン基板及びゲート電極11のポリシリコン層)の表面上のみを、シリサイド化する。
その後、HSO/Hによって、素子分離層5のフィールド酸化膜上に残った、未反応のニッケルを除去する。
続いて、例えば、500℃・30秒のRTAを行うことにより、図8に示すように、半導体基板1の表面に、低抵抗なNiSi層から成るシリサイド層9を形成し、ゲート電極11の上部に、低抵抗なNiSi層から成るシリサイド層12を形成する。
Next, a metal film for forming a silicide, for example, a nickel film is deposited on the surface with a film thickness of 10 nm by sputtering.
Next, the RTA method is performed under the conditions of 400 to 500 ° C. for 30 seconds to silicide only the surface of silicon (silicon substrate and polysilicon layer of the gate electrode 11).
Thereafter, unreacted nickel remaining on the field oxide film of the element isolation layer 5 is removed by H 2 SO 4 / H 2 O 2 .
Subsequently, for example, by performing RTA at 500 ° C. for 30 seconds, a silicide layer 9 made of a low-resistance NiSi layer is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 as shown in FIG. Then, a silicide layer 12 made of a low resistance NiSi layer is formed.

なお、NiPtを堆積することにより、シリサイド層9,12として、NiSiを形成することも可能である。
また、他のコバルトやチタン等の材料を使用しても、シリサイド層9,12を形成することが可能である。いずれの材料の場合も、RTAの温度は適宜設定することができる。
It is also possible to form NiSi 2 as the silicide layers 9 and 12 by depositing NiPt.
Further, the silicide layers 9 and 12 can be formed even if other materials such as cobalt and titanium are used. In any case, the temperature of the RTA can be set as appropriate.

続いて、所望の回路となるように、配線を形成する。
即ち、拡散層(Pwell領域3及びNwell領域4)上と、ゲート上との、シリサイド層9,12に接続して、層間絶縁層15内に金属材料から成るプラグ層14を形成する。さらに、プラグ層14に接続して、層間絶縁層15上に、配線層16を形成する。プラグ層14及び配線層16の材料としては、タングステン、銅、アルミニウム等の金属材料を使用する。そして、Pwell領域3とMOSFETのソース領域とゲート電極11とを、左の配線層16に電気的に接続して、MOSFETのドレイン領域とNwell領域4とを右の配線層16に電気的に接続する。
このようにして、図1に示した保護素子を製造することができる。
Subsequently, wiring is formed so as to obtain a desired circuit.
That is, the plug layer 14 made of a metal material is formed in the interlayer insulating layer 15 so as to be connected to the silicide layers 9 and 12 on the diffusion layer (Pwell region 3 and Nwell region 4) and on the gate. Further, a wiring layer 16 is formed on the interlayer insulating layer 15 so as to be connected to the plug layer 14. As the material of the plug layer 14 and the wiring layer 16, a metal material such as tungsten, copper, or aluminum is used. The Pwell region 3, the MOSFET source region, and the gate electrode 11 are electrically connected to the left wiring layer 16, and the MOSFET drain region and the Nwell region 4 are electrically connected to the right wiring layer 16. To do.
In this way, the protection element shown in FIG. 1 can be manufactured.

上述の本実施の形態の保護素子の構成によれば、左右に隣接して形成されたPwell領域3及びNwell領域4の下に、N型の埋め込み領域2が形成されている。そして、Pwell領域3に形成されたNMOSFETのドレイン領域と、Nwell領域4とが、右の配線層16に電気的に接続されている。
これにより、右の配線層16からサージ入力が入ったときに、NMOSFETのドレイン領域からだけでなく、Pwell領域3と、Nwell領域4及びN型の埋め込み領域2とのPN接合面からも、キャリアを注入することができる。
従って、注入されるキャリアの量が大幅に増えるので、サージ入力が入ったときの電位上昇が速くなり、トリガー電位Vt1を低くして、保護素子を速く動作させることができる。
このように、トリガー電位Vt1を低くして、保護素子を速く動作させることができるため、素子サイズの微小化が進んでも保護素子として動作させることが可能になる。そして、例えば、保護素子が接続された内部回路のゲート絶縁膜の破壊耐圧に至る前に保護素子を動作させて、内部回路を保護することができる。
According to the configuration of the protection element of the present embodiment described above, the N-type buried region 2 is formed under the Pwell region 3 and the Nwell region 4 formed adjacent to the left and right. The drain region of the NMOSFET formed in the Pwell region 3 and the Nwell region 4 are electrically connected to the right wiring layer 16.
Thus, when a surge input is input from the right wiring layer 16, not only from the drain region of the NMOSFET, but also from the PN junction surface between the Pwell region 3, the Nwell region 4, and the N-type buried region 2 Can be injected.
Therefore, the amount of injected carriers is greatly increased, so that the potential rises when a surge input is applied, so that the trigger potential Vt1 can be lowered and the protection element can be operated quickly.
Thus, the trigger potential Vt1 can be lowered and the protection element can be operated quickly, so that it can be operated as a protection element even if the element size is miniaturized. For example, the protective element can be operated before the breakdown voltage of the gate insulating film of the internal circuit to which the protective element is connected to protect the internal circuit.

また、本実施の形態の構成によれば、MOSFETを含むPwell領域3と隣接するNwell領域4との範囲で保護素子を構成することができるので、比較的小さい面積で保護素子を形成することが可能である。
そして、RC回路やダイオード型の保護素子と比較して、保護素子の面積を低減することも可能になる。
In addition, according to the configuration of the present embodiment, since the protection element can be configured in the range of the Pwell region 3 including the MOSFET and the adjacent Nwell region 4, it is possible to form the protection element with a relatively small area. Is possible.
In addition, the area of the protection element can be reduced as compared with an RC circuit or a diode-type protection element.

そして、本実施の形態の保護素子を用いて、保護素子を備えた半導体装置を構成することができる。
例えば、半導体装置を構成する回路素子の周囲に、本実施の形態の保護素子を配置して、サージ入力が保護素子に入力されるように構成する。
And the semiconductor device provided with the protection element can be comprised using the protection element of this Embodiment.
For example, the protection element according to the present embodiment is arranged around the circuit element constituting the semiconductor device so that surge input is input to the protection element.

<2.第2の実施の形態>
第2の実施の形態の保護素子の概略構成図(断面図)を、図9に示す。
本実施の形態は、第1の実施の形態の構成に対して、各well領域及びMOSFETの導電型を逆にした構成である。即ち、第1導電型をN型として、第2導電型をP型として、Nwell領域にPMOSFETを形成し、Nwell領域に隣接してPwell領域を形成する。
<2. Second Embodiment>
FIG. 9 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the protection element according to the second embodiment.
In the present embodiment, the well regions and the conductivity types of the MOSFETs are reversed with respect to the configuration of the first embodiment. That is, the first conductivity type is N-type, the second conductivity type is P-type, a PMOSFET is formed in the Nwell region, and a Pwell region is formed adjacent to the Nwell region.

本実施の形態では、図9に示すように、半導体基板1にP型の埋め込み領域17を形成して、その上に、Nwell領域18とPwell領域19とを形成し、Nwell領域18にPMOSFETを形成する。MOSFETのソース・ドレイン領域6及びLDD領域8は、第1の実施の形態ではN型であったが、本実施の形態ではP型とする。MOSFETのチャネル領域7は、第1の実施の形態ではP型であったが、本実施の形態ではN型とする。   In this embodiment, as shown in FIG. 9, a P-type buried region 17 is formed in the semiconductor substrate 1, an Nwell region 18 and a Pwell region 19 are formed thereon, and a PMOSFET is formed in the Nwell region 18. Form. The source / drain region 6 and the LDD region 8 of the MOSFET are N-type in the first embodiment, but are P-type in the present embodiment. The channel region 7 of the MOSFET is P-type in the first embodiment, but is N-type in the present embodiment.

さらに、例えば、2つの配線層16のうち、ソース領域及びゲート電極11に電気的に接続された左の配線層16(第1の配線)を入出力端子に接続し、ドレイン領域及びPwell領域19に接続された右の配線層16(第2の配線)を電源端子に接続する。
このように、左の配線層16(第1の配線)及び右の配線層16(第2の配線)を、入出力端子や電源端子等の、保護素子と保護素子の外部とを電気的に接続する外部端子に電気的に接続する。
Further, for example, of the two wiring layers 16, the left wiring layer 16 (first wiring) electrically connected to the source region and the gate electrode 11 is connected to the input / output terminal, and the drain region and the Pwell region 19. The right wiring layer 16 (second wiring) connected to is connected to the power supply terminal.
In this manner, the left wiring layer 16 (first wiring) and the right wiring layer 16 (second wiring) are electrically connected between the protective element such as the input / output terminal and the power supply terminal and the outside of the protective element. Electrically connect to the external terminal to be connected.

その他の構成は、図1に示した第1の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。   Since other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.

上述の本実施の形態の保護素子の構成によれば、左右に隣接して形成されたNwell領域18及びPwell領域19の下に、P型の埋め込み領域17が形成されている。そして、Nwell領域18に形成されたPMOSFETのドレイン領域と、Pwell領域19とが、右の配線層16に電気的に接続されている。
これにより、右の配線層16からサージ入力が入ったときに、PMOSFETのドレイン領域からだけでなく、Nwell領域18と、Pwell領域19及びP型の埋め込み領域17とのPN接合面からも、キャリアを注入することができる。
従って、注入されるキャリアの量が大幅に増えるので、サージ入力が入ったときの電位上昇が速くなり、トリガー電位Vt1を低くして、保護素子を速く動作させることができる。
このように、トリガー電位Vt1を低くして、保護素子を速く動作させることができるため、素子サイズの微小化が進んでも保護素子として動作させることが可能になる。そして、例えば、保護素子が接続された内部回路のゲート絶縁膜の破壊耐圧に至る前に保護素子を動作させて、内部回路を保護することができる。
According to the configuration of the protection element of the present embodiment described above, the P-type buried region 17 is formed under the Nwell region 18 and the Pwell region 19 formed adjacent to the left and right. The drain region of the PMOSFET formed in the Nwell region 18 and the Pwell region 19 are electrically connected to the right wiring layer 16.
Thus, when a surge input is input from the right wiring layer 16, not only from the drain region of the PMOSFET, but also from the PN junction surface between the Nwell region 18, the Pwell region 19, and the P-type buried region 17. Can be injected.
Therefore, the amount of injected carriers is greatly increased, so that the potential rises when a surge input is applied, so that the trigger potential Vt1 can be lowered and the protection element can be operated quickly.
Thus, the trigger potential Vt1 can be lowered and the protection element can be operated quickly, so that it can be operated as a protection element even if the element size is miniaturized. For example, the protective element can be operated before the breakdown voltage of the gate insulating film of the internal circuit to which the protective element is connected to protect the internal circuit.

また、本実施の形態の構成によれば、MOSFETを含むNwell領域18と隣接するNwell領域19との範囲で保護素子を構成することができるので、比較的小さい面積で保護素子を形成することが可能である。
そして、RC回路やダイオード型の保護素子と比較して、保護素子の面積を低減することも可能になる。
In addition, according to the configuration of the present embodiment, the protection element can be configured in the range of the Nwell region 18 including the MOSFET and the adjacent Nwell region 19, so that the protection element can be formed with a relatively small area. Is possible.
In addition, the area of the protection element can be reduced as compared with an RC circuit or a diode-type protection element.

そして、本実施の形態の保護素子を用いて、保護素子を備えた半導体装置を構成することができる。
例えば、半導体装置を構成する回路素子の周囲に、本実施の形態の保護素子を配置して、サージ入力が保護素子に入力されるように構成する。
And the semiconductor device provided with the protection element can be comprised using the protection element of this Embodiment.
For example, the protection element according to the present embodiment is arranged around the circuit element constituting the semiconductor device so that surge input is input to the protection element.

<3.第3の実施の形態>
第3の実施の形態の保護素子の概略構成図(断面図)を、図10に示す。
本実施の形態は、PN接合の界面の面積を広くして、キャリアを注入しやすくした構成である。
<3. Third Embodiment>
FIG. 10 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of the protection element of the third embodiment.
In this embodiment, the area of the PN junction interface is widened to facilitate carrier injection.

本実施の形態では、図10に示すように、Pwell領域3とN型の埋め込み領域2との界面に凹凸を設けている。これにより、PN接合の界面の面積を広くして、キャリアを注入しやすくすることができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 10, irregularities are provided at the interface between the Pwell region 3 and the N-type buried region 2. As a result, the area of the interface of the PN junction can be widened to facilitate carrier injection.

その他の構成は、図1に示した第1の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。   Since other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.

本実施の形態の保護素子は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
まず、N型の埋め込み領域2を、第1の実施の形態と比較して、やや厚めに形成する。
次に、Pwell領域3を、2段階のイオン注入(例えば、200〜300keV,2×1013atoms/cmと、100keV,2×1013atoms/cm)により形成する。ただし、2段階の深い方のイオン注入(例えば、200〜300keV,2×1013atoms/cm)の際に、PN接合面を増やしたい箇所では、レジストマスクを使用する。そして、図11の製造工程図に示すように、Nwell領域2にP型不純物が注入されてPwell領域3に変わる部分3Aと、注入されずにNwell領域2のままの部分とを、それぞれ形成する。図11において、破線の下の部分のPwell領域3Aは、2段階の深い方のイオン注入で形成したものであり、破線の上の部分のPwell領域3Bは、2段階の浅い方のイオン注入で形成したものである。
このようにして、図10に示したように、Pwell領域3とN型の埋め込み領域2との界面に凹凸を設けることができる。
The protection element of the present embodiment can be manufactured, for example, as described below.
First, the N-type buried region 2 is formed slightly thicker than that in the first embodiment.
Next, the Pwell region 3, two steps of ion implantation (e.g., 200~300KeV, and 2 × 10 13 atoms / cm 2 , 100keV, 2 × 10 13 atoms / cm 2) by forming. However, a resist mask is used at a location where the PN junction surface is desired to be increased during two-stage deep ion implantation (for example, 200 to 300 keV, 2 × 10 13 atoms / cm 2 ). Then, as shown in the manufacturing process diagram of FIG. 11, a portion 3 </ b> A in which a P-type impurity is implanted into the Nwell region 2 and changed to the Pwell region 3, and a portion that is not implanted and remains in the Nwell region 2 are formed. . In FIG. 11, the Pwell region 3A below the broken line is formed by two-stage deep ion implantation, and the Pwell region 3B above the broken line is formed by two-stage shallow ion implantation. Formed.
In this manner, as shown in FIG. 10, irregularities can be provided at the interface between the Pwell region 3 and the N-type buried region 2.

上述の本実施の形態の構成によれば、左右に隣接して形成されたPwell領域3及びNwell領域4の下に、N型の埋め込み領域2が形成されている。そして、Pwell領域3に形成されたNMOSFETのドレイン領域と、Nwell領域4とが、右の配線層16に電気的に接続されている。
従って、第1の実施の形態と同様に、注入されるキャリアの量を大幅に増やすことができるので、サージ入力が入ったときの電位上昇が速くなり、トリガー電位Vt1を低くして、保護素子を速く動作させることができる。
このように、トリガー電位Vt1を低くして、保護素子を速く動作させることができるため、素子サイズの微小化が進んでも保護素子として動作させることが可能になる。そして、例えば、保護素子が接続された内部回路のゲート絶縁膜の破壊耐圧に至る前に保護素子を動作させて、内部回路を保護することができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the N-type buried region 2 is formed under the Pwell region 3 and the Nwell region 4 formed adjacent to the left and right. The drain region of the NMOSFET formed in the Pwell region 3 and the Nwell region 4 are electrically connected to the right wiring layer 16.
Accordingly, similarly to the first embodiment, the amount of injected carriers can be greatly increased, so that the potential rise when a surge input is input becomes faster, the trigger potential Vt1 is lowered, and the protection element Can be operated quickly.
Thus, the trigger potential Vt1 can be lowered and the protection element can be operated quickly, so that it can be operated as a protection element even if the element size is miniaturized. For example, the protective element can be operated before the breakdown voltage of the gate insulating film of the internal circuit to which the protective element is connected to protect the internal circuit.

また、本実施の形態の構成によれば、MOSFETを含むPwell領域3と隣接するNwell領域4との範囲で保護素子を構成することができるので、比較的小さい面積で保護素子を形成することが可能である。
そして、RC回路やダイオード型の保護素子と比較して、保護素子の面積を低減することも可能になる。
In addition, according to the configuration of the present embodiment, since the protection element can be configured in the range of the Pwell region 3 including the MOSFET and the adjacent Nwell region 4, it is possible to form the protection element with a relatively small area. Is possible.
In addition, the area of the protection element can be reduced as compared with an RC circuit or a diode-type protection element.

さらにまた、本実施の形態の構成によれば、Pwell領域3とN型の埋め込み領域2との界面に凹凸を設けている。これにより、PN接合の界面の面積を広くして、キャリアを注入しやすくすることができるので、さらにサージ入力が入ったときの電位上昇を速くして、トリガー電位Vt1を低減し、保護素子を速く動作させることができる。   Furthermore, according to the configuration of the present embodiment, irregularities are provided at the interface between the Pwell region 3 and the N-type buried region 2. As a result, the area of the interface of the PN junction can be widened and carriers can be easily injected, so that the potential rise when a surge input is further increased, the trigger potential Vt1 is reduced, and the protection element is It can be operated quickly.

そして、本実施の形態の保護素子を用いて、保護素子を備えた半導体装置を構成することができる。
例えば、半導体装置を構成する回路素子の周囲に、本実施の形態の保護素子を配置して、サージ入力が保護素子に入力されるように構成する。
And the semiconductor device provided with the protection element can be comprised using the protection element of this Embodiment.
For example, the protection element according to the present embodiment is arranged around the circuit element constituting the semiconductor device so that surge input is input to the protection element.

なお、図9に示した、PMOSFETを有する第2の実施の形態の構成に、第3の実施の形態のPN接合の界面に凹凸を設けた構成を適用することも可能である。即ち、図9のNwell領域18とP型の埋め込み領域17との界面に凹凸を設けて、PN接合の界面の面積を広くすることが可能である。   In addition, it is also possible to apply the structure which provided the unevenness | corrugation in the interface of PN junction of 3rd Embodiment to the structure of 2nd Embodiment which has PMOSFET shown in FIG. That is, it is possible to increase the area of the PN junction interface by providing irregularities at the interface between the Nwell region 18 and the P-type buried region 17 in FIG.

また、PN接合の界面に凹凸を設ける場合、凹凸の向きは図10の向き(左右方向に凹凸を有する構成)に限定されない。例えば、図10の前後方向に凹凸を有する構成としても構わない。   In the case where unevenness is provided at the interface of the PN junction, the direction of the unevenness is not limited to the direction shown in FIG. For example, a configuration having irregularities in the front-rear direction of FIG. 10 may be used.

<4.変形例>
上述の各実施の形態では、N型の埋め込み領域2やP型の埋め込み領域17を、その上のwell領域3及び4,18及び19を合わせたパターンよりも広い平面パターンに形成していた。
これに対して、N型の埋め込み領域2やP型の埋め込み領域17を、その上のwell領域3及び4,18及び19を合わせたパターンとほぼ同じ平面パターンに形成しても良い。
<4. Modification>
In each of the above-described embodiments, the N-type buried region 2 and the P-type buried region 17 are formed in a planar pattern wider than the combined pattern of the well regions 3, 4, 18, and 19 thereon.
On the other hand, the N-type buried region 2 and the P-type buried region 17 may be formed in substantially the same plane pattern as the pattern obtained by combining the well regions 3, 4, 18 and 19 thereon.

また、N型の埋め込み領域2やP型の埋め込み領域17は、回路素子にも保護素子と同様の深さ及び不純物濃度を有する埋め込み領域を設けることが可能である。
そして、この構成を作製する際には、保護素子の埋め込み領域と回路素子の埋め込み領域とを、同時に形成することが可能である。
ただし、保護素子の埋め込み領域と回路素子の埋め込み領域とが連続して形成されていると、サージ入力があったときに、回路素子の埋め込み領域に不要な電流が流れるおそれがある。
このため、保護素子と回路素子との間で、埋め込み領域を電気的に分離する必要がある。
Further, the N-type buried region 2 and the P-type buried region 17 can be provided with a buried region having a depth and impurity concentration similar to those of the protective element in the circuit element.
When manufacturing this structure, the protection element embedded region and the circuit element embedded region can be formed at the same time.
However, if the protection element embedded region and the circuit element embedded region are formed continuously, an unnecessary current may flow in the circuit element embedded region when a surge is input.
For this reason, it is necessary to electrically isolate the buried region between the protection element and the circuit element.

両者の埋め込み領域を電気的に分離した構成として、保護素子のすぐ外側で埋め込み領域を分離した構成を、図12及び図13の断面図に示す。図12は、半導体基板1がN型であり、N型の埋め込み領域2を分離する場合を示している。図13は、半導体基板1がP型であり、N型の埋め込み領域2を分離する場合を示している。   As a configuration in which both buried regions are electrically separated, a configuration in which the buried region is separated just outside the protective element is shown in the cross-sectional views of FIGS. FIG. 12 shows a case where the semiconductor substrate 1 is N-type and the N-type buried region 2 is separated. FIG. 13 shows a case where the semiconductor substrate 1 is P-type and the N-type buried region 2 is separated.

図12に示す構成では、半導体基板1がN型であり、半導体基板1がN型の埋め込み領域2と同じ導電型である。このため、N型の埋め込み領域2を絶縁分離するだけでなく、半導体基板1も絶縁分離しないと、半導体基板1を通じて不要な電流が流れるおそれがある。
そこで、図12に示す構成では、半導体基板1及びN型の埋め込み領域2を貫通するように、トレンチにより形成した孔を埋めた絶縁層20によって、半導体基板1及びN型の埋め込み領域2を分離している。絶縁層20の材料は、SiOやその他の絶縁材料を使用することができ、素子分離層5と同じ材料としても構わない。
In the configuration shown in FIG. 12, the semiconductor substrate 1 is N-type, and the semiconductor substrate 1 has the same conductivity type as the N-type buried region 2. For this reason, if not only the N-type buried region 2 is insulated and separated but also the semiconductor substrate 1 is not insulated and separated, an unnecessary current may flow through the semiconductor substrate 1.
Therefore, in the configuration shown in FIG. 12, the semiconductor substrate 1 and the N-type buried region 2 are separated by the insulating layer 20 in which the hole formed by the trench is filled so as to penetrate the semiconductor substrate 1 and the N-type buried region 2. is doing. As the material of the insulating layer 20, SiO 2 or other insulating materials can be used, and the same material as that of the element isolation layer 5 may be used.

図12に示す絶縁層20を形成する方法としては、例えば、次の方法が考えられる。
まず、半導体基板1に、N型の埋め込み領域2を貫通するが、半導体基板1の底には達しない非貫通孔をトレンチ加工により形成する。
次に、この非貫通孔を絶縁層20により埋める。
その後、半導体基板1の裏面側を、絶縁層20が裏面に露出するまで、削る。
このようにして、半導体基板1及びN型の埋め込み領域2を貫通した絶縁層20を形成して、保護素子と回路素子とを電気的に分離することができる。
As a method of forming the insulating layer 20 shown in FIG. 12, for example, the following method can be considered.
First, a non-through hole that penetrates the N-type buried region 2 but does not reach the bottom of the semiconductor substrate 1 is formed in the semiconductor substrate 1 by trench processing.
Next, this non-through hole is filled with the insulating layer 20.
Thereafter, the back surface side of the semiconductor substrate 1 is shaved until the insulating layer 20 is exposed on the back surface.
In this way, the insulating layer 20 penetrating the semiconductor substrate 1 and the N-type buried region 2 can be formed, and the protection element and the circuit element can be electrically separated.

図13に示す構成では、半導体基板1がP型であり、半導体基板1がN型の埋め込み領域2とは反対の導電型である。このため、半導体基板1を分離しなくても、半導体基板1を通じて不要な電流が流れることがない。
そこで、図13に示す構成では、N型の埋め込み領域2を、保護素子と、保護素子の周囲とで、分離されたパターンに形成している。分離されたN型の埋め込み領域2の間にはP型の半導体基板1があるため、不要な電流が流れない。
In the configuration shown in FIG. 13, the semiconductor substrate 1 is P-type, and the semiconductor substrate 1 is of a conductivity type opposite to the N-type buried region 2. For this reason, even if the semiconductor substrate 1 is not separated, unnecessary current does not flow through the semiconductor substrate 1.
Therefore, in the configuration shown in FIG. 13, the N-type buried region 2 is formed in a pattern separated from the protection element and the periphery of the protection element. Since there is a P-type semiconductor substrate 1 between the separated N-type buried regions 2, unnecessary current does not flow.

なお、第2の実施の形態と同様に、P型の埋め込み領域17を形成する場合には、半導体基板1とP型の埋め込み領域17の導電型の関係によって、図12と同様の構成か、或いは、図13と同様の構成を、選択すれば良い。
N型の半導体基板1にP型の埋め込み領域17を形成する場合には、導電型が逆であるので、図13と同様に、P型の埋め込み領域17を、保護素子とその周囲とで分離されたパターンに形成する。
P型の半導体基板1にP型の埋め込み領域17を形成する場合には、導電型が同一であるので、図12と同様に、P型の埋め込み領域17と半導体基板1を貫通する絶縁層20を形成して、保護素子とその周囲とを分離する。
As in the second embodiment, when the P-type buried region 17 is formed, depending on the conductivity type relationship between the semiconductor substrate 1 and the P-type buried region 17, Alternatively, a configuration similar to that shown in FIG. 13 may be selected.
When the P-type buried region 17 is formed in the N-type semiconductor substrate 1, since the conductivity type is reversed, the P-type buried region 17 is separated by the protective element and its surroundings as in FIG. To form a patterned pattern.
When the P-type buried region 17 is formed in the P-type semiconductor substrate 1, the conductivity type is the same. Therefore, as in FIG. 12, the insulating layer 20 penetrating the P-type buried region 17 and the semiconductor substrate 1. Is formed to separate the protective element from its surroundings.

さらにまた、変形例として、図1や図9に示した構成から、埋め込みwell領域2,17を除いた構成とすることも可能である。例えば、図14に断面図を示す構成が考えられる。
この構成とした場合も、図中右側のNwell領域4やPwell領域19が配線層16と電気的に接続されているため、右側のNwell領域4やPwell領域19との界面のPN接合面からキャリアを注入することができる。これにより、トリガー電位Vt1を下げることが可能である。
Furthermore, as a modification, a configuration in which the embedded well regions 2 and 17 are excluded from the configuration shown in FIGS. For example, a configuration shown in a sectional view in FIG. 14 can be considered.
Even in this configuration, since the Nwell region 4 and the Pwell region 19 on the right side in the figure are electrically connected to the wiring layer 16, the carrier from the PN junction surface at the interface with the Nwell region 4 and Pwell region 19 on the right side Can be injected. Thereby, the trigger potential Vt1 can be lowered.

なお、上述したそれぞれの実施の形態や変形例の構成は、構成が矛盾しない限りは、適宜組み合わせることが可能である。   The configurations of the above-described embodiments and modifications can be combined as appropriate as long as the configurations do not contradict each other.

<5.応用例>
前述したように、各実施の形態の保護素子を用いて、保護素子を備えた半導体装置を構成することができる。半導体装置を構成する回路素子の周囲に、各実施の形態の保護素子を配置して、サージ入力が保護素子に入力されるように構成する。
<5. Application example>
As described above, a semiconductor device including a protection element can be formed using the protection element of each embodiment. The protection elements of the respective embodiments are arranged around the circuit elements constituting the semiconductor device so that surge input is input to the protection elements.

ここで、回路素子としての内部回路と、保護素子との接続例の回路構成図を、図15に示す。
図15に示すように、内部回路30と端子との間に、2つの保護素子31,32を接続している。端子としては、図中上から、Vdd端子、I/O端子(入出力端子)、グラウンド端子(Gnd.)の3つの端子が設けられている。Vdd端子及びI/O端子からの各配線に、第1の保護素子31が接続されており、I/O端子及びグラウンド端子からの各配線に、第2の保護素子32が接続されている。
そして、例えば、第1の保護素子31と第2の保護素子32において、図1、図9〜図14に示した、左の配線層16(第1の配線)と右の配線層16(第2の配線)を、回路素子である内部回路30と、図15の3つの端子とに電気的に接続する。例えば、第1の保護素子31の第1の配線をVdd端子に接続し、第1の保護素子31の第2の配線及び第2の保護素子32の第1の配線を入出力端子に接続し、第2の保護素子32の第2の配線をグラウンド端子に接続する。この場合、3つの端子、即ち、Vdd端子、I/O端子(入出力端子)、グラウンド端子(Gnd.)は、例えば、半導体装置のパッケージもしくはチップと、その外部とを電気的に接続する外部端子に相当する。
Here, FIG. 15 shows a circuit configuration diagram of an example of connection between an internal circuit as a circuit element and a protection element.
As shown in FIG. 15, two protection elements 31 and 32 are connected between the internal circuit 30 and the terminal. As the terminals, there are provided three terminals from the top in the figure: a Vdd terminal, an I / O terminal (input / output terminal), and a ground terminal (Gnd.). A first protection element 31 is connected to each wiring from the Vdd terminal and the I / O terminal, and a second protection element 32 is connected to each wiring from the I / O terminal and the ground terminal.
For example, in the first protective element 31 and the second protective element 32, the left wiring layer 16 (first wiring) and the right wiring layer 16 (first wiring) shown in FIGS. 2 wiring) is electrically connected to the internal circuit 30 which is a circuit element and the three terminals in FIG. For example, the first wiring of the first protection element 31 is connected to the Vdd terminal, and the second wiring of the first protection element 31 and the first wiring of the second protection element 32 are connected to the input / output terminal. The second wiring of the second protection element 32 is connected to the ground terminal. In this case, three terminals, that is, a Vdd terminal, an I / O terminal (input / output terminal), and a ground terminal (Gnd.) Are, for example, an external that electrically connects a package or chip of a semiconductor device and the outside thereof. Corresponds to the terminal.

第1の保護素子31と第2の保護素子32とは、それぞれ図1のようにNMOSFETを有する構成と、図9のようにPMOSFETを有する構成との、いずれの構成とすることも可能である。
例えば、第1の保護素子31及び第2の保護素子32を、共にNMOSFETを有する構成とすることができる。この場合、同じ製造工程で2つの保護素子31,32の各部を同時に形成することができる。
また例えば、第1の保護素子31はPMOSFETを有する構成として、第2の保護素子32はNMOSFETを有する構成とすることができる。この場合、図12や図13に示したようにwell領域を絶縁分離しなくても、電源からグラウンドまで同電位とならないようにすることができる。
The first protection element 31 and the second protection element 32 may have either a configuration having an NMOSFET as shown in FIG. 1 or a configuration having a PMOSFET as shown in FIG. .
For example, both the first protection element 31 and the second protection element 32 may have an NMOSFET. In this case, each part of the two protection elements 31 and 32 can be formed simultaneously in the same manufacturing process.
Further, for example, the first protection element 31 may have a PMOSFET, and the second protection element 32 may have an NMOSFET. In this case, as shown in FIGS. 12 and 13, even if the well region is not insulated and separated, the same potential can be prevented from the power source to the ground.

なお、図15の各端子(Vdd,I/O,Gnd.)の名称は、半導体装置の使用時にそれぞれの端子に供給される電位を示している。
特に、半導体装置の製造時には、各端子がまだ電位的にフローティングの状態となっており、いずれの端子にも、正のサージ入力又は負のサージ入力が入る可能性がある。
Note that the names of the terminals (Vdd, I / O, Gnd.) In FIG. 15 indicate potentials supplied to the terminals when the semiconductor device is used.
In particular, at the time of manufacturing a semiconductor device, each terminal is still in a floating state in terms of potential, and a positive surge input or a negative surge input may be input to any terminal.

<6.実験>
ここで、実際に保護素子の試料を作製して、特性を調べた。
まず、図1に示した第1の実施の形態の保護素子を作製して、実施例の試料とした。
一方、図16に示すように、ドレインと接続された配線層16とNwell領域4との間のプラグ層14を設けないで、ドレイン及び配線層16とNwell領域4とは電気的に接続しない構成とした。その他は実施例と同様にして保護素子を作製し、これを比較例の試料とした。
<6. Experiment>
Here, a sample of the protective element was actually manufactured and the characteristics were examined.
First, the protective element according to the first embodiment shown in FIG. 1 was produced and used as a sample of the example.
On the other hand, as shown in FIG. 16, the drain and wiring layer 16 and the Nwell region 4 are not electrically connected without providing the plug layer 14 between the wiring layer 16 connected to the drain and the Nwell region 4. It was. Otherwise, a protective element was produced in the same manner as in the example, and this was used as a sample for comparison.

実施例及び比較例の各試料に対して、それぞれ電気ストレスを与えた。具体的には、ドレイン側の右の配線層16のパッドにESDサージを与えて、もう一方のソース及びゲート側の左の配線層16のパッドはグラウンドレベルに接地した。
そして、ドレイン電圧(ESDサージの電圧)を変化させて、MOSFETのチャネルに流れる電流の変化を調べた。
測定結果として、各試料のドレイン電圧と電流との関係を、図17に示す。
Electrical stress was applied to each sample of the example and the comparative example. Specifically, an ESD surge was applied to the pad on the right wiring layer 16 on the drain side, and the pad on the left wiring layer 16 on the other source and gate side was grounded to the ground level.
Then, the drain voltage (ESD surge voltage) was changed, and the change of the current flowing in the channel of the MOSFET was examined.
As a measurement result, the relationship between the drain voltage and the current of each sample is shown in FIG.

図17に示すように、比較例(GGMOS構造)はVt1が10V程度であった。これに対して、実施例はVt1が3V程度と7V低くなった。
また、比較例では、Vt1に達した後は、スナップバックしてドレイン電圧が下がるのに対して、実施例では緩やかにドレイン電圧が上昇する。これは、実施例では、キャリアが多く注入されるため、少しずつ降伏が進み、スナップバックを生じないためと考えられる。
As shown in FIG. 17, in the comparative example (GGMOS structure), Vt1 was about 10V. In contrast, in the example, Vt1 was about 3V and 7V lower.
In the comparative example, after reaching Vt1, the drain voltage drops by snapback, whereas in the example, the drain voltage rises gently. This is presumably because, in the embodiment, since a large amount of carriers are injected, the breakdown proceeds little by little and no snapback occurs.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

1 半導体基板、2 N型の埋め込み領域、3,19 Pwell領域、4,18 Nwell領域、5 素子分離層、6 ソース・ドレイン領域、7 チャネル領域、8 LDD領域、9,12 シリサイド層、10 ゲート絶縁膜、11 ゲート電極、13 サイドウォール、14 プラグ層、15 層間絶縁層、16 配線層、17 P型の埋め込み領域、20 絶縁層、30 内部回路、31 第1の保護素子、32 第2の保護素子 1 Semiconductor substrate, 2 N type buried region, 3,19 Pwell region, 4,18 Nwell region, 5 element isolation layer, 6 source / drain region, 7 channel region, 8 LDD region, 9,12 silicide layer, 10 gate Insulating film, 11 gate electrode, 13 sidewall, 14 plug layer, 15 interlayer insulating layer, 16 wiring layer, 17 P-type buried region, 20 insulating layer, 30 internal circuit, 31 first protection element, 32 second Protective element

Claims (12)

半導体基板と、
前記半導体基板に形成された、第1導電型のウェル領域と、
前記半導体基板に、前記第1導電型のウェル領域に隣接して形成された、第2導電型のウェル領域と、
前記第1導電型のウェル領域に形成された、第2導電型チャネルのMOSトランジスタと、
前記第1導電型のウェル領域と、前記MOSトランジスタのソース領域と、前記MOSトランジスタのゲートとに電気的に接続された第1の配線と、
前記MOSトランジスタのドレイン領域と、前記第2導電型のウェル領域とに電気的に接続された第2の配線とを含む
保護素子。
A semiconductor substrate;
A first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate;
A second conductivity type well region formed in the semiconductor substrate adjacent to the first conductivity type well region;
A second conductivity type channel MOS transistor formed in the first conductivity type well region;
A first wiring electrically connected to the well region of the first conductivity type, the source region of the MOS transistor, and the gate of the MOS transistor;
A protection element including a drain region of the MOS transistor and a second wiring electrically connected to the well region of the second conductivity type.
前記第1導電型のウェル領域及び前記第2導電型のウェル領域の下に接続された、第2導電型の埋め込み領域をさらに含む、請求項1に記載の保護素子。   The protection element according to claim 1, further comprising a second conductivity type buried region connected below the first conductivity type well region and the second conductivity type well region. 前記第1導電型のウェル領域と前記第2導電型の埋め込み領域との接合面に凹凸が形成されている、請求項2に記載の保護素子。   The protective element according to claim 2, wherein unevenness is formed on a joint surface between the first conductivity type well region and the second conductivity type buried region. 前記第1導電型がP型であり、前記第2導電型がN型である、請求項1に記載の保護素子。   The protection element according to claim 1, wherein the first conductivity type is P-type and the second conductivity type is N-type. 前記第1導電型がN型であり、前記第2導電型がP型である、請求項1に記載の保護素子。   The protection element according to claim 1, wherein the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type. 前記第1の配線は、接地端子に電気的に接続され、前記第2の配線は、入出力端子に電気的に接続されている、請求項1に記載の保護素子。   2. The protection element according to claim 1, wherein the first wiring is electrically connected to a ground terminal, and the second wiring is electrically connected to an input / output terminal. 前記第1の配線は、入出力端子に電気的に接続され、前記第2の配線は、電源端子に電気的に接続されている、請求項1に記載の保護素子。   The protection element according to claim 1, wherein the first wiring is electrically connected to an input / output terminal, and the second wiring is electrically connected to a power supply terminal. 回路素子と、
前記回路素子に接続され、半導体基板と、前記半導体基板に形成された、第1導電型のウェル領域と、前記半導体基板に、前記第1導電型のウェル領域に隣接して形成された、第2導電型のウェル領域と、前記第1導電型のウェル領域に形成された、第2導電型チャネルのMOSトランジスタと、前記第1導電型のウェル領域と、前記MOSトランジスタのソース領域と、前記MOSトランジスタのゲートとに電気的に接続された第1の配線と、前記MOSトランジスタのドレイン領域と、前記第2導電型のウェル領域とに電気的に接続された第2の配線とを含む保護素子とを備えた
半導体装置。
Circuit elements;
A semiconductor substrate connected to the circuit element; a first conductivity type well region formed on the semiconductor substrate; and a first conductivity type well region formed on the semiconductor substrate adjacent to the first conductivity type well region, A second conductivity type well region; a second conductivity type channel MOS transistor formed in the first conductivity type well region; the first conductivity type well region; a source region of the MOS transistor; A protection including a first wiring electrically connected to the gate of the MOS transistor, and a second wiring electrically connected to the drain region of the MOS transistor and the well region of the second conductivity type A semiconductor device comprising an element.
前記保護素子は、前記第1導電型のウェル領域及び前記第2導電型のウェル領域の下に接続された、第2導電型の埋め込み領域をさらに含む、請求項8に記載の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the protection element further includes a second conductivity type buried region connected under the first conductivity type well region and the second conductivity type well region. 前記半導体基板が第2導電型であり、前記保護素子の周囲に、前記半導体基板及び前記第2導電型の埋め込み領域を貫通して形成され、前記保護素子を絶縁分離する絶縁層をさらに含む、請求項9に記載の半導体装置。   The semiconductor substrate is of a second conductivity type, and further includes an insulating layer that is formed around the protection element so as to penetrate the semiconductor substrate and the embedded region of the second conductivity type and insulate and isolate the protection element. The semiconductor device according to claim 9. 前記保護素子の前記第1の配線は、接地端子に電気的に接続され、前記保護素子の前記第2の配線は、入出力端子に電気的に接続されている、請求項8に記載の半導体装置。   The semiconductor according to claim 8, wherein the first wiring of the protection element is electrically connected to a ground terminal, and the second wiring of the protection element is electrically connected to an input / output terminal. apparatus. 前記保護素子の前記第1の配線は、入出力端子に電気的に接続され、前記保護素子の前記第2の配線は、電源端子に電気的に接続されている、請求項8に記載の半導体装置。   The semiconductor according to claim 8, wherein the first wiring of the protection element is electrically connected to an input / output terminal, and the second wiring of the protection element is electrically connected to a power supply terminal. apparatus.
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