JP2014143378A - Semiconductor device having esd protection element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する、特に、半導体装置に搭載されるESD(静電気放電)保護素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to an ESD (electrostatic discharge) protection element mounted on a semiconductor device.
従来のESD保護素子について説明する。図6は、従来のESD保護素子を示す断面図及び等価回路図である。 A conventional ESD protection element will be described. FIG. 6 is a sectional view and an equivalent circuit diagram showing a conventional ESD protection element.
入力パッドに印加されたサージ電圧は、入力パッドに連なるカソード電極106へ伝わり、ESDサージ電流が入力パッドから接地パッドにアノード電極107を介して流れる。この時、ESD保護素子のツェナーダイオード108(ツェナー領域103、カソード104、及び、アノード105からなる)及びツェナーダイオード109(ツェナー領域103、カソード104、及び、基板101、ピックアップ領域102からなる)は、ブレイクダウン動作により、このESDサージ電流をダイオードの逆方向に流す。これにより、ESDサージ電流は内部回路に流れないので、内部回路がESDサージ電流から保護されることになる(例えば、特許文献1参照)。
The surge voltage applied to the input pad is transmitted to the
しかし、特許文献1によって開示された技術では、電源電圧が接地パッドに誤って印加される逆接続の状態においては、ダイオードが順方向となり接地パッドから入力パッドへと電流が流れてしまう。そのため、半導体装置は、誤動作したり破壊されたりしてしまう可能性が高い。そこで、製品によってはこうした事態を避けるために、半導体装置に搭載されるESD保護素子には、逆接続保護機能が要求されるようになる。本発明は、上記課題に鑑みてなされ、逆接続保護機能を有するESD保護素子を備えた半導体装置を提供するものである。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1, in the reverse connection state where the power supply voltage is improperly applied to the ground pad, the diode becomes forward and current flows from the ground pad to the input pad. Therefore, there is a high possibility that the semiconductor device will malfunction or be destroyed. Therefore, depending on the product, in order to avoid such a situation, an ESD protection element mounted on a semiconductor device is required to have a reverse connection protection function. This invention is made in view of the said subject, and provides the semiconductor device provided with the ESD protection element which has a reverse connection protection function.
本発明は、上記課題を解決するため、ESD保護素子を有する半導体装置であって、半導体基板と、第一〜第二ツェナーダイオードのカソードとして機能し、前記半導体基板の表面に形成されるN型拡散層と、前記第一ツェナーダイオードのアノードとして機能し、入力パッドとESD保護素子の入力端子との接続部分において、前記N型拡散層の表面に形成される第一P型拡散層と、前記第二ツェナーダイオードのアノードとして機能し、接地パッドとESD保護素子の接地端子との接続部分において、前記N型拡散層の表面に形成される第二P型拡散層と、前記第一P型拡散層の上にコンタクトが設けられる領域において、前記第一P型拡散層の表面に形成される第一高濃度P型拡散層と、前記第二P型拡散層の上にコンタクトが設けられる領域において、前記第二P型拡散層の表面に形成される第二高濃度P型拡散層と、を備えることを特徴とするESD保護素子を有す半導体装置提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a semiconductor device having an ESD protection element, which functions as a semiconductor substrate and cathodes of first to second Zener diodes, and is formed on the surface of the semiconductor substrate. A first P-type diffusion layer that functions as an anode of the diffusion layer and the first Zener diode, and is formed on the surface of the N-type diffusion layer at a connection portion between the input pad and the input terminal of the ESD protection element; A second P-type diffusion layer which functions as an anode of the second Zener diode and is formed on the surface of the N-type diffusion layer at a connection portion between the ground pad and the ground terminal of the ESD protection element; and the first P-type diffusion In a region where a contact is provided on the layer, a contact is provided on the first high-concentration P-type diffusion layer formed on the surface of the first P-type diffusion layer and on the second P-type diffusion layer. In that area, to provide a semiconductor device having a ESD protection device characterized by comprising: a second high-concentration P-type diffusion layer formed on the surface of the second P-type diffusion layer.
本発明では、電源電圧が接地パッドに誤って印加される逆接続の状態において、ESD保護素子の第一ツェナーダイオードは、逆バイアスとなるので、オフしている。そのため、接地パッドに印加された電源電圧は、入力パッドに印加されないので、半導体装置は、誤動作したり破壊されたりしない。 In the present invention, in the reverse connection state where the power supply voltage is improperly applied to the ground pad, the first Zener diode of the ESD protection element is turned off because it is reverse biased. Therefore, the power supply voltage applied to the ground pad is not applied to the input pad, so that the semiconductor device does not malfunction or be destroyed.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図中のPあるいはNは半導体領域の導電型を表し、付属する+、±、−は不純物濃度の相対的な大小関係を示し、P−、P±、P+の順で濃度は高くなる。N型に関しても同様である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the figure, P or N represents the conductivity type of the semiconductor region, and the attached +, ±, and − indicate the relative magnitude relationship of the impurity concentration, and the concentration increases in the order of P−, P ±, and P +. The same applies to the N type.
まず、半導体装置におけるESD(静電気放電)保護素子の構成について説明する。図1は、ESD保護素子を示す断面図及び等価回路図である。図2は、ESD保護素子を示す平面図である。 First, the configuration of an ESD (electrostatic discharge) protection element in a semiconductor device will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view and an equivalent circuit diagram showing an ESD protection element. FIG. 2 is a plan view showing the ESD protection element.
図1の(A)に示すように、ESD保護素子10が形成されない領域において、P型半導体基板11の表面に、P型ウェル12が形成されている。ESD保護素子10が形成される領域において、P型半導体基板11の表面に、N型ウェル13が形成されている。N型ウェル13の表面には、N型拡散層14が形成されている。そして、入力パッド31とESD保護素子10の入力端子との接続部分には、N型拡散層14の表面に、第一のP型拡散層15aが形成されている。さらに、接地パッドとESD保護素子10の接地端子との接続部分において、N型拡散層14の表面に、第二のP型拡散層15bが形成されている。
As shown in FIG. 1A, a P-
P型ウェル12及びP型拡散層15a〜15bの上にコンタクトをとるための高濃度P型拡散層17a〜17cが設けられない領域において、P型半導体基板11の表面には、LOCOS法(Local Oxidation of Silicon:シリコンを部分的に酸化する方法)による比較的膜厚の厚いLOCOS酸化膜16が形成されている。P型ウェル12の上にコンタクトが設けられる領域において、P型ウェル12の表面に、高濃度P型拡散層17cが形成される。P型拡散層15aの上にコンタクトが設けられる領域において、P型拡散層15aの表面に、第一の高濃度P型拡散層17aが形成される。P型拡散層15bの上にコンタクトが設けられる領域において、P型拡散層15bの表面に、第二の高濃度P型拡散層17bが形成される。
In a region where the high-concentration P-
N型拡散層14は、ツェナーダイオード21〜22のカソードとして機能する。P型拡散層15aは、ツェナーダイオード21のアノードとして機能する。P型拡散層15bは、ツェナーダイオード22のアノードとして機能する。ツェナーダイオード21及びツェナーダイオード22がESD保護素子10を構成している。
The N-
N型拡散層14の不純物濃度は、N型ウェル13の不純物濃度よりも濃い。P型拡散層15a〜15bの不純物濃度は、P型ウェル12の不純物濃度よりも濃く、高濃度P型拡散層17a〜17cの不純物濃度よりも薄い。N型拡散層14及びP型拡散層15a〜15bの不純物濃度は、ツェナーダイオード21〜22の耐圧によって適宜設計される。また、高濃度P型拡散層17a〜17cの不純物濃度は、高濃度P型拡散層17a〜17cとその上のコンタクトとの接触抵抗の値が小さくなるよう適宜設計される。
The impurity concentration of the N-
また、図2に示すように、P型拡散層15a及び高濃度P型拡散層17aの平面形状は、本実施形態においては、対称性の高い正方形である。これらのP型拡散層15a及び高濃度P型拡散層17aを中心として、図2の平面図で上下左右対称に、LOCOS酸化膜16及び高濃度P型拡散層17b〜17cを形成する。
Further, as shown in FIG. 2, the planar shapes of the P-
次に、ESD保護素子10の回路について説明する。
図1の(B)に示すように、入力パッド31は、ツェナーダイオード21のアノード及び半導体装置の内部回路に接続される。ツェナーダイオード21のカソードは、ツェナーダイオード22のカソードに接続される。ツェナーダイオード22のアノードは、接地パッドに接続される。
Next, a circuit of the
As shown in FIG. 1B, the
次に、ESD保護素子10の動作について説明する。
通常の動作においてはESD保護素子10のツェナーダイオード22は、逆バイアスとなるので、オフしている。よって、ESD保護素子10は、入力パッド31に印加される電圧に影響しない。
Next, the operation of the
In normal operation, the Zener
次に、電源電圧が接地パッドに誤って印加される逆接続の状態においては、ESD保護素子10は逆接続保護動作を行う。即ち、ESD保護素子10のツェナーダイオード21は、逆バイアスとなるので、オフしたままである。よって、接地パッドに印加された電源電圧は、入力パッド31に印加されない。
Next, in a reverse connection state where the power supply voltage is improperly applied to the ground pad, the
続いて、ESD保護素子10のESD保護動作について説明する。
入力パッド31へ印加されたサージ電圧により、ESDサージ電流が入力パッド31から接地パッドに流れる。この時、ESD保護素子10のツェナーダイオード21は、このESDサージ電流を順方向に流している。また、ESD保護素子10のツェナーダイオード22は、ブレイクダウン動作により、このESDサージ電流を逆方向に流している。これにより、ESDサージ電流が内部回路に流れないので、内部回路がESDサージ電流から保護される。
Next, the ESD protection operation of the
Due to the surge voltage applied to the
なお、P型拡散層15a及び高濃度P型拡散層17aの平面形状は、正方形であるが、電界集中防止のため、角をカットされた八角形としても良い。この時、これらのP型拡散層15a及び高濃度P型拡散層17aを中心として、平面図で上下左右対称に、LOCOS酸化膜16及び高濃度P型拡散層17b〜17cを形成する。
The planar shapes of the P-
また、LOCOS法が使用されているが、STI法(Shallow Trench Isolation:浅い溝を使った分離方法)を使用しても良い。
また、図3に示すように、P型拡散層15a及び高濃度P型拡散層17aの平面形状は、長方形としても良い。
Further, although the LOCOS method is used, an STI method (Shallow Trench Isolation) may be used.
Further, as shown in FIG. 3, the planar shapes of the P-
また、図4に示すように、P型拡散層15a及び高濃度P型拡散層17aの平面形状は、電界の集中を避けられるように円形としても良い。
また、図5に示すように、P型拡散層15a及び高濃度P型拡散層17aの平面形状は、長方形類似の形状でも良く、この長方形の短手方向の部分は、丸くなっている。
また、N型ウェル13は、無くても良い。この時、ESD保護素子10が形成される領域において、P型半導体基板11の表面に、直接、N型拡散層14が形成される。
As shown in FIG. 4, the planar shapes of the P-
As shown in FIG. 5, the planar shape of the P-
Further, the N-type well 13 may be omitted. At this time, the N-
10 ESD保護素子
11 P型半導体基板
12 P型ウェル
13 N型ウェル
14 N型拡散層(ツェナーダイオード21〜22のカソード)
15a P型拡散層(ツェナーダイオード21のアノード)
15b P型拡散層(ツェナーダイオード22のアノード)
16 LOCOS酸化膜
17a〜17c 高濃度P型拡散層
18 N型拡散層
21 ツェナーダイオード
22 ツェナーダイオード
31 入力パッド
10 ESD protection element 11 P-type semiconductor substrate 12 P-type well 13 N-type well 14 N-type diffusion layer (cathode of
15a P-type diffusion layer (anode of Zener diode 21)
15b P-type diffusion layer (anode of Zener diode 22)
16
Claims (8)
第一のツェナーダイオードおよび第二のツェナーダイオードのカソードとして機能し、前記半導体基板の表面から内部にかけて形成されたN型拡散層と、
前記第一のツェナーダイオードのアノードとして機能し、入力パッドとESD保護素子の入力端子との接続部分において、前記N型拡散層の表面に形成された第一のP型拡散層と、
前記第二のツェナーダイオードのアノードとして機能し、接地パッドとESD保護素子の接地端子との接続部分において、前記N型拡散層の表面に形成された第二のP型拡散層と、
前記第一のP型拡散層の上にコンタクトが設けられる領域において、前記第一のP型拡散層の表面に形成された第一の高濃度P型拡散層と、
前記第二のP型拡散層の上にコンタクトが設けられる領域において、前記第二のP型拡散層の表面に形成された第二の高濃度P型拡散層と、
を備えたことを特徴とするESD保護素子を有する半導体装置。 A P-type semiconductor substrate;
An N-type diffusion layer functioning as a cathode of the first Zener diode and the second Zener diode and formed from the surface of the semiconductor substrate to the inside;
A first P-type diffusion layer that functions as an anode of the first Zener diode and is formed on a surface of the N-type diffusion layer at a connection portion between the input pad and the input terminal of the ESD protection element;
A second P-type diffusion layer that functions as an anode of the second Zener diode and is formed on the surface of the N-type diffusion layer at a connection portion between the ground pad and the ground terminal of the ESD protection element;
In a region where a contact is provided on the first P-type diffusion layer, a first high-concentration P-type diffusion layer formed on the surface of the first P-type diffusion layer;
In a region where a contact is provided on the second P-type diffusion layer, a second high-concentration P-type diffusion layer formed on the surface of the second P-type diffusion layer;
A semiconductor device having an ESD protection element.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のESD保護素子を有する半導体装置。 The planar shape of the first P-type diffusion layer is a square.
A semiconductor device having the ESD protection element according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のESD保護素子を有する半導体装置。 The planar shape of the first P-type diffusion layer is a rectangle.
A semiconductor device having the ESD protection element according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のESD保護素子を有する半導体装置。 The planar shape of the first P-type diffusion layer is an octagon.
A semiconductor device having the ESD protection element according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のESD保護素子を有する半導体装置。 The planar shape of the first P-type diffusion layer is circular.
A semiconductor device having the ESD protection element according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のESD保護素子を有する半導体装置。 The planar shape of the first P-type diffusion layer is a shape similar to a rectangle, and the short-side portion of the rectangle is rounded.
A semiconductor device having the ESD protection element according to claim 1.
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