JP2022084984A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor device including an electrostatic protection circuit where a parasitic PNP transistor structure is not formed.SOLUTION: A semiconductor device includes an electrostatic protection circuit. The electrostatic protection circuit includes an Nch enhancement type MOS transistor. The Nch enhancement type MOS transistor is an off transistor in which a gate, an N-type high concentration source region, and a P-type high concentration base region are grounded to a ground potential. An N-type high concentration drain region of the Nch enhancement type MOS transistor is connected to an N-type region of a polysilicon diode formed on a field oxide film and a P-type region of the polysilicon is connected to a signal input terminal.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は静電気保護回路を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having an electrostatic protection circuit.

信号入力側端子を逆接続時に保護可能な静電保護素子として、P型基板中のNwell内に形成された信号入力端子側のP型ダイオードと、同じNwell内に形成されたグラウンド端子側のP型ダイオードからなるPNP双方向ダイオードが用いられている。この静電保護素子では、信号入力端子が逆接続されるなどして電圧がグラウンド電位以下になった場合、信号入力端子側のP型ダイオードが逆方向に印加されるため電流が流れない。(特許文献1参照) As an electrostatic protection element that can protect the signal input side terminal when reversely connected, a P-type diode on the signal input terminal side formed in the Nwell in the P-type substrate and a P on the ground terminal side formed in the same Nwell. A PNP bidirectional diode composed of a type diode is used. In this electrostatic protection element, when the voltage becomes equal to or lower than the ground potential due to the signal input terminal being reversely connected, the P-type diode on the signal input terminal side is applied in the opposite direction, so that no current flows. (See Patent Document 1)

特開2014-143378JP-A-2014-143378

信号入力端子側のP型ダイオードのP型高濃度領域、Nwell、P型基板からなる半導体縦方向の寄生PNPトランジスタが存在し、NwellはOPEN電位(フローティング)となっている。この構成においては、信号入力端子に正電圧が印加された際に信号入力端子につながるP型高濃度領域とNwell間に順方向電流が流れNwell電圧はP型高濃度領域より低下し、寄生PNPトランジスタはバイポーラ動作を起こして半導体装置の消費電流を著しく増大させる。 There is a semiconductor vertical parasitic PNP transistor composed of a P-type high concentration region of a P-type diode on the signal input terminal side, Nwell, and a P-type substrate, and Nwell has an OPEN potential (floating). In this configuration, when a positive voltage is applied to the signal input terminal, a forward current flows between the P-type high-concentration region connected to the signal input terminal and Nwell, and the Nwell voltage is lower than the P-type high-concentration region, and the parasitic PNP. Transistors cause bipolar operation and significantly increase the current consumption of semiconductor devices.

この寄生PNPトランジスタは、Nwellの電位を例えば信号入力端子に繋ぐことで電圧をP型高濃度領域と同じ電圧に固定しバイポーラ動作を起こさないようにできるが、この構造は信号入力端子が逆接続された場合に、逆方向の電圧が印加される信号入力端子側のP型ダイオードのP型領域(アノード)を通らず、信号入力端子に直接つながるNwellとP型基板間で順方向電流を流してしまい逆接続時に保護という当初の目的を満たさない。
このようにPNP双方向ダイオードを用いた場合においてはNwellをオープン電位にする必要があるがバイポーラ動作により消費電流が著しく高くなることがある。
This parasitic PNP transistor can fix the voltage to the same voltage as the P-type high concentration region by connecting the potential of Nwell to the signal input terminal, for example, so that bipolar operation does not occur, but this structure has the signal input terminal connected in reverse. When this is done, a forward current is passed between Nwell and the P-type substrate, which is directly connected to the signal input terminal, without passing through the P-type region (anode) of the P-type diode on the signal input terminal side to which the voltage in the opposite direction is applied. It does not meet the original purpose of protection at the time of reverse connection.
When the PNP bidirectional diode is used as described above, it is necessary to set the Nwell to an open potential, but the current consumption may be significantly increased due to the bipolar operation.

Nchエンハンス型MOSトランジスタのウェル、ソース及びゲートをグラウンド電位に接地してオフ状態で使用するオフトランジスタと、逆接続時の保護のため、N型部分をオフトランジスタドレイン側にP型部分を入力端子側になるように厚い酸化膜上に形成されたポリシリコンダイオードを挿入した回路構成とした。 Off-transistor that is used in the off state by grounding the well, source and gate of the Nch enhanced MOS transistor to the ground potential, and for protection at the time of reverse connection, the N-type part is on the off-transistor drain side and the P-type part is the input terminal. The circuit configuration was such that a polysilicon diode formed on a thick oxide film was inserted so as to be on the side.

本構造を用いることで、信号入力端子に正電圧が印加された場合は、ポリシリコンダイオード順方向を介してNch型オフトランジスタに電圧が印加され、通常のオフタランジスタ動作を行い保護素子として機能を行い、逆接続時に信号入力端子に負電圧が印加された際はポリシリコンダイオードに印加される電圧が逆方向となることで電流を制限できる。また課題であったP型高濃度領域、Nwell、P型基板からなる寄生PNPトランジスタ構造が形成されないため、信号入力端子に正電圧が印加された場合の消費電流増加を避けることができ、オフトランジスタ相当のリーク電流とすることが可能である。 By using this structure, when a positive voltage is applied to the signal input terminal, a voltage is applied to the Nch type off-transistor via the forward direction of the polysilicon diode, and normal off-tarranger operation is performed to function as a protection element. When a negative voltage is applied to the signal input terminal during reverse connection, the voltage applied to the polysilicon diode is in the opposite direction, so that the current can be limited. In addition, since the parasitic PNP transistor structure consisting of the P-type high-concentration region, Nwell, and P-type substrate, which has been a problem, is not formed, it is possible to avoid an increase in current consumption when a positive voltage is applied to the signal input terminal, and the off-transistor can be used. It is possible to have a considerable leakage current.

またブレークダウン後の電圧―電流特性に対しては、PNP双方向ダイオードでは破壊するまで電圧が上昇し続けるが、オフトランジスタの場合は破壊前にある電圧でスナップバックを起こし低電圧動作に移行する。このため外部からの過電流印加時に被保護素子の破壊電圧に対して、PNP双方向ダイオードでは電圧が大きくなり保護できない危険性があるが、オフトランジスタの場合は設計によりスナップバック電圧を低く設定することが可能なため被保護素子の保護を高めることができる。 Regarding the voltage-current characteristics after breakdown, the PNP bidirectional diode keeps rising until it breaks, but in the case of an off-transistor, it snaps back at the voltage before the break and shifts to low voltage operation. .. For this reason, there is a risk that the PNP bidirectional diode will not be able to protect against the breakdown voltage of the protected element when an overcurrent is applied from the outside, but in the case of an off-transistor, the snapback voltage is set low by design. Therefore, the protection of the protected element can be enhanced.

またスナップバック後のオフトランジスタは低抵抗で動作するため、従来のPNPトランジスタ構造より少ない面積で同等のサージを逃がすことが可能になる。 Further, since the off-transistor after snapback operates with low resistance, it is possible to escape the same surge in a smaller area than the conventional PNP transistor structure.

本発明の実施形態に係る静電気保護回路を有する半導体装置の等価回路図Equivalent circuit diagram of a semiconductor device having an electrostatic protection circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る静電気保護回路を有する半導体装置の模式断面図Schematic cross-sectional view of a semiconductor device having an electrostatic protection circuit according to an embodiment of the present invention. 従来の構造を有する静電気保護回路を有する半導体装置の等価回路図Equivalent circuit diagram of a semiconductor device having an electrostatic protection circuit having a conventional structure 従来の構造を有する静電気保護回路を有する半導体装置の模式断面図Schematic cross-sectional view of a semiconductor device having an electrostatic protection circuit having a conventional structure

本発明の実施形態に係る静電気保護回路を有する半導体装置について説明する。
図1は本発明の実施形態に係る静電気保護回路を有する半導体装置の等価回路図である。例として、Nchエンハンス型MOSトランジスタ(以下NchMOSトランジスタ)のウェル、ソース及びゲートをグラウンド電位に接地してオフ状態で使用するオフトランジスタ1と、N型部分をオフトランジスタドレイン側に、P型部分を入力端子側になるように挿入したダイオード2を有する静電気保護回路の部分を等価回路図として表したものである。
A semiconductor device having an electrostatic protection circuit according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device having an electrostatic protection circuit according to an embodiment of the present invention. As an example, an off-transistor 1 that is used in an off state by grounding the well, source, and gate of an Nch-enhanced MOS transistor (hereinafter referred to as NchMOS transistor) to the ground potential, and an N-type portion on the off-transistor drain side and a P-type portion. The part of the electrostatic protection circuit having the diode 2 inserted so as to be on the input terminal side is shown as an equivalent circuit diagram.

図2は本発明の実施形態に係る静電気保護回路の例として、図1の静電気保護回路の模式断面図を表したものである。P型の導電型を有するシリコン基板3に、NchMOSトランジスタのウェル領域であるP型低濃度ウェル領域4が形成されている。
シリコン基板上には素子分離のためのフィールド酸化膜5が設けられている。フィールド酸化膜5が形成されない領域にはゲート酸化膜6が設けられており、その下にはNchMOSトランジスタチャネル領域7が形成されている。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the electrostatic protection circuit of FIG. 1 as an example of the electrostatic protection circuit according to the embodiment of the present invention. A P-type low-concentration well region 4, which is a well region of an NchMOS transistor, is formed on a silicon substrate 3 having a P-type conductive type.
A field oxide film 5 for element separation is provided on the silicon substrate. A gate oxide film 6 is provided in a region where the field oxide film 5 is not formed, and an NchMOS transistor channel region 7 is formed below the gate oxide film 6.

ゲート酸化膜6の上にはポリシリコンからなるゲート電極8が設けられており、ゲート電極8に隣接する半導体基板表面にはN型高濃度の不純物拡散領域であるソース領域9とN型高濃度の不純物拡散領域であるドレイン領域10がNchMOSトランジスタチャネル領域7を挟むように設けられている。また、ゲート電極8に隣接せず離れた場所の半導体基板表面にはP型低濃度ウェル領域4の電圧を取るためのP型高濃度の不純物拡散領域であるベース領域11が設けられている。
N型高濃度のソース領域9、ゲート電極8、P型高濃度ベース領域11はメタル配線でグラウンド電位となるよう接地されている。
A gate electrode 8 made of polysilicon is provided on the gate oxide film 6, and a source region 9 and an N-type high concentration, which are N-type high-concentration impurity diffusion regions, are provided on the surface of the semiconductor substrate adjacent to the gate electrode 8. The drain region 10 which is the impurity diffusion region of the above is provided so as to sandwich the NchMOS transistor channel region 7. Further, a base region 11 which is a P-type high-concentration impurity diffusion region for taking the voltage of the P-type low-concentration well region 4 is provided on the surface of the semiconductor substrate at a location not adjacent to the gate electrode 8 but at a distance.
The N-type high-concentration source region 9, the gate electrode 8, and the P-type high-concentration base region 11 are grounded by metal wiring so as to have a ground potential.

フィールド酸化膜5上には、ポリシリコンダイオードN型高濃度領域12と、ポリシリコンダイオードN型低濃度領域13、ポリシリコンダイオードP型低濃度領域14、ポリシリコンダイオードP型高濃度領域15からなるポリシリコンダイオードが設けられており、ポリシリコンダイオードN型低濃度領域13はポリシリコンダイオードN型高濃度領域12に、ポリシリコンダイオードP型低濃度領域14はポリシリコンダイオードN型低濃度領域13に、ポリシリコンダイオードP型高濃度領域15はポリシリコンダイオードP型低濃度領域14に隣接して設けられている。 The field oxide film 5 is composed of a polysilicon diode N-type high-concentration region 12, a polysilicon diode N-type low-concentration region 13, a polysilicon diode P-type low-concentration region 14, and a polysilicon diode P-type high-concentration region 15. A polysilicon diode is provided, and the polysilicon diode N-type low concentration region 13 is in the polysilicon diode N-type high-concentration region 12, and the polysilicon diode P-type low-concentration region 14 is in the polysilicon diode N-type low-concentration region 13. The polysilicon diode P-type high concentration region 15 is provided adjacent to the polysilicon diode P-type low concentration region 14.

ポリシリコンダイオードのカソードであるN型高濃度領域12はメタル配線によりN型高濃度ドレイン領域10に接続されており、ポリシリコンダイオードのアノードであるP型高濃度領域15は信号入力端子に接続されている。
以上のように、NchMOSトランジスタ1とポリシリコンダイオード2を構成することにより、図1で示される回路を実現することができる。図1においては、ダイオード2の構成方法は示されていないが、図2を用いて説明したように、ダイオード2は、フィールド酸化膜5上に設けられたポリシリコンからなるダイオードであるので、シリコン基板3の内部には寄生PNPトランジスタ構造が形成されないので、信号入力端子に正電圧が印加された場合の消費電流増加を避けることができ、オフトランジスタのリーク電流と同等の電流とすることが可能である。
The N-type high-concentration region 12 which is the cathode of the polysilicon diode is connected to the N-type high-concentration drain region 10 by metal wiring, and the P-type high-concentration region 15 which is the anode of the polysilicon diode is connected to the signal input terminal. ing.
As described above, the circuit shown in FIG. 1 can be realized by configuring the NchMOS transistor 1 and the polysilicon diode 2. Although the method of configuring the diode 2 is not shown in FIG. 1, as described with reference to FIG. 2, the diode 2 is a diode made of polysilicon provided on the field oxide film 5, and thus silicon. Since the parasitic PNP transistor structure is not formed inside the substrate 3, it is possible to avoid an increase in current consumption when a positive voltage is applied to the signal input terminal, and it is possible to make the current equivalent to the leakage current of the off-transistor. Is.

また、逆接続時に信号入力端子に負電圧が印加された際はポリシリコンダイオードに印加される電圧が逆方向となることで電流を制限できる。 Further, when a negative voltage is applied to the signal input terminal at the time of reverse connection, the voltage applied to the polysilicon diode is in the opposite direction, so that the current can be limited.

またブレークダウン後の電圧―電流特性に対しては、PNP双方向ダイオードでは電圧が上がれば電流もあがり続けるが、オフトランジスタの場合はスナップバックを起こし一定の電圧で動作する。このため被保護素子の破壊電圧に対しPNP双方向ダイオードのブレークダウン電圧よりスナップバックを起こす電圧を低く設定することで被保護素子の保護を高めることができる。 Regarding the voltage-current characteristics after breakdown, the PNP bidirectional diode keeps increasing the current when the voltage rises, but the off-transistor causes snapback and operates at a constant voltage. Therefore, the protection of the protected element can be enhanced by setting the voltage that causes snapback lower than the breakdown voltage of the PNP bidirectional diode with respect to the breakdown voltage of the protected element.

またスナップバック後のオフトランジスタは低抵抗で動作するため、従来のPNPトランジスタ構造より少ない面積で同等のサージを逃がすことが可能になる。 Further, since the off-transistor after snapback operates with low resistance, it is possible to escape the same surge in a smaller area than the conventional PNP transistor structure.

1 Nchエンハンス型MOSトランジスタ
2 ポリシリコンダイオード
3 P型導電性半導体基板
4 P型低濃度ウェル領域
5 フィールド酸化膜
6 ゲート酸化膜
7 チャネル領域
8 ポリシリコンゲート
9 N型高濃度ソース領域
10 N型高濃度ドレイン領域
11 P型高濃度ベース領域
12 ポリシリコンダイオードN型高濃度領域
13 ポリシリコンダイオードN型低濃度領域
14 ポリシリコンダイオードP型低濃度領域
15 ポリシリコンダイオードP型高濃度領域
16 グラウンド端子側P型ダイオード
17 信号入力端子側P型ダイオード
18 N型低濃度ウェル領域
19 グラウンド端子側P型ダイオードP型高濃度領域
20 信号入力端子側P型ダイオードP型高濃度領域
21 P型高濃度領域
1 Nch enhanced MOS transistor 2 Polysilicon diode 3 P type conductive semiconductor substrate 4 P type low concentration well region 5 Field oxide film 6 Gate oxide film 7 Channel region 8 Polysilicon gate 9 N type high concentration source region 10 N type high Concentration drain region 11 P-type high-concentration base region 12 Polysilicon diode N-type high-concentration region 13 Polysilicon diode N-type low-concentration region 14 Polysilicon diode P-type low-concentration region 15 Polysilicon diode P-type high-concentration region 16 Ground terminal side P-type diode 17 Signal input terminal side P-type diode 18 N-type low-concentration well region 19 Ground terminal side P-type diode P-type high-concentration region 20 Signal input terminal-side P-type diode P-type high-concentration region 21 P-type high-concentration region

Claims (2)

静電気保護回路が信号入力端子に接続された半導体装置において、
前記静電気保護回路は、
ウェル、ソース及びゲートをグラウンド電位に接地されたNchエンハンス型MOSトランジスタと、
酸化膜上に形成されたポリシリコンダイオードと、
を有し、
前記Nchエンハンス型MOSトランジスタのドレインは前記ポリシリコンダイオードのN型領域に接続され、前記ポリシリコンダイオードのP型領域が前記信号入力端子に接続されていることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device in which an electrostatic protection circuit is connected to a signal input terminal
The electrostatic protection circuit is
Nch enhanced MOS transistors with wells, sources and gates grounded to ground potential,
The polysilicon diode formed on the oxide film and
Have,
A semiconductor device characterized in that the drain of the Nch enhanced MOS transistor is connected to the N-type region of the polysilicon diode, and the P-type region of the polysilicon diode is connected to the signal input terminal.
前記ポリシリコンダイオードのPN接合領域は、
前記信号入力端子と接続される前記ポリシリコンダイオードのP型高濃度領域より低濃度のP型ポリシリコンと、前記Nchエンハンス型トランジスタのドレインと接続される前記ポリシリコンダイオードのN型高濃度領域より低濃度のN型ポリシリコンから構成されることを特徴とする半導体装置。
The PN junction region of the polysilicon diode is
From the P-type polysilicon having a concentration lower than the P-type high-concentration region of the polysilicon diode connected to the signal input terminal and from the N-type high-concentration region of the polysilicon diode connected to the drain of the Nch enhanced transistor. A semiconductor device characterized by being composed of low-concentration N-type polysilicon.
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