JP2601664B2 - Insulated gate field effect semiconductor device - Google Patents

Insulated gate field effect semiconductor device

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JP2601664B2 JP62234525A JP23452587A JP2601664B2 JP 2601664 B2 JP2601664 B2 JP 2601664B2 JP 62234525 A JP62234525 A JP 62234525A JP 23452587 A JP23452587 A JP 23452587A JP 2601664 B2 JP2601664 B2 JP 2601664B2
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 イ.産業上の利用分野 本発明は絶縁ゲート型電界効果半導体装置に関し、特
にN型ウエル内に設けられたPチャネルMOSFETに関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an insulated gate field effect semiconductor device, and more particularly to a P-channel MOSFET provided in an N-type well.

ロ.従来技術 従来、CMOSデバイスとして、第4図及び第5図に示す
ように、チャネル幅が大きくてゲート電極1が折れ曲が
った構造のデバイス2が知られている。このデバイス2
は、ゲート電極1の内側にP+型ソース領域3を共通に形
成し、また両側には一対のP+型ドレイン領域4、5を夫
々形成したものであり、1本のゲートで大きなドレイン
電流の得られる微細化デバイスである。左右2つのPチ
ャネル型MOSFET2a、2bを並列に接続して設けるべく、各
P+型領域3、4、5は夫々、P型半導体基板6に拡散形
成されたN型ウエル(タンク)7内に拡散形成されてい
る。なお、図中の8は、ウエル7を電圧VDDに保持するN
+型ガードリングである。また、9はゲート絶縁膜であ
る。また、基板6には、Nチャネル型MOSFET2c、2dを構
成するN+型ソース領域15、ドレイン領域16、17、ゲート
絶縁膜18上のゲート電極19が夫々設けられていて、上記
のPチャネルMOSFET2a、2bと同様にゲート19は折れ曲が
ったパターンになされ、かつソース領域15は共通になっ
ていてよい。なお、基板表面には素子分離用のLOCOS構
造の絶縁膜が設けられているが、図示省略した。
B. 2. Description of the Related Art Conventionally, as a CMOS device, a device 2 having a large channel width and a bent gate electrode 1 as shown in FIGS. 4 and 5 is known. This device 2
Has a P + -type source region 3 commonly formed inside a gate electrode 1 and a pair of P + -type drain regions 4 and 5 formed on both sides, respectively. Is obtained. In order to connect the two left and right P-channel MOSFETs 2a and 2b in parallel,
Each of the P + -type regions 3, 4, and 5 is formed by diffusion in an N-type well (tank) 7 formed by diffusion in a P-type semiconductor substrate 6. In the figure, reference numeral 8 denotes N which holds the well 7 at the voltage VDD.
It is a + type guard ring. Reference numeral 9 denotes a gate insulating film. The substrate 6 is provided with an N + -type source region 15, drain regions 16 and 17, which constitute the N-channel MOSFETs 2c and 2d, and a gate electrode 19 on the gate insulating film 18, respectively. 2b, the gate 19 may have a bent pattern, and the source region 15 may be common. An insulating film having a LOCOS structure for element isolation is provided on the substrate surface, but is not shown.

上記のように折れ曲がったゲート構造のPチャネル型
MOSFET2a、2bにおいて、N型ウエル7が微細化に伴って
浅くなった場合、電源電圧を上げていくと、第6図に示
したようにP型基板6へ大きな電流aが流れることがあ
る(ここで電流値はトランジスタの単位幅で規格化して
ある)。これは、特に基板バイアスを用いているCMOSデ
バイスでは基板を浮き上がらせてしまい、ラッチアップ
を引き起こす一つの原因となっている。
P-channel type with gate structure bent as described above
In the MOSFETs 2a and 2b, when the N-type well 7 becomes shallower due to miniaturization, increasing the power supply voltage may cause a large current a to flow to the P-type substrate 6 as shown in FIG. 6 ( Here, the current value is normalized by the unit width of the transistor.) This raises the substrate particularly in a CMOS device using a substrate bias, which is one cause of latch-up.

即ち、第5図に示すように、動作中に、N型ウエル7
とP型基板6との接合35に拡がる空乏層10と、ドレイン
領域4、5直下に拡がる空乏層11、12とが接触すること
によって、ソース領域3の直下が電気的にフローティン
グ状態となり、動作時の強電界効果により生成するホッ
トエレクトロン(e)がソース領域直下の電位を低下せ
しめ、結果的にソース領域3とウエル7との間が順バイ
アス状態となる。このため、ソース領域3−ウエル7−
基板6の間にある寄生縦型PNPバイポーラトランジスタ1
3がオンし、ホール14が基板6へ注入されてしまう。こ
の結果、基板電位が上昇し、これがトリガとなって、N+
型ドレイン領域17−P型基板6−Nウエル7−P+型ドレ
イン領域4間にて横方向に存在するNPNPサイリスタ構造
20がオンし、デバイスの誤動作の原因となる。
That is, as shown in FIG.
When the depletion layer 10 extending to the junction 35 between the P-type substrate 6 and the depletion layers 11 and 12 extending immediately below the drain regions 4 and 5 comes into contact with each other, the area immediately below the source region 3 is electrically floating, and the operation is performed. Hot electrons (e) generated by the strong electric field effect at the time lower the potential immediately below the source region, and as a result, a forward bias state is established between the source region 3 and the well 7. Therefore, the source region 3-well 7-
Parasitic vertical PNP bipolar transistor 1 between substrates 6
3 turns on and holes 14 are injected into the substrate 6. As a result, the substrate potential rises, which triggers N +
Thyristor structure that exists laterally between the drain region 17-P type substrate 6-N well 7-P + type drain region 4
20 turns on, causing device malfunction.

こうしたラッチアップ現象を防止する対策として、上
記した如きガードリング8が考えられるが、これでも上
記したソース領域3直下のNウエル7のフローティング
状態→基板6の浮き上がりを防止することができず、従
ってラッチアップをなくすことは不可能である。
As a countermeasure to prevent such a latch-up phenomenon, the guard ring 8 as described above is conceivable. However, even with this, the floating state of the N well 7 immediately below the source region 3 → floating of the substrate 6 cannot be prevented. It is impossible to eliminate latch-up.

ハ.発明の目的 本発明の目的は、ラッチアップを効果的に防止して信
頼性を向上させた絶縁ゲート型電界効果半導体装置を提
供することにある。
C. An object of the present invention is to provide an insulated gate field effect semiconductor device in which latch-up is effectively prevented and reliability is improved.

ニ.発明の構成 即ち、本発明は、基板電位が印加される第1導電型の
半導体基板と、前記半導体基板の一主面に形成された第
2導電型の半導体領域と、前記半導体領域の一主面に形
成された第1導電型のソース領域と、前記半導体領域の
一主面に形成された第1導電型の第1及び第2のドレイ
ン領域と、前記ソース領域と前記第1のドレイン領域と
の間における前記半導体領域上に絶縁膜を介して形成さ
れた第1のゲート電極と、前記ソース領域と前記第2の
ドレイン領域との間における前記半導体領域上に絶縁膜
を介して形成され、前記第1のゲート電極に電気的に接
続されている第2のゲート電極と、前記ソース領域内に
その表面から前記半導体領域に達するように形成された
第2導電型の島状領域とを有し、前記ソース領域と前記
島状領域とは電源電圧電位又は接地電位に接続されてい
る絶縁ゲート型電界効果半導体装置に係わるものであ
る。
D. In other words, the present invention provides a semiconductor substrate of a first conductivity type to which a substrate potential is applied, a semiconductor region of a second conductivity type formed on one main surface of the semiconductor substrate, A first conductivity type source region formed on a surface; first and second conductivity type first and second drain regions formed on one main surface of the semiconductor region; the source region and the first drain region A first gate electrode formed on the semiconductor region between the source region and the second drain region via an insulating film; and a first gate electrode formed on the semiconductor region between the source region and the second drain region via the insulating film. A second gate electrode electrically connected to the first gate electrode, and a second conductivity type island region formed in the source region from the surface thereof to the semiconductor region. The source region and the island region Refers to an insulated gate field effect semiconductor device connected to a power supply voltage potential or a ground potential.

ホ.実施例 以下、本発明の実施例を説明する。但し、既述した第
4図〜第5図の例と共通する部分には共通符号を付し、
その説明を省略することがある。
E. Examples Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, parts common to the examples of FIGS. 4 and 5 described above are denoted by the same reference numerals,
The description may be omitted.

第1図及び第2図に示す例では、N型ウエル7に設け
られるPチャネルMOSFET2a、2bの共通のP+型ソース領域
3内に、N+型半導体領域30が島状に複数個(この例では
4個)形成されており、しかもこれらの領域30は夫々下
側のN型ウエル7に接している。両領域30と3とは、所
定パターンに被着した金属(例えばTi)のシリサイド化
(silicidation)によって生じるシリサイド層31によっ
て互いに接合させるか、或いは図示省略したコンタクト
によって電源電圧(VDD)に固定される。なお、第1図
には、ソース電極32、ドレイン電極33を仮想線で示した
が、コンタクトについては図示省略している。また、第
2図に示すように、基板6には基板電位VBBが印加さ
れ、ドレイン領域4,5は接地電位VSSに接続されてい
る。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of N + -type semiconductor regions 30 are formed in the common P + -type source region 3 of the P-channel MOSFETs 2a and 2b provided in the N-type well 7 in an island shape. In this example, four regions 30 are formed, and each of these regions 30 is in contact with the lower N-type well 7. The two regions 30 and 3 are joined to each other by a silicide layer 31 generated by silicidation of a metal (eg, Ti) deposited in a predetermined pattern, or fixed to a power supply voltage (V DD ) by a contact not shown. Is done. In FIG. 1, the source electrode 32 and the drain electrode 33 are shown by imaginary lines, but the contacts are not shown. As shown in FIG. 2, a substrate potential VBB is applied to the substrate 6, and the drain regions 4, 5 are connected to the ground potential VSS.

上記のように、ソース領域3内のN+型領域30を形成す
るには、ソース領域3をまず形成した後にその中にN型
不純物を拡散させる(この場合は不純物濃度がP型不純
物による相殺によって薄くなるためにショットキ・バリ
アが生じてしまう。)よりも、ソース領域3の拡散時に
N+型領域30の部分を抜いて拡散し、かつこの抜いた領域
にN型不純物を拡散してN+型領域30を形成するのが望ま
しい。これらの拡散工程は他の領域と同時に行うことが
できる。N+型領域30の不純物濃度は1019〜1020個/cm3
あってよい。また、上記のN+型領域30について、その幅
l1及び長さl2は1μm程度、ピッチPは10μm程度、ソ
ース領域3の長さl3は2.4μm程度、ゲート長(チャネ
ル長)l4は1μm程度としてよい。
As described above, in order to form the N + -type region 30 in the source region 3, an N-type impurity is diffused therein after the source region 3 is formed first (in this case, the impurity concentration is offset by the P-type impurity). In the case where the source region 3 is diffused,
Diffuse remove the portion of the N + -type region 30, and it is desirable to form the N + -type region 30 by diffusing N-type impurity in this pulled region. These diffusion steps can be performed simultaneously with other regions. The impurity concentration of the N + type region 30 may be 10 19 to 10 20 / cm 3 . The width of the above N + type region 30 is
The length l 1 and the length l 2 may be about 1 μm, the pitch P may be about 10 μm, the length l 3 of the source region 3 may be about 2.4 μm, and the gate length (channel length) l 4 may be about 1 μm.

以上の構成によって、N+型領域30がソース領域3の直
下でN型ウエル7と接しているため、PチャネルMOSFET
2a、2bが動作したときに生成させるホットエルクトロン
(e)を矢印のようにN+型領域30中へ吸収させることが
可能となる。即ち、N+型領域30によりエレクトロンに対
するバリアはなくなり、ここへエレクトロンが容易に入
り、電源側へ吸収されるのである。この結果、ソース領
域直下での既述(第5図)した如き局所的電位低下を防
止することができ、縦型PNP寄生バイポーラトランジス
タ13が順バイアス化によってオンしないようにすること
ができる。
With the above configuration, since the N + type region 30 is in contact with the N type well 7 immediately below the source region 3, the P-channel MOSFET
Hot elktrons (e) generated when 2a and 2b operate can be absorbed into the N + -type region 30 as shown by arrows. That is, the barrier to electrons is eliminated by the N + type region 30, and electrons easily enter here and are absorbed by the power supply. As a result, it is possible to prevent the local potential drop directly below the source region as described above (FIG. 5), and it is possible to prevent the vertical PNP parasitic bipolar transistor 13 from being turned on by forward biasing.

従って、P型基板6へのホール注入が生じず、既述し
たラッチアップの生じ難い耐ラッチアップ耐性の高いCM
OSデバイスを実現することができる。具体的には、1メ
ガビットのDRAMにおいて内部サイクル210nsecで動作さ
せたとき、N+型領域30を設けない通常のデバイスでは基
板電位の上昇によって電源電圧が8.0Vまでしかもたなか
ったが、本例のようにN+型領域30を設けると電源電圧が
9.0Vまで動作するようになった。
Therefore, holes are not injected into the P-type substrate 6, and the above-described CM having a high latch-up resistance, in which latch-up is unlikely to occur.
OS device can be realized. Specifically, when a 1 Mbit DRAM was operated with an internal cycle of 210 nsec, the power supply voltage was only up to 8.0 V due to a rise in the substrate potential in a normal device without the N + type region 30. When the N + type region 30 is provided as shown in FIG.
It works up to 9.0V.

本例による上記の効果は特に、N型ウエル7の不純物
濃度が1017個/cm3以下と薄く、かつその厚みが2μm以
下と薄い場合に(即ち、空乏層が延び易い場合に)顕著
である。
The above effect according to the present embodiment is particularly remarkable when the impurity concentration of the N-type well 7 is as thin as 10 17 / cm 3 or less and the thickness is as small as 2 μm or less (that is, when the depletion layer is easily extended). is there.

第3図は、本発明の他の例によるCMOSデバイス22を示
すものである。
FIG. 3 illustrates a CMOS device 22 according to another example of the present invention.

この例では、ソース領域3内のN+型領域30を長手状パ
ターンに形成している以外は第1図の例と同様である。
このようにしても、N+型領域30によるホットエレクトロ
ンの吸収効果があり、ラッチアップを有効に防止でき
る。しかも、領域30が長手状であるため、ホットエレク
トロン吸収面積が増えている。
This example is the same as the example of FIG. 1 except that the N + type region 30 in the source region 3 is formed in a longitudinal pattern.
Even in this case, there is an effect of absorbing hot electrons by the N + type region 30, and latch-up can be effectively prevented. Moreover, since the region 30 is longitudinal, the hot electron absorption area is increased.

以上、本発明を例示したが、上述の例は本発明の技術
的思想に基づいて更に変形可能である。
Although the present invention has been described above, the above-described example can be further modified based on the technical idea of the present invention.

例えば、上述のN+型領域30のパターンやサイズ、深さ
等は種々変更してよいし、また各拡散領域やゲート電極
形状も上述したものに限定されることはない。また、上
述の各半導体領域の導電型を逆タイプに変換してもよい
(即ち、Pウエル内にNチャネルMOSFETを設ける構造で
もよい)。また、本発明は上述のCMOS以外のデバイスに
広く適用できる。
For example, the pattern, size, depth, and the like of the above-described N + -type region 30 may be variously changed, and the respective diffusion regions and gate electrode shapes are not limited to those described above. Further, the conductivity type of each of the above-described semiconductor regions may be changed to an opposite type (that is, a structure in which an N-channel MOSFET is provided in a P-well). Further, the present invention can be widely applied to devices other than the above-mentioned CMOS.

ヘ.発明の作用効果 本発明は上述の如く、共通ソース領域内に逆導電型の
半導体領域を下層(ウエル層)に接するように島状に設
けているので、動作時に生じるホットキャリアを上記半
導体領域へ吸収でき、これによってソース領域直下での
電位変化を防止し、ラッチアップの原因となる基板への
キャリア注入を阻止することができ、信頼性の向上が可
能となる。
F. Advantageous Effects of the Invention As described above, in the present invention, the semiconductor region of the opposite conductivity type is provided in the common source region in an island shape so as to be in contact with the lower layer (well layer). Absorption can be prevented, thereby preventing a potential change immediately below the source region, preventing carrier injection into the substrate that causes latch-up, and improving reliability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図〜第3図は本発明の実施例を示すものであって、 第1図はCMOSデバイスの要部平面図、 第2図はNチャネルMOSFETも含めたCMOSの第1図II−II
線に対応する拡大断面図、 第3図は他のCMOSデバイスの要部平面図である。 第4図〜第6図は従来例を示すものであって、 第4図はCMOSデバイスの要部平面図、 第5図はNチャネルMOSFETも含めた第4図V−V線に対
応した拡大断面図、 第6図は電圧−電流特性曲線図、 である。 なお、図面に示す符号において、 1、19……ゲート電極 2a、2b……PチャネルMOSFET 2c、2d……NチャネルMOSFET 3、15……ソース領域 4、5、16、17……ドレイン領域 6……基板 7……N型ウエル 8……ガードリング 10、11、12……空乏層 22……CMOSデバイス 30……N+型半導体領域 である。
1 to 3 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a plan view of a main part of a CMOS device, and FIG. 2 is a CMOS FIG. 1-II including an N-channel MOSFET.
FIG. 3 is an enlarged sectional view corresponding to a line, and FIG. 3 is a plan view of a principal part of another CMOS device. 4 to 6 show a conventional example, FIG. 4 is a plan view of a main part of a CMOS device, and FIG. 5 is an enlarged view corresponding to a line VV in FIG. 4 including an N-channel MOSFET. FIG. 6 is a voltage-current characteristic curve diagram. In the reference numerals shown in the drawings, 1, 19 ... gate electrodes 2a, 2b ... P-channel MOSFETs 2c, 2d ... N-channel MOSFETs 3, 15 ... source regions 4, 5, 16, 17 ... drain regions 6 ... Substrate 7 N-well 8 Guard ring 10, 11, 12 Depletion layer 22 CMOS device 30 N + type semiconductor region.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板電位が印加される第1導電型の半導体
基板と、 前記半導体基板の一主面に形成された第2導電型の半導
体領域と、 前記半導体領域の一主面に形成された第1導電型のソー
ス領域と、 前記半導体領域の一主面に形成された第1導電型の第1
及び第2のドレイン領域と、 前記ソース領域と前記第1のドレイン領域との間におけ
る前記半導体領域上に絶縁膜を介して形成された第1の
ゲート電極と、 前記ソース領域と前記第2のドレイン領域との間におけ
る前記半導体領域上に絶縁膜を介して形成され、前記第
1のゲート電極に電気的に接続されている第2のゲート
電極と、 前記ソース領域内にその表面から前記半導体領域に達す
るように形成された第2導電型の島状領域と を有し、前記ソース領域と前記島状領域とは電源電圧電
位又は接地電位に接続されている絶縁ゲート型電界効果
半導体装置。
A first conductive type semiconductor substrate to which a substrate potential is applied; a second conductive type semiconductor region formed on one main surface of the semiconductor substrate; and a first conductive type semiconductor region formed on one main surface of the semiconductor region. A first conductivity type source region, and a first conductivity type first region formed on one main surface of the semiconductor region.
And a second drain region; a first gate electrode formed on the semiconductor region between the source region and the first drain region with an insulating film interposed therebetween; A second gate electrode formed between the drain region and the semiconductor region via an insulating film, and electrically connected to the first gate electrode; An insulated gate field effect semiconductor device having a second conductivity type island region formed so as to reach a region, wherein the source region and the island region are connected to a power supply voltage potential or a ground potential.
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