JP2604130B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば半導体集積回
路の入力保護に使用される半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路においては、ユーザ側で
の組立て工程中に発生する素子の静電破壊がしばしば大
きな問題となる。これは、組立て工程中に過大な電圧が
ＩＣのピンに加わった場合に起こるもので、これによっ
てしばしば内部素子の破壊が発生される。

【０００３】図７はこのような静電破壊を防ぐために使
用される入力保護回路の構成を示すもので、外部からの
入力信号が供給される入力パッド１１と内部回路の初段
トランジスタＱ１との間には、多結晶シリコン層から成
る保護抵抗Ｒ１と保護用Ｎチャンネル型トランジスタＱ
２が設けられている。そして、この保護用Ｎチャンネル
型トランジスタＱ２のドレインは、上記保護抵抗Ｒ１と
上記トランジスタＱ１のゲートとの接続点に接続され、
またトランジスタＱ２のゲートおよびソースは接地され
ている。

【０００４】次に、このような構成の入力保護回路の動
作を図８に示されている上記入力保護用Ｎチャンネル型
トランジスタＱ２の断面構造を参照して説明する。入力
パッドＤ０に過度の電圧が印加され、保護抵抗Ｒ１によ
って降下された電位すなわちＮチャンネルトランジスタ
Ｑ２のドレイン１２に供給される電位Ｖ１が、そのドレ
イン１２とＰ型基板１０との接合表面の接合耐圧（Ｓｕ
ｒｆａｃｅＢｒｅａｋｄｏｗｎ電圧）以上になると、こ
のトランジスタＱ２のドレイン１２であるＮ⁺ 拡散層と
Ｐ型基板１０とのＮＰ接合表面でブレークダウンが発生
して、上記Ｐ型基板１０に大量のホールが出される。こ
のホールによって上昇されるＰ型基板１０の電位が、こ
のＰ型基板１０とソース１１（Ｎ⁺ 拡散層）とのＰＮ接
合の順方向電圧降下分だけ接地電位よりも大きくなる
と、これらのホールはソースに流れ出す。この結果、上
記Ｎチャンネル型トランジスタＱ２はＮＰＮバイポーラ
トランジスタとして動作して、外部から供給される高電
圧を放電する。

【０００５】したがって、内部回路初段のトランジスタ
Ｑ１のゲート電圧は、トランジスタＱ２のドレイン１２
とＰ型基板１０との接合表面におけるブレークダウン電
圧以下に保たれるので、上記トランジスタＱ１のゲート
酸化膜破壊が保護されるようになる。

【０００６】このように、入力保護回路は保護用のトラ
ンジスタＱ２のＮＰ接合をブレークダウンさせることに
よって、内部回路初段のトランジスタＱ１のゲートに過
大な電圧が印加されるのを防ぐ構造となっている。

【０００７】最近では、半導体装置を高集積化する目的
で内部回路素子の微細化と共に入力保護用トランジスタ
の微細化も進められている。しかしながら、このような
素子の微細化に伴って、入力保護用トランジスタＱ２の
ブレークダウン時に発生される熱によりこのトランジス
タＱ２のＮＰ接合が破壊され易くなると云う問題が生じ
て来ている。

【０００８】これは、保護用トランジスタＱ２のドレイ
ン１２となるＮ⁺ 拡散層とＰ型基板１０とのＮＰ接合表
面１２１でブレークダウンが発生した際に、その接合面
で発生される熱がドレイン電極１４を形成しているアル
ミニウムに伝導することによるもので、この熱によりア
ルミニウムの温度がその融点に達するとドレイン１２と
のコンタクト部分におけるアルミニウムが溶けて、電流
の流れる方向に沿ってそのアルミニウムがＮ⁺ 拡散層表
面を流れ出し、この流れ出したアルミニウムが基板１０
にまで達した時にドレイン電極１４がショートした状態
となり、結果的にＰＮ接合が破壊されたことになるため
である。

【０００９】このようなアルミニウムの溶解に起因する
接合破壊は、アルミニウムの融点が低いため、電解の集
中によるＰＮ接合破壊が起こる前に発生されるので、素
子の微細化とそのＰＮ接合の耐圧とを両立させることは
非常に困難であった。特に、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ
Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構造のトランジスタやＧＤＤ
（Ｇｕａｒｄｅｄ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構造のト
ランジスタを入力保護用トランジスタとして使用する場
合には、このようなアルミニウムの溶解による接合破壊
がさらに発生し易くなる。なぜなら、これらのＬＤＤお
よびＧＤＤ構造のトランジスタは、チャネルホットエレ
クトロンによるコンダクタンスの劣化を防ぐために、ド
レイン近傍の不純物濃度を下げているので、この低濃度
層における抵抗値が高く発熱が大きくなるためである。

【００１０】このようなＬＤＤまたはＧＤＤ構造は、例
えば５［Ｖ］単一電源での動作の信頼性確保のために半
導体集積回路において今後広く使用される技術であるの
で、上記したようなアルミニウムの溶解による接合破壊
の問題はさらに大きなものとなっている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、従来の半導体装置ではアル
ミニウムの溶解による接合破壊が発生し易かった点を改
善し、素子の微細化の観点から最も効率良くこのような
アルミニウムの溶解による接合破壊を防ぎ静電耐圧の高
い半導体装置を提供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記問題点を解決するに
は、熱の発生源となるＰＮ接合表面とアルミニウム電極
とを離して形成して、アルミニウム電極が熱の影響を受
けないようにすれば良いが、これらを単に離して形成し
たのではその素子面積が無用に大きくなってしまう。し
たがって、この発明に係る半導体装置にあっては、Ｎ型
拡散層の中央にコンタクト電極を配置し、そのコンタク
ト電極の側面から、そのＮ型拡散層を取り囲んでいるフ
ィールド絶縁膜までの距離を、コンタクト電極のアルミ
ニウムが熱溶解してＰ型半導体領域に到達することによ
って生じるＰＮ接合の破壊に対する耐圧特性が飽和状態
となる近傍の値に設定したものである。

【００１３】

【作用】上記のような構成の半導体装置にあっては、ア
ルミニウムの溶解によるＰＮ接合破壊を最も効率良く押
えることができるようになり、素子の微細化とその耐圧
とを効果的に実現できるようになる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。図１は入力保護用トランジスタとしてＮチャン
ネル型のＭＯＳトランジスタが使用される場合の実施例
を示すもので、図１（Ａ）にはそのパターン平面が示さ
れており、図１（Ｂ）にはＩ−Ｉ線に沿った断面構造が
示されている。

【００１５】すなわち、Ｐ型半導体基板２１上には素子
領域がフィールド絶縁膜２２を利用して形成されてお
り、この素子領域内の上記基板２１の表面にはそれぞれ
Ｎ⁺ 拡散層から成るソース２３およびドレイン２４が離
隔された状態で形成されている。これらのソース２３と
ドレイン２４との間のチャネル領域に対応する半導体基
板２１上にはゲート絶縁膜２５を介してゲート電極２６
が形成されている。

【００１６】ソース電極２７およびドレイン電極２８
は、ソース２３およびドレイン２４の領域上にそれぞれ
形成されており、この場合、ドレイン電極２８は上記ゲ
ート電極２５との距離、すなわちドレイン電極２４と基
板２１とのＰＮ接合界面の露出部との距離が通常の設計
基準値よりも隔てられた状態でドレイン２４とコンタク
トしている。これは、ブレークダウン時に接合表面２４
１で発生される熱によりドレイン電極２８を形成してい
るアルミニウムが溶かされるのを防ぐためであり、この
距離は、図２に示されているようなゲート電極２６とド
レイン電極２８間の距離、すなわちドレイン電極２４と
基板２１とのＰＮ接合界面の露出部からドレイン電極２
８のコンタクト位置までの距離に対するそのＰＮ接合の
耐圧特性に基づいて決定される。

【００１７】すなわち、この図から明らかなように、ア
ルミニウムが熱溶解して半導体基板に到達することによ
って生じるＰＮ接合の破壊に対する耐圧特性は、ゲート
電極２６とドレイン電極２８間の距離に対応して一定の
耐圧まで向上するが、それ以降は飽和状態となりほとん
どその距離に依存しなくなる。なぜなら、その距離があ
る一定値以上長くなると、熱源からの影響はほとんど無
くなるからである。また、距離が長くなるほど、例えば
ドレイン拡散層の抵抗値の増大による発熱量が増加する
などの相反する作用も大きくなるためである。

【００１８】このため、ドレイン電極２８とゲート電極
２６との距離を上記飽和状態に対応する値以上に離して
も、素子面積が大きく成るだけでその距離はアルミニウ
ムの溶解防止に何等作用しなくなる。そこで、その飽和
状態近傍に対応する距離だけドレイン電極２８とゲート
電極２６とを隔てて設定する。

【００１９】したがって、上記のように、ゲート電極２
６とドレイン電極２７との距離を、接合の耐圧特性の飽
和状態近傍に対応する距離だけ離してトランジスタを形
成することにより、最も効率良く素子の微細化とその耐
圧とを実現できるようになる。

【００２０】また、上記接合表面２４１と同様にフィー
ルド絶縁膜２２近傍の接合表面２４２においても熱が発
生されるので、ドレイン電極２８は、ドレイン２４を形
成するＮ⁺ 拡散層のほぼ中央に形成することが好まし
い。

【００２１】図３は、フィールド絶縁膜３１と層間絶縁
膜３２とによって膜厚の厚いゲート絶縁膜が形成される
と共に、ドレイン電極とゲート電極が共用となるフィー
ルドトランジスタに本発明を適用した例を示すもので、
図３（Ａ）にはそのパターン平面が示されており、図３
（Ｂ）にはII−II線に沿った断面構造が示されている。

【００２２】この場合にも、ブレークダウン時に熱が発
生されるのはドレイン２４と基板２１との接合表面２４
１，２４２であるので、図３に示されているように、ド
レイン領域２４はソース領域２３よりも大きく設定さ
れ、ドレイン電極はフィールド２２，３１からそれぞれ
所定の間隔だけ隔てられるようにドレイン領域２４の中
央に設けられている。

【００２３】図４は入力保護用にダイオードを利用した
場合の例を示すもので、図４（Ａ）にはそのパターン平
面が示されており、図４（Ｂ）には III−III 線に沿っ
た断面構造が示されている。

【００２４】すなわち、Ｐ型半導体基板４１上には素子
領域がフィールド絶縁膜４２によって形成されており、
この素子領域にＮ⁺ 拡散層４３が形成されて、このＮ⁺
拡散層４３とＰ型基板４１とによってダイオードが構成
される。

【００２５】このような構成のダイオードにあっては、
ブレークダウン時に最も熱が発生されるＮ⁺ 拡散層４３
と基板４１との接合表面４３１，４３２から所定の間隔
を置いて電極４４を図示のようにＮ⁺ 拡散層４３の中央
に形成して、図１と同様に電極４４と熱源との距離を、
アルミニウムが熱溶解してＰ型半導体基板に到達するこ
とによって生じるＰＮ接合の破壊に対する耐圧特性が飽
和状態となる近傍の値に設定することにより、アルミニ
ウムの溶解による接合破壊を効果的に防ぐことができ
る。

【００２６】図５はダイオードとそのダイオードを構成
する拡散層の内部抵抗とを利用した入力保護の例を示す
もので、図５（Ａ）にはそのパターン平面が示されてお
り、図５（Ｂ）にはIV−IV線に沿った断面構造が示され
ている。

【００２７】すなわち、Ｐ型基板５１上には素子領域が
フィールド絶縁膜５２によって形成され、この素子領域
にはＮ⁺ 拡散層５３が形成されている。そして、このＮ
⁺ 拡散層５３上には２つの電極が５４，５５が互いに隔
てられた位置に形成されており、電極５４は入力パッド
１１に接続され、電極５５は内部回路初段のトランジス
タＱ１のゲートに接続されている。この場合、電極５４
は、Ｎ⁺ 拡散層５３とＰ型基板５１とから構成されるＰ
Ｎ接合ダイオードがブレークダウンした際に最も熱が発
生される接合表面５３１から所定の間隔を置いて形成さ
れている。

【００２８】すなわち、図５（Ａ）から分かるように、
電極５４からその右側のフィールド５３までの距離とそ
の上側及び下側のフィールド５２までの距離は、電極５
５からその左側のフィールド５２までの距離よりも大き
くなっている。

【００２９】以上、入力保護用として使用される素子の
構造について説明したが、この発明は入力保護用に用い
られるのみならず、例えば図６に示すような出力バッフ
ァにも適用できる。

【００３０】図６に示されている出力バッファはＰチャ
ンネル型ＭＯＳトランジスタＱ１１とＮチャンネル型Ｍ
ＯＳトランジスタ１２とから構成されるもので、この場
合には、出力パッドＤ１が直接接続されるＮチャンネル
型トランジスタＱ１２のドレインに図１に示したような
構造を適用すればアルミニウムの溶解による接合破壊を
防止できるようになる。

【００３１】このように、パッドからの電位を直接また
は抵抗を介して素子に供給するアルミニウム配線がトラ
ンジスタまたはダイオードの半導体領域にコンタクトし
て電極を形成する場合には、上記半導体領域を一方とす
るＰＮ接合界面の露出部と上記アルミニウム電極のコン
タクト位置との間の距離をそのＰＮ接合の耐圧特性が飽
和状態となる近傍に設定すれば、アルミニウムの溶解に
よる接合破壊を効率良く押えることができるようにな
る。

【００３２】尚、この実施例では、アルミニウム電極と
コンタクトされる拡散層が高濃度層だけで形成される場
合について説明したが、例えばＬＤＤまたはＧＤＤ構造
のように高濃度層の周辺に低濃度層が形成されているよ
うな場合にも本発明を適用できることはもちろんであ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、フィー
ルドによって囲まれたＮ型拡散層の中央にコンタクト電
極を設け、コンタクト電極とフィールドとの距離を、ア
ルミニウムが熱溶解してＰ型半導体基板に到達すること
によって生じるＰＮ接合の破壊に対する耐圧特性が飽和
状態となる近傍の値に設定することにより、素子の微細
化とその耐圧とをバランス良く実現できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る半導体装置を説明す
る構成図。

【図２】ゲート電極とアルミニウム電極間の距離に対す
るＰＮ接合の耐圧特性を示す図。

【図３】この発明の他の実施例を示す図。

【図４】この発明の他の実施例を示す図。

【図５】この発明の他の実施例を示す図。

【図６】この発明の他の実施例を示す図。

【図７】入力保護回路の回路構成を示す図。

【図８】入力保護回路に使用される従来のトランジスタ
構造を示す図。

【符号の説明】

２１…Ｐ型半導体基板、２２…フィールド絶縁膜、２３
…ソース、２４…ドレイン、２６…ゲート電極、２７…
ソース電極、２８…ドレイン電極。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力パッドと基準電位供給端子との間に
   結合された入力保護用のダイオードを有する半導体装置
   において、 前記入力保護用のダイオードは、 Ｐ型半導体領域に形成された矩形状のＮ型拡散層と、 このＮ型拡散層を取り囲む素子分離用のフィールド絶縁
   膜と、 前記Ｎ型拡散層表面上を覆うように前記フィールド絶縁
   膜上に設けられ、前記フィールド絶縁膜よりも薄い膜厚
   を有する絶縁膜と、 前記Ｎ型拡散層の中央に設けられ、前記絶縁膜上に配設
   され前記入力パッドに接続されるアルミニウムから形成
   されているコンタクト電極とを有し、 このコンタクト電極の側面から前記フィールド絶縁膜ま
   での距離はどの側面からも略等距離に設定され、且つそ
   の距離は、その距離の増加に対して、前記コンタクト電
   極のアルミニウムが熱溶解して前記Ｐ型半導体領域に到
   達することによって生じるＰＮ接合の破壊に対する耐圧
   特性が飽和状態となる近傍の値に設定されていることを
   特徴とする半導体装置。