JP2847132B2 - Cmosトランジスター素子の方形型セル - Google Patents

Cmosトランジスター素子の方形型セル

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電子素子に関し、特
に、正方形のドレイン、正方環形のソース及びゲートに
より構成されるMOS(金属酸化物半導体)トランジス
ターに関する。本発明は集積回路において比較的小さな
レイアウト面積で大幅に出力回路の駆動/うけ力(driv
ing/sinking capability)、及びPMOS及びNMOS
素子の出力/入力部に於ける静電保護回路の保護力を向
上させることができる。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】CMO
S技術がサブミクロン領域に達すると、製造プロセスの
変化により、例えばゲート酸化層が薄く、チャネルが短
く、ソース及びドレインの拡散が浅くなると共にドレイ
ンのドーパント密度が疎らになり、珪化物が拡散する
等、サブミクロンCMOS集積回路の静電保護能力が著
しく弱まっていた。所要の静電保護機能を達成するに
は、サブミクロンCMOSの静電保護素子を従来の長チ
ャンネルCMOS技術よりも大仕掛けに設計しなければ
ならなかった。十分な駆動/うけ力をCMOSの出力緩
衝回路に付与して過重な出力負荷を駆動するために、N
MOS及びPMOSの溶接パッドに最も近い出力緩衝回
路素子のチャネルの幅/長さ比が常に数百に達してい
た。また、サブミクロンCMOS集積回路のピン数が常
に200を超えるために隣接する溶接パッドの平均ピッ
チが100ミクロン程度にまで小さくなっていた。そし
て入力(出力)静電保護回路(又は出力緩衝回路)に必
要なピン数が極めて多いため、各ピンの入力(出力)静
電保護回路(又は出力緩衝回路)に使用可能な面積、及
びラッチアップによる素子の破壊を防止するためのガー
ドリングの面積が著しく減少されている。たとえ従来の
レイアウトにおいて大寸法のNMOS素子及びPMOS
素子を設計して当該面積を増加したとしても、サブミク
ロンCMOS回路における溶接パッド、静電保護回路、
出力緩衝回路及びラッチアップを防止するためのガード
リングの総面積は縮小する必要がある。
【0003】1989年、ベーカ(L.Backer)らは「N
MOS出力トランジスターの静電保護機能を増強させる
長方形式レイアウト(A waffle layout technique stre
ngthens the ESD hardness of the NMOS output transi
stor)」(1989EOS/ESD Symp.Proc.,ROS-11,第17
5頁−第181頁)において、NMOSトランジスター
の静電保護機能を増強する長方形式のレイアウトを提案
している。これにより長方形式のレイアウトは同一レイ
アウト面積において、指型(finger type)レイアウトよ
りも静電保護を良好に達成できることが証明された。ま
た、1992年にはフェムル(R.Vemuru)が「幅/長さ
比例の大きいMOS電介効果トランジスターのレイアウ
トの比較(Layout comparision of MOSFETs with large
W/L ratios)」(Electronics Letters Vol.28,No.25,
第2327頁−第2329頁,1992年)において、指型レイアウ
トと、長方形型レイアウトとを比較し、長方形型レイア
ウトは指型レイアウトより約10%の面積を節約でき、
かつ、そのゲート抵抗が比較的低いため、周波数帯域を
広く、ノイズを小さくするときには有利であることを発
見した。
【0004】近年では、希薄酸化層(thin-oxide)サブ
ミクロンCMOM技術のNMOS又はPMOSにおける
レイアウトパラメータと静電保護機能との関係が研究さ
れている。例えばダイズ(C.Dias)らの「基板−グラウ
ンドのMOS集積回路において効果的な静電保護のため
のソースコンタクトの設計(Source contact placement
for efficient ESD/EOS protection in grounded subs
trate MOS integratede circuit)」(アメリカ特許第54
04041号)、及びダニエル(S.Daniel)らの「CMOS
出力/入力静電保護素子の製造及び設計理想化(Proces
s and design optimization for advance CMOS I/O ESD
protection devices)」(1990 EOS/ESPSymp.Proc., EO
S-12,第206頁-第213頁)においては、ドレインコンタク
トからゲート酸化層までの距離は希薄酸化層素子の静電
保護を語る上で極めて重要であることが開示されてい
る。これによると、ドレインコンタクトからゲート酸化
層縁までの距離を増大すると、静電保護機能は向上す
る。サブミクロンCMOSの技術において、静電保護の
機能を維持させ、かつレイアウト面積を大きくしないよ
うにする場合は、ドレインコンタクトからゲート酸化層
縁までの距離は少なくとも約5〜6ミクロンでなければ
ならない。長方形式のレイアウトにおいては、ドレイン
コンタクトからゲート酸化層縁までの距離及びソースコ
ンタクトからゲート酸化層縁までの距離はいずれも約5
〜6ミクロンであり、これに対し、指型レイアウトにお
いては、ドレインコンタクトからゲート酸化層縁までの
距離は同じく約5〜6ミクロンであるが、ソースコンタ
クトからゲート酸化層縁までの距離はサブミクロンCM
OS技術では1ミクロンまでに小さくすることができ
る。幅/長さの比が同じであれば、長方形式レイアウト
は、ドレインコンタクトからゲート酸化層縁までの距離
が制限されているため、比較的大きな面積を占める。
【0005】その他出力緩衝回路の静電保護に関する文
献については、ロベルト(N.Robert)の「出力静電保護
回路(Output ESD protection circuit)」(アメリカ特
許第5218222号)及びリー(F.V.Lee)らの「二重電気抵
抗効果を有する静電保護回路(Electro-static discharg
e protection circuit with bimodal resistance chara
cteristics)」(アメリカ特許5270565号)などがある。
アメリカ特許第5218222号では多結晶電気抵抗が出力溶
接パッドと出力緩衝回路の間に接続され、横型バイポー
ラトランジスターをNMOS素子と平行グラウンドす
る。アメリカ特許第5270565号ではCMOS出力緩衝回
路におけるNMOS素子のドレインは延伸電気抵抗によ
り別の厚酸化層素子が前記NMOS素子と平行グラウン
ドしている。これらの添加された電気抵抗、横型バイポ
ーラトランジスター又は厚酸化層素子により起こるR/
C遅延効果は、出力緩衝回路から溶接パッドへ伝送され
る信号を遅延させる。
【0006】換言すれば、これら手法は出力緩衝回路の
静電保護の機能を向上させるが、出力駆動/うけ力とタ
イミングとが本来の設計規格に達しないおそれがある。
【0007】図7は、P型サブストレート/N型ウェル
のCMOSにおけるNMOSを従来の指型レイアウトで
示したものであり、図8は図7のA−A′線断面図であ
る。図7において、NMOS全体(1)は4個の相互に
平行なMOSを備え、4個の多結晶質ゲートフィンガー
(11)と、2個のドレインフィンガー(12)と、3
個のソースフィンガー(13)とを備える。このフィン
ガー数は素子の大きさに応じて定められる。ドレインコ
ンタクト(14)から多結晶質ゲート外縁(11)まで
の距離は“d”で表され、ソースコンタクト(15)か
らゲート外縁(11)までの距離は“S”で表される。
サブミクロンCMOS技術では、d値が約5〜6ミクロ
ンの時、出力緩衝回路の静電保護機能は比較的良好であ
るが、S値の大きさはさして影響を与えない。このS値
は通常1ミクロンと定められている。ソース領域外には
2個のラッチアップガードリング(latchup guard rin
g)があり、NMOS素子全体を囲みラッチアップによる
素子の破壊を防止している。これら2個のラッチアップ
ガードリングの中の一つはグラウンドに接続されたP+
拡散領域で、基板に電圧を供給する役目をつとめ、別の
一つはVDDに接続されたN+拡散領域であり、ダミー
コレクタとしてラッチアップを防止する役目をなす(図
8を参照)。出力溶接パッドに直接接続されたCMOS
の出力緩衝回路では、前記2ガードリングは設計規則で
不可欠なものと規定されている。これは印加電圧のオー
バーシュート波形やアンダーシュート波形により、CM
OS回路中に寄生されているP−N−P−Nルートがト
リガされて起こるラッチアップを防止するためである。
当該2個のガードリングの適当な間隔は図7及び図8に
おいて“S1”で表され、製造プロセスとの関連におい
て設計規則で規定されている。
【0008】従来の指型レイアウトには、図7に示され
ているように、MOS出力緩衝回路の静電保護機能を弱
める間隔“S2”がある。図9は図7におけるB−B′
線断面図であり、この間隔S2の作用を説明している。
図9に示されるように、グラウンドにつながるP+拡散
領域とドレインのN+拡散領域との間には寄生ダイオー
ドD1が存在しており、P+拡散領域の縁からN+拡散
領域の縁までの間隔がS2である。S2が余り小さい
と、出力溶接パッドが正静電を帯びた時に寄生ダイオー
ドD1がNMO素子のドレインよりも先に崩壊して静電
電流を通過させる。D1側のドレインの長さがソース側
のドレインの長さよりもはるかに短いので、S2が小さ
すぎると寄生ダイオードD1は静電放電(ESD stress)
に対して極めて弱くなる。
【0009】従って、レイアウトする時は静電保護の点
からは、間隔S2はドレインコンタクトの縁からソース
コンタクトの縁までの間隔よりも大きくした方がよい。
S2が充分に大きいと、NMOSのドレインが先に崩壊
して静電電流をドレインより、ダイオードD1を経由す
ることなくソースへ流出させる。このようにすれば、出
力緩衝回路のNMOS素子の静電保護機能は前記寄生ダ
イオードD1により弱められることはないが、その総面
積が増加してしまう。
【0010】本発明の目的は集積回路において、比較的
小さなレイアウト面積で大幅に出力回路の駆動/うけ
力、及びPMOS及びNMOS素子の出力/入力部にお
ける静電保護回路の保護機能を向上させる、CMOSト
ランジスター素子の方形型セルを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の電子素子は、第1の環状部と、前記第1の環
状部と分離した状態で、その内部に位置する第2の部分
と、前記第1の環状部と第2の部分との間に配置され、
第1の状態において前記第1の環状部と第2の部分とを
導通させ、そして第2の状態において前記第1の環状部
と第2の部分とを絶縁させる第3の環状部とを備えてな
る。
【0012】また、上記目的を達成するための半導体基
板上に製造されたMOSトランジスターは、ソース領域
である正方環形の第1の部分と、ドレイン領域である正
方形又は正方環形の第2の部分と、ゲート領域である正
方環形の第3の部分とを備えてなり、複数の前記電子素
子が組み合わされてより大きな、同様の機能を有する長
方形トランジスタを形成する。
【0013】
【作用】本発明は正方環型のレイアウトを提供し、レイ
アウト面積を著しく減少させ、従来の指型レイアウトに
おける寄生ダイオードD1により引き起こされる問題を
解消することができる。
【0014】すなわち、ドレインコンタクトから多結晶
ゲート縁までの間隔dを増加してレイアウト面積を著し
く減少させ、これによりサブミクロンCMOSICの製
造コストを低下させることができる。
【0015】そしてレイアウトのW/L比(幅/長さ
比)が同一の場合、本発明は正方環型レイアウトにして
いるため、従来の指型レイアウトより素子の占有面積が
12%以上減少する。また、ソースコンタクトからゲー
ト縁までの距離Sを1μmまでに減少すると、正方環型
のレイアウトに使用される面積はさらに減少し、基本正
方形セルにより作り出された出力緩衝回路はウエーハ全
体の面積を大いに縮小させることができる。
【0016】
【実施の形態】以下添付図を参照しながら本発明の実施
形態を説明する。勿論、本願発明はこれら実施形態に限
定されるものでなく、本発明の技術思想を逸脱しない限
り、種々の変更と修飾が許容されるのは当然である。
【0017】図1はNMOSにおける正方環型のレイア
ウト図である。そのA−A′線断面図は図8である。図
においては本発明を説明するためにP型サブストレー
ト、N型ウェルのCMOS製造プロセスが使用されてい
る。本実施形態の正方環型のレイアウトは、N型サブス
トレートP型ウェル、P型サブストレートN型ウェルの
他ツインウェルなどの製造プロセスも含み、様々なCM
OS又はBiCMOS技術に適用できる。当然ながら、
本実施形態の正方環型のレイアウトはPMOS素子にも
適用できることは言うまでもない。図1において、NM
OS素子全体は4個の小正方型セルにより構成され、こ
れらの小正方型セルはいずれも全く同一のものである。
各小正方型セルの中心部には、それぞれ辺長“C”のブ
ロック領域があり、NMOS素子のN+ドレイン拡散領
域(41)と金属とが接続されるコンタクト部である。
多結晶のゲート(42)も正方環型である。そしてN+
ソース(43)は正方環型であるのみでなく、ゲート及
びドレイン拡散領域を囲んでいる。NMOS素子のソー
ス領域のコンタクト部はいずれも正方型である。このN
MOS素子の外側には基板内に設けられたP+拡散領域
(44)があり、グラウンドに接続されてCMOSの使
用に必要なオフセット電圧を基板に供給している。この
P+拡散領域(44)はNMOS素子全体を囲んでい
る。さらに外側においてはVDDに接続されたN+拡散
領域(45)があり、P+拡散領域(44)を囲んでい
る。このN+拡散領域(45)はラッチアップガードリ
ングとして使用される。前記小正方型セルのあらゆる部
分は、そのコンタクト部も含めて、できるだけ中心点
(46)に対して対称に設け、電流が均一に流れるよう
にする。また、ドレイン領域の縁に寄生ダイオードD1
が存在しないため、出力素子の静電保護機能を弱めるこ
とがない。
【0018】図1に示されるように、前記NMOS素子
は4個の基本正方型セルにより構成され、性能の類似し
たより大きい長方形(正方形を含む)NMOS素子は当
該基本正方型セルを組み合わせてなる。素子の寸法(幅
/長さ比)は基本正方型セルの数により変えることがで
きる。図1に示されているのは希薄酸化層(thin-oxid
e)のNMOS素子であるが、本発明は希薄酸化層のPM
OS素子にも適用できることは明らかである。
【0019】本発明が面積の縮減効果を有することを明
らかにするために、各レイアウトパラメーターについて
従来の指型レイアウト面積と本発明の正方型レイアウト
面積とを比較する。
【0020】図2はd(ドレインコンタクトから多結晶
ゲート縁までの間隔)が1ミクロンである場合の、従来
指型レイアウト面積と本発明の正方型面積との比較図で
ある。両者の面積には、いずれもダブルガードリングの
面積が含まれており、このダブルガードリングの距離S
1は14.2ミクロンである。本発明の正方型レイアウ
トではドレインコンタクト部の辺長は2ミクロンであ
り、従来の指型レイアウトでは間隔S2(図7及び図9
を参照)は4ミクロンである。従来の指型レイアウトで
は、複数のフィンガーの長さはいずれも等しく、この従
来の指型レイアウトにおいて比較的良好な静電保護機能
を得るため、多くのサブミクロンCMOS設計規則では
いずれもその長さを25ミクロン乃至50ミクロンと規
定している。図2は比較のために長さdを1ミクロンに
固定して、従来指型レイアウト面積と本発明の正方型レ
イアウト面積とを比較している。図2から、d=1ミク
ロンの場合、両者は幅(寸法の大きさ)の増加につれ
て、はっきりした差異がないことが分かる。すなわち、
dが1ミクロンの場合、幅の増加につれて両者のレイア
ウト面積も同じように増加し、両者の間にははっきりし
た差異がない。
【0021】しかしながら、図3に示される如く、サブ
ミクロンCMOS設計規格に基づいてdを5ミクロンま
でに増加させると、正方環型のレイアウト面積が従来の
指型レイアウトよりも著しく減少している。そして図3
において、素子の大きさW/Lが432ミクロン/1.
0ミクロンの場合、従来の指型レイアウトの面積が81
51μm2であるのに対し、正方環型のレイアウト面積
は5929μm2であり、その面積は従来の指型レイア
ウト面積より約30%縮減している。
【0022】また、図4において、dを10ミクロンま
でに増加させると、正方環型のレイアウト面積の減少は
より顕著となり、素子の大きさW/Lが384μm/
1.0μmの場合、従来の指型レイアウトの面積が10
769μm2であるのに対し、正方環型レイアウトの面
積は6528μm2である。これにより正方環型レイア
ウトの面積の減少がさらに明らかとなる。
【0023】図5は異なるd値において、正方環型レイ
アウト面積と従来の指型レイアウト面積との比率(%)
と、素子幅との関係を示す図である。図では、間隔dが
大きくなるにつれ、本発明の正方環型レイアウトの技術
がレイアウト面積を大幅に減少させていることが示され
ている。これらは、本発明がレイアウト面積を減少させ
る点で極めて有利な効果を奏し、サブミクロンCMOS
ICにおいてICの製造コストを抑えることができるこ
とを示している。。
【0024】図6は、0.6ミクロン、P型サブストレ
ート/ツインウェル、ダブル多結晶、ダブルメタルのC
MOS技術により製造された、CMOS出力緩衝回路と
ダブルガードリングの出力溶接パッドとを備えた正方環
の実際レイアウトである。12個の基本NMOS(PM
OS)の正方型セルにより出力緩衝回路のNMOS(P
MOS)が組み合わせられてなり、その全寸法W/Lは
576μm/1.0μmである。サイズW/Lが530
μm/1.0μmの従来の指型レイアウトを図10に示
して図6と比較する。図6及び図10において、ドレイ
ンコンタクトからゲート縁までの距離dはいずれも5μ
mであり、ソースコンタクトからゲート縁までの距離S
はいずれも2.2μmである。そして、PMOS素子を
完成しようとすれば、従来の指型レイアウトが999
9.25μm2を要するのに対し、本発明の正方型レイ
アウトは8805.8μm2しか必要としない。またN
MOS素子を完成しようとすれば、従来の指型レイアウ
トが10792.46μm2を要するのに対し、正方型
レイアウトは9564.31μm2しか要しない。この
ように、上記のデータから、正方型レイアウトがサイズ
W/L=576μm/1.0μmの素子を完成するのに
要する面積は、従来の指型レイアウトがサイズW/L=
530μm/1.0μmの素子を完成するのに要する面
積より12%少ないことが分かる。すなわち、W/Lが
同一の条件では、正方型レイアウトは従来の指型レイア
ウトより12%以上減少する。もし、ソースコンタクト
からゲート縁までの距離Sが1μmに縮減すれば、正方
型レイアウトに使用される面積はさらに少なくなる。従
って、基本正方型セルにより出力緩衝回路を作ることに
より、全ウエーハの面積を縮小することができる。
【0025】また、本発明は入力静電保護回路にも使用
でき、CMOS出力緩衝回路におけるNMOS(PNO
S)ゲートをグラウンドに接続すれば、入力静電保護回
路として使用できる。図11はCMOS出力緩衝回路を
入力静電保護回路に変更した場合を示す。前記基本正方
形セルはCMOS入力静電保護回路における希薄酸化層
NMOS及びPMOS素子にも利用でき、これにより各
入力溶接パッドの全レイアウト面積を節約できる。本発
明を多ピンCMOSICの入力及び出力ピンに応用する
と、ウエーハ全体の面積を大いに縮小させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるNMOS素子の正方環型レイア
ウトを示す図である。
【図2】間隔が1μmの場合の、従来の指型レイアウト
の例の面積と、本発明にかかる正方環型レイアウトの例
の面積との比較を示すグラフである。
【図3】間隔dが5μmの場合の、従来の指型レイアウ
トの例の面積と、本発明にかかる正方環型レイアウトの
例の面積との比較を示すグラフである。
【図4】間隔dが10μmの場合の、従来の指型レイア
ウトの例の面積と、本発明にかかる正方環型レイアウト
の例の面積との比較を示すグラフである。
【図5】間隔dが1,3,5,8,10μmの場合の、
素子の幅と素子面積比(正方環型レイアウト/従来の指
型レイアウト)の関係を示すグラフである。
【図6】0.6ミクロン、P型サブストレート/ツイン
ウェル、ダブル多結晶、ダブルメタルのCMOS技術に
より製造された、CMOS出力緩衝回路とダブルガード
リングの出力溶接パッドとを備えた正方環の実際レイア
ウトを示す図である。
【図7】NMOS素子の従来の指型レイアウト図であ
る。
【図8】図7のA−A′線断面図である(図1のA−
A′線断面図にも相当する)。
【図9】図7のB−B′線断面図である。
【図10】W/L比が530μm/1.0μmである従
来の指型レイアウト図である。
【図11】CMOS出力緩衝回路を入力静電保護回路に
変更した状況を示す説明図である。
【符号の説明】
41 12 ドレイン 42 11 ゲート 43 13 ソース 46 中心点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 兪 大立 台湾新竹縣竹東鎮中興路四段572巷40弄 1号4エフ (56)参考文献 特開 平6−295988(JP,A) 特開 平5−315614(JP,A) 特開 平7−78990(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/08 H01L 29/78

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 出力/入力パッドとチップの内部回路と
    の間に電気的に接続され、出力/入力緩衝回路として動
    作する静電保護装置であって、 正方形の複数の電気素子を備え、 前記複数の電気素子の各々が、 第1の環状部と、 前記第1の環状部と分離した状態で、その内部に位置す
    る第2の部分と、 前記第1の環状部と第2の部分との間に配置され、第1
    の状態において前記第1の環状部と第2の部分とを導通
    させ、そして第2の状態において前記第1の環状部と第
    2の部分とを絶縁させる第3の環状部とを備え、前記電気素子の各々は、半導体基板上に製造されたMO
    S素子であり、前記第1の環状部、第2の部分、及び第
    3の環状部は、中心点に対して対称であることを特徴と
    する静電保護装置
  2. 【請求項2】 前記第1の状態は、オン状態であり、前
    記第2の状態は、オフ状態である請求項1記載の静電保
    護装置。
  3. 【請求項3】 前記第2の部分は、正方形又は正方環形
    のドレイン領域であり、前記第3の部分は、前記ドレイ
    ン領域を囲む正方環形のゲート領域であり、前記第1の
    部分は、前記ゲート領域及び前記ドレイン領域を囲む正
    方環形のソース領域であり、前記複数の電気素子の各々
    は、基板に必要なオフセット電圧を提供するための正方
    環形の内拡散領域により囲まれ、前記内拡散領域は、ラ
    ッチアップを防止するためのガードリングとなる正方環
    形の外拡散領域により囲まれている請求項1記載の静電
    保護装置。
  4. 【請求項4】 前記電気素子は、NMOS素子であり、
    前記内拡散領域は、グランドに接続されたP+拡散領域
    であり、前記外拡散領域は、VDDに接続されたN+拡
    散領域であり、又は、前記電気素子は、PMOS素子で
    あり、前記内拡散領域は、VDDに接続されたN+拡散
    領域であり、前記外拡散領域は、グランドに接続された
    P+拡散領域であることを特徴とする請求項3記載の静
    電保護装置。
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