JP3017083B2 - 入出力保護回路 - Google Patents

入出力保護回路

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JP3017083B2 JP8088149A JP8814996A JP3017083B2 JP 3017083 B2 JP3017083 B2 JP 3017083B2 JP 8088149 A JP8088149 A JP 8088149A JP 8814996 A JP8814996 A JP 8814996A JP 3017083 B2 JP3017083 B2 JP 3017083B2
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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、MIS(Meta
l Insulator Semiconducto
r)型半導体装置に関し、特に半導体装置の入出力端子
に印加される静電気放電(ElectroStatic
Discharge(以下、ESDという))等の外
部サージ電圧から該半導体装置を保護する入出力保護回
路に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に半導体装置、特に高インピーダン
ス入力を有するMIS型半導体デバイスでは、静電気等
による外部サージ電圧に対する耐性をもつ保護回路を入
出力端子に備えている。
【0003】これは、半導体デバイスの入出力端子に静
電気等による外部サージ電圧が印加された場合、ゲート
と、ソース・ドレインの間を絶縁するためのゲート絶縁
膜と半導体基板の間に絶縁電解強度を超える電界が加わ
ると、絶縁破壊が生じ、ゲートと半導体基板の間がショ
ートし、半導体装置の機能を失うためである。
【0004】上述したゲート絶縁膜の絶縁破壊を阻止す
る策として採用されている一般的な保護回路を図4
(a),(b)に示す。
【0005】一般的な保護回路は、半導体装置の入力側
を出力側とで回路構成が異なっている。図4(a)に示
す保護回路は、半導体装置の入力側に設けるものであ
り、保護抵抗20とMOSトランジスタ21の組合せか
らなっている。図4(b)に示す保護回路は、半導体装
置の出力側に設けるものであり、電気的特性、特にアク
セスタイム等の関係から、並列接続のMISトランジス
タ22,23から構成されていた。
【0006】そして図4(a)に示す保護抵抗20とし
ては、ポリシリコン或いは不純物拡散相が用いられてい
た。また図4(a),(b)に示すMOSトランジスタ
21,22,23としては、半導体装置の内部に形成さ
れるMOSトランジスタと同一構造のもの、或いは素子
分離用として設けたフィールド酸化膜をゲート絶縁膜と
して用いた浮遊MOSトランジスタ構造のものを採用し
ていた。
【0007】また図2(a)は従来例の半導体装置を示
す平面図、(b)は図2(a)のX’−Y’線断面図で
あり、1はP型半導体基板,2は活性化領域,3はフィ
ールド酸化膜,4はゲート絶縁膜,5は接地端子に接続
されたN型不純物拡散層(一般にソースが形成され
る),6は入出力端子に接続されたN型不純物拡散層
(一般にドレインが形成される),7はゲート,8は接
地端子とN型不純物拡散層5を接続するコンタクト,9
は入出力端子とN型不純物拡散層6を接続するコンタク
ト,10は相関絶縁膜,11は接地端子に接続される金
属配線層Al配線層),12は入出力端子に接続される
金属配線層)である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、保護回
路としてMOSトランジスタを用いた場合、ESDの印
加により、以下のような不具合が発生していた。すなわ
ち図3に示すように、ソース或いはドレインが形成され
て入出力端子に接続されるN型不純物拡散層6とゲート
の間に集中する電界により、ゲート絶縁膜4に絶縁破壊
が生じ、N型不純物拡散層6とゲートがショートしてし
まうという問題があった。
【0009】また高電界によって発生したホットエレク
トロンは、N型不純物拡散層6近傍のフィールド酸化膜
3に注入され、その注入されたホットエレクトロンによ
りP型半導体基板1内にホールが誘導され、その誘導さ
れたホールによって、見かけ上N型不純物拡散層6近傍
のフィールド酸化膜3の真下の基板アクセプタ濃度が上
昇し、N型不純物拡散層6とP型半導体基板1の間で形
成された空乏層D5の幅が狭まり、PN接合部の耐圧が
低下してリーク電流が生じてしまうという問題があっ
た。
【0010】本発明の目的は、ESD等の外部サージ電
圧による電界集中を緩和して、デバイス保護の機能を向
上させた入出力保護回路を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る入出力保護回路は、フィールド酸化膜
で区画された活性化領域にMOS型トランジスタを有
し、該MOS型トランジスタを用いて外部サージ電圧か
ら半導体装置を保護する入出力保護回路であって、MO
S型トランジスタのソースとドレインが形成された2つ
の不純物拡散層は、前記フィールド酸化膜から内方に離
間して前記活性化領域内に形成され、さらに2つの不純
物拡散層は、相互間に導電型の異なる半導体層を介して
向き合せに配設され、かつ、前記MOS型トランジスタ
は、ゲートを排除してゲートを電気的に浮遊させたもの
である。
【0012】また前記MOS型トランジスタのソース
は、接地に接続されるものである。
【0013】また前記MOS型トランジスタのドレイン
は、保護すべき半導体装置の入力側及び/又は出力側に
接続されるものである。
【0014】
【0015】
【0016】
【作用】フィールド酸化膜に注入されたホットエレクト
ロンによりフィールド酸化膜直下のアクセプタの濃度が
上昇する。
【0017】しかしながら、MOS型トランジスタのソ
ースとドレインが形成された2つの不純物拡散層は、フ
ィールド酸化膜から内方に離間して活性化領域内に形成
されているため、フィールド酸化膜付近には、MOS型
トランジスタのドレインの不純物拡散層と半導体基板の
間に形成された空乏層が存在せず、空乏層の幅に変化が
なく、従ってPN接合耐圧も変わらないため、リーク電
流が発生しない。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図により説明す
る。
【0019】図1(a)は、本発明の実施形態に係る入
出力保護回路を示す平面図、(b)は図1(a)のX−
Y線断面図である。
【0020】図において、本発明に係る入出力保護回路
は、フィールド酸化膜3で区画された活性化領域2にM
OS型トランジスタを有し、該MOS型トランジスタを
用いて外部サージ電圧から半導体装置を保護しようとす
るものである。
【0021】以下、具体的に説明する。MOS型トラン
ジスタのソースとドレインが形成された2つのN型不純
物拡散層5,6は、フィールド酸化膜3から内方に離間
して活性化領域2内に形成されており、さらに2つのN
型不純物拡散層5,6は、導電型の異なる半導体層、具
体的にはP型半導体基板1を介して向き合せに配設され
ている。2つの不純物拡散層5,6は、その中央部(ゲ
ートに相当する部分)にマスクを置いてイオン注入等に
よりP型半導体基板1に形成され、P型半導体基板1の
一部を導電型の異なる半導体層として向き合わせに配置
されることとなる。またL1は5〜10μm,L2は1.
0μmに設定することが望ましい。
【0022】また前記マスクを置いた箇所には、MOS
型トランジスタのゲートが設けられるが、本発明では、
そのゲートを設けずに、ゲート部分を電気的に浮遊させ
た構造としている。
【0023】したがって本発明の入出力保護回路は、M
OS型トランジスタのゲートが存在せずにゲートを電気
的に浮遊させ、ソースとドレインが形成された2つの不
純物拡散層5,6をフィールド酸化物3から一定距離L
1を隔てて活性化領域2内に設け、かつ2つの不純物拡
散層5,6の間に、導電型の異なる幅L2の半導体層1
を設けており、本発明で用いたMOS型トランジスタ
は、ソースのN型不純物拡散層5−P型半導体基板1−
ドレインのN型不純物拡散層6によるN+−P−N+のバ
イポーラ構造を有している。
【0024】また、ソースのN型不純物拡散層5とP型
半導体基板1の間には空乏層D4が、ドレインのN型不
純物拡散層6とP型半導体基板1の間には空乏層D5
形成される。また10は層間絶縁膜であって、層間絶縁
膜10上には、ソースの不純物拡散層5を接地に接続さ
せる金属配線層(Al配線層)11と、ドレインの不純
物拡散層6を保護対象の半導体装置の入力側及び/又は
出力側に接続する金属配線層(Al配線層)12とが形
成されている。
【0025】本発明のMOS型トランジスタを有する入
出力保護回路にESDなどの外部サージ電圧が印加した
場合、つまり入出力端子に正の高電圧が印加された場
合、保護抵抗を介してドレインの不純物拡散層6に高電
圧が加わる。
【0026】保護対象の半導体装置が例えばMIS型ト
ランジスタである場合、MIS型トランジスタのゲート
とP型半導体基板の間の絶縁破壊耐圧であるVGateに比
べて、MIS型トランジスタの入出力端子に接続される
本発明のMOS型トランジスタにおけるドレインのN型
不純物拡散層6とP型半導体基板1の間のNP接合耐圧
であるVnp4が低いため、NP接合が導通し、従って本
発明のMOS型トランジスタは、ゲート浮遊のNPNバ
イポーラトランジスタとして導通することとなる。
【0027】フィールド酸化膜3内へホットエレクトロ
ンンが注入して見かけ上ドレインの不純物層6の近傍の
フィールド酸化膜3直下の基板アクセプタ濃度が上昇す
る。
【0028】しかし本発明では、ソース,ドレインの不
純物拡散層5,6は、フィールド酸化膜3から一定の距
離(L1)を隔てているため、その基板アクセプタ濃度
が上昇する現象によってドレインの不純物拡散層6とP
型半導体基板1の間に形成された空乏層D5の幅が狭く
ならず、従ってPN接合耐圧も変わらないこととなり、
これにより特性変動及びリーク電流の発生は生じない。
【0029】また本発明のMOS型トランジスタは、ゲ
ートが存在せず、ゲート部分が電気的に浮遊しているた
め、ソース・ドレインの不純物拡散層5,6とゲートの
間に電界集中が発生することはなく、この部分の絶縁膜
が破壊されてショートするという事故を回避することが
できる。
【0030】以上のことからして本発明では、外部サー
ジ電圧に対して、耐性の優れた信頼性の高いデバイスを
提供することができる。
【0031】尚、本発明は、公知のCMOS半導体装置
の製造方法を用いることにより実現できる。
【0032】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ゲートを
電気的に浮遊させた構造により、ゲートに電界が集中す
ることを回避できる。
【0033】さらに入出力保護回路のMOS型トランジ
スタにおけるソース・ドレインの不純物拡散層をフィー
ルド酸化膜から一定の距離を隔てて設けることにより、
フィールド酸化膜へのホットエレクトロン注入によっ
て、ソース・ドレインの不純物拡散層と半導体基板の間
に形成された空乏層が悪影響を受けず、リーク電流の発
生をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の一実施形態を示す平面図、
(b)は、(a)のX−Y線断面図である。
【図2】(a)は、従来例を示す平面図、(b)は、
(a)のX’−Y’線断面図である。
【図3】図2(b)の符号13部分を拡大した、フィー
ルド酸化膜とN型不純物拡散層との界面領域を示す拡大
断面図である。
【図4】一般的な入出力保護回路を示す回路図である。
【符号の説明】
1 P型半導体基板 2 活性化領域 3 フィールド酸化膜 4 ゲート酸化膜 5 接地端子に接続されたN型不純物拡散層 6 入出力端子に接続されたN型不純物拡散層 7 ゲート電極 8 接地端子とN型不純物拡散層を接続するコンタクト 9 入出力端子とN型不純物拡散層を接続するコンタク
ト 10 層間絶縁膜 11 接地端子に接続される金属配線層(Al配線層) 12 入出力端子に接続される金属配線層(Al配線
層) 13 フィールド酸化膜とN型不純物拡散層との界面領
域 TR,TRV,TRG MOSトランジスタ R 保護抵抗 L フィールド酸化膜とN型不純物拡散層間距離 P 入出力端子 D4 接地端子に接続されたN型不純物拡散層−P型半
導体基板間の空乏層 D5 入出力端子に接続されたN型不純物拡散層−P型
半導体基板間の空乏層

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フィールド酸化膜で区画された活性化領
    域にMOS型トランジスタを有し、該MOS型トランジ
    スタを用いて外部サージ電圧から半導体装置を保護する
    入出力保護回路であって、MOS型トランジスタのソー
    スとドレインが形成された2つの不純物拡散層は、前記
    フィールド酸化膜から内方に離間して前記活性化領域内
    に形成され、さらに2つの不純物拡散層は、相互間に導
    電型の異なる半導体層を介して向き合せに配設され、か
    つ、前記MOS型トランジスタは、ゲートを排除してゲ
    ートを電気的に浮遊させたものであることを特徴とする
    入出力保護回路。
  2. 【請求項2】 前記MOS型トランジスタのソースは、
    接地に接続されるものであることを特徴とする請求項1
    に記載の入出力保護回路。
  3. 【請求項3】 前記MOS型トランジスタのドレイン
    は、保護すべき半導体装置の入力側及び/又は出力側に
    接続されるものであることを特徴とする請求項1に記載
    の入出力保護回路。
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