JP3387622B2 - 半導体装置の保護回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置のパッドに
印加する静電気等の高い電圧から半導体装置を保護する
保護回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に静電気等の高い電圧から半導体
装置の内部回路を保護するために、保護回路を用いてい
る。

【０００３】図４は一般的な保護回路と内部回路を備え
る入力回路の一例を示す回路図である。図４の回路図を
用いて入力回路の回路構成を説明する。

【０００４】パッド８は、保護回路７を構成するダイオ
ード５ａのアノード端子と、保護回路を構成する拡散抵
抗４の一方の端子に接続し、保護回路７を構成する拡散
抵抗４の他方の端子は、保護回路７を構成するダイオー
ド５ｎのアノード端子と、内部回路３を構成するＰチャ
ネルトランジスタ１のゲートと、内部回路３を構成する
Ｎチャネルトランジスタ２のゲートとに接続している。

【０００５】また第１の電源９は、内部回路３を構成す
るＰチャネルトランジスタ１の一方の端子と、保護回路
７を構成するダイオード５ａ・・・５ｎのカソード端子
とに接続し、第２の電源１０は、内部回路３を構成する
Ｎチャネルトランジスタ２の一方の端子に接続してい
る。

【０００６】さらに内部回路３を構成するＰチャネルト
ランジスタ１の他方の端子は、内部回路３を構成するＮ
チャネルトランジスタ２の他方のの端子に接続してい
る。

【０００７】図５は図４に示す保護回路７のパターンレ
イアウトの様子を示す平面図であり、また図６は図５に
示す切断線Ｃ−Ｃ部の断面の様子を示す断面図である。
図５と図６とを用いて従来の保護回路の構成を説明す
る。

【０００８】図５に示す保護回路は図６に示すＮ型の半
導体基板６１に半導体基板６１と異なる導電性の不純物
の領域を形成するＰ型の拡散抵抗４と、半導体基板６１
と同じ導電性の不純物で拡散抵抗４から離間して拡散抵
抗４の周囲に形成するＮ型の拡散層６と、拡散抵抗４と
拡散層６との間に形成する図６に示すフィールド酸化膜
１３で構成している。

【０００９】以上の構成によりＰ型の拡散抵抗４とＮ型
の半導体基板６１とでＰＮ接合のダイオード５を形成
し、図４に示すダイオード５ａ・・・５ｎを形成するこ
とになる。

【００１０】つぎに図５に示す各構成要素の接続状態を
説明する。パッド８は第２の金属配線１８に接続し、ま
た第２の金属配線１８は図６に示す絶縁層１４をエッチ
ングする第２のコンタクトホール２２を介して拡散抵抗
４の一方の端子に接続している。

【００１１】また拡散抵抗４の他方の端子は図６に示す
絶縁層１４をエッチングする第３のコンタクトホール３
２を介して第３の金属配線２８に接続し、第３の金属配
線２８は図４に示す内部回路３を構成するＰチャネルト
ランジスタ１のゲートと内部回路３を構成するＮチャネ
ルトランジスタ２のゲートとに接続している。

【００１２】さらに図４に示す第１の電源９に対応する
第１の金属配線１９は図６に示す絶縁層１４をエッチン
グする第１のコンタクトホール１２を介して拡散層６に
接続している。

【００１３】数ＫＶから十数ＫＶの電圧からなる静電気
は正負の極性を持っており、保護回路はこの静電気から
内部回路を保護する必要がある。つぎに図５と図６とを
用いて保護回路の動作を説明する。

【００１４】まず正の極性の静電気がパッド８に印加す
ると、正の静電気はパッド８から第２の金属配線１８を
通って拡散抵抗４に到達する。

【００１５】前記記載のように拡散抵抗４と図６に示す
半導体基板６１とでダイオード５ａ・・・５ｎを形成し
ているためダイオード５ａ・・・５ｎは順方向動作を行
ない図６に示す半導体基板６１に電流が流れ、その電流
は拡散層６を通り第１の金属配線１９に流れる。

【００１６】したがって順方向のしきい値電圧値でクラ
ンプするために、図４に示す内部回路３にはこの順方向
のしきい値電圧以上は加わらない。

【００１７】一方、負の極性の静電気がパッド８に印加
すると、負の静電気はパッド８から第２の金属配線１８
を通って拡散抵抗４に到達する。

【００１８】しかし正の極性の静電気のようにダイオー
ド５ａ・・・５ｎを通して順方向の電流は流れず、拡散
抵抗４と半導体基板６１とのＰＮ接合のブレークダウン
電圧をこえるところで電流が流れ、内部回路を保護す
る。

【００１９】ブレークダウンが発生し、最も電流が流れ
る部分は、拡散抵抗４と半導体基板６１のＰＮ接合全面
でもっともブレークダウン電圧が低い部分、または拡散
抵抗４と拡散層６の最も接近した部分、すなわち拡散抵
抗４と拡散層６の間のフィールド酸化膜１３直下の最も
低い抵抗の図６に示す半導体基板６１の表面である。

【００２０】また拡散抵抗４は抵抗素子としての機能を
持ち、パッド８と図４に示す内部回路３との間に直列に
挿入して、第３の金属配線２８にあらわれる電圧、すな
わち図４に示す内部回路３にかかる電圧を下げる役割を
持っている。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、負の極
性の静電気がパッド８に印加して図６に示す半導体基板
６１と拡散層６とを通って第１の金属配線１９に電流が
流れる時、実際には図６に示す半導体基板６１には抵抗
成分が存在するため、第３の金属配線２８にあらわれる
電圧は、拡散抵抗４の抵抗値とこの拡散抵抗４と拡散層
６との間に存在する図６に示す半導体基板６１の抵抗値
との分圧値であらわすことが出来る。

【００２２】第３の金属配線２８にあらわれる電圧は、
次式で表わされる。 Ｖ＝（ＲＨ／（Ｒ４＋ＲＨ））×Ｖｉｎ・・・・・・・（１） この（１）式でＲＨは拡散抵抗４と拡散層６との間に存
在する図６に示す半導体基板６１の抵抗値であり、Ｒ４
は拡散抵抗４の抵抗値であり、またＶｉｎはパッド８に
印加する負の極性の静電気の電圧である。

【００２３】この（１）式から明らかなように、ＲＨの
値を小さくすることにより第３の金属配線２８にあらわ
れる電圧を小さくすることが可能となることがわかる。

【００２４】したがって、第３の金属配線２８にあらわ
れる電圧を小さくするには、拡散抵抗４と拡散層６との
距離を近づけ、この拡散抵抗４と拡散層６との間に存在
する図６に示す半導体基板６１の抵抗値を下げてやれば
良い。

【００２５】しかし拡散抵抗４と拡散層６との間に存在
する図６に示す半導体基板６１の抵抗値を下げると、
（１）式のＲＨはＲ４にくらべより小さくなるから、拡
散抵抗４の抵抗値の大きさに関係なく拡散抵抗４と第２
の金属配線１８とを接続する部分に、負の極性の静電気
の電圧がほとんどかかる。

【００２６】したがって、前記記載の説明のように拡散
抵抗４と図６に示す半導体基板６１とのＰＮ接合部でも
っともブレークダウン電圧が低い部分で局部的に電流が
流れるため、その部分で熱が発生し熱破壊をおこす。

【００２７】以上の説明で明らかなように、第３の金属
配線２８にあらわれる電圧を下げると保護回路自身が破
壊に至り、保護回路自身の破壊を防ごうとすると第３の
金属配線２８にあらわれる電圧が上がってしまい、結果
的には図４に示す内部回路３を構成するＰチャネルトラ
ンジスタ１のゲートと内部回路３を構成するＮチャネル
トランジスタ２のゲートとを破壊するといった課題があ
る。

【００２８】これら課題を解決するため、本発明の目的
は、負の極性の静電気の高い電圧がパッド８に印加して
も、図４に示す内部回路３のゲートにかかる電圧を下
げ、なお保護回路自身の破壊のない半導体装置の保護回
路を提供するものである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体装置の保護回路は、半導体基板と、
半導体基板に半導体基板と異なる導電性の不純物の領域
を形成する拡散抵抗と、半導体基板と同じ導電性の不純
物で拡散抵抗から離間して形成する拡散層と、拡散抵抗
と拡散層との間に形成するフィールド酸化膜とを有し、
拡散層は第１のコンタクトホールを介して第１の金属配
線に接続し、拡散抵抗の一方の端子は第２のコンタクト
ホールを介してパッドに接続する第２の金属配線に接続
し、その第２の金属配線は拡散抵抗と拡散層との間に形
成するフィールド酸化膜上のパッド側端部よりも内部回
路側端部の近傍の絶縁層をエッチングする第４のコンタ
クトホールを覆う領域に配置することを特徴とする。

【００３０】

【作用】拡散抵抗と拡散層との間のフィールド酸化膜上
で、パッド側端部よりも内部回路側端部の近傍に絶縁層
をエッチングする第４のコンタクトホールを第２の金属
配線で覆う領域を配置する構造とする。

【００３１】負の極性の静電気をパッドに印加すること
で、第２の金属配線で覆う絶縁層のないフィールド酸化
膜の下は反転層が形成し、拡散抵抗と半導体基板とのブ
レークダウンより先に、反転層と拡散層との間でブレー
クダウンをおこすことで、保護回路自身と内部回路との
破壊を防ぐことが可能となる。

【００３２】

【実施例】図４は一般的な保護回路と内部回路を備える
入力回路の一例を示す回路図である。図４の回路図を用
いて入力回路の回路構成を説明する。

【００３３】パッド８は、保護回路７を構成するダイオ
ード５ａのアノード端子と、保護回路を構成する拡散抵
抗４の一方の端子に接続し、保護回路７を構成する拡散
抵抗４の他方の端子は、保護回路７を構成するダイオー
ド５ｎのアノード端子と、内部回路３を構成するＰチャ
ネルトランジスタ１のゲートと、内部回路３を構成する
Ｎチャネルトランジスタ２のゲートとに接続している。

【００３４】また第１の電源９は、内部回路３を構成す
るＰチャネルトランジスタ１の一方の端子と、保護回路
７を構成するダイオード５ａ・・・５ｎのカソード端子
とに接続し、第２の電源１０は、内部回路３を構成する
Ｎチャネルトランジスタ２の一方の端子に接続してい
る。

【００３５】さらに内部回路３を構成するＰチャネルト
ランジスタ１の他方の端子は、内部回路３を構成するＮ
チャネルトランジスタ２の他方の端子に接続している。

【００３６】図１は本発明の図４に示す保護回路７のパ
ターンレイアウトの様子を示す平面図である。

【００３７】また図２（ａ）は図１に示す切断線Ａ−Ａ
部の断面の様子を示す断面図であり、また図２（ｂ）は
図１に示す切断線Ｂ−Ｂ部の断面の様子を示す断面図で
あり、図３は図２（ｂ）の四角に囲む点線の領域７１の
拡大図である。図１と図２と図３とを用いて本発明の保
護回路の構成を説明する。

【００３８】図１に示す保護回路は図２に示すＮ型の半
導体基板６１に半導体基板６１と異なる導電性の不純物
の領域を形成するＰ型の拡散抵抗４と、半導体基板６１
と同じ導電性の不純物で拡散抵抗４から離間して拡散抵
抗４の周囲に形成するＮ型の拡散層６と、拡散抵抗４と
拡散層６との間に形成する図２に示すフィールド酸化膜
１３とで構成している。

【００３９】以上の構成によりＰ型の拡散抵抗４とＮ型
の半導体基板６１とでＰＮ接合のダイオード５を形成
し、図４に示すダイオード５ａ・・・５ｎを形成するこ
とになる。

【００４０】つぎに図１に示す各構成要素の接続状態を
説明する。パッド８は第２の金属配線１８に接続し、ま
た第２の金属配線１８は図２（ａ）に示す絶縁層１４を
エッチングする第２のコンタクトホール２２を介して拡
散抵抗４の一方の端子に接続し、さらに第２の金属配線
１８はパッド８側端部よりも図４に示す内部回路３側端
部の近傍の図２（ｂ）に示すフィールド酸化膜１３上に
配線し、図２（ｂ）に示す絶縁層１４をエッチングする
第４のコンタクトホール４２を介して接続している。

【００４１】また拡散抵抗４の他方の端子は図２（ａ）
に示す絶縁層１４をエッチングする第３のコンタクトホ
ール３２を介して第３の金属配線２８に接続し、第３の
金属配線２８は図４に示す内部回路３を構成するＰチャ
ネルトランジスタ１のゲートと内部回路３を構成するＮ
チャネルトランジスタ２のゲートとに接続している。

【００４２】さらに図４に示す第１の電源９に対応する
第１の金属配線１９は図２（ａ）および図２（ｂ）に示
す絶縁層１４をエッチングする第１のコンタクトホール
１２を介して拡散層６に接続している。

【００４３】つぎに図２と図３とを用いて保護回路の動
作を説明する。

【００４４】まず正の極性の静電気が図１に示すパッド
８に印加すると、正の静電気は図１に示すパッド８から
第２の金属配線１８を通って拡散抵抗４に到達する。

【００４５】前記記載のように拡散抵抗４と半導体基板
６１とでダイオード５ａ・・・５ｎを形成しているため
ダイオード５ａ・・・５ｎは順方向動作を行ない半導体
基板６１に電流が流れ、その電流は拡散層６を通り第１
の金属配線１９に流れる。

【００４６】したがって順方向のしきい値電圧値でクラ
ンプするために、図４に示す内部回路３にはこの順方向
のしきい値電圧以上は加わらない。

【００４７】一方、負の極性の静電気が図１に示すパッ
ド８に印加すると、負の静電気は図１に示すパッド８か
ら第２の金属配線１８を通って拡散抵抗４の一方の端子
に到達し、また負の静電気はパッド８から第２の金属配
線１８を通って第４のコンタクトホール４２を形成する
フィールド酸化膜１３上にも到達する。

【００４８】しかし拡散抵抗４の一方の端子の負の極性
の静電気は、正の極性の静電気のようにダイオード５ａ
・・・５ｎを通して順方向の電流は流れず、拡散抵抗４
と半導体基板６１とのＰＮ接合のブレークダウン電圧を
こえるところで電流を流そうとする。

【００４９】一方、フィールド酸化膜１３上の負の極性
の静電気は、フィールド酸化膜１３の中で電極分離の現
象をおこし、フィールド酸化膜１３直下の半導体基板６
１の表面に、濃度の濃いＰ型の反転層１１を形成し、こ
のＰ型の反転層１１と拡散層６とでＰＮ接合面を形成す
ることとなる。

【００５０】またブレークダウン電圧はＰ型半導体とＮ
型半導体の不純物濃度で決まり、不純物濃度が濃い程、
ブレークダウン電圧が低くなることは周知の事実であ
る。

【００５１】したがってフィールド酸化膜１３直下に形
成する反転層１１と拡散層６とは、お互いに濃度の濃い
不純物層であるから、拡散抵抗４と半導体基板６１との
ブレークダウン電圧より、低い電圧でブレークダウンを
おこすこととなる。

【００５２】以上の記述をまとめると、負の極性の静電
気がパッド８に印加すると、第２の金属配線１８を経由
して、パッド８側端部よりも内部回路３側端部の近傍の
絶縁層１４をエッチングする第４のコンタクトホール４
２で第２の金属配線１８と接続するフィールド酸化膜１
３直下に反転層１１を形成し、その反転層１１と拡散層
６との接合面でブレークダウンをおこす。

【００５３】つぎにブレークダウン後の電流経路を説明
する。反転層１１と拡散層６との接合面でブレークダウ
ンをおこすと、負の極性の静電気による電流経路は、図
４に示す第１の電源９である第１の金属配線１９から拡
散層６、反転層１１、拡散抵抗４を経由して第２の金属
配線１８をとおりパッド８に流れる。

【００５４】この時、ブレークダウンする箇所がパッド
８側端部よりも内部回路３側端部の近傍の絶縁層１４を
エッチングする第４のコンタクトホール４２の部分であ
るため、拡散抵抗４に流れる電流は、拡散抵抗４の抵抗
成分によって、制限することになり、局部的におこるブ
レークダウンの電流量を制限することで保護回路の破壊
を防止することが出来る。

【００５５】以上、本実施例の構成および内部動作につ
いて述べてきたが、本発明はこれらの構成に限定される
ものではない。図１に示す実施例では、Ｎ型の半導体基
板６１に半導体基板６１と異なる導電性の不純物領域で
あるＰ型の拡散抵抗４と同じ導電性の不純物領域である
Ｎ型の拡散層６とを形成することが書かれているが、Ｐ
型の半導体基板６１に異なる導電性のＮ型のウェル領域
を形成し、このウェル領域と異なる導電性の不純物領域
であるＰ型の拡散抵抗４と同じ導電性の不純物領域であ
るＮ型の拡散層６とを形成しても同じ結果を得ることは
明らかである。

【００５６】また、図１に示す実施例では、拡散抵抗４
の周囲を囲うように拡散層６を形成しているが、拡散抵
抗４と拡散層６は互いに平行に設置しても良い。

【００５７】さらに、図１に示す実施例では、絶縁層１
４をエッチングする第４のコンタクトホール４２はパッ
ド８側端部よりも内部回路３側端部の近傍に、拡散抵抗
４と拡散層６との間に拡散抵抗４をはさみ対向するよう
におのおのの側でひとつづつ設置しているが、第４のコ
ンタクトホール４２は複数設置しても良い。また、この
場合、第４のコンタクトホール４２の大きさは同一の大
きさである必要はない。

【００５８】本実施例の図１に示すような平面図のパタ
ーンレイアウトと同様な形状を有しながら、Ｐ型の半導
体基板６１にＮ型の拡散抵抗４とＰ型の拡散層６とを形
成し保護回路７を構成しても、保護回路自身と内部回路
との破壊を防ぐことが出来る。

【００５９】本発明の実施例では、Ｐ型の拡散抵抗４を
アノード端子としＮ型の半導体基板６１をカソード端子
とするＰＮ接合のダイオード５ａ・・・５ｎを形成し、
このダイオード５ａ・・・５ｎが逆方向とならしめる負
の極性の静電気がパッド８に印加する場合に本発明の特
徴的な動作を行なう。

【００６０】しかしながら、このＰ型の半導体基板６１
にＮ型の拡散抵抗４とＰ型の拡散層６とを形成し保護回
路７を構成する場合は、ダイオード５ａ・・・５ｎのＰ
Ｎ接合はＰ型の半導体基板６１をアノード端子としＮ型
の拡散抵抗４をカソード端子とする。

【００６１】このため、負の極性の静電気がパッド８に
印加する場合は、このダイオード５ａ・・・５ｎのＰＮ
接合は順方向となるので、順方向のしきい値電圧でクラ
ンプするため、図４に示す内部回路３にはこの順方向の
しきい値電圧以上は加わらない。

【００６２】一方、正の極性の静電気がパッド８に印加
すると本発明の特徴的な動作を行なう。その様子を図１
を用いて説明する。

【００６３】正の極性の静電気がパッド８に印加する
と、第２の金属配線１８を経由して、パッド８側端部よ
りも内部回路３側端部の近傍の絶縁層１４をエッチング
する第４のコンタクトホール４２で第２の金属配線１８
と接続するフィールド酸化膜１３直下に反転層１１を形
成し、その反転層１１と拡散層６との接合面でブレーク
ダウンをおこす。

【００６４】ブレークダウン後の電流経路は、反転層１
１と拡散層６との接合面でブレークダウンをおこすと、
電流経路は、パッド８から、第２の金属配線１８をとお
り、拡散抵抗４を経由して、反転層１１、図４に示す第
１の電源９である第１の金属配線１９に流れる。

【００６５】この時、ブレークダウンする箇所がパッド
８側端部よりも内部回路３側端部の近傍の絶縁層１４を
エッチングする第４のコンタクトホール４２の部分であ
るため、拡散抵抗４に流れる電流は、拡散抵抗４の抵抗
成分によって、制限することになり、局部的におこるブ
レークダウンの電流量を制限することで保護回路の破壊
と内部回路の破壊とを防ぐことが出来る。

【００６６】以上の説明で明らかなように、本実施例の
図１に示すような平面図のパターンレイアウトと同様な
形状を有しながら、Ｐ型の半導体基板６１にＮ型の拡散
抵抗４とＰ型の拡散層６とを形成し保護回路７を構成し
ても、本発明の特徴を具備した保護回路を提供すること
が可能である。いずれの場合も本発明の主旨を逸脱しな
い範囲で種々の変更が可能である。

【００６７】

【発明の効果】本発明の保護回路は、パッドと内部回路
との間に接続する拡散抵抗と、この拡散抵抗から離間し
て形成する拡散層と、拡散抵抗と拡散層との間にフィー
ルド酸化膜とを設け、パッド側端部よりも内部回路側端
部の近傍のフィールド酸化膜上に絶縁層を介さずに第２
の金属配線を設ける構造とする。

【００６８】負の極性の静電気をパッドに印加すること
で、第２の金属配線で覆う絶縁層のないフィールド酸化
膜の下は反転層が形成し、拡散抵抗と半導体基板とのブ
レークダウンより先に、反転層と拡散層との間でブレー
クダウンをおこすことで、保護回路自身と内部回路の破
壊を防ぐことが可能となる。

【００６９】さらに、電流制御素子である抵抗と電圧ク
ランプ素子であるダイオードをひとつの保護回路として
構成するので、半導体装置のレイアウト面積を圧迫する
ことはなく、コンパクトで高い保護耐量を提供するもの
であり、その効果は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における半導体装置の保護回路
を示す平面図である。

【図２】本発明の実施例における半導体装置の保護回路
を示す断面図である。

【図３】本発明の実施例における半導体装置の保護回路
の一部を示す断面図である。

【図４】半導体装置の入力回路を示す回路図である。

【図５】従来の半導体装置の保護回路を示す平面図であ
る。

【図６】従来の半導体装置の保護回路を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

４ 拡散抵抗 ５ ダイオード ６ 拡散層 ８ パッド １２ 第１のコンタクトホール １８ 第２の金属配線 １９ 第１の金属配線 ２２ 第２のコンタクトホール ２８ 第３の金属配線 ３２ 第３のコンタクトホール ４２ 第４のコンタクトホール

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、半導体基板に半導体基板
   と異なる導電性の不純物の領域を形成する拡散抵抗と、
   半導体基板と同じ導電性の不純物で拡散抵抗から離間し
   て形成する拡散層と、拡散抵抗と拡散層との間に形成す
   るフィールド酸化膜とを有し、拡散層は第１のコンタク
   トホールを介して第１の金属配線に接続し、拡散抵抗の
   一方の端子は第２のコンタクトホールを介してパッドに
   接続する第２の金属配線に接続し、拡散抵抗の他方の端
   子は第３のコンタクトホールを介して内部回路に接続す
   る第３の金属配線に接続し、第２の金属配線は拡散抵抗
   と拡散層との間に形成するフィールド酸化膜上のパッド
   側端部よりも内部回路側端部付近の絶縁層をエッチング
   する第４のコンタクトホールを覆う領域に配置すること
   を特徴とする半導体装置の保護回路。
2. 【請求項２】 前記拡散層は、拡散抵抗の周囲を囲うよ
   うに形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体
   装置の保護回路。