JP3594725B2

JP3594725B2 - 半導体装置の保護回路

Info

Publication number: JP3594725B2
Application number: JP7018296A
Authority: JP
Inventors: 太田　　実
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH09260596A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の保護回路の構成に関し、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。以下図面を用いて保護回路を説明する。図１０は一般的な保護回路と内部回路とを備える入力回路の一例を示す回路図である。図１０の回路図を用いて入力回路の回路構成を説明する。
【０００３】
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。
【０００４】
さらに第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。
【０００５】
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。
【０００６】
図１１は図１０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１２は図１１に示す切断線Ｃ−Ｃ部の断面の様子を示す断面図である。以下、図１１と図１２とを用いて従来技術の保護回路の構成を説明する。
【０００７】
図１１に示す保護回路は図１２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構成し拡散抵抗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１２に示すフィールド酸化膜１３とにより構成している。
【０００８】
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１０に示すダイオード５ａ・・・５ｎを形成することになる。
【０００９】
つぎに図１１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１２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。
【００１０】
また拡散抵抗４の他方の端子は図１２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１０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。
【００１１】
さらに図１０に示す第１の電源９に対応する第１の金属配線１９は図１２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。数ＫＶから十数ＫＶの電圧からなる静電気は正負の極性をもっており、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
【００１２】
ところで、ダイオードのＰＮ接合に電流が流れはじめる電圧をしきい値電圧という。特にＰＮ接合に順方向の電界を印加して電流を流す時、すなわち、ダイオードの順方向動作により電流を流す場合の電圧を順方向のしきい値電圧という。
【００１３】
一方、ＰＮ接合に逆方向に電界を印加して電流を流す時、すなわち、ダイオードの逆方向動作により電流を流す場合の電圧を逆方向のしきい値電圧という。一般的にはこの逆方向のしきい値電圧をブレークダウン電圧といい、とくにのブレークダウン電圧を用いて電流を流す現象をブレークダウン現象という。
【００１４】
図１０に示す一般的な保護回路は、ダイオードの順方向動作と逆方向動作とを行い、正負の極性をもつ静電気を順方向のしきい値電圧と逆方向のしきい値電圧とにクランプし、内部回路を保護する。
【００１５】
つぎに図１１と図１２とを用いて保護回路の動作を説明する。まず正の極性の静電気がパッド８に印加すると、正の極性の静電気はパッド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。
【００１６】
前述のように、拡散抵抗４と、図１２に示す半導体基板６１とによりダイオード５ａ・・・５ｎを形成している。このためダイオード５ａ・・・５ｎは順方向動作を行ない図１２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。
【００１７】
パッド８に印加する正の極性の静電気は、ダイオード５ａ・・・５ｎの順方向のしきい値電圧値でクランプするために、内部回路３にはこの順方向のしきい値電圧以上の電圧は加わらない。一方、負の極性の静電気がパッド８に印加されると、負の極性の静電気はパッド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が印加する場合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、負の極性の静電気がパッド８に印加すると、拡散抵抗４と半導体基板６１とで構成するダイオード５ａ・・・５ｎのＰＮ接合に逆方向の電界が加わる。
【００１９】
したがってこのＰＮ接合は逆方向動作を行い、ブレークダウン電圧をこえるところで電流が流れ、逆方向のしきい値電圧で負の極性の静電気をクランプする。
【００２０】
ブレークダウン現象が発生し、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接合全面で最もブレークダウン電圧が低い部分、あるいは拡散抵抗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１２に示す半導体基板６１の表面である。
【００２１】
また拡散抵抗４は抵抗素子としての機能をもち、パッド８と図１０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１０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。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
正の極性の静電気がパッド８に印加すると、前述のように拡散抵抗４と図１２に示す半導体基板６１とで形成するダイオード５ａ・・・５ｎの順方向動作により半導体基板６１を通って第１の金属配線１９に電流を流す。
【００２３】
このため正の極性の静電気から図１０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のゲートとを保護するためには、このダイオード５ａ・・・５ｎの数を増やしてやればよい。これはすなわち、ダイオード５ａ・・・５ｎのＰＮ接合を構成する拡散抵抗４の周囲長を増加させればよい。
【００２４】
拡散抵抗４の周囲長を増加させれば、ダイオードの単位面積当たりに流れる電流は減少する。したがって、通電による熱の発生、ひいては保護回路７の破壊も抑制できる。
【００２５】
しかしながら拡散抵抗４の周囲長を増加することは、図１０に示す保護回路７の面積が増加することになる。保護回路７の専有する面積が増加することは、パッド８周辺に設置する、保護回路７以外の他の回路の設置する面積を圧迫し、ひいては半導体装置全体の面積増加につながるといった課題がある。
【００２６】
一方、負の極性の静電気がパッド８に印加して図１２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に電流が流れるとき、実際には図１２に示す半導体基板６１には抵抗成分が存在する。このため第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１２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できる。
【００２７】
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１２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。
【００２８】
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。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１２に示す半導体基板６１の抵抗値を下げてやればよい。
【００２９】
しかし拡散抵抗４と拡散層６との間に存在する図１２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印加することになる。
【００３０】
したがって前述の説明のように拡散抵抗４と図１２に示す半導体基板６１とのＰＮ接合部で最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。
【００３１】
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う。その結果として図１０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。
【００３２】
本発明の目的は、これら課題を解決して、保護回路以外の回路の面積を圧迫することなく、正の極性や負の極性の静電気の高い電圧がパッドに印加しても、内部回路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。
【００３３】
【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では、つぎのような半導体装置の保護回路を採用する。
【００３４】
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を有し、拡散抵抗と半導体基板との境界は平面から見て直線部と斜線部とからなる半導体装置の保護回路において、保護回路と離間して設ける金属からなるパッドを有し、パッドはフィールド酸化膜上に絶縁層を介して設け、拡散抵抗と拡散層との間にフィールド酸化膜を有し、フィールド酸化膜上に導電性を有する薄膜層を設け、薄膜層は、フィールド酸化膜上を延長してパッドの下部まで設け、拡散抵抗と半導体基板との境界と、拡散層のフィールド酸化膜を設けている側の半導体基板との境界とは、平面から見て複数の直線部と複数の斜線部とを有し、第１の金属配線は、第１の接続手段により拡散層に接続し、第２の金属配線は、パッドに接続するとともに第２の接続手段により拡散抵抗の一方の端子と第４の接続手段により薄膜層とに接続し、第３の金属配線は、第３の接続手段により拡散抵抗の他方の端子と接続し、第４の接続手段は、第２の金属配線と薄膜層とが重なる部分に設けることを特徴とする。
【００３５】
本発明の半導体装置の保護回路においては、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、フィールド酸化膜上に設ける薄膜層とを有し、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、第２の金属配線は第２のコンタクトホールを介して拡散抵抗の一方の端子と第４のコンタクトホールを介して薄膜層とに接続し、第３の金属配線は第３のコンタクトホールを介して拡散抵抗の他方の端子と接続し、パッドの下部に薄膜層を設け、拡散抵抗と半導体基板との境界は平面から見て直線部と斜線部とからなることを特徴とする。
【００３６】
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、フィールド酸化膜上に設ける薄膜抵抗とを有し、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、第２の金属配線は第２のコンタクトホールを介して拡散抵抗の一方の端子と第４のコンタクトホールを介して薄膜抵抗の一方の端子とに接続し、第３の金属配線は第３のコンタクトホールを介して拡散抵抗の他方の端子と第５のコンタクトホールを介して薄膜抵抗の他方の端子とに接続し、拡散抵抗と半導体基板との境界は平面から見て直線部と斜線部とからなることを特徴とする。
【００３７】
本発明の半導体装置の保護回路においては、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、フィールド酸化膜上に設ける薄膜抵抗とを有し、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、第２の金属配線は第２のコンタクトホールを介して拡散抵抗の一方の端子と第４のコンタクトホールを介して薄膜抵抗の一方の端子とに接続し、第３の金属配線は第３のコンタクトホールを介して拡散抵抗の他方の端子と第５のコンタクトホールを介して薄膜抵抗の他方の端子とに接続し、パッドの下部に薄膜抵抗を設け、拡散抵抗と半導体基板との境界は平面から見て直線部と斜線部とからなることを特徴とする。
【００３８】
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、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第３の金属配線に接続し、拡散抵抗と半導体基板との境界は平面から見て直線部と斜線部とからなることを特徴とする。
【００３９】
本発明の半導体装置の保護回路は、拡散抵抗の周囲は平面から見て直線部と斜線部とから構成し、この拡散抵抗と拡散層との間のフィールド酸化膜上に薄膜層を設け、第２の金属配線は第２のコンタクトホールを介して拡散抵抗と接続し、さらに第２の金属配線は第４のコンタクトホールを介して薄膜層と接続する構造とする。
【００４０】
正の極性の静電気がパッドに印加することで、拡散抵抗は順方向動作を行い半導体基板に電流を流すが、この拡散抵抗は、その拡散抵抗の周囲が平面から見て直線部と斜線部とで構成するため、直線部のみで構成する拡散抵抗よりその周囲長は長く、より多くの電流を流すことができる。
【００４１】
さらに、正の極性の静電気により、薄膜層下のフィールド酸化膜の下部に半導体基板と同じ導電性で不純物濃度の濃い層（以下蓄積層という）が形成し、拡散抵抗と半導体基板との順方向のしきい値より低い正の電圧で、蓄積層と拡散抵抗との間で電流が流れるため、保護回路自身と内部回路との破壊を防止し、かつ保護能力の高い保護回路を構成することが可能となる。
【００４２】
また負の極性の静電気がパッドに印加することで、薄膜層下のフィールド酸化膜の下部に反転層が形成し、拡散抵抗と半導体基板との逆方向ブレークダウン電圧より低い負の電圧で、反転層と拡散層との間でブレークダウン現象がおこるため、保護回路自身と内部回路との破壊を防止し、かつ保護能力の高い保護回路を構成することが可能となる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の半導体装置の保護回路を実施するための最良の形態における実施の形態を説明する。図１０は一般的な保護回路と内部回路とを備える入力回路の一例を示す回路図である。本発明の半導体装置の保護回路の実施の形態における回路図は、この図１０に示す回路図と変わることはない。図１０に示す回路図を用いて入力回路の回路構成を説明する。
【００４４】
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７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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。第１の電源９は、たとえば基準電位を供給し、第２の電源１０は、たとえば負の電源電位を供給する。
【００４７】
ダイオード５ａ・・・５ｎは、パッド８に印加する静電気をダイオードの順方向動作と逆方向動作とを用いて、順方向のしきい値と逆方向のしきい値電圧であるブレークダウン電圧とにクランプするクランプ素子である。拡散抵抗４はパッド８と内部回路３との間に直列に設置し、保護回路や内部回路に流れる電流を制限する役割を持っている。
【００４８】
図１は本発明の第１の実施の形態の保護回路の平面図であり、図１０に示す保護回路７のパターンレイアウトの様子を示すものである。
【００４９】
図２（ａ）は図１の四角に囲む点線の領域７１を拡大して示す平面図である。なお、図２（ａ）は絶縁層１４をエッチングする第１のコンタクトホール１２と絶縁層１４をエッチングする第２のコンタクトホール２２と絶縁層１４をエッチングする第４のコンタクトホール４２と、図１０に示す第１の電源９に対応する第１の金属配線１９とパッド８に接続する第２の金属配線１８との図示を各々省略してある。また、図２（ｂ）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、図３（ａ）と図３（ｂ）とは図２（ｂ）の四角に囲む点線の領域８１の拡大図である。図１と図２と図３とを用いて本発明の第１の実施の形態の保護回路の構成を説明する。
【００５０】
図１に示す保護回路７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、このフィールド酸化膜１３の上部に設ける薄膜層９８と、フィールド酸化膜１３や拡散抵抗４や拡散層６の上部に設ける絶縁層１４と、第２の金属配線１８と第１の金属配線１９と第３の金属配線２８（図２には図示しない）で構成している。
【００５１】
薄膜層９８は、フィールド酸化膜１３を介して半導体基板６１に電界をかける電極の役割をもっており、多結晶シリコンで構成する。絶縁層１４は、フィールド酸化膜１３やＰ型の拡散抵抗４やＮ型の拡散層６と、これらの上部に設ける第２の金属配線１８と第１の金属配線１９と第３の金属配線２８とを絶縁する役割をもっており、リンを添加したシリコン酸化膜、いわゆるＰＳＧ膜で構成する。
【００５２】
第２の金属配線１８や第１の金属配線１９や第３の金属配線２８を構成する金属配線は、アルミニウムで構成する。
【００５３】
Ｐ型の拡散抵抗４の周囲は、図２（ａ）に太線で示す多くの直線部Ｌ１と同様に太線で示す多くの斜線部Ｌ２とから構成している。
【００５４】
Ｐ型の拡散抵抗４の周囲を上記構成とすることで、Ｐ型の拡散抵抗４の周囲を直線部のみで構成する場合に比べ、Ｐ型の拡散抵抗４のパッド８側端部から内部回路３（図１と図２と図３とには図示しない）側端部までの距離を大きくすることができる。これは、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の半導体基板６１とで構成するダイオード５ａ・・・５ｎのＰＮ接合の面積が増加することと同義である。
【００５５】
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１０に示すダイオード５ａ・・・５ｎを形成することになる。
【００５６】
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（ｂ）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はフィールド酸化膜１３上に設ける薄膜層９８の上部の絶縁層１４をエッチングする第４のコンタクトホール４２を介して接続している。
【００５７】
またＰ型の拡散抵抗４の他方の端子は図２（ｂ）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１０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。
【００５８】
さらに図１０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（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Ｎ型の拡散層６に接続している。
【００５９】
図３（ａ）はパッド８に正の極性の静電気が印加したときの状態を示し、図３（ｂ）はパッド８に負の極性の静電気が印加したときの状態を示す。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。
【００６０】
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Ｐ型の拡散抵抗４と薄膜層９８とに到達する。この薄膜層９８に加わるの正の極性の静電気は、フィールド酸化膜１３に電界を加え、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Ｎ型の半導体基板６１の表面に、Ｎ型の蓄積層６４を形成する。
【００６１】
Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の半導体基板６１に形成するＮ型の蓄積層６４とによりＰＮ接合面を形成することとなり、図１０に示すダイオード５ａ・・・５ｎを構成する。
【００６２】
ところで、前述のとおり、ＰＮ接合に順方向の電界を印加してダイオードの順方向動作により電流を流す場合の電圧を順方向のしきい値電圧という。また順方向のしきい値電圧は、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、しきい値電圧が低くなることは周知の事実である。
【００６３】
Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の蓄積層６４とによりダイオード５ａ・・・５ｎを形成するためダイオード５ａ・・・５ｎは順方向動作を行ない、多くはＮ型の蓄積層６４に電流が流れ、その電流はＮ型の拡散層６を通り第１の金属配線１９に流れる。
【００６４】
Ｐ型の拡散抵抗４とフィールド酸化膜１３直下に形成するＮ型の蓄積層６４とは、お互いに濃度の濃い不純物層であるから、このＰ型の拡散抵抗４とＮ型の蓄積層６４とで構成するＰＮ接合は、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の半導体基板６１とで構成するＰＮ接合と比らべ、順方向のしきい値電圧が低くなる。すなわちこのＰＮ接合はより低い正の電圧から電流を流すことができる。
【００６５】
したがって、より低い順方向のしきい値電圧値でパッド８に印加する正の極性の静電気をクランプするために、図１０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。
【００６６】
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を通って薄膜層９８にも到達する。
【００６７】
しかしＰ型の拡散抵抗４の一方の端子に加わる負の極性の静電気は、正の極性の静電気が印加する場合のように、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の蓄積層６４とで構成するＰＮ接合の順方向動作を起こさせず、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の半導体基板６１とで構成するＰＮ接合の逆方向動作で電流を流す。すなわち、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の半導体基板６１とで構成する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。
【００６８】
前述のようにＰＮ接合に逆方向に電界を印加してダイオードの逆方向動作により電流を流す場合の電圧をブレークダウン電圧という。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よく知られている。
【００６９】
フィールド酸化膜１３上の薄膜層９８に加わる負の極性の静電気は、フィールド酸化膜１３に電界を加え、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Ｎ型の半導体基板６１の表面に、濃度の濃いＰ型の反転層６５を形成する。
【００７０】
Ｎ型の半導体基板６１に形成するＰ型の反転層６５とＮ型の拡散層６とでＰＮ接合面を形成することとなり、図１０に示すダイオード５ａ・・・５ｎを構成する。Ｐ型の反転層６５とＮ型の拡散層６とでダイオード５ａ・・・５ｎを形成するためダイオード５ａ・・・５ｎは逆方向動作を行なう。すなわちブレークダウン現象によりパッド８に電流を流す。
【００７１】
フィールド酸化膜１３直下領域に形成するＰ型の反転層６５とＮ型の拡散層６とは、お互いに濃度の濃い不純物層であるから、このＰ型の反転層６５とＮ型の拡散層６とによって構成するＰＮ接合は、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の半導体基板６１とで構成するＰＮ接合と比らべ、ブレークダウン電圧が低くなる。すなわちこのＰＮ接合はより低い負の電圧でから電流を流すことができる。
【００７２】
したがって、より低い逆方向のブレークダウン電圧値でパッド８に印加する負の極性の静電気をクランプするために、図１０に示す内部回路３にはこのブレークダウン電圧以上は加わらない。
【００７３】
つぎに、ブレークダウン現象が生じた後の電流経路を説明する。Ｐ型の反転層６５とＮ型の拡散層６とのＰＮ接合でブレークダウン現象をおこすと、負の極性の静電気による電流経路は、図１０に示す第１の電源９に接続する第１の金属配線１９からＮ型の拡散層６、Ｐ型の反転層６５、Ｐ型の拡散抵抗４を経由して第２の金属配線１８を通りパッド８に流れる。
【００７４】
つぎに、図１と図２とに示すＰ型の拡散抵抗４の周囲が、図２（ａ）に示す多くの直線部Ｌ１と多くの斜線部Ｌ２とから構成する理由を説明する。図１と図２（ａ）とに示す本発明の半導体装置の保護回路のダイオード５ａ・・・５ｎを構成するＰ型の拡散抵抗４の周囲の形状は、平面から見て直線部と斜辺部とからなっている。一方、図１１に示す従来技術の保護回路の同部分は直線部のみで構成する。
【００７５】
保護回路を構成するダイオードは、Ｐ型の拡散抵抗４とその他周囲の領域とで構成する。このダイオードの大きさは、Ｐ型の拡散抵抗４の周囲長で決まる。したがって、本発明の半導体装置の保護回路のダイオードを構成するＰ型拡散抵抗４が多くの直線部と斜線部とで構成しているのに対し、従来の保護回路のダイオードを構成する同部分が直線部のみで構成しているので、本発明の半導体装置の保護回路は、従来技術の保護回路に対して、保護回路全体が専有する面積をほとんど変えることなく、ダイオードを大きくすることができる。
【００７６】
すなわちダイオードのＰＮ接合に、より多くの電流を流すことができるということである。これは、ダイオードのＰＮ接合の単位面積当たりの通電量を減少することができるということであり、通電による熱の発生が少なく、熱破壊を防止することができる。
【００７７】
したがって正と負とのどちらの極性の静電気がパッド８に印加する場合でも、本発明の半導体装置の保護回路の構成によれば、従来の保護回路に比らべ、保護回路自身の破壊を防止し、かつ高い保護能力を有することができる。
【００７８】
本発明の半導体装置の保護回路の特徴は、保護回路を平面から見て直線部と斜辺部とからなる拡散抵抗４と、この拡散抵抗４と拡散層６との間に薄膜層９８とを設けることにある。
【００７９】
これにより、従来技術の保護回路に用いるダイオードに比べ大きなＰＮ接合をもつダイオードを構成できることに加え、パッド８に印加する静電気の極性に応じ、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の拡散層６との間に蓄積層６４と反転層６５とを形成し、ダイオードの構成を変えることができる。
【００８０】
正の極性の静電気がパッド８に印加すると、クランプ素子である図１０に示すダイオード５ａ・・・５ｎは、図２と図３（ａ）とに示すようにＰ型の拡散抵抗４とＮ型の蓄積層６４とで構成する。正の極性の静電気がパッド８に印加するときの大まかな電流通過経路としては、パッド８−Ｐ型の拡散抵抗４−Ｎ型の蓄積層６４−Ｎ型の拡散層６−第１の金属配線１９である。従来技術の保護回路の同様な電流経路は、パッド８−Ｐ型の拡散抵抗４−Ｎ型の半導体基板６１−Ｎ型の拡散層６−第１の金属配線１９である。
【００８１】
ダイオードのしきい値電圧を決める要因は、ＰＮ接合を構成するＰ型半導体とＮ型半導体との不純物濃度であることはさきに説明している。
【００８２】
従来技術の保護回路に用いるダイオードを構成する濃いＰ型の不純物濃度をもつ拡散抵抗４と薄いＮ型の不純物濃度を持つ半導体基板６１とのＰＮ接合に比らべ、本発明の半導体装置の保護回路のダイオードを構成する濃いＰ型の不純物濃度を持つ拡散抵抗４と濃いＮ型の不純物濃度を持つ蓄積層６５とのＰＮ接合は、濃い不純物濃度の領域同士のＰＮ接合である。このため低いしきい値電圧をもつことがわかる。したがって、より低い正の電圧から静電気をクランプすることができる。
【００８３】
一方、負の極性の静電気がパッド８に印加すると、クランプ素子である図１０に示すダイオード５ａ・・・５ｎは、図２と図３（ｂ）とに示すようにＰ型の反転層６５とＮ型の拡散層６とで構成する。
【００８４】
負の極性の静電気がパッド８に印加するときの大まかな電流通過経路は、第１の金属配線１９−Ｎ型の拡散層６−Ｐ型の反転層６５−Ｐ型の拡散抵抗４−パッド８である。従来技術の保護回路の同様な電流経路は、第１の金属配線１９−Ｎ型の拡散層６−Ｎ型の半導体基板６１−Ｐ型の拡散抵抗４−パッド８である。
【００８５】
従来技術の保護回路に用いるダイオードを構成する濃いＰ型の不純物濃度をもつ拡散抵抗４と薄いＮ型の不純物濃度を持つ半導体基板６１とのＰＮ接合に比らべ、本発明の半導体装置の保護回路のダイオードを構成する濃いＰ型の不純物濃度を持つ反転層６５と濃いＮ型の不純物濃度を持つ拡散層６とのＰＮ接合は、濃い不純物濃度の領域同士のＰＮ接合であるため、低いブレークダウン電圧をもつことがわかる。したがって、より低い負の電圧から静電気をクランプすることができる。
【００８６】
以上の説明で明らかなように、本発明の第１の実施の形態の保護回路によれば保護回路自身の破壊を防止し、かつ高い保護能力を有することができる。
【００８７】
つぎに本発明の第２の実施形態における保護回路を説明する。図４は本発明の第２の実施の形態の保護回路の平面図であり、図１０に示す保護回路７のパターンレイアウトの様子を示すものである。
【００８８】
図１に示す本発明の第１の実施の形態の保護回路と図４に示す本発明の第２の実施の形態の保護回路との平面形状が異なっているが、図４は本発明の第２の実施の形態の保護回路の特徴を表すものであり、保護回路自体の構成は第１の実施の形態の保護回路と変わらない。図５は図４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６はパッドに寄生する浮遊容量Ｃを示す回路図である。
【００８９】
本発明の第２の実施の形態の保護回路７は、第１の実施の形態の保護回路７の特徴的な機能を有しつつ、さらにパッド８に寄生する浮遊容量Ｃを低減することが可能である。
【００９０】
図４を用いて第２の実施の形態の保護回路７の構成と各接続要素の接続状態とを説明する。なお、図１に示す第１の実施の形態の保護回路７の構成と各接続要素の接続状態とが同一のものについては説明を省略する。
【００９１】
図４に示す薄膜層９８は、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の拡散層６との間に形成するフィールド酸化膜１３（図４には図示しない）の上部に設けており、保護回路７から延長してパッド８の下部にも設けている。薄膜層９８は、図１を用いて説明した第１の実施の形態の保護回路７の構成と同様に、多結晶シリコンで構成する。
【００９２】
まずはじめに、ッド８に寄生する浮遊容量Ｃについて説明する。図５に示すパッド８の下部には絶縁層１４と薄膜層９８とフィールド酸化膜１３とＮ型の半導体基板６１とがある。図６に示すパッド８に寄生する浮遊容量Ｃをコンデンサにたとえると、浮遊容量Ｃは、２枚の平行平板電極Ｄ１と平行平板電極Ｄ２とから構成することができる。
【００９３】
コンデンサの静電容量は、このコンデンサを構成する２枚の平行平板電極間の距離に反比例することが知られている。すなわち、図６に示す浮遊容量Ｃの平行平板電極Ｄ１およびＤ２に挟まれる物質の誘電率が一定であるなら、平行平板電極Ｄ１およびＤ２との間の距離Ｓが近いほどこの静電容量は大きくなり、逆に平行平板電極Ｄ１と平行平板電極Ｄ２間の距離Ｓが大きいほどこの静電容量は小さくなる。
【００９４】
つぎにパッド８に寄生する浮遊容量Ｃが半導体装置に及ぼす影響を説明する。パッド８に寄生する浮遊容量Ｃの値が大きくなるほど、この浮遊容量Ｃに充電する時間が必要になるため、パッド８に関わる入出力信号が遅れてしまう。とくに高速で動作する半導体装置では、急峻な信号波形のやりとりが多いので顕著に影響する。したがって、半導体装置にとってはこの浮遊容量Ｃは小さいほうが好ましい。
【００９５】
つぎに図４と図５と図６とを用いて第２の実施の形態の保護回路７の特徴を説明する。図４に示す本発明の第２の実施の形態の保護回路７によれば、図５に示すようにパッド８の下部に薄膜層９８があるために、この薄膜層９８を設けていない場合に比べ、薄膜層９８の厚さ分パッド８と半導体基板６１との距離が遠くなる。
【００９６】
図６に示す浮遊容量Ｃの平行平板電極Ｄ１をパッド８、平行平板電極Ｄ２を半導体基板６１とすると、これらのなす距離Ｓが大きくなるためにこの浮遊容量Ｃの値を小さくすることができる。すなわち、パッド８の下部に保護回路７から延長して設ける薄膜層９８は、この薄膜層９８の厚さ分だけパッド８とＮ型の半導体基板６１とを離間し、浮遊容量Ｃの値を小さくする役割をもっている。
【００９７】
正の極性の静電気および負の極性の静電気が図４に示すパッド８に印加するときの保護回路７自体の動作は、第１の実施の形態の保護回路と同様であるので説明を省略する。
【００９８】
本発明の第２の実施の形態の保護回路の特徴は、保護回路を平面から見て直線部と斜辺部とからなる拡散抵抗４と、この拡散抵抗４と拡散層６との間に薄膜層９８とを設け、この薄膜層９８を保護回路から延長し、パッド８の下部にも設けることにある。
【００９９】
この構成により本発明では、従来技術の保護回路に用いるダイオードに比らべ大きなＰＮ接合をもつダイオードを構成できることに加え、本発明の第１の実施の形態の保護回路の特徴と同様にパッド８に印加する静電気の極性に応じ、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の拡散層６との間に蓄積層６４と反転層６５とを形成し、ダイオードの構成を変えることができる。さらに、パッド８の下部に設ける薄膜層９８のためパッド８に寄生する浮遊容量Ｃを低減することが可能である。
【０１００】
なお図４に示す本発明の第２の実施形態の保護回路では、薄膜層９８と第２の金属配線１８とを接続する第４のコンタクトホール４２は、第２の金属配線１８の下部のほとんど全体領域に設けているが、この構成に限定するものではない。薄膜層９８と第２の金属配線１８を接続するために第４のコンタクトホール４２を設けるものであるから、この目的を逸脱しない範囲で変更が可能である。
【０１０１】
以上の説明で明らかなように、本発明の第２の実施形態の保護回路によれば、本発明の第１の実施の形態の保護回路の特徴を有しつつ、パッド８に寄生する浮遊容量Ｃを低減することが可能であり、高速で動作する半導体装置にも本発明を用いることができる。
【０１０２】
つぎに本発明の第３の実施形態の保護回路を説明する。図８は本発明の第３の実施形態の保護回路と内部回路とを備える入力回路の一例を示す回路図である。図８の回路図を用いて入力回路の回路構成を説明する。
【０１０３】
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７を構成する拡散抵抗４の一方の端子と、保護回路７を構成する薄膜抵抗９９の一方の端子とに接続する。さらに保護回路７を構成する拡散抵抗４の他方の端子と、保護回路７を構成する薄膜抵抗９９の他方の端子とは、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。
【０１０４】
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。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。
【０１０５】
図７は本発明の第３の実施の形態の保護回路の平面図であり、図８に示す保護回路７のパターンレイアウトの様子を示すものである。本発明の第３の実施の形態の保護回路７は、第１の実施の形態の保護回路７の特徴的な機能を有しつつ、さらに保護回路の抵抗を低減することが可能である。
【０１０６】
図７を用いて第３の実施の形態の保護回路７の構成と各接続要素の接続状態とを説明する。なお、図１に示す第１の実施の形態の保護回路７の構成と各接続要素の接続状態とが同一のものについては説明を省略する。
【０１０７】
図７に示す薄膜抵抗９９は、拡散抵抗４と拡散層６との間に形成するフィールド酸化膜１３（図７には図示しない）の上部に設けている。薄膜抵抗９９は、図１を用いて説明した第１の実施の形態の保護回路７の構成で説明した薄膜層９８と同様に、多結晶シリコンで構成する。
【０１０８】
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は第４のコンタクトホール４２を介して薄膜抵抗９９の一方の端子に接続している。
【０１０９】
拡散抵抗４の他方の端子は第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、薄膜抵抗９９の他方の端子は絶縁層１４（図７には図示せず）をエッチングする第５のコンタクトホール５２を介して第３の金属配線２８に接続している。
【０１１０】
つぎに図７と図８とを用いて第３の実施形態の保護回路７の特徴を説明する。まず、保護回路７自身の抵抗値が半導体装置に及ぼす影響を説明する。保護回路７を構成する抵抗素子は、パッド８と内部回路３との間に直列に挿入してパッド８に印加する静電気等の高い電圧を下げる役割をもっている。
【０１１１】
この抵抗素子の抵抗値が大きくなるほど、内部回路３や第１の電源９に流れる電流値を制限することができるため保護回路７の保護能力は向上するが、逆に大きな抵抗値はパッド８に関わる入出力信号をも遅らせるという問題がある。とくに高速で動作する半導体装置では、急峻な信号波形のやりとりが多いので顕著に影響する。したがって、半導体装置にとってはこの抵抗値は小さいほうが好ましい。
【０１１２】
図７に示す本発明の第３の実施形態の保護回路７では、図８に示すように拡散抵抗４と薄膜抵抗９９とが並列に接続している。保護回路７を流れる電流は、拡散抵抗４と薄膜抵抗９９とを流れため、保護回路７の抵抗成分は、これら二つの抵抗の並列合成抵抗となる。したがって、パッド８から内部回路３までの間の抵抗成分が小さくなるために高速で動作する半導体装置に対しても影響はない。
【０１１３】
さらに、パッド８に印加する静電気等の高い電圧は保護回路７に加わるが、保護回路７を構成する抵抗素子である、拡散抵抗４と薄膜抵抗９９とは各々電流を流すことができるため、電流経路が多くなることで保護回路７自身の通電による熱破壊を低減することができる。
【０１１４】
正の極性の静電気および負の極性の静電気が図４に示すパッド８に印加するときの保護回路７は、薄膜抵抗９９が第１の実施の形態の保護回路を構成する薄膜層９８と同様な機能を有すると考えることができる。したがって、保護回路７自体の動作は第１の実施の形態の保護回路と同様であるので説明を省略する。
【０１１５】
本発明の第３の実施形態の保護回路の特徴は、保護回路を平面から見て直線部と斜辺部とからなる拡散抵抗４と、この拡散抵抗４と拡散層６との間に薄膜抵抗９９とを設け、この薄膜抵抗９９と拡散抵抗４とを並列に接続することにある。
【０１１６】
これにより、従来技術の保護回路に用いるダイオードに比べ大きなＰＮ接合をもつダイオードを構成できることに加え、本発明の第１の実施形態の保護回路の特徴と同様にパッド８に印加する静電気の極性に応じ、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の拡散層６との間に蓄積層６４と反転層６５とを形成し、ダイオードの構成を変えることができる。さらに、パッド８と内部回路３との間に直列に接続する抵抗成分は、拡散抵抗４と薄膜抵抗９９との並列合成抵抗となるので、保護回路７の抵抗成分を低減することができる。
【０１１７】
以上の説明で明らかなように、本発明の第３の実施の形態の保護回路７によれば、本発明の第１の実施の形態の保護回路７の特徴を有しつつ、保護回路自身の破壊を低減し、かつ保護回路の抵抗成分を低減することができるため、高速で動作する半導体装置に対しても本発明を用いることができる。
【０１１８】
つぎに本発明の第４の実施形態の保護回路を説明する。図９は本発明の第４の実施の形態の保護回路の平面図である。本発明の第４の実施の形態の保護回路７は、第２の実施の形態の保護回路７の特徴的な機能と第３の実施の形態の保護回路７の特徴的な機能とを有している。
【０１１９】
すなわち本発明の第１の実施の形態の保護回路７の特徴的な機能を有しつつ、パッド８に寄生する浮遊容量Ｃを低減し、かつ保護回路の抵抗成分を低減することが可能である。
【０１２０】
図４に示す本発明の第２の実施の形態の保護回路と図７に示す本発明の第３の実施の形態の保護回路と、図９に示す本発明の第４の実施の形態の保護回路との平面形状が異なっているが、図９は本発明の第４の実施の形態の保護回路の特徴を表すものであり、保護回路自体の構成は第３の実施の形態の保護回路と変わらない。
【０１２１】
図９を用いて第４の実施の形態の保護回路７の構成と各接続要素の接続状態とを説明する。なお、図９に示す保護回路７と、図４と図７とに示す保護回路７の構成と各接続要素の接続状態とが同一のものについては説明を省略する。
【０１２２】
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は第４のコンタクトホール４２を介して薄膜抵抗９９の一方の端子に接続している。
【０１２３】
拡散抵抗４の他方の端子は第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、薄膜抵抗９９の他方の端子は絶縁層１４（図９には図示せず）をエッチングする第５のコンタクトホール５２を介して第３の金属配線２８に接続している。
【０１２４】
図９に示す薄膜抵抗９９は、保護回路７から延長しパッド８の下部にも設けている。薄膜抵抗９９は、図７を用いて説明した第３の実施の形態の保護回路７の構成と同様に、多結晶シリコンで構成する。これにより、本発明の第２の実施の形態の保護回路７と第３の実施の形態の保護回路７との特徴的な機能を具備した保護回路を構成することができる。
【０１２５】
つぎに本発明の第４の実施の形態の保護回路７の動作について説明する。本発明の第２の実施の形態で説明したとおり、パッド８と半導体基板６１との距離を大きくすることで、パッド８に寄生する浮遊容量Ｃを減少することができる。
【０１２６】
したがって、パッド８の下部に薄膜抵抗９９を設ける構造により、この薄膜抵抗９９を設けない構造に比らべ、パッド８と半導体基板６１との距離が大きくなるので、パッド８に寄生する浮遊容量Ｃの値は減少する。
【０１２７】
また本発明の第３の実施の形態の項で説明したとおり、拡散抵抗４と薄膜抵抗９９とが並列に接続していることで、保護回路７の抵抗成分、すなわち、パッド８と内部回路３との間に挿入する直列の抵抗成分を低減することができる。さらに、保護回路７を流れる電流の通電経路が、拡散抵抗４と薄膜抵抗９９とになるため、通電のための熱の発生に起因する熱破壊が少なく、保護回路７自身の破壊が減少する。
【０１２８】
本発明の第４の実施の形態の保護回路の特徴は、保護回路を平面から見て直線部と斜辺部とからなる拡散抵抗４と、この拡散抵抗４と拡散層６との間に薄膜抵抗９９とを設け、この薄膜抵抗９９と拡散抵抗４とを並列に接続し、さらに薄膜抵抗９９を保護回路７から延長しパッド８の下部にも設けることにある。
【０１２９】
これにより、従来技術の保護回路に用いるダイオードに比べ大きなＰＮ接合をもつダイオードを構成できることに加え、本発明の第１の実施の形態の保護回路の特徴と同様にパッド８に印加する静電気の極性に応じて、Ｐ型の拡散抵抗４とＮ型の拡散層６との間に蓄積層６４と反転層６５とを形成し、ダイオードの構成を変えることができる。さらに、パッド８と内部回路３との間に直列に接続する抵抗成分は、拡散抵抗４と薄膜抵抗９９との並列合成抵抗となるので、保護回路７の抵抗成分を低減することができる。さらにまた、パッド８の下部に設ける薄膜抵抗９９のためパッド８に寄生する浮遊容量Ｃを低減することが可能である。
【０１３０】
なお図９に示す本発明の第４の実施の形態の保護回路によれば、薄膜抵抗９９と第２の金属配線１８とを接続する第４のコンタクトホール４２は、第２の金属配線１８の下部のほとんど全体に設けているが、この構成に限定するものではない。薄膜抵抗９９と第２の金属配線１８とを接続するために第４のコンタクトホール４２を設けるものであるから、この目的を逸脱しない範囲で変更が可能である。
【０１３１】
以上の説明で明らかなように、本発明の第４の実施の形態の保護回路７によれば、パッド８に寄生する浮遊容量Ｃを低減し、保護回路７自身の抵抗成分を低減し、しかも保護回路７自身の通電のための熱の発生に起因する熱破壊を低減することができる。
【０１３２】
本発明の半導体装置の保護回路の特徴的な動作を第１の実施の形態を例にあげてまとめると以下に示すようなものである。
【０１３３】
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、拡散抵抗４と、拡散抵抗４と拡散層６との間のフィールド酸化膜１３上に設ける薄膜層９８とに正の極性の静電気が印加し、フィールド酸化膜１３中の電極分離の現象により、このフィールド酸化膜１３直下の半導体基板６１の表面に蓄積層６４を形成し、この蓄積層６４と拡散抵抗４との接合面で電流を流し、正の極性の静電気等の高い電圧をクランプする。
【０１３４】
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、拡散抵抗４と、拡散抵抗４と拡散層６との間のフィールド酸化膜１３上に設ける薄膜層９８とに負の極性の静電気が印加し、フィールド酸化膜１３中の電極分離の現象により、このフィールド酸化膜１３直下の半導体基板６１の表面に反転層６５を形成し、この反転層６５と拡散層６との接合面でブレークダウン現象をおこして電流を流し、負の極性の静電気等の高い電圧をクランプする。
【０１３５】
本発明の第１の実施の形態の保護回路の特徴は、保護回路を平面から見て直線部と斜辺部とからなる拡散抵抗４と、この拡散抵抗４と拡散層６との間に薄膜層９８とを設ることにある。
【０１３６】
図１に示す第１の実施の形態の保護回路７において、拡散層９８を用いず、保護回路を構成する拡散抵抗４の形状を平面から見て直線部と斜辺部とからなる構成を採用してもよい。このようにするだけでも、本発明の第１の実施の形態で開示した保護回路７と比らべ保護能力はやや低下するものの、拡散抵抗４の周囲に形成するダイオードのＰＮ接合の面積が大きくなることから、より多くの電流を流すことができ、図１１に示す従来技術の保護回路に比らべて保護能力は向上するものである。
【０１３７】
また図１に示す第１の実施の形態の保護回路７では、拡散抵抗４の周囲全てを拡散層６が囲うように形成しているが、本発明はこれに限定されることはなく、拡散層６の形状を変更することができる。たとえば拡散層６は拡散抵抗４の周囲を囲うことなく、拡散抵抗４と拡散層６とを平行して設置してもよい。具体的には、拡散抵抗４と拡散層６とは、平面から見て直線部と斜辺部とからなる部分を有しているので、この部分を互いに対向して設置してもよい。
【０１３８】
これは、パッド８に印加する静電気等の高い電圧が保護回路７に伝達した場合でも、蓄積層６４や反転層６５が形成するのは薄膜層９８の下部のフィールド酸化膜１３下の半導体基板６１の表面であり、拡散抵抗４の周囲に拡散層６を設けず、拡散抵抗４と拡散層６とは互いに対向して設置しても、本発明の特徴的な動作を実現できるからである。
【０１３９】
また図１に示す第１の実施の形態の保護回路７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、Ｎ型の半導体基板６１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記載している。しかしながら、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、このウェル領域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言うまでもない。
【０１４０】
またさらに図１に示す第１の実施の形態の保護回路７や図４に示す第２の実施の形態の保護回路７や図７に示す第３の実施の形態の保護回路７や図９に示す第４の実施の形態の保護回路７の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を構成してもよい。
【０１４１】
本発明の第１の実施の形態の保護回路７を例にあげて以下に説明する。第１の実施の形態の保護回路７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が順方向および逆方向とならしめる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。
【０１４２】
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を構成した場合は、ダイオード５ａ・・・５ｎのＰＮ接合はＰ型の半導体基板６１がアノード端子となりＮ型の拡散抵抗４がカソード端子となる。
【０１４３】
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、拡散抵抗４と、拡散抵抗４と拡散層６との間のフィールド酸化膜１３上に設ける薄膜層９８とに正の極性の静電気が印加する。
【０１４４】
フィールド酸化膜１３中の電極分離の現象により、このフィールド酸化膜１３直下の半導体基板６１の表面に反転層６５を形成し、この反転層６５と拡散層６との接合面でブレークダウン現象をおこして電流を流し、正の極性の静電気等の高い電圧をクランプする。
【０１４５】
一方、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、拡散抵抗４と、拡散抵抗４と拡散層６との間のフィールド酸化膜１３上に設ける薄膜層９８とに負の極性の静電気が印加する。
【０１４６】
フィールド酸化膜１３中の電極分離の現象により、このフィールド酸化膜１３直下の半導体基板６１の表面に蓄積層６４を形成し、この蓄積層６４と拡散抵抗４との接合面で電流を流し、正の極性の静電気等の高い電圧をクランプする。
【０１４７】
以上の説明で明らかなように、図１に示す第１の実施の形態の保護回路７や図４に示す第２の実施の形態の保護回路７や図７に示す第３の実施の形態の保護回路７や図９に示す第４の実施の形態の保護回路７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。
【０１４８】
さらに本発明の第１の実施の形態と第２の実施の形態とを構成する薄膜層９８と、本発明の第３の実施の形態と第４の実施の形態とを構成する薄膜抵抗９９とは、多結晶シリコンで構成する例を示した。本発明はこれに限らず、タングステンやチタン等の高融点金属、あるいは多結晶シリコンと高融点金属の積層体で構成しても良い。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。
【０１４９】
【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、このフィールド酸化膜上に薄膜層を設け、第２の金属配線を拡散層と薄膜層とに接続する構造とする。さらに、拡散抵抗を平面から見て直線部と斜辺部とからなる構成とする。
【０１５０】
正の極性の静電気がパッドに印加することで、薄膜層下のフィールド酸化膜の中で電極分離の現象をおこし、半導体基板表面に蓄積層が形成し、この蓄積層と拡散抵抗との間で電流を流す。負の極性の静電気がパッドに印加することで、薄膜層下のフィールド酸化膜の中で電極分離の現象をおこし、半導体基板表面に反転層が形成し、この反転層と拡散層との間でブレークダウン現象をおこし電流を流す。
【０１５１】
正の極性あるいは負の極性の静電気による高い電圧がパッドに印加しても、これらの特徴的な動作により、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。
【０１５２】
さらに、パッドに静印加する静電気の極性に関わらず、拡散抵抗の形状を直線部と斜辺部とからなる構成とすることで、従来の保護回路に用いるダイオードに比べより大きなＰＮ接合を持つダイオードを構成でき、保護回路の破壊を防止することができる。
【０１５３】
さらにまた本発明の保護回路は、電流制御素子である抵抗素子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】本発明の第１の実施形態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】本発明の第１の実施形態における半導体装置の保護回路を示し、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態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】本発明の第２の実施形態における半導体装置の保護回路を示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における半導体装置の保護回路を示す断面図である。
【図６】半導体装置のパッドに寄生する浮遊容量を示す回路図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における半導体装置の保護回路を示す平面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における半導体装置の入力回路を示す回路図である。
【図９】本発明の第４の実施形態における半導体装置の保護回路を示す平面図である。
【図１０】半導体装置の入力回路を示す回路図である。
【図１１】従来技術の半導体装置の保護回路を示す平面図である。
【図１２】従来技術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
９８薄膜層
９９薄膜抵抗

Claims

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を有し、拡散抵抗と半導体基板との境界は平面から見て直線部と斜線部とからなる半導体装置の保護回路において、
前記保護回路と離間して設ける金属からなるパッドを有し、該パッドはフィールド酸化膜上に絶縁層を介して設け、
前記拡散抵抗と前記拡散層との間に前記フィールド酸化膜を有し、該フィールド酸化膜上に導電性を有する薄膜層を設け、
該薄膜層は、前記フィールド酸化膜上を延長して前記パッドの下部まで設け、
前記拡散抵抗と前記半導体基板との境界と、前記拡散層の前記フィールド酸化膜を設けている側の前記半導体基板との境界とは、平面から見て複数の直線部と複数の斜線部とを有し、
第１の金属配線は、第１の接続手段により前記拡散層に接続し、
第２の金属配線は、前記パッドに接続するとともに第２の接続手段により前記拡散抵抗の一方の端子と第４の接続手段により前記薄膜層とに接続し、
第３の金属配線は、第３の接続手段により前記拡散抵抗の他方の端子と接続し、
前記第４の接続手段は、前記第２の金属配線と前記薄膜層とが重なる部分に設けることを特徴とする半導体装置の保護回路。
前記接続手段は、コンタクトホールであ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。