JP4398856B2 - Electrostatic protective device and semiconductor integrated circuit - Google Patents
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Description
本発明は、静電放電保護を目的とした半導体装置およびその半導体装置を搭載した半導体集積回路に係わる。 The present invention relates to a semiconductor device for the purpose of electrostatic discharge protection and a semiconductor integrated circuit equipped with the semiconductor device.
通常、半導体集積回路には、静電放電による過電流から内部回路を保護するための半導体装置が設けられる。この静電保護装置は、外部端子に接続するPadと内部回路とを接続する信号線もしくは電源線に接続され、所定の値以上の電位になると内部抵抗が下がり、過電流を接地線へと逃がし、内部回路の電位を通常作動電位に保つ役割を為す。 Usually, a semiconductor integrated circuit is provided with a semiconductor device for protecting an internal circuit from an overcurrent caused by electrostatic discharge. This electrostatic protection device is connected to a signal line or a power supply line that connects the pad connected to the external terminal and the internal circuit, and when the potential exceeds a predetermined value, the internal resistance decreases, and the overcurrent is released to the ground line. It plays the role of keeping the internal circuit potential at the normal operating potential.
静電保護装置としては、例えば、ゲート電極に接地線が接続されたGGMOSFET(Grounded-Gate Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)が挙げられる。通常動作時には、ゲート電極は接地線等に接続されており、静電保護装置の内部抵抗が高いため、電流は内部回路に流れる。一方、静電放電によるサージ印加時には、まず、ドレイン領域と半導体基板との接合にて衝突イオン化が発生する。次に、衝突イオン化により生成した正孔は、半導体基板を通り、半導体基板に接続された接地線に流れる。この際、半導体基板の抵抗により半導体基板の電位が上昇する。すると、寄生バイポーラトランジスタがオン状態となり、静電放電によるサージ電流を、ドレイン領域、チャネル領域、ソース領域、ソース領域に接続された接地線の順に逃がすことができる。 Examples of the electrostatic protection device include a GGMOSFET (Grounded-Gate Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) in which a ground line is connected to a gate electrode. During normal operation, the gate electrode is connected to a ground line or the like, and the internal resistance of the electrostatic protection device is high, so that current flows through the internal circuit. On the other hand, when a surge is applied by electrostatic discharge, collision ionization first occurs at the junction between the drain region and the semiconductor substrate. Next, the holes generated by impact ionization pass through the semiconductor substrate and flow to the ground line connected to the semiconductor substrate. At this time, the potential of the semiconductor substrate rises due to the resistance of the semiconductor substrate. Then, the parasitic bipolar transistor is turned on, and the surge current due to electrostatic discharge can be released in the order of the drain region, the channel region, the source region, and the ground line connected to the source region.
ここで、GGMOSFETのゲート電極は接地線に接続されているため、0V電位を採る。一方、サージ印加時においてドレイン領域は高電位を採る。このため、ゲート電極とドレイン領域との間には、局所的に極めて高い電界が形成され、ゲート電極直下のチャネル領域とドレイン領域との接合付近において格子温度が上昇し、熱破壊が生じやすかった。 Here, since the gate electrode of the GGMOSFET is connected to the ground line, 0 V potential is taken. On the other hand, the drain region takes a high potential when a surge is applied. For this reason, an extremely high electric field is locally formed between the gate electrode and the drain region, the lattice temperature rises in the vicinity of the junction between the channel region and the drain region immediately below the gate electrode, and thermal breakdown is likely to occur. .
そこで、電界の集中を緩和させるために、ドレイン領域を面積広く形成することが提案された(例えば、特許文献1参照。)。しかし、この方法では、素子面積が増大してしまうという問題があった。
上記事情に鑑みて、本発明は、素子面積の増大を招くこと無しに、静電放電によるサージ印加時の熱破壊に対する耐性を向上させた半導体装置および半導体集積回路を提供するものである。 In view of the above circumstances, the present invention provides a semiconductor device and a semiconductor integrated circuit that have improved resistance to thermal breakdown during surge application due to electrostatic discharge without increasing the element area.
本発明の静電保護装置は、接地線が接続された半導体基板と、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成された抵抗ゲート部と、ゲート絶縁膜および抵抗ゲート部をゲート長方向に挟み、導体物からなるゲート側壁と、ゲート側壁の一方に接触する半導体基板表面に形成され、接地線が接続されたソース領域と、ゲート側壁の他方に接触する半導体基板表面に形成され、信号線もしくは電源線が接続されたドレイン領域と、を備えることを特徴とする。 An electrostatic protection device of the present invention includes a semiconductor substrate to which a ground line is connected, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a resistance gate portion formed on the gate insulating film, a gate insulating film, and a resistance gate The semiconductor substrate surface that is in contact with the other side of the gate side wall and the source region that is formed on the gate side wall made of a conductor, the surface of the semiconductor substrate that contacts one of the gate side walls, and the ground line connected And a drain region to which a signal line or a power supply line is connected.
また、本発明の静電保護装置は、半導体基板と、半導体基板表面に形成された抵抗領域と、抵抗領域上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成された半導体層からなるチャネル部と、ゲート絶縁膜およびチャネル部をゲート長方向に挟み、導体物からなるゲート側壁と、ゲート側壁の一方に接触する半導体基板表面に形成され、接地線が接続されたソース領域と、ゲート側壁の他方に接触する半導体基板表面に形成され、信号線もしくは電源線が接続されたドレイン領域と、を備えることを特徴とする。 In addition, an electrostatic protection device of the present invention includes a semiconductor substrate, a resistance region formed on the surface of the semiconductor substrate, a gate insulating film on the resistance region, and a channel portion including a semiconductor layer formed on the gate insulating film. The gate insulating film and the channel portion are sandwiched in the gate length direction, the gate side wall made of a conductor, the source region formed on the surface of the semiconductor substrate in contact with one of the gate side walls and the ground line connected to the other side of the gate side wall And a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate in contact with the signal line and connected to a signal line or a power line.
本発明によれば、素子面積の増大を招くこと無しに、静電放電によるサージ印加時の熱破壊に対する耐性を向上させた半導体装置および半導体集積回路を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device and a semiconductor integrated circuit that have improved resistance to thermal breakdown during surge application due to electrostatic discharge without increasing the element area.
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to a common structure through embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each figure is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention, and its shape, dimensions, ratio, and the like are different from those of an actual device. However, these are in consideration of the following explanation and known techniques. The design can be changed as appropriate.
なお、各実施の形態においては、ゲート絶縁膜に酸化物を用いた電子伝導型半導体装置について説明するが、無論、正孔伝導型半導体装置についても適用できる。また、ゲート絶縁膜は酸化物に限られず、窒化物、フッ化物等のその他の絶縁体を用いても良い。 In each embodiment, an electron conduction type semiconductor device using an oxide for a gate insulating film will be described. Needless to say, the present invention can also be applied to a hole conduction type semiconductor device. Further, the gate insulating film is not limited to an oxide, and other insulators such as nitride and fluoride may be used.
また、本発明の半導体装置が搭載された、メモリ、ロジック回路等、並びにこれらが同一チップ上に混載されるシステムLSI等の半導体集積回路も本発明の範囲内である。 In addition, a semiconductor integrated circuit such as a memory, a logic circuit and the like on which the semiconductor device of the present invention is mounted and a system LSI in which these are mixedly mounted on the same chip are also within the scope of the present invention.
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係わる半導体装置の一例について、図1乃至図2を参照して説明する。
(First embodiment)
An example of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
図1は、第1の実施形態に係るバルク型半導体装置のゲート長方向の断面模式図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view in the gate length direction of the bulk type semiconductor device according to the first embodiment.
図1に示すように、接地線が接続されp型シリコンからなる半導体基板1の表面には、チャネル領域が形成される。チャネル領域上には、ゲート絶縁膜2、n型ドーパントを有する抵抗ゲート部3が順次形成される。半導体基板1上において、ゲート絶縁膜2および抵抗ゲート部3をゲート長方向に挟むように、高濃度のn型ドーパントを有する一対のゲート側壁4a,4bが形成される。ゲート側壁4a,4bに接触する半導体基板1表面において、チャネル領域をゲート長方向に挟むように、n型のソース・ドレイン領域5a,5bが形成されている。ソース・ドレイン領域5a,5bは、半導体基板1表面から浅く形成され低不純物濃度である浅い領域と、その浅い領域をゲート長方向に挟み半導体基板1表面から深く形成され高不純物濃度である深い領域と、を有する。ソース領域5aには、接地線が接続され、ドレイン領域5bには、信号線もしくは電源線が接続される。この信号線もしくは電源線は、Pad(パッド)と内部回路との間の配線であり、接地線は、グランドと内部回路との間の配線である。信号線もしくは電源線ならびに接地線により、第1の実施形態に係るバルク型半導体装置は、内部回路と並列の関係になる。
As shown in FIG. 1, a channel region is formed on the surface of a
ここで、抵抗ゲート部3は、少なくともソース・ドレイン領域5a,5bに比して高い抵抗を有し、通常作動時には通電しないことを特徴とする。具体的には、抵抗ゲート部3のインピーダンスは、内部回路の入力インピーダンスより高く、チャネル領域の抵抗の100倍のインピーダンス以下である。前者により、通常作動時の通電を抑制し、後者により、サージ印加時においてチャネル領域に生成する電界が均一となる。なお、抵抗ゲート部3は、接地線が接続している必要がない。また、ゲート側壁4a,4bは、導体物、すなわち、電気伝導率の大きい物質(岩波 理化学辞典 第5版 参照。)からなることを特徴とする。
Here, the
第1の実施形態に係るバルク型半導体装置の動作機構について、説明する。 The operation mechanism of the bulk type semiconductor device according to the first embodiment will be described.
通常動作時(静電放電によるサージ印加時以外とする。)には、抵抗ゲート部3、ゲート絶縁膜2およびチャネル領域が、電気的に高抵抗状態にある。したがって、電流は第1の実施形態に係るバルク型半導体装置に流れず、内部回路に流れる。
During normal operation (except when surge is applied by electrostatic discharge), the
一方、静電放電によるサージ印加時には、まず、ドレイン領域5bと半導体基板1との接合にて衝突イオン化が発生する。このとき、ドレイン領域5bおよびドレイン領域上のゲート側壁4bは高電位となる。一方、ソース領域5aおよびソース領域上のゲート側壁4aは、0Vを採る。このため、電界は、ドレイン領域5bおよびドレイン領域上のゲート側壁4bと、ソース領域5aおよびソース領域上のゲート側壁4aと、の間の広い範囲で形成される。
On the other hand, when a surge is applied by electrostatic discharge, collision ionization first occurs at the junction between the
その後、衝突イオン化により生成した正孔は、半導体基板1を通り、半導体基板1に接続された接地線に流れる。この際、半導体基板1自身の抵抗により半導体基板1の電位が上昇する。すると、寄生バイポーラトランジスタがオン状態となり、ドレイン領域5b、チャネル領域、ソース領域5a、ソース領域に接続された接地線の順で静電放電によるサージ電流を逃がすことができる。
Thereafter, holes generated by impact ionization pass through the
第1の実施形態によれば、サージ印加時において高電界の集中を緩和できるため、熱破壊を低減できる。 According to the first embodiment, since the concentration of a high electric field can be relaxed when a surge is applied, thermal breakdown can be reduced.
図2は、第1の実施形態に係るSOI(Silicon On Insulator)型半導体装置のゲート長方向の断面模式図である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view in the gate length direction of the SOI (Silicon On Insulator) type semiconductor device according to the first embodiment.
図2に示すように、半導体基板として、ソース領域、ドレイン領域およびゲート絶縁膜下の半導体基板中に、埋込酸化膜(BOX:Buried OXide)6を有するSOI基板を用いる他は、図1と同様である。 As shown in FIG. 2, as the semiconductor substrate, an SOI substrate having a buried oxide film (BOX: Buried OXide) 6 in the semiconductor substrate under the source region, the drain region and the gate insulating film is used. It is the same.
第1の実施形態は、SOI型半導体装置に適用すると、さらにその効果を発揮できる。これは、SOI型半導体基板は、埋込酸化膜の熱伝導率が半導体基板の約1/10であり、熱破壊の問題がより顕著となるためである。 When the first embodiment is applied to an SOI type semiconductor device, the effect can be further exhibited. This is because the SOI type semiconductor substrate has a thermal conductivity of the buried oxide film of about 1/10 that of the semiconductor substrate, and the problem of thermal breakdown becomes more prominent.
第1の実施形態に係るバルク型およびSOI型の実施例とこれらに対応する比較例とについて、サージ印加時の温度上昇およびスナップバック特性についてシミュレーションを行った。なお、双方のシミュレーションは、試験規格HBM(Human Body Mdel)JESD22-A114-Bに沿ったものである。 For the bulk type and SOI type examples according to the first embodiment and the comparative examples corresponding thereto, simulations were performed for temperature rise and snapback characteristics during surge application. Both simulations are in accordance with the test standard HBM (Human Body Mdel) JESD22-A114-B.
以下、シミュレーション条件について記す。 The simulation conditions are described below.
ここで、図2に示すように、Lは抵抗ゲート部3の長さ、Wは抵抗ゲート部3の幅、tOXはゲート絶縁膜2の厚さ、xjEXTはソース・ドレイン領域5a,5bにおける浅い領域深さ、xjXNはソース・ドレイン領域5a,5bにおける深い領域深さ、NSUBはチャネル領域の不純物濃度を指す。さらに、埋込酸化膜6に係わり、TSOIは埋込酸化膜6上の半導体層の層厚、TBOXは埋込酸化膜6の膜厚を指す。シミュレーション条件は、L=0.45μm、W=500μm、tOX=5nm、xjEXT=50nm、xjXN=175nm、NSUB=5×1017cm−3、TSOI=10nm、TBOX=200nmとした。
Here, as shown in FIG. 2, L is the length of the
バルク型の実施例は、半導体基板1としてシリコン基板を用い、ゲート絶縁膜2としてシリコン酸化膜を用い、抵抗ゲート部3としてn型不純物領域(不純物濃度:1E15cm−3)を用い、ゲート側壁4a,4bとしてn型高濃度不純物領域(不純物濃度:1E20cm−3)を用い、ソース・ドレイン領域5a,5bとして浅い領域(不純物濃度:6E19cm−3)および深い領域(不純物濃度:1E20cm−3)とを有するn型高濃度不純物領域を用いた。
In the bulk type embodiment, a silicon substrate is used as the
バルク型の比較例は、抵抗ゲート部3としてn型高濃度不純物領域(不純物濃度:10E20cm−3)を用いた他は、バルク型実施例と同様にした。
The bulk type comparative example was the same as the bulk type example except that an n-type high concentration impurity region (impurity concentration: 10E20 cm −3 ) was used as the
SOI型の実施例および比較例についても、埋込酸化膜6を用いた他は、バルク型と同様の構成とした。
The SOI type examples and comparative examples also have the same configuration as the bulk type except that the buried
図3は、第1の実施形態に係るバルク型およびSOI型半導体装置の温度上昇のシミュレーション結果を示す図である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a simulation result of a temperature rise of the bulk type and SOI type semiconductor device according to the first embodiment.
図3に示すように、バルク型の実施例はバルク型の比較例に比して、SOI型の実施例はSOI型の比較例に比して、温度上昇が低かった。さらに、SOI型については、温度上昇の抑制効果が著しかった。 As shown in FIG. 3, the bulk type example had a lower temperature rise than the bulk type comparative example, and the SOI type example had a lower temperature rise than the SOI type comparative example. Furthermore, for the SOI type, the effect of suppressing the temperature rise was remarkable.
なお、バルク型について顕著な差異が見られなかったのは、バルク型では、半導体基板1へ熱の拡散がしやすいためであると思われる。上述した試験規格よりさらにサージ電圧を大とすれば、温度上昇の効果が顕著になることが予測できる。
In addition, it is thought that the remarkable difference was not seen about the bulk type because heat diffusion to the
図4は、第1の実施形態に係るバルク型およびSOI型半導体装置のスナップバック特性のシミュレーション結果を示す図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating a simulation result of snapback characteristics of the bulk type and SOI type semiconductor devices according to the first embodiment.
図4に示すように、バルク型およびSOI型それぞれの実施例および比較例は、ほぼ同等の結果を示した。 As shown in FIG. 4, the bulk type and SOI type examples and comparative examples showed almost equivalent results.
なお、サージ印加時には、ドレイン領域の電位が所定の値以上となった後に、静電保護装置の内部抵抗が低下し、電位が低下する。スナップバック特性は、このときの電流電圧特性のことを指し、所定の電位を超えた後の電流が、低い電圧範囲を流れるほど優れている。これは、低い電圧で大電流を流せるほど、サージ電流を素早く逃がすことができるからである。 When applying a surge, the internal resistance of the electrostatic protection device decreases and the potential decreases after the potential of the drain region becomes equal to or higher than a predetermined value. The snapback characteristic refers to the current-voltage characteristic at this time, and is excellent as the current after exceeding a predetermined potential flows through a low voltage range. This is because a surge current can be quickly released as a large current can flow at a low voltage.
第1の実施の形態に係わる半導体装置の製造方法について図5乃至図12を参照して説明する。なお、便宜上、図2に示したSOI型半導体装置について説明する。 A semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. For convenience, the SOI type semiconductor device shown in FIG. 2 will be described.
図5乃至図12は、夫々、第1の実施形態に係るSOI型半導体装置の製造方法の第1乃至第8の工程を示すゲート長方向の断面模式図である。 5 to 12 are cross-sectional schematic views in the gate length direction showing the first to eighth steps of the method for manufacturing the SOI type semiconductor device according to the first embodiment, respectively.
図5に示すように、第1の工程では、まず、酸素イオン注入、基板張り合わせ、エピタキシャル成長等の公知の手法を用いてSOI基板を作製する。次に、イオン注入を用いてp型ドーパントを埋込絶縁膜上の半導体層に導入する。 As shown in FIG. 5, in the first step, first, an SOI substrate is manufactured using a known method such as oxygen ion implantation, substrate bonding, and epitaxial growth. Next, a p-type dopant is introduced into the semiconductor layer on the buried insulating film by ion implantation.
図6に示すように、第2の工程では、まず、熱酸化を用いて、半導体基板1表面に絶縁膜12を形成させる。次に、CVD(Chemical Vapor Deposition)、スパッタリング、MBE(Molecular Beam Epitaxy)等の公知の成膜方法を用いて、絶縁膜12上に多結晶シリコン層13を堆積させる。次に、POCl3ガス等のイオン注入を用いてn型ドーパントを多結晶シリコン層13に導入する。
As shown in FIG. 6, in the second step, first, the insulating
図7に示すように、第3の工程では、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを用いて、多結晶シリコン層13および絶縁膜12を加工し、抵抗ゲート部3およびゲート絶縁膜2を形成する。
As shown in FIG. 7, in the third step, the
図8に示すように、第4の工程では、POCl3ガス等のイオン注入を用いてn型ドーパントを半導体基板1に濃度薄く導入し、ソース・ドレイン領域5a,5bのうち浅い領域を形成する。
As shown in FIG. 8, in the fourth step, an n-type dopant is introduced into the
図9に示すように、第5の工程では、まず、公知の成膜方法を用いて多結晶シリコン層14を堆積させる。次に、POCl3ガス等のイオン注入を用いてn型ドーパントを多結晶シリコン層14に導入する。
As shown in FIG. 9, in the fifth step, first, a
図10に示すように、第6の工程では、RIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを用いて、多結晶シリコン層14を加工し、ゲート側壁4a,4bを形成する。
As shown in FIG. 10, in the sixth step, the
図11に示すように、第7の工程では、POCl3ガス等のイオン注入を用いてn型ドーパントを半導体基板1に濃度濃く導入し、ソース・ドレイン領域5a,5bのうち深い領域を形成する。
As shown in FIG. 11, in the seventh step, an n-type dopant is introduced into the
図12に示すように、第8の工程では、まず、公知の成膜方法を用いて、シリコン酸化層18を堆積する。次に、RIEを用いて、ソース・ドレイン領域5a,5bそれぞれに接続するW電極19を埋め込む。
As shown in FIG. 12, in the eighth step, first, a
以上の工程より、図2に示したSOI型半導体装置が製造される。なお、第1および第2の実施形態に係るその他の半導体装置の製造方法については、ここに示した製造方法を参照し、適宜製造される。 Through the above steps, the SOI type semiconductor device shown in FIG. 2 is manufactured. In addition, about the manufacturing method of the other semiconductor device which concerns on 1st and 2nd embodiment, with reference to the manufacturing method shown here, it manufactures suitably.
第1の実施形態に係る半導体装置の材料について説明する。 The material of the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
半導体基板1は、Si、SiGe、Ge、歪Si等を用いる。
The
チャネル領域は、Si、SiGe、Ge、歪Si、SiCあるいはその他のチャネル領域材料等を用いる。なお、P、As、Sb等のn型ドーパントまたはB等のp型ドーパントを適宜添加し、p型MOSFETの場合はn型若しくはn型MOSFETの場合はp型とすることが好ましい。 For the channel region, Si, SiGe, Ge, strained Si, SiC, or other channel region materials are used. An n-type dopant such as P, As, or Sb or a p-type dopant such as B is added as appropriate, and it is preferable that the p-type MOSFET be an n-type or an n-type MOSFET be a p-type.
ゲート絶縁膜2は、シリコン酸化膜、高誘電体絶縁膜(シリコン酸化膜に比して高誘電率である絶縁膜材料)、あるいはこれらの混合材料等が挙げられる。高誘電体絶縁膜としては、例えば、Zrシリケート、Hfシリケート等の金属シリケート(シリコン酸化物に金属イオンを加えた材料)の他に、Si3N4, Al2O3, Ta2O5, TiO2, La2O5, CeO2, ZrO2, HfO2, SrTiO3, Pr2O3等が挙げられる。
Examples of the
抵抗ゲート部3は、多結晶シリコン(poly-Si)、SiGe等の半導体化合物、等を用いる。製造工程の整合性の観点から、チャネル領域と異なる導電型(ソース・ドレイン領域に高濃度不純物領域を用いる場合には、ソース・ドレイン領域と同じ導電型)のドーパントを有する半導体化合物、特に、チャネル領域と異なる導電型のドーパントを有する多結晶シリコン(poly-Si)を用いることが好ましい。このとき、ドーパントの不純物濃度は1E15cm−3以上1E18cm−3以下であると好ましい。
The
ゲート側壁4a,4bは、導体物からなる。例えば、チャネル領域と異なる導電型の高濃度不純物領域(例えば、1E19cm−3以上)または金属、金属シリサイドもしくは金属ナイトライドを用いる。特に、製造方法の簡便性の観点から、Ni、Co、Ti、W、Cu、NiSi、TiSi2、CoSi2、WSi2、TiN等の金属、金属シリサイドもしくは金属ナイトライドからなると好ましい。
The
ソース・ドレイン領域5a,5bは、チャネル領域と異なる導電型の高濃度不純物領域または金属シリサイドを用いる。金属シリサイドとしては、V、Cr、Mn、Y、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Ir、Co、Ti、Pt、Pd、Zr、Gd、Dy、Ho、Er等の金属のシリサイドが挙げられる。
The source /
なお、以降に示す実施の形態の半導体装置の材料については、第1の実施の形態に示したこれらの材料を参照し、適宜選択される。 Note that materials of the semiconductor device of the embodiment described below are appropriately selected with reference to these materials described in the first embodiment.
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係わる半導体装置の一例について、図13乃至図14を参照して説明する。
(Second Embodiment)
An example of a semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
図13は、第2の実施形態に係るバルク型半導体装置のゲート長方向の断面模式図である。 FIG. 13 is a schematic cross-sectional view in the gate length direction of the bulk type semiconductor device according to the second embodiment.
図13に示すように、半導体基板1の表面には、n型ドーパントを有する抵抗領域が形成される。抵抗領域上には、ゲート絶縁膜2、チャネル部7が順次形成される。半導体基板1上において、ゲート絶縁膜2およびチャネル部7をゲート長方向に挟むように、高濃度のn型ドーパントを有する一対のゲート側壁4a,4bが形成される。ゲート側壁4a,4bに接触する半導体基板1表面において、抵抗領域をゲート長方向に挟むように、n型のソース・ドレイン領域5a,5bが形成されている。ソース・ドレイン領域5a,5bは、半導体基板1表面から浅く形成され低不純物濃度である浅い領域と、その浅い領域をゲート長方向に挟み半導体基板1表面から深く形成され高不純物濃度である深い領域と、を有する。ソース領域5aには、接地線が接続され、ドレイン領域5bには、信号線もしくは電源線が接続される。信号線もしくは電源線は、Padと内部回路との間の配線であり、接地線は、グランドと内部回路との間の配線である。信号線もしくは電源線ならびに接地線により、第2の実施形態に係るバルク型半導体装置は、内部回路と並列の関係になる。
As shown in FIG. 13, a resistance region having an n-type dopant is formed on the surface of the
ここで、抵抗領域は、少なくともソース・ドレイン領域5a,5bに比して高い抵抗を有し、通常作動時には通電しないことを特徴とする。具体的には、抵抗領域のインピーダンスは、内部回路の入力インピーダンスより高く、チャネル部7の抵抗の100倍のインピーダンス以下である。前者により、通常作動時の通電を抑制し、後者により、サージ印加時においてチャネル部7に生成する電界が均一となる。また、ゲート側壁4a,4bは、導体物からなることを特徴とする。
Here, the resistance region has a higher resistance than at least the source /
第2の実施形態に係るバルク型半導体装置の動作機構について説明する。 An operation mechanism of the bulk type semiconductor device according to the second embodiment will be described.
通常動作時には、チャネル部7、ゲート絶縁膜2および抵抗領域が、電気的に高抵抗状態にある。したがって、電流は第2の実施形態に係るバルク型半導体装置に流れず、内部回路に流れる。
During normal operation, the
一方、静電放電によるサージ印加時には、まず、ドレイン領域上のゲート側壁4bとチャネル部7との接合にて衝突イオン化が発生する。このとき、ドレイン領域5bおよびドレイン領域上のゲート側壁4bは高電位となる。一方、ソース領域5aおよびソース領域上のゲート側壁4aは、0Vを採る。このため、電界は、ドレイン領域5bおよびドレイン領域上のゲート側壁4bと、ソース領域5aおよびソース領域上のゲート側壁4aと、の間の広い範囲で形成される。
On the other hand, when a surge is applied by electrostatic discharge, collision ionization first occurs at the junction between the
その後、衝突イオン化により生成した正孔は、チャネル部7に蓄積される。この際、チャネル部7の電位が上昇する。すると、寄生バイポーラトランジスタがオン状態となり、ドレイン領域5b、ドレイン領域上のゲート側壁4b、チャネル部7、ソース領域上のゲート側壁4a、ソース領域5a、ソース領域に接続された接地線の順で、静電放電によるサージ電流を逃がすことができる。
Thereafter, holes generated by impact ionization are accumulated in the
第2の実施形態によれば、静電放電によるサージ印加時において高電界の集中を緩和できるため、熱破壊を低減できる。また、第2の実施形態によれば、ゲート幅方向の断面積が広く採れるチャネル部7が電流経路となるため、高い電流値を採ることができ、スナップバック特性を向上できる。これは、一般に半導体集積回路において、チャネル部7の高さに対する制約が、半導体基板1内のチャネル領域に対し緩いためである。
According to the second embodiment, the concentration of a high electric field can be alleviated during surge application due to electrostatic discharge, so that thermal breakdown can be reduced. Further, according to the second embodiment, since the
図14は、第2の実施形態に係るSOI型半導体装置のゲート長方向の断面模式図である。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view in the gate length direction of the SOI semiconductor device according to the second embodiment.
図14に示すように、半導体基板として、ソース領域、ドレイン領域およびゲート絶縁膜下の半導体基板中に、埋込酸化膜(BOX:Buried OXide)6を有するSOI基板を用いる他は、図1と同様である。 As shown in FIG. 14, as the semiconductor substrate, an SOI substrate having a buried oxide film (BOX: Buried OXide) 6 in the semiconductor substrate under the source region, the drain region, and the gate insulating film is used. It is the same.
第2の実施形態は、SOI型半導体装置に適用すると、さらにその効果を発揮できる。これは、第一に、SOI型半導体基板は、熱伝導率が低く、熱破壊の問題がより顕著となるためである。第二に、第2の実施形態に係るSOI型半導体装置では、チャネル部7を半導体層より厚く形成できるので、簡便に電流値を高く採ることができる。例えば、埋込酸化膜6上の半導体層の層厚TSOIが5nm以上0.1μm以下の範囲を採るのに対し、チャネル部7高さは0.1μm以上1.0μm以下の範囲を採る。
When the second embodiment is applied to an SOI type semiconductor device, the effect can be further exhibited. This is because, firstly, the SOI type semiconductor substrate has a low thermal conductivity, and the problem of thermal breakdown becomes more remarkable. Secondly, in the SOI type semiconductor device according to the second embodiment, since the
なお、上述したように、第1の実施形態に係るSOI型半導体装置は、埋込絶縁膜6上の半導体層が電流経路となる。しかし、一般に、同一基板上の他の半導体装置は、ショートチャネル効果抑制の要請から、埋込絶縁膜6上の半導体層を厚くできない。このため、静電保護装置と他の半導体装置との製造工程の共有化を前提とすると、第1の実施形態に係るSOI型半導体装置は、採れる電流値に限界があった。
As described above, in the SOI type semiconductor device according to the first embodiment, the semiconductor layer on the buried insulating
第2の実施形態に係るバルク型およびSOI型それぞれの実施例についてサージ印加時の温度上昇およびスナップバック特性について、上述したようにシミュレーションを行い、第1の実施形態に係るバルク型およびSOI型それぞれの実施例と比較した。 For the examples of the bulk type and the SOI type according to the second embodiment, the temperature rise and the snapback characteristic at the time of surge application are simulated as described above, and the bulk type and the SOI type according to the first embodiment are respectively And compared with the examples.
シミュレーション条件は、抵抗領域としてn型不純物領域(不純物濃度:1E15cm−3)を用い、チャネル部7としてp型不純物領域(不純物濃度:5E17cm−3)を用いた他は、第1の実施の形態と同様とした。
The simulation conditions are the same as those in the first embodiment except that an n-type impurity region (impurity concentration: 1E15 cm−3) is used as the resistance region and a p-type impurity region (impurity concentration: 5E17 cm−3) is used as the
図15は、第2の実施形態に係るバルク型およびSOI型半導体装置の温度上昇のシミュレーション結果を示す図である。 FIG. 15 is a diagram showing a simulation result of temperature rise of the bulk type and SOI type semiconductor device according to the second embodiment.
図15に示すように、バルク型およびSOI型双方ともに、第2の実施の形態の実施例は、第1の実施の形態の実施例とほぼ同等の結果を示した。 As shown in FIG. 15, in both the bulk type and the SOI type, the example of the second embodiment showed almost the same result as the example of the first embodiment.
図16は、第2の実施形態に係るバルク型およびSOI型半導体装置のスナップバック特性のシミュレーション結果を示す図である。 FIG. 16 is a diagram illustrating a simulation result of snapback characteristics of the bulk type and SOI type semiconductor devices according to the second embodiment.
図16に示すように、第2の実施の形態の実施例は、第1の実施の形態に比して、所定の電位を超えた後の電流が、低い電圧範囲を流れていることが解る。したがって、第2の実施の形態の実施例は、第1の実施の形態に比して、スナップバック特性に優れる。 As shown in FIG. 16, in the example of the second embodiment, it can be understood that the current after exceeding a predetermined potential flows in a lower voltage range as compared with the first embodiment. . Therefore, the example of the second embodiment is superior in snapback characteristics as compared to the first embodiment.
第2の実施形態に係る半導体装置の材料について説明する。 The material of the semiconductor device according to the second embodiment will be described.
チャネル部7は、Si、SiGe、Ge、歪Si、SiCあるいはその他のチャネル領域材料等を有する半導体化合物を用いる。なお、P、As、Sb等のn型ドーパントまたはB等のp型ドーパントを適宜添加し、p型MOSFETの場合はn型若しくはn型MOSFETの場合はp型とすることが好ましい。
The
抵抗領域は、チャネル部7と異なる導電型のドーパントを有する。このとき、ドーパントの不純物濃度は1E15cm−3以上1E18cm−3以下であると好ましい。
The resistance region has a dopant having a conductivity type different from that of the
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restricted to these, In the category of the summary of the invention as described in a claim, it can change variously. In addition, the present invention can be variously modified without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Furthermore, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment.
1 半導体基板
2 ゲート絶縁膜
3 抵抗ゲート部
4a ゲート側壁(ソース側)
4b ゲート側壁(ドレイン側)
5a ソース領域
5b ドレイン領域
6 埋込酸化膜
7 チャネル部
12 ゲート絶縁膜前駆体
13 多結晶シリコン(抵抗ゲート部前駆体)
14 多結晶シリコン(ゲート側壁前駆体)
18 シリコン酸化層
19 W電極
DESCRIPTION OF
4b Gate side wall (drain side)
14 Polycrystalline silicon (gate sidewall precursor)
18 Silicon oxide layer 19 W electrode
Claims (7)
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された抵抗ゲート部と、
前記ゲート絶縁膜および前記抵抗ゲート部をゲート長方向に挟み、導体物からなるゲート側壁と、
前記ゲート側壁の一方に接触する前記半導体基板表面に形成され、接地線が接続されたソース領域と、
前記ゲート側壁の他方に接触する前記半導体基板表面に形成され、信号線もしくは電源線が接続されたドレイン領域と、
を備えることを特徴とする静電保護装置。 A semiconductor substrate to which a ground wire is connected;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A resistance gate portion formed on the gate insulating film;
Sandwiching the gate insulating film and the resistance gate portion in the gate length direction, a gate sidewall made of a conductor, and
A source region formed on the surface of the semiconductor substrate in contact with one of the gate sidewalls and connected to a ground line;
A drain region formed on the surface of the semiconductor substrate in contact with the other side of the gate sidewall and connected to a signal line or a power line;
An electrostatic protection device comprising:
前記半導体基板表面に形成された抵抗領域と、
前記抵抗領域上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された半導体層からなるチャネル部と、
前記ゲート絶縁膜および前記チャネル部をゲート長方向に挟み、導体物からなるゲート側壁と、
前記ゲート側壁の一方に接触する前記半導体基板表面に形成され、接地線が接続されたソース領域と、
前記ゲート側壁の他方に接触する前記半導体基板表面に形成され、信号線もしくは電源線が接続されたドレイン領域と、
を備えることを特徴とする静電保護装置。 A semiconductor substrate;
A resistance region formed on the surface of the semiconductor substrate;
A gate insulating film on the resistance region;
A channel portion made of a semiconductor layer formed on the gate insulating film;
Sandwiching the gate insulating film and the channel portion in the gate length direction, a gate side wall made of a conductor, and
A source region formed on the surface of the semiconductor substrate in contact with one of the gate sidewalls and connected to a ground line;
A drain region formed on the surface of the semiconductor substrate in contact with the other side of the gate sidewall, and connected to a signal line or a power line;
An electrostatic protection device comprising:
前記接地線はグランドと前記内部回路の他端との間の配線であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の静電保護装置を搭載した半導体集積回路。 The signal line or the power line is a wiring between the pad and one end of the internal circuit,
7. The semiconductor integrated circuit equipped with the electrostatic protection device according to claim 1, wherein the ground line is a wiring between a ground and the other end of the internal circuit.
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