JP4421073B2 - 半導体デバイスの保護回路および方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に高電圧保護回路に関し、特に静電放電(ESD)保護回路に関するものである。
【0002】
【発明の背景】
モノリシック集積回路の入力または出力端子を静電放電などの急激な大電圧変動に晒すと、損傷を受け得ることが良く知られている。例えば、人間の体は、集積回路に永久的な損傷を与える数千ボルトの電位を発現させるのに十分な電荷を蓄積することができる。帯電した物体が集積回路の入力または出力端子に接触すると、蓄積した静電気が放電し、大電流が集積回路へと流れる。この大電流は、ゲート酸化物などの集積回路内の誘電材料を破壊したり、ポリシリコンまたはアルミニウム相互接続体などの導電材料を溶融したりして、集積回路に修理不能な損傷を与える。
【0003】
一般に、集積回路製造業者は、集積回路の大電圧変動による損傷を防止するために、集積回路内の入力および出力回路から電流を分流する高電圧保護回路を含ませる。集積回路を保護するための従来の1技法は、保護回路のエネルギ消散能力を改善することである。これは、保護回路に大面積幾何形状、広範な金属相互接続体、大きな接触部などを持たせることにより達成される。しかし、この技法の不利点として、集積回路の寸法が大きくなり、半導体ウエファ当たりの集積回路数を減少させ、ひいては集積回路の製造コストを上昇させてしまう。さらに、大面積によって、保護すべき集積回路の入力/出力端子の容量が増加してしまう。このことは、高周波応用(例えば、1メガヘルツから2ギガヘルツ間で動作するセルラ通信などの)集積回路にとって好ましくない。
【0004】
したがって、大電圧変動から高周波集積回路を保護するための保護回路をもたらすことに利点がある。また、小面積で済み標準的な半導体プロセスと互換である保護回路に利点がある。
【0005】
【実施例】
図1は、集積回路10の概略図であり、入力信号を受信する入力端子11と、出力信号をもたらす出力端子12とを有する。集積回路10は、例えば高周波パワートランジスタ16などの半導体デバイスと、静電放電による損傷からトランジスタ16を保護するよう動作する静電放電(ESD)保護回路20とを含む。
【0006】
パワートランジスタ16が損傷を招かずに耐えうる最大の入力電圧がある。この最大電圧を超える電圧は、パワートランジスタ16に電気的にストレスを与え、恒久的損傷を引き起こす。この最大電圧のことを、本明細書では、パワートランジスタ16のストレス電圧と呼び、その電圧を超えるとパワートランジスタ16が短期もしくは長期の損傷または信頼性低下を引き起こす。例えば、金属酸化物(MOS)半導体のストレス電圧は、そのトランジスタのゲート酸化物に印加できる最大電圧によって決定される。もしストレス電圧を超えると、ゲート酸化物は破壊し、トランジスタに恒久的な損傷を与える。ゲート電位がストレス電圧以下に維持されると、損傷は起こらない。
【0007】
ゲート酸化物以外の他の損傷機構も知られており、それもデバイスのストレス電圧を決定することに注意すべきである。さらに、ストレス電圧以上の電圧が必ずしもデバイスの欠陥を直ちに引き起こす必要はない。そのような電圧によって、デバイスが弱体化し、後になって欠陥を引き起こしデバイスの信頼性を減少させることもある。回路電圧がストレス電圧以下の値に維持されていれば、デバイス損傷を回避することができる。
【0008】
保護回路20が、パワートランジスタ16を保護するため入力端子11に接続されており、パワートランジスタ16のゲート電位がストレス電圧以上に上昇してトランジスタ16を損傷させる前に、ゲート電極の静電電位を除去する。例示のために、トランジスタ16は横拡散金属酸化物半導体(LDMOS)パワートランジスタである。トランジスタ16のゲート電極は入力端子11に接続されている。トランジスタ16のドレイン電極は出力端子12に接続され、かつ、例えば供給電圧Vssなどの動作電位源または電源電圧を受けるよう接続されている。トランジスタ16のソース電極は、例えば供給電圧Vssなどの電源電圧を受けるように接続されている。供給電圧Vddは例えば28ボルト、供給電圧Vssはゼロボルトである。
【0009】
保護回路20は、能動負荷回路22に接続されるトランジスタ21を含む。図1の実施例では、能動負荷回路22は、nチャネル金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)27と抵抗器26とを含む。トランジスタ27は負荷トランジスタと呼ばれる。
【0010】
トランジスタ21のドレイン電極はトランジスタ16のゲート電極に接続され、ノード25を形成する。トランジスタ21のゲート電極は、トランジスタ21のソース電極、トランジスタ27のドレイン電極、ゲート電極および抵抗器26の第1端子に、共通に接続される。抵抗器26の第2端子およびトランジスタ27のソース電極は、供給電圧Vssを受けるために電源端子に接続されている。
【0011】
トランジスタ27はMOSトランジスタとして示してあるけれども、本発明はこれに限定されない。例えば、トランジスタ27はバイポーラトランジスタであっても良い。集積回路10内で用いるトランジスタとは、制御電極に制御信号が印加されたときに第1および第2導電電極間で導通路をもたらすものであると理解すべきである。ドレイン電極とソース電極間に形成されたチャネル領域は導通路をもたらし、その導電性は制御信号の値にしたがって調節されたり導通されたりする。さらに、MOSトランジスタの導電路は、そのドレイン・ソース間降伏電圧以上の電圧を印加することにより導通される。
【0012】
MOSトランジスタのゲート電極は制御電極と呼ばれ、MOSトランジスタのドレイン電極およびソース電極は電流運搬電極また導電電極と呼ばれることに注意すべきである。同様に、バイポーラトランジスタのベースは制御電極と呼ばれ、バイポーラトランジスタのコレクタおよびエミッタは導電電極と呼ばれる。
【0013】
図2に示すように、トランジスタ21は、薄くドープしたドレイン(LDD)拡張領域を有するLDMOSトランジスタである。図2は、本発明の実施例にしたがった保護回路20のLDMOSトランジスタ21の断面図である。トランジスタ21は、P導電型の半導体基板31を含む。
【0014】
ゲート構造34がエピタキシャル層32上に形成される。ゲート構造34は、例えば酸化物などの誘電材料層37上に形成されるポリシリコン層36を含む。酸化物層37を形成するための適切な1方法は熱酸化であり、層36を形成する適切な1方法は化学蒸着である。フォトリソグラフィおよびエッチング技法を用いて、層36,37がパターン化され、ゲート構造34が形成される。ゲート構造34は約1ミクロンのゲート長を有する。酸化層37はまた、ゲート酸化層と呼ばれる。
【0015】
例えばホウ素などのP導電型の不純物材料でエピタキシャル層32の一部をドープすることにより、ドープ領域41が形成される。ドープ領域41は、拡散によって層内32内に形成される。変形的には、ドープ領域41はイオン注入によっても形成できる。ドープ領域41のドープ濃度は、約1x1025〜1x1018原子毎立方センチメートル(atoms/cm3)の範囲である。
【0016】
ドープ領域43,44,45は、例えばヒ素などのN型不純物材料をエピタキシャル層32内に注入することにより、好適に形成できる。ドープ領域44は、領域41と45との間に位置し、領域43から領域41によって離れている。好適には、領域44のドープ濃度は領域45のドープ濃度よりも低い。例えば、ドープ領域43,45の濃度は、約1x1019〜1x1021原子毎立方センチメートル(atoms/cm3)の範囲である。ドープ領域44の濃度は、約1x1017原子毎立方センチメートル(atoms/cm3)よりも低く、低濃度ドープドレイン(LDD)拡張領域と呼ばれる。領域44は約0.5ミクロンの拡張長を有する。
【0017】
ポリシリコン層36上に導電材料層51を配置し、ポリシリコン層36とのオーミック接触を形成する。層51は、トランジスタ21のゲート電極として機能する。ドープ領域43の一部上に導電材料層52を配置するすることにより、トランジスタ21のソース電極が形成される。ドープ領域45の一部上に導電材料層53を配置することにより、トランジスタ21のドレイン電極が形成される。単一の導電材料層を配置してパターン化することによっても、導電層51,52,53を形成することができる。導電層51,52,53のための好適な導電材料としては、タングステン、タングステン合金、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金その他がある。
【0018】
トランジスタ21のドレイン電極は、LDD拡張領域44,より濃くドープした領域45、層53を含む。トランジスタ21のソース電極は、ドープ領域43,層52を含む。ドープ領域41は、トランジスタ21のチャネル領域として機能する。トランジスタ21のゲート電極は、ゲート構造34および層51を含む。トランジスタ21の導電路は、層53,エピタキシャル層32,領域45,44,41,43および層52を含む。
【0019】
LDD拡張領域44は、従来のMOSトランジスタに比較して、トランジスタ21のドレイン・ソース間アバランシェ降伏電圧(BVDSS)を増大させる。さらに、LDD拡張領域44の存在によって、トランジスタ21のドレイン・ソース間容量が減少する。保護回路20のトランジスタ27のような従来のMOSトランジスタは、LDD拡張領域を含んでいない。ゆえに、トランジスタ21のBVDSSはトランジスタ27のBVDSSよりも大きい。例として、トランジスタ21のドレイン・ソース間アバランシェ降伏電圧は、約23ボルトである。トランジスタ27のドレイン・ソース間アバランシェ降伏電圧は、約15ボルトである。変形的には、ドープ領域44の代わりにエピタキシャル層32を用いることによって、トランジスタ21のBVDSSを増大させることができる。言い換えれば、N導電型不純物材料でドープしてドープ領域44を形成する代わりに、領域41から0.5ミクロンだけ横方向に離れて領域45を形成することによって、領域41,45間にエピタキシャル層32だけが存在するようにしても良い。
【0020】
動作に当たり、図1を参照すると、静電放電(ESD)現象が起きていない、通常の動作条件において、トランジスタ21,27は非導通であり、保護回路20はノード25とトランジスタ27のソース電極との間が開回路となっている。言い換えれば、トランジスタ21および能動負荷回路22は、高抵抗動作モードにあり、ナノアンペアレベルの漏れ電流のみを流す。
【0021】
ESDが生じている間、静電電荷が端子11へと移動し、端子11における電圧がトランジスタ21のBVDSSよりも大きいレベルへと増加する。トランジスタ21はアバランシェ降伏に入り、静電電荷からの降伏電流がトランジスタ21を流れる。言い換えれば、ノード25における電圧がトランジスタ21のBVDSSを越えると、トランジスタ21のドレイン・ソース電極間の導電路が降伏電流を導通させる。降伏電流は、高抵抗動作モードで動作しているときの保護回路の漏れ電流より3桁も大きい。
【0022】
降伏電流が抵抗器26を流れると、トランジスタ27のゲート電極における電圧が上昇する。トランジスタ27のゲート電極における電圧がトランジスタ27のしきい値電圧よりも大きいレベルに増加すると、トランジスタ27がオンして導通する。抵抗器26は、電流制限機能をもたらす。能動負荷回路22内に用いるための電流制限機能をもたらすために、抵抗器26の代わりに、あるいはそれとともに他の素子を用いることも可能である。例えば、抵抗器26の代わりに、ダイオードまたはダイオード接続トランジスタを用いることができる。
【0023】
抵抗器26,トランジスタ21,27中を降伏電流が流れるにつれて、トランジスタ27のゲート電極における電圧が増大していき、ついにはトランジスタ27の寄生バイポーラスナップバック(snapback)電圧に達する。トランジスタ21,27は共働して、ノード25とトランジスタ27のソース電極との間に低抵抗路を形成する。電流はその低抵抗路を分流し、パワートランジスタ16のゲート電極に現れる静電電荷を散逸させる。
【0024】
好適には、トランジスタ21の降伏電圧はパワートランジスタ16のストレス電圧よりも低く、それにより保護回路20が、ノード25における電圧をトランジスタ16のストレス電圧よりも低いレベルに制限する。保護回路20は、在来のMOSまたはバイポーラトランジスタを用いたゲート接地MOSトランジスタまたは容量性結合ゲートMOSトランジスタESD構造などの従来の保護回路に比較して、ノード25においてより高い降伏電圧を有する。例えば、単一の従来型MOSトランジスタを用いた保護回路は、約15ボルトの降伏電圧を有する。本実施例の保護回路20は、約23ボルトの降伏電圧を有する。さらに、本実施例の保護回路20は、パワートランジスタ16のゲート電極における容量を減少させる。このことは、高周波応用において望まれることである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る保護回路を含む集積回路の概略図。
【図2】図1に示す保護回路の一部の断面図。
【符号の説明】
10 集積回路
11 入力端子
12 出力端子
16 パワートランジスタ
20 保護回路
21 トランジスタ
22 能動負荷回路
25 ノード
26 抵抗器
27 負荷トランジスタ
31 半導体基板
32 エピタキシャル層
34 ゲート構造
36 ポリシリコン層
37 誘電材料層
41 ドープ領域
43 ドープ領域
44 ドープ領域
45 ドープ領域
51 導電材料層
52 導電材料層
53 導電材料層
Claims (3)
- 静電電荷を放電するための保護回路(20)であって、
制御電極と、ノードに接続された第1導電電極と、前記制御電極に接続された第2導電電極とを有する、第1トランジスタ(21)と、
第1トランジスタの降伏電圧よりも低い降伏電圧を有し、第1トランジスタの制御電極に接続された制御電極と、第1トランジスタの制御電極に接続された第1導電電極と、電源端子に接続された第2導電電極とを有する第2トランジスタ(27)と、
第2トランジスタの制御電極と電源端子との間に接続された電流制限回路(26)と
を備える保護回路。 - 前記第1トランジスタ(21)は、前記第1導電電極および前記第2導電電極間の導電路を有し、前記導電路がチャネル領域(41)と、高濃度ドープ領域(45)と、前記チャネル領域及び前記高濃度ドープ領域間の低濃度ドープ領域(44)とを含む、請求項1記載の保護回路。
- 請求項1記載の保護回路を用いて静電電荷から半導体回路を保護するための方法であって、
静電電荷の電圧が前記第1トランジスタ(21)の降伏電圧よりも大きいレベルに増加した後に、前記第1トランジスタ(21)を導通させる段階と、
静電電荷により発生された降伏電流を前記第1トランジスタ(21)に流す段階と、
前記降伏電流によって、前記第2トランジスタ(27)の導電電極における電圧を、該第2トランジスタ(27)のバイポーラスナップバック電圧よりも大きいレベルに増大させる段階と、
前記第1トランジスタ(21)および前記第2トランジスタ(27)を通して、前記静電電荷を消散させる段階と
を備える方法。
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