JP4458814B2 - 静電破壊保護装置 - Google Patents

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Description

本発明は、静電破壊保護装置に関し、特に高電圧が入力又は出力される端子に設けられる静電破壊保護装置に関する。
DC−DCコンバータやLCDドライバー等の半導体集積回路は、通常の電源電圧(3Vや5Vなど)よりも高電圧(例えば、20V以上)が入力又は出力される端子と、そのような高電圧を、該端子を介して入力又は出力するためのトランジスタを備えると共に、さらに、そのようなトランジスタを静電破壊から保護するための静電破壊保護装置を備えている。
図5は従来例に係る静電破壊保護装置を示す回路図である。100は出力端子、110はこの出力端子100に接続された高耐圧の出力MOSトランジスタ、D1は出力端子100にカソードが接続され、アノードに接地電位Vssが接続された第1の高耐圧ダイオードである。D2は出力端子100にアノードが接続され、カソードに高電源電位HVdd(例えば20V)が接続された第2の高耐圧ダイオードである。これらの第1及び第2の高耐圧ダイオードD1,D2によって静電破壊保護装置が構成されている。第1及び第2の高耐圧ダイオードD1,D2を用いている理由は、通常動作時に出力端子100に印加される高電圧によってダイオードのブレークダウンを生じないようにするためである。
そして、この静電破壊保護装置は、出力端子100に外部からサージ電圧が加わったときに、そのサージ電圧の極性に応じて第1及び第2の高耐圧ダイオードD1,D2の中、一方が順方向にオンし、他方が逆方向にブレークダウンを起こすことで、サージ電圧に伴う電荷を電源ライン、接地ラインに抜き、これにより出力トランジスタ110に高電圧が印加されて破壊されるのを防止している。
図6は従来例に係る他の静電破壊保護装置を示す回路図である。なお、図5と同一の構成部分については同一符号を付している。この静電破壊保護装置は、ドレインが出力端子100に接続され、ソース及びゲートが接地電位Vssに接続された、Nチャネル型の第1の高耐圧MOSトランジスタTr1と、ドレインが出力端子100に接続され、ソース及びゲートが高電源電位HVddに接続された、Pチャネル型の第1の高耐圧MOSトランジスタTr2とから構成されている。第1及び第2の高耐圧トランジスタTr1,Tr2を用いている理由は、通常動作時に出力端子100に印加される高電圧によってトランジスタのブレークダウンを生じないようにするためである。
そして、この静電破壊保護装置は、出力端子100に外部からサージ電圧が加わったときに、そのサージ電圧の極性に応じて第1及び第2の高耐圧MOSトランジスタTr1,Tr2の中、一方がオンし、他方がソースドレイン間ブレークダウンを起こすことで、サージ電圧に伴う電荷を電源ライン、接地ラインに抜き、これにより出力MOSトランジスタ110に高電圧が印加されて破壊されるのを防止している。
なお、この種の静電破壊保護装置は、例えば以下の特許文献1に記載されている。
特開平5−267586号公報
しかしながら、図5に示した静電破壊保護装置では、第1及び第2の高耐圧ダイオードD1,D2の抵抗成分が大きいため、サージ電圧に伴う電荷を電源ライン等に抜きにくい。そのため、この静電破壊保護装置では出力MOSトランジスタを十分保護できないと共に、第1及び第2の高耐圧ダイオードD1,D2そのものが破壊しやすいという問題を有していた。
また、図6に示した静電破壊保護装置では、第1及び第2の高耐圧MOSトランジスタTr1,Tr2のソースドレイン抵抗成分が大きいため、第1及び第2の高耐圧MOSトランジスタTr1,Tr2の破壊、特にそれらのドレイン表面部分での破壊が発生しやすいという問題を有していた。
また、図5、図6の静電破壊保護装置において、静電破壊保護特性を向上させるためには、第1及び第2の高耐圧ダイオードD1,D2や第1及び第2の高耐圧MOSトランジスタTr1,Tr2のサイズを大きく設計してそれらの抵抗成分を小さくすればよいが、そのようにすると半導体集積回路のチップ面積が増大してしまうという問題を有していた。
本発明の静電破壊保護装置は、上記の従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その特徴とするところは、被保護デバイスが接続された端子と所定の電位との間に複数の保護トランジスタを直列に接続し、保護トランジスタの基板を、その保護トランジスタとこれに隣接する保護トランジスタとの接続点に接続したことである。そして、そのような保護トランジスタの接続関係を半導体集積回路上で実現するために、トリプルウエル構造を用いて保護トランジスタを形成したものである。
本発明によれば、複数の保護トランジスタを直列に接続して静電破壊保護装置を構成しているので、1つの保護トランジスタにかかる電圧が小さくなる。また、保護トランジスタの基板を、その保護トランジスタとこれに隣接する保護トランジスタとの接続点に接続したことにより、基板と保護トランジスタのドレインまたはソースの間に高電圧が印加されることが防止される。
そのため、従来例の第1及び第2の高耐圧トランジスタTr1,Tr2のような高耐圧デバイスの代わりに、低耐圧のトランジスタを保護トランジスタとして利用することができるようになる。すると、低耐圧の保護トランジスタは、高耐圧の保護トランジスタに比してその構造上、抵抗成分が小さいので、サージ電圧に伴う電荷を電源ライン等に抜きやすくなる。
したがって、この静電破壊保護装置によれば、出力MOSトランジスタを十分保護できると共に、保護トランジスタそのものの破壊を防止することができる。
本発明の静電破壊保護装置によれば、被保護デバイスを静電破壊から十分に保護することができると共に、保護トランジスタそのものの破壊を防止することが可能になる。また、保護トランジスタのサイズを小さくできるので、半導体集積回路のチップサイズを小さくすることができるという効果も有している。
次に、本発明の実施形態に係る静電破壊保護装置について図面を参照しながら説明する。図1は、この静電破壊保護装置の回路図である。また、図2は、この静電破壊保護装置を構成する第1のMOSトランジスタTrA及び第2のMOSトランジスタTrBを示す断面図、図3は、この静電破壊保護装置を構成する第3のMOSトランジスタTrC及び第4のMOSトランジスタtrDを示す断面図である。
図1に示すように、100は出力端子、110はこの出力端子100に接続された高耐圧の出力MOSトランジスタである。出力端子100には、保護トランジスタであるNチャネル型の第1のMOSトランジスタTrA及び第2のMOSトランジスタTrBが出力端子100と接地電位Vssの間に直列に接続されている。
すなわち、第1のMOSトランジスタTrAのゲート23、ソース24及び、このトランジスタの基板であるPウエル22は接地電位Vssに接続されている。また、第2のMOSトランジスタTrBのゲート33、ソース34及び、このトランジスタの基板であるPウエル32は第1のMOSトランジスタTrAのドレイン25に接続されている。そして、第2のMOSトランジスタTrBのドレイン35は、出力端子100に接続されている。
一方、出力端子100には、保護トランジスタであるPチャネル型の第3のMOSトランジスタTrC及び第4のMOSトランジスタTrDが高電源電位HVddと出力端子100との間に直列に接続されている。すなわち、第3のMOSトランジスタTrCのゲート43、ソース24及び、このトランジスタの基板である第1のNウエル42は高電源電位HVddに接続されている。また、第4のMOSトランジスタTrDのゲート53、ソース54及び、このトランジスタの基板である第1のNウエル52は第3のトランジスタTrCのドレイン45に接続されている。そして、第4のMOSトランジスタTrDのドレイン55は、出力端子100に接続されている。
このように、本実施形態によれば、第1のMOSトランジスタTrAと第2のMOSトランジスタTrBとを直列に接続して静電破壊保護装置を構成しているので、通常動作時に出力端子100に高電位(例えば、高電源電位HVdd)が印加されたときに、1つのMOSトランジスタにかかる電圧が小さくなる。第1のMOSトランジスタTrAと第2のMOSトランジスタTrBを同じサイズで形成すれば、第1のMOSトランジスタTrAと第2のMOSトランジスタTrBのソースドレイン間にかかる電圧は、全体にかかる電圧の1/2になる。
しかも、第2のMOSトランジスタTrBの基板であるPウエル32を、第1のMOSトランジスタTrAと第2のMOSトランジスタTrBとの接続点に接続したことにより、基板であるPウエル32とドレイン25の間に高電圧が印加されることが防止される。つまり、基板であるPウエル32の電位が接地電位Vssより上昇するために、Pウエル32とドレイン25との電位差は小さくなる。
そのため、第1のMOSトランジスタTrAと第2のMOSトランジスタTrBは高耐圧トランジスタでなく、低耐圧のトランジスタで形成することができるようになる。一般に、低耐圧のトランジスタは、後述するように高耐圧のトランジスタに比してその構造上、抵抗成分が小さいので、サージ電圧に伴う電荷を電源ライン等に抜きやすくなる。したがって、この静電破壊保護装置によれば、出力MOSトランジスタを十分保護できると共に、保護トランジスタそのものの破壊を防止することができる。
以上は、接地電位Vss側に設けられた第1のMOSトランジスタTrAと第2のMOSトランジスタTrBから成る静電破壊保護装置について述べたが、高電源電位HVdd側に設けられた第3のMOSトランジスタTrCと第4のMOSトランジスタTrDから成る静電破壊保護装置についても同様な効果を奏する。
次に、これらの第1のMOSトランジスタTrA及び第2のMOSトランジスタTrBの構造及びそれらの接続関係について、図2を参照してさらに詳しく説明する。P型の半導体基板1の表面に2つの第2のNウエル20、30が互いに離間して形成されている。そして、この離間領域の半導体基板1の表面にはP+層2が形成され、このP+層2に接地電位Vssが印加されている。
これらの2つの第2のNウエル20、30は同一のイオン注入工程及び拡散工程で形成される。第2のNウエル20の表面には、第2のNウエル20よりも浅いPウエル22が形成され、もう1つの第2のNウエル30の表面には、第2のNウエル30よりも浅いもう1つのPウエル32が形成されている。これらのPウエル22、32は、2つの第2のNウエル20、30とは別工程で形成されるが、同一のイオン注入工程及び拡散工程で形成される。
第2のNウエル20のPウエル22と隣接した表面にはN+層21が形成され、このN+層21には電源電位Vddが印加されることで、第2のNウエル20はVddにバイアスされている。また、第2のNウエル30のPウエル32と隣接した表面にはN+層31が形成され、このN+層31には電源電位Vddが印加されることで、第2のNウエル30は同様にVddにバイアスされている。なお、電源電位Vddは
高電源電位HVddより小さい電源電位であるが、電源電位Vddの代わりに、高電源電位HVddを用いてもよい。
そして、第1のMOSトランジスタTrAはPウエル22内に形成され、第2のMOSトランジスタTrBは、もう1つのPウエル32内に形成される。第1のMOSトランジスタTrAは、Pウエル22上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート23、Pウエル22内に形成されたN+型のソース24及びドレイン25を有している。Pウエル22内に第1のMOSトランジスタTrAに隣接して形成されたP+層26には接地電位Vssが印加されている。ゲート23及びソース24にも同様に接地電位Vssが印加されている。
第2のMOSトランジスタTrBは、Pウエル32上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート33、Pウエル32内に形成されたN+型のソース34及びドレイン35を有している。Pウエル32内に第2のMOSトランジスタTrBに隣接して形成されたP+層36、ゲート33及びソース34は、第1のMOSトランジスタTrAのドレイン25に接続されている。これにより、第2のMOSトランジスタTrBの基板であるPウエル32は、第1のMOSトランジスタTrAのドレイン25と同電位に設定される。また、第2のMOSトランジスタTrBのドレイン35は、出力端子100に接続されている。
このように、本実施形態によれば、トリプルウエル構造を用いて、第1のMOSトランジスタTrA及び第2のMOSトランジスタTrBを半導体基板1から電気的に分離されたPウエル22,32に形成している。これにより、第2のMOSトランジスタTrBの基板であるPウエル32の電位を半導体基板1の接地電位Vssではなく、第2のMOSトランジスタTrBのドレイン25の電位に設定できる。また、第2のウエル20,30についても互いに離間させることで、第1のMOSトランジスタTrA及び第2のMOSトランジスタTrBはそれぞれ電気的に独立した第2のウエル20,30の中に形成されるため、外部ノイズの影響を互いに及ぼすことが防止される。
次に、第3のMOSトランジスタTrC及び第4のMOSトランジスタTrDの構造及びそれらの接続関係について、図3を参照して詳しく説明する。P型の半導体基板1の表面に、2つの第2のNウエル40、50が互いに離間して形成されている。そして、この離間領域の半導体基板1の表面にはP+層3が形成され、このP+層3に接地電位Vssが印加されている。
これらの2つの第2のNウエル40、50は、前述の第2のNウエル20、30と同一のイオン注入工程及び拡散工程で形成される。第2のNウエル40の表面には、第2のNウエル40よりも浅い第1のNウエル42が形成され、もう1つの第2のNウエル50の表面には、第2のNウエル50よりも浅いもう1つの第1のNウエル52が形成されている。これらの第1のNウエル42、52は、同一のイオン注入工程及び拡散工程で形成される。
第2のNウエル40の第1のNウエル42と隣接した表面にはN+層41が形成され、このN+層41には高電源電位HVddが印加されることで、第2のNウエル40及び第1のNウエル42はHVddにバイアスされている。また、第2のNウエル50の第1のNウエル52と隣接した表面にはN+層51が形成され、このN+層51には高電源電位HVddが印加されることで、第2のNウエル50及び第1のNウエル52は同様にHVddにバイアスされている。
そして、第3のMOSトランジスタTrCは第1のNウエル42内に形成され、第4のMOSトランジスタTrDは、もう1つの第1のNウエル52内に形成される。第3のMOSトランジスタTrCは、第1のNウエル42上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート43、第1のNウエル42内に形成されたP+型のソース44及びドレイン45を有している。第1のNウエル42内に第3のMOSトランジスタTrCに隣接して形成されたN+層46には高電源電位HVddが印加されている。ゲート43及びソース44にも同様に高電源電位HVddが印加されている。
第4のMOSトランジスタTrDは、第1のNウエル52上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート53、第1のNウエル52内に形成されたP+型のソース54及びドレイン55を有している。第1のNウエル52内に第4のMOSトランジスタTrDに隣接して形成されたN+層56、ゲート53及びソース54は、第3のMOSトランジスタTrCのドレイン45に接続されている。これにより、第4のMOSトランジスタTrDの基板である第1のNウエル52は、第3のMOSトランジスタTrCのドレイン45と同電位に設定される。また、第4のMOSトランジスタTrDのドレイン55は、出力端子100に接続されている。
このように、第3のMOSトランジスタTrC及び第4のMOSトランジスタTrDを半導体基板1から電気的に分離された第1のNウエル42,52に形成している。これにより、第1のNウエル52の電位を第3のMOSトランジスタTrCのドレイン45の電位に設定できる。また、第2のウエル40,50が互いに離間させることで、第3のMOSトランジスタTrC及び第4のMOSトランジスタTrDはそれぞれ電気的に独立した第2のウエル40,50の中に形成されるため、外部ノイズの影響を互いに及ぼすことが防止される。
なお、第3のMOSトランジスタTrC及び第4のMOSトランジスタTrDは、それぞれ2重のNウエルの中に形成されているが、いずれかのNウエルを省いて、単一のNウエルの中に形成するようにしてもよい。
次に、第1、第2、第3、第4のMOSトランジスタTrA、TrB、TrC、TrDの保護トランジスタとして適した構造について説明する。上述したように、本実施形態の静電破壊保護装置によれば、2つの保護トランジスタを直列に接続したことにより、低耐圧のMOSトランジスタであっても通常動作時に出力端子100に印加される高電圧に耐え得るものであり、しかも出力端子100にサージ電圧が印加され、静電破壊保護素子として働くときには、低耐圧のMOSトランジスタが低抵抗であることにより、サージ電圧に伴う電荷を速やかに電源ラインや接地ラインに逃がすことができる。
そこで、そのような低耐圧のMOSトランジスタとしては、図2、図3に示したような高不純物濃度のソース、ドレイン構造を有することが、抵抗成分を小さくする上で好ましい。例えば、第1のMOSトランジスタTrAは、N+型のソース24及びドレイン25を有しており、高耐圧MOSトランジスタの低不純物濃度のソース、ドレインを有していない。第2のMOSトランジスタTrB、第3のMOSトランジスタTrC、第4のMOSトランジスタTrDについても同じである。
しかしながら、そのような単一のソース・ドレイン構造に限らず、微細化プロセスで用いられるDDD構造(Double Diffused Drain Structure)や、LDD構造(Ligthly Doped Drain Structure)を有したMOSトランジスタをその代わりに用いても静電破壊保護特性の向上効果が得られる。
図4は、保護トランジスタの構造を示す断面図であり、図4(a)は、DDD構造を有したMOSトランジスタ、図4(b)は、LDD構造を有したMOSトランジスタを示している。図4(a)のDDD構造のMOSトランジスタは、高不純物濃度を有したN+型のソース24、ドレイン25に加えて、N+型ソース24より深く拡散され、これを部分的にあるいは全面的に内包する低不純物濃度を有したN−型のソース27s、N+型ドレイン25より深く拡散され、これを部分的にあるいは全面的に内包する低不純物濃度を有したN−型のドレイン27dを有している。これらのN−型のソース27s、N−型のドレイン27dはトランジスタの微細化に伴うショートチャネル効果やホットエレクロン効果の防止を図ったものであり、高耐圧トランジスタのように高耐圧化を狙ったものではない。N−型のソース27s、N−型のドレイン27dを設けたことによる抵抗成分の増加はわずかに過ぎない。
したがって、そのソースドレイン耐圧も微細化の程度にもよるが、せいぜい6V〜7V程度であり、本実施形態の出力MOSトランジスタ110のソースドレイン耐圧(例えば、20V以上)と比べると相当に低い。出力MOSトランジスタ110のソースドレイン構造は、N−型のソース、ドレインのサイズが大きく、抵抗成分が大きい。
また、図4(b)のLDD構造のMOSトランジスタは、N+型のソース24、ドレイン25に加えて、ゲート23の側壁に形成されたサイドウオールスペーサ絶縁膜28に下方のPウエル22の表面に、低不純物濃度を有したN−型のソース29s、N−型のドレイン29dを有している。これらのN−型のソース29s、N−型のドレイン29dについても、トランジスタの微細化に伴うショートチャネル効果やホットエレクロン効果の防止を図ったものであり、高耐圧トランジスタのように高耐圧化を狙ったものではない。N−型のソース29s、N−型のドレイン29dを設けたことによる抵抗成分の増加はわずかに過ぎない。
以上本発明の実施形態について説明したが、以上の説明に基づいて当業者にとって種々の代替、修正又は変形が可能であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で前述の代替、修正又は変形を包含するものである。
例えば、接地電位Vss側に、第1のMOSトランジスタTrAと第2のMOSトランジスタTrBとを直列接続し、高電源電位HVdd側に、第3のMOSトランジスタTrCと第4のMOSトランジスタTrDとを直列接続して静電破壊保護装置を構成しているが、直列接続するトランジスタの数を3つ以上に増やしてもよい。その場合、トランジスタの相互接続の形態は、本実施形態と同じにする。すなわち、各トランジスタはゲートとソースとを共通接続するものとし、トランジスタの基板は、そのトランジスタが接続される隣接トランジスタのドレインに接続するものとする。
また、本実施形態では、出力端子100に高耐圧の出力MOSトランジスタが接続されている高耐圧出力端子に前述の静電破壊保護装置を例として説明したが、これに限らず、高耐圧の入力MOSトランジスタが接続されている高耐圧入力端子に、本実施形態の静電破壊保護装置を設けてもよい。
本発明の実施形態に係る静電破壊保護装置の回路図である。 本実施形態の静電破壊保護装置を構成する第1のMOSトランジスタTrA及び第2のMOSトランジスタTrBの断面図である。 本実施形態の静電破壊保護装置を構成する第3のMOSトランジスタTrC及び第4のMOSトランジスタTrDの断面図である。 本実施形態の静電破壊保護装置を構成する保護トランジスタの構造を示す断面図である。 従来例に係る静電破壊保護装置の回路図である。 従来例に係る他の静電破壊保護装置の回路図である。

Claims (5)

  1. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された端子と、
    前記半導体基板の表面に形成された第2導電型ウエルと、
    前記第2導電型ウエル内に形成され、互いに離間された複数の第1導電型ウエルと、
    前記複数の第1導電型ウエルのそれぞれの表面に1つずつ形成され、前記端子と所定の電位の間に直列接続された複数の保護トランジスタと、
    前記保護トランジスタの基板である前記第1導電型ウエルを、その保護トランジスタとこれに隣接する保護トランジスタとの接続点に接続したことを特徴とする静電破壊保護装置。
  2. 前記第2導電型ウエルが互いに離間された複数の第2導電型ウエルに分割され、それら複数の第2導電型ウエル内に、それぞれ前記第1導電型ウエルが形成されていることを特徴とする請求項1に記載の静電破壊保護装置。
  3. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された端子と、
    前記半導体基板の表面に形成され、互いに離間された複数の第2導電型ウエルと、
    前記複数の第2導電型ウエルのそれぞれの表面に1つずつ形成され、前記端子と所定の電位の間に直列接続された複数の保護トランジスタと、
    前記保護トランジスタの基板である前記第2導電型ウエルを、その保護トランジスタとこれに隣接する保護トランジスタとの接続点に接続したことを特徴とする静電破壊保護装置。
  4. 前記保護トランジスタは単一のソース・ドレイン構造であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の静電破壊保護装置。
  5. 前記保護トランジスタのソース及びドレイン構造は、DDD構造またはLDD構造であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載の静電破壊保護装置。
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