JP4800605B2 - 静電破壊保護回路 - Google Patents

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Description

本発明は、静電破壊保護回路、特に、SOI(Silicon on Insulator)基板上に形成される静電破壊保護機能を備えた半導体装置で構成される静電破壊保護回路に関する。
半導体装置、特に電界効果型トランジスタ(以下、MOSトランジスタ)による集積回路などでは、人体や他のデバイスから発生する静電気放電(ESD:Electrostatic Discharge)に対し、いかに素子を保護するかが重要な課題となっている。
静電気サージから半導体素子を保護する方法及び構造には様々なものがある。例えば、バルク基板に形成される一般的なMOSトランジスタにおいては、その素子構造中に形成される単方向極性を持つ寄生ダイオードを利用して静電気サージを放電させる方法がある。この寄生ダイオードは、ドレインの拡散層と、ウェル層及びウェル給電のための拡散層との間で構成され、例えば、バルク構造のMOSトランジスタで出力回路を構成した場合、出力端子を介してドレインに印可された静電気サージは、寄生ダイオードの順方向動作によってウェル給電端子を介して電源に流れて放電される。
ところで、近年、電子機器の低消費電力化、高性能化及び小型化を具現化するため、SOI基板を使用する半導体素子の開発が盛んに進められている。特に、絶縁膜上の半導体層(以下、SOI層)が50nm以下と薄く、トランジスタのチャネル下のSOI層が完全に空乏化した状態で動作する完全空乏(FD:Fully Depleted)型SOI―MOSトランジスタは、その閾値電圧を小さくすることができるため、低消費電力化、高速化に対して非常に有力な素子となっている。
静電破壊保護機能を備えた半導体装置に関する発明が、例えば、特許文献1に記載されている。特許文献1に記載の半導体装置は、SOI基板を用いる半導体装置において、SOI基板の横方向に構成要素を配置したサイリスタからなる保護素子を入力端子に接続し、外部から印可される静電気サージを放電させている。
特開2003−209185号公報(第3−4頁、第1図)
上述したFD型SOI−MOSトランジスタにおいては、素子形成領域であるSOI層は埋め込み絶縁膜によって支持基板から完全に分離されており、また、動作時はチャネル下のSOI層が完全に空乏化しているため、バルク構造のMOSトランジスタのようにウェル層を介する単方向極性の寄生ダイオードが形成されることはない。FD型SOI−MOSトランジスタの場合には、ドレイン領域とチャネル領域との間で形成される寄生ダイオードに対し、逆の極性を持つ寄生ダイオードがソース領域とチャネル領域との間で直列に形成される。すなわち、2つの寄生ダイオードのカソード同士、もしくはアノード同士が向き合った双方向極性を持つ複合寄生ダイオードが形成されることになる。このため、FD型SOI−MOSトランジスタで出力回路を構成した場合、出力端子を介してドレインに印可された静電気サージは、順方向の寄生ダイオードだけでなく逆方向の寄生ダイオードも同時に通過しなければならない。一般に、FD型SOI−MOSトランジスタにおいて、寄生ダイオードの逆方向に静電気サージが印可された場合の破壊耐性は、順方向に印可された場合の約1/10〜1/100となる(HBM試験)。このように、FD型SOI−MOSトランジスタにおいては、その構造特有の複合寄生ダイオードの存在により、静電気サージに対する耐性が低いという問題がある。
特許文献1に記載の半導体装置は、入力回路を構成するMOSトランジスタと外部入力端子との間に、サイリスタ型の保護素子を接続して静電気サージを放電させるものであり、MOSトランジスタの構造中に形成される寄生ダイオードを用いて静電気サージを放電させるものではない。
本願発明に係る静電破壊保護回路は、チャネル領域が完全に空乏化した状態で動作する完全空乏型SOI構造を有する半導体装置で構成される静電破壊保護回路であって、出力信号を取り出す出力端子と、高電位側の電圧源に接続される第1電源配線と、低電位側の電圧源に接続される第2電源配線と、前記出力端子と前記第1電源配線との間に接続され、該出力端子に印加される正極性の静電気サージに対して順方向動作し、該正極性の静電気サージを該第1電源配線に伝える第1寄生ダイオードが外側に隣接して設けられたP型電界効果トランジスタと、前記出力端子と前記第2電源配線との間に接続され、該出力端子に印加される負極性の静電気サージに対して順方向動作し、該負極性の静電気サージを該第2電源配線に伝える第2寄生ダイオードが外側に隣接して設けられたN型電界効果トランジスタと、前記第1電源配線と前記第2電源配線との間に接続される保護トランジスタと、前記保護トランジスタのゲートと前記第1電源配線との間に接続される第1コンデンサと、前記保護トランジスタのゲートと前記第2電源配線との間に接続される第2コンデンサとを有する電源間保護回路と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る静電破壊保護回路によれば、素子の静電破壊耐性を向上させることができる。
〔NMOSトランジスタ〕
図1aは、本発明の一実施形態に係る半導体装置であるNMOSトランジスタ100の概略構造図である。ここで、NMOSトランジスタ100は、SOI基板上に形成されるFD型のNMOSトランジスタとし、後で説明するFD型のPMOSトランジスタ200と共に、例えば、半導体集積回路の出力回路を構成するものとする。なお、本実施形態で説明する構造は、部分空乏(PD:Partially Depleted)型のNMOSトランジスタに適用することも可能である。また、SOI基板を使用する代わりに、サファイアの表面に単結晶シリコン層を形成したSOS(Silicon on Sapphire)基板や、スピネルの表面に単結晶シリコン層を形成したSOS(Silicon on Spinel)基板を使用することも可能である。
NMOSトランジスタ100は、支持基板101と、埋め込み絶縁膜102と、フィールド絶縁膜103と、N層104及び105と、P層106と、P層107と、ゲート108とを備えている。支持基板101は、例えば、シリコン基板であり、埋め込み絶縁膜102は、例えば、シリコン酸化膜である。フィールド絶縁膜103は、通常のLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法などで形成される素子分離のためのシリコン酸化膜である。埋め込み絶縁膜102上の単結晶シリコン層、すなわちSOI層には、N層104及び105と、P層106と、P層107とが横方向に配置形成されている。N層104は、NMOSトランジスタ100のドレイン領域に相当し、半導体集積回路の出力端子OUTと接続される。N層105は、NMOSトランジスタ100のソース領域に相当し、低電位側の電圧源Vss(GND)と接続される。P層106は、NMOSトランジスタ100のチャネル領域に相当し、ゲート108に正電圧を印可することにより、P層106の表面にドレイン領域とソース領域とを接続する表面反転層、すなわちチャネルが形成される。なお、ゲート108に正電圧が印可されてNMOSトランジスタ100がONすると、P層106全体に空乏層が広がり、チャネル領域が完全に空乏化する。P層107は、ドレイン領域であるN層104に隣接して形成され、N層104とP層107との間において、N層104をカソードとし、P層107をアノードとする単方向極性を持つ寄生ダイオード109が形成される。また、P層107は、ソース領域であるN層105と共通に低電位側の電圧源Vss(GND)に接続される。
次に、NMOSトランジスタ100において、出力端子OUTに静電気サージが印可された場合の放電動作について説明する。例えば、出力端子OUTに負極性(−)の静電気サージが印可されたとすると、出力端子OUTに接続されるN層104の電位は、低電位側の電圧源Vss(GND)に接続されるP層107の電位よりも低くなる。この場合、寄生ダイオード109が順方向動作するため、出力端子OUTから電圧源Vss(GND)にかけて容易に静電気サージを流すことができる。一方、出力端子OUTに正極性(+)の静電気サージが印可された場合には、寄生ダイオード109は逆方向動作となるが、後で説明するPMOSトランジスタ200と共に出力回路を構成している場合には、正極性の静電気サージはPMOSトランジスタ200側に流れるため、NMOSトランジスタ100が破壊することはない。
図1bは、NMOSトランジスタ100の等価回路である。N層104に隣接してP層107を形成する(図1a参照)ことにより、ドレイン端子とソース端子との間に単方向極性を持つ寄生ダイオード109がMOSトランジスタ構造と並列に配置される構成となる。
〔PMOSトランジスタ〕
図2aは、本発明の一実施形態に係る半導体装置であるPMOSトランジスタ200の概略構造図である。ここで、PMOSトランジスタ200は、SOI基板上に形成されるFD型のPMOSトランジスタとし、上述したFD型のNMOSトランジスタ100と共に、例えば、半導体集積回路の出力回路を構成するものとする。なお、本実施形態で説明する構造は、PD型のPMOSトランジスタに適用することも可能である。また、SOI基板を使用する代わりに、サファイアの表面に単結晶シリコン層を形成したSOS(Silicon on Sapphire)基板や、スピネルの表面に単結晶シリコン層を形成したSOS(Silicon on Spinel)基板を使用することも可能である。
PMOSトランジスタ200は、支持基板201と、埋め込み絶縁膜202と、フィールド絶縁膜203と、P層204及び205と、N層206と、N層207と、ゲート208とを備えている。支持基板201は、例えば、シリコン基板であり、埋め込み絶縁膜202は、例えば、シリコン酸化膜である。フィールド絶縁膜203は、通常のLOCOS法などで形成される素子分離のためのシリコン酸化膜である。埋め込み絶縁膜202上の単結晶シリコン層、すなわちSOI層には、P層204及び205と、N層206と、N層207とが横方向に配置形成されている。P層204は、PMOSトランジスタ200のドレイン領域に相当し、半導体集積回路の出力端子OUTと接続される。P層205は、PMOSトランジスタ200のソース領域に相当し、高電位側の電圧源Vddと接続される。N層206は、PMOSトランジスタ200のチャネル領域に相当し、ゲート208に負電圧を印可することにより、N層206の表面にドレイン領域とソース領域とを接続する表面反転層、すなわちチャネルが形成される。なお、ゲート208に負電圧が印可されてPMOSトランジスタ200がONすると、N層206全体に空乏層が広がり、チャネル領域が完全に空乏化する。N層207は、ドレイン領域であるP層204に隣接して形成され、P層204とN層207との間において、P層204をアノードとし、N層207をカソードとする単方向極性を持つ寄生ダイオード209が形成される。また、N層207は、ソース領域であるP層205と共通に高電位側の電圧源Vddに接続される。
次に、PMOSトランジスタ200において、出力端子OUTに静電気サージが印可された場合の放電動作について説明する。例えば、出力端子OUTに正極性(+)の静電気サージが印可されたとすると、出力端子OUTに接続されるP層204の電位は、高電位側の電圧源Vddに接続されるN層207の電位よりも高くなる。この場合、寄生ダイオード209が順方向動作するため、出力端子OUTから電圧源Vddにかけて容易に静電気サージを流すことができる。一方、出力端子OUTに負極性(−)の静電気サージが印可された場合には、寄生ダイオード209は逆方向動作となるが、上述したNMOSトランジスタ100と共に出力回路を構成している場合には、負極性の静電気サージはNMOSトランジスタ100側に流れるため、PMOSトランジスタ200が破壊することはない。
図2bは、PMOSトランジスタ200の等価回路である。P層204に隣接してN層207を形成する(図2a参照)ことにより、ドレイン端子とソース端子との間に単方向極性を持つ寄生ダイオード209がMOSトランジスタ構造と並列に配置される構成となる。
〔静電破壊保護回路〕
図3は、NMOSトランジスタ100及びPMOSトランジスタ200からなる出力回路を有する静電破壊保護回路1000の構成図である。
静電破壊保護回路1000は、NMOSトランジスタ100と、PMOSトランジスタ200と、電源間保護回路300と、Vdd配線400と、Vss配線500とを備えている。
NMOSトランジスタ100は、図1bの等価回路で示すように、MOSトランジスタ構造と並列に寄生ダイオード109を有している。PMOSトランジスタ200は、図2bの等価回路で示すように、POSトランジスタ構造と並列に寄生ダイオード209を有している。NMOSトランジスタ100及びPMOSトランジスタ200のドレイン端子(D)は共通で、半導体集積回路の出力端子OUTに接続される。NMOSトランジスタ100及びPMOSトランジスタ200のゲート端子(G)は共通で、半導体集積回路の内部回路に接続される。NMOSトランジスタ100のソース端子(S1)は、Vss配線500を介して低電位側の電圧源Vss(GND)に接続される。PMOSトランジスタ200のソース端子(S2)は、Vdd配線400を介して高電位側の電圧源Vddに接続される。
電源間保護回路300は、保護トランジスタ301と、コンデンサ302及び303とを備えている。保護トランジスタ301は、高電位側のVdd配線400と、低電位側のVss配線500との間に接続される。保護トランジスタ301のゲートは、コンデンサ302を介してVdd配線400と接続され、また、コンデンサ303を介してVss配線500と接続される。ここで、保護トランジスタ301のゲート電圧をVg、コンデンサ302の容量をC1、コンデンサ303の容量をC2とすれば、
Vg=(Vdd−Vss)×C1/(C1+C2) ・・・ (1)
となることは容易に分かる。通常の状態では、保護トランジスタ301はOFFでなければならないため、Vgが保護トランジスタ301の閾値電圧Vthよりも小さくなるように容量C1及びC2を設定する。なお、本実施形態における保護トランジスタ301はNMOSトランジスタであるが、PMOSトランジスタを使用することも可能である。
次に、静電破壊保護回路1000において、出力端子OUTに静電気サージが印可された場合の放電動作について説明する。
まず、出力端子OUTに正極性の静電気サージSURGE−Aが印可されると、NMOSトランジスタ100の寄生ダイオード109は逆方向にバイアスされ、PMOSトランジスタ200の寄生ダイオード209は順方向にバイアスされる。このため、SURGE−Aは、順方向の寄生ダイオード209を介してVdd配線400へと流れる。Vdd配線400に流れたSURGE−Aは、瞬間的にVdd配線400の電位を持ち上げる。ここで、SURGE−Aの電位をVsa、SURGE−Aが印可された時の保護トランジスタ301のゲート電圧をVg’とすれば、
Vg’=(Vsa−Vss)×C1/(C1+C2) ・・・ (2)
となる。通常、SURGE−Aの電位は数100Vのオーダー(Vsa>>Vdd)であると考えられるので、式(1)及び(2)よりVg’>>Vgとなる。このゲート電圧Vg’は、保護トランジスタ301の閾値電圧Vthよりも大きいため、SURGE−Aが印可されることにより保護トランジスタ301がONする。保護トランジスタ301がONすると、Vdd配線400とVss配線500とが短絡し、SURGE−Aが低電位側の電圧源Vss(GND)へと流れることになる。つまり、正極性の静電気サージSURGE−Aが印可されると、図3の矢印Aで示す経路、すなわち、寄生ダイオード209→Vdd配線400→電源間保護回路300→Vss(GND)という経路を通してSURGE−Aが放電される。このように、SURGE−Aの放電経路に逆方向動作の寄生ダイオードが存在しないため、素子の静電破壊耐性が向上する。
一方、出力端子OUTに負極性の静電気サージSURGE−Bが印可されると、NMOSトランジスタ100の寄生ダイオード109は順方向にバイアスされ、PMOSトランジスタ200の寄生ダイオード209は逆方向にバイアスされる。このため、SURGE−Bは、順方向の寄生ダイオード109を介してVss配線500へと流れる。Vss配線500に流れたSURGE−Bは、瞬間的にVss配線500の電位を押し下げる。ここで、SURGE−Bの電位を−Vsb、SURGE−Bが印可された時の保護トランジスタ301のゲート電圧をVg”とすれば、
Vg”=(Vdd−(−Vsb))×C1/(C1+C2) ・・・ (3)
となる。通常、SURGE−Bの電位は−数100Vのオーダーであると考えられるので、式(1)及び(3)よりVg”>>Vgとなる。このゲート電圧Vg”は、保護トランジスタ301の閾値電圧Vthよりも大きいため、SURGE−Bが印可されることにより保護トランジスタ301がONする。保護トランジスタ301がONすると、Vdd配線400とVss配線500とが短絡し、SURGE−Bが高電位側の電圧源Vddへと流れることになる。つまり、正極性の静電気サージSURGE−Bが印可されると、図3の矢印Bで示す経路、すなわち、寄生ダイオード109→Vss配線500→電源間保護回路300→Vddという経路を通してSURGE−Bが放電される。このように、SURGE−Bの放電経路に逆方向動作の寄生ダイオードが存在しないため、素子の静電破壊耐性が向上する。
〔作用効果〕
本発明の一実施形態に係る半導体装置によれば、SOI基板に形成されるNMOSトランジスタ100のSOI層において、ドレイン領域(N層104)及びソース領域(N層105)と異なる極性の不純物領域(P層107)をドレイン領域に隣接して形成し、その不純物領域とドレイン領域との間で単方向極性を持つ寄生ダイオード109を形成することにより、例えば、出力端子OUTに接続されたドレイン端子に印可された負極性(−)の静電気サージを容易に電圧源Vss(GND)に放電することができるようになる。また、SOI基板に形成されるPMOSトランジスタ200のSOI層において、ドレイン領域(P層204)及びソース領域(P層205)と異なる極性の不純物領域(N層207)をドレイン領域に隣接して形成し、その不純物領域とドレイン領域との間で単方向極性を持つ寄生ダイオード209を形成することにより、例えば、出力端子OUTに接続されたドレイン端子に印可された正極性(+)の静電気サージを容易に電圧源Vddに放電することができるようになる。そして、NMOSトランジスタ100及びMOSトランジスタ200を出力回路として静電破壊保護回路1000を構成することにより、出力端子OUTに正負どちらの極性の静電気サージが印可されても、放電経路に逆方向動作の寄生ダイオードを含まないため、素子の静電破壊耐性を向上させることができる。
一実施形態に係るNMOSトランジスタの構造図と等価回路。 一実施形態に係るPMOSトランジスタの構造図と等価回路。 一実施形態に係る静電破壊保護回路の構成図。
符号の説明
100・・・NMOSトランジスタ
101・・・支持基板
102・・・埋め込み絶縁膜
103・・・フィールド絶縁膜
104、105・・・N
106・・・P層
107・・・P
108・・・ゲート
109・・・寄生ダイオード
200・・・NMOSトランジスタ
201・・・支持基板
202・・・埋め込み絶縁膜
203・・・フィールド絶縁膜
204、205・・・P
206・・・N層
207・・・N
208・・・ゲート
209・・・寄生ダイオード
300・・・電源間保護回路
301・・・保護トランジスタ
302、303・・・コンデンサ
400・・・Vdd配線
500・・・Vss配線

Claims (5)

  1. チャネル領域が完全に空乏化した状態で動作する完全空乏型SOI構造を有する半導体装置で構成される静電破壊保護回路であって、
    出力信号を取り出す出力端子と、
    高電位側の電圧源に接続される第1電源配線と、
    低電位側の電圧源に接続される第2電源配線と、
    前記出力端子と前記第1電源配線との間に接続され、該出力端子に印加される正極性の静電気サージに対して順方向動作し、該正極性の静電気サージを該第1電源配線に伝える第1寄生ダイオードが外側に隣接して設けられたP型電界効果トランジスタと、
    前記出力端子と前記第2電源配線との間に接続され、該出力端子に印加される負極性の静電気サージに対して順方向動作し、該負極性の静電気サージを該第2電源配線に伝える第2寄生ダイオードが外側に隣接して設けられたN型電界効果トランジスタと、
    前記第1電源配線と前記第2電源配線との間に接続される保護トランジスタと、前記保護トランジスタのゲートと前記第1電源配線との間に接続される第1コンデンサと、前記保護トランジスタのゲートと前記第2電源配線との間に接続される第2コンデンサとを有する電源間保護回路と、
    を備えることを特徴とする静電破壊保護回路。
  2. 前記保護トランジスタは、前記第1電源配線に前記正極性の静電気サージが印加されると導通し、前記正極性の静電気サージを前記低電位側の電圧源に放電することを特徴とする、請求項1に記載の静電破壊保護回路。
  3. 前記第1コンデンサ及び前記第2コンデンサは、前記正極性の静電気サージが印加されない通常動作時において、前記保護トランジスタの前記ゲートへの印加電圧が前記保護トランジスタの閾値電圧よりも小さくなるように設定されることを特徴とする、請求項2に記載の静電破壊保護回路。
  4. 前記保護トランジスタは、前記第電源配線に前記極性の静電気サージが印加されると導通し、前記極性の静電気サージを前記電位側の電圧源に放電することを特徴とする、請求項に記載の静電破壊保護回路。
  5. 前記第1コンデンサ及び前記第2コンデンサは、前記極性の静電気サージが印加されない通常動作時において、前記保護トランジスタの前記ゲートへの印加電圧が前記保護トランジスタの閾値電圧よりも小さくなるように設定されることを特徴とする、請求項4に記載の静電破壊保護回路。
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