JP5511370B2 - Semiconductor device - Google Patents
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本発明は、素子分離構造にシャロートレンチ分離を有する半導体装置における、ESD保護素子関する。 The present invention relates to an ESD protection element in a semiconductor device having a shallow trench isolation in an element isolation structure.
MOS型トランジスタを有する半導体装置では、外部接続用のPADからの静電気による内部回路の破壊を防止するためのESD保護素子として、N型MOSトランジスタのゲート電位をグランド(Vss)に固定してオフ状態として設置する、いわゆるオフトランジスタが知られている。 In a semiconductor device having a MOS transistor, the gate potential of the N-type MOS transistor is fixed to the ground (Vss) as an ESD protection element for preventing destruction of the internal circuit due to static electricity from the external connection PAD. A so-called off-transistor installed as is known.
オフトランジスタは、他ロジック回路などの内部回路を構成するMOS型トランジスタと異なり、一時に多量の静電気による電流を流しきる必要があるため、数百ミクロンレベルの大きなトランジスタ幅(W幅)にて設定されることが多い。 The off-transistor, unlike the MOS transistors that make up internal circuits such as other logic circuits, needs to pass a large amount of static electricity at a time, so it is set with a large transistor width (W width) of several hundred microns. Often done.
オフトランジスタのゲート電位はVssに固定され、オフ状態になっているものの、内部回路のN型MOSトランジスタと同様に1v以下の閾値を有するために、ある程度のサブスレッショルド電流が生じてしまう。上述のように、オフトランジスタのW幅が大きいために動作待機時のオフリーク電流も大きくなり、オフトランジスタを搭載するIC全体の動作待機時の消費電流が増大してしまうという問題点があった。 Although the gate potential of the off transistor is fixed to Vss and is in the off state, it has a threshold value of 1 v or less as with the N-type MOS transistor in the internal circuit, so that a certain amount of subthreshold current is generated. As described above, since the off-transistor has a large W width, the off-leakage current during operation standby increases, and there is a problem in that the current consumption during operation standby of the entire IC including the off-transistor increases.
特にシャロートレンチ分離を素子分離構造に用いる半導体装置の場合、その構造自体や製造方法に由来してシャロートレンチ近接の領域で結晶欠陥層などのリーク電流を発生し易い領域を有するという問題点があり、オフトランジスタのオフリーク電流はさらに大きな問題点となる。 In particular, in the case of a semiconductor device using shallow trench isolation for an element isolation structure, there is a problem that a region that is prone to leak current, such as a crystal defect layer, is generated in the vicinity of the shallow trench due to the structure itself and the manufacturing method. The off-leakage current of the off-transistor becomes a further problem.
保護素子のリーク電流を低減するための改善策として、電源(Vdd)とグランド(Vss)の間に完全にオフするように複数のトランジスタを配置する例も提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 As an improvement measure for reducing the leakage current of the protection element, an example in which a plurality of transistors are arranged so as to be completely turned off between a power supply (Vdd) and a ground (Vss) has been proposed (for example, Patent Document 1). reference.).
しかしながら、オフトランジスタのオフリーク電流を小さく抑えるためにW幅を小さくすると、十分な保護機能を果たせなくなってしまい。また改善例のように電源(Vdd)とグランド(Vss)の間に完全にオフするように複数のトランジスタを配置する半導体装置においては、複数のトランジスタを有するため占有面積が大きく増大し、半導体装置のコストアップに繋がるなどの問題点があった。 However, if the W width is reduced in order to keep the off-leakage current of the off transistor small, a sufficient protection function cannot be achieved. Further, in the semiconductor device in which a plurality of transistors are arranged so as to be completely turned off between the power supply (Vdd) and the ground (Vss) as in the improved example, the occupation area is greatly increased because the plurality of transistors are provided. There were problems such as leading to higher costs.
また、オフトランジスタを内部回路要素素子の保護素子として用いる場合には、諸パラメータの調整が複雑で、望ましい保護特性を得る設定を行うことが難しかった。 Further, when an off transistor is used as a protection element for an internal circuit element, adjustment of various parameters is complicated, and it is difficult to perform setting for obtaining desired protection characteristics.
上記問題点を解決するために、本発明は半導体装置を以下のように構成した。 In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
素子分離にシャロートレンチ構造を有するESD保護素子を有する半導体装置において、前記ESD保護素子は、中央に外部接続端子からの信号を受けるN型の領域が配置され、前記外部接続端子からの信号を受けるN型の領域の側面ならびに底面を囲むようにP型の領域が配置され、前記P型の領域の側面および底面を囲むように埋め込みN型の領域が配置され、
前記埋め込みN型の領域の周囲にP型の基板端子領域が配置され、前記P型の基板端子領域の周囲にトレンチ分離領域が配置された半導体装置とした。
In a semiconductor device having an ESD protection element having a shallow trench structure for element isolation, the ESD protection element has an N-type region for receiving a signal from an external connection terminal at the center, and receives a signal from the external connection terminal A P-type region is disposed so as to surround a side surface and a bottom surface of the N-type region, and an embedded N-type region is disposed so as to surround a side surface and a bottom surface of the P-type region;
A P-type substrate terminal region is arranged around the buried N-type region, and a trench isolation region is arranged around the P-type substrate terminal region.
また、前記ESD保護素子の前記外部接続端子からの信号を受けるN型の領域と接する前記P型の領域は、前記外部接続端子からの信号を受けるN型の領域に前記半導体装置の電源電圧より高い電圧が印加された際に、前記外部接続端子からの信号を受けるN型の領域と、前記埋め込みN型の領域とがパンチスルーして導通する濃度および幅で形成されている半導体装置とした。 In addition, the P-type region that is in contact with the N-type region that receives a signal from the external connection terminal of the ESD protection element has an N-type region that receives a signal from the external connection terminal by a power supply voltage of the semiconductor device. The semiconductor device is formed with a concentration and a width in which an N-type region that receives a signal from the external connection terminal and the buried N-type region are punched through when a high voltage is applied. .
また、前記埋め込みN型の領域のN型の不純物濃度は、前記P型の領域のP型の不純物濃度より高い半導体装置とした。 Further, the semiconductor device is configured such that the N-type impurity concentration in the buried N-type region is higher than the P-type impurity concentration in the P-type region.
また、前記P型の領域と、前記埋め込みN型の領域とは、共通の基板電位に固定されている半導体装置とした。 The P-type region and the buried N-type region are a semiconductor device fixed at a common substrate potential.
また、前記外部接続端子からの信号を受けるN型の領域、および前記P型の領域、および前記埋め込みN型の領域、および前記P型の基板端子領域は、同心円状に配置されている半導体装置とした。 A semiconductor device in which an N-type region that receives a signal from the external connection terminal, the P-type region, the embedded N-type region, and the P-type substrate terminal region are arranged concentrically. It was.
以上説明手段によって、オフリーク電流を小さく抑えつつ十分なESD保護機能を持たせたESD保護素子を占有面積を小さくしつつ簡便な方法で形成することができる。 By the means described above, an ESD protection element having a sufficient ESD protection function while suppressing off-leakage current can be formed by a simple method while reducing the occupied area.
以下に本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated with reference to drawings.
図1は、本発明による半導体装置の、ESD保護素子の第1の実施例を示す模式的断面図である。 FIG. 1 is a schematic sectional view showing a first embodiment of an ESD protection element of a semiconductor device according to the present invention.
P型のシリコン基板101上に埋め込みN型の領域202が形成され、埋め込みN型の領域202の内部側には、P型の領域801が形成されている。さらにP型の領域801の内部側には、外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901が形成されている。
A buried N-
ここで、外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901と接するP型の領域801は、外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901に半導体装置の電源電圧以上の電圧が印加された際に、外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901と、埋め込みN型の領域202とがパンチスルーして導通する幅および濃度で設けられている。
Here, in the P-
また、埋め込みN型の領域202のN型の不純物濃度は、P型の領域801のP型の不純物濃度より高くなるように設定されている。
Further, the N-type impurity concentration of the buried N-
さらに、P型の領域801と、埋め込みN型の領域202とは、濃いP型の不純物濃度領域からなる基板端子領域201と同一の電位になるように電気的に接続固定されており、P型のシリコン基板101と同一の電位となっている。
Further, the P-
また、基板端子領域201の周囲にはトレンチ分離領域301が形成され、他の素子との電気的な素子分離を行っているが、本発明の半導体装置のESD保護素子においては、トレンチ分離領域301は、基板端子領域201にのみ接する構造を取り、P型とN型の接合部には接することがない。
In addition, a
トレンチ分離領域301の近傍には、結晶欠陥層などのリーク電流を発生し易い領域を有するという問題点があったが、本発明の半導体装置のESD保護素子においては、トレンチ分離領域301の近傍は、基板端子領域201のみであり、P型とN型の接合部などは配置されていないためリーク電流を発生することが無い。
In the vicinity of the
P型の領域801におけるP型の不純物濃度と、P型の領域801の幅を適宜組み合わせて設定することにより、所望の印加電圧で外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901と、埋め込みN型の領域202とを外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901の側面および底面で同時にパンチスルーさせることが可能である。
By appropriately combining the P-type impurity concentration in the P-
P型の領域801の幅をこのように設定することにより、通常の半導体装置の動作状態で電源電圧以下の電圧の信号が外部端子に印加されている状態では、外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901と埋め込みN型の領域202とは逆導電型のP型の領域801で分離された状態となるため、ESD保護素子の埋め込みN型の領域202には外部端子に印加された信号(電圧)は伝達されず、ESD保護素子のオフリーク電流の発生を防止することができる。
By setting the width of the P-
一方、外部接続端子に大きな電圧(例えば静電気パルス)が印加された場合には、外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901とESD保護素子の埋め込みN型の領域202とが外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901の側面および底面で一気にパンチスルーして導通し、ESD保護素子として動作し、効率よく大きな静電気パルス電流を逃がすことができる。
これらの動作により、内部回路要素に対する保護機能がしっかりと発揮される。
On the other hand, when a large voltage (for example, electrostatic pulse) is applied to the external connection terminal, the
By these operations, the protection function for the internal circuit elements is firmly exhibited.
図2は、本発明による半導体装置の、ESD保護素子の第1の実施例を示す模式的平面図である。 FIG. 2 is a schematic plan view showing a first embodiment of the ESD protection element of the semiconductor device according to the present invention.
中央から、外部接続端子からの信号を受けるN型の領域901、次に外部接続端子からの信号を受けるN型の領域801の周囲にP型の領域801、さらにP型の領域801の周囲に埋め込みN型の領域202、そして埋め込みN型の領域202の周囲にP型の基板端子領域201が同心円状に配置されている。さらに、P型の基板端子領域201の外周は、トレンチ分離領域301で囲まれている。
From the center, an N-
図2に示すような、同心円状の配置である保護素子は、角部や、局所的に偏った構造が無いため、外部からサージが印加されたさいにも偏った局所的な場所での動作が無く、素子全体に平均して動作することができ、大きな電流を効率よく、高い耐性をもって処理することが可能である。 As shown in FIG. 2, the protective element having a concentric arrangement does not have a corner portion or a locally biased structure, and therefore operates in a localized location even when a surge is applied from the outside. Therefore, it is possible to operate on the whole element on average, and a large current can be processed efficiently and with high tolerance.
図1および図2の実施例においては、簡便のため1つのESD保護素子を示しているが、多数の保護素子を設置しても構わない。 In the embodiment of FIGS. 1 and 2, one ESD protection element is shown for the sake of simplicity, but a number of protection elements may be installed.
101 P型のシリコン基板
201 基板端子領域
202 埋め込みN型の領域
301 トレンチ分離領域
801 P型の領域
901 外部接続端子からの信号を受けるN型の領域
101 P-
Claims (4)
前記ESD保護素子は、P型シリコン基板の表面に設けられており、
中央に配置された外部接続端子からの信号を受けるN型の領域と、
前記外部接続端子からの信号を受けるN型の領域の側面ならびに底面を囲むように配置されたP型の領域と、
前記P型の領域の側面および底面を囲むように配置された埋め込みN型の領域と、
前記埋め込みN型の領域の周囲に配置されたP型の基板端子領域と、
前記P型の基板端子領域の周囲に配置されたトレンチ分離領域と、
を有することを特徴とする半導体装置であって、
前記ESD保護素子の前記外部接続端子からの信号を受けるN型の領域と接する前記P型の領域は、前記外部接続端子からの信号を受けるN型の領域に前記半導体装置の電源電圧より高い電圧が印加された際に、前記外部接続端子からの信号を受けるN型の領域と、前記埋め込みN型の領域とがパンチスルーして導通する濃度および幅で形成されている半導体装置。 A semiconductor device having an ESD protection element using a shallow trench structure for element isolation,
The ESD protection element is provided on the surface of a P-type silicon substrate,
An N-type region for receiving a signal from an external connection terminal disposed in the center;
A P-type region disposed so as to surround a side surface and a bottom surface of an N-type region that receives a signal from the external connection terminal;
An embedded N-type region disposed so as to surround a side surface and a bottom surface of the P-type region;
A P-type substrate terminal region disposed around the embedded N-type region;
A trench isolation region disposed around the P-type substrate terminal region;
A semiconductor device comprising :
The P-type region that is in contact with the N-type region that receives a signal from the external connection terminal of the ESD protection element has a voltage higher than the power supply voltage of the semiconductor device in the N-type region that receives the signal from the external connection terminal. The semiconductor device is formed with a concentration and a width such that an N-type region that receives a signal from the external connection terminal and the embedded N-type region punch through and become conductive when a voltage is applied.
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