JP7413303B2 - 半導体装置及び半導体システム - Google Patents
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Description
第1実施形態に係る半導体システム1は、ESDに対する保護装置を含む、半導体システムの一種である。半導体システム1は、例えばSOI(Silicon On Insulator)CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスによって製造された集積回路(IC)である。半導体システム1は、例えば無線通信に関する高周波信号を増幅する機能を有する。以下に、第1実施形態に係る半導体システム1について説明する。
[1-1-1]半導体システム1の全体構成
図1は、第1実施形態に係る半導体システム1の構成の一例を示すブロック図である。図1に示すように、半導体システム1は、電源線PL1と、電源線PL2と、端子T1と、端子T2と、半導体装置10と、半導体装置20とを備える。
(半導体装置10の回路構成)
図2は、第1実施形態に係る半導体装置10の回路構成の一例を示す回路図である。図2に示すように、半導体装置10は、ダイオードDI11及びDI12と、抵抗R1と、トランジスタPM1及びPM2と、トランジスタNM1、NM2、及びNM3と、を含む。
以下に、トランジスタNM3の構造について説明する。なお、以下で参照される図面において、X方向とY方向とで定められる平面は支持基板の表面に対して平行な面に対応し、Z軸方向は支持基板の表面に対する鉛直方向に対応する。支持基板は、少なくともトランジスタNM3が形成される半導体基板であり、例えば、支持基板に、半導体装置10及び20が1つの半導体チップとして形成される。
図6は、第1実施形態に係る半導体装置10に含まれるダイオードDI11の断面構造の一例を示す断面図である。図6に示すように、半導体装置10は、支持基板200、絶縁体層210、半導体層220、配線層230、絶縁膜120、導電体111、絶縁体300、コンタクトCCを含んでいる。図6に示す領域では、半導体層220は、P型拡散領域105、N型拡散領域106、及びN型拡散領域107を含んでいる。図6に示す領域では、配線層230は、導電体114及び導電体115を含んでいる。
第1実施形態に係る半導体装置10は、条件に応じて、異なる動作を行う。以下に、半導体システム1に電源電圧が印加され通常動作している場合と、半導体システム1に正のESDが印加された場合とについて、順に説明する。
図7は、第1実施形態に係る半導体システム1の通常状態における動作の一例を示す概略図である。図7は、半導体システム1に電源装置PSが接続されている場合を例示している。以下に、図7を参照して、半導体システム1に電源電圧が印加され通常動作している際の、半導体装置10の動作について説明する。
図8は、第1実施形態に係る半導体装置に正のESDが印加された場合の一例を示す概略図である。図8は、半導体システム1にESD試験装置TD1が接続されている場合を例示している。以下に、図8を参照して、半導体システム1の電源線PL1に、ESDによって正の電圧が生じる場合の、半導体装置10の動作について説明する。
以上で説明した第1実施形態に係る半導体システム1によれば、ESD耐性を向上させることができる。以下に、第1実施形態に係る半導体システム1の詳細な効果について説明する。
第2実施形態に係る半導体システム1の構成は、第1実施形態に係る半導体システム1に対して、半導体装置10が半導体装置11に変更されている点が異なる。以下に、第2実施形態に係る半導体装置11について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図9は、第2実施形態に係る半導体装置11の回路構成の一例を示す回路図である。図9に示すように、第2実施形態に係る半導体装置11は、第1実施形態に係る半導体装置10に、ダイオードDI21が追加された構成を有する。
第2実施形態に係る半導体装置11は、条件に応じて、異なる動作を行う。半導体システム1に電源電圧が印加され通常動作している場合と、半導体システム1に正のESDが印加された場合とのそれぞれにおける半導体装置11の動作は、第1実施形態で説明した半導体装置10の動作と同様である。以下に、半導体システム1に負のESDが印加された場合の、半導体装置11の動作について説明する。
図10は、第2実施形態に係る半導体装置に負のESDが印加された場合の動作の一例を示す概略図である。図10は、半導体システム1にESD試験装置TD2が接続されている場合を例示している。以下に、図10を参照して、半導体システム1の電源線PL1に、ESDによって負の電圧が生じる場合の、半導体装置11の動作について説明する。
以上で説明した第2実施形態に係る半導体システム1によれば、ESD耐性を向上させることができる。以下に、第2実施形態に係る半導体システム1の詳細な効果について説明する。
第3実施形態に係る半導体システム1aは、第2実施形態に係る半導体システム1に対して、端子T3及び信号線SLをさらに備え、半導体装置11が半導体装置12に変更され、半導体装置20が半導体装置21に変更されている点が異なる。以下に、第3実施形態に係る半導体システム1aについて、第2実施形態と異なる点を説明する。
[3-1-1]半導体システム1aの全体構成
図11は、第3実施形態に係る半導体システム1aの構成の一例を示すブロック図である。図11に示すように、半導体システム1aは、第2実施形態に係る半導体システム1に端子T3と信号線SLとが追加され、半導体装置11が半導体装置12に変更され、半導体装置20が半導体装置21に変更された構成を有する。
図12は、第3実施形態に係る半導体装置12の回路構成の一例を示す回路図である。図12に示すように、第3実施形態に係る半導体装置12は、第2実施形態に係る半導体装置11に、ダイオードDI31及びDI32が追加された構成を有する。
第3実施形態に係る半導体システム1aは、端子T3にESDが印加された際の動作が、第2実施形態に係る半導体システム1と異なる。端子T1及びT2にESDが印加された場合の動作は、第2実施形態に係る半導体システム1と同様である。以下に、第3実施形態に係る半導体システム1aの端子T3にESDが印加された場合について説明する。
以上で説明した第3実施形態に係る半導体システム1aによれば、ESD耐性を向上させることができる。以下に、第3実施形態に係る半導体システム1aの詳細な効果について説明する。
上記説明した第1実施形態及び第2実施形態、並びに後述する第1比較例及び第2比較例について、半導体装置にESDが印加された際の電流及び電圧の時間変化をシミュレーションし、評価を行った。以下に、比較例の構成、シミュレーションの具体的な条件、シミュレーションの結果について、順に説明する。
まず、比較例の構成について説明する。実施形態に対してインバータの構成が異なる第1比較例と、いわゆるRCTMOSとして知られている第2比較例とについて、順に説明する。
図13は、第1比較例に係る半導体装置13の回路構成の一例を示す回路図である。図13に示すように、半導体装置13は、ダイオードDI111、DI112、及びDI121と、抵抗R11と、トランジスタPM11及びPM12と、トランジスタNM11、NM12、及びNM13と、を含む。
図14は、第2比較例に係る半導体装置14の回路構成の一例を示す回路図である。半導体装置14は、一般にRCTMOSと呼ばれる、ESD保護装置である。図14に示すように、半導体装置14は、ダイオードDI221と、抵抗R21と、キャパシタC21と、トランジスタPM21、PM22、及びPM23と、トランジスタNM21、NM22、NM23、及びNM24と、を含む。
次に、シミュレーションの具体的な条件について説明する。
シミュレーションを行う上で、各種パラメータを以下のように定めた。なお、本明細書では、マイクロ(μ)の記載に“u”を用いる。例えば、“um”はマイクロメートルであり、“us”はマイクロ秒である。
各トランジスタのゲート酸化膜の厚さ:5.5nm
各トランジスタのゲート長:0.25um
電源線PL1と電源線PL2との間の容量:10pF
放電経路として機能するトランジスタのゲート幅:2400um
なお、放電経路として機能するトランジスタは、実施形態と各比較例とにおいて参照符号が異なるため、以下にそれぞれ記載する。
トランジスタPM1のゲート幅:16um
トランジスタNM1のゲート幅:42um
トランジスタPM2のゲート幅:80um
トランジスタNM2のゲート幅:21um
トランジスタNM3のゲート幅:2400um
ダイオードDI11及びDI12それぞれのフローティングゲートの幅:10um
抵抗R1の抵抗値:1MΩ
なお、駆動部を構成するトランジスタのゲート幅の合計は、159umである。
ダイオードDI21のフローティングゲートの幅:500um
なお、第1実施形態と同様の構成については、第1実施形態と同様のパラメータを用いた。
トランジスタPM11のゲート幅:32um
トランジスタNM11のゲート幅:14um
トランジスタPM12のゲート幅:80um
トランジスタNM12のゲート幅:35um
トランジスタNM13のゲート幅:2400um
ダイオードDI111及びDI112それぞれのフローティングゲートの幅:10um
ダイオードDI121のフローティングゲートの幅:500um
抵抗R11の抵抗値:1MΩ
なお、インバータINV11及びINV12における、PMOSとNMOSのサイズ比は、16:7である。また、インバータINV12を構成するトランジスタのサイズは、インバータINV11を構成するトランジスタのサイズの2.5倍である。このように、第1比較例に含まれるインバータのパラメータは、各インバータにおいてPMOSトランジスタがNMOSトランジスタよりも大きく、2段目のインバータが1段目のインバータよりも大きい、一般的な構成となっている。
トランジスタPM21のゲート幅:48um
トランジスタNM21のゲート幅:7um
トランジスタPM22のゲート幅:16um
トランジスタNM22のゲート幅:42um
トランジスタPM23のゲート幅:80um
トランジスタNM23のゲート幅:21um
トランジスタNM24のゲート幅:2400um
抵抗R21の抵抗値:227kΩ
キャパシタC21の容量:1pF
ダイオードDI221のフローティングゲートの幅:500um
なお、駆動部を構成するトランジスタのゲート幅の合計は、214umである。
シミュレーションにおいて半導体装置のESD耐性を評価する条件について説明する。各半導体装置において、電源線PL2を接地し、電源線PL1にESDを印加した際の、電源線PL1の電圧の変化をシミュレーションした。電源線PL1に印加するESDのモデルは、HBM(Human body model)又はMM(Machine model)を用いた。また、HBMの場合は+2kV又は-2kV、MMの場合は+200V又は-200Vでシミュレーションを行った。以後、電源線PL1の電圧を電圧Vddと呼び、ESDを印加した際のピーク電圧をVdd_peakと呼ぶ。なお、ピーク電圧とは、ESDを印加した際に生じた電圧の中で、絶対値が最も大きくなった際の電圧である。
シミュレーションにおいて、電源電圧を印加した際に各半導体装置において生じる突入電流を評価する条件について説明する。各半導体装置において、電源線PL2を接地し、電源線PL1の電圧が0Vの状態において、電源線PL1に、0Vから1.2Vへ1usの期間で線形に立ち上がる電源電圧を印加した際に、半導体装置に流入する突入電流の量をシミュレーションした。以後、電源線PL1に流入する電流を電流Iddと呼び、電源電圧を印加した際に生じる突入電流の最大値をIdd_peakと呼ぶ。電源電圧が0Vから1.2Vへ線形に立ち上がる時間を、Triseと呼ぶ。
シミュレーションの結果について、図15乃至図21を参照して説明する。図15は、第1実施形態及び第2実施形態並びに第1比較例及び第2比較例に係る半導体装置のシミュレーション結果を示すテーブルである。図15では、ESD耐性の評価結果と、突入電流の評価結果について、各条件におけるピーク値をまとめて示している。具体的には、ESD耐性については、HBMかつ+2kVの場合と、HBMかつ-2kVの場合と、MMかつ+200Vの場合と、MMかつ-200Vの場合とについて、各半導体装置それぞれにおけるVdd_peakを示している。Vdd_peakは、4桁目を四捨五入して、3桁にして示している。突入電流については、Triseが1us且つ抵抗値が変動していない場合について、各半導体装置それぞれにおけるIdd_peakを示している。図16乃至図21のそれぞれは、各条件におけるシミュレーション結果の一例を示す図である。以下に、図15に示す値と、図16乃至図21に示す例とを適宜参照して、シミュレーション結果について説明する。
図15に示すように、HBMかつ+2kVの場合のVdd_peakは、第1実施形態が2.17V、第2実施形態が2.17V、第1比較例が2.96V、第2比較例が2.95Vとなった。このように、HBMかつ+2kVの条件において、第1及び第2実施形態は、第1及び第2比較例に対して、ピーク電圧が抑制されている。第2実施形態と第1比較例とのそれぞれにおけるシミュレーション結果の詳細について、図16を参照して説明する。
図15に示すように、HBMかつ-2kVの場合のVdd_peakは、第1実施形態が-3.05V、第2実施形態が-1.67V、第1比較例が-1.68V、第2比較例が-2.07Vとなった。このように、HBMかつ-2kVの条件において、第2実施形態は、第1実施形態に対して、ピーク電圧が抑制されている。第1実施形態と第2実施形態とのシミュレーション結果の詳細について、図17を参照して説明する。
図15に示すように、MMかつ+200Vの場合のVdd_peakは、第1実施形態が2.97V、第2実施形態が2.97V、第1比較例が3.14V、第2比較例が2.97Vとなった。このように、MMかつ+200Vの条件において、第1及び第2実施形態は、第1比較例に対して、ピーク電圧が抑制されている。第2実施形態と第1比較例とのシミュレーション結果の詳細について、図18を参照して説明する。
図15に示すように、MMかつ-200Vの場合のVdd_peakは、第1実施形態が-4.35V、第2実施形態が-2.18V、第1比較例が-2.23V、第2比較例が-2.07Vとなった。このように、MMかつ-200Vに対して、第2実施形態は、第1実施形態に対して、ピーク電圧が抑制されている。第1実施形態と第2実施形態とのシミュレーション結果の詳細について、図19を参照して説明する。
図15に示すように、Triseが1usの場合のIdd_peakは、第1実施形態が31uA、第2実施形態が31uA、第1比較例が28uA、第2比較例が724uAとなった。このように、第1及び第2実施形態並びに第1比較例は、第2比較例に対して、突入電流が抑制されている。第2実施形態と第2比較例とのシミュレーション結果の詳細について、図20を参照して説明する。
図21は、第2実施形態と第2比較例とのそれぞれで抵抗値が変動した際のシミュレーション結果を示すテーブルである。第2実施形態と第2比較例とのそれぞれにおいて、抵抗値を0.9倍又は1.1倍に変動させた場合と、変動が無い1倍の場合とのそれぞれについて、シミュレーションを行った。シミュレーションは、HBMかつ+2kVにおけるVdd_peakと、Trise=1usにおけるIdd_peakとについて行った。図21は、これらのシミュレーション結果をまとめて示している。
本明細書において、電圧が略等しいとは、トランジスタのオン抵抗、リーク電流、配線の抵抗成分等の影響による微少な電圧差があった場合でも、略等しいと見なすことを示している。
Claims (8)
- 基板と、前記基板上に設けられた絶縁体層と、前記絶縁体層上に設けられた半導体層とを備えるSOI(Silicon On Insulator)基板上に形成された半導体装置であって、
第1電源線と、
第2電源線と、
前記第1電源線と第1ノードとの間に、前記第1電源線側をアノードとする向きで直列に接続された複数の第1ダイオードと、
前記第1ノードと前記第2電源線との間に接続された第1抵抗と、
ゲートが前記第1ノードに接続され、ソースが前記第1電源線に接続され、ボディが前記第1電源線に接続され、ドレインが第2ノードに接続された第1のP型トランジスタと、
ゲートが前記第1ノードに接続され、ソースが前記第2電源線に接続され、ボディが前記第2電源線に接続され、ドレインが前記第2ノードに接続された第1のN型トランジスタと、
ゲートが前記第2ノードに接続され、ソースが前記第1電源線に接続され、ボディが前記第1電源線に接続され、ドレインが第3ノードに接続された第2のP型トランジスタと、
ゲートが前記第2ノードに接続され、ソースが前記第2電源線に接続され、ボディが前記第2電源線に接続され、ドレインが前記第3ノードに接続された第2のN型トランジスタと、
ゲートが前記第3ノードに接続され、ソースが前記第2電源線に接続され、ボディが前記第2電源線に接続され、ドレインが前記第1電源線に接続された第3のN型トランジスタと、
を備え、
前記第1のP型トランジスタのゲート幅をゲート長で除算した値は、前記第1のN型トランジスタのゲート幅をゲート長で除算した値よりも小さく、
前記第2のN型トランジスタのゲート幅をゲート長で除算した値は、前記第2のP型トランジスタのゲート幅をゲート長で除算した値よりも小さく、
前記第2のN型トランジスタのゲート幅をゲート長で除算した値は、前記第1のN型トランジスタのゲート幅をゲート長で除算した値よりも小さく、
前記第1のN型トランジスタのゲート幅をゲート長で除算した値は、前記第3のN型トランジスタのゲート幅をゲート長で除算した値よりも小さい、
半導体装置。 - アノードが前記第2電源線に接続され、カソードが前記第1電源線に接続された第2ダイオードをさらに備え、
前記複数の第1ダイオードそれぞれのPN接合の面積は、前記第2ダイオードのPN接合の面積よりも小さい、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1及び第2のP型トランジスタ、並びに前記第1乃至第3のN型トランジスタのそれぞれは、完全空乏型のトランジスタである、
請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 前記半導体層は、
第1方向に延伸し、前記第1方向と交差する第2方向に並んで設けられる第1のN型拡散領域及び第2のN型拡散領域と、
前記第1方向に延伸し、前記第2方向において前記第1のN型拡散領域と前記第2のN型拡散領域との間に設けられる第3のN型拡散領域と、
前記第1のN型拡散領域と前記第3のN型拡散領域との間に設けられる第1部分と、前記第2のN型拡散領域と前記第3のN型拡散領域との間に設けられる第2部分と、前記第3のN型拡散領域を前記第1方向に分断し、前記第1部分と前記第2部分とを接続する第3部分と、を含む、第1のP型拡散領域と、
前記第3のN型拡散領域と前記第1のP型拡散領域の前記第3部分とに周囲を囲われ、前記第1のP型拡散領域の前記第3部分と前記第1方向で接している第2のP型拡散領域と、
を含み、
前記第3のN型拡散領域上に設けられた第1コンタクトと、
前記第2のP型拡散領域上に設けられた第2コンタクトと、
前記第1コンタクト及び前記第2コンタクトと接続されている配線と、
をさらに備え、
前記第1のN型拡散領域及び前記第2のN型拡散領域は、前記第3のN型トランジスタのドレインとして機能し、
前記第3のN型拡散領域は、前記第3のN型トランジスタのソースとして機能し、
前記第1のP型拡散領域は、前記第3のN型トランジスタのボディとして機能する、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 信号線と、
アノードが前記信号線に接続され、カソードが前記第1電源線に接続された第3ダイオードと、
アノードが前記第2電源線に接続され、カソードが前記信号線に接続された第4ダイオードと、
をさらに備え、
前記第3及び第4ダイオードそれぞれのPN接合の面積は、前記複数の第1ダイオードそれぞれのPN接合の面積のいずれよりも大きい、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記半導体層は、第1の拡散領域と、前記第1の拡散領域と接して設けられる第3のP型拡散領域と、前記第1の拡散領域と接して設けられる第4のN型拡散領域と、を含み、
前記第1の拡散領域上に設けられた酸化膜と、
前記酸化膜上に設けられた導電体と、
をさらに備え、
前記第3のP型拡散領域と前記第4のN型拡散領域とは、前記第1の拡散領域を挟むように設けられ、
前記第1の拡散領域は、P型の拡散領域又はN型の拡散領域であり、
前記導電体は、電気的にフローティング状態であり、
前記第1の拡散領域と前記第3のP型拡散領域との接触面、又は前記第1の拡散領域と前記第4のN型拡散領域との接触面が、前記複数の第1ダイオードの一部として機能する、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第1の拡散領域がP型の拡散領域である場合、前記第1の拡散領域に含まれるP型の不純物の濃度は、前記第3のP型拡散領域に含まれるP型の不純物の濃度よりも低く、
前記第1の拡散領域がN型の拡散領域である場合、前記第1の拡散領域に含まれるN型の不純物の濃度は、前記第4のN型拡散領域に含まれるN型の不純物の濃度よりも低い、
請求項6に記載の半導体装置。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置と、
前記第1電源線と接続された第1端子と、
前記第2電源線と接続された第2端子と、
前記第1電源線と前記第2電源線とに接続され、高周波信号を増幅する第2半導体装置と、
を備え、
前記第2半導体装置は、前記第1端子と前記第2端子との間に、第1の電圧を印加されて動作し、
前記複数の第1ダイオードのそれぞれの順方向電圧の合計は、前記第1の電圧よりも大きい、
半導体システム。
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