JPH04505686A - Mosデバイスに対する過電圧保護回路 - Google Patents

Mosデバイスに対する過電圧保護回路

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
MOSデバイスに対する過電圧保護回路本発明は請求項1の前文によるMOSデ バイスに対する過電圧保護回路に関する。 現在のMOSデバイスは製造の際および取扱の際に人およびsl櫨の静電放電に 起因する高い故障率を有する。これらの静電放!(短縮してESDとも呼ばれる )の不利な作用を減するため、原理的に2つの可能性がある。一つはたとえば特 別なフオームプラスチック体に入れてMOSデバイスを輸送することによりMO Sデバイスの無電位の環境に留意することであり、またはMOSデバイス上への 集積も可能である特別な回路を開発することである。このような回路はMOSデ バイスの敏感なゲートを危険な過電圧から保護する。このようなモジュール保護 なしでは既に20V以上の電圧がMOSデバイスの損傷に通じるのに対し、他方 ではモジュール保護により数tooovがこのために必要になる。 刊行物シー・ダバリーほか著’1 umcMOsテクノロジーにおけるESD保 護の信軽性」アニュアル、プロシーデインダス・リライアビリティ・フィックス 1124巻、1986年から、基板バイアス電圧を存するNMO5およびCMO Sデバイスに対するTllll化物、電界酸化物トランジスタおよび抵抗から構 成された保護回路が知られている。上記刊行物の第4図の説明かられかるように 、電界酸化物1ランジスタがこの際に一次的な保護機能を負わされており、他方 においてff1l!酸化物トランジスタおよび抵抗は二次的な保護機能を満足す る。1!界酸化物トランジスタはESD負荷の際に電子雪崩降伏で作動する寄生 的バイポーラトランジスタとして動作し、またESDパルスのエネルギーを接地 点に導き出す。 高いエネルギーまたは電流密度の際に、この場合、アルミニウムおよびシリコン の共晶温度(577°C)程度の温度が生じ得る。その際にアルミニウムの融点 は675′″C1またシリコンの融点は1415”Cである。導体帯のアルミニ ウムがその際にMO5回路の半導体基板のシリコン中に合金し、またn′p−接 合における短絡を惹起する。これらの゛スパイキングと呼ばれる損傷は次いでM OSデバイスの故障に通ずる。この熱的損傷の不利な作用は水平な“スパイキン グ″に対しては電界酸化物トランジスタの接触孔の間隔の増大により減ぜられ得 る0間隔の増大によりこの際にMOSデバイスのESD挙動が改善される。しか し、このことば(たとえば2μmNMOsプロセスにおける)緩和された製造プ ロセスに対してのみ当てはまる。アルミニウム帯と拡散領域との間の拡散バリア の挿入により、MOSモジニールの垂直な“スパイキングに関するESD敏感性 が減ぜられ得る。これらの拡散バリアに対する材料としてはたとえばタングステ ン、ケイ化タンタルまたはポリシリコンが利用され得る。このことは刊行物エル ・エフ・ブチアロ著「ストレシング波形の細線NMO3効果に対する入力ESD 保護回路網および回路レイアウト」アニュアル・プロシーデインダス・リライア ビリティ・フィジクス第24巻、1986年の第1図およびその説明にも示され ている。しかし、この措置を実施するためには占有場所の増大が必要であり、こ のことはMOSモジュールの集積変の増大の際に不利であることが判明している 。 本発明の課題は、できるかぎり占有場所が少なくてすみ、また過電圧を確実に基 mt位に導き出すMOSデバイスに対する改良された過電圧保護回路を提供する ことである。さらに本発明によりMOSデバイスにおけるESD負荷による故障 の問題が減ぜられるべきである。 この課題は、本発明によれば、請求項1の特徴部分にあげられている特徴により 解決される。 従来の保護回路にくらべてパンチスルー要素を有する本発明による保護回路の利 点は特に、それがパンチスルー電圧の到達により直ちに能動的になり、従ってま た遅れなしに応答することにある。それによって保護作用がまさに非常に急峻な ESDパルスに対して改善される。基板電圧を有するモジュールにおいては追加 的に基板制御の効果を利用することができ、従ってまたモジエールの取扱の間の 個々の入力ピンの充電が回避され得る。 接触孔の下のウェルにより同時に熱的損傷の問題が111和される。電界酸化物 経路に対してnウェルを非対称に配置すれば、短い経路長さにおいてドイツ連邦 共和国特許出願第3907523号に記載されている寄生的バイポーラトランジ スタの最適化が利用され得る。 請求項2ないし7はそこに詳細に説明されている保護回路の好ましい実施態様に 間するものである。 以下、図面により本発明を一1詳細に説明する。 第1図は従来の技術によるi1!電圧保!1回路であり、その原理的接続を本発 明による保護回路も基礎としている。 第2図は過電圧により熱的損傷(Mスパイキング)が住しているMOSデバイス の一部分の断面図である。 第3図は熱的損傷を防止するため追加的な拡散バリアが設けられているMOSデ バイスの一部分の断面図である。 第4図は本発明による保護回路におけるパンチスルー要素の概要図である。 第5図はパンチスルー要素を育する本発明による保護回路およびパラメータとし ての基板電圧のアンダースレッシェホールド挙動である。 第1図には従来の技術による通を田保護回路であり、その原理的接続は本発明に よる保護回路にも利用されている。それは電界酸化物トランジスタFOX−蒲膿 酸化物トランジスタDOXならびに抵抗Rを含んでいる。この構成要素の接続は その際に、電界酸化物トランジスタFOXのソース端子、1顎酸化物トランジス タDOXのソース端子ならびにFi1m酸化物トランジスタのゲート端子がそれ ぞれ基準電位と接続されているように行われていなければならない、基準電位と してこの場合には接地電位v!、が選ばれている。を界酸化物トランジスタFO Xのゲート端子ならびにドレイン端子は抵抗Rの一方の端子ともMOSデバイス の入力パッドPとも接続されている。抵抗Rの他方の端子は1暎酸化物トランジ スタDOXのドレイン端子にも保護回路の接続点Aにも接続されている。この接 続点Aに別のMOSデバイスが接続され得る。接続点自体は保護すべきMOSデ バイスに対する入力端または出力端としての役割をする。 半導体シリコン由の抵抗を有する拡散帯として構成可能な抵抗Rは、電界制御さ れるダイオードとして接続されている薄−酸化物トランジスタDOXと共通に、 RC低域通過フィルタを形成する。RC低域通過フィルタの抵抗Rは過電圧の生 起の際に電流@限の役割をする。なぜならば、薄膜酸化物トランジスタDOXは 過電圧の際の高いエネルギーを基m電位■。へ導き出し得ないからである。この ために、ESD負荷の際に電子雪崩降伏で作動する寄生的バイポーラトランジス タとして動作し、またESDパルスのエネルギーを基準電位へ導き出す電界酸化 物トランジスタFOXが使用される。 過電圧に起因する高いエネルギーまたは電流密度の際には、MOSデバイスの内 部にアルミニウムおよびシリコンの融点程度の温度が生じ得る。第2図には過電 圧に起因する熱的損傷(″スパイキングとも呼ばれる)が生じているMOSデバ イスの一部分の断面図が示されている。これらの温度により半導体基板のシリコ ンが導体帯のアルミニウムに拡散し、同時にアルミニウムが半導体基板のシリコ ンに合金化する。その結果、MOSデバイスの永久的故障に通じ得るn″p−接 合における短絡が生ずる。第2図によればp伝導性の半導体基板p−3ubのな かにn°ドープされた拡散領域n−Diffが合金化されている。その後の能動 的な領域を互いに電気的に隔離するため、LOCO3法(シリコンの局部的酸化 〕による場所的に意図された局部的酸化により絶縁NLOCが作られ、その際に それらのうちの一つが第2図由に示されている。この絶縁層Locおよびn゛ド ープれた拡散領域n−Diffの上側に、接触領域にの内部でのみ中断されてい る酸化層Oxが配置されている。この酸化@oxの上側に、アルミニウム層AI が取付けられており、このアルミニウム層AIは導体帯として使用され、また接 触領域にのなかでn゛ ドープされた拡散領域n−Di f rへの導伝性の接 続を形成する。さらに第2図には、過電圧の際の高いエネルギーまたは電流密度 に起因して生ずる熱的損傷(″スパイキング)が記入されている。導体帯A1の アルミニウムはρ伝導性の半導体基板p−3ubに合金化し、またn″p−接合 における短絡を惹起する。この経路は最終的にMOSデバイスの故障に通ずる。 そのwk極大は接触領域にの下側および隣接する絶縁領域Locの範囲内に生ず ることは明らかである。第1の場合はいわゆる垂直“スパイキングであり、また 第2の熱的損傷は水平“スパイキングと呼ばれる。 水平“スパイキングを減するためには、接!領域にと絶縁層Locとの間に増大 された間隔Xを設けることが可能である。間隔Xの増大によりMOSデバイスの ESD挙動は改善される。しかし、このことはたとえば2μmNMo5プロセス に対する緩和された製造プロセスに対してのみ当てはまり、その際に回路2の内 部の最小のチャネル長さは2μm幅である。しがし、MOSデバイスに対する将 来の開発の目標は、回路をより遠くがっ小さく形成するため、できるかぎり小さ いチャネル長さを達成することである。たとえば4〜Mメモリモジュールでは1 .0μmのプロセスが使用される。 第3図には、熱的損傷を防止するため追加的な拡散バリアが設けられているMO Sデバイスの一部分の断面図が示されている。第3図から明らかなように、p伝 導性の半導体基板p−5ub“の内部にn゛ ドープされた半導体領域n−Di fMが埋込まれている。このn’F−ブされた半導体領域の両側に、同様に以後 の能動的領域を互いに電気的に隔離する絶縁層Loc’、L o c ”が配置 されている。ea化層Ox’が同様に絶縁層Loc“、L o c ”ならびに n・ ドープされた半導体領域n−Diff’の一部を覆っている。この酸化層 は拡散バリアDiffbにより満たされる接触範囲に°の内部でのみ中断される 。最後に、拡散バリアDiffbならびに酸化層Ox’を均等に覆うアルミニウ ム層Aビがデバイス全体の終端を形成する。拡散バリアに対する材料としてはた とえばタングステン、ケイ化タンタルまたはポリシリコンが使用され得る。材料 は導伝性かつ低抵抗であり、また接合部におけるショットキ接触を可能にしない ものでなければならない、この措置により特に垂直“スパイキングに関するMO SデバイスのESD敏感性が減する。しかし、この場合の欠点は、アルミニウム 層Aビとn2 ドープされた半導体傾城n−Dirr′との間の拡散バリアDi f[bが製造プロセスに含まれていない物質により構成されるべきときには常に 追加的プロセスが必要であることである。 第4図には過電圧保護回路の本発明にとって主要な部分が示されており、これは 基本的に第1図のように構成されている。それはパンチスルー要素、抵抗ならび に1喚酸化物トランジスタを含んでいる。ESD放電による集積回路の故障を減 するため、本発明による保護回路では第1図中の従来の技術による保護回路にく らべて電界酸化物トランジスタがパンチスルー要素により置換される。それによ り保護回路の遅らされた応答の問題およびそれと結び付けられる過1t、lEに ょる損傷が緩和される。第4図はその際に、w!A縁層LOC目’および両n° 拡散令頁域n−Diff”、n−Diff1’の下側に配!されているパンチス ルー要素の範囲を示している。パンチスルー要素に対して両n°拡散領域n−D iff”およびn−Diff”’の下側に各1つのnウェル状の半導体領域n− w、n−w“が、また絶縁層LOG”’の下側にp伝導性の半導#領Mpzが埋 込まれている。パンチスルー要素自体は2つのρn接合により構成されており、 その際に第1のpn接合ばnウェル状の半導体領域n−wとpbc導性の半導体 領域pzとの間の境界面から、また第2のpn接合はp伝導性の半導体領域pz とnウェル状の半導体領域n−w’との間の境界面から生ずる。ウェル状の両軍 導体領域n−Wおよびn−w’は再拡散N域n−Diff”’およびn−Dff l’よりも弱くドープされている。デバイス全体はp゛ ドープされた半導体基 !p−5ub”の上に配置されており、その際にこれはp伝導性の半導体領域p zよりも弱くドープされている。絶縁層LOG”および拡散領域n −D i  r f ”、n−Diff“″の上側に位置している酸化層oXaは、アルミニ ウム層A I ”またはA
【°°′にn゛ ドープされた拡散領域への接触可能 性を与えるため、それぞれ接触範囲K IIおよびK I IIの内部で中断さ れている。アルミニウム層Aビ1はその際に接触範囲K ITを介してn0ドー プされた拡散領域n−Diff”への接触を有し、他方においてアルミニウム層 A11′は接触範囲に°″を介してn゛ドープれた拡散領域n−Diff”と接 触させられている。パンチスルー電圧は接触範囲K IIおよびに′の下に配置 されている両nウェル状の半導体領域の間隔によっても、入力パッドPにおける 印加される阻止電圧および基板電圧によっても決定されている。両nウェル状の 半導体領域の間隔の適当な設定により、保護回路が既に望ましくない高い降伏電 圧の生起の前に能動化されることが達成され得る。しかし、正常作動中は空間電 荷領域の接触が行われてはならない、第1図中のようにパンチスルー要素はその ドレイン端子(パンチスルー要素のnウェル状の半導体領域n−w)で保護すべ きMOSデバイスの入力パッドPと接続されており、他方においてソース端子( パンチスルー要素のnウェル状の半導体領域n−wl)は基準電位、この場合に は接地電位V。に接続すべきである。従って、アルミニウム層A I ”はV。 と、またアルミニウム層A I ’ ”はMOSデバイスの端子Pと接続すべき である。 以下の実施例は、パンチスルー要素を有する本発明による保護回路を−1理解し やすくするのに寄与するものである。ESD放電パルスの電圧ランプにより阻止 方向の極性のドレイン側のpn接合の空間電荷領域が、nウェル状の半導体領域 の雨空間電荷領域が接触するまで広がる。このことは第4回中にESD放電パル スの上昇する電圧に対する符号RLZを有する矢印により明らかにされる。空間 電荷領域の広がり線を有する0■、5■、IOV、15Vおよび20VのESD 放電パルスの電圧に関する記入はESD放電パルスの上昇する電圧の際の空間電 荷領域の変化を示す役割をする。さらに図から明らかなように、nウェル状の両 ↓導体領域77−Wおよび、−wlは小さいESD放電パルス(空間電荷領域の Ov広がりA11)の際にも各1つの空間1i荷領Mにより囲まれている。空間 電荷領域の広がりは時間的遅れなしにESDii圧の上昇お平行して1テわれる 0雨空間電街頭域が接触すると直ちに、ソース側の阻止層の内部電界が外部から 印加される電圧により弱められ、それによってVss (等しい接地)から入力 バンドPへの自由電荷キャリアの輸送が開始される。空間電荷領域の接触および それによって開始されるt流の流れは“パンチスルー”と呼ばれている。を流は 次いで指数関数的に上昇する。パンチスルー電圧に達すると直ちに、本発明によ る保護回路の入力抵抗が減じ、それによってESC放電パルスがその上昇を減速 される。しかし、入力抵抗は、ESDt圧のその後の上昇が阻止されるほどに低 抵抗ではない、入カバノドPにおける電圧は、阻止方向に作動するpn接合の電 子雪崩崩壊が開始し、またパンチスルー要素の規制的なnpnバイポーラトラン ジスタがいわゆる”スナップバック”状態に移行するまで、引き続き上昇する。 これについては刊行物ティー・トヤブル著rMO3FET内の電子雪崩崩壊の数 値モデル−(エレクトロン・デバイス全体、第ED−25巻、第7号、1978 年、第825〜832頁も参照されたい。これにより初めて、ESD放電パルス のエネルギーを導き出す接地電位(Vst)への電圧経路が生ずる。 この本発明による回路は特に、ダイナミックメモリの場合のように、基板it王 を作動中に必要とするモジュールに通している。基板電圧によりソース側のpn 接合の電界の強さが高められる。この電界の強さの上昇は、パンチスルー電圧が 作動中により高い値ヘシフトされるようにする。この“基板制御”の効果を利用 すれば、パンチスルー電圧が基板電圧なしではほぼO■にあり、また基板電圧に より作動電子の上側の値にシフトされるように、nウェルを配置することができ る。それによって回路のすべての入力端は開かれた作動状態で接地接続を介して ゛″低抵抗”で互いに接続されている。 モジエールの接触の間の個々の入力ピンの静電的充電はもはや可詣でない。場合 によってはこの際に、ESDの恐れのあるモジュールの輸送のために必要な大形 かつ高価な伝導性のフオームプラスチックが節約され得る。 次にドーピング濃度および寸法の設定の例を示す、n゛拡散領域n−Di r  f″ならびにn−Diff”’は10”cm−’よりも大きいドーピング濃度を 、また低濃度にドープされたnウェルn−wおよびn−wlは4ないし5・10 ”cm−’のドーピングfillを有するべきであろう、半導体基板のp伝導性 の基Fip−3u b ”は2ないし3・101101s’のドーピング濃度を 有してよく、またp伝導性の半導体領域pzは1・10”cm−3のドーピング 濃度を有してよいであろう、第4図によるnウェルは4μmの深さに構成されて いる。第1図中に示されているように接続される抵抗Rならびに1顎酸化物トラ ンジスタDOXのような保護回路のその他の構成要素の寸法設定は下記のように 行われる。拡散抵抗は1にΩの値を超過してはならず、また電界制御されるダイ オードとして接続されているNFflj酸化物トランジスタDOXは使用される プロセスの最小チャネル長さよりも約0. 2倍だけ大きく選定されているチャ ネル長さを有するようにする。こうしてたとえばlamのプロセスではチャネル 長さは1.2μmに選定すべきである。このトランジスタのチャネル幅は40μ mと60μmとの間にするべきである。 保護回路全体は相補性回路テクノロジーで構成され得る。そのためには、基本回 路はそのままで、虞にそのρSJI城およびn領域を交換するだけでよい。 第5図にはパンチスルー要素を有する本発明による入力保護回路のアンダースレ ッシュホールド挙動が基板Tt王をパラメータとして示されている。アンダース レッシュホールド挙動とは1・lO−” Aないし】・10−’Aの小さい電流 範囲でのデバイスの電流特性をいう、前記のように、存在する基板電圧に基づく 電界の強さの上昇は、パンチスルー電圧が作動中に一層高い値にシフトされるこ とに通ずる。第5図では水平軸に入力電圧VINが、また垂直軸に入力ty*  I I Nがとられている0尺度としては入力電圧VINに対してはl目盛あた り1.5Vが選定されたので、OVと15Vとの間の入力電圧が示されている。 入力電流IINはlXl0−”AないしlXl0−”Aの間にあり、また対数目 盛で示されている。アンダースレッシュホールド挙動は第5図にはOv、−0, 2V、 −0,4V、−0,6V、−0,8Vおよび−1,OVの基板電圧をパ ラメータとして示されている。たとえば1・10−” Aの入力電流およびVs ub=OVの基板電圧におけるバンチスルー電圧は第5図から約7vの電圧とな る。このバンチスルー電圧はたとえばVsub=0.6Vの基板電圧の印加の際 には約13Vに上昇する。nウェル状の両半導体領域の間隔の減少により曲線群 はより低いバンチスルー電圧へ、従ってまたより大きい入力電流へシフトする。 このことは′WJs図の曲線群の左方への平行シフトに相当する。nウェル状の 半導体領域はいま、バンチスルー電圧が基板電圧Vsubなしでは約0■にあり 、また基板電圧の印加により作動電圧の上側の値にシフトされるように、配!さ れ得る。それによって、保護すべき回路のすべての入力端は開いた作動状態(− 無電圧状態のモジュール)で接地線を介して低抵抗で互いに接続されている。 国際調査報告 国際調査報告

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.保護要素、薄膜酸化物トランジスタ(DOX)および抵抗(R)を含んでお り、第1の拡散領域(n−Diff′′′)が保護要素の第1の端子と接続され ており、第2の拡散領域(n−Diff′′)が保護要素の第2の端子と接続さ れており、また絶縁層(LOC′′′)が第1および第2の拡散領域(n−Di ff′′′、n−Diff′′)を互いに隔てており、また保護要素の第1の端 子、それぞれ薄膜酸化物トランジスタ(DOX)の第1の端子およびゲート端子 が共通の基準電位と接続されており、また抵抗(R)の第1の端子および保護要 素の第2の端子がMOSデバイスの端子(P)と接続されており、また抵抗(R )の第2の端子が薄膜酸化物トランジスタ(DOX)の第2の端子および保護回 路の接続点(A)と接続されているMOSデバイスに対する過電圧保護回路にお いて、保護要素が絶縁層(LOC′′′)の下側にかつ第1および第2の拡散領 域(n−Diff′′′、n−Diff′′)の下側に配置されており、また保 護要素がパンチスルー要素であることを特徴とするMOSデバイスに対する過電 圧保護回路。
  2. 2.第1の拡散領域(n−Diff′′′)の下側に第1のウェル状に構成され た第1の伝導形式の半導体領域(n−w)が、第2の拡散領域(n−Diff′ ′)の下側に第2のウェル状に構成された第1の伝導形式の半導体領域(n−w ′)が、また絶縁層(LOC′′′)の下側に第2の伝導形式の半導体領域(p z)が配置されており、第1のウェル状に構成された第1の伝導形式の半導体領 域(n−w)と第2の伝導形式の半導体領域(pz)との間の第1のpn接合と 第2のウェル状に構成された第1の伝導形式の半導体領域(n−w′)と第2の 伝導形式の半導体領域(pz)との間の第2のpn接合とがパンチスルー要素を 形成していることを特徴とする請求の範囲1記載の過電圧保護回路。
  3. 3.保護回路がnウェル−テクノロジーで構成されており、第1および第2のウ ェル状に構成された半導体領域(n−w、n−w′)、第1および第2の拡散領 域(n−Diff′′′、n−Diff′′)がnドープされており、また第2 プされていることを特徴とする請求の範囲1または2記載の過電圧保護回路。
  4. 4.保護回路がpウェルテクノロジーで構成されており、第1および第2のウェ ル状に構成された半導体領域(n−w、n−w′)、第1および第2の拡散領域 (n−Diff′′′、n−Diff′′)がpドープされており、また第2の 伝導形式の半導体領域(pz)および半導体基板(p−Sub′′)がnドープ されていることを特徴とする請求の範囲1または2記載の過電圧保護回路。
  5. 5.挺抗(R)が抵抗を有する拡散帯として実現されていることを特徴とする請 求の範囲1ないし4の1つに記載の過電圧保護回路。
  6. 6.保護回路が保護すべきMOSデバイスと共に半導体基板の上に集積されてい ることを特徴とする請求の範囲1ないし5の1つに記載の過電圧保護回路。
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