JPH0464259A - 半導体装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は半導体装置に関するものてあり、特にその入
力回路部に設けられたサージ保護用回路の入力抵抗の放
熱効果を向上させた半導体装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第６図は従来の半導体装置のこの発明に関連するサージ
保護用回路を含む入力回路部を示す図である。同図にお
いて、入力信号か供給される入力端子となるボンデイン
クパット１０は第１の導体７を経て入力抵抗３の一端に
接続され、該入力抵抗３の他端は第２の導体８を経てＮ
チャンネル型ＭＯ３）ランシスタ（以下Ｎチャンネルト
ランジスタと称す）　１１のトレインに接続されると共
に内部集積回路１２に接続されている。ここては、内部
集積回路１２を抵抗１３て代表的に示している。Ｎチャ
ンネルトランジスタ１１のソースおよびゲートは通常接
地電位に保たれた線路１４に接続されている。

接地線路１４は電源端子１５に接続されている。入力抵
抗３およびＮチャンネルトランジスタ１１はサージ保護
用回路１６を構成している。

第７図は従来の半導体装置の特にサージ保護用回路１６
の部分の集積化された構造を概略的に示した断面図であ
る。同図て、半導体基板ｌの上面には第１の絶縁層２か
形成されており、該絶縁層２上に多結晶シリコンからな
る抵抗層３ａか形成されている。抵抗層３ａは第６図の
回路における入力抵抗３として作用するものである。抵
抗層３ａおよび露出した第１の絶縁層２上には第２の絶
縁層４か形成されており、該第２の絶縁層４の上記抵抗
層３ａの一方の端部および他方の端部に対向する部分に
はそれぞれコンタクトホール５．６が形成されている。

第２の絶縁Ｍ４上には抵抗層３ａの一端と第６図に示す
ボンデインクバット１０（第７図には示されていない）
とを接続する第１の導体層７ａか形成されており、該第
１の導体層７ａはコンタクトホール５を経て上記抵抗層
３ａの一端に接続されている。同様に第２の絶縁層４上
には抵抗層３ａの他端と第６図に示す内部集積回路１２
およびＮチャンネルトランジスタ１１のトレインとを接
続する第２の導体層８ａか形成されており、該第２の導
体層８ａはコンタクトホール６を経て上記抵抗層３ａの
他端に接続されている。第２の絶縁層４の露出した部分
および導体層７ａ、８ａの表面を覆って保護層９か形成
されている。また、ボンディングバット１０と半導体装
置のリードフレーム（図示せず）とは金線等のワイヤに
よって電気的、熱的に結合されている。

次に上記のような構造のサージ保護用回路をもった半導
体集積回路の動作を第６図を参照して説明する。

Ｎチャンネルトランジスタ１１はサージ保護用トランジ
スタてあり、通常の動作時にはそのゲートか接地線路１
６に接続されているのて遮断状態てあり、リードフレー
ム、ワイヤを経て入力ボンディングパッド１０に入力さ
れた入力信号は入力抵抗３を通って内部集積回路１２に
導かれる。入力ボンデインクバッド１０にサージ電圧か
印加されると、Ｎチャンネルトランジスタ１１はバンチ
スルー効果によって導通状態になり、サージ電流か入力
抵抗３および導通状態になったＮチャンネルトランジス
タ１１を通って電源線路１４に流れるのて、内部集積回
路１２かサージ電流によって破壊されるのを防止するこ
とかてきる。

〔発明か解決しようとする課題〕

第７図に示すような構造のサージ保護回路をもった従来
の半導体装置では、入力ボンディングバッド１０にサー
ジ電圧が印加されたとき、サージ電圧による大きなサー
ジ電流か入力抵抗３として作用する抵抗層３ａを流れて
ジュール熱か発生するか、このジュール熱の放熱特性が
悪いため、抵抗層３ａが著しく高温になって、該抵抗層
３ａか溶けて断線するという問題かあった。

この発明は、入力抵抗として作用する抵抗層の放熱効果
を大きくしてサージ電圧が印加された時に、上記入力抵
抗か発熱により断線することが無いようにした半導体装
置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の半導体装置の入力回路部に設けられたサージ
保護用回路は、半導体基板上に形成された入力抵抗とし
て作用する抵抗層と、該抵抗層上に形成された絶縁層と
、該絶縁層上に形成され且つ第１のコンタクトホールを
通して上記抵抗層の一方の端部に接続された第１の導体
層と、上記絶縁層上に形成され第２のコンタクトホール
を通して上記抵抗層の他方の端部に接続された第２の導
体層とからなり、上記第１の導体層の端部は入力ボンデ
ィングバットに接続されており、第２の導体層の端部は
サージ保護用トランジスタおよび内部集積回路に接続さ
れており、′さらに上記第１の導体層か上記第２の導体
層の近傍にまで伸延して上記絶縁層上に上記抵抗層を覆
うように形成されている。

〔作　用〕

上記のように、この発明の半導体装置て使用されるサー
ジ保護用回路ては、第１の導体層か第２の導体層の近傍
にまで伸延して絶縁層上に形成されているから、大きな
サージ電流が抵抗層に流れて該抵抗層に大きなジュール
熱か発生しても、この熱は上記第１の導体層を経て速や
かに半導体装置の外部へ放熱されるから、上記抵抗層か
発熱によって断線することはない。

（実施例） 以下、図示の実施例を参照しつつこの発明を説明する。

第１図はこの発明の半導体装置て使用されるサージ保護
用回路を含む入力回路の第１の実施例の主要部の平面図
、第２図は第１図のＩ−１線に沿う断面図である。第１
図および第２図において、半導体基板１の上面には第１
の絶縁層２か形成されており、該絶縁層２上に多結晶シ
リコンよりなる抵抗層３ａか形成されている。抵抗層３
ａは先に示した第６図の回路における入力抵抗３として
作用するものである。抵抗層３ａおよび露出した第１の
絶縁層２上には第２の絶縁層４か形成されており、該第
２の絶縁層４の上記抵抗層３ａの一方の端部および他方
の端部に対向する部分にはそれぞれコンタクトホール５
．６か形成されている。第２の絶縁層４上には抵抗層３
ａの−・端と第６図のボンディングバット１０（第２図
には示されていない）とを接続する第１の導体層１７ａ
か形成されており、該導体層１７ａはコンタクトホール
５を経て上記抵抗層３ａの一端に接続されている。同様
に第２の絶縁層４上には抵抗層３ａの他端と第６図に示
す内部集積回路１２３よびサージ保護用のＮチャンネル
トランジスタ１１のトレインとを接続する第２の導体層
１８ａが形成されており、該第２の導体層１８ａはコン
タクトホール６を経て上記抵抗層３ａの他端に接続され
ている。この発明の半導体装置て使用されるサージ保護
用回路ては、第２の導体層１８ａはコンタクトホール６
の部分てほぼ終端しているが、第１の導体層１７ａはコ
ンタクトホール５を越えて第２の導体層１８ａの近傍に
まで伸延して抵抗層３ａをほぼ覆うように形成されてい
る。第１の導体層１７ａと第２の導体層１８ａとは間隙
ΔＴによって電気的に絶縁されている。導体層１７ａ、
１８ａの表面を覆って保護層９か形成されている。また
、上記ボンディングパット１０と半導体装置のリードフ
レーム（図示せず）とは金線等のワイヤによって電気的
、熱的に結合されている。

この発明の半導体装置の入力回路部で使用されるサージ
保護用回路において、正常動作時では、Ｎチャンネルト
ランジスタ１１は遮断状態であるから、リードフレーム
およびワイヤを経てボンディングバットＩＯに入力され
る信号は抵抗層３ａによって形成された入力抵抗３を経
て内部集積回路１２に供給される。

一方、ボンデインクバット１０に大きなサージ電圧か印
加されると、Ｎチャンネルトランジスタ１１はパンチス
ルー効果によって導通し、サージ電流は接地線路１４に
流れて、内部集積回路１２を上記サージ電圧あるいはサ
ージ電流から保護することかてきる。上記サージ電流は
抵抗層３ａを流れるから、該抵抗層３ａには大きなジュ
ール熱か発生する。この熱は第１の絶縁層２を通って半
導体基板ｌに伝わり、熱容量の大きな半導体基板ｌによ
って吸収されるか、あるいは第２の絶縁層４を通って第
１の導体層１７ａに伝わり、さらにボンディングバット
１０、上記ワイヤ３よびリードフレームを通って外部に
放出される。

ここて、簡単なモデルを使って放熱効果か如何に改善さ
れるかを説明する。説明を簡略化するために第１図およ
び第２図を次のように近似するものとする。

（ａ）第１図に示す形状を第３図に示す形状に近似する
。

（ｂ）ボンデインクバット】０は充分の熱容量をもち、
その温度は実質的に一定に保たれているものとする。

（Ｃ）半導体基板ｌはどの部位においてもボンデインク
バット１０と常に実質的に同し温度に保たれているもの
とする。

（ｄ）入力抵抗３として作用する抵抗層３ａの発熱は、
長さＥ＝１５ｇｍ、輻Ｆ＝４ｐ、ｍの平面内（１５に層
×４μ層）て均一に生ずるものとする。

（ｅ）第１の導体層１．７ａに伝わった熱は抵抗層３ａ
の中央上の位置からダイパッド１０の中央まてＡ＝１５
ルー移動し、その際第１の導体層１５ａの輻Ｇを８牌層
、厚さをＩｇ■とじたとき、該第１の導体層１７ａの断
面８絡■×ｌル■に均一に分布するものとする。

（ｆ）第１の絶縁層２、第２の絶縁層４中では、熱は垂
直方向にしか伝播しないものとする。

（ｇ）保護層９は熱を全く通さず、抵抗層３ａて発生し
た熱はすべて第１の絶縁層２を通って半導体基板１に、
あるいは第２の絶縁層４を通って第１の導体層１７ａに
伝播し、さらにポンディングパッド１０に伝播するもの
とする。

（ｈ）第１の絶縁層２および第２の絶縁層４は共にシリ
コン酸化物（Ｓｉ０２）て形成され、その熱伝導率には
（単位はＷ　／　ｍ・’Ｋ）は５であるとする。

（ｉ）第１の導体層１７ａはＡ１て、その熱伝導率には
２３０であるとする。

なお、熱伝導率には厚さ１ｍの両端に１’にの温度差が
あるとき、その板の面積１ｒｎ’の面を通って１秒間に
流れる熱量て表わすものとする。

ここて、１秒間に抵抗層３ａか発生する全熱量をＱ、半
導体基板１に流れ込む熱量をＱｌ、ボンデインクバット
１０に流れ込む熱量をＱ２とし、また、半導体基板１と
第１の絶縁層２の上面との温度差をΔＴ１、第１の導体
層１７ａと第２の絶縁層４の下面との間の温度差をΔＴ
２、ボンデインクバット１０と第１の導体層１７ａの下
面との間の温度差をΔＴ、Ｔとする。そうすると、Ｑ、
、Ｑ、、Ｑ３について次の式か成立する。

＝　３００　　ｘ　１０−’・ΔＴ、　　　　　　　　
　　　（］）１１秒に第１の導体層１７ａと第２の絶縁
層４を伝わる熱量が共にＱ２であるような定常状態を考
えると次式か成立つ。

定常状態では入力抵抗３として作用する抵抗層３ａの上
下の面の温度は等しく、また、近似により半導体基板ｌ
とボンデイングバ・ント１０の温度も等しいのて、次式
が成立つ。

ΔＴ□＝ΔＴ２＋ΔＴ３（３） 式（１）、（２）、（３）より ＋”＋　１７Ｑ　Ｉ　　＝４７Ｑ２　　　　　　　　　
　（４）ここて、全熱量Ｑは、Ｑ＝Ｑ１＋Ｑｚ　　　（
５）であるから、（４）、（５）式より、 ＋’＋　Ｑ　２　＝　−Ｑ　＃　０．２５Ｑ　　　　　
　　　　　　（６）これにより、全熱量の約１７４か第
１図および第２図に示すこの発明のサージ保護用回路の
抵抗層３ａ上の第１の導体層１７ａを経て半導体装置の
外部に放出されていることか判る。すなわち、この発明
によれば、サージ電圧か印加されたときの抵抗層３ａの
温度上昇は第７図の従来の装置に比して約２５％減少す
ることか判った。

全熱量Ｑに対するＱ２の割合を増すには第１の導体層１
７ａを通る熱量を増加する必要かあり、その方法として
は、（イ）第１の導体層１７ａの長さを短縮する、（ロ
）導体層１．７ａの長さ方向に垂直な断面積を増加する
、（ハ）抵抗層３ａ上を覆う導体層１７ａの面積を増大
する等かある。

第１の導体層１７ａの導電率は抵抗層３ａの導電率より
もかなり大きく、しかも従来は第１の導体層１７ａにつ
いては単なる導体層としての作用しか考えていなかった
ため、第１の導体層１７ａの断面積は抵抗層３ａの断面
積よりも小さく作られていた。

ところか１本発明では、上記（０）の方法を実現するた
めに、第１の導体層１７ａの断面積は抵抗層３ａの断面
積と等しいか、これよりも大になるように設定されてい
る。この場合、抵抗層３ａの厚みは１ｇｍ〜２ｐｍに設
定されている。また、この発明の半導体装ｔては、上記
（ハ）の方法を実現するために第１の導体層１７ａを第
２の導体層１７ｂと抵抗層３ａとの接触用コンタクトホ
ール６の近傍にまで伸延している。

第４図はこの発明の他の実施例を示す図である。第４図
の実施例では、抵抗層３ａに対しその側方にボンデイン
クバット１０を設け、抵抗層１７ａ上に絶縁層（図示せ
ず）を介して正方形に近い形状の第１の導体層１７ａを
形成し、該第１の導体層１７ａをコンタクトホール５を
通して抵抗層３ａに接続すると共に上記ボンデインクバ
ット１０に接続したものである。第２の導体層１８ａは
第１図の実施例の導体層１８ａと同様である。

第５図は第４図の実施例の動作を説明するためのモデル
である。第１の実施例と同様に、抵抗層３ａの長さＥ＝
１５ｇｍ、幅Ｆ＝４μｍ、厚さかｌｐｍ〜２μ腫とし、
第１の導体層］−７ａに伝わった熱は抵抗層３ａの中央
上の位置からタイバット１０の中央まてＡ＝１０ｇｍ移
動するとする。また、第１の導体層１７ａの幅Ｂはポン
チインクバット１０の幅と同し１０ｐｍとする。第１の
実施例と同様に第１の導体層１７ａの厚さはＩｇｍで、
該第１の導体層１７ａに伝わった熱はその断面１０ｐｍ
　Ｘ　１μ−に均一に分布するとする。

１秒間に第１の導体層１７ａを伝わる熱量Ｑ２は次式て
表わされる。

＃　：１２０　　ｘ　１Ｏ−６ｘΔＴ３　　　　　　　
　　　　（７）（７）式を（３）式に適用すると、 ３２Ｑ、　　＝６２Ｑ２ （９）式より、第４図の実施例ては全熱量Ｑの約１／３
か第１の導体層１７ａを通って放熱されることになる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の半導体装置ては、入力回路部
のサージ保護用回路中の第１の導体層１７ａか抵抗層３
ａのほぼ全面を覆うように第２の導体層１８ａの近傍に
まで伸延して形成されているから、上記抵抗層３ａて生
ずるジュール熱は上記第１の導体層１７ａを介してすみ
やかに放熱され、サージ電圧か入力されたときの当該サ
ージ保護用回路、特に抵抗層３ａの温度上昇を有効に抑
えることかできる。よって、上記抵抗層３ａによって形
成される第６図の回路の入力抵抗３かサージ電圧の印加
時に断線するのか防止され、内部集積回路１２かサージ
電圧から保護されることは勿論のこと、サージ保護用回
路自体かサージ電圧によって損傷を受けるのを防止する
ことかてきるという効果かある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のサージ保護用回路の第１の実施例の
主要部の概略平面図、第２図は第１図の１−１線に沿う
断面図、第３図は第１図および第２図に示すこの発明の
第１の実施例によるサージ保護用回路の動作、作用を説
明するためのモデル化された図、第４図はこの発明のサ
ージ保護用回路の第２の実施例の主要部の概略平面図、
第５図は第４図に示すこの発明の第２の実施例によるサ
ージ保護用回路の動作、作用を説明する図、第６図は一
般に半導体装置のサージ保護用回路を含む入力回路部の
概略的な回路図、第７図は従来のサージ保護用回路を示
す主要部の断面図である。 ｌ・・・・半導体基板、２・・・・第１の絶縁層、３・
・・・入力抵抗、３ａ・・・・抵抗層、５．６・・・・
コンタクトホール、７・・・・第１の導体、８・・・・
第２の導体、１０・・・・ボンデインクバット、１１・
・・・サージ保護用トランジスタ、１２・・・・内部集
積回路、１６・・・・サージ保護用回路、１７ａ・・・
・第１の導体層、１８ａ・・・・第２の導体層。 代　　理　　人　　　　大　　　岩　　　増　　　雄第 図 東 図 １ス 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力回路部にサージ保護用回路が設けられており
   、該サージ保護用回路は、半導体基板上に形成された入
   力抵抗として作用する抵抗層と、該抵抗層上に形成され
   た絶縁層と、該絶縁層上に形成され第１のコンタクトホ
   ールを通して上記抵抗層の一方の端部に接続された第１
   の導体層と、上記絶縁層上に形成され第２のコンタクト
   ホールを通して上記抵抗層の他方の端部に接続された第
   ２の導体層とからなり、上記第１の導体層の端部は入力
   ボンディングパットに接続されており、第２の導体層の
   端部はサージ保護用トランジスタおよび内部集積回路に
   接続されており、特徴として上記第１の導体層は上記第
   ２の導体層の近傍にまで伸延して上記絶縁層上に上記抵
   抗層を覆うように形成されている半導体装置。