JPH0521721A - 半導体装置のゲート保護装置 - Google Patents

半導体装置のゲート保護装置

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体装置の静電気による破壊を防止するゲ
ート保護装置を面積を要することなく、入力数の多い集
積回路やパワーICにも容易に適用できるものとする。 【構成】 ゲート保護用ツエナダイオードを、絶縁物上
に形成されたN+ 領域121の中に多数のセル状に分割
したP+ 領域122を配置して形成し、隣接するセルを
互い違いにゲートパッド116とソース配線117の2
層配線に接続した。単位面積あたりのPN接合の周辺長
さが大きく取れパッキング密度が増加して面積を要しな
い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は主としてMOS形半導体
装置の静電気による破壊を防止するゲート保護装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】MOS形半導体装置は、そのゲートが通
常数10〜数100オングストロームの薄いSiO2 膜
でできていることから、静電気や過大電圧で破壊しやす
い。このためMOS形半導体を形成した同一チツプ内
に、ゲート保護回路を集積して破壊を防止する試みがな
されている。このような従来の保護装置として、縦型M
OSFETについて例えば特開58−25264に開示
されたものがある。このような縦型MOSFETでは半
導体基板がドレインとして使われるので、バルク中にゲ
ート保護回路を集積することが難しい。
【0003】そのため従来例では図6、図7および図8
に示すように、MOSFET1を形成した半導体チップ
3の絶縁膜上にポリシリコンでリング状のツエナダイオ
ード5が形成され、MOSFET1のゲートGとソース
S間に接続される。リング状ツエナダイオード5は、と
くに図6に示されるようにチップ3の周囲に張り巡らさ
れるので、大きなPN接合長になり、ゲートGのSiO
2 膜の静電気破壊防止に大きな効果を発揮する。
【0004】この他、図9に示されるように、ゲートG
用パッド6の周囲にポリシリコンのリング状ツエナダイ
オード5を設けたものもある。
【0005】一方、集積回路やパワーICでは、図10
に示すような保護抵抗7A(7B)とダイオード8A
(8B)を組み合わせた保護装置がMOSFET1A
(1B)のゲートに接続されている。保護抵抗7A(7
B)としてはポリシリコンを用いるほか図11に示すよ
うな拡散抵抗も使われる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらポリシリ
コンでリング状ツエナダイオードを形成するものは、ポ
リシリコンツエナダイオードのPN接合長さを大きく確
保しないと効果が薄いため、相当の面積を要するという
欠点がある。そのため入力数の多い集積回路やパワーI
Cには不向きであった。
【0007】また拡散抵抗を使ったものは、通常の動作
時の過大電圧を保護抵抗7A(7B)やダイオード8A
(8B)を通して電源またはグランドへバイパスさせる
ため、順バイアスされたこれらのダイオード8A(8
B)から少数キャリアが半導体基板10中に注入され、
ラッチアップや誤動作を引きおこすという問題があっ
た。またチップの搬送時やプリント基板への組み付け作
業の際に静電気で壊れ易かった。
【0008】すなわちより具体的に説明すると、図10
に示すように人や組み立て・搬送機械など外部の帯電物
Cが集積回路やパワーICに接触すると、最初に触れた
2本のリードフレームを通って、静電気がパッド6Aか
ら保護抵抗7A、電源VDDを経由して保護抵抗7Bか
らパッド6Bへと流れ、抵抗7B部に生成する拡散ダイ
オードにはその際逆方向電圧がかかるため拡散ダイオー
ドが破壊され易い。また該拡散ダイオードが高抵抗の半
導体基板10に形成されるため、半導体基板10のシリ
ーズ抵抗の影響で電圧クランプ効果が薄れ、内部のMO
SFET1A、1Bを適切に保護できないという問題が
あった。
【0009】なお、絶縁膜上に形成したポリシリコン抵
抗を使うものは、寄生効果による誤動作防止には効果的
であるが、保護回路の内部インピーダンスがあるためパ
ッドから内部配線への放電破壊が起こりやすいという欠
点がある。これを避けるには配線間隔を充分に離さねば
ならず、チップ面積がやはり増加してしまうという問題
がある。
【0010】したがってこの発明は、上記のような従来
の問題点に着目して、大面積を要することなく、入力数
の多い集積回路やパワーICにも容易に適用でき、しか
も静電気破壊に強い保護装置を提供することを目的とす
る。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は半導体素子が形
成されたチップ上で、前記半導体素子のゲート配線系統
にツエナダイオードを接続したゲート保護装置であっ
て、前記ツエナダイオードは絶縁物上に形成された第一
導電型の半導体薄膜中にセル状に分割した第二導電型の
領域群が配置されて形成された半導体装置のゲート保護
装置とした。
【0012】
【作用】これによりツエナダイオードにおけるPN接合
のパッキング密度を増加することができ、面積を要する
ことなく、静電気による破壊や誤動作の防止ができる。
【0013】
【実施例】図1は本発明をパワーMOSに適用した実施
例を示す。このパワーMOSはラテラルDMOSFET
(以後LDMOSと呼ぶ)構造になっており、出力用素
子としてチップの表面からソースSおよびドレインDの
配線を取り出すようにしている。
【0014】すなわちN型半導体基板101上、あるい
はアイソレーションされたN型領域、にP型チャネル領
域105、N型のソース領域107、ゲート106およ
びドレイン拡散層109を設けてLDMOS100が形
成されている。ソース配線117とドレイン配線119
は、それ自体で形成するかあるいは別途設けられるボン
ディングパッド(以下、パッドという)を介して、すべ
て表面から取り出され、2層配線をもつ多層構造となっ
ている。
【0015】ゲート保護用のポリシリコンツエナダイオ
ード120はゲートパッド116の下に形成されてお
り、絶縁膜102、103、104によって、他の配線
や半導体基板101から電気的に分離されている。な
お、110はガードリングである。
【0016】ゲートパッド116の部分を図2および図
3により説明すると、第一導電形としてのN+ 領域12
1の中に多数のセル状の第二導電形P+ 領域122がパ
ッキング密度を大きくして規則的に配置されて平面ポリ
シリコンツエナダイオードが形成されている。
【0017】ここではPNP型の双方向のツエナダイオ
ードとして用いる場合の配線が形成される。すなわち、
アルミのソース配線117とゲートパッド116へは、
セル状P+ 型領域122に互い違いにコンタクトするよ
うにソース117と接続する第1コンタクト窓127、
ゲートパッド116と接続する第2コンタクト窓126
が設けられている。
【0018】ここに形成されるポリシリコンツエナダイ
オード120の特性自体は従来のものと同様にして決定
されるから、P+ 、N+ 領域の各不純物濃度については
必要とするツエナ電圧に応じて選定される。これらにつ
いては前述の従来例も参考にすることができる。
【0019】上記の実施例ではP+ 型領域122のセル
形状を四角形としたがこれに限定されず、6角形ハニカ
ム形なども採用することができる。さらに実施例ではポ
リシリコンを用いたものを示したが、PN接合を形成で
きる半導体薄膜であれば、他の材料によってもこの発明
を適用することができる。
【0020】以上の構成により、ゲート106のライン
に入った静電気や過大電圧は前記双方向のポリシリコン
ツエナダイオード120で所定の低電圧になるようにク
ランプされ、LDMOS100のゲートを形成するSi
O2 膜108は電圧破壊から保護される。
【0021】この際双方向のツエナダイオード120を
多数のセルに分割しているので、単位面積あたりのPN
接合の周辺長さをきわめて大きく確保することができ
る。例えばP+ 型領域122のセルサイズを7μm角、
P+ 型領域122間の間隔を3μmとすると、1mm2
あたりのPN接合周辺長さはW=280mmとなる。同
サイズの従来例では118mm程度であるから2倍以上
の周辺長さが確保されることがわかる。
【0022】さらにこの周辺長さの増大と2層配線構造
による電極引き出しによって、シリーズ抵抗も小さくな
るのでクランピング効果が向上して、LDMOS100
のゲート106のSiO2 膜108にかかる電圧をさら
に低下させることができる。
【0023】このように、従来例に比較して大きな静電
気耐量が得られるとともに、保護装置がボンディングパ
ッド下の全面にわたって形成することができるので、チ
ップ面積を小さくすることができるという優れた効果が
ある。
【0024】図4は、上記した保護装置をパワーICや
集積回路の入力部に適用した例を示す。内部回路134
の各入力ゲートパッド136毎に双方向のポリシリコン
ツエナダイオード130が設けられ、これらのダイオー
ド130は共通配線138に接続されている。この双方
向のポリシリコンツエナダイオード130は、内部回路
134のゲート耐圧よりも充分に低く、かつ動作時電源
電圧よりもやや大きいツエナ電圧をもたせて、それぞれ
が前述した構造で形成されている。そして共通配線13
8はグランドパッド139に接続されている。140は
出力パッドである。
【0025】この構成によれば何れかのゲートパッド1
36間に静電気が入っても、図5に等価回路を示すよう
に大部分の静電気は双方向のツエナダイオード130と
共通配線138を通って流れるだけで、内部回路134
への放電が避けられるため保護効果が高い。また通常動
作時の過大電圧に対しても確実に低電圧にクランプする
とともに、半導体基板へ電流を流すこともないので誤動
作の恐れがない。
【0026】そして前述のようにパッド下に形成した構
造であるから、適用にあたって追加的な面積を必要とし
ない利点を保有する。
【0027】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、半導体
膜中にツエナダイオードをセル分割して形成したので、
PN接合のパッキング密度を増加し面積を要することな
く、静電気による破壊や誤動作の防止が達成されるゲー
ト保護装置が得られる効果がある。
【0028】さらには入力ライン毎にパッドの下に上記
ツエナダイオードを形成するとともに、互いに配線を接
続したので内部回路への静電気放電に対する保護効果が
高い。またこの際共通配線を利用することができること
とともに、上記のように面積を要しないことから入力数
の多い集積回路やパワーICに容易に適用することがで
きる。
【0029】なお本発明は従来の各種入力保護装置の適
用を制限するものではなく、内部回路にそれら保護装置
を組み合わせることでより一層の効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す断面図である。
【図2】入力パッド部に適用した実施例を示す一部破断
平面図である。
【図3】図2のXーX断面図である。
【図4】集積回路に適用した実施例を示す図である。
【図5】図4の等価回路を示す図である。
【図6】従来のゲート保護回路を示す図である。
【図7】従来例を示すチップ平面図である。
【図8】図7のY部拡大図である。
【図9】他の従来例を示すチップ平面図である。
【図10】ゲート保護回路の他の従来例を示す図であ
る。
【図11】他の従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
100 ラテラルDMOSFET 101 N型半導体基板 102、103、104 絶縁膜 105 チャンネル領域 106 ゲート 107 ソース領域 108 ゲート絶縁膜 109 ドレイン拡散層 116 ゲートパッド 117 ソース配線 119 ドレイン配線 120 ポリシリコンツエナダイオード 121 N領域 122 セル状P+ 領域 126 第2コンタクト 127 第1コンタクト

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体素子が形成されたチップ上で、前記
    半導体素子のゲート配線系統にツエナダイオードを接続
    したゲート保護装置であって、前記ツエナダイオードは
    絶縁物上に形成された第一導電型の半導体薄膜中にセル
    状に分割した第二導電型の領域群が配置されて形成され
    ていることを特徴とする半導体装置のゲート保護装置。
  2. 【請求項2】前記第二導電型の領域群の隣接するセルの
    一方が第一の配線に接続され、他方が第二の配線に接続
    されるとともに、該第二の配線は絶縁膜を介して第一の
    配線の上に設けられて、多層構造に形成されていること
    を特徴とする請求項1記載の半導体装置のゲート保護装
    置。
  3. 【請求項3】前記第二の配線がボンディングパッドを形
    成していることを特徴とする請求項2記載の半導体装置
    のゲート保護装置。
  4. 【請求項4】半導体素子が形成され複数のボンディング
    パッドが設けられたチップ上で、各ボンディングパッド
    の下に位置して絶縁物上に第一導電型の半導体薄膜が形
    成され、該薄膜中にセル状に分割した第二導電型の領域
    群が配置されてツエナダイオードが形成されており、前
    記各ボンディングパッドの下には絶縁膜を介して配線が
    設けられ、前記第二導電型の領域群の隣接するセルの一
    方が対応するボンディングパッドに接続され、他方が前
    記配線に接続されるとともに、該配線は前記複数のボン
    ディングパッドにわたって互いに接続されていることを
    特徴とする半導体装置のゲート保護装置。
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