JPH07112065B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPH07112065B2
JPH07112065B2 JP61225943A JP22594386A JPH07112065B2 JP H07112065 B2 JPH07112065 B2 JP H07112065B2 JP 61225943 A JP61225943 A JP 61225943A JP 22594386 A JP22594386 A JP 22594386A JP H07112065 B2 JPH07112065 B2 JP H07112065B2
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type
misfet
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一幸 宮沢
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/0203Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0248Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路装置に関するものであり、特
に、MISFETを有する半導体集積回路装置に適用して有効
な技術に関するものである。
〔従来の技術〕
入力信号用のボンディングパッドには入力保護回路が接
続している。この保護回路は、例えばp-型半導体基板の
表面に線状のn+型半導体領域を形成し、このn+型半導体
領域を抵抗素子として用い、また前記n+型半導体領域と
半導体基板の間でダイオードを構成する。なお、入力保
護回路に関する技術は、例えば特願昭59−152998号に記
載されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明者は前記技術を検討した結果、次の問題点を見出
した。
前記ダイオードは、ブレイクダウン電圧が低いため外部
から流入するサージ電流のほとんどがそのダイオードを
通って半導体基板に流れ込む。このため、ダイオードが
破壊され易い。
本発明の目的は、半導体集積回路装置の電気的信頼性を
向上することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。
〔問題点を解決するための手段〕
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、保護素子を半導体基板の表面に離隔して設け
た1対の第1導電型の第1半導体領域と、前記2つのう
ちの一方の第1半導体領域の下部に設けた第1導電型で
かつ前記第1半導体領域より低濃度の第2半導体領域で
構成する。前記第2半導体領域を下部に有する第1半導
体領域は、外部電極に接続し、他方の第1半導体領域は
基準電位の配線に接続する。
〔作用〕
上記した手段によれば、外部電極が接続している半導体
領域と半導体基板の間の接合が破壊されにくくなるの
で、半導体集積回路装置の信頼性を向上することができ
る。
〔実施例〕
第1図は、本実施例の入力保護回路の平面図であり、第
2図は、第1図のA−A切断線における断面図である。
なお、第1図は入力保護回路の構成を解り易くするた
め、フィールド絶縁膜以外の絶縁膜を図示していない。
第1図及び第2図において、1はp-型単結晶シリコンか
らなる半導体基板である。2はフィールド絶縁膜であ
り、半導体基板1の表面の選択酸化による酸化シリコン
膜からなっている。フィールド絶縁膜2は、半導体基板
1の表面に構成される半導体素子の周囲を規定するよう
に形成してある。フィールド絶縁膜のn-型ウエル領域4
を除いた下部にはp型チャネルストッパ領域3が形成し
てある。
入力保護回路は、半導体集積回路装置の外部電極である
アルミニウム膜からなるボンディングパッドBPが接続孔
10を通して接続しているn+型半導体領域(四角形状の部
分)52、このn+型半導体領域52の下部に形成しているn-
型ウエル領域4、n-型ウエル領域4及びn+型半導体領域
52から離隔して半導体基板1の表面に形成したn+型半導
体領域51、このn+型半導体領域51の下部に形成したp+
半導体領域6、n+型半導体領域52と一体に形成された線
状のn+型半導体領域からなる抵抗素子Rおよび抵抗素子
Rに接続しているダイオード形態に構成したNチャネル
MISFETからなるクランプMISFETとで構成している。
n-型ウエル領域4は、n+型半導体領域52より大きなパタ
ーンであり、後述するPチャネルMISFETを構成するため
のn-型ウエル領域4と同一工程で形成したものである。
n-型ウエル領域4を設けることによってn+型半導体領域
52とp-型半導体基板1の間の接合耐圧(ブレイクダウン
電圧)を高くして、ボンディングパッドBPから流入した
プラス(正極性)のサージ電流を抵抗素子Rの方へ流す
ようにしている。言換えれば、n+型半導体領域52とp-
半導体基板1の間の接合破壊耐圧を高めている。
n+型半導体領域52とn+型半導体領域51との間あるいはn-
型ウエル領域4とn+型半導体領域51の間は、通常の回路
動作に伴う電圧(例えば0〜5V)に対しては、フィール
ド絶縁膜2及びp型チャネルストッパ領域3によって電
気的に分離している。n-型ウエル領域4とn+型半導体領
域51の間の離隔距離は、例えば40μm程度にしている。
n+型半導体領域51の下部のp+型半導体領域6は、そのパ
ターンをフィールド絶縁膜2によって規定したものであ
り、後述するダイナミックRAMの容量素子の下部に設け
られるp+型半導体領域6と同一工程で形成したものであ
る。p+型半導体領域6は、電源電位Vcc配線あるいは接
地電位Vss配線等には接続されていない。すなわち電気
的にフローティングとなっている。これによりn+型半導
体領域51とp+型半導体基板1の間の空乏層を薄くして、
ブレイクダウン電圧を下げてマイナス(負極性)のサー
ジを抜け易くしている。
保護回路において、抵抗素子Rとして機能するのは、R1
からR2までの部分である。抵抗素子Rのほとんどの部分
の下部には、n-型ウエル領域4がないようになってい
る。n+型半導体領域51、52、抵抗素子Rは、クランプMI
SFET及びNチャネルMISFETのソース、ドレインの一部で
あるn+型半導体領域5と同一工程で形成している。ま
た、これらの表面は、ゲート絶縁膜8と同一工程で形成
される酸化シリコン膜8が覆っている。ボンディングパ
ッドBPは、絶縁膜9上を延在するアルミニウム膜からな
る配線11及び絶縁膜9の選択的な除去による接続孔10を
通してn+型半導体領域52に接続している。前記絶縁膜9
は、例えばCVDによる酸化シリコン膜の上にリンシリケ
ートガラス(PSG)膜を積層して構成したものである。n
+型半導体領域51の上面には、アルミニウム膜からな
り、回路の基準電位すなわち接地電位Vss例えばOVを供
給するための配線12が、接続孔10を通して接続してい
る。
入力保護回路の一部であるクランプMISFETは、フィール
ド絶縁膜2から露出した半導体基板1の表面のゲート絶
縁膜(図示せず)、例えばCVDによる多結晶シリコン膜
からなるゲート電極16、ソース、ドレイン領域のチャネ
ル領域側を構成するn型半導体領域7、ソース、ドレイ
ン領域のチャネル領域から離隔した部分を構成するn+
半導体領域53からなっている。ドレイン領域の一部であ
るn+型半導体領域53は抵抗素子Rと一体に構成され、ま
た、その上面には内部回路例えばインバータに接続して
いるアルミニウム膜からなる配線15が接続孔10を通して
接続している。他方、ソース領域の一部であるn+型半導
体領域53の上面には接地電位Vss配線12が接続孔10を通
して接続している。ゲート電極16の上面に配線12が接続
孔10を通して接続している。このように、ソース領域と
ゲート電極16を接続してダイオード形態に構成してい
る。半導体基板1の最上層を例えばPSGの上に窒化シリ
コン膜を積層して構成した絶縁膜13が覆っている。絶縁
膜13はボンディングパッドBPの上では除去されて開口14
となっている。
ここで、本実施例の保護回路の回路動作を第4図及び第
5図を用いて説明する。第4図は、プラスのサージ電流
が流入したときの等価回路であり、第5図は、マイナス
のサージ電流が入ったときの等価回路である。
第4図において、D1はn+型半導体領域52とp-型半導体基
板1の間に構成されているダイオード、Rはn+型半導体
領域からなる抵抗素子、D2はクランプMISFETのドレイン
領域であるn+型半導体領域53と半導体基板1の間に構成
されるダイオード、Raは前記n+型半導体領域53からn-
ウエル領域4までの間の半導体基板1の抵抗、Rbはn-
ウエル領域4からn+型半導体領域52までの間の半導体基
板1の抵抗、Rcはn-型ウエル領域4の抵抗、Q1は第1図
で説明したクランプMISFETである。INは内部回路を構成
しているインバータであり、例えばNチャネルMISFETQn
1とPチャネルMISFETQp1とで構成している。OUTはイン
バータの出力端子である。
ボンディングパッドBPからプラスのサージが流入したと
き、ダイオードD1はn-型ウエル領域4によって接合耐圧
が高められているためブレイクダウンを起さない。した
がって、抵抗素子Rをプラスのサージによる電流I1が流
れる。次に、電流I1によってダイオードD2がブレイクダ
ウンを起して半導体基板1中に電流I2が流れる。ここ
で、第1図及び第2図に示したn+型半導体領域52とn+
半導体領域51の間には寄生のバイポーラトランジスタが
構成されている。n+型半導体領域52がコレクタ、n+型半
導体領域51がエミッタ、半導体基板1がベースである。
コレクタにはn-型ウエル領域4による抵抗Rcが付加され
る。このバイポーラトランジスタが、前記電流I2によっ
て導通状態にされるため、ボンディングパッドBPから流
入するサージ電流のほとんどは、コレクタからエミッタ
へ抜ける電流I3となる。以上のような動作によって、イ
ンバータINを構成しているMISFETQp1、Qn1のプラスの
サージによる破壊を防止することができる。
次に、マイナスのサージに対する保護回路の動作を説明
する。
第5図において、D3はn+型半導体領域51とp+型半導体領
域6の間に構成されるダイオード、D4はクランプMISFET
Q1のソース領域であるn+型半導体領域53と半導体基板1
の間に構成されるダイオードである。ボンディングパッ
ドBPからマイナスのサージ電流が流入すると、ダイオー
ドD2が導通して抵抗素子R中を電流I1が流れる。また、
ダイオードD4がブレイクダウンを起して電流I2が流れ、
この電流I2は抵抗Ra及びダイオードD1を通ってボンディ
ングパッドBPへ流れる。
さらに、本願では、ダイオードD3のブレイクダウン電圧
が、p+型半導体領域6によって10V程度に下げられてい
るため、ダイオードD3、抵抗Rb、ダイオードD1を通る電
流I3が流れる。電流I3が流れることは電流I1の値を低減
できることを意味し、これによりA点の電圧ドロップを
小さくできる。すなわち、MISFETQp1、Qn1の破壊を防止
できる。
以上の構成により、次の効果を得ることができる。
(1)n+型半導体領域52の下部にn-型ウエル領域4を設
けていることにより、n+型半導体領域52と半導体基板1
の間がプラスのサージによって破壊されなくなるので、
半導体集積回路装置の信頼性を向上することができる。
(2)n+型半導体領域51の下部にp+型半導体領域6を設
けていることにより、マイナスのサージによる内部回路
の破壊がなくなるので、半導体集積回路装置の信頼性を
向上することができる。
なお、マイナスのサージによるインバータINの破壊を防
止するためには、抵抗素子Rの抵抗値を高くすることが
考えられるが、本実施例によれば抵抗値を高くすること
なくマイナスのサージによる破壊を防止することができ
る。これは、抵抗素子Rによる入力信号の減衰量又は遅
延を低減できることを意味している。
次に、インバータ回路INの具体的な構成を説明する。
第3図は、インバータ回路INを構成しているPチャネル
MISFETとNチャネルMISFETの断面図である。
第3図において、NチャネルMISFETは、半導体基板1の
表面の酸化による酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜
8、ソース、ドレイン領域を構成するn型半導体領域7
及びn+型半導体領域5、ゲート電極16からなっている。
ゲート電極16の側部に例えばCVDによる酸化シリコン膜
からなるサイドウォール17が延在している。Pチャネル
MISFETは、ゲート絶縁膜8、ソース、ドレイン領域であ
るp+型半導体領域18、ゲート電極16からなっている。P
チャネルMISFETはn-型ウエル領域4に構成してある。こ
のn-型ウエル領域4と同一工程で第1図及び第2図に示
したn-型ウエル領域4が形成される。前記NチャネルMI
SFETのソース領域5には、アルミニウム膜からなり、接
地電位Vssを供給する配線19が接続孔10を通して接続し
ている。NチャネルMISFET及びPチャネルMISFETのドレ
イン領域5又は18には、アルミニウム膜からなる配線20
が接続孔10を通して接続している。PチャネルMISFETの
ソース領域18にアルミニウム膜からなる配線21が、接続
孔10を通して接続している。
次に、ダイナミックRAMのメモリセルの構成を第6図を
用いて説明する。
第6図に選択MISFETと容量素子が示されている。選択MI
SFETは、前記インバータINのNチャネルMISFETあるいは
第1図に示したクランプMISFETと同様の構成になってい
る。容量素子は、例えば半導体基板1の表面の酸化によ
る酸化シリコン膜からなる誘電体膜22、誘電体膜22下の
容量電極であるn+型半導体領域25、誘電体膜22上の例え
ばCVDによる多結晶シリコン膜からなる容量電極23から
なっている。n+型半導体領域22の下部にp+型半導体領域
6を形成している。p+型半導体領域6は、容量素子の容
量の増加を図るためであり、また半導体基板1中の少数
キャリアの侵入を防止するためである。このp+型半導体
領域6と同一工程によって第1図及び第2図に示したp+
型半導体領域6を形成している。容量電極23はその表面
を酸化してなる酸化シリコン膜からなる絶縁膜24が覆っ
ている。WLはゲート電極16と一体に形成されたワード線
である。DLはアルミニウム膜からなるデータ線である。
以上、本発明を前記実施例にもとずき具体的に説明した
が、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、そ
の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であるこ
とはいうまでもない。
〔発明の効果〕
本願によって開示された発明のうち代表的なものによっ
て得られるものの効果を簡単に説明すれば、次のとおり
である。
すなわち、プラスのサージによる破壊を防止することが
でき、さらにマイナスのサージによる破壊を防止するこ
とができるので、半導体集積回路装置の信頼性を向上す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、入力保護回路の平面図、 第2図は、第1図のA−A切断線における断面図、 第3図は、インバータを構成しているPチャネルMISFET
及びNチャネルMISFETの断面図、 第4図及び第5図は、入力保護回路の等価回路、 第6図は、ダイナミックRAMのメモリセルの断面図であ
る。 1…半導体基板、2…フィールド絶縁膜、3…チャネル
ストッパ領域、4…n-型ウエル領域、5…n+型半導体領
域、6…p+型半導体領域、7…n型半導体領域、8…ゲ
ート絶縁膜(SiO2)、9、13…絶縁膜、10…接続孔、1
1、12、15、19、20、21…アルミニウム配線、14…開
口、16…ゲート電極、17…サイドウォール、18…p+型半
導体領域、22…誘電体膜、23…容量電極、24…絶縁膜、
25…n+型半導体領域、R…抵抗素子、Ra、Rb、Rc…抵
抗、D1、D2、D3、D4…ダイオード。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】選択MISFETと容量素子とからなるメモリセ
    ルと、内部回路に入力される信号が印加される外部電極
    と内部回路との間に接続された抵抗素子およびクランプ
    MISFETからなる保護回路と、を備えた半導体集積回路装
    置であって、 上記容量素子は、半導体基板の表面に形成された第1の
    導電型の第1半導体領域と該第1半導体領域の上に誘電
    体膜を挾んで形成された電極とにより構成され、上記第
    1半導体領域の下方には第2の導電型の第2半導体領域
    が形成されてなり、 上記抵抗素子は、半導体基板の表面に形成された第1の
    導電型の第3半導体領域により構成され、該第3半導体
    領域の一端には上記外部電極が接続されているととも
    に、この第3半導体領域の上記外部電極接続側下方には
    第1の導電型であって上記第3半導体領域よりも低濃度
    の第4半導体領域が形成され、 上記第4半導体領域から離れた位置に第1の導電型から
    なり基準電位の配線が接続された第5半導体領域が形成
    され、かつこの第5半導体領域の下方には第2の導電型
    からなる第6半導体領域が形成されているとともに、 上記第4半導体領域は、内部回路を構成するMISFETのウ
    ェル領域と同時に形成された半導体領域であり、 上記第6半導体領域は、上記メモリセルを構成する容量
    素子の一方の電極となる第1半導体領域下方の第2半導
    体領域と同時に形成された半導体領域である ことを特徴とする半導体集積回路装置。
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