JPH08250668A - Electrostatic discharge protection device in silicon - on - insulator structure and its manufacture - Google Patents
Electrostatic discharge protection device in silicon - on - insulator structure and its manufactureInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置及びその
製造方法に係り、特に静電放電ストレスに強い静電放電
保護素子及びその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an electrostatic discharge protection element resistant to electrostatic discharge stress and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】バルクシリコン層上に埋没絶縁層及び上
部シリコン層を積層し前記上部シリコン層上に半導体素
子を形成するシリコン−オン−インシュレータ(Silico
n-On-Insulator:以下SOIと称する)技術はより効果的
にシリコン基板上に形成された半導体素子等を相互分離
する技術であり、トランジスターのラッチアップを除去
して接合容量を減少させる。このような寄生抵抗の減少
は同一な素子のサイズで従来のバルク基板の集積回路よ
り余程速い回路速度で集積回路が動作しうるようにす
る。また、向上されたショートーチャンネル効果、高い
回路密度及び容易な製造工程のためにSOI技術はさらに
脚光を浴びている。2. Description of the Related Art A silicon-on-insulator (Silico) for stacking a buried insulating layer and an upper silicon layer on a bulk silicon layer to form a semiconductor device on the upper silicon layer.
n-On-Insulator (hereinafter referred to as SOI) technology is a technology that more effectively separates semiconductor elements and the like formed on a silicon substrate from each other, and reduces latch-up of transistors to reduce junction capacitance. Such reduction in parasitic resistance enables the integrated circuit to operate at a circuit speed much higher than that of the conventional bulk substrate integrated circuit with the same device size. In addition, SOI technology is in the spotlight due to its improved short-channel effect, high circuit density and easy manufacturing process.
【0003】一般的に、半導体素子の静電放電(Electr
ostatic Discharge:以下ESDと称する)パルスが印加さ
れると、前記素子の内部に高い電流が流入される。この
ようなESDストレスは半導体素子の内部から寄生的なバ
イポーラの動作を起こすことにより前記素子を熱的に消
耗させる。Generally, an electrostatic discharge of a semiconductor device (Electr
ostatic Discharge: hereinafter referred to as ESD) When a pulse is applied, a high current flows into the inside of the device. Such an ESD stress causes a parasitic bipolar operation from the inside of the semiconductor device to thermally exhaust the device.
【0004】バルク基板の技術では、NMOS/PMOSの出力
バッファを使用することにより、優秀なESD保護水準を
維持しうる。しかし、このようなバルク技術で使用され
る保護構造のほとんどはSOI構造の素子に適合しないの
で、SOI技術の急激な進歩と共に信頼性の側面でESDの感
受性が重要な要素となっている。Bulk substrate technology can maintain excellent ESD protection levels by using NMOS / PMOS output buffers. However, since most of the protection structures used in such bulk technology are not compatible with the devices of SOI structure, ESD sensitivity has become an important factor in terms of reliability with the rapid progress of SOI technology.
【0005】さらに、SOI構造の素子では薄い上部シリ
コン層でこのようなESDストレスを消耗すべきである
が、ESDストレスを熱的に消耗するシリコン層がバルク
基板の素子に比べて相対的に薄いのでESDストレスに弱
くなる。Further, in an SOI structure device, such an ESD stress should be consumed by a thin upper silicon layer, but the silicon layer that thermally consumes the ESD stress is relatively thin as compared with a bulk substrate device. So it becomes vulnerable to ESD stress.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
はESDストレスに強いESD保護素子を提供することにあ
る。SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, it is an object of the present invention to provide an ESD protection element that is resistant to ESD stress.
【0007】本発明の他の目的は前記ESD保護素子の製
造に特に適合したESD保護素子の製造方法を提供する
ことにある。Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an ESD protection device which is particularly suitable for manufacturing the ESD protection device.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、バルクシリコン層上に埋没絶縁層及び上部
シリコン層が積層され形成された基板と、前記基板の第
1領域で前記上部シリコン層上に形成されたSOI構造の
トランジスターと、前記基板の第2領域で前記バルクシ
リコン層に形成されたバルクフィールドトランジスター
を具備することを特徴とするESD保護素子を提供する。In order to achieve the above object, the present invention provides a substrate in which a buried insulating layer and an upper silicon layer are stacked on a bulk silicon layer, and the upper portion is formed in a first region of the substrate. There is provided an ESD protection device comprising an SOI structure transistor formed on a silicon layer and a bulk field transistor formed on the bulk silicon layer in a second region of the substrate.
【0009】前記バルクフィールド領域はMOSトランジ
スターで形成されうる。The bulk field region may be formed of a MOS transistor.
【0010】前記上部シリコン層は前記バルクフィール
ドトランジスターのゲートとして使用されうる。前記バ
ルクフィールドトランジスターのゲートはVss端子に連
結されることができ、外部電源用のパッドにも連結され
うる。The upper silicon layer may be used as a gate of the bulk field transistor. The gate of the bulk field transistor may be connected to the Vss terminal and may also be connected to a pad for an external power source.
【0011】前記他の目的を達成するために本発明は、
バルクシリコン層上に埋没絶縁層及び上部シリコン層を
順次に積層して基板を形成する段階と、前記基板の第1
領域で、前記上部シリコン層上にSOI構造のトランジス
ターを製造する段階と、前記基板の第2領域で、前記埋
没絶縁層を選択的に蝕刻した後露出されたバルクシリコ
ン層に一対の不純物の領域等を形成してバルクフィール
ドトランジスターを製造する段階を具備することを特徴
とするESD保護素子の製造方法製造方法を提供する。In order to achieve the above-mentioned other objects, the present invention provides:
Forming a substrate by sequentially stacking a buried insulating layer and an upper silicon layer on the bulk silicon layer;
A step of manufacturing a transistor having an SOI structure on the upper silicon layer in a region, and a pair of impurity regions in the bulk silicon layer exposed after selectively etching the buried insulating layer in the second region of the substrate. And a method of manufacturing a bulk field transistor by providing the above method.
【0012】前記バルクフィールドトランジスターを製
造する段階で、前記上部シリコン層の完全な除去がで
き、前記上部シリコン層をパタニングしてゲートも形成
しうる。During the process of manufacturing the bulk field transistor, the upper silicon layer may be completely removed, and the upper silicon layer may be patterned to form a gate.
【0013】前記バルクフィールドトランジスターがN
形の素子の場合はバルクシリコン層にP形の不純物をイ
オン注入し、前記バルクフィールドトランジスターがP
形の素子の場合はバルクシリコン層にN形の不純物をイ
オン注入することが望ましい。The bulk field transistor is N
In the case of a P-type device, P-type impurities are ion-implanted into the bulk silicon layer, and the bulk field transistor is
In the case of a type device, it is desirable to ion-implant an N type impurity into the bulk silicon layer.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づき本発明
の望ましい実施例を詳しく説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
【0015】図1乃至図3を参照すれば、SOI構造の出
力バッファまたは入力バッファの構造で、SOI構造の駆
動トランジスターとバルクフィールド領域にESD保護素
子が形成される。Referring to FIGS. 1 to 3, in an SOI output buffer or input buffer structure, an ESD protection device is formed in a drive transistor and a bulk field region of the SOI structure.
【0016】前記SOI駆動トランジスターは、図2に示
したように、バルクシリコン層10の上に埋没絶縁層1
1を介して形成された上部シリコン層15の上に形成さ
れたゲート14と前記上部シリコン層15内に形成され
たソース13及びドレイン12で構成される。ここで、
図2の参照符号16はゲート14を絶縁させる絶縁膜を
示し、17はソース電極及びドレイン電極を示す。As shown in FIG. 2, the SOI driving transistor includes a buried insulating layer 1 on a bulk silicon layer 10.
It is composed of a gate 14 formed on the upper silicon layer 15 which is formed through the layer 1 and a source 13 and a drain 12 formed in the upper silicon layer 15. here,
Reference numeral 16 in FIG. 2 denotes an insulating film for insulating the gate 14, and 17 denotes a source electrode and a drain electrode.
【0017】前記バルクフィールド領域は、図3に示し
たように、上部シリコン層15を除去して埋没絶縁層2
1を選択的に蝕刻した後、露出されたバルクシリコン層
20にソース23及びドレイン22を形成することによ
りゲートを形成しないトランジスター構造として作られ
る。27はソース電極及びドレイン電極を示す。この
際、前記バルクフィールドトランジスターの破壊電圧を
SOI素子と類似に構成するために、バルクフィールドト
ランジスターがN形の素子の場合はバルクシリコン層にP
形の不純物をイオン注入し、反対にP形の素子の場合はN
形の不純物をイオン注入する。前記SOIの駆動トランジ
スターのゲート14は入力ドライバまたはVss端子に連
結されることができ、前記バルクフィールドトランジス
ターとSOIの駆動トランジスターは拡散抵抗Rdによって
相互連結される。In the bulk field region, as shown in FIG. 3, the buried silicon layer 2 is formed by removing the upper silicon layer 15.
1 is selectively etched, and then a source 23 and a drain 22 are formed on the exposed bulk silicon layer 20 to form a gate-free transistor structure. Reference numeral 27 indicates a source electrode and a drain electrode. At this time, the breakdown voltage of the bulk field transistor is
If the bulk field transistor is an N-type device, a P-type
Type impurities are ion-implanted, conversely N for P type elements
Ion-implant impurities in the form. The gate 14 of the SOI driving transistor may be connected to an input driver or a Vss terminal, and the bulk field transistor and the SOI driving transistor may be connected to each other by a diffusion resistor Rd.
【0018】前記図1に示されたESD保護素子の動作を
見れば次のようである。The operation of the ESD protection device shown in FIG. 1 is as follows.
【0019】まず、通常的な動作ではSOIの駆動トラン
ジスターが動作して正常的な出力バッファまたは入力バ
ッファの役割を果たす。しかし、ESDパルスを印加すれ
ば、SOIの駆動トランジスターは浮遊されてバルクフィ
ールドトランジスターは接地される。初期には低い電流
がSOIの駆動トランジスターに流れるが、徐々に電流が
増加することによりA地点の電圧が上昇してバルクフィ
ールドトランジスターの破壊電圧を余程越えると大きい
電流がバルクフィールドトランジスターの方に流れるこ
とになる。バルクフィールドトランジスターでは破壊領
域がシリコン層の表面24で発生しなくソースまたはド
レインの接合部位25で発生するが、前記接合部位でバ
ルクシリコン層の不純物の濃度が高いので寄生バイポー
ラ動作をする領域での抵抗が小さくなる。これはESDス
トレスを熱的に消耗する全体の電力を減少させる結果を
もたらすので、本発明のESD保護素子は良好なESD感受性
を確報しうる。ここで、パッドは半導体装置におけるデ
ータを入出力する端子である。First, in a normal operation, the SOI drive transistor operates to function as a normal output buffer or input buffer. However, when the ESD pulse is applied, the SOI driving transistor is floated and the bulk field transistor is grounded. Initially, a low current flows into the drive transistor of SOI, but when the current gradually increases, the voltage at point A rises and the breakdown voltage of the bulk field transistor is exceeded, and a large current flows to the bulk field transistor. It will flow. In the bulk field transistor, the breakdown region does not occur at the surface 24 of the silicon layer but at the junction portion 25 of the source or drain, but since the concentration of impurities in the bulk silicon layer is high at the junction portion, the breakdown region in the area where the parasitic bipolar operation is performed. The resistance decreases. This results in a reduction in the overall power that thermally dissipates the ESD stress, so the ESD protection device of the present invention may confirm good ESD susceptibility. Here, the pad is a terminal for inputting / outputting data in the semiconductor device.
【0020】図4は本発明の第2実施例によるESD保護
素子の等価回路図であり、バルクフィールド構造のトラ
ンジスターからゲートをVss端子に連結したESD保護素子
を示す。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of an ESD protection device according to a second embodiment of the present invention, showing an ESD protection device in which a gate of a transistor having a bulk field structure is connected to a Vss terminal.
【0021】図5は本発明の第3実施例によるESD保護
素子の等価回路図であり、バルクフィールド構造のトラ
ンジスターからゲートを外部電源用のパッドに連結した
ESD保護素子を示す。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of an ESD protection device according to a third embodiment of the present invention, in which a gate of a transistor having a bulk field structure is connected to an external power supply pad.
Indicates an ESD protection device.
【0022】図6は本発明の第2及び第3実施例による
ESD保護素子におけるバルクフィールドトランジスター
の断面図を示す。FIG. 6 shows the second and third embodiments of the present invention.
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a bulk field transistor in an ESD protection device.
【0023】図6を参照すれば、SOI構造の上部シリコ
ン層を選択的にパタニングして前記上部シリコン層より
なるゲート26を形成することによりバルクフィールド
トランジスターをゲート、ソース及びドレインが具備さ
れたMOSトランジスター構造で形成する。Referring to FIG. 6, a bulk field transistor is provided with a gate, a source and a drain by selectively patterning an upper silicon layer of an SOI structure to form a gate 26 of the upper silicon layer. It is formed with a transistor structure.
【0024】図7は従来のESD保護素子と本発明のESD保
護素子のESDシミュレーションの結果を示すグラフであ
る。FIG. 7 is a graph showing the results of the ESD simulation of the conventional ESD protection element and the ESD protection element of the present invention.
【0025】図7を参照すれば、ESDストレスの印加
時、従来のESD保護素子は、素子の内部温度がSOI構造の
上部シリコン層の狭い領域から急激に増加するので低い
ESD感受性を有する。反対に、本発明によるESD保護素子
は、バルクフィールドトランジスターのバルクシリコン
層から寄生バイポーラを起こしESDストレスを消耗する
ことにより素子の内部温度が余程小さく上昇するので高
いESD感受性を有する。Referring to FIG. 7, when an ESD stress is applied, the conventional ESD protection device has a low internal temperature because the internal temperature of the device rapidly increases from a narrow region of the upper silicon layer of the SOI structure.
Has ESD sensitivity. On the contrary, the ESD protection device according to the present invention has a high ESD susceptibility because the internal temperature of the device rises by a very small amount by causing parasitic bipolar from the bulk silicon layer of the bulk field transistor to consume ESD stress.
【0026】[0026]
【発明の効果】以上、前述したように本発明によれば、
SOI構造のトランジスターとバルクフィールドトランジ
スターよりなるESD保護素子を形成することにより、前
記バルクフィールドトランジスターへESDストレスを誘
導しこれをバルクシリコン層で熱的に消耗する。従っ
て、高いESD感受性を有するESD保護素子を得ることがで
きる。As described above, according to the present invention,
By forming an ESD protection element including a transistor having an SOI structure and a bulk field transistor, an ESD stress is induced in the bulk field transistor and this is thermally consumed in the bulk silicon layer. Therefore, an ESD protection element having high ESD sensitivity can be obtained.
【0027】本発明は前記実施例に限定されなく、多く
の変形が本発明の技術的思想内で当分野で通常の知識を
有する者により可能なのは明白である。The present invention is not limited to the above embodiments, and it is obvious that many modifications can be made by a person having ordinary skill in the art within the technical idea of the present invention.
【図1】 本発明の第1実施例によるESD保護素子の等
価回路図。FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of an ESD protection device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】 本発明の第1実施例によるESD保護素子にお
けるSOI駆動トランジスターの断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view of an SOI driving transistor in an ESD protection device according to a first exemplary embodiment of the present invention.
【図3】 本発明の第1実施例によるESD保護素子にお
けるバルクフィールドトランジスターの断面図。FIG. 3 is a sectional view of a bulk field transistor in the ESD protection device according to the first embodiment of the present invention.
【図4】 本発明の第2実施例によるESD保護素子の等
価回路図。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of an ESD protection device according to a second embodiment of the present invention.
【図5】 本発明の第3実施例によるESD保護素子の等
価回路図。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of an ESD protection device according to a third embodiment of the present invention.
【図6】 本発明の第2及び第3実施例によるESD保護
素子におけるバルクフィールドトランジスターの断面
図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a bulk field transistor in an ESD protection device according to second and third embodiments of the present invention.
【図7】 従来のESD保護素子と本発明のESD保護素子と
のESDシミュレーションの結果を示すグラフ。FIG. 7 is a graph showing the results of ESD simulations of the conventional ESD protection element and the ESD protection element of the present invention.
Claims (10)
部シリコン層が積層され形成された基板と、 前記基板の第1領域で前記上部シリコン層上に形成され
たシリコン−オン−インシュレータ構造のトランジスタ
ーと、 前記基板の第2領域で前記バルクシリコン層に形成され
たバルクフィールドトランジスターを具備することを特
徴とする静電放電保護素子。1. A substrate having a buried insulating layer and an upper silicon layer stacked on a bulk silicon layer, and a transistor having a silicon-on-insulator structure formed on the upper silicon layer in a first region of the substrate. And a bulk field transistor formed on the bulk silicon layer in the second region of the substrate.
MOSトランジスターで形成されることを特徴とする請求
項1に記載の静電放電保護素子。2. The bulk field transistor
The electrostatic discharge protection device according to claim 1, which is formed of a MOS transistor.
ルドトランジスターのゲートとして使用されることを特
徴とする請求項1に記載の静電放電保護素子。3. The electrostatic discharge protection device according to claim 1, wherein the upper silicon layer is used as a gate of the bulk field transistor.
ゲートは、Vss端子に連結されることを特徴とする請求
項3に記載の静電放電保護素子。4. The electrostatic discharge protection device of claim 3, wherein a gate of the bulk field transistor is connected to a Vss terminal.
ゲートは、外部電源用のパッドに連結されることを特徴
とする請求項3に記載の静電放電保護素子。5. The electrostatic discharge protection device of claim 3, wherein a gate of the bulk field transistor is connected to a pad for an external power source.
部シリコン層を順次に積層して基板を形成する段階と、 前記基板の第1領域で、前記上部シリコン層上に上にシ
リコン−オン−インシュレータ構造のトランジスターを
製造する段階と、 前記基板の第2領域で、前記埋没絶縁層を選択的に蝕刻
した後露出されたバルクシリコン層に一対の不純物の領
域等を形成してバルクフィールドトランジスターを製造
する段階を具備することを特徴とする静電放電保護素子
の製造方法。6. Forming a substrate by sequentially stacking a buried insulating layer and an upper silicon layer on a bulk silicon layer to form a substrate on the upper silicon layer in a first region of the substrate. A step of manufacturing a transistor having an insulator structure; and, in the second region of the substrate, selectively etching the buried insulating layer and then forming a pair of impurity regions in the exposed bulk silicon layer to form a bulk field transistor. A method of manufacturing an electrostatic discharge protection device, comprising the step of manufacturing.
製造する段階で、前記上部シリコン層を完全に除去する
ことを特徴とする請求項6に記載の静電放電保護素子の
製造方法。7. The method according to claim 6, wherein the upper silicon layer is completely removed in the step of manufacturing the bulk field transistor.
製造する段階で、前記上部シリコン層をパタニングして
ゲートを形成することを特徴とする請求項6に記載の静
電放電保護素子の製造方法。8. The method according to claim 6, wherein the gate is formed by patterning the upper silicon layer in the step of manufacturing the bulk field transistor.
N形の素子の場合、バルクシリコン層にP形の不純物をイ
オン注入することを特徴とする請求項6に記載の静電放
電保護素子の製造方法。9. The bulk field transistor is
7. The method of manufacturing an electrostatic discharge protection device according to claim 6, wherein in the case of an N-type device, P-type impurities are ion-implanted into the bulk silicon layer.
がP形の素子の場合、バルクシリコン層にN形の不純物を
イオン注入することを特徴とする請求項6に記載の静電
放電保護素子の製造方法。10. The method for manufacturing an electrostatic discharge protection device according to claim 6, wherein when the bulk field transistor is a P-type device, N-type impurities are ion-implanted into the bulk silicon layer.
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KR1019950004380A KR960036037A (en) | 1995-03-03 | 1995-03-03 | Electrostatic discharge protection device in silicon-on-insulator (SOI) structure and manufacturing method thereof |
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KR20000042847A (en) * | 1998-12-28 | 2000-07-15 | 김영환 | Fabrication method of silicon on insulator(soi) semiconductor device |
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