JPH10189958A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
OS構造のバッファトランジスタを、複数の並列配置し
たMOSトランジスタで構成すると、一部のトランジス
タに負担が集中し、このトランジスタがスナップバック
する前に破壊されてしまう。 【解決手段】 保護回路を構成するMOS型のバッファ
トランジスタのゲート電極15を1本の連続した波状に
形成し、このゲート電極15を挟んだそれぞれにソース
拡散層16とドレイン拡散層14をそれぞれ1つの拡散
領域として構成する。保護回路が1つのバッファトラン
ジスタとして構成されるため、一部のトランジスタに対
する負担の集中が回避でき、サージ電圧に対する保護能
力が向上される。その一方で、保護回路の占有面積が増
大されることはなく、かつ製造工程が増加されることも
なく、電流駆動能力が低減されることもない。
Description
いるMOSトランジスタからなる半導体装置に関し、特
に保護耐圧の向上を図った半導体装置に関する。
ら内部回路を保護するための入出力保護回路が設けられ
る。図4(a),(b)はこの種の保護回路の入力部と
出力部の回路図であり、入力部ではパッド電極41は縦
続接続されたPチャネルMOSトランジスタ42とNチ
ャネルMOSトランジスタ43の接続点に接続され、イ
ンバータ44を介してバッファ出力45に接続される。
また、出力部ではパッド電極46はPチャネルMOSト
ランジスタ47とNチャネルMOSトランジスタ48の
接続点に接続され、各MOSトランジスタのゲートにバ
ッファ入力49に接続されている。
43,48の部分の平面レイアウト図、図6はそのCC
線に沿う模式的な断面図である。前記各MOSトランジ
スタ43,48はゲート電極51と、その両側に交互に
配置されたドレイン拡散層52、ソース拡散層53と、
各拡散層にコンタクト54を介して接続されたアルミニ
ウム配線55で構成される。このような保護回路では、
バッファトランジスタとして使用されるMOSトランジ
スタのゲート幅は通常約400μmであり、内部回路の
MOSトランジスタのゲート幅に比べて極めて大きいも
のとなっている。これは、パッドに印加された約1Aと
いう大電流をGND電位に放電するためである。この場
合、従来では、バッファトランジスタを1個のトランジ
スタで構成するのではなく、図5に示すようにゲート5
1を櫛形の形状にすることにより、複数のトランジスタ
を並列に接続するレイアウトを採用している。
の半導体基板(サブストレート)56の主面にゲート5
1が櫛型に形成され、このゲート51の両側にN型のソ
ース拡散層53,ドレイン拡散層52が交互に配置され
る。そして、これらソース拡散層53とドレイン拡散層
52はそれぞれアルミニウム配線55によって並列に接
続され、さらにドレイン拡散層52にはパッド電極41
が接続され、ソース拡散層53はGND電位に接続され
ている。また、前記半導体基板56に設けられたフィー
ルド酸化膜57で周囲が画成されるとともに、その周囲
にはP型のガードリング58が配置されており、このガ
ードリング58の電位はGND電位としている。
より、トランジスタ全体としての実質的なゲート幅をW
=400μm程度とし、同じゲート幅の単一のMOSト
ランジスタで保護回路を構成したときに比べて保護回路
の占有面積を小さくし、半導体装置の高集積化、高密度
化を図っている。このような技術としては、例えば、ア
イ・イー・イー・イー・トランザクションズ・オン・エ
レクトロン・デバイス、第39巻、第2号(IEEE TRANS
ACTIONS ON ELECTRON DEVICES VOL39,No.2)1992.2 p38
2 〜384 に記載のものがある。
おけるスナップバック特性である。パッドの電位Vin
はV1まで上昇した後ゲート直下のドレイン拡散層部で
ブレイクダウンモードに入る。そしてVsbまで下降
し、再び上昇を始める。このときの状態をスナップバッ
ク状態という。これは、図6に示した寄生バイポーラト
ランジスタTrA, TrBがONすることに起因する。
つまり、ブレークダウンの際にドレイン拡散層52の直
下で衝突電離が起こり、そこで多数のホールが発生する
ことによりサブストレート56の電位が浮き上がる。そ
して多数の電子がソース拡散層53からサブストレート
56に拡散し、この拡散電流により寄生バイポーラトラ
ンジスタTrA,TrBがONするのである。このよう
にバッファトランジスタがスナップバック状態に入るこ
とにより、パッド電極41の電荷を効率よく放電し、高
い保護能力を得ることができる。また、現在では高速化
のために拡散層表面をシリサイド化したデバイスが採用
されてきているが、シリサイド化したデバイスは同図実
線の特性となり、シリサイド化していないデバイスは同
図破線の特性となる。図7において、拡散層のシリサイ
ド化を行っているデバイスは、破壊電圧Vx1となり、
シリサイド化を行っていないデバイスは破壊電圧はVx
1とである。
ウトの場合、図6に示すようにトランジスタ周囲にガー
ドリング58が配置されているため、バッファトランジ
スタにおける周辺部のサブストレート電位は上昇しにく
い。そのため、寄生バイポーラトランジスタTrBに比
べて、寄生バイポーラトランジスタTrAはONし難く
なり、バッファトランジスタの周辺部は中心部に比べて
スナップバック状態に入りにくい。このように、スナッ
プバック状態への入り方にバラツキがあることにより、
次に述べるように、過電圧に対する保護が効率よく行え
ないという問題点が生じる。
いないデバイスの破壊電圧Vx1>V1であるとする。
パッド電圧がサージ印加により上昇すると、まず並列に
接続された複数個のバッファトランジスタのうちの1個
のトランジスタがスナップバック状態に入る。これをT
r1とする。このトランジタTr1は製造のバラツキや
先に述べたガードリングの影響などのためにスナップバ
ックに最も入りやすいものであり、このトランジスタが
スナップバック状態に入ると、図6のVsbにパッド電
圧がクランプされる。ちなみに、0.35μmルールデ
バイスにおいては通常V1が約10Vであるのに対し、
Vsbは約6Vであり、パッド71の電位は大幅に低く
なる。このため、1個のトランジスタがスナップバック
状態に入ると他のトランジスタはスナップバック状態に
入ることができない。
後、再びV1までパッド電圧が上昇する。このときTr
1に流れる電流は破壊電流Ix2に達していないので、
まだ、破壊には至っていない。ここで、パッド電圧がV
1に達すると2個目のトランジスタ(ここではTr2と
する)がスナップバック状態に入る。このようにして、
以下順番にトランジスタがスナップバック状態に入り、
最終的にはすべてのトランジスタがスナップバック状態
に入る。こうして全部のトランジスタがスナップバック
状態で放電するため、高い保護能力を得ることができ
る。
場合にはこのようなメカニズムは適用できなくなる。す
なわち、シリサイド化していないデバイスに比べて拡散
層の抵抗値が低いため、バイポーラトランジスタのエミ
ッタ、コレクタに当たる部分の抵抗値が低くなり、図6
の実線に示すようにスナップバック状態に入った後の傾
きが急峻になる。ちなみにシリサイド化していないデバ
イスのスナップバック抵抗Rsnpが約30Ωであるのに
対して、シリサイド化したデバイスの抵抗Rsnpは約
18Ωであり50%程の違いが生じる。このため、並列
接続されたうちの1個のトランジスタTr1がスナップ
バック状態に入ると、次のトランジスタがスナップバッ
ク状態に入る前に破壊電流Ix1に達し、Tr1が破壊
してしまう。つまりシリサイド化したデバイスの場合に
は、図5に示すようにゲートを櫛形にレイアウトしてト
ランジスタを並列に接続していても、結局1個のトラン
ジスタしか動作せず、他のトランジスタがスナップバッ
ク状態に入る前に破壊してしまう。
たデバイスに限ったことではなく、シリサイド化を行っ
ていないデバイスにおいても、トランジスタの破壊電圧
Vx2がVx2<V1であれば、やはりシリサイド化し
たデバイスと同様、1個のトランジスタがスナップバッ
ク状態に入ると他のトランジスタがスナップバックに入
る前に破壊電流に達し、破壊してしまうことになる。こ
の結果、従来の保護回路では、過電圧に対する保護が効
率よく行えないという問題点が生じる。
イスの高速化に支障を与えずに、かつ工程数を追加せず
に、この問題点を解決し過電圧に対する保護能力を向上
した半導体装置を提供することを目的とする。
成するMOS構造のバッファトランジスタは、そのゲー
ト電極が波状の平面形状に形成され、このゲート電極を
挟む一方の領域にソースが、他方の領域にドレインがそ
れぞれ1つの連続した拡散層領域として構成されている
ことを特徴とする。ここで、バッファトランジスタは、
半導体基板の表面に形成されたフィールド酸化膜上にゲ
ート電極が延在されるフィールドトランジスタで構成さ
れ、前記フィールド酸化膜が波状の平面形状とされてい
る構成としてもよい。この場合には、ゲート電極がアル
ミニウム配線で形成され、かつソースまたはドレイン電
極と一体に形成されることが好ましい。また、ゲート電
極の波状の角部は面取りされて鈍角に形成されることが
好ましい。
参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態の平
面レイアウト図であり、(a)は入力保護回路、(b)
は出力保護回路である。この保護回路では、複数個のバ
ッファトランジスタが並列配置されている点は従来の構
成と同じであるが、各バッファトランジスタのゲート電
極は互いに隣接するものが反対側の端部において連結さ
れた波状ゲート電極15として構成されている。また、
前記ゲート電極15を挟んで形成されているソース拡散
層16およびドレイン拡散層14はそれぞれゲート電極
15の端部において一体化されており、それぞれ1つの
拡散層の領域によって形成される構成とされている。し
たがって、ゲート、ソース、ドレインがそれぞれ一体形
成されている点で、このバッファトランジスタは1つの
トランジスタとして構成されているとも言える。そし
て、ドレイン拡散層14とソース拡散層16はそれぞれ
アルミニウム配線12およびコンタクト13を介してパ
ッド電極11、GND電位17に接続される。また、出
力部ではゲート電極15はバッファ入力19に接続さ
れ、入力部ではドレイン拡散層14がバッファ出力18
に接続される。なお、図1には図示されていないがこの
バッファトランジスタの周囲にはフィールド酸化膜やガ
ードリングが形成されており、結果として図1(a)の
AA線に沿う断面構造は、図6に示した構造と同様とな
る。
性のサージ電圧が印加された場合、ドレイン拡散層1
4、ソース拡散層16、およびゲート電極15から形成
されるバッファトランジスタがブレイクダウンし、サー
ジ電圧はアルミニウム配線12を経てGND電位17へ
と放電され、保護が行われる。この際の動作は従来の場
合と同様である。そして、ここでは、バッファトランジ
スタは、単に複数のトランジスタを並列に接続するので
はなく、1個のバッファトランジスタとして構成されて
いるため、ドレインおよびソースの各拡散層が共有して
いるが故にバッファトランジスタ全体がスナップバック
に入ることになる。したがって、従来のようにゲートを
櫛形に配置して複数のトランジスタを並列に接続したと
きのような、保護トランジスタのスナップバック状態へ
の入り方にバラツキが生じることがなく、過電圧が印加
されたときの負担が保護回路の一部に集中するのを防止
でき、パッドに印加されたサージ電圧(電荷)を効率よ
く放電することができ、高い過電圧保護能力を得ること
ができる。具体的には、従来技術においてW=400μ
mのゲート幅をもつ保護トランジスタがMIL規格で1
000V程度の耐量しか得られないのに対し、この構成
を採用したときには4000V以上の耐量が得られるよ
うになる。
を波状にレイアウトしたことにより、占有面積は従来と
さほど変わらない。さらに、保護回路の断面構造も従来
とほぼ同じであるため、電流駆動能力を維持でき高速化
の弊害にならず、しかも新たに工程を追加する必要がな
い。ここで、前記実施形態では、ゲート電極15を折り
曲げた平面形状の部分は電界が集中して破壊しやすくな
らないように、図1のように角の面取りを行った構成と
することが好ましい。
アウト図、図3はそのBB線断面図である。この実施形
態では、保護回路のバッファトランジスタとしてフィー
ルドトランジスタを使用している。このフィールドトラ
ンジスタは、ソース拡散層26、ドレイン拡散層24に
それぞれコンタクト23により接続される配線とゲート
電極25とをアルミニウム配線で形成し、特にソース拡
散層26とゲート電極のアルミニウム配線をアルミニウ
ム配線25として一体化したものである。そして、この
アルミニウム配線25を、ソース拡散層26とドレイン
拡散層24を画成するために半導体基板31の主面に形
成されたフィールド酸化膜30ないし前記ソース拡散層
26の上にわたって延在させた構成としている。そし
て、このとき、フィールド酸化膜30をソース領域の縁
部に沿って波状に折り曲げた形状とし、ゲートとソース
のアルミニウム配線25をこの波状に沿って形成してい
る。なお、図2において、フィールド酸化膜28は縦線
領域として示し、ソース拡散層26は斜線領域として示
している。
24のアルミニウム配線22にパッド電極21とバッフ
ァ出力28が接続され、ソース拡散層26のアルミニウ
ム配線25はGND電位27に接続される。そして、第
1の実施形態と同様に保護回路を構成するフィールドト
ランジスタによって寄生バイポーラトランジスタが構成
され、しかもこのバッファトランジスタは1つのフィー
ルドトランジスタで構成されていることになるため、第
1の実施形態と同様のメカニズムによってフィールドト
ランジスタ全体が均一にスナップバック状態に入ること
になり、第1の実施形態と同様の効果が期待できる。
成するバッファトランジスタとしてNチャネル型のMO
Sトランジスタやフィールドトランジスタを示している
が、Pチャネル型のMOSトランジスタやフィールドト
ランジスタにおいても同様に本発明を適用することが可
能である。また、ゲートを構成する波型は、角部が円弧
状であってもよく、電界集中をより効果的に防止するこ
とができることは言うまでもない。
を構成するバッファトランジスタのゲート電極を波状に
形成するとともに、ソース、ドレインをそれぞれ1つの
拡散層領域として構成しているので、バッファトランジ
スタがスナップバック状態に入ったときに、複数のバッ
ファトランジスタで構成されている場合のように印加さ
れた過電圧を放電する際の負担が一部のバッファトラン
ジスタに集中するのを防止することができ、バッファト
ランジスタ全体で負担し、過電圧に対する保護能力を向
上することができる。また、ゲート電極が波状の平面形
状をしていることにより、ゲート電極の幅や長さを必要
に応じて変えることができ、レイアウトする際の自由度
が大きくなり、保護回路の占有面積の増大が防止でき
る。さらに、バッファトランジスタの断面構造は従来と
同様な構成とされるため、製造工程数を増やす必要が無
く、しかも電流駆動能力が大きく、高速化を維持した保
護回路を得ることができる。
ある。
ある。
説明するための図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 入出力回路にMOS構造のバッファトラ
ンジスタを有する保護回路を備える半導体装置におい
て、前記バッファトランジスタは、ゲート電極が波状の
平面形状に形成され、このゲート電極を挟む一方の領域
にソースが、他方の領域にドレインがそれぞれ1つの連
続した拡散層領域として構成されていることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項2】 バッファトランジスタが、半導体基板の
表面に形成されたフィールド酸化膜上にゲート電極が延
在されるフィールドトランジスタで構成され、前記フィ
ールド酸化膜が波状の平面形状とされている請求項1の
半導体装置。 - 【請求項3】 ゲート電極がアルミニウム配線で形成さ
れ、かつソースまたはドレイン電極と一体に形成される
請求項2の半導体装置。 - 【請求項4】 ゲート電極の波状の角部は面取りされて
鈍角に形成されている請求項1ないし3のいずれかの半
導体装置。
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