JPH10504424A - 静電放電保護回路 - Google Patents

静電放電保護回路

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JPH10504424A JP8507373A JP50737396A JPH10504424A JP H10504424 A JPH10504424 A JP H10504424A JP 8507373 A JP8507373 A JP 8507373A JP 50737396 A JP50737396 A JP 50737396A JP H10504424 A JPH10504424 A JP H10504424A
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Abstract

(57)【要約】 NMOS(20)または横型バイポーラトランジスタ(136)を含む電気回路は、それらに接続されるツエナーダイオードを含み、トランジスタをESDから保護する。NMOSトランジスタ(20)は、N型ソース(22)、N−型ドレイン(24)、P型チャネル領域およびチャネル領域から絶縁され、チャネル領域を覆うゲート(26)を含む。ツェナーダイオード(28)は、NMOSトランジスタ(20)のドレイン(24)とゲート(26)との間に電気的に接続され、ゲート(26)に接続されているツェナーダイオード(28)のアノード(30)とドレインに接続されているツェナーダイオード(28)のカソード(32)とを持つ。いくつかの目的のために、ツェナーダイオード(28)のアノード(30)は、望まれたESDの保護を提供するために、ゲートに近接して配置される。横型NPNバイポーラトランジスタ(136)はN型エミッタ(138)とコレクタ(140)、およびP型ベース(142)を含む。ツェナーダイオード(144)は、コレクタ(140)とベース(142)間に接続され、ベース(142)に接続されているツェナーダイオード(144)のアノード(146)と、コレクタ(140)に接続されているツェナーダイオード(144)のカソード(148)とを持つ。

Description

【発明の詳細な説明】 静電放電保護回路 本発明は、静電気の放電(ESD)から保護する回路に関し、特にNMOSト ランジスタおよび横型NPNバイポーラトランジスタを静電気の放電(ESD) から保護する回路に関する。 NMOSトランジスタは、P型伝導性のチャネル領域の対抗する側にN型伝導 性のソース領域およびドレイン領域を有する電界効果トランジスタである。伝導 性ゲートはチャネル領域を覆い、二酸化シリコンのような絶縁材料の層によって チャネル領域から絶縁されている。NMOS出力デバイスに対する静電気の放電 (ESD)による損傷は、NMOSトランジスタを含む集積回路(IC)の使用 する時によくある出来事である。少なくとも2500[nm]のゲート酸化膜厚 を持ち、少なくとも1.5[μm]のゲート長を有するNMOSトランジスタで は、損傷はソース−ドレインのスナップ−バックおよびチャネル領域にわたる2 次降伏によるものが通常であり、結果としてソースとドレイン間の短絡となる。 トランジスタのバイポーラスナップ−バックのメカニズムを利用することによっ て、ESDの相応なレベルに耐えるNMOS出力トランジスタを設計することが 可能である。しかしながら、結局、2次降伏によって故障が起こる。ICの幾何 学的な配置およびゲート酸化膜の縮小として、ゲートに対するドレインは損傷を 受けやすくなり、ESD損傷に関して主な弱点となりうる。1000[nm]未 満のゲート酸化膜厚を有するNMOSトランジスタでは、ゲート酸化膜に対する ドレインのブレイクダウンは主な故障の機構である。これは、ホットキャリア効 果をできる限り少なくするNMOSトランジスタの設計の必要性を生じさせ、し ばしばゲート酸化膜ブレイクダウンの電圧を越えるスナップ−バック電圧および NMOSのソース−ドレインブレインダウン電圧に帰着する。 横型バイポーラトランジスタは、P型領域によって間隔を置いて配置された一 対のN型領域を備えるという点で、NMOSトランジスタに構造的に似ている。 このようなNPNバイポーラトランジスタは、特にP型領域の幅が非常に小さい ときに、ESDに関してNMOSトランジスタと似た問題を有する。 本発明は、ソース、ドレインおよびゲートを有するNMOSを含む電気回路へ 向けられる。ツェナーダイオードは、NMOSトランジスタをESDから保護す るために、NMOSトランジスタのドレインとゲート間に電気的に接続される。 本発明は、P型伝導体の少なくとも一部分と表面とを有する半導体材料のサブ ストレートを含むICへ向けられる。間隔を置いて配置されたN型伝導体の一対 の第1の領域は、サブストレートのP型部分内であってサブストレートの表面に ある。第1の領域はNMOSトランジスタのソースおよびドレインを形成し、N MOSトランジスタはその間にNMOSトランジスタのチャネル領域を形成する サブストレートの部分を持つ。伝導性材料のゲートはNMOSトランジスタのチ ャネルに沿ってサブストレートの表面を覆い、この表面から絶縁されている。N 型伝導体の第2の領域はサブストレート内にあって、その表面にある。P+型伝 導体の領域は、サブストレート内にあって、その表面にあり、第2の領域を用い てツェナーダイオードのPNジャンクションを形成する。手段はNMOSトラン ジスタのドレインに第2の領域を電気的に接続し、手段はNMOSトランジスタ のゲート領域にP+型領域を接続する。 図1は、本発明のESD保護を持つNMOSトランジスタを有するCMOS回 路の回路図である。 図2は、本発明のESD保護の別の形式を有するNMOSトランジスタの回路 図である。 図3は、本発明のESD保護を有するNPNバイポーラトランジスタの回路図 である。 図4は、図2の回路に示されたESD保護の形式を含むCMOSのIC装置の 平面図である。 図5は、図4の5−5線に沿う断面図である。 図6は、図4の6−6線に沿う断面図である。 図1では、CMOS回路10は、ドレイン14、ソース16およびゲート18 を有するPMOSトランジスタ12と、ソース22、ドレイン24およびゲート 26を有するNMOSトランジスタ20を備える。トランジスタ12のドレイン 14はトランジスタ20のドレイン24に接続され、トランジスタ12のゲート 18とトランジスタ20のゲート26は相互に接続される。トランジスタ12の ソース16はVDDに接続され、トランジスタ20のソース22はVSSに接続 される。ESDからトランジスタ20を保護するために、ツェナーダイオード2 8はトランジスタ20のドレイン24とゲート26との間に接続される。ダイオ ード28のアノード30はトランジスタ20のゲート26に接続され、ダイオー ド28のカソード32はトランジスタ20のドレイン24に接続される。 ESDを受けるとき、ダイオード28はトランジスタ20のゲート−ドレイン のブレイクダウンを解決するために役立つ。ダイオード28は、ESDの結果と して、ゲートとドレイン間の電圧がツェナーブレイクダウン電圧を越えるときは 常に、トランジスタ20のゲート26をハイに引き上げる。トランジスタ20の ゲート26をハイに引き上げることによって、ドレイン−ゲートのブレイクダウ ンは回避される。ダイオード28のサイズは、トランジスタ20のゲート26に 対する駆動力に依存する。つまり、ダイオード28は、ダイオード28に流れる 電流が如何なるNMOSプリドライバの引き下げ電流に打ち勝つようなサイズを 持たなければならない。NMOSトランジスタおよびツェナーダイオードがIC 内に組み込まれるとき、NMOSトランジスタが形成されるP型伝導性のサブス トレートから電気的に分離するために、ツェナーダイオードはN型伝導性のウエ ル内に製造されなければならない。 図2には、電源供給ピンのためのESD保護を提供するためにNMOSトラン ジスタ36を有するIC34の回路図が示されている。トランジスタ36はソー ス38、ドレイン40およびゲート42を含む。ソース38はVSSに電気的に 接続され、ドレイン40は電気的にVDDに接続される。ツェナーダイオード4 4は、トランジスタ36のゲート42とドレイン40との間に接続される。ゲー ト42はダイオード44のアノード46へ接続され、ドレイン40はダイオード 44のカソード48へ電気的に接続される。抵抗体50はVSSとトランジスタ 36のゲート42との間に与えられる。IC34では、抵抗体50はIC34が 形成される半導体サブストレートの抵抗によって与えられてもよい。 NMOSトランジスタはICの電源供給ピンに対するESD保護のために使用 されてきた。NMOSトランジスタのゲートは、ESD保護をするためにソース に電気的に接続される。このような回路では、ESD保護を与えるのはNMOS トランジスタそれ自身よりも、むしろNMOSトランジスタによって形成される 寄生NPNバイポーラトランジスタである。NMOSトランジスタのゲートは、 (バイポーラトランジスタのコレクタを形成する)ドレインと(バイポーラトラ ンジスタのエミッタを形成する)ソースとの間に間隔を形成するためにのみ使用 されている。電源供給保護のために大きなNMOSトランジスタを使用に関して 最も大きな問題の一つは、NMOSの小さな領域および初期不良に電流が集中す ることを避けてNPNバイポーラトランジスタの一様なターン−オンを確実にす ることである。ダイオード44により、スナップ−バックへのNPNトランジス タの一様なトリガーが与えられ、その装置の十分なエネルギの取扱い能力を十分 に利用する。しかしながら、(一般にはシリコン酸化膜層である)ゲートの絶縁 体がICの構成要素のサイズの縮小と共に薄くなるにつれて、NMOSがスナッ プ−バックして低電圧の伝導状態になる前に、NMOSトランジスタのゲートと ドレインとの間にわたるブレイクダウンが起こりうる。IC34においてこの問 題を克服するために、ダイオード44のアノード46がトランジスタ36のゲー ト42に近接して配置されて、トランジスタ36のゲート42は、トランジスタ 36のソース38へ直接に接続されるよりも、ダイオード44のアノード46へ 接続される。ゲートがハイ状態の下に、ドレインに向かう静電気の放電のような 一時的なパルスが装置のサブストレートとゲートを両方引き上げることが、この 構造により確実になり、ドレインとゲートとサブストレートと間の電位差を最小 にする。これによって、0.5[μm]未満のような小さい寸法を有するICに までESD保護の役立つ範囲が広がる。 図3では、横型バイポーラトランジスタ136に対する保護回路134が示さ れている。トランジスタ136は、N型伝導性のエミッタ138、N型伝導性の コレクタ140およびP型伝導性のベース142を備える。トランジスタ136 のエミッタ138は負の電源供給線Vssに接続され、コレクタ140は正の電 源供給線Vddに接続される。ツェナーダイオード144は、トランジスタ13 6のコレクタ140とベース140との間に接続される。ダイオード144のア ノード146はトランジスタ136のベース142に接続され、ダイオード14 4のカソード148はトランジスタ136のコレクタ140に接続される。抵抗 体150はトランジスタ136のベース142と負の電源供給線Vssとの間に 接続される。 横型NPNバイポーラトランジスタの構造は、NMOSトランジスタの構造に 非常に類似しているということに注目すべきである。トランジスタのこれらの型 では、共に間隔を置いて配置された一対のN型領域を備え、このN型領域の間に P型領域を有する。NPNバイポーラトランジスタでは、N型領域がエミッタお よびコレクタであるのに対し、NMOSトランジスタでは、N型領域がソースお よびドレインとなる。NPNバイポーラトランジスタでは、P型領域はベースで あるのに対し、P型領域はチャネル領域である。NMOSトランジスタはP型領 域を覆うと共に、P型領域から絶縁されたゲートを備える点に置いて、NMOS トランジスタはNPNバイポーラトランジスタと異なる。回路34および134 では共に、ダイオード44(144)のアノード46(146)はトランジスタ のP型領域に接続される。トランジスタ36では、ダイオード44のアノード4 6は、チャネル領域から絶縁されたゲート42を通してP型チャネル領域に電気 的に接続される。トランジスタ136では、ダイオード144のアノード146 はトランジスタ136のP型ベース領域142へ電気的に直接に接続される。 しかしながら、2つの型のトランジスタは、一時的な静電気の放電によって似 たような影響を受ける。保護回路34(134)では、ダイオード44(144 )は、ドレイン40(コレクタ140)とゲート42(ベース142)との間の 電圧差を縮小するだけでなく、横型トランジスタ136のベース142にトリガ ーを与える。ツェナー電圧を越えるとき、図3に示された保護回路134は分路 となるレギュレータ(regulator)を形成して、ツェナー電圧に1Vebを加え たところで、エミッタ電圧に対しコレクタ電圧を保持する。結局、トランジスタ 136を通過する電流は、一時的な保護を与えるために必要なプラズマVceo 低抵抗領域にトランジスタ136を引く込むには十分である。 IC内に横型NPNバイポーラトランジスタを形成するとき、しばしばNMO Sトランジスタと同じ外観を有する。非常に狭いP型ベース領域を持つNPNバ イポーラトランジスタを提供するために、メタルあるいはポリシリコンのマスク 層がしばしばP型サブストレートの表面に覆って与えられると共に、P型サブス トレートの表面から絶縁され、そして拡散あるいはイオン注入によって形成され るN型領域間に間隔を設ける(define)ために使用される。メタルあるいはポリ シリコンの狭いマスクは、幅の狭いLOCOS領域よりも2個のN型領域間に間 隔をより正確に設ける。しかしながら、横型バイポーラトランジスタでは、ツェ ナーダイオードからのメタルによる接続は、マスク層とその下の絶縁層を通して P型ベース領域へ直接に達する。 図4、図5および図6を参照して、図2に示される保護回路34を含むIC半 導体装置50が示されている。装置50は、表面54を有するP型伝導性の単結 晶シリコンのような半導体材料のサブストレート52を含む。間隔を置いて配置 された第1の対のN+型伝導性の領域56および58は、サブストレート52内 にあって、その表面54にある。N+型第1の領域56および58は、第1のN MOSトランジスタ60のソースおよびドレインを形成する。第1の領域56お よび58間のサブストレート52の部分62はトランジスタ60のチャネルを形 成する。第2の対のN+型伝導性の領域64および66は、サブストレート52 内にあって、その表面54にあり、第1の対である領域56および58に近接し ているが間隔を置いて配置されている。第2の領域64および66は、第2のN MOSトランジスタ68のソースおよびドレインを形成する。第2の領域64お よび66は、第2の領域64および66の間にあるサブストレート52の部分7 0が第1の対の領域56および58間にあるサブストレート52の部分62に一 列に並ぶように配置される。第2の領域64と66の間にあるサブストレート5 2の部分70はトランジスタ68のチャネルを形成する。 P+型伝導性の第3の領域72はサブストレート52内であって、その表面5 4にある。第3の領域72はトランジスタ60および68のチャネル領域62お よび70とほぼ一列に並ぶように配置される。N+型伝導性の領域74は、サブ ストレート52内であって、その表面54にある。N+領域74はドレイン領域 58および68に近接し、第3の領域72に近接しているが第3の領域72から 間隔を置いて配置されている。N型領域76は、P+第3領域72とN+領域7 4の間にあり、これらを接触させる(contact)。サブストレート52の表面5 4 にある。N型領域76は、ツェナーダイオード78のアノードであるP+領域7 2とダイオード78のカソードであるN型領域76とを持つツェナーダイオード 78をP+領域72を用いて形成する。N+領域74は、N型カソード領域のた めの高い導電性の接続領域を形成する。P+型伝導性のグランド領域80はサブ ストレート52内にあって、その表面54にある。グランド領域80は、トラン ジスタ60および68のソース領域56および64の境界から間隔を置いて配置 される。 二酸化シリコンのような絶縁材料である第1の層82は、サブストレート52 の表面54を覆い、サブストレート52内の領域を保護する(cover)。ドープ された多結晶シリコンような伝導性材料の独立したストリップ(strip)84お よび86は層82上にあり、チャネル領域62および70をそれぞれ覆って延び ている。ストリップ84および86は、トランジスタ60および68のゲートを 形成する。ストリップ84および86は、それぞれ第3の領域72から離れてそ れらの境界において拡大された(enlarged)ターミナルパッド区域88および9 0を有する。 二酸化シリコンのような絶縁材料の第2層92は第1層82を覆い、ゲートの ストリップ84および86を覆う。メタルのような伝導性材料の第1の接続用の ストリップ94は、第2層92上にあり、ゲートのストリップ84および86の ターミナルパッド区域88および90間に延びている。また、ストリップ94は 、第3の領域72を覆って延び、層92内にある開口部96および98を通して 電気的にターミナルパッド区域88および90を接続する。更に、ストリップ9 4は第1および第2絶縁層82および92内にそれぞれある開口部100および 102を通して延び、電気的に第3の領域72を接続する。したがって、第1お よび第2のNMOSトランジスタ60および68のゲート84および86は、( ダイオード78のアノードである)第3の領域に72にストリップ94によって 電気的に接続されている。 メタルのような伝導性材料の第2の接続用のストリップ104は、第2の絶縁 材料の層92上にある。ストリップ104は、トランジスタ60および68のド レイン領域58および66の周辺領域(ends)を横切り、N+型領域74を横切 り、更に第1および第2の絶縁材料の層82および92内にある開口部106お よび108を通して延びて、ドレイン領域58および66を接続する。また、ス トリップ104は、層82および92内にある開口部110および112を通し て延び、N+領域コンタクト領域74を接続する。したがって、トランジスタ6 0および68のドレイン58および66は、ストリップ104およびN+コンタ クト領域74によってN領域76(ダイオード78のカソード)へ電気的に接続 される。 第3の接続用のストリップ114は層92上にあり、グランド領域80を覆う と共に横切って延びている。また、ストリップ114は、トランジスタ60およ び68のソース領域56および64の周辺領域を覆い、層82および92内にあ る開口部116および118を通して延び、ソース領域56と64を接触させる 。更に、ストリップ114は、層82および92内にある開口部120および1 22を通して延び、グランド領域80を接触させる。したがって、トランジスタ 60および68のソース領域56および64は、ストリップ114を通してグラ ンド領域80へ電気的に接続される。 したがって、装置50は2個のNMOSトランジスタ60および68によって 形成された横型NPNトランジスタ提供する。ダイオード78はトランジスタ6 0および68のドレイン58および66とNMOSのトランジスタ60および6 8のゲート84および86との間にそれぞれ接続される。図2の回路図によって 示されように、ゲート84および86はダイオード78のアノード72へ電気的 に接続され、ドレイン58および66はダイオード78のカソード74へ電気的 に接続される。また、図4に見ることができるように、望み通りにESDから保 護するために、ダイオード78のアノード72はトランジスタ60および68の ゲート84および86へ近接して配置される。 ストリップ104は2個のトランジスタ60と68から形成され、この間にダ イオード78を持つものとし示されるが、装置50は単一のNMOSトランジス タから形成され、それに近接するツェナーダイオードを有してもよい。また、2 本のストリップ84および86は伝導性材料の単一のストリップでもよい。加え て、トランジスタ60および68のドレイン領域58および66とダイオード7 8のN+接続領域74との間の電気的な接続は、伝導性の接続用のストリップ1 04よりもサブストレート52内にある高い伝導性の領域でもよい。同様に、ト ランジスタ60および68のソース領域56および64間の接続は、サブストレ ート52内の高い伝導性の領域でもよい。 したがって、回路のためのESD保護をするためにNMOS(NPN)トラン ジスタのドレイン(コレクタ)とチャネル(ベース)との間に電気的に接続され るツェナーダイオードを持つ狭いベースの横型NPNトランジスタを含む電気回 路が本発明によって提供される。また、期待されるESDの保護を提供するため に、ツェナーダイオードのアノードがNMOSトランジスタのゲートに近接して 配置される電気回路を形成するICおよび電気回路が提供される。
───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 (142)に接続されているツェナーダイオード(14 4)のアノード(146)と、コレクタ(140)に接 続されているツェナーダイオード(144)のカソード (148)とを持つ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ソース領域およびドレイン領域を形成し間隔を置いて配置される一対のN型 領域、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間にP型チャネル領域、このチャ ネル領域から絶縁されると共に前記チャネル領域を覆う伝導性ゲート、を有する NMOSトランジスタと、 前記NMOSのトランジスタの前記ドレイン領域と前記NMOSのトランジス タの前記ゲートとの間に電気的に接続され、ESDから保護される前記NMOS トランジスタを提供するツェナーダイオードと、 を備える電気回路。 2、前記ツェナーダイオードのアノードは前記NMOSトランジスタの前記ゲー トに電気的に接続され、前記ツェナーダイオードのカソードは前記NMOSトラ ンジスタの前記ドレイン領域に電気的に接続され、前記ツェナーダイオードの前 記アノードは前記NMOSトランジスタの前記チャネル領域または前記ゲートに 近接して配置される請求項1に記載の電気回路。 3、前記NMOSトランジスタの前記ゲートとVSS電源線との間にある抵抗体 を更に備え、 前記ツェナーダイオードの前記アノードは前記NMOSトランジスタの前記チ ャネル領域または前記ゲートに近接して配置され、 前記NMOSトランジスタはVDD電源線と前記VSS電源線との間に接続さ れるものであって、前記VDD線へ電気的に接続される前記NMOSトランジス タの前記ドレイン領域および前記VSS線へ電気的に接続される前記NMOSト ランジスタの前記ソース領域を持つ請求項2に記載の電気回路。 4、バイポーラトランジスタのベースと前記VSS電源線との間にある抵抗体を 更に備え、 前記ツェナーダイオードの前記アノードは前記バイポーラトランジスタの前記 ベースに接続され、前記ツェナーダイオードの前記カソードは前記バイポーラト ランジスタのコレクタに接続され、 前記ツェナーダイオードの前記アノードは前記NMOSトランジスタの前記チ ャネル領域または前記ゲートに近接して配置され、 前記バイポーラトランジスタは前記VDD電源線と前記VSS電源線との間に 接続されるものであって、前記VSS線へ電気的に接続される前記バイポーラト ランジスタのエミッタおよび前記VDD線へ電気的に接続される前記バイポーラ トランジスタの前記コレクタを持つ請求項3に記載の電気回路。 5、表面と少なくともP型伝導性の部分とを有する半導体材料のサブストレート と、 前記サブストレートの前記P型伝導性の部分内にあり、間隔を置いて前記表面 に配置されるN型伝導性の一対の第1の領域であって、前記第1の領域はNMO Sトランジスタのドレインおよびソースを形成し、前記第1の領域の間に前記N MOSトランジスタのチャネルを形成するサブストレートの部分を持ち、 前記NMOSトランジスタの前記チャネルに沿って前記サブストレートの表面 から絶縁されると共に、前記NMOSトランジスタの前記チャネルに沿って前記 サブストレートの前記表面を覆う伝導性材料のゲートと、 前記サブストレートのP型部分内であって、前記表面にあるN型伝導性の第2 の領域と、 ツェナーダイオードを形成するように前記N型の第2の領域と共にPN接合を 形成し、且つ前記サブストレートのP型部分内であって、前記表面にあるP+型 伝導性の領域と、 前記NMOSトランジスタの前記ドレインであるN型領域へ前記N型伝導性の 第2の領域を電気的に接続する手段と、 前記NMOSトランジスタの前記ゲートへ前記P+型伝導性の領域を電気的に 接続する手段と、 を備える集積回路。 6、前記N型の領域のための接続領域を形成するために前記N型の領域に接す るN+型の領域を更に備え、 前記ゲートは一対の端部を有し、前記P+型伝導性の領域は前記ゲートの端部 の一方に近接して配置され、 前記ゲートは一の端部で拡大された(enlarge)ターミナルパッドを有する伝 導性の多結晶シリコンのストリップである請求項5に記載の集積回路。
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