JPS6146987B2 - - Google Patents

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JPS6146987B2
JPS6146987B2 JP53048945A JP4894578A JPS6146987B2 JP S6146987 B2 JPS6146987 B2 JP S6146987B2 JP 53048945 A JP53048945 A JP 53048945A JP 4894578 A JP4894578 A JP 4894578A JP S6146987 B2 JPS6146987 B2 JP S6146987B2
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JP
Japan
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thin film
semiconductor thin
input terminal
unipolar
type
Prior art date
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JP53048945A
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English (en)
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JPS54140881A (en
Inventor
Kenji Tokuyama
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nippon Electric Co Ltd filed Critical Nippon Electric Co Ltd
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Publication of JPS54140881A publication Critical patent/JPS54140881A/ja
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    • HELECTRICITY
    • 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
    • H01L27/0251Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置に関しとくに絶縁基板上に
形成された絶縁ゲート電界効果型半導体装置の保
護装置に関するものである。
最近、半導体基板に代わりサフアイア等の絶縁
基板が、用いられはじめている。このような絶縁
基板が用いられる理由は、素子間の絶縁が容易で
あること、浮遊容量が減少するため高速化が可能
であることによる。絶縁基板上に形成された半導
体装置にあつては外部からの過大静電気等の入力
に対する保護装置も従来と同様に形成されるもの
であつた。従来の第一の例として、Nチヤンネル
絶縁ゲート電界効果トランジスタ(以下
NchMISFETと称する)を絶縁基板上に設ける場
合の保護装置を、第1図、第2図を参照して説明
する。第1図に示される如く保護されるべきトラ
ンジスタ1と入力端子2の間に、抵抗3とダイオ
ード4が誠けられる。第2図は第1図の等価回路
を実際に絶縁基板上に形成した場合の断面図であ
る。ダイオード4は、サアイア基板5の表面に設
けられたP型の半導体薄膜6の表面にN型の抵抗
領域7が設けられこの抵抗の一端は入力端子2に
接続され、他端はトランジスタのゲート9に接続
されコンタクト孔10以外の部分は絶縁膜8でお
おわれており、入力トランジスタ1は他のP型の
半導体薄膜11の表面のゲート絶縁膜12とソー
スドレインのN型拡散層13でできている。又2
1は、サアイア基板裏面のGND電極である。こ
こでは入力保護抵抗とダイオードの効果は、基板
として半導体を用いた場合と同様に説明される。
第二の例として、絶縁基板上に設けられた相補型
絶縁ゲート電界効果トランジスタ(以下
CMISFETと称する)を保護する保護装置につい
て述べる。第3図は保護装置の等価回路を示し、
入力トランジスタのNch MISFET15とPch
MISFET14のゲート接続16と入力端子2の
間に、P型の半導体薄膜上に形成された抵抗3と
ダイオード4及びN型半導体薄膜上に形成された
抵抗18とダイオード19を設ける。第4図は第
3図の破線で、囲まれた保護装置を実際に作成し
た時の断面図を示す。P型半導体薄膜6に形成さ
れる抵抗とダイオードについては第1の例と同様
であり、N型半導体薄膜19に形成される抵抗1
7は、P型の抵抗領域20であり、同時に形成さ
れるPN接合によりダイオード18も電源端子Vp
の間に設けられる。このような回路では正および
負の極性の異常電圧も抑制できるが、いずれの例
にしても入力端子21に印加された異常電圧はダ
イオードの逆方向耐圧に依在して、これを越える
とバイパスされるために抑制すべき印加電圧を必
らずしも望ましい値に設定しうるものではなく充
分な保護機能が得られなかつた。
本発明の目的は改良された、有効な保護機能を
有する半導体装置を提供することにある。
本発明による半導体装置は、入力端子を介して
入力信号が導入される絶縁ゲート型電界効果型ト
ランジスタを含む半導体装置において、絶縁基板
上に設けられた半導体薄膜を介して設けられた制
御電極と、該半導体薄膜の離間した2か所にそれ
ぞれ接続した第1および第2の電極とを有するゲ
ート手段を上記第1および第2の電極を該入力端
子と該トランジスタとの間に直列に接続し、制御
電極を入力端子に接続させて設けたことを特徴と
する。上述のゲード手段は制御電極をゲートと
し、第1および第2の電極をそれぞれドレインお
よびソースとした単極性薄膜電界効果トランジス
タとして構成される。
本発明によれば絶縁基板上に形成された保護さ
れるべき半導体装置と入力端子の間に、電源又は
GND間又は両者の間に形成された半導体薄膜上
のP−N接合によるダイオードと、半導体薄膜を
チヤンネルとし、一方の絶縁物を絶縁基板とし、
他方の絶縁物を半導体薄膜上に形成された第二の
絶縁膜とし、かつ第二の絶縁膜上に設けられ、入
力端子に接続された電極とで構成される単極性薄
膜電界効果トランジスタが直列に接続された半導
体装置が得られる。またこの単極性薄膜電界効果
トランジスタと入力端子の間の半導体薄膜表面
に、半導体薄膜と反対の導電型を有する抵抗上述
のダイオードが設けられ、かつ単極性薄膜電界効
果トランジスタの表面のゲート電極が入力端子と
前記単極性薄膜電界効果トランジスタの間に接続
されてなる半導体装置も得ることができる。
次に本発明の第1の実施例を第5図乃至第7図
を参照して説明する。本実施例はNチヤンネル
MISFETを保護する場合について示すものであ
る。第5図において保護されるべきNチヤンネル
MISFET1と入力端子2の間に抵抗3とダイオ
ード4およびゲートが入力端子2に接続され、ソ
ースードレインを以つてMISFET1のゲートと
抵抗3との間に直列にPチヤンネル単極性薄膜
FET22が設けられている。第5図の回路構成
においての点線内部Aを絶縁基板上に実際に実現
した場合を第6図により説明する。ここでは抵抗
3およびダイオート4は前述した第2図、第4図
のものと同様の構造を有しているので詳細につい
ては説明しない。Pch単極性薄膜FET22はサフ
アイア基板5上に数千Å〜数μのP型半導体薄膜
23を設け半導体薄膜23上に成長した酸化膜2
4の上に金属電極25を形成し薄膜23の両端に
オーミツク接続30,31を形成して得られる。
次に、第7図に従つて、単極性薄膜FET22
を挿入した事による効果を示す。第7図aはゲー
ト電極25に正の過大電圧が印加された場合の半
導体薄膜23の内部の状態について説明するもの
である。ゲート電極25に正の過大電圧が加わる
と半導体薄膜23の表面は反転して負の電が集ま
るが、半導体薄膜23は厚さが薄いので正の過大
電圧により広がつた空乏層26によつて2つの領
域23′と23″に分離されてしまい端子aに達し
た電はゲート16には伝わらない。
すなわち入力端子2に加わつた正の過大電圧は
ダイオード4で一度クランプされさらに、P−
ch単極性薄膜FET22によりもう一度通路をカ
ツトされてしまい入力トランジスタ1には正の過
大電圧は印加されない。又入力に負の電圧が加わ
つた場合は従来と同じくダイオードが順方向とな
るので入力トランジスタ1が破壊する事は、、ま
れである。また第7図bはPch単極性薄膜FET2
2通常動作中の正の電圧が加わつた状態を示し動
作中の電圧は小さいので、空乏層は小さく広がる
だけで30〜31間はカツトオフせず動作にはさしつ
かえない。又この空乏層の広がりは、絶縁膜24
の膜厚、半導体薄膜の濃度、ゲート印加電圧によ
つて決定されるので、抑制対象となる異常電圧の
下限に対応して適宜前二者特に絶縁膜24の膜厚
を調整すればよい。
第8図ないし第10図を参照して本発明の第2
の実施例について説明する。本実施例は、CMI−
FETの場合の保護装置について示すものであ
る。第8図は保護装置の等価回路を示し第4図の
従来のダイオード4,18、抵抗3,17の他に
Pch単極性薄膜FET22とNch単極性薄膜FET2
7が、保護されるべきトランジスタ14,15入
力端子2の間にFET22と27のゲートを共に
して入力端子2接続して、ソース−ドレイン電極
を以つて直列に設けられる。第8図における保護
回路部Bを絶縁基板上に実現した構造を第9図に
示す。ここでは抵抗3およびダイオード4はサフ
アイア基板5上に設けられたP型半導体薄膜6に
n型領域7を設け、この領域7の両端から抵抗電
極を取り出すことにより構成される。また抵抗1
7とダイオード18は基板5上に設けられたn型
半導体薄膜19内にP型領域20を設けることに
より形成される。FET22は第1の実施例と同
様にP型半導体薄膜23に絶縁膜24を介してゲ
ート電極25を設け、薄膜23の両端からソー
ス、ドレイン電極を引き出して形成される。
FET27はサフアイア基板5上にN型半導体薄
膜28を設け、このN型半導体薄膜28上に絶縁
膜24′を介してゲート電極251を設けられ薄
膜28の両端にオーミツクコンタクトしてソー
ス、ドレインが引き出されている。
次に第10図a,bを参照して単極性薄膜
FET22および27の動作を明らかにし、その
機能を説明する。
第10図aは入力端子2に正の過大電圧が印加
された場合の各単極薄膜FETの半導体薄膜中の
状態を示すし、Pch単極性薄膜FET22のP型半
導体薄膜23は実施例1で説明したと同様にチヤ
ンネルをカツトし、電極cの電圧はd′に到達しな
い。この時Nch単極性薄膜FET27のN型半導体
薄膜28の表面には多数キヤリアである負の電荷
が蓄積されるが、これは保護効果には関係ない。
第10図bは入力端子2に負の過大電圧が印加さ
れた場合の各単極性薄膜FETの半導体薄膜中の
状態を示し、Pch単極性薄膜FET22のP型半導
体薄膜23の表面には多数キヤリアである正の電
荷が蓄積し電極cの電圧は配線dには到達する。
一方Nch単極薄膜FET27のN型半導体薄膜27
はゲート電極25′に負の大電圧が印加されてい
るため空乏層29が生じ、この空乏層29によつ
て2つの領域27′と27″に分離され配線dの電
圧はゲート26に到達しない。このようにP型及
びN型の単極性薄膜FETと抵抗3,17とダイ
オード4,18を接続する事により、きわめて効
果的なCMISFETの保護装置が得られる事は明ら
かである。
又正常に動作する場合には、P、N両単極性薄
膜FETは空乏層が広がりきる事はないので問題
はない。
第11図は単極性薄膜FET27の半導体薄膜
28と配線金属d、26の接触抵抗を小さくする
ための好ましい技術を示し、半導体薄膜28と同
じ型の高濃度領域30を薄膜28の両端に設けた
ものである。またこの技術はP型単極性薄膜
FET22の半導体薄膜23の両端を高濃度P型
領域とすることにより同様に適用できる。
次に第12図乃至第14図を参照して本発明の
第2乃至第4の実施例を説明する。第12図、第
13図はそれぞれ第2および第3の実施例で、こ
こではPch単極性薄膜FET22のゲート電極を入
力端子から直接引き出さず拡散抵抗3の中間部又
は拡散抵抗3のうしろから引き出したものであ
り、何ら本発明の効果は損なわれない。第14図
は本発明の第4の実施例を示し、ここでは拡散抵
抗3を省いたものであり、これも又本発明の効果
をそこなう事はない。
以上説明したように本発明によれば優れたMI
−SFETの保護機能を実現することができる。
なお本発明はN型MISFET、相補型MIS−
FETに限らずP型MISFETの保護にも適用しう
るものであり、また絶縁基板も何らサフアイアに
限るものではない。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はそれぞれ従来の第1の例
の半導体装置を示す回路図および部分断面図、第
3図および第4図はそれぞれ従来の第2の例の半
導体装置を示す回路図および部分断面図である。
第5図ないし第7図a,bは本発明の第一の実施
例による半導体装置を示すそれぞれ回路図、断面
図および動作を説明する図である。第8図ないし
第10図a,bは本発明の第二の実施例を示す回
路図、部分断面図および動作を説明する図であ
る。第11図は単極性FETの他の構造を示す断
面図である。第12図ないし第14図はそれぞれ
本発明の他の実施例を示す回路図である。図中の
記号は以下に示す。 1……保護されるべきトランジスタ、2……入
力端子、3……保護抵抗、4……ダイオード、5
……サフアイア基板、6……P型半導体薄膜、7
……P型抵抗領域、8……絶縁膜、9……ゲート
電極、10……コンタクト孔、11……P型半導
体基板、12……ゲート絶縁膜、13……N型ソ
ースドレイン領域、14……Pch MISFET、1
5……Nch MISFET、16……ゲート電極、1
7……保護抵抗、18……ダイオード、19……
N型半導体基板、20……P型抵抗領域、21…
…裏面電極、22……Pch単極性薄膜FET、23
……P型半導体基板、24……ゲート絶縁膜、2
5……ゲート電極、26……空乏層、27……
Nch単極性薄膜FET、28……N型半導体基板、
29……空乏層、30……N型高濃度不純物領
域。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 絶縁基板上に設けられた半導体薄膜と、該半
    導体薄膜上に絶縁膜を介して設けられた制御電極
    と、該半導体薄膜の離間した2か所にそれぞれ接
    続した第1および第2の電極とを有するゲート手
    段を前記第1および第2の電極を入力端子と絶縁
    ゲート型電界効界トランジスタとの間に直列に接
    続し、該制御電極を前記入力端子に接続したこと
    を特徴とする半導体装置。
JP4894578A 1978-04-24 1978-04-24 Semiconductor dvice Granted JPS54140881A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4894578A JPS54140881A (en) 1978-04-24 1978-04-24 Semiconductor dvice

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JP4894578A JPS54140881A (en) 1978-04-24 1978-04-24 Semiconductor dvice

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JPS54140881A JPS54140881A (en) 1979-11-01
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JPS57141962A (en) * 1981-02-27 1982-09-02 Hitachi Ltd Semiconductor integrated circuit device
NL8302963A (nl) * 1983-08-24 1985-03-18 Cordis Europ Inrichting voor het selectief meten van ionen in een vloeistof.
US5833824A (en) * 1996-11-15 1998-11-10 Rosemount Analytical Inc. Dorsal substrate guarded ISFET sensor

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JPS54140881A (en) 1979-11-01

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