JPS62183184A - Ｍｏｓ型集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、厚さが５００Å以下の絶縁ゲート酸化物を有
する絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）を
具え、集積化密度が高く且つ供給電圧が低いＭＯＳ型集
積回路、特にその偶発入力過電圧に対する保護装置に関
するものである。

この種の集積回路は、その入力インピーダンスが著しく
高（、代表的には実際上入力抵抗が１０１４オームより
大きく、且つ入力容量が１Ｏ−１２Ｆ程度でる。これが
ため、これら集積回路は静電荷の蓄積に対して特に敏感
となる欠点を有する。この欠点は、チャンネルが短く、
接合深さが浅く且つゲート絶縁物が薄い場合ＭＯＳ型装
置の集積化密度が徐々に増大するにつれて増大するよう
になる。

即ち１０７Ｖ／ｃｍ程度の電界強度により珪素酸化物を
破断するようになるため、高集積化装置に用いられる特
に薄いゲート酸化物は、２５〜３０Ｖの電圧でかかる欠
点をすでに受けるようになる。

この種装置の製造、制御、組立てその他の動作中、かか
る静電荷の蓄積のため、上記大きさの過電圧を回避する
のは不可能ではないが困難である。

操作者の不注意な取り扱いにより主として偶発的に誘起
されるこれらの静電荷によって極めて高い電界を発生し
、この電界によってこれら酸化物の厚さが薄い場合と同
程度の確率で、集積回路の予定し得ない区域でバイポー
ラ接合が降服すると共にＩＧＦＥＴ）ランジスタのゲー
ト酸化物が破断するようになる。

ＩＧＦＥＴ）ランジスタを含むＭＯＳ型集積回路の入力
過電圧に対する保護装置は可能な過電圧を、ＩＧＦＥＴ
）ランジスタのゲート酸化物の破断電圧よりも低い値ま
で減衰すると共に集積回路自体のバイポーラ接合の降月
艮電圧まで減衰する必要がある。

入力端の過電圧は、これが時間的に繰り返されても保護
装置を損傷してはならず、従って静電荷の放゛電中保護
装置内で消費されるエネルギーはできるだけ減少させる
必要があり、何れにしても種種の点のエネルギー消費が
最も均等に行われ、これらの箇所に接続された部分の熱
効果が最小となるようにする必要がある。集積回路の保
護装置は総合品質および動作速度の何れをも低下させる
ものであってはならず、従って最少数の素子を用い且つ
組込まれる集積回路の基板の幾何学的面積をできるだけ
最小にして寸法を小さくする必要がある。

保護すべきＭＯＳ型集積回路にモノリシック集積化する
に特に好適な既知の保護装置は例えば本願人によるイタ
リー国特許出願第２６０６３Ａ／８０号に記載されてい
る。

この既知の保護装置は、保護すべきＭＯＳ回路のＩＧＦ
ＥＴ）ランジスタの“ソース”および“ドレイン”領域
にＮ型不純物を同時に同一量ドープしたエミッタおよび
コレクタと、イオン注入によりアクセプタイオン（Ｐ型
不純物）を多量に深くドープしたベースとを有するＮＰ
Ｎ型の横方向トランジスタによって主として構成する。

ＭＰＳ型集型口積回路成するに好適な保護装置の可能な
構体を第１図に拡大断面で示す。第１図に示す構体はＰ
型不純物をドープした単結晶珪素の基板１を具え、この
層板に、Ｎ型不純物を多量にドープした２個の領域４お
よび５（図面にはＮ゛で示す）を設け、これら領域間を
Ｐ型不純物が多量にドープされた領域３（Ｐ”）で分離
する。

これら領域４．３および５によって２個の閉成された平
行なバイポーラ接合２４および２５を形成する。基板の
一部分を形成し、領域４．３および５により構成される
構体に隣接する領域２はＰ型不純物でドープするが、そ
の不純物濃度（Ｐ゛）は基板１の不純物濃度以上且つ領
域３の不純物濃度以下とする。これら領域２および３は
、夫々濃いハツチングおよび淡いハツチングで示すと共
に二酸化珪素の層９により完全に被覆する。次いで“Ｐ
−ｖａｐｏｘ”　（商品名）として既知の絶縁兼保護材
料の追加の層を酸化物上に設け、これにより酸化物およ
び電極の接点区域を除く拡散箇所を完全に被覆する。

領域４および５の電極１０および１１は夫々接地すると
共に入力側および保護すべき回路間の接続媒体に接続す
る。第１図の構体を第２図の回路で示す。１対の平行な
バイポーラ接合２４および２５は１個のトランジスタＴ
１を表し、このトランジスタの領域３，４および５によ
ってベース、エミッタおよびコレクタを夫々示す。

このエミッタを電気的に接地し、且つコレクタをＩＮ入
力端子に接続すると共に保護すべきＩＧＦＥＴ）ランジ
スタの“ゲート”電極にも接続する。トランジスタＴ１
のベースは領域３に相当し、従って回路内では電極を設
けず、このベースは、半導体材料の本体の固有抵抗を表
す抵抗Ｒａを経て接地する。第２図では保護すべき集積
回路全体を表すために単一のＩＧＦＥＴ）ランジスタＩ
Ｌを示す。

常規作動状態では唯１個の信号が入力側に存在してもト
ランジスタＴ、はそのベース−エミッタ接合がバイアス
されないため導通しない。しかし入力端子ＩＮに静電荷
の蓄積により偶発的に過電圧が生ずると、コレクターエ
ミッタ電圧がトランジスタの降服電圧以上になる際、強
い電界が発生して電子が加速され、これにより電子なだ
れ効果が生ずる。従ってトランジスタＴ１が降服し、コ
レクタ電流が急速に増大する。このコレクタ電流によっ
てトランジスタＴ＋のオーム性ベース抵抗（ｒｂｂ　”
）に電圧降下が発生してエミッタ接合を直接バイアスし
得るようになる。これがためエミッタ領域から電荷が注
入され、これによりコレクターエミッタ電圧が等条件の
際、コレクタの全電流を増大するようになる。かくして
横方向トランジスタは“負性抵抗”特性を呈するように
なる。

かかる“負性抵抗″の現象は、コレクターエミッタ電圧
（ＬＶｃｇｏ　）の値が降服電圧よりも僅かに高くなる
際にトリガされて電圧Ｖ。Ｅを急激に減少すると共に持
続電圧ｖｓを降服電圧よりも低くなるようにする。

このコレクターエミッタ電圧の値は、コレクタ電流が広
い範囲内で更に増大しても殆ど一定に保持される。コレ
クターエミッタ電圧が一定値だけ十分に増大しても成る
値の電流がエミッタおよびコレクタ間に流れることは、
″′持続″（保持）現象として既知である。

理論的に、トランジスタＴ１のコレクタ領域に接続され
た装置により保護されるＭＯＳ集積回路に設けられたト
ランジスタのパゲート″電極に対し入力側が過電圧とな
る場合でも、負性抵抗の現象を生ずる電圧しＶ　ＣＥ。

に等しい、トランジスタＴ１の最大コレクターエミッタ
電圧よりも大きな電圧は供給されない。

保護トランジスタＴ、のコレクターエミッタ間の降服電
圧ＢＶｃｅｏはそのベース領域のアクセプタイオン濃度
によって決まる。

又、負性抵抗の現象をトリガする電圧ＬＶ。ｌ！。およ
び゛持続″電圧はこのアクセプタイオン濃度およびベー
ス領域の幅によって決まる。

゛持続″電流の値は、最終的にはｐｎ接合の長さによっ
て決まる。

ベース領域へのイオン注入によって、横方向トランジス
タＴ１の降服電圧および負性抵抗の現象をトリガする電
圧を正確に“ゲート”酸化物の破断電圧よりも低い値に
、および保護すべき集積回路のバイポーラ接合の降服電
圧に定めることができる。

ベース領域に注入されるアクセプタイオンの量によって
、トランジスタのコレクターエミッタ電圧がコレクタ領
域の高い値によって安定化される降服電圧の値よりも低
い“持続”電圧Ｖｓの値を決めることができる。

持続電圧Ｖｓを、保護装置が一部分を成す集積回路の供
給電圧よりも高くすることは極めて重要である。即ち、
持続電圧を供給電圧よりも低くする場合には、入力側の
危険でない程度の過電圧のため、降服電圧が限度を越え
ると、フィーダが形成され従って装置が破損するまで十
分なエネルギーを供給するようになる。エネルギー消費
の観点から、不純物が多量にドープされた区域により分
離され、一方が接地された２つの平行なバイポーラ接合
より成るかかかる保護装置は、特にこれに極めて高い電
流が供給される際、極めて良好な特性を呈するようにな
る。この保護装置では電流が保護装置全体に沿って均等
に分布され、従って個別の点の電流密度を安全な値に制
限するようになる。

しかし、保護すべき回路の入力端の過電圧の波形が極め
て急峻な波面を有する場合、即ちトランジスタが極めて
迅速に作動する場合には上述した保護装置が確実に有効
となるとは限らない。

本発明の目的は、供給電圧が低く且つ集積化密度が高く
、しかも過電圧に対する一層確実且つ有効な保護を行い
得るようにしたＭＯＳ型集積回路の入力端の過電圧に対
する保護装置を提供せんとするにある。

本発明は、第１信号入力端子と、接地接続の第２端子と
、電圧供給源に接続された第３端子と、厚さが５００Å
以下のゲート絶縁酸化物を有する少なくとも１個のＩＧ
ＦＥＴ（絶縁ゲート電界効果）トランジスタと、前記信
号入力端子および前記接地接続端子に夫々接続されたコ
レクタおよびエミッタ領域並びにベース領域を有する第
１バイポーラ横方向トランジスタを含む入力過電圧に対
する保護装置とを具え、この第１バイポーラ横方向トラ
ンジスクのベース領域はその幅および不純物濃度が、エ
ミッタおよびコレクタ間の降服電圧と第１バイポーラ横
方向トランジスタの負性抵抗現象の点弧電圧とを前記ゲ
ート絶縁酸化物の降服電圧の値よりも低い値右よび集積
回路のバイポーラ接合の降服電圧の値に保持すると共に
、前記第１バイポーラ横方向トランジスタの持続電圧を
集積回路の供給電圧の値よりも高い値に保持するような
値となるようにした供給電圧が低く、且つ集積密度の高
いＭＯＳ型集積回路において、前記保護装置は、前記Ｉ
ＧＦＥＴ）ランジスタのゲート電極に接続されたコレク
タ領域、前記接地接続端子に接続されたエミッタ領域看
よびベース領域を有する第１バイポーラ横方向トランジ
スタと同一導電型の第２バイポーラ横方向トランジスタ
を具え、この第２トランジスタのベース領域はその不純
物濃度が第２バイポーラ横方向トランジスタのエミッタ
およびコレクタ間の降服電圧を前記第１バイポーラ横方
向トランジスタのエミッタおよびコレクタ間の降服電圧
の値にほぼ等しい値に保持するような値となるようにし
、他に、前記保護装置は、拡散領域型の抵抗を具え、こ
の抵抗によって前記第２バイポーラ横方向トランジスタ
のコレクタを前記第１バイポーラ横方向トランジスタの
コレクタ領域に接続するようにしたことを特徴とする。

本発明保護装置は、主としてＮＰＮ型の第１および第２
横方向トランジスタと、拡散抵抗とで構成し、これらト
ランジスタおよび拡散抵抗は保護すべきＭＯＳ回路と共
にモノリシックに集積化する。

これらトランジスタのエミッタ右よびコレクタ並びに拡
散抵抗は、保護すべきＭＯＳ回路のＩＧＦＥＴ）ランジ
スタの“ソース”および“ドレイン”領域にＮ型不純物
を同時且つ等重ドープして形成し、両トランジスタのベ
ースはイオン注入によりＰ型不純物を多量且つ深くドー
プして形成する。

横方向トランジスタおよび拡散抵抗は前述したイタリー
国特許願により示した処理と同一の処理によって形成し
得ると共に第１および第２トランジスクの構体は既知の
保護装置の横方向トランジスタにつき第１図で説明した
手段によって形成することができる。

図面につき本発明の詳細な説明する。

第４図は集積化の観点から特に有利である本発明保護装
置の１例を拡大平面図で示す。

本発明保護装置はＰ゛型不純物をドープした単結晶珪素
の基板１を具え、この基板に３つの平行な領域４．５お
よび７を形成し、これら領域（Ｎ゛）はＮ型不純物を多
量にドープし、且つ２つの領域３′および６′並びに肉
薄領域８′をにより互いに分離する。２つの領域３′お
よび６′はＰ型不純物を多量にドープした領域（Ｐ　”
）で構成し、領域８′はＮ型不純物を多量にドープした
領域（Ｎ＋）で構成し、これにより領域４′を領域７′
に接続する。領域４′および７′は第１横方向トランジ
スタのコレクタおよび第２横方向トランジスタのコレク
タを夫々構成し、領域５′によって相互接続されたエミ
ッタを構成する。領域４′。

５′および７′間に位置する領域３′および６′（これ
ら領域は第４図に点線で示すように領域４′。

５′および７′の下側に部分的に位置する）によって第
１および第２横方向トランジスタのベースを夫々構成す
る。

肉薄領域８′によって拡散抵抗を構成し、これにより両
横方向トランジスタのコレクタを夫々接続する。

かようにして領域３′および６′を比較的薄い二酸化珪
素層により被覆して第１図の既知の装置のように横方向
トランジスタを構成することによって保護装置を完成す
る。この二酸化珪素層は一般に領域７′および８′の上
に設ける。絶縁兼保護材料（Ｐ−Ｖ、ｐ、、）の追加の
層によって酸化物および電極の接点区域を除く拡散部を
完全に被覆する。

実際上、保護装置には第１．第２および第３電極（第３
図には示さない）を設けてこれら電極により拡散領域４
′を拡散領域５′および７′に夫接続する。

又、絶縁物より成る拡散領域を設けることもできる。

保護装置は、第１および第３電極によって保護すべき集
積回路の入力端子と保護すべき集積回路の諸部分との間
に接続すると共に集積回路の第２電極によって電気的に
接地する。

第４図に示す構体は、第３図に示す回路によって表わす
ことができる。

この回路は、領域４’、３’および５′を夫々コレクタ
、ベースおよびエミッタとするＮＰＮ型の第１バイポー
ラトランジスタＴ、／と、領域７′。

６′および５′を夫々コレクタ、ベースおよびエミッタ
とするＮＰＮ型の第２バイポーラトランジスタＴ、／と
、拡散領域８′により構成される抵抗Ｒ′とを具える。

トランジスタＴＩ′のコレクタ端子およびトランジスタ
Ｔ２′のコレクタ端子は、これらの間に抵抗Ｒ′を介挿
すると共に保護すべき回路の入力端子ＩＮ’に接続し、
且つこの回路に設けられるＩＧＦＥＴ）ランジスクのゲ
ート電極に接続する。これらトランジスタＴｌ′および
７２／は保護すべき回路と共に集積化する。第４図は保
護すべき集積回路全体を表わす単一のＩＧＦＥＴ）ラン
ジスタＭ１を示し、図中拡散抵抗にはＲ′の記号を付す
。

両トランジスタＴ１′およびＴ２′のベースは領域３′
および６′に相当し、従って回路には電極を設けないが
、これらベースは、半導体材料の基板１の固有抵抗を表
わす第１抵抗Ｒ’８１および第２抵抗Ｒ’Ｂ２を経て夫
々接地する。

同様に、拡散抵抗Ｒ′および接地点間に、半導体材料の
固有抵抗を表わす第３抵抗Ｒ′、３を設ける。

これら抵抗の値は、拡散領域の幾何学的形状に依存する
と共に集積回路の物理的パラメータおよび電気的パラメ
ータに依存する。

又、拡散抵抗Ｒ′の値は、予定電圧のスレシホルド値に
よって決めると共に、横方向トランジスタＴ、／および
Ｔ２′並びに集積回路の他の素子に関するパラメータの
全部によって決める必要がある。

現時点ではその寸法法めを経験によっても行っている。

本発明保護装置では集積回路の入力端子ＩＮ’に直接接
続されたトランジスタＴ１′は、第１図に示す保護装置
を構成する横方向トランジスタの物理的特性寸法および
動作形式に正確に一致する。

従って拡散抵抗Ｒ′を有することを特徴とする本発明に
よる第２トランジスタＴ２′によって、拡散抵抗により
減衰されるも保護すべきＭＯＳ回路のＩＧＦＥＴ）ラン
ジスタの“ゲート”酸化物を破壊する入力側の過電圧の
迅速な過渡中保護トランジスタＴ、／に大きな電圧ピー
クが通るのを阻止する。

この第２トランジスタＴ２′が、第１トランジスタの要
求全部を必ずしも満足する必要はなく、実際上肉薄酸化
物および保護すべき回路のバイポーラ接合の降服電圧以
下および第１トランジスタＴ、／の降服電圧以上の降服
電圧を有するだけで十分である。

第４図から明らかなようにトランジスタＴ２′の幾何学
的寸法はトランジスタＴｌ′の幾何学的寸法よりも著し
く小さい。その理由はトランジスタＴ２′が耐電流性を
大きくする必要はな（、しかも何れの場合もその作動が
短時間に限定されるからである。

これがため集積化占有面積に対する価格は、第１図に示
す保護装置の場合に比較して左程増大しない。

本発明によれば、拡散抵抗Ｒ′は実際上基板近くにバイ
ポーラ接合が存在するように形成され、例えば多結晶材
料に形成されるものではない。かようにして第３図に示
すように遅延線の効果と基板に向かうダイオードの効果
とを重畳して接地点方向の過電圧中電流を良好に配分す
ることができる。この抵抗の大きさは第３図から明らか
なように著しく制限され、従って価格は増大しない。そ
の理由はこの抵抗を２個の横方向トランジスタのエミッ
タおよびコレクタ領域と同時に形成することができるか
らである。

上述した所から明らかなように本発明によれば構成が簡
単で、集積化の観点から経済的であり、且つ既知の保護
装置を著しく改善し得るようにしたＭＯＳ型集積回路を
提供することができる。

本発明は、上述した例にのみ限定されるものではなく、
要旨を変更しない範囲内で種々の変形を加えることがで
きる。

例えばアクセス不可能なベースを有する第２横方向トラ
ンジスタにより得られる場合と同程度の均等な大電流を
確保するのが左程重要でない場合には第３図の回路のト
ランジスタＴ２／の代わりにツェナーダイオードを設け
ることができる。

この場合にはダイオードの陽極を第４図の基板１とし、
且つ横方向トランジスタＴ、／のエミッタおよびコレク
タ間に降服電圧を生せしめる場合と同様のイオン注入に
よってダイオードの降服電圧を決めるようにする。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の保護装置を示す拡大断面図、第２図は同
じくその等価回路図、 第３図は本発明ＭＯＳ型集積回路の保護装置を示す回路
図、 第４図は第３図の保護装置を集積化したＭＯＳ型集積回
路の平面図である。 ■・・・基板 ２〜５，３′〜７′・・・半導体領域 ８′・・・肉薄領域　　　　９・・・二酸化珪素層１０
、１１・・・電極　　　　　２４．２５・・・バイポー
ラ接合ＴＩ’＋Ｔ２　　′・・・横方向トランジスタＲ
′・・・拡散抵抗　　　　Ｍｌ・・・ＩＧＦＥＴ特許出
１特許出入９１　ニスジーニス・マイクロエレット口二
カ・ニス壷ピーーニー ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＧ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１信号入力端子（ＩＮ′）と、接地接続の第２端
   子と、電圧供給源に接続された第３端子と、厚さが５０
   ０Å以下のゲート絶縁酸化物を有する少なくとも１個の
   ＩＧＦＥＴ（絶縁ゲート電界効果）トランジスタと、前
   記信号入力端子（ＩＮ′）および前記接地接続端子に夫
   々接続されたコレクタおよびエミッタ領域並びにベース
   領域を有する第１バイポーラ横方向トランジスタ（Ｔ＿
   １′）を含む入力過電圧に対する保護装置とを具え、こ
   の第１バイポーラ横方向トランジスタのベース領域はそ
   の幅および不純物濃度が、エミッタおよびコレクタ間の
   降服電圧と第１バイポーラ横方向トランジスタ（Ｔ＿１
   ′）の負性抵抗（ＬＶ＿Ｃ＿Ｅ＿Ｏ）現象の点弧電圧と
   を前記ゲート絶縁酸化物の降服電圧の値よりも低い値お
   よび集積回路のバイポーラ接合の降服電圧の値に保持す
   ると共に、前記第１バイポーラ横方向トランジスタ（Ｔ
   ＿１′）の持続電圧を集積回路の供給電圧の値よりも高
   い値に保持するような値となるようにした供給電圧が低
   く、且つ集積密度の高いＭＯＳ型集積回路において、前
   記保護装置は、前記ＩＧＦＥＴトランジスタのゲート電
   極に接続されたコレクタ領域、前記接地接続端子に接続
   されたエミッタ領域およびベース領域を有する第１バイ
   ポーラ横方向トランジスタ（Ｔ＿１′）と同一導電型の
   第２バイポーラ横方向トランジスタ（Ｔ＿２′）を具え
   、この第２トランジスタのベース領域はその不純物濃度
   が第２バイポーラ横方向トランジスタ （Ｔ＿２′）のエミッタおよびコレクタ間の降服電圧を
   前記第１バイポーラ横方向トランジスタ（Ｔ＿１′）の
   エミッタおよびコレクタ間の降服電圧の値にほぼ等しい
   値に保持するような値となるようにし、他に、前記保護
   装置は、拡散領域型の抵抗を具え、この抵抗によって前
   記第２バイポーラ横方向トランジスタ（Ｔ＿２′）のコ
   レクタを前記第１バイポーラ横方向トランジスタ（Ｔ＿
   １′）のコレクタ領域に接続するようにしたことを特徴
   とするＭＯＳ型集積回路。 ２、第１信号入力端子（ＩＮ′）と、接地接続の第２端
   子と、電圧供給源に接続された第３端子と、厚さが５０
   ０Å以下のゲート絶縁酸化物を有する少なくとも１個の
   ＩＧＦＥＴ（絶縁ゲート電界効果）トランジスタと、前
   記信号入力端子（ＩＮ′）および前記接地接続端子に夫
   々接続されたコレクタおよびエミッタ領域並びにベース
   領域を有するバイポーラ横方向トランジスタ（Ｔ′＿１
   ）を含む入力過電圧に対する保護装置とを具え、このバ
   イポーラ横方向トランジスタのベース領域はその幅およ
   び不純物濃度が、エミッタおよびコレクタ間の降服電圧
   とバイポーラ横方向トランジスタ （Ｔ＿１′）の負性抵抗（ＬＶ＿Ｃ＿Ｅ＿Ｏ）現象の点
   弧電圧とを前記ゲート絶縁酸化物の降服電圧の値よりも
   低い値および集積回路のバイポーラ接合の降服電圧の値
   に保持すると共に、前記バイポーラ横方向トランジスタ
   （Ｔ＿１′）の持続電圧を集積回路の供給電圧の値より
   も高い値に保持するような値となるようにした供給電圧
   が低く、且つ集積密度の高いＭＯＳ型集積回路において
   、前記保護装置は、前記接地接続端子に接続された第１
   領域および第２領域を有するツェナーダイオードを具え
   、この第２領域は、前記バイポーラ横方向トランジスタ
   （Ｔ＿１′）のコレクタ領域の導電型と同一導電型且つ
   前記ＩＧＦＥＴトランジスタのゲート電極に接続された
   ダイオードの第１領域の導電型とは反対導電型として、
   このダイオードの降服電圧の値をバイポーラ横方向トラ
   ンジスタ（Ｔ＿１′）のエミッタおよびコレクタ間の降
   服電圧の値にほぼ等しくし、他に前記保護装置は、拡散
   領域型の抵抗を具え、この抵抗によって前記ダイオード
   の第２領域を前記バイポーラ横方向トランジスタ（Ｔ＿
   １′）のコレクタ領域に接続するようにしたことを特徴
   とするＭＯＳ型集積回路。