JP2002538598A - Soi基板上のマイクロ電子部品用の静電放電保護デバイス - Google Patents
Soi基板上のマイクロ電子部品用の静電放電保護デバイスInfo
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Abstract
Description
基板上に形成される電子部品のための静電放電保護用デバイスに関する。
面の1つである。いくつかの情報源によると、静電放電に起因する損失は、8〜
33%の間で変動する製品についての平均的損失に対応していた。これらの障害
に対する保護は、集積回路の製造及び機能環境、複数の集積回路を組立てたカー
ドについての保護といったあらゆるレベルで行なわれる。保護の一部分は、回路
自体によって確保されている。
を介してその環境に接続されており、従って、場合によって静電放電ESDが流
出しうるのはこれらの異なる端子を介してである。このとき、回路上での保護の
一般的原理は、回路の周辺部の各入出力端子レベルで、これらの端子とその電源
の間に保護構造を置くことにある。これらの保護構造は、逆ダイオード、ブロッ
クされたMOSトランジスタ又はサイリスタであることが最も多い。これらのデ
バイスは、回路の機能を混乱させてはならず、回路内の情報ベクトルを構成する
最小限の入出力電流を回路の電源に向かって直接迂回させるような形で正常機能
時に開放したスイッチとして挙動しなければならない。反対に、放電の際には、
これらのデバイスは、静電放電が回路の中心部を劣化させるのを回避するため閉
鎖したスイッチとして挙動しなくてはならない。放電の場合には、保護が真に理
想的なスイッチとして機能する、すなわち直列抵抗ゼロで機能する場合、静電放
電はエネルギー損失なく従って劣化なく回路内を流れることになる。劣化を受け
ることなく保護デバイスが耐え得る静電放電電圧のことを固有耐性と呼ぶ。
る。実際には、保護は、引外しモードでのその電気特性維持電圧及びその直列抵
抗によって特徴づけされる。従って、保護を最適にすることは、その維持電圧が
回路の作動電圧よりも高いものでありながら最小限でありかつ最小限の直列抵抗
をもつ最小の外形寸法の構造を見い出すことに通じている。保護構造が占有する
表面を削減することとその抵抗を低減させることは一般に矛盾しており、これら
2つのファクタ間での妥協点に到達する必要がある。
集積回路を製造することが可能である。最大許容電圧も同様に低減されており、
保護構造の直列抵抗の最適化ならびに最適な維持電圧の獲得が、最も重要な問題
となっている。
ドを利用する保護構造が出現してきた。維持電圧は、ざっと見積ってダイオード
の折点電圧(約0.7V)に直列ダイオード数を乗じたものによって定義づけさ
れる。
呼ばれる寄生効果のため従来のシリコン基板上では問題を提起する。かかる基板
上では、各々の保護ダイオードは、基板のものとはドーピングの型が逆であるケ
ーソン(区画)内で製造され、各々ケーソンは相互に絶縁分離されており、これ
らのダイオードは直列に接続される。基板はバルク基板であることから、各々の
保護ダイオードに対して、寄生バイポーラトランジスタが接続されている。保護
ダイオードの漏洩電流は、次の保護ダイオードに接続されたトランジスタのベー
ス電流に対応し、漏洩電流は、それに応じて増幅された状態となる。文書WO9
7/35373は、絶縁及び保護機能の相関関係を解除することによるこの問題
に対する解決法を提案している。静電放電の排出機能を確保するため、ダーリン
トン効果が利用される。第1のダイオードのサイズは、放電のうちの最大の部分
を受けるのがこのダイオードであることから、最大限にされる。このとき、絶縁
機能は、最後の保護ダイオードと直列に接続されたMOSトランジスタが果たす
ことになる。
SOI(絶縁体上のシリコン)基板上で製造されたマイクロ電子回路内では発生
しない。従ってこれらの基板上では、直列ダイオードによる保護を適用すること
ができる。
210〜220ページに掲載されたS. VOLDMAN et al., の「動的閾値ボディ及
びゲート結合SOI ESD保護回路網」という論文は、SOI基板上に作られ
たダイオード式保護デバイスを開示している。保護ダイオードは、このときMO
Sトランジスタから製造される。SOI基板上に製造されたこのようなトランジ
スタについては、バルクのシリコン基板について見られることとは異なり埋込ま
れた絶縁層が熱の排出を妨げることから、ゲートの下にある領域が問題を提起す
る。この論文は、ダイオードが一方ではドレイン、基板及びゲートと他方ではソ
ースの間で作られているような保護を強調している。しかしながら、利用可能な
最もコンパクトなダイオードは、ソース・ドレインのイオン注入とは異なる型の
NMOSトランジスタで構成されている。或る種の製造技術は埋込まれた酸化膜
上に薄い厚みのシリコンを必要とすることから、形成されたダイオードはこのと
き高い抵抗を有する。静電放電に際しては、生成された熱を容易に排出すること
ができないことから、保護ダイオードのゲート下にある領域が溶融する可能性が
ある。
解決法をもたらす。これは、低い消費量の集積回路技術というきわめて特定の状
況に適用される。本発明の一般的原理は、反面きわめて不良な逆転耐性性能を有
し、そのままの状態では、それが発生させる漏洩のため回路内で利用され得ない
デバイスを利用することにある。このデバイスは、ツェナー型のダイオードであ
る。この語は、低い電子なだれ電圧をもつダイオードを意味する。その不良な逆
転耐性は、本発明の場合、ダイオードがつねに直接分極されることになるため、
不利なものでないということが判明している。
された2つの領域の接合によって構成されたダイオードである。そのためこのダ
イオードは、直接特性及び逆転特性が劣化し、通常このタイプのダイオードに専
用の利用分野では利用できなくなっている。実際、逆転分極された場合にその阻
止面が消失するのに対し、一定の与えられた電圧でのその導電性レベルは増大し
ている。低い分極電圧での漏洩も同じく、従来のダイオードに比べてさらに高い
ものである。
点にある。このことは薄くなった基板の場合に言えることである(図7参照)。
なお、これらのツェナーダイオードは、より低い直列抵抗と3倍の利得を呈する
。これら2つのパラメータは、保護を最適化するために不可欠なものである。
いて、基板の半導体層の中に作製され、該半導体層が絶縁層を被覆しており、場
合によって発生する静電放電を誘導するべく前記部品の保護すべき接続端子に接
続されているデバイスであって、直接分極されるよう前記接続端子に接続された
少なくとも1つのツェナーダイオードを含んで成ることを特徴とするデバイスに
ある。
端子に接続された複数のツェナーダイオードを含んで成る。ツェナーダイオード
は、直列接続を形成するように隣接して配置でき、2つの隣接するダイオード間
の電気的接続はメタライゼーションか又はシリサイドによって得られる。
域を有し、これら2つの領域は、前述の導電型のうちのいずれか1つに中位でド
ープされた1つの領域によって分離されている。好ましくは、基板の半導体層が
シリコン層である場合、強くドープされた2つの領域はおよそ1020原子/cm3
のドーピングレベルをもち、中位にドープされた領域はおよそ1018原子/cm3
のドーピングレベルを有する。この基板はSOI基板でありうる。
作られた保護ダイオードの熱排出の問題を克服するため、より大きな容積を利用
できるようにし、かくして熱の分散を可能にするべく、ゲートの存在を回避する
ためトランジスタから出発せずにこのダイオードを実現することが提案される。
実際、場合によってシリコンの薄状化が行なわれるのは、ゲートのレベルにおい
てである。
て、該保護デバイスが基板の半導体層内に作製された少なくとも1つのツェナー
ダイオードを有し、該半導体層が1つの絶縁層を被覆している方法であって、 − 前記半導体層中でダイオードの領域又は活性領域を構成する工程と、 − 第1の導電型とこれとは逆導電型である第2の導電型の間で選ばれた1つ
の導電型に中位にドープされた第1の領域を得るため、前記活性領域の第1の領
域をイオン注入する工程と、 − 前記第1の導電型に強くドープされ、第1の領域の残りの部分によって活
性領域の未記入部分から分離されている第2の領域を得るため、前記第1の領域
をイオン注入する工程と、 − 前記第2の導電型に強くドープされた第3の領域を得るため活性領域の未
注入部分をイオン注入する工程と、 を含んで成る方法をも目的としている。
の製造方法において、該保護デバイスが基板の半導体層内に作製された少なくと
も1つのツェナーダイオードを有し、該半導体層が1つの絶縁層を被覆している
方法であって、 − 前記半導体層中でダイオードの領域又は活性領域を構成する工程と、 − 第1の導電型とこれとは逆導電型である第2の導電型の間で選ばれた1つ
の導電型に中位にドープされた第1の領域を得るため、活性領域の中央部分にあ
る第1の領域をイオン注入する工程と、 − 薄いゲート酸化膜の形成後、第1の領域上に導電性材料でゲートを形成する
工程と、 − 第1の導電型に強くドープされた第2の領域を得るため、第1の領域に隣
接した活性領域の第2の領域をイオン注入する工程と、 − 第2の導電型に強くドープされた第3の領域を得るため、第2の領域と分
離させる第1の領域に隣接した活性領域の第3の領域をイオン注入する工程と、
を含んで成る方法をも目的としている。
によって、本発明をより良く理解でき、又その他の利点及び特長が明らかになる
であろう。
成を概略的に示す。このツェナーダイオードは、およそ1020原子/cm3のドー
ピングレベルを達成できるようにするソース及びドレインの導電型の強レベルで
の2つのイオン注入を用いて単結晶シリコンから形成される。これら2つの相対
する型つまり領域1についてはN++,領域2についてはP++のイオン注入は、お
よそ1018原子/cm3の領域3内のN又はP型の中間レベルのイオン注入によっ
て分離されている。このダイオードは、その設計及びその低い抵抗のため特異な
ものである。このツェナーダイオードは、用いられる技術に応じて異なるように
形成され得る。
に薄い層上で実施される場合、保護ダイオードの低い固有耐性は、一部には局所
化された薄状化に起因する最も薄いシリコンの厚みによって説明がつく。なお、
スペーサの下にあるさらにドーピング度の低い領域は、特にPMOSトランジス
タに対応するイオン注入について、ダイオードの強い直列抵抗を誘発する可能性
がある。
ードを以下の要領で実施することが提案される。すなわち、ポリシリコン製のゲ
ートのマスキングレベルは利用しない。NMOSトランジスタのスペーサのため
に利用される注入レベル(ドーピング度の低いN型ドレインつまりLDDN)は
、N型ドレイン及びソース(DSN)レベルから切り離される。通常DSNレベ
ルと相補的であるP型ドレインソースレベル(DSP)は2つのレベルDSN及
びLDDNと相補的なものとなる。
る。このダイオードを形成するため、SOI基板のシリコン表面層の中にシリコ
ン活性領域5を構成する。LDDN型注入層6とN++型注入層7を形成する。D
SPレベルはDSN及びLDDNと相補的である。
ツェナーダイオードについて、ESD耐性及び電気抵抗に関する電気的結果を提
示している。
man Body Model」の略)と呼ばれる規格化された静電放電保護試験において用い
られる値である。この試験は、皮膚抵抗が500〜50000Ωの間で変動する
ものとして、一人の人間を100pFの容量のコンデンサと同一視することによ
って定義づけされたものである。この規格は、100pFのコンデンサ、150
0Ωの抵抗そして暗示的に7.5μHのインダクタンスと直列に接続されたデバ
イスを基準としている。1つのデバイスは、予め2000Vの充電を受けたコン
デンサの放電によって劣化を受けていない場合(この放電は1500Ωの抵抗及
び7.5μHのインダクタンスを横断して発生する)、2000V(HBM)に
耐えると言われている。その後電圧耐性は、保護デバイスの幅単位で規格化され
る。
Uボルトの過渡的電圧は、実際には、約U/1500アンペアの最大電流、5〜
10nSの上昇時間及び150nSの時定数をもつ指数減少を伴う過渡電流に対
応する。この過渡電流は、ジュール効果により、幾分かの発熱を導く。μmあた
りのボルト単位で報告されたESD耐性は、それを超えるとデバイス内で散逸し
たエネルギーが破壊的な熱バーストを導くような閾値に対応する。熱バースト閾
値は、超えてはならない臨界温度に結びつけることができるものである。過渡的
ESDの間の材料中における発熱は、強い過渡電流に付随するジュール効果によ
る散逸に対応する。同じ電流密度で、発熱は、酸化物の埋込み層の存在のため基
板の後ろから容易に熱が排出され得ないことから、SOI基板の場合の方がバル
ク基板の場合よりも大きい。固有耐性の増加には、表面シリコン層の厚みの増大
が関与している。
及び電気抵抗の増大は明白である。
MOSトランジスタから作られた従来のダイオードの実施のために局所的薄状化
は利用されない。スペーサの下の対抗の問題を克服するためには、本発明の枠内
では、全ての活性領域上でツェナーダイオードの中間領域について利用されたも
のと同じ規模のドーピングを伴う少なくとも1回の特別のN型イオン注入が利用
される。数1018原子/cm3のドーピングを導くこのイオン注入は、従来のダイ
オードのために行なわれた閾値調整用イオン注入に代わって実施される。
は、図3に表わされている。このダイオードを形成するため、SOI基板のシリ
コン表面層の中に、シリコン活性領域10を構成する。N++型注入レベル11,
P++型注入レベル12,N型注入レベル13及びポリシリコンゲート14が形成
される。
う保護デバイスのスキーマに従って利用することはできない。本発明による保護
デバイスのツェナーダイオードは、直接分極される。
から保護された電子回路を表わしている。アース接続端子21,直流電圧電源用
接続端子22,回路の入口接続端子23及び回路の出口接続端子24は、直列接
続され直接分極された4つのツェナーダイオードで形成されている。デバイスの
ダイオード数は、過度に大きい漏洩を誘発することなく電源電圧に耐えるような
形で、充分なものでなくてはならない。
ず、保護の効率を増大させるような形で回路の複数の場所で逆転分極された従来
のダイオードを付加することによって補完され得る。かくして、参照番号26及
び27は、本発明によるいくつかの保護デバイスを相補う形で接続された従来の
ダイオードを表わしている。
かぎりコンパクトな集積を可能にするような形で設計するのが妥当である。その
ためには、同じ活性領域上に4つのダイオードが形成される。ダイオードがDS
Nレベルから区別されたLDDNレベルを用いて形成される場合(図2を参照の
こと)、これらのダイオードは、メタライゼーション(レベル)によって互いに
連結され得る。これは図5に例示されている。ここでは、4つのダイオード31
,32,33及び34は、例えばツェナーダイオード33についてはDSP注入
331,例えばツェナーダイオード33についてはDSP注入331,DSN注
入332及びLDDN注入333といったその異なるイオン注入領域をもつよう
に表わされている。メタライゼーション35は、ダイオードを互いにそして外方
に向かって連結する。参照番号36はダイオードとメタライゼーションの間の電
気的接点を表わす。
合、図6に例示されているように1つのシリサイド(レベル)によって複数のダ
イオードを連結することができる。このとき、さらに集積度の高いデバイスが得
られる。4つのダイオードは、41,42,43及び44という参照番号が付さ
れている。各ダイオード、例えばダイオード43は、DSP注入431,DSN
注入432及びポリシリコンゲート433を含んで成る。参照番号46は、4つ
のツェナーダイオードを伴う保護デバイスの入口及び出口の電気接点を表わす。
る。図7は、シリコン製バルク部分50,酸化シリコン層51及びシリコン表面
層52で形成されたSOI基板上に形成されたこのようなトランジスタを横断面
図で示す。表面層52内に作り出された局所的薄状化領域が認められる。この局
所的薄状化領域は、ゲート酸化膜53,ポリシリコンゲート及びスペーサ55を
支持している。従来のダイオードはこの概念に従って実施されており、ゲート酸
化膜53と酸化膜51の間のシリコンの体積が過度に制限されていることは明ら
かである。この体積内で発生した熱は、シリコンバルク基板上に形成された素子
とは異なり、容易に排出され得ない。
ツェナーダイオードを形成することができる。ダイオードは、図2が表わしてい
る通り、唯一のLDDレベルで形成される。これは、別の面からみて逆転耐性の
性能が非常に悪く、そのままの状態ではそれが発生させる漏洩のため回路内で使
用できないようなデバイスが利用されることから、標準的方法の1つの独創的な
変形形態である。
オードの実施形態を例示している。図8は、シリコン製バルク部分60,酸化シ
リコン層61及びシリコン表面層62から成るSOI基板を横断面図で示してい
る。図9が示しているように、表面層62の一部分の上に、N+ドープされた領
域63を得るためのLDDN型のイオン注入が実施される。その後、図10が示
すように、すでにN+ドープされた領域63の一部分の上にNドレインソース型
注入(DSN注入)が実施される。N++ドープされた領域64が得られる。この
とき、図11が示すように、ツェナーダイオードを補完するような形で領域65
内にPドレインソース型注入(DSP注入)が実施される。
、1013原子/cm3以上のドーピングを有することになる。
DDNレベルはDSNから切り離されており、より複雑な製造方法となるような
ものでないことから、廉価なものである。保護機能は最適化されている。すなわ
ち、固有耐性は増強され、静電放電中に保護ダイオードの端子において発生する
電圧降下は最小限におさえられる。このことは、上記の表が示している。すなわ
ち、固有耐性の60%増強及び、最も重要なパラメータであることが判明してい
る電気抵抗の200%の増加である。
ればなるほど、電子なだれ電圧は弱くなり、直接的引外し電圧も低くなる。従っ
て、静電放電の波を良好に排出することが可能となる。
をもつこのようなダイオードは、大きな漏洩電流を生成する構造の原因となるが
、それらを直列に配置した場合、絶縁機能は補償され、かかるダイオードは、電
荷を排出するのにきわめて効率の良いものとなる。
るまで減少した時、直列接続された2つの漸減されたダイオードを利用すること
によって低抵抗で優れた保護を得ることができる。本発明の発明者は、非常に悪
い品質のこの部品を利用することによって、1つの予断を乗り越えたのである。
的に示している。
ーダイオードのイオン注入を描写する図である。
オードのイオン注入を描写する図である。
た4つのツェナーダイオードのアセンブリのイオン注入を表わしている。
ツェナーダイオードのアセンブリのイオン注入を表わしている。
間のSOI基板の横断面図である。
間のSOI基板の横断面図である。
間のSOI基板の横断面図である。
間のSOI基板の横断面図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 基板の半導体層(62)内に形成され、該半導体層(62
)が絶縁層(61)を被覆しており、場合によって発生する静電放電を偏向させ
るべく電子部品の保護すべき接続端子(21〜24)に接続され、電子部品を静
電放電から保護するデバイス(25)において、 直接分極されるように前記接続端子に接続された少なくとも1つのツェナーダ
イオードを含むことを特徴とするデバイス。 - 【請求項2】 直列に接続されかつ直接分極されうるように前記接続端子
に接続された複数のツェナーダイオードを含むことを特徴とする請求項1に記載
のデバイス。 - 【請求項3】 各々のツェナーダイオードが、逆導電型に強くドープされ
た2つの領域(1,2)を有し、これら2つの領域は、前述の導電型のうちのい
ずれかに、中位でドープされた1つの領域(3)で分離されていることを特徴と
する請求項1〜2のいずれかに記載のデバイス。 - 【請求項4】 基板の半導体層がシリコン層であり、強くドープされた2
つの領域がおよそ1020原子/cm3のドーピングレベルをもち、前記中位にドー
プされた領域がおよそ1018原子/cm3のドーピングレベルを有することを特徴
とする請求項3に記載のデバイス。 - 【請求項5】 前記基板がSOI基板であることを特徴とする請求項1〜
4のいずれか1項に記載のデバイス。 - 【請求項6】 前記ツェナーダイオード(31〜34)が、直列接続を形
成するため隣接した形で配置されており、2つの隣接するダイオード間の電気的
接続は、メタライゼーション(35)によって得られることを特徴とする請求項
2に記載のデバイス。 - 【請求項7】 前記ツェナーダイオード(41〜44)が直列接続を形成
するため隣接した形で配置されており、2つの隣接するダイオード間の電気的接
続がシリサイドによって得られることを特徴とする請求項2に記載のデバイス。 - 【請求項8】 静電放電から電子部品を保護するデバイスの製造方法にお
いて、該保護デバイスが基板の半導体層内に形成された少なくとも1つのツェナ
ーダイオードを有し、該半導体層が1つの絶縁層を被覆している方法であって、 − 前記半導体層中にダイオード領域又は活性領域(5)を規定する工程と、 − 第1の導電型とこれとは逆導電型である第2の導電型の間で選ばれた1つ
の導電型に中位にドープされた第1の領域(6)を得るため、前記活性領域(5
)に第1の領域(6)をイオン注入する工程と; − 前記第1の導電型に強くドープされ、第1の領域の残りの部分によって活
性領域(5)の未注入部分から分離されている第2の領域(7)を得るため、前
記第1の領域(6)をイオン注入する工程、 − 前記第2の導電型に強くドープされた第3の領域を得るため活性領域の未
注入部分をイオン注入する工程と、 を含む方法。 - 【請求項9】 静電放電から電子部品を保護するデバイスの製造方法にお
いて、該保護デバイスが基板の半導体層内に形成された少なくとも1つのツェナ
ーダイオードを有し、該半導体層が1つの絶縁層を被覆している方法であって、 − 前記半導体層中でダイオードの領域又は活性領域(10)を構成する工程
と、 − 第1の導電型とこれとは逆導電型である第2の導電型の間で選ばれた1つ
の導電型に中位にドープされた第1の領域(13)を得るため、活性領域(10
)の中央部分にある第1の領域(13)をイオン注入する工程と、 − 薄いゲート酸化膜の形成後、第1の領域(13)上に導電性材料でゲート(
14)を形成する工程と、 − 第1の導電型に強くドープされた第2の領域を得るため、第1の領域(1
3)に隣接した活性領域(10)の第2の領域(12)をイオン注入する工程と
、 − 第2の導電型に強くドープされた第3の領域を得るため、第2の領域(1
2)と分離させる第1の領域(13)に隣接した活性領域(10)の第3の領域
(11)をイオン注入する工程と、 を含む方法。 - 【請求項10】 第1の領域(13)が、その上に形成されたゲート(1
4)よりも大きいことを特徴とする請求項9に記載の方法。
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