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JP2009141258A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2009141258A
JP2009141258A JP2007318482A JP2007318482A JP2009141258A JP 2009141258 A JP2009141258 A JP 2009141258A JP 2007318482 A JP2007318482 A JP 2007318482A JP 2007318482 A JP2007318482 A JP 2007318482A JP 2009141258 A JP2009141258 A JP 2009141258A
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JP
Japan
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drain region
region
protection
semiconductor device
drain
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Pending
Application number
JP2007318482A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hisashi Ishimabuse
寿 石間伏
Kiyoharu Hayakawa
清春 早川
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Motor Corp
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Element Separation (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

【課題】 保護対象回路を静電気放電から保護するために保護対象回路に接続されている保護素子を備えている半導体装置において、保護素子の厚みを増やすことなく保護素子の素子面積を低減でき、かつESD信号の印加部とゲート電極の間の抵抗値を容易に調整することができる保護素子を備えている半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置100は、保護対象回路12とパッド10と保護素子90を備えている。保護素子90には、第1ドレイン電極14とソース電極2と第2ドレイン電極6とゲート電極4と素子分離トレンチ18が形成されている。ドレイン電極14、6と素子分離トレンチ18の間はアルミ配線8で接続されている。パッド10から第1ドレイン電極14にESD信号が印加されると、第1ドレイン電極14から素子分離トレンチ18を経由して第2ドレイン電極6にESD電流が流れる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce an element area of a protection element without increasing a thickness of the protection element in a semiconductor device including a protection element connected to the protection target circuit in order to protect the protection target circuit from electrostatic discharge, and Provided is a semiconductor device including a protective element that can easily adjust a resistance value between an ESD signal application unit and a gate electrode.
A semiconductor device includes a protection target circuit, a pad, and a protection element. In the protection element 90, a first drain electrode 14, a source electrode 2, a second drain electrode 6, a gate electrode 4, and an element isolation trench 18 are formed. The drain electrodes 14 and 6 and the element isolation trench 18 are connected by an aluminum wiring 8. When an ESD signal is applied from the pad 10 to the first drain electrode 14, an ESD current flows from the first drain electrode 14 to the second drain electrode 6 via the element isolation trench 18.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、保護対象となる回路を静電気放電から保護するために、その保護対象回路に接続されている保護素子を備えている半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a protection element connected to a circuit to be protected in order to protect a circuit to be protected from electrostatic discharge.

保護対象回路を静電気放電(ESD)から保護するためのESD保護素子が開発されている。例えばMOSFET型の保護素子では、保護対象回路に接続されているドレイン領域にESDに起因する高電圧が印加されると、トランジスタがオンし、ESDに起因する高電圧がソース領域を介して基準電位に放電される。   An ESD protection element for protecting a circuit to be protected from electrostatic discharge (ESD) has been developed. For example, in a MOSFET type protection element, when a high voltage due to ESD is applied to the drain region connected to the circuit to be protected, the transistor is turned on, and the high voltage due to ESD is applied to the reference potential via the source region. Discharged.

図5に、従来の保護素子290の断面図の一例を示す。保護素子290では、p型の半導体基板60の表面の一部にn型の第1ドレイン領域80が形成されている。第1ドレイン領域80の表面の一部にはシリサイド66が形成されている。第1ドレイン領域80は、シリサイド66を介して半導体基板60上に形成されているドレイン電極78と導通している。第1ドレイン電極78は、図示はしないパッドを介して、ESDに起因する高電圧(以下、ESD信号と記載する)が印加される可能性のある保護対象回路に接続されている。半導体基板60の表面の他の一部にはn型のソース領域62が形成されている。ソース領域62の表面の一部にはシリサイド66が形成されている。ソース領域62は、シリサイド66を介して半導体基板60上に形成されているソース電極64と導通している。ソース電極64は、図示しない基準電位に接続されている。半導体基板60の表面の他の一部であり、かつ第1ドレイン領域80とソース領域62の間にはn型の第2ドレイン領域72が形成されている。第2ドレイン領域72の表面の一部にはシリサイド66が形成されている。 FIG. 5 shows an example of a cross-sectional view of a conventional protection element 290. In the protection element 290, an n + -type first drain region 80 is formed on a part of the surface of the p-type semiconductor substrate 60. Silicide 66 is formed on part of the surface of the first drain region 80. The first drain region 80 is electrically connected to the drain electrode 78 formed on the semiconductor substrate 60 through the silicide 66. The first drain electrode 78 is connected to a protection target circuit to which a high voltage due to ESD (hereinafter referred to as an ESD signal) may be applied via a pad (not shown). An n + type source region 62 is formed on another part of the surface of the semiconductor substrate 60. Silicide 66 is formed on part of the surface of the source region 62. The source region 62 is electrically connected to the source electrode 64 formed on the semiconductor substrate 60 through the silicide 66. The source electrode 64 is connected to a reference potential (not shown). An n + -type second drain region 72 is formed between the first drain region 80 and the source region 62, which is another part of the surface of the semiconductor substrate 60. Silicide 66 is formed on part of the surface of the second drain region 72.

第2ドレイン領域72とソース領域62の間の範囲に亘っている半導体基板60の表面にはゲート絶縁膜70が形成されている。ゲート絶縁膜70の表面にはゲート電極68が形成されている。図示はしないが、ゲート電極68も基準電位に接続されている。ゲート絶縁膜70の下方には、不純物濃度の低いn型のエクステンション領域67a、67bが形成されている。エクステンション領域67a、67bはそれぞれソース領域62、第2ドレイン領域72に接している。第1ドレイン領域80と第2ドレイン領域72の間のシリサイドブロック領域には、不純物濃度の低いn型のエクステンション領域67cが形成されている。 A gate insulating film 70 is formed on the surface of the semiconductor substrate 60 over the range between the second drain region 72 and the source region 62. A gate electrode 68 is formed on the surface of the gate insulating film 70. Although not shown, the gate electrode 68 is also connected to the reference potential. Under the gate insulating film 70, n type extension regions 67a and 67b having a low impurity concentration are formed. The extension regions 67a and 67b are in contact with the source region 62 and the second drain region 72, respectively. In the silicide block region between the first drain region 80 and the second drain region 72, an n type extension region 67c having a low impurity concentration is formed.

パッドを介して第1ドレイン電極78にESD信号が印加されると、ESD信号によって生じる電流(以下、ESD電流と記載する)が、第1ドレイン領域80からエクステンション領域67cを経由して第2ドレイン領域78に流れる。第2ドレイン領域72にESD電流が到達すると、第2ドレイン領域72の電圧が上昇し、アバランシェブレークダウンが発生する。その結果、第2ドレイン領域72とソース領域62の間に寄生トランジスタが形成され、第2ドレイン領域72とソース領域62の間に電流経路が形成される。ソース領域62に到達したESD電流は基準電位に放電される。ESD電流が放電されると、第2ドレイン領域72の電圧が下がり、寄生トランジスタが遮断される。このような保護素子290が特許文献1に開示されている。   When an ESD signal is applied to the first drain electrode 78 via the pad, a current generated by the ESD signal (hereinafter referred to as an ESD current) is supplied from the first drain region 80 to the second drain via the extension region 67c. Flow into region 78. When the ESD current reaches the second drain region 72, the voltage of the second drain region 72 rises and avalanche breakdown occurs. As a result, a parasitic transistor is formed between the second drain region 72 and the source region 62, and a current path is formed between the second drain region 72 and the source region 62. The ESD current reaching the source region 62 is discharged to the reference potential. When the ESD current is discharged, the voltage of the second drain region 72 decreases and the parasitic transistor is cut off. Such a protective element 290 is disclosed in Patent Document 1.

保護素子290のエクステンション領域67cの抵抗が低すぎる場合、第1ドレイン領域78にESD信号が印加されたときに第2ドレイン領域72に瞬時にESD電流が流れて、保護素子290が破壊されてしまう。保護素子290では、保護素子290のESD耐量を確保するために、ゲート電極64から第1ドレイン領域80までの間を一定の距離以上に保つ必要がある。そのため、一定の素子面積が必要とされる。一方、エクステンション領域67cの抵抗が高すぎる場合、寄生トランジスタがオンするよりも先に保護対象回路のゲート酸化膜の耐圧を超えてしまい、保護対象回路が破壊されてしまう。そのため、ESD信号が印加される第1ドレイン領域80とゲート電極68に隣接している第2ドレイン領域72の間を、保護対象回路と保護素子の両者を保護するための適度な抵抗値をもつように調整する必要がある。   If the resistance of the extension region 67c of the protection element 290 is too low, when an ESD signal is applied to the first drain region 78, an ESD current instantaneously flows to the second drain region 72, and the protection element 290 is destroyed. . In the protection element 290, it is necessary to maintain a distance from the gate electrode 64 to the first drain region 80 at a certain distance or more in order to ensure the ESD tolerance of the protection element 290. Therefore, a certain element area is required. On the other hand, when the resistance of the extension region 67c is too high, the breakdown voltage of the gate oxide film of the protection target circuit is exceeded before the parasitic transistor is turned on, and the protection target circuit is destroyed. Therefore, an appropriate resistance value for protecting both the protection target circuit and the protection element is provided between the first drain region 80 to which the ESD signal is applied and the second drain region 72 adjacent to the gate electrode 68. Need to be adjusted.

ESD保護素子のこのような課題に対して、素子面積を低減するとともにESD信号の印加部とゲート電極の間の抵抗値を容易に調整することができる技術が提案されている。この技術によると、第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の間の半導体基板上にバラスト抵抗を形成する。バラスト抵抗を経由して第1ドレイン領域から第2ドレイン領域へ向かう電流経路が形成される。バラスト抵抗の抵抗値を調整することによって、第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の間の電界強度が緩和されるため、第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の間の距離を小さくしても保護素子のESD耐量を確保することができる。また、バラスト抵抗を用いることによって、第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の間の抵抗値を容易に調整することもできる。このような技術が、特許文献2に開示されている。   In order to deal with such problems of the ESD protection element, a technique has been proposed that can reduce the element area and easily adjust the resistance value between the ESD signal application unit and the gate electrode. According to this technique, a ballast resistor is formed on the semiconductor substrate between the first drain region and the second drain region. A current path is formed from the first drain region to the second drain region via the ballast resistor. By adjusting the resistance value of the ballast resistor, the electric field strength between the first drain region and the second drain region is relaxed. Therefore, even if the distance between the first drain region and the second drain region is reduced, protection is achieved. The ESD tolerance of the element can be ensured. In addition, the resistance value between the first drain region and the second drain region can be easily adjusted by using the ballast resistor. Such a technique is disclosed in Patent Document 2.

特開2004−71799号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-71799 特開2005−191151号公報JP-A-2005-191151

しかしながら、上記の技術によると、ESD信号の印加部とゲート電極の間の距離を小さくすることはできるが、半導体基板上にバラスト抵抗を形成することによって保護素子の厚みが増加してしまう。   However, according to the technique described above, the distance between the ESD signal application portion and the gate electrode can be reduced, but the thickness of the protection element is increased by forming the ballast resistor on the semiconductor substrate.

本発明は、上記の課題を解決する。すなわち、保護対象回路を静電気放電から保護するために保護対象回路に接続されている保護素子を備えている半導体装置において、保護素子の厚みを増やすことなく保護素子の素子面積を低減でき、かつESD信号の印加部とゲート電極の間の抵抗値を容易に調整することができる保護素子を備えている半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above problems. That is, in a semiconductor device including a protection element connected to a protection target circuit in order to protect the protection target circuit from electrostatic discharge, the element area of the protection element can be reduced without increasing the thickness of the protection element, and ESD It is an object of the present invention to provide a semiconductor device including a protective element that can easily adjust a resistance value between a signal applying unit and a gate electrode.

本発明は、保護対象回路を静電気放電から保護するために保護対象回路に接続されている保護素子を備えている半導体装置に関する。保護対象回路と保護素子は、ESD信号が印加される可能性のある配線に対して並列に接続される。
本発明の半導体装置では、保護素子が、半導体基板内に形成されている第2導電型のウェル領域を備えている。
本発明の半導体装置では、ウェル領域の表面の一部に形成されており、保護対象回路に接続されているとともに静電気放電に起因する電圧が印加される第1導電型の第1ドレイン領域を備えている。また、ウェル領域の表面の他の一部に形成されているとともに基準電位に接続されている第1導電型のソース領域を備えている。さらに、第1ドレイン領域とソース領域の間に位置するウェル領域の表面に形成されている第1導電型の第2ドレイン領域を備えている。また、第2ドレイン領域とソース領域に亘る範囲のウェル領域の表面に絶縁膜を介して対向しているとともに基準電位に接続されているゲート電極を備えている。ソース領域から基準電位に接続されている配線とゲート電極から基準電位に接続されている配線は、導通していてもよいし、導通していなくてもよい。
本発明の半導体装置では、さらに、ウェル領域の外周に形成されており、壁面が絶縁膜で覆われているとともに内部に導電材料が充填されている素子分離トレンチを備えている。素子分離トレンチは、ソース領域とゲート電極と第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の全部を囲むようにウェル領域の外周に形成されている。素子分離トレンチの内部に充填されている導電材料は、例えば、一定の抵抗値を有する導電材料であってもよいし、不純物の濃度によって抵抗値を変える導電材料などであってもよい。
本発明の半導体装置に形成されている保護素子では、第1ドレイン領域と第2ドレイン領域が素子分離トレンチに充填されている導電材料を介して導通している。ドレイン領域と素子分離トレンチの間は、例えば金属配線などで接続されている。第1ドレイン領域と第2ドレイン領域を電気的に接続する導通路(以下、導通路と記載する)は、素子分離トレンチの内部を一定の距離だけ通過する。導通路は第1ドレイン領域上のどの位置に接続されていてもよいし、ソース領域上のどの位置に接続されていてもよい。導通路は1本に限定されない。複数本形成されていてもよい。
The present invention relates to a semiconductor device including a protection element connected to a protection target circuit in order to protect the protection target circuit from electrostatic discharge. The circuit to be protected and the protection element are connected in parallel to a wiring to which an ESD signal may be applied.
In the semiconductor device of the present invention, the protection element includes the second conductivity type well region formed in the semiconductor substrate.
The semiconductor device according to the present invention includes a first drain region of a first conductivity type that is formed on a part of the surface of the well region, is connected to the circuit to be protected, and is applied with a voltage due to electrostatic discharge. ing. In addition, a source region of a first conductivity type is provided which is formed on another part of the surface of the well region and connected to a reference potential. Furthermore, a second drain region of the first conductivity type formed on the surface of the well region located between the first drain region and the source region is provided. In addition, a gate electrode is provided which is opposed to the surface of the well region in a range extending from the second drain region to the source region via an insulating film and connected to a reference potential. The wiring connected to the reference potential from the source region and the wiring connected to the reference potential from the gate electrode may be conductive or may not be conductive.
The semiconductor device of the present invention further includes an element isolation trench which is formed on the outer periphery of the well region, has a wall surface covered with an insulating film and is filled with a conductive material. The element isolation trench is formed on the outer periphery of the well region so as to surround all of the source region, the gate electrode, the first drain region, and the second drain region. The conductive material filled in the element isolation trench may be, for example, a conductive material having a certain resistance value, or a conductive material whose resistance value is changed depending on the impurity concentration.
In the protective element formed in the semiconductor device of the present invention, the first drain region and the second drain region are electrically connected via the conductive material filled in the element isolation trench. The drain region and the element isolation trench are connected by, for example, metal wiring. A conduction path (hereinafter referred to as a conduction path) that electrically connects the first drain region and the second drain region passes through the element isolation trench by a certain distance. The conduction path may be connected to any position on the first drain region, and may be connected to any position on the source region. The number of conduction paths is not limited to one. Multiple lines may be formed.

本発明の半導体装置によると、第1ドレイン領域にESD信号が印加されたときに、第1ドレイン領域から第2ドレイン領域に向かって導通路を進む電流経路が形成される。導通路の抵抗値を調整することによって、第1ドレイン領域への電界集中が緩和されるため、第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の間の距離を小さくしても保護素子のESD耐量を確保することができる。保護素子の素子面積を低減することができる。ドレイン領域と素子分離トレンチの間は、薄い金属配線などで接続されるため、保護素子の厚みが増えてしまうことがない。
また、本発明の半導体装置によると、素子分離トレンチの抵抗値や、導通路の本数や、導通路に接続する配線の接続位置などを変えることによって、導通路の抵抗値を容易に調整することができる。
According to the semiconductor device of the present invention, when an ESD signal is applied to the first drain region, a current path that travels through the conduction path from the first drain region toward the second drain region is formed. By adjusting the resistance value of the conduction path, the electric field concentration on the first drain region is alleviated. Therefore, even if the distance between the first drain region and the second drain region is reduced, the ESD resistance of the protective element is ensured. can do. The element area of the protection element can be reduced. Since the drain region and the element isolation trench are connected by a thin metal wiring or the like, the thickness of the protective element does not increase.
Further, according to the semiconductor device of the present invention, the resistance value of the conduction path can be easily adjusted by changing the resistance value of the element isolation trench, the number of conduction paths, the connection position of the wiring connected to the conduction path, and the like. Can do.

本発明の半導体装置では、保護素子の外周に複数本の素子分離トレンチが多重に形成されており、第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の間に各々の素子分離トレンチを経由する導通路が並列に形成されていてもよい。例えば、2つの素子分離トレンチが形成されている場合、第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の間に、2つの素子分離トレンチを経由する導通路が並列に形成されている。   In the semiconductor device of the present invention, a plurality of element isolation trenches are formed in multiples on the outer periphery of the protection element, and the conduction paths passing through the element isolation trenches are parallel between the first drain region and the second drain region. It may be formed. For example, when two element isolation trenches are formed, a conduction path passing through the two element isolation trenches is formed in parallel between the first drain region and the second drain region.

上記の半導体装置によると、導通路として複数の素子分離トレンチを利用するため、導通路の合計抵抗値を複数の素子分離トレンチを用いて調整することができる。導通路の抵抗値の調整精度を向上させることができる。また、素子分離トレンチを経由する導通路が複数本形成されるため、素子分離トレンチ内をESD電流が流れることによって発生する熱が分散されやすい。保護素子の熱的な耐量を向上させることもできる。   According to the semiconductor device described above, since the plurality of element isolation trenches are used as the conduction paths, the total resistance value of the conduction paths can be adjusted using the plurality of element isolation trenches. The adjustment accuracy of the resistance value of the conduction path can be improved. In addition, since a plurality of conduction paths through the element isolation trench are formed, the heat generated by the ESD current flowing through the element isolation trench is easily dispersed. It is also possible to improve the thermal resistance of the protective element.

本発明によると、保護対象回路を静電気放電から保護するために保護対象回路に接続されている保護素子を備えている半導体装置において、保護素子の厚みを増やすことなく保護素子の素子面積を低減することができる。また、保護素子内におけるESD信号の印加部とゲート電極の間の抵抗値を容易に調整することができる。   According to the present invention, in a semiconductor device including a protection element connected to a protection target circuit in order to protect the protection target circuit from electrostatic discharge, the element area of the protection element is reduced without increasing the thickness of the protection element. be able to. In addition, the resistance value between the ESD signal applying portion and the gate electrode in the protective element can be easily adjusted.

下記に説明する実施例の好ましい特徴を列記する。
(第1特徴) 導通路を結ぶ配線の材料を電極金属と同じ材料にする。
Preferred features of the embodiments described below are listed.
(First feature) The wiring material connecting the conductive paths is made of the same material as the electrode metal.

(第1実施例)
図1に、本発明の第1実施例である半導体装置100の模式的な平面図を示す。半導体装置100は、保護対象となる保護対象回路12と、ESD信号が印加される可能性のあるパッド10と、保護対象回路を保護するための保護素子90を備えている。保護対象回路12と保護素子90はパッド10に対して並列に接続されている。
保護素子90は、図1と図2に示すように、SOI基板35の活性層(n型シリコン層)の表面に形成されているp型のウェル領域40の内部に形成されている。ウェル領域40の表面の一部に第1ドレイン電極14とソース電極2が形成されている。第1ドレイン電極14とソース電極2の間には、第2ドレイン電極6が形成されている。第1ドレイン電極14はパッド10と保護対象回路12に接続されており、第1ドレイン電極14には、パッド10からESD信号が印加される可能性がある。第2ドレイン電極6とソース電極2の間には、ゲート電極4が形成されている。ゲート電極4とソース電極2の各々は基準電位24に接続されている。各電極は、アルミを材料として形成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic plan view of a semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor device 100 includes a protection target circuit 12 to be protected, a pad 10 to which an ESD signal may be applied, and a protection element 90 for protecting the protection target circuit. The protection target circuit 12 and the protection element 90 are connected in parallel to the pad 10.
As shown in FIGS. 1 and 2, the protection element 90 is formed inside a p-type well region 40 formed on the surface of an active layer (n-type silicon layer) of the SOI substrate 35. The first drain electrode 14 and the source electrode 2 are formed on part of the surface of the well region 40. A second drain electrode 6 is formed between the first drain electrode 14 and the source electrode 2. The first drain electrode 14 is connected to the pad 10 and the protection target circuit 12, and an ESD signal may be applied to the first drain electrode 14 from the pad 10. A gate electrode 4 is formed between the second drain electrode 6 and the source electrode 2. Each of the gate electrode 4 and the source electrode 2 is connected to a reference potential 24. Each electrode is made of aluminum.

保護素子90の外周には、第1ドレイン電極14と第2ドレイン電極6とソース電極2とゲート電極4を囲むようにp型のガードリング22が形成されている。ガードリング22は、ウェル領域40の内部に形成されている。ガードリング22の外周には、保護素子90の外周を一巡する素子分離トレンチ18が形成されている。素子分離トレンチ18は、ウェル領域40の外周を一巡している。第1ドレイン電極14と素子分離トレンチ18の間はアルミ配線8で接続されている。また、素子分離トレンチ18と第2ドレイン電極6の間もアルミ配線8で接続されている。参照符号16は、保護素子90の表面に形成されている絶縁膜を示す。なお、ガードリング22の表面から素子分離トレンチ18の表面までの間は、実際は絶縁膜16で覆われているが、図1では明瞭化のため、ガードリング22と、素子分離トレンチ18と、その間のウェル領域40を実線で図示している。 A p + -type guard ring 22 is formed on the outer periphery of the protection element 90 so as to surround the first drain electrode 14, the second drain electrode 6, the source electrode 2, and the gate electrode 4. The guard ring 22 is formed inside the well region 40. On the outer periphery of the guard ring 22, an element isolation trench 18 that goes around the outer periphery of the protective element 90 is formed. The element isolation trench 18 makes a round around the outer periphery of the well region 40. The first drain electrode 14 and the element isolation trench 18 are connected by an aluminum wiring 8. The element isolation trench 18 and the second drain electrode 6 are also connected by the aluminum wiring 8. Reference numeral 16 indicates an insulating film formed on the surface of the protection element 90. The space from the surface of the guard ring 22 to the surface of the element isolation trench 18 is actually covered with the insulating film 16, but in FIG. 1, for the sake of clarity, the guard ring 22 and the element isolation trench 18 are interposed between them. The well region 40 is shown by a solid line.

図2に、図1における保護素子90のII−II断面の断面図を示す。保護素子90はSOI基板35内に形成されている。SOI基板35は、シリコン基板30、34と絶縁層32で構成されている。シリコン基板34はn型であり、活性層に利用される。
保護素子90では、SOI基板35内に形成されているp型のウェル領域40が形成されている。ウェル領域40の表面の一部にはn型の第1ドレイン領域50が形成されている。第1ドレイン領域50の表面には第1ドレイン電極14が形成されている。ウェル領域40の表面の他の一部にはn型のソース領域44が形成されている。ソース領域44の表面にはソース電極2が形成されている。第1ドレイン領域50とソース領域44の間に位置するウェル領域40の表面には、n型の第2ドレイン領域48が形成されている。第2ドレイン領域48の表面には第2ドレイン電極6が形成されている。第1ドレイン領域50と第2ドレイン領域48の間は絶縁膜16で覆われている。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the protection element 90 in FIG. The protection element 90 is formed in the SOI substrate 35. The SOI substrate 35 includes silicon substrates 30 and 34 and an insulating layer 32. The silicon substrate 34 is n-type and is used for an active layer.
In the protection element 90, a p-type well region 40 formed in the SOI substrate 35 is formed. An n + -type first drain region 50 is formed on a part of the surface of the well region 40. A first drain electrode 14 is formed on the surface of the first drain region 50. On the other part of the surface of the well region 40, an n + -type source region 44 is formed. A source electrode 2 is formed on the surface of the source region 44. On the surface of the well region 40 located between the first drain region 50 and the source region 44, an n + -type second drain region 48 is formed. A second drain electrode 6 is formed on the surface of the second drain region 48. A space between the first drain region 50 and the second drain region 48 is covered with an insulating film 16.

保護素子90では、第2ドレイン領域48とソース領域44に亘る範囲のウェル領域40の表面にゲート絶縁膜46が形成されている。ゲート絶縁膜46の表面にはゲート電極4が形成されている。保護素子90の表面は、電極が形成されている範囲以外の部分が絶縁膜16で覆われている。
ウェル領域40の外周の内側にウェル領域40の外周の内側を一巡するガードリング22が形成されている。ウェル領域40の外周には、ウェル領域40の外周を一巡する素子分離トレンチ18が形成されている。素子分離トレンチ18は、トレンチの壁面を覆うトレンチ絶縁膜36と、内部に充填されているポリシリコン38で構成される。ポリシリコン38にはn型の不純物が含まれている。注入する不純物の濃度によって、ポリシリコン38の抵抗値を変えることができる。
In the protection element 90, the gate insulating film 46 is formed on the surface of the well region 40 in a range extending from the second drain region 48 and the source region 44. A gate electrode 4 is formed on the surface of the gate insulating film 46. The surface of the protective element 90 is covered with the insulating film 16 except for the area where the electrodes are formed.
A guard ring 22 is formed inside the outer periphery of the well region 40 so as to go around the inner periphery of the well region 40. On the outer periphery of the well region 40, an element isolation trench 18 that makes a round around the outer periphery of the well region 40 is formed. The element isolation trench 18 includes a trench insulating film 36 that covers the wall surface of the trench, and polysilicon 38 that is filled therein. The polysilicon 38 contains n-type impurities. The resistance value of the polysilicon 38 can be changed depending on the concentration of the implanted impurity.

半導体装置100では、パッド10にESD信号が伝達された場合、保護素子90の第1ドレイン電極14にESD信号が印加される。図3に、保護素子90にESD信号が印加された場合の保護素子90のブレークダウン波形を示す。Iはドレイン電流を示す。Vはドレイン電圧を示す。Vは保護対象回路12の動作領域との境界を示す。Vは保護対象回路12のゲート酸化膜の耐圧を示す。第1ドレイン領域50にESD信号が印加されると、第1ドレイン領域50の電圧が上昇する。第1ドレイン領域50の電圧が上昇すると、導通路を経由して第1ドレイン領域50から第2ドレイン領域48へ大きなESD電流が流れ、第2ドレイン領域48の電位が上昇する。第1ドレイン電極14の電位がVd1を超えると、第2ドレイン領域48とチャネル領域との間のpn接合においてアバランシェブレークダウンが発生し、ドレイン電流が流れ始める(図中a)。するとp型のウェル領域40の電位が上昇し、その電位がガードリング22の電位に対して所定の電位差まで上昇すると、チャネル領域とソース領域44との間のpn接合が順方向にバイアスされ、スナップバック現象が生じる。大電流が流れるとともにドレイン電圧は低下する(図中b)。 In the semiconductor device 100, when an ESD signal is transmitted to the pad 10, the ESD signal is applied to the first drain electrode 14 of the protection element 90. FIG. 3 shows a breakdown waveform of the protection element 90 when an ESD signal is applied to the protection element 90. I d indicates the drain current. V d represents the drain voltage. V 1 indicates a boundary with the operation region of the protection target circuit 12. V 2 indicates the breakdown voltage of the gate oxide film of the protection target circuit 12. When an ESD signal is applied to the first drain region 50, the voltage of the first drain region 50 increases. When the voltage of the first drain region 50 increases, a large ESD current flows from the first drain region 50 to the second drain region 48 via the conduction path, and the potential of the second drain region 48 increases. When the potential of the first drain electrode 14 exceeds V d1 , an avalanche breakdown occurs at the pn junction between the second drain region 48 and the channel region, and a drain current starts to flow (a in the figure). Then, the potential of the p-type well region 40 rises, and when the potential rises to a predetermined potential difference with respect to the potential of the guard ring 22, the pn junction between the channel region and the source region 44 is forward-biased, A snapback phenomenon occurs. As a large current flows, the drain voltage decreases (b in the figure).

第2ドレイン領域48に大きなESD電流が流れると、第2ドレイン領域48の電圧が上昇する(図中c)。このとき、第1ドレイン領域50と第2ドレイン領域48の間の抵抗値が低すぎる場合には、第2ドレイン領域48に瞬時にESD電流が流れるため、保護素子90が破壊される(図中A)。第1ドレイン領域50と第2ドレイン領域48の間の抵抗値が高すぎる場合には、保護対象回路12に過大なESD電流が流れてゲート酸化膜の耐圧Vを超えてしまい、保護対象回路12のゲート酸化膜を保護することができない(図中B)。 When a large ESD current flows through the second drain region 48, the voltage of the second drain region 48 rises (c in the figure). At this time, if the resistance value between the first drain region 50 and the second drain region 48 is too low, an ESD current instantaneously flows through the second drain region 48, so that the protective element 90 is destroyed (in the drawing). A). If the resistance value between the first drain region 50 and the second drain region 48 is too high, exceeds the breakdown voltage V 2 of the gate oxide film excessive ESD current flows through the protection target circuit 12, the protected circuit 12 gate oxide films cannot be protected (B in the figure).

保護素子90では、素子分離トレンチを経由する導通路が2本形成される。導通路の抵抗値を調整することによって、第1ドレイン領域50への電界集中が緩和されるため、第1ドレイン領域50と第2ドレイン領域48の間の距離を小さくしてもESD耐量を確保することができる。保護素子90の素子面積を低減することができる。ドレイン領域と素子分離トレンチの間は、薄いアルミ配線8で接続されているため、保護素子90の厚みが増えてしまうことがない。   In the protection element 90, two conduction paths that pass through the element isolation trench are formed. By adjusting the resistance value of the conduction path, the electric field concentration on the first drain region 50 is alleviated. Therefore, even if the distance between the first drain region 50 and the second drain region 48 is reduced, the ESD resistance is ensured. can do. The element area of the protection element 90 can be reduced. Since the drain region and the element isolation trench are connected by the thin aluminum wiring 8, the thickness of the protective element 90 does not increase.

また、保護素子90では、素子分離トレンチ18の不純物濃度を変えることによって第2の電流経路の抵抗値を調整することができる。また、導通路の本数を変えることによっても導通路の抵抗値を調整することができる。さらに、ドレイン領域50、48と素子分離トレンチ18の間を接続しているアルミ配線8の接続位置を変えることによっても導通路の抵抗値を調整することができる。保護素子90では、保護対象回路のゲート酸化膜の厚みに応じて導通路の抵抗値を容易に調整することができる。   In the protection element 90, the resistance value of the second current path can be adjusted by changing the impurity concentration of the element isolation trench 18. Also, the resistance value of the conduction path can be adjusted by changing the number of conduction paths. Further, the resistance value of the conduction path can be adjusted also by changing the connection position of the aluminum wiring 8 connecting the drain regions 50 and 48 and the element isolation trench 18. In the protection element 90, the resistance value of the conduction path can be easily adjusted according to the thickness of the gate oxide film of the circuit to be protected.

また、保護素子90では、素子分離トレンチ18を経由する導通路が2本形成されているため、2本の導通路の間でESD電流が流れることに伴う熱の発生が分散される。保護素子90の熱的な耐量を向上させることもできる。
さらに、保護素子90では、電極金属と同じ材料のアルミ配線8を用いて導通路を接続しているため、導通路を簡単に形成することができる。既存の製造工程で導通路を形成することができる。
Further, in the protection element 90, since two conduction paths that pass through the element isolation trench 18 are formed, the generation of heat due to the ESD current flowing between the two conduction paths is dispersed. The thermal resistance of the protection element 90 can also be improved.
Furthermore, in the protective element 90, since the conduction path is connected using the aluminum wiring 8 made of the same material as the electrode metal, the conduction path can be easily formed. A conduction path can be formed by an existing manufacturing process.

図4に、本発明の第2実施例である半導体装置200の模式的な平面図を示す。半導体装置200は、半導体装置100において保護素子90の素子分離トレンチ18の外周にさらに素子分離トレンチ19が形成されている構造と同様である。素子分離トレンチ19以外の部分は、半導体装置100の構造と同様である。   FIG. 4 shows a schematic plan view of a semiconductor device 200 according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor device 200 has the same structure as the semiconductor device 100 in which the element isolation trench 19 is further formed on the outer periphery of the element isolation trench 18 of the protection element 90. Portions other than the element isolation trench 19 are the same as the structure of the semiconductor device 100.

本導体装置200の保護素子190では、第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の間で2つの素子分離トレンチ18、19を経由する2本の導通路が並列に形成されている。保護素子190では、2本の導通路の抵抗値を各々調整することによって、導通路の抵抗値を調整することができる。導通路の抵抗値の調整精度を高めることができる。素子分離トレンチ内の4箇所をESD電流が流れるため、ESD電流によって発生する熱が半導体装置100に比べて分散されやすい。保護素子の熱的な耐量を向上させることもできる。   In the protection element 190 of the conductor device 200, two conduction paths that pass through the two element isolation trenches 18 and 19 are formed in parallel between the first drain region and the second drain region. In the protective element 190, the resistance value of the conduction path can be adjusted by adjusting the resistance values of the two conduction paths. The adjustment accuracy of the resistance value of the conduction path can be increased. Since the ESD current flows through four locations in the element isolation trench, the heat generated by the ESD current is more easily dispersed than the semiconductor device 100. It is also possible to improve the thermal resistance of the protective element.

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

第1実施例である本発明の半導体装置100の模式的な平面図を示す。1 is a schematic plan view of a semiconductor device 100 of the present invention which is a first embodiment. 図1のII−II断面の断面図を示す。Sectional drawing of the II-II cross section of FIG. 1 is shown. 半導体装置100にESD信号が印加されたときのブレークダウン波形を示す。6 shows a breakdown waveform when an ESD signal is applied to the semiconductor device 100. 第2実施例である本発明の半導体装置200の模式的な平面図を示す。The typical top view of the semiconductor device 200 of this invention which is 2nd Example is shown. 従来の保護素子290の断面図を示す。A cross-sectional view of a conventional protection element 290 is shown.

符号の説明Explanation of symbols

2、64:ソース電極
4、68:ゲート電極
6:第2ドレイン電極
8:アルミ配線
10:パッド
12:保護対象回路
14、78:第1ドレイン電極
16、74:絶縁膜
18、19:素子分離トレンチ
22:ガードリング
24:基準電位
30、34:シリコン基板
32:絶縁層
35:SOI基板
36:トレンチ絶縁膜
38:ポリシリコン(導電材料)
40:ウェル領域
66:シリサイド
44:ソース領域
46、70:ゲート絶縁膜
48、72:第2ドレイン領域
50、80:第1ドレイン領域
60:半導体基板
67a、67b、67c:エクステンション領域
90、190:保護素子
100、200:半導体装置
290:従来の保護素子
2, 64: source electrode 4, 68: gate electrode 6: second drain electrode 8: aluminum wiring 10: pad 12: protection target circuit 14, 78: first drain electrode 16, 74: insulating film 18, 19: element isolation Trench 22: Guard ring 24: Reference potential 30, 34: Silicon substrate 32: Insulating layer 35: SOI substrate 36: Trench insulating film 38: Polysilicon (conductive material)
40: well region 66: silicide 44: source region 46, 70: gate insulating film 48, 72: second drain region 50, 80: first drain region 60: semiconductor substrates 67a, 67b, 67c: extension regions 90, 190: Protection element 100, 200: Semiconductor device 290: Conventional protection element

Claims (2)

保護対象回路を静電気放電から保護するために保護対象回路に接続されている保護素子を備えている半導体装置であり、その保護素子が、
半導体基板内に形成されている第2導電型のウェル領域と、
そのウェル領域の表面の一部に形成されており、前記保護対象回路に接続されているとともに前記静電気放電に起因する電圧が印加される第1導電型の第1ドレイン領域と、
前記ウェル領域の表面の他の一部に形成されているとともに基準電位に接続されている第1導電型のソース領域と、
前記第1ドレイン領域と前記ソース領域の間に位置する前記ウェル領域の表面に形成されている第1導電型の第2ドレイン領域と、
前記第2ドレイン領域と前記ソース領域に亘る範囲の前記ウェル領域の表面に絶縁膜を介して対向しているとともに前記基準電位に接続されているゲート電極と、
前記ウェル領域の外周に形成されており、壁面が絶縁膜で覆われているとともに内部に導電材料が充填されている素子分離トレンチを備えており、
前記第1ドレイン領域と第2ドレイン領域が前記素子分離トレンチに充填されている導電材料を介して導通していることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device including a protection element connected to a protection target circuit to protect the protection target circuit from electrostatic discharge.
A second conductivity type well region formed in the semiconductor substrate;
A first drain region of a first conductivity type formed on a part of the surface of the well region, connected to the circuit to be protected and applied with a voltage due to the electrostatic discharge;
A source region of a first conductivity type formed on another part of the surface of the well region and connected to a reference potential;
A second drain region of a first conductivity type formed on a surface of the well region located between the first drain region and the source region;
A gate electrode facing the surface of the well region in a range extending from the second drain region and the source region via an insulating film and connected to the reference potential;
It is formed on the outer periphery of the well region, and includes an element isolation trench in which the wall surface is covered with an insulating film and the inside is filled with a conductive material,
The semiconductor device, wherein the first drain region and the second drain region are electrically connected through a conductive material filled in the element isolation trench.
前記素子分離トレンチが多重に形成されており、前記第1ドレイン領域と第2ドレイン領域の間に、各々の素子分離トレンチを経由する導通路が並列に形成されていることを特徴とする請求項1の半導体装置。   The element isolation trench is formed in multiple, and a conduction path passing through each element isolation trench is formed in parallel between the first drain region and the second drain region. 1. A semiconductor device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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