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JP2010040839A - Protection element - Google Patents

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JP2010040839A
JP2010040839A JP2008203043A JP2008203043A JP2010040839A JP 2010040839 A JP2010040839 A JP 2010040839A JP 2008203043 A JP2008203043 A JP 2008203043A JP 2008203043 A JP2008203043 A JP 2008203043A JP 2010040839 A JP2010040839 A JP 2010040839A
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JP
Japan
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well region
type
well
electrode
parasitic
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008203043A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tadayuki Habasaki
唯之 幅崎
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NEC Electronics Corp
Original Assignee
NEC Electronics Corp
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Publication date
Application filed by NEC Electronics Corp filed Critical NEC Electronics Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a protection element for protecting a circuit to be protected from surge breakdown. <P>SOLUTION: A first P-well area 55a is formed on a semiconductor substrate 11. On the first P-well area 55a, N-type diffusion areas 53d and 53s are formed so as to sandwich parts of the first P-well area 55a. A second P-well area 55b is formed on the semiconductor substrate 11 so as to surround the first P-well area 55a. A P-well area 21 of which impurity concentration is lower than those of the first P-well area 55a and the second P-well area 55b is formed between the first P-well area 55a and the second P-well area 55b. N-type diffusion areas 53 are formed on the P-well area 21. The N-type diffusion area 53d is connected to a connection node 90, and the N-type diffusion areas 53s are connected to GND. Moreover, the second P-well area 55b is connected to GND, and the N-type diffusion areas 53 are connected to the connection node 90. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、保護素子に関する。詳しくは、静電放電による内部回路の破壊を防止する保護素子に関する。   The present invention relates to a protection element. Specifically, the present invention relates to a protective element that prevents destruction of an internal circuit due to electrostatic discharge.

半導体装置の内部回路を静電放電等のサージから保護するための保護構造が知られている。例えば特許文献1には、静電放電(ESD)によるサージを電源に逃がして、サージによる内部回路の破壊を防ぐ保護回路が開示されている。特許文献1では、保護素子として図10と図11の構成が開示されている。図10において、P型基板1上に入力保護素子が形成されており、素子分離層2に囲まれる素子領域の中央部にN型ウェル3、素子領域の周辺部にN型ウェル4、素子領域を囲む素子分離層2の下にN型ウェル5が形成されている。N型ウェル3とN型ウェル4とを分離するようにP型ウェル7が設けられ、N型ウェル4とN型ウェル5とを分離するようにP型ウェル8が設けられ、N型ウェル5の外側においてP型ウェル7に電位を供給するP型ウェル8Aが設けられている。各ウェル電位を取り出すN+型拡散層13、14およびP+拡散層18が図のように形成されている。   A protection structure for protecting an internal circuit of a semiconductor device from a surge such as electrostatic discharge is known. For example, Patent Document 1 discloses a protection circuit that releases a surge caused by electrostatic discharge (ESD) to a power source and prevents destruction of an internal circuit due to the surge. Patent Document 1 discloses the configurations of FIGS. 10 and 11 as protective elements. In FIG. 10, an input protection element is formed on a P-type substrate 1, an N-type well 3 is located in the center of the element region surrounded by the element isolation layer 2, an N-type well 4 is located in the periphery of the element region, and an element region. An N-type well 5 is formed under the element isolation layer 2 surrounding the element. A P-type well 7 is provided so as to separate the N-type well 3 and the N-type well 4, and a P-type well 8 is provided so as to separate the N-type well 4 and the N-type well 5. A P-type well 8A for supplying a potential to the P-type well 7 is provided on the outside. N + type diffusion layers 13 and 14 and a P + diffusion layer 18 for extracting each well potential are formed as shown in the figure.

N型ウェル4とP型ウェル7とに跨って形成されたN+型拡散層14がソース端子となり、N型ウェル3とP型ウェル7とに跨って形成されたN+型拡散層13がドレイン端子となり、さらに、ゲート電極27を設けることによってN型MOSFET 30が構成されている。ソース端子(N+型拡散層14)とゲート電極27はGNDへ接続されており、ドレイン端子(N+型拡散層13)は内部回路に接続されている。
なお、N型ウェル3内でゲート電極27を挟んで向かい合うとN+型拡散層13間のN型ウェル3は保護抵抗として機能する。さらに、素子分離層2を取り囲むP型ウェル8Aの表面部にはP+型拡散層18が形成されてバックゲート電位供給端子となり、GNDに接続されている。
An N + type diffusion layer 14 formed over the N type well 4 and the P type well 7 serves as a source terminal, and an N + type diffusion layer 13 formed over the N type well 3 and the P type well 7 serves as a drain terminal. Further, by providing the gate electrode 27, the N-type MOSFET 30 is configured. The source terminal (N + type diffusion layer 14) and the gate electrode 27 are connected to GND, and the drain terminal (N + type diffusion layer 13) is connected to the internal circuit.
Note that when facing each other across the gate electrode 27 in the N-type well 3, the N-type well 3 between the N + type diffusion layers 13 functions as a protective resistor. Further, a P + -type diffusion layer 18 is formed on the surface portion of the P-type well 8A surrounding the element isolation layer 2, serving as a back gate potential supply terminal, and connected to GND.

このような構成において、外部端子40にサージが印加された場合、外部端子40とGNDとの間で並列接続されたN型MOSFET 30において、外部端子40に接続されたN+型拡散層13がコレクタとなり、P型基板1がベースとなり、ソース端子であるN+型拡散層14がエミッタとなる寄生NPNトランジスタ31が動作する。
ここで、図10の構成では、バックゲート電位を供給するP型ウェル8Aの隣にN型ウェル5があることによってバックゲート電流がP型ウェル8AからP型基板1を通るようになる。また、N型ウェル5とP型基板1との接合部分において空乏層ができるため、バックゲート電流の経路がさらに細長くなる。すると、寄生NPNトランジスタ31のベースバイアス抵抗32が大きくなるため、寄生NPNトランジスタ31のベース電位が上がりやすくなり、寄生NPNトランジスタがスナップバックしやすくなる。これにより、外部端子40から流入するサージをGNDに逃がして内部回路を保護する。
In such a configuration, when a surge is applied to the external terminal 40, the N + type diffusion layer 13 connected to the external terminal 40 is connected to the collector in the N-type MOSFET 30 connected in parallel between the external terminal 40 and GND. Thus, the parasitic NPN transistor 31 whose base is the P type substrate 1 and whose emitter is the N + type diffusion layer 14 which is the source terminal operates.
Here, in the configuration of FIG. 10, the N-type well 5 is adjacent to the P-type well 8A that supplies the back gate potential, so that the back gate current passes through the P-type substrate 1 from the P-type well 8A. Further, since a depletion layer is formed at the junction between the N-type well 5 and the P-type substrate 1, the path of the back gate current is further elongated. Then, since the base bias resistance 32 of the parasitic NPN transistor 31 is increased, the base potential of the parasitic NPN transistor 31 is likely to increase, and the parasitic NPN transistor is likely to snap back. As a result, the surge flowing from the external terminal 40 is released to GND to protect the internal circuit.

また、特許文献1においては、さらなる改良型として図11に示す構成を提案している。
図11においては、N型ウェル5の表面にN型ウェル5をバイアスするためのN+型拡散層15を設け、このN+型拡散層15を正電源であるVDDに接続する。N型ウェル5がVDDにバイアスされると、N型ウェル5とP型基板1との接合部分の空乏層が大きくなる。すると、バックゲート電流の経路がさらに細長くなって寄生NPNトランジスタ31のベースバイアス抵抗32が大きくなるため、寄生NPNトランジスタ31のベース電位が上がりやすくなり、寄生NPNトランジスタ31がスナップバックしやすくなる。
Moreover, in patent document 1, the structure shown in FIG. 11 is proposed as a further improved type.
In FIG. 11, an N + type diffusion layer 15 for biasing the N type well 5 is provided on the surface of the N type well 5, and this N + type diffusion layer 15 is connected to VDD which is a positive power source. When the N-type well 5 is biased to VDD, the depletion layer at the junction between the N-type well 5 and the P-type substrate 1 becomes large. Then, since the path of the back gate current is further elongated and the base bias resistance 32 of the parasitic NPN transistor 31 is increased, the base potential of the parasitic NPN transistor 31 is easily increased, and the parasitic NPN transistor 31 is easily snapped back.

特開2003-249625号公報JP 2003-249625 A

図11の構成では、N型ウェル5にVDDのバイアスをかけることによって寄生NPNトランジスタ31のベースバイアス抵抗32を増加させる構成であるが、電源をOFFにして回路が非動作状態にある場合にはVDDによるバイアスがかからない。
通常、人が内部の回路に触れたりする際には電源をOFFにするので回路は非動作状態にある。したがって、図11のように構成したとしても、静電放電が発生するような状況では実質的にはN型ウェル5は図10と同様に単にフローティング状態にあることになる。
この場合、N型ウェル5とP型基板1との間の空乏層はそれほど大きくなく、ベースバイアス抵抗32も小さい。図12は、保護回路のスナップバック特性を示す図である。図12中においてV0はスナップバックの直前に回路にかかる電圧である。この図12に示されるように、相当に電圧が高くならないと寄生トランジスタがONされないため、内部回路に高い電圧が印加されてしまう。
In the configuration of FIG. 11, the base bias resistor 32 of the parasitic NPN transistor 31 is increased by applying a VDD bias to the N-type well 5, but when the power is turned off and the circuit is in a non-operating state, No bias due to VDD.
Normally, when a person touches an internal circuit, the power is turned off, so the circuit is in a non-operating state. Therefore, even if configured as shown in FIG. 11, in a situation where electrostatic discharge occurs, the N-type well 5 is simply in a floating state, as in FIG.
In this case, the depletion layer between the N-type well 5 and the P-type substrate 1 is not so large, and the base bias resistor 32 is also small. FIG. 12 is a diagram showing snapback characteristics of the protection circuit. In FIG. 12, V0 is a voltage applied to the circuit immediately before snapback. As shown in FIG. 12, since the parasitic transistor is not turned on unless the voltage is considerably increased, a high voltage is applied to the internal circuit.

本発明の保護素子は、保護対象回路への接続ノードに接続され、前記保護対象回路をサージ破壊から保護する保護素子であって、半導体基板に形成された第1導電型の第1ウェル領域と、前記第1ウェル領域の上層において第1ウェル領域の一部を挟んで形成された第2導電型である第1電極および第2電極と、前記第1ウェル領域を囲んで形成された第1導電型である第2ウェル領域と、前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域の間に形成され、第2導電型であるか、または、前記第1ウェル領域および前記第2ウェル領域よりも不純物濃度が低い第1導電型である第3ウェル領域と、前記第3ウェル領域の上層に設けられた第2導電型である第3電極と、を備え、前記第1電極および前記第2電極のいずれか一方が前記接続ノードに接続されるとともに他方が電源に接続され、前記第2ウェル領域が前記電源に接続され、前記第3電極が前記接続ノードに接続されていることを特徴とする。   The protection element of the present invention is a protection element that is connected to a connection node to a circuit to be protected and protects the circuit to be protected from surge destruction, and a first well type first well region formed on a semiconductor substrate, A first electrode and a second electrode of the second conductivity type formed on a part of the first well region in an upper layer of the first well region, and a first formed to surround the first well region A second well region having a conductivity type, and formed between the first well region and the second well region, and having a second conductivity type, or more than the first well region and the second well region A first well type third well region having a low impurity concentration; and a second conductive type third electrode provided in an upper layer of the third well region, the first electrode and the second electrode One of these is connected to the connection node and the other is connected to the power source. The second well region is connected to the power source, and the third electrode is connected to the connection node.

このような構成において、第1ウェル領域の第1電極と第2電極とを主電極とする寄生トランジスタが構成されており、サージ発生時にはこの寄生トランジスタがスナップバックすることにより過剰な電荷を電源に逃がして内部回路を保護する。
ここで、第1ウェル領域と第2ウェル領域との間に第3ウェル領域が設けられていることにより、接続ノードから第1電極または第2電極に印加された電荷は、基板を通って電源に流れることになる。また、本発明では第3電極が接続ノードに接続されているため、サージ発生時にはこの第3電極にも電荷が印加される。このとき、第3電極と第3ウェルとの接合部では空乏層が拡大し、この空乏層は基板側に向けて広がる。すると、この空乏層の広がりによって基板の抵抗成分が大きくなる。その結果、寄生トランジスタのゲートに高い電圧が生じ、寄生トランジスタがONしてスナップバックしやすくなる。このように本発明によれば、寄生トランジスタが素早くONになるためサージ電荷を素早く放出することができ、内部回路を確実に保護することができる。
In such a configuration, a parasitic transistor having the first electrode and the second electrode in the first well region as main electrodes is configured, and when the surge occurs, the parasitic transistor snaps back, so that excess charge is used as a power source. Escape and protect internal circuitry.
Here, since the third well region is provided between the first well region and the second well region, the charge applied from the connection node to the first electrode or the second electrode is supplied through the substrate as a power source. Will flow into. In the present invention, since the third electrode is connected to the connection node, electric charges are also applied to the third electrode when a surge occurs. At this time, the depletion layer expands at the junction between the third electrode and the third well, and the depletion layer expands toward the substrate side. Then, the resistance component of the substrate increases due to the spread of the depletion layer. As a result, a high voltage is generated at the gate of the parasitic transistor, and the parasitic transistor is turned on and is easily snapped back. Thus, according to the present invention, since the parasitic transistor is quickly turned on, surge charges can be quickly discharged, and the internal circuit can be reliably protected.

本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
(第1実施形態)
本発明に係る保護素子の第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の保護素子を実際の回路に適用する一例を示す図である。
図1に示すように、所定のA回路とB回路とがライン103によって繋がっており、信号等のやり取りをする。このライン103の途中において電源との間に保護素子50、200が設けられる。静電気放電などによりライン103に過剰な電荷が乗った場合には、保護素子50、200がONして過剰な電荷を電源に逃がす。これによりA回路101やB回路102といった回路の本体部分を静電放電による破壊から保護する。
Embodiments of the present invention will be illustrated and described with reference to reference numerals attached to respective elements in the drawings.
(First embodiment)
A first embodiment of a protection element according to the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing an example in which the protection element of the present invention is applied to an actual circuit.
As shown in FIG. 1, a predetermined A circuit and a B circuit are connected by a line 103, and exchange signals and the like. Protection elements 50 and 200 are provided between the line 103 and the power source. When excessive charges are placed on the line 103 due to electrostatic discharge or the like, the protection elements 50 and 200 are turned on to release the excessive charges to the power source. This protects the main part of the circuit such as the A circuit 101 and the B circuit 102 from destruction due to electrostatic discharge.

なお、静電気放電としては正電荷が放電する場合のみならず負の電荷が放電する場合もあるが、本実施形態では過剰な正電荷をGNDに効率よく逃がすための保護素子50の構成を説明する。なお相補的な関係にある構成を採用することによって負電荷のサージにも対応する保護素子200となる。また、図1において、保護素子50の前後に抵抗やダイオードなどが付加されていてもよいことはもちろんである。   Note that, as electrostatic discharge, not only positive charges are discharged but also negative charges may be discharged. In the present embodiment, the configuration of the protection element 50 for efficiently releasing excess positive charges to GND will be described. . By adopting a configuration having a complementary relationship, the protection element 200 can cope with a negative charge surge. Further, in FIG. 1, it goes without saying that a resistor, a diode, or the like may be added before and after the protective element 50.

本発明の保護素子の構成を図面を参照しながら説明する。
図2は保護素子50の断面図であり、図3は保護素子50の平面図である。
なお、図3の平面図においては、素子の構成がわかりやすいように絶縁膜や配線層などは省略している。
The configuration of the protection element of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the protection element 50, and FIG. 3 is a plan view of the protection element 50.
In the plan view of FIG. 3, an insulating film, a wiring layer, and the like are omitted for easy understanding of the element configuration.

P-型基板(半導体基板)11上において、素子50の中央領域には第1Pウェル領域(第1ウェル領域)55aが設けられ、この第1Pウェル領域55aの外側を囲むようにしてP-型ウェル領域(第3ウェル領域)21が設けられ、さらに、P-型ウェル領域21の外側を囲むように第2Pウェル領域(第2ウェル領域)55bが設けられている。   On the P− type substrate (semiconductor substrate) 11, a first P well region (first well region) 55 a is provided in the central region of the element 50, and the P − type well region surrounds the outside of the first P well region 55 a. A (third well region) 21 is provided, and a second P well region (second well region) 55b is provided so as to surround the outside of the P − type well region 21.

第1Pウェル領域55a内には、2つのNチャンネルトランジスタが並列に形成されている。すなわち、第1Pウェル領域55aの表面側の中央領域には、2つのNチャンネルトランジスタの共通ドレインとなるN型拡散領域(第1電極)53dが設けられている。さらに、第1Pウェル領域55aの周辺側にはNチャンネルトランジスタのソースとなるN型拡散領域(第2電極)53sが設けられている。ドレインであるN型拡散領域53dとソースであるN型拡散領域53sとの間にゲート54が設けられている。   Two N-channel transistors are formed in parallel in the first P well region 55a. That is, an N-type diffusion region (first electrode) 53d serving as a common drain of two N-channel transistors is provided in the central region on the surface side of the first P well region 55a. Further, an N-type diffusion region (second electrode) 53s that becomes the source of the N-channel transistor is provided on the peripheral side of the first P well region 55a. A gate 54 is provided between the N-type diffusion region 53d as the drain and the N-type diffusion region 53s as the source.

P-型ウェル領域21は、第1Pウェル領域55aおよび第2Pウェル領域55bのいずれよりも不純物の注入濃度が低い。そして、P-型ウェル領域21には、その表面側にN型拡散領域(第3電極)53が設けられている。   The P − type well region 21 has an impurity implantation concentration lower than both the first P well region 55a and the second P well region 55b. The P − type well region 21 is provided with an N type diffusion region (third electrode) 53 on the surface side thereof.

第2Pウェル領域55bには、ガードリングとしてGNDに接地されるP+型拡散領域52が設けられている。P+型拡散領域52とN型拡散領域53とはフィールド酸化膜51によって絶縁分離されている。また、N型拡散領域53とN型拡散領域53sとはフィールド酸化膜51によって絶縁分離されている。   The second P well region 55b is provided with a P + type diffusion region 52 grounded to GND as a guard ring. P + type diffusion region 52 and N type diffusion region 53 are insulated and separated by field oxide film 51. The N-type diffusion region 53 and the N-type diffusion region 53s are insulated and separated by the field oxide film 51.

各拡散領域(53, 53s, 53d, 52)はコンタクトホール64によって各配線層(53a, 53sa, 53da, 52a)に接続され、配線層を介して接続ノード90またはGNDに接続されている。NチャンネルトランジスタのドレインであるN型拡散領域53dは、配線層53daを通して接続ノード90に接続されている。
N型拡散領域53は、配線層53aを通して接続ノード90に接続されている。Nチャンネルトランジスタのソース領域であるN型拡散領域53sとカードリングであるP+型拡散領域52はそれぞれ配線層53saと配線層52aを通してGND(電源)に接続されている。
Each diffusion region (53, 53s, 53d, 52) is connected to each wiring layer (53a, 53sa, 53da, 52a) through a contact hole 64, and is connected to the connection node 90 or GND through the wiring layer. The N-type diffusion region 53d that is the drain of the N-channel transistor is connected to the connection node 90 through the wiring layer 53da.
N-type diffusion region 53 is connected to connection node 90 through wiring layer 53a. The N-type diffusion region 53s, which is the source region of the N-channel transistor, and the P + type diffusion region 52, which is the card ring, are connected to GND (power supply) through the wiring layer 53sa and the wiring layer 52a, respectively.

ここで、図4は、保護素子50中に形成される寄生NPNトランジスタ57、寄生ダイオード58および寄生抵抗56を明示的に示した図であり、図5は、寄生NPNトランジスタ57、寄生ダイオード58および寄生抵抗56の等価回路図である。図4に示すように、N型拡散領域53dと第1Pウェル領域55aとによって寄生ダイオード58が形成されている。また、N型拡散領域53sをエミッタ、第1Pウェル領域55aをベース、N型拡散領域53dをコレクタとする寄生NPNトランジスタ57が形成されている。バックゲート電圧を与えるP+型拡散領域52と寄生NPNトランジスタ57のベースとの間に寄生抵抗56が形成されている。すなわち、寄生抵抗56は、第1Pウェル領域55a、P-型拡散領域21の下部にあたるP-型基板11および第2Pウェル領域55bによって形成されている。
また、N型拡散領域53とP-型拡散領域21との接合部分において空乏層20が形成される。
このとき、P-型拡散領域21のキャリアは少ないため、空乏層20はP-型拡散領域21の側で大きく広がり、概念的には図4に示したように空乏層20が形成される。
Here, FIG. 4 is a diagram explicitly showing the parasitic NPN transistor 57, the parasitic diode 58, and the parasitic resistance 56 formed in the protection element 50, and FIG. 5 shows the parasitic NPN transistor 57, the parasitic diode 58 and 3 is an equivalent circuit diagram of a parasitic resistor 56. FIG. As shown in FIG. 4, a parasitic diode 58 is formed by the N-type diffusion region 53d and the first P well region 55a. In addition, a parasitic NPN transistor 57 is formed with the N-type diffusion region 53s as an emitter, the first P well region 55a as a base, and the N-type diffusion region 53d as a collector. A parasitic resistance 56 is formed between the P + -type diffusion region 52 that applies the back gate voltage and the base of the parasitic NPN transistor 57. That is, the parasitic resistance 56 is formed by the first P well region 55a, the P − type substrate 11 below the P − type diffusion region 21, and the second P well region 55b.
Further, the depletion layer 20 is formed at the junction between the N-type diffusion region 53 and the P − -type diffusion region 21.
At this time, since the number of carriers in the P − type diffusion region 21 is small, the depletion layer 20 spreads greatly on the P − type diffusion region 21 side, and conceptually the depletion layer 20 is formed as shown in FIG.

このような構成において、ライン103に静電気のサージが印加された場合の保護素子50の動作について説明する。
ライン103に正の静電気が印加された場合、接続ノード90から保護素子50に電圧が流入する。静電気は、N型拡散領域53dおよびN型拡散領域53に印加されることになる。N型拡散領域53dに正のサージが印加されると、N型拡散領域53dと第1P型ウェル55aにて形成されている寄生ダイオード58がブレークダウンする。すると、電荷は、寄生抵抗56を経由してGNDへ流れる。すなわち、第1P型ウェル55aからP-基板11を経由して第2Pウェル55bに流れ、P+型拡散領域52からGNDへ流れる。
In such a configuration, the operation of the protection element 50 when a static surge is applied to the line 103 will be described.
When positive static electricity is applied to the line 103, a voltage flows from the connection node 90 to the protection element 50. Static electricity is applied to the N-type diffusion region 53d and the N-type diffusion region 53. When a positive surge is applied to the N-type diffusion region 53d, the parasitic diode 58 formed by the N-type diffusion region 53d and the first P-type well 55a breaks down. Then, the charge flows to GND via the parasitic resistance 56. That is, it flows from the first P-type well 55a to the second P-well 55b via the P− substrate 11 and from the P + -type diffusion region 52 to GND.

ここで、N型拡散領域53にも静電気が印加されるところ、N型拡散領域53に正の電荷が印加されると空乏層20が広がり、P-型拡散領域21からP-型基板11に及ぶ。この様子を図6に示す。すると、空乏層20の領域は電流が流れないため、寄生抵抗56を流れる電流は空乏層20を迂回する経路を流れることになる。このように寄生抵抗56に相当する経路の距離が長く、かつ、細くなることにより、寄生抵抗56の抵抗値が上がる。   Here, when static electricity is also applied to the N-type diffusion region 53, when a positive charge is applied to the N-type diffusion region 53, the depletion layer 20 spreads, and the P-type diffusion region 21 extends to the P-type substrate 11. It reaches. This is shown in FIG. Then, since no current flows in the region of the depletion layer 20, the current flowing through the parasitic resistance 56 flows along a path that bypasses the depletion layer 20. As described above, the distance of the path corresponding to the parasitic resistance 56 is long and thin, so that the resistance value of the parasitic resistance 56 is increased.

このように寄生抵抗56の抵抗値が大きくなった状態で、寄生ダイオード58のブレークダウンで流れてくる電流がこの寄生抵抗56を流れる。寄生抵抗56にかかる電圧値が寄生NPNトランジスタ57の閾値電圧を超えると、寄生NPNトランジスタ57がONになり、寄生NPNトランジスタ57がスナップバック状態に入る。すると、N型拡散領域53dに入るサージ電荷はN型拡散領域53sに抜けて、GNDに流出していく。その結果、A回路101やB回路102には静電気サージによる大きな電荷が流入することがなく、回路が保護される。   In this state where the resistance value of the parasitic resistor 56 is increased, the current flowing through the breakdown of the parasitic diode 58 flows through the parasitic resistor 56. When the voltage value applied to the parasitic resistance 56 exceeds the threshold voltage of the parasitic NPN transistor 57, the parasitic NPN transistor 57 is turned ON and the parasitic NPN transistor 57 enters a snapback state. Then, the surge charge entering the N-type diffusion region 53d passes through the N-type diffusion region 53s and flows out to GND. As a result, a large charge due to an electrostatic surge does not flow into the A circuit 101 and the B circuit 102, and the circuit is protected.

このような構成を備える第1実施形態によれば、接続ノード90にサージが印加された場合に空乏層20が広がるため、寄生抵抗56の抵抗値が大きくなる。したがって寄生NPNトランジスタ57の閾値電圧を超えるための電流値が小さくなる。すると、寄生NPNトランジスタ57が素早くONしてスナップバック状態になり、サージ電荷をGNDに迅速に逃がす。その結果、サージ発生時でも内部回路(A回路101、B回路102)にかかる電圧を低く抑えることができ、回路を確実に保護することができる。
図7は保護素子50のスナップバック特性を示す図である。図7に示されるように、スナップバック直前の電圧V1は従来よりも小さくなり、内部回路にかかる負荷が小さくなる。
According to the first embodiment having such a configuration, the depletion layer 20 spreads when a surge is applied to the connection node 90, so that the resistance value of the parasitic resistance 56 increases. Therefore, the current value for exceeding the threshold voltage of the parasitic NPN transistor 57 becomes small. Then, the parasitic NPN transistor 57 is quickly turned on and enters a snapback state, and the surge charge is quickly released to GND. As a result, even when a surge occurs, the voltage applied to the internal circuit (A circuit 101, B circuit 102) can be kept low, and the circuit can be reliably protected.
FIG. 7 is a diagram showing the snapback characteristics of the protection element 50. As shown in FIG. 7, the voltage V1 immediately before snapback is smaller than in the prior art, and the load on the internal circuit is reduced.

また、本実施形態ではNチャンネルトランジスタを並列で設けているので、寄生NPNトランジスタ57も並列に形成されることになる。その結果、サージ電荷をさらに効率よく逃がすことができる。   In this embodiment, since the N-channel transistors are provided in parallel, the parasitic NPN transistor 57 is also formed in parallel. As a result, surge charges can be released more efficiently.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
第2実施形態の基本的構成は第1実施形態と同様であるが、第2実施形態は、寄生抵抗56の抵抗値をさらに大きくするようにP-拡散領域21にNウェル領域22を形成する点に特徴を有する。
図8は、第2実施形態を示す図である。
図8において、P-拡散領域21にはNウェル領域22が形成されている。Nウェル領域22は、P-拡散領域21内において上端はN型拡散領域53に達し、下端はP-型基板11に達している。また、Nウェル領域22は、第1Pウェル領域55aと第2Pウェル領域55bとは所定の間隔を隔てて分離されている。このようにNウェル領域22を設けたことにより、空乏層20はNウェル領域22に隣接するP-型拡散領域21およびP-型基板11に広がる。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
The basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment. In the second embodiment, the N well region 22 is formed in the P− diffusion region 21 so as to further increase the resistance value of the parasitic resistance 56. Characterized by points.
FIG. 8 is a diagram showing a second embodiment.
In FIG. 8, an N well region 22 is formed in the P − diffusion region 21. The N well region 22 has an upper end reaching the N-type diffusion region 53 and a lower end reaching the P − type substrate 11 in the P − diffusion region 21. The N well region 22 is separated from the first P well region 55a and the second P well region 55b by a predetermined distance. By providing the N well region 22 in this manner, the depletion layer 20 extends to the P − type diffusion region 21 and the P − type substrate 11 adjacent to the N well region 22.

このような構成を備える第2実施形態において、接続ノード90に静電気によるサージが印加されると、サージが配線層53aを介してN型拡散領域53に印加される。このとき、空乏層20が大きく広がり、第2実施形態では特に、Nウェル領域22の下端がP-型基板11に達しているため、空乏層20がP-型基板11の方に大きく広がる。
このように空乏層20がP-型基板11の方に広がることにより、寄生抵抗56の抵抗値が大きくなる。すると、寄生NPNトランジスタ57がONしてスナップバック状態に入りやすくなる。図9は第2実施形態における保護素子のスナップバック特性を示す図である。図9に示されるように、スナップバック直前の電圧V2は第1実施形態の保護素子よりも小さくなり、内部回路にかかる負荷をさらに小さくすることができる。したがって、内部回路(A回路101、B回路102)にかかる電圧を低くすることができ、ESD耐性を向上させることができる。
In the second embodiment having such a configuration, when a surge due to static electricity is applied to the connection node 90, the surge is applied to the N-type diffusion region 53 via the wiring layer 53a. At this time, the depletion layer 20 spreads greatly, and particularly in the second embodiment, since the lower end of the N well region 22 reaches the P − type substrate 11, the depletion layer 20 spreads greatly toward the P − type substrate 11.
As the depletion layer 20 spreads toward the P− type substrate 11 in this way, the resistance value of the parasitic resistance 56 increases. Then, the parasitic NPN transistor 57 is turned on and it becomes easy to enter the snapback state. FIG. 9 is a diagram showing snapback characteristics of the protection element in the second embodiment. As shown in FIG. 9, the voltage V2 immediately before snapback is smaller than that of the protection element of the first embodiment, and the load on the internal circuit can be further reduced. Therefore, the voltage applied to the internal circuit (A circuit 101, B circuit 102) can be lowered, and the ESD tolerance can be improved.

本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
上記実施形態のN型半導体とP型半導体とを入れ替えた相補的関係にある構成であっても本発明と同様の作用効果を奏する。この場合、負のサージが接続ノードに印加された場合、このサージを正の電源VDD側に逃がすことにより保護素子としての機能を果たす。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention described above.
Even in the configuration in which the N-type semiconductor and the P-type semiconductor of the above embodiment are in a complementary relationship, the same operational effects as those of the present invention can be obtained. In this case, when a negative surge is applied to the connection node, it functions as a protective element by letting this surge escape to the positive power supply VDD side.

第2実施形態において、Nウェル領域22の下端はP-型基板11に達している場合を示したが、下端は基板11に達していなくてもよく、それなりの深さがあればそれ相応の効果を奏する。   In the second embodiment, the case where the lower end of the N well region 22 has reached the P-type substrate 11 has been shown, but the lower end may not reach the substrate 11, and if there is a certain depth, the corresponding amount There is an effect.

第1実施形態において、第1Pウェル領域と第2Pウェル領域との間には第3ウェル領域として第1および第2Pウェル領域よりも不純物濃度が低いP-型ウェル領域を第3ウェル領域として形成する場合を例示したが、第3ウェル領域としては第1ウェル領域および第2ウェル領域と逆の導電型のウェルを形成してもよく、すなわちN型ウェルとしてもよい。このような構成であってもサージ印加時には空乏層が基板側に広がるので、上記した実施形態と同様の作用効果を奏することができる。   In the first embodiment, a P − type well region having a lower impurity concentration than the first and second P well regions is formed as a third well region as a third well region between the first P well region and the second P well region. However, the third well region may be formed with a conductivity type well opposite to that of the first well region and the second well region, that is, an N-type well. Even in such a configuration, the depletion layer spreads to the substrate side when a surge is applied, so that the same effect as the above-described embodiment can be obtained.

本発明の保護素子を実際の回路に適用する一例を示す図である。It is a figure which shows an example which applies the protection element of this invention to an actual circuit. 第1実施形態において、保護素子の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a protection element in the first embodiment. 第1実施形態において、保護素子の平面図。FIG. 2 is a plan view of a protection element in the first embodiment. 第1実施形態において、保護素子中に形成される寄生NPNトランジスタ、寄生ダイオードおよび寄生抵抗を明示的に示した図。The figure which showed explicitly the parasitic NPN transistor, parasitic diode, and parasitic resistance which are formed in a protection element in 1st Embodiment. 第1実施形態において、寄生NPNトランジスタ、寄生ダイオードおよび寄生抵抗の等価回路図。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a parasitic NPN transistor, a parasitic diode, and a parasitic resistance in the first embodiment. 第1実施形態において、空乏層が広がる様子を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a state where a depletion layer spreads in the first embodiment. 第1実施形態において、保護素子のスナップバック特性を示す図。FIG. 3 is a diagram showing snapback characteristics of a protection element in the first embodiment. 第2実施形態を示す図。The figure which shows 2nd Embodiment. 第2実施形態における保護素子のスナップバック特性を示す図。FIG. 6 is a diagram showing snapback characteristics of a protection element in a second embodiment. 従来の保護素子を示す図。The figure which shows the conventional protective element. 従来の保護素子を示す図。The figure which shows the conventional protective element. 従来の保護素子のスナップバック特性を示す図。The figure which shows the snapback characteristic of the conventional protective element.

符号の説明Explanation of symbols

1…P型基板、2…素子分離層、3…N型ウェル、4…N型ウェル、5…N型ウェル、7…P型ウェル、8…P型ウェル、8A…P型ウェル、8A…P型ウェル、11…P型基板、13…N+型拡散層、14…N+型拡散層、15…N+型拡散層、18…P+型拡散層、20…空乏層、21…P-型ウェル領域、22…Nウェル領域、27…ゲート電極、31…寄生NPNトランジスタ、32…ベースバイアス抵抗、40…外部端子、50…保護素子、51…フィールド酸化膜、52…P+型拡散領域、52…P+型半導体拡散領域、52a…配線層、53…N型拡散領域、53a…配線層、53d…N型拡散領域、53da…配線層、53s…N型拡散領域、53sa…配線層、54…ゲート、55a…第1Pウェル領域、55b…第2Pウェル領域、56…寄生抵抗、57…寄生NPNトランジスタ、58…寄生ダイオード、64…コンタクトホール、90…接続ノード、101…A回路、102…B回路、103…ライン、200…保護素子。 1 ... P-type substrate, 2 ... element isolation layer, 3 ... N-type well, 4 ... N-type well, 5 ... N-type well, 7 ... P-type well, 8 ... P-type well, 8A ... P-type well, 8A ... P type well, 11 ... P type substrate, 13 ... N + type diffusion layer, 14 ... N + type diffusion layer, 15 ... N + type diffusion layer, 18 ... P + type diffusion layer, 20 ... depletion layer, 21 ... P-type well region , 22 ... N well region, 27 ... Gate electrode, 31 ... Parasitic NPN transistor, 32 ... Base bias resistor, 40 ... External terminal, 50 ... Protection element, 51 ... Field oxide film, 52 ... P + type diffusion region, 52 ... P + Type semiconductor diffusion region, 52a ... wiring layer, 53 ... N type diffusion region, 53a ... wiring layer, 53d ... N type diffusion region, 53da ... wiring layer, 53s ... N type diffusion region, 53sa ... wiring layer, 54 ... gate, 55a ... first P well region, 55b ... second P well region, 56 ... parasitic resistance, 57 ... parasitic NPN transistor, 58 ... parasitic diode, 64 ... contact hole, 90 ... connection node, 101 ... A circuit, 102 ... B circuit, 103 ... Line, 20 0 ... Protective element.

Claims (6)

保護対象回路への接続ノードに接続され、前記保護対象回路をサージ破壊から保護する保護素子であって、
半導体基板に形成された第1導電型の第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域の上層において第1ウェル領域の一部を挟んで形成された第2導電型である第1電極および第2電極と、
前記第1ウェル領域を囲んで形成された第1導電型である第2ウェル領域と、
前記第1ウェル領域と前記第2ウェル領域の間に形成され、第2導電型であるか、または、前記第1ウェル領域および前記第2ウェル領域よりも不純物濃度が低い第1導電型である第3ウェル領域と、
前記第3ウェル領域の上層に設けられた第2導電型である第3電極と、を備え、
前記第1電極および前記第2電極のいずれか一方が前記接続ノードに接続されるとともに他方が電源に接続され、
前記第2ウェル領域が前記電源に接続され、
前記第3電極が前記接続ノードに接続されている
ことを特徴とする保護素子。
A protection element connected to a connection node to a protection target circuit and protecting the protection target circuit from surge destruction,
A first conductivity type first well region formed in a semiconductor substrate;
A first electrode and a second electrode that are of the second conductivity type formed across a part of the first well region in the upper layer of the first well region;
A second well region of a first conductivity type formed surrounding the first well region;
It is formed between the first well region and the second well region and is of the second conductivity type, or the first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the first well region and the second well region. A third well region;
A third electrode of a second conductivity type provided in an upper layer of the third well region,
Either one of the first electrode and the second electrode is connected to the connection node and the other is connected to a power source,
The second well region is connected to the power source;
The protective element, wherein the third electrode is connected to the connection node.
請求項1に記載の保護素子において、
前記第3ウェル領域は、前記第1ウェルおよび前記第2ウェルよりも不純物濃度が低い第1導電型であり、
前記第3ウェル領域には、前記第3電極の下端から前記半導体基板に向けて延設された第2導電型である第4ウェル領域が形成されている
ことを特徴とする保護素子。
In the protective element according to claim 1,
The third well region is a first conductivity type having a lower impurity concentration than the first well and the second well,
In the third well region, a fourth well region of a second conductivity type extending from the lower end of the third electrode toward the semiconductor substrate is formed.
請求項1または請求項2に記載の保護素子において、
前記第1ウェル領域において前記第1電極と前記第2電極とを主電極とする寄生トランジスタが構成されており、
前記寄生トランジスタと前記電源とは、前記第3ウェル領域の下層側にある前記半導体基板の抵抗成分を介して電気的に接続される
ことを特徴とする保護素子。
In the protective element according to claim 1 or claim 2,
A parasitic transistor having the first electrode and the second electrode as main electrodes is configured in the first well region,
The protection element, wherein the parasitic transistor and the power source are electrically connected via a resistance component of the semiconductor substrate on a lower layer side of the third well region.
請求項1から請求項3のいずれかに記載の保護素子において、
前記第1導電型はN型であり、
前記第2導電型はP型であり、
前記電源は接地電源である
ことを特徴とする保護素子。
In the protective element according to any one of claims 1 to 3,
The first conductivity type is N type,
The second conductivity type is P type,
The protective element, wherein the power source is a ground power source.
請求項1から請求項4のいずれかに記載の保護素子において
前記第1ウェル領域の上層において中央部に形成された第1電極に対して複数の第2電極が設けられることによりトランジスタが並列に設けられている
ことを特徴とする保護素子。
5. The protection element according to claim 1, wherein a plurality of second electrodes are provided in parallel with a first electrode formed in a central portion in an upper layer of the first well region. A protective element characterized by being provided.
半導体装置の端子に寄生するバイポーラ素子からなる静電保護素子であって、
前記端子に印加される電圧に応じて前記寄生バイポーラ素子のベース端子をバイアスする寄生の抵抗素子を含み、
前記寄生抵抗素子の抵抗値が前記端子に印加される電圧に応じて可変である
ことを特徴とする保護素子。
An electrostatic protection element composed of a bipolar element parasitic to a terminal of a semiconductor device,
A parasitic resistance element that biases the base terminal of the parasitic bipolar element according to a voltage applied to the terminal;
The protection element, wherein a resistance value of the parasitic resistance element is variable according to a voltage applied to the terminal.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118645506A (en) * 2024-08-15 2024-09-13 粤芯半导体技术股份有限公司 An electrostatic discharge device based on PNPN structure

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