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JP2011029510A - 半導体装置 - Google Patents

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JP2011029510A JP2009175682A JP2009175682A JP2011029510A JP 2011029510 A JP2011029510 A JP 2011029510A JP 2009175682 A JP2009175682 A JP 2009175682A JP 2009175682 A JP2009175682 A JP 2009175682A JP 2011029510 A JP2011029510 A JP 2011029510A
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Hitonori Hayano
仁紀 早野
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Micron Memory Japan Ltd
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Elpida Memory Inc
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Abstract

【課題】内部回路を静電破壊から保護するための静電気保護素子を備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】第1の電源系統で駆動される第1の回路(内部回路1)と、第1の電源系統とは異なる第2の電源系統で駆動される第2の回路(内部回路2)と、第1の回路に含まれる降圧回路(降圧回路4)により生成される第3の電源系統で駆動される第3の回路(内部回路3)と、を含む半導体装置において、第2の回路の電源配線VDD2と、第3の回路の電源配線VDD3との間に、第1の静電保護素子(ダイオードD3)を備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に内部回路を静電破壊から保護するための静電気保護素子を備えた半導体装置に関する。
静電気放電(ESD)から半導体装置を保護するためにダイオードやトランジスタなどがESD保護素子として用いられている。
ESD保護素子は、半導体装置を構成するトランジスタのゲート耐圧よりも保護素子が動作を開始するブレイクダウン電圧を低くする必要がある。
特開2004−228138号公報
図1は、MOSトランジスタのブレイクダウン電圧とゲート酸化膜耐圧に関して、ゲート酸化膜厚依存を示した図である。図1は、ゲート酸化膜厚が、ある値以下になると、MOSトランジスタのブレイクダウン電圧とゲート酸化膜耐圧は逆転することを示している。この逆転する際のゲート酸化膜厚は、MOSトランジスタの構造や酸化膜の膜質などの影響を受けるものである。
今後半導体の微細化が進むにつれ、ゲート酸化膜の薄膜化も進むので、内部回路を静電破壊から保護する手法として、保護素子の動作開始電圧を下げる必要がある。例えば、上記特許文献1においては、保護素子の動作開始電圧を下げるため、トリガーとなる素子を追加する技術が開示されている。
しかし、この手法では、トリガー用に複数の素子を必要とし、また、トリガーのための信号線や、該信号線を駆動する回路も必要となり、保護素子の構造を複雑にする。そのため、保護素子の半導体チップに占める割合を増大させてしまうという問題があった。
本発明は、第1の電源系統で駆動される第1の回路と、第1の電源系統とは異なる第2の電源系統で駆動される第2の回路と、第1の回路に含まれる降圧回路により生成される第3の電源系統で駆動される第3の回路と、を含む半導体装置であって、第2の回路の電源電圧レベルは、第3の回路の電源電圧レベルより高く、第2の回路の電源配線と、第3の回路の電源配線との間に、第1の静電保護素子を備えることを特徴とする半導体装置である。
本発明の半導体装置によれば、第2の回路の電源配線と、第3の回路の電源配線との間に、第1の静電保護素子を備えるだけで、第3の回路が接続される電源配線VDD3に伝わってきた静電気ストレスを速やかに電源配線VDD2に逃がすことができ、第3の回路を静電破壊から保護できる。また、第1の静電保護素子、あるいは、第3の回路に元々静電保護素子が設けられている場合は該静電保護素子も含めて、それらの保護素子を制御するために、信号線や回路を必要としない構成である。従って、保護素子の構造を複雑にすることなく、保護素子の半導体チップに占める割合を、従来に比べ小さくする効果を奏する。
MOSトランジスタの特性図である。 本発明の関連技術の半導体装置が備える静電保護素子の回路図である。 本発明の半導体装置が備える静電保護素子の回路図である。 図3におけるダイオードD3のレイアウト図である。 図3におけるダイオードD3の断面図である。 本発明の半導体装置が備える静電保護素子の回路図である。 本発明の半導体装置が備える静電保護素子の回路図である。 本発明の半導体装置におけるダイオードの他の構成例を示すレイアウト図である。 図8におけるダイオードの断面図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明の説明をする前に本発明の関連技術について説明する。
図2は、本発明を適用する前の構成である。図2における半導体装置100は、第1の電源系統(電源配線VDD1、接地配線VSS1で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路1(第1の回路)と、第2の電源系統(電源配線VDD2、接地配線VSS2で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路2(第2の回路)と、第3の電源系統(電源配線VDD3、接地配線VSS1で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路3(第3の回路)を備えている。ここで、電源配線VDD3には、第1の電源系統で駆動される降圧回路4により、電源配線VDD1の電圧レベルを降圧した電源電圧レベルが供給される。
また、各電源系統の電源配線と接地配線の間には、内部回路1、内部回路2、内部回路3各々を、静電気破壊から保護するための保護素子として、保護素子a(トランジスタQn1)、保護素子b(トランジスタQn2)、保護素子c(トランジスタQn3)が、それぞれ設けられている。
内部回路1を構成するトランジスタ及びトランジスタQn1は、ゲート酸化膜の厚いMOSトランジスタで構成されている。また、内部回路3を構成するトランジスタ及びトランジスタQn3は、内部回路1を構成するトランジスタ等に比べゲート酸化膜が薄いMOSトランジスタで構成されている。また、第2の電源系統に接続された内部回路2及びトランジスタQn2については、内部回路3を構成するトランジスタ等に比べゲート酸化膜が厚いMOSトランジスタで構成されている。内部回路2及びトランジスタQn2のゲート酸化膜厚は、例えば、第2の電源配線VDD2の電圧レベルが電源配線VDD1の電圧レベルと同じ場合、内部回路1及びトランジスタQn1と同じゲート酸化膜厚になる。
また、半導体装置100が半導体メモリの場合、例えば、第1の電源系統は、外部電源がそのまま印加される通常の回路を駆動する電源系統であり、第2の電源系統は、出力トランジスタを駆動する電源系統であり、第3の電源系統は、降圧電圧で動作する周辺回路の電源系統である。
ここで、図2に示す半導体装置の電源配線VDD1と接地配線VSS1の間に正の静電気ストレスが印加された場合、MOSトランジスタQn1を導通してストレスを接地配線VSS1に放電することで、内部回路1を静電破壊から防ぐ。しかし、印加された静電気ストレスの一部が、降圧回路4を介して、電源配線VDD3に伝わっていく場合がある。このような場合、電源配線VDD3に接続された内部回路3を保護する目的で、降圧回路4に保護素子c(MOSトランジスタQn3)を接続する場合がある。
しかしながら、半導体装置の微細化が進むにつれ、このトランジスタQn3のブレイクダウン電圧が、ゲート酸化膜厚の耐圧より高くなってしまう。
(第1実施形態)
図3は、本発明の半導体装置における、保護素子の接続を示す回路図である。図3において、図2と同一の部分には同一の符号を付している。
図3における半導体装置200は、第1の電源系統(電源配線VDD1、接地配線VSS1で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路1(第1の回路)と、第2の電源系統(電源配線VDD2、接地配線VSS2で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路2(第2の回路)と、第3の電源系統(電源配線VDD3、接地配線VSS1で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路3(第3の回路)を備えている。
ここで、電源配線VDD3には、第1の電源系統で駆動される降圧回路4により、電源配線VDD1の電圧レベルを降圧した電源電圧レベルが供給される。また、電源配線VDD2には、第1の電源系統とは異なる第2の電源系統から、電源配線VDD3の電圧レベルより高い電源電圧レベルが供給される。すなわち、電源配線VDD1、電源配線VDD2及び電源配線VDD3の電圧レベルのうち、電源配線VDD3の電圧レベルが一番低い。
また、各電源系統の電源配線と接地配線の間には、内部回路1、内部回路2各々を、静電気破壊から保護するための保護素子として、それぞれ保護素子a(トランジスタQn1)、保護素子b(トランジスタQn2)が設けられている。なお、図2における内部回路3に設けられた保護素子c(トランジスタQn3)は、本実施形態における半導体装置200において必ずしも必要でないので、図示していない。
また、複数の電源系を有する半導体装置において一般的に行われている静電破壊対策として、第1の接地配線VSS1と第2の接地配線VSS2との間に、静電気保護素子(ダイオードD1、ダイオードD2)を接続しているが、これらのダイオードは必ずしも接続しなくてもよい。
内部回路1を構成するトランジスタ及びトランジスタQn1は、ゲート酸化膜の厚いMOSトランジスタで構成されている。また、内部回路3を構成するトランジスタ及びトランジスタQn3は、内部回路1を構成するトランジスタ等に比べゲート酸化膜が薄いMOSトランジスタで構成されている。また、第2の電源系統に接続された内部回路2及びトランジスタQn2については、内部回路3を構成するトランジスタ等に比べゲート酸化膜が厚いMOSトランジスタで構成されている。内部回路2及びトランジスタQn2のゲート酸化膜厚は、例えば、第2の電源配線VDD2の電圧レベルが電源配線VDD1の電圧レベルと同じ場合、内部回路1及びトランジスタQn1と同じゲート酸化膜厚になる。
また、半導体装置200が半導体メモリの場合、例えば、第1の電源系統は、外部電源がそのまま印加される通常の回路を駆動する電源系統であり、第2の電源系統は、出力トランジスタを駆動する電源系統であり、第3の電源系統は、降圧電圧で動作する周辺回路の電源系統である。
半導体装置200においては、図2における半導体装置100と相違して、電源配線VDD3と電源配線VDD2との間に、第3の電源系統に加わる静電気ストレスを、第2の電源系統へと逃がす保護素子(ダイオードD3)が接続される。
ダイオードD3は、電源配線VDD1から降圧回路4を介して、電源配線VDD3に印加された静電気ストレスを、電源配線VDD2へ放電する保護素子である。
ここで、電源配線VDD3に印加される静電気ストレスは、電源配線VDD1に接続される第1の保護素子(トランジスタQn1)によって放電しきれなかった静電気ストレスであり、かつ降圧回路4を介して伝わった静電気ストレスであるため、外部から印加された静電気ストレスに比較すると、その強度は弱い静電気ストレスである。
このため、放電先である電源配線VDD2に静電気ストレスを放電した後、静電気ストレスの放電先が十分形成されていなくとも、電源配線VDD2に接続される自体の持つ負荷容量、例えば電源配線の対半導体基板に対する寄生容量が大きければ、静電気ストレスを吸収することができる。また、ダイオードD3の放電能力は、同じく放電すべき静電気ストレスが弱いという理由により、必ずしも放電能力を大きくする必要はない。従って、ダイオードD3のレイアウト寸法は、保護素子a(トランジスタQn1)の静電気ストレスの放電能力と、電源配線VDD2に印加される静電気ストレスとの関係を考慮して決定すればよい。
また、通常の動作状態において、第2の回路の電源電圧レベルは、第3の回路の電源電圧レベルより高いので、ダイオードD3に順方向電流が流れることはない。
図4及び図5に、ダイオードD3の平面図と断面図を示す。
図4に示すように、ダイオードD3は、不図示のP型半導体基板Psub上に形成したNウエル層NW内に形成される。Nウエル層NW内の中央に矩形状に設けられたP型拡散層PDを取り囲むように、半導体基板の表面に素子分離領域が設けられ、その周囲にN型拡散層NDが設けられる。
図5は、図4のA−A’間に相当する断面図である。P型半導体基板Psub上にNウエル層NWが形成され、その内側に、N型拡散層ND及びP型拡散層PDが形成されている。N型拡散層NDは、不図示のコンタクトホール及び実線で示すメタル配線を介して、電源配線VDD2へと接続されている。また、N型拡散層NDは、不図示のコンタクトホール及び実線で示すメタル配線を介して、電源配線VDD3へと接続されている。
このように構成されるダイオードD3は、アノード電極を電源配線VDD3、カソード電極を電源配線VDD2とするダイオードであり、その放電能力は、P型拡散層PDの面積を変えることで調整できる。
このように、本実施形態による半導体装置は、第1の電源系統で駆動される第1の回路(内部回路1)と、第1の電源系統とは異なる第2の電源系統で駆動される第2の回路(内部回路2)と、第1の回路に含まれる降圧回路(降圧回路4)により生成される第3の電源系統で駆動される第3の回路(内部回路3)と、を含む半導体装置(半導体装置200)であって、第2の回路の電源電圧レベルは、第3の回路の電源電圧レベルより高く、第2の回路の電源配線(電源配線VDD2)と、第3の回路の電源配線(電源配線VDD3)との間に、第1の静電保護素子(ダイオードD3)を備えることを特徴とする半導体装置である。
本発明の半導体装置によれば、第2の回路(内部回路2)の電源配線(電源配線VDD2)と、第3の回路(内部回路3)の電源配線(電源配線VDD3)との間に、第1の静電保護素子(ダイオードD3)を備えるだけで、第3の回路(内部回路3)が接続される電源配線VDD3に伝わってきた静電気ストレスを速やかに電源配線VDD2に逃がすことができ、第3の回路(内部回路3)を静電破壊から保護できる。
また、第1の静電保護素子(ダイオードD3)、あるいは、第3の回路に元々静電保護素子が設けられている場合は該静電保護素子も含めて、それらの保護素子を制御するために、信号線や回路を必要としない構成である。従って、保護素子の構造を複雑にすることなく、保護素子の半導体チップに占める割合を、従来に比べ小さくする効果を奏する。
(第2実施形態)
次に、添付図面(図6)を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。
図6は、本発明の半導体装置における、保護素子の接続を示す回路図である。図6において、図2及び図3と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図3における半導体装置300においては、図2に示した内部回路3に設けられた保護素子c(トランジスタQn3)を、接続している。
本実施形態における半導体装置300は、保護素子c(トランジスタQn3)が動作するまでの間に、電源配線VDD3に入ってくる静電気ストレスを、ダイオードD3による放電で電源配線VDD2へ逃がす。
すなわち、発明が解決しようとする課題において説明したように、今後半導体の微細化につれ、トランジスタQn3のブレイクダウン電圧が、ゲート酸化膜厚の耐圧より高くなってしまう可能性が高い。そのため、内部回路3を静電破壊から保護する手法として、保護素子c(トランジスタQn3)のブレイクダウン電圧を下げるのではなく、ブレイクダウン電圧に到達するまでの期間において、内部回路3に印加される静電気ストレスを、ダイオードD3で速やかに電源配線VDD2に逃がすものである。
(第3実施形態)
次に、添付図面(図7)を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。
図7は、本発明の半導体装置における、保護素子の接続を示す回路図である。図7において、図3及び図6と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図7における半導体装置400においては、ダイオードD3の電源配線VDD3との接続位置を、降圧回路4の近くに配置した状態を示している。また、電源配線VDD3には、接続される回路が動作した場合の電圧降下を防ぐ目的で、容量C1が接続される。
内部回路3に印加される静電気ストレスが小さい場合、容量C1だけでも静電気ストレスを吸収できる場合があるが、接続される容量C1の位置によっては、容量C1で静電気ストレスを吸収される前に、内部回路3が破壊する可能性がある。これを防ぐためは、ダイオードD3を降圧回路4の近くに配置するのが望ましい。
なお、この際、電源配線VDD3と電源配線VDD2との間にダイオードD3を接続することで、電源配線VDD2に印加された静電気ストレスが、ダイオードD3を逆方向ブレイクダウンさせて電源配線VDD3に入ってくるという問題がある。
これに対しては、電源配線VDD2に接続された保護素子b(トランジスタQn2)のブレイクダウン電圧を、ダイオードD3のブレイクダウン電圧より低くなるように設定すればよい。
具体的には、トランジスタQn2のゲート酸化膜厚を調整し、例えば、ゲート酸化膜厚を薄くして、トランジスタQn2のブレイクダウン電圧を、ダイオードD3のブレイクダウン電圧より低くなるようにする。或いは、ダイオードD3の不純物濃度を調整し、例えば、P型拡散層PDを形成する不純物濃度を薄くして、ブレイクダウン電圧を高くする方法がある。
あるいは、ダイオードD3のブレイクダウン電圧を高くするため、ダイオードD3の構造を変える手法もある。図8、図9は、上記半導体装置200、300,400に共通に用いられているダイオードD3に代えて、利用可能なダイオードD3aの構造を示す平面図と断面図である。
図8に示すように、ダイオードD3aは、不図示のP型半導体基板Psub上に形成したNウエル層NW内に形成される。Nウエル層NW内の中央に矩形状に設けられたP型拡散層PDを取り囲むように、半導体基板の表面に素子分離領域が設けられ、その周囲にN型拡散層NDが設けられる。ダイオードD3aが、図4に示したダイオードD3と相違する点は、以下の通りである。
P型拡散層PDは、不図示の矩形状のPウエル層PW内に設けられる。また、Nウエル層NWは、ダイオードD3の場合と相違し、Pウエル層PWに接し、かつ、Pウエル層PWを取り囲むように設けられる。また、新たに、矩形状のディープNウエル層(以下、DNウエル層DNW)が、Pウエル層PWを取り囲み、かつ、Nウエル層NWの外周よりも内側に設けられる。
図9は、図8のA−A’間に相当する断面図である。上述の様にP型拡散層PDは、Pウエル層PW内に設けられ、Pウエル層PWは、DNウエル層DNWによりP型半導体基板Psubと電気的に分離される。また、DNウエル層DNWは、Nウエル層NWと電気的に接続される。N型拡散層ND、P型拡散層PD各々は、それぞれ不図示のコンタクトホール及び実線で示すメタル配線を介して、電源配線VDD2、電源配線VDD3へとそれぞれ接続されている。
以上の様に構成されるダイオードD3aは、アノード電極を電源配線VDD3、カソード電極を電源配線VDD2とするダイオードであり、その放電能力は、P型拡散層PDの面積を変えることで調整できる。また、DNウエル層DNWを設けたことで、ダイオードD3aのブレイクダウン電圧を、Nウエル層NWまたはDNウエル層DNWのPウエル層PWに対する耐圧まで、高くすることができる。
このように、本実施形態による半導体装置は、第1の電源系統で駆動される第1の回路(内部回路1)と、第1の電源系統とは異なる第2の電源系統で駆動される第2の回路(内部回路2)と、第1の回路に含まれる降圧回路(降圧回路4)により生成される第3の電源系統で駆動される第3の回路(内部回路3)と、を含む半導体装置(半導体装置200,300,400)であって、第2の回路の電源電圧レベルは、第3の回路の電源電圧レベルより高く、第2の回路の電源配線(電源配線VDD2)と、第3の回路の電源配線(電源配線VDD3)との間に、第1の静電保護素子(ダイオードD3a)を備えることを特徴とする半導体装置である。
また、上記半導体装置において、第2の回路(内部回路2)の電源配線(電源配線VDD2)と接地配線の間に、第2の静電保護素子(トランジスタQn2)が設けられ、第1の静電保護素子(ダイオードD3a)は、第2の静電保護素子(トランジスタQn2)よりブレイクダウン電圧が高いことを特徴とする。
これにより、第1の実施形態における効果を維持しつつ、更に、電源配線VDD2に接続された保護素子b(トランジスタQn2)のブレイクダウン電圧に対して、ダイオードD3aのブレイクダウン電圧を高くできるので、電源配線VDD2に印加された静電気ストレスが、ダイオードD3aをブレイクダウンさせて電源配線VDD3に入ってくるという問題を解決できる。
以上、本発明者によってなされた発明を、実施形態に基づき説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。本実施形態においては、MOSトランジスタを保護素子に用いた半導体装置について説明したが、保護素子としてMetal−Insulator−Silicon(MIS)トランジスタを適用することができる。また、保護素子としてバイポーラトランジスタを使用した半導体装置に対しても、本願発明を適用することができる。その場合、ダイオードの構成としては、NPNバイポーラトランジスタの場合、ベースをアノード、コレクタをカソードとしてもよいし、或いは、ベースをアノード、エミッタをカソードとしてもよい。
100,200,300,400…半導体装置、1,2,3…内部回路、a,b,c…保護素子、VDD1,VDD2,VDD3…電源配線、VSS1,VSS2…接地配線、4…降圧回路、Qn1,Qn2,Qn3…トランジスタ、D1,D2,D3,D3a…ダイオード、C1…容量、ND…N型拡散層、PD…P型拡散層、NW…Nウエル層、PW…Pウエル層、DNW…DNウエル層、Psub…P型半導体基板

Claims (7)

  1. 第1の電源系統で駆動される第1の回路と、前記第1の電源系統とは異なる第2の電源系統で駆動される第2の回路と、前記第1の回路に含まれる降圧回路により生成される第3の電源系統で駆動される第3の回路と、を含む半導体装置であって、
    前記第2の回路の電源電圧レベルは、前記第3の回路の電源電圧レベルより高く、
    前記第2の回路の電源配線と、前記第3の回路の電源配線との間に、第1の静電保護素子を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第3の回路を構成するトランジスタのゲート酸化膜は、前記第1の回路を構成するトランジスタのゲート酸化膜より薄膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第1の静電保護素子はダイオードであることを特徴とする請求項1または請求項2いずれか一項に記載の半導体装置。
  4. 前記第1の静電保護素子は、前記降圧回路に隣接して配置されることを特徴とする請求項1乃至請求項3いずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記第2の回路の電源配線と接地配線の間に、第2の静電保護素子が設けられ、前記第1の静電保護素子は、前記第2の静電保護素子よりブレイクダウン電圧が高いことを特徴とする請求項1または請求項4いずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記第2の回路の電源配線と接地配線の間に、容量素子が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項5いずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第1の電源系の接地配線と前記第2の電源系の接地配線との間に第3の静電気保護素子が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項6いずれか一項に記載の半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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