JP2011129700A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、より詳細には、ESD保護のための半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device for ESD protection.
集積回路等を静電気放電(ESD)によるサージ破壊から保護するための半導体装置が研究されている。たとえば、図1に示すものが挙げられる(非特許文献1参照)。半導体装置100は、P型基板101と、P型基板101の表面に形成されたN型ウェル領域102と、N型ウェル領域102の表面上のP+型拡散領域103及びN+型拡散領域104と、P型基板101とN型ウェル領域102との境界上に配置された酸化膜105と、酸化膜105上のポリSi106と、P型基板101の表面上のP+型拡散領域107及びN+型拡散領域108とを備える。
Semiconductor devices for protecting integrated circuits and the like from surge breakdown due to electrostatic discharge (ESD) have been studied. For example, what is shown in FIG. 1 is mentioned (refer nonpatent literature 1). The
第1のP+型拡散領域103、N型ウェル領域102及びP型基板101が寄生PNPバイポーラトランジスタを形成し、N型ウェル領域102、P型基板101及びN+型拡散領域108が寄生NPNバイポーラトランジスタを形成し、寄生PNPバイポーラトランジスタ及び寄生NPNバイポーラトランジスタがサイリスタを構成する。
The first P +
図1に記載されたESD保護回路の動作原理は以下の通りである。
<1>通常動作電圧より高い電圧が印加電圧VCCとして印加されると、N型ウェル領域102とP型基板101との間に形成される空乏層内の電界は、酸化膜105上に設置されたポリSi106により酸化膜105下近傍で高くなり、ポリSi106がない場合よりも低い電圧でアバランシェ破壊を引き起こす。ここで、「通常動作電圧」とは、集積回路が正常に機能動作する電圧を意味する。
<2−1>アバランシェ破壊による電流(正孔)は、P型基板101のP+型拡散領域107へ流れる(電流経路(1))。
<2−2>この電流がP型基板101内の抵抗(RPSUB)により電圧降下を発生させ、P型基板101内にある寄生NPNトランジスタのエミッタ/ベース間を順方向にバイアスする。
<2−3>この順方向バイアスにより、NPNトランジスタのベース電流が流れ始める。これによりコレクタ電流(電子)が流れる(電流経路(2))。
<2−4>このコレクタ電流はN型ウェル領域102内を流れ、N型ウェル領域内の抵抗(RNWell)により電圧降下を発生させる。
<2−5>この電圧降下が、N型ウェル領域102内にある寄生PNPトランジスタのエミッタ/ベース間を順方向にバイアスするので、ベース電流が流れ始める。これによりコレクタ電流(正孔)が流れる(電流経路(3))。
<2−6>このコレクタ電流がP型基板101内の電圧降下を更に上昇させ、NPNトランジスタのベース電流を増大させる。これにより正帰還動作に入る。P型基板101内の電圧降下がP型基板101内のN+/P基板間のビルトイン電圧VBISUBを超えた場合、またはN型ウェル領域102内の電圧降下がN型ウェル領域102内のP+/Nウェル間のビルトイン電圧VBIWellを超えた場合にラッチアップに至る。
<3−1>一方、アバランシェ破壊による電流(電子)は、Nウェル内のN+型拡散領域104(VCC)へも流れる(電流経路(1’))。
<3−2>この電流が上記<2−4>の電圧降下を更に増大させ、正帰還動作を加速する。つまり、アバランシェ破壊で発生した正孔電流と電子電流は、ともに正帰還する様に働いてラッチアップを起こす。
The operating principle of the ESD protection circuit described in FIG. 1 is as follows.
<1> When a voltage higher than the normal operating voltage is applied as the applied voltage V CC , an electric field in a depletion layer formed between the N-
<2-1> A current (hole) due to avalanche breakdown flows to the P +
<2-2> This current causes a voltage drop due to the resistance (R PSUB ) in the P-
<2-3> Due to this forward bias, the base current of the NPN transistor starts to flow. As a result, collector current (electrons) flows (current path (2)).
<2-4> This collector current flows in the N-
<2-5> Since this voltage drop biases the emitter / base of the parasitic PNP transistor in the N-
<2-6> This collector current further increases the voltage drop in the P-
<3-1> On the other hand, current (electrons) due to avalanche breakdown also flows to the N + type diffusion region 104 (V CC ) in the N well (current path (1 ′)).
<3-2> This current further increases the voltage drop of <2-4> and accelerates the positive feedback operation. In other words, the hole current and the electron current generated by avalanche breakdown both act as positive feedback and cause latch-up.
小括すると、非特許文献1に記載されたESD保護回路は、酸化膜上にポリSiを設置することにより、ポリSiが設置されないものに比べて低い電圧でアバランシェ破壊を引き起こすことにより、ラッチアップを発生させ、集積回路等をESDから保護することを可能にするものである。 In summary, the ESD protection circuit described in Non-Patent Document 1 is latch-up by causing avalanche breakdown at a lower voltage than that without poly-Si by placing poly-Si on the oxide film. And the integrated circuit or the like can be protected from ESD.
しかしながら、図1に示す従来の半導体装置等では、高耐圧素子のESD保護を十分に行うことができない。通常動作電圧としての印加電圧VccがN型ウェル領域102の反転電圧よりも高い場合、N型ウェル領域102のポリSi106の下部分において通常動作電圧範囲でも反転が生じ、ラッチアップ動作に入ってしまうからである。
However, the conventional semiconductor device or the like shown in FIG. 1 cannot sufficiently perform ESD protection of the high breakdown voltage element. When the applied voltage V cc as the normal operation voltage is higher than the inversion voltage of the N-
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、素子への印加電圧Vccに応じて適当にラッチアップを発生させることによるESD保護のための半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device for ESD protection by appropriately generating latch-up according to the voltage Vcc applied to the element. There is.
このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、第2の導電型の基板と、前記第2の導電型の基板表面に形成された第1の導電型のウェル領域と、前記第1の導電型のウェル領域の表面上の第1及び第2の拡散領域と、前記第2の導電型の基板と前記第1の導電型のウェル領域との境界上に配置された酸化膜と、前記酸化膜の一部の上に配置された第1の電極と、前記第2の導電型の基板の表面上の第3及び第4の拡散領域と、前記第1の電極及び前記第1の導電型のウェル領域とそれぞれ容量結合するように配置された第2の電極とを備え、前記第1の電極は接地され、前記第1及び第3の拡散領域は第2の導電型であり、前記第2及び第4の拡散領域は第1の導電型であることを特徴とする半導体装置である。 In order to achieve such an object, a first aspect of the present invention includes a second conductivity type substrate, a first conductivity type well region formed on the surface of the second conductivity type substrate, and , Disposed on the boundary between the first and second diffusion regions on the surface of the first conductivity type well region, the second conductivity type substrate and the first conductivity type well region. An oxide film; a first electrode disposed on a portion of the oxide film; third and fourth diffusion regions on a surface of the second conductivity type substrate; the first electrode; A second electrode disposed so as to be capacitively coupled to the first conductivity type well region, the first electrode being grounded, and the first and third diffusion regions being a second conductive material. The semiconductor device is characterized in that the second and fourth diffusion regions are of the first conductivity type.
また、本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記第2の電極と前記第1の電極および前記第1の導電型のウェル領域との間の容量結合の容量結合比は、通常動作電圧範囲において前記第2の電極と前記第1の導電型のウェル領域との間にかかる電圧が前記第1の導電型のウェル領域の反転電圧以下になるように設定されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the capacitive coupling ratio of the capacitive coupling between the second electrode and the first electrode and the first conductivity type well region is as follows: The voltage applied between the second electrode and the first conductivity type well region in a normal operating voltage range is set to be equal to or lower than the inversion voltage of the first conductivity type well region. Features.
また、本発明の第3の態様は、第1の態様において、Vcc配線が前記第2の電極と容量結合するように配置されたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the Vcc wiring is disposed so as to be capacitively coupled to the second electrode.
また、本発明の第4の態様は、第1から第3のいずれかの態様において、前記半導体装置の平面図において、第1の電極と第1の導電型のウェル領域とが重複する領域が存在することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, in the plan view of the semiconductor device, there is a region where the first electrode and the first conductivity type well region overlap. It is characterized by the existence.
本発明によれば、第1の電極および第1の導電型のウェル領域とそれぞれ容量結合するように配置された第2の電極を設けることにより、素子への印加電圧に応じて通常動作電圧範囲内ではラッチアップが発生せず、通常動作電圧を超えた場合にラッチアップを発生させることを可能にする。 According to the present invention, by providing the second electrode disposed so as to be capacitively coupled to the first electrode and the first conductivity type well region, the normal operating voltage range according to the voltage applied to the element. Latch-up does not occur in the circuit, and latch-up can be generated when the normal operating voltage is exceeded.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図2は、第1の実施形態によるESD保護のための半導体装置を示す図である。半導体装置300は、P型基板301と、P型基板301の表面に形成されたN型ウェル領域302と、N型ウェル領域302の表面上のP+型拡散領域303及びN+型拡散領域304と、P型基板301とN型ウェル領域302との境界上に配置された酸化膜305と、酸化膜305の一部の上に配置されたポリSi306と、P型基板301の表面上のP+型拡散領域307及びN+型拡散領域308とを備える。フローティング電極309は、ポリSi306及びN型ウェル領域302とそれぞれ容量結合するように配置されている。ポリSi306は接地されている。P型基板301の表面の反転を防止するために酸化膜305の一部の上にのみポリSi306が配置されている。図3は、本実施形態の半導体装置の平面図であり、図2はA−A線に沿った図3の断面図である。
(First embodiment)
FIG. 2 is a diagram illustrating a semiconductor device for ESD protection according to the first embodiment. The
フローティング電極309について詳述する。フローティング電極309と、ポリSi306及びN型ウェル領域302との間の静電容量をそれぞれC1及びC2とすると、フローティング電極309と、ポリSi306及びN型ウェル領域302との間の電圧V1及びV2はそれぞれ次式で表される。
The
ここで、Vccは第1のP+型拡散領域303及び第1のN+型拡散領域304への印加電圧である。静電容量C1及びC2は、フローティング電極309の大きさと、フローティング電極309とポリSi306とのオーバーラップ(図3参照)に依存するパラメーターである。フローティング電極309の形成は、ポリSi306が設けられるレイヤーとは異なるレイヤーに適当な大きさの金属領域を設けることにより行うことができる。したがって、いずれのレイヤーにフローティング電極309を形成するかによってフローティング電極309とポリSi306及びN型ウェル領域302との間の距離が異なり、これも静電容量C1及びC2に影響を与える。
Here, V cc is a voltage applied to the first P +
ここで、通常動作電圧範囲内としての印加電圧Vccが150Vの場合を考える。図1に示した従来のESD保護のための半導体装置では、N型ウェル領域302の反転電圧が例えば40Vであると、酸化膜305下において反転が生じてしまい、通常動作電圧範囲内でもラッチアップが発生してしまう。しかし、例えばV1=120V、V2=30Vとなるように容量結合比C1/C2を設定してフローティング電極309を設けると、フローティング電極309とN型ウェル領域302との間にかかる電圧をN型ウェル領域302の反転電圧以下に抑えることができ、通常動作電圧範囲内でのラッチアップが発生しない。したがって、容量結合比C1/C2を変えることによりラッチアップ発生電圧を自在に制御することができる。
Here, consider a case where the applied voltage V cc is 150 V within the normal operating voltage range. In the conventional semiconductor device for ESD protection shown in FIG. 1, when the inversion voltage of the N-
(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態によるESD保護のための半導体装置を示す図である。半導体装置400は、第1の実施形態の半導体装置300と概ね同一であるが、Vcc配線410がフローティング電極309と容量結合している点が異なる。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a diagram illustrating a semiconductor device for ESD protection according to the second embodiment. The
Vcc配線410がフローティング電極309と容量結合すると、静電容量C2の実効容量がC2+C3に増加し、フローティング電極309とN型ウェル領域302との間の電圧V2を低減することができる。したがって、印加電圧Vccがより高電圧になっても電圧V2を反転電圧以下に抑えることができ、高耐圧化が図れる。
When the V cc wiring 410 is capacitively coupled to the floating
加えて、当該容量結合により、ノイズによる本ESD保護装置の誤動作を抑えることができる。Vcc配線410がフローティング電極309を静電シールドし、それによりフローティング電極309が他からのノイズの影響を受け難いからである。
In addition, the capacitive coupling can suppress malfunction of the ESD protection device due to noise. This is because the Vcc
300 半導体装置
301 P型基板(「第2の導電型の基板」に対応)
302 N型ウェル領域(「第1の導電型のウェル領域」に対応)
303 第1のP+型拡散領域(「第1の拡散領域」に対応)
304 第1のN+型拡散領域(「第2の拡散領域」に対応)
305 酸化膜
306 ポリSi (「第1の電極」に対応)
307 第2のP+型拡散領域(「第3の拡散領域」に対応)
308 第2のN+型拡散領域(「第4の拡散領域」に対応)
309 フローティング電極(「第2の電極」に対応)
400 半導体装置
410 Vcc配線
300 Semiconductor device 301 P-type substrate (corresponding to “second conductivity type substrate”)
302 N-type well region (corresponding to “well region of first conductivity type”)
303 first P + type diffusion region (corresponding to “first diffusion region”)
304 First N + type diffusion region (corresponding to “second diffusion region”)
305
307 Second P + type diffusion region (corresponding to “third diffusion region”)
308 Second N + type diffusion region (corresponding to “fourth diffusion region”)
309 Floating electrode (corresponding to “second electrode”)
400 Semiconductor device 410 V cc wiring
Claims (4)
前記第2の導電型の基板表面に形成された第1の導電型のウェル領域と、
前記第1の導電型のウェル領域の表面上の第1及び第2の拡散領域と、
前記第2の導電型の基板と前記第1の導電型のウェル領域との境界上に配置された酸化膜と、
前記酸化膜の一部の上に配置された第1の電極と、
前記第2の導電型の基板の表面上の第3及び第4の拡散領域と、
前記第1の電極及び前記第1の導電型のウェル領域とそれぞれ容量結合するように配置された第2の電極と
を備え、
前記第1の電極は接地され、前記第1及び第3の拡散領域は第2の導電型であり、前記第2及び第4の拡散領域は第1の導電型であることを特徴とする半導体装置。 A second conductivity type substrate;
A first conductivity type well region formed on the surface of the second conductivity type substrate;
First and second diffusion regions on the surface of the well region of the first conductivity type;
An oxide film disposed on a boundary between the substrate of the second conductivity type and the well region of the first conductivity type;
A first electrode disposed on a portion of the oxide film;
Third and fourth diffusion regions on the surface of the substrate of the second conductivity type;
A second electrode disposed so as to be capacitively coupled to the first electrode and the well region of the first conductivity type, respectively.
The first electrode is grounded, the first and third diffusion regions are of a second conductivity type, and the second and fourth diffusion regions are of a first conductivity type. apparatus.
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Cited By (1)
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| CN110828426A (en) * | 2018-08-10 | 2020-02-21 | 世界先进积体电路股份有限公司 | Semiconductor structure and electrostatic protection device |
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2009
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