JP3141607B2 - 半導体入力保護素子 - Google Patents

半導体入力保護素子

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JP3141607B2 JP05046190A JP4619093A JP3141607B2 JP 3141607 B2 JP3141607 B2 JP 3141607B2 JP 05046190 A JP05046190 A JP 05046190A JP 4619093 A JP4619093 A JP 4619093A JP 3141607 B2 JP3141607 B2 JP 3141607B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体入力保護素子に関
し、特に相補型MOS半導体装置の入力保護素子の構造
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の相補型MOS半導体装置
の入力保護素子の構造はたとえば図4(a),(b)に
示すようになっていた。すなわちP型シリコン基板1の
表面部に選択的に形成されたN型ウェル14を有し、こ
のN型ウェル14内に入力端子11に接続されたN型拡
散層16とP型拡散層17を有し、P型シリコン基板1
の表面部でかつN型ウェル14が形成されていない部分
にP型拡散層17と対向するN型拡散層15を有し、こ
のN型拡散層15はコンタクト孔C1を有する絶縁膜8
を選択的に被覆するアルミニウム系合金膜配線9により
接地端子に接続されていた。また、N型拡散層16、P
型拡散層17はアルミニウム系合金膜配線10により入
力端子11に接続されている。入力端子11に正極の過
大電圧が加わると、P型拡散層17、N型ウェル14、
P型シリコン基板1及びN型拡散層15からなるPNP
N構造のサイリスタがオン状態すなわち低インピーダン
ス状態となり、内部回路特にMOSトランジスタのゲー
ト酸化膜に高い電圧が加わるのを防いでいた。
【0003】N型拡散層16は、過大電圧が入力端子に
加わった際N型ウェル14の電位もともに引き上げ、通
常の立上りが遅いパルスにたいしては寄生サイリスタが
オン状態にはいりにくくするためのものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この従来の入力保護素
子は、入力端子に正極の過大電圧がかかった場合はPN
PN構造のサイリスタがオン状態となり内部回路を保護
するが、入力端子に負極の過大電圧がかかった場合は、
原理的にこのサイリスタがオン状態に入ることはないた
め、内部回路に負の高い電圧が加わり内部回路を保護で
きないという問題がある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体入力保護
素子は、半導体基板の表面部の第1導電型領域に選択的
に形成された第2導電型ウェルおよび前記第2導電型ウ
ェルにこれより浅く形成された第1導電型ウェルを有
し、前記第2導電型ウェルのうち前記第1導電型ウェル
の形成されていない表面部に形成された第1の第1導電
型拡散層と、前記第1導電型領域に前記第2導電型ウェ
ルの前記第1の第1導電型拡散層が形成されていない側
に対向して形成された第1の第2導電型拡散層と、前記
第1導電型ウェルの表面部に所定距離はなれてそれぞれ
形成された第2の第1導電型拡散層および第2の第2導
電型拡散層と、前記第1の第1導電型拡散層および第1
の第2導電型拡散層をそれぞれ固定電位供給端子へ接続
する第1の配線手段と、前記第2の第1導電型拡散層お
よび第2の第2導電型拡散層をそれぞれ入力端子および
内部回路へ接続する第2の配線手段とを有するというも
のである。
【0006】
【実施例】図1(a)は本発明の第1の実施例を示す半
導体チップの平面図、図1(b)は図1(a)のA−A
線断面図である。
【0007】この実施例は、P型シリコン基板101
(不純物濃度約1×1016cm-3)の表面部に選択的に
形成されたN型ウェル102(深さ約5μm、不純物濃
度約1×1016cm-3)およびN型ウェル102にこれ
より浅く形成されたP型ウェル103(深さ約3μm、
不純物濃度約5×1016cm-3)を有し、N型ウェル1
02のうちP型ウェル103の形成されていない表面部
に形成された第1のP型拡散層106(深さ約0.4μ
m、不純物濃度約1×1020cm-3)と、P型シリコン
基板101の表面部にN型ウェル102の第1のP型拡
散層106が形成されていない側に対向して形成された
第1のN型拡散層107(深さ約0.3μm、不純物濃
度約1×1020cm-3)と、P型ウェル103の表面部
に所定距離はなれてそれぞれ形成された第2のP型拡散
層104(深さ約0.4μm、不純物濃度約1×1020
cm-3)および第2のN型拡散層105(深さ約0.3
μm、不純物濃度約1×1020cm-3)と、P型拡散層
106および第1のN型拡散層109をそれぞれ接地電
位供給端子へ接続する第1の配線手段(アルミニウム系
合金膜配線109)と、第2のP型拡散層104および
第2のN型拡散層105をそれぞれ入力端子111およ
び図示しない内部回路へ接続する第2の配線手段(アル
ミニウム系合金膜配線110)とを有するというもので
ある。なお、第2のP型拡散層104と第2のN型拡散
層105との間隔d1は3μm、第1のN型拡散層10
7と第2のP型拡散層104との間隔d2は8μm、第
2のN型拡散層105と第1のP型拡散層106との間
隔d3は8μmとした。
【0008】周辺回路をCMOSで構成したDRAMの
場合、メモリセルアレーはN型ウェル102と同一工程
で形成する深いN型ウェル内にP型ウェル103と同様
のP型ウェルを形成し、そこにnMOSトランジスタ等
を形成する。周辺回路はN型ウェル102、P型ウェル
103とは別の工程で形成されるN型ウェルとP型ウェ
ルとにそれぞれpMOSトランジスタnMOSトランジ
スタを形成する。第1のN型拡散層107および第2の
N型拡散層105は、周辺回路のnMOSトランジスタ
のソース・ドレイン領域の高濃度のN型拡散層と同一工
程で形成し、同様に第1のP型拡散層106および第2
のP型拡散層104はpMOSトランジスタのソース・
ドレイン領域の高濃度のP型拡散層と同一工程で形成す
ることができる。従って、本実施例は深いウェル方式の
DRAMの入力保護素子として格別のウェル形成工程お
よび拡散層形成工程を必要としないで実現可能である。
【0009】入力端子111に接地端子に対して正極の
過大電圧がかかった場合は、P型ウェル103、N型ウ
ェル102、P型シリコン基板101および第1のN型
拡散層107で形成されるPNPN構造のサイリスタが
オン状態となり、接地端子へ抜ける。また、入力端子1
11に接地端子に対して負極の過大電圧がかかった場
合、第2のN型拡散層105、P型ウェル103、N型
ウェル102および第1のP型拡散層106で形成され
るNPNP構造のサイリスタがオン状態となり内部回路
に高い電圧がかかるのを防ぐ。
【0010】前述のPNPN構造のサイリスタのオン状
態電圧Vh1およびオン状態を維持するのに必要な電流
Ih1はこの実施例ではそれぞれ約5ボルト,約1mA
である。またNPNP構造のサイリスタのオン状態電圧
Vh2およびオン状態を維持するのに必要な電流Ih2
は、この実施例では約3ボルト,約1mAである。
【0011】Vh1,Ih1,Vh2,Ih2の値はサ
イリスタを構成する部分の濃度と寸法に依存する。すな
わち、これらは、第1のN型拡散層107とP型ウェル
103との間の距離d2および第1のP型拡散層106
と第2のN型拡散層105との間の距離d3によって調
節できる。正極の過大電圧の場合はd2を増加させるこ
とによってVh1,Ih1を高くでき、負極の過大電圧
の場合はd3を増加させることによって、Vh2,Ih
2を高くすることができる。また、寄生サイリスタがオ
ン状態に入るためのトリガー電圧(Vt)及びトリガー
電流(It)に関して述べると、負極の過大電圧が加わ
った場合でそのパルスが立上りの遅い通常のノイズの様
なものである場合、第2のN型拡散層105とP型ウェ
ル103の間の電位差がつきにくいため寄生サイリスタ
がオンしにくく、このときのVt、Itは、静電気放電
パルスの様な立上りの速いものである場合のトリガー電
圧及びトリガー電流に比べ高いような構造にもともとな
っているが、さらにトリガー電圧を高くするためにはd
1を縮め、d3の距離を広げればよい。正極の過大電圧
が加わった場合のVt、Itはd1を縮めd2を増加さ
せることによって上げることが出来る。
【0012】図2は本発明の第2の実施例を示す平面図
である。
【0013】この実施例は、P型ウェル203のうち、
P型ウェル203と対向して設けられた第1のP型拡散
層206のない側に、第3のN型拡散層212−1,2
12−2を設けてアルミニウム系合金膜配線210に接
続したものである。
【0014】第2のN型拡散層205とP型ウェル20
3との間に電位差がつきにくいので、立上りが遅い通常
のノイズの様なパルスに対してのVtのみを高くするこ
とができる。
【0015】図3は本発明の第3の実施例を示す平面図
である。
【0016】本実施例は第1のN型拡散層307および
第1のP型拡散層306のそれぞれの隣りにN型拡散層
307aおよびP型拡散層306aを設けて電源配線の
アルミニウム系合金膜配線313に接続したものであ
り、電源配線(313)に対して入力端子に過大電圧が
かかったばあいにも、内部回路を保護することができ
る。
【0017】
【発明の効果】以上説明した様に本発明は、入力保護素
子の構造を、PNPN構造のサイリスタ及びNPNP構
造のサイリスタが並列接続されたいわゆるDIAC素子
と同じものにすることにより、正極、負極両方の過大入
力に対しON状態すなわち低インピーダンスとすること
で内部回路に高い電圧がかかるのを防ぐ効果がある。ま
た、入力保護素子の重要なパラメータであるオン状態に
入るためのトリガー電圧(Vt)、及びトリガー電流
(It)、又、オン状態電圧(Vh)、及びオン状態を
維持するのに必要な電流(Ih)は製造工程を変えるこ
となく、パターンの横方向の距離を変化させることによ
り、制御可能である。つまり、本発明の入力保護素子の
効果は、正負どちらの静電パルスに対しても効率良く放
電させ、自身の電流耐量は高く、保護素子の特性はその
形成時のマスクパターンによってコントロール可能であ
り、さらに特別な製造工程を必要とせず、保護されるべ
き内部回路を形成する製造工程によって本素子を同時に
作りこむことが可能である点にある。また、本発明の入
力保護素子を形成するプロセスは、何ら特別なプロセス
を必要とせず、16M以上のDRAM等のディープウェ
ルを使用するCMOSプロセスによっても形成できるた
め、極めて広範囲な適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す半導体チップの平
面図(図1(a))および断面図(図1(b))であ
る。
【図2】本発明の第2の実施例を示す平面図である。
【図3】本発明の第3の実施例を示す平面図である。
【図4】従来例を示す半導体チップの平面図(図4
(a))および断面図(図4(b))である。
【符号の説明】
1,101 P型シリコン基板 102,202,302 N型ウェル 103,203,303 P型ウェル 104,204,304 第2のP型拡散層 105,205,305 第2のN型拡散層 106,206,306,306a 第1のP型拡散
層 107,207,307,307a 第1のN型拡散
層 8,108 絶縁膜 9,109,209,309 アルミニウム系合金膜
配線(接地配線) 10,110,210,310 アルミニウム系合金
膜配線(入力信号線) 11,111 入力端子 212−1,212−2 第3のN型拡散層 313 アルミニウム系合金膜配線(電源配線)
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/822 H01L 21/8238 H01L 27/04 H01L 27/092 H01L 29/78

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の表面部の第1導電型領域に
    選択的に形成された第2導電型ウェルおよび前記第2導
    電型ウェルにこれより浅く形成された第1導電型ウェル
    を有し、前記第2導電型ウェルのうち前記第1導電型ウ
    ェルの形成されていない表面部に形成された第1の第1
    導電型拡散層と、前記第1導電型領域に前記第2導電型
    ウェルの前記第1の第1導電型拡散層が形成されていな
    い側に対向して形成された第1の第2導電型拡散層と、
    前記第1導電型ウェルの表面部に所定距離はなれてそれ
    ぞれ形成された第2の第1導電型拡散層および第2の第
    2導電型拡散層と、前記第1の第1導電型拡散層および
    第1の第2導電型拡散層をそれぞれ固定電位供給端子へ
    接続する第1の配線手段と、前記第2の第1導電型拡散
    層および第2の第2導電型拡散層をそれぞれ入力端子お
    よび内部回路へ接続する第2の配線手段とを有すること
    を特徴とする半導体入力保護素子。
  2. 【請求項2】 第1導電型はP型であり、固定電位は接
    地電位である請求項1記載の半導体入力保護素子。
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