JPH09270493A - 能動素子保護構造およびその構造の形成方法 - Google Patents

能動素子保護構造およびその構造の形成方法

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JPH09270493A
JPH09270493A JP8289015A JP28901596A JPH09270493A JP H09270493 A JPH09270493 A JP H09270493A JP 8289015 A JP8289015 A JP 8289015A JP 28901596 A JP28901596 A JP 28901596A JP H09270493 A JPH09270493 A JP H09270493A
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Ze I Hyok
ヒョク・ゼ・イ
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、耐ESD特性を改善して、過剰電
圧による内部回路の破壊を防止するようにしたものであ
る。 【解決手段】 半導体素子のESD保護回路から約10
00μm半径以内に形成される、ESD保護回路および
内部回路の各能動素子のゲート絶縁膜の厚さを約100
0μm半径の外に形成される能動素子のゲート絶縁膜よ
り厚く形成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、半導体素子のES
D保護回路に関するものであって、特にESD特性を改
善して、内部回路の破壊を防止するようにしたESD保
護回路の構造および製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般的に、半導体装置において、ESD
保護回路は、約200〜2000Vの静電気によって内
部回路が破壊されることを防止するための保護回路であ
って、これはSCRを利用した方法と、フィールドトラ
ンジスタ、ダイオード、バイポラトランジスタ等を利用
した方法等を使用する。
【0003】どころが、半導体素子が高集積化されるこ
とによって、ESDのような高い電圧が印加される部分
(フィールドトランジスタ、パイポラトランジスタ等)
のゲート酸化膜の厚さが薄くなるので、ESD保護回路
に含まれた能動素子と、この能動素子に連結された内部
回路の能動素子は、内部回路の他の能動素子よりESD
特性がより悪くなる。
【0004】従来はこのようなESD特性を評価する方
法として、HBM法(人体モデル法)や、MM法(機械
モデル法)を利用した。最近生産している半導体素子に
おいては、同じチップ内では、同一の厚さのゲート酸化
膜を利用して内部回路を形成している。その1つの例と
して、64MDRAMの場合は、チップ全体に酸化膜の
厚さを約100Å程度に同一に使用している。
【0005】半導体素子が高集積化されることによっ
て、パッケージの大きさが増加し、酸化膜が薄くなっ
た。それに伴って、CDM(Charged Devi
ce Model)を利用して、ESDの特性を評価す
る技術が重要視されている。前記した2つの方法(HB
M、MM)では破壊される部分が主に接合縁であるが、
CDMによって破壊される部分は主に各能動素子のゲー
ト酸化膜である。このCDM方法によって加えるESD
パルスが最高電流まで到達するにかかる時間は、約1n
secであり、このときESD保護回路が動作するにか
かる時間も約1nsecである。従って、ESD保護回
路が動作する前に、ESDパルスがESD保護回路に含
まれた能動素子の酸化膜と、内部回路に連結された能動
素子の酸化膜を破壊することになる。
【0006】従って、半導体素子が高集積化することに
よって、ESD保護回路とこの保護回路に連結された能
動素子だけでなく、保護回路の回りの内部回路もESD
によって影響を受けることになる。図2は、ESD保護
回路から一定距離離れている部分に能動素子をレイアウ
トしてESD電圧の変化を示したものである。この図に
よると、能動素子がESD保護回路から約50μm、9
0μm、120μm、150μmと遠くなるにつれて、
ESD破壊電圧が増加することが分かる。ESD保護回
路から約150μm程度離れている能動素子のESD破
壊電圧は、約1500Vであって、2000Vに達して
いない。
【0007】その理由は、ESDによって発生した過剰
電荷(例えばホットキャリア)が、グラウンドへ完全に
抜け出ることができず、基板を通じてその周辺の能動素
子に影響を与えることになるので、ゲート酸化膜を破壊
したり、接合部分を破壊するためである。したがって、
ESD保護回路から約200〜300μm以内の能動素
子は、ESDの影響を受けてゲート酸化膜が破壊される
おそれが多い。
【0008】さらに、最近は半導体素子が高集積化され
ることによって、パッケージの密度を高めることができ
るLOC(Lead On Chip)形態、すなわち
図1のように、ESD保護回路が中央にレイアウトさ
れ、その両側に内部回路がレイアウトされる形態を利用
してパッケージを形成するが、それでは、パッケージ密
度は高めることができるが、ESD耐圧は悪くなる。
【0009】特に、半導体素子が高集積化されることに
よって、ゲート酸化膜の厚さはより薄くなるので、過剰
電荷によって内部回路を構成する能動素子のゲート酸化
膜に傷つけるようになる。それため従来は、上記のよう
にゲート酸化膜が破壊されることを防止するための方法
として、ESD保護回路の回りにガードリングを形成し
て、そのガードリングが過剰電荷を吸収する役割を行う
ようにする技術を提案した。
【0010】上記の従来の技術を添付図面を参照して簡
略に説明する。図3は、従来の半導体素子のESD保護
回路のレイアウト図であり、図4は、図3のIV−IV線に
沿ったESD保護回路の断面図である。上記図面による
と、従来のESD保護回路(150)は、高集積回路装
置の信号入力パッド(100)と内部回路(200)間
に形成される。信号入力パッド(100)は、内部回路
(200)の入力端子に連結され、この信号入力端子と
内部回路の入力端子の間には、抵抗(R1)(R2)が
連結される。抵抗(R1)は保護抵抗であり、半導体基
板の活性領域に形成される拡散層によって形成される。
抵抗(R2)は寄生抵抗であり、半導体基板上に形成さ
れた金属導線によって形成される。
【0011】保護回路(150)は、抵抗(R1)(R
2)の間に形成され、下記に言及する寄生パイポラトラ
ンジスタ等を含む。従来のESD保護回路は、P形の半
導体基板(101)に複数個のn+型不純物領域等(1
11)、(112)、(113)が隔離形成され、か
つ、高濃度のP+型不純物領域(115)が上記のn+
型不純物領域等を囲むように隔離形成されている。n+
型不純物領域(111)、(113)は、電源供給端子
(Vcc)または、接地端子(Vss)に連結され、残りの
n+型不純物領域(112)は入力パッド(100)に
抵抗を介して連結される。
【0012】上記の構成において、n+型不純物領域
(111)、(112)、(113)は、P+型半導体
基板(101)と連結され、多数個の寄生バイポラトラ
ンジスタ(114)を構成することになる。すなわち、
上記のn+型不純物領域(112)は、寄生パイポラト
ランジスタのコレクタ領域として使用し、残りのn+型
不純物領域(111)、(113)は、エミッタ領域と
して使用し、P+型半導体基板(101)をベース領域
として使用する。また、この基板の高濃度のn+型不純
物領域(115)から離れた部分に、ゲート酸化膜(2
09)とゲート電極(210)が形成され、上記のゲー
ト電極(210)の両側のP+型半導体基板(101)
にn+型不純物領域(207)、(208)が形成され
る。このn+型不純物領域(207)、(208)とゲ
ート酸化膜(209)およびゲート電極(210)は、
内部回路の能動素子のMOSトランジスタ(211)を
構成するようになる。
【0013】上記の構成からなる、従来のESD保護回
路においては、入力パッド(100)を通じて印加され
るESDによる過剰電圧が、寄生バイポラトランジスタ
(114)によって、装置の外側へ抜け出ることができ
ない場合は、高濃度のP+型不純物領域(115)に吸
収される。すなわち、ESDによって発生される過剰電
圧が入力パッド(100)内に印加される場合、寄生バ
イポラトランジスタ(114)によって、装置の外側へ
抜け出なかった電子等が、高濃度の不純物領域のP+型
不純物領域(115)内に存在する孔等によって捕獲さ
れる。
【0014】このように電子が(115)P+型不純物
領域(115)に捕獲、またはトラップされることによ
って、電子がP型半導体基板(101)側へ放電され
る。従って、P+型不純物領域(115)の回りの内部
回路を構成する能動素子等(例えばMOSトランジスタ
(211)等)が過剰電圧から保護される。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来のESD保護回路においては、下記のような問題点が
ある。まず、従来のESD保護回路は、CDMによるE
SDによって発生する約2000V以上の過剰電圧がパ
ッドを通じて印加される場合、過剰電圧がESD保護回
路が動作する前に、内部回路の能動素子に印加されて、
能動素子のゲート酸化膜が破壊される恐れがある。その
場合、結局内部回路を保護することができなくなる。
【0016】次は、上記のように過剰電圧がESD保護
回路が動作する前に内部回路に印加されないようにする
ため、従来のESD保護回路は、ESDパルスを遅延さ
せて、ESD保護回路が先に動作するようにした。その
遅延に多結晶シリコン抵抗を利用していたために、その
抵抗の通過によって、正常動作時の速度遅延の要因にな
っていた。そのため、高集積回路装置に使用するには適
合しない。本発明は、上記従来の問題点を解決するため
に案出したもので、CDMによるESD特性を改善し
て、内部回路の破壊を防止しようとした、半導体素子の
ESD保護回路を提供することがその目的である。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明は、過剰電圧を遮
断するESD保護回路から約1000μm半径以内に形
成されるESD保護回路および内部回路の各能動素子の
ゲート絶縁膜の厚さを上記約1000μm半径の外に形
成される能動素子のゲート絶縁膜より厚く形成したこと
を特徴とする。
【0018】また、パッドを通じて内部回路側に印加さ
れる過剰電圧から能動素子を保護する構造を形成する方
法は、半導体基板上に、フィールド領域と活性領域とを
形成し、過剰電圧を遮断するESD保護回路部と内部回
路部を区画し、そのESD保護回路から約1000μm
半径以内の半導体基板上の活性領域に、この領域内に形
成される能動素子のゲート絶縁膜を、上記約1000μ
m半径の外に形成される能動素子のゲート絶縁膜より厚
く形成することを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明を、添付図面を参照して詳
細に説明する。図5は、本発明によるESD保護回路が
連結された半導体装置のレイアウト図であり、図6は、
図5のESD保護回路を拡大して図示した回路構成図で
ある。上記図面によると、本発明によるESD保護回路
(400)は、半導体パッケージの両側にレイアウトさ
れた内部回路(500)の間にレイアウトされたパッド
(300)に接続され、パッド(300)を通じて印加
されるCDMによるESDによって発生する約2000
Vの過剰電圧から内部回路(500)を保護するように
構成される。ESD保護回路(400)は、抵抗(40
1)、(403)と、フィールドトランジスタ(40
2)および能動素子(404)から構成される。
【0020】図7は、本発明によるESD保護回路のレ
イアウト図であり、図8は本発明によるESD保護回路
の構造断面図である。本発明によるESD保護回路は、
上記の図7および図8のように、内部回路(500)と
信号入力パッド(300)の間に形成される。信号入力
パッド(300)は、内部回路(500)の入力端子に
連結され、その間には抵抗(R3)、(R4)が連結さ
れる。抵抗(R3)は保護抵抗であり、P型半導体基板
(401)に形成される拡散層、すなわち不純物領域に
形成される。抵抗(R4)は、寄生抵抗であり、P型半
導体基板(401)上に形成される金属配線に形成され
る。
【0021】フィールドトランジスタ(402)はP型
半導体基板(405)と、その基板(405)上の活性
領域に形成された、第1不純物領域(411)、(41
2)、(413)から構成される。能動素子(404)
は、P型半導体基板(405)に形成された第2不純物
領域等(414)、(415)と、ゲート絶縁膜(41
9)およびゲート電極(420)から構成される。
【0022】上記の構成からなるESD保護回路の製造
方法を以下に説明する。まず、P型半導体基板(40
5)上に、フィールド酸化工程によってフィールド酸化
領域(406)を形成する。次いで、上記のフィールド
酸化領域(406)から隔離されて形成された活性領域
にn+型不純物イオンを注入して、n+型不純物領域
(411)、(412)、(413)を形成する。この
とき、上記のn+型不純物領域(411)は電源供給端
子(Vcc)に連結され、n+型不純物領域(412)は
入力パッド(300)に連結され、n+型不純物領域
(413)は、接地端子(Vss)に連結される。
【0023】その後、入力保護回路(400)の能動素
子(404)を形成するため、P型半導体基板(40
5)の活性領域に酸化膜と金属層を蒸着し、フォトリソ
グラフィおよびフォトエッチング工程によって、金属層
および酸化膜を選択的に除去して、ゲート酸化膜(41
9)とゲート電極(420)を形成する。次いで、ゲー
ト電極(420)をマスクとして、基板(405)にイ
オン注入して、n+型不純物領域(414)、(41
5)を形成して能動素子(404)を完成する。このと
き、上記の能動素子(404)と、後記において説明す
る内部回路の能動素子のC−MOSトランジスタは同時
に形成する。上記のゲート電極(420)と、n+型不
純物領域(415)は接地端子(Vss)に連結され、n
+型不純物領域(414)は、入力パッド(300)に
接続されて内部回路に結ばれる。
【0024】次に、内部回路(500)の能動素子のC
−MOSトランジスタの製造方法を説明する。P型半導
体基板(405)上に、入力保護回路(400)の能動
素子(404)の形成と同時に、ゲート酸化膜(50
9)とゲート電極(510)を形成する。次いで、上記
のゲート電極(510)をマスクとして、上記のP型半
導体基板(405)にイオンを注入して、n+型不純物
領域(507)、(508)を形成して、n型MOSト
ランジスタを完成する。n+型不純物領域(507)
は、接地端子(Vss)に連結される。次いで、活性領域
のP型半導体基板(405)上に、n+型不純物イオン
を注入してn+型ウエル(511)を形成する。
【0025】その後、上記の入力保護回路(400)の
能動素子(404)および内部回路(500)のn型M
OSトランジスタのゲート絶縁膜の形成時と同一に、n
型ウエル(511)の上にゲート酸化膜(519)とゲ
ート電極(520)を形成する。次いで、ゲート電極
(520)をマスクとして、P型半導体基板(401)
にP+型不純物イオンを注入して、P+型不純物領域
(517)、(518)を形成することによって、P型
MOSトランジスタを完成する。P+型不純物領域(5
17)は、n型MOSトランジスタのn+型不純物領域
(508)に連結され、ゲート電極(520)は、n型
MOSトランジスタのゲート電極(510)と共に入力
パッド(300)側に連結される。また、上記のP型不
純物領域(518)は、電源供給端子(Vcc)に連結さ
れる。このようにして、内部回路(500)を構成する
能動素子中の一部であるC−MOSトランジスタを完成
する。
【0026】上記の構成による、本発明のESD保護回
路においては、入力保護回路(400)から、一定した
距離以内の能動素子すなわち、内部回路(500)を構
成するC−MOSトランジスタが、ESDによって発生
される過剰電圧によって破壊されるのを防止するため、
上記のESD保護回路(400)から約350μm半径
(r)以内に形成されるゲート酸化膜(すなわち、入力
保護回路の能動素子と内部回路の能動素子等のゲート酸
化膜)の厚さを、上記の約350μm半径(r)の外に
形成されるゲート酸化膜(すなわち、内部回路の他の能
動素子)の厚さより厚く形成する。この保護半径は、場
合に応じて、約1000μm以下において選択的に調節
することができる。
【0027】それによって、入力保護回路(400)か
ら約350μm半径(r)以内に形成される内部回路
(500)の能動素子を構成するゲート酸化膜(50
9)、(519)の厚さが、従来の技術に比して厚くな
るので、ESDによって発生した過剰電荷によって、能
動素子のゲート酸化膜が破壊される現象を防止すること
ができる。すなわち、ESDがパッド(300)に印加
されると、ESD保護回路(400)が動作してESD
エネルギー(電圧)を放出する。このとき、ESDエネ
ルギーの放出が遅れると、ESDによって発生された電
荷等が内部回路(500)の弱い部分、すなわちゲート
酸化膜(509)、(519)を破壊することになる。
しかし、本発明は、保護回路(400)から約350μ
m半径以内に形成されるゲート酸化膜(419)、(5
09)、(519)の厚さを厚くしているので、ゲート
酸化膜の破壊を防止することができる。
【0028】図9は、ESD保護回路(400)から約
350μm半径以内に形成されるゲート酸化膜(41
9)、(509)を厚く形成する工程を示したものであ
る。まず、図9aのように、フィールド酸化工程によっ
て、P型半導体基板(405)にフィールド酸化領域
(406)を形成する。次いで、P型半導体基板(40
5)上に、ESD保護回路(400)が形成される部分
と内部回路(500)が形成される部分を区画し、上記
のESD保護回路(400)から約350μm半径以内
にある内部回路(500)を含むP型半導体基板(40
5)上に感光膜(410)を塗布する。
【0029】次いで、図9bに示すように、感光膜(4
10)を露光および現像の工程によって、上記のESD
保護回路(400)から約350μm半径以内の部分を
区画する。その後、P型半導体基板(405)上に、上
記約350μm半径以内部分に形成される能動素子の酸
化膜を形成するため、上記約350μm半径の外に形成
されるゲート酸化膜より厚くするためにF、Clをイオ
ン注入する。
【0030】次いで、図9cのように、感光膜(410
a)を除去した後、P型半導体基板(405)に、酸化
膜を蒸着して、異なる厚さを有するゲート酸化膜(41
9)、(509)を形成する。その後、図9dに示すよ
うに、ゲート電極と不純物領域等を順に形成して、ES
D保護回路および内部回路の能動素子を完成する。
【0031】このようにして、ESD保護回路(40
0)から約350μm半径以内のP型半導体基板(40
5)上のゲート酸化膜(419)、(509)、(51
9)の厚さを上記約350μmの外に形成される能動素
子のゲート酸化膜より厚く形成することができる。
【0032】一方、内部回路の出力側の能動素子のドレ
ン側にも過多な電圧がかかることになると、過剰電荷
(例えば、ホットキャリア)が発生することになり、そ
のキャリアが酸化膜に加えられると、この酸化膜が破壊
されて素子の特性が悪くなる。従って、このような現象
からも内部回路、すなわち出力側の能動素子を保護する
必要がある。そのための、本発明の第2実施形態の出力
保護回路の構成を図10に示した。図11は、その出力
保護回路のレイアウト図であり、図12は本発明の第2
実施形態による出力保護回路の断面図である。
【0033】出力保護回路(600)は、プルアップト
ランジスタと、プルダウントランジスタから構成され、
プルアップトランジスタのソース領域側は、出力信号パ
ット(700)に連結され、ドレン領域側は、供給端子
(Vcc)または、接地端子(Vss)側へ連結される。す
なわち、上記の出力保護回路(600)は、図12のよ
うに、P型半導体基板(605)の活性領域に形成され
た、多数のゲート絶縁膜(609)、これらのゲート絶
縁膜(609)の上にそれぞれ形成されたゲート電極
(620)、これらのゲート電極(610)の両側に形
成された、多数のn+型の第5不純物領域(611)、
(612)から構成される。上記の第5不純物領域(6
11)、(612)中の一部(611)は、出力信号パ
ッド(700)側に連結され、残り(612)は、供給
端子(Vcc)または、接地端子(Vcc)に連結される。
【0034】上記構成の出力保護回路においても、入力
保護回路と同様に、上記の出力保護回路(700)から
約350μm半径以内の部分に形成される能動素子(す
なわち、上記出力保護回路の能動素子および内部回路の
一部の能動素子を含む)のゲート酸化膜の厚さを、上記
約350μm半径の外側部分に形成される能動素子のゲ
ート絶縁膜の厚さより厚く形成することによって、上記
出力側の能動素子に過剰電圧が印加されても、ゲート酸
化膜が破壊されることはないようにする。
【0035】このように、P型半導体基板上に形成され
るゲート酸化膜(すなわち、出力保護回路および内部回
路の一部能動素子の酸化膜を含む)の厚さを上記の出力
保護回路から約350μm半径の外側部分に形成される
他の能動素子のゲート酸化膜の厚さより厚く形成する方
法は、図9の図示のように、上記の本発明の第1実施形
態の入力保護回路の場合と同一の方法を使用する。
【0036】
【発明の効果】上記のように、本発明によるESD保護
回路においては、ESD保護回路から約350μm半径
以内に形成されるゲート絶縁膜(すなわち、ESD保護
回路の能動素子および内部回路の一部能動素子等を含
む)の厚さを厚く形成することによって、ESDによる
過剰電圧によって内部回路の絶縁膜が破壊されることを
防止することができる。また、本発明による出力保護回
路においては、従来のようにCDMによるESD特性を
改善するために使用される、多結晶シリコン抵抗の大き
さを減少させるか、使用しなくてもよいので、抵抗によ
る出力保護回路の動作速度の遅延の問題を無くすことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一般的な半導体集積回路のパッケージレイア
ウト図
【図2】 一般的な半導体素子のESD破壊電圧の特性
【図3】 従来の半導体素子のESD保護回路のレイア
ウト図
【図4】 図3のIV−IV線に沿った従来のESD保護回
路の断面図
【図5】 本発明のよる、半導体集積回路と連結される
ESD保護回路のレイアウト図
【図6】 本発明の第1実施形態によるESD保護回路
の構成図
【図7】 本発明の第1実施形態によるESD保護回路
のレイアウト図
【図8】 図7のVIII−VIII線に沿ったESD御補回路
の断面図
【図9】 本発明の第1実施形態によるESD保護回路
の製造工程図
【図10】 本発明の第2実施形態によるESD保護回
路の構成図
【図11】 本発明の第2実施形態によるESD保護回
路のレイアウト図
【図12】 本発明の第2実施形態によるESD保護回
路の断面図
【符号の説明】
300: 信号の入力パッド、 400: ESD保護
回路、 401、403: 抵抗、 402: フィー
ルドトランジスタ、 404: 能動素子、405:
P形の半導体基板、 406: フィールド領域、 4
11、412,413: 第1不純物領域、 414,
415: 第2不純物領域、 419,509,51
9: ゲートの絶縁膜、 420,510,520:
ゲート電極、 500: 内部回路、 507,50
8: 第3不純物領域、 511: N形ウエル、 5
17,518: 第4不純物領域。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 パッドを通じて内部回路側に印加される
    過剰電圧から能動素子を保護する構造において、 過剰電圧を遮断するESD保護回路から約1000μm
    半径以内に形成されるESD保護回路および内部回路の
    各能動素子のゲート絶縁膜の厚さを上記約1000μm
    半径の外に形成される能動素子のゲート絶縁膜より厚く
    形成したことを特徴とするESD保護回路の構造。
  2. 【請求項2】 パッドを通じて内部回路側に印加される
    過剰電圧から能動素子を保護する構造を形成する方法に
    おいて、 半導体基板上に、フィールド領域と活性領域とを形成
    し、 過剰電圧を遮断するESD保護回路部と内部回路部を区
    画し、 そのESD保護回路から約1000μm半径以内の半導
    体基板上の活性領域に、この領域内に形成される能動素
    子のゲート絶縁膜を、上記約1000μm半径の外に形
    成される能動素子のゲート絶縁膜より厚く形成すること
    を特徴とする能動素子を保護する構造を形成する方法。
JP8289015A 1996-04-03 1996-10-14 能動素子保護構造およびその構造の形成方法 Pending JPH09270493A (ja)

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