JP2006245596A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置において、製造工程を増加させることなく、保護回路が占める面積を縮小する。
【解決手段】電極パッド7の形成領域において、P型半導体基板3の表面にフィールド酸化膜21によって互いに分離されてN+拡散領域19a,19b,19cが形成されている。フィールド酸化膜21上及び絶縁膜23上に下層メタル配線層25a,25b,25cが形成されている。さらにその上に層間絶縁層27を介してVccライン13a、GNDライン13b及びメタル配線層13cが形成されている。Vccライン13a及びGNDライン13bは複数の電極パッド7の形成領域にまたがって連続して形成されている。さらにその上に層間絶縁膜29を介して電極パッド7が形成されている。Vccライン13aとN+拡散領域19a、GNDライン13bとN+拡散領域19b、及び電極パッド7とN+拡散領域19cはそれぞれ電気的に接続されている。
【選択図】 図1
【解決手段】電極パッド7の形成領域において、P型半導体基板3の表面にフィールド酸化膜21によって互いに分離されてN+拡散領域19a,19b,19cが形成されている。フィールド酸化膜21上及び絶縁膜23上に下層メタル配線層25a,25b,25cが形成されている。さらにその上に層間絶縁層27を介してVccライン13a、GNDライン13b及びメタル配線層13cが形成されている。Vccライン13a及びGNDライン13bは複数の電極パッド7の形成領域にまたがって連続して形成されている。さらにその上に層間絶縁膜29を介して電極パッド7が形成されている。Vccライン13aとN+拡散領域19a、GNDライン13bとN+拡散領域19b、及び電極パッド7とN+拡散領域19cはそれぞれ電気的に接続されている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、電極パッドからの過大な入力電圧による内部回路の破壊を防止するための保護回路を備えた半導体装置に関するものである。
図10は、従来の半導体装置を示す平面図であり、(A)は全体を示し、(B)は電源パッド及びGNDパッドの周辺の一部を拡大して示す。
例えばP型半導体基板3からなる半導体装置46の中央部に内部コア領域5が形成されている。内部コア領域5には複数の半導体素子により内部回路が形成されている。
半導体装置46の周辺部に複数の電極パッド7が形成されている。内部コア領域5と電極パッド7の間の半導体基板3上にI/Oセル47が電極パッド7ごとに設けられている。
例えばP型半導体基板3からなる半導体装置46の中央部に内部コア領域5が形成されている。内部コア領域5には複数の半導体素子により内部回路が形成されている。
半導体装置46の周辺部に複数の電極パッド7が形成されている。内部コア領域5と電極パッド7の間の半導体基板3上にI/Oセル47が電極パッド7ごとに設けられている。
内部コア領域5とI/Oセル47の間に、内部コア領域5を囲むように連続して、メタル配線層からなる内部コア領域用Vccライン11a及び内部コア領域用GND(グラウンド)ライン11bが形成されている。複数のI/Oセル47上にまたがって連続して、メタル配線層からなるI/Oセル用Vccライン49a及びI/Oセル用GNDライン49bが形成されている。
内部コア領域用Vccライン11aは接続孔11cを介して、I/Oセル用Vccライン49aは接続孔49cを介して、電源用電極パッド7aに電気的に接続されたメタル配線層51aに電気的に接続されている。内部コア領域用GNDライン11bは接続孔11dを介して、I/Oセル用GNDライン49b接続孔は接続孔49dを介して、GND用電極パッド7bに電気的に接続されたメタル配線層51bに電気的に接続されている。内部コア領域用Vccライン11aは接続孔11eを介して、内部コア領域5側に延びるメタル配線層53aに電気的に接続されている。内部コア領域用GNDライン11bは接続孔11fを介して、内部コア領域5側に延びるメタル配線層53bに電気的に接続されている。
図11は電極パッド7及びI/Oセル47の構成の一例を示す平面図である。図12はその等価回路である。
各I/Oセル47は保護回路55と入力バッファ17により構成されている。保護回路55は、ダイオード接続されたPチャネル型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、以下MOSトランジスタと称す)Tr5と、ダイオード接続されたNチャネル型MOSトランジスタTr6と、抵抗Rにより構成されている。
各I/Oセル47は保護回路55と入力バッファ17により構成されている。保護回路55は、ダイオード接続されたPチャネル型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、以下MOSトランジスタと称す)Tr5と、ダイオード接続されたNチャネル型MOSトランジスタTr6と、抵抗Rにより構成されている。
MOSトランジスタTr5はP型半導体基板に形成されたN−ウエル(N−WELL)のPch領域に形成され、MOSトランジスタTr5のソース及びドレインはN−ウエル内に形成されたP+拡散層(P+)により構成され、ゲート電極はポリシリコンゲート電極55により構成される。MOSトランジスタTr5を形成するために必要な面積は1800μm2程度である。
MOSトランジスタTr6はP型半導体基板のNch領域に形成され、MOSトランジスタTr6のソース及びドレインはP型半導体基板に形成されたN+拡散層(N+)により構成され、ゲート電極はポリシリコンゲート電極57により構成される。MOSトランジスタTr6を形成するために必要な面積は1000μm2程度である。
MOSトランジスタTr6はP型半導体基板のNch領域に形成され、MOSトランジスタTr6のソース及びドレインはP型半導体基板に形成されたN+拡散層(N+)により構成され、ゲート電極はポリシリコンゲート電極57により構成される。MOSトランジスタTr6を形成するために必要な面積は1000μm2程度である。
MOSトランジスタTr5のポリシリコンゲート電極55及びソースは電源Vccに接続されている。MOSトランジスタTr5のドレインとMOSトランジスタTr6のドレインは互いに結線されて電極パッド7に接続されている。MOSトランジスタTr6のポリシリコンゲート電極57及びソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタTr5のドレインとMOSトランジスタTr6のドレインの接続点には抵抗Rの一端が接続されている。
入力バッファ17はPチャネル型MOSトランジスタTr3とNチャネル型MOSトランジスタTr4からなるインバータ回路により構成される。
MOSトランジスタTr3はP型半導体基板に形成されたN−ウエル(N−WELL)のPch領域に形成され、MOSトランジスタTr3のソース及びドレインはN−ウエル内に形成されたP+拡散層(P+)により構成され、ゲート電極はポリシリコンゲート電極59により構成される。MOSトランジスタTr4はP型半導体基板のNch領域に形成され、MOSトランジスタTr4のソース及びドレインはP型半導体基板に形成されたN+拡散層(N+)により構成され、ゲート電極はポリシリコンゲート電極61により構成される。
MOSトランジスタTr3はP型半導体基板に形成されたN−ウエル(N−WELL)のPch領域に形成され、MOSトランジスタTr3のソース及びドレインはN−ウエル内に形成されたP+拡散層(P+)により構成され、ゲート電極はポリシリコンゲート電極59により構成される。MOSトランジスタTr4はP型半導体基板のNch領域に形成され、MOSトランジスタTr4のソース及びドレインはP型半導体基板に形成されたN+拡散層(N+)により構成され、ゲート電極はポリシリコンゲート電極61により構成される。
MOSトランジスタTr3のソースは電源Vccに接続されている。MOSトランジスタTr4のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタTr3ドレインとMOSトランジスタTr4のドレインは互いに結線されて内部コア領域5に導かれている。MOSトランジスタTr3のポリシリコンゲート電極59とMOSトランジスタTr4のポリシリコンゲート電極61は互いに結線されて抵抗Rの他端に接続されている。
図10から図12に示したように、従来、電極パッド7の形成領域の半導体基板3には何も回路を形成していなかった。これは半導体装置の組立工程において、電極パッド7と外部の端子をボンディングワイヤーを介して電気的に接続するワイヤーボンディングの際に、電極パッド7を構成するメタル配線層の突き抜けなどが起こることがあったためである。その対策として電極パッド7の形成領域の半導体基板3にウエルなどが形成されていた。
近年の微細化に伴い、半導体製品のコストを下げるためのダウンサイジング(シュリンク化)が進んでいる。
一方、I/Oセルに関しては、電極パッドからの過大な入力電圧による内部回路の破壊を防止するために保護回路が設けられていることが一般的であるが、微細化によりMOSトランジスタの耐圧は下がる一方であり、保護回路の占める面積を小さくすることができないために、シュリンク化の妨げになっている。
一方、I/Oセルに関しては、電極パッドからの過大な入力電圧による内部回路の破壊を防止するために保護回路が設けられていることが一般的であるが、微細化によりMOSトランジスタの耐圧は下がる一方であり、保護回路の占める面積を小さくすることができないために、シュリンク化の妨げになっている。
また、微細化に伴い、内部コア領域が小さくなり、I/Oセルの半導体装置に占める割合が増加し、シュリンク化を進めるにあたってはI/Oセルが半導体装置に占める面積を小さくすることが急務になってきた。また、図11に示したように、電極パッド7の形成領域が占める割合が高い。
そこで本発明は、半導体装置の面積を縮小することができる半導体装置を提供することを目的とするものである。
そこで本発明は、半導体装置の面積を縮小することができる半導体装置を提供することを目的とするものである。
本発明にかかる半導体装置は、外部に電気的に接続するための複数の電極パッドが配置され、前記電極パッドごとに保護回路を備えたものであって、電源ライン及びGNDラインとして、内部コア領域用電源ライン及び内部コア領域用GNDラインとは別にI/Oセル用電源ライン及びI/Oセル用GNDラインを備え、I/Oセル用電源ライン及びI/Oセル用GNDラインは電極パッド形成領域にまたがって連続して形成されていることを特徴とする。
I/Oセル用電源ライン及びI/Oセル用GNDラインはメタル配線層又はポリシリコン配線層により構成されたものとすることができる。
また、半導体基板と電極パッドとの間の層に5層以上のメタル配線層が形成されていてもよい。
本明細書において、第1導電型はP型又はN型の導電型を意味し、第2導電型は第1導電型とは反対のN型又はP型を意味する。また、電源電位の語は、例えばVDDやVccなどの高電位側電位と、VSSやGNDなどの低電位側電位の両方を含む。また、MOSトランジスタの語はフィールドトランジスタを含む。
また、半導体基板と電極パッドとの間の層に5層以上のメタル配線層が形成されていてもよい。
本明細書において、第1導電型はP型又はN型の導電型を意味し、第2導電型は第1導電型とは反対のN型又はP型を意味する。また、電源電位の語は、例えばVDDやVccなどの高電位側電位と、VSSやGNDなどの低電位側電位の両方を含む。また、MOSトランジスタの語はフィールドトランジスタを含む。
本発明にかかる半導体装置では、従来、電極パッド形成領域とは異なる領域に形成されていたI/Oセル用電源ライン及びI/Oセル用GNDラインを電極パッド形成領域にまたがって連続して形成したので、半導体装置の面積を縮小することができる。
I/Oセル用電源ライン及びI/Oセル用GNDラインとして、メタル配線層又はポリシリコン配線層を用いるようにすれば、複数の電極パッド形成領域にまたがって連続してI/Oセル用電源ライン及びI/Oセル用GNDラインを形成することができる。
また、半導体基板と電極パッドとの間の層に5層以上のメタル配線層が形成されているようにすれば、保護回路についてワイヤーボンディングに起因する悪影響を低減することができる。
図1は、半導体装置の一実施例の保護回路周辺部を示す図であり、(A)は断面図、(B)は(A)のA−A位置での平面図、(C)は(A)のB−B位置での平面図である。(A)は(B)及び(C)のC−C位置での断面図である。図2はこの実施例を示す平面図であり、(A)は全体を示し、(B)は(A)の円で囲まれた部分を拡大して示している。
例えばP型半導体基板3からなる半導体装置1の中央部に内部コア領域5が形成されている。内部コア領域5には複数の半導体素子により内部回路が形成されている。
半導体装置1の周辺部に複数の電極パッド7が形成されている。電極パッド7の形成領域を含む半導体基板3上にI/Oセル9が電極パッド7ごとに設けられている。
半導体装置1の周辺部に複数の電極パッド7が形成されている。電極パッド7の形成領域を含む半導体基板3上にI/Oセル9が電極パッド7ごとに設けられている。
内部コア領域5とI/Oセル9の間に、内部コア領域5を囲むように連続して、メタル配線層からなる内部コア領域用Vccライン11a及び内部コア領域用GNDライン11bが形成されている。複数の電極パッド7の形成領域にまたがって連続して、メタル配線層からなるI/Oセル用Vccライン13a及びI/Oセル用GNDライン13bが形成されている。ここで、Vccは電源電位の高電位側電位であり、GNDは電源電位の低電位側電位である。
内部コア領域用Vccライン11a及びI/Oセル用Vccライン13aは電極パッド7よりも下層のメタル配線により構成されており、電極パッド7と同じ層に形成されたメタル配線層(図示は省略)を介して電源用の電極パッド7に電気的に接続されている。
内部コア領域用GNDライン11b及びI/Oセル用GNDライン13bは電極パッド7よりも下層のメタル配線により構成されており、電極パッド7と同じ層に形成されたメタル配線層(図示は省略)を介してGND用の電極パッド7に電気的に接続されている。
内部コア領域用GNDライン11b及びI/Oセル用GNDライン13bは電極パッド7よりも下層のメタル配線により構成されており、電極パッド7と同じ層に形成されたメタル配線層(図示は省略)を介してGND用の電極パッド7に電気的に接続されている。
図3は電極パッド7及びI/Oセル9の構成の一例を示す等価回路である。
各I/Oセル9は保護回路15と入力バッファ17により構成されている。保護回路15は、Nチャネル型フィールドトランジスタTr1と、Nチャネル型フィールドトランジスタTr2と、拡散層からなる抵抗Rにより構成されている。ここでは抵抗Rを拡散層により構成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポリシリコン膜又は金属薄膜からなる抵抗であってもよい。
各I/Oセル9は保護回路15と入力バッファ17により構成されている。保護回路15は、Nチャネル型フィールドトランジスタTr1と、Nチャネル型フィールドトランジスタTr2と、拡散層からなる抵抗Rにより構成されている。ここでは抵抗Rを拡散層により構成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポリシリコン膜又は金属薄膜からなる抵抗であってもよい。
フィールドトランジスタTr1のドレインは電源Vccに接続されている。フィールドトランジスタTr1のソースとフィールドトランジスタTr2のドレインは互いに結線されて電極パッド7に接続されている。フィールドトランジスタTr1のゲート電極とフィールドトランジスタTr2のゲート電極は互いに結線されて電極パッド7に接続されている。フィールドトランジスタTr1のソースとフィールドトランジスタTr2のドレインの接続点には抵抗Rの一端が接続されている。
入力バッファ17はPチャネル型MOSトランジスタTr3とNチャネル型MOSトランジスタTr4からなるインバータ回路により構成される。MOSトランジスタTr3のソースは電源Vccに接続されている。MOSトランジスタTr4のソースはGNDに接続されている。MOSトランジスタTr3ドレインとMOSトランジスタTr4のドレインは互いに結線されて内部コア領域5に導かれている。MOSトランジスタTr3のゲート電極とMOSトランジスタTr4のゲート電極は互いに結線されて抵抗Rの他端に接続されている。
MOSトランジスタTr3,Tr4及び拡散抵抗Rは、図示は省略するが、図2(B)に示したI/Oセル9の形成領域の電極パッド7と内部コア領域用Vccライン11aの間のP型半導体基板3上に形成されている。
図1を参照して保護回路15の構成について説明する。図1では、抵抗Rの図示は省略している。
P型半導体基板(P−基板)3の表面にN+拡散領域19a,19b,19cが形成されている。N+拡散領域19a,19b,19cはフィールド酸化膜21によって互いに分離されている。N+拡散領域19aはN+拡散領域19cと間隔をもって形成されている。N+拡散領域19bはN+拡散領域19cに対してN+拡散領域19aとは反対側にN+拡散領域19cと間隔をもって形成されている。ここで、N+拡散領域19aは本発明の半導体装置の保護回路を構成する第2拡散領域を構成し、N+拡散領域19bは第3拡散領域を構成し、N+拡散領域19cは第1拡散領域を構成する。
P型半導体基板(P−基板)3の表面にN+拡散領域19a,19b,19cが形成されている。N+拡散領域19a,19b,19cはフィールド酸化膜21によって互いに分離されている。N+拡散領域19aはN+拡散領域19cと間隔をもって形成されている。N+拡散領域19bはN+拡散領域19cに対してN+拡散領域19aとは反対側にN+拡散領域19cと間隔をもって形成されている。ここで、N+拡散領域19aは本発明の半導体装置の保護回路を構成する第2拡散領域を構成し、N+拡散領域19bは第3拡散領域を構成し、N+拡散領域19cは第1拡散領域を構成する。
N+拡散領域19aは図3のフィールドトランジスタTr1のドレインに相当し、N+拡散領域19bは図3のフィールドトランジスタTr2のソースに相当し、N+拡散領域19cは図3のフィールドトランジスタTr1のソース及びフィールドトランジスタTr2のドレインに相当する。
N+拡散領域19a,19b,19cの表面に絶縁膜23がそれぞれ形成されている。フィールド酸化膜21上及び絶縁膜23上に下層メタル配線層25a,25b,25cが互いに分離されて形成されている。下層メタル配線層25aは絶縁膜23に形成された接続孔を介してN+拡散領域19aと電気的に接続されている。下層メタル配線層25bは絶縁膜23に形成された接続孔を介してN+拡散領域19bと電気的に接続されている。下層メタル配線層25cは絶縁膜23に形成された接続孔を介してN+拡散領域19cと電気的に接続されている。下層メタル配線層25cは、N+拡散領域19aと19cの間のフィールド酸化膜21上からN+拡散領域19bと19cの間のフィールド酸化膜21上にまたがって形成されている。メタル配線層25cは図3のフィールドトランジスタTr1及びTr2のゲート電極に相当する。
フィールド酸化膜21上、絶縁膜23上及び下層メタル配線層25a,25b,25c上に層間絶縁層27が形成され、さらにその上にメタル配線層からなるI/Oセル用Vccライン13a、I/Oセル用GNDライン13b及びメタル配線層13cが形成されている。I/Oセル用Vccライン13a及びI/Oセル用GNDライン13bは、図2に示すように、複数の電極パッド7の形成領域にまたがって連続して形成されている。
層間絶縁層27には、下層メタル配線層25aとI/Oセル用Vccライン13aを電気的に接続するための接続孔、下層メタル配線層25bとI/Oセル用GNDライン13bを電気的に接続するための接続孔、及び下層メタル配線層25cとメタル配線層13cを電気的に接続するための接続孔が形成されている。
層間絶縁層27上、I/Oセル用Vccライン13a上、I/Oセル用GNDライン13b上及びメタル配線層13c上に層間絶縁層29が形成され、さらにその上にメタル配線層からなる電極パッド7が形成されている。層間絶縁層29上及び電極パッド7上にパッシベーション膜31が形成されている。パッシベーション膜31には電極パッド7上にパッド開口部が形成されている。層間絶縁層29には、メタル配線層13cと電極パッド7を電気的に接続するための接続孔が形成されている。
半導体装置1上のいずれかの電極パッド7は、図4(A)に示すように、Vcc用電極パッド7aとして用いられる。Vcc用電極パッド7aの形成領域においては、層間絶縁膜29に、Vcc用電極パッド7aとI/Oセル用Vccライン13aを電気的に接続するための接続孔が形成されている。
また、Vcc用電極パッド7aとは異なる半導体装置1上のいずれかの電極パッド7は、図4(A)に示すように、GND用電極パッド7bとして用いられる。GND用電極パッド7bの形成領域においては、層間絶縁膜29に、GND用電極パッド7bとI/Oセル用GNDライン13bを電気的に接続するための接続孔が形成されている。
表1において、「サージ印加電圧」は電極パッド7に印加される過大な入力電圧を意味する。一般的にサージ試験はHBM(Human Body Model)と呼ばれる方法で試験されており、その際に印加される電圧としては表1のようなものが用いられる。
電源Vccに対して+2kV(キロボルト)の電圧が電極パッド7に印加された場合、フィールドトランジスタTr1がオンして、オン電流によりサージ印加電圧が電源Vccに引き抜かれる(表1中の(1)参照)。
電源Vccに対して−2kVの電圧が電極パッド7に印加された場合、フィールドトランジスタTr1にパンチスルー電流が流れて、サージ印加電圧が電源Vccに引き抜かれる(表1中の(2)参照)。
電源Vccに対して−2kVの電圧が電極パッド7に印加された場合、フィールドトランジスタTr1にパンチスルー電流が流れて、サージ印加電圧が電源Vccに引き抜かれる(表1中の(2)参照)。
GNDに対して+2kVの電圧が電極パッド7に印加された場合、フィールドトランジスタTr2がオンして、オン電流によりサージ印加電圧がGNDに引き抜かれる(表1中の(1)参照)。
GNDに対して−2kVの電圧が電極パッド7に印加された場合、フィールドトランジスタTr2にパンチスルー電流が流れて、サージ印加電圧がGNDに引き抜かれる(表1中の(2)参照)。
このようにして、電極パッド7に過大な入力電圧が印加されても入力バッファ17を構成するMOSトランジスタTr3,Tr4を保護することができる。
GNDに対して−2kVの電圧が電極パッド7に印加された場合、フィールドトランジスタTr2にパンチスルー電流が流れて、サージ印加電圧がGNDに引き抜かれる(表1中の(2)参照)。
このようにして、電極パッド7に過大な入力電圧が印加されても入力バッファ17を構成するMOSトランジスタTr3,Tr4を保護することができる。
この実施例では、保護回路15を構成するフィールドトランジスタTr1及びTr2を電極パッド7の形成領域内に形成しているので、半導体装置1の面積を縮小することができる。さらに、I/Oセル用Vccライン13a及びI/Oセル用GNDライン13bを電極パッド7の形成領域内に形成しているので、半導体装置1の面積を縮小することができる。
なお、電極パッド7の形成領域において、組立工程におけるワイヤーボンディングのダメージはゼロというわけではないので、内部コア領域5を構成する半導体素子を電極パッド7の形成領域に配置するには、そのダメージによる特性の変化が無視できないため、基本特性をもとにシミュレーションして設計している半導体素子を配置するわけにはいかない。しかし、保護回路に関しては、通常シミュレーションすることはなく、その機能さえ働けばよいものであるため、通常微妙な設計は必要とされない。したがって、保護回路15を構成するフィールドトランジスタTr1及びTr2を電極パッド7の形成領域に形成しても問題はない。
この実施例は、図1(A)に示したように、3層メタル配線構造であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、1層メタル配線構造、2層メタル配線構造又は4層以上のメタル配線構造の半導体装置に適用することができる。ただし、1層メタル配線構造の場合は、電源ライン及びGNDラインは電極パッド形成領域とは異なる領域に形成される。
デザインルールがハーフミクロンあたりでは、図1(A)に示したような3層メタル配線構造が主流であった。図1(A)において、例えば電極パッド7の形成領域における、下層メタル配線層25a,25b,25c、I/Oセル用Vccライン13a、I/Oセル用GNDライン13b、メタル配線層13c及び電極パッド7の膜厚は700nm(ナノメートル)程度であり、層間絶縁層27,29の膜厚は800nm程度である。したがって、3層メタル配線構造では、フィールド酸化膜21表面から電極パッド7表面までの膜厚は3700nm程度である。
近年、デザインルールはクオーターミクロン又はサブクオーターミクロンになりつつある。これらのデザインルールを用いた半導体装置において、例えば6層メタル配線構造が用いられる。
図5は6層メタル配線構造に適用した実施例の保護回路を示す断面図である。図1と同じ機能を果たす部分には同じ符号を付し、それらの部分の詳細な説明は省略する。
P型半導体基板3の表面に、フィールド酸化膜21によって分離されて、N+拡散領域19a,19b,19cが形成されている。N+拡散領域19a,19b,19cの表面に絶縁膜23がそれぞれ形成されている。フィールド酸化膜21上及び絶縁膜23上に下層メタル配線層25a,25b,25cが互いに分離されて形成されている。下層メタル配線層25aとN+拡散領域19a、下層メタル配線層25bとN+拡散領域19b、及び下層メタル配線層25cとN+拡散領域19cは絶縁膜23に形成された接続孔を介してそれぞれ電気的に接続されている。
P型半導体基板3の表面に、フィールド酸化膜21によって分離されて、N+拡散領域19a,19b,19cが形成されている。N+拡散領域19a,19b,19cの表面に絶縁膜23がそれぞれ形成されている。フィールド酸化膜21上及び絶縁膜23上に下層メタル配線層25a,25b,25cが互いに分離されて形成されている。下層メタル配線層25aとN+拡散領域19a、下層メタル配線層25bとN+拡散領域19b、及び下層メタル配線層25cとN+拡散領域19cは絶縁膜23に形成された接続孔を介してそれぞれ電気的に接続されている。
フィールド酸化膜21上、絶縁膜23上及び下層メタル配線層25a,25b,25c上に層間絶縁層27が形成され、さらにその上に互いに分離された第2メタル配線層33a,33b,33c、層間絶縁膜35、互いに分離された第3メタル配線層37a,37b,37c、層間絶縁膜38、互いに分離された第4メタル配線層39a,39b,39cが順に積層されている。層間絶縁層27,35,38には所定の位置に接続孔が形成されており、下層メタル配線層25a、第2メタル配線層33a、第3メタル配線層37a及び第4メタル配線層39aは電気的に接続され、下層メタル配線層25b、第2メタル配線層33b、第3メタル配線層37b及び第4メタル配線層39bは電気的に接続され、下層メタル配線層25c、第2メタル配線層33c、第3メタル配線層37c及び第4メタル配線層39cは電気的に接続されている。
層間絶縁層38上及び第4メタル配線層39a,39b,39c上に層間絶縁層40が形成されており、さらにその上に第5メタル配線層からなるI/Oセル用Vccライン13a、I/Oセル用GNDライン13b及びメタル配線層13cが形成されている。I/Oセル用Vccライン13a及びI/Oセル用GNDライン13bは、図2に示した実施例と同様に、複数の電極パッド7の形成領域にまたがって連続して形成されている。層間絶縁層40上、I/Oセル用Vccライン13a上、I/Oセル用GNDライン13b上及びメタル配線層13c上に層間絶縁層29が形成され、さらにその上にトップメタル配線層からなる電極パッド7が形成されている。層間絶縁層29上及び電極パッド7上にパッシベーション膜31が形成されている。パッシベーション膜31には電極パッド7上にパッド開口部が形成されている。
この実施例の電極パッド7の形成領域において、下層メタル配線層25a,25b,25c、第2メタル配線層33a,33b,33c、第3メタル配線層37a,37b,37c、第4メタル配線層39a,39b,39c、I/Oセル用Vccライン13a、I/Oセル用GNDライン13b、メタル配線層13c及び電極パッド7の膜厚は700nm程度である。メタル層間の絶縁層27,35,38,40,29の膜厚は700nm程度である。したがって、フィールド酸化膜21表面から電極パッド7表面までの膜厚は7700nm程度である。
このように、6層メタル配線構造では、3層メタル配線構造に比べて、電極パッド7の形成領域における膜厚が厚くなるので、ワイヤーボンディング時に半導体基板3に加えられるダメージを低減することができ、保護回路を構成するフィールドトランジスタの損傷を防止することができる。
上記の実施例では、保護回路の保護素子としてフィールドトランジスタを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、保護回路の保護素子としてポリシリコンゲートをもつMOSトランジスタを用いてもよい。
図6は、保護回路の保護素子としてポリシリコンゲートをもつMOSトランジスタを用いた実施例の保護回路周辺部を示す図であり、(A)は断面図、(B)は(A)のA−A位置での平面図、(C)は(A)のB−B位置での平面図である。図1と同じ機能を果たす部分には同じ符号を付し、それらの部分の詳細な説明は省略する。この実施例のI/Oセルの等価回路の一例を図7に示す。この実施例の平面図は図2と同じである。
P型半導体基板3の表面にN+拡散領域19a,19b,19cが形成されている。N+拡散領域19a,19b,19cはフィールド酸化膜41に囲まれた領域に形成されている。N+拡散領域19aはN+拡散領域19cと間隔をもって形成され、N+拡散領域19bはN+拡散領域19cに対してN+拡散領域19aとは反対側にN+拡散領域19cと間隔をもって形成されている。
N+拡散領域19a,19b,19cの表面を含む、フィールド酸化膜41で囲まれた半導体基板3の表面に絶縁膜43が形成されている。N+拡散領域19aと19cの間の絶縁膜43上にポリシリコンゲート22aが形成されている。N+拡散領域19bと19cの間の絶縁膜43上にポリシリコンゲート22bが形成されている。ポリシリコンゲート22a,22bの表面には絶縁膜が形成されている。
絶縁膜43上及びポリシリコンゲート22a,22b上に下層メタル配線層26a,26b,26cが互いに分離されて形成されている。下層メタル配線層26bはポリシリコンゲート22b上からN+拡散領域19b上にまたがって形成されている。下層メタル配線層26cはポリシリコンゲート22a上からN+拡散領域19c上にまたがって形成されている。
下層メタル配線層26aは絶縁膜43に形成された接続孔を介してN+拡散領域19aと電気的に接続されている。下層メタル配線層26bは、絶縁膜43に形成された接続孔を介してN+拡散領域19bと電気的に接続され、ポリシリコンゲート22bにも接続孔を介して電気的に接続されている。下層メタル配線層26cは、絶縁膜43に形成された接続孔を介してN+拡散領域19cと電気的に接続され、ポリシリコンゲート22aにも接続孔を介して電気的に接続されている。
フィールド酸化膜21上、絶縁膜43上、ポリシリコンゲート22a,22b上及び下層メタル配線層26a,26b,26c上に層間絶縁層27が形成され、さらにその上にI/Oセル用Vccライン13a、I/Oセル用GNDライン13b及びメタル配線層13cが形成されている。I/Oセル用Vccライン13a及びI/Oセル用GNDライン13bは、図2に示すように、複数の電極パッド7の形成領域にまたがって連続して形成されている。
層間絶縁層27上、I/Oセル用Vccライン13a上、I/Oセル用GNDライン13b上及びメタル配線層13c上に層間絶縁層29が形成され、さらにその上に電極パッド7及びパッシベーション膜31が形成されている。
層間絶縁層27上、I/Oセル用Vccライン13a上、I/Oセル用GNDライン13b上及びメタル配線層13c上に層間絶縁層29が形成され、さらにその上に電極パッド7及びパッシベーション膜31が形成されている。
この実施例において、電極パッド7に過大な入力電圧が印加された場合、N+拡散領域19a,19c及びポリシリコンゲート22aにより構成されるMOSトランジスタ又はN+拡散領域19b,19c及びポリシリコンゲート22bにより構成されるMOSトランジスタのオン電流又はパンチスルー電流により、電極パッド7に過大な入力電圧が電源Vcc又はGNDに引き抜かれる。
図8は、保護回路の保護素子としてフィールドトランジスタを用いた他の実施例の保護回路周辺部を示す図であり、(A)は断面図、(B)は(A)のA−A位置での平面図、(C)は(A)のB−B位置での平面図である。図1と同じ機能を果たす部分には同じ符号を付し、それらの部分の詳細な説明は省略する。この実施例のI/Oセルの等価回路の一例を図9に示す。この実施例の平面図は図2と同じである。
P型半導体基板3の表面にN+拡散領域19a,19b,19cが形成されている。N+拡散領域19a,19b,19cはフィールド酸化膜21により互いに分離されている。N+拡散領域19aはN+拡散領域19cと間隔をもって形成され、N+拡散領域19bはN+拡散領域19cに対してN+拡散領域19aとは反対側にN+拡散領域19cと間隔をもって形成されている。
N+拡散領域19a,19b,19cの表面に絶縁膜23が形成されている。絶縁膜23上に下層メタル配線層45a,45b,45cが互いに分離されて形成されている。下層メタル配線層45aは絶縁膜23に形成された接続孔を介してN+拡散領域19aと電気的に接続されている。下層メタル配線層45bは絶縁膜23に形成された接続孔を介してN+拡散領域19bと電気的に接続されている。下層メタル配線層45cは絶縁膜23に形成された接続孔を介してN+拡散領域19cと電気的に接続されている。メタル配線層45cはフィールド酸化膜21上には形成されていない。
フィールド酸化膜21上、絶縁膜23上及び下層メタル配線層45a,45b,45c上に層間絶縁層27が形成され、さらにその上にI/Oセル用Vccライン13a、I/Oセル用GNDライン13b及びメタル配線層13cが形成されている。I/Oセル用Vccライン13a及びI/Oセル用GNDライン13bは、図2に示すように、複数の電極パッド7の形成領域にまたがって連続して形成されている。
層間絶縁層27上、I/Oセル用Vccライン13a上、I/Oセル用GNDライン13b上及びメタル配線層13c上に層間絶縁層29が形成され、さらにその上に電極パッド7及びパッシベーション膜31が形成されている。
層間絶縁層27上、I/Oセル用Vccライン13a上、I/Oセル用GNDライン13b上及びメタル配線層13c上に層間絶縁層29が形成され、さらにその上に電極パッド7及びパッシベーション膜31が形成されている。
この実施例において、電極パッド7に過大な入力電圧が印加された場合、P型半導体基板3及びN+拡散領域19a,19cにより構成されるフィールドトランジスタ、又はP型半導体基板3及びN+拡散領域19b,19cにより構成されるフィールドトランジスタのパンチスルー電流により、電極パッド7に過大な入力電圧が電源Vcc又はGNDに引き抜かれる。
図1から図9に示した実施例では、第1拡散領域としてのN+拡散領域19c、第2拡散領域としてのN+拡散領域19a及び第3拡散領域としてのN+拡散領域19bについて、電極パッド7の形成領域外に形成されている部分が存在するが、本発明はこれに限定されるものではなく、第1拡散領域、第2拡散領域及び第3拡散領域のすべてが電極パッド7の形成領域内に形成されていてもよい。
また、N+拡散領域19c、N+拡散領域19a及びN+拡散領域19bについて、それらの一部がそれぞれ電極パッド7の形成領域内に配置されるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、電極パッド7の形成領域に保護回路の保護素子を構成する拡散領域の一部又は全部を配置し、半導体装置のサイズを縮小できる構成であれば、どのような構成であってもよい。
また、この実施例では、電源ラインとしてのI/Oセル用Vccライン13a及びI/Oセル用GNDライン13bをメタル配線層により形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばシリサイド化により低抵抗化されたポリシリコン膜により形成するようにしてもよい。
また、図3に示した等価回路では、I/Oセルについて入力バッファ17を備えたものを説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、入力バッファ17に替えて出力バッファを備えたI/Oセルにも本発明の半導体装置の保護回路及び半導体装置を適用することができる。
上記の実施例では、P型半導体基板に保護回路を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、保護回路をP型ウエルに形成してもよいし、N型半導体基板又はN型ウエルに形成してもよい。保護回路をN型半導体基板又はN型ウエルに形成する場合は、拡散領域はP型拡散領域により形成される。また、拡散領域は単層の拡散領域に限定されるものではなく、多層の拡散領域により構成されていてもよい。
また、上記の実施例で示した寸法、数値、形状及び配置は一例であり、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
1 半導体装置
3 P型半導体基板
5 内部コア領域
7 電極パッド
9 I/Oセル
11a 内部コア領域用Vccライン
11b 内部コア領域用GNDライン
13a I/Oセル用Vccライン
13b I/Oセル用GNDライン
13c メタル配線層
15 保護回路
Tr1,Tr2 フィールドトランジスタ
17 入力バッファ
Tr3,Tr4 MOSトランジスタ
Vcc 電源
GND グランド
19a,19b,19c N+拡散領域
21 フィールド酸化膜
23 絶縁膜
25a,25b,25c 下層メタル配線層
27,29 層間絶縁層
31 パッシベーション膜
3 P型半導体基板
5 内部コア領域
7 電極パッド
9 I/Oセル
11a 内部コア領域用Vccライン
11b 内部コア領域用GNDライン
13a I/Oセル用Vccライン
13b I/Oセル用GNDライン
13c メタル配線層
15 保護回路
Tr1,Tr2 フィールドトランジスタ
17 入力バッファ
Tr3,Tr4 MOSトランジスタ
Vcc 電源
GND グランド
19a,19b,19c N+拡散領域
21 フィールド酸化膜
23 絶縁膜
25a,25b,25c 下層メタル配線層
27,29 層間絶縁層
31 パッシベーション膜
Claims (3)
- 半導体装置を外部に電気的に接続するための複数の電極パッドが配置され、前記電極パッドごとに保護回路を備えた半導体装置において、
電源ライン及びGNDラインとして、内部コア領域用電源ライン及び内部コア領域用GNDラインとは別にI/Oセル用電源ライン及びI/Oセル用GNDラインを備え、
前記I/Oセル用電源ライン及びI/Oセル用GNDラインは前記電極パッド形成領域にまたがって連続して形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記I/Oセル用電源ライン及びI/Oセル用GNDラインはメタル配線層又はポリシリコン配線層により構成されている請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体基板と前記電極パッドとの間の層に5層以上のメタル配線層が形成されている請求項1又は2に記載の半導体装置。
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