JP2012142502A - 保護素子及び保護素子を備えた半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体層に形成された、ソース領域12及びドレイン領域13と、半導体層上にゲート絶縁膜14を介して形成されたゲート15と、ソース領域12の表面に接続され、グラウンドに電気的に接続されたソース電極と、ドレイン領域12の表面に接続され、サージ入力が入力されるドレイン電極と、ソース電極とゲート15との間に接続されたダイオード21(21A,21B)とを含んで、回路素子を保護するための保護素子を構成する。
【選択図】図1
Description
これらの保護素子は、それぞれ用途によって使い分けされているが、GGMOSは構造が単純で、最も以前から使われている。
図7は、NMOS型のGGMOSであり、PWell領域51、ソース領域52、ドレイン領域53、ゲート絶縁膜54、ゲート55からなる。
GGMOS構造とは、図7に示すように、通常のMOSトランジスタと同じ構造に対して、ゲート55とソース領域52とを短絡して、グラウンド(接地電位)GNDに落とす構造である。
そのため、用途に応じて、所望の値に電圧Vt1を制御するためには、保護素子の構成を変更する必要がある。
Vt1を下げる方法としては、(1)耐圧の低い不純物構成に変える方法、(2)Well領域の電位をフローティング電位にする方法、(3)ゲート電圧を制御する回路を設ける方法(例えば、非特許文献1参照。)、が知られている。
これにより、図9においてVgs=Vdsとなるので、従来構成のVgs=0Vの場合と比較して、Vt1を下げることができる。
また、PWell領域の不純物濃度が、保護素子と回路素子とで異なっていると、それぞれ別々の工程でPWell領域を作製する必要が生じて、工程数が増大する。
また、前述した非特許文献1に記載された方法では、ゲート電圧をドレイン電圧と同じ電圧にするので、やはりVt1は高い電圧と低い電圧の特定の2つの電圧値しか実現できない。
そして、半導体層に形成された、ソース領域及びドレイン領域と、半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲートとを含む。
また、ソース領域の表面に接続され、グラウンドに電気的に接続されたソース電極と、ドレイン領域の表面に接続され、サージ入力が入力されるドレイン電極とを含む。
さらに、ソース電極とゲートとの間に接続されたダイオードを含む。
そして、ソース電極とゲートとの間に接続されたダイオードの個数によって、ゲートの電位を変えることができるので、これに対応してVt1の値を変えることができる。
そして、従来のGGMOS構造の保護素子と比較して、低い値のVt1の保護素子を作製することも可能になる。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態
2.第2の実施の形態
3.第3の実施の形態
4.第4の実施の形態
5.変形例
本発明の第1の実施の形態の保護素子の概略構成図(断面図)を、図1に示す。
本実施の形態の保護素子は、図7に示したGGMOS構造の保護素子と同じく、ESD(静電気放電)対策用の保護素子となるものである。
図1に示すように、半導体層(半導体基板やエピタキシャル層等)に形成されたPWell領域11の表面部に、n+の不純物領域によって、ソース領域12及びドレイン領域13が形成されている。そして、ソース領域12及びドレイン領域13の間の半導体層の上に、ゲート絶縁膜14を介して、ゲート15が形成されている。
即ち、通常のNMOSトランジスタと同様の、NMOS構造を有している。
ソース領域12及びドレイン領域13には、それぞれ半導体層の表面で、電極16が接続されている。また、電極16の上やゲート15以外の部分は、絶縁層17で覆われている。
2個のダイオード21A,21Bは、いずれも順方向がゲート15からグラウンド(接地電位)GNDに向かう向きであり、かつ、直列に接続されている。
なお、ソース領域12に接続された電極(ソース電極)16は、図7に示した構成と同様に、グラウンド(接地電位)GNDに直接接続されている。
このようにゲートの電位を接地電位から正電位にシフトさせることにより、先に示した図9からわかるように、Vt1を低減することができる。
ドレイン電極とゲート15との間を電気的に接続していることにより、サージ入力がゲート15の側にも入ることになる。
また、ドレイン電極とゲート15との間は、抵抗22を介して接続していることにより、抵抗22がない場合と比較して、抵抗22による電圧降下を生じる分、サージ入力の電圧に対してゲート15の電位(電位A)を下げることができる。
なお、抵抗22がない場合には、ダイオード21(21A,21B)の側の抵抗が小さくなって、ほとんどの電流が流れてしまい、ドレイン領域13とソース領域12との間に電流が流れず、snapback動作をしなくなってしまう。ダイオードの数を多くして電流を流れにくくすれば、snapback動作させることが可能となるが、抵抗22がないと、ゲート15とドレイン領域13とが同じ電位になるので、図9からわかるように、Vt1が決まった値にしかならない。
抵抗も、MOS構造を作る場合に、同時に作りこまれるのが一般的である。
即ち、本実施の形態の保護素子において、ダイオード21(21A,21B)及び抵抗22は、NMOS構造のPWell領域11・ソース領域12・ドレイン領域13が形成されている半導体層の別の部分に形成することができる。
そのため、この保護素子のNMOS構造の部分や保護素子が設けられる回路素子の製造工程において、特別な工程を追加することなく、ダイオード21(21A,21B)及び抵抗22を作製することが可能である。
特に、ダイオード21(21A,21B)のP領域とN領域の不純物濃度を、回路素子の不純物領域やこの保護素子のPWell領域11やソース領域12・ドレイン領域13等の不純物領域のいずれかと同じ濃度とすれば、同時に形成することが可能である。
まず、サージ入力として、高い電圧が入ってくると、NMOS構造のドレイン領域13及び抵抗22に高い電圧がかかる。これにより、ダイオード21A,21Bにもその閾値電圧(半導体層がシリコンの場合は0.7V程度)以上の電圧がかかり、ダイオード21A,21Bが導通状態となる。
このとき、図1の電位Aは、ダイオード21A,21Bによる電位上昇分、即ち0.7V×(ダイオードの個数)となる。例えば、ダイオードが1個なら電位Aは0.7Vになり、図1に示すようにダイオードが2個なら1.4Vに保たれる。
先に説明した図9からもわかるように、ゲート電位0Vからゲート電位を上げていくと、Vt1は一旦下がり、もっとゲート電位が上げると逆にVt1は上昇するが、ゲート電位0VのときよりはVt1が小さくなる。
単純にゲートをドレインと短絡すると、Vt1はGGMOSより下がるが、Vt1の値はひとつに決まり、本発明のようにVt1の値を制御することができない。
なお、抵抗22の値は、ダイオード21A,21Bが導通していないときの抵抗(非常に高い)より低く、かつ、ドレイン領域13とソース領域12との間にも電流が流れる最低限の抵抗値より高ければ、値は自由に決めて構わない。
具体的には、図1に示すようにゲートとソースの間にダイオードを2個設けた構造と、ダイオードを1個設けた構造とで、それぞれ動作予測を行った。また、比較対象として、従来のGGMOS構造に対しても同様の動作予測を行った。
図2より、従来のGGMOS構造ではVt1=8.8Vであったものが、本実施の形態の構造でダイオード1個ならVt1=5.7Vに下がり、2個ならVt1=4.8Vに下がることがわかる。
即ち、ダイオードの個数によってVt1の値を制御できることが確認された。
これにより、ゲート15の電位(電位A)を、グラウンド(接地電位)GNDから正電位にシフトさせることができ、Vt1を低減することができる。
このように、ダイオードの個数によってVt1を変えることが可能であるため、ダイオードの個数に応じてVt1を3つ以上の多くの電圧値(例えば、図2の8.8Vと5.7Vと4.8V)に設定することが可能になる。
これにより、抵抗22による電圧降下を生じる分、サージ入力の電圧に対してゲート15の電位(電位A)を下げることができる。
即ち、本実施の形態の保護素子は、追加工程を必要とせず、一般的なMOS構造作成工程で容易に作製することができる。
例えば、半導体装置を構成する回路素子の周囲に、本実施の形態の保護素子を配置して、サージ入力が保護素子に入力されるように構成する。
図1に示した、第1の実施の形態の構成では、通常の動作状態、即ちドレイン領域13にVdd(1.8V〜5V)程度の電圧がかかっている状態では、ダイオード21が導通して、図1の電位Aが0.7V×(ダイオードの個数)となる。
このとき、MOSのチャネルが開いて、電流がドレイン領域13からソース領域12にリークするため、その分の電力が消費される。
このリーク電流を防ぐための構成を、第2の実施の形態として以下に示す。
本実施の形態においては、特に、図1の構成のダイオード21及び抵抗22に、さらに、ダイオード23と抵抗24とを加えた構成となっている。
抵抗24は、ゲート15とソース領域12に接続されたソース電極16との間に、ダイオード21と並列に接続されている。
また、図3では、ダイオード23が抵抗22よりもサージ入力の側に設けられているが、抵抗22がダイオード23よりもサージ入力の側に設けられた構成とすることも可能である。
通常の動作状態において、ドレイン電圧がVdd=2.7Vである場合には、ダイオード23の閾値電圧(0.7V×4個=2.8V)よりもドレイン電圧が小さいため、ダイオード23は導通しない。このとき、ゲート電位は0Vであるため、チャネルは閉じており、リーク電流は流れない。
このときのゲート電位は、ダイオード21を導通させる電圧、即ち図3の場合には0.7V×2個=1.4Vとなる。
なお、ドレイン電圧がさらに上昇しても、ゲート電位は1.4Vに保たれる。
これにより、第1の実施の形態と同様に、ゲート15の電位(電位A)を、グラウンド(接地電位)GNDから正電位にシフトさせることができ、Vt1を低減することができる。
このように、ダイオードの個数によってVt1を変えることが可能であるため、ダイオードの個数に応じてVt1を3つ以上の多くの電圧値に設定することが可能になる。
これにより、サージ入力の電圧に対してゲート15の電位(電位A)を下げることができる。
即ち、本実施の形態の保護素子は、追加工程を必要とせず、一般的なMOS構造作成工程で容易に作製することができる。
これにより、ドレイン領域13からソース領域12との間のリーク電流を防いで、リーク電流による電力消費を防ぐことができる。
例えば、半導体装置を構成する回路素子の周囲に、本実施の形態の保護素子を配置して、サージ入力が保護素子に入力されるように構成する。
本発明の第3の実施の形態の保護素子の概略構成図(断面図)を、図4に示す。
一般に、MOSのドレインに高電圧がかかった場合には、ゲートの電圧も一緒に上昇する。
本実施の形態では、このことを利用して、図4に示すように、ゲート15をドレインとは電気的に接続せず、ダイオード21(21A,21B)を介して、グラウンド(接地電位)GNDに接続しているだけである。
この構成としたことにより、ドレインにサージが入った場合に、ゲート15の電位は上昇するが、ダイオード21(21A,21B)によって、ゲート15の電位がクランプされ、それ以上の上昇が抑えられる。
具体的には、図4に示すようにゲートとソースの間にダイオードを2個設けた構造と、ダイオードを1個設けた構造と、ダイオードの個数を非常に多くして実質的にゲートオープンの状態とした構造とについて、それぞれ動作予測を行った。
図5に示すように、ダイオードの個数によってVt1は変化する。そして、図2に示したようにGGMOS構造のVt1=8.5Vに対して、ダイオード1個では6.8Vに下がり、ダイオード2個では6.2Vに下がり、ゲートオープンの状態(Vt1=5.3V)に近づく。
これにより、第1の実施の形態と同様に、ゲート15の電位(電位A)を、グラウンド(接地電位)GNDから正電位にシフトさせることができ、Vt1を低減することができる。
このように、ダイオードの個数によってVt1を変えることが可能であるため、ダイオードの個数に応じてVt1を3つ以上の多くの電圧値に設定することが可能になる。
これにより、サージ入力の電圧の上昇に対応してゲート15の電位(電位A)が上昇するが、ダイオード21によりクランプされて、ゲート15の電位がある程度以上には上昇しない。
即ち、本実施の形態の保護素子は、追加工程を必要とせず、一般的なMOS構造作成工程で容易に作製することができる。
例えば、半導体装置を構成する回路素子の周囲に、本実施の形態の保護素子を配置して、サージ入力が保護素子に入力されるように構成する。
本発明の第4の実施の形態の保護素子の概略構成図(断面図)を、図6に示す。
本実施の形態では、図6に示すように、図1に示したと同じNMOS構造を2個設けて、この2個のNMOS構造に対して共通に、ダイオード21及び抵抗22を設けている。
このように、ダイオード21及び抵抗22が一組あれば、複数のMOSゲートを制御することができる。これにより、複数個の保護素子のゲートに対してそれぞれダイオード21及び抵抗22の組を設けた構成と比較して、構成を簡略化できる。
これにより、第1の実施の形態と同様に、ゲート15の電位(電位A)を、グラウンド(接地電位)GNDから正電位にシフトさせることができ、Vt1を低減することができる。
このように、ダイオードの個数によってVt1を変えることが可能であるため、ダイオードの個数に応じてVt1を3つ以上の多くの電圧値に設定することが可能になる。
これにより、第1の実施の形態と同様に、サージ入力の電圧に対してゲート15の電位(電位A)を下げることができる。
即ち、本実施の形態の保護素子は、追加工程を必要とせず、一般的なMOS構造作成工程で容易に作製することができる。
例えば、半導体装置を構成する回路素子の周囲に、本実施の形態の保護素子を配置して、サージ入力が保護素子に入力されるように構成する。
これに対して、ダイオード及び抵抗を、図3に示した第2の実施の形態や図4に示した第3の実施の形態と同様の構成として、複数個のMOSゲートを制御することも可能である。
上述の各実施の形態では、いずれもNMOS構造に本発明を適用していたが、本発明は、PMOS構造にも適用することも可能である。
PMOS構造に適用する場合には、ゲートとソース領域との間にダイオードを設ける点は、NMOS構造と同じである。ただし、PMOS構造では、ゲートに負電圧を加える構成であるため、ゲートとソース領域との間に設けるダイオードについて、その順方向の向きをNMOS構造の場合とは逆向き(グラウンドからゲートに向かう向き)にする。
この場合、Vt1の異なる2個以上の保護素子は、ダイオードの個数を変えることによって作製することが可能であり、工程の追加によってVt1の異なるMOS構造を別々に作製する必要はない。そのため、時間と費用を削減することが可能である。
Claims (8)
- 回路素子を保護するための保護素子であって、
半導体層に形成された、ソース領域及びドレイン領域と、
前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲートと、
前記ソース領域の表面に接続され、グラウンドに電気的に接続されたソース電極と、
前記ドレイン領域の表面に接続され、サージ入力が入力されるドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ゲートとの間に接続されたダイオードとを含む
保護素子。 - 前記ダイオードは、複数個のダイオードが順方向を同じ方向として直列に接続されている、請求項1に記載の保護素子。
- 前記ゲートと前記ドレイン電極との間に接続されている、抵抗をさらに含む、請求項1に記載の保護素子。
- 前記ダイオードに並列に接続された第2の抵抗と、前記抵抗と直列に接続された第2のダイオードとを、さらに含む請求項3に記載の保護素子。
- 複数個の前記ゲート及び前記ソース電極の組に対して、前記ダイオードが共通に接続されている、請求項1に記載の保護素子。
- 回路素子と、
前記回路素子に接続され、半導体層に形成された、ソース領域及びドレイン領域と、前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲートと、前記ソース領域の表面に接続され、グラウンドに電気的に接続されたソース電極と、前記ドレイン領域の表面に接続され、サージ入力が入力されるドレイン電極と、前記ソース電極と前記ゲートとの間に接続されたダイオードとを含み、前記回路素子を保護するための保護素子とを備えた
半導体装置。 - 前記保護素子は、前記ゲートと前記ドレイン電極との間に接続されている、抵抗をさらに含む、請求項6に記載の半導体装置。
- 前記保護素子は、前記ダイオードに並列に接続された第2の抵抗と、前記抵抗と直列に接続された第2のダイオードとを、さらに含む請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
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