JP2576433B2 - 半導体装置用保護回路 - Google Patents
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Description
して駆動される半導体装置の静電破壊を防止するための
保護回路に関する。
れる半導体装置においても、室温において使用される半
導体装置で用いられるものと同様の保護回路が利用され
ている。入・出力端子あるいはその配線に具備される保
護回路は、通例図5に示す構成をしている。図5で、A
は電流制限素子(9)であり、不純物を高濃度添加した
半導体膜、あるいは半導体基板中か基準電位ウェル領域
中に不純物を高濃度添加した拡散層から成る抵抗が用い
られる。Bは電圧制限素子(10)であり、ダイオード
あるいはトランジスタが用いられ、一端が接地(基板あ
るいは基準電位ウェル領域)に接続されている。従っ
て、具体的な例としては図6のようになっている。
その配線と半導体基板あるいは基準電位ウェル領域との
間に接続される電圧制限素子であるトランジスタを、図
7に示す。図7には、シリコン基板(2)に、ドレイン
領域(11)、ソース領域(12)、P+型領域
(5)、SiO2膜(3)、配線(6)、及びゲート電
極(13)が設けられている。なお、この図7には、ト
ランジスタが描かれているが、入・出力端子あるいはそ
の配線が接続されているドレイン領域(N+型)(1
1)に着目すればダイオードである。図7に示すよう
に、ダイオードあるいはトランジスタが半導体基板ある
いは基準電位ウェル領域に直接造り込まれている場合、
半導体基板あるいは基準電位ウェル領域との間が順方向
となるバイアス、駆動信号、出力信号を扱えないという
欠点がある。この図7の例ではシリコン基板(2)がP
型でドレイン領域(11)がN+型なので、シリコン基
板電位を基準にして負の電圧を入・出力端子に掛けるこ
とはできない。
電位を基準にして正負両方の電圧が掛かる入・出力端子
に関する場合を、図8に示す。図8では、シリコン基板
(2)に、ウェル領域(14)、ドレイン領域(1
5)、ソース領域(16)、N+型領域(17)、P+
型領域(5)、SiO2膜(3)、配線(6)、及びゲ
ート電極(13)が設けられている。図8に示すよう
に、半導体基板あるいは基準電位ウェル領域の電位を基
準にして正負両方の電圧が掛かる入・出力端子に関して
は、ウェル構造を持たせて、そこにバイアスを印加しな
ければならない。
P型、ウェル領域(14)がN型、ドレイン領域(1
5)がP+型なので、N型ウェル領域(14)に正バイ
アスを印加しておけば、正バイアスと同電位を上限とし
て正負両方の電圧を入・出力端子は扱うことができる。
この種の保護回路では、前述のように半導体装置がもと
もと必要とする入・出力端子以外にウェル領域にバイア
スを印加するための端子が必要となり、パッケージピン
数の増大とそれに伴うパッケージ寸法の増大、外部配線
数の増大を招く。パッケージ寸法の増大は熱容量を増大
させ、外部配線数の増大は熱流入を増大させるので、結
局この種の保護回路には、冷却手段によって冷却して駆
動される半導体装置の冷却効率を低下させてしまうとい
う欠点がある。
めに、本発明の半導体装置用保護回路は、冷却手段によ
って冷却して駆動される半導体装置において、電流・電
圧特性に極性を有さず負の抵抗率温度係数を有し室温に
おいて低抵抗であり、半導体装置の動作温度において絶
縁性あるいは高抵抗を示すところの素子あるいは素子集
合体が、入・出力端子あるいはその配線と半導体基板あ
るいは基準電位ウェル領域との間に電気的に接続されて
成っている。
おいて、電流・電圧特性に極性を有さず負の抵抗率温度
係数を有し室温において低抵抗であり、半導体装置の動
作温度において絶縁性あるいは高抵抗を示すところの素
子あるいは素子集合体が、エネルギー帯端から0.1e
V以上のエネルギー差を有する準位を形成する不純物が
ドープされた半導体から成る抵抗体であったり、あるい
は、半導体基板あるいは基準電位ウェル領域を第1導電
型とするとき、半導体基板あるいは基準電位ウェル領域
内に設けられた第2導電型不純物添加ウェルに形成され
た二つのショットキ型ダイオードが互いに逆方向特性と
なるように接続されて成っている。
する半導体装置が動作状態下では冷却されていることを
有効に利用する。半導体装置のゲート電極などが静電気
によって破壊されるのは、組立・実装工程においてであ
り、実装後の動作段階では入・出力端子は外部回路に接
続された状態となっているので、静電気による破壊は発
生しない。冷却手段によって冷却して駆動される半導体
装置に関しては、ゲート電極等内部回路素子を静電気か
ら保護するのを組立・実装工程が行なわれる室温環境下
に限定しても差し支えない。
性を有さず負の抵抗率温度係数を有し室温において低抵
抗であり、半導体装置の動作温度において絶縁性あるい
は高抵抗を示すところの素子あるいは素子集合体が、入
・出力端子あるいはその配線と半導体基板あるいは基準
電位ウェル領域との間に電気的に接続されているので、
室温においては入・出力端子あるいはその配線とそれに
繋がるゲート電極等内部回路素子に電気的衝撃が掛かっ
たとしても、正負の極性に関係なく低抵抗を介してそれ
が半導体基板あるいは基準電位ウェル領域に放電され、
動作温度においては入・出力端子あるいはその配線が半
導体基板あるいは基準電位ウェル領域から電気的に切り
離されたのと同等になる。
・出力端子に電気信号の印加あるいは取り出しを行なえ
なくしてしまうが静電気からの保護効果を発揮し、動作
温度では保護作用は無くなるが入・出力端子に電気信号
の印加あるいは取り出しを行なえるようにするので、冷
却手段によって冷却して駆動される半導体装置のための
保護回路として充分に機能する。入・出力端子あるいは
その配線を半導体基板と電気的に接続する素子あるいは
素子集合体が、電流・電圧特性に極性を有していないの
で、正負両方の電気信号を扱うことができ、特にバイア
スを必要とはしないので、前述の問題が解決される。
する。 [実施例1]図1は、本発明の保護回路の構成の一例を
示す図である。この図1は、最も簡単なものを示してお
り、電流・電圧特性に極性を有さず負の抵抗率温度係数
を有し室温において低抵抗であり半導体装置の動作温度
において絶縁性あるいは高抵抗を示すところの素子ある
いは素子集合体(1)によって、入・出力端子から被保
護素子に配された配線を、接地(半導体基板あるいは基
準電位ウェル領域)に接続している。
圧特性としては、明らかな極性さえ無ければ図2に示す
ように、(a)のような線形でも(b)(c)のような
非線形でもかまわない。そして抵抗率温度係数が負なの
で、冷却するに従って抵抗が増し、半導体装置の動作温
度、例えばPtSi/P型Siショットキ型ダイオード
を受光部とする赤外線イメージセンサの動作温度である
液体窒素温度(77K)に達したときに、電流・電圧特
性がI=0すなわち横軸にほとんど一致する温度特性を
有しているのである。
端子等に入っても、それは低抵抗を介して半導体基板あ
るいは基準電位ウェル領域に放電され、被保護素子に及
ばないので、被保護素子を破壊から守ることができる。
そして半導体装置の動作温度においては入・出力端子は
少なくとも素子あるいは素子集合体(1)の部分では半
導体基板あるいは基準電位ウェル領域から電気的に切り
離されるので、正負両方の極性を有する電気信号を扱う
ことができる。
子集合体(1)の接続点までの間に電流制限素子を挿入
し、素子あるいは素子集合体(1)から接地(GND)
までの間に電圧制限素子を挿入した構成も本発明の保護
回路として有効である。この場合、室温においては従来
の保護回路と同様の動作で被保護素子の静電破壊を防ぐ
効果を有する。半導体装置の動作温度においては電圧制
限素子は半導体基板あるいは基準電位ウェル領域と共に
電気的に切り離されるので、ウェル構造を持たせてバイ
アスを印加する構造にしなくても、入・出力端子は正負
両方の極性を有する電気信号を扱うことができる。
断面構造図である。この図3は、「電流・電圧特性に極
性を有さず負の抵抗率温度係数を有し室温において低抵
抗であり半導体装置の動作温度において絶縁性あるいは
高抵抗を示すところの素子あるいは素子集合体」がエネ
ルギー帯端から0.1eV以上のエネルギー差を有する
準位を形成する不純物がドープされた半導体から成る抵
抗体である場合の一例を示す断面構造図である。P型シ
リコン基板(2)上にSiO2膜(3)を介してインジ
ウムドープポリシリコン抵抗体(4)が設けられてい
る。インジウムはシリコン中において価電子帯から0.
16eVの不純物準位を形成するP型不純物である。イ
ンジウムドープポリシリコン抵抗体(4)の表面もSi
O2膜(3)で覆われている。
コンタクトを形成するためのP+型領域(5)が設けら
れており、インジウムドープポリシリコン抵抗体(4)
を覆うSiO2膜(3)の二箇所とP+型領域(5)上
のSiO2膜(3)にコンタクトホールが開けられてい
る。アルミ配線(6)によって、インジウムドープポリ
シリコン抵抗体(4)の一端とP+型領域(5)が接続
され、インジウムドープポリシリコン抵抗体(4)の他
端がボンディングパット及び被保護素子へと接続されて
いる。図示していないが、通常これらの表面にパッシベ
ーション膜を設ける。
(4)とアルミ配線(6)とのコンタクト部分に高濃度
のボロンをドープしている場合には、電流・電圧特性が
図2(a)のようになり、コンタクト部分に高濃度のボ
ロンをドープしていない場合には、電流・電圧特性が図
2(b)のようになる。インジウムドープポリシリコン
抵抗体(4)のインジウムドープ量として、例えば1×
1016cm−3であるとする。この場合ポリシリコン
の粒子径にもよるが、抵抗率が室温では2Ωcm程度で
液体窒素温度(77K)では40kΩcm程度となる。
厚さが例えば500nmのポリシリコンで、幅が5μ
m、コンタクト間の長さが100μmの抵抗体を造れ
ば、室温で800kΩ、液体窒素温度(77K)で16
GΩの抵抗を示し、例えば10V電圧が印加されたと
き、室温では12.5μAも流れるが、液体窒素温度
(77K)では僅かに625pA流れるだけである。
ープポリシリコンも用いることができる。イオウの場
合、伝導帯から0.18eVの不純物準位を形成するN
型不純物なので、図2(a)のようにな電流・電圧特性
を得るためにはコンタクト部分に高濃度のリンをドープ
すればよい。これらの他にイオウ(ドナー、0.18e
V)やセレン(ドナー、0.14eV)をドープしたゲ
ルマニウムも有効である。また、0.1eV以上のエネ
ルギー差の不純物準位を生じる他の不純物や半導体を用
いることも当然可能である。
例を示す断面構造図である。この図4は、「電流・電圧
特性に極性を有さず負の抵抗率温度係数を有し室温にお
いて低抵抗であり半導体装置の動作温度において絶縁性
あるいは高抵抗を示すところの素子あるいは素子集合
体」が、半導体基板あるいは基準電位ウェル領域を第1
導電型とするとき、半導体基板あるいは基準電位ウェル
領域内に設けられた第2導電型不純物添加ウェルに形成
された二つのショットキ型ダイオードが互いに逆方向特
性となるように接続されたものである場合の一例を示す
断面構造図である。
域(7)及びオーミックコンタクトを形成するためのP
+型領域(5)が設けられている。シリコン基板上はS
iO2膜(3)で覆われているが、N型ウェル領域
(7)上のSiO2膜(3)の二箇所と、P+型領域
(5)上のSiO2膜(3)にコンタクトホールが開け
られている。N型ウェル領域(7)上のコンタクトホー
ル部分には、シリコンとショットキ接触を形成するショ
ットキ電極(8)が二箇所設けられている。アルミ配線
(6)によって、ショットキ電極(8)の一方とP+型
領域(5)が接続され、ショットキ電極(8)の他方が
ボンディングパット及び被保護素子へと接続されてい
る。図示していないが、通常これらの表面にパッシベー
ション膜を設ける。
リブデンあるいはモリブデンとシリコン基板とを熱処理
で固相反応させることによって得られるモリブデンシリ
サイド(MoSi2)を用いるとする。N型シリコンと
の間に形成されるショットキバリアはそれぞれ0.56
eV及び0.55eVである。どちらもほぼ同じなの
で、MoSi2のショットキ電極として説明を進める。
ショットキ型ダイオードの逆方向飽和電流密度は、室温
においては6mA/cm2程度になるが、液体窒素温度
(77K)では7×10−31A/cm2程度になると
見積もられる。ショットキ接触寸法が、例えば、300
μm□であるとすると、室温では5.4μA流れるが、
液体窒素温度(77K)では6.3×10−34A(お
よそ800万年に1個の電子が流れるのに相当)、すな
わち零となる。
グパット及び被保護素子へ接続されている配線側)が正
電位になった場合、端子側のショットキ型ダイオードは
順方向となるが、N型ウェル領域(7)とP型シリコン
基板(2)とのNP接合が逆方向、P+型領域(5)と
接続されたショットキ型ダイオードも逆方向となるの
で、内部回路素子を切り離したと仮定すると、端子から
P型シリコン基板(2)への電流・電圧特性はほとんど
一個のショットキ型ダイオードの逆方向特性となる。
ェル領域(7)とP型シリコン基板(2)とのNP接合
及びP+型領域(5)と接続されたショットキ型ダイオ
ードが順方向となるが、端子側のショットキ型ダイオー
ドが逆方向となるので、内部回路素子を切り離したと仮
定すると、端子からP型シリコン基板(2)への電流・
電圧特性はやはり一個のショットキ型ダイオードの逆方
向特性となる。従って、図4の構造によって、室温では
有限の抵抗値を持ってP型シリコン基板(2)へ電気的
に接続されるが、液体窒素温度(77K)では完全に切
り離され、入・出力端子は正負両方の極性を有する電気
信号を扱うことができる。図4の構造において、逆方向
耐圧が不足する場合には、ショットキ電極(8)の周辺
部のN型ウェル領域(7)内にP型ガードリングを設け
ることにより、改善することができる。また、ショット
キ電極材料として、半導体装置の動作温度、半導体の種
類や導電型により適切なものを選べば、図4の構造は広
範囲に適用可能である。
装置用保護回路によれば、ゲート電極等内部回路素子を
静電気から保護すべき室温においては、入・出力端子あ
るいはその配線と半導体基板あるいは基準電位ウェル領
域とが低抵抗で接続され、入・出力端子あるいはその配
線とそれに繋がるゲート電極等内部回路素子に掛かった
電気的衝撃を半導体基板あるいは基準電位ウェル領域へ
放電することができ、半導体装置の動作温度において
は、入・出力端子あるいはその配線が半導体基板あるい
は基準電位ウェル領域から電気的に切り離されたのと同
等になるので、正負両方の極性を有する電気信号を扱う
ことができる効果がある。しかも、保護回路そのものの
ためのバイアス印加を必要とはしないので、外部配線数
の増大を引き起こすことなく、冷却効率の高い半導体装
置を提供することができる効果がある。
素子あるいは素子集合体の室温における電流・電圧特性
例を示す図。
素子集合体の一例を示す断面構造図。
素子集合体のもう一つの例を示す断面構造図。
子の断面構造図。
電圧制限素子の断面構造図。
Claims (3)
- 【請求項1】 冷却手段によって冷却して駆動される半
導体装置において、電流・電圧特性に極性を有さず負の
抵抗率温度係数を有し室温において低抵抗であり、半導
体装置の動作温度において絶縁性あるいは高抵抗を示す
ところの素子あるいは素子集合体が、入・出力端子ある
いはその配線と半導体基板あるいは基準電位ウェル領域
との間に電気的に接続されて成ることを特徴とする半導
体装置用保護回路。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体装置用保護回路
において、電流・電圧特性に極性を有さず負の抵抗率温
度係数を有し室温において低抵抗であり、半導体装置の
動作温度において絶縁性あるいは高抵抗を示すところの
素子あるいは素子集合体が、エネルギー帯端から0.1
eV以上のエネルギー差を有する準位を形成する不純物
がドープされた半導体から成る抵抗体であることを特徴
とする半導体装置用保護回路。 - 【請求項3】 請求項1に記載の半導体装置用保護回路
において、半導体基板あるいは基準電位ウェル領域を第
1導電型とするとき、電流・電圧特性に極性を有さず負
の抵抗率温度係数を有し室温において低抵抗であり、半
導体装置の動作温度において絶縁性あるいは高抵抗を示
すところの素子あるいは素子集合体が、半導体基板ある
いは基準電位ウェル領域内に設けられた第2導電型不純
物添加ウェルに形成された二つのショットキ型ダイオー
ドが互いに逆方向特性となるように接続されて成ること
を特徴とする半導体装置用保護回路。
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