JPS63501112A - Igfet集積回路の静電放電からの保護 - Google Patents
Igfet集積回路の静電放電からの保護Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
ICFET集積回路の静電放電からの保護2貝■宵景
1、尤里■分互
本発明は絶縁ゲート電界効果形トランジスタ(insulated gatef
ield effect transistor % I G F F、T)集
積回路を静電放電(electrostatic discharge % E
S D)から保護することに関する。
2、売上31壱引」吸
集積回路の静電放電からの保護は集積回路(in tegra tedcirc
uit%IC)設計の重要な一面となっている。しばしば双極ICに対するES
D保護が、典型的には、ダイオード、つまり保護双極トランジスタにて提供され
る。しかし、ESD保護は、特に、ICの入力端子の所に過多の電圧が存在する
とき降伏を受けやすいゲート絶縁体、典型的には、酸化物を持つ絶縁ゲー)IC
に対して重要である。このゲート絶縁体降伏電圧は、典型的には、100ボルト
以下であり、最近の設計では20ボルトの場合もある。未来の高密度IC設計に
おいてゲート絶縁体の厚さがますます小さくされると、この降伏電圧はますます
小さくなる。一方、静電電圧は集積回路の製造あるいはその後の取り扱いの際に
1000ボルト以上に達することがある。従って、入力保護構造を使用しないか
ぎり絶縁ゲート電界効果形トランジスタの非常に高い入力インピーダンスが破壊
的な降伏を誘発する可能性が非常に大きい。
この保護構造は後に幾つかの例が説明されるように周知であるが、さらに向上さ
れた構造(デバイス)に対する需要がある0本発明の目的はこれを提供すること
にある。
発所皇盟り
本発明は絶縁ゲート電界効果形トランジスタにて実現された集積回路とともに使
用されるESD保護構造を提供する。本構造はある任意の極性の過多の電圧に対
する保護を逆ドイアス アバランシ降伏に依存し、反対の極性の電圧に対する保
護をこのグイオートの順バイアス通電に依存する。このダイオードをそのベース
の大部分の上を延びない横坦双極トランジスタ内に形成し、これによって入力電
圧に起因する電界効果チャネルの生成を実質的に避けることができる。別の方法
としては、このダイオードは2−ダイオード デバイスのサブシスト(subs
ist )とすることもできる。このダイオードはダイオードの総面積に対する
円周をできるだけ小さくするために幅に対して大きな長さを持つ。ダイオ−際の
ホットスポットが回避され保護効果が向上される。
図面の簡単な説明
第1図は先行技術による2−ダイオード保護構造を示し;第2図は先行技術によ
る金属ゲート電界効果形トランジスタ保護構造を示し;
第3図は第2図の構造の断面図を示し;第4図は本発明の1つの実施B様の平面
図を示し;第5図は第4図の横形トランジスタ実施態様の断面図を示し;第6図
は本発明によるダイオード実施態様の平面図を示し、そして
第7図は第6図のダイオード実施態様の断面図を示す。
詳細な説明
先行技術による保護構造はICの入力回路に接続された2つのダイオードを使用
する(第1図参照)。片方のダイオードの陰極(nタイプ半導体)が正の電源電
圧(V CC>に接続され、他方の陽極(pタイプ半導体)が負の電源電圧(V
SS)に接続される。導体15.16が示されるが、これらは誘電層を貫通する
窓17.18を介して下側の保護リング領域にコンタクトする0個々の保gl
IJソング対応するダイオードの上側のドープされた領域と同一の導電タイプの
ドープされた半導体領域である。保護領域は、通常、動作におけるラッチアップ
を防止するためCMO3設計内に含まれるが、ある場合、例えば、NMO3設計
の場合は省略することもできる。これらダイオードは、ICが動作されたとき、
ボンドバッド10の所の入力電圧が電源電圧に対して1ダイオード電圧降下、シ
リコン ダイオードの場合は約0.7ボルトを越えて負あるいは正となると通電
する。ただし、あるタイプのICはこれら限界を越える入力信号にて動作するよ
うに設計される。例えば、相補形金属酸化物半導体(CMO3)ICは5ボルト
の公称電源電圧にて動作するように設計され、7ボルトという高い入力信号電圧
を許容することが必要とされる。第1図の保護構造ではこの場合ダイオード12
が通電することとなるが、これは多くの場合、望ましくない。
第2図のもう1つの保護構造は保護要素として電界効果形トランジスタを使用す
る。n−チャネル デバイスの場合は、このトランジスタは入力電圧がトランジ
スタのいき値、通常は2oから80ボルトより正となると通電する。これは高い
正の入力電圧を許容し、しかも保護機能を提供する。負の入力電圧はドレイン領
域(21)とその下側の基板によって形成されるダイオードによって制限される
。p−チャネル デバイスが類似の方法にて保護する。第1図及び第2図の両方
の方法において、入力と保護デバイスの間に抵抗体が置かれる。
第2図の保護トランジスタの比較的高いいき値電圧はそのゲートをガラス及び/
あるいは電界酸化物を含む比較的厚い誘電層の上に位置することによって達成さ
れる。第3図に示されるように、ゲート30は典型的には金属導体レベルの部分
から形成される。
このゲートはガラス層(37)の一部を覆うが、ガラス層(37)は電界酸化物
領域32を覆う。この電界酸化物領域はドレイン33とソース34との間の領域
35を覆う。ここで、このチャネルは正の電圧をゲートに加えることによって生
成される。図示されるごとく、ゲート導体30はまたガラス層31を貫通する窓
を通じてドレイン33にコンタクトする。コンタクト窓をドレインからオフセン
トし、ゲートとドレインを導通ポリシリコン リンクにて接続する方法も知られ
ている。後者の方法はESDの高い電流サージが発生したとき、デート導体、典
型的にはアルミニウムがドレイン領域を通じて基板36に“スパイク(sptk
e ) ″する可能性を減らす。金属導体39は保護トランジスタのソースを電
源電圧端子、典型的には、VSSに接続する。
第2図及び第3図の“金属ゲー) (metal gate) ”によって提供
される保護に加えて、この金属ゲート デバイスと平行して寄生双極トランジス
タが存在する。つまり、領域33.35、及び34はそれぞれ横形npn双極ト
ランジスタのコレクタ、ベース、及びエミッタを形成する。図示される構造の場
合は、高い正の電圧においてコレクタからエミッタに通電が起こる。この寄生双
極トランジスタ効果を金属ゲート電界効果デバイスとともに得ることは、追加の
ESD保護を提供する目的上必要であるとは明白であると信じられている。
入力デバイスの保護が必要であることはよく認識されているが、出力デバイスも
ESD損傷を受けることが知られている。トランジスタ サイズを大きくし、ソ
ース及びドレイン領域へのコンタクト窓を均一の間隔にすることによって、出力
トランジスタのE S D tM傷に対する抵抗が増すことが発見されている。
これに関しては、電気的オーバストレス/静電放電シンポジニウム議事録(El
ectrical 0verstrss/Electrostaic Disc
harge SymposiumProceedings ) 、ページ179
(1984年)に記載のり、 F。
デチャロ(1,p、 DeChiaro )による論文〔デバイスのESDサス
セプティビリティ テスト及び設計ハードニング(Device ESDSus
ceptibility Testing and Design Harde
ning ) )を参照すること。しかし、大きなデバイス サイズは、通常は
、入力キャパシタンスをできるだけ小さくするために入力保護デバイスにおいて
は避けられる。
以下の詳細な説明はICFET集積回路の入力を静電放電から保護するための向
上された方法に関する。本発明は保護要素として使用される金属ゲート電界効果
形トランジスタの金属ゲートを省くことによって保護が向上されるという信じが
たい発見に基づ(。結果として、以前は寄生双極トランジスタとみなされていた
ものが保護要素として使用される。本発明による構造は別の方法として過多のホ
ントスボンドを避けるような方法にて形成されたダイオードのアバランシ降伏を
使用し実現することもできる。
第4図には本発明の構造を使用する集積回路部分の平面図が示される。金属ボン
ドパッド400は後にICをパッケージ端子にワイヤーボンディングするための
位置として機能する。金属導体401はボンドバンドをコンタクト窓402の列
に接続する。この窓は誘電層を貫通して下側のドープされた半導体領域、つまり
、寄生双極トランジスタの“コレクタ”に延びる。この例においては、このコレ
クタはn−タイプの半導体材質である。この金属導体は斜線を与えられた領域4
03内のコレクタの幅に相当する部分を覆う。このコレクタに隣接する反対のド
ーピング タイプ(例えば、p−タイプ)の半導体材質の領域(404)は寄生
双極トランジスタの“ベース”を形成する。金属導体領域403はベース領域4
04の上を延びないことに注意する。このベースに隣接して“エミッタ(n−タ
イプ)半導体領域405が存在する。
図示されるごとく、このベースとエミッタはコレクタを中心に互いに対称である
ことに注意する。これはコレクタの周辺領域を最大限に利用するために必要であ
る。ただし、非対称構造も可能である。エミッタ領域405はコレクタ窓406
を介して電源端子に接続される。この端子に供給される電源電圧は正(VCC)
でもあるいは負(V SS)でもあり得る。保護されるIC入力回路はリンク4
07を介してボンドパッドに接続される。リンク407は典型的には100から
10,000オームの範囲、この場合は1400オームの抵抗体である。
本発明の1つの重要な面はコレクタの長さくL)がコレクタの幅(W)より非常
に大きなことである。少なくとも5、好ましくは少なくとも10の長さに対する
幅の比(L /W)が推奨される。
もう1つの重要なことは、コレクタが入力導体によって実質的にコレクタの全長
(L)に沿ってコンタクトされることである。これは図示されるようにリングラ
フインク整合を助けるため複数のコンタクト窓を使用することによって達成され
る。別の方法として、1つあるいは少数のコンタクト窓を使用することもできる
。
この保護デバイスは実質的に保護トランジスタを取り巻く窓408を通じてコン
タクトされるドープされた(n−タイプ)半導体材質のガードリング領域を含む
。これら窓はこのドープされたガードリング領域を電源端子に接続する。この電
源端子は、n−タイプガートリングの場合は正(VCC)の電圧端子である。
第5図は第4図の線4−4に沿う断面図を示す。ここでは、図面を簡潔にするた
めに、“エミッタ5へのコンタクト窓の1つの列のみが示される。半導体本体5
00は典型的には基板あるいは基板上に成長されたエピタキシャル層である。p
−タブ領域501及びn−タブ領域502.503が半導体本体内に形成される
。
シリコン半導体本体内にタブ領域を形成するための1つの適当な構造が本発明と
共同譲渡の合衆国特許第4,435.896号に開示される。p−タブ領域内に
はコレクタ領域504、及びエミッタ領域505.506が形成されるが、この
例ではn十タイプの半導体領域である。コレクタ領域504は個々のエミッタ領
域から“ベース”領域(p)によって分離される。このベース領域は電界酸化物
領域507.508によって覆われる。先行技術による金属ゲート構造において
は、第3図に示されるように入力導体509、典型的にはアルミニウムが電界酸
化物領域507.508及びガラス領域510.511上を延びる。しかし、本
発明による構造においては、入力導体はコレクタとエミッタ ドープ領域を分離
するベース領域の上のこの絶縁体の上を延びない。入力導体509ハ望ましくは
コレクタ504に領域504を通じてのアルミニウム1スパイキング(spik
ing )を抑えるために領域504のインクから離れた所でコンタクトするよ
うにされる。追加されるキャパシタンスをできるだけ小さくするために、入力導
体509の上側部分は(n+)ドープされたコレクタ領域504を越えて横力方
に延びないようにされる。本発明によるエミッタは導体512.513を介して
電源電圧、VCCあるいはVSSに接続される。ガードリング領域502.50
3はドープされた(n+)領域514.515にコンタクトされ、導体516.
517によって正の電源(VCC)端子に接続される。
一例としての実施態様から本発明の長所が理解できる。テーブル■に示される造
作の厚さ及びテーブル■に示されるドーピングレベルを持つ動的直接アクセス
メモリ (D RAM)が製造された。これら値は保護される(n−チャネル)
入力トランジスタに対する値と同一であり、同一プロセスにて製造されたことに
注意する。
アルミニウム 1.0μm
ガラスの下の電界酸化物 3.800オングストロームBPSG (ガラ、U
7,000オングストロームテーブル■
ドーピング 表面面積 シート抵抗
イオン10 オーム/平方
N−1プ 3.lX10′6 1,500P−タブ 2.3X1016 4.0
0ON+ 8.2X10′9 25
P+ 5.2xlO” 180
このメモリ セルには保護トランジスタと同一プロセスにて形成されたn−チャ
ネル アクセス トランジスタが使用された。
従って、このアクセス トランジスタは第5図に示される保護デバイスのコレク
タ/エミッタ領域と同一のドーピング レベル及び深さのソース/ドレイン領域
を持つ。このアクセス トランジスタのゲート酸化物降伏電圧は約20ボルトで
あり、保護ダイオードのアバランシ降伏は約+14ボルトの所で起る。ここでこ
の電圧は両方とも負の電源電圧VSSを基準とするものである。負の入力電圧に
対する保護は領域504.501間のp−n接合を通じての順バイアス通電によ
って得られる。第3図の金属ゲート保護デバイスがテストされた。ここでチャネ
ル幅(第4図内の寸法L)は154マイクロメートル、そしてチャネル長(第3
図のソース/ドレイン領域33及び34からの横方向の距離)は4ミクロンメー
トルとされた。コレクタの幅(第5図における寸法W)は10マイクロメートル
とされた。第5図に示される双極保護デバイスもテストされた。前の寸法はその
他は同一とされ、また金属ゲート デバイスと本発明による双極デバイスのドー
ピングは同一とされた。驚くことに、第5図の本発明による双極デバイスは第3
図の金属ゲート デバイスより高いESD損傷いき値電圧を持つことが発見され
た。これら結果は今のところ、金属ゲートデバイスのチャネル内に生成される電
界チャネルの表面領域にESD電流が流れるのを制限する傾向を持つためではな
いかと考えられている。これは第3図のドレイン領域33のチャネル エツジの
所にホットスポットを生成し損傷を与える。一方、第5図に示されるように金属
ゲートを省くと、コレクタ領域504の周辺領域の大きな部分が通電する。
上の発見はES、D+7)際にチップは通常電源に接続されないためある場合に
はエミッタ領域(505,506)も省くことができることを示唆する。従って
、エミッタ領域は追加のキャリヤを集める機能を持つが、これを含めることは必
ずしも必要でない。これは第5回の本発明による構造によって保護されるメモリ
チップ入力にESDテスト電圧を加えることによってfI′fL’lされた。
ただし、ここでは■CC端子は切断され、従って、エミッタ導体512.513
は接続されなかった。もう1つの保護された入力端子はアースされた。ESD損
傷いき値電圧は、人体モデル(human bodymodel )テストの場
合の通常の手順でみられるvCC端子がアースされた場合と実質的に同一である
ことが発見された。
これら結果はまた電流を分散させ、ホットスポットを避けるためにコレクタ領域
の大きな周辺領域を提供することが重要であることを示唆する。これは本発明に
よる構造においては、望ましくない過多の入力キャパシタンスを生成する過多の
接合領域を避ける一方で保護接合を長く細くすること、つまり、前述のごとく大
きなL/W比を持たせることによって達成される。
第4図の平面図においてはこの保護接合は真っすぐに示されるが、他の構造も可
能である。例えば、この接合は空間を節約するためあるいは他の回路要素に適応
するように曲げるあるいはS字型にすることもできる。従って、接合の“長さ゛
は接合に沿う総経路長を意味し、“幅”は接合の経路に沿う任意の点の断面の幅
を意味する。
接合の1つの適当な位置は保護される入力のボンドバンドの周辺の下である。第
6図の平面図は上側の誘電材質から解放された中心部分600、及び誘電キャッ
プ、通常はSiO□に覆われた外側部分601を持つ金属バンドパッドを示す。
保護ダイオードは図面に向ってボンドバンドの上側の周辺の下に横わり、図面に
向って左及び右の側を下に向って部分的に延びる。ダイオードの全長は追加され
るキャパシタンスを最小限に抑える一方で所望の保護が得られるように選択され
、従って、周辺の回りを示されるより多く延びる場合もあるいは少な(延びる場
合もある。このダイオードは下側のp−タブ内に位置する領域602内にn+を
打ち込むことによって形成される。ボンドパッドとn+ダイオード領域との間の
コンタクトは介在する誘電体(被着されたガラス及び成長された二酸化ケイ素)
の層を貫通する窓603によって達成される。オプションとして、n−タブ領域
604内に位置するn+ガードリングを含め、コンタクト窓605を介して正の
電源(VCC)に接続することもできる。ボンドパッドは金属リンク607及び
抵抗体Rを介してIC入力回路に結合される。
第6図の構造の断面図が第7図に示される。金属バンドパッド層711bはn+
ダイオード領域705及び707に接続する。
これら領域は第6図に示されるように1つの長い“U”型領域のセクションであ
るが、別の方法として、別個のダイオード領域とすることもできる。ダイオード
n十領域の下側にはp−タブ領域702が存在する。図示されるごとく、n−タ
ブ領域であるガードリング領域703内にn+コンタクト領域708及び706
が形成される。これら領域も第6図に示されるようにボンドパッドの回りを延び
る“U”型領域のセクションであるが、別個の領域として形成することもできる
。ガードリングn生コンタクト領域は誘電層710及び709を貫通して延びる
金属層711a及び711cによって電源電圧(VCC)に接続される。
第7図に示される本発明の重要な特徴の1つは、金属ボンドバッド層711b上
に正の入力電圧がp−タブ領域720内にチャネルを生成する傾向を持つことで
ある。しかし、このチャネルは、同一の電位、つまり、入力電圧を持つダイオー
ドの上側のドープされた領域705と707との間に延びる。従って、ESDの
際に、このチャネルを通って電流は通電されず、従って、有害なホットスポット
を生成することはない。これは入力導体に課せられる1つの要件、つまり、入力
導体が保護ダイオードが形成されるドープされた半導体領域(例えば、p−タブ
)上をその集積回路の外部端子に接続された反対のドーピング タンプ(例えば
、n−タイプ)のもう1つの領域に向って“大きく”延びないという要件を説明
する。ここで、他のドーピされた領域もここでは“接続された(connect
ed ) ”領域と呼ばれる。例えば、入力導体はp−タブ上を電源端子、ある
いは保護された端子以外の入力端子に接続されたn+コンタクト領域に向で延び
てはならない。さもでければ、ESDの際に入力導体によって形成されるチャネ
ルがESD電流を集中させる傾向を持つチャネルを形成する傾向を持ち、これに
よって上に説明のように保護ダイオードのブリマチュア損傷を起こす原因となる
。ここでの用語“大きく”は入力導体が第4図の導体401によって示されるよ
うに横のトランジスタのn+“コレクタ”領域にコンタクトするためにp−タブ
の一部を覆うことを認めないものではない。ただし、この入力導体は、典型的に
は、保護接合の全長の25%より少なくp−タブを覆うのみとされる。入力導体
を保護接合から横方向にオフセットし、これにポリシンコンあるいは他の導電材
質のリンクによって接続することによって、接合を通じてスパイキングが起こる
のを防止することもできる。
FIG、1
国際調査報告
lR+0.、、+1゜+l Al@Mtj+、8M 1111.2C″r/’j
S ε6101914ANNEXτ0THEINTER)IATIONA、r、
5EARCHREPORTONINTERNATIONAL APPI:、IC
ATICN No、 ?CT/υS 86101974 (SA 14636)
US−A−443589613103/84 NoneEP−A−014325
90S106/85 JP−A、−6007467726104/85
Claims (7)
- 1.任意の導電タイプのソース及びドレイン領域を持つ少なくとも1つの保護さ れるべき1つの絶縁されたゲート電界効果形トランジスタのゲートに(407を 介して)結合された少なくとも1つの入力端子(400)を含み、該トランジス タのゲート絶縁体が任意の電圧レベルにて降伏する保護集積回路において、該集 積回路が反対の導電タイプを持つ第2の半導体領域(501)内に位置する該任 意の導電タイプの第1の半導体領域(504)を含み、これによって保護p−n 接合が形成され、該接合が該ゲートに加えられる電圧を該端子に加えられる任意 の極性の電圧に対する該接合の逆降伏電圧に制限し、該接合の該逆降伏電圧が該 任意の電圧レベルの逆降伏電圧より小さく、また20ボルト以下であり、該接合 の長さの該接合の幅に対する比が少なくとも5であることを特徴とする集積回路 。
- 2.請求の範囲第1項に記載の集積回路において、該比が少なくとも10である ことを特徴とする集積回路。
- 3.請求の範囲第1項に記載の集積回路において、該接合が該入力端子に該第1 の半導体領域を該接合の実質的に全長上でコンタクトする導体(403)によっ て結合されていることを特徴とする集積回路。
- 4.請求の範囲第1項に記載の集積回路において、該入力端子がポンドパッドに 接続され、該保護接合が該ポンドパッドの周辺に下に位置することを特徴とする 集積回路。
- 5.請求の範囲第1項に記載の集積回路において、該入力端子に接続された任意 の導体が該第2の領域上を該第2の領域内に位置し該集積回路の任意の他の端子 に接続された該任意の導電端子の任意の他の半導体領域に大きく延びないことを 特徴とする集積回路。
- 6.請求の範囲第5項に記載の集積回路において、該第2の半導体領域が半導体 本体内に形成されたタブ領域であることを特徴とする集積回路。
- 7.請求の範囲第6項に記載の集積回路において、さらに該集積回路の電源端子 に接続された該任意の導電タイプのドープされた半導体ガードリング領域(51 4)が含まれることを特徴とする集積回路。
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