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JP4127826B2 - Silicon-on-insulator latch-up pulse radiation detector - Google Patents
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JP4127826B2 - Silicon-on-insulator latch-up pulse radiation detector - Google Patents

Silicon-on-insulator latch-up pulse radiation detector Download PDF

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Description

本発明は、一般に集積回路に関し、より詳細には、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)技術を使用して形成されたラッチアップ・パルス放射線検出器に関する。   The present invention relates generally to integrated circuits, and more particularly to latch-up pulse radiation detectors formed using silicon-on-insulator (SOI) technology.

シリコン・オン・インシュレータ(SOI)技術は、集積回路分野で重要性が増してきているが、絶縁材料の層の上にある、半導体材料の比較的薄い層内に半導体デバイス(例えば、ダイオード、トランジスタなど)を形成することに関係している。SOI技術は、バルク相補型金属酸化膜半導体(CMOS)プロセスに比べて、例えば高性能、高搭載密度、低消費電力、およびラッチアップの実質的な減少を含めて、多くの利点を提供する。   Silicon on insulator (SOI) technology is becoming increasingly important in the field of integrated circuits, but semiconductor devices (eg, diodes, transistors, etc.) within a relatively thin layer of semiconductor material, overlying a layer of insulating material. Etc.). SOI technology offers many advantages over bulk complementary metal oxide semiconductor (CMOS) processes, including, for example, high performance, high mounting density, low power consumption, and a substantial reduction in latch-up.

すべての接合分離型、またはバルク型CMOSプロセスにおいて、ラッチアップの原因が存在する寄生PNPNパスである。このような寄生PNPNパスで形成された寄生PNPおよびNPNバイポーラ・トランジスタは、通常の条件では、活性化できない。しかし、ある種の条件では、例えば、スプリアスな電流スパイク(spurious current spike)に応答して、寄生PNPおよびNPNトランジスタは、活性化することがあり、それによって長い正のフィードバックを有する回路が形成される、すなわちラッチアップが起きる。   It is a parasitic PNPN path that causes latch-up in all junction isolation or bulk CMOS processes. The parasitic PNP and NPN bipolar transistor formed by such a parasitic PNPN path cannot be activated under normal conditions. However, under certain conditions, for example, in response to a spurious current spike, parasitic PNP and NPN transistors may activate, thereby forming a circuit with long positive feedback. That is, latch-up occurs.

寄生PNPNバイポーラ・トランジスタによって引き起こされるラッチアップを利用するために、しばしばバルク型CMOSプロセスを使用して放射線検出器を形成する。具体的には、バルク型CMOSタイプ放射線検出器は、検出器の内部で十分に大きい電流スパイクを生じることができる、α粒子、宇宙線、または他のタイプの放射線との相互作用に応答して選択的にラッチアップ状態に入るように設計されている。遺憾ながら、SOI技術の特徴の1つが、ラッチアップを実質的に減少させることなので、イオン化放射線トリガ・ラッチアップ(ionizing-radiation-triggered latch-up)が生じ得るSOI放射線検出器を作製することは非常に困難であることがわかっている。このようなSOIタイプ放射線検出器ができれば、SOI技術がもたらす利点がバルク型CMOSプロセスに比べて多いので、望ましいはずである。   To take advantage of the latch-up caused by parasitic PNPN bipolar transistors, a bulk CMOS process is often used to form a radiation detector. Specifically, bulk CMOS type radiation detectors are responsive to interactions with alpha particles, cosmic rays, or other types of radiation that can produce sufficiently large current spikes inside the detector. Designed to selectively enter a latch-up state. Unfortunately, since one of the features of SOI technology is to substantially reduce latch-up, it is not possible to create an SOI radiation detector that can cause ionizing radiation-triggered latch-up. It turns out to be very difficult. It would be desirable to have such an SOI type radiation detector because SOI technology offers many advantages over bulk CMOS processes.

バルク型CMOSプロセスを用いて形成されたPNPNダイオード構造は、一般に、放射線検出器を作製するために使用される。遺憾ながら、このバルク型CMOS構造は、SOI技術では存在しない素子分離のすぐ下の電流経路を利用しており、したがって、この設計は、放射線検出器として使用するには適さなくなっている。   A PNPN diode structure formed using a bulk CMOS process is commonly used to fabricate radiation detectors. Unfortunately, this bulk CMOS structure utilizes a current path just below the element isolation that does not exist in SOI technology, and therefore this design is not suitable for use as a radiation detector.

図1に示すPNPNダイオード構造10は、絶縁基板12、絶縁基板12上に形成されたシリコン層14、シリコン層14上に形成されたゲート酸化物層(例えば、二酸化ケイ素)16、ゲート酸化物層16上に形成されたゲート層18、およびゲート層18の上に形成されたシリサイド・ストラップ20を備える。シリコン層14は、高ドープP+領域22、高ドープN+領域24、低ドープNウェル26、および低ドープPウェル28を備える。ゲート層18は、シリサイド・ストラップ20によって結合された、高ドープP+領域30および高ドープN+領域32を備える。ゲート層18のP+領域30の側面34とN+領域32の側面36の界面46は、シリコン層14のNウェル26の側面38とPウェル28の側面40の界面48にほぼ一致している。ゲート層18のP+領域30の対向側面42は、シリコン層14のP+領域22の上に部分的に広がっている。同様に、ゲート層18のN+領域32の対向側面44は、シリコン層14のN+領域24の上に部分的に広がっている。PNPNダーオード構造10は、当業者に知られた従来のSOIプロセスを使用して形成することができる。   1 includes an insulating substrate 12, a silicon layer 14 formed on the insulating substrate 12, a gate oxide layer (eg, silicon dioxide) 16 formed on the silicon layer 14, and a gate oxide layer. A gate layer 18 formed on the gate layer 16 and a silicide strap 20 formed on the gate layer 18. The silicon layer 14 includes a highly doped P + region 22, a highly doped N + region 24, a lightly doped N well 26, and a lightly doped P well 28. The gate layer 18 comprises a highly doped P + region 30 and a highly doped N + region 32 coupled by a silicide strap 20. The interface 46 between the side surface 34 of the P + region 30 and the side surface 36 of the N + region 32 of the gate layer 18 substantially coincides with the interface 48 between the side surface 38 of the N well 26 and the side surface 40 of the P well 28 of the silicon layer 14. The opposing side surface 42 of the P + region 30 of the gate layer 18 partially extends over the P + region 22 of the silicon layer 14. Similarly, the opposing side surface 44 of the N + region 32 of the gate layer 18 partially extends above the N + region 24 of the silicon layer 14. The PNPN diode structure 10 can be formed using a conventional SOI process known to those skilled in the art.

図2に示すように、動作時は、シリコン層14のP+領域22がソース電圧(例えば、VDD)に結合され、シリコン層14のN+領域24がアース(例えば、VSS)に結合され、他方ゲート層18は、ある動作電圧にある。ソース(Sp)がP+領域22で形成され、本体(Bp)がNウェル26で形成され、ドレイン(Dp)がPウェル28で形成され、ゲート(Gp)がゲート層18のP+領域30で形成された、寄生PMOSFET50がシリコン層14内に形成される。同様に、ソース(Sn)がN+領域24で形成され、本体(Bn)がPウェル28で形成され、ドレイン(Dn)がNウェル26で形成され、ゲート(Gn)がゲート層18のN+領域32で形成された、寄生NMOSFET52がシリコン層14内に形成される。   As shown in FIG. 2, in operation, the P + region 22 of the silicon layer 14 is coupled to a source voltage (eg, VDD), and the N + region 24 of the silicon layer 14 is coupled to ground (eg, VSS) while the other gate Layer 18 is at a certain operating voltage. The source (Sp) is formed by the P + region 22, the body (Bp) is formed by the N well 26, the drain (Dp) is formed by the P well 28, and the gate (Gp) is formed by the P + region 30 of the gate layer 18. The parasitic PMOSFET 50 thus formed is formed in the silicon layer 14. Similarly, the source (Sn) is formed of the N + region 24, the body (Bn) is formed of the P well 28, the drain (Dn) is formed of the N well 26, and the gate (Gn) is the N + region of the gate layer 18. A parasitic NMOSFET 52 formed at 32 is formed in the silicon layer 14.

寄生PMOSFET50の閾値電圧(Vtp)は、通常約−0.2ボルト程度である。したがって、寄生PMOSFET50がON状態になるのを防ぐには、ゲート層18(すなわち、Gp)のP+領域30をソース電圧(VDD)にほぼ等しい電圧に結合しなければならない。同様に、寄生NMOSFET52の閾値電圧(Vtn)は、通常約0.2ボルト程度である。したがって、寄生NMOSFET52がON状態になるのを防ぐには、ゲート層18(すなわち、Gn)のN+領域32をほぼVSSに等しい電圧に結合しなければならない。したがって、ゲート層18上の電圧に対して2つの相反する要件がある。すなわち、ゲート層18は、寄生PMOSFET50がON状態になるのを防ぐためにVDDに結合しなければならず、同時に寄生NMOSFET52がON状態になるのを防ぐためにVSSに結合しなければならない。これらの要件は、両方同時には満足できないので、最小限のゲート・バイアスに応答して寄生FET50、52のどちらか一方が常にON状態になり、ラッチアップが開始されることになる。   The threshold voltage (Vtp) of the parasitic PMOSFET 50 is usually about -0.2 volts. Therefore, to prevent the parasitic PMOSFET 50 from turning on, the P + region 30 of the gate layer 18 (ie, Gp) must be coupled to a voltage approximately equal to the source voltage (VDD). Similarly, the threshold voltage (Vtn) of the parasitic NMOSFET 52 is usually about 0.2 volts. Therefore, to prevent the parasitic NMOSFET 52 from turning on, the N + region 32 of the gate layer 18 (ie, Gn) must be coupled to a voltage approximately equal to VSS. Therefore, there are two conflicting requirements for the voltage on the gate layer 18. That is, the gate layer 18 must be coupled to VDD to prevent the parasitic PMOSFET 50 from being turned on, and at the same time must be coupled to VSS to prevent the parasitic NMOSFET 52 from being turned on. Since both of these requirements cannot be met at the same time, either one of the parasitic FETs 50, 52 will always be in the ON state in response to a minimum gate bias, and latch-up will begin.

したがって、この技術分野において、SOI技術を使用して形成された放射線検出器が必要とされている。   Therefore, there is a need in the art for radiation detectors formed using SOI technology.

本発明は、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)を使用して形成されたラッチアップ・パルス放射線検出器を提供する。   The present invention provides a latch-up pulse radiation detector formed using silicon-on-insulator (SOI).

本発明の第1の態様は、絶縁基板上に形成されたシリコン層を備えており、このシリコン層がPNPN構造とPNPN構造の上に形成されたゲート層とを備え、このゲート層がPNゲートを備えており、放射線検出器内で入射放射線に応答してのみラッチアップが生じる、シリコン・オン・インシュレータ放射線検出器を対象としている。   A first aspect of the present invention includes a silicon layer formed on an insulating substrate, the silicon layer including a PNPN structure and a gate layer formed on the PNPN structure, and the gate layer is a PN gate. And a silicon-on-insulator radiation detector in which latch-up occurs only in response to incident radiation within the radiation detector.

本発明の第2の態様は、シリコン・オン・インシュレータPNPNダイオード構造を備えており、放射線検出器内で入射放射線に応答してのみラッチアップが生じる、放射線検出器を対象としている。   The second aspect of the present invention is directed to a radiation detector that includes a silicon-on-insulator PNPN diode structure and that latch-up occurs only in response to incident radiation within the radiation detector.

本発明の第3の態様は、絶縁基板上に形成されたシリコン層を備えており、このシリコン層が、PNPN構造とPNPN構造の上に形成されたゲート層とを備え、このゲート層がPNゲートを備えており、放射線検出器内で入射放射線に応答してのみラッチアップが生じる、シリコン・オン・インシュレータ放射線検出器を対象としている。   A third aspect of the present invention includes a silicon layer formed on an insulating substrate, and the silicon layer includes a PNPN structure and a gate layer formed on the PNPN structure, and the gate layer is a PNPN. It is intended for silicon-on-insulator radiation detectors that have a gate and latch up occurs only in response to incident radiation within the radiation detector.

本発明の前記の特徴および他の特徴は、以下、本発明の実施形態についてのより具体的な説明により明らかになるであろう。   The above and other features of the present invention will become apparent from the more specific description of the embodiments of the present invention.

以下の図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。ここで同じ記号は同じ構成要素を示す。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the following drawings. Here, the same symbol indicates the same component.

PNPNダイオード構造100として形成した、本発明によるSOI放射線検出器の第1の実施形態を図3に示す。図3に示したPNPNダイオード構造100は、絶縁基板112、絶縁基板上に形成したシリコン層114、シリコン層114上に形成したゲート酸化物層116、ゲート酸化物層116上に形成したゲート層118、およびゲート層118の上に形成したシリサイド・ストラップ120を備える。シリコン層114は、高ドープP+領域122、高ドープN+領域124、低ドープNウェル126、および低ドープPウェル128を備える。ゲート層118は、シリサイド・ストラップ120によって結合された、高ドープP+領域130および高ドープN+領域132を備える。PNPNダイオード構造100は、当業者に知られた通常のSOIプロセスを使用して形成することができる。   A first embodiment of an SOI radiation detector according to the present invention formed as a PNPN diode structure 100 is shown in FIG. The PNPN diode structure 100 shown in FIG. 3 includes an insulating substrate 112, a silicon layer 114 formed on the insulating substrate, a gate oxide layer 116 formed on the silicon layer 114, and a gate layer 118 formed on the gate oxide layer 116. , And a silicide strap 120 formed on the gate layer 118. The silicon layer 114 includes a highly doped P + region 122, a highly doped N + region 124, a lightly doped N well 126, and a lightly doped P well 128. The gate layer 118 comprises a highly doped P + region 130 and a highly doped N + region 132 coupled by a silicide strap 120. The PNPN diode structure 100 can be formed using a conventional SOI process known to those skilled in the art.

上記で詳しく述べたように、図1に示すPNPNダイオード構造10では、ゲート層18のP+領域30とN+領域32の界面46は、シリコン層14のNウェル26とPウェル28の界面48にほぼ一致している。しかし、PNPNダイオード構造100では、ゲート層118のP+領域130の側面134とN+領域132の側面136の界面146は、シリコン層114のNウェル126の側面138とPウェル128の側面140の界面148に対してずれている。具体的には、図3に示すように、ゲート層118のP+領域130とN+領域132の界面146は、シリコン層114のPウェル128の上に位置している。すなわち、P+領域130は、シリコン層114のPウェル128の上に、かなりの距離だけ広がっている。ゲート層118のP+領域130の対向側面142は、シリコン層114のP+領域122の上に部分的に広がっており、他方ゲート層118のN+領域132の対向側面144は、シリコン層114のN+領域124の上に部分的に広がっている。   As described in detail above, in the PNPN diode structure 10 shown in FIG. 1, the interface 46 between the P + region 30 and the N + region 32 of the gate layer 18 is substantially at the interface 48 between the N well 26 and the P well 28 of the silicon layer 14. Match. However, in the PNPN diode structure 100, the interface 146 between the side surface 134 of the P + region 130 of the gate layer 118 and the side surface 136 of the N + region 132 is the interface 148 between the side surface 138 of the N well 126 of the silicon layer 114 and the side surface 140 of the P well 128. Is deviated from. Specifically, as shown in FIG. 3, the interface 146 between the P + region 130 and the N + region 132 of the gate layer 118 is located on the P well 128 of the silicon layer 114. That is, the P + region 130 extends a significant distance above the P well 128 of the silicon layer 114. The opposing side 142 of the P + region 130 of the gate layer 118 partially extends over the P + region 122 of the silicon layer 114, while the opposing side 144 of the N + region 132 of the gate layer 118 is the N + region of the silicon layer 114. It extends partially over 124.

動作に際しては、図4に示すように、シリコン層114のP+領域122はソース電圧(例えば、VDD)に接続され、シリコン層114のN+領域124はアース(例えば、VSS)に接続される。ソース(Sp)がP+領域122で形成され、本体(Bp)がNウェル126で形成され、ドレイン(Dp)がPウェル128で形成され、ゲート(Gp)がゲート層118のP+領域130で形成された、寄生PMOSFET150がシリコン層114内に形成される。寄生PMOSFET150は、通常約−0.2ボルト程度の閾値電圧(Vtp)を有する。本発明では、寄生PMOSFET150がON状態になるのを防ぐために、ゲート層118のP+領域130をソース電圧(VDD)にほぼ等しい電圧にする。   In operation, as shown in FIG. 4, the P + region 122 of the silicon layer 114 is connected to a source voltage (eg, VDD) and the N + region 124 of the silicon layer 114 is connected to ground (eg, VSS). The source (Sp) is formed by the P + region 122, the body (Bp) is formed by the N well 126, the drain (Dp) is formed by the P well 128, and the gate (Gp) is formed by the P + region 130 of the gate layer 118. The parasitic PMOSFET 150 is formed in the silicon layer 114. The parasitic PMOSFET 150 normally has a threshold voltage (Vtp) of about −0.2 volts. In the present invention, in order to prevent the parasitic PMOSFET 150 from being turned on, the P + region 130 of the gate layer 118 is set to a voltage substantially equal to the source voltage (VDD).

また、ソース(Sn)がN+領域124で形成され、本体(Bn)がPウェル128で形成され、ドレイン(Dn)がNウェル126で形成され、ゲート(Gn)がゲート層118のP+領域130で形成された、寄生NMOSFET152がシリコン層114内に形成される。しかし、図2に関して説明した寄生NMOSFET52とは異なり、寄生NMOSFET152の閾値電圧(Vtn)は、約0.2程度ではない。そうではなくて、ゲート層118のP+領域130が、Pウェル128の上にかなりの距離だけ広がり、寄生NMOSFET152のゲートを形成するので、寄生NMOSFET152の閾値電圧(Vtn)は、約1.0ボルトであるシリコンのバンド・ギャップ電圧にほぼ等しい量だけ増えて約1.2ボルトに等しい値となる。この場合、寄生NMOSFET152は、VDDを1.2ボルトより低く保つ限り、その異常に高い閾値電圧(Vtn)約1.2ボルトの故にオフ状態であり続ける。   The source (Sn) is formed by the N + region 124, the body (Bn) is formed by the P well 128, the drain (Dn) is formed by the N well 126, and the gate (Gn) is the P + region 130 of the gate layer 118. A parasitic NMOSFET 152 formed in (1) is formed in the silicon layer 114. However, unlike the parasitic NMOSFET 52 described with reference to FIG. 2, the threshold voltage (Vtn) of the parasitic NMOSFET 152 is not about 0.2. Rather, the P + region 130 of the gate layer 118 extends a significant distance above the P-well 128 to form the gate of the parasitic NMOSFET 152 so that the threshold voltage (Vtn) of the parasitic NMOSFET 152 is about 1.0 volts. Is increased by an amount approximately equal to the silicon band gap voltage to a value equal to about 1.2 volts. In this case, parasitic NMOSFET 152 remains off because of its unusually high threshold voltage (Vtn) of about 1.2 volts as long as VDD is kept below 1.2 volts.

上記で説明したPNPNダイオード構造100は、放射線検出器として使用することができる。具体的には、入射放射線に応答して、おびただしい数の電子・正孔対がNウェル126内にも、Pウェル128内にも形成され、そこではキャリアの寿命が非常に長くなる傾向がある。入射放射線に応答して生成された電子・正孔対は、Nウェル126、Pウェル128を通してドリフト拡散していく。より具体的にいえば、電子はP+領域122に向かってドリフト拡散していき、他方、正孔は、N+領域124に向かってドリフトし拡散していく。正孔は、Nウェル126、Pウェル128、およびN+領域124によって形成された寄生npnバイポーラ・トランジスタのベース電流のように働き、他方、電子は、Nウェル126、Pウェル128、およびP+領域122により形成された寄生pnpトランジスタのベース電流のように働く。電子および正孔の寿命が十分に長い場合は、ゲインが生じる。すなわち、Nウェル126からP+領域122に入ってくる各電子ごとに、多数の正孔がP+領域122を離れ、Nウェル126に入る。同様にPウェル128からN+領域124に入ってくる各電子ごとに、多数の電子がN+領域124を離れ、Pウェル128に入る。この過程が連続して、暴走(すなわち、ラッチアップ)条件を作り出す。PNPNダイオード構造100中を流れる電流は、流れ続けて、この構造内の寄生抵抗によって決まる最大レベルに到達するまで増大する。   The PNPN diode structure 100 described above can be used as a radiation detector. Specifically, in response to incident radiation, a large number of electron-hole pairs are formed in both the N-well 126 and the P-well 128, where the carrier lifetime tends to be very long. . The electron / hole pairs generated in response to the incident radiation are drift diffused through the N well 126 and the P well 128. More specifically, electrons drift and diffuse toward the P + region 122, while holes drift and diffuse toward the N + region 124. The holes act like the base current of a parasitic npn bipolar transistor formed by N well 126, P well 128, and N + region 124, while the electrons act as N well 126, P well 128, and P + region 122. It acts like the base current of the parasitic pnp transistor formed by Gain occurs when the lifetime of electrons and holes is sufficiently long. That is, for each electron that enters the P + region 122 from the N well 126, a large number of holes leave the P + region 122 and enter the N well 126. Similarly, for each electron that enters the N + region 124 from the P well 128, a large number of electrons leave the N + region 124 and enter the P well 128. This process continues to create a runaway (ie, latch-up) condition. The current flowing through the PNPN diode structure 100 continues to flow and increases until it reaches a maximum level determined by the parasitic resistance in the structure.

PNPNダイオード構造200の相補的なバージョンを図5に示すが、これも放射線検出器に使用される。本発明のこの実施形態では、ゲート層118のP+領域130の側面134とN+領域132の側面136の界面146は、シリコン層114のNウェル126の上に位置している。シリコン層114のP+領域122はソース電圧(例えば、VDD)に接続され、シリコン層114のN+領域124はアース(例えば、VSS)に接続される。ソース(Sn)がN+領域124で形成され、本体(Bn)がPウェル128で形成され、ドレイン(Dn)がNウェル126で形成され、ゲート(Gn)がゲート層118のN+領域132で形成された、寄生NMOSFET252がシリコン層114内に形成される。寄生NMOSFET252は、通常約0.2ボルト程度の閾値電圧(Vtn)を有する。本発明では、寄生NMOSFET252がON状態になるのを防ぐために、ゲート層118のN+領域132をVSSにほぼ等しい電圧に接続する。   A complementary version of the PNPN diode structure 200 is shown in FIG. 5, which is also used in the radiation detector. In this embodiment of the invention, the interface 146 between the side surface 134 of the P + region 130 of the gate layer 118 and the side surface 136 of the N + region 132 is located above the N well 126 of the silicon layer 114. The P + region 122 of the silicon layer 114 is connected to a source voltage (eg, VDD), and the N + region 124 of the silicon layer 114 is connected to ground (eg, VSS). The source (Sn) is formed by the N + region 124, the body (Bn) is formed by the P well 128, the drain (Dn) is formed by the N well 126, and the gate (Gn) is formed by the N + region 132 of the gate layer 118. A parasitic NMOSFET 252 is formed in the silicon layer 114. The parasitic NMOSFET 252 normally has a threshold voltage (Vtn) of about 0.2 volts. In the present invention, in order to prevent the parasitic NMOSFET 252 from being turned on, the N + region 132 of the gate layer 118 is connected to a voltage substantially equal to VSS.

また、ソース(Sp)がP+領域122で形成され、本体(Bp)がNウェル126で形成され、ドレイン(Dp)がPウェル128で形成され、ゲート(Gp)がゲート層118のN+領域132で形成された、寄生PMOSFET250がシリコン層114内に形成される。ゲート層118のN+領域132が、Nウェル126の上にかなりの距離だけ広がり、寄生PMOSFET250のゲートを形成するので、寄生PMOSFET250の閾値電圧(Vtp)は、シリコンのバンド・ギャップ電圧にほぼ等しい量だけ減少して、約−1.2ボルトに等しい値となる。この場合、寄生PMOSFET250は、VDDを1.2ボルトより低く保つ限り、その異常に高い閾値電圧(Vtp)約−1.2ボルトの故にオフ状態であり続ける。   Further, the source (Sp) is formed by the P + region 122, the main body (Bp) is formed by the N well 126, the drain (Dp) is formed by the P well 128, and the gate (Gp) is formed by the N + region 132 of the gate layer 118. A parasitic PMOSFET 250 formed in (1) is formed in the silicon layer 114. Since the N + region 132 of the gate layer 118 extends a significant distance above the N-well 126 to form the gate of the parasitic PMOSFET 250, the threshold voltage (Vtp) of the parasitic PMOSFET 250 is approximately equal to the silicon band gap voltage. Is reduced to a value equal to about -1.2 volts. In this case, the parasitic PMOSFET 250 remains off because of its unusually high threshold voltage (Vtp) of about −1.2 volts as long as VDD is kept below 1.2 volts.

PNPNダイオード構造100と200の両方と共通の特性を持つPNPNダイオード構造300を備えた放射線検出器の別の実施形態を、図6に示す。本実施形態では、ゲート層118は、第1の高ドープP+領域302、Nウェル126の上に位置する第1の高ドープN+領域304、Pウェル128の上に位置する第2の高ドープP+領域306、および第2の高ドープN+領域308を備える。ゲート層118のN+領域304とP+領域306の界面310は、シリコン層114のNウェル126とPウェル128の界面148にほぼ等しい位置にある。   Another embodiment of a radiation detector comprising a PNPN diode structure 300 having characteristics in common with both PNPN diode structures 100 and 200 is shown in FIG. In the present embodiment, the gate layer 118 includes a first highly doped P + region 302, a first highly doped N + region 304 located above the N well 126, and a second highly doped P + located above the P well 128. Region 306 and a second highly doped N + region 308 are provided. The interface 310 between the N + region 304 and the P + region 306 of the gate layer 118 is at a position approximately equal to the interface 148 between the N well 126 and the P well 128 of the silicon layer 114.

シリコン層114のP+領域122はソース電圧(例えば、VDD)に接続され、シリコン層114のN+領域124はアース(例えば、VSS)に接続される。ソース(Sp)がP+領域122で形成され、本体(Bp)がNウェル126で形成され、ドレイン(Dp)がPウェル128で形成され、ゲート(Gp)がゲート層118のN+領域304で形成された、寄生PMOSFET350がシリコン層114内に形成される。ゲート層118の第1のN+領域304は、Nウェル126の上に位置し、寄生PMOSFET350のゲート(Gp)を形成するので、寄生PMOSFET350の閾値電圧(Vtp)は約−1.2ボルトである。同様に、ソース(Sn)がN+領域124で形成され、本体(Bn)がPウェル128で形成され、ドレイン(Dn)がNウェル126で形成され、ゲート(Gn)がゲート層118の第2のP+領域306で形成された、寄生NMOSFET352がシリコン層114内に形成される。Pウェル128の上の第2P+領域306の位置により、約1.2ボルト程度の閾値電圧(Vtn)のNMOSFET352がもたらされる。本発明のこの実施形態では、寄生PMOSFET350は、ゲート電圧が、(VDD−1.2ボルト)より高く保たれる限りオフ状態に留まり、他方、寄生NMOSFET352は、ゲートが1.2ボルトより低く保たれる限りオフ状態に留まる。したがって、VDDが1.2ボルトより低いときは、VDD、VSSまたは他のVDDとVSSの間の適切な電圧に、ゲート層118を接続させることができる。   The P + region 122 of the silicon layer 114 is connected to a source voltage (eg, VDD), and the N + region 124 of the silicon layer 114 is connected to ground (eg, VSS). The source (Sp) is formed by the P + region 122, the body (Bp) is formed by the N well 126, the drain (Dp) is formed by the P well 128, and the gate (Gp) is formed by the N + region 304 of the gate layer 118. A parasitic PMOSFET 350 is formed in the silicon layer 114. Since the first N + region 304 of the gate layer 118 is located above the N well 126 and forms the gate (Gp) of the parasitic PMOSFET 350, the threshold voltage (Vtp) of the parasitic PMOSFET 350 is about -1.2 volts. . Similarly, the source (Sn) is formed by the N + region 124, the body (Bn) is formed by the P well 128, the drain (Dn) is formed by the N well 126, and the gate (Gn) is the second of the gate layer 118. A parasitic NMOSFET 352 formed in the P + region 306 is formed in the silicon layer 114. The position of the second P + region 306 above the P-well 128 results in an NMOSFET 352 with a threshold voltage (Vtn) on the order of about 1.2 volts. In this embodiment of the invention, the parasitic PMOSFET 350 remains off as long as the gate voltage is kept higher than (VDD-1.2 volts), while the parasitic NMOSFET 352 keeps the gate below 1.2 volts. Stay off as long as you can. Thus, when VDD is lower than 1.2 volts, the gate layer 118 can be connected to VDD, VSS or another suitable voltage between VDD and VSS.

上記で図2に関して詳細に説明したように、Nウェル126とPウェル128は寄生pnpおよびnpnバイポーラ・トランジスタのベースを形成する。例えば、容量結合によって起きる突発的なラッチアップを防ぐために、浮動ベース(すなわち、Nウェル126、およびPウェル128)をそれぞれVDD、VSSに固定することができる。このことをPNPNダイオード構造100中で実施する1つの方法を図7に示す。   As described in detail above with respect to FIG. 2, N-well 126 and P-well 128 form the bases of parasitic pnp and npn bipolar transistors. For example, the floating base (ie, N-well 126 and P-well 128) can be fixed at VDD and VSS, respectively, to prevent sudden latch-up caused by capacitive coupling. One way to do this in the PNPN diode structure 100 is shown in FIG.

Nウェル126、およびPウェル128を固定した図3のPNPN構造100を提供するプロセスを図7に要約して示す。当業者に知られた様々な処理ステップは、話を簡単にし、図を見やすくするために省略した。   A process for providing the PNPN structure 100 of FIG. 3 with a fixed N-well 126 and P-well 128 is summarized in FIG. Various processing steps known to those skilled in the art have been omitted for the sake of simplicity and ease of viewing the figure.

マスク400を設けて、シリコン・アイランド402を形成する。別のマスク404を使用してシリコン・アイランド402の上にゲート電極406(すなわち、ゲート層)を形成する。ゲート誘電体(図示せず)は、ゲート電極406とシリコン・アイランド402の間に位置する。シリコン・アイランド402のうちでゲート電極406の下にあり、Nウェル・マスク408で覆われている領域が、PNPNダイオード構造100のNウェル126を形成する。シリコン・アイランド402のうちでゲート電極406の下にあり、Nウェル・マスク408で覆われていない領域が、PNPNダイオード構造100のPウェル128を形成する。シリコン・アイランド402のうちでゲート電極406で覆われていない領域は、イオン注入によりP+またはN+に高濃度でドープされる。具体的には、シリコン・アイランド402のうちでゲート電極406で覆われず、マスク410で覆われた領域をP+にドープし、他方、シリコン・アイランド402のうちでゲート電極406で覆われてないか、またはマスク410で覆われていない領域をN+にドープする。これにより、シリコン層114のN+領域124とP+領域122を形成する。これによって、Pウェル128に結合したnpnベース接点412と、Nウェル126に結合したpnpベース接点414も作製される。npnベース接点412とpnpベース接点414は、それぞれVSS、VDDに接続されて浮動ベースを固定する。同様なドープ・プロセスを使用して、ゲート電極406をP+またはN+にドープして、この場合もマスク410の位置に応じてゲート層118のP+領域130およびN+領域132を形成する。   A mask 400 is provided to form a silicon island 402. Another mask 404 is used to form a gate electrode 406 (ie, a gate layer) over the silicon island 402. A gate dielectric (not shown) is located between the gate electrode 406 and the silicon island 402. The region of silicon island 402 below gate electrode 406 and covered by N well mask 408 forms N well 126 of PNPN diode structure 100. The region of the silicon island 402 below the gate electrode 406 and not covered by the N-well mask 408 forms the P-well 128 of the PNPN diode structure 100. A region of the silicon island 402 that is not covered by the gate electrode 406 is heavily doped to P + or N + by ion implantation. Specifically, the region of the silicon island 402 that is not covered by the gate electrode 406 and that is covered by the mask 410 is doped with P +, while the silicon island 402 is not covered by the gate electrode 406. Or the region not covered by mask 410 is doped N +. Thereby, the N + region 124 and the P + region 122 of the silicon layer 114 are formed. This also creates an npn base contact 412 coupled to the P well 128 and a pnp base contact 414 coupled to the N well 126. The npn base contact 412 and the pnp base contact 414 are connected to VSS and VDD, respectively, to fix the floating base. A similar doping process is used to dope the gate electrode 406 to P + or N +, again forming the P + region 130 and N + region 132 of the gate layer 118 depending on the position of the mask 410.

本発明を、上記で概説した具体的な実施形態に関して説明してきたが、多くの代替形態、変更形態、変形形態が当業者には明らかであることは明白である。したがって、上述の本発明の実施形態は、限定的なものではなく例示的なものである。以下の特許請求の範囲で規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができる。   Although the invention has been described with respect to the specific embodiments outlined above, it will be apparent that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the above-described embodiments of the present invention are illustrative rather than limiting. Various changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the following claims.

急激なラッチアップの問題を抱える4層SOIPNPNダイオード構造を示す図である。It is a figure which shows the 4 layer SOIPNPN diode structure which has the problem of a sudden latch-up. 急激なラッチアップの問題を抱える4層SOIPNPNダイオード構造を示す図である。It is a figure which shows the 4 layer SOIPNPN diode structure which has the problem of a sudden latch-up. 本発明の実施形態によるPNPNSOIダイオード構造を備える放射線検出器を示す図である。FIG. 3 shows a radiation detector comprising a PNPNSOI diode structure according to an embodiment of the invention. 本発明の実施形態によるPNPNSOIダイオード構造を備える放射線検出器を示す図である。FIG. 3 shows a radiation detector comprising a PNPNSOI diode structure according to an embodiment of the invention. 本発明の別の実施形態によるPNPNSOIダイオード構造を備える放射線検出器を示す図である。FIG. 4 shows a radiation detector comprising a PNPNSOI diode structure according to another embodiment of the invention. 本発明のさらに別の実施形態によるPNPNSOIダイオード構造を備える放射線検出器を示す図である。FIG. 6 shows a radiation detector comprising a PNPNSOI diode structure according to yet another embodiment of the present invention. NウェルおよびPウェルを固定したPNPNSOIダイオード構造を備える放射線検出器を形成するための構造を示す図である。It is a figure which shows the structure for forming the radiation detector provided with the PNPNSOI diode structure which fixed N well and P well.

符号の説明Explanation of symbols

100 PNPNダイオード構造
112 絶縁基板
114 シリコン層
116 ゲート酸化物層
118 ゲート層
120 シリサイド・ストラップ
122 高ドープP+領域
124 高ドープN+領域
126 低ドープNウェル
128 低ドープPウェル
130 高ドープP+領域
132 高ドープN+領域
134 P+領域130の側面
136 N+領域132の側面
138 Nウェル126の側面
140 Pウェル128の側面
142 118のP+領域130の対向側面
144 118のN+領域132の対向側面
146 130の側面134と132の側面136の界面
148 Nウェル126の側面138とPウェル128の側面140の界面
150 寄生PMOSFET
152 寄生NMOSFET
200 PNPNダイオード構造
250 寄生PMOSFET
252 寄生NMOSFET
300 PNPNダイオード構造
302 第1の高ドープP+領域
304 第1の高ドープN+領域
306 第2の高ドープP+領域
308 第2の高ドープN+領域
310 領域304と領域306の界面
350 寄生PMOSFET
352 寄生NMOSFET
400 マスク
402 シリコン・アイランド
404 マスク
406 ゲート電極
408 Nウェル・マスク
410 マスク
412 npnベース接点
414 pnpベース接点
100 PNPN diode structure 112 Insulating substrate 114 Silicon layer 116 Gate oxide layer 118 Gate layer 120 Silicide strap 122 Highly doped P + region 124 Highly doped N + region 126 Lowly doped N well 128 Lowly doped P well 130 Highly doped P + region 132 Highly doped N + region 134 P + region 130 side surface 136 N + region 132 side surface 138 N well 126 side surface 140 P well 128 side surface 142 118 P + region 130 opposing side surface 144 118 N + region 132 opposing side surface 146 130 side surface 134 132 Interface of Side 136 of Side 148 Interface of Side 138 of N Well 126 and Side 140 of P Well 128 150 Parasitic PMOSFET
152 Parasitic NMOSFET
200 PNPN diode structure 250 Parasitic PMOSFET
252 Parasitic NMOSFET
300 PNPN diode structure 302 first highly doped P + region 304 first highly doped N + region 306 second highly doped P + region 308 second highly doped N + region 310 interface between region 304 and region 306 350 parasitic PMOSFET
352 Parasitic NMOSFET
400 mask 402 silicon island 404 mask 406 gate electrode 408 n-well mask 410 mask 412 npn base contact 414 pnp base contact

Claims (4)

絶縁基板上に形成され、PNPN構造を備えるシリコン層と、
前記PNPN構造の上に形成され、PNゲートを備えるゲート層とを備え、
前記PNPN構造は、P+領域、Nウェル、Pウェル、およびN+領域を備え、前記PNゲートが第1のP+領域および第1のN+領域を備え、
前記PNゲートの前記第1のP+領域が、前記PNPN構造の前記Nウェルを覆い、かつ前記PNPN構造の前記Pウェルの上にかなりな距離だけ広がる、シリコン・オン・インシュレータ放射線検出器。
A silicon layer formed on an insulating substrate and having a PNPN structure;
A gate layer formed on the PNPN structure and comprising a PN gate;
The PNPN structure includes a P + region, an N well, a P well, and an N + region, and the PN gate includes a first P + region and a first N + region,
Wherein said first P + region of the PN gate, said covering the N-well, and considerable distance spread only divorce on insulator radiation detector over the P-well of the PNPN structure of the PNPN structure.
前記PNPN構造のP+領域と前記ゲートの前記第1のP+領域をソース電圧に結合させることによりオン状態になるのを防止する前記放射線検出器内の寄生PMOSFETと、 1.2ボルトの閾値電圧を有し、該閾値電圧は寄生NMOSFETがオン状態になるのを防止する、前記放射線検出器内の前記寄生NMOSFETとをさらに備える、請求項に記載のシリコン・オン・インシュレータ放射線検出器。 And parasitic PMOSFET in the radiation detector to prevent the turned on by coupling the first P + region of the the P + region of the PNPN structure gate source voltage, 1. Has a threshold voltage of 2 volts, the threshold voltage prevents the parasitic NMOSFET is turned on, further comprising said parasitic NMOSFET in the radiation detector, the silicon-on-insulator according to claim 1 Radiation detector. 前記ゲートの前記第1のN+領域が、前記PNPN構造の前記Pウェルを覆い、かつ前記PNPN構造の前記Nウェルの上にかなりな距離だけ広がる、請求項に記載のシリコン・オン・インシュレータ放射線検出器。 The silicon-on-insulator radiation of claim 1 , wherein the first N + region of the gate covers the P-well of the PNPN structure and extends a substantial distance above the N-well of the PNPN structure. Detector. 前記PNPN構造のN+領域と前記ゲートの前記第1のN+領域をアースに結合させることによりオン状態になるのを防止する前記放射線検出器内の寄生PMOSFET
1.2ボルトの閾値電圧を有し、該閾値電圧は、寄生PMOSFETがオン状態なるのを防止する前記放射線検出器内の前記寄生PMOSFETとをさらに備える、請求項に記載のシリコン・オン・インシュレータ放射線検出器。
A parasitic PMOSFET in the radiation detector that prevents an on state by coupling the N + region of the PNPN structure and the first N + region of the gate to ground ;
- 1.2 having a threshold voltage of the bolt, the threshold voltage, the parasitic PMOSFET further comprises said parasitic PMOSFET in the radiation detector to prevent from being turned on, a silicon-on according to claim 3 -Insulator radiation detector.
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