JP4401120B2 - Electrostatic discharge protection element - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路中に形成され回路素子を静電気放電による破壊から保護する静電気放電保護素子に関し、特に、寄生バイポーラを利用した静電気放電保護素子に関する。 The present invention relates to an electrostatic discharge protection element that is formed in a semiconductor integrated circuit and protects a circuit element from destruction due to electrostatic discharge, and more particularly to an electrostatic discharge protection element that utilizes a parasitic bipolar.
従来より、半導体集積回路中の回路素子を静電気放電(以下、ESD(Electro Static Discharge)ともいう)から保護するために、ダイオード又は抵抗素子からなる静電気放電保護素子(以下、ESD保護素子ともいう)が使われていた。そして近時、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補型金属酸化膜半導体)集積回路中に設けられるESD保護素子は、ダイオード又は抵抗素子からなるESD保護素子よりも低抵抗で放電能力が高い寄生バイポーラ動作を利用したMOS型保護素子に置き換わってきた。このMOS型保護素子はMOSFET(MOS Field Effect Transistor:電界効果型MOSトランジスタ)のスナップバック現象を利用した保護素子である。 Conventionally, in order to protect a circuit element in a semiconductor integrated circuit from electrostatic discharge (hereinafter also referred to as ESD (Electro Static Discharge)), an electrostatic discharge protection element (hereinafter also referred to as ESD protection element) composed of a diode or a resistance element. Was used. Recently, an ESD protection element provided in a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) integrated circuit has a low resistance and higher discharge capability than an ESD protection element composed of a diode or a resistance element. It has been replaced by a MOS type protection element using This MOS type protective element is a protective element that utilizes the snapback phenomenon of a MOSFET (MOS Field Effect Transistor).
寄生バイポーラからなるMOS型保護素子においても、その電流を流せる能力には限界があり、保護素子の幅を400〜800μm程度まで広くしないと、保護性能が要求水準を満たさない場合が多い。しかし、通常、集積回路においては、ボンディングパッドの配置等によりレイアウトに制約があり、MOS型保護素子を規定内の面積に収めなければならないことが多い。このため、MOS型保護素子を単一の素子としてではなく、幅が10〜50μm程度のフィンガーと呼ばれる小型のMOSFETを複数個、電流が流れる方向に直交する方向(以下、横方向という)に配列して相互に並列に接続し、MOS型保護素子を規定の面積内に効率的に配置する方法が採用されている。このとき、各フィンガーのソース及びドレインを夫々共通にして複数のフィンガーを相互に並列に接続する方法もあり、個別に小型MOSFETを並べて、これらを相互に並列に接続する方法もある(例えば、非特許文献1参照。)。 Even in a MOS type protection element made of a parasitic bipolar transistor, there is a limit to the ability to pass the current, and the protection performance often does not satisfy the required level unless the width of the protection element is increased to about 400 to 800 μm. However, in general, in an integrated circuit, the layout is limited by the arrangement of bonding pads and the like, and it is often necessary to keep the MOS type protection element within a specified area. For this reason, the MOS type protection element is not a single element, but a plurality of small MOSFETs called fingers having a width of about 10 to 50 μm are arranged in a direction perpendicular to the direction of current flow (hereinafter referred to as a lateral direction). Thus, a method is adopted in which the MOS type protection elements are connected in parallel to each other and the MOS type protection elements are efficiently arranged within a specified area. At this time, there is a method of connecting a plurality of fingers in parallel with each finger having a common source and drain, and a method of arranging small MOSFETs individually and connecting them in parallel (for example, non- (See Patent Document 1).
図9は従来のMOS型保護素子であるNMOSFETのスナップバック現象を利用した入力保護素子を示す平面図であり、図10は図9に示すA−A’線による断面及びその等価回路を示す図であり、図11は、横軸にこの保護素子に印加される電圧をとり縦軸にこの保護素子に流れる電流をとってこのMOS型保護素子の動作特性を示すグラフ図である。図9及び図10に示すように、このMOS型保護素子101においては、P型基板102上に一方向に延びた複数本のゲート電極103が相互に並行に設けられており、P型基板102の表面におけるゲート電極の3の直下域がチャネル領域104になっている。そして、P型基板102の表面におけるチャネル領域104間の領域が、ソース領域105又はドレイン領域106となっており、ソース領域105とドレイン領域106とは交互に配列されている。
FIG. 9 is a plan view showing an input protection element using a snapback phenomenon of an NMOSFET, which is a conventional MOS type protection element, and FIG. 10 is a diagram showing a cross section taken along line AA 'shown in FIG. FIG. 11 is a graph showing the operating characteristics of the MOS type protection element with the voltage applied to the protection element on the horizontal axis and the current flowing through the protection element on the vertical axis. As shown in FIGS. 9 and 10, in the MOS
これにより、複数のMOSFET111が形成され、相互に隣接するMOSFET111間でソース領域又はドレイン領域が共通化されている。そして、ソース領域105及びドレイン領域106の表面には、夫々複数のコンタクト107がゲート電極103が延びる方向に沿って1列に配列されている。また、この複数のMOSFET111を囲むように、P型基板102の表面にはP+拡散領域からなるガードリング108が設けられており、接地配線109に接続されている。このガードリング108はラッチアップを防止することを目的として設けられたものである。更に、ドレイン領域106の表面に形成されたコンタクト107には、入力パッド110が接続されている。
Thereby, a plurality of
次に、図9乃至図11を参照して、このMOS型保護素子101の動作について説明する。電流サージが入力パッド110に入力されたときに、この電流サージがコンタクト107を介してドレイン領域106に流れ込み、ドレイン電圧が上昇する。ドレイン電圧が、図11に電圧Vt0で示す電圧以上になると、ドレイン領域106とチャネル領域104との間のPN接合においてアバランシェブレークダウンが始まり、基板電流が流れる。このとき、各フィンガーのソース領域105はエミッタとなり、ガードリング108を含むP型基板102はベースとなり、ドレイン領域106はコレクタとなる寄生バイポーラが形成される。P型基板102内を流れる電流により、P型基板102内において、この電流とP型基板2の抵抗との積に相当する電位差が生じ、P型基板102におけるソース領域105の底面付近の電位が、ガードリング108に対して上昇する。図11に示すように、MOS型保護素子101に印加する電圧が電圧Vt1になると、ガードリング108に対するソース領域105の底面付近の電位が、ソース領域105とチャネル領域104との間のPN接合を順バイアスする程度、例えば0.7V程度になり、このPN接合が順バイアスされて電流が更に流れるようになり、寄生パイポーラが導通して、低抵抗状態になる。この結果、より大きな電流が流れるようになる。この現象をスナップバックといい、電圧Vt1をスナップバック開始電圧又はトリガ電圧という。
Next, the operation of the
なお、図11に示すようなI−V測定は、通常の電流−電圧測定装置では、その電流継続時間が長く、スナップバック状態に入る前に破壊されてしまうので、通常、TLP(Transmission Line Pulser)という測定装置を用いる。これは、継続時間100nsec程度の矩形電流波形をDUT(device under test:被測定装置)に加えて,その電圧及び電流の変化から、DUTの電流値及び電圧値を読み取るものである(例えば、非特許文献2参照。)。一般的には、TLPで測定されたDUTの破壊電流It2[A]と、人体帯電モデル試験(HBM試験)により測定されたDUTの破壊電圧V[V]とは、経験的にV=It2x1500の関係があるといわれている。 It should be noted that the IV measurement as shown in FIG. 11 is normally performed by a TLP (Transmission Line Pulser) because a normal current-voltage measurement apparatus has a long current duration and is destroyed before entering the snapback state. ) Is used. In this method, a rectangular current waveform having a duration of about 100 nsec is added to a DUT (device under test), and the current value and voltage value of the DUT are read from the change in voltage and current (for example, non-current). (See Patent Document 2). In general, the DUT breakdown current It2 [A] measured by TLP and the DUT breakdown voltage V [V] measured by the human body charging model test (HBM test) are empirically V = It2 × 1500. It is said that there is a relationship.
複数個のフィンガー(マルチフィンガー)からなるMOS型保護素子においては、フィンガー毎に動作が異なる。この動作の差は、基板抵抗の差によるものとして説明できる。つまり、夫々のフィンガーからみたグラウンド電極(通常はガードリング)までの距離が異なるので、基板抵抗、即ち、寄生バイポーラトランジスタのベース抵抗が夫々異なり、結果的にアバランシェブレークダウン後の電荷蓄積により、各MOSFETのソース領域とチャネル領域との接合領域で形成される局部的な電圧に差が生じてしまう。これにより、各寄生バイポーラトランジスタがスナップバック電圧に到達するタイミングが異なり、各寄生バイポーラトランジスタがターンオンされるタイミングが異なる。実際には、図9及び図10に示すように、基板電位がフィンガー相互の基板電流とカップリングしていたり、各フィンガーにおける3次元的な電流ルート、フィンガー内部の幅方向での基板抵抗によって基板抵抗が異なっていたりしており、フィンガー間において基板抵抗が異なる原因には、複雑な要因が存在する。 In a MOS type protection element composed of a plurality of fingers (multi-finger), the operation differs for each finger. This difference in operation can be explained as being due to a difference in substrate resistance. That is, since the distance from each finger to the ground electrode (usually the guard ring) is different, the substrate resistance, that is, the base resistance of the parasitic bipolar transistor is different, and as a result, each charge accumulation after avalanche breakdown causes each A difference occurs in a local voltage formed in the junction region between the source region and the channel region of the MOSFET. Thereby, the timing at which each parasitic bipolar transistor reaches the snapback voltage is different, and the timing at which each parasitic bipolar transistor is turned on is different. Actually, as shown in FIG. 9 and FIG. 10, the substrate potential is coupled to the substrate current between the fingers, the substrate is driven by the three-dimensional current route in each finger, and the substrate resistance in the width direction inside the finger. There are complex factors that cause differences in substrate resistance between fingers, such as different resistances.
フィンガーのドレイン側PN接合、即ち、ドレイン領域とチャネル領域との間のPN接合に電流が流れた場合、フィンガー内における電位差のうちこのPN接合部分での電位差が大半を占めるため、主として、このPN接合領域において発熱する。電流と接合温度との間には正の相関関係があり、温度が高くなればなるほど電流が増加する。つまり、プロセスのばらつき及び構造等に起因して電流が一部のフィンガーに集中するか、フィンガー内においてコンタクト抵抗及びドレイン抵抗等のばらつきがあり、特定のフィンガー又はフィンガー内の特定の領域に電流が集中すると、それがきっかけになり、その電流が集中したフィンガー又はフィンガー内の領域のPN接合が発熱して温度が上昇し、さらに電流量が増すという正のフィードバックが生じて、ついには、発熱部分が溶融する。このため、その他のフィンガーがターンオンする前に、最初にターンオンしたフィンガーが破壊されてしまい、マルチフィンガー構造が生かせない。 When a current flows through the drain side PN junction of the finger, that is, the PN junction between the drain region and the channel region, the potential difference at the PN junction portion occupies most of the potential difference in the finger. Heat is generated in the joining area. There is a positive correlation between the current and the junction temperature, and the current increases as the temperature increases. In other words, current is concentrated on some fingers due to process variations and structures, etc., or there are variations in contact resistance and drain resistance, etc. within the fingers, and current is applied to specific fingers or specific areas within the fingers. When it concentrates, it triggers, and the PN junction of the finger or the region in the finger where the current is concentrated generates heat, the temperature rises, and a positive feedback occurs that the amount of current increases. Melts. For this reason, before the other fingers are turned on, the first turned-on finger is destroyed, and the multi-finger structure cannot be used.
従来、拡散層の表面が金属シリサイド化されていない場合は、この拡散層の抵抗値は数百Ω程度であり、トランジスタ自身の抵抗値と同程度であるため、特定のフィンガーに電流が集中すると、このフィンガーのバラスト抵抗部分、即ち、PN接合以外の部分における電位差が大きくなり、保護素子に流れる電流を制限していた。このため、上述の破壊現象は顕著な問題にはならなかった。このとき、保護素子の電流−電圧特性は、図11に線112で示すようになる。
Conventionally, when the surface of the diffusion layer is not metal-silicided, the resistance value of this diffusion layer is about several hundred Ω, which is about the same as the resistance value of the transistor itself. The potential difference in the ballast resistance portion of the finger, that is, the portion other than the PN junction is increased, and the current flowing through the protection element is limited. For this reason, the above-mentioned destruction phenomenon has not become a significant problem. At this time, the current-voltage characteristic of the protection element is as indicated by a
しかし、近時、回路規模の増大及び要求される性能の向上に伴い、トランジスタのゲート長を短くする必要が生じている。このとき、MOSFETの短チャネル効果を抑制するために、ソース・ドレイン拡散層の接合深さを浅くすることが必要となる。接合深さを浅くすると、ソース・ドレイン拡散層の抵抗が増大するという問題を引き起こすため、その対策として、拡散層の表面を金属シリサイド化する技術が開発された(例えば、特許文献1及び2参照。)。特に、ゲート電極と拡散層とに同時に金属シリサイドを形成するプロセスを、サリサイドプロセスという。これは、ソース・ドレイン形成後に、ゲート電極及びソース・ドレイン領域上の酸化膜を除去して、この領域にコバルト、ニッケル又はチタン等の金属を蒸着して、急速加熱方(RTA)等により低抵抗の金属シリサイドを形成し、その後、未反応の金属及び高抵抗シリサイドを選択的に除去することで、ソース領域、ドレイン領域、ゲート電極の寄生抵抗を同時に低減する方法である。 However, recently, as the circuit scale increases and the required performance is improved, it is necessary to shorten the gate length of the transistor. At this time, in order to suppress the short channel effect of the MOSFET, it is necessary to reduce the junction depth of the source / drain diffusion layer. When the junction depth is reduced, the resistance of the source / drain diffusion layer is increased. As a countermeasure, a technique for forming a metal silicide on the surface of the diffusion layer has been developed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). .) In particular, the process of forming metal silicide simultaneously on the gate electrode and the diffusion layer is called a salicide process. This is because, after the formation of the source / drain, the oxide film on the gate electrode and the source / drain region is removed, and a metal such as cobalt, nickel, or titanium is deposited on this region, and is reduced by rapid heating (RTA) or the like. This is a method of simultaneously reducing the parasitic resistance of the source region, the drain region, and the gate electrode by forming a metal silicide of resistance and then selectively removing unreacted metal and high resistance silicide.
図11の線112に示すように、通常のシリコン層で形成された拡散層の層抵抗は、数十〜百数十Ω/□であるが、図11の線113に示すように、シリサイド化することで層抵抗が数〜20Ω/□程度になる。つまり、これまで保護抵抗の役割をしていたドレイン領域の抵抗が極めて小さくなり、その役目を果たさなくなる。この結果、マルチフィンガー構造の場合、保護素子が破壊される破壊電流It2が流れる電圧(破壊電圧)Vt2が、スパンバック開始電圧Vt1よりも低くなってしまい、1つのフィンガーがスナップバックすると、他のフィンガーが低抵抗になる前に、そのまま破壊に到ってしまうようになり、ESDに対する保護性能が著しく低下していた。
As shown by
その対策として、基本的には、ドレイン領域の抵抗をESD保護素子の部分だけ高くするような技術が用いられている。図11に示すように、バラスト抵抗を各フィンガーに付加することにより、スナップバック開始電圧よりも破壊電圧を十分高くするように、即ち、Vt1<Vt2となるように、ドレイン領域の抵抗が調節されている。なお、図11において、線112の傾きと線113の傾きとの差がバラスト抵抗であり、バラスト抵抗の大部分は例えばドレイン領域の抵抗である。
As a countermeasure, basically, a technique for increasing the resistance of the drain region only for the ESD protection element is used. As shown in FIG. 11, by adding a ballast resistor to each finger, the resistance of the drain region is adjusted so that the breakdown voltage is sufficiently higher than the snapback start voltage, that is, Vt1 <Vt2. ing. In FIG. 11, the difference between the inclination of the
マルチフィンガー構造のMOS型保護素子では、全てのフィンガーについて、破壊電圧Vt2の最小値がスナップバック電圧Vt1の最大値よりも大きくなるように保護素子のバラスト抵抗を高く調整することで、全てのフィンガーをスナップバックさせることができる。これにより、高い保護性能を確保することができる。即ち、バラスト抵抗値を高くすれば、それだけ、確実に全てのフィンガーをスナップバックさせることができる。 In the MOS-type protective element having a multi-finger structure, by adjusting the ballast resistance of the protective element so that the minimum value of the breakdown voltage Vt2 is larger than the maximum value of the snapback voltage Vt1 for all fingers, Can be snapped back. Thereby, high protection performance can be secured. That is, if the ballast resistance value is increased, all fingers can be surely snapped back.
また、全てのフィンガーがスナップバックした場合でも、バラスト抵抗が高いほど、フィンガー内部の電流ばらつきを吸収できる。このため、一般には、ESD保護素子自身が破壊されるかどうかという基準で考えた場合、その破壊電流は、バラスト抵抗が高いほど、高くなる傾向がある。 Even when all fingers snap back, the higher the ballast resistance, the more current variations within the fingers can be absorbed. For this reason, generally, when considering the criterion of whether or not the ESD protection element itself is destroyed, the breakdown current tends to increase as the ballast resistance increases.
しかし、実際にMOS型保護素子を入出力保護素子に使用する場合には、保護される素子に過度な電圧ストレスを加えることができない場合が多い。例えば、1GHz程度の動作周波数を要求する製品では、入力インバータ直前の保護抵抗の値を極めて小さくすることが必要である。即ち、この位置に配置された保護素子に過度な電圧が加わってしまうと、2次保護素子及び保護されるべきインバータ等が破壊されてしまう。このような現象を避けるためには、保護素子に電流が流れ始めてからスナップバックが開始されるまでのダイナミック抵抗値、即ち、図11に示す電圧Vt0〜Vt1間の傾きに相当する抵抗値を最適に調整し、被保護素子が破壊されないように、クランプ電圧(即ち、保護素子がESDサージを放電しているとき、この保護素子自身の電圧、つまり、被保護素子に加わる電圧)が十分に小さくなるように設計しておかなくてはならない。このように、ESD保護素子の性能を評価する場合には、ESD保護素子自身の破壊電流と共に、ダイナミック抵抗値を指標として考慮しなくてはならない。 However, when a MOS protection element is actually used as an input / output protection element, it is often impossible to apply excessive voltage stress to the protected element. For example, in a product that requires an operating frequency of about 1 GHz, the value of the protective resistance immediately before the input inverter needs to be extremely small. That is, if an excessive voltage is applied to the protective element disposed at this position, the secondary protective element, the inverter to be protected, and the like are destroyed. In order to avoid such a phenomenon, the dynamic resistance value from when the current starts to flow to the protection element until the snapback is started, that is, the resistance value corresponding to the slope between the voltages Vt0 to Vt1 shown in FIG. The clamp voltage (that is, the voltage of the protective element itself, that is, the voltage applied to the protected element when the protective element is discharging an ESD surge) is sufficiently small so that the protected element is not destroyed. It must be designed to be. Thus, when evaluating the performance of the ESD protection element, the dynamic resistance value must be considered as an index together with the breakdown current of the ESD protection element itself.
ドレイン領域に付加するバラスト抵抗としては、(1)Nウエル抵抗又はLDD抵抗を高くする方法、(2)ドレイン領域上にシリサイドが形成されないシリサイドブロッキング領域を形成する方法、(3)シリサイドが形成された拡散層を長くする方法、(4)シリサイドが形成された拡散層を分割する方法、(5)配線、コンタクト、ヴィア等により抵抗を付加する方法、が考えられる。以下、順に説明する。 The ballast resistor added to the drain region includes (1) a method of increasing the N-well resistance or LDD resistance, (2) a method of forming a silicide blocking region where no silicide is formed on the drain region, and (3) a silicide is formed. A method of lengthening the diffusion layer, (4) a method of dividing the diffusion layer on which the silicide is formed, and (5) a method of adding resistance by wiring, contacts, vias, etc. are conceivable. Hereinafter, it demonstrates in order.
(1)Nウエル抵抗又はLDD抵抗を高くする方法については、Nウエル又はLDDの不純物濃度を低くして、これらの部分の抵抗値を高め、バラスト抵抗とする方法がある(例えば、特許文献3参照。)。 (1) As a method of increasing the N-well resistance or LDD resistance, there is a method of reducing the impurity concentration of the N-well or LDD to increase the resistance value of these portions to obtain a ballast resistance (for example, Patent Document 3). reference.).
(2)ドレイン領域上にシリサイドブロッキング領域を形成する方法としては、保護素子トランジスタのドレイン領域をマスクしてシリサイドブロッキング領域とし、ソース領域のみをシリサイド化すると共に、ゲート電極をポリサイド構造にすることでESD性能を高める方法がある。また、ドレイン領域上にシリサイドブロッキング領域を多数設けて、シリサイド化された拡散層の長さ(電流経路)を長くして、実質的にドレイン抵抗値を高くする方法も提案されている(例えば、特許文献4乃至7参照。)。 (2) As a method of forming a silicide blocking region on the drain region, the drain region of the protection element transistor is masked to form a silicide blocking region, only the source region is silicided, and the gate electrode is made to have a polycide structure. There are ways to increase ESD performance. In addition, a method has been proposed in which a large number of silicide blocking regions are provided on the drain region, the length of the silicided diffusion layer (current path) is increased, and the drain resistance value is substantially increased (for example, (See Patent Documents 4 to 7.)
シリサイドブロッキング領域の抵抗値は、通常、150〜200Ω/□なので、シリサイドブロッキングの幅を2μm程度にすれば、適度な抵抗値が得られる。つまり、通常、完全にシリサイド化されたNMOSトランジスタの破壊電流It2は3〜5mA/μm程度なので、シリサイドブロッキング領域の抵抗値を300Ω/μmとすると、この領域の両端部間の電位差は、(電流値×抵抗値)で0.9〜1.5V程度となる。この電位差をスナップバック電圧Vsbに加えると、Vt1を超える値となる。シリサイドブロッキング抵抗を付加した素子では、このシリサイドブロッキング抵抗がバラスト抵抗の役割、即ち、シングルフィンガ内での電流集中を防ぐ役割を果たしており、破壊電流は、完全にシリサイド化された素子よりも高い値となる。 Since the resistance value of the silicide blocking region is normally 150 to 200Ω / □, an appropriate resistance value can be obtained by setting the width of the silicide blocking to about 2 μm. That is, normally, the breakdown current It2 of a fully silicided NMOS transistor is about 3 to 5 mA / μm. Therefore, if the resistance value of the silicide blocking region is 300 Ω / μm, the potential difference between both ends of this region is (current Value × resistance value) of about 0.9 to 1.5V. When this potential difference is added to the snapback voltage Vsb, the value exceeds Vt1. In a device with added silicide blocking resistance, this silicide blocking resistor plays the role of ballast resistance, that is, prevents current concentration in a single finger, and the breakdown current is higher than that of a fully silicided device. It becomes.
但し、実際には、バラスト抵抗とゲート電極との間に低抵抗のシリサイド層が残る場合には、その領域で電流が横方向、即ち、トランジスタが配列している方向に流れてしまう場合が多い。電流が横方向に流れると、最初にスナップバックしたフィンガーに電流が集中しやすくなり、上述の問題が発生しやすくなる。そこで、ドレイン領域におけるチャネル領域に接する部分に形成するシリサイド層の幅を、設計ルールで許容される最小の幅とする技術も開示されている(例えば、特許文献8参照。)。 However, in practice, when a low-resistance silicide layer remains between the ballast resistor and the gate electrode, current often flows in the lateral direction, that is, in the direction in which the transistors are arranged. . When the current flows in the lateral direction, the current tends to concentrate on the finger that snapped back first, and the above-described problem is likely to occur. Thus, a technique is disclosed in which the width of the silicide layer formed in a portion of the drain region in contact with the channel region is set to the minimum width allowed by the design rule (see, for example, Patent Document 8).
図12は特許文献8に記載されたESD保護素子を示す平面図である。図12に示すように、MOSFET115において、ドレイン領域116の表面にはシリサイド層117が形成されている。そして、このシリサイド層117には開口部118が形成されており、シリサイド層117におけるゲート電極119側の端部には、帯状部分120が形成されている。この帯状部分120の幅が、設計ルールで許容される最小の幅となっている。これにより、細線効果により、帯状部分120を介して横方向に電流が流れることを抑制し、特定のフィンガーに電流が集中することを防止している。
FIG. 12 is a plan view showing the ESD protection element described in Patent Document 8. FIG. As shown in FIG. 12, a
(3)シリサイドが形成された拡散層を長くする方法は、電源を保護する場合のように、極めて低いクランプ電圧が必要な場合等、保護素子のターンオン時のダイナミック抵抗を落としたくないような場合に適用する。その場合は、余分な抵抗になるバラスト抵抗を付加したくないため、次善の策として、コンタクトを配置する位置をドレイン端部から離して、シリサイド領域の抵抗で保護する。 (3) The method of lengthening the diffusion layer formed with silicide does not want to reduce the dynamic resistance when the protective element is turned on, such as when a very low clamp voltage is required, such as when protecting the power supply. Applies to In this case, since it is not desired to add a ballast resistor that becomes an extra resistor, as a suboptimal measure, the position where the contact is disposed is separated from the end of the drain and protected by the resistance of the silicide region.
(4)シリサイドが形成された拡散層を分割する方法についても、種々の方法が検討されている。上述の説明では、マルチフィンガーのMOS型保護素子を入出力保護に用いることを前提としているが、例えば、電源保護素子のように、クランプ電圧を極めて低くしたい用途もある。その場合には、ドレインのバラスト抵抗を用いないことが必要である。その一例として、例えば、コンタクト間の拡散層を分離して、1つのフィンガーに過度に電流が集中しないような構造が提案されている(例えば、特許文献9参照)。これによって、1つのドレインコンタクトのみが、そのドレインコンタクトに接続されている拡散層に近いゲート領域に電流を流すことができる。このため、隣接するドレインコンタクトからは電流が流れ込みにくくなり、電流集中が防止される。また、ドレイン領域に電流分離用スリット(カレント・ディバイダー)を設け、チャネル領域の直前まで、横方向に流れる電流を制限する技術も開示されている(例えば、特許文献10参照。)更に、トランジスタ全体を分割するのではなく、ソース部分を接続しておく技術、及びNウエル抵抗素子をゲート電極と垂直な方向に配置する技術も提案されている(例えば、特許文献11参照。)。 (4) Various methods for dividing the diffusion layer on which the silicide is formed have been studied. In the above description, it is assumed that a multi-finger MOS type protection element is used for input / output protection. However, there are applications in which the clamp voltage is desired to be extremely low, such as a power supply protection element. In that case, it is necessary not to use the drain ballast resistor. As an example, for example, a structure has been proposed in which a diffusion layer between contacts is separated so that current does not concentrate excessively on one finger (see, for example, Patent Document 9). This allows only one drain contact to pass current through the gate region near the diffusion layer connected to that drain contact. For this reason, it is difficult for current to flow from the adjacent drain contact, and current concentration is prevented. Also disclosed is a technique of providing a current separation slit (current divider) in the drain region to limit the current flowing in the lateral direction until just before the channel region (see, for example, Patent Document 10). There are also proposed a technique for connecting the source portion instead of dividing the source portion and a technique for arranging the N-well resistance element in a direction perpendicular to the gate electrode (see, for example, Patent Document 11).
(5)配線、コンタクト、ヴィア等により抵抗を付加する方法は、メタル配線又はポリシリコン配線を細かく分割して、コンタクト及びヴィアを含めて抵抗素子とすることでバラスト抵抗を形成し、且つ、電流経路を制限する方法であり、「バックエンドバラスト」と呼ばれている。この方法によれば、シリサイドブロッキング工程を設ける必要がないので、プロセスの簡略化につながるという利点がある(例えば、非特許文献3及び特許文献12参照。)。
(5) The method of adding resistance by wiring, contacts, vias, etc. is to divide the metal wiring or polysilicon wiring finely and form a ballast resistor by forming a resistance element including the contacts and vias, and the current This is a method of restricting the route, and is called “back-end ballast”. According to this method, since it is not necessary to provide a silicide blocking step, there is an advantage that the process is simplified (for example, see
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。ドレイン領域にバラスト抵抗を付加する方法として、(1)Nウエル抵抗又はLDD抵抗を高くする方法については、その抵抗値が計算しにくいという問題点がある。また、この場合、抵抗値は素子1μmあたり最大約2kΩになってしまう。抵抗値を制御できる限度内で不純物層の距離を最小にしても、抵抗値は500Ω程度までしか低減せず、必要以上に抵抗値が大きくなる。このため、ダイナミック抵抗が高くなりすぎてしまうという問題点がある。また、この方法では、特定のフィンガー又はその一部分に電流が集中することを抑制できない。 However, the conventional techniques described above have the following problems. As a method of adding a ballast resistor to the drain region, (1) the method of increasing the N-well resistance or LDD resistance has a problem that it is difficult to calculate the resistance value. In this case, the maximum resistance value is about 2 kΩ per 1 μm of the element. Even if the distance between the impurity layers is minimized within the limit in which the resistance value can be controlled, the resistance value is reduced only to about 500Ω, and the resistance value becomes larger than necessary. For this reason, there is a problem that the dynamic resistance becomes too high. Also, this method cannot suppress current concentration on a specific finger or a part thereof.
(2)ドレイン領域上にシリサイドが形成されないシリサイドブロッキング領域を形成する方法においては、前述の如く、電流集中を避けるためにシリサイド層の幅を細くして細線効果を得ようとすると、抵抗値が大きくばらつくという問題点がある。抵抗値がばらつくと、ESDに対する保護性能が不安定になる。抵抗値を安定させるためには、シリサイド層の幅を細線効果が現れないように十分に太く必要がある。しかし、シリサイド層を太くすると、電流集中を防止することができず、また、単位長さ当たりの抵抗値が増加するために、レイアウト面積が大きくなる。 (2) In the method of forming a silicide blocking region in which no silicide is formed on the drain region, as described above, in order to obtain a fine line effect by narrowing the width of the silicide layer in order to avoid current concentration, the resistance value is increased. There is a problem of large variation. When the resistance value varies, the protection performance against ESD becomes unstable. In order to stabilize the resistance value, the width of the silicide layer needs to be sufficiently thick so that the fine line effect does not appear. However, if the silicide layer is thickened, current concentration cannot be prevented, and the resistance value per unit length increases, resulting in an increase in layout area.
(3)シリサイドが形成された拡散層を長くする方法においては、必要なバラスト抵抗値を得るためには、拡散層を極めて長くしなければならず、レイアウト面積が増大するという問題点がある。 (3) In the method of lengthening the diffusion layer on which the silicide is formed, in order to obtain a necessary ballast resistance value, there is a problem that the diffusion layer has to be made extremely long and the layout area increases.
(4)シリサイドが形成された拡散層を分割する方法については、例えば、特許文献9に記載されている方法では、前述のシリサイドブロッキングの例と同様に、抵抗層の長さを2μmとし、分割された拡散層の幅を0.5μmとし、拡散層の配列ピッチを1μmとすると、シリサイド化された拡散層の層抵抗は10Ω/□程度であるから、抵抗値は、40Ω/μm程度にしかならない。このため、レイアウト面積が増大してしまうという問題点がある。また、これ以上分割幅を狭くすると、細線効果で抵抗値のばらつきが増えるという問題がある。更に、ピッチを大きくして拡散層の配列密度を粗にすると、電流の分布が生じてしまい、破壊電流はシリサイドブロッキングで同程度の抵抗とした場合よりも、はるかに低い値となってしまう。更にまた、コンタクトがあまりに少ないと、コンタクト1つあたりに電流が集中しすぎて、破壊電流が低くなってしまう。このため、配列ピッチを大きくすることには制限がある。 (4) Regarding the method of dividing the diffusion layer on which the silicide is formed, for example, in the method described in Patent Document 9, the length of the resistance layer is set to 2 μm as in the above-described example of silicide blocking. If the width of the diffused diffusion layer is 0.5 μm and the arrangement pitch of the diffusion layers is 1 μm, the resistance of the silicided diffusion layer is about 10Ω / □, so the resistance value is only about 40Ω / μm. Don't be. For this reason, there is a problem that the layout area increases. Further, if the division width is further narrowed, there is a problem that the variation in resistance value increases due to the fine line effect. Furthermore, when the pitch is increased and the arrangement density of the diffusion layers is made rough, current distribution occurs, and the breakdown current becomes a much lower value than when the resistance is set to the same level by silicide blocking. Furthermore, if the number of contacts is too small, the current is excessively concentrated per contact, resulting in a low breakdown current. For this reason, there is a limit to increasing the arrangement pitch.
また、特許文献10に記載されているドレイン領域に電流分離用スリットを設ける技術においても、この電流分離用スリットはバラスト抵抗の形成には付与しないため、必要なバラスト抵抗を得ようとすると、コンタクトとゲート電極との間に距離が長くなり、レイアウト面積が増大してしまうという問題点がある。 Further, even in the technique of providing a current separation slit in the drain region described in Patent Document 10, since this current separation slit is not provided for the formation of the ballast resistor, when trying to obtain a necessary ballast resistor, contact is made. There is a problem that the distance between the gate electrode and the gate electrode becomes long, and the layout area increases.
(5)配線、コンタクト、ヴィア等により抵抗を付加する方法については、抵抗値のばらつきが大きいという問題点がある。近時、製品の設計ルールが微細になるにしたがって、コンタクト及びヴィア等も微細になってきたが、微細コンタクトでは、その製造ばらつきのために、個々のコンタクト抵抗のばらつきが極めて大きくなるという問題がある。このため、シリサイドブロッキング等の方法によるバラスト抵抗を特に用いないような静電気保護素子及び内部回路の小型のトランジスタにおいては、多数並んだコンタクトの中で他のコンタクトよりも抵抗値が低いコンタクトがあると、そこに電流が集中してしまい、このコンタクト自体が過電流により破壊されたり、そのコンタクトの近傍に配置されたMOSトランジスタのゲート電極付近のPN接合に過電流が流れて破壊されたりする。 (5) The method of adding a resistance by wiring, contact, via or the like has a problem that the variation in resistance value is large. Recently, as the design rules of products have become finer, contacts and vias have become finer. However, in the case of fine contacts, there is a problem that variation in individual contact resistance becomes extremely large due to manufacturing variations. is there. For this reason, in an electrostatic protection element that does not particularly use a ballast resistor by a method such as silicide blocking and a small transistor of an internal circuit, there are contacts having a lower resistance value than other contacts among a large number of contacts. The current concentrates there, and the contact itself is destroyed by the overcurrent, or the overcurrent flows to the PN junction near the gate electrode of the MOS transistor arranged in the vicinity of the contact and is destroyed.
また、特許文献11に記載されているようなバックエンドバラストを設けた場合にも、やはり、トランジスタ横方向の抵抗値と、バラスト抵抗値の値をあまりにかけ離れたものとすることはできないので,抵抗値設定の自由度が小さいという問題がある。また、抵抗素子で用いられるポリシリコン配線、コンタクト、ヴィア等の抵抗値はシリサイドブロッキング領域により得られる抵抗値よりもはるかに小さいため、シリサイドブロッキング法により得られる抵抗値と同程度な抵抗値を得るためには、配線の距離を長くする等の工夫が必要となる。このため、配線構造が複雑になり,その設計が極めて困難になる。更に、コンタクト抵抗及びヴィア抵抗については、LSIプロセスの微細化が進行して、コンタクト径もそれに伴って微細になってきていることが、バックエンドバラストの手法を可能にしているのであるが、その反面、抵抗値のばらつきが大きくなっているので、素子設計上、十分な余裕度を取る必要がある。
Even when a back-end ballast as described in
例えば特許文献11において、このバックエンドバラストが有効に用いられているのは、最初にトリガするフィンガーのソース抵抗を用いて、次のフィンガーのゲートに電位を加えるような回路構成としているからである。この回路構成によれば、2番目以降にスナップバックするフィンガーのスナップバック電圧(トリガ電圧)Vt1’を、1番目にスナップバックするフィンガーのスナップバック電圧Vt1と比較して、極めて小さくすることが可能となる。従って、必要とする抵抗値が小さくてもよいため、バックエンドバラストを有効に用いることができる。この方式の欠点は、Vt1が極めて高く、極薄ゲート酸化膜を用いたMOSトランジスタでは、最初にスナップバックに入るフィンガーへの酸化膜へのダメージを避けることが困難なことなど、設計上、考慮しなければならない点が多く、設計のマージンが狭いことである。
For example, in
上述の如く、バラスト抵抗を形成する方法には種々の方法があるが、夫々問題点がある。上述の問題点をまとめると、必要な大きさのバラスト抵抗値を形成した場合に、レイアウト面積が大きくなってしまうこと、電流が幅方向に流れてしまい、特定のフィンガー又はその一部分に電流が集中し、そのフィンガーを破壊してしまうこと、及び、抵抗値がばらつき、保護性能が不安定になること、に集約される。 As described above, there are various methods for forming the ballast resistor, but each has a problem. To summarize the above-mentioned problems, when a ballast resistance value of a required size is formed, the layout area becomes large, the current flows in the width direction, and the current concentrates on a specific finger or a part thereof. In addition, the finger is destroyed, and the resistance value varies and the protection performance becomes unstable.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、レイアウト面積が小さく、電流の集中を抑制でき、抵抗値のばらつきが少ない静電気放電保護素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an electrostatic discharge protection element that has a small layout area, can suppress current concentration, and has little variation in resistance value.
本発明に係る静電気放電保護素子は、少なくとも表面の一部に第1導電型領域が形成された基板と、前記第1導電型領域に形成されサージ電流が入力される第1の第2導電型領域と、前記第1導電型領域における前記第1の第2導電型領域から第1の方向に離隔した位置に形成され基準電位が印加される第2の第2導電型領域と、を有し、前記第1の第2導電型領域は、前記第2の第2導電型領域に対向し、表面にシリサイドが形成され又は表面にシリサイドが形成されていない一の端部領域と、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って配列され前記サージ電流が入力されると共に夫々が前記端部領域に接続され表面にシリサイド層が形成されていない複数の導電領域と、この導電領域間に配置された絶縁領域と、前記複数の導電領域及び前記絶縁領域を挟んで前記一の端部領域と対向し、表面にシリサイド層が形成された他の端部領域と、を有することを特徴とする。 An electrostatic discharge protection element according to the present invention includes a substrate having a first conductivity type region formed on at least a part of a surface thereof, and a first second conductivity type formed in the first conductivity type region and receiving a surge current. A region, and a second second conductivity type region that is formed at a position spaced apart from the first second conductivity type region in the first direction in the first conductivity type region and to which a reference potential is applied. The first second conductivity type region is opposed to the second second conductivity type region, and has one end region in which silicide is formed on the surface or no silicide is formed on the surface; A plurality of conductive regions that are arranged along a second direction orthogonal to the direction of the electrodes and that receive the surge current and that are each connected to the end region and have no silicide layer formed on the surface, and between the conductive regions and arranged insulated region, the plurality of conductive regions Across fine said insulating region opposite to the first end region, and the other end region silicide layer formed on the surface, and having a.
本発明においては、第1の第2導電型領域、第1導電型領域及び第2の第2導電型領域により、寄生バイポーラ型ESD保護素子を形成される。そして、複数の導電領域間に絶縁領域を設けることにより、電流が特定の部分に集中することを抑制することができる。また、導電領域の表面にシリサイド層を形成しないことにより、この導電領域の抵抗値を増大させ、この分、レイアウト面積を低減することができる。 In the present invention, a parasitic bipolar ESD protection element is formed by the first second conductivity type region, the first conductivity type region, and the second second conductivity type region. Then, by providing an insulating region between the plurality of conductive regions, current can be prevented from being concentrated on a specific portion. Further, by not forming a silicide layer on the surface of the conductive region, the resistance value of the conductive region can be increased, and the layout area can be reduced accordingly.
また、前記第2の第2導電型領域が複数設けられており、2つの前記第2の第2導電型領域間に1つの前記第1の第2導電型領域が配置されており、この1つの前記第1の第2導電型領域の前記第1の方向における両端部に前記一の端部領域が形成されていてもよい。これにより、2つの寄生バイポーラにおいて、1つの第1の第2導電型領域を共有することができ、全体のレイアウト面積を低減することができる。 Further, the and second second conductivity type region is provided with a plurality, one of the first second-conductivity-type region is disposed between two of said second second conductivity type region, The one end region may be formed at both ends of the one first second conductivity type region in the first direction. Thus, in the two parasitic bipolar, can share a single first second conductivity type region, it is possible to reduce the overall layout area.
又は、前記第2の第2導電型領域が複数設けられており、2つの前記第2の第2導電型領域間に2つの前記第1の第2導電型領域が配置されており、この2つの第1の第2導電型領域の前記導電領域が、前記第2の方向に沿って交互に配置されていてもよい。これにより、全体のレイアウト面積を低減することができる。 Alternatively, the provided second second conductivity type region is provided with a plurality of, two of the first second-conductivity-type region is disposed between two of said second second conductivity type region, the conductive regions of the two first second-conductivity-type region may be arranged alternately along the second direction. Thereby, the entire layout area can be reduced.
更に、前記第1の第2導電型領域に接続され、前記サージ電流が入力される抵抗体を有していてもよく、前記抵抗体がポリシリコンにより形成されていてもよい。これにより、バラスト抵抗値をより一層増加させ、レイアウト面積を低減することができる。 Further, the resistor may be connected to the first second conductivity type region and input with the surge current, and the resistor may be formed of polysilicon. Thereby, the ballast resistance value can be further increased and the layout area can be reduced.
本発明に係る他の静電気放電保護素子は、少なくとも表面の一部に第1導電型領域が形成された基板と、前記第1導電型領域に形成されサージ電流が入力される第1の第2導電型領域と、前記第1導電型領域における前記第1の第2導電型領域から第1の方向に離隔した位置に形成され基準電位が印加される第2の第2導電型領域と、を有し、前記第1の第2導電型領域は、前記第2の第2導電型領域に対向する第1の端部領域と、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って配列され前記サージ電流が入力されると共に夫々が前記端部領域に接続された複数の第1の導電領域と、この導電領域間に配置された第1の絶縁領域と、を有し、前記第2の第2導電型領域は、表面にシリサイド層が形成され、前記第1の第2導電型領域に対向する第2の端部領域と、表面にシリサイド層が形成され、前記第2の方向に沿って配列され前記基準電位が印加されると共に夫々が前記端部領域に接続された複数の第2の導電領域と、この導電領域間に配置されたSTI領域と、を有し、前記第2の方向において、前記第1の導電領域と前記第2の導電領域とが半ピッチずつずれて配置されていることを特徴とする。 Another electrostatic discharge protection element according to the present invention includes a substrate having a first conductivity type region formed on at least a part of a surface thereof, and a first second element formed in the first conductivity type region and receiving a surge current. A conductive type region and a second second conductive type region formed in a position spaced apart from the first second conductive type region in the first direction in the first conductive type region and to which a reference potential is applied; The first second conductivity type region has a first end region facing the second second conductivity type region and a second direction orthogonal to the first direction. And a plurality of first conductive regions connected to the end region, and a first insulating region disposed between the conductive regions, and the second second conductivity type region of the silicide layer is formed on the surface, to face the first second conductivity type region A second end region, the silicide layer is formed on the surface, a second conductive which each of the plurality is connected to the end region with the second of said reference potential are arranged along the direction is applied A region and an STI region disposed between the conductive regions, and the first conductive region and the second conductive region are shifted by a half pitch in the second direction. It is characterized by that.
本発明に係る更に他の静電気放電保護素子は、少なくとも表面の一部に第1導電型領域が形成された基板と、前記第1導電型領域に形成されサージ電流が入力される第1の第2導電型領域と、前記第1導電型領域における前記第1の第2導電型領域を挟む位置に形成され基準電位が印加される2つの第2の第2導電型領域と、を有し、前記第1の第2導電型領域は、表面にシリサイド層が形成された領域と、一の前記第2の第2導電型領域から他の前記第2の第2導電型領域に向かう第1の方向に直交する第2の方向に沿って配列され前記サージ電流が入力される複数のコンタクトと、このコンタクト間に配置され前記第1の方向における両端部が中央部よりも太くなっており表面にシリサイド層が形成されていない複数の導電領域と、を有することを特徴とする。 Still another electrostatic discharge protection element according to the present invention includes a substrate having a first conductivity type region formed on at least a part of a surface thereof, and a first first electrode formed in the first conductivity type region and receiving a surge current. has a second conductivity type region, and two second second conductivity type region in which the reference potential is formed at a position sandwiching the first second conductive type region in the first conductivity type region is applied, the The first second conductivity type region includes a region having a silicide layer formed on a surface thereof, and a first heading from one second second conductivity type region to the other second second conductivity type region. A plurality of contacts that are arranged along a second direction orthogonal to the direction of the input and to which the surge current is input, and both ends of the contacts in the first direction that are arranged between the contacts are thicker than the center portion. A plurality of conductive regions on which no silicide layer is formed. And wherein the Rukoto.
以上詳述したように、本発明によれば、複数の導電領域間に絶縁領域を設けることにより、電流が特定の部分に集中することを抑制することができ、また、導電領域の表面にシリサイド層を形成しないことにより、この導電領域の抵抗値を増大させ、静電気放電保護素子のレイアウト面積を低減することができる。 As described above in detail, according to the present invention, by providing an insulating region between a plurality of conductive regions, it is possible to prevent current from being concentrated on a specific portion, and silicide is formed on the surface of the conductive region. By not forming the layer, the resistance value of the conductive region can be increased, and the layout area of the electrostatic discharge protection element can be reduced.
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第1の実施形態について説明する。図1は本実施形態に係るESD保護素子を示す平面図である。図1に示すように、本実施形態に係るESD保護素子1においては、P型シリコンからなるP型基板2が設けられている。P型基板2の表面には、Pウエル(図示せず)が形成されている。そして、P型基板2上には、一方向(以下、横方向という)に延びる複数本のゲート電極3が相互に平行に設けられている。なお、図1においては、2本のゲート電極3のみが示されているが、ゲート電極3は2本には限定されない。P型基板2の表面におけるゲート電極3の直下域は、チャネル領域(図示せず)となっており、このチャネル領域を挟むように、ソース領域5及びドレイン領域6が形成されている。ソース領域5及びドレイン領域6はN+拡散領域である。ゲート電極3、チャネル領域、ソース領域5及びドレイン領域6により、MOSFETが形成されている。ソース領域5及びドレイン領域6は、前記横方向に直交する方向(以下、縦方向という)においてこのMOSFETに隣接する他のMOSFETと共通である。従って、ゲート電極3間には、ソース領域5又はドレイン領域6のいずれか一方のみが形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a plan view showing an ESD protection element according to this embodiment. As shown in FIG. 1, in the ESD protection element 1 according to the present embodiment, a P-
ソース領域5の表面においては、複数のコンタクト7が横方向に1列に形成されている。また、ドレイン領域6の表面は、以下に説明する複数の領域に分かれている。即ち、ドレイン領域6における縦方向の両端部は、チャネル領域に接する2ヶ所の端部領域としてのチャネル近接領域11となっている。チャネル近接領域11の幅、即ち、縦方向の長さは例えば0.5μmである。また、ドレイン領域6における縦方向の中央部は、複数のコンタクト7が形成されたコンタクト形成領域12となっている。なお、コンタクト7は横方向に1列に配列されており、コンタクト形成領域12も横方向に長い矩形状となっている。更に、チャネル近接領域11とコンタクト形成領域12との間は、バラスト抵抗領域13となっている。これにより、ドレイン領域6の表面においては、縦方向に沿って、チャネル近接領域11、バラスト抵抗領域13、コンタクト形成領域12、バラスト抵抗領域13、チャネル近接領域11がこの順に配置されている。
On the surface of the
そして、バラスト抵抗領域13は、更に、導電領域14及びSTI(Shallow Trench Isolation:浅溝埋込分離)領域15に分かれており、導電領域14及びSTI領域15は横方向に沿って交互に配列されている。即ち、ドレイン領域6において、STI領域15には拡散層は設けられておらず、STI領域15以外の領域が格子状の拡散層を形成している。そして、各導電領域14が各フィンガーに相当する。
The
また、導電領域14においては、縦方向の両端部を除いて、シリサイドブロッキング領域17が設定されている。ドレイン領域6の表面におけるSTI領域15及びシリサイドブロッキング領域17以外の領域には、シリサイド層(図示せず)が形成されている。更に、ソース領域5の表面には、全面にシリサイド層(図示せず)が形成されている。なお、P型基板2の表面におけるソース領域5、チャネル領域及びドレイン領域6以外の領域は、STI領域18となっている。
Further, in the
更にまた、ドレイン領域6に形成されたコンタクト7は、入力パッド(図示せず)に接続されている。また、ソース領域5に形成されたコンタクト7は、接地電極(図示せず)に接続されている。更に、P型基板2の表面には、このESD保護素子1を囲むように、P+拡散領域からなり接地電極に接続されたガードリング(図示せず)が形成されている。
Furthermore, the
次に、上述の如く構成された本実施形態に係るESD保護素子1の動作について説明する。静電気放電によるサージ電流が入力パッドに入力されると、このサージ電流がコンタクト7を介してドレイン領域6に流れ込み、ドレイン電圧が上昇する。ドレイン電圧が、図11に示す電圧Vt0以上になると、ドレイン領域6とチャネル領域との間のPN接合においてアバランシェブレークダウンが始まり、P型基板2に基板電流が流れる。このとき、各フィンガーのソース領域5はエミッタとなり、P型基板2はベースとなり、ドレイン領域6はコレクタとなる寄生バイポーラが形成される。P型基板2内を流れる基板電流により、P型基板2内において電位差が生じ、P型基板2におけるソース領域5の底面付近の電位が、ガードリングに対して上昇する。入力パッドに印加される電圧がスナップバック開始電圧(図11に示す電圧Vt1)に達すると、ソース領域5とチャネル領域4との間のPN接合を順バイアスされ、前述の寄生パイポーラが導通して、低抵抗状態になる。この結果、より大きな電流が流れるようになる。これにより、入力パッドに印加されたサージ電流が接地電極に逃がされる。
Next, the operation of the ESD protection element 1 according to this embodiment configured as described above will be described. When a surge current due to electrostatic discharge is input to the input pad, the surge current flows into the
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態においては、ドレイン領域6のバラスト抵抗領域13にSTI領域15を設けているため、基板電流が横方向に流れることを抑制でき、1つのフィンガーに電流が集中することを防止できると共に、バラスト抵抗を付与することができる。また、ドレイン領域6において、コンタクト形成領域13とチャネル近接領域11との間の導電領域14にシリサイドブロッキング領域17を設けているため、この領域にはシリサイド層が形成されず、更にバラスト抵抗を付与することができる。即ち、STI領域15とシリサイドブロッキング領域17との相乗効果により、十分に大きく且つばらつきが小さいバラスト抵抗を形成することができる。この結果、ドレイン領域6の縦方向の長さを短くすることができ、レイアウト面積を低減することができる。
Next, the effect of this embodiment will be described. In the present embodiment, since the
以下、従来のESD保護用と比較して、本実施形態の効果を具体的に説明する。通常、シリサイドブロッキング領域はレイアウトが許す限りで広く設定するが、現実的には、縦方向の長さが2μm程度となる場合が多い。従って、比較の対象として、シリサイドブロッキング領域の幅が2μmのNMOSトランジスタとして、そのドレイン抵抗値がほぼ同じ値になるようなレイアウトに関して説明する。なお、本実施形態においては、適度な抵抗値が得られること及び抵抗値がばらつきにくいこと等の理由により、バラスト抵抗には、シリサイドブロッキング領域(N+拡散層)を用いている。しかし、シリサイドブロッキング領域に限らず、抵抗値が同程度で、ばらつきが少ない層が形成可能であれば、その層でもよい。 Hereinafter, the effects of the present embodiment will be specifically described in comparison with conventional ESD protection. Normally, the silicide blocking region is set as wide as the layout allows, but in reality, the length in the vertical direction is often about 2 μm. Therefore, as an object of comparison, a description will be given of a layout in which the drain resistance value of the NMOS transistor having a silicide blocking region width of 2 μm is substantially the same. In the present embodiment, a silicide blocking region (N + diffusion layer) is used for the ballast resistor because an appropriate resistance value can be obtained and the resistance value hardly varies. However, the layer is not limited to the silicide blocking region, and may be a layer having a similar resistance value and having a small variation.
本実施形態においては、バラスト抵抗領域13を横方向に1μm間隔で分割して、導電領域14とSTI領域15とを1μm間隔で配置している。即ち、シリサイドブロッキング領域17の幅は1μmとしている。これにより、チャネル領域から見た抵抗値は、ドレイン領域の長さが本実施形態の2倍である従来のESD保護素子と同じ値になる。つまり、抵抗領域の形状を分割して、その横幅を狭くした分、長さを短くできるため、トランジスタピッチが狭くでき、レイアウトエリアの節約が可能である。ドレイン領域の縦方向の長さは従来の50%に低減できているが、その他の、ソース領域等の面積は同等なので、結果として、従来の70%程度のレイアウト面積になっている。
In this embodiment, the
本実施形態においては、チャネル近接領域11の幅を、横方向の電流の流れを最小にとどめるように、設計ルールの範囲内で最短にしている。この値は、前述の如く、例えば0.5μm程度である。この値は、前述の特許文献8において説明されているような細線効果が現れる幅よりも十分長い。この電流が横方向に広がる領域の抵抗値(つまり、シリサイド化されたN+拡散層の抵抗値)は、通常、10〜20Ω/□程度である。このことと、ストライプ状のバラスト抵抗1本分の抵抗値が100〜200Ω程度、シリサイド化されたMOSトランジスタのスナップバック後のダイナミック抵抗値が、ゲート長にもよるが、通常、50〜200Ω程度であることとを比較してもわかるように、電流はゲートの幅方向にほぼ均一に広がって、流れてゆくことがわかる。つまり、バラスト抵抗1本分で十分高い抵抗値が実現できるので、従来技術の項で説明したように、ドレイン抵抗をシリサイド化したポリシリコン配線及びシリサイド化した拡散層の形状を工夫した際のような電流の不均一性の問題はないことがわかる。
In the present embodiment, the width of the
本実施形態と従来例とを比較すると、本実施形態におけるESD保護素子の電流密度が、従来例と比較して2倍程度になるが、全体の発熱量は同程度なので、その点では従来例と比較して差はない。また、電流密度が従来例の2倍になっているが、この抵抗素子は、シリコン基板上に形成されており、熱伝導率が極めて良好なので、温度が局所的に上昇して、溶融するといった事はない。また、コンタクトも十分な数を配置できるので、コンタクト不足からの破壊電流が低下する心配もない。 Comparing the present embodiment with the conventional example, the current density of the ESD protection element in the present embodiment is about twice that of the conventional example, but the overall heat generation is the same. There is no difference compared to. Although the current density is twice that of the conventional example, this resistance element is formed on a silicon substrate and has a very good thermal conductivity, so that the temperature rises locally and melts. There is nothing. Further, since a sufficient number of contacts can be arranged, there is no fear that the breakdown current due to the shortage of contacts is reduced.
また、熱伝導の点で考えると、抵抗の長さが短くなっているので、ドレイン端部や、ストライプ状バラスト抵抗部分で発生した熱は、従来例よりも、ドレインコンタクトを経由して、熱容量の大きな、配線領域へ拡散しやすくなっている。このため、従来の保護素子と比較して破壊されにくくなり、破壊電流が高くなる。 Also, from the viewpoint of heat conduction, the length of the resistance is shortened, so the heat generated at the drain end and the striped ballast resistor portion is more heat capacity via the drain contact than in the conventional example. It is easy to diffuse into a large wiring area. For this reason, it becomes difficult to be destroyed as compared with the conventional protection element, and the destruction current becomes high.
更に、ドレイン領域のN+拡散層の面積が小さくなるので、寄生容量が低減できるという利点もある。基板抵抗値は、ガードリング及び保護素子の配置にもよるので、一概にもいえないが、基板抵抗を従来のものと比較すると、STI領域15をドレイン領域6中に形成しており、STI領域15の直下域のPウエルの抵抗値は、ドレイン領域を形成するN+拡散層の直下域のPウエルの抵抗値よりも高いため、実効的に、基板抵抗を高くすることができ、電圧Vt1を低くできる可能性がある。従って、全てのフィンガーをスナップバックさせるために必要な抵抗値を低くできる可能性があり、同じ抵抗値に設定している場合は、より、スナップバック動作が安定するという利点がある。
Further, since the area of the N + diffusion layer in the drain region is reduced, there is an advantage that parasitic capacitance can be reduced. Since the substrate resistance value depends on the arrangement of the guard ring and the protective element, it cannot be generally stated. However, when the substrate resistance is compared with the conventional one, the
なお、上述の説明では、導電領域14及びSTI領域15の幅を1μm、配列周期を2μmとしたが、本実施形態はそれに限らず、要求されるバラスト抵抗値に応じて、これらの形状及び周期を最適化することができる。即ち、抵抗値を高く設定したい場合には、抵抗層幅を狭く、ピッチを広く取ればよい。
In the above description, the width of the
また、ドレイン領域6における横方向の端部には電流が集中しやすいので、通常のシリサイドブロッキング構造では、横方向の端部にもシリサイドブロッキング層を設けている。本実施形態でも同様に、横方向の端部から導電領域14を離すことにより、同等の効果を果たすことができる。
In addition, since current tends to concentrate at the lateral end of the
更に、本実施形態においては、バラスト抵抗として、シリサイドブロッキングされたドレインN+拡散層を使用したが、本発明はそれに限らず、ダイナミック抵抗が大きくても問題が少ないような用途の場合は、Nウエル抵抗又はLDD抵抗でもよく、同様のレイアウト面積低減の効果はある。 Further, in this embodiment, the silicide-blocked drain N + diffusion layer is used as the ballast resistor. However, the present invention is not limited to this, and in the case where the dynamic resistance is large, there is little problem. A well resistor or an LDD resistor may be used, and a similar layout area reduction effect is obtained.
更にまた、本実施形態においては、導電領域14を区画するためにSTI領域15を使用したが、本発明はそれに限らず、拡散層形成のための高濃度不純物のイオン注入を行わず、LDD用の低濃度不純物層を使用してもよい。この構造では、熱が吸収される吸収源を、抵抗層に近接して設置できるために、破壊電流がより高くできる場合もある。例えば、SOIプロセスでは、後述する他の実施形態においても説明するように、素子分離領域を形成して、即ち、ボディーをエティングにより除去して、ストライプ状のバラスト抵抗を形成するのではなく、この方式が望ましい。
Furthermore, in this embodiment, the
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図2は本実施形態に係るESD保護素子を示す平面図である。図2に示すように、本実施形態においては、シリサイドブロッキング領域17を、導電領域14のみでなく、チャネル近接領域11及びゲート電極3上まで拡大している。なお、ゲート電極3を挟んで、ソース領域5の一部にまで拡大してもよい。これにより、バラスト抵抗値を更に増大させることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a plan view showing the ESD protection element according to this embodiment. As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図3は本実施形態に係るESD保護素子を示す平面図である。図3に示すように、本実施形態においては、相互に隣接するMOSFETのドレイン領域21を共通とせず、互いに分離させている。そして、ドレイン領域21の形状を櫛状とし、隣接するMOSFETのドレイン領域21を相互に入れ子にしている。即ち、隣接するMOSFETのドレイン領域21の櫛部21aは、横方向において互い違いに配置されている。また、ドレイン領域21間には、STI領域22が形成されている。本実施形態における上記以外の構成及び動作は、前述の第1の実施形態と同様である。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a plan view showing the ESD protection element according to this embodiment. As shown in FIG. 3, in this embodiment, the
本実施形態においては、前述の第1の実施形態と比較して、レイアウト面積をより一層低減することができる。なお、本実施形態では、コンタクト数が第1の実施形態と比較して、半分程度に減ってしまうが、通常のMOS型保護素子では、コンタクト数は、破壊電流を決めているほど少ない数ではないので、問題はない。但し、抵抗値を高くするために、ピッチを広くしなければならないばあいなど、コンタクト数を増やさなければならない場合は、ドレイン領域21の各櫛部にコンタクトを2つ以上配置してもいい。本実施形態に係るESD保護素子は、その縦方向の長さを、従来例と比較して約3μm、前述の第1の実施形態と比較して約0.5μm短くできる。このため、レイアウト面積も、従来例の60%程度に縮減できる。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
In the present embodiment, the layout area can be further reduced compared to the first embodiment described above. In this embodiment, the number of contacts is reduced to about half compared to the first embodiment. However, in a normal MOS type protection element, the number of contacts is not so small that the breakdown current is determined. There is no problem because there is no. However, if it is necessary to increase the number of contacts, for example, when the pitch must be increased in order to increase the resistance value, two or more contacts may be arranged in each comb portion of the
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。図4は本実施形態に係るESD保護素子を示す平面図である。図4に示すように、本実施形態は、前述の第2の実施形態と第3の実施形態とを組み合わせた例である。即ち、本実施形態においては、第3の実施形態に係るESD保護素子において、シリサイドブロッキング領域をゲート電極にかかるように設定している。本実施形態における上記以外の構成及び動作は、前述の第3の実施形態と同様である。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a plan view showing the ESD protection element according to this embodiment. As shown in FIG. 4, the present embodiment is an example in which the second embodiment and the third embodiment described above are combined. That is, in this embodiment, in the ESD protection element according to the third embodiment, the silicide blocking region is set so as to cover the gate electrode. Configurations and operations other than those described above in the present embodiment are the same as those in the third embodiment described above.
本実施形態においては、夫々の抵抗要素の抵抗値を計算しても明らかなように、電流はトランジスタ内では均一に流れるようになっている。また、シリサイドブロッキング領域がゲート電極に達しているため、ドレイン領域のチャネル近接領域を電流が横方向に流れることをより一層抑制できる。これにより、破壊電流をより一層向上させることができる。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第3の実施形態と同様である。 In the present embodiment, as is apparent from the calculation of the resistance value of each resistance element, the current flows uniformly in the transistor. Further, since the silicide blocking region reaches the gate electrode, it is possible to further suppress the current from flowing laterally in the channel proximity region of the drain region. Thereby, the breakdown current can be further improved. The effects of the present embodiment other than those described above are the same as those of the third embodiment described above.
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。図5は本実施形態に係るESD保護素子を示す平面図である。図5に示すように、本実施形態においては、前述の第3の実施形態に係るESD保護素子において、ドレイン領域21の櫛部21aの各端部に、ポリシリコンからなる抵抗体24を接続している。即ち、ドレイン領域21の櫛部21aの各端部に形成されたコンタクト7に、配線23を接続し、この配線23に、P型基板2上に形成されたポリシリコンからなる抵抗体24の一端部を接続している。抵抗体24の他端部にはコンタクト25が形成されており、このコンタクト25が入力パッド(図示せず)に接続されている。なお、抵抗体24の抵抗値は、シリサイドブロッキング領域の抵抗値の数分の一程度であり、例えば、シリサイドブロッキング領域の抵抗値が150Ωであり、抵抗体24の抵抗値は60Ωである。また、抵抗体24の合計の幅は、このESD保護素子の破壊電流に近い電流値において抵抗値が上昇するような幅に設定してある。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第3の実施形態と同様である。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a plan view showing the ESD protection element according to this embodiment. As shown in FIG. 5, in this embodiment, in the ESD protection element according to the third embodiment described above, a
図6は、横軸にESD保護素子に印加する電圧をとり、縦軸にこのESD保護素子に流れる電流をとって、本実施形態のESD保護素子の動作特性を示すグラフ図である。図6に示すように、ポリシリコンからなる抵抗体24は、シリサイドブロック領域の抵抗とは異なり、発生した熱の大部分がP型基板2等へは拡散せず、抵抗体24の温度上昇に使われる。このため、ESD保護素子に電流が流れると、抵抗体24の温度が上昇し、破壊電流に近い電流値では、抵抗値が3倍程度、高くなる。このため、図6における高電流領域では、抵抗体24の有無により電圧値に差が生じて、抵抗体24が有る方が、無い場合と比較して、同じ電流が流れる場合の電圧値が高くなる。これにより、電流制限の効果が大きくなり、破壊電流が向上する。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第3の実施形態と同様である。
FIG. 6 is a graph showing the operating characteristics of the ESD protection element of this embodiment, with the voltage applied to the ESD protection element on the horizontal axis and the current flowing through the ESD protection element on the vertical axis. As shown in FIG. 6, unlike the resistance in the silicide block region, the
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。図7は本実施形態に係るESD保護素子を示す平面図である。図7に示すように、本実施形態においては、前述の第3の実施形態と比較して、ソース領域26を櫛状形状とし、ドレイン領域21の櫛部21aと、ソース領域26の櫛部26aとを、横方向において半ピッチずつずれるように配列している点と、ドレイン領域21にシリサイドブロッキング領域を設けず、ドレイン領域21の全面にシリサイド層(図示せず)を形成している点が異なっている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第3の実施形態と同様である。即ち、相互に隣接するMOSFETのドレイン領域は、相互に歯車構造になっており、相互に隣接するMOSFETのソース領域も、相互に歯車構造になっている。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a plan view showing the ESD protection element according to this embodiment. As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the
本実施形態においては、ソース領域26を櫛状形状とし、ドレイン領域21の櫛部21aと、ソース領域26の櫛部26aとを、横方向において半ピッチずつずれるように配列しているため、ドレイン領域21の分割された拡散層、即ち櫛部21aから、ゲート電極3の直下域であるチャネル領域を経て、ソース領域26の櫛部26aへと流れる電流の実効的な経路が長くなる。これにより、バラスト抵抗を向上させることができ、レイアウト面積を低減することができる。また、ドレイン領域、チャネル領域と流れてきた電流が、2本のソース領域の櫛部26aに分流されるため、電流集中をより効果的に防止することができる。更に、シリサイドブロッキング領域を設けていないため、ESD保護素子を製造する工程を簡略化できる。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第3の実施形態と同様である。なお、ドレイン領域21の各櫛部21a及び/又はソース領域26の各櫛部26aにおいて、コンタクトは1個に限らず複数個形成してもよい。
In the present embodiment, the
次に、本発明の第7の実施形態について説明する。図8は本実施形態に係るESD保護素子を示す平面図である。図8に示すように、本実施形態は、前述の第1の実施形態と比較して、ドレイン領域31の構成が異なっている。即ち、本実施形態においては、ドレイン領域31の縦方向の中央部に、複数個のコンタクト7が横方向に沿って1列に配列されている。そして、コンタクト7間には、シリサイドブロッキング領域32が設定されている。即ち、ドレイン領域31においては、横方向に沿って、コンタクト7とシリサイドブロッキング領域32とが交互に配列されている。シリサイドブロッキング領域32にはシリサイド層が形成されておらず、ドレイン領域31の表面におけるシリサイドブロッキング領域32以外の領域及びソース領域5の表面全面には、シリサイド層(図示せず)が形成されている。なお、本実施形態においては、STI領域は形成されていない。
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a plan view showing the ESD protection element according to this embodiment. As shown in FIG. 8, the configuration of the
シリサイドブロッキング領域32は縦方向に延びており、その縦方向の両端縁はチャネル領域には到達していない。また、シリサイドブロッキング領域32の縦方向の両端部は、中央部と比較して太くなっている。これにより、シリサイドブロッキング領域32は、コンタクト7を部分的に囲むように配置されている。本実施形態における上記以外の構成及び動作は、前述の第1の実施形態と同様である。
The
本実施形態においては、ドレイン領域がSTI領域ではなく、シリサイドブロッキングされた拡散層により分離されている。特に、SOI基板を使用した半導体集積回路においては、発生した熱が放熱されるための基板がないため、熱的に破壊されやすくなるという問題が特に顕著である。このため、これを緩和するために、隣接する領域に熱を吸収できる拡散層を残すことで、ESD保護特性を向上させることができる。 In the present embodiment, the drain region is separated not by the STI region but by a silicide-blocked diffusion layer. In particular, in a semiconductor integrated circuit using an SOI substrate, since there is no substrate on which generated heat is dissipated, the problem of being easily destroyed thermally is particularly significant. For this reason, in order to alleviate this, the ESD protection characteristics can be improved by leaving a diffusion layer capable of absorbing heat in the adjacent region.
本実施形態の構成は、前述の特許文献7の図13に示されている保護素子の構成と類似しているが、本実施形態の特徴は、コンタクトを囲むようにシリサイドブロック領域を配置していることである。つまり、コンタクト抵抗が1つあたり約10Ω、シリサイド化された拡散層の抵抗が約10Ωなので、コンタクト自身の抵抗も、バラスト抵抗として利用できる。従って、コンタクトの破壊電流が保護素子の破壊電流を下回らない程度まで少なくなるように、コンタクトを間隔をあけて配置しておく。特許文献7に記載の技術では、コンタクトが設置されている領域の横方向がシリサイド化された拡散層で接続されているため、この領域で電流が横方向に流れてしまい、コンタクト自身の抵抗をバラスト抵抗として利用できていない。
The configuration of the present embodiment is similar to the configuration of the protection element shown in FIG. 13 of
1;ESD保護素子
2;P型基板
3;ゲート電極
5;ソース領域
6;ドレイン領域
7;コンタクト
11;チャネル近接領域
12;コンタクト形成領域
13;バラスト抵抗領域
14;導電領域
15;STI領域
17;シリサイドブロッキング領域
18;STI領域
21;ドレイン領域
21a;櫛部
22;STI領域
23;配線
24;抵抗体
25;コンタクト
26;ソース領域
26a;櫛部
31;ドレイン領域
32;シリサイドブロッキング領域
101;MOS型保護素子
102;P型基板
103;ゲート電極
104;チャネル領域
105;ソース領域
106;ドレイン領域
107;コンタクト
108;ガードリング
109;接地配線
110;入力パッド
111;MOSFET
112、113;線
115;MOSFET
116;ドレイン領域
117;シリサイド層
118;開口部
119;ゲート電極
120;帯状部分
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112, 113;
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