专利名称：半导体设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种半导体设备，尤其涉及一种其内置有一保护电路的半导体设备，该保护电路防止了静电放电。
背景技术：
形成半导体集成电路(IC)的设备是很小并且很容易被静电放电(ESD)而断路。因此，在半导体集成电路中内置有一个用于保护内电路不受外部所造成的静电放电的保护电路，并且根据用户及其他人的要求而进行各种ESD测试。作为ESD测试中所使用的静电应用模型，其表现有人体放电模型及机器放电模型。
该类型的保护电路(人体放电模型和机器放电模型)通常包括利用一晶体管的保护电路或利用一二极管的保护电路。
下面对利用一晶体管的保护电路及利用一二极管的保护电路进行详细描述。
图11示出了利用一场效应晶体管的保护电路的电路图。
利用场效应晶体管的保护电路700包括一个位于电源终端703与输入/输出终端704之间的场效益晶体管701。该电源终端703用于将电源提供给内电路702。该输入/输出终端704用于将一信号输入到内电路702中或输出来自内电路702的信号。场效应晶体管701的漏极与电源终端703相连。场效应晶体管701的源极和栅极与输入/输出终端704相连。
由于该结构，因此当输入/输出终端704的电位由于静电放电而增加时，场效应晶体管701被导通以将静电放电所造成的电荷释放到电源终端703，这样输入/输出终端704的电位被箝位了。
图12示出了利用一晶体管的保护电路的特性曲线，并且图13示出了晶体管和二极管的电压/电流特性曲线。图13A示出了当施加了一脉冲时时间轴上的电压特性曲线，并且图13B示出了当施加了一脉冲时时间轴上的电流特性曲线。
图12、13A及13B示出了在晶体管和二极管具有相同大小的情况下的特性曲线。
与图12中的虚线所给出的二极管的阻抗(ΔV2/ΔI2)相比，图12中的实线所给出的晶体管的阻抗(ΔV1/ΔI1)要小一些。然而，在晶体管701中，造成了由图12和13A中的弯曲实线所示的特性曲线，也就是所谓的突然回升效果。由于如图13B中的实线所示的突然回升效果而使电流的上升时间延迟了τ。因此，例如与具有ESD的输入有关的通信延迟了，并且内电路和保护设备可能断路了，其中上升ESD的上升波比人体放电模型或机器放电模型中的上升波更陡一些。
图14示出了利用一二极管的保护电路的电路图。
利用一二极管的保护电路800包括一个位于电源终端803与输入/输出终端804之间的二极管801。二级管801的负极与电源终端803相连，二极管801的正极与输入/输出终端804相连。
由于该结构，因此当输入/输出终端804的电位由于静电放电而增加时，二极管801被导通从而将静电放电释放到电源终端803，这样输入/输出终端804被箝位到预定的电位。
图15示出了利用二极管的保护电路的特性曲线。图15A示出了当施加了一脉冲时时间轴上的电压特性曲线，并且图15B示出了当施加了一脉冲时时间轴上的电流特性曲线。
在二极管801中，如图15所示，电压和电流上升了以基本上同时响应输入脉冲。然而，在上升之后，如图15A所示阻抗增加了。因此，为保护内电路不受其电压比人体放电模型或机器放电模型下的电压还要高的ESD的输入，因此需要大尺寸的设备以减小阻抗。
在上述描述中，对于用户请求ESD测试而言，存在这样一种情况，即该测试需要利用比人体放电模型或机器放电模型的电压还要高且速度还要快的ESD脉冲。
然而，因为在上述测试是在利用了一晶体管的保护电路中进行的情况下，第一瞬变由于上述突然回升效果而延迟，直到晶体管被导通，因此出现了这样一个问题，即保护电路不能合乎其上升端(rising edge)很陡的一EDS脉冲并且内电路可发生断路。
并且，上述测试是在利用二极管的保护电路中进行的，需要增加该设备的面积以减小阻抗。因此，为合乎高电压的ESD脉冲，就出现了这样一个问题，即内置有保护电路的设备尺寸很大。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种小型半导体设备，该设备可提高响应速度及耐压值。
为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种半导体设备，该设备包括一衬底31；一阱区32，形成于衬底31上；一场效应晶体管Q1，形成于阱区上；一扩散区44，所形成的扩散区穿过了阱区32和衬底31以将背栅电位提供给阱区32，并且该扩散区与其外围一起形成了一PN结D1；其中场效应晶体管Q1和PN结D1连接在终端Tin，Tout，Ts，Tgnd之间以用于吸收过载电流，这样保护了与终端Tin，Tout，Ts，Tgnd相连的内电路11。
在上述结构中，因为通过将场效应晶体管Q1和PN结D1连接在终端Tin，Tout，Ts，Tgnd之间而使PN结D1以高速处理电流的上升，并且该结构使得终端(Tin，Tout，Ts，Tgnd)之间的电流被吸收了且在电流上升之后由处于低阻抗的场效应晶体管Q1吸收了电流，因此提高了耐压值。
最好是，场效应晶体管Q1的栅极包括一栅氧化薄膜36，形成于一沟道上；一保护膜37，形成于栅氧化薄膜36上；以及一传导材料38，形成于保护膜上。
在上述结构中，因为栅极的绝缘薄膜36，37变薄了，因此提高了场效应晶体管Q1的耐压值。
这里，优选的是，场效应晶体管Q1的栅极是由金属组成的。
在上述结构中，因为通过用金属制成的场效应晶体管Q1的栅极提高了场效应晶体管Q1的栅氧化薄膜的耐压，因此该方面合乎静电放电测试这样的需要很大耐压的情况。
优选的是，场效应晶体管是位于阱区32中的多个场效应晶体管Q11一Q14；并且其中场效应晶体管Q11至Q14共用一栅极和一漏极。
在上述结构中，因为通过使多个场效应晶体管Q11-Q14位于阱区32中并使多个场效应晶体管Q11-Q14共用栅极和漏极而将电流分散到并旁路到多个场效应晶体管Q11-Q14中，因此第四方面合乎强电流。此外，因为多个场效应晶体管Q11-Q14共用栅极和漏极并且该栅极和漏极形成于同一个阱区32中，因此根据本发明的第四方面可实现较小空间的保护电路。
最好是，半导体设备进一步包括一阻抗元件R1和一二极管。该阻抗元件具有比场效应晶体管Q1的阻抗还要大的阻抗。该二极管在场效应晶体管Q1和二极管D1导通的情况下形成了PN结。
其中阻抗元件位于在内电路11与场效应晶体管Q1和二极管D1中至少一个之间。
在上述结构中，当通过提供了其阻抗比场效应晶体管Q1的阻抗还要大的阻抗元件R1和二极管D1时，当位于场效应晶体管Q1与二极管D1之间及位于保护电路与内电路之间11的场效应晶体管Q1和二极管D1被导通时，防止了强电流在内电路11一侧流动。
最好是，半导体设备进一步包括与扩散区44相连的第二扩散区45，这样利用扩散区44而形成了PN结D1。
根据本发明，还提供一种半导体设备1，该设备包括一内电路11，该内电路与多个终端Tin，Tout，Ts，Tgnd相连；一保护电路12，该保护电路连接在终端Tin，Tout，Ts，Tgnd之间以保护内电路11；其中保护电路12包括一第一元件D1，该元件具有一电流上升端以作为根据终端Tin，Tout，Ts，Tgnd间的电位差而流动的电流的响应信号，其中该电流上升端与二极管的电流上升端相等效；以及一第二元件Q1，该元件具有一个处于电流上述沿之后的与晶体管的阻抗相等的一阻抗。
在上述结构中，由于第一元件D1合乎高速上升的电流，并且在电流上升之后，通过将第二元件Q1与第一元件D1相连而由处于低阻抗的第二元件Q1吸收了电流，并且该结构使得终端Tin，Tout，Ts，Tgnd间的过载电流被吸收了，因此提高了耐压。其中上述第二元件的阻抗在电流上升之后与晶体管的阻抗相类似，上述第一元件与第二元件相分离并且该第一元件为响应根据终端Tin，Tout，Ts，Tgnd间的电位差而流动的电流的一响应信号具有与二极管的响应相类似的第一瞬变。
图1示出了根据本发明第一实施例的半导体设备的方框图；图2示出了保护电路12的电路图；图3示出了保护电路12的特性曲线；图4示出了保护电路12的平面图；图5示出了保护电路12的剖面图；图6示出了保护电路12的一改进实施例的平面图；图7示出了根据本发明第二实施例的保护电路12的剖面图；图8示出了保护电路12的第二实施例的一等效电路；图9示出了根据本发明第三实施例的保护电路12的电路图；图10示出了利用一双极性晶体管的保护电路的电路图；图11示出了利用一场效应晶体管的保护电路的电路图；图12示出了利用该晶体管的保护电路的特性曲线；图13示出了一晶体管和一二极管的电压一电流特性曲线；图14示出了利用一二极管的保护电路的电路图；图15A和图15B示出了利用该二极管的保护电路的特性曲线。
具体实施例方式
参考附图，通过对优选实施例的详细描述可进一步理解本发明的上述目的及优点。
图1示出了根据本发明第一实施例的半导体设备的方框图。
第一实施例的半导体设备1包括一内电路11和一保护电路12。
一电源端Ts、一接地端Tgnd、一输入端Tin以及一输出端Tout与内电路11相连。根据提供给电源端Ts的电源电压Vdd来驱动内电路11，并且内电路11对提供给输入端Tin的一输入信号进行预定的处理并从输出端Tout输出。
保护电路12分别连接在电压端Ts与输入端Tin之间、输入端Tin与接地端Tgnd之间、电源端Ts与输出端Tout之间、输出端Tout与接地端Tgnd之间以及电源端Ts与接地端Tgnd之间。保护电路12对过载电流进行旁路以防止将在电源端Ts、接地端Tgnd、输入端Tin以及输出端Tout所造成的过载电流提供给内电路11。
图2示出根据本发明第一实施例的半导体设备的保护电路的电路图。
保护电路12包括并行相连的第一保护元件21和第二保护元件22。第二保护元件22具有被称为突然回升的特性曲线并且在电压上升之后具有与场效应晶体管的阻抗相类似的终端间阻抗。第一保护元件21是这样一个元件，即该元件为根据终端间的电位差而流动的电流的响应信号上升到与二极管的响应信号相同的幅度。
除此之外，在第二保护元件22中，在时间t0将一脉冲波形施加到两端的情况下，如图13B所示电流逐渐的上升。另一方面，在电压一旦因为突然上升效果而上升之后，通过保持低阻抗而使其保持在低的稳定状态。
在第一保护元件21中，在时间t0将一脉冲波形施加到两端的情况下，如图15B所示电流突然的流动。如图15A所示，当电压在时间t1稳定之后，提供给第一保护元件21的电压保持在一固定的电位。
该实施例中的保护电路12具有并行相连的第二保护元件22和第一保护元件21。图13示出了第二保护元件22的特性曲线。图15示出了第一保护元件21的特性曲线。
图3示出了用于说明保护电路12的操作的示意图。图3A示出了当施加了一脉冲时时间轴上的电压特性曲线，并且图13B示出了当施加了一脉冲时时间轴上的电流特性曲线。
保护电路12实现了如图3A所示的特性曲线，图3B中的特性曲线很陡，这是因为第一保护元件21处于激活状态，并且在一脉冲的第一瞬变之后，除了第一保护元件21之外，第二保护元件22也使终端间的低阻抗处于稳定的状态。如上所述，保护电路12利用陡的响应而实现了低的阻抗。因此，保护电路12合乎一ESD波动，该ESD波动的第一瞬变很快并且其电压很高。
此时，通过场效应晶体管Q1对电流进行了旁路，该场效应晶体管构成了第二保护元件22并且在电流的第一瞬变结束之后其阻抗相对很小。因此，减小了构成第一保护元件21的二极管D1的面积。由此，保护电路的面积减小了。
第一保护元件21和第二保护元件22共用扩散区。因此，可进一步使保护电路小型化。
图4示出了保护电路12的平面图，图5示出了保护电路12的剖面图。
场效应晶体管Q1形成于P型阱区32上，该P型阱区32形成于N型半导体衬底31上。在P型阱区32上形成了作为源极区的高密度N型扩散区33以及作为漏极区的高密度N型扩散区34。在N型扩散区33与N型扩散区34之间形成了一沟道区。
栅氧化薄膜36由其厚度大约为40nm、位于沟道形成部分35之上的一SiO2薄膜构成，在该沟道形成部分35中形成了沟道区。另外，保护层37形成于栅氧化薄膜36之上。保护层37由一绝缘薄膜37a和一绝缘薄膜37b构成。由NSG薄膜构成的绝缘薄膜37a例如具有120nm的厚度。由BPSG薄膜构成的绝缘薄膜37b例如具有大约480nm的厚度。例如由铝制成的金属栅导线38形成于保护层37之上。金属栅导线38与终端T2相连。
如上所述，场效应晶体管Q1的栅极具有金属栅结构，并且因为该结构中的薄膜很厚，因此很少造成氧化膜的击穿。由于其总厚度大约为640nm并且因为在金属栅的栅氧化薄膜上形成了保护层37而使其很厚，所以耐压很高。因此，栅极具有可完全经得起集中放电的结构。
在栅绝缘膜仅仅是由其厚度大约为40nm且由SiO2构成的栅氧化薄膜形成的情况下，耐压值为40V，同时通过使栅氧化薄膜的厚度大约为如该实施例所示的640nm而使耐压值增加到700V。
此外，在形成了源极区的N型扩散区33上形成了一接触孔40。金属栅导线38位于接触孔40上。金属栅导线38与终端T2相连。
另外，在形成了保护膜39的漏极区的N型扩散区34之上形成了一接触孔42，该保护膜39具有与保护膜37相同的结构。漏极导线43形成于接触孔42上。漏极导线43与终端T1相连。
除此之外，在阱区32上形成了一个被称为沟道截断环的扩散区44，该扩散区44用于将偏压电位提供给阱区32。P型扩散区44穿过了阱区32和位于其外围的半导体衬底31。
在P型扩散区44上形成了穿过N型扩散区33的接触孔40，并且该接触孔40与金属栅导线38相连。
另外，在P型扩散区44的外围形成了高密度N型扩散区45。N型扩散区45与P型扩散区44相接触并与P型扩散区44一起构成了一PN结46。PN结46用作二极管D1。此时，由于分别构成PN结46的P型扩散区44和N型扩散区45变成了高密度的掺杂扩散区，因此与由半导体衬底31和阱区32所构成的寄生二极管相比，耐压值提高了并且阻抗减小了。
N型扩散区45通过接触孔47与由铝所制成的导线48相连。导线48与终端T1相连。
如上所述，因为通过将构成场效应晶体管Q1的沟道截断环的P型扩散区44延伸到阱区32之外并使P型扩散区与高密度的N型扩散区45相接触而形成了二极管D1，因此二极管D1不需要在另一区中形成且减小了面积。
利用公共阱区还形成了多个场效应晶体管和多个二极管。
图6示出了根据本发明第二实施例的保护电路12的平面图，图7示出了第二实施例的保护电路12的剖面图。将相同的附图标记分配给与图4和5所示的部件相同的部件，并且省略对其描述。
该实施例的保护电路112具有第一至第四场效应晶体管Q11-Q14以及一第一二极管D11和一第二二极管D12。第一至第四场效应晶体管Q11-Q14形成于阱区32中。利用构成沟道截断环的P型扩散区44而在第一至第四场效应晶体管Q11-Q14的外部形成了第一二极管D11和第二二极管D12。
第一场效应晶体管Q11具有源极/栅极导线121。源极/栅极导线121穿过了位于源极扩散区122、沟道区、以及构成了沟道截断环的P型扩散区44之上的绝缘薄膜124并且通过接触孔123与源极扩散区122和P型扩散区44相连。绝缘薄膜124具有这样的结构，即在该结构中栅氧化薄膜、NSG薄膜、以及BPSG薄膜成如图7所示的叠层状并且这些薄膜构成了一厚层。源极/栅极导线121与终端T2相连。
此外，第一场效应晶体管Q11和第二场效应晶体管Q12具有这样的结构，即在该结构中共用漏极扩散区125和漏极导线126。漏极导线126通过接触孔127与漏极扩散区125相连。漏极导线126与终端T2相连。
此外，第二场效应晶体管Q12和第三场效应晶体管Q13共用源极扩散区128和源极/栅极导线129。源极/栅极导线129通过接触孔130与源极扩散区128相连并且穿过了每个栅极区上的绝缘薄膜131、132。绝缘薄膜131、132具有这样的结构，即在该结构中栅氧化薄膜、NSG薄膜、以及BPSG薄膜成如图7所示的叠层状并且这些薄膜构成了一厚层。源极/栅极导线129与和输入端Tin相连的终端T2相连。
另外，第三场效应晶体管Q13和第四场效应晶体管Q14共用漏极扩散区133和漏极导线134。漏极导线134通过接触孔135与漏极扩散区133相连。漏极导线134与和电源端Ts相连的终端T1相连。
此外，第四场效应晶体管Q14具有源极/栅极导线136。所形成的源极/栅极导线136穿过了源极扩散区137、绝缘薄膜138、以及构成了沟道截断环的P型扩散区44，并且通过接触孔139而与源极接点的扩散区137及P型扩散区44相连。绝缘薄膜138具有这样的结构，即在该结构中栅氧化薄膜、NSG薄膜、以及BPSG薄膜成如图7所示的叠层状并且这些薄膜构成了一厚层。源极/栅极导线与和输入端Tin相连的终端T2相连。
二极管D是由构成沟道截断环的P型扩散区44和形成于P型扩散区44外部的高密度N型扩散区140组成。二极管D11和二极管D12具有这样的结构，即在该结构中N型扩散区140通过形成于N型扩散区140外部的每个接触孔141、143而分别与正极导线142、144相连。正极导线142、144与和电源端Ts相连的终端T1相连。此外，二极管D11和D12具有这样的结构，即在该结构中P型扩散区44与源极/栅极导线121/漏极导线136相连，源极/栅极导线121和漏极导线136分别是经过形成于P型扩散区44之上的每个接触孔123、139的负极导线。导线121、136与和电源端Ts相连的终端T1相连。
图8示出了与保护电路112等效的电路。
保护电路112由第一场效应晶体管Q11至第四场效应晶体管Q14及二极管D11组成。第一场效应晶体管Q11至第四场效应晶体管Q14具有这样的结构，即每个源极与终端T1相连、每个漏极与终端T2相连、每个栅极和每个背栅与终端T1相连。二极管D11具有这样的结构，即正极与终端T1相连，负极与终端T2相连。
根据该实施例，因为第一场效应晶体管Q11至第四场效应晶体管Q14这样的多个晶体管及二极管D11和D12这样的多个二极管吸收了电流，因此保护电路可处理强电流。因为多个晶体管和多个二极管一起形成于一阱区32的外围，因此不需要用于绝缘每个元件的绝缘区并且使保护电路112小型化。此外，因为第一场效应晶体管Q11至第四场效应晶体管Q14共用扩散区和导线，因此可使第一二极管D11、第二二极管D12以及导线简单化。
还将用于产生阻抗的电阻插入到内电路11与保护电路12之间。
图9示出了根据本发明第三实施例的半导体设备的方框图。将相同的附图标记分配给与图1所示的部件相同的部件并且省略了其描述。
在该实施例的半导体设备200中，将电阻R1插入到内电路11与保护电路12之间。当保护电路12进行操作时，将电阻R1设置为比保护电路12的阻抗还要大的阻抗。
当保护电路12吸收了电流时，通过将电阻R1插入到内电路11与保护电路12之间而防止强电流在内电路11一侧流动。
在该实施例中，例如利用场效应晶体管对其进行描述，然而，利用一双极型晶体管也可获得相似的电路结构。
图10示出了利用一双极型晶体管的保护电路的电路结构。
利用双极型晶体管的保护电路300是由二极管D21和双极型晶体管Q21组成的。双极型晶体管Q21包括晶体管本体Q31、一内电阻R31、以及一寄生二极管D31。二极管D21与双极型晶体管Q21的寄生二极管D31相分离。
权利要求
1.一种半导体设备，该设备包括一衬底；一阱区，形成于衬底上；一场效应晶体管，形成于阱区上；一扩散区，该扩散区穿过了阱区和衬底以将背栅电位提供给阱区，并且该扩散区与其外围一起形成了一PN结，其中场效应晶体管和PN结在终端之间连接以吸收过载电流，这样保护了与终端相连的内电路。
2.如权利要求1所述的半导体设备，其中场效应晶体管的一栅极包括一栅氧化薄膜，形成于一沟道上；一保护膜，形成于栅氧化薄膜上；以及一传导材料，形成于保护膜上。
3.如权利要求2所述的半导体设备，其中场效应晶体管的栅极是由金属构成的。
4.如权利要求1所述的半导体设备，其中场效应晶体管是位于阱区中的多个场效应晶体管；并且其中场效应晶体管共用一栅极和一漏极。
5.如权利要求1所述的半导体设备，该半导体设备进一步包括一阻抗元件和一二极管，该阻抗元件具有比场效应晶体管的阻抗还要大的阻抗，在场效应晶体管和二极管导通的情况下该二极管构成了一PN结，其中阻抗元件位于内电路与场效应晶体管和二极管中的至少一个之间。
6.如权利要求1所述的半导体设备，进一步包括与扩散区相连的第二扩散区，这样可扩散区形成了PN结。
7.一种半导体设备，该设备包括一内电路，该内电路与多个终端相连；一保护电路，该保护电路连接在终端之间以用于保护内电路；其中保护电路包括一第一元件，该元件具有一电流上升端，其等效于二极管的电流上升，用于作为根据终端间的电位差而流动的电流的响应信号；以及一第二元件，该元件具有一个在电流上升端之后与晶体管的阻抗相等的一阻抗。
全文摘要
本发明提供一种半导体设备，包括一衬底、形成于衬底上一阱区，形成于阱区上一场效应晶体管、以及一扩散区。该扩散区穿过了阱区和衬底以将背栅电位提供给阱区，并且该扩散区与其外围一起形成了一PN结。场效应晶体管和PN结连接在终端之间以吸收过载电流，这样保护了与终端相连的内电路。
文档编号H01L23/60GK1494147SQ0315685
公开日2004年5月5日 申请日期2003年9月10日 优先权日2002年9月30日
发明者石川泰久, 渡边敦, 寺田幸弘, 池内亮, 大谷扩, 弘 申请人:三美电机株式会社