專利名稱：半導體設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體設備，尤其涉及一種其內置有一保護電路的半導體設備，該保護電路防止了靜電放電。
背景技術：
形成半導體集成電路(IC)的設備是很小并且很容易被靜電放電(ESD)而斷路。因此，在半導體集成電路中內置有一個用于保護內電路不受外部所造成的靜電放電的保護電路，并且根據用戶及其他人的要求而進行各種ESD測試。作為ESD測試中所使用的靜電應用模型，其表現有人體放電模型及機器放電模型。
該類型的保護電路(人體放電模型和機器放電模型)通常包括利用一晶體管的保護電路或利用一二極管的保護電路。
下面對利用一晶體管的保護電路及利用一二極管的保護電路進行詳細描述。
圖11示出了利用一場效應晶體管的保護電路的電路圖。
利用場效應晶體管的保護電路700包括一個位于電源終端703與輸入/輸出終端704之間的場效益晶體管701。該電源終端703用于將電源提供給內電路702。該輸入/輸出終端704用于將一信號輸入到內電路702中或輸出來自內電路702的信號。場效應晶體管701的漏極與電源終端703相連。場效應晶體管701的源極和柵極與輸入/輸出終端704相連。
由于該結構，因此當輸入/輸出終端704的電位由于靜電放電而增加時，場效應晶體管701被導通以將靜電放電所造成的電荷釋放到電源終端703，這樣輸入/輸出終端704的電位被箝位了。
圖12示出了利用一晶體管的保護電路的特性曲線，并且圖13示出了晶體管和二極管的電壓/電流特性曲線。圖13A示出了當施加了一脈沖時時間軸上的電壓特性曲線，并且圖13B示出了當施加了一脈沖時時間軸上的電流特性曲線。
圖12、13A及13B示出了在晶體管和二極管具有相同大小的情況下的特性曲線。
與圖12中的虛線所給出的二極管的阻抗(ΔV2/ΔI2)相比，圖12中的實線所給出的晶體管的阻抗(ΔV1/ΔI1)要小一些。然而，在晶體管701中，造成了由圖12和13A中的彎曲實線所示的特性曲線，也就是所謂的突然回升效果。由于如圖13B中的實線所示的突然回升效果而使電流的上升時間延遲了τ。因此，例如與具有ESD的輸入有關的通信延遲了，并且內電路和保護設備可能斷路了，其中上升ESD的上升波比人體放電模型或機器放電模型中的上升波更陡一些。
圖14示出了利用一二極管的保護電路的電路圖。
利用一二極管的保護電路800包括一個位于電源終端803與輸入/輸出終端804之間的二極管801。二級管801的負極與電源終端803相連，二極管801的正極與輸入/輸出終端804相連。
由于該結構，因此當輸入/輸出終端804的電位由于靜電放電而增加時，二極管801被導通從而將靜電放電釋放到電源終端803，這樣輸入/輸出終端804被箝位到預定的電位。
圖15示出了利用二極管的保護電路的特性曲線。圖15A示出了當施加了一脈沖時時間軸上的電壓特性曲線，并且圖15B示出了當施加了一脈沖時時間軸上的電流特性曲線。
在二極管801中，如圖15所示，電壓和電流上升了以基本上同時響應輸入脈沖。然而，在上升之后，如圖15A所示阻抗增加了。因此，為保護內電路不受其電壓比人體放電模型或機器放電模型下的電壓還要高的ESD的輸入，因此需要大尺寸的設備以減小阻抗。
在上述描述中，對于用戶請求ESD測試而言，存在這樣一種情況，即該測試需要利用比人體放電模型或機器放電模型的電壓還要高且速度還要快的ESD脈沖。
然而，因為在上述測試是在利用了一晶體管的保護電路中進行的情況下，第一瞬變由于上述突然回升效果而延遲，直到晶體管被導通，因此出現了這樣一個問題，即保護電路不能合乎其上升端(rising edge)很陡的一EDS脈沖并且內電路可發生斷路。
并且，上述測試是在利用二極管的保護電路中進行的，需要增加該設備的面積以減小阻抗。因此，為合乎高電壓的ESD脈沖，就出現了這樣一個問題，即內置有保護電路的設備尺寸很大。

發明內容
本發明的一個目的是提出一種小型半導體設備，該設備可提高響應速度及耐壓值。
為了實現上述目的，根據本發明，提出了一種半導體設備，該設備包括一襯底31；一阱區32，形成于襯底31上；一場效應晶體管Q1，形成于阱區上；一擴散區44，所形成的擴散區穿過了阱區32和襯底31以將背柵電位提供給阱區32，并且該擴散區與其外圍一起形成了一PN結D1；其中場效應晶體管Q1和PN結D1連接在終端Tin，Tout，Ts，Tgnd之間以用于吸收過載電流，這樣保護了與終端Tin，Tout，Ts，Tgnd相連的內電路11。
在上述結構中，因為通過將場效應晶體管Q1和PN結D1連接在終端Tin，Tout，Ts，Tgnd之間而使PN結D1以高速處理電流的上升，并且該結構使得終端(Tin，Tout，Ts，Tgnd)之間的電流被吸收了且在電流上升之后由處于低阻抗的場效應晶體管Q1吸收了電流，因此提高了耐壓值。
最好是，場效應晶體管Q1的柵極包括一柵氧化薄膜36，形成于一溝道上；一保護膜37，形成于柵氧化薄膜36上；以及一傳導材料38，形成于保護膜上。
在上述結構中，因為柵極的絕緣薄膜36，37變薄了，因此提高了場效應晶體管Q1的耐壓值。
這里，優選的是，場效應晶體管Q1的柵極是由金屬組成的。
在上述結構中，因為通過用金屬制成的場效應晶體管Q1的柵極提高了場效應晶體管Q1的柵氧化薄膜的耐壓，因此該方面合乎靜電放電測試這樣的需要很大耐壓的情況。
優選的是，場效應晶體管是位于阱區32中的多個場效應晶體管Q11一Q14；并且其中場效應晶體管Q11至Q14共用一柵極和一漏極。
在上述結構中，因為通過使多個場效應晶體管Q11-Q14位于阱區32中并使多個場效應晶體管Q11-Q14共用柵極和漏極而將電流分散到并旁路到多個場效應晶體管Q11-Q14中，因此第四方面合乎強電流。此外，因為多個場效應晶體管Q11-Q14共用柵極和漏極并且該柵極和漏極形成于同一個阱區32中，因此根據本發明的第四方面可實現較小空間的保護電路。
最好是，半導體設備進一步包括一阻抗元件R1和一二極管。該阻抗元件具有比場效應晶體管Q1的阻抗還要大的阻抗。該二極管在場效應晶體管Q1和二極管D1導通的情況下形成了PN結。
其中阻抗元件位于在內電路11與場效應晶體管Q1和二極管D1中至少一個之間。
在上述結構中，當通過提供了其阻抗比場效應晶體管Q1的阻抗還要大的阻抗元件R1和二極管D1時，當位于場效應晶體管Q1與二極管D1之間及位于保護電路與內電路之間11的場效應晶體管Q1和二極管D1被導通時，防止了強電流在內電路11一側流動。
最好是，半導體設備進一步包括與擴散區44相連的第二擴散區45，這樣利用擴散區44而形成了PN結D1。
根據本發明，還提供一種半導體設備1，該設備包括一內電路11，該內電路與多個終端Tin，Tout，Ts，Tgnd相連；一保護電路12，該保護電路連接在終端Tin，Tout，Ts，Tgnd之間以保護內電路11；其中保護電路12包括一第一元件D1，該元件具有一電流上升端以作為根據終端Tin，Tout，Ts，Tgnd間的電位差而流動的電流的響應信號，其中該電流上升端與二極管的電流上升端相等效；以及一第二元件Q1，該元件具有一個處于電流上述沿之后的與晶體管的阻抗相等的一阻抗。
在上述結構中，由于第一元件D1合乎高速上升的電流，并且在電流上升之后，通過將第二元件Q1與第一元件D1相連而由處于低阻抗的第二元件Q1吸收了電流，并且該結構使得終端Tin，Tout，Ts，Tgnd間的過載電流被吸收了，因此提高了耐壓。其中上述第二元件的阻抗在電流上升之后與晶體管的阻抗相類似，上述第一元件與第二元件相分離并且該第一元件為響應根據終端Tin，Tout，Ts，Tgnd間的電位差而流動的電流的一響應信號具有與二極管的響應相類似的第一瞬變。


圖1示出了根據本發明第一實施例的半導體設備的方框圖；圖2示出了保護電路12的電路圖；圖3示出了保護電路12的特性曲線；圖4示出了保護電路12的平面圖；圖5示出了保護電路12的剖面圖；圖6示出了保護電路12的一改進實施例的平面圖；圖7示出了根據本發明第二實施例的保護電路12的剖面圖；圖8示出了保護電路12的第二實施例的一等效電路；圖9示出了根據本發明第三實施例的保護電路12的電路圖；圖10示出了利用一雙極性晶體管的保護電路的電路圖；圖11示出了利用一場效應晶體管的保護電路的電路圖；圖12示出了利用該晶體管的保護電路的特性曲線；圖13示出了一晶體管和一二極管的電壓一電流特性曲線；圖14示出了利用一二極管的保護電路的電路圖；圖15A和圖15B示出了利用該二極管的保護電路的特性曲線。
具體實施例方式
參考附圖，通過對優選實施例的詳細描述可進一步理解本發明的上述目的及優點。
圖1示出了根據本發明第一實施例的半導體設備的方框圖。
第一實施例的半導體設備1包括一內電路11和一保護電路12。
一電源端Ts、一接地端Tgnd、一輸入端Tin以及一輸出端Tout與內電路11相連。根據提供給電源端Ts的電源電壓Vdd來驅動內電路11，并且內電路11對提供給輸入端Tin的一輸入信號進行預定的處理并從輸出端Tout輸出。
保護電路12分別連接在電壓端Ts與輸入端Tin之間、輸入端Tin與接地端Tgnd之間、電源端Ts與輸出端Tout之間、輸出端Tout與接地端Tgnd之間以及電源端Ts與接地端Tgnd之間。保護電路12對過載電流進行旁路以防止將在電源端Ts、接地端Tgnd、輸入端Tin以及輸出端Tout所造成的過載電流提供給內電路11。
圖2示出根據本發明第一實施例的半導體設備的保護電路的電路圖。
保護電路12包括并行相連的第一保護元件21和第二保護元件22。第二保護元件22具有被稱為突然回升的特性曲線并且在電壓上升之后具有與場效應晶體管的阻抗相類似的終端間阻抗。第一保護元件21是這樣一個元件，即該元件為根據終端間的電位差而流動的電流的響應信號上升到與二極管的響應信號相同的幅度。
除此之外，在第二保護元件22中，在時間t0將一脈沖波形施加到兩端的情況下，如圖13B所示電流逐漸的上升。另一方面，在電壓一旦因為突然上升效果而上升之后，通過保持低阻抗而使其保持在低的穩定狀態。
在第一保護元件21中，在時間t0將一脈沖波形施加到兩端的情況下，如圖15B所示電流突然的流動。如圖15A所示，當電壓在時間t1穩定之后，提供給第一保護元件21的電壓保持在一固定的電位。
該實施例中的保護電路12具有并行相連的第二保護元件22和第一保護元件21。圖13示出了第二保護元件22的特性曲線。圖15示出了第一保護元件21的特性曲線。
圖3示出了用于說明保護電路12的操作的示意圖。圖3A示出了當施加了一脈沖時時間軸上的電壓特性曲線，并且圖13B示出了當施加了一脈沖時時間軸上的電流特性曲線。
保護電路12實現了如圖3A所示的特性曲線，圖3B中的特性曲線很陡，這是因為第一保護元件21處于激活狀態，并且在一脈沖的第一瞬變之后，除了第一保護元件21之外，第二保護元件22也使終端間的低阻抗處于穩定的狀態。如上所述，保護電路12利用陡的響應而實現了低的阻抗。因此，保護電路12合乎一ESD波動，該ESD波動的第一瞬變很快并且其電壓很高。
此時，通過場效應晶體管Q1對電流進行了旁路，該場效應晶體管構成了第二保護元件22并且在電流的第一瞬變結束之后其阻抗相對很小。因此，減小了構成第一保護元件21的二極管D1的面積。由此，保護電路的面積減小了。
第一保護元件21和第二保護元件22共用擴散區。因此，可進一步使保護電路小型化。
圖4示出了保護電路12的平面圖，圖5示出了保護電路12的剖面圖。
場效應晶體管Q1形成于P型阱區32上，該P型阱區32形成于N型半導體襯底31上。在P型阱區32上形成了作為源極區的高密度N型擴散區33以及作為漏極區的高密度N型擴散區34。在N型擴散區33與N型擴散區34之間形成了一溝道區。
柵氧化薄膜36由其厚度大約為40nm、位于溝道形成部分35之上的一SiO2薄膜構成，在該溝道形成部分35中形成了溝道區。另外，保護層37形成于柵氧化薄膜36之上。保護層37由一絕緣薄膜37a和一絕緣薄膜37b構成。由NSG薄膜構成的絕緣薄膜37a例如具有120nm的厚度。由BPSG薄膜構成的絕緣薄膜37b例如具有大約480nm的厚度。例如由鋁制成的金屬柵導線38形成于保護層37之上。金屬柵導線38與終端T2相連。
如上所述，場效應晶體管Q1的柵極具有金屬柵結構，并且因為該結構中的薄膜很厚，因此很少造成氧化膜的擊穿。由于其總厚度大約為640nm并且因為在金屬柵的柵氧化薄膜上形成了保護層37而使其很厚，所以耐壓很高。因此，柵極具有可完全經得起集中放電的結構。
在柵絕緣膜僅僅是由其厚度大約為40nm且由SiO2構成的柵氧化薄膜形成的情況下，耐壓值為40V，同時通過使柵氧化薄膜的厚度大約為如該實施例所示的640nm而使耐壓值增加到700V。
此外，在形成了源極區的N型擴散區33上形成了一接觸孔40。金屬柵導線38位于接觸孔40上。金屬柵導線38與終端T2相連。
另外，在形成了保護膜39的漏極區的N型擴散區34之上形成了一接觸孔42，該保護膜39具有與保護膜37相同的結構。漏極導線43形成于接觸孔42上。漏極導線43與終端T1相連。
除此之外，在阱區32上形成了一個被稱為溝道截斷環的擴散區44，該擴散區44用于將偏壓電位提供給阱區32。P型擴散區44穿過了阱區32和位于其外圍的半導體襯底31。
在P型擴散區44上形成了穿過N型擴散區33的接觸孔40，并且該接觸孔40與金屬柵導線38相連。
另外，在P型擴散區44的外圍形成了高密度N型擴散區45。N型擴散區45與P型擴散區44相接觸并與P型擴散區44一起構成了一PN結46。PN結46用作二極管D1。此時，由于分別構成PN結46的P型擴散區44和N型擴散區45變成了高密度的摻雜擴散區，因此與由半導體襯底31和阱區32所構成的寄生二極管相比，耐壓值提高了并且阻抗減小了。
N型擴散區45通過接觸孔47與由鋁所制成的導線48相連。導線48與終端T1相連。
如上所述，因為通過將構成場效應晶體管Q1的溝道截斷環的P型擴散區44延伸到阱區32之外并使P型擴散區與高密度的N型擴散區45相接觸而形成了二極管D1，因此二極管D1不需要在另一區中形成且減小了面積。
利用公共阱區還形成了多個場效應晶體管和多個二極管。
圖6示出了根據本發明第二實施例的保護電路12的平面圖，圖7示出了第二實施例的保護電路12的剖面圖。將相同的附圖標記分配給與圖4和5所示的部件相同的部件，并且省略對其描述。
該實施例的保護電路112具有第一至第四場效應晶體管Q11-Q14以及一第一二極管D11和一第二二極管D12。第一至第四場效應晶體管Q11-Q14形成于阱區32中。利用構成溝道截斷環的P型擴散區44而在第一至第四場效應晶體管Q11-Q14的外部形成了第一二極管D11和第二二極管D12。
第一場效應晶體管Q11具有源極/柵極導線121。源極/柵極導線121穿過了位于源極擴散區122、溝道區、以及構成了溝道截斷環的P型擴散區44之上的絕緣薄膜124并且通過接觸孔123與源極擴散區122和P型擴散區44相連。絕緣薄膜124具有這樣的結構，即在該結構中柵氧化薄膜、NSG薄膜、以及BPSG薄膜成如圖7所示的疊層狀并且這些薄膜構成了一厚層。源極/柵極導線121與終端T2相連。
此外，第一場效應晶體管Q11和第二場效應晶體管Q12具有這樣的結構，即在該結構中共用漏極擴散區125和漏極導線126。漏極導線126通過接觸孔127與漏極擴散區125相連。漏極導線126與終端T2相連。
此外，第二場效應晶體管Q12和第三場效應晶體管Q13共用源極擴散區128和源極/柵極導線129。源極/柵極導線129通過接觸孔130與源極擴散區128相連并且穿過了每個柵極區上的絕緣薄膜131、132。絕緣薄膜131、132具有這樣的結構，即在該結構中柵氧化薄膜、NSG薄膜、以及BPSG薄膜成如圖7所示的疊層狀并且這些薄膜構成了一厚層。源極/柵極導線129與和輸入端Tin相連的終端T2相連。
另外，第三場效應晶體管Q13和第四場效應晶體管Q14共用漏極擴散區133和漏極導線134。漏極導線134通過接觸孔135與漏極擴散區133相連。漏極導線134與和電源端Ts相連的終端T1相連。
此外，第四場效應晶體管Q14具有源極/柵極導線136。所形成的源極/柵極導線136穿過了源極擴散區137、絕緣薄膜138、以及構成了溝道截斷環的P型擴散區44，并且通過接觸孔139而與源極接點的擴散區137及P型擴散區44相連。絕緣薄膜138具有這樣的結構，即在該結構中柵氧化薄膜、NSG薄膜、以及BPSG薄膜成如圖7所示的疊層狀并且這些薄膜構成了一厚層。源極/柵極導線與和輸入端Tin相連的終端T2相連。
二極管D是由構成溝道截斷環的P型擴散區44和形成于P型擴散區44外部的高密度N型擴散區140組成。二極管D11和二極管D12具有這樣的結構，即在該結構中N型擴散區140通過形成于N型擴散區140外部的每個接觸孔141、143而分別與正極導線142、144相連。正極導線142、144與和電源端Ts相連的終端T1相連。此外，二極管D11和D12具有這樣的結構，即在該結構中P型擴散區44與源極/柵極導線121/漏極導線136相連，源極/柵極導線121和漏極導線136分別是經過形成于P型擴散區44之上的每個接觸孔123、139的負極導線。導線121、136與和電源端Ts相連的終端T1相連。
圖8示出了與保護電路112等效的電路。
保護電路112由第一場效應晶體管Q11至第四場效應晶體管Q14及二極管D11組成。第一場效應晶體管Q11至第四場效應晶體管Q14具有這樣的結構，即每個源極與終端T1相連、每個漏極與終端T2相連、每個柵極和每個背柵與終端T1相連。二極管D11具有這樣的結構，即正極與終端T1相連，負極與終端T2相連。
根據該實施例，因為第一場效應晶體管Q11至第四場效應晶體管Q14這樣的多個晶體管及二極管D11和D12這樣的多個二極管吸收了電流，因此保護電路可處理強電流。因為多個晶體管和多個二極管一起形成于一阱區32的外圍，因此不需要用于絕緣每個元件的絕緣區并且使保護電路112小型化。此外，因為第一場效應晶體管Q11至第四場效應晶體管Q14共用擴散區和導線，因此可使第一二極管D11、第二二極管D12以及導線簡單化。
還將用于產生阻抗的電阻插入到內電路11與保護電路12之間。
圖9示出了根據本發明第三實施例的半導體設備的方框圖。將相同的附圖標記分配給與圖1所示的部件相同的部件并且省略了其描述。
在該實施例的半導體設備200中，將電阻R1插入到內電路11與保護電路12之間。當保護電路12進行操作時，將電阻R1設置為比保護電路12的阻抗還要大的阻抗。
當保護電路12吸收了電流時，通過將電阻R1插入到內電路11與保護電路12之間而防止強電流在內電路11一側流動。
在該實施例中，例如利用場效應晶體管對其進行描述，然而，利用一雙極型晶體管也可獲得相似的電路結構。
圖10示出了利用一雙極型晶體管的保護電路的電路結構。
利用雙極型晶體管的保護電路300是由二極管D21和雙極型晶體管Q21組成的。雙極型晶體管Q21包括晶體管本體Q31、一內電阻R31、以及一寄生二極管D31。二極管D21與雙極型晶體管Q21的寄生二極管D31相分離。
權利要求
1.一種半導體設備，該設備包括一襯底；一阱區，形成于襯底上；一場效應晶體管，形成于阱區上；一擴散區，該擴散區穿過了阱區和襯底以將背柵電位提供給阱區，并且該擴散區與其外圍一起形成了一PN結，其中場效應晶體管和PN結在終端之間連接以吸收過載電流，這樣保護了與終端相連的內電路。
2.如權利要求1所述的半導體設備，其中場效應晶體管的一柵極包括一柵氧化薄膜，形成于一溝道上；一保護膜，形成于柵氧化薄膜上；以及一傳導材料，形成于保護膜上。
3.如權利要求2所述的半導體設備，其中場效應晶體管的柵極是由金屬構成的。
4.如權利要求1所述的半導體設備，其中場效應晶體管是位于阱區中的多個場效應晶體管；并且其中場效應晶體管共用一柵極和一漏極。
5.如權利要求1所述的半導體設備，該半導體設備進一步包括一阻抗元件和一二極管，該阻抗元件具有比場效應晶體管的阻抗還要大的阻抗，在場效應晶體管和二極管導通的情況下該二極管構成了一PN結，其中阻抗元件位于內電路與場效應晶體管和二極管中的至少一個之間。
6.如權利要求1所述的半導體設備，進一步包括與擴散區相連的第二擴散區，這樣可擴散區形成了PN結。
7.一種半導體設備，該設備包括一內電路，該內電路與多個終端相連；一保護電路，該保護電路連接在終端之間以用于保護內電路；其中保護電路包括一第一元件，該元件具有一電流上升端，其等效于二極管的電流上升，用于作為根據終端間的電位差而流動的電流的響應信號；以及一第二元件，該元件具有一個在電流上升端之后與晶體管的阻抗相等的一阻抗。
全文摘要
本發明提供一種半導體設備，包括一襯底、形成于襯底上一阱區，形成于阱區上一場效應晶體管、以及一擴散區。該擴散區穿過了阱區和襯底以將背柵電位提供給阱區，并且該擴散區與其外圍一起形成了一PN結。場效應晶體管和PN結連接在終端之間以吸收過載電流，這樣保護了與終端相連的內電路。
文檔編號H01L23/60GK1494147SQ0315685
公開日2004年5月5日 申請日期2003年9月10日 優先權日2002年9月30日
發明者石川泰久, 渡邊敦, 寺田幸弘, 池內亮, 大谷擴, 弘 申請人:三美電機株式會社