CN108702147B - 保护电路、保护电路的动作方法以及半导体集成电路装置 - Google Patents

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Abstract

保护电路(12)具备：高侧开关(10)，其被连接于从车载用电池供给预定的电源电压(VBB)的电源端子(102)上；NMOS晶体管(MT1)，其被连接于高侧开关(10)，在车载用电池反向连接到电源端子(102)时，阻止向高侧开关(10)通电，保护电路(12)保护半导体集成电路免受因外部电源的反向连接而产生的破坏。半导体集成电路装置具有上述保护电路，该保护电路保护被连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子(102)和接地端子之间的半导体集成电路免受静电破坏。保护电路被连接于插入到电源端子(102)和接地端子之间的钳位电路部(131)，在外部电源反向连接到电源端子(102)时，保护钳位电路部(131)免受破坏。

Description

保护电路、保护电路的动作方法以及半导体集成电路装置
技术领域
本实施方式涉及保护电路、保护电路的动作方法以及半导体集成电路装置。
背景技术
集成电路(IC：Integrated Circuits)特别是在车载用IC的情况下，需要即使在反向连接车载用电池时IC也不会被破坏的保护功能。
通常，一般将插入外挂的二极管作为反向连接对策。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2012-90108号公报
发明内容
发明要解决的课题
本实施方式提供一种在能够保护半导体集成电路免受因外部电源的反向连接而产生的破坏的同时，还能够使施加电压低电压化的保护电路以及保护电路的动作方法。
本实施方式提供一种在能够保护半导体集成电路免受静电破坏的同时，还能够保护半导体集成电路免受因外部电源的反向连接而产生的破坏的保护电路以及半导体集成电路装置。
用于解决课题的手段
根据本实施方式的一方式提供一种保护电路，该保护电路具备：半导体集成电路，其连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子；开关，其连接于所述半导体集成电路，在所述外部电源反向连接到所述电源端子时，阻止向所述半导体集成电路通电，所述保护电路保护所述半导体集成电路免受破坏。
另外，根据本实施方式的其他的方式提供一种保护电路的动作方法，其为保护被连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子的半导体集成电路免受破坏的保护电路的动作方法，其中，在所述外部电源反向连接到所述电源端子时，通过开关来阻断接地端子和所述电源端子之间的电流路径。
根据本实施方式的一方式，提供一种上述保护电路，上述保护电路连接于插入到所述电源端子和接地端子之间的钳位电路部，在所述外部电源反向连接到所述电源端子时，保护所述钳位电路部免受破坏。另外，根据本实施方式的其他的方式，提供一种半导体集成电路装置，该半导体集成电路装置具有该保护电路，该保护电路保护连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子和接地端子之间的半导体集成电路免受静电破坏。
发明效果
根据本实施方式，能够提供一种在能够保护半导体集成电路免受因外部电源的反向连接而产生的破坏的同时，还能够使施加电压低电压化的保护电路、以及保护电路的动作方法。
根据本实施方式，能够保护半导体集成电路免受静电破坏，同时还能够保护半导体集成电路免受因外部电源的反向连接而产生的破坏的保护电路以及半导体集成电路装置。
附图说明
图1中(a)为能够搭载本实施方式涉及的保护电路的车载用IC的概略结构图，(b)为能够搭载比较例涉及的保护电路的车载用IC的概略结构图。
图2是表示图1示出的保护电路的具体例的电路结构图。
图3是表示图1、图2示出的高侧开关的具体例的电路结构图。
图4是例示本实施方式涉及的保护电路中的元件结构的一部分且用于说明动作而示出的图，(a)是表示电池通常连接时的示意性结构图，(b)是表示电池反向连接时的示意性结构图。
图5是表示本实施方式涉及的静电保护装置的具体例的概略结构图。
图6是表示本实施方式涉及的静电保护装置中的保护电路部的具体例的图，(a)是电路结构图，(b)是示意性剖面结构图。
图7是表示本实施方式涉及的静电保护装置中的钳位电路部所具备的NMOS晶体管的具体例的图，(a)是电路结构图，(b)是示意性剖面结构图。
具体实施方式
接着，参照附图，对实施方式进行说明。在以下的附图的记载中，对于相同或者类似的部分添加相同或者类似的符号。其中应注意的是，附图是示意性的，厚度和平面尺寸之间的关系、各层的厚度的比率等与现实中的不同。因此，应参考以下的说明来判断具体的厚度或尺寸。另外，在附图相互之间，相互的尺寸的关系或比率当然也包含不同的部分。
另外，以下示出的实施方式例示用于使技术性思想具体化的装置或方法，该实施方式并不将构成部件的材质、形状、构造、配置等特定成下述的内容。该实施方式能够在专利请求书的范围内添加各种的变更。
在以下的说明中，针对将集成电路适用为车载用IC的情况进行说明，但是仅仅是一个例子。
另外，将正常地将车载用电池连接于电源端子来提供预定的电源电压的情况设为通常时(或者，通常连接时)，将与其相反连接车载用电池的情况定义为反向连接时。
[保护电路的结构]
能够搭载本实施方式涉及的保护电路的车载用IC(集成电路)的概略结构如图1的(a)所示。另外，能够搭载比较例涉及的保护电路的车载用IC的概略结构如图1的(b)所示。
即，能够搭载本实施方式涉及的保护电路的车载用IC如图1的(a)所示，具备：连接于电源端子102的作为半导体集成电路的高侧开关10、在外部电源即车载用电池(省略图示)反向连接时，阻止向高侧开关10通电的保护电路12。
如图2所示，本实施方式涉及的保护电路12具备半导体集成电路(高侧开关)10和开关MT1，从而保护半导体集成电路10免受破坏，该半导体集成电路(高侧开关)10连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子102，该开关MT1被连接于半导体集成电路10，在外部电源反向连接到电源端子102时，阻止向半导体集成电路10通电。在此，半导体集成电路10为具备N型半导体基板(N-sub)的高侧开关(10)，外部电源为车载用电池。
高侧开关10被设置在车载用电池(电源端子102)和与输出端子104连接的负载(相当于图3的100)之间。高侧开关10例如随着高电平信号(控制信号)向输入端子(IN)106的供给，将来自车载用电池的电源电压(施加电压)VBB作为动作电压，从输出端子(OUT)104输出。
就一般的高侧开关10而言，作为静电(ESD：Electro Static Discharge，静电放电)保护，例如，通过插入到电源端子102和接地(GND)端子之间的浪涌电流吸收用的钳位电路(后述)，保护开关10免受与过电流相对应的故障或破坏。另外，作为高侧开关10，还可以具备用于在检测出输出负电压时进行保护来避免故障或破坏的功能块等。
保护电路12是即使在车载用电池相对于电源端子102反向连接时，也不会破坏高侧开关10的电路，详细如后述，具备作为反向连接时阻断接地端子和电源端子102之间的电流路径的开关而发挥作用的、例如N沟道型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)MT1。
车载用电池在通常时从电源端子102供给12V～14V左右的电源电压VBB。
即，在能够搭载本实施方式涉及的保护电路12的车载用IC的情况下，在车载用电池反向连接，以使应施加到电源端子102的电源电压VBB错误地施加到接地端子侧时，构成为通过保护电路12来阻断从接地端子侧向电源端子侧的电流路径，来防止高侧开关10被破坏。
与此相对，如图1的(b)所示，比较例涉及的车载用IC中，在高侧开关10和接地端子之间，并联连接有限流用的电阻元件20和电压钳位用二极管22来作为保护高侧开关10的保护电路。
在比较例涉及的车载用IC的情况下，虽然能够保护高侧开关10免受因车载用电池的反向连接而产生的破坏，但是由于GND电位根据流过车载用IC内的电路电流或电阻元件20的电阻值(例如，100Ω左右)而上升，因而施加电压范围较窄，不适于施加电压的低电压化。
根据能够搭载本实施方式涉及的保护电路12的车载用IC，保护电路12通过采用MOSFET能够降低开关的导通电阻，从而能够易于使施加电压低电压化。
另外，能够搭载本实施方式涉及的保护电路12的车载用IC，特别是高侧开关10通过采用了导电型为N型的半导体基板(N-sub)的、所谓的N-sub工艺而形成。
接着，更详细地说明车载用IC的具体结构。
图2表示能够适用于车载用IC的本实施方式涉及的保护电路12的一结构例。如图2所示，保护电路12具备：N沟道型MOSFET(MOS晶体管)MT1、MT2、MT3、MT4、耐压钳位用的齐纳二极管ZD1。在保护电路12中，例如，MOS晶体管MT1、MT2、MT3可以构成输出负电压保护(以下为NVP(Negative Voltage Protection))电路14。
MOS晶体管MT1、MT2是高电压(HV)用晶体管，均通过增强型的N沟道型MOSFET(E-NMOS晶体管)构成。MOS晶体管MT3是低电压(LV)用、MOS晶体管MT4是HV用晶体管，均通过耗尽型的N沟道型MOSFET(D-NMOS晶体管)构成。
另外，D-NMOS晶体管MT4也可以由电阻元件(电阻体)来替代。
即，保护电路12具备：第一D-NMOS晶体管MT4，其漏极(D)连接于电源端子102；第二E-NMOS晶体管(开关)MT1，其栅极连接于第一D-NMOS晶体管MT4的栅极(G)以及源极(S)，漏极连接于接地端子，源极连接于高侧开关10的接地连接用端子GND_REF；第三E-NMOS晶体管MT2，其栅极连接于第一D-NMOS晶体管MT4的栅极以及源极，漏极连接于接地端子，漏极连接于第二E-NMOS晶体管MT1的体端子即背栅极(B)；第四D-NMOS晶体管MT3，其栅极以及源极被连接于第二E-NMOS晶体管MT1的背栅极，漏极连接于第二E-NMOS晶体管MT1的源极；齐纳二极管ZD1，其正极连接于第二E-NMOS晶体管MT1的源极，负极连接于第一D-NMOS晶体管MT4的栅极以及源极。
换言之，开关MT1是栅极连接于第一NMOS晶体管MT4的栅极以及源极、漏极连接于接地端子、源极连接于半导体集成电路(高侧开关)10的第二NMOS晶体管MT1，其中第一NMOS晶体管MT4的漏极连接于电源端子102。并且，在第二NMOS晶体管MT1的背栅极(B)上连接有第三NMOS晶体管MT2的漏极和第四NMOS晶体管MT3的栅极以及源极，其中，第三NMOS晶体管MT2的栅极连接于第一NMOS晶体管MT4的栅极以及源极，且第三NMOS晶体管MT2的源极连接于接地端子，第四NMOS晶体管MT3的漏极连接于第二NMOS晶体管MT1的源极上。
在此，E-NMOS晶体管MT1由于根据车载用电池的状态进行导通/截止动作，栅极电压被上拉到电源电压VBB。
在本实施方式中，通常时，即车载用电池正常连接时，E-NMOS晶体管MT1的栅极电压成为预定的电压(漏极电压+Vth)以上，E-NMOS晶体管MT2导通。由此，E-NMOS晶体管MT1的背栅极与漏极成为同电位，E-NMOS晶体管MT1导通(源极-漏极间短路)。
另一方面，在车载用电池反向连接时，E-NMOS晶体管MT1的栅极电压成为预定的电压以下，E-NMOS晶体管MT2截止。于是，通过D-NMOS晶体管MT3，E-NMOS晶体管MT1的背栅极与源极成为同电位，因此E-NMOS晶体管MT1截止。
即，在本实施方式涉及的保护电路12中，根据车载用电池的连接的状况，在NVP电路14中，选择性导通连接于E-NMOS晶体管MT1的背栅极的E-NMOS晶体管MT2或者D-NMOS晶体管MT3，在车载用电池的反向连接时，D-NMOS晶体管MT3被选择导通，而E-NMOS晶体管MT1截止。由此，阻断从接地端子(漏极)侧向电源端子(源极)102侧的电流路径，从而阻止向高侧开关10通电。
图3是表示高侧开关10的一结构例的图。如图3所示，高侧开关10具备：PMOS晶体管(第一PMOS晶体管)108；齐纳二极管110；OSC(Oscillator)112；电荷泵(CP)114；栅极驱动电路(DRV)116、120；NMOS晶体管(第五、第六NMOS晶体管)118、122；负电压控制部126以及钳位电路(静电保护装置)130。
在高侧开关10中，例如齐纳二极管110、OSC(振荡电路)112、CP(升压电路)114以及DRV116也可以构成NMOS晶体管118的驱动控制部140。另外，高侧开关10具备电源端子(VBB)102、输出端子(OUT)104、以及输入端子(IN)106。
第五NMOS晶体管118连接于电源端子102和连接有应供给动作电压的负载的输出端子104之间。驱动控制部140被连接于第五NMOS晶体管118的栅极。第六NMOS晶体管122被设置于驱动控制部140和输入有控制信号的输入端子106之间，源极经由接地连接用端子GND_REF连接于保护电路(开关)12。负电压控制部126被设置于第六NMOS晶体管122和驱动控制部140之间。第一PMOS晶体管108被设置于驱动控制部140和电源端子102之间，在栅极上输入控制信号。钳位电路130被设置于电源端子102和第五NMOS晶体管118的栅极之间。
通常时，作为施加电压，从车载用电池(图示省略)对电源端子102提供预定的电源电压VBB(例如、14V左右)。在电源端子102上连接PMOS晶体管108的源极以及NMOS晶体管118的漏极。
在输入端子106上，作为输入，例如，从外部的控制电路(省略图示)提供用于将高侧开关10设定成启用状态的高电平的控制信号。车载用IC的情况下，作为外部的控制电路例如可以由ECU(Engine Control Unit，发动机控制单元)等构成。
在PMOS晶体管108的栅极以及NMOS晶体管122的栅极连接有DRV120。NMOS晶体管122的源极经由接地连接用端子GND_REF连接于保护电路12，漏极被连接于负电压控制部126。NMOS晶体管122在源极-漏极间具备体二极管124。
在接地连接用端子GND_REF上连接保护电路12，从而使高侧开关10的接地成为保护电路12的接地。
输入端子106的信号为高电平时，DRV120将高电平的输出电压供给到NMOS晶体管122的栅极，将低电平的输出电压供给到PMOS晶体管108的栅极。
另外，输入端子106的信号为低电平时，DRV120将低电平的输出电压提供到NMOS晶体管122的栅极，将高电平的输出电压提供到PMOS晶体管108的栅极。
在输入端子106的信号为高电平的情况下，PMOS晶体管108的栅极为低电平，PMOS晶体管108导通，NMOS晶体管122的栅极为高电平，NMOS晶体管122也导通。
在输入端子106的信号为低电平的情况下，PMOS晶体管108的栅极为高电平，PMOS晶体管108截止，NMOS晶体管122的栅极为低电平，NMOS晶体管122也截止。
即，DRV120的输入端子106的信号为高电平时，PMOS晶体管108导通，NMOS晶体管122也导通。
另外，DRV120的输入端子106的信号为低电平时，PMOS晶体管108截止，NMOS晶体管122也截止。
负电压控制部126是在检测出输出负电压时用于保护高侧开关10避免破坏的功能块，例如，在保护电路12中，可以具有与由MOS晶体管MT1、MT2、MT3构成的NVP电路14相同的结构。
在负电压控制部126和PMOS晶体管108的漏极之间并联连接有构成驱动控制部140的齐纳二极管110、OSC112、以及CP114。另外，在CP114上连接有驱动控制部140的DRV116，在DRV116上连接有NMOS晶体管118的栅极以及源极和输出端子104。即，DRV(驱动电路)116被连接于CP(升压电路)114和第五NMOS晶体管118的栅极以及输出端子104之间。DRV116原样输出而不使输入反相。由此，驱动控制部140例如基于OSC112的振荡输出，将由CP114升压的电压提供给DRV116，从而使NMOS晶体管118导通。另外，也可以设置成OSC112的振荡输出或CP114的升压的程度由齐纳二极管110决定。
另外，在NMOS晶体管118的栅极和电源端子102之间连接有钳位电路130。钳位电路130是浪涌电流吸收用ESD保护装置。另外，钳位电路130在NMOS晶体管118驱动时临时钳制栅极电压，由此来防止由输出端子104提供的动作电压大幅下降(例如，-30V左右)。
在输出端子104连接负载100。在车载用IC的情况下，作为负载100，假设有通过与电源电压VBB相对应的动作电压的供给而进行动作的各种车载用配件等的电子部件。
在图3示出的高侧开关10的情况下，通过具备负电压控制部126，在车载用电池的反向连接时以外的情况下，检测出输出负电压时，也能够保护高侧开关10免受破坏。
[保护电路的动作方法]
图4是示意性表示实施方式涉及的保护电路12中的元件结构的一部分且用于说明保护电路12的动作的图，(a)对应车载用电池的通常连接时，(b)对应车载用电池的反向连接时。但是，在图4的(a)、(b)中，为了方便仅例示了E-NMOS晶体管MT2的剖面构造。
实施方式涉及的保护电路12的动作是保护连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子102的半导体集成电路10免受破坏的动作，在外部电源反向连接到电源端子102时，通过开关MT1来阻断接地端子和电源端子102之间的电流路径。开关MT1是MOS晶体管(MT1)，该MOS晶体管(MT1)在外部电源反向连接到电源端子102时截止，阻止向半导体集成电路10通电。
另外，开关MT1可以是栅极连接于第一NMOS晶体管MT4的栅极以及源极、漏极连接于接地端子、源极连接于半导体集成电路10的增强型的第二NMOS晶体管，其中，第一NMOS晶体管MT4是漏极连接于电源端子102的耗尽型的NMOS晶体管。此时，在第二NMOS晶体管MT1的背栅极上连接有第三NMOS晶体管MT2的漏极和第四NMOS晶体管MT3的栅极以及源极，其中，第三NMOS晶体管MT2是栅极连接于第一NMOS晶体管MT4的栅极以及源极，且源极连接于接地端子的增强型的NMOS晶体管，第四NMOS晶体管MT3是漏极连接于第二NMOS晶体管MT1的源极的耗尽型的NMOS晶体管。并且，在外部电源反向连接到电源端子102时，连接于第二NMOS晶体管MT1的背栅极的第三NMOS晶体管MT2以及第四NMOS晶体管MT3从第三NMOS晶体管MT2被切换到第四NMOS晶体管MT3。
本实施方式涉及的保护电路12具有N+型半导体基板30、形成于N+型半导体基板30的N型半导体层32、形成于N型半导体层32的高电压用的P型阱区域(HVPW)34。在P型阱区域34上经由栅极氧化膜设置有栅极电极40G。栅极电极40G连接于D-NMOS晶体管MT4的栅极以及源极。
在P型阱区域34的表面形成有N+型扩散区域36S、42D、以及P+型扩散区域46B。N+型扩散区域36S经由源电极38S连接于接地端子以及E-NMOS晶体管MT1的漏极。N+型扩散区域42D经由漏电极44D以及D-NMOS晶体管MT3(省略图示)连接于E-NMOS晶体管MT1的源极。P+型扩散区域46B经由背栅电极48B连接于E-NMOS晶体管MT1的背栅极。
另外，在N+型半导体基板30上的与栅电极40G对置的面(背面)上设置有提供电源电压VBB的背面电极50。
此种结构的保护电路12能够在形成有高侧开关10的N型半导体基板(N-sub)上形成。即，第一NMOS晶体管MT4、第二NMOS晶体管MT1、第三NMOS晶体管MT2以及第四NMOS晶体管MT3能够形成在N型半导体基板(N-sub)上。
如图4的(a)所示，通常时，随着E-NMOS晶体管MT2的导通，N+型扩散区域36S以及P+型扩散区域46B经由E-NMOS晶体管MT1的背栅极连接于接地端子。由此，通过使E-NMOS晶体管MT1导通且使源极和漏极之间短路，能够通过E-NMOS晶体管MT1向高侧开关10通电。
另一方面，在车载用电池反向连接到原本应为接地端子的端子G102时，如图4的(b)所示，在N+型扩散区域36S上施加有电源电压VBB，从而E-NMOS晶体管MT2截止，随之，E-NMOS晶体管MT1的背栅极经由D-NMOS晶体管MT3与源极连接。由此，通过使E-NMOS晶体管MT1截止，来阻断向高侧开关10通电的电流路径。
如此，根据本实施方式涉及的保护电路12，在反向连接车载用电池的情况下，也能够防止高侧开关10被破坏。
即，通常时，在电池反向连接时，连接于E-NMOS晶体管MT1的背栅极的E-NMOS晶体管MT2被切换成D-NMOS晶体管MT3。由此，在车载用电池反向连接时，使E-NMOS晶体管MT1截止，能够阻断从接地端子侧到电源端子102侧的电流路径。因此，即使在从车载用电池向端子G102施加预定的电源电压VBB的情况下，能够防止高侧开关10被破坏。
而且，由于能够根据背栅极的选择(NMOS晶体管MT2、MT3的选择)来导通、截止E-NMOS晶体管MT1，因而能够降低开关的导通电阻。尤其是，在通过N-sub工艺形成在N型半导体基板上的高侧开关10的情况下，与使用电阻元件等的情况相比，能够降低导通电阻，因而能够扩大施加电压范围的设定。由此，易于施加电压的低电压化，例如，能够将动作电压5V的微型计算机(以下为微机)切换到3.3V的微机。
另外，本实施方式涉及的保护电路并不限于车载用IC，能够使用于连接有外部电源的全部IC，尤其能够广泛地适用于将以锂电池为代表的各种蓄电池用作外部电源的各种领域。
如上述，根据本实施方式，能够提供一种在保护半导体集成电路避免因外部电源的反向连接而产生的破坏的同时还能够使施加电压低电压化的保护电路、以及保护电路的动作方法。
[静电保护装置]
接着，对本实施方式涉及的静电保护装置130的结构进行说明。静电保护装置130的具体的电路结构如图5所示。
即，本实施方式涉及的静电保护装置130例如具备插入于电源端子102和接地端子之间，作为用于保护高侧开关10免受静电破坏的原本的钳位电路的ESD钳位电路部131以及在车载用电池反向连接时，保护ESD钳位电路部131免受破坏的保护电路部88。
在此，保护电路部88也可以是图1的(a)、图2、图4等中例示的保护电路12，此时，保护电路12例如可以被连接到在电源端子102和接地端子之间插入的ESD钳位电路部131上，在外部电源反向连接电源端子102时，保护ESD钳位电路部131免受破坏(作为保护电路部88)。
本实施方式涉及的静电保护装置130具备：连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子102和接地端子之间的半导体集成电路(高侧开关)10(参照图1的(a)、图3、图4)；插入到电源端子102和接地端子之间的钳位电路部131；以及连接于钳位电路部131，在外部电源反向连接到电源端子102时，保护钳位电路部131免受破坏的保护电路部88，静电保护装置130保护半导体集成电路10免受静电破坏。
在此，外部电源是车载用电池。半导体集成电路10是具备N型半导体基板(N-sub)的高侧开关(10)。
另外，ESD钳位电路部131被设置于高侧开关10内。ESD钳位电路部131吸收浪涌电流。
在此，ESD钳位电路部131具有：NMOS晶体管84；串联连接的第一～第九齐纳二极管801、802、803、…、809以及第十齐纳二极管81；电阻元件82；串联连接的第十一、第十二齐纳二极管861、862。即，ESD钳位电路部131具备：漏极连接于电源端子102的NMOS晶体管84、负极连接于NMOS晶体管84的漏极的第一齐纳二极管801、负极连接于第一齐纳二极管801的正极的第二齐纳二极管802、负极连接于第二齐纳二极管802的正极的第三齐纳二极管803、负极连接于第三齐纳二极管803的正极的第四齐纳二极管804、负极连接于第四齐纳二极管804的正极的第五齐纳二极管805、负极连接于第五齐纳二极管805的正极的第六齐纳二极管806、负极连接于第六齐纳二极管806的正极的第七齐纳二极管807、负极连接于第七齐纳二极管807的正极的第八齐纳二极管808、负极连接于第八齐纳二极管808的正极的第九齐纳二极管809、正极连接于第九齐纳二极管809的正极且负极连接于NMOS晶体管84的栅极的第十齐纳二极管81、连接于NMOS晶体管84的栅极和源极之间的电阻元件82、负极连接于NMOS晶体管84的栅极的第十一齐纳二极管8011、负极连接于第十一齐纳二极管8011的正极的第十二齐纳二极管8012。
在ESD钳位电路部131中，第一～第九齐纳二极管801、802、803、…809连接成相同方向，第十齐纳二极管81连接成与第一～第九齐纳二极管801、802、803、…809反向。并且，第九齐纳二极管809的正极与第十齐纳二极管81的正极连接，并且在第一齐纳二极管801的负极上连接电源端子102，在第十齐纳二极管81的负极连接NMOS晶体管84的栅极(G)。
在NMOS晶体管84的漏极(D)上连接电源端子102，在源极(S)上串联连接保护电路部88。另外，在NMOS晶体管84的栅极和源极之间，连接电阻元件82以及第十一、第十二齐纳二极管861、862。第十一、第十二齐纳二极管861、862连接成相同方向，第十一齐纳二极管861的负极连接于NMOS晶体管84的栅极，第十二齐纳二极管862的正极连接于NMOS晶体管84的源极。
保护电路部88设为多个(例如，3个)齐纳二极管881、882、883串联连接的结构。作为齐纳二极管881、882、883，例如可以由连接基极(B)以及集电极(C)间的双极晶体管(npn晶体管)构成。即，保护电路部88可以通过多个齐纳二极管881、882、883将基极-集电极短路的多个双极晶体管的串联级构成。
保护电路部88通过设定成齐纳二极管881、882、883的逆耐压为车载用电池(外部电源)的电源电压VBB以上(例如，24V左右)，能够在车载用电池反向连接时，避免NMOS晶体管84被破坏。即，通过使以逆耐压成为电池电压(VBB)以上方式串联连接齐纳二极管881、882、883而成的保护电路部88与ESD钳位电路部131串联，能够保护从接地端子侧朝向电源端子102侧存在的NMOS晶体管84的体二极管(省略图示)免受因车载用电池的反向连接而产生的破坏。另外，保护电路部88能够形成在N型半导体基板(N-sub)上。
同样，即使在通过npn晶体管构成的齐纳二极管801、802、803、…809、81、861、862的情况下，也能够保护免受因车载用电池的反向连接而产生的破坏。
如此，静电保护装置130通过在已有的钳位电路中追加保护电路部88的比较简单的结构，不仅能够保护高侧开关免受静电破坏，还能够保护高侧开关10免受因车载用电池的反向连接而产生的破坏。
保护电路部88的电路结构如图6的(a)所示，保护电路部88的示意性剖面构造如图6的(b)所示。
如图4所示，保护电路部88可以在形成有保护电路12的N+型半导体基板30上例如一并制造ESD钳位电路部131和齐纳二极管881、882、883。
即，保护电路部88的各齐纳二极管881、882、883分别具有：形成在N+型半导体基板30上的N型半导体层32、形成在N型半导体层32的表面部的P型阱区域52、形成于P型阱区域52的表面部的N+型扩散区域54E以及P+型扩散区域54B、形成于N型半导体层32的表面部的N+型扩散区域54C。
N+型扩散区域54C分别经由集电极电极56C而被取出，成为各齐纳二极管881、882、883的集电极。N+型扩散区域54E分别经由发射极电极56E而被取出，成为各齐纳二极管881、882、883的发射极。P+型扩散区域54B分别经由基极电极56B而被取出，成为各齐纳二极管881、882、883的基极。在各齐纳二极管881、882、883中，在基极电极56B和集电极电极56C之间经由连接电极56T相互连接。
并且，齐纳二极管881的基极以及集电极连接于ESD钳位电路部131，齐纳二极管881的发射极连接于齐纳二极管882的基极以及集电极，齐纳二极管882的发射极连接于齐纳二极管883的基极以及集电极，齐纳二极管883的发射极例如连接于接地端子，在N+型半导体基板30上构成能够安装的保护电路部88。
另一方面，在连接有保护电路部88的ESD钳位电路部131中，NMOS晶体管84的电路结构如图7的(a)所示，NMOS晶体管84的示意性剖面构造如图7的(b)所示。
如图5所示，NMOS晶体管84可以例如作为ESD钳位电路部131的一部分在形成有保护电路12的N+型半导体基板30上进行制造。
即，NMOS晶体管84具备：形成于+型半导体基板30上的N型半导体层32、形成于N型半导体层32的表面部的P型阱区域52、形成于P型阱区域52的表面部的N+型扩散区域60S、60D以及P+型扩散区域60B、在P型阱区域52上经由栅极氧化膜而设置的栅极电极64G。
栅极电极64G与NMOS晶体管84的源极、第十齐纳二极管81的负极等连接。N+型扩散区域60S经由源电极62S，与保护电路部88连接。N+型扩散区域60D经由漏电极62D，与电源端子102连接。P+型扩散区域60B经由背栅电极62B与源电极62S连接。
如此，根据具备本实施方式涉及的静电保护装置130的车载用IC，即使在车载用电池被反向连接的情况下，也能够防止高侧开关10被破坏。
即，在静电保护装置130中，将设置成逆耐压为车载用电池的电源电压VBB以上的保护电路部88与ESD钳位电路部131串联连接。由此，是在能够保护高侧开关10免受因静电而产生的破坏的同时，能够保护用于进行该静电保护的ESD保护元件即NMOS晶体管84在车载用电池反向连接时被破坏。
另外，构成本实施方式涉及的静电保护装置的一部分的保护电路部能够适用于在电源端子和接地端子之间需要ESD保护的各种的IC中。特别是不限于车载用IC，能够适用于连接外部电源的全部IC中，尤其能够广泛地适用于将以锂电池为代表的各种蓄电池用作外部电源的各种领域中。
[半导体集成电路装置]
本实施方式涉及的半导体集成电路装置(省略图示)具有：连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子102和接地端子之间的半导体集成电路(高侧开关)10(参照图1的(a)、图3、图4)、保护半导体集成电路10免受静电破坏的静电保护装置130(参照图5～图6)。静电保护装置130具有插入到电源端子102和接地端子之间的ESD钳位电路部131、以及连接于ESD钳位电路部131且在外部电源反向连接到电源端子102时，保护ESD钳位电路部131免受破坏的保护电路部88。
在此，保护电路部88可以是图1的(a)、图2、图4等中例示的保护电路12，此时，本实施方式涉及的半导体集成电路装置(省略图示)具有保护电路12，该保护电路12保护连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子102和接地端子之间的半导体集成电路免受静电破坏，保护电路12连接于插入到电源端子102和接地端子之间的ESD钳位电路部131，在外部电源反向连接到电源端子102时，保护ESD钳位电路部(131)免受破坏。
在此，外部电源是车载用电池。半导体集成电路10是具备N型半导体基板(N-sub)的高侧开关(10)。
另外，ESD钳位电路部131设置于高侧开关10内。ESD钳位电路部131吸收浪涌电流。
ESD钳位电路部131具备：漏极连接于电源端子102的NMOS晶体管84、负极连接于NMOS晶体管84的漏极的第一齐纳二极管801、负极连接于第一齐纳二极管801的正极的第二齐纳二极管802、负极连接于第二齐纳二极管802的正极的第三齐纳二极管803、负极连接于第三齐纳二极管803的正极的第四齐纳二极管804、负极连接于第四齐纳二极管804的正极的第五齐纳二极管805、负极连接于第五齐纳二极管805的正极的第六齐纳二极管806、负极连接于第六齐纳二极管806的正极的第七齐纳二极管807、负极连接于第七齐纳二极管807的正极的第八齐纳二极管808、负极连接于第八齐纳二极管808的正极的第九齐纳二极管809、正极连接于第九齐纳二极管809的正极且负极连接于NMOS晶体管84的栅极的第十齐纳二极管81、连接于NMOS晶体管84的栅极和源极之间的电阻元件82、负极连接于NMOS晶体管84的栅极的第十一齐纳二极管8011、负极连接于第十一齐纳二极管8011的正极的第十二齐纳二极管8012。
在此，保护电路部88串联连接于NMOS晶体管84的源极(S)。另外，保护电路部88具备多个(例如，3个)齐纳二极管881、882、883串联连接的结构。另外，保护电路部88被设定成多个齐纳二极管881、882、883的逆耐压成为车载用电池(外部电源)的电源电压VBB以上(例如，24V左右)。
另外，保护电路部88通过多个齐纳二极管881、882、883将基极·集电极短路的多个双极晶体管的串联级而构成。
另外，保护电路部88能够形成于N型半导体基板(N-sub)上。
如上述，根据本实施方式，能够提供一种在保护半导体集成电路免受静电破坏的同时，还能够保护半导体集成电路免受因外部电源的反向连接而产生的破坏的静电保护装置、以及具备静电保护装置的半导体集成电路。
[其他实施方式]
如上述，虽然记载了若干实施方式，但是形成公开的一部分的论述以及附图是例示性的，不应该理解成是对各实施方式进行了限定。通过该公开，本领域技术人员清楚各种代替实施方式、实施例以及运用技术。如此，本实施方式在此包含未记载的各种方式等。
工业上使用可能性
本实施方式涉及的保护电路能够适用于车载用IC。另外，此种保护电路在车载用IC以外也能够使用，特别是能够应用于外部电源可能反向连接的各种的半导体集成电路中。
本实施方式涉及的静电保护装置能够适用于车载用IC。另外，此种静电保护装置在车载用IC以外也能够使用，特别是能够应用于外部电源可能反向连接的各种的半导体集成电路中。
符号说明
10…高侧开关(半导体集成电路)
12…保护电路
14…NVP电路
30…N+型半导体基板
32…N型半导体层
34…P型阱区域(HVPW)
36S、42D…N+型扩散区域
38S…源电极
40G…栅电极
44D…漏电极
46B…P+型扩散区域
48B…背栅电极
50…背面电极
52…P型阱区域
54B…P+型扩散区域
54C、54E…N+型扩散区域
56B…基极电极
56C…集电极电极
56E…发射极电极
56T…连接电极
60B…P+型扩散区域
60D、60S…N+型扩散区域
62B…背栅电极
62D…漏电极
62S…源电极
64G…栅电极
801、802、803、…、809…第一～第9的齐纳二极管
81…第十齐纳二极管
82…电阻元件
84…NMOS晶体管
861、862…第十一、第十二的齐纳二极管
88…保护电路部
881、882、883…齐纳二极管(npn晶体管)
100…负载
102…电源端子
104…输出端子(OUT)
106…输入端子(IN)
108…PMOS晶体管
110…齐纳二极管
112…OSC(振荡电路)
114…电荷泵(升压电路)
116、120…栅极驱动
118、122…NMOS晶体管
124…体二极管
126…负电压控制部
130…钳位电路
131…ESD钳位电路部
140…驱动控制部
VBB…电源电压(施加电压)
MT1…E-N沟道型MOSFET(第二NMOS晶体管、阻断电流路径的开关)
MT2…E-N沟道型MOSFET(第三NMOS晶体管)
MT3…D-N沟道型MOSFET(第四NMOS晶体管)
MT4…D-N沟道型MOSFET(第一NMOS晶体管)
ZD1…齐纳二极管
G102…端子
GND_REF…接地连接用端子。

Claims (10)

1.一种保护电路，其特征在于，具备：
半导体集成电路，其连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子；及
开关，其连接于所述半导体集成电路，在所述外部电源反向连接到所述电源端子时，阻止向所述半导体集成电路通电，
所述保护电路保护所述半导体集成电路免受破坏，
所述开关具备阻断从接地端子侧到所述电源端子侧的电流路径的MOS晶体管，
所述开关是栅极连接于第一NMOS晶体管的栅极以及源极、漏极连接于接地端子、源极连接于所述半导体集成电路的第二NMOS晶体管，所述第一NMOS晶体管的漏极连接于所述电源端子，
在所述第二NMOS晶体管的背栅极连接有第三NMOS晶体管的漏极以及第四NMOS晶体管的栅极及源极，所述第三NMOS晶体管的栅极连接于所述第一NMOS晶体管的所述栅极以及所述源极，所述第三NMOS晶体管的源极连接于所述接地端子，所述第四NMOS晶体管的漏极连接于所述第二NMOS晶体管的所述源极。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，
所述第一NMOS晶体管以及所述第四NMOS晶体管是耗尽型的N沟道型MOSFET，所述第二NMOS晶体管以及所述第三NMOS晶体管是增强型的N沟道型MOSFET。
3.根据权利要求1或2所述的保护电路，其特征在于，
输出负电压保护电路由所述第二NMOS晶体管、所述第三NMOS晶体管以及所述第四NMOS晶体管构成。
4.根据权利要求1或2所述的保护电路，其特征在于，
所述第一NMOS晶体管能够由电阻体来替代。
5.根据权利要求1或2所述的保护电路，其特征在于，
所述外部电源是车载用电池。
6.根据权利要求1或2所述的保护电路，其特征在于，
所述半导体集成电路是具备N型半导体基板的高侧开关。
7.根据权利要求6所述的保护电路，其特征在于，
所述高侧开关具备：
第五NMOS晶体管，其连接于所述电源端子和连接有应供给动作电压的负载的输出端子之间；
驱动控制部，其连接于所述第五NMOS晶体管的栅极；
第六NMOS晶体管，其设置于所述驱动控制部和输入控制信号的输入端子之间，源极经由接地连接用端子连接于所述开关；
负电压控制部，其设置于所述第六NMOS晶体管和所述驱动控制部之间；
第一PMOS晶体管，其设置于所述驱动控制部和所述电源端子之间，在栅极输入所述控制信号；及
钳位电路，其设置于所述电源端子和所述第五NMOS晶体管的栅极之间。
8.根据权利要求7所述的保护电路，其特征在于，
所述驱动控制部具备：
并联连接于所述第一PMOS晶体管和所述负电压控制部之间的二极管、振荡电路以及升压电路；及
连接于所述升压电路和所述第五NMOS晶体管的栅极以及所述输出端子之间的驱动电路。
9.根据权利要求6所述的保护电路，其特征在于，
所述第一NMOS晶体管、所述第二NMOS晶体管、所述第三NMOS晶体管以及所述第四NMOS晶体管形成于所述N型半导体基板上。
10.一种保护电路的动作方法，其保护连接于从外部电源供给预定的电源电压的电源端子的半导体集成电路免受破坏，该方法的特征在于，
在所述外部电源反向连接于所述电源端子时，通过开关来阻断接地端子和所述电源端子之间的电流路径，
所述开关是MOS晶体管，
在所述外部电源反向连接到所述电源端子时，所述MOS晶体管截止，阻止向所述半导体集成电路通电，
所述开关是栅极连接于第一NMOS晶体管的栅极以及源极、漏极连接于接地端子、源极连接于所述半导体集成电路的增强型的第二NMOS晶体管，其中，第一NMOS晶体管是漏极连接于所述电源端子的耗尽型的NMOS晶体管，
在所述第二NMOS晶体管的背栅极上连接有第三NMOS晶体管的漏极和第四NMOS晶体管的栅极以及源极，其中，第三NMOS晶体管是栅极连接于所述第一NMOS晶体管的所述栅极以及所述源极、源极连接于所述接地端子的增强型的NMOS晶体管，所述第四NMOS晶体管是漏极连接于所述第二NMOS晶体管的所述源极的耗尽型的NMOS晶体管，
在所述外部电源反向连接到所述电源端子时，连接于所述第二NMOS晶体管的背栅极的所述第三NMOS晶体管以及所述第四NMOS晶体管从所述第三NMOS晶体管切换成所述第四NMOS晶体管。
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