JP2001237372A - 半導体集積回路装置 - Google Patents
半導体集積回路装置Info
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Abstract
する複数の内部回路(IC)の正・負の静電気による静
電破壊を保護する。 【解決手段】 高周波数帯で動作する内部回路には、寄
生容量が小さく、電源電圧以上の入力信号が印加されて
も誤動作しないダイオード接続した複数のトランジスタ
による多段接続の保護回路を組み込み、低周波数帯で動
作する内部回路には一つのダイオード接続のトランジス
タによる保護回路を組み込む。保護回路は正・負の静電
気によっても内部回路を保護する電流の流れる方向相互
に逆になる2系統の保護回路構成になっている。
Description
に係わり、例えば、中間周波数帯から高周波帯を含む信
号の処理を行う回路を有する半導体集積回路装置におい
て、半導体集積回路を構成する回路素子の静電破壊を防
止する保護技術に適用して有効な技術に関する。
信装置(無線通信移動体端末機器、以下、端末機器と称
す)は、多くのディスクリートIC(半導体集積回路)
によって送・受信系の回路が構成されている。ディスク
リートICによって送・受信系の回路が構成された端末
機器の代表的な例を図9に示す。ディスクリートICは
NEC,RF Micro Device等の半導体部品メーカにより
提供されている。また、送受信部をワンチップ化した技
術については、例えば、日立評論社発行「日立評論」、
Vol.81,No.10(1999-10),PP.17〜20に記載されている。
一方、ICの静電破壊保護回路については、例えば、特
開平1-230266号公報に開示されている。この文献には、
集積回路の端子と電源電圧線または接地線との間にダイ
オードを複数個直列に接続した静電破壊防止回路が開示
されている。また、特開平7-202583号公報には、複数電
源電圧の混在化に伴うCMOS回路に対応したCMOS
保護回路が開示されている。
する。図9は従来の端末機器に内蔵されている送受信用
回路等を示す模式的ブロック図である。ICはそれぞれ
機能毎にディスクリートに作られており、それぞれ四角
で囲まれた部分がディスクリートICである。
レクサ2を介して接続する送信系と、受信系とを示して
あり、送信系及び受信系はいずれも図示しないベースバ
ンドに接続されるものである。
内蔵しているバンドパスフィルタ3,低雑音増幅器4,
バンドパスフィルタ5,受信ミキサ6,バンドパスフィ
ルタ7,可変利得制御増幅器8,復調器9を順次直列接
続して構成される。上記復調器9は図示しないベースバ
ンドに接続される。
器12,送信ミキサ13,バンドパスフィルタ14,送
信前段増幅器15,高出力増幅器16,デュプレクサ2
に内蔵しているバンドパスフィルタ17,アンテナ1を
順次直列接続して構成される。上記復調器9は図示しな
いベースバンドに接続される。また、復調器9及び変調
器11はVCO18から入力する局発信号により周波数
変換を行う。受信ミキサ6及び送信ミキサ13も同様に
VCO19からの局発信号により周波数変換を行う。
は、受信系の各素子で順次処理されてベースバンドに送
られる。また、ベースバンドから送られた信号は、送信
系の各素子で順次処理されてアンテナ1から電波10と
して放射される。
スクリートICである。また、その中の小さい四角部分
が、静電破壊保護回路20(以下、保護回路と称す)で
ある。このような従来の構成では、各半導体部品メーカ
のICカタログ記載の取り扱い注意事項から、数百MH
zの中間周波数帯ICである可変利得制御増幅器8,1
2、復調器9、変調器11には、数10Vから数100
Vに及ぶ静電気帯電による回路破壊を防止するよう保護
回路20が設けられ、高耐圧化を図っていると推察され
る。
低雑音増幅器4,受信ミキサ6,送信ミキサ13,送信
前段増幅器15,高出力増幅器16は、ユーザが静電気
に配慮して使用するよう記載されており、保護回路は設
けられていないと推察される。保護回路の一例として前
述のように特開平7-202583号公報に記載された保護回路
が知られている。図10はこの公報に記載された保護回
路の図に、説明をし易くするために一部を追加した模式
図である。
Vは集積回路への入力あるいは出力信号であり、信号線
44を経て内部回路45へ入力あるいは、内部回路45
より出力される。保護回路41は、ダイオード接続され
たNMOSトランジスタ42とNMOSトランジスタ4
3からなる。すなわち、トランジスタ42はゲートとド
レインを短絡して信号線44に接続し、ソースを電源電
圧VCCに接続する。また、トランジスタ43はドレイン
を信号線44に接続し、ゲートとソースを短絡してグラ
ンドに接続する。また、多段接続されたダイオードで構
成する保護回路の一例が前述のように特開平1-230266号
公報に開示されている。図11及び図12はこの公報に
記載された保護回路と静電破壊防止回路を形成するダイ
オードの図に、説明をし易くするために一部を追加した
模式図である。
線53と接地線55との間に2個のダイオード51,5
2が順方向に2段直列に接続されている。信号線53に
より、内部回路54に信号が伝送される。図11では電
源側の保護回路が省略されているが、保護回路の動作
は、図10で示したものと同じである。
げ、保護回路に流れる電流を抑圧している。図12に2
段接続で構成する保護回路素子の断面構造を示す。集積
回路を形成するP型基板61の一面にはN型エピタキシ
ャル層62が設けられているとともに、このN型エピタ
キシャル層62の表面側にはウエルとなるP型拡散層6
3が複数(図では2個)設けられている。また、P型拡
散層63の表層部分にはN型拡散層64が形成されてい
る。これにより、P型拡散層63とN型拡散層64によ
ってPN接合ダイオード(51,52)が形成される。
63との間にはチャネルストッパーとしてのP型分離拡
散層65が設けられている。このP型分離拡散層65は
N型エピタキシャル層62の厚さ方向全域に亘って延在
し、その下端はP型基板61に到達している。
二酸化シリコン膜66が設けられている。この二酸化シ
リコン膜66の上記P型拡散層63及びN型拡散層64
に対面する一部は除去されてコンタクト窓が設けられて
いる。そして、これらコンタクト窓をも含み上記二酸化
シリコン膜66上にはアルミ蒸着層67が所定パターン
に形成されている。
アルミ蒸着層67によって順方向に直列に接続され、一
方のダイオード51のカソード電極68が内部回路の信
号線53に接続され、他方のダイオード52のアノード
電極69が接地線55に接続される。
端末機器の小型化により、図9に示す、低雑音増幅器
4,受信ミキサ6,可変利得制御増幅器8,復調器9,
変調器11,可変利得制御増幅器12,送信ミキサ13
及び送信前段増幅器15等にあたる送受信帯の変復調回
路から高周波増幅までを統合した1チップICが望まれ
開発されており、チップ全体の高耐圧化が必要である。
しかし、従来の保護回路を組み込んだワンチップICで
は、以下のような問題が派生することが判明した。
信ミキサ13及び送信前段増幅器15等の高周波回路に
おいては、入出力回路に容量、インダクタを含む整合回
路が用いられている。この整合回路のインピーダンス変
換効果により、集積回路入出力部での信号電圧振幅が増
幅される。更に各回路の出力端子は電源電圧直流電位を
持ち、電源電位以上の信号を出力するため、従来例のよ
うなトランジスタ一段構成による回路を保護回路として
適用すると、保護回路に電流が流れるバイアス条件が発
生し、信号が歪む問題点がある。
容量が大きく、利得が劣化する問題点もあり、従来の保
護回路を高周波部の回路に適用することはでき難い。
による保護回路では、その素子構造がサイリスタを構成
することから、高い静電気が印加されると、電源を落と
さない限り過大電流が流れ続け、IC動作が不能にな
る。
た高周波回路に対する保護回路によって生じる問題点に
ついて、図13以降を用いて説明する。まず、線形性の
劣化について回路出力の場合を説明する。
NMOSトランジスタ42,43の静特性と高周波信号
の動作を示している。図10に示すような回路構成にお
いて、ICの電源、接地が基板上に接続されている通常
の動作状態においては、信号線44に回路が所望する信
号電圧VCCが印加されると、保護回路のトランジスタに
はほとんど電流は流れず、内部回路45に所望の信号電
圧が印加される。
時にトランジスタがオンとなる電圧Von+電源電圧VCC
より高い正の静電気V1が信号線44に印加されると、
NMOSトランジスタ42には、図13(a)に示すよ
うに、ダイオード順方向電流Iが流れて、内部回路に過
電流が流れず、内部回路45は保護される。負の高い静
電気も同様に、図13(b)に示すように、−Von以下
の静電気電圧V2’が印加されると、トランジスタ43
にダイオード順方向電流I’が流れて、内部回路45は
保護される。
出力の場合を説明する。上記高周波回路は、出力を大振
幅とするために、ソース端子を直接IC外に接続し、容
量、インダクタを用いて整合をとる方式が適用されてお
り、IC出力端子には電源電圧が印加される。図10の
内部回路45は、例えば、図9の低雑音増幅器4、また
は受信ミキサ6、送信ミキサ13、または送信前段増幅
器15が相当する。信号線44に電源電圧VCCが印加
し、高周波信号が重畳すると、トランジスタ42には、
図13(a)のグラフ原点を中心に高周波電圧46が印
加する。高周波電圧振幅がVon以下であれば、トランジ
スタ42に高周波電流はほとんど流れず、内部回路の電
流振幅が出力される。しかし、電圧振幅がVonを越えて
大振幅となると、トランジスタ42に流れる非線形な高
周波電流47が流れ、内部回路の出力電流振幅に重畳し
て出力信号を歪ませる。このような動作条件において、
受信回路の希望波の入力振幅は小さいため、V on以下の
電圧振幅であり、歪みはほとんど問題とならないが、回
路前段のフィルタで除去できない近傍帯域の妨害波が大
きく、Von以上の電圧振幅となると、妨害波が歪みを発
生して受信帯域内のS/N特性を劣化させる。また、送
信回路においては、希望波が大出力振幅となるので、希
望波による歪みの発生で同様にS/N劣化が起きる。次
に、入力点での場合を説明する。回路がSiバイポーラ
トランジスタのようなエンハンスメント型トランジスタ
入力点で、バイアス電圧+1V前後の場合では、高周波
電圧振幅が入力しても、保護回路は通常OFFであるた
め、高周波電流は流れず、入力信号を歪ませない。しか
しながら、GaAsFETのようなディプレッション型
の場合では、図13(b)に示すように、信号線に負の
電圧V3’が印加し、高周波信号が重畳すると、トラン
ジスタ43には、V3’を中心に高周波電圧48が印加
する。高周波電圧が−Von以下であれば、トランジスタ
43に高周波電流はほとんど流れず、信号がそのまま内
部回路へ入力する。
ると、トランジスタ43に流れる非線形な高周波電流4
9が流れ、内部回路の入力電流振幅に重畳して入力信号
を歪ませる。入力信号に歪みがあれば、内部回路で歪み
は増幅され、本来の信号で生じる歪みと重畳して線形性
は劣化する。上記出力信号の時と同様にS/Nの劣化を
もたらす。このような作用は、信号線に対して、電源
側、及び接地側に一段ずつのダイオード接続されたトラ
ンジスタの保護回路を設けているからである。この問題
を解決するために、ダイオード接続したトランジスタを
直列に接続し、Vonを上げて内部回路が動作すべき所望
の電圧では、ほとんど電流を流さないようにする方法
が、前述図11の2段構成の保護回路である。また、直
列接続とすることにより、寄生容量が削減され、周波数
特性の劣化は低減される。
ッパーのP型拡散層の挿入により、図12の70で示す
部分が、サイリスタ構造となる。サイリスタの動作原理
を図14で示す。サイリスタは順方向電圧状態で、電圧
が低いときは、電流がほとんど流れず、ターンオフの状
態であるが、電圧が高くなると、ターンオンして大電流
が流れる。このため、多段接続のダイオード構成の保護
回路では、静電気の大電圧でターンオン状態になること
があり、これを解消するには電源断としなければならな
い。このため、従来のトランジスタ構造では実現が難し
い。さらに、図10のように、接地から電源に向かって
電流が流れる構成では、ICの電源、接地が取られてい
るときは問題ないが、ICが組立作業等取り扱い中のと
きに帯電した場合、保護回路が機能しない場合がある。
例えば、ICがフローティング状態で、接地が開放状態
でVCCと信号線44の間にプラス(+),マイナス
(−)の電位差が生じたとすると、信号線のマイナス側
からプラス側のV CCは逆電圧となり保護回路に電流は流
れない。即ち、VCCに対して負の静電気に弱く、大きな
負の静電気によって内部回路が破壊される恐れがある。
本発明の目的は、正・負の静電気でもICを確実に保護
できる静電破壊保護回路を有する無線通信用の半導体集
積回路装置を提供することにある。
間周波数帯の回路)及び高周波数帯の回路を静電破壊か
ら保護できる保護回路を有する無線通信用の半導体集積
回路装置を提供することにある。
及び利得を劣化させることのない耐静電破壊に優れた無
線通信用の半導体集積回路装置を提供することにある。
規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきら
かになるであろう。
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。
回路)に対しては、電源線及び接地線に、それぞれ一段
のダイオード接続されたトランジスタからなる保護回路
を設ける。ICの高周波帯の回路に対しては、寄生容量
が小さく、かつ信号の特性を劣化させない保護回路とし
て、適用する回路の動作点に応じて、電源電圧以上の出
力信号が印加されてもVonを越えない多段の保護回路、
及び負のバイアス電位を越えて入力信号が印加されても
オンしない多段の保護回路を組み込む構成になってい
る。また、上記保護回路は、IC取り扱い中に生じる静
電気の極性に関わらず、ICを保護する回路構成になっ
ている。即ち、保護回路は、静電破壊保護時に、電源線
から信号線に向かって電流が流れる第1の保護回路と、
信号線から接地線に向かって電流が流れる第2の保護回
路と、信号線から電源線に向かって電流が流れる第3の
保護回路と、接地線から信号線に向かって電流が流れる
第4の保護回路とを有する。更に、多段接続のダイオー
ド接続のトランジスタは、サイリスタ動作を防止できる
絶縁物で素子(ダイオード接続したトランジスタ)間を
分離した構造である。
集積回路装置において、高周波数帯の各内部回路の入出
力部分には多段構成の保護回路が設けられていることか
ら大きな正・負の静電気に起因する内部回路の静電破壊
は防止できる。また、低周波数帯の各内部回路の入出力
部分には一段構成の保護回路が設けられていることから
正・負の静電気に起因する内部回路の静電破壊は防止で
きる。
は電源電圧直流電位を持ち、電源電位以上の信号を出力
するため、従来例のようなトランジスタ一段構成による
回路を保護回路とした場合には、保護回路に電流が流れ
るバイアス条件が発生し、信号が歪むが、本発明では多
段構造の保護回路を採用することから信号の歪みを抑止
することができる。
縁された半導体領域に形成されていることから、従来例
のようなトランジスタ二段構成によるサイリスタを防止
することができる。
分に設ける保護回路は、ダイオード接続されたトランジ
スタを多段接続構成してあることから、寄生容量が小さ
くなり、高周波回路の線形性や利得を劣化させなくな
る。
施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を
説明するための全図において、同一機能を有するものは
同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
実施形態(実施形態1)である半導体集積回路装置に係
わる図であり、図1乃至図5は保護回路に係わる図であ
る。
ICに本発明を適用した例について説明する。ここで、
携帯電話の構成について説明する。図5は携帯電話のシ
ステム構成の一部を示すブロック図である。
1にデュプレクサ2を介して接続する送信系と、受信系
とを示してあり、送信系及び受信系はいずれも図示しな
いベースバンドに接続されるものである。
内蔵しているバンドパスフィルタ3,低雑音増幅器4,
バンドパスフィルタ5,受信ミキサ6,バンドパスフィ
ルタ7,可変利得制御増幅器8,復調器9を順次直列接
続して構成される。上記復調器9は図示しないベースバ
ンドに接続される。
器12,送信ミキサ13,バンドパスフィルタ14,送
信前段増幅器15,高出力増幅器16,デュプレクサ2
に内蔵しているバンドパスフィルタ17,アンテナ1を
順次直列接続して構成される。上記復調器9は図示しな
いベースバンドに接続される。また、復調器9及び変調
器11はVCO18から入力する局発信号により周波数
変換を行う。受信ミキサ6及び送信ミキサ13も同様に
VCO19から入力する局発信号により周波数変換を行
う。
は、受信系の各素子で順次処理されてベースバンドに送
られる。また、ベースバンドから送られた信号は、送信
系の各素子で順次処理されてアンテナ1から電波10と
して放射される。アンテナ1から放射される信号10及
びアンテナ1で受信する信号10は、例えば、1GHz
帯の高周波数帯となり、ベースバンドと間で信号を授受
する復調器9や変調器11等では低周波数帯の信号を処
理する。低周波数帯の信号は、例えば数百MHzの中間
周波数帯である。
まれる単一の半導体ICチップ25に上記低雑音増幅器
4を始めとする信号を処理する各回路素子(内部回路)
がモノリシックに組み込まれている。即ち、この半導体
ICチップ25には内部回路として、低雑音増幅器4,
受信ミキサ6,可変利得制御増幅器8,復調器9,VC
O18,変調器11,可変利得制御増幅器12,送信ミ
キサ13,送信前段増幅器15及びVCO19がモノリ
シックに組み込まれている。
数10Vから数100Vに及ぶ静電気帯電(正・負の静
電気)による内部回路の静電破壊を防止するために保護
回路がそれぞれ設けられて高耐圧化されている。この保
護回路は、高周波数帯のものに対してはダイオード接続
したトランジスタを複数直列に接続した多段構造の保護
回路26とし、低周波数帯、即ち中間周波数帯のものに
対してはダイオード接続したトランジスタを一つ使用す
る一段の保護回路27としてある。
4,受信ミキサ6及び送信前段増幅器15の入出力部
分、可変利得制御増幅器8の入力部分、送信ミキサ13
の出力部分にそれぞれ設けられている。一段の保護回路
27は、復調器9の出力部分と変調器11の入力部分に
それぞれ設けられている。次に、高周波数帯の入出力部
分に設ける多段構造の保護回路26について、図1乃至
図4を参照しながら説明する。
に示すように、内部回路29に接続される信号線30と
電源線31及び接地線32との間に多段構造のダイオー
ドを配置して構成されている。図1に示すVは内部回路
29への入力あるいは出力信号であり、信号線30を経
て内部回路29へ入力あるいは、内部回路29から出力
される。
うに、静電破壊保護時に、電源線31から信号線30に
向かってのルートで電流が流れる第1の保護回路A
と、信号線30から接地線32に向かってのルートで
電流が流れる第2の保護回路Bと、信号線30から電源
線31に向かってのルートで電流が流れる第3の保護
回路Cと、接地線32から信号線30に向かってのル
ートで電流が流れる第4の保護回路Dとを有する。第1
の保護回路Aと第2の保護回路Bは負の静電気による内
部回路29の静電破壊を防止し、第3の保護回路Cと第
4の保護回路Dは正の静電気による内部回路29の静電
破壊を防止する。
ード接続されたバイポーラトランジスタが使用されると
ともに、後述する構造によってサイリスタ現象が発生し
ないようになっている。
ミッタを短絡してダイオード接続とした複数のバイポー
ラトランジスタ1211〜121nを直列に接続した多
段構造になっている。1段目のトランジスタ1211
は、コレクタを電源VCC(電源線31)に接続し、エミ
ッタを後段のトランジスタのコレクタに接続する。n段
目のトランジスタ121nは、コレクタを前段のトラン
ジスタのエミッタに接続し、エミッタを信号線30に接
続する。2段目から(n−1)段目の各トランジスタ
は、コレクタを前段のトランジスタのエミッタに接続
し、エミッタを後段のトランジスタのコレクタに接続す
る構造になっている。
ミッタを短絡してダイオード接続された複数のバイポー
ラトランジスタ1221〜122mを直列に接続した多
段構造になっている。1段目のトランジスタ1221
は、コレクタを信号線30に接続し、エミッタを後段の
トランジスタのコレクタに接続する。m段目のトランジ
スタ122mは、コレクタを前段のトランジスタのエミ
ッタに接続し、エミッタをグランド(接地線32)に接
続する。2段目から(m−1)段目の各トランジスタ
は、コレクタを前段のトランジスタのエミッタに接続
し、エミッタを後段のトランジスタのコレクタに接続す
る構造になっている。
ジスタ1211からトランジスタ121nのVonを高く
することにより、内部回路29の所望する動作電圧で
は、トランジスタをオフとして、電流を流さない様にす
る。同様にグランドに接続するトランジスタ1221か
ら122mの−Vonを低くすることにより、内部回路2
9の所望する動作電圧では、トランジスタをオフとし
て、電流を流さない様にする。
並列に設けられ、耐圧保護回路と多段接続構成のダイオ
ードで形成されている。即ち、第1の保護回路Aは、電
源V CC(電源線31)と信号線30間に耐圧保護回路を
構成するMOSトランジスタ1231と、このMOSト
ランジスタ1231と信号線30間に接続される複数の
バイポーラトランジスタ1241〜124iとからな
る。上記トランジスタ1241〜124iはいずれもベ
ースとエミッタをダイオード接続した構造であり、相互
に直列に接続され、全体で多段構成になっている。MO
Sトランジスタ1231はドレインを電源線31に接続
し、ソースを1段目のトランジスタ1241のエミッタ
に接続し、ゲートを接地線32に接続している。1段目
のトランジスタ1241のコレクタは後段のトランジス
タのエミッタに接続されている。i段目のトランジスタ
124iは、エミッタを(i−1)段目のトランジスタ
のコレクタに接続し、コレクタを信号線30に接続して
いる。2段目から(i−1)段目の各トランジスタは、
エミッタを前段のトランジスタのコレクタに接続し、コ
レクタを後段のトランジスタのエミッタに接続する構造
になっている。第2の保護回路Bは、第4の保護回路D
に並列に設けられ、耐圧保護回路と多段接続構成のダイ
オードで形成されている。即ち、第2の保護回路Bは、
信号線30と接地線32(グランド)間に、ベースとエ
ミッタをダイオード接続しかつ直列に多段接続した複数
のバイポーラトランジスタ1251〜125kと、上記
トランジスタ125kのコレクタと接地線32間に接続
した耐圧保護回路を構成するMOSトランジスタ126
1からなっている。MOSトランジスタ1261はドレ
インをトランジスタ125kのコレクタに接続し、ソー
スを接地線32に接続している。
半導体ICチップ25の取り扱い時帯電し、ICの電源
線,接地線,信号線にそれぞれ電位差が生じた時の静電
気電流の経路を図2に示す。図中では、説明の便宜上、
第1の保護回路A及び第2の保護回路Bはトランジスタ
単段構成とし、第3の保護回路C及び第4の保護回路D
はトランジスタ二段構成とし、ダイオードとして簡略的
に示した。
D),信号線(S)の電位関係と、そのとき回路内で、
〜のどの電流経路で電流が流れるかを示してある。
MOSトランジスタは高い静電気がかかることにより、
パンチスルーまたは、ソースフォロワにより電流が流れ
る。表から明らかなように、いかなる部分のいかなる電
位差においても電流経路があり、内部回路29に過電流
を流さないようになっている。一方、所望する正の電圧
を内部回路29に印加する場合を考えると、トランジス
タ1221〜122m、トランジスタ1241〜124
iは逆バイアスとなるので、電源側への不要なリーク電
流は生じない。トランジスタ1211〜121nもVCC
+Von×n個以下の電圧であればオンしない。また同様
に、トランジスタ1261はパンチスルーを起こさずグ
ランド側へのリークも生じない。
1251〜125k、トランジスタ1211〜121n
が逆バイアスとなる。トランジスタ1221〜122m
も−Von×m個まではオンしない。またMOSトランジ
スタ1231も電流が流れない。そのため、正しく電圧
が印加される。
に示すような構造になっている。バイポーラトランジス
タは、シリコン板72上に二酸化シリコン層73のよう
な絶縁物を積層して作られるSOI(Silicon on Insul
ator)基板71を基に形成されている。SOI基板71
上にはN型エピタキシャル層74が形成されている。上
記N型エピタキシャル層74には選択的に無端状の溝が
ドライエッチング等によって形成されている。この溝は
二酸化シリコン層73にまで到達している。そして、こ
の溝内には絶縁体75が充填されている。例えば、上記
溝にはCVD(Chemical Vapor Deposition)方法によ
って二酸化シリコンが充填されている。従って絶縁体7
5によって囲まれたN型エピタキシャル層74領域は電
気的に独立した領域になる。この領域内にトランジスタ
が形成される。
タキシャル層74の表層部分にはP型拡散層76が形成
されている。この領域はベース領域として使用される。
また、上記P型拡散層76及びN型エピタキシャル層7
4の表層部分にはN型拡散層77,83が形成されてい
る。77の領域がコレクタ領域として使用される。上記
P型拡散層76の表層部分に設けられたN型拡散層83
がエミッタ領域になる。
縁体75,P型拡散層76,N型拡散層77及び83上
には、二酸化シリコン層78が形成されているととも
に、上記エミッタ・ベース・コレクタ領域に対面する一
部の二酸化シリコン層78は除去されてコンタクト孔に
なっている。そして、これらコンタクト孔を含む領域に
は、配線が所定パターンに設けられている。この配線に
よって例えば、コレクタ電極80,ベース電極81,エ
ミッタ電極82が形成される。
び絶縁体75を障壁とし個々に電気的に分離したトラン
ジスタが形成され、サイリスタは発生しない構造になっ
ている。図6では、エミッタ電極82とベース電極81
を配線79にて接続してダイオード構成とし、多段に直
列接続して保護回路を構成する。以上、バイポーラトラ
ンジスタを例としたが、MOSFETを構成する場合で
も同様の電気的絶縁分離構造(アイソレーション構造)
を用いる。本トランジスタ構造は、IC回路全OSトラ
ンジスタ1231で構成されている。MOSトランジス
タ1231はドレインを電源線31に接続し、ソースを
信号線30に接続し、ゲートを接地線32に接続してい
る。
するMOSトランジスタ1261で構成されている。M
OSトランジスタ1261はドレインを信号線30に接
続し、ソースを接地線32に接続している。
タ1211で構成されている。トランジスタ1211は
コレクタを電源線31に接続し、エミッタを信号線30
に接続する構造になっている。
スタ1221で構成されている。トランジスタ1221
は、コレクタを信号線30に接続し、エミッタを接地線
32に接続する構造になっている。
保護回路26と同様に正・負の静電気による内部回路2
9の損傷を防止する。
ついて説明する。本実施形態は集積回路をBiCMOS
で構成するときに適用可能である。図3に内部回路とし
て、図5の低雑音増幅器4に相当する高周波増幅器を適
用し、本発明の保護回路を出力段に設けた場合の一例を
示す。枠で囲まれた部分90が、保護回路を含めたIC
内の回路である。IC外の回路95及び96はそれぞれ
入力・出力整合回路である。増幅器は標準的なカレント
ミラー型の増幅器であり、Vbに電圧を印加して、トラ
ンジスタ93に定電流を流し、高周波入力電圧Vinを与
えて、増幅したVoutの信号電圧を得るものである。回
路図の91の部分が保護回路であり、保護回路を構成す
るトランジスタ92a〜92iは、図6に示した構造か
らなり、個々に電気的に分離されている。内部のトラン
ジスタ93のコレクタ94には、出力整合回路96のイ
ンダクタを経て電源電圧と同じ3Vが印加される。保護
回路のトランジスタが92aの1段しかにないとする
と、バイポーラトランジスタの指数関数特性に従って、
コレクタ端子94が電源電圧3Vから保護回路に順方向
電流が増幅器出力電流に重畳する。増幅器の電圧振幅が
極めて小さい時は問題とならないが、振幅が上がると、
保護回路の非線型電流が大きくなり、歪みを生じる。増
幅器のダイナミックレンジを満足できる電圧として、保
護回路のVonを4Vとなるように、保護回路のトランジ
スタを3段直列接続として、回路動作点で電流を流さな
い様にした。上記例の回路は負電源は不用なため、接地
側に接続されるトランジスタは一段として、低い負の静
電気が印加されても、回路の保護がかかるようにした。
また、この保護回路により、IC取り扱い時に静電気が
生じても、上記に説明した通りICは保護される。
ジスタが1段の時と3段の時の増幅器の入出力特性を示
す。図から明らかなように、1段直列接続から3段直列
接続とすると、1dB圧縮点は−15dBmから−8d
Bmとなり、線形性は改善されている。さらに、各トラ
ンジスタのコレクターエミッタ間容量が直列接続となる
ため、保護回路の寄生容量は、電源及び設置にそれぞれ
一段のダイオード接続されたトランジスタからなる従来
の保護回路と比べて減少し、増幅器の利得劣化は小さ
い。中間周波数帯の回路は周波数が低いために、従来の
保護回路でも寄生容量による特性劣化は極めて小さい。
また、隣り合うトランジスタは絶縁物である二酸化シリ
コン層で分離されており、サイリスタ動作することはな
い。以上は、エンハンスメント型のトランジスタの出力
点を例としたが、GaAsFETのように、ディプレッ
ション型のトランジスタ入力の場合、接地側に接続する
トランジスタの−Vonがトランジスタのゲートに印加す
る電圧より高いと、入力信号に非線形電流が重畳して増
幅されることになり、同様に線形性が劣化する。そのた
め、−Vonを低くするように接地側に接続するトランジ
スタを直列接続とした保護回路を、入力側にも設けるこ
とが必要である。以上のように、トランジスタの直列数
は、内部回路の動作点、1dB圧縮点目標値により決め
られる。
下の効果を有する。
波数帯の各内部回路29の入出力部分には多段構造の保
護回路26が設けられていることから大きな正・負の静
電気に起因する内部回路29の静電破壊は防止できる。
また、低周波数帯の各内部回路の入出力部分には一段の
保護回路27が設けられていることから正・負の静電気
に起因する内部回路の静電破壊は防止できる。
回路を直列接続にすると、Vonが上がるため、中間周波
数帯の保護回路に比べ、電流が流れ難くなり静電気耐圧
は低くなる。しかしながら、IC(内部回路)を破壊す
る静電気電圧は数10Vから数100Vで、本発明を適
用するような低い電源電圧で動作するICよりはるかに
高い電圧である。このため、Vonを上げたことによるわ
ずかな耐圧の減少は問題とならない。
端子は電源電圧直流電位を持ち、電源電位以上の信号を
出力するため、従来例のようなトランジスタ一段構成に
よる回路を保護回路とした場合には、保護回路に電流が
流れるバイアス条件が発生し、信号が歪むが、本発明で
は多段構造の保護回路を採用することから信号の歪みを
抑止することができる。
縁された半導体領域に形成されていることから、従来例
のようなトランジスタ二段構成によるサイリスタを防止
することができる。
力部分に設ける保護回路は、ダイオード接続されたトラ
ンジスタを多段接続構成してあることから、寄生容量が
小さくなり、高周波回路の線形性や利得を劣化させなく
なる。
即ち、多段構造の保護回路26及び一段の保護回路27
をワンチップICに設けることにより、全体の静電破壊
に対する高耐圧化を図ることができる。
態(実施形態2)である半導体集積回路装置の保護回路
を示す。本実施形態2は図1に示す上記実施形態1の多
段構造の保護回路において、ダイオード接続されたトラ
ンジスタとしてバイポーラトランジスタに代えてMOS
FETとしたものである。MOSFETのゲートとソー
スは短絡されてダイオード接続されている。
30間に耐圧保護回路を構成するMOSFET(トラン
ジスタ)4331と、このMOSFET(トランジス
タ)4331と信号線30間に接続される複数のMOS
FET4341〜434iとからなる。第2の保護回路
Bは、信号線30と接地線32間に、直列に多段接続し
た複数のMOSFET(トランジスタ)4351〜43
5kと、上記MOSFET435k接続した耐圧保護回
路を構成するMOSFET(トランジスタ)4361か
らなっている。第3の保護回路Cは、直列に接続した複
数のMOSFET(トランジスタ)4311〜431n
で構成されている。第4の保護回路Dは、直列接続され
た複数のMOSFET(トランジスタ)4321〜43
2mで構成されている。
においても上記実施形態1と同様に正・負の静電気に起
因する内部回路29の静電破壊を防止することができ
る。
形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形
態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
なされた発明をその背景となった利用分野である無線通
信装置に組み込む半導体集積回路装置に適用した場合に
ついて説明したが、それに限定されるものではない。本
発明は信号を処理する半導体集積回路装置には適用でき
る。
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。 (1)本発明によれば、高周波数帯と中間周波数帯を統
合したワンチップICにおいて、中間周波数帯に適用す
る従来の一段のダイオード接続されたトランジスタから
なる保護回路とは別に、高周波部回路に多段に直列接続
された保護回路を設けることで、寄生容量が少なくな
り、かつVonが上がり利得や線形性の劣化を防止でき
る。
各回路に構造の違う2種類の保護回路を設けることによ
り、多段接続の保護回路をIC内の全回路に適用するよ
りもチップ内で保護回路のトータル面積を小さくでき
る。 (3)以上のようにしてIC全体の静電気に対する高耐
圧化を実現できる。
護できる静電破壊保護回路を有する無線通信用の半導体
集積回路装置を提供することができる。
路)及び高周波数帯の回路を静電破壊から保護できる保
護回路を有する無線通信用の半導体集積回路装置を提供
することができる。
させることのない耐静電破壊に優れた無線通信用の半導
体集積回路装置を提供することができる。
体集積回路装置における内部回路に組み込まれる保護回
路を示す回路図である。
破壊保護時の各電流経路を示す図表である。
込んだ回路図である。
だ無線通信装置の構成を示すブロック図である。
成するダイオード接続したトランジスタを示す断面図で
ある。
む保護回路を示す回路図である。
導体集積回路装置の内部回路に組み込まれる保護回路を
示す回路図である。
信装置の構成を示すブロック図である。
示す模式的断面図である。
性と高周波信号の動作を示す特性図である。
ある。
ルタ、4…低雑音増幅器、5…バンドパスフィルタ、6
…受信ミキサ、7…バンドパスフィルタ、8…可変利得
制御増幅器、9…復調器、10…電波(信号)、11…
変調器、12…可変利得制御増幅器、13…送信ミキ
サ、14…バンドパスフィルタ、15…送信前段増幅
器、16…高出力増幅器、17…バンドパスフィルタ、
18,19…VCO、20…保護回路(静電破壊保護回
路)、25…半導体ICチップ、26…多段構造の保護
回路、27…一段の保護回路、29…内部回路、30…
信号線、31…電源線、32…接地線、41…保護回
路、42…NMOSトランジスタ(トランジスタ)、4
3…NMOSトランジスタ(トランジスタ)、44…信
号線、45…内部回路、46…高周波電圧、47…高周
波電流、48…高周波電圧、49…高周波電流、51,
52…ダイオード、53…信号線、54…内部回路、5
5…接地線、61…P型基板、62…N型エピタキシャ
ル層、63…P型拡散層、64…N型拡散層、65…P
型分離拡散層、66…二酸化シリコン膜、67…アルミ
蒸着層、68…カソード電極、69…アノード電極、7
0…サイリスタ、71…SOI基板、72…シリコン
板、73…二酸化シリコン層、74…N型エピタキシャ
ル層、75…絶縁体、76…P型拡散層、77…N型拡
散層、78…二酸化シリコン層、79…配線、80…コ
レクタ電極、81…ベース電極、82…エミッタ電極、
83…N型拡散層、90…回路、91…保護回路,92
a〜92i …ダイオード接続されたバイポーラトランジ
スタ、93…トランジスタ、94…コレクタ、95…入
力整合回路、96…出力整合回路、1211〜121
n,1221〜122m,1241〜124i,125
1〜125k…ダイオード接続されたトランジスタ(バ
イポーラトランジスタ)、1231,1261…MOS
トランジスタ(耐圧保護回路)、4311〜431n,
4321〜432m,4341〜434i,4351〜
435k…ダイオード接続されたトランジスタ(MOS
FET)、4331,4361…MOSトランジスタ
(耐圧保護回路)。
Claims (11)
- 【請求項1】信号をそれぞれ処理する複数の内部回路を
有し、上記各内部回路にそれぞれ接続される信号線及び
電源線並びに接地線を有する半導体集積回路装置であっ
て、上記各内部回路の上記信号線と上記電源線間に接続
され、静電破壊保護時に上記電源線から上記信号線に向
かって電流が流れる第1の保護回路と、上記各内部回路
の上記信号線と上記接地線間に接続され、静電破壊保護
時に上記信号線から上記接地線に向かって電流が流れる
第2の保護回路と、上記各内部回路の上記信号線と上記
電源線間に接続され、静電破壊保護時に上記信号線から
上記電源線に向かって電流が流れる第3の保護回路と、
上記各内部回路の上記信号線と上記接地線間に接続さ
れ、静電破壊保護時に上記接地線から上記信号線に向か
って電流が流れる第4の保護回路とを有することを特徴
とする半導体集積回路装置。 - 【請求項2】上記第1の保護回路、上記第2の保護回
路、上記第3の保護回路及び上記第4の保護回路は上記
内部回路の動作時、電流が流れない電位を有する構成に
なっていることを特徴とする請求項1に記載の半導体集
積回路装置。 - 【請求項3】上記第1の保護回路,上記第2の保護回
路,上記第3の保護回路及び上記第4の保護回路のうち
いずれかの保護回路はダイオードを順方向に直列に複数
接続した構成になっていることを特徴とする請求項2に
記載の半導体集積回路装置。 - 【請求項4】上記第3の保護回路及び上記第4の保護回
路はダイオードを順方向に直列に複数接続した構成にな
っていることを特徴とする請求項3に記載の半導体集積
回路装置。 - 【請求項5】上記第1の保護回路及び上記第2の保護回
路はサーフェスブレイクダウンによる耐圧保護回路と、
ソースフォロワトランジスタによる耐圧保護回路を有す
ることを特徴とする請求項3に記載の半導体集積回路装
置。 - 【請求項6】上記第1の保護回路及び上記第2の保護回
路は耐圧保護回路とダイオードとを直列に接続した保護
回路からなることを特徴とする請求項5に記載の半導体
集積回路装置。 - 【請求項7】上記内部回路のうちの第1の内部回路は高
周波回路であり、上記内部回路のうちの第2の内部回路
は低周波回路であることを特徴とする請求項1に記載の
半導体集積回路装置。 - 【請求項8】上記高周波回路の信号線に接続されるとこ
ろの上記第3の保護回路及び上記第4の保護回路はダイ
オードを順方向に直列に複数接続した構成であり、上記
低周波回路の信号線に接続されるところの上記第3の保
護回路及び上記第4の保護回路は一つのダイオードで構
成されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体
集積回路装置。 - 【請求項9】上記ダイオードはダイオード接続されたト
ランジスタで形成されていることを特徴とする半導体集
積回路装置。 - 【請求項10】上記ダイオード接続されたトランジスタ
の個々は絶縁物の障壁で電気的に分離されていることを
特徴とする請求項9に記載の半導体集積回路装置。 - 【請求項11】上記半導体集積回路装置は無線通信装置
用の半導体集積回路装置であることを特徴とする請求項
1に記載の半導体集積回路装置。
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