JP2007123931A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に関し、詳しくは、静電気等の高電圧印加による破壊から保護できるように保護回路を設けた半導体装置の構成に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a configuration of a semiconductor device provided with a protection circuit so that it can be protected from breakdown due to application of a high voltage such as static electricity.
摩擦等による発生する静電気で数十V乃至数十kVもの高電圧に帯電した人や機械等が半導体装置に触れたとき等に、静電気による電荷が半導体装置の端子及び内部回路を介して数μs乃至数msの短時間で放電することにより、半導体装置の内部素子が破壊されてその機能や特性を損ねる静電破壊といわれる破壊現象を起こすことがある。特に、回路素子として電界効果型(MOS)トランジスタ等を有するCMOSやBi−CMOS等といわれる半導体装置の場合には、そのゲート酸化膜の耐電圧が比較的低いとともに過大な高電圧が印加されるとゲート酸化膜が破壊され易いので、静電気等により印加された高電圧による電流をインピーダンスの低い電源電圧線(VDD)または基準電位線(GND)に流すようにした保護回路を入出力部毎に設けることにより、半導体装置を破壊から保護するようにしている。 When a person or machine charged with a high voltage of several tens to several tens of kV due to static electricity generated by friction or the like touches the semiconductor device, the static electricity is charged for several μs through the terminal of the semiconductor device and the internal circuit. By discharging in a short time of several milliseconds, an internal element of the semiconductor device may be destroyed, and a breakdown phenomenon called electrostatic breakdown may occur that impairs its function and characteristics. In particular, in the case of a semiconductor device called a CMOS or Bi-CMOS having field effect (MOS) transistors as circuit elements, the gate oxide film has a relatively low withstand voltage and an excessively high voltage is applied. Since a gate oxide film is easily broken, a protection circuit that allows a high-voltage current applied by static electricity or the like to flow through a low-impedance power supply voltage line (VDD) or a reference potential line (GND) is provided for each input / output unit. By providing, the semiconductor device is protected from destruction.
図4に示す従来の半導体装置10aは、端子T1に接続された入出力部1aと信号処理等を行う内部回路3とから構成され、入出力部1aは端子T1と内部回路3との間の信号をバッファするための入出力回路2と、端子T1に印加された過大な高電圧が入出力回路2や内部回路3等にそのまま印加されないようにするための保護回路4aと、から構成されている。保護回路4aは、端子T1と入出力回路2との間に直列接続された抵抗11及び14と、それらの抵抗の接続点から電源電圧線(VDD)及び基準電位線(GND)に対して各々逆バイアス状態に接続されたダイオード12及び13と、から構成されている。
A conventional semiconductor device 10a shown in FIG. 4 includes an input / output unit 1a connected to a terminal T1 and an
ここで、電源電圧をVH (V)、基準電位をVL (V)、各ダイオードの順方向電圧をVF (V)として保護回路4aの保護動作について説明する。静電気等により(VH +VF )を越える電圧が端子T1に印加された場合には、抵抗11及びダイオード12を介する破線I1で示す経路で電流が流れるので、理論的には、抵抗11で電圧降下された電圧(VH +VF )しか入出力回路2や内部回路3等に印加されなくなって、高電圧印加による破壊から保護されるようになっている。同様に、(VL −VF )より低い負電圧が端子T1に印加された場合は、抵抗11及びダイオード13を介する破線I2で示す経路で電流が流れるので、理論的には、抵抗11で電圧降下された電圧(VL −VF )しか印加されなくなり、高電圧印加による破壊から保護されるようになっている。
Here, the protection operation of the protection circuit 4a will be described with the power supply voltage VH (V), the reference potential VL (V), and the forward voltage of each diode VF (V). When a voltage exceeding (VH + VF) is applied to the terminal T1 due to static electricity or the like, a current flows through a path indicated by a broken line I1 through the resistor 11 and the diode 12, so that the voltage is dropped at the resistor 11 theoretically. Only the voltage (VH + VF) is applied to the input /
しかしながら、このような入出力部1aを有する半導体装置10aは、電源電圧が印加された図示しない他の半導体装置とつながるバスライン等に端子T1を接続していると、半導体装置10aには電源電圧が印加されていない場合でも、ダイオード12を介して電源電圧線に入力電圧よりダイオード12の順方向電圧(VF )分だけ低い電圧が印加されるようになり、半導体装置10aで不要な電力を消費してしまうとともに、その動作が不安定になってバスライン等を介して他の半導体装置に悪影響を与えてしまうことがあった。 However, in the semiconductor device 10a having such an input / output unit 1a, when the terminal T1 is connected to a bus line connected to another semiconductor device (not shown) to which the power supply voltage is applied, the power supply voltage is connected to the semiconductor device 10a. Even when no voltage is applied, a voltage lower than the input voltage by the forward voltage (VF) of the diode 12 is applied to the power supply voltage line via the diode 12 and unnecessary power is consumed in the semiconductor device 10a. In addition, the operation may become unstable and adversely affect other semiconductor devices via a bus line or the like.
ダイオード12を無くせばこのような問題はなくなるが、ダイオード12を単純に無くしただけではその静電破壊に対する保護機能が無くなってしまうので、静電気等による過大な高電圧が印加されたときに半導体装置10aの回路素子が破壊されて動作不良になってしまうことがあり、原因究明に手間取ったり半導体装置10aの付け換え作業に時間及び費用がかかることになってしまう。 If the diode 12 is eliminated, such a problem is eliminated. However, if the diode 12 is simply eliminated, the protection function against the electrostatic breakdown is lost. Therefore, when an excessively high voltage due to static electricity or the like is applied, the semiconductor device The circuit element 10a may be destroyed, resulting in malfunction, and time and cost will be required for investigating the cause and replacing the semiconductor device 10a.
そこで本発明はこれらの問題を解決し、半導体装置間のデータ通信等のために設けられたバスライン等に容易に接続できる入出力回路を有する半導体装置でありながら、その端子へ静電気等による過大な高電圧が印加されたときの耐電圧を向上した半導体装置を容易に提供できるようにすることを目的とする。 Therefore, the present invention solves these problems, and although the semiconductor device has an input / output circuit that can be easily connected to a bus line or the like provided for data communication between the semiconductor devices, the terminal is excessively charged due to static electricity or the like. An object of the present invention is to easily provide a semiconductor device with improved withstand voltage when a high voltage is applied.
上述の問題を解決するために、請求項1の記載に係わる半導体装置は、端子T1から電源電圧線(VDD)の電圧よりも高電圧の信号を印加できる入出力回路2を有する半導体装置10であって、端子T1と基準電位線(GND)との間にアノードを基準電位線側にして第1のダイオード13を接続するとともに、端子T1と電源電圧線との間に抵抗16を介してベースをエミッタに接続しコレクタを端子T1側にしたNPN型のトランジスタ15とカソードを電源電圧線側にした第2のダイオード12とを直列接続した保護回路4を有し、トランジスタ15のパンチスルー電圧を越える電圧が端子T1に印加されたときにトランジスタ15を介して該電圧による電流(I1またはI2)を電源電圧線に流せるようにし、入出力回路2に印加される電圧を低下するようにしたことを特徴とする。
In order to solve the above problem, the semiconductor device according to
また、請求項2の記載に係わる半導体装置は、請求項1に記載の半導体装置に加えて、保護回路2を介して流れる電流による電源線(VDD、GND)の電圧変動を抑えるための電源間保護回路5を端子T1近傍の基準電位線と電源電圧線との間に設けたことを特徴とする。このような構成により、請求項1及び請求項2の記載に係わる半導体装置は、半導体装置に印加されている電源電圧よりも高電圧の信号を接続しても不要な電流が端子から電源電圧線に対して流れることがないとともに、端子に静電気等による過大な高電圧が入力されたときには入出力回路及び内部回路等に印加される電圧が低下するように保護回路が動作するとともに、入出力部の電源電圧線または基準電位線の電圧が変動するのを抑制するように電源間保護回路が動作するようになる。
In addition to the semiconductor device according to
本発明によれば、半導体装置に印加されている電源電圧線の電圧よりも高電圧の信号を接続しても不要な電流が端子から電源電圧線に対して流れることがないので、半導体装置間に設けられたデータ通信のためのバスライン等に容易に接続することのできる半導体装置を提供できるという効果がある。また、端子に静電気等による異常入力電圧が印加されたときには入出力回路及び内部回路等に印加される電圧が低下するように保護回路が動作するとともに、入出力部の電源電圧線または基準電位線の電圧が変動するのを抑制するように電源間保護回路が動作するので、入出力回路及び内部回路等に印加される電圧が抑制されて静電気等が印加されることによる破壊に対する耐電圧を向上できるようになり、半導体装置の信頼性を向上できるという効果がある。 According to the present invention, an unnecessary current does not flow from the terminal to the power supply voltage line even when a signal having a voltage higher than the voltage of the power supply voltage line applied to the semiconductor device is connected. There is an effect that it is possible to provide a semiconductor device that can be easily connected to a bus line or the like for data communication provided in. In addition, when an abnormal input voltage due to static electricity or the like is applied to the terminal, the protection circuit operates so that the voltage applied to the input / output circuit and the internal circuit decreases, and the power supply voltage line or reference potential line of the input / output unit Since the inter-power supply protection circuit operates so as to suppress the fluctuation of the voltage of the IC, the voltage applied to the input / output circuit and the internal circuit is suppressed, and the withstand voltage against breakdown due to the application of static electricity etc. is improved As a result, the reliability of the semiconductor device can be improved.
以下、本発明の実施の形態を各図面を参照しながら詳細に説明する。尚、本明細書では全図面を通して同一または同様の回路要素には同一の符号を付して重複する説明を簡略化するようにしている。また、以下の説明では、電源電圧線(VDD)の電圧をVH (V)、基準電位線(GND)の電圧をVL (V)、各ダイオードの順方向電圧をVF (V)、トランジスタのパンチスルー電圧をVPT(V)とするとともに、電源電圧線及び基準電位線を電源線と称し、端子T1に印加される入力信号の内保護回路のトランジスタ15が導通する電圧((VH +VPT+VF )または(VPT+VF ))より低い電圧を「通常入力電圧」と称し、通常電圧を越える過大な高電圧((VH +VPT+VF )より高い入力電圧または(VL−VF )より低い電圧)を「異常入力電圧」と称して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present specification, the same or similar circuit elements are denoted by the same reference numerals throughout the drawings to simplify the overlapping description. In the following description, the voltage of the power supply voltage line (VDD) is VH (V), the voltage of the reference potential line (GND) is VL (V), the forward voltage of each diode is VF (V), and the transistor punch The through voltage is VPT (V), the power supply voltage line and the reference potential line are referred to as power supply lines, and the voltage ((VH + VPT + VF) or (V A voltage lower than VPT + VF)) is called "normal input voltage", and an excessively high voltage exceeding the normal voltage (input voltage higher than (VH + VPT + VF) or voltage lower than (VL-VF)) is called "abnormal input voltage". I will explain.
図1は本発明の半導体装置10の回路構成例を示し、半導体装置10の入力端子または及び出力端子となる端子T1と、図示しない半導体装置につながるバスライン等に接続されて外部回路と信号伝達を行うための入出力部1と、伝達された信号を受けて信号処理等を行う内部回路3と、から構成されている。そして、入出力部1は端子T1と内部回路3との間の信号をバッファするための入出力回路2と、端子T1に異常入力電圧が印加されたときに入出力回路2や内部回路3等が破壊されることがないようにするための保護回路4と、入出力部1の電源線間に接続された電源間保護回路5とから構成されている。通常、入出力部1は主に半導体チップの周辺部に複数配置され、保護回路4は保護効果を上げるために端子T1のできるだけ近傍に配置されている。尚、図1では説明を簡単にするために端子T1につながる入出力部1を一つのみ示している。
FIG. 1 shows a circuit configuration example of a
入出力回路2は、外部回路からの信号を内部回路3に伝達する入力回路としてCMOSインバータ回路による入力回路2aと、内部回路3からの信号を端子T1を介して外部回路に出力する出力回路としてNMOSオープンドレイン出力回路による出力トランジスタ2bとから構成されている。保護回路4は、端子T1と入出力回路2との間に直列接続された抵抗11及び抵抗14と、各抵抗の接続点と基準電位との間にアノードを基準電位側に接続されたダイオード13と、各抵抗の接続点と電源電圧との間に直列接続されたトランジスタ15及びダイオード12とから構成されている。トランジスタ15のコレクタは各抵抗の接続点に接続され、ベースは抵抗16を介してエミッタに接続され、エミッタがダイオード12のアノードに接続され、ダイオード12を介して電源電圧に接続されている。トランジスタ15のパンチスルー電圧は電源電圧よりも高い数V乃至十数Vに設定されている。抵抗11及び14は電源電圧線に対して寄生ダイオードが形成されないようにポリシリコン等で形成され、その抵抗値はそれぞれ数10Ω乃至数100Ω及び数100Ω以上に設定され、抵抗11は電流容量が大きくなるように抵抗14に比べて太く形成されている。電源間保護回路5については、図2及び図3で後述する。
The input /
図1の回路の動作について説明する。まず、半導体装置10に一定の電源電圧が印加されているとともに、端子T1に(VH +VPT+VF )以内の通常入力電圧の信号が入出力される通常の動作状態では次のような動作を行う。即ち、信号入力時には、出力トランジスタ2bが非導通状態(OFF状態)に設定されるとともに、他の半導体装置から端子T1に信号が入力され、入力回路2aを介して内部回路3に入力信号が伝達される。このとき、トランジスタ15は非導通状態なので電源電圧線に電流が流れることはない。また、信号出力時には、内部回路3からの出力信号に応じて出力トランジスタ2bを導通状態(ON状態)または非導通状態にすることにより、端子T1に接続されたバスライン等を低レベルにしたり高レベルに保持することにより出力信号を伝達する。
The operation of the circuit of FIG. 1 will be described. First, the following operation is performed in a normal operation state where a constant power supply voltage is applied to the
また、半導体装置10に電源電圧が印加されていないとともに、端子T1に(VPT+VF )以内の通常入力電圧の信号が入出力されている動作停止状態でも、保護回路4のトランジスタ15は導通しないので、ダイオード12を介して電源電圧線に電流が流れることはなく、半導体装置10の電源電圧が供給されて動作することはない。
In addition, the
一方、静電気等による異常入力電圧が端子T1に印加されたような場合には、以下のような動作を行う。即ち、通常入力電圧((VH +VPT+VF )または(VH +VPT))以上の電圧が端子T1に印加された場合には、トランジスタ15がパンチスルーを起こして導通し破線I1で示す経路に沿って電流が流れるので、半導体装置10の入出力回路2及び内部回路3等に印加される電圧は抵抗11によって電圧降下され、理論上は(VH +VPT+VF )の電圧まで低くなる。また、端子T1に絶対値が(VL −VF )以上の負電圧が印加された場合には、破線I2で示す経路で電流が流れるので、内部回路等に印加される電圧は抵抗11によって電圧降下され、理論上は(VL −VF )の電圧まで低くなる。
On the other hand, when an abnormal input voltage due to static electricity or the like is applied to the terminal T1, the following operation is performed. That is, when a voltage equal to or higher than the normal input voltage ((VH + VPT + VF) or (VH + VPT)) is applied to the terminal T1, the
このように動作するので、通常動作時や動作停止時には半導体装置10に印加されている電源電圧よりも高い電圧の入力信号を端子T1に印加しても不要な電流が流れて半導体装置10で消費されることがないとともに、異常入力電圧が印加された場合には保護回路4を介して電流が流れることにより入出力回路2や内部回路3等を破壊から保護できるようになっている。
Because of this operation, unnecessary current flows and is consumed by the
尚、上記の実施形態に代えて、トランジスタ15とダイオード12との接続順番を変えたり、抵抗11の端子T1側にトランジスタ15及びダイオード12の保護回路を配置したり、抵抗11の端子T1側に出力トランジスタ2bのドレインを接続して出力インピーダンスを下げるようにしても良い。また、端子T1を出力としてのみ使用する場合には抵抗11及び14の抵抗値をできるだけ小さくするか省略して使用したり、ダイオード13として出力トランジスタ2bにより寄生的に形成されるダイオードを用いるようにしても良い。入出力回路2は入出力部1に設けるのではなく内部回路3内に設けるようにしたり、入出力部1と内部回路3との間に個別に設けるようにしても良く、入出力回路2内の回路構成は任意で構わない。更に、端子T1に入力する信号の電圧は、半導体装置10に印加されている電源電圧と同じまたは電源電圧より低くても構わない。ように、になっている。
Instead of the above embodiment, the connection order of the
図2は図1の電源間保護回路5の具体的な回路構成例(5a)を示し、出願人が特許願平7−330818で出願したものと同様な構成を示している。即ち、ドレイン及びゲートが共に電源電圧に接続されるとともにソースが基準電位に接続されたNMOS型のトランジスタ5cと、カソードが電源電圧に接続されアノードが基準電位に接続されたダイオード5dと、から構成されている。尚、トランジスタ5cは、内部回路3等に用いられる厚さが数百Å(オングストローム)のゲート酸化膜を用いたトランジスタと同一ではなく、素子を分離または保護するために形成された数千Å乃至1万数千Åの厚さをしたフィールド酸化膜をゲート酸化膜を用いてトランジスタが構成されているとともに、ソース及びドレイン間のチャネル長を内部回路3等で主に用いるトランジスタのチャネル長よりも長い数μmに形成することにより、トランジスタのスレッショルド電圧(VTH)を十数Vになるように形成している。
FIG. 2 shows a specific circuit configuration example (5a) of the inter-power
このような構成により、図1に破線I1として示した経路に流れる電流により入出力部1の電源電圧線の抵抗値に応じてその電圧が部分的に上昇したような場合は、導通した電源間保護回路5を介して破線I3で示す経路に沿って基準電位線にも電流が流れ、電源電圧線の電圧変動が抑制されるようになる。また、同図に破線I2として示した経路に流れる電流により入出力部1の基準電位線の抵抗値に応じてその電圧が部分的に低下したような場合は、導通した電源間保護回路5を介して破線I4で示す経路に沿って電源電圧線にも電流が流れ、基準電位線の電圧変動が抑制されるようになる。更に、電源電圧線と基準電位線間の電圧がトランジスタ5cのスレッショルド電圧よりも大きくなった場合には、トランジスタ5cが導通して電源電圧線から基準電位線に向けて電流が流れるようになり電源電圧線と基準電位線間の電圧変動が抑制されるようになる。また、基準電位線の電圧が部分的に(VH +VF )よりも高くなったような場合には、ダイオード5dを介して基準電位線から電源電圧線へ電流が流れるようになる。
With such a configuration, when the voltage partially rises according to the resistance value of the power supply voltage line of the input /
図3は図1の電源間保護回路5の他の回路構成例(5b)を示し、図2の電源間保護回路5aに用いているMOSトランジスタ5cに代えて、パンチスルー電圧(VPT2 )が電源電圧よりも高い十数Vに設定されたNPN型のトランジスタ5eを用いた構成で、エミッタが基準電位に接続されるとともにベースが抵抗5fを介して基準電位に接続され、コレクタが電源電圧に接続されている。このような構成により、MOSトランジスタ5cのスレッショルド電圧ではなく、トランジスタ5eのパンチスルー電圧を導通の基準電圧として図2の回路と同様な動作を行うようになっている。
FIG. 3 shows another circuit configuration example (5b) of the inter-power
尚、電源間保護回路5は上述の回路に限定されるものではなく、例えば、図2及び図3に示す電源間保護回路を一つの入出力部1に同時に形成したり、半導体チップの周辺に形成された複数の入出力部毎に配置したり、複数の端子に連なるなるように配置したりしても良い。また、図2及び図3に示すダイオード5dを省略し、素子形成時に寄生的に形成されるダイオードにより同様な効果を得るようにしても良い。
Note that the inter-power
1 :入出力部
2 :入出力回路
3 :内部回路
4 :保護回路
5 :電源間保護回路
10:半導体装置
1: Input / output unit 2: Input / output circuit 3: Internal circuit 4: Protection circuit 5: Protection circuit between power supplies 10: Semiconductor device
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