JP2007305956A - 半導体集積回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】 特別に接地するための手段を設けることなく、ESD耐圧を向上させることができる半導体集積回路を提供する。
【解決手段】 少なくとも2つの入出力端子と、この入出力端子間に配置したスイッチング素子と、スイッチング素子を動作状態あるいは非動作状態とする信号が入力する制御端子とを備えた半導体集積回路において、入出力端子と制御端子との間に、ESD保護素子を接続する。
【選択図】 図2
【解決手段】 少なくとも2つの入出力端子と、この入出力端子間に配置したスイッチング素子と、スイッチング素子を動作状態あるいは非動作状態とする信号が入力する制御端子とを備えた半導体集積回路において、入出力端子と制御端子との間に、ESD保護素子を接続する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、静電破壊を防止するためESD保護素子を備えた半導体集積回路に係り、特に、集積回路を構成する回路素子がいずれも接地端子に接続していない半導体集積回路に関する。
携帯電話、無線LANなどの通信機器において、高速で高周波信号の入出力を切り替えるため、電界効果トランジスタ(以下、FETという)を用いた半導体集積回路が用いられる(例えば、特許文献1、図7参照)。図6にFETを用いた半導体集積回路6をスイッチ回路として用いた場合の一例を示す。
図6に示すように半導体集積回路6は、共通入出力端子7と第1の個別入出力端子8との間に接続された第1のFET12と、共通入出力端子7と第2の個別入出力端子9との間に接続された第2のFET13と、第1のFET12のゲート電極と第1の制御端子10との間に接続された第1の抵抗14と、第2のFET13のゲート電極と第2の制御端子11との間に接続された第2の抵抗15を備えた構成となっている。この半導体集積回路6を用いてスイッチ回路を構成する場合には、図6に示すように共通入出力端子7、第1、第2の個別入出力端子8、9それぞれに、外付けの直流阻止用キャパシタ18、19、20の一端を接続し、直流阻止用キャパシタの他端に接続された接地との間に高周波信号が入力あるいは出力する構成とする。
このように用いられる半導体集積回路6は、第1の制御端子10に論理値Highに相当する電圧を、第2の制御端子11に論理値Lowに相当する電圧を、それぞれ印加することで、第1のFET12を導通状態とする一方、第2のFET13を非導通状態とする。その結果、共通入出力端子7と第1の個別入出力端子8が導通状態となり、共通入力端子7と第2の個別入出力端子9が非導通状態となる。また、第1および第2の制御端子10、11に印加する論理値を逆にすることによって導通状態、非導通状態を切り替え、スイッチ動作を行う。なお、第1、第2の制御端子10、11に電圧を印加すると、共通入出力端子7、第1の個別入出力端子8、第2の個別入出力端子9には直流電圧が発生するが、それぞれの端子には直流阻止用キャパシタ18、19、20が接続しているため、このスイッチ回路に接続する他の回路に影響を及ぼすことはない。このような半導体集積回路6は、第1、第2の制御端子10、11間に電圧を与えれば動作し、半導体集積回路6を構成する回路素子はいずれも接地端子に接続していない。
特開2002−252335号公報
従来の半導体集積回路は、回路素子を接地端子に接続する必要がないので、半導体集積回路6は接地端子を備える必要がない。しかしながら、半導体集積回路6をパッケージに組み込んで半導体装置を形成する場合、第1の個別入出力端子8と第2の個別入出力端子間9のアイソレーションを向上させるため、図6に示すように、半導体集積回路6には、回路素子と接続しない接地端子3を設け、接地電位に接続していた。
半導体集積回路に接地端子3がある場合でも、内部の回路素子自体は、接地端子に接続していないので、信号端子(例えば第1の制御端子10)と接地端子3間にESD(静電気放電)電圧を印加(通常のESD試験)しても、静電破壊に対して十分な耐性を有すると考えられる。しかし、実際には比較的低いESD電圧の印加で、半導体集積回路6が破壊する場合があった。
例えば、第1の制御端子10と接地端子3間にESD電圧を印加する場合を考えてみる。初期状態で半導体集積回路6は帯電していないものと仮定すると、半導体集積回路6内の各端子7〜11の電位は接地電位となる。このような状態で、第1の制御端子10に正のESD電圧を印加すると、第1の制御端子10の電位は急激に上昇する。同時に、第1の制御端子10から第1の抵抗14を経由して、共通入出力端子7および第1の個別入出力端子8の電位も上昇する。このとき、第1の抵抗14に流れるESD電流と抵抗値の積で決まる電圧降下が発生する。第1、第2のFET12、13は、通常デプレッション型FETが用いられ、これはノーマリーオン型とも呼ばれるように、ゲートを深く負電位にバイアスしない限り導通状態であるので、第2の個別入出力端子9は、共通入出力端子7および第1の個別入出力端子8と同様に電位が上昇する。第2の制御端子11は、第2の抵抗15を経由するため、遅れて電位が上昇する。このため、第1の制御端子10と第2の制御端子11の間には電位差が生じ、静電破壊が発生してしまう。
図7は、第1の制御端子10と第2の制御端子11との間の電圧波形シミュレーション結果である。印加するESD電圧は、HBM1kVとした。第1の制御端子10にESD電圧が印加すると、瞬間的に第2の制御端子11との間に1kVの電位差が生じることがわかる。この電位差によって、静電破壊が生じると考えられる。
以上の説明は正電圧を印加したときの半導体集積回路6内の挙動であるが、負電圧を印加する場合でも、同様に第1の制御端子10と第2の制御端子11の間には大きな電位差が生じることが確認されている。また、半導体集積回路の他の端子にESD電圧が印加した場合でも、同様に第1の制御端子10および第2の制御端子11と他の端子間には大きな電位差が生じ、静電破壊が生じる場合があることは容易に予測できる。
このような大きな電位差の発生による静電破壊を防止するための一つの方法として、半導体集積回路上に接地電位に接続する接地端子を設けて、第1の制御端子10等と接地端子間に新たにESD保護素子を設ける方法が考えられる。しかし、半導体集積回路上に新たな接地端子を設けるためには、接地のための配線やボンディングパッドを形成する必要があり、チップ面積の増大、それに伴う半導体集積回路の価格の増大を招くことになる。そのため、新たに接地端子を設けることなく、半導体集積回路のESD耐性を向上させる方法が望まれていた。
本発明は、接地端子に接続しない半導体回路素子を備える半導体集積回路であっても、特別に接地するための手段を設けることなく、ESD耐圧を向上させることができる半導体集積回路を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、少なくとも2つの端子と、該端子間に接続し、接地端子に接続していない半導体回路素子とを備えた半導体集積回路において、前記端子間に、ESD保護素子を接続したことを特徴とする。
本願請求項2に係る発明は、少なくとも2つの入出力端子と、該入出力端子間に配置したスイッチング素子と、該スイッチング素子を動作状態あるいは非動作状態とする信号が入力する制御端子とを備えた半導体集積回路において、前記入出力端子と前記制御端子との間に、ESD保護素子を接続したことを特徴とする。
本願請求項3に係る発明は、1つの共通入出力端子と、2以上の個別入出力端子と、前記共通入出力端子と前記個別入出力端子それぞれとの間にソース電極およびドレイン電極を接続した電界効果トランジスタと、該電界効果トランジスタのゲート電極に該電界効果トランジスタを動作状態あるいは非動作状態とする信号を入力する制御端子とを備えた半導体集積回路において、前記共通入出力端子あるいは前記個別入力端子のいずれかと前記制御端子との間に、ESD保護素子を接続したことを特徴とする。
本願請求項4に係る発明は、請求項3記載の半導体集積回路において、前記共通入出力端子と前記ゲート電極との間に、前記ESD保護素子を接続したことを特徴とする。
本願請求項5に係る発明は、請求項4記載の半導体集積回路において、前記ESD保護素子が容量性であることを特徴とする。
本発明の半導体集積回路は、接地のための配線やボンディングパッドを設けることなくESD耐圧を向上させることができる。また、接地端子に接続するESD保護素子にくらべて、ESD保護素子のサイズを小さくすることが可能であり、チップ面積の増大や、それに伴う半導体集積回路の価格の増大を招くことはない。
本発明の半導体集積回路を用いてスイッチ回路を構成した場合、高周波特性は従来通りで、ESD耐圧が向上したスイッチ回路を実現することができる。
更に本願請求項4記載の半導体集積回路において、ESD保護素子が容量性である場合には、ESD耐圧が向上すると同時に、入出力特性の線形性が向上したスイッチ回路を実現することができる。
本発明の半導体集積回路6Aは、図1に示すように、半導体回路素子4に接続し、かつ接地端子に接続しない2つの端子(入出力端子1、2)間に、ESD保護素子5を接続する構成となっている。なお図1において、3は半導体回路素子4と接続せず、他の特性を改善するために設けられた接地端子であり、本発明の構成に必須のものではない。
図1に示す半導体集積回路6Aにおいて、入出力端子1と接地端子3との間にESD電圧が印加する場合を考えてみる。初期状態で半導体集積回路6Aは帯電していないものと仮定すると、入出力端子1、2の電位は接地電位となる。このような状態で、入出力端子1に正のESD電圧を印加すると、入出力端子1の電位は急激に上昇する。同時に、入出力端子1と入出力端子2との間に高抵抗素子が接続されている場合、高抵抗素子に電流が流れ、入出力端子1と入出力端子2との間に大きな電位差が生じてしまう。しかし本発明では、入出力端子1と入出力端子2との間に、ESD保護素子5を接続しているので、発生する電位差が所定の電圧以上になると、ESD保護素子5に電流が流れるため、入出力端子1と入出力端子2との間の電位差は、半導体回路素子4を破壊するまでには大きくならず、静電破壊を防ぐことができることになる。また、半導体回路素子4は、接地端子3と接続していないため、入出力端子1に印加された電荷を全て放電するわけではないので、ESD保護素子5のサイズは、通常の接地端子に接続するESD保護素子の場合と比較して小さくすることが可能である。
このように本発明の半導体集積回路6Aは、接地のための手段を備えなくても、ESD耐圧を向上させることができる。また、本発明のESD保護素子5は通常のESD保護素子に比べ、素子サイズを小さくすることが可能であり、チップサイズの増大や、それに伴う半導体集積回路の価格の増大を招くことはない。以下、本発明の実施例を説明する。
まず、第1の実施例について説明する。図2は本実施例の半導体集積回路6Bである。図6で説明した従来例の半導体集積回路6同様、共通入出力端子7と第1の個別入出力端子8との間に接続された第1のFET12と、共通入出力端子7と第2の個別入出力端子9との間に接続された第2のFET13と、第1のFET12のゲートと第1の制御端子10との間に接続された第1の抵抗14と、第2のFET13のゲートと第2の制御端子11との間に接続された第2の抵抗15とを備えた構成となっている。本実施例では、さらに、共通入出力端子7と第1の制御端子10および第2の制御端子11の間に、それぞれ第1のESD保護素子16b、第2のESD保護素子17bが接続している。本実施例の第1および第2のESD保護素子16b、17bは、それぞれ2つのダイオードを逆方向に直列に接続した構成となっている。
この半導体集積回路6Bを用いてスイッチ回路を構成する場合には、図6に示す従来例同様、共通入出力端子7、第1、第2の個別入出力端子8、9それぞれに、外付けの直流阻止用キャパシタ18、19、20の一端を接続し、直流阻止用キャパシタの他端に接続された接地との間に高周波信号が入力あるいは出力する構成とする。
この半導体集積回路6Bは、第1の制御端子10に論理値Highに相当する電圧を、第2の制御端子11に論理値Lowに相当する電圧を、それぞれ印加することで第1のFET12を導通状態とする一方、第2のFET13を非導通状態とする。その結果、共通入出力端子7と第1の個別入出力端子8が導通状態となり、共通入力端子7と第2の個別入出力端子9が非導通状態となる。また、第1および第2の制御端子10、11に印加する論理値を逆にすることによって、導通状態、非導通状態を切り替え、スイッチ動作を行う。第1、第2の制御端子10、11に電圧を印加すると、共通入出力端子7、第1の個別入出力端子8、第2の個別入出力端子9には直流電圧が発生するが、それぞれの端子には直流阻止用キャパシタ18、19、20が接続しているため、このスイッチ回路に接続する他の回路に影響を及ぼすことはない。
例えば第1の制御端子10と接地端子3間にESD電圧を印加する場合を考えてみる。初期状態では半導体集積回路6Bは帯電していないものと仮定すると、半導体集積回路6B内の各端子の電位は接地電位となる。このような状態で、第1の制御端子10に正のESD電圧が印加すると、第1のESD保護素子16bにより共通入出力端子7に電流が流れ、共通入出力端子7の電位が第1の制御端子10の電位に近づく。また、第2のESD保護素子17bにより第2の制御端子11の電位も第1の制御端子10の電位に近づいていく。第1の個別入出力端子8と第2の個別入出力端子9はノーマリーオン型のFETで接続されているため、共通入出力端子7とほぼ同じ電位変化である。したがって、静電破壊が生じることはない。
図3は、第1の制御端子10と第2の制御端子11との間の電圧波形シミュレーション結果である。印加するESD電圧は、HBM1kVとした。前述の図7の場合と比較して大幅に電位差が小さくなっていることが確認できる。このようにして各端子間に大きな電圧がかかることがないため、静電破壊を防止することができる。
なお本実施例では、共通入出力端子7と第1、第2の制御端子10、11との間にESD保護素子を備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものでない。例えば、第1の制御端子10と第1の個別入出力端子8との間に第1のESD保護素子16bを、第2の制御端子11と第2の個別入出力端子9との間に第2のESD保護素子17bを接続する構成とすることも可能である。
次に第2の実施例について説明する。図4は本発明の半導体集積回路6Cである。図6で説明した従来例の半導体集積回路6同様、共通入出力端子7と第1の個別入出力端子8との間に接続された第1のFET12と、共通入出力端子7と第2の個別入出力端子9との間に接続された第2のFET13と、第1のFET12のゲートと第1の制御端子10との間に接続された第1の抵抗14と、第2のFET13のゲートと第2の制御端子11との間に接続されて第2の抵抗15とを備えた構成となっている。本実施例では、さらに、共通入出力端子7と第1のFET12のゲート電極および第2のFET13のゲート電極との間に、それぞれ第1のESD保護素子16c、第2のESD保護素子17cが接続している。本実施例の第1および第2のESD保護素子16c、17cは、それぞれダイオードで構成されている。
この半導体集積回路16Cを用いてスイッチ回路を構成する場合も、図6に示す従来例同様、共通入出力端子7、第1、第2の個別入出力端子8、9それぞれに、外付けの直流素子用キャパシタ18、19、20の一端を接続し、直流素子用キャパシタの他端に接続された接地との間に高周波信号が入力あるいは出力する構成とする。
この半導体集積回路6Cでも、第1の制御端子10に論理値Highに相当する電圧を、第2の制御端子11に論理値Lowに相当する電圧を、それぞれ印加することで第1のFET12を導通状態とする一方、第2のFET13を非導通状態とする。その結果、共通入出力端子7と第1の個別入出力端子8が導通状態となり、共通入力端子7と第2の個別入出力端子9が非導通状態となる。また、第1および第2の制御端子10、11に印加する論理値を逆にすることによって、導通状態、非導通状態を切り替え、スイッチ動作を行う。第1、第2の制御端子10、11に電圧を印加すると、共通入出力端子7、第1の個別入出力端子8、第2の個別入出力端子9には直流電圧が発生するが、それぞれの端子には直流阻止用キャパシタ18、19、20が接続しているため、このスイッチ回路に接続する他の回路に影響を及ぼすことはない。
例えば第1の制御端子10と接地端子3間にESD電圧を印加する場合を考えてみる。初期状態では半導体集積回路6Cは帯電していないものと仮定すると、半導体集積回路6B内の各端子の電位は接地電位となる。このような状態で、第1の制御端子10に正のESD電圧が印加すると、第1の抵抗14を介して第1のFET12のゲート電極にその電圧が印加する。第1のESD保護素子16cの立ち上がり電圧を所定の電圧に設定すると、第1のFET12のゲート電極からドレイン電極間、ゲート電極からソース電極間よりも第1のESD保護素子16cへ電流が流れるので、第1のFET12に印加する電圧、流れる電流が低減される。したがって、静電破壊が生じることはない。
また第1の制御端子10に負のESD電圧が印加すると、第1のFET12のドレイン電極からゲート電極間、ソース電極からゲート電極間よりも第1のESD保護素子16cへ電流が流れ、第1のFET12に印加する電圧、流れる電流が低減される、したがって、静電破壊が生じることはない。
また本実施例では、例えば共通入出力端子7の入出力信号の電圧Vin、非導通状態のFETのゲートと共通入出力端子7との電圧をVgs、そのFETのピンチオフ電圧をVpとしたとき、
|Vin|>|Vgs|−|Vp|
となる場合に、非導通状態のFETが導通状態となり、入出力特性の線形特性が低下する。これを防止するため、キャパシタを接続する方法も知られているが、本実施例では、ESD保護素子を容量性とすることで、ESD保護素子としての機能と同時に、非導通状態のFETのゲートの高周波電圧振幅が大きくなり、その結果、Vgsが小さくなり、ダイオードが無い場合より線形性が維持される入力電圧範囲が広くできるという利点もある。
|Vin|>|Vgs|−|Vp|
となる場合に、非導通状態のFETが導通状態となり、入出力特性の線形特性が低下する。これを防止するため、キャパシタを接続する方法も知られているが、本実施例では、ESD保護素子を容量性とすることで、ESD保護素子としての機能と同時に、非導通状態のFETのゲートの高周波電圧振幅が大きくなり、その結果、Vgsが小さくなり、ダイオードが無い場合より線形性が維持される入力電圧範囲が広くできるという利点もある。
次に第3の実施例について説明する。図5は本発明の半導体集積回路6Dである。本実施例においても、図6で説明した従来例の半導体集積回路6同様、共通入出力端子7と第1の個別入出力端子8との間に接続された第1のFET12と、共通入出力端子7と第2の個別入出力端子9との間に接続された第2のFET13と、第1のFET12のゲートと第1の制御端子10との間に接続された第1の抵抗14と、第2のFET13のゲートと第2の制御端子11との間に接続されて第2の抵抗15とを備えた構成となっている。本実施例では、さらに、共通入出力端子7と第1のFET12のゲート電極および第2のFET13のゲート電極との間に、それぞれ第1のESD保護素子16d、第2のESD保護素子16dが接続している。本実施例の第1および第2のESD保護素子16d、17dは、それぞれ2つのダイオードを逆方向に直列に接続した構成となっている。
この半導体集積回路16Dを用いてスイッチ回路を構成する場合も、図6に示す従来例同様、共通入出力端子7、第1、第2の個別入出力端子8、9それぞれに、外付けの直流素子用キャパシタ18、19、20の一端を接続し、直流素子用キャパシタの他端に接続された接地との間に高周波信号が入力あるいは出力する構成とする。
この半導体集積回路6Dでも、第1の制御端子10に論理値Highに相当する電圧を、第2の制御端子11に論理値Lowに相当する電圧を、それぞれ印加することで第1のFET12を導通状態とする一方、第2のFET13を非導通状態とする。その結果、共通入出力端子7と第1の個別入出力端子8が導通状態となり、共通入力端子7と第2の個別入出力端子9が非導通状態となる。また、第1および第2の制御端子10、11に印加する論理値を逆にすることによって、導通状態、非導通状態を切り替え、スイッチ動作を行う。第1、第2の制御端子10、11に電圧を印加すると、共通入出力端子7、第1の個別入出力端子8、第2の個別入出力端子9には直流電圧が発生するが、それぞれの端子には直流阻止用キャパシタ18、19、20が接続しているため、このスイッチ回路に接続する他の回路に影響を及ぼすことはない。
例えば第1の制御端子10と接地端子3間にESD電圧を印加する場合を考えてみる。初期状態では半導体集積回路6Cは帯電していないものと仮定すると、半導体集積回路6B内の各端子の電位は接地電位となる。このような状態で、第1の制御端子10に正のESD電圧が印加すると、第1の抵抗14を介して第1のFET12のゲート電極にその電圧が印加する。第1のESD保護素子16cの立ち上がり電圧を所定の電圧に設定すると、第1のFET12のゲート電極からドレイン電極間、ゲート電極からソース電極間よりも第1のESD保護素子16dへ電流が流れるので、第1のFET12に印加する電圧、流れる電流が低減される。したがって、静電破壊が生じることはない。
また第1の制御端子10に負のESD電圧が印加すると、第1のFET12のドレイン電極からゲート電極間、ソース電極からゲート電極間よりも第1のESD保護素子16dへ電流が流れ、第1のFET12に印加する電圧、流れる電流が低減される、したがって、静電破壊が生じることはない。
また本実施例でも、例えば共通入出力端子7の入出力信号の電圧Vin、非導通状態のFETのゲートと共通入出力端子7との電圧をVgs、そのFETのピンチオフ電圧をVpとしたとき、
|Vin|>|Vgs|−|Vp|
となる場合に、非導通状態のFETが導通状態となり、入出力特性の線形特性が低下する。これを防止するため、キャパシタを接続する方法も知られているが、本実施例では、ESD保護素子を容量性とすることで、ESD保護素子としての機能と同時に、非導通状態のFETのゲートの高周波電圧振幅が大きくなり、その結果、Vgsが小さくなり、ダイオードが無い場合より線形性が維持される入力電圧範囲が広くできるという利点もある。
|Vin|>|Vgs|−|Vp|
となる場合に、非導通状態のFETが導通状態となり、入出力特性の線形特性が低下する。これを防止するため、キャパシタを接続する方法も知られているが、本実施例では、ESD保護素子を容量性とすることで、ESD保護素子としての機能と同時に、非導通状態のFETのゲートの高周波電圧振幅が大きくなり、その結果、Vgsが小さくなり、ダイオードが無い場合より線形性が維持される入力電圧範囲が広くできるという利点もある。
なお本発明では、ESD保護素子として、上述の実施例で説明したように、ダイオードあるいは2つのダイオードを逆方向にお直列に接続した構成とする他、周知のESD保護素子を用いることができる。
1、2;入出力端子、3;接地端子、 4;半導体回路素子、5;ESD保護素子、6、6A、6B、6C、6D;半導体集積回路、7;共通入出力端子、8;第1の個別入出力端子、9;第2の個別入出力端子、10;第1の制御端子、11;第2の制御端子、12;第1のFET、13;第2のFET、14;第1の抵抗、15;第2の抵抗、16b、16c、16d;第1のESD保護素子、17b、17c、17d;第2のESD保護素子
Claims (5)
- 少なくとも2つの端子と、該端子間に接続し、接地端子に接続していない半導体回路素子とを備えた半導体集積回路において、
前記端子間に、ESD保護素子を接続したことを特徴とする半導体集積回路。 - 少なくとも2つの入出力端子と、該入出力端子間に配置したスイッチング素子と、該スイッチング素子を動作状態あるいは非動作状態とする信号が入力する制御端子とを備えた半導体集積回路において、
前記入出力端子と前記制御端子との間に、ESD保護素子を接続したことを特徴とする半導体集積回路。 - 1つの共通入出力端子と、2以上の個別入出力端子と、前記共通入出力端子と前記個別入出力端子それぞれとの間にソース電極およびドレイン電極を接続した電界効果トランジスタと、該電界効果トランジスタのゲート電極に該電界効果トランジスタを動作状態あるいは非動作状態とする信号を入力する制御端子とを備えた半導体集積回路において、
前記共通入出力端子あるいは前記個別入力端子のいずれかと前記制御端子との間に、ESD保護素子を接続したことを特徴とする半導体集積回路。 - 請求項3記載の半導体集積回路において、前記共通入出力端子と前記ゲート電極との間に、前記ESD保護素子を接続したことを特徴とする半導体集積回路。
- 請求項4記載の半導体集積回路において、前記ESD保護素子が容量性であることを特徴とする半導体集積回路。
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- 2006-10-10 JP JP2006276023A patent/JP2007305956A/ja active Pending
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