JP2008251755A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】パッドにサージが入力された場合にも破壊され難く信頼性の高い半導体装置を提供すること。
【解決手段】本発明は、パッド14と、内部回路20と、ドレインがパッド14と結合され、ソースが基準電位に接続された保護FET30と、保護FET30のドレインと内部回路20との間に接続され、保護FET30のドレインとパッド14との間の直列抵抗値(R01+R02)より大きな抵抗値を有する第1抵抗素子R1と、パッド14と保護FET30のゲートとの間に接続された容量素子C1と、保護FET30のゲートとソースとの間に接続された第2抵抗素子R2と、を具備する半導体装置である。
【選択図】図5

Description

本発明は、半導体装置に関し、サージに対する保護FETを有する半導体装置に関する。
半導体装置のパッドに例えばESD(Electro Static Discharge)等のサージが印加された場合、内部回路が破損しないような保護回路が設けられることがある。図1は特許文献1に開示された保護回路10aの回路図である。保護回路10aは保護FET30、抵抗Ra、Rb、Rc及び容量Caからなる。パッド14と内部回路20との間には抵抗Ra及びRbが直列に接続されている。保護FET30のソース及びドレインがそれぞれグランド及び内部回路20に接続されている。保護FET30はE(エンハンスメント)モード、n型FETである。抵抗Raと抵抗Rbとの間のノードと、保護FET30のゲートと、の間に容量Caが接続され、保護FET30のゲートとソースとの間に抵抗Rcが接続されている。
この保護回路10aによれば、パッド14に印加された正電圧のサージは、抵抗Raと容量Caとの時定数回路により、遅延し保護FET30のゲートに印加される(図1の矢印A)。これにより保護FET30がオンし、パッド14から内部回路20に流れようとするサージ電流がグランドに流れる(図1の矢印B)。抵抗Rcは、サージ電圧が印加されないときは、保護FET30のゲートをソース電位とし、保護FET30をオフさせる。一方、抵抗Rcは、サージが印加された際の抵抗Raと容量Caとからなる時定数回路のインピーダンスより十分大きい。このため、パッド14に正電圧のサージが印加された場合、保護FET30のゲートには正の電圧が印加される。
特開昭58−147068号公報
図1のような保護回路10aを用いる場合、保護FET30のオン抵抗は10Ω程度である、一方、抵抗Raと容量Caとで時定数回路を構成するためには、抵抗Raは1kΩから2kΩ程度以上となる。また、サージ電流をドロップさせるため抵抗Rbは1kΩから2kΩ程度以上となる。このため、パッド14にサージ電圧が印加されると、抵抗Ra及び抵抗Rbに大きな電位差が加わる。抵抗Ra及びRbの破壊耐量は抵抗素子の構造や製造方法によって異なるが、十分に破壊耐圧を取れない構造の場合や製造ばらつきにより破壊耐量が小さくなった場合、サージ電圧の印加により抵抗素子が破壊してしまうことがある。抵抗素子が破壊すると、抵抗素子は遮断状態または短絡状態となる。このため、保護回路として機能しなくなってしまう。
図2(a)及び図2(b)はサージ電圧の印加によって破壊された抵抗Raの模式図である。図2(a)において、抵抗Raは、抵抗素子として機能する半導体活性領域78と、半導体活性領域78と電気的に接続するパッド側電極74及び内部回路側電極72と、からなる。抵抗Raの近傍にはグランド電位の配線76が形成されている。パッド側電極74にサージ電圧が印加されたため、電極74から配線76にかけて電流経路80が生成されている。
図2(b)において、サージ電圧が印加されたため、パッド側電極74と内部回路側電極72との間の半導体活性領域78内に電流経路82が生成されている。図2(a)および図2(b)のように、特許文献1の保護回路10aは、パッド14へのサージの印加により破壊されてしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、パッドにサージが入力された場合にも破壊され難く信頼性の高い保護回路を有する半導体装置を提供することを目的とする。
本発明は、パッドと、内部回路と、ドレインが前記パッドと結合され、ソースが基準電位に接続された保護FETと、前記保護FETのドレインと前記内部回路との間に接続され、前記保護FETのドレインと前記パッドとの間の直列抵抗値より大きな抵抗値を有する第1抵抗素子と、前記パッドと前記保護FETのゲートとの間に接続された容量素子と、前記保護FETのゲートとソースとの間に接続された第2抵抗素子と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、保護FETのドレインとパッドとの直列抵抗値が第1抵抗素子の抵抗値より小さいため、パッドに印加されるサージ電圧による保護回路の破壊を抑制することができる。
上記構成において、前記保護FETのドレインと前記パッドとの直列抵抗値は前記保護FETのオン抵抗の10倍以下である構成とすることが好ましい。10倍以下であれば、ドレインとパッドとの直列抵抗に印加される電圧が低減できる。さらに、前記保護FETのドレインと前記パッドとの直列抵抗値は前記保護FETのオン抵抗以下である構成とすることが好ましい。
上記構成において、前記容量素子と前記パッドとの間に接続された第3抵抗素子を具備する構成とすることができる。この構成によれば、パッドにサージ電圧が印加された際、容量素子に加わる急激な電圧上昇を緩和することができる。よって、容量素子の破損を抑制することができる。
上記構成において、前記容量素子は、前記第1抵抗素子と前記パッドとの間のノードと、前記保護FETのゲートと、の間に接続されている構成とすることができる。また、上記構成において、前記容量素子は、前記第1抵抗素子と前記内部回路との間のノードと、前記保護FETのゲートと、の間に接続されている構成とすることができる。
本発明は、パッドと、内部回路と、前記パッドと前記内部回路との間のノードに、一端が接続された第4抵抗素子と、ドレインが前記第4抵抗素子の他端に接続され、ソースが基準電位に接続された保護FETと、前記第4抵抗素子の他端と前記保護FETのゲートとの間に接続された容量素子と、前記保護FETのゲートとソースとの間に接続された第2抵抗素子と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、内部回路とパッドとの間に抵抗素子を有さなくてもよいため、内部回路の性能を劣化することなく、パッドに印加されるサージ電圧による保護回路の破壊を抑制することができる。
上記構成において、前記第4抵抗素子の抵抗値は前記保護FETのオン抵抗の10倍以下である構成が好ましい。この構成によれば、第4抵抗素子の破壊を抑制することができる。
上記構成において、前記第4抵抗素子の抵抗値は前記保護FETのオン抵抗以下である構成であることが好ましい。この構成によれば、第4抵抗素子の破壊をより抑制することができる。
上記構成において、前記保護FETはGaAs系FETである構成とすることができる。また、前記保護FETはエンハンスメントモードである構成とすることができる。さらに、前記内部回路は高周波回路である構成とすることができる。
本発明によれば、パッドに印加されるサージ電圧による保護回路の破壊を抑制することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
図3を用い実施例1の保護回路10を有する半導体装置について説明する。保護回路10は保護FET30、第1抵抗素子R1、第2抵抗素子R2及び容量素子C1からなる。パッド14と内部回路20との間に第1抵抗素子R1が直列に接続されている。保護FET30のドレインはパッド14と直結され、ソースがグランド(基準電位)に接続されている。第1抵抗素子R1は保護FET30のドレインと内部回路20との間に接続されている。容量素子C1がパッド14と保護FET30のゲートとの間に接続されている。保護FET30のゲートとソースとの間に第2抵抗素子R2が接続されている。
保護FET30は図1と同様に、Eモードでありかつn型FETである。第1抵抗素子R1、第2抵抗素子R2及び容量素子C1の各値は例えばそれぞれ5kΩ、10kΩ及び1pFとすることができる。内部回路20は、例えばFETを用いたRF(高周波)スイッチ、RFアンプ、RFミキサ等の高周波回路、またはデジタル回路である。パッド14からサージが入力することにより破壊され易い回路であり、かつ第1抵抗素子R1の挿入により、特性が劣化しにくい回路である。保護回路100を設けるパッド14は、入力パッド、出力パッドまたは入出力パッド等、内部回路20と外部とを接続するためのパッドである。また、サージが印加されやすくかつサージの印加により内部回路20が破損する可能性の大きいパッドである。
図4は半導体基板12上に形成された実施例1の保護回路10周辺の平面図である。保護回路10及び内部回路20は半導体基板12上に形成されている。半導体基板12としては、Si(シリコン)基板、GaAs(砒化ガリウム)基板等の化合物半導体基板を用いることができる。保護FET30は活性領域38の半導体基板(または半導体層)12上に設けられたゲートフィンガ31、ソースフィンガ33及びドレインフィンガ35を有している。複数のゲートフィンガ31はゲートバスバー32に接続されている。複数のソースフィンガ33及び複数のドレインフィンガ35はそれぞれソースバスバー34及びドレインバスバー36に接続されている。第1抵抗素子R1は、抵抗素子として機能する半導体活性領域58と、半導体活性領域58に電気的に接続する電極52及び54と、からなる。第2抵抗素子R2は、半導体活性領域68と、半導体活性領域68に電気的に接続する電極62及び64と、からなる。容量素子C1は、下部電極84、上部電極86及び誘電体層(不図示)からなるMIM(Metal Insulator Metal)キャパシタである。
ソースバスバー34と電極54とはビアパッド40に形成されたビアホール42により半導体基板12の背面のグランドに接続されている。グランドへの接続は、半導体基板12の表面に形成された配線を用いてもよい。ゲートバスバー32は電極52と下部電極84とに接続されている。ドレインバスバー36は上部電極86に接続されている。パッド14は上部電極86と電極64とに接続されている。電極62は内部回路20に接続されている。このように、図4のパターンは図3の回路を構成する。
実施例1によれば、サージ電流を緩和するための第1抵抗素子R1を保護FET30のドレインより内部回路20側に設けている。保護FET30のドレインをパッド14に抵抗素子を介さず直結している。これにより、パッド14に印加されたサージ電圧は容量素子C1を介し保護FET30のゲートに印加される(図3の矢印A)。よって、保護FET30はオンする。保護FET30のオン抵抗は例えば10Ωであり、第1抵抗素子R1に比べ十分小さいため、サージ電流はパッド14からグランドに流れる(図3の矢印B)。第2抵抗素子R2は、図1と同様に、サージ電圧が印加されないとき、保護FET30のゲートをソースの電位とし、保護FET30をオフ状態とするための抵抗である。なお、実施例1では、保護FET30のソースはグランドに接続されているが、サージ電流を逃がす基準電位に接続されていればよい。
図1に示した従来例と図3に示した実施例1において、人体モデル(human body model)を用いESDによる破壊検査を行った。表1に結果を示す。従来例ではESD耐圧は100V程度であったのに対し、実施例1では1000V程度であった。このように、実施例1では従来例に比べ10倍の破壊耐量を有することができた。
Figure 2008251755
図5を用い実施例2の保護回路10bについて説明する。実施例2は、実施例1の図3と比較し、パッド14と保護FET30のドレインとの間に抵抗R01及びR02が接続されている。抵抗R01及びR02は例えば抵抗素子であり、例えば配線の抵抗である。その他は実施例1の図3と同じであり説明を省略する。
図5において、抵抗R01及びR02の抵抗値が大きいと、図1の保護回路10aと同様に、サージにより抵抗R01及びR02が破壊されてしまう。抵抗R01と抵抗R02との抵抗値の和(保護FET30のドレインとパッド14との直列抵抗値)が第1抵抗素子R1の抵抗値以上の場合、第1抵抗素子R1を保護FET30のドレインと内部回路20との間に接続した意味を没却してしまう。よって、第1抵抗素子R1の抵抗値は、保護FET30のドレインとパッド14との間の直列抵抗値より大きなことが好ましい。
抵抗R01及びR02が破壊されないために、抵抗R01と抵抗R02との抵抗値の和は、保護FET30のオン抵抗の10倍以下であることが好ましい。さらに、抵抗R01と抵抗R02との抵抗値の和が保護FET30のオン抵抗以下の場合、パッド14にサージが入力しても抵抗R01及びR02には保護FET30と同程度以下の電位差しかかからない。よって、抵抗R01または抵抗R02が破壊される可能性はほとんどなくなる。特に、抵抗R01及びR02が半導体活性領域を用いた抵抗の場合、抵抗R10及びR20の最大電流は保護FETと同程度である。したがって、抵抗R01及びR02に保護FET30と同程度以下の電位差しかかからない場合、抵抗R01及びR02の破損を抑制することができる。
図6を用い実施例3の保護回路10cについて説明する。実施例3は実施例1の図3と比較し、第3抵抗素子R3が容量素子C1とパッド14との間に接続されている。第3抵抗素子R3の抵抗値は例えば1kΩとすることができる。その他は図3と同じであり説明を省略する。
マシンモデル(machine model)とよばれる各種電子機器に起因するESDは非常に短い期間にサージ電圧が印加される。この場合、実施例1では、急激な電位上昇によって容量素子C1が破損する可能性がある。特に容量素子C1が半導体製造プロセスを用い作製されたMIMキャパシタ等の場合は、サージ電圧に対する破壊耐量が小さく、破損の可能性がある。
実施例3によれば、第3抵抗素子R3を導入することで、容量素子C1に加わる急激な電圧上昇を緩和することができる。よって、容量素子C1の破損を抑制することができる。また、第3抵抗素子R3と容量素子C1とは、図1の抵抗Raと容量Caとからなる時定数回路と同様の機能を有することもできる。
図7を用い実施例4の保護回路10dについて説明する。実施例1では、図3のように、容量素子C1が、第1抵抗素子R1とパッド14との間のノードと、保護FET30のゲートと、の間に接続されているのに対し、実施例4では、図7のように、容量素子C1が第1抵抗素子R1と内部回路20との間のノードと、保護FET30のゲートと、の間に接続されている。その他は実施例1の図3と同じ構成であり説明を省略する。
実施例4によれば、第1抵抗素子R1が内部回路20へのサージ電流を緩和する機能とともに、容量素子C1の破壊抑制する機能(実施例3の図6に示した第3抵抗素子R3の同様の機能)を有する。このため、実施例1に比べ抵抗素子の個数を減らすことができる。
実施例3及び実施例4においても実施例2のように、保護FET30のドレインとパッド14との間に第1抵抗素子R1の抵抗値より小さな直列抵抗が接続されていてもよい。
図8を用い実施例5について説明する。図8を参照に、パッド14と内部回路20との間のノードに第4抵抗素子R4の一端が接続されている。第4抵抗素子R4の他端は容量素子C2を介し接地されている。第4抵抗素子R4の他端には保護回路10eが接続されている。保護回路10eは保護FET30、容量素子C1及び第2抵抗素子R2を有している。保護FET30のドレインは第4抵抗素子R4の他端に、保護FET30のソースはグランド(基準電位)に接続されている。さらに、容量素子C1が、第4抵抗素子R4の他端と保護FET30のゲートとの間に接続されている。第2抵抗素子R2が保護FET30のゲートとソースとの間に接続されている。
実施例5では、実施例1に比べ、パッド14と内部回路20との間に抵抗素子R4が接続されていない。これにより、例えばパッド14がRF信号の入出力端子等のように、パッド14と内部回路20間の直列抵抗が性能が大きく影響する場合であっても、内部回路20の性能を劣化させることはない。内部回路20のインピーダンスに比べ、第4抵抗素子R4のインピーダンスが低ければ、パッド14に印加されたサージ電流は、内部回路20にはほとんど流れず、第4抵抗素子R4に流れる。サージ電流のうち比較的高周波な成分は第4抵抗素子R4及び容量素子C2を介しグランドに流れる。低周波な成分は第4抵抗素子R4及び容量素子C1を介し保護FET30のゲートに印加される(図8の矢印A)。よって、保護FET30はオンする。サージ電流はパッド14から第4抵抗素子R4及び保護FET30を介しグランドに流れる(図8の矢印B)。第2抵抗素子R2及び容量素子C1の機能は実施例1と同じであり説明を省略する。
このように、実施例8によれば、内部回路20の性能を劣化させることなく、パッド14に印加されたサージによる内部回路20の破壊を抑制することができる。
第4抵抗素子R4が破壊されないために、第4抵抗素子R4の抵抗値は保護FET30のオン抵抗の10倍以下であることが好ましい。さらに、第4抵抗素子R4の抵抗値が保護FET30のオン抵抗以下の場合、パッド14にサージが入力しても第4抵抗素子R4には保護FET30と同程度以下の電位差しかかからない。よって、第4抵抗素子R4が破壊される可能性はほとんどなくなる。
また、第4抵抗素子R4は、アッテネータとして機能させることもできる。すなわち。パッド14からの入力された信号の一部は、第4抵抗素子R4及び容量素子C2を介し接地される。これにより、パッド14からの入力された信号は減衰し内部回路20に入力される。また、内部回路20から出力された信号は、減衰しパッド14に出力される。このように、アッテネータに使用される第4抵抗素子R4の接地側に保護回路10eを接続することができる。
図9を用い実施例6について説明する。実施例6では、第4抵抗素子R4の代わりにFET25が設けられている。その他の構成は実施例5の図8と同じであり説明を省略する。実施例6のように、第4抵抗素子はFET25にて代用することもできる。FET25はゲート電圧Vcを変化させることにより可変抵抗として機能することができる。これにより、内部回路20とFET25とのインピーダンスの比を可変することができる。これにより、アッテネータの減衰比を任意に設定することができる。
実施例1から実施例6において、保護FET30はGaAs系FETとすることができる。GaAs系FETとは、GaAsを含む材料を用いたFETであり、例えば、GaAs、GaAsとInAsとの混晶であるInGaAs、GaAsとAlAsとの混晶であるAlGaAs等を含むFETである。
なお、本明細書中の接続するという語は本発明の要旨に反しない限りにおいて、直接的及び間接的な接続のいずれの意味にも用いられている。
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
図1は従来例の保護回路の回路図である。 図2(a)及び図2(b)は破壊された抵抗素子の平面模式図である。 図3は実施例1の保護回路の回路図である。 図4は実施例1の保護回路の平面図である。 図5は実施例2の保護回路の回路図である。 図6は実施例3の保護回路の回路図である。 図7は実施例4の保護回路の回路図である。 図8は実施例5の保護回路の回路図である。 図9は実施例6の保護回路の回路図である。
符号の説明
10 保護回路
12 半導体基板
14 パッド
20 内部回路
25 FET
30 保護FET
R1 第1抵抗素子
R2 第2抵抗素子
R3 第3抵抗素子
R4 第4抵抗素子
C1 容量素子

Claims (12)

  1. パッドと、
    内部回路と、
    ドレインが前記パッドと結合され、ソースが基準電位に接続された保護FETと、
    前記保護FETのドレインと前記内部回路との間に接続され、前記保護FETのドレインと前記パッドとの間の直列抵抗値より大きな抵抗値を有する第1抵抗素子と、
    前記パッドと前記保護FETのゲートとの間に接続された容量素子と、
    前記保護FETのゲートとソースとの間に接続された第2抵抗素子と、
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記保護FETのドレインと前記パッドとの直列抵抗値は前記保護FETのオン抵抗の10倍以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記保護FETのドレインと前記パッドとの直列抵抗値は前記保護FETのオン抵抗以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記容量素子と前記パッドとの間に接続された第3抵抗素子を具備することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
  5. 前記容量素子は、前記第1抵抗素子と前記パッドとの間のノードと、前記保護FETのゲートと、の間に接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  6. 前記容量素子は、前記第1抵抗素子と前記内部回路との間のノードと、前記保護FETのゲートと、の間に接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  7. パッドと、
    内部回路と、
    前記パッドと前記内部回路との間のノードに、一端が接続された第4抵抗素子と、
    ドレインが前記第4抵抗素子の他端に接続され、ソースが基準電位に接続された保護FETと、
    前記第4抵抗素子の他端と前記保護FETのゲートとの間に接続された容量素子と、
    前記保護FETのゲートとソースとの間に接続された第2抵抗素子と、を具備することを特徴とする半導体装置。
  8. 前記第4抵抗素子の抵抗値は前記保護FETのオン抵抗の10倍以下であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
  9. 前記第4抵抗素子の抵抗値は前記保護FETのオン抵抗以下であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
  10. 前記保護FETはGaAs系FETであることを特徴とする請求項1または7記載の半導体装置。
  11. 前記保護FETはエンハンスメントモードであることを特徴とする請求項1または7記載の半導体装置。
  12. 前記内部回路は高周波回路であることを特徴とする請求項1または7記載の半導体装置。
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