JP2010278188A - 半導体集積回路装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小さいレイアウト面積で、高いESD耐圧量を有したESD保護性能を実現する。
【解決手段】ESD保護回路8は、クランプ回路9、ツェナーダイオード10,11
DMOSからなるトランジスタ12、IGBTからなるトランジスタ13、抵抗14,15から構成されている。この構成のESD保護回路8は、被保護回路動作時の電流ノイズに対しては、DMOSからなるトランジスタ12によって該電流ノイズを吸収させて、ラッチアップによる誤動作を防止し、より大きなESD時の電流に対してはサイリスタ効果により電流吸収能力の高いIGBT(トランジスタ13)を並列動作させることで効率よく、被保護回路を保護する。
【選択図】図2
【解決手段】ESD保護回路8は、クランプ回路9、ツェナーダイオード10,11
DMOSからなるトランジスタ12、IGBTからなるトランジスタ13、抵抗14,15から構成されている。この構成のESD保護回路8は、被保護回路動作時の電流ノイズに対しては、DMOSからなるトランジスタ12によって該電流ノイズを吸収させて、ラッチアップによる誤動作を防止し、より大きなESD時の電流に対してはサイリスタ効果により電流吸収能力の高いIGBT(トランジスタ13)を並列動作させることで効率よく、被保護回路を保護する。
【選択図】図2
Description
本発明は、半導体集積回路装置におけるESD(ElectroStatic Discharge)保護技術に関し、特に、高電圧が入力される高電圧端子を備えた半導体集積回路装置におけるESD保護に有効な技術に関する。
近年、半導体集積回路装置においては、高電圧端子に対するESD耐圧に対する要求が高まっている。特に、自動車では、信頼性の向上、ECU上のESD対策部品点数削減のために半導体集積回路装置におけるESD耐圧に対する要求が高まっている。
たとえば、エアバッグなどの車載用電子機器において、搭載されるエアバッグ数が増加する傾向にあり、それに伴い、エアバッグの点火装置も増加する。エアバッグの点火装置はスクイブドライバからスクイブ抵抗に電流を流し、スクイブ抵抗を発熱させ、火薬を発火させることでエアバッグを展開させるものであり、スクイブドライバは自動車用のECUにおいて高耐圧が要求される。従って、エアバッグの点火装置が増加すると、エアバッグ展開用の半導体集積回路装置において、内蔵されているスクイブドライバの数も増加し、高耐圧端子の数も増加し、ESD保護回路の数も多くなってきている。
この種の半導体集積回路装置に設けられたESD保護回路100は、たとえば、図8に示すように、トランジスタ101、電圧クランプ回路102、ツェナーダイオード103,104、および抵抗105から構成されている。
電圧クランプ回路102は、たとえば、ツェナーダイオード106〜110が直列接続された構成からなる。また、トランジスタ101は、たとえば、DMOS(Double diffused Metal Oxide Semiconductor)からなり、ESD電流を吸収する素子である。
高電圧端子である外部端子ESD_INには、ツェナーダイオード106のカソード、およびトランジスタ101の一方の接続部がそれぞれ接続されている。ツェナーダイオード110のアノードには、トランジスタ101のゲート、ならびにツェナーダイオード103のカソードがそれぞれ接続されている。
ツェナーダイオード103のアノードには、ツェナーダイオード104のカソード、および抵抗105の一方の接続部がそれぞれ接続されている。そして、ツェナーダイオード104のアノード、抵抗105の他方の接続部、およびトランジスタの他方の接続部には、基準電位VSSがそれぞれ接続されている。
ツェナーダイオード106〜110によって構成される電圧クランプ回路102におけるクランプ電圧をV1とする。抵抗105は、ESD印加がないときに、トランジスタ101をOFFするためのゲートプルダウン用抵抗である。また、ツェナーダイオード103,104は、トランジスタ101のゲートを保護するための素子である。
トランジスタ101は、図9に示すように、ゲート電圧VG(VGS1_DMOS,VGS2_DMOS,VGS3_DMOS)に応じたドレイン電流(ID)とドレイン電圧VDを持つ。
また、外部端子ESD_INに繋がる被保護回路の耐圧電圧を(V2)とすると、被保護回路の破壊を効率よく防ぐためには、保護素子であるトランジスタ101の耐圧電圧は、被保護回路の耐圧電圧(V2)と同等の耐圧特性が良い。
高電圧端子である外部端子ESD_INにESDが印加されると、ドレイン電圧VDが上昇し、ドレイン電圧VDが、ツェナーダイオード102のツェナー電圧以上になるとESD電流IESDが流れ始め、トランジスタ101のゲートに電圧が印加され、トランジスタ101はオンし始め、ESD電流の大部分はトランジスタ101のドレイン電流IDとなる。このとき、トランジスタ101のゲート電圧VGSはドレイン電流IDに応じて変化し、ドレイン電流IDが大きくなるとゲート電圧VGSも大きくなる。従って、クランプ電圧は、ドレイン電流IDに応じた、ゲート電圧VGSとツェナーダイオード102のツェナー電圧の和となる。
また、トランジスタ101のゲートを保護するために、トランジスタ101のゲート電圧をゲート耐圧以上にならないように制限するためのツェナーダイオード103と104が接続されている。
図9の破線部分はMOSトランジスタのゲート電圧VGSとドレイン電圧VDとドレイン電流IDの関係を表したものである。すなわち3通りゲート電圧VGS1_DMOS、VGS2_DMOS、VGS3_DMOSにおけるドレイン電圧VDとドレイン電流IDの関係を表している。図9において、ドレイン電圧VDが電圧V1付近まではドレイン電流IDはほぼ一定であり、ドレイン電流IDはゲート電圧VGに依存している。ドレイン電圧VDが電圧V1以上になると、ドレイン電流は急激に増え始め、IESD破壊ポイントであるドレイン電圧V2になるとMOSトランジスタは破壊する。
ここで、例えば、トランジスタ101のゲート電圧をゲート耐圧以上にならないように制限するためのツェナーダイオード103と104のツェナー電圧の和が図9のVGS3_DMOSとすると、図8のESD保護回路の特性は図9の太線で示した特性となる。
ところが、上記のような半導体集積回路装置に用いられるESD保護回路によるESD保護技術では、次のような問題点があることが本発明者により見い出された。
すなわち、上記した構成のESD保護回路では、外部端子ESD_INのESD耐量を向上させるためには、ESDのエネルギーを吸収するトランジスタ101自体の電流容量と破壊大量を向上させる必要があるため、トランジスタ101のサイズを大きくする必要がある。
上記のように、近年のESD耐量の要求および高耐圧端子の数の増加により、上記のESD保護回路では、チップ全体の面積に占めるESD保護素子の面積の割合が大きくなりコストアップの要因となっている。
本発明の目的は、小さいレイアウト面積で、高いESD耐圧量を有したESD保護性能を実現することのできる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明は、入出力端子にESD保護用のESD保護回路を備えた半導体集積回路装置であって、該ESD保護回路は、一方の端子が、入出力端子に接続される第1のクランプ回路と、一方の端子が、該第1のクランプ回路の出力部に接続される第2のクランプ回路と、一方の端子が、該第2のクランプ回路の出力部に接続され、他方の端子が基準電位に接続される第3のクランプ回路と、一方の接続部が、入出力端子に接続され、他方の接続部が基準電位に接続され、ゲートが、第1のクランプ回路の他方の端子に接続される第1のトランジスタと、一方の接続部が、前記入出力端子に接続され、他方の接続部が、基準電位に接続され、ゲートが、前記第2のクランプ回路の他方の端子に接続される第2のトランジスタと、第1のトランジスタのゲートと基準電位との間に接続された第1の抵抗と、第2のトランジスタのゲートと基準電位との間に接続された第2の抵抗とよりなるものである。
また、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。
本発明は、前記第2のトランジスタが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、VDMOS(Vertical Double diffused MOS)、LDMOS(Laterally Diffused MOS)、またはサイリスタのいずれかよりなるものである。
また、本発明は、前記第1〜第3のクランプ回路が、1つ以上のツェナーダイオードを逆方向接続した構成よりなるものである。
さらに、本発明は、前記第1〜第3のクランプ回路が、1つ以上のダイオードを順方向接続した構成からなるものである。
また、本発明は、前記第1〜第3のクランプ回路が、MOSトランジスタをダイオード接続した1つ以上のダイオードを順方向接続した構成からなるものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
(1)ESD保護回路に必要なレイアウトを大幅に縮小しながら、電流吸収能力を向上させることができる。
(2)上記(1)により、半導体集積回路装置を大型することなく、高性能なESD耐圧を確保することが可能となり、該半導体集積回路装置の性能を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図1は、本発明の実施の形態1によるECUモジュールの一例を示すブロック図、図2は、図1の半導体集積回路装置に設けられたESD保護回路の一例を示す回路図、図3は、図2のESD保護回路に設けられたDMOSからなるトランジスタの電気的特性の一例を示す説明図、図4は、図2のESD保護回路に設けられたIGBTからなるトランジスタの電気的特性の一例を示す説明図、図5は、図2のESD保護回路における電気的特性の一例を示した説明図、図6は、図2のESD保護回路に設けられたDMOS構成のトランジスタにおける一例を示す断面図、図7は、図2のESD保護回路に設けられたIGBT構成のトランジスタにおける一例を示す断面図である。
本実施の形態において、ECU1は、たとえば、自動車などに搭載され、エンジン制御、エアバッグ制御、およびエアコン制御などの様々なシステムを制御する。ECU1は、図1に示すように、半導体集積回路装置2、およびMCU(Micro Computer Unit)3などが搭載されている。
半導体集積回路装置2は、たとえば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)から構成されており、MCU3の制御に基づいて動作を行う。半導体集積回路装置2には、センサユニット4、およびアクチュエータユニット5が、たとえば、ハーネス6,7などを介してそれぞれ接続されている。
センサユニット4は、たとえば、エアバック制御に用いられる衝突を検知するセンサであり、たとえば、加速度センサなどが用いられる。アクチュエータユニット5は、エアバッグの点火装置であるスクイブとなる。自動車が衝突したとき、センサユニット4によって加速度が検出されると、その検出情報はハーネス6を介してECU1に送られる。ECU1は、センサユニット4から送られてきたたとえば加速度などの検出情報に基づいて、MCU3において、自動車が衝突したかどうかを判断する。
MCU3において自動車が衝突したと判断されると、アクチュエータユニット5にハーネス7を介して送信されたエアバッグを展開するための信号に基づいてスクイブ抵抗に電流を流し、火薬に点火させ爆発させることによってなされる。
車載用のシステムでは、ハーネス6,7は車内において、所定のモジュール間に接続されているために大きなESDノイズが注入される場合がある。そのため、ハーネス6,7に直接接続されている半導体集積回路装置2の高電圧用端子には、ESDノイズに対して高い耐性が要求される。ハーネス6,7に印加されるノイズは特に指定はないが、ESDなどのノイズがある。
図2は、ハーネス6,7などが接続される半導体集積回路装置2の高電圧用端子に設けられたESD保護回路8の一例を示す回路図である。
ESD保護回路8は、図示するように、第1のクランプ回路となるクランプ回路9、第2のクランプ回路となるツェナーダイオード10、第3のクランプ回路となるツェナーダイオード11、第1のトランジスタであるトランジスタ12、第2のトランジスタであるトランジスタ13、第1の抵抗となる抵抗14、および第2の抵抗となる抵抗15から構成されている。
トランジスタ12は、たとえば、DMOS(Double Diffused Metal Oxide Semiconductor)などの高耐圧トランジスタ素子などからなり、該トランジスタ12の一方の接続部には、半導体集積回路装置2における入出力端子となる高電圧用端子ESD_INが接続されている。
クランプ回路9は、複数のツェナーダイオード16〜20からなり、該トランジスタ12の一方の接続部とゲートとの間に接続され、これが半導体集積回路装置2の高電圧用端子ESD_INとツェナーダイオード10のカソードとの間に直列接続された構成からなる。
トランジスタ12のゲートには、ツェナーダイオード10のカソード、および抵抗14の一方の接続部がそれぞれ接続されており、該トランジスタ12の他方の接続部、ならびに抵抗14の他方の接続部には、基準電位VSSがそれぞれ接続されている。
ツェナーダイオード10のアノードには、ツェナーダイオード11のカソードが接続されており、該ツェナーダイオード11のアノードには、基準電位VSSが接続されている。
トランジスタ13は、たとえば、IGBTからなり、ESD電流を吸収する素子となる。このトランジスタ13の一方の接続部には、該トランジスタ12の一方の接続部に接続され、また高電圧用端子ESD_INが接続されている。
そして、トランジスタ13のゲートには、抵抗15の一方の接続部、およびツェナーダイオード10とツェナーダイオード11との接続部がそれぞれ接続されている。また、トランジスタ13の他方の接続部、ならびに抵抗15の他方の接続部には、基準電位VSSがそれぞれ接続されている。
ここで、抵抗15は、ESD印加がないときに、トランジスタ13をOFFするためのゲートプルダウン用抵抗として設けられており、ツェナーダイオード11は、トランジスタ13のゲート電圧が所定の電圧以上にならないように保護するための素子である。
図3は、DMOSからなるトランジスタ12の電気的特性の一例を示す説明図である。
トランジスタ12は、図示するように、ゲート電圧VG1_DMOS,VG2_DMOS,VG3_DMOSに応じてドレイン電流IDを流す能力が増加する特性となっている。
図4は、IGBTからなるトランジスタ13の電気的特性を示した説明図である。
IGBTは、ゲート電圧(VG_IGBT)に応じて、コレクタ電流(IC)が増加し、コレクタ電圧(VC)がトリガ電圧を越えるとサイリスタ動作をし、ホールド電圧までコレクタ電圧(VC)が下がる。このサイリスタ効果により、IGBTに加わる電力が減少するため、IGBT(トランジスタ13)は電流吸収能力が非常に大きくなる。
また、半導体集積回路装置2の高電圧用端子ESD_INに接続されている被保護回路の破壊を防ぐために、被保護回路の耐圧電圧以上のトリガ電圧を持つIGBTを使用する。
しかしながら、このサイリスタ効果により電流吸収能力が上がる反面、通常動作である被保護回路動作時に比較的エネルギの小さい電流ノイズが印加された場合、ラッチアップが発生してしまい、誤動作の原因となる恐れがある。この問題を解決するために、被保護回路動作時の電流ノイズに対しては、DMOSからなるトランジスタ12によって該電流ノイズを吸収させて、ラッチアップによる誤動作を防止し、より大きなESD時の電流に対してはサイリスタ効果により電流吸収能力の高いIGBT(トランジスタ13)を並列動作させることで効率よく、被保護回路を保護することができる。
次に、本実施の形態におけるESD保護回路8の作用について、図2、および図5のESD保護回路8における電気的特性の一例を示した説明図を用いて説明する。
まず、高電圧用端子ESD_INから比較的エネルギが小さいノイズが印加されたとき、電流IESDが入力され、クランプ回路9で決まるクランプ電圧(図5の電圧V1)以上になると、抵抗14に電流が流れ、トランジスタ12のゲート電圧が上昇し、該トランジスタ12のドレイン電流(図5のID)が流れ始める。トランジスタ12のゲート電圧が、ツェナーダイオード10でクランプされるクランプ電圧になるまで単調に電流が上昇する。このとき、電流は抵抗14を介してVSSに流れ、ツェナーダイオード10、11、抵抗15には流れていない。
ここで、図5では、トランジスタ12のゲート電圧に掛かるツェナーダイオード10のクランプ電圧を電圧VGS2_DMOSとしている。そのとき、トランジスタ13のゲートは、抵抗15によりプルダウンされており、該トランジスタ13はOFFしている。
続いて、ESDなどのエネルギが大きいノイズが印加され、トランジスタ12のゲート電圧が、電圧VG2_DMOS以上になると、ツェナーダイオード10のクランプ電圧を超え、そのツェナーダイオード10を通して抵抗15に電流が流れ始め、トランジスタ13のゲート電圧が上昇し、コレクタ電流ICが流れ始める。
トランジスタ13のゲート電圧の上昇に合わせてコレクタ電流ICが増加し、コレクタ電圧VCも上昇する。また、トランジスタ12のゲート電圧も上昇するのでドレイン電流IDも増加し、電流IESDは、コレクタ電流ICとドレイン電流IDとの加算となる。
次いで、トランジスタ13のゲート電圧が上昇し、コレクタ電圧VCが、IGBTトリガ電圧に達すると、トランジスタ13がサイリスタ動作を始め、コレクタ電圧VCがホールド電圧まで下がる。
このサイリスタ動作によって、トランジスタ13に加わる電力が減少するため、該トランジスタ13は、電流吸収能力が非常に大きくなる。このように、被保護回路の動作時の電流ノイズの定電流領域に対しては、DMOSのトランジスタ12によって吸収させることでラッチアップによる誤動作を防ぎ、高ESD時のような、より大きな大電流領域の電流ノイズに対しては、サイリスタ効果により電流吸収能力の高くなるIGBTからなるトランジスタ13を並列に動作させることにより、ESD保護回路の面積を増加させることなく、被保護回路の動作時には誤動作を防ぎ、大きなESD電流印加時に対しても効率よく保護できる。また、ESD耐圧量は、図5に示すようにIGBTが熱破壊を起こす電流で決まる。
印加される電流に対して、低電流領域ではDMOSのみ動作、大電流領域にはサイリスタ効果を持つIGBTを並列動作させる構成としたことで、被保護回路の動作時には誤動作を防ぎ、大きなESD電流印加時に対しても効率よく保護できる。また、ESD耐圧量は、図5に示すようにIGBTが熱破壊を起こす電流で決まる。
図6は、DMOS構成のトランジスタ12における一例を示す断面図である。
トランジスタ12において、P−型の半導体基板21には、N+型半導体領域22が形成されており、該N+型半導体領域22の上方には、N+型半導体領域22よりも不純物濃度の低いNWELL領域23が形成されている。
NWELL領域23の左上方、および右上方には、N型半導体領域24,25がそれぞれ形成されており、NWELL領域23の中央部上方には、P型半導体領域26が形成されている。
N型半導体領域24の上部には、該N型半導体領域24よりも不純物濃度が高いN型半導体領域27が酸化膜28と酸化膜29とに挟まれるように形成されており、N型半導体領域25の上部には、該N型半導体領域25よりも不純物濃度が高いN型半導体領域30が酸化膜31と酸化膜32とに挟まれるように形成されている。そして、これらN型半導体領域27,30は、トランジスタ12のドレインとして機能する。
また、P型半導体領域26の上部には、左から右にかけて、N型半導体領域33、P型半導体領域34、およびN型半導体領域35がそれぞれ形成されており、これらN型半導体領域33、P型半導体領域34、ならびにN型半導体領域35は、トランジスタ12のソースとして機能する。
P型半導体領域26の左側の上方には、酸化膜36を介してゲート37が形成されており、P型半導体領域26の右側の上方には、酸化膜38を介してゲート39が形成されている。
図7は、IGBT構造のトランジスタ13における一例を示した断面図である。
トランジスタ13は、図示するように、トランジスタ12のN型半導体領域27,30(図6)に変えて、P型半導体領域40,41が形成された構造となっている。その他の構造については、図6のトランジスタ13と同様となっているので、説明は省略する。
この場合、P型半導体領域40,41は、トランジスタ13のソースとして機能するP型半導体領域34と同時に形成することができるため、新たな工程を追加することなしに、製造することが可能である。
それにより、本実施の形態1によれば、ESD保護回路8のサイズを大型化することなく、ESD耐圧量を上げることができる。
また、本実施の形態では、トランジスタ13として、サイリスタ特性を持つIGBT素子を用いた構成としたが、たとえば、VDMOSなどのようなスナップバック特性を持つ素子をトランジスタ13として用いる構成としても同様な効果を得ることが可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の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。
たとえば、前記実施の形態においては、自動車などにECUモジュールに用いられる半導体集積回路装置について記載したが、本発明のESD保護回路は、自動車搭載用の半導体集積回路装置だけでなく、高いESD耐性が要求される半導体集積回路装置全般に適用することができる。
本発明は、高いESD耐性が要求される半導体集積回路装置におけるESD保護技術に適している。
1 ECU
2 半導体集積回路装置
3 MCU
4 センサユニット
5 アクチュエータユニット
6 ハーネス
7 ハーネス
8 ESD保護回路
9 クランプ回路
10 ツェナーダイオード
11 ツェナーダイオード
12 トランジスタ
13 トランジスタ
14 抵抗
15 抵抗
16〜20 ツェナーダイオード
21 半導体基板
22 N+型半導体領域
23 NWELL領域
24 N型半導体領域
25 N型半導体領域
26 P型半導体領域
27 N型半導体領域
28 酸化膜
29 酸化膜
30 N型半導体領域
31 酸化膜
32 酸化膜
33 N型半導体領域
34 P型半導体領域
35 N型半導体領域
36 酸化膜
37 ゲート
38 酸化膜
39 ゲート
40 P型半導体領域
ESD_IN 高電圧用端子ESD
2 半導体集積回路装置
3 MCU
4 センサユニット
5 アクチュエータユニット
6 ハーネス
7 ハーネス
8 ESD保護回路
9 クランプ回路
10 ツェナーダイオード
11 ツェナーダイオード
12 トランジスタ
13 トランジスタ
14 抵抗
15 抵抗
16〜20 ツェナーダイオード
21 半導体基板
22 N+型半導体領域
23 NWELL領域
24 N型半導体領域
25 N型半導体領域
26 P型半導体領域
27 N型半導体領域
28 酸化膜
29 酸化膜
30 N型半導体領域
31 酸化膜
32 酸化膜
33 N型半導体領域
34 P型半導体領域
35 N型半導体領域
36 酸化膜
37 ゲート
38 酸化膜
39 ゲート
40 P型半導体領域
ESD_IN 高電圧用端子ESD
Claims (5)
- 入出力端子にESD保護用のESD保護回路を備えた半導体集積回路装置であって、
前記ESD保護回路は、
一方の端子が、前記入出力端子に接続される第1のクランプ回路と、
一方の端子が、前記第1のクランプ回路の出力部に接続される第2のクランプ回路と、
一方の端子が、前記第2のクランプ回路の出力部に接続され、他方の端子が基準電位に接続される第3のクランプ回路と、
一方の接続部が、前記入出力端子に接続され、他方の接続部が基準電位に接続され、ゲートが、前記第1のクランプ回路の他方の端子に接続される第1のトランジスタと、
一方の接続部が、前記入出力端子に接続され、他方の接続部が基準電位に接続され、ゲートが、前記第2のクランプ回路の他方の端子に接続される第2のトランジスタと、
前記第1のトランジスタのゲートと基準電位との間に接続された第1の抵抗と、
前記第2のトランジスタのゲートと基準電位との間に接続された第2の抵抗とよりなることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 請求項1記載の半導体集積回路装置において、
前記第2のトランジスタは、
IGBT、VDMOS、LDMOS、またはサイリスタのいずれかであることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 請求項1または2記載の半導体集積回路装置において、
前記第1〜第3のクランプ回路は、
1つ以上のツェナーダイオードを逆方向接続した構成からなることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 請求項1または2記載の半導体集積回路装置において、
前記第1〜第3のクランプ回路は、
1つ以上のダイオードを順方向接続した構成からなることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 請求項1または2記載の半導体集積回路装置において、
前記第1〜第3のクランプ回路は、
MOSトランジスタをダイオード接続した1つ以上のダイオードを順方向接続した構成からなることを特徴とする半導体集積回路装置。
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