JP2011029510A - Semiconductor device - Google Patents

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仁紀 早野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device including an electrostatic protection element for protecting an internal circuit from electrostatic discharge damage. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes a first circuit (internal circuit 1) driven by a first power source system, a second circuit (internal circuit 2) driven by a second power source system different from the first power source system, and a third circuit (internal circuit 3) driven by a third power source system generated by a step-down circuit (step-down circuit 4) included in the first circuit. A first electrostatic protection element (diode D3) is provided between the power supply wiring VDD2 of the second circuit and the power supply wiring VDD3 of the third circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に内部回路を静電破壊から保護するための静電気保護素子を備えた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including an electrostatic protection element for protecting an internal circuit from electrostatic breakdown.

静電気放電(ESD)から半導体装置を保護するためにダイオードやトランジスタなどがESD保護素子として用いられている。   In order to protect a semiconductor device from electrostatic discharge (ESD), a diode, a transistor, or the like is used as an ESD protection element.

ESD保護素子は、半導体装置を構成するトランジスタのゲート耐圧よりも保護素子が動作を開始するブレイクダウン電圧を低くする必要がある。   In the ESD protection element, the breakdown voltage at which the protection element starts to operate needs to be lower than the gate breakdown voltage of the transistor constituting the semiconductor device.

特開2004−228138号公報JP 2004-228138 A

図1は、MOSトランジスタのブレイクダウン電圧とゲート酸化膜耐圧に関して、ゲート酸化膜厚依存を示した図である。図1は、ゲート酸化膜厚が、ある値以下になると、MOSトランジスタのブレイクダウン電圧とゲート酸化膜耐圧は逆転することを示している。この逆転する際のゲート酸化膜厚は、MOSトランジスタの構造や酸化膜の膜質などの影響を受けるものである。   FIG. 1 is a diagram showing the dependence of the gate oxide thickness on the breakdown voltage and gate oxide breakdown voltage of the MOS transistor. FIG. 1 shows that the breakdown voltage and the gate oxide breakdown voltage of the MOS transistor are reversed when the gate oxide film thickness becomes a certain value or less. The gate oxide film thickness at the time of reversal is influenced by the structure of the MOS transistor and the film quality of the oxide film.

今後半導体の微細化が進むにつれ、ゲート酸化膜の薄膜化も進むので、内部回路を静電破壊から保護する手法として、保護素子の動作開始電圧を下げる必要がある。例えば、上記特許文献1においては、保護素子の動作開始電圧を下げるため、トリガーとなる素子を追加する技術が開示されている。
しかし、この手法では、トリガー用に複数の素子を必要とし、また、トリガーのための信号線や、該信号線を駆動する回路も必要となり、保護素子の構造を複雑にする。そのため、保護素子の半導体チップに占める割合を増大させてしまうという問題があった。
As semiconductors become finer in the future, the gate oxide film becomes thinner, so it is necessary to lower the operation start voltage of the protection element as a technique for protecting the internal circuit from electrostatic breakdown. For example, Patent Document 1 discloses a technique for adding a trigger element in order to lower the operation start voltage of a protection element.
However, this method requires a plurality of elements for triggering, and also requires a signal line for triggering and a circuit for driving the signal line, complicating the structure of the protection element. For this reason, there is a problem that the ratio of the protective element to the semiconductor chip is increased.

本発明は、第1の電源系統で駆動される第1の回路と、第1の電源系統とは異なる第2の電源系統で駆動される第2の回路と、第1の回路に含まれる降圧回路により生成される第3の電源系統で駆動される第3の回路と、を含む半導体装置であって、第2の回路の電源電圧レベルは、第3の回路の電源電圧レベルより高く、第2の回路の電源配線と、第3の回路の電源配線との間に、第1の静電保護素子を備えることを特徴とする半導体装置である。   The present invention relates to a first circuit driven by a first power supply system, a second circuit driven by a second power supply system different from the first power supply system, and a step-down included in the first circuit. A third circuit driven by a third power supply system generated by the circuit, wherein the power supply voltage level of the second circuit is higher than the power supply voltage level of the third circuit, A semiconductor device comprising a first electrostatic protection element between the power supply wiring of the second circuit and the power supply wiring of the third circuit.

本発明の半導体装置によれば、第2の回路の電源配線と、第3の回路の電源配線との間に、第1の静電保護素子を備えるだけで、第3の回路が接続される電源配線VDD3に伝わってきた静電気ストレスを速やかに電源配線VDD2に逃がすことができ、第3の回路を静電破壊から保護できる。また、第1の静電保護素子、あるいは、第3の回路に元々静電保護素子が設けられている場合は該静電保護素子も含めて、それらの保護素子を制御するために、信号線や回路を必要としない構成である。従って、保護素子の構造を複雑にすることなく、保護素子の半導体チップに占める割合を、従来に比べ小さくする効果を奏する。   According to the semiconductor device of the present invention, the third circuit is connected only by providing the first electrostatic protection element between the power supply wiring of the second circuit and the power supply wiring of the third circuit. The electrostatic stress transmitted to the power supply wiring VDD3 can be quickly released to the power supply wiring VDD2, and the third circuit can be protected from electrostatic breakdown. In addition, when the electrostatic protection element is originally provided in the first electrostatic protection element or the third circuit, the signal line is used to control these protection elements including the electrostatic protection element. And a configuration that does not require a circuit. Therefore, the effect of reducing the ratio of the protective element to the semiconductor chip can be achieved without complicating the structure of the protective element.

MOSトランジスタの特性図である。It is a characteristic view of a MOS transistor. 本発明の関連技術の半導体装置が備える静電保護素子の回路図である。It is a circuit diagram of the electrostatic protection element with which the semiconductor device of the related technology of this invention is provided. 本発明の半導体装置が備える静電保護素子の回路図である。It is a circuit diagram of the electrostatic protection element with which the semiconductor device of the present invention is provided. 図3におけるダイオードD3のレイアウト図である。FIG. 4 is a layout diagram of a diode D3 in FIG. 3. 図3におけるダイオードD3の断面図である。It is sectional drawing of the diode D3 in FIG. 本発明の半導体装置が備える静電保護素子の回路図である。It is a circuit diagram of the electrostatic protection element with which the semiconductor device of the present invention is provided. 本発明の半導体装置が備える静電保護素子の回路図である。It is a circuit diagram of the electrostatic protection element with which the semiconductor device of the present invention is provided. 本発明の半導体装置におけるダイオードの他の構成例を示すレイアウト図である。It is a layout figure which shows the other structural example of the diode in the semiconductor device of this invention. 図8におけるダイオードの断面図である。It is sectional drawing of the diode in FIG.

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明の説明をする前に本発明の関連技術について説明する。
図2は、本発明を適用する前の構成である。図2における半導体装置100は、第1の電源系統(電源配線VDD1、接地配線VSS1で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路1(第1の回路)と、第2の電源系統(電源配線VDD2、接地配線VSS2で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路2(第2の回路)と、第3の電源系統(電源配線VDD3、接地配線VSS1で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路3(第3の回路)を備えている。ここで、電源配線VDD3には、第1の電源系統で駆動される降圧回路4により、電源配線VDD1の電圧レベルを降圧した電源電圧レベルが供給される。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
First, prior to describing the present invention, related techniques of the present invention will be described.
FIG. 2 shows a configuration before the present invention is applied. The semiconductor device 100 in FIG. 2 includes an internal circuit 1 (first circuit) driven by a first power supply system (a power supply system that supplies power through the power supply wiring VDD1 and the ground wiring VSS1), and a second power supply system ( An internal circuit 2 (second circuit) driven by a power supply line VDD2 and a power supply system that supplies power through the ground wiring VSS2, and a third power supply system (power supply system that supplies power through the power supply wiring VDD3 and ground wiring VSS1). ) Is driven by an internal circuit 3 (third circuit). Here, a power supply voltage level obtained by stepping down the voltage level of the power supply wiring VDD1 is supplied to the power supply wiring VDD3 by the step-down circuit 4 driven by the first power supply system.

また、各電源系統の電源配線と接地配線の間には、内部回路1、内部回路2、内部回路3各々を、静電気破壊から保護するための保護素子として、保護素子a(トランジスタQn1)、保護素子b(トランジスタQn2)、保護素子c(トランジスタQn3)が、それぞれ設けられている。   Further, between the power supply wiring and the ground wiring of each power supply system, a protection element a (transistor Qn1), a protection element as a protection element for protecting each of the internal circuit 1, the internal circuit 2, and the internal circuit 3 from electrostatic breakdown An element b (transistor Qn2) and a protection element c (transistor Qn3) are provided.

内部回路1を構成するトランジスタ及びトランジスタQn1は、ゲート酸化膜の厚いMOSトランジスタで構成されている。また、内部回路3を構成するトランジスタ及びトランジスタQn3は、内部回路1を構成するトランジスタ等に比べゲート酸化膜が薄いMOSトランジスタで構成されている。また、第2の電源系統に接続された内部回路2及びトランジスタQn2については、内部回路3を構成するトランジスタ等に比べゲート酸化膜が厚いMOSトランジスタで構成されている。内部回路2及びトランジスタQn2のゲート酸化膜厚は、例えば、第2の電源配線VDD2の電圧レベルが電源配線VDD1の電圧レベルと同じ場合、内部回路1及びトランジスタQn1と同じゲート酸化膜厚になる。   The transistors constituting the internal circuit 1 and the transistor Qn1 are composed of MOS transistors having thick gate oxide films. The transistors constituting the internal circuit 3 and the transistor Qn3 are composed of MOS transistors having a thinner gate oxide film than the transistors constituting the internal circuit 1 and the like. Further, the internal circuit 2 and the transistor Qn2 connected to the second power supply system are composed of MOS transistors having a thicker gate oxide film than the transistors and the like constituting the internal circuit 3. For example, when the voltage level of the second power supply wiring VDD2 is the same as the voltage level of the power supply wiring VDD1, the gate oxide film thickness of the internal circuit 2 and the transistor Qn2 is the same as that of the internal circuit 1 and the transistor Qn1.

また、半導体装置100が半導体メモリの場合、例えば、第1の電源系統は、外部電源がそのまま印加される通常の回路を駆動する電源系統であり、第2の電源系統は、出力トランジスタを駆動する電源系統であり、第3の電源系統は、降圧電圧で動作する周辺回路の電源系統である。   When the semiconductor device 100 is a semiconductor memory, for example, the first power supply system is a power supply system that drives a normal circuit to which external power is applied as it is, and the second power supply system drives an output transistor. The third power supply system is a power supply system for peripheral circuits that operate at a step-down voltage.

ここで、図2に示す半導体装置の電源配線VDD1と接地配線VSS1の間に正の静電気ストレスが印加された場合、MOSトランジスタQn1を導通してストレスを接地配線VSS1に放電することで、内部回路1を静電破壊から防ぐ。しかし、印加された静電気ストレスの一部が、降圧回路4を介して、電源配線VDD3に伝わっていく場合がある。このような場合、電源配線VDD3に接続された内部回路3を保護する目的で、降圧回路4に保護素子c(MOSトランジスタQn3)を接続する場合がある。
しかしながら、半導体装置の微細化が進むにつれ、このトランジスタQn3のブレイクダウン電圧が、ゲート酸化膜厚の耐圧より高くなってしまう。
Here, when a positive electrostatic stress is applied between the power supply wiring VDD1 and the ground wiring VSS1 of the semiconductor device shown in FIG. 2, the MOS transistor Qn1 is conducted to discharge the stress to the ground wiring VSS1, thereby causing an internal circuit. Prevent 1 from electrostatic breakdown. However, some of the applied electrostatic stress may be transmitted to the power supply wiring VDD3 through the step-down circuit 4. In such a case, the protection element c (MOS transistor Qn3) may be connected to the step-down circuit 4 for the purpose of protecting the internal circuit 3 connected to the power supply wiring VDD3.
However, as the semiconductor device becomes finer, the breakdown voltage of the transistor Qn3 becomes higher than the breakdown voltage of the gate oxide film.

(第1実施形態)
図3は、本発明の半導体装置における、保護素子の接続を示す回路図である。図3において、図2と同一の部分には同一の符号を付している。
図3における半導体装置200は、第1の電源系統(電源配線VDD1、接地配線VSS1で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路1(第1の回路)と、第2の電源系統(電源配線VDD2、接地配線VSS2で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路2(第2の回路)と、第3の電源系統(電源配線VDD3、接地配線VSS1で電源を供給する電源系統)で駆動される内部回路3(第3の回路)を備えている。
(First embodiment)
FIG. 3 is a circuit diagram showing connection of protection elements in the semiconductor device of the present invention. In FIG. 3, the same parts as those in FIG.
The semiconductor device 200 in FIG. 3 includes an internal circuit 1 (first circuit) driven by a first power supply system (a power supply system that supplies power by the power supply wiring VDD1 and the ground wiring VSS1), and a second power supply system ( An internal circuit 2 (second circuit) driven by a power supply line VDD2 and a power supply system that supplies power through the ground wiring VSS2 and a third power supply system (power supply system that supplies power through the power supply wiring VDD3 and the ground wiring VSS1) ) Is driven by an internal circuit 3 (third circuit).

ここで、電源配線VDD3には、第1の電源系統で駆動される降圧回路4により、電源配線VDD1の電圧レベルを降圧した電源電圧レベルが供給される。また、電源配線VDD2には、第1の電源系統とは異なる第2の電源系統から、電源配線VDD3の電圧レベルより高い電源電圧レベルが供給される。すなわち、電源配線VDD1、電源配線VDD2及び電源配線VDD3の電圧レベルのうち、電源配線VDD3の電圧レベルが一番低い。
また、各電源系統の電源配線と接地配線の間には、内部回路1、内部回路2各々を、静電気破壊から保護するための保護素子として、それぞれ保護素子a(トランジスタQn1)、保護素子b(トランジスタQn2)が設けられている。なお、図2における内部回路3に設けられた保護素子c(トランジスタQn3)は、本実施形態における半導体装置200において必ずしも必要でないので、図示していない。
Here, a power supply voltage level obtained by stepping down the voltage level of the power supply wiring VDD1 is supplied to the power supply wiring VDD3 by the step-down circuit 4 driven by the first power supply system. Further, a power supply voltage level higher than the voltage level of the power supply wiring VDD3 is supplied to the power supply wiring VDD2 from a second power supply system different from the first power supply system. That is, the voltage level of the power supply wiring VDD3 is the lowest among the voltage levels of the power supply wiring VDD1, the power supply wiring VDD2, and the power supply wiring VDD3.
In addition, between the power supply wiring and the ground wiring of each power supply system, a protection element a (transistor Qn1) and a protection element b (protection element b) are respectively provided as protection elements for protecting the internal circuit 1 and the internal circuit 2 from electrostatic breakdown. Transistor Qn2) is provided. Note that the protection element c (transistor Qn3) provided in the internal circuit 3 in FIG. 2 is not necessarily shown in the semiconductor device 200 in the present embodiment, and is not shown.

また、複数の電源系を有する半導体装置において一般的に行われている静電破壊対策として、第1の接地配線VSS1と第2の接地配線VSS2との間に、静電気保護素子(ダイオードD1、ダイオードD2)を接続しているが、これらのダイオードは必ずしも接続しなくてもよい。   Further, as a countermeasure against electrostatic breakdown generally performed in a semiconductor device having a plurality of power supply systems, an electrostatic protection element (diode D1, diode D1) is provided between the first ground wiring VSS1 and the second ground wiring VSS2. D2) is connected, but these diodes are not necessarily connected.

内部回路1を構成するトランジスタ及びトランジスタQn1は、ゲート酸化膜の厚いMOSトランジスタで構成されている。また、内部回路3を構成するトランジスタ及びトランジスタQn3は、内部回路1を構成するトランジスタ等に比べゲート酸化膜が薄いMOSトランジスタで構成されている。また、第2の電源系統に接続された内部回路2及びトランジスタQn2については、内部回路3を構成するトランジスタ等に比べゲート酸化膜が厚いMOSトランジスタで構成されている。内部回路2及びトランジスタQn2のゲート酸化膜厚は、例えば、第2の電源配線VDD2の電圧レベルが電源配線VDD1の電圧レベルと同じ場合、内部回路1及びトランジスタQn1と同じゲート酸化膜厚になる。   The transistors constituting the internal circuit 1 and the transistor Qn1 are composed of MOS transistors having thick gate oxide films. The transistors constituting the internal circuit 3 and the transistor Qn3 are composed of MOS transistors having a thinner gate oxide film than the transistors constituting the internal circuit 1 and the like. Further, the internal circuit 2 and the transistor Qn2 connected to the second power supply system are composed of MOS transistors having a thicker gate oxide film than the transistors and the like constituting the internal circuit 3. For example, when the voltage level of the second power supply wiring VDD2 is the same as the voltage level of the power supply wiring VDD1, the gate oxide film thickness of the internal circuit 2 and the transistor Qn2 is the same as that of the internal circuit 1 and the transistor Qn1.

また、半導体装置200が半導体メモリの場合、例えば、第1の電源系統は、外部電源がそのまま印加される通常の回路を駆動する電源系統であり、第2の電源系統は、出力トランジスタを駆動する電源系統であり、第3の電源系統は、降圧電圧で動作する周辺回路の電源系統である。   When the semiconductor device 200 is a semiconductor memory, for example, the first power supply system is a power supply system that drives a normal circuit to which external power is applied as it is, and the second power supply system drives an output transistor. The third power supply system is a power supply system for peripheral circuits that operate at a step-down voltage.

半導体装置200においては、図2における半導体装置100と相違して、電源配線VDD3と電源配線VDD2との間に、第3の電源系統に加わる静電気ストレスを、第2の電源系統へと逃がす保護素子(ダイオードD3)が接続される。
ダイオードD3は、電源配線VDD1から降圧回路4を介して、電源配線VDD3に印加された静電気ストレスを、電源配線VDD2へ放電する保護素子である。
ここで、電源配線VDD3に印加される静電気ストレスは、電源配線VDD1に接続される第1の保護素子(トランジスタQn1)によって放電しきれなかった静電気ストレスであり、かつ降圧回路4を介して伝わった静電気ストレスであるため、外部から印加された静電気ストレスに比較すると、その強度は弱い静電気ストレスである。
In the semiconductor device 200, unlike the semiconductor device 100 in FIG. 2, a protective element that releases electrostatic stress applied to the third power supply system between the power supply wiring VDD3 and the power supply wiring VDD2 to the second power supply system. (Diode D3) is connected.
The diode D3 is a protective element that discharges electrostatic stress applied to the power supply wiring VDD3 from the power supply wiring VDD1 through the step-down circuit 4 to the power supply wiring VDD2.
Here, the electrostatic stress applied to the power supply wiring VDD3 is electrostatic stress that could not be discharged by the first protection element (transistor Qn1) connected to the power supply wiring VDD1, and was transmitted through the step-down circuit 4. Since it is an electrostatic stress, its strength is weak compared to the electrostatic stress applied from the outside.

このため、放電先である電源配線VDD2に静電気ストレスを放電した後、静電気ストレスの放電先が十分形成されていなくとも、電源配線VDD2に接続される自体の持つ負荷容量、例えば電源配線の対半導体基板に対する寄生容量が大きければ、静電気ストレスを吸収することができる。また、ダイオードD3の放電能力は、同じく放電すべき静電気ストレスが弱いという理由により、必ずしも放電能力を大きくする必要はない。従って、ダイオードD3のレイアウト寸法は、保護素子a(トランジスタQn1)の静電気ストレスの放電能力と、電源配線VDD2に印加される静電気ストレスとの関係を考慮して決定すればよい。
また、通常の動作状態において、第2の回路の電源電圧レベルは、第3の回路の電源電圧レベルより高いので、ダイオードD3に順方向電流が流れることはない。
For this reason, after electrostatic stress is discharged to the power supply wiring VDD2 that is the discharge destination, even if the discharge destination of the electrostatic stress is not sufficiently formed, the load capacitance of the power supply wiring itself connected to the power supply wiring VDD2, for example, semiconductor to power supply wiring If the parasitic capacitance to the substrate is large, electrostatic stress can be absorbed. Further, the discharge capability of the diode D3 is not necessarily increased because the electrostatic stress to be discharged is also weak. Therefore, the layout dimension of the diode D3 may be determined in consideration of the relationship between the electrostatic stress discharge capability of the protection element a (transistor Qn1) and the electrostatic stress applied to the power supply wiring VDD2.
Further, in a normal operation state, the power supply voltage level of the second circuit is higher than the power supply voltage level of the third circuit, so that no forward current flows through the diode D3.

図4及び図5に、ダイオードD3の平面図と断面図を示す。
図4に示すように、ダイオードD3は、不図示のP型半導体基板Psub上に形成したNウエル層NW内に形成される。Nウエル層NW内の中央に矩形状に設けられたP型拡散層PDを取り囲むように、半導体基板の表面に素子分離領域が設けられ、その周囲にN型拡散層NDが設けられる。
4 and 5 are a plan view and a cross-sectional view of the diode D3.
As shown in FIG. 4, the diode D3 is formed in an N well layer NW formed on a P-type semiconductor substrate Psub (not shown). An element isolation region is provided on the surface of the semiconductor substrate so as to surround a rectangular P-type diffusion layer PD provided in the center of the N-well layer NW, and an N-type diffusion layer ND is provided therearound.

図5は、図4のA−A’間に相当する断面図である。P型半導体基板Psub上にNウエル層NWが形成され、その内側に、N型拡散層ND及びP型拡散層PDが形成されている。N型拡散層NDは、不図示のコンタクトホール及び実線で示すメタル配線を介して、電源配線VDD2へと接続されている。また、N型拡散層NDは、不図示のコンタクトホール及び実線で示すメタル配線を介して、電源配線VDD3へと接続されている。
このように構成されるダイオードD3は、アノード電極を電源配線VDD3、カソード電極を電源配線VDD2とするダイオードであり、その放電能力は、P型拡散層PDの面積を変えることで調整できる。
FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to AA ′ in FIG. An N well layer NW is formed on the P type semiconductor substrate Psub, and an N type diffusion layer ND and a P type diffusion layer PD are formed inside the N well layer NW. The N-type diffusion layer ND is connected to the power supply wiring VDD2 through a contact hole (not shown) and a metal wiring indicated by a solid line. The N-type diffusion layer ND is connected to the power supply wiring VDD3 via a contact hole (not shown) and a metal wiring indicated by a solid line.
The diode D3 configured as described above is a diode having the anode electrode as the power supply wiring VDD3 and the cathode electrode as the power supply wiring VDD2, and the discharge capability thereof can be adjusted by changing the area of the P-type diffusion layer PD.

このように、本実施形態による半導体装置は、第1の電源系統で駆動される第1の回路(内部回路1)と、第1の電源系統とは異なる第2の電源系統で駆動される第2の回路(内部回路2)と、第1の回路に含まれる降圧回路(降圧回路4)により生成される第3の電源系統で駆動される第3の回路(内部回路3)と、を含む半導体装置(半導体装置200)であって、第2の回路の電源電圧レベルは、第3の回路の電源電圧レベルより高く、第2の回路の電源配線(電源配線VDD2)と、第3の回路の電源配線(電源配線VDD3)との間に、第1の静電保護素子(ダイオードD3)を備えることを特徴とする半導体装置である。   As described above, the semiconductor device according to the present embodiment is driven by the first circuit (internal circuit 1) driven by the first power supply system and the second power supply system different from the first power supply system. 2 circuit (internal circuit 2), and a third circuit (internal circuit 3) driven by a third power supply system generated by a step-down circuit (step-down circuit 4) included in the first circuit. In the semiconductor device (semiconductor device 200), the power supply voltage level of the second circuit is higher than the power supply voltage level of the third circuit, the power supply wiring (power supply wiring VDD2) of the second circuit, and the third circuit The first electrostatic protection element (diode D3) is provided between the power supply wiring (power supply wiring VDD3) and the semiconductor device.

本発明の半導体装置によれば、第2の回路(内部回路2)の電源配線(電源配線VDD2)と、第3の回路(内部回路3)の電源配線(電源配線VDD3)との間に、第1の静電保護素子(ダイオードD3)を備えるだけで、第3の回路(内部回路3)が接続される電源配線VDD3に伝わってきた静電気ストレスを速やかに電源配線VDD2に逃がすことができ、第3の回路(内部回路3)を静電破壊から保護できる。   According to the semiconductor device of the present invention, between the power supply wiring (power supply wiring VDD2) of the second circuit (internal circuit 2) and the power supply wiring (power supply wiring VDD3) of the third circuit (internal circuit 3), By providing only the first electrostatic protection element (diode D3), the static stress transmitted to the power supply wiring VDD3 to which the third circuit (internal circuit 3) is connected can be quickly released to the power supply wiring VDD2. The third circuit (internal circuit 3) can be protected from electrostatic breakdown.

また、第1の静電保護素子(ダイオードD3)、あるいは、第3の回路に元々静電保護素子が設けられている場合は該静電保護素子も含めて、それらの保護素子を制御するために、信号線や回路を必要としない構成である。従って、保護素子の構造を複雑にすることなく、保護素子の半導体チップに占める割合を、従来に比べ小さくする効果を奏する。   In addition, when the electrostatic protection element is originally provided in the first electrostatic protection element (diode D3) or the third circuit, the protection element including the electrostatic protection element is controlled. In addition, no signal line or circuit is required. Therefore, the effect of reducing the ratio of the protective element to the semiconductor chip can be achieved without complicating the structure of the protective element.

(第2実施形態)
次に、添付図面(図6)を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。
図6は、本発明の半導体装置における、保護素子の接続を示す回路図である。図6において、図2及び図3と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図3における半導体装置300においては、図2に示した内部回路3に設けられた保護素子c(トランジスタQn3)を、接続している。
本実施形態における半導体装置300は、保護素子c(トランジスタQn3)が動作するまでの間に、電源配線VDD3に入ってくる静電気ストレスを、ダイオードD3による放電で電源配線VDD2へ逃がす。
(Second Embodiment)
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawing (FIG. 6).
FIG. 6 is a circuit diagram showing connection of protection elements in the semiconductor device of the present invention. 6, the same parts as those in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
In the semiconductor device 300 in FIG. 3, the protective element c (transistor Qn3) provided in the internal circuit 3 shown in FIG. 2 is connected.
In the semiconductor device 300 according to the present embodiment, electrostatic stress that enters the power supply wiring VDD3 is released to the power supply wiring VDD2 by the discharge of the diode D3 until the protection element c (transistor Qn3) operates.

すなわち、発明が解決しようとする課題において説明したように、今後半導体の微細化につれ、トランジスタQn3のブレイクダウン電圧が、ゲート酸化膜厚の耐圧より高くなってしまう可能性が高い。そのため、内部回路3を静電破壊から保護する手法として、保護素子c(トランジスタQn3)のブレイクダウン電圧を下げるのではなく、ブレイクダウン電圧に到達するまでの期間において、内部回路3に印加される静電気ストレスを、ダイオードD3で速やかに電源配線VDD2に逃がすものである。   That is, as described in the problem to be solved by the invention, as the semiconductor becomes finer in the future, the breakdown voltage of the transistor Qn3 is likely to be higher than the breakdown voltage of the gate oxide film thickness. Therefore, as a technique for protecting the internal circuit 3 from electrostatic breakdown, it is not applied to the breakdown voltage of the protection element c (transistor Qn3), but is applied to the internal circuit 3 during a period until the breakdown voltage is reached. The electrostatic stress is quickly released to the power supply wiring VDD2 by the diode D3.

(第3実施形態)
次に、添付図面(図7)を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。
図7は、本発明の半導体装置における、保護素子の接続を示す回路図である。図7において、図3及び図6と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図7における半導体装置400においては、ダイオードD3の電源配線VDD3との接続位置を、降圧回路4の近くに配置した状態を示している。また、電源配線VDD3には、接続される回路が動作した場合の電圧降下を防ぐ目的で、容量C1が接続される。
(Third embodiment)
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawing (FIG. 7).
FIG. 7 is a circuit diagram showing connection of protection elements in the semiconductor device of the present invention. 7, the same parts as those in FIGS. 3 and 6 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
In the semiconductor device 400 in FIG. 7, the connection position of the diode D3 with the power supply wiring VDD3 is shown in the vicinity of the step-down circuit 4. A capacitor C1 is connected to the power supply wiring VDD3 for the purpose of preventing a voltage drop when the connected circuit operates.

内部回路3に印加される静電気ストレスが小さい場合、容量C1だけでも静電気ストレスを吸収できる場合があるが、接続される容量C1の位置によっては、容量C1で静電気ストレスを吸収される前に、内部回路3が破壊する可能性がある。これを防ぐためは、ダイオードD3を降圧回路4の近くに配置するのが望ましい。   When the electrostatic stress applied to the internal circuit 3 is small, the electrostatic stress may be absorbed even with the capacitor C1 alone, but depending on the position of the connected capacitor C1, the internal stress may be reduced before the electrostatic stress is absorbed by the capacitor C1. The circuit 3 may be destroyed. In order to prevent this, it is desirable to dispose the diode D3 near the step-down circuit 4.

なお、この際、電源配線VDD3と電源配線VDD2との間にダイオードD3を接続することで、電源配線VDD2に印加された静電気ストレスが、ダイオードD3を逆方向ブレイクダウンさせて電源配線VDD3に入ってくるという問題がある。
これに対しては、電源配線VDD2に接続された保護素子b(トランジスタQn2)のブレイクダウン電圧を、ダイオードD3のブレイクダウン電圧より低くなるように設定すればよい。
At this time, by connecting the diode D3 between the power supply wiring VDD3 and the power supply wiring VDD2, electrostatic stress applied to the power supply wiring VDD2 breaks down the diode D3 in the reverse direction and enters the power supply wiring VDD3. There is a problem of coming.
For this, the breakdown voltage of the protection element b (transistor Qn2) connected to the power supply wiring VDD2 may be set to be lower than the breakdown voltage of the diode D3.

具体的には、トランジスタQn2のゲート酸化膜厚を調整し、例えば、ゲート酸化膜厚を薄くして、トランジスタQn2のブレイクダウン電圧を、ダイオードD3のブレイクダウン電圧より低くなるようにする。或いは、ダイオードD3の不純物濃度を調整し、例えば、P型拡散層PDを形成する不純物濃度を薄くして、ブレイクダウン電圧を高くする方法がある。   Specifically, the gate oxide film thickness of the transistor Qn2 is adjusted, for example, the gate oxide film thickness is reduced so that the breakdown voltage of the transistor Qn2 is lower than the breakdown voltage of the diode D3. Alternatively, there is a method of increasing the breakdown voltage by adjusting the impurity concentration of the diode D3, for example, by reducing the impurity concentration for forming the P-type diffusion layer PD.

あるいは、ダイオードD3のブレイクダウン電圧を高くするため、ダイオードD3の構造を変える手法もある。図8、図9は、上記半導体装置200、300,400に共通に用いられているダイオードD3に代えて、利用可能なダイオードD3aの構造を示す平面図と断面図である。
図8に示すように、ダイオードD3aは、不図示のP型半導体基板Psub上に形成したNウエル層NW内に形成される。Nウエル層NW内の中央に矩形状に設けられたP型拡散層PDを取り囲むように、半導体基板の表面に素子分離領域が設けられ、その周囲にN型拡散層NDが設けられる。ダイオードD3aが、図4に示したダイオードD3と相違する点は、以下の通りである。
Alternatively, there is a method of changing the structure of the diode D3 in order to increase the breakdown voltage of the diode D3. 8 and 9 are a plan view and a cross-sectional view showing the structure of a diode D3a that can be used in place of the diode D3 commonly used in the semiconductor devices 200, 300, and 400, respectively.
As shown in FIG. 8, the diode D3a is formed in an N well layer NW formed on a P-type semiconductor substrate Psub (not shown). An element isolation region is provided on the surface of the semiconductor substrate so as to surround a rectangular P-type diffusion layer PD provided in the center of the N-well layer NW, and an N-type diffusion layer ND is provided therearound. The diode D3a is different from the diode D3 shown in FIG. 4 as follows.

P型拡散層PDは、不図示の矩形状のPウエル層PW内に設けられる。また、Nウエル層NWは、ダイオードD3の場合と相違し、Pウエル層PWに接し、かつ、Pウエル層PWを取り囲むように設けられる。また、新たに、矩形状のディープNウエル層(以下、DNウエル層DNW)が、Pウエル層PWを取り囲み、かつ、Nウエル層NWの外周よりも内側に設けられる。   The P-type diffusion layer PD is provided in a rectangular P well layer PW (not shown). Unlike the diode D3, the N well layer NW is provided in contact with the P well layer PW and surrounding the P well layer PW. Further, a rectangular deep N well layer (hereinafter referred to as DN well layer DNW) is newly provided inside the outer periphery of the N well layer NW while surrounding the P well layer PW.

図9は、図8のA−A’間に相当する断面図である。上述の様にP型拡散層PDは、Pウエル層PW内に設けられ、Pウエル層PWは、DNウエル層DNWによりP型半導体基板Psubと電気的に分離される。また、DNウエル層DNWは、Nウエル層NWと電気的に接続される。N型拡散層ND、P型拡散層PD各々は、それぞれ不図示のコンタクトホール及び実線で示すメタル配線を介して、電源配線VDD2、電源配線VDD3へとそれぞれ接続されている。   FIG. 9 is a cross-sectional view corresponding to A-A ′ in FIG. 8. As described above, the P type diffusion layer PD is provided in the P well layer PW, and the P well layer PW is electrically separated from the P type semiconductor substrate Psub by the DN well layer DNW. DN well layer DNW is electrically connected to N well layer NW. The N-type diffusion layer ND and the P-type diffusion layer PD are respectively connected to the power supply wiring VDD2 and the power supply wiring VDD3 through a contact hole (not shown) and a metal wiring indicated by a solid line.

以上の様に構成されるダイオードD3aは、アノード電極を電源配線VDD3、カソード電極を電源配線VDD2とするダイオードであり、その放電能力は、P型拡散層PDの面積を変えることで調整できる。また、DNウエル層DNWを設けたことで、ダイオードD3aのブレイクダウン電圧を、Nウエル層NWまたはDNウエル層DNWのPウエル層PWに対する耐圧まで、高くすることができる。   The diode D3a configured as described above is a diode in which the anode electrode is the power supply wiring VDD3 and the cathode electrode is the power supply wiring VDD2, and the discharge capability can be adjusted by changing the area of the P-type diffusion layer PD. Also, by providing the DN well layer DNW, the breakdown voltage of the diode D3a can be increased to the breakdown voltage of the N well layer NW or the DN well layer DNW with respect to the P well layer PW.

このように、本実施形態による半導体装置は、第1の電源系統で駆動される第1の回路(内部回路1)と、第1の電源系統とは異なる第2の電源系統で駆動される第2の回路(内部回路2)と、第1の回路に含まれる降圧回路(降圧回路4)により生成される第3の電源系統で駆動される第3の回路(内部回路3)と、を含む半導体装置(半導体装置200,300,400)であって、第2の回路の電源電圧レベルは、第3の回路の電源電圧レベルより高く、第2の回路の電源配線(電源配線VDD2)と、第3の回路の電源配線(電源配線VDD3)との間に、第1の静電保護素子(ダイオードD3a)を備えることを特徴とする半導体装置である。   As described above, the semiconductor device according to the present embodiment is driven by the first circuit (internal circuit 1) driven by the first power supply system and the second power supply system different from the first power supply system. 2 circuit (internal circuit 2), and a third circuit (internal circuit 3) driven by a third power supply system generated by a step-down circuit (step-down circuit 4) included in the first circuit. In the semiconductor device (semiconductor device 200, 300, 400), the power supply voltage level of the second circuit is higher than the power supply voltage level of the third circuit, and the power supply wiring (power supply wiring VDD2) of the second circuit; The semiconductor device includes a first electrostatic protection element (diode D3a) between the power supply wiring (power supply wiring VDD3) of the third circuit.

また、上記半導体装置において、第2の回路(内部回路2)の電源配線(電源配線VDD2)と接地配線の間に、第2の静電保護素子(トランジスタQn2)が設けられ、第1の静電保護素子(ダイオードD3a)は、第2の静電保護素子(トランジスタQn2)よりブレイクダウン電圧が高いことを特徴とする。   Further, in the semiconductor device, a second electrostatic protection element (transistor Qn2) is provided between the power supply wiring (power supply wiring VDD2) and the ground wiring of the second circuit (internal circuit 2), and the first electrostatic protection element (transistor Qn2) is provided. The electric protection element (diode D3a) has a breakdown voltage higher than that of the second electrostatic protection element (transistor Qn2).

これにより、第1の実施形態における効果を維持しつつ、更に、電源配線VDD2に接続された保護素子b(トランジスタQn2)のブレイクダウン電圧に対して、ダイオードD3aのブレイクダウン電圧を高くできるので、電源配線VDD2に印加された静電気ストレスが、ダイオードD3aをブレイクダウンさせて電源配線VDD3に入ってくるという問題を解決できる。   As a result, while maintaining the effect of the first embodiment, the breakdown voltage of the diode D3a can be made higher than the breakdown voltage of the protection element b (transistor Qn2) connected to the power supply wiring VDD2. The problem that electrostatic stress applied to the power supply wiring VDD2 breaks down the diode D3a and enters the power supply wiring VDD3 can be solved.

以上、本発明者によってなされた発明を、実施形態に基づき説明したが、本発明は説明した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言うまでもない。本実施形態においては、MOSトランジスタを保護素子に用いた半導体装置について説明したが、保護素子としてMetal−Insulator−Silicon(MIS)トランジスタを適用することができる。また、保護素子としてバイポーラトランジスタを使用した半導体装置に対しても、本願発明を適用することができる。その場合、ダイオードの構成としては、NPNバイポーラトランジスタの場合、ベースをアノード、コレクタをカソードとしてもよいし、或いは、ベースをアノード、エミッタをカソードとしてもよい。   As mentioned above, although the invention made | formed by this inventor was demonstrated based on embodiment, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to embodiment demonstrated, and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary. . In this embodiment, a semiconductor device using a MOS transistor as a protection element has been described. However, a metal-insulator-silicon (MIS) transistor can be applied as the protection element. The present invention can also be applied to a semiconductor device using a bipolar transistor as a protective element. In that case, in the case of an NPN bipolar transistor, the base may be an anode and a collector may be a cathode, or a base may be an anode and an emitter may be a cathode.

100,200,300,400…半導体装置、1,2,3…内部回路、a,b,c…保護素子、VDD1,VDD2,VDD3…電源配線、VSS1,VSS2…接地配線、4…降圧回路、Qn1,Qn2,Qn3…トランジスタ、D1,D2,D3,D3a…ダイオード、C1…容量、ND…N型拡散層、PD…P型拡散層、NW…Nウエル層、PW…Pウエル層、DNW…DNウエル層、Psub…P型半導体基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100, 200, 300, 400 ... Semiconductor device, 1, 2, 3 ... Internal circuit, a, b, c ... Protection element, VDD1, VDD2, VDD3 ... Power supply wiring, VSS1, VSS2 ... Ground wiring, 4 ... Step-down circuit, Qn1, Qn2, Qn3 ... transistor, D1, D2, D3, D3a ... diode, C1 ... capacitance, ND ... N type diffusion layer, PD ... P type diffusion layer, NW ... N well layer, PW ... P well layer, DNW ... DN well layer, Psub ... P-type semiconductor substrate

Claims (7)

第1の電源系統で駆動される第1の回路と、前記第1の電源系統とは異なる第2の電源系統で駆動される第2の回路と、前記第1の回路に含まれる降圧回路により生成される第3の電源系統で駆動される第3の回路と、を含む半導体装置であって、
前記第2の回路の電源電圧レベルは、前記第3の回路の電源電圧レベルより高く、
前記第2の回路の電源配線と、前記第3の回路の電源配線との間に、第1の静電保護素子を備えることを特徴とする半導体装置。
A first circuit driven by a first power supply system; a second circuit driven by a second power supply system different from the first power supply system; and a step-down circuit included in the first circuit. A third circuit driven by a generated third power supply system, and a semiconductor device comprising:
The power supply voltage level of the second circuit is higher than the power supply voltage level of the third circuit,
A semiconductor device comprising a first electrostatic protection element between a power supply wiring of the second circuit and a power supply wiring of the third circuit.
前記第3の回路を構成するトランジスタのゲート酸化膜は、前記第1の回路を構成するトランジスタのゲート酸化膜より薄膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate oxide film of the transistor constituting the third circuit is thinner than the gate oxide film of the transistor constituting the first circuit. 前記第1の静電保護素子はダイオードであることを特徴とする請求項1または請求項2いずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first electrostatic protection element is a diode. 前記第1の静電保護素子は、前記降圧回路に隣接して配置されることを特徴とする請求項1乃至請求項3いずれか一項に記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first electrostatic protection element is disposed adjacent to the step-down circuit. 5. 前記第2の回路の電源配線と接地配線の間に、第2の静電保護素子が設けられ、前記第1の静電保護素子は、前記第2の静電保護素子よりブレイクダウン電圧が高いことを特徴とする請求項1または請求項4いずれか一項に記載の半導体装置。   A second electrostatic protection element is provided between the power supply wiring and the ground wiring of the second circuit, and the first electrostatic protection element has a breakdown voltage higher than that of the second electrostatic protection element. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a semiconductor device. 前記第2の回路の電源配線と接地配線の間に、容量素子が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項5いずれか一項に記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 1, wherein a capacitor element is provided between a power supply wiring and a ground wiring of the second circuit. 前記第1の電源系の接地配線と前記第2の電源系の接地配線との間に第3の静電気保護素子が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項6いずれか一項に記載の半導体装置。   7. The third electrostatic protection element is provided between the ground wiring of the first power supply system and the ground wiring of the second power supply system. 7. A semiconductor device according to 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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