JP2011181848A - Esd protection circuit and semiconductor device equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外部からの静電気による静電放電(ESD:Electro Static Discharge)から保護するためのESD保護回路及びこれを備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to an ESD protection circuit for protecting against electrostatic discharge (ESD) due to external static electricity, and a semiconductor device including the ESD protection circuit.
一般に、半導体集積回路(IC:Integrated Circuit)は、ESDによって生じるサージ電圧に弱く、破壊されやすい。従って、通常、サージ電圧からICを保護するためのESD保護用の回路がIC内に設けられている。 In general, a semiconductor integrated circuit (IC) is vulnerable to a surge voltage generated by ESD and is easily destroyed. Therefore, normally, an ESD protection circuit for protecting the IC from a surge voltage is provided in the IC.
ESD保護用の回路の一例として、NMOSトランジスタのゲート及びソースを接地電位(GND)に接続したGate Grounded NMOS(ggNMOS)トランジスタを用いるものが提案されている。例えば、図13に示す回路例では、静電保護回路としてggNMOSトランジスタ91を備え、被保護回路である内部回路92と並列に接続する構成である。
As an example of a circuit for ESD protection, a circuit using a gate-grounded NMOS (ggNMOS) transistor in which the gate and source of an NMOS transistor are connected to a ground potential (GND) has been proposed. For example, the circuit example shown in FIG. 13 includes a
このggNMOSトランジスタ91は、ゲートとソースが短絡されているため、通常時、信号線路SEに通常の信号電圧Vinが印加された状態下ではオフ状態を示す。ところが、この信号線路SEに、Vinよりはるかに大きい過電圧Vsurが印加されると、ggNMOSトランジスタ91のドレインと基板間のpn接合が逆バイアスされ、ブレークダウンが生じる。このとき、ドレイン直下で衝突電離が起こり、多数のホールが発生することで、基板の電位が上昇する。基板電位が0.6Vに達すると、ドレインをコレクタとし、ソースをエミッタとし、半導体基板をベースとする寄生バイポーラトランジスタが動作状態となる(スナップバック動作)。この動作により、ドレインに印加された過電圧Vsurを、寄生NPNバイポーラトランジスタを介して、ソースが接続された接地線VSSへと放電させることができる。この結果、信号線SEの電圧は、コレクタ・エミッタ間抵抗とコレクタ電流の積で規定される維持電圧Vhまで低下する。従って、過電圧Vsur由来の高電流が内部回路92内に流れることがなく、内部回路92が保護される。
Since the
なお、寄生NPNバイポーラトランジスタが動作し、ドレイン−ソース間に電流パスが形成された後は、コレクタ−エミッタ間の電流・電圧共に上昇し、シリコン内部の発熱がシリコンの融点である1420℃に達すると、NMOSトランジスタ91は破壊する。
After the parasitic NPN bipolar transistor operates and a current path is formed between the drain and the source, both the current and voltage between the collector and the emitter rise, and the heat generated in the silicon reaches 1420 ° C., which is the melting point of silicon. Then, the
このスナップバック現象を利用したESD保護素子は、低耐圧回路の保護素子としては非常に有効であるが、高耐圧回路の保護素子として用いる場合には、次のような問題を有している。 An ESD protection element using this snapback phenomenon is very effective as a protection element for a low breakdown voltage circuit, but has the following problems when used as a protection element for a high breakdown voltage circuit.
ESD保護素子を高耐圧回路の保護素子として利用する場合、このESD保護素子についても高耐圧素子として構成する必要がある。ESD保護素子を高耐圧素子として構成する場合、そのggNMOSトランジスタのゲート電極を厚い酸化膜上に形成することによって実現する。通常、ゲート電極端部をLOCOS(Local Oxidation of Silicon)酸化膜の上に配置する。このような構成の下で過電圧Vsurが印加されると、このゲート電極端部の下方に位置するLOCOS酸化膜の部分において電界が集中し、厚い酸化膜の欠陥層に電子が大量にトラップされ、局所的なリークや破壊を引き起こしてしまう。この結果、スナップバック現象の発生直後にESD保護素子が破壊されてしまうということが起こり得る。 When the ESD protection element is used as a protection element for a high voltage circuit, it is necessary to configure the ESD protection element as a high voltage device. When the ESD protection element is configured as a high breakdown voltage element, it is realized by forming the gate electrode of the ggNMOS transistor on a thick oxide film. Usually, the end portion of the gate electrode is disposed on a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) oxide film. When an overvoltage Vsur is applied under such a configuration, the electric field concentrates in the portion of the LOCOS oxide film located below the end of the gate electrode, and a large amount of electrons are trapped in the defect layer of the thick oxide film, It will cause local leaks and destruction. As a result, the ESD protection element may be destroyed immediately after the snapback phenomenon occurs.
また、スナップバック現象の発生直後にESD保護素子が破壊されなくとも、寄生バイポーラトランジスタの動作によってドレイン−ソース間のインピーダンスが急激に低下し、前述したように、ESD保護素子にかかる電圧は過電圧Vsurから維持電圧Vhまで低下する。 Further, even if the ESD protection element is not destroyed immediately after the occurrence of the snapback phenomenon, the impedance between the drain and the source is rapidly lowered by the operation of the parasitic bipolar transistor, and as described above, the voltage applied to the ESD protection element is the overvoltage Vsur. To the sustain voltage Vh.
通常、ESD保護素子として形成されるトランジスタの拡散構造は、被保護素子で用いるトランジスタと同一の構造である。仮に、被保護素子の定格電圧が、ESD保護素子の定格電圧より高い場合、スナップバック動作によってESD保護素子は破壊してしまう。なぜなら、被保護素子の定格電圧がESD保護素子の定格電圧より高い場合、前記の維持電圧Vhが被保護素子の定格電圧より低くなる。しかしながら一方で、電源回路からは被保護素子の定格電圧相当の電源電圧が供給されている。このため、ESD保護素子によって形成される寄生バイポーラトランジスタにも、この維持電圧より高い電源電圧が供給され続けるため、電源回路からESD保護素子へ過剰電流が流れる。これにより、ESD保護素子内部の発熱によりESD保護素子が破壊されてしまう。このような事態を避けるべく、維持電圧Vhは被保護素子の定格電圧よりも高く設定されなければならない。 Usually, the diffusion structure of a transistor formed as an ESD protection element is the same as that of a transistor used in the protected element. If the rated voltage of the protected element is higher than the rated voltage of the ESD protective element, the ESD protective element is destroyed by the snapback operation. This is because when the rated voltage of the protected element is higher than the rated voltage of the ESD protective element, the sustain voltage Vh is lower than the rated voltage of the protected element. However, on the other hand, a power supply voltage corresponding to the rated voltage of the protected element is supplied from the power supply circuit. For this reason, since a power supply voltage higher than the sustain voltage is continuously supplied to the parasitic bipolar transistor formed by the ESD protection element, an excessive current flows from the power supply circuit to the ESD protection element. As a result, the ESD protection element is destroyed due to heat generation inside the ESD protection element. In order to avoid such a situation, the maintenance voltage Vh must be set higher than the rated voltage of the protected element.
また、スナップバック現象を利用しないESD保護素子として、ダイオードを利用するものがある。しかし、ダイオードをESD保護素子として用いた場合、動作時のオン抵抗が非常に大きいため、内部回路を保護するために十分な電流を流そうとすると、オン時の抵抗を低下させるべくダイオードの占有面積を大きくする必要があり、非常に大きなレイアウト面積を必要とする。 Some ESD protection elements that do not use the snapback phenomenon use diodes. However, when a diode is used as an ESD protection element, the on-resistance during operation is very large. Therefore, if a sufficient current is applied to protect the internal circuit, the diode will occupy to reduce the on-resistance. The area needs to be increased, and a very large layout area is required.
このような問題を解決すべく、下記に示す技術が提案されている。 In order to solve such problems, the following techniques have been proposed.
特許文献1に開示されたESD保護素子の構成を図14に示す。図14に示すESD保護回路100は、コレクタコンタクト層を形成する高濃度N型不純物拡散層(N++層)107の下方からフィールド酸化膜108の下方に達する高濃度N型(N+型)シンク層103を設け、この水平方向の幅Xを十分に確保している点が特徴である。
The configuration of the ESD protection element disclosed in
より詳細には、ESD保護回路100は、P型基板101上にN型エピ層102を形成し、この表面からN+型シンク層103を形成する。また、N型エピ層102の表面において、N+型シンク層103から水平方向に離れて、ベースとなる低濃度P型不純物拡散層(P−層)104,高濃度P型不純物拡散層(P+層)105を形成する。P+層105中にはエミッタとなる高濃度N型不純物拡散層(N++層)106を形成する。また、N+型シンク層103上にはコンタクト用のN++層107を有し、このN++層107とN++層106の間にはフィールド酸化膜108を有している。
More specifically, the
図14に示すESD保護素子に過電圧が印加されると、P−層104とN+型シンク層103とのセパレーションで決まる耐圧(ブレークダウン電圧)でブレークダウンする。このときに流れる電流によって、寄生NPNバイポーラトランジスタはトランジスタ動作を開始し、コレクタからエミッタへ向けて電流が流れる。より具体的には、トランジスタ動作によって流れる電流は、コレクタコンタクトN++層107から、フィールド酸化膜108下方に位置するN+型シンク層103を通り、N型エピ層102、P−層104、P+層105、N++層106の経路によって、エミッタへ向けて流れる。
When an overvoltage is applied to the ESD protection element shown in FIG. 14, breakdown occurs at a breakdown voltage (breakdown voltage) determined by the separation between the P − layer 104 and the N +
図14に示すように、N+型シンク層103の一部をフィールド酸化膜108の下方に位置するように形成して、その形成幅Xを拡げることで、N+型シンク層103に内蔵抵抗が形成されて、当該領域において電圧降下が生じる。これにより、フィールド酸化膜108下方に高濃度N型シンク層103の領域がない場合に比べて、維持電圧Vhの高電圧化を実現することができる。
As shown in FIG. 14, a part of the N + -
特許文献2に開示されたESD保護素子及びこれを含む半導体装置の構成を図15に示す。図15に示すESD保護素子110は、ggNMOSトランジスタ111に加えて、これに直列に、ベースが開放されたバイポーラトランジスタ112を備える点が特徴である。
FIG. 15 shows a configuration of an ESD protection element disclosed in Patent Document 2 and a semiconductor device including the ESD protection element. The
より詳細には、NMOSトランジスタ117は、ESD保護素子110と並列に接続されており、ゲートが駆動回路116に、ドレインが負荷119を介して電源Voに、ソースが接地線にそれぞれ接続されている。ESD保護素子110は、ベースが開放されたNPN型バイポーラトランジスタ112と、ggNMOSトランジスタ111のが直列に接続されている。NPN型バイポーラトランジスタ112のコレクタはNMOSトランジスタ117のドレインに接続し、エミッタはggNMOSトランジスタ111のドレインに接続する。ggNMOSトランジスタ111は、ゲート及びソースが接地線に接続する。なお118は出力端子である。
More specifically, the
このように構成されるとき、ESD保護素子110の耐圧は、バイポーラトランジスタ112の耐圧と、ggNMOSトランジスタ111の耐圧の和として規定される。この場合、ブレークダウン後のESD保護素子の両端間の維持電圧Vhは、ggNMOSトランジスタ111によって形成される寄生バイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧と、バイポーラトランジスタ112のコレクタ−エミッタ間の電圧の和となる。よって、バイポーラトランジスタ112が存在しない場合に比べて、維持電圧Vhの高電圧化を図ることができる。
When configured in this manner, the withstand voltage of the
しかし、特許文献1の場合、N+型シンク層103の形成幅を拡げることにより寄生抵抗が増加するため、サージ電圧が印加された際に内部回路保護のための十分な電流を流すことができず、結果的に保護能力が低下するという懸念がある。そして、この対策としては、保護素子そのもののサイズを大きくして抵抗値を低下させる必要があり、このことはESD保護素子のレイアウト面積の拡大を必然的に招く結果となる。
However, in the case of
また、特許文献2の場合には、ESD保護素子としてggNMOSトランジスタに加えて別途バイポーラトランジスタを必要とするため、ggNMOSトランジスタのみでESD保護素子を実現する場合と比較して当然にレイアウト面積の拡大を余儀なくされる結果となる。 In addition, in the case of Patent Document 2, since an additional bipolar transistor is required as an ESD protection element in addition to a ggNMOS transistor, the layout area is naturally increased as compared with the case where the ESD protection element is realized with only a ggNMOS transistor. The result will be forced.
本発明は上記の問題点に鑑み、低耐圧回路から高耐圧回路までの各回路に対するESD保護機能を有し、しかも小さいレイアウト面積で実現できる、ESD保護回路及びこれを備える半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides an ESD protection circuit that has an ESD protection function for each circuit from a low voltage circuit to a high voltage circuit and that can be realized with a small layout area, and a semiconductor device including the same. With the goal.
上記目的を達成するため、本発明のESD保護回路は、複数の異なる電源電圧の電源端子を備える半導体装置に設けられるESD保護回路であって、
一端は第1電源端子が接続する第1ノードに、他端は接地線にそれぞれ接続され、半導体基板と電気的に分離された第1ESD保護素子と、
一端は前記第1電源端子よりも高電圧の第2電源端子が接続する第2ノードに、他端は前記第1ノードにそれぞれ接続され、半導体基板と電気的に分離された第2ESD保護素子とを有することを第1の特徴とする。
In order to achieve the above object, an ESD protection circuit of the present invention is an ESD protection circuit provided in a semiconductor device having a plurality of power supply terminals of different power supply voltages,
A first ESD protection element having one end connected to a first node connected to the first power supply terminal and the other end connected to a ground line and electrically separated from the semiconductor substrate;
One end is connected to a second node connected to a second power supply terminal having a higher voltage than the first power supply terminal, and the other end is connected to the first node, and a second ESD protection element electrically isolated from the semiconductor substrate It has the 1st characteristic to have.
また、本発明のESD保護回路は、上記の特徴に加えて、前記複数の電源端子は、それぞれが異なるノードに接続されており、
接続されている電源端子の電圧値が1段階異なる1組のノードの間には、一端が高電圧側のノードに、他端が低電圧側のノードにそれぞれ接続され、且つ、半導体基板と電気的に分離されたESD保護素子を備えており、
前記ESD保護素子が、電圧値が1段階異なる各組のノードの間に設けられていることを第2の特徴とする。
In addition to the above-described characteristics, the ESD protection circuit of the present invention is configured such that the plurality of power supply terminals are connected to different nodes, respectively.
Between a set of nodes whose voltage values of the connected power supply terminals differ by one step, one end is connected to the high voltage side node and the other end is connected to the low voltage side node, respectively, and A separate ESD protection element,
A second feature is that the ESD protection element is provided between each set of nodes whose voltage values differ by one level.
前記ESD保護素子のそれぞれは、スナップバック動作をする半導体素子、ダイオード、又はこれらの一方若しくは双方を複数備えた直列回路により構成することができる。スナップバック動作をする半導体素子の一例としては、ゲートとソースが短絡したMOSトランジスタ(ggMOS)、エミッタとベースが接続されたバイポーラトランジスタを利用することができる。 Each of the ESD protection elements can be constituted by a semiconductor element that performs a snapback operation, a diode, or a series circuit including a plurality of one or both of them. As an example of a semiconductor element that performs a snapback operation, a MOS transistor (ggMOS) whose gate and source are short-circuited and a bipolar transistor whose emitter and base are connected can be used.
また、本発明の半導体装置は、
上記第1の特徴を有したESD保護回路と、一端を前記第1ノードに、他端を前記接地線に接続する第1被保護素子と、一端を前記第2ノードに、他端を前記接地線に接続する第2被保護素子と、を備え、
前記第2被保護素子が、前記第1被保護素子よりも高耐圧素子であることを特徴とする。
The semiconductor device of the present invention is
The ESD protection circuit having the first feature, a first protected element having one end connected to the first node and the other end connected to the ground line, one end connected to the second node, and the other end connected to the ground A second protected element connected to the wire,
The second protected element is a higher breakdown voltage element than the first protected element.
また、本発明の半導体装置は、
上記第2の特徴を有したESD保護回路と、前記各ノードと前記接地線の間にそれぞれ耐圧の異なる被保護素子を備え、
前記被保護素子は、当該被保護素子に接続されている前記ノードに接続する電源端子からの出力電圧が高いほど高耐圧素子であることを特徴とする。
The semiconductor device of the present invention is
An ESD protection circuit having the second feature, and protected elements having different breakdown voltages between the nodes and the ground line,
The protected element is a high withstand voltage element as the output voltage from the power supply terminal connected to the node connected to the protected element is higher.
本発明のESD保護回路によれば、仮に過電圧が印加され、当該保護回路を介してサージ電流が流れた場合、その後に、過電圧が印加されたノードと接地線の間に生じる維持電圧は、当該ノードと接地線の間に形成されている各ESD保護素子の両端の維持電圧の合計となる。よって、個々のESD保護素子の維持電圧を高めることなく、過電圧印加後のノードに高い電圧を確保することができる。この電圧値を被保護素子の定格電圧よりも高い値とすることで、電源回路からESD保護素子に対して過電流が生じて当該素子が破壊されるのを防ぐことができる。 According to the ESD protection circuit of the present invention, if an overvoltage is applied and a surge current flows through the protection circuit, then the sustain voltage generated between the node to which the overvoltage is applied and the ground line is This is the sum of the sustain voltages at both ends of each ESD protection element formed between the node and the ground line. Therefore, a high voltage can be secured at the node after the overvoltage is applied without increasing the sustain voltage of each ESD protection element. By setting this voltage value to a value higher than the rated voltage of the protected element, it is possible to prevent an overcurrent from being generated from the power supply circuit to the ESD protective element, thereby destroying the element.
そして、この構成によれば、特許文献1のようにエミッタ−コレクタ間に水平方向の離隔を設ける必要が無いため、占有面積の拡大を招くということがない。
And according to this structure, since it is not necessary to provide the horizontal separation between an emitter and a collector like
また、各ESD保護素子が接続されるノードには、それぞれ耐圧の異なる被保護素子を接続することが可能である。すなわち、出力電圧の低い電源端子に接続するノードには、低耐圧の被保護素子を接続し、出力電圧の高い電源端子に接続するノードには高耐圧の被保護素子を接続することができる。このとき、出力電圧の低い電源端子に接続するノードに接続されたESD保護素子は、低耐圧の被保護素子に対するESD保護素子としても機能し、高耐圧の被保護素子に対するESD保護素子の一部としても機能する。 Further, protected elements having different breakdown voltages can be connected to nodes to which the respective ESD protection elements are connected. That is, a low breakdown voltage protected element can be connected to a node connected to a power supply terminal having a low output voltage, and a high breakdown voltage protected element can be connected to a node connected to a power supply terminal having a high output voltage. At this time, the ESD protection element connected to the node connected to the power supply terminal having a low output voltage also functions as an ESD protection element for the protected element having a low breakdown voltage, and a part of the ESD protective element for the protected element having a high breakdown voltage. Also works.
つまり、耐圧の高い素子に合わせてESD保護設計を行った場合に比べて、各ESD保護素子の耐圧を低く抑えることができる。例えば、特許文献2の場合、ESD保護素子それぞれに対してggNMOSトランジスタとバイポーラトランジスタの直列回路によって実現する構成であるため、各ESD保護素子のサイズが必然的に大きくなる。しかし、本発明の構成の場合、高耐圧用の保護素子として、低耐圧用の保護素子を兼用する構成であるため、複数の保護素子を用いる構成であっても、そのサイズの拡大を最小限に抑えることが可能である。 That is, the withstand voltage of each ESD protection element can be kept low as compared with the case where the ESD protection design is performed in accordance with an element with a high withstand voltage. For example, in the case of Patent Document 2, since each ESD protection element is configured by a series circuit of a ggNMOS transistor and a bipolar transistor, the size of each ESD protection element inevitably increases. However, in the case of the configuration of the present invention, since the protection element for high withstand voltage is also used as the protection element for low withstand voltage, the increase in size is minimized even in the configuration using a plurality of protection elements. It is possible to suppress it.
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の半導体装置の概念を示す概念的ブロック図である。図1に示す半導体装置1は、異なる電源電圧の複数の電源端子(VCC_h,VCC_m,VCC_l)を有している。
FIG. 1 is a conceptual block diagram showing the concept of the semiconductor device of the present invention. The
ノードNHは、高電圧の電源端子VCC_hに接続され、ノードNLは、VCC_hより低電圧の電源端子VCC_lに接続される。また、ノードNMは、VCC_hよりは低電圧で、VCC_lより高電圧である中間電圧の電源端子VCC_mに接続される。 The node NH is connected to a high-voltage power supply terminal VCC_h, and the node NL is connected to a power supply terminal VCC_l having a lower voltage than VCC_h. The node NM is connected to a power supply terminal VCC_m having an intermediate voltage that is lower than VCC_h and higher than VCC_l.
図1に示す半導体装置1は、内部回路として、高電圧出力用の電源端子VCC_hから供給される電圧を電源電圧として利用する被保護素子16、中間電圧出力用の電源端子VCC_mから供給される電圧を電源電圧として利用する被保護素子17、低電圧出力用の電源端子VCC_lから供給される電圧を電源電圧として利用する被保護素子18を備えている。被保護素子16、17、18は、電源電圧としてこの順に高い電圧が印加される構成であり、定格電圧もこの順に高いものとする。
A
本発明の半導体装置1は、異なる電圧が印加される各ノード間それぞれにESD保護素子を設けることを特徴とする構成である。すなわち、図1に示すように、半導体装置1が備えるESD保護回路10は、高電圧ノードNHと中間電圧ノードNMの間に設けられた第1のESD保護素子11と、中間電圧ノードNMと低電圧ノードNLの間に設けられた第2のESD保護素子12と、低電圧ノードNLと接地線VSSの間に設けられた第3のESD保護素子13とを有している。なお、これらのESD保護素子11〜13は、いずれも半導体基板とは電気的に分離させる。
The
図1のような構成とした場合、低耐圧の被保護素子18はESD保護素子13によってESDから保護され、中間耐圧の被保護素子17は、ESD保護素子12及び13の直列接続によってESDから保護され、高耐圧の被保護素子16は、ESD保護素子11,12,13の直列接続によってESDから保護される。
In the case of the configuration shown in FIG. 1, the low breakdown voltage protected
高電圧の電源端子VCC_hからサージ電圧Vsur_hが印加された場合、ESD保護素子11,ESD保護素子12,ESD保護素子13をこの順に通り、接地線VSSへとサージ電流が流れる。これにより、高耐圧の被保護素子16に対してサージ電圧Vsur_hが印加されることなく、ノードNHと接地線VSSの間の電圧を瞬時に低下させることができ、被保護素子16が保護される。なお、サージ電流が流れることで、接地線VSSとノードNHの間に生じる電圧は、サージ電圧Vsur_hから、ESD保護素子13の維持電圧Vh13,ESD保護素子12の維持電圧Vh12,及びESD保護素子11の維持電圧Vh11の和で規定される維持電圧Vh1へと低下する。
When the surge voltage Vsur_h is applied from the high-voltage power supply terminal VCC_h, a surge current flows through the ESD protection element 11, the
同様に、中間電圧の電源端子VCC_mからサージ電圧Vsur_mが印加された場合には、ESD保護素子12,ESD保護素子13をこの順に通り、接地線VSSへとサージ電流が流れる。これにより、中間耐圧の被保護素子17に対してサージ電圧Vsur_mが印加されることなく、ノードNMと接地線VSSの間の印加電圧を瞬時に低下させることができ、被保護素子17が保護される。なお、サージ電流が流れることで、接地線VSSとノードNMの間に生じる電圧は、サージ電圧Vsur_mから、ESD保護素子13の維持電圧Vh13及びESD保護素子12の維持電圧Vh12の和で規定される維持電圧Vh2へと低下する。
Similarly, when the surge voltage Vsur_m is applied from the intermediate voltage power supply terminal VCC_m, the surge current flows through the
同様に、低電圧の電源端子VCC_lからサージ電圧Vsur_lが印加された場合には、ESD保護素子13を通り接地線VSSへとサージ電流が流れる。これにより、低耐圧の被保護素子18に対してサージ電圧Vsur_lが印加されることなく、ノードNLと接地線VSSの間の印加電圧を瞬時に低下させることができ、被保護素子18が保護される。なお、サージ電流が流れることで、接地線VSSとノードNLの間に生じる電圧は、サージ電圧Vsur_lからESD保護素子13の維持電圧Vh13へと低下する。
Similarly, when the surge voltage Vsur_l is applied from the low-voltage power supply terminal VCC_l, a surge current flows through the
上述したように、被保護素子が高耐圧である場合には、サージ電流が流れた後の維持電圧をある程度高くする必要がある。ここで、前記のとおり、高耐圧の被保護素子16が接続されるノードNHと接地線VSSの間の維持電圧Vh1,中間耐圧の被保護素子17が接続されるノードNMと接地線VSSの間の維持電圧Vh2,低耐圧の被保護素子18が接続されるノードNLと接地線VSSの間の維持電圧Vh3はそれぞれ下記数1のように表わされる。
(数1)
Vh1=Vh13+Vh12+Vh11
Vh2=Vh13+Vh12
Vh3=Vh13
As described above, when the protected element has a high breakdown voltage, it is necessary to increase the sustain voltage after the surge current flows to some extent. Here, as described above, the sustain voltage Vh1 between the node NH to which the high breakdown voltage protected
(Equation 1)
Vh1 = Vh13 + Vh12 + Vh11
Vh2 = Vh13 + Vh12
Vh3 = Vh13
被保護素子は、定格電圧が高いほど当然に耐圧も高く設定されている。そして、数1によれば、耐圧が高い被保護素子ほど維持電圧が高くなる構成である。よって、Vh11,Vh12,Vh13が適切な値を示すESD保護素子を選択して用いることで、サージ電流が接地線VSSへ抜けた後も、各ノードNH,NM,NLの電圧(維持電圧)をそれぞれのノードに接続される被保護素子(16〜18)の定格電圧以上に設定することが可能である。このように設定することで、サージ電流が接地線VSSに抜けた後に、電源電圧が印加される各電源端子(VCC_h,VCC_m,VCC_l)からESD保護素子に対して過電流が流れるのを防止することができる。
The protected element is naturally set to have a higher withstand voltage as the rated voltage is higher. Then, according to
本発明の構成の場合、低耐圧の被保護素子18に対するESD保護素子13を、中間耐圧の被保護素子17,及び高耐圧の被保護素子16に対するESD保護素子の一部として兼用し、中間耐圧の被保護素子17に対するESD保護素子12を高耐圧の被保護素子16に対するESD保護素子の一部として兼用している。
In the case of the configuration of the present invention, the
よって、高耐圧の被保護素子16に対してノードNHを介して過電圧が印加された場合、このノードNHと接地線VSS間の耐圧Vt1は、ESD保護素子11の耐圧Vt11、ESD保護素子12の耐圧Vt12,ESD保護素子13の耐圧Vt13の和として規定される。同様に、中間耐圧の被保護素子17に対してノードNMを介して過電圧が印加された場合、このノードNMと接地線VSS間の耐圧Vt2は、ESD保護素子12の耐圧Vt12とESD保護素子13の耐圧Vt13の和として規定される。更に、低耐圧の被保護素子18に対してノードNLを介して過電圧が印加された場合、このノードNLと接地線VSS間の耐圧Vt3はESD保護素子13の耐圧Vt13として規定される。これをまとめると、以下の数2のように表わされる。
Therefore, when an overvoltage is applied to the protected
(数2)
Vt1=Vt13+Vt12+Vt11
Vt2=Vt13+Vt12
Vt3=Vt13
(Equation 2)
Vt1 = Vt13 + Vt12 + Vt11
Vt2 = Vt13 + Vt12
Vt3 = Vt13
つまり、本発明の構成によれば、高耐圧の被保護素子16用のESD保護素子の耐圧(ブレークダウン電圧)は、3つの保護素子(11,12,13)の耐圧の合計で規定されるため、各保護素子を高耐圧素子として設計する必要がない。すなわち、仮に保護素子をggNMOSトランジスタで形成した場合に、このトランジスタのゲート電極下方の酸化膜を厚膜化する必要がないため、サージ電圧印加時に局所的なリークや破壊が生じるおそれが低下する。
In other words, according to the configuration of the present invention, the breakdown voltage (breakdown voltage) of the ESD protection element for the protected
また、最も高い耐圧の被保護素子に合わせてESD保護設計をする場合と比べて、被保護素子の耐圧に応じてESD保護素子のサイズを小さくすることができるため、全体としてレイアウト占有面積の縮小に寄与する。 In addition, the size of the ESD protection element can be reduced according to the withstand voltage of the protected element, compared with the case where the ESD protection design is made in accordance with the highest withstand voltage protected element, so that the layout occupation area is reduced as a whole. Contribute to.
図2に、図1に示すブロック図を回路図で表現した一例を示す。また、このときのESD保護回路10の概略断面構造図を図3に示す。図2,図3では、ESD保護素子11,12,13としてggNMOSトランジスタ(TH,TM,TL)を採用した場合につき図示している。
FIG. 2 shows an example of a circuit diagram of the block diagram shown in FIG. FIG. 3 shows a schematic cross-sectional structure diagram of the
ESD保護回路10は、P型半導体基板21上に形成されている。ESD保護素子11及びESD保護素子12については、深いN型ウェル22(42)を基板21上に設け、このウェル内に更にN型ウェル23(43)とP型ウェル24(44)を形成している。ESD保護素子13については、基板21上にN型ウェル53とP型ウェル54を形成している。
The
P型ウェル24(44,54)内の表面領域にはソースとなる高濃度N型不純物拡散領域25(45,55)、コンタクト用の高濃度P型不純物拡散領域26(46,56)を有し、N型ウェル23(43,53)とP型ウェル24(44,54)にまたがるようにドレインとなる高濃度N型不純物拡散領域27(47,57)を有する。また、フィールド酸化膜31で囲まれた基板上の活性領域にはゲート酸化膜28が形成され、その上層のうち、ソース25(45,55)とドレイン27(47,57)に挟まれた領域の上方位置においてゲート電極29が形成されている。
The surface region in the P-type well 24 (44, 54) has a high-concentration N-type impurity diffusion region 25 (45, 55) serving as a source and a high-concentration P-type impurity diffusion region 26 (46, 56) for contact. In addition, a high concentration N-type impurity diffusion region 27 (47, 57) serving as a drain is provided so as to straddle the N-type well 23 (43, 53) and the P-type well 24 (44, 54). In addition, a
高電圧出力用の電源端子VCC_hは、ドレイン27に接続する。また、中間電圧出力用の電源端子VCC_mは、ドレイン47に接続すると共に、高耐圧のESD保護素子11のゲート電極29,ソース25,コンタクト26に接続する。低電圧出力用の電源端子VCC_lは、ドレイン57に接続すると共に、中間耐圧のESD保護素子12のゲート電極29,ソース45,コンタクト46に接続する。
The power supply terminal VCC_h for high voltage output is connected to the
なお、図2において、ESD保護回路10内に図示されているダイオードDHは、深いN型ウェル22とP型半導体基板21で構成され、ダイオードDMは深いN型ウェル42とP型半導体基板21で構成される。
In FIG. 2, the diode DH illustrated in the
このような構成の場合、図14のようにソース−ドレイン間に水平方向の離間距離を大きく設ける必要はないため、寄生抵抗を減少させるべく保護素子そのもののサイズを大きくするという必要はない。また、上述したように、高耐圧の被保護素子16に対するESD保護回路10としての耐圧は、ESD保護素子11,12,13それぞれの耐圧の合計、すなわちggNMOSトランジスタTH,TM,TLの耐圧の合計で規定されるため、各トランジスタの耐圧を低く設計しても、十分に高い耐圧を確保することができる。
In the case of such a configuration, it is not necessary to provide a large distance in the horizontal direction between the source and the drain as shown in FIG. 14, and therefore it is not necessary to increase the size of the protection element itself in order to reduce the parasitic resistance. Further, as described above, the withstand voltage of the
図4に、図2に示したESD保護回路10に対するTLP(Transmission Line Pulsing)評価実測データを示す。図4内においてF_lはESD保護素子を1段接続した場合、すなわちノードNLと接地線VSS間の印加電圧と電流の関係を示す曲線である。F_mは、ESD保護素子を2段接続した場合、すなわちノードNMと接地線VSS間の印加電圧と電流の関係を示す曲線であり、F_hは、ESD保護素子を3段接続した場合、すなわちノードNHと接地線VSS間の印加電圧と電流の関係を示す曲線である。
FIG. 4 shows TLP (Transmission Line Pulsing) evaluation actual measurement data for the
図4によれば、1段接続した場合のESD保護素子は最も耐圧(ブレークダウン電圧)が低く、以下、接続段数を増やしていくに連れて耐圧が高くなっていることが分かる。また、いったんブレークダウンが生じ、サージ電流が流れた後、再度電圧を上昇させていくと、ブレークダウン電圧に達したところで再びフレークダウンが生じていることが分かる。これにより、スナップバック現象の発生後にESD保護素子そのものが破壊されるという事態は生じていないことが分かる。 According to FIG. 4, it can be seen that the ESD protection element when connected in one stage has the lowest breakdown voltage (breakdown voltage), and the breakdown voltage increases as the number of connection stages increases. Further, when a breakdown occurs once and a surge current flows and then the voltage is increased again, it can be seen that flakedown occurs again when the breakdown voltage is reached. Thus, it can be seen that there is no situation where the ESD protection element itself is destroyed after the occurrence of the snapback phenomenon.
なお、上記実施形態では、3種類の異なる電圧が電源電圧として印加される場合を例に挙げたが、2種類の場合や、4種類以上の場合においても同様の方法でESD保護素子を実現することができる。 In the above embodiment, the case where three different voltages are applied as the power supply voltage has been described as an example. However, the ESD protection element is realized by the same method in the case of two types or four or more types. be able to.
図5は、高電圧出力用の電源端子VCC_hと、低電圧出力用の電源端子VCC_lを備える場合における本発明の半導体装置の概念的ブロック図である。また、図6は、図5に示すブロック図を回路図で表現した一例であり、図7は、図6に示す場合におけるESD保護装置の概略断面構造図である。図5〜図7は、それぞれ図1〜図3にならって作成しており、同一の箇所については同一の符号を付している。 FIG. 5 is a conceptual block diagram of the semiconductor device of the present invention in the case where a power supply terminal VCC_h for high voltage output and a power supply terminal VCC_l for low voltage output are provided. 6 is an example in which the block diagram shown in FIG. 5 is expressed by a circuit diagram, and FIG. 7 is a schematic cross-sectional structure diagram of the ESD protection device in the case shown in FIG. 5 to 7 are created in the same manner as FIGS. 1 to 3, and the same portions are denoted by the same reference numerals.
図5に示す半導体装置1aにおいても、図1の半導体装置1と同様、低耐圧の被保護素子18はESD保護素子13によってESDから保護され、高耐圧の被保護素子16は、ESD保護素子11,12,13の直列接続によってESDから保護される。そして、高耐圧の被保護素子16が接続されるノードNHと接地線VSSの間の維持電圧Vh1,低耐圧の被保護素子18が接続されるノードNLと接地線VSSの間の維持電圧Vh3に関しては、上記数1と同じように求められる。よって、サージ電流が接地線VSSに抜けた後に、電源電圧が印加される各電源端子(VCC_h,VCC_l)からESD保護素子に対して過電流が流れるのを防止することができる。
Also in the
また、ノードNHと接地線VSS間のブレークダウン電圧Vt1、ノードNLと接地線VSS間のブレークダウン電圧Vt3は上記数2と同様に求められる。よって、このような構成においても、各ESD保護素子を高耐圧素子として実現する必要がないため、レイアウト占有面積を縮小することができる。 Further, the breakdown voltage Vt1 between the node NH and the ground line VSS and the breakdown voltage Vt3 between the node NL and the ground line VSS are obtained in the same manner as the above formula 2. Therefore, even in such a configuration, it is not necessary to realize each ESD protection element as a high breakdown voltage element, so that the layout occupation area can be reduced.
なお、上記実施形態では、ESD保護素子の一例としてggNMOSトランジスタを用いるものとしたが、これに代えて、バイポーラトランジスタやダイオードを用いても良いし、更にこれらの素子の直列回路で形成しても良い。 In the above embodiment, a ggNMOS transistor is used as an example of an ESD protection element. Instead, a bipolar transistor or a diode may be used, or a series circuit of these elements may be used. good.
図8に示す半導体装置1bが備えるESD保護回路10bは、ノードNMとNLの間に、ggNMOSトランジスタTMに加えて抵抗R1を備える構成である。この場合、ノードNMとNLの間に設けられるESD保護素子12は、ggNMOSトランジスタTMと抵抗R1の直列接続構成によって実現される。サージ電圧が印加された場合におけるサージ電流の流れる方向、並びにその際の電圧変化の態様については、図1を参照して説明したのと同様の原理である。よって、図8の構成の場合、このESD保護素子12の耐圧Vt12は、ggNMOSトランジスタTMの耐圧と、抵抗R1の両端間電圧の合計値として規定される。同様に、ESD保護素子12の維持電圧Vh12も、ggNMOSトランジスタTMの維持電圧に、抵抗R1の両端間電圧を加えた値として規定される。
The
よって、図8に示すESD保護回路10bが、抵抗R1を除いては図2に示すESD保護回路10と同じ構成であるとすれば、この抵抗R1を直列に設けることで、ノードNMと接地線VSS間の耐圧Vt2及び維持電圧Vh2,ノードNHと接地線VSS間の耐圧Vt1及び維持電圧Vh1の値を更に大きく確保することができる(上記数1,数2参照)。
Therefore, if the
図9に示す半導体装置1cが備えるESD保護回路10cは、ノードNMとNLの間に、ggNMOSトランジスタTMに加えてダイオードD1を備える構成である。この構成の場合、ESD保護素子12の耐圧Vt12は、ggNMOSトランジスタTMの耐圧と、ダイオードD1の耐圧の合計値として規定される。同様に、ESD保護素子12の維持電圧Vh12も、ggNMOSトランジスタTMの維持電圧に、ダイオードD1の耐圧を加えた値として規定される。
The
図10に示す半導体装置1dが備えるESD保護回路10dは、ノードNMとNLの間に、ggNMOSトランジスタTMに加えて、ベースとエミッタが接続されたバイポーラトランジスタT1を備える構成である。この構成の場合、ESD保護素子12の耐圧Vt12は、ggNMOSトランジスタTMの耐圧と、バイポーラトランジスタT1の耐圧の合計値として規定される。同様に、ESD保護素子12の維持電圧Vh12も、ggNMOSトランジスタTMの維持電圧に、バイポーラトランジスタT1の維持電圧を加えた値として規定される。
The
図11に示す半導体装置1eが備えるESD保護回路10eは、ESD保護素子11〜13として、ダイオードを備える構成である。各電源とGND間に構成されるダイオードについては、ESD保護素子の低濃度N型拡散層とP型半導体基板間に形成されるダイオードで実現できる。
The
この場合に、ノードNHと接地線VSS間の耐圧Vt1は、ノードNH−NM間、ノードNM−NL間、ノードNL−接地線VSS間にそれぞれ設けられた各ダイオードD1〜D3の接合耐圧の合計値として規定される。また、ノードNMと接地線VSS間の耐圧Vt2は、ダイオードD2及びD3の接合耐圧の合計値として規定され、ノードNLと接地線VSS間の耐圧Vt3は、ダイオードD3の接合耐圧として規定される。 In this case, the withstand voltage Vt1 between the node NH and the ground line VSS is the sum of the junction withstand voltages of the diodes D1 to D3 provided between the nodes NH and NM, between the nodes NM and NL, and between the node NL and the ground line VSS. Defined as a value. Further, the withstand voltage Vt2 between the node NM and the ground line VSS is defined as the total value of the junction withstand voltages of the diodes D2 and D3, and the withstand voltage Vt3 between the node NL and the ground line VSS is defined as the junction withstand voltage of the diode D3.
接地線VSSを基準として高電圧電源VCC_hにプラスサージ電圧が印加された場合、ESD保護素子11(ダイオードD1),ESD保護素子12(ダイオードD2),ESD保護素子13(ダイオードD3)を経て接地線VSSにサージ電流が抜ける。同様に、中間電圧電源VCC_mにプラスサージ電圧が印加された場合には、ダイオードD2,D3を経て接地線VSSにサージ電流が抜ける。 When a positive surge voltage is applied to the high voltage power supply VCC_h with reference to the ground line VSS, the ground line passes through the ESD protection element 11 (diode D1), the ESD protection element 12 (diode D2), and the ESD protection element 13 (diode D3). Surge current is lost to VSS. Similarly, when a positive surge voltage is applied to the intermediate voltage power supply VCC_m, a surge current is released to the ground line VSS via the diodes D2 and D3.
図12に示す半導体装置1fが備えるESD保護回路10fは、ESD保護素子11〜13として、ベースとエミッタが接続されたバイポーラトランジスタを備える構成である。
The
この場合に、ノードNHと接地線VSS間の耐圧Vt1は、ノードNH−NM間、ノードNM−NL間、ノードNL−接地線VSS間にそれぞれ設けられた各バイポーラトランジスタB1〜B3の耐圧の合計値として規定される。また、ノードNMと接地線VSS間の耐圧Vt2は、バイポーラトランジスタB2及びB3の耐圧の合計値として規定され、ノードNLと接地線VSS間の耐圧Vt3は、バイポーラトランジスタB3の接合耐圧として規定される。 In this case, the withstand voltage Vt1 between the node NH and the ground line VSS is the sum of the withstand voltages of the bipolar transistors B1 to B3 provided between the nodes NH and NM, between the nodes NM and NL, and between the node NL and the ground line VSS. Defined as a value. Further, the withstand voltage Vt2 between the node NM and the ground line VSS is defined as the total value of the withstand voltages of the bipolar transistors B2 and B3, and the withstand voltage Vt3 between the node NL and the ground line VSS is defined as the junction withstand voltage of the bipolar transistor B3. .
高電圧の電源端子VCC_hからサージ電圧Vsur_hが印加された場合、ESD保護素子11(バイポーラトランジスタB1),ESD保護素子12(バイポーラトランジスタB2),ESD保護素子13(バイポーラトランジスタB3)をこの順に通り、接地線VSSへとサージ電流が流れる。サージ電流が流れた後のノードNHと接地線VSSの間の維持電圧Vh1は、バイポーラトランジスタB1の維持電圧Vh11,バイポーラトランジスタB2の維持電圧Vh12,バイポーラトランジスタB3の維持電圧Vh13の合計で規定される。 When the surge voltage Vsur_h is applied from the high-voltage power supply terminal VCC_h, the ESD protection element 11 (bipolar transistor B1), the ESD protection element 12 (bipolar transistor B2), and the ESD protection element 13 (bipolar transistor B3) pass in this order. A surge current flows to the ground line VSS. Sustain voltage Vh1 between node NH and ground line VSS after the surge current flows is defined by the sum of sustain voltage Vh11 of bipolar transistor B1, sustain voltage Vh12 of bipolar transistor B2, and sustain voltage Vh13 of bipolar transistor B3. .
同様に、中間電圧の電源端子VCC_mからサージ電圧Vsur_mが印加された場合には、バイポーラトランジスタB2及びB3を順に通ってサージ電流が接地線VSSへと流れ、その後の維持電圧Vh2は、バイポーラトランジスタB2の維持電圧Vh12,バイポーラトランジスB3の維持電圧Vh13の合計で規定される。 Similarly, when the surge voltage Vsur_m is applied from the intermediate voltage power supply terminal VCC_m, the surge current flows to the ground line VSS through the bipolar transistors B2 and B3 in turn, and the subsequent sustain voltage Vh2 is equal to the bipolar transistor B2 Of the sustain voltage Vh12 and the sustain voltage Vh13 of the bipolar transistor B3.
更に、低電圧の電源端子VCC_lからサージ電圧Vsur_lが印加された場合には、バイポーラトランジスタB3を通ってサージ電流が接地線VSSへと流れ、その後の維持電圧Vh3は、バイポーラトランジスB3の維持電圧Vh13で規定される。 Further, when the surge voltage Vsur_l is applied from the low voltage power supply terminal VCC_l, the surge current flows through the bipolar transistor B3 to the ground line VSS, and the subsequent sustain voltage Vh3 is the sustain voltage Vh13 of the bipolar transistor B3. It is prescribed by.
なお、図8〜図10では、ノードNLとNMの間に接続されるESD保護素子12を、ggNMOSトランジスタと他の素子の直列接続構成としたが、これはあくまで一例であり、例えばESD保護素子11や13をそのような構成とすることも可能である。
8 to 10, the
また、上記の各実施形態において、ggNMOSトランジスタに代えてggPMOSトランジスタを採用することも可能である。 In each of the above embodiments, a ggPMOS transistor can be employed instead of the ggNMOS transistor.
以上説明したように、本発明によれば、各電源端子において接地線VSSとの間にESD保護素子を独立して設けるのではなく、異なる電圧を供給する電源端子間にESD保護素子を設けることでESD保護素子を共用する構成であるため、各ESD保護素子の領域を縮小することができる。 As described above, according to the present invention, an ESD protection element is not provided between each power supply terminal and the ground line VSS, but is provided between power supply terminals that supply different voltages. Therefore, the area of each ESD protection element can be reduced.
1,1a,1b,1c,1d,1e,1f: 本発明の半導体装置
10,10a,10b,10c,10d,10e,10f: 本発明のESD保護回路
11,12,13: ESD保護素子
16: 高耐圧の被保護素子
17: 中間耐圧の被保護素子
18: 低耐圧の被保護素子
21: 半導体基板
22,42: 深いNウェル
23,43,53: Nウェル
24,44,54: Pウェル
25,45,55: ソース
26,46,56: コンタクト
27,47,57: ドレイン
28: ゲート酸化膜
29: ゲート電極
31: フィールド酸化膜
B1,B2,B3: バイポーラトランジスタ
NH,NM,NL: ノード
TH,TM,TL: ggNMOSトランジスタ
D1,D2,D3,DH,DM: ダイオード
VCC_h,VCC_m,VCC_l: 電源端子
VSS: 接地線
1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f: Semiconductor device of the
Claims (8)
一端は第1電源端子が接続する第1ノードに、他端は接地線にそれぞれ接続され、半導体基板と電気的に分離された第1ESD保護素子と、
一端は前記第1電源端子よりも高電圧の第2電源端子が接続する第2ノードに、他端は前記第1ノードにそれぞれ接続され、半導体基板と電気的に分離された第2ESD保護素子とを有することを特徴とするESD保護回路。 An ESD protection circuit provided in a semiconductor device having a plurality of power supply terminals of different power supply voltages,
A first ESD protection element having one end connected to a first node connected to the first power supply terminal and the other end connected to a ground line and electrically separated from the semiconductor substrate;
One end is connected to a second node connected to a second power supply terminal having a higher voltage than the first power supply terminal, and the other end is connected to the first node, and a second ESD protection element electrically isolated from the semiconductor substrate An ESD protection circuit comprising:
接続されている電源端子の電圧値が1段階異なる1組のノードの間に、一端が高電圧側のノードに、他端が低電圧側のノードにそれぞれ接続され、且つ、半導体基板と電気的に分離されたESD保護素子を備えており、
電圧値が1段階異なる各組のノードの間に前記ESD保護素子を設けていることを特徴とする請求項1に記載のESD保護回路。 The plurality of power supply terminals are connected to different nodes, respectively.
Between a set of nodes whose voltage values of the connected power supply terminals differ by one step, one end is connected to the high voltage side node and the other end is connected to the low voltage side node. An ESD protection element separated into
The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the ESD protection element is provided between each set of nodes having a voltage value different by one level.
一端を前記第1ノードに、他端を前記接地線に接続する第1被保護素子と、
一端を前記第2ノードに、他端を前記接地線に接続する第2被保護素子と、を備え、
前記第2被保護素子が、前記第1被保護素子よりも高耐圧素子であることを特徴とする半導体装置。 An ESD protection circuit according to claim 1;
A first protected element having one end connected to the first node and the other end connected to the ground line;
A second protected element having one end connected to the second node and the other end connected to the ground line,
The semiconductor device, wherein the second protected element is a higher breakdown voltage element than the first protected element.
前記各ノードと前記接地線の間にそれぞれ耐圧の異なる被保護素子を備え、
前記被保護素子は、当該被保護素子に接続されている前記ノードに接続する電源端子からの出力電圧が高いほど高耐圧素子であることを特徴とする半導体装置。
An ESD protection circuit according to claim 2;
A protected element having a different breakdown voltage is provided between each node and the ground line,
The semiconductor device, wherein the protected element is a high-breakdown-voltage element as the output voltage from the power supply terminal connected to the node connected to the protected element is higher.
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