JP2874583B2 - 半導体装置の入力保護回路 - Google Patents

半導体装置の入力保護回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の入力保護回
路に関し、特に電界効果型半導体装置に用いる入力保護
回路に関する。
【0002】
【従来の技術】MOS電界効果型トランジスタ(MOS
FET)を使用した半導体装置は、ゲートに電圧を印加
しゲート酸化膜を介して論理素子のスイッチングを制御
するため、静電気によるサージパルス(「静電パルス」
という)に対して弱いことが知られている。
【0003】MOSFETで用いられる酸化膜の膜厚は
一般に数百オングストローム程度と薄く、通常使用の電
源電圧には耐えられるが、静電パルスのような高電圧が
印加されると絶縁破壊を起こしてしまう。
【0004】この対策として、外部入力端子になんらか
の保護回路を設けて内部回路に静電パルスによる高電圧
が印加されないようにする方法が一般に採用されてい
る。
【0005】図3に、入力保護回路の従来例の一つを示
す。
【0006】図3を参照して、入力端子301は、抵抗
302を介して初段インバータ303を構成するNチャ
ネルMOSFET(「NMOS」と略記する)304、
PチャネルMOSFET(「PMOS」と略記する)3
05のそれぞれのゲート電極と接続されている。
【0007】また、入力端子301は、抵抗306を介
してNMOS307のドレインに接続されている。NM
OS307は、ゲートとソースとが互いに接続され、ソ
ースが接地(グラウンド)端子308に接続されてい
る。
【0008】次に、図3に示す入力保護回路の動作を説
明する。静電パルスが入力端子301に印加されると、
抵抗306を介してNMOS307のドレインに静電パ
ルスが印加される。NMOS307のドレインの空乏層
が拡がり、ある電圧に達するとソース−ドレイン間でパ
ンチスルーが生じ、負性抵抗領域に入るため、ソース−
ドレイン間の抵抗はほとんど零になる。
【0009】このため、外部からの静電パルスはNMO
S307を通って接地端子308に放電される。このと
き保護されるべきNMOS304、PMOS305のゲ
ート電極には抵抗302により静電パルスは伝わりにく
く、NMOS304、PMOS305のゲート電極は高
電圧とならず、NMOS304、PMOS305は破壊
されない。
【0010】図4に、NMOS307及び抵抗306の
IV(電流−電圧)特性を示す。図4において、NMO
S307の特性は実線402で、抵抗306の特性は実
線403でそれぞれ示されている。
【0011】図4を参照して、NMOS307が保護素
子として動作するときは、符号401で示すような領域
で動作している。抵抗306は負荷抵抗として働き、保
護素子として動作するNMOS307の動作点を決定
し、NMOS307が破壊されないように負性抵抗領域
で流れる電流を制限する働きをする。
【0012】抵抗306は、通常ポリシリコンあるいは
拡散層の抵抗を用いて実現されるが、NMOSのオン抵
抗を用いて実現することも可能である。
【0013】図5に、NMOSのオン抵抗を用いて負荷
抵抗を構成した従来の回路構成の一例を示す。
【0014】図5を参照して、入力端子301はNMO
S501を介してNMOS307と接続される。NMO
S501のゲート電極は電源と接続されているため常に
導通状態とされ、保護素子として動作するNMOS30
7からみて負荷抵抗として動作する。
【0015】図6に、NMOSのオン抵抗を用いて負荷
抵抗を構成した従来の回路構成の別の例を示す。
【0016】図6を参照して、NMOS601を介して
入力端子301とNMOS307が接続される。NMO
S601のゲート電極はドレインと互いに接続されてお
り、保護素子として動作するNMOS307からみて負
荷抵抗として動作する。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリシ
リコンあるいは拡散層はシート抵抗が小さいため所望の
抵抗値を得るためにはパターンが大きくなり、ひいては
入力保護回路ブロックの面積が増大するという欠点があ
る。
【0018】また、NMOSのゲート電極を電源に接続
した構成を負荷抵抗として用いる場合、ポリシリコンあ
るいは拡散層に比べて小さなパターンで所望の抵抗値を
実現することが可能であるが、静電パルスが印加された
場合、このNMOSのドレイン−ゲート間でゲート酸化
膜が破壊を受けやすいという欠点があった。
【0019】従って、本発明は上記従来技術の問題点を
解消し、静電パルスによる破壊に対して十分な耐量を持
ち信頼性の高い入力保護回路を、従来例と同様かそれ以
下の小面積で実現するようにする半導体装置の入力保護
回路を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、半導体装置の内部回路に接続する外部入
力端子にソースを接続しゲートとドレインとを互いに接
続したPチャネルMOSFETと、ドレインを前記Pチ
ャネルMOSFETのドレインに接続しゲートとソース
を共に接地端子に接続したNチャネルMOSFETと、
を備え、前記PチャネルMOSFETが、入力保護トラ
ンジスタとして機能する前記NチャネルMOSFETの
負荷抵抗として機能する、ことを特徴とする半導体装置
の入力保護回路を提供する。
【0021】すなわち、本発明の入力保護回路は、好ま
しい態様として、外部入力端子と接地端子間に、ソース
を外部入力端子に接続しゲートとドレインとを互いに接
続したPチャネルMOSFETからなる負荷抵抗と、ゲ
ートとソースを接続したNチャネルMOSFETからな
る入力保護トランジスタを直列接続したしたものであ
る。
【0022】
【作用】本発明によれば、入力保護用のトランジスタの
負荷抵抗をPチャネルMOSFETのオン抵抗で構成し
たことにより、小さなパターンで所望の高抵抗を実現す
ることができ、入力保護回路ブロックを縮小する。ま
た、本発明によれば、PチャネルMOSFETを負荷抵
抗として用いた場合、静電パルスによるPMOSのゲー
ト酸化膜は破壊をされにくくなり、入力保護回路の信頼
性が向上する。
【0023】
【実施例】図面を参照して、本発明の実施例を以下に説
明する。図1に本発明の一実施例の構成を示す。
【0024】図1を参照して、入力端子101は、抵抗
102を介して初段インバータ103を構成するNMO
S104、PMOS105のそれぞれのゲート電極と接
続している。また入力端子101は、PMOS106を
介してNMOS107のドレインに接続されている。
【0025】PMOS106のゲート電極はNMOS1
07のドレイン及びPMOS106のドレインに接続さ
れる。
【0026】NMOS107のゲート電極はソースと互
いに接続され、ソースは接地端子108に接続される。
【0027】次に、図1を参照して、本実施例に係る入
力保護回路の動作を説明する。
【0028】静電パルスが入力端子101に印加された
場合、PMOS106のゲートはオープン状態のためゲ
ート酸化膜の破壊は生じない。静電パルスがある電圧に
達するとPMOS106はパンチスルー状態になり、抵
抗素子として動作するようになり、NMOS107のド
レインに静電パルスが印加される。
【0029】NMOS107のドレインの空乏層が拡が
って、ある電圧に達するとソース−ドレイン間でパンチ
スルーが生じ、ソース−ドレイン間の抵抗はほとんど零
になる。
【0030】このため、外部からの静電パルスは、NM
OS107を通って接地端子108に放電される。
【0031】その際、PMOS106のゲート−ソース
間、ゲート−ドレイン間、ゲート−ウェル間の電位差は
小さいため、PMOS106のゲート酸化膜の破壊は生
じない。
【0032】また、このとき保護されるべきNMOS1
04、PMOS105のゲート電極には抵抗102によ
り静電パルスは伝わりにくく、NMOS104、PMO
S105のゲート電極の電圧は高くならないため、NM
OS104、PMOS105は破壊されない。
【0033】図2に、本発明の一実施例を説明するため
の断面図を示す。なお、図2において、図1と同一の要
素には同一の参照符号が附されている。そして、図2に
おいて、入力端子101、抵抗102、初段インバータ
103等は既に図1を参照して説明したのでその説明を
省略する。
【0034】図2において、201はP形基板、202
はNウェルをそれぞれ示し、203G、203D、20
3SはPMOSのゲート、ドレイン、ソースをそれぞれ
示している(このPMOSを「PMOS203」とい
う)。また、204G、204D、204SはNMOS
のゲート、ドレイン、ソースをそれぞれ示している(こ
のNMOSを「NMOS204」という)。
【0035】図2に模式的に示すように、これらは金属
配線層2051〜2053で相互に接続されている。す
なわち、入力端子101は金属配線層2051を介して
PMOS203のソース203Sと接続され、PMOS
203のゲート203Gとドレイン203Dは共に金属
配線層2052を介してNMOS204のドレイン20
4Dに接続され、NMOS204のゲート204Gとソ
ース204Sは共に接地端子108に接続されている。
【0036】206はP型拡散層であり、NMOSのソ
ース204S及び接地端子108と接続されている。ま
た、207はN型拡散層であり、入力端子101及びP
MOSのソース203Sと接続されている。
【0037】次に、図2を参照して動作を説明する。
【0038】静電パルスが入力端子101に印加された
場合、PMOS203のゲートはオープン状態のためゲ
ート酸化膜の破壊は生じない。静電パルスがある電圧に
達するとPMOS203はパンチスルー状態になり抵抗
素子として動作するようになり、NMSO204のドレ
インに静電パルスが印加される。NMOS204のドレ
インの空乏層が拡がり、ある電圧に達するとソース−ド
レイン間でパンチスルーが生じ、ソース−ドレイン間の
抵抗はほとんど零になる。
【0039】これによって外部からの静電パルスはNM
OS204を通って接地端子108に放電される。その
際、PMOS203のゲート−ソース間、ゲート−ドレ
イン間、ゲート−ウェル間の電位差は小さいため、PM
OS203のゲート酸化膜の破壊は生じない。またこの
とき保護されるべきNMOS104、PMOS105の
ゲート電極には抵抗102により、静電パルスは伝わり
にくく、NMOS104、PMOS105のゲート電極
の電圧は高くならないため、NMOS104、PMOS
105は破壊されない。
【0040】PMOSはNMOSに比べてキャリアの移
動度が小さくオン抵抗が大きいため、NMOSと同じ抵
抗値を得るのにNMOSより小さいパターンで済み、こ
のため素子分離を考慮してもNMOSと同等程度のパタ
ーンサイズで実現可能である。
【0041】以上、本発明を上記実施例に即して説明し
たが、本発明は上記態様にのみ限定されるものでなく、
本発明の原理に準ずる各種態様を含むことは勿論であ
る。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、P
MOSはNMOSに比べてキャリアの移動度が小さくオ
ン抵抗が大きいため、NMOSと同じ抵抗値を得るのに
NMOSより小さいパターンで済み、従って素子分離を
考慮してもNMOSと同等程度のパターンサイズで実現
可能であり、ポリシリコンあるいは拡散層による抵抗と
比べればより小さいパターンで実現できる。
【0043】また、本発明においては、PMOSを負荷
抵抗として使用する場合、静電パルスによるPMOSの
ゲート酸化膜は破壊されにくくなり、入力保護回路の信
頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成を示す図である。
【図2】本発明の一実施例を説明するために模式的に示
した断面図である。
【図3】従来の入力保護回路の構成を示す図である。
【図4】従来の入力保護回路におけるIV特性を示す図
である。
【図5】別の従来例の構成を示す図である。
【図6】さらに別の従来例の構成を示す図である。
【符号の説明】
101 入力端子 102 抵抗 103 初段インバータ 104 NMOS 105、106 PMOS 107 NMOS 108 接地端子 201 P型基板 202 Nウェル 203D ドレイン 203G ゲート 203S ソース 204D ドレイン 204G ゲート 204S ソース 206 P型拡散層 207 N型拡散層 2051〜2053 金属配線層 301 入力端子 302 抵抗 303 初段インバータ 304 NMOS 305 PMOS 306 負荷抵抗 307 NMOS 308 接地端子 501 NMOS
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H05F 3/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体装置の内部回路に接続する外部入力
    端子にソースを接続しゲートとドレインとを互いに接続
    したPチャネルMOSFETと、ドレインを前記Pチャ
    ネルMOSFETのドレインに接続しゲートとソースを
    共に接地端子に接続したNチャネルMOSFETと、を
    備え、前記PチャネルMOSFETが、入力保護トラン
    ジスタとして機能する前記NチャネルMOSFETの負
    荷抵抗として機能する、ことを特徴とする半導体装置の
    入力保護回路。
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