JP3868774B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、詳しくは、ゲートアレイLSI、エンベディトアレイLSI、フルカスタムLSI等のLSIのベースチップに対するアプリケーション処理の段階で複数の電源電圧を簡単に利用でき、かつ、I/Oセル割当てに応じてプログラマブルで柔軟性のあるESD(静電放電;ELECTRO-STATIC DISCHARGE)/EOS(過電圧過電流;ELECTRICAL OVER-STRESS)の保護回路を容易に形成できるような半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、ゲートアレイLSI、エンベディトアレイLSI、フルカスタムLSI等のLSIのベースチップ(特定の回路を形成するためのプログラム書込等が行われていない設計段階の仮想的なLSI)にあっては、コア部とI/O部とが分離されて形成される。そのベースチップ、あるいはこのベースチップを利用してアプリケーション設計がなされてそのベースチップに従って製造されたLSIは、図5に示すような構造をしている。コア部には各種の機能回路(通常ロジック回路)が形成される。I/O部には、外部からの静電誘導電圧や過電流などの電気的なストレスに対して半導体装置を保護するためのESD/EOSの保護回路などが設けられている。
【0003】
図5は、この種のLSIベースチップあるいはこのベースチップに従って製造されたLSI(以下これらをベースチップで代表して説明する。)の一例を示すものであって、図5において、1は、ゲートアレイLSI、エンベディトアレイLSI、フルカスタムLSI等のベースチップであり、2は、その周囲に形成されたI/O部、3は、その内部に設けられたコア部、そしてI/O部2とコア部3との間には、ダミーコレクタのガードリング4が形成されている。このダミーコレクタは、I/O部2とコア部3に形成されるCMOS回路におけるトランジスタに対してサブストレートを媒介として形成される寄生トランジスタ(本来動作対象とされないダミートランジスタ)のコレクタとして作用する領域である。 5,5,5…は、通常の電源電圧、例えば、3V電源用の回路に利用されるI/Oセルであり、斜線で示す6,6,6…は、例えば、5V電源用の回路に利用されるI/Oセルである。そして、7は、外部に接続するためにパッケージ9(ケース)に設けられたピンである。
なお、I/O部2には、パッド8,8,8…が各I/Oセルに対応して形成され、各I/Oセルには、通常、CMOSのバッファアンプとダイオード等による入力保護回路あるいは出力保護回路、さらに、ダイオード,コンデンサ等によるESD/EOSの保護回路が形成されているが、図ではそれらは省略してある。
【0004】
さて、斜線で示すI/Oセル6は、ベースチッブに対するアプリケーション処理段階において複数の電源電圧の電源を利用する場合、例えば、3Vの通常の電源以外の他の電源として、5V電源を利用するためにI/Oセル5のうちから5V電源用として選択されたI/Oセルである。この種のLSIとしては、電源電圧5Vで動作するアナログ信号処理回路を内蔵するLSIなどを挙げることができる。また、DSPを内蔵する回路では、DSPを電源電圧1.8V程度で動作させる。
ところで、ダミーコレクタのガードリング4は、I/O部2とコア部3とを分離するためにこれらの間に設けられ、通常、単一電源に対応してその電源ラインに接続されて、ESD/EOSの保護回路を形成する。したがって、1つの電源ラインに対してこれを保護回路として利用することは可能であるが、複数の電源電圧を利用する場合には、ベースチップ1のI/O部2において、コーナー部やデットスペースにESD/EOSの保護回路を別に形成することが必要になる。
I/Oセル6は、そのような保護回路が形成される領域であって、3V電源を主体とした場合に、通常、5V程度の高い電圧に対して利用される。図中、コア部3のうち領域3a(図面中央の右側の大きな矩形のブロック)が3V電源で動作する回路領域とすれば、領域3b(図面中央の左側の小さな縦長のブロック)は、5V電源で動作する回路が形成されていて、通常、これは全体の10%程度と少ない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このような構造のLSIのベースチップにあっては、各I/Oセルは、パッケージのピンと対応している。そのため、ベースチップ1のコーナー部やデットスペースを利用すると、使用するパッケージのピン7の位置が制限されてしまう。
一般的には、異なる電源電圧に応じてそれの電源ピン側が優先して選択されるので、コーナー部やデットスペースを利用するI/Oセル6は、選択された電源ピン7から独立の引回し配線により接続されることになる。しかも、この場合、電源電圧が高いほど、保護素子数を多くするか、あるいは面積の大きな保護素子を形成することが必要になる。
そのため、アプリケーション対応に配線設計とピン割当て、I/Oセルの選択などをそれぞれに行わなければならず、それにより実際のLSIの製造過程での工数も増加する。
【0006】
そこで、複数の電源電圧に対応して複数の電源ラインおよびグランドラインをリング状にI/O部2に設けておき、それぞれのI/Oセルに形成したESD/EOSの保護回路をそれぞれに対応する電源ラインに割当てて接続することが行われる。しかし、このようにすると、電源ライン1本あたりのライン幅が狭くなってしまい、電源系の保護素子数を電源電圧に対応して十分に配置できない問題がある。
この種の問題を解決するために、出願人は、幅のある電力供給ラインとグランドラインとをI/O部とコア部それぞれに、それぞれ並列に設けておき、ESD/EOSの保護回路をI/O部とコア部にそれぞれ形成する技術を、特願平11-2597号(特開平12-208706号)「半導体集積回路」として出願している。
しかし、このようにすると、コア部の領域が制限されるほか、異なる電源系対応に特別にレイアウト設計をする必要がある。それは、アプリケーション処理の段階での製造工数を増加させる。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、複数の電源電圧を利用するアプリケーション対応の回路形成に適し、かつ、I/Oセル割当てに応じてプログラマブルで柔軟性のあるESD/EOSの保護ができる半導体装置を提供することにある。
この発明の他の目的は、アプリケーション処理の段階で複数の電源電圧を簡単に利用でき、かつ、I/Oセル割当てに応じてプログラマブルで柔軟性のあるESD/EOSの保護ができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するためのこの発明の半導体装置の構成は、周辺部に多数のI/Oセルが形成されたI/O領域とその内側に各種の機能回路が形成されたコア領域と、I/O領域とコア領域の間に設けられたガードリングとを有する半導体装置において、前記ガードリングとしてN形およびP形のうちのいずれか一方の第1のガードリングとこの第1のガードリングに隣接して形成された前記N形および前記P形のうちのいずれか他方の第2のガードリングとを有し、第1のガードリングが、I/Oセル単位か、複数のI/Oセルに対応して分割された多数の島状のウエル領域の集合として形成され、そのウエル領域の少なくとも1つは第1の電源ラインに接続され、残りのウエル領域の少なくとも1つは第2の電源ラインに接続されているものである。
また、この発明の半導体装置の製造方法の発明は、前記のウエル領域の少なくも1つと第1の電源ラインとの接続およびウエル領域の他の少なくも1つと第2の電源ラインとの接続は、LSIの製造工程におけるコンタクト処理か、これ以降の製造プロセスにおいてが行われるものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
このような構成のこの発明の半導体装置にあっては、第1のガードリングがI/Oセル単位か、複数のI/Oセルに対応して多数の島状のウエル領域に分割されている。そこで、島状のウエル領域を選択的に接続することが可能になる。
その選択接続は、半導体集積回路の製造途中のアプリケーションレベルの処理で行うことができる。すなわち、ベースチップに従って製造されたLSIの製造工程におけるコンタクト処理か、これ以降の製造プロセスで異なる電源電圧のピン位置に応じて行うことができる。このとき、それぞれに電圧の異なる電源ピンの位置に対応するI/Oセル位置と第1のガードリングの分割された島状領域とを選択して接続することで、分割された島状領域をESD/EOSの保護回路としてそれぞれの電源電圧に対応して利用することができる。しかも、周囲の分割された島状領域を必要な電流容量に応じて複数並列に接続するだけ、異なる電源電圧に対応して必要な電流容量のダイオード等の保護回路をそれぞれに独立に形成することができる。
具体的には、第1のガードリングの、分割された島状のウエル領域の選択と接続は、例えば、第1のガードリングの上部にある金属配線層において簡単に接続配線の処理をするだけで可能である。そこで、特別なレイアウト設計をする必要はない。
その結果、アプリケーション処理の段階で複数の電源電圧を利用でき、かつ、I/Oセル割当て応じてプログラマブルで柔軟性のあるESD/EOS保護ができる半導体装置を容易に実現することができる。
【0009】
【実施例】
図1において、10は、ゲートアレイLSI、エンベディトアレイLSI、フルカスタムLSI等のベースチップ(あるいはこれに従って製造されたLSI)であり、図1に示す図は、図5における左下角の位置での拡大図に対応している。12は、I/O部2とコア部3との間に形成されたN+層の取出領域を有する多数の島状のウエル領域(島状の領域)12a,12b,…12n,…からなる第1のガードリングである。この島状に形成された多数のウエル領域は、所定の間隔をもって配列され、これらの集合全体として図5に示すカードリング4と同様に全体として矩形のリング状にベースチップ10に配置されている。そして、図1の島状領域12iに示すように、それぞれ両端部に互い違いになる突起部15a,15bを有している。
【0010】
このガードリング12に沿って同様に矩形のリング状に1つのP+層の取出領域16(図2参照)が所定の間隔を空けて内側(コア部3側)に設けられている。これによりこのP+層の取出領域16に沿ってP型の第2のガードリング11がP型サブストレート(P−sub)13の表面に第1のガードリング12に沿ってこれに隣接して形成されている。
この第2のガードリング11は、ガードリング12とコア部3との間にP型サブストレート(P−sub)13の一部の領域として形成され、これら第1、第2のガードリング12、11は、それぞれサブストレート13との関係で形成される寄生トランジスタのダミーコレクタとなっている。なお、I/O部2とコア部3とにはぞれぞれCMOS回路が多数形成されている。
ところで、以下説明する実施例では、図5と同一の構成要素は、同一の符号で示し、それらの説明を割愛する。
【0011】
図1にみるように、ガードリング12の矩形に配列された島状の領域12a,12b,…12n,…のうち、例えば、島状の領域12a,12b,12nは、外側の各I/Oセル5に対応した長さでI/Oセル単位に形成されている。また、例えば、角の部分にある島状の領域12hは、2つのI/Oセル5に対応した長さで分割された島状の領域として形成されている。形成される島状の領域は、実質的にI/Oセル単位か、その複数個の長さに対応している。
以下では、これら島状の領域12a,12b,…12n,…の代表として島状領域12iをもって説明する。
島状領域12iは、図2の断面図に示すように、I/Oセル単位に対応する長さか、あるいはI/Oセル複数個に実質的に対応する長さで島状に形成されたN型のウエル領域14iとこのNウエル領域14iの表面側にこれの取出領域として設けられたN+層15iとからなる。
図2に示すように、ガードリング12を形成するNウエル領域14iに所定の幅をもって隣接してP+層16がP型のガードリング(ダミーコレクタガードリング)11のP+取出領域として形成されている。これにより前記したように、Nウエル領域14iとP+層16との間の領域、そしてP+層16の周囲にガードリング11が形成される。このP型のガードリング11は、各島状領域12iを分割している間の空間まで延びている。
【0012】
各島状領域12iの電源電圧の割り当ては、図3に示すように、異なる電圧の電源電圧ピンとして、例えば、電圧3V,5Vの電源ピンが存在するとすれば、これらに割り当てられる電源電圧、3Vに対応して隣接する複数のN+層15iを、それぞれこれの上層の金属配線層において形成される配線ライン20により、そして5Vに対応して隣接する複数のN+層15iを、それぞれこれの上層の金属配線層において形成される配線ライン21によりそれぞれ接続する。そして、ダミーコレクタのガードリング11の取出領域であるP+層16を同じく上層の金属配線ライン22を介してグランドGNDに接続する。このことで、電源電圧3V対応のガードリングエリア17と、電源電圧5V対応のガードリングエリア18を、割当てられた電源電圧ピン7a,7bそれぞれに対応するI/Oセル5、I/Oセル6の位置に対応して選択的に形成できる。このとき同時にダイオードの保護回路も形成できる。
すなわち、ダミーコレクタのガードリング11と各島状領域12iのNウエル領域14iとの間には分割されたウエル領域14i対応に個別にそれぞれPN接合が形成されるので、それらが保護ダイオードとなる。また、図3に示すように、それぞれのPN接合により同時にコンデンサも形成される。しかも、各島状領域12iの選択数だけ保護ダイオードの保護電流容量は大きく設定できる。コンデンサの容量も同時に大きくできる。そこで、電源電圧の高いものについては、それに対応した容量の保護ダイオードを確保することができる。
さらに、このとき、隣接する島状のNウエル領域14iとの間にはP型の領域が形成されているので、寄生のNPNトランジスタも形成され、これが保護回路の役割を果たす。
【0013】
図3では、配線ライン20は、3Vの電源ラインとして外部からベースチップ10に3Vの電圧の電力を供給する3Vの電源ピン7aに対応する位置のI/Oセル5のパッド8を介して電源ピン7aに接続されていて、このI/Oセル5に対応するNウエル領域14iのN+層15iに接続されている。そして、このNウエル領域14iのN+層15iに隣接する複数のNウエル領域14iのN+層15iにも接続されている。
配線ライン21は、5Vの電源ラインとして外部からベースチップ10に5Vの電圧の電力を供給する5Vの電源ピン7bに対応する位置のI/Oセル6のパッド8を介して電源ピン7bに接続されていて、このI/Oセル6に対応するNウエル領域14iのN+層15iに接続されている。そして、このNウエル領域14iのN+層15iに隣接する複数のNウエル領域14iのN+層15iにも接続されている。
【0014】
ところで、上層の金属配線層における配線ライン20,21,22は、ベースチップ10に従って製造される半導体集積回路の製造途中(あるいはベースチップ10による設計段階)のアプリケーションレベルで接続処理をすればよい。その結果、LSIの製造工程におけるコンタクト処理か、これ以降の製造プロセスでレイアウト設計をすることなく、簡単に電源電圧ピン対応に選択的な配線接続をするだけで済む。特に、電源電圧の高いピンに対しては、隣接する島状領域12iを多数並列に接続して必要な電流容量あるいは面積をかせげばよい。これにより電源電圧に応じた適切な保護回路が形成できる。
その結果、図3に示すように、保護回路としてのダイオードD1とコンデンサC1とが電源電圧3Vの保護回路となり、ダイオードD2とコンデンサC2とが電源電圧5Vの保護回路となる。
このように、それぞれの電源電圧対応に、かつ、I/Oセルの位置に対応して保護回路を形成できる。高い電源電圧のものについては、より大きなエリアを割り当てて複数のダイオードD2とコンデンサC2からなる保護回路の電流容量とキャパシタンスとを大きく採ることができる。これにより電源電圧に応じたESD/EOSの保護ができる。なお、一例として図1の角では、角の2つのI/Oセル5に対応して1つの島状の領域12hが形成されている。
【0015】
図4は、ガードリング11をガードリング12の島状領域12a,12b,…12nに対応してP+の取出領域を持つ島状のP型ウエル領域11a,11b,…11i,11j,…として複数個に分割した実施例である。このように第2のガードリング11側も分割することで、異なる電源電圧に対応して各島状領域12iと同様に、ガードリング11の分割された島状領域11a,…11i,…のうちの1つ、あるいはいくつかを選択することができる。これによりそれぞれにグランドGNDを分けることができる。例えば、デジタル信号系の回路のグランドGNDとアナログ信号系のグランドGNDとをそれぞれ分けることができる。あるいはこのようにグランドGNDを分けることによりデバイスのグランドGNDと特定の回路のグランドGNDとを分けることができる。
さらに、保護ダイオードを形成する場合にそれぞれのN+層15iに対応してガードリング11の分割された島状領域11a,…11i,…のうちの1つ、あるいはいくつかをグランドへ接続する領域としてそれぞれ選択することで、それぞれに個別に保護ダイオードを形成できる。
【0016】
そこで、それぞれの島状領域12iとこれに対応するそれぞれの島状領域11i(島状領域11a,11b,…11i,11j,…の代表として)とによりそれぞれに形成されるそれぞれの保護ダイオードを必要に応じて相互に並列に接続すれば多数の保護ダイオードを一体的な1つの容量の大きな保護ダイオードとして利用することが可能になる。
なお、島状のP型ウエル領域11iの構造は、P型である点を除いては、Nウエル領域14iの図2の場合と同様であって、P−sub13の表面にPウエル領域を、例えば、埋め込み層を底面として周囲を絶縁領域で囲んでNウエル領域14iに隣接して形成する。そして、この中に島状のP+の取出領域16(P+層)を形成することによる。
また、前記した図1では、分割された島状の領域をもつガードリングの一部分のみを示しているが、矩形のガードリング全体の島状の領域の全部がそれぞれ異なる特定の電圧の電源ラインに接続されている必要はない。さらに、I/O領域2に設けられたI/Oセル5あるいはI/Oセル6のうち保護回路が形成されないものが存在してもよいことはもちろんである。
【0017】
以上説明してきたが、実施例では、電源ピン7a、7bの位置に対応するI/Oセル5、I/Oセル6が選択され、これらI/Oセル5、I/Oセル6の位置に対応する島状のウエル領域がそれぞれにそれぞれの電源ライン20、21を介して電源ピン7a、7bに接続される例を挙げている。しかし、電源ピン7a、7bの位置とこれらに接続されるウエル領域との位置は、必ずしも対応している必要はない。なお、電源ラインを介して電源ピン7a、7bに接続される少なくとも1つの島状のウエル領域との位置関係は、できるだけ近傍にあることが好ましい。
また、実施例では、P型のダミーコレクタのガードリング11の外側(I/O部2側)にN型のダミーコレクタのガードリング12を形成しているが、逆に、N型のダミーコレクタのガードリング12をガードリング11の内側(コア部3側)の位置になるように形成してもよいことはもちろんである。
さらに、実施例では、半導体基板としてP−subの例を挙げているが、N−subの半導体基板が用いられてもよいことはもちろんであり、N−subのときには、図1のウエル領域はN形となり、ガードリングもそれぞれN形がP形に、P形がN形になる。
【0018】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、この発明にあっては、第1のガードリングがI/Oセル単位か、複数のI/Oセルに対応して多数の島状の領域に分割されているので、半導体集積回路の製造途中のアプリケーションレベルで異なる電源電圧のピン位置に応じてその位置に対応するI/Oセル位置と第1のガードリングの分割された島状領域とを選択することができ、分割された島状領域をESD/EOSの保護回路としてそれぞれに利用することができる。しかも、周囲の分割された島状領域を接続するだけ、異なる電源電圧に対応して必要な容量の保護回路をそれぞれ独立に形成することができる。
この場合、第1のガードリングの分割された島状領域の選択と接続は、例えば、上部の金属配線層で簡単に接続配線処理だけすれば可能であって、特別なレイアウト設計をする必要はない。
その結果、アプリケーション処理の段階で複数の電源電圧を利用でき、かつ、I/Oセル割当て応じてプログラマブルで柔軟性のあるESD/EOS保護ができる半導体装置を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明の半導体装置を適用した半導体装置の構成の部分拡大図である。
【図2】図2は、分割された第1のガードリング部分の断面構造の説明図である。
【図3】図3は、電源電圧に応じたガードリングエリアの接続状態の説明図である。
【図4】図4は、さらに、第2のガードリングを分割した場合の説明図である。
【図5】図5は、コア部とI/O部とが分離して形成された従来のLSIあるいはそのベースチップの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
1,10…LSIベースチップの説明図LSIベースチップ、
2…I/O部、3…コア部、4,11,12…ガードリング、
5…3V電源用の回路に利用されるI/Oセル、
6…5V電源用の回路に利用されるI/Oセル、
7…パッケージに設けられたピン、
8…パッド、13…P型サブストレート(P−sub)、
14…Nウエル領域、15…ガードリング層
16…P+層の取出領域、17,18…ガードリングエリア、
20,21,22…配線ライン。
Claims (11)
- 周辺部に多数のI/Oセルが形成されたI/O領域とその内側に各種の機能回路が形成されたコア領域と、前記I/O領域と前記コア領域の間に設けられたガードリングとを有する半導体装置において、
前記ガードリングとしてN形およびP形のうちのいずれか一方の第1のガードリングとこの第1のガードリングに隣接して形成された前記N形および前記P形のうちのいずれか他方の第2のガードリングとを有し、前記第1のガードリングは、前記I/Oセル単位か、複数の前記I/Oセルに対応して分割された多数の島状のウエル領域の集合として形成され、前記ウエル領域の少なくとも1つは第1の電源ラインに接続され、残りの前記ウエル領域の少なくとも1つは第2の電源ラインに接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記ウエル領域は、取出領域を有するダミーコレクタであり、これの集合が全体として矩形のリングとして形成され、前記少なくとも1つのウエル領域は、前記取出領域を介して前記取出領域より上の層の配線ラインにおいて前記第1および第2の電源ラインのいずれかに接続されている請求項1記載の半導体装置。
- 前記ウエル領域は、P型のサブストレートに形成されたN型のものであり、前記取出領域はN+の層として形成され、前記第2のガードリングは、前記ウエル領域に隣接して前記P型のサブストレートの領域の一部として形成され、前記ウエル領域と前記第2のガードリングとからなるダイオードを含む保護回路が形成される請求項2記載の半導体装置。
- 前記第2のガードリングは、前記ウエル領域に隣接して矩形のリングとして形成されたP+の層からなる取出領域を有するダミーコレクタであって、前記P+の層がグランドラインに接続され、前記第1および第2の電源ラインのいずれかに接続される前記ウエル領域は、前記いずれかに接続される電源ラインの電源ピンの位置に対応するか、その近傍のものが選択されている請求項3記載の半導体装置。
- 複数の前記ウエル領域は前記N+の層からなる取出領域を介して前記第1の電源ラインに接続され、残りの前記ウエル領域は、前記N+の層からなる取出領域を介して前記第2の電源ラインに接続され、前記第2のガードリングは、前記第1のガードリングと前記コア領域との間に形成されている請求項3記載の半導体装置。
- 前記第1の電源ラインは、前記第2の電源ラインより電圧が高いものであって、前記コア領域には前記第1の電源ラインの電圧で動作する回路と前記第2の電源ラインの電圧で動作する回路が設けられている請求項3記載の半導体装置。
- 前記第2のガードリングは、分割された多数の島状のP型のウエル領域からなる請求項2記載の半導体装置。
- 周辺部に多数のI/Oセルが形成されたI/O領域とその内側に各種の機能回路が形成されたコア領域と、前記I/O領域と前記コア領域の間に設けられたガードリングとを有する半導体装置の製造方法において、
前記ガードリングとしてN形およびP形のうちのいずれか一方の第1のガードリングといずれか他方の第2のガードリングが隣接して形成され、前記第1のガードリングは、前記I/Oセル単位か、複数の前記I/Oセルに対応して分割された多数の島状のウエル領域の集合として形成され、
前記ウエル領域の少なくとも1つと第1の電源ラインとの接続および前記ウエル領域の他の少なくとも1つと第2の電源ラインとの接続がLSIの製造工程におけるコンタクト処理か、これ以降の製造プロセスにおいて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ウエル領域は、取出領域を有するダミーコレクタであり、これの集合が全体として矩形のリングとして形成され、前記ウエル領域と前記第2のガードリングからなるダイオードを含む保護回路が形成される請求項8記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ウエル領域は、P型のサブストレートに形成されたN型のものであり、前記取出領域はN+の層として形成され、前記第2のガードリングは、前記ウエル領域に隣接して前記P型のサブストレートの領域の一部として形成され、前記第1および第2の電源ラインのいずれかに接続される前記ウエル領域は、前記いずれかに接続される電源ラインの電源ピンの位置に対応するか、その近傍のものが選択されている請求項9記載の半導体装置の製造方法。
- 複数の前記ウエル領域は前記第1の電源ラインに接続され、残りの前記ウエル領域は、前記第2の電源ラインに接続され、前記第2のガードリングは、前記第1のガードリングと前記コア領域との間に形成されている請求項10記載の半導体装置の製造方法。
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