JP7089463B2 - 半導体装置及び半導体装置システム - Google Patents
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Description
システムレベルESDノイズやEMSノイズは、内部回路の動作中に発生し得る。そのため、放電素子が放電を開始する電圧(以下、「放電開始電圧」と言う)が内部回路の動作電圧すなわち電源電圧よりも低いと、放電時に内部回路の動作に支障をきたす虞がある。従って、放電開始電圧は、内部回路の破壊耐圧を超えない範囲で、高い方が好ましい。他方、放電開始電圧が内部回路の破壊耐圧に近付き過ぎると、放電中の電圧いわゆるクランプ電圧が内部回路の破壊耐圧を超えてしまう。
まず、発明者が事前に検討した比較例に係る半導体装置について説明する。
図1は比較例に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、比較例に係る半導体装置は、放電素子DE、電圧検出回路VDC、アンプ回路AMPを備えた電圧トリガ式の静電気保護回路である。
このように、図1に示した比較例に係る半導体装置では、電源電圧VDDに対する電圧検出回路VDCの動作電圧(放電開始電圧)のマージンと、内部回路の破壊耐圧に対するクランプ電圧のマージンとを両立させることが難しかった。
<半導体装置システムの構成>
以下に、第1の実施の形態に係る半導体装置について説明する。まず、図3を参照して、第1の実施の形態に係る半導体装置が搭載された半導体装置システムについて説明する。図3は、第1の実施形態に係る半導体装置が搭載された半導体装置システムのレイアウトを示す模式図である。
なお、第1の実施の形態に係る半導体装置は、I/Oセルに設けられていてもよい。
次に、図4を参照して、第1の実施の形態に係る半導体装置について説明する。
図4は、第1の実施の形態に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。図4に示すように、第1の実施の形態に係る半導体装置は、放電素子DE、電圧検出回路VDC、第1アンプ回路AMP1、第2アンプ回路AMP2を備えた電圧トリガ式の静電気保護回路である。すなわち、第1の実施の形態に係る半導体装置は、図1に示した比較例に係る半導体装置の構成に第2アンプ回路AMP2を加えた構成を有している。
なお、第1端子T1は信号端子であってもよい。
次に、図5を参照して、第1の実施の形態に係る半導体装置のノイズ発生時の動作について説明する。図5は、第1の実施の形態に係る半導体装置のノイズ発生時の動作を示すフローチャートである。図5に示すように、第1端子T1と第2端子T2との間にノイズが発生した際、端子間電圧が電圧検出回路VDCの動作電圧未満であれば(ステップST1NO)、電圧検出回路VDC及び第1アンプ回路AMP1が動作せず、放電素子DEは駆動されない(ステップST2)。
なお、図6に示した比較例では、電源電圧VDDに対する電圧検出回路VDCの動作電圧Voのマージンは充分に大きいが、クランプ電圧が内部回路の破壊耐圧を超えてしまっている。
次に、図8を参照して、第1の実施の形態に係る半導体装置についてより詳細に説明する。図8は、第1の実施の形態に係る半導体装置の詳細な構成を示す回路図である。すなわち、図8は、図4に示した半導体装置の具体的な回路構成例である。図4、図8に示すように、第1の実施の形態に係る半導体装置は、放電素子DE、電圧検出回路VDC、第1アンプ回路AMP1、第2アンプ回路AMP2を備えている。
PMOSトランジスタ(第2のPMOSトランジスタ)PM2のゲートに、電圧検出回路VDCから出力される検出信号detが入力され、PMOSトランジスタPM2のソースは、第1電源配線PSL1に接続されている。すなわち、PMOSトランジスタPM2のソース・ゲート電圧の大きさは、検出信号detの大きさに等しい。PMOSトランジスタPM2のドレインは、抵抗R2の一端に接続されている。抵抗R2の他端は第2電源配線PSL2に接続されている。PMOSトランジスタPM2のドレインと抵抗R2との接続ノードは、第1出力回路OP1の入力に接続されている。
PMOSトランジスタ(第3のPMOSトランジスタ)PM3のゲートに、電圧検出回路VDCから出力される検出信号detが入力され、PMOSトランジスタPM3のソースは、第1電源配線PSL1に接続されている。すなわち、PMOSトランジスタPM3のソース・ゲート電圧の大きさは、検出信号detの大きさに等しい。PMOSトランジスタPM3のドレインは、抵抗R3の一端に接続されている。抵抗R3の他端は第2電源配線PSL2に接続されている。PMOSトランジスタPM3のドレインと抵抗R3との接続ノードは、第2出力回路OP2の入力に接続されている。
なお、PMOSトランジスタPM4は、多段縦積み構成としてもよい。
図10に示すように、PMOSトランジスタPM4のドレインは、第2電源配線PSL2に代えて、電圧検出回路VDCの整流素子RE同士の接続ノードに接続されていてもよい。
また、図11に示すように、PMOSトランジスタPM4のソースは、電圧検出回路VDCの出力に代えて、電圧検出回路VDCの整流素子RE同士の接続ノードに接続されていてもよい。
次に、図13、図14を参照して、第1の実施の形態に係る半導体装置のノイズ発生時の動作についてより詳細に説明する。図13、図14は、第1の実施の形態に係る半導体装置の詳細な動作を示す回路図である。ここで、図13、図14は、図8に示した回路図に破線矢印を用いて電流の流れを書き加えたものである。
次に、図15、図16を参照して、第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置について説明する。図15、図16は、第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の回路図である。ここで、図15、図16は、同じ回路図に破線矢印を用いて電流の流れを書き加えたものである。図15は、端子間電圧が電圧検出回路VDCの動作電圧以上となり、第1アンプ回路AMP1のみが動作している様子を示している。図16は、第1アンプ回路AMP1に加え、第2アンプ回路AMP2も動作している様子を示している。
NMOSトランジスタ(第2のNMOSトランジスタ)NM2のゲートに、電圧検出回路VDCから出力される検出信号detが入力され、NMOSトランジスタNM2のソースは、第2電源配線PSL2に接続されている。すなわち、NMOSトランジスタNM2のゲート・ソース電圧の大きさは、検出信号detの大きさに等しい。
第1出力回路OP1の構成は図8と同様である。第1出力回路OP1から放電素子DEを駆動するための駆動信号drvが出力される。
NMOSトランジスタ(第3のNMOSトランジスタ)NM3のゲートに、電圧検出回路VDCから出力される検出信号detが入力され、NMOSトランジスタNM3のソースは、第2電源配線PSL2に接続されている。すなわち、NMOSトランジスタNM3のゲート・ソース電圧の大きさは、検出信号detの大きさに等しい。NMOSトランジスタNM3のドレインは、抵抗R3の一端に接続されている。抵抗R3の他端は第2電源配線PSL2に接続されている。NMOSトランジスタNM3のドレインと抵抗R3との接続ノードは、第2出力回路OP2の入力に接続されている。
なお、NMOSトランジスタNM4は、多段縦積み構成としてもよい。
次に、図15、図16を参照して、第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置のノイズ発生時の動作について詳細に説明する。以下の動作説明では、図15、図16に加え、図5のフローチャートも参照しつつ説明する。
<半導体装置の構成>
次に、図17を参照して、第2の実施の形態に係る半導体装置について説明する。
図17は、第2の実施の形態に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。図17に示すように、第2の実施の形態に係る半導体装置は、第1の実施の形態に係る半導体装置における第1アンプ回路AMP1に過渡検出回路TDCを備えた電圧トリガ式かつRCトリガ式の静電気保護回路である。
その他の構成は、第1の実施の形態に係る半導体装置と同様であるため、説明を省略する。
次に、図18を参照して、第2の実施の形態に係る半導体装置のノイズ発生時の動作について説明する。図18は、第2の実施の形態に係る半導体装置のノイズ発生時の動作を示すフローチャートである。
端子間に立ち上がりの緩やかなEMSノイズが発生した場合、図19に実線で示すように、第1の実施の形態に係る半導体装置と同様の放電特性を示すため、詳細な説明は省略する。
次に、図20を参照して、第2の実施の形態に係る半導体装置についてより詳細に説明する。図20は、第2の実施の形態に係る半導体装置の詳細な構成を示す回路図である。すなわち、図20は、図17に示した半導体装置の具体的な回路構成例である。
第1出力回路OP1の構成は図8と同様である。第1出力回路OP1から放電素子DEを駆動するための駆動信号drvが出力される。
次に、図20を参照して、第2の実施の形態に係る半導体装置のノイズ発生時の動作についてより詳細に説明する。以下の動作説明では、図20に加え、図18のフローチャートも参照しつつ説明する。
次に、図21を参照して、第2の実施の形態の変形例1に係る半導体装置についてより詳細に説明する。図21は、第2の実施の形態の変形例1に係る半導体装置の詳細な構成を示す回路図である。
次に、図21を参照して、第2の実施の形態の変形例1に係る半導体装置のノイズ発生時の動作についてより詳細に説明する。以下の動作説明では、図21に加え、図5のフローチャートも参照しつつ説明する。
まず、端子間に立ち上がりの急峻なESDノイズが発生した場合、図20に示した第2の実施の形態に係る半導体装置と同様に動作するため、詳細な説明は省略する。
次に、図22を参照して、第2の実施の形態の変形例2に係る半導体装置についてより詳細に説明する。図22は、第2の実施の形態の変形例2に係る半導体装置の詳細な構成を示す回路図である。
次に、図22を参照して、第2の実施の形態の変形例2に係る半導体装置のノイズ発生時の動作についてより詳細に説明する。以下の動作説明では、図22に加え、図5のフローチャートも参照しつつ説明する。
まず、端子間に立ち上がりの急峻なESDノイズが発生した場合、図20に示した第2の実施の形態に係る半導体装置と同様に動作するため、詳細な説明は省略する。
AMP2 第2アンプ回路
C1 キャパシタ
D ダイオード素子
DE 放電素子
NM、NM1-NM5、MN11、MN21 NMOSトランジスタ
PM、PM1-PM4、PN11、PN21 PMOSトランジスタ
R1-R4、R41、R42 抵抗
RE 整流素子
TDC 過渡検出回路
VDC 電圧検出回路
Claims (14)
- 第1端子と第2端子との間の電圧が、電源電圧より高く内部回路の破壊耐圧より低い閾値を超えた場合、検出信号を出力する電圧検出回路と、
入力された前記検出信号を増幅し、駆動信号を出力する第1アンプ回路と、
前記第1アンプ回路に入力される前記検出信号を帰還増幅する第2アンプ回路と、
前記第1端子と前記第2端子との間に接続され、前記駆動信号の大きさに応じて放電能力が変化する放電素子と、を備え、
前記第2アンプ回路は前記第1アンプ回路よりも遅れて動作を開始する、
半導体装置。 - 前記第1アンプ回路は、過渡検出回路を含む、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記過渡検出回路は、前記第1端子と前記第2端子との間において直列に接続された抵抗とキャパシタとを含むRC回路である、
請求項2に記載の半導体装置。 - 前記電圧検出回路は、
直列に接続された複数の整流素子からなる整流素子ストリングと、
前記第1端子と前記第2端子との間において前記整流素子ストリングと直列に接続された抵抗とを含む、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記整流素子は、ダイオード素子とダイオード接続されたMOSトランジスタとのいずれかである、
請求項4に記載の半導体装置。 - 前記第1端子が高電位側端子であり、前記第2端子が低電位側端子であり、
前記放電素子は、前記第1端子にソースが接続され、前記第2端子にドレインが接続された第1のPMOSトランジスタを備える、
前記第1アンプ回路は、
前記第1端子にソースが接続され、前記検出信号がゲートに入力される第2のPMOSトランジスタと、
前記第2のPMOSトランジスタのドレインに一端が接続され、前記第2端子に他端が接続された第1抵抗と、
前記第2のPMOSトランジスタと前記第1抵抗との接続ノードに入力が接続され、前記第1のPMOSトランジスタのゲートに前記駆動信号を出力する第1出力回路と、を備えた、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第2アンプ回路は、
前記第1端子にソースが接続され、前記検出信号がゲートに入力される第3のPMOSトランジスタと、
前記第3のPMOSトランジスタのドレインに一端が接続され、前記第2端子に他端が接続された第2抵抗と、
前記第3のPMOSトランジスタと前記第2抵抗との接続ノードに入力が接続された第2出力回路と、
前記第2出力回路の出力信号がゲートに入力される第4のPMOSトランジスタと、を備え、
第4のPMOSトランジスタのソースは、前記第3のPMOSトランジスタのゲートに直接もしくは前記電圧検出回路を構成する複数の整流素子の少なくとも1つを介して接続されており、
第4のPMOSトランジスタのドレインは、前記第2端子に直接もしくは前記複数の整流素子の少なくとも1つを介して接続されている、
請求項6に記載の半導体装置。 - 前記第1端子が高電位側端子であり、前記第2端子が低電位側端子であり、
前記放電素子は、前記第2端子にソースが接続され、前記第1端子にドレインが接続された第1のNMOSトランジスタを備え、
前記第1アンプ回路は、
前記第2端子にソースが接続され、前記検出信号がゲートに入力される第2のNMOSトランジスタと、
前記第2のNMOSトランジスタのドレインに一端が接続され、前記第1端子に他端が接続された第1抵抗と、
前記第2のNMOSトランジスタと前記第1抵抗との接続ノードに入力が接続され、前記第1のNMOSトランジスタのゲートに前記駆動信号を出力する第1出力回路と、を備えた、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第2アンプ回路は、
前記第2端子にソースが接続され、前記検出信号がゲートに入力される第3のNMOSトランジスタと、
前記第3のNMOSトランジスタのドレインに一端が接続され、前記第1端子に他端が接続された第2抵抗と、
前記第3のNMOSトランジスタと前記第2抵抗との接続ノードに入力が接続された第2出力回路と、
前記第2出力回路の出力信号がゲートに入力される第4のNMOSトランジスタと、を備え、
第4のNMOSトランジスタのソースは、前記第3のNMOSトランジスタのゲートに直接もしくは前記電圧検出回路を構成する複数の整流素子の少なくとも1つを介して接続されており、
第4のNMOSトランジスタのドレインは、前記第1端子に直接もしくは前記複数の整流素子の少なくとも1つを介して接続されている、
請求項8に記載の半導体装置。 - ロジック回路及びアナログ回路を含む内部回路が形成された内部回路領域と、
前記内部回路領域の周囲に設けられた周辺I/O領域と、
前記周辺I/O領域に設けられ、第1端子に接続された第1電源セルと、
前記周辺I/O領域に設けられ、第2端子に接続された第2電源セルと、
前記第1電源セル及び前記第2電源セルの少なくとも一方に設けられた半導体装置と、を備え、
前記半導体装置は、
前記第1端子と前記第2端子との間の電圧が、電源電圧より高く前記内部回路の破壊耐圧より低い閾値を超えた場合、検出信号を出力する電圧検出回路と、
入力された前記検出信号を増幅し、駆動信号を出力する第1アンプ回路と、
前記第1アンプ回路に入力される前記検出信号を帰還増幅する第2アンプ回路と、
前記第1端子と前記第2端子との間に接続され、前記駆動信号の大きさに応じて放電能力が変化する放電素子と、を備え、
前記第2アンプ回路は、前記第1アンプ回路よりも遅れて動作を開始する、
半導体装置システム。 - 前記第1アンプ回路は、過渡検出回路を含む、
請求項10に記載の半導体装置システム。 - 1つの半導体チップ上に形成されている、
請求項10に記載の半導体装置システム。 - 第1端子と第2端子との間の電圧が、所定の電圧を超えた場合に検出信号を出力する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路に接続され前記検出信号が供給される第1入力ノードと、第1出力ノードとを有し、第1入力ノードに供給される信号を増幅し、前記第1出力ノードを介して駆動信号を出力する第1アンプ回路と、
前記検出信号が供給され、前記検出信号を増幅した増幅信号を前記第1入力ノードに出力する第2アンプ回路と、
前記第1端子と前記第2端子との間に接続され、前記駆動信号に基づき前記第1端子と前記第2端子との間に流れる放電電流を制御する放電素子と、を備え、
前記第1アンプ回路は、前記第1入力ノードに前記検出信号が供給された場合に第1駆動信号を出力し、前記第1入力ノードに前記第2アンプ回路の増幅信号が供給された場合に第2駆動信号を出力し、
前記第2駆動信号に基づく放電電流は、前記第1駆動信号に基づく放電電流よりも大きく、
前記第2アンプ回路は、前記第1アンプ回路よりも遅れて動作を開始する、
半導体装置。 - 前記第1アンプ回路及び前記第2アンプ回路は、それぞれ、前記第1端子と前記第2端子との間に接続され、
前記第1アンプ回路は、前記第1端子と前記第2端子との間の電圧が前記所定の電圧の場合に前記第1駆動信号を出力し、
前記第2アンプ回路は、前記第1端子と前記第2端子との間の電圧が前記所定の電圧とは異なる電圧値の場合に前記増幅信号を出力する、請求項13に記載の半導体装置。
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