JPH03163372A - 入出力保護素子評価装置およびその評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔目次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術　　　　　　　（第６〜８図）発明が解決し
ようとする課題 課題を解決するための手段 作用 実施例 本発明の原理説明　　　（第１〜４図）本発明の一実施
例　　　（第５図） 発明の効果 〔概要〕 人出力保護素子評価装置およびその評価方法に関し、 保護素子が内部回路を保護する保護能力を評価すことが
でき、保護素子の保護能力の分類分けを可能にしてＩＣ
設計の際の静電気耐性に最適な保護素子等を手間および
コストをかけることなく選択可能な入出力保護素子評価
装置を提供することを目的とし、 所定の容量を持つキャパシタに電荷を蓄え、該電荷をＩ
Ｃの入出力端子を介して該ＩＣを保護するための保護素
子へ放電して該ＩＣおよび保護素子の耐静電気強度を評
価する入出力保護素子評価装置であって、前記評価装置
は、前記キ糸パシタ・入出力端子間に接続されたインダ
クタンス素子を含んで構成する。

また、請求項１記載の評価装置を構戒する前記キャパシ
タに蓄えられた電荷が放電されるときの放電電流波形を
観測する工程と、該放電電流波形が共振波形から減衰波
形に変換する変換点を求める工程とを有し、該変換点に
基づいて前記保護素子を抵抗成分として評価する入出力
保護素子評価方法を構或する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、入出力保護素子評価装置およびその評価方法
に係り、詳しくは、ＩＣを静電気から護るために用いら
れている保護素子の保護能力に汎用性のある評価基準を
与える入出力保護素子評価装置およびその評価方法に関
する。

近時、微細加工技術の進歩に伴って半導体回路の集積度
がますます高まってきている。反面、回路の微細化は静
電破壊耐量を低下させる傾向にあり、このため、デバイ
スの製造からフィールドコースまでの全般に亘って、い
わゆるＥ　Ｓ　Ｄ　（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｓｔａｔｉｃ　
Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）対策の重要性が増してきた。上記
のような静電気放電のストレスにより、集積回路には劣
化あるいは破壊が生ずる。そのメカニズムは熱的破壊が
主なものであるが、酸化膜破壊のような電圧破壊もあり
、放電過程、デバイス構造によって、いずれか弱いほう
のメカニズムにより破壊が生ずることになる。この破壊
電圧を向上させるために各入出力端子には保護回路を設
ける。ＭＯＳデバイスの場合、最も破壊しやすいのはゲ
ート絶縁膜で、Ｓｉ○２の場合、７ＭＶ／ａｍ以上の電
界が印加され、その間の消費電力が約２μＪのときゲー
ト破壊が起こるとされている。

したがって、これを保護するため電圧をクランプするよ
うな回路が必要となる。ＭＯＳ形集積回路では、出力端
子には比較的大きなソース・ドレインが接続されるため
、これが保護回路の役目をする。ソース・ドレインのｐ
ｎ接合の形或に多少の注意が必要であるが、通常は良好
なＥＳＤ耐圧を持つ。一方の入力端子には意図的に保護
回路を設ける必要がある。

〔従来の技術〕

ＩＣの高集積化・微細化に伴い、数百〜数千■にも及ぶ
静電気によるｆＣの破壊の問題がさらに重要性を増して
きた。静電気からＩＣを護る方法としては、例えば第６
図に示すような保護回路１を用いる方法がある。この図
において、各入出力端子２に保護素子３、４を挿入して
、外部から入った静電気のエネルギを接地線５若しくは
電源線６に放出し、静電気の影響が内部回路７まで及ば
ないようにしている。この場合、保護素子の動作は、順
方向がメインである。

また、第７図に示すように、保護素子８がダイオードま
たはトランジスタで構或されている場合、保護素子８と
しての動作は順方向のみでなく、電源端子（Ｖｄｄ端子
）９のように逆方向動作でしか働かせられない保護回路
１０もある。

ところで、ある保護素子を備えたＩＣの持つ静電気に対
する耐性を調べる方法としては、例えば第８図に示すよ
うな耐圧測定回路１１を用いるものがある。この図にお
いて、耐圧測定回路１■は、電源Ｖ１電源■にスイッヂ
ＳＩを介して接続されたキャパシタＣおよびキャパシタ
ＣにスイソチＳ１を介して接続されたＩＣ１２により構
成され、キャパシタＣに電源■からある高電圧を印加し
て電荷，を蓄え、スイッチＳｔ、Ｓｚを切り換えること
によりＩＣ１２に対して放電を行い、ＩＣ１２が壊れた
かどうかを判定する。この耐圧測定回路■１を用いる方
法は、電荷を蓄える時の電圧を評価基準とした静霊気耐
圧試験ということができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の入出力保護素子評価装
置にあっては、保護素子あるいはテストデハイスに高電
圧を印加して耐圧を試験する構戒となっていたため、内
部回路と保護素子とを一緒にしたものの耐圧を計測して
いることから、保護素子のもつ、内部回路を護る能力、
いわゆる保護能力を知ることはできない。

例えば、第７図に示すように電源端子９を接続した回路
の如く保護素子８の動作が順方向のみでなく■電圧に対
しては逆方向動作を用いるような回路の場合、逆方向は
プレークダウン現象を用いており、しかも大電圧・大電
流領域であり順方向に比べて現象が不安定で複雑である
。このように、異なった動作が混在するものを単に静電
気に対する耐圧として評価しているのみでは、絶対的な
保護素子自身の評価基準とはならず、内部回路と保護素
子の組み合わせを変える度に保護素子の設計を考え直さ
ねばならないという問題点があった。

現在、保護素子の能力を示す一般的かつ統一的な評価方
法がなく、各ＩＣ毎に必要な保護素子の設計を模索して
いる状態である。すなわち、ＩＣとしての静電気強度は
保護素子の保護能力と内部回路の強度の関係で決まり、
内部回路が充分に保護された場合は、保護素子自身の強
度で耐圧が決まる。したがって、ＩＣとしての静電気耐
圧試験では上述した３つの要素のきりわけができない。

そこで本発明は、保護素子が内部回路を保護する保護能
力を評価すことができ、保護素子の保護能力の分類分け
を可能にしてＩＣ設計の際の静電気耐性に最適な保護素
子等を手間およびコストをかけることなく選択可能な人
出力保護素子評価装置およびその評価方法を提供するこ
とを目的としている。

〔課題を解決するための手段］ 本発明による入出力保護素子評価装置およびその評価方
法は上記目的達或のため、所定の容量を持つキャパシタ
に電荷を蓄え、該電荷をＩＣの入出力端子を介して該Ｉ
Ｃを保護するための保護素子へ放電して該ＩＣおよび保
護素子の耐静電気強度を評価する入出力保護素子評価装
置であって、前記評価装置は、インダクタンス素子を含
んで構或する。

また、請求項ｌ記載の評価装置を構成する前記キャパシ
タに蓄えられた電荷が放電されるときの放電電流波形を
観測する工程と、該放電電流波形が共振波形から減衰波
形に変換する変換点を求める工程とを有し、該変換点に
基づいて前記保護素子を抵抗成分として評価する人出力
保護素子評価方法を構成する 〔作用〕 本発明では、静電気からＩＣを護るための保護素子の評
価を行う回路として、一定値の容量を持つキャパシタに
電荷を蓄え、その電荷をＩＣ入出力端子へ放電してその
ＩＣの耐静電気強度を評価する入出力保護素子評価装置
がインダクタンス素子を含んで構或される。

したがって、瞬間現象である蓄積電荷の保護素子への放
電試験において、Ｌ成分が挿入されることにより、共振
現象を用いて保護素子が抵抗として評価され、保護素子
がＩＣを保護する保護能力を評価することができる。そ
の結果、保護素子の保護能力の分類分けが可能になる。

（原理説明） 最初に本発明の原理から説明する。

本発明は、保護素子が内部回路を保護する力を知ること
のできる入出力保護素子評価方法を提供しようとするも
のである。ここで、この保護素子の保護能力とは静電気
の持つ電荷を接地線若しくは電源線に放出するスピード
、すなわち電流を流１す能力である。これは保護素子を
抵抗成分として評価するのが適切であり、具体的には、
以下のようにして評価することができる。

瞬間現象である蓄積電荷の保護素子への放電試験におい
て、耐圧測定回路にＬ（インダクタンス成分を挿入する
ことにより、共振現象を用いて保護素子を抵抗として評
価を行う。すなわち、放電電流波形を観測し、共振波形
から減衰波形への変換点を探し、保護素子を抵抗として
評価する手段を与えるものである。

したがって、この保護能力がわかれば、一々試作しなく
ても、内部回路の強度との組み合わせからＩＣの静電気
強度を予想できるようになる。さらに保護素子自身の破
壊の原因となる電流パスにある最小のＰＮジャンクショ
ンの面積と組み合わせれば、保護素子自身の能力の絶対
的な比較が可能となる。

［実施例］ 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１〜４図は上記基本原理に基づく本発明に係る人出力
保護素子評価装置およびその評価方法の一実施例を示す
図であり、本実施例は本発明をＬＣＲ直列回路により構
成される入出力保護素子評価装置に適用した例である。

本実施例の説明にあたり、第８図に示した従来例と同一
構戒部分には同一符号を付している。

まず、構或を説明する。第ｌ図において、２１は入出力
保護素子評価装置であり、入出力保護素子評洒装置２１
にはキャバンタＣと直列にＬ（インダクタンス）成分が
挿入され、ＬＣＲ回路からなる共県回路が形戒されてい
る。

以上の構戊において、第１図に示すＬＣＲ回路のキャパ
シタＣに初期電荷Ｑ。を蓄えていた場合、直列ＬＣＲ回
路を想定すると、次式のが戒り立つ。

（本頁、以下余白） ・・・・・・■ ■式により、 （１）Ｒ” −４ 〉０の場合 となり、 減衰特性となる。

Ｌ （２） Ｒ２ −４ くＯの場合 Ｃ Ｒ 但し、 α　＝ ２Ｌ となり、減衰項を含んだ共振特性となる。

第■、■式に示す電流の式に基づいてＲ２と４Ｌ／Ｃの
大小関係により、放電電流が振動型か減衰型かに分けら
れる。ここで、保護素子のみの回路に試験を行い、放電
電流の振動型から減衰型への変化点を検出することによ
り、保護素子を抵抗として評価することができる。この
変化点を検出する上での問題点は、保護素子の抵抗値に
より、振動か減衰かを決定するしの値が大きく変化し、
ある条件下ではいつも減衰かあるいは振動型となり、Ｒ
が決定できないことにある。そこで、Ｌを可変にしてお
くことにより、保護素子を常に抵抗として見積もること
を可能にする。例えば、第２図に示すように入出力保護
素子評価装置２１は、Ｌ（インダクタンス）成分を複数
のインダクタンス成分に切換可能なし成分可変回路２２
と、回路の持つ抵抗値を可変可能な可変抵抗ｒからなる
Ｒ成分可変回路２３と、を含んで構或するようにする。

具体的には、キャパシタＣを２００ｐＦとし、保護素子
２４（抵抗値Ｒ．）の抵抗値Ｒ０を１０Ω、１００Ω、
２００Ωとすると、変化点となるＬの値はそれぞれ５０
ｎＨ、５００ｎＨ、２０００ｎＨとなる。保護素子２４
の抵抗値を規定する上で、回路自身が持つ抵抗値を明確
にしておく必要があるが、第２図に示すように回路の抵
抗値を可変にしておけば、変化点の検出が容易になる。

保護素子を抵抗値に換算する手段は、次のようなもので
ある。

■キャパシタＣを固定しておき、インダクタンスＬの値
を大きく変えることにより、振動から減衰（又はその反
対）に変化する前後のしの値を定める。

■さらに、Ｌを固定し、可変抵抗ｒを変化させ、共振の
変化点のｒを求める。

■この場合、ＬＣＲの関係から分かっているＬおよびＣ
の値を用いて共振の変化点のＲを求める。

■最後に、保護素子２４の抵抗分Ｒ０をＲｏ＝Ｒ−ｒと
して決定する。

また、第３図に示すように、Ｌを固定にしておき、まず
保護素子２４なしでＲの値を求めてから、保護素子２４
と可変抵抗ｒを含んだ回路に変更し、『を求めて保護素
子２４の抵抗をＲ．＝Ｒ−ｒとして求めることもできる
。

以上の観測は電流を流す能力の問題であり、保護素子自
身が破壊にいたる判定基準がないことになるが、保護素
子２４の破壊は発熱によるジャンクション破壊がメイン
であり、放電電流の経路のなかの最小ジャンクション面
積を判定基準とすればよい。

第４図（ａ）は保護素子２４としての保護素子■の電流
波形を示す図であり、この保護素子■は同図（ａ）に示
す共振特性より抵抗として算出すると抵抗として約ｌＯ
ＯΩであると評価される。また、第４図（ｂ）は保護素
子■の電流波形を示す図であり、この保護素子■は同様
に抵抗として２０Ωであるとして評価される。したがっ
て、保護素子■の方が保護素子のよりも抵抗が低く電流
を流す能力が高くＩＣの保護素子として優れていると判
断することができる。

実際に従来の装置１１を用いて耐静電気強度を測定した
ところ、保護素子のを用いたＩＣは１８０Ｖで破壊、保
護素子■にしたところ６５０　Ｖまで破壊電圧が向上し
、本発明に係る人出力保護素子評価装置の評価法の有効
性が示された。

このように、本実施例によれば、静電気による高電圧の
ような異常電圧に対して、保護素子を持つ保護能力を一
定の基準で規定することができ、保護素子の能力の分類
分けが可能となる。したがって、ＩＣ設計の際、静電気
耐性の要求に対する保護素子の回路選択基準を与えるこ
とができる。

その結果、今までのように、製品を作ってから静電気耐
性を調べ、また設計をし直す、というような無駄な手間
および費用を最小限に留めることが可能となる。

以上述べた第１実施例はＬＣＲ直列回路により入出力保
護素子評価装置を構成した例であるが、ＬＣＲ直列回路
に代えてＬＣＲ並列回路により人出力保護素子評価装置
を構戒するようにしてもよい。この例を第２実施例で示
す。

第５図は本発明に係る人出力保護素子評価装置の第２実
施例を示す図であり、第２、３図に示す第１実施例と同
一構或部分には同一番号を付している。

第５図において、３１は入出力保護素子評価装置であり
、入出力保護素子評価装置３ｌは、キャパシタＣと並列
にインダクタンスＬが挿入されている。

したがって、本実施例にあっても第ｌ実施例と同様に、
Ｌ成分およびＲ成分を可変としたＬＣＲ並列回路により
保護能力を抵抗成分として評価することができ、第１実
施例と同様の効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、保護素子が内部回路を保護する保護能
力を評価することができ、保護素子の保護能力の分類分
けを可能にしてＩＣ設計の際の静電気耐性に最適な保護
素子等を手間およびコストをかけることなく選択可能な
入出力保護素子評価装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明に係る入出力保護素子評価装置およ
びその評価方法の第１実施例を示す図であり、 第１図はその回路図、 第２図はその複数のインダクタンス成分を持つ回路図、 第３図はその回路図、 第４図はその電流波形図、 第５図は本発明に係る人出力保護素子評価装置およびそ
の評価方法の第２実施例を示すその回路図、 第６〜８図は従来の保護回路および静電気耐圧測定回路
を示す図であり、 第６図はその保護回路図、 第７図はその他の保護回路図、 第８図は静電気耐圧測定回路である。 １２・・・・・・ＩＣ、 ２１、３ｌ・・・・・・入出力保護素子評価装置、２２
・・・・・・Ｌ成分可変回路、 ２３・・・・・・Ｒ成分可変回路、 ２４・・・・・・保護素子、 Ｌ：インダクタンス成分、 Ｃ；・・・・・・キャパシタ、 Ｒ：抵抗成分、 Ｖ：電源。 第４実施例の複数のインダクタンス成分を持つ回路図第
２図 第１実施例の回路図 第 ３ 図 Ｓ１ Ｓ２ 第２実施例の回路図 第５図 従来の保謹回路図 第６図 口厘李６０゛ ｑ ５ 従来の他の保護回路図 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の容量を持つキャパシタに電荷を蓄え、該電
   荷をＩＣの入出力端子を介して該ＩＣを保護するための
   保護素子へ放電して該ＩＣおよび保護素子の耐静電気強
   度を評価する入出力保護素子評価装置であって、 前記評価装置は、前記キャパシタ・入出力端子間に接続
   されたインダクタンス素子を含んで構成されたことを特
   徴とする入出力保護素子評価装置。
2. （２）前記評価装置は、該評価装置のインダクタンス素
   子のインダクタンス成分を変えることができるインダク
   タンス成分可変回路若しくは該装置の抵抗成分を変える
   ことできる抵抗成分可変回路のうち、少なくとも何れか
   一つ以上の回路を含んで構成されたことを特徴とする請
   求項（１）記載の入出力保護素子評価装置。
3. （３）請求項１記載の評価装置を構成する前記キャパシ
   タに蓄えられた電荷が放電されるときの放電電流波形を
   観測する工程と、 該放電電流波形が共振波形から減衰波形に変換する変換
   点を求める工程とを有し、 該変換点に基づいて前記保護素子を抵抗成分として評価
   することを特徴とする入出力保護素子評価方法。