JPH0510829B2 - - Google Patents

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JPH0510829B2
JPH0510829B2 JP58189502A JP18950283A JPH0510829B2 JP H0510829 B2 JPH0510829 B2 JP H0510829B2 JP 58189502 A JP58189502 A JP 58189502A JP 18950283 A JP18950283 A JP 18950283A JP H0510829 B2 JPH0510829 B2 JP H0510829B2
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JP
Japan
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gate
protection diode
effect transistor
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protection
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JP58189502A
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JPS6081868A (ja
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Minoru Kanbara
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/0203Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0248Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
    • H01L27/0251Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices
    • H01L27/0255Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using diodes as protective elements

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  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
を有する半導体装置に関し、特にその電界効果ト
ランジスタの絶縁ゲートを静電破壊あるいはサー
ジ電圧から保護するためのツエナーダイオードを
備えた絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造
に関する。
絶縁ゲート型電界効果トランジスタは入力イン
ピーダンスが非常い高いた、ゲート部に帯電しや
すく、帯電した静電気によりゲート電極に高電圧
がかかつたり、外部よりサージ電圧が加わつたり
すると簡単にゲート絶縁膜が降伏を起こす。この
絶縁膜は一度降伏するとPN接合のように回復せ
ず、永久破壊となるため、使用上特に問題がなけ
れば同一チツプ内に絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタと同時にツエナーダイオード形成し、この
ツエナーダイオードを絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタのゲート・ソース間に接続するのが通例
である。しかしながら、このようにツエナーダイ
オードをゲート・ソース間に挿入した従来の絶縁
ゲート型電界効果トランジスタでは立ち上りの早
サージ電圧に対しては効果がなかつた。
本発明の目的は、立ち上りの早いサージ電圧に
対してもゲート保護効果のある絶縁ゲート型電界
効果トランジスタを得ることにある。
本発明は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
を有し、絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲ
ート電極及びソース電極間にゲート保護ダイオー
ドを接続した半導体装置において、信号入力端か
ら絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート絶
縁膜膜上のゲート電極に至るまでの配線とソース
電極との間に複数個の互いに独立したゲート保護
ダイオードを並列に配置したことを特徴とする半
導体装置である。
次に、図面を用いて本発明をより詳細に説明す
る。尚、以下にNチヤンネルMOS型電界効果ト
ランジスタを例にとつて本発明を説明する。
第1図は、一般的な保護ダイオード付Nチヤン
ネルMOS型電界効果トランジスタの等価回路を
示したものであり、ゲート電極1、ドレイン電極
2、ソース電極3を有するMOS型電界効果トラ
ンジスタ5のゲート電極1とソース電極3との間
にツエナー効果をもつ、保護ダイオードが接続さ
れている。第2図は第1図の保護ダイオード付
MOS型電界効果トランジスタの半導体チツプ上
でのMOS型電界効果トランジスタと保護ダイオ
ードの配置および電極配線を示したものである。
入力信号を受けるゲート電極パツド7はゲート酸
化膜上のゲート電極金属に配線されるとともに保
護ダイオード6にも配線されている。保護ダイオ
ード6の他の電極はソース電極パツド9に電気的
につながれている。8はドレイン電極である。こ
のような配置および電極配線を施した場合、等価
回路は、第3図で表わすことができる。ここで破
線Aで囲われた部分は保護ダイオード、破線Bで
囲われた部分はMOS型電界効果トランジスタを
表わす。尚、本発明では、ゲート保護効果につい
て取り扱うので、ゲート電極パツド10とソース
電極パツド11との間にはこれらボンデイングパ
ツド間容量12と保護ダイオードAと電界効果ト
ランジスタのゲートソース間B、とが並列に接続
されている。尚、同図では、MOS型電界効果ト
ランジスタはそのゲートーソース間のみの等価回
路のみを表わし、その他の部分は省略してある。
保護ダイオードAは配線インダクタンス13と保
護ダイオードの直列動作抵抗14とその容量15
とが直列に接続された形となつており、同様にゲ
ート・ソース間Bも配線インダクタンス16とゲ
ート抵抗17とゲート容量18との直列接続回路
となつている。
第3図の等価回路において、静電気あるいはサ
ージ電圧として、立ち上がりが鋭く、かつ幅の短
いパルスを入力した場合を考える。また、入力パ
ルス電圧は保護ダイオードの降伏電圧以上である
とする。通常、ボンデイングパツド容量12は非
常に小さく、又、保護ダイオードAの動作抵抗1
4に対してゲート電極パツド10から保護ダイオ
ードに至までの配線によるインダクタンス分のイ
ンピーダンス13は充分小さいので、第3図の等
価回路は説明の簡略化のため第4図のような、ボ
ンデイングパツド容量12と配線によるインダク
タンス13とを無視した等価回路A′として表わ
すことができる。
まず、第4図破線A′で囲われた保護ダイオー
ドの保護効果について説明する。保護ダイオード
の応答速度は第4図の等価回路に示した保護ダイ
オードの直列動作抵抗14の抵抗値RDiとその容
量15の容量値CDiの積RDi×DDiの時定数で制限さ
れる。すなわち、入力電圧の立ち上りが早く、周
波数Di=1/RDi・CDi以上では保護ダイオードは
無に等しい。つまり、この周波数fDi以下の周波数
をもつパルス成分に対しては、保護ダイオードは
降伏して、この保護ダイオードの降伏電圧までク
ランプされたパルス電圧がゲート絶縁膜上のゲー
ト電極金属部に印加されることになり、保護効果
をもたらすが、Di以上の周波数をもつパルス成
分に対しては、保護ダイオードは何ら働くことな
く、そのままゲート電極金属に入力サージ電圧が
印加されることになる。従つて最初に印加された
入力パルス中のDi以下の周波数成分をもつパル
ス成分が保護ダイオードに達した時、ようやく保
護ダイオードが動作し、保護効果が発揮されるこ
とになる。このことは、入力サージ電圧印加時か
らtDi=RDi・CDiの時間が経過する間はDi以上の周
波数をもつシヨートパルス成分がそのまま絶縁膜
上のゲート電極金属に印加されることになる。つ
まり、保護ダイオードを有していても、急激な静
電気あるいはサージ電圧によつてゲート酸化膜が
破壊されるという現象は保護ダイオードが応答で
きない高周波成分をもつ電圧がゲート絶縁膜上の
ゲート電極金属に印加されるためと考えられる。
これを防止するには、保護ダイオードの時定数tDi
=RDi・CDiを小さくすること、すなわち直列抵抗
14の抵抗値RDiおよび容量15の容量値CDiを減
らすことが必要であるが、製造上直列抵抗14と
容量15との値は相反するパラメータであり、両
者を同時に小さくすることは不可能である。この
ため、保護ダイオードの時定数の減少にはおのず
と限界があつた。
次に、第5図に本発明の一実施例を示す。すな
わち、ゲート酸化膜上のゲート電極7′とゲート
ボンデイングパツト7とを結ぶ配線電極の途中に
複数個のツエナー特性を有する保護ダイオード
6′を並列に接続している。(第5図では2個に分
割した場合を示している)。この電界効果トラン
ジスタを等価回路で書き直すと第6図のようにな
る。破線A″で囲われた2つの部分がおのおの保
護ダイオードに相当する。電界効果トランジスタ
のソース・ゲート電極パツト10,11間のボン
デイングパツト間容量12とソース・ゲート間B
とはこれら保護ダイオードA″に並列に入つてい
る。本実施例の場合には保護ダイオードにともな
う配線インダンタンス13′はゲート電極パツト
10からの配線に挿入されている。14′,1
5′は保護ダイオードの動作抵抗とその容量であ
る。今、第6図の破線A″で囲われた複数の保護
ダイオードのうち1個を取り出した第7図の等価
回路に注目して説明する。配線インダクタンス1
3′のインダクタンスをL、動作抵抗14′の抵抗
値をR、その容量15′の容量値をC、入力電圧
をVi、出力電圧をVo、インダクタンス13′と
抵抗14′等に流れる電流をiとして、この回路
の回路方程式を立てると、 Ldi/dt=Vi−Vo (1) Ri+C∫idt=Vo (2) となる。入力パルス幅は非常に短いので第2式の
左辺第2項は無視すると、これは積分回路と同等
であり Vo=R/LVidt (3) と表わされる。又この時の伝達関係K(w)は K=R/jwL+R (4) であり、周波数fo=R/2πLで制限される。いわゆ る低減通過フイルターとして働くことがわかる。
第5図に示した本発明の実施例によれば、第7
図に示した等価回路が第6図のように直列に接続
されたことになり、この分割挿入された保護ダイ
オード部の伝達関係K′(w)は K′(w)=(R/jwL+R)n (5) と表わされることになる。これから解るように、
保護ダイオードはその数nが増す程低域通過フイ
ルタとしての働きが高まる。
通常、インダクタンス分は素子の高周波特性を
損うほど大きくはないので、素子特性をそこなう
ことがないように複数個挿入された保護ダイオー
ドはその全容量が、従来構造の保護ダイオードの
容量CDiと同じになるように複数に分割して形成
され、これら保護ダイオードの全面積を従来構造
の保護ダイオードの面積とほぼ同じになるように
すれば良い。また、このように複数個に分割され
た保護ダイオードのおのおの直列抵抗Rはo=
R/2Lが大きくなり過ぎないように、各保護ダイオ ードの大きさを選定し、これらによつて保護ダイ
オードの分割個数を決めればよい。尚、分割挿入
された1個あたりの保護ダイオードの直列抵抗R
は保護ダイオードの全面積一定の条件下では分割
挿入された保護ダイオードの総周囲長が従来構造
の保護ダイオードの周囲長より短くなることはな
いので、常にRnRDiの関係にあり、また、分割
挿入された1個あたりの保護ダイオードの容量C
は従来の保護ダイオードの容量CDiの1/nとな
るため、複数に分割して挿入された保護ダイオー
ドの全体としての時定数は従来の保護ダイオード
の時定数tDiより短くできる。従つて、保護ダイオ
ード自体のサージ吸収効果も上昇することにな
る。
尚、本発明は絶縁ゲート型電界効果トランジス
タを有し、かつゲート保護ダイオードを有する集
積回路を含む半導体装置についても適用可能であ
り、なにも実施例に限定解釈されるものではな
い。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の保護ダイオードは絶縁ゲート型
電界効果トランジスタの等価回路である。第2図
は従来の保護ダイオード付絶縁ゲート型電界効果
トランジスタのチツプ内の配置、配線を示した平
面概略図である。第3図は、第2図に示したよう
な配置、配線を施した保護ダイオード付絶縁ゲー
ト型電界効果トランジスタの等価回路である。第
4図は第3図の等価回路を簡略化したものであ
る。第5図は本発明の一実施例による保護ダイオ
ード付電界効果トランジスタの構造、配置、配線
を示した平面概略図である。第6図は本発明の一
実施例によるところの保護ダイオード付電界効果
トランジスタの等価回路である第7図は第6図の
破線A″内の等価回路を取り出した等価回路図で
ある。 1……ゲート電極、2……ドレイン電極、3…
…ソース電極、4……保護ダイオード、5……
MOS型電界効果トランジスタ、6……保護ダイ
オード、7……ゲート電極パツド、8……ドレイ
ン電極パツド、9……ソース電極パツド、10…
…ゲート電極パツド、11……ソース電極パツ
ド、12……ボンデイングパツド容量、13……
ゲート端子から保護ダイオードまでの配線インダ
クタンス、14……保護ダイオードの直列動作抵
抗RDi、15……保護ダイオードの容量CDi、16
……保護ダイオードからゲート酸化膜上のゲート
メタルまでおよびゲート酸化膜上のゲートメタル
による配線インダクタンス、17……ゲート抵
抗、18……ゲート容量、6′……保護ダイオー
ド、13′……保護ダイオード間の配線インダク
タンス、14′……保護ダイオードの直列抵抗、
15′……保護ダイオードの容量。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 入力端子と絶縁ゲート型電界効果トランジス
    タを有し、該入力端子および前記ゲート電極の相
    方と前記ソース電極との間にゲート保護ダイオー
    ドを接続した半導体装置において、信号入力端と
    前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート
    絶縁膜上のゲート電極とを接続する金属配線とソ
    ース電極の間には複数個の互いに独立した拡散領
    域を有する複数個の互いに独立したゲート保護ダ
    イオードを並列に配置したことを特徴とする半導
    体装置。
JP58189502A 1983-10-11 1983-10-11 半導体装置 Granted JPS6081868A (ja)

Priority Applications (1)

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JP58189502A JPS6081868A (ja) 1983-10-11 1983-10-11 半導体装置

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JP58189502A JPS6081868A (ja) 1983-10-11 1983-10-11 半導体装置

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JPS6081868A JPS6081868A (ja) 1985-05-09
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6304126B1 (en) 1997-09-29 2001-10-16 Stmicroelectronics S.A. Protection circuit that can be associated with a filter
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JPS6081868A (ja) 1985-05-09

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