JPH0639455Y2 - MOS device protection circuit device - Google Patents

MOS device protection circuit device

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JPH0639455Y2
JPH0639455Y2 JP1987018938U JP1893887U JPH0639455Y2 JP H0639455 Y2 JPH0639455 Y2 JP H0639455Y2 JP 1987018938 U JP1987018938 U JP 1987018938U JP 1893887 U JP1893887 U JP 1893887U JP H0639455 Y2 JPH0639455 Y2 JP H0639455Y2
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region
diode
conductivity type
protection circuit
concentration
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正雄 山田
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NEC Corp
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Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、MOSデバイス特に相補型MOSデバイスにおける
保護回路に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to a protection circuit in a MOS device, especially in a complementary MOS device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

相補型MOSデバイスの入力端子は、通常MOSトランジスタ
のゲートに接続されている。外来雑音や静電気による高
電圧からMOSトランジスタの破壊を防ぐために保護回路
を入力端子に挿入している。第4図は、従来の入力保護
回路例を示している。図において、入力端子1と電源
(+)端子9との間にダイオード4が入力端子1と電源
(−)端子10との間にダイオード6が挿入されている。
外部から高電圧の雑音やサージが入力端子に印加される
とダイオード4および6が順方向にバイアスされるか、
逆方向にブレークダウンを起こし、MOSトランジスタ7
および8のゲートにかかる電圧を制限しMOSトランジス
タを保護している。
The input terminal of a complementary MOS device is usually connected to the gate of a MOS transistor. A protection circuit is inserted in the input terminal to prevent damage to the MOS transistor from high voltage caused by external noise or static electricity. FIG. 4 shows an example of a conventional input protection circuit. In the figure, a diode 4 is inserted between the input terminal 1 and the power supply (+) terminal 9, and a diode 6 is inserted between the input terminal 1 and the power supply (-) terminal 10.
When high voltage noise or surge is applied to the input terminals from the outside, the diodes 4 and 6 are forward biased,
Breaking down in the opposite direction, MOS transistor 7
And limits the voltage on the gates of 8 and 8 to protect the MOS transistor.

かかる第4図に示した保護素子では電源端子9,10に供給
する電源電圧より大きな入力電圧を被保護MOSトランジ
スタに加えることができないので、入力電圧の範囲を大
きくするために、第1図のように、MOSトランジスタ7
と8のゲートと電源端子9,10のそれぞれとの間に2つの
ダイオード3と4,5と6を互いに逆方向に直列に接続す
ることも特開昭53-76677号公報に提案されている。
In the protection element shown in FIG. 4, an input voltage larger than the power supply voltage supplied to the power supply terminals 9 and 10 cannot be applied to the protected MOS transistor. Therefore, in order to increase the input voltage range, the protection element shown in FIG. So that the MOS transistor 7
It has also been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 53-76677 to connect two diodes 3 and 4, 5 and 6 in series in the opposite directions between the gates of 8 and 8 and the power supply terminals 9 and 10, respectively. .

〔考案が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

かかる第1図のような入力保護のダイオードは半導体基
板中に全てを形成することはできず、一方のダイオード
の組を半導体基板上の酸化膜上に多結晶シリコンを形成
し、この多結晶シリコンに1対のダイオードを形成して
いた。多結晶シリコンのダイオードはPN接合が安定でな
く、特性上は半導体基板中に形成することが望ましかっ
た。そこで、本考案の目的は入力電圧範囲の大きな入力
保護回路を半導体基板中に形成する構造を提供すること
にある。
The input protection diode as shown in FIG. 1 cannot be entirely formed in the semiconductor substrate, and one diode group is formed by forming polycrystalline silicon on an oxide film on the semiconductor substrate. To form a pair of diodes. The PN junction of a polycrystalline silicon diode is not stable, and it was desirable to form it in a semiconductor substrate in view of its characteristics. Therefore, an object of the present invention is to provide a structure in which an input protection circuit having a large input voltage range is formed in a semiconductor substrate.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本考案におけるMOS素子の保護回路装置は、一導電型の
半導体基板中に形成された逆導電型の第1の領域と、前
記第1の領域中に離間して形成された前記一導電型の第
2および第3の領域と、前記第2の領域内に離間して形
成され、それぞれが前記第2の領域とダイオードを構成
する前記逆導電型の第4および第5の領域と、前記第3
の領域内に離間して形成され、それぞれが前記第3の領
域とダイオードを構成する前記逆導電型の第6および第
7の領域と、前記第2の領域内において前記第4の領域
と第5の領域の間に形成された前記第2の領域よりも不
純物濃度の高い一導電型の第8の領域と、前記第3の領
域内において前記第6の領域と第7の領域の間に形成さ
れた前記第3の領域よりも不純物濃度の高い一導電型の
第9の領域とからなるMOS素子の保護回路装置であっ
て、前記第5および第6の領域には前記MOS素子の入力
端子が接続され、前記第4の領域には第1の電源端子が
接続され、前記第7の領域には第2の電源端子が接続さ
れている。
A MOS element protection circuit device according to the present invention comprises a first region of opposite conductivity type formed in a semiconductor substrate of one conductivity type and the one conductivity type formed in the first region at a distance. Second and third regions, fourth and fifth regions of the opposite conductivity type formed apart from each other in the second region and forming a diode with the second region, respectively. Three
Of the opposite conductivity type, which are formed separately from each other in the second region and each of which constitutes a diode, and the fourth region and the fourth region in the second region. An eighth region of one conductivity type having a higher impurity concentration than the second region formed between the fifth region and the fifth region, and between the sixth region and the seventh region in the third region. A protection circuit device for a MOS element, which comprises a ninth region of one conductivity type having a higher impurity concentration than the formed third region, wherein the fifth and sixth regions are provided with an input of the MOS device. A terminal is connected, a first power supply terminal is connected to the fourth region, and a second power supply terminal is connected to the seventh region.

〔実施例〕〔Example〕

本考案の実施例を説明する前に、まず本実施例の基本構
造を説明する。
Before explaining the embodiment of the present invention, the basic structure of this embodiment will be described first.

第1図は、本考案の入力保護回路の等価回路図、第2図
は、本実施例の基本構造の説明のための参考図による入
力保護回路の断面図を示す。等価回路上では、第1のダ
イオード3と第2のダイオード4は、互いに逆極性に接
続され入力端子1と電源(+)端子9との間に保護抵抗
2を介して挿入されている。また、第3のダイオード5
と第4のダイオード6は互いに逆極性に接続され、入力
端子1と電源(−)端子10との間に保護抵抗2を介して
挿入されている。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of the input protection circuit of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of the input protection circuit according to a reference diagram for explaining the basic structure of the present embodiment. In the equivalent circuit, the first diode 3 and the second diode 4 are connected in opposite polarities and are inserted between the input terminal 1 and the power supply (+) terminal 9 via the protection resistor 2. In addition, the third diode 5
The fourth diode 6 and the fourth diode 6 are connected to each other in opposite polarities, and are inserted between the input terminal 1 and the power source (-) terminal 10 through the protective resistor 2.

かかる等価回路を実現した本実施例の参考図の第2図を
参照する打と、低濃度N型拡散領域14(不純物濃度1017
cm-3)内に高濃度P型拡散領域12および13(不純物濃度
1018〜1020cm-3)を設け、各々のP-N接合により第1の
ダイオード3および第2のダイオード4を形成してい
る。同様にして、他の低濃度N型拡散領域15(不純物濃
度1017cm-3)内の高濃度P型拡散領域16,17(不純物濃
度1018〜1020cm-3)により第3のダイオード5おび第4
のダイオード6が形成される。ここで、低濃度N型半導
体基板20(不純物濃度1015cm-3)に低濃度P型拡散領域
19(不純物濃度1016cm-3)が形成され、その内に低濃度
N型拡散領域14,15が形成されている。N型半導体基板2
0には正の電源電圧が与えられ、p型拡散領域19には負
の電源電圧が与えられる。
Referring to FIG. 2 of the reference diagram of this embodiment realizing such an equivalent circuit, the low concentration N type diffusion region 14 (impurity concentration 10 17
cm −3 ). High concentration P type diffusion regions 12 and 13 (impurity concentration
10 18 to 10 20 cm −3 ) and the first diode 3 and the second diode 4 are formed by the respective PN junctions. Similarly, other third diode by the low concentration N-type diffusion region 15 (impurity concentration 10 17 cm -3) high concentration P-type diffusion in regions 16 and 17 (impurity concentration 10 18 ~10 20 cm -3) 5th and 4th
The diode 6 is formed. Here, the low-concentration N-type semiconductor substrate 20 (impurity concentration 10 15 cm −3 ) is formed in the low-concentration P-type diffusion region.
19 (impurity concentration 10 16 cm −3 ) is formed, and low concentration N-type diffusion regions 14 and 15 are formed therein. N-type semiconductor substrate 2
A positive power supply voltage is applied to 0, and a negative power supply voltage is applied to the p-type diffusion region 19.

いま、電源(+)端子9の電位を5V、電源(−)端子10
の電位をOVにして、入力端子1に論理レベルとしてOVと
20Vの電圧を印加する場合を考える。ダイオードの逆方
向ブレークダウン電圧は、低濃度N型拡散領域15へのた
とえばP原子を1017cm-3イオン注入することによりおよ
そ20Vに制御しておく。入力端子1にOVが印加されたと
き、第3のダイオード5および第4のダイオード6は、
オフ状態である。また、逆極性に接続された第1のダイ
オード3および第2のダイオード4には約15V印加され
るが、ブレークダウン電圧には達しないためオフ状態で
ある。外来雑音などにより、25Vより高い電圧が印加さ
れると、第1のダイオード3がブレークダウンを起こ
し、第2のダイオード4は順方向にバイアスされるの
で、MOSトランジスタのゲートには20Vしか印加されな
い。通常のMOSトランジスタの耐圧は40V程度であるの
で、破壊に至らず保護される。負の高電圧が印加された
ときにも、同様の動作をしてMOSトランジスタは保護さ
れる。
Now, the potential of the power (+) terminal 9 is 5V, the power (-) terminal 10
To 0V as the logic level at the input terminal 1
Consider the case of applying a voltage of 20V. The reverse breakdown voltage of the diode is controlled to about 20 V by implanting 10 17 cm −3 ions of, for example, P atoms into the low concentration N type diffusion region 15. When OV is applied to the input terminal 1, the third diode 5 and the fourth diode 6 are
It is off. Further, about 15 V is applied to the first diode 3 and the second diode 4 which are connected in opposite polarities, but the breakdown voltage is not reached, so that they are in the off state. When a voltage higher than 25V is applied due to external noise or the like, the first diode 3 breaks down and the second diode 4 is forward biased, so only 20V is applied to the gate of the MOS transistor. . Since the withstand voltage of a normal MOS transistor is about 40V, it is protected without being destroyed. Even when a negative high voltage is applied, the same operation is performed and the MOS transistor is protected.

入力端子1に論理レベルとして正負の電圧たとえば+10
Vおよび−10Vを印加した場合も上記に準じた動作をす
る。通常の電圧すなわち±10Vが入力端子1に印加され
たときは、ダイオードはオフ状態で外来雑音等により高
電圧が印加されたときにはダイオードがブレークダウン
を起こしMOSトランジスタを保護する。
Positive / negative voltage as a logic level at the input terminal 1, for example, +10
When V and -10V are applied, the operation according to the above is performed. When a normal voltage, that is, ± 10 V is applied to the input terminal 1, the diode is in an off state, and when a high voltage is applied due to external noise or the like, the diode breaks down to protect the MOS transistor.

ここで、低濃度P型拡散領域19は、p型高濃度拡散領域
18に接続された電源端子10により電源(−)に、低濃度
N型半導体基板20はN型高濃度領域11に接続された電源
端子9により電源(+)に固定されているのでこの間の
PN接合は常に逆バイアスとなっているのでリーク電流は
流れない。
Here, the low concentration P-type diffusion region 19 is a p-type high concentration diffusion region.
The power source terminal 10 connected to 18 fixes the power source (-) to the power source (-), and the low concentration N type semiconductor substrate 20 is fixed to the power source (+) by the power source terminal 9 connected to the N type high concentration region 11.
No leakage current flows because the PN junction is always reverse biased.

本実施例では、保護回路がN型半導体基板20上に形成さ
れているが、P型半導体基板上でも実現できる。
In this embodiment, the protection circuit is formed on the N-type semiconductor substrate 20, but it can be realized on the P-type semiconductor substrate.

しかし、第2図のように形成された入力保護回路では、
高濃度P型拡散領域12および13の間、16および17の間に
反転層ができ、チャンネルリークが生じるという問題が
ある。
However, in the input protection circuit formed as shown in FIG.
There is a problem that an inversion layer is formed between the high-concentration P-type diffusion regions 12 and 13 and between the high concentration P-type diffusion regions 16 and 17, and channel leakage occurs.

第3図は、本考案の実施例の構造断面図である。第2図
の参考図に比し、高濃度P型拡散領域12および13の間お
よび高濃度P型拡散領域16および17の間に反転層ができ
チャネルリークを起こすことを防ぐために、これら2つ
の高濃度P型拡散領域12,13および16,17の間に高濃度N
型拡散領域21および22をチャネルストッパーとして設
け、反転層の形成を防いでいる。
FIG. 3 is a structural sectional view of an embodiment of the present invention. Compared with the reference diagram of FIG. 2, in order to prevent an inversion layer from being formed between the high-concentration P-type diffusion regions 12 and 13 and between the high-concentration P-type diffusion regions 16 and 17, these two layers are prevented. High concentration N between high concentration P type diffusion regions 12, 13 and 16, 17.
The mold diffusion regions 21 and 22 are provided as channel stoppers to prevent formation of the inversion layer.

〔考案の効果〕[Effect of device]

以上説明したように、本考案による互いに逆極性に接続
されたダイオードを一導電型の半導体基板中の他の導電
型領域にさらに一導電型領域を設け、そこに2つの他導
電型領域を形成して構成することにより、半導体基板中
に形成でき、電源電圧より広い範囲の入力電圧すなわち
レベルコンバータなどの高電圧入力を正常に受けること
が可能となった。
As described above, the diodes of opposite polarities according to the present invention are further provided with one conductivity type region in another conductivity type region in one conductivity type semiconductor substrate, and two other conductivity type regions are formed therein. With this configuration, it can be formed in the semiconductor substrate and can normally receive an input voltage in a range wider than the power supply voltage, that is, a high voltage input from a level converter or the like.

また、逆極性に接続されたダイオード間にチャンネルス
トッパーを設けてあるので、チャンネルリークを生じる
こともない。
Further, since the channel stopper is provided between the diodes connected to the opposite polarities, channel leak does not occur.

また、本考案による保護回路は、入力端子だけではなく
出力端子にも用いることができる。
Also, the protection circuit according to the present invention can be used not only for the input terminal but also for the output terminal.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、改良された保護回路の等価回路図、第2図は
本考案の基本構造の説明のための参考図、第3図は本考
案の実施例による保護回路の構造断面図、第4図は従来
の保護回路の等価回路図である。 1……入力端子、2……保護抵抗、3,4,5,6……ダイオ
ード、7……PチャネルMOSトランジスタ、8……Nチ
ャネルMOSトランジスタ、9……電源(+)端子、10…
…電源(−)端子、11……高濃度N型拡散領域、12,13
……高濃度P型拡散領域、14,15……低濃度N型拡散領
域、16,17,18……高濃度P型拡散領域、19……低濃度P
型拡散領域、20……低濃度N型半導体基板、21,22……
高濃度N型拡散領域、23……絶縁膜。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of an improved protection circuit, FIG. 2 is a reference diagram for explaining the basic structure of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view of a protection circuit according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a conventional protection circuit. 1 ... Input terminal, 2 ... Protection resistance, 3,4,5,6 ... Diode, 7 ... P-channel MOS transistor, 8 ... N-channel MOS transistor, 9 ... Power (+) terminal, 10 ...
… Power (–) terminal, 11 …… High-concentration N-type diffusion area, 12,13
…… High-concentration P-type diffusion region, 14,15 …… Low-concentration N-type diffusion region, 16,17,18 …… High-concentration P-type diffusion region, 19 …… Low-concentration P
Diffusion region, 20 …… Low-concentration N-type semiconductor substrate, 21,22 ……
High concentration N type diffusion region, 23 ... Insulating film.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項1】一導電型の半導体基板中に形成された逆導
電型の第1の領域と、前記第1の領域中に離間して形成
された前記一導電型の第2および第3の領域と、前記第
2の領域内に離間して形成され、それぞれが前記第2の
領域とダイオードを構成する前記逆導電型の第4および
第5の領域と、前記第3の領域内に離間して形成され、
それぞれが前記第3の領域とダイオードを構成する前記
逆導電型の第6および第7の領域と、前記第2の領域内
において前記第4の領域と第5の領域の間に形成された
前記第2の領域よりも不純物濃度の高い一導電型の第8
の領域と、前記第3の領域内において前記第6の領域と
第7の領域の間に形成された前記第3の領域よりも不純
物濃度の高い一導電型の第9の領域とからなるMOS素子
の保護回路装置であって、前記第5および第6の領域に
は前記MOS素子の入力端子が接続され、前記第4の領域
には第1の電源端子が接続され、前記第7の領域には第
2の電源端子が接続されているMOS素子の保護回路装
置。
1. A first region of opposite conductivity type formed in a semiconductor substrate of one conductivity type, and second and third regions of the same conductivity type formed in the first region so as to be spaced apart from each other. A region and a second region, which are formed to be separated from each other, and which respectively form a diode with the second region, and the fourth and fifth regions of the opposite conductivity type, which are separated from each other in the third region. Formed,
The sixth and seventh regions of the opposite conductivity type each forming a diode with the third region; and the fourth region and the fifth region formed in the second region. An eighth of one conductivity type having an impurity concentration higher than that of the second region
And a ninth region of one conductivity type having a higher impurity concentration than the third region formed between the sixth region and the seventh region in the third region. An element protection circuit device, wherein the input terminals of the MOS elements are connected to the fifth and sixth regions, the first power supply terminal is connected to the fourth region, and the seventh region is provided. A protection circuit device for a MOS element, to which a second power supply terminal is connected.
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