JPWO2011096031A1 - 静電気保護装置 - Google Patents

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Abstract

静電気保護装置(101)は、第一導電型の基板(1)と、基板(1)上に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域(2)および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域(3)と、第1低濃度拡散領域(2)中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域(4)および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域(5)と、第2低濃度拡散領域(3)中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域(9)および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域(8)と、第1低濃度拡散領域(2)中に形成された前記第一導電型の第5高濃度拡散領域(6)と、第2低濃度拡散領域(3)中に形成された前記第二導電型の第6高濃度拡散領域(7)と、を備え、第5高濃度拡散領域(6)と第6高濃度拡散領域(7)とが電気的に接続されている。

Description

本発明は、半導体集積回路の外部から半導体集積回路の内部への静電気放電現象やノイズ入力現象、または帯電した半導体集積回路から半導体集積回路の外部への静電気放電現象によって、半導体集積回路が破壊されることを防止する静電気保護装置に関するものである。
半導体集積回路には、入出力端子に印加される静電気放電(ESD)や過電圧(EOS)に対して、半導体集積回路内部が破壊電圧(VDES)を超えないようにするために静電気保護装置を用いる。
静電気保護装置として主に使用されるものとして、ダイオード・サイリスタ・MOSトランジスタ・バイポーラトランジスタなどがある。
一般的なサイリスタは、一例として図25に示すような構造であり、単位面積当たりの電流駆動能力が高いため、静電気保護装置に使用した場合に半導体集積回路内の占有面積を小さく出来るという利点がある。しかしながら、サイリスタを用いた静電気保護装置では、図26に典型的なV−I特性を示すように、一般的にはホールディング電圧(Vh)が半導体集積回路の電源電圧(VDD)より低く、半導体集積回路が動作中、つまり半導体集積回路に電源電圧が印加された状態で、サイリスタにノイズが入力された場合、サイリスタがオンしアノード端子とカソード端子間に電流が流れ続け、ラッチアップを引き起こす。
ラッチアップが引き起こされるメカニズムは大別して2種類に分けることが出来る。一つ目は、基板ノイズ(基板電流)によるラッチアップ現象。二つ目は、過電圧によるラッチアップ現象。前述の2種類の現象はいずれもホールディング電圧(Vh)が電源電圧(VDD)よりも低い場合にラッチアップ現象を維持し続けることで発生する。一般的には一つ目の基板ノイズによるラッチアップは電流モードのラッチアップ試験で耐電流として定められ、二つ目の過電圧によるラッチアップは過電圧法の試験で耐電圧として定められている。
静電気保護装置がラッチアップ状態になった場合、半導体集積回路の電源を遮断しない限り静電気保護装置に電流が流れ続け、過電流によるジュール熱が発生し接合破壊や配線溶断を引き起こし、静電気保護装置や半導体集積回路が破壊されるおそれがある。
このため、静電気保護装置のホールディング電圧を電源電圧以上に調整する技術が例えば特許文献1に記載されている。
特許文献1の構造図を図27に示す。半導体集積回路の静電気保護装置900のサイリスタを構成するnpnトランジスタは、n型アノードゲート高濃度不純物領域912、n型ウェル層908等からコレクタ領域が形成され、p型カソードゲート高濃度不純物領域918、p型ウェル層902、p型基板901等からベース領域が形成され、n型カソード高濃度不純物領域906より、エミッタ領域が形成されている。このnpnトランジスタでは、npnトランジスタのベース領域のp型カソードゲート高濃度不純物領域918と、npnトランジスタのエミッタ領域のn型カソード高濃度不純物領域906との間に設けられている第1素子分離絶縁体903aの間隔Aが、通常より短く設定されている。
この結果、npnトランジスタのベース−エミッタ間の抵抗値が低くなることによって、npnトランジスタを駆動させる電圧が高くなり、静電気保護装置のホールディング電圧も高くすることが可能となり、外部からのノイズ信号によって静電気保護装置を構成するサイリスタがオン状態を保持するラッチアップが生じるおそれがない半導体集積回路の静電気保護装置が提供できるとしている。
このように、サイリスタを用いた静電気保護装置においては、ラッチアップを回避するために、サイリスタのホールディング電圧(Vh)が電源電圧(VDD)以上となる動作特性が必要とされる(要求1)。
サイリスタを用いた静電気保護装置の動作特性にはこの他にもいくつかの要求がある。
例えば、半導体集積回路を保護するという本来の目的から、サイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧(VTRG)が、保護の対象となる半導体集積回路内部の破壊電圧(VDES)以下であることが、当然に必要となる(要求2)。
図28は、サイリスタを用いた静電気保護装置のV−I特性グラフにおいて、前述の要求1、要求2によって制約された動作領域を示す図である。サイリスタを用いた静電気保護装置は、図28の白抜きで示された領域内で動作することで、対象となる半導体集積回路を安全かつ確実に保護することができる。このように制約された動作領域は、一般的に、サイリスタを用いた静電気保護装置の設計ウィンドウとして知られている。
特開2002−261238号公報
しかしながら、特許文献1では、前述の要求1に応えるべく、サイリスタを構成する静電気保護装置の素子分離絶縁体の幅を調整することによりサイリスタのホールディング電圧を半導体集積回路の電源電圧以上に調整している。そのため、サイリスタを構成する静電気保護装置のサイズが半導体集積回路の電源電圧とプロセス条件に依存するという問題点を有している。
さらに、前述の要求2に応えるための具体的な技術については、全く言及されていないという問題点もある。要求2を満足するためのサイリスタの構成は必ずしも自明ではない。
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、サイリスタを用いた静電気保護装置であって、半導体集積回路の電源電圧とプロセス条件に依存せずにホールディング電圧を電源電圧以上に調整し(要求1への進歩した対応)、また、サイリスタのトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下に調整する(要求2への対応)ための好適な構成を持つ静電気保護装置を提供することを目的とする。
本発明の1つの態様に係る静電気保護装置は、第一導電型の基板と、前記基板上に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成された前記第一導電型の第5高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成された前記第二導電型の第6高濃度拡散領域と、を備える。
ここで、前記静電気保護装置は、前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域とが電気的に接続されていてもよく、また、さらに、前記第5高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子と、前記第6高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子と、を備えてもよい。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧を電源電圧以上に調整することができ、ラッチアップを防止するという効果を得ることができる。
また、前記静電気保護装置は、さらに、前記第1低濃度拡散領域および前記第2低濃度拡散領域のいずれか一方の中に形成され、当該一方の低濃度拡散領域の導電型とは異なる導電型の第7高濃度拡散領域を備え、前記第2高濃度拡散領域および前記第4高濃度拡散領域のうち導電型が前記第7の高濃度拡散領域の導電型と異なる一方と、前記第7高濃度拡散領域とが電気的に接続されていてもよい。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧を電源電圧以上に調整することでラッチアップを防止し、かつサイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下にすることができるという効果を得ることができる。
また、本発明の1つの態様に係る静電気保護装置は、第一導電型の基板と、前記基板上に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域および前記第2低濃度拡散領域のいずれか一方の中に形成され、当該一方の低濃度拡散領域の導電型とは異なる導電型の第7高濃度拡散領域と、を備え、前記第2高濃度拡散領域および前記第4高濃度拡散領域のうち導電型が前記第7高濃度拡散領域の導電型と異なる一方と、前記第7高濃度拡散領域とが電気的に接続されている。
このような構成により、サイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下にすることができるという効果を得ることができる。
また、前記静電気保護装置において、前記第一導電型はP型であり、前記第二導電型はN型であり、前記第1高濃度拡散領域と前記第2高濃度拡散領域とが高電位に接続され、前記第3高濃度拡散領域と前記第4高濃度拡散領域とが低電位に接続されているとしてもよく、また、前記第一導電型はN型であり、前記第二導電型はP型であり、前記第1高濃度拡散領域と前記第2高濃度拡散領域とが低電位に接続され、前記第3高濃度拡散領域と前記第4高濃度拡散領域とが高電位に接続されていてもよい。
また、前記静電気保護装置は、さらに、前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域との接続点に電気的に接続された外部端子を備えていてもよい。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧を外部から制御することが可能で、かつサイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下にすることができるという効果を得ることができる。
また、前記静電気保護装置において、前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域とが、抵抗素子を介して電気的に接続されていてもよい。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧を抵抗により制御することが可能で、かつサイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下にすることができるという効果を得ることができる。
また、本発明の1つの態様に係る表示装置は、外部から入力される1つ以上の信号に応じて信号線と走査線とを制御する制御回路と信号線駆動回路と走査線駆動回路と、1つ以上の前述した静電気保護装置とを備え、前記静電気保護装置の前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域とが電気的に接続されている。また、前記表示装置において、前記静電気保護装置は、前記制御回路、前記信号線駆動回路、および前記走査線駆動回路のうちいずれか1つ以上に実装されていてもよい。
このような構成により、表示装置において発生する静電気放電(ESD)や過電圧(EOS)に対し半導体集積回路の破壊を防止することができるという効果を得ることができる。
また、本発明の1つの態様に係る表示装置は、外部から入力される1つ以上の信号に応じて信号線と走査線とを制御する制御回路と信号線駆動回路と走査線駆動回路と、1つ以上の前述した静電気保護装置とを備え、前記静電気保護装置は、前記第5高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子と、前記第6高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子とを有しており、前記静電気保護装置は、前記制御回路、前記信号線駆動回路、および前記走査線駆動回路のうちいずれか1つ以上に実装され、前記静電気保護装置の前記2つの外部端子は、前記表示装置に設けられた1つ以上の抵抗素子を介して接続されている。
このような構成により、表示装置においてサイリスタのホールディング電圧を表示装置内に実装した抵抗により制御することが可能で、かつサイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下にすることができるという効果を得ることができる。
本発明による静電気保護装置の1つの態様は、第一導電型の基板と、前記基板上に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成された前記第一導電型の第5高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成された前記第二導電型の第6高濃度拡散領域と、を備える。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧(Vh)を電源電圧以上に調整することでラッチアップを防止できる。
また、本発明による静電気保護装置の1つの態様は、第一導電型の基板と、前記基板上に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域および前記第2低濃度拡散領域のいずれか一方の中に形成され、当該一方の低濃度拡散領域の導電型とは異なる導電型の第7高濃度拡散領域と、を備え、前記第2高濃度拡散領域および前記第4高濃度拡散領域のうち導電型が前記第7高濃度拡散領域の導電型と異なる一方と、前記第7高濃度拡散領域とが電気的に接続されている。
このような構成により、サイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧(VTRG)を半導体集積回路内部が破壊する電圧(VDES)より低くすることができる。
さらに、前述した構成を組み合わせることによって、両方の効果を得ることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図2は、本発明の第1、6の実施形態でのV−I特性グラフである。 図3は、本発明の第1の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図4は、本発明の第2の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図5は、本発明の第2、3の実施形態でのV−I特性グラフである。 図6は、本発明の第2の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図7は、本発明の第3の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図8は、本発明の第3の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図9は、本発明の第4の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図10は、本発明の第4、5の実施形態でのV−I特性グラフである。 図11は、本発明の第4の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図12は、本発明の第5の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図13は、本発明の第5の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図14は、本発明の第6の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図15は、本発明の第6の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図16は、本発明の第7の実施形態での静電気保護装置の模式図である。 図17は、本発明の第8の実施形態での静電気保護装置の模式図である。 図18は、本発明の第9の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図19は、本発明の第9の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図20は、本発明の第10の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図21は、本発明の第10の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図22は、本発明の第11の実施形態での表示装置の模式図である。 図23は、本発明の第12の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図24は、本発明の第12の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図25は、一般的なサイリスタの構造図である。 図26は、一般的なサイリスタのV−I特性グラフである。 図27は、従来の静電気保護装置の構造図である。 図28は、サイリスタを用いた静電気保護装置の制約された動作領域を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、実施の形態において同じ符号を付した構成要素は同様の動作を行うので、再度の説明を省略する場合がある。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1におけるサイリスタを用いた静電気保護装置101の構造図である。
図2は、本実施の形態1における静電気保護装置101のV−I特性グラフである。
図3は、本実施の形態1における静電気保護装置101の等価回路図である。
なお、図3には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図1の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図3に示されるPNPバイポーラトランジスタQ3およびNPNバイポーラトランジスタQ4が、図1の構成で追加される寄生素子の一部である。
図3には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図1の部分が、図1の対応する符号で示されている。
図1において、静電気保護装置101は、第一導電型の基板1と、基板1上に形成された前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域2および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域3と、第1低濃度拡散領域2中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域4および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域5と、第2低濃度拡散領域3中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域9および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域8と、第1低濃度拡散領域2中に形成された前記第一導電型の第5高濃度拡散領域6と、第2低濃度拡散領域3中に形成された前記第二導電型の第6高濃度拡散領域7とを備える。第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とは、静電気保護装置101内にて電気的に接続されている。
図1において、第一導電型は一例としてP型であり、第二導電型は一例としてN型である。第一導電型の基板1はPsub、第二導電型の低濃度拡散領域2はNwell、第一導電型の低濃度拡散領域3はPwellにそれぞれ対応する。静電気保護装置101の外部端子21、22は、それぞれ高電位(例えば、電源電圧VDD)および低電位(例えば、接地電圧GND)に接続される。
なお本明細書において、高濃度拡散領域、低濃度拡散領域とは、一般的な半導体プロセスで形成されるところの、不純物が異なる濃度で拡散された領域であり、高、低は高濃度拡散領域、低濃度拡散領域における不純物濃度の相対的な差を意味している。
以上のように構成された実施の形態1の静電気保護装置101について、以下その動作を説明する。
既存技術のサイリスタは、図25の構成であり、図26のV−I特性を示す。
ここで、VDDは半導体集積回路の電源電圧、Vhはサイリスタのホールディング電圧、VTRGはサイリスタの動作開始電圧であり、VDESは半導体集積回路内部が破壊する電圧を示している。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか、静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図1に示す実施の形態1の静電気保護装置101によれば、図3から分かるように、Q3、Q4からの電荷の注入によって、第二導電型の低濃度拡散領域2と第一導電型の低濃度拡散領域3との間にある大きさの電位差が生成される。そのため、外部端子21、22間の電圧が大きくても、Q1およびQ2がカットオフできるようになる。その結果、V−I特性は図2に示すように、ホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより高くなり、ラッチアップを防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを設け、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続したことにより、ラッチアップを防止することができる。
(実施の形態2)
図4は、本実施の形態2におけるサイリスタを用いた静電気保護装置102の構造図である。
図5は、本実施の形態2における静電気保護装置102のV−I特性グラフである。
図6は、本実施の形態2における静電気保護装置102の等価回路図である。
なお、図6には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図4の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図6に示されるPNPバイポーラトランジスタQ5が、図4の構成で追加される寄生素子の一部である。
図6には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図4の部分が、図4の対応する符号で示されている。
図4において、静電気保護装置102は、第一導電型の基板1と、基板1上に形成された前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域2および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域3と、第1低濃度拡散領域2中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域4および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域5と、第2低濃度拡散領域3中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域9および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域8と、第1低濃度拡散領域2中に形成された前記第一導電型の第7高濃度拡散領域10と、を備え、第7高濃度拡散領域10と第3高濃度拡散領域9と第4高濃度拡散領域8とが電気的に接続されている。
ここで、第一導電型は一例としてP型であり、第二導電型は一例としてN型である。第一導電型の基板1はPsub、第二導電型の低濃度拡散領域2はNwell、第一導電型の低濃度拡散領域3はPwellにそれぞれ対応する。
静電気保護装置102の外部端子21、22は、それぞれ高電位(例えば、VDD)および低電位(例えば、GND)に接続される。
以上のように構成された実施の形態2の静電気保護装置102について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか、静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図4に示す実施の形態2の静電気保護装置102によれば、V−I特性は図5に示すように、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第7高濃度拡散領域10を設け、第7高濃度拡散領域10と第3高濃度拡散領域9と第4高濃度拡散領域8とを電気的に接続したことにより、半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態3)
図7は、本実施の形態3におけるサイリスタを用いた静電気保護装置の構造図である。
本実施の形態3における静電気保護装置103のV−I特性グラフは、図5に示される静電気保護装置102のV−I特性グラフと同一である。
図8は、本実施の形態3における静電気保護装置103の等価回路図である。
なお、図8には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図7の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図8に示されるNPNバイポーラトランジスタQ6が、図7の構成で追加される寄生素子の一部である。
図8には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図7の部分が、図7の対応する符号で示されている。
図7において、静電気保護装置103は、第一導電型の基板1と、基板1上に形成された前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域2および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域3と、第1低濃度拡散領域2中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域4および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域5と、第2低濃度拡散領域3中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域9および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域8と、第2低濃度拡散領域3中に形成された前記第二導電型の第7高濃度拡散領域11と、を備え、第7の高濃度拡散領域11と第1高濃度拡散領域4と第2高濃度拡散領域5とが電気的に接続されている。
ここで、第一導電型は一例としてP型であり、第二導電型は一例としてN型である。第一導電型の基板1はPsub、第二導電型の低濃度拡散領域2はNwell、第一導電型の低濃度拡散領域3はPwellにそれぞれ対応する。
静電気保護装置103の外部端子21、22は、それぞれ高電位(例えば、VDD)および低電位(例えば、GND)に接続される。
以上のように構成された実施の形態3の静電気保護装置について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図7に示す実施の形態3の静電気保護装置103によれば、V−I特性は図5に示すように、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第7高濃度拡散領域11を設け、第7高濃度拡散領域11と第1高濃度拡散領域4と第2高濃度拡散領域5とを電気的に接続したことにより、半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態4)
図9は、本実施の形態4におけるサイリスタを用いた静電気保護装置の構造図である。
図10は、本実施の形態4における静電気保護装置104のV−I特性グラフである。
図11は、本実施の形態4における静電気保護装置104の等価回路図である。
なお、図11には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図9の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図11に示されるPNPバイポーラトランジスタQ3、Q5、NPNバイポーラトランジスタQ4が、図9の構成で追加される寄生素子の一部である。
図11には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図9の部分が、図9の対応する符号で示されている。
図9において、静電気保護装置104は、図1に示される静電気保護装置101の全ての構成に加えて、第1低濃度拡散領域2中に形成された前記第一導電型の第7高濃度拡散領域10を備え、第7高濃度拡散領域10と第3高濃度拡散領域9と第4高濃度拡散領域8とが電気的に接続されている。
以上のように構成された実施の形態4の静電気保護装置について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図9に示す実施の形態4の静電気保護装置104によれば、V−I特性は図10に示すように、ホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより高く、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、ラッチアップ発生と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを設け、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続し、かつ第7高濃度拡散領域10と第3高濃度拡散領域9と第4高濃度拡散領域8とを電気的に接続したことにより、ラッチアップ発生と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態5)
図12は、本実施の形態5におけるサイリスタを用いた静電気保護装置の構造図である。
本実施の形態5における静電気保護装置105のV−I特性グラフは、図10に示される静電気保護装置104のV−I特性グラフと同一である。
図13は、本実施の形態5における静電気保護装置の等価回路図である。
なお、図13には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図12の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図13に示されるPNPバイポーラトランジスタQ3、NPNバイポーラトランジスタQ4、Q6が、図12の構成で追加される寄生素子の一部である。
図13には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図12の部分が、図12の対応する符号で示されている。
図12において、静電気保護装置105は、図1に示される静電気保護装置101の全ての構成に加えて、第2低濃度拡散領域3中に形成された前記第二導電型の第7高濃度拡散領域11を備え、第7高濃度拡散領域11と第1高濃度拡散領域4と第2高濃度拡散領域5とが電気的に接続されている。
以上のように構成された実施の形態5の静電気保護装置について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図12に示す実施の形態5の静電気保護装置105によれば、V−I特性は図10に示すように、ホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより高く、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、ラッチアップ発生と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7と第7高濃度拡散領域11とを設け、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続し、かつ第7高濃度拡散領域11と第1高濃度拡散領域4と第2高濃度拡散領域5とを電気的に接続したことにより、ラッチアップ発生と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態6)
図14は、本実施の形態6におけるサイリスタを用いた静電気保護装置106の構造図である。
本実施の形態6における静電気保護装置106のV−I特性グラフは、図2に示される静電気保護装置101のV−I特性グラフと同一である。
図15は、本実施の形態6における静電気保護装置106の等価回路図である。
なお、図14の静電気保護装置106は、実施の形態1の静電気保護装置101を、第1導電型と第2導電型とを逆にすることによって構成されている。図15には、サイリスタを構成するNPNバイポーラトランジスタQ1およびPNPバイポーラトランジスタQ2の他に、図14の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図15に示されるNPNバイポーラトランジスタQ3およびPNPバイポーラトランジスタQ4が、図14の構成で追加される寄生素子の一部である。
図15には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図14の部分が、図14の対応する符号で示されている。
図14において、静電気保護装置106は、図1に示される静電気保護装置101と同一の構造を有し、静電気保護装置101とは、第一導電型がN型であり第二導電型がP型である点においてのみ異なっている。
図14において、第一導電型の基板1はNsub、第二導電型の低濃度拡散領域2はPwell、第一導電型の低濃度拡散領域3はNwellにそれぞれ対応する。静電気保護装置106の外部端子21、22は、それぞれ低電位(例えば、接地電圧GND)および高電位(例えば、電源電圧VDD)に接続される。
以上のように構成された実施の形態6の静電気保護装置106は、実施の形態1の静電気保護装置101と同様に動作することによって、図2のV−I特性に示されるように、ホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより高くなり、ラッチアップを防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを設け、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続したことにより、ラッチアップを防止することができる。このように、実施の形態1の静電気保護装置101の第1導電型と第2導電型とを逆にした静電気保護装置106においても静電気保護装置101と同様の効果を得ることができる。
なお、詳細な説明は省略するが、同様の考え方に基づいて、実施の形態2〜5の静電気保護装置102〜105の第1導電型と第2導電型とを逆にしてもよい。静電気保護装置102〜105と同一の構造を有し、第一導電型をN型、第二導電型をP型とした静電気保護装置においてもまた、静電気保護装置102〜105と同様の効果を得ることができる。
(実施の形態7)
図16は、本実施の形態7における静電気保護装置の使用例を示す模式図である。
図16において、本実施の形態1〜5における静電気保護装置101〜105は、一例として、被保護回路50と並列に接続され、静電気保護装置101〜105の外部端子21、22は、それぞれ高電位(VDD)、低電位(GND)に接続して使用される。
以上のように構成された実施の形態7の静電気保護装置の使用例は、本実施の形態1〜5で説明した第一導電型がP型、第二導電型がN型の静電気保護装置101〜105に適したものであり、例えば電源ラインのサージから被保護回路50を保護できる。
なお、本実施の形態7では、静電気保護装置101〜105の外部端子21がVDD、外部端子22がGNDに接続される使用例を説明したが、このような例示は、外部端子21、22の接続を限定するものではない。例えば外部端子21を被保護回路50のI/O端子に接続してもよい。その場合には、例えばI/O端子に印加されるサージから被保護回路50を保護することができる。
(実施の形態8)
図17は、本実施の形態8における静電気保護装置の使用例を示す模式図である。
図17において、本実施の形態6における静電気保護装置106は、一例として、被保護回路50と並列に接続され、静電気保護装置106の外部端子21、22は、それぞれ低電位(GND)、高電位(VDD)に接続して使用される。
以上のように構成された実施の形態8の静電気保護装置の使用例は、本実施の形態6で説明した第一導電型がN型、第二導電型がP型の静電気保護装置106に適したものであり、例えば電源ラインのサージから被保護回路50を保護できる。
なお、本実施の形態8では、図17内の外部端子22がVDD、外部端子21がGNDに接続される使用例を説明したが、このような例示は、外部端子21、22の接続を限定するものではない。例えば外部端子22を被保護回路50のI/O端子に接続してもよい。その場合には、例えばI/O端子に印加されるサージから被保護回路50を保護することができる。
(実施の形態9)
図18は、本実施の形態9におけるサイリスタを用いた静電気保護装置110の構造図である。
図19は、本実施の形態9における静電気保護装置110の等価回路図である。
なお、図18の静電気保護装置110は、実施の形態4の静電気保護装置104に基づいて構成されている。図19には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図18の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図19内のPNPバイポーラトランジスタQ3、Q5、NPNバイポーラトランジスタQ4が、図18の構成で追加される寄生素子の一部である。
図19には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図18の部分が、図18の対応する符号で示されている。
図18において、静電気保護装置110は、図9に示される静電気保護装置104の全ての構成に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7との接続点に電気的に接続された外部端子23を備える。これにより、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7のと電位を外部から制御可能としている。
以上のように構成された実施の形態9の静電気保護装置110について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図18に示す実施の形態9の静電気保護装置110によれば、外部端子23に所望の電圧を印加することによってホールディング電圧Vhを任意の電圧で制御可能とし、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、電源電圧に対し任意のラッチアップ発生電位の制御と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態10)
図20は、本実施の形態10における静電気保護装置111の構造図である。
図21は、本実施の形態10における静電気保護装置111の等価回路図である。
なお、図20の静電気保護装置111は、実施の形態1の静電気保護装置101に基づいて構成されている。図21には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図20の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図21に示されるPNPバイポーラトランジスタQ3、NPNバイポーラトランジスタQ4が、図20の構成で追加される寄生素子の一部である。
図21には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図20の部分が、図20の対応する符号で示されている。
図20において、静電気保護装置111は、図1に示される静電気保護装置101の全ての構成に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続する抵抗素子28を備えている。
以上のように構成された実施の形態10の静電気保護装置111について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図20に示す実施の形態10の静電気保護装置111によれば、所望の抵抗値を持つ抵抗素子28で第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続することで、ホールディング電圧Vhを、抵抗素子28の抵抗値で制御可能とし、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、電源電圧に対し任意のラッチアップ発生電位の制御と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
なお、抵抗素子28は抵抗をもつものであれば、素子構造に限定は無く、例えば拡散抵抗、ポリシリコン、シリサイド抵抗、コンタクト・ビア抵抗、ウェル抵抗などによって形成することができる。
(実施の形態11)
図22は、本実施の形態11における表示装置60の模式図である。
なお、図22は液晶表示装置の一般的な構成を示しているが、本実施の形態が表示装置の種類に限定されることがないことは言うまでもない。
図22において、一般的な表示装置60の動作を説明する。
表示パネル71は、信号線67と走査線68の交点にスイッチング素子としてTFT69を有し、TFT69のゲートに走査線68が、ドレインに信号線67が、ソースに液晶画面をなす液晶容量70の電極が接続され、液晶容量70の反対の電極は透明電極となっている。走査線68がハイレベルとなることによりオープンとなったTFT69に接続される液晶容量70に、信号線67を経由して所定の電圧を書き込むことにより、液晶の配向方向を変化させて画像表示を得る。
また、表示パネル71の走査線68の端部にはゲートドライバ65、信号線67の端部にはソースドライバ64が設けられ、これらはコントローラ66によって制御される。このコントローラ66は、外部から入力される信号72である、水平及び垂直の同期信号と映像信号から、映像信号61と信号線駆動用の制御信号62とを生成してソースドライバ64に供給し、走査線駆動用の制御信号63を生成してゲートドライバ65に供給する。
ここで、ソースドライバ64、ゲートドライバ65、コントローラ66は、それぞれ信号線駆動回路、走査線駆動回路、制御回路の一例であり、いずれも半導体集積回路で構成される。
以上のように構成される表示装置60において、実施の形態1〜9で説明した静電気保護装置を表示装置60内に実装することで、表示装置60において発生する静電気放電(ESD)や過電圧(EOS)に対し半導体集積回路の破壊を防止することができるという効果を得ることができる。
静電気保護装置が実装される表示装置60内の位置は特には限定されないが、一例を挙げれば、半導体集積回路で構成されるソースドライバ64、ゲートドライバ65、コントローラ66のいずれか1つ以上において、当該半導体集積回路の一部分として実装されてもよい。
(実施の形態12)
図23は、本実施の形態12における静電気保護装置112の構造図である。
図24は、本実施の形態12における静電気保護装置112の等価回路図である。
図23において、静電気保護装置112は、実施の形態11で説明したような表示装置60への実装を想定したものであり、図20に示される実施の形態10の静電気保護装置111に基づいて構成されている。図24には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図23の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図24内のPNPバイポーラトランジスタQ3、NPNバイポーラトランジスタQ4が、図23の構成で追加される寄生素子の一部である。
図24には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図23の部分が、図23の対応する符号で示されている。
図23において、静電気保護装置112は、サイリスタのホールディング電圧Vhを制御するための抵抗素子を外付けできるように、図20に示される静電気保護装置111の抵抗素子28に代えて、外部抵抗素子29を接続するための外部端子24、25を備えている。外部端子24は第5高濃度拡散領域6に接続され、外部端子25は第6高濃度拡散領域7に接続され、外部端子24と外部端子25とは図24の外部抵抗素子29を介して電気的に接続される。外部抵抗素子29は、例えば、表示装置60内に設けられる。
以上のように構成された実施の形態12の静電気保護装置112について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図23に示す実施の形態12の静電気保護装置112によれば、図22に示す表示装置60内に所望の抵抗値を持つ外部抵抗素子を実装しておき、当該外部抵抗素子を図23に示す外部端子24、25に接続することにより、ホールディング電圧Vhを任意の電圧で制御可能とし、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、電源電圧に対し任意のラッチアップ発生電位の制御と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
なお、図22に示す表示装置60内に実装された外部抵抗素子は、抵抗をもつものであれば、素子構造に限定は無く、例えば拡散抵抗、ポリシリコン、シリサイド抵抗、コンタクト・ビア抵抗、ウェル抵抗や金属皮膜抵抗、炭素皮膜抵抗などによって形成することができる。
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
本発明にかかる静電気保護装置は、ラッチアップの防止と半導体集積回路内部の破壊の防止が可能となるので、特に半導体集積回路における静電気保護装置として有用である。
1 基板
2 第1低濃度拡散領域
3 第2低濃度拡散領域
4 第1高濃度拡散領域
5 第2高濃度拡散領域
6 第5高濃度拡散領域
7 第6高濃度拡散領域
8 第4高濃度拡散領域
9 第3高濃度拡散領域
10、11 第7高濃度拡散領域
21〜25 外部端子
28 抵抗素子
29 外部抵抗素子
50 被保護回路
60 表示装置
61 映像信号
62、63 制御信号
64 ソースドライバ
65 ゲートドライバ
66 コントローラ
67 信号線
68 走査線
69 TFT
70 液晶容量
71 表示パネル
72 信号
101〜106、110〜112 静電気保護装置
Q1〜Q6 バイポーラトランジスタ
本発明は、半導体集積回路の外部から半導体集積回路の内部への静電気放電現象やノイズ入力現象、または帯電した半導体集積回路から半導体集積回路の外部への静電気放電現象によって、半導体集積回路が破壊されることを防止する静電気保護装置に関するものである。
半導体集積回路には、入出力端子に印加される静電気放電(ESD)や過電圧(EOS)に対して、半導体集積回路内部が破壊電圧(VDES)を超えないようにするために静電気保護装置を用いる。
静電気保護装置として主に使用されるものとして、ダイオード・サイリスタ・MOSトランジスタ・バイポーラトランジスタなどがある。
一般的なサイリスタは、一例として図25に示すような構造であり、単位面積当たりの電流駆動能力が高いため、静電気保護装置に使用した場合に半導体集積回路内の占有面積を小さく出来るという利点がある。しかしながら、サイリスタを用いた静電気保護装置では、図26に典型的なV−I特性を示すように、一般的にはホールディング電圧(Vh)が半導体集積回路の電源電圧(VDD)より低く、半導体集積回路が動作中、つまり半導体集積回路に電源電圧が印加された状態で、サイリスタにノイズが入力された場合、サイリスタがオンしアノード端子とカソード端子間に電流が流れ続け、ラッチアップを引き起こす。
ラッチアップが引き起こされるメカニズムは大別して2種類に分けることが出来る。一つ目は、基板ノイズ(基板電流)によるラッチアップ現象。二つ目は、過電圧によるラッチアップ現象。前述の2種類の現象はいずれもホールディング電圧(Vh)が電源電圧(VDD)よりも低い場合にラッチアップ現象を維持し続けることで発生する。一般的には一つ目の基板ノイズによるラッチアップは電流モードのラッチアップ試験で耐電流として定められ、二つ目の過電圧によるラッチアップは過電圧法の試験で耐電圧として定められている。
静電気保護装置がラッチアップ状態になった場合、半導体集積回路の電源を遮断しない限り静電気保護装置に電流が流れ続け、過電流によるジュール熱が発生し接合破壊や配線溶断を引き起こし、静電気保護装置や半導体集積回路が破壊されるおそれがある。
このため、静電気保護装置のホールディング電圧を電源電圧以上に調整する技術が例えば特許文献1に記載されている。
特許文献1の構造図を図27に示す。半導体集積回路の静電気保護装置900のサイリスタを構成するnpnトランジスタは、n型アノードゲート高濃度不純物領域912、n型ウェル層908等からコレクタ領域が形成され、p型カソードゲート高濃度不純物領域918、p型ウェル層902、p型基板901等からベース領域が形成され、n型カソード高濃度不純物領域906より、エミッタ領域が形成されている。このnpnトランジスタでは、npnトランジスタのベース領域のp型カソードゲート高濃度不純物領域918と、npnトランジスタのエミッタ領域のn型カソード高濃度不純物領域906との間に設けられている第1素子分離絶縁体903aの間隔Aが、通常より短く設定されている。
この結果、npnトランジスタのベース−エミッタ間の抵抗値が低くなることによって、npnトランジスタを駆動させる電圧が高くなり、静電気保護装置のホールディング電圧も高くすることが可能となり、外部からのノイズ信号によって静電気保護装置を構成するサイリスタがオン状態を保持するラッチアップが生じるおそれがない半導体集積回路の静電気保護装置が提供できるとしている。
このように、サイリスタを用いた静電気保護装置においては、ラッチアップを回避するために、サイリスタのホールディング電圧(Vh)が電源電圧(VDD)以上となる動作特性が必要とされる(要求1)。
サイリスタを用いた静電気保護装置の動作特性にはこの他にもいくつかの要求がある。
例えば、半導体集積回路を保護するという本来の目的から、サイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧(VTRG)が、保護の対象となる半導体集積回路内部の破壊電圧(VDES)以下であることが、当然に必要となる(要求2)。
図28は、サイリスタを用いた静電気保護装置のV−I特性グラフにおいて、前述の要求1、要求2によって制約された動作領域を示す図である。サイリスタを用いた静電気保護装置は、図28の白抜きで示された領域内で動作することで、対象となる半導体集積回路を安全かつ確実に保護することができる。このように制約された動作領域は、一般的に、サイリスタを用いた静電気保護装置の設計ウィンドウとして知られている。
特開2002−261238号公報
しかしながら、特許文献1では、前述の要求1に応えるべく、サイリスタを構成する静電気保護装置の素子分離絶縁体の幅を調整することによりサイリスタのホールディング電圧を半導体集積回路の電源電圧以上に調整している。そのため、サイリスタを構成する静電気保護装置のサイズが半導体集積回路の電源電圧とプロセス条件に依存するという問題点を有している。
さらに、前述の要求2に応えるための具体的な技術については、全く言及されていないという問題点もある。要求2を満足するためのサイリスタの構成は必ずしも自明ではない。
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、サイリスタを用いた静電気保護装置であって、半導体集積回路の電源電圧とプロセス条件に依存せずにホールディング電圧を電源電圧以上に調整し(要求1への進歩した対応)、また、サイリスタのトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下に調整する(要求2への対応)ための好適な構成を持つ静電気保護装置を提供することを目的とする。
本発明の1つの態様に係る静電気保護装置は、第一導電型の基板と、前記基板上に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成された前記第一導電型の第5高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成された前記第二導電型の第6高濃度拡散領域と、を備える。
ここで、前記静電気保護装置は、前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域とが電気的に接続されていてもよく、また、さらに、前記第5高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子と、前記第6高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子と、を備えてもよい。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧を電源電圧以上に調整することができ、ラッチアップを防止するという効果を得ることができる。
また、前記静電気保護装置は、さらに、前記第1低濃度拡散領域および前記第2低濃度拡散領域のいずれか一方の中に形成され、当該一方の低濃度拡散領域の導電型とは異なる導電型の第7高濃度拡散領域を備え、前記第2高濃度拡散領域および前記第4高濃度拡散領域のうち導電型が前記第7の高濃度拡散領域の導電型と異なる一方と、前記第7高濃度拡散領域とが電気的に接続されていてもよい。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧を電源電圧以上に調整することでラッチアップを防止し、かつサイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下にすることができるという効果を得ることができる。
また、前記静電気保護装置において、前記第一導電型はP型であり、前記第二導電型はN型であり、前記第1高濃度拡散領域と前記第2高濃度拡散領域とが高電位に接続され、前記第3高濃度拡散領域と前記第4高濃度拡散領域とが低電位に接続されているとしてもよく、また、前記第一導電型はN型であり、前記第二導電型はP型であり、前記第1高濃度拡散領域と前記第2高濃度拡散領域とが低電位に接続され、前記第3高濃度拡散領域と前記第4高濃度拡散領域とが高電位に接続されていてもよい。
また、前記静電気保護装置は、さらに、前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域との接続点に電気的に接続された外部端子を備えていてもよい。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧を外部から制御することが可能で、かつサイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下にすることができるという効果を得ることができる。
また、前記静電気保護装置において、前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域とが、抵抗素子を介して電気的に接続されていてもよい。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧を抵抗により制御することが可能で、かつサイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下にすることができるという効果を得ることができる。
また、本発明の1つの態様に係る表示装置は、外部から入力される1つ以上の信号に応じて信号線と走査線とを制御する制御回路と信号線駆動回路と走査線駆動回路と、1つ以上の前述した静電気保護装置とを備え、前記静電気保護装置の前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域とが電気的に接続されている。また、前記表示装置において、前記静電気保護装置は、前記制御回路、前記信号線駆動回路、および前記走査線駆動回路のうちいずれか1つ以上に実装されていてもよい。
このような構成により、表示装置において発生する静電気放電(ESD)や過電圧(EOS)に対し半導体集積回路の破壊を防止することができるという効果を得ることができる。
また、本発明の1つの態様に係る表示装置は、外部から入力される1つ以上の信号に応じて信号線と走査線とを制御する制御回路と信号線駆動回路と走査線駆動回路と、1つ以上の前述した静電気保護装置とを備え、前記静電気保護装置は、前記第5高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子と、前記第6高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子とを有しており、前記静電気保護装置は、前記制御回路、前記信号線駆動回路、および前記走査線駆動回路のうちいずれか1つ以上に実装され、前記静電気保護装置の前記2つの外部端子は、前記表示装置に設けられた1つ以上の抵抗素子を介して接続されている。
このような構成により、表示装置においてサイリスタのホールディング電圧を表示装置内に実装した抵抗により制御することが可能で、かつサイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧を、半導体集積回路内部が破壊する電圧以下にすることができるという効果を得ることができる。
本発明による静電気保護装置の1つの態様は、第一導電型の基板と、前記基板上に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域中に形成された前記第一導電型の第5高濃度拡散領域と、前記第2低濃度拡散領域中に形成された前記第二導電型の第6高濃度拡散領域と、前記第1低濃度拡散領域および前記第2低濃度拡散領域のいずれか一方の中に形成され、当該一方の低濃度拡散領域の導電型とは異なる導電型の第7高濃度拡散領域と、を備え、前記第2高濃度拡散領域および前記第4高濃度拡散領域のうち導電型が前記第7の高濃度拡散領域の導電型と異なる一方と、前記第7高濃度拡散領域とが電気的に接続されている。
このような構成により、サイリスタのホールディング電圧(Vh)を電源電圧以上に調整することでラッチアップを防止できると同時に、サイリスタの動作開始電圧であるトリガー電圧(V TRG )を半導体集積回路内部が破壊する電圧(V DES )より低くすることができる
図1は、本発明の第1の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図2は、本発明の第1、6の実施形態でのV−I特性グラフである。 図3は、本発明の第1の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図4は、本発明の第2の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図5は、本発明の第2、3の実施形態でのV−I特性グラフである。 図6は、本発明の第2の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図7は、本発明の第3の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図8は、本発明の第3の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図9は、本発明の第4の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図10は、本発明の第4、5の実施形態でのV−I特性グラフである。 図11は、本発明の第4の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図12は、本発明の第5の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図13は、本発明の第5の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図14は、本発明の第6の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図15は、本発明の第6の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図16は、本発明の第7の実施形態での静電気保護装置の模式図である。 図17は、本発明の第8の実施形態での静電気保護装置の模式図である。 図18は、本発明の第9の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図19は、本発明の第9の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図20は、本発明の第10の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図21は、本発明の第10の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図22は、本発明の第11の実施形態での表示装置の模式図である。 図23は、本発明の第12の実施形態での静電気保護装置の構造図である。 図24は、本発明の第12の実施形態での静電気保護装置の等価回路図である。 図25は、一般的なサイリスタの構造図である。 図26は、一般的なサイリスタのV−I特性グラフである。 図27は、従来の静電気保護装置の構造図である。 図28は、サイリスタを用いた静電気保護装置の制約された動作領域を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、実施の形態において同じ符号を付した構成要素は同様の動作を行うので、再度の説明を省略する場合がある。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1におけるサイリスタを用いた静電気保護装置101の構造図である。
図2は、本実施の形態1における静電気保護装置101のV−I特性グラフである。
図3は、本実施の形態1における静電気保護装置101の等価回路図である。
なお、図3には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図1の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図3に示されるPNPバイポーラトランジスタQ3およびNPNバイポーラトランジスタQ4が、図1の構成で追加される寄生素子の一部である。
図3には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図1の部分が、図1の対応する符号で示されている。
図1において、静電気保護装置101は、第一導電型の基板1と、基板1上に形成された前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域2および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域3と、第1低濃度拡散領域2中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域4および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域5と、第2低濃度拡散領域3中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域9および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域8と、第1低濃度拡散領域2中に形成された前記第一導電型の第5高濃度拡散領域6と、第2低濃度拡散領域3中に形成された前記第二導電型の第6高濃度拡散領域7とを備える。第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とは、静電気保護装置101内にて電気的に接続されている。
図1において、第一導電型は一例としてP型であり、第二導電型は一例としてN型である。第一導電型の基板1はPsub、第二導電型の低濃度拡散領域2はNwell、第一導電型の低濃度拡散領域3はPwellにそれぞれ対応する。静電気保護装置101の外部端子21、22は、それぞれ高電位(例えば、電源電圧VDD)および低電位(例えば、接地電圧GND)に接続される。
なお本明細書において、高濃度拡散領域、低濃度拡散領域とは、一般的な半導体プロセスで形成されるところの、不純物が異なる濃度で拡散された領域であり、高、低は高濃度拡散領域、低濃度拡散領域における不純物濃度の相対的な差を意味している。
以上のように構成された実施の形態1の静電気保護装置101について、以下その動作を説明する。
既存技術のサイリスタは、図25の構成であり、図26のV−I特性を示す。
ここで、VDDは半導体集積回路の電源電圧、Vhはサイリスタのホールディング電圧、VTRGはサイリスタの動作開始電圧であり、VDESは半導体集積回路内部が破壊する電圧を示している。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか、静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図1に示す実施の形態1の静電気保護装置101によれば、図3から分かるように、Q3、Q4からの電荷の注入によって、第二導電型の低濃度拡散領域2と第一導電型の低濃度拡散領域3との間にある大きさの電位差が生成される。そのため、外部端子21、22間の電圧が大きくても、Q1およびQ2がカットオフできるようになる。その結果、V−I特性は図2に示すように、ホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより高くなり、ラッチアップを防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを設け、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続したことにより、ラッチアップを防止することができる。
(実施の形態2)
図4は、本実施の形態2におけるサイリスタを用いた静電気保護装置102の構造図である。
図5は、本実施の形態2における静電気保護装置102のV−I特性グラフである。
図6は、本実施の形態2における静電気保護装置102の等価回路図である。
なお、図6には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図4の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図6に示されるPNPバイポーラトランジスタQ5が、図4の構成で追加される寄生素子の一部である。
図6には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図4の部分が、図4の対応する符号で示されている。
図4において、静電気保護装置102は、第一導電型の基板1と、基板1上に形成された前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域2および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域3と、第1低濃度拡散領域2中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域4および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域5と、第2低濃度拡散領域3中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域9および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域8と、第1低濃度拡散領域2中に形成された前記第一導電型の第7高濃度拡散領域10と、を備え、第7高濃度拡散領域10と第3高濃度拡散領域9と第4高濃度拡散領域8とが電気的に接続されている。
ここで、第一導電型は一例としてP型であり、第二導電型は一例としてN型である。第一導電型の基板1はPsub、第二導電型の低濃度拡散領域2はNwell、第一導電型の低濃度拡散領域3はPwellにそれぞれ対応する。
静電気保護装置102の外部端子21、22は、それぞれ高電位(例えば、VDD)および低電位(例えば、GND)に接続される。
以上のように構成された実施の形態2の静電気保護装置102について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか、静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図4に示す実施の形態2の静電気保護装置102によれば、V−I特性は図5に示すように、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第7高濃度拡散領域10を設け、第7高濃度拡散領域10と第3高濃度拡散領域9と第4高濃度拡散領域8とを電気的に接続したことにより、半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態3)
図7は、本実施の形態3におけるサイリスタを用いた静電気保護装置の構造図である。
本実施の形態3における静電気保護装置103のV−I特性グラフは、図5に示される静電気保護装置102のV−I特性グラフと同一である。
図8は、本実施の形態3における静電気保護装置103の等価回路図である。
なお、図8には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図7の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図8に示されるNPNバイポーラトランジスタQ6が、図7の構成で追加される寄生素子の一部である。
図8には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図7の部分が、図7の対応する符号で示されている。
図7において、静電気保護装置103は、第一導電型の基板1と、基板1上に形成された前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域2および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域3と、第1低濃度拡散領域2中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域4および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域5と、第2低濃度拡散領域3中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域9および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域8と、第2低濃度拡散領域3中に形成された前記第二導電型の第7高濃度拡散領域11と、を備え、第7の高濃度拡散領域11と第1高濃度拡散領域4と第2高濃度拡散領域5とが電気的に接続されている。
ここで、第一導電型は一例としてP型であり、第二導電型は一例としてN型である。第一導電型の基板1はPsub、第二導電型の低濃度拡散領域2はNwell、第一導電型の低濃度拡散領域3はPwellにそれぞれ対応する。
静電気保護装置103の外部端子21、22は、それぞれ高電位(例えば、VDD)および低電位(例えば、GND)に接続される。
以上のように構成された実施の形態3の静電気保護装置について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図7に示す実施の形態3の静電気保護装置103によれば、V−I特性は図5に示すように、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第7高濃度拡散領域11を設け、第7高濃度拡散領域11と第1高濃度拡散領域4と第2高濃度拡散領域5とを電気的に接続したことにより、半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態4)
図9は、本実施の形態4におけるサイリスタを用いた静電気保護装置の構造図である。
図10は、本実施の形態4における静電気保護装置104のV−I特性グラフである。
図11は、本実施の形態4における静電気保護装置104の等価回路図である。
なお、図11には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図9の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図11に示されるPNPバイポーラトランジスタQ3、Q5、NPNバイポーラトランジスタQ4が、図9の構成で追加される寄生素子の一部である。
図11には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図9の部分が、図9の対応する符号で示されている。
図9において、静電気保護装置104は、図1に示される静電気保護装置101の全ての構成に加えて、第1低濃度拡散領域2中に形成された前記第一導電型の第7高濃度拡散領域10を備え、第7高濃度拡散領域10と第3高濃度拡散領域9と第4高濃度拡散領域8とが電気的に接続されている。
以上のように構成された実施の形態4の静電気保護装置について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図9に示す実施の形態4の静電気保護装置104によれば、V−I特性は図10に示すように、ホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより高く、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、ラッチアップ発生と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを設け、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続し、かつ第7高濃度拡散領域10と第3高濃度拡散領域9と第4高濃度拡散領域8とを電気的に接続したことにより、ラッチアップ発生と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態5)
図12は、本実施の形態5におけるサイリスタを用いた静電気保護装置の構造図である。
本実施の形態5における静電気保護装置105のV−I特性グラフは、図10に示される静電気保護装置104のV−I特性グラフと同一である。
図13は、本実施の形態5における静電気保護装置の等価回路図である。
なお、図13には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図12の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図13に示されるPNPバイポーラトランジスタQ3、NPNバイポーラトランジスタQ4、Q6が、図12の構成で追加される寄生素子の一部である。
図13には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図12の部分が、図12の対応する符号で示されている。
図12において、静電気保護装置105は、図1に示される静電気保護装置101の全ての構成に加えて、第2低濃度拡散領域3中に形成された前記第二導電型の第7高濃度拡散領域11を備え、第7高濃度拡散領域11と第1高濃度拡散領域4と第2高濃度拡散領域5とが電気的に接続されている。
以上のように構成された実施の形態5の静電気保護装置について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図12に示す実施の形態5の静電気保護装置105によれば、V−I特性は図10に示すように、ホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより高く、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、ラッチアップ発生と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7と第7高濃度拡散領域11とを設け、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続し、かつ第7高濃度拡散領域11と第1高濃度拡散領域4と第2高濃度拡散領域5とを電気的に接続したことにより、ラッチアップ発生と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態6)
図14は、本実施の形態6におけるサイリスタを用いた静電気保護装置106の構造図である。
本実施の形態6における静電気保護装置106のV−I特性グラフは、図2に示される静電気保護装置101のV−I特性グラフと同一である。
図15は、本実施の形態6における静電気保護装置106の等価回路図である。
なお、図14の静電気保護装置106は、実施の形態1の静電気保護装置101を、第1導電型と第2導電型とを逆にすることによって構成されている。図15には、サイリスタを構成するNPNバイポーラトランジスタQ1およびPNPバイポーラトランジスタQ2の他に、図14の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図15に示されるNPNバイポーラトランジスタQ3およびPNPバイポーラトランジスタQ4が、図14の構成で追加される寄生素子の一部である。
図15には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図14の部分が、図14の対応する符号で示されている。
図14において、静電気保護装置106は、図1に示される静電気保護装置101と同一の構造を有し、静電気保護装置101とは、第一導電型がN型であり第二導電型がP型である点においてのみ異なっている。
図14において、第一導電型の基板1はNsub、第二導電型の低濃度拡散領域2はPwell、第一導電型の低濃度拡散領域3はNwellにそれぞれ対応する。静電気保護装置106の外部端子21、22は、それぞれ低電位(例えば、接地電圧GND)および高電位(例えば、電源電圧VDD)に接続される。
以上のように構成された実施の形態6の静電気保護装置106は、実施の形態1の静電気保護装置101と同様に動作することによって、図2のV−I特性に示されるように、ホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより高くなり、ラッチアップを防止することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、一般的なサイリスタ構造に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを設け、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続したことにより、ラッチアップを防止することができる。このように、実施の形態1の静電気保護装置101の第1導電型と第2導電型とを逆にした静電気保護装置106においても静電気保護装置101と同様の効果を得ることができる。
なお、詳細な説明は省略するが、同様の考え方に基づいて、実施の形態2〜5の静電気保護装置102〜105の第1導電型と第2導電型とを逆にしてもよい。静電気保護装置102〜105と同一の構造を有し、第一導電型をN型、第二導電型をP型とした静電気保護装置においてもまた、静電気保護装置102〜105と同様の効果を得ることができる。
(実施の形態7)
図16は、本実施の形態7における静電気保護装置の使用例を示す模式図である。
図16において、本実施の形態1〜5における静電気保護装置101〜105は、一例として、被保護回路50と並列に接続され、静電気保護装置101〜105の外部端子21、22は、それぞれ高電位(VDD)、低電位(GND)に接続して使用される。
以上のように構成された実施の形態7の静電気保護装置の使用例は、本実施の形態1〜5で説明した第一導電型がP型、第二導電型がN型の静電気保護装置101〜105に適したものであり、例えば電源ラインのサージから被保護回路50を保護できる。
なお、本実施の形態7では、静電気保護装置101〜105の外部端子21がVDD、外部端子22がGNDに接続される使用例を説明したが、このような例示は、外部端子21、22の接続を限定するものではない。例えば外部端子21を被保護回路50のI/O端子に接続してもよい。その場合には、例えばI/O端子に印加されるサージから被保護回路50を保護することができる。
(実施の形態8)
図17は、本実施の形態8における静電気保護装置の使用例を示す模式図である。
図17において、本実施の形態6における静電気保護装置106は、一例として、被保護回路50と並列に接続され、静電気保護装置106の外部端子21、22は、それぞれ低電位(GND)、高電位(VDD)に接続して使用される。
以上のように構成された実施の形態8の静電気保護装置の使用例は、本実施の形態6で説明した第一導電型がN型、第二導電型がP型の静電気保護装置106に適したものであり、例えば電源ラインのサージから被保護回路50を保護できる。
なお、本実施の形態8では、図17内の外部端子22がVDD、外部端子21がGNDに接続される使用例を説明したが、このような例示は、外部端子21、22の接続を限定するものではない。例えば外部端子22を被保護回路50のI/O端子に接続してもよい。その場合には、例えばI/O端子に印加されるサージから被保護回路50を保護することができる。
(実施の形態9)
図18は、本実施の形態9におけるサイリスタを用いた静電気保護装置110の構造図である。
図19は、本実施の形態9における静電気保護装置110の等価回路図である。
なお、図18の静電気保護装置110は、実施の形態4の静電気保護装置104に基づいて構成されている。図19には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図18の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図19内のPNPバイポーラトランジスタQ3、Q5、NPNバイポーラトランジスタQ4が、図18の構成で追加される寄生素子の一部である。
図19には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図18の部分が、図18の対応する符号で示されている。
図18において、静電気保護装置110は、図9に示される静電気保護装置104の全ての構成に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7との接続点に電気的に接続された外部端子23を備える。これにより、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7のと電位を外部から制御可能としている。
以上のように構成された実施の形態9の静電気保護装置110について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図18に示す実施の形態9の静電気保護装置110によれば、外部端子23に所望の電圧を印加することによってホールディング電圧Vhを任意の電圧で制御可能とし、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、電源電圧に対し任意のラッチアップ発生電位の制御と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
(実施の形態10)
図20は、本実施の形態10における静電気保護装置111の構造図である。
図21は、本実施の形態10における静電気保護装置111の等価回路図である。
なお、図20の静電気保護装置111は、実施の形態1の静電気保護装置101に基づいて構成されている。図21には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図20の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図21に示されるPNPバイポーラトランジスタQ3、NPNバイポーラトランジスタQ4が、図20の構成で追加される寄生素子の一部である。
図21には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図20の部分が、図20の対応する符号で示されている。
図20において、静電気保護装置111は、図1に示される静電気保護装置101の全ての構成に加えて、第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続する抵抗素子28を備えている。
以上のように構成された実施の形態10の静電気保護装置111について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図20に示す実施の形態10の静電気保護装置111によれば、所望の抵抗値を持つ抵抗素子28で第5高濃度拡散領域6と第6高濃度拡散領域7とを電気的に接続することで、ホールディング電圧Vhを、抵抗素子28の抵抗値で制御可能とし、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、電源電圧に対し任意のラッチアップ発生電位の制御と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
なお、抵抗素子28は抵抗をもつものであれば、素子構造に限定は無く、例えば拡散抵抗、ポリシリコン、シリサイド抵抗、コンタクト・ビア抵抗、ウェル抵抗などによって形成することができる。
(実施の形態11)
図22は、本実施の形態11における表示装置60の模式図である。
なお、図22は液晶表示装置の一般的な構成を示しているが、本実施の形態が表示装置の種類に限定されることがないことは言うまでもない。
図22において、一般的な表示装置60の動作を説明する。
表示パネル71は、信号線67と走査線68の交点にスイッチング素子としてTFT69を有し、TFT69のゲートに走査線68が、ドレインに信号線67が、ソースに液晶画面をなす液晶容量70の電極が接続され、液晶容量70の反対の電極は透明電極となっている。走査線68がハイレベルとなることによりオープンとなったTFT69に接続される液晶容量70に、信号線67を経由して所定の電圧を書き込むことにより、液晶の配向方向を変化させて画像表示を得る。
また、表示パネル71の走査線68の端部にはゲートドライバ65、信号線67の端部にはソースドライバ64が設けられ、これらはコントローラ66によって制御される。このコントローラ66は、外部から入力される信号72である、水平及び垂直の同期信号と映像信号から、映像信号61と信号線駆動用の制御信号62とを生成してソースドライバ64に供給し、走査線駆動用の制御信号63を生成してゲートドライバ65に供給する。
ここで、ソースドライバ64、ゲートドライバ65、コントローラ66は、それぞれ信号線駆動回路、走査線駆動回路、制御回路の一例であり、いずれも半導体集積回路で構成される。
以上のように構成される表示装置60において、実施の形態1〜9で説明した静電気保護装置を表示装置60内に実装することで、表示装置60において発生する静電気放電(ESD)や過電圧(EOS)に対し半導体集積回路の破壊を防止することができるという効果を得ることができる。
静電気保護装置が実装される表示装置60内の位置は特には限定されないが、一例を挙げれば、半導体集積回路で構成されるソースドライバ64、ゲートドライバ65、コントローラ66のいずれか1つ以上において、当該半導体集積回路の一部分として実装されてもよい。
(実施の形態12)
図23は、本実施の形態12における静電気保護装置112の構造図である。
図24は、本実施の形態12における静電気保護装置112の等価回路図である。
図23において、静電気保護装置112は、実施の形態11で説明したような表示装置60への実装を想定したものであり、図20に示される実施の形態10の静電気保護装置111に基づいて構成されている。図24には、サイリスタを構成するPNPバイポーラトランジスタQ1およびNPNバイポーラトランジスタQ2の他に、図23の構成によってできる寄生素子の一部が示されている。例えば、図24内のPNPバイポーラトランジスタQ3、NPNバイポーラトランジスタQ4が、図23の構成で追加される寄生素子の一部である。
図24には、各バイポーラトランジスタのベース、コレクタ、エミッタとして機能する図23の部分が、図23の対応する符号で示されている。
図23において、静電気保護装置112は、サイリスタのホールディング電圧Vhを制御するための抵抗素子を外付けできるように、図20に示される静電気保護装置111の抵抗素子28に代えて、外部抵抗素子29を接続するための外部端子24、25を備えている。外部端子24は第5高濃度拡散領域6に接続され、外部端子25は第6高濃度拡散領域7に接続され、外部端子24と外部端子25とは図24の外部抵抗素子29を介して電気的に接続される。外部抵抗素子29は、例えば、表示装置60内に設けられる。
以上のように構成された実施の形態12の静電気保護装置112について、以下その動作を説明する。
図25の構成のサイリスタは、図26に示すようにホールディング電圧Vhが電源電圧VDDより低く、サイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより高いため、サイリスタを静電気保護装置として使用する場合、半導体集積回路内部が過電圧による破壊を起こすか静電気保護装置であるサイリスタ内部でラッチアップを引き起こし、過電流により発生したジュール熱によって接合破壊や配線溶断を引き起こす。
しかしながら、図23に示す実施の形態12の静電気保護装置112によれば、図22に示す表示装置60内に所望の抵抗値を持つ外部抵抗素子を実装しておき、当該外部抵抗素子を図23に示す外部端子24、25に接続することにより、ホールディング電圧Vhを任意の電圧で制御可能とし、かつサイリスタの動作開始電圧VTRGが半導体集積回路内部が破壊する電圧VDESより低くなり、電源電圧に対し任意のラッチアップ発生電位の制御と半導体集積回路内部の過電圧による破壊を防止することができる。
なお、図22に示す表示装置60内に実装された外部抵抗素子は、抵抗をもつものであれば、素子構造に限定は無く、例えば拡散抵抗、ポリシリコン、シリサイド抵抗、コンタクト・ビア抵抗、ウェル抵抗や金属皮膜抵抗、炭素皮膜抵抗などによって形成することができる。
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
本発明にかかる静電気保護装置は、ラッチアップの防止と半導体集積回路内部の破壊の防止が可能となるので、特に半導体集積回路における静電気保護装置として有用である。
1 基板
2 第1低濃度拡散領域
3 第2低濃度拡散領域
4 第1高濃度拡散領域
5 第2高濃度拡散領域
6 第5高濃度拡散領域
7 第6高濃度拡散領域
8 第4高濃度拡散領域
9 第3高濃度拡散領域
10、11 第7高濃度拡散領域
21〜25 外部端子
28 抵抗素子
29 外部抵抗素子
50 被保護回路
60 表示装置
61 映像信号
62、63 制御信号
64 ソースドライバ
65 ゲートドライバ
66 コントローラ
67 信号線
68 走査線
69 TFT
70 液晶容量
71 表示パネル
72 信号
101〜106、110〜112 静電気保護装置
Q1〜Q6 バイポーラトランジスタ

Claims (12)

  1. 第一導電型の基板と、
    前記基板上に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域と、
    前記第1低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域と、
    前記第2低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域と、
    前記第1低濃度拡散領域中に形成された前記第一導電型の第5高濃度拡散領域と、
    前記第2低濃度拡散領域中に形成された前記第二導電型の第6高濃度拡散領域と、
    を備える静電気保護装置。
  2. さらに、前記第1低濃度拡散領域および前記第2低濃度拡散領域のいずれか一方の中に形成され、当該一方の低濃度拡散領域の導電型とは異なる導電型の第7高濃度拡散領域を備え、
    前記第2高濃度拡散領域および前記第4高濃度拡散領域のうち導電型が前記第7の高濃度拡散領域の導電型と異なる一方と、前記第7高濃度拡散領域とが電気的に接続されている、
    請求項1に記載の静電気保護装置。
  3. 第一導電型の基板と、
    前記基板上に形成された、前記第一導電型とは異なる第二導電型の第1低濃度拡散領域および前記第一導電型の第2低濃度拡散領域と、
    前記第1低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第二導電型の第1高濃度拡散領域および前記第一導電型の第2高濃度拡散領域と、
    前記第2低濃度拡散領域中に形成され、互いに電気的に接続された前記第一導電型の第3高濃度拡散領域および前記第二導電型の第4高濃度拡散領域と、
    前記第1低濃度拡散領域および前記第2低濃度拡散領域のいずれか一方の中に形成され、当該一方の低濃度拡散領域の導電型とは異なる導電型の第7高濃度拡散領域と、
    を備え、
    前記第2高濃度拡散領域および前記第4高濃度拡散領域のうち導電型が前記第7高濃度拡散領域の導電型と異なる一方と、前記第7高濃度拡散領域とが電気的に接続されている
    静電気保護装置。
  4. 前記第一導電型はP型であり、前記第二導電型はN型であり、
    前記第1高濃度拡散領域と前記第2高濃度拡散領域とが高電位に接続され、
    前記第3高濃度拡散領域と前記第4高濃度拡散領域とが低電位に接続されている、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の静電気保護装置。
  5. 前記第一導電型はN型であり、前記第二導電型はP型であり、
    前記第1高濃度拡散領域と前記第2高濃度拡散領域とが低電位に接続され、
    前記第3高濃度拡散領域と前記第4高濃度拡散領域とが高電位に接続されている、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の静電気保護装置。
  6. 前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域とが電気的に接続されている、
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の静電気保護装置。
  7. さらに、前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域との接続点に電気的に接続された外部端子を備える
    請求項6に記載の静電気保護装置。
  8. 前記第5高濃度拡散領域と前記第6高濃度拡散領域とが、抵抗素子を介して電気的に接続されている
    請求項6に記載の静電気保護装置。
  9. さらに、
    前記第5高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子と、
    前記第6高濃度拡散領域に電気的に接続された外部端子と、
    を備える請求項1〜5のいずれか1項に記載の静電気保護装置。
  10. 外部から入力される1つ以上の信号に応じて信号線と走査線とを制御する制御回路と信号線駆動回路と走査線駆動回路と、請求項6に記載の1つ以上の静電気保護装置とを備えた表示装置。
  11. 前記静電気保護装置は、前記制御回路、前記信号線駆動回路、および前記走査線駆動回路のうちいずれか1つ以上に実装されている
    請求項10に記載の表示装置。
  12. 外部から入力される1つ以上の信号に応じて信号線と走査線とを制御する制御回路と信号線駆動回路と走査線駆動回路と、請求項9に記載の1つ以上の静電気保護装置とを備え、
    前記静電気保護装置は、前記制御回路、前記信号線駆動回路、および前記走査線駆動回路のうちいずれか1つ以上に実装され、
    前記静電気保護装置の前記2つの外部端子は、前記表示装置に設けられた1つ以上の抵抗素子を介して接続されている
    表示装置。
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