KR101279186B1 - 반도체 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정전 서지로부터 유효하게 보호할 수 있고, 또한 보호 저항에 의한 전압 강하나 소비 전력을 억제할 수 있는 출력 회로를 갖는 반도체 장치를 제공한다.
반도체 장치의 출력 버퍼를 구성하는 보호 저항 (11) 과 NMOS (7) 대신에 소정의 저항값의 n (예컨대, 2) 배의 저항값을 갖는 보호 저항 (11x) (x 는 a, b) 와 소정의 게이트 폭의 1/n 의 게이트 폭을 갖는 NMOS (7x) 로 이루어지는 직렬 회로를, 출력 노드 (8) 와 접지 노드 (2) 사이에, n 조 병렬로 접속한다. 이것에 의해, 출력 패드 (8) 에 정전 서지가 인가되었을 때에 각 NMOS (7x) 에 흐르는 서지 전류는 분할하지 않은 경우의 1/n 이 되고 파괴 내량이 커진다. 또한, 출력 버퍼의 노드 (NO) 와 출력 패드 (8) 사이에 보호 저항을 넣을 필요가 없어지기 때문에, 보호 저항에 의한 전압 강하나 쓸데없는 소비 전력을 억제할 수 있다.
반도체 장치, 정전 서지, 보호 저항, 출력 버퍼, 파괴 내량
Description
도 1 은 본 발명의 실시예를 도시하는 반도체 장치의 출력부의 회로도.
도 2 는 종래의 반도체 장치의 출력부의 회로도.
도 3 은 도 1 중의 출력 버퍼의 레이아웃도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 전원 패드 2 : 접지 패드
3 : 전원선 4 : 접지선
5 : 내부 회로 6, 22 : PMOS
7a, 7b, 15 : NMOS 8 : 출력 패드
11a, 11b : 보호 저항 20 : 전원간 보호 회로
21 : 사이리스터
[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 2004-71991호
[특허문헌 2] 일본 공개특허공보 평8-330521호
[특허문헌 3] 일본 공개특허공보 평11-274404호
[특허문헌 4] 일본 특허 제3386042호 명세서
[특허문헌 5] 일본 특허 제3526853호 명세서
본 발명은 반도체 장치, 특히 고내압 MOS 트랜지스터의 EDS (Electro Static Discharge) 보호에 관한 것이다.
도 2 는 종래의 반도체 장치의 출력부의 회로도이다.
이 반도체 장치는 전원 패드 (1) 와 접지 패드 (2) 를 갖고, 이들 전원 패드 (1) 와 접지 패드 (2) 에 전원선 (3) 과 접지선 (4) 이 각각 접속되어 있다. 전원선 (3) 과 접지선 (4) 사이에는 논리 동작을 행하는 내부 회로 (5) 가 접속되고, 이 내부 회로 (5) 의 출력 신호 (S0) 가 출력 버퍼를 구성하는 P 채널 MOS 트랜지스터 (이하, 「PMOS」라 함) (6) 와 N 채널 MOS 트랜지스터 (이하, 「NMOS」 라 함) (7) 의 게이트에 접속되어 있다. PMOS (6) 와 NMOS (7) 는 인버터를 구성하고, 이들 PMOS (6) 와 NMOS (7) 의 소스는 각각 전원선 (3) 과 접지선 (4) 에 접속되어 있다. 한편, 출력 노드 (NO) 인 PMOS (6) 의 드레인은, 보호 저항 (11) 을 통하여 NMOS (7) 의 드레인에 접속되는 동시에, 보호 저항 (12) 을 통하여 출력 패드 (8) 에 접속되어 있다.
또한, 출력 패드 (8) 와 전원선 (3) 사이에는 애노드와 캐소드가 각각 출력 패드 (8) 와 전원선 (3) 에 접속된 보호 다이오드 (13) 가 접속되고, 출력 패드 (8) 와 접지선 (4) 사이에는, 애노드와 캐소드가 각각 접지선 (4) 과 출력 패드 (8) 에 접속된 보호 다이오드 (14) 가 접속되어 있다. 또한, 전원선 (3) 과 접 지선 (4) 사이에는 역방향의 다이오드 특성에 의해 전원간 보호를 행하는 NMOS (15) 가 접속되어 있다.
이러한 보호 회로를 갖는 반도체 장치에 있어서, 전원 전압 (VDD) 보다도 높은 정전 서지가 출력 패드 (8) 에 인가되면, 순방향의 보호 다이오드 (13) 에 의해 전원선 (3) 의 전위는 출력 패드 (8) 의 전위와 거의 동일하게 상승한다. 이 때, 출력 패드 (8) 와 전원선 (3) 사이의 전압은, 순방향의 보호 다이오드 (13) 에 의해 제한되기 때문에, PMOS (6) 의 정전 파괴는 방지된다. 정전 서지에 의해 출력 패드 (8) 의 전위가 더욱 상승되면, 보호 다이오드 (14) 나 전원간 보호용 NMOS (15) 가 브레이크 다운을 일으키고, 출력 패드 (8) 와 접지선 (4) 사이의 전압은 급격히 저하된다. 보호 다이오드 (14) 나 NMOS (15) 가 브레이크 다운을 일으킬 때까지 출력 패드 (8) 의 전위는 상승하지만, 직렬로 삽입된 보호 저항 (11, 12) 에 의해 NMOS (7) 에 흐르는 전류는 제한되기 때문에, 이 NMON (7) 의 정전 파괴는 방지된다. 또한, 접지 전압 (GND) 보다도 낮은 정전 서지가 출력 패드 (8) 에 인가되었을 때에는, 순방향이 되는 보호 다이오드 (14) 와 보호 저항 (11, 12) 에 의해 PMOS (6) 및 NMOS (7) 의 정전 파괴가 방지된다.
그러나, 상기 반도체 장치에서는 출력 패드 (8) 와 접지 패드 (2) 사이에 정전 서지가 인가되었을 때에, 출력 패드 (8) → 보호 다이오드 (13) → 전원선 (3) → NMOS (15) → 접지선 (4) → 접지 패드 (2) 의 제 1 서지 전류 경로와, 출력 패드 (8) → 보호 저항 (12) → 보호 저항 (11) → NMOS (7) → 접지선 (4) → 접지 패드 (2) 의 제 2 서지 전류 경로가 형성된다. 이 경우, NMOS (15) 와 NMOS (7) 는 거의 동일한 특성을 갖지만, 제 1 서지 전류 경로는 전원선 (3) 이나 접지선 (4) 의 임피던스가 크기 때문에, 제 2 서지 전류 경로의 NMOS (7) 가 먼저 브레이크 다운을 일으켜 파괴될 우려가 있다.
그 때문에, 출력 노드 (NO) 와 출력 패드 (8) 사이에 삽입하는 보호 저항 (12) 의 값은, NMOS (7) 가 브레이크 다운되었을 때에 흐르는 전류가 이 NMOS (7) 의 파괴 내량 (破壞耐量) 이하로 억제되도록 큰 값으로 할 필요가 있다. 이 때문에, 예컨대 유기 EL (Electro Luminescence) 디스플레이와 같이, 전류 구동 방식의 부하 회로를 접속하면, 보호 저항 (12) 에 의한 전압 강하가 생기기 때문에, 전원 전압을 더욱 높게 할 필요가 있는 등, 적용이 곤란할 뿐만 아니라 이 보호 저항 (12) 에 의해 쓸데없는 전력이 소비된다는 과제가 있었다.
또한, 유기 EL 디스플레이와 같이, 예컨대 20V 이상의 전원 전압으로 구동하는 경우, 출력 회로에 고내압 MOS 트랜지스터를 사용할 필요가 있다. 그러나, 고내압의 NMOS 는 정전 서지 전류에 대한 파괴 내량과 게이트 폭의 의존도가 매우 작기 때문에, 필요한 파괴 내량을 얻고자 하면 팽대한 게이트 폭이 되고, 소자 면적이 증대된다는 문제가 있었다.
본 발명은 정전 서지로부터 유효하게 보호할 수 있고, 또한 보호 저항에 의한 전압 강하나 소비 전력을 억제할 수 있는 출력 회로를 갖는 반도체 장치를 목적으로 하고 있다.
본 발명은 소스가 전원선에, 드레인이 출력 패드에 각각 접속되며, 게이트에 내부 출력 신호가 부여되는 PMOS, 및 드레인이 보호 저항을 통하여 상기 출력 패드에, 소스가 접지선에 각각 접속되고, 게이트에 상기 내부 출력 신호가 부여되는 NMOS 로 구성되는 출력 버퍼와, 애노드가 상기 출력 패드에, 캐소드가 상기 전원선에 각각 접속된 제 1 보호 다이오드와, 캐소드가 상기 출력 패드에, 애노드가 상기 접지선에 각각 접속된 제 2 보호 다이오드와, 상기 전원선과 상기 접지선 사이에 접속되고, 상기 전원선에 정전 서지가 인가되었을 때에 온 상태가 되는 전원간 보호 회로를 갖는 반도체 장치로서, 상기 출력 패드와 상기 접지선 사이에 접속되는 상기 보호 저항 및 NMOS 를 소정의 보호 저항의 n (단, n 은 2 이상의 정수) 배의 저항값을 갖는 분할된 보호 저항과 소정의 게이트 폭의 1/n 의 게이트 폭을 갖는 분할된 NMOS 로 이루어지는 직렬 회로를 n 조 병렬로 접속하여 구성한 것을 특징으로 한다.
분할된 NMOS 는 N- 확산층 상에 N+ 확산층을 형성한 오프셋 구조의 액티브 영역을 갖는 고내압 트랜지스터로 구성한다. 또한, 전원간 보호 회로는 사이리스터, 또는 게이트 제어용 소자를 갖는 사이리스터나, 상기 특허문헌 5 의 도 1, 도 2 에 기재된 소자로 구성한다. 게이트 제어용 소자로서는, PMOS, NMOS, 다이오드 등이 있다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 신규한 특징은, 다음의 바람직한 실시예의 설명을 첨부 도면과 대조하여 읽으면, 보다 완전히 확실해질 것이다. 단, 도면은, 오로지 해설을 위한 것으로, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
실시예 1
도 1 은 본 발명의 실시예를 나타내는 반도체 장치의 출력 버퍼의 회로도이고, 도 2 중의 요소와 공통인 요소에는 공통의 부호가 부여되어 있다.
이 반도체 장치는, 전원 패드 (1) 와 접지 패드 (2) 를 갖고, 이들 전원 패드 (1) 와 접지 패드 (2) 에 전원선 (3) 과 접지선 (4) 이 각각 접속되어 있다. 전원선 (3) 과 접지선 (4) 사이에는 논리 동작을 행하는 내부 회로 (5) 가 접속되고, 이 내부 회로 (5) 의 출력 신호 (SO) 가 출력 버퍼를 구성하는 PMOS (6) 와 NMOS (7a, 7b) 의 게이트에 접속되어 있다. PMOS (6) 와 NMOS (7a, 7b) 는 인버터를 구성하고, 이들 PMOS (6) 와 NMOS (7a, 7b) 의 소스는, 각각 전원선 (3) 과 접지선 (4) 에 접속되어 있다. 한편, 출력 노드 (NO) 인 PMOS (6) 의 드레인은 출력 패드 (8) 에 접속되는 동시에, 보호 저항 (11a, 11b) 을 통해 각각 NMOS (7a, 7b) 의 드레인에 접속되어 있다.
한편, 각 NMOS (7a, 7b) 의 게이트 폭은, 1 개의 NMOS (7) 로 구성하는 경우의 게이트 폭의 1/2 이 되도록 동일 치수로 형성되어 있다. 또한, 각 보호 저항 (11a, 11b) 의 값은 하나의 보호 저항 (11) 으로 구성하는 경우의 2 배가 되도록 동일한 저항값으로 형성되어 있다.
또한, 출력 패드 (8) 와 전원선 (3) 사이에는, 애노드와 캐소드가 각각 출력 패드 (8) 와 전원선 (3) 에 접속된 보호 다이오드 (13) 가 접속되고, 출력 패드 (8) 와 접지선 (4) 사이에는 애노드와 캐소드가 각각 접지선 (4) 과 출력 패드 (8) 에 접속된 보호 다이오드 (14) 가 접속되어 있다.
또한, 전원선 (3) 과 접지선 (4) 사이에는, 사이리스터 (21) 와 PMOS (22) 를 조합하여 사이리스터 특성에 의해 보호를 행하는 전원간 보호 회로 (20) 가 접속되어 있다.
도 3a 내지 도 3c 는 도 1 중의 출력 버퍼의 레이아웃도이고, 상기 도 3a 는 평면도, 상기 도 3b, 3c 는 각각 상기 도 3a 중의 A-A 선, B-B 선을 따르는 부분의 단면도이다.
이 출력 버퍼는 NMOS (7) 및 저항 (11) 을 4 개로 등분하여 병렬로 접속한 것이고, 도 3a 의 좌측과 우측에 각각 트랜지스터 형성 영역과 저항 형성 영역이 배치되어 있다.
NMOS (7) 는, 도 3b 에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판 (Si) 에 설치된 P 웰 내에 형성되고, 드레인 (D), 소스 (S) 및 게이트 (G) 의 각 전극간은 필드 산화막 (F) 으로 구획되어 있다. 드레인 (D) 과 소스 (S) 의 액티브 영역은, 깊은 N- 확산층 상에 N+ 확산층을 형성한 오프셋 구조로 되어 있고, 이 N- 확산층의 내측과 외측에 공핍층이 신장됨으로써, 고내압 특성이 얻어지게 되어 있다. 또한, 게이트 (G) 는 드레인 (D) 과 소스 (S) 사이의 P 웰 상에 설치된 두꺼운 게이트 산화막을 통하여 형성되어 있다.
드레인 (D), 소스 (S) 및 게이트 (G) 상에는 층간 절연막 (I) 이 형성되고, 이 층간 절연막 (I) 의 표면에 금속 배선 (M) 이 형성되어 있다. 그리고, 드레인 (D) 및 소스 (S) 의 N+ 확산층과 금속 배선 (M) 사이는 소정의 위치에 층간 절연막 (I) 을 관통하여 형성된 콘택트 (C) 에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
한편, 저항 (11a, 11b) 등은 도 3c 에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판 (Si) 의 표면에 형성된 필드 산화막 (F) 상에, 소정 패턴의 폴리실리콘막 (P) 을 형성하여 구성되어 있다. 폴리실리콘막 (P) 상에는 트랜지스터 형성 영역과 동일한 층간 절역막 (I) 이 형성되고, 이 층간 절연막 (I) 의 표면에 금속 배선 (M) 이 형성되어 있다. 그리고, 저항 (11a, 11b) 등을 구성하는 폴리실리콘막 (P) 과 금속 배선 (M) 사이는 소정의 위치에 층간 절연막 (I) 을 관통하여 형성된 콘택트 (C) 에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
다음에, 이 반도체 장치에서의 정전 서지 인가 시의 동작을 설명한다.
이러한 반도체 장치에 있어서, 출력 패드 (8) 에 접지 패드 (2) 를 기준으로 하여 플러스의 정전 서지가 인가되면, 이 정전 서지는 노드 (NO) 에 전파되어 병렬로 접속된 보호 저항 (11x) 과 NMOS (7x) (단, x 는 a, b) 의 직렬 회로에 인가되는 동시에, 순방향이 되는 보호 다이오드 (13) 를 통하여 전원선 (3) 에 전파되어 전원간 보호 회로 (20) 에 인가된다.
정전 서지 전압이 상승했을 때, NMOS (7x) 가 브레이크 다운하기 전에, 전원간 보호 회로 (20) 가 브레이크 다운 (즉, 우선 PMOS (22) 가 브레이크 다운하여 사이리스터 (21) 의 게이트 (G) 가 거의 접지 전위가 되며, 이 사이리스터 (21) 가 온 상태가 됨) 을 일으켜, 전원선 (3) 과 접지선 (4) 사이의 전압이 저하되면 문제는 생기지 않는다. 당연히, 회로 설계 상, 전원간 보호 회로 (20) 가 먼저 브레이크 다운하도록 설정되어 있다. 그러나, 전원간 보호 회로 (20) 의 배치 위치에 따라서는, 이 전원간 보호 회로 (20) 까지의 전원선 (3) 이나 접지선 (4) 의 임피던스의 영향으로, 반드시 전원간 보호 회로 (20) 가 NMOS (7x) 보다도 먼저 브레이크 다운하는 것으로는 한정되지 않는다.
NMOS (7x) 가 전원간 보호 회로 (20) 보다도 먼저 브레이크 다운한 경우, 정전 서지는 병렬로 접속된 NMOS (7a, 7b) 에 분류된다. 이들 NMOS (7a, 7b) 에는, 종래 회로 (도 2) 에서의 저항 (11) 의 2 배의 저항값으로 설정된 보호 저항 (11a, 11b) 이 직렬로 접속되어 있다. 따라서, 각 NMOS (7a, 7b) 에 흐르는 서지 전류는 종래 회로의 NMOS (7) 에 흐르는 전류의 1/2 이 된다. 이 때문에, 2 개의 NMOS (7a, 7b) 에 의한 정전 파괴 내량이 2 배가 되고, 이들 2 개의 NMOS (7a, 7b) 는 즉시 파괴되지 않고, 보호 저항 (11a, 11b) 에 의한 전압 강하에 의해 노드 (NO) 의 전위는 상승한다.
그리고, NMOS (7a, 7b) 가 파괴되기 전에 전원간 보호 회로 (20) 가 브레이크 다운을 일으키면, 전원선 (3) 과 접지선 (4) 사이의 전압은 급격히 저하하고, NMOS (7a, 7b) 는 정전 서지로부터 보호된다. 따라서, 종래 회로에 비해 정전 파괴 내량이 커지고 파괴될 우려가 적어질 수 있다.
한편, 출력 버퍼로서의 통상의 동작에 있어서, 이 반도체 장치에서는 종래 회로의 NMOS (7) 대신에 게이트 폭을 1/2 로 설정한 NMOS (7a, 7b) 를 병렬로 접속하고, 또한 종래 회로의 보호 저항 (11) 대신에 저항값을 2 배로 한 보호 저항 (11a, 11b) 을 병렬로 접속하고 있기 때문에, 전체로서의 NMOS 의 게이트 폭과 보호 저항의 크기는 완전히 동일하다. 따라서, 통상의 출력 버퍼로서의 구동 능력은 변하지 않는다. 더구나, 노드 (NO) 와 출력 패드 (8) 사이에 직렬의 보호 저항을 필요로 하지 않기 때문에, 보호 저항에 의한 전압 강하나 쓸데없는 소비 전력이 발생하지 않는다.
이상과 같이, 이 실시예의 반도체 장치는 PMOS (6) 와 보호 저항 (11) 과 NMOS (7) 로 구성되는 인버터형 출력 버퍼의 NMOS (7) 를 소정의 게이트 폭의 1/2 의 게이트 폭을 갖는 2 개의 NMOS (7a, 7b) 로 분할하고, 다시 이 분할한 각 NMOS (7a, 7b) 에 소정의 보호 저항 (11) 을 2 배의 저항값을 갖는 보호 저항 (11a, 11b) 으로 분할하여, 각각 직렬로 접속하고 있다. 이로써, 출력 패드 (8) 로부터 침입하는 정전 서지에 대한 파괴 내량이 커지는 동시에, 노드 (NO) 와 출력 패드 (8) 사이에 직렬의 보호 저항을 필요로 하지 않기 때문에, 직렬의 보호 저항에 의한 전압 강하나 쓸데없는 소비 전력을 억제할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 여러 가지 변형이 가능하다. 이 변형예로서는 예컨대 다음과 같은 것이 있다.
(1) 출력 버퍼는 2 개의 NMOS (7a, 7b) 를 병렬로 하여 구성하고 있지만, 임의의 n 개 (단, n 은 2 이상의 정수) 의 NMOS 를 병렬로 접속하여 구성할 수 있다. 그 경우, 각 NMOS 의 게이트 폭은 도 2 의 NMOS (7) 의 게이트 폭의 1/n 로 설정하고, 이들의 NMOS 에 직렬로 접속되는 보호 저항의 값은, 도 2 의 보호 저항 (11) 의 n 배로 설정한다.
(2) 전원간 보호 회로 (20) 로서, 사이리스터 (21) 와 이 사이리스터 (21) 를 게이트 제어하는 PMOS (22) 를 설치하고 있지만, 다른 게이트 제어용 소자를 갖는 사이리스터나, 상기 특허문헌 5 에 기재된 소자, 사이리스터 (21) 만, 또는 종 래 회로와 동일한 NMOS 를 이용해도 좋다.
본 발명에서는, 반도체 장치의 출력 버퍼를 구성하는 보호 저항과 NMOS 를, 소정의 저항값의 n 배의 저항값을 갖는 분할된 보호 저항과, 소정의 게이트 폭의 1/n 의 게이트 폭을 갖는 분할된 NMOS 로 이루어지는 직렬 회로를, n 조 병렬로 접속하고 있다. 이로써, 출력 패드에 정전 서지가 인가되었을 때에 분할된 각 NMOS 에 흐르는 정전 서지 전류는, 분할하지 않은 경우의 1/n 이 되고, 파괴 내량이 커진다. 또한, 출력 버퍼를 구성하는 PMOS 의 드레인과 출력 패드 사이에 보호 저항을 넣을 필요가 없어지기 때문에, 보호 저항에 의한 전압 강하나 쓸데없는 소비 전력을 억제할 수 있다는 효과가 있다.
Claims (6)
- 전원선과 접지선 사이에 접속된, 논리 동작을 행함으로써 출력 신호를 출력 패드에 전송하는 내부 회로와,상기 전원선에 접속된 소스와, 상기 출력 패드에 접속된 드레인과, 상기 내부 회로에 접속된 게이트를 갖는 P 채널 MOS 트랜지스터와,상기 출력 패드와 상기 접지선 사이에 병렬로 접속되고, 상기 내부 회로로부터의 출력 신호에 응답하여 도통 제어되는 복수의 N 채널 MOS 트랜지스터와,상기 복수의 N 채널 MOS 트랜지스터의 각각과 상기 출력 패드 사이에 접속된 복수의 보호 저항과,상기 출력 패드에 접속된 애노드와, 상기 전원선에 접속된 캐소드를 갖는 제 1 보호 다이오드와,상기 접지선에 접속된 애노드와, 상기 출력 패드에 접속된 캐소드를 갖는 제 2 보호 다이오드와,상기 전원선과 상기 접지선에 접속된 전원간 보호 회로를 갖고 있고,상기 P 채널 MOS 트랜지스터, 상기 복수의 N 채널 MOS 트랜지스터, 상기 복수의 보호 저항, 상기 제 1 및 제 2 보호 다이오드는, 상기 내부 회로에 대하여 상기 출력 패드와 동일측에 배치되고,상기 전원간 보호 회로는, 상기 내부 회로에 대하여 상기 출력 패드와는 반대측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 N 채널 MOS 트랜지스터는 반도체 기판 내에 형성된 N- 확산층 상에 N+ 확산층을 형성한 오프셋 구조의 액티브 영역을 갖는 고내압 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 전원간 보호 회로는 사이리스터, 또는 사이리스터와 게이트 제어용 P 채널 MOS 트랜지스터로 구성한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 복수의 보호 저항은, 모두 동일 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 복수의 N 채널 MOS 트랜지스터의 게이트 전극 폭은, 모두 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 전원간 보호 회로는, 상기 전원선에 정전 서지가 인가되었을 때에 온 상태로 되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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