WO2016110905A1 - 半導体装置及びその設計方法 - Google Patents

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protection
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中西　和幸
大輔 松岡
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
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    • H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1095—Body region, i.e. base region, of DMOS transistors or IGBTs
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/045—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage adapted to a particular application and not provided for elsewhere
    • H02H9/046—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage adapted to a particular application and not provided for elsewhere responsive to excess voltage appearing at terminals of integrated circuits
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    • H01L27/0248—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
    • H01L27/0251—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices
    • H01L27/0266—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using field effect transistors as protective elements
    • H01L27/027—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using field effect transistors as protective elements specially adapted to provide an electrical current path other than the field effect induced current path
    • H01L27/0274—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using field effect transistors as protective elements specially adapted to provide an electrical current path other than the field effect induced current path involving a parasitic bipolar transistor triggered by the electrical biasing of the gate electrode of the field effect transistor, e.g. gate coupled transistors

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor substrate having a predetermined region in which standard cells, which are circuit blocks whose size in a predetermined direction is defined, and a design method thereof.
  • semiconductor integrated circuit devices (hereinafter referred to as “semiconductor devices”) have been highly integrated in response to technological advances in miniaturization and high density in the process field, and as a result, electrostatic discharge (hereinafter referred to as “surge”) has progressed. It is getting weaker to the damage caused. For example, there is a high possibility that elements such as an input circuit, an output circuit, an input / output circuit, and an internal circuit are destroyed or a performance of the element is deteriorated by a surge entering from an external connection pad. For this reason, a protection circuit for protecting an input circuit, an output circuit, an input / output circuit and an internal circuit from a surge is often provided along with the external connection pad.
  • Such an electrostatic discharge protection circuit for protecting a surge from an external connection pad is generally composed of a polysilicon resistor and a high voltage MOS transistor having a thick gate oxide film (see Patent Document 1). ).
  • the semiconductor device there are cases where there are a plurality of power supply systems in accordance with the demand for low power consumption.
  • a surge may occur between signals in different power supply domains inside the semiconductor device.
  • an element in the power domain to which the surge is input may be destroyed.
  • the “power domain” may be simply referred to as “domain”.
  • the present invention provides a semiconductor device that can be miniaturized while protecting an internal circuit from a surge between different power supply domains, and a design method thereof.
  • a semiconductor device including a semiconductor substrate having a predetermined region in which a standard cell that is a circuit block whose size in a predetermined direction is defined.
  • a first circuit connected to the first ground power supply line; a second circuit connected to a second ground power supply line independent of the first ground power supply line and configured by a plurality of the standard cells;
  • a protection circuit interposed between and connected to the first circuit and the second circuit, the protection circuit being between the first circuit and the second circuit Connected in series between the resistor element, the node on the second circuit side of the resistor element, and the second ground power line, and the node and the second ground power source.
  • a protective element that clamps the potential difference between the wires to a predetermined voltage or less, Serial A cells arranged in a predetermined area, the size of the predetermined direction are formed in the predetermined direction of the protection cell is the size of an integral multiple of the cell of the standard cell.
  • a method for designing a semiconductor device is a method for designing a semiconductor device including a semiconductor substrate having a predetermined region in which a standard cell that is a circuit block whose size in a predetermined direction is defined.
  • the semiconductor device includes: a first circuit connected to a first ground power supply line; a second ground power supply line independent of the first ground power supply line; and a plurality of the standard cells.
  • a protection circuit connected between the first circuit and the second circuit, wherein the protection circuit includes the first circuit and the second circuit.
  • a design method of the semiconductor device the step of determining a position where the plurality of standard cells constituting the second circuit are arranged in the predetermined region; and Determining a position where a protection cell in which the protection circuit is formed and the size in the predetermined direction is a cell that is an integral multiple of the size in the predetermined direction of the standard cell is disposed. Including.
  • FIG. 1 is a simplified layout diagram showing the overall configuration of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a layout diagram showing the arrangement of domains in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 1, and is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between domains.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3 and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell and the standard cell.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of the configuration shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a positional relationship in the thickness direction of each layer of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a layout diagram showing detailed layout patterns of the protection cell and the standard cell in the second embodiment.
  • FIG. 1 is a simplified layout diagram showing the overall configuration of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a layout diagram showing the arrangement of domains in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 1, and
  • FIG. 8 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between domains in the third embodiment.
  • FIG. 9 is a partially enlarged view of FIG. 8 and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell.
  • FIG. 10 is a layout diagram showing a detailed layout pattern of protection cells in the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between domains in the fifth embodiment.
  • FIG. 12 is a partially enlarged view of FIG. 11 and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell.
  • FIG. 13 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between domains in the sixth embodiment.
  • FIG. 14 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between domains in the seventh embodiment.
  • FIG. 15 is a partially enlarged view of FIG.
  • FIG. 14 is a layout diagram showing a detailed layout pattern of adjacent protection cells.
  • FIG. 16 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between domains in the eighth embodiment.
  • FIG. 17 is a partially enlarged view of FIG. 16, showing a detailed layout pattern of adjacent protection cells.
  • FIG. 18 is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell in the ninth embodiment.
  • FIG. 19 is a simplified layout diagram illustrating an enlarged connection portion between domains in the tenth embodiment.
  • FIG. 20 is a partially enlarged view of FIG. 19 and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell.
  • FIG. 21 is a simplified connection diagram of the semiconductor device according to the eleventh embodiment.
  • FIG. 22 is a simplified connection diagram of the semiconductor device according to the twelfth embodiment.
  • FIG. 23 is a simplified connection diagram of the semiconductor device according to the thirteenth embodiment.
  • FIG. 24 is a layout diagram showing a detailed layout pattern of protection cells in another embodiment.
  • FIG. 25
  • FIG. 1 is a simplified layout diagram showing the overall configuration of the semiconductor device 1 according to the first embodiment.
  • the semiconductor device 1 has a domain 10 and a domain 20 formed on a semiconductor substrate.
  • the semiconductor device 1 has a function of a predetermined electronic circuit by forming a transistor or other circuit element (described later) on the surface of the semiconductor material or the insulating material or inside the semiconductor material.
  • LSI Large Scale Integration
  • IC Integrated Circuit
  • system LSI super LSI
  • ultra LSI ultra LSI
  • Domains 10 and 20 are regions where different power supply systems are supplied.
  • domain 10 is supplied with analog power and domain 20 is supplied with digital power. That is, the domains 10 and 20 are regions connected to different power supply systems.
  • the domain 10 is provided with a plurality of power supply lines 111 supplied with the positive power supply VDD1 and a plurality of ground power supply lines 112 (first ground power supply lines) supplied with the ground power supply VSS1.
  • the domain 20 is provided with a plurality of power supply lines 121 to which the positive power supply VDD2 is supplied and a plurality of ground power supply lines 122 (second ground power supply lines) to which the ground power supply VSS2 is supplied.
  • a predetermined circuit is formed by connecting a plurality of circuit blocks formed in a rectangular region called a cell.
  • a circuit (first circuit) formed in the domain 10 is connected to the power supply line 111 and the ground power supply line 112, so that the positive power supply VDD1 and the ground power supply VSS1 are supplied (connected).
  • the circuit (second circuit) formed in the domain 20 is connected to the power supply line 121 and the ground power supply line 122, so that the positive power supply VDD2 and the ground power supply VSS2 are supplied.
  • different power supply systems means that the power supply of each power supply system is independent.
  • the power supply of the power supply system supplied to the domain 10 and the power supply of the power supply system supplied to the domain 20 Indicates that they are separated.
  • these power sources need only be separated at least between the domain 10 and the domain 20, and the external connection pads (not shown) of the semiconductor device 1 may be shared between the domain 10 and the domain 20. Good.
  • the separation is not limited to the case where patterns such as wiring for supplying power are physically separated (separated), but are electrically separated by being connected through a high impedance resistance component. It is also included.
  • the domain 10 and the domain 20 are connected via a plurality of wirings 30.
  • the first circuit formed in the domain 10 and the second circuit formed in the domain 20 are connected via a plurality of wirings 30 and are output from the first circuit.
  • a signal is input to the second circuit through the plurality of wirings 30.
  • the configurations of the domain 10 and the domain 20 are substantially the same except that the formed circuit (first circuit and second circuit) and a protection cell to be described later are provided in the domain 20.
  • the configuration of the domain 20 will be described, and the configuration of the domain 10 will be described in a simplified manner.
  • FIG. 2 is a layout diagram showing the arrangement of the domains 20.
  • the standard cell 20a is hatched in a mesh shape.
  • a white area between adjacent standard cells 20a is a blank area where no circuit block is arranged.
  • standard cells 20a which are cells whose sizes in a predetermined direction (up and down direction on the paper surface) are defined, are arranged.
  • an inverter, buffer, NAND, NOR, and other various logic gates are formed as the above-described circuit elements to form a circuit block having an arbitrary function, and a plurality of standard cells 20a are combined. By connecting these, a plurality of circuit blocks formed in these standard cells are connected. Thereby, a predetermined circuit for realizing a predetermined logic function is formed.
  • the arrangement of the standard cells 20a is determined by, for example, EDA (Electronic Design Automation) using a library provided by a semiconductor manufacturer or the like.
  • the library is a database in which information indicating data necessary for design such as electrical characteristics and layout is stored for each cell height and logic gate.
  • an NMOS transistor and a PMOS transistor are connected in series between a VDD line and a VSS line, and a CMOS inverter sharing a gate has the most basic circuit configuration. Therefore, in the most basic standard cell, when the VDD line and the VSS line are alternately arranged in parallel, the distance between the VDD line center and the VSS line center is defined, and the direction along the VDD line and the VSS line The rectangular shape is appropriately increased or decreased according to the circuit scale of the standard cell. Therefore, the most basic standard cell has a size corresponding to the extending direction of the gate of the CMOS inverter (direction orthogonal to the channel direction) in the direction orthogonal to the VDD line and the VSS line.
  • the size in the direction orthogonal to the VDD line and the VSS line (hereinafter referred to as “cell height”) is standardized to, for example, about three types.
  • the cell height of the standard cell may be defined by different standards for the entire semiconductor device. However, in the same circuit, it is defined by the same cell height, for example, by applying the same miniaturization process design rule.
  • a plurality of standard cells 20 a having the same cell height and various cell widths are arranged along the extending direction of the power supply line 121 and the ground power supply line 122.
  • the signal output from the first circuit formed in the domain 10 is input to the second circuit formed in the domain 20. At this time, if a surge generated in the first circuit is input to the second circuit, the second circuit may be destroyed.
  • the second circuit is protected from a surge between the signals of the domains 10 and 20 of different power supply systems, and the surge is caused. The destruction of the second circuit is reduced.
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 1, and is a simplified layout diagram showing a connection portion between the domain 10 and the domain 20 in an enlarged manner.
  • the cell boundaries in the domains 10 and 20 are indicated by broken lines, of which the area indicated by the thick broken line is the protection cell, and the other area is the standard cell or the blank area described above.
  • cell boundaries are indicated by broken lines
  • protected cells are indicated by areas surrounded by thick broken lines
  • standard cells or blank areas are indicated by other areas.
  • the domain 10 includes a standard cell 11 in which a buffer 110 included in the first circuit is formed, and a standard cell 12 in which a buffer 120 included in the first circuit is formed.
  • the domain 20 includes protection cells 21 and 22 in which a protection circuit is formed, and standard cells 23 to 25 (an example of the standard cell 20a shown in FIG. 2) each having a buffer included in the second circuit. Including. These domains 10 and 20 are connected via a plurality of wirings 30.
  • the signal output from the standard cell 11 is standardized via the wiring 31 (one of the plurality of wirings 30 shown in FIG. 1) and the protection cell 21 (protection circuit). It is input to the cell 23 (buffer 231).
  • the signal output from the standard cell 12 is sent to the standard cell 25 (buffer 251) via the wiring 32 (the other wiring of the wiring 30) and the protection cell 22 (protection circuit). Entered.
  • the standard cell 24 is a standard cell disposed adjacent to the protection cell 21, and a buffer included in the second circuit is formed.
  • the protection circuit is interposed and connected between the first circuit and the second circuit.
  • the protection circuit formed in the protection cell 21 and the protection circuit formed in the protection cell 22 have the same configuration, in the following, the resistance element 211 constituting the protection circuit formed in the protection cell 21 and the protection The transistor 212 will be described, and the description of the resistance element 221 and the protection transistor 222 of the protection cell 22 will be omitted.
  • the resistance element 211 is connected in series between the first circuit formed in the domain 10 and the second circuit formed in the domain 20, and is, for example, a resistance element having a resistance value of 200 ⁇ .
  • the protection transistor 212 is connected to be connected between the node on the second circuit side of the resistance element 211 and the ground power supply line 122, and a potential difference between the node and the ground power supply line 122 is equal to or lower than a predetermined voltage. It is an example of the protection element clamped to.
  • the protection transistor 212 is, for example, a diode-connected MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor.
  • the protection circuit formed in the protection cell 21 can protect the second circuit from the surge generated in the first circuit.
  • the protection transistor 212 since the gate and the source of the protection transistor 212 are short-circuited, the protection transistor 212 is turned off in a normal state where the voltage input from the first circuit to the input node Nin via the wiring 31 is within a predetermined range. Become. However, when a surge voltage much larger than a predetermined range is applied to the input node Nin, breakdown occurs due to the reverse bias of the pn junction between the drain of the protection transistor 212 and the substrate.
  • the protection circuit can reduce the destruction of the second circuit due to the surge voltage being input to the second circuit.
  • the semiconductor device 1 has a plurality of power supply lines 121 and a plurality of ground power supply lines 122 provided alternately in the height direction (predetermined direction) of the cell.
  • Each of the plurality of ground power supply lines 122 has a domain 20 (predetermined region) in a direction orthogonal to the cell height direction at the boundary of the plurality of standard cells 20a adjacent to each other in the cell height direction (predetermined direction).
  • a power supply line extending in a straight line inside is shared by the protection circuit and the second circuit.
  • the ground power supply line 122 for supplying the ground power supply VSS2 to the protection circuit formed in the protection cell 21 is also grounded to the buffer included in the second circuit and the buffer (see FIG. 4) formed in the standard cell 24.
  • the power supply VSS2 is supplied. That is, the ground power supply line 122 is shared by the protection circuit and the second circuit.
  • the plurality of power supply lines 121 are also linearly extended in the domain 20 (predetermined region) along the direction orthogonal to the cell height direction, Shared with the second circuit.
  • the protection circuit is arranged in the domain 20, and the cell height (size in a predetermined direction) is a cell that is an integral multiple of the cell height of the standard cells 23 to 24 (an example of the standard cell 20a shown in FIG. 2).
  • the protection cells 21 and 22 are formed.
  • the cell height corresponds to the distance between the center lines of the power supply line 121 and the ground power supply line 122 to which the circuit block formed in the cell is connected. That is, in the present embodiment, the cell heights of the protection cells 21 and 22 are the same as the cell heights of the standard cells 23 to 24 (one time the cell height). This cell height can be estimated from, for example, the interval between the power supply line 121 and the ground power supply line 122 or the interval between well boundaries described later.
  • the plurality of power supply lines 121 and the plurality of ground power supply lines 122 are formed in one wiring layer (first metal wiring layer described later) in the domain 20 (predetermined region), and in the domain 20 (predetermined region).
  • the line width is substantially constant. Note that “substantially constant” may be substantially constant. For example, the difference between the maximum line width and the minimum line width is within 10% of the average line width, preferably within 5%. I just need it.
  • protection cells 21 and 22 will be described with reference to FIGS. Since the protection cell 21 and the protection cell 22 have the same layout in the cell, the protection cell 21 will be described below, and the description of the protection cell 22 will be omitted.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3, and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell 21 and the standard cell 24.
  • FIG. FIG. 5 is a circuit diagram of the configuration shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing the positional relationship in the thickness direction of each layer of the semiconductor device 1. This figure is shown for convenience in order to explain the positional relationship in the thickness direction of each layer, and may not match FIG. 4 except for the positional relationship in the thickness direction of each layer.
  • a gate insulating film is disposed between the polysilicon layer 45 and the P well 42 (semiconductor substrate 40), and an etching stopper layer is disposed between the contact 46 and the diffusion layer 44 (semiconductor substrate 40). Although there are cases, etc., these are not shown.
  • FIG. 6 shows the configuration of the transistors Tr13 and Tr14 shown in FIG. 5 as an example.
  • the semiconductor device 1 of this embodiment includes a semiconductor substrate 40 that is, for example, a p-type silicon substrate, an N well 41 and a P well 42 formed in the semiconductor substrate 40, and an N well. 41 and the diffusion layer 44 formed in the P well 42, the polysilicon layer 45 formed above the semiconductor substrate 40, the contact 46 penetrating the interlayer insulating film 51, and the contact disposed on the interlayer insulating film 51.
  • a second metal wiring layer 49 is, for example, a p-type silicon substrate, an N well 41 and a P well 42 formed in the semiconductor substrate 40, and an N well. 41 and the diffusion layer 44 formed in the P well 42, the polysilicon layer 45 formed above the semiconductor substrate 40, the contact 46 penetrating the interlayer insulating film 51, and the contact disposed on the
  • the diffusion layer 44 formed in the N well 41 and the diffusion layer 44 formed in the P well 42 are subjected to the same hatching, but the N well 41 has a P type diffusion.
  • a layer 44 is formed, and an N type diffusion layer 44 is formed in the P well 42. That is, in plan view, the MOS transistor formed in the N well 41 is a PMOS transistor, and the MOS transistor formed in the P well 42 is an NMOS transistor.
  • each of the N well 41 and the P well 42 is formed in a strip shape along a direction orthogonal to the height direction of the cell. That is, the N well 41 and the P well 42 are continuously arranged between the protection cell 21 and the standard cell 24.
  • the well boundary 40a that is a boundary between the N well 41 and the P well 42 is linear in a plan view.
  • the configuration of the two-stage CMOS inverter is shown as the CMOS buffer 241 formed in the standard cell 24, but the number of CMOS inverters may be any number of one or more stages.
  • the resistance element 211 is a resistance (hereinafter referred to as “diffusion resistance”) formed by the diffusion layer 44 formed on the semiconductor substrate 40.
  • the diffusion resistance is narrower than the resistance formed by the polysilicon layer 45 (hereinafter referred to as “polysilicon resistance”), with a maximum allowable current value of 10 times or more.
  • the resistance can be realized with a small area shape, and the distance between other diffusion regions and the pattern of the polysilicon layer 45 can be reduced by using the diffusion resistance, and as a result, the entire protection cell 21 is about one fifth. It can be realized with an area of
  • the cell height of the protection cell 21 can be made the same as the cell height of the adjacent standard cell 24. That is, the protection cell 21 can be manufactured by the manufacturing process of the standard cell 24.
  • the protection transistor 212 is formed by a polysilicon layer 45, a diffusion layer 44, a first metal wiring layer 47, and a contact 46. Specifically, as shown in FIG. 5, the protection transistor 212 includes transistors Tr11 to Tr14 that are four n-type MOSFETs, each of which is diode-connected and connected in parallel. In these four transistors Tr11 to Tr14, the source and drain are shared by adjacent transistors in plan view.
  • a signal input to the protection cell 21 from the first circuit sequentially passes through the via 48, the first metal wiring layer 47, and the contact 46 from the input node Nin formed by the second metal wiring layer 49. It is transmitted to one of the diffused resistors forming the resistance element 211 via the other, and is transmitted from the other diffused resistor to the output node Nout via the contact 46, the first metal wiring layer 47, and the via 48.
  • the protection cells 21 and 22 are made to be standard cells by using diffused resistors as the resistance elements 211.
  • a small area layout can be realized before 24 to 25 (standard cell 20a) can be mixedly arranged.
  • the standard cell 20a is frequently used in order to automate the design of the first circuit and the second circuit which are internal circuits. Further, it is desirable that the protection circuit be disposed relatively close to the second circuit that is the circuit to be protected. Therefore, it is desired that the protection cells 21 and 22 can be easily arranged (high arrangement affinity) with respect to the standard cell 20a.
  • the protection circuit is interposed and connected between the first circuit and the second circuit, is disposed in the domain 20 (predetermined region), and has a cell height (
  • the protection cells 21 and 22 are formed in such a manner that the size in a predetermined direction is a multiple of the cell height of the standard cells 24 to 25 (standard cell 20a) (1 in this embodiment).
  • the shape of the protection cells 21 and 22 can be made equivalent to that of the standard cells 24 to 25 (standard cell 20a), and therefore the protection cells 21 and 22 and the standard cells 24 to 25 constituting the second circuit are used.
  • the placement affinity with (standard cell 20a) is increased. Therefore, the protection circuit and the second circuit can be disposed relatively close to each other. Therefore, the second circuit can be protected from a surge between the domains 10 and 20 which are different power supply domains.
  • the layout area can be reduced by the high placement affinity between the protection cells 21 and 22 and the standard cells 24 to 25 (standard cell 20a). That is, according to this embodiment, it is possible to reduce the size while protecting the second circuit (internal circuit) from a surge between the domains 10 and 20 of different power supply systems.
  • the extending direction, width, and other polysilicon layers 45 of the polysilicon layer 45 used in the semiconductor device 1 are compared.
  • a layout rule that limits the interval to one type or several types may be employed. That is, the layout flexibility of the polysilicon layer 45 may be limited.
  • the resistance element 211 in the protection circuit is formed of a polysilicon resistor, there is a problem that the area of the protection circuit is likely to increase because the degree of freedom in layout of the polysilicon layer 45 is small.
  • the resistance element 211 is formed by the diffusion layer 44 formed on the semiconductor substrate 40, the area of the resistance element 211 in plan view can be reduced. Therefore, since the protective cells 21 and 22 can be reduced in area, even if the standard cells 24 to 25 (standard cells 20a) are reduced in area as the manufacturing process is miniaturized, the above-described arrangement is provided. Affinity can be increased.
  • the semiconductor device 1 includes a node on the second circuit side of the resistance elements (the resistance element 211 of the protection cell 21 and the resistance element 221 of the protection cell 22) and the ground power supply line 122 in the protection circuit.
  • a protection transistor (a protection transistor of the protection cell 21) is connected as a protection element that is connected between the second ground power supply line and clamps a potential difference between the node and the ground power supply line 122 to a predetermined voltage or less. 212 and the protection transistor 222 of the protection cell 22.
  • the protection transistors (the protection transistor 212 of the protection cell 21 and the protection transistor 222 of the protection cell 22) break down. , VNout can be reduced to protect the second circuit.
  • VNout ⁇ VSS2 ⁇ V2 when the predetermined voltage is ⁇ V2
  • the protection transistors are turned on to increase VNout and Two circuits can be protected. That is, the second circuit can be protected against both positive and negative surge voltages.
  • FIG. 7 is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell 21A and the standard cell 24 in the present embodiment.
  • a well boundary 40a that is a boundary between the N well 41 and the P well 42 is bent in the protection cell 21A in a plan view. Is different.
  • the protection circuit is disposed at a portion where the well boundary 40a is bent, and specifically, is disposed in a well having a large planar view area among the N well 41 and the P well 42.
  • CMOS buffer including NMOS transistors and PMOS transistors is used as a basic circuit configuration. Therefore, in the standard cell 24, the N well 41 and the P well 42 are formed to have the same area in plan view.
  • the protection cell 21A only one of the NMOS transistor and the PMOS transistor (NMOS transistor in this embodiment) is formed as the protection transistor 212. Therefore, diffusion for forming the other MOS transistor is performed. Regions and wells are not required.
  • the area of an unnecessary well (N well 41 in the present embodiment) is reduced by bending the well boundary 40a in the protection cell 21 in a plan view, and the necessary well (the present embodiment). Then, by increasing the area of the P well 42), it is possible to secure a large area of the diffusion layer 44 for the resistance element 211 which is a diffusion resistance.
  • the well boundary 40a is bent in the protection cell 21A, so that the region where the N well 41 in the protection cell 21A is formed can be formed small in a plan view. Therefore, since the cell height of the protection cell 21A can be reduced, a smaller area layout can be realized.
  • the protection cell 21 ⁇ / b> A can be realized with the same cell height as 24. That is, it is possible to realize the protection cell 21A having a high placement affinity with the standard cell 24 that has been miniaturized.
  • FIG. 8 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between the domain 10 and the domain 20B in the present embodiment.
  • the protection circuit includes protection diodes 212B and 222B instead of the protection transistors 212 and 222.
  • the protection cell 21B is provided with a protection diode 212B instead of the protection transistor 212
  • the protection cell 22B is different in that a protection diode 222B is provided instead of the protection transistor 222. .
  • the protection circuit formed in the protection cell 21B and the protection circuit formed in the protection cell 22B have the same configuration, in the following, the resistance element 211 and the protection circuit constituting the protection circuit formed in the protection cell 21B The diode 212B will be described, and the description of the resistance element 221 and the protection diode 222B of the protection cell 22B will be omitted.
  • the protection diode 212B is connected between the node on the second circuit side of the resistance element 211 and the ground power supply line 122 (second ground power supply line), and is connected between the node and the ground power supply line 122. It is an example of the protection element which clamps the potential difference between them below a predetermined voltage.
  • the protection diode 212B has an anode connected to the ground power supply line 122 and a cathode connected to a node on the second circuit side of the resistance element 211.
  • the protection circuit formed in the protection cell 21B can protect the second circuit from the surge generated in the first circuit.
  • the protection diode 212B is turned off in a normal state in which the voltage input from the first circuit to the input node Nin via the wiring 31 is within a predetermined range. However, when a low potential surge voltage (negative surge voltage) outside the predetermined range is applied to the input node Nin, the protection diode 212B is turned on.
  • the protection circuit can reduce the destruction of the second circuit due to the surge voltage being input to the second circuit.
  • protection cell 21B and 22B have the same layout in the cell, the protection cell 21B will be described below, and the description of the protection cell 22B will be omitted.
  • FIG. 9 is a partially enlarged view of FIG. 8, and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell 21B.
  • Protection diode 212B is realized by a PN junction between diffusion layer 44, which is an N-type diffusion layer connected to output node Nout, and P well 42, and P well 42 is a diffusion layer connected to ground power supply line 122. 44.
  • this embodiment has a protection diode (the protection diode 212B of the protection cell 21B and the protection diode 222B of the protection cell 22B) as the protection elements of the protection circuit.
  • a protection diode the protection diode 212B of the protection cell 21B and the protection diode 222B of the protection cell 22B
  • the area of the protective element can be reduced in plan view, compared with the case where a protective transistor is used as the protective element, so that a smaller layout can be realized.
  • FIG. 10 is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell 21C in the present embodiment.
  • one node (an anode in this embodiment) of the protection diode 212C is connected to the semiconductor substrate 40 and the ground power supply line 122 (second ground power supply).
  • the difference is that it is a substrate contact that connects the line). Specifically, the substrate contact connects the P well 42 of the semiconductor substrate 40 and the ground power supply line 122.
  • the diffusion region (not shown) connected to the ground power supply line 122 via the contact 46 also serves as the anode of the protection diode 212C and the substrate contact that supplies the ground power supply VSS2 to the entire P well 42. Is possible.
  • the protection circuit formed in the protection cell 21C can protect the second circuit from the surge generated in the first circuit.
  • one node of the protection diode 212C is a substrate contact (a diffusion region connected to the ground power supply line 122 via the contact 46) that connects the ground power supply line 122 and the P well 42.
  • the protective diode is formed in the P well 42 and connected to the ground power supply line 122 .
  • another protection diode formed in the N well 41 and connected to the power supply line 121 is shown.
  • a configuration in which a protective diode is added may be used. In this configuration, the surge protection capability can be further improved.
  • the protection circuit can reduce the destruction of the second circuit due to the surge voltage being input to the second circuit for both positive and negative surge voltages.
  • FIG. 11 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between the domain 10 and the domain 20D in the present embodiment.
  • FIG. 12 is a partially enlarged view of FIG. 11, and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell 21D.
  • the protection circuit formed in the protection cell 21D and the protection circuit formed in the protection cell 22D have the same configuration, hereinafter, the resistance element 211 that configures the protection circuit formed in the protection cell 21D, the protection circuit The transistor 212 and the buffer 213 (which will be described later) will be described, and the description of the resistance element 221, the protection transistor 222, and the buffer 223 of the protection cell 22B will be omitted.
  • the semiconductor device is further interposed between each resistance element (the resistance element 211 of the protection cell 21D and the resistance element 221 of the protection cell 22D) and the second circuit.
  • the output circuit is connected to each other.
  • the output circuit is buffers 213 and 223 formed in the protection cells 21D and 22D, respectively.
  • the protection cell 21 ⁇ / b> D in the present embodiment corresponds to a configuration in which the protection cell 21 and the standard cell 24 shown in FIG. 4 are connected by a first metal wiring layer 47.
  • Buffer 213 has an input node connected to node N1 on the second circuit side of resistance element 221 and an output node connected to output node Nout of the protection circuit.
  • the buffer 213 at the output node Nout of the protection cell 21D for example, the delay time in the protection cell 21D, the delay time due to the wiring between the standard cell 11 and the protection cell 21D, and the protection cell 21D and the standard cell
  • High-accuracy delay calculation is possible for the delay time and the like due to wiring with 23D. That is, the same delay calculation method as that for the standard cell can be applied to the protection cell 21D. As a result, it is possible to reduce the design margin and perform higher-speed signal transmission.
  • the semiconductor device configured as described above can achieve high-speed signal transmission by reducing the design margin, although the effect of downsizing is somewhat less than that of the first embodiment.
  • the gate of the protection transistor 212 and the gate of the CMOS transistor constituting the buffer 213 have a shape extending in the same direction in plan view. Specifically, the gates of the four NMOS transistors constituting the protection transistor 212 and the gates of the two CMOS transistors constituting the buffer 213 extend in the cell height direction (up and down direction on the paper surface). Long shape.
  • the protection cell 21D in the present embodiment can be manufactured.
  • FIG. 13 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between the domain 10 and the domain 20E in the present embodiment.
  • the semiconductor device is further interposed between each resistance element (the resistance element 211 of the protection cell 21D and the resistance element 221 of the protection cell 22D) and the second circuit.
  • the output circuit is connected to each other.
  • the output circuit is logic gates 231E and 251E formed in standard cells 23E and 25E.
  • the standard cell 23E is formed with an AND logic gate 231E
  • the standard cell 25E is formed with an AND logic gate 251E.
  • the connection destination of the output nodes of the protection cells 21 and 22 is not the standard cells 23 and 25 in which the buffer is formed, but the standard cell in which the logic gate is formed. 23E and 25E.
  • the logic gate (the logic gate 231E and the standard cell 23E of the standard cell 23E) is connected between the resistor element (the resistor element 211 of the protection cell 21 and the resistor element 221 of the protection cell 22) and the second circuit.
  • the voltage of the signal output from the first circuit is indefinite (for example, between VDD1 and VSS1). Potential).
  • the second circuit may operate unexpectedly.
  • the ground power supply (potential) VSS2 is supplied from the control circuit to the other input node of the logic gates 231E and 251E, so that the output voltages of the logic gates 231E and 251E are changed.
  • the ground power supply VSS2 can be used. That is, the input voltage to the second circuit can be the ground power supply VSS2. Therefore, a state in which the input to the second circuit is indefinite can be avoided.
  • the logic gate provided between the resistance element and the second circuit may not be AND logic, and may be, for example, OR logic, AND logic, or inverted logic of OR logic. .
  • the logic gate may be formed in the protection cells 21 and 22 instead of the standard cell.
  • FIG. 14 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between the domain 10 and the domain 20F in the present embodiment.
  • FIG. 15 is a partially enlarged view of FIG. 14, and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cells 21F and 22F.
  • the protection circuit formed in the protection cell 21F and the protection circuit formed in the protection cell 22F have the same configuration, the protection circuit formed in the protection cell 21F will be described below. Simplifies the description.
  • standard cells are arranged between the protection cells.
  • the plurality of protection cells 21F and 22F are arranged in the cell height direction (predetermined direction). ) Are arranged next to each other.
  • the protection cells 21F and 22F are in contact with each other in the cell height direction (predetermined direction: up and down direction on the paper surface). More specifically, the adjacent protection cell 21F and protection cell 22F share the ground power supply line 122 and have a layout pattern that is inverted around the ground power supply line 122.
  • the protection cells 21F and 22F are arranged adjacent to each other in the cell height direction (predetermined direction), thereby reducing the area occupied by the protection cells 21F and 22F. it can.
  • the protection cell is arranged adjacent to the standard cell.
  • the protection cells 21F and 22F may share the power lines with the standard cells 23F and 25F, but may not be adjacent to each other. That is, a blank area may be provided between the protection cells 21F and 22F and the standard cells 23F and 25F.
  • the protection cells 21F and 22F are arranged adjacent to each other and a blank area is provided between the protection cells 21F and 22F and the standard cells 23F and 25F, the protection cells 21F are adjacent to each other in the adjacent protection cells 21F and 22F. And the N well 41 unnecessary for the 22F is formed, and the necessary P well 42 can be formed on the entire surface. Therefore, in this case, a smaller area layout is possible.
  • the protection cell 21F and the protection cell 22F are arranged at different positions (shifted positions) in the cell width direction (direction perpendicular to the predetermined direction). Thereby, a large blank area around the protection cell 21F and the protection cell 22F can be secured.
  • the protection cell 21F and the protection cell 22F are secured by securing a large blank area around the protection cell 21F and the protection cell 22F.
  • the freedom of arrangement becomes large. Therefore, in this embodiment, since it becomes possible to determine the arrangement position of the protection cell 21F and the protection cell 22F using EDA, a design man-hour can be shortened.
  • Embodiment 8 Next, the configuration of the semiconductor device according to the eighth embodiment will be described.
  • the present embodiment is different from the seventh embodiment in that a plurality of protection cells are arranged at the same position in the cell width direction (direction orthogonal to the predetermined direction).
  • FIG. 16 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between the domain 10 and the domain 20G in the present embodiment.
  • FIG. 17 is a partially enlarged view of FIG. 16, and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cells 21G and 22G.
  • the protection cells 21G and 22G are arranged at the same position in the cell width direction (direction orthogonal to the predetermined direction). Specifically, in the present embodiment, the protection cells 21G and 22G are in contact with each other without shifting their sides in the cell height direction (predetermined direction: vertical direction on the paper surface). That is, the adjacent protection cell 21G and protection cell 22G share the ground power supply line 122 and have a layout pattern that is inverted around the ground power supply line 122 at the same position.
  • the protection cell 21G and the protection cell 22G are arranged at the same position in the cell width direction (direction orthogonal to the predetermined direction) (displacement is prohibited). A layout with a smaller area than in the seventh aspect is possible.
  • FIG. 18 is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell 21H in the present embodiment.
  • a protection circuit having a resistance element 211 and a protection transistor 212 and a buffer 213 are formed. However, it differs from the protection cell 21D in that the well boundary 40a is bent in an L shape in the protection cell 21H.
  • the well boundary 40a is formed so as to cut out some corners of the rectangular protection cell 21H. That is, in plan view, the P well 42 has a rectangular shape in which some corners are cut out, and the N well 41 is formed in a portion where the P well 42 is cut out.
  • a plurality of protection cells including the protection cell 21H are arranged at the same position in the cell width direction (a direction orthogonal to a predetermined direction) (displacement is prohibited). By doing so, a smaller area layout is possible.
  • Embodiment 10 >> Next, the configuration of the semiconductor device according to the tenth embodiment will be described.
  • the present embodiment is different from the above embodiments in that the cell height (the size in the predetermined direction) of the protection cell is twice that of the standard cell.
  • FIG. 19 is a simplified layout diagram showing an enlarged connection portion between the domain 10 and the domain 20I in the present embodiment.
  • FIG. 20 is a partially enlarged view of FIG. 19 and is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell 21I.
  • the protection circuit formed in the protection cell 21I and the protection circuit formed in the protection cell 22I have the same configuration, the protection circuit formed in the protection cell 21I will be described below. Simplifies the description.
  • each of the protection cells 21I and 22I has a cell height twice that of each standard cell 23F and 23F, and is disposed adjacent to each other.
  • the protection cell 21 ⁇ / b> I has a resistance element 211 and a protection transistor 212 arranged in the cell height direction (up and down direction in the drawing), compared with the above embodiments.
  • the resistance element 211 and the protection transistor 212 are arranged in a compact manner. Thus, according to the present embodiment, a smaller area layout is possible.
  • each of the protection cells 21I and 22I is not limited to twice that of each standard cell 23F and 23F, but may be an integer multiple of 3 times or more.
  • FIG. 21 is a simplified connection diagram of the semiconductor device 1J according to the present embodiment.
  • the domain 10J and the domain 20J shown in the figure are a domain including the first circuit (for example, the domain 10 of the first embodiment) and a domain including the second circuit (for example, the first embodiment of the first embodiment). Domain 20).
  • Each of the pads 301 and 302 shown in the figure is an electrode pad of the semiconductor device 1J, and is connected to, for example, a package pin (lead frame: external electrode) of the semiconductor device 1 through wire bonding.
  • the domains 10J and 20J are supplied with ground power supplies VSS1 and VSS2 separated to the pads 301 and 302, respectively.
  • the surge protection capability is sufficiently ensured by applying any of the first to tenth embodiments.
  • a small area layout is possible.
  • the semiconductor device 1J since the semiconductor device 1J includes any of the configurations of the first to tenth embodiments, the same effects as those of the first to tenth embodiments are achieved.
  • FIG. 22 is a simplified connection diagram of the semiconductor device 1K according to the twelfth embodiment.
  • the domain 10K and the domain 20K shown in the figure include a domain including the first circuit in the first to tenth embodiments (for example, the domain 10 in the first embodiment) and a domain including the second circuit (for example, the embodiment). 1 domain 20).
  • Each of the package pins 401 and 402 shown in the figure is a lead frame (external electrode) of the semiconductor device 1K.
  • the package pin 401 is connected to the pad 301 by wire bonding, and the package pin 402 is connected to the pad 302 by wire bonding. Is done.
  • the domains 10K and 20K are supplied with ground power supplies VSS1 and VSS2 separated up to package pins 401 and 402, respectively.
  • VSS1 and VSS2 ground power supplies
  • the semiconductor device 1K since the semiconductor device 1K includes any of the configurations of the first to tenth embodiments, the same effects as those of the first to tenth embodiments are achieved.
  • FIG. 23 is a simplified connection diagram of the semiconductor device 1L according to the thirteenth embodiment.
  • the domain 10L and the domain 20L shown in the figure include a domain including the first circuit in the first to tenth embodiments (for example, the domain 10 of the first embodiment) and a domain including the second circuit (for example, the embodiment). 1 domain 20).
  • the domains 10L and 20L are supplied with the ground power supply VSS1 and the ground power supply VSS2, respectively.
  • a wiring 311 for connecting the pad 301 and the domain 10L to supply the ground power supply VSS1 to the ground power supply line 112, and a wiring for connecting the pad 302 and the domain 20L to supply the ground power supply VSS2 to the ground power supply line 122. 312 is connected to a substrate resistor 303 having a high resistance.
  • the semiconductor device 1L since the semiconductor device 1L includes any of the configurations of the first to tenth embodiments, the same effects as those of the first to tenth embodiments are achieved.
  • the cell height of the standard cell arranged in the domain 10 and the cell height of the standard cell arranged in the domain 20 may not be the same. Different cell heights may be used. Further, standard cells may not be arranged in the domain 10. Further, the domain 10 and the domain 20 do not have to be formed on the same semiconductor substrate 40, and the semiconductor device has a structure in which the domain 10 and the domain 20 formed on different semiconductor substrates are sealed in one package. It may be.
  • the NMOS transistor is described as an example of the protection transistor of the protection circuit.
  • the protection transistor may be a PMOS transistor.
  • the N-type diffusion layer has been described as an example of the resistance element of the protection circuit, the resistance element may be formed of a P-type diffusion layer.
  • the diffusion layer 44 of the resistance element and the diffusion layer 44 of the cathode of the protective diode are made common by increasing the planar view area of the diffusion layer 44 formed in the P well 42. Also good.
  • FIG. 24 is a layout diagram showing a detailed layout pattern of the protection cell 21C according to another embodiment.
  • the present embodiment is different from the fourth embodiment in that the diffusion layer 44 forming the cathode of the protection diode 212C is shared with the diffusion layer 44 forming the resistance element 211. . That is, in the present embodiment, the node on the resistance element 211 side of the protection diode 212 ⁇ / b> C is the diffusion layer 44 formed on the semiconductor substrate 40 and the end of the diffusion layer 44 that forms the resistance element 211.
  • the protection circuit formed in the protection cell 21C can protect the second circuit from the surge generated in the first circuit. That is, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained.
  • the diffusion layer 44 that forms the cathode of the protection diode 212C is shared with the diffusion layer 44 that forms the resistance element 211, so that the layout is smaller than that in the fourth embodiment. Can be realized.
  • the resistance element of the protection circuit and the second circuit may be short-circuited.
  • short-circuited indicates a case where two components are connected.
  • the term “connected” in the above description is not limited to the case where two components are directly connected, and the two components are not limited to other types within a range in which the same function can be realized. The case where it connects via a component is also included.
  • the resistance element and the protection element of the protection circuit may be arranged in different wells.
  • the resistance element is a diffused resistor formed by a P-type diffusion layer 44 formed in the N well 41.
  • the protective element may be an N-type MOS transistor disposed in the P well 42.
  • the cell width of the protection cell can be reduced without bending the well boundary 40a in the protection cell.
  • the semiconductor device protects an internal circuit (second circuit) from an overvoltage caused by, for example, switching noise generated in the first circuit and the power source, without being limited to a surge due to electrostatic discharge.
  • the surge described above refers to a phenomenon in which an abnormally high voltage (overvoltage) occurs instantaneously regardless of the cause of the surge.
  • the protection cell is arranged in the domain 20, but in the region of the domain 20, in the semiconductor device 1, a plurality of power supply lines 111 and ground power supply lines 122 each extending in a straight line are alternately arranged. Can be inferred from the area that is being used. That is, the protection cell arranged in the domain 20 can be defined as a cell in which the resistance element and the protection element of the protection circuit are arranged between the adjacent power supply line 111 and the ground power supply line 112 in plan view. it can.
  • the domain in which the first circuit is formed may include any of the protection circuits described above.
  • the protection circuit includes a resistance element connected in series between the second circuit and the first circuit, a node on the first circuit side of the resistance element, and a ground power supply line (for example, And a protection element that clamps a potential difference between the node and the ground power supply line to a predetermined voltage or less.
  • the protection circuit is a cell arranged in a predetermined region (for example, domain 10 in FIG. 1), and is a cell whose size in the predetermined direction is an integer multiple of the size in the predetermined direction of the standard cell. It is formed in the cell.
  • the first circuit can be further protected from a surge generated in the second circuit.
  • FIG. 25 is a flowchart showing a method for designing a semiconductor device.
  • the design method of the semiconductor device is a design method of a semiconductor device including a semiconductor substrate having a predetermined region in which a standard cell that is a circuit block whose size in a predetermined direction is defined.
  • a first circuit connected to the first ground power supply line; a second circuit connected to a second ground power supply line independent of the first ground power supply line and configured by a plurality of standard cells;
  • a protection circuit connected between the first circuit and the second circuit, the protection circuit including a resistance element connected in series between the first circuit and the second circuit;
  • the resistor is connected between the node on the second circuit side of the resistance element and the second ground power supply line, and the potential difference between the node and the second ground power supply line is set to a predetermined voltage or less.
  • a protection device for clamping, and a semiconductor device design method is provided in a predetermined region. Determining a position where a plurality of standard cells constituting the second circuit are arranged (S11), and a cell in which a protection circuit is formed in a predetermined region, and a size in a predetermined direction is standard. Determining a position (S12) at which a protection cell that is an integral multiple of the size of the cell in a predetermined direction is arranged.
  • the semiconductor device further includes a buffer that is interposed and connected between the resistance element and the second circuit and is formed in the protection cell.
  • the delay time is calculated by applying the same delay calculation method as that for the standard cell for the delay between the cells including the protected cell and the standard cell, and The position where the protection cell is arranged is determined.
  • Such a semiconductor device design method is executed in a computer such as a CAD device.
  • the design method may be executed on the computer by an interactive operation with the computer by the designer.
  • the step (S11) for determining the positions of the plurality of standard cells and the step (S12) for determining the positions of the protection cells may be executed sequentially or may be executed in a reversed order. It does not matter if they are executed simultaneously.
  • these steps (S11 and S12) may be performed simultaneously by taking into account the timing and wiring properties between standard cells and protection cells (between circuit blocks) by an automatic tool such as EDA. That is, the position of the plurality of standard cells and the position of the protection cell may be determined at the same time.
  • the cell height is an integral multiple of the cell height of the standard cell.
  • the protection cell has a small area so that it can be mixed with the standard cell. For this reason, the position of a protection cell and the position of a standard cell can be determined simultaneously.
  • these steps (S11 and S12) are preferably performed simultaneously. Thereby, a plurality of standard cells and protection cells can be optimized and arranged. In addition, since it is possible to promptly determine whether layout of a plurality of standard cells and protection cells is possible, it is possible to suppress the occurrence of backtracking of the design process.
  • the semiconductor device according to the present disclosure is useful as a semiconductor integrated circuit or the like mounted on an electronic device such as an in-vehicle device because it can sufficiently protect against surge even when a large surge current enters inside.

Abstract

　半導体装置（１）は、接地電源線（１１２）に接続された第１の回路と、接地電源線（１１２）と独立の接地電源線（１２２）に接続され、複数の標準セル（２３～２５）で構成される第２の回路と、第１の回路及び第２の回路との間に介在して接続された保護回路とを備え、保護回路は、第１の回路と第２の回路との間に直列に接続された抵抗素子（２１１）と、抵抗素子（２１１）の第２の回路側のノードと、接地電源線（１２２）との間に介在して接続され、当該ノードと当該接地電源線（１２２）との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子とを有し、ドメイン（２０）に配置されたセルであって、セル高さが標準セル（２３～２５）の整数倍のセルである保護セル（２１及び２２）に形成されている。

Description

半導体装置及びその設計方法
　本発明は、所定方向の大きさが規定された回路ブロックである標準セルが配置される所定の領域を有する半導体基板を備える半導体装置、及び、その設計方法に関する。
　近年、半導体集積回路装置（以下、半導体装置と称す）は、プロセス分野の微細化及び高密度化の技術進歩に応じて高集積化が進み、それに伴い静電放電（以下、サージと称す）によってもたらされるダメージに弱くなってきている。例えば、外部接続用パッドから侵入するサージによって入力回路、出力回路、入出力回路や内部回路などの素子が破壊されたり、素子の性能が低下する可能性が大きくなっている。そのため、外部接続用パッドに付随して、入力回路、出力回路、入出力回路や内部回路をサージから保護するための保護回路が備えられていることが多くなってきている。このような外部接続用パッドからのサージを保護する静電放電保護回路は、ポリシリコン抵抗体と、ゲート酸化膜が厚い高耐圧ＭＯＳトランジスタで構成されるのが一般的である（特許文献１参照）。
特開２００５－５７１３８号公報
　ここで、半導体装置では、低消費電力化の要求に伴い、電源系統が複数存在する場合がある。この場合、半導体装置の内部における異なる電源ドメインの信号間において、サージが発生する虞がある。このようなサージが発生すると、例えば、サージが入力された電源ドメインの素子が破壊される場合がある。しかしながら、従来の構成では、異なる電源ドメインの間におけるサージから内部回路を保護することが困難である。なお、以下では、「電源ドメイン」を単に「ドメイン」と称する場合がある。
　また、半導体装置には、さらなる小型化が求められている。
　上記課題に鑑み、本発明は、異なる電源ドメインの間におけるサージから内部回路を保護しつつ、小型化できる半導体装置及びその設計方法を提供する。
　上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る半導体装置は、所定方向の大きさが規定された回路ブロックである標準セルが配置される所定の領域を有する半導体基板を備える半導体装置であって、第１の接地電源線に接続された第１の回路と、前記第１の接地電源線と独立の第２の接地電源線に接続され、複数の前記標準セルで構成される第２の回路と、前記第１の回路及び前記第２の回路との間に介在して接続された保護回路とを備え、前記保護回路は、前記第１の回路と前記第２の回路との間に直列に接続された抵抗素子と、前記抵抗素子の前記第２の回路側のノードと、前記第２の接地電源線との間に介在して接続され、当該ノードと当該第２の接地電源線との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子とを有し、前記所定の領域に配置されたセルであって、前記所定方向の大きさが前記標準セルの前記所定方向の大きさの整数倍のセルである保護セルに形成されている。
　また、本開示の一態様に係る半導体装置の設計方法は、所定方向の大きさが規定された回路ブロックである標準セルが配置される所定の領域を有する半導体基板を備える半導体装置の設計方法であって、前記半導体装置は、第１の接地電源線に接続された第１の回路と、前記第１の接地電源線と独立の第２の接地電源線に接続され、複数の前記標準セルで構成される第２の回路と、前記第１の回路及び前記第２の回路との間に介在して接続された保護回路とを備え、前記保護回路は、前記第１の回路と前記第２の回路との間に直列に接続された抵抗素子と、前記抵抗素子の前記第２の回路側のノードと、前記第２の接地電源線との間に介在して接続され、当該ノードと当該第２の接地電源線との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子とを有し、前記半導体装置の設計方法は、前記所定の領域において、前記第２の回路を構成する前記複数の標準セルが配置される位置を決定するステップと、前記所定の領域において、前記保護回路が形成されるセルであって、前記所定方向の大きさが前記標準セルの前記所定方向の大きさの整数倍のセルである保護セルが配置される位置を決定するステップとを含む。
　本発明によれば、異なる電源ドメイン間におけるサージから内部回路を保護しつつ、小型化することができる。
図１は、実施形態１に係る半導体装置の全体構成を示す簡易レイアウト図である。 図２は、実施形態１におけるドメインの配置を示すレイアウト図である。 図３は、図１の一部拡大図であり、ドメイン間の接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。 図４は、図３の一部拡大図であり、保護セルと標準セルとの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図５は、図４に示す構成の回路図である。 図６は、実施形態１に係る半導体装置の各層の厚み方向の位置関係を示す図である。 図７は、実施形態２における保護セルと標準セルとの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図８は、実施形態３におけるドメイン間の接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。 図９は、図８の一部拡大図であり、保護セルの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図１０は、実施形態４における保護セルの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図１１は、実施形態５におけるドメイン間の接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。 図１２は、図１１の一部拡大図であり、保護セルの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図１３は、実施形態６におけるドメイン間の接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。 図１４は、実施形態７におけるドメイン間の接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。 図１５は、図１４の一部拡大図であり、隣り合う保護セルの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図１６は、実施形態８におけるドメイン間の接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。 図１７は、図１６の一部拡大図であり、隣り合う保護セルの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図１８は、実施形態９における保護セルの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図１９は、実施形態１０におけるドメイン間の接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。 図２０は、図１９の一部拡大図であり、保護セルの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図２１は、実施形態１１に係る半導体装置の簡易結線図である。 図２２は、実施形態１２に係る半導体装置の簡易結線図である。 図２３は、実施形態１３に係る半導体装置の簡易結線図である。 図２４は、他の実施形態における保護セルの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。 図２５は、他の実施形態における半導体装置の設計方法を示すフローチャートである。
　以下、本開示の実施形態に係る半導体装置、及び、その設計方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは一例であり、本発明を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。また、各図において、寸法等は厳密には一致しない。
　《実施形態１》
　まず、実施形態１に係る半導体装置１の構成について、詳細に説明する。図１は、実施形態１に係る半導体装置１の全体構成を示す簡易レイアウト図である。
　同図に示すように、半導体装置１は、半導体基板に形成されたドメイン１０及びドメイン２０を有する。半導体装置１は、半導体材料若しくは絶縁材料の表面又は半導体材料の内部に、トランジスタ又はその他の回路素子（後述する）が形成されることにより、所定の電子回路の機能を有するものであり、例えば、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：大規模集積回路）、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩ等である。
　ドメイン１０及び２０は、互いに異なる電源系統が供給される領域であり、例えば、ドメイン１０にはアナログ電源が供給され、ドメイン２０にはデジタル電源が供給される。つまり、ドメイン１０及び２０は、互いに異なる電源系統に接続される領域である。具体的には、ドメイン１０には、正電源ＶＤＤ１が供給される複数の電源線１１１、及び、接地電源ＶＳＳ１が供給される複数の接地電源線１１２（第１の接地電源線）が設けられている。また、ドメイン２０には、正電源ＶＤＤ２が供給される複数の電源線１２１、及び、接地電源ＶＳＳ２が供給される複数の接地電源線１２２（第２の接地電源線）が設けられている。
　ドメイン１０及びドメイン２０の各々では、セルと呼ばれる矩形形状の領域に形成された回路ブロックが複数組み合わせて接続されることにより、所定の回路（電子回路）が形成されている。ドメイン１０に形成された回路（第１の回路）は、電源線１１１及び接地電源線１１２に接続されることにより、正電源ＶＤＤ１及び接地電源ＶＳＳ１が供給される（接続される）。一方、ドメイン２０に形成された回路（第２の回路）は、電源線１２１及び接地電源線１２２に接続されることにより、正電源ＶＤＤ２及び接地電源ＶＳＳ２が供給される。
　ここで、「互いに異なる電源系統」とは、各電源系統の電源が独立であることを指し、例えば、ドメイン１０に供給される電源系統の電源と、ドメイン２０に供給される電源系統の電源とが、分離されていることを指す。
　なお、これらの電源は、少なくともドメイン１０とドメイン２０との間で分離されていればよく、半導体装置１の外部接続用パッド（図示せず）はドメイン１０とドメイン２０とで共有されていてもよい。また、分離とは、電源を供給する配線等のパターンが物理的に完全に分離（離間）されている場合に限らず、ハイインピーダンスの抵抗成分を介して接続されることにより電気的に分離されている場合も含まれる。
　本実施形態において、ドメイン１０とドメイン２０とは、複数の配線３０を介して接続されている。具体的には、ドメイン１０に形成された第１の回路と、ドメイン２０に形成された第２の回路とは、複数の配線３０を介して接続され、第１の回路から出力された複数の信号が複数の配線３０を介して第２の回路に入力される。
　次に、ドメイン１０及びドメイン２０の構成について、図２を用いて具体的に説明する。なお、ドメイン１０及びドメイン２０の構成は、形成された回路（第１の回路及び第２の回路）及び後述する保護セルがドメイン２０に設けられている点を除きほぼ同様であるため、以下ではドメイン２０の構成について説明し、ドメイン１０の構成については簡略化して説明する。
　図２は、ドメイン２０の配置を示すレイアウト図である。なお、同図では、説明の便宜上、標準セル２０ａにメッシュ状のハッチングを施している。また、隣り合う標準セル２０ａ間の白い領域は、回路ブロックが配置されていない空白領域である。
　同図に示すように、ドメイン２０には、所定方向（紙面の上下方向）の大きさが規定されたセルである標準セル２０ａが配置されている。
　標準セル２０ａには、上述した回路素子としてインバータ、バッファ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、その他さまざまな論理ゲートが形成されることにより、任意の機能を有する回路ブロックが形成されており、標準セル２０ａを複数組み合わせて接続することによって、これら標準セルに形成された複数の回路ブロックが接続される。これにより、所定の論理機能を実現する所定の回路が形成される。これら標準セル２０ａの配置は、例えば、半導体メーカ等によって提供されるライブラリを用いたＥＤＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）によって決定される。ライブラリとは、セル高さや論理ゲートごとに、電気的特性及びレイアウト等の設計に必要なデータを示す情報が格納されたデータベースである。
　一般に、標準セルでは、ＮＭＯＳトランジスタ及びＰＭＯＳトランジスタをＶＤＤ線とＶＳＳ線との間に直列接続して、ゲートを共有するＣＭＯＳインバータを最も基本的な回路構成とする。したがって、最も基本的な標準セルは、ＶＤＤ線とＶＳＳ線とを交互に並行配置したときに、ＶＤＤ線中心とＶＳＳ線中心との距離が規定され、ＶＤＤ線及びＶＳＳ線に沿った方向が当該標準セルの回路規模に応じて適宜増減される矩形形状である。よって、最も基本的な標準セルは、ＶＤＤ線及びＶＳＳ線と直交する方向において、ＣＭＯＳインバータのゲートの延設方向（チャネル方向に直交する方向）に応じた大きさとなる。
　具体的には、ＶＤＤ線及びＶＳＳ線と直交する方向の大きさ（以下、「セル高さ」と称する）は、例えば３種類程度に規格化されている。この標準セルのセル高さは、半導体装置全体では互いに異なる規格で規定されていてもよい。ただし、同一の回路内では、同一の微細化プロセスのデザインルールが適用されることなどにより、同一のセル高さによって規定される。
　これにより、図２に示すように、ドメイン２０では、同じセル高さ、かつ、様々なセル幅を有する複数の標準セル２０ａが電源線１２１及び接地電源線１２２の延設方向に沿って配置される。
　ここで、上述したようにドメイン２０に形成された第２の回路は、ドメイン１０に形成された第１の回路から出力された信号が入力される。このとき、第１の回路に生じたサージが第２の回路へ入力されると第２の回路が破壊される虞がある。
　そこで、本実施形態では、後述する保護回路が形成されたセルである保護セルを設けることにより、異なる電源系のドメイン１０及び２０の信号間におけるサージから第２の回路を保護して当該サージによる第２の回路の破壊を低減する。
　図３は、図１の一部拡大図であり、ドメイン１０とドメイン２０との接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。なお、同図では、ドメイン１０及び２０におけるセル境界を破線で示し、そのうち太い破線で示された領域が保護セル、他の領域が標準セル又は上述した空白領域である。また、以降の簡易レイアウト図においても、セル境界が破線で示され、保護セルが太い破線で囲まれた領域で示され、標準セル又は空白領域が他の領域で示される。
　同図に示すように、ドメイン１０は、第１の回路が有するバッファ１１０が形成された標準セル１１と、第１の回路が有するバッファ１２０が形成された標準セル１２とを含む。一方、ドメイン２０は、保護回路が形成された保護セル２１及び２２と、各々が第２の回路が有するバッファが形成された標準セル２３～２５（図２に示す標準セル２０ａの一例）とを含む。これらドメイン１０とドメイン２０とは、複数の配線３０を介して接続されている。
　具体的には、標準セル１１（バッファ１１０）から出力された信号は、配線３１（図１に示す複数の配線３０のうちの一の配線）及び保護セル２１（保護回路）を介して、標準セル２３（バッファ２３１）へ入力される。また、標準セル１２（バッファ１２０）から出力された信号は、配線３２（配線３０のうちの他の一の配線）及び保護セル２２（保護回路）を介して、標準セル２５（バッファ２５１）へ入力される。また、標準セル２４は、保護セル２１に隣接して配置された標準セルであって、第２の回路に含まれるバッファが形成されている。
　つまり、保護回路は、第１の回路及び第２の回路との間に介在して接続されている。
　ここで、保護回路の具体的な構成について説明する。なお、保護セル２１に形成された保護回路と保護セル２２に形成された保護回路とは、同様の構成を有するため、以下では保護セル２１に形成された保護回路を構成する抵抗素子２１１及び保護トランジスタ２１２について説明し、保護セル２２の抵抗素子２２１及び保護トランジスタ２２２については説明を省略する。
　抵抗素子２１１は、ドメイン１０に形成された第１の回路とドメイン２０に形成された第２の回路との間に直列に接続され、例えば、抵抗値が２００Ωの抵抗素子である。
　保護トランジスタ２１２は、抵抗素子２１１の第２の回路側のノードと、接地電源線１２２との間に介在して接続され、当該ノードと当該接地電源線１２２との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子の一例である。この保護トランジスタ２１２は、例えば、ダイオード接続されたＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタである。
　このような構成により、保護セル２１に形成された保護回路は、第１の回路で発生したサージから第２の回路を保護することができる。
　具体的には、保護トランジスタ２１２は、ゲートとソースが短絡されているため、第１の回路から配線３１を介して入力ノードＮｉｎに入力される電圧が所定の範囲内である通常状態ではオフとなる。しかしながら、入力ノードＮｉｎに所定の範囲内よりはるかに大きいサージ電圧が印加されると、保護トランジスタ２１２のドレインと基板間のｐｎ接合が逆バイアスされることによりブレークダウンが生じる。
　この結果、半導体基板をベースとする寄生バイポーラトランジスタがオンすることにより、ドレインに印加されたサージ電圧が、寄生バイポーラトランジスタを介して、接地電源線１２２へと放電される。
　これにより、保護回路の出力ノードＮｏｕｔは、接地電源線１２２との電位差が、所定の電圧以下にクランプされる。つまり、保護回路は、サージ電圧が第２の回路へ入力されることによる第２の回路の破壊を低減することができる。
　また、図２及び図３に示すように、半導体装置１は、セルの高さ方向（所定方向）において、交互に設けられた複数の電源線１２１と複数の接地電源線１２２とを有する。
　これら複数の接地電源線１２２の各々は、セルの高さ方向（所定方向）において互いに隣り合う複数の標準セル２０ａの境界において、セルの高さ方向に直交する方向にドメイン２０（所定の領域）内を直線状に延設された電源線であり、保護回路と第２の回路とで共有されている。
　例えば、保護セル２１に形成された保護回路に接地電源ＶＳＳ２を供給する接地電源線１２２は、第２の回路が有するバッファ、かつ、標準セル２４に形成されたバッファ（図４参照）にも接地電源ＶＳＳ２を供給する。すなわち、当該接地電源線１２２は、保護回路と第２の回路とで共有されている。
　これら複数の接地電源線１２２と同様に、複数の電源線１２１についても、セルの高さ方向に直交する方向に沿ってドメイン２０（所定の領域）内を直線状に延設され、保護回路と第２の回路とで共有されている。
　つまり、保護回路は、ドメイン２０に配置され、かつ、セル高さ（所定方向の大きさ）が標準セル２３～２４（図２に示す標準セル２０ａの一例）のセル高さの整数倍のセルである保護セル２１及び２２に形成されている。
　ここで、セル高さとは、当該セルに形成された回路ブロックが接続される電源線１２１及び接地電源線１２２の中心線間距離に相当する。つまり、本実施形態では、保護セル２１及び２２のセル高さは、標準セル２３～２４のセル高さと同一（セル高さの１倍）である。このセル高さは、例えば、電源線１２１と接地電源線１２２との間隔、又は、後述するウェル境界の間隔から推測することができる。
　また、複数の電源線１２１及び複数の接地電源線１２２は、ドメイン２０（所定の領域）において、一の配線層（後述する第１メタル配線層）に形成され、ドメイン２０（所定の領域）内において線幅が略一定である。なお、「略一定である」とは実質的に一定であればよく、例えば、最大の線幅と最小の線幅との差が、平均の線幅の１０パーセント以内、好ましくは５パーセント以内であればよい。
　次に、保護セル２１及び２２のレイアウトについて、図４～図６を用いて、説明する。なお、保護セル２１と保護セル２２とは、セル内のレイアウトについて同様であるため、以下では保護セル２１について説明し、保護セル２２については説明を省略する。
　図４は、図３の一部拡大図であり、保護セル２１と標準セル２４との詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。図５は、図４に示す構成の回路図である。
　まず、図４及び図５の説明に先立って、図４に示す各層（拡散層４４、ポリシリコン層４５、コンタクト４６、第１メタル配線層４７、ビア４８及び第２メタル配線層４９）の理解を容易にするため、図６を用いて各層の厚み方向の位置関係について説明する。図６は、半導体装置１の各層の厚み方向の位置関係を示す図である。なお、同図は、各層の厚み方向の位置関係を説明するために、便宜上示した図であり、各層の厚み方向の位置関係を除いて図４とは整合しない場合がある。また、ポリシリコン層４５とＰウェル４２（半導体基板４０）との間にはゲート絶縁膜が配置され、コンタクト４６と拡散層４４（半導体基板４０）との間にはエッチングストッパ層が配置される場合等があるが、これらについては、図示を省略する。
　図６には、一例として、図５に示すトランジスタＴｒ１３及びＴｒ１４の構成が示されている。
　図４及び図６に示すように、本実施形態の半導体装置１は、例えばｐ型のシリコン基板である半導体基板４０と、半導体基板４０に形成されたＮウェル４１及びＰウェル４２と、Ｎウェル４１及びＰウェル４２に形成された拡散層４４と、半導体基板４０の上方に形成されたポリシリコン層４５と、層間絶縁膜５１を貫通するコンタクト４６と、層間絶縁膜５１上に配置されてコンタクト４６と接続される第１第１メタル配線層４７と、層間絶縁膜５１上に配置された層間絶縁膜５２を貫通するビア４８と、層間絶縁膜５２上に配置されてビア４８と接続される第２メタル配線層４９とを有する。
　なお、図４では、便宜上、Ｎウェル４１に形成された拡散層４４とＰウェル４２に形成された拡散層４４とで、同一のハッチングを施しているが、Ｎウェル４１にはＰ型の拡散層４４が形成され、Ｐウェル４２にはＮ型の拡散層４４が形成されている。つまり、平面視において、Ｎウェル４１に形成されるＭＯＳトランジスタはＰＭＯＳトランジスタであり、Ｐウェル４２に形成されるＭＯＳトランジスタはＮＭＯＳトランジスタである。
　ここで、上述したように、標準セル２４では、図４及び図５に示すような、ＮＭＯＳトランジスタＴｒ２１及びＴｒ２３及びＰＭＯＳトランジスタＴｒ２２及びＴｒ２４が、電源線１２１と接地電源線１２２との間に直列接続されたＣＭＯＳバッファ２４１を最も基本的な回路構成とする。よって、本実施形態では、ドメイン２０において、Ｎウェル４１及びＰウェル４２の各々は、セルの高さ方向に直交する方向に沿って帯状に形成されている。つまり、Ｎウェル４１及びＰウェル４２は、保護セル２１と標準セル２４との間で、連続して配置されている。具体的には、本実施形態では、平面視において、Ｎウェル４１とＰウェル４２との境界であるウェル境界４０ａは直線状である。
　なお、本実施形態では、標準セル２４に形成されたＣＭＯＳバッファ２４１として２段のＣＭＯＳインバータの構成を示したが、ＣＭＯＳインバータは１段以上のいくつであってもかまわない。
　以下、図４及び図５を参照しながら、保護セル２１のレイアウトについて、説明する。
　図４に示すように、抵抗素子２１１は、半導体基板４０に形成された拡散層４４によって形成された抵抗（以下、「拡散抵抗」と称する）である。
　本発明者らのある実験によれば、拡散抵抗はポリシリコン層４５で形成された抵抗（以下、「ポリシリコン抵抗」と称する）に比べ、最大許容電流値が１０倍以上あり、より幅細く小面積な形状で抵抗を実現できることと、拡散抵抗を用いるほうが近接する他の拡散領域やポリシリコン層４５のパターンとの間隔を縮めることができ、結果として保護セル２１全体が約５分の１の面積で実現できることがわかっている。
　このように、抵抗素子２１１を拡散抵抗で形成することにより、保護セル２１のセル高さを隣接する標準セル２４のセル高さと同一にすることができる。つまり、標準セル２４の製造工程によって、保護セル２１を製造することができる。
　保護トランジスタ２１２は、ポリシリコン層４５、拡散層４４、第１メタル配線層４７、コンタクト４６によって形成される。具体的には、図５に示すように、保護トランジスタ２１２は、各々がダイオード接続され、かつ、互いに並列接続された４つｎ型のＭＯＳＦＥＴであるトランジスタＴｒ１１～Ｔｒ１４によって構成されている。これら４つのトランジスタＴｒ１１～Ｔｒ１４は、平面視において隣り合うトランジスタによってソースとドレインが共有されている。
　このような構成により、第１の回路から保護セル２１に入力された信号は、第２メタル配線層４９で形成された入力ノードＮｉｎから、ビア４８、第１メタル配線層４７、コンタクト４６を順次経由して抵抗素子２１１を形成する拡散抵抗の一方へ伝達され、当該拡散抵抗の他方から、コンタクト４６、第１メタル配線層４７、ビア４８を経由して出力ノードＮｏｕｔへ伝達される。
　これにより、異なる電源ドメインであるドメイン１０とドメイン２０との間に多数の保護セル２１及び２２を配置する場合においても、抵抗素子２１１として拡散抵抗を用いることによって、保護セル２１及び２２を標準セル２４～２５（標準セル２０ａ）と混在配置が可能なまでに小面積なレイアウトを実現できる。
　すなわち、半導体装置１では、内部回路である第１の回路及び第２の回路について設計の自動化を図るため、標準セル２０ａが多用される。また、保護回路は、保護対象の回路である第２の回路の比較的近くに配置することが望ましい。したがって、保護セル２１及び２２には、標準セル２０ａに対して容易に配置できる（配置親和性が高い）ことが望まれる。
　これに対して、本実施形態では、保護回路が、第１の回路及び第２の回路との間に介在して接続され、ドメイン２０（所定の領域）に配置され、かつ、セル高さ（所定方向の大きさ）が標準セル２４～２５（標準セル２０ａ）のセル高さの整数倍（本実施形態では１倍）のセルである保護セル２１及び２２に形成されている。
　これにより、保護セル２１及び２２の形状を標準セル２４～２５（標準セル２０ａ）と同等の形状にすることができるので、保護セル２１及び２２と第２の回路を構成する標準セル２４～２５（標準セル２０ａ）との配置親和性が高くなる。よって、保護回路と第２の回路とを比較的近くに配置することができる。したがって、異なる電源ドメインであるドメイン１０とドメイン２０との間におけるサージから第２の回路を保護することができる。また、保護セル２１及び２２と標準セル２４～２５（標準セル２０ａ）との配置親和性が高いことにより、レイアウトを小面積化することができる。すなわち、本実施形態によれば、異なる電源系のドメイン１０及び２０の間におけるサージから第２の回路（内部回路）を保護しつつ、小型化することができる。
　また、半導体装置１では、当該半導体装置１の製造プロセスの微細化に伴い、当該半導体装置１で用いられるポリシリコン層４５について、その延設方向、幅、及び、他のポリシリコン層４５との間隔を一種類または数種類に限定するようなレイアウトルールが採用される場合がある。つまり、ポリシリコン層４５のレイアウト自由度を制限する場合がある。この場合、保護回路内の抵抗素子２１１がポリシリコン抵抗で構成されていると、ポリシリコン層４５のレイアウト自由度が小さいために、保護回路の面積が大きくなりやすいという問題がある。
　特に、近年、回路仕様の複雑化と相まって、保護回路の適用箇所も多くなる傾向にあるため、保護回路の面積の増大は半導体装置１全体の小型化への大きな課題となり得る。
　これに対して、本実施形態では、抵抗素子２１１が半導体基板４０に形成された拡散層４４によって形成されていることにより、当該抵抗素子２１１の平面視面積を小面積化できる。よって、保護セル２１及び２２を小面積化することができるので、製造プロセスの微細化に伴って標準セル２４～２５（標準セル２０ａ）が小面積化された場合であっても、上述した配置親和性を高くすることができる。
　また、本実施形態によれば、半導体装置１は、保護回路において、抵抗素子（保護セル２１の抵抗素子２１１及び保護セル２２の抵抗素子２２１）の第２の回路側のノードと接地電源線１２２（第２の接地電源線）の間に介在して接続され、当該ノードと接地電源線１２２との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子として、保護トランジスタ（保護セル２１の保護トランジスタ２１２及び保護セル２２の保護トランジスタ２２２）を有する。
　これにより、当該ノードの電圧をＶＮｏｕｔ、所定の電圧をΔＶ１すると、ＶＮｏｕｔ＞ＶＳＳ２＋ΔＶ１となった場合、保護トランジスタ（保護セル２１の保護トランジスタ２１２及び保護セル２２の保護トランジスタ２２２）がブレークダウンすることにより、ＶＮｏｕｔを低下させて第２の回路を保護することができる。一方、所定の電圧をΔＶ２すると、ＶＮｏｕｔ＜ＶＳＳ２－ΔＶ２となった場合、保護トランジスタ（保護セル２１の保護トランジスタ２１２及び保護セル２２の保護トランジスタ２２２）がオンすることにより、ＶＮｏｕｔを上昇させて第２の回路を保護することができる。つまり、正負のいずれのサージ電圧についても、第２の回路を保護することができる。
　《実施形態２》
　次に、実施形態２に係る半導体装置の構成について、詳細に説明する。図７は、本実施形態における保護セル２１Ａと標準セル２４との詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。
　同図に示すように、本実施形態では、実施形態１と比較して、Ｎウェル４１とＰウェル４２との境界であるウェル境界４０ａが、平面視において保護セル２１Ａ内で屈曲している点が異なる。
　本実施形態において、保護回路は、ウェル境界４０ａが屈曲した部分に配置され、具体的には、Ｎウェル４１とＰウェル４２とのうち、平面視面積が大きいウェルに配置されている。
　具体的には、同図に示すように、保護セル２１Ａを平面視した場合、ウェル境界４０ａの一部は、標準セル２４におけるウェル境界４０ａよりも電源線１２１側へ突出している。
　つまり、上述したように、一般に、標準セル２４では、ＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタとで構成されるＣＭＯＳバッファが基本的な回路構成として用いられる。このため、標準セル２４では、平面視において、Ｎウェル４１とＰウェル４２とが同一の面積となるように形成される。
　これに対し、保護セル２１Ａでは、保護トランジスタ２１２として、ＮＭＯＳトランジスタ及びＰＭＯＳトランジスタのいずれか一方（本実施形態ではＮＭＯＳトランジスタ）のみのトランジスタが形成されるため、他方のＭＯＳトランジスタを形成するための拡散領域及びウェルは不要である。
　そのため、本実施形態では、平面視において、保護セル２１内でウェル境界４０ａを屈曲することにより、不要なウェル（本実施形態ではＮウェル４１）の面積を小さくし、必要なウェル（本実施形態ではＰウェル４２）の面積を大きくすることにより、拡散抵抗である抵抗素子２１１のための拡散層４４の面積を大きく確保することができる。
　このように構成された半導体装置であっても、上記実施形態１と同様の効果を奏することができる。
　また、本実施形態によれば、ウェル境界４０ａが保護セル２１Ａ内で屈曲することにより、平面視において、保護セル２１Ａ内のＮウェル４１が形成された領域を小さく形成することができる。よって、保護セル２１Ａのセル高さを縮小することができるので、より小面積なレイアウトを実現できる。
　つまり、標準セル２４の微細化が進んだ場合であっても、抵抗素子２１１に要求される抵抗値（例えば、２００Ω）を実現するために必要な拡散層４４の面積を維持しつつ、標準セル２４と同一のセル高さで保護セル２１Ａを実現できる。すなわち、微細化が進んだ標準セル２４との高い配置親和性を有する保護セル２１Ａを実現できる。
　《実施形態３》
　次に、実施形態３に係る半導体装置の構成について、詳細に説明する。図８は、本実施形態におけるドメイン１０とドメイン２０Ｂとの接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。
　本実施形態は、実施形態１と比較して、保護回路が保護トランジスタ２１２及び２２２に代わり、保護ダイオード２１２Ｂ及び２２２Ｂを有する点が異なる。具体的には、同図に示すように、保護セル２１Ｂでは、保護トランジスタ２１２に代わり保護ダイオード２１２Ｂが設けられ、保護セル２２Ｂでは、保護トランジスタ２２２に代わり保護ダイオード２２２Ｂが設けられている点が異なる。
　ここで、本実施形態における保護回路の具体的な構成について説明する。なお、保護セル２１Ｂに形成された保護回路と保護セル２２Ｂに形成された保護回路とは、同様の構成を有するため、以下では保護セル２１Ｂに形成された保護回路を構成する抵抗素子２１１及び保護ダイオード２１２Ｂについて説明し、保護セル２２Ｂの抵抗素子２２１及び保護ダイオード２２２Ｂについては説明を省略する。
　保護ダイオード２１２Ｂは、抵抗素子２１１の第２の回路側のノードと、接地電源線１２２（第２の接地電源線）との間に介在して接続され、当該ノードと、接地電源線１２２との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子の一例である。保護ダイオード２１２Ｂは、アノードが接地電源線１２２に接続され、カソードが抵抗素子２１１の第２の回路側のノードに接続されている。
　このような構成であっても、保護セル２１Ｂに形成された保護回路は、第１の回路で発生したサージから第２の回路を保護することができる。
　具体的には、保護ダイオード２１２Ｂは、第１の回路から配線３１を介して入力ノードＮｉｎに入力される電圧が所定の範囲内である通常状態ではオフとなる。しかしながら、入力ノードＮｉｎに、所定の範囲外の低電位のサージ電圧（負のサージ電圧）が印加されると、保護ダイオード２１２Ｂがオンする。
　これにより、保護回路の出力ノードＮｏｕｔは、接地電源線１２２との電位差が所定の電圧以下にクランプされる。つまり、保護回路は、サージ電圧が第２の回路へ入力されることによる第２の回路の破壊を低減することができる。
　次に、保護セル２１Ｂ及び２２Ｂのレイアウトについて、図９を用いて、説明する。なお、保護セル２１Ｂと保護セル２２Ｂとは、セル内のレイアウトについて同様であるため、以下では保護セル２１Ｂについて説明し、保護セル２２Ｂについては説明を省略する。
　図９は、図８の一部拡大図であり、保護セル２１Ｂの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。
　保護ダイオード２１２Ｂは、出力ノードＮｏｕｔに接続されたＮ型の拡散層である拡散層４４とＰウェル４２との間のＰＮ接合で実現され、Ｐウェル４２は接地電源線１２２に接続された拡散層４４と接続される。
　このように構成された半導体装置であっても、上記実施形態１と同様の効果を奏することができる。
　また、本実施形態によれば、保護回路の保護素子として、保護ダイオード（保護セル２１Ｂの保護ダイオード２１２Ｂ及び保護セル２２Ｂの保護ダイオード２２２Ｂ）を有する。
これにより、保護素子として保護トランジスタを用いた場合よりも、平面視において保護素子を小面積化できるため、より小面積なレイアウトを実現できる。
　《実施形態４》
　次に、実施形態４に係る半導体装置の構成について、詳細に説明する。図１０は、本実施形態における保護セル２１Ｃの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。
　同図に示すように、本実施形態では、実施形態３と比較して、保護ダイオード２１２Ｃの一方のノード（本実施形態ではアノード）が、半導体基板４０と接地電源線１２２（第２の接地電源線）とを接続する基板コンタクトである点が異なる。当該基板コンタクトは、具体的には、半導体基板４０のＰウェル４２と接地電源線１２２とを接続する。
　すなわち、図１０において、接地電源線１２２にコンタクト４６を介して接続された拡散領域（不図示）は、保護ダイオード２１２ＣのアノードとＰウェル４２全体に接地電源ＶＳＳ２を供給する基板コンタクトとを兼ねることが可能である。
　このような構成であっても、保護セル２１Ｃに形成された保護回路は、第１の回路で発生したサージから第２の回路を保護することができる。
　また、本実施形態によれば、保護ダイオード２１２Ｃの一方のノードが接地電源線１２２とＰウェル４２とを接続する基板コンタクト（接地電源線１２２にコンタクト４６を介して接続された拡散領域）であることにより、実施形態３よりも、より小面積なレイアウトを実現できる。
　なお、実施形態３及び４では、保護ダイオードがＰウェル４２に形成され接地電源線１２２に接続された場合だけを示しているが、さらにＮウェル４１に形成され電源線１２１に接続された別の保護ダイオードを追加する構成であってもよく、この構成の場合、よりサージ保護能力を向上させることができる。
　すなわち、この構成によると、保護回路の出力ノードＮｏｕｔは、さらに、電源線１２１との電位差が所定の電圧以下にクランプされる。つまり、保護回路は、正負のいずれのサージ電圧についても、当該サージ電圧が第２の回路へ入力されることによる第２の回路の破壊を低減することができる。
　《実施形態５》
　次に、実施形態５に係る半導体装置の構成について、図１１及び図１２を用いて詳細に説明する。図１１は、本実施形態におけるドメイン１０とドメイン２０Ｄとの接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。図１２は、図１１の一部拡大図であり、保護セル２１Ｄの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。
　なお、保護セル２１Ｄに形成された保護回路と保護セル２２Ｄに形成された保護回路とは、同様の構成を有するため、以下では保護セル２１Ｄに形成された保護回路を構成する抵抗素子２１１、保護トランジスタ２１２及びバッファ２１３（後述する）について説明し、保護セル２２Ｂの抵抗素子２２１、保護トランジスタ２２２及びバッファ２２３については説明を省略する。
　本実施形態は、実施形態１と比較して、半導体装置が、さらに、各抵抗素子（保護セル２１Ｄの抵抗素子２１１及び保護セル２２Ｄの抵抗素子２２１）と第２の回路との間に介在して接続された出力回路を備える点が異なる。具体的には、本実施形態において、当該出力回路は、保護セル２１Ｄ及び２２Ｄの各々に形成されたバッファ２１３及び２２３である。
　図１２に示すように、本実施形態における保護セル２１Ｄは、図４に示す保護セル２１と標準セル２４とが、第１メタル配線層４７で接続された構成に相当する。
　ここで、本実施形態における保護回路の具体的な構成について説明する。
　バッファ２１３は、入力ノードが抵抗素子２２１の第２の回路側のノードＮ１に接続され、出力ノードが保護回路の出力ノードＮｏｕｔに接続される。このように、保護セル２１Ｄの出力ノードＮｏｕｔにバッファ２１３を設けることにより、保護セル２１Ｄを含むドメイン２０のタイミング解析が容易となる。
　すなわち、一般に、標準セル間の信号において自動ツールによる遅延計算を行う際、セルの入力と出力とが抵抗のみを介して接続されている場合には、出力の状態に応じて入力負荷容量が変わるため、遅延計算誤差が大きくなってしまう。これに対して、本実施形態のように入力と出力とがバッファ２１３を介して接続されていると、出力の状態が入力へ影響しにくくなる。
　よって、保護セル２１Ｄの出力ノードＮｏｕｔにバッファ２１３を設けることにより、例えば、保護セル２１Ｄにおける遅延時間、標準セル１１と保護セル２１Ｄとの間の配線による遅延時間、及び、保護セル２１Ｄと標準セル２３Ｄとの間の配線による遅延時間等について、高精度な遅延計算が可能となる。すなわち、保護セル２１Ｄについて、標準セルと同じ遅延計算手法と適用することができる。その結果、設計マージンを削減してより高速な信号伝達が可能となる。
　このように構成された半導体装置は、上記実施形態１と比較して、小型化の効果が多少薄れるものの、設計マージンを削減して高速な信号伝達を実現することができる。
　また、図１２に示すように、保護セル２１Ｄにおいて、保護トランジスタ２１２のゲート、及び、バッファ２１３を構成するＣＭＯＳトランジスタのゲートは、平面視において同一方向に延設された形状を有する。具体的には、保護トランジスタ２１２を構成する４つのＮＭＯＳトランジスタの各々のゲート、及び、バッファ２１３を構成する２つのＣＭＯＳトランジスタの各々のゲートは、セルの高さ方向（紙面の上下方向）に延びる長尺形状である。
　これにより、ポリシリコン層４５の延設方向が一方向に限定されるようなレイアウトルールが採用される場合であっても、本実施形態における保護セル２１Ｄを製造することができる。
　《実施形態６》
　次に、実施形態６に係る半導体装置の構成について、詳細に説明する。図１３は、本実施形態におけるドメイン１０とドメイン２０Ｅとの接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。
　本実施形態では、実施形態１と比較して、半導体装置が、さらに、各抵抗素子（保護セル２１Ｄの抵抗素子２１１及び保護セル２２Ｄの抵抗素子２２１）と第２の回路との間に介在して接続された出力回路を備える点が異なる。具体的には、本実施形態において、当該出力回路は、標準セル２３Ｅ及び２５Ｅに形成された論理ゲート２３１Ｅ及び２５１Ｅである。
　より具体的には、図１３において、標準セル２３ＥにはＡＮＤ論理の論理ゲート２３１Ｅが形成され、標準セル２５ＥにはＡＮＤ論理の論理ゲート２５１Ｅが形成されている。このように、本実施形態では、実施形態１と比較して、保護セル２１及び２２の出力ノードの接続先がバッファが形成された標準セル２３及び２５ではなく、論理ゲートが形成された標準セル２３Ｅ及び２５Ｅである。
　このように構成された半導体装置であっても、上記実施形態１と同様の効果を奏することができる。
　また、本実施形態によれば、抵抗素子（保護セル２１の抵抗素子２１１及び保護セル２２の抵抗素子２２１）と第２の回路との間に、論理ゲート（標準セル２３Ｅの論理ゲート２３１Ｅ及び標準セル２５Ｅの論理ゲート２５１Ｅ）を設けることにより、例えば、論理ゲートの２つの入力ノードのうち保護セルからの入力ノードと異なる他方の入力ノードを制御することで電源遮断時の第２の回路への入力が不定となる状態を避けることができる。
　具体的には、第１の回路が配置されたドメイン１０において電源（ＶＤＤ１及びＶＳＳ１）が遮断された場合、第１の回路から出力される信号の電圧が不定（例えば、ＶＤＤ１とＶＳＳ１との中間電位等）となる場合がある。この場合、不定の電圧の信号が第２の回路に入力されると、例えば第２の回路が予期せぬ動作をする虞がある。
　そこで、例えば、ドメイン１０における電源の遮断を検知した場合、制御回路から論理ゲート２３１Ｅ及び２５１Ｅの他方の入力ノードに接地電源（電位）ＶＳＳ２を供給することにより、論理ゲート２３１Ｅ及び２５１Ｅの出力電圧を接地電源ＶＳＳ２とすることができる。つまり、第２の回路への入力電圧を接地電源ＶＳＳ２にすることができる。よって、第２の回路への入力が不定となる状態を避けることができる。
　なお、抵抗素子と第２の回路との間に設けられる論理ゲートは、ＡＮＤ論理でなくてもよく、例えば、ＯＲ論理であっても、ＡＮＤ論理又はＯＲ論理の反転論理であってもかまわない。また、論理ゲートは、標準セルでなく保護セル２１及び２２に形成されていてもかまわない。
　《実施形態７》
　次に、実施形態７に係る半導体装置の構成について、図１４及び図１５を用いて詳細に説明する。図１４は、本実施形態におけるドメイン１０とドメイン２０Ｆとの接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。図１５は、図１４の一部拡大図であり、保護セル２１Ｆ及び２２Ｆの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。
　なお、保護セル２１Ｆに形成された保護回路と保護セル２２Ｆに形成された保護回路とは、同様の構成を有するため、以下では保護セル２１Ｆに形成された保護回路について説明し、保護セル２２Ｆについては説明を簡略化する。
　上述した各実施形態では、保護セル間には標準セルが配置されていた。これに対して、本実施形態では、図１４及び図１５に示すように、本実施形態では、各々に保護回路が形成された複数の保護セル２１Ｆ及び２２Ｆは、セルの高さ方向（所定方向）において互いに隣り合って配置されている。
　具体的には、本実施形態において、保護セル２１Ｆ及び２２Ｆはセルの高さ方向（所定方向：紙面上下方向）に互いの一部の辺が接している。より具体的には、隣接する保護セル２１Ｆと保護セル２２Ｆとは、接地電源線１２２を共有し、当該接地電源線１２２を中心に反転したレイアウトパターンを有する。
　このように構成された半導体装置であっても、上記実施形態１と同様の効果を奏することができる。
　また、本実施形態によれば、保護セル２１Ｆと２２Ｆとが、セルの高さ方向（所定方向）において互い隣り合って配置されることにより、保護セル２１Ｆと２２Ｆが占める面積を小さくすることができる。
　また、上述した各実施形態では、保護セルは標準セルと隣接して配置されていた。これに対して、本実施形態では、図１４及び図１５に示すように、保護セル２１Ｆ及び２２Ｆは標準セル２３Ｆ及び２５Ｆと電源線は共有するものの隣接していなくてもかまわない。すなわち、保護セル２１Ｆ及び２２Ｆと標準セル２３Ｆ及び２５Ｆとの間には、空白領域が設けられていてもかまわない。
　このように、保護セル２１Ｆ及び２２Ｆ同士を隣接して配置し、保護セル２１Ｆ及び２２Ｆと標準セル２３Ｆ及び２５Ｆとの間に空白領域を設ける場合、隣接する保護セル２１Ｆ及び２２Ｆにおいて、保護セル２１Ｆ及び２２Ｆにとって不要なＮウェル４１を形成せず、必要なＰウェル４２を全面に形成することができる。よって、この場合、より小面積なレイアウトが可能となる。
　また、本実施形態では、保護セル２１Ｆと保護セル２２Ｆとがセルの幅方向（所定方向と直交する方向）において、互いに異なる位置（ずれた位置）に配置されている。これにより、保護セル２１Ｆ及び保護セル２２Ｆの周囲の空白領域を大きく確保することができる。
　一般に、半導体装置では、空白領域が小さくなるほど設計自由度が低くなるため、本実施形態では、保護セル２１Ｆ及び保護セル２２Ｆの周囲の空白領域を大きく確保することにより、保護セル２１Ｆ及び保護セル２２Ｆの配置の自由が大きくなる。よって、本実施形態では、ＥＤＡを用いて保護セル２１Ｆ及び保護セル２２Ｆの配置位置を決定することが可能となるため、設計工数を短縮できる。
　《実施形態８》
　次に、実施形態８に係る半導体装置の構成について、説明する。本実施形態では、実施形態７と比較して、複数の保護セルが、セルの幅方向（所定方向と直交する方向）において、互いに同じ位置に配置されている点が異なる。
　以下、本実施形態について、図１６及び図１７を用いて詳細に説明する。図１６は、本実施形態におけるドメイン１０とドメイン２０Ｇとの接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。図１７は、図１６の一部拡大図であり、保護セル２１Ｇ及び２２Ｇの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。
　これらの図に示すように、本実施形態では、保護セル２１Ｇ及び２２Ｇは、セルの幅方向（所定方向と直交する方向）において、互いに同じ位置に配置されている。具体的には、本実施形態において、保護セル２１Ｇ及び２２Ｇはセルの高さ方向（所定方向：紙面上下方向）における互いの辺がずれることなく接している。つまり、隣接する保護セル２１Ｇと保護セル２２Ｇとは、接地電源線１２２を共有し、同じ位置で当該接地電源線１２２を中心に反転したレイアウトパターンを有する。
　このように構成された半導体装置であっても、上記実施形態１と同様の効果を奏することができる。
　また、本実施形態によれば、保護セル２１Ｇと保護セル２２Ｇとがセルの幅方向（所定方向と直交する方向）において、互いに同じ位置に配置される（位置ずれを禁止する）ことにより、実施形態７よりもさらに小面積なレイアウトが可能となる。
　《実施形態９》
　次に、実施形態９に係る半導体装置の構成について、説明する。図１８は、本実施形態における保護セル２１Ｈの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。
　同図に示す保護セル２１Ｈには、実施形態５の保護セル２１Ｄ（図１２参照）と同様に、抵抗素子２１１及び保護トランジスタ２１２を有する保護回路と、バッファ２１３とが形成されている。ただし、保護セル２１Ｄと比較して、保護セル２１Ｈ内においてウェル境界４０ａがＬ字状に屈曲している点が異なる。
　具体的には、本実施形態では、保護セル２１Ｈを平面視した場合、ウェル境界４０ａは、矩形形状の保護セル２１Ｈの一部の角を切り欠くように形成されている。つまり、平面視において、Ｐウェル４２は矩形形状の一部の角が切り欠かれた形状を有し、Ｎウェル４１はＰウェル４２が切り欠かれた部分に形成されている。
　これにより、本実施形態では、実施形態５と比較して、保護セル２１Ｈ内にバッファ２１３を含む場合であっても、小面積なレイアウトが可能となる。
　また、本実施形態において、実施形態８と同様に、保護セル２１Ｈを含む複数の保護セルがセルの幅方向（所定方向と直交する方向）において、互いに同じ位置に配置される（位置ずれを禁止する）ことにより、さらに小面積なレイアウトが可能となる。
　《実施形態１０》
　次に、実施形態１０に係る半導体装置の構成について、説明する。本実施形態では、上記の各実施形態と比較して、保護セルのセル高さ（所定方向の大きさ）が、標準セルの２倍である点が異なる。
　以下、本実施形態について、図１９及び図２０を用いて詳細に説明する。図１９は、本実施形態におけるドメイン１０とドメイン２０Ｉとの接続部分を拡大して示す簡易レイアウト図である。図２０は、図１９の一部拡大図であり、保護セル２１Ｉの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。
　なお、保護セル２１Ｉに形成された保護回路と保護セル２２Ｉに形成された保護回路とは、同様の構成を有するため、以下では保護セル２１Ｉに形成された保護回路について説明し、保護セル２２Ｉについては説明を簡略化する。
　これらの図に示すように、保護セル２１Ｉ及び２２Ｉの各々は、各標準セル２３Ｆ及び２３Ｆの２倍のセル高さを有し、互いに隣接して配置されている。具体的には、図２０に示すように、保護セル２１Ｉは、抵抗素子２１１と保護トランジスタ２１２とをセルの高さ方向（紙面上下方向）に並べることによって、上記の各実施形態と比較して抵抗素子２１１及び保護トランジスタ２１２をコンパクトに配置している。これにより、本実施形態によれば、より小面積なレイアウトが可能となる。
　なお、保護セル２１Ｉ及び２２Ｉの各々のセル高さ（所定方向の大きさ）は、各標準セル２３Ｆ及び２３Ｆの２倍に限らず３倍以上の整数倍であってもよい。
　《実施形態１１》
　次に、実施形態１１に係る半導体装置の構成について、説明する。図２１は、本実施形態に係る半導体装置１Ｊの簡易結線図である。同図に示すドメイン１０Ｊ及びドメイン２０Ｊは、上記の各実施形態における第１の回路を含むドメイン（例えば、実施形態１のドメイン１０等）及び第２の回路を含むドメイン（例えば、実施形態１のドメイン２０等）に相当する。
　同図に示すパッド３０１及び３０２の各々は、半導体装置１Ｊの電極パッドであり、例えば、ワイヤーボンディングを介して、当該半導体装置１のパッケージピン（リードフレーム：外部電極）と接続される。
　同図に示すように、本実施形態において、ドメイン１０Ｊ及び２０Ｊはそれぞれ、パッド３０１及び３０２まで分離された接地電源ＶＳＳ１及びＶＳＳ２が供給される。このように、電源系が半導体装置１Ｊの電極パッドであるパッド３０１及び３０２まで分離されている半導体装置１Ｊにおいて、実施形態１～１０のいずれかを適用することにより、サージ保護能力を十分確保しつつ小面積なレイアウトが可能となる。
　すなわち、半導体装置１Ｊは、実施形態１～１０のいずれかの構成を備えるので、実施形態１～１０と同様の効果を奏する。
　《実施形態１２》
　なお、半導体装置は、電源系が半導体装置のパッケージピンまで分離されていてもよい。図２２は、実施形態１２に係る半導体装置１Ｋの簡易結線図である。同図に示すドメイン１０Ｋ及びドメイン２０Ｋは、上記の実施形態１～１０における第１の回路を含むドメイン（例えば、実施形態１のドメイン１０等）及び第２の回路を含むドメイン（例えば、実施形態１のドメイン２０等）に相当する。
　同図に示すパッケージピン４０１及び４０２の各々は、半導体装置１Ｋのリードフレーム（外部電極）であり、パッケージピン４０１はパッド３０１とワイヤーボンディングによって接続され、パッケージピン４０２はパッド３０２とワイヤーボンディングによって接続される。
　同図に示すように、本実施形態において、ドメイン１０Ｋ及び２０Ｋはそれぞれ、パッケージピン４０１及び４０２まで分離された接地電源ＶＳＳ１及びＶＳＳ２が供給される。このように、電源系が半導体装置１Ｋのパッケージピン４０１及び４０２まで分離されている半導体装置１Ｋにおいて、実施形態１～１０のいずれかを適用することにより、サージ保護能力を十分確保しつつ小面積なレイアウトが可能となる。
　すなわち、半導体装置１Ｋは、実施形態１～１０のいずれかの構成を備えるので、実施形態１～１０と同様の効果を奏する。
　《実施形態１３》
　なお、分離された電源系は、高インピーダンス成分を介して接続されていてもよい。図２３は、実施形態１３に係る半導体装置１Ｌの簡易結線図である。同図に示すドメイン１０Ｌ及びドメイン２０Ｌは、上記の実施形態１～１０における第１の回路を含むドメイン（例えば、実施形態１のドメイン１０等）及び第２の回路を含むドメイン（例えば、実施形態１のドメイン２０等）に相当する。
　同図に示すように、ドメイン１０Ｌ及び２０Ｌはそれぞれ、接地電源ＶＳＳ１及び接地電源ＶＳＳ２が供給される。ただし、パッド３０１とドメイン１０Ｌとを接続して接地電源線１１２に接地電源ＶＳＳ１を供給する配線３１１と、パッド３０２とドメイン２０Ｌとを接続して接地電源線１２２に接地電源ＶＳＳ２を供給するする配線３１２とが、高い抵抗を有する基板抵抗３０３で接続されている。
　このように、ドメイン１０Ｌ及び２０Ｌの外で、例えば基板抵抗３０３等の高抵抗により電源系が接続されている半導体装置１Ｌにおいても、ドメイン１０Ｌ及び２０Ｌの間におけるサージ保護能力を確保する必要がある。このため、実施形態１～１０のいずれかを適用することにより、サージ保護能力を十分確保しつつ小面積なレイアウトが可能となる。
　すなわち、半導体装置１Ｌは、実施形態１～１０のいずれかの構成を備えるので、実施形態１～１０と同様の効果を奏する。
　《その他の実施形態》
　以上、実施形態１～１３について説明したが、これらの実施形態中の任意の構成要素を組み合わせて新たな実施形態とすることも可能である。また、各実施形態に対して本発明の趣旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、各実施形態に係る半導体装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
　例えば、上記説明では保護回路（保護セル内）の抵抗素子を拡散領域で形成する場合を説明したが、一部または全部の抵抗をポリシリコンまたはウェルで形成することによっても、製造プロセスのレイアウトルールによっては上記の各実施形態と同等の効果が得られる。
　また、例えば、ドメイン１０に配置される標準セルのセル高さとドメイン２０に配置される標準セルのセル高さとは同じでなくてもよく、規格化された複数種類のセル高さのうち、互いに異なるセル高さであってもかまわない。また、ドメイン１０には標準セルが配置されていなくてもよい。また、ドメイン１０とドメイン２０とは同一の半導体基板４０に形成されていなくてもよく、半導体装置は、互いに異なる半導体基板に形成されたドメイン１０とドメイン２０とが１つのパッケージに封入されたものであってもよい。
　また、上記説明では、保護回路の保護トランジスタとしてＮＭＯＳトランジスタを例に説明したが、当該保護トランジスタはＰＭＯＳトランジスタで構成されていてもよい。また、保護回路の抵抗素子としてＮ型の拡散層を例に説明したが、当該抵抗素子としてＰ型の拡散層で構成されていてもよい。
　また、上記実施形態３及び４において、Ｐウェル４２に形成された拡散層４４の平面視面積を大きくすることにより、抵抗素子の拡散層４４と保護ダイオードのカソードの拡散層４４とを共通化してもよい。
　例えば、図２４に示すように、実施形態４における抵抗素子２１１の拡散層４４と保護ダイオード２１２Ｃの拡散層４４（図１０参照）とを共通化してもよい。図２４は、他の実施形態における保護セル２１Ｃの詳細なレイアウトパターンを示すレイアウト図である。
　同図に示すように、本実施形態では、実施形態４と比較して、保護ダイオード２１２Ｃのカソードを形成する拡散層４４は、抵抗素子２１１を形成する拡散層４４と共有している点が異なる。つまり、本実施形態では、保護ダイオード２１２Ｃの抵抗素子２１１側のノードは、半導体基板４０に形成された拡散層４４、かつ、抵抗素子２１１を形成する拡散層４４の端部である。
　このような構成であっても、保護セル２１Ｃに形成された保護回路は、第１の回路で発生したサージから第２の回路を保護することができる。つまり、上記実施形態４と同様の効果を奏することができる。
　また、本実施形態によれば、保護ダイオード２１２Ｃのカソードを形成する拡散層４４が抵抗素子２１１を形成する拡散層４４と共有されることにより、実施形態４と比較して、より小面積なレイアウトを実現できる。
　また、保護回路の抵抗素子と第２の回路とは、短絡されていてもよい。ここで、「短絡されている」とは、２つの構成要素が接続されている場合を示す。また、上記説明における「接続されている」とは、２つの構成要素が直接接続されている場合に限定されるものではなく、同様の機能が実現できる範囲において、当該２つの構成要素が他の構成要素を介して接続される場合も含まれる。
　また、保護回路の抵抗素子と保護素子とは、互いに異なるウェルに配置されていても良く、例えば、抵抗素子はＮウェル４１に形成されたＰ型の拡散層４４により形成された拡散抵抗であり、保護素子はＰウェル４２に配置されたＮ型のＭＯＳトランジスタであってもよい。
　このように、保護回路の抵抗素子と保護素子とを互いに異なるウェルに配置することにより、保護セル内でウェル境界４０ａを屈曲させることなく、保護セルのセル幅を小さくすることができる。
　また、各実施形態に係る半導体装置は、静電放電によるサージに限らず、例えば、第１の回路及び電源で生じるスイッチングノイズ等によって生じた過電圧から内部回路（第２の回路）を保護することができる。すなわち、上述のサージは、当該サージの要因によらず、瞬間的に発生する異常に高い電圧（過電圧）が生じる現象を指す。
　また、保護セルはドメイン２０に配置されるとしたが、このドメイン２０の領域は、半導体装置１において、各々が直線状に延設された電源線１１１と接地電源線１２２とが交互に複数配置されている領域から推測することができる。つまり、ドメイン２０に配置された保護セルとは、平面視において、隣接する電源線１１１と接地電源線１１２との間に保護回路の抵抗素子及び保護素子が配置されているセルとして定義することができる。
　また、上記説明では、第１の回路から出力された複数の信号が第２の回路に入力されることとして説明したが、さらに、第２の回路から出力された１以上の信号が第１の回路に入力されてもかまわない。この場合、さらに、第１の回路が形成されているドメイン（例えば、図１におけるドメイン１０）が上記説明したいずれかの保護回路を備えてもかまわない。
　具体的には、当該保護回路は、第２の回路と第１の回路との間に直列に接続された抵抗素子と、抵抗素子の第１の回路側のノードと、接地電源線（例えば、図１０における接地電源線１１２）との間に介在して接続され、当該ノードと当該接地電源線との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子とを有する。また、当該保護回路は、所定の領域（例えば、図１におけるドメイン１０）に配置されたセルであって、所定方向の大きさが標準セルの所定方向の大きさの整数倍のセルである保護セルに形成されている。
　このような構成により、さらに、第２の回路で発生したサージから第１の回路を保護することができる。
　また、本発明は、半導体装置の設計方法として実現されてもよい。図２５は、半導体装置の設計方法を示すフローチャートである。
　すなわち、当該半導体装置の設計方法は、所定方向の大きさが規定された回路ブロックである標準セルが配置される所定の領域を有する半導体基板を備える半導体装置の設計方法であって、半導体装置は、第１の接地電源線に接続された第１の回路と、第１の接地電源線と独立の第２の接地電源線に接続され、複数の標準セルで構成される第２の回路と、第１の回路及び第２の回路との間に介在して接続された保護回路とを備え、保護回路は、第１の回路と第２の回路との間に直列に接続された抵抗素子と、抵抗素子の第２の回路側のノードと、第２の接地電源線との間に介在して接続され、当該ノードと当該第２の接地電源線との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子とを有し、半導体装置の設計方法は、所定の領域において、第２の回路を構成する複数の標準セルが配置される位置を決定するステップ（Ｓ１１）と、所定の領域において、保護回路が形成されるセルであって、所定方向の大きさが標準セルの所定方向の大きさの整数倍のセルである保護セルが配置される位置を決定するステップ（Ｓ１２）とを含む。
　具体的には、半導体装置は、さらに、抵抗素子と第２の回路との間に介在して接続され、かつ、保護セルに形成されたバッファを備え、当該半導体装置の設計方法において、保護セルが配置される位置を決定するステップ（Ｓ１２）では、保護セル及び標準セルを含むセル間の遅延について、標準セルと同じ遅延計算手法を適用することにより遅延時間を計算し、計算結果に基づいて当該保護セルが配置される位置を決定する。
　このような半導体装置の設計方法は、例えばＣＡＤ装置等のコンピュータにおいて実行される。また、当該設計方法は、設計者によるコンピュータとの対話的な操作によって、当該コンピュータにおいて実行されてもかまわない。
　なお、複数の標準セルの位置を決定するステップ（Ｓ１１）と、保護セルの位置を決定するステップ（Ｓ１２）とは、順次実行されてもかまわないし、順序が入れ替わって実行されてもかまわないし、同時に実行されてもかまわない。
　例えば、ＥＤＡ等の自動ツールによって、標準セル及び保護セル間（回路ブロック間）のタイミングや配線性が考慮されることにより、これらのステップ（Ｓ１１及びＳ１２）が同時に実行されてもよい。つまり、複数の標準セルの位置と保護セルの位置とは、同時に決定されてもよい。
　ここで、上記説明した保護セルは、セル高さが標準セルのセル高さの整数倍である。つまり、保護セルは、標準セルと混在可能なまでに小面積化されている。このため、保護セルの位置と標準セルの位置とを同時に決定することができる。
　よって、半導体装置の設計方法において、これらのステップ（Ｓ１１及びＳ１２）は同時に実行されることが好ましい。これにより、複数の標準セル及び保護セルを最適化して配置することができる。また、複数の標準セル及び保護セルのレイアウトの可否を速やかに判断することができるため、設計工程の後戻りの発生を抑制できる。
　本開示に係る半導体装置は、内部に大きなサージ電流が入っても十分にサージ保護できるため、車載機器等の電子機器に搭載される半導体集積回路等として有用である。
１、１Ｊ、１Ｋ、１Ｌ　半導体装置
１０、１０Ｊ、１０Ｋ、１０Ｌ、２０、２０Ｂ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｉ、２０Ｊ、２０Ｋ、２０Ｌ　ドメイン
１１、１２、２０ａ、２３、２３Ｄ～２３Ｆ、２４、２５、２５Ｅ　標準セル
２１、２１Ａ～２１Ｉ、２２、２２Ｂ、２２Ｆ、２２、２２Ｉ　保護セル
３０～３２、３１１、３１２　配線
４０　半導体基板
４０ａ　ウェル境界
４１　Ｎウェル
４２　Ｐウェル
４４　拡散層
４５　ポリシリコン層
４６　コンタクト
４７　第１メタル配線層
４８　ビア
４９　第２メタル配線層
５１、５２　層間絶縁膜
１１０、１２０　バッファ
１１１、１２１　電源線
１１２、１２２　接地電源線
２１１、２２１　抵抗素子
２１２、２２２　保護トランジスタ
２１２Ｂ、２１２Ｃ、２２２Ｂ　保護ダイオード
２１３、２２３、２３１、２５１　バッファ
２３１Ｅ、２５１Ｅ　論理ゲート
２４１　ＣＭＯＳバッファ
３０１、３０２　パッド
３０３　基板抵抗
４０１、４０２　パッケージピン
Ｔｒ１１～１４、Ｔｒ２１～Ｔｒ２４　トランジスタ

Claims (21)

  1. 　所定方向の大きさが規定された回路ブロックである標準セルが配置される所定の領域を有する半導体基板を備える半導体装置であって、
    　第１の接地電源線に接続された第１の回路と、
    　前記第１の接地電源線と独立の第２の接地電源線に接続され、複数の前記標準セルで構成される第２の回路と、
    　前記第１の回路及び前記第２の回路との間に介在して接続された保護回路とを備え、
    　前記保護回路は、
    　前記第１の回路と前記第２の回路との間に直列に接続された抵抗素子と、
    　前記抵抗素子の前記第２の回路側のノードと、前記第２の接地電源線との間に介在して接続され、当該ノードと当該第２の接地電源線との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子とを有し、
    　前記所定の領域に配置されたセルであって、前記所定方向の大きさが前記標準セルの前記所定方向の大きさの整数倍のセルである保護セルに形成されている
    　半導体装置。
  2. 　前記抵抗素子は、前記半導体基板に形成された拡散層によって形成されている
    　請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記半導体基板は、前記所定の領域において、前記所定方向に直交する方向に沿って少なくとも一方が帯状に形成されたＮウェル及びＰウェルを含み、
    　前記Ｎウェルと前記Ｐウェルとの境界は、平面視において屈曲し、
    　前記保護回路は、前記Ｎウェル及び前記Ｐウェルのうち、平面視面積が大きいウェルに配置されている
    　請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 　前記保護素子は、トランジスタである
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 　前記保護素子は、ダイオードである
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 　前記ダイオードの前記第２の接地電源線側のノードは、前記半導体基板と前記第２の接地電源線とを接続するための基板コンタクトである
    　請求項５に記載の半導体装置。
  7. 　前記ダイオードの前記抵抗素子側のノードは、前記半導体基板に形成された拡散層、かつ、前記抵抗素子を形成する拡散層の端部である
    　請求項５又は６に記載の半導体装置。
  8. 　前記半導体装置は、複数の前記第２の接地電源線を有し、
    　前記第２の接地電源線の各々は、
    　前記所定方向において互いに隣り合う前記複数の標準セルの境界において、前記所定方向に直交する方向に前記所定の領域内を直線状に延設された電源線であり、
    　前記保護回路と前記第２の回路とで共有されている
    　請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 　前記複数の第２の接地電源線の各々は、前記所定の領域内において線幅が略一定である
    　請求項８に記載の半導体装置。
  10. 　前記複数の第２の接地電源線は、前記所定の領域内において一の配線層に形成されている
    　請求項８又は９に記載の半導体装置。
  11. 　前記保護セルは、前記所定方向の大きさが前記標準セルの前記所定方向の大きさの２以上の整数倍である
    　請求項１～１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
  12. 　前記半導体装置は、さらに、前記抵抗素子と前記第２の回路との間に介在して接続された出力回路を備える
    　請求項１～１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
  13. 　前記出力回路は、前記保護セルに形成されたバッファである
    　請求項１２に記載の半導体装置。
  14. 　前記保護素子及び前記バッファの各々がトランジスタを含む場合、各トランジスタのゲートは、平面視において同一方向に延設された形状を有する
    　請求項１３に記載の半導体装置。
  15. 　前記出力回路は、前記標準セルに形成された論理ゲートである
    　請求項１２に記載の半導体装置。
  16. 　前記抵抗素子と前記第２の回路とは、短絡されている
    　請求項１～１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
  17. 　前記半導体装置は、複数の前記保護回路を備え、
    　各々に前記保護回路が形成された複数の保護セルは、前記所定方向において互いに隣り合って配置されている
    　請求項１～１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  18. 　前記複数の保護セルは、前記所定方向と直交する方向において、互いに同じ位置に配置されている
    　請求項１７に記載の半導体装置。
  19. 　前記抵抗素子は、前記保護セルにおいて前記半導体基板に形成されたウェル、又は、当該半導体基板の上に配置されたポリシリコンで形成されている
    　請求項１に記載の半導体装置。
  20. 　所定方向の大きさが規定された回路ブロックである標準セルが配置される所定の領域を有する半導体基板を備える半導体装置の設計方法であって、
    　前記半導体装置は、
    　第１の接地電源線に接続された第１の回路と、
    　前記第１の接地電源線と独立の第２の接地電源線に接続され、複数の前記標準セルで構成される第２の回路と、
    　前記第１の回路及び前記第２の回路との間に介在して接続された保護回路とを備え、
    　前記保護回路は、
    　前記第１の回路と前記第２の回路との間に直列に接続された抵抗素子と、
    　前記抵抗素子の前記第２の回路側のノードと、前記第２の接地電源線との間に介在して接続され、当該ノードと当該第２の接地電源線との間の電位差を所定の電圧以下にクランプする保護素子とを有し、
    　前記半導体装置の設計方法は、
    　前記所定の領域において、前記第２の回路を構成する前記複数の標準セルが配置される位置を決定するステップと、
    　前記所定の領域において、前記保護回路が形成されるセルであって、前記所定方向の大きさが前記標準セルの前記所定方向の大きさの整数倍のセルである保護セルが配置される位置を決定するステップとを含む
    　半導体装置の設計方法。
  21. 　前記半導体装置は、さらに、前記抵抗素子と前記第２の回路との間に介在して接続され、かつ、前記保護セルに形成されたバッファを備え、
    　前記保護セルが配置される位置を決定するステップでは、
    　前記保護セル及び前記標準セルを含むセル間の遅延について、前記標準セルと同じ遅延計算手法を適用することにより遅延時間を計算し、計算結果に基づいて当該保護セルが配置される位置を決定する
    　請求項２０に記載の半導体装置の設計方法。
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