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JP7574517B2 - Semiconductor Integrated Circuit - Google Patents

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JP7574517B2 JP2021009986A JP2021009986A JP7574517B2 JP 7574517 B2 JP7574517 B2 JP 7574517B2 JP 2021009986 A JP2021009986 A JP 2021009986A JP 2021009986 A JP2021009986 A JP 2021009986A JP 7574517 B2 JP7574517 B2 JP 7574517B2
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Description

本発明は、P型基板上に形成されたNMOSトランジスタを含む半導体集積回路であって、ノイズやサージ電圧からNMOSトランジスタを保護する保護素子を備えた半導体集積回路に関する。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit including an NMOS transistor formed on a P-type substrate, and equipped with a protection element that protects the NMOS transistor from noise and surge voltages.

例えば有線ネットワークの出力回路では、出力端子から入力する静電気ノイズから出力回路を保護するため、出力回路を構成するトランジスタをN型のDMOSFET(Double Diffused MOSFET)で構成している。また、出力端子の電圧が負電圧となった場合、DMOSFETのドレイン、ソース間の寄生ダイオード(ボディダイオード)が存在することで十分な耐量確保を図ることができないことから、静電気(ESD:Electro-Static Discharge)保護素子を備える構成としている。例えば静電気保護素子は、双方向サイリスタで構成することができる(例えば、特許文献1)。 For example, in the output circuit of a wired network, the transistors constituting the output circuit are configured with N-type DMOSFETs (Double Diffused MOSFETs) to protect the output circuit from electrostatic noise input from the output terminal. Furthermore, when the voltage of the output terminal becomes negative, the presence of a parasitic diode (body diode) between the drain and source of the DMOSFET makes it impossible to ensure sufficient withstand voltage, so the circuit is configured to include an electrostatic (ESD: Electro-Static Discharge) protection element. For example, the electrostatic protection element can be configured with a bidirectional thyristor (for example, see Patent Document 1).

米国特許第9659922号明細書U.S. Pat. No. 9,659,922

出力端子とグランド端子間に接続されたN型のDMOSFETのようなNMOSトランジスタとその保護素子となる双方向サイリスタ(双方向型静電気放電保護素子)とをP型基板上に形成する場合、P型基板と回路素子を構成するN型領域とで寄生ダイオードが形成される。ここで、保護素子となる双方向サイリスタが接続する出力端子とグランド端子とに極性の異なるESDが印加された場合、ESDの極性により保護素子の特性が異なることが知られている。これは、ESDの極性により寄生ダイオードがオンすることにより等価的に形成される寄生トランジスタがオンする場合と、この寄生トランジスタが形成されない場合との動作の差によるためである。そこで本発明は、P型基板上に被保護素子であるNMOSトランジスタと保護素子である双方向サイリスタとを形成した場合に、寄生トランジスタの影響を受けずに所望の特性を得ることができる半導体集積回路を提供することを目的とする。 When an NMOS transistor such as an N-type DMOSFET connected between an output terminal and a ground terminal and a bidirectional thyristor (bidirectional electrostatic discharge protection element) serving as the protection element are formed on a P-type substrate, a parasitic diode is formed between the P-type substrate and the N-type region constituting the circuit element. It is known that when ESD of different polarities is applied to the output terminal and ground terminal to which the bidirectional thyristor serving as the protection element is connected, the characteristics of the protection element differ depending on the polarity of the ESD. This is due to the difference in operation between when the parasitic transistor equivalently formed by turning on the parasitic diode due to the polarity of the ESD is turned on and when this parasitic transistor is not formed. Therefore, the present invention aims to provide a semiconductor integrated circuit that can obtain the desired characteristics without being affected by the parasitic transistor when an NMOS transistor serving as the protected element and a bidirectional thyristor serving as the protection element are formed on a P-type substrate.

上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、ゲートに制御信号を入力し、ドレインを第1の端子に接続したNMOSトランジスタと、コレクタを共通接続し、エミッタを前記第1の端子又は第2の端子にそれぞれ接続した第1のバイポーラトランジスタおよび第2のバイポーラトランジスタと、ベースを前記第1のバイポーラトランジスタおよび前記第2のバイポーラトランジスタの共通接続されたコレクタに接続し、双方向のエミッタの一方を前記第1のバイポーラトランジスタのベースと抵抗素子を介して前記第1のバイポーラトランジスタのエミッタとに接続し、双方向のエミッタの他方を前記第2のバイポーラトランジスタのベースと抵抗素子を介して前記第2のバイポーラトランジスタのエミッタとに接続した第3のバイポーラトランジスタとからなる双方向型静電気放電保護素子と、を備えた半導体集積回路において、前記NMOSトランジスタのソースにアノードを接続し、カソードを前記第2の端子に接続したダイオードを備え、前記NMOSトランジスタのソースと前記ダイオードのアノードとの接続点に、第3の端子を接続したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present application is a semiconductor integrated circuit including a bidirectional electrostatic discharge protection element consisting of an NMOS transistor having a gate to which a control signal is input and a drain connected to a first terminal, a first bipolar transistor and a second bipolar transistor having a collector commonly connected and an emitter connected to the first terminal or the second terminal, respectively, and a third bipolar transistor having a base connected to the commonly connected collectors of the first bipolar transistor and the second bipolar transistor, one of the bidirectional emitters connected to the base of the first bipolar transistor and the emitter of the first bipolar transistor via a resistor element, and the other of the bidirectional emitters connected to the base of the second bipolar transistor and the emitter of the second bipolar transistor via a resistor element, the semiconductor integrated circuit including a diode having an anode connected to the source of the NMOS transistor and a cathode connected to the second terminal, and a third terminal connected to the connection point between the source of the NMOS transistor and the anode of the diode.

本願請求項2に係る発明は、P型基板上に、ゲートに制御信号を入力し、ドレインを第1の端子に接続したNMOSトランジスタと、コレクタを共通接続し、エミッタを前記第1の端子又は第2の端子にそれぞれ接続した第1のバイポーラトランジスタおよび第2のバイポーラトランジスタと、ベースを前記第1のバイポーラトランジスタおよび前記第2のバイポーラトランジスタの共通接続されたコレクタに接続し、双方向のエミッタの一方を前記第1のバイポーラトランジスタのベースと抵抗素子を介して前記第1のバイポーラトランジスタのエミッタとに接続し、双方向のエミッタの他方を前記第2のバイポーラトランジスタのベースと抵抗素子を介して前記第2のバイポーラトランジスタのエミッタとに接続した第3のバイポーラトランジスタとからなる双方向型静電気放電保護素子と、を備えた半導体集積回路において、前記NMOSトランジスタのソースにアノードを接続し、カソードを前記第2の端子に接続したダイオードを備え、前記NMOSトランジスタのソースと前記ダイオードのアノードとの接続点に、前記P型基板に接続する第3の端子を接続したことを特徴とする。 The invention according to claim 2 of the present application is directed to a P-type substrate, which includes an NMOS transistor having a gate to which a control signal is input and a drain connected to a first terminal, a first bipolar transistor and a second bipolar transistor having collectors commonly connected and emitters connected to the first terminal or the second terminal, respectively, and a base connected to the commonly connected collectors of the first bipolar transistor and the second bipolar transistor, one of the bidirectional emitters being connected to the base of the first bipolar transistor and the first bipolar transistor via a resistor element. A bidirectional electrostatic discharge protection element consisting of a third bipolar transistor having an emitter connected to the base of the second bipolar transistor and the other of the bidirectional emitters connected to the base of the second bipolar transistor and the emitter of the second bipolar transistor via a resistor element, the semiconductor integrated circuit is characterized in that it has a diode having an anode connected to the source of the NMOS transistor and a cathode connected to the second terminal, and a third terminal connected to the P-type substrate is connected to the connection point between the source of the NMOS transistor and the anode of the diode.

本願請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2いずれか記載の半導体集積回路において、前記第1の端子と前記第2の端子との間に、前記双方向型静電気放電保護素子を直列に複数接続したことを特徴とする。 The invention according to claim 3 of the present application is characterized in that, in the semiconductor integrated circuit according to claim 1 or claim 2, a plurality of the bidirectional electrostatic discharge protection elements are connected in series between the first terminal and the second terminal.

本発明の半導体集積回路は、寄生トランジスタ(寄生ダイオード)の影響を受けることがないので、第1の端子と第2の端子に対して極性の異なるESDが印加した場合でも、極性によらず同等のESD耐性を得ることができる。特に一般的な半導体集積回路に用いられているP型基板上に、被保護素子としてNMOSトランジスタと保護素子として双方向サイリスタを形成する場合に、P型基板とN型領域とで形成される寄生ダイオードの影響を受けない構成とすることができ、適用範囲の広い半導体集積回路である。 The semiconductor integrated circuit of the present invention is not affected by parasitic transistors (parasitic diodes), so even when ESD of different polarities is applied to the first terminal and the second terminal, the same ESD resistance can be obtained regardless of the polarity. In particular, when forming an NMOS transistor as a protected element and a bidirectional thyristor as a protective element on a P-type substrate used in general semiconductor integrated circuits, it is possible to create a configuration that is not affected by the parasitic diode formed by the P-type substrate and the N-type region, making it a semiconductor integrated circuit with a wide range of applications.

双方向サイリスタの説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a bidirectional thyristor. NMOSトランジスタと双方向サイリスタをP型基板上に形成した一般的な半導体集積回路の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a typical semiconductor integrated circuit in which an NMOS transistor and a bidirectional thyristor are formed on a P-type substrate. 寄生トランジスタがオンした場合の双方サイリスタの等価回路である。This is an equivalent circuit of both thyristors when the parasitic transistor is on. 本発明の半導体集積回路の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a semiconductor integrated circuit according to the present invention; 本発明の半導体集積回路の回路構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a circuit configuration of a semiconductor integrated circuit according to the present invention; 本発明の第1の実施例の半導体集積回路の説明図である。1 is an explanatory diagram of a semiconductor integrated circuit according to a first embodiment of the present invention; 本発明の第2の実施例の半導体集積回路の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of a semiconductor integrated circuit according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施例の半導体集積回路の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of a semiconductor integrated circuit according to a third embodiment of the present invention.

本発明の半導体集積回路は、被保護素子としてNMOSトランジスタを、保護素子として双方向サイリスタ(双方向型静電気放電保護素子に相当)を含み、寄生トランジスタ(寄生ダイオード)の影響を受けることのない構成としている。 The semiconductor integrated circuit of the present invention includes an NMOS transistor as the protected element and a bidirectional thyristor (corresponding to a bidirectional electrostatic discharge protection element) as the protection element, and is configured to be unaffected by parasitic transistors (parasitic diodes).

まず、保護素子である双方向サイリスタについて説明する。双方向サイリスタは、2つのNPNトランジスタのコレクタを共通接続し、それぞれベースおよびエミッタを短絡させた2端子とすることで、2端子間にpnpn接合を形成する構成となっている。 First, we will explain the bidirectional thyristor, which is a protective element. A bidirectional thyristor is configured by connecting the collectors of two NPN transistors together and shorting their bases and emitters to form two terminals, forming a pnpn junction between the two terminals.

一般的な半導体集積回路では、このような双方向サイリスタはP型のシリコン基板(P型基板)上に形成される。図1は、P型基板上に形成した双方向サイリスタの説明図である。図1に示すように、P型基板1上にはN型エピタキシャル層2が積層し、高濃度のP型領域からなる素子分離領域3で区画された保護素子形成領域に双方向サイリスタが形成される。 In a typical semiconductor integrated circuit, such a bidirectional thyristor is formed on a P-type silicon substrate (P-type substrate). Figure 1 is an explanatory diagram of a bidirectional thyristor formed on a P-type substrate. As shown in Figure 1, an N-type epitaxial layer 2 is laminated on a P-type substrate 1, and a bidirectional thyristor is formed in a protection element formation region partitioned by an element isolation region 3 made of a high-concentration P-type region.

図1に示すように、P型基板1とN型エピタキシャル層2との間にN型埋込層4と、N型エピタキシャル層2表面からN型埋込層4に達する高濃度のN型拡散領域5が形成されている。N型拡散領域5を挟んだ2つのN型エピタキシャル層2は、NPNトランジスタ形成領域となる。このNPNトランジスタ形成領域は、それぞれ、P型拡散領域6a、6bと、このP型拡散領域6a、6bの表面に高濃度のP型拡散領域7a、7bと高濃度のN型拡散領域8a、8bとが形成されている。 As shown in FIG. 1, an N-type buried layer 4 and a high-concentration N-type diffusion region 5 that reaches from the surface of the N-type epitaxial layer 2 to the N-type buried layer 4 are formed between the P-type substrate 1 and the N-type epitaxial layer 2. The two N-type epitaxial layers 2 sandwiching the N-type diffusion region 5 form an NPN transistor formation region. This NPN transistor formation region includes P-type diffusion regions 6a and 6b, and high-concentration P-type diffusion regions 7a and 7b and high-concentration N-type diffusion regions 8a and 8b formed on the surfaces of the P-type diffusion regions 6a and 6b.

一方のNPNトランジスタ形成領域のP型拡散領域7aとN型拡散領域8aを第1の端子T1に共通接続し、他方のNPNトランジスタ形成領域のP型拡散領域7bとN型拡散領域8bを第2の端子T2に共通接続すると、図1に示すような双方向サイリスタが形成される。 When the P-type diffusion region 7a and the N-type diffusion region 8a of one NPN transistor formation region are commonly connected to a first terminal T1, and the P-type diffusion region 7b and the N-type diffusion region 8b of the other NPN transistor formation region are commonly connected to a second terminal T2, a bidirectional thyristor as shown in FIG. 1 is formed.

図1に示す双方向サイリスタについてさらに詳細に説明すると、N型拡散領域8aをエミッタ、P型拡散領域6aをベース、N型拡散領域5をコレクタとする第1のNPNトランジスタQ1と、N型拡散領域8bをエミッタ、P型拡散領域6bをベース、N型拡散領域5をコレクタとする第2のNPNトランジスタQ2が、第1の端子T1と第2の端子T2との間に形成される。さらに、P型拡散領域6a、6bをコレクタ又はエミッタ、N型エピタキシャル層2、N型埋込層4およびN型拡散領域5をベースとするPNPトランジスタQ3が第1の端子T1と第2の端子T2との間に形成される。なお抵抗素子は、それぞれP型拡散領域6a、6b内の抵抗成分を示している。 To explain the bidirectional thyristor shown in FIG. 1 in more detail, a first NPN transistor Q1 with the N-type diffusion region 8a as the emitter, the P-type diffusion region 6a as the base, and the N-type diffusion region 5 as the collector, and a second NPN transistor Q2 with the N-type diffusion region 8b as the emitter, the P-type diffusion region 6b as the base, and the N-type diffusion region 5 as the collector are formed between the first terminal T1 and the second terminal T2. Furthermore, a PNP transistor Q3 with the P-type diffusion regions 6a and 6b as the collector or emitter, the N-type epitaxial layer 2, the N-type buried layer 4, and the N-type diffusion region 5 as the base is formed between the first terminal T1 and the second terminal T2. The resistor elements indicate the resistance components in the P-type diffusion regions 6a and 6b, respectively.

このような構造の双方向サイリスタでは、第1の端子T1と第2の端子T2との間にESDが印加する場合、正電圧、負電圧のいずれのESDに対してもほぼ同様の電圧-電流特性を得ることができる。即ち、保護素子として動作するトリガ電圧やスナップバック保持電圧の絶対値はほぼ等しくなる。 In a bidirectional thyristor with this structure, when ESD is applied between the first terminal T1 and the second terminal T2, it is possible to obtain approximately the same voltage-current characteristics for both positive and negative ESD voltages. In other words, the absolute values of the trigger voltage and snapback holding voltage at which it operates as a protective element are approximately equal.

ところで被保護素子としてNMOSトランジスタと保護素子とをP型基板上に形成する場合、双方向サイリスタの特性が所望の電圧-電流特性を示さない場合がある。NMOSトランジスタ(図2ではDMOSFET)と、双方向サイリスタをP型基板上に形成した例を図2に示す。出力端子となる第1の端子T1とグランド端子となる第2の端子T2との間に、NMOSトランジスタと双方向サイリスタを接続している。NMOSトランジスタのドレインDは逆流防止用ダイオード9を介して第1の端子T1に接続し、ソースSは第2の端子T2に接続している。NMOSトランジスタのゲートGには、NMOSトランジスタのオン/オフを制御する制御信号が印加される。双方向サイリスタの接続は上述の通りである。 However, when an NMOS transistor and a protection element are formed on a P-type substrate as the protected element, the bidirectional thyristor may not exhibit the desired voltage-current characteristics. Figure 2 shows an example of an NMOS transistor (DMOSFET in Figure 2) and a bidirectional thyristor formed on a P-type substrate. The NMOS transistor and bidirectional thyristor are connected between the first terminal T1, which is the output terminal, and the second terminal T2, which is the ground terminal. The drain D of the NMOS transistor is connected to the first terminal T1 via a reverse current prevention diode 9, and the source S is connected to the second terminal T2. A control signal that controls the on/off of the NMOS transistor is applied to the gate G of the NMOS transistor. The bidirectional thyristor is connected as described above.

ここでP型基板1は、グランド端子となる第2の端子T2に接続するのが一般的である。その結果、P型基板1とN型埋込層4との間に寄生ダイオードが形成される。具体的には双方向サイリスタを構成するN型埋込層4とP型基板1との間で、P型基板1をアノードとしN型埋込層4をカソードとする寄生ダイオード10が形成される。 The P-type substrate 1 is generally connected to the second terminal T2, which serves as a ground terminal. As a result, a parasitic diode is formed between the P-type substrate 1 and the N-type buried layer 4. Specifically, a parasitic diode 10 is formed between the P-type substrate 1 and the N-type buried layer 4, which constitutes the bidirectional thyristor, with the P-type substrate 1 as the anode and the N-type buried layer 4 as the cathode.

この寄生ダイオード10の形成について保護素子の動作とともに説明する。まず、第2の端子T2を基準として第1の端子T1に正のESDが印加した場合について説明する。被保護素子であるNMOSトランジスタの耐圧より低い所定の電圧に達すると、保護素子である双方向サイリスタの動作が開始する。その結果、ESDによる電流は第2の端子T2(グランド端子)に流れ、NMOSトランジスタが保護される。 The formation of this parasitic diode 10 will be explained together with the operation of the protection element. First, a case where a positive ESD is applied to the first terminal T1 with respect to the second terminal T2 as the reference will be explained. When a certain voltage lower than the withstand voltage of the NMOS transistor, which is the protected element, is reached, the bidirectional thyristor, which is the protection element, starts to operate. As a result, the current due to the ESD flows to the second terminal T2 (ground terminal), and the NMOS transistor is protected.

一方第2の端子T2を基準として第1の端子T1に負のESDが印加すると、逆流防止用ダイオード9より双方向サイリスタが先に動作するように設定することで、ESDによる電流が第1の端子T1に流れNMOSトランジスタが保護される。しかしこの場合、寄生ダイオード10が順方向にバイアスされ、双方向サイリスタは、図3に示す回路と等価となる。即ち、PNPトランジスタQ4(寄生トランジスタ)が発生する。 On the other hand, when a negative ESD is applied to the first terminal T1 with the second terminal T2 as the reference, the bidirectional thyristor is set to operate before the reverse current prevention diode 9, so that the current caused by the ESD flows to the first terminal T1 and the NMOS transistor is protected. However, in this case, the parasitic diode 10 is forward biased, and the bidirectional thyristor becomes equivalent to the circuit shown in Figure 3. In other words, a PNP transistor Q4 (parasitic transistor) is generated.

ここで、PNPトランジスタQ3を含むサイリスタが支配的に動作すれば、第2の端子T2を基準として第1の端子T1に正のESDが印加した場合と同様の保護特性が得られる。しかしながら、PNPトランジスタQ4を含むサイリスタが支配的に動作する場合もある。即ち、PNPトランジスタQ3よりPNPトランジスタQ4が先に動作する場合がある。その結果、正のESDが印加した場合と比較して、負のESDが印加した場合のスナップバック保持電圧が低くなってしまい、所望の特性が得られなくなってしまう。 Here, if the thyristor including the PNP transistor Q3 operates predominantly, the same protection characteristics can be obtained as when a positive ESD is applied to the first terminal T1 with the second terminal T2 as the reference. However, there are also cases where the thyristor including the PNP transistor Q4 operates predominantly. That is, there are cases where the PNP transistor Q4 operates before the PNP transistor Q3. As a result, the snapback holding voltage when a negative ESD is applied is lower than when a positive ESD is applied, and the desired characteristics cannot be obtained.

双方向サイリスタを構成する半導体拡散領域を最適化すれば、PNPトランジスタQ3が動作するスナップバック電圧よりPNPトランジスタQ4が動作するスナップバック保持電圧を高く設定することは可能である。しかしながら、半導体集積回路を形成する場合、保護素子と被保護素子、あるいは内部回路を構成する素子を同時に形成するため、所望の特性が得られない場合がある。また双方向サイリスタのみを専用のプロセスで形成することは、半導体集積回路の製造コストが嵩み好ましくない。 By optimizing the semiconductor diffusion region that constitutes the bidirectional thyristor, it is possible to set the snapback holding voltage at which PNP transistor Q4 operates higher than the snapback voltage at which PNP transistor Q3 operates. However, when forming a semiconductor integrated circuit, the protecting element and the protected element, or the elements that constitute the internal circuit, are formed simultaneously, so the desired characteristics may not be obtained. In addition, forming only the bidirectional thyristor using a dedicated process is not preferable because it increases the manufacturing costs of the semiconductor integrated circuit.

そこで本発明は、寄生ダイオード10の影響のない半導体集積回路を提案するものである。本発明の半導体集積回路は、被保護素子としてNMOSトランジスタを含み、保護素子として双方向サイリスタを含む点は図2で説明した一般的な半導体集積回路と同様であり、逆流防止用ダイオードの接続と各端子の電位を変更している。以下、本発明の半導体集積回路を詳細に説明する。 The present invention proposes a semiconductor integrated circuit that is not affected by the parasitic diode 10. The semiconductor integrated circuit of the present invention is similar to the general semiconductor integrated circuit described in FIG. 2 in that it includes an NMOS transistor as the protected element and a bidirectional thyristor as the protective element, but the connection of the reverse current prevention diode and the potential of each terminal are changed. The semiconductor integrated circuit of the present invention will be described in detail below.

図4は、本発明の半導体集積回路の説明図である。図4に示す例では、出力端子となる第1の端子T1とグランド端子となる第2の端子T2との間に、被保護素子のNMOSトランジスタと保護素子の双方向サイリスタを接続している点で、図2で説明した一般的な半導体集積回路と同様となる。しかしながら、一般的な半導体集積回路と以下の点で相違している。 Figure 4 is an explanatory diagram of the semiconductor integrated circuit of the present invention. In the example shown in Figure 4, an NMOS transistor as the protected element and a bidirectional thyristor as the protection element are connected between a first terminal T1 as the output terminal and a second terminal T2 as the ground terminal, which is similar to the general semiconductor integrated circuit described in Figure 2. However, it differs from the general semiconductor integrated circuit in the following points.

まず、第3の端子T3を設けている。ここで第1の端子T1を半導体集積回路の内部回路の高電位端子とし、第2の端子T2を最低電位端子とするとき、第3の端子は高電位端子の電位より低い電位の端子とする。またこの第3の端子T3は、被保護素子であるNMOSトランジスタのソースに接続することから、ドレインが接続する第1の端子との間で、NMOSトランジスタが動作可能な電位差となる端子としている。第3の端子T3は、P型基板1にも接続する。 First, a third terminal T3 is provided. Here, if the first terminal T1 is the high potential terminal of the internal circuit of the semiconductor integrated circuit and the second terminal T2 is the lowest potential terminal, the third terminal is a terminal with a lower potential than the high potential terminal. In addition, since this third terminal T3 is connected to the source of the NMOS transistor, which is the protected element, it is a terminal that provides a potential difference between the third terminal T3 and the first terminal to which the drain is connected that allows the NMOS transistor to operate. The third terminal T3 is also connected to the P-type substrate 1.

さらに逆流防止用ダイオード11を、アノードをNMOSトランジスタのソースSに、カソードを第2の端子T2に接続する。図4の示す半導体集積回路の回路構成を図5に示す。 Furthermore, the anode of the reverse current prevention diode 11 is connected to the source S of the NMOS transistor, and the cathode is connected to the second terminal T2. Figure 5 shows the circuit configuration of the semiconductor integrated circuit shown in Figure 4.

図5に示す構成の半導体集積回路における保護素子の動作について説明する。まず、第2の端子T2を基準として第1の端子T1に正のESDが印加した場合について説明する。被保護素子であるNMOSトランジスタの耐圧より低い所定の電圧に達すると、保護素子である双方向サイリスタの動作が開始する。その結果、ESDによる電流が第2の端子T2に流れ、NMOSトランジスタが保護される。 The operation of the protection element in the semiconductor integrated circuit with the configuration shown in Figure 5 will be described. First, a case where a positive ESD is applied to the first terminal T1 with respect to the second terminal T2 will be described. When a certain voltage lower than the withstand voltage of the NMOS transistor, which is the protected element, is reached, the bidirectional thyristor, which is the protection element, starts to operate. As a result, a current due to the ESD flows to the second terminal T2, and the NMOS transistor is protected.

一方第2の端子T2を基準として第1の端子T1に負のESDが印加すると、負のESDは双方向サイリスタと逆流防止用ダイオード11に印加することになる。ここで、逆流防止用ダイオード11より先に双方向サイリスタが動作するように設計することで、ESDによる電流が第1の端子T1に流れる。このように逆流防止用ダイオード11により寄生ダイオード12は動作しない。換言すると、図3に示すトランジスタQ4のない回路構成とすることができる。したがって、ESDの極性よって、スナップバック保持電圧に差が生じることはない。 On the other hand, when a negative ESD is applied to the first terminal T1 with the second terminal T2 as the reference, the negative ESD is applied to the bidirectional thyristor and the reverse current prevention diode 11. Here, by designing the bidirectional thyristor to operate before the reverse current prevention diode 11, the current due to the ESD flows to the first terminal T1. In this way, the reverse current prevention diode 11 prevents the parasitic diode 12 from operating. In other words, the circuit configuration shown in Figure 3 can be configured without the transistor Q4. Therefore, the polarity of the ESD does not cause a difference in the snapback holding voltage.

以上説明したように本発明によれば、ESDの極性によらず、所望の特性の保護素子を備えた半導体集積回路を形成することができる。次に、逆流防止用ダイオードを含めた半導体集積回路の実施例について説明する。 As described above, according to the present invention, it is possible to form a semiconductor integrated circuit equipped with a protection element with the desired characteristics, regardless of the polarity of the ESD. Next, an example of a semiconductor integrated circuit including a reverse current prevention diode will be described.

第1の実施例を図6に示す。図6に示す例は、逆流防止用ダイオードを被保護素子と同じN型のDMOSトランジスタで構成している。被保護素子(NMOSトランジスタ)と保護素子(双方向サイリスタ)の構造は、上述の通りである。 The first embodiment is shown in Figure 6. In the example shown in Figure 6, the reverse current prevention diode is configured with an N-type DMOS transistor, the same as the protected element. The structures of the protected element (NMOS transistor) and the protection element (bidirectional thyristor) are as described above.

本実施例の逆流防止用ダイオードは、被保護素子(NMOSトランジスタ)のソースSと第3の端子T3との接続点にP型拡散領域7cおよびP拡散領域6cを接続し、第2の端子T2にN型拡散領域13およびN型拡散領域5aを接続することで、図4で説明したNMOSトランジスタのソースSにアノードを接続し、カソードを第2の端子T2に接続する逆流防止用ダイオード11を備えた半導体集積回路を形成することが可能となる。 The reverse current prevention diode of this embodiment is configured by connecting the P-type diffusion region 7c and the P-type diffusion region 6c to the connection point between the source S of the protected element (NMOS transistor) and the third terminal T3, and connecting the N-type diffusion region 13 and the N-type diffusion region 5a to the second terminal T2, thereby making it possible to form a semiconductor integrated circuit equipped with a reverse current prevention diode 11 whose anode is connected to the source S of the NMOS transistor described in FIG. 4 and whose cathode is connected to the second terminal T2.

第2の実施例を図7に示す。本実施例では、逆流防止用ダイオードを被保護素子のNMOSトランジスタを構成する拡散領域と同時に形成するN型領域とP型基板等で構成している。被保護素子(NMOSトランジスタ)と保護素子(双方向サイリスタ)の構造は、上述の通りである。 The second embodiment is shown in Figure 7. In this embodiment, the reverse current prevention diode is composed of an N-type region and a P-type substrate that are formed at the same time as the diffusion region that constitutes the NMOS transistor of the protected element. The structures of the protected element (NMOS transistor) and the protection element (bidirectional thyristor) are as described above.

本実施例の逆流防止用ダイオードは、被保護素子(NMOSトランジスタ)のソースSと第3の端子T3との接続点に素子分離領域3(P型拡散領域)を接続し、第2の端子T2にN型拡散領域13、N型拡散領域5bおよびN型埋込層4aを接続することで、図4で説明したNMOSトランジスタのソースSにアノードを接続し、カソードを第2の端子T2に接続した逆流防止用ダイオード11を備えた半導体集積回路を形成することが可能となる。 The reverse current prevention diode of this embodiment is configured by connecting the element isolation region 3 (P-type diffusion region) to the connection point between the source S of the protected element (NMOS transistor) and the third terminal T3, and connecting the N-type diffusion region 13, the N-type diffusion region 5b, and the N-type buried layer 4a to the second terminal T2, thereby making it possible to form a semiconductor integrated circuit equipped with a reverse current prevention diode 11 whose anode is connected to the source S of the NMOS transistor described in FIG. 4 and whose cathode is connected to the second terminal T2.

次に第3の実施例について説明する。上記説明では、保護素子として1個の双方向サイリスタを接続した場合について説明した。図8は第3の実施例の半導体集積回路であり、保護素子として2つの双方向サイリスタを直列に接続した例を示している。図8に示す半導体集積回路は、図4で説明した半導体集積回路において2つの双方向サイリスタを直列に接続した例である。 Next, a third embodiment will be described. In the above description, a case where one bidirectional thyristor is connected as a protection element has been described. Figure 8 shows a semiconductor integrated circuit of the third embodiment, and shows an example where two bidirectional thyristors are connected in series as a protection element. The semiconductor integrated circuit shown in Figure 8 is an example where two bidirectional thyristors are connected in series in the semiconductor integrated circuit described in Figure 4.

このように構成すると、1つの双方向サイリスタを保護素子として備えた場合と比較してトリガ電圧、スナップバック保持電圧がそれぞれ2倍となり、ESDによる電流を双方向サイリスタに流すことで、NMOSトランジスタを保護することが可能となる。 With this configuration, the trigger voltage and snapback holding voltage are doubled compared to when one bidirectional thyristor is used as a protection element, and the NMOS transistor can be protected by passing the ESD current through the bidirectional thyristor.

本実施例においても、逆流防止用ダイオード11は図6および図7で説明した構造を採用することができる。 In this embodiment, the reverse current prevention diode 11 can also adopt the structure described in Figures 6 and 7.

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、逆流防止用ダイオードは上記実施例の構造に限定されない。また直列に接続する双方向サイリスタは2個に限定されない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the reverse current prevention diode is not limited to the structure of the above embodiments. Furthermore, the number of bidirectional thyristors connected in series is not limited to two.

1:P型基板、2:N型エピタキシャル層、3:素子分離領域、4、4a:N型埋込層、5、5a、5b:N型拡散領域、6a、6b、6c:P型拡散領域、7a、7b、7c:P型拡散領域、8a、8b:N型拡散領域、9:逆流防止用ダイオード、10:寄生トランジスタ、11:逆流防止用ダイオード、12:寄生ダイオード、13:N型拡散領域 1: P-type substrate, 2: N-type epitaxial layer, 3: element isolation region, 4, 4a: N-type buried layer, 5, 5a, 5b: N-type diffusion region, 6a, 6b, 6c: P-type diffusion region, 7a, 7b, 7c: P-type diffusion region, 8a, 8b: N-type diffusion region, 9: backflow prevention diode, 10: parasitic transistor, 11: backflow prevention diode, 12: parasitic diode, 13: N-type diffusion region

Claims (3)

ゲートに制御信号を入力し、ドレインを第1の端子に接続したNMOSトランジスタと、
コレクタを共通接続し、エミッタを前記第1の端子又は第2の端子にそれぞれ接続した第1のバイポーラトランジスタおよび第2のバイポーラトランジスタと、ベースを前記第1のバイポーラトランジスタおよび前記第2のバイポーラトランジスタの共通接続されたコレクタに接続し、双方向のエミッタの一方を前記第1のバイポーラトランジスタのベースと抵抗素子を介して前記第1のバイポーラトランジスタのエミッタとに接続し、双方向のエミッタの他方を前記第2のバイポーラトランジスタのベースと抵抗素子を介して前記第2のバイポーラトランジスタのエミッタとに接続した第3のバイポーラトランジスタとからなる双方向型静電気放電保護素子と、を備えた半導体集積回路において、
前記NMOSトランジスタのソースにアノードを接続し、カソードを前記第2の端子に接続したダイオードを備え、
前記NMOSトランジスタのソースと前記ダイオードのアノードとの接続点に、第3の端子を接続したことを特徴とする半導体集積回路。
an NMOS transistor having a gate to which a control signal is input and a drain connected to a first terminal;
a bidirectional electrostatic discharge protection element including a first bipolar transistor and a second bipolar transistor having collectors connected in common and emitters connected to the first terminal or the second terminal, respectively, and a third bipolar transistor having a base connected to the commonly connected collectors of the first bipolar transistor and the second bipolar transistor, one of a bidirectional emitter connected to the base of the first bipolar transistor and the emitter of the first bipolar transistor via a resistor element, and the other of the bidirectional emitter connected to the base of the second bipolar transistor and the emitter of the second bipolar transistor via a resistor element,
a diode having an anode connected to the source of the NMOS transistor and a cathode connected to the second terminal;
a third terminal is connected to the connection point between the source of the NMOS transistor and the anode of the diode.
P型基板上に、
ゲートに制御信号を入力し、ドレインを第1の端子に接続したNMOSトランジスタと、
コレクタを共通接続し、エミッタを前記第1の端子又は第2の端子にそれぞれ接続した第1のバイポーラトランジスタおよび第2のバイポーラトランジスタと、ベースを前記第1のバイポーラトランジスタおよび前記第2のバイポーラトランジスタの共通接続されたコレクタに接続し、双方向のエミッタの一方を前記第1のバイポーラトランジスタのベースと抵抗素子を介して前記第1のバイポーラトランジスタのエミッタとに接続し、双方向のエミッタの他方を前記第2のバイポーラトランジスタのベースと抵抗素子を介して前記第2のバイポーラトランジスタのエミッタとに接続した第3のバイポーラトランジスタとからなる双方向型静電気放電保護素子と、を備えた半導体集積回路において、
前記NMOSトランジスタのソースにアノードを接続し、カソードを前記第2の端子に接続したダイオードを備え、
前記NMOSトランジスタのソースと前記ダイオードのアノードとの接続点に、前記P型基板に接続する第3の端子を接続したことを特徴とする半導体集積回路。
On a P-type substrate,
an NMOS transistor having a gate to which a control signal is input and a drain connected to a first terminal;
a bidirectional electrostatic discharge protection element including a first bipolar transistor and a second bipolar transistor having collectors connected in common and emitters connected to the first terminal or the second terminal, respectively, and a third bipolar transistor having a base connected to the commonly connected collectors of the first bipolar transistor and the second bipolar transistor, one of a bidirectional emitter connected to the base of the first bipolar transistor and the emitter of the first bipolar transistor via a resistor element, and the other of the bidirectional emitter connected to the base of the second bipolar transistor and the emitter of the second bipolar transistor via a resistor element,
a diode having an anode connected to the source of the NMOS transistor and a cathode connected to the second terminal;
a third terminal connected to the P-type substrate is connected to a connection point between the source of the NMOS transistor and the anode of the diode.
請求項1又は請求項2いずれか記載の半導体集積回路において、
前記第1の端子と前記第2の端子との間に、前記双方向型静電気放電保護素子を直列に複数接続したことを特徴とする半導体集積回路
3. The semiconductor integrated circuit according to claim 1,
a plurality of bidirectional electrostatic discharge protection elements connected in series between the first terminal and the second terminal of the semiconductor integrated circuit;
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