JP5166148B2 - ESD protection circuit and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、ESD保護回路および半導体装置に関する。 The present invention relates to an ESD protection circuit and a semiconductor device.
半導体集積回路中の電界効果トランジスタは、その高性能化に伴ってスケーリングされているが、近年ではそのゲート絶縁膜の厚みは二酸化珪素に換算して1nm近くにまで薄膜化されているものも珍しくない。 Field effect transistors in semiconductor integrated circuits have been scaled as their performance has increased, but in recent years, the thickness of the gate insulating film has been reduced to nearly 1 nm in terms of silicon dioxide. Absent.
ゲート絶縁膜が薄膜化されると、電気的な絶縁破壊耐圧は膜厚に依存して著しく低下する。このような薄膜ゲート絶縁膜を有する電界効果トランジスタを備えた半導体装置においては、製造中や使用時などに機械や人間の持つ静電気が半導体装置中に入ると、ゲート絶縁膜に高い電圧がかかって破壊されることがある。このような現象をESD(Electro Static Discharge)破壊と呼ぶ。 When the gate insulating film is thinned, the electrical breakdown voltage is significantly reduced depending on the film thickness. In a semiconductor device including a field effect transistor having such a thin gate insulating film, when static electricity of a machine or a human enters the semiconductor device during manufacturing or use, a high voltage is applied to the gate insulating film. It can be destroyed. Such a phenomenon is called ESD (Electro Static Discharge) destruction.
そこで、多くの半導体装置は、外部からのサージ電流の侵入を防ぐためのESD保護回路を有し、ゲート絶縁膜がESD破壊されるのを防いでいる(例えば、特許文献1参照)。 Thus, many semiconductor devices have an ESD protection circuit for preventing an external surge current from entering to prevent the gate insulating film from being destroyed by ESD (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に開示されたESD保護回路は、外部GND端子と、内部回路のドレインとの間に、インバータを介して、内部回路のドレインが、外部GND端子に直接つながらないようにし、内部回路のトランスファーゲートの入力をGNDレベルにしたい場合でも、P型トランジスタのドレインからウェルを介してVDDに電流が流れこむことを防ぎ、またN型トランジスタのドレインから外部電源電位VDD端子へ電子が流れこむことを防いでいる。 In the ESD protection circuit disclosed in Patent Document 1, the drain of the internal circuit is not directly connected to the external GND terminal via an inverter between the external GND terminal and the drain of the internal circuit. Even when the gate input is to be set to the GND level, it is possible to prevent current from flowing from the drain of the P-type transistor to VDD through the well, and to allow electrons to flow from the drain of the N-type transistor to the external power supply potential VDD terminal. It is preventing.
然しながら、特許文献1に開示されたESD保護回路は、ESDの一規格であるCDM(Charged Device Model)のような速いサージの場合に、保護素子がサージに応答する初期段階において電圧オーバーシュートがおき、内部回路のゲート絶縁膜が破壊される問題がある。 However, the ESD protection circuit disclosed in Patent Document 1 causes a voltage overshoot at an early stage when the protection element responds to the surge in the case of a fast surge such as CDM (Charged Device Model) which is one of ESD standards. There is a problem that the gate insulating film of the internal circuit is destroyed.
特に、小規模に電源分離された電源回路の場合に、CDMモードによるESD破壊が顕著になる問題がある。
本発明は、応答速度の速いESD保護回路およびそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an ESD protection circuit having a high response speed and a semiconductor device using the ESD protection circuit.
本発明に係る実施形態に従ったESD保護回路は、第1の電位が与えられる第1の電源入力と、前記第1の電位より低い第2の電位が与えられる第2の電源入力との間に接続された複数のインバータを備え、前記複数のインバータは、前段のインバータの出力端子が後段のインバータの入力端子に接続されることによって、直列に接続され、前記複数のインバータのうち最終段のインバータの出力端子は、オープン状態になっており、ESDサージに前記複数のインバータが応答するときに、前記出力端子と前記入力端子との接続ノードの電位が前記第1の電位と前記第2の電位との間の保護電位になると、前記複数のインバータに第1の電源入力から第2の電源入力に向かって貫通電流が流れ、前記第1および第2の電源入力に前記第1および第2の電位が与えられているときは、前記複数のインバータの論理値が一定の状態に保持されていることを特徴とする。 An ESD protection circuit according to an embodiment of the present invention includes a first power supply input to which a first potential is applied and a second power supply input to which a second potential lower than the first potential is applied. comprising a plurality of inverters connected in said plurality of inverters, by the output terminal of the preceding stage of the inverter is connected to an input terminal of subsequent stage of the inverter are connected in series, the last stage of the plurality of inverters The output terminal of the inverter is in an open state, and when the plurality of inverters respond to an ESD surge, the potential of the connection node between the output terminal and the input terminal is the first potential and the second potential. When ing the protective potential between the potential, the plurality of inverters through current from the first power input toward the second power input flows, the said first and second power supply first 1 When the second potential is applied, the logic values of the plurality of inverters are held in a constant state.
本発明によれば、応答速度の速いESD保護回路およびそれを用いた半導体装置が得られる。 According to the present invention, an ESD protection circuit having a high response speed and a semiconductor device using the same can be obtained.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例1に係るESD保護回路およびそれを用いた半導体装置を示す図で、図1(a)は半導体装置を示す回路図、図1(b)は第1のESD保護回路を示す回路図である。 1A and 1B are diagrams showing an ESD protection circuit according to a first embodiment of the present invention and a semiconductor device using the same, FIG. 1A is a circuit diagram showing the semiconductor device, and FIG. 1B is a first ESD protection. It is a circuit diagram which shows a circuit.
図1(a)に示すように、本実施例の半導体装置10は、例えばロジックLSIで、内部回路11と、内部回路11をサージから保護する第1のESD回路12と、第2のESD回路13とを具備している。
As shown in FIG. 1A, a
第1のESD保護回路12は、ESDの一規格であるCDM(Charged Device Model)のような速いサージに対して応答し、内部回路11内のMOSトランジスタ14のゲート絶縁膜が破壊されるのを防止する。
第2のESD保護回路13は、CDMより遅いサージに対して応答するESD保護回路で、内部回路11内のMOSトランジスタ14のゲート絶縁膜が破壊されるのを防止する。第2のESD保護回路13は、第1のESD保護回路12より応答速度の遅いものであれば良く、通常のESD保護回路を用いることができる。
The first
The second
内部回路11、第1のESD保護回路12、第2のESD保護回路13は、第1の電位(VDD)が与えられる第1外部電源入力端子15と、第1の電位VDDより低い第2の電位VSS(ここでは接地電位GND)が与えられる第2外部電源入力端子16との間に接続されている。
The
図1(b)に示すように、第1のESD保護回路12は前段の出力端子を後段の入力端子に接続し、リング状に接続された複数のインバータ(論理ゲート回路)17を具備している。
即ち、第1のESD保護回路12は、偶数段のインバータリングで、前段のインバータ17の出力端子を後段のインバータ17の入力端子に接続し、最終段のインバータ17の出力端子を初段のインバータ17の入力端子に接続し、最終段の出力が初段の入力に帰還される閉ループを構成している。
As shown in FIG. 1B, the first
That is, the first
図2はインバータ17を示す回路図である。図2に示すように、インバータ17は、PチャネルMOSトランジスタ21とNチャネルMOSトランジスタ22が相補的に接続されたCMOSインバータである。
インバータ17の第1電源端子23が第1外部電源入力端子15に接続され、第2電源端子24が第2外部電源入力端子16に接続される。
より詳細には、インバータ17は、第1外部電源入力端子15と第2外部電源入力端子16との間に直列に接続されたP型トランジスタ21およびN型トランジスタ22を含む。P型トランジスタ21およびN型トランジスタ22の各ゲートは、入力端子25として共通に接続されている。P型トランジスタ21のドレインおよびN型トランジスタ22のドレインは、出力端子26として共通に接続されている。P型トランジスタ21のソースは、第1電源端子23に接続され、N型トランジスタ22のソースは、第2電源端子24に接続されている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing the
A first
More specifically,
周知のように、CMOSインバータは入出力電圧の変化時、即ちCMOSインバータが応答する初期段階において、入力電圧Vinが第1の電位VDDより低く、且つ第2の電位VSSより高い中間の電位が与えられると、P−MOSトランジスタ21およびN−MOSトランジスタ22がともに導通状態になるときがあり、第1の電位VDDから第2の電位VSSに向かって貫通電流が流れる。
As is well known, the CMOS inverter is given an intermediate potential when the input voltage Vin is lower than the first potential VDD and higher than the second potential VSS when the input / output voltage changes, that is, in the initial stage when the CMOS inverter responds. When this occurs, both the P-
図3は第1のESD保護回路12の動作を示すタイミングチャートである。第1および第2外部電源端子15、16に第1および第2の電位VDD、VSSが与えられていないときに、半導体装置10のパッケージに帯電した静電気が第1および第2外部電源入力端子15、16との間で放電し、CDMサージが発生した場合のシミュレーション結果を示している。
FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the first
図中、黒塗丸印の実線31は第1外部電源入力端子15と第2外部電源入力端子16との間に印加されるCDMサージ電圧(VDD−VSS)を示し、黒塗四角印の実線32はインバータ17の入力端子25と第2外部電源入力位端子16との間に生じる入力電圧(Vin−VSS)を示している。
黒塗三角印の実線33はインバータ17の出力端子と外部基準電位端子16との間に生じる出力電圧(Vout−VSS)を示し、×印の実線34はインバータ17に流れるCDMサージ電流(貫通電流)を示している。
In the figure, a
A
図3に示すように、立ち上がり時間が1ns以下の早いCDMサージが生じると、このような短時間では第1のESD保護回路12が有するインバータ17の入力電位Vinおよび出力電位Voutは固定されず、インバータ17の入力端25および出力端26はフローティングノードとして振舞う。
As shown in FIG. 3, when a fast CDM surge with a rise time of 1 ns or less occurs, the input potential Vin and the output potential Vout of the
このような状況においては、インバータ17の入力電圧32および出力電圧33は自己整合的に第1の電位VDDと第2の電位VSSとの中間の電位になるので、インバータ17にCDMサージ電流31(貫通電流)が流れる。
より詳細には、ESDサージに複数のインバータ17が応答する初期動作において、入力端子25または出力端子26に印加される保護電位は、第2の電位VssよりN型トランジスタ22の閾値電圧だけ高い電位と、第1の電位VDDよりP型トランジスタ21の閾値電圧の絶対値だけ低い電位との間の電位である。これにより、インバータ17のP型トランジスタ21およびN型トランジスタ22の両方がオン状態になる。
例えば、サージ電圧として8VがVDDに印加され、Vssが0Vとする。入力端子25の電位(図3の32)が6Vまで上昇したとすれば、P型トランジスタ21のソース−ゲート間に−2Vの電位差が印加され、N型トランジスタのソース−ゲート間に6Vの電位差が印加される。P型トランジスタ21の閾値電圧の絶対値を2V未満に設定し、かつ、N型トランジスタ22の閾値電圧を6V未満に設定すれば、P型トランジスタ21およびN型トランジスタ22の両方がオン状態になる。これにより、インバータ17(1段目のインバータ)に貫通電流が流れる。
このとき、出力端子26は2Vになる。出力端子26は、次段のインバータ(2段目のインバータ)の入力端子に接続されている。よって、2段目のインバータの入力端子には、2Vが入力される。この場合、2段目のインバータのP型トランジスタのソース−ゲート間に−6Vの電位差が印加され、N型トランジスタのソース−ゲート間に2Vの電位差が印加される。P型トランジスタの閾値電圧の絶対値を6V未満に設定し、かつ、N型トランジスタの閾値電圧を2V未満に設定すれば、P型トランジスタおよびN型トランジスタの両方がオン状態になる。これにより、2段目のインバータにも貫通電流が流れる。
このとき、2段目のインバータの出力端子は6Vになる。従って、さらに次の段のインバータ(3段目のインバータ)の入力端子には、6Vが印加される。従って、3段目のインバータの動作は1段目のインバータの動作と同様である。3段目のインバータの次の段のインバータ(4段目のインバータ)の動作は、2段目のインバータの動作と同様である。このように、6Vを入力し2Vを出力するインバータと、2Vを入力し6Vを出力するインバータとが交互に連結される。
このような2種類の動作を行うインバータが同じ構成を有するためには、N型トランジスタ22の閾値電圧を、複数のインバータ17における入力端子25と第2の電位Vssとの電位差のうち最小の電位差未満(上記例では2V未満)にする必要がある。また、ESDサージに複数のインバータ17が応答するときに、P型トランジスタ21の閾値電圧の絶対値を、複数のインバータ17における第1の電位VDDと入力端子25との電位差のうち最小の電位差未満(上記例では2V未満)にする必要がある。これにより、同じ構成を有するインバータ17の総てがESDサージの応答時にオン状態となり、貫通電流を流すことができる。
In such a situation, the
More specifically, in the initial operation in which the plurality of
For example, 8V is applied to VDD as a surge voltage, and Vss is set to 0V. If the potential of the input terminal 25 (32 in FIG. 3) rises to 6V, a potential difference of −2V is applied between the source and gate of the P-
At this time, the
At this time, the output terminal of the second stage inverter becomes 6V. Therefore, 6V is applied to the input terminal of the next-stage inverter (third-stage inverter). Therefore, the operation of the third stage inverter is the same as the operation of the first stage inverter. The operation of the inverter at the next stage after the third stage inverter (fourth stage inverter) is the same as the operation of the second stage inverter. In this way, the inverter that inputs 6V and outputs 2V and the inverter that inputs 2V and outputs 6V are alternately connected.
In order for the inverters that perform these two types of operations to have the same configuration, the threshold voltage of the N-
これにより、第1のESD保護回路12が動作してCDMサージを放電し、第1外部電源入力端子15と第2外部基準電位端子16との電位差を一定値以内に保つように働く。
As a result, the first
その結果、CDMサージ電圧31のオーバーシュートが抑制され、内部回路11のMOSトランジスタ14のゲート絶縁膜をESD破壊から保護することが可能である。
As a result, overshoot of the
図4は半導体装置10のサージ破壊試験結果を比較例と対比して示す図で、図4(a)か本実施例を示す図、図4(b)が比較例を示す図である。ここで、比較例とは半導体装置10が第1のESD保護回路12を有しない場合を意味している。
FIG. 4 is a diagram showing the result of the surge breakdown test of the
サージ破壊試験は、サージ電流を模擬したパルス電流をDUT(Device Under Test)に印加することができるVF−TLP(Very Fast Transmission Line Pulse)装置を用いて行った。
比較のためにVF−TLP装置より電流パルス立ち上がり時間の長いノーマルTLP装置での試験結果も示している。始めに比較例について説明する。
The surge breakdown test was performed using a VF-TLP (Very Fast Transmission Line Pulse) apparatus that can apply a pulse current simulating a surge current to a DUT (Device Under Test).
For comparison, a test result with a normal TLP device having a current pulse rise time longer than that of the VF-TLP device is also shown. First, a comparative example will be described.
図4(b)に示すように、比較例では、VL―TLP試験のサージ破壊電流は1A程度と極端に低い値を示している。
これは、第2のESD保護回路13のESDサージに対する応答速度が、CDMサージの立ち上がり速度より遅いため、第2のESD保護回路13が動作する以前にCDMサージの過電流により、第1外部電源入力端子15のパッドの電位が、内部回路11のMOSトランジスタ14のゲート絶縁膜の耐圧以上に昇圧されてしまい、初期の電圧オーバーシュートによって破壊されたためである。
As shown in FIG. 4B, in the comparative example, the surge breakdown current of the VL-TLP test shows an extremely low value of about 1A.
This is because the response speed of the second
一方、ノーマルTLP試験のサージ破壊電流は8A程度と高い値を示している。従来の第2のESD保護回路13は、CDMサージより遅いESDサージに対しては十分な応答速度を有しているためである。
On the other hand, the surge breakdown current in the normal TLP test shows a high value of about 8A. This is because the conventional second
図4(a)に示すように、本実施例では、VL―TLP試験のサージ破壊電流は8A程度と高い値を示している。
これは、第1のESD保護回路12のESDサージに対する応答速度が、CDMサージの立ち上がり速度と比較して十分に早いので、初期の電圧オーバーシュートが生じないためである。
As shown in FIG. 4A, in this example, the surge breakdown current in the VL-TLP test is as high as about 8A.
This is because an initial voltage overshoot does not occur because the response speed of the first
ノーマルTLP試験のサージ破壊電流も8A程度と高い値を示している。これは、従来の第2のESD保護回路13が機能するためである。
図5は通常の第2のESD保護回路13の一例を示す回路図である。MOSトランジスタ41に寄生するNPNバイポーラトランジスタを利用するGG(Grounded Gate)MOSの例である。
The surge breakdown current in the normal TLP test also shows a high value of about 8A. This is because the conventional second
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a normal second
第1および第2外部電源入力端子15、16に第1および第2の電位VDD、VSSが与えられている通常動作時には、第1のESD保護回路12の偶数段インバータリングは動的な動作(リング発振)をしないので、前段の出力端子と後段の入力端子の接続ノードの電位は第1の電位VDDまたは第2の電位VSSに固定される。
その結果、第1のESD保護回路12はAC電流やDC電流をほとんど消費せず、半導体装置10の通常動作に影響を及さない。
During normal operation in which the first and second external power
As a result, the first
また、偶数段インバータリングは、リングを構成するインバータの入力端子が前段のインバータの出力に接続される構成となる。すべての入力端子はMOSトランジスタ21、22を介して第1の電位VDDや第2の電位VSSとカップリングしている。
そのため、直接第1の電位VDDや第2の電位VSSに接続されている場合と比較して、ESDサージの初期段階においてフローティングノードとして振舞いやすくなる。
Further, the even-numbered inverter ring is configured such that the input terminal of the inverter constituting the ring is connected to the output of the preceding inverter. All input terminals are coupled to the first potential VDD and the second potential VSS via the
Therefore, it becomes easier to behave as a floating node in the initial stage of the ESD surge than in the case where it is directly connected to the first potential VDD or the second potential VSS.
第1のESD保護回路12のインバータの段数には特に制限はない。インバータの段数が多いほどサージ電流容量が大きくなるが、占有面積が増大する。
そのため、必要なサージ電流容量に応じてインバータの段数を定めればよい。種々検討した結果、インバータリングの段数は4段以上が適当であった。
There is no particular limitation on the number of inverter stages of the first
Therefore, the number of inverter stages may be determined according to the required surge current capacity. As a result of various studies, the number of stages of the inverter ring is suitably four or more.
以上説明したように、本実施例の第1のESD保護回路12は、第1の電位VDDが与えられる第1外部電源入力端子15と、第1の電位VDDより低い第2の電位VSSが与えられる第2外部電源入力端子16との間に接続されるとともに、前段の出力端子26を後段の入力端子25に接続し、リング状に接続された複数のインバータ17を具備している。
As described above, the first
その結果、ESDサージに複数のインバータ17が応答する初期段階において、前段の出力端子26と後段の入力端子25の接続ノードに第1の電位VDDより低く、且つ第2の電位VSSより高い中間の電位が与えられると、複数のインバータ17に第1の電位VDDから第2の電位VSSに向かって貫通電流が流れる。
従って、応答速度の速い第1のESD保護回路12およびそれを用いた半導体装置10が得られる。
As a result, in the initial stage in which the plurality of
Therefore, the first
ここでは、論理ゲート回路がCMOSインバータ17である場合について説明したが、上述した貫通電流が流れるものであれば、他の論理ゲート回路でも構わない。
例えば、一部にNANDゲートおよびNORゲートなどを含む論理ゲート回路でも同様な効果を期待することができる。
Although the case where the logic gate circuit is the
For example, the same effect can be expected even in a logic gate circuit that partially includes a NAND gate, a NOR gate, and the like.
第1のESD保護回路12が偶数段のインバータリングである場合について説明したが、奇数段のインバータリングでも可能である。
奇数段のインバータリングは、動的な動作(リング発振)をするので、無駄な電力が消費されるが、CDMサージに対するESD保護回路として機能することは同様である。
Although the case where the first
The odd-numbered inverter ring performs dynamic operation (ring oscillation), and thus wasteful power is consumed. However, it functions similarly as an ESD protection circuit against a CDM surge.
図6は本発明の実施例2に係る第1のESD保護回路を示す回路図である。本実施例において、上記実施例1と同一の構成部分には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本実施例が実施例1と異なる点は、複数のインバータが、一部のインバータを共用する2重のリング状に接続されていることにある。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a first ESD protection circuit according to
This embodiment is different from the first embodiment in that a plurality of inverters are connected in a double ring shape that shares some inverters.
即ち図6に示すように、本実施例の第1のESD保護回路50は、インバータ51からインバータ52の間に含まれるインバータ、およびインバータ53からインバータ54の間に含まれるインバータがリング状に接続された第1のインバータリングIと、インバータ51からインバータ52の間に含まれるインバータ、およびインバータ55からインバータ56の間に含まれるインバータがリング状に接続された第2のインバータリングIIを具備している。
That is, as shown in FIG. 6, the first
インバータ52の出力端子を分岐して、インバータ53およびインバータ55の両方の入力端子に接続し、インバータ54およびインバータ56の出力端子をインバータ51の入力端子に共通接続することにより、インバータ51からインバータ52の間に含まれるインバータが、第1および第2インバータリングI、IIで共用されている。
インバータ51に替わる論理ゲート回路として、例えば2入力NANDゲート回路、または2入力NORゲート回路などが適している。2入力端子の一方をインバータ54の出力端子に接続し、他方をインバータ56の出力端子に接続する。
The output terminal of the
For example, a 2-input NAND gate circuit or a 2-input NOR gate circuit is suitable as a logic gate circuit replacing the
以上説明したように、本実施例のESD保護回路40では、複数のインバータが一部のインバータを共用する2重のリング状に接続されている。論理ゲート回路に、NOT、NAND、NORが混在している場合に適している。 As described above, in the ESD protection circuit 40 of this embodiment, a plurality of inverters are connected in a double ring shape that shares some inverters. This is suitable when NOT, NAND, and NOR are mixed in the logic gate circuit.
ここでは、一部のインバータを共用する2重のリング状に接続する場合について説明したが一部のインバータを共用する更に多重のリング状に接続しても構わない。
図7は複数のインバータ17が、一部のインバータを共用する3重のリング状に接続された第1のESD保護回路60を示す図である。
Here, a case where a part of inverters are connected in a double ring shape has been described, but a part of inverters may be connected in a multiple ring shape.
FIG. 7 is a diagram showing a first
図8は本発明の実施例3に係るESD保護回路およびそれを用いた半導体装置を示す図で、図8(a)は半導体装置を示す回路図、図8(b)は第1のESD保護回路を示す回路図である。 8A and 8B are diagrams showing an ESD protection circuit according to a third embodiment of the present invention and a semiconductor device using the same, FIG. 8A is a circuit diagram showing the semiconductor device, and FIG. 8B is a first ESD protection. It is a circuit diagram which shows a circuit.
本実施例において、上記実施例1と同一の構成部分には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本実施例が実施例1と異なる点は、複数のインバータがライン状に接続されていることにある。
In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof will be omitted, and only different portions will be described.
This embodiment is different from the first embodiment in that a plurality of inverters are connected in a line.
即ち図8に示すように、本実施例の半導体装置70は、第1のESD保護回路71と、第1のESD保護回路71に接続された第2の回路72とを有している。
第1のESD保護回路71は前段の出力端子を後段の入力端子に接続し、ライン状に接続された複数のインバータ17を具備している。
That is, as shown in FIG. 8, the
The first
初段のインバータ17の入力端は第2の回路72の出力端に接続され、最終段のインバータ17の出力端子は初段のインバータ17の入力端子に接続されずに、オープン状態になっている。
The input terminal of the
第2の回路72は、第1および第2外部電源入力端子15、16に第1の電位VDDおよび第2の電位VSSが与えられていないときは、出力端がフローティング状態となり、第1および第2外部電源入力端子15、16に第1の電位VDDおよび第2の電位VSSが与えられているときは、一定値を出力する回路である。
第2の回路72はこの条件を満たすものであれば良く、例えば半導体装置70の既存の回路を利用することができる。
In the
The
また、第2の回路72として、通常フリップフロップのリセット信号を生成するために用いられるパワーオンリセット回路を用いることができる。
図9はパワーオンリセット回路を示す回路図である。図9に示すように、パワーオンリセット回路は抵抗81とキャパシタ82との直列回路と、入力端子が抵抗81とキャパシタ82の接続ノードに接続されたインバータ83とを具備している。
Further, as the
FIG. 9 is a circuit diagram showing a power-on reset circuit. As shown in FIG. 9, the power-on reset circuit includes a series circuit of a
第1および第2外部電源入力端子15、16に第1の電位VDDおよび第2の電位VSSが与えられていないときは、インバータ83の入力端子の電位は不定になり、インバータ83の出力端子はフローティングノードとして振舞う。
When the first potential VDD and the second potential VSS are not applied to the first and second external power
その結果、前段の出力端子26と後段の入力端子25の接続ノードに第1の電位VDDより低く、且つ第2の電位VSSより高い中間の電位が与えられると、複数のインバータ17に第1の電位VDDから第2の電位VSSに向かって貫通電流が流れる。
従って、応答速度の速い第1のESD保護回路71およびそれを用いた半導体装置70が得られる。
As a result, when an intermediate potential lower than the first potential VDD and higher than the second potential VSS is applied to the connection node between the
Therefore, the first
一方、第1および第2外部電源入力端子15、16に第1の電位VDDおよび第2の電位VSSが与えられると、抵抗81を通してキャパシタ82が充電され、インバータ83の入力端子の電位が上昇する。
インバータ83の入力端子の電位が第1の電位VDDになると、インバータ83は“L”レベル(一定値)を出力する。
On the other hand, when the first potential VDD and the second potential VSS are applied to the first and second external power
When the potential of the input terminal of the
その結果、通常動作時には、初段のインバータ17の入力端子が“L”レベルに固定されるので、第1のESD保護回路71は動的な動作をしないので、前段の出力端子と後段の入力端子の接続ノードの電位は第1の電位VDDまたは第2の電位VSSに固定される。
As a result, since the input terminal of the first-
従って、第1のESD保護回路71はAC電流やDC電流をほとんど消費せず、半導体装置70の通常動作に影響を及さない。
Therefore, the first
以上説明したように、本実施例の第1のESD保護回路71は、前段の出力端子を後段の入力端子に接続し、ライン状に接続された複数のインバータ17を具備している。
これによれば、最終段のインバータの出力端子を初段のインバータの入力端子に接続するリターン配線が不要になる利点がある。
As described above, the first
According to this, there is an advantage that the return wiring for connecting the output terminal of the last stage inverter to the input terminal of the first stage inverter becomes unnecessary.
ここでは、最終段のインバータ17の出力端子がオープン状態である場合について説明したが、図10に示すように、最終段のインバータ17の出力端子を任意の第3の回路90に接続することもできる。
Although the case where the output terminal of the
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 請求項1において、前記複数の論理ゲート回路が、一部の論理ゲート回路を共用する多重のリング状に接続されているESD保護回路。
The present invention can be configured as described in the following supplementary notes.
(Supplementary note 1) The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the plurality of logic gate circuits are connected in a multiple ring shape sharing a part of the logic gate circuits.
(付記2) 第1の電位が与えられる第1外部電源入力端子と、前記第1の電位より低い第2の電位が与えられる第2外部電源入力端子との間に接続された内部回路と、前記第1外部電源入力端子と、前記第2外部電源入力端子との間に接続されるとともに、前段の出力端子を後段の入力端子に接続し、ライン状に接続された複数の論理ゲート回路を具備し、ESDサージに前記複数の論理ゲート回路が応答する初期段階において、前記出力端子と前記入力端子の接続ノードに前記第1の電位より低く、且つ前記第2の電位より高い中間の電位が与えられると、前記複数の論理ゲート回路に第1の電位から第2の電位に向って貫通電流が流れ、前記第1および第2外部電源入力端子に前記第1および第2の電位が与えられているときは、初段の前記論理ゲート回路の前記入力端子に一定の状態の論理値が与えられているESD保護回路。 (Supplementary Note 2) An internal circuit connected between a first external power input terminal to which a first potential is applied and a second external power input terminal to which a second potential lower than the first potential is applied; A plurality of logic gate circuits connected in a line are connected between the first external power input terminal and the second external power input terminal, and the output terminal of the previous stage is connected to the input terminal of the subsequent stage. In an initial stage in which the plurality of logic gate circuits respond to an ESD surge, an intermediate potential lower than the first potential and higher than the second potential is applied to a connection node between the output terminal and the input terminal. When applied, a through current flows from the first potential to the second potential in the plurality of logic gate circuits, and the first and second potentials are applied to the first and second external power supply input terminals. When the first stage ESD protection circuit logic values are given in a constant state to said input terminal of said logic gate circuit.
図11は、本発明に係る実施例4に従ったESD保護回路およびそれを用いた半導体装置の構成図である。実施例4による半導体装置20は、接地電位Vssに接続された第2の外部電源入力端子16の他に、複数の電位VDD1およびVDD2にそれぞれ接続された第1の外部電源入力端子15および第3の外部電源入力端子25を備えている。つまり、実施例4は、電位の異なる複数の電源を有する実施形態である。電位VDD2は、Vssよりも高い電位であり、かつ、VDD1よりも低い電位である。図11では、2種類の電源電位VDD1およびVDD2のみ示しているが、後述の通り、本発明の半導体装置は3種類以上の電源電位を有していてもよい。
FIG. 11 is a configuration diagram of an ESD protection circuit according to the fourth embodiment of the present invention and a semiconductor device using the ESD protection circuit. In the
実施例4において、内部回路11、第1のESD保護回路12、第2のESD保護回路13、第1の外部電源入力端子15および第2の外部電源入力端子16の各構成および接続関係は、第1から第3の実施形態のいずれかの構成および接続関係と同様でよい。
In the fourth embodiment, each configuration and connection relation of the
実施例4は、第2の外部電源入力端子16と第3の外部電源入力端子25との間に接続された内部回路21と、第2の外部電源入力端子16と第3の外部電源入力端子25との間に接続された第3のESD保護回路23と、第1の外部電源入力端子15と第2の外部電源入力端子16との間に接続されたサージ転送回路31と、電源電位VDD2に接続された第3の外部電源入力端子25とをさらに備えている。
In the fourth embodiment, the
第3のESD保護回路23の構成は、第2のESD保護回路13の構成と同様でよい。即ち、第3のESD保護回路23は、第2のESD保護回路13と同様に、CDMより遅いESDサージに対して応答するESD保護回路であり、内部回路21内のMOSトランジスタ24のゲート絶縁膜が破壊されるのを防止する。第3のESD保護回路23は、第1のESD保護回路12およびサージ転送回路31より応答速度の遅いものであれば良く、通常のESD保護回路を用いることができる。第3のESD保護回路23の応答速度は、第2のESD保護回路13とほぼ同じ応答速度でよい。
The configuration of the third
サージ転送回路31の応答速度は、第1のESD保護回路12の応答速度と同程度、あるいは、それ以上である。また、サージ転送回路31は、第2の外部電源入力端子25が第1の外部電源入力端子15よりも高電位になったときに動作する回路である。
The response speed of the
保護対象である内部回路11および内部回路21は、それぞれ異なる電源電位VDD1およびVDD2の供給を受けて動作する。第1の外部電源入力端子15にCDMサージが入力された場合、実施例4は、第1の実施形態と同様に動作する。従って、この場合の動作の説明は省略する。
The
ここで、第3の外部電源入力端子25と第2の外部電源入力端子16との間には、第1のESD保護回路12に対応するESD保護回路が設けられていない。即ち、CDMサージのような速いサージに対して応答する保護回路は、内部回路21に対しては設けられていない。従って、第3の外部電源入力端子25にCDMサージが入力された場合、実施例4は次のように動作する。
Here, no ESD protection circuit corresponding to the first
第3の外部電源入力端子25にCDMサージが入力された場合、初期段階において、第3のESD保護回路23は動作しない。しかし、第3の外部電源入力端子25の電位が第1の外部電源入力端子15の電位よりもかなり大きくなるので、サージ転送回路31がサージ電流を第3の外部電源入力端子25から第1の外部電源入力端子15へ高速に転送する。これにより、サージ電流は、第1のESD保護回路12を貫通して第2の電位VSSへ流れる。その結果、電源電位VDD2と基準電位VSSとの間の電圧オーバーシュートを抑制し、内部回路21をCDMサージから保護することができる。
When a CDM surge is input to the third external power
サージ転送回路31は、第1のESD保護回路12とともに電源電位VDD2の電圧オーバーシュートを抑制するための放電経路の一部となる。このため、サージ転送回路31は、CDMサージに対する応答速度において第2および第3のESD保護回路13および23よりも高速に動作する必要があることはもちろんのこと、第1のESD保護回路23と同じかそれよりも速く動作する必要がある(条件1)。
The
さらに、サージ転送回路31は、通常動作時において導通してはならず、ESDサージが生じた場合にのみ動作する(条件2)。即ち、サージ転送回路31は、EDSサージが生じたときにのみ導通する必要があり、通常動作においては、第1の外部電源入力端子15と第3の外部電源入力端子25との間に印加される電位差では導通してはならない。
Further, the
図12(A)から図12(E)は、条件1および条件2を満たすサージ転送回路31の具体例を示す図である。
12A to 12E are diagrams showing specific examples of the
図12(A)に示すように、サージ転送回路31は、単一のダイオードであってもよい。ダイオードのアノードが第3の外部電源入力端子25に接続され、ダイオードのカソードが第1の外部電源入力端子15に接続されている。単一のダイオードは、第1のESD保護回路12を構成し得るインバータ、ダイオードストリング、サイリスタ等と比較して高速に動作する。よって、単一のダイオードは条件1を満たすことができる。
As shown in FIG. 12A, the
また、通常動作ではVDD2はVDD1よりも低いので、サージ転送回路31は、第1の外部電源入力端子15と第3の外部電源入力端子25との間を分離している。一方、CDMサージが第3の外部電源入力端子25に印加された場合、第3の外部電源入力端子25の電位は、短時間の間に第1の外部電源入力端子15の電位よりも高い電位にオーバーシュートする。この場合には、サージ転送回路31は、サージ電流を第3の外部電源入力端子25から第1の外部電源入力端子15へ流す。従って、単一のダイオードは、条件2を満たすことができる。
Further, since VDD2 is lower than VDD1 in normal operation, the
また、図12(B)に示すように、サージ転送回路31は、複数のダイオードを直列に接続したダイオードストリングであってもよい。ダイオードストリングのアノードが第3の外部電源入力端子25に接続され、ダイオードストリングのカソードが第1の外部電源入力端子15に接続されている。
As shown in FIG. 12B, the
ダイオードの段数を変更することによって、サージ転送回路31の反応速度を第1のESD保護回路12の反応速度以下することができる。例えば、第1のESD保護回路12もダイオードストリングで構成されている場合、サージ転送回路31のダイオードの段数を、第1から第3のESD保護回路12、13および23のダイオードの段数よりも少なく設定すればよい。これにより、ダイオードストリングは、条件1を満たすことができる。
By changing the number of diode stages, the reaction speed of the
また、図12(A)に示した単一ダイオードと同様に、このダイオードストリングは、通常動作では、第1の外部電源入力端子15と第3の外部電源入力端子25との間を分離している。しかし、CDMサージが第3の外部電源入力端子25に印加された場合、サージ電流を第1の外部電源入力端子15へ流す。従って、ダイオードストリングは条件2を満たすことができる。
Similarly to the single diode shown in FIG. 12A, this diode string separates between the first external
図12(C)に示すように、サージ転送回路31は、サイリスタであってもよい。サイリスタのアノード−カソード間の距離を調節することによって、サージ転送回路31の反応速度を第1のESD保護回路12の反応速度以下にすることができる。例えば、第1のESD保護回路12の反応速度以下に設定することができる。例えば、第1のESD保護回路12もサイリスタで構成されている場合、条件1を満たすために、サージ転送回路31のサイリスタのアノード−カソード間の距離は、第2のESD保護回路13または第3のESD保護回路23のそれよりも短い。また、サイリスタを採用した場合、それに付属するトリガー素子の高速化も必要である。
As shown in FIG. 12C, the
また、このサイリスタは、通常動作では、第1の外部電源入力端子15と第3の外部電源入力端子25との間を分離し、かつ、CDMサージが第3の外部電源入力端子25に印加された場合に、サージ電流を第1の外部電源入力端子15へ流す。従って、サイリスタは条件2を満たすことができる。
In the normal operation, the thyristor separates between the first external
図12(D)または図12(E)に示すように、サージ転送回路31は、NMOSまたはPMOSで構成してもよい。サージ転送回路31がNMOSである場合、ゲートは、第2の外部電源入力端子16に接続される。ソースが、ゲートとともに第2の外部電源入力端子16に接続されている場合、サージ転送回路31は、GGNMOS(Gate Grounded NMOS)となる。
As shown in FIG. 12D or FIG. 12E, the
サージ転送回路31がPMOSである場合、ゲートは、ソースとともに第1の外部電源入力端子15に接続される。NMOSまたはPMOSのチャネル長を調節することによって、サージ転送回路31の反応速度を第1のESD保護回路12の反応速度以下にすることができる。例えば、第1のESD保護回路12もNMOSまたはPMOSで構成されている場合、サージ転送回路31を構成するNMOSまたはPMOSのチャネル長は、第1のESD保護回路12のそれよりも短い。これにより、NMOSおよびPMOSは、条件1を満たすことができる。
When the
また、これらのNMOSおよびPMOSは、通常動作では、第1の外部電源入力端子15と第3の外部電源入力端子25との間を分離し、かつ、CDMサージが第3の外部電源入力端子25に印加された場合に、サージ電流を第1の外部電源入力端子15へ流す。従って、NMOSおよびPMOSは、条件2を満たすことができる。
In addition, these NMOS and PMOS are separated between the first external
図11では、2つの電源電位VDD1およびVDD2のみ示されているが、電源の個数は3つ以上(VDDn(nは3以上の整数)であってよい。この場合には、VDDnのうち最も電位の高い電源に対応する外部電源入力端子にCDMサージに対処可能な第1のESD保護回路12を接続する。
11, only two power supply potentials VDD1 and VDD2 are shown, but the number of power supplies may be 3 or more (VDDn (n is an integer of 3 or more). In this case, the most potential among VDDn A first
さらに、VDD(i−1)とVDDi(3≦i≦n)との間に、それぞれサージ転送回路31を設ける。サージ転送回路31のカソード側を電源電位の高い方の入力端子に接続し、そのアノード側を電源電位の低い方の入力端子に接続する。これにより、通常動作時において、サージ転送回路31に順バイアスが印加されることがない。よって、条件2を満たすことができる。
Furthermore, a
複数のサージ転送回路31は、図12(A)から図12(E)のいずれの構成を採用してもよい。複数のサージ転送回路31は、総て同じ構成でもよく、それぞれ異なる構成であってもよい。
The plurality of
実施例4では、いずれかの外部電源入力端子にCDMサージが入力された場合には、サージ電流は、単数または複数のサージ転送回路31を介して第1のESD保護回路12へ転送され、第1のESD保護回路12を介してVssへ流れる。これにより、各電源に接続された複数の内部回路はCDMサージから保護される。
In the fourth embodiment, when a CDM surge is input to any one of the external power input terminals, the surge current is transferred to the first
実施例4では、分離された複数の電源が設けられている場合であっても、CDMに対処可能な第1のESD保護回路12を各電源ごとに設ける必要が無く、1つの第1のESD保護回路12が複数の外部電源入力端子に共通に設けられていればよい。
In the fourth embodiment, even when a plurality of separated power supplies are provided, it is not necessary to provide the first
サージ転送回路31は、第1のESD保護回路12よりも設置面積が小さい。例えば、サージ転送回路31は、単一のダイオードで構成されることができる。第1のESD保護回路12は、少なくとも複数のダイオードからなるダイオードストリングであることが必要である。サージ転送回路31および第1のESD保護回路12がダイオードストリングから構成される場合であっても、サージ転送回路31のダイオードの段数は、第1のESD保護回路12のそれよりも小さい。サージ転送回路31および第1のESD保護回路12がサイリスタから構成される場合であっても、サージ転送回路31のアノード−カソード間距離は、第1のESD保護回路12のそれよりも短い。サージ転送回路31および第1のESD保護回路12がNMOSまたはPMOSから構成される場合であっても、サージ転送回路31のゲート長は、第1のESD保護回路12のそれよりも短い。
The
サージ転送回路31と第1のESD保護回路12とが異なる種類のESD保護回路であっても、サージ転送回路31は、第1のESD保護回路12よりも設置面積が小さい。
Even if the
実施例4にように、1つの第1のESD保護回路12を複数の外部電源入力端子に共通に設けることによって、半導体装置全体のチップサイズを小さくすることができる。さらに、実施例4は、実施例1から実施例3のいずれかの効果を得ることができる。
As in the fourth embodiment, by providing one first
実施例5による半導体装置の構成は、実施例4による半導体装置の構成と同様でよい。従って、図11を参照して、実施例5を説明する。
The configuration of the semiconductor device according to the fifth embodiment may be the same as that of the semiconductor device according to the fourth embodiment. Therefore,
実施例5では、CDMサージに対処可能な第1のESD保護回路12を設けた第1の外部電源入力端子15の電位VDD1は、通常動作およびスタンドバイ時において、常時、CDMサージに対処可能なESD保護回路を有しない第3の外部電源入力端子25の電位VDD2と同じかそれより低い電位である。
In the fifth embodiment, the potential VDD1 of the first external
例えば、スタンドバイ時において、第3の外部電源入力端子25は電位VDD2から切断され、一方で、第1の外部電源入力端子15は電位VDD1との接続を維持する。つまり、第1の外部電源入力端子15には常時電源投入状態にしておきながら、消費電力を削減するために、スタンドバイ時には、第3の外部電源入力端子25は電位VDD2から切断される。
For example, during standby, the third external
これにより、ESDサージが生じない限り、スタンドバイ時においても、サージ転送回路31は動作しない。従って、実施例5は、スタンドバイ時においては部分的に電源を電源入力端子から切断することによって消費電力を抑制することができ、それとともに、ESDサージが生じた場合には内部回路を保護することができる。
As a result, the
電源電圧が3つ以上ある場合、実施例5の構成は、実施例4の構成と同様でよい。実施例5では、電源電圧VDDnのうち最大電圧のみを常時電源投入状態にしておく。これにより、CDMのような高速なESDサージが印加された場合に、実施例5は、電圧オーバーシュートを抑制するための放電経路を確保することができ、かつ、部分的電源遮断の技術を用いて消費電力を抑制することができる。 When there are three or more power supply voltages, the configuration of the fifth embodiment may be the same as the configuration of the fourth embodiment. In the fifth embodiment, only the maximum voltage of the power supply voltage VDDn is always turned on. As a result, when a high-speed ESD surge such as CDM is applied, the fifth embodiment can secure a discharge path for suppressing voltage overshoot and uses a partial power-off technique. Power consumption can be suppressed.
第1の外部電源入力端子15に接続する電源(VDD1)として、I/O(Input/Output)回路用の電源(信号入出力回路を駆動する電源)を利用することが考えられる。I/O回路用の電源は、一般に内部回路で使用する電源よりも高い電圧が使用されるからである。また、一般に、信号は信号入力端子へ何時入力されるのか不明である。そのため、I/O回路用の電源は、通常、常時電源投入されている。そのため、I/O回路用の電源は、CDMサージに対処可能な第1のESD保護回路12に接続する第1の外部電源入力端子15に接続する電源として適している。
As a power supply (VDD1) connected to the first external power
実施例5は、スタンドバイ時において、CDMサージに対処可能なESD保護回路に対応した電源入力端子に接続された電源以外の電源を、電源入力端子から切断する。これにより、スタンドバイ時における消費電力を抑制することができる。実施例5は、さらに実施例4の効果を得ることができる。 In the fifth embodiment, the power supply other than the power supply connected to the power supply input terminal corresponding to the ESD protection circuit capable of dealing with the CDM surge is cut off from the power supply input terminal during standby. Thereby, the power consumption at the time of standby can be suppressed. In the fifth embodiment, the effects of the fourth embodiment can be further obtained.
10、70 半導体装置
11 内部回路
12、50、60、71 第1のESD保護回路
13 第2のESD保護回路
14 MOSトランジスタ
15 第1外部電源入力端子
16 第2外部電源入力端子
17、51〜56、83 インバータ(論理ゲート回路)
21 P―MOSトランジスタ
22 N―MOSトランジスタ
23 第1電源端子
24 第2電源端子
25 入力端子
26 出力端子
72 第2の回路
81 抵抗
82 キャパシタ
90 第3の回路
VDD 第1の電位
VSS 第2の電位
DESCRIPTION OF
21 P-MOS transistor 22 N-
Claims (5)
前記複数のインバータは、前段のインバータの出力端子が後段のインバータの入力端子に接続されることによって、直列に接続され、
前記複数のインバータのうち最終段のインバータの出力端子は、オープン状態になっており、
ESDサージに前記複数のインバータが応答するときに、前記出力端子と前記入力端子との接続ノードの電位が前記第1の電位と前記第2の電位との間の保護電位になると、前記複数のインバータに第1の電源入力から第2の電源入力に向かって貫通電流が流れ、
前記第1および第2の電源入力に前記第1および第2の電位が与えられているときは、前記複数のインバータの論理値が一定の状態に保持されていることを特徴とするESD保護回路。 A plurality of inverters connected between a first power input to which a first potential is applied and a second power input to which a second potential lower than the first potential is provided;
The plurality of inverters are connected in series by connecting the output terminal of the preceding inverter to the input terminal of the succeeding inverter ,
The output terminal of the final stage inverter among the plurality of inverters is in an open state,
When said plurality of inverters to ESD surge responds, when the potential at the node between the input terminal and the output terminal is ing the protective potential between said second potential and the first potential, the through current from the first power input toward the second power input flows into a plurality of inverters,
An ESD protection circuit, wherein logic values of the plurality of inverters are held in a constant state when the first and second potentials are applied to the first and second power inputs. .
前記インバータは、前記第1の電源入力と前記第2の電源入力との間に直列に接続されたP型トランジスタおよびN型トランジスタを含み、
前記P型トランジスタおよび前記N型トランジスタのゲートは、前記入力端子として共通に接続され、
前記P型トランジスタおよび前記N型トランジスタの各一端は、前記出力端子として共通に接続され、
前記P型トランジスタの他端は、前記第1の外部電源入力端子に接続され、
前記N型トランジスタの他端は、前記第2の外部電源入力端子に接続され、
ESDサージに複数の前記インバータが応答するときに、前記保護電位は、前記第2の電位より前記N型トランジスタの閾値電圧だけ高い電位と前記第1の電位より前記P型トランジスタの閾値電圧の絶対値だけ低い電位との間の電位であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のESD保護回路。 The inverter comprises one or more inverters;
The inverter includes a P-type transistor and an N-type transistor connected in series between the first power input and the second power input,
The gates of the P-type transistor and the N-type transistor are commonly connected as the input terminal,
Each one end of the P-type transistor and the N-type transistor is commonly connected as the output terminal,
The other end of the P-type transistor is connected to the first external power input terminal,
The other end of the N-type transistor is connected to the second external power input terminal,
When a plurality of inverters respond to an ESD surge, the protection potential is a potential that is higher than the second potential by the threshold voltage of the N-type transistor and an absolute value of the threshold voltage of the P-type transistor from the first potential. The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the ESD protection circuit is a potential between a potential lower by a value.
ESDサージが前記第3の電源入力に入力されたときに、前記サージ転送部は、サージ電流を前記第3の電源入力から前記第1の電源入力へ転送させ、
前記複数のインバータは、前記第1および前記第3の電源入力に共通に設けられていることを特徴とする請求項1に記載のESD保護回路。 A surge transfer unit connected between a third power input to which a third potential higher than the second potential and lower than the first potential is applied, and the first power input;
When an ESD surge is input to the third power input, the surge transfer unit transfers a surge current from the third power input to the first power input.
The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the plurality of inverters are provided in common to the first and third power supply inputs.
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