(57)【要約】【課題】  プロセス微細化に伴う内部回路の耐圧低下、保護回路の耐性低下静電気放電に対する耐性劣化を補う保護回路を持つ半導体装置及方法を提供する。【解決手段】  半導体装置内に例えば入力端子３ｂと接地端子３ｃとの間にメカニカルスイッチ１を設けて半導体装置全体の保護を実現する。メカニカルスイッチは、物理的に可動部分と接点を有するスイッチのことであり、スイッチとしての基本特性、例えば、オン抵抗、オフ時の接点間容量が半導体素子から作られたスイッチよりも遥かに良いため、ＥＳＤの保護用スイッチに用いることによって良好な保護回路が実現できる。【選択図】  図１
2006054233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路が形成された半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、内部の半導体集積回路に電気的に接続された複数種類の端子と、
前記複数種類の端子の内、少なくとも静電気放電に脆弱な端子と接地端子との間に形成されたメカニカルスイッチを有するショート回路とを具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体基板には、前記複数種類の端子のそれぞれに接続され、内部の前記半導体集積回路を静電気放電より保護する半導体素子から構成された保護回路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体基板には、前記メカニカルスイッチをオンオフ制御する制御回路又はコントローラが形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記メカニカルスイッチは、圧電性絶縁膜と、前記圧電性絶縁膜の両面にこれを挟むように形成された第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の電極のいずれかの表面に形成され、前記圧電性絶縁膜と共に前記第１及び第２の電極のいずれかを挟むように構成された常誘電性絶縁膜とを具備してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置を製造する工程において、前記ショート回路を形成後に前記ショート回路を静電気放電に対する保護状態であるショート設定を行う工程を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板に形成された半導体素子を静電気放電から守るために形成された保護回路を有する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から半導体装置は、静電気放電(Electoro-Static Discharge) からの保護を目的として、保護回路を持っている。静電気は一般に１０００Ｖを超える電圧を持っているが、半導体集積回路内のトランジスタの耐圧は余り高くない（高々数十Ｖ程度である）。したがって、保護回路がなければ、トランジスタは簡単に静電気で破壊されてしまう。本発明の半導体装置を表す図１を参照して従来技術を説明する。但し、この図に示されたメカニカルスイッチ（ＳＷ）は無視するものとする。この図は、半導体装置を構成する半導体集積回路の信号入力部分の回路である。半導体装置は、電源端子（ＶＤＤ）、入力端子（ＩＮ）、接地端子（ＶＳＳ）などの複数種類の端子を備えている。これらの端子は、ダイオードＤ１、Ｄ２などの半導体素子からなる保護回路を介して半導体集積回路（内部回路）に電気的に接続されたいる。保護回路の動作としては、まず入力端子ＩＮに対し、静電気が印加されたときに、正極の電圧の場合、電流は入力抵抗Ｒ、保護ダイオードＤ１を通して放電され、逆に、負極の電圧の場合、入力抵抗Ｒ、保護ダイオードＤ２のラインで放電される。これにより、半導体集積回路（内部回路）のトランジスタＴＲ１、ＴＲ２には、高電圧が印加されずに保護される仕組みとなっている。
【０００３】
しかし、近年、半導体プロセスの微細化が進んだ結果、高速化、低消費電力化が進んだものの、内部回路の耐圧低下（数十Ｖ→数Ｖ）、保護回路の耐性（電流容量）の低下、ＣＤＭ（Charge Device Model)モードの静電気放電に対する耐性劣化が進んで、デバイスを開発する上での問題となっている。
破壊に至る動作としては、入力端子ＩＮに静電気が印加された場合、ａ．保護回路を構成するダイオードＤ１、Ｄ２の順電圧が電流容量不足のため上昇してしまい、内部回路のトランジスタＴＲ１、ＴＲ２に耐性以上の電圧が加わり、破壊に至る。ｂ．ＣＤＭモードの静電気の様に高速（高周波）の電流の場合、保護回路のダイオードＤ１、Ｄ２がＯＮしない（電流が流れない）うちに、電圧が内部回路に印加され、破壊に至ってしまう。
【０００４】
従来技術としては半導体装置にマイクロメカニカルスイッチを組み込んだ技術が特許文献１に記載されている。この技術は、マイクロメカニカルスイッチをＥＰＲＯＭ上であり、且つパッド電極と半導体集積回路とを電気的に接続する経路中に接続配置するものであり、これにより配線が複雑化されて電気的探針が困難となる。また、上部からの光学的観察が困難となって機密が保護されるというものである。
【特許文献１】特開平１１−２９７９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような事情によりなされたものであり、半導体プロセスの微細化の進展による内部回路の耐圧低下、保護回路の耐性低下、ＣＤＭモードの静電気放電に対する耐性劣化を補う保護回路を備えた半導体装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するため、本発明の半導体装置の一態様は、半導体集積回路が形成された半導体基板と、前記半導体基板に形成され、内部の半導体集積回路に電気的に接続された複数種類の端子と、前記複数種類の端子の内、少なくとも静電気放電に脆弱な端子と接地端子との間に形成されたショート回路とを具備しており、前記ショート回路は、メカニカルスイッチであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
低電圧で超高速な高速ロジックのインターフェースが増えつつある中でＥＳＤ保護のために、容量が小さく、且つ確実なＥＳＤ保護ができるために、より高速なインターフェースが実現可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、半導体装置に用いられるＥＳＤ保護すなわち静電気放電からの保護を目的とした回路・機構に関するものである。本発明は、半導体装置内に、メカニカルスイッチを設けることにより、半導体装置全体の保護を実現するものである。メカニカルスイッチとは、物理的に可動部分と接点を有するスイッチのことである。メカニカルスイッチは、スイッチとしての基本特性、例えば、オン（ＯＮ）抵抗、オフ（ＯＦＦ）時の接点間容量が半導体素子から作られたスイッチよりも遥かに良いため、これを半導体装置に作り込み、ＥＳＤの保護用スイッチに用いることによって良好な保護回路が実現できる。
ただし、これを実現させるには１つの前提がある。半導体装置が、ＥＳＤで破壊される場面としては主として半導体装置の製造工程、運搬搬送工程、製品実装組み上げ工程と考えられ、半導体装置実装製品（システム）が通常運用される場面においては発生しないか、若しくはシステムで保護されることが前提である。このような前提下では、スイッチの切替は頻繁には発生せず、メカニカルスイッチのネックである切替時間の遅さは問題にはならない。
以下、実施例を参照して発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【０００９】
まず、図１乃至図４を参照して実施例１を説明する。
図１は、本発明の実施例１を説明する半導体基板に形成された半導体装置の概略回路図、図２は、図１の半導体基板に形成された半導体装置の概略平面図、図３及び図４は、図１に示されるメカニカルスイッチの構造及び機能を説明する概略断面図である。
図１は、半導体装置を構成する半導体集積回路の信号入力部分を示す回路である。半導体基板に形成された半導体装置は、電源端子（ＶＤＤ）３ａ、入力端子（ＩＮ）３ｂ、接地端子（ＶＳＳ）３ｃなどの複数種類の端子３を備えている。これらの端子は、ダイオードＤ１、Ｄ２などの半導体素子からなる保護回路２を介してトランジスタＴＲ１、ＴＲ２を具備する半導体集積回路を構成する内部回路５に電気的に接続されている。この実施例では、上記回路に本発明の特徴であるメカニカルスイッチ（ＳＷ）１が組み込まれている。この回路では、入力端子（ＩＮ）３ｂと接地端子（ＶＳＳ）３ｃとの間にメカニカルスイッチ１が設けられている。また、保護回路２と入力端子（ＩＮ）３ｂとの間には入力抵抗（Ｒ）４が接続されている。
図２は、図１の回路構成の主要部が形成された半導体基板１０の平面図である。半導体基板１０上には、複数の接続端子が形成されている。接続端子には、電源用配線（Ｖｄｄ）に繋がる電源端子（ＶＤＤ）３ａ、入力端子（ＩＮ）３ｂ、接地用配線（Ｖｓｓ）に繋がる接地端子（ＶＳＳ）３ｃが含まれている。入力端子（ＩＮ）３ｂと接地端子（ＶＳＳ）３ｃとの間にはメカニカルスイッチ１が設けられ、入力端子（ＩＮ）３ｂ側にメカニカルスイッチ１が接離する接点が設けられている（図３参照）。
【００１０】
このメカニカルスイッチ１を設けることによって、半導体装置のＥＳＤ保護を行うことができる。この実施例の回路では、ダイオードＤ１、Ｄ２などの半導体素子からなる保護回路２が接続されて、ＥＳＤ保護がなされているが、メカニカルスイッチ１は、この半導体素子の保護回路２が行うＥＳＤ保護の不備を十分に補うことができる。
この実施例では、入力端子（ＩＮ）３ｂと接地端子（ＶＳＳ）３ｃとの間にメカニカルスイッチ１が設けられているが、本発明は、これに限らず、例えば、電源端子（ＶＤＤ）３ａと入力端子（ＩＮ）３ｂとの間にメカニカルスイッチが形成されていても良い。このような配置でもＥＳＤ保護の効果は十分認められる。このメカニカルスイッチは、半導体基板に半導体集積回路が製造された時点で作動するように操作され、システムに組み込まれ、この半導体基板に形成された半導体集積回路が動作状態になるまで継続してこの半導体集積回路をＥＳＤから保護する。
【００１１】
次に、図３及び図４を参照して半導体装置に作り込まれたメカニカルスイッチの構造及び作用を説明する。
図３は、半導体基板に作り込まれたメカニカルスイッチのオン（ＯＮ）時の構造であり、図４は、オフ（ＯＦＦ）時の構造である。
図３に示すように、メカニカルスイッチ１は、図１に示す半導体装置に組み込まれている。シリコンなどの半導体基板１０上には、シリコン酸化膜などの絶縁膜６及び厚さ５ｎｍ、１００μｍ平方のタングステン膜（Ｗ  film）からなる入力端子３ｂが形成されている。メカニカルスイッチ１は、この絶縁膜６の上に形成され、１対の電極の一方の先端が入力端子３ｂ上に載置されている。
【００１２】
メカニカルスイッチ１は、チタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電体からなる圧電性絶縁膜８と、圧電性絶縁膜８の両面にこれを挟むように形成された一対の第１及び第２の電極７ａ、７ｂと、例えば、第２の電極７ｂ表面に形成され、圧電性絶縁膜８と共にこの第２の電極７ｂを挟むように構成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などの常誘電性絶縁膜９とを具備している。１対の第１及び第２の電極７ａ、７ｂは、例えば、プラチナ（Ｐｔ）などの金属膜から形成されている。第１の電極７ａは、一端が入力端子３ｂに電気的に接続され、他端が接地端子３ｃに接続されている。そして、第２の電極７ｂには、接地（ＧＮＤ）電圧もしくは正電圧などの制御電圧（Ｃｏｎｔｒｏｌ）が印加されるようになっている。即ち、ここで示されるメカニカルスイッチは、圧電体を１対の電極で挟み込み、一方の電極に常誘電性絶縁膜を張り合わせた構造であり、１対の電極間に制御電圧を印加することにより圧電体が膨張する特性を利用したものである。圧電体には、ＰＺＴ以外に、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ＡｌＮ、ＺｎＯなどが用いられる。
【００１３】
このメカニカルスイッチは、電圧が印加されてない通常状態では閉じている（図３参照）構造となっている。そして、第２の電極７ｂに制御電圧を印加する  （この実施例では正電圧を印加する）ことにより、一方の圧電体が膨張し、他方の常誘電性絶縁膜９が伸びを抑えようとするため、全体が変形（曲がる）する。この変形により、メカニカルスイッチ１の第１の電極７ａは、入力端子３ｂから離れる（図４参照）。入力端子３ｂの第１の電極７ａが接離する部分（接点）は、図２に示されている。このように、端子に印加される電圧を制御することにより、スイッチのオンオフが可能になる。
この実施例で説明される半導体装置は、メカニカルスイッチを使用することにより、容量が小さく、且つ確実なＥＳＤ保護が可能になり、高速なインターフェースが実現可能になる。
【実施例２】
【００１４】
次に、図５を参照して実施例２を説明する。
図５は、本発明の実施例２を説明する半導体基板に形成された半導体装置の概略回路図である。
図５は、半導体装置を構成する半導体集積回路の信号入力部分を示す回路である。半導体基板に形成された半導体装置は、電源端子（ＶＤＤ）２３ａ、入力端子（ＩＮ）２３ｂ、接地端子（ＶＳＳ）２３ｃなどの複数種類の端子を備えている。これらの端子は、ダイオードなどの半導体素子からなる保護回路（図示しない）を介してトランジスタなどを具備する半導体集積回路を構成する内部回路（図示しない）に電気的に接続されている。半導体素子からなる保護回路は必要に応じて半導体装置に組み込まないようにする事ができる。この実施例では、上記回路に本発明の特徴であるメカニカルスイッチ（ＳＷ）２１が組み込まれている。この回路では、入力端子（ＩＮ）２３ｂと接地端子（ＶＳＳ）２３ｃとの間にメカニカルスイッチ２１が設けられている。また、入力端子（ＩＮ）２３ｂには入力抵抗（Ｒ）２４が接続されている。さらに、この回路にはメカニカルスイッチ２１をコントロールする制御回路又はコントローラ２５が電源端子２３ａ及び接地端子２３ｃ間に接続されている。
【００１５】
この実施例の回路では、半導体素子からなる保護回路が接続されて、ＥＳＤ保護がなされているが、メカニカルスイッチ２１は、この半導体素子の保護回路が行うＥＳＤ保護を十分に補うことができる。
この実施例では、入力端子（ＩＮ）と接地端子（ＶＳＳ）との間にメカニカルスイッチが設けられているが、本発明は、これに限らず、例えば、電源端子（ＶＤＤ）と入力端子（ＩＮ）との間にメカニカルスイッチが形成されていても良い。このような配置でもＥＳＤ保護の効果は十分認められる。このメカニカルスイッチは、半導体基板に半導体集積回路が製造された時点で作動するように操作され、システムに組み込まれ、この半導体基板に形成された半導体集積回路が動作状態になるまで継続してこの半導体集積回路をＥＳＤから保護する。
このメカニカルスイッチは、圧電体を１対の電極で挟み込み、一方の電極に常誘電性絶縁膜を張り合わせた構造であり、１対の電極に電圧を印加することにより圧電体が膨張する特性を利用したものである。
【００１６】
このメカニカルスイッチは、電圧が印加されてない通常状態では閉じている（図３参照）構造となっている。そして、半導体装置内の制御回路又はコントローラ２５により、オンオフさせる構造となっている。入力端子からの信号を受け入れる場合、メカニカルスイッチをオフ（スイッチを開く状態）させ、不要な場合メカニカルスイッチをオン（スイッチを閉じる状態）させる。電極に電圧を印加することにより、一方の圧電体が膨張し、他方の常誘電性絶縁膜が伸びを抑えようとするため、全体が変形（曲がる）する。この変形により、メカニカルスイッチ１の第１の電極は、入力端子から離れる（図４参照）。
この実施例で説明される半導体装置は、メカニカルスイッチを使用することにより、容量が小さく、且つ確実なＥＳＤ保護が可能になり、高速なインターフェースが実現可能になる。
このメカニカルスイッチ１を設けることによって、半導体装置のＥＳＤ保護を行うことができる。また、制御回路又はコントローラ２５を設けることによりスイッチ操作を容易にすることができる。
【実施例３】
【００１７】
次に、図６を参照して実施例３を説明する。
図６は、本発明の実施例３を説明する半導体基板に形成された半導体装置の概略回路図である。
図６は、半導体装置を構成する半導体集積回路の信号入力部分を示す回路である。半導体基板に形成された半導体装置は、電源端子（ＶＤＤ）３３ａ、入力端子（ＩＮ）３３ｂ、接地端子（ＶＳＳ）３３ｃなどの複数種類の端子を備えている。これらの端子は、ダイオードなどの半導体素子からなる保護回路（図示しない）を介してトランジスタなどを具備する半導体集積回路を構成する内部回路（図示しない）に電気的に接続されている。半導体素子からなる保護回路は必要に応じて半導体装置に組み込まないようにすることができる。この実施例では、上記回路に本発明の特徴であるメカニカルスイッチ（ＳＷ）３１が組み込まれている。この回路では、入力端子（ＩＮ）３３ｂと接地端子（ＶＳＳ）３３ｃとの間にメカニカルスイッチ３１が設けられている。また、入力端子（ＩＮ）３３ｂには入力抵抗（Ｒ）３４が接続されている。さらに、この回路にはメカニカルスイッチ３１をコントロールすべくメカニカルスイッチのコントロール線を、電源端子３３ａに接続している。
【００１８】
この実施例では、入力端子（ＩＮ）と接地端子（ＶＳＳ）との間にメカニカルスイッチが設けられているが、本発明は、これに限らず、例えば、電源端子（ＶＤＤ）と入力端子（ＩＮ）との間にメカニカルスイッチが形成されていても良い。このような配置でもＥＳＤ保護の効果は十分認められる。このメカニカルスイッチは、半導体基板に半導体集積回路が製造された時点で作動するように操作され、システムに組み込まれ、この半導体基板に形成された半導体集積回路が動作状態になるまで継続してこの半導体集積回路をＥＳＤから保護する。
このメカニカルスイッチは、圧電体を１対の電極で挟み込み、一方の電極に常誘電性絶縁膜を張り合わせた構造であり、１対の電極に電圧を印加することにより圧電体が膨張する特性を利用したものである。
【００１９】
このメカニカルスイッチは、電圧が印加されてない通常状態では閉じている（図３参照）構造となっている。そして、電源端子３３ａに接続されたメカニカルスイッチのコントロール線３５により、オンオフさせる構造となっている。入力端子からの信号を受け入れる場合、メカニカルスイッチをオフ（スイッチを開く状態）させ、不要な場合メカニカルスイッチをオン（スイッチを閉じる状態）させる。電極に電圧を印加することにより、一方の圧電体が膨張し、他方の常誘電性絶縁膜が伸びを抑えようとするため、全体が変形（曲がる）する。この変形により、メカニカルスイッチ１の第１の電極は、入力端子から離れる（図４参照）。
【００２０】
この実施例で説明される半導体装置は、メカニカルスイッチを使用することにより、容量が小さく、且つ確実なＥＳＤ保護が可能になり、高速なインターフェースが実現可能になる。この実施例では、メカニカルスイッチのコントロール線を電源端子に接続している。このようにすることで半導体装置の電源に電圧が印加されると同時に、ＥＳＤの保護が切断され入力信号を受け入れることが可能となる。逆に半導体装置の電源が切れるとＥＳＤの保護がかかる状態となる。このように構成することにより制御回路等の複雑な回路が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例１を説明する半導体基板に形成された半導体装置の概略回路図。
【図２】図１の半導体基板に形成された半導体装置の概略回路図。
【図３】図１に示されるメカニカルスイッチの構造及び機能を説明する概略断面図。
【図４】図１に示されるメカニカルスイッチの構造及び機能を説明する概略断面図。
【図５】本発明の実施例２を説明する半導体基板に形成された半導体装置の概略回路図。
【図６】本発明の実施例３を説明する半導体基板に形成された半導体装置の概略回路図。
【符号の説明】
【００２２】
１、２１、３１・・・メカニカルスイッチ
２・・・半導体素子からなる保護回路    ３・・・端子
３ａ、２３ａ、３３ａ・・・電源端子
３ｂ、２３ｂ、３３ｂ・・・入力端子
３ｃ、２３ｃ、３３ｃ・・・接地端子    ４、２４、３４・・・入力抵抗
５・・・内部回路    ６・・・絶縁膜    ７ａ、７ｂ・・・電極
８・・・圧電性絶縁膜    ９・・・常誘電性絶縁膜
１０・・・半導体基板    ３５・・・コントロール線
【図１】
2006054233.tif 000003
【図２】
2006054233.tif 000004
【図３】
2006054233.tif 000005
【図４】
2006054233.tif 000006
【図５】
2006054233.tif 000007
【図６】
2006054233.tif 000008