(57)【要約】【課題】半導体集積回路の静電気に対する耐圧を向上させる。【解決手段】信号が入力又は出力されるパッドと、信号が入力又は出力される回路と、パッド及び回路の間に介在し、回路を動作させるための電源が投入されるとパッド及び回路を接続し、電源が投入されないとパッド及び回路を切断するスイッチ素子と、を備えてなる半導体集積回路。【選択図】図１
2009010027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号が入力又は出力されるパッドと、
前記信号が入力又は出力される回路と、
前記パッド及び前記回路の間に介在し、前記回路を動作させるための電源が投入されると前記パッド及び前記回路を接続し、前記電源が投入されないと前記パッド及び前記回路を切断するスイッチ素子と、
を備えたことを特徴とする半導体集積回路。
【請求項２】
前記スイッチ素子は、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）で構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路。
【請求項３】
前記スイッチ素子及び前記回路の間に介在し、前記回路を静電気又はサージから保護する保護回路、
を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、信号が入力又は出力されるパッドと、この信号が入力又は出力される回路との間に保護回路の介在する半導体集積回路がある。この保護回路は、静電気放電（ＥＳＤ：Electrostatic Discharge）や電気的過剰ストレス（ＥＯＳ：Electrical Overstress）等から回路を保護する。静電気放電は、回路の外部からの静電気によるものであり、電気的過剰ストレスは、回路の通電動作時におけるサージによるものである。
【０００３】
特にＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）構造のＬＳＩ（Large-Scale Integrated）回路は、前述した静電気放電及び電気的過剰ストレスに対し敏感であり、これらにより破壊し易いとされている。このＬＳＩ回路では、パッドに接続された電極と半導体基板とは例えば酸化膜で絶縁されている。この酸化膜が薄い場合、静電気やサージ等によりＬＳＩ回路は絶縁破壊し易くなる。このような絶縁破壊は、隣接する素子どうしの距離が短い場合にも同様に発生し易くなる。また、ＬＳＩ回路における例えばＰＮ接合に対し、静電気やサージ等による過大電流が集中的に流れると、この接合部分は熱的に破壊する虞がある。
【０００４】
このような静電気放電や電気的過剰ストレス等による回路の損傷を防ぐため、保護回路は、パッドからの静電気やサージ等を電源のラインに逃がすための所定の構成を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−２８８４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば前述したＬＳＩ回路をより高集積化しようとすれば、酸化膜をより薄くし、隣接素子間の距離をより短くし、ＰＮ接合をより浅くするように設計することとなる。しかしながら、このようなＬＳＩ回路は、静電気放電により破壊する確率がより高くなるとされている。一方、静電気放電による回路の損傷を防止するために保護回路を増強しようとすれば、この保護回路が半導体基板上を占める面積がより大きくなり、よって前記高集積化をかえって阻害する虞がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための発明は、信号が入力又は出力されるパッドと、前記信号が入力又は出力される回路と、前記パッド及び前記回路の間に介在し、前記回路を動作させるための電源が投入されると前記パッド及び前記回路を接続し、前記電源が投入されないと前記パッド及び前記回路を切断するスイッチ素子と、を備えてなる半導体集積回路である。
【発明の効果】
【０００７】
半導体集積回路の静電気に対する耐圧を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
===半導体集積回路の構成===
以下、図１を参照しつつ、本実施の形態の半導体集積回路１の構成例について説明する。尚、図１（ａ）は、本実施の形態の半導体集積回路１の構成例を示す平面図であり、図１（ｂ）は、本実施の形態の半導体集積回路１における保護回路５及びその周辺の回路を示す回路図である。
【０００９】
図１（ａ）に例示されるように、本実施の形態の半導体集積回路１は、半導体基板６上に、パッド２と、入出力回路（回路）３と、ＭＥＭＳスイッチ（スイッチ素子）４と、保護回路５とがパターン形成されて構成されている。尚、ＭＥＭＳは、Micro-Electro-Mechanical Systemsを意味する。
【００１０】
本実施の形態の半導体基板６は、例えばシリコン酸化膜６１（図２）が表面に形成されたシリコンのウェハー６２（図２（ａ））である。
【００１１】
本実施の形態のパッド２は、入出力回路３に例えば信号を入力するための入力端子、又は入出力回路３から信号を出力するための出力端子であり、半導体基板６上で所定の導電路を介して、ＭＥＭＳスイッチ４の一方の電極と電気的に接続されている。
【００１２】
本実施の形態の入出力回路３は、例えばＭＯＳトランジスタ等を備えて構成され、パッド２を通じて信号が入力されたり信号を出力したりする回路である。但し、これに限定されるものではなく、入出力回路３の代わりに、例えば、入力のみを行う入力回路を用いてもよいし、或いは出力のみを行う出力回路を用いてもよい。
【００１３】
本実施の形態のＭＥＭＳスイッチ４は、半導体基板６上にＭＥＭＳ技術を用いて形成され、例えば、通常離間するように付勢されている電極どうしが静電引力により接触して導通する構成を備えている。半導体基板６上で所定の導電路を介して、ＭＥＭＳスイッチ４の他方の電極は、入出力回路３と電気的に接続されている。
【００１４】
本実施の形態の保護回路５は、入出力回路３への静電気放電や電気的過剰ストレス等に対応するための回路であり、半導体基板６上で、入出力回路３及びＭＥＭＳスイッチ４を電気的に接続する導電路に対し分岐接続されている。この保護回路５は、例えば特開２００３−９２３５７号公報に開示されている周知の保護回路の構成を備えている。
【００１５】
図１（ｂ）に例示されるように、本実施の形態の保護回路５は、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタＴＲ１（以後、トランジスタＴＲ１と称する）及びダイオードＤ１を有する保護回路５１と、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＴＲ２（以後、トランジスタＴＲ２と称する）及びダイオードＤ２を有する保護回路５２とを備えて構成されている。
【００１６】
保護回路５１は、接地（ＶＳＳ）ラインとＭＥＭＳスイッチ４の電極との間に接続され、保護回路５２は、電源電圧（ＶＤＤ）ラインとＭＥＭＳスイッチ４の電極との間に接続されている。
【００１７】
<<<ＭＥＭＳスイッチ>>>
以下、図２を参照しつつ、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチ４の構成例について述べる。尚、図２（ａ）は、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチ４の構成例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、同スイッチ４の構成例を示す断面図である。
【００１８】
前述したＭＥＭＳスイッチ４は、カンチレバー型の変位電極４１と固定電極４２とを備えており、変位電極４１が変位して固定電極４２と接触することによりパッド２及び入出力回路３が導通するように構成されている。
【００１９】
本実施の形態の変位電極４１は、支持部４１ａと、アーム部４１ｂと、接触部４１ｃとを備えている。
【００２０】
支持部４１ａは、一端が半導体基板６のシリコン酸化膜６１の表面に結合されて、この表面から突出する方向に延在するように形成された、導電性の部材である。  
アーム部４１ｂは、一端が支持部４１ａの他端に結合されて、シリコン酸化膜６１の表面と略平行に延在するように形成された、導電性の部材である。  
接触部４１ｃは、一端がアーム部４１ｂの他端に結合されて、固定電極４２の側に突出するように延在し、他端がこの固定電極４２と所定の間隙をもって対向するように形成された、導電性の部材である。
【００２１】
尚、本実施の形態では、接触部４１ｃと固定電極４２とが接触又は離間するように、支持部４１ａ又はアーム部４１ｂは弾性を有している。ここで、支持部４１ａ、アーム部４１ｂ、及び接触部４１ｃは別体であるが、これに限定されるものではなく、例えば一体であってもよい。また、本実施の形態では、支持部４１ａは、シリコン酸化膜６１の表面上に形成された所定の導電路を介してパッド２に電気的に接続されているため、支持部４１ａ、アーム部４１ｂ、及び接触部４１ｃは、パッド２と等電位に保持される。
【００２２】
本実施の形態の固定電極４２は、半導体基板６のシリコン酸化膜６１の表面上の前述した接触部４１ｃと対向する位置に形成されている。この固定電極４２は、所定の導電路を介して入出力回路３に電気的に接続されている。
【００２３】
本実施の形態のＭＥＭＳスイッチ４は、更に、絶縁膜４３と、静電力電極４４と、静電力電極４５とを備えている。後述するように、これらの構成は、変位電極４１が変位して固定電極４２と接触するためのアクチュエータの機能を果たすものである。前述したアーム部４１ｂにおけるシリコン酸化膜６１の表面と対向する側には絶縁膜４３が形成されており、この絶縁膜４３の表面に静電力電極４４が形成されている。一方、半導体基板６のシリコン酸化膜６１の表面上の静電力電極４４と対向する位置には、静電力電極４５が形成されている。
【００２４】
尚、本実施の形態では、入出力回路３への電源投入時に、パッド２は電源電圧ラインに電気的に接続されるようになっている。また、静電力電極４４は、常時フロート状態となっている一方、静電力電極４５は、入出力回路３への電源投入時に、トランジスタＴＲ１を介して接地ラインに電気的に接続されるようになっている。尚、前記電源は、本実施の形態の半導体集積回路１の電源又はこの電源を基に得られる電源を意味する。
【００２５】
尚、前述した導電性及び弾性を有する部材には、例えばアモルファス合金である金属ガラスを適用すればよい。
【００２６】
===半導体集積回路の保護動作===
<<<静電気からの保護>>>
図３を参照しつつ、本実施の形態の半導体集積回路１において、ＭＥＭＳスイッチ４による入出力回路３の保護動作例について説明する。尚、図３（ａ）は、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチ４のオフ時の状態を示す断面図であり、図３（ｂ）は、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチ４のオン時の状態を示す断面図である。
【００２７】
入出力回路３に電源が投入されていない場合、ＭＥＭＳスイッチ４における一対の静電力電極４４、４５及びその近傍の電極や導電路等は何れもフロート状態であるため、静電力電極４４、４５の対向面どうしには静電引力を及ぼし合うほどの電荷は生じ得ない。よって、変位電極４１の接触部４１ｃと固定電極４２とは離間した状態に保持される（図３（ａ））。つまり、ＭＥＭＳスイッチ４はオフ状態であり、パッド２と入出力回路３とは電気的に切断されている。
【００２８】
一方、入出力回路３に電源が投入されている場合、前述したようにパッド２は電源電圧ラインに電気的に接続されることとなる。ＭＥＭＳスイッチ４において、パッド２と等電位の変位電極４１と絶縁膜４３を介して隣接する静電力電極４４の表面には、静電誘導により例えば正電荷が発生する。一方、静電力電極４４の表面と対向する静電力電極４５の表面には、同じく静電誘導により、例えば負の電荷が発生する。このように、一対の静電力電極４４、４５の対向面どうしには相反する電荷が生じて、静電引力を及ぼし合う（図３（ｂ））。これにより、図３（ｂ）に例示されるように、一対の静電力電極４４、４５は互いに接近し、よって変位電極４１の接触部４１ｃと固定電極４２とが接触し、ＭＥＭＳスイッチ４はオン状態となる。
【００２９】
<<<サージからの保護>>>
前述したように、入出力回路３に電源が投入されている場合には、パッド２に静電気が帯電する可能性は低いため、半導体集積回路１は、静電気放電を受け難い一方、サージによる電気的過剰ストレスを受けるおそれがある。前述した保護回路５は、このサージを電源電圧ライン又は接地ラインに逃がす機能を有している（図１（ｂ）参照）。
【００３０】
保護回路５１においては、もしパッド２に正のサージが入力された場合、トランジスタＴＲ１は、パンチスルー現象により導通してこの正のサージを接地ラインに逃がし、もしパッド２に負のサージが入力された場合、ダイオードＤ１が導通してこの負のサージを接地ラインに逃がす。
【００３１】
保護回路５２においては、もしパッド２に負のサージが入力された場合、トランジスタＴＲ２は、パンチスルー現象により導通してこの負のサージを電源電圧ラインに逃がし、もしパッド２に正のサージが入力された場合、ダイオードＤ２が導通してこの正のサージを電源電圧ラインに逃がす。
【００３２】
===静電気に対する耐圧の向上===
本実施の形態の半導体集積回路１によれば、入出力回路３を動作させるための電源が投入された場合、ＭＥＭＳスイッチ４がオン状態となってパッド２及び入出力回路３が接続され、この電源が投入されていない場合、ＭＥＭＳスイッチ４はオフ状態であってパッド２及び入出力回路３は切断されている。
【００３３】
半導体集積回路１が基板等に実装されておらず、よって入出力回路３に電源が投入されていない状況について考える。この場合、例えば、半導体集積回路１の製造工程においてパッケージ帯電が発生したり、セットメーカにおいて半導体集積回路１を基板に実装する際に人間が介在してデバイス帯電が発生したりする虞がある。しかし、何れの場合もＭＥＭＳスイッチ４はオフ状態にあるため、前記帯電による静電気がパッド２を通じて入出力回路３に流れることはない。つまり、半導体集積回路１のパッド２が静電気帯電し易い状況にある場合には、入出力回路３は静電気から保護される。
【００３４】
一方、半導体集積回路１の入出力回路３に電源が投入されている状況について考える。この場合、ＭＥＭＳスイッチ４はオン状態であるため、半導体集積回路１は、例えば基板１に実装されて動作可能となり、或いは、例えばテスターによる測定も可能となる。また、この場合、電荷はパッド２に帯電し難いため、入出力回路３は静電気から保護される。
【００３５】
以上から、本実施の形態の半導体集積回路１の静電気に対する耐圧を向上させることができる。
【００３６】
また、本実施の形態の半導体集積回路１によれば、パッド２及び入出力回路３の接続又は切断の機能を司るＭＥＭＳスイッチ４は、半導体基板６上で、パッド２及び入出力回路３とともに形成することができる。よって、半導体集積回路１を用いる装置全体としての所要のサイズは、例えば前記機能を果たす構成を半導体集積回路１の外部に設ける場合に比べて、より小さくなり得る上に、その製造工程はより単純なものとなり得る。これは、半導体集積回路１及びこの半導体集積回路１を用いる装置の更なる小型化及びその製造コストの低減につながる。
【００３７】
更に、本実施の形態の半導体集積回路１によれば、保護回路５は、電源が投入されている入出力回路３を、サージから保護できる。
【００３８】
尚、前述した実施の形態の保護回路５は、電源が投入されている入出力回路３を専らサージから保護するものであったが、これに限定されるものではなく、例えば電源が投入されている入出力回路３を静電気から保護するものであってもよい。これにより、入出力回路３に電源が投入されているとき、もしパッド２及びオン状態のＭＥＭＳスイッチ４を通過する静電気があったとしても、これは保護回路５によって電源電圧ライン又は接地ラインに逃がすことが可能である。但し、この保護回路５は、入出力回路３に電源が投入されていないときにパッド２に帯電し得る静電気に対応する程度の構成まで備えている必要はない。
【００３９】
また、前述した実施の形態の半導体集積回路１は保護回路５を備えていたが、これに限定されるものではなく、例えばサージの可能性が低い場合には、保護回路５を備えていなくてもよい。これにより、半導体集積回路１は、保護回路５を備えない分だけ、更なる集積化及び小型化が可能となる上に、半導体集積回路１及びこの半導体集積回路１を用いる装置の製造コストを低減できる。
【００４０】
また、前述した実施の形態の半導体集積回路１は、パッド２及び入出力回路３の間に介在するスイッチ素子として、ＭＥＭＳスイッチ４を備えていたが、これに限定されるものではない。スイッチ素子は、要するに、パッド２及び入出力回路３の間に介在し、電源が投入されるとパッド２及び入出力回路３を接続し、電源が投入されないとパッド２及び入出力回路３を切断する機能を果たす構成を備えた素子であればよい。
【００４１】
===その他の実施の形態===
前述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更や改良等が可能であり、また本発明はその等価物も含むものである。
【００４２】
図１（ａ）に例示される半導体集積回路１は、図示の便宜上、パッド２を１つ備えているだけであるが、これに限定されるものではなく、入出力回路３に対し複数のパッド２がそれぞれＭＥＭＳスイッチ４を介して接続されていてもよい。或いは、複数のパッド２のうち、予め静電気に弱いことがわかっているパッド２のみがＭＥＭＳスイッチ４を介して入出力回路３に接続されていてもよい。
【００４３】
図１（ｂ）に例示される保護回路５は、トランジスタＴＲ１及びダイオードＤ１を有する保護回路５１と、トランジスタＴＲ２及びダイオードＤ２を有する保護回路５２とを備えて構成されるものであったが、これに限定されるものではない。保護回路５は、例えば、保護回路５１のみからなっていてもよい。或いは、保護回路５は、例えば、保護回路５１におけるダイオードＤ１のみと、保護回路５２におけるダイオードＤ２のみとを備えて構成されるものであってもよい。要するに、前述した実施の形態の保護回路５は、入出力回路３をサージから保護するための構成を備えていればよい。
【００４４】
図２（ａ）、（ｂ）に例示されるＭＥＭＳスイッチ４は、静電引力を利用したカンチレバー型のスイッチであったが、これに限定されるものではない。要するに、前述した実施の形態のＭＥＭＳスイッチ４は、パッド２及び入出力回路３の間に介在し、電源が投入されるとパッド２及び入出力回路３を接続し、電源が投入されないとパッド２及び入出力回路３を切断する機能を果たす構成を備えるように半導体基板６上にＭＥＭＳ技術を用いて形成されたスイッチであればよい。
【００４５】
また、前述した実施の形態では、電源投入時にＭＥＭＳスイッチ４の静電力電極４４の（半導体基板６の側の）表面に正電荷が発生するための前提として、同電源投入時にパッド２は電源電圧ラインに接続され且つ静電力電極４５は接地ラインに接続されるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、電源投入時に、パッド２ではなく、静電力電極４４が電源電圧ラインに直接接続されるものであってもよい。要するに、電源投入時に、相互に静電引力が発生するような一対の静電力電極４４、４５の構成であれば、如何なる構成であってもよい。
【００４６】
更に、前述した静電力電極４４、４５は、一対であることに限定されるものではなく、例えば、変位電極４１及び半導体基板６のそれぞれの側で２個以上設けられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】（ａ）は、本実施の形態の半導体集積回路の構成例を示す平面図であり、（ｂ）は、本実施の形態の半導体集積回路における保護回路及びその周辺の回路を示す回路図である。
【図２】（ａ）は、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチの構成例を示す斜視図であり、（ｂ）は、同スイッチの構成例を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチのオフ時の状態を示す断面図であり、（ｂ）は、本実施の形態のＭＥＭＳスイッチのオン時の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  半導体集積回路
２  パッド                ３  入出力回路              ４  ＭＥＭＳスイッチ
４１  変位電極            ４１ａ  支持部              ４１ｂ  アーム部
４１ｃ  接触部            ４２  固定電極              ４３  絶縁膜
４４、４５  静電力電極    ５、５１、５２  保護回路    ６  半導体基板
６１  酸化膜              ６２  ウェハー              ６２  酸化膜
【図１】
2009010027.tif 000003
【図２】
2009010027.tif 000004
【図３】
2009010027.tif 000005