(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
他の回路との間で信号の入出力を行う半導体装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板又は前記半導体基板内に形成されたウエル内に設けられた第１の不純物拡散領域及び第２の不純物拡散領域を有する出力トランジスタと、
前記第１の不純物拡散領域に電気的に接続され、外部から電源電位が供給される電源端子と、
前記第２の不純物拡散領域に電気的に接続され、他の回路との間で信号の入力又は出力を行うための入出力端子と、
前記入出力端子に印加される信号の電位が所定の電位を越えるトレラントモードにおいて、前記半導体基板又は前記ウエルを前記電源端子から電気的にフローティングさせるフローティング手段と、
通常入力モードにおいてオン状態となる第２のトランジスタを介して電源電位に接続されたソース、前記出力トランジスタのゲートに電気的に接続されたドレイン、及び、前記入出力端子に電気的に接続されたゲートを有する第３のトランジスタを含み、前記入出力端子に印加される信号の電位が所定の電位以下である通常入力モードにおいて前記出力トランジスタのゲート電位を制御するゲート電位制御手段と、
を具備する半導体装置。
【請求項２】
他の回路との間で信号の入出力を行う半導体装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板又は前記半導体基板内に形成されたウエル内に設けられた第１の不純物拡散領域及び第２の不純物拡散領域を有する出力トランジスタと、
前記第１の不純物拡散領域に電気的に接続され、外部から電源電位が供給される電源端子と、
前記第２の不純物拡散領域に電気的に接続され、他の回路との間で信号の入力又は出力を行うための入出力端子と、
前記入出力端子に印加される信号の電位が所定の電位を越えるトレラントモードにおいて、前記半導体基板又は前記ウエルを前記電源端子から電気的にフローティングさせるフローティング手段と、
通常入力モードにおいてオン状態となる第２のトランジスタを介して電源電位に接続されたソース、及び、前記出力トランジスタのゲートに電気的に接続されたドレインを有する第３のトランジスタと、前記第３のトランジスタのゲートに電気的に接続されたソース、接地電位に接続されたドレイン、及び、前記入出力端子に電気的に接続されたゲートを有する第４のトランジスタとを含み、前記入出力端子に印加される信号の電位が所定の電位以下である通常入力モードにおいて前記出力トランジスタのゲート電位を制御するゲート電位制御手段と、
を具備する半導体装置。
【請求項３】
前記フローティング手段が、前記半導体基板又は前記ウエルと前記電源端子との間に電気的に接続されたソース・ドレイン、及び、前記入出力端子に電気的に接続されたゲートを有するトランジスタを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
トレラントモードにおいて、前記入出力端子に印加される信号の電位に従って前記半導体基板又は前記ウエルを充電するトランジスタをさらに具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項５】
トレラントモードにおいて、前記半導体基板又は前記ウエルの電位に従って前記出力トランジスタのゲート電位を上昇させるトランジスタをさらに具備する請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、他の回路との間で信号の入出力を行うインターフェース回路を含む半導体装置に関し、特に、異なる電源電圧で動作する他の回路と接続することが可能な半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速動作や省電力化を実現するために、半導体装置の高集積化や低電力化が進んでいる。しかし、全ての半導体装置の動作電圧を一律に低電圧化することは、デバイス固有の特性上、極めて困難である。従って、電源電圧の異なる複数の半導体製品を使用する機器の設計においては、異種電源間の信号インターフェ−スを行わなくてはならない。
【０００３】
例えば、パーソナルコンピュータ用のＰＣＩカードやＳＣＳＩカードに関しては、そのカードのＩＣ自体は３．３Ｖ電源であるが、そのカードを接続するバスラインに接続されている他のカードの電源電圧が５Ｖである場合が考えられる。このような場合には、３．３Ｖ電源のＩＣにおいて、電源電圧が５Ｖの外部回路から出力信号が入力されても問題の起こらないインターフェース回路が要求される。
【０００４】
従来の半導体装置におけるインターフェース回路について、図５を参照しながら説明する。図５において、入出力パッドＰは、外部回路との間で信号の入出力を行うための端子である。通常レベルの信号を入力するモード（以下、「通常入力モード」ともいう）において、外部回路から入出力パッドＰに入力される信号は、内部入力信号としてこの半導体装置の内部回路に供給される。一方、信号を出力するモードにおいて、この半導体装置の内部回路から出力される内部出力信号は、出力ドライバを構成するＰチャネルトランジスタＱＰ１とＮチャネルトランジスタＱＮ１を経て、入出力パッドＰから外部回路に出力される。
【０００５】
図５に示すように、入出力パッドＰが接続されたトランジスタＱＰ１のＰ型不純物拡散領域（ドレイン）とＮウエルとの境界において、寄生ダイオードが形成される。従って、この半導体装置の高電位側の電源電位ＶDD（例えば３．３Ｖ）よりも高い電位ＶX（例えば５Ｖ）が入出力パッドＰに印加されるモード（以下、「トレラントモード」ともいう）においては、入出力パッドＰが接続されたＰ型不純物拡散領域から電源電位ＶDDが接続されたＮ型不純物拡散領域に向けて、寄生ダイオードを介して貫通電流が流れてしまう。また、トランジスタＱＰ１において、ドレイン・ゲ−ト間の電圧がしきい値を超えると、入出力パッドＰが接続されているドレインから電源電位ＶDDが接続されているソースに向けて貫通電流が流れてしまう。
【０００６】
これらの貫通電流を遮断するために、第１の対策として、Ｎウエルを電源電位ＶDDからフローティングさせると共に、トランジスタＱＰ１の寄生ダイオードによってフローティングＮウエルに充電を行い、フローティングＮウエルの電位を入出力パッドＰの電位ＶX近くまで上昇させている。また、第２の対策として、トランジスタＱＰ１のゲートにフローティングＮウエルの電位を供給し、トランジスタＱＰ１をカットオフさせている。このようにして、トレラントモードにおいては、貫通電流の経路が遮断される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、トランジスタＱＰ１のゲートは、トレラントモードにおいてフローティングＮウエルの電位が供給されることによりフローティング状態となるため、トレラントモードから通常入力モードに移行した直後に電位が定まらず、ノイズ等の影響で入出力パッドがハイインピーダンス状態を保てなくなるおそれがあった。
そこで上記の点に鑑み、本発明は、他の回路との間で信号の入出力を行うインターフェース回路を含む半導体装置において、トレラントモードから通常入力モードに移行した後、速やかに入出力パッドをハイインピーダンス状態に保つことを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の第１の観点に係る半導体装置は、他の回路との間で信号の入出力を行う半導体装置であって、半導体基板と、半導体基板又は半導体基板内に形成されたウエル内に設けられた第１の不純物拡散領域及び第２の不純物拡散領域を有する出力トランジスタと、第１の不純物拡散領域に電気的に接続され、外部から電源電位が供給される電源端子と、第２の不純物拡散領域に電気的に接続され、他の回路との間で信号の入力又は出力を行うための入出力端子と、入出力端子に印加される信号の電位が所定の電位を越えるトレラントモードにおいて、半導体基板又はウエルを電源端子から電気的にフローティングさせるフローティング手段と、通常入力モードにおいてオン状態となる第２のトランジスタを介して電源電位に接続されたソース、出力トランジスタのゲートに電気的に接続されたドレイン、及び、入出力端子に電気的に接続されたゲートを有する第３のトランジスタを含み、入出力端子に印加される信号の電位が所定の電位以下である通常入力モードにおいて出力トランジスタのゲート電位を制御するゲート電位制御手段とを具備する。
【００１０】
また、本発明の第２の観点に係る半導体装置は、他の回路との間で信号の入出力を行う半導体装置であって、半導体基板と、半導体基板又は半導体基板内に形成されたウエル内に設けられた第１の不純物拡散領域及び第２の不純物拡散領域を有する出力トランジスタと、第１の不純物拡散領域に電気的に接続され、外部から電源電位が供給される電源端子と、第２の不純物拡散領域に電気的に接続され、他の回路との間で信号の入力又は出力を行うための入出力端子と、入出力端子に印加される信号の電位が所定の電位を越えるトレラントモードにおいて、半導体基板又はウエルを電源端子から電気的にフローティングさせるフローティング手段と、通常入力モードにおいてオン状態となる第２のトランジスタを介して電源電位に接続されたソース、及び、出力トランジスタのゲートに電気的に接続されたドレインを有する第３のトランジスタと、第３のトランジスタのゲートに電気的に接続されたソース、接地電位に接続されたドレイン、及び、入出力端子に電気的に接続されたゲートを有する第４のトランジスタとを含み、入出力端子に印加される信号の電位が所定の電位以下である通常入力モードにおいて出力トランジスタのゲート電位を制御するゲート電位制御手段とを具備する。
【００１１】
以上において、フローティング手段が、半導体基板又はウエルと電源端子との間に電気的に接続されたソース・ドレインと、入出力端子に電気的に接続されたゲートとを有するトランジスタを含むようにしても良い。
【００１２】
本発明に係る半導体装置は、トレラントモードにおいて、入出力端子に印加される信号の電位に従って半導体基板又はウエルを充電するトランジスタをさらに具備しても良い。また、本発明に係る半導体装置は、トレラントモードにおいて、半導体基板又はウエルの電位に従って出力トランジスタのゲート電位を上昇させるトランジスタをさらに具備するようにしても良い。
【００１３】
以上の様に構成した本発明に係る半導体装置によれば、入出力端子に印加される信号の電位が所定の電位以下である通常入力モードにおいて出力トランジスタのゲート電位を制御するゲート電位制御手段を具備することにより、トレラントモードから通常入力モードに移行した後、速やかに入出力パッドをハイインピーダンス状態に保つことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成の一部を示す回路図である。
【００１５】
図１において、入出力パッドＰは、外部回路との間で信号の入出力を行うための端子である。通常レベルの信号を入力するモード（以下、「通常入力モード」という）において、外部回路から入出力パッドＰに入力される信号は、反転回路１１及び１２を経て、内部入力信号としてこの半導体装置の内部回路に供給される。
【００１６】
一方、信号を出力するモードにおいて、この半導体装置の内部回路から出力される内部出力信号は、ＮＡＮＤ回路１３、反転回路１４、ＰチャネルトランジスタＱＰ８及びＱＰ６とＮチャネルトランジスタＱＮ２を経て、ＰチャネルトランジスタＱＰ１のゲート（ノードＡ）に入力される。また、内部出力信号は、ＮＯＲ回路１５を経て、ＮチャネルトランジスタＱＮ１のゲート（ノードＡ）に入力される。トランジスタＱＰ１及びＱＮ１は、出力ドライバを構成しており、入出力パッドＰから外部回路に出力信号を供給する。また、イネーブル信号がハイレベルになると、入出力パッドＰはハイインピーダンス状態となる。
【００１７】
ここで、この半導体装置の高電位側の電源電位ＶDD（例えば３．３Ｖ）よりも高い電位ＶX（例えば５Ｖ）が入出力パッドＰに印加されるモード（以下、「トレラントモード」という）における動作について説明する。
図５に示すように、Ｎウエル内において、入出力パッドＰが接続されたトランジスタＱＰ１のＰ型不純物拡散領域（ドレイン）から電源電位ＶDDが接続されたＮ型不純物拡散領域に向けて、この方向を順方向とする寄生ダイオードが形成されており、この寄生ダイオードに貫通電流が流れてしまう。また、トランジスタＱＰ１において、ドレイン・ゲ−ト間の電圧がしきい値を超えると、入出力パッドＰが接続されているドレインから電源電位ＶDDが接続されているソースに向けて貫通電流が流れてしまう。
【００１８】
これらの貫通電流を遮断するために、第１の対策として、Ｎウエルを電源電位ＶDDからフローティングさせ、Ｎウエルの電位を入出力パッドＰの電位ＶX近くまで上昇させて寄生ダイオードをカットオフする必要がある。このため、図１に示すトランジスタＱＰ３及びＱＰ４をカットオフすることにより、Ｎウエルを電源電位ＶDDからフローティングさせる。また、トランジスタＱＰ１の寄生ダイオードとトランジスタＱＰ２とによって、フローティングＮウエルに充電を行う。入出力パッドＰの電位をＶX、ダイオードの順方向電圧をＶFとすると、フローティングＮウエルの電位ＶSUB2が（ＶX−ＶF）まで上昇したときに、入出力パッドＰから電源電位ＶDDに流れ込む貫通電流が停止する。
【００１９】
また、第２の対策として、トランジスタＱＰ１のゲート（ノードＡ）の電位を入出力パッドＰの電位ＶX近くまで上昇させて、トランジスタＱＰ１をカットオフする必要がある。このため、図１において、トランジスタＱＰ１のゲート電位を入出力パッドＰの電位ＶX近くまで上昇させるためのＰチャネルトランジスタＱＰ５が設けられている。
【００２０】
以上の対策により、出力ドライバを構成するトランジスタＱＰ１及びＱＮ１における貫通電流は防止できる。しかし、トランジスタＱＰ６及びＱＰ８に貫通電流が流れてしまう。そこで、第３の対策として、ＰチャネルトランジスタＱＰ７を設けることにより、トランジスタＱＰ６及びＱＰ８の貫通電流を防止している。
【００２１】
さらに、第４の対策として、ＰチャネルトランジスタＱＰ６の前段にＮチャネルトランジスタＱＮ４〜ＱＮ７を直列に配置することにより、貫通電流の前段への波及を防止している。
【００２２】
しかしながら、トランジスタＱＰ１のゲート（ノードＡ）は、フローティングＮウエルの電位が供給されることによりフローティング状態となるため、トレラントモードから通常入力モードに移行した直後に電位が定まらず、ノイズ等の影響で入出力パッドがハイインピーダンス状態を保てなくなるおそれがある。
【００２３】
そこで、図１に示すように、本実施形態においては、トランジスタＱＰ１のゲート（ノードＡ）の電位を速やかに確定させるために、ＰチャネルトランジスタＱＰ９を設けている。トランジスタＱＰ９のソース・ドレインは、トランジスタＱＰ６のソース・ドレインと並列に接続され、トランジスタＱＰ９のゲートには、入出力パッドＰの電位が印加される。これにより、トランジスタＱＰ９のソース・ゲート間の電位差が所定の値を超えると、トランジスタＱＰ９に電流が流れて、トランジスタＱＰ１のゲート（ノードＡ）の電位が安定する。
【００２４】
図２に、本実施形態においてトランジスタＱＰ９を追加した効果を示す。図２において、（ａ）はトランジスタＱＰ９が無い場合のシミュレーション結果であり、（ｂ）はトランジスタＱＰ９がある場合のシミュレーション結果である。縦軸には入出力パッドＰ及びノードＡの電位をとり、横軸には時間をとっている。
図２に示すように、外部回路から入出力パッドＰに矩形波が供給されている。本実施形態に係る半導体装置の電源電位ＶDDは３．３Ｖであり、矩形波のピーク電位は、５Ｖから３．３Ｖに変化している。図２の（ａ）と（ｂ）とを比較すると、トランジスタＱＰ９を追加することにより、トレラントモードから通常入力モードに移行した直後にノードＡの電位が安定することが分る。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成の一部を示す回路図である。
図３に示すように、本実施形態においては、トランジスタＱＰ１のゲート（ノードＡ）の電位を速やかに確定させるために、ＰチャネルトランジスタＱＰ１０を設けている。トランジスタＱＰ１０のソースはトランジスタＱＰ６のゲート（ノードＢ）に接続され、トランジスタＱＰ１０のドレインは接地され、トランジスタＱＰ１０のゲートには、入出力パッドＰの電位が印加される。これにより、トランジスタＱＰ１０のソース・ゲート間の電位差が所定の値を超えると、トランジスタＱＰ１０に電流が流れてノードＢの電位が低下し、トランジスタＱＰ６に電流が流れてトランジスタＱＰ１のゲート（ノードＡ）の電位が安定する。
【００２６】
図４に、本実施形態においてトランジスタＱＰ１０を追加した効果を示す。図４において、（ａ）はトランジスタＱＰ１０が無い場合のシミュレーション結果であり、（ｂ）はトランジスタＱＰ１０がある場合のシミュレーション結果である。縦軸には入出力パッドＰ及びノードＢ及びノードＡの電位をとり、横軸には時間をとっている。
【００２７】
図４に示すように、外部回路から入出力パッドＰに矩形波が供給されている。半導体装置の電源電位ＶDDは３．３Ｖであり、矩形波のピーク電位は、５Ｖから３．３Ｖに変化している。図４の（ａ）と（ｂ）とを比較すると、トランジスタＱＰ１０を追加することにより、トレラントモードから通常入力モードに移行した直後に、ノードＢの電位が低下して、ノードＡの電位が安定することが分る。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べた様に、本発明によれば、他の回路との間で信号の入出力を行うインターフェース回路を含む半導体装置において、トレラントモードから通常入力モードに移行した後、速やかに入出力パッドをハイインピーダンス状態に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成の一部を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における効果を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成の一部を示す回路図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における効果を示す図である。
【図５】従来の半導体装置の部分的な断面図である。
【符号の説明】
１１、１２、１４  反転回路
１３  ＮＡＮＤ回路
１５  ＮＯＲ回路
Ｐ  入出力パッド
ＱＰ１〜ＱＰ１０  Ｐチャネルトランジスタ
ＱＮ１〜ＱＮ８  Ｎチャネルトランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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