JP3844915B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、保護トランジスタを有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体メモリを始めとする各種半導体集積回路では、静電放電(Electro-Static Discharge;ESD)による内部回路の絶縁膜破壊や接合破壊等を防止するため、過電圧を吸収する保護回路を内蔵させることが行われている。保護回路として代表的には、図9に示すように、ドレインをパッドPADにつながる信号線に接続し、ソースとゲートを接地電位端子に接続したNMOSトランジスタQNが用いられる。この保護用NMOSトランジスタQNは、過電圧に対してドレイン・ソース間の降伏により大きな電流を流して、内部回路を保護する働きをする。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
半導体集積回路の素子の微細化により、保護回路の重要性はますます高くなっている。ESD耐性を高めるには、保護トランジスタを大きくすればよいが、これは内部回路の入出力容量の増大をもたらし、またチップ面積の増大をもたらすため、限界がある。
また、保護回路を保護機能以外の用途にも有効活用できるようにすることが望まれている。
【0004】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、簡単な保護回路構成により優れたESD耐性を得ることを可能とした半導体装置を提供することを目的としている。
この発明はまた、保護回路を保護機能以外にも有効活用するようにした半導体装置を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、内部回路と、パッドと、前記内部回路と前記パッドとの間を接続する信号線上のノードと第1の電源との間に接続される保護トランジスタと、前記保護トランジスタの制御端子に接続され、前記内部回路が通常動作している間は前記保護トランジスタの非導通状態を維持するように動作する論理ゲートと、テスト回路とを備え、前記論理ゲートは、前記テスト回路の出力信号と前記テスト回路を活性化させるための制御信号とを入力信号とすると共に、前記制御信号のレベルに応じて前記保護トランジスタの制御端子に前記出力信号を出力するようにされ、前記保護トランジスタは、前記テスト回路からの前記出力信号を、前記パッドを介して外部に出力するようにされたことを特徴とする。
【0006】
この発明によると、電源未投入時には論理ゲートの出力端子、従って保護トランジスタの制御端子がフローティングになる。この制御端子がフローティングの状態では、過電圧が印加されたときに保護トランジスタに僅かの順方向バイアス電圧が発生する。これにより、保護トランジスタの制御端子をバイアス電圧零の状態に固定する従来の保護回路方式に比べて、高いESD耐性が得られる。
【0007】
この発明において、テスト回路は例えば、フューズ回路により構成されるチップ情報記憶回路である。この場合、論理ゲートとして、テスト回路を活性化するためのテストモード選択信号により活性化されてテスト回路の出力を保護トランジスタの制御端子に転送する回路として構成すれば、保護トランジスタをテスト回路の出力トランジスタとして有効利用することが可能になる。
【0008】
この発明において、保護トランジスタは好ましくは、ドレインがパッドと内部回路の間の信号線に接続され、ソースが接地電位端子に接続されたNMOSトランジスタである。このNMOSトランジスタをテスト回路の出力回路として用いる場合、パッドに“L”出力を出すことができるが、そのままでは“H”出力を得ることができない。“H”出力を得るためには例えば、(a)NMOSトランジスタが接続されたパッドと電源電位端子の間にテストモードにおいて負荷を接続する。或いは、(b)ドレインがパッドと内部回路の間の信号線に接続され、ソースが電源電位端子に接続されたPMOSトランジスタを付加し、論理ゲートは、テストモードにおいてテスト回路の出力に応じてNMOSトランジスタとPMOSトランジスタのゲートに対して相補信号を与えるものとする。
【0009】
この発明において、保護トランジスタをテスト出力回路として用いた場合に、そのテスト出力を内部回路に転送しないようにすることが望ましい。そのためには、保護トランジスタが設けられた信号線に、テストモード選択信号により制御されてテスト出力の内部回路への転送を防止するための転送制御ゲートを挿入すればよい。
【0010】
またこの発明において、保護トランジスタを制御する論理ゲートは、テストモード選択信号により活性化されて内部回路のテストを行うテストモードにおいて、パッドの電位を固定するか否かの制御信号を保護トランジスタの制御端子に転送するものとすることができる。これにより、内部回路のプローブ等によるテストにおいて、所定のパッドを電位固定することが容易にできる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による半導体装置の構成を示す。半導体チップ1には内部回路2が形成され、この内部回路2と信号入力または信号出力用のパッドPADとの間の信号線3に、保護トランジスタQNが接続されている。図では代表的に一つのパッドPADのみを示しているが、通常複数の入出力パッドが設けられ、それぞれに同様に保護トランジスタQNが接続される。
【0012】
保護トランジスタQNはこの実施の形態の場合、NMOSトランジスタであり、ドレインが信号線3に接続され、ソースは基準電位端子である接地電位(VSS)端子に接続されている。保護トランジスタQNの制御端子であるゲートは、半導体チップ1に形成された論理ゲート4の出力端子に接続されている。論理ゲート4は、内部回路2の通常動作時に“L”出力を出し、保護トランジスタQNのゲートをVSSに保持する働きをする。
【0013】
この実施の形態によると、デバイスに対して電源未投入の状態では、論理ゲート4の出力、即ち保護トランジスタQNのゲートがフローティングになる。保護トランジスタQNのゲートをVSSに固定した従来の保護回路方式に比べて、ゲートをフローティングにしたこの実施の形態の方がESD電流をより流しやすくなり、高いESD耐性が得られる。これは、ゲートを強制接地した場合と異なり、正の高電圧によりゲート・ソース間に不安定ながら僅かの正バイアス電圧が生じる結果である。実際に本発明者等により、その有効性が確認されている。
従ってこの実施の形態によると、簡単な保護回路構成で優れたESD耐性が得られる。なおデバイスの通常動作においては、論理ゲート4の出力が“L”となるようにすれば、保護トランジスタQNはオフ状態を保ち、内部回路2の動作に影響はない。
【0014】
[実施の形態2]
図2は、実施の形態1をより具体化した実施の形態である。この実施の形態では、半導体チップ1内にテスト回路21をする。保護トランジスタQNは、このテスト回路21のテスト出力をパッドPADが取り出すための出力回路として用いられている。論理ゲート4として、NORゲートG1が用いられ、その一つの入力端子にはテスト回路21を活性化するためのテストモード選択信号TMが入り、他の一つの入力端子にはテスト回路21の出力が入る。
【0015】
テスト回路21は例えば、電源VCCと接地VSSの間に抵抗RとフューズFを接続して構成されるフューズ回路である。抵抗RはフューズFに対して十分大きい抵抗値のものが用いられる。このフューズ回路は、フューズFを切断するか否かにより、“H”(=VCC)出力又は“L”(=VSS)出力を出す。具体的にこの様なテスト回路21は、チップ情報(ウェハ番号・位置、製造年月日、リダンダンシーのアドレス等)を記憶するチップ情報記憶回路として用いられる。実際にはテスト回路21はより複雑なロジックとして構成され、テストモード選択信号TMにより活性化されることになる。
【0016】
テストモード選択信号TMは、通常動作時、TM=“H”である。このとき、NORゲートG1の出力は“L”、従って保護トランジスタQNはオフ状態を保つ。テストモードでは、テストモード選択信号がTM=“L”となる。このとき、テスト回路21の出力は、NORゲートG1を位相反転されて保護トランジスタQNのゲートに転送される。即ち、テスト回路21の出力が“L”であれば、NORゲートG1の出力は“H”、従って保護トランジスタQNはオン、パッドPADはVSSとなる。テスト回路21の出力が“H”であれば、NORゲートG1の出力は“L”、従って保護トランジスタQNはオフ、パッドPADはフローティング(Hiz)となる。これにより、テスト出力をパッドPADから外部に取り出すことができる。
電源未投入の状態ではNORゲートG1の出力、従って保護トランジスタQNのゲートがフローティングとなり、高いESD耐性が得られることは、実施の形態1で説明したとおりである。
【0017】
この実施の形態によると、先の実施の形態と同様に簡単な構成で高いESD耐性が得られる。また保護トランジスタQNには、単なる内部回路の保護機能に止まらず、テスト回路の出力回路としての機能を持たせることができ、保護トランジスタの有効利用が可能になる。
【0018】
[実施の形態3]
図2の実施の形態において、テスト出力回路としての保護トランジスタQNは、オープンドレイン接続となり、このままではパッドPADに“H”レベル出力が得られない。パッドPADに“H”レベル出力を出すためには、図3に示すように、テストモード時、パッドPADに負荷抵抗R0を介して電源VCCを接続すればよい。
これにより、テストモードにおいて、パッドPADには、テスト回路21のデータに応じて“H”,“L”出力を出すことができる。
【0019】
[実施の形態4]
図4は、チップ内部に僅かの回路を付加して、テストモード時、パッドPADに“H”,“L”出力が得られるようにした実施の形態である。信号線3には、NMOSトランジスタからなる保護トランジスタQNとは別に、PMOSトランジスタQPが接続される。PMOSトランジスタQPはドレインが信号線3に接続され、ソースが電源VCC端子に接続される。論理ゲート4は、これらの保護トランジスタQNとPMOSトランジスタQPとをテスト回路21の出力データに応じて相補的に駆動する信号を出すように構成される。
【0020】
即ち、論理ゲート4は、保護トランジスタQNとPMOSトランジスタQPのゲートをそれぞれ制御するNORゲートG1とNANDゲートG2を有する。これらのNORゲートG1とNANDゲートG2の一つの入力端子にはテスト回路21の出力が入力される。NORゲートG1の他方の入力端子にはテストモード選択信号TMが直接入り、NANDゲートG2の他方の入力端子にはテストモード選択信号TMがインバータI1により反転されて入るようにしている。
【0021】
この実施の形態の場合も、テストモード時、テストモード選択信号TM=“L”となる。このとき、テスト回路21の出力が“H”であれば、NORゲートG1の出力と、NANDゲートG2の出力が共に“L”になる。従って、保護トランジスタQNがオフ、PMOSトランジスタQPがオンになり、パッドPADには“H”出力(=VCC)が得られる。またテスト回路21の出力が“L”であれば、NORゲートG1の出力と、NANDゲートG1の出力は共に“H”となる。従って、保護トランジスタQNがオン、PMOSトランジスタQPがオフになり、パッドPADには“L”出力(=VSS)が得られる。
【0022】
従ってこの実施の形態によると、パッドPADに負荷抵抗を接続することなく、テスト出力を“H”,“L”出力として取り出すことができる。内部回路2の通常動作時は、テストモード選択信号がTM=“H”であり、このとき保護トランジスタQNとPMOSトランジスタQPは共にオフ状態に保たれる。従って内部回路2の通常動作に影響はない。また電源未投入の状態では、保護トランジスタQN、PMOSトランジスタQP共にゲートはフローティングである。このときPMOSトランジスタQPは、電源VCC端子を基準とする負の高電圧に対して保護トランジスタとして機能する。
【0023】
[実施の形態5]
図2の実施の形態において、テスト回路21の出力を内部回路2に転送しないようにするためには、図5に示すように、信号線3に転送制御ゲート51を挿入すればよい。転送制御ゲート51はこの実施の形態の場合、テストモード選択信号TMをインバータI2により反転した信号で制御されるNORゲートG3である。テストモード選択信号TMが“L”であるテストモードでは、NORゲートG3の出力は“L”に固定され、テスト出力は内部回路2に転送されない。通常動作においては、パッドPADの信号はNORゲートG1で反転されて、内部回路2に転送される。
転送制御ゲート51として、NORゲートG3に代わり、テストモード選択信号TMにより直接制御されるNANDゲートを用いても同様である。但し、転送制御ゲート51として論理ゲートを用いる図5の構成は、パッドPADが信号入力端子である場合にのみ有効である。
【0024】
[実施の形態6]
パッドPADが信号入力端子、信号出力端子のいずれの場合にも有効な転送制御ゲート51としては、例えば図6に示すようなCMOS転送ゲートTGを用いればよい。このCMOSゲートTGは、テストモード選択信号TMが“L”であるテストモードではオフとなり、テスト出力を内部回路2に転送しない。このとき、内部回路2のパッドPADにつながるべき端子はフローティングになる。テストモード選択信号TMが“H”である通常動作においては、転送ゲートTGがオンとなり、パッドPADは内部回路2に接続される。
図5及び図6は、図2の実施の形態の構成を前提として示したが、図4の実施の形態に対しても同様に適用できる。
【0025】
[実施の形態7]
ここまでの実施の形態において、パッドPD及びテスト回路21は代表的に一つだけ示したが、実際には図7に示すように、複数のパッドPADについてそれぞれ保護トランジスタQNが設けられる。またテスト回路21も複数のフューズ回路により構成される。具体的に、n個のパッドPADに設けられた保護トランジスタQNをそれぞれテスト回路21の出力トランジスタとして用いれば、2n個のテスト出力データを並列に取り出すことが可能になる。
【0026】
これは、従来のチップ情報記憶回路に比べて有利な点である。従来のチップ情報記憶回路の場合、チップ情報出力のためだけに多数のピンを用意することはないから、例えば図10に示すように取り出される。即ち、複数のフューズ回路100の出力をゲート101を介してレジスタ102に並列転送し、これをクロックバッファ103からのクロックによりシリアル転送して、出力バッファ104から取り出すことになる。
これに対してこの実施の形態の場合、保護トランジスタが設けられた多くのパッドをテスト出力用として用いることができるから、複数ビットのテストデータを同時に並列読み出しすることができる。
【0027】
[実施の形態8]
図2以下の実施の形態では、テスト回路21が内部回路2のテストではなく、チップ情報記憶回路である場合を説明したが、この発明は内部回路2のテストを行う場合にも有効である。
図8はその様な実施の形態を示している。内部回路2の動作を例えばプローブ等によりテストする場合に、一部のアドレス端子、I/O端子、コントロール端子等を動作させ、残りの端子を電位固定することがよくある。図8の実施の形態では、保護トランジスタQNを用いて、テストモード時にパッドPADを電位固定する。具体的には、論理ゲート4として先の実施の形態と同様にNORゲートG1を用いて、その一つの入力端子にテストモード選択信号TMを入れ、他の入力端子に固定データを与える。
【0028】
テストモード時、テストモード選択信号TMは“L”とする。固定データは、電位固定したいパッドについては“L”、電位固定したくないパッド(即ちテストに用いるパッド)については“H”とする。これにより、“L”の固定データが与えられたパッドPADでは、保護トランジスタQNがオンしてVSSに固定される。“H”の固定データが与えられる他のパッドPADでは、保護トランジスタQNがオフであり、任意のレベルを取り得る。テストモード選択信号TMが“H”の通常動作では、保護トランジスタQNがオフになることは、先の各実施の形態と同様である。
【0029】
従来、同様のテストを簡易テスタ等を用いて実施する場合には、電位固定する全てのピンに電源端子や接地端子を接続しなければならず、操作は面倒であった。しかも適当なソケットがない場合には、ピンに半田付けを行うといった作業が必要であった。これに対してこの実施の形態によれば、保護トランジスタを利用して簡単にパッドの電位をVSSに固定することができ、従って簡易テスタ等による回路テストの手間が省ける。
【0030】
図2以下の実施の形態では、保護トランジスタQNを制御する論理ゲート4としてNORゲートG1を用いたが、ここにNANDゲートを用いることもできる。この場合、NANDゲートの出力はインバータを介して保護トランジスタQNのゲートに接続する。テストモード選択信号TMはこの場合、先の各実施の形態と逆に、テストモード時に“H”となる正論理の信号となる。
これにより、先の各実施の形態と同様に、通常動作時は保護トランジスタをオフに保ち、テストモードでテスト回路出力を保護トランジスタにより出力すること、更に電源未投入時に保護トランジスタQNのゲートをフローティングに保つこと、が可能である。
また実施の形態では、保護トランジスタとしてMOSトランジスタを用いたが、バイポーラトランジスタを用いた場合にも同様にこの発明を適用することが可能である。
【0031】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、保護トランジスタのゲートを電源未投入時フローティングとして優れたESD耐性を得ることを可能とした半導体装置が得られる。またこの発明によれば、保護トランジスタをテスト回路の出力トランジスタとして有効利用できるようにした半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1による半導体装置の構成を示す図である。
【図2】この発明の実施の形態2による半導体装置の構成を示す図である。
【図3】この発明の実施の形態3による半導体装置の構成を示す図である。
【図4】この発明の実施の形態4による半導体装置の構成を示す図である。
【図5】この発明の実施の形態5による半導体装置の構成を示す図である。
【図6】この発明の実施の形態6による半導体装置の構成を示す図である。
【図7】この発明の実施の形態7による半導体装置の構成を示す図である。
【図8】この発明の実施の形態8による半導体装置の構成を示す図である。
【図9】従来の半導体装置の保護回路を示す図である。
【図10】従来のチップ情報記憶回路の出力回路構成を示す図である。
【符号の説明】
1…半導体チップ、2…内部回路、3…信号線、4…論理ゲート、QN…保護トランジスタ、21…テスト回路、51…転送制御ゲート。
Claims (7)
- 内部回路と、
パッドと、
前記内部回路と前記パッドとの間を接続する信号線上のノードと第1の電源との間に接続される保護トランジスタと、
前記保護トランジスタの制御端子に接続され、前記内部回路が通常動作している間は前記保護トランジスタの非導通状態を維持するように動作する論理ゲートと、
テスト回路と
を備え、
前記論理ゲートは、前記テスト回路の出力信号と前記テスト回路を活性化させるための制御信号とを入力信号とすると共に、前記制御信号のレベルに応じて前記保護トランジスタの制御端子に前記出力信号を出力するようにされ、
前記保護トランジスタは、前記テスト回路からの前記出力信号を、前記パッドを介して外部に出力するようにされた
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記保護トランジスタは、ドレインが前記信号線に接続されソースが接地電位端子に接続されたNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記NMOSトランジスタが接続されたパッドと電源電位端子の間にテストモードにおいて負荷が接続されることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- ドレインが前記信号線に接続されソースが電源電位端子に接続されたPMOSトランジスタを有し、前記論理ゲートは、テストモードにおいて前記テスト回路の出力に応じて前記NMOSトランジスタのゲートとPMOSトランジスタのゲートに対して相補信号を与えるものであることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 前記信号線に、前記テストモード選択信号により制御されて前記保護トランジスタから出力される前記テスト回路の出力の前記内部回路への転送を防止するための転送制御ゲートが挿入されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記テスト回路は、チップ情報を記憶するフューズ回路であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記論理ゲートは、テストモード選択信号により活性化されて前記内部回路のテストを行うテストモードにおいて前記パッドの電位を固定するか否かの制御信号を前記保護トランジスタの制御端子に転送するものであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
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