背景技术
随着半导体器件功能的日趋复杂及尺寸的日趋减小,其所能承受的静电放电(ESD,Electro Static Discharge)电压的上限值也不断减小。因而,静电放电对半导体器件产生的不利影响也越来越严重。
现有静电放电保护的实践中,常会采用大尺寸的PMOS管构成静电放电保护装置。参照图1所示,现有技术的一种静电放电保护装置的等效电路包括:位于电源线VDDH和接地线GND之间的串联连接的电阻R1和电容C1,以及栅极接于电阻R1和电容C1之间的PMOS管M1,所述PMOS管M1的源极和基极接于电源线VDDH,漏极接于接地线GND。当所述电源线VDDH面临静电放电脉冲时,由于电阻R1、电容C1的延迟、耦合作用,PMOS管M1的栅极电压被耦合到相对于源极电压更低的电压值上。此时,PMOS管M1开启,通过连接于接地线GND的漏极,泄放静电放电电流。
在一些高电压容限的应用中,所述电源线VDDH上加载的电压通常都较高,但随着半导体器件制造工艺的发展,所述PMOS管的工作电压容限却在不断降低。以图1所示的静电放电保护装置为例,假定PMOS管的工作电压容限为VDD,则在芯片处于正常工作状态时,由于电源线VDDH上加载的电压通常接近或超过2VDD,PMOS管M1将长期处于远高于其工作电压容限的高电压应力下。长此以往,将影响PMOS管中的栅氧化层的可靠性。在一些严重的情况下,所述电源线VDDH在面临静电放电脉冲时,PMOS管M1的栅氧化层可能会被击穿,导致静电放电保护装置丧失保护功效,电路遭到破坏。
具体实施方式
参照图2所示,本发明静电放电保护装置的一种实施例的等效电路包括:静电放电电路及偏置控制电路。所述静电放电电路包括:第一PMOS管M11、第二PMOS管M12。所述偏置控制电路包括:PMOS管M13、M15、M17,NMOS管M14、M16、M18及M19,第一电阻R11、第二电阻R12及第三电阻R13,第一电容C11、第二电容C12、第三电容C13及第四电容C14。所述偏置控制电路用于提供第一PMOS管M11、第二PMOS管M12的偏置电压。
具体地说,偏置控制电路中,第一电阻R11的第一端接于第一电源线VDDH,第二端与第一电容C11的第一端相连,第一电容C11的第二端接于第三电阻R13的第一端,第三电阻R13的第二端接于第二电源线VDD,第二电源线VDD在芯片正常工作时恒保持第一及第二PMOS管的工作电压。PMOS管M13及NMOS管M14构成第一反相器,所述第一反相器的输入接于第一电阻R11的第二端。所述第一反相器中PMOS管M13的源极接于第一电源线VDDH,NMOS管M14的源极接于第三电阻R13的第一端。PMOS管M15及NMOS管M16构成第二反相器,所述第二反相器的输入接于所述第一反相器的输出,所述第二反相器的输出接于第一PMOS管M11的栅极。所述第二反相器中PMOS管M15的源极接于第一电源线VDDH,NMOS管M16的源极接于对地NMOS管M19的漏极。第二电阻R12的第一端接于第二反相器的输入,第二端接于第二电容C12的第一端,第二电容C12的第二端接于接地线GND。PMOS管M17及NMOS管M18构成第三反相器,所述第三反相器的输入接于第二电阻R12的第二端。所述第三反相器中PMOS管M17的源极接于所述第二反相器的输入,NMOS管M18的源极接于接地线GND。对地NMOS管M19的栅极接于第三反相器的输出,源极接于接地线GND。
而作为静电放电器件的第一PMOS管M11的栅极经由第三电容C13、第四电容C14接于接地线GND,漏极接于第二PMOS管M12的源极。第二PMOS管M12的栅极接于第三电阻R13的第一端,漏极接于接地线GND。
以下对上述静电放电保护装置的实施例的等效电路的工作过程进行详细分析。
在芯片正常工作状态下,以第一及第二PMOS管的工作电压为1.8V为例,第一电源线VDDH上通常加载2倍于第一及第二PMOS管工作电压的电压,即3.6V。第二电源线VDD上通常记载第一及第二PMOS管工作电压,即1.8V。由于第三电容C13、第四电容C14的耦合作用,第一PMOS管M11的栅极处n1的电压也为3.6V,而第二PMOS管M12的栅极处n2的电压也为工作电压VDD,即1.8V。此时,可测得第二PMOS管M12的源极电压为2.1V,则第一PMOS管M11、第二PMOS管M12均处于关闭状态。并且,第一PMOS管M11的栅漏电压差为1.5V,第二PMOS管M12的栅漏电压差为1.8V,该两个PMOS管都处于其工作电压容限之内,因而也不会影响栅氧可靠性。
以芯片的静电放电测试来模拟芯片遭遇静电放电时的情况,在进行静电放电测试时,在第一电源线VDDH上加上静电放电脉冲,接地线GND依然接地,第二电源线VDD一般处于空置或接地状态,假设此时第二电源线VDD处于接地状态,则第二PMOS管M12的栅极处n2的电压为0。静电放电脉冲通常都具有较高的电压值及较快的上升时间,由于第一电阻R11、第二电容C11的延迟、耦合作用,PMOS管M13的栅极电压被耦合到相对于其源极电压更低的电压值上,此时PMOS管M13开启,使得第一反相器的输出处n3的电压跟随静电放电脉冲升至一个较高的电位。则此时,NMOS管M16开启。而由于第二电阻R12、第二电容C12的延迟、耦合作用,PMOS管M17的栅极电压也被耦合到相对于其源极电压更低的电压值上,此时PMOS管M17开启,使得第三反相器的输出处n4的电压跟随第一反相器的输出处n3的电压也升至一个较高的电压。则此时,对地NMOS管M19也开启。此时,第一PMOS管M11的栅极经由开启的NMOS管M16、M19形成了对地通路,则第一PMOS管M11的栅极处n1的电压降低至0。则,第一PMOS管M11开启,其漏极处n5的电压提升,使得第二PMOS管M12也开启。由于作为静电放电器件的第一PMOS管M11、第二PMOS管M12均开启,则所述静电放电保护装置开始泄放静电放电电流。
通过对上述静电放电装置的实施例的分析可以看到,在芯片正常工作时,由于堆叠结构中的第二PMOS管M12的栅极经由第三电阻R13而置于其工作电压上,使得第一PMOS管M11、第二PMOS管M12都处于其工作电压容限内,因而不会对第一PMOS管M11、第二PMOS管M12的栅氧化层可靠性造成影响。在此后第一电源线VDDH面临静电放电脉冲时,第一PMOS管M11、第二PMOS管M12就能较好地起到泄放静电放电电流的作用。由此可推得,当芯片正常工作时加载于第一电源线VDDH的电压进一步升高时,可进一步相应增加堆叠结构中PMOS管的数量,并使得堆叠结构中除源极与第一电源线VDDH相接的PMOS管外的其他PMOS管的栅极处于阶梯式分布的电压下。例如,第一电源线VDDH上加载的电压为3VDD时,则堆叠结构中具有3个PMOS管,此时暂名为第一至第三PMOS管,其中第一PMOS管的源极与第一电源线VDDH相连,漏极与第二PMOS管的源极相连,第二PMOS管的栅极可经由一电阻置于2倍工作电压的电压上,其漏极与第三PMOS管的源极相连,而第三PMOS管可如图2中PMOS管M12的接法,其栅极可经由一电阻置于1倍工作电压的电压上,漏极接于接地线GND。如此,第一至第三PMOS管也都处于各自的工作电压容限内。
参照图3所示,本发明静电放电保护装置的另一种实施例的等效电路包括:静电放电电路及偏置控制电路。所述静电放电电路包括:第一PMOS管M21、第二PMOS管M22。所述偏置控制电路包括:PMOS管M23、M2、M27、M29及M31,NMOS管M24、M26、M28、M29、M31及M33,第一电阻R21、第二电阻R22及第三电阻R23,第一电容C21、第二电容C22、第三电容C23及第三C24。所述偏置控制电路用于提供第一PMOS管M21、第二PMOS管M22的偏置电压。
具体地说,偏置控制电路中,第一电容C21的第一端接于第一电源线VDDH,第二端与第一电阻R21的第一端相连,第一电阻R21的第二端接于第三电阻R23的第一端,第三电阻R23的第二端接于第二电源线VDD,第二电源线VDD在芯片正常工作时恒保持第一及第二PMOS管的工作电压。PMOS管M23及NMOS管M24构成第一反相器,所述第一反相器的输入接于第一电容C21的第二端。所述第一反相器中PMOS管M23的源极接于第一电源线VDDH,NMOS管M24的源极接于第三电阻R23的第一端。PMOS管M25及NMOS管M26构成第二反相器,所述第二反相器的输入接于所述第一反相器的输出。所述第二反相器中PMOS管M25的源极接于第一电源线VDDH,NMOS管M26的源极接于第三电阻R23的第一端。PMOS管M27及NMOS管M28构成第三反相器,所述第三反相器的输入接于第二反相器的输出,所述第三反相器的输出接于第一PMOS管M21的栅极。所述第三反相器中PMOS管M27的源极接于第一电源线VDDH,NMOS管M28的源极接于对地NMOS管M33的漏极。第二电容C22的第一端接于第三反相器的输入,第二端接于第二电阻R22的第一端,第二电阻R22的第二端接于接地线GND。PMOS管M29及NMOS管M30构成第四反相器,所述第四反相器的输入接于第二电容C22的第二端。所述第四反相器中PMOS管M29的源极接于所述第三反相器的输入,NMOS管M30的源极接于接地线GND。PMOS管M31及NMOS管M32构成第五反相器,所述第五反相器的输入接于第四反相器的输出。所述第五反相器中PMOS管M31的源极接于所述第三反相器的输入,NMOS管M32的源极接于接地线GND。对地NMOS管M33的栅极接于第五反相器的输出,源极接于接地线GND。
而作为静电放电器件的第一PMOS管M21的栅极经由第三电容C23、第四电容C24接于接地线GND,漏极接于第二PMOS管M22的源极。第二PMOS管M22的栅极接于第三电阻R23的第一端,漏极接于接地线GND。
以下对上述静电放电保护装置的实施例的等效电路的工作过程进行详细分析。
在芯片正常工作状态下,以第一及第二PMOS管的工作电压为1.8V为例,第一电源线VDDH上通常加载2倍于第一及第二PMOS管工作电压的电压,即3.6V。第二电源线上通常加载第一及第二PMOS管工作电压,即1.8V。由于第三电容C23、第四电容C24的耦合作用,第一PMOS管M21的栅极处n6的电压也为3.6V,而第二PMOS管M22的栅极处n7的电压也为工作电压,即1.8V。此时,可测得PMOS管M22的源极电压为2.1V,则,第一PMOS管M21、第二PMOS管M22均处于关闭状态。并且,第一PMOS管M21的栅漏电压差为1.5V,第二PMOS管M22的栅漏电压差为1.8V,该两个PMOS管都处于其工作电压容限之内,因而也不会影响栅氧可靠性。
以芯片的静电放电测试来模拟芯片遭遇静电放电时的情况,在进行静电放电测试时,在第一电源线VDDH上加上静电放电脉冲,接地线GND依然接地,第二电源线VDD一般处于空置或接地状态,假设此时第二电源线VDD处于接地状态。假设此时第二电源线VDD处于接地状态,则第二PMOS管M22的栅极处n7的电压为0。静电放电脉冲通常都具有较高的电压值,由于第一电容C21的耦合作用,NMOS管M24的栅极电压被耦合到超过2VDD的电压值上,此时NMOS管M23开启,第一反相器的输出经由第三电阻R23形成对地通路,则第一反相器的输出处电压被拉低至0。则此时,PMOS管M25开启,所述第二反相器的输出处n8的电压被提升至较高电压。则NMOS管M28开启。而由于第二电容C22的耦合作用,NMOS管M30的栅极电压也被耦合到较高电压,此时NMOS管M30开启,第四反相器的输出形成对地通路,则第四反相器的输出处电压被拉低至0。则此时,PMOS管M31开启,所述第五反相器的输出处n9的电压被提升至较高电压。此时,对地NMOS管33开启。此时,第一PMOS管M21的栅极经由开启的NMOS管M28、M33形成了对地通路,则第一PMOS管M21的栅极处n6的电压降低至0。则,第二PMOS管M21开启,其漏极处n10的电压提升,使得第二PMOS管M22也开启。由于作为静电放电器件的PMOS管M21、M22均开启,则所述静电放电保护装置开始泄放静电放电电流。
通过对上述静电放电装置的实施例的分析可以看到,在芯片正常工作时,由于堆叠结构中的第二PMOS管M22的栅极经由第三电阻R23而置于其工作电压上,使得第一PMOS管M21、第二PMOS管M22都处于其工作电压容限内,因而不会对第一PMOS管M21、第二PMOS管M22的栅氧化层可靠性造成影响。在此后电源线VDDH面临静电放电脉冲时,PMOS管M21、M22就能较好地起到泄放静电放电电流的作用。由此可推得,当芯片正常工作时加载于第一电源线VDDH的电压进一步升高时,可进一步相应增加堆叠结构中PMOS管的数量,并使得堆叠结构中除源极与第一电源线VDDH相接的PMOS管外的其他PMOS管的栅极处于阶梯式分布的电压下。例如,第一电源线VDDH上加载的电压为3VDD时,则堆叠结构中具有3个PMOS管,此时暂名为第一至第三PMOS管,其中第一PMOS管的源极与第一电源线VDDH相连,漏极与第二PMOS管的源极相连,第二PMOS管的栅极可经由一电阻置于2倍工作电压上,其漏极与第三PMOS管的源极相连,而第三PMOS管可如图3中PMOS管M22的接法,其栅极可经由一电阻至于1倍工作电压上,漏极接于接地线GND。如此,第一至第三PMOS管也都处于各自的工作电压容限内。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。