DE3587654T2

DE3587654T2 - Schutzschaltung mit variablem Schwellwert gegen elektrostatischen Durchschlag für MOS-Schaltung.

Info

Publication number: DE3587654T2
Application number: DE85109701T
Authority: DE
Inventors: Masamichi C O Patent Div Asano; Hiroshi C O Patent Di Iwahashi; Akira Narita
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Information Systems Japan Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Information Systems Japan Corp
Priority date: 1984-08-20
Filing date: 1985-08-02
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2005-08-03
Also published as: JPS6150358A; EP0173108B1; EP0173108A2; US4692834A; EP0173108A3; US4692834B1; DE3587654D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit einer integrierten Halbleiterschaltungsvorrichtung, welche einen Eingabe-MOS-Transistor ansprechend auf ein Eingabesignal; einen Eingabeanschluß verbunden mit dem Eingabe-MOS-Transistor zum Empfangen des Eingabesignals und eine Schutzschaltung-Begrenzungseinrichtung für eine elektrostatische Entladung verbunden mit dem Eingabe-MOS-Transistor und ansprechend auf ein vorgegebenes Schwellsteuerpotential zum Begrenzen des elektrostatischen Potentials bei der variablen Schwelle, das an das Gate des Eingabe-MOS-Transistors angelegt ist, wobei die Schwelle variabel ist gemäß dem vorgegebenen Schwellsteuerpotential, enthält.
Solch eine Vorrichtung ist bekannt aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin Band 22, Nr. 10, März 1980, Seiten 4452-4453, in dem Bericht mit dem Titel "Spannungsprogrammierbare Schutzschaltung".
Eine weitere elektrostatische Schutzschaltung ist bekannt aus der EP-A-0 042 305, welche einen MOS-Transistor, der mit Masse verbunden ist, benutzt. Der Transistor ist eine Vorrichtung nach dem Verarmungstyp, so daß er leitet, wenn keine Spannung angelegt ist. Wenn Spannung angelegt ist, wird er ausgeschaltet und kein Schutz ist vorgesehen.
Im allgemeinen sollte für einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (MOS-Transistor), der mit einem metallischen Gate, einem Isolationsfilm und Halbleiterelementen ausgebildet ist, jegliche Gegenmaßnahme zum Vermeiden eines fehlerhaften Anlegens von Überspannung an die Gateelektrode ergriffen werden. Der Grund dafür ist, daß ein fehlerhaftes Anlegen von Überspannung die elektrische Isolation des Gates des Isolationsfilms aufbrechen wird und resultieren wird in andauernder Beschädigung der MOS-Halbleitervorrichtung mit einer schwachen Spannungsversorgung.
Das Gateoxid bricht auf, wenn die dielektrische Stärke des Gateoxids, beispielsweise aus SiO2 (Siliziumdioxid), mehr als 10&sup7; V/cm ist. Somit tritt ein Aufbrechen auf, wenn eine Spannung von 30 bis 50 Volt über ein 300 bis 500 Å dickes Gateoxid angelegt wird. Es ist herkömmlicherweise bekannt, daß solch eine andauernde Beschädigung vermieden werden kann durch Vorsehen einer Eingabeschutzschaltung, welche einfach das Spitzenpotential einer Eingabespannung unterhalb einer Spannung begrenzt, bei der ein Aufbrechen auftritt.
Wenn jedoch die obige herkömmliche Eingabeschutzschaltung angewendet wird auf einen ultraviolett löschbaren, nicht flüchtigen Halbleiterspeicher (EPROM) oder einen elektrisch löschbaren, nicht flüchtigen Halbleiterspeicher (EEPROM) und, falls ein Eingabeanschluß eines ERPOMs oder eines EEPROMs entworfen ist, gemeinsam benutzt werden für eine Niedrigspannung-Signaleingabe und eine Hochspannung-Signaleingabe (deren Potential nicht die andauernde Beschädigung verursachen wird), tritt ein gewisses Problem auf. Das heißt, wenn ein Hochspannungssignal zugeführt wird zum Eingabeanschluß, könnte die Eingabeschutzschaltung mit einer vorgegebenen feststehenden Eingabebegrenzungsschwelle ansprechen auf das Potential eines Hochspannungs-Eingabesignals, so daß die notwendige Hochspannungskomponente, welche die Eingabebegrenzungsschwelle überschreitet, unterdrückt oder blockiert wird. Solch eine Unbequemlichkeit kann nicht vermieden werden gemäß der herkömmlichen Eingabeschutzschaltung.
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schutzschaltung für eine elektrostatische Entladung zu schaffen, welche eine MOS-Eingabevorrichtung, die ansprechen muß auf ein Hochspannungs-Eingabesignal, vor einer Überspannungsbeschädigung schützt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst nach Anspruch 1 durch eine integrierte Halbleiterschaltungsvorrichtung der eingangs definierten Art, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Begrenzungseinrichtung einen bipolaren Transistor beinhaltet, dessen Emitter-Kollektorpfad eingesetzt ist zwischen dem Gate des Eingabe-MOS-Transistors und einem feststehenden Referenzpotential, und dessen Basis so verbunden ist, daß sie das vorgegebene Schwellensteuerpotential empfängt.
Die Erfindung kann vollständiger verstanden werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine schematische erklärende Schaltungskonfiguration einer herkömmlichen Schutzschaltung, bei der eine gategesteuerte MOS-Diode mit einem festen Gatepotential angewendet wird; und
Fig. 2 eine Schaltungskonfiguration einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein bipolarer Transistor mit einem festen oder variablen Basispotential angewendet wird.
Fig. 1 zeigt eine elektrostatische Entladungsschutzschaltung zum Verhindern einer Überspannungsbeschädigung einer MOS-Eingabevorrichtung, welche auf ein Hochspannungs-Eingabesignal anzusprechen hat. Ein Signaleingabeanschluß 11 empfängt ein Eingabesignal. Der Anschluß 11 ist über ein Widerstandselement 16 mit einem Eingabeknoten 14 einer integrierten MOS-Eingabehalbleiterschaltung 13 verbunden, welche einen Eingabe-MOS-Transistor 12 mit einem mit dem Knoten 14 gekoppelten Gate umfaßt. Der Knoten 14 ist verbunden mit einer Schaltungsmasse (Substrat) über eine gategesteuerte MOS-Diode 15 mit einer vorbestirnten gategesteuerten Durchbruchspannung (VSB). Das Gate der Diode 15 empfängt ein Leistungsquellenpotential Vc (beispielsweise 5 V).
Nach der Schaltung von Fig. 1 wird die Potentialdifferenz zwischen dem Gate und Drain der MOS-Diode 15 Vc, da das Gate das Potential Vc empfängt, während das Drainpotential im wesentlichen Null ist, wenn kein Signal an den Anschluß 11 eingegeben wird. In diesem Fall wird die gategesteuerte Durchbruchspannung der Diode 15 äquivalenterweise um Vc erhöht von der intrinsischen gategesteuerten Durchbruchspannung VSB der MOS-Diode 15 mit Null-Gatepotential. Das heißt, die Begrenzungsschwelle für ein Eingabesignalpotential kann variabel gemacht werden gemäß dem Gatepotential der MOS-Diode 15, und das Ansprech-Potential des Eingabesignals kann auf einen hohen Wert zum Schutz des Gatepotentials eingestellt werden.
Andererseits ist, sogar wenn die integrierte Halbleiterschaltungsvorrichtung selbst getragen wird (zu dieser Zeit ist eine elektrostatische Entladung sehr wahrscheinlich), das Gate des Eingabe-MOS-Transistors 12 perfekt geschützt. Der Grund dafür ist, daß beim Tragen keine Spannung der integrierten Schaltungsvorrichtung zugeführt wird, so daß Vc = 0, und somit die Begrenzungsschwelle für das Eingabesignalpotential auf einen niedrigen Wert eingestellt ist, welcher im wesentlichen gleich der intrinsischen gategesteuerten Durchbruchspannung der Diode 15 mit Null-Gatepotential ist.
Das Widerstandselement 16 zwischen dem Eingabeanschluß 11 und dem Eingabeknoten 14 dient zum Unterdrücken eines übermäßigen Eingabestroms, der in die Diode 15 eingespeist wird, und ebenfalls zum Reduzieren der Änderungsrate einer Eingabesignalspannung mit einer schnellen Potentialänderung, um dadurch den Schutz nicht nur für den Eingabe-MOS-Transistor 12, sondern auch für die gategesteuerte MOS-Diode 15 zu erzielen. Der Widerstandswert des Widerstandselements 16 ist vorzugsweise 1 bis 2 kOhm.
Fig. 2 zeigt eine Schaltungskonfiguration einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsform von Fig. 2 wird ein PNP-Bipolar-Transistor 15A benutzt anstatt der gategesteuerten MOS-Diode. Die Basis des Transistors 15A spricht an auf ein festes oder variables Basispotential Vb. Wenn das Potential am Eingabeknoten 14 das vorgegebene Basispotential Vb der Basis-Emiter-Schwellspannung des Transistors 15A überschreitet, wird der Transistor 15A leitend gemacht, so daß der Knoten 14 mit der Schaltungsmasse verbunden wird, wodurch der Eingabeschaltungsschutz erreicht wird.
Wie aus der obigen Beschreibung klar wird, wird die Begrenzungsschwelle zum Schaltungsschutz variiert durch ein Schwellsteuerpotential (Vb) in kontinuierlicher Weise oder optionell angelegt an die Basis des Schutztransistors 15A. Daraus ist die MOS-Halbleiterschaltung 13 geschützt vor einer Beschädigung aufgrund einer übermäßig hohen Spannungsstoßeingabe, während kein Signalblockieren bewirkt wird für eine Hochspannungs-Signaleingabe, so daß die Halbleiterschaltung 13 auf solch eine Hochspannungs-Signaleingabe ansprechen kann.
Obwohl die Erfindung beschrieben worden ist im Zusammenhang mit dem, was gegenwärtig als praktischste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist. Zum Beispiel kann die MOS-Eingabeschaltung 13 eine andere Digitalschaltung als ein EPROM/EEPROM beinhalten oder kann eine analoge MOS-Eingabeschaltung beinhalten.

Claims

1. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit:

einer integrierten Schaltungsvorrichtung (13) mit einem auf ein Eingabesignal ansprechenden Eingabe-MOS-Transistor (12);

einem Eingabeanschluß (11), verbunden mit dem Eingabe-MOS-Transistor (12) zum Empfangen des Eingabesignals; und

einer Schutzschaltung für eine elektrostatische Entladung mit:

einer Begrenzungseinrichtung (15A), verbunden mit dem Eingabe-MOS-Transistor (12) und ansprechend auf ein vorgegebenes Schwellsteuerpotential (Vb) zum Begrenzen des elektrostatischen Potentials, das an das Gate des Eingabe-MOS-Transistors (12) angelegt ist, auf eine vorbestimmte Schwelle, wobei die Schwelle gemäß dem vorgegebenen Schwellsteuerpotential (Vb) variabel ist, dadurch gekennzeichnet, daß

die Begrenzungseinrichtung (15A) einen bipolaren Transistor (15A) beinhaltet, dessen Emitter-Kollektorpfad eingesetzt ist zwischen das Gate des Eingabe-MOS-Transistors (12) und ein festes Referenzpotential und die Basis des bipolaren Transistors (15A) verbunden ist, das vorgegebene Schwellsteuerpotential (Vb) zu empfangen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Schwellsteuerpotential (Vb) einem Spannungsquellenpotential der Halbleitervorrichtung (13) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Schwellsteuerpotential (Vb) höher ist als ein Spannungsquellenpotential der Halbleitervorrichtung (13).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung (15A, 16) ein Widerstandselement (16) beinhaltet, das zwischen dem Eingabeanschluß (11) und dem Bipolartransistor (15A) geschaltet ist.