DE69331941T2 - Protection against electrostatic discharge - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaltungen zum Schützen einer internen Schaltung einer Halbleiter-Vorrichtung gegen elektrostatische Entladungserscheinungen (ESD).The present invention relates to circuits for protecting an internal circuit of a semiconductor device against electrostatic discharge phenomena (ESD).
Eine Halbleiter-Speichervorrichtung ist normalerweise mit einer Schaltung zum Schützen der internen Schaltung eines Chips gegen statische Elektrizität versehen, die dem Chip von außen zugeführt wird. Die Schutzschaltung enthält ein ESD-Verhinderungs-Element, das an einem Eingangsanschluss des Chips vorgesehen ist. Das bedeutet, dass in dem ESD-Verhinderungs-Element in dem Eingangsanschluss des Chips Durchgreiferscheinungen auftreten, um Hochspannungsstrom abzuleiten, der durch elektrostatische Entladung zum Erdspannungsanschluss verursacht wird, wenn dem Chip von außen statische Elektrizität zugeführt wird. Der physikalische Mechanismus der ESD-Erscheinungen und der Verhütungsmaßnahmen dagegen sind speziell in "Internal Chip ESD Phenomena Protection Circuit" beschrieben, veröffentlicht in IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICE, Seite 2133-2139, Band 35, Nr. 12, Dez. 1989. Auch unsere Patentanmeldung GB 2 252 200 (entspricht der koreanischen Patentanmeldung Nr. 91-1128) offenbart eine Einrichtung für das Verhindern von ESD zwischen dem Eingangsanschluss, der Source-Spannung und der Erdspannung, wobei ein n&spplus; Diffusionsbereich, der durch eine Feldoxidschicht abgetrennt ist, mit dem Anschluss und der Erdspannung verbunden ist, so dass der durch statische Elektrizität hervorgerufene Strom zu dem Erdspannungsanschluss abgeleitet wird, wenn statische Elektrizität oder ESD-Belastungsspannung auf den Anschluss aufgebracht wird, wobei die Technologie davon im Wesentlichen durch die Durchgreiferscheinungen des durch die Feldoxidschicht abgetrennten n&spplus; Diffusionsbereiches realisiert wird.A semiconductor memory device is usually provided with a circuit for protecting the internal circuit of a chip against static electricity supplied to the chip from the outside. The protection circuit includes an ESD prevention element provided at an input terminal of the chip. This means that punch-through phenomena occur in the ESD prevention element in the input terminal of the chip to discharge high-voltage current caused by electrostatic discharge to the ground voltage terminal when static electricity is supplied to the chip from the outside. The physical mechanism of ESD phenomena and the preventive measures against them are specifically described in "Internal Chip ESD Phenomena Protection Circuit" published in IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICE, pages 2133-2139, volume 35, No. 12, Dec. 1989. Also our patent application GB 2 252 200 (corresponding to Korean patent application No. 91-1128) discloses a device for preventing ESD between the input terminal, the source voltage and the ground voltage, wherein an n+; diffusion region separated by a field oxide layer is connected to the terminal and the ground voltage so that the current caused by static electricity is diverted to the ground voltage terminal when static electricity or ESD stress voltage is applied to the terminal, the technology of which is essentially realized by the punch-through phenomena of the n+ diffusion region separated by the field oxide layer.
Bezug auf die Fig. 1 der beigefügten schematischen Darstellungen nehmend, die eine äquivalente Schaltung einer herkömmlichen Schaltung zum Schützen einer internen Schaltung gegen elektrostatische Entladung zeigt, sind ein Eingangsanschluss 1 und eine interne Schaltung 20 durch eine Metallleitung 10 verbunden. Ein TFD-Element zum Verhindern von ESD und eine MOS-Diode T1, die für eine Klemmschaltung verwendet wird, sind parallel zwischen der Metallleitung 10 und der Erdspannung Vss geschaltet. Vorgesehen ist dort auch ein Widerstand R1, der aus einem n&spplus; Diffusionsbereich zwischen einem Knoten 11, der die Metallleitung 10 mit dem TFD-Element verbindet, sowie einem Knoten 12, der die Metallleitung 10 mit der MOS-Diode T1 verbindet, besteht. Der Widerstand R1 hat einen hohen Widerstandswert, um eine Gate-Oxidschicht 21 eines NMOS-Transistors N1 der internen Schaltung 20 gegen eine ESD-Belastungsspannung zu schützen. Wenn eine ESD-Belastungsspannung von dem Eingangsanschluss 1 auf die Metallleitung 10 aufgebracht wird (als Prüfspannung werden etwa 3000 V verwendet), wird der überschüssige Strom sofort über das TFD-Element entladen, und die Überspannung, die durch den Widerstand R1 zum Abfallen gebracht wird, wird zu der internen Schaltung 20 geleitet. Somit wird die ESD-Belastungsspannung daran gehindert, die interne Schaltung zu beeinträchtigen.Referring to Fig. 1 of the accompanying schematic diagrams, which shows an equivalent circuit of a conventional circuit for protecting an internal circuit against electrostatic discharge, an input terminal 1 and an internal circuit 20 are connected through a metal line 10. A TFD element for preventing ESD and a MOS diode T1 used for a clamping circuit are connected in parallel between the metal line 10 and the ground voltage Vss. There is also provided a resistor R1 consisting of an n+ diffusion region between a node 11 connecting the metal line 10 to the TFD element and a node 12 connecting the metal line 10 to the MOS diode T1. The resistor R1 has a high resistance value to protect a gate oxide layer 21 of an NMOS transistor N1 of the internal circuit 20 against an ESD stress voltage. When an ESD stress voltage is applied from the input terminal 1 to the metal line 10 (about 3000 V is used as a test voltage), the excess current is immediately discharged through the TFD element, and the overvoltage dropped by the resistor R1 is conducted to the internal circuit 20. Thus, the ESD stress voltage is prevented from affecting the internal circuit.
Eine solche herkömmliche Schaltung zum Schützen der internen Schaltung gegen elektrostatische Entladung erzeugt jedoch eine lange Verzögerungszeit T1 während der Eingangssignalübertragung, die durch parasitäre Komponenten verursacht wird, die zwischen dem Knoten 12 und der internen Schaltung 20, d. h. dem parasitären Widerstand τ1 und den Kapazitäten c1 und c2, induziert werden. Die RC-Verzögerungszeit τ1 kann durch die Gleichung 1 ausgedrückt werden:However, such a conventional circuit for protecting the internal circuit against electrostatic discharge generates a long delay time T1 during input signal transmission, which is caused by parasitic components induced between the node 12 and the internal circuit 20, i.e., the parasitic resistance τ1 and the capacitances c1 and c2. The RC delay time τ1 can be expressed by Equation 1:
τ1 = R1·c1 + (R1 + r1)·c2 = R1·(c1 + c2) + r1·c2 Gleichung 1)τ1 = R1·c1 + (R1 + r1)·c2 = R1·(c1 + c2) + r1·c2 Equation 1)
Wenn angenommen wird, dass R1, r1, c1 und c2 500Ω, 200Ω, 2pF und 2pF sind, wird die Verzögerungszeit τ1 gleich 2,4 ns.If it is assumed that R1, r1, c1 and c2 are 500Ω, 200Ω, 2pF and 2pF, the delay time τ1 becomes equal to 2.4 ns.
Die RC-Verzögerungszeit wächst mit den Werten der Widerstände und Kapazitäten und mit der Länge der Metallleitung 10. Weiterhin wird, wenn die RC-Verzögerungszeit anwächst, die Übertragungsgeschwindigkeit des Eingangssignals von dem Anschluss zu der internen Schaltung verlangsamt.The RC delay time increases with the values of the resistances and capacitances and with the length of the metal line 10. Furthermore, as the RC delay time increases, the transmission speed of the input signal from the terminal to the internal circuit is slowed down.
Es wird nämlich ein Anstieg der parametrischen Werte der widerstandsbehafteten Komponenten benötigt, um die übermäßige ESD-Belastungsspannung zu verringern. Das ergibt jedoch eine übermäßige Verzögerung der Übertragungsgeschwindigkeit des Eingangssignals.This is because an increase in the parametric values of the resistive components is required to reduce the excessive ESD stress voltage. This, however, results in an excessive delay in the transmission rate of the input signal.
Die bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung haben das Ziel, ein Verfahren zum Schützen einer internen Schaltung einer Halbleiter-Vorrichtung gegen elektrostatische Entladung zur Verfügung zu stellen, das die RC-Verzögerungszeit eines Eingangssignals verringern kann.The preferred embodiments of the present invention aim to provide a method for protecting an internal circuit of a semiconductor device against electrostatic discharge, which can reduce the RC delay time of an input signal.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schützen einer internen Schaltung einer Halbleiter- Vorrichtung gegen elektrostatische Entladung zur Verfügung gestellt, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Weitere Modifikationen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 definiert.According to one aspect of the present invention there is provided a method of protecting an internal circuit of a semiconductor device against electrostatic discharge as defined in claim 1. Further modifications are defined in claims 2 to 5.
Vorzugsweise ist der Widerstand mit einem Gate eines in der internen Schaltung vorgesehenen MOS-Transistors verbunden.Preferably, the resistor is connected to a gate of a MOS transistor provided in the internal circuit.
Vorzugsweise weist der Widerstand einen Diffusionsbereich mit einem konduktiven Material auf.Preferably, the resistor has a diffusion region with a conductive material.
Vorzugsweise sind ein anderer Widerstand und eine Klemmvorrichtung zwischen dem Erdspannungsanschluss und einem Knoten der Leitungsbahn, die den Eingangsanschluss und die RC-Verzögerungsstufe verbindet, kaskadiert.Preferably, another resistor and a clamping device are cascaded between the ground voltage terminal and a node of the conducting path connecting the input terminal and the RC delay stage.
Zum besseren Verstehen der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun in Form eines Beispiels Bezug auf Fig. 2 der beigefügten schematischen Darstellungen genommen, die eine äquivalente Schaltung einer Schaltung zum Schützen einer internen Schaltung einer Halbleiter-Vorrichtung gegen elektrostatische Entladung darstellt.For a better understanding of the invention and to show how it can be brought into effect, the following is now presented in the form By way of example, reference is made to Fig. 2 of the accompanying schematic diagrams which illustrates an equivalent circuit of a circuit for protecting an internal circuit of a semiconductor device against electrostatic discharge.
Bezug auf Fig. 2 nehmend, verbindet eine Metallleitung 100 einen Eingangsanschluss 110 mit einer internen Schaltung 20. Ein TFD-Element ist zwischen einen Knoten 101 und einer Erdspannung Vss geschaltet, und ein Widerstand R2' und eine MOS-Diode T1 sind zwischen einem Knoten 102 und einer Erdspannung kaskadiert. Der Widerstand R2' wird verwendet, um die MOS-Diode T1, die für eine Klemmschaltung von einer ESE-Belastungsspannung verwendet wird, zu schützen.Referring to Fig. 2, a metal line 100 connects an input terminal 110 to an internal circuit 20. A TFD element is connected between a node 101 and a ground voltage Vss, and a resistor R2' and a MOS diode T1 are cascaded between a node 102 and a ground voltage. The resistor R2' is used to protect the MOS diode T1 used for a clamp circuit from an ESD stress voltage.
Die interne Schaltung 200 ist zum Beispiel ein Gleichstrom- Wechsel-Konverter, wie er allgemein in einer integrierten CMOS- Schaltung verwendet wird. Weiterhin sind ein parasitärer Widerstand r2 sowie die Kapazitäten c3 und c4 zwischen dem Knoten 102 und der internen Schaltung 200 der Metallleitung 100 vorhanden. Außerdem ist ein anderer Widerstand R2 mit einem Eingangsanschluss 210 der internen Schaltung 200 verbunden, um die Gate-Oxidschichten der MOS-Transistoren gegen ESD-Belastungsspannung zu schützen. Die Widerstände R2' und R2 bestehen aus n&spplus; Diffusionsbereichen.The internal circuit 200 is, for example, a DC-AC converter as generally used in a CMOS integrated circuit. Furthermore, a parasitic resistance r2 and the capacitances c3 and c4 are present between the node 102 and the internal circuit 200 of the metal line 100. In addition, another resistor R2 is connected to an input terminal 210 of the internal circuit 200 to protect the gate oxide layers of the MOS transistors against ESD stress voltage. The resistors R2' and R2 consist of n+ diffusion regions.
Der Widerstand R2 zum Schützen der internen Schaltung 200 gegen ESD-Belastungsspannung ist zwischen die RC-Verzögerungsstufe, die aus dem parasitären Widerstand r2 und der Kapazität c4 besteht, und dem Eingangsanschluss 210 der internen Schaltung 200 geschaltet, so dass die Komponenten, die einen Einfluss auf die RC-Verzögerungszeit haben, lediglich der parasitäre Widerstand r2 und die Kapazität c4 sind. Somit kann die RC-Verzögerungszeit τ2 durch die Gleichung 2 ausgedrückt werden.The resistor R2 for protecting the internal circuit 200 against ESD stress voltage is connected between the RC delay stage consisting of the parasitic resistance r2 and the capacitance c4 and the input terminal 210 of the internal circuit 200, so that the components that have an influence on the RC delay time are only the parasitic resistance r2 and the capacitance c4. Thus, the RC delay time τ2 can be expressed by Equation 2.
τ2 = r2·c4 (Gleichung 2)τ2 = r2·c4 (Equation 2)
Wenn angenommen wird, dass die Werte des parasitären Widerstands r2 und der Kapazität c4 jeweils 200Ω und 2pF sind, wird die RC-Verzögerungszeit τ2 gleich 0,4 ns. Das sind 2 ns weniger im Vergleich zu der RC-Verzögerungszeit τ1 (= 2,4 ns) der herkömmlichen Schaltung von Fig. 1. In der vorliegenden Ausführung sind die Werte der Widerstände R2' und R2 mit 500Q festgelegt. Wenn die Werte der Widerstände R2' und R2 auf mehr als 500Ω festgelegt sind, um die Gate-Oxidschicht des MOS-Transistors der internen Schaltung 200 gegen größere ESD-Belastungsspannung zu schützen, dann wird die RC-Verzögerungszeit nicht dadurch beeinträchtigt. Gemäß der vorliegenden Ausführung wird nämlich die RC-Verzögerungszeit nur durch den parasitären Widerstand und die Kapazität bestimmt, die physikalisch zu der Metallleitung 100 gehören, die den Eingangsanschluss 110 und die interne Schaltung 200 verbindet. Natürlich steht der parasitäre Widerstand in Proportion zu der Länge der Metallleitung 100.If it is assumed that the values of the parasitic resistance r2 and the capacitance c4 are 200Ω and 2pF, respectively, the RC delay time τ2 becomes 0.4 ns. This is 2 ns less than the RC delay time τ1 (= 2.4 ns) of the conventional circuit of Fig. 1. In the present embodiment, the values of the resistors R2' and R2 are set to 500Ω. If the values of the resistors R2' and R2 are set to more than 500Ω in order to protect the gate oxide layer of the MOS transistor of the internal circuit 200 against larger ESD stress voltage, the RC delay time is not affected thereby. Namely, according to the present embodiment, the RC delay time is determined only by the parasitic resistance and capacitance physically associated with the metal line 100 connecting the input terminal 110 and the internal circuit 200. Of course, the parasitic resistance is proportional to the length of the metal line 100.
Somit ist der Widerstand zum Schützen der internen Schaltung gegen elektrostatische Entladung so ausgestaltet, dass er die RC-Verzögerungszeit nicht beeinträchtigt, und die Verzögerungszeit des Eingangssignals ist durch die erfindungsgemäße Schaltung zum Schützen der internen Schaltung gegen elektrostatische Aufladung beträchtlich verringert.Thus, the resistance for protecting the internal circuit against electrostatic discharge is designed so that it does not affect the RC delay time, and the delay time of the input signal is considerably reduced by the circuit for protecting the internal circuit against electrostatic charge according to the invention.
Der Ausdruck "Erdpotential" (oder ähnliche Ausdrücke, wie zum Beispiel "Erdspannung" oder "Erd"-Potential oder "Erd"-Spannung) wird in der vorliegenden Beschreibung zweckdienlicherweise dazu verwendet, um ein Bezugspotential zu kennzeichnen. Wie Fachleute verstehen werden, ist es, obwohl ein solches Bezugspotential normalerweise ein Null-Potential sein kann, nicht wesentlich, dass das so ist, und es kann sich um ein Bezugspotential handeln, das von Null verschieden ist.The term "earth potential" (or similar terms such as for example, "earth voltage" or "earth" potential or "earth" voltage) is used for convenience in this specification to denote a reference potential. As will be understood by those skilled in the art, although such a reference potential may normally be a zero potential, it is not essential that it be so and it may be a non-zero reference potential.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Einzelheiten der vorstehenden Ausführung.The invention is not limited to the details of the above embodiment.
Claims (5)
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DE1993631941 Expired - Lifetime DE69331941T2 (en) | 1992-03-31 | 1993-02-04 | Protection against electrostatic discharge |
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-
1993
- 1993-02-04 DE DE1993631941 patent/DE69331941T2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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