FR2738682A1 - MOS integrated circuit active protection method for overvoltage protection - Google Patents

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Abstract

The IC (15) is protected against overvoltages (+Vp) applied to first (12) and second (GND) conductors which are connected respectively to the drain (D) and source (S) of the IGFET (10). The control signal is applied to the gate (G) and a parallel parasitic bipolar transistor (14) becomes conducting when the control signal is active and non-conducting when it is inactive. The inactive level is approximately equal to the second conductor voltage and the active level lies between the inactive level and the first conductor voltage. The comparator (16) comprises a zener diode (Z), a resistive element (R1, R2) and one or more diodes (D). A variant of the invention has two such protective circuits in parallel.

Description

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE DES SURTENSIONS
La présente invention concerne un circuit de protection contre des surtensions utilisé pour protéger des circuits intégrés MOS de hautes tensions appliquées sur des plots externes.
PROTECTION AGAINST OVERVOLTAGES
The present invention relates to a surge protection circuit used to protect MOS integrated circuits from high voltages applied to external pads.

Dans la présente description, on se référera à des transistors MOS car il s'agit du terme couramment utilisé pour désigner tout transistor à effet de champ à grille isolée, non seulement ceux ayant au sens propre une structure du type métaloxyde-semiconducteur. On notera que la présente invention et la présente description concernent de façon générale tout type de transistor à effet de champ à grille isolée et pas seulement ceux ayant une structure de type métal-oxyde-semiconducteur. In the present description, reference will be made to MOS transistors because it is the term commonly used to designate any field effect transistor with insulated gate, not only those having in the literal sense a structure of the metaloxide-semiconductor type. It will be noted that the present invention and the present description generally relate to any type of insulated gate field effect transistor and not only those having a metal-oxide-semiconductor type structure.

Les très petites dimensions des dispositifs MOS courants, telles que l'épaisseur de l'isolant de grille et la profondeur de jonction, entraînent que ces dispositifs sont très sensibles aux hautes tensions. Des circuits de protection contre les surtensions, également appelés écrêteurs de tension, utilisés pour protéger des dispositifs MOS doivent pouvoir réagir à des décharges électrostatiques de quelques kilovolts appliquées sur un circuit intégré et décharger la haute tension appliquée vers la masse, en limitant la tension sur le circuit intégré MOS à un niveau sûr. Il est connu dans de tels circuits d'utiliser un transistor à effet de champ dont le drain est connecté à un plot externe et la source à la tension de masse. Les circuits de protection sont intégrés dans le même circuit intégré que le circuit MOS à protéger.On peut utiliser des transistors à effet de champ classiques, mais on préfère utiliser des transistors actifs, c' est-à-dire des transistors ayant des couches d'isolement de grille relativement minces, car ils réagissent plus rapidement. The very small dimensions of common MOS devices, such as the thickness of the gate insulator and the junction depth, mean that these devices are very sensitive to high voltages. Overvoltage protection circuits, also called voltage limiters, used to protect MOS devices must be able to react to electrostatic discharges of a few kilovolts applied to an integrated circuit and discharge the high voltage applied to ground, by limiting the voltage on the MOS integrated circuit at a safe level. It is known in such circuits to use a field effect transistor, the drain of which is connected to an external pad and the source to ground voltage. The protection circuits are integrated into the same integrated circuit as the MOS circuit to be protected. Conventional field effect transistors can be used, but it is preferred to use active transistors, that is to say transistors having layers d relatively thin grid insulation, as they react faster.

La figure 1 représente un transistor à effet de champ à canal N 10 utilisé comme dispositif de protection contre les surtensions. Sa région de drain D est connectée à un plot externe 12, maintenu à une tension positive +Vp. Sa connexion de substrat ou de caisson B, sa région de source S et son électrode de grille
G sont connectées les unes aux autres et à la tension de masse
GND. Des régions faiblement dopées (LDD) 13 sont prévues du côté canal des régions de source S et de drain D, conformément à une pratique courante dans la fabrication des circuits intégrés MOS.
FIG. 1 represents an N-channel field effect transistor 10 used as a protection device against overvoltages. Its drain region D is connected to an external pad 12, maintained at a positive voltage + Vp. Its substrate or well connection B, its source region S and its gate electrode
G are connected to each other and to ground voltage
GND. Lightly doped regions (LDD) 13 are provided on the channel side of the source S and drain D regions, in accordance with current practice in the manufacture of MOS integrated circuits.

Un circuit MOS 15 à protéger est connecté au drain D du transistor à effet de champ 10.A MOS circuit 15 to be protected is connected to the drain D of the field effect transistor 10.

Un transistor bipolaire parasite 14 de type NPN existe en parallèle sur le transistor à effet de champ. Son émetteur correspond à la source du transistor à effet de champ, son collecteur au drain du transistor à effet de champ et sa base au substrat du transistor à effet de champ. An NPN parasitic bipolar transistor 14 exists in parallel on the field effect transistor. Its emitter corresponds to the source of the field effect transistor, its collector to the drain of the field effect transistor and its base to the substrate of the field effect transistor.

La figure 2 représente un schéma électrique équivalent. Figure 2 shows an equivalent electrical diagram.

Dans les conditions de polarisation indiquées, un courant de substrat Ib circule du drain D à la connexion de substrat ou de caisson B. Ce courant est le courant de fuite de polarisation inverse de la jonction drain-substrat du transistor à effet de champ. Il augmente par multiplication par avalanche en réponse à une augmentation de la tension +Vp appliquée au plot externe 12. Le courant de substrat Ib, combiné à la résistance inhérente de substrat, provoque l'apparition d'une différence de potentiel entre la connexion de substrat B et le semiconducteur dans la région de la source S.Si la tension externe +Vp et donc le courant de substrat Ib augmentent suffisamment pour élever le potentiel du substrat dans la région de source au-dessus de la tension directe de la jonction substrat-source, cette jonction est polarisée en direct. Under the indicated polarization conditions, a substrate current Ib flows from the drain D to the substrate or well connection B. This current is the reverse bias leakage current from the drain-substrate junction of the field effect transistor. It increases by avalanche multiplication in response to an increase in the voltage + Vp applied to the external pad 12. The substrate current Ib, combined with the inherent resistance of the substrate, causes the appearance of a potential difference between the connection of substrate B and the semiconductor in the source region S. If the external voltage + Vp and therefore the substrate current Ib increase enough to raise the potential of the substrate in the source region above the direct voltage of the substrate junction -source, this junction is polarized live.

Alors, le transistor bipolaire parasite 14 devient conducteur et la source S et le drain D du transistor à effet de champ 10 sont effectivement connectés l'un à l'autre. La tension à laquelle ceci se produit est appelée tension de mise en retournement. La tension +Vp sur le plot externe 12 chute à une valeur plus faible, appelée tension de maintien en retournement, et le circuit associé 15 est protégé des hautes tensions appliquées. Then, the parasitic bipolar transistor 14 becomes conductive and the source S and the drain D of the field effect transistor 10 are effectively connected to each other. The voltage at which this occurs is called the rollover voltage. The voltage + Vp on the external pad 12 drops to a lower value, called the reversal holding voltage, and the associated circuit 15 is protected from the high voltages applied.

La mise en conduction du transistor bipolaire parasite 14 survient pour une tension plus élevée que la tension que peuvent supporter les transistors d'un circuit intégré MOS. Pour des circuits intégrés MOS courants, cette tension est voisine de 13 V pour un transistor typique d'une longueur de canal de 0,5 um. Ce niveau de seuil permet de protéger des circuits tels que des amplificateurs d'entrée et de sortie de circuits intégrés qui sont conçus pour supporter des tensions de ce niveau mais est trop élevé pour protéger des circuits internes plus sensibles de circuits intégrés MOS classiques par rapport à des surtensions. The parasitic bipolar transistor 14 is turned on for a higher voltage than the voltage which the transistors of an MOS integrated circuit can withstand. For current MOS integrated circuits, this voltage is close to 13 V for a typical transistor with a channel length of 0.5 μm. This threshold level protects circuits such as integrated circuit input and output amplifiers which are designed to withstand voltages of this level but is too high to protect more sensitive internal circuits from conventional MOS integrated circuits compared overvoltages.

Par exemple, des circuits MOS contiennent souvent des transistors qui ont une longueur inférieure à 0,5 um et une épaisseur d'isolant de grille d'environ 10 nm. De tels transistors seront endommagés par des tensions de l'ordre de 12 volts, généralement au niveau de leur jonction drain-substrat.For example, MOS circuits often contain transistors which have a length of less than 0.5 µm and a thickness of gate insulator of about 10 nm. Such transistors will be damaged by voltages of the order of 12 volts, generally at their drain-substrate junction.

L'invention vise à prévoir un circuit de limitation de surtension efficace qui devient actif à des tensions plus faibles que celles des circuits classiques de limitation de surtension. The invention aims to provide an efficient overvoltage limiting circuit which becomes active at lower voltages than those of conventional overvoltage limiting circuits.

L'invention vise en outre à prévoir un tel circuit qui limite les tensions de décharge électrostatiques de plusieurs kilovolts à des niveaux sûrs pour une application à des dispositifs MOS.  The invention further aims to provide such a circuit which limits the electrostatic discharge voltages of several kilovolts to safe levels for application to MOS devices.

L'invention vise en outre à prévoir un tel circuit qui devient actif avant endommagement de tout élément du circuit à protéger. The invention further aims to provide such a circuit which becomes active before damage to any element of the circuit to be protected.

Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un procédé de protection d'un circuit intégré contre des valeurs excessives d'une tension +Vp appliquée entre des premier et second conducteurs, comprenant les étapes suivantes
produire un signal de commande à un niveau inactif quand ladite tension est inférieure à un niveau prédéterminé,
produire un signal de commande à un niveau actif quand ladite tension dépasse le niveau prédéterminé, le signal de commande provenant de ladite tension,
appliquer le signal de commande à une borne de grille d'un transistor à effet de champ à grille isolée, ayant son drain et sa source connectés aux premier et second conducteurs, respectivement ; un transistor bipolaire parasite connecté de façon inhérente en parallèle sur le transistor à effet de champ à grille isolée devenant conducteur pour un niveau de protection de ladite tension quand le signal de commande est à son niveau actif, et restant non-conducteur au niveau de protection de ladite tension quand le signal de commande est à son niveau inactif.
To achieve these objects, the present invention provides a method of protecting an integrated circuit against excessive values of a voltage + Vp applied between first and second conductors, comprising the following steps
produce a control signal at an inactive level when said voltage is lower than a predetermined level,
producing a control signal at an active level when said voltage exceeds the predetermined level, the control signal coming from said voltage,
applying the control signal to a gate terminal of an insulated gate field effect transistor, having its drain and source connected to the first and second conductors, respectively; a parasitic bipolar transistor inherently connected in parallel on the insulated gate field effect transistor becoming conductive for a level of protection of said voltage when the control signal is at its active level, and remaining non-conductive at the level of protection of said voltage when the control signal is at its inactive level.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le niveau inactif est sensiblement égal à la tension du second conducteur. According to an embodiment of the present invention, the inactive level is substantially equal to the voltage of the second conductor.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le niveau actif est compris entre le niveau inactif et ladite tension. According to an embodiment of the present invention, the active level is between the inactive level and said voltage.

La présente invention prévoit aussi un circuit de protection pour protéger un circuit intégré de valeurs excessivement élevées d'une tension +Vp appliquée entre des premier et second conducteurs du circuit intégré, ce circuit de protection comprenant un transistor à effet de champ à grille isolée connecté par son drain et sa source, respectivement, entre les premier et second conducteurs ; un comparateur pour comparer ladite tension à une tension de référence et pour fournir en conséquence un signal de commande à la borne de grille du transistor, à un niveau actif quand ladite tension dépasse la tension de référence, et à un niveau inactif dans les autres cas ; un transistor bipolaire parasite connecté de façon inhérente en parallèle sur le transistor à effet de champ à grille isolée ; le niveau actif du signal de commande étant à une tension choisie pour amener le transistor bipolaire parasite en conduction pour un niveau de protection de ladite tension ; le transistor bipolaire parasite restant non-conducteur pour le niveau de protection de ladite tension quand le signal de commande est à son niveau inactif. The present invention also provides a protection circuit for protecting an integrated circuit from excessively high values of a voltage + Vp applied between first and second conductors of the integrated circuit, this protection circuit comprising a field effect transistor with insulated gate connected by its drain and its source, respectively, between the first and second conductors; a comparator for comparing said voltage with a reference voltage and for consequently supplying a control signal to the gate terminal of the transistor, at an active level when said voltage exceeds the reference voltage, and at an inactive level in other cases ; a parasitic bipolar transistor inherently connected in parallel to the insulated gate field effect transistor; the active level of the control signal being at a voltage chosen to bring the parasitic bipolar transistor into conduction for a level of protection of said voltage; the parasitic bipolar transistor remaining non-conductive for the level of protection of said voltage when the control signal is at its inactive level.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier conducteur est à une tension plus positive que le second conducteur. According to an embodiment of the present invention, the first conductor is at a more positive voltage than the second conductor.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le niveau inactif est sensiblement égal à la tension du second conducteur. According to an embodiment of the present invention, the inactive level is substantially equal to the voltage of the second conductor.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le niveau actif se trouve entre le niveau inactif et ladite tension. According to an embodiment of the present invention, the active level is between the inactive level and said voltage.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le comparateur comprend, entre les premier et second conducteurs, la connexion en série d'au moins une diode Zener et un élément résistif. According to an embodiment of the present invention, the comparator comprises, between the first and second conductors, the series connection of at least one Zener diode and a resistive element.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le comparateur comprend, entre les premier et second conducteurs, la connexion en série d'au moins une diode Zener, un élément résistif, et une ou plusieurs diodes. According to an embodiment of the present invention, the comparator comprises, between the first and second conductors, the series connection of at least one Zener diode, a resistive element, and one or more diodes.

Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de l'invention apparaîtront de façon plus détaillée dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation, à titre d'exemple non limitatif, avec les figures jointes, parmi lesquelles
les figures 1 et 2, décrites précédemment, représentent un dispositif de protection contre des surtensions selon l'art antérieur
la figure 3 représente des caractéristiques de retournement d'un transistor MOS à canal N typique
la figure 4 représente un dispositif de protection contre des surtensions selon l'invention ;
la figure 5 représente un mode de réalisation particulier d'un dispositif de protection contre les surtensions selon la présente invention
la figure 6 représente une configuration possible d'un transistor de protection ;;
la figure 7 représente un chronogramme simulé de certaines tensions du circuit selon un mode de réalisation de l'invention, après avoir été soumis à une décharge électrostatique (ESD) ;
la figure 8 représente un second mode de réalisation de la présente invention ;
la figure 9 représente un chronogramme simulé de certaines tensions apparaissant dans le circuit de la figure 8 après avoir été soumis à une décharge électrostatique ;
les figures 10A à 10E représentent divers types de diodes Zener destinées à être utilisées dans des circuits intégrés, en vue de dessus et en coupe ; et
les figures 11 et 12 sont des chronogrammes simulés de certaines tensions du circuit selon un mode de réalisation de l'invention, après survenance d'une décharge électrostatique.
These objects, characteristics and advantages as well as others of the invention will appear in more detail in the following description of particular embodiments given in relation, by way of nonlimiting example, with the attached figures, among which
Figures 1 and 2, described above, represent a device for protection against overvoltages according to the prior art
FIG. 3 represents the reversal characteristics of a typical N-channel MOS transistor
FIG. 4 represents a device for protection against overvoltages according to the invention;
FIG. 5 represents a particular embodiment of a device for protection against overvoltages according to the present invention
FIG. 6 represents a possible configuration of a protection transistor;
FIG. 7 represents a simulated timing diagram of certain voltages of the circuit according to an embodiment of the invention, after having been subjected to an electrostatic discharge (ESD);
Figure 8 shows a second embodiment of the present invention;
FIG. 9 represents a simulated timing diagram of certain voltages appearing in the circuit of FIG. 8 after having been subjected to an electrostatic discharge;
FIGS. 10A to 10E show various types of Zener diodes intended for use in integrated circuits, in top view and in section; and
Figures 11 and 12 are simulated timing diagrams of certain voltages of the circuit according to an embodiment of the invention, after occurrence of an electrostatic discharge.

La figure 3 représente les caractéristiques de retournement d'un transistor à effet de champ à canal N typique, d'une longueur de canal de 0,5 um et de type actif, c'est-à-dire à faible épaisseur d'isolant de grille, pour différentes polarisations de grille Vg. FIG. 3 represents the inversion characteristics of a typical N-channel field effect transistor, with a channel length of 0.5 μm and of the active type, that is to say with a small thickness of insulator grid, for different grid polarizations Vg.

Le retournement est un phénomène qui survient dans les transistors MOS pour des tensions drain-source plus élevées que les tensions usuelles, quand le transistor bipolaire parasite en parallèle avec le transistor MOS devient conducteur. Quand ceci survient, pour la tension de mise en retournement, la tension drain-source chute rapidement à une tension de maintien de retournement, et le courant de drain Id circulant dans le transistor croît rapidement. Reversal is a phenomenon that occurs in MOS transistors for drain-source voltages higher than the usual voltages, when the parasitic bipolar transistor in parallel with the MOS transistor becomes conductive. When this occurs, for the turn-over voltage, the drain-source voltage drops rapidly to a turn-around holding voltage, and the drain current Id flowing in the transistor increases rapidly.

On voit que pour une polarisation de grille Vg = 0, la tension de mise en retournement VtrO est supérieure à 12 V. La tension de maintien de retournement est d'environ 7,5 V. Pour de telles polarisations de grille faibles, le courant drain-substrat du transistor est faible. Quand on augmente les tensions de grille Vg appliquées, la tension de mise en retournement diminue. It can be seen that for a gate polarization Vg = 0, the reversing voltage VtrO is greater than 12 V. The reversing holding voltage is approximately 7.5 V. For such weak gate polarizations, the current drain-substrate of the transistor is weak. When the gate voltages Vg applied are increased, the turning-over voltage decreases.

Une tension de retournement minimale Vtr3 est obtenue dans ce cas pour une tension de grille Vg d'environ 3 volts. Pour des valeurs plus élevées de la tension de grille, la tension de mise en retournement augmente à nouveau. Ceci est dû à la réduction de l'intensité du champ au niveau de la jonction de drain du transistor à effet de champ.A minimum reversal voltage Vtr3 is obtained in this case for a gate voltage Vg of approximately 3 volts. For higher values of the gate voltage, the rollover voltage increases again. This is due to the reduction of the field strength at the drain junction of the field effect transistor.

La présente invention prévoit un transistor à effet de champ de protection avec une polarisation de grille optimale pendant une surcharge électrostatique ou autre, pour permettre au retournement de prendre place pour une valeur désirée +Vp. Cette valeur désirée peut typiquement être voisine de 7 volts. The present invention provides a protective field effect transistor with optimal gate polarization during electrostatic or other overload, to allow the reversal to take place for a desired value + Vp. This desired value can typically be close to 7 volts.

La figure 4 représente schématiquement un circuit selon la présente invention. Un plot externe 12 est relié à une connexion de drain D d'un transistor de protection 10 qui est un transistor MOS à canal N. Le drain D et le plot 12 sont connectés au circuit 15 à protéger. Les bornes de source S et de substrat B du transistor 10 sont connectées l'une à l'autre et à la masse
GND. Il existe un transistor bipolaire parasite de type NPN 14 en parallèle sur le transistor MOS 10. Selon l'invention, il est prévu un comparateur 16 ayant une entrée non inverseuse connectée au plot 12 et une entrée inverseuse connectée à une tension de référence Vr déterminée par un niveau de protection requis, comme cela est exposé ci-après.
FIG. 4 schematically represents a circuit according to the present invention. An external pad 12 is connected to a drain connection D of a protection transistor 10 which is an N-channel MOS transistor. The drain D and the pad 12 are connected to the circuit 15 to be protected. The source S and substrate B terminals of the transistor 10 are connected to each other and to ground.
GND. There is an NPN parasitic bipolar transistor 14 in parallel on the MOS transistor 10. According to the invention, there is provided a comparator 16 having a non-inverting input connected to the pad 12 and an inverting input connected to a determined reference voltage Vr by a required level of protection, as described below.

Le plot externe est typiquement une broche d'un boîtier contenant le circuit intégré à protéger. Ces broches externes peuvent subir des décharges électrostatiques dues par exemple à une mauvaise manipulation. The external stud is typically a pin of a box containing the integrated circuit to be protected. These external pins can undergo electrostatic discharges due for example to improper handling.

Le comparateur 16 compare le niveau de la tension de plot +Vp à la tension de référence Vr. Si cette comparaison montre que la tension du plot externe, +Vp, dépasse la tension de référence Vr, le comparateur appliquera une tension de polarisation de grille Vg de valeur prédéterminée à la grille G, réduisant ainsi la tension de mise en retournement du transistor à effet de champ 10 à un niveau requis déterminé par la valeur de la polarisation de grille Vg. Pour un fonctionnement rapide, la valeur de polarisation de grille doit être réglée pour que la tension de mise en retournement, en présence de la polarisation de grille, soit inférieure à la valeur de référence Vr. Ainsi, dès que la tension de plot +Vp dépasse la tension de référence
Vr, la polarisation de grille sera appliquée, le retournement prendra place et le dispositif de protection entrera immédiatement en action.Dans ce cas le niveau de tension de protection est égal à la tension de référence Vr, et la protection devient active quand +Vp atteint la valeur Vr.
The comparator 16 compares the level of the pad voltage + Vp to the reference voltage Vr. If this comparison shows that the voltage of the external pad, + Vp, exceeds the reference voltage Vr, the comparator will apply a gate bias voltage Vg of predetermined value to the gate G, thus reducing the turn-on voltage of the transistor at field effect 10 at a required level determined by the value of the gate polarization Vg. For rapid operation, the gate polarization value must be adjusted so that the reversal voltage, in the presence of the gate polarization, is less than the reference value Vr. Thus, as soon as the plot voltage + Vp exceeds the reference voltage
Vr, the gate polarization will be applied, the reversal will take place and the protection device will immediately take action. In this case the protection voltage level is equal to the reference voltage Vr, and the protection becomes active when + Vp reaches the Vr value.

Le retournement entraîne la connexion du plot 12 à la tension de masse GND. La tension de référence Vr doit être choisie pour correspondre au niveau de tension de protection requis. Ceci correspond typiquement à environ 7 V pour des filières CMOS, 0,5 um, courantes. La plus petite tension à l'égard de laquelle on peut se protéger dépend de la plus petite tension de mise en retournement possible du transistor à effet de champ 10 utilisé comme dispositif de protection. Dans l'exemple particulier de la figure 3, la tension de mise en retournement la plus faible possible est de 7 V. En utilisant ceci comme valeur de tension de référence, dès que la tension de plot dépasse 7 V, la polarisation de grille choisie Vg (dans cet exemple une polarisation de grille de 3 V) sera appliquée au transistor à effet de champ 10 et donne un niveau de protection de 7 V.  The reversal leads to the connection of the pad 12 to the ground voltage GND. The reference voltage Vr must be chosen to correspond to the required protection voltage level. This typically corresponds to about 7 V for common CMOS, 0.5 µm dies. The smallest voltage against which one can protect oneself depends on the smallest possible reversal voltage of the field effect transistor 10 used as a protection device. In the particular example of FIG. 3, the lowest possible turning-over voltage is 7 V. Using this as the reference voltage value, as soon as the pad voltage exceeds 7 V, the gate polarization chosen Vg (in this example a gate polarization of 3 V) will be applied to the field effect transistor 10 and gives a protection level of 7 V.

Si la tension de référence choisie Vr est inférieure à la tension de mise en retournement correspondante, le dispositif de protection agira seulement après que la tension +Vp a augmenté jusqu'à la tension de mise en retournement du transistor 10 pour la tension de grille Vg appliquée. Le niveau de protection correspond alors à la tension de mise en retournement. If the chosen reference voltage Vr is lower than the corresponding turning-over voltage, the protection device will act only after the voltage + Vp has increased until the turning-over voltage of transistor 10 for the gate voltage Vg applied. The level of protection then corresponds to the turning-over voltage.

La figure 5 illustre une réalisation pratique possible du circuit d'écrêtage de tension selon l'invention. Le comparateur 16 est constitué d'une diode Zener Z, de deux résistances R1, R2 et d'une diode D connectées en série entre le plot externe 12 et la masse GND. Les autres caractéristiques sont identiques à celles décrites en relation avec la figure 4 et portent les mêmes références. FIG. 5 illustrates a possible practical embodiment of the voltage clipping circuit according to the invention. The comparator 16 consists of a Zener diode Z, two resistors R1, R2 and a diode D connected in series between the external pad 12 and the GND ground. The other characteristics are identical to those described in connection with FIG. 4 and bear the same references.

La tension de référence Vr de ce comparateur est alors déterminée par la tension Zener de la diode Zener Z, la chute de tension en direct de la diode D, et les valeurs des résistances R1 et R2 tandis qu'elles conduisent le courant de fuite inverse de la diode Zener Z. En utilisant des procédés de fabrication usuels, la diode Zener Z peut comprendre une région faiblement dopée telle que les régions correspondant à des drains faiblement dopés (LDD). Ceci produit des diodes Zener à courant de fuite très faible.Etant donné que la surtension se décharge à travers le transistor 10, la diode Zener Z peut être de petite dimension (par exemple 10 um x 10 pin). La puissance dissipée dans la diode
Zener est réduite en choisissant des valeurs relativement élevées pour R1 et R2 (quelques kilo-ohms).
The reference voltage Vr of this comparator is then determined by the Zener voltage of the Zener diode Z, the direct voltage drop of the diode D, and the values of the resistors R1 and R2 while they conduct the reverse leakage current of the Zener Z diode. Using conventional manufacturing methods, the Zener Z diode may include a lightly doped region such as regions corresponding to lightly doped drains (LDD). This produces very low leakage current Zener diodes. Since the overvoltage discharges through transistor 10, the Zener Z diode can be small (e.g. 10 µm x 10 pin). The power dissipated in the diode
Zener is reduced by choosing relatively high values for R1 and R2 (a few kilo-ohms).

Etant donné que le courant de décharge de surtension circule principalement dans le transistor bipolaire parasite 14, le transistor 10 peut avoir une faible longueur de canal, ce qui économise de la surface du circuit intégré et conduit également à une plus faible tension de conduction pour le transistor bipolaire parasite (c'est-à-dire la tension de mise en retournement du transistor à effet de champ). La différence entre la tension de mise en retournement et la tension de maintien dépend essentiellement du gain du transistor bipolaire parasite.  Since the overvoltage discharge current flows mainly in the parasitic bipolar transistor 14, the transistor 10 can have a short channel length, which saves the surface of the integrated circuit and also leads to a lower conduction voltage for the parasitic bipolar transistor (that is to say the voltage for turning over the field effect transistor). The difference between the turning-over voltage and the holding voltage depends essentially on the gain of the parasitic bipolar transistor.

On augmente ce gain en prévoyant une région de base courte, c'est-à-dire une faible longueur de canal du transistor MOS, et le gain élevé entraîne une tension de maintien de retournement faible, ce qui conduit à une faible dissipation de puissance dans le dispositif.This gain is increased by providing a short base region, that is to say a short channel length of the MOS transistor, and the high gain results in a low reversal holding voltage, which leads to low power dissipation. in the device.

Selon le niveau de protection requis, les valeurs de
R1, R2 peuvent être réglées, et l'une et/ou l'autre de ces résistances peut être omise, de la même manière que la diode D.
Depending on the level of protection required, the values of
R1, R2 can be set, and one and / or the other of these resistors can be omitted, in the same way as the diode D.

Des diodes supplémentaires peuvent être rajoutées en série avec la diode D, chacune augmentant la tension de référence Vr d'une quantité égale à sa chute de tension en direct.Additional diodes can be added in series with diode D, each increasing the reference voltage Vr by an amount equal to its forward voltage drop.

Quand une tension élevée +Vp est appliquée au plot extérieur 12, d'une valeur plus élevée que la tension de référence, un courant commence à circuler dans la diode Zener Z, les résistances R1, R2 et la diode D vers la masse GND. La tension Vg sur la grille du transistor à effet de champ dépendra de la valeur de la résistance R2 et du courant qui y circule, décalée de la chute de tension en direct de la diode D. Dans toute technologie usuelle, il existe habituellement un seul type de diode Zener disponible. Le choix d'une éventuelle adjonction d'une ou plusieurs diodes D et des valeurs R1 et R2 sera fait en conséquence pour obtenir la tension de grille requise. When a high voltage + Vp is applied to the external stud 12, of a value higher than the reference voltage, a current begins to flow in the Zener diode Z, the resistors R1, R2 and the diode D towards the ground GND. The voltage Vg on the gate of the field effect transistor will depend on the value of the resistor R2 and the current flowing there, offset by the direct voltage drop of the diode D. In any usual technology, there is usually only one type of Zener diode available. The choice of a possible addition of one or more diodes D and the values R1 and R2 will be made accordingly to obtain the required gate voltage.

Les valeurs de R1, R2, D, Z doivent être choisies pour qu'une polarisation de grille propre à fournir une valeur minimale de la tension de mise en retournement (dans l'exemple de la figure 3, environ 3 V) soit obtenue à partir de la tension +Vp quand la diode Zener Z devient conductrice. La tension de mise en retournement minimale et la tension de grille correspondante sont des caractéristiques d'un transistor à effet de champ donné et peuvent être déterminées à partir d'un graphique tel que celui de la figure 3. Les valeurs des résistances R1 et R2 doivent être choisies pour assurer que la grille G n'est pas maintenue à un niveau de polarisation Vg élevé, une fois que le transistor bipolaire parasite est devenu conducteur.  The values of R1, R2, D, Z must be chosen so that a gate bias capable of providing a minimum value of the reversal voltage (in the example of FIG. 3, approximately 3 V) is obtained at from the voltage + Vp when the Zener Z diode becomes conductive. The minimum turn-over voltage and the corresponding gate voltage are characteristics of a given field effect transistor and can be determined from a graph like the one in Figure 3. The values of resistors R1 and R2 must be chosen to ensure that the gate G is not maintained at a high level of polarization Vg, once the parasitic bipolar transistor has become conductive.

L'efficacité du circuit selon l'invention est déterminée par les performances vis-à-vis des décharges électrostatiques du transistor à effet de champ 10. La tension Vd aux bornes du transistor 10, 14 dépend de la résistance série dans le mode de retournement. Celle-ci est inversement proportionnelle à la largeur du transistor et varie avec la longueur du transistor. On doit donc choisir un transistor de longueur minimale avec une région de canal très large. Cette région de canal a typiquement une largeur de quelques centaines de micromètres et une longueur inférieure à 0,5 pin et peut prendre la forme d'un transistor digité. Quand la grille est polarisée au moment où le transistor entre dans le mode retournement, tous les doigts du transistor entrent simultanément dans le mode de retournement, pour les mêmes tensions de grille et de drain Vg, Vd. The efficiency of the circuit according to the invention is determined by the performance with respect to the electrostatic discharges of the field effect transistor 10. The voltage Vd at the terminals of the transistor 10, 14 depends on the series resistance in the inversion mode . This is inversely proportional to the width of the transistor and varies with the length of the transistor. We must therefore choose a transistor of minimum length with a very wide channel region. This channel region typically has a width of a few hundred micrometers and a length of less than 0.5 pin and can take the form of a digested transistor. When the gate is polarized at the moment when the transistor enters the inversion mode, all the fingers of the transistor enter simultaneously the inversion mode, for the same gate and drain voltages Vg, Vd.

Cet effet est décrit dans "Dynamic gate coupling of
NMOS for efficient output ESD protection" IEEE/IRPS Proceedings 1992, P. 141-150. Toutes les parties du transistor fonctionnent donc de façon identique, d'où il résulte que les performances vis-à-vis des décharges électrostatiques sont directement proportionnelles à la largeur du transistor.
This effect is described in "Dynamic gate coupling of
NMOS for efficient output ESD protection "IEEE / IRPS Proceedings 1992, P. 141-150. All the parts of the transistor thus function in an identical way, from where it results that the performances with respect to electrostatic discharges are directly proportional to the width of the transistor.

La figure 6 représente, en vue de dessus, une configuration possible d'un transistor à effet de champ digité adapté au circuit selon l'invention. Une électrode de grille G a la forme d'un peigne à deux côtés, des régions de source et de drain S et D alternant entre les dents du peigne et étant agencées pour que chaque région de source S d'un côté du peigne soit adjacente et opposée à une région de drain, et inversement. FIG. 6 shows, in top view, a possible configuration of a digital field effect transistor adapted to the circuit according to the invention. A gate electrode G has the shape of a two-sided comb, source and drain regions S and D alternating between the teeth of the comb and being arranged so that each source region S on one side of the comb is adjacent and opposite to a drain region, and vice versa.

Toutes les parties du peigne ont une largeur L identique, qui est la longueur de canal de ce transistor digité. La dimension L peut être voisine de 0,5 pin. La largeur efficace de ce transistor digité est la somme des largeurs des parties horizontales (illustrées par une flèche Wh dans la figure) et de toutes les largeurs des portions verticales (illustrées par une flèche Wv dans la figure)
Pour tester des dispositifs de protection contre les décharges électrostatiques (ESD), on utilise ce que l'on appelle un modèle du corps humain. Celui-ci comprend un condensateur de 100 pF en série avec une résistance de 1,5 kQ. Ce modèle est chargé à des tensions élevées appropriées et déchargé sur le dispositif à tester.
All parts of the comb have an identical width L, which is the channel length of this digested transistor. The dimension L can be close to 0.5 pin. The effective width of this digitized transistor is the sum of the widths of the horizontal parts (illustrated by an arrow Wh in the figure) and all the widths of the vertical portions (illustrated by an arrow Wv in the figure)
To test ESD devices, we use a so-called human body model. This includes a 100 pF capacitor in series with a resistance of 1.5 kQ. This model is charged to appropriate high voltages and discharged to the device to be tested.

La figure 7 représente le résultat d'un tel test ESD sur le circuit selon l'invention, en utilisant une charge de 4 kV. Le transistor de protection utilisé avait une largeur de 300 pin et une longueur de 0,5 pin, la diode Zener Z avait une tension Zener de 7 V, et on avait R1=3 kQ et R2=0 Q.  FIG. 7 represents the result of such an ESD test on the circuit according to the invention, using a load of 4 kV. The protection transistor used had a width of 300 pin and a length of 0.5 pin, the Zener diode Z had a Zener voltage of 7 V, and we had R1 = 3 kQ and R2 = 0 Q.

Une tension de drain maximale Vd d'environ 9,5 V est atteinte environ 1 ns après le début de l'application de la haute tension. Ce pic correspond à la mise en conduction du transistor bipolaire parasite 14. La tension de drain Vd chute alors brutalement en dessous de 8 V en raison de l'augmentation brutale de conductivité du transistor bipolaire mais continue alors à augmenter par suite de l'augmentation du courant dans le transistor bipolaire 14 et de sa résistance série. La tension de drain maximum Vd ne dépasse jamais 12 V et commence à chuter tandis que le condensateur du modèle du corps humain se décharge par le transistor bipolaire 14 vers la masse GND. A maximum drain voltage Vd of approximately 9.5 V is reached approximately 1 ns after the start of the application of the high voltage. This peak corresponds to the conduction of the parasitic bipolar transistor 14. The drain voltage Vd then drops suddenly below 8 V due to the sudden increase in conductivity of the bipolar transistor but then continues to increase as a result of the increase of the current in the bipolar transistor 14 and of its series resistance. The maximum drain voltage Vd never exceeds 12 V and begins to drop while the human body model capacitor discharges through the bipolar transistor 14 to ground GND.

La tension de grille Vg est également représentée. The gate voltage Vg is also shown.

Celle-ci monte à 3 volts au bout de 1 ns à partir du début de la décharge, ce qui correspond à la mise en conduction du transistor bipolaire 14. La tension de grille chute alors par suite de la mise en conduction du transistor bipolaire, réduisant la tension entre le plot 12 et la masse GND. L'augmentation subséquente de courant dans le transistor bipolaire combinée à la résistance série du transistor bipolaire augmente la tension +Vp du plot 12 pour mettre à nouveau en conduction la diode Zener Z environ 3 ns après l'application de la haute tension. La tension de grille Vg est déterminée par les résistances R1 et R2 et le nombre de diodes D. Comme cela est représenté dans la figure, la polarisation de grille Vg ne monte jamais au-dessus de 5 V.En considérant la figure 3, on voit que la tension de retournement du transistor pour un Vg de 5 V est encore inférieure à celle qui existe pour Vg=0 volt.This rises to 3 volts after 1 ns from the start of the discharge, which corresponds to the conduction of the bipolar transistor 14. The gate voltage then drops as a result of the conduction of the bipolar transistor, reducing the voltage between the pad 12 and the GND ground. The subsequent increase in current in the bipolar transistor combined with the series resistance of the bipolar transistor increases the voltage + Vp of the pad 12 to put the Zener Z diode Z back into conduction approximately 3 ns after the application of the high voltage. The gate voltage Vg is determined by the resistors R1 and R2 and the number of diodes D. As shown in the figure, the gate polarization Vg never rises above 5 V. Considering Figure 3, we sees that the reversal voltage of the transistor for a Vg of 5 V is still lower than that which exists for Vg = 0 volt.

On peut obtenir une protection plus efficace contre les surtensions en utilisant deux systèmes de protection ou plus en parallèle. Ceci équivaut électriquement à multiplier la largeur du transistor à effet de champ 10. Pour un circuit intégré MOS de grandes dimensions, plusieurs circuits de protection tels que celui de la figure 5 devraient être placés en divers emplacements du circuit. Si ceci tétait pas effectué, la résistance d'interconnexion entre les divers points du circuit pourrait provoquer l'apparition de tensions dépassant le niveau de sécurité dans certaines parties du circuit. La figure 8 représente un circuit incluant deux systèmes de protection en parallèle, chaque système de protection étant identique à celui de la figure 5.Des caractéristiques identiques à celles de la figure 5 portent des références identiques, celles du second système de protection portant un suffixe a. Plus de deux systèmes de protection pourraient bien entendu être utilisés. Les transistors à effet de champ 10, 10a ne partagent pas le même circuit comparateur 16, 16a étant donné que les systèmes de protection peuvent être répartis à des emplacements différents du circuit intégré MOS à protéger. More effective surge protection can be achieved by using two or more protection systems in parallel. This is electrically equivalent to multiplying the width of the field effect transistor 10. For a large MOS integrated circuit, several protection circuits such as that of FIG. 5 should be placed at various locations in the circuit. If this were not done, the interconnection resistance between the various points of the circuit could cause the appearance of voltages exceeding the safety level in certain parts of the circuit. FIG. 8 represents a circuit including two protection systems in parallel, each protection system being identical to that of FIG. 5. Identical characteristics to those of FIG. 5 bear identical references, those of the second protection system bearing a suffix at. More than two protection systems could of course be used. The field effect transistors 10, 10a do not share the same comparator circuit 16, 16a since the protection systems can be distributed at different locations of the MOS integrated circuit to be protected.

La figure 9 représente les tensions de drain et de grille en fonction du temps pour une décharge de modèle du corps humain de 8 kV, avec deux systèmes de protection en parallèle, tels que décrits en relation avec la figure 8. On peut voir que, pour la tension de drain Vd et la tension de grille Vg, il y a deux pics qui correspondent aux deux instants de mise en conduction des systèmes de protection. Le premier système de protection se met en conduction et, après une chute initiale, les tensions de grille Vg et de drain Vd commencent à augmenter en raison de la résistance série du transistor bipolaire, comme on l'a indiqué précédemment, jusqu'à ce que la tension de drain Vd augmente assez pour que le second système de protection vienne également en conduction. FIG. 9 represents the drain and gate voltages as a function of time for a model discharge of the human body of 8 kV, with two protection systems in parallel, as described in relation to FIG. 8. It can be seen that, for the drain voltage Vd and the gate voltage Vg, there are two peaks which correspond to the two instants of activation of the protection systems. The first protection system goes into conduction and, after an initial fall, the gate Vg and drain Vd voltages begin to increase due to the series resistance of the bipolar transistor, as indicated above, until that the drain voltage Vd increases enough so that the second protection system also comes in conduction.

Une séquence similaire à celle précédemment décrite provoque une augmentation des tensions de grille Vg et de drain
Vd, au niveau de la grille et du drain, et la tension haute appliquée +Vp se décharge. Comme cela est représenté dans l'exemple de la figure 9, la tension de drain ne dépasse jamais 12 V. Le circuit MOS protégé par la structure selon l'invention n'est donc pas endommagé, même par une décharge de 8 kV.
A sequence similar to that previously described causes an increase in the gate voltages Vg and drain
Vd, at the gate and the drain, and the applied high voltage + Vp discharges. As shown in the example in FIG. 9, the drain voltage never exceeds 12 V. The MOS circuit protected by the structure according to the invention is therefore not damaged, even by an 8 kV discharge.

On atteint ainsi, les objets principaux de l'invention. This achieves the main objects of the invention.

Les figures 10A à 10E représentent diverses réalisations physiques possibles d'une diode Zener dans une technologie
CMOS classique.
FIGS. 10A to 10E represent various possible physical embodiments of a Zener diode in a technology
Classic CMOS.

Comme cela est représenté en coupe et en vue de dessus, respectivement en figures 10A et 10C, la diode Zener requise pour le circuit selon l'invention peut être constituée à partir d'une configuration concentrique d'une région 34 fortement dopée de type P+ ; d'une région LDD 36 faiblement dopée de type N ; et d'une région 38 fortement dopée de type N+ dans un caisson N 39 sur un substrat de type P. Ces régions peuvent correspondre à des implantations de source et de drain de transistors à canal P ; à une implantation de drain faiblement dopé (LDD) de type N ; et à des implantations de source et de drain de transistors à canal N, toutes formées dans un caisson classique de type N. Ceci constitue le type préféré de diode Zener pour le mode de réalisation comprenant un transistor MOS sans implantation LDD. As shown in section and in plan view, respectively in FIGS. 10A and 10C, the Zener diode required for the circuit according to the invention can be formed from a concentric configuration of a heavily doped P + type region 34 ; a lightly doped N-type LDD 36 region; and of a heavily doped N + type region 38 in an N 39 well on a P type substrate. These regions can correspond to source and drain implantations of P channel transistors; implantation of a lightly doped drain (LDD) of type N; and to source and drain implantations of N-channel transistors, all formed in a conventional N-type well. This constitutes the preferred type of Zener diode for the embodiment comprising a MOS transistor without LDD implantation.

Une étape de masquage supplémentaire est requise pour séparer l'implantation LDD de type N ou de type P des implan
+ + tations N ou P de source et de drain.
An additional masking step is required to separate the type N or type P LDD implant from the implants
+ + N or P source and drain.

Les figures 10B et 10D représentent respectivement en vue en coupe et en vue de dessus une variante de diode Zener qui pourrait être utilisée dans le circuit selon l'invention. Cette diode Zener peut être formée à partir d'une configuration concentrique d'une région 34 fortement dopée de type P+ ; d'une région 40 faiblement dopée de type P i et d'une région 38 fortement dopée de type N dans un caisson 39 de type N sur un substrat de type P. Ces régions peuvent correspondre aux implantations de source et de drain de transistors à canal P ; à une implantation de drain faiblement dopée (LDD) de type P ; et à l'implantation de source et de drain de transistors à canal N, tous formés dans un caisson N classique sur un substrat de type
P.L'insertion de la diode Zener dans un caisson de type opposé au substrat est nécessaire pour isoler la diode Zener d'autres composants du circuit intégré. La diode Zener pourrait également être formée dans un caisson P sur un substrat de type N.
FIGS. 10B and 10D show respectively in cross-section and in top view a variant of Zener diode which could be used in the circuit according to the invention. This Zener diode can be formed from a concentric configuration of a heavily doped P + type region 34; of a lightly doped region of type P i and of a heavily doped region of type N in a well of type N on a substrate of type P. These regions can correspond to the implantations of source and drain of transistors to P channel; a P-type lightly doped drain implantation (LDD); and the implantation of source and drain of N channel transistors, all formed in a conventional N box on a type substrate
P.Inserting the Zener diode into a box of the type opposite to the substrate is necessary to isolate the Zener diode from other components of the integrated circuit. The Zener diode could also be formed in a P box on a type N substrate.

La figure 10E représente, en coupe, une diode Zener typique produite en technologie CMOS. Une région 42 fortement dopée de type N , correspondant par exemple à l'implantation de source et de drain d'un transistor MOS à canal N, est voisine d'une région 44 fortement dopée de type P , correspondant par exemple aux implantations de source et de drain d'un transistor
MOS à canal P. Ce type de diode Zener a typiquement des densités de dopage d'environ 1020 atomes/cm3 dans les régions 42 et 44 et une tension Zener d'environ 5 V. En plaçant deux régions fortement dopées l'une au voisinage de l'autre, un courant de fuite notable en résulte, dans les conditions de polarisation normale. La diode Zener de la figure 10E ne peut en conséquence pas être utilisée dans le circuit selon l'invention car son courant de fuite provoquerait une fuite inacceptable du plot 12 vers la masse.
FIG. 10E represents, in section, a typical Zener diode produced in CMOS technology. A heavily doped N-type region 42, corresponding for example to the source and drain implantation of an N-channel MOS transistor, is adjacent to a heavily doped P-type region 44, corresponding for example to source implantations and drain a transistor
P-channel MOS This type of Zener diode typically has doping densities of around 1020 atoms / cm3 in regions 42 and 44 and a Zener voltage of around 5 V. By placing two heavily doped regions in the vicinity on the other, a significant leakage current results, under normal polarization conditions. The Zener diode of FIG. 10E cannot therefore be used in the circuit according to the invention because its leakage current would cause an unacceptable leakage from the pad 12 to ground.

Un transistor MOS à canal N à isolement de grille mince avec LDD est très sensible à une contrainte haute tension de son isolant de grille, essentiellement en raison de la présence des régions LDD sous l'électrode de grille. A thin-gate N-channel MOS transistor with LDD is very sensitive to a high-voltage stress from its gate insulator, mainly due to the presence of the LDD regions under the gate electrode.

Pour obtenir un dispositif de protection plus robuste, on peut utiliser un transistor MOS sans LDD. Ce type particulier de transistor est fabriqué en utilisant toutes les étapes classiques, incluant en particulier la formation d'espaceurs adjacents à l'électrode de grille avant la formation des régions de drain et de source. I1 résulte de ces espaceurs qu'il existe une région de semiconducteur des deux côtés de l'électrode de grille qui ne fait partie ni de la région de drain ni de la région de source et qui ne peut faire partie d'un canal d'inversion quand une polarisation de grille est appliquée. En conséquence, ce type de transistor ne peut jamais former un canal entre la source et le drain.L'utilisation d'un tel transistor dans un circuit selon l'invention pour protéger les plots de signal d'entrée ou de sortie évite les problèmes associés à la mise en conduction du canal par couplage capacitif de la grille du transistor MOS. To obtain a more robust protection device, a MOS transistor without LDD can be used. This particular type of transistor is fabricated using all conventional steps, including in particular the formation of spacers adjacent to the gate electrode before the formation of the drain and source regions. It follows from these spacers that there is a semiconductor region on both sides of the gate electrode which is neither part of the drain region nor of the source region and which cannot be part of a channel inversion when a grid bias is applied. Consequently, this type of transistor can never form a channel between the source and the drain. The use of such a transistor in a circuit according to the invention to protect the input or output signal pads avoids the problems associated with the conduction of the channel by capacitive coupling of the gate of the MOS transistor.

De tels transistors MOS sans implantation LDD sont décrits dans "Suppression of soft failures in a submicron CMOS
Process" EOS/ESD Symposium Proceedings, 1993, page 117.
Such MOS transistors without LDD implantation are described in "Suppression of soft failures in a submicron CMOS
Process "EOS / ESD Symposium Proceedings, 1993, page 117.

Cet article expose également que des transistors sans implantation LDD sont moins susceptibles de détériorations par des surtensions répétées que des transistors correspondants avec implantation LDD. This article also explains that transistors without LDD implantation are less susceptible to damage by repeated overvoltages than corresponding transistors with LDD implantation.

Une activation plus rapide du système de protection est obtenue en ajoutant un effet dynamique à un mode de réalisation amélioré du circuit selon l'invention qui peut être réalisé en augmentant la surface de la diode Zener Z. Ceci augmente la capacité de la diode Zener quand elle est à l'étant non conducteur et assure une protection dynamique contre les surtensions. A faster activation of the protection system is obtained by adding a dynamic effect to an improved embodiment of the circuit according to the invention which can be achieved by increasing the surface of the Zener Zode diode. This increases the capacity of the Zener diode when it is non-conductive and provides dynamic protection against overvoltages.

Si une impulsion de tension brutale est appliquée au plot 12, cette impulsion sera transmise par la capacité de la diode Zener Z vers la grille G du transistor 10. Ainsi, la grille est polarisée très rapidement, même avant que la diode Zener Z ne soit devenue conductrice. Ceci signifie que, premièrement, un canal peut être formé dans le transistor MOS pour commencer à décharger la tension croissante avant qu'elle atteigne la tension de seuil minimum de retournement et, deuxièmement, la grille est polarisée aussitôt que possible, de sorte que le retournement survient dès que la tension appliquée atteint la tension minimale de mise en retournement.  If a brutal voltage pulse is applied to pad 12, this pulse will be transmitted by the capacitance of the Zener diode Z to the gate G of the transistor 10. Thus, the gate is polarized very quickly, even before the Zener Z diode is become a driver. This means that, firstly, a channel can be formed in the MOS transistor to start discharging the increasing voltage before it reaches the minimum reversal threshold voltage and, secondly, the gate is biased as soon as possible, so that the rollover occurs as soon as the applied voltage reaches the minimum rollover voltage.

Toutefois, ce mode de réalisation du circuit de protection occupe une surface plus grande du circuit intégré. Ce mode de réalisation réagit plus vite que le mode de réalisation précédent. La caractéristique de réponse d'un tel circuit à des impulsions de tension appliquées dépend de sa constante de temps
RC qui est le produit de la capacité de la diode Zener par la résistance totale de R1 et R2.
However, this embodiment of the protection circuit occupies a larger area of the integrated circuit. This embodiment reacts faster than the previous embodiment. The response characteristic of such a circuit to applied voltage pulses depends on its time constant
RC which is the product of the capacitance of the Zener diode by the total resistance of R1 and R2.

Les figures 11 et 12 représentent l'amélioration des caractéristiques provoquée par l'utilisation d'une diode Zener Z à forte capacité assurant une protection dynamique contre les surtensions. La figure 11 représente les tensions de drain Vd et de grille Vg du transistor à effet de champ dans le circuit selon l'invention avec une diode Zener de 9 V de 300 um2, pendant une décharge d'une charge de 4 kV sur un modèle de corps humain. (Ici la surface de Zener est choisie pour être le produit de la longueur et de la largeur de la région faiblement dopée, 36, 40 en figures 10A et 10B, respectivement). La tension de crête initiale de drain Vd atteint une valeur de 13 volts. Ceci peut suffire à endommager le circuit MOS connecté au dispositif de protection. Figures 11 and 12 show the improvement in characteristics caused by the use of a high capacity Zener Z diode ensuring dynamic protection against overvoltages. FIG. 11 represents the drain voltages Vd and of the gate Vg of the field effect transistor in the circuit according to the invention with a Zener diode of 9 V of 300 um2, during a discharge of a load of 4 kV on a model of human body. (Here the Zener surface is chosen to be the product of the length and the width of the lightly doped region, 36, 40 in Figures 10A and 10B, respectively). The initial peak drain voltage Vd reaches a value of 13 volts. This may be enough to damage the MOS circuit connected to the protection device.

En utilisant le même circuit et la même tension de décharge, mais avec une diode Zener de 600 pin2, on obtient la caractéristique de la figure 12. Le maximum de tension de drain
Vd lors de la mise en conduction de la diode Zener ne dépasse pas 9 volts. La protection est donc assurée.
Using the same circuit and the same discharge voltage, but with a Zener diode of 600 pin2, we obtain the characteristic of figure 12. The maximum drain voltage
Vd when the Zener diode is turned on does not exceed 9 volts. Protection is therefore ensured.

L'utilisation d'implants LDD dans les diodes Zener peut entraîner qu'une étape de masquage photographique plus complexe ou équivalente doit être introduite lors des étapes d'implantation LDD. The use of LDD implants in Zener diodes can entail that a more complex or equivalent photographic masking step must be introduced during the LDD implantation steps.

En utilisant cette étape de masquage, on peut former le transistor à effet de champ sans implantation LDD, décrit cidessus. La suppression des implantations LDD n'affecte pas le niveau ou la variation de la tension de mise en retournement utilisé pour rendre conducteur le transistor bipolaire parasite.  By using this masking step, the field effect transistor can be formed without LDD implantation, described above. The removal of the LDD implantations does not affect the level or the variation of the turning-over voltage used to make the parasitic bipolar transistor conductive.

Bien que l'invention ait été décrite en faisant référence à un nombre limité de modes de réalisation particuliers, de nombreuses variantes apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le circuit comparateur 16 peut être constitué de toute façon appropriée, pourvu qu' une réponse très rapide à une surtension appliquée puisse être assurée. Although the invention has been described with reference to a limited number of particular embodiments, many variants will appear to those skilled in the art. In particular, the comparator circuit 16 can be constituted in any suitable way, provided that a very rapid response to an applied overvoltage can be ensured.

L'invention a été décrite sous forme d'un circuit de protection contre les surtensions, mais trouve des applications dans tout circuit MOS dans lequel un niveau de tension maximale doit être respecté. Le circuit peut donc être utilisé dans toute application où un limiteur de tension est requis dans un circuit intégré de type MOS. The invention has been described in the form of a surge protection circuit, but finds applications in any MOS circuit in which a maximum voltage level must be respected. The circuit can therefore be used in any application where a voltage limiter is required in an integrated circuit of the MOS type.

Bien que l'invention ait été décrite seulement en faisant référence à des transistors MOS de protection à canal N, un fonctionnement similaire peut être obtenu en utilisant un transistor MOS correspondant à canal P et en inversant la polarité de toutes les tensions et de tous les dopants.  Although the invention has been described only with reference to N-channel protective MOS transistors, similar operation can be achieved by using a corresponding P-channel MOS transistor and reversing the polarity of all voltages and all doping.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1. Procédé de protection d'un circuit intégré (15) contre des valeurs excessives d'une tension (+Vp) appliquée entre des premier (12) et second (GND) conducteurs, comprenant les étapes suivantes 1. Method for protecting an integrated circuit (15) against excessive values of a voltage (+ Vp) applied between first (12) and second (GND) conductors, comprising the following steps produire un signal de commande (Vg) à un niveau inactif quand ladite tension est inférieure à un niveau prédéterminé, produce a control signal (Vg) at an inactive level when said voltage is lower than a predetermined level, produire un signal de commande à un niveau actif quand ladite tension dépasse le niveau prédéterminé, le signal de commande provenant de ladite tension, producing a control signal at an active level when said voltage exceeds the predetermined level, the control signal coming from said voltage, appliquer le signal de commande à une borne de grille (G) d'un transistor à effet de champ à grille isolée (10), ayant son drain (D) et sa source (S) connectés aux premier et second conducteurs, respectivement ; un transistor bipolaire parasite (14) connecté de façon inhérente en parallèle sur le transistor à effet de champ à grille isolée devenant conducteur pour un niveau de protection de ladite tension quand le signal de commande est à son niveau actif, et restant non-conducteur au niveau de protection de ladite tension quand le signal de commande est à son niveau inactif. applying the control signal to a gate terminal (G) of an insulated gate field effect transistor (10), having its drain (D) and its source (S) connected to the first and second conductors, respectively; a parasitic bipolar transistor (14) inherently connected in parallel to the insulated gate field effect transistor becoming conductive for a level of protection of said voltage when the control signal is at its active level, and remaining non-conductive at protection level of said voltage when the control signal is at its inactive level. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le niveau inactif est sensiblement égal à la tension du second conducteur. 2. Method according to claim 1, wherein the inactive level is substantially equal to the voltage of the second conductor. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le niveau actif est compris entre le niveau inactif et ladite tension (+Vp). 3. Method according to claim 1, in which the active level is between the inactive level and said voltage (+ Vp). 4. Circuit de protection pour protéger un circuit intégré (15) de valeurs excessivement élevées d'une tension (+Vp) appliquée entre des premier et second conducteurs du circuit intégré, ce circuit de protection comprenant 4. Protection circuit for protecting an integrated circuit (15) of excessively high values of a voltage (+ Vp) applied between first and second conductors of the integrated circuit, this protection circuit comprising un transistor à effet de champ à grille isolée (10) connecté par son drain et sa source, respectivement, entre les premier et second conducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend en outre  an insulated gate field effect transistor (10) connected by its drain and its source, respectively, between the first and second conductors, characterized in that it further comprises un comparateur (16) pour comparer ladite tension (+Vp) à une tension de référence (Vr) et pour fournir en conséquence un signal de commande (Vg) à la borne de grille du transistor, à un niveau actif quand ladite tension (+Vp) dépasse la tension de référence, et à un niveau inactif dans les autres cas a comparator (16) for comparing said voltage (+ Vp) with a reference voltage (Vr) and for consequently supplying a control signal (Vg) to the gate terminal of the transistor, at an active level when said voltage (+ Vp) exceeds the reference voltage, and at an inactive level in other cases un transistor bipolaire parasite (14) connecté de façon inhérente en parallèle sur le transistor à effet de champ à grille isolée ;; a parasitic bipolar transistor (14) inherently connected in parallel on the insulated gate field effect transistor; le niveau actif du signal de commande étant à une tension choisie pour amener le transistor bipolaire parasite en conduction pour un niveau de protection de ladite tension (+Vp) ; le transistor bipolaire parasite restant non-conducteur pour le niveau de protection de ladite tension quand le signal de commande est à son niveau inactif. the active level of the control signal being at a voltage chosen to bring the parasitic bipolar transistor in conduction for a level of protection of said voltage (+ Vp); the parasitic bipolar transistor remaining non-conductive for the level of protection of said voltage when the control signal is at its inactive level. 5. Circuit selon la revendication 4, dans lequel le premier conducteur est à une tension plus positive (+Vp) que le second conducteur. 5. The circuit of claim 4, wherein the first conductor is at a more positive voltage (+ Vp) than the second conductor. 6. Circuit selon la revendication 4, dans lequel le niveau inactif est sensiblement égal à la tension du second conducteur. 6. The circuit of claim 4, wherein the inactive level is substantially equal to the voltage of the second conductor. 7. Circuit selon la revendication 4, dans lequel le niveau actif se trouve entre le niveau inactif et ladite tension (+Vp).  7. The circuit of claim 4, wherein the active level is between the inactive level and said voltage (+ Vp). 8. Circuit selon la revendication 4, dans lequel le comparateur comprend, entre les premier et second conducteurs, la connexion en série d'au moins 8. The circuit of claim 4, wherein the comparator comprises, between the first and second conductors, the series connection of at least une diode Zener (Z), et a Zener diode (Z), and un élément résistif (R1, R2). a resistive element (R1, R2). 9. Circuit selon la revendication 4, dans lequel le comparateur comprend, entre les premier et second conducteurs, la connexion en série d'au moins 9. The circuit of claim 4, wherein the comparator comprises, between the first and second conductors, the series connection of at least une diode Zener (Z), a Zener diode (Z), un élément résistif (R1, R2), et a resistive element (R1, R2), and une ou plusieurs diodes (D).  one or more diodes (D).
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