JP2003504860A - 標準cmosプロセスの高電圧保護回路 - Google Patents
標準cmosプロセスの高電圧保護回路Info
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Abstract
Description
S)プロセスにおけるトランジスタの信頼できる高電圧長期動作を容易にする電
子回路に関するものである。 (背景) 従来のCMOS回路では、正常動作中にnチャネル・トランジスタまたはpチ
ャネル・トランジスタの最大ゲート・ソース間電圧、ゲート・ドレイン間電圧ま
たはドレイン・ソース間電圧が時々電源電圧にほぼ等しくなることがしばしば起
こる。このような状態が起こるのは、例えば標準のCMOSインバータを動作さ
せるときである。トランジスタを標準的なサブミクロンCMOSプロセス(例え
ば特徴寸法(feature size)が0.8μm未満、ゲート酸化膜厚(gate-oxide t
hickness)が150Å未満)で製造する場合で、電源電圧が十分に大きい(例え
ば5V超)とき、nチャネル・トランジスタおよびpチャネル・トランジスタは
両方とも、ホットキャリヤ劣化(hot-carrier degradation )とゲート・ドレイ
ン/ゲート・ソースのオーバラップの酸化膜破壊(oxide breakdown)をこうむる
。このような影響は、電源電圧を下げるか、あるいはより大きい寸法の製造プロ
セスを使うかのどちらかによって回避できるが、反面、そのどちらかを行うのは
、往々にして不便である。例えば、給電レール(supply rail)が1つしか容易に
使用できないこと、またはスペースの制約からサブミクロンのプロセスが要求さ
れることになる場合がある。
エレクトロン動作電圧(characteristic hot-electron operation voltage )よ
り低くなってしまうまでトランジスタの“ターン・オン(turning on)”を遅ら
せることによって、Nチャネル・トランジスタをホットキャリヤ劣化から保護す
る半導体チップ用出力ドライバ回路についての記述がある。しかしながら、この
ような回路は、そのトランジスタ(PチャネルおよびNチャネルの両方共)を高
電圧ストレスの下でのゲート酸化膜絶縁破壊からは保護しない。
タとカスケードに接続し、それで、全電源電圧のほぼ中ほどに中間ノード電圧(
intermediate node voltage )のバイアスをかけることによって、Nチャネル・
トランジスタをホットキャリヤ劣化から保護する回路技術が開示されている。し
かしながら、開示された回路は、高電圧ストレスの下でのゲート酸化膜破壊に対
する保護を提供するものではない。
ル・インバータ(N-channel to N-channel push-pull inverter)におけるホッ
トキャリヤ劣化を回避するための回路が記述されている。ここでもやはり、この
回路はゲート酸化膜絶縁破壊の問題に対する解決となっていない。
ンジスタの両方についてゲート酸化膜絶縁破壊を回避し、また好適には、ホット
キャリヤ劣化を回避するCMOSトランジスタ回路を提供することである。 (発明の概要) 本発明は、ある電圧範囲を取るノードに接続されたゲートを有し、第1電圧レ
ベルで動作するときにホットキャリヤ劣化とゲート酸化膜絶縁破壊を受け易い第
1の少なくとも1個のCMOSトランジスタを組み込む形式のサブミクロンCM
OSプロセスを使って製造される電気回路において、この回路の動作中に上記第
1トランジスタのゲートの最大電圧を低減する回路配置で、上記ゲートとノード
の間に、上記第1電圧レベルより低い電圧でバイアスをかけられた第2トランジ
スタを接続し、それによって、上記第1電圧レベルで動作するときに上記のゲー
ト酸化膜絶縁破壊を回避することからなる改良を提供する。
リヤ劣化を回避する配置で上記第1トランジスタの非ゲート端子(non-gate ter
minal )に接続され、バイアスをかけられた第3トランジスタからなる。
と、Vddより低い電位Vssで第2電圧レールとによって給電されるように設
計されており、前記第1電圧レールと第2電圧レールの一方に接続された第1チ
ャネルタイプの第1トランジスタと、前記第1電圧レールと第2電圧レールのも
う一方に接続された相補型チャネルタイプの第2トランジスタとを有するCMO
Sインバータ回路であって、この第1トランジスタと第2トランジスタのドレイ
ン端子が相互に接続されており、それによって出力ノードを形成し、また上記第
1トランジスタと第2トランジスタのゲートが相互に接続され、それによって入
力ノードが形成され、この入力ノードにVddとVssの間の電圧の変化(volt
age transition)が加わったときに、上記第1トランジスタと第2トランジスタ
がゲート酸化膜絶縁破壊とホットキャリヤ劣化を受けるCMOSインバータ回路
において、上記第1トランジスタのゲートと前記入力ノードの間に同じチャネル
タイプの第3トランジスタを接続し、この第3トランジスタのゲートにVssと
Vddの間のある電圧でバイアスをかけることによって、上記第1トランジスタ
のゲート酸化膜絶縁破壊を回避することからなる改良が提供される。
力ノードとの間に接続された第4トランジスタからなり、この第4トランジスタ
のゲートにVssとVddの間のある電圧でバイアスをかけることによって、上
記第1トランジスタのホットキャリヤ劣化を回避することからなる。
力端子との間に接続された第5トランジスタからなり、この第5トランジスタの
ゲートにVssとVddの間のある電圧でバイアスをかけることによって、上記
第1トランジスタのホットキャリヤ劣化を回避することからなる。 (詳細な説明) 本発明はCMOSインバータに適用されるものとして説明されるが、しかし本
発明は、ゲート酸化膜破壊とホットキャリヤ劣化とを受け易いコンポーネントを
有する他のタイプのトランジスタ回路にも適用し得るものであることが理解され
る。
れたPMOS(M4)トランジスタとNMOS(M1)トランジスタからなる従
来のCMOSインバータである。このような回路の動作は、よく知られているの
で、ここでは詳述しないが、簡単に言えば、インバータの入力ノード13と出力
ノード15は2つの論理状態、論理1と論理0のうちの1つを取る。例えば、入
力が論理1であれば、Vin、すなわち入力ノード13に印加される電圧はVd
dに等しくセットされる。同様に、論理0であれば、VinはVssに等しくセ
ットされ、このVssは一般に0Vである。両トランジスタのゲート・ソース間
電圧、ゲート・ドレイン間電圧およびドレイン・ソース間電圧は、インバータの
論理状態に応じて、電圧レール(voltage rail)25と27の電圧Vddまたは
Vssに等しくなる。インバータが小寸法プロセス(small-dimension process
)、例えば0.6μmで製造されており、また高い電源電圧、例えば10Vで動
作している場合、両トランジスタは、高いゲート・ソース間電圧、ゲート・ドレ
イン間電圧およびドレイン・ソース間電圧のためにホットキャリヤ劣化やゲート
酸化膜絶縁破壊を受ける場合がある。特に、Vin=Vddの電圧を入力ノード
13にかけると、Pチャネル・トランジスタM4はターンオフするのに対し、N
チャネル・トランジスタM1の方はスイッチオンする。従って、ほぼ電圧レール
全体がM4にかかることになり、その結果、引き続き生ずる一方の論理状態から
もう一方の論理状態への移行の間にホットキャリヤ劣化が起こり得ることになる
。その上、同様の電圧がM1のゲート・ソースとM4のゲート・ドレインにかか
ることになるので、ゲート酸化膜絶縁破壊の危険性が存在することになる。
。インバータを形成するのに6個のトランジスタ(3個のNMOS M1、M3
、M5および3個のPMOS M4、M2、M6)が使用される。従来型のイン
バータと同様、入力ノードと出力ノード13、15が2つの論理状態、論理1と
論理0のうちの1つを取る。前と同様、論理1はVddに等しく、論理0はVs
sに等しい。図2の回路においてVdd=10V、Vss=0Vであると仮定し
、かつ、ノード17、19にかかるnゲート(ngate)電圧およびpゲート
(pgate)電圧がVddの半分、すなわち5Vにセットされると仮定する。
NMOSトランジスタおよびPMOSトランジスタのしきい値電圧は、それぞれ
Vthn=0.5VおよびVthp=−0.5Vである。最初はVin=0Vお
よびVout=10Vと仮定する。入力ノード13の電圧Vinが論理0から論
理1に移行する場合、すなわち、Vinが0Vから10Vに変化する場合、トラ
ンジスタM5(NMOS)がターンオンし、ノードtgn21がngateの電
圧−Vthn=4.5Vに達するまで、ノードtgn21を引き上げる。tgn
=4.5V以上のとき、M5のゲート・ソース間電圧はそのしきい値電圧より低
く、よって、M5はターンオフし、従って、tgnはほぼ4.5Vに留まる。こ
の時、トランジスタM1(NMOS)のゲート・ソース間電圧は4.5Vで、M
1はターンオンして、ノードtn23をVssの方に引っ張る。その結果、tn
がVssに近づくと、トランジスタM3(NMOS)がオンになり、Voutを
Vssに引っ張る。すなわち、Vout≒Vssとなり、論理0となる。インバ
ータの上側では、トランジスタM6(PMOS)のゲート・ソース間電圧は−5
Vであり、従ってM6はターンオンし、ノードtgp29をVddに引き上げる
。tgpが結局Vddに達すると、M4(PMOS)のゲート・ソース間電圧は
ゼロになり、M4はターンオフする。結果として、ノードtp31は、トランジ
スタM2(PMOS)の作用によってtpが5.5Vに達するまで引き下げられ
る。tp=5.5Vで、M2のゲート・ソース間電圧はそのしきい値電圧を下回
り、よって、それはターンオフし、従って、tpは5.5Vに留まる。
びドレイン・ソース間電圧は約5.5Vに制限される。最大ゲート・ソース、ゲ
ート・ドレインおよびドレイン・ソース間電圧が10Vである従来のCMOSイ
ンバータと対照的である。換言すれば、電気的ストレスは約半分になり、従って
、ホットキャリヤ劣化やゲート酸化膜絶縁破壊は両方とも著しく減少するという
ことになる。
leakage current )や拡散サブストレート接合漏れ電流(diffusion-substrate
junction leakage current)のような、いくつかの二次的影響(second-order e
ffect)が回路性能に影響を及ぼす可能性があることである。漏れ電流は、ノー
ド電圧をその正常な動作点から離れる方向にドリフトさせ、それによって高電圧
保護効果を低下させることがあり得る。例えば、Vin=10V、Vout=0
Vの場合、M2におけるサブしきい値の漏れ電流が著しい量であれば、tpが0
Vに向かってドリフトする可能性がある。tpが0Vにまでドリフトして下がっ
た場合、M4のドレイン・ソース間電圧は10Vに等しくなる。結果として、M
4は過酷なホットキャリヤ劣化やゲート酸化膜電圧ストレス(gate oxide volta
ge stress)を受けることになる。この問題を阻止し、克服するために、図3に
示す通り、4個の補助トランジスタ(2個のPMOS M8、M9と2個のNM
OS M7、M10)をインバータに挿入する。この補助トランジスタの目的は
、ノード31、29、23、21にかかる電圧tp、tgp、tn、tgnをそ
れぞれ、それらの正常な動作点を越えてドリフトするのを阻止することである。
先の例を使って、Vin=10V、Vout=0Vとした場合、ノード31は、
M4における漏れ電流のために引き下げられる。しかしながら、ノード31の電
圧tpがほぼ4.5Vより低く下がる(すなわち、1つのpしきい値電圧がノー
ドpgateの電圧を下回る)やいなや、トランジスタM9(PMOS)はター
ンオンする。従って、ノード31は、M4における漏れ電流がかなりの量であっ
ても、約4.5Vに留まる。従って、M4のドレイン・ソース間電圧は、10V
ではなくて5.5Vに等しくなり、回路は、そのトランジスタのホットキャリヤ
劣化や絶縁破壊を回避し続ける。トランジスタM7〜M10は普通、正常動作中
はターンオフしており、いずれかのトランジスタの漏れ電流がかなりの量になっ
た時のみ作動することがを注目される。当業者であれば、トランジスタM7〜M
10は、ショットキー・ダイオードまたはバイポーラダイオードまたはバイポー
ラトランジスタまたは高い値の抵抗器によって置き替えることが可能なものであ
り、それでも、同じ保護機能は維持されることが理解されよう。抵抗器を使用す
る場合は、該抵抗器のいずれか1つの値を、ノードにかかる電圧をクランプする
のに十分低いように選定するが、しかし好適には、トランジスタを通って流れる
どんな過大な電流も電力損失になるので、先の要件を条件として可能な限り高い
値に選定する。
発明を組み込むことが可能であることは十分に理解されよう。例えば、図4に則
して図解されるのは、標準的なディジタル論理レベル変換器(digital logic le
vel translator)である。入力“In”および“In_bar”は、低電圧、例
えば1.5Vのディジタル信号である。入力信号は、全電源電圧の振れ幅(supp
ly swing)(例えば10V)を有する反転“Out_bar”信号および非反転
“Out”信号に変換される。図5について説明すると、この図は、本発明を組
み込んだディジタル論理レベル変換器を示す。この回路では、Vddは10Vで
Vpgate=Vngate=5Vとすることが可能である。ノード35に0〜
1.5VのVinの振れがある場合、これは、Outノード37においては0〜
10Vの振れに変換される。本発明によれば、M3〜M6、M20、M21、M
19、M18は、さもなければ生じかねないホットキャリヤ劣化を回避するため
に最大ドレイン・ソース間電圧を下げるように動作し、一方M16およびM17
の方は、最大ゲート・ソース間電圧を下げ、それによって、M13およびM14
におけるゲート酸化膜破壊を防止するように動作する。
rosthesis )等の電気組織刺激治療装置の出力段で使用可能な代表的な電極出力
ドライバ回路(electrode output driver circuit )を示す。ドライバ回路は、
2個のスイッチ39、41と、トランジスタM22、M23からなる電流マイナ
(current minor )によって形成された電流源を有する。本発明によれば、図6
のスイッチング回路は、図7に示す通り、M24およびM25を使って最大ドレ
イン・ソース間電圧を下げ、それによってホットキャリヤ劣化を回避する一方、
M27を組み込んでM26の最大ゲート・ソース間電圧を下げ、それによってゲ
ート酸化膜絶縁破壊を回避するようにして実施することができる。分かり易くす
るため、図3のM7〜M10と同様の仕方で二次的影響に対して保護するのに使
用することが可能な補助トランジスタは図5および7のいずれにも示されていな
い。それでも、当業者であれば、このような回路を包含してよいことは理解され
るであろう。
用を示したに過ぎないことが理解されるべきである。従って、特に述べた実施例
は例示的なもので、本発明の特許請求項に関して制限を加えるものではないと考
えられるべきである。
込んだインバータ回路の回路図である。
ド電圧ドリフト防止回路を組み込んだ回路の回路図である。
電圧レベル変換回路の回路図である。
護回路を組み込んだ回路の回路図である。
Claims (15)
- 【請求項1】 ある電圧範囲を取るノードに接続されるゲートを有し、第1
電圧レベルで動作するときにホットキャリヤ劣化やゲート酸化膜絶縁破壊をこう
むり易い第1の少なくとも1個のCMOSトランジスタを組み込むタイプのサブ
ミクロンCMOSプロセスを使って製造される電気回路において、該回路の動作
中に前記第1トランジスタのゲートにかかる最大電圧を下げる回路配置で、前記
ゲートと前記ノードとの間に、前記第1電圧レベルより低い電圧でバイアスをか
けられた第2トランジスタを接続することによって、前記第1電圧レベルで動作
するときに前記ゲート酸化膜絶縁破壊を回避することを含む改良を含む電気回路
。 - 【請求項2】 さらに、前記第1トランジスタの前記ホットキャリヤ劣化を
回避する回路配置で前記第1トランジスタの非ゲート端子に接続され、バイアス
をかけられる第3トランジスタを含むことを特徴とする請求項1に記載の電気回
路。 - 【請求項3】 前記第2トランジスタのソース端子が前記第1トランジスタ
のゲートに接続されている請求項1または請求項2に記載の電気回路。 - 【請求項4】 前記第2トランジスタの漏れ電流によるノード・ドリフトを
阻止する回路配置で該第2トランジスタのゲートとソースの間に半導体デバイス
が接続されている請求項3に記載の電気回路。 - 【請求項5】 前記半導体デバイスがショットキー・ダイオード、CMOS
トランジスタ、バイポーラダイオードまたはバイポーラトランジスタのいずれか
1つを含む請求項4に記載の電気回路。 - 【請求項6】 前記第2トランジスタのゲートとソースの間に抵抗体が接続
されており、該抵抗体が前記第2トランジスタの漏れ電流によるノード・ドリフ
トを阻止するように選択された値の抵抗体である請求項3に記載の電気回路。 - 【請求項7】 電位Vddで第1電圧レールと、Vddより低い電位Vss
で第2電圧レールとによって給電され、かつ前記第1電圧レールと第2電圧レー
ルの一方に接続される第1チャネルタイプの第1トランジスタと、前記第1電圧
レールと第2電圧レールの他方に接続される相補型チャネルタイプの第2トラン
ジスタとを有するように設計されるCMOSインバータ回路であって、前記第1
トランジスタと第2トランジスタのドレイン端子が相互に接続されることによっ
て出力ノードを形成し、かつ該第1トランジスタと第2トランジスタのゲートが
相互に接続されることによって入力ノードが形成され、該入力ノードにVddと
Vssの間の電圧の移行が生じたときに、前記第1トランジスタと第2トランジ
スタがゲート酸化膜絶縁破壊やホットキャリヤ劣化をこうむるCMOSインバー
タ回路において、 前記第1トランジスタのゲートと前記入力ノードとの間に前記第1トランジス
タと同じチャネルタイプの第3トランジスタを接続し、該第3トランジスタのゲ
ートにVddとVssの間の電圧でバイアスをかけることによって、前記第1ト
ランジスタの前記ゲート酸化膜絶縁破壊を回避することを含む改良を含むCMO
Sインバータ回路。 - 【請求項8】 さらに、前記第2トランジスタのゲートと前記入力端子の間
に該第2トランジスタと同じチャネルタイプの第4トランジスタが接続されてお
り、該第4トランジスタのゲートにVssとVddの間の電圧でバイアスをかけ
ることによって、前記第2トランジスタの前記ゲート酸化膜絶縁破壊を回避する
請求項7に記載の回路。 - 【請求項9】 さらに、前記第1トランジスタのドレインと前記出力ノード
の間に第5トランジスタが接続されており、該第5トランジスタのゲートにVs
sとVddの間の電圧でバイアスをかけることによって、前記第1トランジスタ
の前記ホットキャリヤ劣化を回避する請求項7に記載の回路。 - 【請求項10】 さらに、前記第2トランジスタのドレインと前記出力ノー
ドの間に第6トランジスタが接続されており、該第6トランジスタのゲートにV
ssとVddの間の電圧でバイアスをかけることによって、前記第2トランジス
タの前記ホットキャリヤ劣化を回避する請求項9に記載の回路。 - 【請求項11】 さらに、第3、第4、第5および第6のトランジスタのい
ずれか1つのゲートとソースの間に第7半導体デバイスが接続されることによっ
て、前記第3、第4、第5および第6のトランジスタの前記1つの漏れ電流によ
るノード・ドリフトを阻止する請求項10に記載の回路。 - 【請求項12】 さらに、第3、第4、第5および第6のトランジスタのい
ずれか1つのゲートとソースの間に抵抗体が接続されており、該抵抗体が前記第
3、第4、第5および第6のトランジスタの前記1つの漏れ電流によるノード・
ドリフトを阻止するように選択された値の抵抗体である請求項10に記載の回路
。 - 【請求項13】 前記第7半導体デバイスがショットキー・ダイオード、C
MOSトランジスタ、バイポーラダイオード、バイポーラトランジスタのいずれ
か1つを含む請求項11に記載の回路。 - 【請求項14】 前記回路がさらにレベル変換回路として構成される請求項
1〜6のいずれか1項に記載の回路。 - 【請求項15】 前記回路がさらに切り換え可能な電流源として構成される
請求項1〜6のいずれか1項に記載の回路。
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