JP2005072607A - 静電気保護素子とパワークランプで構成された入出力静電気放電保護セルを具備する集積回路装置 - Google Patents

静電気保護素子とパワークランプで構成された入出力静電気放電保護セルを具備する集積回路装置 Download PDF

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Abstract

【課題】入出力静電気放電I/O ESD保護セルを具備する集積回路装置を提供する。
【解決手段】I/Oパッドと電源電圧VDDライン間に接続されたVDD静電気放電ESD保護素子、I/Oパッドと接地電圧VSSライン間に接続されたVSS ESD保護素子及びVDDライン及びVSSライン間に接続されたパワークランプ素子で構成されたI/O ESD保護セルを含む集積回路装置。I/O ESD保護セルでVDD ESD保護素子、パワークランプ素子及びVSS ESD保護素子は各素子が一直線に連結されるように隣接するか、一部重畳して配置される。
【選択図】図2

Description

本発明は静電気放電(ESD:Electro Static Discharge)保護回路を具備する集積回路装置に係り、特に、狭い面積を占めながらもESD保護特性を充足させうる入出力I/O ESD保護セルを具備する集積回路装置に関する。
一般的にESD保護レベルはESD保護回路、ESD保護回路を実際の集積回路素子として具現するためのレイアウト、及び製造工程により決定される。ところが、ESD評価規格は集積回路装置の種類に関係なく同じである一方、集積回路装置の高集積化によって集積回路装置のサイズはだんだんと小さくなり、製造工程はだんだんと複雑になるので、製造工程によって決定される基本的なレイアウトデザインルールを使用して狭い面積に効果的にESD保護特性が具現できるESD保護回路の開発が必要である。
現在、殆どの集積回路装置では帯電した人または金属機器が集積回路装置に接触した時に、電荷を集積回路装置に放電することによって静電気が集積回路装置の外部から内部にストレスをあたえるHBM(Human Body model)とMM(Machine Model)によって素子の電気的特性が変化するか、劣化または破壊されて非正常的な動作がおきることを防止するためのESD保護回路を各パッドの側に具備する。
図1は、従来の集積回路装置に広く使われるESD保護回路を示す。集積回路装置は電源電圧VDDパッド1aに連結されたVDDライン1と接地電圧VSSパッド2aに連結されたVSSライン2を含む。入出力(I/O) ESD保護セル3はI/Oパッド3aと直接連結されたVDD ESD保護素子3bとVSS ESD保護素子3cで構成される。一方、VDD パッド1aとVSS パッド2a間にも相互間に静電気が流れる経路を作るパワークランプ4が連結されている。
DD ESD保護素子3bとVSS ESD保護素子3cとしてはダイオードD1、D2が広く使われる。ダイオードD1、D2は順方向特性は非常に優秀であるが、逆方向特性はよくないために、ダイオードD1、D2をESD保護素子として使用するためには面積を十分に大きくしなければならない。ところが、集積回路装置がだんだんと高集積化、微細化されながらI/O ESD保護セル3が形成される領域のピッチ及び面積も減少するので、ダイオードD1、D2が形成される面積も減少して与えられた面積内でESD保護特性を満足させることが難しくなっている。
本発明が解決しようとする技術的課題は、狭い面積を占めながらもESD保護特性を充足させうるI/O ESD保護セルを具備する集積回路装置を提供することである。
前記技術的課題を達成するための本発明の実施例による集積回路装置はI/Oパッドと電源電圧VDD ライン間に接続されたVDD ESD保護素子、I/Oパッドと接地電圧VSSライン間に接続されたVSS ESD保護素子、及びVDD ライン及び前記VSSライン間に接続されたパワークランプ素子で構成されたI/O ESD保護セルを含む。I/O ESD保護セルでVDD ESD保護素子、パワークランプ素子及びVSS ESD保護素子は各素子が一直線に連結されるように隣接するか、一部重畳されて配置される。
前記技術的課題を達成するための本発明の一実施例による集積回路装置は第1導電型の基板内に形成された第2導電型のウェル内に形成され、I/Oパッドに連結された前記第1導電型のアクティブ領域と電源電圧VDD ラインに連結された前記第2導電型のアクティブ領域とよりなったVDD ESD保護素子、前記第1導電型の基板内に形成された第2導電型のウェル内に形成され、前記VDDラインに連結された前記第2導電型のアクティブ領域と接地電圧VSSラインに連結された前記第1導電型のアクティブ領域とよりなったパワークランプ素子、及び前記第1導電型の基板内に形成された前記第1導電型のウェル内に形成され、前記VSSラインに連結された前記第1導電型のアクティブ領域と前記I/Oパッドに連結された前記第2導電型のアクティブ領域とよりなったVSS ESD保護素子を含むI/O ESD保護セルを含む。
前記技術的課題を達成するための本発明の他の実施例による集積回路装置は、第1導電型の基板内に形成された第2導電型のウェル内に形成され、I/Oパッドに連結された前記第1導電型のアクティブ領域と電源電圧VDDラインに連結された前記第2導電型のアクティブ領域とよりなったVDD ESD保護素子、前記第1導電型の基板内に形成された第1導電型のウェル内に形成され、VDDラインに連結された前記第2導電型のアクティブ領域と接地電圧VSSラインに連結された前記第1導電型のアクティブ領域とよりなったパワークランプ素子及び前記第1導電型の基板内に形成された前記第1導電型のウェル内に形成され、前記VSSラインに連結された前記第1導電型のアクティブ領域と前記I/Oパッドに連結された前記第2導電型のアクティブ領域とよりなったVSS ESD保護素子を含むI/O ESD保護セルを含む。
前記技術的課題を達成するための本発明のさらに他の実施例による集積回路装置は、第1導電型の基板内に形成された第2導電型のウェル内に形成され、第1チャンネル領域を定義するように離隔され、少なくとも1つは入出力I/Oパッドに連結され、残りは電源電圧VDDラインに連結される前記第1導電型のアクティブ領域と前記第1チャンネル領域上に形成された第1ゲートとよりなったVDD ESD保護素子、前記第1導電型の基板内に形成された前記第1導電型のウェル内に形成され、第2チャンネル領域を定義するように離隔され、1つは前記VDDラインに連結され、残りは接地電圧VSSラインに連結される前記第2導電型のアクティブ領域及び前記第2チャンネル領域上に形成された第2ゲートとよりなるか、前記第1導電型の基板内に形成された前記第2導電型のウェル内に形成され、前記第2チャンネル領域を定義するように離隔され、1つは前記VDDラインに連結され、残りは前記VSSラインに連結される前記第1導電型のアクティブ領域及び前記第2チャンネル領域上に形成された第2ゲートよりなるパワークランプ素子及び前記第1導電型の基板内に形成された前記第1導電型のウェル内に形成され、第3チャンネル領域を定義するように離隔され、少なくとも1つはI/Oパッドに連結され、残りは前記VSSラインに連結される前記第2導電型のアクティブ領域と前記第3チャンネル領域上に形成された第3ゲートとよりなったVSS ESD保護素子を含むI/O ESD保護セルを含む。
本発明の実施例による集積回路装置は、集積回路装置のサイズが減少して各I/O ESD保護セルの面積が狭くてもI/O ESD保護セルに具備されたパワークランプ素子がESD電流分類パスを形成し、各I/O ESD保護セル毎に具備されたパワークランプが並列に連結されて非常に大きいESD電流が処理できる。したがって、本発明による集積回路装置は面積を効率的に使用しながらも安定したESD保護特性が得られる。具体的に、本発明によるLDI製品の場合、HBM4000VとMM500Vとの評価規格を満足させることが確認できた。
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを解決する方法は図面と共に詳細に説明されている実施例を参照すれば、明らかになる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものでなく、相異なる多様な形態に具現されるものであり、単に本実施例は本発明の開示を完全にし、当業者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇により定義されるだけである。明細書全体にわたって同一参照符号は同一構成要素を示す。
本発明による集積回路装置はI/Oパッドに直接連結されたVSS ESD保護素子とVDD ESD保護素子、及びVSS ラインとVDD ラインとを連結するパワークランプ素子を具備するI/O ESD保護セルを含む。各I/Oパッドに連結されるESD保護素子が形成される面積は狭いが、I/O ESD保護セルにパワークランプ素子が存在して静電気をバイパスさせる電流分類パスを形成するので、実際には非常に広い面積を有するESD保護素子がI/Oパッドに連結されているように動作する。また、複数のI/O ESD保護セルそれぞれに具備されたパワークランプが並列に連結されるために特定I/OパッドにESDが加わった時に複数のI/O ESD保護セルそれぞれに具備されたパワークランプが並列にターンオンになってこれらの累積効果によって非常に大きいESD電流が処理できる。したがって、面積を効率的に使用しながらも安定的なESD保護特性が得られる。特に、本発明の特定実施例ではI/Oパッドの下部にI/O ESD保護セルを具備することによって集積回路装置のサイズを最小化する。
本発明のI/O ESD保護セルが適用される集積回路装置は、高集積半導体メモリ装置、プロセッサ、MEM's(Micro Electro Mechanical)装置、光電子装置などの微細電子装置である。特に、LDI(LCD Driver IC)などのようにパッドピッチが非常に小さく、ESD保護素子が形成される面積が狭い装置に効果的に適用されうる。
図2は、本発明によるI/O ESD保護セルを具備する集積回路装置の回路図である。
集積回路装置は、VDDパッド60aに連結されたVDDライン60とVSSパッド70aに連結されたVSSライン70を含む。I/O ESD保護セル30はVDDライン60とI/Oパッド90間に接続されたVDD ESD保護素子32とVSSライン70とI/Oパッド90間に接続されたVSS ESD保護素子34及びVDDライン60とVSSライン70間に接続されたパワークランプ素子36を含む。VDDパッド60aとVSSパッド70a間にも相互間に静電気が流れる経路を作るパワークランプ素子40とが連結されている。
各ESD保護素子32、34とパワークランプ素子36、40でダイオードD1、D2、D3、D4を例示したが、ダイオードの以外にもMOSトランジスタ、フィールド酸化膜トランジスタ、バイポーラトランジスタ、サイリスタなどが使われうることは言うまでもない。
図3A及び図3Bは、図2に示されている本発明による集積回路装置と従来の集積回路装置でESDをバイパスさせる電流経路を同時に示した回路図である。
図3A及び図3Bは、ダイオードの特性に影響を及ぼす逆方向バイアスが印加される場合を示したものであり、図3Aは、VDDをフローティングさせ、VSSを接地に連結した後、正のESDイベントを加える場合であり、図3Bは、VDDを接地に連結し、VSSをフローティングさせた後、負のESDイベントを加える場合である。
図3Aを参照すれば、従来の集積回路装置では順方向バイアスされたD1を経てD4が逆方向降伏電圧にブレークダウンされながら形成される経路(1)とD2が逆方向降伏電圧にブレークダウンされながら形成される経路(2)をしたがって静電気がバイパスされる一方、本発明の集積回路装置では2つの経路(1、2)以外に順方向バイアスされたD1を経てパワークランプ素子であるD3が逆方向降伏電圧にブレークダウンされながら形成される新しい経路(3)が形成され、(3)番経路が(2)番経路よりさらに有利になる。
図3Bの場合にも、従来の集積回路装置では2つの経路(1、2)が静電気放電に寄与するが、本発明のESD保護回路では2つの経路(1、2)以外にパワークランプ素子であるD3を通じた(3)番経路が形成され、(2)番経路よりさらに有利になる。
図3A及び図3Bに示されているように、本発明による集積回路装置の場合、ESD電流経路がI/O ESD保護セルに具備されたパワークランプ素子を通じて分路される。その結果、実際には非常に広い面積を有するESD保護素子がI/Oパッドに連結されているように動作する。したがって、集積回路装置のパワーパッドの数ほどパワークランプが基本的に存在し、I/Oパッドの数ほどパワークランプ素子がさらに存在するので、I/O ESD保護セルを構成する素子のサイズが小さくても非常に大きいESD電流が処理できる。
以下、図2に示されている回路が具現された集積回路装置の多様な実施例に対して説明する。
図4Aは、本発明の第1実施例による集積回路装置100の概略図であり、図4B及び図4Cは、1つのI/O ESD保護セル130のレイアウトであり、図4Dは、図4CのD−D'線に沿って切断した断面図である。
図4Aに示されているように本発明の一実施例による集積回路装置100は各I/Oパッド90別にI/O ESD保護セル130を具備する。ESD保護セル130はI/Oパッド90の側に位置でき、少なくともその一部がI/Oパッド90の下部に位置するか全部がI/Oパッド90の下部に位置することもできる。これに対しては後述する。I/O ESD保護セル130のピッチP及び高さHはI/Oパッド90のピッチP及び高さHにより決定される。
図4Bと図4Cは、I/O ESD保護セル130のピッチは同一であるが、高さが異なる場合を示す。図4Bのように高さH1が低い場合にはI/O ESD保護セル130の面積を狭く形成せねばならないが、図4Cのように高さH2が高い場合にはI/O ESDセル130の面積を広めてESD保護特性を増大させうる。
I/O ESD保護セル130でVDD ESD保護素子132、パワークランプ素子136及びVSS ESD保護素子134は各素子の中心C1、C2、C3が一直線に連結されるように隣接配置されて最小面積を占めさせる。また、各素子の中心C1、C2、C3を連結した線L_symに対して線対称に配置される。
図4C及び図4Dを参考すれば、第1実施例によるI/O ESD保護セル130ではパワークランプ素子136がVDD ESD保護素子132とVSS ESD保護素子134と分離形成される。このように分離形成される場合、寄生的なESD電流パスの影響が防止できる。また、パワークランプ素子136はVDD ESD保護素子132とVSS ESD保護素子134間に配置される。このように配置する場合、VDDライン60とVSSライン70の効果的な配置が可能である。
また、図4Dの下部に共に示された回路図のようにVDD ESD保護素子132とVSS ESD保護素子134がそれぞれ並列に連結された2つのダイオードで構成される場合、ESD電流パスが分類されるので、ESD保護特性がさらに向上する。図面では2つのダイオードが並列に連結された場合を示したが、面積に余裕があれば、2つ以上の複数のダイオードが並列に連結されることがさらに望ましい。
保護素子132、134とパワークランプ素子136とはそれぞれ第1導電型、例えばP型基板101に形成された独立的な第1導電型のPウェル120及び第2導電型のN−ウェル110の中に形成される。
DD ESD保護素子132はN―ウェル110とN+アクティブ領域115及びP+アクティブ領域125で構成されたダイオードである。N+アクティブ領域115とP+アクティブ領域125は所定距離離隔されてN−ウェル110内に形成される。N+アクティブ領域115は各P+アクティブ領域125を取り囲む閉ループ形態に構成される。P+アクティブ領域125はI/Oパッド90に連結されてダイオードD1のアノードを構成し、N+アクティブ領域115はVDDライン60に連結されてN―ウェル110と共にダイオードD1のカソードを構成する。
SS ESD保護素子134はN−ウェル110とN+アクティブ領域115及びP−ウェル120とP+アクティブ領域125で構成されたダイオードである。P+アクティブ領域125はN+アクティブ115と所定距離離隔されてN+アクティブ115を取り囲む閉ループ形態に構成される。P+アクティブ領域125はVSSライン70に連結されてP−ウェル120のようにダイオードD2のアノードを構成し、N+アクティブ領域115はI/Oパッド90に連結されてN−ウェル110と共にダイオードD2のカソードを構成する。N−ウェル110がN+アクティブ115を取り囲んでいるために、ダイオードD2のESD保護特性が向上する。
図面ではP−ウェル120とN−ウェル110との深さが同一に示されているが、P−ウェル120内にN−ウェル110が形成され、P−ウェル120の深さがさらに深くてP−ウェル120がN−ウェル110を完全に取り囲むように形成しても、N−ウェル110の深さがより深くてN−ウェル110内にP−ウェル120が形成してもよい。
パワークランプ素子136はN−ウェル110とN+アクティブ領域115及びP+アクティブ領域125で構成されたダイオードである。N+アクティブ領域115とP+アクティブ領域125とは所定距離離隔されてN−ウェル110内に形成される。N+アクティブ領域115はP+アクティブ領域125を取り囲む閉ループ形態に構成される。P+アクティブ領域125はVSSライン70に連結されてダイオードD3のアノードを構成し、N+アクティブ領域115はVDDライン60に連結されてN−ウェル110と共にダイオードD3のカソードを構成する。
N−ウェル110がN+アクティブ領域115を取り囲んでいるので、各ダイオードの特性が向上する。また、N+アクティブ領域115の面積を十分に確保できるために、パワークランプ素子136の役割を増大させうる。
図5Aないし図5Dは、本発明の第1実施例によるI/O ESD保護セル130を構成する素子と連結されるVDD配線160及びVSS配線170及びI/Oパッド190を形成するために使われるレイアウトである。具体的に、図5Aは、アクティブ領域115、125を露出させるコンタクトホール150を形成するためのレイアウトであり、図5Bは、VDDライン160及びVSSライン170とI/Oパッドと連結される中間パッド180を形成するためのレイアウトであり、図5Cは、I/Oパッド190を中間パッド180に連結するためのビア185のレイアウトであり、図5Dは、I/Oパッド190のレイアウトである。
図6は、図5Aないし図5Dのレイアウトを使用して完成した集積回路装置の断面図である。図面でコンタクトホール及びビアが形成される層間絶縁膜は図示を省略した。
図6を参照すれば、各アクティブ領域115、125がコンタクトホール150を埋め込む導電性プラグ152を通じてVDDライン160及びVSSライン170、そして中間パッド180と連結される。I/Oパッド190はビア185を埋め込む導電性プラグ187を通じて中間パッド180と連結される。図6に示されているように、I/Oパッド190の下部にI/O ESD保護セル130が存在する構造(PAD on ESD構造)が集積回路装置のサイズ縮少に非常に効果的である。なぜなら、集積回路装置のサイズ縮少によってI/Oパッド190のピッチが減少しても、I/Oパッド190の特性をそのまま維持するためにI/Oパッド190の高さはそのまま維持するか、かえって高くなるためにI/O ESD保護セル130の面積を最大に広めうる長所がある。
もちろん場合によってはI/O ESD保護セル130の少なくともその一部がI/Oパッド190の下部に位置するように変形されるか、図7に示されているように、I/O ESD保護セル130が形成されるのに十分な面積確保が可能であれば、I/Oパッド190の側にI/O ESD保護セル130が存在し、I/Oパッド190とI/O ESD保護セル130とは配線195により連結される場合もある。
図8は、第1実施例の変形例100'であって、VSS ESD保護素子134をN−ウェルなしにP−ウェル内にのみ形成した場合を示す断面図である。VSS ESD保護素子134形成のための工程条件の調節だけでも所望のESD保護特性が達成できれば、図8のようにN−ウェルの形成が省略できる場合もある。
図9Aは、本発明の第2実施例による集積回路装置200を構成するI/O ESD保護セル230のレイアウトであり、図9Bは、図9AのB−B'線に沿って切断した断面図である。
第2実施例によるI/O ESD保護セル230ではパワークランプ素子236がP−ウェル120内に形成されたN+アクティブ領域115及びP−ウェル120とP+アクティブ領域125とで構成されたダイオードという点で第1実施例と差がつく。ESD保護特性の向上のために、N+アクティブ領域115をN−ウェル110が取り囲む。N+アクティブ領域115とP+アクティブ領域125は所定距離離隔されてP−ウェル120内に形成される。そして、P+アクティブ領域125がN+アクティブ領域115を取り囲む閉ループ形態に構成される。P+アクティブ領域125はVSSライン70に連結されてP−ウェル120と共にダイオードD3のアノードを構成し、N+アクティブ領域115はVDDライン60に連結されてN−ウェル110と共にダイオードD3のカソードを構成する。
第2実施例でもパワークランプ素子236が保護素子232、234から分離されているために、寄生的なESD電流パスの影響が防止でき、N−ウェル110がN+アクティブ領域115を取り囲んでいるので、パワークランプ素子236の効率性が増大される。
図10は、第2実施例の変形例200'であって、VSS ESD保護素子234をN−ウェルなしにP−ウェル120内にのみ形成した場合を示す断面図である。VSS ESD保護素子234形成のための工程条件の調節だけでも所望のESD保護特性が達成できれば、図10のようにN−ウェルの形成を省略することもできる。
図11Aは、本発明の第3実施例による集積回路装置300を構成するI/O ESD保護セル330のレイアウトであり、図11Bは、図11AのB−B'線に沿って切断した断面図である。第3実施例によるI/O ESD保護セル330ではパワークランプ素子336がVSS ESD保護素子334が一部重畳配置される点において第2実施例と差がある。このように配置する場合、I/O ESDセル130の形成領域が最小化できる長所がある。すなわち、第3実施例の場合、I/O ESDセル130の面積が非常に狭い高速集積回路装置300で良好なESD特性のI/O ESDセル130を具現するのに効果的に適用できる。
パワークランプ素子336とVSS ESD保護素子334はP−ウェル120とP+アクティブ領域125とを一部共有する。VDD ESD保護素子332は第2実施例と同一である。
図12は、第3実施例の変形例300’であって、パワークランプ素子336とVSS ESD保護素子334とをN−ウェルなしにP−ウェル120内にのみ形成した場合を示す断面図である。
図13Aは、本発明の第4実施例による集積回路装置400を構成するI/O ESDセル430のレイアウトであり、図13Bは、図13AのB−B'線に沿って切断した断面図である。
第4実施例による集積回路装置のI/O ESDセル430はパワークランプ素子436とDD ESD保護素子432及びVSS ESD保護素子434がMOSトランジスタで構成される点で第1ないし第3実施例と差がある。
図13Bの下部に共に示された回路図のようにVDD ESD保護素子432とVSS ESD保護素子434がそれぞれ並列に連結された2つのMOSトランジスタで構成される場合、ESD電流パスが分類されるので、ESD保護特性がさらに向上する。図面では、2つのMOSトランジスタが並列に連結された場合を示したが、面積が許せば、2つ以上の複数のMOSトランジスタが並列に連結されることがさらに望ましい。
第4実施例による集積回路装置のI/O ESDセル430でパワークランプ素子436はVDD ESD保護素子432及びVSS ESD保護素子434と分離されて形成される。
保護素子432、434とパワークランプ素子436とはP型基板101に形成されたそれぞれの独立的なウェル内に形成される。VDD ESD保護素子432はN−ウェル110内に、VSS ESD保護素子434はP−ウェル120内に、パワークランプ素子436はP−ウェル120内にそれぞれ形成される。
DD ESD保護素子432はチャンネル領域を定義するように所定距離離隔されて配置されたP+アクティブ領域125及びチャンネル領域上にゲート酸化膜410を介在して形成されたゲート電極420よりなったPMOSトランジスタで構成される。所定距離離隔されて形成された3つのP+アクティブ領域125のうち真中のP+アクティブ領域125はI/Oパッド90に残りの2つのP+アクティブ領域125はVDD ライン60に連結されてソース/ドレインとして機能する。ゲート電極420はVDD ライン60に連結されて正常動作時にPMOSトランジスタがターンオンになることを防止する。P+アクティブ領域125全体で構成されたアウトラインと所定距離離隔されて閉ループ形態に取り囲むようにN+アクティブ領域115が形成され、このN+アクティブ領域115がVDD ライン60に連結されてESD動作ではパッド90とダイオード動作を行い、正常な動作ではラッチアップ防止役割をする。
SS ESD保護素子434はチャンネル領域を定義するように所定距離離隔されて配置されたN+アクティブ領域115及びチャンネル領域上にゲート酸化膜410を介在して形成されたゲート電極420よりなったNMOSトランジスタで構成される。所定距離離隔されて形成された3つのN+アクティブ領域115のうち真中にN+アクティブ領域115はI/Oパッド90に残りのN+アクティブ領域115はVSSライン70に連結されてソース/ドレインとして機能する。ゲート電極420はVSS ライン70に連結されて正常動作時にNMOSトランジスタがターンオンになることを防止する。N+アクティブ領域115全体で構成されたアウトラインと所定距離離隔されて閉ループ形態に取り囲むようにP+アクティブ領域125が形成され、このP+アクティブ領域125がVSS ライン70に連結されてESD動作ではパッド90とダイオード動作をし、正常な動作ではラッチ業防止役割をする。
パワークランプ素子436はチャンネル領域を定義するように所定距離離隔されて配置されたN+アクティブ領域115及びチャンネル領域上にゲート酸化膜410を介在して形成されたゲート電極420よりなったNMOSトランジスタで構成される。2つのN+アクティブ領域115がそれぞれVDDライン60及びVSSライン70に連結されてソース/ドレインとして機能する。ゲート電極420はVSSライン70に連結されて正常動作時にトランジスタがターンオンになることを防止する。
図13Bではパワークランプ素子436がP−ウェル120内に形成されたNMOSトランジスタの場合を示しているが、パワークランプ素子436はN−ウェル110内に形成されたP+アクティブ領域115よりなったPMOSトランジスタで構成されることもできる。PMOSトランジスタで構成される場合、パワークランプ素子436のゲート電極420はVDDライン60に連結されて正常動作時にトランジスタがターンオンになることを防止する。
図14は、第4実施例の変形例400'であって、VSS ESD保護素子434とパワークランプ素子436とを共通P−ウェル120に形成した場合を示した断面図である。
一方、図13A及び図13Bでチャンネル領域相談ゲート酸化膜410のみフィールド酸化膜に代替すれば、フィールドトランジスタで構成されたI/O ESD保護セルが構成できる。
また、各実施例毎に何れも同一素子で構成された場合のみを示したが、前記VDDESD保護素子、前記パワークランプ素子及び前記VSS ESD保護素子を異なる素子で構成できることは言うまでもない。例えば、VDD ESD保護素子とVSS ESD保護素子とはダイオードで構成し、パワークランプ素子はトランジスタで構成することもでき、それ以外の多様な組合わせが可能であることは言うまでもない。
また、第2実施例ないし第4実施例のI/O ESD保護セルを構成する素子と連結されるVDD配線及びVSS配線及びI/O パッドは図5Aないし図5Dに示されたレイアウトを各実施例に適するように変形して形成できる。
図面及び実施例には、本発明の典型的な望ましい実施例が開示され、特定な用語を使用しているが、これらはただ一般的に、描写的な意味で使われたものであって、特許請求の範囲によって定められる本発明の思想を制限するために使われたものではない。
本発明は入出力静電気放電保護セルを具備する集積回路装置を製造する産業に利用可能である。
従来の集積回路装置に使われるESD保護回路の回路図である。 本発明によるI/O ESD保護セルを具備する集積回路装置の回路図である。 本発明による集積回路装置と従来の集積回路装置でESDをバイパスさせる電流経路を同時に示す回路図である。 本発明による集積回路装置と従来の集積回路装置でESDをバイパスさせる電流経路を同時に示す回路図である。 本発明の第1実施例による集積回路装置の概略図である。 I/O ESD保護セルのレイアウトである。 I/O ESD保護セルのレイアウトである。 図4CのD−D'線に沿って切断した断面図である。 本発明の第1実施例によるI/O ESD保護セルを構成する素子と連結される配線及びI/Oパッドを形成するために使われるレイアウトである。 本発明の第1実施例によるI/O ESD保護セルを構成する素子と連結される配線及びI/Oパッドを形成するために使われるレイアウトである。 本発明の第1実施例によるI/O ESD保護セルを構成する素子と連結される配線及びI/Oパッドを形成するために使われるレイアウトである。 本発明の第1実施例によるI/O ESD保護セルを構成する素子と連結される配線及びI/Oパッドを形成するために使われるレイアウトである。 図5Aないし図5Dのレイアウトを使用して完成した集積回路装置の断面図である。 I/Oパッドとの他の連結関係を示す集積回路装置の断面図である。 第1実施例の変形例を示す断面図である。 本発明の第2実施例による集積回路装置を構成するI/O ESD保護セルのレイアウトである。 図9AのB−B'線に沿って切断した断面図である。 第2実施例の変形例を示す断面図である。 本発明の第3実施例による集積回路装置を構成するI/O ESD保護セルのレイアウトである。 図11AのB−B'線に沿って切断した断面図である。 第3実施例の変形例を示す断面図である。 本発明の第4実施例による集積回路装置を構成するI/O ESDセルのレイアウトである。 図13AのB−B'線に沿って切断した断面図である。 第4実施例の変形例を示す断面図である。
符号の説明
30 I/O ESD保護セル
32 VDD ESD保護素子
34 VSS ESD保護素子
36 パワークランプ素子
40 パワークランプ素子
60 VDDライン
60a VDDパッド
70 VSSライン
70a VSSパッド
90 I/Oパッド
DD 電源電圧
SS 接地電圧
D1、D2、D3、D4 ダイオード





Claims (33)

  1. 入出力(I/O)パッドと電源電圧VDDライン間に接続されたVDD静電気放電(ESD)保護素子と、
    前記I/Oパッドと接地電圧VSSライン間に接続されたVSS ESD保護素子と、
    前記VDDライン及び前記VSSライン間に接続されたパワークランプ素子より構成されたI/O ESD保護セルと、を含み、
    前記I/O ESD保護セルで前記VDD ESD保護素子、前記パワークランプ素子及び前記VSS ESD保護素子は各素子が一直線に連結されるように隣接するか、一部重畳されて配置されたことを特徴とする集積回路装置。
  2. 前記集積回路装置は前記I/Oパッドを複数具備し、前記I/Oパッド別に前記I/O ESD保護セルをそれぞれ具備し、
    前記I/O ESD保護セルのピッチ及び高さが前記I/Oパッドのピッチ及び高さにより決定されることを特徴とする請求項1に記載の集積回路装置。
  3. 前記パワークランプ素子は前記VDD ESD保護素子と前記VSS ESD保護素子間に配置されることを特徴とする請求項1に記載の集積回路装置。
  4. 前記I/O ESD保護セルは少なくともその一部が前記I/Oパッドの下部に形成されることを特徴とする請求項1に記載の集積回路装置。
  5. 前記I/O ESD保護セルは前記I/Oパッドの下部に形成されることを特徴とする請求項1に記載の集積回路装置。
  6. 前記I/O ESD保護セルを構成する素子はダイオード、MOSトランジスタ、バイポーラとトランジスタ、フィールドトランジスタ、サイリスタ、またはこれらの組合わせよりなったことを特徴とする請求項1に記載の集積回路装置。
  7. 第1導電型の基板内に形成された第2導電型のウェル内に形成され、I/Oパッドに連結された前記第1導電型のアクティブ領域と電源電圧VDDラインに連結された前記第2導電型のアクティブ領域とよりなったVDD ESD保護素子と、
    前記第1導電型の基板内に形成された第2導電型のウェル内に形成され、前記VDDラインに連結された前記第2導電型のアクティブ領域と接地電圧VSSラインに連結された前記第1導電型のアクティブ領域とよりなったパワークランプ素子と、
    前記第1導電型の基板内に形成された前記第1導電型のウェル内に形成され、前記VSSラインに連結された前記第1導電型のアクティブ領域と前記I/Oパッドに連結された前記第2導電型のアクティブ領域とよりなったVSS ESD保護素子を含むI/O ESD保護セルを含むことを特徴とする集積回路装置。
  8. 前記パワークランプ素子は前記VDD ESD保護素子と前記VSS ESD保護素子間に配置されることを特徴とする請求項7に記載の集積回路装置。
  9. 前記VSS ESD保護素子は前記第2導電型のアクティブ領域を取り囲む前記第2導電型のウェルをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の集積回路装置。
  10. 前記I/O ESD保護セルは少なくともその一部が前記I/Oパッドの下部に形成されることを特徴とする請求項7に記載の集積回路装置。
  11. 前記I/O ESD保護セルは前記I/Oパッドの下部に形成されることを特徴とする請求項7に記載の集積回路装置。
  12. 前記VDD ESD保護素子の前記第1導電型のアクティブ領域は相互分離されてそれぞれ前記I/Oパッドに連結された2つ以上の領域で構成され、
    前記第2導電型のアクティブ領域は前記2つ以上の第1導電型のアクティブ領域と所定距離離隔されて前記第1導電型のアクティブ領域を閉ループ形態に取り囲んで並列に連結された2つ以上のダイオードを構成することを特徴とする請求項7に記載の集積回路装置。
  13. 前記VSS ESD保護素子の前記第2導電型のアクティブ領域は相互分離されてそれぞれ前記I/Oパッドに連結された2つ以上の領域で構成され、
    前記第1導電型のアクティブ領域は前記2つ以上の第2導電型のアクティブ領域と所定距離離隔されて前記第2導電型のアクティブ領域とを閉ループ形態に取り囲んで並列に連結された2つ以上のダイオードを構成することを特徴とする請求項7に記載の集積回路装置。
  14. 前記パワークランプ素子の前記第2導電型のアクティブ領域は前記第1導電型のアクティブ領域と所定距離離隔されて前記第1導電型のアクティブ領域とを閉ループ形態に取り囲むことを特徴とする請求項7に記載の集積回路装置。
  15. 第1導電型の基板内に形成された第2導電型のウェル内に形成され、入出力I/Oパッドに連結された前記第1導電型のアクティブ領域と電源電圧VDDラインに連結された前記第2導電型のアクティブ領域よりなったVDD ESD保護素子と、
    前記第1導電型の基板内に形成された第1導電型のウェル内に形成され、VDDラインに連結された前記第2導電型のアクティブ領域と接地電圧VSSラインに連結された前記第1導電型のアクティブ領域とよりなったパワークランプ素子と、
    前記第1導電型の基板内に形成された前記第1導電型のウェル内に形成され、前記VSSラインに連結された前記第1導電型のアクティブ領域と前記I/Oパッドに連結された前記第2導電型のアクティブ領域とよりなったVSS ESD保護素子と、を含むI/O ESD保護セルを含むことを特徴とする集積回路装置。
  16. 前記パワークランプ素子は前記VDD ESD保護素子と前記VSS ESD保護素子間に配置されることを特徴とする請求項15に記載の集積回路装置。
  17. 前記VSS ESD保護素子と前記パワークランプ素子とは前記第2導電型のアクティブ領域を覆いかぶせる前記第2導電型のウェルをさらに含むことを特徴とする請求項15に記載の集積回路装置。
  18. 前記I/O ESD保護セルは少なくともその一部が前記I/Oパッドパターンの下部に形成されることを特徴とする請求項15に記載の集積回路装置。
  19. 前記I/O ESD保護セルは前記I/Oパッドパターンの下部に形成されることを特徴とする請求項15に記載の集積回路装置。
  20. 前記VDD ESD保護素子で前記第1導電型のアクティブ領域は相互分離されてそれぞれ前記I/Oパッドに連結された2つ以上の領域で構成され、
    前記第2導電型のアクティブ領域は前記2つ以上の第1導電型のアクティブ領域と所定距離離隔されて前記第1導電型のアクティブ領域とを閉ループ形態に取り囲んで並列に連結された2つ以上のダイオードを構成することを特徴とする請求項15に記載の集積回路装置。
  21. 前記VSS ESD保護素子で前記第2導電型のアクティブ領域は相互分離されてそれぞれ前記I/Oパッドに連結された2つ以上の領域で構成され、
    前記第1導電型のアクティブ領域は前記2つ以上の第2導電型のアクティブ領域と所定距離離隔されて前記第2導電型のアクティブ領域とを閉ループ形態に取り囲んで並列に連結さRれた2つ以上のダイオードを構成することを特徴とする請求項15に記載の集積回路装置。
  22. 前記パワークランプ素子で、前記第1導電型のアクティブ領域は前記第2導電型のアクティブ領域と所定距離離隔されて前記第2導電型のアクティブ領域とを閉ループ形態に取り囲むことを特徴とする請求項15に記載の集積回路装置。
  23. 前記パワークランプ素子と前記VSS ESD保護素子は前記1導電型のアクティブ領域の一部を共有することを特徴とする請求項15に記載の集積回路装置。
  24. 第1導電型の基板内に形成された第2導電型のウェル内に形成され、第1チャンネル領域を定義するように離隔され、少なくとも1つは入出力I/Oパッドに連結され、残りは電源電圧VDDラインに連結される前記第1導電型のアクティブ領域と前記第1チャンネル領域上に形成された第1ゲートとよりなったVDD ESD保護素子と、
    前記第1導電型の基板内に形成された前記第1導電型のウェル内に形成され、第2チャンネル領域を定義するように離隔され、1つは前記VDDラインに連結され、残りは接地電圧VSSラインに連結される前記第2導電型のアクティブ領域及び前記第2チャンネル領域上に形成された第2ゲートよりなるか、前記第1導電型の基板内に形成された前記第2導電型のウェル内に形成され、前記第2チャンネル領域を定義するように離隔され、1つは前記VDDラインに連結され、残りは前記VSSラインに連結される前記第1導電型のアクティブ領域及び前記第2チャンネル領域上に形成された第2ゲートよりなるパワークランプ素子と、
    前記第1導電型の基板内に形成された前記第1導電型のウェル内に形成され、第3チャンネル領域を定義するように離隔され、少なくとも1つは入出力I/Oパッドに連結され、残りは前記VSSラインに連結される前記第2導電型のアクティブ領域と前記第3チャンネル領域上に形成された第3ゲートとよりなったVSS ESD保護素子を含むI/O ESD保護セルと、を含むことを特徴とする集積回路装置。
  25. 前記素子はMOSトランジスタまたはフィールドトランジスタであることを特徴とする請求項24に記載の集積回路装置。
  26. 前記パワークランプ素子は前記VDD ESD保護素子と前記VSS ESD保護素子間に配置されることを特徴とする請求項24に記載の集積回路装置。
  27. 前記I/O ESD保護セルは少なくともその一部が前記I/Oパッドパターンの下部に形成されることを特徴とする請求項24に記載の集積回路装置。
  28. 前記I/O ESD保護セルは前記I/Oパッドパターンの下部に形成されることを特徴とする請求項24に記載の集積回路装置。
  29. 前記VDD静電気放電ESD保護素子で、前記第1導電型のアクティブ領域全体で構成されたアウトラインと所定距離離隔されて閉ループ形態に取り囲むように形成され、前記VDDラインに連結される前記第2導電型のアクティブ領域をさらに含むことを特徴とする請求項24に記載の集積回路装置。
  30. 前記VSS ESD保護素子で、前記第2導電型のアクティブ領域全体で構成された部分のアウトラインと所定距離離隔されて閉ループ形態に取り囲むように形成され、前記VSSラインに連結される前記第1導電型のアクティブ領域をさらに含むことを特徴とする請求項24に記載の集積回路装置。
  31. 前記VDD ESD保護素子で前記第1導電型のアクティブ領域は相互分離された3つ以上の領域で構成され、
    中央領域は前記I/Oパッドに連結され、残りの領域は前記VDDラインに連結されて並列に連結された2つ以上のトランジスタを構成することを特徴とする請求項24に記載の集積回路装置。
  32. 前記VSS ESD保護素子で、前記第2導電型のアクティブ領域は相互分離された3つ以上の領域で構成され、
    中央領域は前記I/Oパッドに連結され、残りの領域は前記VDDラインに連結されて並列に連結された2つ以上のトランジスタを構成することを特徴とする請求項24に記載の集積回路装置。
  33. 前記第1ゲートは前記VDDラインに、前記第2導電型のアクティブ領域により定義される前記第2チャンネル領域上に形成された前記第2ゲートは前記VSSラインに前記第1導電型のアクティブ領域により定義される前記第2チャンネル領域上に形成された前記第2ゲートは前記VDDラインに、前記第3ゲートは前記VSSラインに連結されることを特徴とする請求項24に記載の集積回路装置。


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