JP2005268379A - Low-capacitance esd protective circuit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an electrostatic discharge protective circuit in which an I/O circuit can be operated at high speed without deteriorating characteristics of LVTSCR, with regard to a problem in which parasitic capacity caused by connection of a protective circuit is suppressed in a conventional switching element for turning the protective circuit into conducted state by electrostatic stress. <P>SOLUTION: A trigger NMOS transistor is connected between a signal input/output terminal and a p gate of an SCR, and such an integrated circuit is configured using a triple n-well structure. In the configuration, the area of a protective circuit is reduced by directly configuring the trigger NMOS on a p-sub substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体集積回路において入出力回路の保護回路に関し、特に静電放電保護回路(以下、ESD保護回路と記す。)に関する。 The present invention relates to a protection circuit for an input / output circuit in a semiconductor integrated circuit, and more particularly to an electrostatic discharge protection circuit (hereinafter referred to as an ESD protection circuit).

半導体集積回路の入出力回路に対するESD保護回路の従来用いられてきた基本的な回路構成について、図4を用いて説明する。CMOSプロセスにおけるESD保護回路は様々な構造や回路が提案されているが、いずれのESD保護回路においても共通であるのは、静電ストレス(サージ)の入力がトリガとなって、保護回路が低インピーダンスの導体となる点である。内部回路2を保護するためには、できるだけサージ入力電圧が信号の入出力端子であるI/Oパッドにおける電圧上昇を抑制し、大電流を保護回路の方に通電することである。   A basic circuit configuration conventionally used for an ESD protection circuit for an input / output circuit of a semiconductor integrated circuit will be described with reference to FIG. Various structures and circuits have been proposed for the ESD protection circuit in the CMOS process, but the common thing in any ESD protection circuit is that the protection circuit is low due to the input of electrostatic stress (surge). It is a point that becomes a conductor of impedance. In order to protect the internal circuit 2, the surge input voltage suppresses a voltage rise at the I / O pad that is a signal input / output terminal as much as possible, and a large current is supplied to the protection circuit.

このような機能を具備する素子として、サイリスタ、もしくはSCR(Silicon Controlled Rectifier)と呼ばれるPNPN接合素子が古くから応用されてきた。しかし、一般にSCRはトリガ電圧、すなわち素子を導通状態にせしめるに必要な電圧が数十Vと高く、サブミクロンクラスの微細ICの保護には適さない。そこで、下記非特許文献1においては図4に示したような保護回路が提案された。図4に示した回路はLVTSCR(Low-Voltage Triggering SCR)と呼ばれる。例えば、低電位側電源端子となるVSSパッドに対してI/Oパッドに正極性のサージが印加された場合を想定する。   As an element having such a function, a PNPN junction element called a thyristor or SCR (Silicon Controlled Rectifier) has been applied for a long time. However, in general, the SCR has a high trigger voltage, that is, a voltage required to bring the element into a conducting state as high as several tens of volts, and is not suitable for protecting a sub-micron class fine IC. Therefore, in the following Non-Patent Document 1, a protection circuit as shown in FIG. 4 has been proposed. The circuit shown in FIG. 4 is called LVTSCR (Low-Voltage Triggering SCR). For example, it is assumed that a positive surge is applied to the I / O pad with respect to the VSS pad serving as the low potential side power supply terminal.

トリガNMOSFET3は、通常0.5μmプロセス以下の微細デバイスでは4〜8V程度で降伏し、サージ電流はN−ウェル抵抗4およびトリガNMOS3を介してVSSパッド23へ流れる。N−ウェル抵抗4に電流が流れることで、トリガNMOSFET3のドレイン電位がI/Oパッド21よりも低くなり、かつ、トリガNMOSFET3が導通状態となったことで、このNMOSFET3のボディ電位がVSSパッドより上昇する。この結果、SCR1が導通状態となりし、主たるサージはオン抵抗の低いSCR1を流れてI/Oパッド21電位の上昇を抑制する。   The trigger NMOSFET 3 normally breaks down at about 4 to 8 V in a fine device of 0.5 μm or less process, and a surge current flows to the VSS pad 23 via the N-well resistor 4 and the trigger NMOS 3. When the current flows through the N-well resistor 4, the drain potential of the trigger NMOSFET 3 becomes lower than that of the I / O pad 21, and the trigger NMOSFET 3 becomes conductive, so that the body potential of the NMOSFET 3 is less than the VSS pad. Rise. As a result, the SCR 1 becomes conductive, and the main surge flows through the SCR 1 having a low on-resistance and suppresses the increase in the potential of the I / O pad 21.

導通状態のSCR1は極めて低抵抗であるため、素子面積に対するESD耐量が極めて高い特徴がある。このため、多くの研究がなされ、LVTSCRの発展型ともいえる回路構造がいくつか報告されている。図5は、近年報告された代表的なLVSCRの改良例として下記(非特許文献2)がある。この回路の特徴は、I/Oパッド21とVSSパッド23の間に容量9及び抵抗8とで構成されたRCトリガネットワークと称する回路を導入し、サージ入力を検出して、トリガNMOSFET3のターンオンを積極的に促進することにある。また、図4の従来例では、電源線間の保護を別途用意する必要がある上、電源線間保護回路とI/Oパッド21とを接続するネットワークが不十分であるが、図5の従来例では、トリガNMOSFET3が電源線間保護回路を兼ねており、例えばVDDパッド22を基準に正極性のサージが印加された場合でも、SCR1を構成するPNPトランジスタのPN接合ダイオードを介して容易にサージを流すことが可能である。また、図4の従来回路では、P−sub基板をVSS電位として使用し回路の一部に活用するが、図5の従来回路はトリプルウェル構造を用いて回路全体をディープ−N−ウェルに内包させるため、基板と回路が完全に分離されている。このため、ノイズの影響の多少についても、図5の回路に改善が見られる。   Since the conductive SCR 1 has a very low resistance, the ESD resistance with respect to the element area is extremely high. For this reason, many studies have been made, and several circuit structures that can be said to be developed types of LVTSCR have been reported. FIG. 5 shows the following (Non-patent Document 2) as an improvement example of a typical LVSCR reported in recent years. A feature of this circuit is that a circuit called an RC trigger network composed of a capacitor 9 and a resistor 8 is introduced between the I / O pad 21 and the VSS pad 23, a surge input is detected, and the trigger NMOSFET 3 is turned on. It is to actively promote. In addition, in the conventional example of FIG. 4, it is necessary to separately provide protection between power supply lines, and the network for connecting the power supply line protection circuit and the I / O pad 21 is insufficient. In the example, the trigger NMOSFET 3 also serves as a power line protection circuit. For example, even when a positive surge is applied with reference to the VDD pad 22, the trigger NMOSFET 3 is easily surged via the PN junction diode of the PNP transistor constituting the SCR 1. It is possible to flow. 4 uses a P-sub substrate as a VSS potential and uses it as a part of the circuit, but the conventional circuit of FIG. 5 uses a triple well structure to enclose the entire circuit in a deep N-well. Therefore, the substrate and the circuit are completely separated. For this reason, the circuit of FIG. 5 can be improved with respect to the influence of noise.

しかしながら、近年の10GHzを超える信号入出力動作(I/O動作)においては、パッド容量、つまりパッド面積でさえできる限り小さくする必要があり、保護回路は寄生容量をもたらす存在として敬遠される。SCRを用いたESD保護回路の利点の1つは、回路面積を小さくできるため、保護回路の寄生容量を小さく抑制できる可能性が存在する点である。しかし、SCRにおける最大の問題点は、そのトリガ電圧が極めて高く、そのままでは実用に供せない点であった。図4に示した従来回路は、SCRのトリガ電圧を実用域に低下させる技術として画期的であった。しかし、構造的には、N−ウェル内のP+拡散層とN+拡散層の両方にI/Oパッドが接続されるため、大きな面積を有するN−ウェル容量が寄生容量としてI/Oパッドに付加されてしまうという欠点がある。I/Oパッドに接続されているI/O回路において高速動作が要求される場合には、この欠点は問題となる。このような寄生容量の点については、図5に示した従来回路の方が有利である。RCトリガネットワークに必要な容量9も10pF程度であり、充分小さい。しかし、図5におけるRCトリガネットワークはあくまでトリガ用のデバイスであるから、サージ経路としての役割は期待できない。10pFに相当するPN接合面積は約4μm以下であり、この接合面積を有するダイオードのHBM(Human Body Model)−ESD耐性は800V程度に達するということが下記(非特許文献3)において報告されている。許容できる寄生容量が限定される場合は、全ての寄生容量に関わる構造がサージ経路として機能した方が望ましい。 However, in the signal input / output operation (I / O operation) exceeding 10 GHz in recent years, it is necessary to make the pad capacitance, that is, the pad area as small as possible, and the protection circuit is avoided as a presence of parasitic capacitance. One of the advantages of the ESD protection circuit using the SCR is that the circuit area can be reduced, so that there is a possibility that the parasitic capacitance of the protection circuit can be reduced. However, the biggest problem in the SCR is that the trigger voltage is extremely high and cannot be put into practical use as it is. The conventional circuit shown in FIG. 4 was epoch-making as a technique for reducing the trigger voltage of the SCR to a practical range. However, structurally, since the I / O pad is connected to both the P + diffusion layer and the N + diffusion layer in the N-well, an N-well capacitance having a large area is added to the I / O pad as a parasitic capacitance. There is a drawback that it will be. This drawback becomes a problem when high speed operation is required in an I / O circuit connected to an I / O pad. With respect to such parasitic capacitance, the conventional circuit shown in FIG. 5 is more advantageous. The capacity 9 required for the RC trigger network is about 10 pF, which is sufficiently small. However, since the RC trigger network in FIG. 5 is only a trigger device, it cannot be expected to serve as a surge path. It is reported in the following (Non-patent Document 3) that the PN junction area corresponding to 10 pF is about 4 μm 2 or less, and the HBM (Human Body Model) -ESD resistance of the diode having this junction area reaches about 800V. Yes. When the allowable parasitic capacitance is limited, it is desirable that the structure related to all the parasitic capacitance functions as a surge path.

さらに、RCトリガネットワークの容量9が、I/Oパッドに接続されているため、高速動作するI/O回路においては、容量9のインピーダンスが低下してしまう危険性があり、これにより通常動作においてもトリガを与えかねないという欠点を有する。   Furthermore, since the capacitor 9 of the RC trigger network is connected to the I / O pad, there is a risk that the impedance of the capacitor 9 is lowered in an I / O circuit that operates at high speed. Also has the disadvantage of giving a trigger.

また、図5の従来回路では、I/Oパッドに負極性のサージが印加された場合の保護機構が具備されていないため、負のサージについては内部回路を保護できない。   Further, the conventional circuit of FIG. 5 is not provided with a protection mechanism when a negative surge is applied to the I / O pad, so that the internal circuit cannot be protected against a negative surge.

Chattergee and T. Polgreen, “A Low-Voltage Triggering SCR for On-Chip ESD Protection at Output and Input Pads,” IEEE Electron Device Lett., vol.12 pp.21-22, 21-22, 1991Chattergee and T. Polgreen, “A Low-Voltage Triggering SCR for On-Chip ESD Protection at Output and Input Pads,” IEEE Electron Device Lett., Vol.12 pp.21-22, 21-22, 1991 T. Nikolaidis and C. Papadas, “A Novel SCR ESD Protection for Triple ウェル CMOS Thechnologies,” IEEE Electron Device Lett.,” vol.22, pp. 185-187, 2001T. Nikolaidis and C. Papadas, “A Novel SCR ESD Protection for Triple Well CMOS Thechnologies,” IEEE Electron Device Lett., ”Vol.22, pp. 185-187, 2001 C. Richier, et al “Investigation on Different ESD Protection Starategies Devoted to 3.3V RF Applications(2GHz) in a 0.18μm CMOS MOS Process, ”Proc. EOS/ESD Symp. 2000, pp.251-259, 2000.C. Richier, et al “Investigation on Different ESD Protection Starategies Devoted to 3.3V RF Applications (2GHz) in a 0.18μm CMOS MOS Process,” Proc. EOS / ESD Symp. 2000, pp.251-259, 2000.

以上述べた様に、従来回路を用いたESD保護回路においては、入出力端子となるI/Oパッドの特性が高速動作の点で十分とは言えず、また、サージの極性によっては保護できないといった問題点があった。このため、本発明においては、アナログ・デジタル混載LSIにおける入出力端子のESD保護において、高耐圧性を損なうことなく高速性を実現する低寄生容量の保護回路の提供を目的とする。   As described above, in the ESD protection circuit using the conventional circuit, the characteristics of the I / O pad serving as the input / output terminal are not sufficient in terms of high-speed operation, and it cannot be protected depending on the polarity of the surge. There was a problem. Therefore, an object of the present invention is to provide a low parasitic capacitance protection circuit that realizes high speed without damaging high breakdown voltage in ESD protection of input / output terminals in an analog / digital mixed LSI.

上記目的を達成するために、本発明の請求項1においては、半導体集積回路における静電放電保護回路において、トリプルウェル構造によって構成されたSCR(Silicon Controlled Rectifier)を主たる保護回路として機能せしめ、前記SCRを入出力端子(I/Oパッド)と低電位側電源端子(VSS)である接地端子との間に接続し、前記SCRを構成している一方のトランジスタであるPNPバイポーラトランジスタのベース電極を高電位側電源端子(VDD)に接続し、前記SCRを構成している他の一方のトランジスタであるNPNトランジスタのベース電極と、前記入出力端子との間にダイオード接続したNMOSトランジスタを接続し、前記高電位側電源端子と前記低電位側電源端子との間に電源線間保護回路を具備している構成について規定している。   In order to achieve the above object, in claim 1 of the present invention, in an electrostatic discharge protection circuit in a semiconductor integrated circuit, an SCR (Silicon Controlled Rectifier) constituted by a triple well structure is caused to function as a main protection circuit. The SCR is connected between an input / output terminal (I / O pad) and a ground terminal which is a low potential side power supply terminal (VSS), and a base electrode of a PNP bipolar transistor which is one transistor constituting the SCR is connected. An NMOS transistor connected to a diode is connected between the base electrode of the NPN transistor, which is the other transistor constituting the SCR, and the input / output terminal, connected to the high potential side power supply terminal (VDD), The power supply line protection circuit is provided between the high potential side power supply terminal and the low potential side power supply terminal. Stomach has been defined.

請求項2においては、請求項1に記載のESD保護回路において、前記入出力端子側に接続されたNMOSトランジスタのソースと前記NPNトランジスタのベース電極との間に抵抗素子を具備する構成について規定している。   According to a second aspect of the present invention, in the ESD protection circuit according to the first aspect, a configuration is provided in which a resistance element is provided between the source of the NMOS transistor connected to the input / output terminal side and the base electrode of the NPN transistor. ing.

請求項3においては、請求項1または請求項2に記載のESD保護回路において、前記入出力端子と前記SCRを形成している前記NPNトランジスタのベース電極との間に接続された前記NMOSトランジスタを、前記トリプルウェル構造内にて構成することで前記保護回路を構成する素子に加え、ベース電極が前記低電位側電源に、コレクタ電極が前記高電位側電源に、エミッタ電極が前記入出力端子に接続される、前記とは異なる他の寄生的なNPNバイポーラトランジスタが具備される構成について規定している。   According to a third aspect of the present invention, in the ESD protection circuit according to the first or second aspect, the NMOS transistor connected between the input / output terminal and a base electrode of the NPN transistor forming the SCR is provided. In addition to the elements constituting the protection circuit by being configured in the triple well structure, the base electrode is the low potential power source, the collector electrode is the high potential power source, and the emitter electrode is the input / output terminal. It defines a configuration in which another parasitic NPN bipolar transistor different from the above is connected.

請求項4においては、請求項1乃至請求項3の何れかに記載のESD保護回路において、前記電源線間保護回路をダイオード接続したNMOSトランジスタによる構成について規定している。   According to a fourth aspect of the present invention, in the ESD protection circuit according to any one of the first to third aspects, a configuration using an NMOS transistor in which the power line protection circuit is diode-connected is defined.

請求項5においては、請求項1乃至請求項4の何れかに記載のESD保護回路において、前記SCRを前記トリプルウェル構造におけるディープNウェルが包含するPウェル内に作成した第一のPN接合ダイオードと、前記ディープNウェル内に作成した第二のPN接合ダイオードとで構成し、前記第一のPN接合ダイオードのアノードを、入出力端子に接続されている前記ダイオード接続のNMOSトランジスタのゲート電極と、抵抗素子を介して前記NMOSトランジスタのソースとに接続し、前記第一のPN接合ダイオードのカソードを低電位側電源端子に接続し、前記第二のPN接合ダイオードのアノードを入出力端子に、前記第二のPN接合ダイオードのカソードを高電位側電源端子に接続することで、寄生的に前記SCRを構成せしめることについて規定している。   5. The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the SCR is formed in a P well included in a deep N well in the triple well structure. And a second PN junction diode formed in the deep N well, and an anode of the first PN junction diode is connected to a gate electrode of the diode-connected NMOS transistor connected to an input / output terminal. , Connected to the source of the NMOS transistor through a resistance element, the cathode of the first PN junction diode is connected to the low potential side power supply terminal, the anode of the second PN junction diode to the input / output terminal, The SCR is configured parasitically by connecting the cathode of the second PN junction diode to the high potential side power supply terminal. It has been defined for that occupies.

本発明による実施例1によれば、I/Oパッドに付加される寄生容量をトリガNMOSのドレイン面積、およびSCRのアノード面積で制御することができ、低寄生容量で高耐量の保護回路を構築できる。また、トリプルウェル構造を用いたSCRと電源線間保護回路およびトリガNMOSを組み合わせ、電源線間保護回路を経由するサージ経路の通電と、トリガNMOSのターンオンによる通電によってSCRのターンオンを促進することができる。   According to the first embodiment of the present invention, the parasitic capacitance added to the I / O pad can be controlled by the drain area of the trigger NMOS and the anode area of the SCR, and a protection circuit with low parasitic capacitance and high withstand capability is constructed. it can. Further, the SCR using the triple well structure, the power line protection circuit, and the trigger NMOS may be combined to promote the turn-on of the SCR by energizing the surge path via the power line protection circuit and energizing the trigger NMOS. it can.

さらに、通常動作時においては、SCRのNゲートがVDDパッドに接続されているため、VDDパッドの電位を上回る電位がI/Oパッドに入力もしくは出力されないかぎり、誤動作する危険はなく、仮にノイズなどの影響で通常動作中にSCRがターンオンしてしまったとしても、I/Oパッドの電位レベルが電源電圧より低下すればSCRは遮断状態を回復する。
また、本発明では、各電源端子基準で正負どちらの極性のサージにおいても内部回路を保護するためのサージ経路を確保することができる。本発明における実施例2、および実施例3に拠れば、本発明の基本構造は複数の異なる拡散層構造で実現可能で、このため回路面積や保護能力、プロセスにおける設計ルールの制約などに応じて柔軟にレイアウトすることが可能である。
Furthermore, since the N gate of the SCR is connected to the VDD pad during normal operation, there is no risk of malfunction unless a potential higher than the potential of the VDD pad is input or output to the I / O pad. Even if the SCR is turned on during the normal operation due to the above, the SCR recovers the cut-off state if the potential level of the I / O pad falls below the power supply voltage.
In the present invention, it is possible to secure a surge path for protecting the internal circuit in the case of a surge of either positive or negative polarity with respect to each power supply terminal. According to the second and third embodiments of the present invention, the basic structure of the present invention can be realized by a plurality of different diffusion layer structures. Therefore, depending on the circuit area, protection capability, restrictions on design rules in the process, and the like. Flexible layout is possible.

このように、本発明の保護回路は、通信用LSIに代表される高速アナログLSIや高速アナログ・デジタル混載LSIにおいて、GHz以上の高速動作が求められるI/O回路の保護に極めて有効である。   As described above, the protection circuit of the present invention is extremely effective for protecting an I / O circuit that requires a high-speed operation of GHz or higher in a high-speed analog LSI represented by a communication LSI or a high-speed analog / digital mixed LSI.

まず、本発明の特徴であるESD保護回路の基本的な構成について図1(a)により、また、その集積回路の断面を図1(b)により説明する。本発明のESD保護回路は、アナログ・デジタル混載用CMOSプロセスで一般的に用いられるトリプルウェル構造を利用し、I/Oパッド21とSCR1のPゲート(図1(a)におけるPG7)との間にトリガNMOS3をダイオード接続して設置したことが第1の従来になかった特徴である。SCR1のNゲート(図1(a)におけるNG6)は従来回路と同様にVDDパッド22に接続する。   First, a basic configuration of an ESD protection circuit which is a feature of the present invention will be described with reference to FIG. 1A, and a cross section of the integrated circuit will be described with reference to FIG. The ESD protection circuit of the present invention uses a triple well structure generally used in a mixed analog / digital CMOS process, and between the I / O pad 21 and the P gate of SCR1 (PG7 in FIG. 1A). The first feature is that the trigger NMOS 3 is diode-connected to the first conventional NMOS. The N gate of SCR1 (NG6 in FIG. 1A) is connected to the VDD pad 22 as in the conventional circuit.

また、トリプルウェル構造内にトリガNMOS3を構成し、上記のように接続することで、VDDパッド22とI/Oパッド21間に寄生的なNPNトランジスタ9を構成させたことが第2の際立った特徴である。また、電源線間(VDD−VSS間)にトリガNMOS3とは別に保護回路を具備することが従来技術と異なる第3の点である。図1(a)ではダイオード接続したNMOS10で示しているが、電源線間保護素子は、寄生容量の制約を受けないため、充分大きなサイズを選択できる。   The second distinguishing feature is that a parasitic NPN transistor 9 is formed between the VDD pad 22 and the I / O pad 21 by configuring the trigger NMOS 3 in the triple well structure and connecting them as described above. It is a feature. A third point different from the prior art is that a protection circuit is provided between the power supply lines (between VDD and VSS) in addition to the trigger NMOS 3. Although the diode-connected NMOS 10 is shown in FIG. 1A, a sufficiently large size can be selected for the protection element between power supply lines because it is not restricted by parasitic capacitance.

このような構造により、本発明のESD保護回路は、VDDパッド22およびVSSパッド23基準の電位に対してI/Oパッド21に印加される正負どちらのサージについても有効なサージ経路を確保することができる。
また、図1(b)において、I/Oパッド21に接続される拡散層領域(アノード17およびドレイン24)は、ディープ−N−ウェル(13)内のP+層(PMOSトランジスタにおけるソース・ドレイン層に相当)とP−ウェル(12)内のN+層(NMOSトランジスタにおけるソース・ドレイン層に相当)に接続されるため、I/Oパッド21に接続される寄生容量はウェル容量と無関係となる。発明者による既出願特許「特願2003−359656静電放電保護回路(未公開)」によれば、前記I/Oパッド21に接続される拡散層領域の面積が各々4μm以下であれば、寄生容量は合計約22fF以下となる。前記I/Oパッド21に接続される拡散層領域の面積を適切に選択することで、I/O回路に許容される寄生容量以下に容易に抑制できる。
With such a structure, the ESD protection circuit of the present invention secures an effective surge path for both positive and negative surges applied to the I / O pad 21 with respect to the potential of the VDD pad 22 and the VSS pad 23. Can do.
In FIG. 1B, the diffusion layer region (the anode 17 and the drain 24) connected to the I / O pad 21 is a P + layer (a source / drain layer in a PMOS transistor) in the deep-N-well (13). ) And the N + layer (corresponding to the source / drain layer in the NMOS transistor) in the P-well (12), the parasitic capacitance connected to the I / O pad 21 is independent of the well capacitance. According to the patent application “Japanese Patent Application No. 2003-359656 electrostatic discharge protection circuit (unpublished)” by the inventor, if the area of the diffusion layer region connected to the I / O pad 21 is 4 μm 2 or less, The total parasitic capacitance is about 22 fF or less. By appropriately selecting the area of the diffusion layer region connected to the I / O pad 21, it can be easily suppressed to a parasitic capacitance or less allowed for the I / O circuit.

また、本発明は、SCRのトリガ機構にも特徴がある。VSSパッド23基準に正のサージがI/Oパッド21に印加された場合について説明する。図4および図5における従来回路では、サージ入力によりトリガNMOS3のドレイン電圧上昇により、ドレイン電界があるレベルに達すると降伏し、電流を通電する。これにより、NゲートであるNG6の電位がI/Oパッド21の電位より低下し、また、トリガNMOS3の降伏により、トリガNMOS3のボディ、すなわちPゲートであるPG7の電位がVSSパッド23より上昇し、結果としてSCR1がターンオンする。図5の従来回路では、容量9と抵抗8により、サージ入力直後のPG7の電位を積極的に上昇せしめ、SCR1のターンオンをより確実にする手法である。   The present invention is also characterized by an SCR trigger mechanism. A case where a positive surge is applied to the I / O pad 21 with respect to the VSS pad 23 will be described. In the conventional circuit shown in FIGS. 4 and 5, when the drain electric field reaches a certain level due to the rise of the drain voltage of the trigger NMOS 3 due to the surge input, the current breaks down and the current flows. As a result, the potential of NG6, which is the N gate, falls below the potential of the I / O pad 21, and the potential of the body of the trigger NMOS 3, that is, the PG7, which is the P gate, rises from the VSS pad 23 due to the breakdown of the trigger NMOS 3. As a result, SCR1 is turned on. In the conventional circuit shown in FIG. 5, the capacitor 9 and the resistor 8 are used to positively raise the potential of the PG 7 immediately after the surge is input, thereby further ensuring the turn-on of the SCR 1.

さらに、本発明においては独立した2経路のトリガ機構を有することも特徴である。すなわち、トリガNMOS3と電源線間保護NMOS10とがサージ入力に対して先ず降伏する。降伏のタイミングは、例えば各々のNMOSにおけるゲート長の長短で調整可能である。VSSパッド23を基準としてI/Oパッド21に正極性のサージ入力があったとする。前記従来回路のように、端子電位の上昇によってトリガNMOS3と電源線間保護NMOS10が同時もしくは相前後して降伏する。NMOS3の降伏によりSCR1のPG7の電位がVSSパッド23の電位より上昇し、電源線間保護NMOS10の降伏によってSCR1のNG6の電位がI/Oパッドの電位より低下する。これによりSCR1がターンオンし、内部回路2を保護するのである。   Furthermore, the present invention is also characterized by having an independent two-path trigger mechanism. That is, the trigger NMOS 3 and the power supply line protection NMOS 10 first break down with respect to the surge input. The breakdown timing can be adjusted by adjusting the gate length of each NMOS, for example. Assume that there is a positive surge input to the I / O pad 21 with respect to the VSS pad 23. As in the conventional circuit, the trigger NMOS 3 and the power line protection NMOS 10 break down at the same time or before and after the increase of the terminal potential. Due to the breakdown of the NMOS 3, the potential of the PG7 of the SCR1 rises from the potential of the VSS pad 23, and by the breakdown of the power supply line protection NMOS10, the potential of the NG6 of the SCR1 falls below the potential of the I / O pad. As a result, the SCR 1 is turned on to protect the internal circuit 2.

仮に、電源線間保護NMOS10かNMOS3の先行するどちらかの降伏によってSCR1がターンオンしたが、該SCR1のターンオンが不充分で、SCR1のサージ通電能力が低下した場合は、I/Oパッド21の電位が上昇し、降伏していないもう一方のNMOSが降伏してSCR1のターンオンを促進する。
このように、トリガ機構を独立の2系統とすることで、SCR1のターンオンを確実に実行せしめることができる。
If the power supply line protection NMOS 10 or NMOS 3 is preceded by the breakdown of the SCR 1, the SCR 1 is turned on. However, if the SCR 1 is not sufficiently turned on and the SCR 1 has a reduced current carrying capability, the potential of the I / O pad 21 is reduced. Rises and the other non-yield NMOS yields to facilitate SCR1 turn-on.
Thus, by using two independent trigger mechanisms, SCR1 can be turned on reliably.

また、VSSパッド23を基準として負極性のサージがI/Oパッド21に入力された場合は、NMOS3のボディ、すなわちP−ウェル12からNMOS3のドレインにいたるPN接合ダイオードがサージパスとなり内部回路2を保護する。VDDパッド22を基準に正極性のサージが入力された場合は、I/Oパッド21からSCR1のNG6にいたるPN接合ダイオードがサージ経路となる。従来のサージ経路においては、前記「非特許文献3」において開示されているように、典型的なダイオード保護回路(電源とI/Oパッド間にダイオードを逆バイアス方向に接続し、電源線間に保護回路を具備する。)で、VDDパッド22から電源線間保護回路NMOS10を介し、VSSパッド23からI/Oパッド21に至るPN接合ダイオードを主たるサージ経路としていた。   When a negative surge is input to the I / O pad 21 with respect to the VSS pad 23, the body of the NMOS 3, that is, the PN junction diode from the P-well 12 to the drain of the NMOS 3 serves as a surge path, and the internal circuit 2 is Protect. When a positive surge is input with reference to the VDD pad 22, a PN junction diode from the I / O pad 21 to NG 6 of the SCR 1 serves as a surge path. In the conventional surge path, as disclosed in the above-mentioned “Non-Patent Document 3”, a typical diode protection circuit (a diode is connected in a reverse bias direction between a power supply and an I / O pad, and 2), the PN junction diode from the VDD pad 22 to the I / O pad 21 through the power line protection circuit NMOS 10 is used as a main surge path.

これに対し、本発明においては、前記サージ経路に加えて寄生的に構成された寄生NPNトランジスタ9におけるPN接合ダイオードもサージ経路として働くようにしたことを特徴としている。前記寄生NPNトランジスタ9のPN接合ダイオードに電流が流れることは、すなわち寄生NPNトランジスタ9のべース電流が流れたことに相当する。したがって、この寄生NPNトランジスタ9がターンオンする。この経路は、VDDパッド22からI/Oパッド21へ直接流れる経路であるから、電源線間保護NMOS10を介して流れるサージ経路に比べて低抵抗であり、内部回路2の保護に有利である。
このように本発明においては、VDDパッド22、VSSパッド23のどちらの電源端子を基準とする正負どちらの極性のサージについても、強力に内部回路を保護することができる。
On the other hand, the present invention is characterized in that a PN junction diode in the parasitic NPN transistor 9 that is parasitically formed in addition to the surge path also works as a surge path. A current flowing through the PN junction diode of the parasitic NPN transistor 9 corresponds to a base current flowing through the parasitic NPN transistor 9. Therefore, the parasitic NPN transistor 9 is turned on. This path is a path that directly flows from the VDD pad 22 to the I / O pad 21, and therefore has a lower resistance than the surge path that flows through the power supply line protection NMOS 10, which is advantageous for protecting the internal circuit 2.
Thus, in the present invention, the internal circuit can be strongly protected against surges of either positive or negative polarity with respect to either the power supply terminal of the VDD pad 22 or the VSS pad 23.

(実施例1)
図1を用いて本発明第1の実施例を説明する。図1(b)は、前項で説明した本発明回路の断面構成を模式的に示す図である。前述のとおり、本発明の保護回路は、ダイオード接続したトリガNMOS3をI/Oパッド21とPG7の間に接続し、NG6をVDDパッド22に接続したSCR1をI/Oパッド21とVSSパッド23間に接続し、VDDパッド22とVSSパッド23間に電源線間保護NMOS10を接続することで構成される。図1(b)では電源線間保護NMOS10を省略している。抵抗8は、トリガNMOS3に過剰な電流が流れることを防止するための抵抗で、SCR1の通電能力とトリガNMOS3の通電能力とから、トリガNMOS3がESDイベント中に破壊されない程度の抵抗値を選ぶことが望ましい。
(Example 1)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1B schematically shows a cross-sectional configuration of the circuit of the present invention described in the previous section. As described above, in the protection circuit of the present invention, the diode-connected trigger NMOS 3 is connected between the I / O pad 21 and PG 7, and SCR 1 in which NG 6 is connected to the VDD pad 22 is connected between the I / O pad 21 and the VSS pad 23. And a power line protection NMOS 10 is connected between the VDD pad 22 and the VSS pad 23. In FIG. 1B, the power supply line protection NMOS 10 is omitted. The resistor 8 is a resistor for preventing an excessive current from flowing through the trigger NMOS 3, and a resistance value is selected so that the trigger NMOS 3 is not destroyed during the ESD event, based on the energizing capability of the SCR 1 and the energizing capability of the trigger NMOS 3. Is desirable.

ディープ−N−ウェル13とディープ−N−ウェル14は、ともにVDDパッド22に接続されるため、必ずしも図1(b)に示すように分離する必要はない。ここでは構成の説明上便宜的に分離している。ディープ−N−ウェル13内には、P−ウェル11を構成し、ディープ−N−ウェル13とP−ウェル11内部にそれぞれにPN接合ダイオードを構成する。ディープ−N−ウェル13内に構成した第一のPN接合ダイオードのアノード17をI/Oパッド21に、カソード(NG6)をVDDパッド22に接続し、P−ウェル11内における第二のPN接合ダイオードのカソード16をVSSパッド23に接続し、アノード(PG7)は、トリガNMOS3のゲート18、およびソース25に接続された抵抗素子8に接続する。   Since the deep-N-well 13 and the deep-N-well 14 are both connected to the VDD pad 22, it is not always necessary to separate them as shown in FIG. Here, they are separated for convenience of description of the configuration. A P-well 11 is formed in the deep-N-well 13, and a PN junction diode is formed in each of the deep-N-well 13 and the P-well 11. The anode 17 of the first PN junction diode configured in the deep-N-well 13 is connected to the I / O pad 21, the cathode (NG6) is connected to the VDD pad 22, and the second PN junction in the P-well 11 is connected. The cathode 16 of the diode is connected to the VSS pad 23, and the anode (PG 7) is connected to the resistor 18 connected to the gate 18 and the source 25 of the trigger NMOS 3.

この構造により、第一のPN接合ダイオードのアノード17をアノードとし、カソードをNゲート(NG6)とし、第二のPN接合ダイオードのアノードをPゲート(PG7)とし、カソード16をNゲートとするSCRが寄生的に生成される。一方、ディープ−N−ウェル14内部にはP−ウェル12を設け、このP−ウェル12内部にトリガNMOS3を構成する。ここで、ディープ−N−ウェル14はVDDパッド22に接続され、P−ウェル12はVSSパッド23に接続される。   With this structure, an SCR having the anode 17 of the first PN junction diode as the anode, the cathode as the N gate (NG6), the anode of the second PN junction diode as the P gate (PG7), and the cathode 16 as the N gate. Is generated parasitically. On the other hand, a P-well 12 is provided inside the deep-N-well 14, and a trigger NMOS 3 is formed inside the P-well 12. Here, the deep-N-well 14 is connected to the VDD pad 22, and the P-well 12 is connected to the VSS pad 23.

このような構成により、第1図(a)のような回路を構築する。第1図(b)におけるトリガNMOS3は、1本のゲートで示されているが、ゲートを2本のフィンガーとし、ゲートで挟まれた領域をドレインとしてI/Oパッドに接続すれば、一本のゲートフィンガーでNMOSを構成にする場合に比べ、同じドレイン面積でゲート長が2倍となるため、トリガNMOS3の許容電流を増加することができる。ただし、ゲートオーバーラップ容量も2倍となるため、寄生容量の見積もりには注意が必要である。   With such a configuration, a circuit as shown in FIG. 1 (a) is constructed. The trigger NMOS 3 in FIG. 1 (b) is shown as a single gate, but if the gate is made up of two fingers and the region sandwiched between the gates is used as the drain and connected to the I / O pad, the trigger NMOS 3 is shown. Since the gate length is doubled with the same drain area, the allowable current of the trigger NMOS 3 can be increased. However, since the gate overlap capacitance is also doubled, care must be taken in estimating the parasitic capacitance.

(実施例2)
次に、図2を用いて本発明第2の実施例を説明する。図2(a)は、本発明第2の実施例におけるESD保護回路の等価回路であり、図2(b)は、この保護回路の断面構成を模式的に示した図である。図2(b)においても電源線間保護NMOS10の記述は省略している。本第2の実施例では、第1の実施例で示したトリガNMOS3を、ディープ−N−ウェル14の内部に構成するのではなく、P−sub15基板に直接構成した例である。この場合、第1の実施例で存在したVDDパッド22とI/Oパッド21との間の寄生的な縦型(ヴァーティカル)NPNトランジスタ9は存在しないが、トリガNMOS3の効果は第1の実施例と同様に実現することができる。ディープ−N−ウェル14内にトリガNMOS3を構成しないため、回路面積の縮小が可能となる。
(Example 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2A is an equivalent circuit of an ESD protection circuit according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of the protection circuit. Also in FIG. 2B, the description of the power supply line protection NMOS 10 is omitted. In the second embodiment, the trigger NMOS 3 shown in the first embodiment is not formed inside the deep-N-well 14 but directly formed on the P-sub 15 substrate. In this case, the parasitic vertical (vertical) NPN transistor 9 between the VDD pad 22 and the I / O pad 21 existing in the first embodiment does not exist, but the effect of the trigger NMOS 3 is the first embodiment. It can be realized in the same way as the example. Since the trigger NMOS 3 is not formed in the deep-N-well 14, the circuit area can be reduced.

(実施例3)
図3を用いて、本発明第3の実施例を説明する。本実施例は、前記第1、第2の実施例におけるSCR1の構成を変更した場合であり、SCR1の構成法を、断面の模式図を用いて説明している。したがって、トリガNMOS3については、実施例1もしくは実施例2で示した方法と組み合わせることが可能である。図3(a)はSCR1の等価回路であり、図3(b)は前記実施例1及び実施例2で示したSCR1の構成の再掲であり、ダイオード型と称する事が出来る。図3(c)は、SCR1を構成するPNPトランジスタ部30をN−ウェル(26)内に構成した横型(ラテラル)トランジスタとした例であり、図3(d)は、図3(c)のラテラルPNPトランジスタ30を包含するN−ウェル(26)を、SCR1を構成するNPNトランジスタ31を包含するディープ−N−ウェル13と共通化した例である。図3(c)および、図3(d)のSCR1は、図3(b)のSCR1と異なり、独立したPNPトランジスタ30とNPNトランジスタ31を配線接続することでSCR構造を実現している。
(Example 3)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment is a case where the configuration of the SCR 1 in the first and second embodiments is changed, and the configuration method of the SCR 1 is described with reference to schematic sectional views. Therefore, the trigger NMOS 3 can be combined with the method shown in the first or second embodiment. FIG. 3A is an equivalent circuit of the SCR 1, and FIG. 3B is a reproduction of the configuration of the SCR 1 shown in the first and second embodiments, which can be called a diode type. FIG. 3C is an example in which the PNP transistor portion 30 constituting the SCR 1 is a lateral transistor configured in the N-well (26), and FIG. 3D is a diagram of FIG. This is an example in which the N-well (26) including the lateral PNP transistor 30 is shared with the deep-N-well 13 including the NPN transistor 31 constituting the SCR1. The SCR 1 in FIG. 3C and FIG. 3D is different from the SCR 1 in FIG. 3B, and realizes the SCR structure by wiring-connecting the independent PNP transistor 30 and the NPN transistor 31.

本発明によるESD保護回路の第1の実施例で、(a)等価回路図(b)断面構成図。1A is an equivalent circuit diagram of a first embodiment of an ESD protection circuit according to the present invention, and FIG. 本発明によるESD保護回路の第2の実施例で、(a)等価回路図(b)断面構成図。(A) Equivalent circuit diagram (b) Cross-section block diagram in 2nd Example of ESD protection circuit by this invention. 本発明におけるSCRの構成例で(a)等価回路(b)ダイオード型の断面構成図、(c)ラテラル/ヴァーティカル混載型1の断面構成図。(d)ラテラル/ヴァーティカル混載型2の断面構成図。FIG. 3 is a structural example of an SCR according to the present invention, (a) an equivalent circuit, (b) a diode-type cross-sectional view, and (c) a cross-sectional view of a lateral / vertical mixed type 1. (D) The cross-sectional block diagram of the lateral / vertical mixed type 2. SCR使用のESD保護回路の従来例を示す等価回路図。The equivalent circuit diagram which shows the prior art example of the ESD protection circuit of SCR use. 上記図4の改良型であるESD保護回路の従来例を示す等価回路図。The equivalent circuit diagram which shows the prior art example of the ESD protection circuit which is the improved type of the said FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:SCR 2:内部回路 3:トリガNMOS
4:Nウェル抵抗 5:Pウェル抵抗 6:Nゲート
7:Pゲート 8:抵抗 9:容量
10:電源線間保護NMOS 11、12:Pウエル
13、14:ディープ−N−ウエル 15:P−sub
16:カソード 17:アノード 18:ゲート
19:ボディ 20:N−subコンタクト
21:入出力パッド 22:高電位側電源端子
23:低電位側電源端子 24:ドレイン
25:ソース 26:N−ウエル 30:PNPトランジスタ
31:NPNトランジスタ
1: SCR 2: Internal circuit 3: Trigger NMOS
4: N-well resistance 5: P-well resistance 6: N-gate 7: P-gate 8: Resistance 9: Capacitance 10: Power line protection NMOS 11, 12: P-well 13, 14: Deep-N-well 15: P- sub
16: Cathode 17: Anode 18: Gate 19: Body 20: N-sub contact 21: Input / output pad 22: High potential side power supply terminal 23: Low potential side power supply terminal 24: Drain 25: Source 26: N-well 30: PNP transistor 31: NPN transistor

Claims (5)

半導体集積回路における静電放電保護回路において、トリプルウェル構造によって構成されたSCRを主たる保護回路とし、
前記SCRを入出力端子と低電位側電源端子である接地端子との間に接続し、
前記SCRを構成している一方のトランジスタであるPNPバイポーラトランジスタのベース電極を高電位側電源端子に接続し、
前記SCRを構成している他の一方のトランジスタであるNPNトランジスタのベース電極と、前記入出力端子との間にダイオード接続したNMOSトランジスタを接続し、
前記高電位側電源端子と前記低電位側電源端子との間に電源線間保護回路を具備していること
を特徴としたESD保護回路。
In an electrostatic discharge protection circuit in a semiconductor integrated circuit, an SCR composed of a triple well structure is used as a main protection circuit,
The SCR is connected between an input / output terminal and a ground terminal which is a low potential side power supply terminal,
A base electrode of a PNP bipolar transistor which is one of the transistors constituting the SCR is connected to a high potential side power supply terminal;
A diode-connected NMOS transistor is connected between a base electrode of an NPN transistor, which is the other transistor constituting the SCR, and the input / output terminal;
An ESD protection circuit comprising a power line protection circuit between the high potential side power supply terminal and the low potential side power supply terminal.
請求項1に記載のESD保護回路において、
前記入出力端子側に接続されたNMOSトランジスタのソースと前記NPNトランジスタのベース電極との間に抵抗素子を具備することを特徴とするESD保護回路。
The ESD protection circuit according to claim 1,
An ESD protection circuit comprising a resistance element between a source of an NMOS transistor connected to the input / output terminal side and a base electrode of the NPN transistor.
請求項1または請求項2に記載のESD保護回路において、
前記入出力端子と前記SCRを形成している前記NPNトランジスタのベース電極との間に接続された前記NMOSトランジスタを、前記トリプルウェル構造内にて構成することで前記保護回路を構成する素子に加え、
べース電極が前記低電位側電源に、コレクタ電極が前記高電位側電源に、エミッタ電極が前記入出力端子に接続される、前記とは異なる他の寄生的なNPNバイポーラトランジスタが具備されることを特徴とするESD保護回路。
The ESD protection circuit according to claim 1 or 2,
The NMOS transistor connected between the input / output terminal and the base electrode of the NPN transistor forming the SCR is configured in the triple well structure to add to the element constituting the protection circuit. ,
Another parasitic NPN bipolar transistor different from the above is provided, in which a base electrode is connected to the low potential power source, a collector electrode is connected to the high potential power source, and an emitter electrode is connected to the input / output terminal. An ESD protection circuit.
請求項1乃至請求項3の何れかに記載のESD保護回路において、
前記電源線間保護回路をダイオード接続したNMOSトランジスタで構成したことを特徴とするESD保護回路。
The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 3,
An ESD protection circuit, wherein the power supply line protection circuit is constituted by a diode-connected NMOS transistor.
請求項1乃至請求項4の何れかに記載のESD保護回路において、
前記SCRを前記トリプルウェル構造におけるディープNウェルが包含するPウェル内に作成した第一のPN接合ダイオードと、前記ディープNウェル内に作成した第二のPN接合ダイオードとで構成し、
前記第一のPN接合ダイオードのアノードを、入出力端子に接続されている前記ダイオード接続のNMOSトランジスタのゲート電極と、抵抗素子を介して前記NMOSトランジスタのソースとに接続し、
前記第一のPN接合ダイオードのカソードを低電位側電源端子に接続し、
前記第二のPN接合ダイオードのアノードを入出力端子に、前記第二のPN接合ダイオードのカソードを高電位側電源端子に接続することで、寄生的に前記SCRを構成したことを特徴とするESD保護回路。
The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 4,
The SCR is composed of a first PN junction diode created in a P well included in a deep N well in the triple well structure, and a second PN junction diode created in the deep N well,
An anode of the first PN junction diode is connected to a gate electrode of the diode-connected NMOS transistor connected to an input / output terminal and a source of the NMOS transistor via a resistance element;
Connecting the cathode of the first PN junction diode to the low potential side power supply terminal;
The ESD is characterized in that the SCR is configured parasitically by connecting the anode of the second PN junction diode to an input / output terminal and connecting the cathode of the second PN junction diode to a high potential side power supply terminal. Protection circuit.
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