JP2006313880A - 静電気放電回路及びこれを有する集積回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】低いトリガ電圧を有する静電気放電保護回路を提供する。
【解決手段】静電気放電保護回路は、2つのノード間に連結され、ESDイベントが発生する時、第1トランジスタをターンオンさせる連結負荷と、アバランシェ降伏による電流を発生させる第2トランジスタとを含み、アバランシェ降伏による電流によってラッチアップ電流が発生する。
【選択図】 図3
【解決手段】静電気放電保護回路は、2つのノード間に連結され、ESDイベントが発生する時、第1トランジスタをターンオンさせる連結負荷と、アバランシェ降伏による電流を発生させる第2トランジスタとを含み、アバランシェ降伏による電流によってラッチアップ電流が発生する。
【選択図】 図3
Description
本発明は、集積回路のように敏感な電気装置のための保護分野に係り、より詳細には、静電気放電状況のような過度電圧防止分野に関する。
半導体技術が発展すると共に、集積回路の集積度が大幅増加している。集積回路の集積度が増加するほど、集積回路を静電気放電(ElectroStatic Discharge;以下、「ESD」と称する)から保護する必要性がより増加されている。
静電気放電保護回路の一つとして、GGMOS(Gate Grounded Metal Oxide Semiconductor)が使用された。GGMOSは、保護対象集積回路に電源を供給するVdd端子にドレイン端子が連結され、保護対象集積回路を接地させるVss端子にソース端子が連結され、ゲートとソースとが連結されたMOSで実現される。
Vdd端子とVss端子との間のMOSは、逆方向バイアスされたダイオードのような動作をするので、保護対象集積回路に通常の電源が供給される場合には、ターンオフ状態になる。しかし、Vss端子の電圧がVdd端子の電圧より急に高くなる場合に、MOSはターンオンされ、Vss端子の正電荷(或いは、Vdd端子の負電荷)をVdd端子(或いは、Vss端子)に排出させることにより、集積回路を保護する。
Vdd端子の電圧が急に高くなるか、Vss電圧が急に低くなる場合に、大きい逆方向バイアス電圧によってMOSはブレイクダウンされ、Vdd端子の正電荷(又は、端子の負電荷)はVss端子(又は、Vdd端子)に排出される。GGMOS静電気放電保護回路は、低いトリガ電圧を有するが、基本的にMOSの動作特性に従うので、静電気放電の効率が高くはない。
一方、より効率的な静電気放電のための保護装置として、サイリスタ又はシリコン制御整流器(以下、「SCR」と称する)が考案された。しかし、初期SCRは、高いトリガ電圧を有していて、トリガ電圧以下の電圧で動作されないという問題点があった。このようなSCRの高いトリガ電圧を低くしたLVTSCR(Low Voltage Trigger SCR)についての研究があり、特許文献1にはLVTSCRが開示されている。これについては、図1及び図2を参照して説明する。
米国特許6,939,616号
図1は従来の静電気放電保護装置の断面図で、図2は図1の静電気放電保護装置の等価回路図である。
図1を参照すると、静電気放電保護回路31は、Pタイプで低くドーピングされた基板30内に形成される。Nタイプで低くドーピングされたN−ウェル32が基板30内に形成され、Nタイプで高くドーピングされた領域34とPタイプで高くドーピングされた領域36とがN−ウェル32内に形成される。2つの領域34、36は、静電気放電保護回路31を含む集積回路のパッド38と連結される。Nタイプで高くドーピングされた領域42は、N−ウェル32と基板30との間にかけて形成される。抵抗44の一端側はパッド38と連結され、他端側はNタイプで高くドーピングされた領域42と連結される。Pタイプで高くドーピングされた領域40は、N−ウェル32の側面から遠く離れており、接地又は基準電位に連結される。
図1及び図2を参照すると、トランジスタ52は、領域36によって提供されるエミッタ、領域32によって提供されるベース、及び領域30によって提供されるコレクタを有するように形成される。トランジスタ54は、領域32によって提供されるコレクタ、基板30によって提供されるベース、及び領域40によって提供されるエミッタを有するように形成される。トランジスタ60は、領域42によって提供されるコレクタ、基板30によって提供されるベース、及び領域40によって提供されるエミッタを有するように形成される。
抵抗56は、Nタイプで高くドーピングされた領域34からPタイプで高くドーピングされた領域36の境界に沿って延長された低くドーピングされたN−ウェル32の抵抗特性によって提供される。抵抗58は、基板30から接地への連結点(図示せず)間の基板30の抵抗によって提供される。抵抗46は、Nタイプで低くドーピングされたN−ウェル32の抵抗特性によって提供される。抵抗44は、トランジスタ52のエミッタとトランジスタ60のコレクタとを連結する。
トランジスタ60は、低いアバランシェ臨界トリガトランジスタとして機能する。N+でドーピングされた領域42とPタイプでドーピングされた基板40との間の急な接合のために、トランジスタ60はトランジスタ54より低い電圧でアバランシェ条件に到達する。トランジスタ60が導電されると、トランジスタ60はトランジスタ54のベースにバイアス電流を供給し、トランジスタ54はトランジスタ52にベース電流を供給してトランジスタ52をターンオンさせる。従って、静電気放電保護回路31は、抵抗56及び抵抗58を介して流れる電流がトランジスタ52、54のためのバイアス電圧降下を供給するに足りないまで導電される。
このようなLVTSCRは、少ない面積で多くの電流を排出させることができる初期SCRの特性を有しているのみならず、初期SCRに対して低いトリガ電圧でも動作することができる長所を有する。このような長所にもかかわらず、LVTSCRには次のような限界点もある。
LVTSCRは、使用中に電気過負荷(Electrical Over Stress;以下、「EOS」と称する)、即ち、高電圧パルスが発生する場合に、ラッチアップが発生する虞がある。従って、LVTSCRを設計する場合には、EOS性サージによってラッチアップが発生することを防止する手段を必要とする。又、LVTSCRは、N−ウェル32の角に図1の領域42のようなN+又はP+タップを挿入する追加工程を必要とする。このような追加工程は、集積回路生産コストを上昇させる要因になる。その他、領域42の付近に電界が集中し、温度が上昇するという問題点が発生する虞もある。
前述したように、従来の静電気放電保護回路は一定の限界を有している。従って、従来のLVTSCRのように、低いトリガ電圧でも動作し、高い効率を有しながらも、EOS性サージに強く、追加工程を最小化することができる静電気放電保護回路を必要とする。
本発明は、前記課題を解決するためのもので、低いトリガ電圧で動作し、又、ラッチアップに対する強い特性を有する静電気放電保護回路を提供することを目的とする。
又、本発明は、低いトリガ電圧で動作し、又、ラッチアップに対する強い特性を有する静電気放電保護回路を含む集積回路を提供することも目的とする。
前記のような目的を達成するための本発明の一実施例による第1ノード及び第2ノード間を連結する静電気放電保護装置は、第1導電型の第1不純物で低くドーピングされた基板と、基板内の第1表面位置に形成されている第2導電型の第2不純物で低くドーピングされた第1領域と、第1領域内の第2表面位置に形成されており、第1ノードと連結された第2導電型の第3不純物で高くドーピングされた第2領域と、第1領域内の第3表面位置に第2領域と離れて形成されている第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第3領域と、第1領域内の第4表面位置に第3領域と離れて形成されており、第1ノードと連結された第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第4領域と、基板内の第5表面位置に第1領域と離れて形成されており、第2ノードと連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第5領域と、基板内の第6表面位置に第5領域と離れて形成されており、第3領域と連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第6領域と、基板内の第7表面位置に第6領域と離れて形成されており、第2ノードと連結された第1導電型の第6不純物で高くドーピングされた第7領域と、第3領域と第4領域との間に位置して、基板表面上に形成された第1絶縁層と、第5領域と第6領域との間に位置して、基板表面上に形成された第2絶縁層と、第1絶縁層上に形成された第1ゲートと、第2絶縁層上に形成され、第1ゲートと連結された第2ゲートと、第1端子は第1ノードと連結され、第2端子は第1ゲートと連結された連結負荷と、を含む。
前記のような目的を達成するための本発明の他の実施例による第1ノード及び第2ノード間を連結する静電気放電保護装置は、第1導電型の第1不純物で低くドーピングされた基板と、基板内の第1表面位置に形成されている第2導電型の第2不純物で低くドーピングされた第1領域と、第1領域内の第2表面位置に形成されており、第1ノードと連結された第2導電型の第3不純物で高くドーピングされた第2領域と、第1領域内の第3表面位置に第2領域と離れて形成されている第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第3領域と、第1領域内の第4表面位置に第3領域と離れて形成されており、第1ノードと連結された第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第4領域と、基板内の第5表面位置に第1領域と離れて形成されており、第2ノードと連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第5領域と、基板内の第6表面位置に第5領域と離れて形成されており、第3領域と連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第6領域と、基板内の第7表面位置に第6領域と離れて形成されており、第2ノードと連結された第1導電型の第6不純物で高くドーピングされた第7領域と、第3領域と第4領域との間に位置して、基板表面上に形成された第1絶縁層と、第5領域と第6領域との間に位置して、基板表面上に形成された第2絶縁層と、第1絶縁層上に形成された第1ゲートと、第2絶縁層上に形成され、第1ゲートと連結された第2ゲートと、第1端子は第2ノードと連結され、第2端子は第1ゲートと連結された連結負荷と、を含む。
前記のような目的を達成するための本発明の更に他の実施例による集積回路は、保護対象回路と、保護対象回路の一つの端子と連結された第1ノードと、保護対象回路の他の端子と連結された第2ノードと、第1導電型の第1不純物で低くドーピングされた基板と、基板内の第1表面位置に形成されている第2導電型の第2不純物で低くドーピングされた第1領域と、第1領域内の第2表面位置に形成されており、第1ノードと連結された第2導電型の第3不純物で高くドーピングされた第2領域と、第1領域内の第3表面位置に第2領域と離れて形成されている第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第3領域と、第1領域内の第4表面位置に第3領域と離れて形成されており、第1ノードと連結された第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第4領域と、基板内の第5表面位置に第1領域と離れて形成されており、第2ノードと連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第5領域と、基板内の第6表面位置に第5領域と離れて形成されており、第3領域と連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第6領域と、基板内の第7表面位置に第6領域と離れて形成されており、第2ノードと連結された第1導電型の第6不純物で高くドーピングされた第7領域と、第3領域と第4領域との間に位置して、基板表面上に形成された第1絶縁層と、第5領域と第6領域との間に位置して、基板表面上に形成された第2絶縁層と、第1絶縁層上に形成された第1ゲートと、第2絶縁層上に形成され、第1ゲートと連結された第2ゲートと、第1端子は第1ノードと連結され、第2端子は第1ゲートと連結された連結負荷と、を含む。
前記のような目的を達成するための本発明の更に他の実施例による集積回路は、保護対象回路と、保護対象回路の一つの端子と連結された第1ノードと、保護対象回路の他の端子と連結された第2ノードと、第1導電型の第1不純物で低くドーピングされた基板と、基板内の第1表面位置に形成されている第2導電型の第2不純物で低くドーピングされた第1領域と、第1領域内の第2表面位置に形成されており、第1ノードと連結された第2導電型の第3不純物で高くドーピングされた第2領域と、第1領域内の第3表面位置に第2領域と離れて形成されている第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第3領域と、第1領域内の第4表面位置に第3領域と離れて形成されており、第1ノードと連結された第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第4領域と、基板内の第5表面位置に第1領域と離れて形成されており、第2ノードと連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第5領域と、基板内の第6表面位置に第5領域と離れて形成されており、第3領域と連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第6領域と、基板内の第7表面位置に第6領域と離れて形成されており、第2ノードと連結された第1導電型の第6不純物で高くドーピングされた第7領域と、第3領域と第4領域との間に位置して、基板表面上に形成された第1絶縁層と、第5領域と第6領域との間に位置して、基板表面上に形成された第2絶縁層と、第1絶縁層上に形成された第1ゲートと、第2絶縁層上に形成され、第1ゲートと連結された第2ゲートと、第1端子は第2ノードと連結され、第2端子は第1ゲートと連結された連結負荷と、を含む。
前記のような目的を達成するための本発明の更に他の実施例による第1ノード及び第2ノード間を連結する静電気放電保護回路は、第1ノードとソースとが連結され、第1タイプを有する第1トランジスタと、第2ノードとソースとが連結され、ドレインが第1トランジスタのドレインと連結され、ゲートが第1トランジスタのゲートと連結され、第2タイプを有する第2トランジスタと、第1端子が第1ノードと連結され、第2端子は第1トランジスタのゲートと連結された連結負荷と、を含む。
前記のような目的を達成するための本発明の更に他の実施例による第1ノード及び第2ノード間を連結する静電気放電保護装置は、第1ノードとソースとが連結され、第1タイプを有する第1トランジスタと、第2ノードとソースとが連結され、ドレインが第1トランジスタのドレインと連結され、ゲートが第1トランジスタのゲートと連結され、第2タイプを有する第2トランジスタと、第1端子が第2ノードと連結され、第2端子は第1トランジスタのゲートと連結された連結負荷と、を含む。
前記のような目的を達成するための本発明の更に他の実施例による集積回路は、保護対象回路と、保護対象回路の一つの端子と連結された第1ノードと、保護対象回路の他の端子と連結された第2ノードと、第1ノードとソースとが連結され、第1タイプを有する第1トランジスタと、第2ノードとソースとが連結され、ドレインが第1トランジスタのドレインと連結され、ゲートが第1トランジスタのゲートと連結され、第2タイプを有する第2トランジスタと、第1端子が第1ノードと連結され、第2端子は第1トランジスタのゲートと連結された連結負荷と、を含む。
前記のような目的を達成するための本発明の更に他の実施例による集積回路は、保護対象回路と、保護対象回路の一つの端子と連結された第1ノードと、保護対象回路の他の端子と連結された第2ノードと、第1ノードとソースとが連結され、第1タイプを有する第1トランジスタと、第2ノードとソースとが連結され、ドレインが第1トランジスタのドレインと連結され、ゲートが第1トランジスタのゲートと連結され、第2タイプを有する第2トランジスタと、第1端子が第2ノードと連結され、第2端子は第1トランジスタのゲートと連結された連結負荷と、を含む。
以下、本発明の好ましい実施例による電圧制御発振器を添付図面を参照して詳細に説明する。
図3は、本発明の一実施例による静電気放電保護回路の回路図である。
静電気放電保護回路は、第1ノード340と第2ノード350とを連結し、連結負荷310と2つのトランジスタ320、330とを含む。
第1ノード340と第2ノード350とは、静電気に損傷されやすいメモリ回路、マイクロプロセッサ、ロジック回路等のような集積回路に電源を供給するVddパッドやVssパッドでも良く、データ入出力パッドでも良い。
第1トランジスタ320と第2トランジスタ330とは、CMOSインバータ構造で連結される。即ち、第1トランジスタ320のソース322は第1ノード340に連結され、第2トランジスタ330のソース333は第2ノード350に連結される。第1トランジスタ320及び第2トランジスタ330のドレイン323、332は互いに連結され、第1トランジスタ320及び第2トランジスタ330のゲート321、331も互いに連結される。
連結負荷310は、第1及び第2トランジスタ320、330のゲート321、331の連結ノード360に第1ノード340の電圧を伝達する。連結負荷310は抵抗で構成することもできるが、MOSトランジスタで実現する場合に、CDM(Charge Device Model)特性が良くなる。図3に図示された連結負荷310は、ソース312が第1ノード340に連結され、ゲート311及びドレイン313が第1及び第2トランジスタ320、330のゲート321、331と連結されたPMOSトランジスタである。
図3の静電気放電保護回路の動作を説明するために、便宜上、第1ノード340と第2ノード350とをそれぞれ集積回路に電源を供給するVddパッドとVssパッドと仮定する。
第1ノード340と第2ノード350とにそれぞれ通常的なVddとVssとが入力される場合に、連結負荷310は第1連結ノード360をハイ状態にプルアップさせる。連結ノード360がハイ状態にプルアップされると、第1トランジスタ320はターンオフされ、第2トランジスタ330はターンオンされる。従って、第2連結ノード370はロー状態になる。第1トランジスタ320がターンオフ状態であるので、第1ノード340と第2ノード350との間にはチャンネルが生じない。即ち、正常的な電源が第1ノード340と第2ノード350とに供給される時、静電気放電保護回路は動作しない。
一方、第1ノード340に過電圧が入力されると、連結負荷310を介して第1連結ノード360はハイ状態になる。第1連結ノード360がハイ状態であると、第2トランジスタ330はターンオンされ、第2連結ノード370はロー状態になる。この場合、第1トランジスタ320のソース322とドレイン323との間に高い電圧が印加され、その結果、アバランシェ降伏が発生する。一方、第1及び第2トランジスタ320、330を図3に示すようにCMOSインバータ構造で基板上に形成すると、寄生バイポーラ接合トランジスタ(以下、「BJT」と称する)が生じる。CMOSインバータの寄生BJTはSCR構造を有するが、これについては図4を参照して後述する。アバランシェ降伏によって第1トランジスタ320で発生された電流は、寄生BJTで形成されたPNPN構造のSCRのベースに電流を供給し、その結果、静電気放電保護回路にはラッチアップ現象が発生する。ラッチアップ状態は、印加された静電気が放電されると、中断される。
一方、EOS性サージが発生する時、従来のLVTSCRの場合にEOS性サージが除去されても、ラッチアップ現象が継続維持される可能性があるが、CMOSインバータは、初期にその構造を開発する当時に、このようなラッチアップ問題を充分に考慮したため、ラッチアップ現象が発生しない。一方、CMOSインバータ構造を利用して静電気放電保護回路を作る時、従来のLVTSCRと異なり、ウェルと基板との間にかかる領域を形成する工程等が不要である。
図4は、図3の静電気放電保護回路の動作を説明するための概念図である。
静電気放電保護回路は、第1ノード440又は第2ノード450に静電気によって印加される過電圧が発生する時、静電気を放電して集積回路を保護する。便宜上、第1ノード440はVddパッドで、第2ノード450はVssパッドであると仮定して説明する。
図3の第1トランジスタ320は、ゲート421と絶縁層426と領域422、423、425とによって実現することができ、第2トランジスタ330は、ゲート431と絶縁層436と領域432、433とによって実現することができる。
詳細に調べると、静電気放電保護回路は、連結負荷410とCMOSインバータ構造を有する2つのトランジスタとを含む。CMOSインバータ構造を有する2つのトランジスタは次のような構造で形成される。
Pタイプで低くドーピングされた基板400の表面位置にNタイプで低くドーピングされたN−ウェル425が形成され、基板400の表面位置のN−ウェル425内にNタイプで高くドーピングされた領域424とPタイプで高くドーピングされた領域422、423とが形成される。
そして、基板400の表面位置のN−ウェル425と離れた位置にNタイプで高くドーピングされた領域432、433とPタイプで高くドーピングされた領域434とが形成される。
絶縁層426は、基板400の表面上の領域422と領域423との間に形成され、その上にゲート421が形成される。絶縁層436は、基板400の表面上の領域432と領域433との間に形成され、その上にゲート431が形成される。
領域424及び領域422は第1ノード440に連結され、領域433と領域434とは第2ノード450に連結される。ゲート421とゲート431とは、連結負荷410の一側端子に連結され、連結負荷410の他側端子は、第1ノード440に連結される。領域423は領域432と連結される。ここで「連結」とは、2つのノード(端子)が物理的に連結されるか、導電体を介して電気的に連結され、2つのノード(端子)が等電位又は実質的に等電位となることを意味する。以下において、「連結」の意味は同じである。
領域424は、N−ウェル425の電位を第1ノード440の電位に維持する役割を果たし、領域434は、基板400の電位を第2ノード450の電位に維持する役割を果たす。
このようなCMOSインバータ構造では、寄生BJTによってSCRが形成され得る。SCRを形成する寄生BJTは、次のようにモデリングすることができる。PNPタイプのBJT(Q1)は、領域422によってエミッタ、N−ウェル425によってベース、そして、領域423にコレクタが提供される。NPNタイプのBJT(Q2)は、領域433によってエミッタ、基板400によってベース、そして、N−ウェル425によってコレクタが提供される。PNPタイプのBJT(Q3)は、領域422によってエミッタ、N−ウェル425によってベース、そして、基板400によってコレクタが提供される。NPNタイプのBJT(Q4)は、領域432によってエミッタ、基板400によってベース、そして、N−ウェル425によってコレクタが提供される。抵抗R1は低くドーピングされたN−ウェル425によって提供され、抵抗R2は低くドーピングされた基板400によって提供される。
領域422は、N−ウェル425と基板400との境界から距離L1(例えば、0.35)だけ離れており、領域433は、N−ウェル425と基板400との境界から距離L2(例えば、0.36)だけ離れている。この間隔によって、静電気放電保護回路の特性が変わる。従って、間隔L1と間隔L2とは、保護対象回路で要求される条件、集積回路工程の設計規則、工程方式等によって調整する必要がある。
正のESDイベントが第1ノード440に発生すると、連結負荷410を介してゲート431の下で領域432と領域433との間にチャンネルが形成される。即ち、図3で第2トランジスタがターンオンされる。チャンネルが形成されると、領域432は、第2ノード450の電圧を有する領域433と実質的に同じ電圧を有する。領域432は、領域423と連結されているので、同じ電圧を有する。即ち、第2連結ノード470は、第2ノードと実質的に同じ電圧を有していて、低い電圧状態にある。
一方、第1ノード440に印加された高電圧は、領域424と領域422とに伝達される。即ち、領域424と領域422とに伝達された高電圧によってN−ウェル425は高電圧状態になる。この際、N−ウェル425と領域423との付近には、高い電界が形成されアバランシェ降伏現象が発生する。アバランシェ降伏によって発生した電子は、「A」付近で領域423からN−ウェル425を経て領域424に流れ出す。この際、N−ウェル425の抵抗成分R1によって電圧降下が発生するが、これによってBJT(Q1)とBJT(Q3)がターンオンされる。
従来のPNPN構造を有するSCRは、アバランシェ降伏がN−ウェル425と基板400との間、即ち、「B」付近で発生する。「A」付近でPN接合は、高くドーピングされたPと低くドーピングされたNによる接合であるが、「B」付近でPN接合は、低くドーピングされたN及び低くドーピングされたPの接合である。前者の場合に後者より低い電圧でブレイクダウンが発生され得る。従って、本発明の実施例による静電気放電保護回路は、低いトリガ電圧(アバランシェ降伏を発生させるのに必要な電圧)を有する。
アバランシェ降伏によってBJT(Q1)とBJT(Q3)とがターンオンされると、次いでBJT(Q2)とBJT(Q4)とがターンオンされる。BJT(Q2)とBJT(Q4)とがターンオンされることによってラッチアップ電流が形成され、静電気放電が終了すると、ラッチアップ現象が中断される。
正のESDイベントが第2ノード450に発生した場合の動作は、次のように説明することができる。領域434と基板400とはP型で、N−ウェル425と領域424とはN型なので、PN接合ダイオード構造になる。正のESDイベントが第2ノード450に発生する場合に、PN接合ダイオードには順方向バイアスが生じ、従って、電流は第2ノード450から領域434と基板400とN−ウェル425と領域424とを経て第1ノード440に流れ出す。負のESDイベントが第1ノード440で発生した場合にもダイオードに順方向バイアスが生じる。
一方、負のESDイベントが第2ノード450に発生した場合に第2ノード450の電圧は、領域434を介して基板400に伝達される。この場合に、ゲート431と基板400との電圧差異によって領域433と領域432との間にチャンネルが形成される。従って、領域433を介して印加された第2ノードの電圧は、領域432を経て領域423に伝達される。一方、第1ノード440の電圧は、領域424及び領域422を介してN−ウェル425に伝達される。この際、領域423とN−ウェル425との間に強い電界が生じるが、これによってアバランシェ降伏が発生する。アバランシェ降伏以後の動作は、前述した正のESDイベントが第1ノード44に発生した場合と同じである。
図5は、図3の静電気放電保護回路を実現した例を示す断面図である。
第1ノード540と第2ノード550とを連結する静電気放電保護装置は、CMOS構造を有する。具体的に、基板500の表面位置に形成されたN−ウェル525内に第1ノードの電圧を提供する領域524と、図3の第1トランジスタ320のソースとドレインとに該当する領域522と領域523とが形成される。N−ウェル525と離れた位置に第2ノードの電圧を提供する領域534と図3の第2トランジスタ330のソースとドレインとに該当する領域533と領域532とが形成される。領域522は、第1ノード540に連結され、領域533は第2ノード550に連結される。そして、領域523と領域532とは第2連結ノード570に連結される。絶縁層526、536上のゲート521、531は第1連結ノード560に連結される。以上の各領域とノードとは、図4の該当部分と同一である。
図3の連結負荷310は、PMOS構造で図5に示すように実現することができる。基板500の表面位置に形成されたN−ウェル515内に第1ノードの電圧を提供する領域514と図3のソースとドレインとに該当する領域512と領域513とが形成される。領域512と領域513との間に基板500上に絶縁層516が形成され、絶縁層516上にゲート511が形成される。ゲート511と領域513とは第1連結ノード560を介してゲート521及びゲート531と連結される。そして、領域512は第1ノード540と連結される。
このように図3の連結負荷310と第1トランジスタ320とは、互いに異なるN−ウェルを有するPMOSで実現することができるが、N−ウェルを共有するPMOSで実現することもできる。
図6は、図3の静電気放電保護回路を実現した他の例を示す断面図である。
第1ノード640と第2ノード650とを連結する静電気放電保護装置は、CMOS構造を有する。具体的に、基板600の表面位置に形成されたN−ウェル625の内に第1ノードの電圧を提供する領域624と、図3の第1トランジスタ320のソースとドレインとに該当する領域622と領域623及び図3の連結負荷310のソースとドレインとに該当する領域612と領域613とが形成される。N−ウェル625と離れた位置に第2ノードの電圧を提供する領域634と図3の第2トランジスタ330のソースとドレインとに該当する領域633と領域632とが形成される。領域622と領域612とは第1ノード640に連結され、領域633は第2ノード650に連結される。そして、領域623と領域632とは第2連結ノード670に連結される。絶縁層616、626、636上のゲート611、621、631及び領域613は第1連結ノード660に連結される。
図7及び図8は、図3の静電気放電保護回路の動作過程をシミュレーションして得られた結果を示す図である。
基板700の領域734、732、733、722、723、724、N−ウェル725、絶縁層736、726、ゲート731、721、及び連結負荷710は全部図4の各該当部分と同一である。トランジスタ間の干渉を減少させるために、STI(Shallow Trench Isolation)702、703が形成される。図7を参照すると、Vdd端子に3.0Vが印加される時、アバランシェ降伏による電流がN−ウェル725内に流れることがわかる。図8は、図7が発生された後の状態を示す図であって、図8を参照すると、アバランシェ降伏による電流によってラッチアップ電流が流れることがわかる。
図9は、本発明の他の実施例による静電気放電保護回路の回路図である。
静電気放電保護回路は、第1ノード840と第2ノード850とを連結し、連結負荷810と2つのトランジスタ820、830とを含む。
第1ノード840と第2ノード850とは、静電気によって損傷されやすいメモリ回路、マイクロプロセッサ、ロジック回路等のような集積回路に電源を供給するVddパッドやVssパッドでも良く、データ入出力パッドでも良い。
第1トランジスタ820と第2トランジスタ830とは、CMOSインバータ構造で連結される。即ち、第1トランジスタ820のソース822は第1ノード840に連結され、第2トランジスタ830のソース833は第2ノード850に連結される。第1トランジスタ820及び第2トランジスタ830のドレイン823、832は互いに連結され、第1トランジスタ820及び第2トランジスタ830のゲート821、831も互いに連結される。
連結負荷810は、第1及び第2トランジスタ820、830のゲート821、831の第1連結ノード860に第2ノード850の電圧を伝達する。連結負荷810は抵抗で構成することもできるが、MOSトランジスタで実現する時、CDM(Charge Device Model)特性が良くなる。図9に図示された連結負荷810は、ソース812が第2ノード850に連結され、ゲート811及びドレイン813が第1及び第2トランジスタ820、830のゲート821、831と連結されたNMOSトランジスタである。
図9の静電気放電保護回路の第1トランジスタ820と第1トランジスタ830とは、図5、図6と同様に実現することができ、連結負荷810は基板上にNタイプで高くドーピングさせた2つの領域と絶縁層及びゲートとで実現することができる。
図9の静電気放電保護回路の動作を説明するために、便宜上、第1ノード840と第2ノード850とをそれぞれ集積回路に電源を供給するVddパッドとVssパッドと仮定する。第1ノード840と第2ノード850とにそれぞれ通常的なVddとVssとが入力される場合に、連結負荷810は第1連結ノード860をロー状態にプルダウンさせる。第1連結ノード860がロー状態にプルダウンされると、第1トランジスタ820はターンオンされ、第2トランジスタ830はターンオフされる。従って、第2連結ノード870はハイ状態になる。第2トランジスタ830がターンオフ状態にあるので、第1ノード840と第2ノード850との間にはチャンネルが発生しない。即ち、正常的な電源が第1ノード840と第2ノード850とに供給される時、静電気放電保護回路は動作しない。
次に、第2ノード850に負のESDイベントが発生した場合の動作を説明する。第2ノード850に負の電圧が印加されると、連結負荷810を介して第1連結ノード860はロー状態になる。連結ノード860がロー状態にあると、第1トランジスタ820はターンオンされ、第2連結ノード870はハイ状態になる。この場合に、第2トランジスタ830のソース833とドレイン832との間に高い電圧が印加され、その結果、アバランシェ降伏が発生する。一方、第1及び第2トランジスタ820、830を図9に示すように、CMOSインバータ構造で基板上に形成すると、寄生BJTが発生する。CMOSインバータの寄生BJTはSCR構造を有するが、これは図4の説明を参照する。アバランシェ降伏によって第2トランジスタ830で発生した電流は、寄生BJTで形成されたPNPN構造のSCRにベースに電流を供給し、その結果、静電気放電保護回路にはラッチアップ現象が発生する。ラッチアップ状態は、印加された静電気が放電されると、中断される。第1ノード840に正のESDイベントが発生した場合にも、同様に第2トランジスタ830がアバランシェ降伏し、結果的に寄生BJTで構成されたSCRをラッチアップさせる。
一方、正のESDイベントが第2ノード850に発生した場合、又は負のESDイベントが第1ノード840で発生した場合には、寄生ダイオードに順方向バイアスが発生し、順方向バイアスされたダイオード電流として静電気が放電される。
図10は、本発明の一実施例による静電気放電保護回路によって保護される集積回路を示す簡略図である。
静電気放電保護回路901は、保護対象回路980を連結する2つのノード940、950に保護対象回路980と並列に連結される。例えば、第1ノード940は、Vdd電圧を供給するパッドでも良く、第2ノード950はVss電圧を供給するパッドでも良い。正常的なVddとVssとが供給される時、静電気放電保護回路901は動作しないが、ESDイベントが発生する時に静電気放電保護回路901が動作して、保護対象回路980が損傷されることを防止する。このような静電気放電保護回路901も図3乃至図9を参照して前述したいかなる静電気放電保護回路にもなることができる。
一方、第1ノード940と第2ノード950のうち、いずれか一つのノードがデータノードであるか、全部がデータノードでも良く、この場合にもESDイベントが発生する時に保護対象回路をESDイベントによる損傷から保護する。勿論、一つのチップが複数の静電気放電保護回路を含むように実現することもできる。
以上では、Pタイプの基板に実現した静電気放電保護回路や静電気放電保護回路を含む集積回路を基準として説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、Nタイプの基板にも静電気放電保護回路や静電気放電保護回路を含む集積回路を実現することができる。従って、以上で説明した実施例は例示的なもので、限定的なものではない。
本発明の実施例によると、静電気放電保護回路は、低いトリガ電圧を有することができる。又、CMOSインバータ構造を採択することによって、静電気放電保護回路はラッチアップについての強い特性を有する。
本発明の実施例によると、低いトリガ電圧とラッチアップについての強い特性を有する静電気放電保護回路を集積回路に含ませて、集積回路がESDイベントによって損傷されることを防止することができる。
以上、本発明を実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。
310 連結負荷
320 第1トランジスタ
330 第2トランジスタ
340 第1ノード
350 第2ノード
320 第1トランジスタ
330 第2トランジスタ
340 第1ノード
350 第2ノード
Claims (32)
- 第1ノード及び第2ノード間を連結する静電気放電保護回路において、
第1導電型の第1不純物で低くドーピングされた基板と、
前記基板内の第1表面位置に形成されている第2導電型の第2不純物で低くドーピングされた第1領域と、
前記第1領域内の第2表面位置に形成されており、前記第1ノードと連結された第2導電型の第3不純物で高くドーピングされた第2領域と、
前記第1領域内の第3表面位置に前記第2領域と離れて形成されている第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第3領域と、
前記第1領域内の第4表面位置に前記第3領域と離れて形成されており、前記第1ノードと連結された第1導電型の前記第4不純物で高くドーピングされた第4領域と、
前記基板内の第5表面位置に前記第1領域と離れて形成されており、前記第2ノードと連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第5領域と、
前記基板内の第6表面位置に前記第5領域と離れて形成されており、前記第3領域と連結された第2導電型の前記第5不純物で高くドーピングされた第6領域と、
前記基板内の第7表面位置に前記第6領域と離れて形成されており、前記第2ノードと連結された第1導電型の第6不純物で高くドーピングされた第7領域と、
前記第3領域と前記第4領域との間に位置して、前記基板表面上に形成された第1絶縁層と、
前記第5領域と前記第6領域との間に位置して、前記基板表面上に形成された第2絶縁層と、
前記第1絶縁層上に形成された第1ゲートと、
前記第2絶縁層上に形成され、前記第1ゲートと連結された第2ゲートと、
第1端子は前記第1ノードと連結され、第2端子は前記第1ゲートと連結された連結負荷と、を含む静電気放電保護回路。 - 前記第1導電型はPタイプで、前記第2導電型はNタイプであることを特徴とする請求項1記載の静電気放電保護回路。
- 前記連結負荷は前記第1端子がソースで、前記第2端子はドレインで、前記ドレインとゲートとが連結されたPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1記載の静電気放電保護回路。
- 第1ノード及び第2ノード間を連結する静電気放電保護回路において、
第1導電型の第1不純物で低くドーピングされた基板と、
前記基板内の第1表面位置に形成されている第2導電型の第2不純物で低くドーピングされた第1領域と、
前記第1領域内の第2表面位置に形成されており、前記第1ノードと連結された第2導電型の第3不純物で高くドーピングされた第2領域と、
前記第1領域内の第3表面位置に前記第2領域と離れて形成されている第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第3領域と、
前記第1領域内の第4表面位置に前記第3領域と離れて形成されており、前記第1ノードと連結された第1導電型の前記第4不純物で高くドーピングされた第4領域と、
前記基板内の第5表面位置に前記第1領域と離れて形成されており、前記第2ノードと連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第5領域と、
前記基板内の第6表面位置に前記第5領域と離れて形成されており、前記第3領域と連結された第2導電型の前記第5不純物で高くドーピングされた第6領域と、
前記基板内の第7表面位置に前記第6領域と離れて形成されており、前記第2ノードと連結された第1導電型の第6不純物で高くドーピングされた第7領域と、
前記第3領域と前記第4領域との間に位置して、前記基板表面上に形成された第1絶縁層と、
前記第5領域と前記第6領域との間に位置して、前記基板表面上に形成された第2絶縁層と、
前記第1絶縁層上に形成された第1ゲートと、
前記第2絶縁層上に形成され、前記第1ゲートと連結された第2ゲートと、
第1端子は前記第2ノードと連結され、第2端子は前記第1ゲートと連結された連結負荷と、を含む静電気放電保護回路。 - 前記第1導電型はPタイプで、前記第2導電型はNタイプであることを特徴とする請求項4記載の静電気放電保護回路。
- 前記連結負荷は前記第1端子がソースで、前記第2端子はドレインで、前記ドレインとゲートとが連結されたNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項4記載の静電気放電保護回路。
- 保護対象回路と、
前記保護対象回路の一つの端子と連結された第1ノードと、
前記保護対象回路の他の端子と連結された第2ノードと、
第1導電型の第1不純物で低くドーピングされた基板と、
前記基板内の第1表面位置に形成されている第2導電型の第2不純物で低くドーピングされた第1領域と、
前記第1領域内の第2表面位置に形成されており、前記第1ノードと連結された第2導電型の第3不純物で高くドーピングされた第2領域と、
前記第1領域内の第3表面位置に前記第2領域と離れて形成されている第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第3領域と、
前記第1領域内の第4表面位置に前記第3領域と離れて形成されており、前記第1ノードと連結された第1導電型の前記第4不純物で高くドーピングされた第4領域と、
前記基板内の第5表面位置に前記第1領域と離れて形成されており、前記第2ノードと連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第5領域と、
前記基板内の第6表面位置に前記第5領域と離れて形成されており、前記第3領域と連結された第2導電型の前記第5不純物で高くドーピングされた第6領域と、
前記基板内の第7表面位置に前記第6領域と離れて形成されており、前記第2ノードと連結された第1導電型の第6不純物で高くドーピングされた第7領域と、
前記第3領域と前記第4領域との間に位置して、前記基板表面上に形成された第1絶縁層と、
前記第5領域と前記第6領域との間に位置して、前記基板表面上に形成された第2絶縁層と、
前記第1絶縁層上に形成された第1ゲートと、
前記第2絶縁層上に形成され、前記第1ゲートと連結された第2ゲートと、
第1端子は前記第1ノードと連結され、第2端子は前記第1ゲートと連結された連結負荷と、を含む集積回路。 - 前記第1導電型はPタイプで、前記第2導電型はNタイプであることを特徴とする請求項7記載の集積回路。
- 前記連結負荷は前記第1端子がソースで、前記第2端子はドレインで、前記ドレインとゲートとが連結されたPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項7記載の集積回路。
- 保護対象回路と、
前記保護対象回路の一つの端子と連結された第1ノードと、
前記保護対象回路の他の端子と連結された第2ノードと、
第1導電型の第1不純物で低くドーピングされた基板と、
前記基板内の第1表面位置に形成されている第2導電型の第2不純物で低くドーピングされた第1領域と、
前記第1領域内の第2表面位置に形成されており、前記第1ノードと連結された第2導電型の第3不純物で高くドーピングされた第2領域と、
前記第1領域内の第3表面位置に前記第2領域と離れて形成されている第1導電型の第4不純物で高くドーピングされた第3領域と、
前記第1領域内の第4表面位置に前記第3領域と離れて形成されており、前記第1ノードと連結された第1導電型の前記第4不純物で高くドーピングされた第4領域と、
前記基板内の第5表面位置に前記第1領域と離れて形成されており、前記第2ノードと連結された第2導電型の第5不純物で高くドーピングされた第5領域と、
前記基板内の第6表面位置に前記第5領域と離れて形成されており、前記第3領域と連結された第2導電型の前記第5不純物で高くドーピングされた第6領域と、
前記基板内の第7表面位置に前記第6領域と離れて形成されており、前記第2ノードと連結された第1導電型の第6不純物で高くドーピングされた第7領域と、
前記第3領域と前記第4領域との間に位置して、前記基板表面上に形成された第1絶縁層と、
前記第5領域と前記第6領域との間に位置して、前記基板表面上に形成された第2絶縁層と、
前記第1絶縁層上に形成された第1ゲートと、
前記第2絶縁層上に形成され、前記第1ゲートと連結された第2ゲートと、
第1端子は前記第2ノードと連結され、第2端子は前記第1ゲートと連結された連結負荷と、を含む集積回路。 - 前記第1導電型はPタイプで、前記第2導電型はNタイプであることを特徴とする請求項10記載の集積回路。
- 前記連結負荷は前記第1端子がソースで、前記第2端子はドレインで、前記ドレインとゲートとが連結されたNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項10記載の集積回路。
- 第1ノード及び第2ノード間を連結する静電気放電保護回路において、
前記第1ノードとソースとが連結され、第1タイプを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードとソースとが連結され、ドレインが前記第1トランジスタのドレインと連結され、ゲートが前記第1トランジスタのゲートと連結され、第2タイプを有する第2トランジスタと、
第1端子が前記第1ノードと連結され、第2端子は前記第1トランジスタのゲートと連結された連結負荷と、を含む静電気放電保護回路。 - 前記第1タイプはPMOSタイプで、前記第2タイプはNMOSタイプであることを特徴とする請求項13記載の静電気放電保護回路。
- 前記連結負荷は前記第1端子がソースで、前記第2端子はドレインで、前記ドレインとゲートとが連結されたPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項13記載の静電気放電保護回路。
- 前記第2トランジスタは、前記第1ノードに印加される高電圧に応答してターンオンされ、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2ノードの電圧と実質的に同様にすることを特徴とする請求項13記載の静電気放電保護回路。
- 前記第1トランジスタは、前記第2トランジスタがターンオンされると、アバランシェ降伏によって電流を発生させて、第1及び第2トランジスタの寄生BJTによるSCRをラッチアップさせることを特徴とする請求項16記載の静電気放電保護回路。
- 第1ノード及び第2ノード間を連結する静電気放電保護回路において、
前記第1ノードとソースとが連結され、第1タイプを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードとソースとが連結され、ドレインが前記第1トランジスタのドレインと連結され、ゲートが前記第1トランジスタのゲートと連結され、第2タイプを有する第2トランジスタと、
第1端子が前記第2ノードと連結され、第2端子は前記第1トランジスタのゲートと連結された連結負荷と、を含む静電気放電保護回路。 - 前記第1タイプはPMOSタイプで、前記第2タイプはNMOSタイプであることを特徴とする請求項18記載の静電気放電保護回路。
- 前記連結負荷は前記第1端子がソースで、前記第2端子はドレインで、前記ドレインとゲートとが連結されたNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項18記載の静電気放電保護回路。
- 前記第1トランジスタは、前記第1ノードに印加される低電圧に応答してターンオンされ、前記第2トランジスタのドレイン電圧が前記第1ノードの電圧と実質的に同様にすることを特徴とする請求項18記載の静電気放電保護回路。
- 前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタがターンオンされると、アバランシェ降伏によって電流を発生させて、第1及び第2トランジスタの寄生BJTによるSCRをラッチアップさせることを特徴とする請求項21記載の静電気放電保護回路。
- 保護対象回路と、
前記保護対象回路の一つの端子と連結された第1ノードと、
前記保護対象回路の他の端子と連結された第2ノードと、
前記第1ノードとソースとが連結され、第1タイプを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードとソースとが連結され、ドレインが前記第1トランジスタのドレインと連結され、ゲートが前記第1トランジスタのゲートと連結され、第2タイプを有する第2トランジスタと、
第1端子が前記第1ノードと連結され、第2端子は前記第1トランジスタのゲートと連結された連結負荷と、を含む集積回路。 - 前記第1タイプはPMOSタイプで、前記第2タイプはNMOSタイプであることを特徴とする請求項23記載の集積回路。
- 前記連結負荷は前記第1端子がソースで、前記第2端子はドレインで、前記ドレインとゲートとが連結されたPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項23記載の集積回路。
- 前記第2トランジスタは、前記第1ノードに印加される高電圧に応答してターンオンされ、前記第1トランジスタのドレイン電圧が前記第2ノードの電圧と実質的に同様にすることを特徴とする請求項23記載の集積回路。
- 前記第1トランジスタは、前記第2トランジスタがターンオンされると、アバランシェ降伏によって電流を発生させて、第1及び第2トランジスタの寄生BJTによるSCRをラッチアップさせることを特徴とする請求項26記載の集積回路。
- 保護対象回路と、
前記保護対象回路の一つの端子と連結された第1ノードと、
前記保護対象回路の他の端子と連結された第2ノードと、
前記第1ノードとソースとが連結され、第1タイプを有する第1トランジスタと、
前記第2ノードとソースとが連結され、ドレインが前記第1トランジスタのドレインと連結され、ゲートが前記第1トランジスタのゲートと連結され、第2タイプを有する第2トランジスタと、
第1端子が前記第2ノードと連結され、第2端子は前記第1トランジスタのゲートと連結された連結負荷と、を含む集積回路。 - 前記第1タイプはPMOSタイプで、前記第2タイプはNMOSタイプであることを特徴とする請求項28記載の集積回路。
- 前記連結負荷は前記第1端子がソースで、前記第2端子はドレインで、前記ドレインとゲートとが連結されたNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項28記載の集積回路。
- 前記第1トランジスタは、前記第2ノードに印加される低電圧に応答してターンオンされ、前記第2トランジスタのドレイン電圧が前記第1ノードの電圧と実質的に同様にすることを特徴とする請求項28記載の集積回路。
- 前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタがターンオンされると、アバランシェ降伏によって電流を発生させて、第1及び第2トランジスタの寄生BJTによるSCRをラッチアップさせることを特徴とする請求項31記載の集積回路。
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