JP2007151064A - 静電気放電(esd)保護回路を具えた差動入力/出力装置 - Google Patents
静電気放電(esd)保護回路を具えた差動入力/出力装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】静電気放電保護回路を具えた差動入力/出力装置を提供する。
【解決手段】差動入力/出力装置は、P型トランジスタ差動対500、第1のESD保護ユニットおよび第2のESD保護ユニットを含む。第1のESD保護ユニットおよび第2のESD保護ユニットはそれぞれN型トランジスタ506および508を含む。従来技術に比べて、本発明の保護装置は、CDM ESDが入力装置に発生したとき、より低いインピーダンスの電流経路を与える。
【選択図】図5
【解決手段】差動入力/出力装置は、P型トランジスタ差動対500、第1のESD保護ユニットおよび第2のESD保護ユニットを含む。第1のESD保護ユニットおよび第2のESD保護ユニットはそれぞれN型トランジスタ506および508を含む。従来技術に比べて、本発明の保護装置は、CDM ESDが入力装置に発生したとき、より低いインピーダンスの電流経路を与える。
【選択図】図5
Description
本発明は、静電気放電(ESD)保護回路を具えた差動入力/出力装置に関する。より詳細には、本発明は、CDM ESDを防止するためN型保護装置を使ったP型差動入力/出力回路に関する。
今日、差動入力/出力構造は、データを高速で伝送し、低い電圧および低い電力消費を実現するために、IC製品においては非常に重要な役割を担っている。差動入力/出力構造、例えば、小振幅差動信号伝送(RSDS)および低電圧差動信号伝送(LVDS)が、低電力消費、低電磁インターフェイス(EMI)、高ノイズ抵抗、および、高速データ伝送などの多くの利点を与えるものである。
しかしながら、この種の構造は、製造工程においてディープサブミクロンCMOS技術を通常は使用し、小さいサイズのゲート長によってより良い性能をもたらす。しかしながら、薄いゲート酸化物がトランジスタ、特にCDM ESDが発生したときに、損傷を与え得る。
図1Aおよび図1Bは、米国特許6,885,529号によってESD保護回路を説明する図である。追加の保護装置(N型トランジスタ101A/ダイオード101B)は、入力/出力N型トランジスタ111のゲートと電源コードVSSとの間に設けられ、また、追加の保護装置(P型トランジスタ102A/ダイオード102B)が、入力/出力P型トランジスタ112ゲートと電源コードVDDとの間に配置される。この種の保護回路は普通の入力/出力装置に適用可能であるが、差動入力/出力装置に適用可能ではない。その理由は、保護装置として使用されるP型トランジスタのボディを電源コードVDDに結合しなければならないが、一方で、入力段として使用されるP型トランジスタのボディを電源コードVDDに結合することができない。保護装置と保護されるべき装置(Pウェル/Nウェル)の間に大きな接合降伏電圧があるため、CDM ESDが生じる場合、P型トランジスタを保護装置として使用することは適切ではない。
図2は、台湾(ROC)の産業技術研究所によって開示された米国特許6,437,407号によるCDM ESD保護回路を示す図である。実際の保護回路は一対のCDMクランパ222と222‘を含み、それぞれが、CMOSトランジスタ224と224’とに結合されている。CDMが発生する場合に、たとえCDMクランパ222および222‘が、入力段を越えて広がる薄い酸化物の過度の電圧を効果的にクランプすることができるとしても、電流源が、電源コードVDDとP型差動対との間に必要であるため、この構造は差動対構造に適用することができない。
図3は、台湾(ROC)の産業技術研究所によって米国で開示された米国特許6,437,407号による差動入力回路に適用されたCDM ESD保護回路を示す図である。ソースとN型トランジスタ301のボディとの間の電圧差が、電圧レベル0ではないので、装置はボディ効果によって影響され、入力段の性能が低下するであろう。さらに、図4は、台湾(ROC)の産業技術研究所によって米国で開示された米国特許5,901,022号によるCDM ESD保護回路を示す図である。インダクタ401は入力段とパッドとの間に配置される。しかしながら、回路が高速で動作している場合、LCサージが、インダクタ401、および入力段回路のMOSFET(金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ)402の寄生容量によって生成される。従って、米国特許5,901,022号によるCDM ESD保護回路としてインダクタを使用する構造を、RSDSやLVDSなどのような高速の差動入力/出力装置に適用することができない。
発明の概要
従って、本発明は、差動入力/出力装置のCDM ESDが回路を損傷するのを防ぐために使用されるESD保護回路を含む差動入力/出力装置を提供することを目的とする。
従って、本発明は、差動入力/出力装置のCDM ESDが回路を損傷するのを防ぐために使用されるESD保護回路を含む差動入力/出力装置を提供することを目的とする。
本発明は、ESD保護回路を含む差動入力/出力装置を提供する。差動入力/出力装置は、電流源、第1のP型トランジスタ、第2のP型トランジスタ、第1のESD保護ユニット、および第2のESD保護ユニットを具える。電流源は電流を与えるために使用される。第1のP型トランジスタのボディと第1の端子とは、電流源に結合される。第2のP型トランジスタのボディと第1の端子とが、電流源に結合される。第1のESD保護ユニットは、第1のP型トランジスタのゲートに結合されている第1の端子を持つ第1のN型トランジスタを含む。第1のN型トランジスタのゲートは、第1のN型トランジスタのボディおよび第2の端子に結合されるが、ここで、CDMの静電気電流が第1のP型トランジスタのボディに生じる場合、第1のN型トランジスタは、静電気電流が第1のP型トランジスタのゲート酸化物を溶融させるのを防ぐために、ボディから第1のN型トランジスタの第1の端子への電流経路を与える(即ち、経路を開く)。第2のESD保護ユニットは、第2のP型トランジスタのゲートに結合されている第1の端子を持つ第2のN型トランジスタを含む。第2のN型トランジスタのゲートは、第2の端子および第2のN型トランジスタのボディに結合され、CDMの静電気電流が、第2のP型トランジスタのボディに発生する場合、静電気電流が第2のP型トランジスタのゲート酸化物を溶融させるのを防ぐために、第2のN型トランジスタは、ボディから第2のN型トランジスタの第1の端子への電流経路を与える、即ち形成する。
本発明の例示の実施態様によるESD保護回路を具えた差動入力/出力装置では、前述した第1のP型トランジスタおよび第1のN型トランジスタは、P型基板上に配置される。第1のP型トランジスタは、P型基板に配置されたNウェルと、Nウェルに配置された第1のゲートと、第1のP型トランジスタの第1の端子として機能する、第1のゲートの一方の側にあるNウェルに配置された配置された第1のP+ドープ領域と、第1のP型トランジスタの第2の端子として機能する、第1のゲートの他方の側にあるNウェルに配置された第2のP+ドープ領域と、Nウェルと第1のゲートとの間に配置された第1のゲート誘電体層と、Nウェルに配置されたN+ドープ領域と、を具える。また、第1のN型トランジスタは、Nウェルの外においてP型基板に配置されたPウェルと、Pウェル上の配置された第2のゲートと、第1のN型トランジスタの第1の端子として機能し、Nウェルに近い第2のゲートの一方の側におけるPウェルに配置された第2のN+ドープ領域と、第1のN型トランジスタの第2の端子として機能し、第2のゲートの他方の側における、Pウェルに配置された第3のN+ドープ領域と、Pウェルと第2のゲートとの間に配置された第2のゲート誘電体層と、Pウェルに配置された第3のP+ドープ領域とを具える。
本発明の例示の実施態様によるESD保護回路を含む差動入力/出力装置では、前述した第2のP型トランジスタおよび第2のN型トランジスタはP型基板上に配置される。第2のP型トランジスタは、P型基板に配置されたNウェルと、Nウェルに配置された第1のゲートと、第2のP型トランジスタの第1の端子として機能する、第1のゲートの一方の側におけるNウェルに配置される第1のP+ドープ領域と、第2のP型トランジスタの第2の端子として機能する、第1のゲートの他方の側におけるNウェルに配置された第2のP+ドープ領域と、Nウェルと第1のゲートとの間に配置された第1のゲート誘電体層と、Nウェルに配置された第1のN+ドープ領域とを具える。第2のN型トランジスタは、Nウェルの外におけるP型基板に配置されるPウェルと、Pウェルに配置された第2のゲートと、第2のN型トランジスタの第1の端子として機能し、Nウェルに近い第2のゲートの一方の側において、Pウェルに配置される第2のN+ドープ領域と、第2のN型トランジスタの第2の端子として機能し、第2のゲートの他方の側において、Pウェルに配置される第3のN+ドープ領域と、Pウェルと第2のゲートとの間に配置された第2のゲート誘電体層と、Pウェルに配置された第3のP+ドープ領域とを具える。
本発明の実施態様によれば、P型トランジスタ差動対を差動入力/出力装置に設け、ここで、P型差動対は、2つのP型トランジスタを含み、P型トランジスタがCDM ESDによって損傷を受けるのを保護するために、それぞれのP型トランジスタを、N型トランジスタによって形成された保護装置に結合する。CDM ESDが差動入力/出力装置に生じる場合、より低いインピーダンス電流経路をさらに提供することができる。
前述した目的およびその他の目的、さらには、本発明の特徴および利点を理解できるように、以下、付属の諸図面を参照して好適な実施態様を詳細に説明する。
前述の全体的な説明および以下の詳細な説明は例示であり、請求の範囲として要求した本発明についてさらなる説明を提供することを意図するものであることを理解されたい。
本発明についての一層の理解を提供するために付属の諸図面を包含させるものであり、これを本明細書に合体させ、本明細書の一部を構成させる。図面は、発明の実施態様を示し、明細書と共に発明の原理についての説明に資する。
実施態様の説明
CDM ESDが生じる場合に、P型の差動入力/出力装置を保護するために従来の技術を使用することができないため、本発明はCDM ESD保護回路を含む差動入力/出力装置を提供する。その詳細な実施態様は、添付の図面を参照しながら詳細に以下に記載する。
CDM ESDが生じる場合に、P型の差動入力/出力装置を保護するために従来の技術を使用することができないため、本発明はCDM ESD保護回路を含む差動入力/出力装置を提供する。その詳細な実施態様は、添付の図面を参照しながら詳細に以下に記載する。
図5は、本発明の実施態様によるESD保護回路を含む差動入力/出力装置の回路図である。CDM ESDが生じる場合、差動入力/出力装置は、より低いインピーダンス、即ち低インピーダンスの電流経路を提供する。図5を参照して、ESD保護回路を含む差動入力/出力装置はP型トランジスタ差動対500、第1のESD保護ユニットおよび第2のESD保護ユニットを含む。本実施態様では、第1および第2のESD保護ユニットはそれぞれN型トランジスタ506および508を含む。ここで、P型トランジスタ502、504のボディは、電源コードVDDに直接接続されない。保護装置N型トランジスタ506および508のソースは接地(グランド)され、また、それのドレインは、P型トランジスタ502および504ゲートに結合される。CDM ESDがP型トランジスタ502に生じるとき、N型トランジスタのボディからパッド510へのCDM電流経路を提供するために、電荷の電圧レベルが、N型トランジスタ506のボディとドレインとの間の接合降伏を引き起こすであろう。同様に、CDM ESDがP型トランジスタ504に生じる場合、N型トランジスタ508のボディからパッド512までの電流経路が、同じ方法で提供される。入力/出力装置が適切に働く場合、N型トランジスタ506および508ゲートおよびソースが、互いと結合されるため、N型トランジスタ506および508がオフにされる。しかしながら、N型トランジスタ506および508のソース、ボディ、ゲートを本発明の実施態様において接地した場合であっても、それらを適切な電圧に結合するように設計することができる。
図6は、本発明の実施態様によるICチップの上のESD保護回路を含む差動入力/出力装置における第1のP型トランジスタ502および第1のN型トランジスタ506の断面図である。図6を参照すると、CDM電流経路(符号61および62で示す)を図中に示してある。本実施態様では、CDMの負の静電気電流が生じるとき、保護されるべきP型トランジスタ502のNウェル601における負電荷が、N型トランジスタ506のPウェル602に流れ込み、Pウェル602に配置されたN+ドープ領域603と、Pウェル602との間のPN接合部が降伏(breaks down)する。接合部が降伏した後、負電荷は経路61を通ってパッド510から排出される。
図6の本発明の実施態様についてより詳細に説明するために、従来のCDM ESD保護回路は例として説明する。図7は、チップ上のCDM ESD保護回路を含む従来の差動入力/出力装置の断面図である。図7と図6との間の相違は、P型トランジスタ706が図7の中で保護回路として使用されることであることが理解できるであろう。同様に、入力/出力装置P型トランジスタ702のNウェル704における負電荷が、P型基板705とNウェル704(経路71)と間の接合降伏を引き起こすであろう。P型基板705中のドーパントが、Nウェル704におけるドーパントより小さいため、P型基板705とNウェルとの間の接合降伏電圧が、図6のPウェル602とN+ドープ領域603との間の接合降伏電圧よりもはるかに大きい。従って、図6の実施態様におけるターンオン効率(turn-on efficiency)は、図7の態様より優れる。
図7のように、保護されるべき装置のP型トランジスタに正電荷を従来通りに格納する状況に関して、正電荷は、Nウェル704とP型基板705との間の接合降伏を引き起こし、更に、一部の電荷は、パッド700に達するためにPsubピックアップ707を通過し、また、一部の電荷は、NウェルとP+ドープ領域との間の接合を降伏(破る)させる(経路72)ことによってパッド700に達するであろう。図6に示すように本発明の実施態様では、図7で示するように、電荷の一部はパッド510に達するためにPsubピックアップ610を通過し、P型基板605とPウェル602(経路62)との間の接合部を降伏(break down)させることによって、他の一部の電荷は、パッド510に達する。P型基板605とPウェル602の間の接合降伏電圧が非常に小さいので、電荷はパッド510に達するために容易に通過することができる。従って、CDM ESDが生じる場合、本発明は、装置のトランジスタにたまったのが正電荷または負電荷にかかわらず、従来方式に比べて、損傷からより有効に入力/出力回路を保護することができる、
同様に、当業者は、P型トランジスタ504およびN型トランジスタ508の実施態様の構造は、図6のP型トランジスタ502およびN型トランジスタ506のレイアウトとして実現することができることを当業者は理解すべきであり、従って、それについての詳細な説明はしない。
ESD保護装置N型トランジスタゲートの結合は、種々の要件に応じて調節することができる。図8は、本発明の実施態様によるESD保護回路を含む差動入力/出力装置の回路図である。2つのN型トランジスタ506および508のゲートは、それぞれ抵抗器826および828によってそれのボディに結合することができる。同様に、図9,10に示すようように本発明を実施することができる。図9,10の実施態様は、図8のそれと同様のもであるが、それの相違は、N型トランジスタのうちの1つのゲートだけが接続された抵抗器を持つということである。同様に、図11で示すように本発明を実施することができ、すなわち、各P型トランジスタゲートは2つのN型トランジスタとそれぞれ結合される。図12に示した実施態様は、図11の実施態様から派生したものである。図12で示した回路では、各N型トランジスタゲートが、接続された抵抗器を具える。
さらに、図12は本発明の一実施態様に過ぎず、例えば、N型トランジスタのうちの1つゲートへ抵抗器を設けること、N型トランジスタのうちの2つのゲートへ抵抗器を設けること、あるいは、N型トランジスタのうちの3つのゲートへ抵抗器を設けるなどのような、その他の実施態様も全て本発明の範囲内であると、当業者は理解すべきである。
さらに、図12は本発明の一実施態様に過ぎず、例えば、N型トランジスタのうちの1つゲートへ抵抗器を設けること、N型トランジスタのうちの2つのゲートへ抵抗器を設けること、あるいは、N型トランジスタのうちの3つのゲートへ抵抗器を設けるなどのような、その他の実施態様も全て本発明の範囲内であると、当業者は理解すべきである。
概観すると、P型差動対を、本発明の差動入力/出力回路に取り入れ、P型トランジスタをCDM ESDから保護するために、各P型トランジスタゲートのゲートを、N型トランジスタで形成された保護装置に結合する。CDM ESDが差動入力/出力装置に生じる場合、より低いインピーダンス電流経路をさらに提供することができる。
様々な修正や変更を本発明の本質から逸脱することなく本発明の構造に施すことができることは当業者には自明であろう。上記事項に鑑みれば、それらが請求の範囲やそれらに相当するものの範疇に入るという条件で、本発明はその修正や変更したものをカバーすることを意図するものである。
Claims (13)
- ESD保護回路を含む差動入力/出力装置であって、
電流源に結合されたボディおよび第1の端子を持つ第1のP型トランジスタと、
前記電流源に結合されたボディおよび第1の端子を持つ第2のP型トランジスタと、
第1のN型トランジスタを含む第1のESD保護ユニットと、
第2のN型トランジスタを含む第2のESD保護ユニットと、を具え、
前記第1のN型トランジスタが、
前記第1のP型トランジスタのゲートに結合された第1の端子と、前記第1のN型トランジスタのボディおよび第2の端子に結合されたゲートとを持ち、
CDM静電気電流が、前記第1のP型トランジスタのボディに発生したとき、前記第1のN型トランジスタが、前記ボディから前記第1のN型トランジスタの第1の端子への電流経路を与え、
前記第2のN型トランジスタが、前記第2のP型トランジスタのゲートに結合された第1の端子と、前記第2のN型トランジスタのボディおよび前記第2の端子に結合されたゲートとを持ち、
CDM静電気電流が、前記第2のP型トランジスタのボディに発生したとき、前記第2のN型トランジスタが、前記ボディから前記第2のN型トランジスタの第1の端子への電流経路を与える、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項1に記載の差動入力/出力装置において、
前記第1のN型トランジスタの第2の端子が、第1の電圧に結合される、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項2に記載の差動入力/出力装置において、
前記第1の電圧が、グランド電圧である、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項1に記載の差動入力/出力装置において、
前記第1のESD保護ユニットが、前記第1のN型トランジスタの第2の端子と前記ゲートとの間で結合されている抵抗をさらに含む、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項1に記載の差動入力/出力装置において、
前記第2のESD保護ユニットが、前記第2のN型トランジスタの第2の端子と前記ゲートとの間で結合されている抵抗をさらに含む、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項1に記載の差動入力/出力装置において、
第3のN型トランジスタを具えた第3のESD保護ユニットをさらに含み、
前記第3のN型トランジスタが、
前記第1のP型トランジスタのゲートに結合された第1の端子および前記第3のN型トランジスタのボディおよび第2の端子に結合されたゲートを持ち、
CDM静電気電流が前記第1のP型トランジスタのボディに発生したとき、前記第3のN型トランジスタが、前記静電気電流が前記第1のP型トランジスタのゲート酸化物を融解させるのを防止するために、前記ボディから前記第3のN型トランジスタの第1の端子への電流経路を与える、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項6に記載の差動入力/出力装置において、
前記第3のESD保護ユニットが、
前記第3のN型トランジスタの第2の端子と前記ゲートとの間で結合されている抵抗をさらに含む、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項6に記載の差動入力/出力装置において、
前記第3のN型トランジスタの第2の端子が、接地されている、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項1に記載の差動入力/出力装置において、
第4のN型トランジスタを具えた第4のESD保護ユニットを含み、
前記第4のN型トランジスタが、
前記第2のP型トランジスタのゲートに結合された第1の端子と、前記第2の端子に結合されたゲートと、前記第4のN型トランジスタのボディとを持ち、
CDM静電気電流が、前記第2のP型トランジスタのボディに発生するとき、前記第4のN型トランジスタが、
前記静電気電流が前記第2のP型トランジスタのゲート酸化物を融解させるのを防止するために、前記ボディから前記第4のN型トランジスタへの電流経路を与える、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項9に記載の差動入力/出力装置において、
前記第4のESD保護ユニットが、
前記第4のN型トランジスタの第2の端子と前記ゲートとの間で結合されている抵抗を含む、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項9に記載の差動入力/出力装置において、
前記第4のN型トランジスタの第2の端子が、接地されている、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項1に記載の差動入力/出力装置において、
前記第1のP型トランジスタおよび前記第1のN型トランジスタが、P型基板上に設けられ、
前記第1のP型トランジスタが、
前記P型基板に設けられたNウェルと、
前記Nウェル上に設けられた第1のゲートと、
前記第1のP型トランジスタの端子として機能し、前記第1のゲートの一方の側にある前記Nウェルに設けられた第1のP+ドープ領域と、
前記第1のP型トランジスタの第2の端子として機能し、前記第1のゲートの他方の側にある前記Nウェルに設けられた第2のP+ドープ領域と、
前記Nウェルと前記第1のゲートとの間に設けられた第1のゲート誘電体層と、
前記Nウェルに設けられた第1のN+ドープ領域と、を含み、
前記第1のN型トランジスタが、
前記Nウェルの外側である前記P型基板に設けられたPウェルと、
前記Pウェル上に設けられた第2のゲートと、
前記第1のN型トランジスタの前記第1の端子として機能し、前記Nウェルに近い、前記第2のゲートの一方の側であって、Pウェルに設けられた、第2のN+ドープ領域と、
前記Pウェルと前記第2のゲートとの間に設けられた第2のゲート誘電体層と、
前記Pウェルに設けられた第2のP+ドープ領域と、を含む、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。 - 請求項1に記載の差動入力/出力装置において、
前記第2のP型トランジスタおよび前記第2のN型トランジスタが、P型基板上に設けられ、
前記第2のP型トランジスタが、
前記P型基板に設けられたNウェルと、
前記Nウェル上に設けられた第1のゲートと、
前記第2のP型トランジスタの第1の端子として機能し、前記第1のゲートの一方の側にある前記Nウェルに設けられた第1のP+ドープ領域と、
前記第2のP型トランジスタの第2の端子として機能し、前記第1のゲートの他方の側にある前記Nウェルに設けられた第2のP+ドープ領域と、
前記Nウェルと前記第1のゲートとの間に設けらた第1のゲート誘電体層と、
前記Nウェルに設けられた第1のN+ドープ領域と、を含み、
前記第2のN型トランジスタが、
前記Nウェルの外における前記P型基板に設けられたPウェルと、
前記Pウェル上に設けられた第2のゲートと、
前記第2のN型トランジスタの第1の端子として機能し、前記Nウェルに近い、前記第2のゲートの一方の側であって、前記Pウェルに設けられた第2のN+ドープ領域と、
前記第2のN型トランジスタの第2の端子として機能し、前記第2のゲートの他方の側であって、前記Pウェルに設けられた第3のN+ドープ領域と、
前記Pウェルと前記第2のゲートとの間に設けられた第2のゲートと、
前記Pウェルに設けられた第3のP+ドープ領域と、を含む、
ことを特徴とする差動入力/出力装置。
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