JP2015002510A - 静電気保護回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】電源電圧の揺動に対する誤動作を抑制する静電気保護回路を提供することを目的とする。【解決手段】高電位側の第1の電源ライン10と、低電位側の第2の電源ライン11と、第1の接続ノード12を有する。第1の電源ライン10と第1の接続ノード12間には、所定の閾値電圧で電流が急激に増加するクランプ回路3が接続される。第1の接続ノード12と第2の電源ライン11間には、クランプ回路3の電流の変化に応答してトリガ信号を出力するトリガ回路4が接続される。第1の接続ノード12と第2の電源ライン11間の電圧でバイアスされるバッファ回路5は、トリガ回路4のトリガ信号に応答して駆動信号を出力する。第1の電源ライン10と第2の電源ライン11間には、前記バッファ回路5の駆動信号に応じてオン/オフするスイッチ回路6が接続される。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、静電気保護回路に関する。
従来、静電気放電(ESD:Electro Static Discharge)に対する保護回路の提案が、種々行われている。ESDとは静電放電であり、静電気により帯電した人間や機械からによる半導体デバイスへの放電や、帯電した半導体デバイスからの接地電位への放電等を指す。半導体デバイスに対してESD放電が起こると、その端子から大量の電荷が半導体デバイスへ流入し、その電荷が半導体デバイス内部で高電圧を生成し、内部素子の絶縁破壊や半導体デバイスの故障を引き起こす。この為、静電気保護回路は、半導体集積回路に必須の技術である。
静電気保護回路の代表例に、RCT(RC Triggered)MOS回路がある。電源端子間に抵抗とコンデンサの直列回路を接続し、その抵抗とコンデンサの接続点の電圧をトリガ信号として、放電用のMOSトランジスタを駆動する構成となっている。しかし、RCTMOS回路は、内部回路が動作することによって生じる電源電圧の揺動にも応答し、放電用のMOSトランジスタが誤動作する虞がある。放電用のMOSトランジスタの誤動作により、電源電圧が低下して内部回路の動作不良を引き起こすといった問題が生じる。例えば、車載用の半導体集積回路において、電源電圧の揺動が顕著に発生する。
特開2009−182119号公報 特開2009−147040号公報 特開2006−121007号公報 特開2007−200987号公報
本発明の一つの実施形態は、電源電圧の揺動に対する誤動作を抑制する静電気保護回路を提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態によれば、第1の電源ラインと、第2の電源ラインと、第1の接続ノードを有する。前記第1の電源ラインと前記第1の接続ノード間に接続され、所定の閾値電圧で電流が急激に増加するクランプ回路を有する。前記第1の接続ノードと前記第2の電源ライン間に接続され、前記クランプ回路の電流の変化に応答してトリガ信号を出力するトリガ回路を有する。前記第1の接続ノードと前記第2の電源ライン間の電圧でバイアスされ、前記トリガ信号に応答して駆動信号を出力するバッファ回路を有する。前記第1の電源ラインと前記第2の電源ライン間にその主電流路が接続され、前記駆動信号に応じて前記主電流路の導通をオン/オフするスイッチ回路を有する静電気保護回路が提供される。
図1は、第1の実施形態の静電気保護回路を示す図である。 図2は、第2の実施形態の静電気保護回路を示す図である。 図3は、第3の実施形態の静電気保護回路を示す図である。 図4は、第4の実施形態の静電気保護回路を示す図である。 図5が、第5の実施形態の静電気保護回路を示す図である。 図6は、第5の実施形態の静電気保護回路のシミュレーション結果を示す図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる静電気保護回路を詳細に説明する。なお、これら実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の静電気保護回路を示す図である。本実施形態の静電気保護回路は、クランプ回路3、トリガ回路4、バッファ回路5及びスイッチ回路6を有する。第1の電源ライン10は、第1の電源端子1に接続され、高電位側の電源電圧が印加される第1の電源端子1には、例えば、所定の電源電圧VCCが印加される。第2の電源ライン11は、第2の電源端子2に接続され、低電位側の電源電圧が印加される。第2の電源端子2には、低電位側の電源電圧として、例えば、接地電位が印加される。第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間には、クランプ回路3が接続される。例えば、第1の電源端子1に、第2の電源端子2に対して正のESDサージが印加され、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間の電圧が所定の閾値電圧を超えると、クランプ回路3に流れる電流が急激に増加する。
第1の接続ノード12と第2の電源ライン11間には、トリガ回路4が接続される。トリガ回路4は、クランプ回路3に流れる電流の変化に応答して、トリガ信号を出力する。バッファ回路5は、第1の接続ノード12と第2の電源ライン11との間の電圧でバイアスされ、トリガ信号に応答して駆動信号を出力する。スイッチ回路6は、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11間に主電流路が接続され、駆動信号に応答して主電流路の導通をオン/オフする。主電流路が導通することにより、ESDサージが放電される。第1の電源ライン10と第2の電源ライン11の間には、内部回路7が接続される。
第1の電源端子1と第2の電源端子2の間に、所定の電源電圧が印加される定常バイアス状態では、クランプ回路3は、オフ状態、すなわち電流が流れにくい状態、となっている。この定常バイアス状態では、トリガ回路4からはトリガ信号が出力されず、バッファ回路5からはスイッチ回路6を駆動する駆動信号が出力されない。この為、スイッチ回路6はオフ状態、すなわち主電流路が導通していない状態、となっている。第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間の電圧が、所定の閾値電圧を超えない限り、クランプ回路3はオフの状態を維持する。クランプ回路3の閾値電圧は、例えば、内部回路7の通常の回路動作による第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間の電源電圧の揺動よりも高い電圧に設定する。すなわち、内部回路7の通常の回路動作に伴う電源電圧の揺動に応答して、静電気保護回路が誤動作することを回避する為である。クランプ回路3の閾値電圧を、内部回路7の通常の回路動作に伴う電源電圧の揺動よりも高い電圧に設定することにより、内部回路の通常の回路動作に伴う電源電圧の揺動には応答せず、ESDサージには応答して動作する静電気保護回路が提供される。
(第2の実施形態)
図2は、第2の実施形態の静電気保護回路を示す図である。第1の実施形態に対応する構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態においては、クランプ回路3は、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11に印加される電源電圧で逆バイアスされるダイオード31を有する。第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間に接続されるトリガ回路4は、抵抗41とコンデンサ42の直列回路を有する。抵抗41とコンデンサ42の共通接続ノード43がトリガ回路4の出力端となる。
第1の接続ノード12と第2の電源ライン11の間の電圧でバイアスされるバッファ回路5は、PMOSトランジスタ51とNMOSトランジスタ52で構成されるCMOSインバータを有する。PMOSトランジスタ51とNMOSトランジスタ52のゲート電極は共通接続されて、トリガ回路4の出力端である共通接続ノード43に接続される。PMOSトランジスタ51のソース電極とバックゲート電極は、第1の接続ノード12に接続される。NMOSトランジスタ52のソース電極とバックゲート電極は、第2の電源ライン11に接続される。PMOSトランジスタ51とNMOSトランジスタ52のドレイン電極は共通接続され、バッファ回路5の出力端を構成する。トリガ回路4のトリガ信号は、バッファ回路5により波形整形され、スイッチ回路6に供給される。
スイッチ回路6は、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11の間に主電流路であるソース・ドレイン流路が接続され、ゲート電極にバッファ回路5の出力が供給されるNMOSトランジスタ61を有する。
第1の電源端子1と第2の電源端子2との間に所定の電源電圧が印加される定常バイアス状態では、逆バイアスされるダイオード31の漏れ電流によりコンデンサ42が充電され、トリガ回路4の共通接続ノード43の電位は、Highレベルとなる。この為、バッファ回路5の出力はLowレベルである。Lowレベルの信号がゲート電極に印加される為、スイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61は、オフ状態となる。
例えば、内部回路7の動作に伴い、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に電源電圧の揺動が生じたとしても、クランプ回路のダイオード31の降伏電圧を超えない範囲においては、このNMOSトランジスタ61のオフ状態が維持される。この為、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に生じる電源電圧の揺動により、スイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61が誤動作する事態を回避することが出来る。
一方、第1の電源端子1に、第2の電源端子2に対して正のESDサージが印加され、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間の電圧が、ダイオード31の降伏電圧を超えた場合には、ダイオード31が降伏し、過渡的に急激に増加した電流がトリガ回路4に流れ込む。この過渡的な電流による抵抗41における電圧降下がCMOSインバータで構成されるバッファ回路5の閾値を超えると、バッファ回路5からHighレベルの信号が出力される。Highレベルの信号がゲート電極に印加されるとスイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61がオンする。NMOSトランジスタ61がオンすることにより、ESDサージが放電される。尚、ダイオード31が降伏することにより、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12の間の電圧は、ダイオード31の降伏電圧にクランプされる。第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に生じる電源電圧の揺動により、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間の電圧が、ダイオード31の降伏電圧を超えた場合も同様の動作によりスイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61がオンする。
第2の電源端子2に、第1の電源端子1に対して正のESDサージが印加された場合には、基板(又はウェル)(いずれも図示せず)とドレイン領域(図示せず)で形成されるNMOSトランジスタ61の寄生ダイオード(図示せず)を介してESDサージが放電される。
本実施形態の静電気保護回路によれば、クランプ回路3を構成する逆バイアス接続のダイオード31の降伏電圧を適宜設定することにより、電源電圧に許容される揺動範囲を設定することが出来る。適宜設定したクランプ回路3の閾値電圧を超えた電源電圧の揺動、あるいは、ESDサージに応答して、スイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61がオンする。NMOSトランジスタ61がオンすることにより、内部回路7に対する保護動作が行われる。例えば、クランプ回路3の閾値電圧を、内部回路7の通常の回路動作に伴う電源電圧の揺動よりも高い電圧に設定することにより、内部回路7の通常の回路動作に伴う電源電圧の揺動には応答せず、ESDサージには応答して動作する静電気保護回路が提供される。また、バッファ回路5は、第1の接続ノード12と第2の電源ライン11との間の電源電圧でバイアスされる。従って、クランプ回路3が導通した場合のみ、バッファ回路5がバイアスされ、トリガ回路4のトリガ信号に応答してNMOSトランジスタ61に駆動信号を供給する。クランプ回路3で設定した閾値電圧によりトリガ回路4、並びにバッファ回路5、更には、スイッチ回路6の動作が制御できる静電気保護回路が提供される。
(第3の実施形態)
図3は、第3の実施形態の静電気保護回路を示す図である。既述の実施形態に対応する構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。本実施形態の静電気保護回路は、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間に接続されるクランプ回路3は、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に印加される電源電圧で順バイアスされるダイオード32を有する。トリガ回路4の出力端を構成する共通接続ノード43は、バッファ回路5を構成するインバータ50の入力端に接続される。インバータ50は、第1の接続ノード12と第2の電源ライン11との間の電圧でバイアスされる。
第1の電源端子1と第2の電源端子2との間に所定の電源電圧が印加される定常バイアス状態では、トリガ回路4のコンデンサ42は、ダイオード32を流れる微小電流により充電され、共通接続ノード43は、Highレベルの電位となっている。この為、バッファ回路5の出力は、Lowレベルとなっている。スイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61のゲート電極に、Lowレベルの信号が印加される為、NMOSトランジスタ61は、オフ状態である。NMOSトランジスタ61がオフの状態は、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間の電圧が、ダイオード32の順方向降下電圧を超えない限り、維持される。従って、クランプ回路3を構成するダイオード32の順方向降下電圧を適宜設定することにより、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に生じる電源電圧の揺動によって、NMOSトランジスタ61が誤動作する事態を回避することが出来る。
一方、第1の電源端子1に、第2の電源端子2に対して正のESDサージが印加され、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間の電圧が、ダイオード32の順方向降下電圧を超えた場合には、過渡的に急激に増加した電流がトリガ回路4に流れ込む。この過渡的な電流による抵抗41における電圧降下がインバータ50の閾値を超えると、バッファ回路5からHighレベルの信号が出力される。Highレベルの信号がNMOSトランジスタ61のゲート電極に印加されると、スイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61がオンする。NMOSトランジスタ61がオンすることにより、ESDサージが放電される。尚、ダイオード32がオンすることにより、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12の間の電圧は、ダイオード32の順方向降下電圧にクランプされる。第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に生じる電源電圧の揺動により、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間の電圧が、ダイオード32の順方向降下電圧を超えた場合も同様の動作によりスイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61がオンする。
クランプ回路3の閾値電圧は、例えば、内部回路7が通常の回路動作を行うことによって生じる電源ライン間の電源電圧の揺動よりも高い電圧に設定される。内部回路7の通常の回路動作に伴う電源電圧の揺動に応答して、静電気保護回路が誤動作することを回避する為である。クランプ回路3の閾値電圧を、内部回路7の通常の回路動作に伴う電源電圧の揺動よりも高い電圧に設定することにより、内部回路の通常の回路動作による電源電圧の揺動には応答せず、ESDサージには応答して動作する静電気保護回路が提供される。例えば、ダイオードの一般的な順方向降下電圧は、約0.7ボルト(V)である。クランプ回路3を構成する、順バイアスで接続されるダイオードの個数を適宜選定することにより、クランプ回路3の閾値電圧を調整することが可能である。
本実施形態の静電気保護回路によれば、クランプ回路3を構成するダイオード32の個数を適宜調整することにより、クランプ回路3の閾値電圧を調整することが出来る。クランプ回路3の閾値電圧を、内部回路7の通常の動作に伴う電源電圧の揺動よりも高い電圧に設定することにより、通常の電源電圧の揺動には応答せず、ESDサージには応答して動作する静電気保護回路が提供される。第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に生じる通常の電源電圧の揺動によりNMOSトランジスタ61が誤動作する事態を回避することが可能となる。
(第4の実施形態)
図4は、第4の実施形態の静電気保護回路を示す図である。既述の実施形態に対応する構成要素には同一の符号を付して、説明を省略する。本実施形態の静電気保護回路においては、バッファ回路5が多段のCMOSインバータにより構成されている。すなわち、バッファ回路5は、PMOSトランジスタ51とNMOSトランジスタ52で構成されるCMOSインバータ、PMOSトランジスタ53とNMOSトランジスタ54で構成されるCMOSインバータ、及びPMOSトランジスタ55とNMOSトランジスタ56で構成されるCMOSインバータからなる3段のCMOSインバータを有する。
本実施形態の静電気保護回路によれば、クランプ回路3を構成するダイオード31の降伏電圧を適宜調整することにより、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に生じる電源電圧の揺動に応答してスイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61が誤動作する事態を回避することが可能となる。また、多段のCMOSインバータを備えることにより、バッファ回路5の駆動能力が高まる。この為、スイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61として、出力電流の大きいMOSトランジスタを用いることが出来る。これにより、ESDサージに対する放電能力を高めることが可能である。
(第5の実施形態)
図5は、第5の実施形態の静電保護回路を示す図である。既述の実施形態に対応する構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態の静電気保護回路においては、内部回路は省略している。本実施形態においては、バッファ回路5は、ソース電極とバックゲート電極が第1の接続ノード12に接続されるPMOSトランジスタ57を有する。PMOSトランジスタ57のドレイン電極は、抵抗58の一端に接続され、抵抗58の他端は第2の電源ライン11に接続される。PMOSトランジスタ57のソース・ゲート間には、ゲート保護ダイオード71が接続される。スイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61のソース・ゲート間には、ゲート保護ダイオード72が接続される。
第1の電源端子1と第2の電源端子2との間に所定の電源電圧が印加される定常バイアス状態では、逆バイアスされるダイオード31の漏れ電流によりコンデンサ42が充電され、トリガ回路4の共通接続ノード43の電位は、Highレベルとなっている。この為、バッファ回路5の出力はLowレベルである。Lowレベルの信号がゲート電極に印加される為、スイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61は、オフ状態となっている。第1の電源ライン1と第2の電源ライン2との間に電圧の揺動が生じたとしても、クランプ回路3のダイオード31の降伏電圧を超えない範囲においては、NMOSトランジスタ61がオフの状態が維持される。
一方、第1の電源端子1に、第2の電源端子2に対して正のESDサージが印加され、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間の電圧が、ダイオード31の降伏電圧を超えた場合には、ダイオード31が降伏し、過渡的に急激に増加した電流がトリガ回路4に流れ込む。この過渡的な電流による抵抗41における電圧降下がPMOSトランジスタ57の閾値を超えると、PMOSトランジスタ57がオンし、バッファ回路5からHighレベルの信号が出力される。Highレベルの信号がゲート電極に印加されると、スイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61がオンする。NMOSトランジスタ61がオンすることにより、ESDサージが放電される。第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に生じる電源電圧の揺動により、第1の電源ライン10と第1の接続ノード12との間の電圧が、ダイオード31の降伏電圧を超えた場合も同様の動作によりスイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61がオンする。
本実施形態の静電気保護回路によれば、クランプ回路3を構成するダイオード31の降伏電圧を適宜調整することにより、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に生じる電源電圧の揺動に応答してスイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61が誤動作する事態を回避することが可能となる。また、バッファ回路5を構成するPMOSトランジスタ57、及びスイッチ回路6を構成するNMOSトランジスタ61のソース・ゲート間にゲート保護ダイオード72を備える。この為、第1の電源端子1と第2の電源端子2との間に印加される電源電圧が高くなった場合でも、PMOSトランジスタ57のゲート・ソース間、及び、NMOSトランジスタ61のゲート・ソース間の電圧は、夫々、ゲート保護ダイオードにより制限される為、各トランジスタのゲート酸化膜(図示せず)の破壊を防ぐことが出来る。
図6は、図5に示す実施形態の静電保護回路のシミュレーション結果を示す。第1の電源端子1と第2の電源端子2との間に印加する電圧(電源電圧)と、その電源電圧を印加したときに電源ラインに流れる電流(電源電流)をシミュレーションしたものである。本シミュレーションにおいては、内部回路は設けていない。
本シミュレーションにおいては、110μ秒まで、40ボルト(V)の一定の電源電圧を印加した後に、周波数50MHzで振幅が4ボルト(V)の揺動を印加した。クランプ回路3を構成するダイオード31の降伏電圧は、5ボルト(V)としている。シミュレーション結果が示す通り、電源電圧の揺動に静電保護回路は応答せず、誤動作が回避されている。
クランプ回路3を、第1の電源ライン10と第2の電源ライン11との間に印加される電源電圧により順バイアスされるダイオードと逆バイアスされるダイオードとを組み合わせた構成とすることも出来る。クランプ回路3の閾値電圧の微調整が可能となる。更にはクランプ回路3を抵抗に置き換えることもできる。すなわち、所定電圧が負荷された際に、クランプ回路3に流れる電流が急激に増加する構成であればよい。また、スイッチ回路6はバイポーラトランジスタを用いて構成することも出来る。バイポーラトランジスタを用いた場合には、主電流路がエミッタ・コレクタ流路となり、制御電極がベース電極となる。この場合、バイアスの関係から、NMOSトランジスタに代えてNPNトランジスタを用いる構成とすることが出来る。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 第1の電源端子、2 第2の電源端子、3 クランプ回路、4 トリガ回路、5 バッファ回路、6 スイッチ回路、7 内部回路、10 第1の電源ライン、11 第2の電源ライン、12 第1の接続ノード、43 共通接続ノード、71及び72 ゲート保護ダイオード。

Claims (8)

  1. 第1の電源ラインと、
    第2の電源ラインと、
    第1の接続ノードと、
    前記第1の電源ラインと前記第1の接続ノード間に接続され、所定の閾値電圧で電流が急激に増加するクランプ回路と、
    前記第1の接続ノードと前記第2の電源ライン間に接続され、前記クランプ回路の電流の変化に応答してトリガ信号を出力するトリガ回路と、
    前記第1の接続ノードと前記第2の電源ライン間の電圧でバイアスされ、前記トリガ信号に応答して駆動信号を出力するバッファ回路と、
    前記第1の電源ラインと前記第2の電源ライン間にその主電流路が接続され、前記駆動信号に応じて前記主電流路の導通をオン/オフするスイッチ回路と、
    を具備することを特徴とする静電気保護回路。
  2. 前記トリガ回路は、抵抗とコンデンサの直列回路を有することを特徴とする請求項1に記載の静電気保護回路。
  3. 前記クランプ回路は、前記第1の電源ラインと前記第2の電源ライン間に印加される電源電圧により逆バイアスされるダイオードを有することを特徴とする請求項1または2に記載の静電気保護回路。
  4. 前記クランプ回路は、前記第1の電源ラインと第2の電源ライン間に印加される電源電圧により順バイアスされるダイオードを有することを特徴とする請求項1または2に記載の静電気保護回路。
  5. 前記バッファ回路は、前記第1の接続ノードと前記第2の電源ライン間の電圧でバイアスされる少なくとも1段のCMOSインバータを有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の静電気保護回路。
  6. 前記バッファ回路は、前記第1の接続ノードと前記第2の電源ライン間にソース・ドレイン流路が接続され、ゲート電極に前記トリガ信号が供給されるMOSトランジスタを備え、前記MOSトランジスタのゲート電極とソース電極間にゲート保護ダイオードが接続されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の静電気保護回路。
  7. 前記スイッチ回路は、前記第1の電源ラインにドレイン電極が接続され、前記第2の電源ラインにソース電極とバックゲート電極が接続され、ゲート電極に前記駆動信号が供給されるNMOSトランジスタを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の静電気保護回路。
  8. 前記NMOSトランジスタのゲート電極とソース電極間にゲート保護ダイオードが接続されることを特徴とする請求項7に記載の静電気保護回路。
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