JP2015211463A - 静電放電保護回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】ESDの放電電流を導通することができる静電放電(ESD)保護回路を提供する。
【解決手段】電源電圧に接続された第1の端子、基準電圧に接続された第2の端子、およびゲートを有し、I/OパッドでESDイベントが発生している間、電源電圧を基準電圧に接続する第1のn型トランジスタ、ESDイベントが発生している間、第1のn型トランジスタのゲートをI/Oパッドに接続し、ESDイベントが発生していないとき、第1のn型トランジスタのゲートを基準電圧に接続する放電加速回路、および放電加速回路と電源電圧に接続され、I/OパッドでESDイベントが発生している間、電源電圧を基準電圧に接続する第1のn型トランジスタの放電時間を制御する放電時定数回路を含む静電放電(ESD)保護回路。
【選択図】図2

Description

本発明は、静電放電(ESD)保護回路に関し、特に、低電力処理の集積回路に用いられる静電放電保護回路に関するものである。
静電放電(ESD)は、異なる電位の2つの電気素子間に流れる瞬時の電流である。ESDイベントは、電子機器、特に例えば集積回路などの固体電子機器にダメージを与える可能性がある。集積回路の製造が低電力処理に移行するにつれ、回路は、静電放電の影響をより受けやすくなる。携帯機器の低電力処理では、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)は、低電力処理の節電のために、より低い電流を導通する。従って、低い供給電圧において、大きなESDの放電電流を導通することができる静電放電(ESD)保護回路を設計する必要がある。
本発明の実施形態は、静電放電(ESD)保護回路を提供する。静電放電(ESD)保護回路は、第1のn型トランジスタ、放電加速回路、および放電時定数回路を含む。第1のn型トランジスタは、電源電圧に接続された第1の端子、基準電圧に接続された第2の端子、およびゲートを有し、第1のn型トランジスタは、I/OパッドでESDイベントが発生している間、電源電圧を基準電圧に接続する。放電加速回路は、ESDイベントが発生している間、第1のn型トランジスタのゲートをI/Oパッドに接続し、ESDイベントが発生していないとき、第1のn型トランジスタのゲートを基準電圧に接続する。放電時定数回路は、放電加速回路と電源電圧に接続され、I/OパッドでESDイベントが発生している間、電源電圧を基準電圧に接続する第1のn型トランジスタの放電時間を制御する。電源電圧は、I/Oパッドに接続され、I/Oパッドの電位は、ESDイベントが発生している間、電源電圧より高い、または基準電圧より低い。
本発明の実施形態に係る、集積回路10の静電放電(ESD)保護回路100を示している。 本発明のもう1つの実施形態に係る、集積回路20の静電放電(ESD)保護回路200を示している。 本発明のもう1つの実施形態に係る、集積回路30の静電放電(ESD)保護回路300を示している。 本発明のもう1つの実施形態に係る、静電放電(ESD)保護回路300のもう1つの抵抗器−コンデンサ(RC)時定数回路301を示している。
添付の図面とともに以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明はより完全に理解できる。
以下の説明は、本発明の一般原理を例示する目的のためのもので本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参考にして決定される。
図1は、本発明の実施形態に係る、集積回路10の静電放電(ESD)保護回路100を示している。図1に示される実施例では、集積回路10は、静電放電(ESD)保護回路100、I/Oパッド111、および内部回路110を含む。I/Oパッド111は、内部回路110の入力端子であり、内部回路110への入力信号を受信する。静電放電(ESD)保護回路100は、I/Oパッド111と内部回路110に接続される。静電放電(ESD)保護回路100は、第1のダイオードD、第2のダイオードD、抵抗器−コンデンサ(RC)時定数回路101とインバータ102とを含む放電時定数回路104、および第1のn型MOSFET Mn1を含む。
本実施形態では、第1のダイオードDは、集積回路の内部回路110のI/Oパッド111に接続された陽極と、例えば、電源電圧ノードVDDの第1の電圧ノードに接続された陰極を有する。集積回路の内部回路110は、静電放電(ESD)保護回路100の保護対象である。本実施形態では、第2のダイオードDは、例えば接地の基準電圧の第2電圧ノードに接続された陽極、およびI/Oパッド111に接続された陰極を有する。第2のダイオードDは、負のESDイベントが発生したときにI/Oパッド111の電圧が接地電圧より低くなり過ぎることを防ぐ。RC時定数回路101は、電源電圧ノードVDDと接地との間に接続される。インバータ102は、RC時定数回路101の出力端子Nに接続された入力端子と、出力端子を有する。第1のn型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)Mn1は、電源電圧ノードVDDに接続された第1の端子、接地に接続された第2の端子、インバータ102の出力端子Nに接続されたゲートを有する。
本実施形態では、図1に示されるように、RC時定数回路101は、抵抗器RとコンデンサCを含み、インバータ102は、第2のp型MOSFET Mp2と第3のn型MOSFET Mn3を含む。ここでは、相補型金属酸化物半導体(CMOS:Complementary metal-oxide-semiconductor)インバータが例に用いられているが、インバータ102は、他の方式で実現されることもできることが当業者に認識されるであろう。抵抗器Rは、電源電圧ノードVDDとRC時定数回路101の出力端子Nとの間に接続され、コンデンサCは、RC時定数回路101の出力端子Nと接地との間に接続される。コンデンサCは、定常状態では開回路となり、過渡状態で電流を導通する。従って正常な状態(即ち、ESDイベントが発生していない)では、RC時定数回路101の出力端子Nは電源電圧ノードVDDの電圧レベルにあり(即ち、論理「高い」)、インバータ102の出力端子Nは接地にあり(即ち、論理「低い」)、第1のn型MOSFET Mn1をオフにして電源電圧ノードVDDと接地との間の漏洩電流を防ぐ。
静電放電(ESD)イベントがI/Oパッド111で発生したとき、I/Oパッド111の電位VIOは、正常な動作で供給される電源電圧ノードVDDの電圧レベルより実質的に高くなる。次いで、第1のダイオードDは、オンにされ、ESDの電流が第1のダイオードD1に流れるため、電源電圧ノードVDDに対する電位VIOの影響がダイオードの電圧降下によって減少される。コンデンサCは、RC時定数回路101の出力端子Nの電圧レベルを低下させる過渡電流を導通する。抵抗器Rの抵抗値とコンデンサCの容量に従ってRC時定数で決定された時間の後、電圧ノードNの電位は、高く引き上げられる。よって、第1のn型MOSFET Mn1のゲート電位は、電源電圧ノードVDDの電位によって実質的にバイアスされる。次いで、第1のn型MOSFET Mn1がオンにされて、電位VIOによって引き起こされるESD電流用の放電路を提供する。注意すべきは、RC時定数回路101は、抵抗器Rの抵抗値とコンデンサCの容量を調整することによって、放電時間(第1のn型MOSFET Mn1のターンオン時間)を制御することもできることである。例えば、放電時間は、600nsに設定されることができる。
第1のn型MOSFET Mn1によって効果的に放電された後に、過渡的ESDイベントが終了したとき、I/Oパッド111のESD電圧ストレスは消失する。次いで第1のダイオードDがオフにされる。正常な状態の定常状態においては、RC時定数回路101の出力端子Nは、電源電圧ノードVDDの電圧レベルに徐々に戻り、第1のn型MOSFET Mn1は、オフにされ、ESD保護回路100は、ESDイベントへの応答を停止する。
図2は、本発明のもう1つの実施形態に係る、集積回路20の静電放電(ESD)保護回路200を示している。図2に示される実施例では、集積回路20は、静電放電(ESD)保護回路200、I/Oパッド211、および内部回路210を含む。I/Oパッド211は、内部回路210の入力端子であり、内部回路210への入力信号を受信する。静電放電(ESD)保護回路200は、I/Oパッド211と内部回路210に接続される。静電放電(ESD)保護回路200は、第1のダイオードD、第2のダイオードD、抵抗器−コンデンサ(RC)時定数回路201とインバータ202とを含む放電時定数回路204、第1のn型MOSFET Mn1、および第2のn型MOSFET Mn2と第1のp型MOSFET Mp1とを含む放電加速回路203を含む。
本実施形態では、第1のダイオードDは、集積回路の内部回路210のI/Oパッド211に接続された陽極と、例えば、電源電圧ノードVDDの第1の電圧ノードに接続された陰極を有する。集積回路の内部回路210は、静電放電(ESD)保護回路200の保護対象である。本実施形態では、第2のダイオードDは、例えば接地の基準電圧の第2電圧ノードに接続された陽極、およびI/Oパッド211に接続された陰極を有する。RC時定数回路201は、電源電圧ノードVDDと接地との間に接続される。インバータ202は、RC時定数回路201の出力端子Nに接続された入力端子と、出力端子を有する。第1のn型MOSFET Mn1は、電源電圧ノードVDDに接続された第1の端子、接地とゲートに接続された第2の端子を有する。本実施形態では、図2に示されるように、RC時定数回路201は、抵抗器RとコンデンサCを含み、インバータ202は、第2のp型MOSFET Mp2と第3のn型MOSFET Mn3を含む。抵抗器Rは電源電圧ノードVDDと電圧ノードNとの間に接続され、コンデンサCは電圧ノードNと接地との間に接続される。
図1の実施形態に示された静電放電(ESD)保護回路100に比べ、静電放電(ESD)保護回路200は、第2のn型MOSFET Mn2と第1のp型MOSFET Mp1を更に含んで、静電放電(ESD)保護回路200の性能を向上させている。第2のn型MOSFET Mn2は、インバータ202の出力端子Nに接続された第1の端子、第1のn型MOSFET Mn1のゲートに接続された第2の端子、および電源電圧ノードVDDに接続されたゲートを有する。第1のp型MOSFET Mp1は、I/Oパッド211に接続された第1の端子、第1のn型MOSFET Mn1のゲートに接続された第2の端子、および電源電圧ノードVDDに接続されたゲートを有する。
静電放電(ESD)イベントがI/Oパッド211で発生したとき、I/Oパッド211の電位VIOは、正常な動作で供給される電源電圧ノードVDDの電圧レベルより実質的に高くなる。第1のp型MOSFET Mp1は、第1の端子の静電電位VIOがゲートの電源電圧ノードVDDの電位より高いため、オンにされる。第1のn型MOSFET Mn1のゲート電圧Vは、VIOの近くまで上げられる。次いで、第1のn型MOSFET Mn1は、オンにされて、ESDの電流が第1のダイオードD1に流れ、第1のn型MOSFET Mn1を流れて放電する。
図1の実施形態に示された静電放電(ESD)保護回路100に比べ、放電加速回路203の第1のp型MOSFET Mp1は、第1のn型MOSFET Mn1のゲートに一層高い電圧Vを提供することができる(図1の実施形態では、第1のn型MOSFET Mn1のゲート電圧Vは、VDDの電圧レベルの近くまでしか上がらない)。より高い電圧Vは、第1のn型MOSFET Mn1の放電を早くする助けをするため、I/Oパッド211の電位VIOと電源電圧ノードVDDの電位は、前述の図1の実施形態のような高い電位にまで充電されない。また、より早い放電時間は、第1のn型MOSFET Mn1をより小さいチップサイズに設計することができる。
第1のn型MOSFET Mn1によって効果的に放電された後に、過渡的ESDイベントが終了したとき、I/Oパッド211の電位VIOは、電源電圧ノードVDDの電圧レベルより低くなるため、第1のp型MOSFET Mp1をオフにする。第1のダイオードDは、電位VIOが電源電圧ノードVDDの電圧レベルより低いため、オフにされる。電圧ノードNの電位は、電源電圧ノードVDDの電圧レベルにまで上がり、インバータ202の出力は、上述のように接地の電位に下がる。放電加速回路203の第2のn型MOSFET Mn2は、実質的にオンにされ、第1のn型MOSFET Mn1のゲートの電位Vを接地まで引き下げ、第1のn型MOSFET Mn1をオフにする。
図3は、本発明のもう1つの実施形態に係る、集積回路30の静電放電(ESD)保護回路300を示している。図3に示される実施例では、集積回路30は、静電放電(ESD)保護回路300、I/Oパッド311、および内部回路310を含む。I/Oパッド311は、内部回路310の入力端子であり、内部回路310への入力信号を受信する。静電放電(ESD)保護回路300は、I/Oパッド311と内部回路310に接続される。静電放電(ESD)保護回路300は、第1のダイオードD、第2のダイオードD、抵抗器−コンデンサ(RC)時定数回路301とインバータ302とを含む放電時定数回路304、第1のn型MOSFET Mn1、第2のn型MOSFET Mn2と第1のp型MOSFET Mp1とを含む放電加速回路303、第4のn型MOSFET Mn4、第3のp型MOSFET Mp3を含む。
図2の実施形態に示された静電放電(ESD)保護回路200に比べ、静電放電(ESD)保護回路300は、第4のn型MOSFET Mn4と第3のp型MOSFET Mp3を更に含んで、回路の性能を向上させている。第3のp型MOSFET Mp3は、電源電圧ノードVDDに接続された第1の端子、I/Oパッド311に接続された第2の端子、および第1の端子(および電源電圧ノードVDD)に接続されたゲートを有する。第4のn型MOSFET Mn4は、I/Oパッド311に接続された第1の端子、集積回路の内部回路310に接続された第2の端子、および電源電圧ノードVDDに接続されたゲートを有する。
第3のp型MOSFET Mp3がない状態では、ESD保護回路の第1のダイオードDの通常の電圧降下は、約1.7Vである。これは、I/Oパッド311の電位VIOが1.7Vで電源電圧ノードVDDの電圧レベルより大きいときにのみ、ESD放電をI/Oパッド311で発生させる。
第3のp型MOSFET Mp3のターンオン電圧は、約1Vに設計されている。従って第3のp型MOSFET Mp3は、第3のp型MOSFET Mp3のターンオン電圧が第1のダイオードDの電圧降下より小さいため、ESDイベントの放電を加速させるように加えられることができる。第3のp型MOSFET Mp3を静電放電(ESD)保護回路300に加えることは、電源電圧ノードVDDとI/Oパッド311との間の抵抗を減少し、第3のp型MOSFET Mp3を流れる新しい放電経路を増加することができる。上述の第3のp型MOSFET Mp3を静電放電(ESD)保護回路300に加える2つの利点は、ESD電流を増加し、放電時間を短縮する。
図2の実施形態のいくつかの放電のケースでは、放電が十分早い場合、I/Oパッド211の電位VIOは、非常に高くなることがある。高い電位VIOは、内部回路210の入力の物理的構造を破壊する可能性がある。これを避けるため、静電放電(ESD)保護回路300は、第4のn型MOSFET Mn4を更に含み、I/Oパッド311の電位VIOを内部回路310から分離する。ESDイベントがI/Oパッド311で発生したとき、第4のn型MOSFET Mn4のゲートが電源電圧ノードVDDの電圧レベルにあり、且つ第4のn型MOSFET Mn4の第1の端子(I/Oパッド311に接続されている)がVDDの電圧レベルより高い電圧レベルを有するとき、第4のn型MOSFET Mn4の電圧レベル(内部回路310に接続されている)は、VDDの電圧レベルより高く上がることができない。従って、ESDイベントが発生している間、VDDの電圧レベルより実質的に高いI/Oパッド311の電位VIOは、内部回路310の入力端子に加えられず、内部回路310の入力端子の物理的構造は、第4のn型MOSFET Mn4によって保護される。正常な状態(即ち、ESDイベントが発生していない)において、入力信号を受けるI/Oパッド311の電位VIOは、VDDの電圧レベルより高くないため、入力信号は、第4のn型MOSFET Mn4によって内部回路310に伝送されることができる。
図4は、本発明のもう1つの実施形態に係る、上述の静電放電(ESD)保護回路100、200、または300のいずれかに用いられ得るもう1つの放電時定数回路40を示している。この実施形態では、放電時定数回路40は、抵抗器RとコンデンサCを含み、インバータを必要としない。抵抗器Rは、放電時定数回路40の出力端子Nと接地との間に接続され、コンデンサCは、電源電圧ノードVDDと放電時定数回路40の出力端子Nとの間に接続される。上述の説明と同様に、コンデンサCは、定常状態では開回路となり、過渡状態で電流を導通する。従って正常な状態(即ち、ESDイベントが発生していない)では、出力端子Nは、接地の電圧レベルにあり(即ち、論理「低い」)、第1のn型MOSFET Mn1をオフにし、ESDイベントが発生している状態では、電源電圧ノードVDDの電圧レベルにあり(即ち、論理「高い」)、第1のn型MOSFET Mn1をオンにする。注意すべきは、放電時定数回路40と放電加速回路は、同等の回路性能を有する任意のタイプの回路で置き換えられることができることである。1つの実施形態では、上述の内部回路110、210、および310は、I/Oパッド111、211、または311に接続された入力バッファ回路を含むことができる。入力バッファ回路は、異なる方式で用いられることができることが当業者に認識されるであろう。1つの実施形態では、入力バッファ回路は、一般的に入力抵抗が大きい。
本実施形態ではMOSFETが例として用いられているが、当業者は、本発明の原理に対応して、他のタイプのトランジスタ、例えば、接合型電界効果トランジスタ(JFET:junction field-effect transistors)、金属半導体電界効果トランジスタ(MSFET:metal-semiconductor field-effect transistors)、またはバイポーラ接合トランジスタ(BJT:bipolar junction transistors)などを代替して用いることもできる。
本発明は、実施例の方法及び望ましい実施形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。
10、20、30 集積回路
100、200、300 静電放電(ESD)保護回路
101、201、301 抵抗器−コンデンサ(RC)時定数回路
102、202、302 インバータ
203、303 放電加速回路
40、104、204、304 放電時定数回路
110、210、310 内部回路
111、211、311 I/Oパッド
、D 第1ダイオード、第2ダイオード
R 抵抗器
C コンデンサ
VDD 電源電圧ノード
n1、Mn2、Mn3、Mn4 n型MOSFET
p1、Mp2、Mp3 p型MOSFET

Claims (9)

  1. 電源電圧に接続された第1の端子、基準電圧に接続された第2の端子、およびゲートを有し、I/Oパッドで静電放電(ESD)イベントが発生している間、前記電源電圧を前記基準電圧に接続する第1のn型トランジスタ、
    前記静電放電(ESD)イベントが発生している間、前記第1のn型トランジスタの前記ゲートを前記I/Oパッドに接続し、静電放電(ESD)イベントが発生していないとき、前記第1のn型トランジスタの前記ゲートを前記基準電圧に接続する放電加速回路、および
    前記放電加速回路と前記電源電圧に接続され、前記I/Oパッドで前記静電放電(ESD)イベントが発生している間、前記電源電圧を前記基準電圧に接続する第1のn型トランジスタの放電時間を制御する放電時定数回路を含み、
    前記電源電圧は、前記I/Oパッドに接続され、前記I/Oパッドの電位は、前記静電放電(ESD)イベントが発生している間、前記電源電圧より高い、または前記基準電圧より低い静電放電(ESD)保護回路。
  2. 前記放電加速回路は、
    前記放電時定数回路に接続された第1の端子、前記第1のn型トランジスタのゲートに接続された第2の端子、および前記電源電圧に接続されたゲートを有する第2のn型トランジスタ、および
    前記I/Oパッドに接続された第1の端子、前記第1のn型トランジスタのゲートに接続された第2の端子、および前記電源電圧に接続されたゲートを有する第1のp型トランジスタを含む請求項1に記載の静電放電(ESD)保護回路。
  3. 前記I/Oパッドに接続された陽極と、前記電源電圧に接続された陰極を有する第1のダイオードを更に含む請求項1に記載の静電放電(ESD)保護回路。
  4. 前記電源電圧に接続された第1の端子、前記I/Oパッドに接続された第2の端子、および前記電源電圧に接続されたゲートを有する第3のp型トランジスタを更に含み、前記静電放電(ESD)イベントが発生している間、前記第3のp型トランジスタの前記第1の端子と第2の端子間の電圧降下は、前記第1のダイオードの陽極と陰極間の電圧降下より小さい請求項3に記載の静電放電(ESD)保護回路。
  5. 前記I/Oパッドに接続された第1の端子、内部回路に接続された第2の端子、および前記電源電圧に接続されたゲートを有する第4のn型トランジスタを更に含み、前記静電放電(ESD)イベントが発生している間、前記内部回路に接続された前記第4のn型トランジスタの前記第2の端子の電圧は、前記電源電圧を超えない請求項1に記載の静電放電(ESD)保護回路。
  6. 前記放電時定数回路は、
    前記電源電圧に接続された第1の端子と、第2の端子を有する抵抗器、
    前記抵抗器の前記第2の端子に接続された第1の端子と、前記基準電圧に接続された第2の端子を有するコンデンサ、および
    前記抵抗器の前記第2の端子に接続された入力端子および前記放電加速回路に接続された出力端子を有するインバータを含む請求項1に記載の静電放電(ESD)保護回路。
  7. 前記インバータは、
    前記インバータの前記出力端子となる第1の端子、前記電源電圧に接続された第2の端子、および前記インバータの前記入力端子となるゲートを有する第2のp型トランジスタ、および
    前記第2のp型トランジスタの前記第1の端子に接続された第1の端子、前記基準電圧に接続された第2の端子、および前記第2のp型トランジスタの前記ゲートに接続されたゲートを有する第3のn型トランジスタを含む請求項6に記載の静電放電(ESD)保護回路。
  8. 前記放電時定数回路は、
    前記電源電圧に接続された第1の端子と前記放電加速回路に接続された第2の端子を有するコンデンサ、および
    前記コンデンサの前記第2の端子に接続された第1の端子および前記基準電圧に接続された第2の端子を有する抵抗器を含む請求項1に記載の静電放電(ESD)保護回路。
  9. 前記基準電圧に接続された陽極と、前I/Oパッドに接続された陰極を有する第2のダイオードを更に含む請求項1に記載の静電放電(ESD)保護回路。
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