JP2018534766A - 静電気放電保護デバイス及び回路装置 - Google Patents

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Abstract

静電気放電(ESD)保護デバイス(10)は、保護すべき回路(5)の少なくとも一つの高電圧給電端子(HV_PAD)、特にプログラム可能デバイスの少なくとも一つの高電圧給電端子(HV_PAD)、に接続可能である。ESD保護デバイス(10)は、検出回路(30)、制御回路(20)及びトランジスタ(Mesd)を備える。検出回路(30)は、正のESD放電事象と高電圧給電端子(HV_PAD)上の高電圧パッドパルスの立ち上がりとを区別するように、配置され構成されている。制御回路(20)は、検出回路(30)の検出出力信号に依存して、その出力に制御信号を供給するように構成され、トランジスタ(Mesd)は、基準電位端子(GND)と高電圧給電端子(HV_PAD)との間に接続され、トランジスタ(Mesd)の制御入力は制御回路(20)の出力に接続されている。【選択図】図2

Description

本発明は、静電気放電(ESD)保護デバイスに関する。更に、本発明は、ESD保護デバイス及びプログラム可能なデバイスを備える回路装置に関する。
集積回路(IC)あるいは特定用途向け集積回路(ASIC)の過電圧ESD損傷を防ぐために、ESD過電圧保護回路が一般に用いられている。ESD過電圧保護のために、主にダイオードクランプESD保護回路、例えば、パッドからレール給電に接続する一つのダイオードとグラウンドからパッドに接続する一つダイオードとを有する保護回路が用いられる。このESD保護回路は、レール給電よりも高い、又はグラウンドよりも低い、いかなる電圧も制限する。
新しいアプリケーションでは、ワンタイムプログラム(OTP)回路をASIC内へ集積する要望がある。このワンタイムプログラム(OTP)回路のプログラム電圧は、6−8Vの範囲にすることができる。例えば、微小電気機械システム(MEMS)マイクロフォンのASICでは、較正動作の間は、高電圧パッドがワンタイムプログラムのために用いられ、このパッドも、ESD保護がなされていなければならない。
特許文献1は、静電気放電(ESD)保護回路を開示する。トランジスタが、ノードとグラウンドの間に接続され、そのトランジスタのゲートがグラウンドに接続されている。ダイオードチェーンがノードとパッドの間に接続され、このダイオードチェーンは直列に接続された複数の第1のダイオードからなる。ここで、第1のダイオードは、パッドからノードへの方向が順方向となるように接続されている。又、第2のダイオードがノードとパッドの間に接続され、この第2のダイオードは、パッドからノードへの方向が順方向となるように接続されている。
米国特許出願公開第2009/0135532号明細書
本発明の目的は、信頼性、特に通常モード及びプログラム動作モードにおける信頼性の高いESD保護デバイスを実現することのできる、静電気放電(ESD)保護デバイス及びこの保護デバイスを備えた回路装置を提供するところにある。
この目的は、独立請求項の特徴により達成される。発明の有利な実施形態は、従属請求項で特定されている。
本発明の第1の実施形態によれば、本発明は、保護すべき回路の少なくとも一つの高電圧給電端子、特にプログラム可能デバイスの少なくとも一つの高電圧給電端子、に接続可能な静電気放電(ESD)保護デバイスにより特徴付けられる。このESD保護デバイスは、検出回路、制御回路及びトランジスタを備える。この検出回路は、正のESD放電事象と高電圧給電端子上の高電圧パッドパルスの立ち上がりとを区別するように配置されるとともに構成されている。上記の制御回路は、検出回路の検出出力信号に依存して、その出力に制御信号を供給するように構成されている。このトランジスタは、基準電位端子と高電圧給電端子に接続され、トランジスタの制御入力は制御回路の出力に接続されている。
好都合なことに、このESD保護デバイスはチップ面積の点で費用対効果に優れ、且つサブミクロンCMOSIC又はASICにその全体を集積することができる。そこでは、ダイオード、特に集積されたダイオードは不要となる。このESD保護は、高電圧向けの強力なそのESD性能、及びゲート酸化膜の信頼性の懸念のないESD保護を実現できる。
好ましくは、トランジスタは、高電圧給電端子から、プログラム可能デバイスのような保護すべき回路を避けて基準電位端子、特に、グラウンド電位へESD放電電流を流すために、低インピーダンスの経路を提供するオン状態となるように、配置されるとともに構成される。このトランジスタの動作領域は、適切に定められる。トランジスタは、一つの低電圧トランジスタ、及び/又は一つの中電圧トランジスタ、及び/又は一つの高電圧トランジスタを備えることができる。
ESD保護デバイスは、正負双方のESDパルスを保護すべき回路から逸らすことができる。追加のトランジスタ及びダイオードは不要である。
第1の態様の実施形態によれば、ESD保護デバイスは、高電圧給電端子を検出回路の入力へ、AC結合又はハイパス結合するためのキャパシタ回路を備えている。
第1の態様の更なる実施形態によれば、検出回路は、検出回路の入力信号が所定のしきい値を超えたときに、ESD事象を検出するように構成された、しきい値検出回路を備えている。これにより、検出回路の容易な搭載、及びESD保護デバイスの優れた費用対効果の製造が可能となる。
第1の態様の更なる実施形態によれば、検出回路のしきい値は、設定可能である。これにより、高電圧アプリケーションの要望のための柔軟な調整が可能となる。
第1の態様の更なる実施形態によれば、しきい値検出回路は、コンパレータを備えている。これにより、検出回路の容易な搭載、及びESD保護デバイスの優れた費用対効果の製造が可能となる。
第1の態様の更なる実施形態によれば、コンパレータは、電圧分圧器及び第1のインバータを備え、電圧分圧器はキャパシタ回路に直列に接続され、第1のインバータの入力は部分電圧を取り出すための電圧分圧器に接続される。
第1の態様の更なる実施形態によれば、検出回路は、能動部品としてはトランジスタのみを備える。これにより、特にダイオードが不要であるから、検出回路の容易な搭載、及びESD保護デバイスの優れた費用対効果の製造が可能となる。
第1の態様の更なる実施形態によれば、制御回路は、第2のインバータを備える。これにより、検出回路は、検出回路の出力信号をトランジスタのための適切な制御信号で伝達することが可能となる。
第1の態様の更なる実施形態によれば、トランジスタは、直列に接続された2つの低電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ、NMOS_1及びNMOS_2を備える。これにより、高電圧給電端子のより高い電圧を印加することが可能となる。
第1の態様の更なる実施形態によれば、トランジスタは、直列に接続された2つの低電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタを備え、それぞれのNMOSトランジスタは各々ディープNウェル内に配置される。これにより、高電圧給電端子に、より高い電圧を印加することが可能となるとともに、高電圧給電端子とコモン基板との間に接続されたLV−NMOS−トランジスタのドレインにより形成される寄生ダイオードの早期の逆方向降伏の恐れを低減することが可能となる。
第1の態様の更なる実施形態によれば、トランジスタは、高電圧Nウェル及びPウェルを備える高電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタを備える。
第2の態様によれば、本発明は、第1の態様におけるESD保護デバイス及びプログラム可能デバイスを備える回路装置により特徴付けられる。このESD保護デバイスは、プログラム可能デバイスの高電圧給電端子に接続される。又、ESD保護デバイスは、上記のような構造的及び機能的な特徴を備えていてもよい。
更なる特徴、工夫、及び利点は、下記の図面を引用した典型的な実施形態の後述の説明から明らかになる。
静電気放電(ESD)保護デバイスを備える回路装置のブロック図。 ESD保護デバイスの典型的な概略図。 トランジスタの第1の実施形態の断面図。 トランジスタの第2の実施形態の断面図。 トランジスタの第3の実施形態の断面図。
同様の素子、同じ種類の素子及び全く同じ機能の素子は、図中で同じ参照符号を付されている。
図1は、静電気放電(ESD)保護デバイス10及び保護すべき回路5を備える回路装置1のブロック図である。保護すべき回路5はプログラム可能デバイス、例えばワンタイムプログラム可能メモリを備えていてもよい。
ESD保護デバイス10は、保護すべき回路5の高電圧給電端子HV_PADに接続されている。ESD保護デバイス10及び保護すべき回路5は、同じダイ上に集積されていてもよい。回路装置1は、例えば、微小電気機械システムアプリケーション及び/又はマイクロフォンアプリケーションのための、特定用途向け集積回路(ASIC)であってもよい。
ESD保護デバイス10は、基準電位端子GND及び高電圧給電端子HV_PADに接続された、トランジスタMesdを備える。好ましくは、この基準電位はグラウンド電位である。
更に、ESD保護デバイス10は、トランジスタMesdのための制御回路20を備える。制御回路20の出力は、トランジスタMesdの制御入力に接続されている。
ESD保護デバイス10は、正のESD事象と高電圧給電端子HV_PAD上の高電圧パッドパルスの立ち上がりとを区別するように構成された検出回路30を備える。検出回路30の出力は制御回路20の入力に接続されている。
検出回路30は、電圧のしきい値を設定可能なしきい値検出回路30を備えてもよい。しきい値検出回路30は、高電圧給電端子HV_PADにおける電圧信号が、一度選択されたしきい値を超えたときの電圧信号を検出し、その出力に対応するトリガー信号を供給するように構成されている。
好ましくは、電圧のしきい値は、要求される高電圧パッドパルスよりも高く、例えば、プログラム可能デバイスのプログラムのための高電圧パッドパルスよりも高く、設定される。
ESD事象の間に、制御回路20は、トランジスタMesdの制御入力、特に、トランジスタMesdのゲートに、適正な制御信号を供給することにより、トランジスタMesdを活性化する。それにより、トランジスタMesdがターンオンして、高電圧給電端子HV_Padと基準電位端子GNDとの間に低いインピーダンス経路を供給し、ESD放電電流を保護すべき回路5を避けて放電する。
ESD保護デバイス10は、検出回路30の入力を高電圧給電端子にAC結合またはハイパス結合をするための、キャパシタ回路40を備えていてもよい。
図2は、ESD保護デバイス10の典型的な概略図を示す。
検出回路30は、例えば、電圧分圧器及び第1のインバータを備え、電圧分圧器は、例えば、第1の抵抗素子R1及び第2の抵抗素子R2からなる。電圧分圧器は、基準電位端子GNDと高電圧給電パッドとの間で、キャパシタ回路40に直列に接続される。第1のインバータの入力は、電圧分圧器と接続され、第1のインバータの入力電圧は下式1により与えられる。
V1=VPAD[R2/(R1+R2)] 式1
ここで、VPADは高電圧給電端子HV_PADにおける電圧レベルである。
第1のインバータは、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタを、備えていてもよい。第1のトランジスタはNMOSトランジスタであってもよく、第2のトランジスタはPMOSトランジスタであってもよい。第1のトランジスタ及び第2のトランジスタのゲートは、同一のバイアス状態にあってもよく、このことは、それらが常時相補状態にあることを意味する。
制御回路20は、検出回路30の出力信号を、トランジスタMesdのための適切な制御信号で伝達するように構成されている。制御回路20は、第2のインバータを備えていてもよい。第2のインバータも、Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ及びPチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタを備えていてもよい。
通常の動作では、第1のインバータの入力電圧V1は、第1のインバータの遷移電圧よりも低い。このことは、第1のインバータがハイ信号を出力し、制御回路20の第2のインバータがロー信号を出力することを意味する。そして、トランジスタMesdはオフ状態である。
インバータの入力電圧V1が、第1のインバータの遷移電圧を超えるとき、第1のインバータがロー信号を出力し、制御回路20の第2のインバータがハイ信号を出力する。この場合、トランジスタMesdのゲートは高電圧VDDまで高く引き上げられ、トランジスタMesdはターンオンし、高電圧給電端子HV_PADはグラウンドに短絡される。
検出回路30の電圧のしきい値は、下式2で与えられてもよい。
Vesd=Vtrans*(R1+R2)/R2 式2
ここで、Vesdは電圧のしきい値であり、Vtransは第1のインバータの遷移電圧である。検出回路30の電圧のしきい値は、例えば、電圧分圧器のため1つ以上の可変抵抗素子を用いることで、構成されてもよい。
第1のインバータの遷移電圧は第1のインバータの供給電圧の半値であってもよく、電圧分圧器の電圧抵抗素子R1、R2は、電圧のしきい値を調整するために、評価されてもよい。回路装置1の動作の間に、高電圧給電端子HV_PADの電圧レベルは電圧のしきい値と比較され、トランジスタMesdのオン/オフ状態を決定する。
回路装置1のレール給電が、特に、ASICのレール給電の3.6Vであり、要求される高電圧パッドパルスの立ち上がりが6Vであると仮定すると、正のESD保護がトリガーを開始する電圧のしきい値は、7Vが選択されてもよい。
高電圧給電端子HV_PADの電圧レベルVPADが、検出回路30の電圧のしきい値より低いとき、第1のインバータの入力電圧V1は、第1のインバータの遷移電圧を下回り、トランジスタMesdはオフ状態のままとなる。高電圧給電端子HV_PADの電圧レベルVPADが、検出回路30の電圧のしきい値以上のとき、第1のインバータの入力電圧V1は、第1のインバータの遷移電圧を上回り、トランジスタMesdはオン状態となる。
その結果、ESD保護デバイス10は、正のESD事象と要求された高電圧パッドパルスの立ち上がりとを区別することが可能となる。従って、正又は負のESD事象が生じるときも、ESD保護デバイス10は、トランジスタMesdを誤起動させない。
ESD保護デバイス10は、正と負の両方のESDパルスを、保護すべき回路5から逸らすことができる。負のESD保護は、高電圧給電端子の電圧が、基準電位、特にグラウンド電位以下に落ち込んだときに起動され、低インピーダンス経路が高電圧給電端子と基準電位端子GND間に構築される。ESD保護デバイス10は、正のESD保護部分ESD_posと負のESD保護部分ESD_negとを備える。ESD保護デバイス10のすべての回路部品が、正のESD保護用に使用され、負のESD保護用には制御回路20の抵抗素子R3とトランジスタMesdとだけが使用される。このように、負のESD保護部分ESD_negは、正のESD保護部分ESD_posの部品を再利用しているため、追加のトランジスタ及びダイオードは必要としない。
負のESD事象の間は、トランジスタMesdは、そのソース―ドレインのPN接合の導通により、内部的にオンする。抵抗素子R3は初期状態でトランジスタMesdのゲートをグラウンド電位に設定するために用いられので、たとえ制御信号なしでもトランジスタMesdをオフすることができる。
図3は、トランジスタMesdの第1の実施形態のデバイス断面図を示す。トランジスタMesdは、直列に接続された2つの低電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ(LV−NMOS−トランジスタ)NMOS_1及びNMOS_2を備える。図4に、LV−NMOS−トランジスタのNMOS_1及びNMOS_2のソースS、ドレインD及びゲートGのドーピングを示す。トランジスタ基板SUBはp型にドープされているため、高電圧給電端子HV_PAD上の高電圧を印加することができる。
その代わりに、トランジスタMesdは、直列に接続された2つ中電圧のNチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ(MV−NMOS−トランジスタ)NMOS_1及びNMOS_2を備えてもよい。
高電圧給電端子HV_PAD上に高電圧が印加されたときの、寄生ダイオードDpar1の早期逆方向降伏リスクを回避するために、トランジスタMesdは更に改善される。
寄生ダイオードDpar1は、高電圧給電端子HV_PADに接続されたLV−NMOSトランジスタNMOS_2のドレインDとLV−NMOSトランジスタNMOS_1及びNMOS_2の共通基板SUBにより形成されてもよい。寄生ダイオードの、早期逆方向降伏リスクは、LV−NMOSトランジスタNMOS_1及びNMOS_2のドレイン領域の浅いNチャネルドーピングのディメンジョンに起因する。
図4は、トランジスタMesdの第2の実施形態のデバイス断面図を示す。トランジスタMesdは、直列に接続された2つの低電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタNMOS_1及びNMOS_2を備え、それぞれのNMOSトランジスタは、各々がディープNウェル内に配置される。ディープNウェルは、それぞれのNMOSトランジスタを、他のNMOSトランジスタの共通基板SUBから絶縁するために形成されてもよい。
代わりに、トランジスタMesdは直列に接続された2つの中電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ(NV−MOS)を備え、それぞれのNMOSトランジスタは、各々がディープNウェル内に配置される。
この場合、適正な寄生ダイオードDpar2は、一つのNMOS−トランジスタのディープNウェルと基板SUBにより形成される。寄生ダイオードDpar2は、この寄生ダイオードDpar2の有意なPN接合のディメンジョンにより適正な寄生ダイオードとなる。これにより、寄生ダイオードDpar2の早期の逆方向降伏のリスクを低減することができる。
図5は、トランジスタMesdの第3の実施形態のデバイス断面図を示す。トランジスタMesdは、高電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ(HV−MOS)を備える。NMOSトランジスタは、基板SUB内に配置される。基板SUBの上面上には高電圧Nウェル及びPウェルが配置される。HV−NMOSトランジスタの最大のソース−ドレイン電圧は16Vであってもよい。それ故、高電圧パッドパルスは16V以上とすることができる。
1 回路装置
5 保護すべき回路
10 ESD保護デバイス
20 制御回路
30 検出回路
40 キャパシタ回路
D ドレイン
Dpar1、Dpar2 寄生ダイオード
ESD_neg 負のESD保護部分
ESD_pos 正のESD保護部分
G ゲート
GND 基準電位端子
HV_PAD 高電圧給電端子
M1、M3 第2のトランジスタ
M2、M4 第1のトランジスタ
Mesd トランジスタ
NMOS_1 低電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ
NMOS_2 低電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ
R1、R2 第1の抵抗素子、第2の抵抗素子
R3 制御回路の抵抗器
S ソース
SUB 基板
V1 検出回路の入力電圧
VDD 給電電圧
VPAD 高電圧給電端子の電圧レベル

Claims (12)

  1. 保護すべき回路(5)の少なくとも一つの高電圧給電端子(HV_PAD)に接続可能な静電気放電(ESD)保護デバイス(10)であって、
    検出回路(30)、制御回路(20)及びトランジスタ(Mesd)を備え、
    前記検出回路(30)は、正のESD事象と前記高電圧給電端子(HV_PAD)上の高電圧パッドパルスの立ち上がりとを区別するように、配置されるとともに構成され、
    前記制御回路(20)は、前記検出回路(30)の検出出力信号に依存して、その出力に制御信号を供給するように構成され、
    前記トランジスタ(Mesd)は、基準電位端子(GND)と前記高電圧給電端子(HV_PAD)に接続され、前記トランジスタ(Mesd)の制御入力は前記制御回路(20)の出力に接続される、
    ESD保護デバイス(10)。
  2. 前記ESD保護デバイス(10)は、前記高電圧給電端子(HV_PAD)を前記検出回路(30)の入力へ、AC結合又はハイパス結合するための、キャパシタ回路(40)を備える、請求項1に記載のESD保護デバイス(10)。
  3. 前記検出回路(30)は、前記検出回路(30)の入力信号が所定のしきい値を超えたときに、ESD事象を検出するように構成された、しきい値検出回路を備える、
    請求項1又は2に記載のESD保護デバイス(10)。
  4. 前記検出回路(30)の前記しきい値は、設定可能である、
    請求項3に記載のESD保護デバイス(10)。
  5. 前記しきい値検出回路は、コンパレータを備えている、
    請求項3乃至4のいずれか一項に記載のESD保護デバイス(10)。
  6. 前記コンパレータは、電圧分圧器及び第1のインバータを備え、
    前記電圧分圧器は前記キャパシタ回路(40)に直列に接続され、前記第1のインバータの入力は部分電圧を取り出すための前記電圧分圧器に接続される、
    請求項5に記載のESD保護デバイス(10)。
  7. 前記検出回路(30)は、能動部品としてはトランジスタのみを備える、
    請求項1乃至6のいずれか一項に記載のESD保護デバイス(10)。
  8. 前記制御回路(20)は、第2のインバータを備える、
    請求項1乃至7のいずれか一項に記載のESD保護デバイス(10)。
  9. 前記トランジスタ(Mesd)は、直列に接続された2つの低電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ、NMOS_1及びNMOS_2を備える、
    請求項1乃至8のいずれか一項に記載のESD保護デバイス(10)。
  10. 前記トランジスタ(Mesd)は、直列に接続された2つの低電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタ、NMOS_1及びNMOS_2を備え、それぞれのトランジスタは各々ディープNウェル内に配置される、
    請求項1乃至8のいずれか一項に記載のESD保護デバイス(10)。
  11. 前記トランジスタ(Mesd)は、高電圧Nウェル及びPウェルを備える高電圧Nチャネル金属―酸化膜―半導体の電界効果トランジスタを備える、
    請求項1乃至8のいずれか一項に記載のESD保護デバイス(10)。
  12. 請求項1乃至11のいずれか一項に記載の前記ESD保護デバイス(10)と、プログラム可能デバイスと、を備え、前記ESD保護デバイス(10)は、前記プログラム可能デバイスの高電圧給電端子(HV_PAD)に接続される、
    回路装置(1)。
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