JP3174043B2 - ラツチアツプ保護回路を有する集積回路 - Google Patents
ラツチアツプ保護回路を有する集積回路Info
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Description
護回路を有する集積回路に関する。
サイリスタに類似する寄生的なpnpn構造が電源端子と接
地端子との間に生ずる。この寄生的な4層構造は擾乱に
より、例えば電流パルスにより、又は半導体層に印加さ
れた供給電圧の急激な上昇又は降下により点弧すること
がある。正常状態から高導電状態への移行、即ちこの4
層構造の点弧はラッチアップと呼ばれる。
域内に位置している第1のチャネル形の電界効果トラン
ジスタの1つの端子とこの領域の外側で半導体基板上に
置かれている第2のチャネル形の電界効果トランジスタ
の1つの端子との間に、一般に4つの相続く交互に導電
形の異なる半導体層が存在しており、前者の電界効果ト
ランジスタの一方の端子領域は第1の半導体層を、ウエ
ル状の半導体領域は第2の半導体層を、半導体基板は第
3の半導体層を、また後者の電界効果トランジスタの一
方の端子領域は第4の半導体層を形成するものから出発
する。この構成に基づいて寄生的なバイポーラpnp又はn
pnトランジスタが生ずる。pnpバイポーラトランジスタ
のコレクタはnpnバイポーラトランジスタのベースに、
またpnpバイポーラトランジスタのベースはnpnバイポー
ラトランジスタのコレクタに相当する。この構造はサイ
リスタにおけるように層列pnpnの4層ダイオードを形成
する。半導体基板に正のバイアス電圧がかかる場合には
第3の半導体層と第4の半導体層との間のpn接合が、前
述のトランジスタ端子間にこの4層構造内の寄生的なサ
イリスタ作用に起因すべき電流経路が生ずるほどに導通
方向にバイアスされる可能性がある。この電流経路はそ
の後正の基板バイアス電圧が消滅した後も残留し、集積
回路の熱的な過負荷を生じ得る。
ケイ、ホーニンガー(K.Horninger)「集積MOS回路」の
第109〜112頁に記載されている。その第109頁の第3.6図
にはシリコンブロック内に相補性トランジスタ対が示さ
れており、第3.7c図には更にラッチアップ効果に対して
重要な寄生的な横方向及び縦方向のバイポーラトランジ
スタが記載されている。
回路のような、特にラッチアップ効果に関係する領域の
ラッチアップ問題を3つの異なる解決法により低減する
試みがなされた。その一方で、CMOS出力回路においてウ
エル状半導体領域の電位を高めることが試みられた。こ
れは、例えばnドープされているウエル状半導体領域の
電位を供給電圧より高めることを意味する。先の第1の
解決法においてはウエル状半導体領域は、付加のウエル
バイアス電圧発生器から供給される固定電位、又は外部
から付加の端子により与えられる固定電位と接続され
る。第2の解決法においては、純粋のNMOS出力回路を使
用するもので、この場合には第1の解決法の場合のよう
な付加のウエルバイアス電圧発生器は必要としない。こ
の場合には半導体基板に対する基板バイアス電圧によ
り、集積回路の作動中のラッチアップを排除することが
試みられた。第3の解決法は、エイチ、ピー、ザッペ
(H.P.Zappe)ほか「浮動ウエルCMON及びラッチアッ
プ」IEDMR85、第517〜520頁(1985年12月9日)に記載
されているように、浮動状態のウエル状半導体領域を使
用するものである。ウエル状半導体領域はこの場合、ウ
エル状半導体領域内に位置するMOSトランジスタの寄生
的なソース−ドレインpn接合を介してのみ外界と接続さ
れており、それによりベース電流は寄生的な縦方向バイ
ポーラトランジスタを通って流れることがない。
が悪くなり、ウエル状半導体領域を流れる漏れ電流が大
きくなり、更に寄生的なpnpn接合の保持電圧が低下する
という欠点をもたらす。また、純粋のNMOS出力回路を使
用することにより、例えばスイッチング速度の点で不満
足な回路特性及び出力信号の高状態でのレベル問題が生
ずる。後者は確かに出力信号を高めることにより回避す
ることができるが、費用が増し、大きい占有面積を必要
とする。ラッチアップの可能性を減ずるためにウエルバ
イアス電圧発生器を使用する第1の解決法では付加の配
線及びウエルバイアス電圧発生器のための余分の占有面
積を必要とする点で不利である。
ラッチアップ効果の発生をほぼ回避することができる回
路を提供することにある。
MOS回路技術によるラッチアップ保護回路を有する集積
回路であって、第1の導電形のドープされた半導体基板
と、ドープされた半導体基板中に形成された第2の導電
形のウエル状の半導体領域と、ウエル状の半導体領域内
に設けられラッチアップ保護回路の出力端と接続された
ドーピング領域及び端子と接続されたドーピング領域を
有する第1の電界効果トランジスタと、ウエル状の半導
体領域の外側に設けられた第2の電界効果トランジスタ
とを備え、ラッチアップ保護回路はバイパストランジス
タを含み、バイパストランジスタのゲート端子と第1の
端子とは前記端子と接続され、バイパストランジスタの
第2の端子はラッチアップ保護回路の出力端と接続され
ている集積回路において、バイパストランジスタの前記
第1の端子、第2の端子はドーピング領域を含み、これ
らのドーピング領域は第1の電界効果トランジスタのド
ーピング領域と同じ導電形とする。
によれば、MOSトランジスタの回路特性が影響を受け
ず、また本発明による回路が固定電位を有するウエル状
の半導体領域に対しても、可変電位を有するウエル状の
半導体領域に対しても適していることにある。更に、本
発明による回路に対する所要面積は非常に小さい。何故
ならば、そのために1つの回路要素を付加するだけでよ
いからである。
を第2図〜第5図について説明する。
価回路図、 第2図はウエル状半導体領域が固定電位と接続されて
いる、CMOS出力トランジスタを有するCMOS出力回路の断
面図、 第3図はバイパストランジスタを有する、ダイオード
又は付加要素として接続されているpチャネルMOSトラ
ンジスタの等価回路図、 第4図はウエル状半導体領域が固定電位と接続されて
いない、バイパストランジスタを有する、ダイオード又
は負荷要素として接続されているpチャネルMOSトラン
ジスタの断面図、 第5図は第3図及び第4図中に示されている回路によ
るバイポーラトランジスタを有する、ダイオード又は負
荷要素として接続されているpチャネルMOSトランジス
タの具体的構造例の平面図 である。
回路の等価回路図が示されている。この端子KLは供給電
圧VDDと接続されている。COMS出力回路は直列に接続さ
れている2つの相補性電界効果トランジスタT1及びT2を
含んでおり、pチャネル電界効果トランジスタT1はその
ソース及び基板端子により供給電圧VDDに接続され、n
チャネル電界効果トランジスタT2はそのソース端子によ
り接地電位VSSと接続されている。pチャネル電界効果
トランジスタT1及びnチャネル電界効果トランジスタT2
のゲート端子G1、G2は共通にCMOS出力回路の入力端INを
形成しており、またpチャネル電界効果トランジスタT1
及びnチャネル電界効果トランジスタT2のドレイン端子
は出力端OUTと接続されている。nチャネル電界効果ト
ランジスタT2の基板端子は選択的に基板バイアス電圧V
BB又は接地電位VSSと接続することができる。
圧を出力端OUTから供給電圧VDDへ伝達するバイパストラ
ンジスタBTの組み込みに関する。このために、pチャネ
ルバイパストランジスタBTのソース端子、基板端子及び
ゲート端子は供給電圧VDDと接続され、ドレイン端子は
出力端OUTと接続されている。過電圧が生じない正常作
動中はバイパストランジスタBTは阻止状態にある。供給
電圧VDDとバイパストランジスタBTの導通電圧との和よ
りも大きい正の過電圧が出力端OUTに与えられると、バ
イパストランジスタBTの振舞はそれまでと逆となり、そ
れまでドレイン端子として働いていたp+ドープされた半
導体領域P2はソース端子として働き、それまでソース端
子として働いていたp+ドープされた半導体領域P3はドレ
イン端子として働き、ゲートGBに作用する電圧VDDはソ
ース端子として働く半導体領域P2の電位(出力端OUTの
電位により決まる)より下にあるから導通状態となり、
出力端OUTにおける正の過電圧な崩壊する。バイパスト
ランジスタBTはその際半導体領域NWから半導体領域P3へ
少数キャリアを引き出し、ラッチアップを生じさせな
い。なお、入力端INの電位が電位VDDにあるときは電界
効果トランジスタT1は阻止状態にある。入力端INの電位
が電位VSS又はそれより低い場合には、トランジスタT1
は導通し、p+ドープされた半導体領域P2をp+ドープされ
た半導体領域P1を介して正の供給電圧VDDと結ぶ。従っ
て電界効果トランジスタT1は正の供給電圧VDDに対する
端子に対しバイパストランジスタBTに並列の電流路を形
成する。その結果n形ウエル状の半導体領域NWから半導
体領域P3へ少数キャリアが引き出される。
第2図に示されている。ドープされた半導体材料、例え
ばp形シリコンから成る半導体基板PSUB内に、境界面PG
まで延びるn形ウエル状の半導体領域NWが設けられてい
る。ウエル状の半導体領域NWの外側において半導体基板
PSUB内に、nチャネル電界効果トランジスタT2のソース
及びドレイン領域を形成するp+ドープされた半導体領域
N1、N2が設けられ、またウエル状の半導体領域NWの内側
には、pチャネル電界効果トランジスタT1及びpチャネ
ルバイパストランジスタBTのソース及びドレイン領域を
形成する3つのp+ドープされた半導体領域P1、P2及びP3
が設けられている。p+ドープされた半導体領域P1はpチ
ャネル電界効果トランジスタT1のソース端子として、p+
ドープされた半導体領域P3はnチャネルバイパストラン
ジスタBTのソース端子として使用され、p+ドープされた
半導体領域P2はpチャネル電界効果トランジスタT1及び
pチャネルバイパストランジスタBTの共通のドレイン端
子を形成している。第2図に示されている例では電界効
果トランジスタT1及びT2はCMOS出力回路として構成され
ており、n+ドープされた半導体領域N1はnチャネル電界
効果トランジスタT2のソース端子として接地電位VSSと
接続され、n+ドープされた半導体領域N2はnチャネル電
界効果トランジスタT2のドレイン端子としてCMOS出力回
路の出力端OUTを形成している。p+ドープされた半導体
領域P2は同じく出力端OUTに接続され、p+ドープされた
半導体領域P1は同じ電界効果トランジスタのソース端子
として供給電圧VDDと接続されている。CMOS出力回路に
対する入力信号は入力端INを介して第1及び第2の電界
効果トランジスタT1、T2のゲート領域G1及びG2に伝達さ
れ、出力信号が出力端OUTから取出される。p+ドープさ
れた半導体基板PSUBは、第2図中に記載されているよう
に、半導体基板PSUBに設けられたp+ドープされた半導体
領域P4を介して接地電位VSS又は基板バイアス電圧VBBと
接続され、またn形ウエル状の半導体領域NWはn+ドープ
された半導体領域N3を介して供給電圧VDDと接続されて
いる。
OUTと供給電圧VDDとの間のpチャネルバイパストランジ
スタBTの組み込みである。このために、バイパストラン
ジスタBTのp+ドープされた半導体領域P2により形成され
るドレイン端子は出力端OUTと接続され、p+ドープされ
た半導体領域P3により形成されるソース端子及びゲート
端GBは共に供給電圧VDDと接続されている。このバイパ
ストランジスタBTは、n形ウエル状の半導体領域NWに更
にp+拡散してp+ドープされた半導体領域P3を形成し、ま
たMOSゲートGBを付加することにより比較的簡単に形成
することができる。バイパストランジスタBTのドレイン
端子は、同じくPチャネル電界効果トランジスタT1に対
するドレイン端子として用いられるp+ドープされた半導
体領域P2である。
形と半導体領域N1、p+ドープされた半導体基板PSUB、n
導電形のウエル状の半導体領域NW及びp+ドープされた半
導体領域P2の間のpnpn構造により、pn接合の1つが導通
方向の極性にされているときには常に生じる。この場合
には、4層ダイオードに類似したpnpn構造がサイリスタ
の場合のように点弧される可能性がある。その場合、接
合部又は導線を溶融するような大電流がpn接合を通して
流れ、CMOS出力回路を損傷させることになる。pチャネ
ルバイパストランジスタBTを組み込むことにより、出力
端OUTに生じてp+ドープされた半導体領域P2に与えられ
る正の過電圧は、過電圧の大きさが供給電圧VDDとバイ
パストランジスタBTの導通電圧との和を超えるときには
常にpチャネルパイパストランジスタBTのp+ドープされ
た半導体領域P3を経て供給電圧VDDの端子へ導き出され
る。バイパストランジスタBTは、第1図で既に説明した
ように、半導体領域NWから少数キャリアを引き出し、そ
れによってラッチアップを生じさせない。その際に重要
なことは、バイパストランジスタBTがpチャネル電界効
果トランジスタT1のp+ドープされた半導体領域P2とn形
ウエル状の半導体領域NWとの間のpn接合の順方向電圧よ
りも小さい導通電圧を有することである。
ンジスタBTは、負荷要素又はダイオードとして接続され
ているpチャネルMOSトランジスタT1のn形ウエル状の
半導体領域NWが第1の電位、例えば供給電圧VDDではな
く、回路技術上の理由から可変電位に接続されると特に
有利である。第3図にはこのように接続されているMOS
トランジスタT1の等価回路が示されている。端子AとB
との間に接続されているpチャネル電界効果トランジス
タT1に、pチャネルバイパストランジスタBTが並列に接
続されている。このため、pチャネル電界効果トランジ
スタT1の第1の端子、基板端子及びゲート端子並びにp
チャネルバイパストランジスタBTの第1の端子は端子A
と、またpチャネル電界効果トランジスタT1の第2の端
子及びゲート端子並びにバイパストランジスタBTの第2
の端子は端子Bと接続されている。正常作動中は、端子
Aは正の電位に、端子Bは負の電位にある。この場合に
は寄生的な縦方向のバイパストランジスタは能動化され
ず、ラッチアップは生じない。擾乱時、又は集積回路の
その他の回路要素のスイッチングの際に、端子Bが端子
Aよりも正の電位を受けると、端子Bが端子Aにおける
電位とpチャネル電界効果トランジスタT1のp+ドープさ
れた半導体領域P2とn形ウエル状の半導体領域NWとの間
のpn接合の順方向電圧(約0.7V)との和よりも大きい電
位を有するときには常にラッチアップの発生を避けるこ
とができない。バイパストランジスタBTを組み込むこと
により、端子Bにおける電圧がバイパストランジスタの
導通電圧と端子Aにおける電圧との和よりも大きいとき
には、バイパストランジスタBTが導通状態となる。この
場合、端子Aは低抵抗で端子Bと接続される。縦方向の
寄生的なバイパストランジスタの能動化によるラッチア
ップは生じない。
図に示されている。この場合、p+ドープされた半導体基
板PSUB内に設けられているn形ウエル状の半導体領域NW
は、第2図の場合のように固定電位と接続されておら
ず、n+ドープされた半導体領域N4を介して端子Aにより
可変電位と接続されている。
境界面PGまで延びており、pチャネル電界効果トランジ
スタT1及び並列に接続されているpチャネルバイパスト
ランジスタBTを含んでいる。pチャネル電界効果トラン
ジスタT1は2つのp+ドープされた半導体領域P1及びP2と
ゲート領域G1とから構成されており、pチャネル電界効
果トランジスタT1の第1の端子を成すp+ドープされた半
導体領域P1は端子Aと接続されており、pチャネル電界
効果トランジスタT1の第2の端子を成すp+ドープされた
半導体領域P2はゲート領域G1と共に端子Bと接続されて
いる。並列に接続されているバイパストランジスタBTは
p+ドープされた半導体領域P2、P3及びゲート領域GBによ
り形成されており、p+ドープされた半導体領域P3はバイ
パストランジスタBTの第1の端子を成し、ゲート領域GB
及び端子Aと接続されており、p+ドープされた半導体領
域P2はバイパストランジスタBTの第2の端子を成してい
る。p+ドープされた半導体領域P2はこうして二重機能を
満足する。それは一方ではpチャネル電界効果トランジ
スタT1の第2の端子を形成し、他方ではpチャネルバイ
パストランジスタBTの第2の端子を形成している。これ
によりバイパストランジスタBTの特に簡単な構成が、第
2図の説明で述べたように、バイパストランジスタBTに
対してp+ドープされた半導体領域P3を形成するための付
加のp+拡散及び付加のゲート領域GBを構成するだけでよ
いことによって、保証される。
トランジスタBTを有し、ダイオード又は負荷要素として
接続されているpチャネルMOSトランジスタT1のレイア
ウトによる構成が第5図の平面図で示されている。寄生
的な導線キャパシタンスを回避するため、ゲート領域G1
及びGB並びにp+ドープされた半導体領域P2及びP3はU字
状にp+ドープされた半導体領域P1の回りに配置されてい
る。第3図及び第4図によるpチャネルMOSトランジス
タT1及びpチャネルバイパストランジスタBTの細部が第
5図のレイアウト中でどこに配置されているかを明らか
にするため、第3図及び第4図で使用された符号が第5
図にも使用されている。第5図による平面図から認めら
れるように、p+ドープされた半導体領域P1、ゲート領域
G1及びp+ドープされた半導体領域P2はpチャネルMOSト
ランジスタ1を形成しており、p+ドープされた半導体領
域P2は又ゲート領域GB及びp+ドープされた半導体領域P3
と共にpチャネルバイパストランジスタBTを形成してい
る。第5図によれば、pチャネル電界効果トランジスタ
T1の第1の端子として使用されるp+ドープされた半導体
領域P1は帯状に構成されており、また端子Aと接続され
ている。pチャネル電界効果トランジスタT1に属するゲ
ート領域G1と、p+ドープされた半導体領域P2により示さ
れている電界効果トランジスタT1の第2の端子とはそれ
ぞれp+ドープされた半導体領域P1の回りにU字状に配置
されている。その際pチャネル電界効果トランジスタT1
の第2の端子は端子Bと、また電気接続部B2を介してゲ
ート領域G1と接続されている。ゲート領域G1及びp+ドー
プされた半導体領域P2のU字状配置は、先ずゲート領域
G1がp+ドープされた半導体領域P1の回りに配置され、更
にゲート領域G1の回りにp+ドープされた半導体領域P2が
位置するように構成されており、ゲート領域G1はp+ドー
プされた半導体領域P1、P2及びP3により形成される仮想
平面上に配置され、またp+ドープされた半導体領域P1及
びP2に対して薄い絶縁層により隔てられている。pチャ
ネル電界効果トランジスタT1及びpチャネルバイパスト
ランジスタBTに対する第2の端子として利用されるp+ド
ープされた半導体領域P2の回りにはゲート領域GBが、更
にゲート領域GBの回りにはp+ドープされた半導体領域P3
が構成されている。両ゲート領域G1及びGBに対するゲー
ト材料としては例えばポリシリコンを使用することがで
きる。pチャネルバイパストランジスタBTの第1の端子
をも成すp+ドープされた半導体領域P3は別の電気接続部
B3を介してpチャネルバイパストランジスタBTのゲート
領域GBと接続されている。ゲート領域GBもp+ドープされ
た半導体領域P1、P2及びP3により形成される仮想平面上
に配置され、またp+ドープされた半導体領域P2及びP3に
対して薄い絶縁層により隔てられている。第5図には更
に、n+ドープされた半導体領域N4が帯状にp+ドープされ
た半導体領域P3の回りに自由に選定可能な間隔Lをおい
て配置され、また電気接続部B1を介して端子Aと接続さ
れていることが示されている。第4図によれば、n+ドー
プされた半導体領域N4はnドープされたウエル状半導体
領域NWへの電気接触部を形成しており、半導体領域NWは
第5図にnドープされた半導体領域N4の外側に破線で示
されている。
ウエル状半導体領域を設けられている実施例をも含んで
いる。その場合すべての半導体領域の導電形及びすべて
の電圧の極性はそれぞれ逆になる。
Claims (7)
- 【請求項1】相補性MOS回路技術によるラッチアップ保
護回路を有する集積回路であって、第1の導電形のドー
プされた半導体基板(Psub)と、ドープされた半導体基
板(Psub)中に形成された第2の導電形のウエル状の半
導体領域(Nw)と、ウエル状の半導体領域(Nw)内に設
けられラッチアップ保護回路の出力端(OUT)と接続さ
れたドーピング領域(P2)及び端子(KL)と接続された
ドーピング領域(P1)を有する第1の電界効果トランジ
スタ(T1)と、ウエル状の半導体領域(Nw)の外側に設
けられた第2の電界効果トランジスタ(T2)とを備え、
ラッチアップ保護回路はバイパストランジスタ(BT)を
含み、バイパストランジスタ(BT)のゲート端子と第1
の端子とは前記端子(KL)と接続され、バイパストラン
ジスタ(BT)の第2の端子はラッチアップ保護回路の出
力端(OUT)と接続されている集積回路において、バイ
パストランジスタ(BT)の前記第1の端子、第2の端子
はドーピング領域(P2、P3)を含み、これらのドーピン
グ領域は第1の電界効果トランジスタ(T1)のドーピン
グ領域(P1、P2)と同じ導電形としたことを特徴とする
ラッチアップ保護回路を有する集積回路。 - 【請求項2】バイパストランジスタ(BT)がpチャネル
電界効果トランジスタであり、第1の導電形のドープさ
れた半導体基板がp導電形であり、第2の導電形のウエ
ル状の半導体領域がn導電形であり、端子(KL)及び第
2の導電形のウエル状の半導体領域(Nw)が供給電圧
(VDD)と接続されていることを特徴とする請求項1記
載のラッチアップ保護回路を有する集積回路。 - 【請求項3】バイパストランジスタ(BT)がnチャネル
電界効果トランジスタであり、第1の導電形のドープさ
れた半導体基板がn導電形であり、第2の導電形のウエ
ル状の半導体領域がp導電形であり、端子(KL)及び第
2の導電形のウエル状の半導体領域が接地電位(VSS)
と接続されていることを特徴とする請求項1記載のラッ
チアップ保護回路を有する集積回路。 - 【請求項4】バイパストランジスタ(BT)がpチャネル
電界効果トランジスタであり、第1の導電形のドープさ
れた半導体基板がp導電形であり、第2の導電形のウエ
ル状の半導体領域がn導電形であり、端子(KL)及び第
2の導電形のウエル状の半導体領域が可変電圧と接続さ
れていることを特徴とする請求項1記載のラッチアップ
保護回路を有する集積回路。 - 【請求項5】バイパストランジスタ(BT)がnチャネル
電界効果トランジスタであり、第1の導電形のドープさ
れた半導体基板がn導電形であり、第2の導電形のウエ
ル状の半導体領域がp導電形であり、端子(KL)及び第
2の導電形のウエル状の半導体領域が可変電圧と接続さ
れていることを特徴とする請求項1記載のラッチアップ
保護回路を有する集積回路。 - 【請求項6】バイパストランジスタ(BT)の第2の端子
(P2)が、集積回路の第1の電界効果トランジスタ(T
1)のドーピング領域により形成されていることを特徴
とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載のラッチ
アップ保護回路を有する集積回路。 - 【請求項7】第1の電界効果トランジスタ(T1)の第1
の端子が第1の導電形の帯状の半導体領域(P1)により
形成され、第2の端子が帯状の半導体領域(P1)を包囲
する第1の導電形の半導体領域(P2)により形成され、
第1の導電形の帯状の半導体領域(P1)と第1の導電形
の半導体領域(P2)との間にゲート領域(G1)が形成さ
れ、バイパストランジスタ(BT)の第1の端子が前記第
1の電界効果トランジスタ(T1)の第2の端子を形成す
る第1の導電形の半導体領域(P2)により形成され、バ
イパストランジスタ(BT)の第2の端子が前記第1の導
電形の半導体領域(P2)を更に包囲する第1の導電形の
半導体領域(P3)により形成され、前記第1の導電形の
半導体領域(P2)と第1の導電形の半導体領域(P3)と
の間にバイパストランジスタ(BT)のゲート領域(GB)
が形成されることを特徴とする請求項1ないし6のいず
れか1つに記載のラッチアップ保護回路を有する集積回
路。
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