JP4198222B2 - 過剰電圧保護を改良した集積回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、大略、集積回路に関するものであって、更に詳細には、集積回路装置の入力端へ印加される過電圧から集積回路装置を保護するための回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
集積回路(IC)技術は世代毎に進化しており、回路要素の寸法は益々減少し且つ回路が形成される親指の爪ほどの寸法の半導体チップ内における回路密度は益々増加している。例えばゲート酸化物層などの絶縁層の厚さは同様に寸法がかなり減少されており、現在の技術水準の処理技術では100Å以下の厚さのゲート酸化膜を使用している。この様な極めて薄い酸化物絶縁層の絶縁破壊は、これら最近の世代の装置を過電圧に対してより敏感なものとさせており、より洗練された過電圧保護技術を必要としている。
【0003】
IC装置が露呈される過電圧の共通の原因は静電放電(ESD)であり、それは単に人が接触するだけで発生する場合がある。この様なESDイベントは、装置内の薄い酸化物絶縁層の一つ又はそれ以上を介して短絡させることによってIC装置を破壊する場合がある。この様なESDイベントは、kV範囲内の電圧スパイクを発生する場合がある。スタンダードな業界慣行によれば、IC装置は損傷なしで2kVのESDイベントに耐えるものであることが予定されている。
【0004】
過電圧保護回路を設計する上での複雑な要因は、IC装置への入力として通信させることの可能な通常のシステム電圧は、しばしば、IC装置の通常動作に対して特定されている電圧供給レベルよりもしばしば高いものであることがあるということである。例えば、最も最近の世代のIC装置は、相補的金属・酸化物・半導体(CMOS)技術を使用して製造されるものであるが、3.3V電圧供給を使用して動作すべく設計されており、一方より前の世代のIC装置は5.0Vの電圧供給を使用して動作すべく設計されていた。多くの既存のシステムはスタンダードの5.0V周りに設計されており、従って3.3V電圧供給上で動作する最も最近のIC装置を使用する新しい電子装置部品は5.0V信号を受取るべく適合されねばならない。このことは、ESD保護回路の設計を複雑なものとさせる。なぜならば5.0V電圧供給で動作する装置に対するこの様な回路は、5.0Vを超える入力信号が異常であり且つ過電圧イベントの開始を表わすものとして仮定されて設計されていたからである。しかしながら、3.3Vの電圧供給で動作し且つ5.0Vの入力信号を許容すべく意図されている装置の場合には、この様な入力信号は潜在的なESDイベントであるとして誤って解釈し、従ってこの様な回路が供給電圧よりも少なくとも約1.7V高い通常の入力信号を受付けるように再設計されない限り、過電圧保護回路をトリガすることとなる。今までのところ、この問題に対する包括的な解決は未だに見出されていない。
【0005】
従って、3.3VIC装置が5.0V入力信号を受取ることによって経験する問題に対するより効果的な解決を提供することが望まれている。IC装置をESDイベントから保護すると共に、3.3VIC装置を5.0Vシステムと互換性のあるものとさせる過電圧保護回路を提供することが望ましい。以下に説明する本発明過電圧保護回路における改良を完全に理解するために、関連する従来技術の以下の説明が図1−4を参照して提供されている。
【0006】
図1を参照すると、従来の集積回路装置において使用されている過電圧保護回路の一部が示されており且つ大略参照番号10によって示されている。過電圧保護回路10は、高電圧パワーバス即ちレール12と低電圧パワーバス即ちレール14との間に接続されている。高電圧レール12は外部供給源から通常VDDとして示される高電圧供給を受取るボンディングパッド(不図示)へ接続している。低電圧レール14は外部供給源から、通常VSSとして示される低電圧供給、即ち接地を受取るボンディングパッド(不図示)へ接続している。
【0007】
過電圧保護回路10が一部である集積回路装置は、複数個の入力ボンディングパッドPを包含しており、そのうちの二つのみが図面中に示されている。この様な各入力ボンディングパッドPは、図示した如く、ダイオードD1とD2との間に接続されており、D1はボンディングパッドを低電圧レール14へ接続しており、且つD2はボンディングパッドを高電圧レール12へ接続している。入力ボンディングパッドP上に表われる過電圧は、正又は負の何れかの電圧である。ダイオードD1及びD2はIC駆動に対する過電圧保護の一つの形態を与え、過電圧が正である場合にダイオードD2 がターンオンして入力ボンディングパッドをVDDレール12へ結合させ、且つ過電圧が負である場合に、ダイオードD1がターンオンして入力ボンディングパッドをVSSレール14へ結合させる。実際上、各ダイオードD1及びダイオードD2は、実際には、一組の比較的大きなダイオード(例えば、並列に接続されている組当たり4個)、入力ボンディングパッドPからVDD及びVSSレールへ低インピーダンスESD導通経路を与える。
【0008】
各入力ボンディングパッドP上の信号は、図示したように、入力ボンディングパッドPと対応するダイオードD2のアノードとの間に設けられているノード18を介して、対応するレシーバ回路16(「Re」の符号が付けてある)へ通信される。各入力ボンディングパッドPに対応するESDクランプ20は、ノード18と低電圧レール14との間に接続されている。出力回路(不図示)と共に、レシーバ回路16は、外部供給源から来る過電圧からの保護を必要とする装置の感応性入力/出力回路を有している。
【0009】
各入力ボンディングパッドPをクランプするために使用されるESDクランプ20は、通常、非導通状態であるが、入力ボンディングパッド上に表われるESDイベントに応答して導通状態となるべくトリガされる。数千ボルトの短期間の電圧過渡的状態が最終的使用対象である機器内に据付ける前にIC装置を取扱う人間又はマシンから発生する場合がある。高電圧過渡的状態は、IC装置を最終使用目的の機器内に据付けた後にその他の発生源から発生する場合がある。入力ボンディングパッドPがESDイベントを経験すると、そのESDクランプ20がトリガされ且つ迅速に導通状態となって、IC装置の回路要素によって経験する電圧差を、該装置の敏感な構造に損傷を与えることがないような比較的低いレベルへ制限する。このESD保護構成は、各入力ボンディングパッドPに対してESDクランプ20を必要とし、従ってそれを実現するためにかなりのチップ空間を必要とする。
【0010】
当該技術分野において公知の適切なESDクランプの一つの実現例を図2に示してある。図2のESDクランプ20は、ノード18とVSSレール14との間に接続しているNチャンネルMOSトランジスタTCを有している。トランジスタTCをトリガする回路は、ツェナーダイオードZ、抵抗R1及びR2、ダイオードDを包含しており、それらはノード18とVSSレール14との間に直列して接続されている。ノード22は、抵抗R1及びR2の間においてトランジスタTCのゲートへ接続している。ツェナーダイオードZは、そのカソードをノード18へ接続しており且つそのアノードを抵抗R1へ接続している。ダイオードDは、そのアノードを抵抗R2へ接続しており且つそのカソードをVSSレール14へ接続している。トランジスタTCは、点線で示したトランジスタQCによって示される寄生バイポーラ動作モードを有している。トランジスタTCは短いチャンネル長さを有する非常に幅広に構成されており、従ってそれは、ESDイベントの比較的高い電流特性を効率的にシャントさせることが可能である。
【0011】
要素Z,R1,R2,Dの値は、ESDイベントが発生する場合に、トランジスタTCのゲートは約3Vの電圧を受け、且つノード18上の電圧が約7.0乃至7.5Vのトリガ電圧を超えて上昇するように選択されている。トランジスタTCがこの様なESDイベントによってターンオンされると、トランジスタQCを介してのバイポーラ導通が発生し且つノード18上の電圧がトリガ電圧レベル以下に降下するまで、継続する。この特定のESDクランプ20の動作についてのより完全な説明は、1996年9月10日付で出願されている米国特許出願第08/712,058号「MOS集積回路用の過電圧保護装置(Overvoltage Protection Device for MOS Integrated Circuits)」という名称の米国特許出願に記載されている。CMOS集積回路出力回路の一部として使用することが意図された別のESDクランプ又はシャントは、米国特許第5,173,755号に記載されている。パワーレール間のシャンティング用の保護回路は米国特許第5,237,395号に記載されている。
【0012】
トランジスタTCは、図3に示してあり且つ概略参照番号30で示した構成によって実現することが可能である。当該技術分野において、軽度にドープした及び高度にドープした両方の部分を有するソース領域とドレイン領域とを有するMOSトランジスタを製造することが標準的な慣行となっている。この様なトランジスタは軽度にドープしたドレイン(「LDD」)トランジスタとして知られている。製造プロセスのわずかな修正によって、図3のトランジスタ30は、ESDクランピング回路において使用された場合に有益的である特性を有するようにすることが可能である。
【0013】
図3において、トランジスタ30は、その上に構成したゲート構成体を具備する多結晶シリコン基板(一部破断して示してある)内に形成したドープ領域を有するものとして断面で示してある。特に、N+ドープソース及びドレイン領域32及び34がPウエル36内に形成されており、その全体的な構造は基板のN型主本体部分38の上側に形成されている。多結晶シリコン(ポリシリコン)ゲート40がゲート酸化物層42の上側に形成されており、ゲート酸化物層42はソース及びドレイン領域32及び34の間に基板の上表面上に成長形成されている。スペーサ酸化物層44及び46は処理過程中において使用され、イオン注入ステップによって形成されるソース及びドレイン領域32及び34の端部を画定する。通常、従来のプロセスにおいては、軽度のドーズのN型ドーパント(例えば、燐)を、スペーサ酸化物層44及び46を形成する前に注入させる。この様な従来の軽度のドーズの注入は、点線領域48によって示した位置に軽度にドープしたドレイン領域を形成する。この様なLDD領域48は、通常、ゲート40の下側を延在し且つそれらの間にチャンネル領域を画定する。
【0014】
修正したトランジスタ30を形成することが所望される場合には、トランジスタ30の箇所を被覆するマスクを設けることによってトランジスタ30の箇所において軽度のドーズのイオン注入がシリコン表面に到達することを防止することが可能であり、それにより図3に示した構成を形成することが可能である。従来のLDD領域48を欠如しているので、トランジスタ30は約1.2乃至2.0Vの範囲内における通常のものよりもより高いターンオンスレッシュホールド電圧を有している。通常のターンオンスレッシュホールド電圧は約0.6Vである。修正したトランジスタ30のこのより高いターンオンスレッシュホールド電圧は、ゲート40の端部と、N+ソース及びドレイン領域32及び34の対面する端部との間の小さなギャップに起因するものである。
【0015】
再度図2を参照すると、トランジスタTCが従来のLDD領域なしで上述したように製造される場合には、それをESDクランプ20において効果的に使用することが可能である。LDD注入を有する従来のNチャンネルトランジスタは、ESDイベントにおいて発生する比較的高い寄生導通電流によって損傷される場合がある。LDD領域の先端部を介して通過するこの比較的高い電流は、この様な点においてシリコンを損傷する可能性があり、すぐさまトランジスタに機能障害を発生させるか又は極めてリークの高いものとさせ且つその後に機能障害を発生させることとなる。トランジスタTCに対して従来のLDD領域を有することのない修正したトランジスタ30を使用する場合には、比較的高い非破壊性の寄生導通を行うことを可能とするより堅牢なトランジスタを提供することとなる。次に、図4を参照すると、5.0VのVDD供給と共に使用すべく設計されたレシーバ回路の一般的な構成の詳細が参照番号16で示した点線輪郭内に示されている。レシーバ回路16は、図1の過電圧保護回路10によって保護することの可能な種々の同様のレシーバ回路のうちの一つとすることが可能である。一つの入力ボンディングパッドP及びそれのそれぞれの組のダイオードD1及びD2がレシーバ回路16に接続して図4に示してある。信号線50が入力ボンディングパッドPをレシーバ回路16の入力ノード52へ接続している。NチャンネルMOSトランジスタT1及びPチャンネルMOSトランジスタT2から構成されるCMOSインバータが、VDDとVSSのパワーレールの間に接続されている。CMOSインバータは、トランジスタT1及びT2のゲートを接続する入力ノード54を有すると共に、トランジスタT1及びT2のドレインを接続する出力ノード56を有している。出力ノード56はレシーバ出力ノードであって、それはIC装置の他の回路(不図示)と通信を行う。トランジスタT1のソース及びそのPウエルはVSSレールへ接続している。トランジスタT2のソース及びそのNウエルはVDDレールへ接続している。
【0016】
抵抗R3及びR4はインバータ入力ノード54をレシーバ入力ノード52へ接続している。抵抗R3はVDDレールへ接続しているNウエル内に設定されているP+領域内における基板内に形成されている。P+抵抗領域とそのNウエルとの間のPN接合は、VDDレールへ接続しているダイオードD3を画定している。抵抗R4はVSSレールへ接続しているPウエル内に設定されているN+領域内において基板内に形成されている。N+抵抗領域とそのPウエルとの間のPN接合は、VSSレールへ接続しているダイオードD4を画定している。抵抗R3及びR4に対する抵抗値は、各々、約100乃至150Ωであり、レシーバ入力ノード52と反転入力ノード54との間の経路内において約200乃至300Ωの全抵抗値を与えている。
【0017】
ボンディングパッドPにおいてESDイベントが発生すると、比較的大きなダイオードD1及びD2が、図1のESDクランプ20と共に、主要なESD保護を与える。図4に示してある抵抗R3及びR4は、トランジスタT1及びT2に対する付加的な保護を与える。しかしながら、トランジスタT1及びT2は過電圧に敏感であり、且つそれらはしばしば装置の機能障害が発生する箇所であることが知られている。
【0018】
本発明者の知得したところによれば、基本的には同一のESD保護回路及びレシーバ回路を有しているが、ある従来の装置では他のものよりもより良好なESD免疫性を有するものであった。異なるESD保護能力を与えることとなるこれら二つの構成における差異は、入力ボンディングパッドとレシーバ入力ノードとの間の信号線の長さであることが判明した。この長さは、図4の回路において寸法Xとして示したものに対応している。レシーバ回路を入力ボンディングパッドに非常に近付けて配置した場合には、レシーバ回路を入力ボンディングパッドからより大きな距離X離して配置した場合よりも、集積回路装置のESD保護能力はより低いものであることが判明した。
【0019】
ESD保護の問題とは関係ないレイアウト問題に起因して、ある集積回路装置では、レシーバ回路が入力ボンディングパッドから約350ミクロン離隔して配置されていた。これらの装置は2kVを遙かに超えるESD保護能力を有するものであることが判明した。レシーバ回路を入力ボンディングパッドPに近付けて配置させた装置では、2kVより著しく低いESD保護能力を有するものであった。この様な知見に基づいて本発明の改良がなされるに至った。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、静電保護特性を改良した集積回路装置を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明の側面によれば、半導体チップ上に形成されている集積回路装置が、外部的に供給されたパワー即ち電力を内部回路へ供給するための高電圧レールと低電圧レールとを有しており、且つ外部供給源によってチップ上の入力ボンディングパッドへ印加された電圧から過電圧保護を与える少なくとも1個の特別レールを有している。バイアス回路が該特別レールを通常条件下において高電圧レールの電圧に近い電圧へ充電し、且つESDイベントが一つ又はそれ以上の入力ボンディングパッド上において発生する場合に、ESD保護回路をトリガして特別レールを安全な電圧レベルへクランプする。入力ボンディングパッド上の入力する信号が高電圧レール上の電圧をわずかに超える電圧である場合には、特別レールは高電圧レール上の電圧に影響を与えることなしに且つESD保護回路をトリガすることなしに、該入力してくる信号レベルへプルアップされる。
【0022】
本発明の別の側面によれば、比較的高い非破壊性寄生導通状態を可能とする堅牢なクランプ用トランジスタを提供し、且つESDイベントの特性である迅速に上昇する特別レール上の電圧に応答してクランプ用トランジスタを迅速にターンオンさせるゲート制御回路を提供することである。本発明の更に別の側面によれば、ESDイベントのオンセット即ち開始とクランプ用トランジスタのターンオンとの間において信号入力レシーバを保護するための高周波数インピーダンス回路を提供することである。
【0023】
【発明の実施の形態】
図5を参照すると、部分概略平面図で示した半導体チップが大略参照番号100で示されている。公知の技術により、チップ100は、該チップを保護し且つ外部回路への接続を与えるハウジング(不図示)内に装着されている。チップ100の周辺部に四角で示した複数個のボンディングパッドが、非常に小さな直径の金ワイヤ(不図示)を使用してハウジング内への接続を行うことを可能としており、該金ワイヤはハウジング外部に延在する端子又はピン(不図示)へ接続される。該ボンディングパッドはチップ100上の入力/出力回路と外部回路との間の通信用のインターフェースを提供している。該ボンディングパッドは、更に、チップ100へのパワー即ち電力の接続を与えている。例えば、複数個の電源接続部を該チップ上の異なる点、典型的には角部に設けることが可能である。図5に示したチップ100の二つの角部において、高電圧供給が二つのボンディングパッドVDDにおいて受取られる。同様に、低電圧供給が二つのボンディングパッドVSSにおいて受取られる。
【0024】
入力/出力パッドは、入力信号に専用に使用されるパッド、出力信号専用に使用されるパッド、及び単一のパッドが異なる時間において入力信号を受取り且つ出力信号を送ることが可能ないわゆる双方向パッドを包含することが可能である。本明細書において「入力ボンディングパッド」という用語は、入力信号専用に使用されるパッド及び入力信号と出力信号の両方に使用される双方向パッドを包含することが意図されている。この様な入力ボンディングパッドの幾つかを図5において文字Pで示してある。図5はその下側の端部に沿って10個のボンディングパッドを有しており且つ部分的に見える端部の各々に沿って4個のボンディングパッドを有するチップ100を示しているが、この図示例は単に模式的なものであって半導体チップの周辺部におけるボンディングパッドの位置の一般的な理解を与えることを意図しているものである。今日製造される従来の半導体チップは図5に示したような側端部当たり10個よりもより多くのボンディングパッドを有することが可能である。
【0025】
半導体チップ100の各端部に沿ってのボンディングパッド内に位置されて長尺状の導体が設けられており、それらは、本明細書においては、「特別レール」と呼称し且つ参照番号102,104,106で示してある。本発明の好適実施例のこの特徴は、特に、3.3V電源によって動作され且つ5.0V入力許容値であるように設計されているIC装置にとって特に有用である。図5における下側端部に沿って延在して示されている特別レール102は、好適には、チップ100の角部近くにおいてその端部において接続されている同一のバイアス回路Bを包含している。図5においては部分的にしか示されていない特別レール104及び106も、好適には、それらの端部において同一のバイアス回路Bを有している。チップ100の内部は、大略参照番号108で示されている主機能回路が設けられている。主機能回路108は、メモリ回路を包含する任意のタイプの集積回路とすることが可能であるが、好適には、ゲートアレイ又はその他のカスタム論理回路を有するものである。
【0026】
次に、図6を参照すると、本発明に基づく過電圧保護回路が大略参照番号110で示している。回路110は、好適なチップレイアウトにおける4本の特別レールのうちの1本である特別レール102に対して適用した場合が示されている。特別レール102の端部におけるバイアス回路Bは高及び低電圧供給(源)VDD及びVSSへ接続している。実際には長尺状の金属導体からなる高電圧レールは、参照番号112で示してあり、それはバイアス回路Bを高電圧供給(即ち、供給源)VDDへ接続させている。理解されるように、高電圧レール112は図5に示したVDDボンディングパッドへ走行している。低電圧レールも長尺状の金属導体として実現されており、それは図6において参照番号114で示してある。低電圧レール114はチップ100の全端部に沿って延在することが可能であり、且つ両端部において図5に示したようにVSSボンディングパッドへ接続させることが可能である。理解されるように、図6は好適な過電圧保護回路110の簡単化した概略図であり、実際のチップレイアウトにおいては、高及び低電圧レールのより複雑な経路構成が与えられる。
【0027】
図6は低電圧レール114をそれぞれの入力ボンディングパッドPへ接続しているダイオードD1、及び各入力ボンディングパッドPを特別レール102へ接続しているダイオードDSを示している。各入力ボンディングパッドPは、ボンディングパッドPとそれぞれのダイオードDSのアノードとの間のノードにおいて接続されている長尺状の信号線150を介してそれぞれのレシーバ回路116へ接続している。信号線150の長さは、高周波数インダクタLを画定する複数個の屈曲部分を設けることによって、入力ボンディングパッドPとそれぞれのレシーバ回路116との間の実際の距離よりも一層長いものとされている。
【0028】
図6は二次元の模式図であるので、信号線150はボンディングパッドPから特別レール102を横断して延在する長い直線状の部分を有するものと誤った印象を与える可能性がある。実際には、当業者によって理解されるように、本装置は多層構成で実現され、複数個のレベルの導電層が絶縁層によって分離されている。好適なチップレイアウトにおいては、特別レール102がダイオードDSからなる行の上側に存在しており、且つ各信号線150の実質的に全長が図6に示した高周波数インダクタLを形成する複数個の屈曲部分から構成されている。
【0029】
次に、図7を参照して、好適なバイアス回路Bの詳細について説明するが、チップ上のこの様なバイアス回路の全てが好適には同一のものである。第一MOSトランジスタTSが特別レール102と高電圧即ちVDDレール112との間に接続している。トランジスタTSはPチャンネルトランジスタであって、そのソースはVDDレールへ接続しており且つそのゲート、ドレイン及びNウエルは特別レール102へ接続している。通常動作においては、トランジスタTSは特別レールを実質的にVDDへプルアップする。トランジスタTSは、カソードを特別レール102へ接続し且つアノードを高電圧レール112へ接続したダイオードのように機能する。ダイオード接続したトランジスタTSの順方向バイアスさせたPN接合を介してのサブスレッシュホールド導通状態に起因して、特別レール102は、通常、VDD近くに充電される。
【0030】
バイアス回路Bは、更に、特別レール102と低電圧VSSレール114との間に接続されている第二MOSトランジスタTCを有している。トランジスタTCは、そのドレインを特別レール102へ接続しており、且つそのソース及びPウエルをVSSレール114へ接続している。コンデンサC及び抵抗RBが特別レール102とVSSレール114との間に直列接続している。トランジスタTCのゲートが、コンデンサCと抵抗RBとを相互接続するノード122を画定している。
【0031】
ESDイベントが発生して、図7に示したように、入力ボンディングパッドPにおいて迅速に上昇する極めて高い電圧が表われると、トランジスタTCのスレッシュホールドを超えるゲート対ソース電圧を与える抵抗RBを具備するトランジスタTCのドレイン対ソーストリガ電圧を迅速に超え、トランジスタTCをして迅速にターンオンさせる。ターンオンしたすぐ後に、トランジスタTCは図7に点線で示したNPNバイポーラトランジスタQCによって行われるようなバイポーラ動作モードへ入る。
【0032】
コンデンサCは、好適には、約2pFであり且つ比較的高い絶縁破壊を有するように製造されている。抵抗RBは、好適には、30KΩ乃至200KΩの範囲内の抵抗値を有するポリシリコン抵抗である。抵抗RBの実際の抵抗値は、好適範囲内において可及的に低く選択され、従って通常動作期間中における特別レール102上のノイズが誤ってトランジスタTCをトリガさせることがないように選択される。しかしながら、RBの抵抗値は、特別レール102がESDイベントのオンセット即ち開始時において7Vを超えて上昇する場合にトランジスタTCを迅速にターンオンさせるように選択されねばならない。3.3V供給電圧で動作すべく設計されている技術水準のIC装置は極めて薄いゲート酸化膜を有しており、従って、高度に過電圧に対して敏感である。この様な装置を保護するために使用される図7に示した好適なESDクランプにおいては、コンデンサC及び抵抗RBの値及びクランプ用トランジスタTCの構成は、7.0乃至7.5Vの範囲内のトリガ電圧レベルを確保すべく選択される。
【0033】
図8を参照すると、好適なレシーバ回路が点線116内に示されている。本発明の好適な過電圧保護回路は3.3V供給電圧から動作すべく設計されているので、レシーバ回路116は図4のレシーバ回路16と幾分異なった構成を有している。レシーバ回路116はトランジスタT1及びT2から構成されるCMOSインバータを有しており、それらの共通ゲート接続部はインバータ入力ノード154を画定しており且つそれらの共通ドレイン接続部はインバータ出力ノード156を画定している。NチャンネルトランジスタT3及び抵抗R3はレシーバ入力ノード152とインバータ入力ノード154との間に直列接続されている。抵抗R3は、図4のレシーバ回路16におけるそれに対応するものと同様に、好適には、約100乃至150Ωの抵抗値を有しており、且つVDDレールへ接続しているNウエル内に設定されるP+領域内において基板内に形成される。P+抵抗領域とそのNウエルとの間のPN接合は、VDDレールへ接続しているダイオードD3を画定している。
【0034】
図8に示したトランジスタT3は「ドロッピング(降下用)」トランジスタと呼ばれるものであって、その目的とするところは、より感度の高いトランジスタT1及びT2を保護するためにインバータ入力ノード154における電圧を減少させることである。トランジスタT3は、そのゲート及びそのソース及びドレイン領域の表面上における通常のサリサイド層を除去することによって、過電圧に対してより感度を低いものとさせている。
【0035】
スタンダードの処理技術によれば、ポリシリコンゲートストリップの上表面上及びトランジスタソース及びドレイン領域のシリコン表面上に、極めて薄い層のチタンを付着形成し、且つそれをシリコンと高温で反応させることによって、通常、サリサイド層が設けられる。これは、サリサイドとして知られているものを発生させ、それは固有抵抗を低下させ且つ金属対シリコンコンタクトをより良好なものとさせる上で有用である。サリサイドの形成を防止するために、サリサイドを所望しない箇所のチップの部分の上に酸化物/窒化物マスクを形成する。次いで、チタン付着ステップを実施し、次いで高温反応ステップを実施する。次いで、酸化物/窒化物マスクの窒化物及び酸化物層を剥離する。この様にしてトランジスタT3を製造することにより、より良好なESD免疫性が与えられる。なぜならば、サリサイド層は絶縁破壊に貢献するものとして知られているからである。
【0036】
VDDレールとCMOSインバータとの間に直列して別のPチャンネルトランジスタT4が設けられている。トランジスタT4のゲートは抵抗R4を介してレシーバ入力ノード152へ接続している。トランジスタT4のドレインはトランジスタT2のソースへ接続している。トランジスタT4のソース及びそのNウエルはVDDレールへ接続している。抵抗R4は、約10KΩの抵抗値を有しており且つトランジスタT4のゲートを画定するストリップの一部とすることの可能なポリシリコンストリップ内に形成することが可能である。この様なポリシリコンストリップは、通常、低固有抵抗の導体であるが、抵抗R4を画定する部分は、上述した如く、サリサイド層を設けないことによって固有抵抗を増加させることが可能である。
【0037】
PチャンネルトランジスタT4及び抵抗R4が、レシーバ回路116がVDDレベルよりも幾分低い論理高信号を受取る場合に、CMOSインバータ(T1及びT2)の完全なターンオフを確保するために本回路内に設けられている。この技術は従来のレシーバ回路において使用されている。当業者によって理解されるように、レシーバ回路116はスタンダードなMOS信号レベルにおいてレシーバ出力ノード156上に対応する反転信号を供給することによって、TTL論理レベル信号に適切に応答することが可能なものでなければならない。業界スタンダードによれば、TTL論理高信号は2.0乃至5.5Vの範囲内のものとすることが可能である。MOSIC装置内において使用するためにこの様な信号を条件付けすることはレシーバ回路116の基本的な機能である。
【0038】
サリサイド化されていないトランジスタであるNチャンネルトランジスタT3はCMOSインバータのサリサイド化されているNチャンネルトランジスタT1よりも過電圧に対して感度はより低い。サリサイド化されているPチャンネルトランジスタT2及びT4はそれらのソース及びNウエルをVDDへ接続しているので、それらはサリサイド化されているNチャンネルトランジスタT1よりもそれらのゲートへ印加される幾分より高い電圧に耐えることが可能である。図8のレシーバ回路116においては、VDDレールは3.3Vであり且つドロッピングトランジスタT3はインバータ入力ノード154へレシーバ入力ノード152に表われる電圧の2.7V(VDDよりも1個のスレッシュホールド下)を通過させるに過ぎない。従って、高感度のNチャンネルトランジスタT1は2.7Vを超える安全余裕におけるゲート対ソース電圧に耐えることが必要であるに過ぎない。CMOSインバータの高感度なNチャンネルトランジスタT1を保護するためにトランジスタT3のようなドロッピングトランジスタを使用する技術は従来のレシーバにおいて使用されているものである。
【0039】
好適な過電圧保護回路の重要な側面が図8において示されている。高周波数において実効性のある屈曲型インダクタLが入力ボンディングパッドPとレシーバ入力ノード152との間の信号線150に設けられている。更に、入力ボンディングパッドPはダイオードDSを介して図8においてSRとして示した特別レール102へ接続しており、一方図4の回路においては、入力ボンディングパッドPはダイオードD2を介してVDDレール112へ接続している。特別レールSRを組込むことによって、5.0V入力信号で3.3VのIC装置を使用することを簡単化させている。なぜならば、この様な高い電圧信号がVDDレールへ到達することを防止するからである。
【0040】
再度図7を参照すると、高周波数インダクタLが4個の横方向セグメントを有する屈曲部分を有するものとして示されており、それは入力ボンディングパッドPとレシーバ回路116との間の直線信号線接続と比較した場合に、4個の横方向セグメントの長さの和だけ信号線150の実効長を増加させている。信号線150の実効長を、入力ボンディングパッドPとレシーバ入力ノード152との間の距離を超える所望の長さへ増加させるために、任意の数の屈曲セグメントを使用することが可能である。信号線150の全長は、200ミクロン乃至500ミクロンの範囲内のものとすべきであり、好適な長さは約300乃至400ミクロンの間である。
【0041】
高周波数インダクタLは、単一の金属層における蛇行パターンで実現することが可能であり、又は多層金属層においての相互接続したセグメントによって実現することが可能である。インダクタの多層実現例は、発明者Capocalliet al.の1996年12月6日付で出願した「集積回路において磁気回路を実現する方法(Method for Realizing Magnetic Circuits in an Integrated Circuit)」という名称の米国特許出願に記載されており、そこに記載されている技術は、二つの異なる金属レベルにおいて交互に一連のストリップを有しそれらが中間の絶縁層を介してビアで相互接続されているものを使用している。
【0042】
低周波数においては、インダクタLは入力ボンディングパッドPとレシーバ回路116との間における短絡回路として表われる。しかしながら、ESDイベントの特性である極めて高い周波数においては(即ち、約500メガヘルツからギガヘルツ範囲内)、インダクタLは高インピーダンスとして作用し、レシーバ回路116がESDイベントのオンセット即ち開始時における特性である極めて高い電圧を見ることを防止し、それはトランジスタTCのターンオンの前に発生する。トランジスタTCがターンオンすると、入力ボンディングパッドPとVSSレール114との間に低インピーダンス経路が与えられる。従って、その長さに比例するインダクタLに対して適切な値を選択することによって、レシーバ回路116はESDイベントのオンセット即ち開始時とトランジスタTCのターンオンとの間の非常に短い時間期間中において潜在的に損傷を発生することのある過電圧を受けることはない。
【0043】
レシーバ回路116の最大周波数応答は、高速IC装置において使用する場合に高々約200メガヘルツの場合がある。従って、インダクタLの長さは、200メガヘルツまでの信号を減衰させるものではないがより高い周波数においての信号を減衰させ始めるようなインダクタンスを与えるように選択される。そのインダクタンス値はレシーバ回路の最大周波数応答の約2倍において開始する周波数においては顕著な減衰降下を与えるように選択すべきである。最大周波数応答が200メガヘルツである技術水準のIC装置の場合には、インダクタLのインダクタンスはESDイベント期間中に発生する非常に高い周波数においての過電圧からレシーバ回路を保護する上で効果的なものとするために、約400メガヘルツにおいて回避する周波数に対して顕著な減衰降下を有し始めるように選択すべきである。この目的のためには、10分の数ナノヘンリ(nH)のインダクタンスが適切である。
【0044】
本発明の過電圧保護回路は、3.3V供給電圧で動作すべく設計されている集積回路装置において効果的な適用を有している。この様な装置においては、入力ボンディングパッドをダイオードD2を介して図1の従来回路において示したようにVDDレール12へ接続した場合には、ボンディングパッドP上で受取られる5Vとなる可能性のある入力信号がダイオードD2をターンオンさせる。この様な5V入力信号はVDDレール12を介して外部電力供給源への低インピーダンス経路を見つけ、ボンディングパッドを介してのこの様な高い電流の流れがボンディングパッドへ接続している小さな金のワイヤを溶融させる可能性がある。入力ボンディングパッド及びVDD供給電圧上で発生する電圧間のこの様な不均衡のために、その他の潜在的な損傷が発生する可能性がある。
【0045】
対照的に、図6に示した本発明回路は、入力ボンディングパッドPをダイオードDSを介して特別レール102へ接続しており、それは、何ら損傷を発生することなしに、VDD供給電圧を超える電圧へプルアップさせることが可能である。図7から理解されるように、トランジスタTSは、特別レール102がVDDレール112に表われる電圧よりも一層高い電圧へプルアップされるや否や、ターンオフする。更に、特別レール102を比較的迅速に5Vへプルアップさせることは、トランジスタTCをターンオンさせるのに十分なものではない。なぜならば、それは比較的高いターンオンスレッシュホールド電圧を有しているからである。従って、入力ボンディングパッドPへ印加される5Vにおける高論理レベルがバイアス回路Bを過電圧保護モードへトリガさせレシーバ回路116による入力信号の正しい解釈と干渉する危険性はない。
【0046】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の過電圧保護回路の一部を示した概略図。
【図2】 図1の回路の副回路を示した概略図。
【図3】 本発明を実現するのに有用な可能性のあるESD堅牢トランジスタを与えるべく特に製造された従来のトランジスタの概略断面図。
【図4】 図1の回路の別の副回路を示した概略図。
【図5】 本発明の特徴を示した半導体チップの一部の概略平面図。
【図6】 本発明に基づいて構成された回路の概略図。
【図7】 図6の回路の副回路を示した概略図。
【図8】 図6の回路の別の副回路を示した概略図。
【符号の説明】
100 半導体チップ
102,104,106 特別レール
108 主機能回路
110 過電圧保護回路
112 高電圧レール
114 低電圧レール
116 レシーバ回路
150 信号線
B バイアス回路
D ダイオード
P 入力ボンディングパッド
Claims (17)
- 集積回路装置において、
入力/出力回路と主機能回路とが集積化されている半導体チップであって、前記主機能回路が前記入力/出力回路を介して外部回路と通信を行う半導体チップ、
前記チップの周辺部に配設されているボンディングパッドであって、高電圧供給を受取るためのボンディングパッドと、低電圧供給を受取るためのボンディングパッドと、外部回路からの信号を受取り且つそれを前記入力/出力回路へ通信させる複数個の入力ボンディングパッドとを包含する複数個のボンディングパッド、
高電圧供給を受取るボンディングパッドへ接続しており前記高電圧供給を前記チップ内の点へ伝達させる高電圧レール、
前記低電圧供給を受取り前記低電圧供給を前記チップ内の点へ伝達させる低電圧レール、
前記入力ボンディングパッドに隣接して配設されている少なくとも1個の特別レール、
各入力ボンディングパッドを前記特別レールへ接続させるダイオードであって、そのアノードが前記入力ボンディングパッドへ接続しており且つそのカソードが前記特別レールへ接続しているダイオード、
前記特別レールへ接続している少なくとも1個のバイアス回路であって、前記特別レールと前記高電圧レールとの間に接続されており前記特別レールを前記高電圧供給近くの電圧へ充電させる第一トランジスタと、前記特別レールと前記低電圧レールとの間に接続している第二トランジスタと、前記特別レールと前記低電圧供給との間に接続しており前記第二トランジスタを制御する制御回路とを有するバイアス回路、
を有しており、前記制御回路が、前記特別レール上の電圧が前記高電圧供給の電圧より高いトリガ電圧レベルへ迅速に上昇する場合に前記第二トランジスタをターンオンさせ、それにより前記第二トランジスタがオンである場合に前記入力ボンディングパッドと前記低電圧レールとの間に低インピーダンス経路を形成し、前記入力/出力回路及び前記主機能回路が前記トリガ電圧レベルを超える電圧から保護されることを特徴とする集積回路装置。 - 請求項1において、前記第二トランジスタが寄生バイポーラ動作モードを有するMOSトランジスタを有しており、前記制御回路がコンデンサと抵抗とを有しており、前記コンデンサは前記特別レールと前記第二トランジスタのゲートとの間に接続されており、前記抵抗は前記第二トランジスタのゲートと前記低電圧レールとの間に接続されており、前記コンデンサ及び抵抗は、静電放電イベントの場合の前記特別レールの特性に関する迅速に上昇する電圧に応答して前記第二トランジスタを迅速にターンオンさせるべく寸法設定されていることを特徴とする集積回路装置。
- 請求項2において、各入力ボンディングパッドに対応して前記入力/出力回路内においてレシーバ回路を有しており、且つ各入力ボンディングパッドをそのレシーバ回路へ接続する高周波数インダクタを有していることを特徴とする集積回路装置。
- 請求項1において、前記少なくとも一個の特別レールが4本の特別レールを有しており、この様な各特別レールは前記半導体チップの四つの端部のうちの一つに沿って配設されており、且つ前記少なくとも1個のバイアス回路が、8個のバイアス回路を有しており、この様な各バイアス回路は一端が特別レールへ接続しており、特別レール当たり2個のバイアス回路が設けられていることを特徴とする集積回路装置。
- 請求項2において、前記第二トランジスタが1.2Vと2.0Vとの間のターンオンスレッシュホールド電圧を有していることを特徴とする集積回路装置。
- 請求項5において、前記第二トランジスタがポリシリコンゲート、前記ゲートの側部におけるLDDスペーサ酸化物層、及び前記ゲートの端部を超えて延在するチャンネル領域を画定する高度にドープしたソース領域及びドレイン領域を有しており、前記チャンネル領域の両端部が前記スペーサ酸化物層の下側に存在しており、それにより前記第二トランジスタが非破壊的な寄生導通を行うことが可能であることを特徴とする集積回路装置。
- 請求項1において、前記高電圧供給が、通常、3.3Vに維持され且つトリガ電圧レベルが7.0V乃至7.5Vの範囲内にあることを特徴とする集積回路装置。
- 請求項7において、前記高電圧供給を超える入力ボンディングパッドへ印加された外部電圧が、前記第二トランジスタをターンオンさせることなしに且つ前記装置を介して高電流経路を形成することなしに、前記特別レールを5Vへプルアップすることが可能であることを特徴とする集積回路装置。
- 半導体チップ上に形成されており且つ過剰電圧保護能力を改良させた集積回路装置において、
外部から供給された電力を前記チップ内の点へ伝達させる高及び低電圧レール、
入力信号を外部供給源から前記チップへ通信する入力ボンディングパッド、
各入力ボンディングパッドへ結合しているレシーバ回路、
通常動作においては前記高電圧レール上の電圧近くの電圧へ充電され且つ静電放電イベント期間中は前記入力ボンディングパッドへ結合される特別レール、
前記特別レールと前記低電圧レールとの間に接続されているMOSクランプ用トランジスタであって、寄生バイポーラ動作モードを有しており、前記入力ボンディングパッド上に表われる静電放電イベントの開始時に迅速にターンオンし且つ前記バイポーラ動作モードへ入り、それにより前記レシーバ回路が前記静電放電イベントの過剰電圧から保護されるMOSクランプ用トランジスタ、
を有することを特徴とする集積回路装置。 - 請求項9において、前記特別レールと前記クランプ用トランジスタのゲートとの間にコンデンサが接続されており且つ前記クランプ用トランジスタのゲートと前記低電圧レールとの間に抵抗が接続されており、前記コンデンサが2pFの容量を有しており、前記MOSクランプ用トランジスタが1.2Vと2.0Vとの間のターンオンスレッシュホールドを有しており、且つ前記抵抗が30KΩから200KΩの範囲内の抵抗値を有している、ことを特徴とする集積回路装置。
- 請求項10において、前記高電圧レールと前記特別レールとの間に接続されており通常動作において前記特別レールを前記高電圧レール上の電圧近くの電圧へ変化させるためのダイオード接続されているMOSトランジスタが設けられていることを特徴とする集積回路装置。
- 半導体チップ上に形成されており且つ過電圧保護能力を改良しているMOS集積回路装置において、
外部的に供給された電力を前記チップ内の点へ伝達させる高及び低電圧レール、
外部供給源から前記チップへ入力信号を通信させる入力ボンディングパッド、 前記入力ボンディングパッドへ接続しており、前記入力ボンディングパッド上に表われる静電放電イベント期間中に前記入力ボンディングパッドを特別レールを介して前記低電圧レールへクランプさせる回路、
各入力ボンディングパッドへ結合しているレシーバ回路であって、各々がレシーバ入力ノードと、レシーバ出力ノードと、前記入力ノードと出力ノードとの間の過電圧感応MOS回路とを具備するレシーバ回路、
各入力ボンディングパッドをそのレシーバ回路へ接続しており、前記入力ボンディングパッドと前記レシーバ入力ノードとの間の距離を超えて導体の長さを延在させるために複数個の屈曲部を包含する導体を有している高周波数インダクタ、
を有することを特徴とするMOS集積回路装置。 - 請求項12において、前記高周波数インダクタの導体が300乃至400ミクロンの実効長さを有していることを特徴とする集積回路装置。
- 請求項12において、前記高周波数インダクタが、静電放電イベントの開始期間中に、前記レシーバ回路の最大周波数応答を超える周波数における電圧信号が前記レシーバ回路を損傷することを防止することを特徴とする集積回路装置。
- 請求項14において、前記高周波数インダクタが、前記レシーバ回路の最大周波数応答の2倍を超える周波数で信号を実質的に減衰させるインダクタンスを有していることを特徴とする集積回路装置。
- 請求項12において、前記クランプさせる回路が、前記特別レールと前記低電圧レールとの間に接続している幅広チャンネルMOSトランジスタを有しており、前記MOSトランジスタがバイポーラ動作モードを有しており且つそのゲートにおいて静電放電イベントの開始時に迅速にターンオンすべくバイアスされていることを特徴とする集積回路装置。
- 請求項16において、前記特別レールが通常動作期間中に前記高電圧レールへ結合して前記特別レールを前記高電圧レール上の電圧近くの電圧へ充電させるが、前記入力ボンディングパッド上で受取った入力信号が前記特別レールを前記高電圧レール上の電圧を超える電圧へプルアップさせる場合に、前記高電圧レールから分離されることを特徴とする集積回路装置。
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