JP4869343B2 - 分配した低電圧クランプ装置を用いて高電圧esd保護を分担する経路 - Google Patents

分配した低電圧クランプ装置を用いて高電圧esd保護を分担する経路 Download PDF

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Description

本発明は、ESD保護を行った集積回路に関するものである。
集積回路(IC)の分野では、代表的に、種々の異なるパワードメインが1つの設計に用いられている。その例は、液晶表示(LCD)装置、自動車分野のIC、パワーマネージメント機能のIC等である。
これらのICの極めて多くは、CMOS(相補型金属酸化物半導体)技術で実現されている。これらのICにおけるトランジスタは、種々の異なる電圧ドメインで動作し、従って、これらトランジスタのドーピング濃度及びゲートの厚さは互いに異ならせる必要がある。ある特定の電圧ドメインにおいては、電圧を高くすればするほど最小のトランジスタ寸法を大きくする必要がある。
このようなCMOSのICは、トランジスタが電流により、又は電圧ピークにより損傷されないようにするために、静電放電(ESD)に対し保護されている必要がある。
それぞれのトランジスタの設計は、既知のESD条件を満足する必要がある。使用するESDクランプ装置に関しては、これらの条件を以下のように集約しうる。
‐ パワードメインの各々がESD保護を必要とする。このことは、2つのパワー(電圧)レールの各々の間にESD電流路(経路)を形成する必要があることを意味し、これらのESD電流路は、正及び負のESDストレス状態で得られるようにするのが好ましい。パワードメインの1つはESD基準として用い、このESD基準と各パワードメインとの間にESD電流路を形成し、これにより完全なESD概念を達成するようにするのが一般的である。通常、CMOSのICでは、(基板に接続された)接地電源レールがESD基準として用いられている。その理由は、この接地電源レールはチップにおけるあらゆる個所で用いられている為である。
‐ 更に、パワールーティングに関する電力降下が、IC中のどこかに損傷を生ぜしめる程度にあまりにも大きくならないようにするには、充分多くのこのようなクランプ装置を必要とする。
‐ これらクランプ装置の各々は、ESD電流を流すのに充分大きくする必要がある。
‐ 互いに異なる電圧ドメインには互いに異なるクランプ装置を採用している為、工業技術を、入手可能なあらゆる種類のクランプ装置により達成するのは困難又は不可能である。
ESDの概念では、パワーレール間のESD電流路に加えて、各ICピン(外部端子)から適切なパワーレールへのESD電流路を設ける必要がある。ここに述べる本発明はピン‐レール保護に対するESD概念の部分に影響を及ぼすものではない為、この部分の更なる説明は省略する。
上述した条件により、以下の2つの問題が生じる。
(1) チップ面積のうちの大きな割合をESD保護手段に割り当てる必要がある。
(2) ESDクランプ装置の最適配置及び接続には、ICのパワールーティング及びフロアプランを考慮する必要がある。
後者は、通常の設計規則に加えて遵守すべき追加の条件である。
パワードメインの1つは基準として用いるのが一般的である。通常は、前述したように、接地ライン(基板)がこの目的のために用いられる。この“伝統的な”ESD概念を図1に示す。この図1では、電圧の値が互いに異なる5つの異なるパワーレール(V5 〜V1 )が存在する。クランプ装置C1〜C4用いて、パワーレールの各々が基板の電源電圧V1 の点にクランプされている。更に、下側のパワーレールから上側のパワーレールへのストレスのための短いESD電流路が存在するようにするために、ダイオードを採用しうる。この図は代表的な一例にすぎない。実際的な実施は、使用する特定の技術及び電圧範囲に依存することに注意すべきである。
この概念では、高い方の電圧ドメインに対するクランプ装置(例えば、図1のクランプ装置C1)が、大きな面積を要する高電圧装置を用いていることを言及する必要がある。
本発明の目的は、一方では、ESD回路に必要とするチップ面積を、従来のESD保護の解決策に比べて低減させ、他方では、ESD保護条件(標準基準)を満足させた集積回路を提供することにある。
本発明の他の目的は、改善した且つより適応性のあるESD保護機構を提供することにある。
上述した及びその他の目的は、請求項1による集積回路により達成される。更なる有利な実施は従属請求項に記載してある。
本発明によれば、互いに異なる幾つかの電圧レールを有する集積回路に、本発明の新規なオンチップ(チップ上の)ESD保護回路を設ける。このオンチップ保護回路は、少なくとも一組のESDクランプ装置を有する。集積回路に、電源電圧を互いに異なる値としたn個の異なる電圧レールがあるものとすると、ESDクランプ装置のこの群はn−1個のESDクランプ装置を有する。これらのn−1個のESDクランプ装置は、はしご形構造に配置し、それぞれのパワーレールが順次低くなる電圧を有する前記n個のパワーレールの各々の間に前記n−1個のESDクランプ装置の1つがあるようにする。ESDクランプ装置ははしご形構造をしている為、前記n個のパワーレールの各1つと次に低い電圧を有するパワーレールとの間に直接的なESD電流路が得られる。この電流路はESD基準ラインを越えることはなく、従って、短くなる。
本発明の好適例によれば、一組よりも多い組のESDクランプ装置を設け、これらESDクランプ装置を前記集積回路全体に亘って分布させる。
有利な実施では、ESD事象の場合に、レール間の電流路が確立される。これらのレール間の電流路は、前記n個のパワーレールの何れか1つから、次に低い電圧又は次に高い電圧を有するそれぞれのパワーレールに直接進む。
他の有利な例、他の目的及び利点は、以下で図面に関して詳細に説明する。
静電放電(ESD)は、互いに異なる静電電位にある2つの物体間での静電荷の、一回の高速な高電流伝達である。この高電流伝達が製造処理の最大定格を越えると、ICの構成素子が損傷される。更に、高電流により生ぜしめられる電圧降下が製造処理の最大定格を越えると、ICの構成素子が損傷される。
従って、集積回路には代表的に、幾つかのESDクランプ装置を有するオンチップESD回路を設ける。
本発明の第1の実施例を図2Aにつき説明する。この図は、集積回路10のオンチップESD保護回路を示す線図である。集積回路10は、n=5個の異なる電圧レールを有する。集積回路10の正常な動作中は、図示のように、電圧V5 〜V1 が確立/印加されている。本発明の説明の目的で、V1 <V2 <V3 <V4 <V5 であるものとする。n=5個の異なる電圧レールはn個の異なるパワードメインを規定している。
本発明のオンチップESD保護回路は、数個のレール間のESDクランプ装置C1〜C4を、いわゆるはしご形配置することを特徴とするものである。図2Aに示すように、集積回路10は、少なくとも一組のESDクランプ装置C1〜C4を有する。このような各組はn−1個のESDクランプ装置を有する。すなわち、本例では、一組が4つのみのESDクランプ装置C1〜C4を必要としている。
“はしご形配置”とは、線図的なレイアウト(例えば、図2A)におけるクランプ装置の配置を表すために用いていること明らかである。実際の構成例では、集積回路内部の個々のクランプ装置の配置をはしご形配置としないことができる。その理由は、パワーレールは代表的に平行に延在せず、且つレイアウト全体がかなり大きな確率で折り曲げられる為である。この例をより現実的に図2Bに線図的に示す。
“はしご形配置”の表現は、線図的なレイアウト(例えば、図2A)で電圧レールがはしごの横ライン(段)として作用し、ESDクランプ装置C1〜C4がはしごの縦のポール、すなわち柱として作用することを表すのに用いている。
はしご形構造は、n個のパワーレールの各々の間にn−1個のESDクランプ装置のうちの1つが介在されていることを特徴とする。本例では、ESDクランプ装置C1がパワーレールV1 及びV2 間に介在されており、ESDクランプ装置C2がパワーレールV2 及びV3 間に介在されており、ESDクランプ装置C3がパワーレールV3 及びV4 間に介在されており、ESDクランプ装置C4がパワーレールV1 及びV5 間に介在されている。従って、それぞれのESDクランプ装置は、互いに隣接する2つのレールを相互接続する為、レール間クランプ装置とも称される。ここで“隣接する”とは、電圧/電位の隣接を表すために用いており、必ずしも地形学的な隣接を表すのに用いるものではない。
本発明によれば、レール間クランプ装置C1〜C4により、n個の電圧レールのいずれか1つと、この次に低い電圧を有する電圧レールとの間のESD電流路を規定する。従って、この保護構造をレール‐レール保護構造とも称する。
ESDクランプ装置は、これらにより集積回路の正常な動作に影響を及ぼさないように設計する。すなわち、ESDクランプ装置の各々が、正常な電力動作の下ではオフ(電流を流さない状態)となるようにする。しかし、ESD事象の場合には、ESDクランプ装置がトリガされ、ESD電流路を形成する。
図1に示すような従来のESD回路では、少なくとも高電圧レールを保護するために高電圧ESDクランプ装置を必要とすることを銘記すべきである。本発明によれば、高電圧ESDクランプ装置はもはや必要としない。その理由は、レール間クランプ装置は、互いに隣接するパワーレールの相対的な電圧差に対処すれば足りる為である。(ESDクランプ装置は、基板に対しては高電圧差を維持する必要があるが、装置の端子にまたがって高電圧を維持する必要はない。)従来の解決策との相違を一例につき説明する。V1 =0V、V2 =5V、V3 =8V、V4 =15V及びV5 =20Vの電圧を仮定すると、図1のクランプ装置では、C1が20V、C2が15V、C3が8V、C4が5Vの電圧をそれぞれ耐えうるようにする必要がある。
図2Aのクランプ装置では、C1が5V、C2が3V、C3が7V、C4が5Vの電圧のみをそれぞれ耐えうるようにする必要があるだけである。従って、第1に、小型のクランプ装置で足り、且つクランプ装置の種類を少なくできる。第2に、クランプ装置の各々に加わる電圧は、互いに隣接するレールの相対的な電圧差のみによって規定される。このことは、電圧が極めて低くなることを意味する。従って、高電圧のクランプ装置はもはや必要としなくなる。
言及すべき重要な他の観点が存在する。図1の構成では、4つの異なる種類のクランプ装置(20V、15V、8V及び5Vのそれぞれに対するクランプ装置)が必要となるのに対し、図2Aの実施例では、3つの異なる種類のクランプ装置(3V、5V及び7Vのそれぞれに対するクランプ装置)で足りる。
従って、本発明によるESD保護回路は、より一層簡単となるとともに、より適応性に富むようになる。互いに隣接するレール間の相対的な電圧差が同じ(例えば、V1 =0V、V2 =2V、V3 =4V、V4 =6V及びV5 =8V)である場合には、1種類のみのクランプ装置(すなわち、2Vのみのクランプ装置)があれば足りる。
他の実施例を図3に示す。この図3は、集積回路20のオンチップESD保護回路を示す線図である。集積回路20は、n=4個の異なる電圧レールを有する。集積回路20の動作中は、図示のように電圧V1 〜V4 が確立/印加される。本例の説明のために、V1 <V2 <V3 <V4 であると仮定する。n=4個の異なる電圧レールは、n=4個の異なるパワードメインを規定する。ESD保護回路は、m=3個の群21、22及び23を有する。群21及び22の各々は、3つのESDクランプ装置C1〜C3を有する。群23は、クランプ装置C1及びC2のみを有する。図3においても、ESDクランプ装置は、n−1個のESDクランプ装置のうちの1つがn=3個のパワーレールの各々の間に配置されたはしご形構造に配置されている。従って、ESD電流路が、前記n=3個のパワーレールの各1つと、その次に低い電圧を有するパワーレールとの間に規定される。
図3の配置も、ESDクランプ装置が水平方向に分布されている、はしご形配置と称される。
図2A及び図2Bに関して述べた他の全ての観点も、図3の実施例の場合に適用されるものである。
更なる実施例を図4に示す。この図4は、集積回路30のオンチップESD保護回路を線図的に示している。集積回路30は、n=5個の異なる電圧レールを有する。集積回路30の動作中は、図示のように電圧V1 〜V5 が確立/印加される。本例の説明のために、V1 =0V、V2 =5V、V3 =10V、V4 =15V及びV5 =25Vであると仮定する。V4 及びV5 間の電圧差は10Vであることに注意すべきである。
本例の場合、図2Aの場合と同様に、ESD保護回路は1群のみのクランプ装置C1〜C4を有する。この群は4つのESDクランプ装置C1〜C4を有する。電圧差(ΔV)は、下側の4つの電圧レールに対しては互いに同じである為(ΔV=5V)、同じ種類のESDクランプ装置を用いうる。電圧レールV4 及びV5 間の電圧差は、他の電圧レール間の電圧差の2倍である為、電圧レールV4 及びV5 間のESDクランプ装置は、2つのESDクランプ装置Cを直列に配置することにより構成する。このように、2つのレール間に2つ以上のESDクランプ装置を組み合わせることを、ここでは積み重ね直列接続と称する。
図2A、2B及び3に関連して説明した他の観点も図4の実施例の場合に適用される。
本発明によるクランプ装置は、これらクランプ装置の何れも基板に接続されていない、いわゆる分離されたクランプ装置である。これに極めて適しているのは、ゲートアップ構造のPMOSトランジスタである。この場合、PMOSトランジスタのバルクは高い。集積回路の基板がPである場合、PMOSトランジスタはn型ウエル内に位置させるのが好ましい。
本発明によれば、最も下側の装置として(例えば、ESDクランプ装置C1として)のみNMOSトランジスタを用いるのが好ましい。この場合NMOSトランジスタは、P基板中のP型ウエル内に位置する。
NMOSトランジスタのクランプ装置は、通常、スナップバック特性を有している。これらのクランプ装置を同じパワードメイン内に用いることにより、並列に接続されたクランプ装置間でのESD電流の水平方向の分担を防止しうる。従って、スナップバック特性を全く又は殆ど呈さないクランプ装置のみを、例えば、PMOSトランジスタ又はトリガされたNMOSトランジスタのクランプ装置のみを用いることが推奨される。
ESDクランプ装置としては、PMOSトランジスタ又はNMOSトランジスタの代わりに、ツェナーダイオード又はバイポーラトランジスタを用いることができる。
本発明の利点は、各パワードメイン又はそれに対する電圧レベルに対するESDの概念を最適化しうることにある。幾つかのパワードメイン間では、他のパワードメイン間よりも多くのクランプ装置を用いることができる(例えば、図3参照)。
2つ以上の群のクランプ装置を用いている実施例(例えば、図3参照)が有利である。その理由は、数個のクランプ装置が幾つかのレール対間に並列に配置される為である。ESD事象の場合、幾つかのESDクランプ装置がこの事象を分担する。従って、抵抗が低減され、従って、小さなクランプ装置を用いうる。
クランプ装置C1〜C4は、10Vよりも低い電圧に対し設計するのが好ましい低電圧クランプ装置である。
図3の実施例の他の利点は、ESDクランプ装置の寄生キャパシタンスがESD事象の場合のストレスをある程度吸収するということである。数個のESDクランプ装置が並列に配置されている為、寄生キャパシタンスは通常、従来技術のESD保護回路の場合よりも大きい。このことは、極めて高速なパルスが寄生キャパシタンスに入り込むことを意味する。これにより、ESD電流路をトリガ及び確立するのにある程度多くの時間をESDクランプ装置に与え、同時のトリガに対するより良好な電圧分布を促進する。
従来の手段では通常、基準電圧(図1のV1 )として集積回路の接地ライン(基板)が用いられている。しかし、現在のCMOSの構造では、基板はもはや良好な導電体ではない。その理由は、雑音の抑圧のために高抵抗の基板が好ましい為である。従って、強いESD電流が基準電圧ライン上に電圧降下を生ぜしめるおそれがある。この問題は、本発明では回避される。その理由は、基板にはもはや基準電圧ラインが存在しない為である。従って、本発明のESD保護構造は“基準電圧フリー回路”とも称される。
本発明により、ESDクランプ装置の各々が、所定のESDピーク電流で、IC内で保護された装置の降服電圧よりも低い最大クランプ電圧を有する場合に、ESD保護構造が適切に、且つ信頼的に動作する。放電パルスは、安全に迂回され、ICの回路を破壊又は損傷させない。
本発明によるESDクランプ装置は、静電放電事象の場合のみ“アクティブ”となる。正常な電力動作の下では、これらのESDクランプ装置はオフ状態にある。
本発明の顕著な利点の1つは、チップ面積が節約され、同時に従来の集積回路におけるESD保護と少なくとも同様に良好で信頼性のあるESD保護を提供するということである。本発明では、より少数又は小さい、或いはこれらの双方のESDクランプ装置で足り、より簡単な工業技術で済む。その理由は、必要とするESD装置の種類が少なくなる為である。ESDクランプ装置は、より簡単にもなる。その理由は、これらのESDクランプ装置は低電圧である為である。フロアプランニング及び電源ルーティングがESDの観点からより簡単となる。
本発明の幾つかの更なる利点及び観点は以下の通りである。
‐ ESD電流路は、前述したように、1つのみの群がある場合に(例えば、図2A参照)、“縦方向”で分担される。図2Aのクランプ装置C3は例えば、以下の電流路に対し用いられる。
5 ⇔V3 、V5 ⇔V2 、V5 ⇔V1 、V4 ⇔V3 、V4 ⇔V2 、V4 ⇔V1
このことは、図1の全ての素子C1〜C4に代えて図2Aにおける1つの群のESDクランプ装置を用いうることを意味する。本発明によれば、低電圧のESDクランプ装置のみを必要とする為、図2Aの全ての装置が占めるチップ面積は図1における高電圧クランプ装置C1が必要とするチップ面積とほぼ同じである。この例は、面積がいかに著しく節約されるかを極めて良好に示している。
‐ 1つよりも多い群のESDクランプ装置を採用する場合には(例えば、図3参照)、ESD電流路は“横方向”でも分担される。その理由は、各2つのレール間に幾つかの並列なクランプ装置が存在する為である。これらの並列なESDクランプ装置がESD電流を分担する。これらのESDクランプ装置が協同する為、これらのESDクランプ装置を小型にでき、これによりチップ面積を更に節約する。
‐ はしご経路(例えば、V5 からV1 への経路)に亘るESDクランプ装置を互いに隣り合うように配置する必要はなく、これらESDクランプ装置を分散させることができる。これにより、集積回路のレイアウト及びフロアプランニングに関する適応性をより富んだものとする。
‐ はしご経路(例えば、V5 からV1 への経路)に亘りESDストレスがある場合には、2つの基準電圧ライン間の電圧レール(V4 、V3 、V2 )のキャパシタンスや、その他のいかなる寄生キャパシタンスも、はしごの実効寄生キャパシタンスに加算される。この実効寄生キャパシタンスが、次のクランプ段に亘るESDストレス電流の分配に寄与する。
‐ 本発明と関連して用いられるような低電圧のESDクランプ装置は、高電圧のESDクランプ装置よりもESD動作を良好にする(降服電圧及びスナップバック電圧の制御を良好にする)。
‐ 低電圧のPMOSトランジスタは極めて低いスナップバックを呈し、従って、本発明の概念にとって適している。スナップバックが要求通り低い場合には、低電圧のNMOSトランジスタをトリガ及び制御することができる。
‐ 集積回路の新たな高電圧プロセス開発に対しても、低電圧ESDクランプ装置に頼る上述したようなESD概念を適用するのが有利である。その理由は、これらの低電圧クランプ装置は周知であり、最初から準備できる為である。
図面及び明細書には本発明の好適例を特定の用語を用いて説明したものであり、本発明はこれらの用語に限定されるものではない。
図1は、ESD基準パワードメインを用いている従来のESD保護構造を示す線図である。 図2Aは、本発明の第1実施例による、レール間ESDクランプ装置の、本発明によるはしご形構造配置のレイアウトを示す線図である。 図2Bは、図2Aの本発明によるはしご形構造配置の変形例を示す線図である。 図3は、本発明の第2実施例による、レール間ESDクランプ装置の数個の群を有する本発明の分布式はしご形構造配置を示す線図である。 図4は、本発明の第3実施例による、レール間ESDクランプ装置の本発明のはしご形構造配置のレイアウトを示す線図である。

Claims (14)

  1. nを2よりも大きい整数としたn個の異なる電圧レールを有し、従ってn個の異なるパワードメインを規定し、更にオンチップESD保護回路を有している集積回路であって、
    前記ESD保護回路が、少なくとも1つの群のESDクランプ装置を有し、このような群の各々がn−1個のESDクランプ装置を有し、これらのn−1個のESDクランプ装置は、はしご形構造に配置されており、
    前記はしご形構造は、前記n−1個のESDクランプ装置の1つが、n個の前記電圧レールの各々と、その次に低い電圧を有する電圧レールとの間にそれぞれ介在され、従って、n個の前記電圧レールの各1つと、その次に低い電圧を有する電圧レールとの間にESD電流路を規定する特徴となっており、
    前記ESDクランプ装置の各々は、前記集積回路の正常なパワー動作の下でオフ状態にあるようにし、
    p型ウエル内に位置する少なくとも1つのNMOSトランジスタが、前記群の最も下側のESDクランプ装置として作用し、
    n型ウエル内に位置するPMOSトランジスタが、前記群の他のESDクランプ装置として作用し、これらPMOSトランジスタは、ゲートアップ構造である
    集積回路。
  2. 請求項1に記載の集積回路において、複数の群のESDクランプ装置が存在し、これらのESDクランプ装置が集積回路全体に亘って分布されている集積回路。
  3. 請求項1又は2に記載の集積回路において、ESD事象中、ESD電流路は、n個の前記電圧レールの何れか1つから、その次に低い又はその次に高い電圧を有する電圧レールに至るレール間電流路となるようにした集積回路。
  4. 請求項1又は2に記載の集積回路において、ESD事象中、n個の電圧レールのいずれの電圧レール間の電圧差も、前記集積回路における損傷を回避するために所定のしきい値電圧よりも低くなるようにした集積回路。
  5. 請求項1又は2に記載の集積回路において、前記クランプ装置を、10Vよりも低い電圧に対するように設計するのが好ましい低電圧クランプ装置とした集積回路。
  6. 請求項1又は2に記載の集積回路において、前記オンチップESD保護回路がESD基準電圧フリー回路である集積回路。
  7. 請求項1又は2に記載の集積回路において、前記ESD電流路が双方の方向で、すなわち、低い電圧を有する第1の電圧レールから次に高い電圧を有する次の電圧レールへの方向と、前記第1の電圧レールから次に低い電圧を有する次の電圧レールへの方向とで動作するようになっている集積回路。
  8. 請求項1又は2に記載の集積回路において、前記はしご形構造は、前記ESDクランプ装置がそれぞれのはしごの縦の要素として作用し、前記電圧レールがはしごの段となるような特徴を有している集積回路。
  9. 請求項1又は2に記載の集積回路において、前記はしご形構造は、前記ESDクランプ装置が縦方向に重なっている集積回路。
  10. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の集積回路において、端子のいずれも前記集積回路の基板に接続されていない場合に、前記ESDクランプ装置は、分離されたクランプ装置である集積回路。
  11. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の集積回路において、ESD事象の場合に、これを複数の前記ESDクランプ装置が分担するようになっている集積回路。
  12. 請求項1〜11のいずれか一項に記載の集積回路において、前記ESDクランプ装置は、並列に接続されたクランプ装置間で良好な電流路の分担を可能にするのに充分小さいスナップバックを有する装置とした集積回路。
  13. 請求項1又は2に記載の集積回路において、ESD事象中、複数の群のESDクランプ装置がトリガされるようになっている集積回路。
  14. 請求項1又は2に記載の集積回路において、この集積回路が、1つの電圧レール当たり、複数のESDクランプ装置を有している集積回路。
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