JPH0677405A - 低電圧トリガ式ｅｓｄ保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 一般的に集積回路に関し、特に、このような
集積回路用の静電放電（ＥＳＤ）を防止する方法および
装置に関する。 【構成】 静電放電保護回路は、高レベルの電圧ストレ
スに耐える一次保護スイッチ１４を有し、このスイッチ
は低い電圧のトリガ素子１３ａによってトリガされる。
この一次保護スイッチ１４は、バイポーラ・トランジス
タ２１または半導体制御整流器を有することができる。
このトリガ素子１３ａは、保護を必要とする出力回路素
子と同じタイプの素子であることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的に集積回路に関
し、特に、このような集積回路用の静電放電（ＥＳＤ）
を防止する方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路チップ・パッケージを取り扱う
間に、静電放電によって、この集積回路チップ上の半導
体素子が破壊される可能性がある。一般的に、このよう
な破壊の防止は、この集積回路チップ内に保護回路を組
み込むことによって行われる。一般的に、このような保
護回路は、半導体制御整流器（ＳＣＲ）のようなスイッ
チを有し、これは比較的大きい電流を流すことができる
が、この電流はＥＳＤ事象によって生じる高電圧が存在
することに起因する。種々の素子を使用して、ＥＳＤ事
象の期間中、保護された回路を基本的に分流させるのに
必要なスイッチ機能を設けることができる。例えば、種
々のＳＣＲを使用して、必要なスイッチ機能を設けるこ
とができる。このようなＳＣＲ構造は、横型ＳＣＲ（Ｌ
ＳＣＲ）と呼ばれ、「Ａ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｏｌｅｒ
ａｎｔ Ｉｎｐｕｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｉｒｃ
ｕｉｔ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ ＣＭＯＳ Ｐｒｏ
ｃｅｓｓｅｓ」という名称のＲｏｕｎｔｒｅｅ他による
文献（１９８８年ＥＯＳ／ＥＳＤシンポジウムの会議
録、２０１ないし２０５頁）に詳しく説明されている。
このＳＣＲを製造する一般的なＣＭＯＳ技術は、Ｒ．
Ａ．Ｃｈａｐｍａｎ他によるＩＥＤＭ技術ダイジェス
ト、１９８７年の３６２ないし３６５頁に掲載の「Ａｎ
０．８ Ｍｉｃｒｏｎ ＣＭＯＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌ
ｏｇｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」に説明されてい
る。

【０００３】一般的に、高ＥＳＤストレスに耐えること
ができるＳＣＲまたは他の素子のトリガ電圧は、ＥＳＤ
防止用の保護素子として単独で使用するには高すぎる。
したがって、このような素子は、一次保護として使用さ
れる。一般的に、二次保護は、二次回路を使用すること
によって与えられ、この二次回路は、一般的に、低クラ
ンプ電圧を有し、一次保護素子のトリガ電圧に到達する
まで、集積回路素子の保護を行う。一般的に、このよう
な使用をすることは、現実問題として入力にのみ保護を
与えることに限定されるが、それはこのような回路内に
直列抵抗が存在することに起因する。これらの二次保護
回路に存在する直列抵抗は、通常このような集積回路の
出力では受け入れられないが、それは一般的に出力抵抗
の規格に従う必要があることに起因する。したがって、
このような二次保護回路は、一般的に、集積回路の出力
には適用できない。上述の「Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ
Ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ」という名
称の、テキサス・インスツルメンツ社に譲渡された、１
９９０年３月５日付け米国特許出願番号第４８８，５９
０号は、参考文献としてここに完全に含まれ、低電圧で
トリガされるＳＣＲを開示し、集積回路のＥＳＤを保護
するために複数のＳＣＲを使用することに関連するこの
問題および他の問題を克服する。

【０００４】

【解決するべき課題】ＥＳＤ保護に使用した従来の回路
と構造は、高レベルのＥＳＤストレスに耐えることがで
きる。しかし、集積回路技術が発達するにしたがって、
保護が必要な素子は、使用される保護素子のトリガ・レ
ベルよりも低い電圧レベルで故障する可能性があり、こ
れによって改良されたＥＳＤ保護素子と回路に対する必
要性が生じる。同様に、集積回路にＢｉＣＭＯＳ技術が
多く使用されることによって、これらの回路におけるＥ
ＳＤ保護の必要性もまた生じる。

【０００５】したがって、本発明の目的は、集積回路用
の新規で改良されたＥＳＤ保護素子を提供することであ
る。本発明の他の目的は、低電圧でトリガするＥＳＤの
保護素子を提供することである。本発明の他の目的は、
一次ＥＳＤ保護素子をトリガする回路を提供することで
ある。

【０００６】本発明のさらに他の目的は、ＢｉＭＯＳ技
術で実行することのできるＥＳＤ保護素子を提供するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決する手段】上述およびその他の目的は、静
電放電保護回路によって実現され、この静電放電保護回
路は一次保護スイッチを含み、このスイッチは高レベル
の電圧ストレスに耐える低電圧トリガ素子によって起動
される。この一次保護スイッチは、バイポーラ・トラン
ジスタまたは半導体制御整流器を有することができる。
このトリガ素子は、保護が必要な出力回路素子と同じタ
イプの素子であることが好ましい。

【０００８】

【実施例】本発明を添付図面を参照して説明する。図１
は、従来技術による集積回路用ＥＳＤ保護構成のブロッ
ク図を示す。パッド１０は、集積回路チップの入力パッ
ドまたは出力パッドのいずれかである。これは、ＥＳＤ
事象が発生する可能性が高い点を示す。一般的な集積回
路チップ・パッケージは複数のこのようなパッドを有
し、かかる場合、このようなパッドの各々に対してＥＳ
Ｄ保護回路が設けられる。部品１４は一次保護回路を示
し、前述のように、この回路は一般的に高ＥＳＤストレ
スに耐えられるスイッチである。この一次保護素子１４
は、一般的に保護された集積回路１９に故障が生じる電
圧よりも高いトリガ電圧を有するが、その理由は、この
素子１４がＥＳＤストレスに耐える能力が高いためであ
る。集積回路１９は、１つの素子、または多数の素子を
有し、これらは一次保護素子１４のトリガ電圧と比較し
て比較的低い電圧で故障する。実際の用途では、通常こ
の素子は、場合によって、入力トランジスタまたは出力
トランジスタである。したがって、回路の入力に対する
適切なＥＳＤの保護には、二次保護素子すなわち回路１
２が含まれ、この回路は、ＥＳＤ事象の期間中、一次素
子のトリガ電圧が達成されるまで、保護を行うように設
計される。この二次保護素子は直列抵抗１８を有し、一
次保護素子路１４にかかるトリガ電圧の構築を支援する
ことができる。しかし、この抵抗のこめ、二次保護素子
は、一般的に回路の入力でのみ使用される。この抵抗が
必要なことによって、出力ではその使用が禁止されると
考えられる。したがって、ＥＳＤ保護は、しばしば出力
には設けられていない。

【０００９】本発明のＥＳＤ保護回路を図２のブロック
図で示す。したがって、図２の回路は、リード１６によ
って集積回路１９に接続された接触パッド１０を有す
る。一次保護素子１４は、このパッド１０とアース、す
なわちＶｓｓまたは、場合によって、他の適当な接続点
との間に接続される。この一次保護素子１４は、高いＥ
ＳＤのストレスに耐えることができるスイッチである。
トリガ素子１３ａは、パッド１０とアースとの間に接続
される。本発明の保護回路は、このトリガ素子１３ａの
出力電流を使用して接続部１３を介して一次保護素子１
４をトリガする。一次保護素子１４とトリガ素子１３ａ
を正しく構成することによって、ＥＳＤ保護回路が設け
られ、この回路において、一次保護素子は低電圧でこの
回路に切り替えられ、これによって、それ以外の場合よ
りも低い電圧レベルで高いＥＳＤのストレスに耐える能
力が与えられる。本発明のＥＳＤ保護は実質的に直列抵
抗を必要としないので、本発明を使用して入力と出力の
両方にＥＳＤ保護を行うことができる。ＥＳＤ保護回路
の種々の部品の設計によって、二次保護絶縁抵抗１８を
設け、開示した実施例に関して以下で説明するように、
保護される回路１９からパッド１０とＥＳＤ保護回路を
絶縁するのが有利である。

【００１０】図３は、本発明の１実施例の回路図が示
す。一次保護素子１４は、本実施例では、バイポーラｎ
−ｐ−ｎトランジスタ２１として示され、このトランジ
スタのコレクタは集積回路チップのパッド１０に接続さ
れ、エミッタはＶｓｓに接続され、これはアースであ
り、ベースはＮＭＯＳトランジスタ２２のソースに接続
される。ＮＭＯＳトランジスタ２２のドレインも、また
パッド１０に接続される。ＮＭＯＳトランジスタ２２の
ソースも、また抵抗２３に接続される。ＮＭＯＳトラン
ジスタ２２と抵抗２３は共に、トリガ式一次保護素子１
４用のトリガ素子を形成し、さらに二次ＥＳＤ保護素子
を設けるように構成することもできる。しかし、本発明
によれば、一般的に二次保護素子は必要ではないが、そ
の理由は、一次保護素子がこのように低電流レベルでト
リガされるからである。パッド１０は、まこ保護された
集積回路１９に接続され、この集積回路は、ここではＮ
ＭＯＳトランジスタ２４として示す。一般的な集積回路
構成では、ＥＳＤのストレスに最も影響されやすい素子
は、ＮＭＯＳ出力トランジスタ２４のような入力トラン
ジスタおよび出力トランジスタである。トリガ素子１２
は、保護が必要な出力トランジスタ２４と同じタイプの
素子であることが好ましい。

【００１１】ＥＳＤ事象の場合、パッド１０の電圧が上
昇する。もし正しく構成され、ある種のＥＳＤストレス
に耐える能力があるＮＭＯＳトランジスタ２２を有する
ならは、二次保護素子は、あるＥＳＤの電圧レベルで導
通するように駆動される。ＮＭＯＳトランジスタ２２の
ソースはバイポーラ・トランジスタ２１のベースに接続
され、その結果、ＥＳＤ事象の結果生じる電流によっ
て、バイポーラ・トランジスタ２１が駆動されて導通す
るが、このバイポーラ・トランジスタ２１は、これが通
常オンする電圧およびＮＭＯＳトランジスタ２４が故障
する電圧レベルの両方より低い電圧で実質的なＥＳＤの
ストレスに耐えるサイズである。この特定の実施例で
は、ＮＭＯＳトランジスタ２２およびＮＭＯＳ出力トラ
ンジスタ２４のゲートは接続され、主に寸法によって制
御される生き（ｓｔｅｔ）ＮＭＯＳトランジスタ２２を
起動する。この構成では、もしＮＭＯＳトランジスタ２
２のチャンネル長さが、出力トランジスタ２４のチャン
ネル長さよりも短いならば、ＮＭＯＳトランジスタ２２
の降伏電圧は、出力トランジスタ２４よりも低く、これ
によって出力トランジスタ２４の降伏電圧よりも低い電
圧レベルでトランジスタ２２が導通することを保証す
る。トランジスタ２２に対しては、より低い降伏電圧が
望ましいが、これが必要だという訳ではない。先ず問題
になるのは、トランジスタ２２が十分な電流を発生して
一次素子１４をトリガする前に、トランジスタ２４に対
する破壊しきい値を超えないことである。本発明の精神
と範囲から逸脱することなく、代替の構成を使用して同
様の結果を実現することができることは明らかである。
所望のＥＳＤ回路の保護に対する特定の要求によって、
本構成のトリガ素子１３ａは、一次保護素子１４をトリ
ガすることとＥＳＤの二次保護を行うことの両方を行う
ように設計することができ、またＥＳＤの一次保護に対
するトリガのみとして機能し、かつそれ自身もし行うと
しても二次保護は殆ど行わないように設計することもで
きることも明らかである。本発明は、集積回路内にＥＳ
Ｄ保護を設ける場合、設計者に大きい柔軟性を与える。

【００１２】図４は、図３の回路の概略／断面図である
が、ＢｉＣＭＯＳ技術によって実行される保護された集
積回路１９は含んでいない。図示の素子３０は、ここで
はｐ型基板である第１導電型の基板３１を有する半導体
を有し、かつこの基板内にここではｎ型のウェルである
第２導電型のウェル３２を有すると共に、この井戸３２
内にここではｐ型である第１導電型のベース３３を有す
る。高濃度にドーピングした第２導電型の領域３４がベ
ース３３内に置かれ、領域３４、ベース３３、およびウ
ェル３２によって構成される縦型バイポーラｎ−ｐ−ｎ
トランジスタ２１を設ける。このベース領域３３は抵抗
２３を介してＶｓｓと接続され、この抵抗は多結晶シリ
コンのような、いずれの便利な種類の構成でもよい。抵
抗３３は、ベース領域３３の一部として集積化してもよ
い。領域３４もまたＶｓｓに接続する。ウェル領域３２
はトランジスタ２２のパッド１０とロレイン領域３７に
接続される。トランジスタ２２のソース領域３６は、バ
イポーラ・トランジスタ２１のベース領域３３に接続さ
れる。ＮＭＯＳトランジスタ２２のゲート３８は出力ト
ランジスタ２４（図４には示さず）のゲートに接続する
ことができ、または、そうでなければ、特定の回路構成
ではＥＳＤ保護素子の正しい機能を提供するように要求
され、またはこれを提供することが適当である。

【００１３】図５は本発明の他の実施例の回路図であ
り、ここでは一次保護素子１４としてＳＣＲを使用す
る。本実施例の構成と図３の構成は、この実施例中の一
次ＥＳＤ保護素子がリード１３を介してトランジスタ２
２の出力電流によってトリガされるようにＳＣＲが接続
される点を除いて、全ての点で同一である。他の全ての
点で、この保護素子の動作は、図３と同様である。図６
は、ＢｉＣＭＯＳ技術によって実行される図５に示す実
施例の概略／断面図である。高濃度にドーピングした第
１導電型の別の領域４５を有してＮＭＯＳトランジスタ
の出力電流によってトリガされるＳＣＲを設けている点
を除いて、これの構造と動作もまた図４の構造と動作と
同じである。

【００１４】本発明を、ＢｉＣＭＯＳ技術によって実行
される開示の実施例を参照して説明したが、この説明
は、実例としてのみ行われたものであり、限定する意味
で構成されたものではないことが理解すべきである。本
発明は、例えば、ＣＭＯＳのような他の集積回路技術に
よって実行することもできる。本発明の実施例の細部の
多くの変更、および本発明の他の実施例は、本発明を参
照する場合、当業者にとって明らかであり、またこれら
の当業者によって実行されることも理解できる。例え
ば、素子の設計に伴う変更の場合、ｎチャンネル・トラ
ンジスタをｐチャンネル・トランジスタに置き換えるこ
ともできる。また、トリガ素子のトリガ特性は、必要に
応じて、特定の設計上の要求に一致するように調整する
ことができる。このような全ての変更と他の実施例は、
上で特許を請求した本発明の精神と真の範囲に包含され
る。

【００１５】以上の記載に関連して、以下の各項を開示
する。 １．静電放電保護回路において、上記の回路は：低電圧
トリガ素子に接続され、この素子によってトリガされる
一次保護スイッチによって構成されることを特徴とする
回路。 ２．上記の一次保護スイッチは、バイポーラ・トランジ
スタであることを特徴とする上記１項記載の回路。

【００１６】３．上記の低電圧トリガ素子は、保護され
る素子と同種のトランジスタによって構成されることを
特徴とする上記１項記載の回路。 ４．上記の低電圧トリガ素子は、所定のレベルの静電放
電電圧ストレスに耐えることを特徴とする上記３項記載
の回路。 ５．上記の一次保護スイッチは、半導体制御整流器であ
ることを特徴とする上記１項記載の回路。

【００１７】６．上記の低電圧トリガ素子は、所定のレ
ベルの静電放電電圧ストレスに耐えることを特徴とする
上記５項記載の回路。 ７．上記の低電圧トリガ素子は、上記の半導体制御整流
器のアノードに接続されることを特徴とする上記５項記
載の回路。 ８．上記の低電圧トリガ素子は、上記の半導体制御整流
器のカソードに接続されることを特徴とする上記５項記
載の回路。

【００１８】９．それぞれ入力パッドと出力パッドに接
続された入力素子と出力素子；上記の出力素子の内少な
くとも１つとの中間に接続された一次保護スイッチ；お
よび静電放電事象に応答して一次保護スイッチをトリガ
する低電圧トリガ素子によって構成されることを特徴と
する集積回路。

【００１９】１０．上記の一次保護スイッチは、バイポ
ーラ・トランジスタによって構成されることを特徴とす
る上記９項記載の集積回路。 １１．上記の低電圧トリガ素子は、上記の少なくとも１
つの出力素子と同じタイプの素子であることを特徴とす
る上記１０項記載の集積回路。 １２．上記の少なくとも１つ出力素子は、ＮＭＯＳトラ
ンジスタであることを特徴とする上記１１項記載の集積
回路。

【００２０】１３．上記の一次保護スイッチは、半導体
制御整流器によって構成されることを特徴とする上記９
項記載の集積回路。 １４、上記の低電圧トリガ素子は、上記の少なくとも１
つの出力素子と同じタイプの素子であることを特徴とす
る上記１３項記載の集積回路。 １５、上記の出力素子の内少なくとも１つは、ＮＭＯＳ
トランジスタであることを特徴とする上記１４項記載の
集積回路。

【００２１】１６．上記の低電圧トリガ素子は、所定の
レベルの静電放電電圧ストレスに耐えることを特徴とす
る上記９項記載の集積回路。 １７．上記の低電圧トリガ素子は、上記の半導体制御整
流器のカソードに接続されることを特徴とする上記１３
項記載の集積回路。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術のＥＳＤ保護回路のブロック図であ
る。

【図２】本発明によるＥＳＤ本発明回路のブロック図で
ある。

【図３】図４にまた示す本発明の１実施例の等価回路図
である。

【図４】図３に示す本発明の実施例の概略／断面図であ
る。

【図５】図６にまた示す本発明の別の実施例の等価回路
図である。

【図６】図５に示す本発明の実施例の概略／断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ パッド １２ 二次保護回路 １４ 一次保護回路 １３ａ トリガ素子 １８ 直列抵抗 １９ 集積回路 ２１ バイポーラｎ−ｐ−ｎトランジスタ ２２ ＮＭＯＳトランジスタ ２４ ＮＭＯＳトランジスタ ３０、４０ 素子 ３１、４１ 第１導電型の基板 ３２ 第２導電型のウェル ３３ 第１導電型のベース ３４ 第２導電型の領域 ３６ トランジスタ２２のソース領域 ３８ ＮＭＯＳトランジスタ２２のゲート ４５ 第１導電型の領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 静電放電保護回路において、上記の回路
   は：低電圧トリガ素子に接続され、この素子によってト
   リガされる一次保護スイッチによって構成されることを
   特徴とする回路。