JPH10209292A - 保護回路 - Google Patents

保護回路

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JPH10209292A
JPH10209292A JP9357090A JP35709097A JPH10209292A JP H10209292 A JPH10209292 A JP H10209292A JP 9357090 A JP9357090 A JP 9357090A JP 35709097 A JP35709097 A JP 35709097A JP H10209292 A JPH10209292 A JP H10209292A
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JP
Japan
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transistor
terminal
power supply
supply line
terminals
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JP9357090A
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Enrico M A Ravanelli
エンメ ア ラヴァネーリ エンリコ
Luca Fontanella
フォンタネーラ ルカ
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STMicroelectronics SRL
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SGS Thomson Microelectronics SRL
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/0203Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0248Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
    • H01L27/0251Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices
    • H01L27/0266Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using field effect transistors as protective elements
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/045Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage adapted to a particular application and not provided for elsewhere
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 集積回路デバイスの電源供給ラインあるいは
端子を静電気放電から保護するために有利に使用するこ
とのできる、保護回路を提供する。 【解決手段】 半導体デバイスの電源供給ライン(Vd
d)の保護回路が、第1(M1)および第2(M2)の
電界効果トランジスタを含み、両者は、電源供給ライン
(Vdd)に接続された、それらのそれぞれのドレイン
端子を有する。第1のトランジスタ(M1)のゲート端
子およびソース端子は、第1(R1)および第2(R
2)の抵抗を通して、それぞれ、グランド(GND)に
接続されている。第2のトランジスタ(M2)のゲート
端子とソース端子は、それぞれ、第1のトランジスタ
(M1)のソース端子とグランド(GND)に接続され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路に組み入
れられる端子のための保護素子または回路、特に、集積
回路デバイスの電源供給端子もしくはラインの保護回路
に関するものである。
【0002】
【発明の開示】MOSテクノロジイの集積回路や、混合
タイプのテクノロジイで集積化されたデバイスの低電圧
供給部分、例えばそのようなデバイスに含まれるロジッ
ク回路などは、実際上、概してそれらの端子で、静電気
放電(electrostatic discharg
e;ESD)によって、重大な損傷を受ける可能性があ
る。
【0003】加えて、機能不全あるいは損傷は、それら
の供給端子への過電圧の適用から、生ずるかもしれな
い。
【0004】静電気放電に関しては、以下の事実が認め
られる。すなわち、開放されている集積回路の端子が、
それらの製造の間、および回路アッセンブリへの包含の
間の双方、あるいは動作中に、電気的に荷電された物体
と偶然に接触するに至ると、それによって、かなりの大
きさの電位差が、例えば、入力トランジスタのゲート電
極あるいは出力トランジスタのドレイン領域と、集積回
路を形成されるところの半導体材料基板との間に、もた
らされるだろう。前者の場合に、その電位差が、そのゲ
ートの絶縁体の絶縁力のスレショルドをこえるときは、
そのトランジスタは、その絶縁を通じて発現するところ
の静電気放電によって、その使用は失わされ、一方、後
者の場合に、その電位差が、ドレイン接合の逆絶縁破壊
のスレショルドをこえるとき、同様の破壊的な作用を招
く。また、例として、1.2μmのテクノロジイ(すな
わち、最小ゲート寸法が1.2μm)で製造されたCM
OS集積回路において、絶縁破壊電圧は、入力トランジ
スタでは12V〜14Vであり、そして、出力トランジ
スタでは約12Vである。
【0005】いくつかの対策が、種々の入力、出力、お
よび供給端子を静電気放電から保護するために、提案さ
れている。
【0006】多くの場合、バイポーラ系トランジスタを
利用する、保護デバイスは、首尾よく用いられている。
【0007】既知のプロテクタ−これは、保護が必要と
されるCMOS集積回路に対するモノリシックな集積化
(monolithic integration)の
ために大いに適している−は、例えば、本出願人による
イタリア特許出願第26063A80号に開示されてい
る。
【0008】このデバイスは、基本的に、NPN系トラ
ンジスタから構成されており、ここに、そのエミッタお
よびコレクタは、N型の不純物でドープされ、−これに
類似しておよび同時的に、保護されるべきCMOS回路
のIGFETのソースおよびドレインも−、そして、そ
のアクセシブルでないベースは、イオン注入によって、
イオンアクセプタ(P型の不純物)で濃密にかつ深くド
ープされている。
【0009】本出願人によるイタリア特許出願第230
77A85号では、同様の構成の改良された使用が、開
示されている。このプロテクタは、第1および第2のバ
イポーラ系のトランジスタを含み、それらトランジスタ
は、その回路の入力端子およびそのIGFETのゲート
電極にそれぞれ接続された、それらのコレクタ端子を有
し、そして、グランド端子に共同で接続されたそれらの
エミッタ端子と、その2つの側のトランジスタのコレク
タ相互を接続する拡散抵抗(diffusedresi
stor)(R′)とを有する。
【0010】この第1のトランジスタのベースの幅と、
双方の側のそのベースにおける不純物の集中は、第1の
側のトランジスタにおいて負抵抗の状況を起こす(tr
igger)電圧と、第2の側のトランジスタにおける
絶縁破壊電圧とを、酸化物を隔てるゲートの絶縁破壊電
圧より低く、および集積回路に含まれるバイポーラ接合
の絶縁破壊電圧より低い値に、保つのに効果的であり、
また、第1の側のトランジスタの飽和電圧を、集積回路
の供給電圧より高い値に保つのに効果的である。
【0011】簡単にして、そのうえ効果的な、静電気放
電からの既知のプロテクタは、ベ−スとエミッタが短絡
され、保護されるべき端子およびグランド間が接続され
た、バイポーラトランジスタであろう。
【0012】このトランジスタは、したがって、この技
術においてBVcboと呼ばれる、高インピーダンス、
高電圧の状態と、BVcerと呼ばれる、低インピーダ
ンス、低電圧の状態との間で、双安定のタイプの電圧/
電流特性を有する。
【0013】このトランジスタは、回路の通常の動作の
間、第1のモードで動作し、そして、それをそのままに
しておくが、しかし、静電気放電が発生すると、このト
ランジスタは、第2のモードで動作することを強いら
れ、それによって、放電パルスのためグランドへの道を
開く。
【0014】バイポーラトランジスタを使用するそのよ
うな保護手段の有利性は、供給ラインあるいは端子が、
保護されるべきものである場合は、かなり落ちる。実際
上、BVcboおよびBVcerは、ラインあるいは端
子が集積回路に与えられる高い電位である場合には、そ
れらの効果的な値は、その回路動作の要求と相反する結
果に帰着するところの、統計的なプロセス変動を有す
る。
【0015】そのうえ、保護されるべき供給ラインでの
電圧ノイズは、バイポーラトランジスタのプロテクタを
ターンオンさせ、そして、その供給電圧をBVcerへ
クランプ(clamp)させることを生じさせ、それ
が、その回路に電力を供給するため意図された電圧より
もはるかに低い値のものとなる。
【0016】これは、回路の機能不全に帰着するのみな
らず、大きな直流電流がその回路を通して流れるため
に、恒久的な損傷にも帰着する。
【0017】本発明の底流とするところの技術的な課題
は、集積回路デバイスの電源供給ラインあるいは端子を
静電気放電から保護するために有利に使用することので
きる、保護回路を提供することである。
【0018】この技術的な課題は、上記で述べ、および
本明細書の特許請求の範囲の特徴部分で定義されるとこ
ろの保護回路によって解決される。
【0019】本発明による保護回路の特徴および利点
は、その一実施態様の以下の記述から明らかになり、添
付図面に関する限定的ではない例の方法によってもたら
されるであろう。
【0020】
【発明の実施の形態】単一の図は、本発明による保護回
路の図であり、集積回路デバイス(装置)の電源供給ラ
インあるいは端子用のためのものとして意図されてい
る。
【0021】図に示された、本発明による保護回路は、
第1の電界効果トランジスタM1を含んでおり、これ
は、第1および第2の抵抗R1およびR2を通して、そ
れぞれ、GNDでグランドに接続されたゲートおよびソ
ース端子と、保護されるべき電源供給ラインVddに接
続されたドレイン端子とを有する。
【0022】この回路は、そのソースおよびドレイン端
子を通して、それぞれグランドと電源供給ラインVdd
の間に接続された第2の電界効果トランジスタM2を含
み、第1のトランジスタM1のソース端子に接続された
ゲート端子を有する。
【0023】また、図に示されるように、トランジスタ
M1のゲート端子およびドレイン端子間に接続されたと
ころの、キャパシタCがある。最適な実施のため、実際
のモノリシック的な集積化キャパシタが好都合な選択で
あるように見えるかもしれないが、しかし、このプロテ
クタの有利性は、トランジスタM1自身のそのゲートお
よびドレイン間に存在する本来的な容量(capaci
tance)によって、すでに確保されうるものであ
る。抵抗は、拡散された、あるいは多重結晶化されたシ
リコンの抵抗のものとできる。
【0024】本発明による保護回路は、過度的な状態に
よってだけ活動的にされ、ラッチアップ(latchu
p)しやすい害のないことを示す。
【0025】そのコンポーネント(構成要素)のすべて
は、アバランシェ(avalanche)状態のモード
で作動するところの、前述した従来の装置と異なり、保
護機能の間、アクティブゾーンで動作する。
【0026】VDMOS型のコンポーネントの使用は、
静電気放電の間、それらが、集積化のプロセスによりも
たらされた電圧を突然生ずるのを阻止することが確実で
あるという点で、高い有利性がある。
【0027】プロテクタを活動的にさせるための、供給
電圧の最小の変化レベルdV/dtは、 2Vth/R1C 〔ここに、VthはトランジスタM1のスレショルド電
圧〕より大きいものであり、直流電流の状態の下で、こ
の保護回路を通じて電流は流れない。
【0028】出力トランジスタM2のチャネル領域は、
ドライバ(駆動)トランジスタM1の作動をトリオード
(triode)領域内に保つようするため適合した大
きさにされる。
【0029】この場合に、トランジスタM2のドレイン
−ゲート電圧はかなり低く、そのトランジスタは飽和領
域の周辺に維持される。
【0030】こうして、どちらのトランジスタにも、永
続的なスナップバック(snapback)およびラッ
チアップを生じさせないことができる。
【0031】本発明に従う保護回路は、相当に高速で、
VDMOSコンポーネントのターンオン時間は、 L/Vsat 〔ここに、Lはチャネルの長さ、Vsatは飽和電子の
速度〕として与えられる。
【0032】このターンオンは、通常、ESD(静電気
放電)パルスの先頭(leading)エッジよりも速
く、この回路は、すべての周波数成分を効果的に抑える
ことができる。
【0033】プロテクタのクランプ電圧(clampi
ng voltage)は、飽和のとき、トランジスタ
M1のゲート−ソース電圧よりも高くなく、よって、こ
の保護回路は、静電気放電の間、先行技術のプロテクタ
に対し、改良された効果を示す。
【0034】本発明に従う保護回路は、集積化プロセス
における「スプリイド(spread)」によって影響
を及ぼされず、そして、高いプロセス電圧の要求と両立
する。
【0035】トランジスタの適切な寸法形成(dime
nsioning)によって、トリガ電圧(trigg
erihg voltage)は、5Vから60Vの間
で容易に変更されうる。
【0036】さらに、本発明に従う保護回路は、供給ラ
インに供給定格よりも高い電圧が適用され、たとえその
ような状況が長く変わらぬものである場合においても、
デバイスに損傷を与えるのを避けられる高い効果があ
る。
【0037】上述された実施態様に対し、当業者に知ら
れた方法で、変更あるいは置き換えがなされうるという
ことが、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による保護回路の一実施態様の図であ
る。
【符号の説明】
M1 電界効果トランジスタ M2 電界効果トランジスタ R1 抵抗 R2 抵抗 C キャパシタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルカ フォンタネーラ イタリア国 20100 ミラノ ヴィアーレ セルトサ 153

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 モノリシック集積半導体デバイスにおけ
    る電源供給ライン(Vdd)の保護回路であって、 第1(M1)および第2(M2)の電界効果トランジス
    タを含み、それぞれが第1および第2の端子とコントロ
    ール端子とを有し、その第1のトランジスタ(M1)の
    コントロール端子および第1の端子は、第1(R1)お
    よび第2(R2)の抵抗性要素を通してそれぞれグラン
    ド(GND)に接続され、その第2のトランジスタ(M
    2)の第1の端子とコントロール端子は、それぞれグラ
    ンド(GND)とその第1のトランジスタ(M1)の第
    1の端子に接続され、その2つのトランジスタのそれぞ
    れの第2の端子は、前記電源供給ライン(Vdd)に接
    続されている、ことを特徴とする保護回路。
  2. 【請求項2】 前記第1のトランジスタ(M1)のコン
    トロール端子は、容量性素子(C)を通して電源供給ラ
    イン(Vdd)に接続されている、ことを特徴とする請
    求項1に記載の保護回路。
  3. 【請求項3】 前記第1(M1)および第2(M2)の
    電界効果トランジスタは、VDMOS型のものであり、
    それらのそれぞれのドレイン端子は電源供給ライン(V
    dd)に接続されている、ことを特徴とする請求項1ま
    たは請求項2のいずれかに記載の保護回路。
JP9357090A 1996-12-31 1997-12-25 保護回路 Pending JPH10209292A (ja)

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EP96830664A EP0851552A1 (en) 1996-12-31 1996-12-31 Protection ciruit for an electric supply line in a semiconductor integrated device
IT96830664:7 1996-12-31

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