KR100192579B1 - Esd protection circuit of ic - Google Patents
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Abstract
[청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야][Technical field to which the invention described in the claims belong]
집적회로의 정전방전 보호회로에 관한 것이다.An electrostatic discharge protection circuit of an integrated circuit.
[발명이 해결하려고 하는 기술적 과제][Technical Challenges to Invent]
두 가지 레벨의 동작전압을 사용하는 반도체장치에서 내부집적회로의 정전방전을 보호하기 위한 회로를 제공함에 있다.The present invention provides a circuit for protecting an electrostatic discharge of an integrated circuit in a semiconductor device using two levels of operating voltage.
[발명의 해결방법의 요지][Summary of the solution of the invention]
반도체장치에서 엔형 모오스 트랜지스터를 사용하여 내부집적회로를 정전방전으로부터 보호하기 위한 회로에 있어서, 가드링영역을 형성하는 제1 및 제2P+웰과, 기판 P_웰 상에서 차례로 제1, 제3, 제4, 제2엔형 모오스 트랜지스터들의 드레인과 소오스를 형성하는 제1~제5n+확산영역들과, 상기 내부집적회로에 연결되는 입력패드로부터 상기 제2 및 제4n+확산영역으로 인출된 메탈라인과, 상기 제3 및 제4엔형 모오스 트랜지스터들의 드레인에 연결된 제1전원단(Vdd)으로부터 상기 제3n+확산영역으로 인출된 메탈라인과, 상기 제1~제5n+확산영역들 위에 두 영역당 하나씩 접속되며, 제2전원단(Vss)에 연결되어 상기 제1, 제3, 제4, 제2엔형 모오스 트랜지스터들의 게이트 전극을 형성하는 제1~제4폴리실리콘층과, 상기 제1n+확산영역, 제1 및 제2폴리실리콘과 제3 및 제4폴리실리콘의 연결점에 접속되며 제2전원단(Vss)에 접속된 메탈라인으로 구성됨을 특징으로 한다.Use enhyeong Mohs transistor in the semiconductor device in the circuit to protect the internal integrated circuit from electrostatic discharge, then the first over a first and a 2P +-well and the substrate P _-well to form a guard ring region, and the third, First through fifth n + diffusion regions forming drains and sources of fourth and second N-type MOS transistors, and metal lines drawn from the input pads connected to the internal integrated circuit to the second and fourth n + diffusion regions And a metal line drawn from the first power supply terminal Vdd connected to the drains of the third and fourth N-type MOS transistors to the third n + diffusion region, and over the first to fifth n + diffusion regions. First to fourth polysilicon layers connected to each other and connected to a second power supply terminal Vss to form gate electrodes of the first, third, fourth, and second N-type MOS transistors, and the first n + diffusion. Region, First and Second Polysilicon The third and the fourth connection point is connected to the polysilicon features a composed of a metal line coupled to a second power supply terminal (Vss).
[발명의 중요한 용도][Important Uses of the Invention]
Description
제1도는 종래의 정전방전 보호회로의 개략적인 구성도.1 is a schematic configuration diagram of a conventional electrostatic discharge protection circuit.
제2도는 본 발명의 실시 예에 따른 정전방전 보호회로의 개략적인 구성도.2 is a schematic configuration diagram of an electrostatic discharge protection circuit according to an embodiment of the present invention.
제3도는 본 발명의 실시 예에 따른 정전방전 보호회로의 실제 구현 예시도.3 is an exemplary implementation of an electrostatic discharge protection circuit according to an embodiment of the present invention.
제4도는 본 발명의 실시 예에 따른 정전방전 보호회로의 평면 구조도.4 is a plan view of the electrostatic discharge protection circuit according to an embodiment of the present invention.
제5도는 제4도의 절취선 X-X'에 따른 단면도.5 is a cross-sectional view taken along the fold line X-X 'of FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
D1, D2 : 다이오드 Q1~Q4 : 엔모스트랜지스터D1, D2: Diodes Q1 ~ Q4: NMOS Transistors
42 : 입력패드 10 : 내부집적회로42: input pad 10: internal integrated circuit
11 : 인버터11: inverter
본 발명은 반도체 장치에 있어서 정전방전(electrostatic discharge : ESD) 보호회로에 관한 것으로, 특히 두 가지 레벨의 동작전압을 사용하는 반도체 장치에서 내부집적회로의 정전방전을 보호하기 위한 회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrostatic discharge (ESD) protection circuit in a semiconductor device, and more particularly to a circuit for protecting an electrostatic discharge of an internal integrated circuit in a semiconductor device using two levels of operating voltage.
고집적으로 이루어진 메모리 등의 반도체장치에서는 외부로부터 유기되는 ESD현상에 의하여 가해지는 스트레스성의 전압에 대하여 칩 내부의 소자들이 파괴되지 않도록 해야 한다. 미세한 반도체장치에서는 민감한 외부전압의 변화에 대하여도 적지 않은 영향을 받으므로,이러한 스트레스성의 전압이 외부로부터 가해졌을 때 이를 특정의 경로를 통하여 흘려주어야 한다. 메모리칩이 완성된 후의 테스트 과정에서 임의의 핀에 2500-3000V의 스트레스전압을인가하여 칩의 ESD 보호 특성을 체크한다. 이러한 ESD현상으로 인해 소자가 갖게 되는 문제와 그 해결 방안에 대하여는 IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES, Internal Chip ESD Phenomena the Protection Circuit, pp. 2133-2139, vol.35, no.12, DEC,1989에 상세하게 개시된 바 있다. 그리고 보다 넓은 범위의 ESD보호에 적용할 수 있도록 하기 위하여 본 출원인에 의해 선출원 된 바 있는 대한민국 특허출원번호 제91-1128호를 참조할 수 있다. 상기 특허출원번호 제91-1128호에서는 핀과 접지전압 사이, 핀과 전원전압 사이, 전원전압과 접지전압 사이에서의 ESD 메카니즘을 실현하고 있다.In a highly integrated semiconductor device such as a memory, it is necessary to prevent the devices inside the chip from being destroyed by the stress voltage applied by the ESD phenomenon induced from the outside. In the case of a minute semiconductor device, even a small change in the sensitive external voltage is affected. Therefore, when such a stress voltage is applied from the outside, it must flow through a specific path. In the test process after the memory chip is completed, the ESD protection characteristic of the chip is checked by applying a stress voltage of 2500-3000V to an arbitrary pin. The problem of the device caused by the ESD phenomenon and its solutions are described in IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES, Internal Chip ESD Phenomena the Protection Circuit, pp. 2133-2139, vol. 35, no. 12, DEC, 1989. In addition, reference may be made to Korean Patent Application No. 91-1128, which was previously filed by the present applicant, in order to be applicable to a wider range of ESD protection. In Patent Application No. 91-1128, an ESD mechanism is realized between a pin and a ground voltage, a pin and a power supply voltage, and a power supply voltage and a ground voltage.
현재 로직(logic) 공정이 0.5㎛ 이하로 변환되어 가면서 5V(volt) 신호의 처리 문제가 심각하게 대두되고 있다. 0.5㎛급 이하의 장치(device)에는 전원전압으로 3.3V 이상 공급할 수 없게 되어 있으며, 3.3V 이상을 공급하게 되면 채널의 길이(channel length)가 줄어들고 게이트 옥사이드(gate oxide)의 두께도 따라 줄어들게 된다. 그러므로 계속해서 그 정도의 전압을 유지하면 제품의 수명(life time)이 줄어드는 결과를 초래하기 때문이다.As logic processes are shifting to 0.5 micrometers or less, the problem of processing 5V (volt) signals is serious. It is impossible to supply more than 3.3V to the power supply voltage of less than 0.5㎛ class, and when supplying more than 3.3V, the channel length is reduced and the thickness of the gate oxide is also reduced. . Therefore, maintaining that voltage continuously will result in reduced product life time.
그러나 현재의 시스템에서는 3V와 5V가 혼재하므로 05㎛ 급 이하의 장치를 개발하더라도 5V 신호의 처리를 효과적으로 해줄수 있어야만 한다. 0.5㎛ 급 장치가 5V 신호를 처리하는 방법에는 2가지가 있는데, 5V 허용(tolerang) IO(Input Output)와 3V/5V 혼재된(mixed) IO가 있다. 후자인 상기 3V/5V 혼재된 IO는 입력신호와 출력신호로 3V와 5V를 모두 사용할 수 있지만, 전자인 5V 허용 IO에서는 입력신호만 5V 신호로 받아들일 뿐 출력으로는 5V를 구동할 수 없다. 이것은 0.5㎛ 급 장치가 공급전압 Vdd로 5V를 인가할 수 없기 때문이다. 그럼에도 불구하고 3V 와 5V의 혼재가 가능한 것은 IO 부분만 공정적으로 특별히 고려한 까닭이다.However, in the current system, since 3V and 5V are mixed, even if a device having a class of less than 05㎛ is developed, it must be able to effectively process the 5V signal. There are two ways a 0.5 µm class device can handle 5V signals: 5V tolerang IO (Input Output) and 3V / 5V mixed IO. The latter 3V / 5V mixed IO can use both 3V and 5V as an input signal and an output signal, but in the former 5V tolerant IO, only the input signal is accepted as a 5V signal and 5V cannot be driven as an output. This is because the 0.5-m class apparatus cannot apply 5 V to the supply voltage Vdd. Nevertheless, 3V and 5V can be mixed because only the IO part is specially considered.
제1도는 종래의 정전방전 보호회로의 개략적인 구성도로서, 데이터입력핀 즉 입력패드 42로부터 들어오는 ESD스트레스전압에 대하여집적회로 10- 데이터를 입력하기 위해 가장 전단에는 도시한 바와같이 공지의 구성을 갖는 인버터 11이 접속되어 있음-을 보호하기 위해 전단에 다이오드 D1을 연결한 것이다. 이로써 상기 다이오드 D1을 통해 정(static) 전류가 흘러 집적회로 10을 정전방전으로부터 보호한다.FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a conventional electrostatic discharge protection circuit. In order to input the integrated circuit 10-data with respect to the ESD stress voltage coming from the data input pin, that is, the input pad 42, a well-known configuration is shown at the front end. Diode 11 is connected to the front end to protect the inverter 11 connected. As a result, a static current flows through the diode D1 to protect the integrated circuit 10 from electrostatic discharge.
그런데 이 회로의 구성에 따르면, 집적회로 10에 5V를 인가할 필요가 생길 경우 입력패드 42로 5V를 인가하게 되면 전원전압(Vdd)이 3V인 경우 다이오드 D1이 도통하게 되므로 5V를 인가할 수 없게 되는 문제점을 갖고 있다.However, according to this circuit configuration, when 5V is required to the integrated circuit 10, when 5V is applied to the input pad 42, when the power supply voltage Vdd is 3V, the diode D1 conducts, so that 5V cannot be applied. There is a problem.
따라서 본 발명의 목적은 두 가지 레벨의 동작전압을 사용하는 반동체장치에서 내부집적회로의 정전방전을 보호하기 위한 회로를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a circuit for protecting an electrostatic discharge of an internal integrated circuit in a semi-automatic apparatus using two levels of operating voltage.
본 발명의 다른 목적은 두 가지 레벨의 동작전압을 사용하는 반도체장치에서 5V 톨러런트(tolerant) 입ㆍ출력 구현시 정전방전을 보호하는 회로를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a circuit for protecting electrostatic discharge when implementing 5V tolerant input and output in a semiconductor device using two levels of operating voltage.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체장치에서 엔형모오스 트랜지스터를 사용하여 내부집적회로를 정전방전으로부터 보호하기 위한 회로에 있어서, 가드링영역을 형성하는 제1 및 제2P+웰과, 기판 P-상에서 차례로 제1, 제3, 제4, 제2엔모오스 트랜지스터들의 드레인과 소오스를 형성하는 제1~제5n+확산영역들과, 상기 내부집적회로에 연결되는 입력패드로부터 상기 제2 및 제4n+확산영역으로 인출된 메탈라인과, 상기 제3 및 제4엔형모오 스트랜지스터들의 드레인에 연결된 제1전원단(Vdd)으로부터 상기 제3n+확산영역으로 인출된 메탈라인과, 상기 제1~제5n+확산영역들 위에 두 영역당 하나씩 접속되며, 제2전원단(Vss)에 연결되어 상기 제1, 제3, 제4, 제2엔모스트랜지스터들의 게이트전극을 형성하는 제1~제4폴리실리콘층과, 상기 제1n+확산영역, 제1 및 제2폴리실리콘과 제3 및 제4폴리실리콘의 연결점에 접속되며 제2전원단(Vss)에 접속된메탈라인으로 구성됨을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a circuit for protecting an internal integrated circuit from electrostatic discharge by using an N-type transistor in a semiconductor device, the first and second P + wells to form a guard ring region, the substrate P - then the first, third, fourth, second en first to forming the drain and source of the Mohs transistor claim 5n + with the diffusion region, from an input pad connected to the internal integrated circuit the second and on the A metal line drawn to a 4n + diffusion region, a metal line drawn to the 3n + diffusion region from a first power terminal Vdd connected to drains of the third and fourth N-type transistors, and the first line First to second connected to the 5th + diffusion regions, one per two regions, and connected to a second power supply terminal Vss to form gate electrodes of the first, third, fourth, and second NMOS transistors. A 4 polysilicon layer and the 1n + diffused spirit On the contrary, it is characterized in that it is composed of a metal line connected to the connection point of the first and second polysilicon and the third and fourth polysilicon and connected to the second power supply terminal (Vss).
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals have the same reference numerals as much as possible even if displayed on different drawings. In describing the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
제2도는 본 발명의 실시예에 따른 정전방전 보호회로의 개략적인 구성도로서, 공급전압 Vdd에 엔모스트랜지스터 Q3를 연결한 것이다. 이렇게 함으로써 입력패드쪽으로 높은 레벨의 서지(serge) 전압이 인가되면 공급전압 Vdd에 연결된 엔모스트랜지스터Q3는 소오스와 드레인사이의 펀치쓰루(punch throuhg) 현상에 의해 온되므로 공급전압 Vdd쪽으로 전류를 빼줄 수 있게 되는 것이다.2 is a schematic configuration diagram of an electrostatic discharge protection circuit according to an embodiment of the present invention, in which an n-MOS transistor Q3 is connected to a supply voltage Vdd. In this way, when a high level of surge voltage is applied to the input pad, the NMOS transistor Q3 connected to the supply voltage Vdd is turned on by the punch throuhg phenomenon between the source and drain, so that the current can be drawn out to the supply voltage Vdd. Will be.
제3도는 본 발명의 실시예에 따른 정전방전 보호회로를 실제로 구현한 예를 나타낸 것으로, 제2도에 나타낸 노드점 A를 중심으로한 트랜지스터 Q3와 다이오드 D1의 접속형태와 동일하게 병렬로 노드점 B를 중심으로 트랜지스터 Q4와 다이오드를 접속한 것이다. 단, 상기 다이오드 D1과 상기 부가된 다이오드는 엔모스트랜지스터 Q1, Q2로써 구현한다.3 shows an example of the actual implementation of the electrostatic discharge protection circuit according to an embodiment of the present invention, in which the node points are paralleled in the same manner as the connection form of the transistor Q3 and the diode D1 with the node point A shown in FIG. The transistor Q4 and the diode are connected with B as the center. However, the diode D1 and the added diode are implemented as NMOS transistors Q1 and Q2.
제4도는 제3도의 평면 구조이고, 제5도는 제4도의 절취선 X-X'에 따른 단면도이다. 우선 기판 P-웰(well) 45를 형성한다. 그리고 가드링(guarding)영역으로서 P+웰을 형성한다. 입력패드 42로부터 n+확산영역 32~36으로 메탈라인 43이 인출되고 전원공급단자 Vdd로부터 메탈라인 51이 인출되어, 트랜지스터 Q1~Q4의 드레인과 소오스를 연결(contact)한다. 폴리실리콘 38~41은 상기 트랜지스터 Q1~Q4의 게이트 전극영역을 형성한다. 또한 접지연결용 메탈라인 44은 n+확산영역 32와 두 폴리실리콘 38, 39의 연결점에 접속되고, n+확산영역 36과 두 폴리실리콘 40, 41의 연결점에 접속된다. 즉 트랜지스터 Q1의 게이트 32와 소오스(노드점 A) 그리고 트랜지스터 Q2의 게이트 36와 소오스(노드점 B)에 접지전압 Vss를 인가한다.4 is a plan view of FIG. 3, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line X-X 'of FIG. First, the substrate P - well 45 is formed. P + wells are then formed as guarding regions. The metal line 43 is drawn from the input pad 42 to n + diffusion regions 32 to 36 and the metal line 51 is drawn from the power supply terminal Vdd to contact the drain and the source of the transistors Q1 to Q4. Polysilicon 38 to 41 form gate electrode regions of the transistors Q1 to Q4. In addition, the ground line metal line 44 is connected to the connection point of n + diffusion region 32 and two polysilicon 38, 39, and is connected to the connection point of n + diffusion region 36 and two polysilicon 40, 41. That is, the ground voltage Vss is applied to the gate 32 and the source (node point A) of the transistor Q1 and the gate 36 and the source (node point B) of the transistor Q2.
상기한 구조에서는, 입력패드 42를 통해서 높은 레벨의 서지전압이 인가되어 n+확산영역 34, 즉 두 트랜지스터 Q3, Q4의 드레인에 걸리는 역바이어스 전압이 높아졌을 때 드레인 공핍영역이 확장된 결과 결국에는 드레인의 전기장(electric field)이 n+확산영역 33, 35 즉 상기 두 트랜지스터 Q3, Q4의 소오스영역을 뚫고 들어가게 된다. 제5도에서 참조부호 BP는 이러한 벌크 펀치쓰루 패스(bulk punch through path)를 나타낸 것이다.In the above structure, when a high level surge voltage is applied through the input pad 42, the drain depletion region expands when the n + diffusion region 34, i.e., the reverse bias voltage applied to the drains of the two transistors Q3 and Q4 increases. The electric field of the drain penetrates n + diffusion regions 33 and 35, that is, the source regions of the two transistors Q3 and Q4. Reference numeral BP in FIG. 5 denotes such a bulk punch through path.
상술한 바와 같은 본 발명은 5V의 톨러런트 IO의 구현시 ESD를 방지하는 장점이 있다.As described above, the present invention has an advantage of preventing ESD when the 5V tolerant IO is implemented.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 않되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.
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