WO2001020677A1 - Esd-schutzanordnung für signaleingänge und -ausgänge mit überspannungstoleranz - Google Patents

Esd-schutzanordnung für signaleingänge und -ausgänge mit überspannungstoleranz Download PDF

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    • H01L27/0266—Particular 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

Definitions

  • ESD Electrostatic Discharge
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • components are designed for the low operating voltages of 1.8 V and below, in order to keep their power dissipation small with components optimized in this way, to achieve a higher packing density for them, and ultimately also to increase the speed of individual transistors due to the lower geometric To achieve dimensions.
  • Such optimization of the components in CMOS technology can be achieved without great effort and, as has been indicated, offers considerable advantages.
  • CMOS circuits implemented in this technology also have to be used in electrical environments in which signals with higher voltages of, for example, 3.3 V or 5 V arrive at these circuits. For this reason, a higher dielectric strength than in their core or core area must be guaranteed with such CMOS circuits in the I / O area.
  • Thick oxide transistors which are based on "shallow trench isolation" in modern CMOS technology, have poor ESD resistance and occur in others
  • an NMOS transistor with a high threshold voltage which can be approximately 2 V, is therefore used as the central ESD protection element.
  • the gate of this NMOS transistor is subjected to an increased voltage, for example 1 V. No relevant leakage current occurs yet. This bias at gate, however, reduces the voltage drop across the gate oxide to the drain side of the NMOS transistor.
  • Another possibility for increasing the threshold voltage is to introduce an additional channel doping in the channel region between the source zone and drain zone, for example by implantation, so that there is an increased p-doping concentration in the case of n + -doped source and drain zones.
  • Both of the above options namely a suitable doping of the LDD areas and a corresponding channel doping, can be implemented relatively easily.
  • the replacement of nldd by pldd can be implemented in the LDD areas without an additional process step. This applies regardless of whether epitaxial technology is used for the implementation of the ESD protection arrangement or not.
  • the connection of the gate of the NMOS transistor does not pose any problems in the ESD protection arrangement according to the invention: the bias voltage for gate of, for example, 1 V can be derived from a voltage generated in the CMOS circuit, such as a bandgap voltage .
  • a high-resistance voltage divider between the I / O pad and the low supply voltage, for example using a PNP transistor.
  • the ESD protection arrangement according to the invention is preferably used in CMOS circuits. However, it can also be used in other components, such as thyristors based on NMOS transistors.
  • FIG. 2 shows a schematic section of an ESD protective transistor with a high threshold voltage by using an additional channel implantation
  • V SS for an overvoltage-tolerant signal or I / O pad based on a high-voltage voltage or VHV NMOS transistor with driven gate
  • FIG. 6 shows a circuit example for a high-resistance voltage divider on the I / O pad for controlling the gate of a VHV-NMOS transistor
  • FIG. 7 shows another circuit example for a high-resistance voltage divider on the I / O pad for controlling the gate of a VHV-NMOS transistor
  • Fig. 8 is a schematic sectional view for a compact version of the high-resistance voltage divider of Fig. 7 and
  • Fig. 9 shows a section of a thyristor based on a
  • the ESD protective transistor formed in this way has pldd implantation regions 5, 6. These pldd implantation areas 5, 6 are provided instead of the otherwise existing nldd implantation areas and bring about an increase in the threshold voltage due to the lengthening of the channel between source zone 3 and drain zone 2.
  • This increase in the threshold voltage can also be achieved if an additional channel implantation 7 is attached in the channel area between the source zone 3 and drain zone 2, as is shown schematically in FIG. 2.
  • an additional channel implantation 7 is attached in the channel area between the source zone 3 and drain zone 2, as is shown schematically in FIG. 2.
  • FIGS. 3 to 7 how the VHV-NMOS transistor shown in FIG. 1 or 2 is connected with an increased threshold voltage in the ESD protection arrangement according to the invention.
  • VHV-NMOS transistor 8 lies between an I / O or signal pad 9 and a low supply voltage V ⁇ s .
  • the gate of this VHV-NMOS transistor 8 is connected to a voltage source 10, which is formed by the CMOS circuit between low supply potential V ss and high supply potential V dd .
  • FIG. 4 shows an example in which a band gap voltage of 1.2 V is used as a bias voltage for the VHV-NMOS transistor.
  • This bandgap voltage of 1.2 V is present in CMOS circuits, for example on "phase locked loops" (PLL).
  • PLL phase locked loops
  • Bias voltage for the VHV-NMOS transistor 8 in this example, a voltage divider consisting of two resistors 11, 12 is used to generate the bias voltage, which are connected in series between the low supply voltage V ss and the high supply voltage V dd .
  • the bias voltage for the VHV-NMOS transistor 8 is generated in the CMOS circuit, in the examples of FIGS. 6 and 7 this is done by high-resistance voltage dividers which are connected directly to the I / O Pad 9 lie and are applied at their other end with the low supply voltage V ss .
  • the voltage divider consists of parallel connections of a resistor 13 and a capacitor 14, while in the example of FIG. 7 a parallel circuit of the example of FIG. 6 is provided by a PNP
  • Transistor 15 is replaced, the gate of which is connected to the I / O pad 9 via a resistor 16.
  • the collector of this trans Sistor 15 is connected via a resistor 17 to the low supply voltage V SS .
  • FIG. 8 shows schematically how, for example, the circuit arrangement of FIG. 7 can be implemented with a compact design.
  • FIG. 8 also shows an n-type well 18 and an n + -type contact or connection region 19 for this n-type well 18.
  • FIG. 9 shows an example of how a thyristor structure can be produced by attaching a further p + -type zone 20 in the n-type trough 18.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine ESD-Schutzanordnung für Signaleingänge und -ausgänge mit Überspannungstoleranz bei insbesondere CMOS-Schaltungen, bei der ein als ESD-Schutzelement dienender NMOS-Transistor (8) zwischen einem I/O-Pad (9) und niedriger Versorgungsspannung (Vss) liegt, an seinem Gate mit einer erhöhten Spannung beaufschlagt ist und eine hohe Schwellenspannung aufweist.

Description

B e s ehr e ibung
ESD-Schutzanordnung für Signaleingänge und -ausgänge mit Überspannungstoleranz
Die vorliegende Erfindung betrifft eine ESD-Schutzanordnung (ESD = Electrostatic Discharge) für Signaleingänge und -ausgänge mit Überspannungstoleranz bei insbesondere CMOS-Schal- tungen, mit einem als ESD-Schutzelement ausgebildeten NMOS- Transistor, der mit einem I/O- (Eingabe/Ausgabe-) Pad (bzw. Kontaktkissen) der CMOS-Schaltung verbunden ist.
In moderner CMOS-Technologie werden Bauelemente für die dort niedrigen Betriebsspannungen von 1,8 V und darunter ausgelegt, um bei derart optimierten Bauelementen deren Verlustleistung klein zu halten, für diese eine höhere Packungsdichte zu erzielen und schließlich auch eine größere Schnelligkeit von Einzeltransistoren durch geringere geometrische Abmessungen zu erreichen. Eine derartige Optimierung der Bauelemente in CMOS- Technologie ist ohne größeren Aufwand zu erreichen und bietet, wie angedeutet wurde, erhebliche Vorteile.
Es läßt sich allerdings nicht vermeiden, daß viele der in dieser Technologie verwirklichten CMOS-Schaltungen auch in elek- trischen Umgebungen eingesetzt werden müssen, in denen an diesen Schaltungen Signale mit höheren Spannungen von beispielsweise 3,3 V oder 5 V ankommen. Aus diesem Grund muß bei solchen CMOS-Schaltungen im I/O-Bereich eine höhere Spannungsfestigkeit als in deren Kern- bzw. Core-Bereich garantiert wer- den .
Da das Gateoxid von CMOS-Transistoren durch höhere Spannungen als Nennspannungen beschädigt wird, wirkt in aller Regel zumeist die Spannung limitierend, die maximal über dem Gateoxid der eingesetzten CMOS-Transistoren unter Berücksichtigung der hierfür spezifizierten Lebensdauer auftreten darf. Um eine höhere Spannungsfestigkeit im I/O-Bereich zu erzielen, kann zunächst an zwei grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten gedacht werden. Zum einen können zusätzliche I/O-Transistoren mit größerer Dicke des Gateoxids eingesetzt werden. Dies führt aber zu einer erheblichen Verteuerung des Herstellungsprozesses, so daß diese Möglichkeit als weniger wirtschaftlich anzusehen ist. Zum anderen können besondere schaltungstechnische Maßnahmen für beispielsweise Inverter bzw. Ausgangstreiber der CMOS-Schaltung eingesetzt werden, wie beispielsweise ein "Stacking" bzw. Stapeln von NMOS-Transistoren und ein Ansteuern der Wanne eines PMOS-Transistors, was auch als "floating well" bezeichnet wird. In der Praxis hat sich dieses Konzept von "stacked" NMOS und von "floating well" PMOS als ESD-Schutz kaum durchgesetzt, da es zu einer Verringerung der ESD-Perfor- mance, also speziell zu einer niedrigeren ESD-Festigkeit und einer höheren Klemmspannung, führt.
In der Fachliteratur bisher beschriebene Lösungsansätze für das obige Problem einer höheren Spannungsfestigkeit im I/O- Bereich von CMOS-Schaltungen verwenden eine Serienschaltung von NMOS-Transistoren (W. Anderson, D. Krakauer: EOS/ESD Sy p. Proc, 1998, S. 54-62), welche als ESD-Schutzelemente ausgebildet sind. Eine solche Serienschaltung verringert aber oftmals die ESD-Performance hinsichtlich der ESD-Festigkeit des entsprechenden ESD-Schutzelementes und der Spannungsbegrenzung im Hochstrombereich, so daß eine reduzierte Schutzwirkung vorliegt .
Dickoxidtransistoren, die in moderner CMOS-Technologie auf "shallow trench isolation" (flache Graben-Isolation) beruhen, weisen eine schlechte ESD-Festigkeit auf und kommen in anderen
Technologien als in LOCOS als Schutzelemente kaum in Betracht.
Alternativ können auch substratgetriggerte laterale NPN-
Transistoren eingesetzt werden. Diese werden in der Fachlite- ratur aber lediglich im Zusammenhang mit Epitaxie-Prozessen diskutiert (vgl. J. Smith: EOS/ESD Symp. Proc, 1998, S.63-
71) . Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ESD- Schutzanordnung für Signaleingänge und -ausgänge mit Überspannungstoleranz anzugeben, die es auf einfache Weise und mit ho- her ESD-Performance erlaubt, den I/O-Bereich von CMOS- Schaltungen vor Überspannungen zu schützen.
Diese Aufgabe wird bei einer ESD-Schutzanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der NMOS- Transistor zwischen dem I/O-Pad und niedriger VersorgungsSpannung liegt, an seinem Gate mit einer erhöhten Spannung beaufschlagt ist und eine hohe Schwellenspannung aufweist.
Bei der erfindungsgemäßen ESD-Schutzanordnung wird also ein NMOS-Transistor mit hoher Schwellenspannung, die etwa 2 V betragen kann, als zentrales ESD-Schutzelement verwendet. Gate dieses NMOS-Transistors ist mit einer erhöhten Spannung, von beispielsweise 1 V beaufschlagt. Dabei tritt noch kein relevanter Leckstrom auf . Durch diese Vorspannung an Gate verrin- gert sich aber entsprechend der Spannungsabfall über das Gateoxid zur Drainseite des NMOS-Transistors.
Die Erhöhung der Schwellenspannung des NMOS-Transistors läßt sich durch eine geeignete Dotierung seiner schwach dotierten bzw. LDD-Gebiete erreichen, indem beispielsweise die ^-leitende Sourcezone und die n+-leitende Drainzone in ihrem jeweiligen, an den Kanal angrenzenden Bereich unterhalb der Gateelektrode mit einer pldd-Implantation anstelle einer nldd- Implantation versehen werden (pldd = schwach p-dotiert; nldd = schwach n-dotiert) .
Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Schwellenspannung besteht darin, im Kanalbereich zwischen Sourcezone und Drainzone eine zusätzliche Kanaldotierung beispielsweise durch Implanta- tion, einzubringen, so daß hier bei n+-dotierten Source- und Drainzonen eine erhöhte p-Dotierungskonzentration besteht . Beide oben genannten Möglichkeiten, nämlich eine geeignete Dotierung der LDD-Gebiete und eine entsprechende Kanaldotierung, können relativ einfach realisiert werden. Insbesondere ist das Ersetzen von nldd durch pldd in den LDD-Gebieten ohne zusätz- liehen Prozeßschritt zu verwirklichen. Dies gilt unabhängig davon, ob für die Realisierung der ESD-Schutzanordnung eine Epitaxie-Technologie oder nicht verwendet wird.
Schließlich bereitet bei der erfindungsgemäßen ESD-Schutzan- Ordnung auch die Beschaltung von Gate des NMOS-Transistors keine Probleme: die Vorspannung für Gate von beispielsweise 1 V kann aus einer in der CMOS-Schaltung generierten Spannung, wie beispielsweise einer Bandgap-Spannung, abgeleitet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwischen dem I/O-Pad und der niedrigen VersorgungsSpannung einen hochohmigen Spannungsteiler beispielsweise unter Verwendung eines PNP- Transistors einzubauen.
Die erfindungsgemäße ESD-Schutzanordnung wird zwar in bevor- zugter Weise bei CMOS-Schaltungen eingesetzt. Sie kann aber auch bei anderen Bauelementen, wie beispielsweise Thyristoren auf der Basis von NMOS-Transistoren verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ESD-
Schutztransistors mit hoher EinsatzSpannung durch Verwendung einer pldd-Implantation,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt eines ESD-Schutztran- sistors mit hoher Einsatzspannung durch Verwendung einer zusätzlichen Kanal-Implantation,
Fig. 3 eine ESD-Schutzanordnung gegen niedrige Versorgungsspannung Vss für ein überspannungstolerantes Signal- bzw. I/O-Pad auf der Basis eines Hochspan- nungs- bzw. VHV-NMOS-Transistors mit angesteuertem Gate,
Fig. 4 und 5 zwei Beispiele für die Ansteuerung des Gates eines als ESD-Schutzelementes dienenden VHV-NMOS-
Transistors,
Fig. 6 ein Schaltungsbeispiel für einen hochohmigen Spannungsteiler am I/O-Pad zur Ansteuerung des Gates eines VHV-NMOS-Transistors,
Fig. 7 ein weiteres Schaltungsbeispiel für einen hochohmigen Spannungsteiler am I/O-Pad zur Ansteuerung des Gates eines VHV-NMOS-Transistors,
Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung für eine kompakte Ausführung des hochohmigen Spannungsteilers von Fig. 7 und
Fig. 9 einen Schnitt eines Thyristors auf der Basis eines
VHV-NMOS-Transistors .
Fig. 1 zeigt in einer p-leitenden Siliziumwanne 1 eine n+- leitende Drainzone 2 mit einer Drainelektrode D, eine n+- leitende Sourcezone 3 mit einer Sourceelektrode S und eine p+- leitende Kontakt- bzw. Anschlußzone 4 mit einem Substratkontakt Su. Zur Erhöhung seiner Schwellenspannung weist der so gebildete ESD-Schutztransistor pldd-Implantationsgebiete 5, 6 auf. Diese pldd-Implantationsgebiete 5, 6 sind anstelle von sonst vorhandenen nldd-Implantationsgebieten vorgesehen und bewirken durch die Verlängerung des Kanales zwischen Sourcezone 3 und Drainzone 2 eine Erhöhung der Schwellenspannung.
Diese Erhöhung der Schwellenspannung kann auch erreicht wer- den, wenn im Kanalbereich zwischen Sourcezone 3 und Drainzone 2 eine zusätzliche Kanalimplantation 7 angebracht wird, wie dies schematisch in Fig. 2 gezeigt ist. Im folgenden wird anhand der Fig. 3 bis 7 beschrieben, wie der in der Fig. 1 oder 2 gezeigte VHV-NMOS-Transistor mit erhöhter Schwellenspannung bei der erfindungsgemäßen ESD-Schutz- anordnung beschaltet wird.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel, in welchem ein solcher VHV-NMOS- Transistor 8 zwischen einem I/O- bzw. Signalpad 9 und niedriger Versorgungsspannung Vεs liegt. Gate dieses VHV-NMOS-Tran- sistors 8 ist mit einer Spannungsquelle 10 verbunden, welche von der CMOS-Schaltung zwischen niedrigem Versorgungspotential Vss und hohem Versorgungspotential Vdd gebildet ist.
In Fig. 4 ist ein Beispiel gezeigt, bei welchem eine Bandgap- Spannung von 1,2 V als Vorspannung für den VHV-NMOS-Transistor herangezogen wird. Diese Bandgap-Spannung von 1,2 V liegt in CMOS-Schaltungen beispielsweise an "phase locked loops" (PLL; phasenverriegelte Schleifen) vor.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel für die Generierung der
Vorspannung für den VHV-NMOS-Transistor 8: für die Erzeugung der Vorspannung wird in diesem Beispiel ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen 11, 12 verwendet, die in Reihe zwischen der niedrigen VersorgungsSpannung Vss und der hohen Versor- gungsspannung Vdd liegen.
Während in den Beispielen der Fig. 3 bis 5 die Vorspannung für den VHV-NMOS-Transistor 8 in der CMOS-Schaltung generiert wird, geschieht dies bei den Beispielen der Fig. 6 und 7 durch hochohmige Spannungsteiler, die direkt am I/O-Pad 9 liegen und mit ihrem anderen Ende mit der niedrigen Versorgungsspannung Vss beaufschlagt sind. In Fig. 6 besteht der Spannungsteiler aus Parallelschaltungen eines Widerstandes 13 und eines Kondensators 14, während bei dem Beispiel von Fig. 7 eine Paral- lelschaltung des Beispiels von Fig. 6 durch einen PNP-
Transistor 15 ersetzt ist, dessen Gate über einen Widerstand 16 mit dem I/O-Pad 9 verbunden ist. Der Kollektor dieses Tran- sistors 15 ist über einen Widerstand 17 mit der niedrigen Versorgungsspannung Vss verbunden.
Fig. 8 zeigt schematisch, wie beispielsweise die Schaltungsanordnung von Fig. 7 mit einer kompakten Ausführung realisiert werden kann. Zusätzlich zu den bereits erläuterten Teilen sind in Fig. 8 noch eine n-leitende Wanne 18 und ein n+-leitendes Kontakt- bzw. Anschlußgebiet 19 für diese n-leitende Wanne 18 gezeigt.
Schließlich zeigt Fig. 9 ein Beispiel, wie durch Anbringung einer weiteren p+-leitenden Zone 20 in der n-leitenden Wanne 18 eine Thyristorstruktur erzeugt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. ESD-Schutzanordnung für Signaleingänge und -ausgänge mit Überspannungstoleranz bei insbesondere CMOS-Schaltungen, mit einem als ESD-Schutzelement ausgebildeten NMOS-Transistor (8) , der mit einem Anschluss (9) der CMOS-Schaltung verbunden ist, wobei der NMOS-Transistor (8) zwischen dem Anschluss (9) und niedriger Versorgungsspannung (Vss) liegt, an seinem Gate (G) mit einer erhöhten Spannung beaufschlagt ist und eine hohe Schwellenspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass der Anschluß ein I/O-Pad (9) ist und die hohe Schwellenspannung durch entsprechende Kanaldotierung (vgl. Fig. 2) oder durch entsprechende Dotierung von LDD-Gebieten (5, 6) erzielt ist.
2. ESD-Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i chne t , dass die erhöhte Spannung etwa 1 V und die hohe Schwellenspan- nung etwa 2 V beträgt.
3. ESD-Schutzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die erhöhte Spannung aus einer in der CMOS-Schaltung er- zeugten Spannung (vgl. 10; 11, 12) abgeleitet ist.
4. ESD-Schutzanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennz e i chne t , dass die erhöhte Spannung aus einem Spannungsteiler (11, 12) oder einer Spannungsquelle (10) oder einer Bandgap-Spannung abgeleitet ist.
5. ESD-Schutzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die erhöhte Spannung aus einem mit dem I/O-Pad (9) verbundenen Spannungsteiler (13, 14; 13, 14; 15, 16, 17) abgeleitet ist.
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