DE19781646B4

DE19781646B4 - Spannungstolerante elektrostatische Entladungsschutzeinrichtung

Info

Publication number: DE19781646B4
Application number: DE19781646A
Authority: DE
Inventors: Thimothy J. Palo Alto Maloney
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1997-03-07
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2017-03-08
Also published as: DE19781646T1; GB2327159A; GB2327159B; US5719737A; WO1997035373A1; GB9820414D0; AU2537797A

Abstract

Einrichtung zum Schützen einer integrierten Schaltung vor elektrostatischer Entladung mit einer Spannungsversorgungsklammerschaltung (301) zum Ableiten eines von einer elektrostatischen Entladung herrührenden Stromes, wobei die Spannungsversorgungsklammerschaltung (301)
eine mit einem ersten Potential (Vcc; 309) verbundene Spannungsreduktionsschaltung (303) mit Dioden (329) und
eine zwischen der Spannungsreduktionsschaltung (303) und einem zweiten Potential (311) geschaltete Abschluflschaltung (305) aufweist, wobei die Abschluflschaltung (305) einen zwischen der Spannungsreduktionsschaltung (303) und dem zweiten Potential (311) geschalteten Transistor (321) mit einem Gate aufweist,
gekennzeichnet durch:
eine zwischen dem ersten Potential (Vcc; 309) und dem zweiten Potential (311) geschaltete Spannungsteilerschaltung (307), die mit dem Gate des Transistors (321) der Abschlußschaltung (305) verbunden ist, um das Gate auf ein drittes Potential vorzuspannen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schützen einer integrierten Schaltung vor elektrostatischer Entladung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 13 bzw. ein Verfahren zur Bereitstellung eines elektrostatischen Entladungsschutzes einer Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus Patentanmeldungsveröffentlichung GB 2 288 064 A bekannt. Unter einer Spannungsreduktionsschaltung soll hier eine Schaltung verstanden werden, deren Funktion darin besteht, eine hohe Spannung an einem Schaltungsknoten auf eine niedrige Spannung an einem anderen Schaltungsknoten aufgrund von Spannungsabfällen innerhalb der Spannungsreduktionsschaltung zu reduzieren. Eine „Abschlußschaltung" ist eine Schaltung, die einen Abschluß am Ausgang der Spannungsreduktionsschaltung bildet. In der genannten Druckschrift ist eine „cantilever diode string" als Bestandteil einer Spannungsreduktionsschaltung beschrieben. Dieser Begriff bezieht sich auf das Aussehen des Schaltbilds dieser Schaltung und könnte mit „ausleger-förmige Diodenkettenschaltung" übersetzt werden.
Bekanntlich kann ein statischer Ladungsaufbau in der Nähe einer integrierten Schaltung (IC) zu extrem hohen Spannungen führen. Elektrostatische Entladung (ESD) bezieht sich auf das Phänomen der elektrischen Entladung mit einem kurzzeitigen hohen Strom, der aus dem Aufbau statischer Ladung an einem besonderen IC-Gehäuse oder an einer das spezielle IC-Gehäuse handhabenden, in der Nähe befindlichen Person resultiert. Elektrostatische Entladung ist ein ernstes Problem für Halbleiterbauelemente, da sie das Potential hat, die gesamte integrierte Schaltung zu zerstören. Da ESD-Ereignisse häufig an Siliziumschaltungen auftreten, die an Gehäuseknoten angeordnet sind, haben Schaltungskonstrukteure ihre Anstrengungen auf die Entwicklung angemessener Schutzmechanismen für diese empfindlichen Schaltungen konzentriert. Idealerweise sollte eine ESD-Einrichtung in der Lage sein, eine IC dadurch gegen merkliche statische Entladung zu schützen, daß große Ströme kurzzeitig in einer nicht-zerstörenden Weise durchgelassen werden.
1 zeigt eine bekannte Elektrostatische-Entladung (ESD)-Schutzschaltung 101 für Spannungsversorgungen integrierter Schaltungen. Die Schaltung 101 ist im einzelnen in der US-PS 5,530,612 der Anmelderin beschrieben, die der o. g. GB 2 288 064 A enspricht. Die Schaltung 101 verwendet eine sechsstufige Dioden-Cantilever-Kette (cantilevered diode string) 129 mit einem Widerstandsvorspannetzwerk aus Transistoren 123 und 125 und einer einen Transistor 121 enthaltenden Abschlußschaltung (termination circuit). Die die Diodenkette 129 überspannenden, ein Widerstandsvorspannetzwerk bildenden Transistoren 123 und 125 werden aufgrund ihrer Funktion auch als „Mantelwiderstände" („cladded resistors") bezeichnet. Der Abschluß der Diodenkette, Transistor 121, zieht einen beträchtlichen Teil des Stroms während der Dauer eines an der Spannungsversorgung V_CC 109 auftretenden ESD-Impulses ab. Nach Ablauf einer Zeitperiode nach Beginn des ESD-Impulses wird die Gate-Elektrode des Transistors 121 schließlich nach oben gezogen, nachdem der Kondensator C1 über den Transistor 113 aufgeladen ist, wodurch der Transistor 121 effektiv gesperrt wird.
Obwohl ESD-Schutzeinrichtungen, wie die Schaltung 101, gewöhnlich zum Schutz von Spannungsversorgungen integrierter Schaltungen vor elektrostatischer Entladung verwendet werden, können Schaltungskonstrukteure eine Anordnung wie die Schaltung 101 nicht in Niederspannungs-IC-Prozessen verwenden, und zwar wegen der relativ niedrigen Spannungen, die bei diesen Niederspannungs-Prozessen von Einzelgateoxiden tolerierbar sind. Insbesondere werden in modernen integrier ten Schaltungen, wie Mikroprozessoren, gewöhnlich mehrere Spannungsversorgungen unterschiedlicher Spannungen verwendet. Die Existenz von Mehrspannungsversorgungen beispielsweise in Mikroprozessoren ist ein Ergebnis eines fortgesetzten Trends in Richtung kleinerer Bauelemente unter Erhöhung der Schaltungsgeschwindigkeit und Packungsdichte. Zu diesem Zweck werden Bauelemente "skaliert" oder dimensionsmäßig reduziert. Eine Konsequenz daraus ist, daß die Gate-Oxiddicken proportional reduziert werden. Als Folge davon nimmt auch die in solchen Bauelementen tolerierbare Spannungshöhe ab. Andere Chips in einem Computer arbeiten häufig bei höheren Spannungen als die Mikroprozessor-Kernschaltung, zum Beispiel ein Eingabe-/Ausgabe-Schaltung (I/O-Schaltungen). Um mit einer derartigen I/O-Schaltung im Computersystem kompatibel zu bleiben und zuverlässig zu arbeiten, muß die Peripherieschaltung eines Mikroprozessors daher bei einer höheren Spannung als die Kernschaltung des Mikroprozessors arbeiten. Daher werden Mehrfachspannungsversorgungen mit unterschiedlichen Spannungen häufig in integrierten Schaltungen verwendet.
Im folgenden wird erneut auf die Schaltung 101 der 1 Bezug genommen. Schaltungskonstrukteure können die ESD-Schutzschaltung 101 häufig nicht verwenden, wenn V_CC 109 auf eine hohe Nennspannung, beispielsweise 5 Volt, gebracht wird, da an Einzelgateoxiden ein dielektrischer Gate-Durchschlag auftreten kann. Im eingeschwungenen Zustand hält die ESD-Schutzschaltung 101 eine Spannung in Höhe der Versorgungsspannung an dem dünnen Oxidkondensator 119 sowie an dem Gate/Drain-Übergang des Abschlußtransistors 121 aufrecht. Daher muß die Spannung der Spannungsversorgung V_CC 109 im eingeschwungenen Zustand mit der zulässigen Spannung eines Einzelgateoxids kompatibel sein. Wenn die Spannung V_CC 109 zu groß ist, können die Einzelgateoxide am Kondensator 119 und der Gate/Drain-Übergang des Transistors 121 einen dielektrischen Gate-Durchschlag erfahren.
Daher wird eine spannungstolerante elektrostatische Entladungsschutzschaltung für Spannungsversorgungen integrierter Schaltungen benötigt. Eine derartige ESD-Schutzeinrichtung würde eine ESD-Spannungsversorgungsklammerschaltung schaffen, die mit solchen integrierten Mischspannungs-Schaltungen kompatibel ist, in denen die tolerierbare Spannung an einem Einzelgateoxid kleiner als die Dauerspannung aus der Spannungsversorgung höherer Spannung des Mischspannungsproduktes in integrierter Schaltungstechnik ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst
Offenbart werden ein Verfahren und Einrichtungen zum Schützen einer integrierten Schaltung vor elektrostatischer Entladung. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Spannungsreduktionsschaltung so konfiguriert, daß sie als Elektrostatische-Entladung-Spannungsversorgungsklammerschaltung arbeitet und mit einer Spannungsversorgung gekoppelt ist, wobei eine Abschlußschaltung zwischen der Spannungsreduktionsschaltung und Masse eingekoppelt ist. Eine Spannungsteilerschaltung ist zwischen der Spannungsversorgung und Masse angeordnet und so ausgebildet, daß sie eine Vorspannung an die Abschlußschaltung anlegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben, die jedoch den Schutzumfang nicht beschränken.
1 ist eine Darstellung einer bekannten Elektrostatische-Entladung-Schutzschaltung für eine Spannungsversorgung einer integrierten Schaltung.
2 ist eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in Form eines Blockschaltbilds.
3 ist eine Darstellung eines Schaltbilds eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild.
5 ist ein Schaltbild des anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Ein Verfahren und eine Einrichtung zum Schützen einer integrierten Schaltung vor elektrostatischer Entladung wird beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten, wie spezielle Bauelemente, Widerstände, Kanallängen usw. angegeben, um das Verständnis für die vorliegende Erfindung zu erleichtern. Es ist jedoch für den Fachmann klar, daß die speziellen Einzelheiten bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung nicht verwendet zu werden brauchen. In anderen Fällen sind bekannte Materialien oder Verfahren nicht im einzelnen beschrieben, um die Beschreibung der Erfindung nicht mit unnötigen Angaben zu belasten.
Wie oben gesagt, werden integrierte Schaltungen, beispielsweise Mikroprozessoren, immer kleiner und schneller. Aufgrund der reduzierten Dimensionen der integrierten Bauelemente der Schaltung, beispielsweise der Schaltung im Kern des Mikroprozessors, nimmt die tolerierbare Spannung an den Einzelgateoxiden im Kern eines solchen Niedrigspannungsmikroprozessors ständig ab. Um jedoch dessen Kompatibilität mit vorhergehenden Produktgenerationen aufrechtzuerhalten, ist es üblich, eine andere Schaltung, z.B. I/O-Schaltung vorzusehen, die bei einer höheren Spannung als die Kernschaltung eines Mikroprozessors arbeitet. Demgemäß muß die Peripherieschaltung des Mikroprozessors bei einer höheren Spannung als die Kernschaltung des Mikroprozessors arbeiten, um die Kompatibilität und eine zuverlässige Betriebsweise mit der I/O-Schaltung in einem Computersystem aufrechtzuerhalten. Unter Berücksichtigung dieser Überlegung ist es wahrscheinlich, daß Einzelgateoxide der Niederspannungsprozesse mit geringerer Wahrscheinlichkeit die Fähigkeit haben, bei einem Spannungsversorgungsprozeß mit gemischten Spannungen den Spannungsversorgungen höherer Spannung standzuhalten.
Wie zuvor gesagt, befassen sich elektrostatische Entladungsschutzschaltungen für Spannungsversorgungen integrierter Schaltungen nicht mit den Vorgaben gemischter Spannungsversorgungen für Niederspannungsschaltungen integrierter Schaltungstechnik. Dies bedeutet, daß die in bekannten elektrostatischen Entladungsschutzschaltungen vorhandenen Einzelgateoxide nicht in der Lage sind, den höheren Spannungen von Spannungsversorgungen in integrierten Schaltungen mit gemischten Spannungen standzuhalten.
Die hier beschriebene Erfindung stellt eine spannungstolerante ESD-Spannungsversorgungsklammer zur Verfügung, welche IC-Spannungsversorgungen bei Niederspannungs-IC-Prozessen schützt. Übermäßig hohe Versorgungsdauerspannungen werden nicht an die Niederspannungs-Prozeß-Einzelgateoxide angelegt.
In 2 ist die ESD-Spannungsversorgungsklammer 201 als Blockschaltbild dargestellt. Wie oben gesagt, wird die vorliegende Erfindung in einem Niederspannungs-Prozeß hergestellt. Eine Spannungsreduktionsschaltung 203 ist mit einer Spannungsversorgung V_CC 209 gekoppelt. Eine Abschlußschaltung (termination circuit) 205 ist zwischen der Spannungsreduktionsschaltung 203 und einem Masseanschluß 211 gekoppelt. Die Spannungsreduktionsschaltung 203 schützt in Verbindung mit der Abschlußschaltung 205 die zugehörige integrierte Schaltung und die Spannungsversorgung der integrierten Schaltung während eines ESD-Impulses. Mit der Spannungsteilerschaltung 207, die zwischen der Spannungsversorgung V_CC 209 und Masse 211 angeordnet ist, wird eine Vorspannung am Knoten 217 erzeugt, welcher mit der Spannungsreduktions- und der Abschlußschaltung 203 bzw. 205 gekoppelt ist. Nimmt man an, daß die Einzelgateoxide der ESD-Spannungsversorgungsklammer 201 nicht in der Lage sind, das hohe Spannungspotential von V_CC 209 zu tolerieren, so sind die Einzelgateoxide trotzdem vor der überhöhten Dauerspannung an V_CC 209 geschützt. Die am Knoten 217 erzeugte Vorspannung sowie die Spannungsdifferenz zwischen V_CC 209 und Knoten 217 sind für die Einzelgateoxide erträglich.
Ein anderes Merkmal der Spannungsteilerschaltung 207 der vorliegenden Elektrostatische-Entladung-Schutzeinrichtung 201 besteht darin, daß die Spannungsteilerschaltung 207 auch als Zeitgabeschaltung wirkt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Kondensator in der Spannungsteilerschaltung 207 dazu verwendet, die Zeitgabeschaltungsfunktion zu verwirklichen. Die Spannungsteilerschaltung 207 stellt die am Knoten 217 anstehende Vorspannung so ein, daß die Abschlußschaltung 205 als Ableitung für einen beträchtlichen Teil des bei Beginn eines ESD-Impulses von der Spannungsreduktionsschaltung 203 kommenden Stroms dient, und nach Ablauf einer Zeitperiode nach der Initiierung des ESD-Impulses wird die Ableitung des beträchtlichen Teils des Stromes unterbrochen.
3 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindunggemäßen ESD-Spannungsversorgungsklammer 301. Wie in 3 zu sehen ist, ist die Spannungsreduktionsschaltung 303 zwischen der Spannungsversorgung V_CC 309 und der Abschlußschaltung 305 eingebunden, wobei letztere zwischen der Spannungsreduktionsschaltung 303 und Masse 311 liegt. Die Spannungsteilerschaltung 307 ist zwischen der Spannungsversorgung V_CC 309 und Masse 311 eingebunden und liefert eine Vorspannung an den Knoten 317, der mit der Spannungsreduktionsschaltung 303 und der Abschlußschaltung 305 gekoppelt ist.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der Spannungsreduktionsschaltung 303 eine Cantilever-Spannungsversorgungsklammer unter Verwendung einer konventionellen sechsstufigen Cantilever-Diodenkette vorgesehen. Die Cantilever-Diodenkette 329 weist einen Satz von in Reihe geschalteten Dioden auf, wie er zum Schutz einer integrierten Schaltung vor einem an der Spannungsversorgung V_CC 309 auftretenden ESD-Impuls verwendet wird. Wenn auch eine sechs stufige Cantilever-Diodenklammer bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist klar, daß die Cantilever-Kette nicht auf sechs Dioden beschränkt ist.
Wie ebenfalls in 3 gezeigt ist, ist ein Vorspann- oder Mantelnetzwerk mit Transistoren T4-T6, Transistoren 323, 325 und 327, mit der Cantilever-Diodenkette 329 gekoppelt. Die Transistoren 323, 325 und 327 sind mit der am Knoten 317 anstehenden Spannung vorgespannt und arbeiten als Mantelwiderstände. Das Mantelnetzwerk spannt die Dioden der Cantilever-Diodenkette 329 in Durchlaßrichtung schwach vor, wodurch ein großer Teil der aus einem ESD-Impuls resultierenden Überspannung abfällt.
Cantilever-Diodenketten und zugehörige Mantelwiderstände sind im einzelnen in der o.g. US-PS 5,530,612 der Anmelderin beschrieben.
Bei Beginn und über die Dauer eines ESD-Impulses ist die PNP-Diodenkette 329 (mit verteiltem p-Kollektor an Masse 311) in Durchlaßrichtung vorgespannt und leitet den größten Teil des ESD-Stroms wie bei der bekannten Cantilever-Klammer 101 gemäß 1 nach Masse ab. Der am Ende der PNP-Diodenkette 329 verbleibende Strom fließt in den p-Kanal-Transistor 321, dessen Gate-Knoten 317 während des ESD-Impulses vom Kondensator 319 auf Masse gehalten wird, wodurch der Transistor 321 eingeschaltet wird. Eine Zeitspanne nach Beginn des ESD-Impulses wird der Transistor 321 mit der vom Knoten 317 der Spannungsteilerschaltung 307 angelegten Gatespannung in seinem Unterschwellenmodus gehalten. Diese Spannung ist im Vergleich zur Versorgungsspannung V_CC 309 so gewählt, daß die Dioden in der Diodenkette 329 alle unter schwacher Durchlaßvorspannung gehalten werden können (wobei die Vorspanntransistoren 323, 325, 327 zum Egalisieren der Spannungen beitragen), so daß die Differenz zwischen V_CC 309 und der Vorspannung am Knotenpunkt 317 abgeglichen wird, wenn diese Diodenspannungen zu einer Unterschwellenspannung für den Transistor 321 addiert werden. Die Bedingungen sind so, daß der gesamte V_CC 309-Leckstrom nach Masse im Dauerzu stand minimal ist, und zwar weitgehend aufgrund der schwachen Durchlaßvorspannung aller Dioden in der Diodenkette 329, wodurch eine beträchtliche Spannung (z.B. 0,4-0,6 Volt pro Diode, je nach Temperatur) bei sehr niedrigem Strom (z.B. Nanoampere) aufrechterhalten werden kann.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der ESD-Spannungsversorgungsklammer 301 besteht die Spannungsteilerschaltung 307 aus Transistor 313, der zwischen der Spannungsversorgung V_CC 309 und dem Transistor 315 eingebunden ist. Der Transistor 315 liegt zwischen dem Transistor 313 und Masse. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Transistoren 313 und 315 Langkanal-PMOS-Bauelemente mit verbundenen Gate- und Drain-Elektroden. Der Kondensator 319 ist zum Transistor 315 nach Masse parallelgeschaltet.
Als Langkanalbauelemente entwickeln die Transistoren 313 und 315 eine Vorspannung bei einem von einem Einzelgateoxid am Knoten 317 tolerierbaren Potential. Insbesondere entwickelt die Spannungsteilerschaltung 307 eine tolerierbare Vorspannung an dem Dünnoxidkondensator 319 und dem Gate/Drain-Übergang des Transistors 321. Es ist außerdem zu erkennen, daß die Transistoren 313 und 315 in ihrer Ausbildung als Langkanaltransistoren mit relativ hoher Impedanz einen minimalen Leckstrom nach Masse durchlassen.
Bei Beginn (Initiieren) eines ESD-Impulses an der Spannungsversorgung V_CC 309 hält der Kondensator 319 zunächst die Gate-Elektrode des Transistors 321 auf einem niedrigen Potential und ermöglicht der Abschlußschaltung dadurch, einen beträchtlichen Teil des Stroms abzuleiten. Danach wird der Dünnoxidkondensator 319 von dem Langkanaltransistor 313 angehoben, um den Transistor 321 nach einer von der RC-Zeitkonstanten, gebildet vom Kondensator 309 in Parallelschaltung zum effektiven Widerstand der Transistoren 313 und 315, bestimmten Zeitspanne unter dem Schwellwert zu halten. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die RC-Zeitkonstante dominiert durch den effektiven Widerstand des Transi stors 313 und führt zu einer RC-Zeitkonstante von einer Mikrosekunde oder mehr.
Ein Ausführungsbeispiel der in 3 gezeigten ESD-Spannungsversorgungsklammer 301 dient als eine 5-Volt-ESD-Klammer. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die ESD-Spannungsversorgungsklammer 301 als 3,3-Volt-ESD-Klammer oder als eine 2,5-Volt-ESD-Klammer verwendet werden. Außerdem ist eine 10%-ige Spannungstoleranzgrenze an V_CC 309 bei einem Ausführungsbeispiel der ESD-Spannungsversorgungsklammer 301 zulässig. Bei einem Ausführungsbeispiel mit V_CC 309 etwa gleich 5 Volt entwickeln die Langkanal-Transistoren 313 und 315 eine Dauervorspannung am Knotenpunkt 317 von etwa 3,2 Volt. Bei dem Ausführungsbeispiel mit V_CC 309 gleich etwa 3,3 Volt ist der Knoten 317 bei etwa 1,65 Volt. Bei dem Ausführungsbeispiel mit V_CC 309 etwa gleich 2,5 Volt ist der Knoten 317 bei etwa 1,25 Volt vorgespannt. Bei jedem Ausführungsbeispiel werden die Gateoxidspannungen bei tolerierbaren Potentialen und minimalen Leckströmen zwischen V_CC 309 und Masse 311 gehalten.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Transistor 321 Abmessungen mit einer Gate-Breite von 792 μm und einer Länge von 1 μm, der Transistor 313 eine Gate-Breite von 1 μm und eine Länge von 20 μm, der Transistor 315 eine Gate-Breite von 1 μm und eine Länge von 85 μm, der Transistor 323 eine Gate-Breite von 1 μm und eine Länge 21 μm, der Transistor 325 eine Gate-Breite von 1 μm und eine Länge von 20 μm und der Transistor 327 eine Gate-Breite von 1 μm und eine Länge von 8 μm.
Demgemäß adaptiert die Erfindung die bekannte Cantilever-Diodenklammerkonstruktion in einer flächeneffizienten Weise, um die höhere Spannungsversorgung zum sicheren Vorspannen der Einzelgateoxide und schwachen Vorspannen der Dioden-Serienschaltung in Durchlaßrichtung in einer Cantilever-Diodenkette derart zu nutzen, daß der Leckstrom niedrig und tolerierbar ist.
In 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ESD-Spannungsversorgungsklammer 401 in Form eines Blockschaltbilds gezeigt. Die ESD-Spannungsversorgungsklammer 401 besteht aus einer Spannungsreduktionsschaltung 403, die zwischen der Spannungsversorgung V_CC 409 und Masse 411 eingebunden ist. Die Spannungsteilerschaltung 407 liegt auch zwischen der Spannungsversorgung V_CC 409 und Masse 411, um eine Vorspannung am Knoten 417 zu erzeugen, die für Einzelgateoxide des Niederspannungsprozesses tolerierbar ist. Der Knoten 417 ist mit der Spannungsreduktionsschaltung 403 und der Steuerschaltung 429 gekoppelt. Die Steuerschaltung 429 erzeugt ein Ausgangssignal 439, das zur Spannungsreduktionsschaltung 403 gekoppelt wird. Ähnlich wie bei den unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen zieht die Spannungsreduktionsschaltung 403 einen beträchtlichen Teil des Stroms bei Beginn und während eines ESD-Impulses ab. Die Spannungsteilerschaltung 407 erzeugt eine Vorspannung am Knoten 417, welche für die Einzelgateoxide eines Niederspannungsprozesse tolerierbar ist. Die Steuerschaltung 429 erzeugt ein Ausgangssignal 439, welches bewirkt, daß die Spannungsreduktionsschaltung 403 während einer gleichbleibenden Spannung an der Spannungsversorgung V_CC 409 effektiv nicht leitend ist. Die Steuerschaltung 429 erzeugt aber bei Beginn und während eines ESD-Impulses ein Ausgangssignal 439, welches bewirkt, daß die Spannungsreduktionsschaltung 403 einen beträchtlichen Teil des Stroms ableitet. Nach Ablauf einer Zeitspanne nach Beginn des ESD-Impulses bewirkt das Ausgangssignal 439, daß die Spannungsreduktionsschaltung 403 die Ableitung des beträchtlichen Teils der Stroms abbricht.
5 zeigt ein Schaltbild des alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung, der ESD-Spannungsversorgungsklammer 501. Die ESD-Spannungsversorgungsklammer 501 besteht aus einer Spannungsreduktionsschaltung 503, die zwischen der Spannungsversorgung V_CC 509 und Masse eingebunden ist. Die Spannungsteilerschaltung 507 ist ebenfalls zwischen der Spannungsversorgung V_CC 509 und Masse 511 eingebunden und liefert eine Vorspannung an den Knoten 517, die von der Steuerschaltung 529 und der Spannungsreduktionsschaltung 503 aufgenommen wird. Die Steuerschaltung 529 erzeugt ein Ausgangssignal am Knoten 539, welches bewirkt, daß die Spannungsreduktionsschaltung 503 bei Beginn und während eines ESD-Impulses einen beträchtlichen Teil des Stroms führt. Die Steuerschaltung 529 bewirkt außerdem, daß die Spannungsreduktionsschaltung 503 nach Ablauf einer Zeitspanne ab Beginn des ESD-Impulses den beträchtlichen Teil des Stroms nicht mehr ableitet.
Bei dem in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Spannungsreduktionsschaltung 503 aus Transistoren 531 und 533, die zwischen der Spannungsversorgung V_CC 509 und Masse 511 eingebunden sind. Die Transistoren 531 und 533 sind in einem Stapel-Gate-Schema konfiguriert, um die Spannungsversorgung V_CC 509 zu schützen. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Transistor 533 als Doppelgate-FET ausgebildet, da die Wanne des Transistors 533 zusammen mit der Wanne des Transistors 531 mit V_CC gekoppelt ist. Daher teilen sich die Transistoren 531 und 533 die gleiche Wanne. Es sei angemerkt, daß die Transistoren 531 und 533 in separaten Wannen hergestellt werden könnten, um den Fall zu berücksichtigen, daß eine überhöhte Dauerversorgungsspannung an V_CC 509 ansteht. Bei einem Ausführungsbeispiel der ESD-Spannungsversorgungsklammer 501 beträgt V_CC 509 2,5 Volt, was die Doppelgate-FET-Konfiguration ermöglicht, da eine pn-Übergangsdurchschlag kein Problem darstellt.
Ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 besteht die Spannungsteilerschaltung 507 aus Langkanaltransistoren 513 und 515, die zwischen der Spannungsversorgung V_CC 509 und Masse 511 eingebunden sind. Als Langkanalbauelement mit zusammengeschalteten Gate- und Drain-Elektrode haben die Transistoren 513 und 515 eine relativ hohe Impedanz und leiten daher einen minimalen Strom nach Masse ab. Der Kondensa tor 519 liegt parallel zum Transistor 515 zwischen dem Transistor 513 und Masse 511. Die Transistoren 513 und 515 entwickeln eine Vorspannung auf einem an dem dünnen Gateoxid des Kondensators 519 und dem Einzelgateoxid des Gate/Drain-Übergangs des Transistors 533 tolerierbaren Potential.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird die ESD-Spannungsversorgungsklammer 501 als eine 5-Volt-ESD-Klammer mit einer 10%-igen Spannungstoleranzgrenze verwendet. Demgemäß ist V_CC 509 gleich 5 Volt, und der Knoten 517 ist auf etwa 2,5 Volt vorgespannt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Spannungsversorgungsklammer 501 als eine 3,3 Volt- oder eine 2,5 Volt-ESD-Klammer mit einer 10%-igen Spannungstoleranzgrenze an V_CC 509 verwendet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel mit V_CC 509 gleich 3,3 Volt ist der Knoten 517 auf etwa 1,65 Volt vorgespannt, und bei dem Ausführungsbeispiel mit V_CC 509 gleich 2,5 Volt ist der Knoten 317 auf etwa 1,25 Volt vorgespannt.
Die Steuerschaltung 529 besteht aus dem Transistor 535, der zwischen Spannungsversorgung V_CC 509 und Kondensator 537 eingebunden ist. Der Kondensator 537 liegt zwischen dem Transistor 535 und dem Knoten 517. Die Gate-Elektrode des Transistors 529 ist so angeordnet, daß sie die am Knoten 517 erzeugte Vorspannung aufnimmt. Die Steuerschaltung 529 erzeugt ein Ausgangssignal am Knoten 539, das am Gate des Transistors 531 der Spannungsreduktionsschaltung 503 ansteht.
Während des Dauerzustandes spannt die Spannungsteilerschaltung 507 der ESD-Spannungsversorgungsklammer 501 die Gates der Transistoren 535 und 533 vor, wodurch die Transistoren 533 und 535 leitend geschaltet werden. Demgemäß wird der Kondensator 537 hoch aufgeladen, wodurch die Steuerschaltung 529 veranlaßt wird, ein hohes Ausgangssignal am Knoten 539 zu erzeugen, wodurch der Transistor 531 gesperrt wird. Da die Transistoren 531 und 533 zwischen V_CC 509 und Masse 511 in Serie geschaltet sind, und da ferner der Transistor 531 gesperrt ist, ist der Leckstrom der Spannungsre duktionsschaltung 503 im Dauerzustand minimal. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem V_CC 509 auf 2,5 Volt eingestellt ist, sind die Gate-Elektroden der Transistoren 535 und 533 auf etwa 1,25 Volt vorgespannt.
Bei Beginn und während und eines ESD-Impulses hält der Kondensator 537 zunächst das Potential am Knoten 539 im Vergleich zu dem an V_CC 509 anstehenden ESD-Impulspotential niedrig. Daher wird der Transistor 531 leitend geschaltet, wodurch die Spannungsreduktionsschaltung 503 einen beträchtlichen Teil des Stroms über die Zeit des ESD-Impulses ableiten kann. Nach einer Zeitdauer lädt der Transistor 535 den Kondensator 537 eventuell auf, was zu einer Hochspannung am Ausgang 539, verbunden mit einem Sperren des Transistors 531, führt. Demgemäß sorgt die Steuerschaltung 529 dafür, daß die Spannungsreduktionsschaltung 503 nach einer Zeitspanne den beträchtlichen Teil des Stroms effektiv nicht ableiten kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel der ESD-Spannungsversorgungsklammer 501 haben die Transistoren 531 und 533 eine Gate-Breite von 4.165 μm und eine Länge von 0,6 μm, der Transistor 535 ist eine Langkanal-PMOS-Klammer mit einer Gate-Breite von 1 μm und einer Länge von 40 μm, der Transistor 513 hat eine Gate-Breite von 1 μm und eine Länge von 20 μm, und der Transistor 515 hat eine Gate-Breite von 1 μm und eine Länge von 40μm. V_CC beträgt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 2,5 Volt.
Daher wird mit der ESD-Spannungsversorgungsklammer 501 eine spannungstolerante elektrostatische Entladungsschutzschaltung für Spannungsversorgungen in integrierter Schaltungstechnik realisiert. Mit der ESD-Spannungsversorgungsklammer 501 wird ein ESD-Schutz für Spannungsversorgungen in mit Niederspannungsprozessen hergestellten integrierten Schaltungen geschaffen, ohne daß Einzelgateoxide überhöhten Dauerzustandsspannungen ausgesetzt werden müssen.

Claims

Einrichtung zum Schützen einer integrierten Schaltung vor elektrostatischer Entladung mit einer Spannungsversorgungsklammerschaltung (301) zum Ableiten eines von einer elektrostatischen Entladung herrührenden Stromes, wobei die Spannungsversorgungsklammerschaltung (301) eine mit einem ersten Potential (Vcc; 309) verbundene Spannungsreduktionsschaltung (303) mit Dioden (329) und eine zwischen der Spannungsreduktionsschaltung (303) und einem zweiten Potential (311) geschaltete Abschluflschaltung (305) aufweist, wobei die Abschluflschaltung (305) einen zwischen der Spannungsreduktionsschaltung (303) und dem zweiten Potential (311) geschalteten Transistor (321) mit einem Gate aufweist, gekennzeichnet durch: eine zwischen dem ersten Potential (Vcc; 309) und dem zweiten Potential (311) geschaltete Spannungsteilerschaltung (307), die mit dem Gate des Transistors (321) der Abschlußschaltung (305) verbunden ist, um das Gate auf ein drittes Potential vorzuspannen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsreduktionsschaltung (303) eine Cantilever-Diodenkette (329) aufweist, die mit einem Vorspannetzwerk gekoppelt ist, wobei die Cantilever-Diodenkette (329) eine Reihe von in Serie geschalteten Dioden aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorspannetzwerk Mantelwiderstände (323, 325, 327) enthält, die so angeordnet sind, daß sie die Cantilever-Diodenkette (329) vorspannen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußschaltung (305) so ausgebildet ist, daß sie den Strom unmittelbar nach Auftreten eines elektrostatischen Entladungsimpulses ableitet und die Ableitung des Stroms nach Ablauf einer Zeitspanne unterbricht.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsteilerschaltung (307) in Serie geschaltete erste (313) und zweite (315) Widerstände aufweist, die zwischen den ersten und zweiten Potentialen geschaltet sind, wobei die Spannungsteilerschaltung (307) außerdem einen parallel zu einem der ersten und zweiten Widerstände mit dem zweiten Potential verbundenen Kondensator (319) aufweist und der Kondensator (319) und die ersten und zweiten Widerstände (313, 315) mit der Abschlußschaltung (305) verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (319) ein Kondensator-Gateoxid aufweist und die Spannungsteilerschaltung (307) so ausgebildet ist, daß sie ein Anlegen der Überspannung an das Kondensator-Gateoxid verhindert.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Widerstände aus zweiten und dritten Transistoren (313, 315) bestehen, die als Langkanal-Bauelemente mit zusammengeschlossenen Gate-Drain-Elektroden ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential etwa 5 Volt beträgt, das zweite Potential das Massepotential ist und das dritte Potential angenähert 3,2 Volt beträgt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential angenähert 3,3 Volt beträgt, das zweite Potential das Massepotential ist und das dritte Potential angenähert 1,65 Volt beträgt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential angenähert 2,5 Volt beträgt, das zweite Potential das Massepotential ist und das dritte Potential angenähert 1,25 Volt beträgt.
Verfahren zum Schutz einer integrierten Schaltung gegen elektrostatische Entladungen unter Verwendung einer Spannungsversorgungsklammerschaltung (301), wobei ein elektrostatischer Entladungsimpuls aus der Spannungsversorgung unter Verwendung einer mit einem Spannungsversorgungspotential (Vcc, 309) verbundenen, Dioden (329) aufweisenden Spannungsreduktionsschaltung (303) und einer zwischen der Spannungsreduktionsschaltung und Masse (311) geschalteten Abschlußschaltung (305), die einen Transistor (321) mit einem Gate enthält, abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate mit einer Spannungsteilerschaltung derart vorgespannt wird, daß eine Überspannung am Gate verhindert wird, und daß der Strom unmittelbar nach Auftreten eines elektrostatischen Entladungsimpulses nach Masse (311) abgeleitet und das Ableiten des Stroms nach Ablauf einer Zeitspanne abgebrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (321) mit einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode zwischen der Spannungsreduktionsschaltung (303) und Masse (311) geschaltet ist.
Einrichtung zum Schützen einer integrierten Schaltung vor elektrostatischer Entladung mit einer Spannungsversorgungsklammerschaltung (501) zum Ableiten eines von einer elektrostatischen Entladung herrührenden Stromes, die eine zwischen einem ersten Potential (509) und einem zweiten Potential (511) geschaltete Spannungsreduktionsschaltung (503) mit Transistoren (533, 531) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsteilerschaltung (507) mit der Spannungsreduktionsschaltung (503) verbunden und zwischen dem ersten (509) und dem zweiten Potential (511) geschaltet und so ausgebildet ist, daß sie ein Gate eines mit dem zweiten Potential (511) verbundenen Transistors (533) der Spannungsreduktionsschaltung (503) auf ein drittes Potential vorspannt, und daß eine Steuerschaltung (529) mit der Spannungsreduktionsschaltung (503) verbunden und zwischen dem ersten Potential (509) und der Spannungsteilerschaltung (507) geschaltet und so ausgebildet ist, daß sie die Spannungsreduktionsschaltung (503) veranlaßt, den Strom unmittelbar nach Auftreten eines elektrostatischen Entladungsimpulses abzuleiten und die Ableitung des Stromes nach Ablauf einer Zeitspanne zu unterbrechen.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem zweiten Potential (511) verbundene Transistor (533) der Spannungsreduktionsschaltung (503 ein Gateoxid enthält und die Spannungsteilerschaltung (507) so ausgebildet ist, daß sie eine Überspannung von dem Gateoxid fernhält.
Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilerschaltung (507) zwischen den ersten und zweiten Potentialen in Reihe geschaltete erste und zweite Widerstände (513, 515) und einen ersten Kondensator (519) aufweist, der parallel zu einem (515) der ersten und zweiten Widerstände an das zweite Potential (511) angeschaltet ist, wobei der Kondensator (519) und die ersten und zweiten Widerstände (513, 515) mit der Spannungsreduktionsschaltung (503) verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator (519) ein Kondensator-Gateoxid aufweist und die Spannungsteilerschaltung (507) so ausgebildet ist, daß sie das Anlegen einer Überspannung an das Kondensator-Gateoxid verhindert.
Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Widerstände (513, 515) aus ersten und zweiten Transistoren in der Ausbildung als Langkanal-Bauelemente bestehen, deren Gate- und Drain-Elektroden zusammengeschlossen sind.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsreduktionsschaltung (503) eine Reihenschaltung mit dritten und vierten Transistoren (531, 533) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gate des dritten Transistors (531) mit der Steuerschaltung (529) und ein Gate des vierten Transistors (533) mit der Spannungsteilerschaltung (507) und der Steuerschaltung (529) verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor Doppelgate-Feldeffekttransistoren sind.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (529) einen zwischen dem ersten Potential (509) und einem zweiten Kondensator (537) angeordneten fünften Transistor (535) aufweist, wobei der zweite Kondensator (537) und eine Gate-Elektrode des fünften Transistors (535) mit der Spannungsteilerschaltung (507) verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential etwa 5 Volt beträgt, das zweite Potential Massepotential ist und das dritte Potential angenähert 2,5 Volt beträgt.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential etwa 3,3 Volt beträgt, das zweite Potential Massepotential ist und das dritte Potential angenähert 1,65 Volt beträgt.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential angenähert 2,5 Volt beträgt, das zweite Potential Massepotential ist und das dritte Potential angenähert 1,25 Volt beträgt.