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JP2008098587A - ESD protection circuit - Google Patents

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JP2008098587A
JP2008098587A JP2006281727A JP2006281727A JP2008098587A JP 2008098587 A JP2008098587 A JP 2008098587A JP 2006281727 A JP2006281727 A JP 2006281727A JP 2006281727 A JP2006281727 A JP 2006281727A JP 2008098587 A JP2008098587 A JP 2008098587A
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JP
Japan
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nmos transistor
terminal
gate
internal circuit
esd protection
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Pending
Application number
JP2006281727A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoyuki Nakayama
智之 中山
Junichiro Watanabe
淳一郎 渡邉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toshiba Information Systems Japan Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Information Systems Japan Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Toshiba Information Systems Japan Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2006281727A priority Critical patent/JP2008098587A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ESD protection circuit which can effectively protect an internal circuit from breakage due to ESD. <P>SOLUTION: The ESD protection circuit comprising a first NMOS transistor 16 for a clamp, a second NMOS transistor 17 for a trigger, and a load element 18 is disclosed. The first NMOS transistor connects one end of the current passage to a first terminal 11 and connects the other end to a second terminal 12 and has a gate oxide film having the same thickness as an NMOS transistor 15 which constitutes the internal circuit 13. The second NMOS transistor 17 connects one end of the current passage to the first terminal and connects the other end and a gate to the gate of the first NMOS transistor and has a gate oxide film having a thickness thinner than the first NMOS transistor. One end of the load element is connected to the gate of the first NMOS transistor and the other end is connected to the second terminal. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、CMOS集積回路装置の内部回路をESD(Electro Static Discharge)による破壊から保護するためのESD保護回路に関する。   The present invention relates to an ESD protection circuit for protecting an internal circuit of a CMOS integrated circuit device from destruction caused by ESD (Electro Static Discharge).

一般に、CMOS集積回路装置には、内部回路をESDによる破壊から保護するためにESD保護回路が内蔵されている。ESD保護回路には種々の構造が提案されており、MOSタイプ保護素子としては、GGNMOSトランジスタ(Grounded Gate Nチャネル型MOSトランジスタ)が知られている。GGNMOSトランジスタは、ドレインが電源端子(電源パッド)に接続され、ソースが接地端子(接地パッド)に接続され、ゲートが上記接地端子(ソース)に接続されている。   In general, a CMOS integrated circuit device incorporates an ESD protection circuit in order to protect an internal circuit from destruction due to ESD. Various structures have been proposed for the ESD protection circuit, and a GGNMOS transistor (Grounded Gate N-channel MOS transistor) is known as a MOS type protection element. The GGNMOS transistor has a drain connected to a power supply terminal (power supply pad), a source connected to a ground terminal (ground pad), and a gate connected to the ground terminal (source).

よって、上記GGNMOSトランジスタは、通常はトランジスタの動作としてはオフ状態にある。そして、ESDが印加されると、ドレインと基板(バックゲート)間のPN接合がブレークダウンして内部回路を保護する。   Therefore, the GGNMOS transistor is normally in an off state as the operation of the transistor. When ESD is applied, the PN junction between the drain and the substrate (back gate) breaks down to protect the internal circuit.

保護素子であるGGNMOSトランジスタが動作する電圧(スナップバック電圧)Vt1は、ドレイン−バックゲート間のNP接合の接合破壊電圧で決まる。MOSトランジスタを保護素子として用いる場合、スナップバック電圧Vt1と内部回路を構成するMOSトランジスタのゲート破壊電圧Voxの関係は、
Vox>Vt1
が成立しなければ保護素子が動作する前に内部回路を構成するMOSトランジスタのゲート破壊が起こってしまう。
The voltage (snapback voltage) Vt1 at which the GGNMOS transistor as the protection element operates is determined by the junction breakdown voltage of the NP junction between the drain and the back gate. When a MOS transistor is used as a protection element, the relationship between the snapback voltage Vt1 and the gate breakdown voltage Vox of the MOS transistor constituting the internal circuit is:
Vox> Vt1
If the above is not established, the gate breakdown of the MOS transistor constituting the internal circuit occurs before the protection element operates.

通常、GGNMOSトランジスタと内部回路の入力段のMOSトランジスタを同じサイズで且つ同一プロセスで形成すると、ゲート破壊電圧Voxはスナップバック電圧Vt1より高くなる。しかしながら、近年のサブミクロンプロセス、例えばMOSトランジスタのチャネル幅が130nm(ゲート酸化膜厚は60nm)以下になると、ゲート破壊電圧Voxとスナップバック電圧Vt1との関係に逆転現象が起こり、スナップバック電圧Vt1がゲート破壊電圧Voxより高くなる(例えば特許文献1参照)。このため、MOSタイプ保護素子では内部回路を効果的に保護できなくなって来ている。   Normally, when the GGNMOS transistor and the MOS transistor in the input stage of the internal circuit are formed in the same size and in the same process, the gate breakdown voltage Vox becomes higher than the snapback voltage Vt1. However, when the channel width of a recent submicron process, for example, a MOS transistor is 130 nm or less (the gate oxide film thickness is 60 nm) or less, a reverse phenomenon occurs in the relationship between the gate breakdown voltage Vox and the snapback voltage Vt1, and the snapback voltage Vt1 Becomes higher than the gate breakdown voltage Vox (see, for example, Patent Document 1). For this reason, the MOS type protection element cannot effectively protect the internal circuit.

また、上記MOSタイプ保護素子を、出力バッファを伴う端子、例えば出力端子(出力パッド)や入出力端子(入出力パッド)に適用すると充分な保護効果が得られないことが知られている。すなわち、出力バッファを構成するNMOSトランジスタと保護素子を構成するNMOSトランジスタのスナップバック電圧Vt1が同じであるため、保護動作時に保護素子だけでなく出力バッファの方にも電流が流れてしまう。この際、出力バッファの駆動能力が小さいと、ESDによる大電流が流れてNMOSトランジスタが破壊されてしまう。   Further, it is known that when the MOS type protection element is applied to a terminal with an output buffer, for example, an output terminal (output pad) or an input / output terminal (input / output pad), a sufficient protection effect cannot be obtained. That is, since the snapback voltage Vt1 of the NMOS transistor that constitutes the output buffer and the NMOS transistor that constitutes the protection element is the same, current flows not only in the protection element but also in the output buffer during the protection operation. At this time, if the drive capability of the output buffer is small, a large current due to ESD flows and the NMOS transistor is destroyed.

更に、内部回路を効果的に保護するために、MOSタイプ保護素子を並列接続して大電流を流せるようにした構成が提案されている。しかし、並列型の構造は、いずれかの保護素子が動作した瞬間に保護素子のアノード端子の電圧が下がるため、他の保護素子が動作しなくなる恐れがある。つまり、保護素子のサイズを大きくしても、特定の保護素子に電流が集中してしまうと、期待する保護耐圧に満たなくなる。
EOS/ESD SYMPOSIUM PROCEEDINGS 1994 pp.6.1.1-6.1.9 "The Impact of Technology Scaling on ESD Robustness and Protection Circuit Design" Ajith Amerasekera et.al.
Furthermore, in order to effectively protect the internal circuit, a configuration has been proposed in which MOS type protection elements are connected in parallel to allow a large current to flow. However, in the parallel structure, the voltage at the anode terminal of the protection element drops at the moment when any of the protection elements operates, and thus there is a possibility that other protection elements may not operate. That is, even if the size of the protection element is increased, if the current concentrates on a specific protection element, the expected protection breakdown voltage is not satisfied.
EOS / ESD SYMPOSIUM PROCEEDINGS 1994 pp.6.1.1-6.1.9 "The Impact of Technology Scaling on ESD Robustness and Protection Circuit Design" Ajith Amerasekera et.al.

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、内部回路をESDによる破壊から効果的に保護できるESD保護回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an ESD protection circuit capable of effectively protecting an internal circuit from destruction by ESD.

本発明の一態様によると、内部回路を構成するNMOSトランジスタと同じ厚さのゲート酸化膜を有し、電流通路の一端が第1の端子に接続され、電流通路の他端が第2の端子に接続されたクランプ用の第1NMOSトランジスタと、前記第1NMOSトランジスタよりも薄いゲート酸化膜を有し、電流通路の一端が前記第1の端子に接続され、電流通路の他端及びゲートが前記第1NMOSトランジスタのゲートに接続されたトリガ用の第2NMOSトランジスタと、一端が前記第1NMOSトランジスタのゲートに接続され、他端が前記第2の端子に接続された負荷素子とを具備するESD保護回路が提供される。   According to one embodiment of the present invention, the gate oxide film having the same thickness as the NMOS transistor constituting the internal circuit is provided, one end of the current path is connected to the first terminal, and the other end of the current path is the second terminal. A first NMOS transistor for clamping connected to the first NMOS transistor, a gate oxide film thinner than the first NMOS transistor, one end of the current path connected to the first terminal, and the other end of the current path and the gate connected to the first NMOS transistor An ESD protection circuit comprising: a trigger second NMOS transistor connected to the gate of one NMOS transistor; and a load element having one end connected to the gate of the first NMOS transistor and the other end connected to the second terminal. Provided.

また、本発明の他の一態様によると、内部回路を構成するNMOSトランジスタと同じ厚さのゲート酸化膜を有し、各々の電流通路の一端が第1の端子に共通接続され、各々の電流通路の他端が第2の端子に共通接続されたクランプ用の複数の第1NMOSトランジスタと、前記複数の第1NMOSトランジスタよりも薄いゲート酸化膜を有し、電流通路の一端が前記第1の端子に接続され、電流通路の他端及びゲートが前記複数の第1NMOSトランジスタのゲートに共通接続されたトリガ用の第2NMOSトランジスタと、一端が前記複数の第1NMOSトランジスタのゲートに共通接続され、他端が前記第2の端子に接続された負荷素子とを具備するESD保護回路が提供される。   According to another aspect of the present invention, the gate oxide film having the same thickness as the NMOS transistor constituting the internal circuit is provided, and one end of each current path is commonly connected to the first terminal, A plurality of first NMOS transistors for clamping, the other end of which is commonly connected to the second terminal, and a gate oxide film thinner than the plurality of first NMOS transistors, and one end of the current path is the first terminal The other end and gate of the current path are commonly connected to the gates of the plurality of first NMOS transistors, and one end is commonly connected to the gates of the plurality of first NMOS transistors. An ESD protection circuit comprising a load element connected to the second terminal.

本発明によれば、内部回路をESDによる破壊から効果的に保護できるESD保護回路が得られる。   According to the present invention, an ESD protection circuit capable of effectively protecting an internal circuit from destruction due to ESD can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係るESD保護回路を示している。このESD保護回路10は、CMOS集積回路装置における電源端子(VDDパッド)11と基準電位端子(VSSパッド)12間に設けられており、これらの端子11,12に印加されたESDから内部回路13を保護する。内部回路13は、本例ではPMOSトランジスタ14とNMOSトランジスタ15で構成されたCMOSインバータであり、上記端子11,12間の電圧で動作する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 shows an ESD protection circuit according to a first embodiment of the present invention. The ESD protection circuit 10 is provided between a power supply terminal (VDD pad) 11 and a reference potential terminal (VSS pad) 12 in the CMOS integrated circuit device, and an internal circuit 13 is formed from the ESD applied to these terminals 11 and 12. Protect. The internal circuit 13 is a CMOS inverter composed of a PMOS transistor 14 and an NMOS transistor 15 in this example, and operates with the voltage between the terminals 11 and 12.

上記ESD保護回路10は、クランプ用のNMOSトランジスタ16、トリガ用のNMOSトランジスタ17、及び負荷素子である抵抗素子18で構成されている。上記NMOSトランジスタ17のドレインは電源端子11に接続され、ゲートとソースは抵抗素子18の一端に接続される。上記抵抗素子18の他端は、基準電位端子12に接続される。また、上記NMOSトランジスタ16のドレインは電源端子11に接続され、ゲートは上記NMOSトランジスタ17と抵抗素子18との接続ノードに接続され、ソースは基準電位端子12に接続される。   The ESD protection circuit 10 includes a clamp NMOS transistor 16, a trigger NMOS transistor 17, and a resistance element 18 as a load element. The drain of the NMOS transistor 17 is connected to the power supply terminal 11, and the gate and source are connected to one end of the resistance element 18. The other end of the resistance element 18 is connected to the reference potential terminal 12. The drain of the NMOS transistor 16 is connected to the power supply terminal 11, the gate is connected to a connection node between the NMOS transistor 17 and the resistance element 18, and the source is connected to the reference potential terminal 12.

図2に示すように、上記NMOSトランジスタ16のゲート酸化膜厚Tox16は、内部回路13を構成するNMOSトランジスタ15のゲート酸化膜厚Tox15と同じであり、NMOSトランジスタ17のゲート酸化膜厚Tox17は、上記NMOSトランジスタ15,16よりも薄くなっている。また、NMOSトランジスタ15のゲート絶縁膜厚Tox15は、ゲート破壊電圧Voxよりもスナップバック電圧Vt1の方が高い電圧になる膜厚である。更に、トリガ用のNMOSトランジスタ17のスナップバック電圧Vt1は、内部回路13を構成しているNMOSトランジスタ15のゲート破壊電圧VoxよりもΔV1だけ低い。また、NMOSトランジスタ15のゲート絶縁膜厚Tox15は、ゲート破壊電圧Voxよりもスナップバック電圧Vt1の方が高い電圧になる膜厚である。すなわち、例えばMOSトランジスタのチャネル幅が130nm以下のサブミクロンプロセスで形成されている。   As shown in FIG. 2, the gate oxide film thickness Tox16 of the NMOS transistor 16 is the same as the gate oxide film thickness Tox15 of the NMOS transistor 15 constituting the internal circuit 13, and the gate oxide film thickness Tox17 of the NMOS transistor 17 is It is thinner than the NMOS transistors 15 and 16. The gate insulating film thickness Tox15 of the NMOS transistor 15 is a film thickness at which the snapback voltage Vt1 is higher than the gate breakdown voltage Vox. Further, the snapback voltage Vt1 of the trigger NMOS transistor 17 is lower than the gate breakdown voltage Vox of the NMOS transistor 15 constituting the internal circuit 13 by ΔV1. The gate insulating film thickness Tox15 of the NMOS transistor 15 is a film thickness at which the snapback voltage Vt1 is higher than the gate breakdown voltage Vox. That is, for example, the MOS transistor is formed by a submicron process with a channel width of 130 nm or less.

上記スナップバック電圧Vt1は、上記トリガ用NMOSトランジスタ17のゲート酸化膜厚を調整することにより制御する。また、このNMOSトランジスタ17は、ESD電流を流すクランプ用NMOSトランジスタ16との各容量関係を調整することにより、NMOSトランジスタ17自身が破壊されないように設計できる。更に、上記抵抗素子18は、NMOSトランジスタ17がスナップバックをした後で、内部回路13中のトランジスタ14,15が破壊される前に、NMOSトランジスタ16をオンさせることができる抵抗値である。また、このNMOSトランジスタ17のリーク電流では、NMOSトランジスタ16がオンしない程度の電圧値にしかならない抵抗値に設定されている。   The snapback voltage Vt1 is controlled by adjusting the gate oxide film thickness of the trigger NMOS transistor 17. Further, the NMOS transistor 17 can be designed so that the NMOS transistor 17 itself is not destroyed by adjusting each capacitance relationship with the clamping NMOS transistor 16 through which the ESD current flows. Further, the resistance element 18 has a resistance value that can turn on the NMOS transistor 16 after the NMOS transistor 17 snaps back and before the transistors 14 and 15 in the internal circuit 13 are destroyed. In addition, the leakage current of the NMOS transistor 17 is set to a resistance value that has a voltage value that does not allow the NMOS transistor 16 to turn on.

上記のような構成において、基準電位端子12に印加される電位VSSを基準にして、電源端子11に正極性のESDが印加されると、図3に示すようにNMOSトランジスタ17は内部回路13を構成するNMOSトランジスタ15のゲート破壊電圧Voxよりも低い電圧V1でスナップバックをするため、内部回路13中のMOSトランジスタ14,15がゲート破壊を起こす前にオンする。これによって、クランプ用のNMOSトランジスタ16のゲート電位が上昇してオンするので、ESD保護回路10を確実に動作させて内部回路13を効果的に保護することができる。しかも、NMOSトランジスタ17のスナップバック特性を利用するので、内部回路13の通常動作時には上記NMOSトランジスタ17にはリーク電流がほとんど流れず、電流消費を最小限にできる。   In the configuration as described above, when a positive ESD is applied to the power supply terminal 11 with reference to the potential VSS applied to the reference potential terminal 12, the NMOS transistor 17 causes the internal circuit 13 as shown in FIG. In order to perform snapback at a voltage V1 lower than the gate breakdown voltage Vox of the NMOS transistor 15 that constitutes, the MOS transistors 14 and 15 in the internal circuit 13 are turned on before the gate breakdown occurs. As a result, the gate potential of the clamping NMOS transistor 16 is raised and turned on, so that the ESD protection circuit 10 can be operated reliably and the internal circuit 13 can be effectively protected. In addition, since the snapback characteristic of the NMOS transistor 17 is used, almost no leakage current flows through the NMOS transistor 17 during normal operation of the internal circuit 13, and current consumption can be minimized.

一方、電源端子11に負極性のESDが印加された場合は、NMOSトランジスタ17はダイオードとして働き、このダイオードと抵抗素子18によりクランプ用NMOSトランジスタ16のゲートがバイアスされてオンするので、内部回路13を保護できる。   On the other hand, when negative polarity ESD is applied to the power supply terminal 11, the NMOS transistor 17 functions as a diode, and the gate of the clamping NMOS transistor 16 is biased by the diode and the resistance element 18 to be turned on. Can be protected.

なお、NMOSトランジスタ17のゲート酸化膜厚がNMOSトランジスタ15,16と同じであると、ゲート破壊電圧Voxより高い電圧V2でスナップバックすることになるので、ESD保護回路10が動作する前に内部回路13が破壊されて充分な保護を行うことはできない。   If the gate oxide film thickness of the NMOS transistor 17 is the same as that of the NMOS transistors 15 and 16, snapback is performed at a voltage V2 higher than the gate breakdown voltage Vox. Therefore, before the ESD protection circuit 10 operates, the internal circuit 13 is destroyed and cannot provide sufficient protection.

[第2の実施形態]
図4は、本発明の第2の実施形態に係るESD保護回路を示している。このESD保護回路20は、CMOS集積回路装置における出力端子(出力パッド)21と基準電位端子(VSSパッド)22間に設けられており、出力端子21に印加されたESDから出力バッファ23を保護する。出力バッファ23は、本例ではPMOSトランジスタ24とNMOSトランジスタ25で構成されたCMOSインバータであり、電源端子(VDDパッド)26と基準電位端子22間の電圧で動作する。この出力バッファ23には、内部回路から信号が供給され、上記出力端子21からチップの外部に信号を出力するようになっている。
[Second Embodiment]
FIG. 4 shows an ESD protection circuit according to the second embodiment of the present invention. The ESD protection circuit 20 is provided between an output terminal (output pad) 21 and a reference potential terminal (VSS pad) 22 in the CMOS integrated circuit device, and protects the output buffer 23 from ESD applied to the output terminal 21. . The output buffer 23 is a CMOS inverter composed of a PMOS transistor 24 and an NMOS transistor 25 in this example, and operates with a voltage between the power supply terminal (VDD pad) 26 and the reference potential terminal 22. The output buffer 23 is supplied with a signal from an internal circuit and outputs a signal from the output terminal 21 to the outside of the chip.

上記ESD保護回路20は、図1に示したESD保護回路10と同様に、クランプ用のNMOSトランジスタ27、トリガ用のNMOSトランジスタ28、及び負荷素子である抵抗素子29で構成されている。上記NMOSトランジスタ28のドレインは出力端子21に接続され、ゲートとソースは抵抗素子29の一端に接続される。上記抵抗素子29の他端は、基準電位端子22に接続される。また、上記NMOSトランジスタ27のドレインは出力端子21に接続され、ゲートは上記NMOSトランジスタ28と抵抗素子29との接続ノードに接続され、ソースは基準電位端子22に接続される。   Similar to the ESD protection circuit 10 shown in FIG. 1, the ESD protection circuit 20 includes a clamp NMOS transistor 27, a trigger NMOS transistor 28, and a resistance element 29 as a load element. The drain of the NMOS transistor 28 is connected to the output terminal 21, and the gate and source are connected to one end of the resistance element 29. The other end of the resistance element 29 is connected to the reference potential terminal 22. The drain of the NMOS transistor 27 is connected to the output terminal 21, the gate is connected to a connection node between the NMOS transistor 28 and the resistance element 29, and the source is connected to the reference potential terminal 22.

図5に示すように、トリガ用のNMOSトランジスタ28のゲート酸化膜厚Tox28は、上記出力バッファ23を構成するNMOSトランジスタ25のゲート酸化膜厚Tox25よりも薄くなっている。そして、出力バッファ23を構成するNMOSトランジスタ25のスナップバック電圧よりも、ESD保護回路20中のトリガ用のNMOSトランジスタ28のスナップバック電圧の方がΔV2だけ低い。このため、出力端子21へESDが印加された場合に、出力バッファ23よりも先にESD保護回路20が動作する。   As shown in FIG. 5, the gate oxide film thickness Tox 28 of the trigger NMOS transistor 28 is thinner than the gate oxide film thickness Tox 25 of the NMOS transistor 25 constituting the output buffer 23. The snapback voltage of the triggering NMOS transistor 28 in the ESD protection circuit 20 is lower by ΔV2 than the snapback voltage of the NMOS transistor 25 constituting the output buffer 23. For this reason, when ESD is applied to the output terminal 21, the ESD protection circuit 20 operates before the output buffer 23.

すなわち、出力端子21へ正極性のESDが印加されると、図6に示すように必ずESD保護回路20中のトリガ用NMOSトランジスタ28の方が出力バッファ23を構成するNMOSトランジスタ25より先にスナップバックする。このため、出力ドライバであるMOSトランジスタ24,25のサイズが小さい場合でも、出力バッファ23にESD電流が流れるのを防止でき、ESDによる破壊を抑制できる。   That is, when a positive ESD is applied to the output terminal 21, the trigger NMOS transistor 28 in the ESD protection circuit 20 always snaps before the NMOS transistor 25 constituting the output buffer 23 as shown in FIG. Back. For this reason, even when the size of the MOS transistors 24 and 25 as output drivers is small, it is possible to prevent the ESD current from flowing through the output buffer 23 and to suppress the breakdown due to ESD.

一方、出力端子21へ負極性のESDが印加された場合は、NMOSトランジスタ28はダイオードとして働き、このダイオードと抵抗素子29によりクランプ用NMOSトランジスタ27のゲートがバイアスされてオンするので内部回路13を保護できる。   On the other hand, when negative polarity ESD is applied to the output terminal 21, the NMOS transistor 28 functions as a diode, and the gate of the clamping NMOS transistor 27 is biased by this diode and the resistance element 29 so that the internal circuit 13 is turned on. Can protect.

なお、上記スナップバック電圧Vt1は、上記トリガ用NMOSトランジスタ28のゲート酸化膜厚を調整することにより制御する。また、このNMOSトランジスタ28は、ESD電流を流すクランプ用NMOSトランジスタ27との各容量関係を調整することにより、NMOSトランジスタ28自身が破壊されないように設計できる。更に、上記抵抗素子29は、NMOSトランジスタ28がスナップバックをした後で、出力バッファ23中のトランジスタ24,25が破壊される前に、NMOSトランジスタ27をオンすることができる抵抗値である。また、このNMOSトランジスタ28のリーク電流では、NMOSトランジスタ27がオンしない程度の電圧値にしかならない抵抗値に設定されている。   The snapback voltage Vt1 is controlled by adjusting the gate oxide film thickness of the trigger NMOS transistor 28. The NMOS transistor 28 can be designed so that the NMOS transistor 28 itself is not destroyed by adjusting the capacitance relationship with the clamping NMOS transistor 27 through which the ESD current flows. Further, the resistance element 29 has a resistance value that can turn on the NMOS transistor 27 after the NMOS transistor 28 snaps back and before the transistors 24 and 25 in the output buffer 23 are destroyed. In addition, the leakage current of the NMOS transistor 28 is set to a resistance value that has a voltage value that does not turn on the NMOS transistor 27.

更に、上記第2の実施形態では出力端子(出力パッド)に印加されるESDサージから出力バッファを保護する場合を例にとって説明したが、入力端子(入力パッド)に印加されるESDサージから入力バッファを保護する場合にも同様にして適用できる。また、入出力端子(入出力パッド)に印加されるESDサージから入出力バッファを保護する場合にも適用できるのは勿論である。   Furthermore, in the second embodiment, the case where the output buffer is protected from the ESD surge applied to the output terminal (output pad) has been described as an example. However, the input buffer from the ESD surge applied to the input terminal (input pad) has been described. It can be applied in the same way to protect Of course, the present invention can also be applied to the case where the input / output buffer is protected from an ESD surge applied to the input / output terminal (input / output pad).

[第3の実施形態]
図7は、本発明の第3の実施形態に係るESD保護回路を示している。このESD保護回路30は、CMOS集積回路装置における電源端子(VDDパッド)31と基準電位端子(VSSパッド)32間に設けられており、これらの端子31,32に印加されたESDから内部回路33を保護する。内部回路33は、例えば第1の実施形態と同様に、PMOSトランジスタ34とNMOSトランジスタ35で構成されたCMOSインバータであり、上記端子31,32間の電圧で動作する。
[Third Embodiment]
FIG. 7 shows an ESD protection circuit according to the third embodiment of the present invention. This ESD protection circuit 30 is provided between a power supply terminal (VDD pad) 31 and a reference potential terminal (VSS pad) 32 in the CMOS integrated circuit device, and an internal circuit 33 is formed from the ESD applied to these terminals 31 and 32. Protect. The internal circuit 33 is a CMOS inverter composed of a PMOS transistor 34 and an NMOS transistor 35, for example, as in the first embodiment, and operates with the voltage between the terminals 31 and 32.

上記ESD保護回路30は、クランプ用の複数(本例では4つ)のNMOSトランジスタ36−1〜36−4、トリガ用のNMOSトランジスタ37、及び負荷素子としての抵抗素子38で構成されている。上記NMOSトランジスタ37のドレインは電源端子31に接続され、ゲートとソースは抵抗素子38の一端に接続される。上記抵抗素子38の他端は、基準電位端子32に接続される。また、上記NMOSトランジスタ36−1〜36−4のドレインはそれぞれ電源端子31に共通接続され、ゲートはそれぞれ上記NMOSトランジスタ37と抵抗素子38との接続ノードに接続され、ソースはそれぞれ基準電位端子32に接続される。   The ESD protection circuit 30 includes a plurality of (four in this example) NMOS transistors 36-1 to 36-4 for clamping, an NMOS transistor 37 for triggering, and a resistance element 38 as a load element. The drain of the NMOS transistor 37 is connected to the power supply terminal 31, and the gate and source are connected to one end of the resistance element 38. The other end of the resistance element 38 is connected to the reference potential terminal 32. The drains of the NMOS transistors 36-1 to 36-4 are commonly connected to the power supply terminal 31, the gates are respectively connected to connection nodes between the NMOS transistor 37 and the resistance element 38, and the sources are respectively connected to the reference potential terminal 32. Connected to.

上記NMOSトランジスタ36−1〜36−4のゲート酸化膜厚は、内部回路33のNMOSトランジスタ35と同じであり、NMOSトランジスタ37のゲート酸化膜厚は、上記NMOSトランジスタ35よりも薄くなっている。また、NMOSトランジスタ37のスナップバック電圧Vt1は、内部回路33のNMOSトランジスタ35のゲート破壊電圧Voxよりも低い。更に、NMOSトランジスタ35のゲート絶縁膜厚は、ゲート破壊電圧Voxよりもスナップバック電圧Vt1の方が高い電圧になる膜厚である。すなわち、例えばMOSトランジスタのチャネル幅が130nm以下のサブミクロンプロセスで形成されている。   The gate oxide film thickness of the NMOS transistors 36-1 to 36-4 is the same as the NMOS transistor 35 of the internal circuit 33, and the gate oxide film thickness of the NMOS transistor 37 is thinner than that of the NMOS transistor 35. The snapback voltage Vt1 of the NMOS transistor 37 is lower than the gate breakdown voltage Vox of the NMOS transistor 35 of the internal circuit 33. Further, the gate insulating film thickness of the NMOS transistor 35 is such that the snapback voltage Vt1 is higher than the gate breakdown voltage Vox. That is, for example, the MOS transistor is formed by a submicron process with a channel width of 130 nm or less.

上記スナップバック電圧Vt1は、上記トリガ用NMOSトランジスタ37のゲート酸化膜厚を調整することにより制御する。また、このNMOSトランジスタ37は、ESD電流を流すクランプ用NMOSトランジスタ36−1〜36−4との各容量関係を調整することにより、NMOSトランジスタ37自身が破壊されないように設計されている。更に、上記抵抗素子29は、NMOSトランジスタ37がスナップバックをした後で、内部回路33中のトランジスタ34,35が破壊される前に、NMOSトランジスタ36−1〜36−4をオンすることができる抵抗値である。また、このNMOSトランジスタ37のリーク電流では、NMOSトランジスタ36−1〜36−4がオンしない程度の電圧値にしかならない抵抗値に設定されている。   The snapback voltage Vt1 is controlled by adjusting the gate oxide film thickness of the trigger NMOS transistor 37. The NMOS transistor 37 is designed so that the NMOS transistor 37 itself is not destroyed by adjusting the capacitance relationship with the clamping NMOS transistors 36-1 to 36-4 through which ESD current flows. Further, the resistance element 29 can turn on the NMOS transistors 36-1 to 36-4 after the NMOS transistor 37 snaps back and before the transistors 34 and 35 in the internal circuit 33 are destroyed. Resistance value. In addition, the leakage current of the NMOS transistor 37 is set to a resistance value that has a voltage value that does not turn on the NMOS transistors 36-1 to 36-4.

上記のような構成では、電源端子31からESDが印加されると、トリガ用のNMOSトランジスタ37が先にスナップバックを起こし、全てのクランプ用のNMOSトランジスタ36−1〜36−4が同時に動作して内部回路33を保護する。このため、図8に示すように、従来は特定の保護素子に電流が集中して保護動作の実効的なチャネル幅が低下して耐圧が下がったのに対し、ESD耐圧をリニアな関係に保って高い保護効果が得られる。しかも、クランプ用のNMOSトランジスタ36−1〜36−4の寄生容量の存在によって、ESD電流値の変化が緩やかになるのでより効果的に内部回路を保護できる。   In the above configuration, when ESD is applied from the power supply terminal 31, the triggering NMOS transistor 37 first snaps back, and all the clamping NMOS transistors 36-1 to 36-4 operate simultaneously. Thus, the internal circuit 33 is protected. For this reason, as shown in FIG. 8, the current is concentrated on a specific protection element, the effective channel width of the protection operation is reduced and the breakdown voltage is lowered. However, the ESD breakdown voltage is kept in a linear relationship. High protection effect. In addition, the presence of the parasitic capacitances of the clamping NMOS transistors 36-1 to 36-4 makes the change in the ESD current value moderate, so that the internal circuit can be more effectively protected.

一方、電源端子31に負極性のESDが印加された場合は、NMOSトランジスタ37はダイオードとして働き、このダイオードと抵抗素子38によりクランプ用NMOSトランジスタ36−1〜36−4のゲートがバイアスされてオンするので、内部回路33を保護できる。   On the other hand, when a negative ESD is applied to the power supply terminal 31, the NMOS transistor 37 functions as a diode, and the gate of the clamping NMOS transistors 36-1 to 36-4 is biased by this diode and the resistance element 38 to turn on. Therefore, the internal circuit 33 can be protected.

なお、本第3の実施形態では、電源端子31に印加されるESDサージから内部回路33を保護する場合を例にとって説明したが、出力端子(出力パッド)に印加されるサージから出力バッファを保護する場合、入力端子(入力パッド)に印加されるサージから入力バッファを保護する場合、更に入出力端子(入出力パッド)に印加されるサージから入出力バッファを保護する場合のいずれにも適用できるのは勿論である。   In the third embodiment, the case where the internal circuit 33 is protected from the ESD surge applied to the power supply terminal 31 has been described as an example. However, the output buffer is protected from the surge applied to the output terminal (output pad). When protecting the input buffer from a surge applied to the input terminal (input pad), it can be applied to both protecting the input buffer from a surge applied to the input / output terminal (input / output pad). Of course.

上述したように、本発明の各実施形態によれば、トランジスタのスナップバック電圧Vt1と内部回路のゲート破壊電圧VoxがVox<Vt1の関係になる、例えばMOSトランジスタのチャネル幅が130nm以下のサブミクロンプロセスで形成されるCMOS集積回路装置においても、トリガ用トランジスタのスナップバック電圧Vt1と内部回路のゲート破壊電圧Voxとの関係がVox>Vt1となるようにすれば、効果的に内部回路を保護できる。   As described above, according to the embodiments of the present invention, the snapback voltage Vt1 of the transistor and the gate breakdown voltage Vox of the internal circuit have a relationship of Vox <Vt1, for example, the sub-micron of the MOS transistor having a channel width of 130 nm or less. Even in a CMOS integrated circuit device formed by the process, the internal circuit can be effectively protected if the relationship between the snapback voltage Vt1 of the trigger transistor and the gate breakdown voltage Vox of the internal circuit is Vox> Vt1. .

また、上記各実施形態では、出力バッファ等の内部回路よりもスナップバック電圧Vt1を必ず低くすることができるため、他のトランジスタとの競合がなく、保護素子だけを効率よく動作させることができる。   In each of the above embodiments, the snapback voltage Vt1 can always be lower than that of an internal circuit such as an output buffer. Therefore, there is no competition with other transistors, and only the protection element can be operated efficiently.

更に、上記各実施形態では、トリガ用NMOSトランジスタのスナップバック特性と、抵抗素子を使ってクランプ用NMOSトランジスタのゲートに直接バイアス電圧を与えてオンさせるため、保護素子サイズとESD保護能力をリニアな関係に保つことができる。そのため、ESD保護回路のサイズを有効的に使用することが容易であるため、サイズの最適化に適している。   Furthermore, in each of the above embodiments, since the snapback characteristics of the trigger NMOS transistor and the bias voltage are directly applied to the gate of the clamp NMOS transistor using a resistance element to turn on, the protection element size and the ESD protection capability are linear. You can keep in a relationship. Therefore, it is easy to effectively use the size of the ESD protection circuit, which is suitable for size optimization.

以上第1乃至第3の実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば各実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも1つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも1つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。   Although the present invention has been described using the first to third embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention in the implementation stage. It is possible. Each of the above embodiments includes inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in each embodiment, at least one of the problems described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and is described in the column of the effect of the invention. When at least one of the effects is obtained, a configuration in which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.

本発明の第1の実施形態に係るESD保護回路を示す回路図。1 is a circuit diagram showing an ESD protection circuit according to a first embodiment of the present invention. 上記図1に示したESD保護回路を構成するNMOSトランジスタの素子特性について説明するためのもので、ゲート酸化膜厚、ゲート破壊電圧及びスナップバック電圧の関係を示す特性図。FIG. 3 is a characteristic diagram illustrating a relationship among a gate oxide film thickness, a gate breakdown voltage, and a snapback voltage for explaining element characteristics of an NMOS transistor constituting the ESD protection circuit shown in FIG. 上記図1に示したESD保護回路の動作について説明するためのもので、電源電圧、ゲート破壊電圧及びスナップバック電圧の関係を示す電圧−電流特性図。FIG. 3 is a voltage-current characteristic diagram illustrating a relationship among a power supply voltage, a gate breakdown voltage, and a snapback voltage for explaining the operation of the ESD protection circuit illustrated in FIG. 1. 本発明の第2の実施形態に係るESD保護回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the ESD protection circuit which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 上記図4に示したESD保護回路を構成するNMOSトランジスタの素子特性について説明するためのもので、ゲート酸化膜厚とスナップバック電圧との関係を示す特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a gate oxide film thickness and a snapback voltage for explaining element characteristics of an NMOS transistor constituting the ESD protection circuit shown in FIG. 4. 上記図4に示したESD保護回路の動作について説明するためのもので、NMOSトランジスタのスナップバック電圧を示す電圧−電流特性図。FIG. 5 is a voltage-current characteristic diagram illustrating a snapback voltage of an NMOS transistor for explaining an operation of the ESD protection circuit illustrated in FIG. 4. 本発明の第3の実施形態に係るESD保護回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the ESD protection circuit which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 上記図7に示したESD保護回路におけるクランプ用NMOSトランジスタにおける耐圧のチャネル幅依存性について説明するためのチャネル幅−耐圧特性図。FIG. 8 is a channel width-withstand voltage characteristic diagram for explaining the channel width dependence of the withstand voltage in the clamping NMOS transistor in the ESD protection circuit shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10,20,30…ESD保護回路、11,26,31…電源端子(VDDパッド)、12,22,32…基準電位端子(VSSパッド)、13,33…内部回路、14,24,34…PMOSトランジスタ、15,25,35…NMOSトランジスタ、17,28,37…トリガ用のNMOSトランジスタ、16,27,36−1〜36−4…クランプ用のNMOSトランジスタ、18,29,38…抵抗素子、21…出力端子(出力パッド)、23…出力バッファ。   10, 20, 30 ... ESD protection circuit, 11, 26, 31 ... power supply terminal (VDD pad), 12, 22, 32 ... reference potential terminal (VSS pad), 13, 33 ... internal circuit, 14, 24, 34 ... PMOS transistor, 15, 25, 35 ... NMOS transistor, 17, 28, 37 ... NMOS transistor for trigger, 16, 27, 36-1 to 36-4 ... NMOS transistor for clamping, 18, 29, 38 ... resistance element , 21 ... output terminal (output pad), 23 ... output buffer.

Claims (5)

内部回路を構成するNMOSトランジスタと同じ厚さのゲート酸化膜を有し、電流通路の一端が第1の端子に接続され、電流通路の他端が第2の端子に接続されたクランプ用の第1NMOSトランジスタと、
前記第1NMOSトランジスタよりも薄いゲート酸化膜を有し、電流通路の一端が前記第1の端子に接続され、電流通路の他端及びゲートが前記第1NMOSトランジスタのゲートに接続されたトリガ用の第2NMOSトランジスタと、
一端が前記第1NMOSトランジスタのゲートに接続され、他端が前記第2の端子に接続された負荷素子と
を具備することを特徴とするESD保護回路。
A clamp oxide having a gate oxide film having the same thickness as the NMOS transistor constituting the internal circuit, one end of the current path connected to the first terminal and the other end of the current path connected to the second terminal. 1 NMOS transistor,
The trigger has a gate oxide film thinner than the first NMOS transistor, one end of the current path is connected to the first terminal, and the other end and gate of the current path are connected to the gate of the first NMOS transistor. 2 NMOS transistors,
An ESD protection circuit comprising: a load element having one end connected to the gate of the first NMOS transistor and the other end connected to the second terminal.
前記第2NMOSトランジスタのスナップバック電圧は、前記内部回路を構成するNMOSトランジスタ及び前記第1NMOSトランジスタのスナップバック電圧よりも低く、且つ前記第1の端子に印加される電源電位よりも高いことを特徴とする請求項1に記載のESD保護回路。   The snapback voltage of the second NMOS transistor is lower than the snapback voltages of the NMOS transistor and the first NMOS transistor constituting the internal circuit and higher than a power supply potential applied to the first terminal. The ESD protection circuit according to claim 1. 前記第1の端子に印加される電位は電源電位であり、前記第2の端子に印加される電位は接地電位であり、
前記内部回路はインバータを含むことを特徴とする請求項1に記載のESD保護回路。
The potential applied to the first terminal is a power supply potential, the potential applied to the second terminal is a ground potential,
The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the internal circuit includes an inverter.
前記内部回路に接続される第3の端子を更に具備し、
前記第1の端子に印加される電位は電源電位であり、前記第2の端子に印加される電位は接地電位であり、
前記内部回路はバッファ回路を含み、前記第3の端子から信号を入力または出力することを特徴とする請求項1に記載のESD保護回路。
A third terminal connected to the internal circuit;
The potential applied to the first terminal is a power supply potential, the potential applied to the second terminal is a ground potential,
The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the internal circuit includes a buffer circuit, and inputs or outputs a signal from the third terminal.
内部回路を構成するNMOSトランジスタと同じ厚さのゲート酸化膜を有し、各々の電流通路の一端が第1の端子に共通接続され、各々の電流通路の他端が第2の端子に共通接続されたクランプ用の複数の第1NMOSトランジスタと、
前記複数の第1NMOSトランジスタよりも薄いゲート酸化膜を有し、電流通路の一端が前記第1の端子に接続され、電流通路の他端及びゲートが前記複数の第1NMOSトランジスタのゲートに共通接続されたトリガ用の第2NMOSトランジスタと、
一端が前記複数の第1NMOSトランジスタのゲートに共通接続され、他端が前記第2の端子に接続された負荷素子と
を具備することを特徴とするESD保護回路。
It has a gate oxide film of the same thickness as the NMOS transistor constituting the internal circuit, one end of each current path is commonly connected to the first terminal, and the other end of each current path is commonly connected to the second terminal A plurality of clamped first NMOS transistors;
The gate oxide film is thinner than the plurality of first NMOS transistors, one end of the current path is connected to the first terminal, and the other end and gate of the current path are commonly connected to the gates of the plurality of first NMOS transistors. A second NMOS transistor for triggering;
An ESD protection circuit comprising: a load element having one end commonly connected to the gates of the plurality of first NMOS transistors and the other end connected to the second terminal.
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