專利名稱：快速觸發(fā)的靜電保護(hù)電路及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電保護(hù)電路，特別涉及一種可快速觸發(fā)分流晶體管進(jìn)入跳通狀態(tài)(snap back)的靜電保護(hù)電路。
背景技術(shù)：
N型金氧半(NMOS)晶體管可以做為靜電保護(hù)的裝置。以柵極耦合至柵極驅(qū)動信號的晶體管為例，NMOS晶體管在一互補(bǔ)金氧半緩沖器(CMOS buffer)中做為拉降(pull down)晶體管使用，以驅(qū)動輸出信號。再以柵極接地的晶體管為例，NMOS晶體管用以提供一輸入接腳或電源總線的靜電保護(hù)。
NMOS晶體管進(jìn)行靜電保護(hù)的方式是利用NMOS晶體管的崩潰(avalanchebreakdown)及跳通現(xiàn)象(snap back)來達(dá)成。此種現(xiàn)象在初始時，位于漏極接合面的大電場所引起的沖擊離子化(impact ionization)現(xiàn)象會同時產(chǎn)生多數(shù)(majority)與少數(shù)(minority)載流子。少數(shù)載流子會被收集在漏極，多數(shù)載流子則流向P型基底或P井區(qū)的接觸窗(contact)而在P井區(qū)內(nèi)形成一局部電位。當(dāng)基底的局部電位較鄰近的N+源極電位高出0.8V時，源極接合面便形成順向偏壓。順偏的源極接合面會注入少數(shù)載流子至P井區(qū)中。部分注入的少數(shù)載流子在基底中被重新結(jié)合(recombined)，而其它的則到達(dá)漏極接合面進(jìn)一步地加強(qiáng)了沖擊離子化的現(xiàn)象。依此循環(huán)的結(jié)果，MOSFET便會進(jìn)入一種低阻抗的跳通狀態(tài)，而開始導(dǎo)通大量的靜電放電電流。
圖1顯示了傳統(tǒng)使用柵極耦合晶體管的靜電保護(hù)電路。用以提供靜電放電路徑的分流晶體管N1，其柵極在正靜電電壓產(chǎn)生時會耦接至一1--2V的正偏壓而使分流晶體管N1進(jìn)入跳通狀態(tài)所需的觸發(fā)電壓降低，同時亦使多插腳的NMOS晶體管更能同時導(dǎo)通。
美國專利6304127、6091593及5870268均提供了如何在正靜電電壓產(chǎn)生時提供一瞬時負(fù)偏壓的方法。此負(fù)偏壓加諸于基底中的擴(kuò)散區(qū)(diffusionregion)或是井區(qū)上以降低靜電保護(hù)組件所需的觸發(fā)電壓。

發(fā)明內(nèi)容
為了在正靜電電壓產(chǎn)生時能提供瞬時負(fù)偏壓來降低晶體管的觸發(fā)電壓，本發(fā)明亦提供了一種靜電保護(hù)電路，其直接將瞬時負(fù)偏壓提供于分流晶體管的柵極上。
本發(fā)明的一目的在于提供一種快速觸發(fā)的靜電保護(hù)電路，利用靜電電壓產(chǎn)生時提供一負(fù)電壓至用以提供靜電放電路徑的晶體管柵極上，而使其所需進(jìn)入跳通狀態(tài)的觸發(fā)電壓值降低，而可達(dá)到快速觸發(fā)的功效，提升靜電保護(hù)性能。
當(dāng)一正靜電電壓在一第一節(jié)點上產(chǎn)生時，提供至一第二節(jié)點的靜電放電路徑，包括一第一晶體管及一靜電瞬時負(fù)電壓產(chǎn)生器。第一晶體管的漏極耦接至該第一節(jié)點，源極耦接至該第二節(jié)點，當(dāng)該第一節(jié)點上的該靜電電壓到達(dá)一觸發(fā)電壓值時，進(jìn)入一跳通狀態(tài)而提供該靜電放電路徑。靜電瞬時負(fù)電壓產(chǎn)生器在該靜電電壓于該第一節(jié)點上產(chǎn)生時，接收該靜電電壓而輸出一負(fù)電壓至該第一晶體管的柵極，降低該觸發(fā)電壓值。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，還包括一整流電路，接收該負(fù)電壓并進(jìn)行整流后，輸出該整流后的負(fù)電壓至該第一晶體管的柵極。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該靜電瞬時負(fù)電壓產(chǎn)生器包括一瞬時振蕩器，當(dāng)該靜電電壓在該第一節(jié)點上產(chǎn)生時，接收該靜電電壓而輸出一振蕩信號；以及一第一電容，一端連接以接收該振蕩信號，另一端耦接至該第一晶體管柵極。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，還包括一第二晶體管，其漏極與柵極共同耦接至該第一晶體管柵極，源極耦接至該第二節(jié)點。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該瞬時振蕩器包括一反向門，包括至少一反向邏輯門；一系列的反向器群，相互串連且包括一第一反向器，其輸入端連接至該反向門的輸出端，還包括一最后反向器，其輸出端連接至該反向門的第一輸入端；以及一第二電阻，耦接于該反向門的第二輸入端。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，還包括一第二電容，耦接于該反向門的第二輸入端。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該反向門為一或非門，該第二電阻還耦接至該第一節(jié)點。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該反向門為一與非門，該第二電阻還耦接至該第二節(jié)點。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，還包括一第三晶體管，其漏極與柵極共同耦接至該第一晶體管的柵極，且其源極耦接至該第二節(jié)點。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，還包括至少一二極管，串連于該第一晶體管柵極與該第二節(jié)點之間。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該至少一二極管為數(shù)個。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，還包括一開關(guān)，連接于該第一晶體管的柵極與該第二節(jié)點之間。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該第一節(jié)點為一焊墊。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該第一節(jié)點為一高電位VDD電源總線。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該第二節(jié)點為一低電位VSS電源總線。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該第一晶體管具有一厚度小于71的柵極氧化層。
1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該第一晶體管具有一厚度小于41的柵極氧化層。
所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，該第一晶體管具有一厚度小于21的柵極氧化層。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種快速觸發(fā)一集成電路的靜電保護(hù)電路的方法，該靜電保護(hù)電路包括一金氧半晶體管，其以一漏極耦接至一第一節(jié)點及以一源極耦接至一第二節(jié)點，包括以下步驟。在一靜電電壓加諸該第一節(jié)點時，產(chǎn)生一與該靜電電壓反向的負(fù)電壓以加諸于該金氧半晶體管的一柵極。
以下，結(jié)合


本發(fā)明的一種快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路的實施例。

圖1顯示了傳統(tǒng)使用柵極耦合晶體管的靜電保護(hù)電路；圖2顯示本發(fā)明第一實施例中的靜電保護(hù)電路；圖3顯示本發(fā)明第二實施例中的靜電保護(hù)電路；
圖4顯示本發(fā)明第三實施例中的靜電保護(hù)電路；圖5顯示本發(fā)明第四實施例中的靜電保護(hù)電路；圖6顯示本發(fā)明第五實施例中的靜電保護(hù)電路；圖7顯示本發(fā)明一實施例中的快速觸發(fā)一集成電路的靜電保護(hù)電路的方法。
符號說明21、31、41、51、61--靜電瞬時負(fù)電壓產(chǎn)生器；311、611--靜電瞬時振蕩器；312、612--電荷幫浦電路；32--整流電路；N1、P2、P1、N2--晶體管；C1、C2、C3--電容；R1、R2、R3--電阻；D1、D2--二極管；X1--或非門；X2、X3、X4--反向器。
具體實施例方式
圖2顯示了本發(fā)明一第一實施例中的靜電保護(hù)電路。此靜電保護(hù)電路在節(jié)點A(可為焊墊或高電位VDD電源總線與B(可為低電位VSS電源總線)之間提供靜電保護(hù)的功能，其中包括了一靜電瞬時負(fù)偏壓產(chǎn)生器21，耦接至一用以提供靜電放電路徑的分流晶體管N1的柵極。當(dāng)正靜電電壓在節(jié)點A產(chǎn)生時，靜電瞬時負(fù)偏壓產(chǎn)生器21會提供一負(fù)偏壓至分流晶體管N1的柵極，以降低分流晶體管N1進(jìn)入跳通狀態(tài)的觸發(fā)電壓而快速進(jìn)入跳通狀態(tài)，提供靜電放電的電流路徑。
依照實驗數(shù)據(jù)及電路仿真的結(jié)果，對一個具有40厚度柵極氧化層的分流晶體管N1來說，當(dāng)其柵極偏壓在-2V時，需要觸發(fā)其進(jìn)入跳通狀態(tài)的觸發(fā)電壓將會降低約1.5V。此種現(xiàn)象一部分由柵極附近的漏極接合面上的電場所造成，一部分由柵極感應(yīng)漏極漏電流(Gate Induced Drain Leakage，GIDL)所造成。柵極感應(yīng)漏極漏電流會增加在漏極接合面上的漏電流而加強(qiáng)于漏極接合面上發(fā)生的沖擊離子化現(xiàn)象。
圖3顯示了本發(fā)明一第二實施例中的靜電保護(hù)電路。與圖2的靜電保護(hù)電路類似，包括一靜電瞬時負(fù)偏壓產(chǎn)生器31，耦接至一用以提供靜電放電路徑的分流晶體管N1的柵極。此外，亦包括一電阻R3，耦接于分流晶體管N1的柵極與節(jié)點B之間。耦接于分流晶體管柵極與源極間的電容C3則可為分流晶體管的柵極-源極寄生電容或是額外的電容組件。
一種實施例的靜電瞬時負(fù)偏壓產(chǎn)生器31包括了一耦接于節(jié)點A及B之間并于節(jié)點C輸出一振蕩信號的靜電瞬時振蕩器311、一接收振蕩信號的電荷幫浦電路(charge pump circuit)312及一連接于電荷幫浦電路312與分流晶體管N1柵極間的電阻R2(其值可選擇于500--5KΩ之間)。
在正靜電電壓于節(jié)點A產(chǎn)生時，由于靜電瞬時振蕩器311輸出的振蕩信號，使節(jié)點E處會出現(xiàn)一連串的負(fù)向電壓峰波(spikes)。由電阻R2及電容C3所構(gòu)成的整流電路32接收到此電壓峰波后會在分流晶體管N1的柵極產(chǎn)生一較平整的負(fù)偏壓，而使分流晶體管N1進(jìn)入跳通狀態(tài)的觸發(fā)電壓降低。電阻R3的作用在于當(dāng)電路正常操作時，可以將分流晶體管N1柵極的電壓拉低至接近地點，以關(guān)閉晶體管N1。
在第二實施例中，電阻R2可以以“短路”取代。
圖4顯示了本發(fā)明第三實施例中的靜電保護(hù)電路。與圖3比較后可知，其在圖3的靜電保護(hù)電路中額外于節(jié)點E及B之間增加一P型晶體管P2，其柵極與漏極共同耦接至節(jié)點E。晶體管P2的作用在于調(diào)整分流晶體管N1柵極負(fù)偏壓的大小。晶體管P2會在節(jié)點E的電位低于其臨限電壓值(如-0.7V)時導(dǎo)通，而使分流晶體管N1上的負(fù)偏壓被限制(如限制于-2V)。在本實施例中，每個組件的實際大小可以依電路仿真結(jié)果及所需要的柵極負(fù)偏壓值來進(jìn)行最佳選擇。
在第三實施例中，由于在晶體管P2中已具有一寄生的p+/nwell接合面，所以二極管D1是可以移除的。此外，二極管D1在導(dǎo)通后可提供隨E點電位成指數(shù)增加的電流值，而晶體管P2在導(dǎo)通后可提供隨E點電位成四次方增加的電流值。因此，舉例來說，在正靜電電壓產(chǎn)生時，E點電位在節(jié)點B的振蕩信號拉高時會被鉗制于0.7V至1V之間，而在節(jié)點B的振蕩信號降低時會被鉗制于-0.6至-2V之間。因此，在節(jié)點E的平均電位會落于約-1V左右。
圖5顯示了本發(fā)明第四實施例中的靜電保護(hù)電路。與圖4比較后可知，圖5中的靜電保護(hù)電路使用了串連的二極管D2取代圖4中的晶體管P2。以兩個二極管D2為例，此串連的二極管D2會在節(jié)點E電位小于兩個導(dǎo)通電壓值(2×-0.7V＝-1.4V)時導(dǎo)通，使得在分流晶體管N1柵極上的平均負(fù)偏壓約在-1.5至-2V之間，以避免因該負(fù)電壓太大而造成晶體管N1的一氧化層崩潰。
圖6顯示了本發(fā)明第五實施例中的靜電保護(hù)電路，包括一靜電瞬時負(fù)偏壓產(chǎn)生器61，耦接至一用以提供靜電放電路徑的分流晶體管N1的柵極。此外，亦包括一晶體管N2，其漏極耦接至晶體管N1的柵極，源極耦接至節(jié)點B，柵極則耦接至節(jié)點F。
靜電瞬時負(fù)偏壓產(chǎn)生器61包括了一耦接于節(jié)點A及B之間并于節(jié)點C輸出一振蕩信號的靜電瞬時振蕩器611、一接收振蕩信號的電荷幫浦電路612及一連接于電荷幫浦電路612與分流晶體管N1柵極間的電阻R2。其中，電荷幫浦電路612由電容C2及二極管D1組成。靜電瞬時振蕩器611包括了電容C1、電阻R1、一反向邏輯門，如或非門(NOR gate)X1、三個反向器X2、X3及X4。當(dāng)正靜電電壓在節(jié)點A產(chǎn)生之初，隨著靜電電壓的升高，在節(jié)點C會出現(xiàn)一個振幅逐漸增加的振蕩信號，節(jié)點E上亦會隨的產(chǎn)生負(fù)向的電壓峰波。節(jié)點E上的電壓峰波經(jīng)由電阻R2及晶體管N1的柵極-源極寄生電容的低通過濾效應(yīng)后，在節(jié)點D上會產(chǎn)生一較平整、平均電位約在-1至-2V間的偏壓。電容C1及電阻R1所形成的RC時間常數(shù)的大小(約30--200ns)可使節(jié)點F的電位在人體模型靜電放電發(fā)生之初保持在低電位，使靜電瞬時振蕩器611能夠發(fā)生振蕩，而在靜電放電過程末段終止靜電瞬時振蕩器611的振蕩，同時亦在正常的電源開啟時不會使靜電瞬時振蕩器611發(fā)生振蕩。在正常的電源開啟過程中，由于節(jié)點F被拉至高電位而使晶體管N2導(dǎo)通，因此可以節(jié)點D保持在低電位而使晶體管N1處于穩(wěn)定的關(guān)閉狀態(tài)。
在圖6的實施例中，晶體管N2可以由圖3中并聯(lián)的電阻R3與電容C3代替，或者是以圖4中的電阻R3代替。此外，在圖6中的NOR門X1在電阻R1及電容C1對調(diào)后，亦可以由一NAND門代替。
圖7顯示本發(fā)明一實施例中的快速觸發(fā)一集成電路的靜電保護(hù)電路的方法。
在本實施例的快速觸發(fā)一集成電路的靜電保護(hù)電路的方法中，靜電保護(hù)電路包括一金氧半晶體管，其漏極耦接至一第一節(jié)點，此節(jié)點可為一焊墊或是一VDD電源總線，而源極耦接至一第二節(jié)點，第二節(jié)點可為一VSS電源總線。
在步驟71中，當(dāng)一靜電電壓加諸第一節(jié)點時，產(chǎn)生一振蕩信號。
在步驟72中，利用振蕩信號產(chǎn)生一與靜電電壓反向的負(fù)電壓而加諸于該金氧半晶體管的柵極。此外，在該集成電路正常操作時，該金氧半晶體管保持在關(guān)閉的狀態(tài)。
綜合上述，本發(fā)明提供一種快速觸發(fā)的靜電保護(hù)電路，在一正靜電電壓產(chǎn)生時，可在分流晶體管的柵極上產(chǎn)生一瞬時的負(fù)電壓，較傳統(tǒng)使用柵極耦合N型晶體管的靜電保護(hù)電路具有更佳的靜電保護(hù)功效，特別適用于使用柵極氧化層厚度在40以下或20以下的晶體管。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些等效更動與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種快速觸發(fā)的靜電保護(hù)電路，當(dāng)一靜電電壓在一第一節(jié)點上產(chǎn)生時，提供至一第二節(jié)點的靜電放電路徑，其特征在于，包括一第一晶體管，漏極耦接至該第一節(jié)點，源極耦接至該第二節(jié)點，當(dāng)該第一節(jié)點上的該靜電電壓到達(dá)一觸發(fā)電壓值時，進(jìn)入一跳通狀態(tài)而提供該靜電放電路徑；以及一靜電瞬時負(fù)電壓產(chǎn)生器，當(dāng)該靜電電壓在該第一節(jié)點上產(chǎn)生時，接收該靜電電壓而輸出一負(fù)電壓至該第一晶體管的柵極，降低該觸發(fā)電壓值。
2.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，還包括一整流電路，接收該負(fù)電壓并進(jìn)行整流后，輸出該整流后的負(fù)電壓至該第一晶體管的柵極。
3.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該靜電瞬時負(fù)電壓產(chǎn)生器包括一瞬時振蕩器，當(dāng)該靜電電壓在該第一節(jié)點上產(chǎn)生時，接收該靜電電壓而輸出一振蕩信號；以及一第一電容，一端連接以接收該振蕩信號，另一端耦接至該第一晶體管柵極。
4.如權(quán)利要求3所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，還包括一第二晶體管，其漏極與柵極共同耦接至該第一晶體管柵極，源極耦接至該第二節(jié)點。
5.如權(quán)利要求3所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該瞬時振蕩器包括一反向門，包括至少一反向邏輯門；一系列的反向器群，相互串連且包括一第一反向器，其輸入端連接至該反向門的輸出端，還包括一最后反向器，其輸出端連接至該反向門的第一輸入端；以及一第二電阻，耦接于該反向門的第二輸入端。
6.如權(quán)利要求5所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，還包括一第二電容，耦接于該反向門的第二輸入端。
7.如權(quán)利要求5所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該反向門為一或非門，該第二電阻還耦接至該第一節(jié)點。
8.如權(quán)利要求5所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該反向門為一與非門，該第二電阻還耦接至該第二節(jié)點。
9.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，還包括一第三晶體管，其漏極與柵極共同耦接至該第一晶體管的柵極，且其源極耦接至該第二節(jié)點。
10.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，還包括至少一二極管，串連于該第一晶體管柵極與該第二節(jié)點之間。
11.如權(quán)利要求10所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該至少一二極管為數(shù)個。
12.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，還包括一開關(guān)，連接于該第一晶體管的柵極與該第二節(jié)點之間。
13.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該第一節(jié)點為一焊墊。
14.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該第一節(jié)點為一高電位VDD電源總線。
15.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該第二節(jié)點為一低電位VSS電源總線。
16.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該第一晶體管具有一厚度小于71的柵極氧化層。
17.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該第一晶體管具有一厚度小于41的柵極氧化層。
18.如權(quán)利要求1所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路，其特征在于，該第一晶體管具有一厚度小于21的柵極氧化層。
19.一種快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路的方法，快速觸發(fā)一集成電路，該靜電保護(hù)電路包括一金氧半晶體管，其以一漏極耦接至一第一節(jié)點及以一源極耦接至一第二節(jié)點，其特征在于，包括以下步驟在一靜電電壓加諸該第一節(jié)點時，產(chǎn)生一與該靜電電壓反向的負(fù)電壓以加諸于該金氧半晶體管的一柵極。
20.如權(quán)利要求19所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路的方法，其特征在于，還包括以下步驟在該集成電路操作時，使該金氧半晶體管保持在關(guān)閉的狀態(tài)。
21.如權(quán)利要求19所述的快速觸發(fā)靜電保護(hù)電路的方法，其特征在于，還包括以下步驟利用該靜電電壓產(chǎn)生一振蕩信號而提供該負(fù)電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種快速觸發(fā)的靜電保護(hù)電路，在一正靜電電壓產(chǎn)生時，可在分流晶體管的柵極上產(chǎn)生一瞬時的負(fù)電壓。本發(fā)明的靜電保護(hù)電路較傳統(tǒng)使用柵極耦合N型晶體管(GCNMOS)的靜電保護(hù)電路具有更佳的靜電保護(hù)功效，特別適用于使用柵極氧化層厚度在40或以下的晶體管。
文檔編號H02H3/20GK1501561SQ02151340
公開日2004年6月2日 申請日期2002年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者林錫聰, 陳偉梵, 連振炘 申請人:華邦電子股份有限公司