采用柵極浮置方案的esd保護系統(tǒng)及其控制電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于內(nèi)部電路的ESD保護系統(tǒng)。該ESD保護系統(tǒng)包括：連接在第一域的第一焊盤與第二焊盤之間的ESD鉗位器件；預(yù)驅(qū)動器，該預(yù)驅(qū)動器的輸出端連接至ESD鉗位器件的柵極；連接在預(yù)驅(qū)動器與內(nèi)部電路之間的ESD控制電路；以及連接至ESD控制電路的瞬變檢測單元，該瞬變檢測單元被配置為從第一域的第一焊盤檢測ESD瞬變。瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時向控制電路輸出第一信號。作為響應(yīng)，控制電路使預(yù)驅(qū)動器在ESD鉗位器件的柵極處輸出高阻態(tài)，從而浮置該ESD鉗位器件的柵極。
【專利說明】
采用柵極浮置方案的ESD保護系統(tǒng)及其控制電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明總體涉及集成電路(IC)設(shè)計，更具體地，涉及采用柵極浮置方案的ESD保護電路。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電保護對于集成電路的保護是一個重要的問題。由于靜電電荷具有相對較高的電壓(可能為幾千伏)，所以需要靜電放電(ESD)保護電路來保護半導(dǎo)體器件免受靜電電荷的損害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于內(nèi)部電路的ESD保護系統(tǒng)，包括:ESD鉗位器件，連接在第一域的第一焊盤與第二焊盤之間；預(yù)驅(qū)動器，該預(yù)驅(qū)動器的輸出端連接至ESD鉗位器件的柵極;ESD控制電路，連接在預(yù)驅(qū)動器與內(nèi)部電路之間；以及瞬變檢測單元，連接至ESD控制電路，瞬變檢測單元被配置為從第一域的第一焊盤檢測ESD瞬變;其中，瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時向ESD控制電路輸出第一信號，并且ESD控制電路使預(yù)驅(qū)動器在ESD鉗位器件的柵極處輸出高阻態(tài)，從而浮置ESD鉗位器件的柵極。
[0004]優(yōu)選地，瞬變檢測單元被布置為與第一域的第一焊盤容性耦合。
[0005]優(yōu)選地，ESD鉗位器件是MOSFET器件。
[0006]優(yōu)選地，預(yù)驅(qū)動器連接在第二域的焊盤與接地端之間。
[0007]優(yōu)選地，預(yù)驅(qū)動器包括第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件。
[0008]優(yōu)選地，瞬變檢測單元包括第一瞬變檢測電路和第二瞬變檢測電路，其中，第一瞬變檢測電路連接在ESD鉗位器件的柵極與第二域的接地端之間，并且第二瞬變檢測電路連接在第二域的焊盤與接地端之間。
[0009 ]優(yōu)選地，瞬變檢測電路的每一個都包括阻性元件和容性元件。
[0010]優(yōu)選地，ESD控制電路包括第一邏輯或門，第一邏輯或門的第一輸入端和第二輸入端分別連接至第一瞬變檢測電路和第二瞬變檢測電路，以接收第一瞬變檢測電路和第二瞬變檢測電路生成的輸出信號。
[0011 ]優(yōu)選地，ESD控制電路還包括邏輯非門，邏輯非門的輸入端連接至第一邏輯或門的輸出端。
[0012]優(yōu)選地，ESD控制電路還包括邏輯與門和第二邏輯或門，邏輯與門和第二邏輯或門的輸出端連接至預(yù)驅(qū)動器;其中，第二邏輯或門的第一輸入端和第二輸入端分別連接至內(nèi)部電路的輸出端和邏輯非門的輸出端;其中，邏輯與門分別連接至內(nèi)部電路的輸出端和第一邏輯或門的輸出端。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于內(nèi)部電路的ESD保護電路，內(nèi)部電路通過連接在第二域中的預(yù)驅(qū)動器連接至連接在第一域中的ESD鉗位器件，ESD保護電路包括:瞬變檢測單元，瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時輸出第一信號；以及ESD控制電路，連接在內(nèi)部電路與預(yù)驅(qū)動器之間，其中，ESD控制電路被配置為接收瞬變檢測單元的輸出；其中，響應(yīng)于第一信號，ESD控制電路使預(yù)驅(qū)動器進入高阻態(tài)，從而使ESD鉗位器件與第二電源域斷開。
[0014]優(yōu)選地，瞬變檢測單元與第一域的焊盤容性耦合。
[0015]優(yōu)選地，瞬變檢測單元包括:焊盤;第一瞬變檢測電路，連接在ESD鉗位器件的柵極與第二域的接地端之間；以及第二瞬變檢測電路，連接在第二域的焊盤與接地端之間。
[0016]優(yōu)選地，瞬變檢測電路的每一個都包括阻性元件和容性元件。
[0017]優(yōu)選地，ESD控制電路包括第一邏輯或門，第一邏輯或門的輸入端連接至第一瞬變檢測電路和第二瞬變檢測電路，以接收第一瞬變檢測電路和第二瞬變檢測電路生成的輸出信號。
[0018]優(yōu)選地，ESD控制電路還包括邏輯非門，邏輯非門的輸入端連接至第一邏輯或門的輸出端。
[0019]優(yōu)選地，ESD控制電路還包括邏輯與門和第二邏輯或門，邏輯與門和第二邏輯或門的輸出端分別連接至預(yù)驅(qū)動器;其中，第二邏輯或門的輸入端分別連接至內(nèi)部電路的輸出端和邏輯非門的輸出端；以及其中，邏輯與門的輸入端分別連接至內(nèi)部電路的輸出端和第一邏輯或門的輸出端。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種ESD保護系統(tǒng)，包括:第一域，包括焊盤和接地端;第二域，包括焊盤和接地端;上拉器件，連接在第一域的焊盤與第二域的焊盤之間；第一預(yù)驅(qū)動器，第一預(yù)驅(qū)動器的輸出端連接至上拉器件的柵極;第一 ESD控制電路，連接至第一預(yù)驅(qū)動器并且被配置為接收來自第一內(nèi)部電路的信號;第一瞬變檢測單元，連接至第一 ESD控制電路，第一瞬變檢測單元被配置為從第一域的焊盤檢測ESD瞬變;ESD鉗位器件，連接在第一域的焊盤與第一域的接地端之間;第二預(yù)驅(qū)動器，第二預(yù)驅(qū)動器的輸出端連接至ESD鉗位器件的柵極;第二 ESD控制電路，連接至第二預(yù)驅(qū)動器并且被配置為接收來自第二內(nèi)部電路的信號；以及第二瞬變檢測單元，連接至第二ESD控制電路并且被配置為從第一域的焊盤檢測ESD瞬變;其中，第一瞬變檢測單元和第二瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時分別向第一ESD控制電路和第二ESD控制電路輸出信號；和其中，第一ESD控制電路和第二ESD控制電路分別使第一預(yù)驅(qū)動器和第二預(yù)驅(qū)動器在上拉器件和ESD鉗位器件的柵極處輸出高阻態(tài)，從而浮置上拉器件的柵極和ESD鉗位器件的柵極。
[0021 ] 優(yōu)選地，上拉器件是MOSFET器件。
[0022]優(yōu)選地，第二瞬變檢測單元與第一域的焊盤容性耦合。
【附圖說明】
[0023]當結(jié)合附圖進行閱讀時，根據(jù)下面詳細的描述可以更好地理解本發(fā)明。應(yīng)該強調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標準實踐，各種部件沒有被按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。
[0024]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用ESD保護電路的集成電路器件的一部分的框圖。
[0025]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用ESD保護電路的集成電路器件的一部分的原理圖。
[0026]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在正常操作條件期間利用ESD保護電路的集成電路器件的一部分的原理圖。
[0027]圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在ESD應(yīng)力下利用ESD保護電路的集成電路器件的一部分的原理圖。
[0028]圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用ESD保護方案的集成電路器件的一部分的原理圖。
[0029]圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用ESD保護方案的集成電路器件的一部分的原理圖。
[0030]圖7是示出了利用柵極耦合ESD保護方案的集成電路器件的原理圖。
[0031 ]圖8是示出了利用柵極耦合ESD保護方案的集成電路器件的原理圖。
【具體實施方式】
[0032]以下公開內(nèi)容提供了許多不同實施例或?qū)嵗?，用于實現(xiàn)所提供主題的不同特征。以下將描述組件和布置的特定實例以簡化本發(fā)明。當然，這些僅是實例并且不意欲限制本發(fā)明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接觸的實施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之間的附件部件使得第一部件和第二部件不直接接觸的實施例。另外，本發(fā)明可以在多個實例中重復(fù)參考標號和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，并且其本身不指示所討論的各個實施例和/或配置之間的關(guān)系。
[0033]此外，為了便于描述，本文中可以使用諸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等空間關(guān)系術(shù)語以描述如圖所示的一個元件或部件與另一元件或部件的關(guān)系。除圖中所示的方位之外，空間關(guān)系術(shù)語意欲包括使用或操作過程中的器件的不同的方位。裝置可以以其他方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空間關(guān)系描述可同樣地作相應(yīng)的解釋。
[0034]在半導(dǎo)體芯片封裝的處理中，靜電放電(ESD)可導(dǎo)致對芯片上的半導(dǎo)體器件的損害。片上(on-chip)保護電路用于提供安全的放電路徑。保護電路基本上就是開關(guān)，該開關(guān)在正常的電路工作期間斷開而在芯片的管腳處存在高壓時的ESD事件期間閉合。
[0035]實際上，諸如多指結(jié)構(gòu)的地-柵極(ground-gate)n型MOS器件(GGnMOS)的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)器件已經(jīng)用作ESD保護器件。然而，柵極接地的方案在某些應(yīng)用中并不是最好的選擇。例如，柵極接地的方案通常利用柵極耦合技術(shù)來升高ESD鉗位器件(如，nMOS)的柵極電壓，其中，ESD鉗位器件的柵極通過柵極耦合電路而耦合至本地VDD焊盤。然而，這種柵極升壓技術(shù)不適用于缺少上拉路徑的電路(如，開漏輸出電路)，其中，缺少上拉路徑導(dǎo)致不能生成足夠的電壓來驅(qū)動ESD鉗位器件的柵極。另外，在跨電源域(cross power domain)電路中，柵極接地的方案有時不能如預(yù)期一樣工作。特別地，在ESD條件下，ESD用作一個或多個隨機選擇的焊盤的暫態(tài)(brief)電源，而剩余的焊盤保持浮置或接地。在這種隨機條件下，復(fù)雜電路器件中的組件之間的交織式交互會以不期望的方式影響ESD保護模塊的操作。
[0036]圖7是示出了利用柵極耦合ESD保護方案的集成電路器件的原理圖。具體地，示例性器件包括跨電源域電路部分，該跨電源域電路部分包括布置在電源焊盤SW與多個接地焊盤(如，Gl、G2、G3)和二極管串(如，Dl、D2)之間的ESD開關(guān)器件750。觸發(fā)電路720連接在SW和Gl焊盤之間，并且連接至ESD開關(guān)器件750的柵極，以升高柵極電壓。通常，根據(jù)SW和Gl焊盤之間的電勢差來選擇觸發(fā)電路720的觸發(fā)電壓。即，當在Gl與SW焊盤之間發(fā)生ESD事件時，相關(guān)的瞬變電壓足以激活觸發(fā)電路720，即，升高ESD開關(guān)器件750的柵極電壓，因此觸發(fā)開關(guān)器件750的溝道導(dǎo)通，以消耗相關(guān)的ESD能量。然而，當在G3(或者甚至是G2)與SW焊盤之間發(fā)生ESD事件時，通過二極管串(如，D1/D2)產(chǎn)生的分壓會導(dǎo)致沒有足夠的電壓使觸發(fā)電路720來執(zhí)行適當?shù)臇艠O升壓操作。
[0037]圖8是示出了利用柵極耦合ESD保護方案的集成電路器件的原理圖。具體地，示例性器件包括跨電源域電路部分，該跨電源域電路部分包括布置在電源焊盤SW(如，屬于第一電源域)與接地焊盤G2之間的ESD開關(guān)器件850。接地焊盤G2還通過二極管串(如，Dl、D2)與接地焊盤G3連接。ESD開關(guān)器件850的柵極通過接地焊盤Gl和電路820而連接至VDD電源線(如，屬于局部電源域)。另外，在VDD電源線與接地焊盤G3之間局部設(shè)有有源ESD鉗位電路852。在ESD事件期間，有效的局部ESD器件(諸如有源ESD鉗位電路852)有可能產(chǎn)生分壓，從而使ESD電壓低于觸發(fā)電路820的預(yù)期的觸發(fā)閾值，因此妨礙觸發(fā)電路820的操作。
[0038]相比之下，柵極浮置的ESD方案在某些應(yīng)用中勝過柵極接地方案。例如，在一些情況下，使用柵極接地方案的ESD保護器件會需要更高的電壓(如，Vgs)。相比之下，驅(qū)動開關(guān)器件(如，匪OS器件)的柵極開路(如，至高阻態(tài))會比將其柵極電壓升高至足以觸發(fā)溝道導(dǎo)通的高電平更容易實現(xiàn)。當開關(guān)器件的柵極浮離于電路的其余部分時，該開關(guān)器件溝道動作主要取決于ESD感應(yīng)的電容(如，Cgd)電壓，因此將開關(guān)的柵極觸發(fā)至導(dǎo)電狀態(tài)，以利于消耗相關(guān)的ESD能量。
[0039]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的利用ESD保護電路的集成電路器件的一部分的框圖。特別地，示例性集成電路器件包括:內(nèi)部電路110，其輸出端連接至ESD控制電路120 ；連接至ESD控制電路120的瞬變檢測單元130 ；連接至ESD保護電路120的輸出端的預(yù)驅(qū)動器140;以及連接至預(yù)驅(qū)動器140的輸出端的ESD鉗位器件150。
[0040]內(nèi)部電路110通常包括尤其容易受到ESD損害且作為主要ESD保護目標的復(fù)雜電路元件。ESD鉗位器件150可以是具有足夠的電流傳導(dǎo)能力的開關(guān)器件。ESD鉗位器件150可以設(shè)置在第一電源域的接合焊盤(如，全局電源域的pad I)與第一電源域的接地端(如，第一域的pad 2)之間。在一些實施例中，ESD鉗位器件150可以是具有合適的溝道類型的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件。ESD MOSFET器件通常包括固有地與其并聯(lián)的寄生雙極結(jié)型晶體管(BJT)，并且可用于在ESD電應(yīng)力(stress)下為ESD瞬變提供安全的放電路徑。在一些實施例中，將ESD鉗位器件150設(shè)置為多指結(jié)構(gòu)的η型MOSFET的形式。多指ESDMOSFET器件中的各多指結(jié)構(gòu)之間的延伸區(qū)域有助于分散由ESD瞬變而突然產(chǎn)生的電應(yīng)力，因此增加ESD保護機制的總體魯棒性。
[0041]預(yù)驅(qū)動器140可以是連接至ESD鉗位器件150并被配置為對鉗位器件150提供控制的輸出驅(qū)動器。例如，預(yù)驅(qū)動器140可以連接至ESD鉗位器件150的柵極。特別地，預(yù)驅(qū)動器140被配置為在正常操作期間接收來自內(nèi)部電路110的輸出信號，并因此控制ESD鉗位器件150(如，I/O晶體管)的操作，以使能去向/來自pad I的信號。如圖1所示，預(yù)驅(qū)動器140通常連接在第二電源域(如，局部電源域)的VDD焊盤與VSS焊盤之間。在一些實施例中，預(yù)驅(qū)動器140可以實施為具有相反的溝道類型的一對MOSFET器件，這對器件的漏極節(jié)點相互連接并形成連接至ESD鉗位器件150的柵極的輸出端。
[0042]將瞬變檢測單元130與padI配置為容性耦合。特別地，雖然瞬變檢測單元130可以不與pad I直接物理連接，但它以這種方式配置:一旦在pad I上發(fā)生ESD事件時，ESD瞬變電壓的高幅值將引起pad I與瞬變檢測單元130之間的容性耦合。因此，瞬變檢測單元130對正常操作條件下的電路的總體操作產(chǎn)生最小的影響。然而，在ESD應(yīng)力下，ESD瞬變電壓用作隔離IC中的一個或多個焊盤的暫態(tài)電源，而其他焊盤保持浮置或接地。由于其他焊盤接地，所以當ESD用作電源(通常在隨機選擇的焊盤處)時，保護機制以與其在正常操作期間不同的方式而動作。特別地，當發(fā)生ESD事件時，與pad I的容性親合能夠向瞬變檢測單元130提供感應(yīng)電壓，反過來，該感應(yīng)電壓又為ESD保護機制的操作供電。一旦檢測到ESD瞬變，瞬變檢測單元130向控制電路120輸出指示信號，以觸發(fā)ESD保護機制的后續(xù)操作。
[0043]ESD控制電路120連接在內(nèi)部IC 110與預(yù)驅(qū)動器140之間?？刂齐娐?20還被配置為接收來自瞬變檢測單元130的輸出。ESD控制電路120可包括被配置為使預(yù)驅(qū)動器140在ESD鉗位器件150的柵極處輸出高阻態(tài)的電路，其中，當檢測到ESD應(yīng)力條件時，響應(yīng)于瞬變檢測單元130的輸出，上述預(yù)驅(qū)動器140才在ESD鉗位器件150的柵極處輸出高阻態(tài)，從而將ESD鉗位器件150的柵極與電路的剩余部分斷開(浮置)(如，將ESD鉗位器件150的柵極與局部電源域的VDD/VSS焊盤斷開)。根據(jù)模擬，柵極浮置ESD方案在某些應(yīng)用中，尤其對于全硅化大開關(guān)匪OS器件來說優(yōu)于柵極接地方案。例如，在一些情況下，對于使用柵極接地方案的ESD保護器件來說，需要大于3V的電壓Vgs。相反，在本發(fā)明中，驅(qū)動開關(guān)器件(如，NMOS器件)的柵極開路(如，高阻態(tài))比將其柵極電壓升高至足以觸發(fā)溝道導(dǎo)通的高電平更容易實現(xiàn)。當開關(guān)器件的柵極浮離于電路的剩余部分時，該開關(guān)器件的溝道動作主要取決于ESD感應(yīng)的電容(如，Cgd)電壓，從而將開關(guān)器件的柵極觸發(fā)至導(dǎo)通狀態(tài)，以利于相關(guān)的ESD能量的消耗。
[0044]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的利用ESD保護電路的集成電路器件的一部分的原理圖。特別地，示例性集成電路器件包括:內(nèi)部電路210，其輸出端連接至ESD控制電路220的輸入端;連接至ESD控制電路220的另一輸入端的瞬變檢測單元230 ；預(yù)驅(qū)動器240，其輸入端連接至ESD控制電路220的輸出端；以及ESD鉗位器件250，其輸入端連接至預(yù)驅(qū)動器240的輸出端。
[0045]內(nèi)部電路210通常包括特別容易受到ESD損害且作為主要ESD保護目標的復(fù)雜電路元件。ESD鉗位器件250設(shè)置在第一電源域(如，全局電源域)的接合焊盤(如，pad 1，通過節(jié)點π3)與接地焊盤(如，pad 2)之間。ESD鉗位器件250可以是具有足夠的電流傳導(dǎo)能力的開關(guān)器件。在一些實施例中，ESD鉗位器件250是具有合適的溝道類型的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件。ESD MOSFET器件通常包括固有地與其并聯(lián)的寄生雙極結(jié)型晶體管(BJT)，并且可用于在ESD應(yīng)力下為ESD瞬變提供安全的放電路徑。在一些實施例中，ESD鉗位器件250設(shè)置為多指結(jié)構(gòu)的η型MOSFET的形式。
[0046]預(yù)驅(qū)動器240可以是連接至ESD鉗位器件250的柵極節(jié)點的輸出驅(qū)動器。將預(yù)驅(qū)動器240配置為在正常操作期間接收來自內(nèi)部電路210的輸出信號，并因此控制ESD鉗位器件250 (如，I/0晶體管)的操作，以使能去向/來自pad I的信號。特別地，預(yù)驅(qū)動器240包括連接在第二電源域(如，局部電源域)的VDD焊盤與VSS焊盤之間的第一開關(guān)器件242和第二開關(guān)器件244。在一些實施例中，第一和第二開關(guān)器件242/244可以實施為具有相反的溝道類型的一對MOSFET器件，該對器件的柵極分別連接至內(nèi)部電路210和ESD控制電路220并通過內(nèi)部電路210和ESD控制電路220來選擇性地控制，而該對器件的漏極節(jié)點相互連接并形成至ESD鉗位器件250的柵極的輸出端。
[0047]瞬變檢測單元230被布置為與padI容性耦合。本實例的瞬變檢測單元230包括分別與第一電源域的pad I容性耦合的第一瞬變檢測電路232和第二瞬變電路234。物理地，第一瞬變檢測電路232連接在ESD鉗位器件250的柵極(如，通過節(jié)點nl)與第二電源域的VSS焊盤之間。另外，第一瞬變檢測電路232提供至ESD控制電路220(如，至ESD控制電路220的第一邏輯或門222的第一輸入端)的輸出。另一方面，第二瞬變檢測電路234連接在第二電源域的VDD(如，通過節(jié)點n2)與VSS焊盤之間，并且同樣地被配置為提供至ESD控制電路220(如，至第一邏輯或門222的第二輸入端)的輸出。雖然瞬變檢測電路232、234可以不與pad I直接物理連接，但它以這種方式配置:當pad I上發(fā)生ESD事件時，ESD瞬變的浪涌幅值將引起瞬變檢測電路232、234與pad I之間的容性耦合。因此，由于正常操作期間位于相應(yīng)的接合焊盤(如，SW/C0M、VDD/VSS)處的電壓電平?jīng)]有高到足以激活瞬變檢測單元230，所以瞬變檢測電路232/234在正常的操作條件下對電路的總體操作產(chǎn)生最小的影響。然而，在ESD應(yīng)力下，與pad I的容性耦合能夠向瞬變檢測電路232/234提供感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)而又對ESD保護機制的操作供電。當檢測到ESD瞬變時，瞬變檢測電路232/234分別向控制電路220輸出指示信號，以觸發(fā)ESD保護機制的后續(xù)操作。
[0048]控制電路220連接在內(nèi)部電路210與預(yù)驅(qū)動器240之間。而且，將控制電路220配置為接收來自瞬變檢測電路232/234的輸出。ESD控制電路220包括被配置為控制預(yù)驅(qū)動器240在ESD鉗位器件250的柵極處輸出高阻態(tài)的電路，其中，當檢測到ESD應(yīng)力時，響應(yīng)于瞬變檢測單元230的輸出，上述預(yù)驅(qū)動器240才在ESD鉗位器件250的柵極處輸出高阻態(tài)，從而使ESD鉗位器件250的柵極浮離于電路的剩余部分(如，使ESD鉗位器件250的柵極與局部電源域的VSS/VDD焊盤斷開)。特別地，本實例的ESD控制電路220包括第一邏輯或門222，該第一邏輯或門222的輸入端分別連接至第一和第二瞬變檢測電路232、234，以接收第一和第二瞬變檢測電路232、234所生成的輸出信號。另外，邏輯非門224設(shè)置在ESD控制電路220中，邏輯非門224的輸入端連接至第一邏輯或門222的輸出端?？刂齐娐?20還包括第二邏輯或門226和邏輯與門228，第二邏輯或門226和邏輯與門228的輸出端分別連接至預(yù)驅(qū)動器240。特別地，邏輯或門和邏輯與門226/228的輸出端可分別連接至預(yù)驅(qū)動器240的第一和第二開關(guān)器件242、244的柵極。另一方面，第二邏輯或門226的輸入端分別連接至內(nèi)部電路210的輸出端和邏輯非門224的輸出端，而邏輯與門228的輸入端分別連接至內(nèi)部電路210的輸出端和第一邏輯或門222的輸出端。
[0049]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在正常操作條件期間利用ESD保護電路的集成電路器件的一部分的原理圖。本實例的總體布置基本類似于前述實施例，并且使用基本相同的標號來描述類似的元件。然而，如圖3所示，本實例中的第一和第二瞬變檢測電路232、234分別通過阻性元件R1/R2和容性元件C1/C2來實施。另外，預(yù)驅(qū)動器240通過連接在第二電源域的VDD與VSS焊盤之間的P溝道MOSFET器件PSl和η溝道MOSFET器件NSl來實施。特別地，第一瞬變檢測電路232的輸出端連接至第一邏輯或門222的一個輸入端。類似地，第二瞬變檢測電路234的輸出端連接至第一邏輯或門222的另一個輸入端。另一方面，P溝道MOSFET器件PSl的柵極連接至第二邏輯或門226的輸出端，而η溝道MOSFET器件NSl的柵極連接至邏輯與門228的輸出端。
[0050]在正常操作期間，將相應(yīng)的接合焊盤(如，SW/⑶M、VDD/VSS)處的電壓電平調(diào)節(jié)(moderate)在指定的工作范圍內(nèi)。集成電路器件工作的工作電壓范圍通常不足以高到激活瞬變檢測電路232/234。例如，將示例性瞬變檢測電路232/234配置為輸出指示信號，該指示信號代表與輸入信號的頻率基本成反比的阻態(tài)(由于瞬變檢測電路的阻抗通常符合關(guān)系式Z=l/(iwC)，其中Z表示阻抗，w表示信號頻率，以及C表示電容)。由于正常操作期間從VDD至第二瞬變檢測電路234的信號通常包括低頻率，所以第二瞬變檢測電路234在正常操作條件下通常處于高阻態(tài)，因此向第一邏輯或門222的一個輸入端輸出高狀態(tài)指示信號(如，表示值T的信號)。
[0051]向第一邏輯或門222輸入高狀態(tài)指示信號(如，值“I”)保證無論第一邏輯或門222的另一個輸入端的值(如，來自第一瞬變檢測電路232的輸出端)如何，都從第一邏輯或門222輸出高狀態(tài)指示信號。將第一邏輯或門222的輸出分別提供給邏輯非門224的輸入端和邏輯與門228的輸入端。因此，邏輯與門228的一個輸入端接收高狀態(tài)指示信號(如，值“I”)。另一方面，從第一邏輯或門222至邏輯非門224的高狀態(tài)信號的輸入產(chǎn)生向第二邏輯或門226的輸入端輸出低狀態(tài)信號(如，值“O” )。
[0052]同時，將內(nèi)部電路210的輸出分別提供給第二邏輯或門226和邏輯與門228的第二輸入端。由于第二邏輯或門226的一個輸入端接收低狀態(tài)信號(如，“O”)以及邏輯與門228的一個輸入端接收高狀態(tài)信號(如，“I”)，所以預(yù)驅(qū)動器240的P溝道和η溝道MOSFET器件PSl/NSl的開關(guān)動作因此主要通過內(nèi)部電路210的輸出來確定。例如，如果內(nèi)部電路210輸出高狀態(tài)信號，則第二邏輯門226將在其一個輸入端處接收來自邏輯非門224的低狀態(tài)信號，而在其另一個輸入端處接收來自內(nèi)部電路210的高狀態(tài)信號，從而為P溝道MOSFET器件PSl的柵極生成高狀態(tài)信號。相反，如果內(nèi)部電路210輸出低狀態(tài)信號，則第二邏輯門226將分別在每個輸入端處接收低狀態(tài)信號，從而根據(jù)內(nèi)部電路210的輸出生成低狀態(tài)信號。類似地，以類似方式通過內(nèi)部電路210的輸出來控制邏輯與門228的輸出。
[0053]因此，在正常操作模式中，通過內(nèi)電路210的控制信號相應(yīng)地指示ESD鉗位器件250的動作。因此，實際上，在集成電路器件的正常操作期間，ESD控制電路停用并進入休眠模式，因此對總體電路工作產(chǎn)生最小的影響。
[0054]圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的在ESD應(yīng)力下利用ESD保護電路的集成電路器件的一部分的原理圖。當在第一電源域的pad I處發(fā)生ESD事件時，ESD瞬變的沖擊幅值將引起節(jié)點η I與n3之間(pad I與ESD鉗位器件250的柵極之間)的容性耦合以及節(jié)點n2與n3之間(VDD焊盤與pad I之間)的容性耦合。作為上述節(jié)點之間的容性耦合的結(jié)果，在上述節(jié)點之間生成耦合電壓以驅(qū)動ESD保護電路的操作。
[0055]具體地，由于瞬變檢測電路232/234的阻抗與輸入信號的頻率成反比，所以與ESD瞬變相關(guān)的高頻信號將使得瞬變檢測電路232/234分別向第一邏輯或門222的輸入端輸出低狀態(tài)指示信號(如，表示值“O”的信號)。向第一邏輯或門222的輸入端輸入低狀態(tài)指示信號使得在第一邏輯或門222的輸出端處生成低狀態(tài)信號(如，“O”)。將第一邏輯或門222的輸出分別提供給邏輯非門224的輸入端和邏輯與門228的輸入端。因此，邏輯與門228在其一個輸入端處接收低狀態(tài)指示信號。另一方面，從第一邏輯或門222向邏輯非門224輸入的低狀態(tài)信號為第二邏輯或門226的輸入端產(chǎn)生了高狀態(tài)信號(如，“I”)的輸出。
[0056]由于第二邏輯或門226的一個輸入端接收高狀態(tài)信號(如，“I”)以及邏輯與門228的一個輸入端接收低狀態(tài)信號(如，“O”)，所以P溝道和η溝道MOSFET器件PS1/NS1的開關(guān)動作將通過ESD控制電路來控制。例如，不管來自內(nèi)部電路210的輸出信號如何，第二邏輯或門226(在其一個輸入端處接收來自邏輯非門224的高狀態(tài)信號)的輸出將向p溝道MOSFET器件PSl的柵極輸出高狀態(tài)信號。同樣地，不管來自內(nèi)部電路210的輸出信號如何，邏輯與門228(其接收來自第一邏輯或門222的低狀態(tài)信號)的輸出將向η溝道匪OSFET器件NSl的柵極輸出低狀態(tài)信號。而且，可以在集成電路沒有工作的同時發(fā)生上述ESD事件，因此在這種情況下，內(nèi)部電路210的輸出通常為低狀態(tài)。
[0057]響應(yīng)于來自第二邏輯或門226的高狀態(tài)信號，P溝道MOSFET器件PSl的柵極截止(等效于PSl處斷開開關(guān))。類似地，響應(yīng)于來自邏輯與門228的低狀態(tài)信號，η溝道MOSFET器件NSl的柵極截止(等效于NSl處斷開開關(guān))JSl和NSl開關(guān)的斷開使得預(yù)驅(qū)動器240輸出高阻態(tài)。因此，預(yù)驅(qū)動器240斷開從VDD/VSS焊盤至ESD鉗位器件250的柵極的電路連接，從而使ESD鉗位器件浮離于電路的其余部分(如，浮離于第二電源域的VDD/VSS焊盤)。由于匪OS開關(guān)器件的柵極浮離于電路的其余部分，所以NMOS開關(guān)器件的溝道動作變得主要取決于感應(yīng)的容性(如，Cgd)電壓，因此將NMOS開關(guān)的柵極觸發(fā)為導(dǎo)電狀態(tài)，以利于相關(guān)的ESD能量的消耗，而不是通過VDD焊盤升高柵極電壓。
[0058]圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的利用ESD保護方案的集成電路器件的一部分的原理圖。具體地，圖5示出了在PMOS拉高方案中根據(jù)本發(fā)明實施現(xiàn)ESD保護電路的柵極浮置機制。
[0059]特別地，本實例的集成電路器件包括:第一電路部分501a，該第一電路部分設(shè)置有包括上拉器件(如，P型ESD鉗位器件550a)的上拉路徑；以及第二電路部分501b，該第二電路部分利用前述實例中討論的容性耦合方案。具體地，第一電源域(如，全局域)的pad I分別連接至P型ESD鉗位器件550a和η型ESD鉗位器件550b的漏極節(jié)點。P型ESD鉗位器件550a的源極節(jié)點連接至第二電源域的VDD I焊盤處的節(jié)點n2a(形成上拉路徑)，并且p型ESD鉗位器件550a的柵極節(jié)點連接至第一預(yù)驅(qū)動器540a的輸出端。因此，在本示例性電路中，P型ESD鉗位器件550a用作上拉器件。同樣地，η型ESD鉗位器件550b的源極節(jié)點連接至第一電源域的接地焊盤(如，pad 2)，而η型ESD鉗位器件550b的柵極連接至第二預(yù)驅(qū)動器540b的輸出端。
[0000] 第一和第二預(yù)驅(qū)動器540a/540b的每一個都分別包括一對開關(guān)器件(如，開關(guān)器件542a/544a和542b/544b)。第一預(yù)驅(qū)動器540a的開關(guān)器件542a和544a連接在第二電源域的焊盤VSS I與VDD I之間，而第二預(yù)驅(qū)動器540b的開關(guān)器件542b和544b連接在第三電源域的焊盤VDD 2與VSS 2之間。根據(jù)應(yīng)用，VDD I/VSS I焊盤和VDD 2/VSS 2焊盤可以屬于相同或不同的電源域。開關(guān)器件542a/544a(以及542b/544b)可以是具有相反的導(dǎo)電類型的開關(guān)器件(如，η型MOSFET 和P 型M0SFET)。
[0061 ] 第一瞬變檢測單元530a設(shè)置在第一電路部分501a中。第一瞬變檢測單元530a包括第一瞬變檢測電路532a和第二瞬變檢測電路534a。具體地，第一瞬變檢測電路532a設(shè)置在第一ESD鉗位器件550a的柵極與VSS I焊盤之間。第二瞬變檢測電路534a設(shè)置在VDD I焊盤與VSS I焊盤之間。將瞬變檢測電路532a/534a的每一個都配置為例如通過連接至第一ESD控制電路520a的第一邏輯或門522a的輸入端來為第一電路部分501a的ESD控制電路520a(稱為第一 ESD控制電路520a)提供輸出。
[0062]類似地，第二瞬變檢測單元530b設(shè)置在第二電路部分501b中。第二瞬變檢測單元530b包括第三瞬變檢測單元532b和第四瞬變檢測單元534b。具體地，第三瞬變檢測電路532b設(shè)置在第二ESD鉗位器件550b的柵極與VSS 2焊盤之間，而第四瞬變檢測電路534b設(shè)置在VDD 2與VSS 2焊盤之間。而且，將第三和第四瞬變檢測電路532b、534b布置為與pad I容性耦合。將瞬變檢測電路532b/534b的每一個都配置為例如通過連接至第二 ESD控制電路520b的第一邏輯或門522b的輸入端來為第二電路部分501b的ESD控制電路520b(稱為第二ESD控制電路520b)提供輸出。如前述實例所述，瞬變檢測電路532a/534a的每一個都可以包括阻性元件和容性元件。
[0063]第一ESD控制電路520a連接在第一內(nèi)部電路510a與第一預(yù)驅(qū)動器540a之間，并被配置為接收來自瞬變檢測電路532a/534a的輸出信號。第一ESD控制電路520a包括被配置為使第一預(yù)驅(qū)動器540a在第一ESD鉗位器件550a的柵極處輸出高阻態(tài)的電路，其中，當檢測到ESD應(yīng)力時，響應(yīng)于瞬變檢測電路532a/534a的輸出，上述第一預(yù)驅(qū)動器540a在第一ESD鉗位器件550a的柵極處輸出高阻態(tài)，從而浮置第一 ESD鉗位器件550a的柵極。具體地，第一 ESD控制電路520a包括第一邏輯或門522a，該第一邏輯或門522a的輸入端分別連接至第一和第二瞬變檢測電路532a、534a，以接收從第一和第二瞬變檢測電路532a、534a生成的輸出信號。第一 ESD控制電路520a還包括邏輯非門524a，該邏輯非門524a的輸入端連接至第一邏輯或門522a的輸出端。而且，以與前述實例所述類似的布置，邏輯與門528a和第二邏輯或門526a設(shè)置在第一ESD控制電路520a中，邏輯與門528a和第二邏輯或門526a的輸出端分別連接至第一預(yù)驅(qū)動器540a。特別地，第二邏輯或門526a和邏輯與門528a的輸出端分別連接至第一預(yù)驅(qū)動器540a的開關(guān)器件542a、544a的輸入節(jié)點。另一方面，第二邏輯或門526a的輸入端分別連接至第一內(nèi)部電路510a的輸出端和邏輯非門524a的輸出端，而邏輯與門528a的輸入端分別連接至第一內(nèi)部電路51 Oa的輸出端和第一邏輯或門5 2 2a的輸出端。
[0064]相比之下，第二ESD控制電路520b連接在第二內(nèi)部電路510b與第二預(yù)驅(qū)動器540b之間，并被配置為接收來自瞬變檢測電路532b/534b的輸出信號。第二ESD控制電路520b包括被配置為使第二預(yù)驅(qū)動器540b在第二 ESD鉗位器件550b的柵極處輸出高阻態(tài)的電路，其中，當檢測到ESD應(yīng)力時，響應(yīng)于來自瞬變檢測電路532b/534b的輸出，上述第二預(yù)驅(qū)動器540b才在第二 ESD鉗位器件550b的柵極處輸出高阻態(tài)，從而浮置第二 ESD鉗位器件550b的柵極。具體地，本實例的第二 ESD控制電路520b使用與第一 ESD控制電路520a相當?shù)牟贾?，并包括第一邏輯或門522b，該第一邏輯或門522b的輸入端分別連接至第三和第四瞬變檢測電路532b、534b。第二 ESD控制電路520b還包括邏輯非門524b，該邏輯非門524b的輸入端連接至第一邏輯或門522b的輸出端。而且，以與上述布置類似的布置，邏輯與門528b和第二邏輯或門526b設(shè)置在第二ESD控制電路520b中，邏輯與門528b和第二邏輯或門526b的輸出端分別連接至第二預(yù)驅(qū)動器540b。特別地，第二邏輯或門526b和邏輯與門528b的輸出端分別連接至第二預(yù)驅(qū)動器540b的開關(guān)器件542b、544b的輸入節(jié)點。另一方面，第二邏輯或門526b的輸入端分別連接至第二內(nèi)部電路510b的輸出端和邏輯非門524b的輸出端，而邏輯與門528b的輸入端分別連接至第二內(nèi)部電路51 Ob的輸出端和第一邏輯或門522b的輸出端。
[0065]該示例性集成電路器件的操作基本類似于前述實例的柵極浮置ESD保護方案，因此為了本發(fā)明的簡潔不再重復(fù)。
[0066]圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的利用ESD保護方案的集成電路器件的一部分的原理圖。具體地，圖6示出了在匪OS拉高方案中根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)ESD保護電路的柵極浮置機制。
[0067]具體地，本實例的集成電路器件包括與前述實例(如，圖5的)基本相同的布置，并且與前述實例的不同之處在于使用η型ESD鉗位器件650a(如，η溝道MOSFET器件)來代替p型ESD鉗位器件550a。由于剩余的組件布置基本與前述實例相當，所以為了本發(fā)明的簡潔而省略對應(yīng)細節(jié)的重復(fù)描述。
[0068]因此，本發(fā)明的一個方面提供了一種用于內(nèi)部電路的ESD保護系統(tǒng)。該ESD保護系統(tǒng)包括:連接在第一域的焊盤與地之間的ESD鉗位器件;預(yù)驅(qū)動器，該預(yù)驅(qū)動器的輸出端連接至ESD鉗位器件的柵極;連接在預(yù)驅(qū)動器與內(nèi)部電路之間的ESD控制電路；以及連接至ESD控制電路的瞬變檢測單元，該瞬變檢測單元被配置為從第一域的焊盤檢測ESD瞬變。瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時向控制電路輸出第一信號。作為響應(yīng)，控制電路使預(yù)驅(qū)動器在ESD鉗位器件的柵極處輸出高阻態(tài)，從而浮置該ESD鉗位器件的柵極。
[0069]因此，本發(fā)明的另一方面提供了一種用于內(nèi)部電路的ESD保護電路，內(nèi)部電路通過連接在第二域中的預(yù)驅(qū)動器連接至連接在第一域中的ESD鉗位器件。該保護電路包括:瞬變檢測單元；以及連接在內(nèi)部電路與預(yù)驅(qū)動器之間的ESD控制電路，該ESD控制電路被配置為接收瞬變檢測單元的輸出。瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時輸出第一信號。響應(yīng)于第一信號，ESD控制電路使預(yù)驅(qū)動器進入高阻態(tài)，從而使ESD鉗位器件與第二電源域斷開。
[0070]因此，本發(fā)明的一個方面提供了一種ESD保護系統(tǒng)。該ESD保護系統(tǒng)包括:連接在第一域的焊盤與第二域的焊盤之間的上拉器件；第一預(yù)驅(qū)動器，其輸出端連接至上拉器件的柵極;連接至第一預(yù)驅(qū)動器的第一 ESD控制電路，該第一 ESD控制電路被配置為接收來自第一內(nèi)部電路的信號;連接至第一 ESD控制電路的第一瞬變檢測單元，該第一瞬變檢測單元被配置為從第一域的焊盤檢測ESD瞬變;連接在第一域的焊盤與第一域的地之間的ESD鉗位器件;第二預(yù)驅(qū)動器，其輸出端連接至ESD鉗位器件的柵極;連接至第二預(yù)驅(qū)動器的第二 ESD控制電路，該第二ESD控制電路被配置為接收來自第二內(nèi)部電路的信號；以及連接至第二ESD控制電路的第二瞬變檢測單元，該第二瞬變檢測單元被配置為從第一域的焊盤檢測ESD瞬變。第一和第二瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時分別向第一和第二 ESD控制電路輸出信號。作為響應(yīng)，第一和第二 ESD控制電路分別使第一和第二預(yù)驅(qū)動器在上拉器件和ESD鉗位器件的柵極處輸出高阻態(tài)，從而浮置上拉器件和ESD鉗位器件的柵極。
[0071]上面論述了多個實施例的特征使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解本發(fā)明的各個方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，他們可以容易地以本公開為基礎(chǔ)設(shè)計或修改用于執(zhí)行與本文所述實施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點的其他工藝和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)該意識到，這些等效結(jié)構(gòu)不背離本發(fā)明的精神和范圍，并且可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種變化、替換和改變。
【主權(quán)項】
1.一種用于內(nèi)部電路的ESD保護系統(tǒng)，包括: ESD鉗位器件，連接在第一域的第一焊盤與第二焊盤之間； 預(yù)驅(qū)動器，所述預(yù)驅(qū)動器的輸出端連接至所述ESD鉗位器件的柵極； ESD控制電路，連接在所述預(yù)驅(qū)動器與所述內(nèi)部電路之間；以及瞬變檢測單元，連接至所述ESD控制電路，所述瞬變檢測單元被配置為從所述第一域的第一焊盤檢測ESD瞬變； 其中，所述瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時向所述ESD控制電路輸出第一信號，并且所述ESD控制電路使所述預(yù)驅(qū)動器在所述ESD鉗位器件的柵極處輸出高阻態(tài)，從而浮置所述ESD鉗位器件的柵極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述瞬變檢測單元被布置為與所述第一域的第一焊盤容性耦合。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述ESD鉗位器件是MOSFET器件。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述預(yù)驅(qū)動器連接在第二域的焊盤與接地端之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述預(yù)驅(qū)動器包括第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述瞬變檢測單元包括第一瞬變檢測電路和第二瞬變檢測電路，其中，所述第一瞬變檢測電路連接在所述ESD鉗位器件的柵極與第二域的接地端之間，并且所述第二瞬變檢測電路連接在所述第二域的焊盤與接地端之間。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述瞬變檢測電路的每一個都包括阻性元件和容性元件。8.—種用于內(nèi)部電路的ESD保護電路，所述內(nèi)部電路通過連接在第二域中的預(yù)驅(qū)動器連接至連接在第一域中的ESD鉗位器件，所述ESD保護電路包括: 瞬變檢測單元，所述瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時輸出第一信號；以及ESD控制電路，連接在所述內(nèi)部電路與所述預(yù)驅(qū)動器之間，其中，所述ESD控制電路被配置為接收所述瞬變檢測單元的輸出； 其中，響應(yīng)于所述第一信號，所述ESD控制電路使所述預(yù)驅(qū)動器進入高阻態(tài)，從而使所述ESD鉗位器件與第二電源域斷開。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電路，其中，所述瞬變檢測單元與所述第一域的第一焊盤容性規(guī)A柄口 O10.一種ESD保護系統(tǒng)，包括: 第一域，包括焊盤和接地端； 第二域，包括焊盤和接地端； 上拉器件，連接在所述第一域的焊盤與所述第二域的焊盤之間； 第一預(yù)驅(qū)動器，所述第一預(yù)驅(qū)動器的輸出端連接至所述上拉器件的柵極； 第一 ESD控制電路，連接至所述第一預(yù)驅(qū)動器并且被配置為接收來自第一內(nèi)部電路的信號； 第一瞬變檢測單元，連接至所述第一 ESD控制電路，所述第一瞬變檢測單元被配置為從所述第一域的焊盤檢測ESD瞬變； ESD鉗位器件，連接在所述第一域的焊盤與所述第一域的接地端之間； 第二預(yù)驅(qū)動器，所述第二預(yù)驅(qū)動器的輸出端連接至所述ESD鉗位器件的柵極； 第二 ESD控制電路，連接至所述第二預(yù)驅(qū)動器并且被配置為接收來自第二內(nèi)部電路的信號；以及 第二瞬變檢測單元，連接至所述第二 ESD控制電路并且被配置為從所述第一域的焊盤檢測ESD瞬變； 其中，所述第一瞬變檢測單元和所述第二瞬變檢測單元在檢測到ESD瞬變時分別向所述第一 ESD控制電路和所述第二 ESD控制電路輸出信號;和 其中，所述第一ESD控制電路和所述第二ESD控制電路分別使所述第一預(yù)驅(qū)動器和所述第二預(yù)驅(qū)動器在所述上拉器件和所述ESD鉗位器件的柵極處輸出高阻態(tài)，從而浮置所述上拉器件的柵極和所述ESD鉗位器件的柵極。
【文檔編號】H01L27/02GK105895629SQ201510847256
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年11月27日
【發(fā)明人】曾仁洲, 黃建富
【申請人】臺灣積體電路制造股份有限公司