【発明の詳細な説明】
相補性MOS回路技術による“ラッチアップ”保護回路を有する集積回路
この発明は、請求項1の前文による相補性MO3回路技術による“ラッチアップ
”保護回路を有する集積回路に関するものである。
相補性MO3回路技術によるこの形式の集積回路では、サイリスクに類似してい
る寄生的なpnpn経路が供給電圧と接地電位との間に生ずる。この寄生的な4
層構造は擾乱により、たとえば電流パルスにより、または半導体層における印加
された供給電圧の上方または下方スイングにより点弧され得る。正常状態から高
導電状態への移行、すなわちこの4層構造の点弧は“ラッチアンプと呼ばれる。
“ラッチアップ゛の理解のために、ウェル状の半導体領域のなかに位置している
第1のチャネル形の電界効果トランジスタの1つの端子とこの領域の外側で半導
体基板の上に置かれている第2のチャネル形の電界効果トランジスタの1つの端
子との間に一般に4つのキ目続く交互の導電形の半導体層が存在しており、前者
のトランジスタの一方の端子領域は第1の単導体層を、ウェル状の単導体領域は
第2の半導体層を、半導体基板は第3の半導体層を、また後者のトランジスタの
一方の端子領域は第4の半導体層を形成することから出発される。この構成に基
づいて1つの寄生的なバイポーラPnPまたはnpnトランジスタが生ずる。p
npバイポーラトランジスタのコレクタはnpnバイポーラトランジスタのベー
スに、またpnpバイポーラトランジスタのベースはnpnバイポーラトランジ
スタのコレクタに相当する。この構造はサイリスタにおけるように層列ρnpn
の4層ダイオードを形成する。半導体基板の正のバイアス電圧の際には第3の半
導体層と第4の半導体層との間のpn接合が、前記のトランジスタ端子の間にこ
の4層構造のなかの1つの寄生的なサイリスク作用に原因を帰すべき1つの電流
経路が生ずるほどに導通方向にバイアスされ得る。電流経路はその後に正の基板
バイアス電圧の消滅の後も残留し、また集積回路を熱的に過負荷し得る。
“ラッチアップ”効果は専門書、単導体エレクトロニクス14、エイチ、ヴアイ
ス(H,Weiss) 、ケイ、ホーニンガー(K、I(orntnger)“
集積MO3回路”の第109〜112頁に記載されている。第109頁の第3.
6図には塊状シリコンのなかの1つの相補性トランジスタ対が示されており、そ
の際に第3.7c図には追加的に“ラッチアンプ”効果に対して決定的に意味の
ある寄生的な横方向および縦方向バイポーラトランジスタが記載されている。
これまで、集積回路内のたとえばデータ出力端および出力段のように特に“ラッ
チアップ”効果による範囲の問題を3種類の解決策により減するべく試みられた
。一方では、CMO3出力段においてウェル状半導体領域の電位を“ブースト”
することが試みられた。このことは、たとえばnドープされているウェル状半導
体領域の電位を供給電圧■。、を越えて高めることを意味する。この第1の解決
可能性ではウェル状半導体領域は、追加的なウェルバイアス電圧発生器から供給
されなければならない1つの固定電位、または外部から追加的な端子により与え
られる1つの固定電位と接続されている。第2の解決可能性は純粋なNMO3出
力段を使用するものであり、その際に第1の解決可能性の場合のような追加的な
ウェルバイアス電圧発生器は必要でない。この際には、半導体基板における基板
バイアス電圧により、集積回路の作動中□の“ラッチアップ”の可能性を排除す
ることが試みられる。第3の解決可能性は、エイチ、ピー。ザッベ()I 、
P、Zappe)はか”浮動ウェルCMO3およびラッチアップ”、IEDM8
5、第517〜520頁(1985年12月9日)に記載されているように、”
浮動する′°ウェル状状溝導体領域使用するものである。ウェル状半導体領域は
この場合、ウェル状半導体領域のなかに位置す゛るMOS)ランジスタの寄生的
なソース−ドレイン−pn接合を介してのみ“外界”と接続されており、それに
よりベース電流は寄生的な縦方向バイポーラトランジスタを通って流れ得ない。
最後にあげた解決可能性は、MOSトランジスタパラメータが悪化し、ウェル状
半導体領域を経ての漏れ電流が高くなり、また寄生的p n p’n接合のホー
ルド電圧が減するという欠点をもたらす、純粋なNMOS出力段の使用により、
たとえばスイッチング速度の点での不満足な回路特性ならびに出力信号の高状態
でのレベル問題が生ずる。後者は確かに出力信号の“ブースト“により回避され
得るが、再び追加的な費用および大きい占有面積を必要とする。″ラッチアップ
”の可能性を減するのにウェルバイアス電圧発生器を使用する第1の解決可能性
では、追加的配線ならびにウェルバイアス電圧発生器のための追加的な占有面積
を必要とすることが不利である。
本発明の課題は、冒頭に記載した種類の回路であって、“ラッチアップ”効果の
生起がほぼ回避される回路を提供することである。この課題は、本発明によれば
、請求項1の特徴部分による回路の構成により解決される。
請求項2ないし7には本発明の有利な構成があげられている。
本発明により得られる利点は特に、本発明による回路によればMOS)ランジス
タの回路特性が影響されず、また本発明による回路が1つの固定電位を有するウ
ェル状の単導体領域に対しても可変電位を有するウェル状の半導体領域に対して
も適していることにある。さらに本発明による回路に対する占有面積は非常に小
さい、なぜならば、そのために1つの追加的な回路要素しか必要とされないから
である。
本発明の2つの実施例ならびに1つの実現可能性が第2図、第4図および第5図
に示されており、以下に一層詳細に説明される。
第1図はバイパストランジスタを有する出力段の等価回路図、第2図はウェル状
半導体領域が1つの固定電位と接続されている、0MO3出力トランジスタを有
する1つのCMOS出力段の断面図、
第3図はバイパストランジスタを有する、ダイオードまたは負荷要素として接続
されている1つのpチャネルMOSトランジスタの等価回路図、
第4図はウェル状半導体領域が1つの固定電位と接続されていない、バイパスト
ランジスタを有する、ダイオードまたは負荷要素として接続されている1つのp
チャネルMO3)ランジスタの断面図、
第5図は第3図および第4図中に示されている回路によるバイパストランジスタ
を有する、ダイオードまたは負荷要素として接続されている1つのPチャネルM
OSトランジスタの具体例であ第1図にはバイパストランジスタBTを有する1
つのCMOS出力段の等価回路図が示されている。1つの存在する端子KLはこ
の際供給電圧■。と接続されている。CMOS出力段は直列に接続されている2
つの相補性電界効果トランジスタT1およびT2を含んでおり、その際にpチャ
ネル電界効果トランジスタTIはそのソースおよび基板端子により供給電圧■、
に接続されており、またnチャネル電界効果トランジスタT2はそのソース端子
により接地電位VS3と接続されている。pチャネル電界効果トランジスタT1
およびnチャネル電界効果トランジスタT2のゲート端子G1、G2は共通にC
MOS出力段の入力端INを形成しており、他方においてpチャネル電界効果ト
ランジスタT1およびnチャネル電界効果トランジスタT2のドレイン端子は出
力端OUTと接続されている。、nチャネル電界効果トランジスタT2の基板端
子は選択的に1つの基板バイアス電圧に、または接地電位V+t+/Vssと接
続され得る。
CMOS出力段の本発明による部分は、正の過電圧を出力端OUTから供給電圧
■。へ伝達するバイパストランジスタBTの組み込みに関する。このためにpチ
ャネルバイパストランジスタBTのソース、基板およびゲート端子は供給電圧V
DDと、またドレイン端子は出力端OUTと接続されている。過電圧が生じない
正常作動中はバイパストランジスタBTは阻止する。供給電圧■。
とバイパストランジスタの流れ電圧との和よりも大きい正の過電圧が出力端Ot
J Tに与えられると、バイパストランジスタBTは導通状態となり、また出力
端OUTにおける正の過電圧は崩壊される。バイパストランジスタBTはその際
に追加的に電荷キャリアを吸い出し、またそれにより寄生的バイポーラトランジ
スタのなかの゛ラッチアンプ”の生起に必要なトリガ電流を高める。
第1図中に示されているCMOS出力段の1つの断面が第2図に示されている。
ドープされた半導体材料、たとえばp形シリコンから成る1つの半導体基h P
sunのなかに、境界面PCまで延びている1つのn形つェル状の半導体領域
Nwが挿入されている。
ウェル状の半導体領域N、1の外側には半導体基板のなかに、1つのnチャネル
電界効果トランジスタT2のソースおよびドレイン領域を形成するn゛ ドープ
された半導体領域N1、N2が挿入されており、他方においてウェル状の単導体
領域N1の内側には、pチャネル電界効果トランジスタT1およびpチャネルバ
イパストランジスタBTのソースおよびドレイン領域を形成する3つの20 ド
ープされた単導体領域Pi、P2およびP3が存在している。p゛ ドープされ
た単導体領域P1はpチャネル電界効果トうンジスタP1のソース端子に対して
、またpo ドープされた半導体領域P3はpチャネルバイパストランジスタB
Tのソース端子に対して利用され、po ドープされた半導体領域P2はPチャ
ネル電界効果トランジスタT1およびpチャネルバイパストランジスタBTの共
通のドレイン端子を形成している。第2図に示さ′れている例では電界効果トラ
ンジスタTIおよびT2は1つのCMOS出力段として構成されており、n゛
ドープされた半導体領域N1はnチャネル電界効果トランジスタT2のソース端
子として接地電位V1mと接続されており、またn゛ ドープされた半導体領域
N2はnチャネル電界効果トランジスタT2のドレイン端子としてCMOS出力
段の出力端OUTを形成している。p′″ ドープされた半導体領域P2は同じ
く出力端○UTに接続されており、他方においてpo ドープされた半導体領域
P1は同じ電界効果トランジスタのソース端子として供給電圧vnoと接続され
ている。
CMOS出力段に対する1つの入力信号は入力MINを介して第1および第2の
電界効果トランジスタT1、T2のゲート領域C1およびG2に伝達され、他方
において1つの出力信号が出力端OUTから取り出され得る。po ドープされ
た半導体基板p sumは、第2図中に記入されているように、1つの追加的な
P゛ ドープされた半導体領域P4を介して接地電位と、または1つの基板バイ
アス電圧■。/V++mと接続されており、他方においてn形つェル状の半導体
領域N8は1つのn゛ ドープされた半導体領域N3を介して供給電圧■、と接
続されている。
CMOS出力段の本発明にとって主要な部分は出力端OUTと供給電圧VDDと
の間のpチャネルバイパストランジスタBTの組み込みである。このために、p
o ドープされた半導体領域P2により形成されるバイパストランジスタのドレ
イン端子は出力端OUTと、またpo ドープされた半導体領域P3により実現
されるソース端子およびゲート端子CBはともに供給電圧■。と接続されている
。認識されるように、バイパストランジスタBTは比較的簡単な仕方でpo ド
ープされた半導体領域P3に対する1つの追加的なp゛拡散より、また1つの追
加的なMOSゲートCBにより実現され得る。バイパストランジスタBTのドレ
イン端子は、同じくpチャネル電界効果トランジスタT1に対するドレイン端子
として利用されるpo ドープされた半導体令頁域P2である。
“ラッチアップ”効果の危険はn導電性の半導体領域N1、p・ドープされた半
導体基板PSLIB s n導電性のウェル状の半導体領域N8およびpo ド
ープされた半導体領域P2の間のp n、 p n構造により、pn接合の1つ
が導通方向の極性にされているときには常に与えられている。この場合には、1
つの4Nダイオードに類似するpnpn構造がサイリスクの場合のように点弧さ
れ得る。
その場合、接合部もしくは導線を溶融するような高い電流がpn出力端0TJT
に生じ、またp9 ドープされた半導体領域P2に与えられる正の過電圧は、過
電圧の大きさが供給電圧■。とバイパストランジスタの順方向電圧との和を超過
するときには常にpチャネルバイパストランジスタBTを経て供給電圧■。へ導
き出される。バイパストランジスタBTは、第1図で既に説明したように、追加
的な電荷キャリアを吸い出し、またこれによって“ラフチアツブ”効果の生起の
ために必要なトリガ電流を高める。その際に重要なことは、バイパストランジス
タBTがpチャネル電界効果トランジスタT1のpn接合の順方向電圧よりも小
さい順方向電圧を有することである。
“ラッチアップ”の危険を減するために、バイパストランジスタBTは特に、負
荷要素またはダイオードとして接続されているpチャネルMOSトランジスタの
n形つェル状の半導体領域Nいが第1の電位、たとえば供給電圧VIIDではな
く、回路技術上の理由から可変電位に接続されているときに通している。第3図
には1つのこのように接続されているMOSトランジスタT1の等価回路が示さ
れている。端子AとBとの間に接続されているpチャネル電界効果トランジスタ
T1に、第3図によれば、1つのpチャネルバイパストランジスタBTが並列に
接続されている。このためにPチャネル電界効果トランジスタT1の第1の端子
ならびに基板端子およびゲー)tl域およびpチャネルバイパストランジスタB
Tの第1の端子ならびにその基板端子は端子Aと、またpチャネル電界効果I・
ランリスクT1の第1の端子およびゲート端子およびバイパストランジスタBT
の第2の端子は端子Bと接続されている。正常作動中は、端子Aは1つの正の電
位に、また端子Bは1つの負の電位にある。この際には1つの寄生的な縦方向バ
イポーラトランジスタは能動化されず、また“ラッチアップ”に通じない、擾乱
の際または集積回路のその他の回路要素のスイッチングの際に端子Bが端子Aよ
りも正の電位を受けると、端子Bが端子Aにおける電位とpチャネル電界効果ト
ランジスタT1のpn接合の順方向電圧(約0,7V)との和よりも大きい1つ
の電位を有するときには常に“ラッチアップ”の生起が不可避である。バイパス
トランジスタBTの追加的な組み込みにより、端子Bにおける電圧がバイパスI
・ランリスクの順方向電圧と端子Aにおける電圧との和よりも大きいときには、
バイパストランジスタが導通状態となる。この場合、端子Aは低抵抗で端子Bと
接続されている、1つの縦方向の寄生的バイポーラトランジスタの能動化による
“ラッチアップ”のトリガはこうして困難にされる。
第3図に示されている等価回路の1つの実現が第4図に示されている。この際に
、po ドープされた単導体領域P 3L1mのなかに埋め込まれているn形つ
ェル状の半導体領域N。は第2図の場合のように固定電位と接続されておらずに
、可変電位とno ドープされた半導体領域N4を介して端子Aと接続されてい
る。
n形つェル状の半導体領域N。は第2図の場合と同じく境界面PCまで延びてお
り、またpチャネル電界効果トランジスタT1ならびに並列に接続されているp
チャネルバイパストランジスタBTを含んでいる。pチャネル電界効果トランジ
スタT1は2つのpo ドープされた半導体領域P1およびP2とゲート領域G
1とから構成されており、pチャネル電界効果トランジスタT1の第1の端子を
成すpo ドープされた半導体領域PLは端子Aと接続されており、またpチャ
ネル電界効果トランジスタT1の第2の端子を成すpo ドープされた半導体領
域P2は端子Bのゲート領域G1と接続されている。並列に接続されているバイ
パストランジスタはp” ドープされた半導体領域P2およびP3ならびにゲー
H3域GBにより実現されており、po ドープされた半導体領域P3はバイパ
ストランジスタの第1の端子を成し、またゲート領域CBおよび端子Aと接続さ
れており、またpo ドープされた半導体領域P2はバイパストランジスタの第
2の端子を成している。po ドープされた半導体領域P2はこうして二重機能
を満足する。それは一方ではPチャネル電界効果トランジスタT1の第2の端子
を成し、また他方ではpチャネルバイパストランジスタBTの第2の端子を形成
している。これによりバイパストランジスタの特に簡単な実現が、第2図の説明
で既に述べたように、バイパストランジスタに対してpo ドープされた半導体
領域P3に対する1つの追加的なp゛拡散よび1つの追加的なゲート令頁域CB
が構成されるだけでよいことによって、保証されている。
第3図および第4図に示されている回路による1つのバイパストランジスタBT
を有する、ダイオードまたは負荷要素として接続されている1つのpチャネルM
OSトランジスタT1のレイアウトによる1つの実現が第5図に上から見た平面
図で示されている。寄生的な導線キャパシタンスを回避するため、ゲート領域G
1およびCBならびにpo ドープされた半導体領域P2およびP3はU字状に
po ドープされた半導体領域P1の回りに配置されている。第3図および第4
図によるpチャネルMOSトランジスタT1およびPチャネルバイパスI・ラン
リスタBTの細部が第5図のレイアウト巾でどこに配置されているかを明らかに
するため、第3図および第4図中で選ばれた参照符号が同じく第5図中に使用さ
れている。第5図による平面図から認識されるように、p0ドープされた半導体
$頁域P1、ゲート領域C1およびp゛ドープれた半導体領域P2はPチャネル
MO3)ランリスタT1を形成しており、po ドープされた半導体名頁域P2
は同じ(ゲート領域CBおよびpo ドープされた半導体領域P3と共通にpチ
ャネルバイパストランジスタBTを成している。第5図によれば、pチャネル電
界効果トランジスタT1の第1の端子として使用されるp“ ドープされた半導
体領域P1は帯状に構成されており、また端子Aと接続されている。pチャネル
電界効果トランジスタT1に属するゲーHi域G1と、po ドープされた半導
体領域P2により示されている電界効果トランジスタT1の第2の端子とはそれ
ぞれU字状にp2 ドープされた半導体令頁域P1の回りに配置されている。こ
の際にpチャネル電界効果トランジスタT1の第2の端子は端子Bと、また1つ
の電気接MB2を介してゲート領域G1と接続されている。ゲート領域G1およ
びpo ドープされた半導体領域P2のU字状配置は、先ずゲート領域G1がp
゛ドープれた半導体領域P1の回りに配置されており、またゲート領域G1の回
りにpo ドープされた半導体令頁域P2が位置するように構成されており、そ
の際にゲーI−領域G1はpo ドープされた半導体領域P1、P2およびP3
により仮想的に張られている1つの平面の上に配置されており、また20 ドー
プされた半導体領域P1およびP2に対して1つの薄い絶縁層により隔てられて
いる。pチャネル電界効果トランジスタT1およびpチャネルバイパストランジ
スタBTに対する第2の端子として利用されるp。
ドープされた半導体領域P2の回りにはゲート領域CBが、またゲート領域CB
の回りにはp′″ ドープされた半導体領域P3が構成されている。両ゲーHJ
I域G1およびCBに対するゲート材料としてはたとえばポリシリコンが使用さ
れ得る。pチャネルバイパストランジスタBTの第1の端子をも成すp′″ ド
ープされた半導体領域P3は1つの別の電気接続B3を介してpチャネルバイパ
ストランジスタBTのゲート領域CBと接続されている。再びゲート領域CBは
p” ドープされた半導体領域P1、P2およびP3により仮想的に張られてい
る1つの平面の上に配置されており、またpo ドープされた半導体領域P2#
よびP3に対して1つの薄い絶縁層により隔てられている。第5図にはさらに、
n″′′ドープた半導体領域N4が帯状にp+ ドープされた半導体領域P3の
回りに自由に選定可能な間隔で配置されており、また電気接MBIを介して端子
Aと接続されていることが示されている。
第4図によれば、no ドープされた半導体領域N4は第5図に破線でn3ドー
プされた半導体領域N4の外側に示されているnドープされたウェル状半導体領
域N、への電気接触部を成している。
上記の実施例とならんで本発明は、n形の基板がp形のウェル状半導体領域を設
けられている実施例をも含んでいる。その際にすべての半導体領域の導電形およ
びすべての電圧の極性はそれぞれ逆にされる。
FIG i FIo 2
FIG 3 FIG 4
IG 5
国際調査報告
国際調査報告
DE88006ミュ