Brevet FR2630867A1 — publié le 19891103

CIRCUIT-INTÉGRÉ PROTÉGÉ CONTRE LES DÉCHARGES ELECTROSTATIQUES La présente invention concerne les circuits intégrés. Les circuits-integres devenant de plus en plus complexes et leurs motifs devenant par conséquent de plus en plus fins, on s'est aperçu qu'ils devenaient plus sensibles aux risques de destruction par des décharges électrostatiques. Les décharges électrostatiques sont des surtensions à fronts de montée très raides qui peuvent être appliquées intempestivement aux bornes extérieures du circuit-intégré dans des circonstances diverses. Ces circonstances peuvent etre tout simplement une manipulation du circuit par un opérateur dont les doigts sont portes par des phé- nomènes atmosphériques (sécheresse de l'air, frottements) à des potentiels électrostatiques élevés. Des décharges électrostatiques peuvent apparaître aussi a certains stades de la fabrication ou du test du circuit; c'est le cas notamment au moment du test du circuit, lorsque des pointes de test sont appliques sur le circuit qui n'est pas au départ au même potentiel que l'appareil de test ; c'est le cas aussi lors du montage du circuit-intégré sur une plaque de circuit imprime: la machine d'insertion automatique peut insérer un composant qui se trouve à un potentiel électrostatique très différent de celui de la plaque; c'est encore le cas pendant la soudure à la vague des composants de la plaque de circuit imprimé.Les décharges électros tatiques sont d'autant plus nocives que. la géométrie des motifs de circuit-intégré est plus fine : d'une part si les motifs sont très fins le circuit ne présentera pas de capacités élevées susceptibles d'atténuer les fronts de tension et courants circulant dans les éléments de circuit pendant la décharge ; d'autre part, les éléments de géométrie très fine seront facilement détruits par un courant de décharge relativement faible. On essaye donc de plus en plus de protéger les circuits contre des décharges intempestives. Cette protection consiste essentiellement è prévoir, entre une borne de circuit è protéger et les bornes d'alimentation du circuit, des diodes qui dérivent le courant de la décharge vers les bornes d'alimentation. Un exemple de telle disposition est représenté è la figure 1. On a dessiné symboliquement une puce de circuit-intégré ayant plusieurs bornes d'entrEe-sortie parmi lesquelles on peut distinguer une borne d'alimentation (borne A), une borne de référence de potentiel (borne de masse Q et des bornes d'entrée ou de sortie de signaux (bornes de signaux B, C, D, E). On se sert des bornes d'alimentation pour évacuer le courant des décharges électrostatiques apparaissant sur les autres bornes. Cette évacuation est faite grâce è des diodes connectées entre les bornes è protéger et les bornes d'alimentation, la connexion étant faite bien entendu dans un sens qui ne perturbe pas le fonctionnement normal du circuit. C'est ce qui est représenté è la figure 1: par exemple on cherche è protéger le circuit contre une surtension susceptible d'apparaître sur la borne de signal B. On prévoit alors dans le circuit une première diode D1 reliée entre la borne B et la borne d'alimentation A, et une deuxième diode D2 reliée entre la borne B et la borne de référence M. On peut supposer que la borne d'alimentation A fournit un potentiel d'alimentation positif par rapport è la borne de référence M. Dans ce cas, l'anode de la diode D1 est reliée è la borne B et sa cathode è la borne A, et la cathode de la diode D2 est reliée è la borne B et son anode à la borne M. Si une décharge électrostatique de potentiel positif élevé se présente sur la borne B, elle est dérivée par la diode D1 vers la borne A et vers l'alimentation è laquelle cette borne est reliée. Si au contraire une décharge électrostatique négative se présente, elle est dérivée par la diode D2 vers la borne de référence M et donc également vers l'alimentation à laquelle elle est reliée. Dans les deux cas le circuit intégré est protégé (et on suppose que l'alimentation du circuit est également protégée). Il suffit de prévoir que les diodes D1 et D2 sont suffisamment grosses pour supporter le courant qui va les traverser pendant la décharge. Les dimensions des diodes sont d'ailleurs calculées pour qu'elles fassent chuter très rapidement le potentiel de la décharge afin qu'aucun autre élément du circuit-intégré n'ait eu le temps d'être endommagé par le potentiel présent sur la borne B. Le problème de ce type de protection est qu'elle repose sur la présence de l'alimentation entre les bornes A et M pour permettre l'évacuation de la surcharge. En effet, si l'alimentation n'est pas présente, c'est-à-dire si la borne A ou la borne M est en l'air (déconnectée), la protection ne fonctionne plus de la même manière : en présence d'une décharge positive, un courant ne peut véritablement être évacué par la diode D1 que s'il trouve un chemin d'évacuation après cette diode Comme la borne A est déconnectée, le chemin ne peut exister que vers l'intérieur du circuit-intégré, è travers des éléments de circuit (résistances, capcacités, transistors, etc.) plus ou moins fragiles. Le potentiel entre la borne A et la borne M peut monter et détruire ceux des éléments les plus fragiles. Ce problème est d'autant plus important que la réduction des dimensions des éléments de circuit rend ceux-ci plus fragiles et diminue les capacités parasites qui auraient tendance è atténuer les fronts de montée des tensions de décharge électrostatiques. Comme on l'a dit plus haut, les circonstances dans lesquelles des décharges électrostatiques peuvent apparaître sont fréquemment des circonstances dans lesquelles le circuit-intégré n'est pas ou pas encore connecté è son alimentation è l'instant où la décharge se produit. La présente invention a pour but l'amélioration de la protection des ciruits-intégrés contre les décharges électrostatiques, y compris lorsque le circuit n'est pas raccordé è son alimentation. Selon l'invention, on propose un circuit-intégré protégé contre les décharges électrostatiques, comprenant au moins une borne de signal (B) è protéger, une borne d'alimentation (A), et une borne de référence (M), avec au moins une diode (D1) reliée entre la borne è protéger et la borne d'alimentation pour dériver vers cette dernière un courant issu d'une décharge électrostatique sur la borne à protéger, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de protection. à seuil entre la borne d'alimentation et la borne de référence, ce circuit présentant une haute impédance en l'absence de décharge électrostatique et devenant conducteur avec une faible résistance au passage du courant lorsque la tension entre la borne d'alimentation et la borne de référence dépasse un seuil déterminé. Ce circuit de protection peut être essentiellement réalisé à partir d'une diode Zener (définissant un seuil de tension) et d'un transistor placé entre la borne de référence et la borne d'alimentation. Ainsi, même si les bornes d'alimentation du circuitintégré ne sont pas raccordées effectivement à une alimentation extérieure qui pourrait absorber le courant de décharge, on crée artificiellement à l'intérieur du circuit-intégré un chemin de passage de courant à faible résistance qui permet à la diode Dr de remplir complètement son rôle. Ce circuit de protection ne perturbe- pas le fonctionnement normal du circuit. Cela suppose que le seuil de déclenchement de la conduction du transistor est suffisamment élevé par rapport à la tension d'alimentation nominale du circuit et par rapport à la tension d'alimentation maximale qui peut se présenter sur la borne d'alimentation ou la borne de signal d'après les spécifications de fonctionnement du circuit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1, déjà décrite, représente un circuit-intégré muni d'un système de protection classique ; et la figure 2 représente un circuit-intégré muni d'un système de protection selon l'invention. Sur la figure 2, on a à nouveau représenté schématiquement un circuit-intégré avec ses différentes bornes d'alimentation et de signal; les références sont les mêmes qu'à la figure 1 borne d'alimentation A, borne de référence de potentiel (masse) M, bornes de signal (entrée ou sortie) B, C, D, E, parmi lesquelles on suppose toujours que c'est la borne B qui est à protéger (mais toutes les bornes de signai pourraient être pourvues de moyens de protection de la même manière). On conserve les diodes de protection D1 et D2 placées respectivement l'une entre la borne de signal et la borne d'alimentation A et l'autre entre la borne de signal et la-borne de référence, avec les polarités indiquées en référence à la figure 1. On rajoute entre les bornes d'alimentation A et M le circuit de protection suivant. Un transistor de protection T1 constitue le chemin de passage principal du courant de décharge électrostatique lorsqu'il est conducteur ; sa résistance au passage du courant est faible lorsqu'il est rendu conducteur en régime de saturation afin qu'il puisse laisser passer un courant important (par exemple un ampère) sans laisser monter la tension à ses bornes au dessus d'un seuil qui endommagerait certains éléments du circuit-intégré. #Le transistor T1 est donc nécessairement un gros transistor, et on prévoit de préférence pour le commander un transistor auxiliaire T2 servant simplement de préamplificateur. Le transistor T1 est de préférence un transistor bipolaire dont le collecteur est relié à la borne d'alimentation A, dont l'émetteur est relié à la borne de référence de potentiel M, et dont la base est commandée par un circuit de commande à seuil CS dont le transistor T2 constitue l'élément de sortie. Le circuit à seuil CS comprend par exemple une diode zener Z1 connectée entre la borne d'alimentation k et la base du transistor T2 ; le collecteur du transistor T2 est connecté dans cet exemple de réalisation à la borne d'alimentation A, son émetteur étant connecté d'une part à la base du transistor T1 et d'autre part à une résis#tance d'émetteur R1 reliée par ailleurs à la borne de référence M. Dès que la tension sur la borne d'alimentation A dépasse, sous l'effet d'une décharge électrostatique sur la borne A ou sur la borne B, un seuil déterminé, un courant circule dans la base du transistor T2 qui devient conducteur et qui rend alors conducteur le transistor T1. #L'énergie de la décharge électrostatique peut alors être évacuée à travers le chemin constitué par la diode D1, la borne A, le transistor T1, et la borne M, sans donner lieu à un accroissement de potentiel prohibitif entre les bornes A et M. te seuil de tension qui rend conducteur le transistor T1 est déterminé par les caractéristiques de la diode zener ; si le seuil de conduction de la diode zener est V1, la conduction des transistors T1 et T2 sera complète dès que la tension entre les bornes A et M dépassera une valeur Vl+Vbel+Vbe2, où Vbel et Vbe2 sont les tensions base-émetteur des transistors T1 et T2, respectivement, en régime de saturation. Par exemple, si la tension nominale d'alimentation entre les bornes A et M est de 5 volts, on peut prévoir une diode zener de seuil 5,5 volts (qui correpond simplement, dans des technologies bipolaires classiques, à une jonction N+/P ou P+/N polarisée en inverse). Dans ce cas, la tension de seuil de déclenchement de la conduction sera de l'ordre de 7 volts. Si on désire une tension de seuil plus élevée à cause de spécifications de fonctionnement normal plus sévères pour le circuit intégré ou parce que la tension nominale d'alimentation du circuit est plus élevez, on choisira une diode zener de seuil différent, ou on mettra en série plusieurs diodes zener entre la borne d'alimentation A et la base du transistor T2. On prévoira de préférence que le transistor T1 est spécialement dessiné pour avoir une résistance interne faible en régime de conduction lorsque sa base est alimentée par un courant de saturation. Par exemple, on sait réaliser des transistors à résistance plus faible grâce à une configuration topologique dans laquelle l'émetteur est réalisé sous forme de doigts interdigités avec des doigts de base et entourés de doigts de collecteur. Class#iquement, en technologie bipolaire, on peut estimer que les différents éléments de circuit peuvent supporter une tension de l'ordre d'une quinzaine de volts sans risque majeur de destruction ; on peut donc prévoir que le seuil de mise en conduction du transistor T1 est compris entre la valeur nominale de la tension d'alimentation et cette valeur d'une quinzaine de volts. Pour tenir les spécifications de résistance aux décharges électrostatiques, on pourra être amené à prévoir un transistor Tl ayant une taille importante,-par exemple une surface de 350 micromètres par 150 micromètres. Les mesures effectuées sur un circuit-intégré ainsi protégé ont montré qu'on pouvait résister à des décharges de 7 à 8 kilovolts appliquées à partir d'une capacité de 100 picofarads à travers une résistance de 1,5 kiloohms, ainsi qu'à des décharges de l'ordre de 800 volts appliquées à partir d'une capacité de 100 picofarads sans interposition de résistance. REVENDICATIONS 1. Circuit-intégré protégé contre les décharges électrostatiques, comprenant au moins une borne de signal (B) à protégé ger, une borne d'alimentation (A), et une borne de référence de potentiel (M), avec au moins une diode (D1) reliée entre la borne à protéger (B) et la borne d'alimentation (A) pour dériver vers la borne d'alimentation un courant issu d'une décharge électrostatique sur la borne à protéger, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de protection à seuil (CS, T1) entre la borne d'alimentation (A) et la borne de référence (M), ce circuit présentant une haute impédance en l'absence de décharge électrostatique et devenant conducteur avec une faible résistance au passage du courant lorsque la tension entre la borne d'alimentation et la borne de référence dépasse un seuil déterminé. 2. Circuit-intégré selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de protection comporte un transistor bipolaire de protection (T1) dont le collecteur est relié à la borne d'alimentation (A), l'émetteur à la borne de référence (M), et la base à un circuit à seuil (Z1, T2) fournissant un courant lorsqu'un seuil de tension est dépassé entre ses bornes. 3. Circuit-intégré selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit à seuil est constitué par une diode zener reliée entre la borne d'alimentation (B) et la base d'un transistor de commande (T2) du transistor de protection (T1). 4. Circuit-intégré selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le transistor de protection est un transistor à doigts d'émetteur et doigts de base interdigités ayant une faible résistance au passage du courant en régime de saturation.