Brevet FR2718569A1 — publié le 19951013

-- 1 -- La présente invention concerne un circuit de protection assurant la protection des circuits intégrés contre les décharges électrostatiques (ESD). La décharge électrostatique est un problème classique pour tous les circuits intégrés monolithiques, tels que les circuits CMOS, BICMOS ou bipolaires. Les charges statiques peuvent créer des tensions élevées susceptibles d'occasionner des décharges dans les connexions internes des circuits intégrés et de provoquer des pannes catastrophiques. Dans l'art antérieur, on savait, par exemple, protéger des circuits CMOS au moyen d'une résistance d'entrée couplée en série avec une diode de liaison au bus d'alimentation Vdd et une diode de liaison au bus d'alimentation Vss pour chaque plot d'entrée. La diode d'isolement par rapport au Vss était utilisée sur chaque entrée pour protéger ladite entrée contre les décharges électrostatiques pouvant avoir lieu entre cette entrée et Vss. Cette configuration pose un problème par le fait que chaque plot d'entrée étant équipé d'une diode d'isolement par rapport à Vss, ces diodes occupent une surface imprimée importante ce qui augmente les coûts. En outre, les diodes de Vss sont proches des circuits actifs et il y a lieu de prendre soin d'éviter tout risque de couplage avec ces diodes de protection. La présente invention fournit un circuit de protection assurant la protection contre les décharges électrostatiques d'un circuit intégré comprenant un plot Vdd, un plot Vss, un ensemble de plots d'entrée et de sortie, un bus d'alimentation -2 Vdd et un bus d'alimentation Vss. Conformément à l'invention, une diode unique (ou circuit de protection), de taille suffisante pour supporter le courant de décharge électrostatique, est placée directement entre le plot Vss et le bus d'alimentation Vdd, ce qui évite d'avoir besoin de relier chaque plot d'entrée au bus d'alimentation Vss à travers une diode séparée. Le circuit de protection d'un plot d'entrée/sortie quelconque, par rapport au Vss, est constitué par la diode de ce plot d'E/S, par le substrat et la couche métallisée (non représentée), et par la diode similaire du plot Vss. L'utilisation d'une diode unique élève le niveau de protection en cas de décharge électrostatique entre un plot unique et le Vss, au même niveau que celui obtenu entre deux plots de signal différent. En outre, il économise de la surface imprimée et réduit le risque de couplage. L'invention, bien qu'étant décrite en se référant à des circuits CMOS à substrat de type N, est applicable à tous les CI monolithiques de type CMOS, BICMOS ou bipolaires. L'invention est maintenant décrite plus en détail, à titre d'exemple uniquement, à l'appui des dessins d'accompagnement, dans lesquels: la Fig. 1 est le schéma d'un circuit de protection d'entrée de type antérieur; la Fig. 2 représente schématiquement la disposition physique des plots de contact dans un circuit intégré de type antérieur (les résistances d'entrée ont été omises, pour plus de clarté); - 3 - la Fig. 3 représente un circuit de protection d'entrée selon l'invention, sous sa forme la plus simple, ne comportant plus que la diode précédente en option; la Fig. 4 représente schématiquement la disposition physique d'un circuit intégré construit conformément à l'invention; la Fig. 5 illustre le mécanisme de décharge entre plots dans la configuration selon l'invention; et la Fig. 6 est le schéma électrique équivalent d'un circuit de protection. Si l'on se reporte à la Fig. 1, le circuit de protection d'entrée de type antérieur comprend un plot Vss 1 et un plot Vdd 2 reliés respectivement aux bus d'alimentation 3 et 4, alimentant le circuit actif désigné par le repère d'ensemble 5. Un plot d'entrée 6 est relié au circuit actif 5 à travers une résistance de protection 7 et une résistance d'entrée 8 ou un conducteur. La résistance d'entrée n'intervient pas dans la protection, elle sert uniquement à faciliter le raccordement. La ligne d'entrée entre les résistances 7 et 8 est reliée respectivement par la diode de Vss 9 au bus Vss 3 et par la diode de Vdd 10 au bus Vdd 4. Une diode optionnelle 11 peut relier le plot d'entrée 6 directement au bus Vdd. La Fig. 2 montre la disposition physique du circuit représenté sur la Fig. 1, avec le plot - 4 d'entrée 6 relié à travers la diode de Vss 9 au bus Vss 3 et par la diode de Vdd 10 au bus Vdd 4. Dans le circuit représenté sur les Fig. 1 et 2, si l'impulsion de décharge électrostatique a lieu entre deux plots, par exemple entre deux plots d'entrée, le claquage se produit sur la diode du plot négatif. Un courant s'écoule dans le substrat et la couche conductrice (Vdd dans le cas présent) et polarise en sens direct la diode du plot négatif. Si les potentiels de décharge électrostatique sont inversés, le fonctionnement est le même, hormis le fait que les rôles des deux diodes sont intervertis. Le fonctionnement est identique pour les décharges entre plots d'entrée et de sortie. Si la décharge électrostatique met en jeu plus de deux plots, le processus est semblable, mais avec l'intervention de plus de deux diodes. On voit que la diode de Vss agit comme les autres diodes de n'importe quel plot d'entrée ou de sortie, à la fois en cas de décharge entre le Vss et des plots d'entrée ou de sortie et en cas de décharge entre le Vss et le Vdd. Les diodes individuelles de Vss 9 protègent les entrées contre les décharges électrostatiques par rapport au Vss. Toutefois, comme le montre plus clairement la Fig. 2, la proximité des diodes 9 par rapport au circuit actif implique qu'un soin extrême soit pris pour éviter les risques de couplage. En outre, la présence des diodes 9 tout près du circuit actif augmente substantiellement la taille physique du dispositif. Si l'on se reporte à présent aux Fig. 3 et 4, - 5 - dans lesquelles les éléments identiques portent le même repère numérique, la résistance d'entrée 7, les diodes de Vss et de Vdd 9 et 10 de la Fig. 1 ont été enlevées, comme l'indique le tracé en trait tireté de la Fig. 3. A la place, une diode de Vss unique 12 (de préférence une grosse diode capable de supporter les impulsions de décharge électrostatique) ou un circuit à diode, équivalent à la diode 11, est placé(e) directement entre le plot de Vss 1, ou au moins en un point proche situé sur le bus d'alimentation Vss 3 et le bus d'alimentation Vdd 4. Une diode 11 semblable est placée entre tous les plots restants 6, sauf le plot de Vdd 2, et le bus d'alimentation Vdd 4. Contrairement à la configuration représentée sur la Fig. 1, la diode 11 joue ici un rôle essentiel. La disposition physique est représentée sur la Fig. 4, montrant la diode 12 située entre le plot de Vss 1 et le bus Vdd 4. Une diode 11 relie chaque plot d'entrée au Vdd. Pour assurer une protection totale contre les décharges électrostatiques, le circuit doit résister aux décharges électrostatiques possibles entre n'importe quelle paire de plots, à la fois pour des décharges positives ou négatives. Si le plot d'entrée est négatif (6a), la diode 11 du plot d'entrée claque et offre au Vdd un passage faiblement résistif, comme dans le type antérieur. Si, par contre, le plot d'entrée est positif, cette même diode 11 est polarisée en sens direct par rapport au substrat, ce qui provoque le claquage de la diode de Vss 12, qui ouvre un passage faiblement résistif pour passer l'impulsion de décharge électrostatique. 6- Comme le montre la Fig. 5, dans laquelle le bus d'alimentation Vdd 4 est constitué par le substrat, une décharge entre deux plots passe par le substrat 4 et par les diodes en opposition 11, l'une étant polarisée en sens direct et l'autre en sens inverse. La Fig. 6 montre ce qui se passe dans le cas d'une décharge entre Vss et Vdd. La décharge n'a lieu qu'à travers la diode 12 reliant le plot 1 (Vss) au bus Vdd 4. Dans la configuration décrite, contrairement au type antérieur (cf. Fig. 2 et 3), il suffit d'une diode par plot pour décharger une impulsion, qu'elle soit positive ou négative. Le circuit de protection d'un plot d'entrée/sortie quelconque par rapport au Vss, est constitué par la diode de ce plot d'E/S, par le substrat et la couche métallisée (non représentée) et par la diode similaire du plot Vss. Le substrat et la couche métallisée (non représentée) servent ainsi à relier les diodes opposées entre les plots. Cette configuration présente une basse résistance. Le choix des diodes n'est pas critique pour l'invention et de nombreux types peuvent être utilisés par l'homme du métier. Tout dispositif, circuit ou combinaison de dispositifs remplissant le rôle d'une diode peut être utilisé et les différentes réalisations dépendent du type de technologie effectivement mis en oeuvre. La caractéristique essentielle pour la diode 12 est d'être suffisamment grosse pour passer le courant de décharge électrostatique d'un ou de plusieurs plots et de ne pas claquer à la tension de fonctionnement normale. - 7 - Idéalement, toutes les diodes doivent être identiques. L'invention a été décrite pour un substrat de type N. Pour des substrats de type P, les rôles du Vdd et du Vss sont intervertis. - 8 - REVENDICATIONS 1. Circuit de protection assurant une protection des circuits intégrés contre les décharges électrostatiques (ESD), comprenant un substrat, un premier plot et un second plot d'alimentation, un premier bus et un second bus d'alimentation raccordés auxdits premier et second plots d'alimentation respectifs, ledit premier bus d'alimentation étant raccordé audit substrat; et un ensemble de plots d'entrée et de sortie, caractérisé en ce que le premier moyen de diode (12) suffisant pour passer le courant de décharge électrostatique est placé entre ledit second plot d'alimentation et ledit premier bus d'alimentation et en ce qu'un second moyen de diode (11) est placé entre ledit premier bus d'alimentation et chacun desdits plots d'entrée, la décharge entre l'un quelconque desdits plots d'entrée et de sortie (6) se faisant à travers des moyens de diodes en opposition (11) branchés respectivement entre ceux-ci et ledit substrat, et la décharge entre lesdits plots d'alimentation se faisant à travers ledit moyen de diode unique (12) branché entre l'un desdits plots d'alimentation et ledit substrat. 2. Circuit de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de diode (11, 12) comprend un circuit à diode. 3. Circuit de protection selon la revendication 1 ne comportant pas de diodes entre les plots d'entrée (6) respectifs et ledit second bus d'alimentation (3). 4. Circuit de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat - 9 - est du type N et en ce que ledit premier bus d'alimentation (4) est le bus d'alimentation Vdd. 5. Circuit de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat est du type P et ledit premier bus d'alimentation (4) est le bus d'alimentation Vss.