Brevet FR2813461A1 — publié le 20020301

DISPOSITIF DE PROTECTION D'UN TRANSISTOR INTÉGRÉ CONTRE DES DÉCHARGES ÉLECTROSTATIQUES L'invention concerne la protection des circuits intégrés contre des décharges électrostatiques, et plus particulièrement la protection d'un transistor NMOS incorporé dans une cellule de sortie d'un circuit intégré. Actuellement, la protection d'un circuit intégré contre les décharges électrostatiques est assurée en plaçant des dispositifs spécifiques de protection, par exemple dans les cellules d'alimentation ou bien localement en parallèle sur la cellule de sortie du circuit intégré. De tels dispositifs de protection protègent les circuits intégrés en assurant un chemin faiblement résistif durant une décharge électrostatique. Cependant, de tels dispositifs de protection présentent certains inconvénients. L'un d'entre eux réside dans la robustesse du dispositif de protection lui-même. Un autre inconvénient réside dans le déclenchement d'une conduction non désirée au sein d'un composant particulièrement sensible du circuit intégré, par exemple un transistor NMOS de sortie, placé en parallèle avec le dispositif de protection. En effet, dans les technologies CMOS avancées, les transistors NMOS sont sensibles et, une faible surtension à leurs bornes peut devenir suffisante pour amorcer la conduction du transistor bipolaire parasite formé entre la source et le drain du transistor NMOS. Cette conduction non désirée de courant entre la source et le drain du transistor NMOS peut conduire à accélérer l'apparition de défauts dans le transistor NMOS. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Un but de l'invention est de proposer un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques qui permette de supprimer toute conduction MOS non désirée à travers le transistor de sortie lors d'une décharge électrostatique, retardant par conséquent le déclenchement du transistor bipolaire parasite et l'apparition des défauts. L'invention propose donc un dispositif de protection d'un transistor intégré dit "de sortie" contre des décharges électrostatiques. Selon une caractéristique générale de l'invention, ce dispositif comporte un transistor de commutation, connecté entre la grille du transistor de sortie et la masse, et des moyens de commande reliés à la grille du transistor de commutation. Ces moyens de commande sont aptes, en l'absence de décharges électrostatiques au niveau du drain du transistor de sortie, à bloquer le transistor de commutation, et aptes, en présence d'une décharge électrostatique au niveau du drain du transistor de sortie, à rendre conducteur le transistor de commutation. En d'autres termes, lorsqu'une décharge électrostatique se produit au niveau d'une broche du boîtier reliée au drain du transistor de sortie, le dispositif selon l'invention assure que le potentiel de la grille du transistor de sortie est tirée vers la masse. Ceci évite ainsi toute conduction non désirée au sein du transistor. Par contre, lors du fonctionnement normal du circuit intégré, le dispositif de protection est transparent vis-à-vis du circuit intégré. En d'autres termes, le dispositif n'a aucune influence sur la grille du transistor de sortie. Selon un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les moyens de commande comportent - un condensateur (par exemple formé par un transistor PMOS dont le drain et la source sont reliés) dont une première borne est reliée à la grille du transistor de commutation, et dont la deuxième borne est électriquement couplée au drain du transistor de sortie (c'est-à-dire au plot que l'on souhaite protéger) lors de la décharge électrostatique, - une première borne d'alimentation électriquement dissociée du drain du transistor lors de ladite décharge électrostatique, et - un premier transistor, (par exemple un transistor NMOS) dont la grille est connectée à ladite première borne d'alimentation, dont la source est reliée à la masse, et dont le drain est relié à la grille du transistor de commutation. Ainsi, lors du fonctionnement normal du circuit intégré, le premier transistor est rendu conducteur, ce qui met le potentiel de la grille de transistor de commutation à la masse. Celui-ci est par conséquent bloqué. Le dispositif de protection n'a donc aucune influence sur la grille du transistor de sortie. Lorsque le circuit intégré n'est pas en fonctionnement, c'est- à-dire non alimenté, il est par conséquent non polarisé et capacitivement couplé à la masse. Par conséquent, la première borne d'alimentation n'est pas polarisée et présente un potentiel bas. Lors d'une décharge électrostatique au niveau du drain du transistor de sortie, le potentiel au niveau de ce drain augmente. Le potentiel à la deuxième borne du condensateur, qui est électriquement relié au drain du transistor de sortie lors de cette décharge électrostatique, monte également. Comme la première borne d'alimentation est électriquement dissociée du drain du transistor lors de la décharge électrostatique, le potentiel au niveau de cette borne d'alimentation n'augmente pas ce qui permet de conserver le premier transistor dans un état bloqué. Celui-ci peut alors être assimilé à un condensateur (formé entre le drain et la source de ce transistor). En raison du pont capacitif formé par le condensateur, le premier transistor dans son état bloqué, et le transistor de commutation, il se produit une élévation de tension sur la grille du transistor de commutation ce qui rend celui-ci conducteur reliant par conséquent la grille du transistor de sortie à la masse et par conséquent, bloquant ce dernier. Bien entendu, l'homme du métier saura ajuster le rapport entre la valeur capacitive du condensateur et la somme des valeurs capacitives du premier transistor et du transistor de commutation de façon à obtenir, lors d'une décharge électrostatique, une tension à la grille du transistor de commutation telle que la tension grille / source de ce transistor de commutation soit supérieure à la tension de seuil de ce transistor de commutation. On choisira toutefois avantageusement un rapport capacitif tel que la valeur capacitive du condensateur formé par exemple par le transistor PMOS, soit supérieure à la somme des valeurs capacitives du premier transistor et du transistor de commutation, de façon à augmenter encore l'efficacité de mise en conduction du transistor de commutation lors d'une décharge électrostatique. Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, les moyens de commande comportent une deuxième borne d'alimentation, dissociée de la première borne d'alimentation, et reliée au drain du transistor de sortie. La deuxième borne du condensateur est alors reliée à ladite deuxième borne d'alimentation. Il est également possible selon un autre mode réalisation, de remplacer le premier transistor par un élément résistif, et/ou d'utiliser une seule alimentation. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description d'un mode de réalisation, nullement limitatif et du dessin annexé sur lequel la figure unique illustre très schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif de protection selon l'invention. Sur la figure 1, la référence CI désigne un circuit intégré dont la cellule de sortie comporte ici un transistor NMOS TS 1 et un transistor PMOS TS2 dont le substrat et la source sont reliés ensemble à une alimentation Vdd3. Les drains des deux transistors sont reliés ensemble et c'est ce noeud PAD que l'on souhaite protéger contre une décharge électrostatique en évitant un déclenchement du transistor TS 1 se traduisant par un passage de courant entre son drain et sa source. Pour atteindre cet objectif, l'invention propose de connecter un dispositif de protection CP sur la grille du transistor de sortie TS1 à protéger. Ce dispositif de protection comporte un transistor de commutation MI 1, qui est par exemple un transistor NMOS, connecté entre la grille du transistor de sortie TS 1 et la masse. Le dispositif de protection CP comporte également des moyens de commande MC, reliés à la grille du transistor de commutation M11 et qui vont, comme on le verra plus en détails ci- après, bloquer le transistor de commutation en l'absence de décharges électrostatiques au niveau du drain du transistor de sortie de façon à ne pas perturber le fonctionnement du circuit intégré CI, et qui vont, en présence d'une décharge électrostatique au niveau du drain du transistor de sortie, c'est-à-dire au niveau du noeud PAD, rendre conducteur le transistor de commutation M11. Les moyens de commutation MC comportent un condensateur M20, formé ici d'un transistor PMOS dont le drain et la source sont reliés. Une première borne BC I de ce condensateur, formée ici par la grille du transistor PMOS M20, est reliée à la grille du transistor de commutation M11. La deuxième borne BC2 du condensateur, formée par le drain et la source du transistor PMOS, est reliée à une borne d'alimentation BA2 destinée à délivrer la tension d'alimentation Vdd3. Les moyens de commande MC comportent également un transistor M16, que l'on désigne ici sous le vocable de "premier transistor" pour le distinguer du transistor de commutation. La grille de ce premier transistor est connectée à une borne d'alimentation BAI destinée à être alimentée par une tension Vdd. Les deux alimentations délivrant respectivement les tensions Vdd et Vdd3, sont indépendantes et totalement dissociées électriquement. De ce fait, la borne d'alimentation BAI est électriquement dissociée du drain du transistor TS1, c'est-à-dire du noeud PAD, lors d'une décharge électrostatique. La source du premier transistor M16 est reliée à la masse tandis que son drain est relié à la grille du transistor de commutation M11. Lors du fonctionnement normal du circuit intégré CI, et en l'absence de décharges électrostatiques, le transistor M16 conduit sous l'application de la tension Vdd sur sa grille. Par conséquent, le noeud ND est considéré comme étant à la masse, ce qui bloque le transistor Ml 1. Par conséquent, le circuit de protection CP n'a aucune influence sur le transistor TS 1. Lorsque le circuit intégré n'est pas en fonctionnement, c'est- à-dire non alimenté, les lignes d'alimentation Vdd et Vdd3 sont capacitivement couplées à la masse. En conséquence, le transistor M16 voit un potentiel bas sur sa grille ce qui le rend bloqué. Il peut alors être considéré comme une capacité connecté entre le noeud ND et la masse. Lors d'une décharge électrostatique au noeud PAD, le potentiel en ce noeud augmente ce qui conduit également à augmenter le potentiel à la borne BA2 en raison de la liaison électrique entre le PAD et la borne BA2. Le condensateur M20 et les transistors M11 et M16 forment alors un pont capacitif conduisant à l'apparition d'un potentiel élevé au noeud ND, ce quia pour effet de rendre conducteur le transistor Ml 1 et par conséquent de bloquer le transistor TS 1 évitant ainsi toute conduction non désirée entre son drain et sa source. L'homme du métier saura choisir le rapport capacitif entre la valeur capacitive du condensateur M20 et la somme des valeurs capacitives du transistor M 16 et du transistor Ml 1 de façon à obtenir une tension au noeud ND au moins égale à la tension de seuil du transistor MI 1 afin de rendre ce dernier conducteur lors de la décharge électrostatique. On choisira néanmoins de préférence un rapport capacitif supérieur à 1. A titre indicatif, on pourra choisir un transistor PMOS dont la largeur et la longueur de canal sont sensiblement identiques et égales à environ 2,5#tm ce qui conduit à une valeur capacitive de 29 10-15 F. Le transistor M16 sera quant à lui, par exemple un transistor NMOS dont la largeur de canal est de l'ordre de 0,8p.m et dont la longueur de canal est de l'ordre de 0,3gm conduisant à une valeur capacitive de l'ordre de 0,7 10-15F. Le transistor M11 pourra par exemple quant à lui être un transistor ayant une largeur de canal de l'ordre de lOM,m et une longueur de canal de l'ordre de 0,3p.m conduisant à une valeur capacitive de l'ordre de 15 10-15 F. Dans ce mode de réalisation, l'essentiel de la valeur capacitive des deux transistors est fournie par le transistor Ml 1. Bien entendu, il serait possible d'envisager d'autres modes de réalisation dans lesquels l'essentiel de la valeur capacitive serait fournie par le transistor M16. L'utilisation de deux alimentations dissociées Vdd et Vdd3 est particulièrement avantageuse par raport à l'utilisation d'une seule alimentation Vdd, car cela rend le dispositif selon l'invention moins sensible à un bruit pouvant survenir sur l'alimentation et pouvant modifier la valeur de la tension au noeud ND. Ceci étant, le dispositif selon l'invention fonctionnerait aussi avec une seule alimentation commune Vdd. En effet, lors du fonctionnement normal du circuit intégré et en l'absence de décharge électrostatique, le transistor M16 conduirait comme indiqué ci-avant. Lors d'une décharge électrostatique, il y aurait une brusque montée de la tension sur la grille du transistor M16 qui conduirait en se comportant comme une résistance. Mais cette brusque montée de la tension qui s'opérerait également à la borne BA2, se propagerait également au noeud ND à travers le condensateur M20, rendant passant le transistor de commutation M11. Il convient également de noter que le transistor M16 pourrait être remplacé par un élément résistif. Par ailleurs, la présence de la diode DD entre la borne d'alimentation BA2 et le noeud PAD permet la montée du potentiel à la borne BA2 lors de la décharge électrostatique au noeud PAD, mais ne perturbe pas le fonctionnement normal du circuit intégré lorsque celui-ci est alimenté. Bien entendu, l'homme du métier pourra remplacer la diode DD par tout composant autorisant un passage du courant dans le sens du noeud PAD vers la borne BA2 pour permettre la montée du potentiel de la borne BA2 lors de la décharge électrostatique, mais interdisant le passage d'un courant inverse risquant de perturber le fonctionnement normal du circuit intégré lorsque celui-ci est alimenté. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection d'un transistor intégré de sortie contre des décharges électrostatiques, caractérisé par le fait qu'il comporte un transistor de commutation (M 11), connecté entre la grille du transistor de sortie (TS 1) et la masse, et des moyens de commande (MC) reliés à la grille du transistor de commutation, aptes en l'absence de décharge électrostatique au niveau du drain du transistor de sortie, à bloquer le transistor de commutation (M 11), et aptes en présence d'une décharge électrostatique au niveau du drain du transistor de sortie, à rendre conducteur le transistor de commutation (Ml 1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de commande comportent un condensateur (M20) dont une première borne est reliée à la grille du transistor de commutation, et dont la deuxième borne est électriquement reliée au drain (PAD) du transistor de sortie lors de la décharge électrostatique, une première borne d'alimentation (BAI), un premier transistor (M16) dont la grille est connectée à ladite première borne d'alimentation, dont la source est reliée à la masse, et dont le drain est relié à la grille du transistor de commutation. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la première borne d'alimentation est électriquement dissociée du drain du transistor lors de ladite décharge électrostatique, par le fait que les moyens de commande comportent une deuxième borne d'alimentation (BA2), dissociée de ladite première borne d'alimentation (BAI), et reliée au drain du transistor de sortie, et par le fait que la deuxième borne du condensateur est reliée à ladite deuxième alimentation. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que la valeur capacitive du condensateur (M20) est supérieure à la somme de la valeur capacitive de la capacité drain-source dudit premier transistor (M16) et de la valeur capacitive du transistor de commutation (Ml 1). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de commande comportent un condensateur (M20) dont une première borne est reliée à la grille du transistor de commutation, et dont la deuxième borne est électriquement reliée au drain (PAD) du transistor de sortie lors de la décharge électrostatique,et une résistance (M16) connectée entre la grille du transistor de commutation et la masse. 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que ledit condensateur (M20) est formé d'un transistor PMOS dont le drain et la source sont reliés. 7. Circuit intégré, caractérisé par le fait qu'il comprend une cellule de sortie comportant au moins un transistor de sortie (TS 1) et un dispositif de protection selon l'une des revendications 1 à 6, connecté entre la grille du transistor de sortie et la masse.