Brevet FR3096516A1 — publié le 20201127

Description Titre de l'invention : Dispositif intégré de protection contre les décharges électrostatiques [0001] Des modes de réalisation concernent les circuits intégrés, en particulier des dis- positifs de protection contre les décharges électrostatiques de circuit intégré. [0002] La protection des circuits intégrés contre les décharges électrostatiques « ESD » (acronyme du terme usuel anglais « ElectroStatic Discharge ») fait face à des courants élevés, typiquement plusieurs ampères, à l'intérieur du circuit. [0003] Ces courants élevés doivent circuler à l'intérieur de la puce par des voies identifiées, entre les bornes recevant la décharge. [0004] En règle générale, les trajets comprennent des composants de protection dédiés connectés aux rails d'alimentation, configurés pour écrêter la décharge électrostatique, à travers lesquels le courant dc décharge circulera. [0005] Les rails d'alimentation sont classiquement réalisés par des pistes métalliques, dans les niveaux d'interconnexion du circuit intégré « BEOL » (acronyme du ternie usuel anglais « Back End Of Line ») et distribuent des tensions d'alimentation et de référence aux composants actifs en différents points du circuit intégré. [0006] Classiquement, les composants actifs peuvent être connectés en tout point sur les rails d'alimentation, et sont capables de supporter une tension maximale spécifiée avant d'être détruits. Les composants actifs sont particulièrement sensibles aux surtensions sur la tension d'alimentation. [0007] Par effet de chute ohmique de tension, la tension sur les rails d'alimentation pendant une décharge électrostatique est égale à la tension aux bornes des composants de protection dédiés, additionnée de la tension générée par l'écoulement du courant de décharge dans la résistance des rails d'alimentation. [0008] Ainsi il est fréquent que la tension sur l'extrémité d'un rail d'alimentation soit su- périeure à la tension maximale destructive, et il est probable que la tension en un point du rail d'alimentation auquel est connecté un composant actif, équivalent à un pont diviseur de tension, soit également supérieure à la tension maximale destructive. [0009] Il a été proposé de réduire la résistance des rails en augmentant leur largeur mais cela présente un encombrement préjudiciable. [0010] Adapter les composants de protection pour réduire la tension à leurs bornes, en outre d'être techniquement délicat et coûteux, est contraint par un compromis entre la tension d'alimentation et la tension maximale destructive. [0011] Multiplier le nombre de composants de protection conduit typiquement à des com- portements aléatoires et difficilement maîtrisables. 2 [0012] Ainsi il est souhaitable de réduire le risque de défaillance dans la protection des circuits intégrés contre les décharges électrostatiques ESD. [0013] Selon des modes de réalisation, il est proposé un dispositif simple et peu coûteux permettant d'éliminer complétement le risque de défaillance de la protection des circuits intégrés contre les décharges électrostatiques, présentant un encombrement réduit et des meilleures performances notamment en matière de prévisibilité. [0014] Selon un aspect, il est proposé un circuit intégré comportant un premier mil d'alimentation configure pour distribuer une tension d'alimentation dans des éléments actifs du circuit intégré, et un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques comprenant un deuxième rail d'alimentation configure pour écouler un courant de décharge électrostatique entre une broche d'alimentation et une broche de niasse, le deuxième rail d'alimentation n'étant connecté à aucun élément actif du circuit. [0015] Ainsi, en cas de décharge électrostatique, le courant de décharge passe par le deuxième rail d'alimentation. Comme le deuxième rail d'alimentation n'est relié à aucun élément actif du circuit, la chute ohmique de tension n'introduit pas de tension supérieure à la tension maximale destructive dans un élément actif du circuit. [0016] Le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques selon cet aspect ne nécessite pas que le deuxième rail d'alimentation soit très peu résistif, et peut utiliser par conséquent une surface plus faible que les dispositifs classiques. [0017] En raison de la simplicité de la structure du dispositif de protection, le comportement du dispositif est parfaitement prévisible et peut facilement être conçu de façon optimale. [0018] Selon un mode de réalisation, le dispositif de protection contre les décharges électro- statiques comprend un premier dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique ayant une borne directement connectée sur la broche de masse et une borne d'entrée, et le deuxième rail d'alimentation est connecté sur la broche d'alimentation et sur ladite borne d'entrée du premier dispositif d'écrêtage de décharge. [0019] Avantageusement, le premier rail d'alimentation est relié à la broche d'alimentation par l'intermédiaire du deuxième rail d'alimentation, sur ladite borne d'entrée du premier dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique. [0020] Par conséquent, lors d'une décharge électrostatique, la tension dans l'arbre de dis- tribution de l'alimentation est déterminée par la tension sur ladite borne d'entrée, et cette tension est caractérisée par le premier dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique. Le dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique est par exemple muni de thyristors et de transistors selon des technologies fiables et parfaitement maîtrisées. [0021] Selon un mode de réalisation, le circuit intégré comporte un arbre de distribution de masse connecté sur la broche de masse, configuré pour distribuer une tension de masse 3 à des éléments actifs du circuit, et le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques comprend un deuxième dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique directement connecté sur la broche d'alimentation et sur un point de l'arbre de distribution de masse. [0022] Le deuxième dispositif d'écrêtage est avantageusement connecté sur le point de l'arbre de distribution de masse le plus proche de la broche d'alimentation. [0023] Le deuxième dispositif d'écrêtage permet notamment d'assurer un partage du courant de décharge de la broche d'alimentation vers la broche de masse, en le faisant transiter simultanément par le deuxième rail d'alimentation et par l'arbre de distribution de niasse. Ceci permet de diminuer la largeur deuxième mil d'alimentation, et d'éviter un risque de rupture du type fusible par écoulement de l'intégralité du courant de décharge dans le deuxième rail d'alimentation. [0024] Selon un mode de réalisation dans lequel le circuit intégré comporte en outre au moins une broche d'entrée-sortie, le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques comprend au moins un troisième dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique directement connecté sur respectivement chaque broche d'entrée-sortie et sur un point respectif de l'arbre de distribution de masse. [0025] Ce mode de réalisation permet notamment d'éviter une augmentation de la tension dans le premier rail d'alimentation en cas de décharge électrostatique positive de la broche d'alimentation vers une broche d'entrée-sortie. En effet, l'augmentation des tensions qui serait engendrée par chute ohmique sur l'arbre de distribution de masse (le courant de décharge s'écoulant dans l'arbre de distribution de masse pour rejoindre la broche d'entrée-sortie, après avoir transité par le deuxième rail d'alimentation) se répercuterait sur la broche de masse et se répercuterait sur le premier rail d'alimentation. [0026] Or, ledit au moins un troisième dispositif d'écrêtage de décharge permet au courant de décharge de passer par un chemin résistif plus direct entre la broche d'alimentation et la broche d'entrée-sortie, qui n'engendre pas d'augmentation dangereuse des tensions par chute ohmique. [0027] Ce mode de réalisation s'applique avantageusement aux bornes d'entrées-sorties plus proches de la broche d'alimentation que de la broche de masse. [0028] Par exemple, le circuit intégré comprend une puce réalisée sur un substrat semi- conducteur et incorporant les éléments actifs du circuit, et une partie d'interconnexion comprenant des niveaux de métaux incorporant lesdits rails d'alimentations, lesdites broches, et l'arbre de distribution de la masse. [0029] D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : [0030] [fig.1] [0031] [fig.2] représentent des modes de réalisation de l'invention. [0032] La figure 1 illustre un exemple de pistes métalliques d'un niveau de métal dans les niveaux d'interconnexion « BEOL » d'un circuit intégré Cl. « BEOL » est l'acronyme usuel du ternie anglais « Back End Of Linc » des niveaux d'interconnexion. [0033] Le circuit intégré Cl comprend également une puce (non-représentée) réalisée à partir d'un substrat semiconducteur et incorporant des éléments actifs du circuit CL dans une région usuellement désignée par l'acronyme « FEOL » du ternie usuel anglais « Front End Of Line ». [0034] La partie d'interconnexion du circuit intégré CI comporte des broches, destinées à un contact extérieur au circuit intégré, notamment une broche d'alimentation VDD destinée à recevoir une tension d'alimentation, par exemple 5V, et une broche de niasse GND destinée à recevoir une tension de référence. [0035] Le circuit intégré Cl comporte un premier rail d'alimentation VDDTR configure selon un arbre de distribution pour distribuer la tension d'alimentation aux composants actifs situés en différents points de la puce. Le premier rail d'alimentation VDDTR est formé par des pistes métalliques dans un ou plusieurs niveaux de métal de la partie d'interconnexion du circuit intégré Cl. [0036] De façon similaire, un arbre de distribution de la niasse GNDTR est couplé aux éléments actifs en différents points Ci de la puce et est formé par des pistes métalliques dans un ou plusieurs niveaux de métal de la partie d'interconnexion du circuit intégré CI. [0037] Dans cet exemple, le circuit intégré CI comporte en outre deux broches d'entrée-sortie 1/0, destinées à acheminer des signaux d'entrée et/ou des signaux de sortie. [0038] Dans cette représentation, les broches VDD, UND, I/O sont reconnaissables comme des plaques de soudure dans un niveau de métal. Après encapsulation, ces plaques de soudure seront électriquement reliées avec des broches extérieures proprement dites, typiquement destinées à être connectées avec un dispositif extérieur. [0039] Les broches extérieures peuvent entrer en contact avec des éléments ayant une charge électrostatique, par exemple les doigts d'un opérateur manipulant le circuit intégré CI. La charge électrostatique peut être supérieure à une tension maximale destructive, au-delà de laquelle les composants actifs du circuit intégré CI sont détruits. [0040] Le circuit intégré CI comporte un dispositif de protection contre les décharges élec- trostatiques ESD, configuré pour présenter une tension aussi faible que possible entre deux broches recevant une décharge électrostatique, de sorte que l'énergie de la décharge soit dissipée par la source de la décharge électrostatique. [0041] On utilise typiquement le modèle du corps humain (HBM pour « Human Body Model » en anglais) classique et connu en soi, comme référence d'impédance devant dissiper l'énergie de la décharge. [0042] Le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques ESD comporte à cet égard des dispositifs d'écrêtage de décharge électrostatique ESD1, ESD2, ESD3, ESD4 (« ESDi ») associés à chacune des broches VDD, GND, I/O. [0043] Les dispositifs d'écrêtage de décharge électrostatique ESDi sont directement connectés sur la broche respective, c'est-à-dire au plus proche et sans autre élément couplé entre eux. [0044] Selon une numérotation arbitraire, le premier dispositif d'écrêtage de décharge élec- trostatique ESD1 est celui qui est directement connecté sur la broche de masse GND. [0045] Les dispositifs d'écrêtage de décharge électrostatique ESDi comprennent clas- siquement un montage semiconducteur, par exemple des thyristors, configure pour présenter une haute impédance (« circuit ouvert ») tant que la tension entre deux bornes est inférieure à une tension de déclenchement, également appelée tension d'amorçage, et une impédance négligeable (« court-circuit ») si la tension entre les deux bornes a dépassé la tension de déclenchement. Par impédance négligeable, on entend une impédance négligeable devant l'impédance du modèle du corps humain « 1-113M ». [0046] Le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques ESD comporte par ailleurs un deuxième rail d'alimentation VDDBUS reliant la broche d'alimentation VDD avec une borne du premier dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique ESD 1. [0047] Le deuxième rail d'alimentation VDDBUS est par exemple formé par une piste mé- tallique dans un ou plusieurs niveaux de métal de la partie d'interconnexion du circuit intégré CI. [0048] Le deuxième rail d'alimentation VDDBUS n'est relié à aucun élément actif de la puce du circuit intégré CI entre la broche d'alimentation VDD et ladite borne d'entrée du premier dispositif d'écrêtage de décharge ESDI. [0049] Et, pour distribuer la tension d'alimentation dans les éléments actifs de la puce, le premier rail d'alimentation VDDTR est relié à la broche d'alimentation VDD, recevant la tension d'alimentation, par l'intermédiaire du deuxième rail d'alimentation VDDBUS. Le premier rail d'alimentation VDDTR est ainsi connecté sur ladite borne d'entrée NE du premier dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique ESD1. [0050] Les pistes métalliques du premier rail d'alimentation VDDTR sont configurées pour acheminer la tension d'alimentation aux éléments actifs situés en différents points Vi de la puce, depuis la borne d'entrée NE. [0051] Par ailleurs, le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques ESD comprend le deuxième dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique ESD2 directement connecté sur la broche d'alimentation VDD et sur un point de l'arbre de dis- 6 tribution de la masse GNDTR. Avantageusement, le point de l'arbre de distribution de la masse GNDTR est choisi le plus proche possible de la broche d'alimentation VDD. [0052] Les troisièmes dispositifs d'écrêtage de décharge électrostatique ESD3, ESD4 sont directement connectés sur respectivement chaque broche d'entrée-sortie FO et sur un point respectif de l'arbre de distribution de la niasse GNDTR. [0053] On se réfère désormais à la figure 2. [0054] La figure 2 représente, sous la forme d'un schéma électrique, les pistes métalliques décrites ci-avant en relation avec la figure 1. [0055] Les résistances RVi, avec 0 REVENDICATIONSCircuit intégré comportant un premier rail d'alimentation (VDDTR) configure pour distribuer une tension d'alimentation dans des éléments actifs du circuit intégré (Cl), et un dispositif de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) comprenant un deuxième rail d'alimentation (VDDBUS) configure pour écouler un courant de décharge électrostatique (IESDhus) entre une broche d'alimentation (VDD) et une broche de masse (GND), le deuxième rail d'alimentation (VDDBUS) n'étant connecté à aucun élément actif du circuit (Cl). Circuit intégré selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) comprend un premier dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique (ESD1) ayant une borne directement connectée sur la broche de masse (GND) et une borne d'entrée (NE), le deuxième rail d'alimentation (VDDBUS) étant connecté sur la broche d'alimentation (VDD) et sur ladite borne d'entrée (NE) du premier dispositif d'écrêtage de décharge (ESD1). Circuit intégré selon la revendication 2, dans lequel le premier rail d'alimentation (VDDTR) est relié à la broche d'alimentation (VDD) par l'intermédiaire du deuxième rail d'alimentation (VDDBUS), sur ladite borne d'entrée (NE) du premier dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique (ESD1). Circuit intégré selon l'une des revendications précédentes, comportant un arbre de distribution de masse (GNDTR) connecté sur la broche de masse (GND), configuré pour distribuer une tension de masse à des éléments actifs du circuit (Gi), dans lequel le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) comprend un deuxième dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique (ESD2) directement connecté sur la broche d'alimentation (VDD) et sur un point de l'arbre de distribution de masse (GNDTR). Circuit intégré selon la revendication 4, comportant en outre au moins une broche d'entrée-sortie (I/O). dans lequel le dispositif de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) comprend au moins un troisième dispositif d'écrêtage de décharge électrostatique (ESD3. ESD4) directement connecté sur respectivement chaque broche d'entrée-sortie (I/0) et sur un point, respectif de l'arbre de distribution de masse (GNDTR). Circuit intégré selon l'une des revendications précédentes, comprenant, 10 une puce réalisée sur un substrat semiconducteur et incorporant les éléments actifs du circuit (CI), et une partie d'interconnexion comprenant des niveaux de métaux incorporant lesdits rails d'alimentations (VDDTR, VDBUS), lesdites broches (VDD, GND, 1/ 0).