專利名稱：雙向靜電放電二極管結(jié)構(gòu)的制作方法
交互參照有關(guān)的申請由Roy A.Colclaser和David M.Szmyd并此同時提出的、名稱為“Improved ESD Diode(改進型ESD二極管)”的美國專利申請序列號U.S.Patent no.09/466，401，它轉(zhuǎn)讓予本文件的代理人，所包含的主題內(nèi)容與本專利申請的主題內(nèi)容相關(guān)聯(lián)。
本發(fā)明背景本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于保護電路抗御靜電放電(ESD)的裝置，更具體地，涉及一種有著減小的結(jié)電容量的ESD二極管。
先有技術(shù)的討論

圖1示明了通常的、能抗御靜電放電(ESD)的保護電路布置100。圖中受保護的裝置是電路110，它可以形成在一個集成電路或是芯片的一種半導(dǎo)體基底上。電路110的輸入115和輸出120分別連接至輸入和輸出緩沖墊125、130上，它們隨后連接至集成電路或芯片的針腳上。
典型地，電路110的輸入115和輸出120在抗靜電放電(ESD)保護中應(yīng)用了連接在輸入/輸出緩沖墊125、130與電源線之間的二極管D1、D2、D3和D4。電源線包括接地總線135和供電總線140，供電總線140連接至一個用于提供出稱為Vcc正電壓的電壓源上。
如本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所周知的，二極管D1、D2、D3和D4之每一個由一個P-N結(jié)形成，它們可以集成在其中包括有受保護電路100的同一芯片或集成電路上。在保護上為了抗御正ESD，二極管D1、D2的陽極(P側(cè))連接至電路110的輸入115和輸出120上。二極管D1、D2的陰極(N側(cè))連接至具有正電壓Vcc的供電總線140上。為了抗御負ESD，二極管D3、D4的陰極(N側(cè))連接至電路110的輸入115和輸出120上。二極管D3、D4的陽極(P側(cè))連接至接地總線135上。圖1上，二極管D1的陽極(P側(cè))示明為數(shù)號145，陰極(N側(cè))示明為數(shù)號150。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練人員知道，對二極管D1的說明僅是示例的目的，它同樣地可應(yīng)用到全部二極管D1-D4上。
如本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所周知的，每個二極管(例如二極管D1)在反向偏置也即陰極(N側(cè))150電位相對于陽極(P側(cè))145電位為正時，它是截止的，直至陰極電壓足夠高時會導(dǎo)致二極管擊穿。工作在反偏狀態(tài)時，從陰極到陽極的電流是非常小的，稱之為泄漏電流。
當陽極145或即P側(cè)電位相對于陰極150或即N側(cè)電位為正時，其工作狀態(tài)稱之為正向偏置。而且，二極管D1上的電壓稱為正偏電壓，它是陽極145與陰極150間的電壓。當二極管D1上的正偏電壓增加時，稱為陽極電流的陽極145至陰極150間電流將如圖4中曲線410所示地隨電壓值而呈指數(shù)地增大。對于典型的硅二極管來說，使二極管D1轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通狀態(tài)而電流呈增長效應(yīng)的門限電壓或即導(dǎo)通電壓VT，大約為0.7伏。高于此導(dǎo)通電壓VT、也即在導(dǎo)通狀態(tài)下時，當電壓逐漸增加時，電流將顯著地增大。應(yīng)當指出，在大電流情況下，例如在發(fā)生ESD電流期間，由于二極管的內(nèi)阻，二極管上的電壓會上升至幾伏。
如圖4中曲線410所示，在陰極150到陽極145的反方向或即截止電流下，二極管D1-D4呈現(xiàn)出開路狀態(tài)。因?qū)妷篤T使陽極145的電壓高于陰極150的電壓時，二極管D1進入正向?qū)顟B(tài)，它對陽極145或即P側(cè)至陰極150或即N側(cè)的電流流通提供出一條電阻相對地低的通路。
ESD電流會在集成電路中任一對針腳之間的正或負極性電壓下發(fā)生。因此，必須對每個輸入/輸出針腳與供電總線140和接地總線135之間、以及與所有其它輸入/輸出針腳之間，都提供出ESD保護。此外，要求在供電總線140與接地總線135之間，同時有正極性的和負極性的ESD保護。相對于接地總線135，例如當輸入緩沖墊125這輸入/輸出緩沖墊上有正ESD時，ESD電流將經(jīng)由二極管D1流通至供電總線140上。然后，該ESD電流將通過一個箝位結(jié)構(gòu)155流通至接地總線135上，該箝位電路位于供電總線140與接地總地135之間。相對于接地總線135，當輸入緩沖墊125上有負ESD時，ESD電流將通過二極管D3流通至接地總線135上。
相對于供電總線140，當輸入/輸出緩沖墊125、130上有正ESD時，ESD電流將通過二極管D1、D2流通至供電總線140上。相對于供電總線140，當輸入/輸出緩沖墊125、130上有負ESD時，它等效于相對于輸出/輸出緩沖墊125、130來說在供電總線140上有正ESD，ESD電流將通過箝位結(jié)構(gòu)155和通過二極管D3、D4流通至緩沖墊125、130上。
對于輸入/輸出緩沖墊125與130之間的正ESD，ESD電流將通過二極管D1流通至供電總線140上，通過電源箝位155流通至接地總線135上，并通過二極管D4流通。對于輸入/輸出緩沖墊125與130之間的負ESD；ESD電流將通過二極管D2流通至供電總線140上，通過電源箝位155流通至接地總線135上，并通過二極管D3流通。
對于供電總線140與接地總線135之間的正ESD，ESD電流將通過電源箝位155流通。對于供電總線140與接地總線135之間的負ESD，ESD電流將通過D1和D3以及D2和D4二極管串接系列中的一串或兩串進行流動。
該通常的ESD保護電路布置100在許多場合下給出了一種有效的保護體系。然而，在反偏情況下，每個二極管D1、D2、D3和D4對輸入/輸出信號給出了一個電容負載，它會顯著地影響輸入和輸出信號以及電路110的性能，尤其是在高的頻率上。因此，在正常(非ESD)工作期間，普通二極管D1的主要缺點將呈現(xiàn)出來。在此場合下，連接在輸入/輸出針腳或緩沖墊125、135與電源線140之間的二極管D1、D2，以及連接在地線135與緩沖墊125、135之間的二極管D3、D4，都是反偏的，而模擬輸入信號在電源線與地線之間受到偏置。
二極管D1-D4之每一個有著一個與二極管P-N結(jié)相關(guān)聯(lián)的電容，這里，結(jié)電容大小取決于結(jié)的面積和半導(dǎo)體攙雜構(gòu)造。一部分高頻輸入信號會通過二極管分流，流通到不是預(yù)定通路的電路中去。減小二極管的尺寸或面積能減少結(jié)電容，但由于ESD保護的程度依賴于二極管中的電流密度，所以這又將降低ESD的保護程度。
因此，需要一種方法既減小連接在輸入/輸出線上的電容負載，又保持所需的ESD保護程度。
本發(fā)明概要本發(fā)明的目的是提供一種靜電放電(ESD)保護裝置，它能顯著地減小通常的ESD保護裝置的問題。
本發(fā)明通過提供出一種稱為雙向ESD二極管的ESD保護裝置來實現(xiàn)上面的目的和其它目的，例如，它可以保護電路抗御靜電放電，使電路能正常工作，尤其是在高的頻率上。雙向ESD二極管中具有稱為ESD二極管的第一和第二兩個器件，它們以逆向平行構(gòu)造相連接。每個ESD二極管中包括有在P型導(dǎo)電性半導(dǎo)體基底上形成的第一區(qū)域和第三區(qū)域，以及在N型導(dǎo)電性半導(dǎo)體基底上形成的第二區(qū)域和第四區(qū)域。
第一ESD二極管器件的第一區(qū)域和第二ESD二極管器件的第四區(qū)域連接至雙向ESD二極管的陽極端上。第一ESD二極管器件的第四區(qū)域和第二ESD二極管器件的第一區(qū)域連接至雙向ESD二極管的陰極端上。當陰極端連接至電路的正電源線上時，陽極端連接至電路的信號端上，而當陽極端連接至電路的地線或負電源線上時，陰極端連接至電路的信號端上。
另一個實施例中，兩個ESD二極管融合一起以形成雙向ESD二極管。融合的雙向ESD二極管有四個相鄰的區(qū)域，其中，第一和第三區(qū)域為P型半導(dǎo)體，第二和第四區(qū)域為N型半導(dǎo)體。
第一區(qū)域中包括有N型導(dǎo)電性的第一部分，用于連接至陽極上；第四區(qū)域中包括有P型導(dǎo)電性的第二部分，用于連接至陰極上。該第二部分形成自第三區(qū)域面對陰極端方向上的延伸。
第一導(dǎo)電層形成在第一區(qū)域和第一部分上，而第二導(dǎo)電層形成在第四區(qū)域和第二部分上。第一導(dǎo)電層連接至陽極端，第二導(dǎo)電層連接至陰極端。
附圖的簡要說明結(jié)合對附圖給出的下面的詳細說明，從其考慮中將較容易明白本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點。附圖中規(guī)定和示明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中，各圖中類同的部件由相同的參考號碼標志出，各圖是圖1示明一種對于抗御靜電放電(ESD)起保護作用的通常的電路布置；圖2示明應(yīng)用了具有一種四層構(gòu)造的ESD二極管對于抗ESD起保護作用的一種電路布置；圖3較詳細地示明圖2中ESD二極管的一種單向?qū)嵤├粓D4示明普通二極管和按照圖3的ESD二極管它們正偏時電流-電壓的特性曲線；圖5示明具有一個電阻的ESD二極管的一種單向?qū)嵤├?
圖6示明具有一個高增益區(qū)域的一種單向ESD二極管的另一個實施例；圖7示明一種雙向ESD二極管，它具有兩個按照本發(fā)明的ESD二極管，它們連接成逆向平行式構(gòu)造；圖8示明雙向ESD二極管的另一個實施例，它具有按照本發(fā)明的二極管融合構(gòu)造；以及圖9示明按照本發(fā)明的雙向ESD二極管的電流-電壓特性。
本發(fā)明的詳細說明圖2示明一種電路布置200，其中圖1上所示的二極管D1-D4由一些器件取代，它們能提供出改善的靜電放電(ESD)保護。具體地，二極管D1、D2、D3、D4分別由稱為ESD二極管210、215、220、225的二端網(wǎng)絡(luò)集成結(jié)構(gòu)取代。
ESD二極管210的陽極245和ESD二極管215的陽極255分別連接至電路110的輸入端115和輸出端120上。ESD二極管210、215的陰極250、260連接至供電總線140上。此外，ESD二極管220的陰極270和ESD二極管225的陰極280分別連接至電路110的輸入端115和輸出端120上。ESD二極管220、225的陽極265、275連接至接地總線135上，該接地總線135可使用在其上面提供的電壓比之供電總線140提供的電壓為低的一個總線取代。作為示例，供電總線140電壓為正電壓VCC，而總線135例如或者是一個接地總線，或者它提供出一個負電壓。
ESD保護的提供形式類似于圖1中所示的通常的電路布置100。例如，ESD部件210、215分別保護電路110的輸入115和輸出120以抗御相對于接地總線135為正的ESD。具體地，輸入115上相對于接地總線135由一個正ESD來的電流將通過ESD二極管210流通至供電總線140上。類似地，輸出120上相對于接地總線135由一個正ESD來的電流將通過ESD二極管215流通至供電總線140上。然后，這種ESD電流通過箝位結(jié)構(gòu)155流通至接地總線135上。箝位結(jié)構(gòu)155在設(shè)計上能吸收ESD電流而它本身不被破壞，或是不容許它上面的電壓升高到這樣的值，使得其內(nèi)部電路110中的其它部件遭受破壞。對于輸入115上相對于接地總線135為負的ESD，ESD電流將通過ESD二極管220流通至地或負電壓總線135上。類似地，對于輸出120上相對于接地總線135為負的ESD，ESD電流將通過ESD二極管225流通至地或負電壓總線135上。
圖3較詳細地示明圖2中計算ESD二極管210、215、220、225之一(例如是ESD二極管210)的構(gòu)造。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練人員知道，對圖3中所示ESD二極管210的討論其目的只是示例，它同等地適用于圖2中所示的全部ESD二極管210、215、220、225。
如圖3中所示，ESD二極管210是一個兩端的PNPN器件，有四個區(qū)域310、320、330、340。第一和第三區(qū)域310、330由摻雜的、諸如硅之類的半導(dǎo)體基底形成，它具有P型導(dǎo)電性。如本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所周知的，硅基底內(nèi)摻雜以硼可得到P型導(dǎo)電性。第二和第四區(qū)域320、340由摻雜的該半導(dǎo)體基底形成，它具有N型導(dǎo)電性，這里是在硅內(nèi)例如摻雜以砷或磷。第一和第四區(qū)域310、340連接至ESD二極管的兩個端子上，第一區(qū)域310連接至陽極端子245上，第四區(qū)域340連接至陰極端子250上。
對于圖2和圖3中所示的ESD二極管210，215，它們的第一區(qū)域或即陽極245、255用于連接至信號端，例如電路110的輸入或輸出端115、120，而它們的第四區(qū)域340或即陰極250、260連接至正電源線140上。至于ESD二極管220、225，它們的第四區(qū)域或即陰極270、280用于連接信號端，而它們的第一區(qū)域或即陽極265、275連接至地線135上，或是取代其接地，總線135可提供出一個低于VCC的電壓，諸如提供一個負電壓。
ESD二極管210的工作如下在反偏狀態(tài)下，陰極250或即第四區(qū)域340相對于陽極245或即第一區(qū)域為正，類似于普通二極管D1(圖1)，ESD二極管210截止而無電流。在正偏狀態(tài)下，陽極245相對于陰極250為正，ESD二極管210也截止而無電流，直至中心的半導(dǎo)體結(jié)350達到雪崩電壓VA，這里，中心半導(dǎo)體結(jié)350是在第三與第二區(qū)域330、320之間的P-N結(jié)。由于中心結(jié)可以表示成一個電容，所以當陽極與陰極之間的電壓快速變化時，它可以觸發(fā)此器件進入大電流、低電壓的導(dǎo)通狀態(tài)。
圖4示明了普通二極管D1(圖1)和ESD二極管210(圖2和圖3)在正偏狀下的電流-電壓特性曲線，這里，普通二極管D1的曲線以數(shù)號410標志，ESD二極管210的曲線以數(shù)號420標志。在雪崩電壓上，如果圖3中所示四個區(qū)域310、320、330、340的摻雜濃度和幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計合適，則ESD器件210將折返到一個低電壓VL上而轉(zhuǎn)入導(dǎo)通，由此容許流通大電流。ESD二極管210在導(dǎo)通狀態(tài)時，低電壓電平VL是它上面的電壓降值。取決于摻雜狀態(tài)和幾何結(jié)構(gòu)，雪崩電壓VA的范圍為2至30伏，而低電壓VL大約為1伏。
ESD二極管210的導(dǎo)通狀態(tài)一直保持，直至外部情況強使電流為零，諸如陽極電壓下降到陰極電壓加某一電壓值之下，例如是陰極電壓加上大約1伏的低電壓值VL之下。內(nèi)部反饋將保持ESD二極管210處于導(dǎo)通狀態(tài)下，這一導(dǎo)通狀態(tài)通常由ESD二極管210面積上電流的均勻分布來表征。
通過或是使靠近陽極245的P-N結(jié)360正偏，或者使靠近陰極250的P-N結(jié)370正偏，也能將PNPN開關(guān)或即ESD二極管210觸發(fā)進入大電流、低電壓的導(dǎo)通狀態(tài)。圖5示明ESD二極管210的一個實施例，其中，電阻R連接在兩個P型區(qū)域310、330之間，用以觸發(fā)ESD二極管210。
電阻R使ESD二極管210的工作狀況類似于普通二極管D1或即P-N結(jié)的狀況。參考圖4和圖5，當陽極245的電壓增大到相對于陰極250例如高出導(dǎo)通電壓VT時，將有電流通過電阻R，并通過靠近陰極的P-N結(jié)370。這就觸發(fā)ESD二極管210進入導(dǎo)通狀態(tài)，由此大部分電流將通過ESD二極管210流通而不是流入電路110(圖2)中。導(dǎo)通狀態(tài)下ESD二極管210上的電壓降VL大約為1伏，它稍高于普通二極管D1(圖1)的0.7伏電壓降VT。普通二極管D1和ESD二極管210上的電壓降VT和VL分別示明于圖4中。
ESD二極管210的電壓降VL比之普通二極管D1的電壓降VT較高些這一缺點是并不重大的，ESD二極管210很適合于流通ESD電流。此種缺點更可由正常(非ESD)工作期間ESD二極管210具有減小的電容這一優(yōu)點來補償。ESD二極管210中有兩個反偏結(jié)360、370和一個正偏結(jié)350串聯(lián)連接，它們等效于三個電容串聯(lián)連接。諸結(jié)電容的串聯(lián)連接將形成一個較低的總電容。較低的電容可使ESD二極管210比之普通二極管構(gòu)造的D1運行在更高的頻率上。作為示例，ESD二極管210可正常地工作到30GHz或更高。
通常，在形成ESD保護裝置的大多數(shù)工序中不需要附加的處理步驟。在工序上對于普通晶體管和無源部件是最佳化的，而由于ESD器件它們也以該基本的工序流程形成，往往不是最佳化的。例如，在CMOS中經(jīng)常應(yīng)用的保護裝置是一種橫向NPN雙極晶體管，它是在形成N溝道的MOSFET時發(fā)生的一種寄生單元。當在制作NPN雙極晶體管和/或CMOS晶體管上為最佳化工序中形成PNPN器件時，通常有幾種形成PNPN器件的方法，例如，應(yīng)用不同的勢阱和擴散的組合。在一種給定的工序下形成的某類可能的PNPN器件應(yīng)用作ESD保護或許優(yōu)于應(yīng)用在其它場合中。另一些情況下，添加諸如電阻R之類的元件可能在構(gòu)成所需的ESD保護功能上是必需的。
某些場合下，圖5中所示的電阻R可以去掉。圖6示明ESD二極管210’的一個實施例，其中，沒有采用圖5中所示的電阻R。取代的做法是制作工序中使區(qū)域340、330’和320的幾何結(jié)構(gòu)和摻雜濃度在配置方面構(gòu)成一個高增益的NPN晶體管440。在此實施例中，ESD二極管210’的形成是首先象普通晶體管的工序中那樣形成高增益的NPN晶體管440。然后，在該高增益NPN晶體管中形成一個附加的P型層310，以形成ESD二極管210’。
該ESD二極管210’的形成如本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所周知地，可以應(yīng)用雙極的工序或是互補型金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)的工序，或者是雙極-CMOS(bi-CMOS)工序的組合。典型地，當通過一種高性能的雙極工序來形成、在其中形成了一個高增益NPN晶體管時，圖5中所示的電阻R對于ESD二極管的常態(tài)工作是不需要的。當然，需要時可添加上電阻R。
圖1中所示的普通的集成結(jié)二極管D1-D4可由圖3、圖5或圖6中所示的兩端集成結(jié)構(gòu)210、210’取代。兩端集成結(jié)構(gòu)或ESD二極管能實現(xiàn)類似于普通二極管D1的功能，但更適合于通過大電流，而與具有類同的電流通過能力的普通二極管相比較則它的結(jié)電容較小。四個區(qū)域310、320、330、340可以互相疊蓋地形成，這里的三個結(jié)電容串聯(lián)連接，從而在采用相同的面積下可得到減小的結(jié)電容。這使得ESD二極管可以分流大的ESD電流，并工作在高的頻率上。
用于ESD保護的通常的PNPN器件典型地為硅可控整流器(SCR)型器件，具有兩個以上的端子，而不是ESD二極管210的僅僅兩個端子即陰極端和陽極端。此外，通常的PNPN器件在連接上與ESD二極管的連接方向相反。例如，如果通常的PNPN器件連接進來提供正ESD保護，將不同于ESD二極管210、215(圖2)，通常的PNPN器件的P區(qū)域連接至電源線140上，而N區(qū)域連接至輸入或輸出端115、120上。類似地，如果通常的PNPN器件連接進來提供負ESD保護，將不同于ESD二極管220、225，通常的PNPN器件的N區(qū)域連接至地線135上，而P區(qū)域連接至輸入或輸出端115、120上。
此外，通常的PNPN器件典型地在正方向和反方向兩者中均截止電流，在ESD電流被分流之前需要一個附加的信號或電壓施加到一個附加端子上以觸發(fā)其導(dǎo)通。典型地，已經(jīng)作出了努力來降低通常的PNPN器件的觸發(fā)電壓。與之不同，ESD二極管在正方向上不截止電流，這或是由于幾何結(jié)構(gòu)和摻雜情況，或是由于應(yīng)用了電阻R。
圖7示明另一個實施例，稱為雙向ESD二極管210”，其中，兩個ESD二極管210(圖3)以逆向平行構(gòu)造形式連接起來。第二個ESD二極管210A用來保護第一個ESD二極管210在反方向中受到過電壓，以免損壞第一個ESD二極管。應(yīng)用于圖2之電路布置200中的四個ESD二極管210、215、220、225由四個雙向ESD二極管210”取代，它們以類同于四個ESD二極管210、215、220、225的形式進行連接。如圖7中所示，兩個ESD二極管的逆向平行連接中包括一個ESD二極管210，它具有連接至陽極245上的P型導(dǎo)電第一區(qū)域310和連接至陰極250上的N型導(dǎo)電第四區(qū)域340。類似于圖3，在第一區(qū)域310之后，ESD二極管210具有分別為N型和P型導(dǎo)電的第二和第三區(qū)域320、330。
雙向ESD二極管210”中的第二個ESD二極管210A具有其P型的第一區(qū)域310A，它連接至陰極250上而不是陽極245上。位于第一區(qū)域310A后面的是N型的第二區(qū)域320A，位于第二區(qū)域320A后面的是P型的第三區(qū)域330A。位于第三區(qū)域330A后面的是第二ESD二極管210A的第四區(qū)域340A，它連接至陽極245上。
如圖5和圖6方面的說明，在第一ESD二極管210中P型的陽極245上第三區(qū)域330之間可以連接一個電阻R。另外，除了加上電阻R之外，第三區(qū)域330可以有其幾何結(jié)構(gòu)和合適的摻雜以產(chǎn)生一個類似于圖6方面所說明的高性能NPN晶體管。
對圖7中指出的兩個物理的PNPN器件之配置進行取代，如圖8中所示，兩個ESD二極管210、210A可以融合一起以形成雙向ESD二極管210'''。該雙向ESD二極管210'''是一個NPNPN器件，在P型的陽極245與第三區(qū)域330B之間連接有電阻R。
雙向ESD二極管210'''中包含兩個NPNP器件，它們以逆向平行構(gòu)造的融合形式連接，使得當例如陽極245到陰極250的電壓為正時，兩個PNPN器件之一通過電阻R驅(qū)動入導(dǎo)通狀態(tài)，也即低電壓、大電流的工作模式。如圖8中所示，此PNPN器件中包括第一區(qū)域(P型)310B、第二區(qū)域(N型)320B、第三區(qū)域(P型)330B和第四區(qū)域(N型)340B。
第二個PNPN器件中包括第三區(qū)域(P型)330B、第二區(qū)域(N型)320B、第一區(qū)域(P型)310B和第五區(qū)域(N型)340C。通過使該第二PNPN器件的中心P-N結(jié)進入雪崩狀態(tài)，此第二PNPN器件將驅(qū)動入低電壓、大電流工作模式的導(dǎo)通狀態(tài)。此中心P-N結(jié)在圖8中示明以參考數(shù)號350A，當例如陰極250到陽極245的電壓為正時，也即當陰極250的電壓高于陽極245的電壓時，此中心結(jié)350A上便發(fā)生雪崩。
類似于ESD二極管210(圖3)，雙向ESD二極管21O”、210'''(圖7和圖8)可以應(yīng)用本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)周知的雙極晶體管工序、CMOS工序或者雙極-CMOS(bi-CMOS)工序的組合加以形成。值得注意的是，在陽極245上的P型和N型區(qū)域310B和340C用諸如是某種金屬的導(dǎo)體370連接一起。類似地，在陰極250上的P型和N型區(qū)域330B和340B用諸如是某種金屬的導(dǎo)體375連接一起。于是取代那種NPNPN結(jié)構(gòu)，是在兩個方向上分別只提供出一個PNPN結(jié)構(gòu)。雙向ESD二極管210'''的陽極245和陰極250可實現(xiàn)同樣的功能，它們以類似于ESD二極管210、215、220、225中陽極和陰極的方式來保護圖2中所示的電路110。例如，由于在陽極245到內(nèi)部P型區(qū)域330B之間有電阻R，當陽極245相對于陰極205具有較高的電壓時，該雙向ESD二極管210'''的作用類同于正偏二極管D1的情況。
對于相反的極性，陽極245相對于陰極205具有較低的電壓時，第二個PNPN結(jié)構(gòu)由中心結(jié)350A的雪崩觸發(fā)，如同一個PNPN二極管，被驅(qū)動入導(dǎo)通狀態(tài)，或即低電壓、大電流工作模式。
四個雙向ESD二極管210”可以取代圖1中所示的通常集成的結(jié)型二極管D1-D4。雙向ESD二極管210”實現(xiàn)的功能類同于普通二極管D1-D4，但更適合于通過大電流，而與具有類同的電流通過能力的普通二極管相比較則它的結(jié)電容較小。雙向ESD二極管210”的反方向上有著超過稱作反向雪崩電壓VAR(圖9)的一個確定電壓時，它被驅(qū)動入低電壓、大電流的工作模式。
圖9示明了圖7和圖8中所示的雙向ESD二極管210”、210'''的電流-電壓特性。圖9中，正向二極管的雪崩電壓扣折返電壓示明為VAF和VLF，反向二極管的雪崩電壓和折返電壓示明為VAR和VLF。圖9中所示的第一或正向ESD二極管的電流-電壓特性類似于圖4中所示的電流-電壓特性420。類似于圖4，例如，正向雪崩電壓VAF大約為2伏，正向低電壓VLF大約為1伏。例如，反向雪崩電壓VAR大約為15伏，反向低電壓VLR大約為1伏。
概括地說，第一或正向ESD二極管由圖7中雙向ESD二極管210”內(nèi)逆向平行構(gòu)造中的數(shù)號210標志。此外，在圖8中所示的融合式雙向ESD二極管210'''內(nèi)，第一或正向ESD二極管包含下列區(qū)域第一區(qū)域(P型)310B、第二區(qū)域(N型)320B、第三區(qū)域(P型)330B和第四區(qū)域(N型)340B。第二或反向ESD二極管由圖7中雙向ESD二極管210”內(nèi)逆向平行構(gòu)造中的數(shù)號210A標志。此外，在圖8中所示的融合式雙向ESD二極管210'''內(nèi)，第二或反向ESD二極管包含下列區(qū)域第三區(qū)域(P型)330B、第二區(qū)域(N型)320B、第一區(qū)域(P型)310B和第五區(qū)域(N型)340C。
參考圖2和圖9，ESD二極管210、215、220、225由雙向ESD二極管取代。輸入線和輸出線120上的正ESD電流由雙向ESD二極管分流至地線135上，其情況類似于由雙向ESD二極管取代的ESD二極管210、215。具體地，正ESD通過電源線140和電源箝位155分流至地線135上。此外，通過取代ESD二極管220、225的雙向ESD二極管，給出了一條直接到地線135的通路。
再則，輸入線和輸出線120上的負ESD電流由雙向ESD二極管分流至地線135上，其情況類似于由雙向ESD二極管取代的ESD二極管220、225。具體地，負ESD也通過取代ESD二極管210、215的雙向ESD二極管分流至地線135上。
類似于圖6中所示的ESD二極管210’的實施例，圖7和圖8中所示的電阻R可以去掉。取代的做法是使區(qū)域340、330’和320的幾何結(jié)構(gòu)和摻雜濃度配置成可制作出一個高增益NPN晶體管。
雙向ESD二極管210”、210'''(圖7和圖8)有著ESD二極管210(圖3)那樣相同的優(yōu)點，即器件設(shè)計得能通過大電流，而結(jié)電容小于單個P-N結(jié)二極管D1(圖1)的結(jié)電容。雙向ESD二極管比之ESD二極管的附加優(yōu)點在于，雙向ESD二極管在反方向上提供的ESD保護較之普通二極管D1以及ESD二極管要好得多。付出的代價則需要有附加的面積以形成兩個PNPN器件，諸如需要有圖7中所示的兩個二極管210、210A。應(yīng)用圖8中所示的融合式雙向ESD二極管210'''，所需的附加面積可以減小。由于這個附加的面積，雙向ESD二極管的結(jié)電容大于ESD二極管210(圖3)的結(jié)電容。因此，ESD二極管210優(yōu)先用于較高頻率場合。
雖然，已經(jīng)很詳細地說明了本發(fā)明，但還應(yīng)知道，在本發(fā)明預(yù)定的精神和范疇內(nèi)可能有許多的修改。在解釋所附的權(quán)利要求書中應(yīng)理解到a)字詞“包含“并不排除在權(quán)利要求書中列出的那些之外存在有其它單元或作用；b)在一個單元之前所冠的字詞“一個”，并不排除存在多個此類單元；c)權(quán)利要求書中的任何參考標志并不限制它們的范圍；以及d)一些“裝置”可以由同一產(chǎn)品的硬件或軟件所實施的結(jié)構(gòu)或功能來代表。
權(quán)利要求
1.一種用于保護電路(110)抗御靜電放電(ESD)的、具有四個相鄰區(qū)域的雙向器件(210''')，所述雙向器件包含有在一個半導(dǎo)體基底上形成的具有P型導(dǎo)電性的第一區(qū)域(310B)和第三區(qū)域(330B)；以及在所述半導(dǎo)體基底上形成的具有N型導(dǎo)電性的第二區(qū)域(320B)和第四區(qū)域(340B)；其中，所述第一區(qū)域(310B)用于連接至所述雙向器件(210''')的陽極端(245)上，又其中，所述第四區(qū)域(340B)用于連接至所述雙向器件(210''')的陰極端(250)上，所述陽極端(245)用于連接至所述電路(110)的信號端(115、120)上，而所述陰極端(250)用于連接至所述電路(110)的正電源線(140)上，又所述陰極端(250)用于連接至所述信號端(115、120)上，而所述陽極端(245)用于連接至地線(135)上或者所述電路(110)的負電源線上；以及其中，所述第一區(qū)域(310B)中包括著一個具有N型導(dǎo)電性的第一部分(340C)，它用于連接至所述陽極(245)上，而所述[第四]區(qū)域中包括著一個具有P型導(dǎo)電性的第二部分，用于連接至所述陰極(250)上。
2.權(quán)利要求1的雙向器件(210''')，其中所述第二部分形成自所述第三區(qū)域(330B)面對所述陰極端(250)方向上的延伸。
3.權(quán)利要求1的雙向器件(210''')，還包含有形成在所述第一區(qū)域(310B)和所述第一部分(370C)上的一個第一導(dǎo)電層(370)，以及包含有形成在所述第四區(qū)域(340B)和所述第二部分上的一個第二導(dǎo)電層(375)。
4.權(quán)利要求3的雙向器件(210''')，其中，所述第一導(dǎo)電層(370)連接至所述陽極端(245)上，所述第二導(dǎo)電層(375)連接至所述陰極端(250)上。
5.權(quán)利要求1的雙向器件(210''')，其中所述第二、第三和第四區(qū)域(320B、330B和340B)在構(gòu)造上產(chǎn)生出一個具有增大增益的NPN晶體管。
6.權(quán)利要求1的雙向器件(210''')，包含有一個連接在所述第三區(qū)域(330B)與所述陽極端(245)之間的電阻(R)。
7.一種用于保護電路(110)抗御靜電放電的雙向二極管(210”)，它具有第一器件(210)和第二器件(210A)，所述第一器件(210)和所述第二器件(210A)之每一個包含有形成在一個半導(dǎo)體基底上具有P型導(dǎo)電性的第一區(qū)域(310、310A)和第三區(qū)域(330、330A)；形成在所述半導(dǎo)體基底上具有N型導(dǎo)電性的第二區(qū)域(320、320A)和第四區(qū)域(340、340A)；其中，所述第一器件(210)的第一區(qū)域(310)和所述第二器件(210A)的第四區(qū)域(340A)用于連接至所述雙向二極管(210”)的陽極端(245)上，又所述第一器件(210)的第四區(qū)域(340)和所述第二器件(210A)的第一區(qū)域(310A)用于連接至所述雙向二極管(210”)的陰極端(250)上；所述陽極端(245)用于連接至所述電路(110)的信號端(115、120)上，而所述陰極端(250)用于連接至所述電路(110)的正電源線(140)上，又所述陰極端用于連接至所述信號端(115、120)上，而所述陽極端(245)連接至地線(135)上或者所述電路(110)的負電源線上。
8.權(quán)利要求7的雙向二極管(210”)，其中，所述第二、第三和第四區(qū)域(320、330、340、320A、330A、340A)在構(gòu)造上產(chǎn)生出一個具有增大增益的NPN晶體管(440)。
9.權(quán)利要求7的雙向二極管(210”)，還包含有一個連接在所述第一器件(210)的第一區(qū)域(310)與所述第一區(qū)域(210)的第三區(qū)域(330)之間的電阻(R)，所述第三區(qū)域(330)位于所述第一器件(210)的所述第四區(qū)域(340)與所述第一器件(210)的第二區(qū)域(320)之間。
10.一種受保護的電路布置，包含有一個具有信號端(115、120)的電路(110)，所述電路連接至提供出正電壓的第一電源線(140)以及提供出負電壓或地的第二電源線(135)上；用于保護所述電路(110)抗御靜電放電(ESD)的多個雙向二極管，所述多個雙向二極管之每一個具有第一器件(210)和第二器件(210A)，所述第一器件(210)和所述第二器件(210A)之每一個包含有形成在一個半導(dǎo)體基底上具有P型導(dǎo)電性的第一區(qū)域(310、310A)和第三區(qū)域(330、330A)；形成在所述半導(dǎo)體基底上具有N型導(dǎo)電性的第二區(qū)域(320、320A)和第四區(qū)域(340、340A)；其中，所述第一器件(210)的第一區(qū)域(310)和所述第二器件(210A)的第四區(qū)域(340A)連接至所述雙向二極管(210”)的陽極端(245)上，而所述第一器件(210)的第四區(qū)域(340)和所述第二器件(210A)的第一區(qū)域(310A)連接至所述雙向二極管(210”)的陰極端(250)上；所述陽極端(245)連接至所述電路(110)的所述信號端(115、120)上，而所述陰極端(250)連接至所述第一電源線(140)上，又所述陰極端(250)連接至所述信號端(115、120)上，而所述陽極端(245)連接至所述第二電源線(135)上。
11.權(quán)利要求10的受保護電路布置，其中，所述信號端(115、120)是所述電路(110)的輸入端(115)和輸出端(120)。
12.權(quán)利要求10的受保護電路布置，還包含有一個連接至所述信號端(115)上的輸入緩沖墊(125)。
13.權(quán)利要求10的受保護電路布置，還包含有連接在所述第一電源線(340)與所述第二電源線(135)之間的一個電源箝位(155)。
全文摘要
一種保護一個電路抗御靜電放電(ESD)的雙向ESD二極管。這種雙向ESD二極管中具有一個第一器件和一個第二器件,其每一個中包括有通過對一個半導(dǎo)體基底的摻雜而形成的具有P型導(dǎo)電性的一個第一區(qū)域和一個第三區(qū)域,以及通過對該半導(dǎo)體基底的摻雜而形成的具有N型導(dǎo)電性的一個第二區(qū)域和一個第四區(qū)域。第一器件的第一區(qū)域和第二器件的第四區(qū)域用于連接至雙向二極管的陽極端上。第一器件的第四區(qū)域和第二器件的第一區(qū)域用于連接至雙向二極管的陰極端上。陽極端用于連接至電路的信號端上,而陰極端用于連接至電路的正電源線上,又陰極端用于連接至電路的信號端上,而陽極端連接至地線上或者電路的負電源線上。
文檔編號H01L27/06GK1347567SQ00806291
公開日2002年5月1日 申請日期2000年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者R·A·科爾克拉澤, D·M·希米德 申請人:皇家菲利浦電子有限公司