對系統(tǒng)級脈沖的第一峰魯棒的big-fetesd保護的制作方法
【專利摘要】描述了靜電放電(ESD)保護裝置和操作ESD保護裝置的方法的實施例。在一個實施例中，ESD保護裝置包括雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管，配置為在ESD事件期間傳導(dǎo)ESD脈沖。雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管包括：背柵端子；源極端子；以及電流分配器，與背柵端子和源極端子連接，并且配置為響應(yīng)于ESD脈沖期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流，均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。還描述了其他實施例。
【專利說明】對系統(tǒng)級脈沖的第一峰魯棒的BIG-FETESD保護

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施例總體上涉及電子硬件以及用于操作電子硬件的方法，并且更具體地，涉及靜電放電(ESD)保護裝置和提供ESD保護的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]ESD保護電路可以集成到集成電路(IC)芯片上，以提供接地低阻抗通道，從而防止IC基板的熱損壞。稱作“軌夾(railclamp)”的一般ESD保護電路包括雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管BIG-FET和用于在ESD沖擊期間激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的觸發(fā)器電路。典型地，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管是具有較大溝道寬度的η溝道MOSFET(NMOS)晶體管。然而，還可以使用具有較大溝道寬度的P溝道MOSFET (PMOS)晶體管作為雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管?；陔p極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的ESD保護裝置可以用于通過將ESD電流從電源域分流到接地域，來在ESD沖擊期間防止IC芯片的電源域過熱。與二極管相結(jié)合，軌夾也可以用于保護諸如輸入、輸出或者組合的輸入/輸出管腳(10’ )之類的非電源管腳。
[0003]在諸如人體模型(HBM)測試或機器模型(MM)測試等規(guī)則ESD沖擊或ESD測試期間，基于雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的軌夾利用I或2安培(A)的峰值來分流電流脈沖。例如，2KV HBM脈沖可以引起大約1.4Α的峰電流，而100V麗脈沖可以具有大約2Α的峰電流。與HBM和麗脈沖相反，所謂的“系統(tǒng)級ESD脈沖”(例如，國際電工技術(shù)委員會(IEC) -61000-4-2標準中所描述ESD脈沖)可以具有高達30Α的第一峰，持續(xù)大約I納秒(ns)，隨后是高達16A的第二峰，持續(xù)大約150ns。典型地，在不考慮可能通過基于雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的軌夾傳導(dǎo)系統(tǒng)級ESD脈沖或系統(tǒng)級脈沖的一部分的情況下設(shè)計了傳統(tǒng)基于雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的軌夾。在通過傳統(tǒng)基于雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的軌夾傳導(dǎo)系統(tǒng)級ESD脈沖(一部分)的情況下，存在軌夾必須吸納比設(shè)計要吸納的ESD電流脈沖明顯更高的ESD電流脈沖。這會導(dǎo)致軌夾本身的物理損壞，從而導(dǎo)致受軌夾保護的核心電路的物理損壞，或這二者的物理損壞。因此，需要一種基于雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的ESD保護裝置作為可以在1C、基板(例如，印刷電路板(PCB))或其組合上實現(xiàn)的較大保護網(wǎng)絡(luò)的一部分，提供對具有低峰電流的規(guī)則ESD脈沖的保護，并且還提供對具有更高峰電流的系統(tǒng)級ESD脈沖的保護。更具體地，需要一種雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管ESD保護裝置，能夠經(jīng)受住這種較大保護網(wǎng)絡(luò)的其他組件有時不能防止的系統(tǒng)級ESD脈沖的第一峰。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]描述了靜電放電(ESD)保護裝置和操作ESD保護裝置的方法的實施例。在一個實施例中，ESD保護裝置包括:雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管，配置為在ESD事件期間傳導(dǎo)ESD脈沖。雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管包括:背柵端子；源極端子；和電流分配器，與背柵端子和源極電子連接，并且配置為響應(yīng)于ESD脈沖期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。與傳統(tǒng)軌夾相反，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管可以被均勻地激活以傳導(dǎo)系統(tǒng)級ESD脈沖的短、大電流峰。因此，ESD保護裝置防止具有低峰電流的規(guī)則ESD脈沖以及防止系統(tǒng)級ESD脈沖的極短、但較強第一電流峰。總體保護方案可以假定存在吸收系統(tǒng)級ESD脈沖的第二電流峰的附加保護元件。還描述了其他實施例。
[0005]在一個實施例中，一種提供ESD保護的方法涉及在ESD事件期間使用雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管傳導(dǎo)ESD脈沖，所述方法包括:在ESD脈沖期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生電流，并且響應(yīng)于產(chǎn)生的電流均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。
[0006]在一個實施例中，ESD保護裝置包括:雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管，配置為在ESD事件期間傳導(dǎo)ESD脈沖；以及去耦電容器，與雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管并聯(lián)。雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管包括:背柵端子；源極端子；以及電阻器，配置為將背柵端子直接電連接至源極端子。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]結(jié)合附圖，通過本發(fā)明原理的示例的描述，本發(fā)明實施例的其他方面和優(yōu)點將根據(jù)以下詳細描述變得清楚。
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的電路的示意框圖。
[0009]圖2示出了 ESD事件期間圖1中示出的電路的ESD電流路徑的示例。
[0010]圖3A和3B示出了規(guī)則ESD電流脈沖的兩個示例。
[0011]圖3C示出了系統(tǒng)級電流脈沖的示例。
[0012]圖4A和4B示出了圖1中示出的ESD保護裝置的實施例。
[0013]圖5A和5B示出了圖1中示出的ESD保護裝置的另一實施例。
[0014]圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的提供ESD保護的方法的過程流程圖。
[0015]貫穿說明書，類似附圖標記可以用于標識類似的元件。

【具體實施方式】
[0016]容易理解，本文總體上描述以及附圖中示意的實施例的組件能夠按照多種不同配置來布置和設(shè)計。因此，圖中所呈現(xiàn)的多個實施例的以下詳細描述并不意在限制本公開的范圍，而是僅表示多個實施例。盡管在附圖中呈現(xiàn)實施例的多個方面，但是附圖不必按比例繪制，除非明確指定。
[0017]所描述的實施例在所有方面應(yīng)僅視為示意性而非限制性。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是該詳細描述來指示。在權(quán)利要求等同性意義和范圍內(nèi)的所有改變應(yīng)包含在它們的范圍內(nèi)。
[0018]貫穿本說明書，對特征、優(yōu)點的引用或類似語言并不暗示可以利用本發(fā)明實現(xiàn)的所有特征和優(yōu)點應(yīng)當(dāng)在或在任一單個實施例中。相反，引用特征和優(yōu)點的語言應(yīng)理解為表示，結(jié)合實施例描述的特定特征、優(yōu)點或特性包括在至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書，對特征和優(yōu)點的討論和類似語言可以但不必指代相同實施例。
[0019]此外，在一個或多個實施例中，所描述的本發(fā)明特征、優(yōu)點和特性可以按照任何適合的方式結(jié)合。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，根據(jù)本文的描述，可以在沒有本實施例的一個或多個特定特征或優(yōu)點的情況下實踐本發(fā)明。在其他情況下，可以在本發(fā)明的所有實施例中沒有存在的特定實施例中識別附加特征和優(yōu)點。
[0020]貫穿本說明書，對“一個實施例”、“實施例”的引用或類似語言表示結(jié)合所指示的實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書，短語“在一個實施例中”、“在實施例中”和類似語言可以但不必均指代相同實施例。
[0021]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的電路120的示意框圖。該電路可以在多個應(yīng)用中使用，例如，汽車應(yīng)用、通信應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療應(yīng)用、計算機應(yīng)用和/或消費或家用電器應(yīng)用。在圖1所示的實施例中，該電路包括IC器件100，IC器件100包括核心電路102和用于在ESD事件期間保護核心電路的ESD保護裝置104，ESD事件可以是ESD測試或?qū)嶋HESD沖擊。IC器件可以在基板中實現(xiàn)，例如，半導(dǎo)體晶片或印刷電路板(PCB)。在實施例中，可以將IC器件封裝為半導(dǎo)體IC芯片。IC器件可以包括在微控制器中，微控制器例如可以用于車輛控制中或通信、識別、無線通信和/或照明控制中。在一些實施例中，IC器件包括在計算設(shè)備中，例如智能電話、平板計算機、膝上型計算機等。例如，IC器件可以包括在能夠近場通信(NFC)的計算設(shè)備中。
[0022]核心電路102是在ESD事件的情況下要由ESD保護電路保護的器件。核心電路典型地包括容易受到ESD沖擊的一個或多個內(nèi)部電路組件。核心電路的示例包括但不限于微控制器、收發(fā)機和開關(guān)電路。在實施例中，核心電路包括IC器件100的電源域。例如，核心電路可以連接至IC器件100的電源軌110以及電壓軌140，電源軌110具有電源電壓“VDD”，電壓軌140具有較低電壓“Vss”。盡管IC器件在圖1中示出為包括核心電路和ESD保護裝置104，但是在其他實施例中，IC器件可以包括附加電路元件。例如，IC器件可以包括串聯(lián)的二極管，串聯(lián)的二極管與核心電路并聯(lián)，以進行電流限制和電壓浪涌保護。
[0023]ESD保護裝置104在ESD事件期間保護核心電路102。ESD保護裝置104可以用于保護IC器件100的電源域。例如，ESD保護裝置104可以連接至IC器件100的電源軌
“V，。
[0024]在圖1所示的實施例中，ESD保護電路104(被稱作“軌夾”)包括:雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管106，配置為在ESD事件期間傳導(dǎo)電流；以及觸發(fā)裝置108，配置為在ESD事件期間觸發(fā)ESD元件。雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管106是具有較大溝道寬度的NMOS器件(例如，NMOS晶體管)或具有較大溝道寬度的PMOS器件(例如，PMOS晶體管)以吸納ESD電流。雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管可以用于通過將ESD電流從電源域分流到接地域(即，接地)，來在ESD事件期間防止IC器件100的的電源域過壓?？梢赃x擇雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的溝道寬度以確保ESD事件期間雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管上的壓降不超過預(yù)定電壓，所述超過預(yù)定電壓壓降被認為是對IC器件的內(nèi)部電路組件(例如，核心電路102)有害。典型地，將預(yù)定電壓設(shè)置為等于IC器件的電源電壓或在IC器件的電源電壓左右(例如，±30% )。在一些實施例中，ESD保護裝置104的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管由另一適合的ESD元件代替。
[0025]在圖1所示的實施例中，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管106包括:電流分配器112,連接至雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的背柵端子和源極端子，并配置為響應(yīng)于ESD脈沖期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。在實施例中，均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管涉及按照均勻、統(tǒng)一和/或一致的方式來分配雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管上的電流。在一些實施例中，ESD脈沖是系統(tǒng)級ESD脈沖，系統(tǒng)級ESD脈沖通常包括第一電流峰和比第一電流峰低的后續(xù)第二電流峰。在這些實施例中，電流分配器可以配置為響應(yīng)于ESD脈沖的第一峰期間或者ESD脈沖的第一峰消逝之前在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流，均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。電流分配器可以允許雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流在ESD脈沖的第一峰消逝之后收縮成絲(filament)。與傳統(tǒng)軌夾相反，可以均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管106的寄生雙極結(jié)型晶體管，以傳導(dǎo)系統(tǒng)級ESD脈沖的高電流峰。因此，軌夾104防止具有低峰電流的規(guī)則ESD脈沖和具有高峰電流的系統(tǒng)級ESD脈沖。與稱作“基板泵浦”的方法相比，電流分配器112可以響應(yīng)于ESD脈沖期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的內(nèi)部電流來均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管106的寄生雙極結(jié)型晶體管，在稱作“基板泵浦”的方法中通過外部器件將基板偏置瞬變簡單地注入電路120中，以激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管106的寄生雙極結(jié)型晶體管。因此，與基板泵浦方法相比，電路120不需要外部電流注入來激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管106的寄生雙極結(jié)型晶體管。
[0026]軌夾104的觸發(fā)裝置108能夠檢測到ESD事件，并且在ESD事件期間將雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管106驅(qū)動一定的時間量。觸發(fā)裝置可以使用一個或多個電容器、晶體管和/或電阻器來實現(xiàn)。在一些實施例中，觸發(fā)裝置與2013年8月15日遞交的共同未決申請(申請序號N0.13/968，337)中描述的觸發(fā)裝置類似或相同。在實施例中，觸發(fā)裝置108包括轉(zhuǎn)換速率檢測器、可選預(yù)驅(qū)動級、保持鎖存器和驅(qū)動器級。然而，在其他實施例中，觸發(fā)裝置可以包括更多或更少的組件來實現(xiàn)更多或更少的功能。轉(zhuǎn)換速率檢測器是配置為通過檢測IC器件100的電源電壓“VDD”的上升(這是ESD事件的特性)來檢測ESD事件的電路，所述ESD事件可以是ESD測試或?qū)嶋HESD沖擊。預(yù)驅(qū)動器級是配置為一旦轉(zhuǎn)換速率檢測器檢測到ESD事件就接通驅(qū)動器級的電路。預(yù)驅(qū)動器級可以僅在初始檢測到ESD事件期間激活，以“觸發(fā)”驅(qū)動器級。保持鎖存器是配置為在所檢測ESD事件的預(yù)期最大持續(xù)時間內(nèi)保持驅(qū)動器級接通的電路。在一些實施例中，轉(zhuǎn)換速率檢測器和保持鎖存器的功能在單個電路中實現(xiàn)。驅(qū)動器級是配置為驅(qū)動雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的柵極端子的電路。
[0027]在一些實施例中，電路120包括位于電路120的基板116(例如，印刷電路板(PCB))上的去耦電容器114。在一些實施例中，去耦電容器與基板物理附著，并且與基板物理和電接觸。去耦電容器的主要目的是抑制正常操作期間電源電壓的紋波。去耦電容器可以與IC器件100的軌夾104的一起使用以對系統(tǒng)級ESD脈沖是魯棒的。圖2示出了 ESD事件期間通過電路120的軌夾104和去耦電容器114的ESD電流路徑的示例。在圖2中，虛線將基板(例如，印刷電路板(PCB))上的元件與IC芯片上的元件分離。ESD事件可以引起具有低峰電流的規(guī)則ESD脈沖或具有高峰電流的系統(tǒng)級ESD脈沖。在圖2所示的實施例中，串聯(lián)的二極管224、226和228、230與核心電路102并聯(lián)，以用于電流限制和電壓浪涌保護目的。
[0028]圖3A和3B示出了可以通過圖2的ESD電流路徑傳導(dǎo)的規(guī)則ESD脈沖的兩個示例。如圖3A所示，人體模型(HBM)脈沖具有一個大約1.4A的低電流峰和150納秒(ns)的持續(xù)時間。如圖3B所示，機器模型(MM)脈沖具有大約2A的低電流峰、低于2A的后續(xù)電流峰以及150納秒(ns)的持續(xù)時間。返回圖2，在規(guī)則ESD脈沖期間，電流經(jīng)過串聯(lián)的二極管流到ESD保護裝置中，如箭頭232、234所示，并且經(jīng)過ESD保護裝置留到地(GND)中，如箭頭236所示。
[0029]圖3C示出了可以通過圖2的ESD電流路徑傳導(dǎo)的系統(tǒng)級ESD脈沖的示例。如圖3C所示，系統(tǒng)級脈沖包括第一電流峰和低于第一電流峰的第二電流峰。例如，系統(tǒng)級脈沖可以具有大約30安培(A)的第一峰(在脈沖中發(fā)生大約Ins)，隨后是16A的第二峰，第二峰在大約30ns處發(fā)生并且持續(xù)時間大約150ns。
[0030]轉(zhuǎn)向圖2，理想去耦電容器可以吸收系統(tǒng)級ESD脈沖的第一電流峰和第二電流峰。然而，實際的去耦電容器不僅具有一定電容而且還具有一些寄生電感240，如圖2所示。具有電容和電感二者的實際電容器的結(jié)果在于去耦電容器僅吸收系統(tǒng)級脈沖的第二峰，如箭頭238所示，并且強制系統(tǒng)級脈沖的第一峰通過IC器件100中集成的軌夾104，如箭頭236所示。
[0031]傳統(tǒng)軌夾只吸納在規(guī)則ESD事件(例如，ESD測試)期間產(chǎn)生的電流，而在系統(tǒng)級ESD事件期間產(chǎn)生的電流由去耦電容器吸收。由于傳統(tǒng)軌夾典型地設(shè)計為吸納幾個安培(A)的電流，因此可以高達30A的系統(tǒng)級ESD脈沖的第一電流峰會損壞軌夾并且毀壞核心電路。為了適應(yīng)傳統(tǒng)軌夾，可以通過對PCB設(shè)計施加嚴格的約束并且選擇具有最小寄生電感的電容器來解決去耦電容器的寄生電感的不利效應(yīng)。減小去耦電容器的寄生電感使去耦電容器主要吸收系統(tǒng)級脈沖的第一電流峰。例如，具有低寄生電感值的較小去耦電容器可以與主去耦電容器并聯(lián)使用。然而，具有不同特性的兩個電容器比一個電容器的解決方案更昂貴。備選地，具有大電容但小電感的電容器可以用作去耦電容器。然而，具有大電容但小電感的電容器比規(guī)則電容器更昂貴。與只能夠在規(guī)則ESD事件期間吸納大約2A電流的傳統(tǒng)軌夾相比，圖1所示的軌夾104對于系統(tǒng)級ESD脈沖的第一電流峰(可以高達30A)是魯棒的。系統(tǒng)級脈沖的第二電流峰(通常低于系統(tǒng)級脈沖的第一電流峰)可以被去耦電容器114吸收。因此，軌夾104可以與具有相對大電感的去耦電容器一起使用，并且可以解除針對PCB設(shè)計或者電容器類型選擇而另外存在的限制。此外，依賴于軌夾吸收/旁路掉系統(tǒng)級ESD脈沖的第一電流峰以及第二電流峰的解決方案要求具有尺寸大約是正常軌夾的8到10倍的軌夾，這明顯不節(jié)約成本。與要求軌夾來承受系統(tǒng)級ESD脈沖的第一和第二電流峰的解決方案相比，軌夾104可以與吸收/旁路掉系統(tǒng)級ESD脈沖的第二峰的ESD元件(例如，去耦電容器)一起使用，以形成防止系統(tǒng)級ESD脈沖的經(jīng)濟且緊湊的ESD保護網(wǎng)絡(luò)。
[0032]圖4A示出了實現(xiàn)為NMOS雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的圖1所示軌夾的實施例。在圖4A所示的實施例中，軌夾404包括:基于NMOS的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管406,配置為在ESD事件期間傳導(dǎo)電流；以及觸發(fā)裝置408，可以與觸發(fā)裝置108類似與相同，配置為在ESD事件期間觸發(fā)/激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管406。具體地，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管406實現(xiàn)為NMOS晶體管412。觸發(fā)裝置408和NMOS晶體管在電源Vdd節(jié)點(例如，端子或輸入焊盤)456處連接至電源電壓“VDD”，并且在電壓Vss節(jié)點458處連接至較低電壓“Vss”，較低電壓“Vss”被設(shè)置為零(地)或零附近的電壓。具體地，NMOS晶體管的漏極端子“D”連接至Vdd節(jié)點456，NMOS晶體管的源極端子“S”連接至Vss節(jié)點458，NMOS晶體管的柵極端子“G”連接至觸發(fā)器電路408并由觸發(fā)器電路408控制。觸發(fā)器電路408在ESD事件的開始時對NMOS晶體管的柵極端子“G”偏置，使得NMOS晶體管在ESD事件期間將ESD電流從Vdd節(jié)點456分流到Vss節(jié)點458。ESD電流從NMOS晶體管的漏極端子⑶分流到源極端子⑶。通過在ESD事件期間分流ESD電流，NMOS晶體管防止自身以及在Vdd節(jié)點和Vss節(jié)點之間連接的所有其他電路受到ESD損壞。在一些實施例中，選擇NMOS晶體管的溝道寬度，使得規(guī)則ESD事件引起的整個ESD電流流經(jīng)NMOS晶體管，而同時保持在NMOS晶體管上產(chǎn)生的壓降在預(yù)定臨界值以下，該預(yù)定臨界值典型地設(shè)置為Vdd額定值的50%和150%之間的值。在示例操作中，觸發(fā)器電路408在ESD事件期間將NMOS晶體管的柵極端子“G”提升到預(yù)定電勢，在不存在ESD事件時將NMOS晶體管的柵極端子“G”保持在與節(jié)點458相同的電壓處，并且通過檢測NMOS晶體管的漏極端子“D”處的電勢變化來在ESD事件與非ESD事件之間進行區(qū)分。在ESD脈沖期間，觸發(fā)器電路408將NMOS晶體管的柵極端子“G”上的電壓設(shè)置為等于NMOS晶體管的漏極端子“D”上的電壓。觸發(fā)器電路408允許在沒有發(fā)生ESD事件的所有時間NMOS晶體管的柵極端子“D”上的電壓采用NMOS晶體管的源極端子“S”的電壓，以便確保雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的較小待機(stand-by)泄露電流。
[0033]在圖4A所示的實施例中，NMOS晶體管412包括被稱作背柵端子“BG”的第四端子，所述端子保持在零電勢以使NMOS晶體管起作用。圖4B示出了 NMOS晶體管412的實施例，NMOS晶體管412包括源極區(qū)452、漏極區(qū)454、和背柵區(qū)456。物理上，NMOS晶體管412的背柵區(qū)456是構(gòu)成NMOS晶體管的娃體積(娃基板450)的一部分,不包括η型娃漏極454和源極452。在NMOS晶體管中，背柵區(qū)域456必要地包括ρ型硅，并且為了 NMOS晶體管的正確工作，背柵區(qū)456必須包括直接位于NMOS晶體管的柵極(即，柵極氧化物460和柵極端子“D”)下方的硅，其中薄氧化硅層460將柵極端子與背柵區(qū)456電學(xué)地分離。源極區(qū)和漏極區(qū)452、454是η型娃。ρ/η結(jié)存在于背柵區(qū)456和源極區(qū)452之間，并且存在于背柵區(qū)456和漏極區(qū)454之間，如實線所指示。背柵端子“BG”物理上包括比構(gòu)成背柵區(qū)456的周圍ρ型硅摻雜更重的P型硅。背柵端子“BG”由虛線指示，從而在背柵端子“BG”與背柵區(qū)456之間不存在ρ/η結(jié)。背柵端子“BG”在背柵區(qū)456與電路的其余部分之間提供電連接。在一些實施例中，背柵端子“BG”位于源極端子“S”或漏極端子“D”附近。背柵端子“BG”與漏極端子“D”電學(xué)地分離。NMOS晶體管的背柵端子“BG”通過具有大電阻的電阻器420連接至NMOS晶體管的源極端子“S”。在一些實施例中，電阻器420將NMOS晶體管的背柵端子“BG”直接電連接至源極端子“S”。電阻器典型地具有大于5，000歐姆(Ω)的電阻。在一些實施例中，電阻器的電阻大約為(例如，±5% ) 10ΚΩ。電阻器用作電流分配器。NMOS雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管406物理上包含具有基極端子“B”、集電極端子“C”和發(fā)射極端子“Ε”的寄生ηρη雙極結(jié)型晶體管(BJT) 430，可以在從NMOS晶體管的漏極端子“D”傳遞至NMOS晶體管的源極端子“S”的電流超過臨界值時激活所述寄生ηρη雙極結(jié)型晶體管。NMOS晶體管的特定物理結(jié)構(gòu)始終包括位于始終是η型硅的源極區(qū)和漏極區(qū)之間的ρ型硅背柵區(qū)。由P型硅區(qū)分離的兩個η型硅區(qū)域的任意這種布置構(gòu)成雙極ηρη晶體管。該雙極ηρη晶體管在形成為構(gòu)造硅電路時的副產(chǎn)物而不是預(yù)期的功能電路元件時被認為寄生的。盡管原理上形成寄生ηρη雙極晶體管的兩個η型硅區(qū)域之間的距離是任意的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到，兩個η型區(qū)僅間隔較短距離(例如，小于10微米(μ m))的寄生雙極ηρη晶體管對于電路設(shè)計(包括ESD保護電路設(shè)計)而言意義重大。當(dāng)激活寄生BJT，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管內(nèi)部的電流分配在電流具有收縮成絲的固有趨勢的情況下是不穩(wěn)定的，在窄細絲中電流強度極高。不穩(wěn)定的電流分配以及所導(dǎo)致的高局部電流強度是對雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管可以在ESD事件期間維持造成損壞的物理原因。NMOS晶體管的源極端子“S”與背柵端子“BG”之間的大電阻器420使得更容易激活寄生BJT430，并且強制寄生BJT在系統(tǒng)級ESD脈沖的初始階段均勻地(例如，統(tǒng)一的)接通。在激活寄生BJT之后，均勻(例如，統(tǒng)一)的電流分配不會持續(xù)并且電流分配具有收縮成絲的通常趨勢。然而，均勻電流分配的時間長于系統(tǒng)級ESD脈沖的第一峰的持續(xù)時間(典型地，Ins到2ns之間)。在激活寄生BJT時電流收縮成絲的趨勢在NMOS雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中通常比在PMOS雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中更強。
[0034]在示例操作中，基于NMOS的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管406與安裝在基板116 (例如，PCB)上的去耦電容器114(圖1) 一起使用。在規(guī)則ESD沖擊期間，所得到的ESD電流通過NMOS晶體管412由軌夾404吸納。當(dāng)系統(tǒng)級ESD脈沖沖擊時，系統(tǒng)級ESD電流脈沖的整個第一峰通過NMOS晶體管412由軌夾404吸納。具體地，在NMOS晶體管的源極端子“S，，與背柵端子“BG”之間連接的電阻器420確保至少初始地軌夾404的寄生BJT430均勻激活。隨著系統(tǒng)級ESD脈沖的進展，期望在寄生BJT430的操作繼續(xù)的同時電流分配收縮成絲。然而，在完成該收縮過程之前，系統(tǒng)級脈沖的第一峰通過軌夾404，而不會損壞軌夾404或核心電路102。當(dāng)軌夾404吸納了系統(tǒng)級ESD電流脈沖的第一峰時，去耦電容器中寄生電感的影響減退。因此，在系統(tǒng)級ESD電流脈沖的第一峰過去之后，系統(tǒng)級ESD電流脈沖的第二峰中包含的大部分或所有電流進入去耦電容器。去耦電容器吸收系統(tǒng)級ESD脈沖的所有剩余電荷。由于去耦電容器吸收ESD脈沖的剩余電荷，因此雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管406上的壓降吸納為小于維持寄生BJT430的操作所需的最小值，并且該寄生BJT430的操作停止。在寄生BJT430的操作已停止之后，不存在電流收縮成絲的趨勢，也不存在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管406持續(xù)內(nèi)部損壞的任何其他風(fēng)險。
[0035]在圖4A所示的實施例中，在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管406中使用NMOS晶體管。然而，本發(fā)明可應(yīng)用于基于NMOS的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管和基于PMOS的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管二者。圖5A示出了圖1所示的軌夾的實施例，包括在ESD事件期間傳導(dǎo)電流的基于PMOS的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506。在圖5A所示的實施例中，軌夾504包括:基于PMOS的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506，配置為在ESD事件期間傳導(dǎo)電流；以及觸發(fā)裝置508，可以與觸發(fā)裝置108類似或相同，配置為在ESD事件期間觸發(fā)/激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506。具體地，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506實現(xiàn)為PMOS晶體管512。觸發(fā)裝置508和PMOS晶體管在電源Vdd節(jié)點(例如，端子或輸入焊盤)556處連接至電源電壓“VDD”，并且在電壓Vss節(jié)點558處連接至較低電壓“Vss”，較低電壓“Vss ”被設(shè)置為零(地)或零附近的電壓。雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506的源極端子“S”連接至Vdd節(jié)點556，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506的漏極端子“D”連接至Vss節(jié)點558，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506的柵極端子“G”連接至觸發(fā)器電路508并由觸發(fā)器電路508控制。觸發(fā)器電路408在ESD事件開始時對雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506的柵極端子“G”偏置，使得雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506在ESD事件期間將ESD電流從Vdd節(jié)點556分流到Vss節(jié)點558。通過在ESD事件期間分流ESD電流，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506防止自身以及在Vdd節(jié)點556和Vss節(jié)點558之間連接的所有其他電路受到ESD損壞。在一些實施例中，選擇雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506的溝道寬度，使得ESD事件引起的整個ESD電流流經(jīng)雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506，而同時保持在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506上產(chǎn)生的壓降在預(yù)定臨界值以下，該預(yù)定臨界值典型地設(shè)置為Vdd正常值的50%和150%之間的值。
[0036]在圖5A所示的實施例中，PMOS晶體管512包括被稱作背柵端子“BG”的第四端子，所述背柵端子保持在零電勢以使PMOS晶體管512起作用。圖5B示出了 PMOS晶體管512的實施例，PMOS晶體管512包括源極區(qū)552、漏極區(qū)554、背柵區(qū)556。物理上，PMOS晶體管512的背柵區(qū)556是構(gòu)成PMOS晶體管的娃體積(娃基板550)的一部分,不包括ρ型娃漏極554和源極552。在PMOS晶體管中背柵區(qū)556必要地包括η型硅，并且為了 PMOS晶體管的正確工作，背柵區(qū)556必須包括直接位于PMOS晶體管的柵極(即，柵極氧化物560和柵極端子“D”)下方的硅，其中薄氧化硅層將柵極端子與背柵區(qū)電分離。源極區(qū)和漏極區(qū)552、554是ρ型硅。背柵區(qū)556由離子注入形成，離子注入創(chuàng)建其中構(gòu)造了 PMOS晶體管512的η型硅的局部阱。該η型硅阱形成背柵區(qū)556，并且背柵端子“BG”由重摻雜的η型硅的小區(qū)域(pocket)形成。背柵端子“BG”在背柵區(qū)456和電路的其余部分之間提供電連接。背柵端子“BG”在背柵區(qū)556與電路的其余部分之間提供電連接。在一些實施例中，背柵端子“BG”位于源極端子“S”或漏極端子“D”附近。背柵端子“BG”與漏極端子“D”電學(xué)地分離。PMOS晶體管的背柵端子“BG”通過具有大電阻的電阻器520與PMOS晶體管的源極端子“S”連接。在一些實施例中，電阻器520將背柵端子“BG”直接電連接至PMOS晶體管的源極端子“S”，而無需其他電阻元件。電阻器520典型地具有大于5,000 Ω的電阻。在一些實施例中，電阻器520的電阻大約為(例如，±5% )10ΚΩο PMOS雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506物理上包含具有基極端子“B”、集電極端子“C”和發(fā)射極端子“Ε”的寄生pnp BJT530，可以在從PMOS晶體管的漏極端子“D”傳遞至PMOS晶體管的源極端子“S”的電流超過臨界值時激活所述寄生PnpBJT 530。PMOS晶體管的特定物理結(jié)構(gòu)始終包括位于始終是ρ型硅的源極區(qū)和漏極區(qū)之間的η型硅背柵區(qū)。由η型硅區(qū)域分離的兩個ρ型硅區(qū)的任意這種布置構(gòu)成雙極pnp晶體管。該雙極pnp晶體管在形成為構(gòu)造硅電路時的副產(chǎn)物而不是預(yù)期的功能電路元件時被認為寄生的。盡管原理上形成寄生pnp雙極晶體管的兩個P型硅區(qū)之間的距離是任意的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到，兩個P型區(qū)僅間隔較短距離(例如，小于10微米(μπι))的寄生雙極pnp晶體管對于電路設(shè)計(包括ESD保護電路設(shè)計)而言意義重大。
[0037]在示例操作中，基于PMOS的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506與在基板116 (例如，PCB)上安裝的去耦電容器114(圖1) 一起使用。在規(guī)則ESD沖擊期間，所產(chǎn)生的ESD電流通過PMOS晶體管512由軌夾504吸納。當(dāng)系統(tǒng)級ESD脈沖沖擊時，系統(tǒng)級ESD電流脈沖的整個第一峰通過PMOS晶體管512由軌夾504吸納。具體地，在PMOS晶體管的源極端子“S，，與背柵端子“BG”之間連接的電阻器230確保至少初始地軌夾504的寄生BJT530均勻激活。隨著系統(tǒng)級ESD脈沖的進展，期望在寄生BJT530的操作繼續(xù)的同時電流分配收縮成絲。然而，在完成該收縮過程之前，系統(tǒng)級脈沖的第一峰通過軌夾504，而不會損壞軌夾504或核心電路102。當(dāng)軌夾504吸納了系統(tǒng)級ESD電流脈沖的第一峰時，去耦電容器中寄生電感的影響減退。因此，在系統(tǒng)級ESD電流脈沖的第一峰過去之后，系統(tǒng)級ESD電流脈沖的第二峰中包含的大部分或所有電流進入去耦電容器。去耦電容器吸收系統(tǒng)級ESD脈沖的所有剩余電荷。由于去耦電容器吸收ESD脈沖的剩余電荷，因此雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管506上的壓降吸納至小于維持寄生BJT530的操作所需的最小值，并且該寄生BJT530的操作停止。在寄生BJT530的操作已停止之后，不存在電流收縮成絲的趨勢，也不存在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管606持續(xù)內(nèi)部損壞的任何其他風(fēng)險。
[0038]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的提供ESD保護的方法的過程流程圖。在方框602處，在ESD事件期間使用雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管通過以下操作來傳導(dǎo)ESD脈沖:在ESD脈沖期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生電流，并且響應(yīng)于產(chǎn)生的電流均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管可以與圖1、4A、5A中示出的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管106、406、506相同或類似。
[0039]盡管本文按照特定順序示出并描述了方法的操作，但是方法的操作的順序可以改變，使得按照相反順序執(zhí)行特定操作，或者至少部分地與其他操作并發(fā)地執(zhí)行特定操作。在其他實施例中，可以按照間歇和/或交替方式來實現(xiàn)不同操作的指令或子操作。
[0040]此外，盡管已經(jīng)描述并示出的本發(fā)明特定實施例包括若干本文描述或示出的組件，但是本發(fā)明的其他實施例也可以包括更少或更多組件來實現(xiàn)較少或較多的特征。
[0041]此外，盡管已經(jīng)描述和示出了本發(fā)明的特定實施例，但是本發(fā)明不限于如此描述和示出的部件的特定形式或布置。本發(fā)明的范圍應(yīng)由所附權(quán)利要求及其等同物來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種靜電放電ESD保護裝置，所述ESD保護裝置包括: 雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管bigFET，配置為在ESD事件期間傳導(dǎo)ESD脈沖，所述雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管包括: 背柵端子； 源極端子；以及 電流分配器，與背柵端子和源極端子連接，并且配置為響應(yīng)于ESD脈沖期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流，均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ESD保護裝置，其中，寄生雙極結(jié)型晶體管物理上包含在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ESD保護裝置，其中，電流分配器配置為響應(yīng)于ESD脈沖的第一峰期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流，均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ESD保護裝置，其中，ESD脈沖包括第一電流峰和低于第一電流峰的后續(xù)第二電流峰，其中，電流分配器配置為響應(yīng)于ESD脈沖的第一峰期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流，均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ESD保護裝置，還包括ESD元件，與雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管并聯(lián)連接并且配置為吸收ESD脈沖的第二電流峰。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ESD保護裝置，其中，電流分配器配置為允許雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流在ESD脈沖的第一峰消逝之后收縮成絲。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ESD保護裝置，其中，電流分配器包括連接至雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的背柵端子和源極端子的電阻器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ESD保護裝置，其中，電阻器的電阻大于5，OOO歐姆。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ESD保護裝置，其中，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管包括NMOS晶體管或PMOS晶體管，所述NMOS晶體管或PMOS晶體管還包括柵極端子和漏極端子。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ESD保護裝置，還包括觸發(fā)裝置，配置為在ESD事件期間觸發(fā)雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的柵極端子。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的ESD保護裝置，其中，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的漏極端子或源極端子連接至施加了電源電壓的電源節(jié)點，其中，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的源極端子或漏極端子連接至施加了第二電壓的第二節(jié)點，并且第二電壓低于電源電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的ESD保護裝置，其中，第二電壓是地電壓。
13.一種集成電路IC裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的ESD保護裝置和要保護的器件。
14.一種提供靜電放電ESD保護的方法，所述方法包括: 在ESD事件期間使用雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管傳導(dǎo)ESD脈沖，其使用雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管傳導(dǎo)ESD脈沖包括: 在ESD脈沖期間在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生電流，并且 響應(yīng)于產(chǎn)生的電流，均勻地激活雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的寄生雙極結(jié)型晶體管。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，寄生雙極結(jié)型晶體管物理上包含在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管內(nèi)，ESD脈沖包括第一電流峰和低于第一電流峰的后續(xù)第二電流峰，所述方法還包括:使用與雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管并聯(lián)連接的ESD元件來吸收第二電流峰。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，ESD脈沖包括第一電流峰和低于第一電流峰的后續(xù)第二電流峰，其中，均勻地激活寄生雙極結(jié)型晶體管包括:允許在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的電流在ESD脈沖的第一峰消逝之后收縮成絲。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，均勻地激活寄生雙極結(jié)型晶體管包括:使用連接至雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的背柵端子和源極端子的電阻器來均勻地激活寄生雙極結(jié)型晶體管，并且所述電阻器的電阻大于5，OOO歐姆。
18.一種靜電放電ESD保護裝置，所述ESD保護裝置包括: 雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管，配置為在ESD事件期間傳導(dǎo)ESD脈沖，所述雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管包括: 背柵端子； 源極端子；以及 電阻器，配置為將背柵端子直接電連接至源極端子；以及去耦電容器，與雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管并聯(lián)連接。
19.一種電路,包括: 集成電路IC裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求18所述的雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管和要保護的器件； 其上放置有根據(jù)權(quán)利要求18所述的去耦電容器的基板。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的ESD保護裝置，其中，寄生雙極結(jié)型晶體管物理上包含在雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管內(nèi)，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管包括NMOS晶體管或PMOS晶體管,所述NMOS晶體管或PMOS晶體管還包括柵極端子和漏極端子，所述ESD保護裝置還包括:觸發(fā)裝置，配置為在ESD事件期間觸發(fā)雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的柵極端子，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的漏極端子或源極端子連接至施加了電源電壓的電源節(jié)點，雙極絕緣柵場效應(yīng)晶體管的源極端子或漏極端子連接至施加了第二電壓的第二節(jié)點，并且第二電壓低于電源電壓。
【文檔編號】H02H9/04GK104466935SQ201410432672
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】吉耶茲·簡·德拉德 申請人:恩智浦有限公司