过电压保护设备及方法
【专利说明】
[0001]背景
技术领域
[0002]本申请涉及电路以提供具有过压保护的其他组件，诸如静电放电(ESD)和/或电过载(E0S)事件。
[0003]【背景技术】的描述
[0004]现代电子依赖于其中在单个封装中提供大量晶体管的集成电路。对于诸如速度的性能，晶体管通常仅设计以在例如几伏和数十千伏之间相对低的电压进行操作。
[0005]集成电路经封装以保护它们，但需要通过引腿或引脚或类似结构的方式连接到封装之外的组件。这些可依次连接到在产品上提供的端子、连接器或插座，在所述产品中提供集成电路。因此，即使当集成电路被安装在电路板上，可以进行静电冲击。已知等待放置在电路板上的集成电路特别容易受到静电放电或其它过电压事件。
[0006]理想并已知以提供提供过压保护的电路。简单的示例是在被保护的节点和集成电路的电源轨之间提供反向偏置二极管。
[0007]然而，在更复杂的电压保护电路中，理想的是:
[0008]1)该电路不会触发，直到达到触发电压。
[0009]2)即一旦电路触发，电压“弹回”到较小的保持电压。
[0010]3)电路是快速的，以便它可以在损害发生到集成电路之前对ESD事件作出反应。
[0011]可以相对多种公布的测试标准评估电路性能。一个这样的标准是国际电工委员会(IEC)CDM(带电装置模型)，其中峰值电流可以是在6A的范围，具有小于400微微秒的上升时间。这种性质的ESD事件可引起M0SFET的栅氧化物损害、接线损坏和集成电路的电荷捕集。
[0012]期望的是提供一种健壮和快速的保护电路。
[0013]摘要
[0014]根据本公开的第一方面，提供了一种包括双极晶体管的过电压保护设备。双极晶体管具有基极、集电极和发射极区。集电极和发射极区域设置彼此相邻。
[0015]通过改变集电极和发射极区之间的距离，过电压保护设备的穿通驱动触发发生的电压可被控制。由此，集电极和发射极区域之间的特定距离可被选择，以实现过电压保护设备所需的触发电压。
[0016]导体可延伸在集电极和发射极区域之间的半导体至少，并从半导体电隔离。该导体可以在诸如发射极电压的电压下维持，使得其作为场板或RESURF结构。替代地，导体可以用作栅极，以便形成在双极晶体管中具有沟道的M0SFET。
[0017]该过电压保护设备还可以包括在被保护的节点和晶体管的基极(或基极/栅极)之间连接的电容器。
[0018]根据本公开的第二方面，提供了一种包括双极型晶体管结构的过电压保护设备。双极型晶体管结构具有基极、集电极和发射极区。集电极和发射极区域处于被连接到以免受过电压事件的节点的电流流动路径中。电流流路延伸到放电路径。过电压保护装置进一步包括诸如合适的连接电容器或二极管的组件，以促进打开保护设备。
[0019]有利地，电容器具有连接到基极端子的第一端子，和连接到收集器和/或被保护的节点的第二端子。在某些配置中，双极晶体管结构可以具有其各个区域内的掺杂浓度，使得该设备非对称(即，集电极基极和基极发射极区域是不同的)。但是，它仍然能够提供一种电路，其中所述双极型晶体管的结构是对称的或基本对称的，以得到双向保护。例如，双向保护设备可用于保护集成电路免受正极性ESD事件和负极性ESD事件。在这样的布置中，电容器可在基极和集电极之间以及基极和发射极之间连接。
[0020]双极型晶体管结构可关联于第二双极晶体管结构，以形成硅控整流器(SCR)。硅的区域可以由两个晶体管共享。
[0021]该双极晶体管结构的基极可以连接到具有电阻性阻抗与电感性阻抗的至少一个的第二电流通路，以当晶体管打开时控制晶体管中的基极电流。
[0022]根据本公开的第三方面，提供了一种包括双极晶体管的过电压保护设备，其中双极晶体管具有基极、集电极和发射极区。集电极连接到被保护的节点，而发射极被连接到放电路径，诸如电力轨或接地电源。晶体管具有设置在发射区下方(或上方)的相对薄的基区。因此，可能修改该双极晶体管的结构，使其更快速响应。例如，实施具有相对薄的基区的双极晶体管可以提高导通速度，可以辅助在ESD和/或E0S事件期间减少电压积聚。
[0023]在一个实施例中，过电压保护设备包括连接在被保护的节点和排出通路之间的双极晶体管。晶体管的基极宽度被选择，使得横跨基极的托架过境时间产生基本上等于ESD事件的上升时间的倒数的晶体管的单位增益频率(FT)值。优选地，FT值大于1GHz，使得对应的上升时间小于一纳秒。
[0024]优选地，该晶体管的基极进一步包括布置相邻集电极但是从中分离的另外的基部区域。另外的基部区域和集电极通过减少掺杂的区域分开。集电极和另外的基部区域分开的距离控制所述设备的击穿电压。
[0025]根据本公开的第四方面，提供了一种过电压保护设备，包括晶体管或可控硅整流器结合至少一个钳位二极管。
[0026]钳位二极管可并联和串联设置，以合成具有所需电特性的复合二极管。二极管或复合二极管可与晶体管或可控硅并联设置。另外地或可选择地，钳位二极管可连接到晶体管或可控硅整流器的控制节点。所述晶体管可以是双极晶体管或场效应晶体管。
[0027]在另一个方面，提供了一种向节点提供过电压保护的方法。该方法包括:形成具有第一半导体类型的主体和第二半导体类型的第一和第二区域的晶体管，所述第一和第二区域中的一个被连接到被保护的节点和连接到放电路径的其他区域。此外，如下中的一个或多个应用:(a)主体形成晶体管的基区，和在所要保护的节点和体区之间设置电容，以注入变化导通晶体管；(b)第一半导体类型的层被提供在区域的一个的下方，作为该晶体管的发射极，以形成具有大于1GHz的单位增益频率的双极晶体管；(c)至少一个钳位二极管延伸在第一和第二区域之间；(d)第一和第二区域彼此相邻，但不是连续的，使得穿透发生，以指示晶体管导通；(e)第一和第二区域彼此相邻并彼此分开，并且在它们之间形成栅电极，以允许被保护的节点的电压超过阈值电压，以使第一和第二区域之间沿着沟道的传导；(f)通过在连接到被保护的结点的任一侧或至少部分周围形成基极，而扩大基极-集电极界面区域；和/或(g)晶体管形成场效应晶体管，和钳位二极管被连接到场效应晶体管的栅极，用于一旦达到二极管的击穿电压则打开。
【附图说明】
[0028]现在将通过非限制性示例的方式参考附图描述过电压保护设备的实施例。
[0029]图1示出如在US2011-0101444中描述的已知ESD保护设备。
[0030]图2是横向NPN晶体管的横截面，其用作用于建模或测试变化如何修改保护设备的打开时间的代表性设备。
[0031]图3a至3d示出响应于过电压(ESD)事件的冲击电离区域的进化。
[0032]图4是电路图，其中图2的横向NPN晶体管的集电极连接到以免受ESD事件的节点，以及其中电容器被连接在被保护节点和晶体管的基底之间。
[0033]图5是其中电容器被断开以及当它具有800fF的值时，比较图4的电路的瞬态响应的曲线图。
[0034]图6是当电容器断开时以及当它具有80pF值时，比较图4的电路的瞬态响应的曲线图。
[0035]图7是当80pF电容器被连接到被保护的节点和地面之间时比较响应的曲线图，连接电容器到晶体管的基极的响应。
[0036]图8再现图2的晶体管，增加晶体管中基极宽度和双极路径的指示。
[0037]图9示出其中基极薄得多时的改进结构。
[0038]图10比较集电极电压的响应，作为图9的晶体管相比于图2的时间的函数。
[0039]图11示出具有平行保护二极管的修改保护设备。
[0040]图12是曲线图，表示由图11所示的电路保护的节点的节点电压与电流流动。
[0041]图13是示出选择减小钳位二极管的钳位电压便于限制最大节点电流的峰值电压的曲线图。
[0042]图14是示出肖特基二极管性能的曲线图，用于计算图11的钳位二极管所需的的晶片面积的目的。
[0043]图15是示出齐纳二极管性能的曲线图，用于计算所需的裸片面积的目的。
[0044]图16是修改二极管结构的横截面，以便形成垂直二极管。
[0045]图17是修改晶体管结构的横截面，其中集电极和发射极区形成彼此相邻，以便击穿晶体