雙向靜電放電二極管結構的制作方法

專利名稱：雙向靜電放電二極管結構的制作方法
交互參照有關的申請由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，它轉讓予本文件的代理人，所包含的主題內容與本專利申請的主題內容相關聯。
本發明背景本發明的領域本發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電容量的ESD二極管。
先有技術的討論

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。
如本技術領域內所周知的，二極管D1、D2、D3和D4之每一個由一個P-N結形成，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)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)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)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)連接至接地總線135上。圖1上，二極管D1的陽極(P側)示明為數號145，陰極(N側)示明為數號150。本技術領域內的熟練人員知道，對二極管D1的說明僅是示例的目的，它同樣地可應用到全部二極管D1-D4上。
如本技術領域內所周知的，每個二極管(例如二極管D1)在反向偏置也即陰極(N側)150電位相對于陽極(P側)145電位為正時，它是截止的，直至陰極電壓足夠高時會導致二極管擊穿。工作在反偏狀態時，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側電位相對于陰極150或即N側電位為正時，其工作狀態稱之為正向偏置。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地增大。對于典型的硅二極管來說，使二極管D1轉換至導通狀態而電流呈增長效應的門限電壓或即導通電壓VT，大約為0.7伏。高于此導通電壓VT、也即在導通狀態下時，當電壓逐漸增加時，電流將顯著地增大。應當指出，在大電流情況下，例如在發生ESD電流期間，由于二極管的內阻，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呈現出開路狀態。因導通電壓VT使陽極145的電壓高于陰極150的電壓時，二極管D1進入正向導通狀態，它對陽極145或即P側至陰極150或即N側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構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電流將通過箝位結構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結相關聯的電容，這里，結電容大小取決于結的面積和半導體攙雜構造。一部分高頻輸入信號會通過二極管分流，流通到不是預定通路的電路中去。減小二極管的尺寸或面積能減少結電容，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。
本發明概要本發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，它們以逆向平行構造相連接。每個ESD二極管中包括有在P型導電性半導體基底上形成的第一區域和第三區域，以及在N型導電性半導體基底上形成的第二區域和第四區域。
第一ESD二極管器件的第一區域和第二ESD二極管器件的第四區域連接至雙向ESD二極管的陽極端上。第一ESD二極管器件的第四區域和第二ESD二極管器件的第一區域連接至雙向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域，其中，第一和第三區域為P型半導體，第二和第四區域為N型半導體。
第一區域中包括有N型導電性的第一部分，用于連接至陽極上；第四區域中包括有P型導電性的第二部分，用于連接至陰極上。該第二部分形成自第三區域面對陰極端方向上的延伸。
第一導電層形成在第一區域和第一部分上，而第二導電層形成在第四區域和第二部分上。第一導電層連接至陽極端，第二導電層連接至陰極端。
附圖的簡要說明結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明的其它特性和優點。附圖中規定和示明了本發明的優選實施例，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示明應用了具有一種四層構造的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二極管的一種單向實施例；圖4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二極管的一種單向實施例；
圖6示明具有一個高增益區域的一種單向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明的ESD二極管，它們連接成逆向平行式構造；圖8示明雙向ESD二極管的另一個實施例，它具有按照本發明的二極管融合構造；以及圖9示明按照本發明的雙向ESD二極管的電流-電壓特性。
本發明的詳細說明圖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的二端網絡集成結構取代。
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電流通過箝位結構155流通至接地總線135上。箝位結構155在設計上能吸收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)的構造。本技術領域內的熟練人員知道，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，有四個區域310、320、330、340。第一和第三區域310、330由摻雜的、諸如硅之類的半導體基底形成，它具有P型導電性。如本技術領域內所周知的，硅基底內摻雜以硼可得到P型導電性。第二和第四區域320、340由摻雜的該半導體基底形成，它具有N型導電性，這里是在硅內例如摻雜以砷或磷。第一和第四區域310、340連接至ESD二極管的兩個端子上，第一區域310連接至陽極端子245上，第四區域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，它們的第四區域或即陰極270、280用于連接信號端，而它們的第一區域或即陽極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下，陰極250或即第四區域340相對于陽極245或即第一區域為正，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，直至中心的半導體結350達到雪崩電壓VA，這里，中心半導體結350是在第三與第二區域330、320之間的P-N結。由于中心結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，它可以觸發此器件進入大電流、低電壓的導通狀態。
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的曲線以數號410標志，ESD二極管210的曲線以數號420標志。在雪崩電壓上，如果圖3中所示四個區域310、320、330、340的摻雜濃度和幾何結構設計合適，則ESD器件210將折返到一個低電壓VL上而轉入導通，由此容許流通大電流。ESD二極管210在導通狀態時，低電壓電平VL是它上面的電壓降值。取決于摻雜狀態和幾何結構，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的導通狀態一直保持，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。內部反饋將保持ESD二極管210處于導通狀態下，這一導通狀態通常由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360正偏，或者使靠近陰極250的P-N結370正偏，也能將PNPN開關或即ESD二極管210觸發進入大電流、低電壓的導通狀態。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型區域310、330之間，用以觸發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370。這就觸發ESD二極管210進入導通狀態，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。導通狀態下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點來補償。ESD二極管210中有兩個反偏結360、370和一個正偏結350串聯連接，它們等效于三個電容串聯連接。諸結電容的串聯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中經常應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器件應用作ESD保護或許優于應用在其它場合中。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域340、330’和320的幾何結構和摻雜濃度在配置方面構成一個高增益的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’的形成如本技術領域內所周知地，可以應用雙極的工序或是互補型金屬-氧化物-半導體(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二極管D1-D4可由圖3、圖5或圖6中所示的兩端集成結構210、210’取代。兩端集成結構或ESD二極管能實現類似于普通二極管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電容較小。四個區域310、320、330、340可以互相疊蓋地形成，這里的三個結電容串聯連接，從而在采用相同的面積下可得到減小的結電容。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區域連接至電源線140上，而N區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區域連接至地線135上，而P區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其導通。典型地，已經作出了努力來降低通常的PNPN器件的觸發電壓。與之不同，ESD二極管在正方向上不截止電流，這或是由于幾何結構和摻雜情況，或是由于應用了電阻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型導電第一區域310和連接至陰極250上的N型導電第四區域340。類似于圖3，在第一區域310之后，ESD二極管210具有分別為N型和P型導電的第二和第三區域320、330。
雙向ESD二極管210”中的第二個ESD二極管210A具有其P型的第一區域310A，它連接至陰極250上而不是陽極245上。位于第一區域310A后面的是N型的第二區域320A，位于第二區域320A后面的是P型的第三區域330A。位于第三區域330A后面的是第二ESD二極管210A的第四區域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，第三區域330可以有其幾何結構和合適的摻雜以產生一個類似于圖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驅動入導通狀態，也即低電壓、大電流的工作模式。如圖8中所示，此PNPN器件中包括第一區域(P型)310B、第二區域(N型)320B、第三區域(P型)330B和第四區域(N型)340B。
第二個PNPN器件中包括第三區域(P型)330B、第二區域(N型)320B、第一區域(P型)310B和第五區域(N型)340C。通過使該第二PNPN器件的中心P-N結進入雪崩狀態，此第二PNPN器件將驅動入低電壓、大電流工作模式的導通狀態。此中心P-N結在圖8中示明以參考數號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350A上便發生雪崩。
類似于ESD二極管210(圖3)，雙向ESD二極管21O”、210'''(圖7和圖8)可以應用本技術領域內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型區域310B和340C用諸如是某種金屬的導體370連接一起。類似地，在陰極250上的P型和N型區域330B和340B用諸如是某種金屬的導體375連接一起。于是取代那種NPNPN結構，是在兩個方向上分別只提供出一個PNPN結構。雙向ESD二極管210'''的陽極245和陰極250可實現同樣的功能，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到內部P型區域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結構由中心結350A的雪崩觸發，如同一個PNPN二極管，被驅動入導通狀態，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型二極管D1-D4。雙向ESD二極管210”實現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”內逆向平行構造中的數號210標志。此外，在圖8中所示的融合式雙向ESD二極管210'''內，第一或正向ESD二極管包含下列區域第一區域(P型)310B、第二區域(N型)320B、第三區域(P型)330B和第四區域(N型)340B。第二或反向ESD二極管由圖7中雙向ESD二極管210”內逆向平行構造中的數號210A標志。此外，在圖8中所示的融合式雙向ESD二極管210'''內，第二或反向ESD二極管包含下列區域第三區域(P型)330B、第二區域(N型)320B、第一區域(P型)310B和第五區域(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。取代的做法是使區域340、330’和320的幾何結構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)那樣相同的優點，即器件設計得能通過大電流，而結電容小于單個P-N結二極管D1(圖1)的結電容。雙向ESD二極管比之ESD二極管的附加優點在于，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二極管的結電容大于ESD二極管210(圖3)的結電容。因此，ESD二極管210優先用于較高頻率場合。
雖然，已經很詳細地說明了本發明，但還應知道，在本發明預定的精神和范疇內可能有許多的修改。在解釋所附的權利要求書中應理解到a)字詞“包含“并不排除在權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”可以由同一產品的硬件或軟件所實施的結構或功能來代表。
權利要求
1.一種用于保護電路(110)抗御靜電放電(ESD)的、具有四個相鄰區域的雙向器件(210''')，所述雙向器件包含有在一個半導體基底上形成的具有P型導電性的第一區域(310B)和第三區域(330B)；以及在所述半導體基底上形成的具有N型導電性的第二區域(320B)和第四區域(340B)；其中，所述第一區域(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，所述第一區域(310B)中包括著一個具有N型導電性的第一部分(340C)，它用于連接至所述陽極(245)上，而所述[第四]區域中包括著一個具有P型導電性的第二部分，用于連接至所述陰極(250)上。
2.權利要求1的雙向器件(210''')，其中所述第二部分形成自所述第三區域(330B)面對所述陰極端(250)方向上的延伸。
3.權利要求1的雙向器件(210''')，還包含有形成在所述第一區域(310B)和所述第一部分(370C)上的一個第一導電層(370)，以及包含有形成在所述第四區域(340B)和所述第二部分上的一個第二導電層(375)。
4.權利要求3的雙向器件(210''')，其中，所述第一導電層(370)連接至所述陽極端(245)上，所述第二導電層(375)連接至所述陰極端(250)上。
5.權利要求1的雙向器件(210''')，其中所述第二、第三和第四區域(320B、330B和340B)在構造上產生出一個具有增大增益的NPN晶體管。
6.權利要求1的雙向器件(210''')，包含有一個連接在所述第三區域(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體基底上具有P型導電性的第一區域(310、310A)和第三區域(330、330A)；形成在所述半導體基底上具有N型導電性的第二區域(320、320A)和第四區域(340、340A)；其中，所述第一器件(210)的第一區域(310)和所述第二器件(210A)的第四區域(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)的第四區域(340)和所述第二器件(210A)的第一區域(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.權利要求7的雙向二極管(210”)，其中，所述第二、第三和第四區域(320、330、340、320A、330A、340A)在構造上產生出一個具有增大增益的NPN晶體管(440)。
9.權利要求7的雙向二極管(210”)，還包含有一個連接在所述第一器件(210)的第一區域(310)與所述第一區域(210)的第三區域(330)之間的電阻(R)，所述第三區域(330)位于所述第一器件(210)的所述第四區域(340)與所述第一器件(210)的第二區域(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體基底上具有P型導電性的第一區域(310、310A)和第三區域(330、330A)；形成在所述半導體基底上具有N型導電性的第二區域(320、320A)和第四區域(340、340A)；其中，所述第一器件(210)的第一區域(310)和所述第二器件(210A)的第四區域(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)的第四區域(340)和所述第二器件(210A)的第一區域(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體基底的摻雜而形成的具有P型導電性的一個第一區域和一個第三區域,以及通過對該半導體基底的摻雜而形成的具有N型導電性的一個第二區域和一個第四區域。第一器件的第一區域和第二器件的第四區域用于連接至雙向二極管的陽極端上。第一器件的第四區域和第二器件的第一區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 優先權日1999年12月17日
發明者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