用于防止靜電放電的電路裝置制造方法

用于防止靜電放電的電路裝置制造方法
【專利摘要】一種用于防止靜電放電的電路組件，包括：分流裝置（ECL），該分流裝置（ECL）適于對第一端子（IO）和第二端子（VDD，VSS）之間的靜電放電進行分流；以及補償裝置（1）。該補償裝置（1）的特征在于第一電阻器（RS）和場效應晶體管（T1）的串聯電路，該串聯電路連接在第一端子（IO）和第二端子（VDD，VSS）之間。在第一電阻器（RS）和場效應晶體管（T1）之間的接點（K1）通過用作低通濾波器的RC串聯電路（RF，CF）來連接至場效應晶體管（T1）的柵極端子（G1）。
【專利說明】用于防止靜電放電的電路裝置[0001 ] 本發明涉及一種用于防止靜電放電的電路裝置。
[0002]靜電放電能夠嚴重損害或者甚至損毀集成電路。靜電放電或ESD使得例如在集成電路的端子處生成過電壓，其中，所述過電壓能夠引起高電流流過電路。如果集成電路的各個部件不是針對這樣的高電流而設計的，則可能損害相應部件并從而可能損害整個集成電路。 [0003]這就是為什么集成電路越來越多地設置有ESD保護裝置的原因，當發生靜電放電時該ESD保護裝置形成單獨的電流路徑以便對該放電進行分流。這樣的保護裝置例如通過超過閾值電壓或通過脈沖過電壓的發生來觸發。
[0004]為了實現充分防止靜電放電，使用具有高靈敏度的相應觸發電路。然而，當出現ESD脈沖時，電壓增大會在實際的過電壓脈沖之前出現，從而削弱該保護裝置的可靠性。具體地，在通過其來測試集成電路的ESD穩定性的測試或測試裝置中，這樣的電壓增大也可能會分別出現。這會導致這樣的測試的受限的有效性。而且可能的是，傳統ESD保護裝置的響應特性欠佳，使得以有限的可靠性來防止集成電路靜電放電。
[0005]要實現的目的包括公開一種用于防止靜電放電的更可靠的構思。
[0006]利用獨立權利要求的主題來實現該目的。實施方式以及改進形成從屬權利要求的主題。
[0007]例如，除了適于對第一端子和第二端子之間的靜電放電進行分流的分流器之外，用于防止靜電放電的電路裝置的一個實施方式還包括連接在第一端子和第二端子之間的補償裝置。該分流器的特征在于例如具有單獨或集成觸發的旁路晶體管。補償裝置被設計為例如監測第一端子和第二端子之間的電壓增加(progression)并且對例如由于靜電放電之前的充電而出現的過電壓進行分流。然而，優選地通過分流器對實際靜電放電進行分流。具體地，由于被分流的預充電而改進了分流器的響應特性。
[0008]根據電路裝置的一個實施方式，補償裝置的特征在于第一電阻器和場效應晶體管的串聯電路，該串聯電路連接在第一端子和第二端子之間。第一電阻器和場效應晶體管之間的接點經由包括第二電阻器和電容器的RC串聯電路連接至場效應晶體管的柵極端子。RC串聯電路用作在上述接點和場效應晶體管的柵極端子之間的低通濾波器。
[0009]當場效應晶體管在該電路裝置的操作期間通過柵極端子處的相應電壓來激活時，能夠經由第一電阻器和場效應晶體管的受控路徑以受控方式將例如由于第一端子的預充電而出現的過電壓分流至第二端子。特別地，通過特別由第一電阻器的值所限定的漏電流來實現該分流。例如，針對第一電阻器來選擇不大于IkQ的值，以便實現針對場效應晶體管的電流限制并且使得過電壓能夠充分且可靠地分流。
[0010]例如，由第一端子的預充電引起的過電壓或預充電電壓落在幾十伏的量級。在最壞情形下，偏置電壓可以增大直至略低于ESD保護電路的擊穿電壓。
[0011]引起針對場效應晶體管的受控路徑的電流限制的第一電阻器也防止例如場效應晶體管的電壓快回(snap-back)。
[0012]RC串聯電路的電容器用作米勒電容，在高頻信號分別被濾除或濾掉并且從而不能導致場效應晶體管的激活時，該米勒電容引起能夠激活場效應晶體管的在第一端子處的低頻電壓。與ESD脈沖相比，例如由于預充電具有比實際ESD脈沖更長的持續時間，所以就時間而言預充電電壓類似于直流電壓。
[0013]當激活場效應晶體管時，例如第一端子處的電壓至少放電至場效應晶體管的閾值電壓。
[0014]在不同的實施方式中，以針對場效應晶體管的柵極端子濾除或濾掉第一端子處的靜電放電的脈沖的方式確定RC串聯電路的參數。例如，ESD脈沖的上升時間總計達大約20納秒。在該情況下，電容器和第二電阻器能夠被定尺寸為使得RC串聯電路的作為結果的時間常數長于ESD脈沖的常規上升時間。
[0015]在其它的實施方式中，以針對場效應晶體管的柵極端子濾除或濾掉第一端子處的特定地具有預先已知的上升率的有用信號的邊緣來確定RC串聯電路的參數。例如，第一端子是輸入/輸出端子，借助于該輸入/輸出端子能夠發送脈沖式有用信號。這樣的脈沖式有用信號的信號形式通常限定在一定限度內，使得有用信號的信號邊緣的上升時間至少是近似地已知。電容器和第二電阻器可以相應地選擇為使得脈沖式有用信號由于邊緣陡度而不能到達場效應晶體管的柵極端子，并且從而避免了通過有用信號來激活場效應晶體管。
[0016]特別就低通濾波器的限制頻率而言，對RC串聯電路的參數確定可以特別針對ESD脈沖以及針對脈沖式有用信號來進行，以便對兩個示例都實現期望的特性。
[0017]在電路裝置的不同實施方式中，第二端子是參考電勢端子或電源電壓端子。例如，場效應晶體管以η溝道場效應晶體管的形式來實現，其中，在該情況下執行從第一端子到以參考電勢端子或接地端子形式實現的第二端子的分流。在其它的實施方式中，場效應晶體管以P溝道場效應晶體管的形式來實現，其中，在該情況下發生向電源電壓端子的分流。
[0018]場效應晶體管可以適于低壓應用或高壓應用。根據開發的技術，低壓應用涉及例如場效應晶體管的柵極端子處的5V、3.3V或1.8V的最大電壓。然而，與低壓范圍相比，可以一般地限定高壓范圍，因為電路(特別是集成電路)的期望操作電壓落在場效應晶體管的柵極氧化物的擊穿電壓之上。因此期望在高壓應用的情況下可以在場效應晶體管的柵極端子處執行電壓限制。
[0019]在電路裝置的一個實施方式中，相應地，補償裝置的特征在于電壓限制器，該電壓限制器連接在第二端子和場效應晶體管的柵極端子之間。該電壓限制器被設計為保持場效應晶體管的柵極電壓低于場效應晶體管的柵極擊穿電壓。這樣，還能夠在高壓應用中確保電路裝置的安全可靠操作。
[0020]在不同的實施方式中，例如，針對該目的，電壓限制器的特征在于以二極管形式來布線的若干二極管或晶體管的串聯電路。在該情況下，以二極管形式來布線的這些二極管中的每個二極管或這些晶體管中的每個晶體管具有限定的導通狀態電壓，使得場效應晶體管的柵極端子處的作為結果的限制值是各個導通狀態電壓之和。因此，能夠基于期望限制電壓和已知導通狀態電壓來確定所需要的以二極管形式來布線的二極管或晶體管的數目。
[0021]在不同的實施方式中，電路裝置被設計為(特別是在非安裝狀態中)保護集成電路，而在安裝狀態中不期望或不需要這樣的保護。例如，主要在集成電路的非安裝狀態中需要防止由接觸端子的人所引起的靜電放電。
[0022]在另一實施方式中，電路裝置的特征在于例如停用(deactivation)裝置，該停用裝置被設計為基于停用信號特別以低電阻方式來連接第二端子和場效應晶體管的柵極端子。由于柵極端子至第二端子的連接，防止了場效應晶體管的激活并從而防止了第一端子和第二端子之間的導電溝道的實現。因此，能夠借助相應的停用信號來停用補償裝置。
[0023]例如，停用裝置的特征在于開關晶體管，該開關晶體管將場效應晶體管的柵極端子連接至第二端子。該補償裝置在開關晶體管被激活時相應地被停用。
[0024]在不同的實施方式中，在這方面能夠借助偏置電流來控制開關晶體管。例如，這樣的偏置電流通過例如可以形成待保護的集成電路的一部分的偏置電流源來傳送。激活開關晶體管的偏置電流特別在可得到充分的操作電壓時被傳送。
[0025]開關晶體管也能夠基于電源電壓端子處的電壓來被控制。例如，上電復位(Power-on-Reset)或POR電路被設置并且在可得到充分的操作電壓時傳送表示電路的操作狀態的相應數字信號。利用該數字信號能夠激活開關晶體管以便停用補償裝置。
[0026]能夠將所描述的不同實施方式任意組合以便于獲得分別適用于預期用途的電路裝置(特別是適用的補償裝置)。
[0027]下面參照附圖來更詳細地描述本發明的若干實施方式示例。在這些附圖中，通過相同附圖標記來標識分別具有相同功能或操作的元件。一個附圖的元件的描述和說明也適用于通過隨后附圖中的相同附圖標記所標識的元件。
[0028]在這些附圖中:
[0029]圖1示出了用于防止靜電放電的電路裝置的實施方式，
[0030]圖2示出了用于防止靜電放電的電路裝置的另一個實施方式，
[0031]圖3示出了用于防止靜電放電的電路裝置的另一個實施方式，以及
[0032]圖4示出了用于防止靜電放電的電路裝置的另一個實施方式。
[0033]圖1示出了用于防止靜電放電的電路裝置的實施方式，其中，分流器ECL連接在第一端子IO和第二端子VSS之間。例如，第一端子是輸入/輸出端子，而第二端子VSS是參考電勢端子或接地端子。此外，補償裝置I連接在第一端子IO和第二端子VSS之間，其中，所述補償裝置的特征在于第一電阻器RS和η溝道場效應晶體管Tl的串聯電路。在該情況下，第一電阻器的第一端連接至第一端子10，并且第一電阻器的第二端連接至晶體管Tl的漏極端子，而晶體管Tl的源極端子連接至第二端子VSS。在第一電阻器RS和晶體管Tl之間的接點Kl經由第二電阻器RF和電容器CF的RC串聯電路連接至晶體管Tl的柵極端子Gl0
[0034]分流器ECL被設計為對第一端子IO和第二端子VSS之間的例如由于ESD事件而出現的靜電放電進行分流。針對該目的，分流器的特征在于例如根據場效應或雙極性技術所實現的常規旁路晶體管或用于對高電壓進行分流的另一已知半導體元件。在不同的實施方式中，這樣的分流器還可以包括相應的觸發裝置，當在第一端子IO處施加相應電壓或出現相應脈沖時，該相應的觸發裝置使分流器激活。
[0035]當測試分流器ECL的可操作性時以及當在第一端子IO處出現實際ESD脈沖時，例如由于充電電源的接入而可能在第一端子IO處出現所謂的預充電，使得在第一端子IO處形成預充電電壓。與通常快速出現的ESD脈沖相比，這樣的預充電電壓僅具有低頻分量。在該情況下，以如下的方式來確定RC串聯電路RF、CF的參數，使得預充電電壓的低頻分量經由作為米勒電容的電容器CF到達晶體管Tl的柵極端子Gl并且激活晶體管Tl的受控路徑。預充電或預充電電壓然后能夠經由第一電阻器RS和接通的晶體管Tl流至第二端子VSS。第一端子處的電壓相應地減小至晶體管Tl的至少閾值電壓。
[0036]在預充電電壓分流之后或與預充電電壓分流同時出現實際ESD脈沖時，能夠通過分流器更好地檢測實際ESD脈沖使得以高可靠性方式發生ESD脈沖的分流。另外，能夠更快速地發生分流器的觸發，使得快速消除由于ESD脈沖而產生的潛在錯誤狀態。由ESD脈沖引起的電壓由于RC串聯電路RF、CF的濾波效應而不能到達柵極端子G1，使得在實際ESD脈沖處不會發生晶體管Tl的不期望激活。
[0037]在不同的實施方式中，特別以如下的方式來確定RC電路RF、CF的參數，第一端子IO處的ESD脈沖或脈沖式有用信號的邊緣均不導致晶體管Tl的激活。針對該目的，通過相應地確定的電阻器和電容器的參數來特別地選擇用作低通濾波器的RC串聯電路RF、CF的時間常數，使得該時間常數分別大于或長于ESD脈沖的或時鐘脈沖邊緣的期望上升時間。此外，在確定RC串聯電路RF、CF的參數時還可以考慮晶體管Tl的柵極和漏極之間的電容。RC串聯電路RF、CF相應地用作低通濾波器，特別是在第一端子和柵極端子Gl之間。
[0038]具體地，RC電路RF、CF可以將第一端子IO處的預充電電壓的暫態分量導流至柵極端子G1，以便激活場效應晶體管Tl并且對預充電電壓進行分流。
[0039]例如，針對第一電阻器RS選擇不大于IkQ的值，以便實現針對場效應晶體管Tl的電流限制并且使得能夠充分且可靠地對過電壓進行分流。例如，引起針對場效應晶體管的受控路徑的電流限制的第一電阻器RS也防止場效應晶體管Tl的電壓快回。
[0040]圖2示出了用于防止靜電放電的電路裝置的另一個實施方式，該實施方式具體地表示圖1中所示的實施方式的改進。作為圖1中所示出的元件的補充，補償裝置I的特征在于電壓限制器2，該電壓限制器2連接在第二端子VSS和晶體管Tl的柵極端子Gl之間。電壓限制器2的特征在于以二極管形式來布線的若干晶體管T2、T3、T4的串聯電路。晶體管Τ2、Τ3、Τ4例如實現為η溝道場效應晶體管的形式。
[0041 ] 補償裝置I還包括具有開關晶體管Τ5的停用裝置3，該開關晶體管Τ5將柵極端子Gl連接至第二端子VSS。開關晶體管Τ5處于布線至另外的晶體管Τ6的電流鏡像中，另外的晶體管Τ6的受控路徑由偏置電流源4來饋送。偏置電流源4連接至電源電壓端子VDD。
[0042]電流限制器2或晶體管Τ2、Τ3、Τ4使得柵極端子Gl處的柵極電壓可以僅增大至與晶體管Τ2、Τ3、Τ4的導通狀態電壓之和相對應的值。這樣，能夠防止柵極端子Gl處的柵極電壓的增大超過可允許的柵極擊穿電壓，在該可允許的柵極擊穿電壓處晶體管Tl的柵氧化層被損害或毀壞。如果在待保護的電路裝置或集成電路的正常操作期間還能夠發生超過晶體管Tl的上述柵極擊穿電壓的電壓，則特別期望該類型的電壓限制。
[0043]雖然在本實施方式中僅示出三個晶體管Τ2、Τ3、Τ4，但是也可以通過串聯連接以二極管形式布線的另外的晶體管來限定電壓限制，以便達到期望限制電壓。因此，如果對晶體管Tl，特別是針對晶體管Tl的柵極擊穿電壓相應地確定參數，則也可以放棄電壓限制器2。
[0044]停用裝置3可以通過激活晶體管Τ5來產生柵極端子Gl和第二端子VSS之間的低電阻連接。這樣，防止了晶體管Tl的激活和導電線纜的形成。補償裝置I就分流能力而言相應地停用。
[0045]例如，期望在待保護的集成電路操作期間防止對第一端子IO處的電壓的分流。針對該目的，當將相應的電源電壓施加至電源電壓端子VDD時，借助偏置電流源4來生成相應的偏置電流，其中，由于電流鏡像電路，所述偏置電流引起晶體管T6以及晶體管Τ5的激活。當可得到相應的偏置電流作為停用信號時或當可得到相應的電源電壓時，補償裝置I因此被停用。
[0046]具體地，如果補償裝置2僅在待保護電路的非安裝狀態中起作用，則停用裝置3也可以是有利的。在非安裝狀態中，由于缺乏電源電壓，所以得不到停用信號，使得補償裝置I是激活的。因此，由于集成電路安裝之后或操作期間可得到電源電壓，因此由實際ESD脈沖之前的預充電所引起的過電壓在借助電路裝置分別發生補償裝置I的自動停用時能夠分流。
[0047]圖3示出了用于防止靜電放電的電路裝置的另一個實施方式，該實施方式分別表示圖1中所示的實施方式的改進以及圖2中所示的實施方式的變形例。與圖2中所示的實施方式相比，停用裝置3的特征僅在于開關晶體管Τ5，該開關晶體管Τ5連接在柵極端子Gl和第二端子VSS之間。通過上電復位電路5來控制開關晶體管Τ5，當在電源電壓端子VDD處可得到充分的電源電壓時，該上電復位電路5生成用于停用裝置3或開關晶體管Τ5的停用信號形式的相應信號。在其它方面，圖3中所示的實施方式中的停用原理對應于參照圖2所描述的原理。
[0048]在以上所描述的實施方式中，第一電阻器RS和場效應晶體管Tl的串聯電路連接在輸入/輸出端子和參考電勢端子之間，其中，晶體管Tl實現為η溝道場效應晶體管的形式。然而，還可以在不同實施方式或變形例中使用P溝道場效應晶體管，其中，必須考慮極性的相應的適配。
[0049]圖4示出了用于防止靜電放電的電路裝置的實施方式，該實施方式表示圖1中所示的實施方式的變形例。在該情況下，場效應晶體管Tl實現為P溝道場效應晶體管，該P溝道場效應晶體管的源極端子連接至電源電壓端子VDD。電源電壓端子VDD同時形成第二端子，而第一端子IO再次實現為輸入/輸出端子的形式。第一電阻器RS、分流器ECL以及RC串聯電路RF、CF對應于上述的實施方式中的相應元件。
[0050]因此，考慮到改變的極性，圖4中所示的實施方式的功能和操作也與圖1中所示的實施方式的功能和操作等同或類似。也能夠將圖2和圖3中所示的變形例或擴展，特別是電壓限制器2以及停用裝置3，補充到圖4中所示的實施方式中。
【權利要求】
1.一種用于防止靜電放電的電路裝置，所述電路裝置包括: -分流器(ECL)，所述分流器(ECL)適于對第一端子(IO)和第二端子(VDD，VSS)之間的靜電放電進行分流；以及 -補償裝置(1)，其中，第一電阻器(RS)和場效應晶體管(Tl)的串聯電路連接在所述第一端子(IO)和所述第二端子(VDD，VSS)之間，并且其中，所述第一電阻器(RS)和所述場效應晶體管(Tl)之間的接點(Kl)經由RC串聯電路(RF，CF)連接至所述場效應晶體管(Tl)的柵極端子(G1)，其中，所述RC串聯電路(RF，CF)包括第二電阻器(RF)和電容器(CF)，并且所述RC串聯電路(RF，CF)用作在所述接點(Kl)和所述柵極端子(Gl)之間的低通濾波器。
2.根據權利要求1所述的電路裝置，其中，所述補償裝置(I)的特征在于電壓限制器(2)，所述電壓限制器(2)連接在所述第二端子(VDD，VSS)和所述場效應晶體管(Tl)的所述柵極端子(Gl)之間，并且所述電壓限制器(2)被設計為保持所述場效應晶體管(Tl)的柵極電壓低于所述場效應晶體管(Tl)的柵極擊穿電壓。
3.根據權利要求2所述的電路裝置，其中，所述電壓限制器(2)的特征在于以二極管形式來布線的若干晶體管(T2，T3, T4)的串聯電路。
4.根據權利要求1至3中的一項所述的電路裝置，其特征在于停用裝置(3)，所述停用裝置(3)被設計為基于停用信號特別地以低電阻方式將所述場效應晶體管(Tl)的所述柵極端子(Gl)連接至所述第二端子(VDD，VSS)。
5.根據權利要求4所述的電路裝置，其中，所述停用裝置(3)的特征在于開關晶體管(T5)，所述開關晶體管(T5)將所述場效應晶體管(Tl)的所述柵極端子(Gl)連接至所述第二端子(VDD，VSS)。
6.根據權利要求5所述的電路裝置，其中，借助偏置電流來控制所述開關晶體管(T5)。
7.根據權利要求5或6所述的電路裝置，其中，基于電源電壓端子(VDD)處的電壓來控制所述開關晶體管(T5)。
8.根據權利要求1至7中的一項所述的電路裝置，其中，以針對所述場效應晶體管(Tl)的所述柵極端子(Gl)濾掉所述第一端子(IO)處的靜電放電脈沖的方式確定所述RC串聯電路(RF，CF)的參數。
9.根據權利要求1至8中的一項所述的電路裝置，其中，以針對所述場效應晶體管(Tl)的所述柵極端子(Gl)濾掉所述第一端子(IO)處的特別地具有預先已知的上升率的有用信號的邊緣的方式確定所述RC串聯電路(RF，CF)的參數。
10.根據權利要求1至9中的一項所述的電路裝置，其中，所述第一端子(10)是輸入/輸出端子，并且所述第二端子是參考電勢端子(VSS)或電源電壓端子(VDD)。
11.根據權利要求1至10中的一項所述的電路裝置，其中，所述第一電阻器(RS)具有不大于IkQ的值。
【文檔編號】H01L27/02GK103765715SQ201280037950
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年7月30日 優先權日:2011年8月5日
【發明者】沃爾夫岡·賴因普雷希特 申請人:ams有限公司