專利名稱：用于差分晶體管對的esd保護裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及電子保護裝置，更具體地，涉及用于差分晶體管對的靜電放電(ESD)保護裝置。
集成電路易遇到各種各樣的可靠性問題。這些問題之一是可能容易受到ESD事件的損害。當帶電物體(例如，一個被使用來安裝集成電路到印刷電路板上的設備)被放置到接近于具有與帶電物體不同的電位的、集成電路的管腳時，就發(fā)生ESD。放電典型地包含在小于200納秒的時間間隔期間超過一安培的電流電平。峰值電流的幅度和放電的波形取決于系統(tǒng)的實際的電阻、電容和電感，以及在放電前存在的電荷量。在未保護的集成電路上ESD的結果常常是破壞，其特征為部分電路熔化和/或爆炸。通常的措施是設計者把額外的元件包括在集成電路中，以便打算通過為ESD事件提供路徑(該路徑旁路用于正常電路功能的元件以及不被ESD事件破壞)而提供保護以免受ESD損壞。
在BiCMOS集成電路中，經(jīng)常使用的電路配置是差分對的雙極型晶體管10，如

圖1所示。當這種配置被用作為輸入時，晶體管的基極被連接到外部焊盤，非常難保護這些晶體管免受ESD事件。
典型的ESD保護方案顯示于圖2。如果焊盤A相對于焊盤B加上正的電位，則ESD電流的一個可能的路徑是通過電阻R1、正向偏置的基極-發(fā)射極結BE-1、反向偏置的基極-發(fā)射極結BE-2、和電阻R2。在高頻集成電路中，晶體管Q1和Q2的面積很小，大大地限制了在內部功耗足以造成損壞之前的基極-發(fā)射極結正向載送電流的能力。基極-發(fā)射極結在反向上是非常弱的，典型的擊穿電壓為4伏或更小。電阻R1和R2常常是低的電阻，以增強性能。這種配置的結果是，很難保護差分對不受ESD事件的影響。
圖2所示的ESD保護方案要求在典型的ESD事件期間(其中放電電流可能超過2A)把在點C與D之間的電壓限制為安全的數(shù)值。對于高的正向電流，二極管的內部串聯(lián)電阻導致比起典型地低電流二極管壓降(0.7伏)更大的正向壓降(典型地，2到3伏)。優(yōu)選的電流路徑是通過二極管D1、電源箝位器12、和二極管D4。如果假設電源箝位器12上的電壓降是5伏，以及在ESD事件下在正向偏置時每個二極管上的電壓是3伏，則從焊盤A到焊盤B出現(xiàn)11伏。另外，如果假設流過反向偏置BE-2的電流被限制為10A、電壓降為4伏、以及在10A時正向偏置BE-1的電壓降為0.6伏，則在10A時在電阻R1加上電阻R2上的電壓降必須是6.4伏。結果是R1和R2(二者是相等的)必須至少是320kΩ，以便保護器件。對于高的性能，可能必須限制R1和R2各小于100Ω。應當指出，對于非常小的器件可能必須限制流過反向偏置的基極-發(fā)射極結的電流為1A或更小。替換方案是增加晶體管的物理尺寸(這會使性能惡化)，以改進ESD保護。
替換的方法是直接分流來自輸入焊盤A和B的電流。圖3是顯示一個這樣的方法，在該圖上，反向并聯(lián)二極管D5和D6被連接在焊盤A與B之間。如果使用與以上對于圖2作出的相同的假設，則這個方法將差分對上的電壓限制成一個高的電流二極管壓降(大約3伏)。應當指出，為了提供從焊盤到電源和地的ESD應力(stress)保護，還需要其他的二極管。這個方法的主要困難在于，輸入信號電流也被二極管D5和D6部分地分流，從而限制輸入電壓擺動在任一個極性上為約0.6伏。如果輸入擺動大于0.6伏，則反向并聯(lián)二極管D5和D6不再是用于ESD保護的正確的解決方案。
所以，需要允許較大的輸入電壓擺動的有效的ESD保護方案。
本發(fā)明通過提供在晶體管的輸入端之間的電流路徑的同時限制在晶體管的反向偏置結上的電壓，從而提供了一種保護差分晶體管對的方法。本發(fā)明也允許在晶體管的輸入端處較大的輸入電壓擺動。
按照本發(fā)明，提供了一種用于保護差分晶體管對的靜電放電保護電路。每個晶體管包括第一和第二端子以及輸入端。這些晶體管的第二端子被互相連接。該電路包括一對旁路電路和一個箝位電路。每個旁路電路與由相關的一個晶體管的輸入端和第二端子形成的一個結并聯(lián)連接，以便當該結被反向偏置時限制該結上的電壓。箝位電路與這些晶體管的兩個輸入端并聯(lián)連接，用于把在輸入端之間的允許的差分電壓擺動設置為預定的電平。
按照本發(fā)明的一個實施例，箝位電路被連接在這些晶體管的輸入端之間。按照本發(fā)明的另一個實施例，箝位電路被連接在兩個外部焊盤之間，該兩個焊盤分別被連接到這些晶體管的輸入端。
在本發(fā)明的特定的實施例中，箝位電路包括一組反向并聯(lián)二極管，每個旁路電路包括與相關的晶體管的結并聯(lián)連接的二極管。
通過參照結合附圖作出的、以下的說明和權利要求，將明白和體會本發(fā)明的其他目的、收獲以及更充分的理解。
現(xiàn)在參照附圖，通過例子，更詳細地解釋本發(fā)明，其中圖1顯示傳統(tǒng)的差分雙極型晶體管對；圖2顯示典型的傳統(tǒng)的ESD保護方案；圖3顯示替換的傳統(tǒng)的ESD保護方案；圖4顯示按照本發(fā)明的第一實施例的ESD保護方案；圖5A顯示按照本發(fā)明的第二實施例的ESD保護方案；圖5B顯示圖5A的第二實施例的變例；圖6顯示按照本發(fā)明的第三實施例的ESD保護方案；以及圖7顯示按照本發(fā)明的第四實施例的ESD保護方案。
在附圖上，相同的參考數(shù)字表示類似的或相應的特性或功能。
圖4顯示按照本發(fā)明的第一實施例的ESD保護方案，它包括正向偏置二極管D9和D10以及反向并聯(lián)二極管D5-D8。二極管D9和D10的每一個用作為電路分支，當晶體管Q1和Q2的基極-發(fā)射極結BE-1和BE-2在ESD事件期間被反向偏置時，允許電流旁路這些結。例如，在圖4上，在從焊盤A到焊盤B的正的應力下，正向偏置二極管D10箝位BE-2上的反向偏置二極管電壓。如果那里沒有D10，則BE-2將吸收大多數(shù)ESD電壓，以及最終被損壞或破壞。正向偏置二極管的、從C通過BE-1和D10到點D的路徑允許電流從焊盤A流到焊盤B，這使得ESD電壓在BE-1和BE-2上分布更均勻。沒有這個路徑，則這些結最終將被損壞或破壞，這導致電路性能的改變。
本發(fā)明有幾個可能的實施例。在圖4上，二極管組合D5-D8被直接連接在焊盤A和B之間。在這個實施例中，二極管D5-D8是對于在這兩個焊盤A和B之間的任一個極性的ESD事件的主要保護路徑。二極管箝位器組合D1-D4和12提供對于任一個極性的、在焊盤A與VDD或VSS之間和在焊盤B與VDD或VSS之間的ESD事件的保護。對于圖4的實施例，由ESD事件造成的、從A到B的電壓降被限制為約6伏，焊盤A相對于焊盤B是正的。這個電壓也出現(xiàn)在R1、BE-1與D9的并聯(lián)組合、BE-2與D10的并聯(lián)組合、和R2上。這個事件然后造成正向偏置的BE-1和正向偏置的D10。流過這些器件的電流被R1和R2、BE-1與D10上的正向電壓降以及從A到B的總的電壓(在本例中是6伏)限制。取決于R1和R2的大小，這個電流可以顯著地小于流過D5和D6的電流。二極管D5-D6必須足夠大，以便吸收ESD事件而不毀壞。
圖5A上顯示的第二實施例中存在著不同的情形。在本例中，D5-D8組合被連接在C與D之間。由二極管D1-D4和箝位器12提供的主要的ESD保護也被使用來保護在焊盤A和B之間的ESD事件。對于相對于焊盤B是正的焊盤A，一部分電流流經(jīng)R1、(1)D5-D6和(2)BE-1與D10的并聯(lián)路徑、以及R2。為了把事件ESD轉移到主要的保護元件中，從焊盤A到焊盤B的電壓必須上升到這個值這時來自ESD事件的大多數(shù)電流沿著經(jīng)過D1、箝位器12和D4的路徑行進。當在R1和R2上有足夠的電壓降時，出現(xiàn)這種情形。對于R1和R2的大的數(shù)值，適合于ESD保護的二極管D5-D10(以及BE-1和BE-2)在面積(和電容)上可以相對較小。對于R1和R2的小的數(shù)值，大部分ESD事件必須被D5-D10(以及BE-1和BE-2)吸收。
圖5B顯示圖5A的第三實施例的變例。如圖5B所示，每對反向并聯(lián)二極管可被單獨地連接在D6和D7的陽極之間以及同樣地在D5與D8的陰極之間，而不改變ESD保護的電性能。這對于任何反向并聯(lián)的結構(它們被串聯(lián)連接)都是正確的。
在以上的圖4，5A和5B上，二極管的數(shù)目可被增加，以便增加在輸入焊盤A和B處允許的差分電壓擺動，但在每個并行路徑上的正向偏置二極管的數(shù)目應當匹配。如果它們不匹配，則輸入電流將被分流到具有較小的數(shù)目的正向偏置二極管的路徑中，導致允許的電壓擺動沒有改進。在圖4上，例如，從焊盤A到焊盤B的二極管D5和D6與在點C和D之間的兩個并聯(lián)二極管BE-1和D10相匹配。從焊盤A到焊盤B所需要的二極管的數(shù)目由在輸入焊盤A和B上的最大差分電壓確定。這個數(shù)目應當通過在點C和D之間的所有二極管的組合而得到匹配，正如上面解釋的。
通過如圖6所示的、本發(fā)明的第三實施例顯示一個例子。在圖6上，如果在輸入焊盤A和B上的最大差分電壓擺動是1.5伏，則從點A到點B需要三個二極管D11，D5和D6(每個二極管大約0.5-0.6伏)，以用來防止輸入信號通過這種二極管的顯著的分流。在這樣的情形下，從點C到點D需要三個匹配的二極管，即，如圖6所示的BE-1、D10和D14。類似地，BE-2、D9和D13提供了另一個方向上的路徑，它們與三個并聯(lián)二極管D12、D7和D8相匹配。BE-1和BE-2結然后在ESD事件期間被保護，所以差分輸入的性能被保留。
圖7顯示本發(fā)明的第四實施例。這個實施例類似于圖6上的實施例，不同的是，反向并聯(lián)二極管D5-D8、D11和D12被連接在點C和D之間而不是在焊盤A和B之間以外。
本發(fā)明對于其中輸入信號在性質上是差分的保護電路(包括例如差分放大器、發(fā)射極耦合的邏輯、電流模式邏輯、和比較器)來說是有用的。
雖然本發(fā)明是結合特定的實施例被描述的，但顯然，從上述的說明看來，許多替換例、修正和變例對于本領域技術人員是顯而易見的。例如，本發(fā)明可被使用來保護由PNP雙極型晶體管組成的差分放大器。另外，呈現(xiàn)像二極管那樣的特性的器件，即，在一個極性上導通電流以及在相反的極性上阻塞電流，可被使用來代替本發(fā)明的以上的實施例中的二極管D9、D10、D13和D14。因此，打算把所有這樣的替換例、修正和變例包括在附屬權利要求的精神和范圍內。
權利要求
1.一種用于保護差分晶體管對(Q1，Q2)的靜電放電保護電路，每個晶體管包括第一和第二端子以及輸入端，晶體管的第二端子被互相連接，電路包括-一對旁路電路(D9，D10)，每個旁路電路與由相關的一個晶體管的輸入端和第二端子形成的結并聯(lián)連接，以及當該結被反向偏置時限制該結上的電壓；以及-箝位電路(D5-D8)，與晶體管的兩個輸入端并聯(lián)連接，用于把在輸入端之間的允許的差分電壓擺動設置為預定的電平。
2.權利要求1的電路，其中箝位電路被連接在晶體管的輸入端之間。
3.權利要求1的電路，其中箝位電路被連接在兩個外部焊盤(A，B)之間，該兩個焊盤分別被連接到晶體管的輸入端。
4.權利要求1的電路，其中箝位電路包括一組反向并聯(lián)二極管(D5-D8)。
5.權利要求4的電路，其中在該組反向并聯(lián)二極管中，允許電流以第一方向流動的、所連接的二極管的數(shù)目等于允許電流以與第一方向相反的第二方向流動的、所連接的二極管的數(shù)目。
6.權利要求1的電路，每個旁路電路包括一個與相關的晶體管的結并聯(lián)連接的二極管(D9，D10)，以及如果該結被反向偏置，則允許電流旁路通過該結。
7.權利要求6的電路，其中箝位電路包括一組反向并聯(lián)二極管，以及其中在該組反向并聯(lián)二極管中正向偏置二極管的數(shù)目等于在旁路電路中正向偏置二極管的數(shù)目加上由一個晶體管的輸入端與第二端子的結形成的等價的正向偏置二極管的數(shù)目。
8.權利要求1的電路，其中第一和第二端子分別是集電極和發(fā)射極端，以及輸入端是基極端。
9.一種用于保護差分晶體管對的靜電放電保護電路，每個晶體管包括第一和第二端子以及輸入端，晶體管的第二端子被互相連接，該電路包括-一對旁路裝置，每個旁路裝置與由相關的一個晶體管的輸入端和第二端子形成的結并聯(lián)連接，用于當該結被反向偏置時限制該結上的電壓；以及-箝位裝置，與晶體管的兩個輸入端并聯(lián)連接，用于把在輸入端之間的允許的差分電壓擺動設置為預定的電平。
10.權利要求9的電路，其中箝位裝置包括一組反向并聯(lián)二極管。
11.權利要求9的電路，每個旁路裝置包括與相關的晶體管的結并聯(lián)連接的二極管，以及如果該結被反向偏置，則允許電流旁路通過該結。
12.權利要求9的電路，其中第一和第二端子分別是集電極和發(fā)射極，以及輸入端是基極端。
13.差分放大器電路，包括-差分晶體管對，每個晶體管包括第一和第二端子以及輸入端，晶體管的第二端子被互相連接，以及-一個靜電放電保護電路，包括-一對旁路電路，每個旁路電路與由相關的一個晶體管的輸入端和第二端子形成的結并聯(lián)連接，以及當該結被反向偏置時限制該結上的電壓；以及-箝位電路，與晶體管的兩個輸入端并聯(lián)連接，用于把在輸入端之間的允許的差分電壓擺動設置為預定的電平。
14.權利要求13的電路，其中箝位電路被連接在晶體管的輸入端之間。
15.權利要求13的電路，其中箝位電路被連接在兩個外部焊盤之間，該兩個焊盤分別被連接到晶體管的輸入端。
16.權利要求13的電路，其中箝位電路包括一組反向并聯(lián)二極管。
17.權利要求13的電路，每個旁路電路包括與相關的晶體管的結并聯(lián)連接的二極管，以及如果該結被反向偏置，則允許電流旁路通過該結。
18.權利要求17的電路，其中箝位電路包括一組反向并聯(lián)二極管，以及其中在該組反向并聯(lián)二極管中正向偏置二極管的數(shù)目等于在旁路電路中正向偏置二極管的數(shù)目加上由一個晶體管的輸入端與第二端子的結形成的等價的正向偏置二極管的數(shù)目。
19.權利要求18的電路，其中第一和第二端子分別是集電極和發(fā)射極端，以及輸入端是基極端。
20.用于為差分晶體管對提供靜電放電保護的方法，每個晶體管包括第一和第二端子以及輸入端，晶體管的第二端子被互相連接，該方法包括以下步驟-當由每個晶體管的輸入端和第二端子形成的結被反向偏置時，限制該結上的電壓；-在晶體管的輸入端之間提供電流路徑；以及-把在晶體管的輸入端之間的允許的差分電壓擺動設置為預定的電平。
全文摘要
本發(fā)明通過在晶體管的輸入端之間提供電流路徑，而同時限制在晶體管的反向偏置結上的電壓，提供保護差分晶體管對(Q1、Q2)的方法。本發(fā)明也允許在晶體管的輸入端處較大的輸入電壓擺動。按照本發(fā)明，提供了靜電放電保護電路，用于保護差分晶體管對。每個晶體管包括第一和第二端子以及輸入端。晶體管的第二端子被互相連接。電路包括一對旁路電路(D9，D10)和箝位電路(D5，D8)。每個旁路電路與由相關的一個晶體管的輸入端和第二端子形成的結并聯(lián)連接，以便當該結被反向偏置時限制該結上的電壓。箝位電路與晶體管的兩個輸入端并聯(lián)連接，用于把在輸入端之間的允許的差分電壓擺動設置為預定的電平。
文檔編號H01L27/082GK1537359SQ02815079
公開日2004年10月13日 申請日期2002年7月16日 優(yōu)先權日2001年8月2日
發(fā)明者J·R·斯佩哈, R·A·科克拉塞, J R 斯佩哈, 科克拉塞 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司