用于使用高壓設備來增強低壓ESD箝位的選擇性電流泵浦

背景技術：
靜電放電（ESD）脈沖是突然的且非預期的電壓和/或電流放電，其將能量從外側體部（舉例來說，比如從人類身體）轉移到電子設備。ESD脈沖可損壞電子設備，例如通過在高壓的情況下“熄滅”晶體管的柵氧化層或通過在高電流的情況下“熔化”設備的有效區(qū)面積，引起接點故障。如將在以下將更詳細理解的，本公開涉及改進的ESD保護技術。附圖說明圖1示出了經(jīng)受一些缺點的ESD保護設備。圖2示出了包括電流控制元件的ESD保護設備的示例實施例。圖3示出了具有被實現(xiàn)為分流器的電流控制元件的ESD保護設備的示例實施例。圖4示出了具有被實現(xiàn)為電流開關元件的電流控制元件的ESD保護設備的示例實施例。圖5A-5C示出了包括電流開關元件的ESD保護電路的示例實施例，由于其防范具有大約150納秒的脈沖長度的ESD脈沖。圖6A-6C示出了包括分流器的ESD保護電路的示例實施例，由于其防范具有大約150納秒的脈沖長度的ESD脈沖。圖7示出了包括用于促進襯底泵浦的附加電容器的ESD保護電路的示例實施例。圖8示出了包括電壓加法器的ESD保護設備的示例實施例。圖9示出了根據(jù)一些實施例的以流程圖格式的方法。圖10示出了包括單個觸發(fā)元件的ESD保護設備的示例實施例。具體實施方式現(xiàn)在將參考附圖來描述本發(fā)明，其中相同的參考數(shù)字用于始終指代相同的元件，并且其中所說明的結構和設備不必須是按比例繪制的。圖1示出了使用不夠理想的ESD保護技術的電路100。電路100包括易受ESD影響的電路102和ESD保護電路104，兩者都電耦合到第一和第二電路節(jié)點106A、106B（例如，分別為集成電路的DC電源電壓引腳和接地引腳）。ESD保護電路104包括第一和第二電路徑108、110，其在第一和第二電路節(jié)點106A、106B之間平行延伸。第一電路徑108包括布置在其上的觸發(fā)元件111，并且第二電路徑110包括分路器112。襯底泵浦114被布置成對分路器112的襯底進行泵浦，以增強在ESD事件期間其的增益。在操作期間，觸發(fā)元件116檢測指示ESD脈沖124的電壓和/或電流尖峰，并由此增加其輸出118處的觸發(fā)信號的電壓。該增加的電壓使分路器112和襯底泵浦114進入導電狀態(tài)。襯底泵浦114因此將ESD脈沖123的一些電流經(jīng)由路徑120轉向到分路器112的襯底，這有助于增加分路器112的增益。由于高壓觸發(fā)信號，分路器112現(xiàn)在表示第阻抗（相對于易受ESD影響的電路102）且ESD脈沖124的功率流過分路器112且遠離易受ESD影響的電路102，如箭頭122所示。盡管該技術在一些方面是足夠的，但ESD保護電路104經(jīng)受了以下缺點：分路器112可能不能夠充分地分路大的ESD脈沖，尤其當?shù)碗妷涸O備用于電路102和104時。因此，如果大的ESD脈沖有危害，則ESD電流的快速流入可“淹沒”分路器122，使得來自ESD脈沖的一些功率可能達到易受ESD影響的電路102并引起損壞。而且，如果對于每單位面積，有太多的電流通過分路器112被引導，則分路器112本身也可受損壞。因此，本公開的多個方面涉及ESD保護技術，這些技術仍然提供襯底泵浦以增加分路器的增益，同時相對于傳統(tǒng)方式還允許有增加的電流分路。因此，這些技術提供了針對ESD脈沖的可靠保護，由此有助于達成良好的制造產(chǎn)量和可靠的客戶性能。圖2示出了示例ESD保護電路200。ESD保護電路200分別包括第一、第二、第三和第四電路徑202、204、206、208，其在第一和第二電路節(jié)點106A、106B之間平行延伸。第一電路徑202包括第一觸發(fā)元件210、第二電路徑204包括第二觸發(fā)元件212，并且第三電路徑206包括主分路器214。第四電路徑208包括電流控制元件216。在操作期間，主分路器214的低阻抗狀態(tài)由來自第一觸發(fā)元件210的第一觸發(fā)信號觸發(fā)。電流控制元件216被布置成基于來自第二觸發(fā)元件212的第二觸發(fā)信號而選擇性地當作主分路器214的襯底泵浦并且基于第二觸發(fā)信號而選擇性地當作與主分路器214并聯(lián)的次分路器。第一和二觸發(fā)信號典型地具有不同的脈沖長度和/或具有偏移的邊緣。在一些實施例中，比如圖3所示的示例實施例中，電流控制元件（例如圖2中的216）可以被實現(xiàn)為具有控制端子304的分流器302。當沒有ESD脈沖存在時，第一和第二觸發(fā)元件210、212是關斷的，使得主分路器214和分流器302都表示在第一和第二電路節(jié)點106A、106B之間的高阻抗狀態(tài)。因此，在沒有ESD脈沖的情況下，正常操作功率經(jīng)由第一和第二電路節(jié)點106A、106B流向電路102。然而，當ESD脈沖124有危害時，第一和第二觸發(fā)元件210、212激活第一和第二觸發(fā)信號，其轉而同時分別激活主分路器214和分流器302。在該狀態(tài)下，分流器302將流入端子302A的ESD電流轉向到302B之外，以對主分路器214的襯底進行泵浦（由此增加主分路器214的增益），并且同時將流入端子302A的電流轉向到302C之外，以當作次分路器。在其他實施例中，比如圖4所示的實施例中，電流控制元件（例如圖2中的216）可以被實現(xiàn)為電流開關402，其要么當作主分路器214的襯底泵浦，要么在任何給定時間處當作次分路器，但不同時當作兩者。當沒有ESD脈沖存在時，第一和第二觸發(fā)元件210、212還是關斷的，使得主分路器214表示高阻抗狀態(tài)且電流開關402被設置到位置402B。由于當沒有ESD脈沖存在時的高阻抗，所以正常操作功率經(jīng)由第一和第二電路節(jié)點106A、106B流向電路102。然而，當ESD脈沖124有危害時，第一觸發(fā)元件210激活主分路器214。對于該有危害ESD脈沖124的一部分，第二觸發(fā)元件212保持關斷，使得電流開關402被設置到位置402B，并且因此將由ESD脈沖124引起的電流泵浦到主分路器214的襯底中。在ESD脈沖的某個稍后的時間處，第二觸發(fā)元件212被激活，并且電流開關402改變其狀態(tài)以將電流轉向到402C，由此當作與主分路214并聯(lián)工作的次分路器，且使主分路器214的襯底泵浦停止。圖5A-5C說明了具有電流開關502的ESD設備500免受具有大約150ns的持續(xù)時間的ESD脈沖的例子。如圖5A中所示的，在沒有ESD脈沖124的情況下，第一和第二觸發(fā)元件210、212保持關斷并且對應地在相應的是輸出220、222處提供低電壓。這些低電壓小于漏極擴展MOS（DeMOS）晶體管504、506、508的閾值電壓VTH，且這些低電壓使得DeMOS晶體管504、506、508處于非導電的高阻抗狀態(tài)。因此，只要沒有ESD脈沖存在，第一到第四路徑202-208就表示高阻抗狀態(tài)且在第一和第二電路節(jié)點106A、106B上的正常操作電壓基本上不受阻地流向易受ESD影響的電路102。例如，如果第一電路節(jié)點106A攜帶5伏特DC電源電壓且第二電流節(jié)點106B攜帶0伏特DC電源電壓，則在沒有ESD脈沖124的情況下，易受ESD影響的電路102將看到5V的偏置電壓。圖5B表示在ESD脈沖124已經(jīng)被第一和第二觸發(fā)元件210、212檢測到之后不久的ESD保護電路500。響應于對ESD脈沖124的檢測，第一觸發(fā)元件210在第一輸出220上斷言第一觸發(fā)信號。當被斷言時，第一觸發(fā)信號具有比主泵浦504（例如DeNMOS）和主分路器508（例如DeNMOS）的相應閾值電壓高的電壓電平。因此，第一觸發(fā)信號使主泵浦504和主分路器508處于導電狀態(tài)，這傾向于如電流路徑512所示的那樣來分路ESD電流。對于第一觸發(fā)信號被斷言時的第一時間間隔，第二觸發(fā)信號保持取消斷言。因為如此，所以次泵浦510是導電的，且由于ESD脈沖引起的電流被泵浦到主分路器508的襯底以增加其增益。在圖5C中，在ESD脈沖124期間的某個稍后的時間處，第二觸發(fā)元件212被激活，使在222上的第二觸發(fā)信號具有比次分路器506的閾值電壓高的電壓電平。因此，第二觸發(fā)信號使次分路器506處于導電狀態(tài)，并且同時關斷次泵浦510。由于次分路器506現(xiàn)在是導電的，某個ESD危害電流也通過次分路器506被分路，如電流路徑514所示。以這樣的方式，在當?shù)诙|發(fā)信號被斷言時的ESD脈沖的第一部分（在本例中例如首個大約20ns）期間，襯底泵浦發(fā)生（圖5B），并且在ESD脈沖的第二部分期間，附加的電流分路發(fā)生（圖5C）。圖6A-6C示出了ESD保護電路600，其中分流器602（例如圖2中的分流器216）包括如所示的在操作上耦合的次分路器604（例如DeNMOS）和次泵浦606（例如DePMOS）。在圖6A-6C中，逆變器608也被包括在分流器602中。但是，將理解的是，在其他實施例中，DePMOS晶體管（或其他開關元件，比如MOSFET，BJT等）可以在次分路器604中代替所說明的DeNMOS晶體管，DeNMOS晶體管（或其他開關元件，比如MOSFET，BJT等）可以在次泵浦606中代替所說明的DePMOS晶體管，并且逆變器608不需要在所有的實施例中存在。對于圖5A-5C中所說明的之前的實施例也是如此?，F(xiàn)在參考圖6A-6C在以下描述ESD脈沖124有危害的例子。圖6A表示在ESD脈沖的開始之前的ESD保護電路600。由于沒有ESD脈沖存在，所以第一和第二觸發(fā)元件210、212保持關斷且在它們相應地輸出220、222處對應地提供低電壓。這些低電壓小于主分路器610和主泵浦612的閾值電壓VTH，且這些電壓分別使主分路器610和主泵浦612處于非導電高阻抗狀態(tài)。因此，只要沒有ESD脈沖存在，主分路器610就保持高阻抗（“關斷”）狀態(tài)且第一和第二電路節(jié)點106A、106B上的正常操作電壓基本上不受阻地流向易受ESD影響的電路102。例如，如果第一電路節(jié)點106A攜帶5伏特DC電源電壓且第二電流節(jié)點106B攜帶0伏特DC電源電壓，則在沒有ESD脈沖的情況下，易受ESD影響的電路102將看到5V的偏置電壓。圖6B表示在ESD脈沖124已經(jīng)被第一和第二觸發(fā)元件210、212檢測到之后不久的ESD保護電路600。響應于對ESD脈沖124的檢測，第一和第二觸發(fā)元件210、212分別在第一和第二輸出220、222上斷言第一和第二觸發(fā)信號。當被斷言時，在輸出220處的第一觸發(fā)信號具有比主泵浦612（例如DeNMOS）和主分路器610（例如DeNMOS）的相應閾值電壓高的電壓電平。因此，第一觸發(fā)信號使主泵浦612和主分路器610處于導電狀態(tài)，這傾向于如電流路徑614所示的那樣來分路ESD電流。類似地，當被第二觸發(fā)元件212斷言時，在輸出222處的第二觸發(fā)信號具有比次分路器604、逆變器608和次泵浦606的閾值電壓高的電壓電平。因此，第二觸發(fā)信號使次分路器604和次泵浦606處于導電狀態(tài)。在圖6B中，一些有危害的ESD電流通過主泵浦612和次泵浦606流入主分路器610的襯底，由此增加了主分路器610的增益且有助于ESD電流沿著電流路徑614的消散。此外，當次分路器604也導電時，一些ESD危害電流也如電流路徑616所示的那樣通過次分路器604被分路。以這樣的方式，在當?shù)诙|發(fā)信號被斷言時的ESD脈沖的第一部分（在本例中例如首個大約20ns）期間，相對于傳統(tǒng)方式使得電流消散能夠增加。例如，假設相等尺寸的晶體管，這個實施例相比于一些實現(xiàn)方式中的傳統(tǒng)襯底泵浦提議可提供多大約50%的電流處理。輸出222處的第二觸發(fā)信號通常具有與輸出220處的第一觸發(fā)信號不同的脈沖長度。例如，第二觸發(fā)信號的脈沖長度通常短于第一脈沖信號長度。在圖6C的例子（其表示如從ESD脈沖的開始所測量的20-100ns）中，輸出222處的第二觸發(fā)信號已經(jīng)被取消斷言，因為其電壓電平現(xiàn)在已下降到次分路器604和次泵浦606的閾值電壓之下。因此，對于ESD脈沖中的該第二時間段，次分路器604和次泵浦606現(xiàn)在“關斷”。因此，電流不再通過次泵浦606被注入到主分路器610的襯底中，并且電路不再如之前在圖6B中所說明的那樣通過次分路器604被分路。然而，ESD電流在該時間段期間通過主分路元件610被傳導。圖7示出了ESD保護電路700的示例性說明，其中電容器702已經(jīng)被添加以幫助對主分路器214的襯底進行泵浦。例如，電容器702可是分立的芯片外電容器或鄰近IC的金屬或聚乙烯層而形成的芯片上電容器。電容器702在第一個20ns期間得到充電且即使在此觸發(fā)元件在20ns后超時之后也將提供泵浦電流。換言之，其有助于用于在一段時間內(nèi)進行泵浦的電荷且將電荷供應給主分路器。圖8示出了ESD保護電路800的示例實施例，其利用電壓加法器802。在一些實施例中，電壓加法器802可被實現(xiàn)為運算放大器，其將電壓加法器輸入808、810處的兩個電壓相加，并且其耦合到第一和第二電路節(jié)點106A、106B。電壓加法器802限制了在主分路器214的襯底和主泵浦806的源極兩者上由于襯底的阻抗所引起的電勢的增加。如果任之不解決，該不期望的電勢聚結可對于主泵浦晶體管806引起偏置問題（例如，太少的偏置）。為了限制該電勢增加，在操作期間，當檢測到指示ESD脈沖124的電壓或電流尖峰時，觸發(fā)元件210在804處斷言觸發(fā)信號。為了對于主分路器806保持大致恒定的柵極源極電壓VGS，電壓加法器802將電壓加法器輸入808、810上的電壓相加以增加提供給主分路器806的柵極的加法器輸出電壓。以這樣的方式，電壓加法器802的輸出電壓當作加強的觸發(fā)信號，其具有動態(tài)的電壓電平，該動態(tài)的電壓電平在整個有危害ESD脈沖期間為泵浦晶體管806保持基本上恒定的柵極源極電壓。換言之，電壓加法器802補償主分路器806中的電流的任何損失，如針對增加的源極電勢的情況那樣。圖9示出了根據(jù)本公開的一個方面的ESD保護的示例方法900。在步驟902處，方法900開始于第一觸發(fā)元件基于對ESD脈沖的檢測而選擇性地激活第一觸發(fā)信號。例如，如果檢測到ESD脈沖，則第一觸發(fā)信號的電壓針對大約100ns增加，以對應于第一觸發(fā)信號的激活。第一觸發(fā)信號被斷言的時間可取決于ESD脈沖的尺寸，并且可根據(jù)設計約束而廣泛地變化。該第一觸發(fā)信號決不被限制為100ns的脈沖長度，而可以根據(jù)實施方式而顯著地更長或更短。在步驟904，方法900對于第二觸發(fā)元件繼續(xù)以基于對ESD脈沖的檢測而選擇性地激活第二觸發(fā)信號。例如，如果檢測到ESD脈沖，則第二觸發(fā)信號的電壓可針對大約20ns增加，以對應于第二觸發(fā)信號的激活。第二觸發(fā)信號被斷言的時間可取決于ESD脈沖的尺寸，并且可根據(jù)設計約束而廣泛地變化。該第二觸發(fā)信號決不被限制為20ns的脈沖長度，而可以根據(jù)實施方式而顯著地更長或更短。第二觸發(fā)信號的脈沖長度通常不同于第一脈沖長度。在步驟906處，主分路器基于第一觸發(fā)信號將ESD信號的功率分路得遠離易受ESD影響的電路。在步驟908處，主泵浦基于第二觸發(fā)信號將ESD脈沖引起的電流選擇性地泵浦到主分路器的襯底中。在步驟910處，次分路器基于第二觸發(fā)信號將ESD脈沖引起的功率轉向得遠離易受ESD影響的電路。盡管已經(jīng)針對附圖描述了若干實施例，將理解的是，在本說明書中或在這些附圖中的內(nèi)容不以任何方式限制本公開的范圍。其他實施例也被設想為落入本公開的范圍內(nèi)。例如，盡管所說明的電路可在一些實施例中被實現(xiàn)為集成電路，它們還可在其他的實施例中被實現(xiàn)為分立部件的組合。此外，盡管一些實施例可描述在第一和第二電路節(jié)點（例如圖1-5中的106A、106B）之間耦合的元件，但第二電路節(jié)點106B可在一些場合中包括多個物理上分立的節(jié)點，這些節(jié)點在法律上等同于單個第二電路節(jié)點。例如，在圖2的實施例中，第二電路節(jié)點可對應于單個IC接地引腳，其通常耦合到第一觸發(fā)元件、第二觸發(fā)元件、分路元件、和電流控制元件。但是，在其他的實施例中，第一觸發(fā)元件可耦合到第一IC接地引腳，第二觸發(fā)元件可耦合到第二IC接地引腳，其在物理上與第一IC接地引腳分立，分路元件可耦合到第三IC接地引腳，并且分流器可耦合到第四IC接地引腳。而且，對于所有的實施方式，不要求所有的所說明的元件。圖10示出了只有一個觸發(fā)元件被應用而不是應用第一和第二觸發(fā)元件的示例實施例。在該例子中，襯底泵浦包括DeNMOS1002和DePMOS器件1004，它們?nèi)缢驹诓僮魃像詈?。選擇性電流泵浦僅基于第一觸發(fā)信號。因此，將理解的是，一些實施例涉及一種靜電放電（ESD）保護設備，以保護易受ESD影響的電路免受ESD脈沖。該ESD保護設備包括第一觸發(fā)元件，用于在檢測到ESD脈沖時，提供具有第一脈沖長度的第一觸發(fā)信號。該ESD保護電路還包括第二觸發(fā)元件，用于在檢測到ESD脈沖時，提供具有不同于第一脈沖長度的第二脈沖長度的第二觸發(fā)信號。分路元件適合于基于第一觸發(fā)信號來將ESD脈沖的功率分路得遠離易受ESD影響的電路。分流器適合于基于第二觸發(fā)來選擇性地將由ESD脈沖引起的電流泵浦到分路器的襯底中。其他實施例涉及一種用于保護易受ESD影響的電路免受ESD事件的ESD保護設備，其電連接到第一和第二電路節(jié)點。該ESD保護設備包括在第一和第二電路節(jié)點之間延伸且包括布置在其上的第一觸發(fā)元件的第一電路徑。包括第二觸發(fā)元件的第二電路徑在第一和第二電路節(jié)點之間延伸且與第一電路徑平行。第三電路徑也在第一和第二電路節(jié)點之間延伸且與第一和第二電路徑平行。該第三電路徑包括分路器，用于基于來自第一觸發(fā)元件的第一觸發(fā)信號選擇性地將ESD事件的能量從第一電路節(jié)點分路到第二電路節(jié)點。第四電路徑在第一和第二電路節(jié)點之間延伸且與第一和第二電路徑平行。該第四電路徑包括分流器，用于基于來自第二觸發(fā)元件的第二觸發(fā)信號選擇性地將來自第一電路節(jié)點的電流分路到第二電路節(jié)點。另外的實施例涉及一種ESD保護電路，包括觸發(fā)元件，該觸發(fā)元件被配置為當檢測到ESD脈沖時斷言觸發(fā)信號。分路元件被布置為基于觸發(fā)信號將有危害的ESD脈沖的功率進行分路。電壓加法器基于觸發(fā)信號提供加強的觸發(fā)信號。泵浦晶體管基于加強的觸發(fā)信號將電流提供給分路器的襯底，其中加強的觸發(fā)信號具有動態(tài)電壓電平，以在整個ESD脈沖期間將施加到泵浦晶體管的柵極源極電壓保持基本恒定。另一個實施例涉及一種用于ESD保護的方法。在該方法中，基于是否檢測到ESD脈沖，針對第一脈沖長度選擇性地斷言第一觸發(fā)信號?；谑欠駲z測到ESD脈沖，針對第二脈沖長度選擇性地斷言第二觸發(fā)信號。第二脈沖長度不同于第一脈沖長度。經(jīng)由主分路器基于第一觸發(fā)信號將ESD脈沖的功率分路得遠離易受ESD影響的電路?；诘诙|發(fā)信號選擇性地將由ESD脈沖引起的電流泵浦到主泵浦的襯底中。尤其對于由以上描述的部件或結構（組件、設備、電路、系統(tǒng)等）所執(zhí)行的各種功能，用于描述這樣的部件的術語（包括對“裝置”的引用）旨在對應于（除非另外指明）執(zhí)行所描述的部件的（例如其在功能上是等同的）特定功能的任何部件或結構，即使在結構上不等同于執(zhí)行在這里所說明的本發(fā)明的示例實施方式中的功能的所公開的結構。此外，盡管本發(fā)明的特定特征可以已經(jīng)關于若干實施方式中的僅一個實施方式所公開，但如對于任何給定或特定應用所期望和有利的，該特征可以與其他實施方式的一個或多個其他特征相組合。此外，就在詳細說明和權利要求中使用的術語“包含”、“含有”、“具有”、“擁有”、“帶有”或其變型而言，這樣的術語旨以類似于術語“包括”的方式所包含。