專利名稱：用戶接口保護電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及到特別適用于用戶線路接口電路(SLIC)的過電壓保護電路。
連接于線路的電話電路特別容易受到諸如雷電放電或意外短接到電網之類的過電壓的干擾。而且，隨著這些接口電路由尺寸越來越小因而也越來越對過電壓敏感的越來越多的集成電路組成，對接口電路進行保護的問題就變得越來越至關重要。
本發明人對SLIC保護電路進行了多年研究，并已研制了幾種可單片集成的新穎電路，在美國專利No.5274524、5243488、5696391和5684322以及歐洲專利申請0742592和0687051中特別進行了描述。
本發明的目的是實現一種單片保護電路，當導體電壓超過確定的正閾值或變得小于預定的負閾值時，這種電路能夠在線路的各個導體與地之間形成短路。
本發明的另一目的是實現一種保護電路，當導體中的電流超過確定閾值時，此電路也在線路導體與地之間形成短路。
本發明的目的是實現一種保護電路，這種電路能夠用與本發明人開發的功率集成電路兼容的工藝加以制造。
本發明的另一目的是提供一種工作特別可靠的保護電路。
本發明的又一目的是提供一種開態電壓降最小(僅僅等于閘流管上的電壓降)的保護電路。
本發明的再一目的是提供一種啟動電流非常小的保護電路。
為了達到這些目的，本發明提供了一種防止線路遭受大于確定的正閾值或小于確定的負閾值的過電壓的危害的單片元件，它包括反向并聯連接在要保護的線路的第一端子與參考電壓之間的陰柵極閘流管和陽柵極閘流管，陰柵極閘流管的柵極經由柵電流放大晶體管連接于負閾值電壓，陽柵極閘流管的柵極連接于正閾值電壓。此單片元件制作在被隔離壁分割成阱的第一導電類型的襯底中，其下表面涂敷有絕緣層，襯底的下表面均勻地涂敷有金屬層。陰柵極閘流管的柵電流放大晶體管在第一阱中制成垂直形式。陰柵極閘流管在第二阱中制成垂直形式。陽柵極閘流管在第三阱中制成垂直形式。下表面金屬層將晶體管的集電極、陰柵極閘流管的陽極、陽柵極閘流管的陰極連接起來。第一正面金屬層將陰柵極閘流管的陰極連接到陽柵極閘流管的陽極。第二正面金屬層將陰柵極閘流管的柵極連接到晶體管的發射極。第三正面金屬層與陽柵極閘流管的柵極接觸。
根據本發明的一個實施例，此元件還包括二極管，其陽極連接于陽柵極閘流管的柵極。此二極管制成本身制作在N型區中的P型區形式，N型區制作在元件上表面側上的陽柵極閘流管的陰柵極區中。
根據本發明的一個實施例，陰柵極閘流管的柵極連接于與陽柵極閘流管相關的要保護的線路的第二端子，此PNP型晶體管制作在元件的上表面上，收集區通過隔離壁向下表面延伸并與下表面金屬層接觸。
下面結合附圖，在對具體實施例的非限制性描述中，來詳細討論本發明的上述目的、特點和優點，在這些附圖中

圖1A示出了保護電路的一個例子；圖1B示出了根據本發明的圖1A的電路的實施例；圖2A示出了保護電路的一種變通；圖2B示出了根據本發明的圖2A的電路的實施例；圖3A示出了保護電路的另一種變通；圖3B示出了根據本發明的圖3A的電路的第一實施例；圖4A示出了保護電路的又一種變通；圖4B示出了根據本發明的圖4A的電路的第一實施例。
圖1A示出了防止電話線L1-L2上的過電壓和過電流的電路。每個電話線的導體分別包括可用來探測過電流的串聯電阻器R1、R2。形成根據本發明的電路的第一輸入端子的電阻器R1的端子稱為L1A和L1B，而形成電路第二輸入端子的電阻器R2的端子稱為L2A和L2B。二個反向并聯的閘流管，亦即陰柵極閘流管Th1和陽柵極閘流管Th2，被安置在端子L1A與參考電位(此時為地電位)之間。閘流管Th1的陽極和閘流管Th2的陰極被接地，而閘流管Th1的陰極和閘流管Th2的陽極被連接到端子L1A。陰柵極閘流管的柵極通過NPN型放大晶體管T1，被連接到負電壓源-V。陽柵極閘流管的柵極(在此實施例中通過二極管D1)，被連接到正電壓源+V。閘流管Th1和Th2的柵極被連接到端子L1B。晶體管T1的發射極被連接到端子L1B，其集電極接地而基極連接于負電壓-V。此裝置構成防止導體L1過電壓和過電流的系統。帶撇參考號所示的對稱安排的元件構成防止導體L2過電壓和過電流的系統。參照上述本申請人的專利和專利申請，可更好地理解此電路的工作，其工作如下。
若導體L1上出現高于電壓+V的正過電壓，則電流從陽柵極閘流管Th2的陽極到柵極經由二極管D1流向電壓+V。閘流管Th2開通并將過電壓短接到地。
若導體L1上出現小于電壓-V的負過電壓，則陰柵極閘流管Th1開通，且負過電壓流向地。晶體管T1借助于起柵極放大器作用而提高觸發靈敏度。
若正電流流過電阻器R1，在此電阻器上產生的電壓大于陽柵極閘流管Th2的閾值電壓，則閘流管Th2開通。
若負電流流過電阻器R1，則閘流管Th1開通。
于是，有效地獲得了防止導體L1上過電壓和過電流的器件。電路的下半部分對導體L2執行相同的功能。
應該指出的是，由例如電池提供的電壓+V和-V的數值不一定要相等。
二極管D1和D1’的功能是使電池+V和-V彼此隔離，并在不存在過電壓時使線路L1和L2隔離。
圖1B是組合有圖1A的電路的半導體晶片的簡化剖面圖。圖1B中只示出了屬于圖1A的保護電路上部的那些元件。正如本技術領域熟練人員熟知的那樣，在同一個硅晶片中用相同的方法制作電路中的對稱元件。
圖1B的元件由被隔離壁3和4分隔成三個阱的N型襯底1制成。各個隔離壁借助于從層的上表面和下表面延伸的P型擴散，使擴散基本上在晶片的中部連接的方法而形成。在半導體功率元件工藝中制作該元件，其中單一金屬層M1覆蓋該元件的整個下表面即背面。根據本發明的一種情況，采用了用絕緣層對下表面側上的各個隔離壁的表面部分進行絕緣的工藝。參考號5表示制作在隔離壁3下表面下的氧化硅絕緣層，參考號6表示制作在隔離壁4下表面下的絕緣層。
晶體管T1制作在左側的阱中。此晶體管是垂直型的，在上表面側上包括含有N型發射區11的P型基區10。在下表面側上制作了形成被金屬層M1重新覆蓋的集電極接觸的N+區12。應該指出的是，絕緣層延伸成使金屬層M1接觸到N區12，但不接觸到阱的襯底1。實現這種垂直型晶體管的優點是，它能夠容易地經受比較高的電壓(例如電壓-V為-50V)。而且，借助于背面金屬層，能夠特別簡單而有效地實現此晶體管的集電極與陰柵極閘流管Th1的陽極之間的連接。且晶體管T1具有高的增益(約為80-200)，使每次觸發時電池所饋送的電流特別小。
陰柵極閘流管Th1制作在圖1B的中間阱中，成垂直形式。它在下表面側上包括陽極區30，并在上表面側上包括P型區31和N型陰極區32，此時配備有發射極短路電路。應該指出的是，絕緣層5和6延伸到P區30，致使金屬層M1不接觸到N型中間阱。
陽柵極閘流管Th2和二極管D1制作在圖1B的右側阱中。閘流管Th2以與閘流管Th1相同的方法制作成垂直形式。它在下表面側上包括N陰極區40，并在上表面側上包括深的輕摻雜P型區42(與閘流管Th1的陽極區30同時制成)，其中制作有N型區43和P型陽極區44。陽極區通常配備有發射極短路電路。二極管D1制作在P型區42中，并在此區中包括形成其陰極的N型區45和形成其陽極的P型區46。此二極管是橫向二極管。
在上表面側上，由幾個金屬層制成接觸連接于端子L1A的金屬層M2，它將陰柵極閘流管的陰極連接到陽柵極閘流管的陽極，連接于端子L1B的金屬層M3，它將陰柵極閘流管的柵極連接到晶體管T1的發射極，并將陽柵極閘流管的柵極連接到二極管D1的陽極；雖然在剖面圖中，此金屬層被示為由二個分隔的部分組成，但應該理解的是，這是同一個金屬層，與晶體管T1的基極接觸的連接于端子-V的金屬層M4，以及與二極管D1的陰極接觸的連接于端子+V的金屬層M5。
此結構使得能夠用非常小的開啟電流來控制閘流管Th1，同時此閘流管能夠具有高的保持電流(Ih)。由三重擴散得到閘流管Th2使得能夠獲得靈敏的閘流管。
圖中還示出了類型與下方區域相同的更重摻雜的區域，以來改善與各個金屬層的接觸的歐姆性質。為了簡化附圖和敘述，對這些區域不予贅述。而且，諸如區域50之類的區域通常形成溝道停止區以避免出現漏電流。
圖2A示出了圖1A電路的一種變通。其中重新出現了元件T1、Th1、Th2、T’1、Th’1、Th’2。與圖1A的不同是，陽柵極閘流管Th2的柵極不連接于陰柵極閘流管Th2的柵極，而是直接連接到正參考電壓+V，陽柵極閘流管Th’2的柵極也是這樣。此電路較簡單，但不防止正的過電流。然而，它具有由于不存在陽極短路電路而使陽柵極閘流管特別靈敏的優點。
圖2B中示出了此電路以單片元件的形式的實現。除了沒有二極管D1，即陽柵極閘流管Th2的陽柵極區43直接連接于正電壓+V，該圖與圖1B完全相同，故不對其進行詳細描述。還應該指出的是，在圖2B的實施例中，陽柵極閘流管的陽極層44不配備有發射極短路電路，致使能夠得到更靈敏的閘流管。
另一方面，在圖1B和2B的情況下，絕緣層6已被示為延伸到陽柵極閘流管Th2的陰極接觸區40。當然，由于此接觸層的類型與襯底的類型相同，故絕緣層6可以在離開隔離壁4的下表面之后立即停止。
圖3A示出了根據本發明的電路的另一變通。此時，結構是完全對稱的，即陽柵極閘流管Th2與陰柵極閘流管Th1相似，也與柵極電流放大晶體管連接。用于閘流管Th2的這一晶體管由參考號T2表示，用于閘流管Th2’的這一晶體管由參考號T2’表示。晶體管T2和T2’是PNP晶體管，而晶體管T1和T1’是NPN晶體管。
在圖3B的簡化剖面圖中示出了根據本發明以單片形式實現圖3A的電路。晶體管T1和閘流管Th1以與圖1B和2B相同的方法實現。閘流管Th2根據此閘流管所需的靈敏度，以與圖1B或與圖2B相同的方法實現。晶體管T2制作在含有閘流管Th1和Th2的阱之間。此晶體管的集電極由從上表面深擴散的P型層61組成。區域61被連接有從下表面形成的P型區63且其上用集電極接觸金屬層M1重新覆蓋的P型擴散區所環繞。在集電極區61內制作基區64和P型發射區65。
連接于端子L1A的第一上表面金屬層M10，與閘流管Th1的陰極和閘流管Th2的陽極接觸(雖然此金屬層在圖中被示為二部分，但它是同一個金屬層)。連接于端子L1B的金屬層M11，與閘流管Th2的柵極、晶體管T2的發射極、閘流管Th1的柵極以及晶體管T1的發射極接觸。連接于端子-V的金屬層M12，與晶體管T1的基極接觸。連接于端子+V的金屬層M13，與晶體管T2的基區接觸。
圖4A示出了圖1A電路的一種變通。這一更簡單的電路不防止過電流。其中重新出現了元件T1、Th1、Th2、T’1、Th’1、Th’2。與圖1A的不同是，陽柵極閘流管Th2的柵極與陰柵極閘流管Th1的柵極，既不互連，也不連接于不存在的端子L1B，電阻器R1不存在。
圖4B中示出了此電路以單片元件的形式的實現。由于除了柵極金屬層以只用二個隔開的金屬層M31和M32代替單一金屬層M3來分別建立與晶體管T1的發射極的連接和與二極管D1的陽極的連接(二極管D1可取消)之外，此圖與圖1B完全相同，故不對其進行詳細描述。
當然，對于本技術領域的熟練人員來說，本發明可以有各種各樣的變通、修正和改進。特別是可以對所述的各種變通進行組合。
權利要求
1.一種保護線路免遭大于確定的正閾值或小于確定的負閾值的過電壓危害的單片元件，它包括反向并聯連接在要保護的線路的第一端子(LlA)與參考電壓之間的陰柵極閘流管(Th1)和陽柵極閘流管(Th2)，陰柵極閘流管的柵極經由柵極電流放大晶體管(T1)連接于負閾值電壓(-V)，陽柵極閘流管的柵極連接于正閾值電壓(+V)，其特征是此單片元件制作在被隔離壁(3，4)分割成阱的第一導電類型的襯底中，其下表面涂敷有絕緣層(5，6)，襯底的下表面均勻地涂敷有金屬層(M1)，陰柵極閘流管的柵電流放大晶體管(T1)在第一阱中制成垂直形式，陰柵極閘流管(Th1)在第二阱中制成垂直形式，陽柵極閘流管(Th2)在第三阱中制成垂直形式，下表面金屬層(M1)將晶體管的集電極、陰柵極閘流管的陽極、陽柵極閘流管的陰極連接起來，第一正面金屬層(M2)將陰柵極閘流管的陰極連接到陽柵極閘流管的陽極，第二正面金屬層(M3)將陰柵極閘流管的柵極連接到晶體管的發射極，以及第三正面金屬層與陽柵極閘流管的柵極接觸。
2.權利要求1的元件，還包括二極管(D1)，其陽極連接于陽柵極閘流管的柵極，其特征是，此二極管制成本身制作在N型區(45)中的P型區(46)的形式，此N型區制作在元件上表面側上的陽柵極閘流管的陰柵極區(42)中。
3.權利要求1的元件，其中的陰柵極閘流管的柵極連接于要保護的線路的第二端子(L1B)。
4.權利要求1或2的元件，還確保防止過電流的功能，其中陰柵極閘流管的柵極與陽柵極閘流管的柵極互連，且連接于要保護的線路的第二端子(L1B)。
5.依附于權利要求1的權利要求4的元件，還包括與陽柵極閘流管相關的柵電流放大晶體管(T2)，其特征是，此PNP型晶體管制作在元件的上表面上，收集區(61)經由隔離壁(62，63)向下表面延伸與下表面金屬層(M1)接觸。
全文摘要
本發明涉及到一種防止線路遭受大于確定的正閾值或小于確定的負閾值的過電壓的危害的單片元件,它包括反向并聯的陰柵極閘流管(Th1)和陽柵極閘流管(Th2),陰柵極閘流管的柵極經由柵極電流放大晶體管(T1)連接于負閾值電壓(－V)。陽柵極閘流管的柵極連接于正閾值電壓(+V),此單片元件制作在被隔離壁(3,4)分隔成阱的襯底中,其下表面涂敷有絕緣層(5,6),襯底的下表面均勻地涂敷有金屬居(M1)。
文檔編號H02H9/04GK1249852SQ9880296
公開日2000年4月5日 申請日期1998年12月29日 優先權日1997年12月30日
發明者克里斯蒂·巴隆 申請人:St微電子公司