使用微机电系统开关的静电放电保护的制作方法

专利名称：使用微机电系统开关的静电放电保护的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及电路。更为特别地，本发明的实施例涉及用于保护电路不遭
受静电放电的方法和电路。
背景技术：
许多集成电路(IC)的一个主要的可靠性问题是静电放电(ESD)。在ESD事件期间，大量电荷在相当短的时间段内从一个物体(诸如人、传输线或金属)转移到另一个物体(诸如IC)，这导致产生峰值电流，其可以导致对IC的极大的损坏。例如，ESD损坏可以包括栅极氧化物的击穿、栅极氧化物中的空穴的形成，和/或内部连接的熔化或汽化。注意，用于测试IC对ESD事件的适应力的常见模型是人体模型，其中被测试的IC必须经受住上升时间为10 30ns的1. 3A的峰值电流。另一个广泛使用的ESD要求是IC在任何管脚上经受住2000V的能力。 图1给出图示诸如输入/输出电路之类的现有接口电路100的框图。在这种电路中，ESD可以经由输入焊盘(pad)110被注入。尽管这种事件可能损坏两个晶体管112或其中的任何一个，但是n型下拉晶体管112-2通常对ESD更加敏感。图2中进一步描述了这种晶体管，该图给出图示了现有接口电路200中的寄生效应的框图。注意，在与n型晶体管112-2相关联的这种电路里存在两个"寄生"器件，其包括横跨在n通道上的横向npn双极性晶体管，以及在沟道(输入焊盘IIO)与基底210(地)之间的也即在n型晶体管112-2的n+区域与p基底之间的反向二极管。 在某些现有的CMOS接口电路中，与n型晶体管112_2相关联的寄生双极性晶体管经由所谓的"突发击穿(sn即back)"机制来提供ESD保护。这在图3中示出，现有晶体管的作为电压312的函数的电流310的图300。忽略二阶效应(诸如n栅极自举电路)，在ESD事件期间，突发击穿机制费劲地基本上打开n型晶体管112-2中的n沟道(图2)，并且允许将电荷导向地。注意，只要n型晶体管112-2(图2)中的突发击穿电压小于与该n型晶体管112-2 (图2)相关联的寄生二极管的击穿电压VCE，突发击穿机制就能够提供ESD保护。
遗憾的是，随着器件升级，栅极氧化物厚度和pn结宽度减小，其使得具有较小能量和较低电压的ESD事件能够损坏或破坏IC。而且，对于具有小于或等于250nm的严格尺寸的技术，寄生二极管的击穿电压变得小于突发击穿电压，由此将寄生反向pn结的击穿变成n型晶体管的主要ESD保护器件，其常常是不够的。 因此，常常在IC的输入焊盘、输出焊盘和电源焊盘的周围添加额外的保护电路以提供有效的ESD保护。例如，在典型的接口电路中，非寄生二极管被包括以用于ESD保护。这在图4中示出，该图给出图示现有接口电路400的框图。通常，二极管410必须能够经受住在ESD事件期间可能发生的大电流(注意，横跨过n型晶体管的二极管充当分路(shunt)并且排掉所有电流)。然而，通过使用现有处理，结果得到的二极管可能占据像n型晶体管112-2 —样大的面积，其会极大地增加IC的成本。 因此，需要一种保护诸如接口电路之类的电路不遭受ESD且不带来上述问题的电
4路和技术。

发明内容
本发明的一个实施例提供一种接口电路，其包括输入焊盘、控制节点和具有三个
端子的晶体管。第一端子被电气地耦合到输入焊盘而第二端子被电气地耦合到控制节点。
而且，该接口电路包括微机电系统(MEMS)开关，其被电气地耦合到输入焊盘和控制节点，
其中该MEMS开关与该晶体管并联。当没有电压被施加到MEMS开关的控制端时，MEMS开关
关闭，由此将输入焊盘电气地耦合到控制节点。此外，当电压被施加到MEMS开关的控制端
时，MEMS开关被打开，由此将输入焊盘与控制节点电气地解耦合。 在某些实施例中，MEMS开关被配置成保护晶体管不遭受静电放电(ESD)。 在某些实施例中，该接口电路包括控制电路以提供电压。在电源电压被提供给该
接口电路时，这种控制电路可以提供电压。而且，控制电路可以包括充电泵。在这些实施例
中，电压可以大于接口电路的电源电压。 在某些实施例中，控制节点被配置成电气地耦合到地或电源电压。
而且，晶体管可以是n型。 在某些实施例中，接口电路被布置在集成电路上。此外，MEMS开关可以被至少部分地布置在集成电路的金属层中。 在某些实施例中，MEMS开关包括被介入层分隔开的两个金属触头。该介入层可具有小于5Q/口 (5欧姆每平方)的薄片电阻系数。另外，该介入层可具有大于2Q/口的薄片电阻系数。在某些实施例中，该介入层包括石墨、硅化材料、n型硅、p型硅、和/或掺杂的多晶硅。注意，该介入层可防止MEMS开关中的金属到金属的接触。 在某些实施例中，MEMS开关包括膜开关结构和/或悬臂开关结构。此外，MEMS开关可具有垂直配置、水平配置或这些配置的组合。注意，垂直配置在接口电路的平面外充分
对准，而水平配置在接口电路的平面里充分对准。 在某些实施例中，当没有电源电压被施加到接口电路时MEMS开关关闭。
另一实施例提供包含表示接口电路的数据的计算机可读介质。
另一实施例提供该集成电路。 另一实施例提供一种用于保护接口电路中的晶体管不遭受静电放电(ESD)的方法。在该方法中，在没有电压被施加到MEMS开关的控制端时，经由关闭的MEMS开关将晶体管的两个端子彼此电气地耦合，该MEMS开关与所述晶体管并联，其中所述关闭的MEMS开关将接口电路中的输入焊盘电气地耦合到控制节点。接着，当电源电压被提供给该接口电路时，施加电压给MEMS开关以打开该MEMS开关，由此将晶体管的两个端子电气地解耦合并且将输入焊盘与控制节点电气地解耦合。


图1是图示现有接口电路的框图。 图2是图示现有接口电路中的寄生效应的框图。 图3是针对现有晶体管的作为电压的函数的电流的曲线图。 图4是图示现有接口电路的框图。
图5是图示根据本发明的一个实施例的接口电路的框图。 图6A是图示根据本发明的一个实施例的微机电系统(MEMS)开关的框图。 图6B是图示根据本发明的一个实施例的MEMS开关的框图。 图7是图示根据本发明的一个实施例的用于保护接口电路中的晶体管不遭受静电放电(ESD)的方法。 图8是图示根据本发明的一个实施例的系统的框图。 注意，贯穿所有附图，相同的参考标号指示相应的部分。
具体实施例方式
给出以下描述，目的是使本领域的普通技术人员能够实现并使用本发明，并且这些描述是在特定的应用和其需求的背景下提供的。本领域的普通技术人员容易明白对所公开的实施例的各种修改，并且此处所限定的一般原则可以在不偏离本发明的精神和范围的条件下被应用到其他实施例或应用。因此，本发明并不旨在受限于所示出的实施例，而是要求保护与与此处所公开的原则和特征相一致的最广范围。 描述了接口电路、方法、包括接口电路的集成电路(IC)、以及包含表示接口电路的数据的计算机可读介质的实施例。在该接口电路中，微机电系统(MEMS)开关可被用于保护晶体管不遭受静电放电(ESD)，该晶体管被电气地耦合到输入焊盘和控制节点(其可以被耦合到电源电压(Vdd)或地)。特别地，MEMS开关可以电气耦合到输入焊盘和控制节点，其与晶体管并联。在没有电压施加到MEMS开关的控制端时(例如，当没有电源电压时也即当电源电压没有被施加到接口电路时，可能没有电压被施加到控制端)，MEMS开关可以被关闭从而它将输入焊盘与控制节点电气地解耦合。(因此，MEMS开关的默认状态是将输入焊盘电气地耦合到地，下文中将其称为"通常接地"配置)。此外，当电压被施加到MEMS开关的控制端时(例如，通过控制电路实现)，MEMS开关被打开(open)，从而输入焊盘和控制节点被电气地解耦合。 在某些实施例中，MEMS开关包括由介入层分隔开的两个金属接触。这种金属接触可以防止MEMS开关中的金属到金属的接触。 通过使用具有"通常接地"配置的也即将输入焊盘与控制节点(诸如地、电源电压、或二者)电气耦合的MEMS开关，接口电路可以被保护不遭受ESD。而且，相较于二极管，MEMS开关可以提供改进的ESD保护能力，并且可以只占用IC中的小得多的面积，由此改善了可靠性并减小了成本。 在以下讨论中，使用提供对地的可逆的虚拟分路的MEMS开关来作为IC中的ESD保护的说明性例子。然而，各种类型的机械开关可以被用在接口电路中或被放置在包括接口电路的IC上，其包括纳机电系统(NEMS)开关。 现在，描述包括MEMS开关的电路的实施例，其中该MEMS开关在电路不工作时，诸
如当电源电压和/或地未被电气耦合到电路时，具有通常接地的配置，并且其在电路上电
后，断开这种连接。这在图5中示出，其给出图示接口电路500的框图。 在这种电路中，MEMS开关510-2给n型晶体管112_2的漏极和源极分流，而可选的
MEMS开关510-1可以给p型晶体管112-1的源极和漏极分流。如果ESD事件发生，则电流
冲击具有一个经由MEMS开关510-2的直接连接到地的低阻抗路径，从而n型晶体管112-2被保护。(类似地，MEMS开关510-1可以保护p型晶体管112-1)。此外，当电压512(由控制电路514提供)被施加到MEMS开关510中的任何一个时，在这些开关中的任何一个的状态被改变到打开时，相应的分路被断开连接。例如，在初始上电期间(当包括接口电路500的IC首先被电气地耦合到电源电压和/或地时)，通过施加电压512， MEMS开关510被移动到打开位置，由此使接口电路500可以正常操作。 注意，MEMS开关510的状态可以一次地、多次地、或者在给接口电路500的电源被关闭的任何时候从关闭改变到打开。因此，在没有电源电压被施加到接口电路500时，MEMS开关510可以被关闭。例如，在没有电压512时，MEMS开关510可以被关闭。然而，在其他实施例中，MEMS开关510可以具有两个稳定位置(打开和关闭)，而电压512仅仅在改变状态诸如改变成打开状态时才被需要。 在某些实施例中，电压512小于或等于接口电路500的电源电压。然而，在某些实施例中，电压512可以大于电源电压。例如，电压512可以是7V或IOV，而电源电压可以小于或等于5V。结果，在某些实施例中，控制电路514包括可选的充电泵516。
图6A中示出了 MEMS开关的默认或关闭状态，其给出图示了 MEMS开关600的框图。特别地，这种MEMS开关包括被介入层614分隔的两个金属臂612。(注意，介入层可以被包括在臂612的任何一个上或者同时包括在两个臂612上)。 如果臂612-1被电气地耦合到输入焊盘而臂612-2被电气地耦合到电源电压或地，则当MEMS开关600关闭时，介入层614可以防止金属到金属的接触，其允许通过施加电压(诸如电压512(图5))到控制端610使MEMS开关600被打开。这在图6B中被示出，其给出图示MEMS开关650的框图。 注意，介入层614可以是具有低(但是是有限的)阻抗的(也即具有比金属高的薄片电阻率)良导体(其足以承载ESD电流)。例如，这种介入层可以具有小于5Q/口 (欧姆每平方)的薄片电阻率。而且，这种介入层可以具有大于2Q/口的薄片电阻率。在某些实施例中，介入层包括石墨、硅化材料(salicided material) 、M型硅、p型硅、和/或掺杂多晶硅。注意，介入层614可以通过使用原子层沉积和/或化学汽相沉积来制作。
在某些实施例中，开关650包括臂612上的金属触头。这些金属触头可以被沉积在金属触头之一上的导电的介入层(诸如介入层614)分隔开。此外，这种介入层相对于另一金属触头可以是"不粘连的"。例如，介入层可以是沉积在导电的氮化钛薄膜顶部的石墨。注意，石墨层可以粘连到或附着到导电的氮化钛薄膜，但可以不粘连或附着到其他金属触头(其可以是铜或包括铜)。 尽管图6A和图6B图示悬臂开关结构，但是在其他实施例中膜开关结构被使用。此外，MEMS开关600(图6A)和650可具有垂直配置、水平配置或可同时具有这些配置。注意，垂直配置在接口电路的平面的外部充分对准，而水平配置在接口电路的平面里充分对准。
在某些实施例中，MEMS开关600 (图6A)和650可以至少部分被布置在IC的一个或多个金属层中。此外，MEMS开关600(图6A)和650可以通过使用诸如负过程(其中诸如牺牲层之类的材料被移除)或正过程(其中材料被添加)之类的本领域的普通技术人员所公知的各种技术来制作。然而，在其他实施例中，MEMS开关600 (图6A)和650可以通过使用不同的过程或用与包括接口电路的IC不同的制造设备来制作。接着，MEMS开关600 (图6A)和650可以通过例如使用倒装芯片封装(flip-chip package)和/或柔性线缆来电气地耦合到IC。 在某些实施例中，MEMS开关600 (图6A)和650被设计成提供改变状态所需要的在电压512(图5)周围的窄范围的电压(诸如几伏特)。而且，MEMS开关600(图6A)和650可以被设计成控制欠阻尼行为(当状态被改变时)、放电和/或粘附(stiction)。例如，臂612中任何一个或两个的表面可以通过使用负或正过程而变粗糙。 基于具有通常接地的配置的基于MEMS开关的ESD保护方案提供了若干好处。特别地，相比于基于二极管的解决方案减少了面积成本。例如，典型的悬臂MEMS开关占据1X0.2| iim、其是n型晶体管区域的一小部分。此外，MEMS开关可以被构建在互连层上而不是在有源区域上。因此，MEMS开关可以与接口电路中的n型晶体管重叠，结果实现极大的面积节省。 另外，因为当电路易遭受ESD时(诸如在安装在设备中之前，或在电源电压和/或地被断开连接时)MEMS开关通常接地，所以它提供瞬时释放ESD。 此外，因为当释放ESD引起的电流时，在输入焊盘与地(或电源电压)之间的金属"短路"，MEMS开关可能能够比二极管经受住更高的ESD电压。 在某些实施例中，接口电路500 (图5) 、MEMS开关600 (图6A)，和MEMS开关650包括更少的部件或额外的部件。此外，两个或更多部件可以被合并进单个部件和/或一个或多个部件的位置可以被改变。 现在，描述一种用于保护接口电路中的晶体管不遭受ESD的方法的实施例。图7给出图示一种用于保护接口电路中的晶体管不遭受ESD的方法700的流程图。在该方法中，在没有电压被施加到MEMS开关(710)的控制端时，晶体管的两个端子经由与晶体管并联的关闭的MEMS开关而电气地彼此耦合，其中该关闭的MEMS开关电气地将接口电路中的输入焊盘耦合到控制端。接着，当电源电压被提供给接口电路(712)时，电压被施加到MEMS开关以打开MEMS开关，由此将晶体管的两个端子电气地解耦合，并且将输入焊盘与控制端电气地解耦合。 在方法700的某些实施例中，可以存在另外的操作或更少的操作。此外，操作的次序可以被改变和/或两个或多个操作可以被合并进单个操作。 此处所描述的器件和电路可以用当前可用的计算机辅助设计工具来实现，并且由包含这种电路的软件描述的计算机可读文件来具体实现。这些软件描述可以是行为(behavioral)、寄存器转移、逻辑部件、晶体管和布局几何级描述。此外，软件描述可以被存储在存储介质上或者可由载波来传输。 在其中可以实现这种描述的数据格式包括(但不受限于)支持像C这样的行为语言的格式，支持像Verilog和VHDL这样的寄存器转移级(RTL)语言的格式，支持几何描述语言(诸如GDSII、 GDSIII、 GDSIV、 CIF和MEBES)的格式，以及其他合适的格式和语言。此外，可以通过因特网上的不同媒介，例如经由电子邮件，来实现机器可读介质上的这种文件的数据传送。注意，物理文件可以被实现在机器可读介质上，诸如4mm的磁带，8mm的磁带，3-1/2英寸的软盘，CD， DVD，等等。 图8给出图示存储这种计算机可读文件的系统800的实施例的框图。这种系统可包括至少一个数据处理器或中央处理单元(CPU)810、存储器824、和一个或多个信号线或通信总线822，用于将这些部件彼此耦合。存储器824可包括高速随机访问存储器和/或非易失性存储器，诸如RAM、EPROM、EEPROM、闪存、一个或多个智能卡、一个或多个磁盘存储设备，以及/或者一个或多个光存储设备。 存储器824可以存储电路编译器826和电路描述828。电路描述828可包括对于参考图5、6A和6B所描述的电路或电路的子集的描述。特别地，电路描述828可包括以下电路描述一个或多个接口电路830、一个或多个晶体管832、一个或多个MEMS开关834、一个或多个控制逻辑836、和/或一个或多个可选的充电泵838。 在某些实施例中，系统800包括更少的部件或另外的部件。此外，两个或多个部件可以被合并进单个部件和/或一个或多个部件的位置可以被改变。 尽管前面的实施例已经使用接口电路作为说明性例子，但是在其他实施例中MEMS开关被用于提供对可以用于数不清的应用中的各种电路、电子器件和IC的ESD保护。
仅仅出于说明和描述的目的，给出对本发明的上述实施例的描述。它们不是旨在进行穷举或将本发明限制到所公开的形式。因此，许多修改和各种变化对于本领域的普通技术人员是明显的。另外，上面的公开不是旨在限制本发明。本发明的范围是由所附权利要求来限定。
权利要求
一种接口电路，其包括输入焊盘和控制节点；具有三个端子的晶体管，其中第一端子被电气地耦合到所述输入焊盘而第二端子被电气地耦合到所述控制节点；以及微机电系统(MEMS)开关，其被电气地耦合到所述输入焊盘和所述控制节点，其中所述MEMS开关与所述晶体管并联；其中，当没有电压被施加到所述MEMS开关的控制端时，所述MEMS开关关闭，由此电气地耦合所述输入焊盘与所述控制节点，以及当电压被施加到所述MEMS开关的所述控制端时，所述MEMS开关被打开，由此将所述输入焊盘与所述控制节点电气地解耦合。
2. 根据权利要求1所述的接口电路，其中MEMS开关被配置成保护所述晶体管不遭受静电放电(ESD)。
3. 根据权利要求1所述的接口电路，还包括提供所述电压的控制电路。
4. 根据权利要求3所述的接口电路，其中当电源电压被提供给所述接口电路时所述控制电路提供所述电压。
5. 根据权利要求3所述的接口电路，其中所述控制电路包括充电泵。
6. 根据权利要求1所述的接口电路，其中所述电压大于所述接口电路的电源电压。
7. 根据权利要求1所述的接口电路，其中所述控制节点被配置成电气地耦合到地或电源电压。
8. 根据权利要求1所述的接口电路，其中所述晶体管是n型的。
9. 根据权利要求1所述的接口电路，其中所述接口电路被布置在集成电路上。
10. 根据权利要求9所述的接口电路，其中所述MEMS开关被至少部分地布置在所述集成电路的金属层中。
11. 根据权利要求l所述的接口电路，其中所述MEMS开关包括由介入层分隔的两个金属触头。
12. 根据权利要求11所述的接口电路，其中所述介入层具有小于5 Q / □的薄片电阻系数。
13. 根据权利要求12所述的接口电路，其中所述介入层具有大于2 Q / □的薄片电阻系数。
14. 根据权利要求ll所述的接口电路，其中所述介入层防止所述MEMS开关中的金属到金属的接触。
15. 根据权利要求11所述的接口电路，其中所述介入层包括硅化材料。
16. 根据权利要求11所述的接口电路，其中所述介入层包括石墨。
17. 根据权利要求11所述的接口电路，其中所述介入层包括n型硅、p型硅、或掺杂的多晶硅o
18. 根据权利要求1所述的接口电路，其中所述MEMS开关包括薄膜开关结构或悬臂开关结构。
19. 根据权利要求1所述的接口电路，其中所述MEMS开关具有垂直配置或水平配置，其中所述垂直配置在所述接口电路的平面外充分对准，而所述水平配置在所述接口电路的平面里充分对准。
20. 根据权利要求1所述的接口电路，其中当没有电源电压被施加到所述接口电路时所述MEMS开关关闭。
21. —种包含表示接口电路的数据的计算机可读介质，其中所述接口电路包括输入焊盘和控制节点；具有三个端子的晶体管，其中第一端子被电气地耦合到所述输入焊盘而第二端子被电气地耦合到所述控制节点；以及微机电系统(MEMS)开关，其被电气地耦合到所述输入焊盘和所述控制节点，其中所述MEMS开关与所述晶体管并联；其中，当没有电压被施加到所述MEMS开关的控制端时，所述MEMS开关关闭，由此电气地耦合所述输入焊盘和所述控制节点，以及当电压被施加到所述MEMS开关的所述控制端时，所述MEMS开关被打开，由此将所述输入焊盘与所述控制节点电气地解耦合。
22. 集成电路，其包括接口电路，其中所述接口电路包括输入焊盘和控制节点；具有三个端子的晶体管，其中第一端子被电气地耦合到所述输入焊盘而第二端子被电气地耦合到所述控制节点；以及微机电系统(MEMS)开关，其被电气地耦合到所述输入焊盘和所述控制节点，其中所述MEMS开关与所述晶体管并联；其中，当没有电压被施加到所述MEMS开关的控制端时，所述MEMS开关关闭，由此电气地耦合所述输入焊盘和所述控制节点，以及当电压被施加到所述MEMS开关的所述控制端时，所述MEMS开关被打开，由此将所述输入焊盘与所述控制节点电气地解耦合。
23. —种用于保护接口电路中的晶体管不遭受静电放电(ESD)的方法，其包括在没有电压被施加到所述MEMS开关的控制端时，经由关闭的MEMS开关将所述晶体管的两个端子彼此电气地耦合，所述MEMS开关与所述晶体管并联，其中所述关闭的MEMS开关将所述接口电路中的输入焊盘电气地耦合到控制节点；以及当电源电压被提供给所述接口电路时，施加电压给所述MEMS开关以打开所述MEMS开关，由此将所述晶体管的两个端子电气地解耦合，并且将所述输入焊盘与所述控制节点电气地解耦合。
全文摘要
描述了一种接口电路的实施例。这种接口电路包括输入焊盘、控制节点和晶体管，该晶体管具有三个端子。第一端子被电气地耦合到输入端而第二端子被电气地耦合到控制节点。此外，接口电路包括微机电系统(MEMS)开关，其被电气地耦合到输入焊盘和控制节点，其中该MEMS开关与晶体管并联。在没有电压被施加到MEMS开关的控制端时，MEMS开关关闭，由此电气地耦合输入焊盘和控制节点。此外，当电压被施加到MEMS开关的控制端时，MEMS开关被打开，由此将输入焊盘与控制节点电气地解耦合。
文档编号H01L27/02GK101790789SQ200980000233
公开日2010年7月28日 申请日期2009年7月13日 优先权日2008年7月21日
发明者J·卡瓦, M-c·蔡, S·辛哈, Z·W·唐, 苏晴 申请人:新思科技有限公司