用于集成电路的基于四分之一波长传输线的静电释放保护的制作方法

本发明涉及静电释放保护，更具体地，是涉及用于集成电路的基于四分之一波长传输线的静电释放(Electrostatic discharge，ESD)保护。

背景技术：

在电子产业里，静电释放(ESD)的出现会严重且无法弥补地损坏未获保护的电子器件。许多集成电路芯片具有内建ESD保护电路，用以提供一些保护措施来抵抗造成损坏的电流朝不宜的方向流动。

在高射频(RF)应用(例如：RF频率大于1GHz)中，自ESD保护电路导致的寄生电容(及电感)可能对电子器件效能造成负作用，且可能造成RF频宽显著缩减。寄生电容对数据信号的完整性及器件效能的负作用可能随着RF频率提升到高于10GHz而更加明显。

经由以上论述，希望提供用以改善器件效能的工具与技术，并且对电子器件提供包括高频RF应用的频率范围广的ESD保护。

技术实现要素：

具体实施例大体上关于调协具有内建ESD保护电路的集成电路芯片的器件及方法。在一具体实施例中，所揭示的是在RF应用中调协提供ESD保护的集成电路(IC)的器件及方法。本器件包括耦合至信号垫的传输线(transmission line，TL)。该TL是短路短截线(short circuited stub)，该短路短截线依存于带通滤波器的中心频率而组配为ESD保护器件以及组配为该带通滤波器。该TL组配成用来回应信号的频率而使该信号通过，该频率落在该带通滤波器的可容许频率范围内。在一种组态中，该TL的电气长度L组配成精准地等于波长的四分之一，该波长对应于该IC或该TL的操作频率。作用为ESD保护器件的该TL组配成用来回应落在该可容许范围外的该频率而使该信号分流。该IC包括控制开关阵列，该控制开关阵列可操作成用以变更该TL的电气长度L。该中心频率可通过控制该电气长度L来调协。

在又另一具体实施例中，所揭示的是用以调协ESD保护器件的方法。TL组配为短路短截线，该TL依存于带通滤波器的中心频率而组配为ESD保护器件以及组配为该带通滤波器。该中心频率可通过变更该TL的电气长度L而组配为可调协参数，其中该电气长度L通过对控制开关阵列进行控制来变更。

本文中所揭示的具体实施例的这些及其它优点及特征，透过参考以下说明及附图会变为显而易见。再者，要了解的是，本文中所述的各项具体实施例的特征并不互斥，并且可用各种组合及排列呈现。

附图说明

在附图中，不同视图中相称参考字符大体上指相同元件。此外，附图不必然有依照比例绘示，而是在绘示本揭露的原理时，大体上可能会出现重点描述的情况。在以下说明中，本揭露的各项具体实施例参照以下附图来说明，其中：

图1A展示使用传输线(TL)的ESD保护系统的一部分的一具体实施例的简化方块图。

图1B展示使用短路短截线的ESD保护系统的一部分的一具体实施例的简化方块图。

图1C展示流经该ESD保护系统的ESD电流的一例示性路径。

图1D展示流经该ESD保护系统的RF信号的一例示性路径。

图1E展示通过该ESD保护系统处理的ESD及RF信号的频谱图。

图2A是实施为共面波导的ESD保护系统的一部分的一具体实施例的等角视图。

图2B是实施为可调协共面波导的ESD保护系统的一部分的一具体实施例的等角视图。

图3是实施为共面波导的ESD保护系统的一部分的一具体实施例的俯视图。

图4A、4B、4C及4D以图解形式绘示实施为共面波导的TL的各种效能测量结果。

图5是一用以绘示ESD保护的电路图，该ESD保护防范接收于集成电路的输入垫与输出垫的ESD脉冲。

图6是绘示程序的流程图，该程序用以实施本文中所述调协ESD保护器件的技术。

具体实施方式

随附权利要求书中提出本揭露据信有新颖特征的特性。然而，本揭露本身及较佳使用模式、其各项优点将在搭配附图阅读时，通过参考以下具体实施例的详细说明而得以更佳的理解。本文中所述的各个电路、器件或组件的功能可实施为硬件(包括离散组件、集成电路及系统芯片(system-on-a-chip，SoC))、固件(包括特定应用集成电路及可程式化芯片)及/或软件或其组合，端视应用要求而定。

类似的是，用于形成根据设备结构组装模块、子总成及总成的各种机械元件、构件及/或组件的功能可使用各种材料及耦接技术来实施，端视应用要求而定。

说明书中所使用诸如顶端、底端、左、右、上游、下游及类似的其它词汇等描述性及指向性用语在附图中指称为卧置于图纸上，而非指称为本揭露的物理限制，除非另有具体注记。附图可能未按照比例绘示，而且本文中所示及所述的具体实施例的一些特征可能为了绘示本揭露的原理、特征及优点而简化或夸大。

具体实施例大体上关于诸如半导体器件或IC等器件。其它类型的器件也可以使用。该等器件可以是任何类型的IC，例如：用于无线及射频(RF)通信的芯片。举例而言，可将器件并入消费性电子产品，例如：电脑、移动电话、类似手表的无线电子器件、相机与打印机以及数种类型的平板运算器件。将该等器件并入其它合适的应用也可有作用。

在诸如地毯上行走或烘干机中烘干合成纤维衣物等日常活动过程中可能产生静电，从而造成物件具有不同的电位。静电释放(ESD)通常是描述为在不同电位的两个物件间电流(或能量)突然且瞬时流动。在电子器件环境中，ESD事件可描述为可能对电子器件造成破坏的电流流动中的瞬时及不良的尖波。在ESD事件中，形式为大电压尖波或脉冲的静电可能转移至集成电路(IC)的信号垫或接脚接触部(pin contact)，其有可能造成IC内的绝缘层崩溃。这可能在一或多个传导路径间形成短路而导致IC失效。在一些例子中，ESD事件可能造成金属过热或甚至是IC内的材料蒸发。

ESD Association是知名美国国家标准协会(American National Standards Institute，ANSI)承认的标准开发组织，其已经公布35项ESD标准，包括有人体模型(Human Body Model，HBM)、机器模型(Machine Model，MM)、带电器件模型(Charged Device Model，CDM)以及其它涵盖电子设备环境的ESD模型。下文所述的是对电子器件提供改良型ESD保护且同时改良其效能的各项具体实施例，范围涵盖无线、高频RF应用等各种广范围频率。

图1A展示使用传输线(TL)的ESD保护系统100的一部分的一具体实施例的简化方块图。图1B展示使用短路短截线的ESD保护系统100的简化方块图。图1C展示流经ESD保护系统100的ESD电流的一例示性路径。图1D展示流经ESD保护系统100的RF信号的一例示性路径。图1E展示通过ESD保护系统100处理的ESD及RF信号的频谱图。

请参阅图1A、1B、1C、1D及1E，ESD保护系统100有部分包括经耦合以接收信号112的信号垫110、于一端耦合至信号垫110并于另一端耦合至接地130的传输线(TL)120，该接地使用作为参考电压。该TL120组配成具有电气长度L 126。该TL 120可组配成用来提供经由输出垫140接至负载(图未示)的输出信号122。该负载(图未示)可耦合在输出垫140与接地130之间。在一具体实施例中，该ESD保护系统可组配成用来处理ESD信号与RF信号，该等ESD信号相较于该等RF信号具有更低的频率。关于在RF及毫米波(mmW)频段中ESD及高频信号的频谱的补充细节是参照图1E来说明。

请回头参阅图1A、1B、1C、1D及1E，短路短截线(亦可称为共振短截线或单纯地称为短截线)是TL 120，其一端仅耦合至该信号，而该短截线的自由端(free end)124是短路。该短路短截线的自由端124可连接至该接地。在所述的具体实施例中，TL 120组配为具有电气长度L 126的短路短截线，该电气长度是可以改变的。用于动态的变更该TL的电气长度L 126的工具及技术是参照图6来说明。

请回头参阅图1A、1B、1C、1D及1E，假设用于该TL的相对介电常数为1，信号的波长λ可通过将光速除以频率f来运算。终止于负载阻抗ZL的TL将会导致信号从该负载反射回到来源，该负载阻抗ZL与特性阻抗Z0不同。在所述的具体实施例中，TL 120展示成具有50欧姆的特性阻抗。诸如75欧姆等其它特性阻抗值也可有作用。

短截线例如可通过调整电气长度L来调协。在一具体实施例中，电气长度L 126调协成精准地等于该信号的波长的四分之一，该波长对应于该IC的操作频率。在一具体实施例中，该IC的操作频率可组配成与中心频率fc相同。电气长度L的任何变更都造成中心频率fc出现对应变更，反之亦然。

阻抗Z_TL 114是其本身特性阻抗及该TL的相位常数的正切(TAN)值的函数。该相位常数可表示成(2π/λ)*L。因此，TL 120的一项特性在于每四分之一波长便会将该阻抗倒转。所以，一端呈短路的四分之一波短截线在该TL的另一端看起来像是开路。在一具体实施例中，TL120的输入阻抗Z_TL 114可组配成等于50欧姆。

请参阅图1E，自ESD事件导致的ESD信号182(形式为脉冲或尖波)的频谱典型为从直流电(DC)改变至约1GHz。然而，在一些应用中，该等ESD信号的频率可如10GHz一般高。如前述，高频RF及毫米波(mmW)应用信号184的频谱典型为从约30GHz改变至约300GHz(称为极高频(EHF)波段)。在RF应用中，TL 120可组配为具有中心频率fc 188的钟形带通滤波器186，该钟形带通滤波器让频率在EHF波段中的信号以少量损失或无损失的方式通过。在一些应用中，该带通滤波器的频宽可比该EHF波段还窄，举例来说，介于如较低截止频率172的fc-Δf与如较高截止频率174的fc+Δf之间(其中fc-Δf、fc及fc+Δf正好落在该EHF波段内)。举例而言，在一种RF应用中，该TL可调协成具有约60GHz(其对应于在自由空间中为5毫米且在具有介电常数为3.9的硅中约2.5毫米的波长)的操作频率(其可组配成等于中心频率fc)，以及频宽2Δf典型为7GHz至10GHz，其适用于大部分超宽波段(UWB)频率应用。fc、fc-Δf及fc+Δf的其它值也可有作用。

请回头参阅图1A、1B、1C、1D及1E，当该TL组配为四分之一波时，该短路短截线依存于该信号的该频率提供阻抗。若该信号的该频率落在用于该ESD保护系统的可容许频率范围外，则该TL的Zin阻抗会因为更低频信号的分流路径而非常低。若该信号的该频率落在该可容许频率范围内，则对于更高频信号，Zin阻抗会非常低。因此，该四分之一波、短路短截线对相较于中心频率fc具有可容许频率范围的RF信号提供零或低阻抗路径190，同时也对相较于该中心频率具有落在该可容许范围外的更低频率的ESD信号提供分流或低阻抗路径192。

在ESD信号与RF信号之间的频率扩展可依存于该TL的中心频率fc，由滤波器件(例如：通过使用TL 120)用于分别沿着两条分隔路径190及192过滤并引导ESD信号及RF信号。在所述的具体实施例中，TL 120组配成用来提供至少两种功能：经由路径190提供RF滤波以及经由路径192对负载提供ESD保护。

在一具体实施例中，该TL可在集成电路上制作为带状线、微带、共面带状线、及/或共面波导。实施为共面波导的TL 120的补充细节是参照图2A来说明。

如本文中所述，“接地”节点指充当“交流(AC)接地”但可具有任何“直流(DC)”参考电压的任何节点，其可不落在零伏特。据了解，该信号垫及该输出垫亦可实施为传导凸块、接触部、接脚、接合区及其它元件。该ESD保护器件可用于保护该IC免于因耦合至该芯片的输入垫与输出垫的ESD脉冲而损坏。为集成电路提供ESD保护防范接收于输入垫与输出垫的ESD脉冲的电路的补充细节是参照图5来说明。

图2A是实施为共面波导200的ESD保护系统的一部分的一具体实施例的等角视图。在一具体实施例中，TL 120实施为共面波导，该共面波导组配为短路短截线。该共面波导调协成用来在中心频率fc共振。如本文中所述，共面波导可实施为在两点之间传播电磁波的矩形金属管。该共面波导内的电磁场典型为可经屏蔽以极小化损失。

在所述的具体实施例中，该共面波导是集成电路，该集成电路可通过形成具有中心信号迹线212的顶端金属层210来制作，该中心信号迹线212通过可组配间隙264自一对接地迹线214均等分隔，该对接地迹线布置在该中心信号迹线的两旁。该中心信号迹线与该对接地迹线为共面的，其可组配成具有电气长度L 220，该电气长度组配成精准地等于(1/4)λ，其中λ是对应于该IC的操作频率的波长。在一具体实施例中，该IC的操作频率可组配成等于中心频率fc。共面波导200亦包括充当用于该等电磁波的屏蔽的底座金属层230。该波导的端部金属板240耦合至该中心信号迹线、该对接地迹线及该底座金属层230以提供该短路短截线。布置在该对接地迹线与该底座金属层之间的是形成该共面波导的侧壁的介电及/或金属的层250。

该共面波导的阻抗是由波导的尺寸来决定，例如：该中心信号迹线的宽度260、该对接地迹线262的宽度以及由介于该等迹线之间的间距或间隙264。大部分波导包括介电材料，例如：空气，填充介于壁与壁之间的一些或全部空间。该介电材料的相对介电系数可影响该电磁波的实际速度。因此，速度变化可导致在该中心频率的实际值相较于该中心频率的设计值的偏移。

图2B是实施为可调协共面波导202的ESD保护系统的一部分的一具体实施例的等角视图。在一具体实施例中，TL 120实施为共面波导，该共面波导组配为短路短截线。在所述的具体实施例中，该共面波导系可调协的，例如：可通过调整TL 120的电气长度L而调协成用来在中心频率fc共振。如本文中所述，共面波导可实施为在两点之间传播电磁波的矩形金属管。该共面波导内的电磁场典型为可经屏蔽以极小化损失。

在所述的具体实施例中，该可调协共面波导202是集成电路，该集成电路可通过形成具有中心信号迹线212的顶端金属层210来制作，该中心信号迹线通过可组配间隙264自一对接地迹线214均等分隔，该对接地迹线布置在该中心信号迹线的两旁。该中心信号迹线与该对接地迹线为共面的，其可组配成具有电气长度L+ΔL 224。共面波导200亦包括充当用于该等电磁波的屏蔽的底座金属层230。该波导的端部金属板240耦合至该中心信号迹线、该对接地迹线及该底座金属层230以提供该短路短截线。布置在该对接地迹线与该底座金属层之间的是形成该共面波导的侧壁的介电及/或金属的层250。

该可调协共面波导202的阻抗是由波导的尺寸来决定，例如：该中心信号迹线的宽度260、该对接地迹线262的宽度以及由介于该等迹线之间的间距或间隙264。大部分波导包括介电材料，例如：空气，填充介于壁与壁之间的一些或全部空间。该介电材料的相对介电系数可影响该电磁波的实际速度。因此，速度变化可导致在该中心频率的实际值相较于该中心频率的设计值的偏移。该中心频率(由于该速度变更所导致)的变更可通过调整该共面波导的电气长度L来调协或补偿。

在一具体实施例中，控制开关阵列270可操作成用以动态改变该短路路径的电气长度L。该控制开关阵列组配成包括至少两个控制开关，该控制开关阵列可在该IC的半导体衬底(图未示)上实施为晶体管的制备。一对耦合至其各别传导迹线的控制开关可用于对RF信号形成交替的短路路径。该控制开关阵列可布置在该共面波导的该短路端附近。举例而言，若该控制开关阵列为开路，则该短路路径会经过该端部金属板，并且该共面波导的该电气长度是L+ΔL 224。通过判定开关S1 272及S2 274，RF信号现可经由具有长度L[(L+ΔL)220–ΔL222]的更短的短路路径流动。该短路路径的长度可动态变更以改变有效电气长度。举例而言，通过判定开关S3 276及S4 278，该有效电气长度变更至L-ΔL。

电气长度L的变更造成该中心频率产生对应变更。因此，该波导可组配为可通过调整其电气长度L来调协至应用相依中心频率fc的调协器件。中心频率fc的变更可组配成用来补偿电磁波速度的变更。可预见的是，为了符合应用要求，可判定诸如开关S5 280及S6 282等附加开关以变更电气长度L。在一具体实施例中，该控制开关阵列组配成用来在该RF波段中操作。

图3是实施为共面波导300的ESD保护器件的一部分的一具体实施例的俯视图。在所述的具体实施例中，TL 120可在本实施例中实施为共面波导，该共面波导组配成具有67GHz的中心频率，且同时亦组配成用来提供ESD保护防范具有远小于67GHz的频率的ESD信号。具有67GHz中心频率的共面波导300的实体尺寸，举例而言，包括等于550μm的电气长度L 310、等于12μm的介于该中心信号迹线与该对接地迹线之间的间隙320或间隔，以及为4μm的该中心信号迹线的宽度330。共面波导300在阻抗、频率响应、插入损耗、对ESD事件的响应、及其它量度方面所测得的效能是参照图4A、4B、4C及4D另外详述。

图4A、4B、4C及4D以图解形式绘示参照图1A、1B、1C、1D、1E、2A、2B及3所述实施为共面波导300的TL 120的各种效能测量结果。市售模型化/模拟软件可用于估测诸如阻抗、插入损耗及其它等效能量度。在一具体实施例中，由于诸如SiO₂的介电材料具有大约为4的相对介电系数(∈_r)值，相较于4.475mm的自由空间波长，落在67GHz于硅材料中行进的波长大约为2.2mm。图4A是史密斯图(Smith chart)400，其绘示参照图2A及3所述的共面波导在500MHz至100.1GHz频率范围内测得的阻抗402。402的长迹线是S₁₁，其从史密斯图的左边位置(显示直流时的短路(SHORT)特性)开始，直到在67GHz交会在该史密斯图右边位置的X轴为止(显示开路(OPEN)特性)。

图4B是曲线图404，其绘示以频率(X轴)为函数的阻抗(Y轴)。在中心频率fc为67.05GHz时，该共面波导的峰值阻抗大约为396欧姆。图4C是曲线图406，其绘示50欧姆系统以此一ESD短型短截线作为分路(参照图1D所述)而插入时，以频率(X轴)为函数的插入损耗(Y轴)。在中心频率fc为67.05GHz时，峰值分流插入损耗大约为-0.5dB：1/(1+0.5*Z0/Z_TL)。

图4D是传输线脉冲(transmission line pulse，TLP)曲线图410，其绘示参照图1A、1B、1C、1D、1E、2A、2B及3所述共面波导的ESD效能。TLP曲线420绘示电流(Y轴)对电压(X轴)(I-V)效能数据的关系，其中各数据点得自于反映ESD波形特性的脉冲：0.2纳秒上升时间及100ns脉宽。此100ns脉长及高达14A的电流远大于发生在真实ESD事件的脉长及电流(例如：HBM 2kV规格典型要求约为1.33A的TLP)。TLP曲线430绘示直流ESD信号的I-V效能数据。因此，参照图1A、1B、1C、1D、1E、2A、2B及3所述TL对电子器件提供改良型ESD保护且同时改良其效能的各项具体实施例，范围涵盖无线、高频RF应用等各种广范围频率。

图5是一用以绘示ESD保护的电路图500，该ESD保护防范接收于集成电路的输入垫与输出垫的ESD脉冲。如前述，形式为大电压尖波的静电可能转移至集成电路(IC)的任何接垫或接触部，包括其输入垫510及输出垫520。参照图1A、1B、1C、1D、1E、2A、2B及3所述的ESD保护器件可包括在IC中，用以保护该IC免于因接收在该等输入垫及输出垫的ESD脉冲而导致的损坏。TL 530可直接当作排曳负载(drain load)而直接用于输出级，因为ESD电流将会遭引导至耦合于电力570与接地580轨之间的ESD电力箝制电路540。该ESD电力箝制电路(除该ESD保护器件之外)通常包括在IC中，用以限制ESD事件的“弹跳(bounce)”效应对接地电压造成的影响。若该ESD保护器件用于该输入侧，例如：TL 560，则可串联该信号路径加入直流阻隔电容器550以隔离输入晶体管的闸极偏压。

图6乃是绘示程序600的流程图，该程序用以实施本文中所述调协ESD保护系统的技术。程序600始于操作602，当TL组配为短路短截线时，该TL依存于带通滤波器的中心频率而组配为ESD保护器件以及组配为带通滤波器。在操作604中，该中心频率通过变更该TL的电气长度L来调协，其中该电气长度L通过对控制开关阵列进行控制来变更。

本文中所述任何程序或方法的顺序并不意图视为限制，而且可将任何顺序组合任意数目的所述程序块用于实施程序、方法或替代方法。举例而言，如操作604的一部分，对该控制开关阵列进行控制可包括判定该控制开关阵列以产生具有与电气长度L不同长度的新短路路径。另外，可从程序删除个别程序块而不会脱离本文中所述请求标的的精神及范畴。再者，可用任何合适的硬件、软件、固件或以上组合来实施程序而不会脱离本发明的范畴。

举例来说，“技术”一词如本文所述内容所指，可指称为一或多个器件、设备、系统、方法以及制品。如本申请说明书中所使用，“或”一词意味着可相容的“或”而不是排他的“或”。亦即，除非另有指明或内容中有清楚表达，“X运用A或B”意味着自然可相容的排列的任一者。亦即，若X运用A；X运用B；或X同时运用A与B，则在前述实例任一者下都满足“X运用A或B”。另外，冠词“一”如本申请说明书及随附权利要求书中所使用，大体上应该解读成意为“一或多个”，除非另有指明或内容中有清楚表达为针对单数形。

本发明可体现成其它特定形式而不会脱离其精神或主要特性。因此，前述具体实施例在所有层面都要视为说明性，而不是限制本文中所述的发明。本发明的范畴从而由随附权利要求书所指示，而不是由前述说明指示，而且均等于权利要求的意义及范围内的所有变更全都意图包含在其中。