用于高压i/o静电放电保护的装置和方法
【专利说明】用于高压I/o静电放电保护的装置和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]该专利依据U.S.C § 119(e)要求于2012年12月19日提交的、名称为“Apparatusand Method for High Voltage I/O Electrostatic Discharge Protect1n in StandardLow Voltage CMOS Process”、申请号61/739284的美国临时申请的权益，其内容整体上通过引用而结合于此。
技术领域
[0003]本申请涉及麦克风电路中的高压I/O的静电放电(ESD)保护。
【背景技术】
[0004]电容式麦克风是广泛使用的麦克风类型。在一些方面，这种麦克风可以被认为是其电容值通过传入声波的压力来调制的可变电容。以这种观点，电容板中的一个是静止的，而另一个是移动的(即，移动隔膜组件)。声波改变板之间的距离，并且这分别改变代表性电容器的电容。
[0005]MEMS麦克风在一些方面是电容式麦克风的变形，并且通过使用硅微制造技术生产。与传统麦克风相比，MEMS麦克风具有几项优势，诸如缩小的尺寸、较低的温度系数和对机械振动较高的抗扰度。此外，MEMS麦克风利用特别适合且利于器件批量生产的光刻工艺。
[0006]从这种麦克风获得有用电信号的一种方法是保持电容器上的恒定电荷Q。根据等式V = Q/C，该电容器两端的电压将与传入的声波压力成反比地改变，因此dv = -VdC/Co实际上，由于机械和线性的考虑，dC/C相对较小。为了获得足够的灵敏度，需要电容器两端的高DC电压V。
[0007]金属氧化物半导体(MOS)器件对静电放电(ESD)损坏非常灵敏。由于晶体管的栅极氧化物仅有几纳米厚，因此该问题在深亚微米的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺中尤为显著。为了保护芯片，输入和输出通常装配有专用的ESD保护电路。不幸的是，之前使用该电路解决ESD放电问题的尝试都具有缺陷且不能充分解决该问题。
【附图说明】
[0008]为了更全面理解本公开，将参照下面的详细描述和附图，在附图中:
[0009]图1是根据本发明的各种实施方式的具有ESD保护的MEMS麦克风接口电子器件的不意图；
[0010]图2是根据本发明的各种实施方式的高压(HV)ESD电源轨箝位装置的示意图；
[0011]图3是根据本发明的各种实施方式的在高压ESD电源轨箝位装置中使用的CMOS工艺中的晶体管的图；
[0012]图4包括根据本发明的各种实施方式的使用高压ESD电源轨箝位的系统的框图；
[0013]图5A、图5B和图5C包括根据本发明的各种实施方式的高压ESD电源轨箝位的电路图；
[0014]图6是根据本发明的各种实施方式的在高压ESD电源轨箝位器件中使用的具有阻挡在晶体管的NWELL周围掺杂的基板的CMOS晶片的截面图；
[0015]图7是CMOS晶片的截面图，该结构被用于根据本发明的各种实施方式的高压ESD电源轨箝位器件中；
[0016]图8示出了根据本发明的各种实施方式的在雪崩击穿快回(snapback)操作中使用的晶体管。
[0017]本领域技术人员将理解的是，图中的元件(element)是为了简单和清楚起见而示出的。还将理解的是，特定动作和/或步骤可以按照特定发生顺序来描述或描绘，而本领域技术人员将理解的是，针对顺序的这种特殊性实际上不是必须的。还将理解的是，除非在本文中已经另外阐述了特定含义，否则本文中使用的术语和表达具有与针对它们对应的各自的调查和研宄领域的这些术语和表达相符的通常含义。
【具体实施方式】
[0018]本文提供了用于与电荷泵输出一起使用或在电荷泵输出中使用的高压ESD电源轨箝位的多种方法。用于MEMS麦克风的高压端子的ESD保护方法可在标准低压CMOS工艺中实现。通过“工艺”并且如本文所使用的，其意味着构造工艺。
[0019]在本方法的一些方面，电荷泵的输出可耐受高ESD电压。因此，可通过层叠的标准低压晶体管实现高压ESD电源轨箝位。在一个示例中，可通过形成用于构造高压ESD电源轨箝位的PMOS和NMOS晶体管的高压NWELL/DNWELL区来实现高压ESD电源轨箝位的高压操作。以这种方式，在标准的0.18CM0S工艺中，NWELL/DNWELL到基板的击穿电压从约1V增加到45V。结果，消除了对于构造这些器件的昂贵的高压工艺的需求。高压ESD电源轨箝位也可从电荷泵滤波器的输出移动到电荷泵的输出，以处理漏电流的需求。
[0020]在其它方面，本文描述的EDS保护方法利用高压横向扩散MOS (LDMOS)晶体管。在这些器件中，通过在晶体管的漏极端子处形成高压NWELL来实现高压操作。以这种方式，在标准的0.18CM0S工艺中，漏极至源极(基板)的击穿电压从大约1V增加至45V。因此，以这种方式也消除了对于昂贵的高压工艺的需求。
[0021]为了降低麦克风接口电子器件的尺寸、价格和功耗，有利的是在单个芯片上集成或者设置器件。由于CMOS工艺的低成本以及具有非常高输入阻抗的晶体管的可用性，所以出于该目的通常选择CMOS工艺。而且，这也是通常被选择用于具有相对大的数字核的芯片上系统的工艺。
[0022]在这些实施方式中的很多实施方式中，电子芯片包括电荷泵和至少一个高压(HV)静电放电(ESD)模块。电荷泵被配置为提供麦克风两端的预定电压。在本文中描述的器件可以在标准低压CMOS工艺中实现，并且具有提供比工作(预定)DC电平高的内在ESD保护电平(当断电时)的电路拓扑。至少一个高压(HV)静电放电(ESD)模块连接至电荷泵的输出。HV ESD模块被配置为针对电荷泵和连接至该芯片的微机电系统(MEMS)麦克风提供ESD保护。该至少一个HV ESD模块包括多个PMOS晶体管或NMOS晶体管，该多个PMOS晶体管或NMOS晶体管具有在PMOS晶体管或NMOS晶体管中的所选择的晶体管内形成的至少一个高压NWELL/DNWELL区。该至少一个高压NWELL/DNWELL区具有足够的击穿电压，以使得能够使用低压工艺来构造芯片并且还使得HV ESD模块能够为该芯片提供ESD保护。
[0023]现在参照图1，示出了用于防止静电放电(ESD)的系统的一个示例。芯片102包括电荷泵104、高压(HV)ESD电源轨箝位模块106、ESD电源轨箝位模块112、第一 ESD保护模块108、第二 ESD保护模块110、偏压电阻器114和放大器116。麦克风118连接至芯片102。ESD电源轨箝位模块112是传统低压(例如，3V)模块。
[0024]麦克风118产生电压变化dV = -VdC/C，这里V是在泵104的输出处的电压，并且C是麦克风108的电容。电荷泵104提供麦克风两端的足够高的电压V。在一方面，电荷泵与在 2012 年 8 月 28 日提交的、名称为“High Voltage Multiplier for a Microphone andMethod of manufacture”、发明人为 Svetoslav Gueorguiev 的美国专利申请 13/596，229 中描述的电荷泵相同并且根据与其相同的原理构造，所述申请的内容整体上通过引用而结合于此。例如，可使用在申请13/596，229中关于图4描述的器件。其它示例也是可以的。麦克风118可以是包括隔膜、背板以及通常与MEMS麦克风相关联的所有其它元件的任意MEMS麦克风。
[0025]HV ESD电源轨箝位模块106和ESD电源轨箝位模块112为芯片上的其它元件和麦克风118提供ESD保护。更具体地，使用具有高压NWELL区的横向扩散MOS (LDMOS)晶体管拓扑(本文中其它位置描述)在用于高压ESD电源轨箝位模块106的标准低压CMOS工艺中提供高压晶体管。有利地，本文描述的方法提供控制本文描述的芯片上的ESD所需的高压ESD电源轨箝位。
[0026]第一 ESD保护模块108和第二 ESD保护模块110为系统提供ESD保护。偏压电阻器114具有高的值使得其形成用于偏置电压的低通RC滤波器，同时其具有用于麦克风118两端的可变电压的高通特性。麦克风118两端所需的高DC电压(例如，11.5V)由电荷泵104提供。放大器116为电路提供缓冲。
[0027]在该示例中，通过在等效电容器C(表示麦克风118)上保持恒定电荷Q，从麦克风118获得有用的电信号。根据等式V = Q/C，电容器两端的电压将与传入的声波压力成反比地变化，因此dV =-VdC/C。实际上，由于机械和线性考虑，所以dC/C相对较小。为了获得足够的灵敏度，需要电容器(麦克风118)两端的高DC电压V。
[0028]图1中示出了在麦克风上提供(接近)恒定电荷的可能的偏置方案。电阻器114优选地具有非常高的值(例如，I兆兆欧姆)，使得其形成用于偏置电压的低通RC滤波器，同时其具有用于麦克风118两端的可变电压的高通特性。电容器两端所需的高DC电压通常由用作电容式电压倍增器(multiplier)的电荷泵104提供。对于图1中所示的特定MEMS元件而言，电荷泵104提供近似11.5V的输出电压。该电压Vbias被设置为接地以便使电容器(麦克风118)两端的DC电压最大化。对于适当的操作而言，单位增益缓冲器(unitygain buffer) 116优选地具有非常高的输入电阻和非常低的输入电容。
[0029]如将理解的，MOS器件通常对静电放电(ESD)损坏非常灵敏。由于晶体管的栅极氧化物仅有几nm厚，因此该问题通常在深亚微米CMOS工艺中尤为显著。为了保护该芯片，芯片的输入/输出有利地装配有专用的ESD保护电路。
[0030]高压(HV)ESD电源轨箝位106和电荷泵104是芯片上仅有的高压元件。为了进一步降低成本，有利的是在标准低压CMOS工艺中实现这些组件。
[0031]现在参照图2，描述了高压电源轨箝位电路(例如