用于高壓i/o靜電放電保護的裝置和方法
【專利說明】用于高壓I/o靜電放電保護的裝置和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]該專利依據(jù)U.S.C § 119(e)要求于2012年12月19日提交的、名稱為“Apparatusand Method for High Voltage I/O Electrostatic Discharge Protect1n in StandardLow Voltage CMOS Process”、申請?zhí)?1/739284的美國臨時申請的權益，其內容整體上通過引用而結合于此。
技術領域
[0003]本申請涉及麥克風電路中的高壓I/O的靜電放電(ESD)保護。
【背景技術】
[0004]電容式麥克風是廣泛使用的麥克風類型。在一些方面，這種麥克風可以被認為是其電容值通過傳入聲波的壓力來調制的可變電容。以這種觀點，電容板中的一個是靜止的，而另一個是移動的(即，移動隔膜組件)。聲波改變板之間的距離，并且這分別改變代表性電容器的電容。
[0005]MEMS麥克風在一些方面是電容式麥克風的變形，并且通過使用硅微制造技術生產(chǎn)。與傳統(tǒng)麥克風相比，MEMS麥克風具有幾項優(yōu)勢，諸如縮小的尺寸、較低的溫度系數(shù)和對機械振動較高的抗擾度。此外，MEMS麥克風利用特別適合且利于器件批量生產(chǎn)的光刻工藝。
[0006]從這種麥克風獲得有用電信號的一種方法是保持電容器上的恒定電荷Q。根據(jù)等式V = Q/C，該電容器兩端的電壓將與傳入的聲波壓力成反比地改變，因此dv = -VdC/Co實際上，由于機械和線性的考慮，dC/C相對較小。為了獲得足夠的靈敏度，需要電容器兩端的高DC電壓V。
[0007]金屬氧化物半導體(MOS)器件對靜電放電(ESD)損壞非常靈敏。由于晶體管的柵極氧化物僅有幾納米厚，因此該問題在深亞微米的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝中尤為顯著。為了保護芯片，輸入和輸出通常裝配有專用的ESD保護電路。不幸的是，之前使用該電路解決ESD放電問題的嘗試都具有缺陷且不能充分解決該問題。
【附圖說明】
[0008]為了更全面理解本公開，將參照下面的詳細描述和附圖，在附圖中:
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的具有ESD保護的MEMS麥克風接口電子器件的不意圖；
[0010]圖2是根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的高壓(HV)ESD電源軌箝位裝置的示意圖；
[0011]圖3是根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的在高壓ESD電源軌箝位裝置中使用的CMOS工藝中的晶體管的圖；
[0012]圖4包括根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的使用高壓ESD電源軌箝位的系統(tǒng)的框圖；
[0013]圖5A、圖5B和圖5C包括根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的高壓ESD電源軌箝位的電路圖；
[0014]圖6是根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的在高壓ESD電源軌箝位器件中使用的具有阻擋在晶體管的NWELL周圍摻雜的基板的CMOS晶片的截面圖；
[0015]圖7是CMOS晶片的截面圖，該結構被用于根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的高壓ESD電源軌箝位器件中；
[0016]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的在雪崩擊穿快回(snapback)操作中使用的晶體管。
[0017]本領域技術人員將理解的是，圖中的元件(element)是為了簡單和清楚起見而示出的。還將理解的是，特定動作和/或步驟可以按照特定發(fā)生順序來描述或描繪，而本領域技術人員將理解的是，針對順序的這種特殊性實際上不是必須的。還將理解的是，除非在本文中已經(jīng)另外闡述了特定含義，否則本文中使用的術語和表達具有與針對它們對應的各自的調查和研宄領域的這些術語和表達相符的通常含義。
【具體實施方式】
[0018]本文提供了用于與電荷泵輸出一起使用或在電荷泵輸出中使用的高壓ESD電源軌箝位的多種方法。用于MEMS麥克風的高壓端子的ESD保護方法可在標準低壓CMOS工藝中實現(xiàn)。通過“工藝”并且如本文所使用的，其意味著構造工藝。
[0019]在本方法的一些方面，電荷泵的輸出可耐受高ESD電壓。因此，可通過層疊的標準低壓晶體管實現(xiàn)高壓ESD電源軌箝位。在一個示例中，可通過形成用于構造高壓ESD電源軌箝位的PMOS和NMOS晶體管的高壓NWELL/DNWELL區(qū)來實現(xiàn)高壓ESD電源軌箝位的高壓操作。以這種方式，在標準的0.18CM0S工藝中，NWELL/DNWELL到基板的擊穿電壓從約1V增加到45V。結果，消除了對于構造這些器件的昂貴的高壓工藝的需求。高壓ESD電源軌箝位也可從電荷泵濾波器的輸出移動到電荷泵的輸出，以處理漏電流的需求。
[0020]在其它方面，本文描述的EDS保護方法利用高壓橫向擴散MOS (LDMOS)晶體管。在這些器件中，通過在晶體管的漏極端子處形成高壓NWELL來實現(xiàn)高壓操作。以這種方式，在標準的0.18CM0S工藝中，漏極至源極(基板)的擊穿電壓從大約1V增加至45V。因此，以這種方式也消除了對于昂貴的高壓工藝的需求。
[0021]為了降低麥克風接口電子器件的尺寸、價格和功耗，有利的是在單個芯片上集成或者設置器件。由于CMOS工藝的低成本以及具有非常高輸入阻抗的晶體管的可用性，所以出于該目的通常選擇CMOS工藝。而且，這也是通常被選擇用于具有相對大的數(shù)字核的芯片上系統(tǒng)的工藝。
[0022]在這些實施方式中的很多實施方式中，電子芯片包括電荷泵和至少一個高壓(HV)靜電放電(ESD)模塊。電荷泵被配置為提供麥克風兩端的預定電壓。在本文中描述的器件可以在標準低壓CMOS工藝中實現(xiàn)，并且具有提供比工作(預定)DC電平高的內在ESD保護電平(當斷電時)的電路拓撲。至少一個高壓(HV)靜電放電(ESD)模塊連接至電荷泵的輸出。HV ESD模塊被配置為針對電荷泵和連接至該芯片的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風提供ESD保護。該至少一個HV ESD模塊包括多個PMOS晶體管或NMOS晶體管，該多個PMOS晶體管或NMOS晶體管具有在PMOS晶體管或NMOS晶體管中的所選擇的晶體管內形成的至少一個高壓NWELL/DNWELL區(qū)。該至少一個高壓NWELL/DNWELL區(qū)具有足夠的擊穿電壓，以使得能夠使用低壓工藝來構造芯片并且還使得HV ESD模塊能夠為該芯片提供ESD保護。
[0023]現(xiàn)在參照圖1，示出了用于防止靜電放電(ESD)的系統(tǒng)的一個示例。芯片102包括電荷泵104、高壓(HV)ESD電源軌箝位模塊106、ESD電源軌箝位模塊112、第一 ESD保護模塊108、第二 ESD保護模塊110、偏壓電阻器114和放大器116。麥克風118連接至芯片102。ESD電源軌箝位模塊112是傳統(tǒng)低壓(例如，3V)模塊。
[0024]麥克風118產(chǎn)生電壓變化dV = -VdC/C，這里V是在泵104的輸出處的電壓，并且C是麥克風108的電容。電荷泵104提供麥克風兩端的足夠高的電壓V。在一方面，電荷泵與在 2012 年 8 月 28 日提交的、名稱為“High Voltage Multiplier for a Microphone andMethod of manufacture”、發(fā)明人為 Svetoslav Gueorguiev 的美國專利申請 13/596，229 中描述的電荷泵相同并且根據(jù)與其相同的原理構造，所述申請的內容整體上通過引用而結合于此。例如，可使用在申請13/596，229中關于圖4描述的器件。其它示例也是可以的。麥克風118可以是包括隔膜、背板以及通常與MEMS麥克風相關聯(lián)的所有其它元件的任意MEMS麥克風。
[0025]HV ESD電源軌箝位模塊106和ESD電源軌箝位模塊112為芯片上的其它元件和麥克風118提供ESD保護。更具體地，使用具有高壓NWELL區(qū)的橫向擴散MOS (LDMOS)晶體管拓撲(本文中其它位置描述)在用于高壓ESD電源軌箝位模塊106的標準低壓CMOS工藝中提供高壓晶體管。有利地，本文描述的方法提供控制本文描述的芯片上的ESD所需的高壓ESD電源軌箝位。
[0026]第一 ESD保護模塊108和第二 ESD保護模塊110為系統(tǒng)提供ESD保護。偏壓電阻器114具有高的值使得其形成用于偏置電壓的低通RC濾波器，同時其具有用于麥克風118兩端的可變電壓的高通特性。麥克風118兩端所需的高DC電壓(例如，11.5V)由電荷泵104提供。放大器116為電路提供緩沖。
[0027]在該示例中，通過在等效電容器C(表示麥克風118)上保持恒定電荷Q，從麥克風118獲得有用的電信號。根據(jù)等式V = Q/C，電容器兩端的電壓將與傳入的聲波壓力成反比地變化，因此dV =-VdC/C。實際上，由于機械和線性考慮，所以dC/C相對較小。為了獲得足夠的靈敏度，需要電容器(麥克風118)兩端的高DC電壓V。
[0028]圖1中示出了在麥克風上提供(接近)恒定電荷的可能的偏置方案。電阻器114優(yōu)選地具有非常高的值(例如，I兆兆歐姆)，使得其形成用于偏置電壓的低通RC濾波器，同時其具有用于麥克風118兩端的可變電壓的高通特性。電容器兩端所需的高DC電壓通常由用作電容式電壓倍增器(multiplier)的電荷泵104提供。對于圖1中所示的特定MEMS元件而言，電荷泵104提供近似11.5V的輸出電壓。該電壓Vbias被設置為接地以便使電容器(麥克風118)兩端的DC電壓最大化。對于適當?shù)牟僮鞫?，單位增益緩沖器(unitygain buffer) 116優(yōu)選地具有非常高的輸入電阻和非常低的輸入電容。
[0029]如將理解的，MOS器件通常對靜電放電(ESD)損壞非常靈敏。由于晶體管的柵極氧化物僅有幾nm厚，因此該問題通常在深亞微米CMOS工藝中尤為顯著。為了保護該芯片，芯片的輸入/輸出有利地裝配有專用的ESD保護電路。
[0030]高壓(HV)ESD電源軌箝位106和電荷泵104是芯片上僅有的高壓元件。為了進一步降低成本，有利的是在標準低壓CMOS工藝中實現(xiàn)這些組件。
[0031]現(xiàn)在參照圖2，描述了高壓電源軌箝位電路(例如