用于裸片级静电放电(esd)保护的电压可切换电介质的制作方法
【专利摘要】电压可切换电介质层可在裸片上用于静电放电ESD保护。所述电压可切换电介质层在所述裸片的正常操作期间充当所述裸片的端子之间的电介质层。当在所述裸片的所述端子处发生ESD事件时，所述端子之间的高电压将所述电压可切换电介质层切换为传导层以允许电流放电到所述裸片的接地端子，而无电流通过所述裸片的电路。因此，在具有所述电压可切换电介质层的裸片上的ESD事件期间减少或防止了对所述裸片的电路的损坏。所述电压可切换电介质层可沉积在裸片的背侧上以用于在与第二裸片堆叠以形成堆叠IC期间进行保护。
【专利说明】用于裸片级静电放电(ESD)保护的电压可切换电介质
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及集成电路(1C)。更具体来说，本发明涉及集成电路的静电放电(ESD)保护。
【背景技术】
[0002]静电放电(ESD)事件是日常生活的常见部分，且一些较大放电可由人类感觉检测至IJ。人类感觉注意不到较小的放电，因为放电强度与放电发生于其上的表面积的比率极小。
[0003]集成电路(IC)在过去的数十年以惊人的速度缩小。随着晶体管大小缩小，围绕晶体管的支撑组件通常也缩小。IC尺寸的缩小减小了晶体管的ESD容限，进而增加了集成电路对ESD应力的敏感度。
[0004]当处于第一电位的物体靠近或接触处于第二电位的物体时发生ESD事件。电荷从第一物体到第二物体的快速转移发生，使得所述两个物体处于近似相等的电位。在具有较低电荷的物体是IC时，放电尝试找到通过IC到接地的最小电阻路径。此路径经常流过互连件。此路径的未能承受与放电相关联的能量的任何部分遭受损坏。
[0005]常规上，基于二极管的ESD保护结构经建置到IC中以用于保护。这些结构是复杂的以确保高电压保护和快速响应时间。由于复杂性，IC的相当大量的区域(每一 ESD保护结构的数十到数千平方微米)被ESD保护结构消耗，这原本可用于有源电路。为了满足IC中对较小的形状因数的逐渐增加的需求，应减小ESD保护电路大小。
[0006]因此，需要消耗较小IC区域的ESD保护。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一方面，一种设备包含第一裸片，其具有第一端子和第二端子。所述设备还包含第一裸片上的电压可切换电介质层，其耦合到所述第一端子和所述第二端子。
[0008]在另一方面中，一种方法包含在第一裸片上在第一端子与第二端子之间沉积电压可切换电介质层。
[0009]在再一方面中，一种设备包含第一裸片，其具有第一端子和第二端子。所述设备还具有用于保护第一裸片免受第一裸片上的静电放电的装置。所述静电放电保护装置耦合到第一端子和第二端子。
[0010]这已相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可更好地理解随后的详细描述。下文将描述本发明的额外特征和优点。所属领域的技术人员应了解，本发明可容易用作用于修改或设计其它结构以实施本发明的相同目的的基础。所属领域的技术人员还应认识到，此些等效构造不脱离如所附权利要求书中陈述的本发明的教示。据信关于其组织和操作方法方面作为本发明的特性的新颖特征连同另外目的和优点一起将在结合附图考虑时从以下描述中更好地理解。然而，应明确了解，附图中的每一者是仅为了说明和描述的目的而提供，且既定不作为对本发明的限制的界定。【专利附图】
【附图说明】
[0011]为了更完整地理解本发明，现在参考结合附图做出的以下描述。
[0012]图1是说明根据第一实施例的具有静电放电保护的示范性裸片的横截面图。
[0013]图2是说明根据第二实施例的具有静电放电保护的示范性裸片的横截面图。
[0014]图3是说明根据第一实施例的具有静电放电保护的示范性堆叠裸片的横截面图。
[0015]图4是说明根据第二实施例的具有静电放电保护的示范性堆叠裸片的横截面图。
[0016]图5是说明根据第三实施例的具有静电放电保护的示范性堆叠裸片的横截面图。
[0017]图6是展示示范性无线通信系统的框图，其中可有利地采用本发明的实施例。
[0018]图7是说明用于根据一个实施例的半导体组件的电路、布局和逻辑设计的设计工作站的框图。
【具体实施方式】
[0019]电压可切换电介质层可沉积在裸片上作为静电放电(ESD)保护结构。单个电介质层减少了由ESD保护结构占据的裸片区域量，且允许较小形状因数IC的构造而不损害IC承受ESD事件的能力。电压可切换电介质层是在第一低电压操作范围中用作绝缘体的电介质层。在第二较高电压范围中，电压可切换电介质层切换为导电层。
[0020]图1是说明根据第一实施例的具有静电放电保护的示范性裸片的横截面图。裸片100包含衬底102，其具有耦合到互连件106的晶体管栅极104。互连件106通过电介质层108与其它互连件分离。端子110耦合到互连件106以提供晶体管栅极104与外部电路(未图示)之间的通信。在一个实施例中，最左边的端子110耦合到接地，最右边的端子110耦合到电力供应器，且中间的端子110耦合到I/O (输入/输出)。
[0021]在端子110裸片100的制造、处置或操作期间，高电压可在端子110之间形成，从而导致ESD事件。在ESD事件期间，放电电流寻求到接地的最低电阻路径，其可穿过互连件106、晶体管栅极104、衬底102且到达端子110中的另一端子。放电可导致对互连件106、晶体管栅极104或衬底102的损坏。
[0022]沉积在端子110之间的电压可切换电介质层112在ESD事件期间提供低电阻电流路径。举例来说，当ESD事件导致端子110中的两者上的电压超过电压可切换电介质层112的可切换电压时，电压可切换电介质层112切换到传导状态，且电流大体上从端子110中的一者流过电压可切换电介质层112到端子110中的另一者。由于电压可切换电介质层112中的电流传导，互连件106、晶体管栅极104和衬底102经历减少的电流流动。
[0023]在ESD事件已结束且端子110之间的电压减小到低于电压可切换电介质层112的切换电压之后，电压可切换电介质层112返回到绝缘状态，且不在端子110之间传导电流。根据一个实施例，对电压可切换电介质层112发生极少或无损坏，使得电压可切换电介质层112可继续保护裸片100免受ESD事件。举例来说，电压可切换电介质层112可具有自治愈性质。
[0024]电压可切换电介质层112在端子110中的两者之间的切换电压部分地取决于电压可切换电介质层112的材料性质以及参与ESD事件的两个端子110之间的距离。举例来说，在参与ESD事件的两个端子110之间的距离增加时，用于通过电压可切换电介质层112在两个端子110之间传导的切换电压增加。也就是说，电压可切换电介质层的电介质击穿电压是数十伏特。根据一个实施例，也可通过更改电压可切换电介质层112的若干部分以增加或减小端子110中的两者之间的击穿电压来调整电压可切换电介质层112的击穿电压。
[0025]端子110之间的距离d可经选择以与电压可切换电介质层112的所要切换电压一致。举例来说，端子110中的两者之间的距离可经选择以使得在裸片在第一电压范围中的正常操作期间，电压可切换电介质层112是绝缘层，且在第二较高电压范围中的ESD事件期间，电压可切换电介质层112是传导层。所述距离可经选择以使得电压可切换电介质层112为绝缘层的第一电压范围从O伏特延伸到至少裸片100的供电电压。可类似地选择厚度t。
[0026]电压可切换电介质层112可在互连件106和电介质层108和互连件106的制造后沉积在电介质层108上。在电压可切换电介质层112的沉积之后，可在电压可切换电介质层112中形成开口，其中沉积端子110。
[0027]电压可切换电介质层也可置于具有焊垫的裸片上的配置中。图2是说明根据第二实施例的具有静电放电保护的示范性裸片的横截面图。裸片200包含衬底202，其具有耦合到互连件206的晶体管栅极204。互连件206通过电介质层208而分离。电压可切换电介质层212沉积在电介质层208上，端子210通过电介质层208耦合到互连件206。在一个实施例中，最左边的端子210耦合到接地，最右边的端子210耦合到电力供应器，且中间的端子210耦合到1/0(输入/输出)。
[0028]焊垫214可耦合到端子210中的一者，且在电压可切换电介质层212上方延伸。在涉及焊垫214和端子210中的一者的ESD事件期间，电流从焊垫214流过电压可切换电介质层212到端子210中的一者。电压可切换电介质层212的切换电压部分地取决于电压可切换电介质层212在焊垫214与互连件206中的相邻一者之间的厚度t，最小电阻路径沿循所述厚度。举例来说，针对ESD电流的最小电阻路径可从最左边的端子210到最左上方互连层206，通过电压可切换电介质层212且到焊垫214。可调整焊垫214与端子210之间的重叠以满足设计的放电电流目标。类似地，焊垫214与最左边的端子210之间的距离d可经选择以控制电压可切换电介质层212的切换电压。
[0029]电压可切换电介质层也可用以保护堆叠IC免受ESD事件。举例来说，ESD事件可在第一层裸片或第二层裸片的处置或装运期间发生。如果第一层裸片处于不同于第二层裸片的电位，那么ESD事件也可在第一层裸片到第二层裸片的耦合期间发生。图3是说明根据第一实施例的具有静电放电保护的示范性堆叠裸片的横截面图。堆叠裸片300包含第一层裸片360和第二层裸片350。第一层裸片360包含耦合到互连件306的封装连接314。互连件306通过电介质层308分离且耦合到衬底302上的晶体管栅极304。互连件306还耦合到通孔316、互连件340以及端子342。在一个实施例中，最左边的端子342耦合到接地，最右边的端子342耦合到电力供应器，且中间的端子342耦合到I/O (输入/输出)。
[0030]沉积在第一层裸片360的衬底302的背侧上的电压可切换电介质层312提供端子342之间的传导路径。端子342耦合到第二裸片350的封装连接320。封装连接320耦合到互连件336、晶体管栅极334以及衬底332。电介质层338分离互连件336。
[0031]在ESD事件期间，例如当第二裸片350耦合到第一层裸片360时，电流可从端子342中的一者流动到互连件340，通过电压可切换电介质层312到互连件340中的另一者，且通过端子342中的另一者到接地。电压可切换电介质层312在端子342中的两者之间的切换电压部分地取决于互连件340之间的距离。[0032]根据一个实施例，电介质层可放置于衬底与电压可切换电介质层之间。图4是说明根据第二实施例的具有静电放电保护的示范性堆叠裸片的横截面图。电介质408沉积在衬底302的背侧上，且互连件340将端子342耦合到通孔316。在一个实施例中，最左边的端子342耦合到接地，最右边的端子342耦合到电力供应器，且中间的端子342耦合到I/0(输入/输出)。
[0033]电压可切换电介质层412沉积在电介质层408上,且部分地围绕端子342。根据一个实施例，在电压可切换电介质层412沉积在电介质层408上之后,对电压可切换电介质层412进行图案化，且在经图案化电压可切换电介质层412中沉积端子342。电压可切换电介质层412在端子342之间的切换电压部分地基于ESD事件中涉及的端子342之间的距离。
[0034]根据另一实施例，焊垫可作为端子沉积在电压可切换电介质层上。图5是说明根据第三实施例的具有静电放电保护的示范性堆叠裸片的横截面图。焊垫510沉积在电压可切换电介质层412上，且耦合到端子342。当来自ESD事件的电流通过图5的电压可切换电介质层412传导时，当针对电流的最小电阻路径是从电压可切换电介质层412到互连件340时，部分地基于焊垫510与互连件340之间的电压可切换电介质层412的厚度来确定切换电压。焊垫510可耦合到第二裸片350的接地、电力和/或输入/输出线。在一个实施例中，最左边的焊垫510耦合到接地，最右边的焊垫510耦合到电力供应器，且中间的焊垫510耦合到I/O(输入/输出)线。
[0035]沉积在裸片上的电压可切换电介质层为裸片上的电路提供ESD保护，且消耗极少到不消耗额外裸片区域。因此，采用用于ESD保护的电压可切换电介质层的裸片可具有比并入有常规ESD保护电路和结构的裸片小的形状因数。切换电压可例如由电压可切换电介质层的材料性质、电压可切换电介质层的厚度以及由电压可切换电介质层围绕的裸片上的端子之间的距离来控制。在一个实施例中，电压可切换电介质层是可从加利福尼亚州圣何塞的Shocking科技(Shocking Technologies)有限公司购得的电压可切换电介质。
[0036]图6是展示示范性无线通信系统600的框图，其中可有利地采用本发明的实施例。为了说明的目的，图6展示三个远程单元620、630和650以及两个基站640。将认识到，无线通信系统可具有多得多的远程单元和基站。远程单元620、630和650包含IC装置625A、625C和625B，其包含所揭示的ESD保护。将认识到，含有IC的任何装置也可包含本文揭示的ESD保护，包含基站、切换装置和网络设备。图6展示从基站640到远程单元620、630和650的前向链路信号680以及从远程单元620、630和650到基站640的反向链路信号690。
[0037]在图6中，将远程单元620展示为移动电话，将远程单元830展示为便携式计算机，且将远程单元650展示为无线本地环路系统中的固定位置远程单元。举例来说，远程单元可为移动电话、手持式个人通信系统(PCS)单元、例如个人数字助理等便携式数据单元、具有GPS功能的装置、导航装置、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、例如仪表读取设备等固定位置数据单元或存储或检索数据或计算机指令的任何其它装置，或其任何组合。虽然图6说明根据本发明的教示的远程单元，但本发明不限于这些示范性说明的单元。本发明的实施例可合适地用于包含ESD保护的任何装置中。
[0038]图7是说明用于例如上文揭示的ESD保护配置等半导体组件的电路、布局和逻辑设计的设计工作站的框图。设计工作站700包含硬盘701，其含有操作系统软件、支持文件以及例如Cadence或OrCAD等设计软件。设计工作站700还包含显示器以促进例如具有ESD保护的封装集成电路等电路710或半导体组件712的设计。提供存储媒体704以用于有形地存储电路设计710或半导体组件712。电路设计710或半导体组件712可以例如⑶SII或GERBER等文件格式存储在存储媒体704上。存储媒体704可为⑶-ROM、DVD、硬盘、快闪存储器或其它适当装置。此外，设计工作站700包含驱动设备703，用于接受来自存储媒体704的输入或将输出写入到存储媒体704。
[0039]记录在存储媒体704上的数据可指定逻辑电路配置、用于光刻掩模的图案数据，或用于例如电子束光刻等串行写入工具的掩模图案数据。所述数据可进一步包含逻辑检验数据，例如与逻辑模拟相关联的时序图或网状电路。在存储媒体704上提供数据通过减少用于设计半导体晶片的过程的数目而促进了电路设计710或半导体组件712的设计。
[0040]对于固件和/或软件实施方案，方法可以执行本文描述的功能的模块(例如，过程、函数等等)来实施。有形地体现指令的任何机器可读媒体均可用于实施本文描述的方法。举例来说，软件代码可存储在存储器中且由处理器单元执行。存储器可在处理器单元内或处理器单元外实施。如本文使用，术语“存储器”指代任何类型的长期、短期、易失性、非易失性或其它存储器，且不限于任何特定类型的存储器或存储器数目或存储器存储于其上的媒体的类型。
[0041]如果以固件和/或软件实施，那么功能可作为一个或一个以上指令或代码存储在计算机可读媒体上。实例包含以数据结构编码的计算机可读媒体和以计算机程序编码的计算机可读媒体。计算机可读媒体包含物理计算机存储媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。举例来说且并非限制，此类计算机可读媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用来以指令或数据结构的形式存储所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体；如本文中所使用，磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再生数据，而光盘使用激光以光学方式再生数据。上文的组合也应包含在计算机可读媒体的范围内。
[0042]除了存储在计算机可读媒体上之外，指令和/或数据可作为信号提供在包含于通信设备中的传输媒体上。举例来说，通信设备可包含具有指示指令和数据的信号的收发器。所述指令和数据经配置以致使一个或一个以上处理器实施权利要求书中概述的功能。
[0043]虽然已陈述特定电路，但所属领域的技术人员将了解，并不需要全部所揭示电路来实践本发明。而且，未描述某些众所周知的电路以维持集中于本发明。
[0044]虽然已详细描述了本发明及其优点，但应了解，在不脱离如所附权利要求书界定的本发明的技术的情况下可在其中做出各种改变、代替和更改。举例来说，相对于衬底或电子装置使用例如“上方”和“下方”等关系术语。当然，如果衬底或电子装置经倒转，那么上方变为下方，且反之亦然。另外，如果向侧面定向，那么上方和下方可称为衬底或电子装置的侧面。而且，本申请案的范围既定不限于在说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如所属领域的技术人员从本发明将容易了解，可根据本发明利用目前现有或稍后将开发的执行与本文中所描述的对应实施例大体上相同的功能或实现与其大体上相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求书在其范围内既定包含此些过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。
【权利要求】
1.一种设备，其包括: 第一裸片，其具有第一端子和第二端子；以及 所述第一裸片上的电压可切换电介质层，其耦合到所述第一端子和所述第二端子。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电压可切换电介质层在第一电压范围中在所述第一端子与所述第二端子之间传导电流，且所述电压可切换电介质层在第二较高电压范围中不在所述第一端子与所述第二端子之间传导电流。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述电压可切换电介质层在所述第一裸片的背侧上，所述背侧与所述第一裸片的具有作用中电路的前侧相对。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述电压可切换电介质层的顶部表面与所述第一端子的顶部表面大体上齐平。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一端子与所述第二端子之间的距离经选择以控制所述电压可切换电介质层的静电放电保护电压。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述电压可切换电介质层的厚度经选择以控制所述电压可切换电介质层的静电放电保护电压。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一端子是电力供应端子，且所述第二端子是接地端子。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一裸片进一步包括焊垫，且所述电压可切换电介质层耦合到所述焊垫。
9.根据权利要求`1所述的设备，其进一步包括耦合到所述第一裸片的第二裸片，其中所述电压可切换电介质层为所述第一裸片提供免受所述第二裸片上的高电压的静电放电保护。
10.根据权利要求1所述的设备，其集成到以下各项中的至少一者中:移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、计算机、手持式个人通信系统PCS单元、便携式数据单元，和固定位置数据单元。
11.一种方法，其包括在第一裸片上在第一端子与第二端子之间沉积电压可切换电介质层。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电压可切换电介质层在第一电压范围中在所述第一端子与所述第二端子之间传导电流，且其中所述电压可切换电介质层在第二较高电压范围中不在所述第一端子与所述第二端子之间传导电流。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述沉积包括在所述第一裸片的背侧上沉积所述电压可切换电介质层，所述背侧与所述第一裸片的具有作用中电路的前侧相对，所述方法进一步包括将第二裸片耦合到所述第一裸片。
14.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括将所述第一裸片集成到以下各项中的至少一者中:移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、计算机、手持式个人通信系统PCS单元、便携式数据单元，和固定位置数据单元。
15.—种方法,其包括在第一裸片上在第一端子与第二端子之间沉积电压可切换电介质层的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述电压可切换电介质层在第一电压范围中在所述第一端子与所述第二端子之间传导电流，且其中所述电压可切换电介质层在第二较高电压范围中不在所述第一端子与所述第二端子之间传导电流。
17.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括将所述第一裸片集成到以下各项中的至少一者中的步骤:移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、计算机、手持式个人通信系统PCS单元、便携式数据单元，和固定位置数据单元。
18.—种设备,其包括: 第一裸片，其具有第一端子和第二端子；以及 用于保护所述第一裸片免受所述第一裸片上的静电放电的装置，所述静电放电保护装置耦合到所述第一端子和所述第二端子。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述静电放电保护装置在所述第一裸片的背侧上，所述背侧与所述第一裸片的具有作用中电路的前侧相对，且所述设备进一步包括耦合到所述第一裸片的所述背侧的第二裸片。
20.根据权利要求18所述的设备，其集成到以下各项中的至少一者中:移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、计算机、手持式个人通信系统PCS单元、便携式数据单元，和固定位置数 据单元。
【文档编号】H01L23/60GK103518261SQ201280022615
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年4月2日 优先权日:2011年4月1日
【发明者】时群·顾, 拉蒂博尔·罗多杰西艾西, 李易明 申请人:高通股份有限公司