具有嵌入式静电放电(esd)保护和自适应体偏置的块电源开关的制作方法
【专利摘要】一种块电源开关可嵌入有静电放电(ESD)保护电路系统。该块电源开关的晶体管部分可被分配以充当ESD保护电路系统的一部分并且可与RC钳位组合以提供ESD保护。自适应体偏置(ABB)可被应用于该块电源开关以减少片上面积并降低该块电源开关的漏泄电流。
【专利说明】具有嵌入式静电放电(ESD)保护和自适应体偏置的块电源开关
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及集成电路(1C)。更具体地，本公开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并且某些较大的放电是人可检测的。ESD是(负或正)电压的瞬时浪涌，其可引发电路中的大电流。较小的放电通常不被注意，因为放电强度与发生放电的表面面积的比率可能很小。
[0003]在过去几十年里，集成电路(IC)以难以置信的速率在缩小。随着晶体管大小的缩小，晶体管周围的支持组件一般也缩小。IC尺寸的缩小降低了晶体管的ESD容忍度，由此增加了集成电路对ESD应力的敏感度。
[0004]当处于第一电势处的对象接近或接触处于第二电势处的对象时，ESD事件发生。电荷从第一对象到第二对象的快速转移发生，使得这两个对象处于大致相等的电势处。在具有较低电荷的对象是集成电路的情况下，此放电尝试找到穿过该集成电路到地的最小电阻路径。通常，这一路径流经互连。这一路径中不能承受与放电相关联的能量的部件可能受损，从而潜在可能致使该集成电路不适于使用。
[0005]ESD是集成电路的主要关注问题。为了保护电路免受ESD浪涌的损害，保护方案尝试提供用于正ESD浪涌和负ESD浪涌两者的放电路径。可在ESD保护电路中采用常规二极管来钳位(clamp)正ESD浪涌和负ESD浪涌的电压以分流电流并防止过量电压被施加到受保护电路。图1解说了与此有关的常规ESD保护电路。如图1中所解说的，提供电压轨(Vdd) 10和地轨(GND) 12以向受保护电路14供电。在这一示例中，信号引脚16形式的端子提供至受保护电路14的信号路径，该信号路径用于向受保护电路14提供信息和/或控制。例如，受保护电路14可被包括在IC中，其中信号引脚16是该IC上外部可用的引脚。
[0006]常规的ESD保护电路18可耦合在电压轨10和地轨12之间以保护受保护电路14免于ESD浪涌影响。图1中的示例性ESD保护电路18包括两个常规二极管:正ESD浪涌二极管20和负ESD浪涌二极管22。正ESD浪涌二极管20和负ESD浪涌二极管22串联耦合。正ESD浪涌二极管20将信号引脚16上的正电压钳位至电压轨10以上一个二极管压降。负ESD浪涌二极管22将信号引脚16上的负电压钳位到地轨12以下一个二极管压降。正ESD浪涌二极管20的阴极(k)耦合至电压轨10。正ESD 二极管20的阳极(a)在信号引脚16和受保护电路14之间的信号路径16上的节点24处耦合至该信号引脚16。负ESD浪涌22的阴极(k)也耦合至从信号引脚16到受保护电路14的信号路径上的节点24。负ESD浪涌二极管22的阳极(a)耦合至地轨12。
[0007]对于信号引脚16上的正ESD浪涌，正ESD浪涌二极管20将变为正向偏置的并且将信号引脚16上的电压钳位至电压轨10以上一个二极管压降以保护受保护电路14。来自此种ESD浪涌的能量将通过处于正向偏置模式中的正ESD浪涌二极管20传导并散布到电压轨10中。适当的ESD保护结构可以实现在电压轨10中(未示出)以最终将正ESD浪涌耗散到地轨12。对于信号引脚16上的负ESD浪涌，该浪涌被类似地耗散。信号引脚16上的负ESD浪涌会把负ESD浪涌二极管22置于正向偏置模式，由此提供相对于受保护电路14的低阻抗路径。来自负ESD浪涌的能量将被耗散到地轨12中。
[0008]尽管未描绘，然而其他类型的常规ESD电路系统可涉及电阻器-电容器(RC)钳位以提供ESD保护。
[0009]常规的ESD保护结构被设计为确保高电压保护和快速响应时间。然而，集成电路有相当可观量的面积(每个ESD保护结构有数十到数千平方微米)被ESD保护结构所消耗，这些ESD保护结构或许本来可用于有效电路系统。为了满足集成电路对更小的形状因子的日益增长的需求，应当减小ESD保护电路的大小。
[0010]简要概述
[0011]提供电源开关以供在电路块中使用。该电源开关包括静电放电保护电路系统。该电源开关还包括与该静电放电保护电路系统共享至少一个组件的电源开关电路系统。
[0012]提供一种制造电路的方法。该方法包括沉积静电放电保护电路系统。该方法还包括沉积与该静电放电保护电路系统共享至少一个组件的电源开关电路系统。
[0013]提供一种设备。该设备包括静电放电保护装置。该设备还包括电源开关装置，该电源开关装置与该静电放电保护装置共享至少一个组件。
[0014]这已相当宽泛地勾勒出本公开的特征和技术优点以便可更好地理解下面的详细描述。本公开的附加特征和优点将在下文描述。本领域技术人员应领会，本公开可容易地被用作改动或设计用于实施与本公开相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认识到，此类等效构造并不脱离所附权利要求中所阐述的本公开的教导。被认为是本公开的特性的新颖特征在其组织和操作方法两方面连同进一步的目的和优点在结合附图来考虑以下描述时将被更好地理解。然而要清楚理解的是，提供每一幅附图均仅出于解说和描述目的，且无意作为对本公开的限定的定义。
[0015]附图简要说明
[0016]为了更全面地理解本公开，现在结合附图参阅以下描述。
[0017]图1是现有技术中的常规静电放电(ESD)保护电路的示例。
[0018]图2A示出了根据本公开的一个方面的脚开关(foot switch)的通用结构。
[0019]图2B示出了根据本公开的一个方面的头开关(head switch)的通用结构。
[0020]图3A-C示出了根据本公开的一个方面的块电源开关配置。
[0021]图4示出了根据本公开的一个方面的具有嵌入式ESD保护和自适应体偏置的块电源开关。
[0022]图5示出了根据本公开的一个方面的具有嵌入式ESD保护的块电源开关。
[0023]图6是示出其中可有利地采用本公开的实施例的示例性无线通信系统的框图。
[0024]图7是解说根据一个实施例的用于半导体组件的电路、布局以及逻辑设计的设计工作站的框图。
[0025]图8描述了根据本公开的一个方面的用于制造电路的示例性方法。
[0026]详细描述
[0027]—般而言，分布式电源开关(DPS)被用来通过有效地断开全局接地或全局电源来减少不活跃电路块的功耗。同样，块电源开关(BPS)—置于较小面积中的分布式电源开关的集群一也可被用于功率减少。然而，因为块电源开关的一个或若干节点被连接至电源引脚，而该电源引脚可能暴露于外部静电事件，所以希望有合适的ESD保护。
[0028]ESD电路采用大器件来耐受ESD事件期间的高幅值电流。在有块电源开关器件的情况下，电源晶体管的有效大小与ESD保护电路中的器件的大小相当。因此，采用嵌入在块电源开关中的ESD保护可能是有利的。而且，通过将ESD保护与自适应体偏置(ABB)相结合，BPS的效率得以进一步增加。自适应体偏置是指片上生成的或从外部供应给块电源开关的体端子的电压。
[0029]根据本公开的各方面，描述了具有ESD保护和自适应体偏置的块电源开关，以用于多核片上系统设计中的功率减少。
[0030]块电源开关被设计成靠近一电路地放置以控制内部接地或电源的块(大的NMOS或PMOS器件)。块电源开关的大小由溯源自该电路块的电流以及跨该电源开关的可容忍电压降来确定。可利用大器件(具有几毫欧的有效ON(导通)电阻)。结果所得的活跃状态中的电压降因此可忽略不计。在“休眠”模式中，电源开关的OFF(关断)电阻比该电路块的电阻大几个数量级，从而减小了漏泄电流。
[0031]图2A-B示出了块电源开关的通用实现。外部电压(Vdd_ext)被定义为由外部电压调控器调控的外部电源轨电压，其可来自电池或其他外部源。内部电压(Vdd_int)被定义为该集成电路中的器件所看到的电源电压。在本公开中，电源开关指代图2A中示出的脚开关202 (例如，NMOS晶体管)或者图2B中示出的头开关204 (例如，PMOS晶体管)。
[0032]块电源开关实现在图3A-C中描绘。块电源开关被设计为靠近一电路地放置以控制对该电路的内部接地或电源的电源开关(诸如NMOS晶体管和PMOS晶体管)集群。块电源开关的大小可由溯源自该电路块的电流量确定并由跨该电源开关可容忍的电压降的幅值来确定。可利用足够大的器件(具有几毫欧的有效导通电阻)，以使得结果所得的在“活跃”状态中的跨块电源开关的电压降可忽略不计。在“休眠”模式中，该块电源开关的关断电阻比该电路块的电阻大若干数量级，从而减小了漏泄电流。例如，该块电源开关可被置于该电路块的一侧(如图3A中所示)、在该电路块的相对侧(如图3B中所示)、或在环形结构中(如图3C中所示)。
[0033]为了限制在从“休眠”模式转换至“活跃”模式时的冲流，根据本公开的各方面，可以采用两阶段或多阶段唤醒策略。根据两阶段唤醒策略，该块电源开关中的小数量的电源开关被首先导通(如由图3A-C中的“启用几个”注释所指示的)。这便对该电路块的寄生电容进行预充电。接着，该块电源开关中的剩余电源开关(如由图3A-C中的“启用其余”注释所指示的)被激活。此两阶段唤醒策略提供了限制瞬时电流的逐渐状态转换。利用块电源开关的另一个优点来自以下事实:集群中的所有器件向电流的各个不同区域供应电流。这减小了管芯的经受额外电压波动的面积，由此缓解了管芯上的热点。
[0034]大器件可被用作块电源开关以限制活跃模式中的电压降惩罚。根据本公开的各方面，块电源开关可被有效地用作ESD保护器件的活跃组件，诸如电阻器-电容器(RC)钳。即，常规ESD保护电路中的活跃ESD保护器件可被块电源开关的一部分取代。电阻器-电容器(RC)钳被设计为对突然的电压变化(尖峰)做出响应而不限制块电源开关的正常操作。[0035]在这一方面,嵌入式芯片ESD电路系统可使用也可被用于块电源开关的一个或多个晶体管。S卩，相同的晶体管可用于两个目的:ESD保护和块电源开关。块电源开关可以是头开关(例如，PMOS晶体管)或脚开关(例如，NMOS晶体管)。通过以此方式共享晶体管(或多个晶体管)，节省了芯片面积。在一个方面，在该块电源开关排内部提供该RC钳。在其他方面，RC钳被放置为单独的RC单元。
[0036]在另一方面，可采用自适应体偏置(ABB)技术来增加块电源开关的效率。如图4中所示，外部电压生成器408或片上偏置电路(未示出)可被直接耦合到晶体管406以调制该块电源开关的导通电阻和关断电阻。ABB的一个实现是正向体偏置(FBB)，其中电压生成器408或偏置电路向PMOS晶体管406施加比电源电压低的电压。晶体管406的正向体偏置减小该块电源开关的导通电阻。这准许使用更小的器件来达成跨该块电源开关的相等电压降。结果是，根据本公开的各方面，可显著减小该块电源开关的片上面积。ABB的另一实现是反向体偏置(RBB)，其中电压生成器408或偏置电路向PMOS晶体管406施加比电源电压更高的电压。晶体管406的反向体偏置增大该块电源开关的关断电阻。根据本公开的各方面，这进一步减小了“休眠”模式中的漏泄电流。
[0037]图5示出了采用嵌入式ESD保护的块电源开关的另一方面。图5示出了 RC钳502、块头开关(BHS) 504、以及RC钳502的嵌入式二极管506。尽管图5中示出了块头开关，然而，如上所提及的，也可使用块脚开关。块头开关504包括多个级以使导通时去往底下电路的电流错开。即，一次只有其中一些头开关打开。例如，在信号en_few (使能_几个)被断言时第一头开关导通，并且在信号en_rest (使能_其余)被断言时剩余头开关导通。
[0038]在节点510处的ESD事件期间，BHS504的晶体管508之一作为RC钳502的一部分操作。即，BHS504的晶体管508可在ESD事件期间被用作活跃器件以保护底下的电路。电路系统512 (例如，NAND门和反相器)对ESD事件进行优先级排序并向晶体管508的栅极传送信号。晶体管508断开以防止对底层电路的电压过载。取决于所施加的大幅值电压的极性，块电源开关504要么作为二极管操作，要么嵌入式二极管506限制ESD事件期间的电流。电路系统512也对信号en_rest做出反应以准许晶体管508在需要时作为块头开关504的一部分操作。尽管单个晶体管508被示为是RC钳502的一部分，然而当然也可以使用来自电源开关504的多个晶体管。在一个示例中，用于ESD保护的晶体管部分可以是
3.5_宽，其为块电源开关的晶体管块的宽度的约10%。常规情况下，包括一个或多个晶体管的RC钳502可被定位为单独的电路。以上各方面可消除用于ESD保护的RC钳的单独晶体管的制造。
[0039]通过采用本公开的各方面，可以实现有效的漏泄功率减少。此外，通过将该块电源开关的至少一部分用作ESD保护中的活跃器件，可以实现芯片面积的减小。本公开的进一步方面通过正向体偏置导致面积减小和导通电阻减小。进一步的方面可通过反向体偏置来实现漏泄电流减小和关断电阻增大。
[0040]图6是示出其中可有利地采用本公开的实施例的示例性无线通信系统600的框图。出于解说目的，图6示出了三个远程单元620、630和650以及两个基站640。将认识至IJ，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包括IC器件625A、625C和625B，这些IC器件包括所公开的ESD保护。将认识到，包含IC的器件还可包括此处公开的ESD保护，包括基站、开关器件以及网络装备。图6示出了从基站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。
[0041]在图6中，远程单元620被示为移动电话，远程单元630被示为便携式计算机，且远程单元650被示为无线本地环路系统中的位置固定的远程单元。例如，这些远程单元可以是移动电话、手持式个人通信系统(PCS)单元、便携式数据单元(诸如个人数据助理)、启用GPS的设备、导航设备、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、位置固定的数据单元(诸如仪表读数装置)、或者存储或检索数据或计算机指令的任何其他设备，或其组合。尽管图6解说了根据本公开的教导的远程单元，但本公开并不限于所解说的这些示例性单元。本公开的各实施例可适于在包括ESD保护的器件中采用。
[0042]图7是解说用于半导体组件(诸如以上公开的ESD保护配置)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包括硬盘701，该硬盘701包含操作系统软件、支持文件以及设计软件，诸如Cadence或OrCAD。设计工作站700还包括显示器以促成电路710或半导体组件712 (诸如具有ESD保护的经封装的集成电路)的设计。提供存储介质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可以文件格式(诸如⑶SII或GERBER)存储在存储介质704上。存储介质704可以是⑶-ROM、DVD、硬盘、闪存、或其他合适的设备。此外，设计工作站700包括用于从存储介质704接受输入或将输出写入存储介质704的驱动装置703。
[0043]存储介质704上记录的数据可指定逻辑电路配置、用于光刻掩模的图案数据、或者用于串写工具(诸如电子束光刻)的掩模图案数据。该数据可进一步包括与逻辑仿真相关联的逻辑验证数据，诸如时序图或网电路。在存储介质704上提供数据通过减少用于设计半导体晶片的工艺数目来促成对电路设计710或半导体组件712的设计。
[0044]图8示出了根据本公开的一个方面的制造电路的方法。如框802中所示，沉积静电放电(ESD)保护电路系统。如框804中所示，沉积与该ESD保护电路系统共享至少一个组件的电源开关电路系统。
[0045]一种设备可具有用于静电放电保护的装置。该装置可包括以上所述的ESD保护电路系统。该设备还可包括电源开关装置，该电源开关装置与该ESD保护装置共享至少一个组件。该电源开关装置可包括如上所述的头开关电路系统或脚开关电路系统。
[0046]对于固件和/或软件实现，这些方法体系可以用执行本文所描述功能的模块(例如，规程、函数等等)来实现。有形地体现指令的机器可读介质可被用来实现本文所述的方法体系。例如，软件代码可存储在存储器中并由处理器单元执行。存储器可以实现在处理器单元内或在处理器单元外部。如本文所用的，术语“存储器”指代任何类型的长期、短期、易失性、非易失性、或其他存储器，而并不限于任何特定类型的存储器或存储器数目、或记忆存储在其上的介质的类型。
[0047]如果以固件和/或软件实现，则各功能可作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括以数据结构编码的计算机可读介质和以计算机程序编码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是能被计算机访问的可用介质。作为示例而非限定，此类计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其他介质；如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(⑶)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘常常磁性地再现数据，而碟用激光光学地再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
[0048]除了存储在计算机可读介质上，指令和/或数据还可作为包括在通信装置中的传输介质上的信号来提供。例如，通信装置可包括具有指示指令和数据的信号的收发机。这些指令和数据被配置成使一个或多个处理器实现权利要求中叙述的功能。
[0049]尽管已阐述了具体的电路系统，然而本领域的技术人员将领会，本公开的各方面可用所公开的电路系统的部分来实践。此外，某些众所周知的电路未被描述，以便保持专注于本公开。
[0050]尽管已详细描述了本公开及其优点，但是应当理解，可在本文中作出各种改变、替代和变更而不会脱离如由所附权利要求所定义的本公开的技术。例如，诸如“上方”和“下方”之类的关系术语是关于基板或电子器件使用的。当然，如果该基板或电子器件被颠倒，那么上方变为下方，反之亦然。此外，如果是侧面取向的，那么上方和下方可指代基板或电子器件的侧面。此外，本申请的范围无意被限定于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将容易从本公开领会到的，可以利用根据本公开的现存或今后开发的与本文所描述的相应实施例执行基本相同的功能或实现基本相同结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。相应地，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。
【权利要求】
1.一种在电路块中使用的电源开关，所述电源开关包括: 静电放电(ESD)保护电路系统；以及 与所述ESD保护电路系统共享至少一个组件的电源开关电路系统。
2.如权利要求1所述的电源开关，其特征在于，所述至少一个组件包括至少一个晶体管。
3.如权利要求2所述的电源开关，进一步包括耦合至所述至少一个晶体管的自适应体偏置电路系统。
4.如权利要求1所述的电源开关，其特征在于，所述电源开关电路系统包括头开关电路系统。
5.如权利要求1所述的电源开关，其特征在于，所述电源开关电路系统包括脚开关电路系统。
6.如权利要求1所述的电源开关，集成在移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、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中的至少一者中。
7.一种制造电路的方法，所述方法包括: 沉积静电放电(ESD)保护电路系统；以及 沉积与所述ESD保护电路系统共享至少一个组件的电源开关电路系统。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一个组件包括至少一个晶体管。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括沉积耦合至所述至少一个晶体管的自适应体偏置电路系统。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电源开关电路系统包括头开关电路系统。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电源开关电路系统包括脚开关电路系统。
12.如权利要求7所述的方法，进一步包括，用移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、计算机、手持式个人通信系统(PCS)单元、便携式数据单元、以及固定位置数据单元中的至少一者实现所述方法。
13.—种设备,包括: 静电放电(ESD)保护装置；以及 与所述ESD保护装置共享至少一个组件的电源开关装置。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述至少一个组件包括至少一个晶体管。
15.如权利要求14所述的设备，进一步包括耦合至所述至少一个晶体管的自适应体偏置装置。
16.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述电源开关装置包括头开关装置。
17.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述电源开关装置包括脚开关装置。
18.如权利要求13所述的设备，进一步包括用于将所述设备集成到移动电话、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、计算机、手持式个人通信系统(PCS)单元、便携式数据单元、以及固定位置数据单元中的至少一者中的装置。
【文档编号】H03K19/003GK103907186SQ201280054120
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年11月1日 优先权日:2011年11月1日
【发明者】M·波波维奇, Y-c·C·潘, B·安德弗, J·张, R·贾里泽纳里 申请人:高通股份有限公司