专利名称：检测并测量静电荷的装置的制作方法
技术领域：
根据权利要求1的前序，本发明涉及一种装置，其检测并测量位于距该装置的输 入电极一定距离处的对象上的静电荷。
背景技术：
从美国5，315，254已知这样的装置。设备使得实现如下测量其使得位于距该设 备所谓安全距离处的对象确认与静电放电事件相关的问题。在美国2002/0063562中示出了显示权利要求1的前序的特征的装置。所述装置 能够响应于来自感测电极的信号生成低压电信号。该装置使用限光器(occluder)来调制 感测电极的信号，并且不能够在不使用这样调制器的情况下感测带电对象的电荷。使用的 晶体管在1700伏特的范围中工作，并且利用齐纳二极管保护其免受过电压的损坏。由于存 在连接到栅极的二极管，因此将不可能从在输入电极附近的带电对象检测静电荷。在美国4，084，134中示出了另外的类似装置，其将探针(probe)与场效应晶体管 连接。探针还经由高输入电阻器连接到电池，以在高压电荷的情况下保护装置。装置检测 特定电势处的导体与地之间的电压差。它不能检测带静电的非导电材料。静电放电(ESD)是当对象被充电时发生的物理现象。当不同材料的两个对象(每 个具有不同电子亲和力)被放在一起或分开时发生充电，通过从一个材料到另一个的电子 迁移而导致电荷的变化。由于该效应，在放电之前可以累积大约几千伏的大电压。在微电子工业中，由ESD事件造成的电子装置的破坏依然产生巨大损失。引起高 代价故障的有害ESD事件可能在IC(集成电路)的晶片处理、测试、接合以及封装期间以及 在电子模块的生产期间发生。在高级CMOS (互补型金属氧化物半导体)工艺的生产中使用的更薄的栅极电介质 层、封装密度的持续增加以及IC内的内部部件的减小的几何形状使得IC芯片对静电放电 越来越敏感。在实现与人、装置、封装、机器、材料、方法、环境以及训练相关的抗静电预防方面， 在微电子装置的生产线内的静电保护区域中的ESD事件的防止需要巨大努力。尽管在半导体工业中为保护装置免受ESD破坏做出了巨大努力，但ESD仍然是严 重问题。因此，能够持续监视并测量半导体的制造区域和微电子工厂内的人、机器以及电子 仪器上的静电荷的水平是重要的。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于持续监视在生产环境中生成的静电荷的廉价 并有效的装置。本发明描述了能够检测电荷的、根据权利要求1的前序的电子装置的概念、原理 以及构造。这样的装置被称为ESCM(静电荷监视器)。在本文中提出的ESCM实质上是电池供电的电子非接触式验电器，其具有非常小
3的尺度，并且很轻，因此是容易便携的。ESCM可以被装配到几立方厘米体积的封装中，因此 可以被制成小于铅笔。静电荷存在于静电荷出于任何原因可以积聚的任何地方。电荷的积聚可在表面 (例如，涂层)上或体积(例如，空气)内发生。根据本发明的装置直接使用MOS(金属氧化 物半导体)晶体管栅极来检测该电荷。本发明不但能够检测电荷的存在，而且能够确定它 是否对电子器件造成危险。仅在电荷聚集在栅极的情况下，装置才将起作用。它将不对附 于栅极的电容器中的纯变化起作用。通过使用厚(1到2微米)栅极电介质层(SiO2)来保 护装置中使用的晶体管。根据本发明的装置的另外优点是，如果没有电荷存在，那么ESCM中的晶体管关 断，并且没有通过源极-漏极的电流流过。如果没有电流流过，那么不消耗电池功率。优选 地设计用信号通知电荷的存在的另外部件(诸如LED(发光二极管)或压电声学装置)，使 得仅当检测到MOS晶体管导通时才激活它们。有如下可能装置中没有电流流动，除非存在 电荷。在图3中给出了使用这些特征的实施例的示例。该电路能够检测正和负电荷。为了 实现这个目的，存在两个输入MOS晶体管，一个是η沟道，并且另一个是ρ沟道。带正电的 对象将把η沟道MOS切换到导通，并且带负电的对象将把ρ沟道装置切换到导通。除了 SiO2层的氧化物厚度之外，根据本发明的装置还包括输入电极与栅极之间 的直接连接，其是直接的，并且其中，所述低电阻与装置没有另外的连接，其具有低于由MOS 晶体管20内的栅氧化层连接提供的阻抗的电阻。在从属权利要求中记下本发明的另外实施例。根据本发明的ESCM相对于现有技术中的其它检测器具有下面优点它是非常简 单的并且是低成本构造。该装置允许低电压电池工作。该装置具有非常低的功耗(即，仅 当检测到电荷时)。该装置可以被安装在具有非常小尺度的外壳中，这提高了便携性。装置 的概念允许数量上确定生成的ESD电压。由于简单，因此该装置是非常可靠的。可以使用 大部分现有的CMOS技术来制造使用的场晶体管。该装置检测带静电的对象，而不需要接触 它们。电荷检测的原理是完全静态的。由带电对象产生的电场不需要被转换成交替信号。 这通常将增加装置的复杂性、功耗、体积等。因为电荷的检测原理是完全静态的，因此装置 不影响带电对象，只要带电对象不被检测器接触，则它将保持初始电荷量。即使由于装置的 非常高的输入电阻使得带电对象与检测器隔开，在晶体管栅极上感应的电荷仍将保持。该装置可以用于下面非限制性应用列表-作为用于电子装配区域中操作者的便携式报警器。-作为用于电子部件的装配设备的ESD报警系统。-作为用于半导体生产设备的ESD报警系统。-作为用于晶片测试设备的ESD报警器。_在静电放电可能引起爆炸材料的爆炸和火灾的区域中。-为了调查静电保护区域内的临界点。-在利用易燃性材料工作的化学实验室。-作为用于易受静电充电的汽车或其它交通工具的ESD报警系统。


在下面参照附图描述本发明的优选实施例，它们是用于示出本发明的本优选实施 例的目的，而不是用于限制本发明的本优选实施例的目的。在附图中图1示出了位于距装置一定距离处的带电对象的前面的、根据本发明的装置的物
理原理；图2示出了在根据本发明的装置中使用的η沟道MOS晶体管的横截面；图3示出了使用根据图2的晶体管的、根据本发明的装置布局的实施例；图4示出了仅使用MOS晶体管的装置的另一实施例；图5示出了用于根据图1到4之一的检测器的灵敏度调整电路；图6示出了具有与钝化层连接的隔离栅氧化层的、根据本发明的装置的实施例的 MOS晶体管的横截面；以及图7示出了关于根据图6的装置的特定层的示意图。
具体实施例方式图1示出了在对象100前面的、根据本发明的ESCM(静电荷监视器)10的物理原 理，其中，对象100具有电荷q，并位于距装置10的距离r处。ESCM是电子装置10，其能够检测带正电和带负电的对象。放在ESCM附近(距离 r)的任何带电对象100将感应电场，并且这转而将引起ESCM的输入电极11的电势的增加。 工作的物理原理基于MOS晶体管20的栅电极21的充电。在栅电极上感应的电荷量将是 Vgs*CoX，其中，Cox是栅电极电容。当带电对象100(经由电极11)接近MOS晶体管20的 栅极21时，由于带电对象100产生的电场，栅极21的电势将变化。原则上，输入电极可以 包括任何导电材料。如果ESCM仅用作电荷检测器，那么电极的尺寸不是非常大。如果ESCM 用于测量静电电势，那么当校准装置时必须考虑尺寸。晶体管20的栅电极21的电势的变化将在MOS晶体管20的源极22与漏极23之 间产生导电沟道，因此将它切换为导通。基于该原理，有可能构造装置10，其能够表示位于它附近的对象100是否带电。换句话说，当带电对象100接近MOS晶体管20的栅极21时，将在晶体管20的栅极 21上感应电荷，结果，晶体管沟道区域将变得反向。然后，装置10被接通，并且电流将在晶体 管20的漏极23与源极22之间流动。栅电极与电路的其它部分完全隔离。从栅极到电路的 另一部分不存在显著能量传递。通过小电池提供开关LED或/和声学装置需要的能量。在能够检测静电荷的MOS晶体管的设计中必须采取基本预防，以避免它的破坏。 用于生产特殊MOS晶体管的布局、结构以及技术是用于静电荷检测的该新颖方法的基本思
术g
；ο由于栅极21上感应的高电势将破坏栅极电介质(SiO2)层，因此确认以CMOS技术 制造的所有传统MOS晶体管不能用于带静电对象100的检测。该类ESD破坏导致栅极21 与源极22、漏极23或衬底26之间的短路。为了从带电对象100收集足够的电荷，晶体管的栅电极21必须是浮置的。另外， 为了使在栅电极上感应的电荷的损失最小化，从输入电极11到晶体管的栅电极21的输入 路径对晶体管的衬底、源极和漏极必须具有非常高的电阻(>=1到5*1013欧姆)，因此对
5于输入晶体管要求特殊设计考虑。换句话说，输入电极11与栅电极21之间的连接是直接 的并且是低电阻连接50。所述低电阻连接50与装置没有另外的连接，其具有低于由在MOS 晶体管的栅电极下面的栅氧化层24提供的电阻的电阻。由于漏电流将耗散感应的电荷并且抑制栅极电势，因此二极管或晶体管不能用于 保护电介质栅极。根据本发明的装置使用MOS晶体管，其具有大约几微米的非常厚的栅氧 化层。优选地，厚度是1与2微米之间。这是由于两个原因栅极电介质层必须经受住若干 千伏(kV)的电压。第二，在栅电极中积聚的电荷必须被保留在那里以使得晶体管导电。在 栅极电介质将更薄的情况下，穿过栅极电介质的大电场将通过穿过(tunnelthrough)电介 质栅极层注入电子，并且对栅电极进行放电，使得晶体管将不切换到导通。选择栅氧化物的厚度，使得栅极21可以经受住若干千伏(kV)的电压。图2更具体地示出了根据图1的MOS (金属氧化物半导体)场效应晶体管20的横 截面；它示出了 η沟道MOS晶体管20的横截面。栅电极21位于大约1到2 μ m厚度的厚氧 化层24上。厚氧化层包括二氧化硅(Si02)。在CMOS技术术语中，该晶体管通常被称为“场 晶体管”。IC上的普通(有源)CMOS晶体管具有薄栅氧化层(5nm到50nm)，如以上说明的 那样，其不适合用于静电荷检测。防止由ESD事件造成的晶体管破坏的超厚(> 1. 0微米)栅极电介质层24在衬 底26、n掺杂区25以及用于源极22和漏极23的相应金属触点上延展。然后，衬底26连接 到背栅(back-gate) 27，在图1的情况下，背栅27经由寄生电容12连接到地13。对于本领域的技术人员，有可能以传统CMOS技术制备这样的专用场晶体管。从这 个角度上，有可能在单个芯片中集成一起包含输入场晶体管20和高性能晶体管(其是普通 MOST (金属-氧化物半导体晶体管)器件)的电路。这使得可能实现具有不同复杂度和应 用的单片电荷检测装置(IC)的构造。因为在晶片厂中不需要具有特殊技术，因此这是很大 的优点。图3示出了使用根据图2的晶体管的、根据本发明的装置的实施例。现在说明根 据图3的ESCM的工作，其中，这样的非接触式验电器可以用于监视任何特定对象的静电电 荷状态。对象可以是人体、机器、工具或电子部件。在图3呈现的实施例中的ESCM 30是简 单构造，仅具有LED31和声响报警器32，其被切换到开以表示在输入11附近的带电对象的 接近。换句话说，MOS场晶体管33、34的漏极23连接到这样的电荷报告元件31、32，其仅当 检测到电荷时才具有电流消耗。可以通过在监视器模块的输入电路中增加外部部件(电容器)来调整LED 31被 接通的门限电压。实际上，装置的门限电压应该被设置到50到100V之间。工作的范围是50 到1500V。必须设计ESD监视器30，使得它经受得住高达根据人体(HBM)ESD模型 (JESD22-A114-B)的 2000V 或根据机器(MM)ESD 模型(JESD-A115-A)的 200V 的放电，上述 两个模型是JEDEC(电子器件工程联合委员会)提供的标准。根据图3的实施例包括根据图2的两个输入晶体管33和34，其中，它们的栅极连 接到输入11。一个输入晶体管33被提供用来检测正电荷。另一输入晶体管34被提供用 来检测负电荷。一旦ESCM的输入晶体管33或34由于静电荷的检测而被切换到导通，那么 来自晶体管的漏极的信号可以用于不同目的例如，光学或/和声学装置可以被切换到开。
6图3示出了分别使用双极晶体管35和36来开关LED 31和声学部件32的这样的电路的示 例。注意，简单电池37可以提供用于装置30的必需电源，例如，3V电池。图4示出了仅使用MOS晶体管的装置40的实施例。为了能够检测正和负电荷，在 检测器的输入处需要η沟道和ρ沟道MOS场晶体管。当带正电的对象接近输入11时，η沟道MOS场效应晶体管34被切换到“导通”，并 且漏极具有接近0伏的电压。ρ沟道晶体管46的栅极连接到η沟道场晶体管34的漏极。 因此，晶体管46被切换到“导通”，并且电流通过它流到LED 31和声响报警器32。ρ沟道 MOS场晶体管33是“关断”，并且漏极具有由下拉电阻器R248引起的0伏的电压。下面的 晶体管45也将是“关断”，并且没有电流将流过连接到晶体管45的LED和声响报警器。类 似地，当带负电的对象接近输入11时，P沟道场晶体管33被切换到“导通”，因此连接到晶 体管45的LED 31和声响报警器32将激活。当没有电荷靠近输入11时，输入晶体管33和 34都将“关断”。因此，由于电阻器R147和R248将栅极拉为“关断”，因此下面晶体管45和 46将关断。图5示出了用于根据图1到4之一的检测器的灵敏度调整电路。可以通过如图5 所示将简单的电容分压器60放置在输入11上以增加可以在ESC监视器的输入处测量的静 电压范围，即，在图1的输入电极11与栅电极21或通常在装置10的输入之间(例如，在图 3或4的栅电极33和34前面)设置电容器Cl和C2，改变根据本发明的实施例的检测器的 灵敏度。由从输入电极11通向分压器60的、包括电容器Cl和C2的第一部分51和从一个 电容器Cl通向栅极21的第二部分52 (其中，另一电容器C2与地面连接)替换低电阻连接 50。装置的极高输入电阻意味着即使晶体管的背栅27没有连接到地13，它也工作。装 置与地13之间的寄生电容12足够使背栅27保持在相对于输入的高电势非常低的电势。这 是用于便携式使用的优点。可以通过在输入处增加电容分压器来调整触发监视器需要的感应电压门限。然 而，这样的电容分压器的使用是可选的而不是强制的。根据本发明的装置可使用电容分压 器来设置门限。图6示出了具有与钝化层120连接的隔离栅氧化层24的、根据本发明的装置的 n-MOS晶体管的横截面，其中，如以下说明的那样，钝化层120包括两层。如以上提到的那 样，以下是重要的输入电极11与栅极21之间的连接相对于地、晶体管的源极和漏极必须 是非常好地隔离的(比电阻> 10150hm*cm)。通常，装置覆盖有钝化层120，其由例如等离子 体SiN3和等离子体SiO2构成。等离子氮化层424具有低于氧化层(10160hm*cm)324的比 电阻(10130hm*cm)。为了避免从栅电极21丢失电荷，氮化物钝化层120的开口 425必须大 于氧化物钝化层324的开口 325。如果没有采取该预防，那么可能在氮化物层424的边缘和 沿氧化物钝化324的壁的金属垫221之间产生漏电流。该效应将对栅电极21进行放电，并 且阻止对装置的灵敏度具有负面影响的少量电荷的检测。计算可用的电阻为比电阻*氧化 物厚度/栅极面积的乘积。栅氧化层24优选地是Si02。然而，可以使用具有在10160hm*cm并且优选地大于 IO16Ohm^cm的范围内的电阻率的任何电介质。使得栅极连接321与环境隔离的氧化物层324
7还被称为另外的隔离钝化层324，其覆盖有氮化物钝化层424。在主体区的ρ衬底126内，存在嵌入在η井125中的两个η+掺杂区25。厚SiO2层 24使得衬底和掺杂区与源极22、栅极21以及漏极23触点隔开。金属源极22和漏极23层 通过SiO2层24与掺杂区25接触。这三个触点经由厚IML或中间SiO2层224(还被称为中 间隔离层)被隔离，其中，向通向栅极接触垫221的金属层321提供连接。利用另外的等离 子体SiO2层324保护金属层321，并且其最后覆盖有最上的钝化层424 (通常是Si3N4层)。 该层424用于保护晶体管免受来自外部的Na+污染和H2O扩散。Si3N4钝化层424与SiO2钝 化层324之间存在偏移121 (例如，5到15微米之间，优选地10到15微米)，以避免金属垫 与Si3N4层(如前所述，其不是理想隔离体)之间的泄漏。通过引入间距121，增加氮化物 层424与垫表面221之间的间隔，使得两者之间的电阻也增加。中间SI02224的厚度以及 另外的等离子体SIO2钝化层324的厚度足够防止通过这些层的任何泄漏。可以选择层224 的层厚度，例如，在1与4微米之间，优选地2与3微米之间。可以选择层324的层厚度，例 如，在0. 5与1微米之间。由本领域的普通技术人员选择Si3N4钝化层424的厚度，通常为 0.5到1.0微米。图7示出了关于根据图6的装置的特定层的示意图，而没有示出钝化和隔离层。很 好地保护中间SiO2层224下的栅极触点21免受任何泄漏。这里，从上面垂直于栅极触点 21的角度观看，源极22和漏极23触点通常包括用于另外连接的金属线92和93。该触点 21通过SiO2层224连接到所述层224上，并且经由线321连接到栅极垫221，其中，两个金 属元件被设置在所述SiO2层224上，因此被保护免受与衬底126上的电路的任何接触。然 而，它还必须与外部连接，并且被保护免受通过钝化层324和424的泄漏。因此，本实施例 选择根据图6的下面SiO2隔离层324和上面Si3N4钝化层424的组合，其具有避免垫221 与Si3N4层424之间的泄漏的间隙121。在图7中示出的两个正方形与氮化物层424的开 口 425和氧化物层324的开口 325相关。在附图中示出的晶体管是被称为场晶体管的特殊厚栅氧化物晶体管。
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权利要求
1.一种装置(10，30，40)，用于检测并测量位于距所述装置(10，30，40)的输入电极 (11)距离(r.)处的对象(100)上的静电荷(q)，所述装置包括至少一个金属氧化物半导体 晶体管(20，33，34)，其中，所述装置的所述输入电极(11)与所述至少一个金属氧化物半导 体晶体管(20，33，34)的栅电极(21)连接以检测所述电荷，其特征在于，所述金属氧化物 半导体晶体管(20，33，34)包括在所述栅极(21)下面并且在源极(22)和漏极(23)区上面 的栅氧化层(24)，其具有大于1微米的厚度，并且在于，所述输入电极(11)与所述栅电极 (21)之间的连接是直接的并且是低电阻连接(50)，并且在于，所述低电阻连接(50)与所述 装置没有另外的连接，其具有低于由在所述金属氧化物半导体晶体管(20，33，34)内的所 述栅氧化层(24)连接提供的电阻的电阻。
2.根据权利要求1所述的装置(10，30，40)，其中，所述栅氧化层(24)的厚度在1.3与 3微米之间，优选地在1. 3与2微米之间。
3.根据权利要求1或2所述的装置(10，30，40)，其中，所述栅氧化层(24)是SiO2或 具有大于10160hm*cm的电阻率的电介质。
4.根据权利要求1到3之一所述的装置(10，30，40)，其中，电荷报告元件(31、32)被适 配用于提供光学和声学报告信号，特别地，所述电荷报告元件分别是发光二极管和扬声器。
5.根据权利要求1到4之一所述的装置(10，30，40)，其中，电池(37)被设置作为电源。
6.根据权利要求1到5之一所述的装置(10，30，40)，其中，提供灵敏度调整电路，优选 地包括连接到所述金属氧化物半导体晶体管的输入的电容器的组合，特别地，电容分压器。
7.根据权利要求1到6之一所述的装置(10，30，40)，其中，由中间隔离层(224)覆盖 所述栅电极(21)、漏电极(23)以及源电极(22)，其中，所述栅电极(21)连接到要与所述输 入电极(11)连接的所述中间隔离层(224)上的栅极垫(221)，其中，栅电极(21)与栅极垫 (221)之间的连接(321)与覆盖有氮化物钝化层(424)的另外的隔离钝化层(324)隔离。
8.根据权利要求7所述的装置(10，30，40)，其中，在氮化物钝化层(120)与另外的钝 化层(324)之间提供偏移(121)，以避免所述钝化层(424)与所述栅极垫(221)之间的泄 漏。
全文摘要
本发明提供了一种检测并测量静电荷的装置，所述装置(10)检测并测量位于距装置(10)的输入电极(11)距离(r.)处的对象(100)上的静电荷(q)，其包括至少一个MOS场晶体管(20)。输入电极(11)与MOS-FET(20)的栅电极(21)连接，以检测所述电荷。MOS-FET(20)可以包括在栅极(21)下面并且在源极(22)和漏极(23)区上面的栅氧化层，其具有足够厚度，以允许MOS场晶体管(20)经受住若干千伏(kV)的电压，并且避免由于在ESD事件期间的栅电极的高电势的隧道效应造成的电荷损失。
文档编号G01R29/24GK102004195SQ20101027388
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者乔斯·索洛·德·萨尔迪瓦, 菲利普·约翰·普尔 申请人:米克罗杜尔有限公司