一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构

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1.本发明涉及微电子机械系统(mems)的技术领域，特别是涉及一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构。

背景技术：

2.静电释放(esd)是生活中常见的一种物理现象，其本质就是静电荷从一个物体向另一个物体的传输，在半导体集成电路中，从芯片的制造、封装、测试到使用的整个周期中，esd现象都有可能对芯片造成伤害。当芯片的管脚与外界物体接触时，在纳秒级的时间内，流过管脚的电流可能高达几十安培，芯片内部的电压可能升高到几十甚至几百伏，如果没有esd防护设备，静电释放造成的过高温度、大电流密度和过强电场很可能对芯片造成伤害。而在微波集成电路中，由于esd防护器件的引入了寄生电容等寄生效应，可能造成阻抗失配，因此为微波集成电路设计esd防护难度要更高。
3.本发明即是基于cmos工艺和mems表面微机械加工工艺设计了一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，用以克服传统的微波集成电路静电释放防护技术将静电能通过电阻吸收而造成了因电阻发热系统温度升高的问题；在本发明中，mems固支梁通过一个高频扼流圈与微波集成电路的i/o端口相连，当i/o端口出现静电释放时，固支梁获得大量静电释放的电荷，与下方金属极板出现电势差，受到静电力作用被拉下，静电电荷通过固支梁传输到电荷存储器，电荷存储器上下极板出现电势差，完成静电能到电能的转换，输出直流电压到充电管理电路进行静电能量收集，在进行静电释放防护的同时实现了绿能源的可持续。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，包括第一隔直电容c1、第二隔直电容c2、第一高频扼流圈l1、第二高频扼流圈l2、第一i/o端口、第二i/o端口、第一mems固支梁、第二mems固支梁、微波集成电路(11)、电荷存储器、充电管理电路(12)；其中，
7.第一i/o端口通过第一隔直电容c1接到微波集成电路(11)的输入端，同时通过第一高频扼流圈l1接到第一mems固支梁，第二i/o端口通过第二隔直电容c2接到微波集成电路(11)的输出端，同时通过第二高频扼流圈l2接到第二mems固支梁；
8.电荷存储器下极板(7)接地，电荷存储器上极板(6)与充电管理电路(12)的输入端相连；
9.所述第一mems固支梁和所述第二mems固支梁将静电荷传输到电荷存储器，将静电能量转换为电能，再经充电管理电路(12)完成能量存储。
10.避免了传统的微波集成电路静电释放防护技术将静电能通过电阻吸收而造成了
因电阻发热系统温度升高的问题。
11.进一步的，所述电荷存储器包括：衬底(1)，衬垫氧化层(2)，si3n4层(3)，绝缘层(4)，下极板(7)，上极板(6)和介质层(8)，其中，
12.所述衬底(1)，衬垫氧化层(2)，si3n4层(3)，绝缘层(4)从下到上依次设置，所述电荷存储器下极板(7)置于绝缘层(4)上，介质层(8)位于电荷存储器下极板(7)和电荷存储器上极板(6)之间。
13.进一步的，所述结构还包括：mems固支梁表面金属层(5)，锚区金属柱(9)和锚区底部tin层(10)，其中，
14.所述锚区底部tin层(10)置于绝缘层(4)上，锚区金属柱(9)生长在锚区底部tin层(10)上，所述mems固支梁表面金属层(5)位于电荷存储器上极板(6)上方，并且与电荷存储器上极板(6)之间存在空气间隔，所述mems固支梁表面金属层(5)由两侧的锚区金属柱(9)支撑。
15.进一步的，所述充电管理电路(12)包括dc
‑
dc电路和电池，所述dc
‑
dc电路输入端与所述电荷存储器上极板的连接，所述dc
‑
dc电路将所述电荷存储器输出的直流电压转化为稳定的直流电压输出，从而给电池充电。
16.进一步的，所述第一mems固支梁和所述第二mems固支梁横跨在电荷存储器上极板(6)上方，且对称设置，其中，
17.所述第一mems固支梁通过第一高频扼流圈l1与第一i/o端口连接，相应的，所述第二mems固支梁通过第二高频扼流圈l2与第二i/o端口连接。
18.进一步的，所述第一mems固支梁和第二mems固支梁的表面金属层上刻蚀有多个方形小孔。
19.进一步的，所述衬底(1)为p型si衬底。
20.本发明的有益效果是：
21.1、本发明的结构简单，与标准cmos工艺和mems表面微机械加工工艺兼容，利用标准cmos工艺制备电荷存储器和mems梁主体部分之后，将梁下方牺牲层释放即可；
22.2、本发明与传统的微波集成电路静电释放防护将静电能量通过电阻吸收而造成了因电阻发热系统温度升高不同，不但避免了会出现热可靠性问题，而且对于静电能量加以收集再利用，将静电能转换为电能，体现了绿能源的可持续性；
23.3、本发明中的mems固支梁属于压控器件，减少了器件发热可能带来的损害。
附图说明
24.图1为实施例1中提供的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构的结构示意图；
25.图2为实施例1中提供的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构的俯视图；
26.图3为实施例1中提供的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构的p
‑
p’向的剖面图；
27.图4为实施例1中提供的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构的q
‑
q’向的剖面图。
28.图中包括：1
‑
衬底，2
‑
衬垫氧化层，3
‑
si3n4层，4
‑
绝缘层，5
‑
mems固支梁表面金属层，6
‑
电荷存储器上极板，7
‑
电荷存储器下极板，8
‑
金属间电介质层，9
‑
锚区金属柱，10
‑
锚区底部tin层，11
‑
微波集成电路，12
‑
充电管理电路。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.参见图1
‑
图2，本实施例提供一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，具体包括：第一隔直电容c1、第二隔直电容c2、第一高频扼流圈l1、高频扼流圈l2、第一i/o端口、第二i/o端口、第一mems固支梁、第二mems固支梁、微波集成电路、电荷存储器、充电管理电路12。
31.参见图3
‑
图4，电荷存储器包括：衬底1，衬垫氧化层2，si3n4层3，绝缘层4，下极板7，上极板6和介质层8。
32.具体的说，在本实施例中：衬底1，衬垫氧化层2，si3n4层3，绝缘层4从下到上依次设置，下极板7置于绝缘层4上，介质层8位于下极板7和上极板6之间；衬底1为p型si衬底。
33.更具体的说，mems固支梁包括：mems固支梁表面金属层5，锚区金属柱9，锚区底部tin层10，其中：锚区底部tin层10置于绝缘层4上，锚区金属柱9生长在锚区底部tin层10上，mems固支梁表面金属层5位于上极板6上方，与上极板6之间是空气间隔，mems固支梁表面金属层5由两侧的锚区金属柱9支撑。
34.如图1、图2所示，第一i/o端口连接第一隔直电容c1的输入端，第一隔直电容c1的输出端连接微波集成电路11的输入端，第一高频扼流圈l1的输入端与第一i/o端口连接，第一高频扼流圈l1的输出端与第一mems固支梁连接。微波集成电路11的输出端连接第二隔直电容c2的输入端，第二隔直电容c2的输出端连接第二i/o端口，第二高频扼流圈l2的输入端与第二i/o端口连接，第二高频扼流圈l2的输出端与第二mems固支梁连接。电荷存储器上极板6与充电管理电路的输入端连接，电荷存储器下极板7接地。
35.正常微波信号从第一i/o端口输入，通过第一隔直电容c1输出到微波集成电路11的输入端，经微波集成电路11处理后的微波信号从微波集成电路11的输出端输出，通过第二隔直电容c2输出到第二i/o端口。当第一i/o端口发生静电释放时，静电电荷被第一隔直电容c1阻隔，通过第一高频扼流圈l1传输到第一mems固支梁的锚区，进而传输到第一mems固支梁表面金属层5，mems固支梁表面金属层5与电荷存储器的上极板6间出现电势差，mems固支梁表面金属层5受静电力作用被拉下，电荷由此传输到电荷存储器上极板6上，电荷存储器上极板6和接地的电荷存储器下极板7间出现电势差，向充电管理电路12输出直流电压，将静电能转换为电能。同理，当第二i/o端口发生静电释放时，静电电荷被第二隔直电容c2阻隔，通过第二高频扼流圈l2传输到第二mems固支梁的锚区，进而传输到第二mems固支梁的mems固支梁表面金属层5，mems固支梁表面金属层5与电荷存储器上极板6间出现电势差，mems固支梁表面金属层5受静电力作用被拉下，电荷由此传输到电荷存储器上极板6上，电荷存储器上极板6和接地的电荷存储器下极板7间出现电势差，向充电管理电路12输出直
流电压，将静电能转换为电能。充电管理电路12包括串联的dc
‑
dc电路和电池，电荷存储器输出的电压输入dc
‑
dc电路的输入端，由dc
‑
dc电路将其转化为稳定的直流电压，给电池充电实现静电能量的收集。
36.具体的说，在本实施例中，电荷存储器和mems固支梁制作在同一个si衬底上，选择p型si作为衬底1，通过标准cmos工艺和mems表面微机械加工实现微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构。
37.p型衬底/p型外延层热氧化生长一层的sio2，作为衬垫氧化层2(pad oxide)。在衬垫氧化层上沉积一层的si3n4层3。在此之上采用化学气相沉积(cvd)沉积硼磷硅玻璃(bpsg)即掺有少量硼、磷的二氧化硅，作为绝缘层4，可改善薄膜的流动性和禁锢污染物，绝缘隔离器件和第一层金属。之后通过化学机械抛光(cmp)工艺经行抛光处理，获得光滑的bpsg表面。在抛光后的bpsg表面通过溅射工艺沉积第一层金属，金属的厚度为通过反应离子刻蚀(rie)刻蚀金属，形成电荷存储器下极板7。在第一层金属上采用cvd沉积未掺杂sio2的金属间电介质(imd)材料，imd材料厚度为填充于金属之间，为金属层之间提供绝缘隔离。通过溅射工艺沉积第二层金属，金属的厚度为通过rie刻蚀金属，形成电荷存储器上极板6。采用cvd在第二层金属上沉积未掺杂sio2的金属间电介质(imd)材料，imd材料厚度为采用rie干法刻蚀的方式获得垂直到绝缘层4的侧墙，形成通孔。通孔表面沉积一层tin，再沉积金属，与顶层金属形成连接，形成固支梁的锚区。通过溅射工艺沉积顶层金属，金属的厚度为通过rie刻蚀金属，形成固支梁的梁，并留下用于释放的小孔，小孔的孔径为用气体刻蚀牺牲层，完成牺牲层的释放，形成空气间隙，完成固支梁的制备。
38.实施例2
39.本实施例提供一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构的制备方法，包括如下步骤：
40.步骤s1、准备硅基p型硅衬底，掺杂浓度为10
15
cm
‑
3；
41.步骤s2、在p型衬底/p型外延层热氧化生长一层sio2，厚度为
42.步骤s3、沉积si3n4，厚度为
43.步骤s4、采用cvd方法沉积硼磷硅玻璃(bpsg)，厚度为
44.步骤s5、通过cmp工艺对bpsg表面抛光处理，使其光滑；
45.步骤s6、通过溅射工艺沉积第一层金属，厚度为通过反应rie刻蚀金属，形成电荷存储器的下极板；
46.步骤s7、采用cvd沉积未掺杂sio2的imd材料，厚度为
47.步骤s8、通过溅射工艺沉积第二层金属，厚度为通过rie刻蚀金属，形成电荷存储器的上极板；
48.步骤s9、采用cvd沉积未掺杂sio2的imd材料，厚度为
49.步骤s10、采用rie干法刻蚀的方式获得垂直的侧墙，形成通孔。通孔表面沉积一层tin，再沉积金属，与顶层金属形成连接，形成固支梁的锚区；
50.步骤s11、通过溅射工艺沉积顶层金属，厚度为通过rie刻蚀金属，形成固支梁的梁，以及固支梁表面金属层上用于释放的小孔，小孔的孔径为
51.步骤s12、用气体刻蚀释放牺牲层，形成空气间隙。致此制备完成。
52.区分是否为该结构的标准如下：
53.本发明的微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储包括具有mems固支梁、电荷存储器、微波集成电路、dc
‑
dc电路和电池。电荷存储器的上下极板由第一层金属和第二层金属以及两层金属中间的电介质组成。两个mems固支梁横跨电荷存储器，当i/o端口发生静电释放时，通过高频扼流圈传输到mems固支梁上，固支梁受静电力下拉，从而静电电荷传输到电荷存储器上极板。电荷存储器上极板与充电管理电路输入端连接，下极板接地，当上下极板存在电势差时，向充电管理电路输出直流电压，将静电能转换为电能，最终通过dc
‑
dc电路输出稳定的直流电压向充电管理电路中的电池充电，与传统的微波集成电路静电释放防护将静电能量通过电阻吸收而造成了因电阻发热系统温度升高不同，不但避免了会出现热可靠性问题，而且将静电能量转换为电能，将静电能收集再利用，体现了绿能源的可持续性。
54.满足以上条件的结构即视为本发明的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构。
55.本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
56.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，其特征在于，包括第一隔直电容c1、第二隔直电容c2、第一高频扼流圈l1、第二高频扼流圈l2、第一i/o端口、第二i/o端口、第一mems固支梁、第二mems固支梁、微波集成电路(11)、电荷存储器、充电管理电路(12)；其中，第一i/o端口通过第一隔直电容c1接到微波集成电路(11)的输入端，同时通过第一高频扼流圈l1接到第一mems固支梁，第二i/o端口通过第二隔直电容c2接到微波集成电路(11)的输出端，同时通过第二高频扼流圈l2接到第二mems固支梁；电荷存储器下极板(7)接地，电荷存储器上极板(6)与充电管理电路(12)的输入端相连；所述第一mems固支梁和所述第二mems固支梁将静电荷传输到电荷存储器，将静电能量转换为电能，再经充电管理电路(12)完成能量存储。2.根据权利要求1所述的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，其特征在于，所述电荷存储器包括：衬底(1)，衬垫氧化层(2)，si3n4层(3)，绝缘层(4)，下极板(7)，上极板(6)和介质层(8)，其中，所述衬底(1)，衬垫氧化层(2)，si3n4层(3)，绝缘层(4)从下到上依次设置，所述电荷存储器下极板(7)置于绝缘层(4)上，介质层(8)位于电荷存储器下极板(7)和电荷存储器上极板(6)之间。3.根据权利要求2所述的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，其特征在于，所述结构还包括：mems固支梁表面金属层(5)，锚区金属柱(9)和锚区底部tin层(10)，其中，所述锚区底部tin层(10)置于绝缘层(4)上，锚区金属柱(9)生长在锚区底部tin层(10)上，所述mems固支梁表面金属层(5)位于电荷存储器上极板(6)上方，并且与电荷存储器上极板(6)之间存在空气间隔，所述mems固支梁表面金属层(5)由两侧的锚区金属柱(9)支撑。4.根据权利要求3所述的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，其特征在于，所述充电管理电路(12)包括dc
‑
dc电路和电池，所述dc
‑
dc电路输入端与所述电荷存储器上极板的连接，所述dc
‑
dc电路将所述电荷存储器输出的直流电压转化为稳定的直流电压输出，从而给电池充电。5.根据权利要求3所述的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，其特征在于，所述第一mems固支梁和所述第二mems固支梁横跨在电荷存储器上极板(6)上方，且对称设置，其中，所述第一mems固支梁通过第一高频扼流圈l1与第一i/o端口连接，相应的，所述第二mems固支梁通过第二高频扼流圈l2与第二i/o端口连接。6.根据权利要求3所述的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，其特征在于，所述第一mems固支梁和第二mems固支梁的表面金属层上刻蚀有多个方形小孔。7.根据权利要求3所述的一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，其特征在于，所述衬底(1)为p型si衬底。

技术总结

本发明公开了一种微波集成电路固支梁静电释放防护及其能量存储结构，在该结构中，第一I/O端口通过第一隔直电容C1接到微波集成电路的输入端，同时通过第一高频扼流圈L1接到第一MEMS固支梁，第二I/O端口通过第二隔直电容C2接到微波集成电路的输出端，同时通过第二高频扼流圈L2接到第二MEMS固支梁；电荷存储器下极板接地，电荷存储器上极板与充电管理电路的输入端相连；第一MEMS固支梁和第二MEMS固支梁将静电荷传输到电荷存储器，将静电能量转换为电能，再经充电管理电路完成能量存储。避免了传统的微波集成电路静电释放防护技术将静电能通过电阻吸收而造成了因电阻发热系统温度升高的问题。升高的问题。升高的问题。