CN113272665A - 用于电气过应力事件的检测和防护的火花间隙结构 - Google Patents

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Abstract

所公开的技术通常涉及电气过应力保护装置，并且更具体地涉及用于检测半导体器件中的电气过应力事件的电气过应力监控装置。在一方面，电气过应力监控器和/或保护装置包括两个不同的导电结构，被配置为响应于EOS事件而电弧放电；以及感测电路，被配置为检测由EOS事件引起的两个导电结构的物理特性变化。这两个导电结构具有彼此面对的表面，这些表面具有不同的形状。

Description

用于电气过应力事件的检测和防护的火花间隙结构
参考引用
本申请要求享有2018年3月26日提交的美国临时申请No.US 62/648,360和2018年3月27日提交的美国临时申请No.US 62/648,745的优先权的权益，为了所有目的，将其全部公开内容通过引用整体并入本文。
本申请还与2017年9月19日提交的美国申请No.15/708,958有关，其全部公开内容出于所有目的通过引用合并于此。
技术领域
所公开的技术总体上涉及用于解决电气过应力的设备，并且更具体地涉及用于检测、监控和/或保护半导体设备中的电气过应力事件的设备。
背景技术
某些电子系统可遭受电气过应力(EOS)事件。由于电子设备经历的电流和/或电压超出了电子设备的指定限制，因此此类事件可损坏电子设备。例如，电子设备会经历瞬态信号事件或持续时间短并且具有快速变化的电压和/或电流并具有高功率的电信号。瞬态信号事件可以包括例如静电放电(ESD)事件，该事件是由于电荷从物体或人突然释放到电子系统或电子设备电源的电压/电流尖峰引起的。此外，无论设备是否通电，都可发生EOS事件。
电气过应力事件，例如瞬态信号事件，可由于过压条件和IC相对较小区域中的高功耗水平而损坏集成电路(IC)。高功率耗散会提高IC温度，并可导致许多问题，例如栅氧化层击穿、结损坏、金属损坏、表面电荷积累等、或其任意组合。
为了诊断设备故障或预测设备寿命，表征EOS事件可很有用，例如在电压、功率、能量和持续时间方面。但是，例如，由于某些EOS事件的持续时间可能非常短，因此很难进行表征。因此，需要开发一种EOS监视器，该EOS监视器可以检测和中继警告，并可以提供有关EOS事件的信息至少是半定量的。
发明内容
在一方面，电气过应力(EOS)监控器/保护装置包括两个不同的导电结构，被它们之间的间隙隔开，并且被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中两个导电结构的相对表面具有不同的形状。EOS监控器/保护装置还包括感测电路，被配置为检测由所述EOS事件引起的EOS监控器/保护装置的物理特性的变化。
在另外方面，电气过应力(EOS)监控器/保护装置包括一对导电结构，被配置为响应于EOS事件而以小于约100V的触发电压电弧放电。两个导电结构集成在半导体基板上，并被用作电弧放电介质的介电层隔开。
在另外方面，电气过应力(EOS)监控器/保护装置包括：一对导电结构，被配置为响应于EOS事件而电弧放电；和电连接到所述导电结构之一的熔丝。EOS监控器/保护装置还包括阻挡装置，电连接到所述导电结构之一，并且被配置为使得响应于EOS事件，相对于所述阻挡装置，较大量的电流流过所述熔丝。
在另外方面，电气过应力(EOS)监控器设备包括EOS监控器结构，该结构包括一个或多个火花间隙结构，该火花间隙结构被配置为响应于EOS信号而电弧放电。EOS监控器设备还包括感测电路，该感测电路被配置为检测由EOS信号引起的EOS监控器结构的物理特性的变化。
在另外方面，集成电路器件，包括半导体基板和集成在半导体基板上的一个或多个火花间隙结构，并配置为响应于EOS信号在小于约100V的触发电压下电弧放电。
在另外方面，一种装置，包括一对导电结构，用作被配置为响应于EOS信号而电弧放电的阴极-阳极对，该装置还包括与该对导电结构串联的集成熔丝。
在另外方面，一种装置，包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，被配置为响应于EOS信号而电弧放电，其中该对中的两个导电结构中的一个但不是另一个包括多个突起。
在另外方面，一种装置，包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，被配置为响应于EOS信号而电弧放电，其中一个导电结构包括面对另一个导电结构的垂直边缘。
在另外方面，一种装置，包括一对用作阴极-阳极对的导电结构，被配置为响应于EOS信号而电弧放电，其中该对导电结构之一包括导电线路，被配置为在电流通过时减小宽度，从而使该对导电结构之间的间隙距离可调。
在另外方面，一种装置，包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，被配置为响应于EOS信号而电弧放电，其中导电结构中的一个或两个被配置为相对于彼此在位置上移位，使得该对导电结构之间的间隙距离是可调的。
在另外方面，一种装置，包括一对导电结构，用作被配置为响应于EOS信号而电弧放电的阴极-阳极对，其中导电结构包括：第一导电结构，该第一导电结构在电弧放电期间用作阴极或阳极中的一个，以及第二导电结构，该第二导电结构横向围绕第一导电结构，并且在电弧放电期间用作阴极或阳极中的另一个。
在另外方面，一种装置，包括用作阴极-阳极对的多对导电结构，被配置为响应于EOS信号而电弧放电，其中不同的成对的导电结构被不同的电弧介质插入，从而使不同的成对结构被配置为在不同条件下电弧放电。
在另外方面，一种装置，包括垂直地堆叠在基板上的多对导电结构，其中每对导电结构用作被配置为响应于EOS信号而电弧放电的阴极-阳极对。
在另外方面，一种装置，包括一对用作阴极-阳极对的导电结构，被配置为响应EOS信号而电弧放电，其中该对导电结构包括在两个金属层之间形成的部分导电通路，其中部分导电通路在第一端与两个金属层中的一个接触，而在第二端与两个金属层中的另一个分开。
在另外方面，一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，被配置为响应于EOS信号而电弧放电，其中该对导电结构包括在半导体基板中掺杂的掺杂区域，该掺杂区域相对于半导体基板重度掺杂，在电弧放电过程中作为阴极或阳极之一的掺杂区域，以及在电弧放电过程中作为阴极或阳极另一个的取代区域上方形成的导电结构，其中掺杂区域和导电结构被介电层插入。
在另外方面，一种装置，包括在电弧放电期间在用作阴极或阳极之一的基板上形成的导电层和在电弧放电期间用作在阴极或阳极另一者的导电层上方形成的导电结构，其中导电层和导电结构被介电层插入。
在另外方面，一种装置，包括一个或多个火花间隙结构，其中一个或多个火花间隙结构包括由空隙横向隔开的一对金属层，其中所述一对金属层在介电层之间垂直地形成。
在另外方面，一种装置，其包括用作阴极-阳极对的多对导电结构，被配置为响应于EOS信号而电弧放电，其中所述一对导电结构包括在电弧放电期间用作阴极或阳极中的一个的第一导电结构，以及在电弧放电期间用作阴极或阳极中的另一个的多个第二导电结构。
在另外方面，一种装置，包括一对导电结构，用作被配置为响应于EOS信号而电弧放电的阴极-阳极对，其中所述装置还包括熔丝，其与所述导电结构之一电串联连接，并且其中所述装置还包括在所述导电结构之一和感测电路之间形成的阻挡装置，其中阻挡装置被配置为使得穿过阻挡装置的电流路径相对于穿过熔丝的电流路径是更高的电阻路径。
在另外方面，一种装置，包括用作阴极-阳极对的多对导电结构，被配置为响应于EOS信号而电弧放电，其中，该对导电结构通过桶隔离而彼此隔离，该桶隔离包括形成在衬底中的掩埋掺杂层。
在另外方面，电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括两个导电结构，被它们之间的间隙隔开，并且被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中两个导电结构的相对表面包括沿与导电结构之间的最短间隔的方向正交的方向延伸的直边缘。EOS监控器/保护装置还包括感测电路，被配置为检测由EOS事件引起的EOS监控器/保护装置的物理特性的变化。.
在另外方面，电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括两个导电结构，被它们之间的间隙隔开，并且被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中这两个导电结构在第一金属化层上形成。EOS监控器/保护装置还包括在第二金属化层和第三金属化层中的一个或两个处形成的屏障结构，第二金属化层和第三金属化层紧邻第一金属化层，其中阻挡结构被配置为抑制由EOS事件引起的裂纹的形成或传播。
附图说明
现在将通过非限制性示例的方式参照附图描述本公开的实施例。
图1A是根据实施例的具有核心电路和包括间隔的导电结构的电气过应力(EOS)监控器设备的半导体装置的示意图。
图1B示出了具有示例核心电路的图1A中示出的半导体器件的一种实施方式。
图1C是根据实施例的在电弧响应于EOS事件之前和之后的，包括一对间隔开的导电结构的电气过应力(EOS)监控器设备的示意图。
图1D是根据实施例的EOS监控器设备的示意图，该EOS监控器设备包括并联电连接的多对间隔的导电对。
图1E是根据实施例的包括与熔丝串联电连接的一对间隔开的导电结构的EOS监控器设备的示意图。
图2A是根据实施例的具有多层互连金属化的半导体器件的示意性截面图，其中，多层中的一个或多个可以包括EOS监控器设备。
图2B是示出根据实施例的实验观察到的电弧电压与在各种金属化水平下形成的导电结构的间距之间的相关性的图。
图3和图4是根据实施例的EOS监控器设备的示意图，该EOS监控器设备包括被配置为监测与EOS事件相关联的电压和/或能量的多对间隔的导电结构。
图5A和图5B是根据实施例的EOS保护装置的示意图，该EOS保护装置包括被配置为用作静电放电(ESD)装置以保护核心装置免受EOS事件影响的多对间隔的导电结构。
图6示出了根据实施例的一对间隔开的导电结构和ESD装置的准静态电流-电压曲线。
图7A和图7B是根据实施例的EOS监控器设备的示意图，该EOS监控器设备包括配置成监测与EOS事件相关联的电压和/或能量的多个成对的间隔开的导电结构对。
图8A是根据实施例的EOS保护和监控装置的示意图，该EOS保护和监控装置包括被配置为静电放电(ESD)装置以保护核心装置免受EOS事件影响的多个串联连接的成对的间隔开的导电结构。
图8B是根据实施例的EOS保护和监控装置的示意图，其包括配置成监视EOS事件的多个成对的间隔开的导电结构对和配置成保护核心设备免受EOS事件影响的单独的静电放电(ESD)设备。
图9A是根据实施例的，以与对应于不同触发电压的不同间隙并联电连接的多对隔开的导电结构对的示意性俯视图。
图9B是根据实施例的光刻图案化的沉积的金属层的示意性俯视图，其示出了并联电连接的成对的隔开的导电结构对的不同构造。
图10A是根据实施例的以与对应于不同触发电压的不同间隙并联电连接的多对间隔的导电结构的示意性俯视图。
图10B是根据实施例的光刻图案化的沉积的金属层的示意性俯视图，其示出了并联电连接的成对的隔开的导电结构对的不同构造。
图11是根据实施例的可以与火花-间隙装置串联连接的熔丝的示意性俯视图。
图12示出了根据实施例的在电气过应力(EOS)监控器设备上测量的实验电流-电压曲线，该设备包括并联电连接的多对隔开的导电对。
图13是示出根据实施例的，在电弧电压和EOS监控器设备的间隔之间的实验观察到的关系的图，每个EOS监控器设备包括在半导体设备中的后端(BEOL)金属化的各种金属化水平形成的一对间隔开的导电结构，以用于线路(BEOL)的后端。
图14A和图14B是根据实施例的在电弧响应于EOS事件之前和之后的包括一对隔开的导电结构的电超应力(EOS)监控器设备的示意图。
图15是示出根据实施例的实验观察到的电弧电压与一对间隔的导电结构之间的间隔之间的晶片级关系的图。
图16是示出根据实施例的实验观察到的电弧电压(也称为击穿电压或BV)与在金属1水平下形成的一对间隔的导电结构之间的间隔之间的晶片水平关系的图。
图17是示出根据实施例的实验观察到的电弧电压与在金属3水平下形成的一对间隔的导电结构之间的间隔之间的晶片水平关系的曲线图。
图18是示出根据实施例的实验观察到的电弧电压与在金属1和3水平处形成的一对间隔的导电结构之间的间隔之间的晶片水平关系的图。
图19是示出根据实施例的实验观察到的电弧电压与以金属3水平形成的一对间隔的导电结构的间隔之间的晶片水平关系的图。
图20是示出根据实施例的，对于在金属1水平上形成的一对间隔的导电结构的标称间隔的，实验观察到的跨晶片的电弧电压的可重复性的图。
图21是根据实施例的平行电连接的多对隔开的导电结构对的俯视图，该导电结构被钝化覆盖。
图22是根据实施例的并联电连接的多对隔开的导电结构对的示意性俯视图，该导电结构具有包括间隙的暴露部分。
图23示出了根据实施例的跨多对间隔的导电结构(在图25B中示出)的DC扫描的电流-电压(IV)曲线。
图24是曲线图(Wunsch-Bell曲线)，其示意性地示出了功率密度对故障的依赖性对电子电路所施加的脉冲宽度的依赖性。
图25是示出根据实施例的具有不同间隙的各对隔开的导电结构对的触发电压的温度依赖性的曲线图。
图26A示出了根据实施例的在使用金属2结构制造的一对间隔的导电结构上测量的非常快的传输线脉冲(VFTLP)电流-电压(IV)曲线。
图26B示出了对应于图26A的VFTLP IV曲线的重叠的电压-时间(V-t)曲线和电流-时间(I-t)曲线。
图27是示出在传输线脉冲(TLP)测试条件下，由不同材料形成的成对的间隔开的导电结构对的触发电压对间隙距离的依赖性的曲线图。
图28A示意性地示出了使用具有不同负载值的传输线在传输线脉冲测试下实验性地控制有效保持电压。
图28B示出了关于图28A所示的负载值对保持电压的影响的实验验证。
图29A是根据实施例的与形成在包括间隙并填充有不同材料的钝化层中的开口平行电连接的多对间隔的导电结构的示意性俯视图，该导电结构与开口平行地电连接。
图29B是根据实施例的，与形成在包括间隙并填充有不同材料的钝化层中的开口平行地电连接的多对间隔的导电结构的示意性俯视图，该导电结构与开口平行地电连接。
图29C是根据实施例的，与形成在包括间隙并填充有不同材料的钝化层中的开口并联电连接的多对间隔的导电结构的示意性俯视图，该导电结构与开口平行地电连接。
图30是根据实施例的并联电连接的多对间隔的导电结构的示意性俯视图，该导电结构具有在钝化层中形成的开口，该开口与微流体通道重叠。
图31是根据实施例的用于在EOS监控器上制造微流体通道的工艺流程。
图32是根据实施例的用于将柔性基板与EOS监控器集成的处理流程。
图33是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的示意性透视图，其中，该对导电结构中的一个而不是另一个包括突起。
图34是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的成对的导电结构的堆叠的示意性透视图。
图35是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的示意性俯视图，其中，导电结构包括彼此面对的笔直边缘。
图36是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的示意性俯视图，其中，导电结构包括彼此面对的笔直边缘。
图37是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的示意性透视图，其中一个导电结构包括一个突起，而另一个导电结构至少部分地横向包围一个导电结构。
图38是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的示意性透视图，其中，一个导电结构至少部分地横向地围绕另一个导电结构。
图39是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的多对导电结构的示意性透视图，其中每个均包括突起的多个第一导电结构用作阴极或阳极中的一个，并且第二导电结构用作阴极或阳极中的另一个。
图40是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的多对导电结构的示意性透视图，其中分别包括一个或多个突起的多个第一导电结构用作阴极或阳极中的一个，并且包括线的第二导电结构用作阴极或阳极中的另一个。
图41是根据实施例的EOS监控器/保护装置的多对导电结构的示意性透视图，其被构造为响应于EOS事件而电弧，包括多个不同形状的第一导电结构，其中包括一个或多个突起的每个第一导电结构用作阴极或阳极中的一个，并且包括第二导电结构，该第二导电结构包括用作阴极或阳极中的另一个的线。
图42是根据实施例的配置成响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的多对导电结构的示意性透视图，包括多个不同形状的第一导电结构，其中包括一个或多个突起的每个第一导电结构用作阴极或阳极之一，并且包括第二线的第二导电结构包括具有一个或多个突起的线作为阴极或阳极中的另一个。
图43A-43B是根据实施例的在EOS监控器/保护装置的一对导电结构之间的间隙的制造后调整前后的示意性透视图，该EOS监控器/保护装置被配置为响应于EOS事件而起弧，其中第一导电结构包括一个或多个突起并用作阴极或阳极中的一个，而第二导电结构包括具有可调整宽度的线，其用作阴极或阳极中的另一个。
图44A是根据实施例的EOS监控器/保护装置的制造后可调节的一对导电结构的示意性透视图，该对导电结构被构造成响应于EOS事件而起弧，其中一个导电结构至少部分地横向包围另一个导电结构，其中该对中的一个或两个导电结构的物理位置配置为在制造后移动。
图44B是根据实施例的EOS监控器/保护装置的制造后可调节的一对导电结构的示意性透视图，其被配置为响应于EOS事件而起弧，其中一个导电结构至少部分地横向包围另一个导电结构，其中一对导电结构中的一个或两个的物理位置配置为在制造后移动。
图45是根据实施例的EOS监控器/保护装置的制造后可调节的一对导电结构的示意性透视图，其被配置为响应于EOS事件而起弧，其中所述导电结构中的至少一个包括突起，并且其中所述一对导电结构中的一个或两个的物理位置被配置为在制造后移动。
图46A-46B是根据实施例的在触发(电弧)EOS监控器/保护装置的一对导电结构之前和之后的示意性透视图，该EOS监控器/保护装置被配置为自我限制流过集成熔丝结构的电流。
图47A是包括通过通孔结构连接的两个垂直相邻的金属层的金属化的示意性侧视图。
图47B是根据实施例的金属化的示意性侧视图，该金属化包括通过部分通孔结构连接的两个垂直相邻的金属层，该部分通孔结构被配置为EOS监控器/保护装置的成对导电结构，并且被配置为响应于EOS事件而起弧。
图48A是根据实施例的包括EOS监控器/保护装置的一对导电结构的金属化结构的示意性侧视图，该EOS监控器/保护装置被配置为响应于EOS事件而起弧，其中装置插入配置为抑制裂纹形成和/或扩展的阻挡结构之间。
图48B是根据实施例的包括被配置为响应于EOS事件而起弧的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的金属化结构的示意性侧视图，其中该装置插入配置成抑制裂纹形成和/或扩展的阻挡结构之间。
图49A示出了根据实施例的包括低压EOS监控器/保护装置的集成系统，该低压EOS监控器/保护装置电连接至并配置为监控和/或保护核心系统/模块/电路，其中低压EOS监控/保护装置包括一对导电结构，该导电结构被配置为响应EOS事件而起弧。
图49B示出了根据实施例的包括低压EOS监控器/保护装置的集成系统，该低压EOS监控器/保护装置电连接至并配置为监控和/或保护核心系统/模块/电路，其中低压EOS监控器/保护装置包括一对导电结构，该导电结构被配置为响应EOS事件而起弧。
图50A至图50D示出了根据实施例的在构造EOS监控器/保护装置的一对导电结构的各个阶段的中间结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置被配置为在小于约100V的触发电压下响应于EOS事件而起弧。
图51A-51D示出了根据实施例的在构造EOS监控器/保护装置的一对导电结构的各个阶段的中间结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置被配置为响应于小于约100V的触发电压的EOS事件而起弧。
图52A-52D示出了根据实施例的在构造EOS监控器/保护装置的一对导电结构的各个阶段的中间结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置被配置为在小于约100V的触发电压下响应于EOS事件而起弧。
图53A-53D示出了根据实施例的在构造EOS监控器/保护装置的一对导电结构的各个阶段的中间结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置被配置为在小于约100V的触发电压下响应于EOS事件而产生电弧。
图54A-54D示出了根据实施例的在制造EOS监控器/保护装置的一对导电结构的各个阶段的中间结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置被配置为响应于EOS事件而起弧，其中可以定制电弧放电介质。
图55A示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置被配置为响应于EOS事件而起弧，其中电弧放电介质是密封的气体环境。
图55B示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置被配置为响应于EOS事件而起弧，其中电弧放电介质是密封的气体环境。
图56示出了根据实施例的被配置为响应于EOS事件而电弧放电的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的俯视图，其中，电弧放电介质被配置为被定制。
图57示出了根据实施例的被配置为响应于EOS事件而电弧放电的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的俯视图，其中，电弧放电介质被配置为被定制。
图58示出了根据实施例的被配置为响应于EOS事件而电弧放电的EOS监控器/保护装置的成对导电结构的俯视图，其中，电弧放电介质被配置为被定制。
图59示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置的一对导电结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置被配置为响应于具有衬底隔离的EOS事件而产生电弧。
图60示出了根据实施例要印刷在晶片上的图案，基于光学接近度校正而印刷的掩模图案以及可以实际使用光学接近度校正而印刷的图案的覆盖图像，举例说明了可以用来制造EOS监控器/保护装置的一对导电结构的光学接近校正的示例，该对导电结构被配置为响应EOS事件而起弧。
图61示意性地示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置的一对导电结构，其被配置为响应于EOS事件而电弧放电，该EOS事件与包括与金属熔丝串联的薄膜/多晶硅熔丝的混合熔丝串联连接。
图62A、62B和62C是根据实施例的EOS监控器/保护装置的电路框图，每个EOS监控器/保护装置包括一对导电结构，该一对导电结构被配置为响应于与熔丝和阻挡装置串联连接的EOS事件而电弧放电
图62D、62E、62F和62G是根据实施例的示例性的基于半导体的ESD保护装置，其可以与EOS监控器/保护装置结合实现，该EOS监控器/保护装置包括被配置为响应于EOS事件而电弧放电的一对导电结构。
图63示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置，其包括被配置为响应于EOS事件而电弧放电的一对导电结构，以及被配置为检测电容变化的检测系统。
图64示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置，其包括被配置为响应于EOS事件而电弧放电的一对导电结构，以及被配置为检测光学特性的变化的检测系统。
图65示出了根据实施例的移动和/或可穿戴设备，其被配置为响应于EOS事件从一对导电结构中的电弧事件中收集能量。
图66示出了根据实施例的移动和/或可穿戴设备，其包括配置为优化静电产生的多层结构和配置为通过一对导电结构中的电弧放电事件收集静电的电路。
图67是根据实施例被配置为响应于EOS事件而在一对导电结构中收集、记录和/或存储由电弧事件产生的能量的系统的框图。
图68为根据实施例说明性电子装置的一部分的示意图，所述说明性电子装置经配置以将与静电放电事件相关联的电荷存储在一组存储元件中。
图69是根据实施例被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路的示意图。
图70是根据另一实施例的被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路的示意图。
图71是根据另一实施例的被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路的示意图。
图72是根据另一实施例的被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路的示意图。
图73是根据另一实施例的被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路的示意图。
图74-77示出了根据实施例包括多个车辆的电动车辆网络系统的示例，该多个车辆被配置为响应于EOS事件而收集、记录和/或存储由火花间隙结构中的电弧事件产生的能量。
图78-80示出了根据实施例包括多个节点的传感器网络系统的示例，每个节点包括EOS监控器/保护装置，该EOS监控器/保护装置包括被配置为响应于EOS事件而起弧的一对导电结构。
图81示出了根据实施例可以与EOS监控器/保护装置进行的各种物理和电气连接，该EOS监控器/保护装置包括被配置为响应于EOS事件而起弧的一对导电结构，以集成到传感器网络系统中。
图82示出了根据实施例的传感器网络系统，其包括与EOS监控器结构结合的磨损监控器设备，该EOS监控器结构包括被配置为响应于EOS事件而起弧的一对导电结构。
具体实施方式
某些实施例的以下详细描述给出了特定实施例的各种描述。然而，本文描述的创新可以以例如权利要求书所定义和涵盖的多种不同方式来体现。在该描述中，参考附图，其中相似的附图标记可以指示相同或功能相似的元件。将理解的是，附图中示出的元件不必按比例绘制。此外，将理解，某些实施例可包括比附图中示出的元件更多的元件和/或所示出的元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。本文提供的标题仅是为了方便起见，并不一定影响权利要求的范围或含义。
用于各种应用的各种电子设备，包括使用低压CMOS工艺制造的汽车和消费电子产品，正越来越多地使用在相对较高的双向电压下运行的输入/输出(I/O)接口引脚。这些设备通常在相对恶劣的环境中运行，并应符合适用的静电放电(ESD)和抗电磁干扰(EMI)规范。集成电路(IC)尤其容易受到电气过应力(EOS)事件(例如ESD事件)的损害。鲁棒的ESD和EMI抗扰性是可取的，因为电子设备可能会经受超过普通工作条件的各种高压瞬态电事件。高压事件在汽车电子领域特别常见。
瞬时电事件可以是例如快速变化的高能量信号，例如静电放电(ESD)事件。瞬态电气事件可能与用户接触或与其他物体接触或仅由电气系统故障引起的过电压事件有关。在其他情况下，制造商可以生成瞬态电事件，以测试收发器集成电路在定义的应力条件下的鲁棒性，这可以由各个组织(例如，联合电子设备工程委员会(JEDEC)、国际电工委员会(IEC)和汽车工程理事会(AEC))制定的标准描述。
可以采用各种技术来保护诸如IC的电子设备的核心或主电路免受这些有害的瞬态电事件的影响。一些系统采用外部片外保护装置来确保不会因瞬态静电和电磁事件而损坏核心电子系统。但是，由于性能、成本和空间考虑，对与主电路(即要保护的电路)单片集成的保护装置的需求不断增长。
通过提供保护装置，例如ESD保护装置，可以提高电子电路的可靠性。通过在瞬态电事件的电压发生时从高阻抗状态转换为低阻抗状态，这样的保护装置可以在预定的安全范围内在某些位置(例如IC电源高电源电压(Vdd))保持较高的电压电平达到触发电压。此后，保护装置可以将与瞬态电事件相关的电流的至少一部分分流到例如地面，在瞬态电事件的电压达到正或负故障电压之前，该故障电压可能导致最常见的IC损坏原因之一。可以将保护装置配置为，例如，保护内部电路免受瞬态信号的干扰，该瞬态信号超过IC的高电压和低功率(例如，接地)电压供应水平。理想的是，保护装置可配置为具有不同的电流和电压(I-V)阻断特性，并且能够在正常工作电压条件下以快速的工作性能和低静态功耗来提供针对正负瞬态电气事件的保护。
具有间隔开的导电结构的电气过应力监控器设备和保护装置。
典型的电气过应力保护装置设计用于保护核心电路免受潜在损坏的电气过应力事件的影响。EOS保护装置通常被设计为根据预期在使用过程中会遇到核心电路的一系列EOS条件来保护核心电路。但是，由于EOS保护装置被设计为在破坏性EOS事件超过触发条件(例如触发电压或阈值电压)时触发，因此触发事件例如仅表示已超出触发条件，而没有指示多少。此外，当发生接近但不超过EOS保护装置触发条件的潜在破坏性EOS事件时，即使此类EOS事件的重复发生最终可能导致核心电路和/或EOS保护装置的实际损坏和故障。因此，需要一种监控器设备，其可以提供关于破坏性EOS事件的半定量或定量信息，例如与破坏性EOS事件相关联的电压和耗散能量，而与是否已经触发EOS保护装置无关。在超过核心电路的阈值电压极限的更多破坏性EOS影响该设备之前，这种监控器设备可以检测EOS事件并向用户中继警告，例如，作为预防性维护。此外，当设备因EOS事件而损坏时，监控器设备可以提供可能导致设备损坏的EOS事件的历史记录，从而提供有价值的诊断信息以确定EOS事件的根本原因。
为了提供这些和其他优点，根据各种实施例公开了一种电气过应力(EOS)监控装置。EOS监控装置包括一对间隔开的导电结构，该结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电。有利地，当核心电路尽管具有EOS保护装置而因破坏性EOS事件而发生故障，或者当ESC保护装置本身由于破坏性EOS事件而发生故障时，可以使用EOS监控装置获取有关破坏性EOS事件性质的信息。这样的信息可以包括例如与EOS事件相关联的电压和/或能量。此外，当发生接近但不超过EOS保护装置的触发条件的潜在破坏性EOS事件时，可以使用EOS监控装置提供警告，从而可以防止此类EOS事件的重复发生导致核心电路和/或EOS保护装置的实际损坏或故障。另外，EOS监控装置可以有利地被配置为用作EOS保护装置本身。此外，EOS监控装置可以用作监视程序和/或EOS保护装置，而不管核心电路是否被激活。在下面的描述和附图中，术语“ESD保护装置”用于容易地区分EOS监控装置的标签；然而，本领域技术人员将理解，所谓的“ESD”保护装置可以针对更广泛的EOS事件进行保护，并且不限于针对ESD事件的保护。
这样，可以使与EOS事件的发生有关的信息，例如与EOS事件有关的电压和/或能量，对于使用本文所公开的EOS监控装置的电子系统而言是不可用的。各种实施例可以在各种应用中提供更可靠的电路操作。例如，各种实施例可以减少汽车或其他车辆中的电子设备的故障，并提高驾驶员和/或乘客的安全性。作为另一示例，对于医疗保健应用中的电子设备，例如心率监测应用，可以使用实施例来更可靠地检测生理参数的变化，从而可以响应于检测到这种变化而采取适当的动作。当此类医疗保健应用中的电路出现故障时，会对健康造成不利影响。在需要可靠的电路操作的应用中，本文公开的实施例可以减少或最小化对关键电路的未知潜在损坏。此外，“监控”功能不需要实时响应。而是，拥有一个可以在设备发生故障后进行检查的监控装置，以确定在故障部分中发生多少或什么级别的EOS事件以进行诊断是很有用的。这样的信息可以例如通过在使用期间或故障之后的电气监视或通过对故障部件的目视检查来获得，如以下描述所理解的。有关EOS事件程度的诊断信息可能有助于查明EOS事件的原因，以便将来避免此类事件或设计更能抵抗此类事件的部件。
如上所述，尽管本公开可以出于说明性目的讨论“ESD”保护装置或电路和ESD事件，但是应当理解，本文讨论的原理和优点中的任何一个都可以应用于任何其他电气过应力(EOS)条件。EOS事件可以包括各种事件，包括持续时间大约为1纳秒或更短的瞬态信号事件、持续时间为数百纳秒的瞬态信号事件、持续时间为1微秒数量级的瞬态信号事件以及持续时间更长的事件，包括直流(DC)过应力。
图1A是根据实施例的具有核心电路104和电气过应力(EOS)监控器设备108a、108b的电子设备100的示意图，该设备包括间隔的导电结构。间隔开的导电结构可以被称为火花-间隙装置，并且它们被配置为允许在导电结构之间的介电间隙上产生电弧。核心电路104可以是要保护的任何合适的基于半导体的电路，其可以包括晶体管、二极管和电阻器以及其他电路元件。核心电路104可以连接到高电压电源112a(例如，Vdd或Vcc)和低电压电源112b(例如，Vss或Vee)。核心设备104包括输入电压端子114a、114b和输出端子116。EOS监控器设备108a、108b与核心电路104电连接并电连接在高电压电源112a和低电压电源112b之间，并且每个EOS监控器设备108a、108b具有间隔导电结构。在图示的实施例中，每个监控器设备108a、108b包括连接到用作阳极的高电压电源112a的第一导电结构和连接到用作阴极的低电压电源112b的第二导电结构。在第一和第二导电结构之间设置至少一个设计距离的间隙。在图1A中，每个EOS监控器设备108a、108b具有平行形成的三个这样的间隙，并且如下所述，这三个间隙可以具有三种不同的尺寸。响应于ESD事件，EOS监控器设备108a、108b被配置为电弧。每个EOS监控器设备108a、108b的隔开的导电结构由材料形成，具有形状并且在第一和第二导电结构之间具有间隔，使得每个EOS监控器设备108a、108b被配置成在触发电压VTR时产生电弧。在EOS监控器设备108a、108b具有多个间隙的情况下，每个间隙具有其自己的触发电压VTR。电弧可能会出现在所有小于EOS电压产生电弧的距离的间隙上。
图1B是电子设备100的示意图，其示出了根据实施例的电连接到电气过应力(EOS)监控器设备108a、108b的核心电路104的一个示例。核心电路104包括电阻器中的一个或多个，例如R、R1、R3、R5、R6和/或一个或多个二极管，和/或一个或多个晶体管Q1、Q2、Q4、Q5，以及其他电路元件。
在图1A和1B的所示实施例中，出于说明性目的，EOS监控器设备108a、108b设置在高电压电源(V+)112a和低电压电源(V-)112b之间。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，可以代替EOS监控器设备108a、108b或除EOS监控器设备108a、108b之外，在V+112a、V-112b、V1、V2和Vout的任何两个电压节点之间布置EOS监控器设备，其中，在它们之间可能产生电气过应力条件。
图1C是根据实施例的，在响应于EOS事件而在电弧放电之前(116A)和之后(116B)，包括间隔开的导电结构对116A/116B的电气过应力(EOS)监控器设备的示意图。隔开的导电结构对116A在电弧放电之前包括阴极120A和阳极124A，而隔开的导电结构对116B在电弧放电之后包括阳极120B和阳极124B。
在由于ESD事件而经历电弧放电之前，间隔开的导电结构对116A具有弧前电极间间距128A。如下文所述，除其他因素外，电弧前电极间间距128A可以被调节，使得所得的EOS监控器设备被配置为以期望的触发电压VTR起弧。在经历电弧放电时，间隔的导电结构对116B具有大于弧前电极间间距128A的弧后电极间间距128B。如下文所述，电弧后电极间间距128B相对于电弧前电极间间距128A增加的量除其他因素外还取决于电弧放电期间耗散的能量的大小以及一对导电结构的材料特性。由于增加的电极间间隔128B，在经历电弧放电之后，间隔开的导电结构对116B的触发电压VTR增加。除其他因素外，可对成对的116A隔开的导电结构的结构和材料进行调整，以使最终增加的VTR高于初始VTR所需的数量。因此，根据一些实施例，可以通过测量电弧发生后相对于间隔开的导电结构对116A相对于间隔开的导电结构对116A的跨弧后的开路电压的增加来确定是否发生了EOS事件。间隙的变化也可以被检测为通过包括该间隙的路径的泄漏电流的变化。这种变化也可以目视检测到，因为通过目视检查可以发现损坏的尖端。因此，可以以允许视觉检查的方式(例如，用显微镜)将设备集成(例如，与集成电路的金属水准仪)。
不受任何理论的限制，由于由于从阴极120A到阳极124A的电流流动而产生的放电，间隔开的导电结构会产生电弧。电流的流动可以通过各种机制来产生，例如场发射、二次发射和热发射等。例如，在某些情况下，间隔的导电结构的电弧可以通过场发射在电弧期间由阴极120A发射的自由电子引发、促进或维持，场发射是指由静电场感应的电子发射。场发射可以在相对强的电场(例如107V/cm)下发生，其中自由电子从金属表面被拉出。一旦开始，在某些情况下，由阴极120A通过热电子发射而发射的自由电子可进一步促进或维持间隔开的导电结构的电弧。例如，在阴极120A和阳极120B之间的电流流动可以增加阴极120A的导电材料的温度，这增加了其中的自由电子的动能，从而导致电子从阴极120A的导电材料的表面喷出。
由于由EOS事件引起的阴极120A和阳极120B之间的电势差，因此产生的自由电子(例如，通过场或热离子发射)可以朝阳极120B加速。这样的电子可以进一步将电极间材料的原子分解成带电粒子，这可以在EOS事件的高电场下产生高速。这些从阴极120A向阳极120B移动的高速电子在阴极120A和阳极120B之间与电极间材料(例如空气或电介质材料)的原子碰撞，并将它们分解成带电粒子，即电子和离子。
如上文所述，自由电子和带电粒子参与引发电弧及其维持。在不遵循任何科学理论的情况下，阴极120A发射电子取决于几个因素，包括材料特性，例如阴极和/或阳极的功函数和电离电势，以及它们的物理形状和尺寸。另外，如上所述，VTR在电弧放电时增加的量取决于几个因素，包括材料性能，例如阴极和阳极的熔点，以及它们的物理形状和尺寸。
考虑到上述发射特性和熔融特性，除其他因素外，阴极120A和阳极120B两者中的一个可由合适的导电和/或半导电材料形成，根据各种实施例，例如，n掺杂的多晶硅和p掺杂的多晶硅，包括C、Al、Cu、Ni、Cr、Co、Ru、Rh、Pd、Ag、Pt、Au、Ir、Ta和W的金属、导电金属氮化物、导电金属硅化物，包括钽硅化物、钨硅化物、镍硅化物、钴硅化物和钛硅化物；导电金属氧化物，包括RuO2、上述物质的混合物或合金等。在一些实施例中，阴极120A和阳极120B两者之一可以包括过渡金属，并且可以是例如过渡金属氮化物，诸如TiN、TaN、WN或TaCN。
在一些实施方案中，阴极120A和阳极120B可以由相同的导电材料形成或包括相同的导电材料，而在其他实施例中，阴极120A和阳极120B可以由不同的导电材料形成或包括不同的导电材料。
图1D是根据实施例的EOS监控器设备132的示意图，该EOS监控器设备132包括并联电连接的多对隔开的导电结构对。EOS监控器设备132包括多对隔开的导电结构。多对隔开的导电结构由包括多个阴极导电结构1361、1362、1363的阴极136和包括多个对应的阳极导电结构1401、1402、1403的阳极140形成。
参照图9A和图10A，在各种实施例中，多个成对的间隔开的导电结构可以是具有不同间隔的成对的导电结构，其中，成对的至少一个子集在对应的阴极和阳极之间具有不同的间隔。间隔开的导电结构的不同间隔的对可以被描述为在它们之间具有多个尺寸的间隙D1、D2，…和Dn，其中n是对的数量。
在各种其他实施例中，多对隔开的导电结构可以在相应的阴极和阳极之间具有名义上相同的间隔。
如前所述，在不遵循任何科学理论的情况下，在某些情况下，用于引起阴极和阳极之间的电弧的电子的产生可能取决于它们之间的电场。结果，可以选择或配置阴极和阳极之间的间隔以在不同的阈值或触发电压下产生电弧。
因此，在一些实施例中，成对的隔开的导电结构可以有利地包括成对的隔开的成对的隔开的导电结构。这些实施例在估计ESD事件的实际电压方面可以是有利的。例如，在ESD事件之后，通过在一对成对的间隔开的导电结构中识别出具有最大分离距离的一对间隔开的导电结构，可以估计与EOS事件相关的过应力电压。可以预先知道与每个间隙相关联的触发电压，并且在不损坏另一个间隙的情况下对毗邻一个间隙的尖端的损坏可以指示两个间隙的阈值电压之间的事件。
然而，实施例不限于此。在一些其他实施例中，成对的间隔开的导电结构可以有利地具有名义上相同的间隔。
再次参考图1D，所述多对隔开的导电结构由包括多个阴极导电结构1361、1362、1363的阴极136和包括多个对应的阳极导电结构1401、1402、1403的阳极140形成。在所示的实施例中，示出了由阴极导电结构1361、1362、1363和阳极导电结构1401、1402、1403形成的三对间隔的导电结构。然而，在各种实施例中，EOS监控器设备132可包括任意合适数量的成对的阴极导电结构和阳极导电结构。导电指1361和1401表示的火花-间隙设备显示为已损坏，表明EOS事件超出了最左侧火花-间隙设备的触发电压，并且还表示EOS事件低于导电指对1362/1402和1363/1403表示的其他两个火花-间隙设备的触发电压。
图1E是根据一些实施例的包括第一端子146(例如，高压端子)和第二端子142(例如，低压端子)的EOS监控器设备144的示意图。根据实施例，火花-间隙监控器设备148布置在第一端子146和第二端子148之间，该火花-间隙监控器设备148包括与熔丝152串联电连接的多对间隔的导电结构。间隔的导电结构的多对148与以上关于图1D描述的那些相似。在一些其他实施例中，第一端子146可以是低压端子，第二端子148可以是高压端子。
由于几个原因，具有熔丝152可能是有利的。例如，根据各种实施例，熔丝152可以被配置为估计与EOS事件相关联的电流、速度和/或能量。在一些实施例中，可基于熔丝可连续流动而不中断电路的最大电流来对熔丝152进行额定。当除了间隔绝缘的导电结构148可以用来估计的EOS事件的电压之外，期望获得由EOS事件产生的电流时，这样的实施例可以是有利的。在一些其他实施例中，可以基于熔丝152的熔断速度来定级，取决于流过熔丝152的电流的多少以及制造熔丝的材料。工作时间不是固定的时间间隔，而是随着电流的增加而减少。当除了破坏性EOS事件的电压之外(火花-间隙监控器设备148的间隔的导电结构可以用来估计)，当期望获得EOS事件的持续时间时，熔丝152的电流额定值可以用于估计EOS事件的电流。在一些实施例中，可基于熔丝可连续导通而不中断电路的最大能量来对熔丝152进行评级。当除了可使用间隔的导电结构148来估计的EOS事件的电压之外，期望获得由EOS事件产生的能量时，这样的实施例可以是有利的。例如，能量额定值可以基于I2t的值，其中I代表电流，t代表EOS事件的持续时间。在各种实施例中，I2t可以与熔化熔丝152的材料相关联的能量成比例。由于熔丝的I2t额定值与熔丝152在熔化之前消耗的能量成比例，因此它可以衡量EOS事件可能产生的热损害。
仍参考图1E，熔丝152对于通过使用例如可以包括运算放大器156的感测电路144检测到串联连接到火花-间隙监控器设备148的熔丝152两端的开路来确定是否已经发生EOS事件可能是有利的。
仍然参考图1E，熔丝152对于在EOS事件之后切断流过熔丝152的电流进一步有利，以防止损坏包括核心电路的其他电路。这是因为，一旦被触发，火花-间隙监控器设备148就可以继续传递高水平的电流，直到其两端的电压下降到保持电压以下，如下所述，尤其是在EOS事件期间连接电源的情况下。通过使熔丝152串联，当超过与火花-间隙监控器设备148经历的与EOS事件相关的规定电流、时间和/或能量时，可以切断通过火花-间隙监控器设备148的导电结构的电流，从而限制了对核心电路和其他连接设备的损坏。
图2A是根据实施例的包括衬底和多层互连金属化层的半导体器件的示意性截面图，其中多层互连金属化层中的一个或多个包括EOS监控器设备。该半导体装置包括火花-间隙监控器设备，该火花-间隙监控器设备包括与基板集成在一起的成对的间隔开的导电结构，其中如图1A-1D所述，间隔开的导电结构被配置为响应于EOS事件而产生电弧。所示出的互连金属化的水平可以是例如基于铜的(基于双或单镶嵌工艺的)、基于铝的(基于减法图案化的)或基于其他合适的金属化技术。所示的图2A的半导体器件包括半导体基板200，例如硅衬底。半导体器件包括各种前端结构中的一个或多个，包括例如隔离区202，例如浅沟槽隔离(STI)区、阱、金属氧化物半导体(MOS)晶体管、双极结型晶体管和PN结，仅举几例。半导体器件还包括多层互连金属化结构，该多层互连金属化结构包括接触205(Via 0)、通孔215(Via 1)、225(Via 2)和235(Via 3)。半导体器件还包括互连金属化层210(金属1)、220(金属2)、230(金属3)和240(金属4)，其中金属n和金属n+1通过通孔n互连。可以在金属化层210、220、230和240中的一个或多个中形成包括一对间隔开的导电结构的一个或多个EOS监控器设备。此外，在一些实施例中，串联连接到隔开的导电结构的熔丝也可以形成在相同或不同的金属化层210、220、230和240中的一个或多个中。当然，将理解，半导体器件可以包括附加的金属层，并且火花-间隙监控器设备可以以任何合适的金属层形成在半导体基板的后端金属化层中。此外，在其他实施例中，衬底可以是用于独立的EOS监控器管芯的不同材料(例如，玻璃)。无论是否与其他设备集成在一起，以及是否在半导体基板上形成，都可以使用诸如光刻和蚀刻之类的半导体制造技术来定义间隔开的导电结构，例如火花-间隙设备的指状物。不管火花-间隙器件是在独立的监控器芯片中形成还是与半导体器件电路集成在一起，都可以在晶圆级进行后续切割的制造。
仍然参考图2A，在一个或多个介电层中形成或掩埋每个金属化层(金属1至金属4)或通孔(Vias 0至通孔3)。在本公开中，两个相邻金属层之间的电介质被称为层间电介质(ILD)，而嵌入金属互连层的电介质被称为金属内电介质(IMD)。如图2A所示，介电层217、227和237是ILD层，而介电层212、222、232和242是IMD层。半导体器件还包括介电层206(ILD0)、212(IMD 1)、217(ILD 1)、222(IMD 2)、227(ILD 2)、232(IMD 3)、237(ILD 3)和242(IMD4)。半导体器件可以另外在互连金属化层的顶部包括钝化层，该钝化层包括引线键合250和金属凸块260，其可以例如在倒装芯片封装中使用。为了说明的目的，图2A的互连金属化工艺架构具有四个金属级别，即金属1(210)、金属2(220)、金属3(230)和金属4(240)。然而，实施例不限于此，并且根据各种实施例的互连金属化工艺架构可以包括更多(五或更多)或更少(3或更少)的金属层。在所示的多层金属互连工艺体系结构中，交替的金属化层可以正交于上方和下方的层，以最小化层间干扰。另外，与较低的互连金属化水平相比，每个互连金属化水平的间距可以更高。根据实施例，半导体器件还可在顶部包括通过例如Al引线键合(例如，引线键合250)或焊球(例如，金属凸块260)钝化的I/O输出。
仍然参考图2A，每个金属化层和通孔可以由上文描述的任何合适的金属形成。根据各种实施例，一对间隔开的导电金属结构可以在金属层1至n中的任何一个中形成，并且可以具有从0.1μm至10μm、0.1μm至5μm、0.1μm至1微米、0.1微米至0.5微米、0.5微米至1微米的厚度，或这些值定义的任何范围。
根据一些实施例，IMD和ILD层中的每一个可以由合适的介电材料形成，例如二氧化硅或氮化硅。根据一些其他实施例，IMD和ILD层可以由合适的低k材料形成，例如，氟掺杂的二氧化硅、碳掺杂的二氧化硅、多孔二氧化硅、多孔碳掺杂的二氧化硅、旋涂有机聚合物介电材料和旋涂硅基聚合物介电材料，仅举几例。
图2B是曲线图270，示出了根据实施例的实验观察到的电弧电压与EOS监控器设备的间隔之间的相关性，每个EOS监控器设备包括以包括金属化水平1至5的各种金属化水平形成的一对间隔的导电结构。该图绘制了类似于上文关于图1A-1E所述的各种间隔的导电结构的以伏特(y轴)为单位的电弧放电电压，作为阴极和阳极之间以微米为单位的间隔(x轴)的函数。如上所述，可以在电弧电压与阴极和阳极之间的间隔之间观察到大致线性的关系。关于图13进一步说明了其他实验观察到的相关性。
图3是根据实施例的EOS监控器设备300的示意图，该EOS监控器设备300包括被配置为监测与EOS事件相关联的电压和/或能量的多个不同间隔的成对的导电结构316。多个不同间隔的导电结构对316包括导电结构对316-1、316-2、…316-n，每个导电结构之间具有不同的间隙，其中，不同间隔的导电结构对316-1、316-2，…316-n并联电连接，并配置为分别响应于不同的电气过应力电压VTR1，VTR2、…VTRn电弧放电。多个不同间隔的导电结构对316连接在一端的高压电源、高压引脚或高压节点304与另一端的多个熔丝320和多个感测电路324之间。多个熔丝320的一端连接到多个不同间隔的导电结构316，而另一端连接低电压电源、低电压引脚或低电压节点308。多个熔丝320包括熔丝320-1、320-2，...，320-n，其串联连接到导电结构的不同间隔的对316-1、316-2，...，316-n。熔丝320-1、320-2，…320-n被配置为响应于不同水平的电流、不同的持续时间和/或不同的能量而熔断，如以上关于图1E所描述的。熔丝320-1、320-2，…320-n连接到并配置成由感测电路324-1、324-2，...324-n感测。
仍然参考图3，EOS监控器设备300还包括标记为ESD装置312的EOS保护装置，其可以是基于半导体的EOS保护装置，其并联电连接到多个不同间隔的导电结构对316和多个熔丝320。EOS监控器设备300电连接到核心电路(未示出)和多个保险丝320。
在操作中，响应于EOS事件，在ESD触发电压VTR ESD下触发ESD器件312，随后在VTR1、VTR2、…VTRn处的多个间隔开的导电结构316均低于VTR ESD。触发时，连接到核心电路的ESD器件312被配置为汲取由EOS过载事件引起的多数电流I1，而连接到核心电路的成对的不同间隔的导电结构316被配置为汲取由EOS过载事件引起的少数电流I2。在各个实施例中，根据实施例，EOS监控器设备300可以被配置为使得I2为I1的50％或更少、I1的10％或更少、或I1的2％或更少，使得多个不同间隔的导电结构316被配置为主要用作监控装置，以监视与EOS过应力事件相关的电压和/或能量，而相对于ESD装置312不消耗相对高的电流水平。尽管如此，熔丝324防止过多的电流流动，特别是在连接到电源时可能发生EOS事件的应用中。
图4是根据实施例的EOS监控器设备400的示意图，该EOS监控器设备400包括被配置为监测与EOS事件相关联的电压和/或能量的多个不同间隔的成对的导电结构416。EOS监控器设备400在某些方面与以上参照图3描述的EOS监控器设备300类似地配置，其相似性将不再详细描述。在EOS监控器设备400中，在一端的高压电源、高压引脚或高压节点304与另一端的多个熔丝420和多个感测电路424之间连接有多个不同间隔的导电结构对416。多个熔丝320的一端连接到多个不同间隔的导电结构416，而另一端连接到低电压电源、低电压引脚或低电压节点308。然而，与以上关于图3描述的EOS监控器设备300不同，熔丝420-1，420-2，...，420-n中的每一个串联连接到导电结构的不同间隔对416-1、416-2，…416-n，依次包括多个熔丝元件。熔丝420-1、420-2，...，420-n被配置为响应于不同的电流水平，不同的持续时间和/或不同的能量而熔断，如以上关于图1E所述。另外，如上关于图1E所述，每个熔丝420-1、420-2，…420-n的每个并联熔丝元件被配置为响应于不同水平的电流，不同的持续时间和/或不同的能量而熔断。
因此，EOS监控器设备300(图3)和400(图4)包括成对的导电结构，其具有不同的间隙并且被配置为响应于与例如与不同的间隙线性相关的过应力电压而产生电弧，从而响应于EOS事件，可以估计与EOS事件相关联的电压。例如，可以通过在一对成对的隔开的导电结构的弧形对中识别出具有最大间隔距离的一对隔开的导电结构，并据此估计与EOS事件相关的最大电压，来估计电压。
另外，EOS监控器设备300(图3)和400(图4)包括一个或多个不同的熔丝，所述熔丝串联连接到具有不同间隙的不同对导电结构对，从而响应于EOS事件，可以估计与EOS事件相关的能量。例如，对于给定的一对弧形导电结构，可以通过确定熔断的熔丝的能量额定值(图3)或确定在熔断的熔丝中能量额定值最大的熔丝的能量额定值(图4)(假设尚没有更高能量等级的熔丝烧断)来估计能量，并据此估算与EOS事件相关的能量。
图5A是根据实施例的EOS保护装置500A的示意图，该EOS保护装置500A包括被配置为EOS保护装置以保护核心设备免受EOS事件影响的多对不同间隔的导电结构516。与关于图3和图4示出的EOS监控器设备不同，EOS保护装置500A可以不包括一个或多个熔丝。EOS保护装置500A包括多个不同间隔的导电结构对516，其包括成对516-1、516-2，…516-n的不同间隔的导电结构，每个对之间具有不同的间隙，其中，导电结构的不同间隔的成对516-1、516-2，…516-n并联电连接，并配置为分别响应于不同的电气过应力电压VTR1、VTR2、…VTRn产生电弧。多个不同间隔的成对的导电结构516连接在一端的高电压电源、高电压引脚或高电压节点304与在另一端的低电压电源、低电压引脚或低电压节点308之间。
在操作中，EOS保护装置500A被配置为保护装置和监控器设备，并且连接到核心电路的成对的不同间隔的导电结构对516被配置为汲取EOS过应力事件产生的大部分或基本全部电流，并将其转向地面、低压电源、低压引脚或低压节点308。
图5B是根据实施例的EOS保护装置500B的示意图，该EOS保护装置500B包括被配置为EOS监控器设备的多个不同间隔的成对的导电结构516，以允许确定一个或多个EOS事件的最大电压电平。
与上面参考图5A描述的EOS保护装置500A不同，EOS监控器设备500B还包括标记为ESD设备312的EOS保护装置，其可以是基于半导体的ESD设备，其并联电连接到多个不同间隔的导电结构516。EOS监控器设备500B电连接到核心电路(未示出)。除了ESD设备312之外还具有EOS保护装置500A可以是有利的，其中ESD设备312本身可以在高电流下被损坏。
在操作中，响应于EOS事件，在ESD触发电压VTR ESD下触发ESD装置312，接着在VTR1、VTR2、…VTRn处紧接着多个间隔的导电结构516，每个导电结构低于VTR ESD，以与以上关于图3描述的类似方式。在触发时，EOS保护装置500B被配置为保护装置，并且连接到核心电路的成对的不同间隔的导电结构对516被配置为汲取EOS过应力事件所产生的大部分或基本全部电流，并将其转向低电压电源、低电压引脚或低电压节点308。可以将连接到核心电路的ESD器件312配置为汲取由EOS过应力事件导致的少数电流I1，而连接到核心电路的成对的不同间隔的导电结构对316被配置为汲取由EOS过应力事件导致的多数电流I2。在各种实施例中，根据实施例，EOS监控器设备300可以被配置为使得I2为I1的50％或更多、I1的90％或更多、或I1的98％或更多，使得多个不同间隔的导电结构516被配置为主要用作EOS保护装置以保护核心电路。
应当理解，尽管在图5A和5B中，为清楚起见，所示的EOS保护装置500A和500B包括成对的间隔开的导电结构516-1，...，516-n，每对导电结构直接连接在高电压节点304和低电压节点308之间，在各种实施方式中，每个间隔开的导电结构516可以被连接，例如，串联连接到感测元件，例如，串联连接的熔丝或串联连接的电阻器，用于检测是否响应于电气过应力事件触发了间隔开的导电结构。例如，相对于图7A和图7B，在说明书的其他地方进一步示出了这些配置。
图6是根据实施例的分别示出一对隔开的导电结构和EOS保护装置的准静态电流-电压(IV)曲线604、608的示意图600。IV曲线604示意性地示出了该对间隔开的导电结构对EOS事件的准静态响应(例如图5B的516)，并且曲线608示意性地示出了EOS保护装置对EOS事件的准静态响应(例如图5B的312)。x轴和y轴分别表示准静态电压和相应的电流。IV曲线604和608具有各自的阻挡区域(“OFF”区域)604a和608a，在原点和各个击穿电压VBD1和VBD2之间分别具有非常高的阻抗。VBD1可以对应于一对间隔的导电结构中的触发电压(VTR)，并且VBD2可以对应于ESD器件的BJT或雪崩二极管的触发电压(VTR)或阈值电压(VTH)。当EOS事件的电压超过VBD2时，dV/dI变为零，并发生EOS保护装置的切换。当在隔开的导电结构上的电压超过VBD2时，在EOS保护装置的切换之后切换成对的隔开的导电结构，在此之后dV/dI变为零并且发生成对的隔开的导电结构。在阻挡区域604a和608a之后分别是在VBD1和第一保持电压VH1之间以及在VBD2和第二保持电压VH2之间的相应的负电阻区域604b和608b(也称为“回跳区域”)，随后是相应的正电阻区域(“ON”区域)604c和608c。在保持电压VH1和VH2处，相应的保持电流值分别为IH1和IH2，这可以代表可以维持各个设备的“ON”状态的最小电流水平。根据实施例，一对间隔开的导电结构和EOS保护装置被配置为使得在准静态条件下或响应具有相对较长持续时间(例如长于约100ns或长于约1s)的电压信号时，隔开的导电结构的VBD1低于EOS保护装置的VBD2和VH2，从而触发一对隔开的导电结构，同时EOS保护装置响应EOS事件而切换到低阻抗状态后仍保持导通。将理解的是，当间隔开的导电结构的VBD1高于EOS保护装置的VBD2和VH2时，一对间隔开的导电结构可以不触发。
将理解的是，在核心电路被加电的操作条件下，一旦被激活，如果电压高电源电压304(图3-5B)相对于该对隔开的导电结构的保持电压VH1处于较高的电压，则即使在EOS事件已经停止之后，该对隔开的导电结构也可以继续传导高水平的电流。因此，仍然参考图6，在各个实施例中，可能期望将EOS监控器设备配置为使其保持电压大于高电压电源电压VPWR。在下文中，关于图7A至图8B，描述了具有高于VPWR的保持电压的EOS监控器设备和EOS保护装置的实施例。
图7A是根据实施例的EOS监控器设备700A的示意图，该EOS监控器设备700A包括配置成监测与EOS事件相关联的电压和/或能量的多个成对的间隔开的导电结构对。除了EOS监控器设备700A另外包括第二至第z多个不同间隔的导电结构对716之外，EOS监控器设备700A的配置与上文关于图3描述的EOS监控器设备300相似，其中每个包括不同间隔的导电结构对716-1、716-2，…716-n，每个导电结构之间具有不同的间隙。导电结构的每个不同间隔的对716-1、716-2，…716-n的一端连接到高压电源304，并串联连接到不同间隔的导线对316-1、316-2，…316-n中的相应导电结构，每个导电结构之间具有不同的间隙。每个串联连接的线对(例如716-1/316-1、716-2/316-2...和716-n/316-n)又并联电连接，以产生净保持电压大于单独的每对导电结构。因此，每个串联连接的对，例如716-1/316-1、716-2/316-2，...或716-n/316-n被配置为响应于不同的电气过应力电压VTR1、VTR2、…VTRn。
图7B是根据实施例的EOS监控器设备的示意图，该EOS监控器设备包括配置成监测与EOS事件相关联的电压和/或能量的多个成对的间隔开的导电结构对。EOS监控器设备700B的配置类似于上文中针对图4所述的EOS监控器设备400，不同之处在于EOS监控器设备700A额外包括第二至第z根不同间隔的第二对导电结构716，其中每个包括导电结构的不同间隔的成对716-1、716-2，…716-n，每个导电结构之间具有不同的间隙。以与上文关于图7A的EOS监控器设备700A所述类似的方式，串联连接的对，例如716-1/416-1、716-2/416-2，以及716-n/416-n，然后并联电连接以导致净保持电压大于单独的每对导电结构。因此，每个串联连接的对，例如716-1/416-1、716-2/416-2，...或716-n/416-n被配置为分别响应于不同的电气过应力电压VTR1、VTR2...VTRn产生电弧。
图8A和8B分别是根据实施例的EOS保护装置800A和800B的示意图，每个EOS保护装置800A和800B包括被配置为EOS保护装置以保护核心设备免受EOS事件影响的多个串联连接的成对间隔的导电结构。每个EOS保护装置800A和800B分别类似于上述EOS监控器设备500A(图5A)和500B(图5B)进行配置，不同的是，每个EOS保护装置800A和800B还包括第二到第z个多个不同间隔的导电结构对816，每个导电结构包括不同间隔的导电结构对816-1、816-2，…816-n，每个导电结构之间具有不同的间隙。以与上面分别关于图7A和7B的EOS监控器设备700A和700B所述的类似的方式，每个分别串联连接该对，例如816-1/516-1、616-2/616-2和816-n/516-n，依次并联电连接，以产生净保持电压，该净保持电压大于单独的每对导电结构。因此，每个串联连接的对，例如816-1/516-1、816-2/516-2，...或816-n/616-n被配置为分别响应于不同的电气过应力电压VTR1、VTR2，…VTRn产生电弧。
因此，再次参考图6，通过包括多个串联连接的成对的间隔开的导电结构，EOS监控器设备和ESD装置的实施例具有的保持电压高于提供给核心电路的VPWR，使得当ESD事件停止时，通过成对的间隔开的导电结构的串联连接的导电停止，从而防止了ESD后事件的过度泄漏和/或对核心电路的损坏。
图9A是根据实施例的，以并联方式电连接的多对900的不同间隔的导电结构的示意性俯视图。在所示的实施例中，多个对900具有n对900-1、900-2，…和900-n的隔开的导电结构，该导电结构包括具有尖的尖端形状的具有尖锐尖端的指。数字n可以是例如从1到100、2到10范围内(例如5)的任何合适的数字。每个突起可以描述为具有宽度912、突出部(T)904和倒角(C)908，并且突起对900-1、900-2，…和900-n可被描述为在它们之间分别具有间隙D1、D2，…和Dn。一种定量实现具有以下参数：
·标称电弧电压＝800V/μm
·Tab T＝20μm，10A
·对于D＝0.15um，可变倒角C＝2.5um，5um，20um，40um，100um
·对于五指结构，C＝10μm
·金属化级别：Met5、Met4，在Met3/2/1中具有1个默认结构
·D＝0.075μm，电弧电压为60V
·D＝0.1μm，电弧电压为80V
·D＝0.125μm，电弧电压为100V
·D＝0.15μm，电弧电压为120V(默认)
·D＝0.175μm，电弧电压为140V
·D＝0.2μm，电弧电压为160V
·D＝0.28μm，电弧电压为224V(实测220V)
·Met 1-Met 4的金属化厚度＝0.53μm；Met 5为0.95至0.99μm
图9B是根据实施例的图案化金属层924、928和932的示意性俯视图，其示出了成对的间隔开的导电结构对的不同构造，所述成对间隔的导电结构具有平行电连接的尖锐尖端。可以使用半导体制造技术通过光刻法限定图案。根据实施例，尖锐的尖端可具有由形成为10至170度、10至50度、50至90度、90至130度、130至170度或这些值之间的任何角度的角度的两侧形成的尖端或顶点。
图10A是根据实施例的并联电连接的多个成对的1000对间隔的导电结构的示意性俯视图。在所示的实施例中，多个对1000具有n个成对的间隔的导电结构1000-1、1000-2，…和1000-n，该间隔的导电结构包括具有钝头或圆形尖端的突起形状的指状件。数字n可以是例如从1到100、2到10(例如5)的任何合适的数字。每个凸起可以描述为具有宽度1012，凸舌(T)1004和倒角(C)1008，以及成对的突起1000-1、1000-2，…和1000-n可描述为在它们之间具有间隙D1、D2、…和Dn。一种定量实现具有以下参数：
·标称电弧电压＝800V/μm
·Tab T＝20μm，10A，C＝T/2
·默认为5x指结构
·金属化级别：Met5、Met4，在Met3/2/1中具有1个默认结构
·D＝0.075μm，电弧电压为60V
·D＝0.1μm，电弧电压为80V
·D＝0.125μm，电弧电压为100V
·D＝0.15μm，电弧电压为120V(默认)
·D＝0.175μm，电弧电压为140V
·D＝0.2μm，电弧电压为160V
·D＝0.28μm，计算的电弧电压为224V(实测220V)
·D＝0.15μm的可变倒角C
·T＝5μm,10μm,40m
·Met 1-Met 4的金属化厚度＝0.53μm；Met 5的金属化厚度＝0.95-0.99μm
图10B是根据实施例的图案化金属层924、928和932的示意性俯视图，其示出了成对的具有平行电连接的圆形尖端的间隔成对的导电结构对的不同构造。可以使用半导体制造技术通过光刻法限定图案。
图11是根据实施例的熔丝1100的示意性俯视图。在所示的实施例中，熔丝具有通过连接部分1102连接的两个端部1114a、1114b。可以将熔丝1114a/1114b的端部描述为具有宽度1112，突出部(T)1104和倒角(C1108)，连接部分的宽度可以为1102。一种量化的实现方式具有以下参数：
·Met1-Met4的瞬态电流密度＝0.45A/μm
·Met5瞬态电流密度＝0.9A/μm
·Met5 W＝2μm，电流2A
·Met5 W＝5μm，电流5A
·Met5 W＝10μm，电流10A
·Met3 W＝4μm，电流2A
·Met3 W＝10μm，电流5A
·Met3 W＝20μm，电流10A
·Met1 W＝4μm，电流2A
·Met1 W＝10μm，电流5A
·Met1 W＝20μm，电流10A
·倒角连接
·L＝50μm
·Met 1-Met 4的金属化厚度＝0.53μm；Met 5的金属化厚度＝0.95-0.99μm
图12是曲线图1200，其示出了根据实施例的在电气过应力(EOS)监控器设备上测量的实验电流-电压(IV)曲线，该设备包括并联电连接的多对隔开的导电对。特别地，IV曲线是具有五对彼此并联电连接的不同间隔的导电结构的EOS监控器设备的IV曲线，类似于以上关于图9B所述的那些。
图13是曲线图1300，其示出了根据实施例的实验观察到的电弧电压与EOS监控器设备的导电结构的间隔之间的相关性，其中每个都包括以各种金属化水平(金属1至金属5)形成的一对间隔的导电结构。电压间隔关系是具有多对彼此并联电连接的不同间隔的导电结构的EOS监控器设备的电压间隔关系，类似于上面关于图9A和9B所述的那些。在每个金属化水平上形成的结构通常在电弧电压和间距或间隙尺寸之间显示线性关系。基于这样的相关性，可以在约20V至约1000V的电压范围内获得触发电压的精确调谐。关于图2B进一步示出了其他实验观察到的相关性。
图14A和图14B是根据实施例用作电气过应力(EOS)监控器设备的集成的火花-间隙装置的示意图，该装置包括一对间隔开的导电结构1400A/1400B，分别在响应EOS事件进行电弧放电之前(图14A)和之后(图14B)。与以上关于图1B描述的电气过应力(EOS)监控器的示意图相似，成对的间隔开的导电结构1400A在电弧放电之前包括阴极120A和阳极124A，而隔开的导电结构对1400B包括在电弧放电之后的阳极120B和阳极124B。此外，EOS监控器设备分别包括阴极和阳极监控探针1404A/1404B和1408A、1408B。参照图14A，在电弧放电之前，阴极和阳极监控器探针1404A和1408A分别接触阴极120A和阳极124A。参照图14B，作为电弧放电的结果，阴极监控探针1404B和阳极监控探针1408B分别与阴极120B和阳极124B断开。因此，可以通过视觉或基于在阴极120B与阴极探针1404B之间和/或在阳极124B与阳极探针1408B之间是否检测到开路来确定在阴极和阳极上是否发生电弧。
图15是示出根据实施例的，在电弧电压和一对间隔的导电结构的间隔之间的实验观察到的晶片级关系的曲线图1500。使用不同类型的测试仪进行测量。TLP测量是在传输线脉冲模式下进行的，而其他测量是在DC型模式下进行的。
图16是曲线图1600，示出了根据实施例的实验观察到的电弧电压与在金属1水平上形成的一对间隔的导电结构的间隔之间的晶片水平关系。使用吉时利测试仪在DC型模式下进行测量。RB、LB、RT、LT和C分别表示被测晶圆的右下、左下、右上、左上和中心位置。
图17是曲线图1700，示出了根据实施例的实验观察到的电弧电压与在金属3水平上形成的一对间隔的导电结构的间隔之间的晶片水平关系。使用吉时利测试仪在DC型模式下进行测量。RB、LB、RT、LT和C分别表示被测晶圆的右下、左下、右上、左上和中心位置。
图18是曲线图1800，示出了根据实施例的实验观察到的电弧电压与在金属1和金属3水平上形成的一对间隔的导电结构的间隔之间的晶片水平关系。使用吉时利测试仪在DC型模式下进行测量。D1、D2、D3和D4表示测试晶片的不同位置。
图19是曲线图1900，其示出了根据实施例的实验观察到的电弧电压和一对间隔的导电结构的间距之间的晶片级关系。使用不同类型的测试仪进行测量。TLP测量是在传输线脉冲模式下进行的，而其他测量是在DC型模式下进行的。
图20是示出根据实施例的，对于在金属1水平上形成的一对间隔的导电结构的标称间隔的，实验观察到的跨晶片的电弧电压的可重复性的图。所测试的间隙是在0s至120V的5s斜率下测量的0.075微米间隙，以及在0s至150V的5s斜率下测量的0.1微米间隙。
图21是根据实施例的并联电连接的多个对2100的间隔开的导电结构的俯视图的示意图，所述导电结构被并联电连接，并被钝化覆盖(未示出)。当被钝化覆盖时，可以通过以下方式来确定是否在半导体器件中发生了EOS事件：通过测量跨过一对隔开的导电结构的泄漏电流的变化，通过检测串联连接到该对隔开的导电结构的熔丝的断路来确定。
EOS事件的示例视觉和电气检测
如上所述，根据本文公开的各种实施例，可以使用包括一对隔开的导电结构或火花间隙结构的EOS监控器设备来监视电气过应力(EOS)事件，并且可以从EOS监控器设备收集的信息可以用于防止损坏核心电路。在一些实施例中，监控可能没有实时响应。而是，具有在EOS事件发生之后可以检查以确定例如EOS事件的数量和大小以用于诊断目的的监控设备可能是有用的。例如，在一些实施例中，可以通过对EOS监控器设备的视觉检查来执行电监控。关于例如EOS事件的程度的诊断信息对于确定EOS事件的原因可能是有用的，以用于将来避免这种事件或设计部件以更抵抗这种事件。在下文中，示例设备提供了这些和其他优点。
图22是根据实施例的，并联电连接的多对2200的间隔开的导电结构的俯视图的示意图，所述导电结构具有例如由钝化中的开口形成的暴露部分2204。除了上面讨论的方法之外，当一部分导电结构被暴露时，可以通过基于外观变化的视觉确定来确定在半导体器件中是否已经发生了EOS事件。在一些实施例中，可以用肉眼检测外观变化，而在其他一些实施例中，可以使用光学和/或电子显微镜技术检测外观变化。具有暴露部分可以具有其他应用，例如，监测导电结构的腐蚀或退化。
图23示出了根据实施例的跨多对间隔的导电结构的DC扫掠的电流-电压(IV)曲线2500。如IV曲线2500所示，随着跨多对间隔的导电结构施加的电压增加，电流最初在基线区域2504中逐渐增加，在预触发区域2508中非常迅速地增加，并且在触发区域2512达到峰值。IV曲线2500示出了根据本文所述的各种实施例的成对的隔开的导电结构的几个优点。根据一些实施例，IV曲线2500的各个区域可以不仅在成对的导电结构的触发电压处或者在其之上被用于检测EOS事件，即，在发生电弧事件之后，也可以用于检测低于触发电压的电压下的EOS事件，即在发生电弧事件之前。例如，当跨过一对导电结构之间的空间的电流增加几个因素(例如，在小于约20V、10V或5V的十个十倍或更多)时，在实际的EOS事件发生之前，用户可能会推断EOS事件即将发生。另外，如图所示，相对少量的电流(例如，小于5nA或小于1nA)可能足以进行这种检测。
在一些实施方案中，间隔开的导电结构可以被配置为通过测量由火花间隙尖端的损坏引起的各种其他可测量的或可观察到的参数的变化，例如，所述一对隔开的导电结构之间的电容的变化，或与所述一对隔开的导电结构相关的磁性能的变化。
在不同持续时间制度下检测EOS事件
如上文所论述，可基于跨成对的间隔开的导电结构的电弧事件的发生，使用各种间隔开的导电结构来监视电气过应力事件。发明人已经发现，例如，如上面关于图19所图示的，即使不同的测试方法在整个导电结构上施加具有不同有效脉冲宽度的脉冲，整个导电结构上的电弧放电事件的发生也相对独立于测试方法。所施加的脉冲宽度相对于所产生的电弧电压的相对独立性可能是有利的，因为可以基于在一个持续时间范围内获得的测试结果来设计具有间隔开的导电结构的监控器设备，而监控器设备和/或核心电路所暴露的实际EOS事件可能处于不同的持续时间范围内。在下文中，描述了说明该优点和其他优点的测试结果。
图24是有时被称为Wunsch-Bell曲线的曲线图2600，示意性地示出了功率密度-失效对电子电路所施加的脉冲宽度的依赖性。不受任何理论的束缚，可以认为曲线图2600示出了三种依存关系，包括绝热状态2604、热扩散控制状态2608和DC/稳态状态2612。在绝热状态2604中，失效功率密度(Pf/A)与1/τ成正比，其中Pf是失效功率，A是电流流经的器件截面积，而τ是观察到的失效时间。在热扩散控制状态2608中，Pf/A可以正比于1/τ1/2，而在DC/稳态状态2612中，Pf/A可以正比于常数(K)。曲线图2600还示出了与各种ESD模型方案相对应的持续时间，例如人体模型(HBM)、场致充电装置模型(FICDM)、EMC/ISO脉冲和DC/AMR。过去，在包括绝热模式2604在内的相对较快的脉冲模式下测试EOS事件相对困难。在下文中，例如使用传输线脉冲(TLP)测试方法描述了在这些相对短的持续时间范围内的测试结果。如本文所述，使用传输线(例如，带电的50欧姆传输线)执行TLP测试，以传输脉冲(例如方波)，脉冲宽度为1ns至1.6ns，上升时间为0.1ns至45ns。
图25是示出根据实施例的具有不同间隙的各种间隔的导电结构2824的触发电压的温度依赖性的曲线图2700。在TLC测试条件下测量了以y轴表示的间隔开的导电结构的触发电压。使用金属4导电结构制造测试的间隔导电结构，并且曲线2704、2708、2712、2716和2720分别绘制了针对具有0.075μm、0.1μm、0.175μm、0.2μm和0.28μm的导电结构测得的触发电压。发明人发现，触发电压在25℃至200℃的测试温度范围内相对温度无关。由于各种原因，相对温度无关性可能是有利的。例如，尽管具有间隔开的导电结构的核心电路和监控器设备可以经受变化的温度，但是间隔开的导电结构的触发电压保持相对恒定，从而至少在25℃至200℃所涵盖的正常工作温度范围内，保持监控器结果的准确性相对独立于温度。
图26A-26B示出了来自测试间隔开的一对导电结构2824的电学和视觉监控结果。图26A示出了在使用金属2结构制造的一对间隔开的导电结构上测量的非常快的TLP(VFTLP)IV曲线2800A。IV曲线2800A对应于使用带电的50欧姆传输线测试的导电结构2824的IV响应。如IV曲线2800A所示，随着所施加的VFTLP电压的增加，在一对隔开的导电结构两端的电压最初会在基准区域2804中成比例地增加，在触发区域2808中开始迅速减小，并在保持区域2812中迅速达到保持电压。VFTLP电流最初在基线区域2804中缓慢增加，并从触发区域2808到保持区域2812非常迅速地增加。
图26B是示出对应于关于图26A描述的VFTLP IV曲线的重叠的电压-时间(V-t)曲线2816和电流-时间(I-t)曲线2820的曲线图2800B。在零时间，在一对导电结构上施加5nsVFTLP电压脉冲会导致其间的电压迅速上升。在触发区域2808处，电压崩溃，伴随着流过一对隔开的导电结构的电流的快速上升。
通过改变间隔的导电结构的材料、厚度和/或间隙距离来触发电压调整。
如以上关于图15-19所述，可以通过改变成对的隔开的导电结构之间的距离以及通过改变成对的隔开的导电结构的厚度来调整成对的隔开的导电结构的触发电压。另外，如以上关于图9A、9B、10A、10B所述，发明人已经发现，成对的间隔开的导电结构的触发电压可以提供关于调谐触发电压的另一自由度。此外，发明人已经发现，使用不同的材料形成间隔开的导电结构还可以提供关于调整触发电压的另一自由度。
图27是曲线图2900，示出了在TLP条件下由不同材料形成的间隔开的导电结构的触发电压对间隙距离的依赖性。触发电压与间隙距离(V-d)曲线2904、2908、2912和2916分别显示了使用金属5结构、金属4结构、多晶硅和碳基薄膜材料形成的成对隔开的导电结构的触发电压的依赖性。标称间隙距离和与V-d曲线2904、2908、2912和2916相对应的间隔开的导电结构的形状是相同的。另一方面，与V-d曲线2904、2908相对应的成对的隔开的导电结构由相同的材料形成，但是具有不同的厚度，这表明较高的厚度导致较低的触发电压，如上所述。另外，由较薄的材料形成的隔开的导电结构可以被设计成在由于短路而遭受实质的良率损失之前具有相对较小的间隙距离。与V-d曲线2908、2912、2916相对应的成对的间隔开的导电结构由具有相同厚度的不同材料形成，这表明成对的间隔开的导电结构的材料的较高电阻会导致更高的触发电压。
间隔导电结构的保持电压的设计注意事项
如以上关于图6所述，在触发一对间隔开的导电结构时，IV曲线的相应部分的特征在于“回跳”区域，随后是电压崩溃到保持电压VH。在一些应用中，例如，对动力核心电路的EOS监控，可以期望将一对隔开的导电结构的VH控制为比预定值高的值。例如，当监控器设备与并联电连接的某些电路(例如电源电路)集成在一起时，一对隔开的导电结构对中的一对的VH可以高于电源电路的VH。这可能是因为，例如，如果VH低于电源电压，则在响应EOS事件触发一对间隔开的导电结构时，会导致跨这对导电结构的电压崩溃至VH，EOS事件结束后电源可能会闩锁。在下文中，描述了证明这种效果的实验结果。因此，根据各种实施例，包括成对的间隔开的导电结构的监控器设备具有的保持电压高于用于核心电路的电源的电压。
图28A示意性地示出了使用具有不同负载值的传输线在TLP测试中实验性地控制有效VH。如图所示，因为当触发一对间隔开的导电结构时，使用具有较高负载值(例如500Ohms)的传输线，IV曲线根据由传输线的负载值定义的负载线具有负斜率，与使用传输线具有较低负载值(例如500Ohms)时产生的VH相比，导致间隔开的导电结构两端的电压崩溃至更低的VH。图28B示出了相对于图28A示意性示出的负载值对VH的影响的实验验证。如图所示，对于名义上具有相同触发电压的成对导电结构，与使用相对较低的负载(50欧姆传输线)从TLP测试获得的VH值3208A相比，使用具有较高负载值(500欧姆，1500欧姆)的传输线获得的VH值3208B具有相对较低的VH值。
图29A-29C是根据实施例的，与在钝化层中形成的，用不同材料填充的开口平行地电连接的多对间隔的导电结构的示意性俯视图，该导电结构平行地电连接。开口可以在导电结构之间的间隙中填充有半透膜/凝胶(图29A)，(反应性)金属材料(图29B)或(绝缘)材料。
图30是根据实施例的监控器设备的示意性俯视图，该监测器装置具有并联电连接的多对隔开的导电结构，该导电结构具有在钝化层中形成的开口，该开口与微流体通道重叠。所图示的成对的间隔开的导电结构被配置为使得在电弧放电时，导电结构(金属结构)之间的间隙可以增加，这可以产生更宽的路径或通道以使流体沿特定方向流动。包括成对的隔开的导电结构对的监控器设备可以被电修改以创建或修改用于流体沿着特定路径流动的路径。在一些实施例中，导电结构，例如金属结构，可以被配置为与通道中的流体反应。在一些实施例中，在电弧放电之前和之后的流体的测量/分析可以提供与化学变化相关联的电标记，所述化学变化例如pH或气体浓度的变化，用于生物医学或化学分析中。
图31和图32示出了根据一些实施例的具有成对的间隔开的导电结构的监控器设备，其中在成对的间隔开的导电结构上形成帽或保护盖，使得可以形成密封通道(用于使流体通过)。与关于图30所示的监控器设备类似，由盖罩住的导电结构，例如金属结构，可以构造成与通道中的流体反应。在一些实施例中，电弧放电之前和之后的流体的测量/分析可以提供与化学变化例如pH或气体浓度的变化相关的电签名，以用于生物医学或化学分析。在一些实施例中，基底对于可穿戴应用可以是柔性的。
适用于不同应用的火花间隙结构
上述EOS监控器或EOS保护装置的各种实施例包括一对或多对导电结构或火花间隙结构。导电结构响应于EOS事件而用作电弧电极。成对的导电结构具有突起，例如用于火花间隙装置的两个电极的尖锐的或圆形的尖端，其有助于电弧放电。可以针对与电弧放电相关的各种期望的物理属性(包括触发电压)来定制突起。在下文中，对于一些应用，EOS监控器/保护装置包括一对或多对导电结构，其中导电结构的形状不同。
如本文所述，不同形状的导电结构影响电弧。不同形状的导电结构可以包括彼此面对的，具有不同形状的表面。不同形状的导电结构可以包括面对表面，所述面对表面包括限定导电结构之间的最短距离的点。当沿一个或多个方向观察时，不同形状的导电结构可以包括具有不同形状的面对表面。将理解的是，当在一个方向上观察时，导电结构的面对表面的形状可能看起来基本相同，而在不同方向上看起来是不同的。举例来说，参考图33，可以在x、y和z方向中的任何一个上观察包括第一导电结构3300A和第二导电结构3300B的一对导电结构，每个导电结构包括多个突起或尖端。为了说明的目的，在图33中，限定导电结构之间的最短距离的点被示出为在x方向上，在本文中也称为间隙方向。在z方向上的俯视图中，第一和第二导电结构3300A、3300B的横跨间隙彼此面对的弧形表面是不同的(尖锐的尖端与直的边缘)。然而，当第一导电结构3300A和第二导电结构3300B具有相同的厚度(在z方向上)，并且当第一导电结构3300A和第二导电结构3300B彼此面对的表面竖直垂直时(在z方向上)，当沿y方向观察时，第一和第二导电结构3300A、3300B的彼此面对的表面的间隙可能看起来相似或相同。为了清楚起见，如本文所述，不同形状的一对导电结构包括彼此面对的表面，当在与间隙方向正交的两个方向中的至少一个方向上观察时，该表面具有不同的形状。例如，在图33中，不同形状的第一和第二导电结构3300A、3300B可以具有彼此面对的表面，当沿着间隙沿y方向(例如，正交于x方向的水平方向)观察时，它们的表面具有不同的形状。替代地，或另外，如图所示，当沿z方向，例如正交于x方向的上下方向观察时，两个电极的表面可以不同。
为了清楚起见，如本文所述，不同形状的一对导电结构并不指可以包括由于制造差异而具有彼此不同的彼此面对的表面的一对导电结构。例如，光刻图案化的结构可以具有临界尺寸的公差窗口，例如，+/-10％。在这些结构中，目标形状相同，但由于制造差异，最终形状略有不同。在此所使用的术语的含义内，仅由于意外的制造变化而不同的形状没有不同。
在下文中，一些实施例，例如具有两个导电结构的实施例(例如图33、35-38、43A-54D)可以适用于以上关于图1-32描述的任何实施例。其他一些实施例，例如，具有多于两个导电结构的实施例(例如图34，39-42)可以适用于以上描述的任何实施例，其中可以电连接多对导电结构，例如，以并联方式电连接，例如，以上关于图1A、1B、35B、7A-8B描述的实施例。。
在一些实施方案中，导电结构中的至少一个不具有突起或尖端。这种导电结构可以提供各种优点，包括增加触发电压和/或减少磨损，这可以使EOS监控器/保护装置的重复使用次数增加，并且触发电压的重复更改次数更少。
图33示出了根据实施例的，作为EOS监控器/保护装置的一部分而包括的一对导电结构3300，其用作被配置为响应于EOS事件而产生电弧的阴极-阳极对。一对导电结构3300被配置为使得该对导电结构3300中的两个导电结构3300中的一个但不包括另一个或多个突起或尖端。一对导电结构3300包括第一导电结构3300A，其可以电连接到高电压节点或低电压节点之一，并且用作阴极或阳极之一。一对导电结构3300还包括第二导电结构3300B，其可以电连接到电压高节点或电压低节点中的另一个，并且用作阴极或阳极中的另一个。在所示的实施例中，第二导电结构3300B包括面对第一导电结构3300A的笔直边缘，通过该笔直边缘发生电弧。以与上述类似的方式，例如，相对于图1D中的阴极136，第一导电结构3300A包括多个突起或尖端，其用于促进电弧放电并用作电弧放电路径。然而，与以上关于图1D描述的阳极140不同，第二导电结构3300B不具有突起或尖端。因此，该对导电结构3300包括并联电连接的多个火花间隙或电弧路径，其中每个火花间隙由一侧上的突起或尖端而不是另一侧上的突起或尖端限定。
在各种实施例中，第一导电结构3300A的突起或尖端可被配置为如上所述的任何形状或构型，例如包括图9A-10B，为简洁起见，在此省略其细节。例如，突起可以被锐化以具有期望的尖端角，或者可以被倒圆以具有期望的曲率半径以提供特定的电属性，例如电弧或触发电压。另外，由突起形成的多个火花间隙可以具有相同或不同的间隙距离。
在所示实施例中，出于说明目的示出了四个火花间隙。然而，在实际实施中，第一导电结构3300A可以具有大于一个的任何合适数量的突起。在存在多个突起的情况下，突起可以彼此相同或不同。
图34示出了根据实施例的作为EOS监控器/保护装置的一部分包括的多对导电结构3400，其中每对导电结构3400用作被配置为响应于EOS事件而起弧的阴极-阳极对。多对导电结构例如在其上形成有导电结构3400的基板的表面法线方向上垂直堆叠。在所示的实施例中，多对导电结构3400包括第一(上部)导电结构对，该第一(上部)导电结构包括第一导电结构3400A1和第二导电结构3400B1，以及第二对(下部)导电结构，包括第三导电结构3400A2和第四导电结构3400B2。第一对和第二对导电结构中的每一个都与以上关于图33所述的一对导电结构3300类似地构造，其中每对两个导电结构中的一个(第一和第三导电结构3400A1、3400A2)而不是另一个(3400B1、3400B2)包括一个或多个突起或尖端，并且为简洁起见，在此省略相似性的细节。类似地，第一和第三导电结构3400A1、3400A2的突起或尖端可以被配置为如上所述的任何形状或构型，例如包括图9A-10B，为简洁起见，在此省略其细节。
在所示的实施例中，第一和第三导电结构3400A1、3400A2彼此电短路，而第二和第四导电结构3400B1、3400B2彼此电短路。有利地，通过堆叠上对导电结构和下对导电结构，可以大大减少由成对导电结构3400占据的横向覆盖区。尽管出于说明性目的示出了两对导电结构，但是根据实施例，可以堆叠任何合适数量的对，以至少部分地彼此重叠。
仍参考图34，在一些实施例中，可以将不同对的导电结构集成为半导体器件(例如，以上关于图2A描述的半导体器件)的不同互连金属化层的一部分。例如，图34中的下部导电结构对可以被集成为第n金属化层的一部分，并且图34中的上部导电结构对可以被形成为任何第n金属化层的一部分。当如关于图2A所描述地集成为半导体金属化结构的不同互连金属化水平的一部分时，下一对导电结构对中的每一个形成的每个火花间隙可以被调整为在上述例如图2B所述的其他属性中具有期望的电弧电压。
在所示的实施例中，第一和第三导电结构3400A1、3400A2彼此电短路，而第二和第四导电结构3400B1、3400B2彼此电短路，从而总体上由上下一对导电结构形成的多个火花间隙或电弧路径用作并联电连接的火花间隙，其中每个火花间隙由一侧或另一侧上的突起或尖端限定。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，导电结构的上对和下对可以电隔离并且用作独立的EOS监控器或EOS保护结构的一部分。
在所示的实施例中，第一和第三导电结构3400A1、3400A2的突起可以具有不同的形状和/或与相应的第二和第四导电结构3400B1、3400B2具有不同的距离，使得导电结构的上对和下对被配置为响应于不同的EOS事件(例如，具有不同电压的EOS事件)而产生电弧。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，可以将上下一对导电结构布置成相同。
尽管未示出，但是以上关于图34描述的构造的各种替代构造是可能的。例如，可以切换第一和第二导电结构3400A1、3400B1和/或第三和第四导电结构3400A2、3400B2的相对位置。另外，第二和第四导电结构3400B1、3400B2中的一个或两个可以具有一个或多个突起，并且第一和第三导电结构3400A1、3400A2中的一个或两个可以具有笔直的边缘。另外，多个对可以在不同的金属化层处平行地电布置，而无需垂直对准。
图35示出了根据实施例的，作为EOS监控器/保护装置的一部分而包括的一对导电结构3500，该对导电结构3500用作被配置为响应于EOS事件而产生电弧的阴极-阳极对。一对导电结构3500包括第一导电结构3500A和第二导电结构3500B。与上面参考图33和图34描述的成对的导电结构不同，成对的导电结构3500被构造成使得第一和第二导电结构3500A、3500B都包括彼此面对的平坦的尖端或直的边缘。即，第一和第二导电结构3500A、3500B均不包括突起或尖锐的尖端。在所示的实施例中，第一和第二导电结构3500A、3500B中的每一个都是矩形的。
图36示出了根据实施例的被包括为EOS监控器设备或EOS保护装置的一部分的一对导电结构3600，该EOS保护设备用作被配置为响应于EOS事件而电弧的阴极-阳极对。一对导电结构3600包括第一导电结构3600A和第二导电结构3600B，其具有与图35所示的一对导电结构3500的第一导电结构3500A和第二导电结构3500B相似的平坦尖端，第一导电结构3600A和第二导电结构3600B中的每一个均具有多边形形状，而不是具有矩形形状，其中多边形彼此面对的侧面包括平坦的直边缘。
一对导电结构3500(图35)和3600(图36)具有几个优点。例如，由于响应于EOS事件而在电弧放电期间的导电面积相对于实施例可以较大，所以成对的导电结构3500(图35)和3600(图36)可以容忍较高水平的电流。另外，由于在尖端产生的热量具有较大的体积，可以通过其散发热量，因此可以减少由于例如根据图1C所述的熔化而导致的尖端形状变化造成的磨损或损坏。例如，响应于EOS事件，导电结构的触发电压可以例如改变小于300V、200V、100V、50V或在由这些值中的任何一个所定义的范围内的值。因此，成对的导电结构3500(图35)和3600(图36)可以作为EOS监控器或EOS保护装置的一部分被多次重复使用。成对的导电结构3500(图35)和3600(图35)例如可以被实现为作为两个彼此相邻或平行运行的金属轨的一部分，或作为任何其他金属化结构的一部分，包括上述互连金属化。因为与本文中公开的具有尖锐的突起或尖端的实施例相比，成对的导电结构3500(图35)和3600(图36)中的响应EOS事件的形状变化的幅度可以明显较小，在这些实施例中，依赖于尖端形状或尖端之间的距离的可见变化的一些检测方法可能不适合。但是，仍然可以检测到间隙本身的可见变化，例如间隙中介电材料的变化，以推断发生了EOS事件。这些实施例可以使用其他检测技术，例如本文所述的泄漏电流变化或基于熔丝的检测。
图37示出了根据实施例的作为EOS监控器/保护装置的一部分而包括的一对导电结构3700，其用作被配置为响应于EOS事件而产生电弧的阴极-阳极对。类似于上述导电结构对，例如，关于图33，该对导电结构3700被配置为使得该对导电结构3700中的两个导电结构中的一个而不是另一个包括一个或多个突起或尖端。然而，与上述一对导电结构不同，该导电结构包括第一导电结构3700A用作电弧期间的阴极或阳极中的一个，以及第二导电结构3700B，其至少部分地侧向围绕第一导电结构3700A并在电弧期间用作阴极或阳极中的另一个。第一导电结构3700A包括圆形基部区域，多个突起或尖端从该圆形基部区域朝第二导电结构3700B径向向外延伸。第二导电结构3700B包括面对并围绕第一导电结构3700A的突起的圆形边缘，通过电弧发生电弧。除了火花间隙的径向几何形状之外，一对导电结构3700类似于以上关于图33所述的一对导电结构3300构造，其中该对的两个导电结构中的一个(第一导电结构3700A)而不是另一个(3700B)包括一个或多个突起或尖端，并且为简洁起见，在此省略相似性的细节。类似地，第一导电结构3700A的突起或尖端可被配置为如上所述的任何形状或构型，例如包括图9A-10B，为简洁起见，在此省略其细节。因此，一对导电结构3700可受益于以上参考图33描述的一对导电结构3300的优点。另外，通过径向布置火花间隙，一对导电结构3700所占据的横向足迹也可以大大减小。
仍然参考图37，尽管在所示的实施例中，第一导电结构3700A包括多个突起或尖端，但是替代实施例也是可能的。例如，其中第二导电结构3700B包括径向向内延伸的多个突起或尖端，而第一导电结构3700A具有圆形主体但不包括任何突起的布置是可能的。
图38示出了根据实施例的，作为EOS监控器设备或EOS保护装置的一部分而包括的一对导电结构3800，该EOS保护装置用作被配置为响应于EOS事件而电弧的阴极-阳极对。与以上关于图37描述的成对的导电结构相似，成对的导电结构3800包括在电弧放电期间用作阴极或阳极之一的第一导电结构3800A，以及第二导电结构3800B至少部分地侧向围绕第一导电结构3800A，并在电弧放电期间用作阴极或阳极中的另一个。然而，与以上关于图37描述的一对导电结构3700不同，在所示实施例中，该对导电结构均不包括任何突起或尖端。
仍然参考图38，第一导电结构3800A包括圆形的弧形基底区域，第二导电结构3800B包括面对并围绕第一导电结构3800A的弧形基底区域的倒圆的边缘，通过弧形边缘发生电弧。除了径向几何形状之外，该对导电结构3800类似于上面关于图35所述的一对导电结构3500配置，其中第一和第二导电结构3800A、3800B均包括彼此面对的圆形边缘，而没有任何突出或尖锐的尖端。因此，一对导电结构3800可受益于以上参照图35描述的一对导电结构3500的优点，包括高电流能力和可重复使用性。另外，通过径向地布置火花间隙，还可以大大减小由一对导电结构3700占据的横向覆盖区。
图39示出了根据实施例的作为EOS监控器设备或EOS保护装置的一部分而包括的多个导电结构3900，其包括被配置为响应于EOS事件而电弧放电的多个阴极-阳极对。导电结构3900包括在电弧期间用作阴极或阳极中的一个的第一导电结构3900D，以及在电弧期间用作阴极或阳极中的另一个的多个第二导电结构3900A-3900C。第二导电结构3900A-3900C被示为彼此物理分离，但是可以被电分离或彼此连接。第二导电结构3900A-3900C中的每个包括指向第一导电结构3900D的突起或尖端。每个第二导电结构3900A-3900C可以(与第二导电结构3900A-3900C中的另一个独立地或并联地电连接)连接到高电压节点或低电压节点，并用作阴极或阳极之一。第一导电结构3900D包括多个突起，其中每个突起通常指向每个第二导电结构3900A-3900C的对应突起。第一导电结构3900D可以电连接到电压高节点或电压低节点中的另一个，例如，公共接地，或者用作阴极或阳极中的另一个。
在各种实施例中，第一导电结构3900D和第二导电结构3900A-3900C的每个突起或尖端可被配置为相同或不同，并且具有如上所述的任何形状或构造，例如包括上述关于图9A-10B的那些，为了简洁起见，在此省略其细节。例如，第一导电结构3900A和每个第二导电结构3900A-3900C的突起可以被锐化以具有期望的尖端角，或者可以被倒圆以具有期望的曲率半径以提供特定的电属性，例如电弧电压。另外，由第一导电结构3900D和第二导电结构3900A-3900C形成的多个火花间隙可以具有相同或不同的间隙距离。
尽管所示的第一导电结构3900D和第二导电结构3900A-3900C中的每一个都具有突起或尖端，但是实施例不限于此，并且可以从一个或多个第二导电结构3900A-3900C中省略突起，和/或可以以与上述类似的方式从第一导电结构3900D省略一个或多个突起，并用直边代替。
图40示出了根据实施例的作为EOS监控器设备或EOS保护装置的一部分而包括的多个导电结构4000，其包括被配置为响应于EOS事件而电弧放电的多个阴极-阳极对。导电结构4000包括：第一导电结构4000C，其包括在电弧放电期间用作阴极或阳极之一的导线；以及多个物理上分离的第二导电结构4000A、4000B，每个第二导电结构4000A、4000B包括多个突起，并在电弧放电期间用作阴极或阳极中的另一个。第二导电结构4000A、4000B在物理上彼此分离，但是可以电分离或彼此连接。第二导电结构4000A、4000B中的每一个包括指向第一导电结构4000C(例如，线的边缘)的突起或尖端。第二导电结构4000A、4000B中的每一个可以独立地或彼此并联地电连接到高电压节点或低电压节点之一。第一导电结构4000C以与以上相对于以上参考图33所述的第二导电结构3300B类似的方式包括直边缘。然而，第一导电结构4000C包括在面对第二导电结构4000A、4000B中的每个的相对侧上的直边缘。第一导电结构4000C可以电连接到电压高节点或电压低节点中的另一个，例如，公共接地，或者用作阴极或阳极中的另一个。
仍然参考图40，第二导电结构4000A、4000B被配置为相同。然而，实施例不限于此。例如，参考图41，与多个导电结构4000类似地配置包括第一导电结构4100C的多个导电结构4100和分别包括多个突起的多个物理上分开的第二导电结构4100A、4100B(图40)。然而，与图40不同，不同的第二导电结构4100A、4100B具有不同地布置的突起或尖端。
另外，在图40和41的所示实施例中，虽然第二导电结构4000A、4000B(图40)和4100A、4100B(图41)中相同的第二导电结构中的突起或尖端被布置为相同，实施例不限于此，并且第二导电结构(4000A，4000B，4100A，4100B)之一的突起可以配置为彼此不同，并且具有如上所述的任何形状或配置，例如包括图9A-10B，为了简洁起见，在此省略其细节。另外，形成的多个火花间隙可以具有相同或不同的间隙距离。
导电结构4000(图40)和4100(图41)的又一变化是可能的。参照图42，类似于第一导电结构4000(图40)，构造包括第一导电结构4200C和多个物理上分离的第二导电结构4200A、4200B的多个导电结构4200，每个第二导电结构4200A、4200B均包括多个突起。同样类似地，导电结构4200包括具有导电线的第一导电结构4200C。然而，与图40不同，第一导电结构4200C在面对第一和第二导电结构4200A、4200B中的每一个的相对侧上包括多个突起。形成在第一导电结构4200C的第一和第二侧上的突起通常指向第二导电结构4200A、4200B中的每个的相应突起。
配置用于后期制造触发电压调整的火花间隙结构
如上所述，可以通过在制造过程中调整各种物理参数，针对与电弧放电相关的各种期望的电参数来定制包括一对或多对导电结构或火花间隙结构的EOS监控器或EOS保护装置的各种实施例。例如，可以使用导电结构的各种属性(例如，导电结构之间的形状和电弧距离)来调整导电结构的触发电压。例如，当导电结构包括突起时，可以控制突起的清晰度和/或突起与最近的导电结构(例如另一个突起)之间的距离，以控制触发电压。但是，在某些应用中，可能希望在制造后例如使用之前调整电参数。在下文中，EOS监控器或EOS保护装置包括一对或多对导电结构，其被配置为使得与电弧放电相关的电参数，例如触发电压，在制造后是可调谐的。
图43A-43B示出了一个实施例，其中一对导电结构中的一个包括导线，该导线被配置为在电流从中通过时减小宽度，使得该对导电结构的间隙距离是可调的。图44A、44B和55示出了一个实施例，其中一个或两个导电结构被配置为相对于彼此在位置上移位，使得该对导电结构的间隙距离是可调的。这种结构可以提供各种优势，包括具有特定应用和现场可调电参数的EOS监控器和保护装置。
图43A-43B示出了根据实施例的作为EOS监控器/保护装置的一部分而包括的制造后可调节的一对导电结构4300A、4300B，该EOS监控器/保护装置用作被配置为响应于EOS事件而电弧的阴极-阳极对。加工后可调节的一对导电结构4300A、4300B，其包括第一导电结构4304B和第二导电结构4304A，它们以与以上关于图40所述的第一和第二导电结构4000C、4000A/4000B类似的方式布置，为简洁起见，在此省略其附加细节。另外，在示出的实施例中，第二导电结构4304B(其可以被配置为线)被配置为使得可以在制造后可控制地减小横向宽度，从而相应地增加了与第一导电结构4304A的距离以及相应的电弧电压。图43A和43B分别示出了第二导电结构4304B的受控宽度减小之前和之后。在一个实施方式中，第二导电结构4304B的横向宽度可以通过可控制地在第二导电结构4304B中引起电迁移来实现。例如，可以选择第二导电结构4304B的材料和电阻，使得第二导电结构4304B的宽度的预定减小通过使用适当配置的与其连接的电流或电压源使相应量的电流通过来实现。例如，第二导电结构4304B可以由铜或铝形成。
图44A示出了根据实施例的，作为EOS监控器设备或EOS保护装置的一部分而包括的制造后可调节的一对导电结构4400A，EOS监控器设备或EOS保护装置用作被配置为响应于EOS事件而电弧的阴极-阳极对。一对导电结构4400A包括在电弧放电期间用作阴极或阳极之一的第一导电结构4404A，以及第二导电结构4404B至少部分地横向包围第一导电结构4404A，并在电弧放电期间用作阴极或阳极中的另一个。第一导电结构4404A包括圆弧形结构，第二导电结构4404B包括具有穿过其形成的孔的板，其中该孔围绕第二导电结构4404B。孔的侧壁面对第二导电结构4404B的圆形边缘，通过该圆形边缘发生电弧。除了缺少与第一导电结构4404A的圆弧形结构连接的水平线以及第二导电结构4404B对第一导电结构4404A的完全横向包围之外，该对导电结构4404A类似于以上关于图38所述的一对导电结构3800配置，为简洁起见，在此省略其额外细节。
在所示的实施例中，第一和第二导电结构4404A、4404B中的一个或两个被配置为在制造后的物理位置中被调节。例如，第一导电结构4404A和第二导电结构4404B中的一个或两者可以连接至微机电系统(MEMS)的微移动器(未示出)。例如，微型移动器可以是电磁(EM)致动器，其物理地连接到第一和第二导电结构4404A，4404B中的一个或两个，并且被配置为例如线性平移第一和第二导电结构4404A、4404B中的一个或两个。例如，第一导电结构4404A和第二导电结构4404B中的一个或两者可以在x、y和z方向中的一个或多个线性地平移，使得第一和第二导电结构4404A、4404B之间的电弧距离可以相应地减小，这又可以导致相应较低的触发电压。
将理解的是，图44A中示出的使用微移动器的制造后可调节的一对导电结构4400A的布置仅仅是导电结构的各种布置的一个示例。实际上，配置为响应于本文描述的EOS事件而起弧的任何一对导电结构都可以从本发明构思中受益。例如，第一导电结构4404A和第二导电结构4404B中的一个或两个可具有一个或多个如上所述的关于各种实施例的突起。
图44B示出了制造后可调节的一对导电结构4400B的替代实施例，其包括第一导电结构4408A和第二导电结构4408B，它们以与以上关于图44A所述类似的方式布置，为简洁起见，在此省略了其附加细节。然而，与导电结构4400A(图44A)不同，该对导电结构4400B的第二导电结构4408B包括多个突起或尖端。在各个实施例中，以与上述类似的方式布置突起，例如，第一导电结构3700A(图37)，为简洁起见，在此省略其细节。另外，如以上关于图44A所述，第一导电结构4408A和第二导电结构4408B中的一个或两者可以在x、y和z方向中的一个或多个线性地平移，使得第一导电结构之间的电弧距离可以相应地减小结构4408A和第二导电结构4408B的突起中的任何一个，这又可以导致相应较低的触发电压。
为了提供另一替代示例，图45示出了制造后可调节的一对导电结构4500，其包括以与以上关于图33所述类似的方式布置的第一导电结构4500A和第二导电结构4500B，为了简洁，在此省略其细节。然而，与导电结构3300(图33)不同，第一导电结构4500A和第二导电结构4500B中的一个或两个可以在x、y和z方向中的一个或多个线性地平移，使得第二导电结构4500B与第一导电结构4500A的突起之间的电弧距离可以相应地减小，这又可以导致相应较低的触发电压。
具有集成熔丝结构的自限式火花间隙结构
在上述各种实施例中，例如，关于图3、4和7A-7B，包括被配置为监视与EOS事件相关的电压和/或能量的导电结构的EOS监控器设备可以包括与其连接的熔丝。除了使用熔丝来监视与EOS事件相关的电压和/或能量外，熔丝还可以用作保护装置，以限制流过导电结构的电流量，并防止损坏与其连接的其他电路。有利地，在一些实施例中，导电结构可以与熔丝集成在一起，作为半导体器件(例如，以上参照图2A描述的半导体器件)的金属化结构的互连金属化层的一部分。因此，在各种实施例中，EOS监控器设备或EOS保护装置包括一个或多个火花间隙结构，该火花间隙结构包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，该一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧，并且还包括串联连接到该对导电结构的集成熔丝。
图46A、46B分别示出了一对导电结构4600A、4600B，其包括与以上关于图33所描述的相似之处的第一导电结构4604A和第二导电结构4604B，为了简洁起见，在此省略其附加细节。虽然在一侧上，面对第一导电结构的第二导电结构4604B具有以与以上关于图33所述类似的方式布置的笔直边缘，但是在另一侧，第二导电结构4604B具有渐缩部分，在该渐缩部分中宽度连续减小至狭窄的收缩部4612，然后是线结构。参照图46A，在操作中，响应于EOS事件，电流流过第一导电结构4604A的突出部和第二导电结构4604B的间隙之间的间隙。由于在缩颈4612处的电阻增加，所以在缩颈4612处的金属可能熔化并最终形成空隙4616，如图46B所示。因此，产生开路，从而切断电流，以防止过大的电流不希望地流经连接的电路，例如要保护或监控的核心电路。因此，收缩部4612用作串联连接到一对导电结构4600A、4600B的熔丝。
火花间隙结构集成为部分通孔
包括上述一对或多对导电结构或火花间隙结构的EOS监控器或EOS保护装置的各种实施例，可以作为要监控或保护的核心电路之外的独立组件制造，也可以作为要监控或保护的核心电路集成的设备制造。在后一种实施方式中，上述实施例中的任何一个，例如，关于图33-46B所描述的实施例，可以被制造为半导体器件，例如以上关于图2A所描述的半导体器件的不同互连金属化层的一部分。例如，可以将水平或横向布置的各种导电结构形成为第n金属化层的一部分，例如，第n金属层。在一些实施例中，代替通过图案化金属化水平的金属层来形成，可以将导电结构形成为第n金属通孔的一部分，如以上关于图2A所描述的。
图47A示出了示例性后端金属化结构，其示出了两个垂直相邻的金属层4704、4708，其通过在其之间形成的“常规”通孔结构4712连接。通孔结构4712之间的空间填充有介电层4716，例如，层间电介质(ILD)层/金属间电介质(IMD)层。
图47B示出了示例性后端金属化结构，其示出了两个垂直相邻的金属层4704、4708，其通过形成在其间的部分导电通路结构4720连接。在这些实施例中，部分导电通路结构4720和电隔离的相邻金属层4704用作被配置为响应于EOS事件而起弧的一对导电结构。部分导电通路结构4270在第一端接触上金属层4708，同时在第二端与下金属层4704分离。通孔结构4712之间的空间以及部分导电通路结构4270和下部金属层4704之间的间隙被介电层4716例如ILD/IMD层填充。有利地，在一些实施方式中，可以将部分导电通路结构布置为NxM阵列。
火花间隙结构与屏障结构集成以抑制裂纹的形成或传播
本文描述的EOS监控器或EOS保护装置的各种实施例依赖于一对或多对导电结构上的电弧。由于电弧事件涉及介电击穿，因此它们会将大量电能(例如电能和热能)释放到周围区域，这尤其可能导致导电结构本身以及周围区域中相对较高的机械应力。机械应力继而可引起周围区域例如周围金属间电介质(IMD)区域的破裂。在某些情况下，在IMD区域中产生的裂纹可以向下延伸至衬底水平，和/或向上延伸至超出IMD区域之外，并进入形成在IMD区域上方的钝化层中。裂缝的出现可能会立即或随后由于暴露于环境(例如湿气)而产生电气开路或短路。因此，发明人已经认识到需要用于防止裂纹形成和/或传播的阻挡结构。
图48A示出了根据实施例的集成电路设备的后端互连结构4800A的一部分的侧视图，该集成电路器件包括EOS监控器或EOS保护装置，该EOS保护装置包括被配置为响应于EOS事件而起弧的一对或多对导电结构。如上所述，成对的导电结构被制造为互连金属化结构的一部分，例如，作为一个或多个金属化层的一部分，如以上关于图2A所述。后端互连结构4800A包括被配置为响应于EOS事件而成弧形的一对导电结构4804，其可以以与上述关于上述各种实施例的上述类似的方式布置，为简洁起见，在此省略了其附加细节。后端互连结构4800A还包括邻近于一对导电结构4804，例如在其上方和/或下方布置的阻挡结构4808A、4808B。阻挡结构可以包括电浮置结构，例如浮置金属层、多晶硅层和/或或通孔结构，其用作在一对导电结构4804附近的区域中裂纹的产生或传播的机械屏障。在所示的实施方式中，阻挡结构4808A、4808B本身在火花间隙的间距之下和之上由间隙横向隔开。横向相邻的阻挡结构之间的间隙比一对导电结构之间的间隙宽，使得阻挡结构不被配置为响应于EOS事件而电弧。布置的阻挡结构4808A、4808B可以在发生电弧之后防止跨过一对导电结构4804和/或穿过阻挡结构4808A、4808B的电短路。在一些实施方式中，每个阻挡结构4808A、4808B可以包括两个金属层板，其通过一个或多个通孔竖直地连接，这可以提供增加的机械刚度。在一些实施方式中，可以形成没有金属层的通孔。在一些其他实施方式中，代替通孔的阵列，可以使用单个大通孔。
图48B示出了集成电路设备的后端互连结构4800B的一部分的侧视图，该集成电路器件包括EOS监控器或EOS保护装置，该EOS保护装置包括被制造为互连金属化层的一部分的上述一对或多对导电结构，例如根据一些其他实施例，如以上关于图2A所描述的，作为金属化水平的一个或多个的一部分。类似于后端互连结构4800A(图48A)，后端互连结构4800B包括可以以类似方式布置的一对导电结构4804，为简洁起见，在此省略其额外细节。后端互连结构4800B还包括阻挡结构4812A、4812B，该阻挡结构4812A、4812B以与以上关于图48A所描述的相似的方式邻近于例如一对导电结构4804上方和/或下方。然而，与后端互连结构4800A(图48A)不同，阻挡结构4808A、4808B在包括金属板层时不包括通孔。
将认识到，尽管在以上关于图48A和图48B描述的一些实施例中，阻挡结构可以是电浮动的，但是实施例不限于此，并且在其他实施例中，阻挡结构可以电连接到集成电路器件的其他部分。
在一些实施方案中，势垒结构还用作电路(例如，核心电路或感测电路)的后端金属化结构。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，除了用作裂缝产生和/或传播抑制结构之外，阻挡层结构不用于其他目的。
配置为低触发电压的火花间隙结构
在一些应用中，可以设计作为EOS监控器设备和/或用作阴极-阳极对的EOS保护装置的一部分而包括的一对导电结构或火花间隙结构，该对阴极-阳极对被配置为可以将响应EOS事件的电弧设计为在较低的电压(例如，<100V)下触发。为了满足这些和其他需求，本文描述的各种实施例针对一种电气过应力(EOS)监控器/保护装置，该装置包括一对导电结构，该一对导电结构被配置为响应EOS事件，在相对较低的触发电压(小于约100V、80V、60V、40V、20V、10V、5V、1V、0.5V)或这些值中任何一个定义的范围内的电压下电弧放电。触发电压可以例如在由图13所示的实验图中的任何值限定的范围内。该对导电结构集成在半导体基板上，并且被用作电弧放电介质的介电层隔开。
图49A和49B分别示出了集成系统4900A和4900B，其包括电连接到并配置为监控和/或保护核心系统/模块/电路4908的EOS监控器/保护装置4904。如图49A所示，在一些在实施方式中，EOS监控器/保护装置4904相对于核心系统/模块/电路4904和地线4912布置在上游，并且核心系统/模块/电路4904电插在EOS监控器/保护装置4904和地线4912之间。在图49B中所示的替代植入中，EOS监控器/保护装置4904相对于EOS监控器/保护装置4904设置在下游，并且EOS监控器/保护装置4904电插在核心系统/模块/电路4908和地线4912之间。图示的EOS监控器/保护装置4904A和4904B配置为进行低压监控和/或保护，并且可用于监控或保护各种集成半导体器件，例如晶体管，二极管和金属化结构来抵抗EOS事件。
在下文中，具有EOS监控或保护的集成电路器件的各种实施例包括半导体基板和集成在半导体基板上的一个或多个导电结构或火花间隙结构并被配置为在低于约100V的触发电压下响应EOS事件产生电弧。
图50A至图50D示出了根据实施例的在制造EOS监控器/保护装置5000D的各个阶段的中间结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置5000D被配置为响应于EOS事件而在小于约100V的触发电压下电弧放电。EOS监控器/保护装置5000D包括一对导电结构，该导电结构被配置为响应于EOS事件而起弧，其方式与以上针对各种实施例所述的方式类似。参照图50D，EOS监控器/保护装置5000D的一对导电结构包括在半导体基板5004中的掺杂区域5016，该掺杂区域相对于半导体基板5004被重掺杂。掺杂区域5016用作一对导电结构中的第一导电结构，并且在电弧放电期间用作阴极或阳极中的一个。所述一对导电结构还包括导电结构5024，例如，导电通路或插塞结构，其形成在掺杂区域5016上方并用作所述一对导电结构中的第二导电结构，以及电弧期间阴极或阳极中的另一个。掺杂区域5016和导电结构5024被用作电弧放电介质的第一介电层5008插入。导电结构5024可以由多层材料形成。例如，在所示的实施例中，导电结构5024包括与第一介电层5008接触的触发电压调谐层5024A和在触发电压调谐层5024A上形成的载流或填充导电结构5024B。下文提供了该对导电结构的特征的附加细节以及形成该导电结构的方法。
参照图50A，示出了中间结构5000A，该中间结构5000A包括其中形成有掺杂区域5016的衬底5004，随后在衬底5004上形成第一介电层5008，并在衬底5004上形成第二介电层5012。
衬底5004可以以多种方式来实现，包括但不限于掺杂的半导体基板，其可以由以下形成：元素IV族材料(例如Si、Ge、C或Sn)或由IV族材料(例如SiGe、SiGeC、SiC、SiSn、SiSnC、GeSn等)形成的合金；III-V族化合物半导体材料(例如GaAs、GaN、InAs等)或由III-V族材料形成的合金；II-VI族半导体材料(CdSe、CdS、ZnSe等)或由II-VI族材料形成的合金。衬底也可以实现为绝缘体上的半导体，例如绝缘体上硅(SOI)衬底。SOI衬底通常包括硅绝缘体-硅结构，其中使用诸如掩埋的SiO2层的绝缘体层将上述各种结构与支撑衬底隔离。另外，将理解的是，本文描述的各种结构可以至少部分地形成在形成在表面区域处或表面区域附近的外延层中。
当衬底5004被掺杂时，掺杂区域5016可以被掺杂为与衬底5004相同或相反的掺杂剂类型。掺杂区域5016通常可具有在约1×1013cm-3与约1×1022cm-3之间的峰值掺杂剂浓度。在一些实施例中，掺杂区域5016包括重掺杂区域(N+或P+区)，其重掺杂浓度可超过约1×1018cm-3或约1×1019cm-3。然而，实施例不限于此，并且掺杂区域5016可以包括轻掺杂区域(N-或P-区)，该轻掺杂区域的峰值掺杂浓度可以低于约1×1014cm-3或约1×1013cm-3。掺杂区域5016还可以包括中间掺杂区域，该中间掺杂区域的掺杂浓度在上述任何值所限定的范围内。
可以通过离子注入例如p型或n型掺杂剂的掺杂剂来形成掺杂区域5016。例如，当掺杂区域5016包括局部掺杂区域时，可以通过对穿过形成在基板5004上方的掩模层(未示出)例如光致抗蚀剂层的开口进行构图来形成掺杂区域5016。图案形成可以例如通过光刻进行。可以在制造期间的任何合适的时间分别通过在形成第一介电层5008之前、在形成第一介电层5008之后、以及在形成第二介电层5012之后在基板5004上形成并图案化掩模层来执行离子注入，包括在形成第一介电层5008之前、在形成第一介电层5008之后、在形成第二介电层5012之后。
然而，实施例不限于此。例如，代替或除了使用图案化的抗蚀剂层作为注入掩模之外，可以使用其他掩模(例如，压印或阴影掩模)和掺杂(例如，扩散)技术。
选择第一介电层5008的材料和厚度，使得其可以在跨低电压的情况下相对可靠地击穿。在各种实施例中，合适的介电材料可以包括SiO2、Si3N4、TiO2、Ta2O5、SrTiO3、ZrO2、HfO2、Al2O3、La2O3、Y2O3、HfSiO4、LaAlO3或上述的非化学计量形式或非化学计量形式，以及它们的各种混合物、组合，仅举几例。不受任何理论的束缚，将认识到，在一些情况下，相对于电子发射触发电压调谐层5024A具有相对较高的导带偏移的介电材料可能会产生相对较高的触发电压，这是由于电子在实际电流开始流过之前必须克服的更高的能垒，这最终可能导致完全起弧。可以使用合适的技术形成第一介电层5008，例如热氧化、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蒸发、旋涂等，仅举几例。将理解的是，可以基于多种因素来选择厚度，包括用于电弧放电的期望触发电压、第一介电层5008的材料、用作阴极或阳极之一的掺杂区域5016的掺杂类型/水平、触发电压调整层5024A接触第一介电层5008的材料以及用作阴极或阳极中另一个的导电结构(5024，图50D)的形状，以及EOS监控器/保护装置5000D的其他物理属性(图54D)。根据各种实施例，对于小于约100V的触发电压，第一介电层5008的厚度可以在约1-10nm、10-20nm、20-50nm、50-100nm、100-200nm、200-300nm、300-400nm、400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm、900nm-1000nm之间或在这些值中的任何一个定义的范围内的厚度。
选择第二介电层5012的材料和厚度，使得其可以用作用于限定载流结构5024B的形状的合适模板，如下所述。选择第二介电层5012的材料，使得其可以被选择性地蚀刻在第一介电层5008上，如下所述。用于第二介电层5012的合适的材料可以包括与第一介电层5008不同的材料，例如诸如SiO2或Si3N4的介电材料、多晶硅、非晶硅、聚合材料或金属。厚度可以例如大于第一介电层5008的厚度，例如100nm-100μm。
参照图50B，示出了中间结构5000B，其表示中间结构5000A(图50A)，其已经被进一步处理以形成穿过第二介电层5012的开口5020。开口5020可以通过适当的掩模形成。蚀刻工艺。例如，可以在第二介电层5012上形成光致抗蚀剂层(未示出)，并局部去除光致抗蚀剂层以形成穿过其的开口，然后进行适当的蚀刻工艺以形成开口5020。可以例如通过光刻或使用其他合适的技术进行图案化。开口5020的底部至少部分地与掺杂区域5016横向重叠。在所示的实施例中，开口5020在掺杂区域5016内横向形成。合适的蚀刻工艺可以是湿蚀刻工艺和/或干蚀刻工艺，其中在第一介电材料5008和第二介电材料5012之间，蚀刻去除基本上是选择性的，使得蚀刻去除在第一介电层5008处停止。
开口5020形成为具有适合于例如在小于约100V的电压下电弧放电的合适形状。例如，在所示的实施例中，开口5020具有锥形轮廓，使得开口5020的侧壁相对于开口5020的底表面的水平表面形成大于>90°的角θ。例如，根据各种实施例，θ可以是90°-100°、100°-110°、110°-120°、120°-130°、130°-140°、140°-150°、150°-160°、160°-170°或这些值定义的范围内的任何角度。尽管未示出，但是开口5020可以具有任何合适的横向形状，即，在俯视图中可见的形状，例如，圆形、椭圆形或多边形。在所示的实施例中，开口5020的底表面具有合适的宽度d，该宽度d与θ一起限定了导电结构5024的电弧区域的锐度(图50D)。
参照图50C，示出了中间结构5000C，其表示中间结构5000B(图50B)，该中间结构5000B已经被进一步处理以在开口5020的内表面上形成触发电压调整层5024A。触发电压调谐层5024A可以被选择性地沉积在开口5020中，或者被毯覆沉积，然后从开口5020外部的区域去除。
选择触发电压调整层5024A的材料以具有特定的功函数，以调整一对导电结构的触发电压或电弧电压。不受任何理论的束缚，可以理解的是，一对导电结构的触发电压或电弧电压可以部分取决于触发电压调谐层5024A的金属功函数与掺杂区域5016的费米能级之间的能量差。
在一些实施方案中，当掺杂区域5016是p掺杂的时，触发电压调谐层5024A可以包括p掺杂的半导体，例如多晶硅或合适的“p型”金属，使得触发电压调谐层5024A的功函数Φm设计成在约4.1eV与约4.65eV之间、在约4.1eV与约4.4eV之间、或在约4.4eV与约4.65eV之间。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，当掺杂区域5016是n掺杂时，触发电压调谐层5024可以具有这些功函数值。
在一些其他实施方案中，当掺杂区域5016是n掺杂时，触发电压调谐层5024A可以包括n掺杂半导体材料，例如n掺杂多晶硅或合适的金属，从而触发电压调谐层5024A的功函数Φm被设计为在约4.65eV至约5.2eV之间、在约4.65eV至约4.9eV之间、或在约4.9eV至约5.2eV之间。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，当掺杂区域5016被p掺杂时，触发电压调谐层5024可以具有这些功函数值。
在各种实施例中，用于触发电压调谐层5024A的合适的金属包括例如铝(Al)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钼(Mo)、铷(Ru)、WN、TiN、TaN、TaCN和TaSixNy、仅举几例。
在一些实施方案中，可以选择触发电压调谐层5024A，使得差(Φm-EF)不超过约0.8eV,0.5eV,0.3eV,0.2eV或这些值定义的任何范围内的值，其中Φm是触发电压调谐层5024A的功函数，EF是掺杂区域5016沟道区的费米能级。
触发电压调谐层5024A可以通过适当的技术形成，例如，原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)。
参照图50D，示出了中间结构5000D，其表示中间结构5000C(图50C)，其已经被进一步处理以用载流金属或填充金属填充开口5020中的剩余空间以形成载流导电结构5024B以完成导电结构5024的形成。载流金属可以是合适的材料，例如铝、铜、钨或重掺杂的硅，仅举几个例子。载流导电结构5024B可以被毯覆沉积，然后通过例如化学机械抛光从开口5020外部的区域去除。载流导电结构5024B可以通过合适的技术形成，例如，原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。
因此，该对导电结构包括半导体基板5004中的掺杂区域5016，其相对于用作EOS事件的电弧在电弧期间相对于用作阴极或阳极之一的半导体基板5004重掺杂，以及形成响应于EOS事件而在电弧期间用作阴极或阳极中的另一个的导电结构5024，如上所述。
图51A-51D示出了根据一些其他实施例的在制造EOS监控器/保护装置5100D的各个阶段的中间结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置5100D被配置为响应于EOS事件而在小于约100V的触发电压下电弧放电。EOS监控器/保护装置5100D包括一对导电结构，其在一些方面以与以上关于图50A-50D所描述的类似的方式来配置图11中的配置，并且为了简洁，在此省略类似方面的详细描述。例如，参考图51D，该对导电结构包括形成在半导体基板5004中的掺杂区域5016，该掺杂区域相对于半导体基板5004被重掺杂，并且在电弧放电期间用作阴极或阳极之一。该对导电结构还包括形成在掺杂区域5016上方的导电结构5124，并用作电弧期间该对导电结构中的第二导电结构以及阴极或阳极中的另一个。掺杂区域5016和导电结构5124被第一介电层5008插入。然而，与以上参照图50D描述的导电结构5024不同，导电结构5124不包括触发电压调谐层5024A。另外，导电结构5124不具有渐缩的侧壁，并且导电结构5124的横向宽度在垂直方向上相对恒定，而不是朝着基板5004减小。下文提供了该对导电结构的特征的附加细节以及形成该对导电结构的方法。
参照图51A，示出了中间结构5100A，该中间结构5100A包括其中形成有掺杂区域5016的衬底5004，随后在衬底5004上形成第一介电层5008并形成第二介电层5012。在制造阶段，中间结构5100A类似于以上关于图50A描述的中间结构5000A，并且为了简洁，在此省略了制造步骤的细节。
参照图51B，示出了中间结构5100B，该中间结构5100B表示中间结构5100A(图51A)，该中间结构5100A已经被进一步处理以形成穿过第二介电层5012的开口5120。开口可以以与以上关于图50B描述的方式类似的方式形成，除了开口5120的横向尺寸d大于掺杂区域5016的宽度并且在掺杂区域5016所占据的横向覆盖区外侧横向延伸。另外，开口5120形成为具有相对笔直的轮廓而不是具有渐缩的侧壁。
参照图51C，示出了中间结构5100C，该中间结构5100C表示中间结构5100B(图51B)，该中间结构5100B已经被进一步处理以用触发电压调谐层填充开口5120以形成导电结构5124。触发电压调谐层可以选择性地沉积在开口5120中，或者沉积毯覆，然后从开口5120外部的区域去除。
参考图51D，示出了中间结构5100D，其表示已经被进一步处理以形成接触5128的中间结构5100C(图51C)。
参照图51C和51D，在示出的实施例中，虽然单个电压调谐层5124填充开口5120(图51B)以形成导电结构5124，但是实施例不限于此。在一些其他实施例中，以与以上关于图50C-50D所述类似的方式，开口5120(图51B)可首先衬有触发电压调谐层的薄层，然后以与以上关于图50C-50D所述类似的方式，用载流导电材料填充开口中的剩余空间，以完成第二导电结构5124的形成。
图52A-52D示出了根据一些其他实施例的在制造EOS监控器/保护装置5200D的各个阶段的中间结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置5200D被配置为响应于EOS事件而在小于约100V的触发电压下电弧放电。EOS监控器/保护装置5200D包括一对导电结构，其在一些方面以与以上关于图50D所描述的类似的方式配置，并且为了简洁在此省略相似方面的详细描述。然而，与图50D不同，参考图52D，该对导电结构包括金属层5204，该金属层5204形成在其上形成有第一介电层5008的基板(未示出)例如半导体基板之上。金属层5204在电弧放电期间用作阴极或阳极之一。所述一对导电结构还包括形成在金属层5204上方的导电结构5024，并且以与以上关于图50D所述类似的方式，用作成对的导电结构中的第二导电结构，或者在电弧期间用作阴极或阳极中的另一个。金属层5204和导电结构5024被用作电弧放电介质的第一介电层5008插入。导电结构5024包括接触第一介电层5008的触发电压调谐层5024A和形成在触发电压调谐层5024A上的载流导电结构5024B。下文提供了该对导电结构的特征的附加细节以及形成该导电结构的方法。
参照图52A，示出了中间结构5200A，其包括可以形成在基板(未示出)上的金属层5204。衬底可以包括上面参考图50A描述的合适的衬底。在所示的实施例中，代替如以上关于图50A和图51A所描述的在衬底中形成掺杂区域，金属层5204用作一对导电结构中的一个导电结构。在金属层5204的形成之后，在金属层5204上形成第一介电层5008，并且在第一介电层5012上形成第二介电层5012。在该制造阶段，中间结构5200A类似于以上关于图50A描述的中间结构5000A，除了省略了具有掺杂区域的半导体基板并由金属层5204代替之外，金属层5204用作适于响应于EOS事件而电弧放电的一对导电结构中的第一导电结构。
参考图52B、52C和52D，示出了中间结构5200B、5200C和5200D，它们分别被类似地制造为相应的中间结构5000B(图50B)、5000C(图50C)和5000D(图50D)，为了简洁起见，在此省略其详细描述。
根据期望的触发电压，金属层5204可以包括与以上参考图50C和50D描述的触发电压调谐层5024A或载流层5024B相同或不同的材料，或由其形成。
图53A-53D示出了根据实施例的在制造EOS监控器/保护装置5300D的各个阶段的中间结构的侧视图，该EOS监控器/保护装置5300D被配置为响应于EOS事件而在小于约100V的触发电压下电弧放电。EOS监控器/保护装置5300D包括一对导电结构，该导电结构被配置为响应于EOS事件而以与上文关于图50D所述类似的方式起弧。参照图53D，类似于图50D，EOS监控器/保护装置5000D的一对导电结构包括半导体基板5004中的掺杂区域5016，该掺杂区域相对于半导体基板5004被重掺杂，并且用作该对导电结构的第一导电体，并且在电弧放电期间作为阴极或阳极之一。该对导电结构还包括形成在掺杂区域5016上方的导电结构5024，并用作电弧期间该对导电结构的第二导电结构，或者用作阴极或阳极中的另一个。然而，与图50D不同，掺杂区域5016和导电结构5024被介电层5008A/5008B/5008C的堆叠物插入。导电结构5024可以由多层材料形成。例如，在所示的实施例中，导电结构5024包括接触电介质层5008A/5008B/5008C的堆叠的触发电压调谐层5024A和形成在触发电压调谐层5024A上的载流导电结构5024B。下文提供了该对导电结构的特征的附加细节以及形成该导电结构的方法。
参照图53A，示出了中间结构5300A，该中间结构5300A包括其中形成有掺杂区域5016的衬底5004，随后在衬底5004上形成介电层5008A/5008B/5008C的堆叠的第一介电层5008A。形成中间结构5300A的方法类似于上面关于图50A所描述的中间结构5000A所描述的方法，为简洁起见，在此省略其细节。
参照图53B和53C，示出了中间结构5300B和5300C，它们分别示出了依次形成第二介电层5008B和第三介电层5008C，从而完成了介电层5008A/5008B/5008C的堆叠的形成。
在各种实施例中，介电层5008A/5008B/5008C的堆叠的第一介电层5008A、第二介电层5008B和第三介电层5008C可以由分别具有第一、第二和第三导带能或相对于触发电压调谐层5024A的功函数的第一、第二和第三电子势垒高度(图53D)的电介质材料形成。另外，根据实施例，介电层5008A/5008B/5008C的堆叠可以由具有第一、第二和第三厚度和/或第一、第二和第三介电常数的介电材料形成。例如，介电层5008A/5008B/5008C的堆叠的第一、第二和第三介电层5008A、5008B和5008C中的每一个可以是上述合适的电介质材料之一，例如SiO2、Si3N4、TiO2、Ta2O5、SrTiO3、ZrO2、HfO2、Al2O3、La2O3、Y2O3、HfSiO4、LaAlO3或以上各种混合物及其组合或堆叠的非化学计量形式。根据实施例，选择材料和介电层堆叠5008A/5008B/5008C的厚度的组合，使得其可以在小于例如100V的期望电压上相对可靠地击穿。
在一些实施方案中，第一、第二和第三介电层5008A、5008B、5008C中的每个可以由不同的材料形成和/或具有不同的厚度。
在一些其他实施方案中，第一、第二和第三介电层5008A、5008B、5008C中的两个可以由相同的材料形成和/或具有相同的厚度。
在一些实施方案中，第一和第三介电层5008A、5008C可以由相同的材料形成和/或具有大约相同的厚度。
在一些实施方案中，选择介电层5008A/5008B/5008C的堆叠，使得相对于外部第一介电层5008A和第三介电层5008C之一或两者的触发电压调谐层5024A(图53D)的功函数的导带或电子势垒高度低于设置在中间的第二介电层5008B中的导带或电子势垒高度。如所配置的，相对于由与第二介电层5008B相同的材料形成的单层，层5008A/5008B/5008C的堆叠可以提供较低的触发电压。例如，相对于具有与HfO2/Al2O3/HfO2的堆叠的总厚度相同厚度的单层Al2O3，HfO2/Al2O3/HfO2的堆叠可以提供较低的触发电压。
然而，实施例受到限制，并且在其他实施例中，选择介电层5008A/5008B/5008C的堆叠，使得相对于第一和第三外部介电层5008A、5008C中的一个或两个的触发电压调谐层5024A(图53D)的功函数的导带或电子势垒高度比位于中间的第二介电层5008B的导带或电子势垒高度高。例如，Al2O3/HfO2/Al2O3的堆叠可以相对于具有与Al2O3/HfO2/Al2O3的堆叠的总厚度相同的厚度的单层Al2O3降低触发电压。
在一些其他实施方案中，选择介电层5008A/5008B/5008C的堆叠，以使相对于第一至第三介电层5008A-5008C的触发电压调谐层5034A(图53D)的功函数的导带或电子势垒高度沿一个方向分级。如所配置的，相对于由与第二介电层5008B相同的材料形成的单层，层5008A/5008B/5008C的堆叠可以降低触发电压。例如，HfO2/Al2O3/SiO2 or SiO2/Al2O3/HfO2的堆叠可以相对于具有与三层堆叠的组合厚度相同的厚度的单层SiO2降低触发电压。
将意识到，各种其他组合是可能的。在第一至第三介电层5008A-5008C中的两个不同的情况下，介电层5008A/5008B/5008C的堆叠的导带可以被排序为具有任意组合，例如，高/中/低、高/低/中、中/高/低、中/低/高、低/高/中或低/中/高。
另外，尽管在所示的实施例中，介电层5008A/5008B/5008C的堆叠包括三层，但是其他实施例也是可能的，例如，具有两层或四层或更多层的堆叠。在这些实施例中，层的任何适当的组合和顺序都是可能的，类似于本文所述的三层实施例。
带有工程电弧放电介质的火花间隙结构
如上所述，可以调整火花间隙结构的各种物理特征，以控制与包括火花间隙结构的EOS监控器设备和/或EOS保护装置相关联的电参数，例如触发电压。例如，可以控制间隙距离、电弧尖端的材料和形状以控制触发电压和/或触发后的电流量。在下文中，公开了与电弧放电介质相关联的各种结构和方法，其在控制与EOS监控器设备和/或EOS保护装置相关联的电参数例如触发电压方面提供了另一自由度。图54A至图54D示出了根据一些实施例的在制造被配置为响应于EOS事件而电弧的EOS监控器/保护装置的制造的各个阶段的中间结构的侧视图，其中可以定制电弧放电介质。
参照图54A，示出了包括衬底5004的中间结构5400A的侧视图。在衬底5004上形成第一介电层5408，随后是一对导电结构，包括第一导电结构5412A和第二导电结构5412B，其在电弧放电期间用作横向布置的阴极-阳极对。第一导电结构5412A和第二导电结构5412B可以以与配置成响应于上述EOS起弧的各种成对的导电结构中的任何对类似的方式横向布置。第一介电层5408可以由可以用来使衬底5004与一对导电结构5412A、5412B电隔离的任何材料形成，例如SiO2或Si3N4。根据实施例，第一导电结构5412A和第二导电结构5412B之间的横向间隙5416表示火花间隙，其可以是空隙或填充有定制的电弧放电介质。
参照图54B，根据实施例，示出了中间结构5400B，其表示中间结构5400A(图54A)，该中间结构5400A已经被进一步处理以形成用电弧放电介质5420填充间隙5416。电弧放电介质5420可以是用于定制响应于EOS事件而将一对导电结构配置成在其中触发电弧的触发电压的合适材料。电弧放电介质5420可以是合适的材料，例如固体介电材料。例如，电弧放电介质5420可以是任何上述的无机材料，例如，以上关于图50A-50D所述的第一介电层5008。然而，实施例不限于此，电弧放电介质5420可以是合适的固体有机电介质材料，例如聚合物材料。助流介质5420可以例如沉积为毯状材料，并且可以通过例如蚀刻或通过化学机械抛光从间隙5416的外部去除。进一步的实施例是可能的，并且电弧放电介质5420可以是液体介电材料。
参照图54C，根据一些实施例，示出了中间结构5400C，其表示中间结构5400B(图54B)，该中间结构5400B已经被进一步处理以用第二电介质材料5424封装或覆盖电弧放电介质5420，从而完成了填充有自定义电弧放电介质5420的EOS监控器/保护装置5400C的制造。
尽管在图54C所示的实施例中，电弧放电介质5420包括凝结的物质，例如固体或液体电介质材料，但是实施例不限于此。在一些实施例中，可能希望使电弧放电介质5420为气体，例如空气或惰性气体。参照图54D，示出了替代实施例，其中，电弧放电介质5420被去除以形成空隙5424，该空隙5424填充有用作电弧介质的气体。可以通过例如使用关于图54A-54C描述的工艺流程，例如用牺牲介质填充间隙5416来形成这种结构，并且在用第二电介质材料5424密封之后，例如通过湿蚀刻选择性地去除。
图55A和55B示出了根据一些实施例的上述关于图54D所描述的实施例的替代实施例的侧视图，其中电弧放电介质包括气体。
在图55A中，一对导电结构5412A、5412B在以与上文关于图54A所述类似的方式形成之后，被封装在空腔5424中，该空腔5424填充有期望的气体，例如，诸如N2的惰性气体或空气，并且通过包装层5508密封，例如，气密性地密封。
在图55B中，在以与上文关于图54A所述类似的方式形成之后，将一对导电结构(未示出)封装在空腔5424中，该空腔5424填充有期望的气体，例如惰性气体，例如N2或空气，并且通过互连金属化结构5512气密密封，例如气密密封。
图56示出了根据替代实施例的被配置为响应于EOS事件而电弧放电的EOS监控器/保护装置5600的俯视图，其中可以定制和设计电弧放电介质。在所示的实施例中，作为以上关于图54C、54D描述的实施例的替代，根据实施例，电弧放电介质5612可以被定制为一对导电结构的后制造。EOS监控器/保护装置5600包括一对导电结构，该导电结构包括第一导电结构5604A和第二导电结构5604B，每个导电结构具有多个突起或尖端。可以以与上述相对于例如图54A-54C的类似方式来制造该装置，除了电弧放电介质区域或火花间隙区域最初可以是空的或用牺牲材料填充之外。密封之后，穿过最上层的密封层例如钝化层形成开口5608，以进入电弧放电介质区域。然后可以用所需材料5612填充所进入的电弧放电介质区域。
图57示出了根据各种其他替代实施例被配置为响应于EOS事件而电弧放电的EOS监控器/保护装置5700A、5700B的俯视图，其中电弧放电介质可以被定制和设计，例如，后制造。EOS监控器/保护装置5700A包括第一导电结构5704A和第二导电结构5704B，每个导电结构具有单个突起。EOS监控器/保护装置5700B包括第一和第二导电结构5708A、5708B，其中仅第二导电结构5708B具有多个突起。每个EOS监控器/保护装置5700A、5700B包括开口5608，该开口5608穿过最上层的封装层(例如，钝化层)形成，以与上文关于图56所述的类似方式进入电弧放电介质区域5612。
开口5608A、5608B、5608C示出了电弧介质布置的替代实施例。开口5608A示出了电弧放电介质区域5612A，其例如相对于图54A-54D被上述任何合适的电弧介质均匀地填充。开口5608B示出了电弧放电介质区域5612B，其填充有用于不同电弧区域的不同电弧介质，例如对应于EOS监控器/保护装置5700B的第二导电结构5708B的不同突起。开口5608C示出了电弧放电介质区域5612C，其填充有具有不同形状的用于不同电弧放电区域的不同电弧放电介质，例如，对应于EOS监控器/保护装置5700B的第二导电结构5708B的不同突起。
图58示出了根据各种其他替代实施例的EOS监控器/保护装置5800A、5800B、5800C和5800D的俯视图，该EOS监控器/保护装置被配置为响应于EOS事件而起弧，其中可以定制和设计电弧放电介质，例如，后期制造。装置5800A、5800B、5800C和5800D包括以上关于图57描述的成对的导电结构的不同组合和排列。不同的成对的导电结构可以并联或分离地电连接，并且每对导电结构可以包括第一和/或第二导电结构，它们可以依次包括一个，多个或不包括突起。导电结构的不同对也被以上参照图57描述的任何工程化电弧放电介质隔开，为简洁起见，在此省略其详细描述。
火花间隙结构的隔离结构
发明人已经认识到，当响应于EOS事件而在本文中公开的一对导电结构或各种EOS监控器/保护装置的火花间隙在操作中产生电弧时，从那里释放的电流会不希望通过基板耦合到EOS监控器/保护装置的其他部分以及包括EOS监控器/保护装置的核心集成电路的其他部分。当EOS监控器/保护装置包括多个火花间隙时，即使相邻的火花间隙具有较高的触发电压，一个火花间隙中的电弧也会潜在地触发相邻的火花间隙。为了抑制通过基板的不期望的耦合，可以根据实施例实现隔离结构。
图59示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置5900的侧视图，该EOS监控器/保护装置5900响应于具有衬底隔离的EOS事件而电弧放电。EOS监控器/保护装置5900包括形成在阱上的一对导电结构5916A、5916B，所述阱是例如形成在半导体基板5904中的高压p型阱(HVPW)5908，其被配置为响应于EOS事件而起弧，其可以表示根据本文公开的各种实施例的被配置为火花间隙的任何一对导电结构。可以用作阳极的第一导电结构5916A可以连接到外部引脚。可以用作阴极的第二导电结构5916B例如通过重掺杂的p型(p+)区域5910电连接到HVPW 5908，并且可以接地或连接负电源。一对导电结构5916A、5916B可以通过高压隔离结构电隔离，该高压隔离结构包括形成在HVPW 5908下以提供垂直隔离的n型掩埋层(NBL)5912，以及形成在HVPW 5908的侧面以提供横向隔离的高压n型阱(HVNW)区域5920。在一些实施方式中，HVNW区域5920可以例如以环形配置围绕HVPW 5908，使得HVNW区域5920和NBL5912被配置为高压桶隔离结构。高压隔离结构可以进一步包括形成在HVNW区域5920中的重掺杂(n+)区域5924。
其他实施例是可能的。例如，简单的阱隔离(例如，N阱隔离)，深阱隔离(例如，在有或没有隔离P阱的情况下进行深N阱隔离)，氧化物填充沟槽隔离和/或绝缘体上硅(SOI)隔离方法也可以用于向一对导电结构5916A、5916B提供隔离。
光学接近度校正，可降低触发电压
为了设计用于EOS监视器/保护设备监控器/保护装置的一对导电结构，该导电结构被配置为响应于相对较低的电压EOS事件而产生电弧的火花间隙，常规的金属化制造工艺可能会引入相对较高的可变性。例如，对于使用0.18μm构图技术的火花间隙结构不应在低于50V的电压下触发的应用中，为了考虑器件之间的差异性和制造差异性裕度，标称设计的目标可能是具有更高的触发电压，例如>60V、>70V或甚至>80V。使用常规光刻，触发电压窗口中的典型标准偏差可以在触发电压周围大约+/-10V。但是，对于某些应用，低电压操作的20V可变性窗口可能过大。为了在触发电压中实现较低的可变性，在一些制造实施方式中，可以使用更高等级的金属掩模来实现较小的触发电压中的可变性。在一些其他实施方式中，可以采用基于铬的掩模的光学邻近校正(OPC)。OPC通过移动边缘或将额外的多边形添加到写在光掩模上的图案中来纠正小尺寸光刻中可能引入的错误。这可以通过基于要素之间的宽度和间距的预先计算的查找表(称为基于规则的OPC)来执行，也可以通过使用紧凑模型来动态模拟最终图案并由此驱动边缘(通常分为几部分)的运动来执行，以寻找最佳解决方案(称为基于模型的OPC)。在图60中示出了说明性示例，其示出了期望被印刷在晶片上的图案6000、使用OPC印刷的掩模图案6004和可以实际印刷的图案6008，与使用具有与期望的图案6000相同形状的掩模形状印刷的图案相比，更接近期望的形状6000。使用OPC技术，根据实施方式，可以在小于约100V的触发电压周围实现约+/-10V的触发电压窗口中的标准偏差。
与薄膜/多晶硅熔丝和金属混合熔丝串联的火花间隙结构
在上述各种实施例中，例如，关于图3、图4和图7A-7B，根据一些实施例的包括被配置为监控与EOS事件相关的电压和/或能量的导电结构的EOS监控设备包括与其连接的熔丝。除了使用熔丝来监控与EOS事件相关的电压和/或能量外，熔丝还可以用作保护装置，以限制流过导电结构的电流量，例如，防止损坏与其连接的其他电路。熔丝可以由合适的材料形成，当目标电流量流过时，该材料可以熔化并断开电路。
发明人已经发现，在某些情况下，期望将本文所述的一对导电结构或火花间隙结构与多个不同的熔丝串联连接，其中熔丝由不同的材料形成。将理解的是，仅由粗粉形成的熔丝可以保持导电，直到移除EOS，这可能导致对核心电路的损坏。例如，如以上关于图6所述，当在触发之后一对导电结构的VH低于电源电压时，在响应于EOS事件而触发一对导电结构时，电源可以闩锁-即使EOS事件结束后也可能出现故障，这可能会损坏电源。当电流流过与一对导电结构串联的金属熔丝时，不会产生足够的热量来熔化金属熔丝的金属，因此熔丝可能不会熔断。因此，对于未知的应力条件或受电应用，金属熔丝可能不理想，因为在EOS事件发生后电源可以继续导通。因此，需要一种熔丝，该熔丝可以通过在闩锁状态期间关闭电流来减少损坏。发明人已经发现，包括薄膜(TF)/多晶硅(poly)熔丝与金属熔丝串联的混合熔丝可以适用于这种情况，因为TF/poly熔丝可以被设计为基于响应于EOS事件是否已经超过能量密度极限(例如，功率×时间)而熔断。
图61示意性地示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置6100，其包括一对导电结构6198A、6108B，其被配置为响应于EOS事件而电弧放电，该电弧与混合或复合熔丝6120串联，该混合或复合熔丝6120包括与金属熔丝6112串联的TF/多晶硅保险丝6116。EOS监控器/保护装置6100在第一和第二端子6104A、6104B之间包括与混合或复合保熔丝6120串联电连接的第一和第二导电结构6108A、6108B。复合熔丝6120包括TF/多晶硅熔丝6116，其电连接到一个或多个金属熔丝6112。在所示的实施例中，TF/多晶硅熔丝6116设置在两个金属熔丝6112之间。为了提供相对低的电阻，TF/多晶硅熔丝的长度适当地短。但是，当熔丝熔断时，会在大于熔丝长度的区域造成损坏。因此，在图示的实施例中，在TF/多晶硅熔丝6116的两侧上形成的金属熔丝6112具有长度比熔丝熔断损坏区域长的窄金属迹线。
在混合或复合熔丝6116的各种实施例中，TF/多晶硅熔丝6116可以被掺杂为n型或p型。在一个实施例中，掺杂浓度可以是1×1014/cm3至1×1016/cm3、1×1016/cm3至1×1018/cm3或大于1×1019/cm3。金属熔丝6112可以由任何合适的金属形成，例如Cu、Al、W、Ni、Pa、Pt、TiN、TaN、WN、AlCu、AlSiCu等。在各种实施例中，TF/多晶硅熔丝6116的R1与金属熔丝6112的R2之间的电阻R1/R2和R2/R1的比值可以在1,000与1、100与1、10与2或2与1之间的范围内。
火花间隙结构与阻挡装置和ESD保护装置耦合
如上所述，根据各种实施例的EOS监控器/保护装置包括被配置为响应于与熔丝串联连接的EOS事件而电弧放电的一对导电结构。具有熔丝可能由于以下几个原因而具有优势，包括提供用于估计与EOS事件相关的电流、速度和/或能量，以及通过检测熔丝两端的开路来确定是否已发生EOS事件的装置，和/或防止损坏其他电路，包括传感电路或核心电路。然而，当存在具有与穿过熔丝的路径平行的较低电阻的电阻路径时，熔丝可以被旁路，从而无法达到熔丝的目的和/或损坏集成电路器件的其他部件。因此，根据实施例，根据实施例的EOS监控器设备包括电连接至火花-间隙监控器设备的阻挡装置。
图62A、62B和62C分别是根据实施例的的EOS监控器/保护装置6200A、6200B和6200C的电路框图，每个装置包括一对导电结构6216，其被配置为响应于EOS事件而电弧放电，该EOS事件连接至熔丝和阻挡装置。一对导电结构6216包括在一端电连接到高电压电源、高电压引脚或高电压节点6204的第一导电结构6216A。一对导电结构6216包括连接到熔丝6220的第二导电结构6216B，该熔熔丝又在另一端连接到电压低引脚或电压低节点6208。尽管仅在图62A中示出，但是每个EOS监控器/保护装置6200A、6200B、6200C还包括在第二导电结构6216B和低电压节点6208之间的感测电路6224，其被配置为如上所述检测熔丝6220两端的电特性的变化。
EOS监控器/保护装置6200A、6200B和6200C在感测电路6224和第二导电结构6216B之间以及第二导电结构6216B和中间电压节点6212之间分别还包括阻挡装置6228A、6228B和6228C。阻挡装置6228A、6228B、6228C被配置为使得响应于EOS事件，当以触发电压触发一对导电结构6216时，电流优先通过熔丝6220流过高电压节点6204和低电压节点6208之间，而不是绕过熔丝6220并流过感测电路6224，并且熔丝6220具有预期的各种功能，包括估计与EOS事件相关的电流、速度和/或能量，通过检测熔丝两端的开路来确定是否已发生EOS事件，和/或防止损坏包括感应电路6224在内的其他电路。
参照图62A，阻挡装置6228A包括阻挡二极管。响应于EOS事件(例如，在EOS事件中在高电压节点6204上相对于低电压节点6208具有正电势)，阻挡二极管可以被反向击穿电压反向偏置，该击穿电压高于熔丝6220上的电压(IR)下降。结果，占主导地位的EOS电流被迫流过熔丝6220。
参照图62B，阻挡装置6228B包括阻挡电阻器。响应于EOS事件，例如，EOS事件在高电压节点6204处相对于低电压节点6208具有正电势，阻挡电阻器的电阻高于熔丝6220的电阻，从而使阻挡装置6228B两端的IR压降高于流过熔丝6220的IR压。结果，迫使主要量的EOS电流流过熔丝6220。
参照图62C，阻挡装置6228C包括串联的阻挡电阻器和阻挡二极管。响应于EOS事件，例如，在高电压节点6204处相对于低电压节点6208具有正电势的EOS，阻挡二极管和阻挡电阻器的组合的电阻高于熔丝6220的电阻，因此，跨过阻挡装置6228C的IR压降高于通过熔丝6220的IR压降。结果，迫使大部分EOS电流流过熔丝6220。
再次参考图62A-62C，根据一些实施例的EOS监控器/保护装置6200A、6200B和6200C还包括单独的ESD保护装置6232，例如，与该对导电结构6216并联电连接的基于半导体设备的ESD保护装置。除了并连接到该对导电结构6212之外，还提供了EOS保护装置6232，所述该对导电结构6212可以用作EOS监控器/保护装置。
ESD保护装置6232可以包括但不限于基于二极管的ESD保护装置，基于双极晶体管的ESD保护装置或基于半导体控制整流器(SCR)的ESD。图62D至图62G示出了可以在一个或多个实施例中实现的示例性ESD保护装置。可以结合与电气过应力事件检测有关的任何合适的实施例来实现在62D至62G中示出的任何静电放电保护装置。在一些实施例中，图62D至图62G所示的每个EOS保护装置可以是EOS保护装置，其被附加并连接到用作EOS监控器保护装置的一对导电结构6216上，如上文根据各种实施例所述。
图62D示出了基于二极管的ESD保护装置20a。图62D示出了单向阻挡结二极管20a1、用于正向偏置的导通和反向阻挡电压成比例增加的串联正向阻挡结二极管20a2、反并联低压降导和去耦二极管20a3以及基于高背靠背二极管的双向阻挡装置20a4。
图62E示出了包括NPN ESD器件20b1和PNP ESD器件20b2的基于双极晶体管的ESD保护装置20b。从集电极到发射极(NPN)以及发射极到集电极(PNP)，双极晶体管起到相对较高的阻断电压元件的作用，直到达到击穿电压为止，此时该器件触发并在其端子之间提供低传导路径和高保持电压。在相反的电压极性下，可获得正向偏置结。
图62F示出了耦合的单向NPN和PNP晶闸管状ESD保护装置20c。图62F所示的ESD保护装置可以称为半导体控制的整流器。在某些情况下，半导体控制的整流器是硅控制的整流器(SCR)。NPN和PNP晶闸管状ESD器件包括以下配置：浮动NPN基极20c1，导致较低的触发电压；NPN处于集电极-发射极击穿电压模式，基极-发射极电阻为20c2，导致中间触发电压；具有固定基极电阻20c3的传统配置，可实现最高的晶闸管触发电压；晶闸管双极基极外部闩锁触发器和闩锁释放控制20c4。
图62G示出了耦合的NPN-PNP-NPN双向高阻断晶闸管，如ESD保护装置20d。该器件中的双向击穿电压可以通过该器件中央所示的PNP器件的基极-发射极结来严格定义。
返回参考图62A-62C，在操作中，当包括ESD保护装置6232时，EOS监控器/保护装置6200A、6200B和6200C可以被配置为使得该对导电结构6216可以被配置为与ESD器件6232相比响应于相对更严重的EOS事件(例如具有更高的电压)触发。
在一些实施方式中，可以调节ESD保护装置6232和该对导电结构6216的触发特性，使得两个装置协同工作。例如，ESD保护装置6232可以具有相对较低的触发电压，使得响应于EOS，ESD保护装置6232在该对导电结构6216之前触发，可能伴随着回弹，从而限制高电压节点6204和低电压节点6208两端的电压。ESD保护装置6232上的瞬态电阻可以使高和低节点6204、6208两端的电压升高，直到触发该对导电结构6216，从而抑制或防止核心电路的损坏。
根据一些实施例的ESD保护装置6232，例如基于SCR的保护装置，可以具有瞬态过冲电压。在这些情况下，该对导电结构6212可以被设计为具有低于过冲电压的触发电压，使得过冲电压触发该对导电结构6216。
有利地，根据一些实施例的半导体ESD保护装置6232可以钳位电压高和低节点6204、6208两端的电压，使得其两端的电压可以低于EOS信号本身。因此，可以将该对导电结构6216的实际触发电压设计得较低。例如，该对导电结构6216可以通过ESD钳位调整为80V的引脚电压，而来自EOS的施加的外部电压可以高达120V。
根据电容或光学特性的变化检测电弧
如上所述，在各种实施例中，EOS监控器/保护装置包括被配置为响应于EOS事件而电弧放电的一对导电结构和被配置为检测由EOS事件引起的EOS监控器结构的物理特性变化的感测电路。如上所述，例如，相对于图1C，可以例如，相对于电弧放电，通过测量电弧后的一对隔开的导电结构两端的开路电压的增加、通过包括间隙的路径的漏电流的变化或通过目测(例如用显微镜)来确定是否发生了EOS事件。本文描述了另外的实施方式。
在一些实施方案中，可以通过测量在该对导电结构上的电容的变化来确定是否发生了EOS事件，该变化又可以由响应于EOS事件的在该对导电结构上的间隙距离的变化引起。该对导电结构之间的电容的变化也可以由该对导电结构之间的电介质材料的介电常数的变化引起。
图63示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置6300，其包括被配置为响应于EOS事件而电弧的一对导电结构3300，以及被配置为检测电容变化的检测系统。仅出于说明性目的，图示的一对导电结构3300被配置为使得该对中的一个而不是其他两个导电结构包括一个或多个突起或尖端，其方式与以上关于图33所述的方式类似，为了简洁，在此省略其细节。然而，可以采用本文公开的成对的导电结构的任何其他示例。EOS监控器/保护装置6300还包括一个电容检测模块6304。电容检测模块6304可以包括例如电容数字转换器(CDC)。作为一个示例，所示的CDC是西格玛-德尔塔(Σ-Δ)电容数字转换器。在所示示例中，CDC的输入端子直接连接到第一和第二导电结构3300A、3300B。该架构具有高分辨率(例如，最高12位有效分辨率)和高线性度(±0.05％)，并且可以接受高达5pF的共模电容，这些电容可以通过可编程的片上芯片即数字电容转换器(CAPDAC)来平衡。
在一些其他实施方案中，可以通过测量在该对导电结构之间的间隙中的材料的光学性质(例如，光学透射率)的变化来确定是否发生了EOS事件，这又是由于在该对导电结构的间隙中材料的物理性质的变化引起的。
图64示出了根据实施例的EOS监控器/保护装置6400，其包括被配置为响应于EOS事件而电弧的一对导电结构3300，以及被配置为检测光学特性的变化的检测系统。仅出于说明性目的，图示的一对导电结构3300被配置为使得该对中的一个而不是其他两个导电结构包括一个或多个突起或尖端，其方式与以上关于图33所述的方式类似，为了简洁，在此省略其细节。然而，可以采用本文公开的成对的导电结构的任何其他示例。EOS监控器/保护装置6400还包括光源6408，该光源可以包括合适的发光结构，例如发光二极管、光电检测器6412和耦合到光电检测器6412的信号检测模块6404。信号检测模块6404可以包括例如任何合适的电流数字或模拟数字转换器(ADC)，其可以包含低功率、低噪声、低输入电流积分器，同时采样保持和/或高速、高分辨率ADC。
可以检测到EOS监控器结构的物理特性的其他变化。例如，可以检测到在该对导电结构上的泄漏电流的变化，其中，泄漏电流可能是由于跨该对导电结构的间隙距离的变化和/或该对导电结构之间的电介质材料的变化等引起的。
配置为从火花间隙结构中收集能量的移动/可穿戴设备
人们通过日常运动产生电荷。因此，接地带在整个电子行业中得到广泛使用，以保护敏感的设备/系统免受操作中产生的ESD的影响。在下文中，公开了可以例如通过诱发或增强ESD事件来收集人体在运动中产生的电荷的实施例。ESD电荷的产生可以通过构建可以放置在皮肤旁边的服装/腕带/结构(也可以连接到此文件中所示的其他设备/组件/电路)来增强以进行收集。在某些应用中(例如运动/耐力活动)，剧烈运动会产生足够量的电荷(与适当构造的材料结合在一起，并在其中嵌入相关电路和存储装置以传导/收集/分配电荷)，以执行某些相对较低的功率和/或间歇性功能。在其他应用中(例如，医疗保健)，可穿戴设备可以被配置为收集足够的能量来为某些监控活动供电。
发明人已经认识到，除了监控和防止EOS事件外，配置为火花间隙的成对的导电结构还可以用于从响应EOS事件而发生的电弧事件中收集能量。所收集的能量可用于为核心设备(例如，健康监测设备)供电，从而减少了对单独电源的依赖。基于火花间隙的能量收集设备的一个示例应用包括可用于医疗/保健应用的贴片系统(SOP)。SOP系统可以包括被配置用于监测健康的设备，例如，监测血糖/血压、温度、汗液等。另一应用包括具有外壳的移动设备，该外壳可以被配置为增强和/或优化电荷的收集和输送。
图65示出了被配置为响应于EOS事件而从一对导电结构中的电弧事件中收集能量的移动和/或可穿戴设备6500A(平面图)/6500B(侧视图)的实施例。移动/可穿戴设备6500A/6500B包括在衬底6504上形成的设备区域6508，衬底6504例如是适于顺应和/或附着于人类皮肤的柔性衬底。器件区域6508包括核心器件和被配置为响应于EOS事件而起弧的一对导电结构以及本文所述的各种相关电路。例如，设备区域6508包括SOP的核心电路，包括用于收集、处理和存储健康监测信息的电路。器件区域6508还可包括与配置为火花间隙的该对导电结构相关联的各种感测电路，火花隙被配置为收集能量。装置区域6508还包括电路和用于存储所收集的电荷的存储装置，例如电池、电容器、超级电容器等。移动/可穿戴装置6500A/6500B另外包括导管6516，例如导电通路，当将设备配置为可穿戴设备时，将外部电荷源(例如静电荷)从外部(例如皮肤)传导到设备区域6508。转移的电荷可通过火花间隙经历电弧放电事件，并存储在设备区域6508中。当配置为可穿戴设备时，柔性基板6508可能已在其上形成用于附着到皮肤的柔性粘合剂层6512。
图66示出了移动和/或可穿戴设备6600的实施例的透视图，其包括被配置成从一对导电结构中的电弧事件中收集能量的层的堆叠。可移动/可穿戴设备6600以与以上关于图65描述的设备6500A/6500B类似的方式配置，除了设备6600包括为静电产生和收集而优化的层6604的堆叠。例如，移动/可穿戴设备6600包括设备层6608，该设备层6608包括设备区域6508，该设备区域6508包括核心设备和一对导电结构，该导电结构被配置为响应于EOS事件和本文所述的各种相关电路而产生的电弧，以与以上关于图65所述类似的方式。
另外，装置6500另外包括材料/织物的堆叠6612，使得(由用户)移动引起层之间的摩擦和/或移动以产生电荷。所述材料/服装可由不同的材料/复合材料/层构成，使得当服装(或可穿戴设备)被穿着时，其产生电荷(随后可通过通向存储元件的导电通路收集电荷)。例如，可以构造具有构成部件/纤维/层的材料，所述构成部件/纤维/层构造成响应于穿着者的弯曲/运动而摩擦在一起。例如，腕带(连接至类似于图65所示的模块的模块，其具有可以接触皮肤的导电通路)也可以构造成具有响应于穿戴者的移动而摩擦在一起的组成部分/纤维/可移动部分。
使用火花间隙结构的储能
在下文中，描述了各种实施例，其中，系统和设备被配置为响应于EOS事件而在火花间隙结构中收集，记录和/或存储由电弧事件产生的能量。如在2015年3月27日提交的美国专利申请第14/671,767号中所描述的，其全文并入本文，其可以用于收集、记录和/或存储能量的电路和设备的各种实施例可以结合本文所述的各种火花间隙结构来使用。
图67是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而配置为收集，记录和/或存储由火花间隙结构中的电弧事件产生的能量的系统6700的框图。系统6700包括电荷存储模块6704。电荷存储模块被配置为响应于EOS事件而存储在电弧放电中产生的所收集的电荷。电荷存储模块6704包括能够存储或保持限定量的电荷的存储元件。系统6700还包括保护模块6708，其继而包括可以钳制电荷量的保护性结构/电路，从而不会损坏核心设备的电路。系统6700还包括测量模块6712，其又包括用于测量所收集电荷的量的电路。系统6700还包括通信模块6716，其继而包括用作与系统内不同元件的通信接口的电路/结构。例如，通信模块6716可以记录并从外部发送系统6700内存储的电荷水平。在下面，描述了可以被包括为系统6700的一部分的特定电路。
图68是根据实施例的被配置为将与静电放电事件相关联的电荷存储在存储元件组中的说明性电子设备170的一部分的示意图。可能会发生多个ESD事件。此类ESD事件的幅度可能不同。具有一排存储元件可以使与不同ESD事件相关的电荷得以有效存储。多个开关174a至174d可以分别与各自的电容器172a至172d串联布置。在一个实施例中，开关174a至174d中的选定一个可以一次接通。这可以将选择的电容器选择性地电连接到二极管164。可以通过二极管164将与引脚31处的ESD事件相关联的能量控制到通过开关电连接到二极管164的多个电容器172a至172d中的电容器。电压监视电路176可以监视由电容器172a至172d中的每一个存储的电荷。电压监控电路176可以监控由电容器172a至172d中的每一个存储的电荷。电压监控电路可以检测哪个电容器存储的电荷最少。开关控制电路178可以基于来自电压监视控电路176的信息来接通选择的开关。将存储最少电荷的电容器配置为捕获与ESD事件相关的电荷可以是捕获电荷的有效方式，并且可以实现尽可能多的相对较小的ESD脉冲的能量收集。
响应于EOS事件，各种电路可以提取和存储从本文描述的各种火花间隙结构收集的能量。将参考图69至图73描述被配置为存储与EOS事件相关联的电荷的说明性电路。这些电路结合本文所讨论的原理和优点中的任何一个，提供了可以收集与EOS事件相关联的能量的电路的示例。此外，任何示例能量采集电路的特征可以与一个或多个其他示例能量采集电路和系统结合实现。本文所述的各种EOS监控器/保护装置可包含在连接到能量收集设备的存储系统中。在收集电涌或EOS事件的地方，可以对系统进行优化，以便在不损坏系统的情况下可以容纳超过某些阈值的突然电涌或电荷。本文描述的存储系统可以应用于任何能量收集系统或任何包含存储元件的系统，这些存储元件电连接到被配置为响应于EOS事件而起弧的导电结构。
图69是根据实施例的被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路180的示意图。如图所示，电路180包括输入引脚31、二极管182、电容器184、负载186、输出引脚188和接地引脚106。二极管182是EOS转向装置的示例。电容器184是存储元件144的示例。当在可以连接到火花间隙结构的引脚31上发生EOS或ESD事件时，并且EOS/ESD事件相对于接地引脚106具有正极性，二极管182可以正向偏置，并且电容器184可以充电到一个电压。电容器184两端的电压可以近似等于可用电荷除以电容器184的电容。一旦引脚31处的电压下降到电容器184两端的电压以下，充电阶段就可以停止。二极管182可以变为反向偏置，并且电容器184可以保持在充电状态。在图69所示的配置中，电容器184的击穿电压可以超过与ESD事件相关的最大期望电压。负载186例如可以是电阻负载。电容器184两端的电荷可以通过输出引脚188提供给其他电路。
图70是根据另一实施例的被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路190的示意图。电路190提供钳位和电压调节。除了包括单独的ESD保护装置192之外，电路190类似于图69的电路180。ESD保护装置192可以与电容器184并联布置。ESD保护装置192可以用作ESD钳位和/或保护装置。ESD保护装置192可以确保电容器184的与地相反的板上的电压被钳位到低于电容器184的击穿的电压。ESD保护装置192可以用作电压调节器。当ESD事件结束时，ESD保护装置192可以切断电流到地GND，直到电容器184上的电压大约处于ESD保护装置192的击穿电压。在特定示例中，如果ESD保护装置192具有一旦ESD事件结束，击穿电压为5伏，则ESD保护装置192可以将电流分流至接地GND，直到电容器184两端的电压约为5伏。因此，可以将存储在电容器184上的电压调节为可以被下游电路安全使用的电压。如图所示，ESD保护装置192可以是齐纳二极管。
图71是根据另一实施例的被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路200的示意图。电路200提供钳位和电压调节。在图20中，图70的ESD保护装置192被ESD钳位电路202代替。如图所示，ESD钳位单元202可以是齐纳二极管的堆叠。作为一个示例，齐纳二极管的堆叠可以将电容器184两端的电压钳位到大约20伏。ESD钳位电路202可以通过任何合适的ESD钳位电路来实现，例如NPN ESD设备，、SCR等。单独的稳压器可以例如通过晶体管203、二极管204和电阻器206来实现。任何其他合适的电压调节器可以替代地实现。此外，这种电压调节器可以为特定应用提供任何合适的调节电压。
图72是根据另一实施例的被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路210的示意图。在电路210中，可以将与ESD事件有关而存储的电荷提供给电池212以对电池212进行充电。因此，可以将从ESD事件中获取的能量存储在存储元件上，可以调节电压，并且电池212可以使用从ESD事件收集的能量来充电。
图73是根据另一实施例的被配置为响应于EOS事件而存储从各种火花间隙结构收集的电荷的电路220的示意图。EOS能量收集器的工作方式与无线电接收器的工作方式类似。如图22所示，用于AM无线电的基本二极管检测器可以实现二极管182。二极管182可以从天线222接收信号，并且电容器184可以存储与EOS事件相关的电荷。二极管182可以是晶体二极管。如上所述，图73的特征可以与稳压器结合，并且电容器184存储的能量可以提供给其他电路和/或电池。此外，图73的特征可以与被配置为检测到已经发生EOS事件的检测电路结合。可以根据本文讨论的检测电路的原理和优点来实现这种检测电路。
本文讨论的能量收集电路可以在包括一对导电结构或火花隙结构的多种电子系统中实现，该一对导电结构或火花隙隙结构被配置为响应于本文描述的EOS而起弧。例如，这种电路可以在垂直集成系统中实现。能量收集电路可以在垂直集成系统的专用管芯或层上实现。能量收集电路可以至少部分地在包括诸如被动元件之类的预制电路元件的垂直集成系统中的层上实施。能量收集电路可以在集成电路级别、在封装级别的系统、更大的系统级别或其任意组合中实现。在系统级实施能量收集电路时，管芯面积可能不是限制因素。因此，相对较大的EOS保护装置可以提供比典型的电流密度更高的能力。替代地或附加地，可以在系统级别上实现相对不太复杂的设备，例如较大的反向偏置二极管。而且，在某些应用中，可以在系统级别提供相对较高的EOS保护，并且可以捕获比裸片级别更高的电荷级别。
上面描述的能量存储概念可以在电动或自动车辆网络中实现。网络内的车辆可以被构造为具有并入其中的能量收集组件(例如，太阳能收集组件)，并且还可以具有被充电的容量(例如，通过一个或多个电源或电荷产生源)。在这样的实施方式中，集成在车辆中的储能系统可以包括上述一些保护元件(例如，用于防止充电过程中的电涌对存储元件造成损坏的保护结构)(例如，火花间隙结构可以至少部分执行)。同样，在一些实施方式中，其中车辆被配置为收集能量，可以使用能够收集可能是间歇性(和变化量)的电荷增量的存储元件，以及能够存储不同电荷量的能力，还可以并行使用已经循环回通过系统重新存储的电荷(在整个系统运行时)。在本申请中已描述了将系统划分为多个可以并行访问的存储元素的示例，例如，一个“存储元素”被“打开”以便收集电荷，其可能来自收割练习(包括EOS收录)/通过扩展坞等进行充电练习，同时可以访问另一个“完全充满电”的存储元素，以将存储的电荷重新分配到系统内的其他位置。
图74示出了电动(或自主)车辆网络7400，其包括被配置成收集、记录和/或存储能量的多个车辆V1-Vn。这里描述的存储系统还可以包含记录/测量可能对存储系统的管理至关重要的EOS事件的能力。电动车辆网络7400包括多个电动车辆V1-Vn，例如自动驾驶车辆或无人驾驶飞机，每个电动车辆包含被配置为调节/测量/与对接站D通信的智能存储系统。对接站D是指电动汽车V1-Vn可以对接/充电的站点。每个电动车辆V1-Vn的智能存储系统可以与对接站D通信，以便当系统中存储的电量低于某个阈值时，可以关闭某些功能，例如非必需功能。每辆车V1-Vn内的智能存储系统还可以包含基于火花间隙的内置ESD保护元件，以防止在给车辆充电时结构/存储系统发生电涌。
图75示出了包括多个车辆的电动车辆网络7500，其可以被配置为收集、记录和/或存储能量。网络7500类似于以上关于图74描述的网络，除了每个电动车辆V1-Vn中的智能存储系统可以与扩展坞无线通信。
图76示出了电动车辆网络7600，其包括被配置为收集、记录和/或存储电荷的多个车辆。可以构造系统，使得可以监控每个车辆的充电状态，例如可以无线传输每个车辆的充电水平，因此可以远程管理整个电气/自主车队的能量水平。网络7600类似于以上关于图74描述的网络，除了智能存储系统还可以被构造为使得具有被存储的电荷下降到一定阈值水平以下的电动车辆V1-Vn可以被优先考虑以进入对接站D。在所示的示例中，V4是具有最低存储电荷的车辆，并且被优先安排返回对接站D。基于各自的存储级别，智能系统随后将优先处理V3，然后依次处理V1和V2。
图77示出了电动车辆网络7700，其包括被配置为收集、记录和/或存储能量的多个车辆。网络7700类似于以上关于图74描述的网络，除了智能存储系统还可以被构造为使得当电动车辆V1-Vn到达停靠站D时，停靠站D也可以准备根据相应的存储电荷量提供每个车辆V1-Vn特定的电荷量。在所示的示例中，当V1接近扩展坞D时，扩展坞D已经为车辆V1所需的特定电量做好了准备。当车辆V1接近停靠站D时，接近感应电路启用/准备从停靠站D向车辆V1的电荷的有效下载。
传感器网络系统
EOS监控器/保护装置包括一对导电结构，被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其根据各种实施例的传感器可以在传感器网络系统中实现。图78示出了根据实施例的包括EOS监控器/保护装置的网络的传感器网络系统7800。
传感器网络系统7800包括节点N1-Nn，节点N1-Nn可以表示例如生产线或生产线的线7804内的不同位置。每个节点N1-Nn包括各种不同的组件，例如板/处理电路/传感器/电池/电源管理电路等。每个节点N1-Nn还包括一个EOS监控器/保护装置，根据在此描述的各种实施例，该装置包括一对导电结构。EOS监控器/保护装置可以包括检测和/或保护电路，以便在节点内的所有组件中启用EOS检测和保护。
EOS监控器/保护装置配置为检测与EOS事件相关的事件和签名。对这种EOS事件的检测可以指示系统内保护设备的故障和/或导致系统组件/元件经历EOS的故障。EOS事件被标记/传达，以便可以采取适当的措施。这可能导致组件或电路板被更换或(在较高的系统级别)维护活动。
在所示示例中，在节点N2中检测到EOS事件。系统被配置为使得可以例如通过有线或无线传输将EOS事件标记在系统外部。作为预防性维护系统的一部分，高级系统(具有适当的加密/协议等)可以协调来自不同注释的输入。除了标准的部件维护/更换时间表之外，还可以根据记录的任何EOS事件来上报纠正措施或更换活动。
图79示出了根据实施例的包括EOS监控器/保护装置的网络的传感器网络系统7900。系统7900包括与以上关于图78描述的节点相对应的节点N1-Nn。系统7900还包括命令中心7904，其被配置为接收与由节点N1-Nn检测并从其无线传输的EOS事件相关的信息。在一些实施方式中，如图80的传感器网络系统8000所示，节点N1-Nn可以在移动平台上实施，例如，仓库/无人机中的车辆/自动车辆/自动叉车或其中具有组件/系统的任何车辆，检测到EOS可能表明存在潜在的安全问题。
图81示出了根据实施例的，可以与上文描述的各种EOS监控器/保护装置进行的各种物理和电连接，以集成到传感器网络系统中。举例来说，所示的EOS监控器/保护装置包括一对导电结构，其配置与图34中的类似。但是，任何一对导电结构都可以用所示的系统实现。
基于基于火花间隙的EOS监控器设备的传感器软件网络系统示例
示例：系统A
发明人已经认识到，当部件以非活动状态坐在架子上相对非常长的时间时，可能难以确定包括核心电路的部件的活动寿命。知道零件在使用前闲置了多长时间对于故障分析和零件寿命性能和功能的一般表征很有用。
为了满足这些和其他需求，在图82中示出了基于磨损监控器设备和基于火花间隙的EOS监控器(EOS 1、EOS 2和EOS 3)的传感器网络系统。参考图82，通过使用磨损监控器设备，可以确定零件在使用前是否长时间处于静止状态。它被记录到非易失性存储器(NVM)或其他永久性存储中，并且可以用于精密模拟电路调整和/或故障后诊断、表征、甚至向用户警告/指示部件的剩余寿命和功能。一个或多个传感器可以处于活动状态。
可以使用合适的云平台(跨标准通信基础架构包括安全性，数据处理和管理技术的云基础架构)来辅助故障诊断和/或预防性维护。作为传感器模块注册过程的一部分，可以记录和报告模块的重要属性，例如EOS监控器的唯一标识码、唯一标识配置文件，并将其与给定设备/模块应用空间的标准产品配置文件相比。该过程可能对用户可用，或者仅限于制造商的故障分析组织或基于专利使用费的系统保护部门。
一旦传感器/模块注册成功，制造商便可以提供额外的云服务，以帮助客户确定零件的工作条件以及预期的剩余使用寿命。例如，汽车设备可能会在x周/天/小时/分钟内标记最终操作，从而使用户有一段时间可以在设备自行禁用之前进行更换。
因此，系统A可以有利地捕获在使用期间部件中从校准到故障分析的核心电路的接近整个寿命的历史。
示例：系统B
发明人已经认识到EOS传感器的性能或精度可以取决于零件的材料和工作温度范围。捕获并关联带外温度事件(例如，短暂的温度峰值或长时间暴露于低于WOS材料激活水平的温度范围)会很有用。
为了满足这些和其他需求，基于实施例的基于磨损监控器设备的系统包括无源和有源传感器的组合。使用该组合，可以在为部件通电时获得其他读数。这些读数可与磨损传感器读数结合使用，以确定系统的更完整温度曲线。结合唤醒计时器，可以捕获实际的配置文件并将其存储在NVM中，或者将其传输给监控器系统和/或云基础架构中的外部处理。
因此，系统B可以有利地在设备级别提供准确的温度曲线记录。
示例：系统C
发明人已经认识到，检测对设备及其内部系统代码的芯片克隆和/或篡改和/或其他未经授权的访问可能是有利的。
为了满足这些和其他需求，根据实施例的传感器网络包括EOS传感器，其被配置为基于设备的标准任务概况来生成具有可预测的扩散进程的唯一熵源。系统算法可以检测是否尝试注入外来解密密钥以解锁系统代码，或者是否发生了物理/电气事件(例如，取下设备的盖子–大的热尖峰)，这可能表明有人试图未经授权访问设备。此信息可用于“破解”设备，或尝试将设备的IP敏感部分置于攻击者无法控制的范围内。
入侵组织和“砖块化”设备的组合可能是IoT应用程序和嵌入式硬件解决方案的解决方案，因为黑客组织投入大量资源来收集他们希望攻击的设备上的信息。在可能的情况下，黑客会从物理上获得他们希望黑客入侵的目标设备，并尝试对设备进行反向工程并使用它来测试可能的攻击。
标记潜在的黑客行为有时不会导致关闭设备。在强制关闭模块可能导致严重后果(人员健康、机器健康、安全漏洞)的此类应用中，首选方法是使用云平台记录警报。云管理员可以远程停用设备。
与托管服务(例如，云托管服务)进行通信可以通过多种机制进行。
为了更高级的分类目的，地理位置硬件和监控功能可以确定模块是否在预期的操作位置。
这种技术的使用还可以应用于内部故障分析，其中可以通过分析云数据来替换昂贵的流程和资源。有可能将这种“入侵检测”模块和云服务出售给具有更昂贵硬件的客户，或者是首选进行现场故障分析的客户。
因此，系统C可以有利地检测入侵并保护设备/客户IP。
示例：系统D
发明人已经认识到保护云中的IoT模块可能是有利的。
为了满足此和其他需求，系统被配置为使得在任何给定时间，WOS记录唯一的扩散量，并且在正常操作下该值可以在操作带或变化率之内。此值可用于在引导时生成经过密码签名的代码，并且算法可以确定固件是否由于逆向工程、去焊等原因而更改。更高级的解决方案可以将入侵监控器与地理位置定位相结合。
可以通过在云中记录入侵模块参数的初始注册过程来增加进出设备的流量的安全性。未来的通信将把这些变量作为加密通道的盐。实际上，将存在一种通过其自身的扩散指纹与每个模块进行安全通信的方法。
因此，可以有利地配置系统D，使得如果超过了使用寿命，则设备加密变得不可操作。
示例实施例
1.一种电气过应力(EOS)监控器设备，包括：
EOS监控器结构，包括一对导电结构，被配置为响应于EOS事件而电弧放电；
感测电路，其被配置为检测由EOS事件引起的EOS监控器结构的物理特性的变化。
2.根据实施例1所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器结构还包括与所述导电结构之一电串联连接的电阻器，并且其中，所述EOS监控器结构的物理特性的变化包括电阻器电阻的变化。
3.根据实施例2所述的EOS监控器设备，其中，所述电阻器包括熔丝，并且所述电阻的变化是由所述熔丝响应于所述EOS事件而形成的开路引起的。
4.根据实施例2或3所述的EOS监控器设备，其中，所述感测电路电连接到所述导电结构中的一个，其中，通过导电结构之一和电阻器的第一电流路径与通过导电结构之一和感测电路的第二电流路径并联。
5.根据实施例4所述的EOS监控器设备，还包括形成在所述导电结构中的至少一个和所述感测电路之间的阻挡装置，其中，所述阻挡装置被配置为使得与第一电流路径相比，第二电流路径具有更高的电阻。
6.根据实施例5所述的EOS监控器设备，其中，所述阻挡装置包括相对于所述电阻器具有更高电阻的阻挡电阻器。
7.根据实施例5或6所述的EOS监控器设备，其中，所述阻挡装置包括阻挡二极管，所述阻挡二极管被配置为被反向偏置以用于从所述导电结构之一流向所述感测电路的正电流。
8.根据实施例1至7中的任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器结构的物理性质的改变包括所述一对导电结构上的电容的改变。
9.根据实施例8所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器设备被配置为使得所述电容的变化至少部分地由所述一对导电结构之间的间隙距离的变化引起。
10.根据实施例8或9所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器结构被配置为使得所述电容的变化至少部分地由所述一对导电结构之间的电介质材料的介电常数的变化引起。
11.根据实施例1至10中任一项所述的EOS监控器设备，其中所述EOS监控器结构的物理性质的改变包括所述一对导电结构上的泄漏电流的改变。
12.根据实施例11所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器结构使得泄漏电流的变化至少部分地由跨所述一对导电结构的间隙距离的变化引起。
13.根据实施例11或12所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器结构使得泄漏电流的变化至少部分地由所述一对导电结构之间的电介质材料的变化引起。
14.根据实施例1至13中任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器结构的物理性质的改变包括所述一对导电结构之间的间隙中的材料的光学透射率的改变。
15.根据实施例14所述的EOS监控器设备，其中，所述感测电路包括光检测器，所述光检测器光学地耦合至用于测量所述光透射率的变化的光源。
16.根据实施例1至15中任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述一对导电结构在电弧放电期间用作阴极-阳极对，其中，所述一对导电结构中的一个或两个包括一个或多个突起。
17.根据实施例16所述的EOS监控器设备，其中，所述一对导电结构中的一个导电结构但不另一个包括所述一个或多个突起。
18.根据实施例17所述的EOS监控器设备，其中，所述一对导电结构中的一个或两个包括基本笔直的边缘。
19.根据实施例18所述的EOS监控器设备，其中，所述导电结构之一包括多个突起，其中，所述突起中的不同突起与所述大致笔直的边缘之间的间隙距离不同。
20.根据实施例18所述的EOS监控器设备，其中，所述一对导电结构中的另一个包括导电线，所述导电线被配置为在电流通过时减小宽度，使得所述一对导电结构之间的间隙距离是可调的。
21.根据实施例1至20中任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器结构包括多个竖直堆叠的导电结构对，其中，所述堆叠对中的每个在电弧放电期间用作阴极-阳极对。
22.根据实施例21所述的EOS监控器设备，其中，所述一对导电结构中的每对导电结构中的至少一个导电结构包括一个或多个突起。
23.根据实施例22所述的EOS监控器设备，其中，不同对导电结构中的至少一个导电结构包括被配置为在不同条件下成弧形的不同突起。
24.根据实施例1至23中任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器结构包括在电弧放电期间用作阴极或阳极中的一个的第一导电结构，以及在电弧放电期间用作阴极或阳极中的另一个的一个或多个第二导电结构。
25.根据实施例24所述的EOS监控器设备，其中所述第一导电结构与多个第二导电结构分开不同的间隙距离，从而形成被配置为在不同条件下电弧放电的不同火花间隙。
26.根据实施例25所述的EOS监控器设备，其中，所述第一导电结构被多个第二导电结构横向地围绕。
27.根据实施例24所述的EOS监控器设备，其中，所述第一导电结构包括导线，并且每个所述第二导电结构包括形成多个火花间隙的多个突起。
28.根据实施例27所述的EOS监控器设备，其中，所述第一导电结构被两个第二导电结构插入。
29.根据实施例28所述的EOS监控器设备，其中，所述第一导电结构包括多个突起。
30.根据实施例27所述的EOS监控器设备，其中，所述两个第二导电结构的突起是不同的。
31.根据实施例1至30中任一项所述的EOS监控器设备，其中所述EOS监控器结构包括第一导电结构和第二导电结构，所述第二导电结构至少部分地横向地围绕所述第一导电结构。
32.根据实施例31所述的EOS监控器设备，其中，所述第一导电结构和所述第二导电结构中的至少一个包括形成所述一个或多个火花间隙结构的一个或多个突起。
33.根据实施例1至32中任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述一对导电结构被电弧放电介质插入。
34.根据实施例33所述的EOS监控器设备，其中，所述一对导电结构由不同于所述电弧放电介质的电介质材料形成，并且其中，所述电弧放电介质形成在所述电介质材料中形成的空腔中。
35.根据实施例33或34所述的EOS监控器设备，其中所述EOS监控器结构包括在电弧放电期间用作阳极-阴极对的多对导电结构，其中不同的导电结构对被不同的电弧介质插入。
36.根据实施例33或34所述的EOS监控器设备，其中，所述导电结构中的至少一个包括多个突起，并且其中，邻近于不同的突起形成不同的电弧放电介质。
37.根据实施例33至36中任一实施例所述的EOS监控器设备，其中，所述电弧放电介质包括真空、气体、液体和固体电介质中的一种或多种。
38.根据实施例1至37中的任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述EOS监控器结构形成为集成电路器件的一部分。
39.根据实施例1至38中任一实施例所述的EOS监控器设备，其中所述EOS监控器结构形成为所述集成电路器件的金属化层的一部分。
40.根据实施例1至39中任一项所述的EOS监控器设备，其中所述EOS监控器结构包括形成在两个金属层之间的部分导电通路，其中所述部分导电通路在第一端与两个金属层中的一个接触，而在第二端与两个金属层中的另一个分开。
41.根据实施例1至38中任一实施例所述的EOS监控器设备，其中，所述一对导电结构中的一个包括相对于半导体基板重掺杂的半导体基板中的掺杂区域，以及所述一对导电结构中的另一个包括形成在掺杂区域上方的导电插塞结构，其中，掺杂区域和导电插塞结构由用作电弧放电介质的介电层插入。
42.根据实施例1至38中任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述一对导电结构中的一个包括导电层，并且所述一对导电结构中的另一个包括形成在所述导电层上方的导电插塞结构，其中导电层和导电插塞结构被用作电弧放电介质的介电层插入。
43.根据实施例1至38中任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述一个或多个火花间隙结构包括由空隙横向隔开的一对金属层，其中，所述一对金属层在介电层之间垂直地形成。
44.根据实施例1至43中任一项所述的EOS监控器设备，其中，所述感测电路被集成为所述集成电路器件的一部分。
45.集成的电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括一对导电结构，该导电结构配置为在触发电压小于约100V时响应于EOS事件而电弧放电，其中该对导电结构集成在半导体基板上，并且被用作电弧放电介质的介电层隔开。
46.根据实施例45的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中该对导电结构中的一个包括在所述半导体基板中的掺杂区域，该掺杂区域相对于所述半导体基板高度掺杂，导电结构中的另一个包括形成在掺杂区域上方的导电通孔结构，其中掺杂区域和另一个导电结构被介电层直接插入。
47.根据实施例46所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述掺杂区域的掺杂浓度、所述导电通孔结构的功函数以及所述介电层的厚度和所述介电层的势垒高度为使得介电层在小于约100V的电压下击穿。
48.根据实施例46或47所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述导电通孔结构包括穿过在所述介电层上方形成的第二介电层形成的通孔结构。
49.根据实施例46至48中的任一项所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述掺杂区域和所述导电通孔结构被多个介电层插入。
50.根据实施例45所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述一对导电结构之一包括形成在所述基板上方的金属层和形成在所述导电层上方的导电通孔结构，其中，导电通孔结构被介电层插入。
51.根据实施例50所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述金属层的功函数、所述通孔结构的功函数以及所述介电层的厚度和所述介电层的势垒高度使得触发电压小于约100V。
52.根据实施例50或51所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述通孔结构穿过形成在所述介电层上方的第二介电层而形成。
53.集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置包括一对导电结构，被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中该对导电结构包括一对金属层，所述一对金属层在横向上由一定体积的电弧放电介质隔开，其中所述一对金属层在介电层之间垂直地形成。
54.根据实施例53所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述电弧放电介质包括真空、气体、液体和固体电介质中的一种或多种。
55.根据实施例53所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述体积是电弧放电介质的完全封闭的体积。
56.根据实施例45至55中的任一项所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述一对导电结构用作电气过应力(EOS)监控器设备。
57.根据实施例45至56中任一实施例所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，其中，所述一对导电结构用作EOS保护装置。
58.根据实施例57所述的集成电气过应力(EOS)监控器/保护装置，还包括与所述一个或多个火花间隙结构并联电连接的基于半导体的EOS保护装置。
59.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，所述装置还包括串联连接至所述一对导电结构的集成熔丝。
60.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中，所述一对导电结构中的一个但不另一个包括多个突起。
61.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中，所述导电结构中的至少一个包括面对另一个所述导电结构的直边缘。
62.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中，所述一对导电结构中的一个包括导电线，所述导电线被配置为在使电流通过时宽度减小。
63.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中，所述导电结构中的一个或两个被配置为相对于彼此在位置上移位，使得导电结构之间的距离是可变的。
64.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中，所述导电结构包括在电弧放电期间用作阴极或阳极之一的第一导电结构，以及多个第二导电结构在横向上围绕第一导电结构，并用作阴极或阳极中的另一个。
65.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的多对导电结构，其被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中不同的成对的导电结构被不同的电弧介质插入，使得不同的成对导体被配置为在不同的条件下起弧。
66.一种装置，包括垂直地堆叠在基板上的多对导电结构，其中，所述对中的每对用作被配置为响应于EOS事件而电弧放电的阴极-阳极对。
67.一种设备，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中，所述一对导电结构包括在两个金属层之间形成的部分导电通路，其中所述部分导电通路在第一端与两个金属层中的一个接触，而在第二端与两个金属层中的另一个分开。
68.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中，该对导电结构包括在半导体基板中相对于半导体基板重掺杂的掺杂区域，在电弧放电期间该掺杂区域用作阴极或阳极之一，导电结构形成在电弧放电期间用作阴极或阳极中的另一个的掺杂区域上方，其中，掺杂区域和导电结构被介电层插入。
69.一种装置，包括：在电弧放电期间在用作阴极或阳极之一的基板上形成的导电层，以及在电弧放电期间用作阴极或阳极另一个的导电层上方的导电结构，其中，所述导电层和导电结构被介电层插入。
70.一种装置，包括一对金属层，所述一对金属层被空隙横向隔开，所述一对金属层被配置为响应于EOS事件而电弧放电的阴极-阳极对，其中所述一对金属层在介电层之间垂直地形成。
71.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的多对导电结构，其被配置为响应于EOS事件而起弧，其中，所述成对的导电结构包括在电弧期间用作阴极或阳极中的一个的第一导电结构，以及在电弧期间用作阴极或阳极中的另一个的多个第二导电结构。
72.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中，所述装置还包括与所述导电结构之一电串联连接的熔丝，并且其中，所述装置还包括形成在所述导电结构之一和感测电路之间的阻挡装置，其中，所述阻挡装置被配置为使得通过所述阻挡装置的电流路径相对于通过所述熔丝的电流路径为较高的电阻路径。
73.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的多对导电结构，所述多对导电结构被配置为响应于EOS事件而起弧，其中，所述导电结构对通过桶隔离将彼此隔离，该桶隔离包括在衬底中形成的掩埋掺杂层。
74.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧，并且还包括串联连接到所述一对导电结构的一个或多个熔丝，其中所述一个或多个熔丝包括薄膜保险丝、多晶硅熔丝和金属熔丝中的一个或多个。
75.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧，并且还包括在所述一对导电结构之上或之下的一个或多个电浮动金属层，并与所述一个或多个电浮动金属层至少部分地横向重叠。
76.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧，并且还包括被间隙隔开的第二对导电结构，其中所述第二对导电结构是电浮动的，并且形成在该对导电结构之上或之下。
77.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧放电，并且还包括通孔的电浮动阵列，其连接到形成在一对导电结构上方或下方的公共电浮动金属层。
78.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而起弧，并且还包括形成在该对导电结构中的一个或两个导电结构之上或之下的一个或多个电浮通孔。
79.一种装置，其包括用作阴极-阳极对的一对导电结构，所述一对导电结构被配置为响应于EOS事件而电弧，并且还包括与所述一对导电结构并联电连接的基于半导体的EOS保护装置，其中所述基于半导体的EOS保护装置和所述一对导电结构被配置为使得响应于足以触发基于半导体的EOS保护装置和一对导电结构的EOS事件，半导体EOS保护装置在该对导电结构之前暂时触发。
80.电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括:
两个不同的导电结构，被它们之间的间隙隔开，并且被配置为响应于EOS事件而电弧放电,其中两个导电结构的相对表面具有不同的形状；和
感测电路，被配置为检测由所述EOS事件引起的EOS监控器/保护装置的物理特性的变化。
81.实施例80的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构中的一个但不是另一个包括朝向所述两个导电结构中的另一个突出的一个或多个尖端。
82.实施例80的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构之一包括面对所述两个导电结构中的另一个的基本笔直的边缘。
83.实施例82的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构之一包括在垂直于所述两个导电结构的分离方向的方向上延伸的导电线路。
84.实施例83的监控器/保护装置，其中所述导电线路被配置为在电流通过时减小宽度，从而增加所述间隙的距离。
85.实施例80的监控器/保护装置，其中所述两个导电结构之一至少部分地横向地围绕所述两个导电结构中的另一个。
86.实施例80的监控器/保护装置，其中所述两个导电结构中的一个或两个被配置为在制造后相对于彼此在位置上移位，使得所述间隙的距离是可调的。
87.实施例80的EOS监控器/保护装置，其中所述间隙包括包含固体电介质的电弧放电介质。
88.实施例80的EOS监控器/保护装置，还包括串联连接到所述两个导电结构的集成熔丝。
89.实施例80的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构之一包括与第一金属层在第一端接触的部分导电通路，同时与在第二端包括第二金属层的两个导电结构中的另一个分开。
90.实施例80的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构被配置为在小于约100V的触发电压下响应EOS事件而电弧放电。
91.实施例80的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构的相对表面包括所述两个导电结构的彼此最接近的表面。
92.实施例80的EOS监控器/保护装置，其中响应EOS事件在电弧放电之前，所述两个导电结构的相对表面具有不同的形状。
93.实施例80的EOS监控器/保护装置，其中当在垂直于主基板表面的方向的俯视图和平行于所述主基板表面的方向的侧视图中之一或两者中观察所述间隙时，所述两个导电结构的相对表面具有不同的形状。
94.电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括一对导电结构，该导电结构被配置为响应于EOS事件而在小于约100V的触发电压下电弧放电,其中该对导电结构集成在半导体基板上，并且被用作电弧放电介质的介电层隔开.
95.实施例94的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构的相对表面具有不同的形状。
96.实施例94的EOS监控器/保护装置，还包括感测电路，被配置为检测由所述EOS事件引起的EOS监控器/保护装置的物理特性的变化。
97.实施例94的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构中的一个包括在所述半导体基板中的掺杂区域，该掺杂区域相对于所述半导体基板高度掺杂，并且其中该对导电结构中的另一个包括横向地与所述掺杂区域重叠的导电通孔结构。
98.实施例97的EOS监控器/保护装置，其中所述导电通孔结构包括功函数调谐金属衬里、通过在所述层上方形成的第二介电层形成的通孔以及填充所述通孔剩余体积的填充金属。
99.实施例97的EOS监控器/保护装置，其中所述掺杂区域和所述导电通孔结构被用作电弧放电介质的一堆不同介电层所插入。
100.实施例97的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构中的一个包括在所述半导体基板上方形成的金属层，并且其中该对导电结构中的另一个包括横向地与所述掺杂区域重叠的导电通孔结构。
101.实施例94的EOS监控器/保护装置，其中所述触发电压小于约10V。
102.电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括:
一对导电结构，被配置为响应于EOS事件而电弧放电；
电连接到所述导电结构之一的熔丝；
阻挡装置，电连接到所述导电结构之一，并且被配置为使得响应于EOS事件，相对于所述阻挡装置，较大量的电流流过所述熔丝。
103.实施例102的The EOS监控器/保护装置，其中所述阻挡装置包括相对于所述熔丝具有更高电阻的阻挡电阻器。
104.实施例102的EOS监控器/保护装置，其中所述阻挡装置包括被配置为响应于EOS事件而被反向偏置的阻挡二极管。
105.实施例102的EOS监控器/保护装置，还包括与该对导电结构和所述熔丝并联电连接的基于半导体的静电放电(ESD)器件。
106.实施例105的EOS监控器/保护装置，其中所述ESD器件被配置为以相对于该对导电结构更低的电压触发。
107.实施例102的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构的相对表面具有不同的形状。
108.实施例102的EOS监控器/保护装置，还包括感测电路，连接到所述阻挡装置并被配置为检测由EOS事件引起的EOS监控器/保护装置的物理特性的变化。
109.实施例102的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构被配置为响应于EOS事件而在小于约100V的触发电压下电弧放电。
110.电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括:
两个导电结构之间被间隙隔开，并且被构造成响应于EOS事件而电弧放电，其中两个导电结构的相对表面包括沿与导电结构之间的最短间隔的方向正交的方向延伸的直边缘；
感测电路，其被配置为检测由EOS事件引起的EOS监控器/保护装置的物理特性变化。
111.根据实施例110所述的EOS监控器/保护装置，还包括串联连接到所述两个导电结构之一的熔丝，并且其中，所述感测电路被配置为检测由所述EOS事件在所述熔丝中形成的电开路。
112.根据实施例110所述的EOS监控器/保护装置，其中，所述物理性质的改变包括所述两个导电结构之间的电容，穿过两个导电结构的泄漏电流和间隙中拱形介质的视觉变化。
113.根据实施例1-44中任一项的EOS监控器设备，根据实施例44-58和80-112中任一项的EOS监控器/保护装置，或根据实施例59-79中任一项的装置，还包括串联连接到所述导电结构之一的混合熔丝，其中所述混合熔丝包括与金属熔丝电串联的薄膜/多晶硅熔丝。
114.电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括：
两个导电结构之间被间隙隔开，并且被构造为响应于EOS事件而电弧，其中，两个导电结构形成在第一金属化层上；在第二金属化层和第三金属化层中的一个或两个处形成阻挡层结构，该第二金属化层和第三金属化层紧邻第一金属化层，其中，该阻挡层结构被配置为抑制由EOS事件引起的裂纹的形成或传播。
115.根据实施例114所述的EOS监控器/保护装置，其中，所述屏障结构包括由在其之间的间隙隔开的一对横向相邻的板，其中，所述一对板之间的间隙比所述两个导电结构之间的间隙宽。
116.根据实施例114或115所述的EOS监控器/保护装置，其中，所述屏障结构是电浮动的。
结论
在上述实施例中，结合特定实施例描述了用于感测电气过应力事件的装置、系统和方法。然而，将理解的是，实施例的原理和优点可以用于需要感测和/或防止电气过应力事件的任何其他系统、装置或方法。
本文描述的原理和优点可以在各种装置中实现。此类装置的示例可以包括但不限于消费电子产品、消费电子产品的一部分、电子测试设备等。消费电子产品的一部分示例可以包括时钟电路、模数转换器、放大器、整流器、可编程滤波器、衰减器、变频电路等。电子设备的示例还可以包括存储芯片、存储模块、光网络或其他通信网络的电路以及磁盘驱动器电路。消费类电子产品可以包括但不限于无线设备、移动电话(例如、智能电话)、蜂窝基站、电话、电视、计算机监控器、计算机、手持式计算机、平板电脑、笔记本电脑、个人数字助理(PDA)、微波炉、冰箱、立体声系统、盒式录音机或播放器、DVD播放器、CD播放器、数字录像机(DVR)、VCR、MP3播放器、收音机、便携式摄像机、照相机、数码相机、便携式存储芯片、洗衣机、干衣机、洗衣机/干衣机、复印机、传真机、扫描仪、手表、智能手表、时钟、可穿戴式健康监控装置等。此外、装置可以包括未完成的产品。
除非上下文清楚地另外要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应以包括性含义来解释，而不是排他性或唯一性的意思，也就是说，在“包括但不限于”的意义上。如本文中通常使用的，术语“耦合”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或多个元件。另外，当在本申请中使用时，词语“在此”、“上方”、“下方”和类似含义的词语应整体上指本申请，而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，在详细描述中使用单数或复数的词也可以分别包括复数或单数。涉及两个或多个项目的列表中的单词“或”旨在涵盖该单词的以下所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中的项目的任一组合。本文提供的所有数值旨在包括测量误差内的相似值。
此外，除非另有特别说明，或在所使用的上下文中另有了解，否则本文中使用的条件语言，例如“可以”、“可能”、“例如”、“诸如”等通常旨在表示某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征、元件和/或状态。
本文提供的发明的教导可以应用于其他系统，而不一定是上述系统。可以将上述各种实施例的元素和动作组合以提供其他实施例。本文讨论的方法的动作可以适当地以任何顺序执行。而且，在适当时，本文所讨论的方法的动作可以串行或并行执行。
尽管已经描述了本发明的某些实施例，但是这些实施例仅是通过示例的方式给出的，并不旨在限制本公开的范围。实际上，本文描述的新颖的方法和系统可以以多种其他形式实施。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文所述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖将落入本公开的范围和精神内的这种形式或修改。因此，本发明的范围通过参考权利要求来限定。

Claims (30)

1.电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括：
两个不同的导电结构，被它们之间的间隙隔开，并且被配置为响应于EOS事件而电弧放电，其中两个导电结构的相对表面具有不同的形状；和
感测电路，被配置为检测由所述EOS事件引起的EOS监控器/保护装置的物理特性的变化。
2.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构中的一个但不是另一个包括朝向所述两个导电结构中的另一个突出的一个或多个尖端。
3.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构之一包括面对所述两个导电结构中的另一个的基本笔直的边缘。
4.权利要求3所述的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构之一包括在垂直于所述两个导电结构的分离方向的方向上延伸的导电线路。
5.权利要求4所述的EOS监控器/保护装置，其中所述导电线路被配置为在电流通过时减小宽度，从而增加所述间隙的距离。
6.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构之一至少部分地横向地围绕所述两个导电结构中的另一个。
7.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构中的一个或两个被配置为在制造后相对于彼此在位置上移位，使得所述间隙的距离是可调的。
8.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中所述间隙包括包含固体电介质的电弧放电介质。
9.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，还包括串联连接到所述两个导电结构的集成熔丝。
10.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构之一包括与第一金属层在第一端接触的部分导电通路，同时与在第二端包括第二金属层的两个导电结构中的另一个分开。
11.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构被配置为在小于约100V的触发电压下响应EOS事件而电弧放电。
12.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中所述两个导电结构的相对表面包括所述两个导电结构的彼此最接近的表面。
13.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中响应EOS事件在电弧放电之前，所述两个导电结构的相对表面具有不同的形状。
14.权利要求1所述的EOS监控器/保护装置，其中当在垂直于主基板表面的方向的俯视图和平行于所述主基板表面的方向的侧视图中之一或两者中观察所述间隙时，所述两个导电结构的相对表面具有不同的形状。
15.电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括一对导电结构，该导电结构被配置为响应于EOS事件而在小于约100V的触发电压下电弧放电，其中，该对导电结构集成在半导体基板上，并且被用作电弧放电介质的介电层隔开。
16.权利要求15所述的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构的相对表面具有不同的形状。
17.权利要求15所述的EOS监控器/保护装置，还包括感测电路，被配置为检测由所述EOS事件引起的EOS监控器/保护装置的物理特性的变化。
18.权利要求15所述的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构中的一个包括在所述半导体基板中的掺杂区域，该掺杂区域相对于所述半导体基板高度掺杂，并且其中该对导电结构中的另一个包括横向地与所述掺杂区域重叠的导电通孔结构。
19.权利要求18所述的EOS监控器/保护装置，其中所述导电通孔结构包括功函数调谐金属衬里、通过在所述层上方形成的第二介电层形成的通孔以及填充所述通孔剩余体积的填充金属。
20.权利要求18所述的EOS监控器/保护装置，其中所述掺杂区域和所述导电通孔结构被用作电弧放电介质的一堆不同介电层所插入。
21.权利要求18所述的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构中的一个包括在所述半导体基板上方形成的金属层，并且其中该对导电结构中的另一个包括横向地与所述掺杂区域重叠的导电通孔结构。
22.权利要求15所述的EOS监控器/保护装置，其中所述触发电压小于约10V。
23.电气过应力(EOS)监控器/保护装置，包括:
一对导电结构，被配置为响应于EOS事件而电弧放电；
电连接到所述导电结构之一的熔丝；
阻挡装置，电连接到所述导电结构之一，并且被配置为使得响应于EOS事件，相对于所述阻挡装置，较大量的电流流过所述熔丝。
24.权利要求23所述的EOS监控器/保护装置，其中所述阻挡装置包括相对于所述熔丝具有更高电阻的阻挡电阻器。
25.权利要求23所述的EOS监控器/保护装置，其中所述阻挡装置包括被配置为响应于EOS事件而被反向偏置的阻挡二极管。
26.权利要求23所述的EOS监控器/保护装置，还包括与该对导电结构和所述熔丝并联电连接的基于半导体的静电放电(ESD)器件。
27.权利要求26所述的EOS监控器/保护装置，其中所述ESD器件被配置为以相对于该对导电结构更低的电压触发。
28.权利要求23所述的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构的相对表面具有不同的形状。
29.权利要求23所述的EOS监控器/保护装置，还包括感测电路，连接到所述阻挡装置并被配置为检测由EOS事件引起的EOS监控器/保护装置的物理特性的变化。
30.权利要求23所述的EOS监控器/保护装置，其中该对导电结构被配置为响应于EOS事件而在小于约100V的触发电压下电弧放电。
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