TWI231031B - Efficient gate coupling electrostatic discharge protection circuit with redundant structures - Google Patents

Description

五、發明說明（1) 一、 【發明所屬技術領域】 f i i發明係有關於一種電路設計，特別是有關於一種靜 電放電保護的電路設計。 二、 【先前技術】 電路 i2if(ESD; Electrostatic Discharge)隨著積體 體雷：曾加，與元件的尺寸的縮小化，衍生了在積 杏、/、貝又的製程中較過去更嚴重的可靠性 先進半導體製程的改變，# ""、二=⑽因為 壞，造成電子電路的：障使; 如閘極氧化声A 7 π人^〜㈢电于電路上的可靠度。例 薄，以發展‘微摻:：70件縮小化及元件特性，不得不變 的問題，或者是‘二τ，層（LDD)結構來解決熱載子效應 秒上形成金屬石夕化層(SiHcide=:= 且所使用的多晶 製程技術以及元件& + 荨。但因為先進的 電依舊，心;ί:=電：：：：環境中所產生的靜 ;是元件閉極氧化層愈來愈薄，使越來越多’尤 壓也隨之下降H如何有效地導引ί的氣化層崩潰電 使7L件内部的間極受到靜電的傷 :電電流而不致於 σ 仰备重要的考量。 因此，如果如第一Α圖所示 以 間極接地之Ν-Ρ結構

1231031 五、發明說明（2) (Gated Grounded N-P Structure)作為弓丨流靜電放電的保 護電路’單純使用傳統的互補式金氧半場效電晶體作為引 流靜電放電的保護元件’將會遭遇到閘極氧化層被高信號 電壓所破壞，使得可靠度不穩定。所以在輸出入電路中 (Tolerant I/O Circuit)中常以串疊結構（Cascade

Structure)來解決這樣的問題，如第一b圖所示，串疊兩 個閘極接地之N型金氧半場效電晶體，來作為防護靜電放 電的保護元件。 這類ESD保護元件的機制，主要倚靠寄生的雙載子NpN 電晶體因齊納崩潰（Zener Breakdown)導通的特性，來引 流靜電放電。就傳統ESD保護電路閘極接地之N-p处構而 言，在N型金氧半場效電晶體部份有一寄生的NpN &載子 晶體，它的基極（Base)端連接至接地端（Gr〇und)，盥 ^疊結構相比，它有著較短的基極長度。而串疊結構，因 串聯了兩個N型金氧半場效電晶體，其所寄生的雙 :=才!相下具有較長的基極寬度。對於串疊的嶋 而吕，有者更長的基極端，意、謂更不易導通寄生的雙 載子NPN電晶體，使得觸發電壓變得更高，抗靜電 ::顯下降。Ϋ實上，傳統的靜電保護電路主要是以靜、 = :來引流靜電放電，0此靜電保護電路可以有 者許夕種不同的設計，如Ν — Ρ結構與串疊結構等等。 ^ Ϊ ^㈣電路還需要額外的設計讓㈣電流的破壞不 朝向表面，而往基板（Substrate)方向流動，避免過大電

1231031 五、發明說明（3) 流集中於表面，造成局部過熱’甚至損壞元件。 據此士果僅以猙電放電引流電路來引流靜電放電 的話，可能會因為瞬間電流超過預期之設計而損壞，若是 為此加強静電放電弓丨流電路之結肖 能力的問題’因此有了如第—c圖所示之、二係以電放電 來分攤個別靜電放電引流電路上電 流的負何。在第一c圖中孫α由晶^ ^ 放電引流電路，此靜電放電引：構為例’來作為靜電 其他、纟“冓之靜電放；可以 ,:^# Ιέ ^ ^ c ;;〇^ ^ 用从連接一第一級電路，而η里j：田·、丨丄 ^ ^ ^ ^XB fi Ιέ ^ ^LtA± 5 S ^ ^ 電阻與D點所連接的電阻需 接之第、、及電路的 熱，甚至損壞元件。上述之愔來X ^ ：；、、Ό構造成局部過 靜電放電弓丨流電路上，1他傳統 ^發生在閘極耦合的 能會發生。 ，、他傳統的靜電放電引流電路也可 使得路實⑨的電阻是相當困難的， “成某-靜電放電引流電路不再弓|流靜電：電 第8頁 123103 L______ 五、發明說明（4) 時，靜電全部集中在另一靜電放電引流電路。尤其整體電 路一旦製作完成後，E點電阻將不能被改變’為了能夠調 整電阻，因此有了如第一D圖所示之設計，加入一個N-M0S 來利用閘極的電位來控制E點的電阻。這樣的設計雖然有 了部份的改良，然而還是無法解決電阻難以實際估計的問 題，在實際應用上B點所連接之第一級電路變化太多，以 上述第〆C圖的電組E與第一D圖N-M0S並不能解決B點與d點 電阻不四配的問題，因此如何使得各靜電放電引流電路能 夠平均地引流靜電放電為目前靜電放電保護電路的重要關 鍵。 發明内容 、 本發明之一主要目的在提出一種靜電放電保護雷敗 以避免因靜電而損壞元件。 ’ 連It f明另一主要目的在避免各靜電放電引流電路因m 逆接電路的雷阻的至s a > 所 成靜電過^崔由 /、，使的靜電放電的引流不平均，造 β伤集中於部份靜電放電引流電路。 依據以上戶斤、十、 放電保護電路，2 ^目的，本發明提出一種閘極耦合靜電 衍生電路：= 合於自第-級電路衍 …構’來作為引流靜電放電的保護電路。

1231031 五、發明説明⑸ 此衍生電路，第一級電路在引流靜電放電時，彼此間的電 [I旦四配，使得靜電電流不會集中於部份串疊結構。 四 實施方式 本發明的一些實施例會詳細描述如下。然而，除了蛘 細描述外丄本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且 本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。 再者、，為提供更清楚的描述及更易理解本發明，圖示 内各部分並沒有依照其相對尺寸繪圖，某些尺寸與其他/ 關尺度相比已經被誇張；不相關之細節部分也未完全绔目 出，以求圖示的簡潔。 凡王、曰 在 流至接 靜電放 並且並 放電引 電引流 之電阻 電性耦 阻會因 第一級 先前技 地線路 電引流 聯於數 流電路 電路。 與第一 合一電 推估得 電路間 術中，靜 。如果所 電路與内 個其他|禺 時，容易 其主要原 級電路不 阻，此電 不夠準確 的電阻不 電放電係由一靜電 採用的靜電放電保 部電路中的第一級 合於相應第一級電 造成靜電流過於集 因係其他靜電放電 匹配。例如其他靜 阻係由此第一級電 或因溫度改善而改 匹酉己。 放電保護 護電路係 電路電性 路之電阻 中部份的 引流電路 電放電弓丨 路所推估 變，使得 電路引 由一個 耗合， 的靜電 靜電放 所耦合 流電路 ，此電 電阻與

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第10頁 1231031 五、發明說明（6) 據此本發明提出將其他靜電放電引流雷踗盥山楚 級電路複製所衍生&行峰雷踗雷K=51机電路與由第一 雷放雷3丨冷+生的何生電路電性耦合，也就是每一個靜 机電路各自耦合一衍生電路。此 一級電路複製，口 4雷放雷 了生電路了由第 電壓時1生雷: 電路之電壓在其維持 並不限制衍生嫌級Π之電阻能夠匹I，本發明 級電路匹配，各引=說’因衍生電路與第- 件。電至接地線路’避免靜電放電破壞内部電路的元 因此本發明的一較佳實施例係一引产缚®姓φ 電路’採用數個靜電放電引流電』：;口 =之複製 例二Π=:Γ係以閘輕合之串疊結“ 舍明之實施方式，本實施例更可A ^ f非用以限制本 流電路，本發明並不加以限制。如第：圖°:之靜電放電引 施例包含一第一串疊結構21與 ’本較佳實 串疊結^21係由一第一金氣 1 一串噠結構22。此第— 加與—第二金氧半場效金電二曰曰^效電晶體23之第-源極 成，形成二個以第一金氧半J/之第一汲極241串聯而 與-第二金氧半場效電晶體J : J晶f 23之第-汲極231 與源極的寄生舍氧半場效電曰 一 λ、極243分別為呼極 晶體23的第一閘極232盥第/曰^。此外第一金氧半場效電 ”弟一金氧半場效電晶體24的第二 第】1頁 1231031 五、發明說明（7) 閘極2 4 2分別與串接電路？ 級串接電路273電性耦合，當源2 Π及串接電路27 —第一 .A1 ^A2)^V^?^273 ?ri^- 合，同時第一汲極2 31與第_浪 第一級電路電性耦 及接地線路272電性耦合。；’、極243分別與一串接電路27 241間形成一第一共享擴 f源極233至第二汲極 控制著第一串疊結構2〗的笛μ，々此第—共享擴散區的長短 當第-汲極231的電麼達至久一啟始電壓與第二維持電麼。 穿過第一串叠結構21 ，^時流被引流 持電壓。 了电&㈢破壓抑並漸減至第一維 此外，第二串疊結槿？？ — 25之第：源極Me盥$ 、 一第二金氧半場效電晶體 禾一你與一第四金氧半場效雷曰舻今够 極261串聯而&，形成 ：：:文：曰曰體⑸之第四汲 第三汲極251與一第四金氣丰^ ^乳半場效電晶體25之 分別為汲極與源極的寄生全+氧=電晶體日26之第四源極犯 氧半場效電晶體25的第三閉二第電'體？“卜第三金 體Μ的第四閘極262分別斑電厂第」"金氧半場效電晶 電路273衍生的一衍生^路2】原雷述之由第-級串接 25!與第四源極263分別電:串22接 性鉍人m lL ^刀申接電路27及其接地線路272電 : Λ !、極253至第…261間形成第二共享 的^二 “ 了共子擴散區的長短控制著第二串疊結構22 这5| :啟始電壓與第二維持電壓。當第三汲極251的電壓 達1丨弟二起始電壓時，電流被引流穿過第二串疊結構22， 第12頁 1231031

維持電壓 五 '發明說明（8) 同時電壓會被壓抑並漸減至第 因此， 者有著相同 與維持電壓 與維持電壓 電壓。如第 時，可知是 成的電壓， 疊結構與第 壓也因此被 構與第二串 結構閘極所 配’因此兩 分攤到各串 構的問題。 田第串疊結構2 1與第二串疊έ士構2 2 pc gp ，+ ㈣& 構22匹配，兩 可\為/二壓與第二維持電麼），此啟始電壓 ^此靜電放電保護電路的啟始電壓與維持 :::不，當串接電路27之電麼達到啟始電屋 此雷=以外的其他電源供電（如靜電放電）所造 一：以外的其他電源所提供的電⑨由第-串 ;串堂結構同時引流到接地串接電路272，電 降到維持電壓。同時，因為第-串疊結 :::冓引流電流時，第一串叠結構與第二串疊 刀|禺合的第一級電路與衍生電路之電阻匹 f引流電流的時間也匹配，也因此電流能平均 唛結構，而避免了電流過於集中於部份串疊結 P-M0S另，卜太私Ά之金氧半％效電晶體可以是N_M〇S或 毛月在此並不加以限制。再者，上述之串接電 路可能為其他内部電路盥其他鈐山、/上述之甲电 合的第一級電路屬於内部電路，而 /〇太門搞紅人與第二汲極251電性耦合屬於輸出入電路 八Α柄=輕5靜電放電保護電路主要是將引流前的電壓 刀為低於初始電壓的低電壓與高於初始放電，

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1231031 __ 五、發明說明（9) 藉以將靜電放電的電流引流。 據此，本發明不但具有以多個靜電放電引流電路 引k尚電壓（靜電放電）的電流，各靜電放電引流電路= 流的時間彼此匹配，並且不需去推估第一級電路的電阻斑 複雜的設計，僅以將第一級電路複製或複製後略為修改的 方式來設計，即可將電流有效地平均引流至各靜 流電路。 电^ 以上所述僅為本發明之 定本發明之申請專利權利； 技術領域之專門人士應可明 發明所揭示之精神下所完成 在下述之申請專利範圍中。 較佳實施例而已，並非用以限 同時以上的描述，對於熟知本 瞭及實施，因此其他未脫離本 的等效改變或修飾，均應包含

第14頁 1231031 圖式簡單說明 本發明相對於先前技藝之優點與好處在於參考下列圖 示與具體實施例比較後將更容易顯現，其中： 第一 A圖至第一 D圖為先前技術之示意圖； 第二圖為本發明較佳實施例之示意圖；及 第三圖為本發明較佳實施例之電流與電壓之曲線圖。 主要部份之代表符號： 10 輸出入電路 A 閘極A B 閘極B C 閘極C C 閘極C E 電路E 21 第一串疊結構 22 第一串疊結構 23 第一金氧半場效電晶體 231 第一汲極 232 第一閘極 233 第一源極 24 第二金氧半場效電晶體 241 第二汲極

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1231031 圖式簡單說明 242 第二閘極 243 第二源極 25 第三金氧半場效電晶體 2 51 第三沒極 252 第三閘極 2 5 3 第三源極 26 第四金氧半場效電晶體 2 61 第四沒極 2 6 2 第四閘極 263 第四源極

27 串接電路 271 電源 272 接地電路 273 第一級電路

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Claims (1)

1231031 六、申請專利範圍 1 · 一種結構 一第一 第"〉及極與 合’並且該 第二汲極與 與該電路中 一閘極電路 至少一 第三沒極與 合’並且該 第四汲極與 與該接地電 路電性耗合 重複的閘 串疊結構 第一金氧 第一閘極 第三 第三 極耦合靜電放電保護電路，包含： ，包含： 半場效電晶體 ，其中該第一 與一電源電性 電晶體 半場效 ，其中 路及該 級電路 結構， 半場效 ，其中 與該電 半場效 ，其中 三源極 該第一 該第二 第一源 電性耦 各該第 電晶體 該第三 源電性 電晶體 該第四 電性耗 級電路 ，係包 汲極與 耦合； ，係包 源極及 極電性 合；以 二串疊 ，係包 汲極與 耦合； ，係包 源極及 合，並 之—衍 含一第一源極、 一電路電性耦 及 含一第二源極、 5玄第_ >及極分別 轉合，並且該第 及 結構包含： 含一第三源極、 該電路電性耦 含一第四源極、 該第四汲極分別 且6玄第四閘極電 生電路。 2放電如伴申二專:j範圍第1項所述之結構重複的閘極輕合靜電 離ί上T啟；：ί述之Γ:::與該第二源極間之距 禾 啟始電壓及一第一維持電壓。 t +如申請專利範圍第2項所述之結構重複的間極輕合# # 放電保護電略，其中上述之第一没極與該第二源 1231031 一 六、申請專利範圍 塾漸增至該第一啟始電壓後被壓抑並漸減至該第一維持電 壓。 4 ·如申請專利範圍第2項所述之結構重複的閘極耦合靜電 放電保護電路，其中上述之第一汲極與該第二源極間之電 壓達到戎第一啟始電壓時，該電路係受到靜電放電。 5 ·如申請專利範圍第2項所述之結構重複的閘極耦合靜電 放電保護電路，其中上述之第三汲極與該第四源極間之距 離控制一第二啟始電壓及一第二維持電壓。 6·如申請專利範圍第5項所述之結構重複的閘極耦合靜電 ^電保護電路，其中上述之第三汲極與該第四源極間之電 1漸A至该第二啟始電壓後被壓抑並漸減至該第二維持電 壓。 包 7·如申請專利範圍第5項所述之結構重複的閘極耦合靜電 =電保護電路，其中上述之第三汲極與該第四源極間之電 壓達到該第二啟始電壓時，該電路係受到靜電放電。 如申請專利範圍第5項所述之結構重複的閘極耦 J電保護電路，其中上述之第-維持電壓與該第二維 匹配。

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六、申請專利範圍 9 · 如申言青専禾丨 放電保護電路，範圍第1項所述之結構重複的閘極耦合靜電 電同時經該第i i t上述之電路受到一靜電放電時，該靜 路。 串豐結構與第二串疊結構引流至該接地電 10. 如申請直4 ▼ 一 電放電保護電政乾圍第9項所述之結構重複的閘極耦合靜 與第二串聂沾Ϊ，其中上述之靜電同時經該第一串疊結構 生電路之弓1流至該接地電路時’該第一電路與該衍 酉己。 U放ί::i利範圍第9項所述之結構重複的閘極耦合靜 電路，其中上述之靜電經該第一串疊結構與第 一串璺結構引流至該接地電路之時間匹配。 、 1 2 ·如申明專利範圍第丨項所述之結構重複的閘極耦合靜電 放電保護電路，其中上述之衍生電路係該第一級電路之複 製0 1 3· —種結構重複的閘極耦合靜電放電保護電路，包含： 一第一串疊結構，包含·· 一第一金氧半場效電晶體，係包含一第一源極、 第一汲極與第一閘極，其中該第一汲極與一電路電性耦 合，並且該第一閘極與電路一電源電性耦合，該電源係小 於一啟始電壓； 1231031 六、申請專利範圍 一第二金氧半 第二汲極與第二閘極， 耦合，並且該第二閘極 一第一共享擴 第一共享 第二汲極，該 晶體與該第二 金氧半場 至少一第二串疊結 一第三金氧半 第三汲極與第三閘極， 合，並且該第三閘極與 四金氧半 四閘極， 第四閘極 路之一衍生電路；及 一第 第四〉及極與第 耦合，並且該 場效電 其中該 電路與 散區， 擴散區 效電晶 構，各 場效電 其中該 該電源 場效電 其中該 電路電 曰曰體，係 第二源極 一第一級 係電性輕 分別以該 體為源極 包含一 與一接 電路電 合該第 第一金 與汲極 该第二串疊結構 包含一 與該電 晶體，係 第三汲極 電性耦合 晶體，係 第四源極 性耦合於 包含一 與該接 衍生自 第二源極、 地電路電性 性耦合；及 一源極至該 氧半場效電 :以及 包含： 第三源極、 路電性耦 第四源極、 地電路電性 該第一級電 一第一共旱擴散區，係電性耦合該第三源極至該 第四汲極，該第二共享擴散區分別以該第三金氧半場效電 晶體與該第四金氧半場效電晶體為源極與沒極。

14·如申請專利範圍第1 3項所述之結構重複的閘極耦合靜 電放電保護電路，其中上述之第一汲極與該第二源極間之 距離控制一第一啟始電壓及-第一維持電壓。 15·如申請專利範圍第1 4項所述之結構重複的閘極耦合靜 電放電保護電路，其中上述之第一汲極與該第二源極間之

1231031 六、申請專·® ~—-- 電壓當漸增至該第一啟始電壓後被壓抑並漸減至該 持電壓。 $ 16·如申請專利範圍第丨4項所述之結構重複的閘極輕合靜 電放電保護電路，其中上述之第一汲極與該第二源極^ ^ 電壓達到該第一啟始電壓時，該電路係受到該靜電放電。 17 ·如申請專利範圍第1 4項所述之結構重複的閘極輕合靜 電放電保護電路，其中上述之第三汲極與該第四源極^ ^ 距離控制一第二啟始電壓及一第二維持電壓。 18·如申請專利範圍第1 7項所述之結構重複的閘極轉合靜 電^電保護電路，其中上述之第二汲極與該第四源極間之 電壓當漸增至該第二啟始電歷後被壓抑並漸減至該 持電壓。 $ 19·如申請專利範圍第1 7項所述之結構重複的閘極耦合 電放電保護電路，其中上述之第三汲極與該第四源極間之 電壓達到該第二啟始電壓時，該電路係受到靜電放電。 2〇·如申請專利範圍第17項所述之結構重複的閘極耦合 電放電保護電路，其中上述之第一啟始電壓與該二 ^ 電壓係與該啟始電壓匹配。 σ

1231031 六、申請專利範圍 _____ 21 ·如申請專利範圍第1 3項所述之結構重福 $ 電放電保護電路，其中上述之電路受到一靜電^雷^靜 之—雪、、☆ Rtfc v. _ ^電放電所提俾 構U^二:^電流同時經該第一串疊結構與第二串最二 構引流至该接地電路。 甲且、、，口 2m: ί利範圍第21項所述之結構重複的閘極耦合靜 電放電保濩電路，其中上述之電流同時口疔 了串皆結構弓丨流至該接地電路時，該爯 生電路之電阻匹配。 电崎/…亥何 重複的閘極耦合靜 第一串疊結構與第 配。

2 3 ·如申請專利範圍第2 1項所述之結構 電放電保護電路，其中上述之電流經該 一串豐結構引流至該接地電路之時間匹 ^乂如申請專利範圍第1 3項所述之結構重複的閘極耗.合* 電：電保護電路，其中上述之衍生電路係該第一級 如申請專利範圍第1 4項所述之結構重複的閘極耦合靜 =保護電路，其中上述之電源外之其他電源供電係靜 j.如申请專利範圍第1 3項所述之結構重複的閘極耦合靜 放電保護電路’其中上述之衍生電路係該第一級電路之

1231031 六、申請專利範圍 複製。 27·如申請專利範圍第1 3項所述之結構重複的閘極麵合靜 電放電保護電路，其中上述之衍生電路係該第一級電^之 同位電路。 28· —種結構重複的靜電放電保護電路，包含： 一第一靜電放電引流電路，該第一靜電放電引流電路 係與一第一級電路電性耦合；以及 一第二靜電放電引流電路，該第二靜電放電引流電路 與該第一靜電放電引流電路旅聯’並且該第二靜電放電弓丨 流電路電性耦合於衍生自該第一級電路之一衍生電路。 2 9·如申請專利範圍第2 8項所述之結構重複的靜電友 始電壓及一第一維持電壓 具有一第 電保 一啟 3 0·如申請專利範圍第2 9項所述之結構重複的靜電放電 護電路，其中上述之第一靜電放電引流電路之電壓漸拇= 該第一啟始電壓後被壓抑並漸減至該第一維持電壓。"主 31·如申請專利範圍第29項所述之結構重複的靜雷格⑤ J電路，其中上述之第一靜電放電引流電路之；】2保 一啟始電壓時，該電路係受到靜電放電。 5亥

1231031 六、申請專利範圍 32·如申請專利範圍第29項所述之結構重複的靜電放電保 護電路，其中上述之第二靜電放電引流電路之具有一第^ 啟始電壓及一第二維持電壓。 3 3·如申請專利範圍第3 2項所述之結構重複的靜電放電保 遵電路’其中上述之第二靜電放電引流電路之電壓漸增至 泫第二啟始電壓後被壓抑並漸滅至該第二維持電壓。 34·如申請專利範圍第32項所述之結構重複的靜電放電保 護電路，其中上述之第二靜電放電引流電路之電壓達到該 第二啟始電壓時，該電路係受到靜電放電。 35·如申請專利範圍第32項所述之結構重複的閘極耦合靜 電放電保護電路，其中上述之第一維持電壓與該第二維 電壓匹配。 ' 36·如申請專利範圍第28項所述之結構重複的閘極耦合靜 3放電保護電路，其中上述之電路受到一靜電放電時，該 =電同時經該第一靜電放電引流電路與第二靜電放電引流 電路弓I流至該接地電路。 电引L 4放如申請專利範圍第36項所述之結構重複的閘極耦合靜 電保護電路’其中上述之靜電同時經該第一靜電放電

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路 時 1231031 六、申請專利範圍 引流電路與第二靜電放電引流電路弓丨流至該接地電 該第一電路與該衍生電路之電阻匹配。 38.如申請專利範圍第36項所述之結構重複的閘極耗合靜 電放電保護電路，其中上述之靜電經該第一靜電放電引^ 電路與第二靜電放電引流電路引流至該接地電路之時間匹 酉己q 3f·如申請專利範圍第28項所述之結構重複的靜電放電保 護電路，盆Φ μ、丄、 /、Τ上述之衍生電路係該第一級電路之複製。

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