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TWI231035B - High voltage ESD protection device having gap structure - Google Patents

High voltage ESD protection device having gap structure Download PDF

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TWI231035B
TWI231035B TW093103468A TW93103468A TWI231035B TW I231035 B TWI231035 B TW I231035B TW 093103468 A TW093103468 A TW 093103468A TW 93103468 A TW93103468 A TW 93103468A TW I231035 B TWI231035 B TW I231035B
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Geeng-Lih Lin
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Description

1231035 五 '發明說明(1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種靜電放電(ESD )保護裝置,特別 是有關於一種在場氧化區與擴散區之間加入一間隙結構之 靜電放電保護裝置,用以避免場氧化區因ESD電流撞擊所 造成之損毀。 【先前技術】 因靜電放電所造成之元件損害對積體電路產品來說已 經成為最主要的可靠度問題之一。尤其是隨著尺寸不斷地 縮小至深次微米之程度,金氧半導體之閘極氧化層也越來 越薄’積體電路更容易因靜電放電現象而遭受破壞。在一 般的工業標準中,積體電路產品之輸出入接腳(I/〇 pin) 必需能夠通過20 00伏特以上之人體模式靜電放電測試以及 20 0伏特以上之機械模式靜電放電測試。因此,在積體電 路產品中,靜電放電防護元件必需設置在所有輸出入銲墊 (pad)附近,以保護内部之核心電路(c〇re circuit)不受 靜電放電電流之侵害。
第1圖為美國專利編號6,4 5 9,1 2 7所顯示之一 £ § 防護 元件,同時也是一橫向擴散金氧半場效電晶體(lateraUy diffused metal oxide semiconductor field effect transistor , LDMOS)。如圖所示,此M〇s 為NM〇s , NM〇s 的 閑極11 0設於P型基底1 〇〇上’源極以N+擴散區丨丨2所構成, 及極實體上是以N型井區102所構成,以N+擴散區1〇6作為 電極連接點。閘極11 0用以控制N +擴散區丨丨2盥N型弁F ] n ? 之電性連接’彳以接至接地線vss或是接至前級^ = 102
1231035 五、發明說明(2) (pre-driver),視電路要求而定 P型基底1〇〇透過p+擴散區丨16耦接至接地線vss。N+擴 散區11 2也耦接至接地線VSS。汲極透過N+擴散區1 〇β接至 接合焊墊pad擴散區104、N型井區102、p型基底1〇〇以 及N +擴散區112構成一寄生的KR。 當一對接地線VSS為正電壓的ESD事件發生於接合焊熱 pad時,於SCR觸發後,電流由接合焊墊pad開始,經過p + 擴散區104、N型井區102、P型基底丨⑽及…擴散區112,到 接地線VSS而釋放。 然而’ ^ESD事件發生於接合焊墊pa(j且esd電壓尚未 導通SCR時,ESD電流如放電路徑A所示,由接合焊墊pad開 始,經過N+擴散區106、N型井區1〇2、p型基底1〇〇及…廣 散區11 2,到接地線VSS而釋放。 由於N +擴散區1 〇 6之摻雜濃度較高,故阻抗較低;而n 型井區1 02之摻雜濃度較低,故阻抗較高。大部份的esd電 流會透過阻抗最小的放電路徑來放電。放電路徑A為糾擴 散區106到N+擴散區112之間阻抗最小之放電路徑,故當 SCR未導通時,大部份的ESD電流將沿著阻抗& 徑A到接地線VSS釋放。 如放電路徑A所示’ ESD電流撞到場氧化區丨〇8後再轉 ::於ESD電流具有相當大的能量’故在場氧化區1〇8的 轉折處將產生高熱,造成場氧化區丨〇8及放電路徑A的損 毀。 、 【發明内容】
1231035^ 五、發明說明(3) 有鑑於 護裝置Γ用此,本發明主要目的在於提供_稽ρ φ社愈保 宜一妨Φ用从避免ESD電流在SCR尚未^、s ±種靜電放電保 K路徑,進而造成元件損壞。過於集中於 置,包括:〜第2 : ^型$ :明提出一種靜電放電保護裝 電型第一擴散區、一場氧化F以芬努放電晶體、一第三導 該場致電曰…: 間隙。 電型第-擴散Lx及:型井區、-第二導 導2第-擴散區,形成於基底% IK井區以及第二 二導=第:擴散區與井區之電性連;閉極,用以控制第 X β X 一導電型第一擴散區、場氧化卩1、/ IZ 於井區中’其中,該場氧化區位於;=及間隙’形成 :-擴散區之間,並且該間隙位 化二三導電型 第一擴散區之間。 π虱化區與第三導電型 第‘電型可以是Ρ型或是Ν型,第-道士 型或Ρ型,第三導電型可以是Ρ型或是Ν弟型—電型可以是Ν 顯易懂,下t::f : ί,目的、特徵、和優點能更明 細說明如下特舉出例’並配合所附圖式,作詳 Φ 【實施方式】 第2圖顯示本發明之ESD保護裝置之一橫向 剖面圖。如圖所示,此NM0S的閑極21〇設於?型^ 丄,以N+擴散區212所構成,&極實體上是土則型井區 20 2所構成’但是由N+擴散區2〇6作為電極連接點。閘=
1231035 I-------- 五、發明說明(4) '' 210用以控制N+擴散區212與!^型井區2〇2之電性連接,可以 接至接地線vss或是接至前級驅動器(pre—drive 路要求而定。 ^ P型基底200透過P+擴散區216耦接至接地線vss擴 政區212也耦接至接地線vss。汲極透過N+擴散區2〇6接至 接合焊墊pad。 ^場氧化區214分隔了N+擴散區212與P+擴散區216。場 氧化區208設於N+擴散區206與閘極210之間,利用厚的氧 化層來隔絕閘極210與N型井區202。如果沒有場氧化區 208,閘極210下的閘氧化層可能因為在正常操作時,跨壓 過大而崩潰。場氧化區可由STI4L〇COS其中一種製程所形 成。間隙gap設於場氧化區208與N+擴散區2〇6之間。 P +擴政區204 ό免於N型井區202之中,搞接至接合焊墊 Pad。其中,Ρ+擴散區204可設於間隙忌叩與“擴散區2〇6之 間;或是1Η擴散區206設於間隙2叩與13+擴散區2〇4之間。 由於Ρ+擴散區204的存在,所以形成了一個寄生的SCR,由 P+擴散區204、N型井區202、P型基底20 0以及N+擴散區212 所構成。 當一對接地線為負電壓的ESD事件發生於接合焊墊pad 時,由於N型井區202透過料擴散區2〇6接至接合焊墊pad, _ P型基底20 0透過P+擴散區21 6耦接至接地線,因此p型基底 200與N型井區202的PN接面順向導通,使得接地線與接ι合一 焊墊pad短路,而釋放ESD電流。 口 當一對接地線VSS為正電壓的ESD事件發生於接合焊塾
1231035 ------ 五、發明說明(5) pad時,於寄生之SCR觸發後,電流由接合焊墊pad開始, 經過P+擴散區204、N型井區202、P型基底200及糾擴散區 212,到接地線Vss而釋放。 然而’當ESD事件發生於接合焊墊pa(1且esd電壓尚未 導通SCR時,ESD電流如放電路徑B、C所示,由接合焊墊 pad開始,經過N+擴散區2〇6、N型井區2〇2、p型基底2⑽及 N +擴散區2 1 2,到接地線v S S而釋放。 由於場氧化區208與N+擴散區2 0 6之間具有一間隙 gap,使得ESD電流不會直接撞擊場氧化區2〇8。盥習’知技 術相比較,如果所有區域的大小都一樣的條件下、,由於第 1圖之場氧化區108接觸N+擴散區1〇6,使得ESD電流大部份
Πϊ:抗最小之放電路徑A ’易造成場氧化區2〇8受ESD 里Ϊ 運用本發明之ESD保護裝置的橫向擴散 盆4 不再集中於某—放電路徑,而能透過 ,、匕=路徑,如放電路徑B、c,到接地線m而釋放。 1隙_的形成係由光罩圖案所定義,將形成 擴;區2;6之光罩圖案’距離場氧化隨一特定距離 後,再形成N+擴散區2 06。若在n险 老仏 擴散區20 6與場氧化區208之間在產間生隙^處^納,則練 ⑽電流直接撞擊場氧化區^產生问阻抗區,用以避免 第3圖顯示本發明靜電放雷 面圖。如圖所示,與第2 c之第二實施例剖 過光罩圖案在N"廣散區206與== 相同之符號;透 問極⑽晴gate) 218,虛置==208之間形成一虛置 置閘極218沒有接到任何pc電 0516-10208twf(nl);91015; joanne.ptd 1231035 五、發明說明(6) 源,為一個浮置(floating)閘。閘極22〇位於場氧化區2〇8 與N +擴散區2 1 2之間,並且,閘極2 2 〇部份延伸至場氧化區 第4圖顯示本發明之靜電放電保護裝置之第三實施例 剖面圖。第4圖與第3圖相同元件使用相同之符號。如圖所 示’虛置閘極2 2 2部份延伸至場氧化區2 〇 8之上。 ° 第5圖為運用本發明之pm〇S剖面圖,在ρ型基底5〇◦上 形成一Ν型埋層501。其中,Ν型埋層501與^^型井區5〇3為 PM0S之Ν型基底。與第3圖之Ν型元件相較,除了導電性Ν與
ρ的對調之外,vss電源線(較低電壓電源線)也換成vdd電、 源線(較高電壓電源線)。 另外,第3圖與第5圖為ρ型基底上之高_型及p型元 件,在N型基底上形成高壓N型及ρ型元件,亦可適用本發 明之結構。由於ρ型元件w型元件之間的轉換,Μ 士所熟悉H不再贅述。由於本發明之場氧化區输 擴散區之間具有一間隙,當ESD事件發生時,而矽护攸产 器未導通的情況下’藉由本發明之結#,使得⑽電= 再只集中於某一放電路徑’用以避免放電路徑之 而造成内部元件之損壞。 S % 雖然本發明已以較佳實 限定本發明,任何熟習此技 和範圍内,當可作些許之更 範圍當視後附之申請專利範 施例揭露如上,然其並非用以 藝者,在不脫離本發明之精神 動與潤飾,因此本發明之保護 圍所界定者為準。
1231035
第1圖為習知ESD保護裝置之剖 第2圖為本發明之ESD保護裝置 面示意圖。
之 ^向擴散NMOS之剖 i之—橫向擴散NM0S之第 置之—橫向擴散NM0S之第 置之—橫向擴散PM0S之剖 第3圖為本發明之E S D保護裝 二實施例剖面圖。 第4圖為本發明之E S D保護裝 三實施例剖面圖。 第5圖為本發明之ESD保護裝 面圖。 符號說明】 100、20 0、500 : P 型基底; 102 、 202 、 503 : N 型井區; 104、116、204、216 :P+擴散區 106、112、20 6、212 : N+擴散區 108、114、208、214 :場氧二; 11 0、2 1 0、2 2 0 :閘極; °° 2 1 8、2 2 2 :虛置閘極;
501 N +埋層; 502 P型井區; pad 接合焊墊; gap 間隙。
0516-10208twf(nl);91015; joanne.ptd 第11頁

Claims (1)

1231035
1 · 一種靜電放電保護裝置,包括: 一第一導電型基底; 第二導電型井區,形成於該基底中; 一第二導電型第一擴散區,形成於該基底中; 一閘極,用以控制該第二導電型第一擴散區與該井區 ^電性連接,該閘極、該第二導電型第一擴散區與該井區 成 场效電晶體(field effect transistor); 一第三導電型第一擴散區,形成於該井區中; 、 一場氧化區,形成於該井區中,位於該閘極與該第三 導電型第一擴散區之間;以及
一間隙’形成於該井區中,位於該場氧化區與該第三 導電型第一擴散區之間。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之靜電放電保護裝置, 其中’该靜電放電保護裝置另包含有一第一導電型第一擴 散區’形成於該基底中,作為該基底之電接觸點。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之靜電放電保護裝置, 其中,該第一、第三導電型為p变,該第二導電型為N型。 4 ·如申請專利範圍第2項所述之靜電放電保護裝置, 其中’該第一導電型為p型,該第二、第三導電型型。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之靜電放電保護裝置, 其中’該第二導電型第一擴散區與該第一導電型第一擴散 區在正常操作下,係連接一第一電源線。 6 ·如申請專利範圍第2項所述之靜電放電保護裝置, 其中’該第一、第三導電型為^变,該第二導電型為p型。
0516-10208twf(nl);91015; joanne.ptd 第12頁 1231035 六、申請專利範圍 7·如申請專利範圍第2項所述之靜電放電保護裝置, 其中’該第一導電型為N型,該第二、第三導電型為p型。 8·如申請專利範圍第7項所述之靜電放電保護裝置, 其中’該第二導電型第一擴散區與該第一導電聖第一擴散 區在正常操作下,係連接一第二電源線。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之靜電放電保護裝置, 其中’該場氧化區係由STI或L0C0S製程所形成。 1 0 ·如申請專利範圍第1項所述之靜電放電保護裝置, 其中’該間隙係由光罩(mask)所定義。
1 1 ·如申請專利範圍第1項所述之靜電放電保護裝置, 其中’更包括一虛置閘極,形成於該第三導電型第一擴散 區與該場氧化區之間。
0516-10208twf(nl);91015; joanne.ptd 第13頁
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