KR100331260B1 - Method of designing transistor of electrostatic protection circuit - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CDM에 대해 강한 정전기 내성을 갖는 정전기 보호회로의 트랜지스터의 설계방법에 관한 것으로, 이는 트랜지스터의 게이트전극과 이를 전기적으로 연결하는 배선의 길이 비를
Description
본 발명은 반도체 장치의 정전기 보호 회로에 관한 것으로서, 특히 칩에 존재하는 기생 커패시터에 의하여 저장된 전하가 방전되면서 발생하는 트랜지스터의 게이트 전극 손상을 방지할 수 있는 정전기 보호회로의 트랜지스터의 설계방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrostatic protection circuit of a semiconductor device, and more particularly, to a method of designing a transistor of an electrostatic protection circuit capable of preventing a damage of a gate electrode of a transistor caused by discharge of a charge stored by a parasitic capacitor existing in a chip .
반도체 메모리장치의 집적도가 높아지고 이에 소자의 크기가 미세화되어감에 따라서 내부 회로가 점점 낮은 전압에 의하여 파괴되는 등 ESD(Electro Static Discharge)에 대한 집적회로의 신뢰성이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 이것은 서브 미크론 공정 기술이 얇은 산화막, 얕은 접합, 작은 콘택영역과 단채널 등의 기술을 채용함으로써 정전기 방전을 더욱 나쁘게 만들기 때문이다.The reliability of an integrated circuit for ESD (Electro Static Discharge) becomes an important issue because the degree of integration of the semiconductor memory device is increased and the size of the device becomes smaller and the internal circuit is destroyed by the gradually lower voltage. This is because submicron process technology makes electrostatic discharge worse by employing technologies such as thin oxide films, shallow junctions, small contact areas and short channels.
한편, 반도체장치는 제조 과정이나 유통 과정 등의 다양한 경우에 고전압의 정전기에 의하여 소자에 치명적인 손상을 입는 경우가 종종 일어난다. 정전기에 의해 소자가 손상을 입게 되는 과정은 인체 체형 모델과 기계 모델로서 크게 나누어서 설명되어 왔는데, 최근에는 칩 내부에 축적된 전하에 의하여 손상을 입게 되는 CDM(Charged Device Model)의 경우도 고려되고 있다.On the other hand, semiconductor devices often suffer fatal damage to devices due to high-voltage static electricity in various cases such as manufacturing process or circulation process. The process of damaging a device by static electricity has been largely described as a human body model and a mechanical model. Recently, a CDM (Charged Device Model) that is damaged by the charge accumulated inside the chip is also considered .
이 CDM의 경우 칩 내부에서 존재하는 기생 커패시터 성분에 의하여 전하가 대전되어 있다가 순간적으로 칩 외부로 전류가 흐르면서 정전기 손상을 유발하게 되는데, 이 기생 커패시터는 대부분 접합층(junction)에 존재하는 성분과, 금속 등의 배선 등에 존재하는 기생 성분들에 의하여 전하가 축적되는 것이다.In this CDM, the charge is charged by the parasitic capacitor component existing inside the chip, and momentarily flows to the outside of the chip, causing the static damage. Most of the parasitic capacitors are the components existing in the junction layer , Electric charges are accumulated by the parasitic components existing in the wiring of the metal or the like.
이를 위해 반도체장치는 입력 패드를 통해 고전압의 정전기가 방전되는 펄스로부터 반도장치의 내부회로를 보호하기 위한 정전기 보호회로를 사용하고 있다.To this end, the semiconductor device employs an electrostatic protection circuit for protecting the internal circuit of the semiconductor device from pulses at which high-voltage static electricity is discharged through the input pad.
도 1은 통상적인 정전기 보호회로를 나타낸 회로도로서, 이는 입력패드(10)와 내부 회로(30)사이에 배치되고 입력패드(10)에 연결된 저항(R1)과 상기 저항(R1)과 접지 사이에 다이오드형태로 연결된 필드 트랜지스터(D1)와, 상기 트랜지스터(D1)에 연결된 또 다른 저항(R2)과 상기 저항 R2와 접지 사이에 소스와 게이트가 연결된 엔모스 트랜지스터(NMOS)로 구성된다.1 is a circuit diagram showing a conventional electrostatic protection circuit which includes a resistor R1 connected between the input pad 10 and the internal circuit 30 and connected to the input pad 10 and a resistor R1 connected between the resistor R1 and ground A field transistor D1 connected in the form of a diode and another resistor R2 connected to the transistor D1 and an NMOS transistor having a source and a gate connected between the resistor R2 and the ground.
상기 정전기 보호회로는 입력패드(10)에 도전압이 인가되면 저항 R1과 R2에 의한 지연으로 피크 값이 감소된다. 또한, 낮은 전압이 인가되면 필드 트랜지스터(D1)를 통해 접지로 빠져나간다. 그리고, 수십 V이상의 고전압이 인가되면 엔모스 트랜지스터(NMOS)를 통해 역시 접지로 빠져나가므로 내부회로를 이러한 정전기의 고전압으로부터 보호할 수 있다.When the conductive pad is applied to the input pad 10, the electrostatic protection circuit reduces the peak value due to the delay caused by the resistors R1 and R2. In addition, when a low voltage is applied, the signal passes through the field transistor D1 to the ground. When a high voltage of several tens of volts or more is applied, the NMOS transistor is also discharged to the ground through the NMOS transistor, so that the internal circuit can be protected from the high voltage of the static electricity.
그러나, 상기 정전기 보호회로는 패드 부근에 존재하는 트랜지스터의 경우 게이트 절연막의 보호에 효과적이지만 칩 내부에 존재하는 다른 트랜지스터들의 게이트 전극을 모두 보호하는데는 한계가 있었다.However, the electrostatic protection circuit is effective in protecting the gate insulating film in the case of the transistor existing in the vicinity of the pad, but has a limitation in protecting the gate electrode of other transistors existing in the chip.
또한, 로직 회로의 경우 점차 칩 크기를 줄이면서 이 배선에 의한 기생 커패시터의 성분 또한 매우 증가하게 되며, 이로 인해 CDM에 의한 정전기로부터 내부 회로를 안전하게 보호할 수 있도록 트랜지스터의 설계 방법을 강구해야 하는 실정이다.In addition, in the case of logic circuits, the parasitic capacitor component of this wiring is also greatly increased while the chip size is gradually reduced. As a result, the design method of the transistor must be considered so that the internal circuit can be safely protected from the static electricity caused by the CDM to be.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 CDM 에 의해 손상을 받는 트랜지스터의 게이트 절연막을 보호하기 위하여 게이트 전극과 이를 연결하는 배선 사이에 적당한 길이 비율을 결정함으로써 정전기로부터 내부 회로를 안전하게 보호할 수 있는 정전기 보호회로의 트랜지스터의 설계방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a method of fabricating the same, which can prevent the CDM from damaging the gate insulating film of the transistor, by determining the proper length ratio between the gate electrode and the wiring connecting the gate electrode. And to provide a method of designing a transistor of an electrostatic protection circuit that can be safely protected.
도 1은 통상적인 정전기 보호회로를 나타낸 회로도,1 is a circuit diagram showing a conventional electrostatic protection circuit,
도 2는 본 발명에 따른 정전기 보호회로의 트랜지스터의 설계방법을 설명하기 위한 트랜지스터의 수직 단면도.2 is a vertical sectional view of a transistor for explaining a method of designing a transistor of an electrostatic discharge protection circuit according to the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*Description of the Related Art [0002]
100: 반도체 기판 102: 소자분리막100: semiconductor substrate 102: element isolation film
110: 트랜지스터 120: 연결 플러그110: transistor 120: connection plug
130: 배선130: Wiring
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력 패드에 연결되어 외부 정전기로부터 내부 회로를 보호하는 정전기 보호회로의 트랜지스터의 설계방법에 있어서, 트랜지스터의 게이트전극과 이를 전기적으로 연결하는 배선의 길이 비를
본 발명의 정전기 보호회로의 트랜지스터의 설계방법에 있어서, 상기 게이트 전극 및 배선에 존재하는 기생 커패시터에 의해 축적된 전하
또한, 본 발명은 기생 커패시터에 의해 축적된 전하가 상기 트랜지스터의 게이트 전극에 집중될 때 이에 대한 전기적 손상을 방지하기 위하여 Vg << Vo 이 바람직하다.Further, in order to prevent electrical damage to the gate electrode of the transistor when the charge accumulated by the parasitic capacitor is concentrated on the gate electrode of the transistor, Vg < Vo is preferable.
따라서, 본 발명에 의하면, CDM 매커니즘에 의하여 정전기 손상을 입는 것을 방지하기 위하여 트랜지스터의 게이트 전극과 이를 연결하는 배선 사이의 기생 커패시터의 간단한 모델을 적용 해석함으로써 배선에 기인한 기생 커패시터에 의해 축적된 전하가 트랜지스터의 게이트 전극에 유입될 때 발생하는 정전기에 의한 회로 손상을 방지할 수 있는 게이트 전극 길이와 배선 사이의 길이 비율에 따라 설계한다.Therefore, according to the present invention, a simple model of the parasitic capacitor between the gate electrode of the transistor and the wiring connecting the gate electrode of the transistor is analyzed to prevent static damage by the CDM mechanism, so that the charge accumulated by the parasitic capacitor due to the wiring Is designed in accordance with the ratio of the length of the gate electrode and the length of the interconnection line, which can prevent circuit damage due to static electricity generated when the gate electrode is introduced into the gate electrode of the transistor.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 정전기 보호회로의 트랜지스터의 설계방법을 설명하기 위한 트랜지스터의 수직 단면도로서, 좀 더 상세하게는 칩 내부에 존재하는 트랜지스터(110)와 이를 전기적으로 연결하는 배선(130)을 나타낸 것이다.FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a transistor for explaining a method of designing a transistor of an electrostatic discharge protection circuit according to the present invention. More specifically, FIG. 1 is a cross-sectional view of a transistor 110, .
미설명된 100은 반도체기판, 102는 소자분리막이다. 그리고, 112는 트랜지스터의 게이트 절연막, 114는 게이트 전극이다. 또한, 120은 상기 트랜지스터(110)와 배선(130)을 수직으로 연결하는 수직 플러그이다.The reference numeral 100 denotes a semiconductor substrate, and 102 denotes a device isolation film. Reference numeral 112 denotes a gate insulating film of the transistor, and 114 denotes a gate electrode. A vertical plug 120 connects the transistor 110 and the wiring 130 vertically.
이를 참조하면, 본 발명의 정전기 보호회로의 트랜지스터의 설계방법은 CDM에 의해 손상을 받는 트랜지스터(110)의 게이트 절연막(112)을 보호하기 위하여 아래 수학식 1과 같이 게이트 전극(114)과 플러그(120)를 통해서 게이트 전극(114)과 연결된 배선(130) 사이에 적당한 길이 비율을 결정함으로써 정전기로부터 내부 회로를 안전하게 보호할 수 있다.In order to protect the gate insulating film 112 of the transistor 110 damaged by the CDM, the method of designing the transistor of the electrostatic protection circuit of the present invention includes a step of forming the gate electrode 114 and the plug The internal circuit can be safely protected from the static electricity by determining a suitable length ratio between the gate electrode 114 and the wiring 130 connected to the gate electrode 114 through the gate electrode 120. [
이때, Li는 상기 배선의 길이, Lg는 게이트 전극 길이, Vo는 상기 트랜지스터의 게이트 전극과 기판사이의 게이트 절연막의 파괴전압, Vcc는 칩의 동작 전원, Ci는 배선에 존재하는 단위 길이당 커패시터, Cg는 게이트 전극의 단위 길이당 커패시터로 정의한다.Vc is the operating power of the chip, Ci is a capacitor per unit length existing in the wiring, Lc is the length of the gate electrode, Vo is the breakdown voltage of the gate insulating film between the gate electrode of the transistor and the substrate, Cg is defined as a capacitor per unit length of the gate electrode.
한편, 위에서 이미 칩의 동작 전압을 Vcc로 정의하고, 게이트 전극(114)과 배선(130)에 존재하는 기생 커패시터에 의해 전하 Q가 축적될 수 있는데 이는 아래 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.On the other hand, the operation voltage of the chip is already defined as Vcc, and the charge Q can be accumulated by the parasitic capacitor existing in the gate electrode 114 and the wiring 130, which can be expressed by the following equation (2).
또한, 이 축적된 전하 Q가 트랜지스터의 게이트 전극(114)과 배선(130)에 분포하고 있는 상태에서 트랜지스터의 소스 내지 드레인 접합층(도시하지 않음)에 접지 전압이 인가하게 되면 축적된 전하 Q는 CDM에 의한 게이트 절연막(112) 손상시 순간적으로 트랜지스터의 게이트 전극(114)에 집중된다.When the ground voltage is applied to the source or drain junction layer (not shown) of the transistor in a state where the accumulated charge Q is distributed in the gate electrode 114 and the wiring 130 of the transistor, And is instantaneously concentrated on the gate electrode 114 of the transistor when the gate insulating film 112 is damaged by the CDM.
이 경우 게이트 전극(114)에 유도되는 전압은 Vcc에서 트랜지스터의 게이트 전극(114)에 인가되는 최대 전압인 Vg로 증가하게 된다. 이를 수식으로 나타내면 아래 수학식 3과 같다.In this case, the voltage induced in the gate electrode 114 increases from Vcc to the maximum voltage Vg applied to the gate electrode 114 of the transistor. This can be expressed by the following equation (3).
상기 수학식 2와 3을 가지고 Vg에 대해 연산하면 아래 수학식 4와 같은 관계식을 구할 수 있다.If the equation (2) and (3) are calculated for Vg, the following equation (4) can be obtained.
상술했던 바와 같이 칩에 존재하는 기생 커패시터에 의해 축적된 전하 Q가 게이트 전극(114)에 집중될 때 이로 인한 전기적인 손상을 방지하기 위하여 트랜지스터의 게이트 절연막(112) 파괴전압인 Vo이 Vg보다 충분히 큰 값(Vg << Vo)을 가져야만 게이트 절연막(112)이 안정한 상태로 유지된다.As described above, in order to prevent electrical damage due to the charge Q accumulated by the parasitic capacitors existing in the chip when the charge Q is concentrated on the gate electrode 114, the breakdown voltage Vo of the gate insulating film 112 of the transistor is set to be larger than Vg And the gate insulating film 112 is maintained in a stable state only when it has a large value (Vg < Vo).
이에 따라 수학식 4를 상기 Vg 조건에 대입하면 아래 수학식 5와 같다.Accordingly, substituting Equation (4) into the above Vg condition yields Equation (5).
이를 이용하여 트랜지스터의 게이트 전극(114) 길이와 이를 전기적으로 연결하는 배선(130)의 길이 비율에 관한 관계식인 수학식 1인
상기와 같은 조건에서 보듯이 배선(130)에 의하여 대전되는 전하 Q에 대한 트랜지스터의 ESD 손상을 줄이기 위해서는 배선(130)과 게이트 전극(114)의 길이 비율 값보다 우측의 값이 상대적으로 크게 조정해야 한다. 이에 따라, 게이트 절연막(112)의 파괴전압(Vo)을 높게 하며 칩의 동작 전압(Vcc)을 낮게 하고, 게이트 전극(114)의 기생 커패시터(Cg)에 비하여 배선(130)의 기생 커패시터(Ci)가 작도록 정전기 보호회로 내의 트랜지스터를 설계한다.In order to reduce the ESD damage of the transistor with respect to the charge Q charged by the wiring 130, the value of the right side of the ratio of the length of the wiring 130 and the gate electrode 114 should be relatively large do. Thus, the breakdown voltage Vo of the gate insulating film 112 is increased and the operating voltage Vcc of the chip is lowered, so that parasitic capacitors Ci (n) of the wirings 130 are set higher than parasitic capacitors Cg of the gate electrodes 114 ) Is smaller than that of the transistor in the electrostatic protection circuit.
상기한 바와 같이 본 발명은 칩에 존재하는 기생 커패시터에 의해 축적된 전하가 방전되면서 발생하는 트랜지스터의 전기적 특성 저하를 방지하기 위하여 게이트 전극과 이를 연결하는 배선 사이의 길이 비율에 따라 반도체장치의 회로를 설계한다.As described above, according to the present invention, in order to prevent deterioration of electrical characteristics of a transistor caused by discharging charges accumulated by a parasitic capacitor existing in a chip, a circuit of a semiconductor device Design.
이로 인해 소자 제조 공정시 내지 제조 완료후 발생하는 정전기에 의한 칩의 파괴 현상중 CDM 메카니즘에 의한 완성칩의 손상을 미연에 방지하여 할 수 있다.Therefore, it is possible to prevent damage of the finished chip due to the CDM mechanism during the chip destruction due to the static electricity generated in the device manufacturing process or after completion of the manufacturing process.
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KR20210083982A (en) | 2019-12-27 | 2021-07-07 | 삼성전기주식회사 | Apparatus for obtaining image, electronic device including camera module and method for controlling camera module in electronic device |
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1998
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