KR102441903B1 - SCR-Based Dual-Directional ESD Protection Device with High Holding Voltage - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 ESD 보호소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 홀딩 전압과 양방향 특성을 갖는 ESD 보호소자에 관한 것이다.The present invention relates to an ESD protection device, and more particularly, to an ESD protection device having a high holding voltage and bidirectional characteristics.
정전기 방전(ESD: Electrostatic Discharge) 현상은 반도체 제품의 품질과 신뢰성에 큰 영향을 끼치는 요소로 내부 IC와 연결되는 I/O 나 Power Clamp 단 사이에 삽입하여 내부 IC를 보호한다. 반도체 공정 산업의 발달로 집적도는 더욱 향상되어가면서 ESD 현상으로부터 신뢰성을 확보하기 위해 저면적, 고감내 ESD 보호장치를 필요로하고 있다. 일반적으로 알려진 양방향 ESD 보호소자인 LTDDSCR(Low Triggering Dual-Directional Silicon Controlled Rectifier)가 단방향 ESD 보호소자에 비해 우수한 면적효율과 높은 신뢰성을 지니고 있다.Electrostatic discharge (ESD) is a factor that greatly affects the quality and reliability of semiconductor products. It is inserted between the I/O or Power Clamp terminals connected to the internal IC to protect the internal IC. As the degree of integration is further improved with the development of the semiconductor process industry, a low-area, high-resistance ESD protection device is required to secure reliability from ESD phenomenon. A commonly known bidirectional ESD protection device, LTDDSCR (Low Triggering Dual-Directional Silicon Controlled Rectifier), has superior areal efficiency and high reliability compared to a unidirectional ESD protection device.
도 1은 종래의 LTDDSCR을 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional LTDDSCR.
도 1을 참조하면, 종래의 LTDDSCR(100)은 기판(101)상에 딥 N웰(110)이 형성되고, 딥 N웰 상에 제1 P웰(120), 제2 P웰(140) 및 N웰(130)이 형성된다. 제1 P웰(120) 상에는 제 1 P+ 영역(121)과 제1 N+ 영역(122)이 형성되어 제1 단자(T1)로서 기능하고, 제2 P웰(140) 상에는 제2 P+ 영역(142)과 제2 N+영역(141)이 형성되어 제2 단자(T2)로서 기능한다. 또한, 제1 P웰(120) 및 N웰(130)과 접하도록 제1 P+브릿지 영역(102)이 형성되고, N웰(130) 및 제2 P웰(140)과 접하도록 제2 P+브릿지 영역(103)이 형성된다.Referring to FIG. 1 , in the conventional LTDDSCR 100 , a deep N-
이러한 종래의 LTDDSCR(100)은 제1 단자(T1) 또는 제2 단자(T2)로 ESD 전류가 유입되면, 두 개의 NPN 바이폴라 트랜지스터(Q1,Q2)와 하나의 PNP 바이폴라 트랜지스터(Q3)의 동작에 의해 ESD 전류를 방전시킨다. 허나, 종래의 LTDDSCR(100)은 낮은 홀딩 전압에 따른 래치-업에 의해 내부회로가 파손되는 문제가 발생된다.In this
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 종래의 LTDDSCR 구조에서 게이트, N+영역 및 불순물 교차 영역을 추가함으로써 높은 홀딩 전압과 양방향 특성을 갖는 ESD 보호소자를 제공하는데 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above. That is, to provide an ESD protection device having a high holding voltage and bidirectional characteristics by adding a gate, an N+ region, and an impurity crossing region in the conventional LTDDSCR structure.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 딥 N웰, 상기 딥 N웰 상에 형성되고, 불순물이 교차하여 다수 형성된 제1 불순물 교차 영역이 형성된 제1 P웰, 상기 딥 N웰 상에 형성되되, 상기 제1 P웰과 접하도록 형성되고, N+영역이 형성된 N웰, 상기 딥 N웰 상에 형성되되, 상기 N웰과 접하도록 형성되고, 불순물이 교차하여 다수 형성된 제2 불순물 교차 영역이 형성된 제2 P웰, 상기 제1 P웰과 상기 N웰에 접하도록 형성된 제1 P+브릿지 영역 및 상기 N웰과 상기 제2 P웰에 접하도록 형성된 제2 P+브릿지 영역을 포함한다.The present invention for solving the above problems provides a semiconductor substrate, a deep N-well formed on the semiconductor substrate, a first P-well formed on the deep N-well and having a plurality of first impurity crossing regions formed by crossing impurities, the above An N well formed on the deep N well and in contact with the first P well and having an N+ region, formed on the deep N well and formed in contact with the N well, a plurality of impurities intersecting a second P well in which a second impurity crossing region is formed, a first P+ bridge region formed to contact the first P well and the N well, and a second P+ bridge region formed to contact the N well and the second P well; include
상기 제1 불순물 교차 영역과 상기 제1 P+브릿지 영역 사이의 상기 제1 P웰 표면 상에 형성된 제1 게이트 및 상기 제2 불순물 교차 영역과 상기 제2 P+브릿지 영역 사이의 상기 제2 P+웰 표면 상에 형성된 제2 게이트를 포함할 수 있다.a first gate formed on the first P-well surface between the first impurity crossing region and the first P+ bridge region and on the second P+ well surface between the second impurity crossing region and the second P+ bridge region It may include a second gate formed in the.
상기 제1 게이트, 상기 N+영역 및 상기 제2 게이트는 서로 전기적으로 연결될 수 있다.The first gate, the N+ region, and the second gate may be electrically connected to each other.
상기 제1 불순물 교차 영역은 제1 단자에 연결되고, 상기 제2 불순물 교차 영역은 제2 단자에 연결될 수 있다.The first impurity crossing region may be connected to a first terminal, and the second impurity crossing region may be connected to a second terminal.
제1 불순물 교차 영역은, 상기 제1 P웰 상에 형성된 제1 P+교차 영역 및 상기 제1 P웰 상에 형성된 제1 N+교차 영역을 포함하고, 상기 제1 P+교차 영역과 상기 제1 N+교차 영역은 평면상에서 상기 제1 P웰의 길이 방향으로 서로 교차하여 다수 형성될 수 있다.The first impurity crossing region includes a first P+ crossing region formed on the first P well and a first N+ crossing region formed on the first P well, and the first P+ crossing region and the first N+ crossing region A plurality of regions may be formed to cross each other in the longitudinal direction of the first P well on a plane.
제2 불순물 교차 영역은, 상기 제2 P웰 상에 형성된 제2 P+교차 영역; 및 상기 제2 P웰 상에 형성된 제2 N+교차 영역을 포함하고, 상기 제2 P+교차 영역과 상기 제2 N+교차 영역은 평면상에서 상기 제2 P웰의 길이 방향으로 서로 교차하여 다수 형성될 수 있다.The second impurity crossing region may include a second P+ crossing region formed on the second P well; and a second N+ crossing region formed on the second P well, wherein a plurality of the second P+ crossing region and the second N+ crossing region intersect each other in a longitudinal direction of the second P well in a plan view. have.
상기 제1 P+브릿지 영역, 상기 N웰 및 상기 제2 P+브릿지 영역에 의해 형성된 PNP 바이폴라 트랜지스터, 상기 제1 불순물 교차 영역, 상기 제1 P웰 및 상기 N웰에 의해 형성된 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터 및 상기 N웰, 상기 제2 P웰 및 상기 제2 불순물 교차 영역에 의해 형성된 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터를 포함할 수 있다.a PNP bipolar transistor formed by the first P+ bridge region, the N well and the second P+ bridge region, a first NPN bipolar transistor formed by the first impurity crossing region, the first P well and the N well, and the and a second NPN bipolar transistor formed by the N well, the second P well, and the second impurity crossing region.
상기 PNP 바이폴라 트랜지스터 및 상기 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터가 턴온되면, 상기 N+영역을 통해 상기 제2 게이트에 전압이 인가될 수 있다.When the PNP bipolar transistor and the second NPN bipolar transistor are turned on, a voltage may be applied to the second gate through the N+ region.
상기 PNP 바이폴라 트랜지스터 및 상기 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터가 턴온되면, 상기 N+영역을 통해 상기 제1 게이트에 전압이 인가될 수 있다.When the PNP bipolar transistor and the first NPN bipolar transistor are turned on, a voltage may be applied to the first gate through the N+ region.
상기 제2 P+브릿지 영역 및 상기 제2 불순물 교차 영역에 의해 형성된 제1 PN 다이오드 및 상기 제1 P+브릿지 영역 및 상기 제1 불순물 교차 영역에 의해 형성된 제2 PN 다이오드를 포함할 수 있다.and a first PN diode formed by the second P+ bridge region and the second impurity crossing region, and a second PN diode formed by the first P+ bridge region and the first impurity crossing region.
상기 제1 불순물 교차 영역, 상기 제1 P+브릿지 영역 및 상기 제1 게이트는 상기 N+영역을 중심으로, 상기 제2 불순물 교차 영역, 상기 제2 P+브릿지 영역 및 상기 제2 게이트와 서로 대칭되도록 형성될 수 있다.The first impurity crossing region, the first P+ bridge region, and the first gate may be formed to be symmetrical to the second impurity crossing region, the second P+ bridge region, and the second gate with respect to the N+ region. can
본 발명에 따르면, 종래의 LTDDSCR 구조에서 N웰 상에 N+영역 및 P웰 상에 게이트를 추가하고, 추가한 N+영역 및 게이트를 서로 전기적으로 연결시킴으로써, ESD 전류 방전 시 게이트에 인가된 전압에 의해 기생 PN 다이오드가 동작하여 PNP 바이폴라 트랜지스터와 NPN 바이폴라 트랜지스터의 정궤환 루프의 이득을 낮출 수 있다. 따라서, 높은 홀딩 전압 특성을 가질 수 있다.According to the present invention, in the conventional LTDDSCR structure, by adding an N+ region and a gate on the P well on the N well, and electrically connecting the added N+ region and the gate to each other, by the voltage applied to the gate during ESD current discharge The parasitic PN diode operates to lower the gain of the positive feedback loop of the PNP bipolar transistor and the NPN bipolar transistor. Therefore, it can have a high holding voltage characteristic.
또한, P+교차 영역과 N+교차 영역을 다수 교차되도록 형성하여 단자와 연결되도록 함으로써 바이폴라 트랜지스터의 이미터 전류를 감소시켜 낮아진 전류이득에 의해 홀딩 전압을 상승시킬 수 있다.In addition, by forming a plurality of P+ crossing regions and N+ crossing regions to cross and connect to the terminals, the emitter current of the bipolar transistor is reduced and the holding voltage can be increased due to the lowered current gain.
더 나아가, 정방향에 의한 ESD 방전과 역방향에 의한 ESD 방전이 서로 대칭되도록 방전되는 구조를 갖기 때문에 정방향에 의해 형성되는 높은 홀딩 전압에 대한 효과를 역방향에서도 동일하게 적용되도록 할 수 있다.Furthermore, since the ESD discharge in the forward direction and the ESD discharge in the reverse direction have a structure in which the discharge is symmetrical to each other, the effect on the high holding voltage formed by the forward direction can be applied equally in the reverse direction.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 종래의 LTDDSCR을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ESD 보호소자를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 3의 I-I'를 따라 취해진 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 ESD 보호소자와 종래의 LTDDSCR의 전압-전류 특성을 비교하기 위한 그래프이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional LTDDSCR.
2 is a plan view illustrating an ESD protection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along II′ of FIG. 3 .
4 is a graph for comparing the voltage-current characteristics of the ESD protection device according to the present invention and the conventional LTDDSCR.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. do it with
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ESD 보호소자를 도시한 평면도이다.2 is a plan view illustrating an ESD protection device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 3의 I-I'를 따라 취해진 단면도이다.FIG. 3 is a cross-sectional view taken along II′ of FIG. 3 .
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 ESD 보호소자(200)는 반도체 기판(201)을 포함하며, 반도체 기판(201)은 P형 반도체 기판일 수 있다.2 and 3 , the
반도체 기판(201) 상에는 딥 N웰(210)이 형성될 수 있고, 딥 N웰(210) 상에는 제1 P웰(220), N웰(230) 및 제2 P웰(240)이 형성될 수 있다.A deep N-
일예로, 제1 P웰(220)은 딥 N웰(210) 상에 형성되되, N웰(230)의 일측에 접하도록 형성될 수 있고, 제2 P웰(240)은 딥 N웰(210) 상에 형성되되, N웰(230)의 타측에 접하도록 형성될 수 있다.For example, the first P-
제1 P웰(220) 상에는 제1 불순물 교차 영역(250)이 형성될 수 있다. 제1 불순물 교차 영역(250)은 제1 단자(T1)와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 제1 불순물 교차 영역(250)은 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 P웰(220) 상에 형성되되, 평면상에서 제1 P웰(220)의 길이 방향으로 제1 P+교차 영역(251)과 제1 N+교차 영역(252)이 서로 교차되어 다수 배치되도록 형성될 수 있다. 따라서, 교차 배치된 다수의 제1 P+교차 영역(251)과 제1 N+교차 영역(252)이 제1 단자(T1)에 연결되는 구조를 가질 수 있다. 이는, 제1 단자(T1)가 제1 P+교차 영역(251)과 제1 N+교차 영역(252)이 다수 교차 되어 연결되도록 함으로써, 제2 단자(T2)로 ESD 전류 유입시 바이폴라 트랜지스터의 이미터 전류를 감소시켜 전류이득을 감소시키고, 전류이득 감소에 따른 홀딩 전압을 증가시키기 위함이다.A first
또한, 제1 P웰(220)과 N웰(230)의 접합영역 상에는 제1 불순물 교차 영역(250)과 이격되도록 제1 P+브릿지 영역(202)이 형성될 수 있다. 또한, 제1 불순물 교차 영역(250)과 제1 P+브릿지 영역(202) 사이의 제1 P웰(220) 표면 상에는 제1 게이트(221)가 형성될 수 있다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 게이트(221)를 중심으로, 제1 게이트(221)의 일측에는 제1 P+교차 영역(251)과 제1 N+교차 영역(252)이 서로 교차되어 제1 게이트(221)의 길이 방향으로 다수 접하도록 형성될 수 있으며, 타측에는 제1 P+브릿지 영역(202)이 접하도록 형성될 수 있다.Also, a first
제1 P웰(220)과 N웰(230)의 접합영역에는 제1 P+브릿지 영역(202)을 형성함으로써, 역방향인 제2 단자(T2)로 ESD 전류가 유입되는 경우, 도핑농도가 높은 제1 P+브릿지 영역(202)에 의해, 낮은 레벨의 애벌런치 항복 전압에 기초한 낮은 트리거 전압 특성을 가질 수 있다. 또한, 제1 불순물 교차 영역(250)과 제1 P+브릿지 영역(202) 사이에 STI를 생략하고, STI 대신 제1 게이트(221)를 형성하여 PMOS 트랜지스터 형성에 의한 제1 게이트(221) 하부에 채널이 형성되도록 함으로써 전류가 제1 P웰(220) 표면상으로 흐르도록 하여 바이폴라 트랜지스터의 빠른 턴온이 가능하도록 할 수 있다.The first
여기서, 본 발명에 따른 ESD 보호소자(200)는 제1 불순물 교차 영역(250), 제1 P웰(220) 및 N웰(230)에 의해 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)가 형성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 제1 불순물 교차 영역(250)의 제1 N+교차 영역(252), 제1 P웰(220) 및 N웰(230)에 의해 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)가 형성될 수 있다.Here, in the
N웰(230)과 제2 P웰(240)의 접합영역 상에는 제2 P+브릿지 영역(203)이 형성될 수 있다. N웰(230)과 제2 P웰(240)의 접합영역 상에 제2 P+브릿지 영역(203)을 형성함으로써, 정방향인 제1 단자(T1)로 ESD 전류가 유입되는 경우, 제2 P+브릿지 영역(203)에 의해, 낮은 레벨의 애벌런치 항복 전압에 기초한 낮은 트리거 전압을 가질 수 있다.A second
제2 P웰(240) 상에는 제2 P+브릿지 영역(203)과 이격되도록 제2 불순물 교차 영역(260)이 형성될 수 있다. 제2 불순물 교차 영역(260)은 제2 단자(T2)와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 제2 불순물 교차 영역(260)은 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 P웰(240) 상에 형성되되, 제2 P웰(240)의 길이 방향으로 제2 P+교차 영역(261)과 제2 N+교차 영역(262)이 서로 교차되어 다수 배치되도록 형성될 수 있다. 따라서, 교차 배치된 다수의 제2 P+교차 영역(261)과 제2 N+교차 영역(262)이 제2 단자(T2)에 연결되는 구조를 가질 수 있다. 이는, 제2 단자(T2)가 제2 P+교차 영역(261)과 제2 N+교차 영역(262)이 다수 교차 되어 연결되도록 함으로써, 제1 단자(T1)로 ESD 전류 유입시 바이폴라 트랜지스터의 이미터 전류를 감소시켜 전류이득을 감소시키고, 전류이득 감소에 따른 홀딩 전압을 증가시키기 위함이다.A second
제2 P+브릿지 영역(203)과 제2 불순물 교차 영역(260) 사이의 제2 P웰(240) 표면 상에는 제2 게이트(241)가 형성될 수 있다. 즉, 제2 게이트(241)를 중심으로, 제2 게이트(241)의 일측에는 제2 P+브릿지 영역(203)이 접하도록 형성될 수 있으며, 타측에는 제2 P+교차 영역(261)과 제2 N+교차 영역(262)이 서로 교차되어 제2 게이트(241)의 길이 방향으로 다수 접하도록 형성될 수 있다.A
제2 P+브릿지 영역(203)과 제2 불순물 교차 영역(260) 사이에 STI를 생략하고, STI 대신 제2 게이트(241)를 형성하여 PMOS 트랜지스터 형성에 의한 제2 게이트(241) 하부에 채널이 형성되도록 함으로써 전류가 제2 P웰(240) 표면상으로 흐르도록 하여 바이폴라 트랜지스터의 빠른 턴온이 가능하도록 할 수 있다.STI is omitted between the second
여기서, 본 발명에 따른 ESD 보호소자(200)는 제2 불순물 교차 영역(260), 제2 P웰(240) 및 N웰(230)에 의해 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)가 형성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 제2 불순물 교차 영역(260)의 제2 N+교차 영역(262), 제1 P웰(220) 및 N웰(230)에 의해 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)가 형성될 수 있다. 또한, 제1 P+브릿지 영역(202), N웰(230) 및 제2 P+브릿지 영역(203)에 의해 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp)가 형성될 수 있다.Here, in the
N웰(230) 상에는 N+영역(231)이 형성되되, 제1 P+브릿지 영역(202)과 제2 P+브릿지 영역(203) 사이에 형성될 수 있다. 여기서, N+영역(231)은 제1 게이트(221) 및 제2 게이트(241)와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, N+영역(231)을 N웰(230) 상에 형성하고, 제1 게이트(221) 및 제2 게이트(241)와 전기적으로 연결되도록 함으로써, 제1 단자(T1) 또는 제2 단자(T2)로 ESD 전류 유입시, N웰(230)의 전위가 상승함에 따라 제1 게이트(221) 또는 제2 게이트(241)에 양전압이 인가되어 PN 다이오드(D1,D2)가 형성되도록 할 수 있다. PN 다이오드(D1,D2)를 통한 전류 흐름에 의해 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp)와 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1,Qn2)의 정궤환 루브 이득이 낮아져 높은 홀딩 전압을 가질 수 있다.An N +
일예로, 정방향인 제1 단자(T1)로 ESD 전류가 유입되는 경우, 제2 P+브릿지 영역(203) 및 제2 불순물 교차 영역(260)에 의해 제1 PN 다이오드(D1)가 형성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 제2 P+브릿지 영역(203) 및 제2 불순물 교차 영역(260)의 제2 N+교차 영역(262)에 의해 제1 PN 다이오드(D1)가 형성될 수 있다. 따라서, PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp)와 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)의 정궤환 작용에 의해 ESD 전류가 방전될 때, 제1 PN 다이오드(D1)를 통한 전류 흐름에 의해 정궤환 루프 이득이 낮아져 높은 홀딩 전압을 가질 수 있다.For example, when the ESD current flows into the first terminal T1 in the forward direction, the first PN diode D1 may be formed by the second
또한, 역방향인 제2 단자(T2)로 ESD 전류가 유입되는 경우, 제1 P+브릿지 영역(202) 및 제1 불순물 교차 영역(250)에 의해 제2 PN 다이오드(D2)가 형성될 수 있다. 좀 더 상세하게는, 제1 P+브릿지 영역(202) 및 제1 불순물 교차 영역(250)의 제1 N+교차 영역(252)에 의해 제2 PN 다이오드(D2)가 형성될 수 있다. 따라서, PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp)와 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)의 정궤환 작용에 의해 ESD 전류가 방전될 때, 역방향인 경우에도, 제2 PN 다이오드(D2)를 통한 전류 흐름에 의해 정궤환 루프 이득이 낮아져 높은 홀딩 전압을 가질 수 있다.Also, when the ESD current flows into the second terminal T2 in the reverse direction, the second PN diode D2 may be formed by the first
즉, 본 발명에 따른 ESD 보호소자(200)는 제1 불순물 교차 영역(250), 제1 P+브릿지 영역(202) 및 제1 게이트(221)가 N+영역(231)을 중심으로, 제2 불순물 교차 영역(260), 제2 P+브릿지 영역(203) 및 제2 게이트(241)와 서로 대칭되도록 형성될 수 있다. 따라서, 정방향인 제1 단자(T1)로 유입되는 ESD 전류를 방전시킬 때뿐만 아니라, 역방향인 제2 단자(T2)로 유입되는 ESD 전류를 방전시킬 때도 동일한 높은 홀딩 전압을 가질 수 있다.That is, in the
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 ESD 보호소자의 동작을 설명하면 다음과 같다.The operation of the ESD protection device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3 .
정방향인 제1 단자(T1)에 ESD 전류가 유입되면, 유입되는 ESD 전류에 상응하여 제1 P웰(220)과 N웰(230)의 전위가 상승한다. 이에 따라, N웰(230)과 제2 P+브릿지 영역(203) 사이에 역방향 바이어스가 인가된다.When an ESD current flows into the first terminal T1 in the forward direction, the potentials of the first P-well 220 and the N-well 230 increase in response to the flowing ESD current. Accordingly, a reverse bias is applied between the N well 230 and the second
N웰(230)과 제2 P+브릿지 영역(203)의 접합의 계면에서 고에너지의 캐리어에 의한 원자의 충돌 이온화 현상이 발생된다. 즉, N웰(230)과 제2 P+브릿지 영역(203) 사이에는 비교적 큰 폭을 가지는 공핍 영역이 형성된다.At the interface of the junction between the N well 230 and the second P +
고에너지의 캐리어는 공핍 영역 내의 격자와 이온화 충돌을 일으키고, 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair)을 형성한다. 공핍영역에서 형성된 이온화 충돌을 통해 형성된 전자는 전계에 의해 N웰(230)로 이동하고, 정공은 제2 P+브릿지 영역(203)을 거쳐 제2 P웰(240)로 이동한다. 따라서, N웰(230)로부터 제2 P+브릿지 영역(203)을 거쳐 제2 P웰(240)로 역방향 전류가 형성되는 애벌런치 항복(Avalanche Breakdown)이 발생된다. 여기서, 애벌런치 항복을 도핑농도가 높은 제2 P+브릿지 영역(203)과 N웰(230) 간에 발생되도록 함으로써 낮은 항복전압이 발생되어 트리거 전압을 낮출 수 있다.High-energy carriers cause ionization collisions with the lattice in the depletion region, forming electron-hole pairs. Electrons formed through ionization collisions formed in the depletion region move to the N well 230 by the electric field, and holes move to the second P well 240 through the second
계속해서, 제2 P웰(240)로 이동한 정공에 의해 제2 P웰(240)의 전위가 상승되고, 이로 인해 제2 P웰(240)과 제2 N+교차 영역(262) 접합에 순방향 턴온을 발생시킨다. 따라서, 제1 P+브릿지 영역(202), N웰(230) 및 제2 P+브릿지 영역(203)으로 형성된 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp)가 턴온되고, N웰(230), 제2 P웰(240) 및 제2 N+교차 영역(262)으로 형성된 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)가 턴온된다. Subsequently, the potential of the second P-well 240 is increased by the holes moved to the second P-well 240 , which causes the second P-well 240 and the second
이때, 전위가 상승된 N웰(230)에 의해 N+영역(231)과 전기적으로 연결된 제2 게이트(241)에 양전압이 인가되어, 제2 P+브릿지 영역(203) 및 제2 N+교차 영역(262)으로 된 제1 PN 다이오드(D1)가 형성된다. 따라서, 형성된 제1 PN 다이오드(D1)를 이용하여 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp)와 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)의 정궤환 루프 이득을 낮춤으로써, 높은 홀딩 전압을 가질 수 있다.At this time, a positive voltage is applied to the
또한, 제2 단자(T2)가 제2 P+교차 영역(261) 및 제2 N+교차 영역(262)이 다수 교차되어 형성된 제2 불순물 교차 영역(260)과 연결되기 때문에 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)의 이미터(Emitter) 전류가 감소하여 전류이득을 감소시킬 수 있다. 즉, 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)의 이미터 주입 효율이 낮아져 높은 홀딩 전압을 가질 수 있다.Also, since the second terminal T2 is connected to the second
한편, 턴온된 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp) 및 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)에 의해 SCR이 트리거 된다. SCR의 트리거 동작 이후에 홀딩 전압을 유지하는 래치모드(Latch-mode)로 동작되며, 래치모드에 의한 래치 동작으로 인해 SCR이 동작하게 되면서 제1 단자(T1)로 유입된 ESD 전류는 제2 단자(T2)를 통해 방전된다.Meanwhile, SCR is triggered by the turned-on PNP bipolar transistor Qp and the second NPN bipolar transistor Qn2. After the trigger operation of the SCR, it operates in a latch-mode in which the holding voltage is maintained. As the SCR operates due to the latch operation by the latch mode, the ESD current flowing into the first terminal T1 is transferred to the second terminal. It is discharged through (T2).
계속해서, 역방향인 제2 단자(T2)에 ESD 전류가 유입되면, 유입되는 ESD 전류에 상응하여 제2 P웰(240)과 N웰(230)의 전위가 상승한다. 이에 따라, N웰(230)과 제1 P+브릿지 영역(202) 사이에 역방향 바이어스가 인가된다.Subsequently, when the ESD current flows into the second terminal T2 in the reverse direction, the potentials of the second P well 240 and the N well 230 increase in response to the flowing ESD current. Accordingly, a reverse bias is applied between the N well 230 and the first
N웰(230)과 제1 P+브릿지 영역(202)의 접합의 계면에서 고에너지의 캐리어에 의한 원자의 충돌 이온화 현상이 발생된다. 즉, N웰(230)과 제1 P+브릿지 영역(202) 사이에는 비교적 큰 폭을 가지는 공핍 영역이 형성된다.At the interface of the junction between the N well 230 and the first P +
고에너지의 캐리어는 공핍 영역 내의 격자와 이온화 충돌을 일으키고, 전자-정공 쌍을 형성한다. 공핍영역에서 형성된 이온화 충돌을 통해 형성된 전자는 전계에 의해 N웰(230)로 이동하고, 정공은 제1 P+브릿지 영역(202)을 거쳐 제1 P웰(220)로 이동한다. 따라서, N웰(230)로부터 제1 P+브릿지 영역(202)을 거쳐 제1 P웰(220)로 역방향 전류가 형성되는 애벌런치 항복이 발생된다. 여기서, 애벌런치 항복을 도핑농도가 높은 제1 P+브릿지 영역(202)과 N웰(230) 간에 발생되도록 함으로써 낮은 항복전압이 발생되어 트리거 전압을 낮출 수 있다.The high-energy carriers cause ionization collisions with the lattice in the depletion region, forming electron-hole pairs. Electrons formed through ionization collisions formed in the depletion region move to the N well 230 by the electric field, and holes move to the first P well 220 through the first
계속해서, 제1 P웰(220)로 이동한 정공에 의해 제1 P웰(220)의 전위가 상승되고, 이로 인해 제1 P웰(220)과 제1 N+교차 영역(252) 접합에 순방향 턴온을 발생시킨다. 따라서, 제1 P+브릿지 영역(202), N웰(230) 및 제2 P+브릿지 영역(203)으로 형성된 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp)가 턴온되고, N웰(230), 제1 P웰(220) 및 제1 N+교차 영역(252)으로 형성된 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)가 턴온된다. Subsequently, the potential of the first P-well 220 is increased due to the holes moved to the first P-well 220 , which causes the first P-well 220 and the first
이때, 전위가 상승된 N웰(230)에 의해 N+영역(231)과 전기적으로 연결된 제1 게이트(221)에 양전압이 인가되어 제1 P+브릿지 영역(202) 및 제1 N+교차 영역(252)으로 된 제2 PN 다이오드(D2)가 형성된다. 따라서, 정방향에서와 같이 역방향에서도, 형성된 제2 PN 다이오드(D2)를 이용하여 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp)와 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)의 정궤환 루프 이득을 낮춤으로써, 높은 홀딩 전압을 가질 수 있다.At this time, a positive voltage is applied to the
또한, 제1 단자(T1)가 제1 P+교차 영역(251) 및 제1 N+교차 영역(252)이 다수 교차되어 형성된 제1 불순물 교차 영역(250)과 연결되기 때문에 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)의 이미터 전류가 감소하여 전류이득을 감소시킬 수 있다. 즉, 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)의 이미터 주입 효율이 낮아져 높은 홀딩 전압을 가질 수 있다.Also, since the first terminal T1 is connected to the first
한편, 턴온된 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp) 및 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)에 의해 SCR이 트리거 된다. SCR의 트리거 동작 이후에 홀딩 전압을 유지하는 래치모드로 동작되며, 래치모드에 의한 래치 동작으로 인해 SCR이 동작하게 되면서 제2 단자(T2)로 유입된 ESD 전류는 제1 단자(T1)를 통해 방전된다.Meanwhile, SCR is triggered by the turned-on PNP bipolar transistor Qp and the first NPN bipolar transistor Qn1. After the trigger operation of the SCR, it operates in a latch mode that maintains the holding voltage. As the SCR operates due to the latch operation by the latch mode, the ESD current flowing into the second terminal T2 flows through the first terminal T1. discharged
도 4는 본 발명에 따른 ESD 보호소자와 종래의 LTDDSCR의 전압-전류 특성을 비교하기 위한 그래프이다.4 is a graph for comparing the voltage-current characteristics of the ESD protection device according to the present invention and the conventional LTDDSCR.
본 발명에 따른 ESD 보호소자(200)와 종래의 LTDDSCR(100)의 특성을 확인하기 위한 실험은 Synopsys사의 TCAD Simulator를 이용하여 실험을 실시하였으며, 실험한 결과는 도 4의 실험 결과와 같다.An experiment to confirm the characteristics of the
도 4를 참조하면, 종래의 LTDDSCR(100)의 홀딩 전압은 2V로 측정된 반면, 본 발명에 따른 ESD 보호소자(200)의 경우 4.3V로 측정되었으며, 이는 본 발명에 따른 ESD 보호소자(200)가 종래의 LTDDSCR(100) 보다 약 1.3V정도 홀딩 전압이 증가한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the holding voltage of the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 ESD 보호소자(200)는 종래의 LTDDSCR(100) 구조에서 N웰(230) 상에 N+영역(231) 및 P웰(220,240) 상에 게이트(221,241)를 추가하고, 추가한 N+영역(231) 및 게이트(221,241)를 서로 전기적으로 연결시킴으로써, ESD 전류 방전 시 게이트에 인가된 전압에 의해 기생 PN 다이오드(D1,D2)가 동작하여 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp)와 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1,Qn2)의 정궤환 루프의 이득을 낮출 수 있다. 따라서, 높은 홀딩 전압 특성을 가질 수 있다. 또한, P+교차 영역(251,261)과 N+교차 영역(252,262)을 다수 교차되도록 형성하여 단자와 연결되도록 함으로써 바이폴라 트랜지스터(Qn1,Qn2)의 이미터 전류를 감소시켜 낮아진 전류이득에 의해 홀딩 전압을 상승시킬 수 있다. 더 나아가, 정방향에 의한 ESD 방전과 역방향에 의한 ESD 방전이 서로 대칭되도록 방전되는 구조를 갖기 때문에 정방향에 의해 형성되는 높은 홀딩 전압에 대한 효과를 역방향에서도 동일하게 적용되도록 할 수 있다.As described above, in the
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.
201 : 반도체 기판 202 : 제1 P+브릿지 영역
203 : 제2 P+브릿지 영역 210 : 딥 N웰
220 : 제1 P웰 221 : 제1 게이트
230 : N웰 231 : N+영역
240 : 제2 P웰 241 : 제2 게이트
250 : 제1 불순물 교차 영역 251 : 제1 P+교차 영역
252 : 제1 N+교차 영역 260 : 제2 불순물 교차 영역
261 : 제2 P+교차 영역 262 : 제2 N+교차 영역201: semiconductor substrate 202: first P + bridge region
203: second P + bridge region 210: deep N well
220: first P well 221: first gate
230: N well 231: N + region
240: second P well 241: second gate
250: first impurity crossing region 251: first P+ crossing region
252: first N+ crossing region 260: second impurity crossing region
261: second P + crossing region 262: second N + crossing region
Claims (11)
상기 반도체 기판 상에 형성된 딥 N웰;
상기 딥 N웰 상에 형성되고, 불순물이 교차하여 다수 형성된 제1 불순물 교차 영역이 형성된 제1 P웰;
상기 딥 N웰 상에 형성되되, 상기 제1 P웰과 접하도록 형성되고, N+영역이 형성된 N웰;
상기 딥 N웰 상에 형성되되, 상기 N웰과 접하도록 형성되고, 불순물이 교차하여 다수 형성된 제2 불순물 교차 영역이 형성된 제2 P웰;
상기 제1 P웰과 상기 N웰에 접하도록 형성된 제1 P+브릿지 영역; 및
상기 N웰과 상기 제2 P웰에 접하도록 형성된 제2 P+브릿지 영역을 포함하는 ESD 보호소자.semiconductor substrate;
a deep N-well formed on the semiconductor substrate;
a first P well formed on the deep N well and having a plurality of first impurity crossing regions formed by crossing impurities;
an N well formed on the deep N well, in contact with the first P well, and having an N + region;
a second P-well formed on the deep N-well and in contact with the N-well, the second P-well having a plurality of second impurity crossing regions formed by crossing impurities;
a first P+ bridge region formed to be in contact with the first P-well and the N-well; and
and a second P+ bridge region formed to be in contact with the N-well and the second P-well.
상기 제1 불순물 교차 영역과 상기 제1 P+브릿지 영역 사이의 상기 제1 P웰 표면 상에 형성된 제1 게이트; 및
상기 제2 불순물 교차 영역과 상기 제2 P+브릿지 영역 사이의 상기 제2 P웰 표면 상에 형성된 제2 게이트를 포함하는 ESD 보호소자.According to claim 1,
a first gate formed on a surface of the first P well between the first impurity crossing region and the first P+ bridge region; and
and a second gate formed on a surface of the second P well between the second impurity crossing region and the second P+ bridge region.
상기 제1 게이트, 상기 N+영역 및 상기 제2 게이트는 서로 전기적으로 연결되는 것인 ESD 보호소자.3. The method of claim 2,
and the first gate, the N+ region, and the second gate are electrically connected to each other.
상기 제1 불순물 교차 영역은 제1 단자에 연결되고,
상기 제2 불순물 교차 영역은 제2 단자에 연결되는 것인 ESD 보호소자.According to claim 1,
the first impurity crossing region is connected to a first terminal;
and the second impurity crossing region is connected to a second terminal.
상기 제1 P웰 상에 형성된 제1 P+교차 영역; 및
상기 제1 P웰 상에 형성된 제1 N+교차 영역을 포함하고,
상기 제1 P+교차 영역과 상기 제1 N+교차 영역은 평면상에서 상기 제1 P웰의 길이 방향으로 서로 교차하여 다수 형성된 것인 ESD 보호소자.The method of claim 1, wherein the first impurity crossing region comprises:
a first P+ cross region formed on the first P well; and
a first N+ crossing region formed on the first P well;
and a plurality of the first P+ crossing regions and the first N+ crossing regions are formed to cross each other in the longitudinal direction of the first P well on a plane.
상기 제2 P웰 상에 형성된 제2 P+교차 영역; 및
상기 제2 P웰 상에 형성된 제2 N+교차 영역을 포함하고,
상기 제2 P+교차 영역과 상기 제2 N+교차 영역은 평면상에서 상기 제2 P웰의 길이 방향으로 서로 교차하여 다수 형성된 것인 ESD 보호소자.The method of claim 1, wherein the second impurity crossing region comprises:
a second P+ crossing region formed on the second P well; and
a second N+ crossing region formed on the second P well;
and a plurality of the second P+ crossing regions and the second N+ crossing regions are formed to cross each other in the longitudinal direction of the second P well on a plane.
상기 제1 P+브릿지 영역, 상기 N웰 및 상기 제2 P+브릿지 영역에 의해 형성된 PNP 바이폴라 트랜지스터;
상기 제1 불순물 교차 영역, 상기 제1 P웰 및 상기 N웰에 의해 형성된 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터; 및
상기 N웰, 상기 제2 P웰 및 상기 제2 불순물 교차 영역에 의해 형성된 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 ESD 보호소자.3. The method of claim 2,
a PNP bipolar transistor formed by the first P+ bridge region, the N well, and the second P+ bridge region;
a first NPN bipolar transistor formed by the first impurity crossing region, the first P well, and the N well; and
and a second NPN bipolar transistor formed by the N well, the second P well, and the second impurity crossing region.
상기 PNP 바이폴라 트랜지스터 및 상기 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터가 턴온되면, 상기 N+영역을 통해 상기 제2 게이트에 전압이 인가되는 것인 ESD 보호소자.8. The method of claim 7,
When the PNP bipolar transistor and the second NPN bipolar transistor are turned on, a voltage is applied to the second gate through the N+ region.
상기 PNP 바이폴라 트랜지스터 및 상기 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터가 턴온되면, 상기 N+영역을 통해 상기 제1 게이트에 전압이 인가되는 것인 ESD 보호소자.8. The method of claim 7,
When the PNP bipolar transistor and the first NPN bipolar transistor are turned on, a voltage is applied to the first gate through the N+ region.
상기 제2 P+브릿지 영역 및 상기 제2 불순물 교차 영역에 의해 형성된 제1 PN 다이오드; 및
상기 제1 P+브릿지 영역 및 상기 제1 불순물 교차 영역에 의해 형성된 제2 PN 다이오드를 포함하는 ESD 보호소자.According to claim 1,
a first PN diode formed by the second P+ bridge region and the second impurity crossing region; and
and a second PN diode formed by the first P+ bridge region and the first impurity crossing region.
상기 제1 불순물 교차 영역, 상기 제1 P+브릿지 영역 및 상기 제1 게이트는 상기 N+영역을 중심으로, 상기 제2 불순물 교차 영역, 상기 제2 P+브릿지 영역 및 상기 제2 게이트와 서로 대칭되도록 형성되는 것인 ESD 보호소자.3. The method of claim 2,
the first impurity crossing region, the first P+ bridge region, and the first gate are formed to be symmetrical to each other with the second impurity crossing region, the second P+ bridge region, and the second gate with respect to the N+ region. ESD protection device that is.
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KR1020210066866A KR102441903B1 (en) | 2021-05-25 | 2021-05-25 | SCR-Based Dual-Directional ESD Protection Device with High Holding Voltage |
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KR1020210066866A KR102441903B1 (en) | 2021-05-25 | 2021-05-25 | SCR-Based Dual-Directional ESD Protection Device with High Holding Voltage |
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KR1020210066866A KR102441903B1 (en) | 2021-05-25 | 2021-05-25 | SCR-Based Dual-Directional ESD Protection Device with High Holding Voltage |
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