KR19980028442A - 정전기 보호 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자의 정전기 보호 성능을 향상시킬 수 있는 정전기 보호 소자에 관한 것으로, 드레인에 가해지는 제 1 전원전압원(Vout)과, 소오스 및 웰콘택부에 가해지는 제 2 전원전압원(Vss)사이에 있는 내부 회로의 입출력 단에 접속된 사다리 구조를 갖는 정전기 보호 소자에 있어서, 상기 정전기 보호 소자는, 상기 제 2 전원전압원(Vss)과 웰콘택부의 사이에 폴리실리콘 저항, 웰 저항, n+ 액티브 저항, 그리고 p+ 액티브 저항 중, 어느 하나의 저항체를 전기적으로 접속시키고, 상기 소오스는 상기 제 2 전원전압원(Vss)에 직접 접속시킨다. 이와 같은 장치에 의해서, 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자를 정전기 보호 소자로 사용할 경우에 발생되는 전류 밀집 현상을 방지할 수 있고, 따라서, 정전기 보호 소자의 정전기 보호 효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.

Description

정전기 보호 소자

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자의 정전기 보호 성능을 향상시키는 정전기 보호 소자에 관한 것이다.

CMOS 회로에서 가장 널리 사용되고 있고, 그리고 특성도 우수한 CMOS 회로의 정전기 보호 소자는 N 채널 도전형 모오스 소자이다.

이러한 N 채널 도전형 모오스 소자는 다이오드에 비해 누설 전류(leakage current)가 크다는 것을 제외하고는 트리거 전압(triggering voltage), 스냅-백 전압(snap-back voltage), 동적인 저항(dynamic resistance) 등에 있어서는 다이오드에 비해 우수한 특성을 갖는 정전기 보호 소자이다.

또한, 정전기 보호 효율을 높이기 위해서, N 채널 도전형 모오스 소자는 가능한 크게 형성한 게이트폭(gate width)을 갖고, 그리고 드레인과 동일한 도전형을 갖는 이온을 고에너지로 주입하는 플러그(plug)공정이 실시되기도 한다.

즉, N 채널 도전형 모오스 소자의 정전기 보호 효율은 그의 게이트 폭에 비례하기 때문에 그 게이트 폭을 늘리는 것이 필요하다. 그러나, 칩사이즈(chip size) 또는 회로 배치 때문에 게이트 폭을 한쪽의 방향으로 늘릴 수가 없을 경우에, 그 N 채널 도전형 모오스 소자에 있어서는 그 소자의 게이트의 핑거(finger)가 병렬적으로 배열되어 있는 사다리 구조(ladder structure or finger structure)가 적용되어야 한다.

그러나, 도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 종래 정전기 보호 소자로서 사용되는 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자는 전류의 밀집화에 기인하는 소자 파괴 현상을 일으켜서 정전기 보호 효율이 저하되는 문제가 있었다.

도 1 을 참조하면, 종래 정전기 보호 소자인 N 채널 도전형 모오스 소자는 게이트(12)가 병렬로 배치되어 있는 사다리 구조를 갖고 있고, 게이트와 게이트 사이에는 드레인(10)이 병렬로 배치되어 있으며, 그리고 통상적으로 기판과 게이트가 접지(grounded substrate and/or grounded gate)되어 있다.

이러한 구조를 갖는 정전기 보호 소자는, 도 1 의 참조 번호 18에 의해 표시된 빗금친 부분에서, 즉 게이트(12)의 핑거들 사이에 삽입되어 있는 드레인(10)과의 사이에서, 전류 밀집 현상(current localization)이 발생한다.

그 이유는 p+형 웰콘택부(well contact : 16)와 소오스콘택부(source contact : 14)사이의 거리차에 기인하는 웰저항(well resistance) 때문이다. 만일, 상기 거리차가 작은 위치에서는, 드레인에서 발생된 정공의 대부분이 웰콘택부(16)로 빠져나가서 트리거(triggering)가 늦게 발생되는 반면에, 상기 거리차가 큰 위치에서는 드레인접합부에서 발생된 많은 정공들이 웰콘택부로 빠져나가거나 소오스접합부의 아래에 쌓이면서 소자의 트리거를 빨리 발생되게 한다. 즉, 충격이온화(impact ionization)에 의해서 각 드레인에서 발생한 전자-정공쌍(electron-hole pairs)중에서 대부분의 정공들은 상기 p+형 웰콘택부(16)로 빠져나가거나 또는 n+형 소오스접합부에 축적되어서, 소오스에 대한 웰의 전위(well potential)를 증가시키게 된다. 그 결과, 소오스가 턴온(turn-on)된다.

이러한 현상은 상기 웰콘택부(16)에서 멀리 떨어진 소오스에서 웰저항의 증가로 인하여 더욱 많이 발생된다. 따라서, 도 1 에 도시된 바와 같이, 빗금친 부분(18)에서, 즉 상기 웰콘택부(16)에서 가장 멀리 떨어져 있는 드레인에서, 소오스의 턴온현상이 빨리 발생되기 때문에 전류가 밀집된다.

그러므로, 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자를 정전기 보호 소자로 사용할 경우에, 상술한 현상에 의해서 정전기 보호 효율이 떨어지는 문제점이 발생된다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자의 정전기 보호 성능을 향상시킬 수 있는 정전기 보호 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래 NMOS 정전기 보호 소자의 레이아웃을 개략적으로 보여주는 도면;

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 정전기 보호 소자의 레이아웃을 개략적으로 보여주는 도면;

도 3 은 도 2 본 발명의 정전기 보호 소자의 등가 회로도;

도 4 는 도 2 본 발명의 정전기 보호 소자를 A-A'으로 절단한 단면을 보여주는 단면도;

도 5 는 도 2 본 발명의 정전기 보호 소자의 전류-전압 특성을 보여주는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10 : 드레인콘택부12 : 게이트

14 : 소오스콘택부16 : 웰콘택부

20 : 저항체

(구성)

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 일 특징에 의하면, 드레인에 가해지는 제 1 전원전압원과, 소오스 및 웰콘택부에 가해지는 제 2 전원전압원 사이에 있는 내부 회로의 입출력 단에 접속된 사다리 구조를 갖는 정전기 보호 소자에 있어서, 상기 정전기 보호 소자는, 상기 제 2 전원전압원과 웰콘택부의 사이에 전기적으로 접속된 저항체를 포함하고, 상기 소오스는 상기 제 2 전원전압원에 직접 접속된다.

이 소자의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 저항체는 폴리실리콘 저항, 웰 저항, n+ 액티브 저항, 그리고 p+ 액티브 저항 중, 어느 하나이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 제 1 전원전압원과 제 2 전원전압원사이에 있는 내부 회로의 입력단에 접속되어 있고, 게이트핑거들이 병렬로 배치되어 있으며, 그리고 게이트(12)핑거들 사이에서 소오스와 드레인이 교호적으로 병렬로 배치되어 있는 사다리 구조를 갖는 정전기 보호 소자에 있어서, 웰콘택부는 상기 제 2 전원전압원과 저항체를 사이에 두고 접속된다.

이 소자에 있어서, 상기 저항체는, 폴리실리콘 저항, 웰 저항, n+ 액티브 저항, 그리고 p+ 액티브 저항 중, 어느 하나이다.

이 소자에 있어서, 상기 정전기 보호 소자는 N 채널 도전형 모오스 트랜지스터이다.

(작용)

이와 같은 장치에 의해서, 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자를 정전기 보호 소자로 사용할 경우에 발생되는 전류 밀집 현상을 방지할 수 있고, 따라서, 정전기 보호 소자의 정전기 보호 효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면 도 2, 도 3, 도 4, 그리고 도 5 에 의거해서 상세히 설명한다.

도 4 를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전기 보호 소자는, 드레인에 가해지는 제 1 전원전압원(Vout)과, 소오스 및 웰콘택부에 가해지는 제 2 전원전압원(Vss)사이에 있는 내부 회로의 입출력 단에 접속된 사다리 구조를 갖는 정전기 보호 소자에 있어서, 상기 제 2 전원전압원(Vss)과 웰콘택부의 사이에 폴리실리콘 저항, 웰 저항, n+ 액티브 저항, 그리고 p+ 액티브 저항 중, 어느 하나의 저항체를 전기적으로 접속시키고, 상기 소오스는 상기 제 2 전원전압원(Vss)에 직접 접속시킨다. 이러한 장치에 의해서, 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자의 전류 밀집 현상 및 정전기 보호 효율의 저하를 방지할 수 있다.

도 2 내지 도 5 에 있어서, 도 1 에 도시된 종래 정전기 보호 소자의 구성 요소와 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.

도 2 에는 본 발명의 실시예에 따른 정전기 보호 소자의 레이아웃이 개략적으로 도시되어 있다.

도 2 를 참조하면, 본 발명에 따른 정전기 보호 소자인 N 채널 도전형 모오스 소자는, 접지전압(Vss)이 인가되는 다수개의 게이트(12)가 병렬로 배치되어 있는 사다리 구조를 갖고 있고, 게이트 사이에는 전원전압(Vout)이 인가되는 다수개의 드레인(10)이 병렬로 배치되어 있으며, 그리고 기판과 게이트가 접지되어 있다. 그리고, p+형 웰콘택부(16)는 상기 접지전압(Vss)과 전기적으로 접속되어 있되, 그 사이에는 저항체가 직렬 연결되어 있다.

도 3 은 도 2 정전기 보호 소자의 등가 회로를 나타낸 것으로, 도 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 정전기 보호 소자는 게이트단자(G) 및 소오스단자(S), 그리고 기판(sub ;substrate)이 모두 접지되어 있다. 그리고 기판(sub)과 소오스단자(S), 기판(sub)과 게이트단자(G)의 사이에는 저항체(20)가 접속되어 있다.

도 4 는 도 2 본 발명에 따른 정전기 보호 소자를 A-A'의 방향으로 절단한 단면도를 도시하고 있다.

도 4 를 참조하면, 본 발명의 정전기 보호 소자는, 기판(sub)내에 소정의 농도를 갖는 웰 영역(p-well)을 형성하고, 이 웰 영역(p-well)이 형성된 상기 기판(sub)상에 소자 분리 영역(22)을 형성하여 활성 영역과 비활성 영역을 정의한다.

이어서, 상기 기판(sub)상에 이 기술 분야에서 널리 알려진 공정을 수행하여 복수개의 게이트(12)전극층을 형성한 후, 상기 웰 영역(p-well)내에 상대적으로 높은 농도를 갖는 n+형 불순물 이온을 주입하여 복수개의 소오스(14) 및 드레인(10)영역을 형성한다. 그리고, 상기 소자 분리 영역(22)사이에는 p+형 불순물 이온을 주입하여 p+형 웰콘택부(16)를 형성한다.

여기에서, 상기 게이트(12)전극층 및 소오스(14)영역, 그리고 p+형 웰콘택부(16)는 접지전압(Vss)에 연결되고, 상기 드레인(10)영역은 패드전극(PAD)에 연결되어 전원전압(Vout)을 인가 받게 된다. 이때, 상기 p+형 웰콘택부(16)는 상기 접지전압(Vss)과의 사이에 저항체(20)를 사이에 두고 접속되고, 상기 게이트(12)전극층 및 소오스(14)영역은 상기 접지전압(Vss)에 직접적으로 접속된다. 여기에서, 상기 저항체(20)는 폴리실리콘 저항, 웰 저항, n+ 액티브 저항, 그리고 p+ 액티브 저항 중, 어느 하나가 사용된다.

이와 같은 구조를 갖는 정전기 보호 소자에서, 상기 패드전극(PAD)에 전원전압(Vout)이 인가되면, 상기 복수개의 n+형 드레인(10)영역에서 동시에 충격이온화(impact ionization)현상이 발생하게 되고, 이로 인해 생성된 정공은 p+형 웰콘택부(16)를 통해 접지전압(Vss)단자측으로 흘러가게 된다.

따라서, 상기 웰 영역(p-well)은, 상기 p+형 웰콘택부(16)와 상기 접지전압(Vss)단자 사이에 형성되어 있는 저항체(20)에 의해 도 4 에 참조 부호 V_R(Ihole·R)로 도시된 노드 보다 상대적으로 높은(하기한 수학식과 같은) 전위를 갖게 되고, 이에 따라서, 상기 소오스(14)는 모두 동시에 턴 온(turn on)되게 된다.

[수학식]

Vwell = V_R+ αα = Rwell·Ih

상기 수학식에서 Ih(또는,Ihole)는 상기 p+형 웰 콘택부(16)로 흐르는 전류값을 나타낸다.

도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 정전기 보호 소자의 전류-전압 특성을 보이는 도면이다. 여기에서는 드레인 영역에 전류를 주입시키면서 전압을 측정하였다.

도 5 에서, 참조 번호 24는 종래 정전기 보호 소자의 전류-전압 특성 곡선을 나타내고, 참조 번호 26은 본 발명에 따른 정전기 보호 소자의 전류-전압 특성 곡선을 나타내고, 참조 부호 A에서 B까지는 상기 드레인(10)에서 기판(sub)으로 흐르는 n+/p-well 다이오드의 역방향 포화 전류를 나타내고, 참조 부호 B에서 C까지는 n+/p-well 다이오드의 애벌런치 브레이크다운(avalanch breakdown)전류 성분을 나타낸다.

특히, 참조 부호 C 및 C'은 각각 종래와 본 발명의 정전기 보호 소자의 드레인에서 발생한 정공이 기판과 소오스로 흐르면서 형성된 기판 전압이 소오스를 턴 온 시키는 순간을 나타내는 것으로, 본 발명에 따른 정전기 보호 소자에서는 접지전압(Vss)단자와 웰콘택부(16)의 사이에 형성된 저항 성분에 의해 기울기가 보다 완만해지고 있음을 알 수 있다.

종래, 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자를 이용하는 정전기 보호 소자에 의하면, 전류 밀집 현상에 의해 정전기 보호 소자의 정전기 보호 효율이 저하되는 문제점이 발생되었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 사다리 구조를 갖는 N채널 도전형 모오스 소자에서, 접지 전압 단자와 p+형 웰콘택부의 사이에 저항체를 접속시키고, 소오스 및 게이트는 접지 전압 단자와 곧바로 접속시킨다.

따라서, 사다리 구조를 갖는 N 채널 도전형 모오스 소자를 정전기 보호 소자로 사용할 경우에 발생되는 전류 밀집 현상을 방지할 수 있고, 따라서, 정전기 보호 소자의 정전기 보호 효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.

Claims (7)

1. 드레인(10)에 가해지는 제 1 전원전압원(Vout)과, 소오스(14) 및 웰콘택부(16)에 가해지는 제 2 전원전압원(Vss)사이에 있는 내부 회로의 입출력 단에 접속된 사다리 구조를 갖는 정전기 보호 소자에 있어서,

   상기 정전기 보호 소자는, 상기 제 2 전원전압원(Vss)과 웰콘택부(16)의 사이에 전기적으로 접속된 저항체(20)를 포함하고, 상기 소오스는 상기 제 2 전원전압원(Vss)에 직접 접속되는 것을 특징으로 하는 정전기 보호 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 저항체(20)는 폴리실리콘 저항인 것을 특징으로 하는 정전기 보호 소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 저항체(20)는 웰 저항인 것을 특징으로 하는 정전기 보호 소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 저항체(20)는 n+ 액티브 저항과 p+ 액티브 저항 중, 어느 하나인 것을 특징으로 하는 정전기 보호 소자.
5. 제 1 전원전압원(Vout)과 제 2 전원전압원(Vss)사이에 있는 내부 회로의 입력 단에 접속되어 있고, 게이트(12)핑거들이 병렬로 배치되어 있으며, 그리고 게이트(12)핑거들 사이에서 소오스(14)와 드레인(10)이 교호적으로 병렬로 배치되어 있는 사다리 구조를 갖는 정전기 보호 소자에 있어서,

   웰콘택부(16)는 상기 제 2 전원전압원(Vss)과 저항체(20)를 사이에 두고 접속되는 것을 특징으로 하는 정전기 보호 소자.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 저항체는, 폴리실리콘 저항, 웰 저항, n+ 액티브 저항, 그리고 p+ 액티브 저항 중, 어느 하나인 것을 특징으로 하는 정전기 보호 소자.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 정전기 보호 소자는 N 채널 도전형 모오스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 정전기 보호 소자.