KR20200066853A - Electrostatic Discharge Protection Device having Dual Emitter Structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 정전기 방전 보호소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 홀딩 전압을 증가시키고, 감내 특성을 향상시킴으로써 고전압 응용이 가능한 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자에 관한 것이다.The present invention relates to an electrostatic discharge protection device, and more particularly, to an electrostatic discharge protection device having a dual emitter structure capable of high voltage application by increasing a holding voltage and improving the endurance characteristics.
정전기 방전 보호소자는 반도체 소자 중 정전기 등의 의도치 않는 고전압이 인가되는 상황이 발생할 경우 반도체 회로를 보호하는 소자이다. 정전기 방전 보호소자는 특정 기능을 수행하는 반도체 회로의 입력단에 연결되고, 통상 수준의 전압이나 신호가 인가되는 경우에, 오프 상태를 유지한다. 또한, 서지(surge) 전압이 인가되는 경우, 정전 방전 보호소자는 턴온되어 인가되는 전압에 따른 전류를 접지(Ground) 등으로 방전시킨다. 이러한 동작을 통해 정상 동작 범위를 넘어서는 전압으로부터 내부 IC를 보호하는 기능을 수행한다.The electrostatic discharge protection device is a device that protects a semiconductor circuit when an unintended high voltage, such as static electricity, is applied among the semiconductor devices. The electrostatic discharge protection element is connected to an input terminal of a semiconductor circuit that performs a specific function, and maintains an off state when a normal level voltage or signal is applied. In addition, when a surge voltage is applied, the electrostatic discharge protection element is turned on to discharge current according to the applied voltage to ground or the like. This operation protects the internal IC from voltages beyond the normal operating range.
정전기 방전 보호소자가 턴온되어 동작을 개시하는 전압레벨을 트리거 포인트라 지칭한다. 또한, 턴온된 상태에서 일종의 정전압 상태를 유지하는 영역을 홀딩 영역(holding region)이라 지칭한다. 따라서, 정전기 등으로 반도체 소자에 높은 수준의 전압이 인가되면, 정전 방전 보호소자는 홀딩 영역에서 동작하고, 대전류는 정전 방전 보호소자를 통해 접지로 흐르게 된다. 따라서, 반도체 회로가 구현된 칩의 내부 회로는 정전기 등에 의한 충격에서 보호된다.The voltage level at which the electrostatic discharge protection element is turned on to start operation is referred to as a trigger point. Also, a region that maintains a constant voltage state in a turned-on state is referred to as a holding region. Therefore, when a high level voltage is applied to the semiconductor device due to static electricity, the electrostatic discharge protection device operates in the holding region, and a large current flows to the ground through the electrostatic discharge protection device. Therefore, the internal circuit of the chip in which the semiconductor circuit is implemented is protected from static electricity or the like.
도 1은 종래 기술에 따른 SCR의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an SCR according to the prior art.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 SCR(100)은 반도체 기판(110), N웰(120) 및 P웰(130)을 포함한다. N형으로 도핑된 N웰(120)은 제1 P+영역(121)과 제1 N+영역(122)을 포함하며, 제1 P+영역(121)과 제1 N+영역(122)은 애노드(Anode)와 연결된다. P형으로 도핑된 P웰(130)은 제2 P+영역(131)과 제2 N+영역(132)을 포함하며, 제2 P+영역(131)과 제2 N+영역(132)은 캐소드(Cathode)와 연결된다. N웰(120)과 P웰(130)은 서로 접하고 있으며, 접합부에서 애벌런치 항복(Avalanche Breakdown)에 의한 트리거(Trigger) 동작을 하게 된다. 즉, 애노드(140)를 통해 들어오는 ESD 전류를 방전시킨다. SCR(100)은 PNPN 사이리스터로 구성되며, 사이리스터는 제1 P+영역(121), N웰(120), P웰(130) 및 제2 N+영역(132)를 포함한다. 애노드로 유입된 ESD 전류에 의해 전압이 증가함에 따라, 사이리스터를 구성하는 기생 PNP 바이폴라 트랜지스터의 이미터-베이스(Emitter-Base) 접합(Junction)이 순방향 바이어스(Forward Bias) 상태가 되고, 기생 PNP 바이폴라 트랜지스터가 턴-온(Turn-On)된다. 기생 PNP 바이폴라 트랜지스터를 통해 흐르는 전류는 P웰(130)로 흐르게 되며, 이 전류에 의해 기생 NPN 바이폴라 트랜지스터가 턴-온 된다. N웰(120)에서 캐소드(150)로 흐르는 기생 NPN 바이폴라 트랜지스터의 전류는 기생 PNP 바이폴라 트랜지스터의 순방향 바이어스를 잡아주고, 결국 턴-온 된 두 개의 기생 바이폴라 트랜지스터에 의해 SCR(100)은 트리거(Trigger)된다. 이를 통해 기생 PNP 바이폴라 트랜지스터에 더 이상 바이어스를 잡아 줄 필요가 없게 되어, 애노드 전압은 최소값까지 감소하게 되는데, 이후 SCR(100)은 정궤환(Positive Feedback) 동작을 하여 애노드를 통해 들어오는 ESD 전류를 효과적으로 방전할 수 있게 된다. 그러나 SCR(100)은 고전압용 소자로는 적합하지 않으며 낮은 홀딩전압으로 인하여 내부 회로(Core Circuit)의 정상적인 동작에 부하로서 미치는 영향을 최소화 시키지 못하고, 전압의 오버슈팅(Overshooting)이나 노이즈(Noise)에 의한 의도되지 않은 동작이 발생하여 내부 회로의 동작에 영향을 주는 단점이 있다.Referring to FIG. 1, the
도 2는 종래의 횡형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor ; LIGBT)를 이용한 정전기 방전 보호소자를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing an electrostatic discharge protection device using a conventional horizontal insulated gate bipolar transistor (LIGBT).
도 2를 참조하면, 도 1의 정전기 방전 보호소자(100)와 달리 고전압 적용을 목적으로 하며 일반적인 스위칭이 아닌 정전 방전을 목적으로 하기 때문에 컬렉터를 제외한 게이트와 이미터가 접지로 연결되는 구성(Gate-grounded LIGBT)을 갖는다. 동작 방식은 다음과 같다. 내부 회로가 정상 동작 상태일 때 P웰(240)과 딥 N웰(220) 사이에는 역방향 바이어스에 의해 동작하지 않는다. 따라서 내부회로 정상 동작 상태에서 ESD 보호회로는 동작에 영향을 미치지 않는다. 하지만 ESD Surge가 인가 될 경우 P웰(240)과 딥 N웰(220) 역 바이어스 상태에서 애벌런치 항복이 발생하게 되고, 컬렉터에서 이미터로 전류가 형성된다. 형성된 전류가 P웰(240)의 전위 상승을 유도하게 되며 P웰(240)과 이미터의 N+영역(241)간의 전위 장벽을 넘어서게 되면 P웰(240)과 N+영역(241)은 순방향 바이어스 상태가 되고, 이미터의 N+영역(241), P웰(240), 딥 N웰(220)로 형성되는 기생 NPN 바이폴라 트랜지스터가 동작한다. 기생 NPN 바이폴라 트랜지스터는 컬렉터의 P+영역(231), 딥 N웰(220), P웰(240)로 형성되는 기생 PNP 바이폴라 트랜지스터의 바이어스 전류를 제공하기 때문에 SCR(100)과 마찬가지로 정궤환하며 ESD 방전경로를 형성한다. 하지만 도 1의 SCR(100)과 마찬가지로 낮은 홀딩 전압을 갖기 때문에 이를 개선해야만 도 2가 도1에 비하여 고전압에 적용이 가능한 정전 방전 보호 소자로 이용할 수 있다.Referring to FIG. 2, unlike the electrostatic
도 3은 종래의 횡형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 기반의 정전기 방전 보호소자의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing another embodiment of an electrostatic discharge protection device based on a conventional lateral insulated gate bipolar transistor.
도 3을 참조하면, 도 3은 앞서 언급된 도 2의 횡형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 기반의 정전기 방전 보호소자의 홀딩 전압을 향상시킨 구조를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 도 2와 거의 동일하게 구성되어 있으며 그 차이점은 N웰 영역(330) 내부에 추가적으로 삽입된 N+영역(332)에 있다. 이 때 추가된 N+영역(332)의 도핑 농도는 P웰 영역보다 높은 농도의 N형으로 도핑 된다. 도 3의 구조를 가지는 정전기 방전 보호 소자는 도 2와 같은 동작 원리를 가지며 추가적으로 삽입된 N+ 영역(332)으로 인해 기생 PNP 바이폴라 트랜지스터의 베이스 농도가 상승하는 효과를 갖는다. 베이스 농도의 상승으로 인하여 전류 이득이 감소하게 되며, 베이스 전류의 상승으로 인해 기생 바이폴라 트랜지스터가 동작하는 최소 전압인 홀딩 전압은 도 2의 횡형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터보다 높은 수치를 갖는다. 따라서 도 3은 기존의 도 2에서 발생하는 래치업을 보다 효과적으로 방지하여 고전압 회로에 응용이 가능한 정전 방전 보호 소자의 형태이다. 그러나 추가적인 N+영역(332)의 삽입으로 인하여 도 2의 구조보다 길이(length)가 증가되기 때문에 일부 전계에 대하여 On 저항이 감소할 수 있으며 고전압 응용을 위한 고내압화를 위하여 감내 특성을 향상시켜야 하는 단점이 있다.Referring to FIG. 3, FIG. 3 shows a structure in which the holding voltage of the electrostatic discharge protection device based on the horizontal insulated gate bipolar transistor of FIG. 2 mentioned above is improved. Referring to FIG. 3, the configuration is almost the same as in FIG. 2, and the difference lies in the
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 횡형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 기반으로 하여 고전압에서도 안정적인 동작을 수행할 수 있는 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자를 제공하는데 있다.The present invention is to solve the above-described problems of the prior art. That is, to provide an electrostatic discharge protection device having a dual emitter structure capable of performing stable operation even at high voltages based on a horizontal insulated gate bipolar transistor.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 딥 N웰, 상기 딥 N웰 상에 형성된 N웰, 상기 딥 N웰 상에 형성되고, 상기 N웰과 근접하게 형성된 제1 P웰, 상기 딥 N웰 상에 형성되고, 상기 제1 P웰과 근접하게 형성된 제2 P웰 및 상기 제1 P웰 및 상기 제2 P웰 상에 접하도록 형성된 게이트를 포함한다.The present invention for solving the above problems is a semiconductor substrate, a deep N well formed on the semiconductor substrate, an N well formed on the deep N well, a first formed on the deep N well, and formed close to the N well It includes a P well, a second P well formed close to the first P well, and a gate formed to contact the first P well and the second P well.
상기 N웰 상에 형성된 제1 P+영역, 상기 N웰 상에 형성된 제1 N+영역, 상기 제1 P웰 상에 형성된 제2 P+영역, 상기 제1 P웰 상에 형성된 제2 N+영역, 상기 제2 P웰 상에 형성된 제3 N+영역 및 상기 제2 P웰 상에 형성된 제3 P+영역을 더 포함할 수 있다.A first P+ region formed on the N well, a first N+ region formed on the N well, a second P+ region formed on the first P well, a second N+ region formed on the first P well, and the first A third N+ region formed on the 2 P wells and a third P+ region formed on the second P wells may be further included.
상기 제1 P+영역은 애노드 단자에 연결되고, 상기 제2 P+영역, 상기 제2 N+영역, 상기 게이트, 상기 제3 N+영역 및 상기 제3 P+영역은 캐소드 단자에 연결될 수 있다.The first P+ region may be connected to the anode terminal, and the second P+ region, the second N+ region, the gate, the third N+ region, and the third P+ region may be connected to the cathode terminal.
상기 게이트와 상기 제2 N+영역 및 상기 제3 N+영역을 각각 소스와 드레인으로 하는 NMOS 트랜지스터가 형성될 수 있다.An NMOS transistor having source and drain as the gate, the second N+ region, and the third N+ region may be formed, respectively.
상기 제1 P+영역, 상기 N웰 및 상기 제2 P+영역에 의해 형성된 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터, 상기 제1 P+영역, 상기 N웰 및 상기 제3 P+영역에 의해 형성된 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터, 상기 N웰, 상기 제1 P웰 및 상기 제2 N+영역에 의해 형성된 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터 및 상기 N웰, 상기 제2 P웰 및 상기 제3 N+영역에 의해 형성된 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터를 포함할 수 있다.A first PNP bipolar transistor formed by the first P+ region, the N well and the second P+ region, a second PNP bipolar transistor formed by the first P+ region, the N well, and the third P+ region, the N The well may include a first NPN bipolar transistor formed by the first P well and the second N+ region, and a second NPN bipolar transistor formed by the N well, the second P well, and the third N+ region. .
상기 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터와 상기 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터는 병렬로 연결될 수 있다.The first PNP bipolar transistor and the second PNP bipolar transistor may be connected in parallel.
상기 애노드 단자에 ESD 서지(surge)가 유입되면, 상기 딥 N웰과 상기 제1 P웰 접합에서 애벌런치 항복(Avalanche Breakdown)이 발생될 수 있다.When ESD surge flows into the anode terminal, avalanche breakdown may occur at the junction of the deep N-well and the first P-well.
상기 제1 N+영역은 외부와 플로팅 되어 형성될 수 있다.The first N+ region may be formed by floating with the outside.
상기 제1 P웰, 상기 제2 P+영역 및 상기 제2 N+영역은 상기 게이트를 중심으로, 상기 제2 P웰, 상기 제3 N+영역 및 상기 제3 P+영역과 서로 대칭되게 형성될 수 있다.The first P well, the second P+ region, and the second N+ region may be formed symmetrically with respect to the gate and the second P well, the third N+ region, and the third P+ region.
본 발명에 따르면, 종래의 횡형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 구조에서 P웰을 추가로 형성하고, P웰 상에 P+영역 및 N+영역을 형성하여 캐소드에 연결되는 구조를 이중으로 형성할 수 있다. 따라서, 내부 기생 바이폴라 트랜지스터에 의한 전류 방전 경로가 추가되어 종래의 기생 바이폴라 트랜지스터와 병렬로 전류를 방전하는 구조를 취할 수 있기 때문에 감내 특성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, a P-well may be additionally formed in a conventional lateral insulated gate bipolar transistor structure, and a P+ region and an N+ region may be formed on the P-well to form a double structure connected to the cathode. Therefore, since the current discharge path by the internal parasitic bipolar transistor is added, it is possible to take a structure of discharging the current in parallel with the conventional parasitic bipolar transistor, thereby improving the endurance characteristics.
또한, 추가로 삽입된 N+플로팅영역에 의해 기생 PNP 바이폴라 트랜지스터의 전류이득 베타를 감소시켜 베이스에 흐르는 전류를 상승시킬 수 있기 때문에, 홀딩 전압이 증가되는 효과를 갖는다.In addition, since the current gain beta of the parasitic PNP bipolar transistor can be reduced by an additionally inserted N+ floating region to increase the current flowing in the base, the holding voltage is increased.
따라서, 향상된 감내 특성과 증가된 홀딩 전압에 의해 높은 전압 환경에서 발생하는 ESD Surge에 대해 효과적으로 반도체 소자를 보호할 수 있으며, 안정적인 동작을 확보할 수 있다.Therefore, it is possible to effectively protect the semiconductor device against ESD surge generated in a high voltage environment due to improved withstand characteristics and increased holding voltage, and ensure stable operation.
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 종래 기술에 따른 SCR의 단면도이다.
도 2는 종래의 횡형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 기반의 정전기 방전 보호소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 종래의 횡형 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 기반의 정전기 방전 보호소자의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전기 방전 보호소자를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전기 방전 보호소자를 도시한 회로도이다.1 is a cross-sectional view of an SCR according to the prior art.
2 is a cross-sectional view showing a conventional horizontal-type insulated gate bipolar transistor-based electrostatic discharge protection device.
3 is a cross-sectional view showing another embodiment of a conventional horizontal-type insulated gate bipolar transistor-based electrostatic discharge protection device.
4 is a cross-sectional view showing an electrostatic discharge protection device according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a circuit diagram showing an electrostatic discharge protection device according to a preferred embodiment of the present invention.
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.The present invention can be applied to a variety of transformations and may have various embodiments, and specific embodiments will be 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 conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of known technologies related to the present invention may obscure the subject matter of the present invention, the detailed description 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, and in describing with reference to the accompanying drawings, identical or corresponding components are assigned the same reference numbers, and redundant description thereof will be omitted. Shall be
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전기 방전 보호소자를 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing an electrostatic discharge protection device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전기 방전 보호소자를 도시한 회로도이다.5 is a circuit diagram showing an electrostatic discharge protection device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 정전기 방전 보호소자(400)는 반도체 기판(410)을 포함하며, 반도체 기판(410)은 P형 반도체 기판일 수 있다.4 and 5, the electrostatic
또한, 반도체 기판(410) 상에는 딥 N웰(420)이 형성될 수 있다.In addition, a deep N-well 420 may be formed on the
상기 딥 N웰(420) 상에는 N웰(430), 제1 P웰(440) 및 제2 P웰(450)이 포함될 수 있다.An N-well 430, a first P-well 440, and a second P-well 450 may be included on the deep N-
N웰(430)은 딥 N웰(420) 상에 형성되고, N웰(430) 상에는 제1 P+영역(431) 및 제1 N+영역(432)이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 P+영역(431)은 컬렉터 단자로써 기능하는 애노드(anode) 단자에 연결될 수 있다.The N well 430 may be formed on the deep N well 420, and the
또한, 제1 N+영역(432)은 N웰(430) 상에 형성되되, 제1 P+영역(431)과 소정거리 이격되어 외부와 플로팅 되도록 형성될 수 있다.In addition, the
제1 P웰(440)은 딥 N웰(420) 상에 형성되되, 상기 N웰(430)과는 소정거리 이격되어 형성될 수 있다. 즉, N웰(430)과 제1 P웰(440) 사이에는 절연층이 형성된 구조를 갖는다. 상기 절연층은 얕은 소자 분리막 공정에 따른 절연물로 매립된 구조일 수 있다. 이때, N웰(430) 과 제1 P웰(440) 간 절연물로 매립된 이격된 길이는 설계 요구에 따라 변동될 수 있다.The first P-well 440 is formed on the deep N-well 420, and may be formed at a predetermined distance from the N-
제1 P웰(440) 상에는 제2 P+영역(441) 및 제2 N+영역(442)이 형성될 수 있으며, 제2 P+영역(441) 및 제2 N+영역(442)은 이미터 단자로써 기능하는 캐소드(cathode) 단자와 연결될 수 있다.A
제2 P웰(450)은 딥 N웰(420) 상에 형성되되, 상기 제1 P웰(440)과 소정거리 이격되어 형성될 수 있다. 제2 P웰(450) 상에는 제3 N+영역(451) 및 제3 P+영역(452)이 형성될 수 있으며, 제2 P+영역(441) 및 제2 N+영역(442)은 제2 P+영역(441) 및 제2 N+영역(442)과 함께 캐소드 단자에 연결될 수 있다.The second P-well 450 is formed on the deep N-well 420, and may be formed at a predetermined distance from the first P-well 440. A
여기서, 상기 제1 P웰(440)과 제2 P웰(450)은 트리거 전압 미만의 전압이 애노드 단자에 인가되는 경우, 전류의 흐름을 차단한다. 또한, 애노드 단자와 캐소드 단자 사이의 전압이 트리거 전압 이상인 경우, 캐소드 단자를 향한 전류 경로를 형성하여 전류를 캐소드 단자로 흐르게 한다.Here, when the voltage below the trigger voltage is applied to the anode terminal, the first P well 440 and the second P well 450 block the flow of current. In addition, when the voltage between the anode terminal and the cathode terminal is greater than or equal to the trigger voltage, a current path toward the cathode terminal is formed to flow the current to the cathode terminal.
또한, 제1 P웰(440)과 제2 P웰(450)이 서로 근접하여 형성되기 때문에 애노드 단자에 ESD 서지(surge)가 유입되면, 딥 N웰(420)과 제1 P웰(440) 접합에서 또는 딥 N웰(420)과 제2 P웰(450) 접합에서 각각 애벌런치 항복(Avalanche Breakdown)이 발생될 수 있다. 좀 더 상세하게는 애노드 단자에 비교적 가까운 제1 P웰(440)의 모서리부분에서 애벌런치 항복이 발생될 수 있다.In addition, when the ESD surge is introduced into the anode terminal because the first P well 440 and the second P well 450 are formed close to each other, the deep N well 420 and the first P well 440 Avalanche breakdown may occur at the junction or at the deep N well 420 and the second P well 450 junction, respectively. In more detail, avalanche breakdown may occur in the corner portion of the first P-well 440, which is relatively close to the anode terminal.
제1 P웰(440) 및 제2 P웰(450) 상에는 제1 P웰(440) 및 제2 P웰(450)과 접하도록 게이트(460)가 형성될 수 있다. 여기서, 게이트(460)는 제2 N+영역(442) 및 제3 N+영역(451)을 각각 소스와 드레인으로 하는 NMOS 트랜지스터(NM) 구조를 갖는다. 또한, 게이트(460)는 제2 P+영역(441), 제2 N+영역(442), 제3 N+영역(451) 및 제3 P+영역(452)과 함께 캐소드 단자에 연결될 수 있다.A
즉, 본 발명에 따른 정전기 방전 보호소자(400)는 제1 P웰(440), 제2 P+영역(441) 및 제2 N+영역(442)은 게이트(460)를 중심으로 제2 P웰(450), 제3 N+영역(451) 및 제3 P+영역(452)과 서로 대칭되게 형성되어 이미터 단자인 캐소드 단자에 모두 연결됨으로써 듀얼 이미터 구조를 취할 수 있다.That is, the first P-well 440, the
상술한 제1 P+영역(431), N웰(430) 및 제2 P+영역(441)에 의해 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1)가 형성될 수 있고, 제1 P+영역(431), N웰(430) 및 제3 P+영역(452)에 의해 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)가 형성될 수 있다. 여기서, 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)는 병렬 구조로 형성될 수 있다.The first PNP bipolar transistor Qp1 may be formed by the
또한, N웰(430), 제1 P웰(440) 및 제2 N+영역(442)에 의해 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)가 형성될 수 있으며, N웰(430), 제2 P웰(450) 및 제3 N+영역(451)에 의해 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)가 형성될 수 있다.In addition, the first NPN bipolar transistor Qn1 may be formed by the N well 430, the first P well 440, and the
즉, 본 발명에 따른 정전기 방전 보호소자(400)는 2개의 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1, Qp2)와 2개의 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1, Qn2)를 형성할 수 있다.That is, the electrostatic
상기와 같이 본 발명의 정전기 방전 보호소자(400)는 제2 P+영역(441) 및 제2 N+영역(442)이 형성된 제1 P웰(440) 구조에서 제3 N+영역(451) 및 제3 P+영역(452)이 형성된 제2 P웰(450)을 소정거리 이격되어 추가 형성하고, 제2 P+영역(441), 제2 N+영역(442), 제3 N+영역(451) 및 제3 P+영역(452)을 이미터 단자인 캐소드 단자에 연결함으로써 P웰이 이미터 단자와 이중으로 연결된 구조를 취할 수 있다. 즉, 추가된 제3 N+영역(451) 및 제3 P+영역(452)이 형성된 제2 P웰(450)에 의해 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)가 추가됨으로써 방전 경로를 추가적으로 형성할 수 있고, 추가로 형성된 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)와 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1)가 병렬구조를 취함으로써 유입된 ESD 서지(Surge)가 병렬로 방전되도록 할 수 있다. 이러한, 병렬구조의 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1, Qp2)에 의해 전류가 병렬로 방전되기 때문에 본 발명의 정전기 방전 보호소자(400)는 감내 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, the electrostatic
또한, 플로팅으로 형성된 제1 N+영역(432)에 의해 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)의 전류이득 베타를 감소시켜 베이스에 흐르는 전류를 상승시킬 수 있다. 따라서, 홀딩 전압을 증가시킬 수 있기 때문에 본 발명에 따른 정전기 방전 보호소자(400)는 고전압에 적용 가능한 장점을 가진다.In addition, the current gain beta of the first PNP bipolar transistor Qp1 and the second PNP bipolar transistor Qp2 may be reduced by the floating
도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 정전기 방전 보호소자의 동작을 설명하면 다음과 같다.The operation of the electrostatic discharge protection device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5 as follows.
본 발명에 따른 정전기 방전 보호소자(400)는 보호소자에 트리거 전압 미만의 전압이 인가되었을 때와 트리거 전압 이상의 전압이 인가되었을 때로 구분되어 동작될 수 있다. 일예로, 정전기 방전 보호소자(400)에 트리거 전압 미만의 ESD 전류가 유입될 경우, 딥 N웰(420)과 제1 P웰(440) 또는 제2 P웰(450)에 역바이어스가 인가되어 정전기 방전 보호소자(400)는 동작하지 않게 된다. 허나, 정전기 방전 보호소자(400)에 트리거 전압 이상의 ESD 서지(surge)가 애노드를 통해 유입될 경우, 딥 N웰(420)과 제1 P웰(440) 또는 제2 P웰(450)에서 애벌런치 항복(Avalanche Breakdown) 현상이 발생된다. 좀 더 상세하게는 애노드 단자에 비교적 가까운 제1 P웰(440)의 모서리부분에서 애벌런치 항복이 발생될 수 있다. 즉, 딥 N웰(420)과 제1 P웰(440) 또는 제2 P웰(450)의 접합 계면에서 고에너지의 캐리어에 의한 원자의 충돌이온화 현상이 발생되고, 이는 딥 N웰(420)과 제1 P웰(440) 또는 제2 P웰(450) 사이에 비교적 큰 폭을 가지는 공핍 영역이 형성된다.The electrostatic
상기와 같이, 애벌런치 항복이 발생되면 수많은 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair)이 생성될 수 있다. 이때, 전자는 N웰(430)을 거쳐 애노드 단자로 향하게 되고, 정공은 제1 P웰(440)을 거쳐 캐소드 단자로 향하게 된다. 전자와 정공들이 N웰(430)과 제1 P웰(440) 및 제2 P웰(450)로 흐르면서 각각의 웰 영역들의 전기적 퍼텐셜이 변화되어 기생 바이폴라의 생성을 위한 순방향 바이어스를 유도한다. 유도되는 순방향 바이어스는 다음과 같다.As described above, when avalanche breakdown occurs, a number of electron-hole pairs may be generated. At this time, the former is directed to the anode terminal through the N-well 430, and the hole is directed to the cathode terminal through the first P-well 440. As electrons and holes flow to the N well 430, the first P well 440, and the second P well 450, the electrical potential of each well region is changed to induce forward bias for the generation of parasitic bipolars. The forward bias induced is:
애벌런치 항복으로 발생한 전자가 애노드 단자로 흐르면 N웰(430)의 전기적 퍼텐셜을 변화시켜 제1 P+영역(431)과 N웰(430)로 이루어지는 PN 접합으로 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)가 순방향 바이어스를 달성한다. 또한, 애벌런치 항복으로 발생한 정공이 캐소드 단자로 흐르면 제1 P웰(440) 및 제2 P웰(450)의 전기적 퍼텐셜을 변화시켜 제2 N+영역(442)과 제1 P웰(440)로 이루어지는 NP접합으로 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)가 순방향 바이어스를 달성하고, 제3 N+영역(451)과 제2 P웰(450)로 이루어지는 NP접합으로 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)가 순방향 바이어스를 달성한다.When electrons generated by avalanche breakdown flow to the anode terminal, the electrical potential of the N-
상술한 바이폴라 트랜지스터들의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.The operation of the above-described bipolar transistors will be described in detail as follows.
딥 N웰(420)과 제1 P웰(440)에서 애벌런치 항복이 발생되면, 발생된 전자-정공 쌍에 의해 제1 P+영역(431)을 이미터(Emitter), N웰(430)을 베이스(Base)로 하고 제2 P+영역(441)을 컬렉터(Collector)로 하는 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1)와 제1 P+영역(431)을 이미터, N웰(430)을 베이스로 하고 제3 P+영역(452)을 컬렉터로 하는 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)가 턴온된다. 여기서, 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1)는 추가로 형성된 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)에 의해 병렬구조를 취함으로써 유입된 ESD 서지가 병렬로 방전되도록 할 수 있다. 이러한, 병렬구조의 2개의 PNP 바이폴라 트랜지스터에 의해 전류가 병렬로 방전되기 때문에 감내 특성을 향상시킬 수 있다.When avalanche breakdown occurs in the deep N-well 420 and the first P-well 440, the
또한, 플로팅으로 삽입된 제1 N+영역(432)에 의해 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)의 전류이득 베타를 감소시켜 베이스에 흐르는 전류를 증가시킨다. 베이스 전류의 증가에 의해 결과적으로 홀딩 전압이 높아진다. 따라서, 감내 특성의 향상과 높아진 홀딩 전압에 의해 본 발명의 정전기 방전 보호소자(400)는 고전압에 응용이 가능하다.In addition, the current gain beta of the first PNP bipolar transistor Qp1 and the second PNP bipolar transistor Qp2 is decreased by the
계속해서, 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)가 턴온 되면, 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)에 흐르는 전류는 제1 P웰(440)에 흐르게 되고, 제1 P웰(440)의 전위를 높이게 된다.Subsequently, when the first PNP bipolar transistor Qp1 and the second PNP bipolar transistor Qp2 are turned on, the current flowing through the first PNP bipolar transistor Qp1 and the second PNP bipolar transistor Qp2 is the first Pwell ( 440), and increase the potential of the first P-well 440.
전위가 높아진 제1 P웰(440) 및 제2 P웰(450)과 제1 P웰(440)에 접하는 제2 N+영역(442) 및 제2 P웰(450)에 접하는 제3 N+영역(451) 사이의 전위 차이가 문턱전압 이상이 되면 순방향 턴온이 되면서 N웰(430)을 컬렉터, 제1 P웰(440)을 베이스로 하고 제2 N+영역(442)을 이미터로 하는 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)와 N웰(430)을 컬렉터, 제2 P웰(450)을 베이스로 하고 제3 N+영역(451)을 이미터로 하는 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)가 턴온된다.The
제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1)와 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)의 턴온에 의해 흐르는 전류는 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)의 베이스에 연결된 저항(Rnw)의 전압강하에 의해 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)가 순방향 바이어스(forward bias)를 유지하도록 한다.The current flowing by the turn-on of the first NPN bipolar transistor Qn1 and the second NPN bipolar transistor Qn2 is the resistance of the resistor Rnw connected to the bases of the first PNP bipolar transistor Qp1 and the second PNP bipolar transistor Qp2. The first PNP bipolar transistor Qp1 and the second PNP bipolar transistor Qp2 are maintained by a voltage drop to maintain a forward bias.
또한, 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)에 흐르는 전류는 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1) 및 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)의 베이스에 연결된 저항(Rpw)의 전압강하에 의해 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1) 및 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)가 순방향 바이어스를 유지하도록 돕니다.In addition, the current flowing through the first PNP bipolar transistor Qp1 and the second PNP bipolar transistor Qp2 is the voltage of the resistor Rpw connected to the bases of the first NPN bipolar transistor Qn1 and the second NPN bipolar transistor Qn2. The drop helps the first NPN bipolar transistor (Qn1) and the second NPN bipolar transistor (Qn2) to maintain forward bias.
따라서, 턴온 된 2개의 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1) 및 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)와 2개의 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn1) 및 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터(Qn2)에 의해 SCR이 트리거 된다. 이를 통해 더 이상 바이어스를 잡아줄 필요가 없게 되어 애노드 전압은 최소값까지 감소하게 되는데 이를 홀딩 전압(Holding voltage)이라 하며, SCR의 트리거 동작 이후에 홀딩 전압을 유지하는 동작을 래치 모드(Latch-mode)라 한다. 래치 동작으로 인해 SCR이 동작하게 되면서 애노드로 유입된 ESD 전류는 캐소드단자를 통해 방전된다.Therefore, the SCR is triggered by the turned-on two first PNP bipolar transistors Qp1 and the second PNP bipolar transistor Qp2, and the two first NPN bipolar transistors Qn1 and the second NPN bipolar transistor Qn2. Through this, it is no longer necessary to bias, and the anode voltage is reduced to a minimum value. This is called a holding voltage, and the operation of maintaining the holding voltage after the trigger operation of the SCR is in latch-mode. It says. As the SCR operates due to the latch operation, the ESD current flowing into the anode is discharged through the cathode terminal.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자(400)는 종래의 정전기 방전 보호소자(400) 구조에서 제2 P웰(450)을 제1 P웰(440)에 근접하도록 추가로 형성하고, 제2 P웰(450) 상에 제3 P+영역(452) 및 제3 N+영역(451)을 형성하여 캐소드에 연결되는 구조를 이중으로 형성할 수 있다. 따라서, 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp2)에 의한 전류 방전 경로가 추가되어 종래의 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터(Qp1)와 병렬로 전류를 방전하는 구조를 취할 수 있기 때문에 감내 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, the electrostatic
또한, 추가로 삽입된 플로팅되어 형성된 제1 N+영역(432)에 의해 PNP 바이폴라 트랜지스터의 전류이득 베타를 감소시켜 베이스에 흐르는 전류를 상승시킬 수 있기 때문에, 홀딩 전압이 증가되는 효과를 갖는다.In addition, since the current gain beta of the PNP bipolar transistor can be reduced by the
따라서, 향상된 감내 특성과 증가된 홀딩 전압에 의해 높은 전압 환경에서 발생하는 ESD Surge에 대해 효과적으로 반도체 소자를 보호할 수 있으며, 안정적인 동작을 확보할 수 있다.Therefore, it is possible to effectively protect the semiconductor device against ESD surge generated in a high voltage environment due to improved withstand characteristics and increased holding voltage, and ensure stable operation.
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 specification and drawings are merely presented as specific examples for ease of understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains that other modified examples based on the technical idea of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.
410 : 반도체 기판
420 : 딥 N웰
430 : N웰
431 : 제1 P+영역
432 : 제1 N+영역
440 : 제1 P웰
441 : 제2 P+영역
442 : 제2 N+영역
450 : 제2 P웰
451 : 제3 N+영역
452 : 제3 P+영역
460 : 게이트
저항 : Rpw, Rnw
Qp1 : 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터
Qp2 : 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터
Qn1 : 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터
Qn2 : 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터410: semiconductor substrate 420: deep N-well
430: N-well 431: 1st P+ area
432: 1st N+ area 440: 1st P well
441: second P+ area 442: second N+ area
450: second P-well 451: third N+ region
452: third P+ area 460: gate
Resistance: Rpw, Rnw
Qp1: first PNP bipolar transistor
Qp2: second PNP bipolar transistor
Qn1: 1st NPN bipolar transistor
Qn2: 2nd NPN bipolar transistor
Claims (9)
상기 반도체 기판 상에 형성된 딥 N웰;
상기 딥 N웰 상에 형성된 N웰;
상기 딥 N웰 상에 형성되고, 상기 N웰과 근접하게 형성된 제1 P웰;
상기 딥 N웰 상에 형성되고, 상기 제1 P웰과 근접하게 형성된 제2 P웰; 및
상기 제1 P웰 및 상기 제2 P웰 상에 접하도록 형성된 게이트를 포함하는 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자.Semiconductor substrates;
A deep N well formed on the semiconductor substrate;
An N well formed on the deep N well;
A first P well formed on the deep N well and close to the N well;
A second P well formed on the deep N well and proximate to the first P well; And
An electrostatic discharge protection device having a dual emitter structure including a gate formed to contact the first P well and the second P well.
상기 N웰 상에 형성된 제1 P+영역;
상기 N웰 상에 형성된 제1 N+영역;
상기 제1 P웰 상에 형성된 제2 P+영역;
상기 제1 P웰 상에 형성된 제2 N+영역;
상기 제2 P웰 상에 형성된 제3 N+영역; 및
상기 제2 P웰 상에 형성된 제3 P+영역을 더 포함하는 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자.According to claim 1,
A first P+ region formed on the N well;
A first N+ region formed on the N well;
A second P+ region formed on the first P well;
A second N+ region formed on the first P well;
A third N+ region formed on the second P well; And
An electrostatic discharge protection device having a dual emitter structure further comprising a third P+ region formed on the second P well.
상기 제1 P+영역은 애노드 단자에 연결되고,
상기 제2 P+영역, 상기 제2 N+영역, 상기 게이트, 상기 제3 N+영역 및 상기 제3 P+영역은 캐소드 단자에 연결되는 것인 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자.According to claim 2,
The first P+ region is connected to the anode terminal,
The second P+ region, the second N+ region, the gate, the third N+ region, and the third P+ region are connected to a cathode terminal, and the electrostatic discharge protection device having a dual emitter structure.
상기 게이트와 상기 제2 N+영역 및 상기 제3 N+영역을 각각 소스와 드레인으로 하는 NMOS 트랜지스터가 형성되는 것인 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자.According to claim 2,
An electrostatic discharge protection device having a dual emitter structure in which NMOS transistors having source and drain as the gate and the second N+ region and the third N+ region, respectively, are formed.
상기 제1 P+영역, 상기 N웰 및 상기 제2 P+영역에 의해 형성된 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터;
상기 제1 P+영역, 상기 N웰 및 상기 제3 P+영역에 의해 형성된 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터;
상기 N웰, 상기 제1 P웰 및 상기 제2 N+영역에 의해 형성된 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터; 및
상기 N웰, 상기 제2 P웰 및 상기 제3 N+영역에 의해 형성된 제2 NPN 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자.According to claim 2,
A first PNP bipolar transistor formed by the first P+ region, the N well and the second P+ region;
A second PNP bipolar transistor formed by the first P+ region, the N well and the third P+ region;
A first NPN bipolar transistor formed by the N well, the first P well, and the second N+ region; And
An electrostatic discharge protection device having a dual emitter structure including a second NPN bipolar transistor formed by the N well, the second P well, and the third N+ region.
상기 제1 PNP 바이폴라 트랜지스터와 상기 제2 PNP 바이폴라 트랜지스터는 병렬로 연결되는 것인 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자.The method of claim 5,
The first PNP bipolar transistor and the second PNP bipolar transistor are electrostatic discharge protection devices having a dual emitter structure connected in parallel.
상기 애노드 단자에 ESD 서지(surge)가 유입되면, 상기 딥 N웰과 상기 제1 P웰 접합에서 애벌런치 항복(Avalanche Breakdown)이 발생되는 것인 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자.According to claim 3,
When the ESD surge is introduced into the anode terminal, an electrostatic discharge protection device having a dual emitter structure in which avalanche breakdown occurs at the junction of the deep N well and the first P well.
상기 제1 N+영역은 외부와 플로팅 되어 형성되는 것인 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자.According to claim 2,
The first N+ region is an electrostatic discharge protection device having a dual emitter structure formed by floating with the outside.
상기 제1 P웰, 상기 제2 P+영역 및 상기 제2 N+영역은 상기 게이트를 중심으로, 상기 제2 P웰, 상기 제3 N+영역 및 상기 제3 P+영역과 서로 대칭되게 형성되는 것인 듀얼 이미터 구조를 갖는 정전기 방전 보호소자.According to claim 2,
The first P well, the second P+ region, and the second N+ region are formed to be symmetric with each other with respect to the gate and the second P well, the third N+ region, and the third P+ region. Electrostatic discharge protection device with emitter structure.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180153476A KR20200066853A (en) | 2018-12-03 | 2018-12-03 | Electrostatic Discharge Protection Device having Dual Emitter Structure |
Applications Claiming Priority (1)
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X601 | Decision of rejection after re-examination |