TW200425460A - Electrostatic discharge circuit and method therefor - Google Patents

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Michael G Khazhinsky
James W Miller
Michael Stockinger
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Motorola Inc
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Description

200425460 玫、發明說明： 【先前申請案之考考】 中請的美國專利案號 本專利申請案是在2003年1月22曰 1〇/348,814 〇 【發明所屬之技術領域】 一靜電 本發明大致關於電路，更明確而言，有關用以在 放電期間減少一積體電路潛在損壞之電路及方法。 【先前技術】 當受到高於積體電路設計電壓的_電壓時，積體電路可 能損機械“載體、_塑膠晶片储存裝置、 或甚至人類造成的靜電放電（，，ESD”）可產生刀於積體電路 設計電壓許多倍的-電壓。例如，典型人體可供應多達4 千伏特的靜電放電◊對於在小於例如5伏特（v)電壓上操作 的積體電路而言，此比例的一靜電放電會被毁壞。 為了要保護内部電路不受高電壓、或ESD事件的影響， 通常可在積體電路的内部電路與輸入/輸出（”Ι/〇π)之間使 用保護電路。在ESD事件期間造成電路失敗的一機構已知 是”雙極急返’’現象。 圖1是根據先前技術而以部份圖式與部份截面圖描述_ν 通道金屬氧化半導體（MOS)電晶體與一固有寄生雙極電晶 體。如圖1所述，一ΝΡΝ雙極裝置是在ρ基板中形成，其中 該Ρ基板的一射極耦合到源極；一集極耦合到汲極；及一基 極耦合到Ν通道MOS(NMOS)電晶體的基板。在圖丨中，描述 的基板帶與源極是使用耦合到輸入/輸出墊的汲極而耦合
O:\90W0852 DOC 200425460 到接地。顯示的輸入/輸出墊是接收一明確ESD事件。 在雙極急返期間，透過耦合到輸入/輸出墊（集極）的一 n+ 擴政、與福合到接地（射極）的一 n+擴散形成的寄生雙極裝 置可經由標不’’Rsub’’固有基板電阻的一自偏壓機構而進行 大量的ESD放電電流。自偏壓會在集極_基極（即是n+汲極到 P基板）接合上造成崩潰，其中崩潰產生的電洞對可被建 立。崩潰產生源是如圖1的電流源1§611所示，其表示基板（電 洞）電流。從此效應產生的電洞會經由固有基板電阻而移向 基板V ’藉此在電晶體附近產生一局部升高的基板電位。 只要此電位超過大約0.7伏特，它便足以使寄生裝置的基極 -射極接合（即是，+頂端基板）的順向偏壓，藉此使裝置導 通。寄生雙極動作先發生的汲_源極電壓與汲極電流點稱為 (Vtl、It 1)。通常’本質包含在例如一輸出緩衝器的n通道 MOS裝置的雙極裝置最會受到急返的影響。此寄生裝置時 常是在受到ESD事件電路中的失敗點。 減輕此寄生雙極問題的一眾所週知的解決是增加在1^通 道MOS電晶體的汲極與一輸出接腳之間連接的一安全電 阻。此技術透過經由NMOS電晶體（或形成單一 NM〇s電晶 體的數個指狀物）而相等分配任何放電電流而有助於確保 在電路的雙極傳導事件中ESD保護的一些加入測量。加入 女全電阻以確保在另一集極_射極電壓Vt2上的失敗點大於 集極-射極電壓Vtl，其中電流是在寄生雙極電晶體中開始 流通。在Vtl與Vt2之間的關係是在圖2描述。 圖2描述圖1的n通道電晶體的汲極電流與汲極電壓比較
0 \90\90852 DOC 200425460 圖。圖2顯示兩個曲線。一曲線描述一典型非矽化物自己排 列形成（自己排列形成d)技術的汲-源極電壓的汲極電流，且 另一曲線描述一典型矽化物自己排列形成技術的汲極電流 與汲-源極電壓的比較。當數個NMOS電晶體（或形成單一 NMOS電晶體的數個指狀物）是充當一寄生雙極裝置，此一 裝置是依賴固有寄生雙極電晶體的”急返，，電流-電壓特性。 如前述，一電流會在某個集極-射極電壓Vtl上開始流過雙 極電晶體。其後，當電流增加時，集極_射極電壓會減少， 造成從Vtl”急返”。當汲極電壓增加時，趨勢會相反，當電 流亦升鬲時，造成集極-射極電升高。最後，雙極電晶體會 在另一特殊集極-射極電壓Vt2上失敗。在一典型非石夕化物 自己排列形成技術中，既然電晶體呈現的電阻是相當高（即 是’圖2的線條斜率較陡），所以vt2通常大於vtl。在一典 型石夕化物自己排列形成技術中，既然石夕化物自己排列形成 源極/汲極擴散低於裝置的有效串聯電阻（即是，圖2的線條 斜率較陡），所以Vt2通常小於Vtl。在任何技術中，vt2是 透過以女王電阻的形式增加串聯電阻而控制到大於 vtl。此可保証第— NM0S電晶體（或NM〇s電晶體的指狀物） 的電壓不會在小於第二NM0S電晶體導通的電壓，接著可保 证整個裝置的失敗電流為其個別元件的總數，而不是急返 的第一區段組數。失敗電流是在圖2顯示的第二崩潰電流 It2。It2的值在一ESD事件期間必須不超過；否則，永久損 害將會在裝置造成。因此，增加安全電阻的動機可增大來 自一特定電晶體的可用It2的數量。通常，It2是因一特殊技
O:\90W0852.DOC 200425460 術的特殊製造參數而定，而且隨著不同技術而變化。 半V體技術可塑性的一般趨勢是減少每個新產生技術的 U2此由於例如使用淺、矽化物自己排列形成源極/汲極接 合、與在高度沉積的p+基板上使用晶膜層。除了在多指狀 物衣置中提升不良寬度比之外，自己排列形成層亦消耗已 知會減少第二崩潰失敗電流臨界值（It2)的接合深度之明顯 邛伤。表面基板會呈現一非常低的基板電阻，以允許整個 曰曰片的基板電位接近耦合接地。雖然此是想要避免鎖定效 應，但疋既然它會變成不容易一致性開始及維持雙極動 作’所以它會嚴格阻礙寄生雙極動作。 【發明内容】 本發明揭示一種靜電放電（ESD)保護電路（81)及用以提 i、ESD保遵之方法。在一些具體實施例中，可能受到 損壞的一Ν通道電晶體（24)能選擇性導通與傳導。該Ν通道 電Ba體（24)導通的目的是要使該Ν通道電晶體（24)的Vtl最 大化。該Vtl是N通道電晶體（24)的寄生雙極動作先發生的 汲-源極電壓點。在一些具體實施例中，該ESD保護電路（81) 包括一二極體（64)，以提供從該輸入/輸出墊31到第一電源 供應節點（76)的一額外電流路徑。 【實施方式】 雖然本發明的數個具體實施例是在下面詳細描述，但是 本务明的所有具體實施例是在一 ESD保護電路及使受保護 N通道電晶體的有效Vtl最大化之方法。本發明是禁止在先 進半導體技術中的雙極急返，其中只要超過Vtl(即是，
〇：\90V；〇8S2 DOC -9- 200425460
Vt2 = Vtl)，裝置的幾乎瞬間破壞便會發生。對於這些裝置 而言’既然呈現非常低的失敗電流It2值，所以只要瞬間破 壞發生，便不足以改善雙極急返效應。更確切而言’對於 這些技術而言，想要完全避免急$，並要小心注意以增加 vti的有效值，所以輸出緩衝器NM〇s裝置在一esd放電期 間不會急返。此明顯不同於在例如安全的習知技術急返之 後嘗試控制寄生雙極動作的傳統方法。 圖3描述一部份積體電路（IC)1〇的具也esd保護的一輸出 緩衝器電路。在圖3描述的本發明具體實施例中，一偏壓電 路12是接收來自積體電路1〇的其他邏輯信號，且該偏壓電 路12耦合到N通道電晶體24的控制電極2〇，並耦合到電晶體 24的汲極16。一輸出端（例如輸入/輸出墊31)可外部耦合積 體電路ίο ;如此，便能耦合到一外部ESD#32。在本發明 的一些具體實施例中，輸入/輸出墊31是經由一電阻Rd 28 而耦口到汲極16。在另一具體實施例中，不使用電阻Rd 28，且輸入/輸出墊3 1耦合到汲極16。電阻Rs 26的第一端耦 合到一第一電源供應電壓，且其第二端耦合到電晶體24的 源極18。在另一具體實施例中，不使用電阻Rs 26，且第一 電源供應電壓耦合到電晶體24的源極1 8。 N通道電晶體24包括一閘極區域2〇、一汲極區域16、與一 源極區域18。層19是一部份12閘極區域20，且是氧化物隔 離層。在一些具體實施例中，一矽化物層15是在電晶體24 本體上形成疊置歐姆連接22, 一矽化物層21形成疊置源極 夕化物層17形成登置沒極16，且一碎化物層13形成
0 \00V；0852 DOC 200425460 疊置閘極20。N通道電晶體24包括一寄生雙極電晶體14、一 電流源Igen、與一固有基板電阻Rsut)。 圖4根據本發明的一具體實施例而描述具有esd保護的 -電路。電路81包括：一節點76’其耦合到第一電源供應 電壓（例如VSS);與-節點74，其耗合到一第二電源供應電 壓（例如VDD)。二極體72具有：—第一端，其輕合到第二 電源供應電壓·，及-第二端’其輕合到第一電源供應電壓。 細軌鉗位观合到第-與第二電源供應電壓。㈣執甜位 7〇包含-觸發電路73_通道電晶體7卜電晶體75且有：一 第-電流電極’其耗合到第二電源供應電壓；一第二電流 I極其@ σ到該第-電源供應；及—控制電極，其連接 :節點二觸發器電路73耗合到第一與第二電源供應電 i ’亚在即點79上提供-輸出信號。二極體66具有：一第 I端’其稱合到該第二電源供應電昼；及-第二端，其搞 :到二極體68的一輸入/輸出㈣與-第-端。二極體68的 弟二端耦合到該第一電源供應電壓。 :即：新參考圖4’ —p通道電晶體以具有：一第一電流
'、、耦合到該第二電源供應電壓；一第二電流電極， 其耦合到輸入/輸出墊31 . "L 〗。上的其他邏輯(未在圖顯亍)接:制:極，其是從積體電路 _-第-電流電本入:號，道電晶 31、與電__1 ^ φ J匕本體、輸入/輸出塾 麵合到節點55、及Pit^t體54的—第二電流電極 的—$_山 、電日日體56的—控制電極、與電阻60 、第〜電晶體54的控制電極輕合到第二電源供應電
O:\90\90852 DOC -II - 200425460 壓。即點80分別耦合到電阻!^ 28的第二端、p通道電晶體 52的第一電流電極、N通道電晶體24的第一電流電極、與二 極體64的一第二端。二極體64的第一端耦合到第二電源供 應黾電aa體24的第二流通電極搞合到一電阻2 $的一 第立而屯阻Rs 26的第二端耦合到第一電源供應電壓。節 點82分別耦合到電晶體24的控制電極、電晶體52的第二電 流電極、與一傳輸閘極5〇的輸出。傳輸閘極50的輸入耦合 到積體電路10上的其他邏輯(未在圖顯示)。傳輸閘極％的N 通道控制輸入分別耦合到電晶體52的控制電極、p通道電晶 體56的第二電流電極、與N通道電晶體58的第一電流電極。 傳輸閘極50的P通道控制輸入耦合到電晶體“與^的控制 電極、與電阻60的第一端。電阻60的第二端耦合到第:電 源供應電壓。電晶體56的第一電流電極耦合到第二電源供 應包壓。電晶體58的第二電流電極耦合到第一 壓。-事件㈣路一道電晶體54。= 包括電晶體52、56與58、傳輸閘極5G、與電阻6卜偏壓電 路12包括ESD事件偵測電路43與開關電路44。 «、使用術語，，電阻”，但是可完全了解到在圖4描述的電 阻是實質能以任何方式實施的電阻元件，包括使用電晶體 或任何其他適當裝置。 在圖4顯示的ESD執鉗位7〇是當作—主動甜位電路，且當 觸發電路川貞測一 ESD事件時，可用來在第一與第二電源 供應節點76與74之間提供一 ESD放電路徑。透過觸發器電 路73控制的N通道電晶體75是當作在第一與第二電源供應
〇 \W\90852 DOC -12- 200425460 節點76與74之間的主要ESD電流分路裝置使用。在本發明 的另-具體實施例中，ESD軌钳位7G的配置是不同於在圖4 的顯示。在本發明的—些具體實施例中，不使用傳輸閉極 5〇 ’且在積體電路1〇上的其他邏輯是直接搞合到節點仏 注意，電路節點80是位在電晶體24的汲極16(參考圖”與電 阻Rd 28的第二端之間。在本發明的—些具體實施例中，
Rd28的電阻是零，而在本發明的另一具體實施例中，以％ 的電阻是零。偏壓電路12能以廣泛各種方式實施。對於電 路81的一些具體實施例而言，不使用二極體以。在仍然電 路81的其他具體實施例中，不使用偏壓電路12與電阻 Rs 26。 在圖4描述的電路8丨的操作現將描述。在會造成與第一電 源供應電壓（節點76)有關的一過度正電壓的輸入/輸出墊31 上應用的一ESD事件期間，電路81能經由二極體66、節點 74、ESD執鉗位70、與節點76而提供從輸入/輸出墊31到節 點76的一第一、與主要ESD電流路徑（路徑1}。超過4〇安培 (A)的多數ESD電流典型是跟隨此路徑。因此，沿著路徑i 的大主動裝置是用於沿著路徑以確保儘可能較低的累積電 阻。例如，在ESD軌鉗位70的二極體66與]^通道電晶體乃典 型上可以大小適合非常低的電阻，使得在ESD事件期間， 輸入/輸出墊到達8.0伏特的峰值電壓，且節點74到達4刀6伏 特的峰值電壓。跨在二極體66的總電壓降是正常〇·7伏特順 向偏壓加上電流乘以電阻（IR)電壓降的組合。在目前積體電 路中，不容易實施小於大約〇·67歐姆電阻的二極體66。因 O:\90\90852 DOC -13 - 200425460 對於4 · 〇女培峰值E S D電流而言，有〇 · 1伏特電壓降將 上跨在二極體66上的大約2·54伏特IR電壓降。對於利用ESD 保濩的一極體66與ESD執钳位70的積體電路而言，沿著路 從1的總電壓降的一半典型會跨在二極體66上發生。在此描 述的本發明的一些具體實施例中，亦提供兩個辅助電 流路徑（路徑2與路徑3)。第二ESD電流路徑（路徑2)是經由 包阻11(1 28、N通道電晶體24、電阻Rs 26與節點76而從輸入· /輸出墊31到節點76。第三ESD電流路徑（路徑3)是經由電阻 _ Rd 28、二極體64、節點74 ' ESD執钳位7〇、與節點％而從% 輸入/輸出墊31到節點76。雖然路徑2與路徑3增加在輸入/ 輸出墊31與節點76之間的分路ESD電流的主要ESD電流路 匕（路位1)’但疋本發明一些具體實施例的目的並非要明顯 減少經由路徑1路由的電流，或沿著路徑1的累積電壓降。 更明確而言，一些具體實施例的目的是要重新更改沿著路 徑1路由的一小部份ESD電流，而迫使此電流流過電阻Rd 28、Rs 26、或兩者。如前述，跨在這些電阻上的結果爪電鐘 塵降會增加輸入/輸出墊電壓，其中電晶體24到達急返，並 遭受永久的ESD損害。因此，在N通道電晶體24損害之前， 甚至較高ESD電流會沿著路徑1而路由。 · 有關路徑2的電路將接著描述。在前述的esd事件期間， 偏壓電路12是在N通道電晶體24的閘極上提供一偏壓。沿著 路徑1至二極體66流過的ESD電流可確保在輸入/輸出墊3工 與節點74之間的一明顯潛在差。如果輸入/輸出墊電壓以大 於一 P通道電晶體臨界值電壓超過在節點74的電壓，p通道 O:\90\90852.DOC -14- 200425460 電晶體54便會導通，並工作使節點55升高到輸入/輸出墊電 壓。電阻60有足夠電阻，所以只要p通道電晶體54導通，便 合易使節點5 5升高到接近輸入/輸出墊電壓。p通道電晶體 56與N通道電晶體58形成一 CMOS反相器，使得當節點55升 高到輸入/輸出墊電壓時，P通道電晶體52的閘極端便會拉 到接近第一電源供應電壓。此會使p通道電晶體52導通，其 然後將節點82拉到大約與節點8〇相同的電壓。在此方式 中，在一ESD事件期間，偏壓電路12是在N通道電晶體以的 閘極上提供一偏壓，且此偏壓實質等於在節點8〇上的偏 壓。節點80亦是N通道電晶體24的汲極端。因此，在esd事 件偵測電路43偵測到一 ESD事件期間，電晶體以會受偏 壓，使得它的閘極電壓（Vgate)會大約等於它的汲極電壓 (Vdrain)。偏壓電路12亦包括一傳輸閘極5〇，以將在Ε§ϋ事 件期間與偏壓電路12操作形成干擾的N通道電晶體24閘極 從積體電路ίο上的其他邏輯解耦合。假設，在一esd事件 期間，在沒有偏壓電路12提供，積體電路1〇的另一邏輯可 保持，或將電晶體24的閘極耦合在或接近節點76的電壓。 然而，此對於電路81的適當功能為不必要。在積體電路ι〇 的正常啟動操作期間，偏壓電路12不應該與電路81的正常 操作形成干擾。既然輸入/輸出墊電壓典型只在正常電路操 作期間的節點76與74上的電壓之間搖擺，所以除了在一 ESD事件之外，P通道電晶體54是不會導通。因此，在所有 正常電路操作期間，節點55應該保持在或接近節點乃電 位此可確保P通道電晶體52保持。此外，傳輸閘極5〇會導
0:\9U\9()852.D0C -15 - 200425460 通，以便依正常操作的需要，以將N通道電晶體24的閘極耦 合到積體電路10的其他邏輯。
圖5是顯示N通道電晶體24的Vtl如何如同Vgate的功能而 改變的本發明具體實施例測量資料圖。Vtl資料是處理A與 處理B的兩個範例處理技術的顯示。對於兩個處理而言，當 Vgate從0伏特增加時，Vtl會在Vgate = 0伏特時從大約8伏特 的初始值下降到在中間Vgate偏壓情況的大約6伏特的最小 值，然後在Vgate«Vdrain偏壓情況重新上升到較高位準。 注意，在處理八，在\^&1：6«\^(^&丨11的\^1；1是較高在\^&16 = 0伏 特的Vtl大約1.0伏特。隨著處理B，另一方面，在 Vgate»Vdrain«7.4伏特的Vt 1是大約低於在Vgate=0伏特的 Vtl大約0·6伏特。因此，可清楚知道，當相較於Vgate=0伏 特偏壓時，將N通道電晶體24的閘極偏壓到Vgate»Vdrain的 一 ESD電路不能始終保証Vtl的增加。事實上，對於處理B 而言，如果電阻Rd 28與Rs 26皆設定成零歐姆，圖4的偏壓 電路12呈現可能減少N通道電晶體24的Vtl。在此描述的本 發明具體實施例的一優點是在沿著路徑2的Rd 28或Rs 26或 兩個電阻的偏壓電路12所產生電晶體24的Vgate«Vdrain偏 壓情況可產生電晶體24的一較高”有效’’Vtl。電晶體24的有 效Vtl的.定義如同輸入/輸出墊31電壓，其中N通道電晶體24 是局部到達其π本質π(汲極到源極）Vtl臨界值。其顯示電晶 體24的有效Vtl是等於本質Vtl加上跨在電阻Rd 28與Rs 26 的任何IR電壓降的總和。因此，透過完全使N通道電晶體24 導通到VgatesVdrain偏壓，在一ESD事件期間，並透過增加 O:\90\90852.DOC -16- 200425460
Rd 28或Rs 26、或兩個電阻與此電晶體24的串聯，對應受 保濩電晶體的急返（失敗）的輸入/輸出墊電壓會增加。雖然 未在圖5顯示，但是在一些處理技術中，當¥料化偏壓到高 於Vdrain的一電壓時，可見到Vtl的輕微進一步增加。然 而，由於過度應用電壓有關在一 ESD事件期間的電晶體24 閘極氧化物損壞，所以Vgate通常限制在一些Vdrain伏特中 的值。在本發明偏壓一些具體實施例中，電路12可在電晶 體24上產生Vgate>Vdrain偏壓情況。 在圖6中，使用Vgate=Vdrain偏壓情況測量的有關本發明 一些具體實施例的vu資料是以增加的汲極端（圖4的11(1 28) 或源極端（圖4的Rs 26)串聯電阻的函數顯示。顯示的電阻值 是對應1微米通道寬度的一 N通道電晶體24。對於較寬的電 晶體而言，這些電阻值是除以電晶體通道寬度以獲得必要 的電阻值，以達成相同的Vtl效率。四個曲線是在圖6繪出。 亦標示”有效Rd”的曲線92將先描述。此曲線顯示當汲極端 電阻Rd 28從0歐姆以較大增加增加時的有效vu的增加。電 阻Rs 26在此情況係假設等於零歐姆。有效vu可看出是從 Rd=0歐姆的7.4伏特增加到Rd=125〇歐姆的9·7伏特。在圖6 中，可看出亦標示”本質Rd”的曲線94是水平線。此曲線是 繪出N通道電晶體24的本質Vtl,此本f和是在裝置的沒極 與源極端之間測量。可看出本質Vtl於電阻Rd 28的所有值 是保持在7.4伏特。透過將曲線92與曲線94的比較，可看出 有效Vtl的改善在ESD事件期間是整個歸於跨在電阻Rd μ 的IR電壓降。很清楚知道對於本發明的此具體實施例而 0 \90\90852.DOC -17- 200425460 5 ’在7 · 4伏特與9 · 8伏特之間的任何有效v 11目標可透過選 擇在0歐姆與1250歐姆之間的一 Rd對應值而達成。 亦私示有效Rs ’’的曲線91現將描述。此曲線顯示當源極 端電阻Rs 26從0歐姆以較大增加時的有效vu增加。電阻 Rd 2 8在此情況係假設等於零歐姆。可看出有效乂丨1是從 Rs = 0歐姆的7·4伏特增加到RS=1250歐姆的112伏特。對照 於曲線94，亦標示”本質Rs”的曲線93不是水平線，但是呈 現從Rs=0歐姆的7.4伏特增加到rs=：125〇歐姆的8·3ν。增加 Rs笔阻的電晶體本質vtl的增加是由於寄生νρν雙極電晶 體的解偏壓。既然N通道電晶體24基板是直接連接到節點 76，而源極是經由電阻Rs 26而連接到節點％，所以流過以 的任何路徑2將提高超過基板電位的電晶體源極電位。此可 在電晶體源極基板接合上建立一逆向偏壓。既然？^通道電晶 體24的源極亦是固有寄生NpN雙極電晶體的射極，所以 NPN的射極-基極接合亦是逆向偏壓。此可禁止如前述由此 射極-基極接合的順向偏壓開始的寄生NpN急返。因為較高 的崩潰電流產生（Igen)，所以N通道電晶體24的本質vu會增 加，因此在本地基板電位足夠提高到使雙極電晶體的射極_ 基極接合順向偏壓之前需要一較大汲極電壓。跨在以26的 IR電壓降可提供雙極電晶體射極-基極接合的一些逆向偏 壓，藉此禁止急返。從曲線91與曲線93可看出，源極端電 阻（Rs 26)能以兩種方式來增加電晶體24的有效γη。首先， 由於跨在電阻Rs 26的IR電壓降，所以有效vu會增加。其 次，由於NPN雙極電晶體的解偏壓效應，所以一有本質γη
0 \90\90852.DOC -18- 200425460 會增加。當從圖6看出，由於這兩個效應的組合，所以當一 特定值的電阻放置在N通道電晶體24的源極端，而不是：本 發明-些具體實施例的沒極端時，有效vu會明顯增加。铁 而，兩個電阻能有效用來增加有效¥11值。從本發明的此具 體貫施例可清楚看出，在7 4伏特與i】·2伏特之間的任何有 效Vtl可透過選取在〇歐姆與125〇歐姆之間的一對應值而 達成。 〜 本發明的一具體實施例包括偏壓電路Μ，以將 VgatwVdrain偏壓情況提供給圖4的1^通道電晶體24，以在 ESD事件期間確保流過此裝置24的MOSFET電流。此外， Rd 28或RS 26、或兩者是沿著ESD電流路徑2而與電晶體24 串不”牦加。在一 ESD事件期間，這些元件的組合可明顯增 加電晶體24的有效Vtl。既然假設電晶體24的％2=%1，所 以最大化vti亦明顯增加電晶體的ESD失敗電壓。雖然汲極 端ESD電阻已使用在先前的ESD保護方法，但是這些電阻典 型只當作安全電阻使用，以便在雙極急返之後，能確保流 過在電晶體24導體寬度有一致的雙極電流。在此的本發明 描述中’目標是要增加電晶體24的有效vtl，所以在— ESC) 事件期間，急返可完全避免。 與圖4的電晶體24串聯的任何增加的源極或汲極端電阻 在大部份情況可忽略影響正常輸入/輸出電路的電效率。因 此’模擬可用來ESD改善與一特定Rd或Rs電阻值的電效率 降低優缺點選擇的比較。在大部份情況，一些電阻可被容 許’以達成在輸入/輸出墊31上增加ESD健全性。本發明的
O:\90\90852 DOC -19- 200425460 所有具體實施例的明顯優點是ESD電路可容易使用類似 ^PICE的標準電路模擬工具模擬，在esd事件期間依賴電晶 拉24寄生雙極急返的先前技術電路是不容易使用“…^模 擬。 與路徑3有關的ESD電路將接著描述。如前述，在一esd 事件期間，在圖4沿著路徑2流過電阻尺(128的任何電流能跨 在毛阻上產生IR電壓降；因此，N通道電晶體24的有效 邑乓加。一極體64可提供另一裝置，以經由電流路徑3而經 由電阻Rd 28來路由ESD電流。此額外電流可在跨於電阻 Rd 28產生進一步IRf壓降；因此，N通道電晶體24的有效 vti會進一步增加。即使電流路徑2是在一esd事件期間被 阻斷（例如，移除偏壓電路丨2，且電晶體24關閉），但是與二 極體64串聯的電阻Rd 28可提供N通道電晶體24有效vti的 明顯增加，超過它的本質Vtl值。如前述，在一典型4 〇安 培ESD事件期間，輸入/輸出墊31可到達8.0伏特，且節點74 可到達4.76伏特。由於流過如同一部份主要ESD電流路徑 (路彳二1)的此裝置之非常南電流，所以在輸入/輸出塾3 1與節 點74之間的此3·24伏特電位差是由於跨在二極體“的電壓 Ρ牛而產生。因此，在這些偏壓情況下，二極體64將會順向 偏壓，且如果節點80使過度二極體電壓降（大約〇·7伏特）提 同超過節點74，便會使電流導通。因此，如果節點8〇提高 超過5.46伏特，二極體64便會順向偏壓而在路徑3導通。此 電流會跨在電阻Rd 28上產生一 IR電壓降；因此，ν通道電 晶體24的有效Vtl會增加。
0 \90\90852.DOC -20- 2〇〇425460 與本务明-些具體實施例的N通道電晶體^有效^夏上的 路徑2與路徑3有關的電路影響將參考圖了的表格所顯示的 SHCE模擬資料來描述。所有模擬的執行是假設運用在輸入 /輸出塾3!的-正4.〇安培峰值電流咖事件，且與接地節點 %有關。對於所有模擬而言，二極⑽的作用周長是設定 成3〇0微米，二極體64作用周長是設定成30微米，執钳㈣ 通逞電晶體75通道寬度是設定成292〇微米,N通道電晶體μ 通道寬度設^成15()微米，且Rd設定成4歐姆。此外，對於 所有模擬而言，Rs設定成〇歐姆。在圖7中，在電額、輸 入/輸出塾、節點80、與節點74中三個節點上的模擬峰值 電壓是列出四個不同ESD電路結構或情況。在情以， ^要咖電流路徑（轉υ是提供來傳導咖電流。此假設 -極體64與偏壓電路12是從圖4的電路8ι移除。纟情況2， 只有路⑴與路徑2是提供來導通哪電流。此假設二極體 64是從電⑽移除m3,只有路徑丨與路徑3是提供來 傳導ESD電流。此假設偏堡電路12是從電㈣移除。在情 況4，路徑丨、路徑2、與路徑3的所有三個路徑提供用於傳 導ESD電流。 情況1的資料將先討論。在情況！，輸入/輸出塾31與節點、 74電麼分別是δ伏特與4.76伏特。既然沒有電流流過電晶體 24’所以在節點8〇的電壓是8伏特，且與輸入/輸出塾叫目 同。注意，整個輸入/輸出墊電壓(8伏特)是應用跨在電晶體 24在圖5中，電晶體24的Vtl在Vgate=0伏特是大約8伏特。 因此，在情況1 ’電晶體24在它的ESD失敗臨界值是正確偏
O:\90\90852 DOC * 21 - 200425460 壓。 在凊况2，輸入/輸出墊3 1、節點80、與節點74電壓分別 是人6伏特、6_56伏特、與4.48伏特。在此資料與情況}的比 車乂’可看出當在輸入/輸出墊31的電壓降是〇·4伏特時，在節 點80的電壓降是144伏特。因此電晶體以會偏壓低於它失 敗臨界值的1 ·44伏特，而且一明顯較高ESD電流需要將輸入 /輸出墊31提高到電晶體24的有效Vtl。可清楚知道偏壓電 路12、電阻Rd28、與電晶體24(沿著路徑2的裝置）可減少電 晶體24的有效vtl。 在情況3，輸入/輸出墊3 1、節點8〇、與節點74電壓分別 是7.87伏特、7.03伏特、與4 73伏特。將這些資料與情況工 比車又’可看出當輸入/輸出墊3 1電壓降只有〇13伏特時，在 節點80的電壓降是〇·97伏特。因此，電晶體％會以低於它 的失敗臨界值的〇·97伏特來偏壓，而且一明顯較高ESD電流 需要使輸入/輸出墊31提高到電晶體24的有效vu。可清楚 知道二極體64與電阻Rd 28(沿著一部份路徑3的裝置）會減 少電晶體24的有效Vtl。 在情況4，輸入/輸出墊3 1、節點8〇、與節點74電壓分別 是7.56伏特、6.2伏特、與4.48伏特。將此資料與情況丄比較， 可看出當在輸入/輸出墊31的電壓降是〇·44伏特時，在節點 80的電壓降是ι8伏特。因此，電晶體24是以低於它的失敗 臨界值的1.8伏特來偏壓，而且一明顯較高ESD電流需要使 輸入/輸出墊3 1提咼到電晶體24的有效Vtl。可清楚知道偏 壓電路12、電阻Rd28、與電晶體24(沿著路徑2的裝置）與二 O:\90\90852 DOC -22- 200425460 極體64(裝置-沿 24的有效Vtl。 著路徑3的部份）可 一起工作，以減少電晶體 從圖7的資料可著+ _
^ ^ ^ , .、、'控2與路徑3可增加主要ESD 電流路徑（路徑1)扃鈐λ / μ , ^ 雪„ p 出塾31與節點76之間的分路 ESD電’机，但是這兩個辅 於山拙” 稀助包，爪路偟不會明顯減少在輸入/ 輸出塾31上的峰值雷厭 如怎 η々電在本發明的-些具體實施例中， 路徑2與路徑3的目的是要番 要重新傳導沿著路徑1路由的一小 部份細電流，並強迫使此電流跨在電阻Rd 28。跨在此電 阻的結果m電壓降會減少在節點⑽的電壓，因此會增加輸 入/輸出墊電壓，使得雷s挪〇/<人 便传電Ba體24會到達急返並遭受永久的 ESD損壞。因此，甚至齡古 同SD電&會在N通道電晶體24損 害之則沿者路控1而路由。 對於在圖7顯示的所有模擬資料^例而言，假設Rs减 設定成姆。如果Rs 26在這些模擬不是零，跨在此電阻 的結果IR電壓降會使在N通道電晶體24源極端上的電壓增 加超過接地（節點76)。此會減少跨在電晶體24的源極電位 差。此外，既然電晶體24的源極提高超過它的接地基板， 由於前述的雙極急返抑制效應，所以電晶體24的本質 會增加。 在本發明的一具體實施例中，在圖4的偏壓電路12是使用 非零電阻Rd28的組合實施，而電阻以26是設定成〇歐姆， 且二極體64是被移除。在本發明的一另一具體實施例中， 偏壓電路12使用非零電阻rs 26的組合實施，而電阻^^ 28 是設定成0歐姆，且二極體64是被移除。在本發明的又一具 Q:\90\90852 DOC -23- 200425460 體實施例中，二極體64使用非零電阻Rd 28的組合實施，而 電阻Rs 26是設定成〇歐姆，且偏壓電路12是被移除。此外， 前面列出三個具體實施例的任一者能使用在任何組合。 在本發明的一些具體實施例中，圖4偏壓電路12的目的是 要在一偵測ESD事件期間於電晶體24上提供VgateeVdrain 偏壓情況。熟諳此技者了解到偏壓電路12能以廣泛各種電 路結構實施。如一範例所示，ESD事件偵測電路43可在ESD 軌钳位電路70中，透過移除p通道電晶體54及將節點55連接 到節點79而修改。然後，偏壓電路12將只依賴在ESD軌鉗 位70中的觸發器電路73，以偵測— ESD事件。在本發明的 另一具體實施例中，偏壓電路丨2的目的是要在一偵測ESD 事件期間於電晶體24上提供Vgate>Vdrain偏壓情況。圖4的 偏壓電路12可容易修改，以透過將p通道電晶體52的第一電 流電極從節點80切斷、及將它連接到輸入/輸出墊31而產生 Vgate>Vdrain偏壓情況。隨著此圖4偏壓電路12的修改，在 一 ESD事件期間，Vgate將能以等於跨在電阻Rd 28的IR電壓 降量拉到高於Vdrain。一廣泛各種電路結構可用來實施本 發明。 對於Rd28電阻非零的電路81具體實施例而言，在esd事 件的至少1 〇%持續時間而言，偏壓電路丨2是將一電壓應用 到電晶體24的控制電極，其中該電壓是大約等於或追蹤位 在電晶體24的第一電流電極與電阻^^ 28第二端之間電路 節點80上的一電極。對於另一具體實施例而言，百分比是 至少50%而不是至少。
O\90\90852.DOC -24- 200425460 對於Rd 28電阻是零的具體實施例而言，在一ESD事件的 至少10%持續時間中，偏壓電路12是將一電壓應用到電晶 體24的控制電極，其中該電壓是大約等於或實質追蹤位在 電晶體24的第一電流電極與輸入/輸出墊31之間電路節點 8 0上的電壓。對於另一具體實施例而言，百分比是至少 50%而不是至少。 雖然本發明描述特殊導電率類型或潛在的雙極性，但是 熟諳此技者了解到導電率類型與潛在的雙極性可顛倒。例 如，ESD保護的N通道電晶體2何以是一p通道電晶體。而 且’雖然特殊電壓、電阻、大小等已於選擇性範例描述， 但疋^些4擇性範例只是說明，而不是限制本發明的範圍。 在引述况明書中’本發明描述特殊具體實施例。鈇而， 熟諳此技者了解到各種不同修改與變化可達成，而不致脫 離文後申凊專利範圍所述的本發明範圍。因此，說明書與 ，式只是說明而不是限制’而且所有此修改皆在本發明的 前述效益、其他優點、盥 /、解决問碭疋與特殊具體實施例 有關。然而，可造成打 / k成任何好處、優點、或解決發生 得更顯著的好虛、彳真ηβ 、 炎·’’ 4通解決、與任何元件不必然構 成任何或所有申蜻真 々々 …、 韦曱吻專利乾圍的必要特徵或元 使用，術語，，包今”、+ / 如在此的 八，传 $ ^可其他便是涵蓋-非獨佔性的包 包 “早的處理、方法、物件、或裝置不僅 匕括疋件包括未列出或與此處理、 裝置有關的其他元件。 物件、或
O:\90\90852.DOC -25- 200425460 【圖式簡單說明】 本發明是經由範例與非限制性的附圖而描述，圖中的相 同芩考數字是表示類似元件，其中： 圖1係根據先前技術而以部份圖式與部份截面圖來描述 一N通道M〇s電晶體與一固有寄生雙極電晶體； 圖2榀述圖丨的N通道M0S電晶體的汲極電流與汲極電壓 的比較圖； 圖3根據本發明而以部份圖式與部份截面圖來描述一 ESD電路； 圖4根據本發明而以部份圖式來描述具有esd保護的一 電路； 圖5是以圖式來描述在複數個電路結構的vtl與Vgate之 間的關係； ~ 圖6疋以圖式來描述在複數個處理的Vti與電阻之間的關 係；及 圖7疋以表格形式來描述在複數個esd電流路徑的輸入/ 輸出墊31、節點80、與節點74電壓之間的關係。 、，熟諳此技者可了解到圖中的元件是為簡化及清楚而描 述而不必然依比例繪出。例如，圖中的一些元件尺寸是 放大繪出以幫助對本發明具體實施例的了解。 【圖式代表符號說明】 81 74 62，64，66，68, 72 靜電放電裝置保護電路 電源供應節點 二極體
O:\90\90852.DOC -26- 200425460 55, 79, 80, 82 節點 52, 54, 56, 62 P通道電晶體 44 開關電路 12 偏壓電路 43 靜電放電裝置事件偵測電路 24, 58, 75 N通道電晶體 10 積體電路 60 電阻 26 源極端電阻Rs 28 汲極端電阻Rd 13, 15, 17 矽化物層 14 寄生雙極電晶體 16 >及極區域 18 源極區域 19 層 20 閘極區域 21 矽化物層 22 歐姆帶 31 輸入/輸出塾 32 ESD源 50 傳輸閘極 70 ESD軌鉗位電路 72 二極體 73 觸發器電路 Ο \90\90852 DOC -27- 200425460 76 電源供應節點 91，92, 93, 94 曲線 O:\90\90852 DOC -28-

Claims (1)

  1. 200425460 拾、申請專利範圍： 1· 一種ESD電路，其包含： 一輸出端； 壓供應的一第二電流電極、與一控制電極； :第-電阻元件，其以一第一端耦合到該輸出端，且 一第二端耦合到該電晶體的第一電流電極；及 一偏壓電路，其耦合到該電晶體的控制電極，其中在 - ESD事件的至少百分之十的持續時間中，該偏壓電路是 將-電壓應用到該電晶體的控制電極，其中該控制電極 是大約等於位在該電晶體的第—電流電極與該輸出端之 間電路節點上的一電壓。 2. 一種ESD電路，其包含： 一輸出端； 電曰曰體’其具有一第一電流電極、一第二電流電極、 與一控制電極； 一第一電阻元件，以一第一端耦合到該電晶體的第二 電流電極，且一第二端耦合到一第一電壓供應；及 一偏壓電路，其耦合到該電晶體的控制電極，其中在 一ESD事件的至少百分之十持續時間中，該偏壓電路是將 一電壓應用到該電晶體的控制電極，其中該控制電極是 大約等於位在該電晶體的第一電流電極與該輸出端之間 電路節點上的一電壓。 3· 一種用以提供一NMOS電晶體的ESD保護之方法，其中該 0 \90\90852.DOC 200425460 NMOS電晶體具有經由一 一第一電流電極 包含： 電阻元件而耦合到一輸出端的 一第二電流電極 ;與一控制電極，其 偵測一ESD事件的發生；及 響應該ESD事件發生的_，將—電壓應用到該觀⑽ 電晶體的控制電極，以在E S D事件的至少百分之十持續時 間中實質追蹤位在NM0S電晶體與輸出端之間電路^點 上的一電壓，而且其中在該持續時間的至少百分之十持 續時間中，該NMOS電晶體可經由電阻元件而提供一電流 路徑。 4. 一種用以提供一 NMOS電晶體的ESD保護之方法，其中該 NMOS電晶體的具有耦合到一輸出端的一第一電流電 極；經由一電阻元件而耦合到一供應電壓的一第二電流 電極；與一控制電極，其包含： Y貞測 E S D事件的發生；及 響應該ESD事件發生的偵測，將一電壓應用到該ΝΜ〇§ 電晶體的控制電極，以在ESD事件的至少百分之十持續時 間中實質追蹤位在NMOS電晶體與輸出端之間電路節點 上的一電壓，而且其中在該持續時間的至少百分之十持 續時間中，該NMOS電晶體可經由電阻元件而提供一電流 路徑。 5· —種ESD電路，其包含： 一輸出端； 一電阻το件，其以一第一端耦合到該輸出端與一第二 O:\90\90852 D0C -2 - 200425460 端；及 -電晶體，其以一第一電流電極耦合到該第_電阻一 件的第二端；一第二電流電極麵合到—第—電壓供應广 與一控制電極，其中在一ESD事件的至少百分之五十^浐 時間中，該電晶體可經由該電阻元件而提供來 ： 端的一電流路徑。 6 · 一種ESD電路，其包含·· 一輸出端； 一電阻元件，其以一第一端黐人 一第二端；及 “耗。到-第-電壓供應與 ★ -電晶體，其以一第一電流電極耦合到該輪出端；— 第二電流電極耦合到該電阻元件 丁 J乐一鳊，與一控制雷 極’其中在一ESD事件的至少百分之五十持續時間中，該 =體可經由該電阻元件而提供來自該輸出端的電流: 7. 一種ESD電路，其包含： 一輸出端； 一電阻元件，JL以一楚 ,^ . 第一端耦合到該輸出端盥一 端； 禾一 一電日日體，其以一第一電产雷n ^人 第-端笛…到該電阻元件的 弟一帛—電流電極輕合到—第一 與一控制電極；及 “即黑占， 一第一二極體，豆以一筮 ” —碥耦合到該電阻元件的第 一鈿且-第二知耦合到_第二電壓供應節點。 O:\90\90852 DOC 200425460 8. -種用以提供-顺⑽電晶體的esd保護之方法，其中該 NMOS電晶體具有經由一電 ^ | 70件而耦合到一輸出端的 第一電流電極；1¾合到—第一雷朦 、 弟電壓供應節點的一第二 電流電極；與一控制電極，其包含： 在經由—第一二極體、—第二電壓供應節點而從該輸 出端到該第-電壓供應節點的—ESD事件期間，經由一主 要電流路徑而提供電流，及耦合在第— 口仕乐與第二電壓供應 的一執钳位； 並在經由該電阻元件、一第-- ^ 罘一一極體、該第二電壓供 應郎點、與軌鉗位而從該輪出端到該第—供應電壓的該 9. ESD事件期間，經由—輔助電流路徑而提供電流。 一種ESD電路，其包含： 一輸出端； -電阻7L件’其以一第一端耦合到該輸出端盥二 端； 、 — -電晶體，其以一第一電流電極麵合到該電阻元件的 第二端；-第二電流電極麵合到一第，供應節點； 與一控制電極； -軌鉗位’其輕合到該第—電遷供應 壓供應節點； 電 提供襄置，用以在經由-第一二極體、該第二電麼供 應即點、與該軌钳位而從該輪出端到該第_電壓^& 點的-ESD事件期間，提供一主要電流路徑；及。即 提供裝置，用以在經由該電組元件、—第二二極體、 O:\90\90852.DOC -4- 200425460 該第二電壓供應節點、與該軌鉗位的從該輸出端到該第 一電壓供應節點的一 ESD事件期間，提供一輔助電流路 徑。 〇:\9()\90852 DOC
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