TW201944571A

TW201944571A - 靜電防護裝置

Info

Publication number: TW201944571A
Application number: TW107113251A
Authority: TW
Inventors: 陳永初
Original assignee: 旺宏電子股份有限公司
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2019-11-16

Abstract

一種靜電防護裝置，包括：輸入電阻、輸入電容、反相器、隔離N型金氧半電晶體裝置及N型金氧半電晶體裝置。輸入電阻電性耦接於接墊端及驅動端間。輸入電容電性耦接於驅動端及接地端間。反相器包含電性耦接於驅動端之輸入端以及輸出端。N型金氧半電晶體裝置與隔離N型金氧半電晶體裝置串聯以電性耦接於接墊端以及接地端間，並由反相器的輸出端控制導通或關閉。內部電路透過N型金氧半電晶體裝置及N型金氧半電晶體裝置電性耦接於接墊端及接地端，且反相器、隔離N型金氧半電晶體裝置及N型金氧半電晶體裝置相對內部電路為低壓元件。

Description

靜電防護裝置

本發明是有關於靜電防護技術，且特別是有關於一種靜電防護裝置。

在電路設計上，需要設置接墊以與其他電路進行連接。由於人體放電或機器放電的因素，靜電放電造成的電流容易透過接墊傳入電路內部造成損害。因此，在接墊旁需要設置靜電防護電路，達到靜電保護的目的。

在高壓元件形成的電路中，靜電防護電路因為高壓元件的導通電阻較低，使得靜電電流容易集中在元件的表層接面(junction)區而導致元件破壞。此外，高壓元件具有高於擊穿電壓(breakdown voltage)的驅動電壓(trigger voltage)，內部電路可能在靜電防護電路起始運作前就已經受損。在這樣的情形下，靜電防護電路將不具有足夠的防護力，而使內部電路依舊面臨靜電放電的威脅。

因此，如何設計一個新的靜電防護裝置，以解決上述的缺失，乃為此一業界亟待解決的問題。

本發明之目的在於提供一種靜電防護裝置，包括：輸入電阻、輸入電容、反相器、隔離N型金氧半電晶體裝置以及N型金氧半電晶體裝置。輸入電阻電性耦接於接墊端以及驅動端間。輸入電容電性耦接於驅動端以及接地端間。反相器包含電性耦接於驅動端之輸入端以及輸出端。N型金氧半電晶體裝置與隔離N型金氧半電晶體裝置串聯以電性耦接於接墊端以及接地端間，並由反相器的輸出端控制導通或關閉。其中內部電路透過隔離N型金氧半電晶體裝置以及N型金氧半電晶體裝置電性耦接於接墊端以及接地端，且反相器、隔離N型金氧半電晶體裝置以及N型金氧半電晶體裝置相對內部電路分別為低壓元件。

本發明之另一目的在於提供一種靜電防護裝置，包括：輸入電阻、輸入電容、反相器、隔離N型金氧半電晶體裝置以及N型金氧半電晶體裝置。輸入電阻電性耦接於接墊端以及驅動端間。輸入電容電性耦接於驅動端以及接地端間。反相器包含電性耦接於驅動端之輸入端以及輸出端。隔離N型金氧半電晶體裝置形成於第一P型井內，且第一P型井由N型隔離結構環繞。N型金氧半電晶體裝置形成於第二P型井內，第二P型井與第一P型井藉由N型隔離結構相隔離，其中N型金氧半電晶體裝置與隔離N型金氧半電晶體裝置串聯以電性耦接於接墊端以及接地端間，並由反相器的輸出端控制導通或關閉。其中內部電路透過隔離N型金氧半電晶體裝置以及N型金氧半電晶體裝置電性耦接於接墊端以及接地端，且反相器、隔離N型金氧半電晶體裝置以及N型金氧半電晶體裝置相對內部電路分別為低壓元件。

應用本發明之優點在於靜電防護裝置藉由低壓元件的設置，具有較低的驅動電壓而可在靜電發生時迅速地啟動，並可透過串聯N型金氧半電晶體、N型隔離結構的設置以及P型井濃度的調整，增加擊穿電壓，提高靜電防護裝置的可靠度。

10、10’‧‧‧靜電防護裝置

100‧‧‧輸入電阻

102‧‧‧輸入電容

104‧‧‧反相器

106‧‧‧隔離N型金氧半電晶體裝置

108‧‧‧N型金氧半電晶體裝置

110‧‧‧P型金氧半電晶體

112‧‧‧N型金氧半電晶體

114‧‧‧隔離N型金氧半電晶體

116‧‧‧N型金氧半電晶體

12‧‧‧內部電路

200、202‧‧‧隔離N型金氧半電晶體裝置

204‧‧‧N型金氧半電晶體裝置

302A‧‧‧第一P型井

300‧‧‧P型基板

304‧‧‧深N型井

302B‧‧‧第二P型井

308‧‧‧隔離結構

306‧‧‧N型保護環

402、404‧‧‧週邊區域

400‧‧‧區域

D1-D4‧‧‧汲極

B1-B4‧‧‧基極

G1-G4‧‧‧閘極

DRI‧‧‧驅動端

I‧‧‧靜電電流

GND‧‧‧接地端

OUT‧‧‧輸出端

IN‧‧‧輸入端

S1-S4‧‧‧源極

PAD‧‧‧接墊端

V_TR‧‧‧驅動電壓

V_HO‧‧‧維持電壓

第1圖為本發明一實施例中，一種靜電防護裝置以及內部電路的電路圖；第2圖為本發明一實施例中，靜電防護裝置以及內部電路的電路圖；第3圖為本發明一實施例中，第1圖的靜電防護裝置的半導體結構側視圖；第4圖為本發明一實施例中，第3圖的靜電防護裝置中，隔離N型金氧半電晶體裝置的放大半導體結構側視圖；第5A圖為部分採用高壓元件實現靜電防護裝置的技術中，對靜電防護裝置施加的電壓以及靜電防護裝置驅動後產生的電流的示意圖；以及第5B圖為本發明採用低壓元件實現的靜電防護裝置中，對靜電防護裝置施加的電壓以及靜電防護裝置驅動後產生的電流的示意圖。

請同時參照第1圖。第1圖為本發明一實施例中，一種靜電防護裝置10以及內部電路12的電路圖。靜電防護裝置10包含：輸入電阻100、輸入電容102、反相器104、隔離N型金氧半電晶體裝置106以及N型金氧半電晶體裝置108。

輸入電阻100電性耦接於接墊端PAD以及驅動端DRI間。輸入電容102電性耦接於驅動端DRI以及接地端GND間。

反相器104包含電性耦接於驅動端DRI之輸入端IN以及輸出端OUT。於一實施例中，反相器104包含P型金氧半電晶體110和N型金氧半電晶體112。

P型金氧半電晶體110包含閘極G1、汲極D1、源極S1以及基極B1。其中，閘極G1電性耦接於輸入端IN，再電性耦接於驅動端DRI。汲極D2電性耦接於輸出端OUT，源極S1電性耦接於接墊端PAD，基極B1電性耦接於源極S1。

N型金氧半電晶體112包含閘極G2、汲極D2、源極S2以及基極B2。其中，閘極G2電性耦接於輸入端IN，再電性耦接於驅動端DRI。汲極D2電性耦接於輸出端 OUT，源極S2電性耦接於接地端GND，基極B2電性耦接於源極S2。

N型金氧半電晶體裝置108與隔離N型金氧半電晶體裝置106串聯以電性耦接於接墊端PAD以及接地端GND間。N型金氧半電晶體裝置與108由反相器104的輸出端OUT控制導通或關閉。

於本實施例中，隔離N型金氧半電晶體裝置106包含一個隔離N型金氧半電晶體114，且隔離N型金氧半電晶體114包含閘極G3、汲極D3、源極S3以及基極B3。其中，閘極G3、源極S3以及基極B3相電性耦接。汲極D3電性耦接於接墊端PAD。因此，隔離N型金氧半電晶體裝置106將由於閘極G3與源極S3間的跨壓為0而持續為關閉狀態。

於本實施例中，N型金氧半電晶體裝置108包含一個N型金氧半電晶體116，且N型金氧半電晶體116包含閘極G4、汲極D4、源極S4以及基極B4。其中，閘極G4電性耦接於反相器104的輸出端OUT。汲極D4電性耦接於隔離N型金氧半電晶體114的源極S3，源極S4電性耦接於接地端GND，基極B4電性耦接於源極S4。

內部電路12透過隔離N型金氧半電晶體裝置106以及N型金氧半電晶體裝置108電性耦接於接墊端PAD以及接地端GND。

以下將針對靜電防護裝置10的操作進行詳細的說明。

當靜電由例如，但不限於人體放電或機器放電而產生，使靜電電流I從接墊端PAD輸入時，靜電電流I將透過輸入電阻100對輸入電容102進行充電。驅動端DRI的瞬間電位將被拉至接地端GND的接地電位。

因此，反相器104的輸入端IN將接收到對應接地電位的低態輸入電位，使P型金氧半電晶體110導通，並使N型金氧半電晶體112關閉。輸出端OUT的電位將提高而產生高態輸出電位。

在靜電發生時，由於隔離N型金氧半電晶體裝置106的N型金氧半電晶體114的寄生雙極性接面電晶體(bipolar junction transistor；BJT，未繪示)被驅動(trigger)而導通。

另一方面，N型金氧半電晶體裝置108中的N型金氧半電晶體116，將因為輸出端OUT的高態輸出電位而導通，使需要驅動N型金氧半電晶體116導通使静電電流I流至接地端GND。

當靜電能量持續增加時，使N型金氧半電晶體116的寄生雙極性接面電晶體被驅動而導通。在此情形下，驅動N型金氧半電晶體116有導通，其寄生雙極性接面電晶體的驅動電壓會下降，因此比需要驅動N型金氧半電晶體114的寄生雙極性接面電晶體的驅動電壓為低。使靜電電流I可經隔離N型金氧半電晶體114的寄生雙極性接面電晶體與N型金氧半電晶體116的寄生雙極性接面電晶體排放至接地端GND。

在一實施例中，內部電路12是以高壓元件形成。反相器104、隔離N型金氧半電晶體裝置106以及N型金氧半電晶體裝置108則相對內部電路12分別為低壓元件，例如但不限於輕微摻雜汲極(lightly doped drain；LDD)金氧半電晶體元件。

更詳細地說，於一實施例中，內部電路12操作於12伏特至200伏特的電壓，反相器104、隔離N型金氧半電晶體裝置106以及N型金氧半電晶體裝置108操作於1.8伏特至7.5伏特的電壓。這樣的設計方式，將使靜電防護裝置10的元件具有較低的驅動電壓。

進一步地，反相器104的設計，亦可做為偵測電路，協助降低驅動電瞬壓，加快在靜電發生時，靜電防護裝置10啟動的速度。

藉由上述的元件配置及操作方式，本發明的靜電防護裝置10可以在靜電由接墊端PAD輸入時，快速地導出靜電電流I，達到保護內部電路12的功效。

需注意的是，上述的N型金氧半電晶體以及P型金氧半電晶體的閘極，均可選擇性地以單一閘極結構或是多閘極結構形成。

請參照第2圖。第2圖為本發明一實施例中，靜電防護裝置10’以及內部電路12的電路圖。

類似於第1圖的靜電防護裝置10，第2圖的靜電防護裝置10’亦包含：輸入電阻100、輸入電容102、反相器104、隔離N型金氧半電晶體裝置106以及N型金氧半電晶體裝置108。然而，於本實施例中，隔離N型金氧半電晶體裝置106包含兩個相串聯的隔離N型金氧半電晶體200及202，N型金氧半電晶體裝置108包含N型金氧半電晶體204。

藉由多個串聯設置的隔離N型金氧半電晶體，第2圖的靜電防護裝置10’可增加元件的擊穿電壓，使包含高壓元件的內部電路12在正常運作的時候，不至於觸發靜電防護裝置10’，以確保靜電防護裝置10’僅在靜電發生時才運作。

需注意的是，本實施例是以兩個串聯的隔離N型金氧半電晶體200及202為範例。於其他實施例中，隔離N型金氧半電晶體裝置106亦可以不同數目的隔離N型金氧半電晶體實現，不為本實施例繪示的數目所限。

請參照第3圖。第3圖為本發明一實施例中，第1圖的靜電防護裝置10的半導體結構側視圖。

靜電防護裝置10形成於P型基板300上。其中，隔離N型金氧半電晶體裝置106包含一個隔離N型金氧半電晶體114，且N型金氧半電晶體裝置108包含一個N型金氧半電晶體116。隔離N型金氧半電晶體114和N型金氧半電晶體116分別包含對應閘極G3及G4、汲級D3及D4、源極S3及S4以及基極B3及B4的佈植區。

隔離N型金氧半電晶體裝置106以及N型金氧半電晶體裝置108包含多個隔離結構308(以灰色圖樣繪示)，配置以例如，但不限於隔離基極B3及源極S3、隔離基極B4及源極S4以及隔離基極B3及基極B4。於一實施例中，隔離結構308分別為場氧化層結構(field oxide)。於其他實施例中，隔離結構308亦可以淺溝槽隔離(shallow trench isolation)結構形成。

於本實施例中，隔離N型金氧半電晶體114及N型金氧半電晶體116的閘極G3及G4均如為二閘極結構。然而，於其他實施例中，隔離N型金氧半電晶體114的閘極G3亦可以其他數目的閘極結構形成，例如三閘極結構或是四閘極結構。

於本實施例中，隔離N型金氧半電晶體裝置106形成於第一P型井302A內，且第一P型井302A由N型隔離結構環繞。於本實施例中，此N型隔離結構為深N型井304。於其他實施例中，此N型隔離結構亦可由例如，但不限於N型埋入層實現。

N型金氧半電晶體裝置108形成於第二P型井302B內。其中，第二P型井302B和第一P型井302A是藉由N型隔離結構相隔離。

藉由N型隔離結構的設置，隔離N型金氧半電晶體裝置106可進一步提高元件對基板的擊穿電壓。

於一實施例中，隔離N型金氧半電晶體裝置106更包含N型保護環306，形成於N型隔離結構(亦即深N型井304)上，並與接墊端PAD電性耦接。N型保護環306可降低串接寄生二極體的效應，進一步提高元件的防靜電能力。

因此，藉由上述的配置，靜電防護裝置10的擊穿電壓可進一步提高，使包含高壓元件的內部電路12在正常運作的時候，不至於觸發靜電防護裝置10，以確保靜電防護裝置10僅在靜電發生時才運作。

請參照第4圖。第4圖為本發明一實施例中，第3圖的靜電防護裝置10中，隔離N型金氧半電晶體裝置106的放大半導體結構側視圖。

於本實施例中，隔離N型金氧半電晶體裝置106所位於的第一P型井302A中，在對應汲極D3的區域400的佈植濃度，較週邊區域402及404為低。

藉由區域400的設置，隔離N型金氧半電晶體裝置106可進一步提高元件的擊穿電壓，使包含高壓元件的內部電路12在正常運作的時候，不至於觸發靜電防護裝置10，以確保靜電防護裝置10僅在靜電發生時才運作。

請同時參照第5A圖及第5B圖。第5A圖為部分採用高壓元件實現靜電防護裝置的技術中，對靜電防護裝置施加的電壓以及靜電防護裝置驅動後產生的電流的示意圖。第5B圖為本發明採用低壓元件實現的靜電防護裝置10中，對靜電防護裝置10施加的電壓以及靜電防護裝置驅動後產生的電流的示意圖。

如第5A圖及第5B圖所示，採用低壓元件實現靜電防護裝置10時，靜電防護裝置10在較低的電壓即被觸發，因此具有較低的驅動電壓V_TR。而在起始運作後，靜電防護裝置10具有較高的維持電壓V_HO(holding voltage)，不易造成閂鎖(latch up)效應。

因此，本發明的靜電防護裝置10藉由低壓元件的設置，具有較低的驅動電壓而可在靜電發生時迅速地啟動，並可透過串聯N型金氧半電晶體、N型隔離結構的設置以及P型井濃度的調整，增加擊穿電壓，提高靜電防護裝置10的可靠度。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的原則之內所作的任何修改，等同替換和改進等均應包含本發明的保護範圍之內。

Claims

一種靜電防護裝置，包括：一輸入電阻，電性耦接於一接墊端以及一驅動端間；一輸入電容，電性耦接於該驅動端以及一接地端間；一反相器，包含電性耦接於該驅動端之一輸入端以及一輸出端；一隔離N型金氧半電晶體裝置；以及一N型金氧半電晶體裝置，與該隔離N型金氧半電晶體裝置串聯以電性耦接於該接墊端以及該接地端間，並由該反相器的該輸出端控制導通或關閉；其中一內部電路透過該隔離N型金氧半電晶體裝置以及該N型金氧半電晶體裝置電性耦接於該接墊端以及該接地端，且該反相器、該隔離N型金氧半電晶體裝置以及該N型金氧半電晶體裝置相對該內部電路分別為一低壓元件。
如請求項1所述的靜電防護裝置，其中當一靜電電流自該接墊端輸入時，係使該驅動端之一電位拉至一接地電位以對該輸入電容充電，該反相器自該輸入端接收對應該接地電位之一低態輸入電位，以透過該輸出端產生一高態輸出電位，進一步使該N型金氧半電晶體裝置導通，以使該靜電電流自該隔離N型金氧半電晶體裝置以及該N型金氧半電晶體裝置導出；該靜電電流對該輸入電容充電使該驅動端之該電位升高以使該反相器自該輸入端接收一高態輸入電位，以透過該輸出端產生一低態輸出電位，進一步使該N型金氧半電晶體裝置關閉。
如請求項1所述的靜電防護裝置，其中該隔離N型金氧半電晶體裝置包含一隔離N型金氧半電晶體或多個相串聯的該隔離N型金氧半電晶體，該N型金氧半電晶體裝置包含一N型金氧半電晶體或多個相串聯的該N型金氧半電晶體。
如請求項3所述的靜電防護裝置，其中該隔離N型金氧半電晶體包含一閘極、一汲極、一源極以及一基極，該閘極、該汲極以及該基極相電性耦接；該N型金氧半電晶體包含一閘極、一汲極、一源極以及一基極，該閘極電性耦接於該反相器的該輸出端，該基極電性耦接於該閘極。
如請求項4所述的靜電防護裝置，其中該閘極為一單一閘極結構或一多閘極結構。
如請求項1所述的靜電防護裝置，其中該內部電路操作於12伏特至200伏特的電壓，該反相器、該隔離N型金氧半電晶體裝置以及該N型金氧半電晶體裝置操作於1.8伏特至7.5伏特的電壓。
一種靜電防護裝置，包括：一輸入電阻，電性耦接於一接墊端以及一驅動端間；一輸入電容，電性耦接於該驅動端以及一接地端間；一反相器，包含電性耦接於該驅動端之一輸入端以及一輸出端；一隔離N型金氧半電晶體裝置，形成於一第一P型井內，且該第一P型井由一N型隔離結構環繞；以及一N型金氧半電晶體裝置，形成於一第二P型井內，該第二P型井與該第一P型井藉由該N型隔離結構相隔離，其中該N型金氧半電晶體裝置與該隔離N型金氧半電晶體裝置串聯以電性耦接於該接墊端以及該接地端間，並由該反相器的該輸出端控制導通或關閉；其中一內部電路透過該隔離N型金氧半電晶體裝置以及該N型金氧半電晶體裝置電性耦接於該接墊端以及該接地端，且該反相器、該隔離N型金氧半電晶體裝置以及該N型金氧半電晶體裝置相對該內部電路分別為一低壓元件。
如請求項7所述的靜電防護裝置，其中該隔離N型金氧半電晶體裝置更包含一N型保護環(guard ring)，形成於該N型隔離結構上，並與該接墊端電性耦接。
如請求項7所述的靜電防護裝置，其中該N型隔離結構為一深N型井或具有一N型埋入層(N+ buried layer；NBL)的一N型井。
如請求項7所述的靜電防護裝置，其中該P型井在對應一汲極區域的一佈植濃度較一週邊區域為低。