TW388118B - Semiconductor device - Google Patents

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第86!1〇484霁夢利甲請案肀文說明1:修止 A7 B7

五、發明説明（ 容經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 具有第一導電型態的半導體基材之上的具有第二導電型態 之埋藏擴散層、底部與該埋藏擴散層頂部接觸之呈環狀的 具有第二導電型態之井、及一隔離於該具有第二導電型態 之井內的具有第一導電型態之井。在該具有第一導電型態 之井上，有一 場效電晶體及一雙載子接面電晶體。該 MOS場效電晶體包含：透過輸入阻抗連接到一金屬端子之 第一個具有第二導電型態的擴散層，作爲汲極之用；連接 於第一參考電位之第二個具有第二導電型態的擴散層，作 爲源極之用；及一閘電極連接於第一參考電位。該雙載子 接面電晶體包含：以該第二個具有第二導電型態的擴散層 作爲射極；位於該第二個具有第二導電型態的擴散層之對 側，連接於該金屬端子之第三個具有第二導電型態的擴散 層，作爲集極；及以該具有第一導電型態之獨立井作爲基 極。 本發明的第二個重點係依據本發明的第一個重點之半 導體裝置，其中環繞第―、第二、及第三個具有第二導鼋 型態之擴散層的具有第—導電型態之擴散層形成於具有第 一導電型態之并的上面；其位置與第三個具有第二導電型 態之擴散層相反’之間留有適當的間隙；且在其相反位置 形成一二極體。 在本發明之第一及第二個重點中，具有第二導電型態之 井可連接於一參考電位。於是，當在第二參考電位端子與 I/O端子之間施加一過電壓時，第三個具有第二導電型態之 擴散層之_雙載子接面電晶體、具有第一導電型態之 7 -{請先聞讀背面>/注意事項再填 ----Γ !二------裝--- T# -=4- 線 ( CNS ) Λ4规格（2 丨 Ο .χπ公 f ) 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 ΑΊ Β7 五、發明説明（） 技讎域 本發明係關於一種半導體裝置，尤其有關於一種半導體 積體電路之靜電放電防護裝置。 背景說明 圖3顯示一種半導體積體電路中靜電放電防護裝置之 電路簡圖，圖4爲其佈局圖，而圖5則爲沿圖4中直線b-b切割所做成之剖面圖， 圖4及圖5中所使用的防護用二極體爲一 PN二極體， 其包含一 P型擴散層403及一 η型擴散層402a，位於一 p 型基材401上。p型擴散層403透過一鋁線409a連接到地 線，而η型擴散層402a則透過鋁線410a與I/O端子415相 連。編號408爲一層間絕緣膜，而編號416者爲電子接觸 點。 防護用雙載子接面電晶體係一種NPN雙載子接面電晶 體，包含作爲基極的P型半導體基材401、作爲集極的η 型擴散層402a、與作爲射極之η型擴散層402b 〇 η型擴散 層402a透過銘線410a與I/O端子415相連，而η型擴散層 402b透過鋁線409b連接到地線。 防護用NMOS場效電晶體係一種η型LDDMOS場效電 晶體，其包含η型擴散層402c、402d及一閘極405，位 於一 P型基材401上。η型擴散層402c爲此電晶體之源極， 此η型擴散層402c與閘極405透過鋁線409c與地線連接。 η型擴散層402d爲此電晶體之汲極，此n型擴散層402d透 過鋁線410b、輸入電阻414、及鋁線410c與I/O端子415 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 装·

、1T 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（） 相連接。編號406者爲一聞極氧化層(gate oxide)，而編號407 者則爲側壁絕緣層。而編號404者爲場氧化層(field oxide)。 在圖3所示之電路簡圖中，當在I/O端子施以一電壓， 如一靜電脈衝，且電流經過輸入電阻314進入內部電路時， 很容易導致內部電路損毀。因此，在正電源應用(positive application)時係以一防護用雙載子接面電晶體318及一 NM0S場效電晶體319形成一放電途徑，作爲保護之用； 而在負電源應用(negative application)時則以一防護用二極體 317形成放電途徑。當施以一電壓時，此等防護用元件變成 導通狀態，於是可將電壓箝位(clamp)於一固定値而保護內 部電路。 換言之，在I/O端子施加一相對於接地端爲正電位之電 壓脈衝時，首先造成防護用NM0S場效電晶體的汲極擴散 層402d與防護用雙載子接面電晶體之集極的η型擴散層 402a之電壓上升。此時，由於包含汲極、閘極、與基材之 閘控二極體(Gate-Controlled-Diode)的作用，汲極與基材之間 雪崩崩潰(avalanche breakdown)的崩潰電酿Vbd)比集極與基 材之間的崩潰電壓更低，因此，在汲極與基材之間發生雪 崩崩潰，而造成雪崩崩潰附近區域的基材電位上升。接下 來將一正向偏壓施加在源極與基材之間，於是包含NM0S 場效電晶體汲極、基材、以及源極的一寄生雙載子接面電 晶體開始操作，且使汲極與源極之間的電壓降低，然後固 定住(Vsbmos)，而達到防護內部電路的功能。若過電壓 (overvoltage)非常高，端子的電壓持續上升，則同樣地，防 4 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4現格（210X297公t ) 請先Η讀背面之注意事項再填寫本頁 -裝· ,π 經濟部中央梯準局胃工消費合作社印衷 A7 B7____ 五、發明説明（） 護用雙載子接面電晶體的集極與射極之間’雙載子操作電 壓降低（Vsbbip)。此時’雙載子接面電晶體的箝位電壓 Vsbbip低於MOS場效電晶體的箝位電壓Vsbmos(Vsbbip < Vsbmos)，故大部分的放電電流流過此雙載子接面電晶體’ 所以受保護的NMOS場效電晶體並未損壞。 當一相對於接地端子爲負電壓之電壓脈衝施加於I/O端 子時，防護用二極體上電流正向流通’因而達到保護內部 電路的功能。 在前述習知裝置中，當電壓施加在I/O端子時，由防護 用元件所產生之電子會經由基材擴散到內部元件’使得此 等電子注入內部電路MOS場效電晶體的閘極氧化層，而造 成其特性的改變，甚至導致MOS場效電晶體的毀損。 此外，在內部電路中非常靠近的P通道型電晶體與η 通道型電晶體之間，可能會由於防護用元件操作造成的基 材電位上升而導致閉鎖(latch up) 〇 爲防止此等情況發生，在防護用元件與內部元件之間必 須保有一較大的間距，如此造成未使用的圖案區域增加。 爲防止上述防護用元件與內部元件之間相互作用所導 致的缺點，在下列兩案例中提出將防護用元件與內部元件 之間裝設一隔離層的技術，然而此等技術有其缺點。 在曰本專利申請公開號碼58657/1985的案件中提出利 用一種雙載子接面電晶體製造技術，將二極體從基材分 離，此二極體爲一防護用元件。於是能夠把對內部電路的 影響隔絕在外。然而，此防護用元件僅包含二極體，其箝 _ 5 本紙張尺度適用肀國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X29?公漦） 請先閲讀背面之注$項再^'本頁)

、1T A7 B7 五、發明说明（） 位的能力不佳，且需要較大的區域。 在日本專利申請公開號碼241251/1985的案件中利用類 似的雙載子接面電晶體製造技術，然而此技術中係利用與 內部雙載子元件同時形成的雙載子元件擔任防護用元件。 結果，此技術的缺失在於防護用元件本身對突波電壓(surge voltage)之崩潰抗力(breakdown resistance)明顯的降低。 此外，前述習知技術尙具有下列問題··在防護用雙載子 接面電晶體中，必須盡可能的降低其箝位電流途徑之阻抗 (impedance)，因此，防護用雙載子接面電晶體被安排在接合 板附近。於是此區域被防護用雙載子接面電晶體佔據。因 此，在設計時防護用NMOS場效電晶體與防護用雙載子接 面電晶體係稍微分開。於是，其相關位置，亦即防護用 NMOS場效電晶體與防護用雙載子接面電晶體的排列決定 於晶片的佈局(layout)，因此，有時防護用雙載子接面電晶 體無法依照預期的操作方式發生作用。另外，除了晶片佈 局的參數之外，半導體基材的特性，即其雜質濃度與瑕疵 分布，也會影響到習知技術中防護用雙載子接面電晶體的 操作。 經濟部中央標準局肩工消费合作社印袈 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁 訂 發明之綜合說明 因此’本發明的目的之一在於提供一種可解決前述問 題，並具有高靜電放電抗力、高閉鎖抗力、及優秀的防護 能力之靜電放電防護裝置；且在其鄰近區域不存在無效空 間(dead space) 〇 本發明的第一個重點係一種半導體裝置，包含：位於一 6 本紙張尺度ϋ用t國國家標準（CNS ) Λ4%格（210X 297公釐1 — 第86!1〇484霁夢利甲請案肀文說明1:修止 A7 B7

五、發明説明（ 容經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 具有第一導電型態的半導體基材之上的具有第二導電型態 之埋藏擴散層、底部與該埋藏擴散層頂部接觸之呈環狀的 具有第二導電型態之井、及一隔離於該具有第二導電型態 之井內的具有第一導電型態之井。在該具有第一導電型態 之井上，有一 場效電晶體及一雙載子接面電晶體。該 MOS場效電晶體包含：透過輸入阻抗連接到一金屬端子之 第一個具有第二導電型態的擴散層，作爲汲極之用；連接 於第一參考電位之第二個具有第二導電型態的擴散層，作 爲源極之用；及一閘電極連接於第一參考電位。該雙載子 接面電晶體包含：以該第二個具有第二導電型態的擴散層 作爲射極；位於該第二個具有第二導電型態的擴散層之對 側，連接於該金屬端子之第三個具有第二導電型態的擴散 層，作爲集極；及以該具有第一導電型態之獨立井作爲基 極。 本發明的第二個重點係依據本發明的第一個重點之半 導體裝置，其中環繞第―、第二、及第三個具有第二導鼋 型態之擴散層的具有第—導電型態之擴散層形成於具有第 一導電型態之并的上面；其位置與第三個具有第二導電型 態之擴散層相反’之間留有適當的間隙；且在其相反位置 形成一二極體。 在本發明之第一及第二個重點中，具有第二導電型態之 井可連接於一參考電位。於是，當在第二參考電位端子與 I/O端子之間施加一過電壓時，第三個具有第二導電型態之 擴散層之_雙載子接面電晶體、具有第一導電型態之 7 -{請先聞讀背面>/注意事項再填 ----Γ !二------裝--- T# -=4- 線 ( CNS ) Λ4规格（2 丨 Ο .χπ公 f ) 經濟部中央梯準局貝工消費合作社印裝 A7 __B7______ 五、發明説明（） 井、及具有第二導電型態之埋藏擴散層開始操作，以增加 對靜電放電之抗力。 在本發明之第二個重點中，具有第一導電型態之擴散層 可與第一參考電位連接。於是具有第一導電型態之井的電 位固定，而能夠防止使用時MOS場效電晶體及雙載子接面 電晶體的漏電。 依據本發明，能夠完全防止由防護用元件所產生的電子 擴散進入內部元件，而並不需要增加圖案面積，此外，防 護用元件的操作更爲容易。因此，本發明之靜電放電防護 裝置具有高靜電放電抗力、高閉鎖抗力、及優秀的防護能 力等特性，而且在防護用元件附近不存在無效空間。 園示之簡單說明 圖1爲依據本發明之靜電放電防護裝置其佈局簡圖。 圖2爲沿圖1中的直線a-a’所做之靜電放電防護裝置的 剖面圖。 圖3爲本發明或習知技術中靜電放電防護裝置的電路 簡圖。' :圖4爲習知技術之靜電放電防護裝置其佈局簡圖-〇 圖爲習知技術之靜電放電防護裝置其剖面圖。

It n n I n 11 n IT 11 (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) 訂 圖示中之參照數號 101 p型半導體基材 102 η型擴散層 103 P型擴散層 104 場氧化層 105 閘電極 106 閘極氧化層 107 側壁絕緣膜 108 層間絕緣膜 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4蚬格（210X297公釐） A7 B7 經濟部中央榡準局貝工消费合作社印裝 五、發明説明（) 109 鋁線 111 η型埋藏擴散層 113 ρ型井 115 I/O端子 314 輸入電阻 317 防護用二極體 面電晶體 319 NMOS場效電晶體 體基材 402 η型擴散層 404 場氧化層 406 聞極氧化層 408 層間絕緣膜 410 鋁線 415 I/O端子 較佳實施例之詳細說明 圖3中I/O端子315與防護用二極體317、防護用雙載 子接面電晶體318、及NMOS場效電晶體319相連接，以 達到保護的作用。在本發明中，此等元件係形成於Ρ型井 113的表面上，此ρ型井113與ρ型半導體基材101之間以 —η型并112與一 η型埋藏擴散層111隔開，如圖1及圖2 所示。 η型井1丨2與η型埋藏擴散層111藉由連接到n+擴散層 102a的線路而具有電源電位。 9 110 鋁線 112 η型井 114 輸入電阻 116 電子接觸點 315 I/O端子 318 防護用雙載子接 401 ρ型半導 403 ρ型擴散層 405 閘電極 407 側壁絕緣膜 409 鋁線 414 輸入電阻 416 電子接觸點 -........ n m. - I I— ! LJ ........ I ^/f\ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

*1T 象 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210Χ 297公釐） 經濟部中央標準局負工消費合作社印裝 A7 — _ B7 五.、發明説明（) 防護用二極體爲一pn二極體’包含一p型擴散層103 及—η型擴散層102b。p型擴散層KB透過鋁線109a連接 到地線。η型擴散層102b透過鋁線110a連接到I/O端子 115。另外，圖1中之p型擴散層103’係設置來調整到n 型擴散層102b的距離與接觸窗區域的間隔。編號108爲一 層間絕緣膜，而編號116爲一電接觸點。 防護用雙載子接面電晶體爲一 NPN雙載子接面電晶 體，包含作爲基極之P型井113、作爲集極的n型擴散層 l〇2b、及作爲射極的η型擴散層102c。η型擴散層l〇2b 爲此電晶體之集極，透過鋁線ll〇a連接到I/O端子115。 此外，η型擴散層102c爲此電晶體之射極，透過銘線10% 連接到地線。 防護用NMOS場效電晶體爲一 η型LddMOS場效電晶 體，包含形成於p型井113表面上之η型擴散層102c與 l〇2d、及閘電極1〇5等。η型擴散層102c爲此電晶體之源 極，透過鋁線109b連接到地線。另外，η型擴散層l〇2d 爲此電晶體之汲極，透過鋁線110b、輸入電阻114、及鋁 線ll〇c連接到I/O端子115。閘電極105經過銘線109b連 接到地線。編號106者爲一閘極氧化層，編號107爲一側 壁絕緣膜，而編號104爲場氧化層。 在此實施例中，在防護用元件操作時產生並注入基材的 電子全部被一 η型埋藏擴散層所吸收，於是可以完全防止 、電子擴散進入內部的元件。因此，在習知防護用元件中內 部電路的MOS場效電晶體受到注入電子的破壞或損毀的 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNs >八4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁)

、1T II— 1^1 =- -I · A7 B7 五、發明説明（ 問題得以解決。 此外，由於用來形成防護用元件的P型井(基材)與用來 形成內部電路的P型井互相分開，即使在防護用元件作用 時隔離井之電位上升，有內部電路形成於其上的基材之電 位並不會變動。因此’由防護用元件操作所導致的閉鎖不 會發生，且相較於習知方法，防護用元件與內部元件間的 距離可以縮短。故可減少無用的空間。 訂 泉 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 另外’由於防護用元件(防護用二極體、防護用雙載子 接面電晶體、及防護用NMOS場效電晶體)均形成於被n型 井與η型埋藏擴散層所隔離的p型井上，又由於防護用 NMOS場效電晶體與防護用雙載子接面電晶體互相接近， 防護用雙載子接面電晶體可以較習知方法更容易開始操 作。換言之，當施加一正電壓於一端子時，防護用NM〇S 場效電晶體首先作用，類似前述習知技術所描述者。此時， P型井被隔離且鄰近雙載子接面電晶體，因此，在雙載子 接面電晶體附近區域的基材電位也上升到足夠開始操作的 程度。因此，防護用NMOS場效電晶體與防護用雙載子接 面電晶體幾乎同時操作，以使靜電脈衝放電，因而其防護 能力較高。 此外，本發明中防護用NMOS場效電晶體之源極與防 護用雙載子接面電晶體之射極均使用η型擴散層102c，因 而減少防護用元件所需的面積。 以上，係就本發明之較佳實施例加以描述，該等實施例僅 係用來說明而非限制本創作，在不脫離本創作之實質精神 11 本纸張尺度適用t國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公茇） A7 五、發明説明（）下，仍可予以變化而加以實施。因此，本創作之範疇應由 以下之申請專利範圍所界定。 n I n n m '--Γ. ! I Γ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -* 涑 經濟部中央標準局貝工消費合作杜印製 2 1 本紙張尺度逋用中國國家標隼（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐）

Claims (1)

1. 8 8 8 8 | ABCD I

   ·:·:1Τ委贷 ΐ^"" 經濟部中央梂準局負工消费合作社印製 六、申請專利範圍 1, 一種半導體裝置，包含： 位$具有第一導電型態之半導體棊材上之具有第二導 電型態&埋藏擴散層、底部與該埋藏擴散層頂部接觸之呈 環狀的具有第二導電型態之并、及一隔離於該具有第二導 電型態之井內的具有第一導電型態之井；及 位於該具有第一導電型態之井上的以〇2場效電晶體及 雙載子接面電晶體:該MOS場效雷晶體句.含： 第一具有第二導電型態之擴散層，·透過輸入電阻連接 到一金屬端子，作爲汲極之用； 、、.第二具有第二導電型態之擴散層，與第一參考電位連 .接，作爲源極；及 一閘電極’與該第一參考電位連接； 該雙載子接面電晶體包含： 第二具有第二導電型態之擴散層，作爲射極之用； 第三具有第二導電型態之擴散層，與位於第二具有第 '二導電型態之擴散層相反方向的一金屬端子連接，作 爲集極之用；及 .具有第一導電型態之隔離井，作爲基底之用。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中環繞該 第一、第二、及第三具有第二導電型態之擴散層的具有第 一導電型態之擴散層形成於該具有第一導電型態之井上 面；其位置與該第三具有第二導電型態之擴散層相反，之 ，間留有適當的間隙；且在其相反位置形成二極體。 3. 如申請專利範圍第1項或第2項之半導體裝置，其 13 i紙棟尺度適用家榇準（CMS ) A4規格（210X 297公ί ^ „ ：---一---Γ------、ΤΓ------0 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) 8 8 8 8 | ABCD I

   ·:·:1Τ委贷 ΐ^"" 經濟部中央梂準局負工消费合作社印製 六、申請專利範圍 1, 一種半導體裝置，包含： 位$具有第一導電型態之半導體棊材上之具有第二導 電型態&埋藏擴散層、底部與該埋藏擴散層頂部接觸之呈 環狀的具有第二導電型態之并、及一隔離於該具有第二導 電型態之井內的具有第一導電型態之井；及 位於該具有第一導電型態之井上的以〇2場效電晶體及 雙載子接面電晶體:該MOS場效雷晶體句.含： 第一具有第二導電型態之擴散層，·透過輸入電阻連接 到一金屬端子，作爲汲極之用； 、、.第二具有第二導電型態之擴散層，與第一參考電位連 .接，作爲源極；及 一閘電極’與該第一參考電位連接； 該雙載子接面電晶體包含： 第二具有第二導電型態之擴散層，作爲射極之用； 第三具有第二導電型態之擴散層，與位於第二具有第 '二導電型態之擴散層相反方向的一金屬端子連接，作 爲集極之用；及 .具有第一導電型態之隔離井，作爲基底之用。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中環繞該 第一、第二、及第三具有第二導電型態之擴散層的具有第 一導電型態之擴散層形成於該具有第一導電型態之井上 面；其位置與該第三具有第二導電型態之擴散層相反，之 ，間留有適當的間隙；且在其相反位置形成二極體。 3. 如申請專利範圍第1項或第2項之半導體裝置，其 13 i紙棟尺度適用家榇準（CMS ) A4規格（210X 297公ί ^ „ ：---一---Γ------、ΤΓ------0 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 中該具有第二導電型態之井連接到一第二參考電位二 4.如申請專利範圍第2項之半導體裝置，其中該具有 第一導電型態之擴散層連接到一第一參考電位。 (請先聞讀背面之注f項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）