TWI536538B - 電源管理電路及其中之高電壓元件 - Google Patents

電源管理電路及其中之高電壓元件 Download PDF

Info

Publication number
TWI536538B
TWI536538B TW100114704A TW100114704A TWI536538B TW I536538 B TWI536538 B TW I536538B TW 100114704 A TW100114704 A TW 100114704A TW 100114704 A TW100114704 A TW 100114704A TW I536538 B TWI536538 B TW I536538B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
high voltage
transistor
component
doped layer
heavily doped
Prior art date
Application number
TW100114704A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201244060A (en
Inventor
陳哲宏
蘇郁迪
Original Assignee
新唐科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 新唐科技股份有限公司 filed Critical 新唐科技股份有限公司
Priority to TW100114704A priority Critical patent/TWI536538B/zh
Priority to CN201110145865.3A priority patent/CN102761109B/zh
Priority to US13/410,280 priority patent/US8611059B2/en
Publication of TW201244060A publication Critical patent/TW201244060A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI536538B publication Critical patent/TWI536538B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/0203—Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0248—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
    • H01L27/0251—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices
    • H01L27/0259—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using bipolar transistors as protective elements
    • H01L27/0262—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using bipolar transistors as protective elements including a PNP transistor and a NPN transistor, wherein each of said transistors has its base coupled to the collector of the other transistor, e.g. silicon controlled rectifier [SCR] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/87—Thyristor diodes, e.g. Shockley diodes, break-over diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/08—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/0843—Source or drain regions of field-effect devices
    • H01L29/0847—Source or drain regions of field-effect devices of field-effect transistors with insulated gate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42364—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the insulating layer, e.g. thickness or uniformity
    • H01L29/42368—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the insulating layer, e.g. thickness or uniformity the thickness being non-uniform
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/7436—Lateral thyristors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7801—DMOS transistors, i.e. MISFETs with a channel accommodating body or base region adjoining a drain drift region
    • H01L29/7816—Lateral DMOS transistors, i.e. LDMOS transistors
    • H01L29/7817—Lateral DMOS transistors, i.e. LDMOS transistors structurally associated with at least one other device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7833—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with lightly doped drain or source extension, e.g. LDD MOSFET's; DDD MOSFET's
    • H01L29/7835—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with lightly doped drain or source extension, e.g. LDD MOSFET's; DDD MOSFET's with asymmetrical source and drain regions, e.g. lateral high-voltage MISFETs with drain offset region, extended drain MISFETs

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

電源管理電路及其中之高電壓元件
本揭示內容是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種靜電放電防護裝置。
一般而言，各種電子裝置中均會設置有靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)防護的機制，藉以避免當人體帶有過多的靜電而去觸碰電子裝置時，電子裝置因為靜電所產生的瞬間大電流而導致毀損，或是避免電子裝置受到環境或運送工具所帶的靜電影響而產生無法正常運作的情形。
以高電壓操作環境下的電子裝置而言，高電壓元件通常可被應用於其中，藉此提供高電壓處理的能力，同時在電子裝置未操作的情形下，高電壓元件本身亦可承受靜電放電電流而不會導致元件本身之損毀。
然而，上述高電壓元件並無法提供有效的靜電放電防護，因此當靜電放電情形發生而產生瞬間大電流時，上述高電壓元件仍無法用來確實避免靜電放電對於電子裝置造成的損害，故靜電放電所產生的瞬間大電流仍可能透過上述高電壓元件流往其它內部電路，使得內部電路中的元件毀損。
本發明實施例提供一種靜電放電防護電路，藉此進行靜電放電防護。
本揭示內容之一技術樣態係關於一種高電壓元件，其包含一高電壓電晶體以及一防護元件。高電壓電晶體具有一控制端、一第一端以及一第二端，其中第一端耦接一電壓輸出入端。防護元件耦接於高電壓電晶體之第二端以及一接地端之間，且其中寄生有一等效電路。當電壓輸出入端依據正靜電放電電荷而帶電時，正靜電放電電荷所對應之電流自電壓輸出入端經過高電壓電晶體和防護元件中之等效電路流往接地端。
本揭示內容之另一技術樣態係關於一種高電壓元件，其包含一高電壓電晶體以及一防護元件。高電壓電晶體包含一第一電極以及一第二電極。防護元件包含一第三電極以及一第四電極，且高電壓電晶體之第二電極與防護元件之第三電極至少共用一第一重摻雜層。
本揭示內容之又一技術樣態係關於一種電源管理電路，其包含一高電壓元件，且高電壓元件包含一高電壓電晶體以及一電晶體。高電壓電晶體耦接一電壓輸出入端，並包含一N型緩衝層以及一第一N型重摻雜層，且第一N型重摻雜層形成於N型緩衝層中。電晶體耦接一接地端，且與該高電壓電晶體整合製作，並包含N型緩衝層以及第一N型重摻雜層。
根據本揭示之技術內容，應用前述電源管理電路及其中高電壓元件，可有效地增強整體電路的ESD防護，藉此提升導通ESD大電流的能力。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執 行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。
關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分五之以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』、『大約』或『大致』所表示的誤差或範圍。
第1圖係依照本發明實施例繪示一種電源管理電路的示意圖。此電源管理電路100包含一控制電路110、一內部電路120以及一高電壓元件130，其中高電壓元件130更包含一高電壓電晶體132以及一防護元件134。在實作上，防護元件134可與高電壓電晶體132整合製作，而高電壓電晶體132可為一金氧半導體場效電晶體M1。一般而言，高電壓電晶體132係指可操作於高於3V或5V之電壓的元件，更具體而言，本發明實施例中所指的高電壓元件或高電壓電晶體可在例如十伏特、數十伏特、數百伏特或甚至上千伏特的環境下操作。
在實作上，電源管理電路100可為一電壓轉換電路，例如低壓降穩壓器電路(Low Dropout，LDO)，其可應用於電源供應器、直流轉直流電壓轉換器(DC/DC converter)或功率放大器等需要電壓轉換的裝置中。電源管理電路100亦可以積體電路(IC)形式製作於單一晶片中，或與其它電路整合製作。
於操作上，高電壓電晶體132可提供電壓轉換的功能，其中高電壓電晶體132可由控制電路110進行控制，並自一電壓輸出入端I/O接收一外部高電壓，藉以於高電壓電晶體132之一端(即節點Q)產生具有相對較低電壓位準之一操作電壓，使得內部電路120可依據操作電 壓進行操作。
高電壓元件130耦接於電壓輸出入端I/O以及一接地端GND之間，當電源管理電路100未進行操作，且電壓輸出入端I/O依據靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)電荷而帶電時，高電壓元件130可對ESD電荷進行放電，使得ESD電荷所對應的電流自電壓輸出入端I/O經過高電壓元件130流往接地端GND，如第2圖所示。
具體而言，如第1圖所示，高電壓電晶體132的第一端耦接電壓輸出入端I/O，防護元件134耦接於高電壓電晶體132的第二端(即節點Q)與接地端GND之間，且防護元件134中寄生有一等效電路。當電壓輸出入端I/O依據ESD電荷而帶電時，ESD電荷所對應的電流可自電壓輸出入端I/O經過高電壓電晶體132和防護元件134中的等效電路流往接地端GND。
在一實施例中，防護元件134可為一雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)，其中寄生有一等效電路(例如：兩個對接之二極體所組成之等效電路)，且防護元件134亦可以是寄生有一雙載子接面電晶體等效電路的電晶體。在另一實施例中，防護元件134中是一矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，或寄生有一矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)等效電路，其中矽控整流器係為一種具有P/N/P/N半導體介面的電子元件。
在次一實施例中，防護元件134可為一金氧半導體場效電晶體M2，例如：橫向擴散金氧半導體場效電晶體(LDMOS)、高電壓金氧半導體場效電晶體(HVMOS)...等等，其中電晶體M2的第一端耦接高電壓電晶體132的第二端(即節點Q)，電晶體M2的第二端耦接於接地端GND。
在又一實施例中，高電壓元件130更可包含一等效電阻器R，等效電阻器R耦接於金氧半導體場效電晶體M2的控制端以及接地端GND之間，使得ESD電荷對應的大電流能盡量流向電晶體M2，藉以透過電晶體M2對ESD電荷對應的大電流進行有效的放電。在實作上，等效電阻器R可為多晶矽電阻(poly resistor)、擴散電阻(diffusion resistor)、井電阻(well resistor)...等，或是可由電晶體來實現。
第3圖係依照本發明實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件的剖面示意圖。如第3圖所示，防護元件134a可與高電壓電晶體132a整合製作在一起，且特別可以橫向製作的方式整合於相同平面結構。具體而言，高電壓電晶體132a與防護元件134a可共用半導體層，使得兩者得以橫向整合於相同平面結構。舉例而言，當高電壓電晶體132a與防護元件134a各自以橫向擴散金氧半導體場效電晶體(LDMOS)、高電壓金氧半導體場效電晶體(HVMOS)、雙載子接面電晶體、...等元件來實現時，高電壓電晶體132a與防護元件134a可共用一重摻雜層。
以本實施例為例，高電壓電晶體132a包含一汲極(D1)、一閘極(G1)以及一源極(S1)，而防護元件134a包含一汲極(D2)、一閘極(G2)以及一源極(S2)，其中高電壓電晶體132a的源極(S1)與防護元件134a的汲極(D2)至少共用一N型重摻雜層310，且N型重摻雜層310的離子摻雜濃度可介於約1x1014~9x1015之間。此外，防護元件134a可更包含一N型緩衝層320，其中N型重摻雜層310形成於N型緩衝層320中。N型緩衝層320的離子摻雜濃度低於N型重摻雜層310，N型緩衝層320例如可為NHDD(N-type high voltage doped drain；摻雜濃度約為8x1011~8x1013)、N型漂流擴散層(N-drift；摻雜濃度約為5.5x1011~5.5x1013)或N型井區(N-well；摻雜濃度約為1x1012~1x1014)。 在另一實施例，N型重摻雜層310亦可不位於任何緩衝層中，直接位於一P型基底(P-sub)、一P型磊晶層(P-epi)或其他P型摻雜層中。此外，防護元件134a更可包含一N型漂流擴散層330，其中N型漂流擴散層330鄰接於N型重摻雜層310和N型緩衝層320。在一實施例中，N型漂流擴散層330的摻雜濃度和長度可影響防護元件134a的崩潰電壓與導通電阻(Ron)。
以半導體結構配置而言，高電壓電晶體132a的源極(S1)可包含上述的N型重摻雜層310，而防護元件134a的汲極(D2)可同時包含上述的N型重摻雜層310，使得高電壓電晶體132a的源極(S1)可同時為防護元件134a的汲極(D2)。
其次，防護元件134a更可包含一場氧化層370以及一閘極層380，其中場氧化層370形成於N型漂流擴散層330上方，閘極層380與場氧化層370相隔一閘極介電層375而形成於場氧化層370上方，使得閘極層380可作為防護元件134a的閘極(G2)。實作上，場氧化層可以局域性矽氧化(local oxidation of silicon，LOCOS)方式形成。
此外，在本實施例中，高電壓電晶體132a的汲極(D1)耦接電壓輸出入端I/O，防護元件134a的源極(S2)耦接接地端GND，且防護元件134a中寄生有一等效電路。當電壓輸出入端I/O依據ESD電荷而帶電時，ESD電荷所對應之電流可自電壓輸出入端I/O，經過高電壓電晶體132a和防護元件134a中之等效電路，流往接地端GND，進而達到靜電放電防護的效果。
在一實施例中，第1圖所示的防護元件134可為一雙載子接面電晶體。在另一實施例中，防護元件134內可寄生有雙載子接面電晶體等效電路。以此實施例為例，防護元件134a可包含另一N型重摻雜層 350以及一摻雜層360，其中N型重摻雜層350形成於摻雜層360中，N型緩衝層320和N型漂流擴散層330、340亦形成於摻雜層360中，而摻雜層360可為一P型摻雜區，例如可為P型井半導體層、P型基底(P-sub)、P型磊晶層(P-epi)，防護元件134a與高電壓電晶體132a之源極(S1)可共用摻雜層360。N型重摻雜層350層與N型漂流擴散層330分開配置，且N型重摻雜層350耦接接地端GND，作為防護元件134a中寄生之雙載子接面電晶體等效電路的射極，而摻雜層360則作為防護元件134a中寄生之雙載子接面電晶體等效電路的基極。
依據上述，在防護元件134a內寄生有雙載子接面電晶體等效電路的情形下，N型重摻雜層350作為雙載子接面電晶體等效電路的射極，摻雜層360作為雙載子接面電晶體等效電路的基極，而N型漂流擴散層330則作為雙載子接面電晶體等效電路的集極的一部份，使得當電壓輸出入端I/O依據ESD電荷而帶電時，ESD電荷所對應之大電流可自電壓輸出入端I/O，經過高電壓電晶體132a以及防護元件134a中的雙載子接面電晶體等效電路，流往接地端GND，進而達到靜電放電防護的效果，此靜電放電防護的操作可如第4圖所示。
另一方面，在另一實施例中，第1圖所示的防護元件134可為矽控整流器或寄生有矽控整流器等效電路之電晶體。第5圖係依照本發明另一實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件的剖面示意圖。相較於第3圖而言，本實施例中防護元件134b的汲極(D2)更包含另一N型重摻雜層312。防護元件134b可更包含一P型重摻雜層314，其中P型重摻雜層314鄰接於N型重摻雜層310和N型重摻雜層312之間，並作為防護元件134b中寄生之矽控整流器等效電路的陽極，而前述N型重摻雜層350可作為防護元件134b中寄生之矽控整流器等效電路的 陰極。由於矽控整流器主要是一種具有P/N/P/N半導體介面的電子元件，故依本實施例中的半導體結構，於防護元件134b中的汲極(D2)和源極(S2)之間可寄生矽控整流器等效電路。
依據上述，在防護元件134b內寄生有矽控整流器等效電路的情形下，P型重摻雜層314作為矽控整流器等效電路的陽極，而N型重摻雜層350作為矽控整流器等效電路的陰極，使得當電壓輸出入端I/O依據ESD電荷而帶電時，ESD電荷所對應之大電流可自電壓輸出入端I/O，經過高電壓電晶體132b以及防護元件134b中的矽控整流器等效電路，流往接地端GND，進而達到靜電放電防護的效果，此靜電放電防護的操作可如第6圖所示。
第7圖係依照本發明次一實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件的剖面示意圖。相較於第3圖而言，第7圖所示之高電壓元件130c中，P型基底(P-sub)或P型磊晶層(P-epi)上形成一N型磊晶層(N-epi)700，且防護元件134c與高電壓電晶體132c中的各個半導體層均製作於N型磊晶層700上，即防護元件134c與高電壓電晶體132c共用N型磊晶層700。在本實施例中，高電壓元件130c的靜電放電防護操作方式可類似於第4圖所示之操作方式。
第8圖係依照本發明又一實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件的剖面示意圖。相較於第5圖而言，第8圖所示之高電壓元件130d中，P型基底(P-sub)或P型磊晶層(P-epi)上形成一N型磊晶層(N-epi)710，且防護元件134d與高電壓電晶體132d中的各個半導體層均製作於N型磊晶層710上，即防護元件134d與高電壓電晶體132d共用N型磊晶層710。在本實施例中，高電壓元件130d的靜電放電防護操作方式可類似於第6圖所示之操作方式。
上述高電壓元件可應用於各種電子裝置中，並可依照不同操作情況而提供靜電放電防護的作用。第9圖至第12圖係依照本發明實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件在不同操作情況下的靜電放電防護操作示意圖。
在第9圖中，當人體或物體帶正電觸碰到電壓輸出入端I/O且接地端GND觸碰到接地電位時(在此稱PS模式)，ESD電荷所對應的電流可自電壓輸出入端I/O，經過高電壓電晶體和防護元件(處於逆偏狀態)，流往接地端GND，進而達到靜電放電防護的效果。
在第10圖中，當人體或物體帶正電觸碰到電壓輸出入端I/O且電壓源端VDD觸碰到接地電位時(在此稱PD模式)，ESD電荷所對應的電流可自電壓輸出入端I/O，經過高電壓電晶體和防護元件(處於逆偏狀態)，流往接地端GND，再經電源箝制電路(處於順偏狀態)流向電壓源端VDD，進而達到靜電放電防護的效果。
在第11圖中，當人體或物體帶負電觸碰到電壓輸出入端I/O且接地端GND觸碰到接地電位時(在此稱NS模式)，ESD電荷所對應的電流可自接地端GND，經過高電壓電晶體(例如經過其中處於順偏狀態的寄生二極體)，流往電壓輸出入端I/O，進而達到靜電放電防護的效果。
在第12圖中，當人體或物體帶負電觸碰到電壓輸出入端I/O且電壓源端VDD觸碰到接地電位時(在此稱ND模式)，ESD電荷所對應的電流可自電壓源端VDD，經過電源箝制電路(處於逆偏狀態)流向接地端GND，再經高電壓電晶體(例如經過其中處於順偏狀態的寄生二極體)，流往電壓輸出入端I/O，進而達到靜電放電防護的效果。
一般而言，當靜電放電情形發生而產生瞬間大電流時，一般高電壓元件並無法確實避免靜電放電對於電子裝置造成的損害，靜電放電 所產生的瞬間大電流可能透過高電壓元件流往其它內部電路，使得內部電路中的元件毀損。
相較於前述情形，在本發明實施例中，當高電壓電晶體被製作時，靜電放電防護元件可利用整合的方式(如：嵌入式)製作於高電壓電晶體中半導體結構的一側，藉此增強整體電路的靜電放電防護能力。
此外，上述將高電壓電晶體與靜電放電防護元件整合製作的方式，對於積體電路晶片的佈局(layout)而言，在一般的佈局方式(如：多邊結構佈局、圓狀結構佈局)下，整合後的總面積可大約與高電壓電晶體本身所需的面積相同，而在指狀結構(finger type)的佈局方式下，整合後的總面積也僅大於高電壓電晶體本身所需的面積約1.6%而已，故在總面積大致上不變的情況下，應用上述高電壓元件可因此增強整體的靜電放電防護能力。
另一方面，由於靜電放電事件發生時，可能會產生ESD電荷，因而導致短持續時間的大量電流流至電子裝置中，且上述大量電流可能由各種來源(例如：人體或機器)所產生，因此下列表(一)更繪示不同元件在帶靜電情況下人體模式(Human Body Model，HBM)的測試結果。
由表(一)可知，相較於僅利用不具有防護元件的原高電壓元件進行靜電放電防護的測試結果，本發明實施例中的高電壓元件(包含供電5V予內部電路的高電壓電晶體)，其HBM測試結果可高達5.25KV，而本發明另一實施例中的高電壓元件(包含供電5V予內部電路的高電壓電晶體)，其HBM測試結果亦可高達5.25KV，應用本發明實施例中的高電壓元件的靜電放電防護能力明顯提升。
表(一)
第13圖係繪示原高電壓元件與本發明實施例的高電壓元件所具有之崩潰電壓比較的模擬示意圖。第14圖係繪示原高電壓元件與本發明實施例的高電壓元件所具有之電氣特性比較的模擬示意圖。由第13圖和第14圖可知，原高電壓元件與本發明實施例的高電壓元件相較之下，兩者的崩潰電壓(BVDSS)或汲極電流對閘極電壓(Id-Vg)的電氣特性均大致相同，故可知上述將高電壓電晶體與靜電放電防護元件整合製作的方式，並不至於影響原先的電路操作和功能。
由上述本發明之實施例可知，應用前述高電壓元件或將高電壓電晶體與靜電放電防護元件整合製作的方式，不僅可有效地增強整體電路的ESD防護，提升導通ESD大電流的能力，而且可使積體電路晶片的佈局總面積大致上不變，更可維持應用後整體電路的原有操作和功能。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域具通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍 所界定者為準。
100‧‧‧電源管理電路
314‧‧‧P型重摻雜層
110‧‧‧控制電路
320‧‧‧N型緩衝層
120‧‧‧內部電路
330、340‧‧‧N型漂流擴散層
130、130a、130b、130c、130d‧‧‧高電壓元件
350‧‧‧N型重摻雜層
132、132a、132b、132c、132d‧‧‧高電壓電晶體
360‧‧‧摻雜層
134、134a、134b、134c、134d‧‧‧防護元件
370‧‧‧場氧化層
310‧‧‧N型重摻雜層
375‧‧‧閘極介電層
312‧‧‧N型重摻雜層
380‧‧‧閘極層
700、710‧‧‧N型磊晶層
第1圖係依照本發明實施例繪示一種電源管理電路的示意圖。
第2圖係繪示第1圖所示之電源管理電路的靜電放電防護操作示意圖。
第3圖係依照本發明實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件的剖面示意圖。
第4圖係繪示第3圖所示之高電壓元件的靜電放電防護操作示意圖。
第5圖係依照本發明另一實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件的剖面示意圖。
第6圖係繪示第5圖所示之高電壓元件的靜電放電防護操作示意圖。
第7圖係依照本發明次一實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件的剖面示意圖。
第8圖係依照本發明又一實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件的剖面示意圖。
第9圖至第12圖係依照本發明實施例繪示一種如第1圖所示之高電壓元件在不同操作情況下的靜電放電防護操作示意圖。
第13圖係繪示原高電壓元件與本發明實施例的高電壓元件所具有之崩潰電壓比較的模擬示意圖。
第14圖係繪示原高電壓元件與本發明實施例的高電壓元件所具有之電氣特性比較的模擬示意圖。
130a．．．高電壓元件
132a．．．高電壓電晶體
134a．．．防護元件
310．．．N型重摻雜層
320．．．N型緩衝層
330、340．．．N型漂流擴散層
350．．．N型重摻雜層
360．．．摻雜層
370．．．場氧化層
375．．．閘極介電層
380．．．閘極層

Claims (15)

  1. 一種高電壓元件，包含：一高電壓電晶體，該高電壓電晶體具有一控制端、一第一端以及一第二端，該第一端耦接一電壓輸出入端；以及一防護元件，該防護元件耦接於該高電壓電晶體之該第二端以及一接地端之間，該防護元件中寄生有一等效電路，當該電壓輸出入端依據正靜電放電電荷而帶電時，正靜電放電電荷所對應之電流自該電壓輸出入端經過該高電壓電晶體和該防護元件中之該等效電路流往該接地端。
  2. 如請求項1所述之高電壓元件，其中該防護元件為一雙載子接面電晶體、一矽控整流器、寄生有雙載子接面電晶體之該等效電路之防護元件或寄生有矽控整流器之該等效電路之防護元件。
  3. 如請求項1所述之高電壓元件，更包含一等效電阻器，其中該防護元件係為一金氧半導體場效電晶體，該金氧半導體場效電晶體之一第一端耦接該高電壓電晶體之該第二端，該金氧半導體場效電晶體之一第二端耦接該接地端，該等效電阻器耦接於該金氧半導體場效電晶體之一控制端以及該接地端之間。
  4. 一種高電壓元件，包含：一高電壓電晶體，該高電壓電晶體包含一控制端、一第一電極以及一第二電極，該高電壓電晶體之該第一電極耦接一電壓輸出入端；以及 一防護元件，該防護元件包含一第三電極以及一第四電極，該防護元件之該第四電極耦接一接地端，其中該高電壓電晶體之該第二電極作為該防護元件之該第三電極，該高電壓電晶體之該第二電極與該防護元件之該第三電極至少共用一第一重摻雜層。
  5. 如請求項4所述之高電壓元件，更包含一緩衝層，該第一重摻雜層位於該緩衝層中，該緩衝層的摻雜濃度低於該第一重摻雜層之摻雜濃度。
  6. 如請求項4所述之高電壓元件，其中該防護元件更包含一漂流擴散層，該漂流擴散層鄰接於該第一重摻雜層。
  7. 如請求項4所述之高電壓元件，其中該高電壓電晶體之該第一電極耦接一電壓輸出入端，該防護元件之該第四電極耦接一接地端，該防護元件中寄生有一等效電路，當該電壓輸出入端依據正靜電放電電荷而帶電時，正靜電放電電荷所對應之電流自該電壓輸出入端經過該高電壓電晶體和該防護元件中之該等效電路流往該接地端。
  8. 如請求項4所述之高電壓元件，其中該防護元件更包含：一第二重摻雜層，該第二重摻雜層耦接一接地端，並作為該防護元件中之一雙載子接面電晶體等效電路之一射極；以及一摻雜層，該第二重摻雜層形成於該摻雜層中，該摻雜層作為該防護元件中該雙載子接面電晶體等效電路之一基極。
  9. 如請求項8所述之高電壓元件，其中該防護元件更包含：一場氧化層，形成於一漂流擴散層上方；以及一閘極層，形成於該場氧化層上方。
  10. 如請求項4所述之高電壓元件，其中該防護元件更包含：一第二重摻雜層；一第三重摻雜層，鄰接於該第一重摻雜層和該第二重摻雜層之間，並作為該防護元件中之一矽控整流器等效電路之一陽極；以及一第四重摻雜層，該第四重摻雜層耦接一接地端，並作為該防護元件中寄生之該矽控整流器等效電路之一陰極。
  11. 如請求項4所述之高電壓元件，更包含：一磊晶層，該防護元件以及該高電壓電晶體係共用該磊晶層。
  12. 一種電源管理電路，包含：一高電壓元件，包含：一高電壓電晶體，該高電壓電晶體耦接一電壓輸出入端，該高電壓電晶體包含一N型緩衝層以及一第一N型重摻雜層，該第一N型重摻雜層形成於該N型緩衝層中；以及一電晶體，該電晶體耦接一接地端，該電晶體與該高電壓電晶體整合製作，該電晶體包含該N型緩衝層以及該第一N型重摻雜層。
  13. 如請求項12所述之電源管理電路，其中該電晶體更包含：一N型漂流擴散層，該電晶體中具有一雙載子接面電晶體等效電路，該N型漂流擴散層係作為該雙載子接面電晶體等效電路之一集極之一部份；以及一第二N型重摻雜層，該第二N型重摻雜層耦接該接地端，並作為該電晶體中該雙載子接面電晶體等效電路之一射極。
  14. 如請求項12所述之電源管理電路，其中該電晶體更包含：一第二N型重摻雜層；一P型重摻雜層，鄰接於該第一N型重摻雜層和該第二N型重摻雜層之間，並作為該電晶體中之一矽控整流器等效電路之一陽極；以及一第三N型重摻雜層，該第三N型重摻雜層作為該電晶體中該矽控整流器等效電路之一陰極。
  15. 如請求項12所述之電源管理電路，其中該高電壓電晶體以及該電晶體共用一P型摻雜層，該N型緩衝層形成於該P型摻雜層中。
TW100114704A 2011-04-27 2011-04-27 電源管理電路及其中之高電壓元件 TWI536538B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW100114704A TWI536538B (zh) 2011-04-27 2011-04-27 電源管理電路及其中之高電壓元件
CN201110145865.3A CN102761109B (zh) 2011-04-27 2011-06-01 电源管理电路及其中的高电压元件
US13/410,280 US8611059B2 (en) 2011-04-27 2012-03-01 Power management circuit and high voltage device therein

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW100114704A TWI536538B (zh) 2011-04-27 2011-04-27 電源管理電路及其中之高電壓元件

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201244060A TW201244060A (en) 2012-11-01
TWI536538B true TWI536538B (zh) 2016-06-01

Family

ID=47055467

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW100114704A TWI536538B (zh) 2011-04-27 2011-04-27 電源管理電路及其中之高電壓元件

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8611059B2 (zh)
CN (1) CN102761109B (zh)
TW (1) TWI536538B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015032767A (ja) * 2013-08-06 2015-02-16 株式会社日立製作所 半導体装置
CN105097795B (zh) * 2014-05-04 2018-03-16 无锡华润上华科技有限公司 具esd保护结构的半导体器件
CN104882443B (zh) * 2015-05-15 2017-10-31 四川广义微电子股份有限公司 Mos开关电容电路的芯片集成结构
US9627528B2 (en) * 2015-09-11 2017-04-18 Macronix International Co., Ltd. Semiconductor device having gate structures and manufacturing method thereof
TWI654733B (zh) * 2018-06-04 2019-03-21 茂達電子股份有限公司 靜電放電保護電路
TWI718611B (zh) * 2019-08-02 2021-02-11 新唐科技股份有限公司 高電壓電路裝置及其環形電路布局
TWI720867B (zh) * 2020-04-08 2021-03-01 新唐科技股份有限公司 半導體裝置
US11527528B2 (en) * 2020-04-21 2022-12-13 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Electrostatic discharge protection devices and methods of forming electrostatic discharge protection devices
EP3944317A1 (en) * 2020-07-21 2022-01-26 Nexperia B.V. An electrostatic discharge protection semiconductor structure and a method of manufacture

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW457688B (en) 1999-12-20 2001-10-01 Winbond Electronics Corp Input/output port with high voltage tolerance
TW441073B (en) * 2000-03-17 2001-06-16 United Microelectronics Corp Electrostatic discharge protection circuit for integrated circuit
US6358781B1 (en) 2000-06-30 2002-03-19 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Uniform current distribution SCR device for high voltage ESD protection
US6724592B1 (en) * 2002-12-11 2004-04-20 Pericom Semiconductor Corp. Substrate-triggering of ESD-protection device
US7518843B2 (en) * 2005-03-28 2009-04-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. ESD protection circuit with low parasitic capacitance
EP1879229A1 (en) 2006-07-13 2008-01-16 STMicroelectronics S.r.l. Improved ESD protection circuit
US7462885B2 (en) 2006-11-30 2008-12-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. ESD structure for high voltage ESD protection
US7978450B1 (en) * 2008-03-20 2011-07-12 Altera Corporation Electrostatic discharge protection circuitry
US8009399B2 (en) * 2009-08-27 2011-08-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. ESD improvement with dynamic substrate resistance

Also Published As

Publication number Publication date
CN102761109A (zh) 2012-10-31
CN102761109B (zh) 2015-03-18
TW201244060A (en) 2012-11-01
US20120275072A1 (en) 2012-11-01
US8611059B2 (en) 2013-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI536538B (zh) 電源管理電路及其中之高電壓元件
US7906810B2 (en) LDMOS device for ESD protection circuit
US7838924B2 (en) MOS device with substrate potential elevation
KR100220385B1 (ko) 정전기 보호 소자
KR100638456B1 (ko) 이에스디 보호회로 및 그 제조방법
US8237225B2 (en) Semiconductor device for electrostatic discharge protection
CN108520875B (zh) 一种高维持电压npnpn型双向可控硅静电防护器件
US9627383B2 (en) Semiconductor device
KR20130047342A (ko) 정전기 방전 보호 장치
US8093683B2 (en) Semiconductor device
KR20150005443A (ko) 와이드 갭 반도체장치
US7741695B2 (en) Semiconductor device
US9721939B2 (en) Semiconductor device
TWI710096B (zh) 靜電放電防護裝置
US7449751B2 (en) High voltage operating electrostatic discharge protection device
TWI718611B (zh) 高電壓電路裝置及其環形電路布局
CN109300895B (zh) Ldmos-scr结构的esd保护器件
CN110277384B (zh) 防静电金属氧化物半导体场效应管结构
US9202907B2 (en) Protection diode
Hong-yu et al. Improved ldmos for esd protection of high voltage bcd process
TWI360874B (en) Device for esd protection circuit
Vashchenko et al. On chip ESD protection of 600V voltage node
KR20130047345A (ko) 정전기 방전 보호 장치
CN108346653B (zh) 可耐受静电放电事件的高压半导体元件
US9230954B1 (en) LDNMOS device for an ESD protection structure