TWI703703B - Electrostatic discharge protection device - Google Patents
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Abstract
Description
本發明是有關於靜電放電保護裝置,且特別是有關具有低導通電阻的靜電放電保護裝置。The present invention relates to electrostatic discharge protection devices, and particularly to electrostatic discharge protection devices with low on-resistance.
靜電放電(electrostatic discharge,ESD)已經是半導體產品中重要的可靠度考量之一。比較為一般人熟悉的靜電放電測試有兩種,人體放電模式(human body model,HBM)以及機器放電模式(machine model,MM)。一般商業用的積體電路都必須具備一定程度的HBM以及MM之耐受度,才可以販售,否則,積體電路非常容易因為偶然的靜電放電事件而損毀。也因此,如何製造一個有效率的靜電放電保護裝置/元件,來保護積體電路,也是業界一直不斷探討與研究的問題。Electrostatic discharge (ESD) has been one of the important reliability considerations in semiconductor products. There are two types of electrostatic discharge tests that are more familiar to ordinary people, human body model (HBM) and machine model (MM). Generally, commercial integrated circuits must have a certain degree of HBM and MM tolerance before they can be sold. Otherwise, integrated circuits are easily damaged by accidental electrostatic discharge events. Therefore, how to manufacture an efficient electrostatic discharge protection device/component to protect the integrated circuit is also a problem that the industry has been continuously discussing and researching.
本發明的一些實施例提供靜電放電保護裝置,此靜電放電保護裝置包含第一井區和第二井區。第一井區和第二井區設置於半導體基底中。第一井區具有第一導電類型,且第二井區具有第二導電類型,第二導電類型與第一導電類型相反。此靜電放電保護裝置包含第一摻雜區。第一摻雜區設置於第一井區和第二井區中。第一摻雜區具有第一導電類型。此靜電放電保護裝置包含第一重摻雜區。第一重摻雜區設置於第一井區中的第一摻雜區中。第一重摻雜區具有第二導電類型。Some embodiments of the present invention provide an electrostatic discharge protection device. The electrostatic discharge protection device includes a first well area and a second well area. The first well region and the second well region are arranged in the semiconductor substrate. The first well region has a first conductivity type, and the second well region has a second conductivity type, and the second conductivity type is opposite to the first conductivity type. The electrostatic discharge protection device includes a first doped region. The first doped region is arranged in the first well region and the second well region. The first doped region has a first conductivity type. The electrostatic discharge protection device includes a first heavily doped region. The first heavily doped region is arranged in the first doped region in the first well region. The first heavily doped region has the second conductivity type.
本發明的一些實施例提供靜電放電保護裝置,此靜電放電保護裝置包含第一井區。第一井區設置於半導體基底中。此靜電放電保護裝置包含第一摻雜區。第一摻雜區具有設置於第一井區中的第一部分、和設置於第一井區之外的第二部分。此靜電放電保護裝置包含第一重摻雜區。第一重摻雜區設置於第一摻雜區的第二部分中。此靜電放電保護裝置包含第二重摻雜區。第二重摻雜區設置於第二井區中。第一摻雜區具有第一導電類型,且第一井區、第一重摻雜區、以及第二重摻雜區具有第二導電類型,第二導電類型與第一導電類型相反。Some embodiments of the present invention provide an electrostatic discharge protection device. The electrostatic discharge protection device includes a first well region. The first well region is arranged in the semiconductor substrate. The electrostatic discharge protection device includes a first doped region. The first doped region has a first part arranged in the first well region and a second part arranged outside the first well region. The electrostatic discharge protection device includes a first heavily doped region. The first heavily doped region is arranged in the second part of the first doped region. The electrostatic discharge protection device includes a second heavily doped region. The second heavily doped region is arranged in the second well region. The first doped region has a first conductivity type, and the first well region, the first heavily doped region, and the second heavily doped region have a second conductivity type, and the second conductivity type is opposite to the first conductivity type.
以下揭露提供了許多的實施例或範例,用於實施所提供的靜電放電保護裝置(ESD)之不同元件。各元件和其配置的具體範例描述如下,以簡化本發明實施例之說明。當然,這些僅僅是範例,並非用以限定本發明實施例。舉例而言,敘述中若提及第一元件形成在第二元件之上,可能包含第一和第二元件直接接觸的實施例,也可能包含額外的元件形成在第一和第二元件之間,使得它們不直接接觸的實施例。此外,本發明實施例可能在不同的範例中重複參考數字及/或字母。如此重複是為了簡明和清楚,而非用以表示所討論的不同實施例之間的關係。The following disclosure provides many embodiments or examples for implementing different components of the provided electrostatic discharge protection device (ESD). Specific examples of each element and its configuration are described below to simplify the description of the embodiments of the present invention. Of course, these are only examples and are not intended to limit the embodiments of the present invention. For example, if the description mentions that the first element is formed on the second element, it may include an embodiment in which the first and second elements are in direct contact, or may include additional elements formed between the first and second elements. , So that they do not directly touch the embodiment. In addition, the embodiment of the present invention may repeat reference numbers and/or letters in different examples. Such repetition is for conciseness and clarity, and is not used to express the relationship between the different embodiments discussed.
以下描述實施例的一些變化。在不同圖式和說明的實施例中,相似的元件符號被用來標明相似的元件。可以理解的是,在方法的前、中、後可以提供額外的步驟,且一些敘述的步驟可為了該方法的其他實施例被取代或刪除。Some changes of the embodiment are described below. In the different drawings and illustrated embodiments, similar component symbols are used to identify similar components. It can be understood that additional steps may be provided before, during, and after the method, and some of the described steps may be replaced or deleted for other embodiments of the method.
本發明實施例提供一種靜電放電保護裝置,其包含由重摻雜區、中摻雜區、以及輕摻雜的井區所形成之寄生的雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)。當靜電放電事件發生時,井區與中摻雜區之間的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,使得靜電通過靜電放電保護裝置的雙載子接面電晶體放電,而不會通過所保護的半導體裝置。因此,靜電放電保護裝置保護半導體裝置免於在靜電放電事件中受到損害。An embodiment of the present invention provides an electrostatic discharge protection device, which includes a parasitic bipolar junction transistor (BJT) formed by a heavily doped region, a medium doped region, and a lightly doped well region . When an electrostatic discharge event occurs, the PN junction between the well area and the middle doped area collapses at a lower voltage to generate a reverse current, so that the static electricity is discharged through the two-carrier junction transistor of the electrostatic discharge protection device. It will not pass through the protected semiconductor device. Therefore, the electrostatic discharge protection device protects the semiconductor device from being damaged in an electrostatic discharge event.
第1A圖是根據本發明的一些實施例之靜電放電保護裝置100的剖面示意圖,而第1B圖是第1A圖之靜電放電保護裝置100的等效電路圖。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the electrostatic
根據一些實施例,如第1A圖所示,靜電放電保護裝置100包含半導體基底102。根據一些實施例,半導體基底102包含矽(Si)基底。根據一些實施例,半導體基底102包含元素半導體,例如鍺(Ge);化合物半導體,例如GaN、SiC、GaAs、GaP、InP、InAs、及/或InSb;合金半導體,例如SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、及/或GaInAsP;或前述之組合。According to some embodiments, as shown in FIG. 1A, the electrostatic
根據一些實施例,半導體基底102是摻雜的,以具有第一導電類型或是與第一導電類型相反的第二導電類型。在一些實施例中,第一導電類型是N型,並且第二導電類型是P型。在一些實施例中,半導體基底102具有第一導電類型(例如N型),例如可以摻雜磷(P)或摻雜砷(As)。在一些實施例中,半導體基底102具有第二導電類型(例如P型),例如可以摻雜硼(B)。According to some embodiments, the
根據一些實施例,除了靜電放電保護裝置100外,在半導體基底102上還形成其他的半導體裝置(未顯示),例如主動元件、被動元件(例如電阻或電容)、或前述之組合,形成於半導體基底102上。在一些實施例中,主動元件包含電晶體、金屬氧化物半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)、金屬絕緣體半導體場效電晶體(metal insulator semiconductor FET,MISFET)、接面場效電晶體(junction field effect transistor,JFET)、絕緣閘雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor,IGBT)、或前述之組合。在靜電放電事件發生期間,靜電放電保護裝置100保護這些半導體裝置。According to some embodiments, in addition to the
根據一些實施例,如第1A圖所示,靜電放電保護裝置100包含第一井區104和第二井區106。根據一些實施例,第一井區104和第二井區106設置於半導體基底102中,並且自半導體基底102的上表面向下延伸。根據一些實施例,第一井區104與第二井區106接觸。According to some embodiments, as shown in FIG. 1A, the electrostatic
根據一些實施例,第一井區104與第二井區106具有相反的導電類型。根據一些實施例,第一井區104具有第一導電類型(例如N型),並且第二井區具有第二導電類型(例如P型)。在一些實施例中,第一導電類型是N型摻雜物,例如磷(P)、砷(As)、氮(N)、銻(Sb)離子、或前述之組合。在一些實施例中,第二導電類型是P型摻雜物,例如硼(B)、鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、或前述之組合。在一些實施例中,可透過各自的離子植入製程形成第一井區104和第二井區第106。According to some embodiments, the
根據一些實施例,如第1A圖所示,靜電放電保護裝置100包含第一摻雜區108。根據一些實施例,第一摻雜區108具有設置於第一井區104中的第一部分108A、以及設置於第二井區106中的第二部分108B。根據一些實施例,第一井區104與第二井區106之間的邊界通過第一摻雜區108。根據一些實施例,第一摻雜區108自半導體基底102的上表面向下延伸。According to some embodiments, as shown in FIG. 1A, the electrostatic
根據一些實施例,第一摻雜區108具有第一導電類型(例如N型)。根據一些實施例,第一摻雜區108的摻雜濃度大於第一井區104的摻雜濃度。根據一些實施例,第一摻雜區108的摻雜濃度大於第二井區106的摻雜濃度。根據一些實施例,可透過離子植入製程形成第一摻雜區108。According to some embodiments, the first
根據一些實施例,如第1A圖所示,靜電放電保護裝置100包含第二摻雜區110。根據一些實施例,第二摻雜區110設置於第二井區106中。根據一些實施例,第二摻雜區110自半導體基底102的上表面向下延伸。According to some embodiments, as shown in FIG. 1A, the electrostatic
根據一些實施例,第二摻雜區110具有第二導電類型(例如P型)。根據一些實施例,第二摻雜區110的摻雜濃度大於第二井區106的摻雜濃度。在一些實施例中,可透過離子植入製程形成第二摻雜區110。According to some embodiments, the second
根據一些實施例,如第1A圖所示,靜電放電保護裝置100包含第一重摻雜區132。根據一些實施例,第一重摻雜區132提供與形成於其上的內連線結構(未顯示,例如接觸件(contact))歐姆接觸。根據一些實施例,第一重摻雜區132設置於第一井區104中。根據一些實施例,第一重摻雜區132的一部分設置於第一摻雜區108中。根據一些實施例,第一重摻雜區132自半導體基底102的上表面向下延伸。According to some embodiments, as shown in FIG. 1A, the electrostatic
根據一些實施例,第一重摻雜區132具有第一導電類型(例如N型)。根據一些實施例,第一重摻雜區132的摻雜濃度大於第一井區104的摻雜濃度和第一摻雜區108的摻雜濃度。根據一些實施例,可透過離子植入製程形成第一重摻雜區132。According to some embodiments, the first heavily doped
根據一些實施例,如第1A圖所示,靜電放電保護裝置100包含第二重摻雜區134。根據一些實施例,第二重摻雜區134提供形成於其上的內連線結構(未顯示,例如接觸件)歐姆接觸。根據一些實施例,第二重摻雜區134設置於第一摻雜區108的第一部分108A中。根據一些實施例,全部的第二重摻雜區134設置於第一摻雜區108的第一部分108A中。根據一些實施例,第一重摻雜區132與第二重摻雜區134接觸。根據一些實施例,第二重摻雜區134自半導體基底102的上表面向下延伸。According to some embodiments, as shown in FIG. 1A, the electrostatic
根據一些實施例,第二重摻雜區134具有第二導電類型(例如P型)。根據一些實施例,第二重摻雜區134的摻雜濃度大於第一摻雜區108的摻雜濃度。根據一些實施例,可透過離子植入製程形成第二重摻雜區134。According to some embodiments, the second heavily doped
根據一些實施例,如第1A圖所示,靜電放電保護裝置100包含第三重摻雜區136。根據一些實施例,第三重摻雜區136 提供形成於其上的內連線結構(未顯示,例如接觸件)歐姆接觸。根據一些實施例,第三重摻雜區136設置於第一摻雜區108之外的第二井區106中。根據一些實施例,全部的第三重摻雜區136設置於第二井區106中的第二摻雜區110中。根據一些實施例,第三重摻雜區136自半導體基底102的上表面向下延伸。According to some embodiments, as shown in FIG. 1A, the electrostatic
根據一些實施例,第三重摻雜區136具有第二導電類型(例如P型)。根據一些實施例,第三重摻雜區136的摻雜濃度大於第二摻雜區110的摻雜濃度。根據一些實施例,可透過離子植入製程形成第三重摻雜區136。According to some embodiments, the third heavily doped
根據一些實施例,如第1A圖所示,靜電放電保護裝置100包含隔離部件121和隔離部件123。根據一些實施例,隔離部件121和隔離部件123自半導體基底102的上表面向下延伸。According to some embodiments, as shown in FIG. 1A, the electrostatic
根據一些實施例,隔離部件121和123定義靜電放電保護裝置100於半導體基底102中所形成的區域。根據一些實施例,隔離部件121設置於第一井區104之遠離第二井區106的一側,並且隔離部件123設置於第二井區106之遠離第一井區104的一側。According to some embodiments, the
在一些實施例中,隔離部件121、123包含場氧化物(field oxide,FOX)、局部矽氧化物(local oxide of silicon,LOCOS)、或淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)結構。在一些實施例中,隔離部件121、123由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、其他適當介電材料、或前述之組合形成。在一些實施例中,透過熱氧化製程形成隔離部件121、123。在一些實施例中,透過蝕刻製程和沉積製程形成隔離部件121、123。In some embodiments, the isolation features 121 and 123 include field oxide (FOX), local oxide of silicon (LOCOS), or shallow trench isolation (STI) structures. In some embodiments, the
根據一些實施例,如第1A圖所示,第一重摻雜區132與第二重摻雜區134一起電性連接至電源線(VDD),並且第三重摻雜區136電性連接至接地線(VSS)。根據一些實施例,電源線(VDD)和接地線(VSS)分別提供高電位和低電位於靜電放電保護裝置100所保護之半導體裝置。According to some embodiments, as shown in FIG. 1A, the first heavily doped
在一些實施例中,透過在半導體基底102之上形成內連線結構,使第一重摻雜區132和第二重摻雜區134電性連接至電源線(VDD),並且第三重摻雜區136電性連接至接地線(VSS)。在一些實施例中,內連線結構包含分別接觸第一重摻雜區132、第二重摻雜區134、以及三重摻雜區136的接觸件。在一些實施例中,內連線結構還包含形成於接觸件之上的導線和導孔(via)。In some embodiments, by forming an interconnect structure on the
根據一些實施例,如第1A和1B圖所示,第二重摻雜區134與第一摻雜區108之間存在PN接面,並且第二井區106與第一摻雜區108之間存在PN接面。因此,第二重摻雜區134、第一摻雜區108、和第二井區106形成寄生的雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)。根據一些實施例,此雙載子接面電晶體是PNP雙載子接面電晶體。根據一些實施例,第三重摻雜區136是雙載子接面電晶體的集極(collector)C,第一摻雜區108是雙載子接面電晶體的基極(base)B,並且第二重摻雜區134是雙載子接面電晶體的射極(emitter)E。According to some embodiments, as shown in FIGS. 1A and 1B, there is a PN junction between the second heavily doped
根據一些實施例,第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面的崩潰電壓低於靜電放電保護裝置100所保護之半導體裝置的操作電壓。當靜電放電事件從電源線(VDD)發生時,因為第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,所以靜電會從電源線(VDD)通過靜電放電保護裝置100的雙載子接面電晶體放電至接地線(VSS),而不會通過所保護的半導體裝置。因此,靜電放電保護裝置100保護半導體裝置免於在靜電放電事件中受到損害。According to some embodiments, the breakdown voltage of the PN junction between the
再者,一旦第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,射極E(第二重摻雜區134)與基極B(第一摻雜區108)之間會有電位差(V
EB),而產生大量的射極電流(I
E)流向集極C(第三重摻雜區136),從而降低了靜電放電保護裝置100的導通電阻(R
ON)。因此,靜電放電保護裝置100將靜電快速地放電至接地線(VSS)。
Furthermore, once the PN junction between the
再者,根據一些實施例,第一摻雜區108與第三重摻雜區136間隔距離D1。如果距離D1太小,則第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面的崩潰電壓會偏低。如果距離D1太太,則靜電放電保護裝置100的導通電阻(R
ON)會增加。根據一些實施例,設置於第一井區104中的第二重摻雜區134與第一井區104的邊緣間隔距離D2。
Furthermore, according to some embodiments, the first
再者,根據一些實施例,透過形成第二摻雜區110於第二井區106中,進一步降低靜電放電保護裝置100的導通電阻(R
ON),從而將靜電更快速地放電至接地線(VSS)。
Furthermore, according to some embodiments, by forming the second
第2A圖是根據本發明的一些實施例之靜電放電保護裝置200的剖面示意圖,而第2B圖是第2A圖之靜電放電保護裝置200的等效電路圖,其中相同於前述第1A和1B圖的實施例的部件係使用相同的標號並省略其說明。第2A和2B圖所示之實施例與前述第1A和1B圖之實施例的差別在於,靜電放電保護裝置200包含隔離部件122。Fig. 2A is a schematic cross-sectional view of an
根據一些實施例,隔離部件122設置於第一井區104中。根據一些實施例,隔離部件122設置於第一重摻雜區132與第二重摻雜區134之間。根據一些實施例,隔離部件122自半導體基底102的上表面向下延伸。根據一些實施例,第一重摻雜區132設置於第一摻雜區108A之外的第一井區104中。在一些實施例中,隔離部件122的材料與形成方法可與前述第1A圖的隔離部件121、123相同或相似。According to some embodiments, the
根據一些實施例,如第2A和2B圖所示,透過形成隔離部件122,第一井區104提供第一重摻雜區132與第一摻雜區108(基極B)之間的電阻R1。根據一些實施例,透過改變隔離部件122的尺寸D3調整電阻R1。舉例而言,尺寸D3越大則電阻R1越大,反之亦然。如果尺寸D3太小,則電阻R1沒有顯著增加。如果D3太大,則降低半導體基底102上之半導體裝置的布局密度。According to some embodiments, as shown in FIGS. 2A and 2B, by forming the
根據一些實施例,一旦第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,射極E(第二重摻雜區134)與基極B(第一摻雜區108)之間會有電位差(V
EB)。若第一井區104的電阻R1越大,則射極E與基極B之間的電位差(V
EB)越大,這進一步增加射極電流(I
E)。因此,形成隔離部件122進一步降低靜電放電保護裝置200的導通電阻(R
ON),從而將靜電更快速地放電至接地線(VSS)。
According to some embodiments, once the PN junction between the
第3A圖是根據本發明的一些實施例之靜電放電保護裝置300的剖面示意圖,而第3B圖是第3A圖之靜電放電保護裝置300的等效電路圖,其中相同於前述第1A和1B圖的實施例的部件係使用相同的標號並省略其說明。第3A和3B圖所示之實施例與前述第1A和1B圖之實施例的差別在於,靜電放電保護裝置300包含閘極結構138。Fig. 3A is a schematic cross-sectional view of an
根據一些實施例,如第3A圖所示,閘極結構138設置於半導體基底102的上表面之上。根據一些實施例,閘極結構138部分覆蓋第一井區104、第一摻雜區108、第二井區106、以第二摻雜區110。根據一些實施例,閘極結構138設置於第二重摻雜區134與第三重摻雜區136之間。根據一些實施例,閘極結構138未覆蓋第二重摻雜區134及第三重摻雜區136。According to some embodiments, as shown in FIG. 3A, the
根據一些實施例,如第3A圖所示,第一重摻雜區132、第二重摻雜區134、與閘極結構138一起電性連接至電源線(VDD),並且第三重摻雜區136電性連接至接地線(VSS)。According to some embodiments, as shown in FIG. 3A, the first heavily doped
根據一些實施例,閘極結構138包含閘極介電層140、以及形成於閘極介電層140之上的閘極電極142。在一些實施例中,閘極介電層140包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或高介電常數(high-k,例如介電常數大於3.9)介電材料。在一些實施例中,高介電常數介電材料包含氧化鉿。在一些實施例中,高介電常數介電材料包含LaO、AlO、ZrO、TiO、Ta
2O
5、Y
2O
3、SrTiO
3、BaTiO3、BaZrO、HfZrO、HfLaO、HfTaO、HfSiO、HfSiON、HfTiO、LaSiO、AlSiO、BaTiO
3、SrTiO
3、Al
2O
3、其他適當的高介電常數介電材料、或前述之組合。在一些實施例中,透過氧化製程(例如,乾式氧化製程或濕式氧化製程)、沉積製程(例如,化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)製程)、其他適當製程、或前述之組合,形成閘極介電層。
According to some embodiments, the
在一些實施例中,閘極電極142包含導電材料,例如多晶矽(polysilicon)或金屬。在一些實施例中,多晶矽可以是摻雜的。在一些實施例中,金屬包含鎢(W)、鈦(Ti)、鋁(Al)、銅(Cu)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、類似金屬、或前述之組合。在一些實施例中,透過化學氣相沉積(CVD)製程、物理氣相沉積(physical vapor depositio,PVD)製程、電鍍製程、原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)製程、其他適當製程、或前述之組合來形成用於閘極電極142的導電材料。接著,透過微影製程和蝕刻製程將電極材料圖案化,以形成閘極電極142。In some embodiments, the
根據一些實施例,當靜電放電事件發生於電源線(VDD)時,電性連接至電源線(VDD)的閘極結構138開啟了其下方的通道區,這進一步增加集極電流(I
C)。因此,形成閘極結構138進一步降低靜電放電保護裝置300的導通電阻(R
ON),從而將靜電更快速地放電至接地線(VSS)。
According to some embodiments, when an electrostatic discharge event occurs on the power line (VDD), the
第4A圖是根據本發明的一些實施例之靜電放電保護裝置400的剖面示意圖,而第4B圖是第4A圖之靜電放電保護裝置400的等效電路圖,其中相同於前述第3A和3B圖的實施例的部件係使用相同的標號並省略其說明。第4A和4B圖所示之實施例與前述第3A和3B圖之實施例的差別在於,靜電放電保護裝置400包含如第2A圖所示的隔離部件122。Fig. 4A is a schematic cross-sectional view of an
根據一些實施例,一旦第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,射極E(第二重摻雜區134)與基極B(第一摻雜區108)之間會有電位差(V
EB)。若第一井區104的電阻R1越大,則射極E與基極B之間的電位差(V
EB)越大,這進一步增加射極電流(I
E)。因此,形成隔離部件122進一步降低靜電放電保護裝置400的導通電阻(R
ON),從而將靜電更快速地放電至接地線(VSS)。
According to some embodiments, once the PN junction between the
第5A圖是根據本發明的一些實施例之靜電放電保護裝置500的剖面示意圖,而第5B圖是第5A圖之靜電放電保護裝置500的等效電路圖,其中相同於前述第1A和1B圖的實施例的部件係使用相同的標號並省略其說明。第5A和5B圖所示之實施例與前述第1A和1B圖之實施例的差別在於,第一導電類型是P型並且第二導電類型是N型。Fig. 5A is a schematic cross-sectional view of an
根據一些實施例,如第5A圖所示,第一重摻雜區132與第二重摻雜區134一起電性連接至接地線(VSS),並且第三重摻雜區136電性連接至電源線(VDD)。根據一些實施例,電源線(VDD)和接地線(VSS)分別提供高電位和低電位於靜電放電保護裝置500所保護之半導體裝置。According to some embodiments, as shown in FIG. 5A, the first heavily doped
根據一些實施例,如第5A和5B圖所示,第二重摻雜區134與第一摻雜區108之間存在PN接面,並且第二井區106與第一摻雜區108之間存在PN接面。因此,第二重摻雜區134、第一摻雜區108、和第二井區106形成寄生的雙載子接面電晶體(BJT)。根據一些實施例,此雙載子接面電晶體是NPN雙載子接面電晶體。根據一些實施例,第三重摻雜區136是雙載子接面電晶體的集極C,第一摻雜區108是雙載子接面電晶體的基極B,並且第二重摻雜區134是雙載子接面電晶體的射極E。According to some embodiments, as shown in FIGS. 5A and 5B, there is a PN junction between the second heavily doped
根據一些實施例,第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面的崩潰電壓低於靜電放電保護裝置500所保護之半導體裝置的工作電壓。當靜電放電事件從電源線(VDD)發生時,因為第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,所以靜電會從電源線(VDD)通過靜電放電保護裝置500的雙載子接面電晶體放電至接地線(VSS),而不會通過所保護之半導體裝置。因此,靜電放電保護裝置500保護半導體裝置免於在靜電放電事件中受到損害。According to some embodiments, the breakdown voltage of the PN junction between the
再者,一旦第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,射極E(第二重摻雜區134)與基極B(第一摻雜區108)之間會有電位差(V
EB),而產生大量的射極電流(I
E)流向集極C(第三重摻雜區136),從而降低了靜電放電保護裝置500的導通電阻(R
ON)。因此,靜電放電保護裝置500將靜電快速地放電至接地線(VSS)。
Furthermore, once the PN junction between the
第6A圖是根據本發明的一些實施例之靜電放電保護裝置600的剖面示意圖,而第6B圖是第6A圖之靜電放電保護裝置600的等效電路圖,其中相同於前述第5A和5B圖的實施例的部件係使用相同的標號並省略其說明。第6A和6B圖所示之實施例與前述第5A和5B圖之實施例的差別在於,靜電放電保護裝置600包含如第2A圖所示的隔離部件122。Fig. 6A is a schematic cross-sectional view of an
根據一些實施例,如第6A和6B圖所示,透過形成隔離部件122,第一井區104提供第一重摻雜區132與第一摻雜區108(基極B)之間的電阻R2。根據一些實施例,透過改變隔離部件122的尺寸D3調整電阻R2。舉例而言,尺寸D3越大則電阻R1越大,反之亦然。According to some embodiments, as shown in FIGS. 6A and 6B, by forming the
根據一些實施例,一旦第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,射極E(第二重摻雜區134)與基極B(第一摻雜區108)之間會有電位差(V
EB)。若第一井區104的電阻R1越大,則射極E與基極B之間的電位差(V
EB)越大,這進一步增加射極電流(I
E)。因此,形成隔離部件122進一步降低靜電放電保護裝置600的導通電阻(R
ON),從而將靜電更快速地放電至接地線(VSS)。
According to some embodiments, once the PN junction between the
第7A圖是根據本發明的一些實施例之靜電放電保護裝置700的剖面示意圖,而第7B圖是第7A圖之靜電放電保護裝置700的等效電路圖,其中相同於前述第5A和5B圖的實施例的部件係使用相同的標號並省略其說明。第7A和7B圖所示之實施例與前述第5A和5B圖之實施例的差別在於,靜電放電保護裝置700包含如第3A圖所示的閘極結構138。Fig. 7A is a schematic cross-sectional view of an
根據一些實施例,如第7A圖所示,第一重摻雜區132、第二重摻雜區134、與閘極結構138一起電性連接至接地線(VSS),並且第三重摻雜區136電性連接至電源線(VDD)。According to some embodiments, as shown in FIG. 7A, the first heavily doped
根據一些實施例,當靜電放電事件發生於電源線(VDD)時,電性連接至電源線(VDD)的閘極結構138開啟了其下方的通道區。因此,形成閘極結構138進一步降低靜電放電保護裝置700的導通電阻(R
ON),從而將靜電更快速地放電至接地線(VSS)。
According to some embodiments, when an electrostatic discharge event occurs on the power line (VDD), the
第8A圖是根據本發明的一些實施例之靜電放電保護裝置800的剖面示意圖,而第8B圖是第8A圖之靜電放電保護裝置800的等效電路圖,其中相同於前述第7A和7B圖的實施例的部件係使用相同的標號並省略其說明。第8A和8B圖所示之實施例與前述第7A和7B圖之實施例的差別在於,靜電放電保護裝置800包含如第6A圖所示的隔離部件122。Fig. 8A is a schematic cross-sectional view of an
根據一些實施例,一旦第二井區106與第一摻雜區108之間的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,射極E(第二重摻雜區134)與基極B(第一摻雜區108)之間會有電位差(V
EB)。若第一井區104的電阻R2越大,則射極E與基極B之間的電位差(V
EB)越大,這進一步增加射極電流(I
E)。因此,形成隔離部件122進一步降低靜電放電保護裝置800的導通電阻(R
ON),從而將靜電更快速地放電至接地線(VSS)。
According to some embodiments, once the PN junction between the
綜上所述,本發明實施例提供一種靜電放電保護裝置,其包含由重摻雜區、中摻雜區、以及輕摻雜的井區所形成之寄生的雙載子接面電晶體(BJT)。當靜電放電事件發生時,井區與中摻雜區的PN接面於較低電壓下發生崩潰而產生反向電流,使得靜電通過靜電放電保護裝置的雙載子接面電晶體放電,而不會通過所保護的半導體裝置。因此,靜電放電保護裝置保護半導體裝置免於在靜電放電事件中受到損害。In summary, the embodiments of the present invention provide an electrostatic discharge protection device, which includes a parasitic bi-carrier junction transistor (BJT) formed by a heavily doped region, a middle doped region, and a lightly doped well region. ). When an electrostatic discharge event occurs, the PN junction of the well area and the intermediate doped area collapses at a lower voltage and a reverse current is generated, so that the static electricity is discharged through the two-carrier junction transistor of the electrostatic discharge protection device. Will pass the protected semiconductor device. Therefore, the electrostatic discharge protection device protects the semiconductor device from being damaged in an electrostatic discharge event.
以上概述數個實施例,以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本發明實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解,他們能以本發明實施例為基礎,設計或修改其他製程和結構,以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到,此類等效的製程和結構並無悖離本發明的精神與範圍,且他們能在不違背本發明之精神和範圍之下,做各式各樣的改變、取代和替換。The foregoing summarizes several embodiments so that those with ordinary knowledge in the technical field of the present invention can better understand the viewpoints of the embodiments of the present invention. Those with ordinary knowledge in the technical field of the present invention should understand that they can design or modify other processes and structures based on the embodiments of the present invention to achieve the same purpose and/or advantages as the embodiments described herein. Those with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains should also understand that such equivalent manufacturing processes and structures do not depart from the spirit and scope of the present invention, and they can, without departing from the spirit and scope of the present invention, Make all kinds of changes, substitutions and replacements.
100、200、300、400、500、600、700、800 靜電放電保護裝置 102 半導體基底 104 第一井區 106 第二井區 108 第一摻雜區 108A 第一部份 108B 第二部分 110 第二摻雜區 121、122、123 隔離部件 132 第一重摻雜區 134 第二重摻雜區 136 第三重摻雜區 138 閘極結構 140 閘極介電層 142 閘極電極 B 基極 C 集極 D1、D2 距離 D3 尺寸 E 射極 VDD 電源線 VSS 接地線100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800
藉由以下詳細描述和範例配合所附圖式,可以更加理解本發明實施例。為了使圖式清楚顯示,圖式中各個不同的元件可能未依照比例繪製,其中: 第1A圖是根據本發明的一些實施例之靜電放電保護裝置的剖面示意圖,而第1B圖是第1A圖之靜電放電保護裝置的等效電路圖; 第2A圖是根據本發明的其他一些實施例之靜電放電保護裝置的剖面示意圖,而第2B圖是第2A圖之靜電放電保護裝置的等效電路圖; 第3A圖是根據本發明的其他一些實施例之靜電放電保護裝置的剖面示意圖,而第3B圖是第3A圖之靜電放電保護裝置的等效電路圖; 第4A圖是根據本發明的其他一些實施例之靜電放電保護裝置的剖面示意圖,而第4B圖是第4A圖之靜電放電保護裝置的等效電路圖; 第5A圖是根據本發明的其他一些實施例之靜電放電保護裝置的剖面示意圖,而第5B圖是第5A圖之靜電放電保護裝置的等效電路圖; 第6A圖是根據本發明的其他一些實施例之靜電放電保護裝置的剖面示意圖,而第6B圖是第6A圖之靜電放電保護裝置的等效電路圖; 第7A圖是根據本發明的其他一些實施例之靜電放電保護裝置的剖面示意圖,而第7B圖是第7A圖之靜電放電保護裝置的等效電路圖;及 第8A圖是根據本發明的其他一些實施例之靜電放電保護裝置的剖面示意圖,而第8B圖是第8A圖之靜電放電保護裝置的等效電路圖。The embodiments of the present invention can be better understood through the following detailed description and examples in conjunction with the accompanying drawings. In order to make the drawings clearly show, the various elements in the drawings may not be drawn according to scale. Among them: Figure 1A is a cross-sectional schematic diagram of an electrostatic discharge protection device according to some embodiments of the present invention, and Figure 1B is Figure 1A The equivalent circuit diagram of the electrostatic discharge protection device; Figure 2A is a cross-sectional schematic diagram of the electrostatic discharge protection device according to some other embodiments of the present invention, and Figure 2B is the equivalent circuit diagram of the electrostatic discharge protection device in Figure 2A; 3A is a schematic cross-sectional view of an ESD protection device according to some other embodiments of the present invention, and FIG. 3B is an equivalent circuit diagram of the ESD protection device in FIG. 3A; FIG. 4A is a view of some other embodiments according to the present invention Fig. 4B is an equivalent circuit diagram of the ESD protection device in Fig. 4A; Fig. 5A is a cross-sectional schematic diagram of the ESD protection device according to some other embodiments of the present invention, and Fig. 5B is an equivalent circuit diagram of the electrostatic discharge protection device of Fig. 5A; Fig. 6A is a schematic cross-sectional view of the electrostatic discharge protection device according to some other embodiments of the present invention, and Fig. 6B is the ESD protection device of Fig. 6A Figure 7A is a cross-sectional schematic diagram of the electrostatic discharge protection device according to some other embodiments of the present invention, and Figure 7B is the equivalent circuit diagram of the electrostatic discharge protection device in Figure 7A; and Figure 8A is based on The cross-sectional schematic diagram of the electrostatic discharge protection device of some other embodiments of the present invention, and FIG. 8B is an equivalent circuit diagram of the electrostatic discharge protection device of FIG. 8A.
100 靜電放電保護裝置 102 半導體基底 104 第一井區 106 第二井區 108 第一摻雜區 108A 第一部份 108B 第二部分 110 第二摻雜區 121、123 隔離部件 132 第一重摻雜區 134 第二重摻雜區 136 第三重摻雜區 D1、D2 距離 VDD 電源線 VSS 接地線100
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Modeling of high Voltage Devices for ESD Event Simulation in SPICE, Yuanzhong(Paul) Zhou, NSTI-Nanotech 2011 * |
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