KR20090064932A - Electrostatic discharge protection element - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정전기 방전 보호 소자에 관한 것으로서, 나노소자기반 고속 입출력(I/O interface) 회로 및 낮은 전원전압 특성을 갖는 반도체 칩에 적용 가능한 실리콘 제어 정류기 구조의 새로운 정전기 방전 보호 소자를 구현하기 위해, 기존의 SCR 구조에 PMOSFET를 상기 반도체 기판 상의 애노드 단에 연결하고, NMOSFET를 상기 반도체 기판 상의 캐소드 단에 연결하고, 상기 PMOSFET 및 상기 NMOSFET의 게이트 단에 각각 바이어스를 인가하는 다수의 RC 네트워크를 연결함으로써, 여러 ESD 성능지표를 만족하는 보호회로의 구현이 가능해지며, 고속·저전압화 및 소형·고집적화 된 VDSM(Very Deep Sub-Micron)급 반도체 칩에 적용하여 그 안전성 및 신뢰성을 높일 수 있다. The present invention relates to an electrostatic discharge protection device, and to implement a new electrostatic discharge protection device of a silicon controlled rectifier structure applicable to a semiconductor device having a nano device-based high-speed input / output (I / O interface) circuit and low power supply voltage characteristics, By connecting a PMOSFET to an anode end on the semiconductor substrate, an NMOSFET to a cathode end on the semiconductor substrate, and connecting a plurality of RC networks each applying a bias to the gate end of the PMOSFET and the NMOSFET in an existing SCR structure. In addition, it is possible to implement a protection circuit that satisfies various ESD performance indicators, and to improve its safety and reliability by applying it to high speed, low voltage, and small and highly integrated VDSM (Very Deep Sub-Micron) class semiconductor chips.
Description
본 발명은 반도체 소자 기술의 정전기 방전 보호회로 기술에 관한 것으로서, 특히 나노소자기반 고속 입출력(I/O interface) 회로 및 낮은 전원전압 특성을 갖는 반도체 칩에 적용 가능한 실리콘 제어 정류기 구조의 새로운 정전기 방전 보호 소자에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근 반도체 제조 공정 기술이 급속도로 발전함에 따라, 소형화 및 고집적화가 이루어지고 있는 반도체 칩에서 정전기 방전(Electrostatic Discharge 이하, ESD라 칭함) 현상은 전자부품 및 제품의 생산과정이나 사용 중에 생긴 정전기가 순간적으로 방전되어 집적회로 내부 소자와 금속 배선의 파괴 및 회로 오동작 등을 초래하여 집적회로 설계분야에 있어 매우 중요한 고려대상이 되고 있다. 즉, 현재 반도체 제조 공정기술이 미세공정(DSM: Deep Sub-Micron)급에서 극미세공정(VDSM: Very Deep Sub-Micron) 급으로 발전함에 따라 게이트 산화막(Gate oxide) 두께의 감소(약 0.01㎛ 이하) 및 반도체 칩의 소형 및 집적화가 이루어졌다. 이러한 칩에 인가될 수 있는 ESD 펄스(pulse)의 전기적 레벨(level)은 수 kV(kilo volt), 수 암페어(Ampere) 정도로 매우 크기 때문에 ESD에 의한 소자 파괴 현상은 더욱 심각해지고 있다. 결과적으로 극미세공정(VDSM: Very Deep Sub-Micron)기술을 기반으로 고속 동작하는 반도체 칩에서 ESD 현상은 내부 회로소자의 파괴 및 칩의 동작과 수율(yield)에 매우 큰 피해를 주는 요인이 된다. With the recent rapid development of semiconductor manufacturing process technology, the phenomenon of electrostatic discharge (Electrostatic Discharge, hereinafter referred to as ESD) in semiconductor chips which have been miniaturized and highly integrated is caused by the static electricity generated during the production process or use of electronic components and products. Discharge causes destruction of internal circuitry of the integrated circuit and metal wiring and malfunction of the circuit, which is a very important consideration in the field of integrated circuit design. In other words, as semiconductor manufacturing process technology is developed from the deep sub-micron (VDSM) level to the very deep sub-micron (VDSM) level, the gate oxide thickness is reduced (about 0.01 μm). And compactness and integration of the semiconductor chip. Since the electrical level of the ESD pulse (pulse) that can be applied to such a chip is very large, such as a few kilovolts (volts), a few amps (ampere), device destruction caused by ESD is more serious. As a result, in semiconductor chips that operate at very high speeds based on the Very Deep Sub-Micron (VDSM) technology, the ESD phenomenon is very damaging to internal circuitry and chip operation and yield. .
현재 보고된 바에 의하면 정전기 현상에 의해 파괴되는 칩은 대략 25%~30% 정도로서 전체 반도체 칩의 고장 원인 중 상당한 부분을 차지하고 있다. 또한, NTRS(National Technology Roadmap for Semiconductors)에 의하면, 반도체 산업에서 가장 해결하기 어려운 5가지의 난제 중 하나가 ESD에 대한 문제로서, 연구의 중요성이 높아 가고 있다. According to the present report, about 25% to 30% of chips destroyed by electrostatic phenomena account for a significant portion of the failure of the entire semiconductor chip. In addition, according to the National Technology Roadmap for Semiconductors (NTRS), one of the five most difficult challenges in the semiconductor industry is the problem with ESD, and research is becoming increasingly important.
일반적으로 알려진 ESD 보호회로 기술로는 사이리스터로 알려진 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier 이하, SCR라 칭함) 구조의 ESD 보호소자가 있다. 이러한 일반적인 SCR은 널리 사용되고 있는 ggNMOS(gate grounded NMOS) 등의 다른 소자보다 훨씬 큰 정전기 방전(Electrostatic Discharge 이하, ESD라 칭함) 보호능력을 가지고 있다. Commonly known ESD protection circuit technologies include ESD protection devices having a silicon controlled rectifier (SCR) structure known as a thyristor. These common SCRs have much greater electrostatic discharge (ESD) protection than other popular devices such as gate grounded NMOS (ggNMOS).
따라서 상기 SCR은 적은 면적의 소모로 원하는 ESD 보호능력을 얻을 수 있으며, ESD 보호회로가 갖는 기생 캐패시턴스(parasitic Capacitance) 성분 또한 최소화할 수 있으므로 고주파용 아날로그 및 RF(Radio- frequency) 회로에 적합하다. Accordingly, the SCR can achieve desired ESD protection with a small area consumption, and can also minimize parasitic capacitance components of the ESD protection circuit, which is suitable for high frequency analog and RF circuits.
그러나 일반적인 SCR은 트리거 전압(Trigger voltage)이 약 20V 정도로 높아 보호소자가 동작하기 이전에 반도체 칩 내부회로(core circuit)에 있는 MOSFET의 게이트 산화막이 파괴되거나 ESD 전류가 유입됨에 따라 내부선로가 열화 손상되는 것을 막을 수 없게 된다. However, the typical SCR has a trigger voltage of about 20V, which causes the internal wires to deteriorate due to the destruction of the gate oxide of the MOSFET in the semiconductor chip core circuit or the introduction of ESD current before the protection device operates. You can't stop it.
그러므로 빠른 방전 속도(Speed), 정상동작 상태에서의 투명성(Transparency), 충분한 방전 전류의 감내(Robustness), 및 낮은 트리거 전압 특성 (Effectiveness) 등과 같은 여러 ESD 성능 지표를 만족하는 보호소자의 개발 및 회로설계가 매우 중요하다 할 수 있으며, 이에 따라 최근에는 ESD에 의한 반도체 소자 및 회로의 파괴를 막기 위한 여러 가지 보호 소자 및 회로들이 연구/개발되고 있다.Therefore, the development and circuit of a protection device that satisfies several ESD performance indicators, such as fast discharge speed, transparency in normal operation, robustness of sufficient discharge current, and low trigger voltage characteristic, etc. Design is very important, and accordingly, various protection devices and circuits have recently been researched and developed to prevent the destruction of semiconductor devices and circuits by ESD.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 과제는 기존의 SCR 구조의 ESD 보호소자의 높은 트리거 전압(Trigger voltage)을 개선하고, RC-네트워크(network)를 연결하여 ESD 펄스 인가 시 기존의 보호회로 보다 빠른 응답속도를 갖도록 하는 새로운 반도체 칩에 적용 가능한 실리콘 제어 정류기 구조의 ESD 보호 소자를 제공함에 있다. In order to solve the problems as described above, an object of the present invention is to improve the high trigger voltage of the ESD protection device of the existing SCR structure, and to protect the existing protection when the ESD pulse is applied by connecting the RC-network. The present invention provides an ESD protection device with a silicon-controlled rectifier structure that can be applied to a new semiconductor chip that has a faster response time than a circuit.
또한, 본 발명의 과제는 모든 ESD 성능지표를 만족하면서 고속·저전압 특성을 갖는 소형·고집적화된 VDSM(Very Deep Sub-Micron)급 반도체 칩에서의 효과적인 ESD 보호를 위한 새로운 구조의 ESD 보호 소자를 제공함에 있다. In addition, an object of the present invention is to provide an ESD protection device having a novel structure for effective ESD protection in a small and highly integrated VDSM (Very Deep Sub-Micron) class of semiconductor chips having high speed and low voltage characteristics while satisfying all ESD performance indicators. Is in.
상기 이러한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 정전기 방전 보호 소자는, 반도체 기판; 드레인 단이 상기 반도체 기판 상의 애노드 단에 연결된 P 모스 전계 효과 트랜지스터(PMOSFET); 소스 단이 상기 반도체 기판 상의 캐소드 단에 연결된 제1 N 모스 전계 효과 트랜지스터(NMOSFET); 및 상기 PMOSFET 및 상기 NMOSFET의 게이트 단에 각각 연결되어 바이어스를 인가하는 다수의 RC 네트워크를 포함하며, 상기 PMOSFET의 소스 단과 상기 NMOSFET의 드레인 단이 메탈로 연결된 것을 특징으로 한다. An electrostatic discharge protection device for achieving the above objects of the present invention, a semiconductor substrate; A P MOS field effect transistor (PMOSFET) having a drain terminal connected to an anode terminal on the semiconductor substrate; A first N-MOS field effect transistor (NMOSFET) having a source terminal coupled to the cathode terminal on the semiconductor substrate; And a plurality of RC networks connected to the gate terminals of the PMOSFET and the NMOSFET, respectively, to apply a bias, wherein the source terminal of the PMOSFET and the drain terminal of the NMOSFET are connected by metal.
따라서 본 발명은 일반적인 SCR 구조에 CMOS 구조를 형성하여 새로운 구조의 ESD 보호소자를 구현함으로써, 여러 ESD 성능지표를 만족하는 보호회로의 구현이 가능해지며, 결과적으로 이를 고속 ?? 저전압화 및 소형 ?? 고집적화된 VDSM(Very Deep Sub-Micron)급 반도체 칩에 적용하여 그 안전성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다. Accordingly, the present invention forms a CMOS structure in a general SCR structure and implements a ESD protection device having a new structure, thereby enabling the implementation of a protection circuit that satisfies several ESD performance indicators. Low voltage and small ?? It is applied to highly integrated VDSM (Very Deep Sub-Micron) class semiconductor chip, which can increase the safety and reliability.
또한, 본 발명의 새로운 구조의 ESD 보호소자는 거의 모든 나노(Nano)소자 기반 I/O 인터페이스(interface) 회로 및 집적회로 반도체 등에 적용이 가능하므로 그 활용분야가 매우 광범위하며, 이를 내장한 반도체 칩의 경우 높은 안전성과 신뢰성의 효과 및 원-칩(one-chip)화에 따른 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. In addition, the ESD protection device of the new structure of the present invention can be applied to almost all nano-device-based I / O interface circuit and integrated circuit semiconductor, etc., the field of application is very extensive, In this case, there is an effect of high safety and reliability, and the cost of one-chip can be reduced.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명의 실시예에서는 SCR의 트리거 전압을 낮춤과 동시에 보호회로의 보다 유기적인 동작을 위해 기존의 SCR 구조에 CMOS 구조를 형성하여 추가적인 마스크(Mask)의 증가 없이 여러 ESD 성능 지표를 만족하는 새로운 구조의 ESD 보호소자에 대해 설명하기로 한다. 이러한 본 발명의 실시예에 따른 ESD 보호소자는 반도체 칩에 적용 가능한 실리콘 제어 정류기인 N/P 타입 낮은 전압 트리거 실리콘 제어 정류기(N/P-type Low Voltage Triggered SCR 이하, NPLVTSCR라 칭함) 구조의 ESD 보호소자이다. In an embodiment of the present invention, a CMOS structure is formed in an existing SCR structure for lowering the trigger voltage of the SCR and for more organic operation of the protection circuit, thereby satisfying various ESD performance indicators without increasing an additional mask. The ESD protection device will be described. The ESD protection device according to the embodiment of the present invention is an ESD protection of the N / P type low voltage triggered silicon controlled rectifier (hereinafter referred to as NPLVTSCR) structure that is a silicon controlled rectifier applicable to a semiconductor chip. Element.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 ESD 보호소자는 기존의 낮은 전압 트리거 SCR(Low Voltage Trigger SCR 이하, LVTSCR라 칭함)의 구조를 변형하여 N 모스 전계 효과 트랜지스터(N MOS field effect transistor 이하, NMOSFET라 칭함)와 P 모스 전계 효과 트랜지스터(P MOS field effect transistor 이하, PMOSFET라 칭함)를 형성함으로써 ESD 펄스(Pulse)의 인가 시 보다 낮은 전압에서 보호소자의 트리거(Trigger)를 유도하도록 구성한다. 또한, 상기 ESD 보호소자는 정상상태 동작에서 발생할 수 있는 보호소자의 래치업(Latch-up) 현상을 방지함과 동시에 ESD 펄스(Pulse)가 인가되었을 때 보다 빠른 보호회로의 응답 속도를 구현하기 위해 외부적으로 RC-네트워크(network)를 구성하도록 한다. Such an ESD protection device according to an embodiment of the present invention is modified by the structure of a conventional low voltage trigger SCR (hereinafter referred to as LVTSCR) and referred to as an N MOS field effect transistor (hereinafter referred to as NMOSFET). ) And a P MOS field effect transistor (hereinafter referred to as a PMOS field effect transistor) to induce a trigger of the protection device at a lower voltage when an ESD pulse is applied. In addition, the ESD protection device prevents latch-up of the protection device that may occur in a steady state operation, and at the same time, to realize a response speed of the protection circuit faster when an ESD pulse is applied. As a general rule, configure an RC-network.
그러면 본 발명의 실시예에 따른 ESD 보호소자의 구조를 설명하기에 앞서, 설명의 편의를 위해 일반적인 SCR 및 LVTSCR(또는 ZTSCR)에 대해 설명하기로 한다. Before describing the structure of the ESD protection device according to the embodiment of the present invention, a general SCR and LVTSCR (or ZTSCR) will be described for convenience of description.
상술한 바와 같이 일반적인 SCR은 고 임피던스 상태에서 저 임피던스(Impedance) 상태로 바뀌는 성질을 가지고 있기 때문에 파워(power)소자 응용분야에 쓰이고 있다. 이와 같은 특성을 이용하여 적은 면적의 소모로 원하는 ESD 보호능력을 얻을 수 있으며, 적은 면적을 가지고 있기 때문에 ESD 보호회로의 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance) 성분을 최소화하여 RF(radio-frequency) 및 아날로그 회로에 널리 적용할 수 있다. 그러므로 SCR 구조의 보호소자는 ggNMOS보다 훨씬 큰 ESD 보호 감내 능력을 가지고 있으며, 다시 말해 감내성(robustness)이 우수하고-효율적인 보호소자라 할 수 있다. As described above, the general SCR has a property of changing from a high impedance state to a low impedance state and thus is used in power device applications. By using these characteristics, the desired ESD protection can be achieved with a small area consumption, and because of the small area, the parasitic capacitance component of the ESD protection circuit can be minimized so that it can be applied to radio-frequency (RF) and analog circuits. It is widely applicable. Therefore, the SCR protection device has much greater ESD protection tolerance than ggNMOS, that is, it has excellent robustness and is effective.
이와 같은 일반적인 SCR의 구조는 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 간단한 횡형 PNP(10)와 NPN(20) 트랜지스터로 구성되며, n-형 웰(n-Well)(50)에 존재하는 SCR의 P+ 확산 영역(51)은 애노드(anode)단(30)에 연결되고, p-형 웰(p-well)(60)의 n+ 확산영역(61)은 SCR의 캐소드(cathode) 단(40)에 연결된다. 이러한 ESD 보호소자에서 애노드 전압(anode voltage)의 변화에 따른 SCR 특성 곡선은 첨부된 도 3에 도시된 바와 같으며, 동작 원리는 다음과 같다. The structure of such a general SCR is composed of a simple
상기 도 1을 참조하면, 애노드(anode)(30) 전압이 Vc(collector voltage) 보다 커지게 되면, pnp 트랜지스터(transistor)(10)의 이미터-베이스 접합(emitter-base junction)이 순방향 바이어스(forward bias) 상태가 되고, pnp 트랜지스터(10)가 턴-온(turn-on)된다. 이때, pnp 트랜지스터(10)를 통해 흐르는 전류는 p-형 웰(60)로 흐르게 되며, 이 전류에 의해 npn 트랜지스터(20)가 턴-온(turn-on)된다. n-형 웰(50)에서 캐소드(cathode)(40)로 흐르는 npn 트랜지스터(20)의 전류는 pnp 트랜지스터(10)에 순방향 바이어스(forward bias)를 잡아주고, 결국 턴-온(turn-on)되어 진 두 개의 트랜지스터(10, 20)에 의해 SCR은 트리거(도 3의 A)된다. 이를 통해 pnp 트랜지스터(20)에 더 이상 바이어스를 잡아 줄 필요가 없게 되므로 애노드(30) 전압은 최소값까지 감소하게 되는데, 이를 홀딩 전압(holding voltage)(도 3의 B)이라 한다. Referring to FIG. 1, when the
이후, SCR은 정궤환(feedforward) 동작을 하여 애노드(30)단을 통해 들어오 는 ESD 전류를 효과적으로 방전할 수 있게 된다.Subsequently, the SCR performs a feedforward operation to effectively discharge the ESD current flowing through the
두개의 단자를 가지고 있는 SCR은 첨부된 도 2의 회로로 간략화 될 수 있으며, Rn-well과 Rp-well은 n-형 웰(50)과 p-형 웰(60)의 저항 값이며, 이들은 각각 pnp 트랜지스터(10)와 npn 트랜지스터(20)에 바이어스를 제공한다. The SCR with two terminals can be simplified with the circuit of Figure 2 attached, where Rn-well and Rp-well are the resistance values of n-
SCR이 래치모드(latch mode)에 있을 때 상태 유지를 위해서는 하기 <수학식 1>과 같은 조건을 만족해야 한다.In order to maintain the state when the SCR is in the latch mode, it is necessary to satisfy the following condition.
여기서, Bnpn 과 Bpnp는 npn 트랜지스터(20)와 pnp 트랜지스터(10)의 전류이득이다.Here, B npn and B pnp are current gains of the
이러한 SCR 구조가 ESD 보호 회로로 쓰일 때 보호 소자가 트리거 동작을 하기 위해서는 n-형 웰(50)과 p-형 웰(60)의 접합부에서의 애벌런치 항복(Avalanche breakdown)이 필요하다. When the SCR structure is used as an ESD protection circuit, an avalanche breakdown at the junction of the n-
차세대 CMOS(Advanced CMOS) 공정에서 n-형 웰(Well)과 p-형 기판 사이의 항복 전압(breakdown voltage)은 약 20V 이상으로 높으므로 상술한 바와 같은 SCR을 이용하여 ESD 보호 소자를 구성하기 위해서는 트리거 전압(Trigger voltage)을 반드시 낮춰야 한다. In the next-generation CMOS process, the breakdown voltage between the n-type well and the p-type substrate is about 20V or more. Therefore, in order to construct an ESD protection device using the SCR described above, Trigger voltage must be lowered.
한편, 첨부된 도 4에 도시된 바와 같은 LVTSCR은 일반적인 SCR과 ggNMOS의 장점을 이용한 구조로서, n-형 웰(50)과 p-형 기판(1)의 접합부에 걸쳐있는 n+(71) 과 p-형 기판(1)에서의 항복전압(breakdown voltage)에 의한 트리거 동작을 하게 된다. 즉, SCR 구조에 ggNMOS를 형성한 것으로 볼 수 있으며, ggNMOS 구조를 사용하여 횡형 NPN(71) 트랜지스터(Q1)의 베이스 폭(base width)을 NMOS(N-channel metal-oxide semiconductor)의 채널 폭(channel width)(a)으로 최소화함으로써, 전류 이득을 높여 낮은 트리거 전압(Trigger voltage)을 가질 수 있게 된다. 또한, 횡형 PNP 트랜지스터(Q2)의 베이스 폭(base width)(b)도 최소화하여 약 6V 정도의 트리거 전압(Trigger voltage)을 갖는 보호 소자를 구현할 수 있게 된다. On the other hand, LVTSCR as shown in Figure 4 is a structure using the advantages of the general SCR and ggNMOS, n + (71) and p that spans the junction of the n-
한편, 첨부된 5에 도시된 바와 같이, 제너 다이오드의 항복전압(breakdown voltage)을 이용한 ZTSCR(Zenor Triggered SCR)는 상기 도 1에 도시된 일반적인 SCR에서 n-형 웰(50)/p-형 웰(60)의 접합부에 고농도로 도핑 된 PN 접합(80)을 형성하여 구성할 수 있다. 이러한 경우 공핍영역 폭의 감소로 인해 약 5.6V 정도의 낮은 전압에서 터널링(Tunneling)에 의한 항복(breakdown) 현상이 일어난다. 이를 통해 ZTSCR ESD 보호소자의 턴 온(turn-on)을 유도하게 되어 효과적으로 ESD 전류를 방전 할 수 있게 된다. Meanwhile, as shown in Attached 5, Zenor Triggered SCR (ZTSCR) using the breakdown voltage of the Zener diode is n-type well 50 / p-type well in the typical SCR shown in FIG. Highly doped
그런데, 이와 같은 일반적인 SCR 구조의 보호소자는 큰 ESD 보호 능력을 가짐에도 불구하고, 그 트리거 전압(Trigger voltage)이 높아서 VDSM급 집적회로에 적용이 되지 못한다. 또한, LVTSCR(Low Voltage Triggered SCR) 및 ZTSCR(Zenor Triggered SCR)는 현재까지 VDSM(Very Deep Sub-Micron)급 고속/저전압 회로에 적용할 수 없으므로 여러 ESD 성능지표를 만족하는 보호소자 및 보호회로의 제작에 많은 어려움이 따르고 있다. By the way, although the protection element of such a general SCR structure has a large ESD protection capability, the trigger voltage is high and thus cannot be applied to a VDSM class integrated circuit. In addition, LVTSCR (Low Voltage Triggered SCR) and Zenor Triggered SCR (ZTSCR) cannot be applied to VDSM (Very Deep Sub-Micron) class high speed / low voltage circuits. There are many difficulties in production.
따라서 본 발명의 실시예에서는 상기 트리거 전압(Trigger voltage)을 낮추기 위한 새로운 NPLVTSCR 구조의 ESD 보호 소자를 구성하도록 하며, 이러한 NPLVTSCR 구조의 ESD 보호소자의 구조를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. Therefore, in the embodiment of the present invention to configure the ESD protection device of the new NPLVTSCR structure for lowering the trigger voltage, the structure of the ESD protection device of the NPLVTSCR structure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. do.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 NPLVTSCR 구조의 ESD 보호 소자의 구조를 도시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating a structure of an ESD protection device having an NPLVTSCR structure according to an embodiment of the present invention.
상기 NPLVTSCR 구조의 ESD 보호소자는 기존의 LVTSCR 구조를 변형한 구조로서, LVTSCR의 캐소드 단에 추가적으로 NMOSFET를 형성한다. The ESD protection device of the NPLVTSCR structure is a modification of the existing LVTSCR structure, and additionally forms an NMOSFET at the cathode end of the LVTSCR.
상기 도 6을 참조하면, 상기 NPLVTSCR 구조의 ESD 보호소자는 반도체 기판(p-형 기판) 상의 캐소드(Cathode)단(101)에 제1 NMOSFET를 형성하고, 반도체 기판(p-형 기판) 상의 애노드(Anode)단(102)에 PMOSFET를 형성한다. 그리고 상기 NPLVTSCR 구조의 ESD 보호소자는 상기 제1 NMOSFET 및 PMOSFET에 바이어스를 인가하는 저항(R)과 캐패시터(C)로 구성된 RC-네트워크(150a, 150b) 및 래치업 현상을 차단하기 위한 제2 NMOSFET를 상기 p-형 기판 외부에 구성한다. Referring to FIG. 6, an ESD protection device having the NPLVTSCR structure forms a first NMOSFET at a
상기 PMOSFET의 소스(Source)단(121)과 NMOSFET의 드레인(Drain)단(111)은 메탈(130)(metal)로 연결하여 보다 낮은 트리거 전압을 유도하도록 구성한다. 이러한 경우 PMOSFET의 드레인(122)은 SCR의 애노드(102)로서 입출력 패드(I/O pad)에 연결되며, NMOSFET의 소스(source)(112)는 캐소드 단(101)으로써 접지(ground)에 연결되어 ESD 경로(Path)를 제공하게 된다. The
상기 RC-네트워크(150a)는 상기 PMOSFET의 게이트 단(123) 및 상기 제2 NMOSFET의 게이트 단에 연결되고, 상기 RC-네트워크(150b)는 상기 NMOSFET의 게이트 단(113)에 연결된다. 상기 RC-네트워크(150a, 150b)는 MOSFET의 게이트(gate)단(113, 123)에 바이어스(bias)를 인가함으로써 두 MOSFET의 동작에 의한 SCR의 보다 빠른 턴-온(turn-on)을 유도한다. The RC-
이와 같이 구성된 상기 NPLVTSCR 구조의 ESD 보호소자는 다음과 같이 동작할 수 있다. The ESD protection device of the NPLVTSCR structure configured as described above may operate as follows.
ESD 펄스(pulse) 인가 시, PMOSFET의 소스(source)(122)를 통해 유입된 전류는 게이트(gate)(123) 바이어스에 의해 턴-온 되어진 NMOSFET에 의해 캐소드 단(101)으로 방전된다. 이와 동시에 PMOSFET의 동작에 의해 p-형 기판(1)의 포텐셜(potential)이 증가하게 되며, 횡형 npn 트랜지스터(NMOSFET에서의 n+소스(source)(112)를 이미터, p 기판(P-Substrate)(1)를 베이스, n웰(n-well)(103)/n+애노드(n+ anode)(7)를 컬렉터로 하는 횡형(Lateral) npn 트랜지스터) 가 턴-온 되게 된다. 이에 따라 턴-온된 npn 트랜지스터에 의해 n-형 웰(103)의 포텐셜(potential)이 낮아지며, 결국, 횡형 pnp 트랜지스터(PMOSFET에서의 p+소스(source)(122)를 이미터, n 웰(n-well)(103)를 베이스, P-Substrate(1)/p+ 캐소드(p+ cathode)를 컬렉터로 하는 횡형(Lateral) pnp 트랜지스터)가 턴-온(turn-on)되어 SCR이 정궤환(feedforward) 동작을 함으로써 ESD 전류를 효과적으로 방전하게 된다.Upon application of an ESD pulse, the current flowing through the
한편, 정상상태 동작의 경우, 외부적으로 연결되어진 RC-네트워크(150a)와 NMOSFET(160)에 의해 SCR 구조의 래치업(latch-up) 현상을 방지할 수 있다. 즉, ESD 펄스(pulse)가 인가되지 않았을 시에 외부에 연결된 NMOSFET(160)의 게이트 단에는 계속해서 바이어스가 인가되어 진다. 따라서 턴-온(turn-on)되어진 NMOSFET(160)에 의해, p-형 기판(1)과 N-형 웰(103)의 접합부에 있는 P+(121)는 접지에 연결된다. 결국, SCR의 애노드 단(102)에서 유입되어지는 기생 전류는 쉽게 접지로 방전되어 정상 상태에서 발생할 수 있는 NPLVTSCR 보호 소자의 래치업 (latch-up)현상이 차단되어 진다.On the other hand, in the steady state operation, the latch-up phenomenon of the SCR structure can be prevented by the RC-
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 발명청구의 범위뿐 만 아니라 이 발명청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.
도 1은 ESD 보호회로에 사용되는 일반적인 실리콘 제어 정류기(SCR)를 도시한 회로도, 1 is a circuit diagram showing a typical silicon controlled rectifier (SCR) used in an ESD protection circuit;
도 2는 상기 도 1에 도시된 SCR를 간략하게 도시한 회로도, FIG. 2 is a circuit diagram briefly illustrating the SCR shown in FIG. 1;
도 3은 ESD 보호소자에서 애노드 전압의 변화에 따른 SCR 특성 곡선을 도시한 그래프.3 is a graph showing the SCR characteristic curve according to the change of the anode voltage in the ESD protection device.
도 4는 일반적인 LVTSCR를 도시한 회로도, 4 is a circuit diagram showing a typical LVTSCR;
도 5는 일반적인 제너 다이오드의 항복전압을 이용한 ZTSCR을 도시한 회로도,5 is a circuit diagram illustrating a ZTSCR using a breakdown voltage of a general zener diode;
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 NPLVTSCR 구조의 ESD 보호 소자의 구조를 도시한 회로도. 6 is a circuit diagram showing the structure of an ESD protection element of the NPLVTSCR structure according to the embodiment of the present invention;
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