專利名稱：高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其操作方法，且特別是有關(guān)于一種高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其操作方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)防護(hù)能力是設(shè)計上的一考慮重點。尤其是高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在操作電壓高于40伏特(V)的情況下，靜電放電防護(hù)能力更是一項難度相當(dāng)高的挑戰(zhàn)。相關(guān)于靜電放電防護(hù)能力的研究中，ESD防護(hù)能力情況與閂鎖效應(yīng)(Latch-up)的情況是關(guān)鍵的因素。高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的元件復(fù)雜，在ESD發(fā)生保護(hù)元件防護(hù)能力差使內(nèi)部元件很容易發(fā)生損壞情況與在平常操作保護(hù)元件容易閂鎖效應(yīng)的情況。由于這些情況遲遲無法有效改善，已成為ESD保護(hù)技術(shù)發(fā)展上的一大瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是有關(guān)于一種高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其操作方法，其利用PNPNP型態(tài)的設(shè)計使得ESD防護(hù)能力情況與閂鎖效應(yīng)(Latch-up)的情況能夠有效改善。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出一種高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括一襯底、一第一 N型材料區(qū)、一第一 P型材料區(qū)、一第二 P型材料區(qū)、一第一 P型摻雜區(qū)(P typedoping region)、一第二P型摻雜區(qū)、一第三P型摻雜區(qū)、一第一N型摻雜區(qū)(N type dopingregion)及一第二 N型摻雜區(qū)。第一 N型材料區(qū)、第一 P型材料區(qū)及第二 P型材料區(qū)設(shè)置于襯底內(nèi)。第一N型材料區(qū)設(shè)置于第一P型材料區(qū)及第二P型材料區(qū)之間。第一P型摻雜區(qū)設(shè)置于第一P型材料區(qū)內(nèi)。第二P型摻雜區(qū)設(shè)置于第二P型材料區(qū)內(nèi)。第三P型摻雜區(qū)設(shè)置于第一 N型材料區(qū)內(nèi)。第一 N型摻雜區(qū)及第二 N型摻雜區(qū)設(shè)置于第一 N型材料區(qū)內(nèi)，并位于第三P型摻雜區(qū)的兩側(cè)。第一P型摻雜區(qū)及第二P型摻雜區(qū)電性連接于一陰極。第三P型摻雜區(qū)、第一 N型摻雜區(qū)及第二 N型摻雜區(qū)電性連接于一陽極。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的操作方法。高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括一襯底、一第一 N型材料區(qū)、一第一 P型材料區(qū)、一第二 P型材料區(qū)、一第一 P型摻雜區(qū)(P type doping region)、一第二 P型摻雜區(qū)、一第三P型摻雜區(qū)、一第一 N型摻雜區(qū)(Ntype doping region)及一第二 N型摻雜區(qū)。第一 N型材料區(qū)、第一 P型材料區(qū)及第二 P型材料區(qū)設(shè)置于襯底內(nèi)。第一N型材料區(qū)設(shè)置于第一P型材料區(qū)及第二P型材料區(qū)之間。第一P型摻雜區(qū)設(shè)置于第一P型材料區(qū)內(nèi)。第二P型摻雜區(qū)設(shè)置于第二P型材料區(qū)內(nèi)。第三P型摻雜區(qū)設(shè)置于第一 N型材料區(qū)內(nèi)。第一 N型摻雜區(qū)及第二 N型摻雜區(qū)設(shè)置于第一 N型材料區(qū)內(nèi)，并位于第三P型摻雜區(qū)的兩側(cè)。高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的操作方法包括以下步驟。以一陰極電性連接第一 P型摻雜區(qū)及第二 P型摻雜區(qū)。以一陽極電性連接第三P型摻雜區(qū)、第一 N型摻雜區(qū)及第二 N型摻雜區(qū)。為了對本發(fā)明的上述及其他方面更了解，下文特舉實施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下。


圖1繪示本實施例的一高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2繪示以TLP ESD保護(hù)電路量測儀器測試圖1PNPNP型態(tài)的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的TLP漏電流曲線。圖3繪示另一實施例PPNPP型態(tài)的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的TLP漏電流曲線。圖4繪示圖1寄生PNP晶體管的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電壓-電流曲線。圖5繪示另一實施例寄生NPN晶體管的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電壓-電流曲線。主要元件符號說明100:高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)IlOP:襯底121N:第一 N型材料區(qū)121P:第一 P型材料區(qū)122N:第二 N型材料區(qū)

122P:第二 P型材料區(qū)123N:第三P型材料區(qū)131N:第一 N型摻雜區(qū)131P:第一 P型摻雜區(qū)132N:第二 N型摻雜區(qū)132P:第二 P型摻雜區(qū)133P:第三P型摻雜區(qū)140N:N型埋藏區(qū)150:場氧化層160:多晶硅層171:陰極172:陽極A、B:點
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。請參照圖1，其繪示本實施例的一高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的示意圖。高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包括一襯底110P、多個N型材料區(qū)121N、122N、123N、多個P型材料區(qū)121P、122P、多個 N 型慘雜區(qū)(N type doping region) 131N、132N、多個 P 型慘雜區(qū)(P type dopingregion) 131P、132P、133P、一 N 型埋藏區(qū)(N+buried layer) 140N、多個場氧化層(FieldOxide, FOX) 150 及二多晶硅層 160。在本實施例中，襯底110P例如是P型外延(印itaxy，EPI)襯底或P型襯底。N型材料區(qū)121N、122N、123N包括一第一 N型材料區(qū)121N、一第二 N型材料區(qū)122N及第三N型材料區(qū)123N。第一 N型材料區(qū)121N、第二 N型材料區(qū)122N及第三N型材料區(qū)123N例如是N型阱(N type well)或N型摻雜層。P型材料區(qū)121P、122P包括一第一 P型材料區(qū)121P及第二 P型材料區(qū)122P。第一 P型材料區(qū)121P及第二 P型材料區(qū)122P例如是P型阱(Ptype well)或N型摻雜層。P型摻雜區(qū)131P、132P、133P包括一第一 P型摻雜區(qū)131P、一第二 P型摻雜區(qū)132P及一第三P型摻雜區(qū)133P。第一 P型摻雜區(qū)131P、第二 P型摻雜區(qū)132P及第三P型摻雜區(qū)133P例如是摻雜了硼(B)或鋁(Al)等三價元素。N型摻雜區(qū)131N、132N包括一第一 N型摻雜區(qū)131N及一第二 N型摻雜區(qū)132N。第一 N型摻雜區(qū)131N及第二 N型摻雜區(qū)132N例如是摻雜了磷(P)、砷(As)或銻(Sb)等五價元素。N型埋藏層140N例如是一N型外延層(Ν-epi)、一N型深講(deep N type well)、
一N型慘雜區(qū)層或一 N型慘雜堆棧層(multiple N+stacked layer)。就位置關(guān)系而言，第一 N型材料區(qū)121N、第二 N型材料區(qū)122N、第三N型材料區(qū)123N、第一 P型材料區(qū)121P及第二 P型材料區(qū)122P設(shè)置于襯底IlOP內(nèi)。本實施例的第二N型材料區(qū)122N、第一 P型材料區(qū)121P、第一 N型材料區(qū)121N、第二 P型材料區(qū)122P及第三N型材料區(qū)123N依序鄰接著排序。N型埋藏層140N設(shè)置于襯底IlOP內(nèi)，并接觸第二 N型材料區(qū)122N、第一 P型材料區(qū)121P、第一 N型材料區(qū)121N、第二 P型材料區(qū)122P及第三N型材料區(qū)123N的下表面。也就是說，第二 N型材料區(qū)122N、N型埋藏層140N及第三N型材料區(qū)123N圍繞第一 P型材料區(qū)121P、第一 N型材料區(qū)121N及第二 P型材料區(qū)122P。在一實施例中，高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100可以不包括第二 N型材料區(qū)122N、第三N型材料區(qū)123N及N型埋藏層140N，而僅采用第一 P型材料區(qū)121P、第一 N型材料區(qū)121N及第
二P型材料區(qū)122P。第二 N型材料區(qū)122N、第三N型材料區(qū)123N及N型埋藏層140N是可視產(chǎn)品需求而選擇性采用其中的任一、任二或三者。第一 P型摻雜區(qū)131P設(shè)置于第一 P型材料區(qū)121P內(nèi)。第三P型摻雜區(qū)133P、第一 N型摻雜區(qū)131N及第二 N型摻雜區(qū)132N設(shè)置于第一 N型材料區(qū)121N內(nèi)。第二 P型摻雜區(qū)132P設(shè)置于第二 P型材料區(qū)122P內(nèi)。第一 N型摻雜區(qū)131N及第二 N型摻雜區(qū)132N位于第三P型摻雜區(qū)133P之兩側(cè)。也就是說，第一 P型摻雜區(qū)131P、第一 N型摻雜區(qū)131N、第三P型摻雜區(qū)133P、第二 N型摻雜區(qū)132N及第二 P型摻雜區(qū)132P依序排列，而形成PNPNP型態(tài)。場氧化層150用以間隔此多個摻雜區(qū)131P、131N、133P、132N、132P，以使此多個摻雜區(qū)131P、131N、133P、132N、132P不直接接觸。二多晶硅層160設(shè)置于其中的二場氧化層150上，并位于第一 P型摻雜區(qū)131P及第一 N型摻雜區(qū)131N之間，以及第二 N型摻雜區(qū)132N及第二 P型摻雜區(qū)132P之間。在高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的操作過程中，是以一陰極171電性連接第一 P型摻雜區(qū)131P及第二 P型摻雜區(qū)132P，并以一陽極172電性連接第三P型摻雜區(qū)133P、第一 N型摻雜區(qū)131N、第二 N型摻雜區(qū)132N及二多晶硅層160。本實施例的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100操作時，當(dāng)ESD發(fā)生時電流由第三P型摻雜區(qū)133P與第一 N型摻雜區(qū)131N、第二 N型摻雜區(qū)132N流入，使第一 P型材料區(qū)121P、第二 P型材料區(qū)122P與第一 N型材料區(qū)121N結(jié)發(fā)生崩潰，產(chǎn)生大量電子空穴對，使大量電流流經(jīng)第一 N型材料區(qū)121N。使第三P型摻雜區(qū)133P與第一 N型摻雜區(qū)131N、第二 N型摻雜區(qū)132N產(chǎn)生壓差(約大于0.7V)，而使寄生PNP電晶導(dǎo)通，導(dǎo)通后可流通更多電流，至高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100而燒壞。請參照圖2為例，其繪示以TLP ESD保護(hù)電路量測儀器測試圖1PNPNP型態(tài)的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的TLP漏電流曲線。圖2的A點為第二次崩潰的發(fā)生處，當(dāng)電流高于0.46a倍數(shù)安培(A)時，發(fā)生第二次崩潰情況。在另一實施例中，若將第一 N型摻雜區(qū)131N改為P型，并將第三P型摻雜區(qū)133P改為N型，并將第二 N型摻雜區(qū)132N改為P型，而形成PPNPP型態(tài)時，其寄生PNP晶體管因路徑將會縮短，而造成ESD電流以表面流動為主，其ESD能力較差與沒有面積增加而沒有增加防護(hù)ESD能力。請參照圖3為例，其繪示另一實施例PPNPP型態(tài)的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(未繪示)的TLP漏電流曲線。圖3的B點為漏電的發(fā)生處，當(dāng)電流高于0.02安培(A)時，發(fā)生第二次崩潰情況。所以采用PPNPP的設(shè)計會產(chǎn)生較低防護(hù)ESD能力。此外，如圖1所示,高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100操作時，第一 P型摻雜區(qū)131P、第一 N型摻雜區(qū)131N及第三P型摻雜區(qū)133P寄生一 PNP晶體管。第二 P型摻雜區(qū)132P、第二 N型摻雜區(qū)132N及第三P型摻雜區(qū)133P也寄生另一 PNP晶體管。請參照圖4，其繪示圖1寄生PNP晶體管的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的電壓-電流曲線。圖4為例的觸發(fā)啟動電壓為55伏特(V)與維持(Holding)電壓為55伏特(V)，本實施例寄生PNP晶體管的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的操作電壓例如40伏特(V)均低于維持(Holding)電壓，而沒有閂鎖效應(yīng)(Latch-up)的情況，具有較好的靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)保護(hù)能力。在另一實施例中，寄生NPN晶體管的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(未繪示)將會與圖1的圖1寄生PNP晶體管的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100有不同的表現(xiàn)。請參照圖5，其繪示另一實施例寄生NPN晶體管的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(未繪示)的電壓-電流曲線。圖5的觸發(fā)電壓為38伏特(V)與維持(Holding)電壓為10伏特(V)，寄生NPN晶體管的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(未繪示)的操作以30伏特(V)為例電壓有低于維持(Holding)電壓，而產(chǎn)生了閂鎖效應(yīng)(Latch-up)的情況。如上所述，本實施例的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其操作方法是利用PNPNP型態(tài)的設(shè)計使得漏電情況與閂鎖效應(yīng)(Latch-up)的情況能夠有效改善。綜上所述，雖然本發(fā)明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視隨附的權(quán)利要求范圍所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括: 一襯底； 一第一N型材料區(qū)； 一第一 P型材料區(qū)； 一第二 P型材料區(qū)，該第一 N型材料區(qū)、該第一 P型材料區(qū)及該第二 P型材料區(qū)設(shè)置于該襯底內(nèi)，且該第一 N型材料區(qū)設(shè)置于該第一 P型材料區(qū)及該第二 P型材料區(qū)之間；一第一 P型摻雜區(qū)(P type doping region),設(shè)置于該第一 P型材料區(qū)內(nèi)； 一第二 P型摻雜區(qū)，設(shè)置于該第二 P型材料區(qū)內(nèi)； 一第三P型摻雜區(qū)，設(shè)置于該第一 N型材料區(qū)內(nèi)； 一第一 N 型摻雜區(qū)(N type doping region);以及 一第二 N型摻雜區(qū)，該第一 N型摻雜區(qū)及該第二 N型摻雜區(qū)設(shè)置于該第一 N型材料區(qū)內(nèi)，并位于該第三P型摻雜區(qū)的兩側(cè)； 其中該第一 P型摻雜區(qū)及該第二 P型摻雜區(qū)電性連接于一陰極，該第三P型摻雜區(qū)、該第一 N型摻雜區(qū)及該第二 N型摻雜區(qū)電性連接于一陽極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該第一N型材料區(qū)為一N型阱(Ntypewell),該第一 P型材料區(qū)及該第二 P型材料區(qū)為一 P型講(P type well)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該襯底為P型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，更包括: 一 N型埋藏層(N+buried layer),設(shè)置于該襯底內(nèi)，并接觸該第一 P型材料區(qū)、該第一N型材料區(qū)及該第二 P型材料區(qū)的下表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該N型埋藏層為一N型外延層(N-epi)、一N型深講(deep N type well)、一N型摻雜區(qū)層或一N型摻雜堆棧層(multipleN+stacked layer)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，更包括: 一第二 N型材料區(qū)，該第一 P型材料區(qū)設(shè)置于該第二 N型材料區(qū)及該第一 N型材料區(qū)之間；以及 一第三N型材料區(qū)，該第二 P型材料區(qū)設(shè)置于該第三N型材料區(qū)及該第一 N型材料區(qū)之間。
7.一種高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的操作方法，該高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括一襯底、一第一 N型材料區(qū)、一第一 P型材料區(qū)、一第二 P型材料區(qū)、一第一 P型摻雜區(qū)(P type doping region)、一第二 P型摻雜區(qū)、一第三P型摻雜區(qū)、一第一 N型摻雜區(qū)(N type doping region)及一第二 N型摻雜區(qū)，該第一 N型材料區(qū)、該第一 P型材料區(qū)及該第二 P型材料區(qū)設(shè)置于該襯底內(nèi)，該第一 N型材料區(qū)設(shè)置于該第一 P型材料區(qū)及該第二 P型材料區(qū)之間，該第一 P型摻雜區(qū)設(shè)置于該第一 P型材料區(qū)內(nèi)，該第二 P型摻雜區(qū)設(shè)置于該第二 P型材料區(qū)內(nèi)，該第三P型摻雜區(qū)設(shè)置于該第一 N型材料區(qū)內(nèi)，該第一 N型摻雜區(qū)及該第二 N型摻雜區(qū)設(shè)置于該第一N型材料區(qū)內(nèi)，并位于該第三P型摻雜區(qū)的兩側(cè)，該操作方法包括: 以一陰極電性連接該第一 P型摻雜區(qū)及該第二 P型摻雜區(qū)；以及 以一陽極電性連接該第三P型摻雜區(qū)、該第一 N型摻雜區(qū)及該第二 N型摻雜區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的操作方法，其中該第一N型材料區(qū)為一 N型講(N type well),該第一 P型材料區(qū)及該第二 P型材料區(qū)為一 P型講(P type well)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的操作方法，其中該襯底為P型。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的操作方法，其中該高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)更包括: 一N型埋藏層(N+buried layer),設(shè)置于該襯底內(nèi)，并接觸該第一 P型材料區(qū)、該第一N型材料區(qū) 該第二 P型材料區(qū)的下表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其操作方法。高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括一襯底、一第一P型摻雜區(qū)、一第二P型摻雜區(qū)、一第三P型摻雜區(qū)、一第一N型摻雜區(qū)及一第二N型摻雜區(qū)。第一P型摻雜區(qū)、第一N型摻雜區(qū)、第三P型摻雜區(qū)、第二N型摻雜區(qū)及第二P型摻雜區(qū)依序排列于襯底內(nèi)，而形成PNPNP型態(tài)。本發(fā)明的高壓半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其操作方法，是利用PNPNP型態(tài)的設(shè)計使得漏電情況與閂鎖效應(yīng)(Latch-up)的情況能夠有效改善。
文檔編號H01L27/02GK103137615SQ201110380300
公開日2013年6月5日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者陳永初, 童文菁 申請人:旺宏電子股份有限公司