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Die
Anmeldung betrifft eine integrierte Schaltung mit ESD Schutz sowie
ein Verfahren zum Ableiten von Entladungsstrompulsen.
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ESD
Schutzschaltungen dienen dem Schutz von elektronischen Schaltungsblöcken
vor elektrostatischen Entladungspulsen (ESD: Electrostatic Discharge,
Elektrostatische Entladung) oder weiteren Strompulsen, die etwa
während der Herstellung der integrierten Schaltung oder
während ihres Betriebs auftreten können. Beispiele
derartiger Pulse sind HBM (HBM: Human Body Model) Pulse gemäß DIN IEC
60749-26, MM (MM: Maschine Model) Pulse gemäß DIN
IEC 60749-27, CDM (CDM: Charged Device Model) Pulse gemäß DIN
IEC 60749-28. Ohne die ESD Schutzschaltungen droht die
Zerstörung von Nutzbauelementen der Schaltungsblöcke,
z. B. durch Strom- oder Spannungsüberlastung, was beispielsweise
zu Kurzschlüssen, einem Anstieg von Leckströmen
oder auch defekten Gateoxiden führen kann, so dass der
Verlust der Funktionsfähigkeit der integrierten Schaltung
droht.
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ESD
Schutzschaltungen umfassen typischerweise ESD Schutzelemente wie
z. B. hierfür ausgelegte NPN-, siehe z. B. 1A oder
PNP-Bipolartransistoren, parasitäre NPN- oder PNP Bipolartransistoren,
SCRs (SCR: Silicon Controlled Rectifier) bzw. Thyristoren, siehe 1C.
Hierbei wird der Ausdruck parasitärer Bipolartransistor
für eine Abfolge von NPN bzw. PNP Gebieten beliebiger Nutzbauelemente
verwendet, deren NPN bzw. PNP Gebiete als Bipo lartransistor wirken
können. Beispiele parasitärer Bipolartransistoren
bilden der parasitäre NPN Transistor eines n-Kanal MOSFETs
(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Metall-Oxid-Halbleiter
Feldeffekttransistor), der in 1B dargestellt
ist.
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Diese
Bauelemente zeigen zum Beispiel unter Belastung mit ESD Entladungspulsen
einer bestimmten Polarität qualitativ ähnliche
Strom/Spannungskennlinien mit einem Spannungsrücksprung („Snapback”)
wie in 1D schematisch dargestellt ist.
Unter inversen Spannungspolarität wird im Allgemeinen eine
parasitäre Diode (z. B. Kollektor-Basis Bipolar-Diode,
Drain-Bulk MOS-Diode, N-Wanne/P-Wanne SCR-Diode) in Flussrichtung
gepolt.
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Der
sogenannte Snapback-Effekt entsteht im Allgemeinen beim Einschalten
von Bipolartransistoren, parasitären Bipolartransistoren
wie auch Thyristoren. Eine dynamische Strom/Spannungskennlinie wie
in 1D und damit auch die oben erwähnten Charakteristika
des ESD Schutzelements können beispielsweise mit TLP (TLP:
Transmission Line Pulse) Messungen bestimmt werden.
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Bei
dem in 1A gezeigten ESD Schutzelement
handelt es sich um einen NPN Bipolartransistor, dessen Emitter und
Basis kurzgeschlossen sind. Der Widerstand R entspricht beispielsweise
dem Widerstand der Basiszone, den ein am Basis-Kollektor Übergang
erzeugter Avalanchestrom zum Basiskontakt hin durchfließt.
Zudem kann auch extern ein Widerstand zur Basis zugeschaltet sein.
Des Weiteren kann ein integriertes Triggerelement T zwischen Basis
und Kollektor die Triggerspannung Vt1, auch Zündspannung
genannt, des Snapbacks definieren.
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Die
Triggerspannung Vt1 des Schutzelements wird in geeigneter Weise
so gewählt, z. B. durch Einstellen der Durchbruchspannung
Vbr oder Wahl des entsprechenden Triggerelements T, dass sie oberhalb
der Betriebsspannung des zu schützenden Pins, z. B. Vpin,
liegt und das ESD Schutzelement während des Betriebs der
am Pin angeschlossenen Schaltungsblöcke nicht einschaltet.
In integrierten Schaltungen finden derartige ESD Schutzelemente
mit Snapback-Modus häufig Verwendung für den On-Chip
ESD Schutz. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass selbst
in so genannten aktiven Klemmschaltungen, bei denen z. B. MOS Transistoren
zur Ableitung der Entladungspulse selektiv eingeschaltet werden,
parasitäre Bipolartransistoren mit Snapback inhärent
vorhanden sind. So liegt beispielsweise in einem n-Kanal MOSFET
(NMOS) ein parasitärer NPN Bipolartransistor vor, bei dem
Source und Drain den Kollektor und den Emitter bilden und Bulk,
d. h. die Wannenzone vom p-Typ, in die Source und Drain eingebettet
sind, die Basis bildet. Auch dieser parasitäre NPN Bipolartransistor
kann unter bestimmten Betriebsbedingungen zünden und im
Snapback-Modus den Normalbetrieb stören (z. B. M.
D. Ker et al., Proceedings IRPS 2007, pp. 598). Vernachlässigt man
den Einfluss des Gates auf das Verhalten des parasitären
NPNs in n-Kanal MOSFETs z. B. durch Kurzschliessen des Gates mit
der Source, so verhält sich der parasitäre NPN
analog zum NPN Bipolartransistor.
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Ohne
Triggerelement in 1A kommt die Kennlinienform
in 1D wie folgt zustande. Zunächst bricht
der Basis-Kollektorübergang bei Erreichen der Durchbruchsspannung
Vbr zwischen Kollektor C und Basis B, d. h. zwischen Kathode K und Anode
A, elektrisch durch und Avalanchegeneration setzt ein. Der Löcheranteil
des Avalanchestroms fließt zum Basiskontakt, d. h. zur
Kathode K, und erzeugt dabei einen Spannungsabfall über
dem Widerstand R. Bei Erreichen der Triggerspannung Vt1 ist der
Emitter-Basis Übergang ausreichend vorgespannt, so dass
der Bipolartransistor einschaltet, d. h. Elektronen vom Emitter
in die Basis injiziert werden. Dieses Einschalten bzw. Zünden
oder Triggern des Bauelements ist von einer Feldumverteilung im Bauelement
begleitet, die typischerweise mit einem Spannungsrücksprung
einhergeht. Dieser Spannungsrücksprung wird auch als Snapback
bezeichnet und der Betriebsmodus des ESD Schutzelements nach diesem
Snapback als Snapback-Betriebsmodus. Die Schnittlinie der Kennlinie
in diesem Snapback-Modus mit der Spannungsachse V ergibt die so genannte
Haltspannung Vhold, die zusammen mit Vt1 ein Maß für
das Zurückschnappen des Bauelements, d. h. den Snapback,
darstellt.
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Bei
so genannten Hoch-Volt Technologien (z. B. Hoch-Volt CMOS oder Bipolar-CMOS-DMOS
bzw. Smart-Power) mit Spannungsfestigkeiten der Hoch-Volt MOS Transistoren über
12 V, tritt aufgrund der spezifischen Bauelementarchitektur unter
Hochstrominjektion und aufgrund des so genannten Base-Pushout-Effekts
ein inhärent starker Spannungsrücksprung auf mit
relativ geringer Haltespannung Vhold im Vergleich zur Triggerspannung
Vt1 (M. Mergens et al., IEEE Transactions on Electron Devices, Volume
47, Issue 11, Nov 2000, S. 2128). Spannungsdifferenzen
Vt1-Vhold können je nach Spannungsklasse des Hoch-Volt
Baulelements zwischen 5 V bis zu mehr als 50 V betragen.
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Werden
Thyristoren als ESD Schutzelemente eingesetzt, ist im Allgemeinen
mit besonders starkem Snapback-Verhalten zu rechnen, d. h. großen Spannungsdifferenzen
zwischen Vt1 und Vhold. Der Spannungsrücksprung kommt beim
SCR Vierschichter (NPNP) durch das Einschalten von inhärent
ver schalteten NPN und PNP Bipolartransistoren zustande, die sich
wechselseitig in einem Rückkopplungsverfahren verstärken.
Zum Zünden kann z. B. ein Triggerelement T an der Basis
des NPN angebracht werden, wie in 1C dargestellt,
um diesen NPN bei einer definierten Triggerspannung einzuschalten. Durch
die Strominjektion des eingeschalteten NPN Kollektor in die PNP
Basis (und umgekehrt) wird der Vierschichter in seinen niederohmigen
Zustand geringer Haltespannung gebracht.
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ESD
Schutzelemente mit Snapback weisen besonders in Hochvolt-Technlogien
häufig Haltespannungen Vhold auf, die unterhalb der Versorgungsspannung
oder maximalen Betriebsspannung des zu schützenden Pins
Vpin liegen. Beispiele für typische Haltespannungen von
lateralen und vertikalen (parasitären) NPN Bipolartransistoren
liegen im Bereich von 5 V bis 25 V (z. B. M. Mergens et
al., IEEE Transactions on Electron Devices, Volume 47, Issue 11,
Nov 2000, pp. 2128; M. Mergens et al., Proceedings
of EOSESD Symposium, 2006, S. 54) und von lateralen und
vertikalen (parasitären) SCRs im Bereich von 1.5 V bis
15 V (M. Mergens et al., Microelectronics Reliability, Volume
43, Issue 7, July 2003, Pages 993–1000; M.
D. Ker et al., Journal of Solid-State Circuits, Vol. 40, No. 8,
pp. 1751, August 2005). Typische Betriebsspannungen und
maximale Pinspannungen können, je nach Anwendung, im Bereich
12 V–100 V liegen oder auch im Bereich einiger 100 V für
bestimmte Prozesse. Im Automobilelektronikbereich sind maximale
Betriebsspannungen von Pins (Vpin) im Bereich 40–45 V gängig.
Somit ist man häufig mit Fällen konfrontiert,
bei denen Vhold < Vpin gilt.
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Ein
Schutzkonzept mit Vhold < Vpin
kann jedoch zu kritischen Betriebszuständen führen,
z. B. Latch-up. Ein Zünden des ESD Schutzelements in den
Snapack während des Betriebs, z. B. hervorgerufen durch
Strom-/Spannungsstörpulse, kann dazu führen, dass
das ESD Schutzelement wegen Vhold < Vpin
im eingeschalteten Zustand, d. h. Snapback-Modus, verbleibt und
infolge des hohen Stromflusses in diesem Betriebsmodus durch Überlastung degradiert
oder zerstört wird. Außerdem kann das ESD-Element
durch den hochenergetischen Störpuls selbst zerstört
werden. Insbesondere kritisch ist das unbeabsichtigte Zünden
des Snapback-Betriebs im ESD-Schutzelement hervorgerufen durch bipolare Transienten.
Diese können z. B. während des transienten Latch-up
Tests auf Komponentenebene auftreten oder standardisierte Störpulse
zum Test der Elektromagnetischen Verträglichkeit auf Systemebene darstellen
(z. B. IEC61000-4-2, ISO10605, ISO7637-x).
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Um
Schutzkonzepte mit Vhold < Vpin
zu vermeiden ist es bekannt, mehrere HV-NMOS Schutzelemente hintereinander
zu schalten, um so durch Addition der Haltespannungen der einzelnen
Schutzelemente eine resultierende Haltespannung zu erzielen, die
oberhalb der Pinspannung liegt (M. D. Ker et al., Journal
of Solid-State Circuits, Vol. 40, No. 8, S. 1751, August 2005).
Derartige Konzepte weisen jedoch Schranken hinsichtlich kompaktem
Design, ESD Effektivität und Spannungsklassenflexibilität auf.
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In
Niedervolt CMOS Technologien mit maximalen Betriebspannungen bis
5 V wurde die Haltspannung von SCR-Schutzelementen durch Serienschaltung
von Dioden-Ketten an die Anode des Thyristors so erhöht,
dass die resultierende Haltespannung die Versorgungsspannung übersteigt
(
US 6,791,122 B2 ,
L.
Avery et al. 2A (A)). Dieses Verfahren ist
in Hoch-Volt-Technologien allerdings unter Anderem aus Flächengründen
nicht praktikabel, da eine Vielzahl an Serien-Dioden benötigt
würde, um die Haltespannung mit etwa 1 V pro hinzugefügter Serien-Diode über
die entsprechende Betriebsspannung zu heben. Außerdem hat
eine Serien-Diode an der SCR Anode keinen positiven Einfluss darauf,
die Spannungsfestigkeit des ESD-Elements unter bipolaren Störpulsen
zu garantieren.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Schaltung mit ESD
Schutzschaltung anzugeben, welche obige für ESD Schutzelemente
bekannte Nachteile mindert oder beseitigt ohne die Haltespannung über
die Betriebsspannung zu erhöhen.
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Die
Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1,
4, 8 und 17 definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Mit
ESD Schutzelement wird hierin ein Halbleiterbauelement bezeichnet,
das einen ESD Entladungspuls von wenigstens 1 kV nach HBM Modell abführen
kann, ohne zerstört zu werden. Hierbei handelt es sich
somit nicht um Nutzbauelemente einer integrierten Schaltung, die
eben mittels des ESD Schutzbauelements vor einer Zerstörung
durch einen ESD Entladungspuls geschützt werden sollen.
Jedoch kann das ESD Schutzelement als Nutzbauelement ausgelegt sein,
z. B. als HV-NMOS (High Voltage NMOS, Hochvolt NMOS) Transistor,
als DMOS Transistor (Double diffused MOS) oder als SCR (Silicon
Controlled Rectifier), sofern dieses Nutzbauelement derart groß dimensioniert
ist, dass es selbst den ESD Entladungspuls abführen kann,
ohne zerstört zu werden. Beispielsweise kann es sich hierbei
um eine Transistorausgangsstufe geeigneter Größe
handeln.
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Nachfolgend
werden beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung mit
Bezug auf erläuternde Abbildungen beschrieben. Mit denselben
Bezugskennzeichen werden in den verschiedenen Abbildungen dieselben
oder ähnliche Elemente gekennzeichnet.
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1A bis 1D zeigen
herkömmliche ESD Schutzelemente in Form von NPN Bipolartransistor,
NMOS mit parasitärem NPN Bipolartransistor und SCR mit
zugehöriger schematischer Snapback Strom/Spannungskennlinie
während ESD Belastung;
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2A bis 2C zeigen
schematisch dargestellte ESD Schutzschaltungen gemäß Ausführungsformen
der Erfindung;
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3A bis 3D zeigen
schematisch dargestellte ESD Schutzschaltungen mit NMOS Schutzelement
und nichtlinearen Halbleiterelementen gemäß weiteren
Ausführungsformen der Erfindung;
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4A bis 4D zeigen
schematisch dargestellte ESD Schutzschaltungen mit NPN Schutzelement
und nichtlinearen Halbleiterelementen gemäß weiteren
Ausführungsformen der Erfindung;
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5A bis 5F zeigen
schematisch dargestellte ESD Schutzschaltungen mit SCR Schutzelement
und nichtlinearen Halbleiterelementen gemäß weiteren
Ausführungsformen der Erfindung;
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6A bis 6F zeigen
schematisch dargestellte ESD Schutzschaltungen mit verschiedenen ESD
Schutzelementen und Dioden als nichtlinearen Halbleiterelementen
gemäß weiteren Ausführungsformen der
Erfindung; und
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7 zeigt
ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Ableiten von
Entladungsstrompulsen gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung.
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2A zeigt
eine integrierte Schaltung 100 mit ESD Schutzschaltung 101 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Die ESD Schutzschaltung 101 ist
zwischen Anschlüssen 102, 103, z. B.
Anschlusspads der Pins, geschaltet und weist eine ESD Schutzschaltung 104 sowie
nichtlineare Elemente 105, 106 auf. Selbstverständlich
kann die integrierte Schaltung 100 neben der ESD Schutzschaltung 101 weitere
Elemente umfassen.
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Die
Elemente 104, 105, 106 der ESD Schutzschaltung 101 sind
geeignet zwischen die Anschlüsse 102, 103 geschaltet,
dass ein Entladungsstrompuls einer ersten Polarität 107 zwischen
den beiden Anschlüssen 102, 103 zu einem
größeren Teil über das ESD Schutzelement 104 und
das erste nichtlineare Halbleiterelement 105 abfließt
als über das zweite nichtlineare Halbleiterelement 106,
und ein Entladungsstrompuls einer zur ersten Polarität
entgegen gesetzten zweiten Polarität 108 zu einem
kleineren Teil über das ESD Schutzelement 104 und
das erste nichtlineare Halbleiterelement 105 abfließt
als über das zweite nicht lineare Halbleiterelement 106.
Hierzu ist das erste Halbleiterelement 105 in Serie zum
ESD Schutzelement 104 geschaltet und das zweite nichtlineare
Halbleiterelement 106 ist parallel zum ersten nichtlinearen
Halbleiterelement 105 und dem ESD Schutzelement 104 geschaltet.
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Das
ESD Schutzelement 104 einen weist einen Snapback Modus
durch Triggern eines Bipolar-, eines parasitären Bipolartransistors
oder SCRs auf. Die ESD Schutzschaltung 101 wirkt in geeigneter Weise
einem unerwünschten Zünden des ESD Schutzelements 104 während
bipolarer Spannungspulse auf einem der Anschlüsse 102, 103,
z. B. Transient Latchup, entgegen. Selbst falls die Spannungsamplituden
Vmax derartiger bipolarer Spannungspulse nicht ausreichend groß sind,
um ein Triggern des ESD Schutzelements 104 zu verursachen
(Vmax < Vt1), bringt
jedoch die Ladungsansammlung innerhalb der Basis während
des Spannungspulsanteils mit einer ersten Polarität einen
Strompuls beim Absaugen der angesammelten Ladung während
des Spannungspulsanteils mit einer zweiten Polarität mit sich,
der ausreichend groß sein kann, dass das ESD Schutzelement
auf unerwünschte Weise unterhalb der Triggerspannung Vt1
triggert. Eine derartige Ladungsansammlung in der Basis des ESD
Schutzelements 104 während Pulsanteilen mit der
ersten Polarität wird jedoch in der ESD Schutzschaltung 101 durch
Zuschaltung der nichtlinearen Halbleiterelemente 105, 106 reduziert
oder unterdrückt, so dass der Gefahr eines unerwünschten
Zündens der Struktur entgegen gewirkt wird.
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Beispielsweise
können die ersten und zweiten nichtlinearen Halbleiterelemente 105, 106 jeweils einen
niederohmigen und einen hochohmigen Betriebszustand aufweisen, wobei
das erste nichtlineare Halbleiterelement 105 während des
Entladungsstrompulses mit der ersten Polarität den niederohmigen
Betriebszustand und während des Entladungsstrompulses mit
der zweiten Polarität den hochohmigen Betriebszustand einnimmt,
und das zweite nichtlineare Halbleiterelement 106 während
des Entladungsstrompulses mit der ersten Polarität den
hochohmigen Betriebszustand und während des Entladungsstrompulses
mit der zweiten Polarität den niederohmigen Betriebszustand
einnimmt. Die Halbleiterelemente 105, 106 können übereinstimmen
oder auch voneinander verschieden sein. Somit können die
hochohmigen und niederohmigen Betriebszustände in den Halbleiterelementen 105, 106 unterschiedlich
ausgeprägt sein. Ein niederohmiger Betriebszustand weist
etwa einen Widerstand kleiner als 50 Ohm auf, während ein
hochohmiger Betriebszustand einen Widerstand größer
als 50 Ohm aufweist.
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Beispielsweise
ist der niederohmige Zustand wenigstens eines der beiden nichtlinearen
Halbleiterelemente durch einen in Flussrichtung gepolten pn Übergang
bestimmt und der hochohmige Zustand wenigstens eines der beiden
nichtlinearen Elemente ist durch einen in Sperrrichtung gepolten
pn Übergang bestimmt.
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Die
ersten und zweiten nichtlinearen Halbleiterelemente 105, 106 sind
beispielsweise aus der Gruppe bestehend aus Diode, als Diode verschalteter
Bipolartransistor, als Diode verschalteter MOS Transistor und als
Diode verschalteter SCR ausgewählt.
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Beispielweise
kann ein als Diode verschalteter Bipolartransistor ein NPN Transistor
sein, dessen Emitter und Basis kurzgeschlossen sind, so dass die Basis
als Anode wirkt und der Kollektor als Kathode wirkt. Ebenso kann
die Diode als NPN Transistor ausgeführt sein, bei dem Ba sis
und Kollektor kurzgeschlossen sind, so dass die Basis als Anode
wirkt und der Emitter als Kathode wirkt. Des Weiteren können
Kollektor und Emitter kurzgeschlossen sein, do dass die Basis als
Anode wirkt und Emitter und Kollektor gemeinsam als Kathode wirken.
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Auch
kann der als Diode verschaltete Bipolartransistor ein PNP Transistor
sein, dessen Emitter und Basis kurzgeschlossen sind, so dass die
Basis als Kathode wirkt und der Kollektor als Anode wirkt. Ebenso
kann die Diode als PNP Transistor ausgeführt sein, bei
dem Basis und Kollektor kurzgeschlossen sind, so dass die Basis
als Kathode wirkt und der Emitter als Anode wirkt. Des Weiteren
können Kollektor und Emitter kurzgeschlossen sein, so dass
die Basis als Kathode wirkt und Emitter und Kollektor gemeinsam
als Anode wirken.
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Beispielsweise
kann die als MOS Transistor verschaltete Diode ein n-Kanal MOS (NMOS)
Transistor sein, bei dem Source und Drain als Halbleiterzonen vom
n-Typ in eine Halbleiterzone vom p-Typ, auch Bulk genannt, eingebettet
sein und Bulk und Source kurzgeschlossen sind, so dass Bulk als
Anode der Diode und Drain als Kathode der Diode wirkt. Ebenso können
Drain und Bulk kurzgeschlossen sein, so dass Bulk als Anode der
Diode und Source als Kathode der Diode wirkt. Auch können
Source und Drain kurzgeschlossen sein, so dass Source und Drain
gemeinsam als Kathode wirken und Bulk die Anode der Diode bildet.
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Auch
kann die als MOS Transistor verschaltete Diode ein p-Kanal MOS Transistor
sein, bei dem Source und Drain als Halbleiterzonen vom p-Typ in eine
Halbleiterzone vom n-Typ, auch Bulk genannt, eingebettet sein und
Bulk und Source kurzgeschlossen sind, so dass Bulk als Kathode der Diode
und Drain als Anode der Diode wirkt. Ebenso können Drain
und Bulk kurzgeschlossen sein, so dass Bulk als Kathode der Diode
und Source als Anode der Diode wirkt. Auch können Source
und Drain kurzgeschlossen sein, so dass Source und Drain gemeinsam
als Anode wirken und Bulk die Kathode der Diode bildet.
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Zu
wenigstens einem der nichtlinearen Halbleiterelemente 105, 106 können
ein oder mehrere weitere nichtlineare Halbleiterelemente in Serie
geschaltet sind.
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In
der Schutzschaltung 101 der in 2A gezeigten
Ausführungsform sind die Elemente 104, 105, 106 erfindungsgemäß derart
verschaltet, dass ein erster Strompfad durch zwei Anschlüsse
des ESD Schutzelements 104, z. B. Kathode und Anode bei kurzgeschlossenem
Emitter und Basis eines NPN Transistors, und durch das erste nichtlineare
Halbleiterelement 105 verläuft und ein zum ersten
Strompfad paralleler zweiter Strompfad durch das zweite nichtlineare
Element 106 verläuft.
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Die
beiden Knotenpunkte 109, 110 der parallel verlaufenden
ersten und zweiten Strompfade können jeweils ohne zwischengeschaltete
weitere Elemente mit einem der beiden zu schützenden Anschlüsse 102, 103 der
integrierten Schaltung 100 elektrisch verbunden sein.
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Beispielsweise
weist der zweite Strompfad keine Stromverzweigung auf. Ebenso kann
der erste Strompfad keine Stromverzweigung aufweisen.
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In
wenigstens einem aus erstem und zweitem Strompfad können
weitere Elemente geschaltet sein, z. B. können in Se rie
geschaltete Dioden oder parasitäre Dioden vorgesehen sein.
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In
der Schutzschaltung 101 der in 2A gezeigten
Ausführungsform sind die Elemente 104, 105, 106 erfindungsgemäß derart
verschalten, dass das erste nichtlineare Halbleiterelement 105 in
Serie zum ESD Schutzelement 104 oder zwischen zwei Anschlüssen,
z. B. Kathode und Anode, des ESD Schutzelements 104 geschaltet
ist, und das zweite nichtlineare Halbleiterelement 106 parallel
zur Verschaltung aus ESD Schutzelement 104 und erstem nichtlinearen
Halbleiterelement 105 geschaltet ist.
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In
einer Ausführungsform weisen das ESD Schutzelement 104 und
die beiden nichtlinearen Elemente 105, 106 neben
ihrer Schutzfunktion keine weitere Schaltungsfunktion für
den Betrieb der integrierten Schaltung 100 auf. Somit werden
die Elemente 104, 105, 106 nicht für
Schaltungsblöcke der integrierten Schaltung 101 benötigt.
Die integrierte Schaltung 101 verliert keine Schaltungsfunktionalität, falls
die Elemente 104, 105, 106 weggelassen
werden.
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Das
ESD Schutzelement einer Hoch-Volt Technologie weist beispielsweise
eine Triggerspannung oberhalb von 12 V auf, z. B. im Bereich von
12 V–100 V oder auch im Bereich von 40 V–100 V.
Für spezielle Technologien kann die Triggerspannung Vt1
auch einige 100 V betragen.
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Neben
der in 2A gezeigten Anordnung der Elemente 104, 105 und 106 gibt
es weitere Möglichkeiten der erfindungsgemäßen
Anordnung, worauf nachfolgend beispielhaft eingegangen wird.
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Die
in 2B gezeigte Verschaltung der Elemente 104, 105 und 106 unterscheidet
sich von der Verschaltung gemäß 2A dadurch,
dass das nichtlineare Halbleiterelement 105 mit dem Anschluss 103 elektrisch
verbunden ist und nicht, wie in 2A, mit
dem Anschluss 102. Das nichtlineare Element 105 der
Schutzschaltung 101 in 2B sorgt
dafür, dass Entladungsstrompulse einer ersten Polarität,
z. B. negative Strompulse vom Anschluss 102 zum Anschluss 103,
durch das ESD Schutzelement 104 abgeschwächt oder
blockiert werden und hauptsächlich über das zweite
nichtlineare Element 106 abgeleitet werden.
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Somit
wirkt auch diese ESD Schutzschaltung 101 einem unerwünschten
Triggern des ESD Schutzelements 104 durch bipolare Spannungspulse
während des Betriebs entgegen, die etwa zwischen einem
Versorgungspin und Masse auftreten können, indem die Ladungsansammlung
innerhalb der Basis des ESD Schutzelements 104 während
des Spannungspulsanteils mit der ersten Polarität, z. B.
negativer Polarität, reduziert oder unterdrückt
wird, weshalb das Absaugen dieser Ladungen während des Spannungspulsanteils
mit der zweiten Polarität, z. B. positiver Polarität,
einen Stromfluss mit sich bringt, der bei geeigneter Dimensionierung
unzureichend ist, um die ESD Schutzschaltung 104 auf unerwünschte
Weise unterhalb der regulären Triggerspannung Vt1 einzuschalten.
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Auch
die in 2C gezeigte ESD Schutzschaltung 101 bringt
die in Zusammenhang mit den 2A und 2B beschriebenen
Vorteile mit sich. Die Schutzschaltung 101 in 2C weist
neben den wie in 2A angeordneten Elementen 104, 105 und 106 ein
weiteres nichtlineares Halbleiterelement 111 auf, das in
Serie zu dem ersten nicht linearen Halbleiterelement 105 und
dem ESD Schutzelement 104 geschaltet ist.
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Weitere
Ausführungsformen von ESD Schutzschaltungen 101 mit
einem NMOS Transistor als ESD Schutzelement 104 sind in
den 3A bis 3D schematisch
dargestellt.
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Die
in 3A gezeigte Verschaltung von ESD Schutzelement 104,
erstem nichtlinearen Halbleiterelement 105 und zweitem
nichtlinearen Halbleiterelement 106 entspricht derjenigen
von 2A, wobei das ESD Schutzelement 104 als
NMOS Transistor ausgeführt ist. Hierbei sind Source S vom n-Typ
und Drain D vom n-Typ in das die Bulkzone B ausbildende Gebiet vom
p-Typ eingebettet. Source S, Bulk B und Drain D bilden hierbei Emitter,
Basis und Kollektor einen parasitären NPN Bipolartransistors,
der einen Snapback aufweist. Ein Gate G des ESD Schutzelements 104 kann
hierbei beispielsweise mit Source kurzgeschlossen sein (nicht dargestellt)
oder auch in eine aktive Klemmschaltung eingebunden sein (nicht
dargestellt). Die nichtlinearen Halbleiterelemente 105, 106 sind
in dieser wie auch den weiteren in 3B bis 3D gezeigten
Ausführungsformen derart verschaltet, dass sich die in Zusammenhang
mit obigen Ausführungsformen beschriebenen Wirkungen erzielen
lassen. Die in 3C gezeigte Ausführungsform
weist wie die in 2C gezeigte Ausführungsform
ein weiteres nichtlineares Halbeiterelement 111 auf. Auch
können die in den Figuren gezeigten Schaltungsanordnungen
weitere nichtlineare Halbleiterelemente aufweisen, z. B. können
in Serie zum zweiten nichtlinearen Halbleiterelement 106 weitere
nichtlineare Halbleiterelemente mit derselben Polarität
geschaltet werden.
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Die
in den 4A bis 4D gezeigten ESD
Schutzschaltungen 101 unterscheiden sich von denjenigen
der 3A bis 3D dadurch,
dass die ESD Schutzelemente 104 als NPN Bipolartransistoren
ausgebildet sind. Bei dem Widerstand R zwischen Emitter und Basis
kann es sich sowohl um den Widerstand der Basiszone handeln als
auch um die Summe aus Basiszonenwiderstand und einem extern zugeschalteten
Widerstand.
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Weitere
Ausführungsformen von ESD Schutzschaltungen 101 mit
einem SCR als ESD Schutzelement 104 sind in den 5A bis 5F schematisch
dargestellt. Der in 5A–5F gezeigte
SCR 104 umfasst einen PNP Bipolartransistor 112 mit
Emitter E1, Basis B1 und Kollektor C1 als auch einen NPN Bipolartransistor 113 mit
Emitter E2, Basis B2 und Kollektor C2. Die Basis B1 des PNP Transistors 112 ist
mit dem Kollektor C2 des NPN Transistors 113 elektrisch
verbunden und die Basis B2 des NPN Transistors 113 ist
mit dem Kollektor C1 des PNP Transistors 112 elektrisch
verbunden. Bei dem Widerstand R1 zwischen Emitter E1 und Basis B1
kann es sich sowohl um den Widerstand der PNP Basiszone (inklusive
Substrateinfluss) handeln als auch um die Summe aus Basiszonenwiderstand
und einem extern zugeschalteten Widerstand. Bei dem Widerstand R2
zwischen Emitter E2 und Basis B2 kann es sich sowohl um den Widerstand
der NPN Basiszone (inklusive Substrateinfluss) handeln als auch um
die Summe aus Basiszonenwiderstand und einem extern zugeschalteten
Widerstand. Die Basis B1 des PNP Transistors 112 ist über
den Widerstand R2 der Basis B2 des NPN Transistors 113 über
den Widerstand R2 getrennt ansteuerbar, so dass der SCR 104 vier
Anschlüsse aufweist.
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Die
nichtlinearen Halbleiterelemente 105, 106 sind
in dieser wie auch den weiteren in 5B bis 5F gezeigten
Ausführungsformen erneut so verschalten, dass sich die
im Zusammenhang mit obigen Ausführungsformen beschriebenen
Wirkungen erzielen lassen. Die in 5B und 5E gezeigten
Ausführungsformen weisen zudem ein weiteres nichtlineares
Halbeiterelement 111 auf. Auch können die in den
Figuren gezeigten Schaltungsanordnungen weitere derartige nichtlineare
Halbleiterelemente aufweisen. Verschiedene Serienschaltungen dieser
nichtlinearen Halbleiterelemente (z. B. Diodenkette) können
ebenfalls eingesetzt werden.
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Somit
wirken auch diese ESD Schutzschaltungen 101 einem unerwünschten
Triggern des ESD Schutzelements 104 durch bipolare Spannungspulse während
des Betriebs entgegen, die etwa zwischen einem Versorgungspin und
Masse auftreten können, indem die Ladungsansammlung innerhalb
der Basen B1 und B2 des ESD Schutzelements 104 während
eines Spannungspulsanteils mit einer ersten Polarität, z.
B. negativer Polarität, reduziert oder unterdrückt wird,
weshalb das Absaugen dieser Ladungen während des Spannungspulsanteils
mit der zweiten Polarität, z. B. positiver Polarität,
bei geeigneter Dimensionierung einen Stromfluss mit sich bringt,
der unzureichend ist, um das ESD Schutzelement 104 auf
unerwünschte Weise zu triggern.
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Bei
den in den 6A bis 6F gezeigten Ausführungsformen
von ESD Schutzschaltungen 101 sind die nichtlinearen Halbleiterelemente 105, 106 als
Dioden ausgeführt. Die gezeigten ESD Schutzschaltungen 101 eignen
sich beispielsweise für den Einsatz in Hochvolttechnologien
mit 5 V übersteigenden Pinspannungen und können
etwa zwischen Versorgungspins, Eingangs-/Ausgangspins und Masse
angeordnet sein.
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Die
ESD Schutzschaltungen 101 der 6A und 6B weisen
einen NMOS als ESD Schutzelement auf und sind wie die Ausführungsformen
der 3A und 3D aufgebaut.
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Die
ESD Schutzschaltungen 101 der 6C und 6D weisen
einen NPN Bipolartransistor als ESD Schutzelement auf und sind wie
die Ausführungsformen der 4A und 4D aufgebaut.
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Die
ESD Schutzschaltungen 101 der 6E und 6F weisen
einen SCR als ESD Schutzelement auf und sind wie die Ausführungsformen
der 5C und 5F aufgebaut.
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In 7 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Ableiten von
Entladungsstrompulsen gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung dargestellt.
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Hierbei
erfolgt in S100 ein Ableiten eines Entladungsstrompulses mit einer
ersten Polarität über ein ESD Schutzelement und
ein erstes nichtlineares Halbleiterelement und in S110 erfolgt ein
Blockieren eines Entladungsstrompulses durch das ESD Schutzelement
mittels des ersten nichtlinearen Halbleiterelements, wobei der Entladungsstrompuls
eine zur ersten Polarität entgegen gesetzte zweite Polarität
aufweist, und Abführen des Entladungsstrompulses mit der
zweiten Polarität über ein zweites nichtlineares
Halbleiterelement. Das Ableiten des Entladungsstrompulses erfolgt
zum größten Teil über die oben genannten
Pfade, wobei jedoch ein kleinerer Teil auch über weitere
Pfade abfließen kann, z. B. durch Aufladen parasitärer
Kapazitäten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN IEC 60749-26 [0002]
- - DIN IEC 60749-27 [0002]
- - DIN IEC 60749-28 [0002]
- - M. D. Ker et al., Proceedings IRPS 2007, pp. 598 [0007]
- - M. Mergens et al., IEEE Transactions on Electron Devices,
Volume 47, Issue 11, Nov 2000, S. 2128 [0009]
- - M. Mergens et al., IEEE Transactions on Electron Devices,
Volume 47, Issue 11, Nov 2000, pp. 2128 [0011]
- - M. Mergens et al., Proceedings of EOSESD Symposium, 2006,
S. 54 [0011]
- - M. Mergens et al., Microelectronics Reliability, Volume 43,
Issue 7, July 2003, Pages 993–1000 [0011]
- - M. D. Ker et al., Journal of Solid-State Circuits, Vol. 40,
No. 8, pp. 1751, August 2005 [0011]
- - IEC61000-4-2 [0012]
- - ISO10605 [0012]
- - ISO7637-x [0012]
- - M. D. Ker et al., Journal of Solid-State Circuits, Vol. 40,
No. 8, S. 1751, August 2005 [0013]
- - L. Avery et al. [0014]