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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der integrierten
Schaltungen mit einer internen Schaltungsstruktur zum Empfangen
und/oder zum Ausgeben von Radiofrequenzsignalen, wobei eine Schutzschaltung
vorgesehen ist, um das Risiko der Beschädigung aufgrund elektrostatischer
Entladungs-(ESD)Ereignisse zu minimieren.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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In
modernen integrierten Schaltungen werden für gewöhnlich eine große Anzahl
einzelner Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren, Kondensatoren,
Widerstände
und dergleichen auf einer kleinen Substratfläche gebildet, um damit die
erforderliche Funktionalität
der Schaltung bereitzustellen. Typischerweise wird eine Reihe von
Anschlussflächen
bereitgestellt, die wiederum elektrisch mit entsprechenden Anschlüssen, die
auch als Stifte bzw. Pins bezeichnet werden, verbunden sind, so dass
die Schaltung mit der Umwelt kommunizieren kann. Mit der ständigen Verkleinerung
der Größe der Schaltungselemente
zur Erhöhung
der Packungsdichte und Verbesserung der Leistungsfähigkeit
der integrierten Schaltung wird die Fähigkeit, einer extern an einen
der Stifte der integrierten Schaltung angelegten Überspannung
zu widerstehen, deutlich kleiner. Ein Grund dafür liegt in der Tatsache begründet, dass
das Verringern der Strukturgrößen von
Feldeffekttransistoren, d. h. das Reduzieren der Kanallänge des
Feldeffekttransistors, typischerweise erfordert, dass ebenso die
Dicke der Isolierschicht, die die Gateelektrode von dem Kanalgebiet
trennt, entsprechend reduziert werden muss. Eine Überspannung, die
an eine dünne
Gateisolierschicht angelegt wird, führt jedoch zu Defekten in der
Gateisolierschicht, woraus eine reduzierte Zuverlässigkeit
oder gar die vollkommene Zerstörung
der Elemente resultieren kann, möglicherweise
mit der Konsequenz eines vollständigen
Ausfalls der integrierten Schaltung.
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Eine
Hauptquelle derartiger Überspannungen
sind sogenannte elektrostatische Entladungen (ESD), wobei ein mit
Ladungsträgern
aufgeladenes Objekt mit einigen der Stiften der integrierten Schaltung
in Berührung
kommt. Beispielsweise kann eine Person eine sehr hohe Spannung von
wenigen hundert bis einige tausend Volt durch bloßes Bewegen über einen
Teppich erzeugen, so dass eine integrierte Schaltung beschädigt werden
kann, wenn die Person die integrierte Schaltung beispielsweise durch Herausnehmen
der integrierten Schaltung aus der entsprechenden Schaltungsplatine
berührt.
Eine entsprechende Überspannung,
die durch ein ESD-Ereignis hervorgerufen wird, kann selbst während der Herstellung
der integrierten Schaltung auftreten und kann daher zu einer verringerten
Produktionsausbeute führen.
Ferner gibt es heutzutage eine zunehmende Tendenz, austauschbare
ICs in elektronischen Systemen zu verwenden, so dass lediglich eine
oder mehrere integrierte Schaltungen anstelle der gesamten Platine
zu ersetzen sind, um beispielsweise Mikroprozessoren und Speicherkarten
auf den neuesten Stand zu bringen. Da das Wiedereinsetzen der integrierten
Austauschschaltungen nicht notwendigerweise von einem Fachmann in
einer ESD-sicheren Umgebung durchgeführt wird, müssen die integrierten Schaltungen
mit einem entsprechenden ESD-Schutz versehen werden. Dazu wurde
eine Reihe von Schutzschaltungen vorgeschlagen, die typischerweise
zwischen einem Anschluss der integrierten Schaltung und der internen
Schaltung angeordnet sind, um einen Stromweg bereitzustellen, der
sicherstellt, dass die an die interne Schaltung angelegte Spannung
deutlich unterhalb einer spezifizierten kritischen Grenze bleibt.
Beispielsweise wird in einem typischen ESD-Ereignis, das von einer mit Ladungsträgern aufgeladenen
Person verursacht wird, eine Spannung von mehreren tausend Volt
in einem Zeitintervall von ungefähr
100 ns (Nanosekunden) entladen, wodurch ein Strom von mehreren Ampere erzeugt
wird. Somit muss die ESD-Schutzschaltung einen Stromfluss von zumindest
einigen Ampere zulassen, um damit sicherzustellen, dass die Spannung über der
ESD-Schutzschaltung nicht die kritische Grenze überschreitet.
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Mit
Bezug zu 1 wird im Folgenden eine typische
ESD-Schutzschaltung erläutert.
In 1 umfasst eine integrierte Schaltung 100 eine
interne Schaltung 101, die mit einem Eingangsanschluss 103 verbunden
ist. Ferner sind Anschlüsse 102 und 104 vorgesehen,
um die Versorgungsspannung zu empfangen, wobei der Anschluss 102 die
positive Versorgungsspannung VDD und der Anschluss 104 die
negative Versorgungsspannung VSS empfängt. Ein P-MOS-Transistor 105 ist
mit dem Anschluss 102 und mit dem Eingangsanschluss 103 verbunden,
und ein N-MOS-Transistor 106 ist zwischen dem Eingangsanschluss 103 und
dem Versorgungsspannungsanschluss 104 angeschlossen.
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Wenn
eine positive Überspannung
an dem Eingangsanschluss 103 auftritt, wird der P-MOS-Transistor 105 aufgrund
der internen Inversdiode 107 leitend, um damit die Spannung
des Eingangsanschlusses 103 an die Versorgungsspannung VDD
zu klemmen. Tatsächlich
ist die Spannung an dem Eingangsanschluss 103 auf VDD plus
einem Vorwärtsspannungsabfall
der Diode 107 festgelegt. Durch geeignetes Auswählen der
Stromtreiberfähigkeit
des P-MOS-Transistors 105 und für eine typische Anstiegszeit
der Überspannung,
die an dem Eingangsanschluss 103 angelegt ist, übersteigt
die Spannung die kritische Grenze selbst während der Einschwingzeit der
Diode 107 nicht.
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Wenn
beispielsweise eine negative Überspannung
an den Eingangsanschluss 103 angelegt wird, wird der N-MOS-Transistor 106 leitend,
d. h. die Inversdiode 108 stellt einen Stromweg bereit,
um die Spannung an dem Eingangsanschluss 103 an die negative
Versorgungsspannung VSS (plus einem Vorwärtsspannungsabfall der Diode 108)
zu klemmen.
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Wie
zuvor erwähnt
ist, müssen
die Transistoren 105 und 106 einen Strom bis zu
mehreren Ampere führen
und damit muss die Größe dieser
Transistoren entsprechend angepasst sein. Eine große Größe der Transistoren 105, 106 führt andererseits zu
einer großen
parasitären
Kapazität,
wie dies durch die Kondensatoren 109 und 110 angedeutet
ist, so dass die Eigenschaft der Transistorelemente als ESD-Schutzschaltung
dramatisch die Hochfrequenzeigenschaften der integrierten Schaltung 100 beeinflusst.
Beispielsweise werden in modernen drahtlosen Kommunikationssystemen
häufig
Integrierte Schaltungen mit einer großen Anzahl von MOS-Transistoren
verwendet, die bis zu mehreren GHz (Gigahertz) arbeiten sollen und
daher kann u. U. ein ausreichender Schutz der entsprechenden Anschlüsse, die
Signale in diesen Frequenzbereich empfangen oder ausgeben, nicht
in ausreichender Weise gegenüber
ESD-Ereignissen gewährleistet
werden, da die damit verknüpften
parasitären
Kapazitäten
es nicht zulassen, ausreichend großdimensionierte schützende Elemente
ohne unzulässige
Beeinträchtigungen der
Leistungsfähigkeit
der integrierten Schaltung zu bilden.
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Horst
Völz, Elektronik,
Grundlagen, Prinzipien, Zusammenhänge, 2. Auflage, 1979, Akademie-Verlag,
Berlin, offenbart komplexe Spannungsteiler, die Tief-, Hoch- und
Bandpasse bilden.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
32 13 437 A1 offenbart einen Überspannungsschutz für Hochfrequenzeingänge an Funkempfängern, der
mittels Edelgas gefüllter Überspannungsableiter
und Dioden realisiert ist.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
40 24 480 A1 offenbart eine abstimmbare Frequenzweiche.
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Die
Patentanmeldung
FR
2 813 439 A1 offenbart eine integrierte Schaltung, die
einen Schutz gegen elektrostatische Entladung aufweist. Ein Ausgangsanschluss
ist zur Ladungsableitung über
Dioden mit dem Versorgungsspannungsanschluss und dem Masseanschluss
verbunden.
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Die
Patentschrift
DE 197
18 945 C2 offenbart ein Filter für das Isolieren eines stromaufwärtigen Eindringrauschens
in einem bidirektionalen Kabelsystem.
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Die
Patentanmeldung
EP
1 178 500 A1 offenbart eine integrierte Schaltung, die
auf einem Halbleitersubstrat realisierte Induktivitäten umfasst. Induktivitäten mit
mehreren Abgriffen werden in einer sogenannten „Gilbert-Zelle" eines Dualband-RF-Empfängers verwendet.
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Leroux,
P.; Steyaert, M.: High-performance 5.2 GHz LNA with an-chip inductor
to provide ESD protection. In: Electronics Letters, Vol. 37, Nr.
7, März 2001,
S. 467–469,
offenbart die Verwendung einer Induktivität zum Schutz von Eingangsstufen
gegen elektrostatische Entladungen.
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Die
Patentanmeldung
GB 2
304 994 A offenbart ein Kondensator-Paar, das eine integrierte Schaltung
in sub-μm-CMOS-Technologie
gegen elektrostatische Entladungen schützt.
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Angesichts
der obigen Probleme besteht dennoch ein Bedarf für einen verbesserten ESD-Schutz
für integrierte
Schaltungen, die bei relativ hohen Frequenzen arbeiten.
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Überblick über die Erfindung
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein Bauteil
und ein Verfahren, das eine integrierte Schaltung, die zum Betrieb
im Radiofrequenzbereich ausgestaltet ist, vor Beschädigung durch
elektrostatische Entladungsereignisse schützt, indem eine Schutzschaltung
vorgesehen wird, die einen frequenzabhängigen Widerstand aufweist,
so dass aus hohen Frequenzkomponenten bestehende Radiosignale lediglich
nur leicht abgeschwächt
werden, wohingegen niederfrequente Komponenten effizient kurzgeschlossen
werden, um eine gefährliche Überspannung
an einer internen Schaltung der integrierten Schaltung im Wesentlichen
zu vermeiden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Vorrichtung nach
Anspruch 1 gelöst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird;
es zeigen:
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1 ein
Schaltbild, das ein typisches konventionelles ESD-Schutzschaltungsbeispiel
zeigt;
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2a ein
erläuterndes
Beispiel, das sich auf eine Schaltung mit Induktivität zum Schutz
eines Radiofrequenzeingangsanschlusses bezieht;
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2b schematisch
die Ausgestaltung eines Bereichs der Schaltung mit Induktivität aus 2a;
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3 ein
Schaltbild, das eine Schaltung zum Schutz eines Ausgangsanschlusses
gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
zeigt; und
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4 ein
Flussdiagramm, das Schritte zur Herstellung eines Halbleiterelements
mit einem verbesserten ESD-Schutz gemäß einer anschaulichen Ausführungsform
darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit
Bezug zu den 2 bis 4 werden
im Folgenden erläuternde
Beispiele und anschauliche Ausführungsformen
beschrieben, die die Problematik zur Reduzierung des Beschädigungsrisikos
betreffen, das durch beliebige elektrostatische Entladungsereignisse
hervorgerufen wird, die an Eingangs- und/oder Ausgangsanschlüssen von
integrierten Schaltungen auftreten. Des Weiteren wird in der folgenden
detaillierten Beschreibung auf ESD-Ereignisse Bezug genommen, mit
einer Spannung in der Größenordnung
von 2000–3000
Volt bei einer Anstiegszeit von ungefähr 100 ns mit einem Entladungsstrom von
mehreren Ampere. Diese Parameter entsprechen dem so genannten menschlichen
Körpermodell mit
einer Kapazität
von ungefähr
150 pF (picoFarad) mit einer Ladung von ungefähr 0,5 C (Coloumb); es soll
jedoch betont werden, dass die hierin beschriebenen anschaulichen
Ausführungsformen
sowie die vorliegende Erfindung mit dem Schutzbereich, wie er in
den angefügten
Patentansprüchen
definiert ist, in einfacher Weise auf andere Umgebungsbedingungen,
d. h. höhere
oder geringere elektrostatische Spannungen, größere oder kleiner Entladungszeiten und
dergleichen anpassbar ist. Ferner wird in der folgenden detaillierten
Beschreibung sowie in den Ansprüchen
der Begriff "Radiofrequenz"-Signal oder "RF"-Signal für beliebige
Signale verwendet, die vorzugsweise in drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet
werden, und somit soll der Begriff "RF"-Signal
alle Signalarten in einem Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz
bis einigen GHz miteinschließen.
Ferner ist der Begriff "MOS-Transistor" als eine beliebige
Art eines Feldeffekttransistors mit einer isolierten Gateelektrode
zu verstehen, unabhängig
davon, ob die Gateisolierschicht eine Oxidschicht oder ein anderes
geeignetes Material ist.
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2a zeigt
schematisch ein Schaltbild eines Teils einer integrierten Schaltung 200,
die eine beliebige integrierte Schaltung darstellen soll, die zur Verarbeitung
von RF-Signalen geeignet ist, etwa eine integrierte Schaltung, die
in mobilen drahtlosen Kommunikationsgeräten verwendet wird. Die integrierte Schaltung 200 umfasst
eine interne Schaltung 201 mit mehreren aktiven und passiven
Elementen, etwa MOS-Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und
dergleichen. Der Einfachheit halber ist der interne Aufbau der internen
Schaltung 201 in 2a nicht gezeigt.
Ferner umfasst die integrierte Schaltung 200 mindestens
einen Eingangsanschluss 203 und einen Masseanschluss 204,
zwischen denen der integrierten Schaltung 200 ein RF-Signal
zugeführt
wird, und ferner ist ein Versorgungsspannungsanschluss 202 vorgesehen.
Die integrierte Schaltung 200 umfasst des Weiteren einen
Eingangsverstärker 220,
der in diesem erläuternden
Beispiel durch einen einzelnen N-MOS-Transistor 221 repräsentiert
ist, dessen Gateelektrode mit einer Gleichspannungsquelle 223 über einen
Widerstand 222 vorgespannt ist. In anderen Beispielen kann
der Eingangsverstärker 220 eine komplexere
Struktur aufweisen und kann zwei oder mehr Verstärkerstufen anstelle des einzelnen N-MOS-Transistors 221 aufweisen.
In jedem Falle kann eine spannungsempfindliche Isolationsschicht in
dem Eingangssignalpfad vorhanden sein, unabhängig da von, ob diese Schicht
eine Gateisolierschicht oder eine andere dielektrische Schicht ist,
die keiner Überspannung über einer
maximalen Grenze ausgesetzt werden darf. Diese maximale Spannungsgrenze
hängt von
der für
die Herstellung des MOS-Transistors, etwa des N-MOS-Transistors 221, verwendeten
Technologie ab, wobei im Allgemeinen die Regel gilt, dass technisch
fortgeschrittenere Halbleiterelemente eine höhere Empfindlichkeit für eine angelegte Überspannung
zeigen. Beispielsweise kann ein MOS-Transistor, der entsprechend einer 0,25
Mikrometer C-MOS-Technologie, d. h. die Gatelänge des MOS-Transistors ist
auf 0,25 Mikrometer ausgelegt, hergestellt ist, eine Gateisolierschicht
aufweisen, die lediglich einer Spannung von nicht mehr als ungefähr 6 Volt
widersteht.
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Ein
Kopplungskondensator 224 ist mit einer Elektrode an das
Gate des MOS-Transistors 221 gekoppelt, wohingegen die
andere Elektrode des Kopplungskondensators 224 mit dem
Eingangsanschluss 203 verbunden ist. Der Kopplungskondensator 224 kann
als ein Kondensator mit vertikalem Graben ausgebildet sein und zeigt
für gewöhnlich eine
dielektrische Durchbruchsspannung, die deutlich die dielektrische
Durchbruchsspannung der Gateelektrode des MOS-Transistors 221 übersteigt.
In einem speziellen Beispiel besitzt der Kopplungskondensator 224 eine dielektrische
Durchbruchsspannung von 15 Volt und mehr. Ein induktives Element,
das durch eine Induktivität 205 repräsentiert
ist, ist mit einem Ende mit dem Eingangsanschluss 203 und
dem anderen Ende mit dem Masseanschluss 204 verbunden.
Die Induktivität 204 kann
vorzugsweise ganz nahe an den entsprechenden Anschlussflächen (diese
werden mit Bezug zu 2b beschrieben) der integrierten Schaltung 200,
die mit dem Eingangsanschluss 203 und dem Masseanschluss 204 verbunden
sind, ausgebildet sein. Bekanntermaßen sind diverse Verfahren
zum physikalischen Verbinden von Kontaktflächen auf dem Chipgebiet, auf
dem die integrierte Schaltung 200 gebildet ist, zu den
Anschlüssen,
beispielsweise Stiften des Gehäuses
der integrierten Schaltung 200, verfügbar, etwa das Flipchipbonden, das
Drahtbonden, das automatisierte Bandbonden, und dergleichen.
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2b zeigt
schematisch einen Teil des Leiteraufbaus der integrierten Schaltung 200.
In 2b sind die Anschlüsse 202, 203 und 204,
etwa Stifte eines IC-Gehäuses,
mit den entsprechenden Anschlussflächen 212, 213 und 214,
die auch als CP-Bezeichnung bezeichnet sind, mittels entsprechender
Leitungen 215, etwa Golddrähte, wenn ein Draht bondverfahren
verwendet wird, verbunden. Die Kontaktflächen 212, 213 und 214 sind
wiederum mit entsprechenden Metallleitungen 216 verbunden,
die einen elektrischen Kontakt zu den entsprechenden Chipflächen, etwa
die interne Schaltung 201, herstellen. Anzumerken wäre, dass
der Schaltungsaufbau der integrierten Schaltung 200 in 2b stark
vereinfacht ist und es ist leicht erkennbar, dass in Wirklichkeit
die Metallleitungen 216 in einer komplexeren Struktur und
als mehrlagige Metallleitungen vorgesehen sein können.
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Wie
in 2b gezeigt ist, kann die Induktivität 205 als
eine Metallleitung vorgesehen sein, die in einer einzelnen Metallisierungsschicht
oder in mehreren Metallisierungsschichten vorgesehen ist, und kann
eine oder mehrere Bahnumlenkungen aufweisen, um den erforderlichen
Induktivitätswert
zu erreichen, wie dies im Folgenden detaillierter dargestellt ist.
Ferner sind die die Induktivität 205 bildenden
Metallleitungen so gestaltet, dass die erforderliche Stromführungskapazität sichergestellt
ist. In einem Beispiel ist die Induktivität 205 so gestaltet,
dass diese wiederholt einen Strom von mindestens einem Ampere und
vorteilhafter Weise von mindestens 3 Ampere führen kann. In einem Beispiel
(nicht gezeigt) kann die Induktivität 205 eine oder mehrere Windungen
aufweisen.
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Es
wird wieder auf 2a Bezug genommen, wobei eine
parasitäre
Kapazität 206 parallel
zu der Induktivität 205 gezeigt
ist, und wobei die parasitäre
Kapazität 206 die
Summe der parasitären
Kapazitäten,
die in dem Signalpfad des RF-Signals vorhanden sind, das an den
Eingangsanschluss 203 und an den Masseanschluss 204 zugeführt wird,
repräsentiert.
Wie zuvor erläutert
ist, besitzt beispielsweise ein MOS-Transistor abhängig von
der Größe und der
Gestaltung eine gewisse Kapazität.
Ferner führen
abhängig
von der Leiterbahnausgestaltung die Leitungen 215 und 216 (siehe 2b)
sowie die Induktivität 205 eine
parasitäre
Kapazität
ein, die ein Eingangssignal "sieht", wenn dieses den
Anschlüssen 203 und 204 zugeführt wird.
In einem speziellen Beispiel ist der Wert der Induktivität 205 so
gewählt, um
einen Schwingkreis mit der parasitären Kapazität 206 bei einer Resonanzfrequenz
zu bilden, die in dem Bereich der Frequenzen liegt, die in den den
Anschlüssen 203 und 204 zugeführten Eingangssignalen
enthalten sind. Ein anschauliches Verfahren zum Ermitteln der erforderlichen
Induktivität
und zur Herstellung der Induktivität 205 wird mit Bezug
zu 4 beschrieben.
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Während des
normalen Betriebs der integrierten Schaltung 200 wird den
Anschlüssen 203 und 204 ein
RF-Signal zugeführt,
wobei vorzugsweise die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 205, 206 auf
den Eingangsfrequenzbereich abgestimmt ist, so dass das RF-Signal über den
Kopplungskondensator 224 an das Gate des N-MOS-Transistors 221 ohne
wesentliche Verluste eingekoppelt wird. Im Gegensatz zur Lösung im
Stand der Technik, die beispielsweise in 1 gezeigt
ist, erlaubt die Verwendung der Induktivität 205 als ein resonantes
Element für
einen Schwingkreis für
den Frequenzbereich der RF-Eingangssignale und als ein niederohmiger
Leiter für
andere Frequenzen, wobei vorteilhafter Weise die parasitäre Kapazität positiv
zum Bestimmen der Resonanzfrequenz genutzt wird, folglich das Bereitstellen
einer ESD-Schutzschaltung, die im Wesentlichen keine Einschränkung hinsichtlich
der maximalen verarbeitbaren Frequenz mit sich bringt.
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Wenn
andererseits eine Überspannung
an den Eingangsanschluss 203, beispielsweise durch ein
ESD-Ereignis angelegt wird, liefert die Induktivität 205 einen
Strompfad, um den Eingangsanschluss 203 und den Masseanschluss 204 kurzzuschließen, so
dass die Spannung über
der Induktivität 205 deutlich
unterhalb einer kritischen Grenze bleibt, die ansonsten eine Beschädigung der
nachfolgenden Schaltungselemente, etwa des Koppelkondensators 224 und
des N-MOS-Transistors 221 zur Folge hätte. Selbst wenn das ESD-Ereignis
relativ hochfrequente Komponenten enthält, und damit die mit dem ESD-Ereignis verknüpfte Zeitkonstante
relativ klein sein sollte – aber
dennoch länger
als die inverse Frequenz des Restsignals – so ermöglicht der Koppelkondensator 224 eine
relativ hohe Spannung über der
Induktivität 205 beispielsweise
von 15 Volt oder mehr, abhängig
von der dielektrischen Durchbruchsspannung, und stellt somit sicher,
dass empfindliche MOS-Transistoren wirksam geschützt sind.
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In
einem speziellen Beispiel ist die integrierte Schaltung 200 so
gestaltet, um RF-Signale
in der Größenordnung
von GHz zu verarbeiten, so dass die inverse Frequenz, d. h. die
Periode des RF-Signals in der Größenordnung
von 1 ns ist, wohingegen die Anstiegszeit eines typischen ESD-Ereignisses
von der Größenordnung 100 ns
ist, so dass der Schwingkreis 205, 206 eine wirksame
Kurzschlussschaltung für das
langsame ESD-Ereignis bildet, aber im Wesentlichen nicht das Eingangs-RF-Signal
beeinflusst, wenn die Resonanzfrequenz an den Frequenzbereich des
RF-Signals angepasst ist.
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Mit
Bezug zu 3 werden nun anschauliche Ausführungsformen
beschrieben.
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In 3 umfasst
eine integrierte Schaltung 300 eine interne Schaltung 301,
die mit einer Ausgangsstufe 321 verbunden ist, die in dieser
Ausführungsform
als ein N-MOS-Transistor vorgesehen ist. Das Source des N-MOS-Transistors 321 ist
mit einem Ausgangsanschluss 303 verbunden. Die Ausgangsstufe 321 kann
jedoch zusätzliche
Komponenten aufweisen, abhängig
von Entwurfserfordernissen, so dass zwei oder mehr Transistorelemente
sowie zusätzliche
passive Komponenten in der Ausgangsstufe 321 enthalten
sein können.
Ferner sind ein Versorgungsspannungsanschluss 302 und ein Masseanschluss 304 vorgesehen.
Ein Knotenpunkt 340 für
eine Hilfsspannung ist mit dem Versorgungsspannungsanschluss 302 mittels
eines ersten Klemmelements, etwa einer Diode 307, verbunden.
Des Weiteren ist der Knotenpunkt 340 mit dem Masseanschluss 304 mittels
eines zweiten Klemmelements, etwa einer Diode 308, verbunden.
Die parasitären Kapazitäten der
Dioden 307, 308 sind mit dem Bezugszeichen 309, 310 gekennzeichnet.
Das erste und das zweite Klemmelement können gemäß weiterer Ausführungsformen
alternativ oder zusätzlich
andere Elemente, etwa einen P-MOS-Transistor, einen N-MOS-Transistor,
Zenerdioden, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen aufweisen.
Eine Induktivität 305 ist
mit einem Ende mit dem Knotenpunkt 304 und mit dem anderen
Ende mit dem Ausgangsanschluss 303 verbunden. Hinsichtlich
des Leiteraufbaus der Anschlüsse 302, 303, 304 und
der entsprechenden Kontaktflächen
sowie Metallleitungen gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor
mit Bezug zu den 2a und 2b dargelegt
sind.
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Anzumerken
ist, dass der Knotenpunkt 340 mit dem Versorgungsspannungsanschluss 302 verbunden
sein kann, so dass die Hilfsspannung der Versorgungsspannung entspricht.
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Des
Weiteren sind die Dioden 307, 308 so gezeigt,
dass diese für
eine positive Versorgungsspannung angeschlossen sind. Für eine negative Versorgungsspannung
wären die
Dioden 307, 308 invers zu der in 3 gezeigten
Darstellung anzuschließen.
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Während des
normalen Betriebs kann die integrierte Schaltung 300 ein
RF-Signal an den Anschlüssen 303 und 304 ausgeben.
Das RF-Signal wird mittels des N-MOS-Transistors 321 ausgekoppelt,
wobei die Induktivität 305 eine
Gleichstromvorspannung vom Knotenpunkt 340 zu dem Source
des N-MOS-Transistors 321 liefert. In einer speziellen Ausführungsform
ist der Wert der Induktivität 305 so gewählt, dass
dieser in Kombination mit einer parasitären Kapazität, die mit dem N-MOS-Transistor 321, der
Induktivität 305 und
dem Schaltungsaufbau und der Materialzusammensetzung von Leitungen
und Kontaktflächen
verknüpft
ist, eine Resonanzfrequenz definiert, die an den Frequenzbereich
des RF-Signals angepasst ist.
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Im
Falle einer Überspannung,
die an dem Ausgangsanschluss 303 beispielsweise aufgrund
eines ESD-Ereignisses auftritt, wird ein Strompfad über die
Induktivität 305 und
die Dioden 307 und 308, abhängig von dem Vorzeichen der
angelegten Überspannung,
bereitgestellt. Da die Dioden, die auch in Form von MOS-Transistoren
vorgesehen sein können,
von großer
Baugröße sein
müssen,
sind die damit verknüpften
parasitären
Kapazitäten 309 und 310 ebenso
groß.
Im Vergleich zu der Lösung
aus 1 sind diese parasitäre Kapazitäten jedoch aufgrund der Induktivität 305 nicht
in den Signalpfad eingebunden, und beeinflussen somit nicht negativ
das Ausgangssignal, das an den Anschlüssen 303 und 304 bereitgestellt
wird. Somit erlaubt das Vorsehen der Induktivität 305 die Verwendung
geeigneter dimensionierter Schaltungselemente, etwa der Diode 307, 308 und/oder
von MOS-Transistoren und/oder von Zenerdioden und dergleichen, die
die erforderliche Stromführungskapazität für die spezifizierten ESD-Ereignisse
aufweisen, ohne dabei den Betriebsfrequenzbereich der integrierten
Schaltung 300 ungebührlich
einzuschränken.
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In
einer Ausführungsform
können
die in 2 und 3 gezeigten
Schutzstrukturen kombiniert werden, um die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse einer
entsprechenden integrierten Schaltung im Wesentlichen zu schützen. Ferner
ist anzumerken, dass mehrere Eingangs- und Ausgangsanschlüsse bei
einer entsprechenden Anzahl von Schutzschaltungen, etwa solchen,
wie sie in 2 und 3 gezeigt
sind, geschützt
werden können.
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Obwohl
die bisher beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen sich auf integrierte
Schaltungen beziehen, die auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt
sind, kann die vorliegende Erfindung ebenso auf Schaltungskonfigurationen
angewendet werden, in denen ein oder mehrere Bereiche der integrierten
Schaltung auf einem separaten Substrat hergestellt sind. Beispielsweise
kann in einer Ausführungsform
die interne Schaltung mit beispielsweise einem Eingangsverstärker entsprechend
typischer MOS-Verfah ren hergestellt werden, wohingegen die Induktivität separat
hergestellt und mit der internen Schaltung kombiniert werden kann,
bevor die kombinierte Schaltung in ein Gehäuse eingebracht wird. Eine
derartige Ausführungsform
wäre in
Anwendungen nützlich,
in denen Induktivitäten
mit relativ großer Baugröße erforderlich
sind.
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Mit
Bezug zu 4 wird nun ein anschaulicher
Prozessablauf beschrieben, um den Wert der Induktivität zum Schutz
einer integrierten Schaltung vor Beschädigung durch ein ESD-Ereignis
zu bestimmen, wie dies in den 2 und 3 gezeigt
ist.
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In 4 wird
im Schritt 401 eine parasitäre Kapazität der herzustellenden integrierten
Schaltung ermittelt. In diesem Schritt kann ein vorläufiger Entwurf
für die
Induktivität
und die ESD-Schutzschaltung eingeführt werden, einschließlich einer
Eingangsstufe der integrierten Schaltung. Beispielsweise können der
Leiteraufbau der beteiligten Schaltung, die verwendeten Materialien
und dergleichen berücksichtigt werden,
um eine erste Abschätzung
der resultierenden parasitären
Kapazität
zu erhalten.
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Im
Schritt 402 werden ESD-Parameter bestimmt, um die Art des
ESD-Ereignisses zu spezifizieren, gegen die ein Schutz gewährleistet
sein soll. Typische Parameter sind die ESD-Spannung, die ESD-Zeitkonstante,
die Größe des während des ESD-Ereignisses
auftretenden Stromes und dergleichen. Beispielsweise kann die betrachtete
integrierte Schaltung so gestaltet werden, um einer Spannung von
ungefähr
2000 Volt zu widerstehen, die sich an den Anschlüssen bei Berührung mit
einem geladenen Körper
in 50 bis 100 ns aufbaut.
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Im
Schritt 403 wird die tatsächlich erforderliche Induktivität nach der
Grundlage der im Schritt 402 bestimmten Parameter und auf
der Grundlage der parasitären
Kapazität
bestimmt, so dass für
einen gegebenen Signalfrequenzbereich der Schwingkreis, der durch
die Induktivität
und die parasitäre
Kapazität gebildet
wird, an den Signalfrequenzbereich angepasst ist.
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Im
Schritt 404 wird eine entsprechende Induktivität in Übereinstimmung
mit dem erforderlichen Induktivitätswert mit den für die entsprechende
herzustellende integrierte Schaltung geeigneten Entwurfsregeln entwickelt.
Das heißt,
die Induktivität wird
gestaltet, indem die verfügbare
Chipfläche,
die verfügbare
Prozesstechnologie, das zur Her stellung der Leitungen und Kontaktfläche verwendete
Material, die dielektrische Konstante der zwischen den Leitern vorzusehenden
isolierenden Materialien und dergleichen berücksichtigt werden. Anschließend wird
die resultierende parasitäre
Kapazität,
die durch die Gestaltung der Induktivität eingeführt wird, bestimmt und aufgezeichnet.
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Im
Schritt 405 wird bestimmt, ob die Resonanzfrequenz, die
durch die Induktivität
und die parasitäre
Kapazität
definiert ist, innerhalb gewisser Spezifikationen liegt, um die
erforderliche Anpassung der integrierten Schaltung an einen gewünschten
Signalfrequenzbereich zu erfüllen.
Wenn dies nicht der Fall ist, geht der Prozessablauf im Schritt 403 zurück, um den
Induktivitätswert
erneut abzuschätzen.
Die Schritte 403, 404 und 405 können wiederholt
werden, bis die erhaltene Resonanzfrequenz in dem spezifizierten
Bereich liegt.
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Dann
geht der Prozessablauf zum Schritt 406 weiter, in dem die
Induktivität
in Übereinstimmung
mit dem in Schritt 404 etablierten Entwurfsregeln gebildet
wird.
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Vorzugsweise
wird das zuvor mit Bezug zu 4 anschaulich
beschriebene Verfahren durch Simulationsberechnung durchgeführt.
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Alternativ
können
die Entwurfsparameter für die
Induktivität
im Voraus festgelegt werden und die Eingangsschaltung und/oder die
Ausgangsschaltung kann entsprechend gestaltet werden, um die erforderliche
Frequenzantwort zu erhalten.