DE19502117C2 - Schutzanordnung gegen elektrostatische Entladungen in mit Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements gegen elektrostatische Entladungen mit einem an den Gatean­ schluß angeschlossenen spannungsbegrenzenden Schutzbauele­ ment.

Durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente wie MOSFET oder IGBT sind gegen elektrostatische Entladungen besonders empfindlich. Diese können dann auftreten, wenn die handha­ bende Person elektrostatisch aufgeladen ist und einen der Anschlüsse, insbesondere den Gateanschluß berührt. Die elek­ trostatische Spannung liegt meist in der Größenordnung eini­ ger 100 Volt, so daß insbesondere das zwischen Gateelektrode und Drainzone oder das zwischen Gateelektrode und Sourcezone liegende Oxid zerstört wird.

Zur Vermeidung elektrostatischer Entladungen werden z. B. in dem Buch "Power MOSFETS, Theory and Applications" von D. A. Grant und J. Gowar, 1989, Verl. John Wiley & Sons, New York, Chichester, Brisborne, Toronto, Singapore, Seiten 486 bis 492 eine ganze Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen. Unter anderem wird empfahlen, zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß eine Zenerdiode anzuschließen, die die elektrostatischen Ladungen ableitet. Hierdurch wird das Bauelement jedoch nur in dem Fall ge­ schützt, daß sich die Ladung auf den Gateanschluß entlädt und der Sourceanschluß geerdet ist oder umgekehrt. Aus der US 50 01 529 A ist die Verwendung von Bipolartransistoren als Schutz gegen Über­ spannungen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der oben erwähnten Art derart weiterzubilden, daß das Bauelement gegen Entladungen beider Polaritäten auch dann geschützt ist, wenn entweder der Drainanschluß oder der Sourceanschluß an Masse oder einem anderen Potential liegt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Halblei­ terbauelement ein integrierter Bipolartransistor ist, des­ sen Kollektor-Emitterstrecke zwischen Drain- und Ga­ teanschluß des durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiter­ bauelementes angeschlossen ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 die Schaltung gemäß Erfindung und

Fig. 2 den integrierten Aufbau der Schaltung nach Fig. 1.

Die Schaltung nach Fig. 1 enthält einen MOSFET 1, dessen Drainanschluß mit D und dessen Sourceanschluß mit S bezeichnet ist. Sein Gateanschluß ist mit G be­ zeichnet. Zwischen dem Drainanschluß D und dem Ga­ teanschluß G ist die Kollektor-Emitterstrecke eines Bi­ polartransistors 2 angeschlossen. Der MOSFET ist vom n-Kanal-Typ, der Bipolartransistor ist vom npn-Typ. Der Emitter E des Bipolartransistors ist mit dem Gate­ anschluß G verbunden, sein Kollektoranschluß C mit dem Drainanschluß D. Ist der MOSFET 1 ein PMOS, ist ein pnp-Bipolartransistor zu verwenden. Der Basisan­ schluß B des Bipolartransistors 2 ist über einen Wider­ stand 3 mit dem Sourceanschluß S verbunden. Zwischen dem Sourceanschluß S und dem Drainanschluß D ist eine Diode 4 angeschlossen, die einen Stromfluß von S nach D erlaubt. Eine solche Diode ist in jedem Lei­ stungs-MOSFET oder IGBT implizit enthalten.

Zur Erläuterung der Funktion der Schutzanordnung sei zunächst angenommen, daß sich in den Gatean­ schluß eine positive statische Ladung entlädt und der Sourceanschluß auf Masse oder auf einem niedrigeren anderen Potential liegt. Hierbei wird der MOSFET 1 leitend gesteuert und der Bipolartransistor 2 bricht zwi­ schen Emitterzone und Basiszone durch. Da der pn- Übergang zwischen der Basiszone und der Kollektorzo­ ne in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, fließt ein Strom durch den Bipolartransistor und den leitenden MOSFET 1 zum Sourceanschluß und nach Masse.

Ist die statische Ladung negativ und der Sourcean­ schluß geerdet, so wird der Bipolartransistor leitend ge­ steuert. Der Entladestrom fließt vom Sourceanschluß durch die Diode 4 und den Bipolartransistor 2 zum Ga­ teanschluß ab.

In dem Fall, daß der Drainanschluß auf niedrigerem Potential liegt oder geerdet ist und sich eine positive elektrostatische Ladung in den Gateanschluß entlädt, so bricht der Emitter-Basis pn-Übergang durch und der Entladestrom fließt vom Gateanschluß zum Drainan­ schluß. Im umgekehrten Fall bricht der Kollektor-Basis pn-Übergang durch und der Entladestrom fließt vom Drainanschluß zum Gateanschluß.

Entlädt sich eine negative Ladung in den Drainan­ schluß und ist der Sourceanschluß geerdet, so fließt der Strom in Vorwärtsrichtung durch die Diode 4. Bei einer positiven Entladung in den Drainanschluß bricht die Di­ ode 4 durch und der Strom fließt vom Drainanschluß zum Sourceanschluß.

Die Schutzanordnung kann auf einfache Weise in den Halbleiterkörper des MOSFET 1 integriert werden (Fig. 2). Der MOSFET 1 ist auf einem Substrat 10 aufge­ baut, auf dem eine Drainzone 11 ausgebildet ist. In der Drainzone sind Basiszonen 12 eingebettet, in denen ih­ rerseits Sourcezonen 14 planar eingebettet sind. Die Oberfläche des MOSFET ist mit einer Gateoxidschicht 15 bedeckt, auf der eine Gateelektrode 16 angeordnet ist. Diese wiederum ist mit einer Oxidschicht 17 bedeckt, auf der eine Metallschicht 18 liegt. Diese dient als Sour­ ceelektrode. Die Dotierung und Leitfähigkeit ausge­ hend vom Substrat 10 sind z. B. n⁺n^-pn⁺.

In die Drainzone 11 ist eine Zone 5 des zur Drainzone 11 entgegengesetzten Leitungstyps eingebettet, die als Basiszone für den Bipolartransistor 2 dient. In die Basis­ zone 5 ist eine stark n-leitende Emitterzone 6 und eine stark p-leitende Kontaktzone 7 eingebettet. Die Emit­ terzone 6 ist über eine Leitung 20 mit dem Gatean­ schluß G verbunden, die Basiszone 5 über eine Kontakt­ zone 7 und eine Leitung 19 mit dem Sourceanschluß S. Diese Leitungen sind üblicherweise Aluminium-Leiter­ bahnen.

Bei einer elektrostatischen Entladung bricht je nach Polarität wie oben beschrieben entweder der pn-Über­ gang 8 zwischen Emitterzone 6 und Basiszone 5 durch oder der pn-Übergang 9, der zwischen Basiszone 5 und der als Kollektorzone wirkenden Drainzone 11 liegt oder der Bipolartransistor wird leitend gesteuert.

Die Integration des Bipolartransistors 2 erfordert dann keinen nennenswerten zusätzlichen Aufwand, wenn die Basiszone des Bipolartransistors die gleiche Dotierung und Tiefe wie die Basiszonen des MOSFET hat und wenn die Emitterzone des Bipolartransistors die gleiche Dotierung und Tiefe hat wie die Sourcezonen des MOSFET. Eine praktische Ausführungsform des Bi­ polartransistors hat z. B. eine Emitterzone 6, die mit einer Dosis von 5 × 10¹⁵ cm^-2 dotiert ist. Sie hat eine Tiefe von z. B. 0,3-0,6 µm. Die Basiszone hat z. B. eine Dotierung von 10¹³ cm^-2 und eine Tiefe von 3-4 µm. Die Kontaktzone 7 kann z. B. eine Dotierung von 5 × 10¹⁴ cm^-2 haben. Der Abstand zwischen der Emitterzo­ ne 6 und der Kontaktzone 7 beträgt z. B. 5 µm, wodurch bei einer Dotierung der Basiszone von z. B. 10¹³ cm^-2 und die Zeichenebene hinein gesehenen Breite von etwa 1 mm ein Widerstand von etwa 100 Ohm zustande kommt.

Die Erfindung wurde anhand eines MOSFET be­ schrieben. Die Schutzeinrichtung ist jedoch auch für an­ dere für durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauele­ mente wie z. B. IGBT oder MOS-GTO-Thyristoren an­ wendbar.

Claims (5)

1. Anordnung zum Schutz eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements gegen elektro­ statische Entladungen mit einem an den Gatean­ schluß angeschlossenen spannungsbegrenzenden Schutzbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement ein integrierter Bipolar­ transistor (2) ist, dessen Kollektor-Emitterstrecke zwischen Drain (D)- und Gateanschluß (G) des durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauele­ mentes (1) angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Basisanschluß des Bipolartransi­ stors (2) über einen Widerstand (3) mit dem Source­ anschluß (S) des Halbleiterbauelementes verbun­ den ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bipolartransistor (2) und das Halbleiterbauelement in einen einzigen Halb­ leiterkörper integriert sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bipolartransistor (2) eine in die Drainzone (19) des Halbleiterbauelementes einge­ bettete Basiszone (5) von der Drainzone entgegen­ gesetzten Leitungstyp hat und daß die Emitterzone (6) des Bipolartransistors in die Basiszone (5) einge­ bettet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Basiszone (5) des Bipolartransi­ stors (2) die gleiche Dotierung und Tiefe wie die Basiszonen (12) des MOSFET hat und daß die Emit­ terzone (6) des Bipolartransistors die gleiche Dotie­ rung und Tiefe hat wie die Sourcezonen (14) des Halbleiterbauelementes (1).