DE19640224C1

DE19640224C1 - Schutzschaltung für integrierte Schaltkreise z.B. für eine Interfaceschaltung zum Verpolschutz

Info

Publication number: DE19640224C1
Application number: DE1996140224
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Tihanyi; Hermann Zierhut; Helmut Bichler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2016-10-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für integrierte Schaltkreise gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des An spruchs 1.

Schutzschaltungen für integrierte Schaltkreise müssen dafür sorgen, daß auch bei nicht vorgesehenen Betriebsbedingungen der integrierte Schaltkreis nicht zerstört wird. Nicht vorge sehene Betriebsbedingungen können z. B. dadurch eintreten, daß die Umgebungstemperatur über einen zulässigen Betriebstempe raturwert des integrierten Schaltkreises ansteigt. Damit die Temperatur am integrierten Schaltkreis keine Schäden verur sacht, werden häufig thermische Schutzschaltungen eingesetzt. Eine solche thermische Schutzschaltung ist beispielsweise in EP 0 208 970 B1 beschrieben.

Aus der US 42 91 319 ist eine Schutzschaltung be kannt, welche einen lateralen Bipolartransistor mit offener Basis aufweist.

Eine weitere nicht vorgesehene Betriebsbedingung tritt dann auf, wenn der integrierte Schaltkreis versehentlich falsch herum, also verpolt, an die Versorgungsspannungsklemmen ange schlossen wird. Um den integrierten Schaltkreis vor Verpolung zu schützen, ist es bisher bekannt, parallel zu den Versor gungsspannungsklemmen des integrierten Schaltkreises minde stens eine Zenerdiode mit einer ausreichenden Zenerspannung parallel zu schalten. Nachteilig bei dieser Lösung ist die notwendige externe Beschaltung des integrierten Schaltkrei ses, was einen zusätzlichen Montageaufwand erfordert.

Die Erfindung hat deshalb als Aufgabe, eine innerhalb des inte grierten Schaltkreises integrierbare Schutzschaltung anzuge ben, welche die elektromagnetische Verträg lichkeit, d. h. EMV-Schutz, des integrierten Schaltkreises er höht, wodurch energiereiche Spannungsspitzen auf den Versor gungsspannungsklemmen sowohl mit positiver als auch negativer Polarität wirksam begrenzt werden und so den integrierten Schaltkreis nicht schädigen können.

Diese Aufgabe wird durch eine Schutzschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen dieser Schutzschaltung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Schutzschaltung nach der Erfindung besteht im wesentli chen aus einer zwischen die erste und zweite Versorgungsspan nungsklemme angeschlossenen Halbleiterstruktur mit einer Vielzahl von pnp-Bereichen. Die jeweils ersten p-Bereiche dieser pnp-Bereiche sind untereinander elektrisch verbunden und an die erste Versorgungsspannungsklemme geschaltet. Die jeweils zweiten p-Bereiche der pnp-Bereiche sind ebenfalls miteinander elektrisch verbunden, jedoch an die zweite Ver sorgungsspannungsklemme angeschlossen.

Eine derartige Halbleiterstruktur entspricht annähernd einer Vielzahl von mit ihren Laststrecken jeweils parallel ge schalteten pnp-Bipolartransistoren, deren Basisanschlüsse of fen sind. Es können beispielsweise bis zu etwa 200 solcher pnp-Bereiche parallel geschaltet werden. Diese Anordnung zeigt das Verhalten von zwei antiseriell geschalteten Z- Dioden, bei denen also die Anodenanschlüsse miteinander ver bunden sind und jeweils ein Kathodenanschluß einer Z-Diode an die erste Versorgungsspannungsklemme und der Kathodenanschluß der anderen Z-Diode an die andere Versorgungsspannungsklemme geschaltet ist. Die Halbleiterstruktur mit parallel geschal teten pnp-Bereichen kann z. B. so dimensioniert werden, daß bezüglich der beiden Versorgungsspannungsklemmen eine Verpol barkeit des EMV-Schutzes mit einer Spannungsfestigkeit von etwa ± 45 V erreicht wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die pnp- Bereiche der Halbleiterstruktur als laterale Bipolartransi storen innerhalb eines Halbleiterkörpers ausgebildet, bei dem ein p^--Substrat mit darüberliegender n-Schicht vorgesehen ist. In diese n-Schicht sind, ausgehend von einer oberen Hauptfläche des Halbleiterkörpers, zumindest die erwähnten ersten p-Bereiche mit Kontaktanschlüssen und die bereits er wähnten zweiten p-Bereiche ebenfalls mit Kontaktanschlüssen angeordnet. Diese lateralen pnp-Bipolartransistorstrukturen haben den Vorteil, daß kein Thyristoreffekt auftritt. Ein solcher Thyristoreffekt würde nämlich bei einem Durchbruch die Halbleiterstruktur nicht mehr löschen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Schutzschaltung wird zwischen den ersten p-Bereich und zweiten p-Bereich ei nes pnp-Bereiches jeweils eine n⁺-Zone angeordnet, die sich von der oberen Hauptfläche des Halbleiterkörpers bis minde stens annähernd in das p^--Substrat hineinerstreckt. Sofern zwischen dem p^--Substrat und der n-Schicht eine vergrabene n⁺-Schicht angeordnet ist, sollte diese n⁺-Zone mindestens annähernd in diese vergrabene n⁺-Schicht hineinragen. Solche sich bis in das p^--Substrat bzw. die vergrabene n⁺-Schicht hineinerstreckenden n⁺-Schichten sind an sich unter der Be zeichnung Kollektor-Tief-Diffusion bekannt. Bei Anwendung dieser Kollektor-Tief-Diffusion und der erfindungsgemäßen Schutzschaltung können die sonst auftretenden Leckströme bei hohen Temperaturen reduziert werden. Die Kollektor-Tief- Diffusion sorgt bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung da für, daß sich zwischen den Versorgungsspannungsklemmen der Schutzschaltung die Stromverstärkung des lateralen pnp- Bereiches verringert und hierdurch die Leckströme reduziert werden.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Halbleiterstruktur mit der Vielzahl von pnp- Bipolartransistorbereichen eine schachbrettartig abwechselnde Anordnung der jeweils ersten p-Bereiche und der jeweils zweiten p-Bereiche aufweist und daß jeweils zwischen den beiden p- Bereichen eines pnp-Bipolartransistors eine n⁺-Schicht ange ordnet ist. Es bietet sich an, die n⁺-Schicht nicht nur zwi schen den beiden p-Bereichen eines pnp-Bereiches anzuordnen, sondern die n⁺-Schicht auch zwischen dem ersten p-Bereich und zweiten p-Bereich benachbarter pnp-Bereiche anzuordnen. In diesem Fall kann bei einer schachbrettartig abwechselnden An ordnung der einzelnen p-Bereiche, die n⁺-Schicht von oben her gesehen auf dem Halbleiterkörper kreuzartig, auf die Hauptfläche des Halbleiterkörpers zwischen den ersten und zweiten p-Bereichen angeordnet sein.

Obwohl die erwähnte n⁺-Zone, also die Kollektor-Tief- Diffusion, die Leckströme innerhalb des lateralen pnp- Bereiches reduziert und damit vorteilhaft für die erfindungs gemäße Schutzschaltung ist, würde ein geschlossenes gitter förmiges Netz von n⁺-Schichten die Durchbruchspannungen in den pnp-Bipolartransistorbereichen von U_CEO auf U_CB ansteigen lassen. Deshalb liegt es im Rahmen der Erfindung, innerhalb des kreuzartig ausgebildeten Netzes der n⁺-Schichten Ausspa rungen dort vorzusehen, wo sich die n⁺-Schichten kreuzen wür den. Diese Aussparungen sorgen dafür, daß die Durchbruchspan nung auf kleiner als U_CB bis auf einen niedrigeren Wert ab sinkt.

Die schachbrettartig abwechselnde Anordnung der erwähnten p- Bereiche und die kreuzförmige, unterbrochene Struktur der n⁺- Schichten bewirkt eine verhältnismäßig homogene Energiever teilung während eines Durchbruchs. Durchbruchspannungen der einzelnen pnp-Bereiche streuen untereinander nur sehr wenig, weil die p-Bereiche unterschiedlicher pnp-Bipolartransi storstrukturen örtlich direkt benachbart angeordnet sind. Bei Beginn des Durchbruchs haben deshalb alle pnp-Bereiche annä hernd identische Zenerspannungen mit positiven Temperatur koeffizienten. Die sich einstellende Spannung innerhalb der einzelnen pnp-Bereiche wird bei hohen Strömen maßgeblich vom Bahnwiderstand der Struktur bestimmt. Der jeweilige Wider stand aller am Stromfluß beteiligten Diffusionen innerhalb der Halbleiterstruktur besitzt ebenfalls einen positiven Tem peraturkoeffizienten. Die erfindungsgemäße Parallelschaltung einer Vielzahl von pnp-Bereichen führt so bezüglich der Stromverteilung zu einer gleichmäßigen Stromverteilung. Es kann sich kein niederohmiger sog. "hot spot" bilden.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung für einen integrierten Schaltkreis wird nachfolgend im Zusammenhang mit drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Schutzschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine ausschnittsweise Schnittansicht durch einen Halbleiterkörper, in den die Schutzschaltung von Fig. 1 integriert ist, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Halblei terkörpers mit pnp-Bereichen nach der Erfindung.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, soweit nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

In Fig. 1 ist das prinzipielle Schaltbild der erfindungsge mäßen Schutzschaltung für integrierte Schaltkreise darge stellt. Die Schutzschaltung besteht aus einer Vielzahl von parallel geschalteten, z. B. bis zu etwa 200, pnp- Bipolartransistoren T1 . . Tn, deren Basisanschlüsse B jeweils offen sind. Die Laststrecken dieser pnp-Bipolartransistoren T1 . . Tn sind zwischen eine erste Versorgungsspannungsklemme 1 und eine zweite Versorgungsspannungsklemme 2 geschaltet. An der ersten Versorgungsspannungsklemme 1 ist beispielsweise positives Potential einer Spannungsversorgung und an der Ver sorgungsspannungsklemme 2 Bezugspotential der Versorgungs spannung angeschlossen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind die jeweiligen Emitteranschlüsse E der pnp- Bipolartransistoren T1 . . Tn mit der ersten Versorgungsspan nungsklemme 1 und die Kollektoranschlüsse C mit der zweiten Versorgungsspannungsklemme 2 verbunden. Bei Realisierung der Schaltungsanordnung von Fig. 1 innerhalb eines Halbleiter körpers mit pnp-Bipolartransistoren in lateraler Struktur, können die Emitteranschlüsse E und die Kollektoranschlüsse c der einzelnen Bipolartransistoren T1 . . Tn auch miteinander vertauscht werden. Die Schaltungsanordnung von Fig. 1 zeigt das Verhalten antiserieller Z-Dioden. Energiereiche Span nungsspitzen an den Versorgungsspannungsklemmen 1, 2 mit po sitiver oder negativer Polarität können durch diese Schal tungsanordnung begrenzt und dadurch ein parallelgeschalteter integrierter Schaltkreis nicht geschädigt werden. Die pnp- Bipolartransistoren T1 . . Tn können beispielsweise so dimen sioniert werden, daß zwischen den beiden Versorgungsspan nungsklemmen 1, 2 eine Spannungsfestigkeit von etwa ± 45 V herrscht.

In Fig. 2 ist der Ausschnitt aus einem Halbleiterkörper dar gestellt, in den die Vielzahl von pnp-Bipolartransi storstrukturen gemäß Fig. 1 integriert ist. Der Halbleiter körper weist eine obere Hauptfläche 5 und eine untere Hauptfläche 6 auf, zwischen denen ein p^--Substrat 10 und eine darüberliegende n-Schicht 12 angeordnet ist. Das p^--Substrat grenzt an die untere Hauptfläche 6 und die n-Schicht 12 an die obere Hauptfläche 5 des Halbleiterkörpers. Der Halblei terkörper von Fig. 2 besteht beispielsweise aus unter schiedlich dotiertem Siliziummaterial. In die n-Schicht 12 ist von der oberen Hauptfläche 5 des Halbleiterkörpers her gesehen ein erster p-Bereich 13 wannenförmig eindotiert. Des weiteren ist ein zweiter p-Bereich 14 von der oberen Hauptfläche 5 des Halbleiterkörpers her in die n-Schicht 12 wannenförmig eindotiert. Der erste p-Bereich ist mit einem Kontaktanschluß, hier einem Emitteranschluß E, und der zweite p-Bereich 14 mit einem Kontaktanschluß, hier einem Kollek toranschluß c, elektrisch in Verbindung. Der n-dotierte Ba sisbereich, z. B. die n-Schicht 12 oder ein in diese n-Schicht eindotierter n⁺-Bereich ist im dargestellten Ausführungsbei spiel nicht kontaktiert, weil der Basisanschluß der Transi storstruktur erfindungsgemäß nicht kontaktiert sein muß. Al lerdings ist zwischen die beiden p-Bereiche 13 und 14 eine n⁺-Zone eingefügt, die sich von der oberen Hauptfläche 5 bis etwa annähernd zum gedachten Übergang des p⁻-Substrates in die n-Schicht 12 erstreckt.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist zwischen das p⁻- Substrat 10 und die n-Schicht 12 eine vergrabene n⁺-Schicht angeordnet. Die n⁺-Zone 15 erstreckt sich in diese n⁺-Schicht hinein und dient dazu, die Leckströme bei hohen Temperaturen zwischen den beiden p-Bereichen 13 und 14 zu verringern. Der bisher beschriebene pnp-Bipolartransistorbereich ist mit dem Bezugszeichen I bezeichnet und bildet einen ersten pnp-Be reich, welcher rahmenförmig von einer p⁺-Zone 17 begrenzt ist. Benachbart zu diesem ersten pnp-Bereich befindet sich in der Darstellung von Fig. 2 rechts ein zweiter pnp-Bereich, der mit dem Bezugszeichen II bezeichnet ist, jedoch nur aus schnittsweise anhand seines ersten p-Bereiches 13 und dem zu gehörenden Emitteranschluß E angedeutet ist. Der gesamte Halbleiterkörper für die Schutzschaltung nach der Erfindung weist eine Vielzahl von solchen pnp-Bereichen I, II auf, die zueinander parallel geschaltet sind.

In Fig. 3 ist eine ausschnittsweise Draufsicht auf einen solchen Halbleiterkörper dargestellt. Die ersten p-Bereiche 13 und zweiten p-Bereiche der verschiedenen pnp-Bereiche I, II . . sind schachbrettartig abwechselnd angeordnet, wie dies in Fig. 3 deutlich zu erkennen ist. Die ersten p-Bereiche sind wieder mit dem Bezugszeichen 13 und die zweiten p- Bereiche wieder mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet.

Durch die schachbrettartige Anordnung der ersten p-Bereiche 13 und zweiten p-Bereiche liegt links und rechts und oberhalb und unterhalb jedes ersten p-Bereiches ein zweiter p-Bereich 14, während in den gedachten 45 -Diagonalen des ersten p- Bereiches 13 ebenfalls erste p-Bereiche 13 anderer pnp- Bereiche angeordnet sind. Die einzelnen ersten p-Bereiche 13 und zweiten p-Bereiche 14 sind zueinander beabstandet ange ordnet, wobei zwischen den ersten p-Bereichen 13 und zweiten p-Bereichen 14 sich längs n⁺-Zonen 15 erstrecken. Die n⁺- Zonen 15 sind in Draufsicht auf den Halbleiterkörper, wie Fig. 3 zeigt, kreuzartig zwischen den ersten p-Bereichen 13 und zweiten p-Bereichen 14 angeordnet, wobei die n⁺-Zonen 15 an den sich kreuzenden Stellen, Aussparungen aufweisen. Die n⁺-Zonen 15 sind deshalb an den Kreuzungspunkten unterbro chen, so daß bei einem geringen Anstieg der Stromverstärkung die Durchbruchspannung von U_CB der einzelnen pnp-Bereiche auf einen niedrigen Wert abgesenkt wird.

Die ersten p-Bereiche 13 sind miteinander elektrisch in Ver bindung. Hierfür dient beispielsweise eine Metallisierung 20, die über den ersten p-Bereichen 13 angebracht ist und die er sten p-Bereiche 13 untereinander elektrisch verbindet. In ähnlicher Weise sind die zweiten p-Bereiche 14 mit einer Me tallisierung 21 miteinander elektrisch in Verbindung. Diese Metallisierungen 20 und 21 sind erfindungsgemäß an die Ver sorgungsspannungsklemmen 1 und 2 (vergleiche hierzu Fig. 1) geschaltet.

Eine derartige Halbleiterstruktur läßt sich ohne weiteres in nerhalb eines Halbleiterkörpers zum Schutz eines integrierten Schaltkreises integrieren. Selbstverständlich ist jedoch in nerhalb des integrierten Schaltkreises hierfür eine ausrei chend große Fläche vorzusehen.

Bezugszeichenliste

1 Versorgungsklemme
2 Versorgungsklemme
5 obere Hauptfläche
6 untere Hauptfläche
10 p⁻-Substrat
11 vergrabene n⁺-Schicht
12 n-Schicht
13 erster p-Bereich
14 zweiter p-Bereich
15 n⁺-Zone
17 p⁺-Zone
20 Metallisierung
21 Metallisierung
T1 erster Transistor
Tn n-ter Transistor
I erster pnp-Bereich
II zweiter pnp-Bereich
B Basisanschluß
C Kollektoranschluß
E Emitteranschluß

Claims

1. Schutzschaltung für integrierte Schaltkreise mit einer zwischen eine erste und zweite Versorgungsspannungsklem me angeschlossenen Halbleiterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur aus einer Vielzahl von pnp-Bereichen (I, II . . ) besteht, deren jeweils erste p-Bereiche (13) miteinander elektrisch verbunden und an die erste Ver sorgungsspannungsklemme (1) und deren jeweils zweiten p- Bereiche (14) miteinander elektrisch verbunden und an die zweite Versorgungsspannungsklemme (2) angeschlossen sind.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pnp- Bereiche (I, II . . ) als laterale pnp-Bipolartransistoren innerhalb eines Halbleiterkörpers ausgebildet sind mit einem p^--Substrat (10) und einer darüberliegenden n- Schicht (12), in welcher zumindest die ersten p-Bereiche (13) mit Kontaktanschlüssen (E; 20) und die zweiten p- Bereiche (14) mit Kontaktanschlüssen (C; 21) ausgebildet sind.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten p-Bereich (13) und dem zweiten p-Bereich (14) eines Bipolartransistors jeweils eine n⁺-Zone (15) ange ordnet ist, die sich von einer oberen Hauptfläche (5) des Halbleiterkörpers bis mindestens annähernd in das p^-- Substrat (10) hineinerstreckt.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das p^--Substrat (10) und die n-Schicht (12) eine vergra bene n⁺-Schicht (11) angeordnet ist, und daß sich die n⁺-Zone (15) in die vergrabene n⁺-Schicht (11) hineiner streckt.

5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur eine schachbrettartig abwechselnde Anordnung von ersten p-Bereichen (13) und zweiten p- Bereichen (14) aufweist, und daß sich jeweils zwischen den beiden p-Bereichen (13, 14) eines pnp-Bereiches (I, II . . ) eine n⁺-Zone (15) erstreckt.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten p-Bereich (13) und den zweiten Bereich (14) benachbarter pnp-Bereiche (I, II . . ) eben falls in Richtung p^--Substrat (10) erstreckende n⁺- Zonen (15) angeordnet sind.

7. Schutzschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die n⁺- Zonen (15), von oben auf den Halbleiterkörper gesehen, kreuzartig zwischen den ersten p-Bereichen (13) und den zweiten p-Bereichen (14) angeordnet sind.

8. Schutzschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die n⁺- Zonen (15) im Bereich ihrer gedachten Kreuzungen unter brochen sind.

9. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste und zweite Versorgungsspannungsklemme (1, 2) etwa annähernd bis zu 200 pnp-Bereiche parallel geschal tet sind.

10. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung in einem Halbleiterschaltkreis für eine Interfaceschaltung integriert ist.