DE2929869A1 - Monolithisch integrierte cmos-schaltung - Google Patents

Monolithisch integrierte cmos-schaltung

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Description

F. G. Adam - 38 Fl 1009
Go/Be
20. Juli 1979
Monolithisch integrierte CMOS-Schaltung
Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte CMOS-Schaltung gemäß deitt Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der Zeitschrift "Elektronik", (1971) Heft 4, Seiten 111 bis 116, bekannt ist.
5
Es wurde an einer solchen monolithisch integrierten CMOS-Schaltung festgestellt, daß beim Anlegen von sehr steilen Spannungsimpulsen bzw. Störimpulsen ein Kurzschluß über die monolithisch integrierte CMOS-Schaltung auftreten kann, der zur Zerstörung führt. Vor allem tritt diese Erscheinung bei CMOS-Schaltungen auf, welche Gateelektroden aus Aluminium mit hoher Schwellenspannung aufweisen und für hohe Betriebsspannungen vorgesehen sind.
Es wurde daher angenommen, daß die Uberlappkapazitäten zwischen den Gateelektroden und Drainzonen dabei eine Rolle spielen. Beim CMOS-Inverter sind nämlich jeweils die Gateelektroden und die Drainelektroden des n-Kanal- und des p-Kanal-Transistors über aufgedampfte Aluminiumleitbahnen miteinander verbunden. Beim Schaltvorgang wird daher ein Teil der Spannungsänderung an der Gateelektrode durch die Überlappkapazität der Gateelektrode kapazitiv auf die Drainzone der Transistoren übertragen.
Ein unendlich steiler Spannungssprung AUG an der Gateelektrode hat daher auf der Drainelektrode die Spannungsänderung
= AÜG · VCk
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zur Folge. C» ist die Überlappkapazität zwischen der Gateelektrode und der Drainzone, C, ist die gesamte Knotenkapazität auf der Drainseite einschließlich C...
Wird nun der Fall betrachtet, daß das Gatepotential von seinem "positivsten" auf seinen "negativsten" Wert springt, dann springt das Gatepotential des n-Kanal-Transistors infolge kapazitiver Spannungsteilung von
0 auf - AUjj.
Da der wannenförmige Bereich im stationären Zustand überall auf Null liegt, entsteht nach dem Spannungssprung über dem Drain-Obergang der Spannungsabfall Λ U , der nach einer Berechnung 2 V betragen kann. Die Drainzone wird negativ gegen den wannenförmigen Bereich und beginnt einen Flußstrom zu ziehen, wenn
Δϋο £ 0,7 V,
d. h. größer als die Schleusenspannung des Drain-pn-übergangs wird. Ist dies der Fall, so fließt ein Flußstrom über diesen pn-übergang und führt bekanntlich zu einer Ladungsträgerinjektion vor allem in die hochohmige Seite, d. h.
oc in den wannenförmigen Bereich angrenzend an den Drain-pn-
in
übergang. Da sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Sperrrichtung vorgespannte pn-übergang zwischen dem wannenförmigen Bereich und dem Substrat befindet, wirkt dieser wie ein Kollektor-Übergang auf die von der Drainzone in den p-dotierten wannenförmigen Bereich injizierten Elektronen. Bei genügend starker Injektion bricht dabei die Spannung über dem pn-übergang zwischen dem wannenförmigen Bereich und dem Substrat zusammen. Dieser verliert seine Sperrwirkung und verursacht damit das Durchzünden der Vierschichtenstruktur
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-/- g 2929868
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n-Kanal-Source/p-Wanne/n-Substrat/p-Kanal-Sourcezone, was man gewöhnlich als Thyristoreffekt bezeichnet. Von dieser Erkenntnis wird bei der Erfindung ausgegangen.
Entscheidend für das Zustandekommen des Thyristoreffektes ist die Bedingung
Δυ0 ^ 0,7V.
Δϋ-wird in der Praxis seinen theoretischen Maximalwert
* VCk 15
nicht ganz erreichen, da sich die entstehende Potential differenz zwischen der Drainzone und der Sourcezone des n-Kanal-Feldeffekttransistors sofort durch Stromfluß durch den Transistor auszugleichen beginnt#der sich ja zunächst noch im leitenden Zustand befindet, wobei die Rollen "Source" und"Drain" wegen der Potentialverhältnisse dieser Ausgleichsphase vertauscht sind.
Hat ΔUD den zur Zündung, notwendigen kritischen Wert
während dieser Phase nicht überschritten, so bleibt der Thyristoreffekt aus und der Schaltvorgang läuft normal ab: der p-Kanal-Transistor wird leitend, der n-Kanal-Transistor sperrt und das Drainpotential (am Ausgang des Inverters) erreicht seinen "positivsten Wert" IL·.
Man kann diesen Thyristoreffekt zwar durch langsamere An-
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Steuerung mit flachen Spannungsflanken an den Gateelektroden, durch hochohmige Auslegung der ansteuernden Stufe (kleimW/L-Verhältnisse) , durch Vergrößerung der Knotenkapazität C, , beispielsweise durch Vergrößerung der diffundierten Drainzonengebiete, oder auch durch eine Verringerung der Injektionswirkung Drainzone-Wanne-Substrat unterdrücken/ jedoch nicht ohne weiteres ohne weitere Nachteile, wie z. B. Geschwindigkeitseinbußeverhindern.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe einer monolithisch integrierten CMOS-Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der der oben geschilderte unerwünschte Thyristoreffekt verhindert wird und somit eine Zerstörung durch Impulse ausgeschlossen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Ausbildung gelöst.
Bei einer monolithisch integrierten CMOS-Schaltung in einem Silicium-Substrat kann beispielsweise ein Al-Si-Kontakt verwendet werden/ der verhindert, daß das Potential der Drainzone unter dasjenige der p-Wanne um mehr als die Schottky-Schleusenspannung kapazitiv abgesenkt werden kann. Es können aber auch andere Metalle zum Herstellen des Schottky-Kontaktes verwendet werden, wie beispielsweise aus den Zeitschriften "Solid-State Electronics" Bd. 14 (1971) Seiten 71 bis 75 und "IEEE Transactions on Electron Devices" Bd. ED-16, Nr. 1 (Jan. 1969) Seiten 58 bis 63, bekannt ist. Damit ist gewährleistet, daß die Schleusenspannung (Schwellenspannung in Flußrichtung) des Schottky-Kontaktes unterhalb derjenigen eines pn-Übergangs liegt.
Da die Schottky-Schleusenspannung somit kleiner ist als
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diejenige des pn-übergangs der Drainzone, führt der nicht aus Minoritätsladungsträger bestehende Strom über den Schottky-Kontakt zur Entladung der Drainseite und verhindert damit einen Flußstrom mit einer Injektion über den pn-übergang der Drainzone.
In entsprechender Weise kann auch gemäß einer Weiterbildung der monolithisch integrierten CMOS-Schaltung nach der Erfindung zwischen der Drainzone des p-Kanal-Transistors und dem Substrat ein Schottky-Kontakt vorgesehen werden. In vielen Fällen wird jedoch ein Schottky-Kontakt auf der Seite des n-Kanal-Feldeffekttransistors genügen, da dort die Injektionsgefahr in den pn-übergang zwischen dem wannenförmigen Bereich und der Drainzone größer ist (größeresd.) als von der Drainzone des p-Kanal-Feldeffekttrarästors ausgehend .
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert ,
20
deren Fig. 1 ausschnittsweise im Querschnitt etwa senkrecht durch ein plattenförmiges Substrat eine monolithisch integrierte CMOS-Inverterschaltung herkömmlichen Aufbaus zeigt,
deren Fig. 2 drei Ersatzschaltbilder für den Strompfad von dem Potential Null bis U_ über den wannenförmigen Bereich und das Substrat enthält,
deren Fig. 3 eine Weiterbildung der monolithisch integrierten CMOS-Inverterschaltung mit einem weiteren Schottky-Kontakt veranschaulicht und
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deren Fig. 4 die beiden Ersatzschaltbilder für die Schottky-Dioden auf dem p-dotierten wannenförmigen Bereich und auf dem η-Substrat zeigt.
Die Fig. 1 zeigt in Schnittbildansicht eine monolithisch integrierte CMOS-Schaltung herkömmlichen Aufbaus, die als Inverter geschaltet ist. In ein η-leitendes Substrat ist zur Herstellung eines n-Kanal-Feldeffekttransistors ein wannenförmiger p-leitender Bereich 2 eingelassen, was durch einen Planardiffusionsprozess in bekannter Weise erfolgen kann. In diesem Bereich 2 sind die Drainzone 5 und die Sourcezone 10 eingelassen, während neben dem Bereich 2, der mit dem Substrat 1 einen pn-übergang 7 bildet, planar die Drainzone 6 und die Sourcezone 9 des p-Kanal-Feldeffekt-
transistors eindiffundiert worden sind. Das Eingangssignal wird bei ÜG an die galvanische Verbindung zwischen den beiden Gate-Elektroden 11 und 12 angelegt. Die Spannungsversorgung mit Uß>0 liegt zwischen dem Substrat und der Sourcezone 9 einerseits und dem wannenförmigen Bereich 2
auf Nullpotential andererseits.
Die Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild der Fig. 1 mit den drei pn-Dioden zwischen den betreffenden Zonen 1, 2,6 und 10, deren Bezugsziffern an den Verbindungen zwischen den pn-Dioden angebracht sind. Die Fig. 2a betrifft den idealen Fall 0<ϋ_.-<υο wobei äußerstenfalls mindestens - 0,7 *SUD <ÜB + 0,7V gilt.
Die Fig. 2b betrifft den Fall der Thyristorzündung durch den parasitäten pn-Transistor, wobei die Zündung durch die Drainzone 5 erfolgt, die gewissermaßen als Hilfsemitterzone eines Thyristors mit der Zonenfolge Sourcezone 10/ wannenförmiger Bereich 2/Substrat 1/Sourcezone 9 aufzu-
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fassen ist. Die Drainzone 5 ist also als Emitterzone eines parasitären Ersatzschaltbildtransistors T1 aufzufassen an welchen kurzzeitig eine Spannung von ü_ = AÜD<-0,7 V angelegt wird.
Die Fig. 2c betrifft den Fall einer Thyristorzündung durch einen parasitären pnp-Transistor T2 mit der Drainzone 6 als Emitterzone. An diesem liegt zur Zündung die Spannung Un = UB +Aun ■> U1, + 0,7 V an, falls üblicherweise Silicium
L) ο L) iS
als Halbleitermaterial verwendet wird.
Fig. 3 zeigt nun eine Schnittansicht entsprechend der Fig. 1 eine monolithisch integrierte CMOS-Schaltung nach der Erfindung mi je einem Schottky-Kontakt 3 bzw. 4, der mit der Drainzone 5 des n-Kanal-Feldeffekttransistors bzw. mit der Drainzone 6 des p-Kanal-Feldeffekttransistors verbunden ist. In den meisten Fällen ist jedoch der Schottky-Kontakt 4 auf dem Substrat 2 entbehrlich, da normalerweise die Drainzone 5 des n-Kanal-Feldeffekttransistors wesentlich näher an dem als Kollektorübergang des erwähnten Thyristors wirksamen pn-übergang 7 zwischen der wannenförmigen Zone 2 und dem Substrat 1 liegt als die Drainzone 6 des p-Kanal-Feldeffekttransistors.
Die Fig.4a zeigt das Ersatzschaltbild für den Schottky-Kontakt 3 an dem wannenförmigen Bereich 2, wobei ein parasitärer Transistor T1 mit der Drainzone 5 wirksam wird, während die Fig. 4b das Ersatzschaltbild für den Fall mit dem Schottky-Kontakt 4 am Substrat 1 mit dem parasitären Transistor T2 entsprechend veranschaulicht.
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Claims (2)

F. G. Adam - 38 Fl 1009 Go/Be 20. Juli 1979 Patentansprüche
1. Monolithisch integrierte CMOS-Schaltung mit einem Paar von komplementären Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, von denen die Sourcezone und die Drainzone des einen Feldeffekttransistors oberflächlich in einem in die Oberflächenseite eines halbleitenden Substrats des ersten Leitungstyps eingesetzten wannenförmigen Bereich des zweiten Leitungstyps angeordnet sind, die Sourcezone sowie die Drainzone des anderen Feldeffekttransistors in die Oberflächenseite des Substrats eingesetzt sind und ferner zwischen den beiden Drainelektroden der beiden Feldeffekttransistoren eine galvanische Verbindung vorhanden ist, an der das Eingangssignal angelegt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß an den wannenförmigen Bereich (2) ein Schottky-Kontakt (3) angebracht ist, der eine kleinere Schleusenspannung aufweist als der pn-übergang zwischen dem wannenförmigen Bereich (2) und der Drainzone (5) des im wannenförmigen Bereich (2) angeordneten Feldeffekt
transistors und
daß der Schottky-Kontakt (3) mit der galvanischen Verbindung (8) zwischen den beiden Drainzonen (5,6)
kontaktiert ist.
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2. Monolithisch integrierte CMOS-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Substrat (1) ein weiterer Schottky-Kontakt (4) angebracht ist, der eine kleinere Schleusenspannung aufweist als der pn-übergang zwischen der Drainzone (6) des im Substrat angeordneten Feldeffekttransistors und dem Substrat (1) und daß dieser weitere Schottky-Kontakt (4) mit der galvanischen Verbindung (8) zwischen den beiden Drainzonen (5,6) kontaktiert ist.
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