DE2929869C2 - Monolithisch integrierte CMOS-Inverterschaltungsanordnung - Google Patents
Monolithisch integrierte CMOS-InverterschaltungsanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte CMOS-Inverterschaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs l,wiesieausderZeitschrift»EIektronik«,(1971)Heft4,Seiten 111 bis 116, bekannt ist
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,
weiche Gateelektroden aus Aluminium mit hoher Schwellenspannung aufweisen und für hohe Betriebsspannungen
vorgesehen sind.
Es wurde Jäher angenommen, daß die Überlappkapazitäten zwischen den Gateelektroden und Drainzonen
dabei eine Rolle spieler. Beim CMOS-Inverter sind nämlich jeweils die Gateelektroden und die Drainelektroden
des η-Kanal- und des p-Kanal-Transistors über aufgedampfte Aluminiumleitbahnen miteinander verbunden.
Beim Schaltvorgang wird daher -:n Teil der Spannungsänderung an der Gateelektrode durch die Überlappkapazität
der Gateelektrode kapazitiv auf die Drainzone der Transistoren übertragen.
Ein unendlich steiler Spannungäsprung AUc an der Gateelektrode hat daher auf der Draineiektrode die
Spannungsänderung
AUd = AUomax = AUc · CJCt
zur Folge. Q ist die Überlappkapazität zwischen der Gateelektrode und der Drainzone, Q ist die gesamte
Knotenkapazität auf der Drainseite einschließlich Cu.
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 -AUd-
Da der wannenförmige Bereich im stationären Zustand überall auf Null liegt, entsteht nach dem Spannungssprung über dem Drain-Übergang der Spannungsabfall dUo, der nach einer Berechnung 2 V betragen kann. Die
Drainzone wird negativ gegen den wannenförmigen Bereich und beginnt einen Flußstrom zu ziehen, wenn
AUd £ 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. in den wannenförmigen Bereich angrenzend an den Drain-pn-Übergang. Da sich in unmittelbarer
Nachbarschaft der in Sperrichtung 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
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
AU0 £ 0,7 V.
AUd wird in der Praxis seinen theoretischen Maximalwert
AUd wird in der Praxis seinen theoretischen Maximalwert
nicht ganz erreichen, da sich die entstehende Potentialdifferenz zwischen der Drainzone und der Sourczone 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 AUd den zur Zündung notwendigen kritischen Wert
Hat AUd den zur Zündung notwendigen kritischen Wert
AU Dkm = 0,7 V
während dieser Phase nicht überschritten, so bleibt der Thyristoreffekt aus, und der Schaltvorgang iäuft normal
ab: der p-Kanal-Transistor wird leitend, der n-Kan&l-Transistor sperrt, und das Drainpotential (am Ausgang des
Inverters) erreicht seinen »positivsten Wert« Ub-
Man kann diesen Thyristoreffekt zwar durch langsamere Ansteuerung mit flachen Spannujigsflanken an den
Gateelektroden, durch hochohmige Auslegung der ansteuernden Stufe (kleine W/L-Verhältnisse), durch Vergrößerung
der Knotenkapazität Ci, 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. Geschwindigkeitseinbuße, verhindern.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe einer monolithisch integrierten CMOS-Inverterschaltungsanordnung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der der oben geschilderte unerwünschte Thyristoreffekt beim
Auftreten von sehr steilen Spannungsimpulsen an den Gateelektroden der beiden Feldeffekttransistoren verhindert
ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene
Ausbildung gelöst.
Aus der DE-OS 24 23 114 ist zwar bekannt, an einen wannenförmigen Bereich einen Schottky-Kontakt
anzubringen, der eine kleinere Schleusenspannung aufweist als der pn-übergang zwischen dem wannenförmigen
Bereich und einer an ihm angeordneten Zone, um die Bildung eines parasitären Vertikaltransistors bei
Vorspannung des von dem Bereich und dem wannenförmigen Bereich gebildeten pn-übergang in Durchlaßrichtung
zu verhindern. Auch wird in dieser Druckschrift auf eine Anwendbarkeit im Zusammenhang mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren
hingewiesen. Es fehlt aber ein Hinweis auf die Anwendung bei CMOS-Inverterschaltungsanordnungen,
bei denen der vorstehend beschriebene Thyristoreffekt beim Auftreten von sehr steilen
Spannungsimpulsen an den Gateelektroden auftritt.
Bei einer monolithischen integrierten CMOS-Schaltung in einem Silicium-Substrat kann beispielsweise ein
Al-Si-Kontakt verwendet werden, der verhindert, daß das Pof ential der Drainzone unter dasjenige der p-W anne
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 Schleusenspannur.g (Schwsllenspannung
in Flußrichtung) des Schottky-Kontaktes unterhalb derjenigen eines pn-Übergangs liegt.
Da die Schottky-Schleusenspannung somit kleiner ist als 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 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 (größeres x) als von der Drainzone
des p-Kanal-Feldeffekttransistors ausgehend.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren
Fig. 1 ausschnittsweise im Querschnitt etwa senkrecht durch ein plattenförmiges Substrat eine monolithisch
integrierte CMOS-Inverterschaltung herkömmlichen Aufbaus zeigt, deren
F i g. 2 drei Ersatzschaltbilder für den Strompfad von dem Potential Null bis Ub über den wannenförmigen
Bereich und das Substrat enthält, dereii
F i g. 3 eine Weiterbildung der monolithisch integrierten CMOS-Inverterschaltung mit einem weiteren Schottky-Kontakt
veranschaulicht und deren
Fig.4 die beiden Ersatzschaltbilder für die Schottky-Dioden auf dem p-dotierten wannenförrri^en Bereich
und auf dem η-Substrat zeigt.
Die F i g. 1 zeigt in Schnittbildansicht eine monolithisch integrierte CMOS-Schaltung herkömmlichen Aufbaus,
die als Inverter geschaltet ist. In ein η-leitendes Substrat ist zur Herstellui g 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 pn Kanal-Feldeffekttransistors eindiffundiert worden sind. Das Eineanessienal wird bei Ur. an
die galvanische Verbindung zwischen den beiden Gate-Elektroden 11 und 12 angelegt. Die Spannungsversorgung
mit Ub>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
< UD< Ub,
ίο wobei äußerstenfalls mindestens
-0,7 > UD < Ub + 0.7 V
-0,7 > UD < Ub + 0.7 V
Die F i g. 2b betrifft den Fall der Thyristorzündung durch den parasitären 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 aufzufassen ist. Die Drainzone 5 ist also als
Emitterzone eines parasitären Ersatzschaltbildtransistors Tl aufzufassen an welchen kurzzeitig eine Spannung
von
UD = AUd < -0,7 V
angelegt wird.
Die F i g. 2c betrifft den Fall einer Thyristorzündung durch einen parasitären prip-Transistoi T2 mit der
Drainzone 6 als Emitterzone. An diesem liegt zur Zündung die Spannung
Ud= Ub + AUd > Ub+ 0,7 V
an, falls üblicherweise Silicium als Halbleitermaterial verwendet wird.
F i g. 3 zeigt nun eine Schnittansicht entsprechend der F i g. 1 eine monolithisch integrierte CMOS-Schaltung
nach der Erfindung mit je einem Schottky-Kontakt 3 bzw. 4, der mit der Drainzone 5 des n-Kanal-Feldeffekttransistors
bzw. mit der Drainzone 6 des pn-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 F i g. 4a zeigt das Ersatzschaltbild für den Schottky-Kontakt 3 an dem wannenförmigen Bereich 2, wobei
ein parasitärer Transistor TI mit der Drainzone 5 wirksam wird, während die F i g. 4b das Ersatzschaltbild für
den Fall mit dem Schottky-Kontakt 4 am Substrat 1 mit dem parasitären Transistor Tl entsprechend veranschaulicht.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Monolithisch integrierte CMOS-Inverterschaltungsanordnung mit einem Paar von komplementären
Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, von denen die Sourcezone und die Drainzone des einen Feldeffekttransistors
oberflächlich in einem an der Oberflächenseite eines halbleitenden Substrats des c-sten Leitungstyps
angeordneten wannenförmigen Bereich des zweiten Leitungstyps angeordnet sind, die Sourcezone sowie die
Drainzone des anderen Feldeffekttransistors an der Oberflächenseite des Substrats angeordnet sind und
ferner zwischen den beiden Drainelektroden der beiden Feldeffekttransistoren eine galvanische Verbindung
vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet,
ίο 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 Feldeffekttransistors und
daß der Schottky-Kontakt (3) mit der galvanischen Verbindung (8) zwischen den beiden Drainzonen (5, 6)
kontaktiert ist
2. Monolithisch integrierte CMOS-Inverterschaltungsanordnung 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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