-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzstruktur von
Elementen, die mit einer Kontaktstelle eines integrierten
Schaltkreises verbunden sind. Insbesondere schlägt die
vorliegende Erfindung eine solche Struktur mit einem negativen
Widerstand vor, d. h. sie löst sich bei einem ersten Wert
einer Überspannung aus und läßt dann den Oberlaststrom
unter einer zweiten Spannung mit geringerem Wert abfließen.
-
Die Fig. 1A, 1B und 1C stellen jeweils eine
Schnittansicht, eine Draufsicht und ein Ersatzschaltbild eines
herkömmlichen Schutzes eines integrierten Schaltkreises gegen
Überspannungen dar. Die Fig. 1A ist eine Schnittansicht
entlang der Linie A-A der Fig. 1B.
-
In Fig. 1A kann man einen Kontaktanschluß eines
integrierten Schaltkreises erkennen, der zum Beispiel aus einer
Metallisierung 1 besteht, die auf einer Schicht aus
polykristallinem Silizium 2 ausgebildet ist und von einem Substrat
aus monokristallinem Silizium 3 durch eine Oxidschicht 4
isoliert ist. Diese Anschlußstelle steht der eine Öffnung
5 mit einem stark dotierten Bereich 6 von der Leitungsart
in Kontakt, welche der des Substrats entgegengesetzt ist,
zum Beispiel N&spplus;, wenn das Substrat vom P&supmin;-Typ ist. Eine
weitere Metallisierung 7 steht über eine weitere Öffnung 8
mit einem weiteren Bereich 9 vom Typ N&spplus; gegenüber dem
Bereich 6 in Kontakt, wie man besser in der Draufsicht der
Fig. 1B sieht. Dementsprechend existiert zwischen der
Metallisierung 1 der Anschlußstelle und der Metallisierung 7,
die mit der Referenzspannung verbunden ist, eine doppelte
Lawinendiode, deren Durchbruchsspannung durch das
Dotierungsniveau der N&spplus;- und P&supmin;-Gebiete bestimmt ist.
-
Die Fig. 1B stellt mit denselben Bezugszeichen wie denen
der Fig. 1A eine Draufsicht der Struktur dar. Man kann
darin außerdem erkennen, daß der N&spplus;-dotierte Bereich 6,
welcher mit der Anschlußstelle verbunden ist, sich zu einer
weiteren Metallisierung 10 hin erstreckt, welche wiederum
mit dem Eingang des integrierten Schaltkreises verbunden
ist, mit dem die Anschlußstelle 1 einen Kontakt herstellen
soll und den man gegen Überspannungen schützen will.
-
Das Ersatzschaltbild dieser Struktur ist in Fig. 1C
dargestellt. Die Anschlußstelle 1 ist mit der Metallisierung 10
über einen Widerstand R verbunden, welcher dem Widerstand
der Verlängerung des Bereichs 6 entspricht, und diese
Anschlußstelle ist mit einer Referenzspannung, üblicherweise
der Masse, über eine doppelte Lawinendiode D verbunden,
weiche der N&spplus;-P&supmin;-N&spplus;-Struktur entspricht.
-
Diese Vorrichtung arbeitet in zufriedenstellender Weise,
weist aber den Nachteil auf, daß die Spannung an der
Anschlußstelle bei einer Oberspannung auf den Wert der
Spannung der doppelten Lawinendiode beschränkt ist, welche
ihrerseits oberhalb des Wertes der an den Schaltkreis
angelegten Spannungen bei normalem Betrieb liegen muß. Es
ergibt sich daher eine verhängnisvolle Energiedissipation in
dem Bereich, welcher der doppelten Lawinendiode entspricht,
woraus sich eine Erwärmung des Schaltkreises ergibt. Die
dissipierte Energie ist nämlich gleich dem Wert der
Durchbruchsspannung, multipliziert mit dem Strom, der durch die
Schutzvorrichtung fließt. Wenn dieser Spannungswert
reduziert wird, ist die Energiedissipation in dem Substrat
geringer, da der dissipierte Strom immer im wesentlichen
derselbe ist.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Schutzstruktur mit negativem Widerstand zu schaffen, die
sich bei einer vorgegebenen Schwelle einer Lawinendiode
auslöst, die es aber danach gestattet, die Spannung auf
einen niedrigeren Wert abfallen zu lassen.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, eine besonders einfache Struktur zur Realisierung
einer solchen Funktion zu schaffen.
-
Um diese und andere Aufgaben zu lösen, sieht die
vorliegende Erfindung eine Eingangsschutzstruktur für einen
integrierten Schaltkreis vor, der mit einer Anschlußstelle
verbunden ist, die Überspannungen empfangen kann, wobei der
integrierte Schaltkreis in einem Substrat eines ersten
Leitungstyps mit niedrigem Dotierungsniveau ausgebildet ist
und das Substrat mit einer Referenzspannung verbunden ist,
wobei die Schutzstruktur in dem Substrat um das Gebiet der
Anschlußstelle herum in einer Anordnung, welche mindestens
teilweise dieses Gebiet der Anschlußstelle umgibt, einen
ersten Bereich vom ersten Leitungstyp mit hohem
Dotierungsniveau, der selbst in einem zweiten Bereich des
Leitungstyps ausgebildet ist, und bezüglich der Anschlußstelle
jenseits des ersten Bereichs einen dritten Bereich des zweiten
Leitungstyps, der zumindest teilweise mit dem zweiten
Bereich in Kontakt steht, umfaßt. Die Metallisierung der
Anschlußstelle stellt außerdem einen Kontakt mit einem Teil
der Oberfläche des ersten Bereichs her und eine zweite
Metallisierung verbindet den ersten Bereich mit dem dritten
an einer solchen Stelle, daß der Weg des Stroms zwischen
dem Kontaktbereich der Anschlußstellen-Metallisierung mit
dem ersten Bereich einerseits und dem Gebiet, wo der dritte
Bereich einen Übergang mit Substrat bildet, der einer
Lawinendiode entspricht, andererseits durch eine resistive
Strecke in mindestens dem ersten oder dem dritten Bereich
verläuft.
-
Hinsichtlich eines anderen Aspekts der vorliegenden
Erfindung wird ein Eingangsschutzschaltkreis für einen
integrierten Schaltkreis, der mit einer Anschlußstelle
verbunden ist, die Überspannung empfangen kann, vorgesehen, bei
dem die Anschlußstelle mit einem Referenzpotential über
einen ersten Weg, der einen Transistor enthält, und durch
einen zweiten Weg, der einen Widerstand in Reihe mit einer
Lawinendiode enthält, verbunden ist, und bei dem die Basis
des Transistors und der Verbindungspunkt des Widerstands
und der Lawinendiode zusammen mit dem zu schützenden
Eingang des integrierten Schaltkreises verbunden sind.
-
Diese Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden detaillierter in der folgenden Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen bezüglich der beigefügten
Zeichnungen ausgeführt, von denen
-
die Fig. 1A, 1B, 1C und 1D, welche vorangehend
beschrieben wurden, jeweils eine Schnittansicht, eine Draufsicht,
ein Ersatzschaltbild und eine Kennlinie einer
Schutzstruktur nach dem Stand der Technik darstellen,
-
die Fig. 2A, 2B, 2C und 2D jeweils eine Schnittansicht,
eine Draufsicht, ein Ersatzschaltbild und eine Kennlinie
einer Schutzstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellen und
-
die Fig. 3A, 3B, 3C und 3D jeweils eine Schnittansicht,
eine Draufsicht, ein Ersatzschaltbild und eine Kennlinie
einer Schutzstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen.
-
Die Fig. 2A und 2B, auf die im folgenden gleichzeitig
Bezug genommen wird, stellen jeweils eine Schnittansicht
und eine schematische Draufsicht einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei die
Schnittansicht der Fig. 2A entlang der Linie A-A der Fig. 2B
genommen ist.
-
Die Metallisierung der Anschlußstelle 20 ist wie im
vorhergehenden Fall als auf einer Schicht aus polykristallinem
Silizium 21 (in der Draufsicht der Fig. 2B nicht
dargestellt) und einer Isolationsschicht 22, üblicherweise aus
Siliziumoxid, oberhalb eines Substrats aus monokristallinem
Silizium 23 ausgebildet dargestellt. Der Umriß der
Metallisierung ist durch die punktierte Linie 20 der Fig. 2B
bezeichnet. Diese Metallisierung steht über eine Öffnung 27
mit einem Teil eines Bereichs vom P&spplus;-Typ 24 in Kontakt.
Dieser Bereich 24 wiederum ist in einem Bereich 25 vom N&supmin;-Typ
ausgebildet, dessen Grenzen in Fig. 2B mit einer
Abfolge von kleinen Kreisen bezeichnet sind, welche die
Bezugszeichen 25-1 und 25-2 tragen. Ein zweiter ringförmiger
Bereich 26 vom Typ N&spplus; umgibt den ersten ringförmigen
Bereich 24 und ist von diesem über die im wesentlichen
konstante Breite des Bereichs vom N&supmin;-Typ 25 bis auf eine
Stelle 28 getrennt, wo die ringförmigen Bereiche vom Typ P&spplus; und
N&spplus; lokal zusammentreffen. Die obere Oberfläche des Gebiets
des Übergangs 28 zwischen den Bereichen 24 und 26 ist über
eine Metallisierung 30 kurzgeschlossen, wobei nur die
Kontaktöffnung, welche gleichfalls mit dem Bezugszeichen 30
bezeichnet ist, in Fig. 2B dargestellt ist.
-
Die gesamte Struktur wird von einem dotierten Ring vom Typ
P&spplus; 32 umgeben, der mit einer Metallisierung 33 überzogen
ist, die es gestattet, die Polarisierung des
Halbleitersubstrats zu gewährleisten. Der Bereich 26 vom Typ N&spplus; umfaßt
eine Verlängerung 35, mit der eine Metallisierung 36
verbunden ist, von der nur die Kontaktöffnung in Fig. 2B
dargestellt ist.
-
Die in den Fig. 2A und 2B dargestellte Struktur
entspricht dem Ersatzschaltbild der Fig. 2C. Man erkennt in
diesem Schaltbild die Anschlußstelle 20, einen Anschluß,
der sich zu dem zu schützenden Schaltkreis hin erstreckt,
welcher der Metallisierung 36 entspricht, einen
Massenanschluß, welcher der Metallisierung 33 entspricht, und
einen Verbindungspunkt, welcher der Metallisierung 30
entspricht.
-
Das Gebiet, wo die Anschlußstelle 20 in Kontakt mit dem
Ring P&spplus; 24 steht, ist mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet.
Dieser Punkt 40 ist als mit dem Emitter E41 eines
Transistors 41 verbunden dargestellt, wobei dieser Emitter dem
P&spplus;-Bereich 24 entspricht. Die Basis B41 entspricht dem
Bereich N&supmin; 25 und der Kollektor C41 entspricht dem Bereich
des P&supmin;-Substrats und ist mit der Masse über einen
Widerstand verbunden, welcher dem Weg in dem P&supmin;-Gebiet zu dem
diffundierten P&spplus;-Bereich 32 und der Metallisierung 33
entspricht. Andererseits ist der Punkt 40 mit einem Widerstand
42 verbunden, welcher dem Weg in dem P&spplus;-Bereich zwischen
dem Kontakt 27 mit der Metallisierung der Anschlußstelle
und dem Verbindungspunkt 30 entspricht, welcher dem
Kurzschlußbereich 28 zwischen diesem P&spplus;-Bereich und dem
N&spplus;-Bereich 35 entspricht. Daher ist die Metallisierung 30 mit
der Ausgangsmetallisierung 36 über einen Widerstand 43
verbunden, welcher dem Weg in dem N&spplus;-Gebiet 35 entspricht.
Schließlich ist die Metallisierung 30 über eine
Lawinendiode 44 geschaltet, deren Anode dem N&spplus;-Gebiet 35 und deren
Kathode dem P&supmin;-Bereich des Substrats entsprechen, welcher
über einen nicht dargestellten Schichtwiderstand mit dem
P&spplus;-Bereich 32 und der Metallisierung 33 verbunden ist.
-
Die Arbeitsweise dieses Schaltkreises wird mit Bezug auf
Fig. 2D dargestellt, welches die
Strom-Spannungs-Charakteristik zwischen der Anschlußstelle und dem
Referenzpotentialanschluß darstellt.
-
- Im Falle des Anliegens einer positiven Überspannung an
der Anschlußstelle 20 und an dem Punkt 40 wird dann, wenn
diese Überspannung an dem Punkt 30 den Durchbruchswert VZ
der Diode 44 erreicht, das Anwachsen der Spannung begrenzt
und Strom beginnt, in der Lawinendiode 44 zu fließen.
Innerhalb sehr kurzer Zeit führt dieses Zirkulieren von Strom
dazu, daß der Spannungsabfall an den Anschlüssen des
Widerstands 42 die Spannung der Leitung in Vorwärtsrichtung VBE
des Emitter-Basis-Übergangs des Transistors 41 übersteigt.
Dieser Transistor wird entsprechend leitend und anstatt daß
der Strom in der Lawinendiode 44 fließt, fließt er vom
Emitter zum Kollektor des Transistors 41. Dementsprechend
fällt, wie dies die Zeichnung darstellt, die Spannung an
dem Punkt 40 auf den Wert BVCEO dieses Transistors. Um eine
Größenordnung anzugeben, ist die Spannung VZ typischerweise
von der Größenordnung von 20 Volt, während die Spannung
BVCEO typischerweise in der Größenordnung von einigen Volt,
zum Beispiel 5 Volt, liegt. Man erreicht also, daß der
Überlaststrom mit einer schwachen Spannung beim Auftreten
einer Überspannung fließt, was eine geringe
Energieabsorption in dem Halbleitersubstrat zur Folge hat. Andererseits
löst sich die Vorrichtung nur bei dem relativ hohen Wert
der Lawinendurchbruchspannung der Diode 44 aus und
beeinträchtigt nicht den normalen Betrieb des Schaltkreises.
-
- Im Falle des Anliegens einer negativen Überspannung an
der Anschlußstelle 20 beginnt dann, wenn man einen Wert V1
erreicht, der dem Spannungsabfall der Lawinendiode 44 in
Vorwärtsrichtung entspricht, zum Beispiel 1 Volt, diese zu
leiten. Der Strom fließt dann in dem Widerstand 42 und der
Spannungsabfall an den Anschlüssen dieses Widerstands
wächst bis zu einem Wert V2-V1, welcher der
Lawinendurchbruchspannung des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors
41 in Rückwärtsrichtung entspricht, d. h. der gleich einem
Wert von der Größenordnung von 20 Volt ist, was der
Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung des P&spplus;-N&supmin;-Übergangs
zwischen den Bereichen 24 und 25 entspricht. Entsprechend
liegt im Rahmen dieses Betriebs in Rückwärtsrichtung eine
in etwa analoge Betriebsweise zu derjenigen nach dem Stand
der Technik vor, wenn die Überspannung ein hohes Niveau
erreicht hat, aber mit dem Vorteil, daß die Leitung eher,
nämlich bei dem Wert V1 einsetzt, der ein geringer Wert
ist. Dies stört nicht beim Beseitigen von Überspannungen in
Rückwärtsrichtung, weil man sich in die Situation begibt,
in der die Anschlußstelle 20 dafür vorgesehen ist, nur
positive Spannungen zu empfangen oder jede negative Spannung
einer parasitären Spannung entspricht.
-
Die Fig. 3A, 3B, 3C und 3D stellen jeweils eine
Schnittansicht, eine Draufsicht, ein Ersatzschaltbild und eine
Kennlinie einer Abwandlung der Realisierung der
vorliegenden Erfindung dar. Die Schnittansicht der Fig. 3A
entspricht der punktierten Linie, die durch A-A in Fig. 3B
bezeichnet ist.
-
Allgemein wird man beim Betrachten der Fig. 3B bemerken,
daß die Struktur anstatt einer Struktur, in welcher die
verschiedenen Bereiche eine Ringform haben, eine Struktur
ist, in der die verschiedenen Bereiche längs einer oder
zweier Seiten des Gebiets der Anschlußstelle verlaufen.
Eine solche Struktur könnte auch im Fall der
Ausführungsform der Fig. 1 verwendet werden.
-
Bezugnehmend auf die Fig. 3A und 3B umfaßt die
Ausführungsvariante der Erfindung, die dargestellt ist, eine
metallische Anschlußstelle 50, welche Überspannungen
aufnehmen kann und wie im Fall der Fig. 2A über einem Gebiet aus
polykristallinem Silizium 51 dargestellt ist, welches von
einem Substrat 52 über eine Isolationsschicht 53,
üblicherweise aus Siliziumoxid, getrennt ist. Wie im Fall der Fig.
2B ist in Fig. 3B das Gebiet des polykristallinen
Siliziums 51 nicht dargestellt und der Umriß der
Metallisierung
50 ist durch Punkte bezeichnet. Die Metallisierung
50 steht in Kontakt mit einem diffundierten Bereich vom Typ
P&spplus; 54, der in einem N&supmin;-diffundierten Bereich 55 ausgebildet
ist. Man kann in Fig. 3B erkennen, daß der diffundierte
Bereich 54 und der Bereich 55, in den er eingebettet ist,
sich in etwa entlang einer Seite der Anschlußstelle 50
erstrecken. Ein Kontaktgebiet 56 ist zwischen dem Gebiet 54
vom Typ P&spplus; und der Anschlußstellen-Metallisierung 50
vorgesehen.
-
Der Bereich vom Typ P&spplus; 55 steht in etwa über seine gesamte
Länge mit einem Bereich vom Typ N&spplus; 60 in Kontakt, in dem
man drei Abschnitte unterscheiden kann: einen Abschnitt
61, welcher genau der Abschnitt ist, der in Kontakt mit dem
Bereich vom Typ P&spplus; steht, einen Abschnitt 62, der sich
senkrecht zu dem ersten Abschnitt entlang einer anderen
Seite der Anschlußstelle erstreckt und einen Abschnitt 63,
welcher den Abschnitt 61 verlängert. Der Abschnitt 62 des
N&spplus;-Bereichs 60 umfaßt an seinem Ende einen Kontaktbereich
64 mit der Metallisierung der Anschlußstelle 50. Die
Verlängerung 63 des Bereichs 60 vom Typ N&spplus; umfaßt ein
Kontaktgebiet 65, das mit einer Metallisierung 66 zu dem zu
schützenden Eingang des integrierten Schaltkreises verbunden
ist.
-
Weiterhin ist ein Bereich 68 vom Typ P&spplus; dargestellt, der
über ein Kontaktgebiet 69 mit einer Substratmetallisierung
70 verbunden ist. Gewöhnlich wird diese Metallisierung mit
einem Referenzpotential wie der Masse verbunden. Man
bemerkt weiterhin, daß der Abschnitt des Teils 62 des Gebiets
vom Typ N&spplus; 60, über dem der Kontakt 64 ausgebildet ist, in
eine diffundierte Zone vom Typ N&supmin; 71 eingebettet ist. Wie
im Fall der Fig. 2B, sind in Fig. 3B die Grenzen der
Gebiete vom Typ N&supmin; 55 und 71 durch eine Abfolge von kleinen
Kreisen dargestellt.
-
Die Wirkungsweise der Struktur der Fig. 3A und 3B wird
mit Bezug auf Fig. 3C erläutert. Man kann in dieser Figur
die Anschlußstelle 50, die Substratmetallisierung 70 und
die Zugangsmetallisierung zu dem integrierten Schaltkreis
66 erkennen. In dieser Figur finden sich der Transistor 41
und die Lawinendiode 44 bei dem Schaltbild der Fig. 3C
wieder. Wie vorher entspricht der Emitter des Transistors
41 dem P&spplus;-Bereich 54, der mit der Anschlußstelle 50
verbunden ist, seine Basis entspricht dem N&supmin;-Bereich 55 und sein
Kollektor entspricht dem Substratbereich 52 vom Typ P&supmin;, der
wiederum mit der Referenzmetallisierung 70 über den Bereich
vom Typ P&spplus; 68 verbunden ist.
-
Die Lawinendiode 44 entspricht dem Übergang zwischen dem
Substrat vom Typ P&supmin; und dem Abschnitt des Bereichs vom Typ
N&spplus; 60, der nicht in das Gebiet vom Typ N&supmin; 55 oder das
Gebiet vom Typ N&supmin; 62 eingebettet ist. Man bemerkt, daß eine
Verbindung in der Nachbarschaft des Abschnitts 61 zwischen
diesem N&spplus;-Bereich und dem Bereich vom Typ N&supmin; 55 besteht,
welcher der Basis des Transistors 41 entspricht. In diesem
Fall ist der Widerstand 42 zwischen der Kathode, welche dem
N&spplus;-Bereich 60 der Lawinendiode entspricht, und dem
Kontaktgebiet zwischen dem P&spplus;-Bereich und der Anschlußstelle durch
den inneren Widerstand des Bereichs 60 zwischen dem
Kontaktbereich 64 der Schicht vom Typ N&spplus; 62 mit der
Anschlußstelle 50 und dem Bereich dieses Gebiets 60 gewährleistet,
wo sich die Lawinendiode befindet. Dementsprechend wird,
anders als im Fall der vorangehenden Figur, der Widerstand
42 in einem Bereich vom Typ N&spplus; anstatt aus einem Bereich
vom Typ P&spplus; gebildet. Nichtsdestoweniger ist seine Wirkung
dieselbe. Da weiterhin, anders als im Fall der ersten
Ausführungsform, der Bereich vom Typ N&spplus; 62 mit der
Metallisierung der Anschlußstelle 50 verbunden ist, tritt weiterhin
eine Diode P&spplus;P&supmin;(N&supmin;)N&spplus; zwischen der Metallisierung 70, dem
Bereich 68, dem Bereich 52, dem Bereich 71, dem Bereich 62
und der Metallisierung 50 auf. Diese Diode ist mit der
Bezugszahl 75 in Fig. 3C bezeichnet.
-
Die charakteristische Strom/Spannungs-Kurve dieses
Schaltkreises ist in Fig. 3D dargestellt. Im Falle eines
Überspannungsimpulses in positiver Richtung ist die Wirkung
dieselbe wie im Fall der Fig. 2D. Dagegen wird im Fall
eines negativen Impulses dieser durch die Diode 75
absorbiert.
-
Man bemerkt, daß man die Wirkungsweise in negativer
Richtung, welche derjenigen der Fig. 2D entspricht, vorziehen
könnte, um das Latch-Up-Problem, das bei CMOS-Schaltkreisen
gut bekannt ist, zu vermeiden, und es zu ermöglichen, das
Erreichen einer destruktiven Schwelle zu vermeiden.