DE10002241C2 - Integrierte bipolare Transistorstruktur zum Begrenzen von Überspannung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithisch integrierbare vertikale bipolare Transistorstruktur zum Begrenzen von Überspannungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Handhabung von integrierten Schaltkreisen besteht die Notwendigkeit die Bauelemente oder Baugruppen der integrierten Schaltkreise vor Einwir­ kung von Überspannungen zu schützen. Überspannungen sind dabei Signale wie sie beispielsweise im Fall von ESD (elektrostatic discharge auftreten und ei­ ne dem Nutzsignal entgegensetzte oder gleiche Polarität aufweisen. Werden solche Signale den Anschlüssen von integrierten Schaltkreisen zugeführt, kön­ nen irreversible Veränderungen an den Bauelementen oder Baugruppen ent­ stehen oder sogar eine Zerstörung der Schaltkreise stattfinden. Unter dem Be­ griff Anschlüsse sind dabei die Anschlußpins der integrierten Schaltkreise zu verstehen. Diese werden vor dem Vergießen der integrierten Schaltkreise mit deren Anschlußpads verbunden. Mindestens ein Anschluß ist als Massepin aus­ geführt d. h. intern direkt mit den Substrat der integrierten Schaltung ver­ bunden. Ist die integrierte Schaltung beispielsweise für die Verarbeitung von positiven Signalen ausgelegt, wie dies bei Automobilanwendungen im Allge­ meinen der Fall ist, stellt das Substratpotential bzw. Massepotential grundsätz­ lich das niedrigste Potential der integrierten Schaltung dar. Treten jedoch, wie beispielsweise beim Fluß großer Ströme oder bei ESD-Einwirkungen der Fall, unkontrollierte negative Spannungen auf, ist es kurzzeitig möglich, daß das Substratpotential nicht mehr das tiefste Potential der integrierten Schaltung darstellt. Damit besteht jedoch die Gefahr, daß beispielsweise Diodenstrecken von Bauelementen in Flußrichtung gepolt werden und dies zu undefinierten Schädigungen (latch up) bei den entsprechenden Bauelementen oder Baugruppen füh­ ren kann. Des weiteren ist es gerade bei Automobilanwendungen wünschens­ wert, daß bestimmte Anschlüsse auch kurzfristig mit Spannungen, die kleiner als das Substratpotential sind, belastet werden können, ohne daß diese negati­ ve Spannung durch eine ESD- bzw Überspannungsschutzschaltung auf die Höhe einer Diodenflußspannung begrenzt wird.

Aus der Veröffentlichungsreihe IBM, Technical, Disclosure Bulletin, Vol. 14 No. 8 vom Januar 1972 ist eine gattungsbildende vertikale Transistorstruktur be­ kannt, die einen Überspannungsschutz für integrierte Schaltkreise darstellt. Das darin vorgestellte Konzept zeigt eine vertikale bipolare Transistorstruktur vom Typ NPN mit den zugehörigen Substratanschlußbereichen. Der kollektor­ seitige Anschluß des NPN-Transistors wird von einer hochdotierten vergrabe­ nen n+-Schicht gebildet. Direkt an den Substratanschlußbereichen befinden sich ebenfalls vergrabene hochdotierte n⁺-Gebiete. Diese sind durch einen Substratbereich von den kollektorseitigen Gebieten getrennt. Zum Schutz der Überspannungen, die die gleiche Polarität wie das Nutzsignal aufweisen, wird der Effekt des Durchgriffs der Raumladungszonen (punch through) zwischen den beiden vergrabenen n⁺-Gebieten ausgenutzt. Sofern die Überspannung eine negative Polarität aufweist, wird diese durch die Substratdiode auf die Größe einer Flußspannung begrenzt.

Ferner ist aus der Druckschrift EP 387 798 B1 ist eine Schaltungsanordnung zum Begrenzen von negativen Überspannungen bekannt. Diese besteht aus einem NPN-Transistor und einer Substratdiode. Dabei wird Substratdiode mit Hilfe ei­ ner separaten Epitaxiewanne gebildet. Des weiteren ist der Emitteranschluß des Transistors an den zu schützenden Leiter, der Kollektoranschluß des Transi­ stors an das positive Versorgungspotential und der Basisanschluß an die Anode der separaten Substratdiode angeschlossen. Der Kathodenanschluß liegt dabei auf Substrat- bzw Massepotential.

Aus DE 197 46 410 C2 sind ebenfalls verschiedene Ausführungsformen einer Schutzvorrichtung für elektronische Schaltungen gegen elektrostatische Aufladungen bekannt. Zwar kann über einen Abstand von zwei Raumladungszo­ nen die Höhe der zu begrenzenden Überspannung für eine Polarität eingestellt werden, gleichzeitig ist jedoch die jeweilige andere Polarität von Überspan­ nung auf die Höhe einer Diodenflußspannung begrenzt.

Bei den bisher bekannten ESD- bzw Überspannungschutzschaltungen ist die Begrenzung von Überspannungen in mindestens einer Polarität entweder auf die Höhe von maximal einer Diodenflußspannung unter Substratpotential fest­ gelegt, oder die angegebene Lösung besteht aus mehreren Bauelementen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine monolithisch integrierbare Schaltungsanordnung, der eingangs genannten Art, mit verringertem Platzbe­ darf und somit einem geringerem Kostenaufwand anzugeben, die neben der Begrenzung von Überspannungen mit gleicher Polarität wie die Signalspan­ nung, auch Überspannungen, mit einer der Nutzspannung entgegengerichte­ ten Polarität erst oberhalb einer Diodenflußspannung begrenzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine vertikale Transistorstruktur gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Zum Begrenzen auf die genannten Überspannungen nämlich werden hierzu die integrierten Schaltkreise um die erfindungsgemäße integrierte Halblei­ teranordnung erweitert. Die Untersuchungen der Patentinhaberin haben gezeigt, daß sich zur Begrenzung von Überspannungen mit einer der Signalspannung entgegengerichteten Polarität eine einzelne vertikale, bipolare Transistor­ struktur zusammen mit dessen Substratanschluß in einer Weise vorteilhaft aus­ führen läßt, sodaß die vertikale Transistorstruktur einer Reihenschaltung von zwei in Flußrichtung gepolten Dioden entspricht. Somit liegt die Höhe der Überspannungsbegrenzung bei zwei Diodenflußspannungen. Wesentlicher Vor­ teil der erfindungsgemäßen Schutzstruktur ist es, daß sich ein einzelner verti­ kaler Bipolartransistor sehr flächensparend und damit kostengünstig herstel­ len läßt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Schutzeinrichtungen werden damit im Bereich zwischen einer und zwei Diodenflußspannungen noch keine Ladungsträger in das Substrat injiziert. Des Weiteren ist eine Realisierung so­ wohl in rein bipolar als auch in CMOS Technologien ohne zusätzliche Prozeßschritte möglich. Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Un­ teransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand den Zeichnungen näher erläutert und dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine vertikale Transistorstruktur mit zugehörigem Substratanschluß gemäß der Erfindung, und

Fig. 2: das Ersatzschaltbild der vertikalen bipolaren Transistorstruktur gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist der Fall dargestellt, daß eine positive Signalspannung vorliegt und eine negative Überspannung begrenzt werden soll. Es ist offen­ sichtlich, daß sich im Fall der negativen Signalspannung die Polarität der dar­ gestellten Schichtdotierung ändert.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 wird zunächst der Aufbau der vertikalen, bipolaren Transistorstruktur anhand eines Querschnittes erläutert. Demnach besteht die Struktur aus einem p-Substrat 5, einer vergrabenen n⁺ dotierten Kollektorschicht 10, als Kollektor, einer n⁺-dotierten Epitaxieschicht 15, einer p- dotierten Basisschicht 20, als Basis, einer n⁺-dotierten Emitterschicht (30), als Emitter, und einer ebenfalls n+-dotierten Kollektoranschlußschicht 40. Des weiteren ist für den niederohmigen Anschluß der Kollektorschicht 10 an die Kollektoranschlußschicht 40 eine weitere n⁺-Schicht als Kollektortiefschicht 35 eingeführt. Bei geringen Epitaxiedicken ist diese optional. Der zum vertikalen Transistor zugehörige Substratanschluß 5 ist über eine p-dotierte Schicht 25 mit dem p-Substrat 5 verbunden. Die Dotierung des p-Substrates 5 und der n- Epitaxieschicht 15 liegen typischerweise im Bereich von 10¹⁵-10¹⁶ N/cm³, wäh­ rend die Dotierung des Basisschicht 20 im Bereich von 10¹⁷ N/cm³ liegt. Die Do­ tierung der hochdotierten n+ und p+ Schichten 30 bzw. 25 liegt typischer­ weise im Bereich 10 ¹⁹ N/cm³. Die Dotierung der Kollektortiefschicht 35 liegt vor­ zugsweise im Bereich von 10¹⁷ N/cm³. Des weiteren ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß die Basisschicht 20 des bipolaren Transistors mit der Kollektorschicht 10 des bipolaren Transistors verbunden ist. Diese Verbindung wird vorzugsweise während des Herstellungsprozesses erzeugt, in dem durch das Abscheiden ei­ ner Leiterbahn der Basiskontakt B mit dem Kollektorkontakt K verbunden wird. Aus dem Vergleich von Fig. 1 mit dem in Fig. 2 dargestellten Ersatzschaltbild der vertikalen Bipolartransistorstruktur zeigt sich, daß die Kollektorschicht 10 des vertikalen Transistors gleichzeitig die Kathode der Substratdiode D bildet. Die Anode dieser Substratdiode D wird durch die p-Substratschicht 5 und dem zugehörigen Substratanschlußkontakt 5 gebildet und weist durch die Bauform bedingt eine verhältnismäßig große Fläche auf. Des weiteren ist aus Fig. 2 er­ sichtlich, daß der Emitterkontakt E des bipolaren Transistors an die Signallei­ tung zwischen Schaltung und Anschlußpad angebunden wird. Damit liegen zwischen Signalleitung und Massepotential zwei Dioden (Basis/Emitter und Kollektor/Substrat) in Reihe. In dieser Ausführungsform werden negative Über­ spannungen auf die Größe von zwei Diodenflußspannungen gegenüber Sub­ stratpotential begrenzt. In Verbindung mit der erwähnten großen Fläche der Substratdiode D und dem niederohmigen Anschluß des Substratkontaktes S wird damit im Begrenzungsfall ein sehr geringer differentieller Widerstand wirksam. Die Kontaktierung des Substrates sollte möglichst niederohmig und vorzugsweise an mehreren Seiten der Struktur erfolgen, damit die in das Sub­ strat injizierten Ladungsträger weitestgehend abfließen können. Des weiteren ist es bei sehr hochohmigen Substratmaterialien von Vorteil, wenn zusätzlich ein n-dotierter Schutzring (Guardring) um die vertikale bipolare Transistor­ struktur eingefügt wird. Im Fall von positiven Überspannungen werden diese in der vorliegenden Ausführung auf die Höhe der Durchbruchspannungen der in Reihe liegenden Emitter/Basis- und Kollektor/Substrat Diode begrenzt.

Im Fall von negativen Signalspannungen wird die vertikale bipolare Transistor­ struktur aus komplementären Schichtdotierungen aufgebaut. In diesem Fall muß n-Substratmaterial verwendet werden.

Claims (9)

1. Monolithisch integrierbare vertikale bipolare Transistorstruktur zum Be­ grenzen von Überspannungen, die eine dem Nutzsignal entgegengesetzte Polarität aufweisen, auf einer Anschlußleitung einer integrierten Schaltung (IS), bestehend aus
einem vertikalen bipolaren Transistor mit einer ersten Schicht (30) eines er­ sten Leitfähigkeitstyps, die den Emitter darstellt, und einer zweiten Schicht (20) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die die Basis darstellt, und einer drit­ ten Schicht (10) des ersten Leitfähigkeitstyps, die den Kollektor darstellt,
und einer Substratdiode (D), bestehend aus der ersten Schicht (10) des er­ sten Leitfähigkeitstyps, und einer Substratschicht (5) als zweiter Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Emitter mit mindestens einer Anschlußleitung der integrierten Schaltung verbunden ist, der Kollektor sowohl mit der Basis als auch mit der ersten Schicht (10) der Substratdiode (D) verbunden ist und die zweite Schicht (5) der Substratdiode (D) auf Substratpotential liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei negati­ ven Überspannungen der vertikale Transistor ein NPN Transistor ist, dessen Kollektorschicht (10) mit der Kathode der Substratdiode (D) verbunden ist und die Anode der Substratdiode (D) auf Substratpotential liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei positiven Überspannungen der vertikale Transistor ein PNP Transistor ist, dessen Kollektor­ schicht (10) mit der Anode der Substratdiode (D) verbunden ist und die Ka­ thode der Substratdiode (D) auf Substratpotential liegt.

4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kollektor des bipolaren Transistors als vergrabene Schicht (10) ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste An­ schluß (S) der Substratdiode (D) und der Kollektor des bipolaren Transistors aus der gleichen Schicht (10) aufgebaut sind.

6. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Schicht (5) der Substratdiode (D) gleichzeitig den Substratanschluß (S) des bipolaren Transistors bildet.

7. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Substratanschluß (S) an mindestens zwei gegen­ überliegenden Seiten des dazwischenliegenden vertikalen bipolaren Transi­ stors angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Substratanschluß (S) den vertikalen bipolaren Tran­ sistor vollständig umschließt.

9. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vertikale bipolare Transistorstruktur von einem Schutzring umschlossen wird, dessen Dotierung eine der Substratdotierung entgegengesetzte Polarität aufweist.