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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement zum Schutz vor
elektrostatischer Entladung.
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Ein
Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist ein Bauteil,
das sehr effektiv vor elektrostatischer Entladung (ESD) schützt. Der
MOSFET stellt einen Entladungspfad für einen großen Strom zwischen einer Source-
und einer Drainelektrode aufgrund eines parasitären Bipolartransistors zur
Verfügung,
der während
eines ESD-Ereignisses eingeschaltet wird und dadurch einen Schaltkreis
vor einem großen
externen Signal schützt.
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Der
ESD-Schutz für
den MOSFET basiert auf einem Snap-Back-Mechanismus und wird nachfolgend unter
Bezug auf 1A und 1B beschrieben. 1A ist
ein Schnittbild eines n-Kanal MOSFET (NMOSFET), der auf einem Halbleitersubstrat
gebildet ist. Wenn ein starkes elektrisches Feld, das einen Drainübergang 110 kreuzt,
erzeugt wird, wird durch das elektrische Feld ein Lawinendurchbruch
in einer Verarmungsschicht erzeugt, die sich auf beiden Seiten des
Drainüber gangs 110 erstreckt, und
folglich treten elektrische Ladungen auf. Einige der elektrischen
Ladungen fließen
in die Drainelektrode und die verbleibenden elektrischen Ladungen fließen in das
Substrat. Eine lokale Spannung für
den Betrieb eines Sourceübergangs 120 in
Durchlassrichtung ergibt sich zwischen der Sourceelektrode und dem
Substrat des NMOSFET aufgrund einer Anhäufung der elektrischen Ladungen,
die in das Substrat fließen,
und wenn die lokale Spannung etwa 0,6 V überschreitet, wird ein parasitärer Bipolartransistor Q
eingeschaltet, wodurch ein ESD-Strom in die Drainelektrode des NMOSFET
abgeleitet wird. Ein Bezugszeichen R bezeichnet hierbei einen Substratwiderstand. 1B ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Strom und Spannung für den NMOSFET
während
eines ESD-Ereignisses zeigt. Vt und Vsp bezeichnen hierbei eine Durchbruchspannung bzw.
eine Snap-Back-Spannung
von ungefähr
0,6 V.
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Der
oben beschriebene NMOSFET zum ESD-Schutz kann eine Mehrfingerstruktur
aufweisen, so dass ein großer
ESD-Strom verarbeitet werden kann. Im Besonderen muss in einem Eingangs/Ausgangs(I/O)-Schnittstellenblock
ein NMOSFET mit einer langen Gateelektrode aufgrund eines parasitären Widerstands,
einer parasitären
Induktivität
und einer parasitären
Kapazität
verwendet werden, die in einem Kabel zum Verbinden einer Platine,
auf der eine Packung und ein Chip angebracht sind, eines Chips und
eines externen Systems miteinander vorhanden sind. Außerdem nutzt
ein NMOSFET mit einer Mehrfingerstruktur ein vorbestimmtes Gebiet
zur Implementierung des NMOSFET effektiver aus.
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2A ist
eine Draufsicht auf einen herkömmlichen
NMOSFET, der die Mehrfingerstruktur aufweist. Ein p-leitender Muldenbereich 210 ist
auf einem nicht gezeigten Halbleitersubstrat gebildet und mehrere
Gateelektroden G1, G2, G3 und G4 sind auf dem Halbleitersubstrat
gebildet, auf dem der p-leitende Muldenbereich 210 gebildet
ist, und n+-leitende Sourcebereiche S1,
S2 und S3 und Drainbereiche D1 und D2 sind auf der rechten und der
linken Seite jeder Gateelektrode G1, G2, G3 und G4 gebildet. Ein p+-leitender Diffusionsbereich 220 zur
Bereitstellung einer Vorspannung für den p-leitenden Muldenbereich 210 ist
um die Außenseite
des p-leitenden Muldenbereichs 210 herum gebildet. 2B ist
ein Schnittbild eines Halbleitersubstrats 200 von 2A entlang
einer Linie 2B-2B' von 2A.
Parasitäre
Bipolartransistoren Q1, Q2, Q3 und Q4, die zwischen den Sourcebereichen
S1, S2 und S3, den Drainbereichen D1 und D2, dem p-leitenden Muldenbereich 210 und
dem p+-leitenden Diffusionsbereich 220 arbeiten, sind
konzeptionell in 2B gezeigt. Jede Source- und
Drainelektrode des NMOSFET wirkt als ein Emitter und als ein Kollektor
des parasitären
Bipolartransistors und ein großer
Strom wird zwischen dem Emitter und dem Kollektor des parasitären Transistors
während
eines ESD-Ereignisses entladen, wodurch ein interner Schaltkreis
geschützt
wird. Ein Bezugszeichen Rsub bezeichnet
den Substratwiderstand, der zwischen einer Basis und dem p+-leitenden Diffusionsbereich 220 des
parasitären
Bipolartransistors besteht.
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Wenn
jedoch die NMOSFETs, die eine Mehrfingerstruktur aufweisen, zum
ESD-Schutz verwendet werden, ist es wichtig, dass die NMOSFETs gleichzeitig
angeschaltet werden. Eine Ursache dafür, dass die NMOSFETs in diesen
herkömmlichen Bauteilen
nicht gleichzeitig angeschaltet werden, wird unter Bezugnahme auf 3 erläutert. 3 zeigt
teilweise den NMOSFET von 2B und
den parasitären
Bipolartransistor des NMOSFET. Wie in 3 gezeigt,
sind die Werte von Basiswiderständen R1
und R2 als Substratwiderstand unterschiedlich, da die Abstände von
dem p+-leitenden Diffusionsbereich 220 zu
den parasitären
Bipolartransistoren Q1 und Q2 unterschiedlich sind. Als Folge davon
verändert
sich die lokale Spannung, die am Sourceübergang jedes NMOSFET aufgrund
einer Anhäufung von
elektrischen Ladungen nach dem Lawinendurchbruch auftritt. Folglich
ist die Zeit unterschiedlich, die jeder der parasitären Bipolartransistoren
benötigt, um
die Snap-Back- Spannung
zu erreichen, und folglich werden die parasitären Bipolartransistoren zu
unterschiedlichen Zeiten angeschaltet. In 3 wird der
parasitäre
Bipolartransistor Q2, der einen großen Basiswiderstand aufweist,
schneller angeschaltet als der parasitäre Bipolartransistor Q1.
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Nicht
gleichzeitiges Anschalten der NMOSFETs, die eine Mehrfingerstruktur
aufweisen, verursacht schwerwiegende Probleme für die Entladecharakteristik
des NMOSFET, der eine Silicidschicht aufweist, die auf den Source-
und Drainbereichen jedes Transistors gebildet ist, um einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb
des Transistors durch Erhöhung
eines Sättigungsstroms
des Transistors und durch Verringerung des parasitären Widerstands
und der parasitären
Kapazität
sicherzustellen. Dies wird unter Bezugnahme auf 4A beschrieben. 4A ist
ein Schnittbild des Transistors mit der Mehrfingerstruktur, der
auf einem Halbleitersubstrat 300 gebildet ist. Eine Silicidschicht 340 ist
auf einer Gatee-lektrode 310 über einer
Gateoxidschicht 370 und auf Source- und Drainbereichen 320 und 330 des
Transistors durch einen selbstjustierenden Silicid(SALICIDE)-Prozess
gebildet. Im Hinblick auf ESD wird der Widerstand des parasitären Bipolartransistors
durch die Silicidschicht 340 während eines ESD-Ereignisses
nach einem Snap-Back reduziert. Dies wird als ein "an"-Widerstand Ron bezeichnet und stellt den inversen Wert
der Steigung einer Strom-Spannungs-Kennlinie nach Erreichen einer Snap-Back-Spannung
Vsp in dem Strom-Spannungs-Diagramm von 1B dar.
Der Entladestrom nimmt durch Reduktion des "an"-Widerstandes zu und
elektrische Ladungen sammeln sich an den Source- und Drainübergängen (mit
einer gestrichelten Linie markierter Bereich) angrenzend an die
Silicidschicht 340 um Seitenwände 350 der Gateelektrode 310 herum
an, wodurch eine hohe Stromdichte in den Source- und Drainübergängen entsteht.
Wie oben erwähnt,
werden die NMOSFETs mit einem relativ hohen Basiswiderstand unter
den NMOSFETs mit Mehrfingerstruktur schneller angeschaltet als andere
NMOSFETs, und es ist eine vorbestimmte Zeitdauer notwendig, die
benach barten NMOSFETs anzuschalten. Es werden jedoch aufgrund der
hohen Stromdichte, die durch die Silicidschicht verursacht ist,
die Source- und Drainübergänge zerstört und folglich
ist es schwierig, diese vorbestimmte Zeitdauer zuzulassen, die benötigt wird,
die NMOSFETs anzuschalten. Als Ergebnis werden nur manche NMOSFETs
entladen und folglich wird der Vorteil der Benutzung von NMOSFETs
mit Mehrfingerstruktur aufgehoben.
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Eine
Vorgehensweise zur Lösung
dieser Probleme ist, dass eine Silicidschicht 340' der Source-
und Drainbereiche 320 bzw. 330 in einem vorbestimmten
Abstand W1 von einer Gateelektrodenseitenwand 350 gebildet
wird, so dass die Stromdichte des Übergangs, wie in 4B gezeigt,
verteilt wird. Diese Methode hat jedoch andere Probleme. Erstens wird
eine nicht gezeigte, separate Maske für die Source- und Drainbereiche 320 bzw. 330 zur
selektiven Bildung der Silicidschicht benötigt und dadurch wird das Verfahren
komplizierter. Zweitens ist es aufgrund einer Zunahme des parasitären Widerstandes der
Source- und Drainbereiche 320 bzw. 330 schwierig,
den Hochgeschwindigkeitsbetrieb durchzuführen. Des weiteren ist es schwierig,
eine Prozesstoleranz zur Bildung der nicht gezeigten Maske zu erzielen,
wenn der SALICIDE-Prozess für
die Source- und Drainbereiche 320 bzw. 330 gleichzeitig
mit dem SALICIDE-Prozess der Gateelektrode 340 durchgeführt wird.
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Des
weiteren kann, wie in 4C gezeigt, als ein anderes
Verfahren zur Lösung
dieser Probleme ein Entladungsbereich durch Vergrößerung eines Bereichs
von Source- und Drainübergängen 380 vergrößert werden.
In diesem Verfahren nimmt jedoch die Leistungsfähigkeit des Transistors aufgrund
einer Zunahme des parasitären
Widerstands ab und es gibt Beschränkungen hinsichtlich der Vergrößerung des
Entladungsbereichs und folglich ist die Änderung in der ESD-Charakteristik
klein. Wie oben erwähnt, beschreiben
die nicht erläuterten
Bezugszeichen in 4B bzw. 4C die
gleichen Elemente wie diejenigen von 4A und
es kann auf die obigen Beschreibungen derselben verwiesen werden.
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In
der nachveröffentlichten
Offenlegungsschrift
WO
01/75973 A2 ist eine kombinierte Transistor- und Kondensatorstruktur
offenbart, bei der ein Transistor alternierende, in einem Halbleitersubstrat gebildete
Source- und Drainbereiche
beinhaltet und ein Kondensator über
dem Transistor gebildet ist. Der Kondensator beinhaltet elektrisch
leitfähige,
parallele Leitungen, die in wenigstens zwei Schichtebenen vertikaler
Reihen unter Bildung entsprechender Kondensatorplatten angeordnet
sind, wobei zwischen den Kondensatorplatten dielektrisches Material
vorgesehen ist. Über
jedem Source- und Drainbereich befindet sich jeweils eine mit ihm
elektrisch verbundene Kondensatorplattenreihe, wobei die Source- und Drainbereiche
als gegenüberliegende
Kondensatorknoten fungieren.
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Die
Patentschrift
US 6.084.307
A offenbart eine Mehrschichtstruktur für digitale Leitungspaare in einer
vertikalen Twist-Konfiguration für
ein Speicherbauelement, insbesondere für eine Zweiebenen-Bitleitungsarchitektur
eines DRAM-Bauelements. Mit dieser Konfiguration sollen sowohl differentielles Rauschen
als auch Rauschen, das auf beiden Leitungen des Leitungspaares auftreten
kann, verringert werden.
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Die
Patentschrift
US 5.394.008
A offenbart ein integriertes Halbleiterschaltkreisbauelement
mit einem Halbleiterchip und einem ersten und zweiten Leiterrahmen
zur Versorgung einer Eingangsschaltung bzw. weiterer Schaltungen
des Chips mit einer Versorgungsspannung und/oder einer Massespannung.
Ein Impedanzmittel in Form einer metallischen Mehrschichtverdrahtung
auf dem Chip dient zur Verbindung des ersten und zweiten Leiterrahmens
miteinander sowie als Überspannungspuffer.
Die Mehrebenen-Metallverdrahtung ist einerseits z.B. mit je einem
der beiden dotierten Bereiche eines MOS-Transistors in einem Halbleitersubstrat
des Chips und andererseits mit einer zugehörigen Bondkontaktstelle verbunden, über die
dieser dotierte Transistorbereich durch eine Bonddrahtverbindung
mit einer entsprechenden Versorgungsspannungs- oder Massespannungs-Anschlussstruktur
eines der beiden Leiterrahmen verbunden ist.
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Die
Patentschrift
US 5.994.728
A offenbart eine Mehrschicht-Anschlussstruktur für einen
Feldeffekttransistor, bei der eine Gateverdrahtung als geschlossenes,
rechteckförmiges
Rahmenmuster gebildet ist, das mit wenigstens zwei gegenüberliegenden
Seiten je eine Gateelektrode bildet. Ein erster stark dotierter
Störstellenbereich
befindet sich im Inneren des Gateverdrahtungsrahmens, während sich ein
zweiter stark dotierter Störstellenbereich
außerhalb
des Gateverdrahtungsrahmens befindet. Auf den stark dotierten Störstellenbereichen
ist je eine ohmsche Anschlusselektrode als Durchkontaktstruktur
ausgebildet, um eine Kontaktierung mit in einer darüberliegenden
Schichtebene geführten
Anschlussverdrahtungsleitungen bereitzustellen.
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In
der Patentschrift
US
5.440.163 A ist ein Halbleiterbauelement mit MOSFET-Mehrfingerstruktur
und damit verbundener Widerstands-Mehrschichtstruktur mit ESD-Schutz offenbart,
bei der über
einem jeweiligen Source- oder Drainbereich unter Zwischenfügung von
Isolationsschichten mehrere übereinanderliegende
Verdrahtungsschichten vorgesehen sind, die über Durchkontakte in den Isolationsschichten
miteinander und mit dem Source- bzw. Drainbereich verbunden sind,
wobei die Durchkontakte in den beiden übereinanderliegenden Ebenen lateral
gegeneinander versetzt sind.
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines
Halbleiterbauelements mit vorteilhaftem Schutz vor elektrostatischer
Entladung bei verbesserter Entladungseffizienz zugrunde.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Bauelement ist ein
erhöhter "an"-Widerstand einer
Transistor-, insbesondere MOSFET-Mehrfingerstruktur gegeben, was
die Entladungseffizienz verbessert.
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Vorteilhafte,
nachfolgend beschriebene Ausführungsformen
der Erfindung sowie zu deren besseren Verständnis aufgenommene, herkömmliche
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
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1A ein
Schnittbild eines herkömmlichen n-Kanal
MOSFET (NMOSFET), das einen Snap-Back-Mechanismus zeigt, der während eines ESD-Ereignisses
auftritt,
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1B ein
Diagramm, das die Beziehung zwischen Strom und Spannung des NMOSFET
von 1A während
eines ESD-Ereignisses zeigt,
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2A eine
Draufsicht auf einen herkömmlichen
NMOSFET, der eine Mehrfingerstruktur aufweist,
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2B ein
Schnittbild des NMOSFET von 2A entlang
einer Linie 2B-2B' von 2A,
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3 ein
Diagramm, das einen Teil jedes NMOSFET von 2B und
einen parasitären
Bipolartransistor jedes NMOSFET zeigt,
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4A ein
Schnittbild eines herkömmlichen MOSFET,
in dem eine Silicidschicht auf Gateelektroden und auf Source- und
Drainbereichen durch einen selbstjustierenden Silicid(SALICIDE)-Prozess gebildet
ist,
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4B und 4C Schnittbilder
von herkömmlichen,
verbesserten MOSFETs zur Verbesserung des ESD-Schutzes und
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5A und 5B eine
jeweilige Draufsicht auf Beispiele von Mehrschichtverbindungen,
die bei der Kontaktierflächenstruktur
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung verwendet werden.
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Die 5A und 5B sind
Draufsichten, die zweischichtige Verbindungsmuster zur Bildung von
Mehrschichtverbindungen der Erfindung zeigen. Bezugnehmend auf 5A ist
eine erste Verbindungsschicht L1' in
einem nicht gezeigten dielektrischen Zwischenebenen(ILD)-Film auf
dem nicht gezeigten Halbleitersubstrat gebildet. Die erste Verbindungsschicht
L1' ist aus isolierten,
inselförmigen
Verbindungsmustern LP11, LP12 und LP13 gebildet, die parallel und
an ihren Enden ausgerichtet angeordnet sind. Eine zweite Verbindungsschicht
L2' ist auf der ersten
Verbindungsschicht L1' gebildet.
Verbindungsmuster LP21, LP22 und LP23 der zweiten Verbindungsschicht
L2' sind jeweils
aus einem isolierten, inselförmigen
Verbindungsmuster gebildet, das so geformt ist, dass es mit einem
Ende von zwei benachbarten Mustern, zum Beispiel den Verbindungsmustern
LP11 und LP12, der ersten Verbindungsschicht L1' verbunden ist. Kontaktstifte C1' sind auf Bereichen
gebildet, wo sich die Verbindungsmuster LP11, LP12 und LP13 der
ersten Verbindungsschicht L1' mit
den Verbindungsmustern LP21, LP22 und LP23 der zweiten Verbindungsschicht
L2' verbinden. Elektrische
Signale, die von den Drainbereichen des MOSFET empfangen und zu
den Verbindungsmustern LP11, LP12 und LP13 der ersten Verbindungsschicht
L1' übertragen
werden, fließen über einen Pfad
durch LP11 → LP21 → LP12 → LP22 LP13 → LP23 in
dieser Reihenfolge in die leitfähige
Kontaktstellenschicht. Das heißt,
dass die Verbindungsschichten L1' und
L2' so ausgelegt
werden können, dass
die elektrischen Signale durch die Verbindungsmuster LP11, LP12,
LP13 der ersten Verbindungsschicht L1' und durch die Verbindungsmuster LP21, LP22,
LP23 der zweiten Verbindungsschicht L2' durchgeleitet werden können. Die
Anzahl der Verbindungsmuster in der ersten und zweiten Verbindungsschicht
L1' bzw. L2' kann passend unter
Berücksichtigung
des "an"-Widerstands des
parasitären
Bipolartransistors des MOSFET bestimmt werden. Ebenfalls ist es
einfach, mehr als zwei Drainbereiche des MOSFET mit Mehrfingerstruktur
zu bilden, die elektrisch mit den Mehrschichtverbindungen verbunden
sind, da ein Widerstand durch die Verbindungsschichten mit der obigen
Struktur erzielt werden kann.
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5B zeigt
eine andere Art der Anordnung der Verbindungsmuster der Verbindungsschichten
in einer ähnlichen
Weise wie in 5A. Wie in 5B gezeigt,
sind Verbindungsmuster LP21',
LP22' und LP23' einer zweiten Verbindungsschicht
L2'' diagonal mit beiden
Enden von Verbindungsmustern LP11', LP12' und LP13' einer ersten Verbindungsschicht L1'' über
Kontaktstifte C1'' verbunden.
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Durch
die Anordnung der oben beschriebenen Muster kann ein Widerstand
erzielt werden, der größer ist
als derjenige von getrennten, streifenförmigen Verbindungsmustern.
Dieses Verfahren kann folglich zur Vergrößerung des "an"-Widerstands
verwendet werden, wenn die Anzahl an Verbindungsschichten der Mehrschichtverbindungen
begrenzt ist, zum Beispiel wenn Verbindungsschichten mit mehr als
zwei Schichten nicht verwendet werden können.
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Gemäß der Erfindung
fungieren aufgrund der Kontaktierflächenstruktur mit Mehrschichtverbindungen,
die voneinander getrennt sind, die Kontaktstifte zur Verbindung
der Verbindungsschichten und die Mehrschichtverbindungen als ein
Widerstand, wodurch der "an"-Widerstand des parasitären Bipolartransistors
vergrößert wird.
Folglich kann ein großer
Strom durch Anschalten des parasitären Bipolartransistors aller
MOSFETs mit Mehrfingerstruktur erhalten werden, so dass ein Zeitintervall
zum Anschalten benachbarter MOSFETs durch Vergrößerung des "an"-Widerstands
des zuerst angeschalteten MOSFET erzielt werden kann.