-
Die
Erfindung betrifft einen integrierten Widerstand, der in einem Substrat
die folgenden Bereiche enthält:
- – einen
in dem Substrat an der Substratoberfläche ausgebildeten dotierten
Pad-Anschlussbereich, der gemäß einer
Pad-Anschlussbereichdotierung mit
einem Grunddotiertyp dotiert ist und der einen Bereich mit maximaler
Anschlussbereich-Dotierstoffkonzentration
enthält,
- – einen
in dem Substrat an der Substratoberfläche und getrennt vom Pad-Anschlussbereich
ausgebildeten Schaltungs-Anschlussbereich,
der gemäß einer
Schaltung-Anschlussbereichdotierung mit dem Grunddotiertyp ausgebildet
ist, und
- – einem
in dem Substrat angeordneten dotierten Wannenbereich, der gemäß einer
Wannendotierung mit dem Grunddotiertyp dotiert ist, z.B. gemäß n-Dotierung,
der die beiden Anschlussbereiche umschließt und der einen Bereich mit
einer maximalen Wannen-Dotierstoffkonzentration enthält.
-
Ein
solcher Widerstand eignet sich insbesondere zum Schutz von integrierten
Feldeffekttransistoren vor elektrostatischen Entladungen, die auch
als ESD (ElectroStatic Discharge) bezeichnet werden. Die im Vergleich
zum Wannenbereich höher
dotierten Anschlussbereiche ermöglichen
einen niederohmigen Anschluss des Widerstandes. Der dotierte Wannenbereich
hat ebenfalls nur einen geringen Widerstand, bspw. kleiner als 10
Ohm, und führt
deshalb in einer Normalbetriebsart zu einem kleinen Spannungsabfall über dem
Widerstand, so dass der Widerstand die elektrischen Eigenschaften
einer Eingangs- oder
Ausgangsschaltung eines integrierten Schaltkreises in der Normalbetriebsart
kaum beeinflusst. Insbesondere Treiberstufen sollen im Normalbetrieb
keine hohen Spannungsabfälle
erzeugen, müssen
aber bei Störungen
vor zu großen
Strömen geschützt werden.
-
Erst
bei Störentladungen
treten großen Spannungen über dem
Widerstand und höhere Stromdichten
in dem Widerstand auf, wobei der differentielle Widerstand steigt
(velocity saturation), bspw. auf Werte größer 100 Ohm, und die Schutzfunktion des
Widerstandes ermöglicht.
-
Der
Widerstand hat bspw. eine Breite kleiner 5 Mikrometer und eine Widerstandsweite
kleiner 3 Mikrometer. Damit ist die für den Widerstand benötigte Substratfläche klein
im Verhältnis
zu der für
andere Schutzmaßnahmen
benötigten
Fläche.
Auch die Herstellung ist einfach im Vergleich zu Herstellungsschritten
für andere
Schutzmaßnahmen.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung einen einfach aufgebauten integrierten
Widerstand mit verbessertet Schutzfunktion anzugeben. Außerdem soll
ein einfaches Herstellungsverfahren angegeben werden.
-
Die
auf den integrierten Widerstand bezogene Aufgabe wird durch einen
Widerstand mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
-
Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass die Schutzwirkung des integrierten Widerstandes durch
eine Rückläufigkeit
bzw. einen sogenannten Snap-Back seiner Strom-Spannungs-Kennlinie bei größeren Spannungswerten
begrenzt wird. Am Rücklaufpunkt
wird entweder der Widerstand selbst oder die zu schützenden
Schaltung geschädigt.
Die Rückläufigkeit
der Kennlinie wird durch eine hohe Lawinenrate bzw. Avalancherate
von Ladungsträgern am Übergang
zwischen hochdotierten Anschlussbereich und gering dotiertem Wannenbereich
hervorgerufen, bspw. an einem n+/n -Übergang, dessen Arbeitsweise
bis auf das Sperrverhalten mit der Arbeitsweise eines pn- Übergangs vergleichbar ist.
Im Fall der Überschwemmung
des gering dotierten Wannenbereiche mit Löchern arbeitet also bspw. ein
n-Wannenwiderstand wie ein npn-Transistor.
-
Andererseits
geht die Erfindung von der Überlegung
aus, dass die Geometrie des Widerstandes nur in engen Grenzen geändert werden
kann, um der Rückläufigkeit
der Kennlinie entgegen zu wirken. Der Widerstand muss möglichst
schmal (bzgl. der Weite) und kurz (Abstand zwischen Pad-Anschlussbereich
und Schaltungs-Anschlussbereich) sein, um im ESD-Fall bei hinnehmbaren
Strom über
die Treiber schnell in den hochohmigen Bereich zu kommen.
-
Deshalb
enthält
der erfindungsgemäß Widerstand
zusätzlich
zu den eingangs genannten Bereichen einen Hilfsdotierbereich, der:
- – gemäß einer
Hilfsdotierung mit dem Grunddotiertyp dotiert ist,
- – der
zwischen dem Bereich mit maximaler Anschlussbereich-Dotierstoffkonzentration
und dem Bereich mit maximaler Wannen-Dotierstoffkonzentration angeordnet
ist, und
- – dessen
maximale Dotierstoffkonzentration mindestens den Wert der maximalen
Wannen-Dotierstoffkonzentration hat.
-
Bei
einer Ausgestaltung liegt der Hilfsdotierbereich um die Anschlussbereiche
herum, wobei ein Bereich der Wann zwischen den Anschlussbereichen existiert,
der von der zusätzlichen
Hilfsdotierung ausgenommen ist. Im Tiefenprofil führt der
Hilfsdotierbereich zwischen dem Bereich mit maximaler Anschlussbereich-Dotierstoffkonzentration
und dem Bereich mit maximaler Wannen-Dotierstoffkonzentration zu
einer Erhöhung
der Grunddotierung der Wanne in der Größenordnung der maximalen Wannen-Dotierstoffkonzentration.
-
Durch
den Hilfsdotierbereich kann der den Lawineneffekt hervorrufende
Feldüberhöhung entgegengewirkt
werden. Durch eine allmählichen Übergang
der Dotierstoffkonzentration wird der Betrag der elektrische Feldstärke verringert.
Der Hilfsdotierbereich liegt tiefer als der Pad-Anschlussdotierbereich und
hat bei einer Ausgestaltung eine flacheres Dotierprofil als der
Pad-Anschlussbereich. Zusätzlich wird
der Wannenbereich durch den allmählichen Übergang
der Dotierstoffkonzentration auch sehr niederohmig angeschlossen.
-
Bei
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Widerstands beträgt die maximale
Anschlussbereich-Dotierstoffkonzentration mindestens das Fünfzigfache
der maximale Wannen-Dotierstoffkonzentration,
vorzugsweise das Einhundertfache. Die maximale Anschlussbereich-Dotierstoffkonzentration
liegt bei einer Ausgestaltung im Bereich von 0,5 1018 Dotierstoffteilchen
je Kubikzentimeter bis 0,5 1020 Dotierstoffteilchen
je Kubikzentimeter. Dieser Bereich wird auch bei den Anschlussdotierrungen von
Feldeffekttransistoren verwendet, so dass sich die Anschlussbereich
des Widerstandes und der Feldeffekttransistoren gleichzeitig herstellen
lassen. Die maximale Wannen-Dotierstoffkonzentration liegt bei der
Ausgestaltung im Bereich von 0,5 1016 Dotierstoffteilchen
je Kubikzentimeter bis 0,5 1018 Dotierstoffteilchen
je Kubikzentimeter.
-
Bei
einer Weiterbildung beträgt
die Dotierstoffkonzentration des Hilfsdotierbereiches mindestens
das Fünffache
oder mindestens das Zehnfache der maximalen Wannen-Dotierstoffkonzentration. Damit
wird bspw. insbesondere auf der halben Strecke zwischen dem Bereich
mit maximaler Anschlussbereichsdotierung und dem Bereich mit maximaler Wannendotierung
eine Dotierstoffkonzentration erreicht, die einen Wert zwischen
diesen beiden Dotierstoffkonzentrationen hat. Auch durch eine geringere maximale
Dotierstoffkonzentration im Hilfsbereich lässt sich der Rückläufigkeit
der Kennlinie bereits entgegenwirken, wobei eine solche Vorgehensweise durch
das erfindungsgemäße Verfahren
geschützt ist.
-
Bei
einer nächsten
Weiterbildung gibt es lokale Minima zwischen dem Bereich mit der
maximalen Anschlussbereichdotierstoffkonzentration und dem Hilfsdotierbereich
sowie zwischen dem Hilfsdotierbereich und dem Bereich mit der maximalen
Wannen-Dotierstoffkonzentration. Dotierprofile mit solchen Minima
lassen sich durch drei Implantationsschritte auf einfache Art erzeugen.
Jedoch werden bei einer anderen Ausgestaltung auch mehr als drei Implantationsschritte
ausgeführt,
die durch das erfindungsgemäße Verfahren
geschützt
sind.
-
Bei
einer anderen Weiterbildung liegt die Strecke entlang der das Dotierprofil
betrachtet wird entgegen der Normalen der Substratoberfläche am Pad-Anschlussbereich.
Somit erstreckt sich der Bereich maximaler Wannen-Dotierstoffkonzentration auch
unterhalb des Pad-Anschlussbereiches. Der Abstand des Bereiches
mit maximaler Hilfsdotierstoffkonzentration von der Substratoberfläche am Pad-Anschlussbereich
liegt insbesondere bei Schutz-Widerständen für Submikrometertechnologien
im Bereich von 300 Nanometern bis 700 Nanometern. Bei Schutz-Widerständen für sogenannte
Hochvolttransistoren ist der Abstand größer als zwei Mikrometer oder
sogar größer als
vier Mikrometer. Die Hochvolttransistoren werden bspw. zum Programmieren
von Speicherzellen in EEPROM's
(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) oder in Flash-EEPROM's eingesetzt und
schalten insbesondere Spannungen mit Beträgen größer 12 Volt oder sogar größer 15 Volt.
-
Der
Widerstand hat bei einer Weiterbildung am Pad-Anschlussbereich und
am Schaltungs-Anschlussbereich das gleiche Dotierprofil, so dass
zusätzliche
Maßnahmen
zum Erzeugen von unsymmetrischen Dotierprofilen nicht erforderlich
sind. Bei einer alternativen Weiterbildung fehlt jedoch am Schaltungs-Anschlussbereich
fehlt ein dem Hilfsdotierbereich entsprechender Dotierbereich, wobei
bereits Vorteile der Erfindung wirksam werden.
-
Bei
einer Weiterbildung enthält
der Wannenbereich eine oder mehrere Aussparungsbereiche. Vorzugsweise
ist ein Abstand zwischen einem Aussparungsbereich und einem Anschlussbereich
kleiner als 100 Nanometer oder größer als 500 Nanometer, so dass
die Stromdichte im Bereich der Anschlussbereiche verringert wird.
-
Die
zentralen Aussparungsbereiche durchdringen bei einer Ausgestaltung
die Wannendotierung vollständig,
so dass mehrere streifenförmige Wannendotierbereiche
im Widerstand enthalten sind.
-
Bei
einer anderen Weiterbildung grenzt an mindestens einen Anschlussbereich
eine Silizidschicht an, die zu einem kleinen Anschlusswiderstand
führt.
Damit können
Maßnahmen
zum Blockieren der Bildung von Silizid entfallen, insbesondere in einem
selbstausrichtenden Silizidbildungsverfahren.
-
Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Widerstandes, insbesondere
des Widerstandes oder einer seiner Weiterbildungen. Damit gelten
die oben genannten technischen Wirkungen auch für das Verfahren. Das Verfahren
enthält
ohne Beschränkung
durch die Reihenfolge, in der die Schritte aufgeführt sind,
die folgenden Schritte:
- – in einem Substrat Ausbilden
eines gemäß einem Grunddotiertyp
dotierten Wannenbereiches als Bereich für einen Hauptspannungsabfall über dem
Widerstand,
- – in
dem Substrat Ausbilden mindestens eines gemäß dem Grunddotiertyp dotierten
Anschlussbereiches, über
den der Widerstand elektrisch angeschlossen wird, und
- – in
dem Substrat Ausbilden eines gemäß dem Grunddotiertyp
dotierten Hilfsbereiches des Widerstandes mit einem separaten Dotierschritt,
der getrennt von der Dotierung des Wannenbereiches und getrennt
von der Dotierung des Anschlussbereiches ausgeführt wird.
-
Bei
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Dotierungen
für den Wannenbereich,
für den
Hilfsbereich und für
den Anschlussbereich in aufeinanderfolgenden Dotierprozessen erzeugt,
bspw. in drei Implantationsprozessen und in dieser Reihenfolge erzeugt.
Die Dotiertiefe für
die Tiefe der maximalen Dotierstoffkonzentration in den drei Dotierprozessen
wird voneinander verschieden gewählt,
wobei die Tiefe in der Reihenfolge abnimmt, in der die Bereiche
genannt sind.
-
Die
Wannendotierungen wird vorzugsweise nach dem Aufbringen einer durch
eine thermische Oxidation erzeugten Feldoxidschicht oder nach einen STI-Grabenprozess
(Shallow Trench Isolation) hergestellt, bei dem Gräben geätzt, mit
einem Dielektrikum aufgefüllt
und anschließend
planarisiert werden. Die Dotierungen für die Anschlussbereiche und
für den
Hilfsdotierbereich werden vorzugsweise nach dem Erzeugen von Aussparungen
in der Feldoxidschicht bzw. nach dem Herstellen der STI-Gräben und
deren Füllen
hergestellt.
-
Ein
zur Dotierung des Hilfsbereiches erforderlicher Implantationsschritt
wird bei einer Ausgestaltung auch zur Implantation von Bereichen
der integrierten Schaltungsanordnung verwendet, die nicht zu dem
integrierten Schutz-Widerstand gehören. bspw. zur Herstellung
eines sogenannten n-Sinkers in einem BiCMOS-Prozess (Bipolar Complementary Metall
Oxide Semiconductor). Damit ist die Anzahl der benötigten Verfahrensschritte
klein.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen
erläutert.
Darin zeigen:
-
1 eine
Ausgangsstufe mit einem n-Wannen-Widerstand,
-
2 eine
Draufsicht auf den Widerstand,
-
3 einen
Querschnitt durch den Widerstand,
-
4 ein
Dotierprofil des Widerstands,
-
5 eine
I-U-Kennlinie des Widerstands,
-
6 einen
Streifen-Widerstand, und
-
7 einen
Streifen-Widerstand mit rückversetzten
Kontakten und vergrößertem Widerstandskopf.
-
1 zeigt
eine integrierte CMOS-Ausgangsstufe 10 mit einem n-Wannen-Widerstand 12. Die
Ausgangsstufe enthält
eine Plusleitung 14 zum Führen eines positiven Betriebspotentials
VDD, von bspw. drei Volt, und eine Masseleitung 16 zum
Führen eines
Massepotentials VSS von bspw. null Volt. Die Plusleitung 14 ist
mit einem Pluspad 15 verbunden, über das von außerhalb
der integrierten Schaltungsanordnung das positive Betriebspotential
angelegt wird. Die Masseleitung 16 ist mit einem Massepad 17 verbunden,
das seinerseits mit einem äußeren Massepotential
verbunden ist, wenn die integrierte Schaltung betriebsbereit ist.
-
Zwischen
der Plusleitung 14 und der Masseleitung 16 sind
ein einfacher Push-Pull-Inverter 18 und eine Schutzschaltung 20 angeordnet.
Der Inverter 18 enthält
einen p-Kanal Feldeffekttransistor 20 und einen n-Kanal
Feldeffekttransistor 22, deren Source-Drain-Strecken in
Reihe geschaltet sind. Die Gateanschlüsse der Feldeffekttransistoren 20 und 22 liegen
auf einem gemeinsamen Eingangspotential Ve. Die Drainanschlüsse der
Feldeffekttransistoren 20 und 22 und der eine
Anschluss des Widerstandes 12 liegen auf einem Ausgangspotential
Va.
-
Die
Schutzschaltung 20 enthält
neben dem Widerstand 12 noch zwei Schutzdioden 32 und 24, die
ebenfalls zwischen der Plusleitung 14 und, der Masseleitung 16 in
Reihe geschaltet sind. Der andere Anschluss des Widerstandes 12,
ein Ausgangspad 30, die Anode der Diode 32 und
die Kathode der Diode 34 liegen auf einem Padpotential
Vp. An Stelle der Dioden 32 und 34 werden bei
anderen Ausführungsbeispielen
andere ESD-Schutzelemente
mit einem Durchbruchsverhalten eingesetzt, z.B. als Diode geschaltete
Feldeffekttransistoren.
-
Die
Dioden 32 und 34 wirken dem Spannungsaufbau über den
Feldeffekttransistoren 22, 24 entgegen, wenn hohe äußere Spannungen
an dem Pluspad 15, dem Massepad 17 bzw. dem Ausgangspad 30 auftreten.
Die Dioden 32, 34 arbeiten beim Auftreten hoher
Spannungen in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung-. Arbeitet
die Diode 32 bzw. 34 in Sperrrichtung, so kommt
es zu einem Durchbruch in der Diode 32 bzw. 34,
der die Diode jedoch nicht zerstört.
ESD-Ströme über den
Feldeffekttransistor 22 bzw. 24 werden über den
Widerstand 12 begrenzt.
-
2 zeigt
eine Draufsicht auf den Widerstand 12, der sich in einem
Substrat befindet, bspw. in einem einkristallinem Halbleitersubstrat,
z.B. in einem Silizium-Halbleitersubstrat. Der Widerstand 12 hat
bspw. ein Weite W von fünf
Mikrometer und eine Länge
L von drei Mikrometern. Oxidbereiche und Metallisierungen oberhalb
des Widerstandes 12 sind in 2 aus Gründen der
besseren Übersicht
nicht dargestellt.
-
Der
Widerstand 12 enthält
bspw. zwei parallel zueinander im Abstand von etwa zwei Mikrometern
(bezogen auf die Mitten von Kontaktflächen) angeordnete gerade Kontaktreihen 52 und 54.
Jede Kontaktreihe 52 bzw. 54 enthält im Ausführungsbeispiel
elf Kontakte mit quadratische Kontaktfläche, wobei eine Seitelänge bspw.
250 Nanometer beträgt. Alternativ
werden Kontakte mit anderen Kontaktflächenformen eingesetzt, bspw.
mit kreisrunden oder ovalen Kontaktflächen. Die Kontakte der Kontaktreihe 52 führen im
Betrieb der integrierten Schaltung Padpotential Vp. Die Kontakte
der Kontaktreihe 54 führen
im Betrieb der integrierten Schaltung dagegen das Ausgangspotential
Va.
-
Ein
im Bereich der Kontaktreihe 52 liegender Pad-Anschlussdotierbereich 56 wurde
mit einer separaten Anschlussbereich-Implantation hergestellt und enthält eine
starke n, bzw. eine n+, Dotierung mit einer maximalen Dotierstoffkonzentration
von 1019 Dotierstoffe je Kubikzentimeter.
Im Vergleich zu den Ionenenergien bei den weiter unten erwähnten Implantationen
wurde für
die Anschlussbereich-Implantation die geringste Ionenenergie eingesetzt,
jedoch die höchste
Bestrahlungsdosis verwendet. Bis zu dem im Substrat 50 liegenden
Rand des Pad-Anschlussdotierbereiches 56 sinkt
die Dotierstoffkonzentration auf etwa 1017 Dotierstoffe
je Kubikzentimeter. Der Umriss des Pad-Anschlussdotierbereiches 56 ist
bei einer Draufsicht gemäß 2 ein
Rechteck, ggf. mit stärker
abgerundeten Kanten als in 2. Der Umriss
des Pad-Anschlussdotierbereich 56 umschließt die Kontaktreihe 56 symmetrisch. Bspw.
ist der Umriss 2,6 Mikrometer lang und 0,5 Mikrometer breit.
-
Ein
Schaltungs-Anschlussdotierbereich 58 wurde gleichzeitig
mit dem Pad-Anschlussdotierbereich 56 implantiert. Der
Pad-Anschlussdotierbereiches 56 hat
das gleiche Dotierprofil und den gleichen Umriss wie der Pad-Anschlussdotierbereich 56,
umschließt
jedoch die Kontaktreihe 54 symmetrisch.
-
In 2 ist
außerdem
der Umriss eines Wannendotierbereiches 60 dargestellt,
der die Anschlussdotierbereiche 56 und 58 symmetrisch
umschließt
und das Gebiet zwischen den Anschlussdotierbereichen 56 und 58 ausfüllt. Damit
bildet der Wannendotierbereich 60 den Hauptteil des Widerstandes 12.
Bspw. hat der Umriss des Wannendotierbereiches 60 Abmessungen
von 4,8 Mikrometer mal 2,8 Mikrometer. Die Anschlussdotierbereiche 56 und 58 erstrecken
sich entlang von einander gegenüberliegenden
Längsseiten
des Wannendotierbereiches 60. Der Wannendotierbereich 60 wurde
in einem separaten Wannen-Implantationsschritt
n dotiert, bspw. mit einer maximalen Dotierstoffkonzentration von 1017 Dotierstoffe je Kubikzentimeter. Der Wannenimplantationsschritt
wurde mit einer großen
Ionenenergie, jedoch mit einer kleine Bestrahlungsdosis ausgeführt.
-
Der
Umriss eines Hilfsdotierbereiches 70 wird ebenfalls durch
ein Rechteck umschrieben, das bspw. drei Mikrometer lang und einen
Mikrometer breit ist. Der Umriss des den Hilfsdotierbereich 70 umschließenden Rechtecks
liegt symmetrisch zu einer die Mitten der Kontakte der Kontaktreihe 52 verbindenden
Linie. Die Dotierung des Hilfsdotierbereiches 70 wurde
mit einem separaten Hilfs-Implantationsschritt mit mittlerer Ionenenergie
und mittlerer Strahlendosis erzeugt. Die maximale Dotierstoffkonzentration
im Hilfsdotierbereich 70 liegt bspw. bei 7 1017 Dotierstoffteilchen
je Kubikzentimeter.
-
Ein
Hilfsdotierbereich 72 wurde gleichzeitig mit dem Hilfsdotierbereich 70 implantiert.
Der Hilfsdotierbereich 72 hat das gleiche Dotierprofil
und den gleichen Umriss wie der Hilfsdotierbereich 70.
Der Umriss des Hilfsdotierbereiches 72 umschließt jedoch
die Kontakte der Kontaktreihe 54.
-
In 2 ist
außerdem
eine Schnittlinie 74 dargestellt, die die Lage des in 3 gezeigten Querschnitts
senkrecht zur Blattebene angibt. Die Schnittlinie 74 schneidet
einen mittleren Kontakt 76 der Kontaktreihe 56 und
einen mittleren Kontakt 78 der Kontaktreihe 78.
Die Kontakte 76 und 78 bestehen bspw. aus einem
Silizid.
-
3 zeigt
einen Querschnitt durch den Widerstand 12. Außer den
bereits an Hand der 2 erläuterten Dotierbereichen ist
eine Isolierschicht 100 dargestellt, die Isolierbereiche 102, 104 und 106 im Bereich
des Widerstandes 12 enthält. Die Isolierbereiche 102 bis 106 werden
durch ein elektrisch isolierendes Material gebildet, bspw. durch
Siliziumdioxid. Das isolierende Material ist in einem Graben oder
in mehreren Gräben
angeordnet. Die Tiefe der Gräben beträgt bspw.
250 Nanometer.
-
Der
Isolierbereich 102 erstreckt sich von einem linken Bereich,
der nicht zum Widerstand 12 gehört bis zu einem Steg 110 des
Substrats 50. Der Steg 110 ist bei der Grabenätzung der
Gräben
für die Isolierbereiche
entstanden und hat im Ausführungsbeispiel
eine gleichbleibende Stegbreite entlang seiner Längsachse. Der Steg 110 dient
zur Aufnahme des Pad-Anschlussdotierbereiches 56.
Die Breite des Steges 110 ist größer als die Breite der Kontakte der
Kontaktreihe 52, bspw. doppelt so groß, siehe Kontakt 76.
-
Der
Isolierbereich 104 erstreckt sich vom Steg 110 bis
zu einem Steg 112, der zur Aufnahme des Schaltungs-Anschlussdotierbereiches 58 dient und
der die gleichen Abmes sungen wie der Steg 110 hat. Der
Isolierbereich 106 liegt an der dem Isolierbereich 104 abgewandten
Seite des Steges 112 an und erstreckt sich bis in einen
rechten Bereich, der nicht zum Widerstand 12 gehört.
-
Eine
an die Isolierbereiche 102 bis 106 angrenzende
Isolierschicht 120 enthält
Aussparungen für
die Kontakte 76, 78 und für Metallkontakte 122 bzw. 124 die
zu den Kontakten 76 bzw. 78 führen. Die Isolierschicht 120 besteht
bspw. ebenfalls aus Siliziumdioxid.
-
In 3 ist
außerdem
die Lage einer Geraden 130 eingezeichnet, die entgegen
der Normalenrichtung der Substratoberfläche 132 des Substrats 50 liegt
und die in der Mitte des Kontakts 76 beginnt. Eine Gerade 134 liegt
ebenfalls entgegen der Normalenrichtung der Substratoberfläche 132.
Unten wird an Hand der 4 der Verlauf der Dotierstoffkonzentration
entlang der Geraden 130 bzw. 134 erläutert.
-
Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
wird die Hilfsdotierung nur am Pad-Anschlussbereich 56 jedoch
nicht am Schaltungs-Anschlussbereich 58 eingebracht,
siehe gestrichelte Linie 72.
-
Bei
einem nächsten
Ausführungsbeispiel
ist ein Wannendotierbereich 136 breiter als der Wannendotierbereich 60.
Der Wannendotierbereich 136 umschließt auch den Hilfsdotierbereich 70 bzw.
72 im Substrat 50 vollständig.
-
4 zeigt
ein Dotierprofil des Widerstands 12 entlang der Gerade 130,
die gleichzeitig die x-Achse eines Koordinatensystems 150 ist.
Die x-Achse zeigt in lineare Darstellung die Tiefe T, d.h. den Abstand
von der Substratoberfläche 132 an, bspw.
im Bereich von Null Nanometern bis zu zwei Mikrometern. Eine y-Achse
152 des Koordinatensystems 150 zeigt in logarithmischer
Darstellung die Dotierstoffkonzentration ND von
Donator- bzw. n-Dotierteilchen im Bereich von 1016 (10^16)
bis 1020 Dotierteilchen je Kubikzentimeter
an. Das in 4 dargestellte Dotierprofil
liegt am Ende der Herstellung des Widerstandes 12 vor,
d.h. insbesondere nach einem oder mehreren Temperschritten.
-
In
dem Koordinatensystem 150 ist der Verlauf dreier Kurven 160, 162 und 164 dargestellt,
die jeweils von einem Maximum M1, M2 bzw. M3 mit zunehmender Tiefe
T bzw. mit abnehmender Tiefe zuerst flacher und dann steiler fallen.
Die Kurve 160 zeigt die durch die Anschlussdotierungs-Implantierung
und die anschließende
Temperung hervorgerufene Dotierstoffverteilung mit dem Maximum M1
bei 1019 Dotierstoffatomen je Kubikzentimeter
in einer Tiefe T1 von 150 Nanometern. Die Kurve 160 hat
den steilsten Verlauf der Kurven 160 bis 164.
Die Dotierstoffkonzentration fällt
auf ein Zehntel des Wertes im Maximum M1 schon bei einem Abstand
von etwa 150 Nanometern von der Tiefe T1.
-
Die
Kurve 162 zeigt den durch die Hilfs-Implantierung und die
anschließende
Temperung hervorgerufene Dotierstoffverteilung mit dem Maximum M2 bei
0,7 1018 Dotierstoffatomen je Kubikzentimeter
in einer Tiefe T3 von 500 Nanometern. Die Kurve 162 hat
einen flacheren Verlauf als die Kurve 160 aber einen steileren
Verlauf als die Kurve 164. Die durch die Kurve 164 dargestellt
Dotierstoffkonzentration fällt auf
ein Zehntel des Wertes im Maximum M2 erst in einem Abstand von etwa
250 Nanometern von der Tiefe T3.
-
Die
Kurve 164 zeigt den durch die Wannen-Implantierung und
die anschließende
Temperung hervorgerufene Dotierstoffverteilung mit dem Maximum M3
bei 1017 Dotierstoffatomen je Kubikzentimeter
in einer Tiefe T5 von 1150 Nanometern. Die Kurve 164 hat
den flachsten Verlauf der Kurven 160 bis 164.
Die Dotierstoffkonzentration fällt
auf ein Zehntel des Wertes im Maximum M3 erst in einem Abstand von
etwa 660 Nanometern von der Tiefe T5.
-
Die
durch die Kurven 160 bis 164 dargestellten Profile überlagern
sich im Widerstand 12 zu einem Kurvenverlauf, insbesondere
wenn für
die drei Implantationen die gleichen Dotierstoffe verwendet werden,
z.B. Phosphor. Auf Grund der logarithmischen Darstellung entspricht
der überlagerte
Verlauf in erster Näherung
einer Kurve, die für
jede Tiefe T das Maximum aus den Werten der drei Kurven 160 bis 164 in
der bereffenden Tiefe T auswählt.
Die Grenzen der Dotierbereiche 56, 70 und 60 liegen dort,
wo durch die Dotierung für
den Nachbarbereich die gleiche Dotierstoffkonzentration erzeugt
wird, wie durch die Dotierung des betrachteten Bereiches. Die Grenze
zwischen dem Pad-Anschlussdotierbereich 56 und dem Hilfsdotierbereich 70 liegt
im Ausführungsbeispiel
in einer Tiefe T2 von etwa 300 Nanometern. Die Grenze zwischen dem
Hilfsdotierbereich 70 und der Wannendotierung 60 liegt
bspw. in einer Tiefe von 850 Nanometern.
-
Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
werden die zu den Kurven 160 und 164 gehörenden Dotierungen
durch Phosphor-Implantationen
erzeugt. An Stelle der Kurve 162 wir aber eine Kurve mit
Hilfe einer Arsen-Implantation
erzeugt, die das gleiche Maximum M2 jedoch eine andere Steilheit
als die Kurve 162 hat. Damit lässt sich der Verlauf des Dotierprofils
im Widerstand 12 auch über
die Art des Dotierstoffes einstellen.
-
Entlang
der Geraden 134 gibt es nur das durch die Kurve 164 gezeigte
Dotierprofil, wobei stärkere
Abweichungen von dem in 3 dargestellten Verlauf nur
im Bereich des Isolierbereichs 104 auftreten.
-
5 zeigt
in einem Koordinatensystem 170 eine I-U-Kennlinie 171 des Widerstands 12.
Auf einer x-Achse 172 ist die Spannung über dem Widerstand im Bereich
von null Volt bis zehn Volt abgetragen. Auf einer y-Achse 173 des
Koordinatensystems 170 ist der auf einen Mikrometer Weite
des Widerstands 14 bezogene Strom im Bereich von null Milliampe re/Mikrometer
bis zwanzig Milliampere/Mikrometer dargestellt. Die Kennlinie 171 steigt
zwischen null Volt und fünf
Volt in einem Abschnitt 174 etwa linear von null Milliampere
je Mikrometer auf acht Milliampere je Mikrometer an, so dass in
diesem Bereich auch der differentielle Widerstand Rdiff gleich bleibt.
In einem Sättigungsabschnitt 175 zwischen
fünf Volt
und zehn Volt flacht die Kennlinie 171 dagegen stark ab,
so dass der differentielle Widerstand Rdiff steigt.
-
Im
ESD-Störfall
wird ein Punkt 176 der Kennlinie 171 am Ende des
Sättigungsabschnitts 175 zu einem
Zeitpunkt t1 erreicht. Am Punkt 176 beträgt eine
Spannung Vt1 über
dem Widerstand 12 etwa 10 Volt und ein weitenbezogener
Strom It1 beträgt
10 Milliampere je Mikrometer. Der Punkt 176 markiert den
Punkt der Kennlinie 171 an dem diese rückläufig wird. So wird zu einem
späteren
Zeitpunkt t2, der bspw. 50 Nanosekunden nach t1 liegt, ein Punkt 178 der
Kennlinie 171 erreicht. In dem Punkt 178 beträgt eine
Spannung Vt2 über
dem Widerstand nur noch 7 Volt und ein weitenbezogener Strom It2
beträgt
20 Milliampere je Mikrometer.
-
Durch
die Implantation der Hilfsdotierung wird erreicht dass der Spannungsabfall über dem
Widerstand 12 im ESD-Fall größer wird als ohne Hilfsdotierung.
Damit fließt
ein größer Teil
des ESD-Stroms über
die Diode 32 bzw. 34 ab als ohne Hilfsdotierung.
-
Eine
gestrichelte Kennlinie 181 gibt den Verlauf der Kennlinie
eines Widerstands wieder, der wie der Widerstand 12 aufgebaut
ist, jedoch keine Hilfsdotierbereiche 70, 72 enthält. Die
Kennlinie 181 ist im Vergleich zur Kennlinie 171 in
Richtung der x-Achse 172 gestaucht. Ein dem Punkt 176 entsprechender Punkt 186 liegt
bei einem Spannungswert von fünf Volt
und einem weitenbezogenen Strom von zehn Milliampere je Mikrometer.
Ein dem Punkt 178 entsprechender Punkt 188 liegt
bei zwei Volt und zwanzig Milliampere je Mikrometer. Damit fließt im ESD-Fall
ein größerer Strom über den
Widerstand zu den zu schützenden
Transistoren 22, 24 als bei Verwendung des Widerstands 12.
-
6 zeigt
einen Streifen-Widerstand 12b, der bis auf die im folgenden
erläuterten
Unterschiede wie der Widerstand 12 aufgebaut ist. Gleiche
Bestandteile sind deshalb mit den gleichen Ziffern bezeichnet, denen
jedoch zur Unterscheidung der Kleinbuchstabe b nachgestellt ist.
So ist der Widerstand 12b in einem Substrat 50b hergestellt
und enthält:
- – Kontaktreihen 52b und 54b,
- – einen
Pad-Anschlussdotierbereich 56b,
- – einen
Schaltungs-Anschlussdotierbereich 58b,
- – einen
Wannendotierbereich 60b,
- – Hilfsdotierbereiche 70b und 72b,
und
- – einen
Kontakt 76b, unter dem das gleiche Dotierprofil vorhanden
ist, wie unter dem Kontakt 76.
-
Die
genannten Bereiche des Widerstands 12b haben die gleichen
Abmessungen wie die entsprechenden Bereiche im Widerstand 12.
Eine Weite Wb des Widerstands 12b stimmt mit der Weite
W überein.
Eine Länge
Ld des Widerstands 12b stimmt ebenfalls mit der Länge L überein.
-
An
Stelle eines durchgehenden Wannendotierbereiches 60b enthält der Widerstand 12b zwischen
Stegen, die den Stegen 110 und 112 entsprechen,
bspw. drei Aussparungsbereiche 200, 202 und 204.
In den Aussparungsbereichen 200, 202 und 204 ist
der Wannendotierbereich 60b ausgespart, so dass in den
Aussparbereichen 200, 202 und 204 die Grunddotierung
des Substrates 50b vorliegt, d.h. eine p-Dotierung. Damit
sind die Aussparungsbereiche 200, 202 und 204 kein
Teil des Strompfades des Widerstands 12b. Die Aussparungsbereiche 200, 202 und 204 durchdringen
den Wannendotierbereich 60b vollständig.
-
Die
Aussparungsbereiche 200, 202 und 204 grenzen
an die Hilfsdotierbereiche 70b, 72b an. Bei einem
anderen Ausführungsbeispiel
grenzen die Aussparungsbereiche 200, 202 und 204 an
die Anschlussbereiche 56b bzw. 58b an oder sind
mit einem Abstand kleiner als 100 Nanometern zu den Hilfsdotierbereichen 70b und 72b angeordnet.
Die Aussparungsbereiche 200, 202 und 204 haben
einen quadratischen Umriss, mit einer Kantenlänge von bspw. einem Mikrometer.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
gibt es mehr als drei Aussparungsbereiche und/oder Aussparungsbereiche
mit einer anderen Umrissform, bspw. mit einem rechteckigen Umriss.
-
Der
Strompfad des Widerstandes 12b wird durch vier schmale
Wannenstreifen 210, 212, 214 und 216 gebildet,
die Bestandteil des Wannendotierbereiches 60b sind. Durch
diese Geometrie wird bei gleicher maximaler Stromdichte durch den
Querschnitt des Widerstandes 12b wie durch den Querschnitt
des Widerstandes 12 die Stromdichte im Bereich der Kontakte,
z.B. 76b, der Kontaktreihen 52b und 54b im
Vergleich zu der Stromdicht im Bereich der Kontaktreihen 52 und 54 verringert.
-
7 zeigt
einen Streifen-Widerstand 12d mit rückversetzten Kontakten und
vergrößertem Widerstandskopf.
Der Widerstand 12d ist bis auf die im folgenden erläuterten
Unterschiede wie der Widerstand 12b aufgebaut ist. Gleiche
Bestandteile sind deshalb mit den gleichen Ziffern bezeichnet, denen jedoch
zur Unterscheidung der Kleinbuchstabe d nachgestellt ist. So ist
der Widerstand 12d in einem Substrat 50d hergestellt
und enthält:
- – Kontaktreihen 52d und 54d,
- – einen
Pad-Anschlussdotierbereich 56d,
- – einen
Schaltungs-Anschlussdotierbereich 58d,
- – einen
Wannendotierbereich 60d,
- – Hilfsdotierbereiche 70d und 72d,
- – einen
Kontakt 76d, unter dem das gleiche Dotierprofil vorhanden
ist, wie unter dem Kontakt 76b bzw. 76,
- – drei
Aussparungsbereiche 200d, 202d und 204d mit
quadratischen Umrissen, bspw. mit einer Kantenlänge von einem Mikrometer, und
- – Wannenstreifen 210d, 212d, 214d und 216d, die
in dem Wannendotierbereich 60d enthalten sind.
-
Die
genannten Bereiche des Widerstands 12d haben die gleichen
Abmessungen wie die entsprechenden Bereiche im Widerstand 12b.
Eine Weite Wd des Widerstands 12d stimmt mit der Weite
W bzw. Wb überein.
Eine Länge
Ld ist jedoch größer als die
Länge L
bzw. Lb, insbesondere um mindestens einen Mikrometer.
-
Zwischen
den Rand der Aussparungsbereiche 200d, 202d und 204d auf
der einen Seite und dem nächstgelegenen
Rand des Pad-Anschlussdotierbereiches 56d liegt
damit ein Abstand A1, von bspw. mindestens 500 Nanometern. Der Abstand
A1 trägt
zu einer weiteren Verringerung der Stromdichte im Bereich der Kontaktreihen 52d bis 54d bei.
-
Bei
alternativen Ausführungsbeispielen
sind die Aussparungsbereiche 200, 202, 204 bzw. 200d, 202d, 204d mit
einem Isoliermaterial gefüllt,
bspw. mit Siliziumdioxid.
-
Bei
allen Ausführungsbeispielen
ist über dem
Widerstand 12, 12b, 12d kein Gatestapel
angeordnet. Alternativ sind solche Gatestapel ausgeführt, werden
dann aber nicht angeschlossen.
-
- 10
- Ausgangsstufe
- 12,
12b, 12d
- Widerstand
- 14
- Plusleitung
- 15
- Pluspad
- VDD
- positives
Betriebspotential
- VSS
- Massepotential
- 16
- Masseleitung
- 17
- Massepad
- 18
- Inverter
- 20
- Schutzschaltung
- 22,
24
- Feldeffekttransistor
- Ve
- Eingangspotential
- Va
- Ausgangspotential
- Vp
- Pluspotential
- 30
- Ausgangspad
- 32,
34
- Schutzdiode
- 50,
50b, 50d
- Substrat
- 52,
52b, 52d
- Kontaktreihe
- 54,
54b, 54d
- Kontaktreihe
- 56,
56b, 56d
- Pad-Anschlussdotierbereich
- 58,
58b, 58d
- Schaltungs-Anschlussdotierbereich
- 60,
60b, 60d
- Wannendotierbereich
- 70,
70b, 70d
- Hilfsdotierbereich
- 72,
72b, 72d
- Hilfsdotierbereich
- 74
- Schnittlinie
- 76,
76b, 76d
- Kontakt
- 78
- Kontakt
- W,
Wb, Wd
- Weite
- L,
Lb, Ld
- Länge
- 100
- Isolierschicht
- 102
bis 106
- Isolierbereich
- 110,112
- Steg
- 120
- Isolierschicht
- 122,
124
- Metallkontakt
- 130
- Gerade
- 132
- Substratoberfläche
- 134
- Gerade
- 136
- Wannendotierung
- 150
- Koordinatensystem
- 152
- y-Achse
- 160
bis 164
- Kurve
- M1,
M2, M3
- Maximum
- T
- Tiefe
- T1
bis T5
- Tiefe
- 170
- Koordinatensystem
- 171
- I-U-Kennlinie
- 172
- x-Achse
- 172
- y-Achse
- 174,
175
- Abschnitt
- 176,
178
- Punkt
- t1,
t2
- Zeitpunkt
- 181
- Kennlinie
- Rdiff
- differentieller
Widerstand
- 186,
188
- Punkt
- 200
bis 204
- Aussparungsbereich
- 200d
bis 204d
- Aussparungsbereich
- 210
bis 216
- Wannenstreifen
- 210d
bis 216d
- Wannenstreifen