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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz einer Schaltung vor elektrostatischen Entladungen (ESD, Electrostatic Discharge) sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Bei integrierten Schaltkreisen (IC, Integrated Circuit) und anderen elektronischen Schaltungen ist es im Allgemeinen notwendig, die in den integrierten Schaltungen enthaltenen Schaltungselemente wie z. B. Transistoren vor Beschädigung durch elektrostatische Entladungen, welche beispielsweise durch eine Berührung von einem Menschen hervorgerufen werden können, zu schützen. Herkömmlicherweise geschieht dies durch Schutzelemente, welche eine an einem Ein, d. h. einem Anschluss der integrierten Schaltung auftretende elektrostatische Entladung auf eine Versorgungsspannung ableiten. Diese Schutzelemente weisen in einem Normalbetrieb der Schaltung, das heißt ohne elektrostatische Entladung, ein Sperrverhalten auf, um die Funktionsweise der Schaltung nicht zu beeinträchtigen. Beim Auftreten einer elektrostatischen Entladung werden die Schutzelemente leitend und können die Entladung somit wie oben beschrieben ableiten.
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Die
WO 02/37566 A2 offenbart eine Schaltung, bei welcher ein Anschluss der Schaltung über einen Transistor und einen Widerstand mit Masse verbunden ist. Dabei ist ein Drain-Anschluss des Transistors mit dem Anschluss der Schaltung, ein Source-Anschluss mit einem Gate-Anschluss und mit einem ersten Anschluss des Widerstands sowie ein zweiter Anschluss des Widerstands mit Masse verschaltet. Zudem ist ein lokaler Bulk-Anschluss, beispielsweise ein Wannenanschluss, des Transistors mit Masse verschaltet. Der Transistor bildet dabei eine Auslöseschaltung für einen Silicon Controlled Rectifier (SCR), welcher zum Schutz einer Schaltung vor elektrostatischen Entladungen dient.
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Aus der
US 2005/0224881 A1 ist eine Schutzschaltung zum Schutz einer Schaltung vor elektrostatischen Entladungen bekannt, wobei ein Transistor zwischen einem Ein-/Ausgabeanschluss einer Schaltung und Masse geschaltet ist, und wobei auch ein Wannenanschluss des Transistors mit Masse verschaltet ist.
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Aus der
US 2006/0044714 A1 und der
US 2005/0002139 A1 sind ESD-Schutzschaltungen bekannt, bei welchen eine Steuerschaltung für einen Transistor zwischen eine positive Versorgungsspannung und eine negative Versorgungsspannung geschaltet ist.
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Aus der
US 6 646 840 B1 ist eine ESD-Schutzschaltung bekannt, welche einen Triggertransistor und einen ESD-Transistor umfasst, wobei der Triggertransistor mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist und Gate-Anschlüsse des Triggertransistors und des ESD-Transistors miteinander verschaltet sind.
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Die
US 2005/0057866 A1 offenbart in der dortigen
9 eine ESD-Schutzschaltung, bei welcher zwischen einem zu schützenden Anschluss und Masse zunächst eine Diodenkette und ein Polysiliziumwiderstand in Reihe geschaltet sind. Ein Knoten zwischen der Diodenkette und dem Polysiliziumwiderstand ist mit einem Basisanschluss eines Bipolartransistors verbunden, dessen Kollektoranschluss mit dem zu schützenden Anschluss und dessen Emitteranschluss mit Masse verschaltet ist. Zudem ist der Emitteranschluss mit einem Gate-Anschluss eines MOS-Transistors verschaltet. Der Drain-Anschluss des MOS-Transistors ist mit dem Kollektoranschluss des Bipolartransistors verschaltet, und ein Source-Anschluss des MOS-Transistor ist mit einem Emitteranschluss des Bipolartransistors verschaltet. Ein Wannenanschluss des MOS-Transistors ist mit dem Knoten zwischen den Polysiliziumwiderstand und der Diodenkette verschaltet.
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Dabei ist die Spannung, mit welcher die in einer integrierten Schaltung enthaltenen Schaltungselemente betrieben werden, in den letzten Jahren gesunken. Auf der anderen Seite ist es jedoch vielfach nötig, dass die integrierte Schaltung Spannungen verarbeiten kann, welche höher ist als die Spannung, für welche die einzelnen Schaltungselemente ausgelegt sind. Dies ist insbesondere bei so genannten On-Chip-Systemen (System an Chip) der Fall, bei welchen Eingangssignale und dergleichen mit höherem Signalpegel verarbeitet werden müssen. Beispielsweise arbeiten moderne Niedrigspannungstransistoren in integrierten Schaltkreisen bei Spannungen kleiner als 1,5 V, während insgesamt an der integrierten Schaltung anliegende Spannungen von 10 V verarbeitet werden müssen.
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Dabei müssen Maßnahmen getroffen werden, um zu verhindern, dass an den einzelnen Schaltungselementen wie Transistoren im Normalbetrieb ein höherer Spannungsabfall als zulässig, beispielsweise höher als 1,5 V, entsteht. Dies geschieht insbesondere mithilfe so genannter virtueller Versorgungsspannungsleitungen, welche mit den Schaltungselementen der integrierten Schaltung verschaltet ist und auf einem Potenzial gehalten werden, welches sicherstellt, dass an den Schaltungselementen keine überhöhte Spannung anfällt. Bei Schaltungselementen, welche für eine Spannung von 1,5 V ausgelegt sind, und einer an der integrierten Schaltung anliegenden Eingangsspannung von 10 V könnte eine derartige virtuelle Versorgungsspannung beispielsweise auf einem Potenzial bzw. einer Spannung von 8,5 V gehalten werden. In diesem Fall sind die Schaltungselemente zwischen den 10 V-Eingang und die virtuelle Versorgungsspannungsleitung geschaltet, ohne dass ein höherer Spannungsabfall als 1,5 V möglich ist. In gleicher Weise können Schaltungselemente zwischen zwei derartige virtuelle Versorgungsspannungsleitungen geschaltet werden.
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Derartige virtuelle Versorgungsspannungen werden üblicherweise mit externen Pins der integrierten Schaltung verbunden, da es vorteilhaft ist, die virtuellen Versorgungsspannungsleitungen mit einer großen externen Kapazität zu verbinden, um die virtuelle Versorgungsspannungsleitung zu puffern und Schaltrauschen (Switching Noise) zu verringern.
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Auch diese externen Pins der virtuellen Versorgungsspannungsleitungen müssen jedoch aus den oben genannten Gründen vor elektrostatischen Entladungen geschützt werden. Hier tritt jedoch das Problem auf, dass wie oben beschrieben die herkömmlich dafür verwendeten Schutzelemente im Normalbetrieb der Schaltung nicht leitend sein dürfen, das heißt im obigen Zahlenbeispiel erst bei Spannungen über 10 V leitend werden dürften. Bei derartigen Spannungen können die Schaltungselemente in der integrierten Schaltung jedoch bereits beschädigt sein, insbesondere da beim Auftreten einer elektrostatischen Entladung die Einstellung der virtuellen Versorgungsspannungen auf die gewünschten Potenziale nicht oder nicht zuverlässig arbeitet.
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Daher ist es nötig, zusätzliche Schutzanordnungen zum Schutz der Schaltung bereitzustellen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ESD-Schutzschaltungsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren, insbesondere für den Schutz von Schaltungsteilen, welche für eine niedrige Spannung ausgelegt sind als eine an der Schaltung im Normalbetrieb maximal anliegende Spannung, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 15. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsbeispiele der Vorrichtung bzw. des Verfahrens, sowie eine Schaltung, welche die Vorrichtung umfasst.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Schutz einer Schaltung vor elektrostatischen Entladungen gemäß Anspruch 1 bereitgestellt, wobei die Schaltung einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Strompfad, wobei jeder Strompfad des mindestens einen Strompfades einen Transistor und ein erstes Schaltungselement umfasst, wobei ein erster Lastanschluss des Transistors mit dem ersten Anschluss der Schaltung verschaltet ist, wobei ein zweiter Lastanschluss des Transistors mit einem Steueranschluss des Transistors und mit einem ersten Anschluss des ersten Schaltungselements verschaltet ist, wobei ein zweiter Anschluss des ersten Schaltungselements mit dem zweiten Anschluss der Schaltung verschaltet ist, und wobei ein Wannenanschluss des Transistors über ein diskretes zweites Schaltungselement zur Gewährleistung eines schnellen Ansprechens der Vorrichtung beim Auftreten einer elektrostatischen Entladung mit dem zweiten Anschluss der Schaltung verschaltet ist, wobei der zweite Anschluss ein Anschluss einer virtuellen Versorgungsspannungsleitung ist, und
wobei das erste Schaltungselement ein Polysilizium-Widerstand oder ein Widerstand mit einem Widerstandswert von 100 bis 300 Ohm ist; und
wobei das zweite Schaltungselement ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem
- – Polysilizium-Widerstand,
- – einem Widerstand mit einem Widerstandswert von mindestens 100 Ohm,
- – einem Transistor, dessen Steueranschluss auf einem festen Potenzial liegt,
- – einer Diode,
- – einem Mittel zum Detektieren einer elektrostatischen Entladung, sodass die Verbindung zwischen dem Wannenanschluss des Transistors mit dem zweiten Anschluss im Falle einer elektrostatischen Entladung hochohmiger ist als ohne elektrostatische Entladung, und
- – einem Mittel, das den Wannenanschluss des Transistors bei einer elektrostatischen Entladung aktiv vorspannt.
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Unter Wannenanschluss ist dabei ein mit einer Wanne oder einem Gebiet dotierten Halbleitermaterial, auf welcher bzw. welchem der Transistor aufgebaut ist, verbundener Anschluss zu verstehen.
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Bei einem entsprechenden Verfahren wird mindestens ein Strompfad wie oben beschrieben bereitgestellt und mit dem ersten Anschluss der zu schützenden Schaltung und dem zweiten Anschluss der zu schützenden Schaltung verschaltet.
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Eine derartige Vorrichtung ermöglicht einen Schutz einer zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss der Schaltung geschalteten Schaltungsteils vor elektrostatischen Entladungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine mögliche Halbleiterstruktur zur Realisierung des Ausführungsbeispiels von 1,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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6 ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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7 ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
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8 ein siebtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist ein Schaltdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und seines Einsatzes in einer Schaltung dargestellt.
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Die in 1 dargestellte Schaltung weist einen Anschluss 1 für eine positive Versorgungsspannung VDD, welcher mit einer positiven Versorgungsspannungsleitung 7 verbunden ist, und einen Anschluss 3 für eine Versorgungsspannung VSS, zum Beispiel eine Masse, welche mit einer Masseleitung 9 verbunden ist, auf. Dabei ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die positive Versorgungsspannung VDD eine Spannung, welche höher ist als die Spannung, für die die Schaltungselemente der Schaltung ausgelegt sind. Beispielsweise kann die Versorgungsspannung VDD eine 10 V-Versorgungsspannung sein, während die Schaltungselemente der Schaltung, insbesondere Transistoren, für eine anliegende Spannung für 1,5 V ausgelegt sind. Diese Werte sind jedoch nur als Beispiel zu verstehen, selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung auch bei anderen Spannungen anwendbar.
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Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert, werden in derartigen Schaltungen herkömmlicherweise virtuelle Versorgungsspannungsleitungen vorgesehen, welche auf entsprechenden Spannungen bzw. Potenzialen gehalten werden, um eine Beschädigung der Schaltungselemente der Schaltung im Normalbetrieb zu vermeiden. Im dargestellten Beispiel ist eine derartige virtuelle Versorgungsspannungsleitung mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet und mit einem Anschluss 2 verbunden. An dieser virtuellen Versorgungsspannungsleitung liegt eine Spannung VB an, welche sich von der positiven Versorgungsspannung VDD um den erlaubten Spannungsabfall an den Schaltungselementen unterscheidet. In dem obigen Zahlenbeispiel würde also in 1 VB = 10 V – 1,5 V = 8,5 V betragen.
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Eine positive Versorgungsspannung, welche höher ist als die Spannung, für welche die Schaltungselemente der Schaltung ausgelegt sind, wird auch mit „VDDHV” (für „High Voltage”) bezeichnet. Eine mit einer derartigen Versorgungsspannung gekoppelter Schaltungsabschnitt, insbesondere eine Logikschaltung, wird auch als „High Side Logic” bezeichnet.
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Ein derartiger Schaltungsabschnitt ist der Schaltungsabschnitt 6 in 1. Der Schaltungsabschnitt 6 umfasst dabei insbesondere Transistoren und weitere Schaltungselemente, um gewünschte Funktionen der Schaltung auszuführen. Der exakte Aufbau des Schaltungsabschnitts 6, welcher eine „High Side Logic” wie oben erläutert darstellt, ist für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung. Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es ausreichend, dass der Schaltungsabschnitt 6 Schaltungselemente umfasst, welche bei einer überhöhten anliegenden Spannung, das heißt beispielsweise > 1,5 V in obigem Zahlenbeispiel, beschädigt werden können.
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Des Weiteren sind bei der Schaltung von 1 ESD-Schutzdioden 4 und 5 sowie ein Schutzelement 20, welches beispielsweise als Schottky-Diode ausgestaltet sein kann, vorgesehen und wie in 1 gezeigt mit der positiven Versorgungsspannungsleitung 7, der virtuellen Versorgungsspannungsleitung 8 und der Masseleitung 9 verschaltet. Die Schutzelemente 4, 5 und 20 entsprechen herkömmlichen ESD-Schutzelementen und müssen daher nicht näher erläutert werden. Insbesondere sind derartige herkömmliche Schutzelemente derart dimensioniert, dass sie bei im Normalbetrieb anliegenden Spannungen, nicht leitend sind, um den Normalbetrieb der Schaltung nicht zu stören. Beim Auftreten einer elektrostatischen Entladung, welche Spannungen von einigen 1000 V erzeugen kann, werden diese Schutzelemente hingegen leitend und können die Entladung beispielsweise auf die Masseleitung 9 oder die positive Versorgungsspannungsleitung 7 ableiten.
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Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert ist im Falle einer elektrostatischen Entladung das zuverlässige Funktionieren einer (in 1 nicht dargestellten) Spannungsregelung für die virtuelle Versorgungsspannungsleitung 8 nicht gewährleistet. Daher kann es in einem derartigen Fall passieren, dass zwischen der positiven Versorgungsspannungsleitung 7 und der virtuellen Versorgungsspannungsleitung 8 eine Spannung anliegt, welche die zulässige Spannung, beispielsweise 1,5 V, überschreitet, jedoch andererseits nicht ausreicht, dass das Schutzelement 4 leitend wird und diese übergroße Spannung abbaut bzw. die durch die Ableitung des ESD-Entladestroms über die Schutzelemente 5, 20 nicht ausreichend ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn am Anschluss 2 eine negative Entladung anliegt. Daher sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich.
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Bei der in 1 dargestellten Schaltung wird dies durch eine Schutzanordnung 32, welche ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, erreicht.
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Die Schutzschaltung 32 umfasst eine Mehrzahl parallel geschalteter Strompfade, welche jeweils einen Transistor 12 und einen Widerstand 10 umfassen. Die Transistoren 12 sind dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel als N-Feldeffekt-Transistoren (NFET) ausgestaltet.
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Ein erster Lastanschluss 14 jedes Transistors 12 ist mit der positiven Versorgungsspannungsleitung 7 verbunden, während ein zweiter Lastanschluss 15 mit einem Steueranschluss 13, das heißt einem Gateanschluss, und mit einem ersten Anschluss des jeweiligen Widerstands 10 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des jeweiligen Widerstands 10 ist über eine Leitung 19 mit der virtuellen Versorgungsspannungsleitung 8 verbunden.
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Der erste Lastanschluss 14 und der zweite Lastanschluss 15 der Transistoren 12 sind dabei die Source- und Drain-Anschlüsse, wobei die Transistoren 12 symmetrisch aufgebaut sein können, so dass der erste Lastanschluss 14 und der zweite Lastanschluss 15 je nach Polung sowohl als Source- als auch als Drain-Anschluss arbeiten können.
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Weiterhin ist ein Wannenanschluss 16 jedes Transistors 12 mit einer Leitung 18 verbunden, wobei die Leitung 18 über einen Widerstand 11 mit der Leitung 19 verbunden ist. Unter Wannenanschluss ist dabei im Falle der NFET-Transistoren ein Anschluss an eine p-dotierte Wanne, in welche die n-dotierten Lastanschlüsse eingebettet sind und auf welchen das Gate aufliegt, zu verstehen. Dies wird später anhand 2 näher erläutert.
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Schließlich ist ein Anschluss 17 jedes Transistors 12 mit der positiven Versorgungsspannungsleitung 7 verbunden. Über den Anschluss 17 kann eine Isolationsschicht, beispielsweise eine n-dotierte Schicht und n-dotierte Wannen, welche um die oben erwähnte p-dotierte Wanne herum angeordnet sind, vorgespannt werden, um die p-dotierte Wanne von dem Substrat des Transistors zu isolieren.
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Die Anzahl der parallel gestalteten Strompfade ist wie durch drei Punkte in 1 angedeutet nicht auf vier begrenzt, es können vielmehr auch mehr als derartige Strompfade vorgesehen sein. Auf der anderen Seite ist beispielsweise auch eine Parallelschaltung von nur zwei Strompfaden oder auch nur ein einziger Strompfad denkbar. Dabei führen mehr parallele Strompfade zu einer größeren Robustheit der Schutzschaltung 32, andererseits auch zu einem höheren Flächenbedarf, so dass die Anzahl der parallelen Strompfade abhängig von der zur Verfügung stehenden Fläche und der benötigten Robustheit gewählt wird.
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Bevor die Funktionsweise der Schutzschaltung 32 näher erläutert wird, soll im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 eine mögliche layouttechnische Realisierung der Schutzschaltung 32 diskutiert werden. Dabei zeigt 2 eine Querschnittsansicht durch eine entsprechende Halbleiterstruktur, wobei in 2 zwei Transistoren 12 dargestellt sind.
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Die in 2 dargestellte Halbleiterstruktur ist auf einem p-dotierten Substrat 21 aufgebaut. Die Dicke des Substrats 21 ist dabei in 2 nicht maßstäblich dargestellt, im Allgemeinen wird das Substrat 21 wesentlich dicker sein als die darauf liegenden Schichten.
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Auf dem Substrat 21 ist zunächst eine n-dotierte Schicht 22 angeordnet. Eine derartige Schicht kann beispielsweise durch ein Epitaxieverfahren oder mittels Ionenimplantation bei hohen Implantationsenergien hergestellt werden.
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Auf der n-dotierten Schicht 22 befindet sich eine weitere Schicht 40, welche beispielsweise abgesehen von den im nachfolgenden beschriebenen Wannen (engl. „Wells”) 23 und 24 nominell undotiert sein kann. In die Schicht 40 sind dotierte Bereiche in Form von Wannen 23 und 24 vorhanden. Derartige dotierte Bereiche können beispielsweise durch Ionenimplantation hergestellt werden. In 2 ist eine p-dotierte Wanne 23 umgeben von 2n-dotierten Wannen 24 dargestellt. Die n-dotierten Wannen 24 isolieren die p-dotierten Wanne 23 zusammen mit der n-dotierten Schicht 22 von der Umgebung, insbesondere dem Substrat 21. Ein Aufbau wie der in 2 dargestellte mit den n- und p-dotierten Wannen 23 und 24 und der n-dotierten Schicht 22 wird auch als „Triple Well”-Aufbau bezeichnet.
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Die p-dotierte Wanne 23 dient dabei als Wanne für mehrere, im Fall der 2 zwei, Transistoren 12.
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Ein gemeinsamer Wannenanschluss 16 der Transistoren 12 wird durch eine hoch p-dotierte Schicht (p+) gebildet, welche über den Widerstand 11 mit der virtuellen Versorgungsspannungsleitung 8 bzw. der Spannung VB verbunden ist. In ähnlicher Weise werden die Anschlüsse 17 der Transistoren 12 durch hoch n-dotierte (n+) Schichten gebildet, welche mit der positiven Versorgungsspannungsleitung 7 aus 1 bzw. mit der positiven Versorgungsspannung VDD verbunden sind. Hoch p-dotierte bzw. hoch n-dotierte Schichten wie in 2 dargestellt können ebenfalls durch Ionenimplantation gebildet werden.
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Die ersten und zweiten Lastanschlüsse 14 und 15 der Transistoren 12 sind als hoch n-dotierte Schichten in der p-dotierten Wanne 23 ausgebildet, wobei der Abstand zwischen einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss 15 jeweils durch ein Gate 13 überbrückt wird, welches beispielsweise aus auf eine (nicht dargestellte) Oxidschicht aufgebrachtem Polysilizium bestehen kann. Die Widerstände 10 sind in der in 2 dargestellten Halbleiterstruktur als Polysilizium-Widerstände ausgebildet und wie dargestellt mit den Gates 13, dem zweiten Lastanschluss 15 sowie der virtuellen Versorgungsspannungsleitung 8 bzw. der Spannung VB verschaltet. Mit der dargestellten Halbleiterstruktur ist eine effiziente und Platz sparende Realisierung der Schutzschaltung 32 aus 1 möglich.
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Im Folgenden soll nun die Funktionsweise der Schutzschaltung 32 erläutert werden. Hierzu ist zunächst zu bemerken, dass bei einer NFET-Struktur wie in 2 dargestellt neben den Feldeffekttransistoren 12 stets auch parasitäre Bipolartransistoren vorliegen, bei welchen entsprechende Spannungen zu einem Durchbruch, insbesondere einem Lawinendurchbruch, führen können. Beispielsweise bilden in 2 die Wannen 23 und 24 einen npn-Bipolartransistor, desgleichen die Lastanschlüsse 14 und 15 zusammen mit der Wanne 23 oder der Lastanschluss 15 mit der Wanne 23 und der n-dotierten Schicht 22. Auch Substrat 21, n-dotierte Schicht 22 und p-Wanne 23 können als Bipolarstruktur angesehen werden. Diese Bipolartransistoren spielen beim Durchbruch von Feldeffekttransistoren bei hoher Spannung eine Rolle. Die damit verbundenen Effekte sind bekannt und müssen daher nicht näher erläutert werden, sie sind beispielsweise in S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley and Sons, New York 1981 beschrieben.
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Tritt nun eine negative elektrostatische Entladung am Anschluss 2 in 1 auf, kann diese über die parallelen Strompfade auf VDD, das heißt auf die positive Versorgungsspannungsleitung 7, abgeleitet werden. Die Widerstände 10 der Strompfade stellen dabei einen Serienwiderstand sowohl für den lateralen Durchbruch von dem zweiten Lastanschluss 15 (in diesem Fall Source) zum ersten Lastanschluss 14 (in diesem Falle Drain) als auch für einen vertikalen Durchbruch zu der n-dotierten Schicht 22 dar. Dies stellt eine Homogenisierung des fließenden Stroms über alle parallelen Strompfade sicher. Die Widerstände 10 haben dabei bevorzugt einen Wert im Bereich von 100–300 Ohm.
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Durch die Verbindung der Wanne 23 mit der virtuellen Versorgungsspannungsleitung B über den Widerstand 11, welcher bevorzugt einen Widerstandswert von mindestens 100 Ohm, bevorzugt mehrere 100 Ohm, aufweist, wird die p-Wanne 23, welche als Basis der angesprochenen parasitären Bipolartransistoren funktioniert, vorgespannt. Insbesondere wird die Emitter-Basis-Verbindung (entsprechend der Source-Wannen-Verbindung) vorgespannt, wenn Ladungsträger durch Lawinendurchbruch an der Drain-Wannen-Verbindung erzeugt werden, das heißt der Emitter des parasitären Bipolartransistors wird bezüglich der Basis bzw. Wanne 23 negativ vorgespannt. Der durch den Lawinendurchbruch hervorgerufene Strom erzeugt einen Spannungsabfall über den Widerstand 11, was zu einem schnellen Anschalten der parasitären Bipolartransistoren und somit der parallelen Strompfade führt, so dass die elektrostatische Entladung effizient abgeleitet werden kann.
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Diesbezüglich ist zu bemerken, dass bei positiven elektrostatischen Entladungen an dem Anschluss 2 aus 1 die parasitäre Wannen-Drain-Diode der Transistoren 12 einen hohen Ohmschen Widerstand bereitstellt. Durch das Schutzelement 4 können derartige Entladungen jedoch trotzdem sicher abgeleitet werden, oder es kann ein zusätzliches Schutzelement wie beispielsweise eine zusätzliche Diode vorgesehen sein. Des Weiteren ist anzumerken, dass durch das Schutzelement 5 aus 1 die Schaltung vor einem Durchbruch der Transistoren 12 zum Substrat 21 hin geschützt ist.
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Somit wird durch das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung ein effektiver Schutz des Schaltungsabschnitts 6 aus 1 vor elektrostatischen Entladungen bereitgestellt und insbesondere durch den Widerstand 11, welcher die virtuelle Versorgungsspannungsleitung 8 mit der p-Wanne 23 verbindet, ein schnelles Ansprechen der Schutzanordnung gewährleistet.
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Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf 3–8 weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Elemente, welche gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 1 und 2 unverändert bleiben, tragen dabei die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals eingehend erläutert.
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In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Leitung 18 über den Widerstand 11 direkt und nicht über die Leitung 19 mit der virtuellen Versorgungsspannungsleitung 8 verbunden. Zudem sind in 3 die ersten Lastanschlüsse 14 und die Anschlüsse 17 der Transistoren 12 zunächst miteinander und dann über einen gemeinsamen Anschluss mit der positiven Versorgungsspannungsleitung 7 verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, dass die genaue Verschaltung der Schaltungselemente auf verschiedene Art und Weise erfolgen kann, ohne die Funktionsweise der Schutzvorrichtung 32 zu beeinflussen. Zur Vereinfachung der Darstellung der folgenden Ausführungsbeispiele ist in 3 die Anordnung der parallelen Strompfade allgemein mit 25, der von den Widerständen 10 zu der virtuellen Versorgungsspannungsleitung 8 führende Anschluss mit 27 und der zu dem Widerstand 11 führende Anschluss mit 28 bezeichnet.
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In den folgenden Ausführungsbeispielen wird daher die Anordnung paralleler Strompfade allgemein als „Black Box” mit dem Bezugszeichen 25 und Anschlüssen 27 und 28 dargestellt.
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In 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel von 3 wurde der Widerstand 11, welcher beispielsweise wie die Widerstände 10 aus 2 aus Polysilizium gebildet werden kann, durch einen als Widerstand geschalteten MOS-Transistor ersetzt, dessen Gate mit einem festen Potenzial, im Fall von 4 mit der positiven Versorgungsspannungsleitung 7, verbunden ist, um so einen festen Widerstand aufzuweisen.
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In 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Gegensatz zu 4 ist das Gate des MOS-Transistors 26 nicht mit einem festen Potenzial verbunden, sondern über eine aus einem Widerstand 29 und einer Kapazität 30 gebildeten Filterschaltung, deren Zeitkonstante derart gewählt ist, dass beim Auftreten einer elektrostatischen Entladung an der virtuellen Versorgungsspannungsleitung 8 ein Potenzial am Gate des MOS-Transistors 26 anliegt, welches diesen in einen hochohmigen Zustand schaltet, während der MOS-Transistor 26 im Normalbetrieb in einem niederohmigen Zustand ist, angesteuert. Dies erhöht die Robustheit gegenüber Latchup-Ereignissen im Normalbetrieb, während der hochohmige Zustand bei einer elektrostatischen Entladung zu einem verbesserten Aktivieren der Transistoren 12 der parallelen Strompfade führt. Anstelle des RC-Glieds aus Widerstand 29 und Kapazität 30 können auch andere Schaltungen benutzt werden, welche das Vorliegen einer elektrostatischen Entladung erkennen und den MOS-Transistor 26 entsprechend ansteuern. Zudem kann anstelle des MOS-Transistors 26 auch ein anderes Steuerelement eingesetzt werden.
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In 6 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Verglichen mit dem zweiten Ausführungsbeispiel aus 3 wurde der Widerstand 11 durch eine Diode 31 ersetzt. Dies führt zu einem besseren Ansprechen der Schutzschaltung 32 im Falle einer elektrostatischen Entladung.
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In 7 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier wird der Anschluss 28, das heißt die Wannenanschlüsse der Transistoren 12, über eine Filterschaltung angesteuert, welche einen MOS-Transistor 33, Widerstände 34 und 35 sowie eine Kapazität 36 umfasst. Die Zeitkonstante der Filterschaltung derart gewählt, dass die Filterschaltung beim Vorliegen einer elektrostatischen Entladung die p-Wannen der Transistoren 12 vorspannt, während im Normalbetrieb keine derartige Vorspannung vorliegt. Dies verbessert wiederum das Aktivieren der parallelen Strompfade zum Ableiten der elektrostatischen Entladung.
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Typische Zeitkonstanten für die Filterschaltungen aus 5 und 7 liegen dabei im Nano- bis Mikrosekundenbereich.
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In 8 ist schließlich ein siebtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel ist mit allen Schutzschaltungen 32 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele kombinierbar. Bei dem siebten Ausführungsbeispiel aus 8 sind statt der Schutzelemente 4 und 5, welche als Dioden ausgestaltet sind, andere Elemente 37 und 38 vorgesehen, beispielsweise Elemente wie Zenerdioden, welche in einem Durchbruchregime betrieben werden. In diesem Fall ist es jedoch vorteilhaft, zusätzlich eine Diode 39 wie dargestellt zwischen die virtuelle Versorgungsspannungsleitung 8 und die positive Versorgungsspannungsleitung 7 zu schalten, um die bei der Beschreibung der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung angesprochene Ableitung von positiven Entladungen an dem Anschluss 2 auf die positive Versorgungsspannungsleitung 7 zu erleichtern. Insbesondere schützen die Elemente 4, 5 und 38 in den 7 bzw. 8 bei Entladungen am Anschluss 2 gegen den Anschluss 3.
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Zu bemerken ist, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung weitere Modifikationen und Abwandlungen der obigen Beispiele möglich sind. So können die einzelnen Widerstände 10 der parallelen Strompfade nicht nur durch Polysiliziumwiderstände, sondern auch durch beliebige andere Arten von Widerständen gebildet werden. Weiterhin ist es prinzipiell möglich, dass nicht alle Widerstände 10 denselben Wert aufweisen. Statt des Widerstands 11 des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels, welche für sämtliche Wannenanschlüsse gemeinsam eine Verbindung mit der virtuellen Versorgungsspannungsleitung 8 herstellt, können für die einzelnen Wannenanschlüsse auch getrennte Widerstände oder andere Schaltelemente wie in den anderen Ausführungsbeispielen dargestellt vorgesehen sein. Zudem ist die Erfindung prinzipiell nicht nur zwischen einer positiven Versorgungsspannung und einer virtuellen Stromversorgungsleitung wie in den Ausführungsbeispielen dargestellt, sondern beispielsweise auch zwischen zwei virtuellen Stromversorgungsleitungen oder anderen Anschlüssen einsetzbar. Schließlich ist prinzipiell neben der dargestellten Realisierung mit NFET-Transistoren auch die umgekehrte Realisierung mit PFET-Transistoren oder ein entsprechender Aufbau mit anderen Transistoren prinzipiell möglich.
