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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterkörper mit einer Schutzstruktur
sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzstruktur in einem Halbleiterkörper.
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Halbleiterkörper, die
eine integrierte Schaltung aufweisen, unterliegen Umwelteinflüssen. Blitze,
statische Aufladungen und Elektrosmog können zu elektrostatischen Entladungen,
englisch electrostatic discharge, abgekürzt ESD, auf dem Halbleiterkörper führen, durch
die eine integrierte Schaltung zerstört werden kann. Üblicherweise
werden die zu schützenden
Strukturen über
eine Diode mit einem Bezugspotentialanschluss verbunden, sodass
eine unerwünschte
und zerstörerisch
wirkende Ladung abfließen
kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterkörper mit einer Schutzstruktur
und ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzstruktur in einem Halbleiterkörper bereitzustellen,
die einen effektiven Abbau einer Spannung oberhalb einer Schwelle
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch
13 gelöst.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der
abhängigen
Ansprüche.
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In
einer Ausführungsform
umfasst ein Halbleiterkörper
eine Schutzstruktur. Die Schutzstruktur umfasst einen ersten und
einen zweiten Bereich, die einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen. Weiter
umfasst die Schutzstruktur einen dritten Bereich mit einem zweiten
Leitfähigkeitstyp.
Der erste und der zweite Bereich sind im dritten Bereich beabstandet angeordnet.
Der zweite Leitfähigkeitstyp
ist dem ersten Leitfähigkeitstyp
entgegengesetzt. Darüber
hinaus umfasst die Schutzstruktur einen Isolator, der auf dem Halbleiterkörper angeordnet
ist, und eine Elektrode, die auf dem Isolator angeordnet ist. Die
Elektrode ist zum Betrieb mit schwebendem Potential ausgebildet.
Ein Stromfluss vom ersten Bereich zum zweiten Bereich ist ermöglicht.
Der Stromfluss kann einen Spannungsunterschied zwischen dem ersten und
dem zweiten Bereich begrenzen.
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Mit
Vorteil lässt
sich bei einer Struktur, die einen ersten pn-Übergang zwischen dem ersten
und dem dritten Bereich sowie einen zweiten pn-Übergang zwischen dem zweiten
und dem dritten Bereich aufweist, ein Schwellwert genau einstellen,
oberhalb dessen eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten
Bereich abgebaut wird. Der Schwellwert kann durch einen Spannungswert
bestimmt sein, oberhalb dessen ein Durchbruch zwischen dem ersten
und dem zweiten Bereich auftritt. Die Schutzstruktur kann somit
Spannungsspitzen, die bei einem ESD-Ereignis auftreten, auf einen
Wert reduzieren, bei dem eine permanente Funktionalität einer
zu schützenden
Struktur gewährleistet
ist.
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Anstelle
dass die Elektrode zum Betrieb mit schwebendem Potential ausgebildet
ist, kann die Elektrode vollständig
von isolierendem Material eingeschlossen sein.
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In
einer Ausführungsform
weist der Halbleiterkörper
eine erste Oberfläche
auf, an der der erste, der zweite und dritte Bereich angeordnet
ist. Aufgrund der Anordnung der drei Be reiche an der ersten Oberfläche können in
einer Ausführungsform
Oberflächeneffekte
zur Steuerung eines Stromflusses zwischen dem ersten und dem zweiten
Bereich verwendet werden.
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In
einer Ausführungsform
ist der dritte Bereich als eine erste Wanne ausgebildet.
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In
einer Ausführungsform
kann der dritte Bereich derart realisiert sein, dass er ein schwebendes Potential
aufweist. Der dritte Bereich weist keinen Substratanschluss auf.
Dem dritten Bereich wird keine Substrat- oder Wannenspannung zugeleitet.
In einer Ausführungsform
stellt sich im Betrieb ein Potential des dritten Bereichs ein, bei
dem die Wahrscheinlichkeit einer Gefährdung der Schutzstruktur vor Überspannung
reduziert ist.
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In
einer Ausführungsform
kann die Schutzstruktur einen Kanalbereich umfassen, der zwischen dem
ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist. Der Kanalbereich
ist im dritten Bereich angeordnet. Eine Kanallänge des Kanalbereichs ist damit
der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich. Die Kanallänge kann
einen Wert kleiner 5 μm aufweisen.
Bevorzugt kann die Kanallänge
einen Wert kleiner 1 μm
aufweisen.
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Der
Isolator kann auf dem Kanalbereich angeordnet sein. Bevorzugt kann
der Isolator ein Siliziumoxid aufweisen. Das Siliziumoxid kann als
Gateisolatorschicht realisiert sein.
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In
einer Ausführungsform
ist die Elektrode vollständig
elektrisch isoliert. Die Elektrode kann dabei vollständig von
isolierendem Material eingeschlossen sein. Durch den Einschluss
der Elektrode mit isolierendem Material kann ein Aufladen oder ein Entladen
der Elektrode über
Kriechströme
verringert werden. Die Elektrode ist nicht nach außen elektrisch kontaktiert.
Die Elektrode kann als Gateelektrode ausgebildet sein.
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Die
Elektrode kann eine Äquipotentialfläche über dem
Kanalbereich bilden. Die Äquipotentialfläche kann
die elektrische Feldverteilung im Kanalbereich und folglich auch
einen zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich fließenden Strom
beeinflussen.
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Die
Schutzstruktur kann auf dem Feldeffekttransistorprinzip beruhen.
Die Schutzstruktur kann als Feldeffekttransistor realisiert sein.
Im Unterschied zu einem üblichen
Feldeffekttransistor ist die Elektrode der Schutzstruktur mit einem
schwebenden Potential ausgebildet. Da sich der Leitfähigkeitstyp
des ersten und des zweiten Bereichs vom Leitfähigkeitstyp des dritten Bereichs
unterschieden, weist die Schutzstruktur eine pnp Struktur oder eine
npn Struktur auf. Daher kann die Schutzstruktur einen Bipolareffekt
zeigen. Aufgrund des geringen Abstands des ersten Bereichs zum zweiten
Bereich kann die Schutzstruktur ein Verhalten eines Bipolartransistors mit
einem hohen Verstärkungsfaktor
aufweisen.
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In
einer Ausführungsform
umfasst der Halbleiterkörper
ebenfalls die zu schützende
Struktur. Die zu schützende
Struktur kann als Bipolartransistor realisiert sein. Bevorzugt kann
die zu schützende Struktur
als Feldeffekttransistor realisiert sein. Der Feldeffekttransistor
kann als Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor,
abgekürzt
MOSFET, realisiert sein. In einer Ausführungsform kann die Schutzstruktur
eine Elektrode und einen Isolator eines MOSFETs schützen. Die
Elektrode kann als Steueranschluss, englisch gate, bezeichnet sein.
Der Isolator kann Gateisolator genannt werden. Die Schutzstruktur kann
daher auf englisch auch als gate clamp bezeichnet werden. Dabei
kann die maximale erlaubte Spannung am Steueranschluss der zu schützenden Struktur
beispielsweise 3,3 Volt betragen.
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Die
zu schützende
Struktur kann im die Schutzstruktur umfassenden Halbleiterkörper außerhalb
des dritten Bereichs angeordnet sein. Der Halbleiterkörper kann
einen vierten Bereich aufweisen, in dem die zu schützende Struktur
angeordnet ist. Der vierte Bereich kann den zweiten Leitfähigkeitstyp
aufweisen. Der vierte Bereich kann als zweite Wanne realisiert sein.
Der vierte Bereich kann einen Wannen- oder Substratanschluss aufweisen.
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In
einer Weiterbildung weist der Halbleiterkörper eine erste Leiterbahn
auf, die am ersten Bereich der Schutzstruktur angeschlossen ist,
und eine zweite Leiterbahn, die am zweiten Bereich der Schutzstruktur
angeschlossen ist. Die erste Leiterbahn kann den ersten Bereich
mit einem Anschluss der zu schützenden
Struktur verbinden. Weiter kann die zweite Leiterbahn den zweiten
Bereich der Schutzstruktur mit einem Versorgungsspannungsanschluss
verbinden. Somit kann eine Ladung, die sich auf dem Anschluss der
zu schützendes
Struktur befindet, über
die Schutzstruktur an den Versorgungsspannungsanschluss abgegeben
werden. Bevorzugt wird eine Ladung an den Versorgungsspannungsanschluss
abgegeben. Somit wird vermieden, dass die Ladung dem Anschluss der
zu schützenden
Struktur zugeleitet wird. Der Versorgungsspannungsanschluss kann
als Bezugspotentialanschluss realisiert sein. Der Versorgungsspannungsanschluss
kann alternativ auf einem vom Bezugspotential abweichenden Potential
liegen. Beispielsweise kann eine positive oder eine negative Versorgungsspannung
dem Versorgungsspannungsanschluss zugeleitet sein.
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In
einer Ausführungsform
ist die Elektrode mit der ersten oder der zweiten Leiterbahn verbunden.
Somit ist die Elektrode nicht elektrisch isoliert. Das Potential
der Elektrode ist durch das Potential der ersten beziehungsweise
zweiten Leiterbahn definiert.
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In
einer Ausführungsform
verbindet die zweite Leiterbahn den zweiten Bereich mit dem Substratanschluss
des vierten Bereichs. Die Schutzstruktur kann über die zwei Leiterbahnen an
die Elektrode und den Substratanschluss der zu schützenden Struktur
angeschlossen sein.
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Die
zu schützende
Struktur kann einen dritten und einen vierten Bereich aufweisen
mit dem ersten Leitfähigkeitstyp.
Ein Prozessschritt zur Herstellung der Dotierung des dritten und
vierten Bereichs kann ebenfalls zur Herstellung der Dotierung des
ersten und zweiten Bereichs eingesetzt werden.
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In
einer Ausführungsform
weist der Feldeffekttransistor der zu schützenden Struktur einen Isolator
auf. Die Herstellung des Isolators der zu schützenden Struktur kann gleichzeitig
und mit denselben Prozessschritten wie die Herstellung des Isolators der
Schutzstruktur durchgeführt
werden.
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Der
Feldeffekttransistor der zu schützenden Struktur
kann eine Elektrode aufweisen, die auf dem Isolator angeordnet ist.
Die Elektrode der zu schützenden
Struktur kann gleichzeitig und mit denselben Prozessschritten wie
die Elektrode der Schutzstruktur hergestellt werden.
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In
einer Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers mit
einer Schutzstruktur das Herstellen eines ersten und eines zweiten
Bereichs im Halbleiterkör per.
Der erste und zweite Bereich weisen einen ersten Leitfähigkeitstyp
auf. Die Schutzstruktur umfasst den ersten und den zweiten Bereich.
Der erste und der zweite Bereich sind in einem dritten Bereich angeordnet,
welcher den zweiten Leitfähigkeitstyp
aufweist. Der erste und der zweite Bereich sind auf dem Halbleiterkörper derart
voneinander beabstandet angeordnet, dass ein Stromfluss vom ersten
zum zweiten Bereich zum Begrenzen eines Spannungsunterschiedes zwischen den
beiden Bereichen erleichtert ist. Weiter umfasst das Verfahren das
Herstellen eines Isolators der Schutzstruktur auf dem Halbleiterkörper und
einer Elektrode der Schutzstruktur auf dem Isolator derart, dass
zum Betrieb die Elektrode mit schwebendem Potential ausgebildet
ist.
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Mit
Vorteil kann über
den pn-Übergang
zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich sowie über den
pn-Übergang
zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich eine Spannung
zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich begrenzt werden.
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In
einer Weiterbildung umfasst das Verfahren auch das Herstellen einer
zu schützenden
Struktur in dem Halbleiterkörper.
Dabei werden Prozessschritte zum Herstellen der zu schützenden
Struktur als Prozessschritte zum Herstellen der Schutzstruktur eingesetzt.
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In
einer Ausführungsform
der Weiterbildung wird der erste und der zweite Bereich der Schutzstruktur
gleichzeitig mit einem ersten und einem zweiten Bereich der zu schützenden
Struktur hergestellt.
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In
einer Ausführungsform
wird bei der Herstellung der Schutzstruktur eine Isolatorschicht
auf dem Halbleiterkörper
herge stellt. Eine Elektrodenschicht wird auf der Isolatorschicht
abgeschieden. Mittels eines photolithografischen Prozesses und mindestens
eines anschließenden Ätzprozesses
wird die Elektrodenschicht und die Isolatorschicht derart strukturiert,
dass die Elektrode und der Isolator der Schutzstruktur hergestellt
werden. Ferner werden Dotierstoffe in den Halbleiterkörper eingebracht,
wobei die Elektrode der Schutzstruktur als Maskierung für das Einbringen
der Dotierstoffe zur Herstellung des ersten und des zweiten Bereichs
der Schutzstruktur eingesetzt wird. Das Einbringen der Dotierstoffe
kann bevorzugt mittels Ionenimplantation erfolgen.
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Weiter
kann das Verfahren ein Herstellen einer ersten Leiterbahn umfassen,
die den ersten Bereich der Schutzstruktur mit einem Anschluss der
zu schützenden
Struktur verbindet. Weiter kann das Herstellen des Halbleiterkörpers das
Herstellen einer zweiten Leiterbahn umfassen, die den zweiten Bereich
mit einem Versorgungspotentialanschluss verbindet.
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Zusammenfassend
hat das vorgeschlagene Prinzip als Vorteile:
- – Als Prozessschritte
zur Herstellung der Schutzstruktur werden ausschließlich Prozessschritte verwendet,
die ohnehin zur Herstellung einer zu schützenden Struktur, die sich
auf demselben Halbleiterkörper
wie die Schutzstruktur befindet, verwendet werden. Zur Herstellung
der Schutzstruktur können
Schritte zur Herstellung einer Schaltung mit Bipolartransistoren
verwendet werden. Alternativ können
zur Herstellung der Schutzstruktur Schritte zur Herstellung einer Schaltung
mit komplementären
Metall-Oxid-Halbleiter Transistoren, abgekürzt CMOS Transistoren verwendet
werden.
- – Zur
Herstellung der Schutzstruktur werden die zur Herstellung der zu
schützenden
Struktur ohnehin benötigten Masken
eingesetzt. Es sind keine weiteren Masken erforderlich.
- – Ein
geringer Leckstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich wird
bei einer Betriebsspannung unterhalb eines Grenzwerts erzielt. Der Grenzwert
kann beispielsweise 4 Volt betragen.
- – Oberhalb
des Grenzwertes wird ein hoher Wert für einen Strom durch die Schutzstruktur
erzielt, so dass durch die Schutzstruktur ein oberer Wert einer
Spannung, die an der zu schützenden
Struktur auftritt, bestimmt wird. Beispielsweise kann der obere
Wert 5 Volt sein.
- – Die
Schutzstruktur kann in einem dritten Bereich, der ein schwebendes
Potential aufweist, realisiert werden. Dadurch wird eine Gefährdung der
Schutzstruktur durch ein ESD-Ereignis verringert.
- – Die
Schutzstruktur kann in einer isolierten Logikschaltung eingesetzt
werden, bei der eine tiefe Wanne, in welcher der dritte Bereich
angeordnet ist, bei Spannungen beispielsweise bis zu 50 Volt betrieben
werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
Figuren näher
erläutert.
Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Gebiete und Strukturen
tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Gebiete oder Strukturen
in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in
jeder der folgenden Figuren wiederholt. Es zeigen:
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1A bis 1D beispielhafte
Ausführungsformen
eines Halbleiterkörpers
mit einer Schutzstruktur nach dem vorgeschlagenem Prinzip im Querschnitt,
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2 eine
beispielhafte Abhängigkeit
einer Dauer, innerhalb der eine Verschiebung einer Schwellenspannung
eines Transistors durch eine an den Transistor angelegte Spannung
bewirkt wird, von einer Höhe
der angelegten Spannung,
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3 eine
beispielhafte Abhängigkeit
eines Stroms, der durch eine Schutzstruktur nach dem vorgeschlagenen
Prinzip fließt,
von einer angelegten Spannung, und
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4 eine
beispielhafte Abhängigkeit
eines Verstärkungsfaktors
einer Schutzstruktur von einem Strom, der durch die Schutzstruktur
nach dem vorgeschlagenen Prinzip fließt.
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1A zeigt
einen Halbleiterkörper 9,
der eine beispielhafte Schutzstruktur 10 nach dem vorgeschlagenen
Prinzip umfasst. Die Schutzstruktur 10 weist einen ersten
und einen zweiten Bereich 11, 12 auf. Der erste
und der zweite Bereich 11, 12 sind voneinander
beabstandet angeordnet. Weiter umfasst der Halbleiterkörper 10 einen
dritten Bereich 13. Im dritten Bereich 13 sind
der erste und der zweite Bereich 11, 12 angeordnet.
Der dritte Bereich 13 kann als flache Wanne bezeichnet
werden. Die Tiefe des dritten Bereichs 13 weist beispielsweise
einen Wert von 1 μm
auf. Zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich 11, 12 ist
ein Kanalbereich 22 angeordnet. Der Abstand zwischen dem
ersten und dem zweiten Bereich 11, 12 hat einen
Wert L. Der Wert L ist somit die Kanallänge des Kanalbereichs 22.
Der Wert L beträgt
beispielsweise 0,35 μm.
Der Halbleiterkörper 9 umfasst
einen Isolator 14. Der Isolator 14 ist auf einer ersten
Oberfläche 15 des Halbleiterkörpers 10 angeordnet.
Der Isolator 14 ist auf einem Teilbereich des dritten Bereichs 13 angeordnet.
Der Isolator 14 bedeckt den Kanalbereich 22. Auf
dem Isolator 14 ist eine Elektrode 16 angeordnet.
Die Elektrode 16 bedeckt den Isolator 14 zwischen
dem ersten und dem zweiten Bereich 11, 12.
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Der
Halbleiterkörper 9 umfasst
eine erste und eine zweite Leiterbahn 17, 18.
Der erste Bereich 11 ist an die erste Leiterbahn 17 und
der zweite Bereich 12 an die zweite Leiterbahn 18 angeschlossen. Die
Elektrode 16 ist an keine Leiterbahn angeschlossen. Die
Elektrode 16 ist auch nicht anderweitig kontaktiert. Die
Elektrode 16 ist von dem Isolator 14 und weiteren
nicht eingezeichneten Isolatorschichten vollständig umhüllt. Die Elektrode 16 ist
elektrisch von allen Leiterbahnen im Halbleiterkörper 9 isoliert. Die
Elektrode 16 weist somit ein schwebendes Potential auf.
Darüber
hinaus umfasst der Halbleiterkörper 10 eine
tiefe Wanne 19. Die tiefe Wanne 19 umfasst wiederum
den dritten Bereich 13. Der Halbleiterkörper 9 umfasst ein
Substrat 20. Die tiefe Wanne 19 ist im Substrat 20 angeordnet.
Die tiefe Wanne 19 ist mehr als 2 μm tief. Die tiefe Wanne 19 ist
beispielsweise 6 μm
tief.
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Der
erste und der zweite Bereich 11, 12 weisen einen
ersten Leitfähigkeitstyp
auf. Der erste und der zweite Bereich 11, 12 sind
hochdotiert. Der dritte Bereich 13 weist einen zweiten
Leitfähigkeitstyp
auf. Der zweite Leitfähigkeitstyp
ist dem ersten Leitfähigkeitstyp
entgegengesetzt. Die tiefe Wanne 19 weist den ersten Leitfähigkeitstyp
auf. Weiter weist das Substrat 20 den zweiten Leitfähigkeitstyp
auf. Der erste Leitfähigkeitstyp
ist n leitend, das heißt,
dass Elektronen die Majoritätsladungsträger im jeweiligen Bereich
sind. Entsprechend ist der zweite Leitfähigkeitstyp p leitend, das heißt, dass
Löcher
die Majoritätsladungsträger im jeweiligen
Bereich sind. Der erste und der zweite Bereich 11, 12 sind
n dotiert. Der dritte Bereich 13 ist p dotiert. Der dritte
Bereich 13 weist ein Dotierungsniveau von ungefähr 7 e16/cm3 auf. Die tiefe
Wanne 19 ist n dotiert. Die tiefe Wanne 19 weist
beispielsweise ein Dotierungsniveau von ungefähr 1 e16/cm3 auf. Das Substrat 20 ist p dotiert.
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Die
Schutzstruktur 10 ist als n-Kanal Transistor ausgebildet.
Der Isolator 14 ist als Siliziumdioxidschicht realisiert.
Eine Dicke des Isolators 14 kann beispielsweise 7 nm betragen.
Der Isolator 14 ist als Gateisolator ausgebildet. Die Elektrode 16 enthält Polysilizium.
Das Polysilizium der Elektrode 16 ist n dotiert. Die Elektrode 16 ist
als Steuerelektrode, englisch gate elektrode, realisiert. Der dritte
Bereich 13 ist mit einem schwebenden Potential ausgebildet. Somit
weist der dritte Bereich 13 keinen ohmschen Kontakt zu
einer Leiterbahn auf. Der dritte Bereich 13 ist ausschließlich über pn-Übergänge zum
ersten beziehungsweise zweiten Bereich 11, 12 und
damit zu einer Leiterbahn verbunden. Weiter ist der dritte Bereich 13 über einen
weiteren pn-Übergang
mit der tiefen Wanne 19 verbunden. Der Kanalbereich 22 ist vollständig von
pn-Übergängen oder
Isolatoren wie dem Isolator 14 eingeschlossen. Die Schutzstruktur 10 ist ähnlich zu
einem MOSFET. Der erste und der zweite Bereich 11, 12 entsprechen
einem Source- und einem Draingebiet eines MOSFETs. Der Isolator 14 entspricht
einem Gateisolator eines MOSFETs. Die Elektrode 16 unterscheidet
sich dadurch von einer Elektrode eines MOSFETs, dass sie mit schwebendem
Potential ausgebildet ist. Der dritte Bereich 13 entspricht
einem Substrat oder einer Wanne, in der das Source- und das Draingebiet
eines MOSFETs angeordnet sind, bis auf den Unterschied, dass der
dritte Bereich 13 mit schwebendem Potential und das Substrat
oder die Wanne des MOSFETs im allgemeinen mit einem definierten
Potential ausgebildet sind.
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Die
Schutzstruktur 10 weist eine npn Struktur auf, die vom
ersten Bereich 11, dem Kanalbereich 22 und dem
zweiten Bereich 12 gebildet wird. Die Schutzstruktur 10 wird
in dieser Anordnung als Bipolartransistor betrieben. Der Kanalbereich 22 kann
als Basis des Bipolartransistors bezeichnet werden. Der erste Bereich 11 kann
als Emitter und der zweite Bereich 12 als Kollektor des
Bipolartransistors bezeichnet werden. Der Abstand von Emitter zu
Kollektor ist die Kanallänge
L. Der Abstand ist in der Größenordnung
typischer Kollektor-Emitter-Abstände. Der
Bipolartransistor weist einen offenen Basisanschluss auf. Der dritte
Bereich 13 kann als offener Basisanschluss bezeichnet werden.
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Durch
die Verwendung eines thermisch erzeugten Siliziumoxides für den Isolator 14 und
von Polysilizium für
die Elektrode 16 ergibt sich eine niedrige Dichte von Haftstellen,
englisch traps, im Oxid des Isolators 14, verglichen beispielsweise
mit Siliziumoxidschichten, die für
eine Feldisolation eingesetzt werden. Während des Betriebs als Schutzstruktur 10 fließt ein Strom über einen
umgekehrt vorgespannten pn Übergang
nahe an der ersten Oberfläche 15.
Dieser Strom fließt
in der Raumladungszone im Kanalbereich 22 zwischen dem
ersten und dem zweiten Bereich 11, 12. Der Strom
führt zur
Bildung von Grenzflächen-
und Oxid-Haftstellen nahe an der ersten Oberfläche 15 des Halbleiterkörpers 9.
Die Dichte der Haftstellen hängt
von den Eigenschaften des Isolators 14 ab. Der Isolator 14 wird
thermisch hergestellt. Die Vergrößerung eines
Leckstroms und die Verringerung der Durchbruchspannung durch die Bildung
von Grenzflächen-
und Oxid-Haftstellen wer den durch die Verwendung eines thermisch
oxidierten Isolators 14 reduziert.
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Eine
Durchbruchspannung zwischen der ersten Leiterbahn 17 und
der zweiten Leiterbahn 18 wird durch eine Durchbruchspannung
zwischen Kollektor und Emitter bei offener Basis, abgekürzt BVCEO,
bestimmt. Die Durchbruchspannung BVCEO ist eine Funktion einer Durchbruchspannung
zwischen dem ersten Bereich 11 und dem dritten Bereich 13 beziehungsweise
zwischen dem zweiten Bereich 12 und dem dritten Bereich 13 sowie
eines bipolaren Verstärkungsfaktors.
Der Verstärkungsfaktor reduziert
die Durchbruchspannung BVCEO beträchtlich. Der Abstand zwischen
dem ersten und dem zweiten Bereich 11, 12 ist
die Kanallänge
L, die beispielsweise 0,35 μm
beträgt.
Ein bipolarer Verstärkungsfaktor
von ungefähr
100 ist ausreichend, um die Durchbruchspannung zwischen dem hochdotierten
Gebiet des ersten Bereichs 11 und dem dritten Bereich 13 sowie
die Durchbruchspannung zwischen dem hochdotierten Gebiet des zweiten
Bereichs 12 und dem dritten Bereich 13 zu verringern.
Da der Verstärkungsfaktor
von der Kanallänge
L bestimmt wird, ergibt sich aus einer genaueren Einhaltung der
Kanallänge
L eine genaue Einstellung des Verstärkungsfaktors und damit der
Durchbruchspannung BVCEO zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich 11, 12.
Die Längenabweichungen
der Kanallänge
L, L' werden bei
der Herstellung genau überwacht,
so dass die Abweichungen des Verstärkungsfaktors sehr gering sind.
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In
einer nicht gezeigten Ausführungsform kann
der erste Leitfähigkeitstyp
p leitend und der zweite Leitfähigkeitstyp
n leitend sein.
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1B zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
eines Halbleiterkörpers
mit einer Schutzstruktur nach dem vor geschlagenen Prinzip. Die Ausführungsform
ist eine Weiterentwicklung des Halbleiterkörpers gemäß 1A. Der
Halbleiterkörper 9 weist
die Schutzstruktur 10 gemäß 1A auf. Darüber hinaus
umfasst der Halbleiterkörper 9 eine zu
schützende
Struktur 24. Die zu schützende
Struktur 24 umfasst einen Transistor 25. Der Transistor 25 ist
als MOSFET ausgebildet. Der Transistor 25 als n-Kanal Transistor
realisiert. Der Transistor 25 umfasst einen ersten und
einen zweiten Bereich 26, 27. Der erste und der
zweite Bereich 26 des Transistors 25 sind mit
einer dritten beziehungsweise einer vierten Leiterbahn 34, 35 verbunden.
Weiter umfasst der Transistor 25 einen Isolator 28 und
eine Elektrode 29. Zwischen dem ersten und dem zweiten
Bereich 26, 27 des zweiten Transistors 25 ist
ein Kanalbereich 32 angeordnet. Der Kanalbereich 32 weist
eine Kanallänge
L auf. Die Kanallänge
L sowie die Kanallänge L' können den
gleichen Wert aufweisen. Weiter weist der Halbleiterkörper 9 einen
Substratanschluss 30 auf.
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Darüber hinaus
umfasst der Halbleiterkörper 9 einen
vierten Bereich 31. Die tiefe Wanne 19 umfasst
den vierten Bereich 31. Im vierten Bereich 31 ist der
Transistor 25 realisiert. Der erste und der zweite Bereich 26, 28 sind
somit dotierte Bereiche im vierten Bereich 31. Der Substratanschluss 30 ist
zur Kontaktierung des vierten Bereichs 31 ausgebildet.
Ein Versorgungsspannungsanschluss 33 kann mit dem Substratanschluss 30 verbunden
sein. Da der Substratanschluss 30 im vierten Bereich 31 angeordnet
ist, kann der Substratanschluss 30 auch als Wannenanschluss
bezeichnet werden. Der erste und der zweite Bereich 26, 27 des
Transistors 25 weisen den ersten Leitfähigkeitstyp auf. Der vierte
Bereich 31 weist den zweiten Leitfähigkeitstyp auf. Der Substratanschluss 30 weist
ebenfalls den zweiten Leitfähigkeitstyp
auf. Der Substratan schluss 30 dient zu einem niederohmigen
Anschluss des Versorgungsspannungsanschlusses 33 an den
vierten Bereich 31.
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Die
erste Leiterbahn 17 der Schutzstruktur 10 ist
mit der Elektrode 29 des Transistors 25 verbunden.
Die zweite Leiterbahn 18 ist mit dem Versorgungsspannungsanschluss 33 und
damit mit dem Substratanschluss 30 verbunden.
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Am
Versorgungsspannungsanschluss 33 ist eine Versorgungsspannung
abgreifbar. Die Versorgungsspannung kann den Wert eines Bezugspotentials
VSS aufweisen. Das Bezugspotential VSS kann das geringste Potential,
das in dem Halbleiterkörper gegeben
ist, aufweisen.
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Die
Schutzstruktur 10 und der Transistor 25 werden
mit denselben Prozessschritten hergestellt. Somit ist die Dicke
des Isolators 28 des Transistors 25 gleich einer
Dicke des Isolators 14 der Schutzstruktur 10.
Gelangt eine Aufladung auf die Elektrode 29 des Transistors 25,
so wird die Aufladung über
die erste Leiterbahn 17, den ersten Bereich 11,
den Kanalbereich 22, den zweiten Bereich 12 und
die zweite Leiterbahn 18 zum Versorgungsspannungsanschluss 33 abgeleitet.
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Mit
Vorteil sind die Schutzstruktur 10 und die zu schützende Struktur 24 in
zwei verschiedenen Wannen, nämlich
im dritten Bereich 13 und im vierten Bereich 31,
angeordnet. Der dritte und der vierte Bereich 13, 31 berühren sich
nicht. Die beiden Bereiche 13, 31 sind voneinander
isoliert. Auch Spannungen über
5 Volt können
zwischen Anschlüssen 17, 18 der Schutzstruktur 10 und
dem Substrat 20 angelegt werden.
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Alternativ
ist die Dicke des Isolators 28 des Transistors 25 näherungsweise
gleich der Dicke des Isolators 14 der Schutzstruktur 10.
Die Abweichung kann bis zu 10 betragen.
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Alternativ
weist die Dicke des Isolators 28 des Transistors 25 einen
kleineren Wert als die Dicke des Isolators 14 der Schutzstruktur 10 auf.
Die Dicke des Isolators 28 des Transistors 25 kann
beispielsweise 7 nm und die Dicke des Isolators 14 der Schutzstruktur 10 kann
beispielsweise 15 nm sein.
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In
einer nicht gezeigten Ausführungsform umfasst
die tiefe Wanne 19 mehrere Bereiche, die wie der vierte
Bereich 31 implementiert sind und jeweils einen Transistor 25 aufweisen.
Wenn eine derartige Schaltung Logikgatter aufweist, kann sie als isolierte
Logikschaltung, englisch isolated logic, bezeichnet werden. Eine
isolierte Logikschaltung kann mehrere Transistoren umfassen, die
jeweils einzeln im vierten Bereich 31 beziehungsweise in
nicht gezeigten, weiteren Bereichen angeordnet sind. Der vierte
Bereich 31 und die weiteren Bereiche weisen somit jeweils
genau einen Transistor 25 auf. Der vierte Bereich 31 und
die weiteren Bereiche sind in der tiefen Wanne 19 angeordnet.
In einer isolierten Logikschaltung befinden sich die zur Schaltung
gehörenden
Transistoren 25 in der gemeinsamen tiefen Wanne 19.
Die tiefe Wanne 19 ist vom Substrat 20 elektrisch
isoliert und kann somit auf hohem elektrischen Potential gegenüber dem
Substrat 20 betrieben werden.
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1C zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
eines Halbleiterkörpers
mit einer Schutzstruktur nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsform
ist eine Weiterentwicklung des Halbleiterkörpers gemäß 1A und 1B.
Der Halbleiterkörper 9 weist
die Schutzstruktur 10 gemäß 1A oder 1B auf.
Darüber
hinaus weist der Halbleiterkörper 9 einen
weiteren Transistor 40 auf. Der weitere Transistor 40 umfasst
einen ersten und einen zweiten Bereich 41, 42.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich 41, 42 ist
ein Kanalbereich 49 angeordnet. Darüber hinaus umfasst der weitere Transistor 40 einen
Isolator 43 und eine Elektrode 44. Der erste und
der zweite Bereich 41, 42 des weiteren Transistors 40 sind
an einer fünften
beziehungsweise an einer sechsten Leiterbahn 45, 46 angeschlossen. Die
Elektrode 44 ist mit der ersten Leiterbahn 17 verbunden.
Die zweite Leiterbahn 18 ist mit einem weiteren Substratanschluss 47 verbunden.
Der weitere Substratanschluss 47 ist in der tiefen Wanne 19 angeordnet.
Weiter sind die zweite Leiterbahn 18 und der weitere Substratschluss 47 mit
einem weiteren Versorgungsspannungsanschluss 48 verbunden. Der
erste und der zweite Bereich 41, 42 des weiteren Transistors 40 sind
vom zweiten Leitfähigkeitstyp. Der
weitere Substratanschluss 47 weist den ersten Leitfähigkeitstyp
auf. Der weitere Transistor 40 ist somit als p-Kanal Transistor
realisiert. In 1C umfasst die geschützte Struktur 24 den
weiteren Transistor 40.
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Am
weiteren Versorgungsspannungsanschluss 48 ist eine Versorgungsspannung
abgreifbar. Die Versorgungsspannung kann einen Wert VDD aufweisen,
der positiv gegenüber
dem Bezugspotential ist. Eine unerwünschte Ladung der Elektrode 44 wird über die
Schutzstruktur 10 dem weiteren Versorgungsspannungsanschluss 48 zugeleitet.
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1D zeigt
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
eines Halbleiterkörpers
mit einer Schutzstruktur nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsform
ist eine Weiterentwicklung des Halbleiterkörpers gemäß 1A bis 1C.
Der Halbleiterkörper 9 weist
die Schutzstruktur 10 gemäß 1A bis 1D auf.
Jedoch ist im Unterschied zu den Ausführungsformen, die in 1A bis 1C dargestellt
sind, die erste Leiterbahn 17 elektrisch leitend mit der
zweiten Leiterbahn 18 verbunden. Die zweite Leiterbahn 18 ist
nicht mit dem weiteren Versorgungsanschluss 48 und somit
auch nicht mit dem weiteren Substratanschluss 47 verbunden.
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In
einer alternativen, in den 1A bis 1D nicht
gezeigten Ausführungsform
umfasst die tiefe Wanne 19 weitere komplementäre MOS Transistoren,
englisch complementary metal Oxide semiconductor transistors, abgekürzt CMOS
Transistoren. Die weiteren Transistoren können wie der Transistor 25 gemäß 1B,
der ein n-Kanal Transistor ist, oder wie der weitere Transistor 40 gemäß 1C oder 1D,
der ein p-Kanal Transistor ist, realisiert sein.
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Mit
Vorteil kann die Schutzstruktur 10 zum Schutz der zu schützenden
Struktur 24 eingesetzt werden, auch wenn die beiden Strukturen 10, 24 unterschiedlich
realisiert sind. Während
in 1B beide Strukturen 10, 24 als
n-Kanal Transistoren realisiert sind, sind in 1C und 1D die
Schutzstruktur 10 als n-Kanal Transistor und die zu schützende Struktur 24 als
p-Kanal Transistor ausgebildet.
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In
einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist die Elektrode 16 an
die erste oder die zweite Leiterbahn 17, 18 angeschlossen.
Somit ist die Elektrode 16 nicht elektrisch schwebend.
Eine an der ersten beziehungsweise zweiten Leiterbahn 17, 18 anliegende
Spannung definiert die an der Elektrode 16 anliegende Spannung.
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In
einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform des Halbleiterkörpers 9 gemäß 1A bis 1D entfällt die
tie fe Wanne 19. Das Substrat 20 des Halbleiterkörpers 9 weist
in diesem Fall den ersten Leitfähigkeitstyp
auf. Das Substrat ist somit n dotiert.
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In
einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform des Halbleiterkörpers 9 gemäß den 1A bis 1D ist
der erste Leitfähigkeitstyp
p leitend und der zweite Leitfähigkeitstyp
n leitend. Somit sind alle Bereiche, Gebiete und Elektroden des Halbleiterkörpers 9 umgekehrt
zu den Angaben in 1A bis 1D dotiert.
Dabei wird eine Dotierung mit einem Donator durch eine Dotierung
mit einem Akzeptor ersetzt und umgekehrt.
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2 zeigt
eine beispielhafte Abhängigkeit einer
Dauer T, innerhalb der eine Verschiebung einer Schwellenspannung
eines Transistors durch eine an den Transistor angelegte Spannung
bewirkt wird, von einer Höhe
der angelegten Spannung. Die Dauer T ist diejenige Dauer, bei der
die angelegte Spannung VG eine relative Verschiebung einer Schwellenspannung
des Transistors um 10% bewirkt. Die Spannung VG wird an eine Elektrode
eines MOSFET angelegt und kann somit als Steuerspannung bezeichnet
werden. Beispielsweise kann die Steuerspannung VG der Elektrode 29 des
Transistors 25 zugeleitet werden. Die Messungen wurden
an n-Kanal MOSFETs durchgeführt.
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Die
Dauer T nimmt mit sinkender Spannung VG zu. Eine Steuerspannung
VG von 5 V kann mindestens mehrere 100 Sekunden angelegt werden kann,
ehe eine zehnprozentige Verschiebung der Schwellenspannung, englisch
threshold voltage, erreicht wird. Eine Ursache für die Verschiebung der Schwellenspannung
kann das Fowler-Nordheim-Tunneln sein.
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Ein
Ausfall eines Transistors kann durch einen dielektrischen Durchbruch
bewirkt werden. Bei einer Spannung von 5 V ist die Lebenszeit, die
durch den dielektrischen Durchbruch begrenzt wird, viel länger als
die Dauer T, bei der die zehnprozentige Verschiebung der Schwellenspannung
bewirkt wird.
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3 zeigt
eine beispielhafte Abhängigkeit eines
Stroms ID, der durch eine Schutzstruktur nach dem vorgeschlagenen
Prinzip fließt,
von einer angelegten Spannung VDS. Die Messkurve gemäß 3 wurde
bei Raumtemperatur ermittelt. In 3 ist ein Drain-Strom
ID, der durch die zweite Leiterbahn 18 fließt, über einer
Drain-Source-Spannung VDS aufgetragen, die zwischen der ersten und
der zweiten Leiterbahn 17, 18 anliegt. In dieser
Anordnung ist der dritte Bereich 13, also die flache p-Wanne,
welche die Basis darstellt, nicht angeschlossen. Bis zu einem Wert
von 5 V für
die Drain-Source-Spannung
VDS ist der Strom ID durch die Schutzstruktur 10 sehr gering. Unterhalb
dieser Spannung fließen
ausschließlich sehr
kleine Ströme,
welche niedriger als 1 μA
sind. Somit ist die Schutzstruktur 10 hochohmig für Spannungsbereiche,
in denen ein normaler Transistor eingesetzt werden kann. Der Bereich
kann beispielsweise 0 V bis 3,3 V betragen. Somit fließt im Spannungsbereich
des normalen Betriebs des Halbleiterkörpers 9 kein Strom
durch die Schutzstruktur 10, dass die normale Funktion
einer Schaltung, welche die zu schützende Struktur 24 umfasst,
nicht verändert
wird und ein zusätzlicher
Energieverbrauch durch die Schutzschaltung 10 sehr klein
ist.
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Dagegen
ist der Strom ID durch die Schutzstruktur 10 bei höheren Werten
der Drain-Source-Spannung VDS sehr hoch. Die Durchbruchspannung
zwischen Kollektor und Emitter bei offener Basis BVCEO beträgt zirka
5 V. Hingegen geschieht der Durch bruch zwischen dem ersten Bereich 11 und dem
dritten Bereich 13 bei ungefähr 10 V. Aufgrund den involvierten
physikalischen Mechanismen, wie lawinenverstärktem Durchbruch, englisch
avalanche break down, und einer positiven Rückkopplung aufgrund der Verstärkung durch
den Bipolareffekt wird ein sehr steiler Anstieg des Stroms erzielt,
wenn die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Leiterbahn 17, 18 über 5 V
ansteigt. Die Durchbruchspannung von 5 V ist ausreichend, um eine
hohe Qualität
eines Isolators 28 einer zu schützenden Struktur 24 zu
gewährleisten.
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Sollte
in einem nicht gezeigten Halbleiterkörper ein Durchbruch zwischen
einem p- und einem n-Bereich bereits bei niedrigeren Spannungswerten, wie
5 V oder 3,3 V auftreten, so führt
dies zu unerwünschten
Leckströmen.
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Das
oben erläuterte
Konzept ist auf eine Schutzstruktur 10 zum Festhalten einer
Steuerspannung nicht nur auf einen Wert von 3,3 V geeignet, sondern
kann auf verschiedene Grenzwerte eingestellt werden. Durch Änderungen
des Abstands L und/oder der Dotierprofile des dritten Bereichs 13 und/oder
die Dotierprofile des ersten und zweiten Bereichs 11, 12 werden
höhere
oder niedrigere Durchbruchspannungen erzielt.
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Die
Spannung VG an einer zu schützenden Struktur 24 fällt aufgrund
der Kopplung der zu schützenden
Struktur 24 mit der Schutzstruktur 10 als Drain-Source-Spannung
VDS an der Schutzstruktur 10 ab. Steigt die Spannung VG
an der zu schützenden
Struktur 24 auf einen kritischen Wert, so wird die Spannung
VG aufgrund des hohen Stromflusses durch die Schutzstruktur 10 schnell
abgebaut.
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4 zeigt
eine beispielhafte Abhängigkeit eines
Verstärkungsfaktors
BETA einer Schutzstruktur 10 von dem Strom ID, der durch
die Schutzstruktur 10 nach dem vorgeschlagenen Prinzip
fließt.
Der erste Bereich 11 kann als Emitter bezeichnet werden. Entsprechend
kann der zweite Bereich 12 als Kollektor benannt werden.
Der erste und der zweite Bereich 11, 12 sind als
Emitter und als Kollektor mittels der ersten und der zweiten Leiterbahn 17, 18 angeschlossen.
Der Strom ID fließt
durch die zweite Leiterbahn 18. Der Strom ID entspricht
somit einem Kollektorstrom. Für
die in 4 gezeigte Messung wurde der dritte Bereich 13 mit
einem Steueranschluss versehen. Der dritte Bereich 13 kann
als Basis bezeichnet werden. Durch den Anschluss der Basis fließt ein Basisstrom.
Der Verstärkungsfaktor
BETA einer als Bipolartransistor eingesetzten Schutzstruktur 10 ist
definiert als Verhältnis
aus Kollektorstrom ID zum Basisstrom.
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Mit
Vorteil können
Feldeffekttransistoren, welche eine maximale erlaubte Steuerspannung
von 3,3 V aufweisen, mit der Schutzstruktur 10 geschützt werden.
Die Schutzstruktur 10 weist zwei Anschlüsse auf, nämlich die erste und die zweite
Leiterbahn 17, 18, die mit dem Steueranschluss
und dem Substratanschluss des zu schützenden Transistors 20, 40 verbunden
sind.
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Sowohl
die zu schützende
Struktur 24 wie auch die Schutzstruktur 10 können in
einer isolierten Logik betrieben werden, wobei die gemeinsame Wanne
für die
Schutzstruktur 10 und die Transistoren 25, 40 die
tiefe Wanne 19 in einem p-Substrat 20 ist. In
der isolierten Logik kann eine Spannung zwischen der Elektrode 29 und
dem Substratanschluss 30 des zu schützenden Transistors 25 nach
einem ESD-Ereignis für
eine längere
Zeit über
dem Wert von 3,3 V sein. Dies ist auch dann der Fall, wenn das ESD-Ereignis
nur einige Nanosekunde andauert. Aufgrund der lang andauernden Überspannung
an der Elektrode 29, welcher der Steueranschluss ist, der
zu schützenden
Struktur 24 ist eine effektive Schutzstruktur, die einen
Steueranschluss der zu schützenden Struktur 24 mit
einem Anschluss für
eine elektrische Masse verbindet und die eine niedrige Durchbruchspannung
aufweist, erforderlich. Dies ist durch die Schutzstruktur 10 gemäß vorgeschlagenem
Prinzip gegeben.
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- 9
- Halbleiterkörper
- 10
- Schutzstruktur
- 11
- erster
Bereich
- 12
- zweiter
Bereich
- 13
- dritter
Bereich
- 14
- Isolator
- 15
- erste
Oberfläche
- 16
- Elektrode
- 17
- erste
Leiterbahn
- 18
- zweite
Leiterbahn
- 19
- tiefe
Wanne
- 20
- Substrat
- 22
- Kanalbereich
- 24
- zu
schützende
Struktur
- 25
- Transistor
- 26
- erster
Bereich
- 27
- zweiter
Bereich
- 28
- Isolator
- 29
- Elektrode
- 30
- Substratanschluss
- 31
- vierter
Bereich
- 32
- Kanalbereich
- 33
- Versorgungsspannungsanschluss
- 34
- dritte
Leiterbahn
- 35
- vierte
Leiterbahn
- 40
- weiterer
Transistor
- 41
- erster
Bereich
- 42
- zweiter
Bereich
- 43
- Isolator
- 44
- Elektrode
- 45
- fünfte Leiterbahn
- 46
- sechste
Leiterbahn
- 47
- weiterer
Substratanschluss
- 48
- weiterer
Versorgungsspannungsanschluss
- 49
- Kanalbereich
- ID
- Strom
- VDD
- Versorgungsspannung
- VDS
- Drain-Source-Spannung
- VG
- Spannung
- VSS
- Bezugsspannung