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Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte ESD-Schutzschaltung mit einer Entladestufe und einer Auslösestufe.
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In einer integrierten Schaltung können durch elektrostatische Aufladung Überspannungen entstehen, bei deren Entladung die Schaltung möglicherweise zerstört wird. Um das zu verhindern, werden Schutzschaltungen gegen ESD (electrostatic damage) verwendet, die beim Auftreten einer Überspannung eine kontrollierte Entladung bewirken, die die Überspannung abbaut und für die zu schützende Schaltung unschädlich ist. Derartige Schutzschaltungen, insbesondere für Anwendungen im Hochvoltbereich, umfassen üblicherweise eine Auslösestufe (trigger stage) und eine Entladestufe (power stage). Das Auftreten eines Überspannungspulses bewirkt, dass die Entladestufe durch die Auslösestufe aktiviert wird und daraufhin die Überspannung durch eine die Schaltung nicht beschädigende Entladung beseitigt. Das Verhältnis aus Entladestromstärke und Auslösestromstärke sollte möglichst groß sein.
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In der
WO 2008/157315A2 ist eine ESD-Schutzschaltung mit einem Vorverstärker als Auslösestufe und einem PNP-Leistungstransistor als Entladestufe beschrieben. Wegen der bei hoher Stromstärke geringen Stromverstärkung eines PNP-Transistors ist die Stärke des erforderlichen Auslösestromes bereits etwa die Hälfte des die Entladung bewirkenden ESD-Stromes des PNP-Transistors.
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In der
GB 2 090 701 A ist eine Schutzschaltung gegen Überspannungen beschrieben, bei der eine zwischen Emitter und Kollektor eines Transistors auftretende Überspannung einen Lawinendurchbruch bewirkt und der infolgedessen ansteigende Kollektorstrom einen an den Kollektor angeschlossenen IGFET vor der Überspannung schützt. Die Basis des Transistors ist über einen Widerstand mit Masse verbunden. Als Durchbruchspannung des Transistors ist ein Wert von 15 V und als Trigger-Spannung ein Wert von 17 V angegeben.
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In der
US 2006/0250732 A1 ist eine Schaltung zum Schutz gegen ESD beschrieben, bei der ein Bipolartransistor, ein Widerstand und ein Kondensator eingesetzt werden, um Bauelemente einer integrierten Schaltung vor Spannungspulsen zu schützen.
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In der
US 5 463 520 A ist eine ESD-Schutzschaltung mit einer Reihenschaltung aus FETs beschrieben. Die FETs erzeugen einen Spannungsabfall und eine Trigger-Spannung.
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In der
US 2006/0278930 A1 ist eine ESD-Schutzschaltung beschrieben, die eine Mehrzahl in einem Halbleitersubstrat angeordneter lateraler pnp-Transistoren aufweist. Jeder dieser pnp-Transistoren ist an der Oberseite des Substrates in einer eigenen n-Wanne durch einen n+-Bereich und zwei im Abstand dazu angeordnete p+-Bereiche gebildet. Parasitäre pnp-Transistoren sind jeweils durch einen der p+-Bereiche, die n-Wanne und das Substrat gebildet.
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In der
DE 36 25 723 A1 ist ein Herstellungsverfahren für Transistoren beschrieben, bei dem ein Polysiliziumstreifen benutzt wird, um die Ränder des Kollektors und des Emitters zu definieren und bei Ausführungsformen auch als Basiselektrode verwendet zu werden.
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In der
JP S58 - 170 062 A ist eine Struktur eines Bipolartransistors beschrieben, bei der P-leitende Emitter- und Kollektorbereiche tiefer ausgebildet sind als ein dazwischen angeordneter flacher n-leitender Basisbereich.
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In der
US 2008/0013234 A1 ist ein Halbleiterbauelement mit Schutzschaltung beschrieben. In einem Halbleitersubstrat ist eine Vielzahl von Emitterbereichen und Kollektorbereichen als Diffusionsschichten ausgebildet. Die Emitterbereiche sind elektrisch leitend mit einem Anschluss I/O oder
VSS verbunden, und die Kollektorbereiche sind elektrisch leitend mit einem Anschluss
VDD oder
VSS verbunden. Die Gesamtheit der Emitter- und Kollektorbereiche ist von einem Basisbereich umgeben, der durch eine weitere Diffusionsschicht gebildet und elektrisch leitend mit dem Anschluss VDD verbunden ist.
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In der
WO 2006/133888 A1 ist eine ESD-Schutzstruktur für Halbleiterbauelemente beschrieben, bei der zwei Bipolartransistoren parallel geschaltet sind, die jeweils einen ovalen Anodenbereich als Kollektorhalbleitergebiet und eine im Inneren der Ovalstruktur angeordnete Kathodenmetallisierung aufweisen. Ein Anschlussgebiet der Basis und das Emitterhalbleitergebiet sind über die Kathodenmetallisierung kurzgeschlossen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine ESD-Schutzschaltung für Hochvolt-Anwendungen anzugeben, bei der die Ansprechgeschwindigkeit, das Ansprechverhalten und die Stromverteilung über die Entladestufe verbessert sind.
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Diese Aufgabe wird mit der integrierten ESD-Schutzschaltung mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder 2 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die ESD-Schutzschaltung umfasst eine Entladestufe, mit der die Schaltung bei Auftreten einer Überspannung entladen wird, sowie eine mit der Entladestufe verbundene Auslösestufe, mit der bei Auftreten einer Überspannung die Entladung ausgelöst wird. Die Entladestufe umfasst einen Bipolartransistor, und die Auslösestufe ist durch die Basis und den Emitter beziehungsweise die Basis und den Kollektor des Bipolartransistors gebildet, die als Trigger-Diode fungieren. Beim Auftreten einer Überspannung wird ein Durchbruch der Trigger-Diode in deren Sperrrichtung hervorgerufen. Die Trigger-Diode treibt direkt den Strom für die Basis. Die für den Entladestrom erforderlichen Ladungsträger befinden sich beim Auftreten einer Überspannung bereits in dem Basis-Emitter-Bereich beziehungsweise dem Basis-Kollektor-Bereich, so dass zwischen dem auslösenden Ereignis und dem Wirksamwerden der Schutzschaltung praktisch keine Verzögerung stattfindet. Damit wird ein schnelleres Ansprechen der ESD-Schutzschaltung erreicht, so dass eine gegebenenfalls auftretende Überspannung schneller als bisher entladen und somit auf einen niedrigeren Wert begrenzt werden kann. Außerdem werden Verluste durch parasitäre Ströme, die in einer vorgeschalteten separaten Stufe auftreten können, vermieden.
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Bei einer beanspruchten integrierten ESD-Schutzschaltung sind eine Entladestufe, mit der die Schaltung bei Auftreten einer Überspannung entladen wird, und eine mit der Entladestufe verbundene Auslösestufe, mit der eine Entladung bei Auftreten einer Überspannung ausgelöst wird, vorhanden. Die Entladestufe umfasst einen Bipolartransistor mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor, wobei die Auslösestufe durch die Basis und den Emitter oder durch die Basis und den Kollektor gebildet ist, und eine Mehrzahl weiterer Bipolartransistoren. Kontaktbereiche der Basen der Bipolartransistoren sind jeweils zwischen Emitter/Kollektorbereichen angeordnet. Die Emitter der Bipolartransistoren sind elektrisch leitend miteinander verbunden, die Basen der Bipolartransistoren sind elektrisch leitend miteinander verbunden, und die Kollektoren der Bipolartransistoren sind elektrisch leitend miteinander verbunden.
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Bei einer weiteren beanspruchten integrierten ESD-Schutzschaltung sind eine Entladestufe, mit der die Schaltung bei Auftreten einer Überspannung entladen wird, und eine mit der Entladestufe verbundene Auslösestufe, mit der eine Entladung bei Auftreten einer Überspannung ausgelöst wird, vorhanden. Die Entladestufe umfasst einen Bipolartransistor mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor, wobei die Auslösestufe durch die Basis und den Emitter oder durch die Basis und den Kollektor gebildet ist, und eine Mehrzahl weiterer Bipolartransistoren. Kontaktbereiche der Basen der Bipolartransistoren sind jeweils zwischen Emitter/Kollektorbereichen angeordnet. Die Emitter der Bipolartransistoren sind gruppenweise elektrisch leitend miteinander verbunden, die Basen der Bipolartransistoren sind elektrisch leitend miteinander verbunden, und die Kollektoren der Bipolartransistoren sind gruppenweise elektrisch leitend miteinander verbunden.
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Bei Ausführungsbeispielen der ESD-Schutzschaltung umfasst die Schaltung eine Vielzahl von Bipolartransistoren, von denen jeder eine Trigger-Diode in Form des Emitter-Basis-Bereiches aufweist. Jeder Bipolartransistor besitzt somit eine eigene Trigger-Diode und einen dazu in Serie geschalteten Basiswiderstand, so dass der Auslösestrom jeweils innerhalb der betreffenden Einheit der Entladestufe fließt. Im Betrieb der Schaltung wird in den Bipolartransistoren eine von der Stromstärke abhängige Wärmemenge erzeugt, die die Triggerspannung erhöht. Infolge der Abhängigkeit der Triggerspannung von der Stromstärke wird eine gleichmäßige Verteilung des gesamten Entladestromes über die Transistoren selbsttätig geregelt. Parasitärer Spannungsabfall auf der Kontrollleitung für die Basis wird beseitigt. Weil keine gesonderte Auslösestufe erforderlich ist, die üblicherweise etwa die Hälfte des aktiven Bereiches einer Entladestufe beansprucht, wird im Vergleich zu bisherigen Schutzschaltungen viel Chipfläche eingespart.
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Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen der ESD-Schutzschaltung anhand der beigefügten Figuren.
- Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der integrierten ESD-Schutzschaltung im Querschnitt.
- Die 2 zeigt ein Schaltungsschema für ein Ausführungsbeispiel der ESD-Schutzschaltung.
- Die 3 zeigt ein weiteres Schaltungsschema gemäß der 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel.
- Die 4 zeigt ein weiteres Schaltungsschema gemäß der 2 für ein Ausführungsbeispiel mit gruppenweise zusammengeschalteten Emittern.
- Die 5 zeigt ein weiteres Schaltungsschema gemäß der 2 für ein Ausführungsbeispiel mit gruppenweise zusammengeschalteten Emittern und gruppenweise zusammengeschalteten Kollektoren.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement mit einer integrierten ESD-Schutzschaltung als ein mögliches Ausführungsbeispiel. In einem Substrat 1 aus Halbleitermaterial befindet sich an einer Oberseite eine dotierte Wanne 2 eines ersten Leitfähigkeitstyps. Statt einer dotierten Wanne kann ein anders ausgebildeter leitfähig dotierter Bereich vorhanden sein oder auch das Substrat 1 vollständig mit einer Grunddotierung für den ersten Leitfähigkeitstyp versehen sein. In dem Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps ist eine Mehrzahl von Emitter/Kollektorbereichen CE1, CE2, CE3, CE4 angeordnet, die ebenfalls als dotierte Wannen ausgebildet sein können. Die Emitter/Kollektorbereiche CE1, CE2, CE3, CE4 sind für einen dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert. Der erste Leitfähigkeitstyp kann zum Beispiel n-Leitung und der zweite Leitfähigkeitstyp p-Leitung sein.
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Die Emitter/Kollektorbereiche CE1, CE2, CE3, CE4 sind in einem Abstand zueinander angeordnet. Sie bilden jeweils mit dem dazwischen vorhandenen Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps einen horizontalen Bipolartransistor. Für einen elektrischen Anschluss der Basis können jeweils zwischen den Emitter/Kollektorbereichen CE1, CE2, CE3, CE4 Kontaktbereiche B12, B23, B34, B45 angeordnet sein, die für den ersten Leitfähigkeitstyp höher dotiert sind als das umgebende Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps. Falls ein externer elektrischer Anschluss der Emitter/Kollektorbereiche CE1, CE2, CE3, CE4 und der Kontaktbereiche B12, B23, B34, B45 vorgesehen ist, können auf der Oberseite Kontakte 5 aufgebracht sein, die zum Beispiel in einer an sich bekannten Weise durch geeignet strukturierte Metallisierungen gebildet sein können. Statt dessen ist es auch möglich, die Kontaktbereiche B12, B23, B34, B45 über leitfähig dotierte Bereiche innerhalb des Halbleitermateriales mit der integrierten Schaltung zu verbinden.
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Zwei zueinander benachbarte Emitter/Kollektorbereiche CE1, CE2, CE3, CE4 und das dazwischen vorhandene, entgegengesetzt dotierte Halbleitermaterial, gegebenenfalls auch ein dort vorhandener Kontaktbereich B12, B23, B34, B45, bilden jeweils einen Bipolartransistor aus Emitter, Basis und Kollektor. Mit den als Beispiel angegebenen Leitfähigkeitstypen handelt es sich jeweils um PNP-Transistoren. Diese Transistoren werden vorzugsweise als Hochvolttransistoren ausgelegt. Zur Herstellung der dotierten Bereiche, insbesondere der dotierten Wanne 2, der Emitter/Kollektorbereiche CE1, CE2, CE3, CE4 und der Kontaktbereiche B12, B23, B34, B45, können die in einem Herstellungsprozess für Hochvoltbauelemente durchgeführten Wannenimplantationen verwendet werden.
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Die ESD-Schutzschaltung ist bereits funktionsfähig, wenn in dem dotierten Halbleitermaterial nur zwei entgegengesetzt dazu dotierte Emitter/Kollektorbereiche CE1, CE2 im Abstand zueinander angeordnet sind. In Abhängigkeit von dem Anschluss in der Schaltung erfüllt einer der beiden Emitter/Kollektorbereiche CE1, CE2 die Funktion des Emitters und der andere der beiden Emitter/Kollektorbereiche CE1, CE2 die Funktion des Kollektors. Die Emitter-Basis-Strecke ist als Trigger-Diode der Auslösestufe vorgesehen. Bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung mit mehreren Bipolartransistoren, die mittels einer Mehrzahl von Emitter/Kollektorbereichen CE1, CE2, CE3, CE4 in der in der 1 als Beispiel dargestellten Form realisiert werden können.
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In der normalen Betriebsweise bleibt jeder Bipolartransistor der ESD-Schutzschaltung ausgeschaltet, zum Beispiel durch einen zwischen die Basis und einen Anschluss einer Versorgungsspannung geschalteten ohmschen Widerstand. Im Fall eines PNP-Transistors wird der Widerstand zwischen die Basis und den positiven Anschluss der Versorgungsspannung geschaltet. Beim Auftreten einer Überspannung in der zu schützenden Schaltung wird ein Durchbruch der Emitter-Basis-Dioden der ESD-Schutzschaltung (Trigger-Dioden) in deren Sperrrichtung hervorgerufen. Dabei handelt es sich in dem beschriebenen Beispiel der 1 im Wesentlichen um einen Durchbruch zwischen dem jeweils hoch dotierten Kontaktbereich B12, B23, B34, B45, zum Beispiel einer n+-Wanne, und dem den Emitter bildenden Emitter/Kollektorbereich CE1, CE2, CE3, CE4, zum Beispiel einer p-Wanne. Die Trigger-Diode liefert jeweils den Basisstrom des Bipolartransistors. Der Basis-Emitter-Strom wird durch den Bipolartransistor verstärkt um einen Faktor, der typisch in der Größenordnung von etwa 2 liegt. Der Entladestrom ist die Summe aus dem Basisstrom und dem Kollektorstrom, der etwa zweimal dem Emitterstrom entspricht.
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In einer mit einer Mehrzahl von Bipolartransistoren versehenen ESD-Schutzschaltung, zum Beispiel in der Anordnung mehrerer Bipolartransistoren gemäß 1, besitzt jeder Transistor eine eigene Trigger-Diode. Wenn durch einen der Bipolartransistoren ein stärkerer Strom fließt als durch die anderen Bipolartransistoren, wird an der Stelle größerer Stromstärke im Vergleich mehr Wärme erzeugt, wodurch die Triggerspannung des betreffenden Transistors erhöht und folglich der Strom reduziert wird. Daraus resultiert eine gleichmäßige Verteilung des Entladestromes über sämtliche Bipolartransistoren. Die Verteilung des Entladestromes in der ESD-Schutzschaltung wird somit in der angegebenen Weise von selbst reguliert.
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Die 2 zeigt ein Schaltungsschema, das zum Beispiel mit dem Bauelement gemäß der 1 realisiert werden kann. Zwischen Anschlüsse V0, V1 einer Versorgungsspannung ist eine Mehrzahl von PNP-Transistoren parallel geschaltet. Der erste Anschluss V0 der Versorgungsspannung ist zum Beispiel ein Masseanschluss und der zweite Anschluss V1 der Versorgungsspannung ein gegen Masse positiver Anschluss. Die Kollektoren C1, C2, ..., Cn sind jeweils mit dem Masseanschluss verbunden, während die Emitter E1, E2, ..., En mit dem positiven Anschluss der Versorgungsspannung verbunden sind. Die Basisanschlüsse B1, B2, ..., Bn sind gemeinsam über einen ohmschen Widerstand 3 mit dem positiven Anschluss der Versorgungsspannung verbunden. Der Widerstand 3 sorgt dafür, dass die Bipolartransistoren in der normalen Betriebsweise abgeschaltet sind. Der Widerstand 3 und die Kapazität zwischen einem jeweiligen Basisanschluss und dem Substrat des Bauelementes ergeben in beiden Stromrichtungen eine Wechselspannungskopplung, die als Pre-Trigger für die Bipolartransistoren wirkt, bevor das Triggerniveau für Gleichspannung erreicht ist.
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Die 3 zeigt ein Schaltungsschema gemäß der 2, in dem der ohmsche Widerstand durch ein aktives Schaltungsteil 4 zur Verhinderung von Leckströmen ersetzt ist. Leckströme könnten auftreten bei hohen Temperaturen in Fällen, in denen die Basis nicht auf den positiven Emitteranschluss gezogen wird. Die ESD-Schutzschaltung des Ausführungsbeispiels der 3 ist in der normalen Betriebsweise abgeschaltet mittels einer Treiberschaltung, die mit Wechselspannung oder Gleichspannung betrieben wird, um den Zustand ohne Leckströme aufrechtzuerhalten.
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Die 4 zeigt ein Schaltungsschema gemäß der 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere positive Anschlüsse V11, V12, V13 der Versorgungsspannung vorhanden sind, die auf demselben elektrischen Potenzial oder auch auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen liegen können. Die Emitter E1, E2, ..., E9 der in diesem Ausführungsbeispiel vorhandenen neun Bipolartransistoren sind gruppenweise mit den Anschlüssen der Versorgungsspannung verbunden. Der erste Emitter E1, der vierte Emitter E4, der fünfte Emitter E5 und der siebente Emitter E7 sind mit dem Anschluss V11 verbunden; der zweite Emitter E2, der sechste Emitter E6 und der neunte Emitter E9 sind mit dem Anschluss V12 verbunden; und der dritte Emitter E3 und der achte Emitter E8 sind mit dem Anschluss V13 verbunden. Alle Kollektoren C1, C2, ..., C9 sind mit dem Masseanschluss V0 verbunden.
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Die 5 zeigt ein Schaltungsschema gemäß der 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein erster Anschluss V01, ein zweiter Anschluss V02, ein dritter Anschluss V03, ein vierter Anschluss V11, ein fünfter Anschluss V12 und ein sechster Anschluss V13 einer Versorgungsspannung vorhanden sind. Die Kollektoren C1, C2, ..., C9 der Bipolartransistoren sind gruppenweise mit den ersten drei Anschlüssen V01, V02, V03 der Versorgungsspannung verbunden. Diese Anschlüsse V01, V02, V03 können auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen liegen, insbesondere auf negativen Potenzialen, oder auch auf demselben elektrischen Potenzial gehalten werden, insbesondere auf Masse. Der letztgenannte Fall kann zum Beispiel vorteilhaft sein, wenn an mehreren Stellen in der integrierten Schaltung Masseanschlüsse vorgesehen sind. Die Emitter E1, E2, ..., E9 sind gruppenweise mit den weiteren drei Anschlüssen V11, V12, V13 der Versorgungsspannung verbunden. Diese Anschlüsse V11, V12, V13 sind bei Verwendung von PNP-Transistoren positiv gegen Masse und können auf demselben elektrischen Potenzial oder auch auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen liegen.
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Die ESD-Schutzschaltung ist unipolar aufgebaut und lässt im Normalbetrieb sowohl eine positive als auch eine negative Spannung unterhalb der Triggerschwelle zu, so dass die Anschlüsse V1, V11, V12, V13 auch negativ bezüglich der Anschlüsse V0, V01, V02, V03 gepolt sein können. Die ESD-Schutzschaltung wirkt dann in gleicher Weise, hat aber im Vergleich zu einer nicht verpolbaren ESD-Schutzschaltung keine Spannungsbegrenzung bis zur Triggerspannung. Eine Entladung erfolgt somit bei beiden möglichen Polungen einer Versorgungsspannung.
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Die Triggerspannungen der Emitter-Basis-Dioden beziehungsweise der Kollektor-Basis-Dioden können unterschiedlich gewählt sein. An den Anschlüssen, an die eine jeweilige Gruppe von Emittern beziehungsweise Kollektoren angeschlossen sind, stellen sich entsprechend unterschiedliche Klemmenspannungen ein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- dotierte Wanne des ersten Leitfähigkeitstyps
- 3
- ohmscher Widerstand
- 4
- aktiver Schaltungsteil zur Verhinderung von Leckströmen
- 5
- Kontakt
- Bn
- Basis des n-ten Bipolartransistors
- Cn
- Kollektor des n-ten Bipolartransistors
- En
- Emitter des n-ten Bipolartransistors
- Bmn
- Kontaktbereich
- CEn
- Emitter/Kollektorbereich
- V0
- erster Anschluss einer Versorgungsspannung
- V1
- zweiter Anschluss einer Versorgungsspannung
- V01
- erster Anschluss einer Versorgungsspannung
- V02
- zweiter Anschluss einer Versorgungsspannung
- V03
- dritter Anschluss einer Versorgungsspannung
- V11
- vierter Anschluss einer Versorgungsspannung
- V12
- fünfter Anschluss einer Versorgungsspannung
- V13
- sechster Anschluss einer Versorgungsspannung
