DE10214068A1

DE10214068A1 - ESD-Schutzschaltung für Radiofrequenz- Ein/Ausgangsanschlüsse in einer integrierten Schaltung

Info

Publication number: DE10214068A1
Application number: DE10214068A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Kluge; Andreas Huschka; Uwe Hahn
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: DE10214068B4; US20030183403A1; US7224949B2

Abstract

Eine integrierte Schaltung umfasst eine ESD-Schutzschaltung mit einer Induktivität, die zwischen einem Eingangsanschluss und einem Masseanschluss, an denen ein RF-Signal angelegt wird, angeschlossen ist. Die Induktivität ist so gestaltet, um eine ausreichende Stromführungskapazität bereitzustellen, die für typische ESD-Ereignisse erforderlich ist. Ferner ist der Induktivitätswert der Induktivität so gewählt, um in Verbindung mit einer vorhandenen parasitären Kapazität einen Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz zu bilden, die an das RF-Signal angepasst ist. Daher ist die Betriebsfrequenz der integrierten Schaltung nicht durch die ESD-Schutzschaltung beschränkt. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Ausgangsanschluss gegen ESD geschützt mittels einer Induktivität, die an eine Hilfsspannung angeschlossen ist, die dazu dient, um einen Ausgangstransistor vorzuspannen. Ferner sind Klemmelemente, etwa Dioden, zwischen der Hilfsspannung und der Versorgungsspannung und zwischen der Hilfsspannung und dem Massepotenzial vorgesehen.

Description

Gebiet der vorliegenden Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der integrierten Schaltungen mit einer internen Schaltungsstruktur zum Empfangen und/oder zum Ausgeben von Radiofrequenzsignalen, wobei eine Schutzschaltung vorgesehen ist, um das Risiko der Beschädigung aufgrund elektrostatischer Entladungs-(ESD) Ereignisse zu minimieren.

Beschreibung des Stands der Technik

In modernen integrierten Schaltungen werden für gewöhnlich eine große Anzahl einzelner Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen auf einer kleinen Substratfläche gebildet, um damit die erforderliche Funktionalität der Schaltung bereitzustellen. Typischerweise wird eine Reihe von Anschlussflächen bereitgestellt, die wiederum elektrisch mit entsprechenden Anschlüssen, die auch als Stifte bzw. Pins bezeichnet werden, verbunden sind, so dass die Schaltung mit der Umwelt kommunizieren kann. Mit der ständigen Verkleinerung der Größe der Schaltungselemente zur Erhöhung der Packungsdichte und Verbesserung der Leistungsfähigkeit der integrierten Schaltung wird die Fähigkeit, einer extern an einen der Stifte der integrierten Schaltung angelegten Überspannung zu widerstehen, deutlich kleiner. Ein Grund dafür liegt in der Tatsache begründet, dass das Verringern der Strukturgrößen von Feldeffekttransistoren, d. h. das Reduzieren der Kanallänge des Feldeffekttransistors, typischerweise erfordert, dass ebenso die Dicke der Isolierschicht, die die Gateelektrode von dem Kanalgebiet trennt, entsprechend reduziert werden muss. Eine Überspannung, die an eine dünne Gateisolierschicht angelegt wird, führt jedoch zu Defekten in der Gateisolierschicht, woraus eine reduzierte Zuverlässigkeit oder gar die vollkommene Zerstörung der Elemente resultieren kann, möglicherweise mit der Konsequenz eines vollständigen Ausfalls der integrierten Schaltung.

Eine Hauptquelle derartiger Überspannungen sind sogenannte elektrostatische Entladungen (ESD), wobei ein mit Ladungsträgern aufgeladenes Objekt mit einigen der Stiften der integrierten Schaltung in Berührung kommt. Beispielsweise kann eine Person eine sehr hohe Spannung von wenigen hundert bis einige tausend Volt durch bloßes Bewegen über einen Teppich erzeugen, so dass eine integrierte Schaltung beschädigt werden kann, wenn die Person die integrierte Schaltung beispielsweise durch Herausnehmen der integrierten Schaltung aus der entsprechenden Schaltungsplatine berührt. Eine entsprechende Überspannung, die durch ein ESD-Ereignis hervorgerufen wird, kann selbst während der Herstellung der integrierten Schaltung auftreten und kann daher zu einer verringerten Produktionsausbeute führen. Ferner gibt es heutzutage eine zunehmende Tendenz, austauschbare ICs in elektronischen Systemen zu verwenden, so dass lediglich eine oder mehrere integrierte Schaltungen anstelle der gesamten Platine zu ersetzen sind, um beispielsweise Mikroprozessoren und Speicherkarten auf den neuesten Stand zu bringen. Da das Wiedereinsetzen der integrierten Austauschschaltungen nicht notwendigerweise von einem Fachmann in einer ESD-sicheren Umgebung durchgeführt wird, müssen die integrierten Schaltungen mit einem entsprechenden ESD-Schutz versehen werden. Dazu wurde eine Reihe von Schutzschaltungen vorgeschlagen, die typischerweise zwischen einem Anschluss der integrierten Schaltung und der internen Schaltung angeordnet sind, um einen Stromweg bereitzustellen, der sicherstellt, dass die an die interne Schaltung angelegte Spannung deutlich unterhalb einer spezifizierten kritischen Grenze bleibt. Beispielsweise wird in einem typischen ESD- Ereignis, das von einer mit Ladungsträgern aufgeladenen Person verursacht wird, eine Spannung von mehreren tausend Volt in einem Zeitintervall von ungefähr 100 ns (Nanosekunden) entladen, wodurch ein Strom von mehreren Ampere erzeugt wird. Somit muss die ESD-Schutzschaltung einen Stromfluss von zumindest einigen Ampere zulassen, um damit sicherzustellen, dass die Spannung über der ESD-Schutzschaltung nicht die kritische Grenze überschreitet.

Mit Bezug zu Fig. 1 wird im Folgenden eine typische ESD-Schutzschaltung erläutert. In Fig. 1 umfasst eine integrierte Schaltung 100 eine interne Schaltung 101, die mit einem Eingangsanschluss 103 verbunden ist. Ferner sind Anschlüsse 102 und 104 vorgesehen, um die Versorgungsspannung zu empfangen, wobei der Anschluss 102 die positive Versorgungsspannung VDD und der Anschluss 104 die negative Versorgungsspannung VSS empfängt. Ein P-MOS-Transistor 105 ist mit dem Anschluss 102 und mit dem Eingangsanschluss 103 verbunden, und ein N-MOS-Transistor 106 ist zwischen dem Eingangsanschluss 103 und dem Versorgungsspannungsanschluss 104 angeschlossen.

Wenn eine positive Überspannung an dem Eingangsanschluss 103 auftritt, wird der P-MOS-Transistor 105 aufgrund der internen Inversdiode 107 leitend, um damit die Spannung des Eingangsanschlusses 103 an die Versorgungsspannung VDD zu klemmen. Tatsächlich ist die Spannung an dem Eingangsanschluss 103 auf VDD plus einem Vorwärtsspannungsabfall der Diode 107 festgelegt. Durch geeignetes Auswählen der Stromtreiberfähigkeit des P-MOS-Transistors 105 und für eine typische Anstiegszeit der Überspannung, die an dem Eingangsanschluss 103 angelegt ist, übersteigt die Spannung die kritische Grenze selbst während der Einschwingzeit der Diode 107 nicht.

Wenn beispielsweise eine negative Überspannung an den Eingangsanschluss 103 angelegt wird, wird der N-MOS-Transistor 106 leitend, d. h. die Inversdiode 108 stellt einen Stromweg bereit, um die Spannung an dem Eingangsanschluss 103 an die negative Versorgungsspannung VSS (plus einem Vorwärtsspannungsabfall der Diode 108) zu klemmen.

Wie zuvor erwähnt ist, müssen die Transistoren 105 und 106 einen Strom bis zu mehreren Ampere führen und damit muss die Größe dieser Transistoren entsprechend angepasst sein. Eine große Größe der Transistoren 105, 106 führt andererseits zu einer großen parasitären Kapazität, wie dies durch die Kondensatoren 109 und 110 angedeutet ist, so dass die Eigenschaft der Transistorelemente als ESD-Schutzschaltung dramatisch die Hochfrequenzeigenschaften der integrierten Schaltung 100 beeinflusst. Beispielsweise werden in modernen drahtlosen Kommunikationssystemen häufig integrierte Schaltungen mit einer großen Anzahl von MOS-Transistoren verwendet, die bis zu mehreren GHz (Gigahertz) arbeiten sollen und daher kann u. U. ein ausreichender Schutz der entsprechenden Anschlüsse, die Signale in diesen Frequenzbereich empfangen oder ausgeben, nicht in ausreichender Weise gegenüber ESD-Ereignissen gewährleistet werden, da die damit verknüpften parasitären Kapazitäten es nicht zulassen, ausreichend großdimensionierte schützende Elemente ohne unzulässige Beeinträchtigungen der Leistungsfähigkeit der integrierten Schaltung zu bilden.

Angesichts der obigen Probleme besteht ein Bedarf für einen verbesserten ESD-Schutz für integrierte Schaltungen, die bei relativ hohen Frequenzen arbeiten.

Überblick über die Erfindung

Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein Bauteil und ein Verfahren, das eine integrierte Schaltung, die zum Betrieb im Radiofrequenzbereich ausgestaltet ist, vor Beschädigung durch elektrostatische Entladungsereignisse schützt, indem eine Schutzschaltung vorgesehen wird, die einen frequenzabhängigen Widerstand aufweist, so dass aus hohen Frequenzkomponenten bestehende Radiosignale lediglich nur leicht abgeschwächt werden, wohingegen niederfrequente Komponenten effizient kurzgeschlossen werden, um eine gefährliche Überspannung an einer internen Schaltung der integrierten Schaltung im Wesentlichen zu vermeiden.

In einer Ausführungsform umfasst ein integriertes Halbleiterelement eine interne Schaltung zum Verarbeiten eines RF-Signals und einen Eingangsanschluss, um das RF- Signal an die interne Schaltung zu liefern. Des Weiteren umfasst die integrierte Schaltung einen Referenzspannungsanschluss und ein induktives Element, das in der integrierten Schaltung vorgesehen ist, wobei ein Ende des induktiven Elements mit dem Eingangsanschluss verbunden ist und ein weiteres Ende des induktiven Elements mit dem Referenzspannungsanschluss verbunden ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein integriertes Halbleiterelement eine interne Radiofrequenzschaltung, einen Ausgangsanschluss, einen ersten Versorgungsspannungsanschluss zum Zuführen einer hohen Versorgungsspannung und einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss zum Zuführen einer niedrigen Versorgungsspannung. Ferner umfasst die integrierte Schaltung einen Ausgangstransistor, der mit einem Anschluss an den Ausgangsanschluss angeschlossen ist, einen Hilfsspannungsknotenpunkt und ein induktives Element, das mit einem Ende an den Ausgangsanschluss und mit dem anderen Ende an den Hilfsspannungsknotenpunkt angeschlossen ist. Ferner wird ein erstes Klemmelement bereitgestellt, das mit einer Seite an den Hilfsspannungsknotenpunkt angeschlossen ist und mit der anderen Seite an den ersten Versorgungsspannungsanschluss angeschlossen ist, und ein zweites Klemmelement wird bereitgestellt, das mit einer Seite an den zweiten Versorgungsspannungsanschluss angeschlossen ist und mit einer weiteren Seite an den Hilfsspannungsknotenpunkt angeschlossen ist, wobei das induktive Element und das erste oder das zweite Klemmelement einen Strompfad bei Auftreten einer Überspannung an dem Ausgangsanschluss bereitstellen.

In einer noch weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt zum Verringern des Beschädigungsrisikos, das durch ein elektrostatisches Entladungsereignis in einer integrierten Schaltung mit einem Eingangsanschluss und einem Referenzanschluss zum Empfangen eines Radiofrequenzsignals, das einer internen Schaltung zuzuführen ist, verursacht wird. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer ESD-Schaltung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Referenzanschluss, so dass die ESD- Schutzschaltung einen hohen Widerstand in einem vordefinierten Frequenzbereich einschließlich der Frequenz des RF-Signals zeigt, und die einen geringen Widerstand bei Frequenzen unterhalb des spezifizierten Frequenzbereichs zeigt.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt zur Verringerung des Beschädigungsrisikos, das durch ein elektrostatisches Entladungsereignis in einer integrierten Schaltung mit einem Ausgangsanschluss und einem Referenzanschluss zum Ausgeben eines RF-Signals, das von einer internen Schaltung geliefert wird, verursacht wird.

Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Ausgangstransistors, von dem ein Anschluss an den Ausgangsanschluss angeschlossen ist. Ferner wird ein induktives Element bereitgestellt, dessen eines Ende mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einem Hilfsspannungsknotenpunkt verbunden ist. Das Verfahren umfasst ferner das Bereitstellen erster und zweiter Klemmelemente zwischen dem Hilfsspannungsknotenpunkt und einer hohen Versorgungsspannungsleitung, und zwischen dem Hilfsspannungsknotenpunkt und einer niedrigen Versorgungsspannungsleitung, so dass bei Auftreten einer Überspannung an dem Ausgangsspannungsanschluss dieser an die hohe Versorgungsspannungsleitung oder die niedrige Versorgungsspannungsleitung über das induktive Element und das erste oder zweite Klemmelement geklemmt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild, das ein typisches konventionelles ESD-Schutzschaltungsbeispiel zeigt;
Fig. 2a eine anschauliche Ausführungsform, die sich auf eine Schaltung mit Induktivität zum Schutz eines Radiofrequenzeingangsanschlusses bezieht;
Fig. 2b schematisch die Ausgestaltung eines Bereichs der Schaltung mit Induktivität aus Fig. 2a;
Fig. 3 ein Schaltbild, das eine Schaltung zum Schutz eines Ausgangsanschlusses gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform zeigt; und
Fig. 4 ein Flussdiagramm, das Schritte zur Herstellung eines Halbleiterelements mit einem verbesserten ESD-Schutz gemäß einer anschaulichen Ausführungsform darstellt.

Detaillierte Beschreibung

Anzumerken ist, dass obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, es nicht beabsichtigt ist, dass die detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen einschränken, sondern die beschriebenen Ausführungsformen sollen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung beschreiben, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Mit Bezug zu den Fig. 2 bis 4 werden im Folgenden anschauliche Ausführungsformen beschrieben, die die Problematik zur Reduzierung des Beschädigungsrisikos betreffen, das durch beliebige elektrostatische Entladungsereignisse hervorgerufen wird, die an Eingangs- und/oder Ausgangsanschlüssen von integrierten Schaltungen auftreten. Des Weiteren wird in der folgenden detaillierten Beschreibung auf ESD-Ereignisse Bezug genommen, mit einer Spannung in der Größenordnung von 2000-3000 Volt bei einer Anstiegszeit von ungefähr 100 ns mit einem Entladungsstrom von mehreren Ampere. Diese Parameter entsprechen dem so genannten menschlichen Körpermodell mit einer Kapazität von ungefähr 150 pF (picoFarad) mit einer Ladung von ungefähr 0.5 C (Coloumb); es soll jedoch betont werden, dass die hierin beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen sowie die vorliegende Erfindung mit dem Schutzbereich, wie er in den angefügten Patentansprüchen definiert ist, in einfacher Weise auf andere Umgebungsbedingungen, d. h. höhere oder geringere elektrostatische Spannungen, größere oder kleiner Entladungszeiten und dergleichen anpassbar ist. Ferner wird in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Ansprüchen der Begriff "Radiofrequenz"-Signal oder "RF"-Signal für beliebige Signale verwendet, die vorzugsweise in drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet werden, und somit soll der Begriff "RF"-Signal alle Signalarten in einem Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz bis einigen GHz miteinschließen. Ferner ist der Begriff "MOS-Transistor" als eine beliebige Art eines Feldeffekttransistors mit einer isolierten Gateelektrode zu verstehen, unabhängig davon, ob die Gateisolierschicht eine Oxidschicht oder ein anderes geeignetes Material ist.
Fig. 2a zeigt schematisch ein Schaltbild eines Teils einer integrierten Schaltung 200, die eine beliebige integrierte Schaltung darstellen soll, die zur Verarbeitung von RF-Signalen geeignet ist, etwa eine integrierte Schaltung, die in mobilen drahtlosen Kommunikationsgeräten verwendet wird. Die integrierte Schaltung 200 umfasst eine interne Schaltung 201 mit mehreren aktiven und passiven Elementen, etwa MOS-Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und dergleichen. Der Einfachheit halber ist der interne Aufbau der internen Schaltung 201 in Fig. 2a nicht gezeigt. Ferner umfasst die integrierte Schaltung 200 mindestens einen Eingangsanschluss 203 und einen Masseanschluss 204, zwischen denen der integrierten Schaltung 200 ein RF-Signal zugeführt wird, und ferner ist ein Versorgungsspannungsanschluss 202 vorgesehen. Die integrierte Schaltung 200 umfasst des Weiteren einen Eingangsverstärker 220, der in dieser anschaulichen Ausführungsform durch einen einzelnen N-MOS-Transistor 221 repräsentiert ist, dessen Gateelektrode mit einer Gleichspannungsquelle 223 über einen Widerstand 222 vorgespannt ist. In anderen Ausführungsformen kann der Eingangsverstärker 220 eine komplexere Struktur aufweisen und kann zwei oder mehr Verstärkerstufen anstelle des einzelnen N-MOS-Transistors 221 aufweisen. In jedem Falle kann eine spannungsempfindliche Isolationsschicht in dem Eingangssignalpfad vorhanden sein, unabhängig davon, ob diese Schicht eine Gateisolierschicht oder eine andere dielektrische Schicht ist, die keiner Überspannung über einer maximalen Grenze ausgesetzt werden darf. Diese maximale Spannungsgrenze hängt von der für die Herstellung des MOS-Transistors, etwa des N-MOS-Transistors 221, verwendeten Technologie ab, wobei im Allgemeinen die Regel gilt, dass technisch fortgeschrittenere Halbleiterelemente eine höhere Empfindlichkeit für eine angelegte Überspannung zeigen. Beispielsweise kann ein MOS- Transistor, der entsprechend einer 0.25 Mikrometer C-MOS-Technologie, d. h. die Gatelänge des MOS-Transistors ist auf 0.25 Mikrometer ausgelegt, hergestellt ist, eine Gateisolierschicht aufweisen, die lediglich einer Spannung von nicht mehr als ungefähr 6 Volt widersteht.
Ein Kopplungskondensator 224 ist mit einer Elektrode an das Gate des MOS-Transistors 221 gekoppelt, wohingegen die andere Elektrode des Kopplungskondensators 224 mit dem Eingangsanschluss 203 verbunden ist. Der Kopplungskondensator 224 kann als ein Kondensator mit vertikalem Graben ausgebildet sein und zeigt für gewöhnlich eine dielektrische Durchbruchsspannung, die deutlich die dielektrische Durchbruchsspannung der Gateelektrode des MOS-Transistors 221 übersteigt. In einer speziellen Ausführungsform besitzt der Kopplungskondensator 224 eine dielektrische Durchbruchsspannung von 15 Volt und mehr. Ein induktives Element, das durch eine Induktivität 205 repräsentiert ist, ist mit einem Ende mit dem Eingangsanschluss 203 und dem anderen Ende mit dem Masseanschluss 204 verbunden. Die Induktivität 204 kann vorzugsweise ganz nahe an den entsprechenden Anschlussflächen (diese werden mit Bezug zu Fig. 2b beschrieben) der integrierten Schaltung 200, die mit dem Eingangsanschluss 203 und dem Masseanschluss 204 verbunden sind, ausgebildet sein. Bekanntermaßen sind diverse Verfahren zum physikalischen Verbinden von Kontaktflächen auf dem Chipgebiet, auf dem die integrierte Schaltung 200 gebildet ist, zu den Anschlüssen, beispielsweise Stiften des Gehäuses der integrierten Schaltung 200, verfügbar, etwa das Flipchipbonden, das Drahtbonden, das automatisierte Bandbonden, und dergleichen.
Fig. 2b zeigt schematisch einen Teil des Leiteraufbaus der integrierten Schaltung 200. In Fig. 2b sind die Anschlüsse 202, 203 und 204, etwa Stifte eine IC-Gehäuses, mit den entsprechenden Anschlussflächen 212, 213 und 214, die auch als CP-Bezeichnung bezeichnet sind, mittels entsprechender Leitungen 215, etwa Golddrähte, wenn ein Drahtbondverfahren verwendet wird, verbunden. Die Kontaktflächen 212, 213 und 214 sind wiederum mit entsprechenden Metallleitungen 216 verbunden, die einen elektrischen Kontakt zu den entsprechenden Chipflächen, etwa die interne Schaltung 201, herstellen. Anzumerken wäre, dass der Schaltungsaufbau der integrierten Schaltung 200 in Fig. 2b stark vereinfacht ist und es ist leicht erkennbar, dass in Wirklichkeit die Metallleitungen 206 in einer komplexeren Struktur und als mehrlagige Metallleitungen vorgesehen sein können.
Wie in Fig. 2b gezeigt ist, kann die Induktivität 205 als eine Metallleitung vorgesehen sein, die in einer einzelnen Metallisierungsschicht oder in mehreren Metallisierungsschichten vorgesehen ist, und kann eine oder mehrere Bahnumlenkungen aufweisen, um den erforderlichen Induktivitätswert zu erreichen, wie dies im Folgenden detaillierter dargestellt ist. Ferner sind die die Induktivität 205 bildenden Metallleitungen so gestaltet, dass die erforderliche Stromführungskapazität sichergestellt ist. In einer Ausführungsform ist die Induktivität 205 so gestaltet, dass diese wiederholt einen Strom von mindestens einem Ampere und vorteilhafter Weise von mindestens 3 Ampere führen kann. In einer Ausführungsform (nicht gezeigt) kann die Induktivität 205 eine oder mehrere Windungen aufweisen.
Es wird wieder auf Fig. 2a Bezug genommen, wobei eine parasitäre Kapazität 206 parallel zu der Induktivität 205 gezeigt ist, und wobei die parasitäre Kapazität 206 die Summe der parasitären Kapazitäten, die in dem Signalpfad des RF-Signals vorhanden sind, das an den Eingangsanschluss 203 und an den Masseanschluss 204 zugeführt wird, repräsentiert. Wie zuvor erläutert ist, besitzt beispielsweise ein MOS-Transistor abhängig von der Größe und der Gestaltung eine gewisse Kapazität. Ferner führen abhängig von der Leiterbahnausgestaltung die Leitungen 215 und 216 (siehe Fig. 2b) sowie die Induktivität 205 eine parasitäre Kapazität ein, die ein Eingangssignal "sieht", wenn dieses den Anschlüssen 203 und 204 zugeführt wird. In einer speziellen Ausführungsform ist der Wert der Induktivität 205 so gewählt, um einen Schwingkreis mit der parasitären Kapazität 206 bei einer Resonanzfrequenz zu bilden, die in dem Bereich der Frequenzen liegt, die in den den Anschlüssen 203 und 204 zugeführten Eingangssignalen enthalten sind. Ein anschauliches Verfahren zum Ermitteln der erforderlichen Induktivität und zur Herstellung der Induktivität 205 wird mit Bezug zu Fig. 4 beschrieben.
Während des normalen Betriebs der integrierten Schaltung 200 wird den Anschlüssen 203 und 204 ein RF-Signal zugeführt, wobei vorzugsweise die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 205, 206 auf den Eingangsfrequenzbereich abgestimmt ist, so dass das RF-Signal über den Kopplungskondensator 224 an das Gate des N-MOS-Transistors 221 ohne wesentliche Verluste eingekoppelt wird. Im Gegensatz zur Lösung im Stand der Technik, die beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist, erlaubt die Verwendung der Induktivität 205 als ein resonantes Element für einen Schwingkreis für den Frequenzbereich der RF-Eingangssignale und als ein niederohmiger Leiter für andere Frequenzen, wobei vorteilhafter Weise die parasitäre Kapazität positiv zum Bestimmen der Resonanzfrequenz genutzt wird, folglich das Bereitstellen einer ESD-Schutzschaltung, die im Wesentlichen keine Einschränkung hinsichtlich der maximalen verarbeitbaren Frequenz mit sich bringt.
Wenn andererseits eine Überspannung an den Eingangsanschluss 203, beispielsweise durch ein ESD-Ereignis angelegt wird, liefert die Induktivität 205 einen Strompfad, um den Eingangsanschluss 203 und den Masseanschluss 204 kurzzuschließen, so dass die Spannung über der Induktivität 205 deutlich unterhalb einer kritischen Grenze bleibt, die ansonsten eine Beschädigung der nachfolgenden Schaltungselemente, etwa des Koppelkondensators 224 und des N-MOS-Transistors 221 zur Folge hätte. Selbst wenn das ESD-Ereignis relativ hochfrequente Komponente enthält, und damit die mit dem ESD- Ereignis verknüpfte Zeitkonstante relativ klein sein sollte - aber dennoch länger als die inverse Frequenz des Restsignals - so ermöglicht der Koppelkondensator 224 eine relativ hohe Spannung über der Induktivität 205 beispielsweise von 15 Volt oder mehr, abhängig von der dielektrischen Durchbruchsspannung, und stellt somit sicher, dass empfindliche MOS-Transistoren wirksam geschützt sind.
In einer speziellen Ausführungsform ist die integrierte Schaltung 200 so gestaltet, um RF-Signale in der Größenordnung von GHz zu verarbeiten, so dass die inverse Frequenz, d. h. die Periode des RF-Signals in der Größenordnung von 1 ns ist, wohingegen die Anstiegszeit eines typischen ESD-Ereignisses von der Größenordnung 100 ns ist, so dass der Schwingkreis 205, 206 eine wirksame Kurzschlussschaltung für das langsame ESD-Ereignis bildet, aber im Wesentlichen nicht das Eingangs-RF-Signal beeinflusst, wenn die Resonanzfrequenz an den Frequenzbereich des RF-Signals angepasst ist.
Mit Bezug zu Fig. 3 werden nun weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben.
In Fig. 3 umfasst eine integrierte Schaltung 300 eine interne Schaltung 301, die mit einer Ausgangsstufe 321 verbunden ist, die in dieser Ausführungsform als ein N-MOS-Transistor vorgesehen ist. Das Source des N-MOS-Transistors 321 ist mit einem Ausgangsanschluss 303 verbunden. Die Ausgangsstufe 321 kann jedoch zusätzliche Komponenten aufweisen, abhängig von Entwurfserfordernissen, so dass zwei oder mehr Transistorelemente sowie zusätzliche passive Komponenten in der Ausgangsstufe 321 enthalten sein können. Ferner sind ein Versorgungsspannungsanschluss 302 und ein Masseanschluss 304 vorgesehen. Ein Knotenpunkt 340 für eine Hilfsspannung ist mit dem Versorgungsspannungsanschluss 302 mittels eines ersten Klemmelements, etwa einer Diode 307, verbunden. Des Weiteren ist der Knotenpunkt 304 mit dem Masseanschluss 304 mittels eines zweiten Klemmelements, etwa einer Diode 308, verbunden. Die parasitären Kapazitäten der Dioden 307, 308 sind mit dem Bezugszeichen 309, 310 gekennzeichnet. Das erste und das zweite Klemmelement können gemäß weiterer Ausführungsformen alternativ oder zusätzlich andere Elemente, etwa einen P-MOS-Transistor, einen N-MOS-Transistor, Zenerdioden, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen aufweisen. Eine Induktivität 305 ist mit einem Ende mit dem Knotenpunkt 304 und mit dem anderen Ende mit dem Ausgangsanschluss 303 verbunden. Hinsichtlich des Leiteraufbaus der Anschlüsse 302, 303, 304 und der entsprechenden Kontaktflächen sowie Metallleitungen gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den Fig. 2a und 2b dargelegt sind.
Anzumerken ist, dass der Knotenpunkt 340 mit dem Versorgungsspannungsanschluss 302 verbunden sein kann, so dass die Hilfsspannung der Versorgungsspannung entspricht.
Des Weiteren sind die Dioden 307, 308 so gezeigt, dass diese für eine positive Versorgungsspannung angeschlossen sind. Für eine negative Versorgungsspannung wären die Dioden 307, 308 invers zu der in Fig. 3 gezeigten Darstellung anzuschließen.
Während des normalen Betriebs kann die integrierte Schaltung 300 ein RF-Signal an den Anschlüssen 303 und 304 ausgeben. Das RF-Signal wird mittels des N-MOS-Transistors 321 ausgekoppelt, wobei die Induktivität 305 eine Gleichstromvorspannung vom Knotenpunkt 340 zu dem Source des N-MOS-Transistors 321 liefert. In einer speziellen Ausführungsform ist der Wert der Induktivität 305 so gewählt, dass dieser in Kombination mit einer parasitären Kapazität, die mit dem N-MOS-Transistor 321, der Induktivität 305 und dem Schaltungsaufbau und der Materialzusammensetzung von Leitungen und Kontaktflächen verknüpft ist, eine Resonanzfrequenz definiert, die an den Frequenzbereich des RF-Signals angepasst ist.
Im Falle einer Überspannung, die an dem Ausgangsanschluss 303 beispielsweise aufgrund eines ESD-Ereignisses auftritt, wird ein Strompfad über die Induktivität 305 und die Dioden 307 und 308, abhängig von dem Vorzeichen der angelegten Überspannung, bereitgestellt. Da die Dioden, die auch in Form von MOS-Transistoren vorgesehen sein können, von großer Baugröße sein müssen, sind die damit verknüpften parasitären Kapazitäten 309 und 310 ebenso groß. Im Vergleich zu der Lösung aus Fig. 1 sind diese parasitäre Kapazitäten jedoch aufgrund der Induktivität 305 nicht in den Signalpfad eingebunden, und beeinflussen somit nicht negativ das Ausgangssignal, das an den Anschlüssen 303 und 304 bereitgestellt wird. Somit erlaubt das Vorsehen der Induktivität 305 die Verwendung geeigneter dimensionierter Schaltungselemente, etwa der Diode 307, 308 und/oder von MOS-Transistoren und/oder von Zenerdioden und dergleichen, die die erforderliche Stromführungskapazität für die spezifizierten ESD-Ereignisse aufweisen, ohne dabei den Betriebsfrequenzbereich der integrierten Schaltung 300 ungebührlich einzuschränken.
In einer Ausführungsform können die in Fig. 2 und 3 gezeigten Schutzstrukturen kombiniert werden, um die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse einer entsprechenden integrierten Schaltung im Wesentlichen zu schützen. Ferner ist anzumerken, dass mehrere Eingangs- und Ausgangsanschlüsse bei einer entsprechenden Anzahl von Schutzschaltungen, etwa solchen, wie sie in Fig. 2 und 3 gezeigt sind, geschützt werden können.
Obwohl die bisher beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen sich auf integrierte Schaltungen beziehen, die auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt sind, kann die vorliegende Erfindung ebenso auf Schaltungskonfigurationen angewendet werden, in denen ein oder mehrere Bereiche der integrierten Schaltung auf einem separaten Substrat hergestellt sind. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform die interne Schaltung mit beispielsweise einem Eingangsverstärker entsprechend typischer MOS-Verfahren hergestellt werden, wohingegen die Induktivität separat hergestellt und mit der internen Schaltung kombiniert werden kann, bevor die kombinierte Schaltung in ein Gehäuse eingebracht wird. Eine derartige Ausführungsform wäre in Anwendungen nützlich, in denen Induktivitäten mit relativ großer Baugröße erforderlich sind.
Mit Bezug zu Fig. 4 wird nun ein anschaulicher Prozessablauf beschrieben, um den Wert der Induktivität zum Schutz einer integrierten Schaltung vor Beschädigung durch ein ESD-Ereignis zu bestimmen, wie dies in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist.
In Fig. 4 wird im Schritt 401 eine parasitäre Kapazität der herzustellenden integrierten Schaltung ermittelt. In diesem Schritt kann ein vorläufiger Entwurf für die Induktivität und die ESD-Schutzschaltung eingeführt werden, einschließlich einer Eingangsstufe der integrierten Schaltung. Beispielsweise können der Leiteraufbau der beteiligten Schaltung, die verwendeten Materialien und dergleichen berücksichtigt werden, um eine erste Abschätzung der resultierenden parasitären Kapazität zu erhalten.
Im Schritt 402 werden ESD-Parameter bestimmt, um die Art des ESD-Ereignisses zu spezifizieren, gegen die ein Schutz gewährleistet sein soll. Typische Parameter sind die ESD-Spannung, die ESD-Zeitkonstante, die Größe des während des ESD-Ereignisses auftretenden Stromes und dergleichen. Beispielsweise kann die betrachtete integrierte Schaltung so gestaltet werden, um einer Spannung von ungefähr 2000 Volt zu widerstehen, die sich an den Anschlüssen bei Berührung mit einem geladenen Körper in 50 bis 100 ns aufbaut.
Im Schritt 403 wird die tatsächlich erforderliche Induktivität nach der Grundlage der im Schritt 402 bestimmten Parameter und auf der Grundlage der parasitären Kapazität bestimmt, so dass für einen gegebenen Signalfrequenzbereich der Schwingkreis, der durch die Induktivität und die parasitäre Kapazität gebildet wird, an den Signalfrequenzbereich angepasst ist.
Im Schritt 404 wird eine entsprechende Induktivität in Übereinstimmung mit dem erforderlichen Induktivitätswert mit den für die entsprechende herzustellende integrierte Schaltung geeigneten Entwurfsregeln entwickelt. Das heißt, die Induktivität wird gestaltet, indem die verfügbare Chipfläche, die verfügbare Prozesstechnologie, das zur Herstellung der Leitungen und Kontaktfläche verwendete Material, die dielektrische Konstante der zwischen den Leitern vorzusehenden isolierenden Materialien und dergleichen berücksichtigt werden. Anschließend wird die resultierende parasitäre Kapazität, die durch die Gestaltung der Induktivität eingeführt wird, bestimmt und aufgezeichnet.
Im Schritt 405 wird bestimmt, ob die Resonanzfrequenz, die durch die Induktivität und die parasitäre Kapazität definiert ist, innerhalb gewisser Spezifikationen liegt, um die erforderliche Anpassung der integrierten Schaltung an einen gewünschten Signalfrequenzbereich zu erfüllen. Wenn dies nicht der Fall ist, geht der Prozessablauf im Schritt 403 zurück, um den Induktivitätswert erneut abzuschätzen. Die Schritte 403, 404 und 405 können wiederholt werden, bis die erhaltene Resonanzfrequenz in dem spezifizierten Bereich liegt.
Dann geht der Prozessablauf zum Schritt 406 weiter, in dem die Induktivität in Übereinstimmung mit dem in Schritt 404 etablierten Entwurfsregeln gebildet wird.
Vorzugsweise wird das zuvor mit Bezug zu Fig. 4 anschaulich beschriebene Verfahren durch Simulationsberechnung durchgeführt.
Alternativ können die Entwurfsparameter für die Induktivität im Voraus festgelegt werden und die Eingangsschaltung und/oder die Ausgangsschaltung kann entsprechend gestaltet werden, um die erforderliche Frequenzantwort zu erhalten.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Die Beschreibung ist daher lediglich als anschaulich zu betrachten und dient dem Zwecke, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln.

Claims

1. Integrierte Schaltung mit:
einer internen Schaltung zum Verarbeiten eines RF-Signals;
einem Eingangsanschluss, um das RF-Signal der internen Schaltung zuzuführen;
einem Referenzspannungsanschluss; und
einem induktiven Element, das in der integrierten Schaltung vorgesehen ist, wobei ein Ende des induktiven Elements mit dem Eingangsanschluss verbunden ist und ein weiteres Ende des induktiven Elements mit dem Referenzspannungsanschluss verbunden ist.

2. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei das induktive Element ein integriertes Schaltungselement ist, das auf dem gleichen Substrat als die interne Schaltung gebildet ist.

3. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 2, wobei das induktive Element eine Metallleitung mit einer oder mehreren Bahnumlenkungen und/oder eine Induktivität mit Windungen umfasst.

4. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 2, wobei das induktive Element zwei oder mehr Metallbereiche aufweist, die in unterschiedlichen Metallisierungsschichten gebildet sind.

5. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, die ferner eine Eingangsstufe aufweist, die mit dem Eingangsanschluss verbunden ist.

6. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Eingangsstufe einen Feldeffekttransistor aufweist, wobei die Gateelektrode oder der Sourceanschluss mit dem Eingangsanschluss verbunden ist.

7. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 6, die ferner einen Kopplungskondensator aufweist, der zwischen dem Eingangsanschluss und der Gateelektrode vorgesehen ist.

8. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei das induktive Element so ausgebildet ist, um einen Strom von zumindest 1 Ampere zu führen.

9. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei das induktive Element so ausgestaltet ist, um einen Schwingkreis mit einer parasitären Kapazität, die von dem RF-Signal gesehen wird, zu bilden, derart, dass eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises in einem spezifizierten Bereich liegt.

10. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 1, die ferner umfasst,
einen Ausgangsanschluss;
einen Ausgangstransistor, wovon ein Anschluss mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist;
ein zweites induktives Element, wovon ein Ende mit dem Ausgangsanschluss und das andere Ende mit einem Hilfsspannungsknotenpunkt verbunden ist;
ein erstes Klemmelement, das mit einem Ende mit dem Hilfsspannungsknotenpunkt verbunden ist und dem anderen Ende mit einer Versorgungsspannungsleitung verbunden ist; und
ein zweites Klemmelement, das mit einem Ende mit dem Hilfsspannungsknotenpunkt und mit dem anderen Ende mit einer Massepotenzialleitung verbunden ist.

11. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei der Hilfsspannungsknotenpunkt mit der Versorgungsspannungsleitung verbunden ist.

12. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei das erste Klemmelement eine Diode aufweist, wobei die Anode oder die Kathode mit dem Hilfsspannungsknotenpunkt verbunden und jeweils der andere Anschluss mit der Versorgungsspannungsleitung verbunden ist.

13. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei das zweite Klemmelement eine Diode aufweist, wobei die Anode oder die Kathode mit der Massepotenzialleitung verbunden ist und wobei der jeweils andere Anschluss mit dem Hilfsspannungsknotenpunkt verbunden ist.

14. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei das erste Klemmelement einen P-MOS-Transistor umfasst.

15. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei das zweite Klemmelement einen N-MOS-Transistor umfasst.

16. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei das zweite induktive Element ein integriertes Element ist, das auf dem gleichen Substrat als die interne Schaltung ausgebildet ist.

17. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 16, wobei das zweite induktive Element eine Metallleitung mit einer oder mehreren Bahnumlenkungen umfasst.

18. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei das zweite induktive Element Metallbereiche aufweist, die auf unterschiedlichen Metallisierungsebenen ausgebildet sind.

19. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei das zweite induktive Element ausgebildet ist, um einen Strom von mindestens einem Ampere zu führen.

20. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei das erste und das zweite Klemmelement so ausgestaltet sind, um einen Strom von mindestens einem Ampere zu führen.

21. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei ein Induktivitätswert des zweiten induktiven Elements so gewählt ist, um eine Resonanzfrequenz mit einer parasitären Kapazität, die durch den Ausgangstransistor und den Ausgangsanschluss eingeführt wird, so zu definieren, dass die Resonanzfrequenz in einem vordefinierten Bereich liegt.

22. Integrierte Schaltung mit:
einer internen Radiofrequenzschaltung;
einem Ausgangsanschluss;
einem ersten Versorgungsspannungsanschluss zum Zuführen einer hohen Versorgungsspannung;
einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss zum Zuführen einer niedrigen Versorgungsspannung;
einem Ausgangstransistor, der mit einem Anschluss mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist;
einem Hilfsspannungsknotenpunkt;
einem induktiven Element, das mit einem Ende an den Ausgangsanschluss und mit dem anderen Ende an den Hilfsspannungsknotenpunkt angeschlossen ist;
einem ersten Klemmelement, das mit einer Seite an den Hilfsspannungsknotenpunkt angeschlossen ist und mit einer weiteren Seite an den ersten Versorgungsspannungsanschluss angeschlossen ist; und
einem zweiten Klemmelement, das mit einer Seite an den zweiten Versorgungsspannungsanschluss und mit einer weiteren Seite an den Hilfsspannungsknotenpunkt angeschlossen ist,
wobei das induktive Element und das erste oder das zweite Klemmelement einen Strompfad bei Auftreten einer Überspannung an dem Ausgangsanschluss bereitstellen.

23. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 22, wobei das induktive Element ausgebildet ist, um einen Strom von mindestens einem Ampere zu führen.

24. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 22, wobei das induktive Element auf dem gleichen Substrat als die interne RF-Schaltung gebildet ist.

25. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 24, wobei das induktive Element eine Metallleitung mit mindestens einer Bahnumlenkung und/oder eine Induktivität mit Windungen umfasst.

26. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 24, wobei das induktive Element Metallleitungen aufweist, die in unterschiedlichen Metallisierungsebenen ausgebildet sind.

27. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 22, wobei das erste und/oder das zweite Klemmelement eine Diode aufweisen.

28. Die integrierte Schaltung nach Anspruch 22, wobei das erste und/oder das zweite Klemmelement einen MOS-Transistor aufweisen.

29. Verfahren zur Verringerung des Risikos einer Beschädigung, die durch ein elektrostatisches Entladungsereignis in einer integrierten Schaltung verursacht wird, die einen Eingangsanschluss und einen Referenzanschluss zum Empfangen eines Radiofrequenzsignals, das einer internen Schaltung zuzuführen ist, aufweist, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen einer ESD-Schutzschaltung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Referenzanschluss, so dass die ESD-Schutzschaltung einen hohen Widerstand bei einem vordefinierten Frequenzbereich einschließlich der Frequenz des RF-Signals aufweist und einen geringen Widerstand bei Frequenzen unterhalb des spezifizierten Frequenzbereichs aufweist.

30. Das Verfahren nach Anspruch 29, wobei Bereitstellen der ESD-Schutzschaltung umfasst: Bereitstellen eines induktiven Elements, dessen eines Ende mit dem Eingangsanschluss und dessen anderes Ende mit dem Referenzanschluss verbunden ist.

31. Das Verfahren nach Anspruch 30, das ferner umfasst: Abschätzen einer parasitären Kapazität, die an dem Eingangsanschluss und dem Referenzanschluss wirksam ist, vor dem Bereitstellen des induktiven Elements und Bestimmen eines Induktivitätswerts des induktiven Elements auf der Grundlage der abgeschätzten parasitären Kapazität.

32. Das Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Induktivitätswert des induktiven Elements so gewählt wird, dass ein Schwingkreis mit der abgeschätzten parasitären Kapazität gebildet und eine Resonanzfrequenz definiert wird, die in einem vordefinierten Frequenzbereich liegt.

33. Das Verfahren nach Anspruch 29, wobei die ESD-Schutzschaltung einen Eingangstransistor und einen Kopplungskondensator aufweist, dessen eine Elektrode mit dem Gate des Eingangstransistors und dessen andere Elektrode mit dem Eingangsanschluss verbunden ist.

34. Das Verfahren nach Anspruch 33, wobei die dielektrische Durchbruchsspannung des Koppelkondensators höher als die dielektrische Durchbruchsspannung des Eingangstransistors ist.

35. Das Verfahren nach Anspruch 34, wobei die dielektrische Durchbruchspannung des Koppelkondensators 15 Volt oder mehr beträgt.

36. Verfahren zum Verringern des Risikos der Beschädigung, die durch ein elektrostatisches Entladungsereignis bewirkt wird, in einer integrierten Schaltung, die einen Ausgangsanschluss und einen Referenzanschluss zum Ausgeben eines RF-Signals, das von einer internen Schaltung geliefert wird, aufweist, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen eines Ausgangstransistors, von dem ein Anschluss mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist;
Bereitstellen eines induktiven Elements, dessen eines Ende mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einem Hilfsspannungsknotenpunkt verbunden ist;
Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Klemmelements zwischen dem Hilfsspannungsknotenpunkt und einer hohen Versorgungsspannungsleitung einerseits und dem Hilfsspannungsknotenpunkt und einer niedrigen Versorgungsspannungsleitung andererseits, so dass bei Auftreten einer Überspannung an dem Ausgangsanschluss der Ausgangsanschluss an die hohe Versorgungsspannungsleitung oder die niedrige Versorgungsspannungsleitung mittels des induktiven Elements und des ersten oder des zweiten Klemmelements geklemmt wird.