DE19502117A1

DE19502117A1 - Schutzanordnung gegen elektrostatische Entladungen in mit Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE19502117A1
Application number: DE19502117A
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1995-01-24
Filing date: 1995-01-24
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2015-01-25
Also published as: US5672893A; DE19502117C2; KR100373880B1; KR960030355A; JPH08241995A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements gegen elektrostatische Entladungen mit einem an den Gatean schluß angeschlossenen spannungsbegrenzenden Schutzbauele ment.

Durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente wie MOSFET oder IGBT sind gegen elektrostatische Entladungen besonders empfindlich. Diese können dann auftreten, wenn die handha bende Person elektrostatisch aufgeladen ist und einen der Anschlüsse, insbesondere den Gateanschluß berührt. Die elek trostatische Spannung liegt meist in der Größenordnung eini ger 100 Volt, so daß insbesondere das zwischen Gateelektrode und Drainzone oder das zwischen Gateelektrode und Sourcezone liegende Oxid zerstört wird.

Zur Vermeidung elektrostatischer Entladungen werden z. B. in dem Buch "Power MOSFETS, Theory and Applications" von D.A. Grant und J. Gowar, 1989, Seiten 486 bis 492 eine ganze Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen. Unter anderem wird empfohlen, zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß eine Zenerdiode anzuschließen, die die elektrostatischen Ladungen ableitet. Hierdurch wird das Bauelement jedoch nur in dem Fall ge schützt, daß sich die Ladung auf den Gateanschluß entlädt und der Sourceanschluß geerdet ist oder umgekehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der oben erwähnten Art derart weiterzubilden, daß das Bauelement gegen Entladungen beider Polaritäten auch dann geschützt ist, wenn entweder der Drainanschluß oder der Sourceanschluß an Masse oder einem anderen Potential liegt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Halbleiterbauele ment ein integrierter Bipolartransistor ist, dessen Kollek tor-Emitterstrecke zwischen Drain- und Gateanschluß des durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelementes angeschlossen ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Schaltung gemäß Erfindung und

Fig. 2 den integrierten Aufbau der Schaltung nach Fig. 1.

Die Schaltung nach Fig. 1 enthält einen MOSFET 1, dessen Drainanschluß mit D und dessen Sourceanschluß mit S bezeich net ist. Sein Gateanschluß ist mit G bezeichnet. Zwischen dem Drainanschluß D und dem Gateanschluß G ist die Kollektor- Emitterstrecke eines Bipolartransistors 2 angeschlossen. Der MOSFET ist vom n-Kanal-Typ, der Bipolartransistor ist vom npn-Typ. Der Emitter E des Bipolartransistors ist mit dem Gateanschluß G verbunden, sein Kollektoranschluß C mit dem Drainanschluß D. Ist der MOSFET 1 ein PMOS, ist ein pnp- Bipolartransistor zu verwenden. Der Basisanschluß B des Bipolartransistors 2 ist über einen Widerstand 3 mit dem Sourceanschluß S verbunden. Zwischen dem Sourceanschluß S und dem Drainanschluß D ist eine Diode 4 angeschlossen, die einen Stromfluß von S nach D erlaubt. Eine solche Diode ist in jedem Leistungs-MOSFET oder IGBT implizit enthalten.

Zur Erläuterung der Funktion der Schutzanordnung sei zunächst angenommen, daß sich in den Gateanschluß eine positive stati sche Ladung entlädt und der Sourceanschluß auf Masse oder auf einem niedrigeren anderen Potential liegt. Hierbei wird der MOSFET 1 leitend gesteuert und der Bipolartransistor 2 bricht zwischen Emitterzone und Basiszone durch. Da der pn-Übergang zwischen der Basiszone und der Kollektorzone in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, fließt ein Strom durch den Bipolartransistor und den leitenden MOSFET 1 zum Sourcean schluß und nach Masse.

Ist die statische Ladung negativ und der Sourceanschluß geerdet, so wird der Bipolartransistor leitend gesteuert. Der Entladestrom fließt vom Sourceanschluß durch die Diode 4 und den Bipolartransistor 2 zum Gateanschluß ab.

In dem Fall, daß der Drainanschluß auf niedrigerem Potential liegt oder geerdet ist und sich eine positive elektrostati sche Ladung in den Gateanschluß entlädt, so bricht der Emit ter-Basis pn-Übergang durch und der Entladestrom fließt vom Gateanschluß zum Drainanschluß. Im umgekehrten Fall bricht der Kollektor-Basis pn-Übergang durch und der Entladestrom fließt vom Drainanschluß zum Gateanschluß.

Entlädt sich eine negative Ladung in den Drainanschluß und ist der Sourceanschluß geerdet, so fließt der Strom in Vor wärtsrichtung durch die Diode 4. Bei einer positiven Entla dung in den Drainanschluß bricht die Diode 4 durch und der Strom fließt vom Drainanschluß zum Sourceanschluß.

Die Schutzanordnung kann auf einfache Weise in den Halblei terkörper des MOSFET 1 integriert werden (Fig. 2). Der MOSFET 1 ist auf einem Substrat 10 aufgebaut, auf dem eine Drainzone 11 ausgebildet ist. In der Drainzone sind Basiszo nen 12 eingebettet, in denen ihrerseits Sourcezonen 14 planar eingebettet sind. Die Oberfläche des MOSFET ist mit einer Gateoxidschicht 15 bedeckt, auf der eine Gateelektrode 16 angeordnet ist. Diese wiederum ist mit einer Oxidschicht 17 bedeckt, auf der eine Metallschicht 18 liegt. Diese dient als Sourceelektrode. Die Dotierung und Leitfähigkeit ausgehend vom Substrat 10 sind z. B. n⁺n⁻pn⁺.

In die Drainzone 11 ist eine Zone 5 des zur Drainzone 11 entgegengesetzten Leitungstyps eingebettet, die als Basiszone für den Bipolartransistor 2 dient. In die Basiszone 5 ist eine stark n-leitende Emitterzone 6 und eine stark p-leitende Kontaktzone 7 eingebettet. Die Emitterzone 6 ist über eine Leitung 20 mit dem Gateanschluß G verbunden, die Basiszone 5 über eine Kontaktzone 7 und eine Leitung 19 mit dem Sourcean schluß S. Diese Leitungen sind üblicherweise Aluminium- Leiterbahnen.

Bei einer elektrostatischen Entladung bricht je nach Polari tät wie oben beschrieben entweder der pn-Übergang 8 zwischen Emitterzone 6 und Basiszone 5 durch oder der pn-Übergang 9, der zwischen Basiszone 5 und der als Kollektorzone wirkenden Drainzone 11 liegt oder der Bipolartransistor wird leitend gesteuert.

Die Integration des Bipolartransistors 2 erfordert dann keinen nennenswerten zusätzlichen Aufwand, wenn die Basiszone des Bipolartransistors die gleiche Dotierung und Tiefe wie die Basiszonen des MOSFET hat und wenn die Emitterzone des Bipolartransistors die gleiche Dotierung und Tiefe hat wie die Sourcezonen des MOSFET. Eine praktische Ausführungsform des Bipolartransistors hat z. B. eine Emitterzone 6, die mit einer Dosis von 5 × 10¹⁵cm^-2 dotiert ist. Sie hat eine Tiefe von z. B. 0,3-0,6 µm. Die Basiszone hat z. B. eine Dotierung von 10¹³cm^-2 und eine Tiefe von 3-4 µm. Die Kontaktzone 7 kann z. B. eine Dotierung von 5 × 10¹⁴cm^-2 haben. Der Abstand zwischen der Emitterzone 6 und der Kontaktzone 7 beträgt z. B. 5 µm, wodurch bei einer Dotierung der Basiszone von z. B. 10¹³cm^-2 und die Zeichenebene hinein gesehenen Breite von etwa 1 mm ein Widerstand von etwa 100 Ohm zustande kommt.

Die Erfindung wurde anhand eines MOSFET beschrieben. Die Schutzeinrichtung ist jedoch auch für andere für durch Feld effekt steuerbare Halbleiterbauelemente wie z. B. IGBT oder MOS-GTO-Thyristoren anwendbar.

Claims

1. Anordnung zum Schutz eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements gegen elektrostatische Entladungen mit einem an den Gateanschluß angeschlossenen spannungsbegrenzen den Schutzbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement ein integrierter Bipolartransistor (2) ist, dessen Kollektor-Emitterstrecke zwischen Drain (D)- und Gateanschluß (G) des durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiter bauelementes (1) angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisanschluß des Bipolartransistors (2) über einen Wider stand (3) mit dem Sourceanschluß (S) des Halbleiterbauelemen tes verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bipolartransistor (2) und das Halbleiterbauelement in einen einzigen Halbleiterkörper integriert sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bipolartransistor (2) eine in die Drainzone (19) des Halblei terbauelementes eingebettete Basiszone (5) von der Drainzone entgegengesetzten Leitungstyp hat und daß die Emitterzone (6) des Bipolartransistors in die Basiszone (5) eingebettet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (5) des Bipolartransistors (2) die gleiche Dotie rung und Tiefe wie die Basiszonen (12) des MOSFET hat und daß die Emitterzone (6) des Bipolartransistors die gleiche Dotie rung und Tiefe hat wie die Sourcezonen (14) des Halbleiter bauelementes (1).