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Die
Erfindung bezieht sich. auf integrierte GMOS-Schaltungsplättchen der
im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Integrierte
Leistungsschaltungen (Leistungs-IC's) sind gut bekannt und bestehen üblicherweise
aus einer Schaltung, die eine oder mehrere Hochspannungsabschnitte
und Niederspannungsabschnitte auf dem gleichen monolithischen Halbleiterplättchen aufweist.
Sowohl die Hochspannungs- als auch die Niederspannungsabschnitte
können
Analog-/Logikschaltungen enthalten, die aus CMOS-Bauteilen oder
aus bipolaren Bauteilen sowie aus Leistungsbauteilen bestehen. Die
Hochspannungsabschnitte sind voneinander und von dem Niederspannungsabschnitt
durch eine geeignete Technologie getrennt, wie z.B. durch eine Sperrschichtisolation,
durch eine Eigenisolation oder durch eine elektrische Isolation.
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Die
obere Oberfläche
des Halbleiterplättchens
weist einen geeigneten Passivierungsüberzug, beispielsweise aus
Siliziumoxyd (Silox), Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid auf, über dem
ein hochisolierender Kunststoffmaterial-Körper durch Formung aufgebracht
ist. Das Kunststoffmaterial umschließt das Halbleiterplättchen vollständig und
steht vollständig
mit der oberen Oberfläche
des Halbleiterplättchens
in Berührung.
Anschlussverbindungsstifte erstrecken sich durch das Kunststoffgehäuse und
ergeben eine elektrische Verbindung mit dem Halbleiterplättchen.
Eine typische integrierte Leistungsschaltung dieser Art ist der
Hochspannungs-MOS-Gate-Treiber IR2112, der von der Firma International
Rectifier Corp., dem Anmelder der vorliegenden Erfindung, vertrieben
wird.
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Bei
derartigen in einem Kunststoffgehäuse angeordneten integrierten
Hochspannungs-Leistungsschaltungen können zwei Arten von unerwünschten
Oberflächen-Leckströmen auftreten.
Einer dieser Leckströme
ist der Leckstrom aufgrund von Oberflächeninversionen, die durch
Metall-Polysilizium-Signalleitungen hervorgerufen werden. Diese Art
von Leckstrom tritt lediglich unterhalb der Signalleitungen auf
und überwiegt
bei integrierten Niederspannungsschaltungen sowie bei integrierten
Leistungsschaltungen. Weiterhin tritt diese Art von Leckstrom dauernd
auf und sie ist relativ unabhängig
von der Zeit und von Belastungen. Um derartige Leckströme oder
Streufelder zu beseitigen, wurden in der Vergangenheit verschiedene
Arten von Kanalstopper-Diffusionstechniken verwendet, die sich sowohl bei
bipolaren als auch bei CMOS-Schaltungen als wirkungsvoll erwiesen
haben.
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Eine
zweite Art von Leckstrom, die durch das Kunststoffgehäuse hervorgerufen
wird, ergibt sich aufgrund einer Oberflächeninversion, die durch bewegliche
Ionen in dem Kunststoffgehäuse
hervorgerufen wird. Es wird angenommen, dass bei Hochtemperatur-
und Sperrspannungsbedingungen die beweglichen Ionen- Verunreinigungen,
die in dem Kunststoffmaterial vorhanden sind, sich frei über die Halbleiterplättchen-Oberfläche bewegen
und sich an bestimmten Bereichen der Halbleiterplättchen-Oberfläche ansammeln,
wodurch eine Oberflächeninversion
des darunterliegenden Siliziummaterials hervorgerufen wird. Diese
Art von Leckströmen
und Streufeldern kann zwischen Diffusionen der gleichen Art und
mit unterschiedlichem Potential auftreten, und die Auswirkungen
hiervon sind bei integrierten Leistungsschaltungen stärker ausgeprägt. Weiterhin ändert sich
diese Art von Leckstrom oder Streufeldern mit der Größe und der
Dauer sowohl der Temperatur als auch der Sperrspannungsbelastung.
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Im
Fall von integrierten Leistungsschaltungen, die lediglich aus bipolaren
Bauteilen bestehen, wurden verschiedene Arten von Feldplattenstrukturen
verwendet, um die Siliziumoberfläche
gegenüber einer
unerwünschten
Inversion abzuschirmen. Beispielsweise kann bei einer lateralen
PNP-Struktur die Emitter-Metallleitung erweitert werden, um die
Basis abzuschirmen. Diese Struktur ist jedoch bei einer CMOS-Schaltung
nicht wirksam, weil das Drain-Metall den Sourcebereich nicht abschirmen
kann und weil weder die Source-Metallisierung noch das Gate-Polysiliziummaterial
ein festes Potential aufweisen.
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Weiterhin
ist auf dem Gebiet von mit niedrigen Spannungen betriebenen integrierten CMOS-Speicherschaltungen
ist eine Vielzahl von Formen von Feld-Abschirmringen und Feldplatten bekannt,
die jedoch nicht dazu dienen, Leckströme zu verhindern, die bei hohen
Spannungen aufgrund einer Oberflächeninversion
hervorgerufen werden, die sich aus den beweglichen Ionen in dem
Kunststoffgehäuse
ergeben.
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Einschub 1
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So
ist aus „IEEE
Circuits and Devices Magazine",
November 1985, Seiten 6 bis 12 eine CMOS-Schaltung für dynamische
RAM-Speicher – d.h.
Niederspannungszwecke – bekannt,
bei der zumindest ein P-Kanal-MOS-FET und zumindest ein N-Kanal-MOS-FET zwecks Isolation
jeweils mit einem Polysilizium-Ring in Form einer auf eine Isolierbeschichtung
aufgebrachten Polysilizium-Feldplatte umgeben sind, wobei der Polysilizium-Ring
des P-Kanal-MOS-FETs mit dem Speisespannungsanschluss und der Polysilizium-Ring
des N-Kanal-MOS-FETs mit dem Erdanschluss verbunden ist.
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Einschub 2
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Die
US-Patentschrift 4 561 170 offenbart ebenfalls eine CMOS-Schaltung
für dynamische RAM-Speicher,
bei der zumindest ein P-Kanal-MOS-FET und zumindest ein N-Kanal-MOS-FET mit
einer in der Isolierbeschichtung eingebetteten Polysilizium-Feldplatte
umgeben sind, wobei die. den P-Kanal-MOS-FET umgebende Polysilizium-Feldplatte mit dem
Speisespannungsanschluss und der Polysilizium-Ring des N-Kanal-MOS-FETs mit
dem Erdanschluss verbunden ist.
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Einschub 3
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Die
US-Patentschrift 4 240 093 betrifft logische Schaltkreise mit einer
CMOS-Schaltung aus IGFETs, bei der zumindest ein N-Kanal-IGFET,
gegebenenfalls auch zumindest ein P-Kanal-IGFET mit je einem in
der Isolierbeschichtung eingebetteten Polysilizium-Ring umgeben
sind, wobei die Polysilizium-Ringe unterhalb der Source-, Drain-
und Gate-Signalleitungen angeordnet sind und der Polysilizium-Ring
des P-Kanal-MOS-IGFETs
mit einer verhältnismäßig hohen,
der Polysilizium-Ring des N-Kanal-MOS-IGFETs
hingegen mit einer verhältnismäßig niedrigen
Spannung beaufschlagt ist, wobei mehrere N-Kanal-MOS-IGFETs zudem
mit einem zusätzlichen
gemeinsamen Polysilizium-Ring umgeben sind, an dem die verhältnismäßig hohe
Spannung anliegt.
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Daher
wird ein wirkungsvolles Verfahren zur Beseitigung beider Arten von
Oberflächenleckströmen oder
-streufeldern für
eine integrierte Leistungsschaltung benötigt, die aus CMOS-Schaltungen
besteht. Ohne die Beseitigung derartiger Leckströme oder Streufelder, insbesondere
der zweiten Art, sind integrierte Leistungsschaltungen auf niedrigere
Temperaturen und Bedingungen mit niedrigeren Spannungen beschränkt, so
dass die Beweglichkeit der ionisierten Verunreinigungen verringert
wird. Die Möglichkeit,
bei 150°C
und bei der vollen Sperrspannung zu arbeiten, ist erforderlich,
weil integrierte Leistungsschaltungen in vielen Fällen eine
erhebliche Leistung aufnehmen und bei hohen Umgebungstemperaturbedingungen
arbeiten müssen.
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Der
Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein integriertes CMOS-Schaltungsplättchen zu
schaffen, bei der das Problem der Leckströme oder Streufelder der eingangs
beschriebenen Art beseitigt ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen integrierten CMOS-Schaltungsplättchen wird
eine Polysilizium-Feldringstruktur geschaffen, die unerwünschte Oberflächen-Leckströme beseitigt
und bei der alle Diffusionswannen, die zu Streufeldern beitragen
können,
von Polysilizium-Ringen umgeben sind, die auf ein Potential vorgespannt
sind, das durch Felder induzierte Leckströme sperrt.
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Um
alle parasitären
PMOS-Leckströme
oder Streufelder in einer CMOS-Schaltung zu beseitigen, sind beispielsweise
alle Diffusionen vom P-Leitungstyp, die nicht auf Erdpotential bezogen
sind, von Polysilizium-Feldringen umgeben, die mit dem Versorgungspotential
verbunden sind. Um alle parasitären
NMOS-Leckströme
und Streufelder zu beseitigen, sind alle Diffusionen vom N-Leitungstyp,
die nicht auf Versorgungspotential bezogen sind, von Polysilizium-Ringen
umgeben, die auf Erdpotential vorgespannt sind. Daher können keine
unbeabsichtigten Inversionsbereiche von den Diffusionen vom P- oder
N-Leitungstyp in der CMOS-Schaltung
gebildet werden. Weiterhin sind die Polysilizium-Ringe unterhalb
aller Schichten mit Signalleitungen angeordnet, wie zum Beispiel
der Metallisierungsschicht und der Gate-Polysiliziumschicht. Diese
Technik erfordert daher eine zusätzliche
Polysilizium-Schicht, die vor dem Gate-Silizium abgeschieden wird,
und sie ist besonders bei einer Technologie kostengünstig, die eine
derartige Schicht verwendet. Derartige Polysilizium-Ringe werden
mit Abstand von der Halbleiterplättchen-Oberfläche und
isoliert hiervon angeordnet, und sie sind mit Abstand von der innenoberfläche des
Kunststoffgehäuses,
das das Halbleiterplättchen
aufnimmt, angeordnet und von dieser isoliert.
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Ein
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer verallgemeinerten Schaltung, die als integrierte
Leistungsschaltung ausgeführt
werden kann,
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2 Querschnittsansicht
eines Teils eines Halbleiterplättchens,
das die Schaltung nach 1 enthält und eine Ausführungsform
der Erfindung zur Verbesserung der Temperatur- und Spannungsstabilität sowie
zur Verringerung von Streufeldern verwendet,
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3 eine
Draufsicht auf eine MOSFET-Struktur, die einen Ausschnitt einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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In 1 ist
schematisch eine einfache Schaltung gezeigt, die Hochspannungs-
und Niederspannungsabschnitte aufweist, die in Form einer integrierten
Leistungsschaltung ausgebildet werden können. Es ist verständlich,
dass integrierte Leistungsschaltungen sowohl hinsichtlich ihrer
Hochspannungs- als auch ihrer Niederspannungsabschnitte und hinsichtlich
der Ausführung
dieser Abschnitte äußerst kompliziert
sind. Die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung können jedoch
leicht an einer vereinfachten integrierten Leistungsschaltung auf
der Grundlage der Schaltung nach 1 erläutert werden.
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Die
Schaltung nach 1 enthält eine bei einer hohen Spannung
(beispielsweise 600 Volt) arbeitende Schaltung, die aus komplementären N-Kanal- und
P-Kanal-MOSFET's 10 bis 13 besteht.
Diese werden an einer geeigneten Niederspannungs-Steuerschaltung (beispielsweise 15 Volt)
betrieben, die aus komplementären
N- und P-Kanal-MOSFET's 15 bis 18 besteht.
Die Niederspannungsschaltung, die die MOSFET's 15 bis 18 enthält, ist
mit der Hochspannungsschaltung, die die MOSFET's 10 bis 13 enthält, über eine
Pegelschieberschaltung 14 verbunden.
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Die
Source-Elektroden der MOSFET's 11 und 13 sind
mit einer Hochspannungsquelle VB verbunden, die eine Spannung von
615 Volt aufweisen kann, während
die Source-Elektroden der MOSFET's 10 und 12 auf
einer Spannung VS liegen, die 600 Volt betragen kann. Die Source-Elektroden
der MOSFET's 16 und 18 sind
mit einer Niederspannungsquelle bei 15 Volt verbunden, während die
Source-Elektroden der MOSFET's 15 und 17 mit
Erdpotential verbunden sind. Die Schaltung nach 1 kann
beispielsweise einen Treiber für
die spannungsseitigen MOSFET's
einer Brückenschaltung
bilden, die ein Hochspannungs-Gate-Eingangssignal gegenüber Erde
benötigt.
Derartige Bauteile sind vollständig
in dem Datenblatt PD-6.026 vom Juni 1993 für den IR2112- Leistungs-MOSFET-/IGBT-Gate-Treiber beschrieben,
das von der Firma International Rectifier Corp. veröffentlicht
wurde.
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Wenn
die Schaltung nach 1 auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen ausgebildet
wird, so sind die Hochspannungs- und Niederspannungsschaltungen
seitlich voneinander isoliert. 2 zeigt einen
Teil eines derartigen Halbleiterplättchens im Querschnitt. Gemäß 2 besteht
ein Halbleiterplättchen 20 aus
einem P(–)-Substrat 21,
auf dem eine epitaxiale Schicht 22 aus N(–)-Silizium
aufgewachsen wurde. Der N(–)-Bereich 22 ist
durch P(+)-Senkenbereiche 30, 31 und 32 in
Hochspannungs- und Niederspannungsbereiche unterteilt. Die Senkenbereiche 31 und 32 umgrenzen
somit einen Hochspannungs-Bauteilbereich 40 in der epitaxialen Schicht 22,
der von dem Niederspannungsbereich 41 getrennt ist. Die
Bereiche 40 und 41 können irgendeine gewünschte Topologie
aufweisen. Weiterhin kann irgendeine gewünschte Isolationstechnik zwischen den
Bereichen 40 und 41 verwendet werden.
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Die
Hochspannungsschaltung mit den MOSFET's 10 bis 13 nach 1 ist
als in dem Hochspannungsbereich 40 ausgebildet dargestellt.
Die P(+)-Kontaktbereiche 62 und 63, die in die
Schicht 22 eindiffundiert sind, stellen irgendwelche der
Source- und Drain-Bereiche der P-Kanal-MOSFET's 11 und 13 nach 1 dar.
Der P-Bereich 64 ist in die Schicht 22 eindiffundiert,
um den Wannenbereich vom P-Leitungstyp
zu bilden. Die N(+)-Bereiche 60 und 61, die in
den Bereich 64 vom P-Leitungstyp
eindiffundiert sind, stellen Source- oder Drain-Bereiche von N-Kanal-MOSFET's 10 oder 12 nach 1 dar.
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Die
Niederspannungs-Steuerschaltung mit den MOSFET's 15 bis 18 in 1 ist
schematisch als in dem Bereich 41 ausgebildet dargestellt.
Der N(+)-Kontaktbereich 25 ist
in den Bereich 41 eindiffundiert und nimmt eine Elektrode
auf, die mit der Niederspannungsversorgung verbunden ist. Der Niederspannungs-Steuerbereich 24 enthüllt ebenfalls (nicht
dargestellte) Diffusionen, die zu den Diffusionen 60 bis 64 in
dem Hochspannungsbereich 40 identisch sind. Alle N(+)- und P(+)-Diffusionen
in dem Niederspannungs-Steuerbereich 24 nehmen jedoch Elektroden
auf, die auf Potentialen zwischen 15 Volt und 0 Volt liegen, und
stellen die Source- und Drain-Bereiche der MOSFET's 15 bis 18 in 1 dar.
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N(+)-Kontaktbereiche 26 und 27 sind
in die Schicht 22 eindiffundiert und nehmen metallische Elektroden
auf, die auf Potentialen zwischen 615 V und 0 V liegen können. Die
P(+)-Senkenbereiche 30, 31 und 32 nehmen
Elektroden auf, die auf Null- oder Erdpotential liegen. P(–)-Resurf-Bereiche 50 und 51 können den
Hochspannungsbereich 40 umgeben, um eine Isolation gegenüber dem
Niederspannungsbereich 41 zu schaffen.
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Wie
dies üblich
ist, sind alle Bauteile innerhalb der Siliziumoberflächen von
einer Isolierschicht überzogen,
beispielsweise von einer Niedrigtemperatur-Siliziumdioxyd- (Silox-) Schicht 80,
die eine Dicke von ungefähr
1,5 μm aufweisen
kann. Kontakte an alle an der Oberfläche gelegenen Elektroden durchdringen
die Isolierschicht 80 und sind zu geeigneten nicht gezeigten
externen Anschlussstiften geführt.
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Das
Bauteil nach 2 ist weiterhin in üblicher
Weise in einem Kunststoffgehäuse 81 angeordnet,
das über
der oberen Oberfläche
des fertigen Halbleiterplättchens
liegt und mit dieser in Berührung steht,
wie dies schematisch in 2 gezeigt ist. Das Kunststoffmaterial,
das für
das Gehäuse
verwendet wird, kann irgendein geeignetes Isoliermaterial sein.
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Es
wurde festgestellt, dass bei der soweit beschriebenen Struktur Oberflächen-Streufeld-Leckströme auftreten,
die durch die beweglichen Ionen in dem Kunststoffgehäuse sowie
in den Signalleitungen hervorgerufen werden. 2 zeigt
die beweglichen Ionen in dem Kunststoffgehäuse, die sich an der Grenzschicht
zwischen der Schicht 80 und dem Gehäuse 81 mit der Zeit
aufgrund der hohen Temperatur und der hohen an das Halbleiterplättchen angelegten Spannungen
angesammelt haben. Diese beweglichen Ionen können eine Oberflächeninversion
in den Bereichen 40 und 64 gemäß 2 hervorrufen.
Diese Leckströme
und Streufelder sind weiterhin in 1 als Leckströme zwischen
den Source- und Drain-Diffusionen der gleichen Art dargestellt.
Während
sich der Streufeld-Leckstrom,
der durch die Signalleitungen hervorgerufen wird, nicht mit der
Zeit ändert,
vergrößert sich
der durch die beweglichen Ionen in dem Kunststoffgehäuse hervorgerufe
Streufeld-Leckstrom mit der Zeit, wenn das Halbleiterplättchen bei
einer hohen Spannung und hoher Temperatur betrieben wird. Das letztgenannte
Streufeld steigt daher schneller an, wenn das Halbleiterplättchen bei höheren Spannungen
und/oder höheren
Temperaturen betrieben wird, so dass das Halbleiterplättchen temperaturunstabil
ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Polysilizium-Ring 71 abgeschieden, der
eine Elektrode 71A aufnimmt, die mit dem niedrigsten Potential
in dem Bereich 40 verbunden ist. In gleicher Weise wird ein
Polysilizium-Ring 70 abgeschieden, der eine Elektrode 70a aufnimmt,
die mit dem höchsten
Potential in dem Bereich 40 verbunden ist. Die gleiche Polysilizium-Ringstruktur
kann in dem Niederspannungs-Steuerbereich 24 ausgebildet
werden, wobei der Unterschied darin besteht, dass alle Ringe stattdessen
mit 15 V und 0 V verbunden werden.
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Die
Polysilizium-Ringe 70 und 71 schirmen im Ergebnis
die Siliziumoberfläche
unterhalb jedes Ringes gegenüber
den beweglichen Ionen in dem Kunststoffgehäuse ab, wodurch eine Oberflächeninversion
verhindert wird. Die Polysilizium-Ringe 70 und 71 können einen
Abstand von ungefähr
1,2 μm oberhalb
der Oberfläche
des Halbleiterplättchens 20 aufweisen,
und sie können
eine Breite von 3,6 μm und
eine Höhe
von 0,5 nm aufweisen.
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Die
in 2 gezeigten Polysilizium-Ringe 70 und 71 sind
lediglich schematische Darstellungen. Bei einer tatsächlichen
Ausführung
würden
die Ringe jeden Diffusionsbereich vollständig umgeben, um Streufeld-Leckströme in allen
Richtungen zu verhindern. 3 zeigt
einen Ausschnitt einer typischen Topologie gemäß der Erfindung und zeigt den
Schutz eines einzelnen MOSFET's.
Entsprechend bilden mit Abstand voneinander angeordnete Diffusionsbereiche 120 und 121 und
die Gate-Polysilizium-Leitung 124 zusammen entweder einen
N-Kanal- oder einen P-Kanal-MOSFET,
in Abhängigkeit
davon, ob die Diffusionen 120 und 121 vom N- oder
P-Leitungstyp in einem jeweils den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisenden
Substrat 125 sind. Die Source- und Drain-Bereiche des MOSFET
sind mit metallischen Elektroden 122 bzw. 123 über Kontaktöffnungen 110 und 111 verbunden.
Ein Polysilizium-Ring 130, der mit Abstand oberhalb des
Substrates 125 angeordnet ist (nach Art der Ringe 70 und 71 nach 2), umgibt
die gesamte Erstreckung der Diffusion 120 und 121.
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Eine
Struktur ohne den Polysiliziumring 130 ist beiden Arten
von Streufeld-Leckströmen ausgesetzt,
wie sie weiter oben beschrieben wurden. Ein Streufeld, das durch
die Signalleitungen induziert würde,
würde Leckströme über die
Signalleitungen 124, 122 und 123 an irgendeine
andere Diffusion des gleichen Typs hervorrufen, die mit einer anderen
Vorspannung verbunden sind. Der Streufeld-Leckstrom, der durch die
beweglichen Ionen in dem Kunststoffgehäuse induziert würde, würde zu Leckströmen über alle
Oberflächen
führen,
die die Bereiche 121 und 122 umgeben, mit Ausnahme
der Bereiche unterhalb der Signalleitungen 122, 123 und 124.
Derartige Leckströme
könnten
weiterhin zwischen irgendwelchen anderen Diffusionsbereichen der
gleichen Art auftreten, die mit unterschiedlichen Potentialen verbunden
sind.
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Durch
Hinzufügen
der Polysilizium-Feldringstruktur 130, die unterhalb der
Leitungen 122, 123 und 124 angeordnet
und mit einem geeigneten Potential verbunden ist, werden beide Arten
von Streufeld-Leckströmen
zwischen den Bereichen 120 und 121 und irgendwelchen
anderen Diffusionsbereichen beseitigt.