DE19906840A1 - Funkenstrecke zum Schutz integrierter Hochspannungsschaltkreise vor elektrostatischer Entladung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Funkenstrecke zur Bildung eines Schutzschaltkreises integrierter Hoch­ spannungsschaltkreise vor elektrostatischer Entladung und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Fun­ kenstrecke in einer Kunststoffanordnung, die in der Lage ist, einer hohen Spannung zu widerstehen und diese zu dissipieren oder zu verteilen.

Seit der Erfindung integrierter Schaltkreise wurde über die Jahre hinweg eine wachsende Anzahl von Hochspannungs- Schaltkreisfunktionen in integrierte Schaltkreise auf Siliziumbasis integriert. Vorher wurden Hochspannungs- Schaltkreisfunktionen mittels getrennter oder diskreter Bauteile realisiert oder in Hybridmodulen ausgelegt. Diese beiden Technologien sind für einen bestimmten Schaltkreis im Vergleich zu einem integrierten Schaltkreis teuer.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Alternative zu bereits bestehenden Anordnungen, die in der Lage sind, empfindliche Bauteile in dem Schaltkreis von statischen Entladungsschäden zu isolieren, welche in der Größenordnung von Kilovolt liegen können.

Ein wesentliches Merkmal zur Realisierung einer Hoch­ spannungs-Funktionalität an einem integrierten Halbleiter­ schaltkreis ist es, den Kernschaltkreis hinter Widerständen mit hohen Werten zu isolieren, für gewöhnlich hinter Poly­ siliziumwiderständen. Unglücklicherweise entsteht ein Problem dann, wenn ein Halbleiterchip elektrostatischen Entladungen (ESD: ESD = electric spark discharge = elektri­ sche Funkenentladung) unterworfen wird, da der von den Widerständen gebotene Widerstandswert viel höher als der Ausgangswiderstand der ESD-Entladung ist. Dies bewirkt, daß eine erhebliche Spannung an dem integrierten Schaltkreis anliegt. Da ESD-Spannungen typischerweise einige Kilovolt betragen, kann eine Beschädigung an dem Feldoxid im Schaltkreis auftreten. Ein besonders schwieriges Problem entsteht dann, wenn im normalen Betrieb ein Eingangs- Kontaktkissen sowohl positive als auch negative Hochspannungen führen muß. Unter diesen Umständen ist es unwahrscheinlich, daß ein geeignetes, auf dem Chip realisiertes Diodenpaar die Betriebsspannungen abhalten kann und den Halbleiterchip vor einer ESD-Beschädigung schützen kann.

Im Prinzip kann eine einzige Funkenstrecke verwendet werden, um einen Schutz vor jedem Polaritätspuls zu schaf­ fen und auch die Schaltkreisspannungen abzuhalten. Eine Funkenstrecke kann in einem integrierten Schaltkreis so gemacht werden, daß sie bei weniger als 1.000 V arbeitet, was ausreichend ist, das Feldoxid zu schützen.

Es ergibt sich jedoch eine weitere Komplikation daraus, daß üblicherweise preiswerte Kunststoffverkapselungen für den Siliziumchip verwendet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Funken­ streckenanordnung zu schaffen, welche die im Stand der Technik bestehenden Einschränkungen beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch eine Funkenstreckenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Funkenstrecke, welche in einer Kunststoffverkapselung oder einem Kunst­ stoffgehäuse betreibbar ist, sowie eine Schutzvorrichtung für einen Betrieb bei ungefähr 2 kV ESD-Spannung (menschliches Körpermodell, HBM = human body model).

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Funkenstreckenanordnung vorgesehen, mit:
einem ersten elektrisch leitfähigen Bondkissen mit ei­ ner Elektrode;
einem zweiten elektrisch leitfähigen Bondkissen mit ei­ ner Elektrode, wobei jede Elektrode eines jeden Kissens im Abstand zu der anderen Elektrode ist;
wenigstens einem weiteren elektrisch leitfähigem Mate­ rial, welches das erste Bondkissen und die Elektrode über­ deckt und von dem zweiten Bondkissen und der Elektrode isoliert; und
einer Funkenstrecke in dem weiteren Material zwischen den isolierten Kissen und Elektroden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Funkenstreckenanordnung vorgesehen, mit:
einem elektrisch leitfähigen Bondkissen mit einer Elek­ trode, wobei das Kissen eine Schicht eines ersten elek­ trisch leitfähigen Materials hierauf aufweist;
einer Schicht eines zweiten elektrisch leitfähigen Ma­ terials in elektrischer Verbindung mit der Elektrode;
wenigstens einer Funkenstrecke in der Schicht des zwei­ ten Materials; und
einer Mehrzahl von einzelnen Widerstandsabschnitten, welche einstückig mit dem zweiten Material sind und benach­ bart der Funkenstrecke angeordnet sind, um eine Spannung in der Funkenstrecke aufgrund einer elektrostatischen Entla­ dung zu verringern.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der jeweiligen Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Funken­ strecke, welche Polysilizium verwendet;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Funken­ strecke gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Funken­ strecke gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Funken­ strecke nach dem Stand der Technik.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der Zeichnung glei­ che oder einander entsprechende Bauteile oder Elemente.

Fig. 4 zeigt eine Funkenstreckenanordnung nach dem Stand der Technik, welche allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, wobei die Funkenstrecke mit dem Bezugs­ zeichen 12 versehen ist, eine Elektrode mit dem Bezugszei­ chen 14 und Bondkissen mit dem Bezugszeichen 15. Derartige Anordnungen haben sich als nicht erfolgreich für einen ESD- Schutz bei integrierten Schaltkreisen aus einer Anzahl von Gründen herausgestellt. Zunächst ist die Durchbruchspannung bei derartigen Anordnungen zu hoch. Zweitens neigt das Aluminiummetall, das üblicherweise in den Elektroden 14 verwendet wird, zum Schmelzen, was einen offenen oder unterbrochenen Schaltkreis oder leitfähige Kissen in dem integrierten Schaltkreis bildet, welche nachfolgend eine ESD-Entladung hervorrufen können.

Weiterhin erreichen Submicron-Techniken mittlerweile Dimensionen, wo es möglich sein kann, daß das elektrische Feld Atome auseinanderzieht, ohne daß Auftreffionisation (Lawineneffekt) notwendig ist. Dies kann zu Niederspan­ nungs-Funkenstrecken führen.

Was die Verwendung des Metalls in der Funkenstrecke be­ trifft, so ist Kunststoff vorteilhafter, wenn in Betracht gezogen wird, daß die Verwendung von Polysilizium für die Funkenstrecke das Aufschmelzen und Kurzschlußeffekte erheb­ lich verringern kann im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Aluminiummetallen oder Aluminiumlegierungen, wie beispielhaft in Fig. 4 gezeigt.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Polysiliziumschicht 16 mit einer Funken­ strecke mit isolierten Elektroden 20, die über die Funken­ strecke 18 voneinander getrennt sind. Die Polysilizium­ schicht ist unter dem Bondkissen angeordnet, um besondere Kontakte zu dem Polysilizium zu vermeiden. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß durch Vergrößerung des aktiven Teils der Funkenstrecke unter Verwendung von quadratischen End­ flächen die Wärme über eine größere Fläche hinweg dissi­ piert wird und daß sich ein wesentlich verringerter Tempe­ raturanstieg ermöglichen läßt, so daß sich die mit der Funkenstrecke handhabbare Leistung verbessern läßt. Die Ausführungsform von Fig. 1 kombiniert eine größere Fläche und das Polysiliziummaterial.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung gezeigt. Durch Verwendung eines verteilten oder aufgeteilten Polysilizium-Widerstandswertes in Form einer Mehrzahl von einstückigen Widerstandsabschnitten 24 benachbart dem aktiven Teil der Funkenstrecke, die in diesem Beispiel mit dem Bezugszeichen 22 versehen ist, lassen sich im wesentlichen drei Vorteile realisieren, nämlich: die Dissipation wird noch gleichmäßiger über die Funkenstrecke hinweg, sowie in dem Polysiliziumwiderstand verteilt; es gibt eine Verringerung der in der Funken­ strecke dissipierten Energie; und der Widerstand trennt und isoliert den wärmeempfindlichen Alumi­ nium/Polysiliziumkontakt an dem Bondkissen von dem sehr heißen Teil der Funkenstrecke, so daß unerwünschte Leitfä­ higkeitspfadausbildungen etc. beseitigt sind.

Es hat sich gezeigt, daß, wenn Polysilizium an den Bondkissen 15 verwendet wird, dann die Vorrichtung robuster wird.

Das schwierigste Problem ist es, Mittel und Möglichkei­ ten zu finden, einen Funkenstreckenüberschlag oder die Arbeitsweise einer Funkenstrecke in einem Kunststoffgehäuse zu ermöglichen.

Experimentelle Untersuchungen, die im Rahmen der vor­ liegenden Erfindung angestellt wurden, zeigen, daß gewisse Ausbildungen von Funkenüberschlägen ausreichend örtliche Belastung in Kunststoff/Polysiliziumschnittstellen erzeu­ gen, um ausreichend Schichtaufspaltung oder Abblätterung für einen zu erzeugenden Funken zu erzeugen. Die Energie, welche ohne Erzeugung eines hohen Leckstromes dissipiert werden kann, ist jedoch viel geringer als im Falle eines offenen Luftspaltes.

Um die relativ schlechte Energie-Dissipationsleistung zu kompensieren, wird die Verwendung von Last- oder Bal­ lastwiderständen sehr wichtig.

Fig. 3 zeigt beispielhaft eine in der Praxis realisier­ te Funkenstrecke mit zwei Funkenspalten, welche aus einer Mehrzahl von Polysiliziumwiderständen aufgebaut sind. Die gezeigte Anordnung ist für einen Prozeß mit einer Feld­ oxid-Durchbruchspannung von dem Polysiliziumwiderstand 26 von 1.000 V. Der Widerstandswert der Polysiliziumschicht beträgt 20 Ohm/Quadrat. Die Anordnung beinhaltet eine zweite Polysiliziumschicht 28 mit einem Widerstandswert von 400 Ohm/Quadrat. Im Gegensatz zu einem normalen Eingangs­ schutz muß die gesamte ESD-Energie auf den Chip (nicht gezeigt) aufgenommen werden. Der Serienwiderstand muß jedoch nicht auf einem Minimum gehalten werden und die Widerstände 24 sind hier so ausgelegt, daß sie eine Bela­ stung an der Kunststoff/Polysiliziumschnittstelle erzeugen, Energie dissipieren, einen Spannungsabfall bewirken und die Kontaktelektroden von der heißen Zone der Funkenstrecke oder des Funkenspaltes 22 trennen.

Die Anordnung und die Werte der Widerstände hängen von den elektrischen Parametern des für den integrierten Schaltkreis verwendeten Prozesses ab. Insoweit zeigt Fig. 3 ein Beispiel, welches auf einen speziellen Prozeß quasi maßgeschneidert ist. Andere, wesentlich unterschiedliche Anordnungen können verwendet werden, um die Vorteile der hier beschriebenen Technik auszunutzen und um eine Anpas­ sung an andere Prozeßdetails zu haben.

Das dargestellte System weist zwei identische Wider­ standsnetzwerke 24 in Parallelschaltung aus, wobei aus Gründen der Einfachheit nur ein Netzwerk beschrieben wird.

Wenn zwischen dem Kissen 15 und einer Versorgungsschiene 30 ESD auftritt, wird die hohe Spannung von dem Polysiliziumwiderstand 26 abgehalten, der einen höheren Durchbruchswert zum Substrat als der Polysiliziumwiderstand 24 hat. Der Polysiliziumwiderstand 26 führt über den ersten Satz von Widerständen 24 zu der Funkenstrecke 22, welche durchbricht und der ESD-Strom fließt über den zweiten Polysiliziumwiderstand 24 zu den Zufuhrschienen 30. Die Spannung wird über diese drei Widerstände aufgeteilt, welche Energie absorbieren und die in der Funkenentladung dissipierte Energie einschränken. Für diese spezielle Realisierung fällt annähernd die Hälfte der ESD-Spannung über den Widerständen ab, so daß bei einer ESD-Entladung von 2 kV der Ausgang des Schaltkreiswiderstandes weniger als 1 kV abbekommt. Das entfernte Ende des Eingangswiderstandes mit hohem Wert wird von einer üblichen Schutzdiode (nicht gezeigt) geschützt.

Die spezielle Geometrie der Widerstände und der Funken­ strecke sind so ausgelegt, daß sie eine mechanische Bela­ stung während der Einkapselung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zwischen dem Widerstand und dem Kunststoff fördern, so daß eine kleine Kavität oder ein kleiner Hohlraum in der Funkenstrecke gebildet wird.

Als Abwandlung hiervon kann Metall mit höherem Schmelz­ punkt als Aluminium anstelle von Polysilizium verwendet werden.

Die Auslegung der Polysiliziumform ist empirisch und kann möglicherweise verbessert werden. Die üblichen Geome­ trien erscheinen jedoch unwirksam zu sein. Sowohl der Widerstandsteil der Struktur, der die mechanische Belastung erzeugt und die Stabenden erscheinen wichtig. Jede Schicht aus Polysilizium oder einer anderen leitfähigen Schicht mit ausreichend hohem Schmelzpunkt kann für die Funkenstrecken­ struktur verwendet werden.

Die oben beschriebenen Ideen und Überlegungen können bei jedem integrierten Schaltkreis auf Siliziumbasis ange­ wendet werden, der Schutz bei einer Hochspannung benötigt.

Sie können auch bei jeder Art von integriertem Schalt­ kreis angewendet werden, insbesondere dann, wenn dieser nur leitfähige Schichten verwendet, die zu irgendeinem inte­ grierten Schaltkreis gemeinsam sind (z. B. MOS III/V, Galliumarsenid, Siliziumcarbid, bipolar).

Es ist möglich, daß der Gegenstand der vorliegenden Er­ findung Anwendungsfälle außerhalb von integrierten Schalt­ kreisen finden kann, wo sehr fein definierte Funkenstrecken benötigt werden. Ein Beispiel einer derartigen Anwendung kann ein extern liegendes Schutzsystem sein, das an einem Multichip-Modul angeordnet ist.

Auf mikromechanischem Weg integrierte Schaltkreise sind eine wachsende Technologie, bei der ESD-Beschädigungen auftreten. Diese feinen Komponenten sind sehr anfällig gegenüber ESD, aber in vielen Fällen gibt es keinen elek­ tronischen Schaltkreis, um Schutzdioden vorzusehen. Es wäre einfach und kostengünstig, Funkenstrecken in diese Vorrich­ tungen zu integrieren.

Reihen von Funkenstrecken können für Nuklearpartikel- Detektoren verwendet werden, welche eine Ionisation verwen­ den, um die Funkenstrecke auszulesen und Information hin­ sichtlich Position, Intensität und Zeit liefern.

Beschrieben wurde eine Funkenstreckenanordnung mit Elektroden, welche sich von Bondkissen und einem integrier­ ten Schaltkreis aus zu einander beabstandet erstrecken. Die Elektroden kontaktieren eine Mehrzahl von Widerständen, um Spannungen zu verringern und Energie zu dissipieren, welche während einer elektrostatischen Entladung (ESD) auftritt, und welche ansonsten den integrierten Schaltkreis beschädi­ gen würde.

Obgleich Ausführungsformen der Erfindung oben beschrie­ ben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt und dem Fachmann auf diesem Gebiet ergibt sich eine Vielzahl von Modifikationen und Abwandlungen, ohne hierbei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen und deren Äquiva­ lenten angegeben ist.

Claims (10)

1. Funkenstreckenanordnung mit:
einem ersten elektrisch leitfähigen Bondkissen (15) mit einer Elektrode (14);
einem zweiten elektrisch leitfähigen Bondkissen (15) mit einer Elektrode (20), wobei jede Elektrode eines jeden Kissens im Abstand zu der anderen Elektrode ist;
wenigstens einem weiteren elektrisch leitfähigem Mate­ rial, welches das erste Bondkissen und die Elektrode über­ deckt und von dem zweiten Bondkissen und der Elektrode isoliert; und
einer Funkenstrecke in dem weiteren Material zwischen den isolierten Kissen und Elektroden.

2. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1, wobei das weitere elektrisch leitfähige Material zumindest eine teilweise leitfähige Schicht aus dem Material aufweist.

3. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das weitere elektrisch leitfähige Material ein Material aufweist, welches einen Schmelzpunkt oberhalb dem von Aluminium hat.

4. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Material Polysilizium aufweist.

5. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das weitere Material eine Mehrzahl von einzelnen Widerstandsabschnitten (24) aufweist, welche einstückig mit jedem isolierten Kissen (15) und jeder Elektrode sind, um die elektrostatische Energie in der Funkenstrecke (22) zu steuern.

6. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Kombination mit einem integrierten Schaltkreis.

7. Funkenstreckenanordnung mit:
einem elektrisch leitfähigen Bondkissen (15) mit einer Elektrode (20), wobei das Kissen eine Schicht eines ersten elektrisch leitfähigen Materials hierauf aufweist;
einer Schicht eines zweiten elektrisch leitfähigen Ma­ terials in elektrischer Verbindung mit der Elektrode;
wenigstens einer Funkenstrecke (18, 22) in der Schicht des zweiten Materials; und
einer Mehrzahl von einzelnen Widerstandsabschnitten (24), welche einstückig mit dem zweiten Material sind und benachbart der Funkenstrecke angeordnet sind, um eine Spannung in der Funkenstrecke aufgrund einer elektrostati­ schen Entladung zu verringern.

8. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 7, wobei das zweite Material weiterhin Mittel zur Verbindung mit Betriebsspannungsleitungen (30) aufweist.

9. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Schicht des ersten Materials und die Schicht des zweiten Materials jeweils einen unterschiedlichen Widerstandswert haben.

10. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zumindest das erste Material oder das zweite Material Polysilizium aufweist.