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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Funkenstreckenanordnung
in integrierten elektronischen Schaltkreisen und einem Verfahren
zur Herstellung einer vertikalen Funkenstrecke.
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Funkenstrecken
wurden bereits im Stand der Technik mit dem Ziel vorgeschlagen,
elektrostatischen Entladungen an integrierten Schaltkreisen entgegen
zu wirken. Bisherige Anordnungen verwenden Aluminium, aufgrund der
physikalischen Eigenschaften dieses Metalls und aufgrund seines
niedrigen Schmelzpunktes ergeben sich jedoch Massentransporte durch
und über
die Oxide und Dieelektrika und nachdem dieses Problem erkannt worden
war, wurde Aluminium zu einer nicht praktikablen Wahl.
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Eine
andere Einschränkung,
die sich auf diesem Gebiet ergibt, betrifft die Steuerung der Durchbruchspannung.
Funkenstrecken sind typischerweise lateral oder seitlich ausgebildet
und werden durch Fotogravierungsschritte gebildet. Dieser Prozess
macht Toleranzen schwierig steuerbar, was zu Problemen bei der Ausbildung
kurzer oder enger Funkenstrecken führt.
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Schließlich ergeben
sich Einschränkungen
bei erfolgreichem Betrieb von Funkenstrecken in Kunststoffgehäusen, da
die Luft in der Funkenstrecke durch das Kunststoffmaterial verdrängt wird.
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US 5 357 397 offenbart eine
elektrische Feldemissionseinrichtung für elektrostatischen Entladeschutz von
integrierten Schaltungen. Diese Einrichtung weist einen geringen
Abstand zwischen zwei Leiterbahnen auf, wobei eine Spannung über einem
Schwellenwert verursachen wird, daß Elektronen den Abstand passieren,
um eine Entladung durchzuführen.
Insbesondere weist die Einrichtung einen scharfen Kantenpunkt auf, der
mit einer ersten Leiterbahn verbunden ist, wobei ein sehr geringer
Abstand zwischen der Kante und einer zweiten Leiterbahn besteht,
wobei die Spannung über dem
gewünschten
Schwellenwert ein Passieren des Abstand durch Elektronen verursachen
wird und eine Entladung, um die Versorgungsspannung unter Verwendung
einer elektrischen Feldemission einer kalten Kathode auf Masse zu
legen. Bei diesem Entladeschutz handelt es sich um eine sogenannte
on-chip protection.
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Aus
EP 0 385 764 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung von Elektronenemissionseinrichtungen
bekannt. Eine derartige Einrichtung umfaßt zwei Elektrodenstrukturen,
von denen jede ein Substrat umfaßt, aus dem konische elektrisch
leitfähige
Emitterkörper
herausragen. Die Strukturen sind miteinander verbunden, so daß die Emitter
alle in einen abgedichteten Raum hineinragen, der zwischen den Substraten
gebildet ist. Eine auf jedem Substrat aufgebrachte leitfähige Schicht
wird durch Ausbildung von Maskierungsplättchen auf der Schicht an erforderlichen
Emitterpositionen und Ätzen
der leitenden Schicht, um einen konischen Körper neben jedem Plättchen übrigzulassen,
mit Muster versehen. Auch bei dieser Einrichtung handelt es sich
um eine on-chip protection.
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Schließlich offenbart
US 4 504 766 ein on-chip
Entladeelement vom Chip-Typ mit geschichteten Isolierschichten,
die sich entladen, wenn eine niedrige Spannung eines vorbestimmten
Werts oder größer daran angelegt
wird. Das Element umfaßt
zumindest eine gebohrte Isolierschicht, die in Schichten zwischen
zwei Isolierschichten eingebettet ist, um dadurch eine in der gebohrten
Isolierschicht gebildete Bohrung zu schließen, zumindest zwei darauf
ausgebildete Elektrodenschichten, die sich von der Bohrung zu beiden
Längsseiten
der Isolierschichten erstrecken und sich teilweise über die
Bohrung gegenüberliegen,
und auf den äußeren Seiten der
geschichteten Isolierschichten gebildete äußere Elektroden, so daß die Elektrodenschichten
elektrisch mit dem äußeren Ende
der Elektrodenschichten verbindbar sind.
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DE 196 15 395 A1 beschreibt
eine elektrostatische Schutzvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung,
wobei auch bei dieser Schutzvorrichtung eine on-chip protection
zur Anwendung kommt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Funkenstreckenanordnung
und ein zugehöriges
Herstellungsverfahren anzugeben, wobei eine Mitintegration auf einem
IC ermöglicht
wird.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 bzw.
6 gelöst;
die Unteransprüche haben
bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Weitere
Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformer anhand der Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1A einen Querschnitt durch
einen integrierten Schaltkreis;
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1B eine Draufsicht auf ein
Ende des integrierten Schaltkreises von 1A;
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2A eine Draufsicht auf eine
erste Ausführungsform;
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2B eine Seitenansicht auf 2A;
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3A eine Draufsicht auf eine
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3B einen Querschnitt durch 3A;
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4 eine Draufsicht auf eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5A eine Draufsicht von oben
auf eine weitere Aus führungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5B einen Querschnitt von 5A;
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6A eine Draufsicht von oben
auf eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei eine Funkenstreckenstruktur eine
Metall-zu-N+-Anordnung aufweist;
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6B eine Draufsicht von oben
auf eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei eine Funkenstreckenstruktur gezeigt
ist, welche eine andere Metall-zu-N+-Anordnung beinhaltet;
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6C eine Draufsicht von oben
auf eine Anordnung mit zwei leitfähigen Metallen;
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6D eine Anordnung mit einer
Verbindung Metall-zu-Poly;
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6E eine Anordnung mit einer
Verbindung Metall-zu-Gate
Poly;
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6F eine weitere Verbindung
Metall-zu-Poly;
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6G eine Verbindung Gate
Poly-zu-N-Substrat;
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6H eine Verbindung Poly-zu-N-Substrat;
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6I eine Verbindung Metall-zu-Gate
Poly;
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6J eine Verbindung Poly-zu-P-Graben;
und
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7 eine Draufsicht auf eine
Funkenstreckenanordnung nach dem Stand der Technik.
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Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen im Text und in der Zeichnung gleiche oder
einander entsprechende Bauteile oder Elemente.
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Es
wird vorab angemerkt, dass die in den 2A und 2B dargestellte Ausführungsform
nicht unter den Schutzumfang der Ansprüche fällt.
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In
der Zeichnung zeigt 7 eine
typische lateral oder seitlich aufgebaute Funkenstreckenanordnung, welche
insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, bei der
Metallstreifen 12 und 14 in naher Nachbarschaft
angeordnet sind und dafür
ausgelegt sind, mit Knotenpunkten in einem (nicht gezeigten) Schaltkreis, der
von der Funkenstrecke zu schützen
ist, verbunden zu werden. Die Funkenstrecke selbst ist durch das
Bezugszeichen 16 gekennzeichnet.
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1A zeigt einen Querschnitt
durch einen typischen integrierten Schaltkreis mit einer Passivierungsschicht 18,
einer Metallschicht 20, einer Dielektrikumsschicht 22,
einer Metallschicht 24 in einer ersten Höhenlage,
einer Pyroglasschicht 26, einer Polysiliziumschicht 28 in
einer zweiten Höhenlage,
einer Kondensator-Oxidschicht 30, einer Polysiliziumschicht 32 in
einer ersten Höhenlage,
einer thermischen Oxidschicht 34, einer Diffusionsschicht 36 und
einer Substratschicht 38. Gemäß 1B beinhaltet die Ausbildung einer vertikalen
Funkenstrecke eine laterale Komponente mit dem Bezugszeichen 40 und
dies bringt Ausrichtungsfehler ein.
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In 2A ist ein Leiter in einer
ersten Schicht 42 gezeigt, der eine zweite Schicht 44 umgibt
und überdeckt.
Diese vertikale Anordnung vermeidet das Ausrichtungsproblem, wie
es unter Bezugnahme auf 1B erläutert wurde. 2B zeigt die Anordnung von 2A im Querschnitt und im
Detail und zeigt die vertikale Funkenstrecke 46, die zwischen
der leitfähigen
Schicht 42 und der leitfähigen Schicht 44 ausgebildet
ist. In jedem Fall haben die leitfähigen Schichten 42 und 44 zwischen
sich ein isolierendes Material 48 und durch einen Ätzvorgang
(wird nachfolgend noch näher
erläutert)
kann das Isolatormaterial um die Öffnung zwischen den beiden
Schichten herum entfernt werden, um zwischen den beiden Schichten 42 und 44 einen
offenen Spalt zu erzeugen.
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3A zeigt eine erste Ausführungsform
der Erfindung, bei der die leitfähige
Schicht 44 eine Öffnung 50 aufweist
und das isolierende Material 48 wird um die Öffnung 50
herum entfernt, so dass ein vertikaler Luftspalt geschaffen wird,
der besser im Querschnitt von 3B sichtbar
ist. Auf diese Weise wird der Luftspalt zwischen der Unterseite
der Öffnung 50 und
der unteren Platte und der leitfähigen
Schicht 44 gebildet. Dem Fachmann auf diesem Gebiet ergibt
sich, daß diese
Anordnung genauso gut und ohne weiteres umgekehrt werden kann. Dieser
Aufbau schafft eine vertikale Funkenstrecke mit dem Vorteil eines
gut steuerbaren und – falls
notwendig – extrem
kleinen Luftspaltes, der in der Größenordnung von Nanometern liegen
kann. Die Dicke der isolierenden Schicht 48 kann verwendet
werden, die Funkenstreckenspannung abhängig von der beabsichtigten
Verwendung der Funkenstrecke festzusetzen. Die Öffnung 50 wird verwendet,
den darunter liegenden Isolator für einen Vorgang freizulegen,
bei dem der Isolator aus dem Bereich der Öffnung 50 entfernt wird,
um zwischen den beiden Leitern oder Schichten 42 und 44 einen
Luftspalt zu bilden. Geeignete Verfahren wie beispielsweise Ätzen oder
dergleichen können
verwendet werden, um dieses Ergebnis zu erhalten. Die Öffnung 50 kann
auch dazu dienen, Verkapselungsmaterial aus dem Luftspalt zurückzuhalten,
wenn sie klein oder eng genug (< 1 μm) gemacht
wird.
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Als
Alternative kann gemäß 4 im Zusammenhang mit einem
integrierten Schaltkreis (nicht gezeigt) die Bodenplatte eine erste
Metallschicht 52 sein, die von einer zweiten Metallschicht 54 durch
ein gestrichelt dargestelltes Dielektrikum 56 getrennt
ist. Doppel-Dielektrika sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt.
Bei diesem Aufbau hat die Funkenstrecke oder Funkenöffnung mit
dem Bezugszeichen 58 die Form eines engen Schlitzes.
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Viele
Verwirklichungsmöglichkeiten
sind denkbar und die gerade ausgewählte hängt von dem beabsichtigten
Anwendungszweck ab, wobei der primäre Faktor die Abmessung der
vertikalen Funkenstrecke ist. Beispielsweise bei Hochspannungsentladungen
in einem Kunststoffgehäuse
sei Bezug genommen auf die 5A und 5B. In der dargestellten
Ausführungsform
beinhaltet diese Anordnung eine Polysiliziumschicht 58 mit
einem engen Schlitz 60, der durch die Schicht in das darunterliegende
Oxid eingebracht wird, das allgemein durch das Bezugszeichen 62 gekennzeichnet
ist und in diesem Beispiel die zweite leitfähige Schicht aufweist. Diese
Anordnung wird einem Ätzvorgang
ausgesetzt, um isolierendes Material 64 zwischen dem Schlitz 60 der
Membran 58 und der Schicht 62 zu entfernen, so
dass eine Funkenstrecke 66 gebildet wird. Bei einer elektrostatischen
Entladung wird ein elektrisches Feld zwischen dem Umfang des Schlitzes 60 und
der unteren Platte 64 aufgebaut. Ein Lawinendurchbruch
oder dielektrischer Durchbruch des Gases in der Funkenstrecke 66 tritt
(abhängig
von der Abmessung der Funkenstrecke) auf, was zu einer geringen
elektrischen Entladung zwischen den Platten 58 und 62 führt. Die
Durchbruchspannung wird geringer als ein Schaden anrichtender Schwellenwert
für das
zu schützende
Bauteil (nicht gezeigt) gemacht, so daß kein Schaden am Schaltkreis auftritt.
Eine oder beide Platten 58 und 62 können so
ausgelegt werden, dass die in dem Funkenstreckenbereich 66 dissipierte
oder verteilte Energie beschränkt
wird.
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Es
hat sich gezeigt, daß eine
vertikale Funkenstrecke zwischen zwei beliebigen leitfähigen oder
halbleitfähigen
Schichten eines integrierten Schaltkreises aufgebaut werden kann.
Die Verfügbarkeit
von leitfähigen
Schichten und die Abstände ändern sich
von Prozeß von
Prozeß.
Die 6A bis 6J zeigen alternative Beispiele
oder Ausführungsformen
bei der Verwendung von Doppelmetall-Doppelpolysiliziumintegrierten Schaltkreisherstellungsprozessen.
In den Ausführungsformen
von 6A bis 6J ist die leitfähige Schicht durch
das Bezugszeichen 52, die zweite leitfähige Schicht durch das Bezugszeichen 54,
die Funkenstrecke durch das Bezugszeichen 66, das aktive
N+ durch das Bezugszeichen 70, das Kappenpolysilizium durch
das Bezugszeichen 72, das Gate-Polysilizium durch das Bezugszeichen 74,
die Kontaktpunkte durch das Bezugszeichen 76, das aktive
P+ durch das Bezugszeichen 78, der N-Graben durch das Bezugszeichen 80 und
der P-Graben durch das Bezugszeichen 82 bezeichnet.
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Geeignete
Materialien, welche für
die Funkenstreckenanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können,
umfassen unter anderem Metalle mit hohen Schmelzpunkten, einkristallines
Silizium, Polysilizium und Legierungen mit hohem Schmelzpunkt.
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Ein
wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß der Schlitz
in dem oberen Leiter klein genug gemach wird, so daß Kunststoffmaterial
aus dem Spalt heraus gehalten wird, so dass die integrierten Schaltkreise
in Kunststoff eingepackt oder eingegossen werden können.
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Ein
zweites wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
mit sehr geringen parasitären
Kapazitäten
hergestellt werden können,
was die Anwendung bei Hochfrequenz-Technologien möglich macht,
bei denen ein Eingangsschutz bis jetzt noch nicht möglich war.
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Anwendungsfälle sind
auch mikromechanische Vorrichtungen, bei denen bislang typischerweise Übergangsdioden
nicht vorhanden waren.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann auf jegliche Art oder
Abwandlung eines integrierten Schaltkreises angewendet werden und
ist insbesondere für
Materialien sehr gut geeignet, die am besten für Hochspannungs-Anwendungsfälle ausgelegt
sind, beispielsweise Siliziumcarbid und Diamant, welche beide hohe
Bandbreiten und hohe thermische Leitfähigkeiten haben.
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Angesichts
der Tatsache, dass extrem kurze oder kleine Funkenstrecken durch
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung möglich sind, erfolgt die elektrostatische
Entladung aufgrund eines dielektrischen Durchbruches durch Gas innerhalb
des Spaltes, und weniger durch Lawinendurchbruch. Dies erweitert
die Durchbruchspannung auf den Bereich von Werten, die bislang unter
Anwendung von Übergangsdioden
erhalten wurden. Die in diesen niedrigen Spannungsentladungen dissipierte
Energie ist somit niedrig genug, um eine sehr kleine Funkenstreckenvorrichtung
verwenden zu können.
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Beschrieben
wurde eine vertikale Funkenstreckenanordnung zur Verwendung in elektronischen Schaltkreisen
unter Verwendung von Polysilizium. Die erfindungsgemäße Anordnung
erlaubt die Dissipation von höheren
Spannungen bei einer Funkenentladung, ohne daß der Schaltkreis kurzgeschlossen
wird.
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