DE202007009699U1

DE202007009699U1 - Überspannungs-Schutzvorrichtung sowie zugehörige Schutzschaltung

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Publication number: DE202007009699U1
Application number: DE202007009699U
Authority: DE
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2017-07-12
Also published as: US7696591B2; US20090015975A1

Abstract

Überspannungs-Schutzvorrichtung mit:
einem Halbleitersubstrat (1) mit einer Dotierung von einem ersten Leitungstyp (p+);
einem ersten Dotiergebiet (2, 21) mit einer zur Dotierung des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Dotierung von einem zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung einer Schutzdiode (D1) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist; und
einem zweiten Dotiergebiet (22, 23) vom zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung eines Schutzwiderstands (R) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist, wobei
das zweite Dotiergebiet (22) unmittelbar an das erste Dotiergebiet (21) angrenzt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungs-Schutzvorrichtung sowie eine zugehörige Schutzschaltung und insbesondere auf eine ESD-Schutzvorrichtung (Electro Static Discharge) sowie zugehörige ESD-Schutzschaltung mit verbesserter ESD-Festigkeit, verringertem Übersprechen und einer verringerten Leitungskapazität.
Bei elektrostatischer Entladung (ESD, Electro Static Discharge) können sehr hohe Spannungen auftreten, die elektrische Geräte und insbesondere deren Bauteile zerstören können. Es ist daher eine ESD-Schutzvorrichtung bzw. eine ESD-Schutzschaltung notwendig, die einen Schutz vor derartigen Überspannungsspitzen bietet.
Eine elektrische Entladung (Aufladung) kann beispielsweise durch direkten Kontakt (z.B. Berührung durch Mensch oder Maschine) verursacht oder durch ein anderes elektrostatisches Feld (z.B. Blitzschlag) induziert werden.
1 zeigt eine vereinfachte Ersatzschaltung für eine typische ESD-Schutzvorrichtung bzw. -Schutzschaltung. Gemäß 1 besteht eine derartige ESD-Schutzvorrichtung aus zwei ESD-Schutzdioden D1 und D2, die eine eigentliche ESD-Festigkeit am Eingang IN und Ausgang OUT gewährleisten, wobei dazu parallel ein Widerstand R für den Tiefpassfilter geschaltet ist. Die kapazitive Wirkung der ESD-Schutzdioden D1 und D2 bildet gemeinsam mit dem Widerstand R einen RC-Tiefpass. Somit können z.B. unerwünscht hohe Frequenzen herausgefiltert werden, wodurch sich in vorteilhafter Weise Störgeräusche verringern lassen.
Ferner kann gemäß 1 optional eine GND-Diode D3 mit der ersten und/oder zweiten ESD-Schutzdiode D1 und D2 verbunden und mit Masseausgang GND verbunden sein, wodurch sich parasitäre Kapazitäten der Schutzdioden D1 und D2 aufgrund der kapazitiven Serienschaltung gezielt verringern lassen.
Derartige ESD-Schutzvorrichtungen ermöglichen somit einen Schutz bei einem unbeabsichtigten Kontakt (z.B. Ladungsübertragung) mit einem Menschen, einem unbeabsichtigten Kontakt mit Maschinen während eines Herstellungsprozesses oder eine unbeabsichtigte selbstständige Entladung bei einem Kontakt mit Mensch oder Maschine, wobei das Bauteil selbst elektrostatisch aufgeladen sein kann.
Gemäß 1 sperren die ESD-Schutzdioden D1 und D2 in einem Bereich von ca. -0,6 V (Diffusionsspannung) bis etwa +9 V (Durchbruchsspannung), z.B. bei Realisierung in Silizium-Halbleitertechnologie. Da die Spannung im Normalbetrieb des zu schützenden elektrischen Geräts bzw. der zugehörigen Bauteile zwischen diesen beiden Werten liegt, fließt im Normalfall kein Strom über die ESD-Schutzdioden D1 und D2. Wird jedoch beispielsweise am Eingang IN der ESD-Schutzvorrichtung eine bedeutend größere Spannung als die Betriebsspannung angelegt, z.B. Blitz bzw. elektrostatische Entladung), so kommen die ESD-Schutzdioden D1 und D2 in den Durchbruchsbereich. Genauer gesagt fließt auf Grund des geringen Innenwiderstandes der Dioden nun ein Strom hauptsächlich über die Dioden ab, wodurch sowohl die beispielsweise am Ausgang OUT als auch am Eingang IN angeschalteten Bauteile oder elektronischen Geräte vor dem ESD-Impuls und den daraus resultierenden Schäden geschützt werden. Für die ESD-Festigkeit der gesamten Schaltung ist dabei die ESD-Festigkeit der ESD-Schutzvorrichtung selbst, d.h. der darin enthaltenen ESD-Schutzdioden D1 und D2 entscheidend.
Ferner stehen die Leistungsmerkmale einer ESD-Schutzvorrichtung oftmals in direktem Widerspruch zueinander. Beispiels weise sind als Leistungsmerkmale einer ESD-Schutzvorrichtung einerseits die ESD-Festigkeit, d.h. Beständigkeit gegenüber Überspannungen, ferner das Übersprechverhalten zwischen einzelnen Kanälen einer Schaltung und schließlich eine (Gesamt-) Leitungskapazität als wesentliche Merkmale zu nennen, die sich gegenseitig beeinflussen und leider im Widerspruch zueinander stehen. Werden demzufolge die Flächen der ESD-Schutzdioden vergrößert, so steigt zwar die ESD-Festigkeit, doch nimmt hierbei auch eine gesamte Leitungskapazität zu.
Die in 1 hierfür eingeführte GND-Diode D3 kann zwar zu einer Reduzierung der Gesamtkapazität führen, liefert jedoch wiederum einen höheren „cross-talk" bzw. erhöht das Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen der ESD-Schutzvorrichtung.
Die 2 und 3 zeigen eine Draufsicht sowie eine Schnittansicht einer herkömmlichen ESD-Schutzschaltung, wie sie als integrierte Halbleiterschaltung realisiert sein kann. Gemäß 2 weist die herkömmliche ESD-Schutzschaltung vier Kanäle mit jeweils zwei ESD-Schutzdioden D11 und D21, D12 und D22, D13 und D23 sowie D14 und D24 auf. Jeder Kanal weist darüber hinaus einen Widerstand R11, R22, R33 und R44 auf, der jeweils über Leitbahnen 60 an die ESD-Schutzdioden angeschaltet und als Diffusionswiderstand in einem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet ist (siehe auch 3).
Ferner sind zwei GND-Dioden D31 und D33 im Halbleitersubstrat ausgebildet, die die rückseitigen Anschlüsse der ESD-Schutzdioden bzw. das Halbleitersubstrat mit dem Masseausgang GND verbinden (bzw. auf Massepotential + 0,6V Diffusionsspannung legen).
Die 3 zeigt eine Schnittansicht eines Kanals der in 2 dargestellten ESD-Schutzschaltung, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente bezeichnen.
Gemäß 3 sind in einem beispielsweise p-dotierten Si-Halbleitersubstrat 10 n-dotierte Dotiergebiete 20 und 30 zur Realisierung der ESD-Schutzdioden D11 und D21 ausgebildet. Ferner ist im Halbleitersubstrat 10 ein n-dotiertes Dotiergebiet 40 zur Realisierung des zugehörigen ESD-Schutzwiderstands R11 ausgebildet. Die erste ESD-Schutzdiode D11 ist hierbei mit dem Eingang IN und ferner mit einem Anschluss des Schutzwiderstands R11 über eine Leitbahn 60 verbunden. Ferner ist der weitere Anschluss des Schutzwiderstands R11 über eine weitere Leitbahn mit der zweiten ESD-Schutzdiode D21 sowie dem Ausgang OUT verbunden. Das Halbleitersubstrat 10 kann ferner an einer (nicht dargestellten) Stelle im Halbleitersubstrat über die GND-Diode D31 mit dem GND-Pad verbunden werden.
Bei einer ESD-Belastung (z.B. Blitz bzw. Überspannung) beispielsweise am Eingang IN sollte der Strom eigentlich über die ESD-Schutzdiode D11 in das Halbleitersubstrat 10 abgeleitet werden, um ein am Ausgang OUT angeschlossenes Gerät oder Bauteil zu schützen. Wie jedoch aus 3 leicht ersichtlich ist, wird der Stromfluss nicht nur über die ESD-Schutzdiode D11 in das Halbleitersubstrat 10 abfließen, sondern darüber hinaus über die Leitbahn 60 zum Widerstand R11 fließen und dort über eine im Eingangsbereich des Widerstandes R11 entstehende parasitäre Diode DR (Diode Resistor) ebenfalls in das Halbleitersubstrat 10 abfließen. Ein Grund hierfür ist der üblicherweise kleinere Bahnwiderstand der Leitbahn 60 im Vergleich zum Innenwiderstand der Diode. Dadurch erfolgt ein Teil des Stromflusses über die Leitbahn 60 und gelangt so zu der zusätzlichen parasitären Diode DR am eingangsseitigen pn-Übergang des Schutzwiderstandes R11. Am Ausgangsseitigen Ende des Diffusionswiderstandes R11 ist der Strom bzw. die Leistung im ESD Fall bereits stark verringert, so dass die ESD Festigkeit am Ausgangsseitigen pn-Übergang nicht mehr kritisch ist.
Als Folge wird der dortige pn-Übergang im Vergleich zur dedizierten ESD-Schutzdiode D11 bereits bei kleineren ESD-Spannungen zerstört, obwohl der ankommende Teil des Stromes nur ein Teil des Gesamtstromes ist, welcher über die Schutzschaltung fließt. Der Grund der Zerstörung an dieser Stelle ist, dass die parasitäre Diode DR am Diffusionswiderstand R11 keine speziell designte ESD-Diode (Layout Design) darstellt, sondern ungewollt durch den eingangsseitigen pn-Übergang zwischen n-dotiertem Gebiet 40 des Diffusionswiderstandes R11 und dem p-Halbleitersubstrat 10 entsteht. Dadurch bricht dieser pn-Übergang bei weit weniger Belastung durch als dies bei der ESD-Schutzdiode D11 der Fall ist.
Dieses Problem, welches im Wesentlichen daraus resultiert, dass der Schutzwiderstand R11 als integrierter Halbleiterwiderstand (bzw. Diffusionswiderstand) im Halbleitersubstrat realisiert ist und somit ein pn-Übergang als Diode wirkt, welche wiederum eine Schwachstelle darstellt, wurde üblicherweise durch einen vom Halbleitersubstrat unabhängigen Schutzwiderstand (außerhalb des Halbleitersubstrats) in Form eines Poly-Widerstands gelöst, der beispielsweise vom Halbleitersubstrat durch ein Feldoxid getrennt oberhalb des Halbleitersubstrats ausgebildet ist. Diese Lösung erfordert jedoch mehrere zusätzliche Masken was wiederum einen erhöhten Kostenaufwand bedeutet.
Es besteht daher ein Bedürfnis eine Überspannungs-Schutzvorrichtung sowie eine zugehörige Schutzschaltung mit verbesserten Eigenschaften und verringerten Kosten zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird eine Überspannungs-Schutzvorrichtung geschaffen, die ein Halbleitersubstrat mit einer Dotierung von einem ersten Leitungstyp aufweist, ein erstes Dotiergebiet mit einer zur Dotierung des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Dotierung von einem zweiten Leitungstyp aufweist, dass zur Realisierung einer Schutzdiode im Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und ein zweites Dotiergebiet vom zweiten Leitungstyp aufweist, dass zur Realisierung eines Schutzwiderstands im Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei das zweite Dotiergebiet unmittelbar an das erste Dotiergebiet angrenzt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer ESD-Schutzvorrichtung;
2 eine vereinfachte Draufsicht einer herkömmlichen ESD-Schutzschaltung;
3 eine vereinfachte Schnittansicht der in 2 dargestellten herkömmlichen ESD-Schutzschaltung;
4 eine vereinfachte Teil-Draufsicht einer ESD-Schutzschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
5 eine vergrößerte Teil-Draufsicht der in 4 dargestellten ESD-Schutzschaltung;
6 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht der in 5 dargestellten Teil-Draufsicht;
7 eine vereinfachte Draufsicht einer ESD-Schutzschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
8 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der in 7 dargestellten ESD-Schutzschaltung;
9 eine vergrößerte Draufsicht einer kreisförmigen ESD-Schutzdiode;
10 eine graphische Darstellung der ESD-Spannungsfestigkeit gegenüber einer Diodenfläche für die ESD-Schutzdiode gemäß dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung; und
11 eine vergrößerte Draufsicht einer ESD-Schutzvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Gemäß der vorliegenden Erfindung grenzt das Dotiergebiet des Schutzwiderstandes unmittelbar an das Dotiergebiet der Schutzdiode, wodurch das Auftreten von parasitären pn-Übergängen am Widerstand verringert bzw. eliminiert wird und nur die eigentliche dafür entworfene Schutzdiode zur Wirkung kommt. Dadurch kann bei verringerten Herstellungskosten eine ESD-Festigkeit erhöht und sowohl ein Übersprechen als auch eine Leitungskapazität verringert werden.
Das Dotiergebiet der Schutzdiode kann hierbei kreisförmig sein.
Ferner kann eine Dioden-Kontaktschicht kreisförmig auf der kreisförmig ausgebildeten Schutzdiode ausgebildet sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften weiter verbessern lassen.
Ferner kann die Überspannungs-Schutzvorrichtung eine weitere Schutzdiode aufweisen, die auch für einen Ausgang einen Überspannungs-Schutz liefert. Der Schutzwiderstand kann hierbei durch ein weiteres Dotiergebiet, welches unmittelbar an das weitere Dotiergebiet für die weitere Schutzdiode angrenzt, ausgebildet sein, wodurch sich für beide Schutzdioden ein verbesserter Überspannungs-Schutz ergibt.
Beispielsweise kann der Schutzwiderstand sowohl an die erste Schutzdiode als auch an die zweite Schutzdiode unmittelbar angrenzen, wodurch das Ausbilden von Leitbahnen vollständig entfällt und eine besonders intensive Flächennutzung ermög licht ist. Insbesondere kann eine symmetrische Anordnung zweier ESD-Schutzdioden mit jeweils angeflanschten Diffusionwiderständen, welche an den zur Diode jeweils abgewandten Seiten über eine leitende Schicht (z.B. Metallbahn) verbunden ist, verwendet werden. Die zu den Dioden jeweils abgewandten Seiten des Widerstandes sind dabei ESD-unkritisch, da hier noch geringe Leistungen auftreten.
Ferner kann eine GND-Diode, als weiteres Dotiergebiet im Halbleitersubstrat ausgebildet sein, wodurch insbesondere eine Verringerung der parasitären Kapazitäten in der Überspannungs-Schutzvorrichtung erreicht werden kann.
Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren dargestellt, die lediglich der Illustration dienen und den Umfang der Erfindung nicht beschränken.
Die 4 bis 6 zeigen eine vereinfachte Draufsicht, eine vergrößerte Teil-Draufsicht sowie eine vergrößerte Teil-Schnittansicht einer ESD-Schutzvorrichtung (Electro Static Discharge) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hierbei gleiche oder entsprechende Elemente oder Schichten wie in den 1 bis 3, weshalb auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
4 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht eine Überspannungs- bzw. ESD-Schutzschaltung mit sechs Kanälen, die in einem Halbleitersubstrat, beispielsweise Silizium, ausgebildet ist. Selbstverständlich können auch andere Halbleitersubstrate wie beispielsweise Germanium oder Verbundhalbleiter wie beispielsweise GaAs usw. als Halbleitersubstrate verwendet werden. Gemäß 4 sind lediglich die Dioden zu einem Kanal mit Bezugszeichen versehen, um die Übersichtlichkeit der Figur nicht zu beeinträchtigen. Demzufolge ist wiederum eine Überspannungs-Schutzvorrichtung dargestellt, wie sie dem Ersatzschaltbild gemäß 1 entspricht.
An einem Eingang befindet sich demzufolge wiederum eine erste ESD-Schutzdiode D1, die über den ESD-Schutzwiderstand R mit einer zweiten ESD-Schutzdiode D2 in Verbindung steht und an einen Ausgang über Kontakte K angeschlossen ist. Optional kann wiederum eine GND-Diode D3 vorgesehen sein, die den Masseanschluss ermöglicht.
Die 5 und 6 zeigen vergrößerte Teil-Draufsichten und Teil-Schnittansichten des Bereichs der ESD-Schutzdiode D1, in dem der Schutzwiderstand R unmittelbar angrenzend ausgebildet werden kann.
Gemäß 5 und 6 ist demzufolge in einem beispielsweise p⁺-dotierten Halbleitersubstrat 1 neben einem ersten Dotiergebiet 21, das zur Realisierung der ESD-Schutzdiode D1 im Halbleitersubstrat 1 beispielsweise n-leitend ausgebildet (und entsprechend vom Layout entworfen) ist, unmittelbar angrenzend ein zweites Dotiergebiet 22, 23 ausgebildet, das zur Realisierung des ESD-Schutzwiderstands R im Halbleitersubstrat dient. Das zweite Dotiergebiet für den ESD-Schutzwiderstand R kann gemäß 6 ein Anschluss-Dotiergebiet 23 zur Realisierung eines Anschluss-Kontakts des ESD-Schutzwiderstands R aufweisen. Über eine Anschluss-Kontaktschicht 4 kann hierbei eine elektrisch leitende Schicht 6 mit dem ESD-Schutzwiderstand R verbunden werden.
Ferner kann auch das erste Dotiergebiet 21 zur Realisierung der eigentlichen ESD-Schutzdiode D1 über eine Dioden-Kontaktschicht 3 mit einer elektrisch leitenden Schicht 7 verbunden sein. Beispielsweise bestehen die Kontaktschichten 3 und 4 aus Metall-Halbleiterschichten und insbesondere aus Silizidschichten, wodurch man auf selbstjustierende Art und Weise einen besonders geringen Übergangswiderstand zur Schutzdiode D1 bzw. zum Schutzwiderstand R erhält.
Als Materialien für die elektrisch leitenden Schichten 6 und 7 werden vorzugsweise metallische Materialien wie Aluminium oder Kupfer verwendet, wobei jedoch auch andere Materialien wie beispielsweise hochdotiertes Polysilizium usw. verwendet werden kann. Als Isolierung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 6 und 7 zum Halbleitersubstrat bzw. den darin ausgebildeten Dotiergebieten 21, 22 und 23, die in 6 zusammengefasst als Dotiergebiet 2 dargestellt sind, wird eine Isolierschicht 5 angeordnet. Die Isolierschicht 5 besteht beispielsweise aus einem Feldoxid, wobei auch andere Isolierschichten und insbesondere Zwischendielektrika mit Mehrschichtaufbau verwendet werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Konzept gemäß 4 bis 6 bildet der ESD-Schutzwiderstand R zwar weiterhin einen pn-Übergang zum Halbleitersubstrat 1, ist jedoch unmittelbar mit der ESD-Schutzdiode D1 bzw. dessen erstem Dotiergebiet 21 verbunden. Dadurch sinkt das Risiko für einen Durchbruch an der üblicherweise sehr schmalen Stelle des pn-Übergangs beim Schutzwiderstand R enorm, wodurch sich eine ESD-Festigkeit wesentlich erhöht. Vor allem ist hier das Problem des kleinen Kontaktlochs an der „heißen", eingangsseitigen Stelle des Widerstands R11 entschärft, wie es beim Stand der Technik gemäß 3 regelmäßig auftritt. Aufgrund der Realisierung des Widerstandes R als im Halbleitersubstrat integrierten Diffusionswiderstand sind ferner die Herstellungskosten wesentlich verringert.
Gemäß 5 kann das den Widerstand R maßgeblich definierende zweite Dotiergebiet 22 mit seinem Anschluss-Dotiergebiet 23 beispielsweise einen Vorsprung bzw. eine Nase im Umfangsbereich des ersten Dotiergebiets 21 darstellen. Beispielsweise wird, wie in 4 dargestellt, das erste Dotiergebiet 21 für die ESD-Schutzdioden D1 oder D2 kreisförmig im Halbleitersubstrat 1 ausgebildet. In diesem Fall kann das zweite Dotiergebiet 22 als tangential unmittelbar an das erste Dotiergebiet 21 angrenzender Dotierstreifen mit einer Breite B ausgebildet werden. Die Breite B des Vorsprungs kann beispielsweise kleiner 1/10 eines Umfangs des ersten Dotiergebiets 21, d.h. des Umfangs der speziell dafür entworfenen Überspannungs-Schutzdiode D1 sein, wodurch sich besonders gute Werte für eine ESD-Festigkeit ergeben.
Ferner kann eine Länge L des Vorsprungs in etwa gleich groß der Breite B des Vorsprungs sein, wodurch sich günstige Anschlussmöglichkeiten für die leitende Schicht 6 ergeben. Der als Dotiergebiet 2 ausgebildete Vorsprung kann gemäß 5 halbkreisförmig an das Dotiergebiet 21 der ESD-Schutzdiode D1 angeflanscht sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften weiter verbessern lassen. Die Anschluss-Kontaktschicht 4 kann demzufolge ebenfalls halbkreisförmig ausgebildet sein.
Demgegenüber kann die Dioden-Kontaktschicht 3 zum Kontaktieren des ersten Dotiergebiets 21 ringförmig ausgebildet sein, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften der ESD-Schutzvorrichtung weiter verbessern lassen. Selbstverständlich kann die Dioden-Kontaktschicht 3 auch kreisförmig ausgebildet sein.
7 zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer ESD-Schutzschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente wie in den 1 bis 6 bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
8 zeigt ein zugehöriges Ersatzschaltbild der ESD-Schutzschaltung gemäß 7.
Gemäß 7 und 8 kann eine ESD-Schutzschaltung 10 Kanäle aufweisen, die jeweils aus einer ersten ESD-Schutzdiode D1 und einer zweiten ESD-Schutzdiode D2 bestehen. Zwischen den ersten und zweiten ESD-Schutzdioden D1 und D2 ist wiederum ein ESD-Schutzwiderstand R im Halbleitersubstrat ausgebildet, wobei ein jeweiliges Dotiergebiet des Schutzwiderstands R un mittelbar an das jeweilige Dotiergebiet der ESD-Schutzdioden D1 und D2 anschließt bzw. unmittelbar daran angrenzt.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann der ESD-Schutzwiderstand R in zwei Teil-Widerstände R1 und R2 aufgeteilt werden. Genauer gesagt kann beispielsweise ein 70-Ohm-Widerstand R in zwei Teil-Widerstände R1 = R2 = R/2 (= 35 Ohm) aufgeteilt werden, die jeweils unmittelbar an die Dotiergebiete der ESD-Schutzdioden D1 und D2 angeflanscht sind bzw. wie in 5 und 6 dargestellt daran unmittelbar angrenzen.
Auf diese Weise ergibt sich nicht nur eine Erhöhung der ESD-Festigkeit am Eingang IN, sondern in gleicher Weise sowohl am Eingang IN als auch am Ausgang OUT. Wiederum können die optionalen GND-Dioden D3 das Halbleitersubstrat zur Ableitung des ESD Pulses auf den Masseausgang verbinden, wobei den jeweils 10 ESD-Schutzdioden D1 und D2 beispielsweise lediglich vier GND-Dioden D3 gegenüberstehen können. Wiederum können über Kontakte K die Eingänge IN, die Ausgänge OUT sowie die Anschlüsse für Masse GND realisiert werden. Ferner kann eine Verdopplung der Dämpfung um Faktor 2 (in dB) durch Erhöhung der Kapazität der GND Dioden von der Größenordnung pF auf nF realisiert werden. Dabei wird der größte Teil der freien Fläche für die GND Diode genutzt.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann somit unmittelbar an das erste Dotiergebiet einer ersten ESD-Schutzdiode D1 ein zweites Dotiergebiet eines ersten Teil-Widerstands R1 an und an ein drittes Dotiergebiet einer zweiten ESD-Schutzdiode D2 ein viertes Dotiergebiet eines zweiten Teil-Schutzwiderstands R2 angrenzen, wobei die ESD-Teilwiderstände R1 und R2 über eine elektrisch leitende Schicht 6 bzw. eine Leitbahn elektrisch miteinander verbunden werden können. Wiederum kann dadurch die ESD-Festigkeit wesentlich verbessert werden, wobei sowohl die Kosten verringert als auch das Übersprechen zwi schen den Kanälen verringert und eine kleinere Leitungskapazität ermöglicht wird.
9 zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Realisierung einer jeweiligen ESD-Schutzdiode mit angeflanschtem Widerstand. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder entsprechende Schichten oder Elemente wie in den 1 bis 8, weshalb auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß 9 kann die ESD-Schutzdiode kreisförmig im Halbleitersubstrat ausgebildet werden, wobei die Schutzdiode eine Kreisfläche als Dotiergebiet 21 aufweist, an die der Widerstand beispielsweise halbkreisförmig angeflanscht ist. Alternativ könnte der Widerstand jedoch auch speichenförmig an das Dotiergebiet 21 angebunden sein, d.h. radial angeordnete Diffusions-Verbindungsstege aufweisen.
Gemäß 10, die eine graphische Darstellung der ESD-Festigkeit über einer Diodenfläche darstellt, kann abgelesen werden, dass ein herkömmlicher Widerstand die ESD-Festigkeit grundsätzlich negativ beeinflusst.
Gemäß 10 wird demzufolge z.B. bei kreisförmigen ESD-Schutzdioden die ESD-Festigkeit der ESD-Schutzvorrichtung durch den „angeflanschten" Schutzwiderstand im Vergleich zu einer ESD-Schutzvorrichtung mit herkömmlichen Widerstand wesentlich verbessert. Eine ESD-Festigkeit bis zu ca. 15 kV an beispielsweise digitalen Eingängen für LCD-Anzeigen, USB-Bausteinen, MMC/SD-Bausteinen, Tastatur-Bausteinen, SIM-Karten, I/O-Bausteinen usw. kann somit wirkungsvoll mit ausreichend kleinen Diodenflächen realisiert werden.
Insbesondere sind derartige ESD-Schutzvorrichtungen und – Schutzschaltungen auf Grund ihrer Tiefpass-Filterwirkung für Endgeräte (z.B. Mobiltelefone) mit hochfrequenten Funkschnittstellen geeignet, die eine entsprechende Filterfunkti on benötigen. (Ermöglicht wird dies durch ein RC-Glied, wobei eine Kapazität C durch die Diffusionskapazität der Diode realisiert wird).
Zur Vereinfachung eines Maskenlayouts können ebenfalls die GND-Dioden D3 in gleicher Weise wie die ESD-Schutzdioden D1 und D2 ausgebildet sein, d.h. sie können ebenfalls kreisförmig im Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Vorzugsweise wird die GND-Diode möglichst großflächig ausgebildet, wodurch sich eine erhöhte GND-Kapazität seriell zur Kapazität der eigentlichen ESD-Diode ergibt, was wiederum zu einer Verringerung des Übersprechens (crosstalk) führt.
11 zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer ESD-Schutzvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen wiederum gleiche oder entsprechende Elemente oder Schichten bezeichnen wie in 1 bis 10, weshalb auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von 11 sind keine weiteren Leitbahnen bzw. elektrisch leitenden Schichten notwendig, um die Schutzwiderstände untereinander zu verbinden, da das zweite Dotiergebiet zur Realisierung eines Teil-Widerstands unmittelbar an das vierte Dotiergebiet zur Realisierung eines weiteren Teil-Widerstands im Halbleitersubstrat angrenzt. Ferner grenzen die weiteren (gegenüberliegenden) Kontaktflächen dieses zweiten und vierten Dotiergebiets zur Realisierung der Teil-Widerstände in erfindungsgemäßer Weise wiederum unmittelbar an die ersten und dritten Dotiergebiete der ersten ESD-Schutzdiode D10 und der zweiten ESD-Schutzdiode D2 an. Auf diese Weise kann ein Flächenbedarf für die ESD-Schutzvorrichtung sowie die zugehörige ESD-Schutzschaltung weiter verringert werden. Wiederum kann selbstverständlich eine (nicht dargestellte) GND-Diode im Halbleitersubstrat angeordnet werden, wobei beispielsweise eine dreiecksförmige Anordnung der drei Dioden eine optimale Flächennutzung ergibt.
Insbesondere durch die Einsparung von Masken können erfindungsgemäß die Herstellungskosten wesentlich verringert werden. Durch die unmittelbare Platzierung des Dotiergebietes für den Widerstand bzw. Teil-Widerstand an das Dotiergebiet für die ESD-Schutzdiode können beide Elemente ein resultierendes gemeinsames Dotiergebiet nutzen, wodurch sich die Spannung gleichmäßiger und auf ein größeres Dotiergebiet verteilt und wobei ein Anschluss über die Kontaktöffnungen beispielsweise in einer LOCOS-Isolierschicht eine dementsprechend größere Fläche besitzen kann. Das Risiko für einen Durchbruch am Schutzwiderstand wird dadurch wesentlich verringert und die ESD-Festigkeit erhöht.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines p⁺-dotierten Halbleitersubstrats mit n-Dotiergebieten beschrieben. Selbstverständlich sind auch entgegengesetzte Dotierungen möglich. Ferner wurde die Erfindung anhand von kreisförmigen Dotiergebieten für die ESD-Schutzdioden sowie GND-Dioden beschrieben. Selbstverständlich sind auch alternative Formen wie rechteckförmige, ringförmige oder ovale Formen für die Dotiergebiete möglich. Weiterhin wurden spezielle Materialien für die Isolierschichten oder elektrisch leitenden Schichten beschrieben. Selbstverständlich sind auch alternative Materialien möglich. Ferner wurde die Erfindung anhand einer 10-Kanal-ESD-Schutzschaltung sowie 6-Kanal-ESD-Schutzschaltung mit speziellem Layout beschrieben. Grundsätzlich können jedoch auch andere Schutzschaltungen mit alternativem Layout und einer anderen Anzahl von Kanälen und GND-Dioden realisiert werden.

1, 10: Halbleitersubstrat
2, 20, 30, 40: Dotiergebiete
21: erstes Dotiergebiet
22: zweites Dotiergebiet
23: Anschluss-Dotiergebiet
1: Dioden-Kontaktschicht
2: Anschluss-Kontaktschicht
3: Isolierschicht
6, 7: elektrisch leitende Schicht
D1, D2, D1x, D2x: Schutzdioden
D3, D3x: GND-Dioden
DR: parasitäre Diode
IN: Eingang
OUT: Ausgang
GND: Masse-Anschluss
R, R1, R2, Rxx: Schutzwiderstände
B: Breite des Vorsprungs
L: Länge des Vorsprungs
K: Kontakt

Claims

Überspannungs-Schutzvorrichtung mit: einem Halbleitersubstrat (1) mit einer Dotierung von einem ersten Leitungstyp (p+); einem ersten Dotiergebiet (2, 21) mit einer zur Dotierung des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Dotierung von einem zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung einer Schutzdiode (D1) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist; und einem zweiten Dotiergebiet (22, 23) vom zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung eines Schutzwiderstands (R) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist, wobei das zweite Dotiergebiet (22) unmittelbar an das erste Dotiergebiet (21) angrenzt.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Dotiergebiet ein Anschluss-Dotiergebiet (23) zur Realisierung eines Anschluss-Kontaktes des Schutzwiderstands (R) aufweist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Dotiergebiet (21) kreisförmig im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das zweite Dotiergebiet (22, 23) einen Vorsprung im Umfangsbereich des ersten Dotiergebiets (21) darstellt.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Breite (B) des Vorsprungs kleiner 1/10 eines Umfangs des ersten Dotiergebiets (21) ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Länge (L) des Vorsprungs in etwa gleich groß der Breite (B) des Vorsprungs ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Vorsprung halbkreisförmig oder speichenförmig ausgebildet ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei eine Dioden-Kontaktschicht (3) kreis- oder ringförmig ausgebildet ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem dritten Dotiergebiet vom zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung einer zweiten Schutzdiode (D2) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet und mit dem Schutzwiderstand (R) elektrisch verbunden ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 9, mit einem vierten Dotiergebiet vom zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung eines weiteren Schutzwiderstands (R2) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist und unmittelbar an das dritte Dotiergebiet angrenzt, wobei die Schutzwiderstände (R1, R2) elektrisch miteinander verbunden sind.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das vierte Dotiergebiet unmittelbar an das zweite Dotiergebiet angrenzt.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer GND-Diode (D3), die die erste und/oder zweite Schutzdiode (D1, D2) mit Masseausgang (GND) verbindet.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die GND-Diode (D3) als weiteres Dotiergebiet vom zweiten Leitungstyp (n) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 13, wobei das weitere Dotiergebiet der GND-Diode (D3) kreisförmig ausgebildet ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung mit einem Halbleitersubstrat (1) mit einer Dotierung von einem ersten Leitungstyp (p+); einem ersten Dotiergebiet (2, 21) mit einer zur Dotierung des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Dotierung von einem zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung einer Schutzdiode (D1) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist; einem zweiten Dotiergebiet (22, 23) vom zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung eines Schutzwiderstands (R) im Halbleiteranordnung (1) ausgebildet ist; und einem dritten Dotiergebiet vom zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung einer zweiten Schutzdiode (D2) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist und mit dem weiteren Anschluss des Schutzwiderstands (R) elektrisch verbunden ist, wobei das zweite Dotiergebiet (22) unmittelbar an das erste Dotiergebiet (21) angrenzt.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 15, mit einem vierten Dotiergebiet vom zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung eines weiteren Schutzwiderstands (R2) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist und unmittelbar an das dritte Dotiergebiet angrenzt, wobei die Schutzwiderstände (R1, R2) mit ihren jeweiligen weiteren Anschlüssen elektrisch miteinander verbunden sind.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das vierte Dotiergebiet unmittelbar an das zweite Dotiergebiet angrenzt.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, mit einer GND-Diode (D3), die die erste und/oder zweite Schutzdiode (D1, D2) mit Masseausgang (GND) verbindet.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die GND-Diode (D3) als weiteres Dotiergebiet vom zweiten Leitungstyp (n) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung nach Anspruch 19, wobei das weitere Dotiergebiet der GND-Diode (D3) kreisförmig ausgebildet ist.
Überspannungs-Schutzvorrichtung mit einem Halbleitersubstrat (1) mit einer Dotierung von einem ersten Leitungstyp (p⁺); einem ersten Dotiergebiet (2, 21) mit einer zur Dotierung des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Dotierung von einem zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung einer Schutzdiode (D1) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist; einem zweiten Dotiergebiet (22, 23) vom zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung eines Schutzwiderstands (R) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist; einem dritten Dotiergebiet vom zweiten Leitungstyp (n), das zur Realisierung einer zweiten Schutzdiode (D2) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet und mit dem Schutzwiderstand (R) elektrisch verbunden ist; und einer GND-Diode (D3), die die erste und/oder zweite Schutzdiode (D1, D2) mit Masseausgang (GND) verbindet, wobei die GND-Diode (D3) als weiteres Dotiergebiet vom zweiten Leitungstyp (n) im Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist, und wobei das zweite Dotiergebiet (22) unmittelbar an das erste Dotiergebiet (21) angrenzt.
Überspannungs-Schutzschaltung mit einer Vielzahl von Überspannungs-Schutzvorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, die in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (1) ausgebildet sind.