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Integrierte Halbleiterschaltung
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz von integrierten
Halbleiterschaltungen gegen elektrostatische Durchschläge bzw Durchbrüche.
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Zur Verhinderung elektrostatisch bedingter Durchschläge von integrierten
Halbleiterschaltungen(IC's)ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem, wie in Fig.
1-a dargestellt ist, ein Widerstand R eingangsseitig in Serie mit der Innenschaltung
gelegt ist, wobei die Impulsform von Spannungsstößen durch die Zeitkonstante abgeflacht
wird, die sich aus der Streukapazität C und dem Widerstand R ergibt, um zu verhindern,
daß ein abrupter Spannungsstoß an die Innenschaltung 10 gelangt.
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Nach einem anderen herkömmlichen Verfahren wird, wie in Fig. 1-b dargestellt
ist, eine Diode D eingangsseitig
parallel zu der Innenschaltung
vorgesehen, die so ausgelegt ist, daß sie bei einem Spannungsstoß durchbricht, um
so den Spannungsstoß zu absorbieren.
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Widerstände oder Dioden, die durch pn-tFbergänge im Halbleitersubstrat
erzeugt sind, werden allerdings durch große Spannungsstöße umgekehrter Richtung
leicht zerstört und eignen sich nicht fr integrierte Schaltungen, die Spannungen
über beispielsweise 100 V aushalten sollen.
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Eine andere Schutzeinrichtung zur Erhöhung des zulässigen Pegels elektrostatischer
Stoßspannungen ist in der US-PS 4 080 616 angegeben, wonach für bipolare IC's ein
Transistor verwendet wird. Nach dieser Verfahrensweise, die in den Fig. 2 und 2A
erläutert ist, wird unter Verwendung einer Emitter-Diffusionsschicht auf der Oberfläche
einer Epitaxislschicht 2 vom n-Typ auf einem Halbleitersubstrat 1 vom p-Typ ein
Widerstand 5 vom n+-yp erzeugt; eine Elektrode 7, die an einem Ende des Widerstands
ausgebildet ist, ist mit einem Eingangsanschluß (Pad) 8 verbunden; ein Teil des
pn-Sbergangs zwischen dem anderen Ende des n +-Widerstands 5 und dem p-Bereich 3
ist durch eine Elektrode 9 überbrückt, die mit der Innenschaltung 10 verbunden ist.
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Wenn ein Spannungsstoß an die Elektrode 9 und das Halbleitersubstrat
über den Eingangs- oder Ausgangsanschluß 8 angelegt wird, wirken die begrabene n+
-Schicht, der p-Bereich und ein Teil des n+-Widerstands als Transistor bzw Thyristor
und absorbieren so den ankommenden Spannungsimpuls.
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Bei einer Einrichtung zur Verhinderung elektrostatischer
Durchschläge
des obigen AuSbaus fließt ein Signal strom üblicherweise vom Anschluß 8 zur Eingangsseite
10 der Schaltung über den n+-Widerstand 5 und die Elektrode 9.
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Wenn hier ein Spannungsstoß umgekehrter Richtung (negative Polarität)
an den Eingangs- bzw Ausgangsanschluß gelangt, tritt ein Spannungsabfall am n+-Widerstand
5 auf, durch den der Stoßstrom fließt. Das Potential ist daher in derselben n+-Schicht
5 örtlich verschieden; das Potential in dem p-Bereich 3 erreicht einen negativen
Wert, der gleich dem Maximalpotential in der n+-Schicht ist.
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Dementsprechend wird eine Vorspannung in Durchlaßrichtung an den pn-ttbergang
zwischen der n+-Schicht 5 und der p-Schicht 3 in der Nähe der Elektrode 7 angelegt.
Gleichzeitig liegt aufgrund des Spannungs stoßes eine Vorspannung in umgekehrter
Richtung an der n-Epitaxialschicht 2 und der p-Schicht 1 an. Aufgrund der durch
das Anlegen eines Spannungsimpuises negativer Polarität erzeugten Vorspannungen
arbeitet die Durchschlagsschutzeinrichtung als npn-Transistor T1 mit der n+-Schicht
5 als Emitter am pn-Ubergang in der Nähe der Elektrode 7 und als pnp-Transistor
T2, der aus der p-Schicht 3, der begrabenen n+-Schicht 6 und dem p -Substrat 1 besteht,
wobei die Kombination der beiden Transistoren T1 und T2 als Thyristor wirkt. Der
elektrische Strom fließt in Richtung des Pfeils A. Demzufolge wird der Spannungsstoß
absorbiert und kann nicht an den Eingang 10 der Schaltung gelangen.
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In diesem Fall zeigt die Einrichtung keine auf dem Durchbruch des
pn4bergangs beruhende Schutzwirkung. Die einen Durchschlag verhindernde Einrichtung
wird demzufolge nicht beschädigt.
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Wenn andererseits ein Spannungsstoß in Durchlaßrichtung
an
den Eingangsanschluß gelangt, fällt die Spannung am Widerstand ab. In diesem Fall
liegt eine umgekehrt gerichtete Vorspannung am pn-Übergang in der Nähe der Elektrode
7 an, während eine Vorspann0lng in Durchlaßrichtung an der n-Epitaxlalschlcht und
der p-Schicht anliegt. Diese Anordnung irkt els npn-Transistor mit der n-Epitaxialschicht
als Emitter in der Nähe der elektrode 7, wodurch entsprechende Spannungsstöße absorbiert
werden.
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Derart aufgebaute Einrichtungen zur Verhinderung elektrostatisch hedingter
Durchschläge besitzen allerdings einen hohen Eingangs-Innenwiderstand, da der Strom
zur Auslösung der Funktion durch den Innenwiderstand der n+-Schicht 5 bestimmt wird.
Es ist daher bei Einrichtungen zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge,
die mit Anschlüssen verbunden sind, die Bereichen entsprechen, in denen nur ein
geringerer Strom fließen darf, erforderlich, den Innenwiderstand der n+-Schicht
5 zu erhöhen. In den Bereichen, in denen nur ein geringerer Strom fließen darf,
kann allerdings öfters der Fall auftreten, daß die Schaltung durch zu hohe Spannungen
durchschlägt bzw zerstört wird. Es ist daher schwierig, durchschlagsverhindernde
Einrichtungen mit hohen Widerständen zu konzipieren, die sich für die Bereiche eignen,
in denen nur ein geringerer Strom fließen darf.
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In ausgedehnten Untersuchungen wurde diesbezüglich festgestellt, daß
die Nachteile herkömmlicher Schutzeinrichtungen gegen elektrostatisch bedingte Durchschläge
auf dem Umstand beruhen, daß, da ein Teil des pn-Übergangs des einen Endes des n+-Widerstands
5 und des p-Bereichs 3 durch die Elektrode 9 kurzgeschlossen ist, der aus der
Kombination
des npn-Transistors T1 und des pnp-Transistors T2 bestehende Thyristor nicht arbeitet,
wenn der Spannungsabfall, der beim Stromfluß durch den n+-Widerstand 5 erzeugt wird,
größer ist als die Durchlaßspannung VBE an Basis und Emitter des npn-Transistors
T1, der mit der n+-Schicht 5 als Emitter arbeitet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, integrierte Halbleiterschaltungen
anzugeben, die eine Schutzeinrichtung gegen elektrostatische Durchschläge aufweisen,
deren Schutzfunktion zuverlässig dann eintritt, wenn ein Spannungsstoß angelegt
wird, unabhängig von der Größe des Eingangs-Innenwiderstands der integrierten Halbleiterschaltung
sowie der Stromstärke des ankommenden Impulsets.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert;
es zeigen: Fig. 1-a und 1-b: Schaltbilder zur Erläuterung herkömmlicher, üblicher
Einrichtungen zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge; Fig. 2: eine Draufsicht,
aus der der Aufbau der Einrichtung zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge
gemäß der US-PS 4 080 616 hervorgeht; Fig. 2A: eine Querschnittsansicht längs der
Linie A-A von Fig. 2; Fig. 3: eine Draufsicht auf eine erfindungsgeiäße
Einrichtung
zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge; Fig. 3A: eine Querschnittsansicht
längs der Linie A-A von Fig. X und Fig. 4: eine schematische Darstellung einer anderen
erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der unterschiedliche Einrichtungen zur Verhinderung
elektrostatischer Durchschläge auf einem Halbleiterchip angeordnet sind.
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Bei der in den Fig. 3 und 3A dargestellten erfindungsge maßen Ausführungsform
ist eine Epitaxialschicht 2 vom n -Typ auf einem Hslbleitersubstrat 1 der integrierten
Halbleiterschaltung vorgesehen, wobei die n -Schicht 2 durch einen pn-Übergang einer
Isolierschicht 11 vom p-Typ von anderen Bereichen elektrisch getrennt ist; auf der
Oberfläche der n -Schicht 2 ist durch Basisdiffusion ein Bereich 3 vom p-Typ erzeugt;
auf der Oberfläche des p-Bereichs 3 ist durch Emitterdiffusion ferner ein Bereich
4 vom n+-Typ vorgesehen; eine auf der Oberfläche des n+ reichs 4 erzeugte Elektrode
12 ist mit einem Eingangsanschluß 8 der integrierten Halbleiterschaltung sowie mit
der Innenschaltung 10 der integrierten Halbleiterschaltung verbunden. Die Halbleiterbereiche
arbeiten daher als Teil eines Thyristors zur Absorption von Spannungsstößen beim
Anlegen einer Stoßspannung an den Halbleiterbereich unterhalb der Elektrode 12 über
den Eingangsanschluß 8
Bei dieser Ausführungsform ist zu beachten,
daß der n+-Bereich 4 und der p-Bereich 3 nicht durch Irgendeine Elektrode kurzgeschlossen
sind, da die Elektrode 12 zwar mit der Oberfläche des n+-Bereichs 4, nicht jedoch
mit der Oberfläche des p-Bereichs 3 in Kontakt steht.
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Eine an den Eingangsanschluß 8 angelegte Spannung liegt daher auch
an Emitter und Basis des npn-Transistors T1, der mit dem n+-Bereich 4, dem p-Bereich
3 und der n -Schicht 2 als Emitter, Basis bzw Kollektor arbeitet, an Kollektor und
Emitter des pnp-Transistors T21 der mit dem p-Bereich 3, der n -Schicht 2 und dem
p--Halbleitersubstrat 1 als Kollektor, Basis bzw emitter arbeitet, an Basis und
Emitter des npn-Transistors T1 und an Basis und Emitter des pnp-Transistors T2 an.
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Bei der obigen Einrichtung zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge
entsteht, wenn ein Spannungsimpuls umgekehrter Richtung (negativer Polarität) an
den Anschluß a gelangt, ein Thyristor durch das p--Substrat 1, die n--Epitaxialschicht
2, die die begrabene n+-Schicht 6 einschließt, den basisdiffundierten p-Bereich
3 und den emitterdiffundierten n+-Bereich 4, wodurch zwischen dem Substrat 1 und
dem Eingangs anschluß P. ein leitender ifad entsteht, so daß ein elektrischer Strom
in Richtung des Pfeils B fließt, der einen Durchschlag verhindert.
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Die Einrichtung zur Durchschlagsverhinderung arbeitet, wenn ein Spannungsstoß
eines vorgegebenen Werts an den npn-Transistor T1 und den pnp-Transistor T2 gelangt,
die den Thyristor bilden. Der in die Innenschaitung 10 durch den Eingangsanschluß
8 fließende Stoß strom hat keinen
Bezug zum Betrieb der Schutzeinrichtung.
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Die Schutzeinrichtung gegen elektrostatische Durchbrüche nach der
US-PS 4 080 616 arbeitet nicht zuverlässig, wenn sie mit einer Sehaltung mit hoher
Eingangsimpedanz verbunden wurde, die nur einen kleineren Stromfluß erlaubte.
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Demgegenüber arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung zur Verhinderung
elektrostatischer Durchschläge such dann zuverlässig, wenn sie mit einer Schaltung
verbunden ist, die nur einen kleineren Stromfluß zuläßt, wodurch es möglich wird,
des Spannungsniveau bei der Verhinderung elektrostatischer Durchschläge zu erhöhen.
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Im Rshmen der Erfindung hierzu durchgeführte versuche bestätigten,
daß integrierte HAlbleiterschaltungen, die tni der erfindungsgemäßen einrichtung
zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge versehen sind, Spannungen bis zu
1000 V aushalten.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist eine integrierte Schaltung 10 auf einem Halbleitersubstrat (Halbleiterchip)
13 vorgesehen; eine Einrichtung 15 zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge
ist mit einem Ein- bzw Ausgangsanschluß 14 verbunden; eine weitere Einrichtung 17
zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge ist mit einem weiteren Eingangsanschluß
16 verbunden.
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Die dem Eingangsanschluß 16 entsprechende Schaltung besitzt eine hohe
innere Impedanz Zin 16 und erlaubt nur einen geringeren Stromfluß. Die Einrichtungen
zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge sind durch npnp-Elemente dargestellt,
dh durch Thyristoren. Bei der
Einrichtung 15 zur Verhinderung elektrostatischer
Durchschläge des Eingangsanschlusses 14, der der Schaltung zugeordnet ist, durch
die leicht ein Strom fließen kann, ist mindestens ein Teil des pn-Übergangs auf
der Seite des Eingangsanschlusses kurzgeschlossen, wobei ein Widerstand R zwischen
den Anschluß 14 und die Innenschaltung 10 eingeschaltet ist. Diese Einrichtung entspricht
der der Fig. 2 und 2A. Bei der Einrichtung 12 zur Verhinderung elektrostatischer
Durchbrüche des Eingangsanschlusses 16, der der Schaltung zugeordnet ist, die nur
einen geringeren Stromfluß erlaubt, ist der pn-Übergang nicht kurzgeschlossen, der
Eingangsanschluß nicht mit der Innenschaltung verbunden und kein Widerstand vorgesehen.
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Diese Einrichtung entspricht der der Fig. 3 und 3A.
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Wie aus dem obigen hervorgeht, kann erfindungsgemäß leicht eine Einrichtung
zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge ohne inneren Widerstand vorgesehen
werden, ohne daß es zugleich erforderlich ist, die Größe des Stoßstroms zu berücksichtigen.
Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung in Kombination mit herkömmlichen
Schutzeinrichtungen mit Widerständen können integrierte Schaltungen mit komplexen
Strompfaden vor dem Auftreten elektrostatischer Durchschläge geschützt werden.
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Die Erfindung betrifft zusammengefaßt eine Einrichtung zur Verhinderung
elektrostatischer Durchschläge, die mit einem Eingangsanschluß einer integrierten
Halbleiterschaltung verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht eus vier Halbleiterschichten
mit einander entgegengesetzter Leitfähigkeit, die einen Thyristor bilden. Die vier
Halbleiterschichten umfassen ein r-Substrt, in n -Schicht, einen p-Bereich sowie
einen n+-Bereich.
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Ferner ist eine Elektrodenschicht in der Weise vorgesehen, daß sie
nicht mit der Oberfläche des p-Bereichs und lediglich mit fler Oberfläche des n+-Bereichs
in Kontakt kommt und ferner mit dem Eingangsanschluß der integrierten Halbleiterschaltung
und der Innenschaltung verbunden ist.
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Der Einsatz der Schutzwirkung erfolgt bei der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Verhinderung elektrostatischer Durchschläge auf Thyristorbasis unabhängig von
der Stärke des in die Innenschaltung fließenden Stoßstroms.