DE3125470C2

DE3125470C2 -

Info

Publication number: DE3125470C2
Application number: DE3125470A
Authority: DE
Inventors: Hideyuki Ozaki; Kazuyasu Itami Hyogo Jp Fujishima
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1980-06-30
Filing date: 1981-06-29
Publication date: 1992-01-23
Also published as: DE3125470A1; FR2485808A1; US4456939A; JPS5714216A

Description

Die Erfindung betrifft eine Eingangsschutzschaltung für den Eingangsanschluß einer MIS-Halbleitereinrichtung, z. B. eines MIS-Feldeffekttransistors, einer MIS-Diode, eines MIS-Kondensators usw., oder einer integrierten Schaltung mit einer solchen Einrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Schaltung ist aus der US-PS 34 03 270 bekannt.

Bei herkömmlichen Halbleitereinrichtungen vom MIS-Typ sowie bei integrierten Schaltungen mit einer solchen Einrichtung gelangen häufig Spannungsstöße mit einem hohen Spitzenwert von außen an die Eingangsanschlüsse, z. B. an das Gate einer solchen Einrichtung. Hierdurch kann es zu einem Durchbruch der Gate-Isolierschicht kommen. In jüngster Zeit werden integrierte Schaltungen mit großer Kompaktheit hergestellt und für eine rasche Ansprechgeschwindigkeit ausgelegt. Dies erfordert eine geringere Dicke der Gate-Isolierschicht. Zum Beispiel beträgt die Durchbruchsspannung einer Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke im Bereich von 400 bis 500 Å etwa 40 bis 50 Volt. Daher besteht ein Bedürfnis nach einer Eingangsschutzschaltung, welche einen normalen Betrieb und eine Funktionstüchtigkeit selbst beim Beaufschlagen mit relativ hohen Eingangsspannungsspitzen gewährleistet.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Eingangsschutzschaltung vom N-Kanal-Typ. Diese Einrichtung umfaßt einen MIS-Transistor 101, sowie eine integrierte Schaltung 102, in der der MIS-Transistor 101 ausgebildet ist. Ferner ist ein Signaleingangsanschluß 103 vorgesehen sowie ein Widerstand 104, welcher z. B. aus einer Diffusionsregion vom N-Typ besteht; sowie eine Gleichrichterdiode 105 zwischen der Region vom N-Typ und einem Halbleitersubstrat vom P-Typ. Zusätzlich ist eine Kapazität 106 zwischen dem Signaleingang 107 und Erde vorgesehen. Die bekannte Schutzschaltung arbeitet folgendermaßen: Wenn ein positiver Spannungsstoß zum Signaleingangsanschluß 103 gelangt, so wird der Strom durch den Widerstand 104 begrenzt, und der Signaleingang 107 wird durch die Durchbruchsspannung V_BD der Diode 105 geklemmt. Wenn andererseits ein negativer Spannungsstoß zum Signaleingangsanschluß 103 gelangt, so wird der Schaltungspunkt 107 durch die negative Spannung (gewöhnlich -0,6 bis -0,7 Volt) geklemmt, welche niedriger ist als das Massepotential, wodurch die Diode 105 leitet. Die herkömmliche Schutzeinrichtung mit diesem Aufbau hat den Nachteil, daß die Durchbruchsspannung der Diode 105 schwer einstellbar ist.

Gemäß IBM Techn. Discl. Bull., Vol. 13, No. 5, Okt. 1970, Seite 1272-1273, wird bereits eine Feldeffekttransistoranordnung sowohl während der Herstellung bzw. Lagerung als auch im Betrieb dadurch vor Überspannungen geschützt, daß die Schwellenspannung eines als Schutzelement geschalteten Feldeffekttransistors im Betrieb durch Anlegen einer Substratvorspannung geändert wird. Ebenso sind aus J. Wüstehube, "Feldeffekt-Transistoren", April 1968, Seite 26-33, allgemeine Prinzipien (Zusammenhang von Schwellenspannung mit dem Typ des FET-Transistors, Wirkung eines Substratanschlusses als Steuerelektrode) bei Feldeffekttransistoren bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Eingangsschutzschaltung für den Signaleingang einer MIS-Halbleitereinrichtung zu schaffen, welche die Einrichtung sowohl während der Herstellung bzw. Lagerung als auch im Betrieb zuverlässig gegen Überspannungen schützt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Eingangsschutzschaltung gemäß dem Patentanspruch gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer herkömmlichen Eingangsschutzschaltung; und

Fig. 2 ein Schaltbild einer Ausführung der erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Eingangsschutzschaltung gemäß vorliegender Erfindung vom N-Kanal-Typ. Die in Fig. 2 gezeigte Einrichtung umfaßt einen MIS-Feldeffekttransistor 101 und eine MIS-Halbleitereinrichtung bzw. eine integrierte Schaltung 102 mit dem MIS-Feldeffekttransistor 101 sowie einen externen Signaleingangsanschluß 103 und einen Widerstand 104. Letzterer besteht zum Beispiel aus einer Diffusionsregion vom N-Leitungs-Typ oder aus polykristallinem Silizium. Ferner ist eine elektrostatische Kapazität 106 vorgesehen, z. B. die Gate-Kapazität des MIS-Feldeffekttransistors, und zwar zwischen dem Signaleingang 107 und Erde (in einer Äquivalentschaltung). Schließlich ist ein MIS-Feldeffekttransistor 108 als Element mit variabler Leitfähigkeit ausgebildet. Dabei ist sowohl der Sourceanschluß als auch der Gateanschluß mit Erde verbunden, während der Drainanschluß mit dem Signaleingang 107 verbunden ist. Letzterer dient als gemeinsamer Signaleingang des MIS-Feldeffekttransistors 101 und der MIS-Halbleitereinrichtung 102. Die Eingangsschutzschaltung ist im gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet wie die MIS-Halbleitereinrichtung 102.

Bei einer MIS-Halbleitereinrichtung vom N-Kanal-Typ bzw. bei einer integrierten Schaltung auf einem Halbleitersubstrat vom P-Typ (in monolithischer Form) wird normalerweise an das Halbleitersubstrat eine negative Vorspannung angelegt. Dies hat folgenden Grund. Beim Betrieb der Schaltung nimmt eine Region vom N-Typ, welche im Halbleitersubstrat ausgebildet ist, manchmal ein negatives Potential an (aufgrund eines Unterschießens), so daß Elektronen in das Substrat injiziert werden, wenn das Substrat nicht unter Vorspannung gesetzt wird und auf diese Weise auf negativem Potential gehalten wird. Durch diesen Effekt wird der Betrieb der Schaltung nachteilig beeinflußt. Zweitens ist es erforderlich, einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb dadurch herbeizuführen, daß man die Sperrschichtkapazität zwischen dem Substrat vom P-Typ und der Region N-Typ (welche im Substrat ausgebildet ist) durch Anlegen einer Sperr-Vorspannung herabsetzt.

Die vorliegende Erfindung wurde verwirklicht aufgrund der Erkenntnis, daß keine Vorspannung angelegt wird, wenn Halbleitereinrichtungen vom MIS-Typ oder integrierte Schaltungen mit Halbleitereinrichtungen vom MIS-Typ hergestellt oder bearbeitet werden, während solche Vorspannungen bei Gebrauch oft angelegt werden.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung erläutert werden. Der MIS-Feldeffekttransistor 101 arbeitet als eine Einrichtung vom Verarmungs-Typ, wenn keine Substratvorspannung anliegt. Andererseits arbeitet der MIS-Feldeffekttransistor 101 als eine Einrichtung vom Anreicherungs-Typ, wenn eine Beaufschlagung mit einer mit einer negativen Substratvorspannung erfolgt. Die Schwellenspannung V_TH des MIS-Feldeffekttransistor folgt allgemein folgender Beziehung (1)

wobei V_THO die Schwellenspannung zum Zeitpunkt einer Null-Vorspannung bezeichnet. V_BB bezeichnet die negative Substratvorspannung; Φ_F das Fermi-Potential der Schicht vom P-Typ und B_K eine Körpereffektkonstante. B_K kann durch folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden

Dabei bedeutet t_ox die Dicke der Gate-Isolierschicht; ε_ox die Dielektrizitätskonstante der Gate-Isolierschicht; ε_si die Dielektrizitätskonstante des Siliciumsubstrats und N die Störstellendichte des Substrats.

Der MIS-Feldeffekttransistor arbeitet als Einrichtung vom Verarmungs-Typ im Falle, daß keine negative Substratvorspannung angelegt wird. Andererseits arbeitet dieser MIS-Feldeffekttransistor als Einrichtung vom Anreicherungs-Typ im Falle der Beaufschlagung mit einer negativen Substratvorspannung. Man erreicht dies, indem man V_THO in Gleichung (1) auf einen bestimmten negativen Wert einstellt und sodann die Körpereffektkonstante B_K festlegt, welche dafür sorgt, daß der Wert V_TH positiv ist, und zwar relativ zum V_BB-Wert bei Gebrauch. Andererseits kann die Körpereffektkonstante B_K jeden erwünschten Wert haben, und zwar abhängig von der Dicke der Gate-Isolierschicht, der Störstellendichte im Halbleitersubstrat oder aufgrund von Ionenimplantation zur Ausbildung des MIS-Feldeffekttransistors 108 in dem Halbleitersubstrat.

Bei einer praktischen Herstellung werden die Störstoffionen vom N-Typ, z. B. Arsenionen, mit einer kleinen Diffusionskonstante in einen Teilbereich implantiert, so daß ein MIS-Feldeffekttransistor 108 im Halbleitersubstrat vom P-Typ mit erhöhter Störstellendichte ausgebildet wird. Hierbei erhält man einen MIS-Feldeffekttransistor mit einem Oberflächenbereich, welcher als Transistor vom Verarmungs-Typ arbeitet. Die Verarmungsschicht kann sich bis zu einem Ort höherer Störstellendichte in einer Schicht vom P-Typ (des Substrats) ausdehnen, und zwar bei Anlegen einer negativen Substratvorspannung. Hierdurch wird die Körpereffektkonstante erhöht.

Wenn die integrierte Schaltung hergestellt wird, so liegt der MIS-Feldeffekttransistor 108 als Einrichtung vom Verarmungs-Typ vor, da die Substratvorspannung nicht angelegt wird. Daher verbleibt der Transistor 108 im leitfähigen Zustand, da sein Gateanschluß geerdet ist. Als Ergebnis wird der Gateanschluß des MIS-Feldeffekttransistors 101 in der integrierten Schaltung ebenfalls über den MIS-Feldeffekttransistor 108 mit niedriger Impedanz mit Erde verbunden. Wenn in diesem Zustand ein Spannungsstoß zum Signaleingangsanschluß 103 gelangt, so wird die elektrische Ladung über den Strompfad bestehend aus dem Widerstand 104 und dem MIS-Feldeffekttransistor 108, abgeleitet, so daß dieser Spannungsstoß im wesentlichen nicht zum Gateanschluß des MIS-Feldeffekttransistors 101 gelangt. Da andererseits bei Betrieb der Schaltung eine negative Substratvorspannung am Halbleitersubstrat, in dem die integrierte Schaltung ausgebildet ist, anliegt, so liegt nun der MIS-Feldeffekttransistor 108 als Einrichtung vom Anreicherungs-Typ vor. Er ist somit nichtleitend, da der Gateanschluß geerdet ist. Ein über den Signaleingangsanschluß 103 eingespeistes Eingangssignal wird daher nicht zum Erdanschluß abgeleitet.

Vorstehend wurde die Erfindung für einen MIS-Feldeffekttransistor vom N-Kanal-Typ beschrieben. Sie ist jedoch ohne weiteres auch für eine Einrichtung vom P-Kanal-Typ anwendbar. Es ist ferner ohne weiteres ersichtlich, daß die negative Substratvorspannung entweder von außen angelegt werden kann oder von einer im Halbleitersubstrat ausgebildeten Schaltung.

Claims

Eingangsschutzschaltung für den Signaleingang (107) einer MIS- Halbleitereinrichtung (102), bei der der Signaleingang (107) zum einen über einen Widerstand (104) mit dem Signaleingangsanschluß (103) verbunden ist und zum anderen mit dem Drainanschluß eines MIS-Feldeffekttransistor (108), dessen Gate- und Sourceanschluß an Erde liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der MIS-Feldeffekttransistor (108) vom Verarmungstyp ist und somit sein Kanal bei fehlender Substratvorspannung leitet, daß der MIS-Feldeffekttransistor (108) im Betrieb der MIS-Halbleitereinrichtung (102) mit einer negativen Substratvorspannung beaufschlagt wird und somit sein Kanal im Bereich normaler Signaleingangsspannung nicht leitet.