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Überspannungsschutzschaltung
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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzschaltung bestehend
aus einer nicht leitenden auf einem Substrat angebrachten Schicht angeordneten Halbleiterschicht.
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Gewisse Halble iteranordnungen und insbesondere Halbleiteranordnungen
mit vergrabenen Bereichen, wie z.B. bei ladungsgekoppelten Speichern (CCD), erfordern
Gate-Spannungen, welche gegenüber dem Potential des Halbleiterkörpers positive und
negative Werte annehmen. Das Gate muß gegen statische Aufladungen geschützt werden,
da das verwendete nicht leitende Material in der Halbleiteranordnung nur Spannungen
zwischen etwa 100 und 150 Volt Widerstand leisten kann, bevor es permanent beschädigt
wird. Bisher verwendete Schutzschaltungen für MOS-Halbleiteranordnungen benutzen
eine Bulk-Zenerdiode, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Eine Schutzschaltung aus
einem Gategesteuerten MOS-Transistor ist in Fig. 2 dargestellt, wogegen eine weitere
Diodenschutzanordnung mit seitlichem Druchgriff in Fig. 3 gezeigt ist. Die Diodenschutzschaltung
mit seitlichem Durchgriff ist in dem Aufsatz "Protective Device for MOS Integrated
Circuits" von R.R. Iyer in der Zeftschrift Proceedings
Proceedings
of the IEEE, Band 56, Seiten 1233-1224, Juli 1968 beschrieben.
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Die in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Anordnungen haben alle die Schwierigkeit,
daß an das Gate der MOS-Anordnung angelegten Taktspannungen die Durchlaßspannung
der PN-Diode während der positiven Auslenkung nicht übersteigen dürfen. Das Eliminieren
oder Festhalten der positiven Auslenkung von Taktspannungen stellt eine ernsthafte
Begrenzung für gewisse Typen der ladungsgekoppelten Speicher dar, die eine positive
Taktspannung für einen einwandfreien Betrieb benötigen.
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In Fig. 4 ist eine bekannte Diodenschutzschaltung beschrieben, bei
der gegeneinander geschaltete Dioden verwendet werden und damit eine Möglichkeit
bietet, Taktspannungen an das Gate anzulegen, welche sowohl in positiver als auch
negativer Richtung wirken.
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Der Diodenaufbau mit gegeneinandergeschalteten Dioden hat den Nachteil,
daß ein zusätzlicher Verfahrensschritt erforderlich ist, um einen topfförmigen P-Potentialbereich
zu schaffen. Außerdem können aus dem gleitenden P-Potentialbereich Minoritätsträger
in das Substrat injiziert werden, wenn temporär Durchlaßvorspannungen aufgrund einer
kapazitiven Ankopplung an Taktleitungen wirksam sind. Bei leitungsgekoppelten Speichern
können diese Minoritätsträger in den Potentialbereichen gesammelt werden und als
Fremdsignal wirksam werden.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Überspannungsschutzschaltung
zu schaffen, welche sowohl gegen positive als auch negative Spannungen schützt und
bei der Herstellung integrierter Schaltkreise keine zusätzlichen Verfahrensschritte
erforderlich macht. Dabei soll sichergestellt werden, daß keine gleitenden diffundierten
diffundierten
Bereiche entstehen, von welchen aus Minoritätsträger in das Halbleitersubstrat injiziert
werden können. Die Überspannungsschutzschaliung soll anpaßbar sein an unterschiedliche
Schwellwerte, indem die Schwellwertspannung während des Verfahrens schrittweise
höher oder tiefer gelegt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Halbleiterschicht
aus einer Vielzahl von P- und N-dotierten Bereichen besteht, zwischen welchen PN-Übergänge
ausgebildet sind, und daß die P- und N-dotierten Bereiche in Serienschaltung an
eine Signalleitung angeschlossen sind, um für vorgegebene Schwellwerte übersteigende
Spannungen eine Entladungsstrecke zu bilden.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Überspannungsschutzschaltung
zum Schutz von Eingangs- und Ausgangsleitungen integrierter Schaltung innerhalb
vorgegebener Spannungsgrenzen Verwendung findet und eine leitende Strecke zum Substrat
freigibt, wenn eine bestimmte vorgegebene Spannung überschritten ist. Das Substrat
ist mit einer nicht leitenden Schicht überzogen, welche eine Vielzahl von P/N-Bereichen
trägt, die in polykristallinen Bereichen ausgebildet und in Serienschaltung zwischen
das Substrat und die Eingangs- bzw. Ausgangsleitung geschaltet sind.
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In vorteilhafter Weise ist es möglich, durch die Auswahl der Anzahl
der in Serie geschalteten Bereiche die Überspannungsschutzschaltung an bestimmte
Schwellwerte anzupassen.
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Die Erfindung mit Ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand von auf
die Zeichnung Bezug nehmenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
Fig. 1 einen Schitt durch eine bekannte Halbleiteranordnung
mit einer Zener diode zum Schutz eines MOS-Gates gegen Überspannung; Fig. 2 einen
Schnitt durch eine bekannte MOS-Halbleiteranordnung mit einem geerdeten Gate zum
Schutz gegen Überspannung; Fig. 3 einen Schnitt durch eine bekannte Halbleiteranordnung
mit einem Durchgriff zum Schutz des MOS-Gates gegen Überspannung; Fig. 4 einen Schnitt
durch eine bekannte Halbleiteranordnung mit gegeneinander geschalteten Zenerdioden
zum Schutz des MOS-Gates gegen Überspannung; Fig. 5 ein Schaltbild einer Halbleiteranordnung
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Verwirklichung der Halbleiteranordnung gemäß Fig.
5; Fig. 7 einen Schitt längs der Linie VII-VII der Fig. 6; Fig. 8 eine weitere Ausführungsform
der Erfindung; Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie TX-IX der Fig. 8.
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In Fig. 1 ist eine bekannte Halbleiteranordnung dargestellt, bei welcher
auf einem Substrat 10 eine Zenerdiode 11 durch einen P -Bereich 12 in der Oberfläche
13 des Substrats 10 ausgebildet ist. Die Zenerdiode 11 soll auf der Leitung 14 auftretende
Überspannungen ableiten, um das Gate eines MOS-Transistors 15 mit P -Bereichen 16
und 17 gegen Überspannung zu schützen. Das Substrat 10 kann aus einem N-leitenden
Material hergestellt sein.
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In
In Fig. 2 ist eine Haibieiteranordnung in einem
beispie'sweise N-'eitenden Substrat dargestel't, bei welcher ein MOS-Transistor
21 das Gate eines MOS-Transistors 22 gegen Überspannung schützt.
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Der MOS-Transistor 21 hat P -leitende Bereiche, welche als Source
23 und Drain 24 wirken. Das Drain 24 ist über eine Leitung 25 mit dem Gate des MOS-Transistors
22 verbunden, welcher ebenfalls P -leitende Bereiche als Source 26 und Drain 27
hat. Das Gate und die Source des Transistors 21 sind einer eine Leitung 28 mit dem
Substrat 20 verbunden, welches auf Massepotential liegt. Eine auf der Leitung 25
auftretende Uberspannung wird über den Transistor 21 zum Substrat 20 abgeleitet.
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Der in Fig. 3 dargestellte bekannte Halbleiteraufbau besteht aus einem
Substrat 30, aus N-leitendem Material, das in der Oberfläche 31 mit einer Di odens
chutzanor dnung 32 mit seitlichem Durchgriff versehen ist. Die Diodenschutzanordnung
32 besteht aus zwei gegeneinander + geschaltete Dioden in Form von P -leitenden
Bereichen 33 und 34, welche in der Oberfläche 31 ausgebildet sind und z. B. etwa
in einem Abstand von 10yim nebeneinander liegen. Der P -Bereich 33 ist über eine
Leitung 35 mit dem auf Massepotential liegenden Substrat 30 verbunden. Der P -Bereich
34 ist über die Leitung 36 an den Eingang und das Gate des Transistors 37 angeschlossen.
Dieser Transistor 37 hat als Source 38 und Drain 39 P -Bereiche. Die Diodenschützanordnung
32 bietet die Schutzwirkung aufgrund des bezüglich des Substrats in Sperrichtung
vorgespannten P -Bereiches 34. Wenn eine große Sperrspannung am P -Bereich 34 gegenüber
dem Substrat 30 auftritt, dehnt sich die Verarmungsschicht weit genug aus, so daß
sich ein Durchgriff zwischen dem P+ -Bereich 33 und dem P+ -Bereich 34 einstellt
und sich eine leitende Strecke ergibt, welche von der Leitung 36 zum Substrat, und
und
damit nach Masse verläuft. Dadurch wird das Gate des hIOS-Transistors 37 geschützt.
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Bei einer weiteren in Fig. 4 dargestellten, bekannten Halbleiteranordnung
ist ein gegeneinander geschalteter Diodenaufbau 40 vorgesehen, wobei sich ein topfförmiger
P-Potentialbereich von der Oberfläche 42 aus in das N-leitende Substrat 43 erstreckt.
In der Oberfläche 42 ist ein N -leitender Bereich 44 innerhalb des P-Potentialbereichs
41 ausgebildet. Dieser N -Bereich 44 wird über die Leitung 45 an den Eingang und
damit das Gate des MOS-Transistors 46 angeschlossen. Dieser MOS-Transistor 46 hat
eine Source 47 und ein Drain 48, welche aus P -Bereichen bestehen. Das Gate des
MOS-Transistors 46 wird gegenüber Spannungen in positiver und negativer Richtung
geschützt, indem der gegeneinander geschaltete Diodenaufbau 40 Strom durch die in
Sperrichtung vorgespannte Diode vom Bereich 41 zum Substrat 43 für positive Überspannungen
und vom Bereich 41 zum Bereich 44 für negative iTberspannungen leitet.
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In Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform gemäß der Erfindung
dargestellt, wie sie bei der Halbleiteranordnung gemäß Fig. 6 verwirklicht ist.
Die Eingangsleitung 51 ist an das Gate eines MOS-Transistors 52 und an die eine
Seite der Diodenschutzschaltung 53 angeschlossen. Die andere Seite der Diodenschutzschaltung
53 liegt über die Leitung 60 an Masse. Die Diodenschutzschaltung besteht aus einer
-Vielzahl von in Serie hintereinander geschalteten Dioden, wobei jeweils 2 Dioden
gegeneinander geschaltet sind. So sind z. B. die Anoden der Dioden 54 und 55 und
die Kathoden der Dioden 55 und 56 jeweils gegeneinander geschaltet. Entsprechend
sind die Anoden der Dioden 56 und 57 und die Kathoden der Dioden 57 und 58 miteinander
verbunden. Dies trifft auch für die Anoden der Dioden 58 und 59 zu.
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Die
Die Kathode der Diode 59 ist über die Leitung
60 an Masse angeschlossen. Die Kathode der Diode 54 ist an die Eingangsleitung 51
angeschlossen. Der MOS-Transistor 52 hat eine Source, welche mit der Leitung 61
und ein Drain, welches mit der Leitung 63 verbunden ist. Der Kristallkörper des
MOS-Transistors 52 liegt an Masse.
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Dieser MOS-Transistor 52 ist die vor Überspannung zu schützende Halbl.eiteranordnung.
Eine andere Halbleiteranordnung, welche vor Überspannungen zu schützen ist, kann
beispielsweise ein ladungsgekoppelter Speicher (CCD) sein.
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In Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung
und in Fig. 7 ein Schnitt längs der Linie VII-VII der Fig. 6 dargestellt. Die Halbleiteranordnung
ist auf einem Substrat 64 aufgebaut, welches ein monokristallines Silicium mit N-dotiertem
Germanium oder Gailiumarsenid sein kann. Alternativ kann das Substrat auch aus Saphir,
Aluminiumoxyd oder Spinell aufgebaut sein, auf welchem ein Halbleitermaterial aus
Silicium angeordnet ist. Die Oberfläche 65 des Substrats ist mit einer nichtleitenden
Schicht 66 z. B. einem thermischen Oxyd mit einer Dicke von etwa 1400 A überzogen.
Diese nichtleitende Schicht 66 kann auch durch Aufdampfen eines Oxyds oder von Siliciumnitrit
hergestellt sein. Über der nichtleitenden Schicht ist auf der Oberfläche 67 der
nichtleitenden Schicht eine Halbleiterschicht 68, z. B. aus Polysilicium angeordnet.
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Die Polysiliciumschicht 68 besteht aus einer Vielzahl. von nebeneinander
liegenden und in Serie geschalteten dotierten Bereichen 69 bis 75. Die Bereiche
69, 71, 73 und 75 sind N-dotiert, wogegen die Bereiche 70, 72 und 74 P-dotiert sind.
Zwischen den Bereichen 69 und 70 bildet sich ein PN-Übergang 76 aus, weitere PN-Übergänge
77, 78, 79, 80 und 81 sind zwischen den Bereichen 70 und 71 bzw. 71 und 72 bzw.
72 und 73 bzw. 73 und 74 sowie 74 und 75 ausgebildet. Die PN-Übergänge
PN-
Übergänge 76 bis 81 bilden die Dioden 54 bis 59 gemäß Fig. 5.
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Diese PN-Übergänge 76 bis 81 haben jeweils eine Durchbruchspannung
in der Größenordnung von etwa 7 Volt.
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Zur Herstellung der PN-Übergänge kann jedes beliebige Halbleitermaterial
Verwendung finden, was für die Ausbildung einer Diodenschutzschaltung 53 geeignet
ist. Somit können Halbleitermater ialien wie Silicium, Germanium, Galliumarsenid,
Indiumantimonid usw.
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Verwendung finden. Die einzelnen Bereiche 69 bis 75 haben eine Länge
von etwa achtpm und eine Breite von etwa 10/um. Eine nichtleitende Schicht 84 aus
Siliciumdioxyd ist einerseits über derPo1#ysiliciumschicht 68 und andererseits über
dem thermischen Oxyd 66 ausgebildet. In dieser Schicht verlaufen Öffnungen 82 und
83 zur Oberfläche 85, welche mit einem entsprechenden Ätzverfahren angebracht worden
sind und die Kontaktierung der Diodenschutzschaltung mit Hilfe von niedergeschlagenem
Aluminium ermöglichen.
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Eine derartige leitende Verbindung besteht zwischen dem Bereich 69
und der Kontaktfläche 51. Ebenso ist der Bereich 75 mit der Kontaktfläche 60 leitend
verbunden. Eine weitere Öffnung in den nichtleitenden Schichten 84 und 86 wird zur
Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Kontaktfläche 60
und dem N -leitenden Bereich 86 verwendet, welcher im Substrat 64 ausgebildet ist.
Damit wird eine gute leitende Verbindung zum Substrat 64 hergestellt.
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Die Kontaktfläche 51 verbindet gemäß Fig. 6 die Diodenschutzschaltung
53 mit dem Gate des MOS-Transistors 5Z, für welchen eine Source 88 und ein Drain
89 ebenfalls im Substrat 64 ausgebildet ist.
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Dieser MOS-Transisior 52 ist lediglich ein Beispiel einer gegen Überspannung
Überspannung
zu schützenden Halbleiteranordnung. Eine solche Halbleiteranordnung kann auch aus
einem .ladungsgekoppelten Speicher bestehen. Um die Kontaktfläe he 61 mit der Source
68 zu verbinden, sind in den nichtleitenden Schichten 66 und 84 entsprechend Öffnungen
vorgesehen. Dies gilt auch für die Verbindung der Kontaktfläche G2 mit dem Drain
69. Die Kontaktflächen 61 und 62 können aus Aluminium bestehen, wogegen die Bereich
88 und 89 aus einem P-leitenden Material in einem N-leitenden Substrat 64 hergestellt
sein können. Das Substrat 64 ist auf Massepotential gelegt.
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Im Betrieb bietet die Diodenschutzschaitung 53 einen Entladungsweg
für Überspannungen, wenn diese sowohl in positiver als auch in negativer Richtung
einen bestimmten vorgegebenen Wert übersteigen. \Vie aus Fig, 7 hervorgeht ist die
Diodenschutzschaltung 53 elektrisch vom Substrat 64 durch die Oxydschicht 66 isoliert,
wodurch die Injektion von Minoritätsträgern in das Substrat vermieden wird. Die
drei gegeneinander geschalteten Diodenpaare schützen gegen Überspannungen + auf
der Leitung 51, welche einen Wert von etwa - 21 Volt übersteigen.
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Durch eine Anordnung von mehr oder weniger Diodenpaaren in der Serienschaltung
können höhere und niedere Überspannungsschwellwerte festgelegt werden, wobei dies
jeweils in Schritten von etwa 7 Volt möglich ist. Die Überspannungsschutzschaltung
kann mit herherkömmlichen in der integrierten Schaltungstechnik üblichen Verfahrensschritten
aufgebaut werden und erfordert für die meisten Sili cium - MOS - Halbleite ranordnungen
keine zusätzlichen Verfahrensschritte. Durch die nichtleitende Schicht 66 zwischen
der Poiysii.iciumschicht 68 und dem Substrat 64 ergeben sich keine gleitenden diffundierten
Bereiche, von welchen aus Minoritätsträger in das Substrat injiziert werden können.
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In Fig. 8
In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, von welcher Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX
der Fig. 8 zeigt. Das Substrat 90 besteht aus einem isolierenden Material, wie z.
B. Saphir, Spinell oder Aluminiumoxyd. Auf der Oberfläche 91 des Substrats 90 sind
Halbie#termaterialien- 68 und 92 ausgebildet. Diese HalbleitermateriaLien können
beispielsweise aus Silicium, Germanium oder Alliumarsenid bestehen und können als
Schicht abgelagert sein, welche durch Ätzen bereichsweise entfernt wird, um isolierte
Halbleiterbereiche auszubilden. Das Halbleitermaterial 92 hat einen N -Bereich 86,
der mit der Kontaktfläche 60 über eine ohmische Verbindung durch die nichtleitende
Schicht 84 verbunden ist. In dem Substrat sind ferner P-Bereiche 88 und 89 als Source
und Drain eines Transistors 52 ausgebildet, dessen Gate von der Kontaktfläche 51
gebildet wird. Diese Kontaktfläche 51 dient als Signalansch0#ß, wogegen die Kontaktfläche
60 der Spannungszuführung dient.
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Im Betrieb wird ein Entladungsweg von der als Signalanschluß dienenden
Kontaktfläche 51 zu der #der Spannungszuführung dienenden Kontaktfläche 60 hergestellt,
wenn Überspannungen oberhalb einem vorgegebenen positiven oder negativen Schwellwert
bezogen auf den Spannungsanschluß auftreten.
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Die Überspannungsschutzschaltung wurde für integrierte Schaltungskreise
beschrieben und umfaßt eine Polysiliciumschicht, welche über einer thermischen Oxydschicht
oder einem anderen geeigneten nichtleitenden Material angeordnet ist. Die Schutzschaltung
besteht aus in Serie nebeneinander angeordneten N-leitenden und P-leitenden Bereichen,
aus welchen gegeneinander geschaltete Dioden gebildet sind, welche in Serienschaltung
zueinander liegen. Durch die Anzahl der gegeneinander
gegeneinander
geschalteten Diodenpaare kann der Schwellwert der Schutzschaltung festgelegt werden,
wobei gleichzeitig ein Überspannungsschutz für positive und negative Spannungen
geschaffen wird, um diese von der Eingangsleitung nach Masse abzuleiten.
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