DE3147505A1

DE3147505A1 - "schutzschaltung fuer integrierte schaltelemente"

Info

Publication number: DE3147505A1
Application number: DE19813147505
Authority: DE
Inventors: Leslie Ronald 08822 Flemington N.J. Avery
Original assignee: RCA PATENT CORP
Current assignee: RCA PATENT CORP
Priority date: 1980-12-03
Filing date: 1981-12-01
Publication date: 1982-10-21
Also published as: FR2495378B1; IT8125385A0; CA1161968A; IT1139888B; JPS57120366A; DE3147505C2; MY8500877A; JPS6048906B2; GB2088634A; GB2088634B; FR2495378A1

Description

-A-

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für integrierte Schaltelemente.

Integrierte Schaltungen werden oft durch momentane Überspannungen bzw. Spannungssprünge beschädigt, welche ein oder mehrere einzelne Bauelemente der Schaltung überlasten und dadurch schmelzen oder auf andere Weise zerstören. Es gibt bereits zahlreiche Vorrichtungen und Schaltungen zum Schutz integrierter Schaltanordnungen vor solchen Überbelastungen. Als innerer bzw. in die Schaltung eingebauter Überlastschutz wurden Dioden- und Transistorkreise verwendet. Hierdurch ließ sich ein gewisser Schutz für den integrierten Schaltkreis, dessen Bestandteil sie waren, erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schutzschaltung mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Schutzwirkung zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst durch

a. ein Substrat aus Halbleitermaterial eines ersten Leitung styps;

b. eine auf dem Substrat liegende, aus Halbleitermaterial des anderen, zweiten Leitungstyps bestehende Halbleiterschicht mit dem Substrat abgekehrter Hauptfläche;

c. eine sich von der Hauptfläche in die Halbleiterschicht hineinerstreckende, an der Grenze zur Halbleiterschicht einen PN-Übergang bildende erste Zone des ersten Leitungstyps;

d. eine sich von der Hauptfläche in die erste Zone hineinerstreckende, an der Grenze zur ersten Zone einen PN-Übergang bildende zweite Zone des zweiten Leitungstyps;

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e. eine sich von der Hauptfläche durch die Halbleiterschicht bis zum Substrat erstreckende, von der ersten Zone durch einen bis zu der Hauptfläche reichenden Teil der Halbleiterschicht getrennte, dritte Zone des ersten Leitungstyps;

f. eine sich auf der Hauptfläche von der zweiten Zone zur dritten Zone erstreckende, die an die Hauptfläche heranreichenden Teile der ersten Zone und der Halbleiterschicht sowie zumindest Teile der zweiten und dritten Zone an der Hauptfläche überdeckende Isolierschicht;

g. Mittel zum elektrischen Kontaktieren der dritten Zone;

h. eine auf der Isolierschicht über zumindest Teilen der ersten Zone, der dritten Zone und dem dazwischenliegenden Teil der Halbleiterschicht liegende Leiteranordnung, welche zusammen mit der Isolierschicht den darunterliegenden Teilen der ersten und dritten Zone sowie der Halbleiterschicht einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate bildet; und

i. Mittel zum gleichzeitigen elektrischen Kontaktieren der zweiten Zone und der Halbleiteranordnung.

Zu der erfindungsgemäßen Schutzschaltung gehört demgemäß ein gesteuerter Gleichrichter bzw. Thyristor, insbesondere ein Silizium-Gleichrichter bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial. Der Thyristor wird als Zweipol, vorzugsweise als Teil des zu schützenden integrierten Schaltkreises, aufgebaut. Die Schutzschaltung enthält also eine PNPN-Struktur mit einer über einer von zwei P-Zonen flankierten N-Zone liegenden Isolierschicht. Über der Isolierschicht liegt eine leitende, die N-Zone am Ende der PNPN-Struktur kontaktierende Schicht, die zugleich als Gate eines P-Kanal-Transistors (PMOS) und als einer der Anschlußpole der Schutzschaltung wirkt.

Wenn also eine gegenüber der am Ende der PNPN-Struktur liegenden P-Zone negative Überspannung auftritt, wird der PMOS-Transistor leitend und die Schutzschaltung wirkt als Diode, durch die der Strom ohne Gefahr für den zu schützenden Kreis fließen kann.

Anhand der schematischen Darstellung in der Zeichnung werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

. Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Schutzschaltung; und

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen, insgesamt mit 10 bezeichneten Schutzschaltung. Diese enthält ein vorzugsweise aus P-leitendem Silizium bestehendes Substrat 12. Mit dem P-leitenden Substrat 12 bildet eine ^-leitende Epitaxialschicht 14 einen PN-Übergang 16. In der.EpI-taxialschicht 14 wird eine P-leitende Zone 18 gebildet, welche mit einem PN-Übergang 20 an die Epitaxialschicht 14 angrenzt. In der P-leitenden Zone 18 wird eine ^-leitende Zone 22 gebildet, die wiederum über einen PN-Übergang 24 an die P-leitende Zone 18 angrenzt.

Eine P⁺-leitende Zone 32 erstreckt sich von der halbleitenden Hauptfläche 25 der Schutzschaltung 10 zum Substrat 12, um dieses ohmisch zu kontaktieren. Die P⁺-leitende Zone wird von einem Leiter 34 kontaktiert.

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Auf der halbleitenden Hauptfläche 25 der Schutzschaltung 10 liegt eine Isolierschicht 26. Vorzugsweise besteht die Isolierschicht 26 aus Siliziumdioxid. Auf der Isolierschicht 26 wird eine leitende Schicht 28 dort angeordnet, wo die N-leitende Epitaxialschicht 14 an die Hauptfläche 25 tritt und zumindest Teile der P⁺-Zone 32 und der P-leitenden Zone 18 überdeckt werden. Die leitende Schicht 28 erstreckt sich auch durch eine Öffnung 30 der Isolierschicht 26 und kontaktiert die N⁺-leitende Zone 22. Die leitende Schicht 28 und der Leiter 34 bestehen typisch aus Aluminium, sie können aber auch aus einem anderen Material, z.B. aus einem Dreimetallsystem, hergestellt werden.

In Fig. 2 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Ersatzschaltbild der Schutzschaltung 10 von Fig. 1. Hiernach besteht die Schutzschaltung aus einem PNP-Transistor Ql, einem NPN-Transistor Q2, einem P-Kanal-Feldeffekttransistor Q3 mit isoliertem Gate (IGFET) und einem Paar Kapazitäten Cl , C2. Der Transistor Ql gibt die P-, N~- und P-Zonen 32, 14 bzw. 18 von Fig. 1 wieder. Im Ersatzschaltbild 100 werden demgemäß Emitter, Basis und Kollektor des Transistors Ql der Reihe nach mit den Bezugsziffern 132, 114 und 118 bezeichnet. In ähnlicher Weise repräsentiert der Transistor Q2 der Reihe nach die N~~-, P- und ^-Schichten 14, 18 bzw. 32 von Fig. 1. Kollektor, Basis und Emitter des Transistors Q2 werden daher der Reihe nach durch die Bezugsziffern 114, 118 und 122 gekennzeichnet. Der Kollektor des Transistors Q2 ist gleichzeitig Basis des Transistors Ql, und die Basis des Transistors Q2 ist gleichzeitig Kollektor des Transistors Ql.

In ähnlicher Weise gehören zu dem Feldeffekttransistor Q3 eine Drainzone 118, eine Sourcezone 132 und ein Gate 128, wobei das Gate 128 zugleich einen Anschlußpol der Ersatzschaltung 100 bildet. Die Kapazitäten Cl und C2 entsprechen den Kapazitäten der PN-Übergänge 20 und 24 des Aufbaus nach Fig. 1. Die beiden Anschlußpole 128 und 134 des Ersatzschaltbildes 100 entsprechen den beiden Metallanschlüssen 28 und 34 von Fig. 1.

Der erfindungsgemäße Schutzschaltkreis arbeitet ähnlich wie ein gesteuerter Siliziumgleichrichter, er wird jedoch als Zweipol aufgebaut, welcher einen P-Kanal-Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate enthält. Außerdem wird die Schutzschaltung so ausgelegt, daß sie entweder durch eine hohe Spannung an den beiden Anschlüssen 128 und 134 oder durch eine starke Spannungsänderung (dv/dt) an den Anschlüssen 128, 134 zu triggern ist. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung unterscheidet sich daher von einem herkömmlichen, gesteuerten Gleichrichter darin, daß der Gleichrichter in der Form eines Dreipols gerade nicht durch eine Spannung oder Spannungsänderung zwischen Anode und Kathode zu triggern sein soll.

In der Praxis wird der Leiter 34 bzw. Anschluß 134 geerdet, während der Leiter 28 bzw. der Anschluß 128 parallel zu dem zu schützenden Schaltkreis zu schalten ist. Wenn also der Anschluß 128 gegenüber dem Erdpotential mit hoher Geschwindigkeit negativ wird, erfolgt ein Einschalten der Schutzschaltung, d.h. die Anschlüsse 128 und 134 werden elektrisch miteinander verbunden, und Überschußstrom wird zur Erde abgeleitet. Anders als die erfindungsgemäße Schutzschaltung würde ein herkömmlicher gesteuerter Gleichrichter einen niederohmigen Widerstand über die Kapazität C2 besitzen, die wiederum das Zünden verhin-

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derte. Für den Fall, daß sich die Spannung am Anschluß 128 langsam ändert, fließt ein sehr geringer Strom - in der Größenordnung von Nanoampere - durch · den Transistor Q2, ohne daß der Kreis sich verriegelt, weil die gesamte Schleifenverstärkung kleiner als 1 gewählt wird. Wenn die Spannung am Anschluß 128 ausreichend negativ wird, schaltet sich der Isolierschicht-Feldeffekttransistor Q3 ein und macht dadurch den Transistor Q2 leitend mit der Folge einer so starken Erhöhung der Schleifenverstärkung, daß die Gesamt-Schleifenverstärkung größer als 1 wird. Also kann die Schutzschaltung dann widerum überschüssigen Strom zur Erde ableiten.

Zum Herstellen der erfindungsgemäßen Schutzschaltung kann man von einem halbleitenden Substrat ausgehen, welches vorzugsweise .aus P-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand zwischen 10 und 30 Ohm-cm besteht. Auf dem Substrat wird eine N-leitende Epitaxialschicht mit einem Flächenwiderstand von etwa 1000 Ohm/Quadrat bis zu einer Dicke zwischen etwa 10 und 30 Mikrometer aufgewachsen. Als nächstes wird eine Photoresistschicht auf die Oberfläche der Epitaxialschicht aufgebracht.

Die Photoresistschicht wird mit Hilfe einer Photomaske mit einem Muster von Öffnungen begrenzt und entwickelt. Durch die Öffnungen wird P-Dotierstoff, z.B. Bornitrid, auf dem Halbleitermaterial niedergeschlagen und zum Bilden einer P -Trennzone 32 eindiffundiert. Die P⁺-Zonen 32 besitzen einen Flächenwiderstand von etwa 5 Ohm/Quadrat; nach dem Diffundieren berühren sie das Substrat 12. Als nächstes wird eine neue Photoresistschicht aufgebracht und mit Hilfe einer zweiten Photomaske zum Bilden einer Öffnung zum Herstellen der P-leitenden Zone 18 begrenzt. Es wird dann eine Akzeptor-Verunreinigung (entwe-

der direkt oder durch Ionenimplantation) niedergeschlagen und zum Bilden der P-leitenden Zone 18 bis zu einer Tiefe von etwa 2,1 bis 2,2 Mikrometern eindiffundiert. Vorzugsweise soll die P-leitende Zone 18 einen Flächenwiderstand von etwa 200 Ohm/Quadrat erhalten..

In ähnlicher Weise wird die N -Zone 22 mit Hilfe einer dritten Photomaske und einem entsprechenden photolithographischen Schritt hergestellt. Es werden dazu Donator-Verunreinigungen solcher Art und Menge niedergeschlagen und eindiffundiert, daß die Zone 22 einen Flächenwiderstand von etwa 2 bis 5 Ohm/Quadrat erhält.

Als nächstes wird die Oxidschicht 26 aufgewachsen. In der Schicht 26 werden Öffnungen begrenzt und in einem weiteren photolithographischen Schritt gebildet.

Schließlich wird eine leitende Schicht 28, z.B. aus Aluminium, auf die Oberfläche des wie beschrieben vorbereiteten Bauelements aufgebracht. Unter Zuhilfenahme eines vierten photolithographischen Schritts wird die leitende Schicht 28 begrenzt und damit die Schutzschaltung 10 fertiggestellt.

Claims

Dr.-Ing. Reimar König · Dipl.-lng. Klaus Bergen Gecilienallee 76 4 Düsseldorf 3Q Telefon 45ΞΟΟ8 Patentanwälte 30. Nov. 1981 34 294 B RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.) "Schutzschaltung für integrierte Schaltelemente" Patentansprüche:

1.) Schutzschaltung für integrierte Schaltelemente, gekennzeichnet durch

a. ein Substrat (12) aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps;

b. eine auf dem Substrat (12) liegende, aus Halbleitermaterial des anderen, zweiten Leitungstyps bestehende Halbleiterschicht (14) mit dem Substrat abgekehrter Hauptfläche (25);

c. eine sich von der Hauptfläche (25) in die Halbleiterschicht (14) hineinerstreckende, an der Grenze zur Halbleiterschicht einen PN-Übergang (20) bildende erste Zone (18) des ersten Leitungstyps;

d. eine sich von der Hauptfläche (25) in die erste Zone (18) erstreckende, an der Grenze zur ersten Zone (18) einen PN-Übergang (24) bildende zweite Zone (22) des zweiten Leitungstyps;

e. eine sich von der Hauptfläche (25) durch die Halbleiterschicht (14) bis zum Substrat (12) erstreckende, von der ersten Zone (18) durch einen bis zu der Hauptfläche (25) reichenden Teil der Halbleiterschicht (14) getrennte, dritte Zone (32) des ersten Leitungstyps;

f. eine sich auf der Hauptfläche (25) von der zweiten Zone (22) zur dritten Zone (32) erstreckende, die an die Hauptfläche heranreichenden Teile der ersten Zone (18) und der Halbleiterschicht (14) sowie zumindest Teile der zweiten und dritten Zone (22, 32) an der Hauptfläche (25) überdeckende Isolierschicht (26);

g. Mittel (34) zum elektrischen Kontaktieren der dritten Zone (32);

h. eine auf der Isolierschicht (26) über zumindest Teilen der ersten Zone (18), der dritten Zone (32) und dem dazwischenliegenden Teil der Halbleiterschicht (14) liegende Leiteranordnung (28), welche zusammen mit der Isolierschicht (26), den darunterliegenden Teilen der ersten und dritten Zone (18, 32) sowie der Halbleiterschicht (14) einen Feldeffekttransistor (Q3) mit isoliertem Gate bildet; und

i. Mittel zum gleichzeitigen elektrischen Kontaktieren der zweiten Zone (22) und der Leiteranordnung (28).

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein P-leitendes Substrat (12).

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine N-leitende Epitaxialschicht als Halbleiterschicht (14), eine P-leitende erste Zone (18) und eine N-leitende zweite Zone (22).

4. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1" bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) aus Silizium besteht. ■

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5. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (26) aus Siliziumdioxid besteht.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung (28) aus einer auf der Siliziumdioxidschicht (26) liegenden Metallschicht besteht.

7. Schutzschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone (32) als hochdotierte P-Zone sich von der Oberfläche der Schicht (14) bis zum darunterliegenden P-Substrat (12) erstreckt.