DE3147505C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für integrier­ te Schaltelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Integrierte Schaltungen werden oft durch momentane Überspan­ nungen 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 Überlast­ schutz werden Dioden- und Transistorkreise verwendet. Hier­ durch ließ sich ein gewisser Schutz für den integrierten Schaltkreis, dessen Bestandteil sie waren, erzielen.

Eine Halbleiterkörper-Struktur einer Schutzschaltung ein­ gangs genannter Art kann der deutschen Offenlegungsschrift DE 29 51 421 A1 entnommen werden. Diese Schutzschaltung soll gegen elektrostatische Durchschläge unabhängig von der Größe des Eingangs-Innenwiderstandes der zu schützen­ den, integrierten Halbleiterschaltung sowie der Stromstärke des ankommenden Impulses, also nur gegen Spannungsstöße, wirksam sein.

In der US-PS 39 40 785 wird eine integrierte Halbleiter­ schaltung mit Schutz gegen eine in Gegenrichtung geschalte­ te Spannungsversorgung vorgeschlagen. Die bekannte Schutz­ schaltung enthält unter anderem eine PNPN-Zonenfolge, von der die äußere P-Zone einen Kontaktbereich eines in der NPN-Zonenfolge gebildeten Transistors darstellt. Der bekann­ te NPN-Transistor kann beispielsweise in Reihe mit einem Widerstand und parallel zu einer Schottky-Diode geschaltet werden und spricht an, wenn eine unzulässig hohe Gegenspan­ nung auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die als 2-Pol ausgebildete Schutzschaltung so zu verbessern, daß sie so­ wohl durch eine hohe Spannung an den beiden Anschlüssen als auch durch eine starke Spannungsänderung an den An­ schlüssen zu triggern ist. Die erfindungsgemäße Lösung wird für die Schutzschaltung eingangs genannter Art im Kennzei­ chen des Patentanspruchs 1 angegeben. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen vorge­ schlagen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird somit da­ durch gelöst, daß der gesteuerte Gleichrichter bzw. Thy­ ristor mit einem Isolierschicht-Feldeffekttransistor zusam­ menwirkt. Zu der erfindungsgemäßen Schutzschaltung gehört demgemäß zunächst ein gesteuerter Gleichrichter bzw. Thy­ ristor, insbesondere ein Silizium-Gleichrichter bei Verwen­ dung von Silizium als Halbleitermaterial. Der Thyristor wird als 2-Pol, vorzugsweise als Teil des zu schützenden integrierten Schaltkreises, aufgebaut. Die Schutzschaltung enthält damit eine PNPN-Struktur mit einer über einer von zwei P-Zonen flankierten N-Zone liegenden Isolierschicht. Über der Isolierschicht liegt erfindungsgemäß eine leiten­ de, 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 schüt­ zenden Kreis fließen kann.

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

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 vor­ zugsweise aus P-leitendem Silizium bestehendes Substrat 12. Mit dem P-leitenden Substrat 12 bildet eine N^--leiten­ de 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 N⁺-lei­ tende Zone 22 gebildet, die wiederum über einen PN-Über­ gang 24 an die P-leitende Zone 18 angrenzt.

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

Auf der halbleitenden Hauptfläche 25 der Schutzschaltung 10 liegt eine Isolierschicht 26. Vorzugsweise besteht die Isolierschicht 26 aus Siliziumdioxid. Auf der Isolier­ schicht 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 Isolier­ schicht 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 Ersatz­ schaltbild der Schutzschaltung 10 von Fig. 1. Hiernach besteht die Schutzschaltung aus einem PNP-Transistor Q1, einem NPN-Transistor Q2, einem P-Kanal-Feldeffekttransi­ stor Q3 mit isoliertem Gate (IGFET) und einem Paar Kapazi­ täten C1, C2. Der Transistor Q1 gibt die P-, N^-- und P-Zonen 32, 14 bzw. 18 von Fig. 1 wieder. Im Ersatzschalt­ bild 100 werden demgemäß Emitter, Basis und Kollektor des Transistors Q1 der Reihe nach mit den Bezugsziffern 132, 114 und 118 bezeichnet. In ähnlicher Weise repräsen­ tiert der Transistor Q2 der Reihe nach die N^--, P- und N⁺-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 gekennzeich­ net. Der Kollektor des Transistors Q2 ist gleichzeitig Basis des Transistors Q1, und die Basis des Transistors Q2 ist gleichzeitig Kollektor des Transistors Q1.

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 Ersatz­ schaltung 100 bildet. Die Kapazitäten C1 und C2 entspre­ chen 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 Metall­ anschlüssen 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-Feldeffekt­ transistor 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 An­ schlüssen 128, 134 zu triggern ist. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung unterscheidet sich daher von einem her­ kömmlichen, 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 geer­ det, 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 ho­ her Geschwindigkeit negativ wird, erfolgt ein Einschalten der Schutzschaltung, d. h. die Anschlüsse 128 und 134 wer­ den 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 derte. Für den Fall, daß sich die Spannung am Anschluß 128 langsam ändert, fließt ein sehr geringer Strom - in der Größenordnung von Nanoampère - 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, schal­ tet 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 wiederum 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 spezifi­ schen 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 aufge­ wachsen. 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 Bil­ den 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. Vorzugs­ weise 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 photolitho­ graphischen Schritt hergestellt. Es werden dazu Donator- Verunreinigungen solcher Art und Menge niedergeschlagen und eindiffundiert, daß die Zone 22 einen Flächenwider­ stand 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 weite­ ren photolithographischen Schritt gebildet.

Schließlich wird eine leitende Schicht 28, z. B. aus Alu­ minium, auf die Oberfläche des wie beschrieben vorbereite­ ten Bauelements aufgebracht. Unter Zuhilfenahme eines vierten photolithographischen Schritts wird die leitende Schicht 28 begrenzt und damit die Schutzschaltung 10 fer­ tiggestellt.

Claims (5)

1. Schutzschaltung für integrierte Schaltelemente mit

• a) einem Substrat (12) aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps;
• b) einer auf dem Substrat (12) liegenden, aus Halbleiter­ material des anderen, zweiten Leitungstyps bestehen­ den Halbleiterschicht (14) mit dem Substrat abgekehr­ ter Hauptfläche (25);
• c) einer sich von der Hauptfläche (25) in die Halbleiter­ schicht (14) hineinerstreckenden, an der Grenze zur Halbleiterschicht einen PN-Übergang (20) bildenden, ersten Zone (18) des ersten Leitungstyps;
• d) einer sich von der Hauptfläche (25) in die erste Zone (18) erstreckenden, an der Grenze zur ersten Zone (18) einen PN-Übergang (24) bildenden, zweiten Zone (22) des zweiten Leitungstyps;
• e) einer sich von der Hauptfläche (25) durch die Halblei­ terschicht (14) bis zum Substrat (12) erstreckenden, von der ersten Zone (18) durch einen bis zu der Haupt­ fläche (25) reichenden Teil der Halbleiterschicht (14) getrennten, dritten Zone (32) des ersten Lei­ tungstyps; und
• f) einer sich auf der Hauptfläche (25) von der zweiten Zone (22) zur dritten Zone (32) erstreckenden, 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) überdeckenden Isolierschicht (26);

gekennzeichnet durch

• g) Mittel (34) zum elektrischen Kontaktieren der dritten Zone (32);
• h) eine auf der Isolierschicht (26) über zumindest Tei­ len 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 Halbleiter­ schicht (14), eine P-leitende erste Zone (18) und eine N-leitende zweite Zone (22).

4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (26) aus Siliziumdioxid besteht.