DE3435751A1

DE3435751A1 - Integrierte halbleiterschaltung in komplementaerer schaltungstechnik mit ueberspannungsschutz-struktur

Info

Publication number: DE3435751A1
Application number: DE19843435751
Authority: DE
Inventors: Hans Jürgen Dr. 8027 Neuried Mattausch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-09-28
Filing date: 1984-09-28
Publication date: 1986-04-10
Also published as: DE3435751C2

Description

Integrierte Halbleiterschaltung in komplementärer Schal-
tungstechnik mit tiberspannungsschutz-Struktur Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung in komplementärer Schaltungstechnik .nach' dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine solche Schaltung vor eingangsseitigen Signalspannungen zu schützen, die entweder das höhere, die Betriebsspannung definierende Potential, z.B. VDD, um mehr als einen vorgegebenen Spannungswert überschreiten oder das untere, die Betriebsspannung definierende Potential, z.B. V55, um mehr als einen vorgegebenen Spannungswert unterschreiten. Das wird erfindungsgemäß durch eine Ausbildung der Schaltung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß die zur Stabilisierung der eingangssei tigen Signalspannungen auf einen vorgegebenen Spannungsbereich in den Halbleiterkörper oder in die wannenförmige Zone injizierten Minoritätsladungsträger im Halbleiterkörper keine latch-up-Effekte hervorrufen können, so daß eine thermische Zerstörung desselben sicher vermieden wird.
Die Ansprüche 2 bis 9 sind auf bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem die Zuführung der Vorspannung für den Halbleiterkörper abweichend von Fig. 1 erfolgt, und Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die Zuführung der Vorspannung für den Halbleiterkörper über einen Teil der Uberspannungsschutz-Struktur erfolgt.
In Fig. 1 ist ein scheibenförmiger Halbleiterkörper 1 aus dotiertem Halbleitermaterial, z.B. aus n-leitendem Silizium mit einer Dotierungskonzentration von etwa 2-5*1014cm~] dargestellt, dessen erste Hauptfläche mit la und dessen zweite Hauptfläche mit lb bezeichnet sind.
Letztere ist mit einem großflächigen Kontakt 2 versehen, der einen mit einer Spannung VDD beschalteten Anschluß 3 aufweist. In den Halbleiterkörper 1 ist eine p-leitende wannenförmige Zone 4 mit einer Dotierungskonzentration von etwa 5110 eingefügt, die sich bis zur Hauptfläche la erstreckt.
In an sich bekannter Weise sei eine aus einer Mehrzahl von Schaltungselementen bestehende, in komplementärer Schaltungstechnik ausgebildete Schaltung beliebiger Art so auf dem Halbleiterkörper 1 integriert, daß wenigstens ein erstes Schaltungselement in wenigstens einer zusätzlich eingefügten, im einzelnen nicht dargestellten p-leitenden wannenförmigen Halbleiterzone und wenigstens ein zweites Schaltungselement in dem außerhalb dieser Halbleiterzone liegenden Teil des Halbleiterkörpers 1 angeordnet sind. Der außerhalb der Halbleiterzone liegende Teil von 1 ist über den Anschluß 3 mit der Vorspannung VDD beschaltet, während jede der p-leitenden wannenförmigen Halbleiterzonen mit einer Vorspannung VSS beaufschlagt ist. Von einem mit E bezeichneten äußeren Anschluß der Halbleiterschaltung gelangen eingangsseitige Signale über eine gegen den Halbleiterkörper 1 elektrisch isolierte Eingangsleitung 5 zu dem eigentlichen Eingang El der integrierten Schaltung, der z.B.
mit dem Gateanschluß eines Eingangsinverters zusammenfällt. Die Eingangsleitung 5 ist üblicherweise durch eine Feldisolationsschicht von der Hauptfläche la getrennt, am Ort des Eingangsinverters jedoch durch eine dünne Gateisolationsschicht. Gelangen nun Signale mit Amplituden, die den durch VDD bzw. V55 eingeschlossenen Spannungsbereich wesentlich übersteigen bzw. unterschreiten, über E an den Eingang El, so besteht die Gefahr, daß die Gateisolationsschicht durch einen Durchbruchstrom und eine damit verbundene zu große thermische Belastung zerstört wird.
Um solche thermischen Belastungen zu verhindern, müssen die eingangsseitigen Signalspannungen auf einen vorgegebenen Spannungsbereich beschränkt werden. Das geschieht mit Hilfe von zwei Dioden D1 und D2, die die Eingangsleitung 5 jeweils mit dem Halbleiterkörper 1 und der wannenförmigen Zone 4 verbinden. Die Diode D1 besteht dabei aus einem f otierten Gebiet 6 mit einer Dotierungskonzentration von etwa 1#l020cm#3, das in den Halbleiterkörper 1 eingefügt ist, während die Diode D2 aus einem n+-dotierten Gebiet 7 mit einer Dotierungskonzentration von etwa 3;102°cm~3 gebildet ist, das in die wannenförmige Zone 4 eingefügt ist. Das Gebiet 6 ist mit einer Leitung 8 beschaltet und über diese mit der Eingangsleitung 5 verbunden, während das Gebiet 7 mit einer Leitung 9 beschaltet ist, die ebenfalls mit der Leitung 5 in Verbindung steht. Wegen der Vorspannung VDD des Halbleiterkörpers 1 führen bei E anliegende Eingangssignale, die einen oberen Grenzwert überschreiten, der der um die Schleusenspannung von D1 vergrößerten Vorspannung VDD entspricht, über die dann leitende Diode D1 zu einer Injektion von Löchern in den Halbleiterkörper 1 und damit zu einer Stabilisierung des Eingangssignals auf diesen drenzwert. Andererseits ist die Zone 4 über ein p +-dotiertes Kontaktgebiet 10, das mit einem Anschluß 11 versehen ist, auf eine Vorspannung V55 gelegt.
Damit führen bei E anliegende Eingangssignale, die einen unteren Grenzwert unterschreiten, der einer um die Schleusenspannung von D2 verringerten Vorspannung V55 entspricht, wegen der hierbei leitenden Diode D2 zu einer Injektion von Elektronen in die Zone 4 und von dört wenigstens teilweise in den Halbleiterkörper 1, so daß die Eingangssignale auch auf den unteren Grenzwert und somit auf den Spannungsbereich zwischen beiden Grenzwerten stabilisiert werden.
Die über 6 und 7 zum Zwecke der Stabilisierung injizierten Ladungsträger können zu latch-up-Effekten im Halbleitergebiet 1 führen. Solche Effekte ergeben sich daraus, daß zwischen den Leitungen 8 bzw. 9 und weiteren nicht dargestellten Anschlüssen der Halbleiterschaltung Strukturen von vier aufeinanderfolgenden Halbleitergebieten alternierender Leitfähigkeitstypen bestehen, die beim Auftreten der injizierten Ladungsträger stromführend werden. Die entstehenden Ströme fließen im allgemeinen auch nach Beendigung der Injektionen weiter, so daß die Gefahr einer thermischen Überlastung sehr groß ist.
Um derartige latch-up-Effekte zu vermeiden, werden die über die Gebiete 6 und 7 injizierten Ladungsträger abgesaugt. Hierzu ist im Bereich des Halbleitergebiets 6 ein dieses in lateraler Richtung wenigstens teilweise umgebendes, p+-dotiertes Absauggebiet 12 mit einer-Dotierungskonzentration von etwa 1~1020com'3 in den Halbleiterkörper eingefügt, das sich bis zur Hauptfläche la erstreckt. In dieser ist es mit einem oder mehreren Kontakten 13 versehen, die mit dem auf Vss liegenden Anschluß 11 verbunden sind. Da VSS dem niedrigsten Potential innerhalb des Halbleiterkörpers 1 entspricht, werden die von 6 injizierten Löcher sehr wirkungsvoll abgesaugt. Im Bereich des Halbleitergebiets 7 ist ein dieses in lateraler Richtung wenigstens teilweise umgebendes, n+-dotiertes Absauggebiet 14 in die wannenförmige Zone 4 eingefügt, das in der Hauptfläche la mit einem oder mehreren Kontakten 15 versehen ist, die mit einem mit VDD beschalteten Anschluß 16 verbunden sind.
Die Spannung VDD, die dem höchsten Potential innerhalb des Halbleiterkörpers 1 entspricht, sorgt für ein sehr wirkungsvolles Absaugen der über 7 injizierten Elektronen.
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von Fig. 1 nur dadurch unterscheidet, daß der Teil des Halbleiterkörpers lj der außerhalb der wannenförmigen Zone 4 liegt, seine Vorspannung VDD in einer anderen Weise zugeführt erhält. Zu diesem Zweck ist das Halbleitergebiet 6 in lateraler Richtung wenigstens teilweise von einer in den Halbleiterkörper 1 eingefügten n +-dotierten Kontaktzone 17 umgeben, die einen Dotierungsgrad von etwa 3~10""cm- aufweist. Sie ist in der Hauptfläche la mit einem oder mehreren Kontakten 18 versehen, die mit dem auf VDD liegenden Anschluß 16 verbunden sind. Diese Zuführung der Vorspannung VDD ist notwendig, wenn der Kontakt 2 wegfällt oder wenn der Widerstand des n-dotierten Halbleitermaterials oder auch der Abstand der Hauptflächen la und lb voneinander so groß sind, daß die über 2 zugeführte Vorspannung am pn-Übergang zwischen den Teilen 6 und 1 nicht mehr ausreicht, um die obengenannte Stabilisierungswirkung der Diode Dl voll zu gewährleisten. Die Schaltungsteile von Fig. 2, die bereits anhand von Fig. 1 näher beschrieben worden sind, tragen in Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das sich von Fig. 1 lediglich darin unterscheidet, daß die Vorspannung VDD für den Teil des Kalbleiterkörpers 1, der außerhalb von 4 liegt, unter Verwendung desjenigen Absauggebiets zugeführt wird, das das Halbleitergebiet 7 wenigstens teilweise umgibt.
Dieses Absauggebiet ist mit 14' bezeichnet und im Gegensatz zum Gebiet 14 von Fig. 1 so angeordnet, daß es außerhalb der wannenförmigen Zone 4 verläuft. Dabei ist das Gebiet 14' ebenso wie das Gebiet 14 in Fig. 1 über den Anschluß 16 mit dem Potential VDD beschaltet. Die Wirksamkeit des Absaugens der von 7 injizierten Elektronen ist bei dieser Ausführungsform etwas reduziert, da in erster Linie nur die in lateraler Richtung aus der Zone 4 austretenden Elektronen über 14' erfaßt werden.
Dafür gelingt es hier auch ohne das Kontaktgebiet 17 von Fig. 2 an der Diode D1 eine ausreichende Vorspannung einzustellen, was wieder dann notwendig ist, wenn der Kontakt 2 wegfällt oder wenn der Widerstand des Halbleitermaterials oder der Abstand der Hauptflächen la und lb voneinander zu groß sind. Auch in Fig. 3 sind die bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen Schaltungsteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Nach einer in Fig. 1 angedeuteten Weiterbildung der Erfindung ist das p+-dotierte Absauggebiet 12 von einer p-dotierten wannenförmigen Erweiterungszone 18 mit einer Dotierungskonzentration von etwa 5 -1~10'16cm-3 umgeben, die von der Hauptfläche la ausgeht und das Gebiet 12 des Halbleiterkörpers 1 im Inneren des Halbleiterkörpers 1 vollständig umgibt. Dabei weist die Erweiterungszone 18 eine größere Tiefenausdehnung auf, als das Absauggeblet 12, so daß der Absaugeffekt erhöht wird. Diese Weiterbildung hat auch in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 Bedeutung.
Mit Vorteil können die Absauggebiete 12 und 14 und die Kontaktgebiete 10 und 17 so ausgebildet sein, daß sie die Halbleitergebiete 6 und 7 in lateraler Richtung jeweils vollständig umgeben. Hierdurch werden der Absaugeffekt und der Stabilisierungseffekt verstärkt.
Neben den genannten Ausführungsformen der Erfindung sind auch weitere von Interesse, die sich von den bisher beschriebenen dadurch unterscheiden, daß die Halbleitergebiete jeweils durch solche des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ersetzt sind, wobei dann die die Betriebsspannung definierenden Potentiale VDD und VSS ebenfalls vertauscht zugeführt werden.
9 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

Ratentansprüche W Integrierte Halbleiterschaltung in komplementärer Schaltungstechnik, bei der ein dotierter Halbleiterkörper (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit wenigstens einer wannenförmigen Halbleiterzone des zweiten Leitfähigkeitstyps versehen ist und bei der wenigstens ein Schaltungselement im Halbleiterkörper und wenigstehs ein weiteres Schaltungselement in der bzw. den wannenförmigen Halbleiterzonen vorgesehen sind, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein erstes Halbleitergebiet (6) des zweiten Leitfähigkeitstyps in den Halbleiterkörper (1) eingefügt ist, daß eine wannenförmige Zone (4) des zweiten Leitfähigkeitstyps im Halbleiterkörper (1) vorgesehen ist, in die ein zweites Halbleitergebiet (7) des ersten Leitfähigkeitstyps eingefügt ist, daß beide Halbleitergebiete (6, 7) mit Kontakten versehen sind, die mit einer einem eingangsseitigen Schaltungselement zugeordneten, gegen den Halbleiterkörper (l) elektrisch isolierten Eingangsleitung (5) verbunden sind, daß der Halbleiterkörper (1) und die wannenförmige Zone (4) mit Kontakten versehen sind, die mit jeweils einem der beiden, ~die Betriebsepannung definierenden Potentiale beschaltet sind, daß im Bereich des ersten Halbleitergebiets (6) ein dieses wenigstens teilweise umgebendes erstes Absauggebiet (12) des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, das mit dem einen die Betriebsspannung definierenden Potential beschaltet ist, welches der wannenförmigen Zone (4) zugeführt wird, und daß im Bereich des zweiten Halbleitergebiets (7) ein dieses wenigstens teilweise umgebendes zweites Absauggebiet (14) des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist, das mit dem anderen die Betriebsspannung definierenden Potential beschaltet ist, welches dem Halbleiterkörper (1) zugeführt wird.
2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiterkörper (1) scheibenförmig ausgebildet ist, daß die wannenförmigen Halbleiterzonen, die wannenförmige Zone (4) und die Halbleitergebiete (6, 7) an einer ersten Hauptfläche (la) desselben liegen und daß das eine der beiden die Betriebsspannung definierenden Potentiale dem Halbleiterkörper (1) über einen Kontakt (2) zugeführt wird, der sich auf seiner zweiten Hauptfläche (lb) befindet.
3. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß im Bereich des ersten Halbleitergebiets (6) eine dieses wenigstens teilweise umgebende Kontaktzone (17) des ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, die mit dem einen der beiden die Betriebsspannung definierenden Potentiale beschaltet ist, das dem Halbleiterkörper (1) zugeführt wird.
4 Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das im Bereich des zweiten Halbleitergebiets (7) angeordnete Absauggebiet (14) innerhalb der lateralen Begrenzung der wannenförmigen Zone (4) verläuft.
5. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das im Bereich des zweiten Halbleitergebiets (7) angeordnete Absauggebiet (14') außerhalb der lateralen Begrenzung der wannenförmigen Zone (4) verläuft.
6. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die wannenförmige Zone (4) mit einer Kontaktzone (10) des zweiten Leitfähigkeitstyps versehen ist, die mit dem anderen der beiden, die Betriebsspannung definierenden Potentiale beschaltet ist.
7. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste Absauggebiet (12) von einer wannenförmigen Erweiterungszone (18) umgeben ist, die eine größere Eindringtiefe aufweist als das erste Absauggebiet (12).
8. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste Absauggebiet (12) das erste Halbleitergebiet (6) in lateraler Richtung vollständig umgibt.
9. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das zweite Absauggebiet (14, 14') das zweite Halbleitergebiet (7) in lateraler Richtung vollständig umgibt.