DE3635729A1 - Elektronische anordnung zum schutz von integrierten schaltungen vor elektrostatischer aufladung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Anordnung zum Schutz von integrierten Schaltungen vor elektrostatischer Aufladung mit Festkörperschalter­ elementen, die zwischen dem Eingang der zu schützenden integrierten Schaltung und einer Referenzspannungsleitung angeschlossen sind. Die Erfindung betrifft auch ein Ver­ fahren zur Herstellung einer solchen elektronischen An­ ordnung.

Es ist bekannt, daß in vielen Fällen integrierte Schaltungen durch elektronische Anordnungen an ihren Eingängen gegen elektrostatische Aufladungen sowohl positiver als auch negativer Polarität geschützt werden müssen; diese Auf­ ladungen können an den Anschlüssen der integrierten Schal­ tungen entstehen und zumindest Funktionsstörungen, häufig jedoch auch eine Zerstörung der Schaltung verursachen.

Schutzanordnungen solcher Art sind in verschiedenen Aus­ führungen bekannt. In einigen bekannten Vorrichtungen sind z.B. Dioden und Widerstände vorgesehen. Die Dioden werden dabei auf unterschiedliche Weise gebildet, z.B. durch Nutzung der Basis-Emitter- oder Basis-Kollektor- Übergänge von integrierten Transistoren. Eine bekannte Lösungsmöglichkeit erfordert beispielsweise den Einbau zweier Zenerdioden, deren einer Anschluß über einen Widerstand mit dem Eingang der zu schützenden Schaltung und deren anderer Anschluß mit der Speisespannung bzw. Masse ver­ bunden ist, so daß beim Auftreten von elektrostatischen Entladungen positiver oder negativer Polarität entweder die eine oder die andere der Zenerdioden interveniert und die Spannung bei Erreichen eines vorbestimmten Wertes kurzschließt.

Obwohl solche Anordnungen weit verbreitet sind, stellen sie keine zufriedenstellende Lösung dar; denn weil diese Dioden die Spannung bei einem verhältnismäßig hohen Wert ableiten, entsteht eine entsprechend hohe Verlustleistung. Bei anderen bekannten Lösungen werden gesteuerte Silizium­ gleichrichter eingesetzt, die, obgleich sie bei hohen Spannungswerten intervenieren, diese Werte auf niedrigem Nieveau halten, wodurch eine geringere Verlustleistung entsteht. Jedoch stellen auch diese Schaltungen nicht völlig zufrieden. Für die Herstellung dieser Vorrichtungen werden zur Zeit für jedes Bauelement unterschiedliche Epitaxialwannen vorgesehen, wodurch der Flächenbedarf einer solchen Vorrichtung recht groß wird.

Es ist also eine Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Anordnung vorzuschlagen, die integrierte Schaltungen zuverlässig schützt und dabei die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermeidet. Insbesondere soll eine elektro­ nische Schutzvorrichtung mit geringer Verlustleistung vor­ geschlagen werden, die das Erreichen hoher Spannungspegel ermöglicht und so eine wirksame Intervention und einen sicheren Betrieb der Anordnung auch bei sehr hohen Entladungs­ werten sicherstellt. Die elektronische Schutzvorrichtung soll dabei geringe Abmessungen aufweisen, die trotz geringer Fertigungskosten gute elektrische Werte aufweist. Die elektronische Schutzvorrichtung soll mit bereits für die Herstellung von integrierten Schaltungen bekannten Verfahren gefertigt werden können, wobei die Herstelllung der Schutzvorrichtung und der entsprechenden integrierten Schaltung zur gleichen Zeit möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die Festkörperschaltelemente zwei antiparallel geschaltete, gesteuerte Gleichrichter enthalten, die zusammen mit der zu schützenden integrierten Schaltung in einer einzigen Epitaxialwanne integriert sind.

Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektronischen Schutzvorrichtung ist im Kennzeichen des Anspruches 3 enthalten. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungs­ gemäßen Anordnung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die beige­ fügten Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 eine grafischer Darstellung der Strom-Spannungs- Charakteristik der Anordnung nach Fig. 1; und

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Silizium-Wafer mit der Anordnung nach Fig. 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung enthält nach Fig. 1 im wesentlichen ein Paar gesteuerter Siliziumgleich­ richter (SCR) 1, 2, die antiparallel zwischen den Eingang (IN) einer zu schützenden Schaltung (die hier als ge­ stricheltes Rechteck mit dem Bezugszeichen 3 angedeutet ist und Transistoren und/oder andere Halbleiterelemente enthält) und Masse 4 geschaltet sind. Eine Anode 5 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 1 ist mit dem Eingang (IN) verbunden, während eine Kathode 6 desselben Gleich­ richters 1 mit Masse 4 verbunden ist; eine Anode 7 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 2 ist mit Masse, eine Kathode 8 desselben Gleichrichters 2 ist mit dem Eingang (IN) verbunden. Folglich wird Gleichrichter 1 bei elektrostatischen Entladungen mit positivem Vorzeichen aktiviert, während Gleichrichter 2 bei negativen elektro­ statischen Entladungen aktiv wird, so daß ein in Fig. 2 dargestelltes Spannungs-Strom-Verhalten erreicht wird.

Der Schaltkreis wird durch die Widerstände 9′ und 9′′ vervollständigt, die zwischen zwei Schichten der ge­ steuerten Siliziumgleichrichter 1 und 2 parallel gebildet werden. Diese Widerstände haben die Aufgabe, ein Einschalten der gesteuerten Siliziumgleichrichter bei Spannungs­ schwankungen oder Verlustströmen in den Anschlußkapazitäten zu verhindern.

Ein hervorstechendes Merkmal der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die beiden antiparallel geschalteten, gesteuerten Siliziumgleichrichter in einer einzigen Epitaxialwanne (siehe Fig. 3) integriert sind und während des gleichen Herstellverfahrens gebildet werden wie die zu schützende Schaltung. Dies bedeutet eine Verringerung der Herstellkosten und der benötigten Fläche.

Aus der Fig. 3 geht hervor, daß zu der Anordnung ein P Typ-Substrat 10 gehört, auf dem die N Typ-Schicht 11 vorgesehen ist, wobei diese Schicht 11 gleichzeitig die Kathode des Gleichrichters 1 bildet. Angrenzend an die Schicht 11 ist eine P⁺Typ-Schicht 12 vorgesehen, die jedoch gegenüber der Schicht eine kleinere Fläche einnimmt. Die Schicht 12 bildet die Anode des Gleichrichters 2. Außerdem enthält das Chip eine N Typ-Epitaxialschicht 13, die sich oberhalb des Substrats 10 bis zu einer äußeren Fläche 20 der Anordnung erstreckt und den oberen Teil der Schichten 11 und 12 umgibt. Durch die Epitaxialschicht 13 werden Isolierzonen 30 gebildet, die sich von der äußeren Fläche 20 zum Substrat 10 erstrecken und so die Epitaxialwanne, in der die erfindungsgemäße Schutzanordnung und die integrierte Schaltung 3 angeordnet sind, außen begrenzen, wie dies schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Außerdem umgibt die Epitaxialwanne 13 teilweise eine P⁺Typ-Schicht 14, welche die Anode des Gleichrichters 1 bildet, sowie eine N⁺Typ-Schicht 15, welche die Kathode des Gleichrichters 2 definiert. Mit der Epitaxialwanne 13 werden noch zwei weitere Bereiche geschaffen, die mit 11 a und 12 a bezeichnet und vom Typ N⁺ bzw. P⁺ sind. Diese Bereiche erstrecken sich von der äußeren Fläche 20 der Anordnung bis zur jeweiligen Isolierschicht 11 bzw. 12. So wird zwischen den Bereichen 11 a und 12 a eine Epitaxialzwischenzone 13′ geschaffen, während ein mit 13′′ bezeichneter Innenab­ schnitt der Epitaxialschicht 13 gebildet wird, der an seinem unteren Ende durch die Schicht 12 und seitlich von dem Bereich 12 a begrenzt wird.

Der Epitaxial-Innenabschnitt 13′′ wiederum umgibt teilweise die Schichten 14 und 15 vom Typ P bzw. N⁺ . Die Bereiche 11 a und 12 a sind vorgesehen, um die Schicht 11, die der Anode 6 des Gleichrichters 1 entspricht, bzw. die Schicht 12, die die Kathode 7 des Gleichrichters 2 bildet, mit der äußeren Hauptfläche 20 der Anordnung zu verbinden. Die Anordnung wird vervollständigt durch Metallschichten 16 und 18 sowie eine isolierende Oxidschicht 17. Aus der Figur geht hervor, daß die Metallschicht 16 die Schichten 14 und 15 (Anode 5 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 1 und Kathode 8 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 2) verbindet, während die Metallschicht 18 die Schichten 12 a und 11 a (und damit die Schichten 12 und 11, welche die Anode 7 bzw. Kathode 6 bilden) verbindet.

Wie durch gestrichelte Linien außerdem dargestellt ist, ist zwischen den Bereichen 11 a und 12 a ein Widerstand 9′ vorgesehen, der beispielsweise durch Diffusion oder eine andere Technik gebildet wird, während der Widerstand 9′′ durch den entlang der Schicht 14 zwischen Schicht 15 und Metallschicht 16 vorhandenen Widerstand dargestellt wird.

Die beschriebene Anordnung wird wie folgt hergestellt. Zuerst wird ein Phosphorimplantat auf ein mit Bor dotiertes Substrat aufgebracht, um die N⁺ Typ-Schicht 11 zu bilden. Dieser Implantationsvorgang wird zur gleichen Zeit durch­ geführt wie die Implantation an der zu schützenden inte­ grierten Schaltung für den Bodensinker (bottom sinker). Nachfolgend wird Bor implantiert, um die P⁺ Typ-Schicht 12 zu bilden. Dieser Schritt erfolgt zur gleichen Zeit wie die Implantation der implantierten Isolierung für die zu schützende Schaltung. Danach wird die Epitaxialschicht 13 bei hoher Temperatur aufgewachsen, um eine Diffusion der Bor- und Phosphoratome im Substrat 10 und der Epitaxial­ schicht 13 sowie die Bildung der Schicht 11 und 12 und des unteren Teiles der Isolierschicht 30 zu erzielen. Danach werden Boratome aufgebracht und diffundiert, um den mit 12 a bezeichneten Bereich zu schaffen, der zur Verbindung der Anode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 2 mit der äußeren Fläche 20 dient. Diese Verfahrens­ schritte werden zur gleichen Zeit durchgeführt wie die Aufbringungs- und Diffusionsschritte für die Isolier­ schicht der zu schützenden integrierten Schaltung, wodurch ebenfalls der obere Teil der Schicht 30 gebildet wird. Dann wird Phosphor aufgebracht und diffundiert, um den Bereich 11 a zu bilden. Dieser Schritt wird zur gleichen Zeit durchgeführt wie das Aufbringen und die Diffusion des Diffusionssinkers (diffused sinker) in der zu schützenden integrierten Schaltung, er stellt eine Verbindung für die Kathode des Gleichrichters 1 zur äußeren Fläche 20 her.

Darauf folgen die weiteren Schritte, z.B. Aufbringen und/oder Diffusion zur Bildung der Schichten 14 und 15, der Isolierschicht 17 und der Metallschichten 16 und 18 zur Schaffung von Anschlüssen.

Wie aus dieser Beschreibung hervorgeht, löst die Erfindung die gestellten Aufgaben vollständig. Es wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine integrierte Schaltung geschaffen, die mit Hilfe von gesteuerten Siliziumgleich­ richterstrukturen auch gegen Entladungen hoher Werte schützen kann, wobei diese Gleichrichter nach dem Ansprechen bei niedriger Spannung arbeiten und damit nur geringe Verlustleistungen verursachen. Bei einem Ausführungsbei­ spiel nach der Erfindung war es möglich, sehr hohe Schad­ spannungswerte von über 10.000 Volt bei elektrostatischen Entladungen zu verkraften.

Außerdem ist zu bemerken, daß diese Anordnung aufgrund der Unterbringung in derselben Epitaxialwanne wie die zu schützende Schaltung einen nur geringen Flächenbedarf hat. Die Anordnung kann während der gleichen Fertigungs­ phasen wie die zu schützende integrierte Schaltung bei Anwendung der gleichen Fertigungsschritte wie für diese Schaltung hergestellt werden.

Claims (3)

1. Elektronische Anordnung zum Schutz von integrierten Schaltungen vor elektrostatischer Aufladung mit Fest­ körperschalterelementen, die zwischen dem Eingang der zu schützenden integrierten Schaltung und einer Referenz­ spannungsleitung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperschalterelemente zwei antiparallel geschaltete, gesteuerte Gleichrichter (1, 2) enthalten, die zusammen mit der zu schützenden integrierten Schaltung (3) in einer einzigen Expitaxial­ wanne (13) integriert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat (10) einer ersten Polarität, eine erste Implantatschicht (11), die an das Substrat (10) angrenzt und eine zweite Polarität auf­ weist, welche der ersten Polarität im wesentlichen ent­ gegengesetzt ist; eine zweite Implantatschicht (12), die zumindest teilweise an die erste Implantatschicht (11) angrenzt und deren Polarität im wesentlichen gleich der ersten Polarität ist; eine Epitaxialwanne (13), die sich zumindest teilweise angrenzend an die zweite Implantat­ schicht (12) und das Substrat (10) erstreckt und die teilweise an eine äußere Fläche (20) der Anordnung reicht, wobei die Polarität der Wanne (13) im wesentlichen gleich der zweiten Polarität ist; eine erste Diffusionsschicht (14) mit im wesentlichen erster Polarität, welche Schicht zumindest teilweise von der Epitaxialwanne (13) umgeben ist und die teilweise bis zu einer äußeren Fläche (20) der Anordnung reicht; eine zweite Diffusionsschicht (15) mit im wesentlichen zweiter Polarität, die von der ersten Diffusionsschicht teilweise umgeben ist und deren eine Seite bis zu einer äußeren Fläche (20) der Anordnung reicht; eine Metallschicht (16), die die der äußeren Fläche (20) der Anordnung zugekehrten Abschnitte und Seiten der ersten bzw. zweiten Diffusionsschicht zumindest teilweise bedeckt, einen ersten Isolierbereich (12 a) mit im wesentlichen erster Polarität, der sich durch die Epitaxialwanne (13) von der äußeren Fläche der Anordnung zur zweiten Implantat­ schicht (12) erstreckt und so einen inneren Epitaxialbereich (13′′) der Epitaxialwanne (13) nach außen begrenzt, wobei der innere Epitaxialbereich an der Unterseite durch die zweite Implantatschicht (12) und innen durch die erste Diffusionsschicht (14) weiterhin begrenzt wird; sowie einen zweiten Isolierbereich (11 a) mit im wesentlichen zweiter Polarität, der sich außen durch die Epitaxialwanne (13) zum ersten Isolierbereich (12 a), von der äußeren Fläche (20) der Anordnung zur ersten Implantat­ schicht (11) erstreckt.

3. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schutzanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch

• - erste Implantation von Atomen eines ersten chemischen Elementes in ein Substrat erster Polarität zur Bildung einer ersten Schicht mit einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität im wesentlichen entgegengesetzt ist, welche erste Implantation zur gleichen Zeit vorgenommen wird wie eine Sinker-Implantation für die zu schützende integrierte Schaltung;
• - zweite Implantation von Atomen eines zweiten chemischen Elementes an dem ersten Implantat zur Bildung einer zweiten Schicht mit im wesentlichen erster Polarität, wobei die zweite Implantation zur gleichen Zeit vorgenommen wird wie eine Implantation für die implantierte Isolierung der zu schützenden integrierten Schaltung;
• - Aufwachsen einer Epitaxialschicht bei hoher Temperatur bei Bildung der ersten Schicht, die eine Anschlußelek­ trode eines gesteuerten Gleichrichters darstellt, und wobei die zweite Schicht eine Anschlußelektrode eines zweiten gesteuerten Gleichrichters darstellt;
• - erstes Aufbringen und Diffusion von Atomen des zweiten chemischen Elementes durch die Epitaxialschicht zur Bildung eines ersten Isolierbereiches mit im wesent­ lichen erster Polarität, der die zweite Schicht mit einer äußeren Fläche der Anordnung verbindet, wobei das erste Aufbringen und die Diffusion zur gleichen Zeit vorgenommen wird wie die Diffusion von Isolierschichten der zu schützenden Schaltung;
• - zweites Aufbringen und Diffusion von Atomen des ersten chemischen Elementes durch die Epitaxialschicht außen an die erste Aufbringung zur Bildung eines zweiten Isolierbereiches mit im wesentliche zweiter Polarität, der die erste Schicht mit der genannten äußeren Fläche der Anordnung verbindet, wobei die zweite Aufbringung und Diffusion zur gleichen Zeit erfolgt wie eine Sinker- Diffusion in der zu schützenden integrierten Schaltung;
• - ein an sich bekanntes Herstellen einer dritten Schicht mit im wesentlichen erster Polarität und einer vierten Schicht mit im wesentlichen zweiter Polarität innerhalb der ersten und zweiten Isolierbereiche zur Bildung zweier Anschlußelektroden der gesteuerten Gleichrichter und
• - Aufbringen einer Metallschicht, die zumindest teilweise an die dritte und vierte Schicht angrenzt und mit diesen im Kontakt steht.