DE3741014C2 - Schutz integrierter Schaltkreise vor elektrostatischen Entladungen - Google Patents

Schutz integrierter Schaltkreise vor elektrostatischen Entladungen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltkreise und dabei Maßnah­ men, um die aktiven und/oder passiven Komponenten von integrierten Schaltkreisen vor der Möglichkeit zu schützen, durch elektrische Entladungen elektrostatischen Ursprungs beschädigt zu werden, und zwar schon während der Herstellung, des Zusammenbaus und der Handhabung des integrierten Schaltkreises.
Große technologische Fortschritte auf dem Feld der Herstellungsverfahren von integrierten Schaltkreisen haben es ermöglicht, die Dichte der Schalt­ kreise vielfach zu erhöhen und die Güte der einzelnen Schaltkreiskomponen­ ten zu verbessern, haben jedoch zur selben Zeit oftmals eine größere Empfindlichkeit einiger dieser Komponenten gegen Schäden herbeigeführt, die auf unerwünschte elektrische Entladungen elektrostatischen Ursprungs rück­ führbar sind.
In dieser Hinsicht ist es bekannt, daß Grundplatten, Gläser, Behälter und Träger zum Handhaben von Wafern, Plastiktüten und Plastikrohre zum Tragen der Vorrichtungen hochgefährliche Materialien sind, und zwar wegen der relativ hohen Potentiale bzw. Ladung, welche diese Materialien leicht aufnehmen können (bis zu 30 kV).
Darüberhinaus kann der Benutzer selbst, beim Handhaben der Vorrichtungen, eine elektrische Entladung von erheblicher Starke induzieren.
Die Benutzung von besonderen antistatischen Materialien für die Beläge, für Gestellaufsätze und andere Hilfsmittel, welche einen fortwährenden Abfluß von elektrischen Ladungen gewährleisten, indem sie sie auf Masse ableiten, sind unerläßlich zur Verhinderung von Entladungen hoher Intensität.
Auch sehr weit entwickelte Antistatiksysteme sind beim Verhindern von zufälligen Schäden jedoch unzureichend, insbesondere im Fall von besonders empfindlichen Komponenten, welche bereits bei Spannungen der Größe von 100-400 V versagen bzw. ausfallen. In diesen Fällen ist zusätzlich ein schaltungsmäßiger Schutz notwendig.
Vom Standpunkt des Widerstandes gegen Schaden durch elektrische Entla­ dungen zeigt jede Schaltungsmaßnahme ein eigenes Spannungsintervall, über dessen Grenzen hinaus eine Entladung, sei es durch einen Spannungsdurch­ bruch in MOS-Vorrichtungen oder durch einen Über-Stromeffekt in Bipolar-Vorrichtungen, Ausfall oder Verschlechterung verursacht.
Bei einem hohen Integrationsgrad und damit bei kleineren Abmessungen hat sich das Schutz-Problem, welches ursprünglich auf den Bereich der MOS-Vorrichtungen beschränkt war, ebenso auf dem Gebiet der bipolar-integrier­ ten Schaltkreistypen und natürlich auch bei den gemischten Technologien als wichtig herausgestellt, welche MOS- und Bipolar-Komponenten auf demselben monolithischen Substrat (Chip) verwirklichen.
Elektrostatische Entladung, die in Basis-Emitter-Sperrschichten in Kleinflä­ chen-Transistoren auftreten, können irreversible Schäden verursachen, z. B. können sie irreversible Durchschläge bzw. kleine Löcher der dünnen Schicht des Gateoxids in MOS-Komponenten ebenso wie bei integrierten MOS-Kon­ densatoren verursachen.
In integrierten Schaltkreisen wird dieses Problem im allgemeinen durch Schutzstrukturen gelöst in Form einer Begrenzungsdiode zwischen jeder Ein­ gangs-Anschlußfläche des integrierten Schaltkreises und der gemeinsamen Masse (oder VSS) bzw. dem gemeinsamen Versorgungsknoten (oder VDD). Gewöhnlich ist eine solche Schutzstruktur ein geeigneter Übergang, der zwischen die Eingangs-Anschlußfläche und die Masse bzw. den Versorgungs­ knoten geschaltet ist. Im Falle einer Ausgangs-Anschlußfläche kann der Übergang in der integrierten Ausgangsvorrichtung der Ausgangsstufe des Schaltkreises selbst liegen. Solche Schutzsysteme sind umfänglich diskutiert und auch bezüglich ihrer Eingriffsgeschwindigkeit analysiert worden, für die als Maß die RC-Konstante herangezogen wird, welche zwischen dem ent­ sprechenden Anschluß und dem Masse-(VSS) oder Versorgungs-(VDD)Anschluß gemessen wird.
In bekannten Analysen dieses Problems und der technischen Vorschläge im Stande der Technik zur Sicherung der Störfestigkeit gegen Beschädigung der Vorrichtungen, wenn sie elektrostatischen Entladungen von einigen tausend Volt unterworfen sind, ist die Aufmerksamkeit fast ausschließlich darauf gerichtet worden, so weit wie möglich den internen Serienwiderstand und die Flächenanforderung der eingesetzten Schutzdiode zu vermindern.
Der Ort der Schutzdiode oder -dioden ist dabei fast ausschließlich nahe der zu schützenden Anschlußfläche selbst, oder wenigstens teilweise unterhalb des metallisierten Bereichs ,der Anschlußfläche, mit der ein Anschluß der Schutz­ diode verbunden ist, um nützliche Chipfläche einzusparen. Der andere Anschluß der Diode ist mit benachbarten Metallisierungen (d. h. Versorgung oder VDD) oder Masse (oder VSS) verbunden.
Dagegen beobachtet man bei solchen typischen Layouts erhebliche Differen­ zen bei der Spannungsfestigkeit, die erreicht wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten integrier­ ten Schaltkreis anzugeben, der vor elektrischen Entladungen elektrostatischen Ursprungs besser geschützt ist und eine genau einstellbare Schutzschwelle aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Gegenstandes des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfinder haben einen unerwartet großen Einfluß des Widerstandes von verschiedenen Leiterbahnen oder Strompfaden der Masse-(VSS) oder Ver­ sorgungs-(VDD)Metallisierung gefunden, mit der die Schutzdioden verbunden sind. Solch ein Einfluß hat keine sekundäre oder sogar vernachlässigbare Wirkung, wie man offensichtlich vorurteilshaft bislang geglaubt hat, sondern hat sich als ein sehr kritischer Faktor beim Gewinnen des gewünschten Pegels der Spannungsfestigkeit herausgestellt. Noch überraschender ist der Einfluß, welcher dieser Faktor beim Erreichen von Schutz-Schwellen für elektrische Entladungen elektrostatischen Ursprungs einnimmt (Abweichung voneinander um einige tausend Volt).
Es ist gefunden worden, daß sogar ein relativ kleiner Widerstand des bestimmten "Zweiges" der Masse- oder Versorgungs-Metallisierung, mit der der Anschluß der Schutzdiode verbunden ist, z. B. von gerade nur einigen Ohm, den maximal tolerierbaren Pegel der elektrostatischen Entladungsspan­ nung um einige tausend Volt herunterdrücken kann, welche an den bestimm­ ten Stift angelegt werden kann, und über den hinaus eine irreversible Beschädigung der integrierten Schaltung beobachtet wird, welche mit der bestimmten Eingangs-Anschlußfläche des Schaltkreises verbunden ist.
Es ist bisher die Meinung der Fachleute gewesen, daß ein Widerstand von gerade nur einigen wenigen Ohm, z. B. von 10 Ohm, eines bestimmten Pfades der Masse-Metallisierung, welcher - abzweigend von der jeweiligen Anschlußfläche - die Nachbarschaft einer bestimmten Anschlußfläche erreicht (z. B. der Eingangs-Anschlußfläche des Schaltkreises) und mit welcher der Anschluß der Schutzdiode verbunden wird, nur einen marginalen Einfluß auf die tolerierbaren Pegel der elektrostatischen Entladungsspannung haben kann, d. h. daß man der Schutzdiode die Eigenschaft zuschreibt, daß sie unter allen Umständen eine mögliche negative elektrostatische Ladung auf Masse ablei­ tet, welche die bestimmte Anschlußfläche des integrierten Schaltkreises treffen könnte. Es ist bisher angenommen worden, daß ein Fehlschutz durch eine Spannungs-Begrenzungsdiode nur durch eine Verzögerung beim Durch­ schalten oder durch ein Versagen der Diode selbst hervorgerufen würde. Solch eine Annahme ist durch den Umstand begründet, daß eine gute Diode, wenn sie unter hohen Injektionsbedingungen leitet, einen Spannungsabfall zeigt, der kleiner als 10 V ist.
Die Erfinder haben ermittelt, daß bei einer angelegten Spannung von 3000 V der von einem bekannten Testgenerator gelieferte Strom von 0 auf etwa 2A in wenigen Nanosekunden steigt. Unter diesen Bedingungen ist eine Schutzdiode weit davon entfernt, im Bereich hoher Injektion zu arbeiten, sondern sie reagiert vielmehr mit einem ohmschen Verhalten. Dies ruft eine Überspannung bezüglich der normalen Spannungswerte hervor, welche außer von der Abmessung und dem Herstellungsverfahren der Schutzdiode auch von der Übergangsgeschwindigkeit der Stromspitze abhängt, welche von dem Generator abgegeben wird. Dabei kann die nachfolgende Spannungsspitze über die Diode allein mit etwa 40 V abgeschätzt werden, und zwar gemäß den durchgeführten Tests, und da die Durchbruchsspannung des Gateoxids oftmals bei 60 V liegt, wird die Rolle des möglichen Widerstandes, der zwischen der Diode und den Ableit-Gleichpotential-Knoten des Schaltkreises geschaltet ist, entscheidend.
Es ist nun gefunden worden, daß solch ein Widerstand aufgrund des Wider­ standes der Metallisierung, mit der die Schutzdiode verbunden ist, die maxi­ mal tolerierbare Spannung von einem kalkulierten Wert von über 10 000 Volt auf 2000-3000 V verringern kann.
Durch eine Serie von Experimenten ist es möglich gewesen zu zeigen, daß die maximale elektrostatische Entladungsspannung der verschiedenen Ein­ gangs-Anschlußflächen mit zunehmender Lange des wirksamen Widerstands­ pfades abnimmt, dargestellt durch die zunehmende Länge der Masse-Metall­ spur zwischen dem Kathodenanschluß jeder Diode und der Masse-Anschluß­ fläche des Schaltkreises und daß die Abhängigkeit im wesentlichen durch eine Hyperbel dargestellt wird. Solch ein Variationsgesetz rechtfertigt die Annahme eines im wesentlichen ohmschen Verhaltens der Schutzdiode.
Die experimentellen Ergebnisse gestatteten es, durch geeignete mathematische Operationen eine empirische Beziehung von im wesentlichen folgendem Typ abzuleiten:
wobei:
VDAM die elektrische Entladungsspannung ist, bei der der Ausfall beobachtet wurde;
R der Widerstand (in Ohm ausgedrückt) des Metallpfades zwischen dem Verbindungspunkt zur Kathode der Schutzdiode und der jewei­ ligen Masse-Anschlußfläche des integrierten Schaltkreises (d. h. dem tatsächlichen Knoten bei gleichem Potential);
x ein mathematisch abgeleiteter Exponent, der nahe bei 1,0 liegt;
k eine Konstante, die von den Eigenschaften der Testvorrichtung ebenso wie von den internen Eigenschaften des getesteten integrier­ ten Schaltkreises abhängt.
Solch eine Beziehung war immer erfüllt, sowohl im Fall einer ersten Anzahl von Proben, die wiederholt bei fortwährend erhöhten Entladungsspannungen getestet wurden, wobei bei 1000 Volt begonnen wurde und die Spannung jedes Mal um 200 V erhöht wurde, bis ein Ausfall auftrat, und in dem Fall einer zweiten Anzahl von Proben, die direkt bei der Ausfallsspannung getestet wurden.
Für beide Gruppen von Proben war der x-Exponent im wesentlichen unver­ ändert und gleich 1.06-1.07 und bestätigte eine im wesentlichen hyperboli­ sche Beziehung zwischen der Zusammenbruch-Entladungsspannung (VDAM) und dem Widerstand (R) der sich erstreckenden Lange des Metallpfades zwischen dem Schutzdioden-Anschluß und der Masse-Anschlußfläche. Die Tests haben, wenn auch in qualitativer Weise, den unerwarteten Einfluß solch eines Widerstandes auf die maximale erträgliche elektrostatische Entla­ dungsspannung einer bestimmten Eingangs-Anschlußfläche des integrierten Schaltkreises bestätigt.
Der Faktor k, welcher im wesentlichen von den Eigenschaften der Testvor­ richtung und Eigenschaften des getesteten integrierten Schaltkreises vorgege­ ben wird, hatte einen Wert von ungefähr 30 000 im Falle der ersten Gruppe, während er im Falle der zweiten Gruppe von Proben einen Wert von ungefähr 38 000 hatte.
Für eine gegebene Testvorrichtung hängt der Wert der Konstante k im wesentlichen von den Eigenschaften der bestimmten integrierten Halbleiter­ struktur ab, die mit der Anschlußfläche verbunden ist, d. h. wie empfindlich sie für Ausfall durch elektrostatische Entladung ist. Beispielsweise erscheint in bipolar-integrierten Schaltungen die Basis/Emitter/Sperrschicht die empfind­ lichste Struktur zu sein, und der Ausfallmechanismus scheint typischerweise durch das Schmelzen des Siliziums begründet zu sein, welches durch lokali­ sierte Überwärmung in der Verarmungszone der Sperrschicht bedingt ist. Im Falle von MOS-Vorrichtungen ist die dünne Gateoxid-Schicht diejenige Struktur, die leichter ausfällt aufgrund eines Durchschlags. Daher ermöglicht die Kenntnis des Typs und der Eigenschaften solcher Strukturen dem Kon­ strukteur, mit genügender Annäherung den Wert der Konstante k zu bestim­ men, welche in der oben aufgestellten hyperbolischen Beziehung auftritt.
Daher ist bei der vorliegenden Erfindung der Widerstand zwischen einem Anschluß einer Schutzdiode, welche mittels ihres anderen Anschlusses mit der jeweiligen Eingangs-Anschlußfläche des integrierten Schaltkreises ver­ bunden ist, der gegen elektrische Entladungen elektrostatischen Ursprungs zu schützen ist, und einem Gleichpotential-Knoten des integrierten Schaltkreises (Masse- oder Versorgungsknoten) kleiner oder gleich einem Wert R gewählt, der durch die folgende empirische Beziehung gegeben ist:
wobei:
VDAM der minimale Pegel der Entladungsspannung ist, der Schäden verursachen kann, und k eine vorbestimmte Konstante, die experi­ mentell bestimmt werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann in der Praxis realisiert werden, indem man den Widerstand der elektrischen Verbindung zwischen einem Anschluß einer Schutzdiode und dem jeweiligen Gleichpotentialknoten des integrierten Schalt­ kreises, mit dem der Anschluß verbunden ist, derart wählt. Dies wird dadurch verwirklicht, daß man absichtlich die Leitfähigkeit solch einer elektrischen Verbindung erhöht, beispielsweise durch Erhöhen der Oberfläche der Metallisierungsschicht überall dort, wo nutzbare Bereiche entlang des Pfads auf die jeweilige Anschlußfläche hin bestehen und/oder, wie es oft in integrierten Schaltkreisen der Fall ist, indem man zu diesem Zweck ver­ schiedene verfügbare Pegel der Metallisierung dadurch einsetzt, daß man sie parallel schaltet.
Vorteilhafterweise liegen die Schutzdioden in der Nachbarschaft der jeweili­ gen Masse-(VSS) oder Versorgungs-(VDD)-Anschlußfläche des integrierten Schaltkreises, wohingegen es beim herkömmlichen Stand der Technik üblich war, in der Nähe der jeweiligen zu schützenden Eingangs-Anschlußfläche. Ein Anschluß der Schutzdiode wird elektrisch verbunden durch einen Mini­ malwiderstand (tatsächlich unbedeutend) mit dem bestimmten Gleichpotential-Knoten des Schaltkreises, während der andere Anschluß der Schutzdiode elektrisch in einer geeigneten Weise mit dem zu schützenden Eingangsknoten (Anschlußfläche) des integrierten Schaltkreises verbunden werden kann.
Dieser Widerstand solch einer elektrischen Verbindung zwischen der zu schützenden Eingangs-Anschlußfläche und dem Anschluß der Schutzdiode beeinflußt den integrierten Schaltkreis nicht hinsichtlich seiner Kapazität, um Entladungen elektrostatischer Struktur zu widerstehen.
Es kann dabei vorteilhaft sein, sogenannte "Ring"-Metallisierungen sowohl für den Versorgungs-Gleichpotentialknoten (VDD), als auch für den Masse (VSS)-Gleichpotentialknoten unter Verwendung von verschiedenen (überlager­ ten) Metallisierungsniveaus zu schaffen. Diese sogenannte "Ring"-Metallisie­ rungen sind in der Praxis relativ breite Metallpfade, die sich im wesentli­ chen längs des gesamten Umtangs des Chips erstrecken. Auf diese Weise und möglicherweise mit Hilfe von geeigneten Kreuz-Verbindungen zwischen verschiedenen Metallisierungsniveaus, ist es möglich zu gewährleisten, daß beide Knoten der integrierten Schaltkreise "wirklich" bei einem Gleichpotenti­ al vorteilhaft dicht an allen Eingangs-Anschlußflächen sind, und eventuell ebenso dicht an allen Ausgangs-Anschlußflächen der integrierten Schaltkreise, so daß die elektrischen Verbindungen mit den jeweiligen Anschlüssen der Schutzdioden mit einem Minimalwiderstand realisiert werden können.
Durch die vorausgehende Beschreibung hindurch und in den angehängten Ansprüchen wird mit den Worten "Metallisierung", "Metallisierungsniveau" und "Metallisierung, Metallpfad oder Metallschicht" ein Schicht-Strukturtyp eines Metalls bezeichnet, der gewöhnlich dadurch erhalten wird, daß man zuerst eine Schicht einer geeigneten Dicke eines Metalls abscheidet, welche dann durch ein Photoätz-Verfahren mit Resistschicht reduziert wird, welches einen Teil des integrierten Schaltkreises bildet und dazu bestimmt ist, elektrisch leitfähige Pfade zu schaffen, die die verschiedenen aktiven und passiven Komponenten des integrierten Schaltkreises untereinander ebenso wie mit den jeweiligen Anschlußflächen (Stiften) des integrierten Schaltkreises verbinden, und die mit einem geeigneten Material gemacht sind. Es ist klar, daß ebenso leitfähige Materialien eingeschlossen sind, welche unter bestimm­ ten Aspekten nicht direkt als Metalle oder metallische Legierungen betrachtet werden können, z. B. hochleitfähige Halbleiter, Kompositmaterialien, inter­ metallische Materialien, leitfähige Harze bzw. Kunststoffe, etc.

Claims (3)

1. Integrierter Schaltkreis mit einer Spannungs-Begrenzungsdiode, die zwi­ schen eine Anschlußfläche des integrierten Schaltkreises und einen Gleichpotentialknoten des integrierten Schaltkreises geschaltet ist, um eine integrierte Halbleiterstruktur, die mit der Anschlußfläche verbunden ist, gegen elektrostatische Überspannungen zu schützen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen der Diode und dem Gleichpotential­ knoten des integrierten Schaltkreises einen kleineren Widerstand hat als ein Wert R, der durch die folgende Beziehung gegeben ist: wobei VDAM ein Minimalwert einer elektrostatischen Entladungsspannung ist, der von der integrierten Struktur ohne Schaden ausgehalten werden muß und k eine experimentell vorbestimmte Konstante ist, wobei die elektrische Verbindung zwischen einem Anschluß der Diode und dem Gleichpotentialknoten des integrierten Schaltkreises unter Verwendung mehrerer Metallisierungsniveaus hergestellt wird, die parallel geschaltet sind.
2. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand R kleiner als 10 Ohm ist.
3. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Eingangs-Anschlußflächen, die jeweils mit einer Begrenzungsdiode zu einem ersten Gleichpotentialknoten hin und mit einer zweiten Begrenzungsdiode zu einem zweiten Gleichpotentialknoten des integrierten Schaltkreises hin versehen sind, wobei die Verbindung eines Anschlusses der Schutzdioden mit dem jeweiligen Gleichpotential­ knoten des integrierten Schaltkreises unter Verwendung zweier Ring-Metallisierungen gemacht wird, die auf bestimmten Niveaus angeordnet sind, um die Widerstände der Verbindungen zu vermindern.
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