DE3835569C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schutzanordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 29 51 421 bekannt.

In derartigen Schutzanordnungen für integrierte Schaltungen werden Diffusionszonen zu Isolationszwecken eingesetzt. Zwischen einzelnen dieser Diffusionszonen können leitende Kanäle entstehen; diese führen zu einem hauptsächlich vertikalen Ladungsabfluß, wobei durch den daraus resultierenden unerwünschten Stromfluß die Effizienz der Schutzanordnung stark beeinträchtigt wird.

Aus der DE-OS 36 35 729 ist eine 6-Schicht-Schutzstruktur bekannt, bei der durch großflächige hochdotierte Zonen - sogenannte vergrabene Schichten - in Sperrichtung gepolte PN-Dioden zwischen einzelnen Bereichen der Schutzstruktur gebildet werden; diese Dioden sollen die unerwünschten Leckströme unterbinden. Diese bekannte Schutzstruktur hat jedoch den Vorteil, daß wegen der hohen Ladungsträgerkonzentration der Schichten auch die Sperrschichtkapazität der Diode relativ groß wird und Randkapazitäten entstehen; das Frequenzverhalten der integrierten Schaltung wird - vor allem bei HF-Schaltkreisen - dadurch negativ beeinflußt. Zudem werden bei diese bekannten Schutzstruktur parasitäre laterale Transistoren gebildet, die das Schutzverhalten beeinträchtigen können.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzanordnung für integrierte Schaltungen anzugeben, die bei einfachen Herstellungsschritten - insbesondere im Bereich hochfrequenter Störungen - eine integrierte Schaltung sicher schützen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung der Schutzanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Schutzanordnung kann die Gesamtkapazität durch die Reihenschaltung dreier Sperrschichtkapazitäten - selbst bei hoher Ladungsträgerkonzentration einzelner Halbleiterschichten der Schutzanordnung - sehr klein gemacht werden.

Da der sog. zweite oder aktive Teil der Schutzanordnung vom Anschlußteil anstelle einer diffundierten Isolationszone durch eine Oxid-Isolationszone getrennt ist - Oxidschichten für Isolationszwecke sind zur Verwendung bei Thyristor- Speicherzellen z. B. aus der Literaturstelle "Neues aus der Technik", Nr. 1, 20. Februar 1987, S. 4, bekannt -, werden parasitäre Oberflächeneffekte, Stromkanäle und Transistorwirkungen vermieden.

Der Aufbau der Schutzanordnung, ihre Herstellung und Funktionsweise, sowie bevorzugte Ausgestaltungs- und Anwendungsmöglichkeiten sollen nun nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 im Schnitt eine schematische Darstellung einer ersten Form der Schutzanordnung,

Fig. 2 im Schnitt eine andere Ausführungsform der Schutzanordnung,

Fig. 3 in Draufsicht die Integration der Schutzanordnung in einer integrierten Schaltung.

In Fig. 1 wird eine schematische Darstellung einer Schutzanordnung 1, 2 gezeigt, die gleichzeitig und mit den gleichen Prozeßschritten wie die integrierte Schaltung hergestellt wird. Die Schutzanordnung wird aus einem Vierschichtelement als ersten Teil 1 und einer Anschlußzone als zweiten Teil 2 gebildet.

Zur Herstellung der Schutzanordnung 1, 2 wird auf einen Grundkörper 6 (Substrat) des P-Leitungstyps, eine epitaktische Schicht 8a des N-Leitungstyps aufgebracht. Zwischen dem Substrat 6 und der epitaktischen Schicht 8a befindet sich als zweite äußere Schicht eine vergrabene Schicht 7 vom gleichen Leitungstyp wie dem des Substrats 6, jedoch mit einer höheren Dotierungskonzentration; in der integrierten Schaltung hat die vergrabene Schicht 7 die Funktion eines Channelstoppers. In der epitaktischen Schicht 8a wird eine Anschluß- bzw. Diffusionszone 10a des P-Leitungstyps gebildet, welche eine höhere Dotierungskonzentration als das Substrat 6 aufweist und mit der vergrabenen Schicht 7 in Kontakt steht; in der integrierten Schaltung dient die Diffusionszone 10a zur Kontaktierung des Substrats 6. In der epitaktischen Schicht wird eine weitere innere Schicht als Diffusionszone 9 vom P-Leitungstyp derart gebildet, daß ein Teil 8 der ursprünglichen epitaktischen Schicht 8a erhalten bleibt, der als innere Schicht einen Kontakt zwischen der Diffusionszone 9 und der vergrabenen zweiten äußeren Schicht 7 verhindert; in der integrierten Schaltung dient die Diffusionszone 9 als intrinsische Basis eines NPN-Transistors. In die Diffusionszone 9 wird eine weitere Schicht als Diffusionszone 12a - die den gleichen Leitungstyp wie die epitaktische Schicht 8, jedoch eine höhere Dotierungskonzentration aufweist - derart eingebracht, daß unter dieser Diffusionszone 12a ein Teil der Diffusionszone 9 erhalten bleibt und ein Kontakt zwischen der Diffusionszone 12a und der epitaktischen Schicht 8 verhindert wird; in der integrierten Schaltung entspricht die Diffusionszone 12a dem Emitter eines NPN-Transistors.

Die Diffusionszonen 12a und 9, die epitaktische Schicht 8 und die vergrabene Schicht 7 bilden somit ein Vierschichtelement 1, bei dem der Leitfähigkeitstyp aufeinanderfolgender Schichten alterniert. Die Diffusionszone 10a und ein Teil der vergrabenen Schicht 7 bilden als zweiter Teil bzw. Anschlußteil 2 den zweiten niederohmigen Anschluß dieses Vierschichtelements 1. Die Schutzanordnung 1, 2 ist mittels einer Oxid-Isolationszone 5a von den angrenzenden diffundierten Zonen bzw. epitaktischen Schichten der integrierten Schaltung isoliert. Die Oxid-Isolationszone 5b separiert das Vierschichtelement 1 der Schutzanordnung - das aus den diffundierten Zonen 12a und 9, der epitaktischen Schicht 8 und einem Teil der vergrabenen Schicht 7 besteht - vom Anschlußteil 2 der Schutzanordnung, der aus der Diffusionszone 10a und einem weiteren Teil der vergrabenen Schicht 7 besteht; die Oxid-Isolationszone 5b trennt also den aktiven Teil 12a, 9, 8, 7 des Vierschichtelements 1 von der Anschlußzone 10a. Die Oxid-Isolationszonen 5a, 5b werden beispielsweise durch Aufbringen einer Oxidschicht auf einen Graben in der epitaktischen Schicht 8a - durch einen sogenannten LOCOS-Prozeß - hergestellt. Die Oberfläche der Schutzanordnung ist mit einer Isolierschicht 11 bedeckt, die zwei Öffnungen enthält - die Kontaktfenster 13 und 14. Durch das Kontaktfenster 13 wird die Diffusionszone 12a mit der Anschlußelektrode 3 verbunden, durch das Kontaktfenster 14 die Diffusionszone 10a mit der Elektrode 4. Falls eine der beiden inneren Schichten 8, 9 des Vierschichtelements mit einer externen Steuerelektrode verbunden wird, kann der oben beschriebene Thyristor mit Hilfe eines Steuerstroms geschaltet werden.

Diese Schutzanordnung kann zum Schutz der Eingangsleitung oder Ausgangsleitung einer integrierten Schaltung gegen Überspannungen einer bestimmten Polarität verwendet werden. Mit der in der Fig. 1 dargestellten Leitfähigkeitsabfolge der Schichten 12a, 9, 8, 7 des Vierschichtelements eignet sich die Schutzanordnung zum Schutz gegen negative Überspannungen. Die Elektrode 3 wird dazu mit der zu schützenden Leitung verbunden, die Elektrode 4 wird an Masse gelegt. Wenn nun an der zu schützenden Leitung eine gegenüber der Masse negative Spannung auftritt, welche größer als die Kippspannung des von den Diffusionszonen 12a, 9, der epitaktischen Schicht 8 und der vergrabenen Schicht 7 gebildeten Thyristors ist, oder wenn die Steilheit der Spannung ausreicht, einen Verschiebungsstrom zu erzeugen, der größer als der Zündstrom des Thyristors ist, schaltet der oben definierte Thyristor vom nichtleitenden in den leitenden Zustand. Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 3 und 4 in Form einer Spannungsspitze wird dann durch einen Strom durch den Thyristor und die Diffusionszone 10a ausgeglichen und die integrierte Schaltung vor der Überspannung geschützt. Im durchgeschalteten Zustand entspricht die Strom-Spannungs-Kennlinie des Thyristors weitgehend der Durchlaßkennlinie einer PIN-Diode; die im Thyristor umgesetzte Leistung ist folglich wesentlich geringer im Vergleich zu einer in Sperrichtung betriebenen Diode. Beim Auftreten einer gegenüber der Masse positiven Spannung an der zu schützenden Leitung verhält sich die Schutzanordnung hinsichtlich ihrer Strom-Spannungs- Kennlinie wie eine in Sperrichtung betriebene Diode, deren Sperrspannung der Sperrspannung des oben definierten Thyristors vergleichbar ist. Die Kippspannung des Thyristors kann je nach Anforderung an die Schutzanordnung durch die Dicke der inneren epitaktischen Schicht 8 unterschiedlich vorgegeben werden; die Dicke der epitaktischen Schicht 8 wird dabei im wesentlichen von der Ladungsträgerkonzentration der vergrabenen zweiten äußeren Schicht 7 eingestellt. Wird für den Thyristor gerade die zu Fig. 1 inverse Leitfähigkeitsabfolge der Schichten 12a, 9, 8, 7, beispielsweise P⁺, N⁻, P⁻, N⁺ gewählt, so werden auch die Eigenschaften der Schutzanordnung invertiert; d. h. eine derartige Schutzstruktur eignet sich dann zum Schutz gegen positive Überspannungen an der Signalleitung einer integrierten Schaltung.

Anhand der Fig. 2 wird eine gegenüber der Fig. 1 modifizierte Version der Schutzanordnung und das zugehörige Herstellungsverfahren erläutert. Diese Schutzanordnung wird dann eingesetzt, wenn bei der gleichzeitig mit der Schutzanordnung hergestellten integrierten Schaltung die extrinsische Basis und der Emitter von NPN-Transistoren durch Ausdiffusion aus vordotiertem Polysilizium in die epitaktische Schicht hergestellt werden.

Die Diffusionszone 10b der Schutzanordnung wird dann analog zur extrinsischen Basis des Transistors in der integrierten Schaltung, die Diffusionszone 12b der Schutzanordnung analog zum Emitter des Transistors in der integrierten Schaltung durch Ausdiffusion der vordotierten Polysiliziumschichten 15 bzw. 16 in die epitaktische Schicht 8 hergestellt. Zwischen der epitaktischen Schicht 8 und dem Substrat 6 befindet sich zusätzlich zur vergrabenen Schicht 7 eine weitere vergrabene Schicht 17, welche den gleichen Leitungstyp wie die vergrabene Schicht 7, jedoch eine höhere Dotierungskonzentration als diese aufweist. Die vergrabene Schicht 17 steht derart in Kontakt mit der vergrabenen Schicht 7, daß die Überlappungszone beider Schichten unter der Oxid-Isolationszone 5b liegt; außerdem steht die vergrabene Schicht 17 in Kontakt mit der Diffusionszone 10b. Durch die höhere Dotierungskonzentration der vergrabenen Schicht 17 gegenüber der vergrabenen Schicht 7 besitzt die Schutzanordnung gemäß Fig. 2 einen niedrigeren Bahnwiderstand als die Schutzanordnung gemäß Fig. 1.

Die Fig. 3 zeigt schließlich in Draufsicht eine mögliche Integration der in der Fig. 1 dargestellten Schutzanordnung in einer integrierten Schaltung.

Das Vierschichtelement 1 der Schutzanordnung ist sowohl mittels der Elektrode 3 mit der Signalleitung (der Eingangsleitung oder Ausgangsleitung) als auch mit einem Eingangspfad oder Ausgangspfad 18 verbunden; die Anschlußzone 2 der Schutzanordnung 1, 2 ist mit der Masseelektrode 4 verbunden, die zu einem Masseanschlußpfad 19 führt.

Die Ränder der Diffusionszonen und Oxid-Isolationszonen sind zur Vermeidung von Kanten abgerundet, da Kanten Feldstärkeerhöhungen und erhöhte Ladungsträgerkonzentrationen verursachen; dadurch könnten lokal Stromdichteerhöhungen und Stromkanäle entstehen, die eine thermische Überlastung der Schutzstruktur durch Einschnürung zur Folge haben können.

Die beschriebene Schutzanordnung kann beispielsweise zum Schutz gegen Überspannungen, zum Polschutz gegen das Anlegen von Spannungen mit falscher Polarität oder zum Schutz gegen elektrostatische Entladungen verwendet werden.

Wenn das Vierschichtelement der Schutzanordnung steuerbar ausgebildet ist, läßt sich auch das Verhalten der Schutzanordnung auf definierte Weise extern steuern.

Claims (11)

1. Schutzanordnung (1, 2), die gleichzeitig und integrierbar mit einer zu schützenden integrierten Schaltung hergestellt wird und derart ausgebildet ist, daß sie bei solchen Spannungsverhältnissen bestimmter Polarität durchgeschaltet wird, bei denen die integrierte Schaltung noch nicht geschädigt wird, wobei die Schutzanordnung als ersten Teil (1) ein Vierschichtelement (1) mit vier Schichten (12a, 9, 8, 7 bzw. 12b, 9, 8, 7) alternierender Leitfähigkeit aufweist, und eine erste äußere Schicht (12a bzw. 12b) des Vierschichtelements (1) mit der zu schützenden Anschlußelektrode (3) der integrierten Schaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzanordnung lateral als zweiten Teil (2) zur Ableitung von Spannungsspitzen eine Anschlußzone (10a, bzw. 10b) vom gleichen Leitungstyp wie die zweite äußere Schicht (7) des Vierschichtelements (1) mit zugehöriger Elektrode (4) aufweist, und daß die Anschlußzone (10a bzw. 10b) und der aktive Teil (12a, 9, 8 bzw. 12b, 9, 8) des Vierschichtelements (1) durch eine Oxid-Isolationszone (5b) voneinander getrennt sind.

2. Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere Schicht (7) des Vierschichtelements (1) als erste vergrabene Schicht im Grundkörper (6) der Schutzanordnung (1, 2) ausgebildet ist.

3. Schutzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußzone (10a) die zweite äußere Schicht (7) des Vierschichtelements (1) niederohmig mit der Oberfläche des zweiten Teils (2) der Schutzanordnung (1, 2) verbindet.

4. Schutzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere Schicht (7) des Vierschichtelements (1) über eine weitere vergrabene Schicht (17) und die Anschlußzone (10b) niederohmig mit der Oberfläche des zweiten Teils (2) der Schutzanordnung (1, 2) verbunden ist.

5. Schutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden inneren Schichten (8, 9) des Vierschichtelements (1) eine niedrige Dotierungskonzentration und die beiden äußeren Schichten (12a, 7 bzw. 12b, 7) des Vierschichtelements (1) eine hohe Dotierungskonzentration aufweisen.

6. Schutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußzone (10a bzw. 10b) und die beiden vergrabenen Schichten (7, 17) eine hohe Dotierungskonzentration aufweisen.

7. Schutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichten (7, 8, 9, 10a, 12a bzw. 7, 8, 9, 10b, 12b, 17) der Schutzanordnung (1, 2) durch Oxid-Isolationszonen (5a) von den Halbleiterschichten der angrenzenden integrierten Schaltung getrennt sind.

8. Schutzanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Diffusionszonen (9, 10a, 10b, 12a, 12b), der Rand der Oxid- Isolationszonen (5a, 5b) und der Rand der Elektroden (3, 4) zur Vermeidung von Kanten abgerundet ist.

9. Schutzanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche externe Elektrode mit einer der beiden inneren Schichten (8, 9) des Vierschichtelements (1) verbunden ist, und daß das Vierschichtelement (1) als steuerbarer Thyristor ausgebildet ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Schutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (9, 10a, 12a) durch direkte Implantation oder direkte Diffusion in die epitaktische Schicht (8) eingebracht werden.

11. Verfahren zur Herstellung einer Schutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (10b, 12b) durch Ausdiffusion aus vordotiertem Polysilizium (15, 16) hergestellt werden.