DE3885263T2

DE3885263T2 - Eingangsschutzschaltung für eine MOS-Halbleitervorrichtung.

Info

Publication number: DE3885263T2
Application number: DE88121907T
Authority: DE
Inventors: Shigeru C O Patent Divi Atsumi; Yasuo C O Patent Divi Kawahara; Fuminari C O Patent Div Tanaka; Toru C O Patent Divisi Yoshida
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-01-11
Filing date: 1988-12-30
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2008-12-31
Also published as: DE3885263D1; EP0324185A2; JPH01181565A; EP0324185A3; KR890012398A; KR910009355B1; JPH07105446B2; US4924339A; EP0324185B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eingangsschutzschaltung für eine MOS-Halbleitervorrichtung zum Schutz eines Gate-Isolierfilms eines in einer Eingangsstufe enthaltenen Transistors vor Hochspannungsrauschen.
Eines der Hauptprobleme bei IC-Vorrichtungen, das häufig auftritt, nachdem ein fertiggestelltes IC-Chip mit Gehäuse versehen wird, ist ein ESD-(Electric Static Discharge - elektrostatische Entladung)-bedingter Durchbruch. Hierbei handelt es sich um ein Gate-Durchbruchsphänomen, welches in Erscheinung tritt, wenn ein aufgeladenes Objekt, beispielsweise ein menschlicher oder mechanischer Körper, mit einem externen Stift oder Stiften des mit Gehäuse versehenen IC in Kontakt kommt, so daß Ladungen vom Objekt in das Innere des IC-Gehäuses fließen, was zur Folge hat, daß an das Gate des MOS-Transistors in der Eingangsstufe der IC-Halbleiterschaltung eine hohe Spannung angelegt wird, wodurch das Gate des Transistors möglicherweise beschädigt wird. Um das Gate vor Überspannung zu schützen, müssen bestimmte Maßnahmen zum Festhalten der am Gate anliegenden Spannung ergriffen werden.
Eine solche bisher angewandte typische Maßnahme sieht die Anordnung eines Schutzelements 62, z.B. einer Diode oder eines Bipolartransistors, in der Nähe und in Verbindung mit einem Eingangskissen 61 vor, welches mit einem externen Stift (nicht dargestellt) eines IC-Gehäuses gekoppelt ist, wie in der Fig. 1 gezeigt. Durch die Bereitstellung des Schutzelements 62 wird eine übermäßig hohe Spannung oder eine an das Eingangskissen 62 angelegte Stoßspannung festgehalten, wodurch die Stoßspannung daran gehindert wird, sich auszubreiten und einen MOS-Transistors 63 in der Eingangsstufe zu erreichen. Das Schutzelement ist also in der Nähe des Eingangskissens angeordnet. Der Grund hierfür ist, daß das Schutzelement als eine Latch-up-Erzeugungsquelle fungieren kann, um beispielsweise die interne Schaltung nachteilig zu beeinflussen, und deshalb muß das Schutzelement so weit entfernt von der internen Schaltung angeordnet sein, daß es diese nur in geringem Maße nachteilig beeinflußt.
Im Falle des dicken Gate-Oxidfilms des MOS-Transistors 63 funktioniert die obige Schutzschaltung zufriedenstellend. Bei den seit kurzem üblichen dünneren Oxidfilmen ist die herkömmliche Schutzschaltung häufig wirkungslos. Dies wird detailliert anhand eines speziellen Beispiels beschrieben. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 sei der Fall angenommen, daß das Schutzelement 62 ein Aluminium-Feldtransistor (entsprechend einem Bipolartransistor) ist, bei dem die Kanalweite 500 um und der Abstand zwischen den Source- und Drain-Diffusionszonen 2,4 um und die Dicke des Gate-Oxidfilms des MOS-Transistors 63 der Eingangsstufe 25nm (250 Å) beträgt. In diesem Fall beträgt eine Durchbruchspannung am pn-Übergang dieses Transistors etwa 15 V. Wird sie bei etwa 15 V festgehalten, erreicht ein an das Gate des MOS-Transistors der Eingangsstufe gelegtes elektrisches Feld höchstens 6 MV/cm. Es besteht keine Gefahr, daß ein solches elektrisches Feld den Durchbruch des Gate bewirkt.
Die EIAJ-Norm für das ESD-Bewertungsverfahren ist allmählich durch die MIL-Norm ersetzt worden. Die Bewertungsbedingungen gemäß MIL-Norm (100 pF, 1,5 kΩ) wurden zur Bewertung der herkömmlichen Schutzschaltung zugrundegelegt. Im Zuge der Bewertung wurde bei Anliegen einer Spannung von ca. ±1400 V am Eingangskissen 61 der Gate-Durchbruch beobachtet. Wenn die Polarität der angelegten Spannung positiv ist, beträgt die Stärke des am Gate angelegten elektrischen Feldes 6 MV/cm. Ist sie negativ, so hat das elektrische Feld eine wesentlich geringere Stärke als das zuvor genannte Feld, und der Gate- Durchbruch kann nicht eintreten. Dennoch wurde tatsächlich sowohl bei positiver als auch negativer anliegender Spannung ein Durchbruch des Gate beobachtet. Noch niemand hat die Ursache dieses Phänomens exakt erklären können. Wir kommen zu dem Schluß, daß die am Draht beteiligte Induktivitätskomponente einen großen Anteil am Gate-Durchbruch hat. Dies wird im folgenden erläutert. Normalerweise verläuft ein mehrere Millimeter langer Aluminiumdraht vom Schutzelement in der Nähe des Eingangskissens im Inneren des IC zur internen Schaltung. Der Draht hat eine Induktivität L von etwa einigen Zehn nH.
Es sein nunmehr angenommen, daß eine ESD-Spannung an einem externen Stift (nicht dargestellt) und ein Hochspannungsrauschen, wie in der Fig. 2(A) gezeigt, am Eingangskissen angelegt ist. Unter dieser Bedingung wird ein Potential in der Nähe des Verbindungsdrahtes zum Schutzelement 62 bei der Durchbruchspannung Vbk festgehalten, wie in der Fig. 2(B) gezeigt. Wenn sich das Potential auf diese Weise schrittweise oder plötzlich ändert, wirkt die Induktivität L so, daß das Potential des Drahts in der Nähe des Gate des MOS-Transistors 63, wie in der Fig. 2(C) gezeigt, schwingt. Während der Schwingung erscheint das am Gate angelegte Potential wiederholt, welches die vom Schutzelement festgehaltene Spannung momentan überschreitet. Die Überpotentiale bewirken im Gate- Oxidfilm wiederholte Spannungen, die schließlich zum Durchbruch des Gate führen.
Bei der EP-A-0 280 236 handelt es sich um eine frühere Europäische Patentanmeldung, die zum Stand der Technik nach Artikel 53(3) EPÜ gehört und die eine halbkundenspezifische integrierte Isolierschicht-Schaltung beschreibt, welche eine Eingangsschutzschaltung für eine MOS-Halbleitervorrichtung umfast. Bei dieser integrierten Schaltung ist ein erster MOS- Transistor in einer Eingangsstufe der MOS-Halbleitervorrichtung vorgesehen, und ein Draht verbindet ein Eingangskissen mit dem Gate des ersten MOS-Transistors.
Ein erstes aus zwei in Reihe geschalteten Dioden bestehendes Schutzelement ist in der Nähe des Eingangskissens angeordnet, wobei ein Ende des ersten Schutzelements mit dem Verbindungsdraht und das andere Ende mit einem Erdungspotential oder einem Spannungsquellenpotential gekoppelt ist. Ein zweites aus zwei weiteren MOS-Transistoren bestehendes Schutzelement ist in der Nähe des Gate des ersten MOS-Transistors angeordnet, wobei ein Ende des zweiten Schutzelements mit dem Verbindungsdraht und das andere Ende mit dem Erdungs- oder Spannungsquellenpotential gekoppelt ist.
Das ebenfalls zum Stand der Technik gehörende Dokument "Patent Abstracts of Japan 9 (298), E-361" beschreibt eine Eingangsschaltung-Gatematrix, in der ein P-Kanal- und ein N- Kanal-MOS-Transistor einen CMOS-Inverter bilden. Eine erste Diode sorgt für eine Schutzwirkung gegenüber einer negativ gerichteten statischen Eingangsspannung, und eine zweite Diode bewirkt dies gegenüber einer positiven statischen Eingangsspannung. Parasitäre Dioden zwischen den Substratzonen und den Drains des N-Kanal- und des P-Kanal-MOS-Transistors in der zur Eingabe/Ausgabe der Gruppe von Eingangs-/Ausgangszellen ungenutzten Zelle sind zusätzlich als dritte und vierte Schutzdiode geschaltet. Die elektrostatische Festigkeit der Schutzdiode kann ohne Einfluß auf die Anzahl der Eingangs-/Ausgangszellen oder auf die Größe der Chips vrbessert werden.
Das zum Stand der Technik gehörende Dokument "Patent Abstracts of Japan 2 (104), (E-53) (5437)" beschreibt einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit einer Schutzvorrichtung entsprechend der Präambel des Patentanspruchs 1. In dieser bekannten Schaltungsanordnung ist ein zweiter MISFET sehr nahe an einem Gate-Anschluß eines ersten MISFET zwischen diesem Gate-Anschluß und einer Streukapazität angeordnet.
Schließlich beschreibt das zum Stand der Technik gehörende Dokument "Patent Abstracts of Japan 2 (112) , (E-57) (6074)" eine Halbleitervorrichtung, bei der eine Gate-Schutzschaltung zwei Dioden enthält, welche zwischen Gate- und Source-Elektroden von MOS-Transistoren angeschlossen sind. Des weiteren ist ein Dünnschichtwiderstand zur Stromverringerung in der Nähe eines Eingangskissens vorgesehen, und beide Enden dieses Dünnschichtwiderstands sind mit einem Eingangsdraht verbunden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Eingangsschutzschaltung für eine MOS-Halbleitervorrichtung bereitzustellen, welche eine hinreichend hohe ESD-Durchbruchspannung hat und für derzeitige und künftige MOS-Halbleitervorrichtungen mit dünnen Gate-Oxidfilmen geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Eingangsschutzschaltung vor, wie diese im Patentanspruch 1 angegeben ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltschema, welches einen Teil einer herkömmlichen MOS-Halbleitervorrichtung mit einer Eingangsschutzschaltung darstellt, aus dem die Beziehung zwischen der Schutzschaltung und der Halbleiterschaltung ersichtlich ist;
Fig. 2 einen Satz von Wellenformen, welche die Spannungen in der Schaltung gemäß Fig. 1 darstellen;
Fig. 3 ein Schaltschema einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung;
Fig. 4 eine Schnittansicht eines ersten Schutzelements der ersten Ausführungsform;
Fig. 5 eine Schnittansicht eines zweiten Schutzelements der ersten Ausführungsform;
Fig. 6 eine Schnittansicht eines ersten Schutzelements der ersten Ausführungsform;
Fig. 7 eine Schnittansicht eines ersten Schutzelements der ersten Ausführungsform;
Fig. 8 bis 11 Schaltschemata der Anordnungen 2. bis 5. Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung;
Fig. 12 eine Schnittansicht eines in jeder der Ausführungsformen der Fig. 10 und 11 verwendeten Elements;
Fig. 13 eine Draufsicht zur Darstellung einer Struktur eines CMOS-IC, in dem eine Eingangsschutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ist;
Fig. 14 eine Graphik zur vergleichenden Darstellung der Elementzerstörungsraten der Eingangsschutzschaltungen gemäß den obigen Ausführungsbeispielen und derjenigen gemäß dem Stand der Technik; und
Fig. 15 bis 16 Schaltschemata der Anordnungen 6. und 7. Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr anhand eines bestimmten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
Die Fig. 3 ist ein Schaltplan zur schematischen Darstellung einer Anordung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung. In der Figur ist ein mit einem (nicht dargestellten) Eingangsstift verbundenes Eingangskissen 11 über einen aus Aluminium bestehenden Verbindungsdraht 12 mit dem Gate eines MOS-Transistors 13 in der Eingangsstufe einer MOS-Halbleitervorrichtung gekoppelt. Ein Punkt des Drahtes 12 nahe am Eingangskissen 11 ist mit dem Kollektor eines npn-Bipolartransistors 14 verbunden, welcher als ein erstes Schutzelement dient. Der Emitter dieses Transistors 14 ist an ein Massepotential Vss angeschlossen. Ein anderer Punkt des Drahtes 12 nahe am Gate des MOS-Transistors 13 ist an die Kathode einer Diode 15 mit pn-Übergang, welche als zweites Schutzelement dient, angeschlossen. Die Anode dieser Diode 15 ist mit dem Massepotential Vss gekoppelt. Der Verbindungsdraht 12 enthält eine Induktivität L, welche in der Darstellung entsprechend gekennzeichnet ist.
Wenn in der so aufgebauten Schaltung eine ESD-bedingte Spannung an den Eingangsstift des mit dem Eingangskissen 11 gekoppelten IC gelegt wird, fließt der Großteil der in das Eingangskissen 11 eingeleiteten Energie über den Bipolartransistor in Richtung jedes Potentials. Diese Funktionsweise ist ähnlich derjenigen der herkömmlichen Schaltung gemäß Fig. 1. Wie bereits erwähnt, wäre anzunehmen, daß der Durchbruch der Gate-Sperrschicht in einer herkömmlichen Schaltung auf die Induktivität L des Verbindungsdrahtes zurückzuführen ist. Mit anderen Worten, eine an den Gate-Oxidfilm des MOS-Transistors in der Eingangsstufe angelegte extrem hohe Potentialspannung resultiert trotz geringer Energie im Durchbruch des Gate- Oxidfilms.
Als Gegenmaßnahme hierzu ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Diode 15 mit pn-Übergang, welche als ein weiteres Schutzelement dient, in der Nähe des Gate des MOS-Transistors 13 vorgesehen. Diese Diode hält die an das Gate des MOS-Transistors 13 angelegte Überspannung fest. Als Ergebnis wird der Gate-Oxidfilm des MOS-Transistors, obwohl er sehr dünn ist, niemals durchbrechen. Die ESD-Durchbruchspannung ist damit verbessert.
Die meiste in das Eingangskissen 11 eingeleitete Energie wird zunächst über den Transistor 14 nebengeschlossen, und dann erreicht die restliche Energie, die zwar gering ist, aber ein hohes Potential hat, über den Verbindungsdraht die Diode 15. Deshalb kann die Diode 15 als das zweite Schutzelement mit einer kleineren Chipfläche diese restliche Energie in geeigneter Weise verarbeiten. Des weiteren tritt trotz der Bereitstellung dieser Diode 15 in der internen Schaltung kein Latch-up auf.
Die Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Teils der Struktur des Bipolartransistors 14, wie er in der obenbeschriebenen Ausführungsform verwendet wird. Ein IC-Chip verwendet ein Siliziumsubstrat 21 des p-Typs. Ein Paar Diffusionszonen des n&spplus;-Typs 23 und 24 sind im Oberflächenbereich des Substrats 21 ausgebildet, wobei ein Feldoxidfilm 22 zwischen diesen angeordnet ist. Die Diffusionszone 23 ist an einen aus Aluminium bestehenden und mit dem Verbindungsdraht 12 gekoppelten Draht 25 angeschlossen. Dieser Draht 25 verläuft über den Feldoxidfilm 22. Die andere Diffusionszone 24 ist mittels eines (nicht dargestellten) Drahtes mit dem Massepotential Vss verbunden. Das so angeordnete Element wird im allgemeinen als Aluminium-Feldtransistor bezeichnet und fungiert als ein Bipolartransistor, in dem die n&spplus;-Diffusionszonen 23 bzw. 24 als Kollektor und Emitter und das p-Typ-Substrat als die Basis dienen.
Die Fig. 5 ist eine Schnittansicht, welche die Struktur der Diode 15 mit pn-Übergang, die im obigen Ausführungsbeispiel als das zweite Schutzelement verwendet wird, detailliert darstellt. Auch bei dieser Struktur verwendet ein IC-Chip das Siliziumsubstrat 21 des p-Typs. Eine Diffusionszone des n&spplus;- Typs 26 ist im Oberflächenbereich des Substrats 21 ausgebildet, welches vom Feldoxidfilm 22 gekapselt ist. Diese Diffusionszone 26 ist mit einem aus Aluminium bestehenden und mit dem Verbindungsdraht 12 gekoppelten Draht angeschlossen. Die Diode 15 mit pn-Übergang ist so aufgebaut, daß die Diffusionszone des n&spplus;-Typs 26 als die Kathode und das p-Typ-Substrat als die Anode dienen.
Die Fig. 6 und 7 sind Schnittansichten, die jeweils einen Teil der Struktur eines Elements zeigen, welches als das erste Schutzelement dienen kann und im obigen Ausführungsbeispiel verwendet wird. Im Fall der Fig. 6 ist ein Paar Diffusionszonen des n&spplus;-Typs 28 und 29 im Oberflächenbereich des Substrats 21 ausgebildet, wobei ein Feldoxidfilm 22 zwischen diesen angeordnet ist. Die Diffusionszone 28 ist an den Verbindungsdraht 12 angeschlossen. Die andere Diffusionszone 29 ist mit dem Massepotential Vss verbunden. Das so angeordnete Element fungiert als ein npn-Bipolartransistor, in dem die n&spplus;-Diffusionszonen 28 bzw. 29 als Kollektor und Emitter und das p-Typ-Substrat als die Basis dienen.
Bei dem in der Fig. 7 dargestellten Element ist ein Paar Diffusionszonen des n&spplus;-Typs 30 und 31 im Oberflächenbereich des Substrats 21 ausgebildet, wobei eine Gate-Elektrode 32 den Oberflächenbereich zwischen diesen Diffusionszonen überbrückt. Die Diffusionszone 30 ist an den Verbindungsdraht 12 angeschlossen. Die andere Diffusionszone 31 und die Gate- Elektrode 32 sind mit dem Massepotential Vss verbunden. Das so angeordnete Element fungiert als ein npn-Bipolartransistor, in dem die n&spplus;-Diffusionszonen 30 bzw. 31 als Kollektor und Emitter und das p-Typ-Substrat als die Basis dienen.
Die Fig. 8 ist ein Schaltschema der Anordnung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung. Im ersten Ausführungsbeispiel dient der Bipolartransistor 14 als das erste Schutzelement, welches in der Nähe des Eingangskissens 11 des Verbindungsdrahtes 12 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das ersten Schutzelement aus einem Diodenpaar, wovon eine eine Diode 16 mit pn-Übergang ist, welche zwischen den Draht 12 und das positive Spannungsquellenpotential Vcc eingeschaltet ist, um eine positive hohe Eingangsspannung festzuhalten, und die andere eine Diode 16 mit pn-Übergang ist, welche zwischen den Draht 12 und das Massepotential Vss eingeschaltet ist, um eine negative hohe Eingangsspannung festzuhalten. Das zweite Schutzelement kann die gleiche Diode mit pn-Übergang sein wie diejenige im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.
Die Fig. 9 ist ein Schaltschema der Anordnung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Schutzelement aus einem Transistorpaar, wovon einer ein npn-Transistor 14 und der andere ein als ein Aluminium-Feldtransistor ausgebildeter pnp-Transistor 18 ist, von dem der Kollektor mit dem Draht 12 und der Emitter mit dem positiven Spannungsquellenpotential Vcc gekoppelt ist. Auch in dieser Ausführungsform kann das zweite Schutzelement die gleiche Diode mit pn-Übergang sein wie diejenige im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.
Wenn in der Ausführungsform gemäß Fig. 9 eine ESD-bedingte positive Spannung an das Eingangskissen 11 gelegt wird, so wird diese über den Kollektor-Basis-Pfad des Transistors 18 oder durch die Bipolarwirkung des Transistors 14 nebengeschlossen. Ist die angelegte Spannung negativ, wird sie über den Kollektor-Basis-Pfad des Transistors 14 oder durch die Bipolarwirkung des Transistors 18 nebengeschlossen.
Die Fig. 10 ist ein Schaltschema der Anordnung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung. Während in jeder der obenerwähnten Ausführungsformen die Diode 15 mit pn-Übergang als das zweite Schutzelement verwendet ist, welches an den Punkt des Drahtes 12 in der Nähe des Gate von MOS-Transistor 13 angeschlossen ist, wird in diesem Fall der MOS-Transistor 19, dessen Drain und Source beide an den Draht 12 angeschlossen sind, als das zweite Schutzelement verwendet. Das Gate des Transistors 19 ist mit dem Massepotential Vss gekoppelt. In der Schaltung gemäß Fig. 10 kann das erste Schutzelement ein Bipolartransistor wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sein.
In dem Fall, in dem die Diode mit pn-Übergang als das zweite Schutzelement herangezogen wird, entspricht die Festhaltespannung der Oberflächendurchbruchspannung. Die Oberflächendurchbruchspannung des MOS-Transistors ist niedriger als die Durchbruchspannung des pn-Übergangs. Wird der MOS-Transistor 19 als das zweite Schutzelement verwendet, ist deshalb die auf den Gate-Oxidfilm des MOS-Transistors 13 in der Eingangsstufe wirkende Spannungsbelastung vermindert.
Die Fig. 11 ist ein Schaltschema der Anordnung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung. Bei der fünften Ausführungsform dient der MOS-Transistor 19 wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 als das zweite Schutzelement. Ein Unterschied zwischen dem fünften und vierten Ausführungsbeispiel (Fig. 10) besteht darin, daß das Gate des MOS-Transistors 19 ist mit dem Spannungsquellenpotential Vcc gekoppelt ist. Bei dieser Verbindung wird das Gate des Transistors 19 entsprechend geerdet, wenn eine Spannungsbelastung wirksam ist. Die resultierende Oberflächendurchbruchspannung ist niedriger als diejenige im normalen Betriebsmodus. Es können also verschiedene Typen von Elementen als das zweite Schutzelement verwendet werden.
Die Fig. 12 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur des MOS-Transistors 19 zeigt, welcher in den Ausführungsformen der Fig. 10 und 11 verwendet werden kann. Wie dargestellt, ist ein Paar n&spplus;-Diffusionszonen 33 und 34, welche als Soruce und Drain dienen sollen, im Oberflächenbereich des p-Typ- Substrats 21 ausgebildet und durch den Feldoxidfilm 22 gekapselt. Diese Diffusionszonen sind miteinander und mit dem Verbindungsdraht 12 verbunden. Eine Gate-Elektrode 35 überbrückt den Oberflächenbereich des Substrats 21 zwischen den n&spplus;-Diffusionszonen 33 und 34. Diese Gate-Elektrode 35 ist mit dem Massepotential Vss oder mit dem Spannungsquellenpotential Vcc gekoppelt.
Die Fig. 13 ist eine Draufsicht auf einen Teil der Struktur eines CMOS-IC mit der Eingangsschutzschaltung gemäß Fig. 3, in der nur ein Eingangskissen und dessen zugehörige Schaltung detailliert dargestellt sind. Der Einfachheit halber werden gleiche Abschnitte wie in der Fig. 3 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Das aus Aluminium bestehende Eingangskissen 11 ist mit dem Verbindungsdraht 25 des als erstes Schutzelement dienenden Bipolartransistors 14 über einen Verbindungsdraht 41 gekoppelt, welcher aus Aluminium besteht und ein Teil des Drahtes 12 ist. Der Bipolartransistor 14 ist ein Aluminiumfeldtransistor mit einer Querschnittsstruktur gemäß Fig. 4. Der Draht 25 ist durch eine Vielzahl von Kontaktbohrungen 42 mit einer entsprechenden Vielzahl von n&spplus;- Diffusionszonen 23 verbunden. Eine Vielzahl von n&spplus;- Diffusionszonen 24 ist durch eine Vielzahl von Kontaktbohrungen 43 mit einem Verbindungsdraht 44 verbunden, welcher aus Aluminium besteht und an das Massepotential Vss angeschlossen ist. Der Draht 25 ist mittels eines Überbrückungsdrahtes 45 als eine Polysiliziumschicht mit einem Aluminium-Verbindungsdraht 46 der internen Schaltung verbunden, wodurch der Draht 22 oberhalb des Drahtes 44 verlaufen kann. Dieser Draht 46 ist ebenfalls Teil des Drahtes 12.
In einer n-Typ-Senkenzone 47 ist ein Schaltungsblock 49 ausgebildet, welcher von einer n-Typ-Schutzringzone 48 umgeben ist. In diesem Schaltungsblock 49 ist ein P-Kanal-MOS-Transistor 50 vorgesehen, welcher als der MOS-Transistor der Eingangsstufe dient. Bezugszeichen 51 bezieht sich auf einen Polysiliziumdraht, welcher als Gate des Transistors 50 fungieren soll, und 52 und 53 kennzeichnen als Source und Drain vorgesehene p&spplus;-Diffusionszonen. Der Verbindungsdraht 46 ist mit dem Polysiliziumdraht 51 verbunden.
Mit 54 ist ein Schaltungsblock gekennzeichnet, welcher von einer p&spplus;-Schutzringzone 55 umgeben ist. Ein N-Kanal-MOS- Transistor 56 als MOS-Transistor der Eingangsstufe ist in diesem Schaltungsblock 54 ausgeformt. Bezugszeichen 57 bezieht sich auf einen Polysiliziumdraht, welcher als Gate des Transistors 56 fungieren soll, und 58 und 59 kennzeichnen als Source und Drain vorgesehene p&spplus;-Diffusionszonen. Der Verbindungsdraht 46 ist mit dem Polysiliziumdraht 57 verbunden. Innerhalb des Schaltungsblocks 54 ist der Draht 46 an der n&spplus;- Diffusionszone 60 angeschlossen, um als Kathode der als das zweite Schutzelement vorgesehenen Diode 15 mit pn-Übergang zu fungieren. Die Diode 15 ist von der Schutzringzone 55 im Schaltungsblock 54 umgeben, der den Eingangsstufen-MOS-Transistor 56 enthält.
Eine Chipfläche der als Kathode der Diode 15 mit pn-Übergang dienenden Diffusionszone 60 kann sehr klein sein, z.B. 10 um. Wenn also diese Diode 15 in der Nähe des MOS-Transistors 56 angeordnet ist, verursacht sie deshalb in der interen Schaltung nur ein schwaches Latch-up-Phänomen.
Die Fig. 14 zeigt eine Graphik zur vergleichenden Darstellung der Zerstörungsraten (%) der Elemente, wenn eine hohe Spannung an das Eingangskissen in jeder der obenbeschriebenen Ausführungsformen und in der herkömmlichen Eingangsschutzschaltung gelegt wird. In der Graphik beschreibt die Kurve "a" den Verlauf der Zerstörungsrate bei der herkömmlichen Schutzschaltung gemäß Fig. 1, welche wie folgt aufgebaut ist: Ein Polysilizium-Widerstand von 200 Ω und 20 um Breite ist in den Verbindungsdraht eingeschaltet, dessen Induktivität 20 nH beträgt; das Schutzelement ist ein Aluminium-Feldtransistor mit einer Kanalweite von 500 um und einem Abstand zwischen den Diffusionszonen von 2,4 um. Der Verlauf der Zerstörungsrate gemäß Kurve "b" ergibt sich, wenn das Schutzelement 52 in der herkömmlichen Schutzschaltung ein Aluminium-Feldtransistor mit einer Kanalweite von 500 um und einem Abstand zwischen den Diffusionszonen von 2,4 um ist. In diesem Fall ist der zerstörte Abschnitt der Gate-Oxidfilm des MOS-Transistors der Eingangsstufe. Die Durchbruchspannung beträgt ±1400 V und ist gegenüber der Kurve "a" niedrig. Der Verlauf der Zerstörungsrate gemäß Kurve "c" ergibt sich, wenn für das Schutzelement 52 in der herkömmlichen Schutzschaltung ein Aluminium-Feldtransistor mit einer Kanalweite 300 um und einem Abstand zwischen den Diffusionszonen 2,4 um sowie ein weiterer Aluminium-Feldtransistor mit einer Kanalweite von 100 um und einem Abstand zwischen den Diffusionszonen von 2,4 um verwendet werden und zwischen diesen Transistoren ein weiterer Diffusionswiderstand angeordnet ist. Auch in diesem Fall ist der zerstörte Bereich der Gate-Oxidfilm des MOS- Transistors in der Eingangsstufe. Die Durchbruchspannung beträgt ±2000 V und ist gegenüber der Kurve "b" niedrig.
Die Kurve "c" zeigt den Verlauf der Zerstörungsrate einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung, bei der der in der Fig. 11 dargestellte MOS-Transistor 19 das zweite Schutzelement ist. Die Kanalweite bzw. der Abstand zwischen den Diffusionszonen des das erste Schutzelement bildenden Bipolartransistors 14 beträgt 500 um bzw. 2,4 um, wie im Falle der Kurven "a" und "b". Es bestätigte sich, daß die Durchbruchspannung ±3000 V oder mehr beträgt. Somit ist die ESD-Durchbruchspannung erheblich verbessert.
Die Fig. 15 ist ein Schaltschema einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Widerstand R mit 200 Ω oder darüber zwischen dem als erstes Schutzelement dienenden Bipolartransistor 14 und der als zweites Schutzelement dienenden Diode 15 mit pn-Übergang eingeschaltet. Dieser Widerstand R sowie ein parasitärer Kondensator C in der Nähe des Gate des MOS-Transistors 13 in der Eingangsstufe bilden gemeinsam ein CR-Filter. Die Aufgabe dieses Filters besteht in der Absorption der Potentialschwingung im Draht 12.
Die Fig. 16 ist ein Schaltschema einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingangsschutzschaltung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Widerstand R mit 200 Ω oder darüber zwischen dem Eingangskissen 11 und dem als erstes Schutzelement dienenden Bipolartransistor 14 eingeschaltet. Der Widerstand R sowie ein parasitärer Kondensator C in der Nähe des Gate des MOS-Transistors 13 in der Eingangsstufe bilden gemeinsam ein CR-Filter. Die Aufgabe dieses Filters besteht in der Absorption der Potentialschwingung im Draht 12.
Wie oben beschrieben, ist das Schutzelement in der Eingangsschutzschaltung zusätzlich in der Nähe des Gate des MOS- Transistors der Eingangsstufe vorgesehen. Durch dieses Merkmal läßt sich eine ESD-Durchbruchspannung von ±300 V oder mehr erzielen. Dieser Wert liegt wesentlich höher als derjenige der herkömmlichen Schutzschaltung.
Des weiteren läßt sich die Wirkung der vorliegenden Erfindung selbst dann erzielen, wenn die für das Schutzelement erforderliche Chip-Fläche in der Nähe des Gate des MOS-Transistors der Eingangsstufe sehr klein ist. Es ergibt sich deshalb keine Verschlechterung des Latch-up-Verhaltens.

Claims

1. Eingangsschutzschaltung zum Schutz des Gate bzw. der Steuerelektrode einer MOS-Halbleitervorrichtung gegen Überspannungen, die folgendes umfaßt:

ein Eingangskissen (11);

einen in der Eingangsstufe der MOS-Halbleitervorrichtung vorgesehenen MOS-Transistor (13, 50, 56);

einen Draht (12, 41, 25, 45, 46) zur Verbindung des Eingangskissens (11) mit dem Gate des MOS-Transistors (13, 50, 56) in der Eingangsstufe;

ein erstes Schutzelement (14, 16, 17, 18) zum Festhalten einer an das Eingangskissen (11) angelegten Überspannung, welches in der Nähe des Eingangskissens (11) so angeordnet ist, daß ein Ende des ersten Schutzelements (14, 16, 17, 18) an den Verbindungsdraht (12, 41, 25, 45, 46) und ein anderes Ende des ersten Schutzelements (14, 16, 17, 18) an ein Massepotential oder ein Spannungsquellenpotential angeschlossen ist; und

ein zweites Schutzelement (15, 19) zum Festhalten einer an das Gate des MOS-Transistors (13) angelegten Überspannung, welches in der Nähe des MOS-Transistors (13, 50, 58) so angeordnet ist, daß ein Ende des zweiten Schutzelements (15, 19) an den Verbindungsdraht (12, 41, 25, 45, 46) und ein anderes Ende des zweiten Schutzelements (15, 19) an das Massepotential oder das Spannungsquellenpotential angeschlossen ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

das zweite Schutzelement in einem Schaltungsblock (54) angeordnet ist, welcher von einer Schutzringzone umgeben ist und den darin ausgebildeten MOS-Transistor (56) der Eingangsstufe enthält.

2. Eingangsschutzschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schutzelement ein bipolarer Transistor (14) ist.

53. Eingangsschutzschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schutzelement ein Diodenpaar (16, 17) umfaßt.

4. Eingangsschutzschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schutzelement ein Paar bipolarer Transistoren (14, 18) umfaßt.

5. Eingangsschutzschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schutzelement eine Diode (15) enthält.

6. Eingangsschutzschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schutzelement einen MOS-Transistor (19) enthält, dessen Source und Drain mit dem Draht (12) verbunden sind.

7. Eingangsschutzschaltung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate des MOS-Transistors (19) geerdet ist.

8. Eingangsschutzschaltung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate des MOS-Transistors (19) an ein Spannungsquellenpotential angeschlossen ist.

9. Eingangsschutzschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R) in Reihe in den Draht (12) eingeschaltet ist.