DE4130626C2

DE4130626C2 - Integrierte Halbleiteranordnung mit mehreren isolierten Gebieten

Info

Publication number: DE4130626C2
Application number: DE19914130626
Authority: DE
Inventors: Ingo Ing Grad Hagenloch; Gerhard Dipl Ing Hofmann; Serban-Grigore Dipl Ing Lungu
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1991-09-14
Filing date: 1991-09-14
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2011-09-15
Also published as: DE4130626A1

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der US-PS 3 974 404 bekannt ist.

In integrierten Halbleiteranordnungen sind zur Unterbringung von frei verschaltbaren Bauelementen von einander isolierte Gebiete (Inseln, Boxen) vorgesehen, die durch Separationszonen getrennt sind, wobei die isolierten Gebiete mit den Separationszonen gesperrte PN-Übergänge bilden. Gemäß der integrierten Halbleiteranordnung in Fig. 4 sind beispielsweise die Isolationsgebiete 1, 2, 3 vom N-Leitungstyp, und die Separationszonen 4, 5 vom P-Leitungstyp ausgebildet; die Separationszonen 4, 5 sind mit dem (P-)Substrat 6 verbunden, das an Bezugspotential (0 V) liegt. Zwischen zwei isolierten Gebieten kann sich nun unter gewissen Voraussetzungen ein parasitärer (NPN-)Transistor aus bilden; gemäß Fig. 4 wird ein parasitärer NPN-Transistor T_P1 zum isolierten Gebiet 2 und ebenso ein parasitärer Transistor T_P2 zum anderen benachbarten isolierten Gebiet 3 gebildet. Dabei werden die Emit ter E der parasitären Transistoren T_P1, T_P2 durch das isolierte Gebiet 1 gebildet, die Basen B₁ bzw. B₂ der Transistoren T_P1 bzw. T_P2 durch die Separationszonen 4 bzw. 5 und die Kollektoren C₁ bzw. C₂ durch die zum isolierten Gebiet 1 benachbarten isolierten Gebiete 2 bzw. 3. Die Gleichstromverstärkungswerte (β) liegen beispielsweise für parasitäre Transistoren zwischen di rekt nebeneinander angeordneten isolierten Gebieten (1 und 2 bzw. 1 und 3) in der Größenordnung von 0,1, für parasitäre Transistoren zwischen weiter voneinander entfernt angeordneten isolierten Gebieten in der Größenordnung von 10^-3 und darunter.

Falls - wie beispielsweise bei integrierten Schaltungen im Kfz-Bereich und im Fernseh-Ablenkteil - ein isolier tes Gebiet mit einem derartigen Potential beaufschlagt wird, daß der PN-Übergang zwischen dem isolierten Ge biet und der Separationszone in Flußrichtung gepolt wird (gemäß Fig. 4 beispielsweise durch das Anlegen einer gegenüber Bezugspotential negativen Spannung an das isolierte Gebiet 1), werden die normalerweise ge sperrten parasitären Transistoren T_P1, T_P2 in den lei tenden Zustand gesteuert und es fließen parasitäre Kollektorströme I_CP1 bzw. I_CP2 aus den isolierten Ge bieten 2 und 3; durch die parasitären Ströme werden die Schaltungselemente in diesen isolierten Gebieten beein flußt und in ihrem elektrischen Verhalten verfälscht. Je nach Größe der Vorspannung und des Vorwiderstandes kann dabei in dem mit der Vorspannung beaufschlagten isolierten Gebiet 1 leicht ein Strom von mehreren Milli-Ampere fließen, der dann - abhängig von den Gleichstromverstärkungsfaktoren der parasitären Transi storen - parasitäre (Kollektor-)Ströme bis zu mehreren Hundert Mikro-Ampere verursacht. Eine merkliche Beein flussung erfahren dabei im allgemeinen nur die direkt benachbarten isolierten Gebiete, da diese den Hauptan teil des parasitären Stromes liefern.

Um die gegenseitige Beeinflußung zwischen benachbarten isolierten Gebieten zu reduzieren, wurde bereits vorge schlagen, diejenigen isolierten Gebiete, bei denen die PN-Dioden mit den Separationszonen in Flußrichtung kom men können, mit einem Schutzring zu versehen. Der Schutzring weist den gleichen Leitungstyp wie diese isolierten Gebiete auf und wird entweder an Be zugspotential (0 V) oder an die Betriebsspannung ange schlossen. Durch diese Schaltmaßnahme wird der weitaus überwiegende Teil des entstehenden parasitären Stromes durch den Schutzring übernommen und die anderen benach barten Gebiete können dann nur noch durch den verblei benden relativ geringen Anteil des parasitären Stroms beeinflußt werden. Außerdem rücken die zu schützenden isolierten Gebiete durch den Schutzring zwangsläufig weiter von dem - den parasitären Strom verursachenden - isolierten Gebiet weg, so daß schon durch die größere Entfernung und die damit verbundenen kleineren Gleichstromverstärkungsfaktoren deutlich geringere pa rasitäre Kollektorströme auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine inte grierte Halbleiteranordnung mit mehreren isolierten Ge bieten anzugeben, die hinsichtlich der parasitären Transistoreffekte verbesserte Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Aufgrund der Verstärkerwirkung übernimmt der Verstärkertransistor (das Verstärkerelement) den Hauptanteil des parasitären Stroms, so daß sich der schädliche Stromanteil für die anderen isolierten Ge biete wesentlich reduziert. Über den Verstärkungsfaktor des Verstärkerelements wird die Größe des vom Verstär kerelement übernommenen parasitären Stromanteils be stimmt, wobei eine sehr effektive Reduzierung der schädlichen parasitären Ströme dann gegeben ist, wenn die Verstärkung des Verstärkerelements sehr groß ge wählt wird. Gegenüber der bekannten Anordnung mit dem Schutzring wird bei der erfindungsgemäßen Halbleiteran ordnung die Belastung des Substrats durch parasitäre Effekte stark reduziert.

Die Erfindung soll weiterhin anhand der Fig. 1-3 beschrieben werden.

In der Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Re duzierung parasitärer Transistoreffekte mit einem bipo laren PNP-Transistor als Verstärkertransistor (Verstärkerelement) dargestellt; in der Fig. 2 ist eine Tabelle mit Werten für para sitäre Ströme angegeben. Die Fig. 3 zeigt die inte grierte Halbleiteranordnung, in der die Schaltungsan ordnung der Fig. 1 realisiert ist.

Gemäß dem Schaltbild der Fig. 1 ist der PNP-Transistor T_V mit dem Gleichstromver stärkungsfaktor β_V als Verstärkerelement VE bezeichnet. Die Basis des Verstärkertransistors T_V - dies ist die Steuerelek trode S des Verstärkerelements VE - ist mit dem Kollek tor C₁ und der Kollektor des Verstärkertransistors T_V mit dem Emitter E des parasitären Transistors T_P1 ver bunden; der Emitter des Verstärkertransistors T_V ist an die Versorgungsspannung U_S angeschlossen.

Der parasitäre Transistor T_P1 wird wirksam, sobald das Emitterpotential soweit unter das Bezugspotential (0 V) gebracht wird, daß die Basis-Emitter-Diode leitet und der Strom I₁ fließen kann.

Gemäß Fig. 1 gilt:

I₁=I_EP1+I_CV (1),

wobei I_EP1 der Emitterstrom des parasitären Transistors T_P1 und I_CV der Kollektorstrom des Verstärker transistors T_V ist.

Bei Einführung der Stromverstärkungsfaktoren β_P=I_CP1/I_BP1 für den parasitären Transistor T_P1 (I_CP1 und I_BP1 sind der Kollektorstrom bzw. Basisstrom des Transistors T_P1) und β_V=I_CV/I_CP1 für das Verstärker element V_E bzw. für den Verstärkertransistor T_V sowie mit I_EP1=I_BP1+I_CP1 erhält man:

Der parasitäre Kollektorstrom I_CP1, der für die Beein flussung benachbarter isolierter Gebiete verantwortlich ist, läßt sich aus Gleichung (2) ableiten:

Ohne Verstärkerelement VE bzw. Verstärkertransistor T_V erhält man eine modifizierte Relation für den parasitä ren Kollektorstrom I_CP1:

Wie eine Gegenüberstellung der Gleichungen (3) und (4) zeigt, kann der parasitäre Kollektorstrom I_CP1 in Glei chung (3) gegenüber dem in Gleichung (4) wesentlich re duziert werden, wenn für β_V ein großer Zahlenwert ein gesetzt wird.

In der Tabelle der Fig. 2 sind Zahlenwerte für den pa rasitären Strom I_CP bei einer Schaltungsanordnung ohne Verstärkerelement VE und bei einer Schaltungsanordnung mit Verstärkerelement VE einander gegenüber gestellt.

Der parasitäre Strom wurde dabei für den Fall eines bzw. dreier zu schützender isolierter Gebiete NG berechnet, die zu dem die parasitären Transistoreffekte verursachenden Gebiete benachbart sind; mit I_CP ist der bei jedem isolierten benachbarten Gebiet NG auftretende parasitäre Strom bezeichnet. Als Stromverstärkungsfak tor β_P der parasitären Transistoren wurde dabei ein Wert von 0,1 und für den Strom I₁ ein Wert von 10 mA vorgegeben. Als Verstärkungsfaktor des Verstärkerele ments VE wurde zum einen der Wert β_V = 100 (beispielsweise für einen Bipolar-Transistor) und zum anderen der Wert β_V = 10 000 (beispielsweise für eine Darlington-Transistorschaltung) gewählt.

Wie aus der Tabelle der Fig. 2 ersichtlich wird, ist durch die Einführung des Verstärkerelements V_E eine deutliche Reduzierung der parasitären Ströme gegeben, wobei vor allem ein hoher Verstärkungsfaktor β_V eine signifikante Verbesserung mit sich bringt.

Die dem Schaltbild der Fig. 1 entsprechende inte grierte Halbleiteranordnung mit dem erfindungsgemäßen Verstärkertransistor ist in der Fig. 3 dargestellt. Dort sind zwei benachbarte isolierte Gebiete 2, 3 des die parasitären Transistoreffekte verursachenden isolierten Gebiets 1 dargestellt; das isolierte Gebiet 2 enthält dabei den Verstärkertransistor.

Gemäß der Fig. 3 ist der Verstärkertransistor T_V als PNP-Transistor mit dem N-Basisgebiet 2, dem P-Emittergebiet 7 und dem P-Kollektorgebiet 8 ausgebil det. Der Emitter ist direkt an die Betriebsspannung U_S angeschlossen, die Basis dient als Steuerelektrode S und ist identisch mit dem Kollektor des parasitären Transistors T_P1. Der Kollektor des Transistors T_V ist mit dem isolierten Gebiet 1 verbunden, das den Emitter des parasitären Transistors T_P1 bildet.

Claims

1. Integrierte Halbleiteranordnung mit

a) mehreren isolierten Gebieten (1, 2, 3) zur Aufnahme von frei verschaltbaren Bauelementen,
b) Separationszonen (4, 5), die zwischen isolierten Gebieten (1, 2, 3) eines bestimmten Leitfähigkeitstyps angeordnet sind und zu diesen komplementär dotiert sind,
c) parasitären Transistoren (T_P1, T_P2), die durch zwei benachbarte isolierte Gebiete (1, 2 bzw. 1, 3) und den dazwischenliegenden Separationszonen (4 bzw. 5) gebildet sind,
d) mindestens einem aktiven parasitären Transistor (T_P1, T_P2), bei dem an einem der beiden isolierten Gebiete (1) ein Potential anliegt, das die PN-Diode zwischen dem isolierten Gebiet (1) und den benachbarten Separationszonen (4, 5) in Flußrichtung steuert und somit einen parasitären Strom verursacht,
e) einem Verstärkertransistor (T_V) für jedes aktive parasitäre Transistoren (T_P1, T_P2) verursachende isolierte Gebiet (1), der in einem zu diesem isolierten Gebiet (1) benachbarten isolierten Gebiet (2) angeordnet ist, wobei
f) das benachbarte isolierte Gebiet (2) die Steuerelektrode (S) des Verstärkertransistors (T_V) bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß
g) der Ausgang des Verstärkertransistors (T_V) mit dem die aktiven parasitären Transistoren (T_P1, T_P2) verursachenden isolierten Gebiet (1) verbunden ist, und
h) der Verstärkertransistor (T_V) so ausgestaltet ist, daß er aufgrund der Verstärkerwirkung den Hauptteil des parasitären Stroms übernimmt.

2. Integrierte Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkertransistor (T_V) ein bipolarer Transistor ist, dessen Leitfähigkeitstyp komplementär zu dem der parasitären Transistoren (T_P1, T_P2) ist.

3. Integrierte Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkertransistor (T_V) als Darlington-Transistor ausgebildet ist.