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Die Erfindung betrifft integrierte Schaltungen.
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Das Problem, das gelöst werden soll, ist das des Schutzes
der Schaltung gegen elektrostatische Entladungen, die
bestimmte Schaltungselemente zerstören können.
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Die elektrostatischen Entladungen können sich ganz einfach
aus der Handhabung des Bauteils durch eine Bedienungsperson
ergeben, deren Hände nicht mit einem festen Potential,
beispielsweise dem Boden, verbunden sind. Die Entladungen
entstehen zwischen den Eingangs/Ausgangsanschlüssen des
Bauteils; sie wirken auf das Innere der integrierten Schaltung
mittels metallisierter Anschlußeinrichtungen, die auf das
Substrat aufgebracht sind, in dem die Schaltung gebildet
ist; die Anschlußeinrichtungen sind mit den äußeren
Eingangs/Ausgangsanschlußeinrichtungen, gewöhnlich durch
gelötete Leiterdrähte, verbunden.
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Um die integrierten Schaltungen für die zerstörerischen
Wirkungen der Entladungen unempfänglich zu machen, werden nahe
den metallisierten Anschlußeinrichtungen spezielle
Schaltungselemente angeordnet, die hauptsächlich dazu dienen, die
elektrostatischen Entladungsströme umzuleiten um zu
vermeiden, daß sie in empfindlicheren Elementen umlaufen.
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Die Schutzelemente sollen in der Lage sein, eine möglichst
große Energie umzuleiten, ohne selbst zerstört zu werden,
und es ist trotzdem erwünscht, daß sie einen möglichst
eingeschränkten
Raum einnehmen. Sie sind nämlich
notwendigerweise sehr voluminös und verbrauchen einen großen Teil der
verfügbaren integrierten Schaltungsfläche. Man würde den
Raum soweit wie möglich begrenzen, den sie einnehmen, um die
Fläche für die eigentliche integrierte Schaltung zu
bewahren.
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Figur 1 stellt ein Schutzstruktur-Beispiel im Fall einer
integrierten Schaltung dar, die in der NMOS-Technolgie auf
P-Typ-Substrat ausgeführt ist. Die Schutzstruktur umfaßt im
wesentlichen einen lateralen Bipolartransistor vom NPN-Typ,
dessen Kollektor mit einer zu schützenden
Anschlußeinrichtung und dessen Emitter mit einer weiteren
Anschlußeinrichtung oder einem Referenzpotential verbunden ist. Die Basis
besteht aus einem Teil des Substrats selbst.
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In Figur 1 ist das Substrat vom P-Typ mit dem Bezugszeichen
10, die zu schützende Anschlußeinrichtung mit dem
Bezugszeichen 12 bezeichnet; die Anschlußeinrichtung ist durch einen
Metallisierungsteil 14 mit einer Zone 16 vom (N+)-Typ
verbunden, der oberflächlich im Substrat diffundiert ist; die
Zone 16 bildet den Kollektor des lateralen Schutztransistors
NPN. Die Zone 16 ist seitlich durch eine weitere mit 18
bezeichnete diffundierte Oberflächenzone vom (N+)-Typ
getrennt, die den Emitter des lateralen NPN-Transistors
bildet. Ein durch das Substrat vom P-Typ gebildeter
Basisbereich 20 trennt selbst die Bereiche 16 und 18; der
Basisbereich 20 ist von einer dicken Isolierschicht 22
(Siliciumoxid) überdeckt. Die Emitterzone 18 ist durch einen
metallischen Kontakt 24 beispielsweise mit einem
Referenzpotential verbunden, das vorzugsweise das niedrige
Versorgungspotential Vss der Schaltung ist. Das Substrat ist
ebenfalls mit Vss verbunden.
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Figur 2 ist eine Draufsicht, die die relative Anordnung der
zu schützenden Anschlußeinrichtung, der diffundierten Zonen
und der Metallisierungen zeigt. Die Außenlinie 120 ist die
Außenlinie der metallischen Anschlußeinrichtung 12, so wie
sie erscheint, wenn die Gesamtheit der Struktur durch eine
in Figur 1 nicht dargestellte Passivierungsisolierschicht
geschützt ist; diese Schicht überdeckt die gesamte Schaltung
mit Ausnahme der durch die Außenlinie 120 abgegrenzten
Öffnung. Die Außenlinie 140 stellt die mit der
Anschlußeinrichtung 12 verbundene Metallisierung, einschließlich der
Anschlußeinrichtung 12, dar. Die Außenlinie 160 stellt die
diffundierte Zone 16 vom (N+)-Typ dar; die Außenlinie 180
stellt die diffundierte Zone 18 vom (N+)-Typ dar; der
schmale Raum zwischen den beiden Außenlinien stellt die
Basis 20 des Lateraltransistors dar. Die Außenlinie 240
stellt die mit Vss verbundene Metallisierung 24 dar. Die
Außenlinie 165 stellt die Isolierschichtöffnung dar, durch
die die Metallisierung 14 mit der Zone 16 in Kontakt
gelangen kann. Schließlich stellt die Außenlinie 185 die
Isolierschichtöffnung dar, durch die die Metallisierung 24 mit der
diffundierten Zone 18 in Kontakt gelangen kann.
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Wenn die zu schützende Anschlußeinrichtung elektrostatische
Entladungen mit positiver Polarität in bezug auf das
Substrat empfängt, wird der laterale Bipolartransistor durch
Lawinenbildung seines Kollektor-Basis-Zonenübergangs, dann
durch direkte Leitung zwischen Kollektor und Emitter
leitend.
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Zur Zeit von Entladungen mit negativer Polarität leitet dann
die aus der diffundierten Zone 16 vom (N+)-Typ und dem
Substrat vom P-Typ bestehende Diode mit direkter
Polarisierung; der laterale Bipolartransistor kann dann außerdem zum
Verstärken der Leitung losgehen.
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Für die Begrenzung der Leistungen dieses Schutztyps kommt
häufig von der thermischen Zerstörung der Ränder des
Kontakts zwischen der mit der Anschlußeinrichtung 12
verbundenen
Metallisierung 14 und der diffundierten Zone 16 ab
einer bestimmten Energie her. Die auf dem den
Schutztransistor durchlaufenden Entladungsstrom beruhende Erwärmung
führt zu einer lokalen Vibration des Metalls des Kontakts
(im allgemeinen aus Aluminium), die soweit geht, bis der
gerade darunter befindliche Zonenübergang N+P in Kurzschluß
gebracht wird. Die Erwärmung ist am Rand des Kontaktes
maximal und genau an dieser Stelle tritt Zerstörung des
Zonenübergangs auf. Der Zonenübergang hat lediglich eine sehr
geringe Tiefe von etwa 0,3 bis 0,5 Mikrometern.
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Figur 3 stellt den durch diese Erwärmung erzeugten
Kurzschlußbereich 26 dar.
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Die Schaltung ist nun nicht verwendbar, da die zu schützende
Anschlußeinrichtung durch den Dauerkurzschluß definitiv auf
das Potential des Substrats gebracht ist.
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Bei der CMOS-Technologie auf P-Substrat wird der
Diffusionsvorgang von (N-)-Zonen ausgenutzt, um eine tiefe Zone vom
(N-)-Typ gerade unterhalb des Kontaktes zwischen der
Metallisierung 16 und dem diffundierten Bereich 16 vom (N+)-
Typ zu erzeugen. Dies hat die Wirkung, daß der
NP-Zonenübergang viel tiefer zurückgebracht wird, wobei die Tiefe der
(N-)-Zone eher vier bis fünf Mikrometer ist. Selbst wenn
eine Erwärmung der Ränder des Kontaktes auftritt, die zu
einem lokalisierten Schmelzen des Kontaktes unterhalb dieser
Ränder führt, erreicht das Aluminium nicht die Tiefe von
vier bis fünf Mikrometern und der NP-Isolierzonenübergang
zwischen der Anschlußeinrichtung und dem Substrat bleibt
weiter intakt bestehen.
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Figur 4 stellt diese Anordnung dar. Die Bezugszeichen sind
dieselben wie bei den vorhergehenden Figuren; die
lokalisierte Zone 28 vom (N-)-Typ ist unterhalb des Kontaktes zu
sehen. Die Schmelzzone 26 erreicht nicht den Zonenübergang
Zone/Substrat; die Anschlußeinrichtung wird nicht in
Kurzschluß mit dem Substrat gebracht.
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Aufgrund dieser Tatsache können die CMOS-Schaltungen mit P-
Substrat und die N-Zone elektrostatische Entladungen mit
beträchtlicherer Energie als die N-MOS-Schaltungen aushalten.
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Wenn diese Schutzstruktur im Fall der CMOS-Kreise auf N-Typ-
Substrat mit P-Typ-Zonen umgesetzt werden soll, ist die
Idee, die natürlich in den Sinn kommt, sämtliche
Leitfähigkeitstypen umzukehren, um eine zu derjenigen von Figur 4
analoge Struktur zu realisieren, bei der sämtliche
P-Bereiche durch N-Bereiche ersetzt sind und umgekehrt. Dies setzt
voraus, daß der laterale NPN-Transistor durch einen
lateralen PNP-Transistor ersetzt ist. Die Erfahrung zeigt, daß
dieser Strukturtyp nicht gut funktioniert, zweifelsohne
aufgrund der langsameren Reaktionszeit des PNP-Transistors und
seiner begrenzten Fähigkeit, einen erhöhten Strom zu leiten.
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Die Erfindung hat zum Ziel, eine Schutzstruktur für CMOS-
Kreise auf N-Substrat mit P-Zonen vorzuschlagen, die
wirksamer als diejenige des Standes der Technik ist.
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Gemäß der Erfindung wird im wesentlichen vorgeschlagen, eine
Schutzstruktur auszuführen, die einen in einer P-Zone
gebildeten lateralen Transistor vom NPN-Typ umfaßt, wobei der
Kollektor des Transistors mit einer Metallisierung verbunden
ist, wobei der Emitter mit einer zu schützenden
Anschlußeinrichtung verbunden ist und wobei ein metallischer Ohm'scher
Kontakt zwischen der zu schützenden Anschlußeinrichtung und
der Zone vom P-Typ vorgesehen ist, um diese auf das
Potential der Anschlußeinrichtung zu bringen.
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Bei dieser Struktur werden verbesserte Leistungen in bezug
auf diejenigen erhalten, die ein Schutz durch lateralen PNP-
Transistor gestattet.
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Indessen kann eine sehr beträchtliche zusätzliche
Verbesserung erhalten werden, indem vorgesehen wird, daß der
Kollektor des lateralen Transistors einen diffundierten Bereich
vom (N+)-Typ umfaßt, von dem ein Teil im Inneren der P-Zone
und von dem ein weiterer Teil außerhalb liegt, wobei der
Kontakt zwischen dem Kollektor und der Metallisierung im
äußeren Teil bewirkt wird.
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Der Kontakt ist nun seitlich vom Rand der Zone entfernt und
es ist zu sehen, daß dies ein Beschädigungsrisiko eines
Zonenübergangs zur Zeit eines Durchtretens von zu großem
Strom in der Kollektormetallisierung unterdrückt.
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Der Abstand d zwischen dem Rand der Zone und den Rändern der
Kollektormetallisierung, dort, wo sie sich in Kontakt mit
dem (N+)-Kollektorbereich befindet, ist deutlich größer als
die Tiefe des diffundierten (N+)-Kollektorbereichs.
Vorzugsweise ist er mehrere Male die Tiefe; beispielsweise ist der
Abstand in der Größe von der Tiefe der Zone vom P-Typ.
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Die diffundierten Bereiche vom (N+)-Typ, die als Emitter und
Kollektor dienen, werden gleichzeitig mit dem Source- und
Drainbereich der MOS-Transistoren mit N-Kanal ausgeführt,
die auf der integrierten Schaltung mit CMOS-Technologie
ausgeführt sind.
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Der Ohm'sche Kontakt zwischen der zu schützenden
Anschlußeinrichtung und der Zone wird dann durch eine Diffusion mit
(P+)-Typ ausgeführt, die gleichzeitig mit den Source- und
Drainbereichen der P-Kanal-Transistoren der Schaltung
ausgeführt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen beim Lesen
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, die
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausgeführt
ist, in denen:
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Figuren 1 bis 4, die bereits beschrieben worden sind, und
Figuren 5 und 6 beim Stand der Technik verwendete
Schutzstrukturen darstellen;
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Figur 7 im Schnitt eine Struktur gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt; Figur 8 eine Draufsicht
entsprechend Figur 7 darstellt.
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In der GB-A-2210197 ist eine Struktur von den in Figuren 5
und 6 und im Oberbegriff des Anspruchs 1 dargestellten Typ
beschrieben.
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Das Substrat vom N-Typ der Figur 5 ist dazu bestimmt, in
CMOS-Technologie ausgeführte Schaltungen mit (nicht
dargestellten) P-Kanal-Transistoren, die direkt im Substrat
gebildet sind, und (nicht dargestellten) N-Kanal-Transistoren
zu tragen, die in im Substrat diffundierten Zonen vom P-Typ
gebildet sind.
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Es wird eine dieser Zonen dazu verwendet, eine
Schutzstruktur einer Anschlußeinrichtung gegen auf diese
Anschlußeinrichtung gegebene elektrostatische Entladungen zu bilden.
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Das Substrat vom N-Typ ist durch das Bezugszeichen 40, die
Zone vom P-Typ durch das Bezugszeichen 42, die zu schützende
Anschlußeinrichtung durch das Bezugszeichen 44 bezeichnet.
Die Anschlußeinrichtung ist mit einer vom Substrat
isolierten Oberflächenmetallisierung 46 gleichzeitig durch eine
abgesetzte Isolierschicht 48 und an bestimmten Stellen durch
eine Isolierschicht 50 (allgemein als Feldoxid bezeichnet)
verbunden, die durch thermisches Wachsen bei der Abgrenzung
der aktiven Zonen der integrierten Schaltung gebildet ist.
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Die Oberflächenmetallisierung 46 tritt lokal mit zwei
dotierten Oberflächenbereichen in der Zone 42 in Kontakt.
Die beiden Bereiche sind aktive Zonen des Substrats, die
durch einen Feldoxidteil 50 getrennt sind. Der erste
Oberflächenbereich ist ein mit (P+)-Typ dotierter Bereich 52,
d.h. vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Zone, aber stärker
dotiert. Der zweite Bereich ist ein Bereich 54 vom (N+)-Typ.
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Der Bereich 54 bildet den Emitter eines lateralen
Bipolartransistors vom NPN-Typ.
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Die Struktur umfaßt einen weiteren mit (N+)-Typ dotierten
Bereich 56, der vom Bereich 54 durch einen schmalen Abstand
getrennt ist, der grundsätzlich mit Feldoxid 50 überdeckt
ist. Dieser schmale Abstand 58 hat als
Oberflächendotierungstyp die ursprüngliche Dotierung der Zone, d.h. P. Er
bildet die Basis des NPN-Lateraltransistors; der Bereich 56
vom (N+)-Typ bildet den Kollektor des Transistors. Obwohl
die aktiven Bereiche grundsätzlich diejenigen sind, die
nicht vom Feldoxid 50 überdeckt sind, soll hier der
Basisbereich 58 als aktiver Bereich der Struktur gesehen werden.
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Der Kollektorbereich ist in der Zone vom P-Typ enthalten. Er
ist durch eine Metallisierung 60 überdeckt, die vorzugsweise
mit dem hohen Versorgungspotential Vcc der Schaltung
verbunden ist. Das Substrat vom N-Typ ist ebenfalls mit dem hohen
Versorgungspotential Vcc verbunden.
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Figur 6 stellt eine Draufsicht entsprechend Figur 5 dar. Es
sind die Außenlinien der verschiedenen Diffusionen und
Metallisierungen zu sehen, die aus Anlaß von Figur 5
definiert worden sind.
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Die Außenlinie 440 stellt die Außenlinie der zu schützenden
Anschlußeinrichtung 44 dar, so wie sie durch ein offenes
Fenster in einer nicht dargestellten Passivierungsschicht
erscheint, die den Aufbau der integrierten Schaltung
überdeckt. Die Außenlinie 440 ist in der Tat die Außenlinie des
Fensters.
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Die Außenlinie 460 ist die Außenlinie der mit der
Anschlußeinrichtung verbundenen und diese Anschlußeinrichtung
enthaltenden Metallisierung 46.
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Die Außenlinie 420 ist die Außenlinie der Zone 42. Sie liegt
unterhalb bestimmter Teile der Metallisierung 46, da diese
Metallisierung in Kontakt mit im Inneren der Zone
diffundierten Zonen gelangt, aber grundsätzlich liegt sie nicht
unterhalb der zu schützenden Anschlußeinrichtung.
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Die Außenlinie 520 ist die Außenlinie des diffundierten
Bereichs 52 vom (P+)-Typ; die Außenlinie 525 ist die
Außenlinie einer Öffnung der Isolierschicht 48, durch die die
Metallisierung 46 in Kontakt mit dem Bereich 52 vom (P+)-Typ
gelangen kann.
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Die Außenlinie 540 ist diejenige des Emitterbereiches 54 vom
(N+)-Typ, der in der Zone diffundiert ist, und die
Außenlinie 545 ist diejenige einer Öffnung in der Isolierschicht
48, durch die die Metallisierung 46 mit dem Emitterbereich
in Kontakt tritt.
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Ebenso ist die Außenlinie 560 diejenige des
Kollektorbereichs 56 und die Außenlinie 565 ist diejenige des Fensters,
durch das die mit Vcc verbundene Metallisierung 60 mit dem
Kollektorbereich in Kontakt tritt.
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Schließlich ist die Außenlinie 600 diejenige einer mit dem
Potential Vcc wie dem Substrat verbundenen
Metallisierungsleitung.
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Die Diffusionen 54 und 56 von (N+)-Typ werden ausgeführt,
als ob diese Bereiche Drain- oder Sourcebereiche von MOS-
Transistoren mit N-Kanal der integrierten Schaltung wären.
Die Diffusion vom (P+)-Typ 52 wird dann ausgeführt, als ob
sie eine Source- oder Draindiffusion eines MOS-Transistors
mit P-Kanal der Schaltung wäre.
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Zur Zeit der positiven elektrostatischen Entladungen an der
zu schützenden Anschlußeinrichtung leitet dann der
Zonenübergang PN zwischen der Zone P und dem Substrat N mit
direkter Polarisierung. Es kann auch ein Leitendsein des
lateralen Bipolartransistors NPN auftreten. Die
Anschlußeinrichtung ist durch die Struktur geschützt und die Ladungen
werden einerseits zum Substrat hin und andererseits zur
Metallisierusng 60 hin abgezogen.
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Zur Zeit von negativen elektrostatischen Entladungen an der
zu schützenden Anschlußeinrichtung in bezug auf das Substrat
tritt dann der Kollektor-Basis-Zonenübergang des lateralen
NPN-Bipolartransisitors in den Lawinenzustand und löst das
Leitendsein des Transistors aus. Die Ladungen werden durch
die Metallisierung 60 abgezogen. Die Struktur arbeitet
besser, als ob sie einen Bipolartransistor vom PNP-Typ umfassen
wurde, das heißt, daß sie eine größere Energiemenge abziehen
kann.
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Indessen ist berücksichtigt worden, daß zum Abziehen von
beträchtlichen Strommengen an der Stelle ein lokalisiertes
Zerstörungsrisiko weiterbestehen würde, an der die
Stromdichte die höchste ist. Es stellt sich heraus, daß diese
Stelle gewöhnlich unterhalb der Ränder der Metallisierung 60
liegt, und da der Zonenübergang N+P an dieser Stelle wenig
tief ist, riskiert man, daß sie durch Diffusion des Metalls
des Kontaktes in den Halbleiter in definitiven Kurzschluß
versetzt wird. Dieser Kurzschluß bringt die zu schützende
Anschlußeinrichtung auf das Potential Vcc der
Metallisierung,
wobei die integrierte Schaltung endgültig unverwendbar
wird.
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Indessen kann der Zonenübergang nicht einfach mit Hilfe
einer Zusatzzone tiefer geschoben werden, wie dies für
Substrate vom P-Typ bei Figur 4 gemacht wurde; man verfügt in
der CMOS-Technologie nicht über einen Diffusionsschritt
einer N-Zone mit mittlerer Tiefe zwischen derjenigen der
Source- und Draindiffusionen (N+) und derjenigen der Zone P.
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Die Erfindung schlägt eine sehr einfache Struktur zum
Abweisen des Kurzschlußrisikos des Isolierzonenübergangs zwischen
dem Leiter 60 und der zu schützenden Anschlußeinrichtung
vor.
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Diese Struktur ist im Schnitt in Figur 7 und in Draufsicht
in Figur 8 dargestellt.
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Statt daß die Zone 42 vom P-Typ den Kollektorbereich 56
integral umschließt, umgibt sie lediglich einen Teil,
denjenigen, der dem Basisbereich 58 benachbart ist, aber sie
umgibt nicht den Kollektorbereichsteil 56, der mit der
Metallisierung 60 in Kontakt tritt. Der Kontakt ist seitlich
vom Rand der Zone entfernt.
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Es ergibt sich hieraus, daß die Ränder der Metallisierung 60
dort, wo sie sich in Kontakt mit dem dotierten Bereich vom
(N+)-Typ befindet, oberhalb eines Bereichs vom (N+)-Typ
befinden, der selbst oberhalb des Substrats vom N-Typ liegt,
und nicht einer Zone vom P-Typ.
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Die Ränder der Metallisierung 60 stehen somit nicht über
einen wenig tiefen Zonenübergang NP über, auch selbst nicht
über einen tiefen Zonenübergang NP; sie stehen lediglich
über einen Übergang zwischen zwei Zonen vom selben Typ N
über, die unterschiedlich dotiert und auf demselben
Potential (grundsätzlich Vcc) sind.
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Selbst wenn die negativen Entladungen an der
Anschlußeinrichtung 44 zu einer Stromdichte führen würden, so wie es
ein lokales Verschmelzen und Migration von Aluminium unter
den Rändern der Metallisierung 60 gäbe, ergibt sich
demzufolge dann hieraus nicht das Versetzen des Zonenübergangs
Zone/Substrat, der normalerweise die Isolierung zwischen der
zu schützenden Anschlußeinrichtung 44 und dem Potential Vcc
sicherstellt, in den Kurzschluß.
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Der diffundierte Bereich 52 vom P-Typ bleibt
selbstverständlich im Inneren der Zone 42, da er ja dazu dient, einen
Ohm'schen Kontakt herzustellen, um die Zone auf das
Potential der Anschlußeinrichtung 44 zu bringen.
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Der diffundierte Emitterbereich 54 bleibt ebenfalls im
Inneren der Zone, um es zu gestatten, daß ein Lateraltransistor
im Inneren der Zone mit dem Kollektorbereichsteil 56
gebildet wird, der im Inneren der Zone weiter vorhanden ist.
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Der Abstand zwischen dem Rand der Metallisierung 60 dort, wo
sie sich in Kontakt mit dem Kollektorbereich 56 befindet,
und dem Rand der Zone soll ausreichend sein, damit es kein
Kurzschlußrisiko des Zonenübergangs Zone/Substrat gibt. Dies
besagt in der Praxis, daß der Abstand d zwischen dem Rand
der Metallisierung und dem Rand der Zone deutlich größer als
die Tiefe des Bereichs 56 (einige zehn Mikrometer),
beispielsweise mehrere Male diese Tiefe ist. Der Absatz d kann
in der Größe von der Tiefe der Zone 42 (einige Mikrometer)
sein.
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Figur 8 stellt eine Draufsicht der Schutzstruktur von Figur
7 dar, es sind dieselben Bezugszeichen wie in Figur 5
verwendet worden; es ist ersichtlich, daß die Außenlinie 420
der Zone 42 kleiner als in Figur 5 ist; sie kommt teilweise
von unten von der Außenlinie 560 des Kollektorbereichs her,
aber nicht vollständig; ein Teil des Kollektorbereichs 56
befindet sich außerhalb der Zone, und in diesem Teil
befindet sich die Außenlinie 565 des Kontakts zwischen der
Metallisierung 60 und dem Kollektorbereich. In Figur 8 ist der
Abstand d zwischen der Außenlinie 565 des Kontakts und dem
Rand der Außenlinie der Zone 42 festzustellen.