-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem
Halbleiterkörper, der mit einer integrierten Schaltung mit mindestens einem Transistor
versehen ist, der eine im Halbleiterkörper liegende und mit Metallsilizid beschichtete
Zone umfaßt, wobei die Schaltung über einen ersten und zweiten Anschlußleiter mit
Kontaktflächen verbunden ist, sowie ein Schutzelement zum Schutz der Schaltung vor
elektrostatischen Entladungen umfaßt, wobei dieses Element zwischen den ersten
Anschlußleiter und den zweiten Anschlußleiter geschaltet ist und das Element eine im
Halbleiterkörper gelegene aktive Zone umfaßt, die mit einem angrenzenden Teil des
Halbleiterkörpers einen pn-Übergang bildet, an der Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer
Metallsilizidschicht überzogen ist und mit dem ersten Anschlußleiter verbunden ist.
-
Das Schutzelement soll für eine gut leitende Strombahn zum zweiten
Anschlußleiter sorgen, wenn die Spannung am ersten Anschlußleiter einen bestimmten,
dem Schutzelement zugewiesenen Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert ist so
gewählt, daß die Schaltung vor Schäden geschützt wird. Sobald die Spannung auf einen
sicheren Wert gefallen ist, kehrt das Schutzelement in seinen ursprünglichen
nichtleitenden Zustand zurück. Ein solcher Schutz kann bei jeder Art von Anschlußleiter der
Halbleiteranordnung wie z.B. einer Eingangsleitung, einer Ausgangsleitung oder einer
Versorgungsleitung verwendet werden.
-
Das Schutzelement hat insbesondere die Aufgabe, die Schaltung vor
elektrostatischen Entladungen zu schützen. Beim Fertigprodukt entsteht eine solche
Entladung, wenn ein statisch aufgeladener Körper wie z.B. ein menschlicher Körper mit
einem Anschlußstift der Halbleiteran-ordnung, der mit einem Anschlußleiter verbunden
ist, in Berührung kommt. In diesem Fall kann die auftretende elektrostatische Entladung
zu einer Spannung von einigen tausend bis zu einigen zehntausend Volt führen. Im
allgemeinen reicht bereits ein Bruchteil dieser Spannung aus, um die mit dem
Anschlußleiter verbundene Schaltung ernstlich zu beschädigen. Die Halbleiteranordnung
kann jedoch auch bereits während der Herstellung durch statische Elektrizität irreparabel
beschädigt werden, beispielsweise durch Reibung zwischen der Halbleiteranordnung und
der Umgebung.
-
MOS-ICs sind besonders empfindlich gegen elektrostatische Entladungen.
Das in den derzeitigen ICs verwendete Gate-Oxid ist so dünn, daß es bereits bei einer
Spannung von etwa 20 bis 80 V durchbrechen kann. Es können aber auch Bipolar-ICs
beschädigt werden, meist jedoch erst bei höheren Spannungen von beispielsweise etwa
400 V. Im letzeren Fall ist die Ursache dafür häufig eine Beschädigung des Basis-
Emitter-Übergangs durch einen mit der Entladung verbundenen plötzlichen
Stromimpuls. Im Bereich des pn-Übergangs kann eine so große Wärmemenge abgeführt
werden, daß das Halbleitermaterial örtlich rekristallisiert. Dies führt oft zu einer
dauernden Schwachstelle im pn-Übergang.
-
Bei der Weiterentwicklung integrierter Schaltungen und der dafür
verwendeten Technologie werden immer höhere Anforderungen an die Packungsdichte
gestellt und infolgedessen immer kleinere Abmessungen angestrebt. Die Empfindlichkeit
gegenüber einer elektrostatischen Entladung nimmt im gleichen Maße zu, wie die
Abmessungen der Halbleiteranordnung kleiner werden. Daher wird es immer wichtiger,
die Anschlußleiter der Schaltung mit wirksamen Schutzelementen zu versehen, die den
nachteiligen Folgen einer elektrostatischen Entladung ausreichend entgegenwirken
können.
-
Im Normalbetrieb darf das Schutzelement die Funktion der Schaltung
nicht nachteilig beeinflussen. Dies bedeutet unter anderem, daß das Element in diesem
Fall keinen Strom führen darf und ein etwaiger Sperrstrom so niedrig wie möglich sein
muß. Tritt jedoch am Anschlußleiter eine ungewöhnlich hohe, über dem Schwellenwert
liegende Spannung auf, muß das Schutzelement so schnell wie möglich eine gut leitende
Strombähn zur zweiten Kontaktfläche zur Verfügung stellen, so daß die freigesetzte
Ladung rasch entlang dieser Bahn abgeführt werden kann und eine Beschädigung der
Schaltung vermieden wird.
-
Um diese zweifache Anforderung zu erfüllen, kann das Schutzelement
beispielsweise mit einem pn-Übergang versehen werden, der im Normalbetrieb der
Schaltung in Sperrichtung vorgespannt ist. Gewöhnlich kann, abgesehen von einem
niedrigen Sperrstrom, kein Strom durch das Schutzelement fließen, so daß die Funktion
der Schaltung nicht beeinträchtigt wird. Übersteigt jedoch die Spannung über den pn-
Übergang dessen Durchbruchspannung, kann ein Lawinendurchbruch stattfinden. Der
pn-Übergang erreicht dann einen gut leitenden Zustand und stellt somit eine gut leitende
Strombähn zur zweiten Kontaktfläche zur Verfügung, bis die Spannung wieder gefallen
ist.
-
Die Durchbruchspannung hat einen bestimmten dem pn-Übergang
zugeordneten Festwert, der unter anderem von den Dotierungskonzentrationen auf
beiden Seiten des Übergangs abhängt. Wenn diese Konzentrationen passend gewählt
werden, kann die Durchbruchspannung innerhalb gewisser Grenzen auf einen geeigneten
Wert eingestellt werden, der dann den Schwellenwert des Schutzelements darstellt. Um
einen zufriedenstellenden Schutz zu gewährleisten, wird der pn-Übergang so ausgelegt,
daß er durchbricht, ehe die Spannung am Anschlußleiter so angestiegen ist, daß die
Schaltung beschädigt werden kann. Sofern während des Durchbruchs die Stromdichte im
Schutzelement nicht zu hoch geworden ist, kehrt das Element danach in seinen
ursprünglichen Zustand zurück, wenn die Spannung wieder auf ein sicheres Niveau
gefallen ist.
-
Das Schutzelement kann als Diode konstruiert sein. Dessen pn-Übergang
dient dann zum Schutz der Schaltung. Andere Ausführungsformen sind ebenfalls
möglich. Beispielsweise kann das Schutzelement auch als Bipolar-Transistor ausgebildet
werden. In diesem Fall kann beispielsweise der Kollektor-Basis-Übergang zum Schutz
der Schaltung verwendet werden. Eine weitere mögliche Ausführungsform ist die eines
Feldeffekttransistors, bei dem der pn-Übergang zwischen Source bzw. Drain und dem
angrenzenden Teil des Halbleiterkörpers genutzt werden kann. In all diesen Fällen wird
der Schwellenwert des Schutzelements von der Durchbruchspannung des pn-Übergangs
bestimmt. Im allgemeinen wird die Wahl hauptsächlich durch die für die Herstellung
des restlichen Teils des Halbleiterkörpers verfügbaren Fertigungsschritte bestimmt.
-
Im Artikel "Electrical Overstress in NMOS Silicided Devices",
veröffentlicht in den "Electrical Overstress/Electrical Discharge Symposium Proceedings
1987, EOS-9, S. 265-273", ist eine Halbleiteranordnung der in der Einleitung
erwähnten Art beschrieben, in der als Schutzelement ein NMOS-Transistor verwendet wird.
Der Transistor umfaßt einen n-Source- und einen n-Drainbereich, die sich beide in
einem p-Halbleiterkörper befinden und voneinander durch einen Teil des Körpers
getrennt sind. In diesem Fall stellt der Drainbereich die in der Einleitung erwähnte
aktive Zone dar. Der Drainbereich bildet zusammen mit dem ihn umgebenden Teil des
Halbleiterkörpers den pn-Übergang, der durchbricht, wenn die Spannung über diesen
Übergang über den Schwellenwert steigt. Sowohl der Source- als auch der Drainbereich
des Transistors sind größtenteils mit einer Titansilizidschicht überzogen. Der
Drainbereich ist mit Elektroden, die mit einem Anschlußleiter verbunden sind, versehen.
-
In jüngster Zeit wurden mehr oder weniger elektrische Kontakte mit
Halbleiterzonen aus Metallsiliziden verwendet. Die Zone wird dann mit einer
Metallsilizidschicht beschichtet, ehe sie mit einer Elektrode, häufig aus Aluminium, versehen
wird. Im allgemeinen kann das Metallsilizid selbstjustiert aufgebracht werden, wodurch
der gesamte freiliegende Teil der Zone mit der Silizidschicht bedeckt wird, ohne daß
eine zusätzliche Maske erforderlich ist. Diese Tatsache sowie der niedrige spezifische
Widerstand, die Eignung für herkömmliche Fertigungsverfahren und der zuverlässige
Kontakt zwischen der Silizidschicht und dem darunterliegenden Silizium sind
wesentliche Vorteile von Metallsiliziden wie beispielsweise Titansilizid.
-
Bei den oben beschriebenen Schutzelementen hat sich jedoch gezeigt, daß
sich die Verwendung von Metallsiliziden nachteilig auswirkt. Gemäß dem oben
erwähnten Artikel sind NMOS-Transistoren, deren Drainbereich mit Titansilizid
beschichtet wird, ehe er mit Elektroden versehen wird, um 30 bis 50% weniger
zuverlässig als vergleichbare Transistoren, deren Elektroden mit einem
Aluminiumkontakt direkt auf den Drainbereich kontaktiert werden. Ein Schutzelement der ersten Art
kann beispielsweise nur erheblich niedrigere Spannungen und Stromstärken aushalten.
Ein solches Schutzelement wird daher schneller von einer elektrostatischen Entladung
zerstört, wodurch die zu schützende Schaltung gefährdet wird.
-
Dieses Problem läßt sich natürlich dadurch lösen, daß die aktiven Zonen
des Schutzelements während des Beschichtens mit Metallsilizid masklert werden. Jedoch
darf bei der Herstellung des Schutzelemements so wenig wie möglich vom
Fertigungsverfahren für den Rest der Halbleiteranordnung abgewichen werden, bei welchem die
Verwendung von Metallsiliziden wünschenswert ist und die Metallsilizide oft ohne
Maske aufgebracht werden. Wenn im Schutzelement nur die Metallsilizidschicht
weggelassen werden soll, ist mindestens eine zusätzliche Maske erforderlich.
-
Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine
Halbleiteranordnung der in der Einleitung erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, die mit einem
eine aktive, mit Metallsilizid beschichtete Zone umfassenden Schutzelement versehen ist
und trotzdem die integrierte Schaltung zuverlässig vor den am Anschlußleiter
auftretenden Spannungen schützt.
-
Eine erfindungsgemäße Halbleiteranordnung der in der Einleitung
beschriebenen Art ist dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichmäßigeren Stromverteilung
über den pn-Übergang ein Widerstandselement zwischen dem ersten Anschlußleiter und
dem pn-Übergang vorgesehen wird, das über seine gesamte Breite direkt mit der aktiven
Zone des Schutzelements verbunden ist und eine im wesentlichen gleiche Breite wie die
Zone aufweist, wobei dieses Widerstandselement eine Widerstandszone umfaßt, die sich
im Halbleiterkörper befindet und denselben Leitungstyp wie die aktive Zone des
angrenzenden Schutzelements hat.
-
Untersuchungen, die die Grundlage der Erfindung bilden, haben gezeigt,
daß der Übergang von der Metallsilizidschicht zum darunterliegenden Halbleiterkörper
relativ unregelmäßig ist. Dies wird in der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen
näher erläutert. Die Erfindung geht unter anderem von der Erkenntnis der Tatsache aus,
daß diese Unregelmäßigkeit zu örtlichen Widerstandsschwankungen führt. Wegen des
stark unterschiedlichen spezifischen Widerstands der Silizidschicht und des
Halbleiterkörpers kann der Widerstand in Bereichen, in denen die Silizidschicht hervortritt, zum
pn-Übergang hin erheblich niedriger sein als in anderen Bereichen. Es wird
angenommen, daß ein elektrischer Strom mit einem geringeren Widerstand zu diesen Bereichen
hin konvergiert, wodurch nur ein Meiner Teil des pn-Übergangs effektiv genutzt wird.
Diese Konvergenz kann bereits in der niederohmigen Elektrode stattfinden, d.h., bevor
der Strom das Silizid erreicht. Dies führt örtlich zu einer sehr hohen Stromdichte,
wodurch der Gesamtstrom, der durch das Schutzelement fließen kann, ohne es zu
beschädigen, wesentlich niedriger ist, als wenn ein praktisch homogener Strom durch das
Element fließen würde.
-
Aufgrund der Tatsache, daß erfindungsgemäß das Widerstandselement mit
der Zone zwischen der Elektrode und dem pn-Übergang in Reihe geschaltet ist, steigt
der Gesamtwiderstand zum pn-Übergang hin an, wodurch die erwähnten
Widerstandsschwankungen einen relativ geringeren Einfluß haben. Somit wird eine Konvergenz des
Stroms bereits in der Elektrode verhindert. Der Strom bleibt auch im
Widerstandselement praktisch gleich, wodurch der Strom über die gesamte Breite aus
dem Widerstandselement austritt. Da erfindungsgemäß die Breite des
Widerstandselements praktisch gleich der Breite der aktiven Zone ist, wird somit der Strom
praktisch gleichmäßig zugeführt. Das Auftreten einer Konvergenz des Stroms zwischen
dem Widerstandselement und der aktiven Zone wird dann dadurch verhindert, daß
erfindungsgcmäß das Widerstandselement direkt mit der aktiven Zone in Berührung steht, so
daß der Strom praktisch genauso gleichmäßig der aktiven Zone zugeführt wird, wie er
aus dem Widerstandselement ausgetreten ist.
-
Aufgrund dieser gleichmäßigeren Stromverteilung kann das
erfindungsgemäße Schutzelement wesentlich höhere Ströme und Spannungen aushalten als das
bekannte Schutzelement. Aufgrund der Tatsache, daß das Widerstandselement zwischen
dem Anschlußleiter und dem Schutzelement und nicht im Anschlußleiter selbst
angeordnet ist, wird die Funktion der Schaltung durch dessen Vorhandensein nicht oder nur
unwesentlich beeinträchtigt. Darüber hinaus wird das Fertigungsverfahren durch
Anwendung der Erfindung nicht oder nicht wesentlich komplizierter. Wie nachstehend
näher beschrieben wird, kann das Widerstandselement beispielsweise zusammen mit
einer MOS-Schaltung ohne zusätzliche Fertigungsschritte hergestellt werden.
-
Es ist anzumerken, daß in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 189914
eine Halbleiteranordnung entsprechend der Beschreibung in der Einleitung gezeigt wird.
Sie legt nicht offen, ob ein Widerstandselement wie beim Schutzelement der
vorliegenden Erfindung vorhanden ist.
-
In der Europäischen Patentanmeldung Nr. 112034 wird eine
Halbleiteranordnung mit einer Schutzschaltung beschrieben. Sie legt ein Widerstandselement in
Form einer Silizidstruktur offen. Die Breite dieser Silizidstruktur ist im wesentlichen
gleich der Breite der aktiven Zone, jedoch ist die Silizidstruktur mit der aktiven Zone
über eine Kontaktzone verbunden, die schmaler ist als das Widerstandselement und die
Kontaktzone.
-
In der GB-Patentanmeldung Nr. 2152283 wird eine Halbleiteranordnung
mit einer Schutzschaltung beschrieben. Sie zeigt ein Widerstandselement als
Schutzvorrichtung, das jedoch nicht zwischen dem Anschlußleiter und der aktiven Zone
angeschlossen ist.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Die erste und zweite Ausführungsform sind
Beispiele der erfindungsgemäßen Anordnung. Die zweite, dritte und vierte Anordnung,
die in Figur 14 bis 19 und Figur 26 und 28 dargestellt sind, sind nicht Bestandteil der
Erfindung. Diese Konstruktionen dienen als Beispiele zum besseren Verständnis der
Erfindung. Die dritte Ausführungsform ist Bestandteil der Erfindung, soweit sie die
Anwendung der ersten und zweiten Ausführungsform beschreibt. Es zeigen:
-
Figur 1 einen Ersatzschaltplan einer ersten herkömmlichen, mit einem
Schutzelement versehenen Halbleiteranordnung;
-
Figur 2 einen Querschnitt durch den CMOS-Inverter der Figur 1;
-
Figur 3 einen Querschnitt durch das Schutzelement der Figur 1;
-
Figur 4 das Verhältnis zwischen dem Strom durch das Schutzelement und
der Spannung über das Schutzelement der Figur 3;
-
Figur 5 einen Schnitt parallel zur Oberfläche des Schutzelements der
Figur 3;
-
Figur 6 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung;
-
Figur 7A bis 13B Querschnitte der Halbleiteranordnung der Figur 6 in
aufeinanderfolgenden Fertigungsstufen;
-
Figur 14 eine Draufsicht auf eine zweite Halbleiteranordnung;
-
Figur 15 einen Querschnitt entlang der Linie XV-XV in Figur 14;
-
Figur 16 bis 19 einen Querschnitt der Halbleiteranordnung der Figuren 14
und 15 in aufeinanderfolgenden Fertigungsstufen;
-
Figur 20 eie Draufsicht auf die zweite Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung;
-
Figur 21 einen Querschnitt enflang der Linie XXI-XXI in Figur 20;
-
Figur 22 bis 25 Querschnitte der Halbleiteranordnung der Figuren 20 und
21 in aufeinanderfolgenden Fertigungsstufen;
-
Figur 26 eine dritte Halbleiteranordnung;
-
Figur 27 ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung;
-
Figur 28 eine vierte Halbleiteranordnung.
-
Die Figuren sind schematische, nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Zur
Verdeutlichung sind insbesondere die angegebenen Maße stark übertrieben. Gleiche
Teile haben allgemein die gleichen Bezugszeichen. Halbleiterzonen des gleichen
Leitungstyps sind allgemein in gleicher Richtung schraffiert.
-
Eine herkömmliche Halbleiteranordnung mit Schutzelement ist
schematisch in Figur 1 dargestellt. Die Anordnung umfaßt eine Schaltung 1, die über einen
Anschlußleiter 61 mit einer ersten Kontaktfläche 3 verbunden ist. Die Art der Schaltung
ist für die Erfindung nicht wesentlich. Es kann sich beispielsweise um eine logische
Schaltung handeln, aber ein Speicher ist ebenso möglich. Darüber hinaus kann die
Erfindung sowohl in MOS- als auch in Bipolar-Schaltungen verwendet werden. Im
Schaltungsbeispiel der Figur 1 wird ein CMOS-Inverter 6 verwendet, der zwischen
einer ersten Versorgungsleitung 62 und einer zweiten Versorgungsleitung 63 angeordnet
ist. Der Inverter 6 umfaßt zwei Komplementär-Feldeffekttransistoren 4, 5, deren Gate-
Elektroden 45, 55 mit einer Eingangsleitung 61 verbunden sind, die in diesem Beispiel
den zu schützenden Anschlußleiter darstellt. Des weiteren umfaßt der Inverter 6 eine
Ausgangsleitung 64, die an die Drains 42, 52 der beiden Transistoren 4, 5
angeschlossen ist.
-
Die Transistoren 4, 5 sind in ein Siliziumsubstrat 10 (siehe Figur 2)
integriert, das in diesem Fall mit Bor dotiert und daher vom p-Typ ist. Eine geeignete
Bordotierung liegt bei etwa 10¹&sup5; cm&supmin;³. Der n-Kanal-Transistor 4 liegt in einer p-
Halbleiterwanne 13 (nachstehend als p-Wanne bezeichnet), die etwas stärker dotiert ist
als das Substrat 10 selbst. Die maximale Bordotierung in der p-Wanne 13 liegt bei etwa
3.10¹&sup6; cm&supmin;³. Der p-Kanal-Transistor 5 befindet sich in einer n-Halbleiterwanne 14
(nachstehend als n-Wanne bezeichnet), die mit Phosphor in einer Dosis von etwa 5.10¹&sup6; cm&supmin;³
dotiert ist. Die Transistoren 4, 5 sind beide seitlich durch Teile einer in den
Halbleiterkörper versenkten Siliziumdioxidschicht 12 begrenzt.
-
Der n-Kanal-Transistor umfaßt einen n-Sourcebereich 41 und einen n-
Drainbereich 42, die voneinander durch einen Teil der an die Fläche 11 angrenzenden
und einen Kanalbereich 43 des Transistors bildenden p-Wanne 13 getrennt sind. Der
Sourcebereich 41 und der Drainbereich 42 haben jeweils einen relativ schwachdotierten
Teil 41A, 42A und einen relativ starkdotierten Bereich 41B, 42B, wobei die
schwachdotierten Teile 41A, 42A an den Kanalbereich 43 angrenzen. Die Aufgabe eines solchen
Aufbaus, der für die Erfindung nicht von Bedeutung ist, besteht darin, nachteilige
Wirkungen auszuschalten, die in MOS-Transistoren mit sehr kurzen Kanallängen von
beispielsweise weniger als 3 um auftreten können. Die relativ schwachdotierten Teile
41A, 42A sind mit Phosphor in einer Konzentration von etwa 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert, während
die Phosphorkonzentration in den relativ starkdotlerten Teilen 41B, 42B bei etwa 10²&sup0;
cm&supmin;³ liegt. Der p-Kanal-Transistor 5 umfaßt einen mit Bor dotierten p-Sourcebereich 51
und p-Drainbereich 52, zwischen denen sich ein Teil der an die Fläche 11 angrenzenden
und einen Kanalbereich 53 des Transistors bildenden n-Wanne befindet. Wie beim n-
Kanal-Transistor 4 umfassen der Sourcebereich 51 und der Drainbereich 52 des p-
Kanal-Transistors 5 jeweils einen relativ schwachdotierten Teil 51A, 52A und einen
relativ starkdotierten Teil 51B, 52B. In den schwachdotlerten Teilen 51A, 52A liegt die
Borkonzentration bei etwa 10¹&sup8; cm&supmin;³, während die Bordosis im restlichen Teil 51B, 52B
von Source und Drain etwa 10²&sup0; cm&supmin;³ beträgt.
-
Die beiden Transistoren 4, 5 sind mit einer Gate-Elektrode 45, 55
versehen, die über dem Kanalbereich 43, 53 angeordnet und von diesem durch eine
dünne Gate-Oxidschicht 44, 54, in diesem Fall eine etwa 17,5 nm dicke
Siliziumdioxidschicht, isoliert ist. Für die Gate-Elektroden 45, 55 wird mit Phosphor n-dotiertes
polykristallines Silizium verwendet. Metallsilizid 15, in diesem Fall Titansilizid,
befindet sich auf dem Sourcebereich 41, 51, dem Drainbereich 42, 52 und der Gate-
Elektrode 45, 55 der beiden Transistoren 4, 5, um den (Schicht-) Widerstand zu diesen
Teilen zu verringern. Die Einheit ist mit einer relativ dicken Siliziumdioxidschicht 17
versehen, in der Kontaktfenster in verschiedenen Bereichen vorhanden sind. Über die
Kontaktfenster sind Aluminiumelektroden 16, in diesem Fall mit einer dünnen Titan-
Wolfram-Schicht versehen, die die Wanderung von Aluminium zum Substrat verhindert,
auf den Titansilizidschichten 15 angeordnet. Mittels der Elektroden können die
verschiedenen Schaltungsteile mit der Verdrahtung 62-64 auf der Siliziumdioxidschicht 17
verbunden werden. Damit werden die Gate-Elektroden 44, 55 der beiden Transistoren
mit der Eingangsleitung verbunden (nicht abgebildet).
-
Im Normalbetrieb wird zum Ansteuern des Inverters 6 an die
Eingangsleitung 61 (siehe Figur 1) eine Spannung von etwa 0 bis 5 V angelegt. Wird eine
wesentlich höhere Spannung an die Eingangsleitung 61 angelegt, beispielsweise
aufgrund einer elektrostatischen Entladung, muß verhindert werden, daß diese Spannung
ebenfalls an die Gate-Elektroden 45, 55 angelegt wird, da sonst die Transistoren 4, 5
beschädigt werden könnten. Beispielsweise könnte das Gate-Oxid 44, 54 durchbrechen,
was zu einer bleibenden Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Transistoren,
zum Beispiel zu einem Dauerkurzschluß des Kanalbereichs 43, 53, führen könnte. Bei
modernen IC-Verfahren werden als Gate-Oxid Siliziumdioxidschichten mit einer Dicke
von 10 bis 50 nm verwendet. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Schicht durchbrechen
kann, wenn die hindurchgehende Spannung während einer elektrostatischen Entladung
auf mehr als etwa 20 bis 80 V steigt.
-
Die Spannung an der Eingangsleitung 61 kann durch eine elektrostatische
Entladung leicht auf ein Mehrfaches dieses Werts steigen. In der Praxis kann Reibung
zum Auftreten von Ladeströmen führen, die zwischen einigen hundert Picoampère und
einigen Mikroampère schwanken, was zu einer Gesamtladung am Körper von 0,1 bis 5
Mikrocoulomb führen kann. Geht man von einem menschlichen Körper mit einer
Kapazität von 150 pF und einer Ladung von 3 uC im Vergleich zu seiner Umgebung
aus, entspricht dies einer Spannung von 20 kV. Dies ist etwa das Tausendfache der
Spannung, bei der damit zu rechnen ist, daß die Schaltung 1 schwer beschädigt wird.
-
Um irreparable Schäden an der Schaltung 1 zu verhindern, wird ein
Schutzelement 8 zwischen die Eingangsleitung 61 und eine zweite Kontaktfläche 7
geschaltet. Das Schutzelement 8 ist so gestaltet, daß es im Normalbetrieb die Funktion
der Schaltung nicht beeinträchtigt. In diesem Zustand fließt kein oder fast kein Strom
durch das Schutzelement 8. Uberschreitet jedoch die Spannung an der Eingangsleitung
61 einen bestimmten Schwellenwert, beispielsweise aufgrund einer elektrostatischen
Entladung, wird das Schutzelement 8 leitend und sorgt so für eine gut leitende
Strombahn zur zweiten Kontaktfläche 7, über die die freigesetzte Ladung abgeführt werden
kann. Eine Beschädigung der Schaltung 1 läßt sich vermeiden, indem man den
Schwellenwert niedriger als die Spannung, bei der Gefahr für die Schaltung 1 besteht, wählt.
Sobald die Spannung an der Eingangsleitung 61 wieder unter den Schwellenwert
gefallen ist, kehrt das Schutzelement 8 wieder in seinen ursprünglichen nichtleitenden
Zustand zurück.
-
Eine Ausführungsform eines solchen Schutzelements 8 ist im Querschnitt
in Figur 3 dargestellt. In dieser Ausführungsform umfaßt es zwei aktive n-leitende
Zonen 81, 82. Die aktiven Zonen 81, 82 grenzen jeweils seitlich an die eingelassene
Siliziumdioxidschicht 12 an und bilden einen pn-Übergang 86 bzw. 87 zum
angrenzenden Teil des p-Substrats 10. Die aktiven Zonen 81, 82 umfassen jeweils einen relativ
schwachdotierten Teil 81A, 82A und einen relativ starkdotierten Teil 81B, 82B. Die
Dotierungskonzentration und die Tiefe der Zonen sind praktisch gleich wie beim
Sourcebereich 41 und Drainbereich 42 des n-Feldeffekttransistors. Die aktiven Zonen
81, 82 können daher im gleichen Fertigungsschritt wie der Sourcebereich 41 und der
Drainbereich 42 hergestellt werden. Zwischen den aktiven Zonen 81, 82 wird das
Substrat mit einer etwa 17,5 nm dicken Gate-Oxidschicht 84 aus Siliziumdioxid
beschichtet, auf der eine Gate-Elektrode 85 aus dotiertem Polysilizium angeordnet wird.
An der Oberfläche werden die aktiven Zonen 81, 82 größtenteils mit Metallsilizid 15, in
diesem Beispiel mit Titansilizid, beschichtet. Die Einheit wird mit einer relativ dicken
Siliziumdioxidschicht 17 überzogen, die über den aktiven Zonen 81, 82 mit
Kontaktfenstern versehen ist. In den Kontaktfenstern werden auf der Titansilizidschicht 15 in den
aktiven Zonen 81, 82 Aluminiumelektroden 16 angeordnet, mit denen die erste aktive
Zone 81 mit der Eingangsleitung 61 und die zweite aktive Zone 82 mit der zweiten
Eingangsleitung verbunden und somit unter eine Bezugsspannung Vss (siehe auch Figur 1)
gesetzt wird. An den an die aktiven Zonen 81, 82 angrenzenden Teil des Substrats wird
Vss über einen Substratanschluß (nicht abgebildet) angelegt.
-
Im Normalbetrieb der Schaltung 1 mit einer Spannung an der
Eingangsleitung 61 zwischen 0 und 5 V wird der pn-Übergang der ersten aktiven Zone 81 in
Sperrichtung vorgespannt. Abgesehen von einem niedrigen Sperrstrom fließt in diesem
Zustand kein Strom durch das Schutzelement, so daß sein Eingangssignal nicht negativ
beeinflußt wird.
-
Wenn die Spannung an der Eingangsleitung 61 steigt, steigt auch die
elektrische Feldstärke in einer Verarmungszone um den pn-Übergang 86 herum. Wenn
die Spannung auf einen Wert gestiegen ist, der die Durchbruchspannung des pn-
Übergangs 86 übersteigt, erfolgt ein Lawinendurchbruch. Die Folge davon ist ein relativ
hoher (Löcher-) Strom von der aktiven Zone 8l zum Substrat 10. Die
Durchbruchspannung des pn-Übergangs 86 stellt somit einen Schwellenwert des Schutzelements 8
dar und hat in diesem Beispiel einen Wert von etwa 10 bis 15 V.
-
Aufgrund der Injektion von Löchern in das Substrat 10 kann das Potential
im Teil 83 des Substrats 10 zwischen den aktiven Zonen 81 und 82 auf einen solchen
Wert steigen, daß auch der pn-Übergang 87 mit der zweiten aktiven Zone 82 leitend
wird. Aus der zweiten aktiven Zone 82 werden dann Elektronen in den Substratteil 83
injiziert, wodurch man einen parasitären Bipolartransistoreffekt erhält; in diesem Fall
können die erste aktive Zone 81, der Substratteil 83 und die zweite aktive Zone 82 als
Kollektor, Basis bzw. Emitter des Bipolartransistors angesehen werden. Infolgedessen
fällt die Spannung über den ersten pn-Übergang 86 auf die sogenannte
Erhaltungsspannung, die in diesem Beispiel etwa 8 V beträgt. Die Spannung an der
Eingangsleitung 61 wird daher auf eine unter der Durchbruchspannung des ersten pn-Übergangs
86 liegende Spannung begrenzt. In diesem Zustand (manchmal als "snap-back-Betrieb"
bezeichnet) stellt das Schutzelement eine gut leitende Strombahn zur zweiten
Kontaktfläche 7 zur Verfügung. Für nähere Erläuterungen hierzu wird auf "A. Ochoa et al.,
I.E.E.E. Transactions on Nuclear Science, Band NS-30, S. 4127-4130, Dezember
1983" verwiesen. Die Beziehung zwischen der durch das Element fließenden
Stromstärke und der Spannung ist in Figur 4 schematisch als Kurve 40 dargestellt. In der
Figur ist die Stromstärke I auf der Ordinate und die Spannung V auf der Abszisse
aufgetragen. Die Durchbruchspannung des pn-Übergangs 86 und die
Erhaltungsspannung sind auf der Abszisse mit Vbd bzw. Vs bezeichnet.
-
Wie bereits weiter oben beschrieben, werden die aktiven Zonen 81 und 82
des Schutzelements mit Titansilizid beschichtet. Die Verwendung von Metallsiliziden
bietet im allgemeinen große Vorteile. Der niedrige spezifische Widerstand ist einer
davon. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Verwendung von Metallsiliziden bei
Schutzelementen nachteilige Folgen haben kann. So wurde beispielsweise nachgewiesen,
daß ein Schutzelement der oben beschriebenen Art, bei dem die aktiven Zonen 81, 82
zuerst mit Metallsiliziden beschichtet werden, ehe sie mit den Elektroden 16 versehen
werden, erheblich weniger zuverlässig ist als ein ähnliches Schutzelement, bei dem die
Elektroden 16 direkt auf den aktiven Zonen 81, 82 angeordnet sind. Es hat sich gezeigt,
daß das erste Schutzelement bei einer wesentlich niedrigeren Spannung und Stromstärke
oder nach einer wesentlich geringeren Anzahl elektrostatischer Entladungen zerstört
wurde als das letzte Schutzelement.
-
Eine einfache Lösung dieses Problems scheint darin zu bestehen, daß das
Metallsilizid im Schutzelement weggelassen wird. Es ist jedoch klar, daß das
Schutzelement bevorzugt mit den gleichen Fertigungsschritten hergestellt wird wie der Rest
der Halbleiteranordnung, bei der die Verwendung von Metallsilizid ja erwünscht ist.
Zumindest wird häufig ein zusätzlicher Maskierungsschritt erforderlich, wenn die
Silizidschicht im Schutzelement weggelassen wird.
-
Durch Anwendung der Erflndung wird der mit der Verwendung von
Metallsiliziden in Schutzelementen verbundene Nachteil vermieden, ohne daß
zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich sind. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus,
daß der Übergang 88 vom Metallsilizid 15 zum Silizium 81 relativ unregelmäßig
geformt sein kann und daß die geringere Zuverlässigkeit eines Schutzelements, bei dem
das Metallsilizid 15 verwendet wird, durch örtliche Widerstandsschwankungen aufgrund
von Unregelmäßigkeiten im Silizid-Silizium-Übergang 88 verursacht sein kann. In Figur
5 wird ein Teil des Schutzelements 8 der Figur 3 zur Verdeutlichung als Schnitt durch
das Titansilizid 15 gezeigt. Wegen der Unregelmäßigkeiten im Übergang 88 zwischen
dem Titansilizid 15 und dem Silizium der aktiven Zone 81 erstreckt sich das Silizid 15
in manchen Bereichen 31 über eine kürzere Entfernung als in anderen Bereichen 32.
Tritt der elektrische Strom aus dem Silizid 15 im Bereich 31 aus, in dem das Silizid 15
nur relativ kurz in die aktive Zone 81 hineinreicht, muß der Strom trotzdem eine
Strecke D&sub1; in der aktiven Zone 81, die verglichen mit dem Silizid 15 vergleichsweise
hochohmig ist, zurücklegen, um die Verarmungszone um den pn-Übergang 86 herum zu
erreichen. Tritt der Strom aber in einem Bereich 32 aus dem Silizid 15 aus, in dem das
Silizid 15 relativ weit in die aktive Zone 81 hineinreicht, muß der Strom nur die Strecke
D&sub2; in der aktiven Zone 81 zurücklegen. Aufgrund der unterschiedlichen Länge D der
Strombahn in der aktiven Zone 81 kann der Widerstand zum pn-Übergang 86 hin im
Bereich 32 wesentlich niedriger sein als im Bereich 31. Es wird davon ausgegangen,
daß der Strom in einem Schutzelement, dessen aktive Zone 81 mit einer Silizidschicht
bedeckt ist, bei einem relativ niedrigen Widerstand zu diesen Bereichen 32 konvergiert.
Infolgedessen wird nur ein kleiner Teil des pn-Übergangs 86 wirksam genutzt, was
örtlich zu einer stark erhöhten Stromdichte führt. Diese Stromschwankung ist in der
Figur schematisch durch die gestrichelten Linien 33 dargestellt. Wenn die Stromdichte
einen bestimmten Maximalwert übersteigt, kann der pn-Überang 86 irreparabel
beschädigt werden, beispielsweise weil dann örtlich eine so große Wärmemenge
abgeführt wird, daß das Halbleitermaterial im pn-Übergang 86 durch Schmelzen
kurzgeschlossen wird. Dies bedeutet, daß der höchste Strom, der sicher durch das
Schutzelement 8 fließen kann, niedriger ist, wenn eine solche Konvergenz auftritt, als wenn
der Strom praktisch gleichmäßig über den pn-Übergang 86 verteilt wird.
-
Erfindungsgemäß wird zur gleichmäßigeren Stromverteilung über den pn-
Übergang 86 ein Widerstandselement mit dem Schutzelement zwischen der Elektrode 16
in Reihe geschaltet, an das die aktive Zone 81 und der pn-Übergang 86 (siehe Figur 6)
angeschlossen sind. Bei dieser Ausführungsform umfaßt das Widerstandselement 9 eine
n-Widerstandszone 91, die sich im Substrat befindet und deren Breite erfindungsgemäß
praktisch gleich der Breite der aktiven Zone 81 ist. Die Widerstandszone 91 wird mit
Phosphor in einer Konzentration von etwa 5.10¹&sup6; cm&supmin;³ dotiert, was einem
Schichtwiderstand von etwa 1500 X/ entspricht. Erfindungsgemäß steht das Widerstandselement 9
in direktem Kontakt mit der aktiven Zone 81, was in diesem Fall dadurch erreicht wird,
daß die Widerstandszone 91 an die aktive Zone 81 des Schutzelements angrenzt. Die
Widerstandszone 91 liegt größtenteils unter der eingelassenen Siliziumdioxidschicht 12.
In einer Öffnung in der Oxidschicht 12 ist die Widerstandsschicht 91 örtlich etwas
stärker dotiert, um einen Elektrodenbereich 92 zu bilden. Der Elektrodenbereich 92 ist
mit einer Titansilizidschicht beschichtet, der mit der Elektrode 16 versehen ist.
-
Aufgrund der Tatsache, daß die Widerstandszone 91 erfindungsgemäß
zwischen der Elektrode 16 und dem pn-Übergang 86 mit dem Schutzelement in Reihe
geschaltet ist, steigt der Gesamtwiderstand zum pn-Übergang 86 hin, wodurch die
Widerstandsschwankungen relativ geringe Auswirkungen haben. Daher wird vermieden,
daß der Strom bereits in der niederohmigen Elektrode 16 konvergiert. Der Strom bleibt
im wesentlichen auch in der Widerstandszone 91 gleichmäßig; eine Konvergenz des
Stroms wird durch den relativ hohen Schichtwiderstand der Zone 91 verhindert. Der
Strom tritt daher aus der Widerstandswne 91 praktisch gleichmäßig über deren gesamte
Breite aus. Aufgrund der Tatsache, daß die Breite der Widerstandszone 91 im
wesentlichen gleich der Breite der aktiven Zone 91 ist, wird somit der Strom praktisch
gleichmäßig der aktiven Zone 81 zugeführt. Das Auftreten einer Konvergenz des Stroms
zwischen dem Ende der Widerstandswne 91 und der aktiven Zone 81 wird dann
dadurch verhindert, daß man die Widerstandszone 91 an die aktive Zone 81 angrenzen
läßt. Sobald der Strom die aktive Zone 81 erreicht hat, kann er auf zwei Bahnen zum
pn-Übergang 86 fließen. Die erste Bahn geht mehr oder weniger direkt durch die aktive
Zone 81 zum pn-Übergang 86; eine zweite Bahn geht von der Widerstandszone 91
durch die aktive Zone 81 zum Silizid 15 und über das Titansilizid 15 weiter zum
pnÜbergang 86. Befindet sich der pn-Übergang 86 in relativ großer Entfernung von der
eingelassenen Oxidschicht 12, fließt der Strom hauptsächlich durch das gut leitende
Silizid 15. Befindet sich jedoch der pn-Übergang 86 in kürzerer Entfernung zur
Oxidschicht 12, wird der Strom wahrscheinlich eher die erste Bahn wählen und direkt
durch die aktive Zone 81 zum pn-Übergang 86 fließen. Dies bedeutet, daß dieser Teil
des Stroms nicht durch den unregelmäßigen Silizid-Silizium-Übergang 88 fließt und
daher von diesem nicht mehr beeinflußt werden kann. Auf diese Weise läßt sich eine
praktisch homogene Stromverteilung über den pn-Übergang 86 erzielen, insbesondere
wenn die aktive Zone 81 relativ kurz ist. Vorzugsweise wird daher die aktive Zone 81
so kurz wie möglich innerhalb der lithografischen Grenzen gewählt. In diesem Fall
beträgt die Lange der aktiven Zone 81 etwa 2 um.
-
Mit der Erfindung kann die Konvergenz des Stroms zu bestimmten
Bereichen des pn-Übergangs 86 stark verringert oder sogar nahezu vollständig
unterdrückt werden. Aufgrund dieser gleichmäßigeren Stromverteilung über den pn-
Übergang 86 kann der höchste Strom, der sicher durch das Element fließen kann,
wesentlich höher sein als beim bekannten Schutzelement.
-
Auch bei Verwendung anderer Metallsilizide wie beispielsweise Kobalt-,
Platin- und Wolframsilizid ist der Übergang zur darunterliegenden Siliziumschicht
relativ unregelmäßig, was beim Schutzelement zu ähnlichen Problemen führt wie
Titansilizid. Auch in diesen Fällen läßt sich die Erfindung vorteilhaft anwenden.
-
Wegen dieses hohen Grads an Übereinstimmung mit dem n-Kanal-
Transistor 4 der Schaltung 1 sind zur Implantierung des Schutzelements 8 der
vorliegenden Erfindung keine unterschiedlichen oder zusätzlichen Bearbeitungsschritte
erforderlich. Auch kann die Widerstandszone 91 so angepaßt werden, daß sie voll mit
dem Fertigungsverfahren für den Rest der Halbleiteranordnung kompatibel ist. Dies
wird unter Bezugnahme auf die Figuren 7A bis 13B näher erläutert, die die erste
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung im Querschnitt in
aufeinanderfolgenden Fertigungsstufen zeigen. Die Figuren mit dem Suffix "A" zeigen
den Inverter 6 in aufeinanderfolgenden Fertigungsstufen und die Figuren mit dem Suffix
"B" das Schutzelement 8 und das Widerstandselement 9 in denselben Stufen.
-
Das Ausgangsmaterial (siehe Fig. 7A, B) ist ein p-Siliziumsubsrat 10, das
mit einer Dichte von etwa 10¹&sup5; cm&supmin;³ mit Bor dotiert ist. Das Substrat 10 wird zum
Ziehen einer dünnen Siliziumdioxidschlcht 18 auf der Oberfläche kurzzeitig thermisch
oxydiert. Dann wird auf die Siliziumdioxidschicht 18 eine Siliziumnitridschicht 19
aufgebracht, die mittels Maskieren und Ätzen strukturiert wird.
-
Nun wird die Einheit einer oxydierenden Atmosphäre ausgesetzt, wodurch
die nicht von der Nitridschicht 19 bedeckten Teile des Substrats 10 oxydieren. Auf
diesen Flächen bildet sich die teilweise in das Substrat 10 eingelassene
Siliziumdioxidschicht 12. Die Einheit wird dann mit einer Fotolackschicht 20 überzogen, die an
einzelnen Stellen freigelegt und durch Entwicklung im Bereich der zu bildenden n-
Wanne 14 vom p-Kanal-Transistor 5 und der zu bildenden Widerstandszone 91 entfernt
wird. Danach wird Phosphor mit einer Dosis von etwa 5. 10¹² cm&supmin;² und einer Energie
von etwa 600 keV implantiert, wobei die Fotolackschicht 20 als Masklerung während
der Implantation dient. Infolgedessen bildet sich im Bereich des Transistors 5 die n-
Wanne 14 und im Bereich des Widerstandselements 9 die Widerstandszone 91. Nun
wird die Fotolackschicht 20 entfernt und danach eine zweite Fotolackschicht 21
aufgetragen. Die zweite Fotolackschicht wird im Bereich der zu bildenden p-Wanne 13
vom n-Kanal-Transistor 4 entfernt, und dann wird Bor in das Substrat implantiert. Diese
Implantation kann beispielsweise mit einer Dosis von etwa 5.10¹² cm&supmin;² und einer Energie
von etwa 250 keV erfolgen. Dann bildet sich im Bereich des n-Kanal-Transistors 4 die
p-Wanne 13. Nun werden die zweite Fotolackschicht 21 und die Nitridschicht 19
entfernt und die Einheit auf die übliche Weise planarisiert, wobei der nicht in das
Substrat 10 eingelassene Teil der Oxidschicht 12 entfernt und eine praktisch ebene
Struktur erzielt wird (siehe Fig. 8A, B). In diesen Figuren zeigt eine gestrichelte Linie
an, wo sich die Fotolackschichten 20, 21 befanden.
-
Danach wird eine etwa 17,5 nm dicke Oxidschicht 22 thermisch gezogen
(siehe Fig. 9A, B). Die Oxidschicht 22 kann als Gate-Oxid verwendet werden. Hierzu
können natürlich auch andere Isolierstoffe verwendet werden. Dann wird eine etwa 300
nm dicke polykristalline Siliziumschicht 23 auf die Oxidschicht 22 aufgebracht. Die
Polysiliziumschicht 23 wird dann durch Phosphorimplantation mit einer Dosis von etwa
5.10¹&sup5; cm&supmin;² n-leitend gemacht. Durch Wärmebehandlung der Einheit verteilt sich der
implantierte Phosphor gleichmäßig über die Schicht.
-
Aus der Siliziumschicht 23 werden für die zwei Transistoren 4, 5 und das
Schutzelement 8 Gate-Elektroden 45, 55, 85 gebildet. Hierzu wird die Siliziumschicht
23 mit einer Ätzmaske aus Fotolack versehen (siehe Fig. 10 A, B). Die Siliziumschicht
23 kann nun mittels eines geeigneten Ätzverfahrens in eine Struktur gebracht werden,
die die Gate-Elektroden 45, 55, 85 umfaßt. Danach wird die Ätzmaske 25 wieder
entfernt.
-
Im Bereich des zu bildenden p-Kanal-Transistors 5 wird die Oberfläche
mit einer Ätzmaske abgedeckt, die die Oberfläche in dem Bereich, in dem die
Widerstandszone 91 angeordnet wird, sowie in dem Bereich, in dem das Schutzelement 8 und
der n-Kanal-Transistor 4 gebildet werden sollen, freiläßt. Die Ränder der Maske können
sich auf der eingelassenen Oxidschicht 12 befinden. Danach wird Phosphor implantiert,
wobei neben der Implantationsmaske auch die Gate-Elektroden 45, 85 als Maske bei der
Implantation dienen. Auf diese größtenteils selbstjustierende Weise bilden sich relativ
schwachdotierte Oberflächenzonen 41A, 42A, 81A, 82A, die vom Teil 43, 83 der p-
Wanne 13 bzw. des Substrats 10 voneinander getrennt werden. Darüber hinaus wird
durch diese Implantation die Dotierungskonzentration an der Oberfläche der
Widerstandszone 91 zur Bildung einer Kontaktzone 92 örtlich erhöht. Die Implantation kann
mit einer Dosis von etwa 4.10¹³ cm&supmin;² und einer Energie von etwa 50 keV erfolgen.
Nach Entfernen der Implantationsmaske wird eine zweite komplementäre
Implantationsmaske aufgebracht, die die Oberfläche 11 im Bereich des zu bildenden n-Kanal-
Transistors 4 freiläßt. Danach kann auf ähnliche Weise zur Erzeugung relativ
schwachdotierter p-Oberflächenzonen 51A, 52A Bor in die n-Wanne 14 implantiert werden.
Dafür wird eine Dosis von etwa 4. 10¹³ cm&supmin;² und eine Energie von etwa 25 keV
verwendet. Nach Entfernen auch der zweiten Implantationsmaske wird die Einheit mit
einer etwa 0,25 um dicken Siliziumoxidschicht 26 überzogen, beispielsweise durch
Bedampfung aus der Gasphase einer TEOS-Atmosphäre. Der implantierte Dotant in den
Oberflächenzonen kann dann weiter in das Substrat 10 diffundieren. Der damit erzielte
Aufbau ist in Fig. 11A, B dargestellt.
-
Dann wird die Siliziumdioxidschicht 26 anisotrop zusammen mit der
darunterliegenden Siliziumdioxidschicht 22 weggeätzt. Von der Siliziumdioxidschlcht 26
bleiben nun nur noch die Randbereiche 27 (Abstandsstücke) übrig (siehe Fig. 12A, B).
Die von der Siliziumdioxidschicht 22 übriggebliebenen Teile 44, 54, 84 dienen als Gate-
Oxid für die Gate-Elektroden 45, 55, 85 der beiden Transistoren 4, 5 und des
Schutzelements 8.
-
Die Randbereiche 27 werden neben den Gate-Elektroden zum Maskieren
bei den darauffolgenden Implantationen, bei denen Bor in die n-Wanne 14 und Arsen in
die p-Wanne 13 sowie im Bereich des zu erzeugenden Schutzelements 8 in das Substrat
10 implantiert werden, verwendet. Die Randbereiche 27 dienen nun auch als Maske bei
der Implantation, für die eine höhere Dosis und Energie als bei den vorangegangenen
Implantationen verwendet werden. Dadurch lassen sich etwas tieferliegende
Oberflächenzonen 41B, 42B, 81B, 82B erzeugen, die im Vergleich zu den schwachdotierten
Oberflächenzonen 41A, 42A, 81A, 82A relativ starkdotiert sind (siehe Fig. 10 A, B).
Diese Bor- und Arsenimplantationen erfolgen mit einer Dosis von etwa 3. 10¹&sup5; cm&supmin;².
Danach wird Arsen auch in die Widerstandszone 91 implantiert, um die
Dotierungskonzentration in der Oberflächenzone 92 weiter zu erhöhen.
-
Die Einheit wird dann durch Aufsputtern von Titan auf die gesamte
Oberfläche mit einer Metallschicht 28 überzogen. Hierfür kann auch ein anderes Metall,
beispielsweise Kobalt oder Platin, verwendet werden. Danach wird die Einheit auf eine
Temperatur von etwa 650 ºC aufgeheizt, wobei das Titan 28 mit dem Silizium reagiert
und Titansilizid 15 in den Bereichen bildet, in dem das Titan 15 direkt mit dem Silizium
in Berührung kommt. Somit werden die Gate-Elektroden 45, 55, 85, Source 41, 51 und
Drain 42, 52, die erste aktive Zone 81 und die zweite aktive Zone 82 sowie die
Kontaktzone 92 selbstjustierend mit einer gut leitenden Deckschicht aus Titansilizid 15
versehen (siehe Fig. 13 A, B). Das übrige, nicht umgewandelte Titan 28 kann gezielt
mit einem geeigneten Lösungsmittel vom Titansilizid 15 entfernt werden. Der Klarheit
halber ist hier anzumerken, daß der Begriff "Titansilizid" oder allgemeiner
"Metallsilizid", wie er für die vorliegende Anwendung verwendet wird, so zu verstehen ist, daß
er nicht nur eine stöchiometrische Verbindung, sondern in einem allgemeineren Sinne
alle metall- und silizidhaltigen Materialien beinhaltet.
-
Danach wird die Einheit mit einer Siliziumdioxidschicht 17 überzogen, in
der über den Metallsilizidteilen 15 Kontaktfenster vorhanden sind. In den
Kontaktfenstern wird das Metallsilizid 15 mit einer dünnen Titan-Wolframschicht (nicht abgebildet)
überzogen, und danach wird die Einheit mit einer Aluminiumschicht versehen, die sich
in den Kontaktfenstern auf dem Metallsilizid befindet und somit Elektroden 16 bildet.
Aus der Aluminiumschicht wird dann die gewünschte Verdrahtung, darunter die
Anschlußleiter 61-64, durch Maskieren und Ätzen hergestellt. Der nun erhaltene Aufbau
ist schematisch in den Figuren 2, 6 dargestellt.
-
Eine zweite Halbleiteranordnung ist in Draufsicht in Figur 14 und im
Querschnitt in Figur 15 dargestellt. Bei dieser Anordnung und auch in den
nachfolgenden Figuren wird immer von der oben beschriebenen CMOS-Schaltung ausgegangen.
Für eine Beschreibung dieser Schaltung wird daher auf die erste Ausführungsform
verwiesen.
-
Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform umfaßt das Schutzelement
eine erste aktive Zone 81 und eine zweite aktive Zone 82, beide vom n-Typ. Die beiden
Zonen 81, 82 bilden einen pn-Übergang 86, 87 mit dem angrenzenden Teil des p-
Substrats 10, und ihre Oberfläche ist mit Titansilizid 15 beschichtet. Bei dieser
Anordnung befindet sich das Substrat 10 zwischen den zwei aktiven Zonen 81, 82 unter
einer etwa 0,4 um dicken Siliziumdioxidschicht 12, die in das Substrat 10 eingelassen
ist. Die eingelassene Oxidschicht 12 wird nacheinander mit einer zweiten
Siliziumdioxidschicht 17 und einer Aluminium-Gate-Elektrode 85 versehen. Die beiden
Oxidschichten 12, 17 stellen zusammen ein relativ dickes Gate-Oxid dar, wodurch die
Schwellenspannung des Schutzelements als MOS-Transistor relativ hoch ist.
-
Sobald die Spannung über das Schutzelement die Schwellenspannung von
etwa 15-20 V übersteigt, erreicht das Schutzelement 8 den oben beschriebenen "snap-
back"-Zustand. Nun besteht eine elektrische Verbindung zwischen der Eingangsleitung
61 über das Schutzelement und der zweiten Versorgungsleitung 63. Wegen der relativ
großen Dicke des Gate-Oxids ist das Schutzelement dieser Ausführungsform relativ
stark. Außerdem wird der Abstand zwischen den aktiven Zonen 81, 82 größer als bei
der vorhergehenden Ausführungsform gewählt, was insgesamt dazu führt, daß das hier
beschriebene Schutzelement relativ hohe Spannungen aushalten kann. Es hat sich
gezeigt, daß das Element Spannungen von mehr als 1000 V aushalten kann, die
entsprechend dem sogenannten "Human Body Model", US Military Standard 883C,
Methode 3015.6, Anmerkung 7 angelegt wurde. Das hier beschriebene Schutzelement
ist dagegen wegen seines höheren Schwellenwerts langsamer als die vorhergehende
Ausführungsform. Vorzugsweise werden daher in der Halbleiteranordnung die beiden
Schutzelemente getrennt an die Eingangsleitung 61 und die zweiten Versorgungsleitung
63 angeschlossen, damit die Vorteile beider Elemente ausgenutzt werden können. Im
Fall einer elektrostatischen Entladung wird die Spannung vom Schutzelement der ersten
Ausführungsform ausreichend schnell auf einen sicheren Wert begrenzt, während das
hier beschriebene Schutzelement dafür sorgt, daß die Ladung in ausreichend hoher
Dichte abgeführt werden kann.
-
Das Widerstandselement 9, das mit dem Schutzelement 8 in Reihe
geschaltet ist, umfaßt in dieser Anordnung eine phosphordotierte polykristalline
Siliziumschicht mit einer Deckschicht aus Titansilizid 15, die teilweise in Streifen 93
unterteilt ist. Die Zusammensetzung und Dicke der Schicht entspricht im wesentlichen
denen der Gate-Elektrode des Inverters der integrierten Schaltung, so daß das
Widerstandselement in denselben Bearbeitungsschritten wie diese hergestellt werden kann. Der
Widerstand des Widerstandselements 9 wird hauptsächlich durch die gut leitende
Titansilizid-Deckschicht 15 bestimmt. Der Schichtwiderstand liegt daher bei etwa 3-4
X/ . Im Prinzip können auch andere leitende Materialien für das Widerstandselement
verwendet werden, wofür jedoch oft zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich
werden.
-
Aufgrund der Tatsache, daß das Widerstandselement 9 in einzelne Streifen
93 unterteilt ist, die vom Substrat durch die Oxidschichten 12, 22 isoliert sind, wird die
oben beschriebene Stromkonvergenz im Widerstandselement verhindert. Die Streifen 93
sind in einem relativen Abstand von etwa 4 um angeordnet und haben eine Breite von
etwa 1 um. Bei einer Länge von 5 - 20 um erhält man somit einen Widerstand von etwa
15 - 80 X pro Streifen. Aufgrund der Tatsache, daß die Streifen parallelgeschaltet sind,
wird jedoch der Widerstand des Widerstandselements relativ niedrig, so daß dieses die
Schaltgeschwindigkeit des Schutzelements nur unwesentlich beeinflußt. Auf der von der
aktiven Zone 81 abgewandten Seite ist das Widerstandselement 9 nicht in Streifen
unterteilt, und auf dem Element ist eine Reihe von Elektroden 16 angeordnet, die durch
gestrichelte Linien in Figur 14 angedeutet sind, auch wenn sie in der Draufsicht nicht
sichtbar sind. Das Widerstandselement 9 wird über die Elektroden 16 mit der
Eingangsleitung 61 verbunden. In diesem Teil des Widerstandselements 9 sind wegen des relativ
hohen Widerstands der einzelnen Streifen 93 Widerstandsschwankungen am Übergang
vom Titansilizid 15 zur aktiven Zone 81 nicht oder kaum wahrnehmbar. Daher tritt in
diesem Fall keine oder nahezu keine Konvergenz eines elektrischen Stroms auf, so daß
der Strom im wesentlichen gleichmäßig dem Widerstandselement zugeführt wird. Im
Widerstandselement ist eine Konvergenz deshalb nicht möglich, weil die Streifen 93
seitlich gegeneinander isoliert sind. Daher tritt der Strom im wesentlichen gleichmäßig
aus dem Element aus. Auf der dem Schutzelement 8 zugewandten Seite sind die Streifen
93 einzeln über einen Aluminiumstreifen 98 mit der aktiven Zone 81 verbunden. Durch
die Verwendung einzelner Aluminiumteile 98 anstelle einer gemeinsamen
durchgehenden Aluminiumschicht für den Anschluß der Streifen 93 an die aktive Zone
81 wird eine Konvergenz des Strom im niederohmigen Aluminium 98 verhindert. Somit
wird der Strom im wesentlichen gleichmäßig dem Titansilizid 15 auf der aktiven Zone
81 zugeführt. Sofern die Strombahn im Silizid 15 nicht zu lang ist, läßt sich somit eine
im wesentlichen homogene Stromverteilung über den pn-Übergang 86 erreichen.
-
Die Herstellung der zweiten Anordnung wird nun unter Bezugnahme auf
die Figuren 16 bis 19 beschrieben. Die Figuren zeigen nun das Schutzelement 8 und das
Widerstandselement 9 in aufeinanderfolgenden Fertigungsstufen. Die CMOS-Schaltung
wird auf dieselbe Weise wie oben für die erste Ausführungsform beschrieben
hergestellt.
-
Das Ausgangsmaterial ist ein bordotiertes p-Substrat 10, das mit einer
Oxidmaske aus Siliziumnitrid 19 versehen wird. Zwischen der Maske 19 und dem
Substrat 10 wird eine dünne Siliziumdioxidschicht 18 zum Ausgleich von Spannungen
aufgebracht. Hierfür kann auch Siliziumoxinitrid verwendet werden. Danach wird die
Einheit thermisch oxydiert und eine teilweise in das Substrat eingelassene
Siliziumdioxidschicht 12 auf dem unmasklerten Teil des Substrats gezogen (siehe Figur 16).
-
Nun können die p- und n-Wannen für die CMOS-Schaltung erzeugt
werden. In dieser Ausführungsform haben weder das Schutzelement 8 noch das
Widerstandselement 9 eine solche Wanne. Die beiden Elemente 8, 9 eignen sich daher
auch für Verfahren, die keine solche Wanne aufweisen, wie zum Beispiel ein NMOS-
oder PMOS-Verfahren.
-
Nach dem Entfernen der Oxydationsmaske 19 wird die Oxidschicht 12 auf
die übliche Weise planarisiert, so daß nur der in das Substrat eingelassene Teil der
Schicht übrigbleibt. Danach wird zur Erzeugung einer dünnen Siliziumdioxidschicht 22
mit einer Dicke von etwa 17,5 nm, die als Gate-Oxid im Inverter verwendet wird (siehe
Beschreibung für die erste Ausführungsform) eine leichte thermische Oxydierung
durchgeführt. Die Siliziumdioxidschicht 22 wird mit einer Schicht aus polykristallinem
Silizium überzogen, die phosphordotiert ist und aus der die Streifen 93 des
Widerstandselements 9 durch Maskieren und Ätzen hergestellt werden. Aus derselben
Siliziumschicht
werden auch die Gate-Elektroden 45, 55 der CMOS-Transistoren hergestellt,
was bereits bei der ersten Ausführungsform beschrieben ist, so daß zur Herstellung der
Streifen 93 keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte erforderlich sind. Der nun erhaltene
Aufbau ist in Figur 17 dargestellt.
-
Nun werden im Bereich des Schutzelements Phosphor und Arsen
nacheinander in das Substrat 10 implantiert, wobei die relativ starkdotierten Oberflächenzonen
81, 82 auf beiden Seiten der eingelassenen Oxidschicht 12 gebildet werden. Die
Dotierungskonzentration in den Zonen 81, 82 liegt bei etwa 10²&sup0; cm&supmin;³. Zwischen den
beiden Implantationen wird die Einheit mit einer dicken Siliziumdioxidschicht
überzogen, die dann zusammen mit der darunterliegenden Siliziumdioxidschicht 22 anisotrop
weggeätzt wird und von der nur die Randbereiche 27 entlang der Streifen 93
übrigbleiben. Der Aufbau ist in Figur 18 dargestellt.
-
Die Einheit wird nun mit einer Titanschicht 28 überzogen, beispielsweise
durch Aufsputtern auf die Oberfläche, und auf eine Temperatur von etwa 675 ºC
aufgeheizt. In den Bereichen, in denen die Titanschicht 28 mit dem Silizium in
Berührung kommt, reagiert das Titan mit dem Silizium und bildet Titansilizid 15 (siehe
Figur 19). Dies ist außerdem der Fall in Bereichen, in denen die Titanschicht 28 mit
dem Siliziumsubstrat in Berührung kommt, beispielsweise auf dem polykristallinen
Silizium der Streifen 93. Das nicht umgewandelte Titan kann dann gezielt entfernt
werden.
-
Danach wird die Einheit mit einer relativ dicken Siliziumdioxidschicht 17
überzogen, in die Kontaktfenster auf die übliche Weise eingeätzt werden. Daraufhin
wird die Einheit mit einer Aluminiumschicht überzogen, aus der die Elektroden 16 und
die Verdrahtung 61, 63 durch Maskieren und Ätzen gebildet werden. Bei diesem Schritt
werden neben der Eingangsleitung 61 und der zweiten Versorgungsleitung 63 auch die
Aluminiumstreifen 98 zwischen den Streifen 93 und der aktiven Zone 81 bzw. der
zweiten aktiven Zone 82 hergestellt. Darüber hinaus wird aus der Aluminiumschicht
eine Gate-Elektrode 85 für das Schutzelement gebildet. Der erhaltene Aufbau ist im
Querschnitt in Figur 15 dargestellt.
-
Die Figuren 20 und 21 zeigen eine zweite Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung in Draufsicht bzw. im Querschnitt. Wie bei der
ersten Ausführungsform umfaßt die Anordnung eine CMOS-Schaltung, die ansonsten für
die Erfindung nicht von Bedeutung ist und daher in den Figuren nicht dargestellt ist.
Für eine Beschreibung der Schaltung wird daher auf die erste Ausführungsform
verwiesen.
-
Bei dieser Ausführungsform ist das Ausgangsmaterial dasselbe
Schutzelement 8 wie bei der ersten Ausführungsform. Es umfaßt eine erste aktive Zone 81 und
eine zweite aktive Zone 82, beide vom n-Typ, die mit der Eingangsleitung 61 bzw. der
zweiten Versorgungsleitung 63 verbunden sind. Die aktiven Zonen 81, 82 bilden jeweils
einen pn-Übergang 86 bzw. 87 mit dem angrenzenden Teil des p-Substrats. Der Teil 83
des Substrats 10 zwischen den beiden aktiven Zonen 81, 82 wird mit einer etwa 17,5
nm dicken Gate-Oxidschicht aus Siliziumdioxid und einer Gate-Elektrode 85 aus
polykristallinem Silizium des n-Typs überzogen. Sowohl die Gate-Elektrode 85 als auch
die aktiven Zonen 81, 82 werden mit Titansilizid 15 überzogen. Andernfalls sollte die
Gate-Elektrode 85 des Schutzelements vorzugsweise über einen Widerstand mit der
zweiten Versorgungsleitung verbunden werden. Dies führt tatsächlich dazu, daß die
Spannung zwischen der Gate-Elektrode 85 und der zweiten aktiven Zone 82 niedrig
bleibt, wodurch ein Durchbruch des Gate-Oxids 84 verhindert werden kann, wenn die
Spannung an der Eingangsleitung 61 einen hohen Wert annimmt.
-
Das erfindungsgemäße Widerstandselement 9 dieser Ausführungsform
umfaßt eine n-Widerstandszone 94, auf der eine Reihe von Streifen 95 aus Titansilizid
angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Streifen sind
etwa 10 um lang und 1 um breit. Bei einem Schichtwiderstand des Titansilizids 15 von
etwa 3 - 4 Ω/ ist daher der Widerstand pro Streifen etwa 30 X. Die Widerstandszone
94 wird in einem p-Teil des Substrats 10 erzeugt und davon durch einen pn-Übergang
isoliert. Die Streifen 95 vereinigen sich mit der Titansilizidschicht 15 in der aktiven
Zone 81, an die ebenfalls die Widerstandszone 94 angrenzt. Auf der von der aktiven
Zone 81 abgewandten Seite werden die Streifen 95 miteinander verbunden und mit
Elektroden 16 versehen, wodurch das Widerstandselement 9 mit der Eingangsleitung 61
verbunden wird. Die Elektroden 16 sind in Figur 20 durch gestrichelte Linien
dargestellt, auch wenn sie tatsächlich in der Draufsicht nicht sichtbar sind. In dem Bereich, in
dem die Widerstandszone 94 nicht mit den Silizidstreifen 95 bedeckt ist, befindet sich
die Zone 94 unter der in das Substrat 10 eingelassenen Siliziumdioxidschicht 12.
-
Im folgenden wird die Herstellung der hier beschriebenen
Halbleiteranordnung unter Bezugnahme auf die Figuren 22 bis 25 beschrieben. Die
Figuren zeigen sowohl die Widerstandselemente 9, 9' als auch das Schutzelement 8 in
aufeinanderfolgenden Fertigungsstufen.
-
Das Ausgangsmaterial ist ein p-Siliziumsubstrat 10, das nacheinander mit
einer dünnen Siliziumdioxidschicht 18 und einer Siliziumnitridschicht 19 überzogen
wird. Nach Strukturierung der Nitridschicht 19 auf die übliche Weise wird die Einheit
einer oxydierenden Atmosphäre ausgesetzt, wodurch eine teilweise eingelassene
Siliziumdioxidschicht 12 in den nicht von der Nitridschicht 19 bedeckten Teilen des
Substrats 10 entsteht. Nun wird dafür gesorgt, daß der Bereich des Substrats 10, in dem
später die Metallsilizidstreifen des Widerstandselements gebildet werden müssen, mit
der Nitridschicht 19 bedeckt ist. Der Aufbau ist in Figur 22 dargestellt.
-
Der Bereich des zu bildenden Schutzelements wird nun mit einer
Fotolackmaske 20 versehen, und danach wird eine n-Wanne 94 durch Phosphorimplantation
in den unmaskierten Teilen des Substrats 10 hergestellt, welche die Widerstandszone
darstellt (siehe Figur 23). Nach dem Implantieren wird die Einheit eine Zeitlang
aufgeheizt, um den implantierten Dotanten zu aktivieren.
-
Nach Entfernen der Maske 20 und der Nitridschicht 19 wird die teilweise
eingelassene Siliziumdioxidschicht 12 auf die übliche Weise planarisiert und danach eine
etwa 17,5 nm dicke Siliziumdioxidschicht 22 durch thermisches Oxydieren gezogen, die
als Gate-Oxid für das Schutzelement dient. Im Bereich des Schutzelements wird die
Oxidschicht 22 mit einer Gate-Elektrode 85 aus polykristallinem Silizium vom n-Typ
versehen und danach eine erste Phosphorimplantation zur Erzeugung relativ
schwachdotierter und ziemlich flacher n-Oberflächenzonen 81A, 82A auf beiden Seiten der
Gate-Elektrode 85 durchgeführt (siehe Figur 24).
-
Dann wird die Einheit mit einer relativ dicken Siliziumdioxidschicht
überzogen, aus der durch anisotropes Rückätzen der Schicht Randbereiche 27 geformt
werden. Diese Randbereiche 27 wirken bei einer zweiten, mit einer höheren Dosis als
bei der vorhergehenden Implantation durchgeführten Arsenimplantation als Maske. Die
erste Implantation wird beispielsweise mit einer Dosis von etwa 4.10¹³ cm&supmin;²
durchgeführt, während bei der letztgenannten Implantation die Dosis bei etwa 3.10¹&sup5; cm&supmin;²
liegt. Dadurch entstehen etwas tiefere und etwas stärker dotierte Oberflächenzonen 81B,
82B, die außerdem etwas weiter von der Gate-Elektrode 85 entfernt sind. Die Zonen
81A und 81B bilden gemeinsam die erste aktive Zone 81 des Schutzelements. In
gleicher Weise bilden die Zonen 81B und 82B gemeinsam die zweite aktive Zone 82
(siehe Figur 25).
-
Daraufhin wird die Einheit mit einer Titanschicht überzogen, wonach das
mit Silizium in Berührung kommende Titan durch Wärmebehandlung in Titansilizid 15
umgewandelt wird. Das restliche Titan wird dann weggeätzt. Bei diesem Schritt werden
nicht nur die erste aktive Zone 81 und die zweite aktive Zone 82 mit einer
Titansilizidschicht 15 versehen, sondern auch die Silizidstreifen 95 des Widerstandselements 9
gebildet. Danach wird die Einheit mit einer dünnen Titan-Wolframschicht und einer
Aluminiumschicht überzogen, aus der durch Maskieren und Ätzen die Elektroden 16
und die gewünschte Verdrahtung wie z.B. die Eingangsleitung 61 und die zweite
Versorgungsleitung 63 hergestellt werden.
-
In einer Halbleiteranordnung kann das Widerstandselement in der
Anordnung so untergebracht werden, daß es vom Schutzelement getrennt ist. Dies ist
beispielsweise bei der oben beschriebenen zweiten Anordnung der Fall. In diesem Fall
ist das Widerstandselement über Leiterbahnen mit dem Schutzelement verbunden.
Erfindungsgemäß grenzt das Widerstandselement jedoch wie bei der oben beschriebenen
ersten und zweiten Ausführungsform an das Schutzelement an. In diesem Fall kann die
separate Leiterbahn für den elektrischen Anschluß des Widerstandselements an das
Schutzelement weggelassen werden. Eine weitere Integration wird erreicht, wenn das
Widerstandselement im Schutzelement untergebracht wird. Als Beispiel hierfür wird im
folgenden eine dritte Halbleiteranordnung beschrieben.
-
Figur 26 zeigt einen Querschnitt durch das Schutzelement der
Halbleiteranordnung. Das Schutzelement umfaßt eine erste aktive Zone 81 und eine zweite aktive
Zone 82 entgegengesetzter Leitungstypen. Die aktiven Zonen 81, 82 stellen eine Diode
mit einer Durchbruchspannung von etwa 35 V dar. Die aktiven Zonen 81, 82 werden
während derselben Bearbeitungsschritte wie die n-Wanne und die p-Wanne des
p-Kanal- bzw. n-Kanal-Transistors der integrierten Schaltung hergestellt. Die erste aktive Zone
81 hat daher einen Schichtwiderstand von etwa 15 kX/ , der mehr als ausreichend ist,
um die oben erwähnte Konvergenz des Stroms zu verhindern.
-
Die erste aktive Zone 81 und die zweite aktive Zone 82 befinden sich
teilweise unter einer Siliziumdioxidschicht 12, die in das Substrat 10 eingelassen ist und
den pn-Übergang 86 zwischen den zwei Zonen an der Oberfläche begrenzt. In dem
Bereich, in dem sich die Zonen 81, 82 nicht unter der Siliziumdioxidschicht 12
befinden, sind die Zonen mit Titansilizid 15 bedeckt. Sowohl in der ersten Zone 81 als
auch in der zweiten Zone 82 wird zur Bildung der Kontaktzonen 181 und 182 an
einzelnen Stellen eine zusätzliche Menge n-Dotant an der Oberfläche aufgebracht. Hierzu
wird die Source- und Drain-Implantation für die n-Kanal-Transistoren der CMOS-
Schaltung verwendet. Die Einheit wird mit einer relativ dicken Siliziumdioxidschicht 17
überzogen, die im Bereich der Kontaktzonen 181, 182 mit Kontaktfenstern versehen ist.
In den Kontaktfenstern werden die aktiven Zonen 81, 82 auf der Silizidschicht 15 mit
Elektroden 16 versehen, mittels derer die erste aktive Zone 81 mit der Eingangsleitung
61 und die zweite aktive Zone 82 mit der zweiten Versorgungsleitung 63 verbunden
wird.
-
Aufgrund der Tatsache, daß sich zwischen den Kontaktzonen 181, 182 die
erste aktive Zone 81 und die zweite aktive Zone 82 unter der Oxidschicht 12 befinden
und nicht von der Silizidschicht 15 überzogen sind, kann ein elektrischer Strom den pn-
Übergang 86 nur über die relativ schwachdotierten Zonen erreichen. Der Strom trifft
dort auf einen solchen Widerstand, daß die Widerstandsschwankungen im Silizid-
Silizium-Übergang 88 praktisch keinen Einfluß mehr haben. Daher verteilt sich der
Strom im wesentlichen homogen über den pn-Übergang 86, wodurch die maximal für
das Schutzelement zulässige Stromdichte nur bei einem relativ hohen Gesamtstrom
erreicht wird.
-
Die Durchbruchspannung des pn-Übergangs 86 von etwa 35 V liegt über
der Schwellenspannung der Schutzelemente der vorhergehenden Ausführungsformen.
Hingegen ist das hier beschriebene Schutzelement im Vergleich zu den anderen
Schutzelementen wesentlich stärker. Das heißt, daß es eine wesentlich höhere Spannung
und Stromdichte aushalten kann als das Schutzelement einer vorhergehenden
Ausführungsform. Bei einer dritten Ausführungsform der Halbleiteranordnung wird daher
erfindungsgemäß eine Kombination der zuvor beschriebenen Schutzelemente gemeinsam
in einer Schaltung verwendet, um die verschiedenen Vorteile dafür zu nutzen. Figur 27
zeigt ein Ersatzschaltbild hiervon.
-
Bei dieser Ausführungsform sind drei Schutzelemente 8A-C zwischen der
Eingangsleitung 61 und der zweiten Versorgungsleitung 63 parallelgeschaltet. Das erste
Schutzelement 8A umfaßt eine p-Wannen-/n-Wannen-Diode der für die dritte
Anordnung beschriebenen Art. Das zweite Schutzelement 8B besteht wie das Schutzelement
der zweiten Anordnung aus einem relativ dicken Gate-Oxid und einer relativ großen
Kanallänge im Vergleich zum dritten Schutzelement 8C, das auf die bei der ersten
Ausführungsform der Erfindung beschriebene Art zusammengesetzt ist. Die Gate-Elektrode
des zweiten Schutzelements 8B ist mit der Eingangsleitung 61 verbunden. Daher wird
bei einer elektrostatischen Entladung praktisch die gleiche Spannung an die Gate-
Elektrode und die erste aktive Zone des Schutzelements 8B angelegt, so daß das zweite
Schutzelement 8B schneller leitend wird. Das dicke Gate-Oxid des zweiten
Schutzelements 8B ist dann stark genug, um die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und
der zweiten aktiven Zone auszuhalten.
-
Zwischen das zweite Schutzelement 8B und die Eingangsleitung ist
erfindungsgemaß ein Widerstandselement 9 geschaltet, wofür in diesem Fall das
Widerstandselement der oben beschriebenen zweiten Anordnung gewählt wird. Das
zweite Schutzelement 8B begrenzt die Spannung an der Eingangsleitung 61 auf einen
ausreichend niedrigen Wert, so daß für das dritte Schutzelement 8C kein
Reihenwiderstand erforderlich ist. Darüber hinaus wird beim dritten Schutzelement 8C die Spannung
an der Gate-Elektrode vom Widerstand R&sub4;, der zwischen die Gate-Elektrode und die
zweite Versorgungsleitung 63 geschaltet ist, niedrig gehalten.
-
Daneben ist zwischen den Anschlüssen des ersten Schutzelements 8A und
des zweiten Schutzelements 8B an die Eingangsleitung 61 ein Reihenwiderstand R&sub1; in
der Eingangsleitung enthalten. Außerdem ist ein Reihenwiderstand R&sub2; zwischen den
Anschlüssen des zweiten und des dritten Schutzelements 8B, 8C in die Eingangsleitung
61 geschaltet. Vorzugsweise wird für die beiden Reihenwiderstände R&sub1;, R&sub2; eine
Widerstandszone verwendet, die sich im Halbleiterkörper befindet und einen
pn-Übergang zum angrenzenden Teil des Halbleiterkörpers bildet. Im Betrieb wird der pn-
Übergang in Sperrichtung vorgespannt. Mit zunehmender Spannung über den
Widerstand wird die Verarmungszone um den pn-Übergang herum größer, wodurch die
Widerstandszone schmäler wird und ihr Widerstandswert steigt. Somit kann erreicht
werden, daß im Normalbetrieb der Schaltung 1, bei dem die Spannung an der
Eingangsleitung 61 nicht über etwa 5 V steigt, das Ansprechen der Schaltung im wesentlichen
nicht verzögert wird. Ein geeigneter Wert des ersten und zweiten Reihenwiderstands R&sub1;,
R&sub2; ist in diesem Zustand 300 X bzw. 100 X. Hingegen ist bei einer elektrostatischen
Entladung, bei der ja eine sehr hohe Spannung an die Eingangsleitung angelegt wird,
der Widerstandswert der beiden Reihenwiderstände R&sub1;, R&sub2; erhebich höher. Die
Reihenwiderstände R&sub1;, R&sub2; verzögern in diesem Zustand den Spannungsanstieg an der
Eingangsleitung 61, damit das dritte Schutzelement 8C leitend werden kann, ehe die
Spannung an den Gate-Elektroden 45, 55 auf einen unzulässig hohen Wert gestiegen ist.
-
Wenn eine elektrostatische Entladung stattfindet, wird wegen seines relativ
niedrigen Schwellenwerts zuerst das dritte Schutzelement leitend und begrenzt die
Spannung am Anschlußleiter 61 nach dem zweiten Reihenwiderstand R&sub2; auf etwa 8 V.
Der dann durch den zweiten Reihenwiderstand R&sub2; fließende Strom sorgt für einen
Spannungsabfall über den Widerstand, woraufhin das zweite Schutzelement 8B mit
einem Schwellenwert von etwa 15 - 20 V ebenfalls leitend werden kann. Die an der
Eingangsleitung anliegende Spannung wird dann zwischen den beiden
Reihenwiderständen R&sub1;, R&sub2; auf 10 - 15 V begrenzt. Zuletzt wird auch das erste Schutzelement 8A
leitend, woraufhin die freigesetzte Ladung innerhalb kurzer Zeit abgeführt werden kann.
-
Durch sorgfältige Wahl der Reihenwiderstände R&sub1;, R&sub2; läßt sich
sicherstellen, daß der größte Teil des durch das erste Schutzelement 8A fließenden Stroms
abgeführt wird. Somit fließt bei einer elektrostatischen Entladung bei dem hier
verwendeten Wert der Reihenwiderstände R&sub1;, R&sub2; ein Strom in der Größenordnung von 100-
500 mA bzw. 10-20 mA durch R&sub1; und R&sub2;, während der vom ersten Schutzelement
abgeführte Strom dann bis zu 5 A oder mehr betragen kann.
-
Ein Querschnitt durch eine vierte Halbleiteranordnung ist in Figur 28
dargestellt. In dieser Figur umfaßt das Schutzelement 8 eine erste aktive Zone 81 und
eine zweite aktive Zone 82, die beide n-leitend und voneinander durch einen Teil des p-
Substrats 10 getrennt sind. Dieser Teil befindet sich unter einer relativ dicken
Oxidschicht 12, die in das Substrat 10 eingelassen ist. Die Zonen 81, 82 sind etwa 200 um
breit und werden in denselben Bearbeitungsschritten wie die n-Wanne des p-Kanal-
Transistors hergestellt. Hierzu wird auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform
verwiesen. Die aktiven Zonen 81, 82 werden dort mit Phosphor in einer Konzentration
von etwa 5.10¹&sup6; cm&supmin;³ dotiert, wodurch ihr Schichtwiderstand etwa 15 kX/ beträgt.
-
Zur Herstellung eines zufriedenstellenden elektrischen Kontakts mit den
aktiven Zonen 81, 82 sind die beiden Zonen 81, 82 auf beiden Seiten der Oxidschicht
12 an der Oberfläche zur Bildung der Elektrodenzonen 181 bzw. 182 stärker dotiert.
Für die Elektrodenzonen 181, 182 kann die Source- und Drain-Implantation der n-
Transistoren der Schaltung verwendet werden (hierzu wird auf die Beschreibung der
ersten Ausführungsform verwiesen). Die Elektrodenzonen 181, 182 werden mit
Titansilizid 15 beschichtet, und die Einheit wird mit einer Siliziumdioxidschicht 17
überzogen. Über Kontaktfenster in der Oxidschicht 17 werden die erste aktive Zone 81
und die zweite aktive Zone 82 mittels Aluminiumelektroden 16 mit der Eingangsleitung
61 bzw. der zweiten Versorgungsleitung 63 verbunden. Zwischen den aktiven Zonen
81, 82 wird eine Aluminium-Gate-Elektrode 85 auf der Oxidschicht 17 für das
Schutzelement vorgesehen.
-
Die beiden aktiven Zonen 81, 82 bilden mit dem p-Substrat 10 einen pn-
Übergang 86 bzw. 87 mit einer Durchbruchspannung von etwa 35 V. Steigt die
Spannung an der Eingangsleitung 61 über diesen Wert, kann der pn-Übergang 86 der
ersten aktiven Zone 81 durchbrechen, woraufhin das Schutzelement den oben
beschriebenen "snap-back"-Zustand annimmt. In diesem Zustand führt das Schutzelement
die Ladung an die zweite Versorgungsleitung 63 ab, wobei die Spannung an der
Eingangsleitung auf etwa 15 V begrenzt ist. Der dann durch das Schutzelement
fließende Strom wird gezwungen, durch einen Teil des relativ schwachdotierten
Bereichs der ersten aktiven Zone 81 zu fließen. Aufgrund des relativ hohen
Schichtwiderstands in diesem Bereich der aktiven Zone 81 trifft der Strom auf einen
ausreichenden Widerstand, um eine Konvergrenz des Stroms zu verhindern. Daher muß
vor dem Schutzelement kein zusätzlicher Widerstand angeordnet werden.
-
Die Erfindung beschränkt sich natürlich nicht auf die einzelnen
dargestellten Ausführungsformen, sondern im Rahmen der Erfindung sind verschiedene
Abwandlungen möglich.
-
So kann beispielsweise das in einer Ausführungsform beschriebene
Widerstandselement und Schutzelement auch in einer anderen Ausführungsform
verwendet werden. Außerdem ist die Erfindung nicht auf
MOS-Schaltungs-Anwendungen beschränkt, sondern kann beispielsweise auch in einer Halbleiteranordnung
verwendet werden, die eine Bipolar-Schaltung mit beispielsweise silizidierten Emittern
umfaßt. Das Schutzelement kann in diesem Fall aus einem Bipolar-Transistor, zum
Beispiel einem npn-Transistor, bestehen, dessen Kollektor an den Anschlußleiter
angeschlossen ist und dessen Emitter mit der zweiten Kontaktfläche verbunden ist.
Durch Anwendung der Erfindung läßt sich auch die Lebensdauer und damit die
Zuverlässigkeit dieses Elements erhöhen.
-
Daneben kann im Fall eines Schutzelements mit einer Reihe aktiver Zonen
eine Reihe von Widerstandselementen verwendet werden, die erfindungsgemäß einzeln
an eine aktive Zone angeschlossen sind. Somit kann eine weitere Erhöhung des
Gesamtreihenwiderstands erreicht werden, wofür in bestimmten Fällen nicht mehr Platz
benötigt wird.
-
Des weiteren ist zu bemerken, daß die Erfindung, auch wenn sie oben
hauptsächlich bezüglich einer Schutzschaltung zwischen einer Eingangsleitung und einer
Versorgungsleitung beschrieben wurde, beispielsweise ebenso in der Schutzschaltung
zwischen einer Ausgangsleitung und einer Versorgungsleitung oder zwischen zwei
Versorgungsleitungen oder in der integrierten Schaltung selbst angewandt werden kann.