ITVA980001A1 - Protezione da effetti di sottomassa o di sovralimentazione per circuiti integrati ad isolamento a giunzione - Google Patents

Description

“Protezione da effetti di sottomassa o di sovralimentazione per circuiti integrati ad isolamento a giunzione”

La presente invenzione concerne i dispositivi a semiconduttore, ed in particolare i circuiti integrati con isolamento a giunzione.

Nei circuiti integrati con isolamento a giunzione si possono verificare, durante il funzionamento, condizioni di polarizzazione anomala, tali da provocare il passaggio di correnti indesiderate nel substrato del circuito e/o all'interno delle sue regioni attive, cioè delle regioni contenenti componenti elettronici, le quali sono isolate tra di loro e dal substrato da giunzioni p-n normalmente polarizzate in senso inverso.

Tali condizioni di polarizzazione anomala si manifestano comunemente durante la commutazione di carichi induttivi, come induttanze o motori elettrici, eseguita tramite transistori de! circuito integrato funzionanti come interruttori elettronici.

In figura 1 è mostrato un tipico circuito di commutazione realizzato con transistori di potenza DMOS.

Qualora entrambi i transistori H e L vengano spenti mentre nel carico induttivo sta scorrendo una corrente, la natura induttiva del carico impone alla corrente di trovare una via di fuga (o “di ricircolo”), che potrà essere il diodo body-drain (DbH) del transistore H o quello (DbL) del transistore L, a seconda del verso in cui fluisce la corrente.

a) Fenomeno di sovralimentazione

Nel caso in cui la corrente fluisca attraverso il diodo DbH, si avrà l’accensione di un componente pnp parassita di cui il diodo DbH rappresenta la giunzione base-emitter, mentre il collettore sarà rappresentato dal substrato (P substrate) del chip (Fig. 2). Ne consegue che una frazione della corrente in gioco verrà iniettata in substrato.

Tale fenomeno viene comunemente indicato come sovralimentazione; in quanto il potenziale del nodo A sale al di sopra del potenziale VCC per consentire l'accensione del diodo DbH.

-Per un corretto funzionamento di un circuito integrato con isolamento a giunzione realizzato o mediante regioni di well o uno strato epitassiale di tipo n su un substrato di tipo p è necessario che il substrato sia polarizzato al potenziale più basso disponibile.

Il substrato può, ad esempio, essere polarizzato a massa mediante contatti superficiali oppure posizionati sul retro del dispositivo stesso.

Di fatto, però, tali contatti presentano una resistenza finita. Ne consegue che, a causa di questa resistenza, la corrente iniettata in substrato può provocare un innalzamento del potenziale del substrato stesso.

Questo fenomeno risulta essere più accentuato in prossimità del componente in cui avviene il ricircolo, riducendosi di intensità con l’aumentare della distanza fisica dal componente stesso. Si verifica quindi un innalzamento del potenziale di substrato, localizzato prevalentemente vicino al transistore (L o H) di ricircolo.

Qualora vi siano circuiti localizzati nella zona caratterizzata da questo innalzamento del potenziale di substrato si possono verificare condizioni di mal funzionamento o addirittura di rottura.

b) Fenomeno di sottomassa

Nel caso in cui la corrente fluisca attraverso il diodo DbL, essa si ripartirà tra il diodi DbL stesso ed il diodo Drain substrato Dsub (Fig. 3). Tale diodo Dsub rappresenta la giunzione base-emitter di un npn parassita (Npn par.) multicollettore in cui qualunque regione di well o epitassiale o sacca di tipo n nel substrato rappresenta un collettore.

Durante questo tipo di ricircolo (detto di “sottomassa" in quanto il nodo A si porta a potenziale negativo), parte della corrente di ricircolo viene estratta da ciascuno dei multi-collettori (regioni di tipo n).

L'efficienza di tale estrazione è marcatamente maggiore per i “collettori” ubicati in prossimità del dispositivo (transistore DMOS) in cui si ha il ricircolo, per poi ridursi all’aumentare della distanza fisica da questo.

La maggior parte delle soluzioni note adottate per ovviare gli effetti di sottomassa (es.: substrato non contattato) risulta essere penalizzante in termini dell’effetto di fenomeni di sovralimentazione e viceversa (es. substrato ben contattato a massa). Per questo motivo, a séconda dei casi, si cerca di adottare una soluzione ottimizzata nei confronti del fenomeno considerato più rischioso.

La presente invenzione ha come oggetto una metodologia di design finalizzata a consentire l’uso di una soluzione ottimizzata contro uno dei due fenomeni, riducéndo al tempo stesso l’effetto del fenomeno complementare.

A titolo puramente esemplificativo si supponga di predisporre in fase di progetto l'implementazione di accorgimenti e condizioni di polarizzazione specificatamente efficaci contro gli effetti di sottomassa. In tal caso, nel layout del circuito integrato, si interporrà il dispositivo in cui si verifica il ricircolo sottomassa (L), gli effetti del quale sono efficacemente contrastati dagli accorgimenti posti in atto, tra il dispositivo che da origine a! fenomeno di sovralimentazione (H) ed i circuiti da proteggere da influenze negative dei fenomeni di sottomassa e di sovralimentazione (C).

Infatti, come si è detto, i fenomeni di sottomassa e di sovralimentazione si attenuano con la distanza. Ne consegue che i circuiti C avranno in prossimità il componente L, nei confronti del quale sono attuate precauzioni secondo una qualsiasi delle tecniche note di controllo del fenomeno di sottomassa. Invece il componente H soggetto al fenomeno di sovralimentazione per cui non sono attuate precauzioni, si troverà ad una distanza di sicurezza dai circuiti sensibili C. Ovviamente la stessa cosa si potrà fare interponendo il dispositivo H, nei confronti del fenomeno di sovralimentazione provocato dal quale sono attuate specifiche precauzioni, tra il dispositivo L e i circuiti sénsibili C.

Il principio dell'invenzione consiste nel fare in modo che un solo tipo di dispositivo (L o H) si trovi in prossimità dei circuiti C che si vogliono proteggere. Adatti accorgimenti di protezione nei confronti del fenomeno specifico al dispositivo (L o H) posto in prossimità dei circuiti C possono essere implementati, alternativamente tra il dispositivo di potenza (L o H) e la regione dei circuiti C da proteggere potranno essere interposti altri dispositivi o, laddove sia possibile in termini di disponibilità da area di integrazione, una regione “dummy” di tipo n, polarizzata ad una tensione arbitraria costante.

A tale scopo è possibile realizzare strutture a forma di L o di U o anche strutture ad anello, per accentuare ove necessario e/o fattibile, l’effeto schermante della regione interposta tra la regione C contenente circuiti o strutture integrate particolarmente sensibili e la regione contenente il dispositivo di potenza LDMOS (L o H) contro il fenomeno di sottomassa o di sovralimentazione causato dal quale non. sono implementati accorgimenti di contrasto o limitazione.

I diversi aspetti dell’invenzione risulteranno ancor più evidenti attraverso la seguente descrizione di alcune forme di attuazione e facendo riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la Figura 1 mostra come già menzionato sopra, lo schema di un tipico circuito di commutazione impiegante transistori di potenza DMOS;

in Figura 2 è schematizzato il modo in cui si istaura il fenomeno cosiddetto di sovralimentazione, come già descritto sopra;

la Figura 3 mostra in modo schematico il modo in cui si verifica un fenomeno cosiddetto di sottomassa, come già descritto sopra;

le Figure. 4, 5, 6 e 7 mostrano possibili layout realizzati secondo la presente invenzione.

Nella serie di Figg. 4-7, le notazioni H ed L si riferiscono ad aree definite nel layout del circuito integrato corrispondenti alle regioni dello strato epitassiale, nell'esempio di tipo n, n-epi o regioni di n-well appositamente realizzate, presenti su un substrato di tipo p, all'interno delle quali sono formati i transistori di potenza DMOS a canale p, rispettivamente quali interruttore di pilotaggio superiore (H) ed interruttore di pilotaggio inferiore (L) di uno stadio di potenza come quello schematizzato, ad esempio in Fig. 1 , secondo le rispettive strutture integrate schematizzate nelle Figg. 2 e 3.

Con l'annotazione C è invece identificata una regione dello strato epitassiale o di una separata regione di well contenente un circuito integrato, le strutture componenti il quale devono essere protette da fenomeni di sovralimentazione e/o di sottomassa, innescabiii rispettivamente dall’uno (H) e dall’altro (L) transistore DMOS di uscita.

Con riferimento al layout della Fig. 4, supponendo ad esempio mettere in atto accorgimenti circuitali di controllo-limitazione del fenomeno di sottomassa attribuibile all’interruttore inferiore L, costituito dal DMOS L riferito a massa, dello schema della Fig. 1 , in fase di funzionamento del circuito integrato, la sua posizione nel layout del circuito integrato sarà tra la regione C contenente la circuiteria sensibile a effetti di fenomeni di sottomassa e di sovralimentazione, e la regione contenente la struttura DMOS dell'interruttore superiore FI, il fenomeno di sovralimentazione de! quale avrà un effetto tollerabile dai circuiti C in virtù della sua relativa distanza dalla regione C contenente i circuiti sensibili.

Alternativamente, nel caso in cui il circuito integrato sia progettato in modo da controllare e limitare il fenomeno di sovralimentazione causabile dal dispositivo DMOS H, riferito all’alimentazione VCC, la relativa posizione delle regioni H e L dello schema della Fig. 4 sarà, secondo l’invenzione, invertita rispetto alla posizione della regione C contenente la circuiteria sensibile.

L'effetto “schermante" ottenibile interponendo tra la regione C contenente i circuiti sensibili e la regione contenente un dispositivo DMOS, per il quale non sono attuati accorgimenti di protezione dal fenomeno di sovralimentazione o di sottomassa, la regione del dispositivo DMOS complementare al primo per il quale tali accorgimenti sono predisposti, può essere accentuato o adattato ai requisiti di layout del particolare circuito integrato anche mediante una deliberata conformazione della regione interposta a forma di L o di U o anche ad anello, come esemplificato nelle Figg. 5 e 6.

In Fig. 7 è mostrata una forma di realizzazione dell’invenzione in cui più di un transistore DMOS riferito (nell’esempio) a massa L1 , L2 e L3 sono formati tra una regione contenente un transistore DMOS riferito all'alimentazione H1 ed una regione C contenente circuiti particolarmente sensibili a effetti di sovralimentazione.

Naturalmente, un’alternativa forma di realizzazione dell’invenzione, nei casi in cui ciò sia fattibile, può anche consistere nella realizzazione di una regione isolata, ad esempio di tipo n nel caso considerato, sostanzialmente vuota e di conformazione adeguata, con il solo compito di schermare una regione contenente circuiti sensibili dalla regione contenente un dispositivo DMOS soggetto a indurre fenomeni di sovralimentazione o di sottomassa.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito integrato con isolamento a giunzione comprendente transistori di potenza (L, H) di tipo DMOS integrati in rispettive regioni di una regione dì well o in uno strato epitassiale a conduttività di un primo tipo (n-epi) su un substrato a conduttività di tipo opposto (psubstrate), riferiti gli uni alla tensione di alimentazione (VCC) e gli altri al potenziale di massa (GND) e circuiti sensibili agli effetti di fenomeni di sovralimentazione e/o di sottomassa indotti da primi transistori DMOS riferiti all’alimentazione (H) e da secondi transistori DMOS riferiti a massa (L), formati in una distinta regione isolata (C) di well o di detto strato epitassiale, e comprendente mezzi atti a controllare-fidurre o il fenomeno di sovralimentazione in detti primi transistori DMOS (H) o di sottomassa in detti secondi transistori DMOS (L), caratterizzato dal fatto che, in termini di layout, tra detta regione contenente detti circuiti sensibili (C) ed una regione contenente un transistore di potenza DMOS soggetto a dar luogo a un fenomeno di sovralimentazione o di sottomassa non controllato e ridotto da detti mezzi, è interposta una o più regioni contenenti transistori di potenza DMOS il fenomeno di sovralimentazione o di sottomassa indotto dai quali è controllatolimitato da detti mezzi, o una regione priva di strutture integrate e polarizzata ad una tensione arbitraria costante.