WO2006133888A1 - Halbleiterschutzstruktur für eine elektrostastische entladung - Google Patents

Halbleiterschutzstruktur für eine elektrostastische entladung Download PDF

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WO2006133888A1
WO2006133888A1 PCT/EP2006/005637 EP2006005637W WO2006133888A1 WO 2006133888 A1 WO2006133888 A1 WO 2006133888A1 EP 2006005637 W EP2006005637 W EP 2006005637W WO 2006133888 A1 WO2006133888 A1 WO 2006133888A1
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semiconductor
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region
semiconductor region
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PCT/EP2006/005637
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Franz Dietz
Volker Dudek
Michael Graf
Manfred Klaussner
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Atmel Germany Gmbh
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    • H01L27/0248—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
    • H01L27/0251—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices
    • H01L27/0259—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using bipolar transistors as protective elements
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L27/0266—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using field effect transistors as protective elements

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor protective structure suitable for electrostatic discharge (ESD).
  • US Pat. No. 6,873,505 B2 discloses a semiconductor component which has a protective circuit for electrostatic discharges, which is connected to a common discharge line (CDL).
  • the semiconductor component comprises a multiplicity of bond pads, to each of which a protective circuit is assigned.
  • a controlled semiconductor rectifier (SCR) is composed of a pnp bipolar transistor and an npn bipolar transistor whose triggering voltage is reduced by a zener diode as the trigger element.
  • US Pat. No. 6,236,087 B1 discloses an ESD component for a connection pin of an integrated circuit with a unipolar characteristic.
  • the ESD component shows a thyristor-like
  • Thyristors are disclosed in US 2004/0042143 A1 and US 6,614,061 B2. These also reveal the so-called snap-back effect due to the thyristor structure.
  • the object of the invention is to provide a semiconductor protective structure for an electrostatic discharge which has no acting Thyristor structure or thyristor-like structure and thus have as little or no negligible snap-back effect.
  • a semiconductor protective structure suitable for electrostatic discharge has a first portion with a first bipolar transistor for dissipating the electrostatic discharge.
  • the semiconductor structure has a second subregion with a second bipolar transistor.
  • the bipolar transistors may be lateral or vertical bipolar transistors.
  • the semiconductor protective structure is preferably formed exclusively by the first partial area and the second partial area.
  • the bipolar transistors are advantageously designed as parasitic bipolar transistors of a field effect transistor structure. For example, a drain semiconductor region is the collector region, a source semiconductor region is the emitter region, and a well with a BuIk connection is the base region of the first bipolar transistor and / or of the second bipolar transistor.
  • the first bipolar transistor and the second bipolar transistor are connected in parallel so that a first emitter semiconductor region of the first bipolar transistor is conductively connected to a second emitter semiconductor region of the second transistor. Furthermore, a first collector semiconductor region of the first bipolar transistor is conductively connected to a second collector semiconductor region of the second bipolar transistor. Preferably, the first emitter semiconductor region directly adjoins the second emitter semiconductor region. Further preferably, the first collector semiconductor region directly adjoins the second collector semiconductor region. A first base semiconductor region of the first bipolar transistor in the first subregion of the semiconductor protective structure directly adjoins a second base semiconductor region of the second bipolar transistor of the second subregion. Therefore, neither a metal nor an insulating material is provided between the first base semiconductor region and the second base semiconductor. Due to the immediate adjacency of the first base semiconductor region to the second base semiconductor region, these are conductively connected to one another.
  • the first base semiconductor region of the first bipolar transistor and the second base semiconductor region of the second bipolar transistor in this case have the same conductivity type.
  • the first base semiconductor region and the second base semiconductor region are p-doped.
  • the first base half conductor region and the second base semiconductor region are n-doped.
  • a first variant of the proposed problem provides that a first collector-base diode of the first bipolar transistor has a larger breakdown voltage than a collector-base diode of the second bipolar transistor.
  • the breakdown voltage is preferably influenced predominantly by the Zener effect.
  • the different breakdown voltages of the first collector-base diode and the second collector-base diode preferably cause an at least temporary base cross-current, which flows from the second base semiconductor region into the first base semiconductor region, by forming the semiconductor protective structure.
  • a second solution variant of the stated task provides that the first bipolar transistor of the first subregion has a greater current amplification than the second bipolar transistor of the second subregion.
  • the difference in the current gain is in a first sub-variant by a difference in the base width between the first bipolar transistor - A -
  • a second sub-variant combinable with the first sub-variant provides a difference in the dopant concentration from the first base half conductor region to the second base semiconductor region for a different current amplification. It is also possible to form the dopant concentration in the emitter semiconductor region of the first bipolar transistor and of the second bipolar transistor differently.
  • This third sub-variant can also be combined with the first sub-variant and / or with the second sub-variant.
  • the variants of the structure advantageously have the effect that, at least temporarily, a base transverse current flows from the second base half conductor region into the first base half conductor region and opens the first bipolar transistor in order to dissipate the electrostatic discharge.
  • a first base-emitter junction of the first bipolar transistor has a lower resistance than a second base-emitter junction of the second bipolar transistor. This can also be effected by virtue of a charge carrier generation in a first collector-base diode of the first bipolar transistor being smaller than a charge carrier generation in a second collector-base diode of the second bipolar transistor.
  • the particular parasitic bipolar transistors are formed as a closed structure, in particular as a ring structure. Round or oval structures are advantageous as ring structures. These allow the connection which is critical for electrostatic discharges, in the case of pnp bipolar transistors, to arrange the cathode connection of the semiconductor protection structure in the interior region of the semiconductor protection structure. Furthermore, the closed structure reduces edge effects at interfaces, in particular to dielectrics, or even completely excludes them.
  • a pn junction is provided along the outer region of the closed structure, which completely replicates the closed structure in its shape. The pn junction is formed by the semiconductor protective structure itself. This is advantageously the collector-base pn junction of the first bipolar transistor and the second bipolar transistor.
  • the second partial area is at least partially a curved area.
  • the first subarea is preferably characterized exclusively by straight structural sections.
  • the second base semiconductor region has a lower dopant concentration than the first base semiconductor region. If the base region is subdivided into a plurality of dopant profiles, for example, the difference in the dopant concentration is advantageously introduced at least in one of these subdivisions. For example, a (separate) implantation or diffusion of dopants into a region of the base semiconductor region can be reduced by masking the second base semiconductor region.
  • a first Zener breakdown voltage of a first collector base diode of the first bipolar transistor of the first partial region is greater than a second Zener breakdown voltage of a second collector base diode of the second bipolar transistor of the second partial region.
  • the zener breakdown voltage is dependent, for example, on a distance between a highly p-doped collector semiconductor region and a highly n-doped base semiconductor region of a pnp transistor. The same applies to an npn bipolar transistor.
  • the Zener breakdown voltage is dependent on a dopant concentration in the base semiconductor region. For a different zener breakdown voltage, therefore, at least one of the parameters of the distance and the dopant concentration is advantageously designed differently.
  • the second Zener breakdown voltage is lower than the first Zener breakdown voltage in the first partial area due to a greater distance between a heavily doped base terminal semiconductor region of the second partial region and a highly doped base connection semiconductor region of the second partial region than a first partial region first base semiconductor region of the first partial region and a highly doped collector semiconductor region of the first partial region.
  • a connection of a collector semiconductor region to a connection of an emitter semiconductor region of the first partial region and / or of the second partial region to a surface of the semiconductor protective structure is separated by a dielectric.
  • the semiconductor protective structure has a trench structure insulated with dielectric for isolation from an adjacent semiconductor structure.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a semiconductor protective structure which is suitable for an electrostatic discharge
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through the semiconductor protective structure of FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 shows a further schematic sectional view through the semiconductor protective structure of FIG. 1,
  • Fig. 4 is a schematic first current-voltage characteristic
  • Fig. 5 is a schematic second current-voltage characteristic
  • FIG. 1 A schematic plan view of a semiconductor protective structure 10 is shown in FIG. 1. This is suitable for electrostatic discharges and is also referred to as an ESD (electro-static-isharge) structure.
  • This semiconductor protection structure 10 is connected to an integrated circuit 32, which is to be protected against electrostatic discharges by the semiconductor protection structure 10.
  • the integrated circuit 32 is connected to terminals 24 and 30 to a supply voltage source 26.
  • electrostatic discharges can act via these connections 24 and 30.
  • the semiconductor protection structure 10 is also connected to these terminals 24 and 30.
  • the semiconductor protection structure 10 is integrated with the integrated circuit 32 to be protected on a semiconductor chip together and manufactured in the same manufacturing process.
  • the plan view of which is shown in FIG.
  • the semiconductor protective structure 10 has a first partial area 12 and a second partial area 14a and 14b. While the first partial region 12 has exclusively straight sections within the semiconductor protective structure 10, the second partial region has two curved regions 14a and 14b. In this case, the first partial area 12 and the second partial area 14a, 14b adjoin one another, so that they form a closed structure in the form of an oval. This is also called a ring structure.
  • An anode region 16 is connected to the terminal 24 by means of an anode metallization 22. The anode region 16 is adapted to the shape of the oval structure. The anode region 16 also forms an outer boundary of the oval structure.
  • a cathode region 18 is arranged inside the oval structure.
  • the cathode region 18 is connected to the terminal 30 by means of a cathode metallization 28.
  • the anode region 16 and the cathode region 18 are separated on the surface of the semiconductor protective structure 10 by a dielectric 20 of width a.
  • FIG. 2 schematically shows a section along the line II-II through the semiconductor protective structure 10.
  • the sectional view is of the
  • Anodenmetallmaschine 22 limited to the cathode metallization 38.
  • the semiconductor protective structure 10 is formed symmetrically with respect to the axis of the oval.
  • Metallization 22 of the anode and the metallization 28 of the cathode are conductively connected, for example via a silicide layer, not shown, with underlying semiconductor regions 16, 42 and 44.
  • the semiconductor protection structure 10 for a pnp bipolar transistor will be explained in more detail below.
  • the semiconductor region 16, which is conductively connected to the anode metallization 22, is highly p-doped and forms a collector semiconductor region 16 of the pnp bipolar transistor.
  • the semiconductor region 44 which forms the emitter semiconductor region 44.
  • a base semiconductor region 34, 46, 42 is n-doped.
  • Highly n-doped is a connection region 42 of the base semiconductor region (34, 46, 42) which effects a low-resistance connection to the cathode metallization 28.
  • connection region 42 of the base and the emitter semiconductor region 44 are short-circuited via the cathode metallization 28 and thus always have the same potential.
  • the regions 46, 34 and 40 are lower n-doped. In this case, the region 34 again has a lower dopant concentration than the regions 46 and 40.
  • a current amplification of the pnp transistor influencing dopant concentration within the base is significantly determined by at least one of the dopant concentrations in the n-doped semiconductor regions 46 and 34.
  • Another influencing factor is the base width W, which is determined by the distance between the two p-doped semiconductor regions 16 and 44 of the collector or of the emitter.
  • the dielectric 20 of width a extends.
  • the dielectric 20 can be introduced into a recess STI (shallow trench isolation).
  • a dielectric for example, a PECVD oxide can be used.
  • the base width W is dependent on the depth of this filled with the dielectric 20 well.
  • Another dielectric 36 isolates the semiconductor region 34 of the base from the semiconductor substrate 38, so that a so-called SOI structure (semiconductor on insulator) is formed.
  • the semiconductor protective structure 10 may be insulated from adjacent semiconductor structures by isolated trench structures (not shown in FIG. 2).
  • the semiconductor regions 16, 42, 44, etc. adjacent to the surface are covered by a layer 48 of boron-phosphorus-silicate glass (BPSG).
  • BPSG boron-phosphorus-silicate glass
  • FIG Semiconductor protection structure 10 Due to the short circuit of the base semiconductor lead region 42 and the emitter semiconductor region 44 by the cathode metallization 28, FIG Semiconductor protection structure 10 also a zener behavior.
  • the Zener effect between the collector semiconductor region 16 and the base semiconductor region 42, 46, 34 is thereby likewise governed by a set of parameters, such as the dopant concentration in the semiconductor regions 34 and 46 and by the distance between the highly p-doped collector semiconductor region 16 and the highly n-doped Base semiconductor lead region 42 is affected. If the space charge zone reaches the highly n-doped base semiconductor connection region 42, the Zener breakdown occurs. In addition to the Zener effect, the avalanche effect also produces a charge carrier which can cause the pnp bipolar transistor to switch on.
  • a trigger element is connected in parallel to the collector base diode, which is formed at least by the semiconductor regions 16, 34, 46 and 42.
  • This triggering element causes even at lower voltages a current flow parallel to the collector base diode in the base semiconductor region 34, 46, 42.
  • the trigger element is formed by the second portion 14a, 14b.
  • the second portion 14a, 14b is arranged within at least one curvature of the oval structure.
  • the triggering element is also a further pnp bipolar transistor in the exemplary embodiment, which is shown in FIG. 3 as a schematic sectional view along the section line I-I.
  • a base semiconductor region 34 ', 46', 42 'of the further bipolar transistor directly adjoins the base semiconductor region 34, 46, 42 of the pnp bipolar transistor shown in section in FIG.
  • Both base semiconductor regions 34, 46, 42 and 34 ', 46', 42 ' have the same conductivity type.
  • a collector semiconductor region 16 'of the further bipolar transistor likewise adjoin the collector semiconductor region 16 of the pnp bipolar transistor shown in section in FIG. 2.
  • an emitter semiconductor region 44 'of the further bipolar element also borders. transistor to the emitter semiconductor region 44 of the pnp bipolar transistor shown in section in FIG.
  • the pnp bipolar transistor and the further pnp bipolar transistor are different in terms of their electrical properties.
  • the further pnp bipolar transistor has a different dopant concentration in at least one of the semiconductor regions 16 ', 40', 34 ', 46', 42 'or 44' relative to the respective associated semiconductor region 16, 40, 34, 46 , 42 or 44 on.
  • Another possibility for achieving different properties is a geometrical difference, wherein, for example, a width a 'of the dielectric 20 of the further pnp bipolar transistor of the width a and thus, for example, a base width W of the further pnp bipolar transistor is different from the base width W.
  • a ' is greater than a.
  • Another possibility for a lower current gain in the second subarea 14a, 14b is to reduce the dopant concentration in the base semiconductor regions 34 'and / or 46' relative to the base semiconductor regions 34 and 46, respectively. Since the second subregion 14a, 14b functions as a triggering element, the charge carrier generation is preferably higher in this second subregion. This can be achieved, for example, by using the Zener effect in the second subregion 14a, 14b at lower voltages.
  • the distance between the collector semiconductor region 16 'and the base terminal semiconductor region 42' of the further pnp bipolar transistor of the second portion 14a, 14b is opposite the distance between the collector semiconductor region 16 and the Base terminal semiconductor region 42 of the PNP bipolar transistor of the first portion 12 shortened.
  • the dopant concentration in at least one of the base semiconductor regions 34 'or 46' of the second partial region 14a, 14b is reduced compared to the corresponding dopant concentration of the base semiconductor regions 34, 46 of the first partial region 12, so that a collector Base space charge zone reaches the n + doping of the base terminal semiconductor region 42 'at lower voltages.
  • the conductivity types of the individual semiconductor regions are to be inverted.
  • the cathode are arranged inside the oval structure and the anode in the outer region of the oval structure.
  • the condition caused by a high Zener voltage, so-called snap-back behavior is shown schematically in FIG.
  • the characteristic 54 shown across collector current Ic and collector voltage UCE of a bipolar transistor shows a snap-back voltage 56 at about 28 volts.
  • the characteristic curves 56 of FIG. 5 are achieved by means of the semiconductor protective structure of FIGS. 1 to 3, the semiconductor protective structure having no snap-back effect.
  • the release voltage of about 8 volts can be influenced by electrical properties of the trigger element in the second portion 14a, 14b.

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Abstract

Halbleiterschutzstruktur (10) geeignet für eine elektrostatische Entladung - mit einem ersten Teilbereich (12) der einen ersten Bipolartransistor zur Ableitung der elektrostatischen Entladung aufweist, und - mit einem zweiten Teilbereich (14a, 14b), der einen zweiten Bipolartransistor aufweist, - wobei der erste Bipolartransistor und der zweite Bipolartransistor parallel geschaltet, so dass auch beide Emitterhalbleitergebiete (44, 44' ) und beide Kollektorhalbleitergebiete (16, 16' ) des ersten Bipolartransistors und des zweiten Bipolartransistors jeweils miteinander leitfähig verbunden sind, - wobei ein erstes Basishalbleitergebiet (34, 46, 42) des ersten Bipolartransistors an ein zweites Basishalbleitergebiet (34' , 46' , 42' ) des zweiten Bipolartransistors grenzt, - wobei das erste Basishalbleitergebiet (34, 46, 42) des ersten Bipolartransistors und das zweite Basishalbleitergebiet (34' , 46' , 42' ) des zweiten Bipolartransistors einen selben Leitungstyp aufweisen, bei der - eine erste Kollektor-Basis-Diode des ersten Bipolartransistors eine größere Durchbruchspannung aufweist als eine Kollektor-Basis-Diode des zweiten Bipolartransistors und/oder - der erste Bipolartransistor eine größere Stromverstärkung aufweist als der zweite Bipolartransistor.

Description

Halbleiterschutzstruktur für eine elektrostatische Entladung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterschutzstruktur, die für eine elektrostatische Entladung (ESD) geeignet ist.
Aus der US 6,873,505 B2 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, dass einen Schutzschaltkreis für elektrostatische Entladungen aufweist, der mit einer gemeinsamen Entladungsleitung (CDL) verbunden ist. In einem Ausführungsbeispiel der US 6,873,505 B2 umfasst das Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Bondpads, denen jeweils ein Schutzschaltkreis zugeordnet ist. Zum Schutz ist ein gesteuerter Halbleitergleichrichter (SCR) aus einem pnp-Bipolartransistor und einem npn-Bipolartransistor, dessen Auslösespannung durch eine Zenerdiode als Auslöseelement reduziert ist.
Aus der US 6,236,087 B1 ist ein ESD-Bauelement für einen Anschlusspin eines integrierten Schaltkreises mit einer unipolaren Charakteristik bekannt.
Dabei können Spannungen jeglicher Polarität durch das ESD-Bauelement begrenzt werden. Das ESD-Bauelement zeigt dabei ein thyristorähnliches
Verhalten, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. ESD-Bauelemente mit einem
Thyristor sind in der US 2004/0042143 A1 und der US 6,614,061 B2 offenbart. Auch diese offenbaren aufgrund der Thyristorstruktur den so genannten snap-back-Effekt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Hälbleiterschutzstruktur für eine elektrostatische Entladung anzugeben, die keine wirkende Thyristorstruktur oder thyristorähnliche Struktur und damit möglichst keinen oder einen vernachlässigbaren snap-back-Effekt aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch die Halbleiterschutzstruktur mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Demzufolge ist eine Halbleiterschutzstruktur vorgesehen, die für eine elektrostatische Entladung (ESD) geeignet ist. Die Halbleiterschutzstruktur weist einen ersten Teilbereich mit einem ersten Bipolartransistor zur Ableitung der elektrostatischen Entladung auf. Zudem weist die Halbleiterstruktur einen zweiten Teilbereich mit einem zweiten Bipolartransistor auf. Die Bipolartransistoren können dabei laterale oder vertikale Bipolartransistoren sein. Vorzugsweise ist die Halbleiterschutzstruktur ausschließlich durch den ersten Teilbereich und den zweiten Teilbereich gebildet. Die Bipolartransistoren sind vorteilhafterweise als parasitäre Bipolartransistoren einer Feldeffekttransistorstruktur ausgebildet. Beispielsweise ist ein Drainhalbleitergebiet der Kollektorbereich, ein Sourcehalbleitergebiet der Emitterbereich und eine Wanne mit einem BuIk- Anschluss ist der Basisbereich des ersten Bipolartransistors und/oder des zweiten Bipolartransistors.
Der erste Bipolartransistor und der zweite Bipolartransistor sind parallel geschaltet, so dass ein erstes Emitterhalbleitergebiet des ersten Bipolartransistors mit einem zweiten Emitterhalbleitergebiet des zweiten Transistors leitfähig verbunden ist. Weiterhin ist ein erstes Kollektorhalbleitergebiet des ersten Bipolartransistors mit einem zweiten Kollektorhalbleitergebiet des zweiten Bipolartransistors leitfähig verbunden. Bevorzugt grenzt das erste Emitterhalbleitergebiet unmittelbar an das zweite Emitterhalbleitergebiet. Weiterhin bevorzugt grenzt das erste Kollektorhalbleitergebiet unmittelbar an das zweite Kollektorhalbleitergebiet. Ein erstes Basishalbleitergebiet des ersten Bipolartransistors im ersten Teilbereich der Halbleiterschutzstruktur grenzt unmittelbar an ein zweites Basishalbleitergebiet des zweiten Bipolartransistors des zweiten Teilbereichs. Zwischen dem ersten Basishalbleitergebiet und dem zweiten Basishalbleiter ist daher weder eine Metall- noch ein Isolationsmaterial vorgesehen. Durch das unmittelbare Angrenzen des ersten Basishalbleitergebietes an das zweite Basishalbleitergebiet sind diese miteinander leitfähig verbunden.
Das erste Basishalbleitergebiet des ersten Bipolartransistors und das zweite Basishalbleitergebiet des zweiten Bipolartransistors weisen dabei einen selben Leitungstyp auf. In einer ersten, bevorzugten Ausgestaltungsvariante sind das erste Basishalbleitergebiet und das zweite Basishalbleitergebiet p- dotiert. Hingegen sind in einer zweiten Ausgestaltungsvariante das erste Basishalbleitergebiet und das zweite Basishalbleitergebiet n-dotiert.
Eine erste Lösungsvariante der gestellten Aufgabe sieht vor, dass eine erste Kollektor-Basis-Diode des ersten Bipolartransistors eine größere Durchbruchspannung aufweist als eine Kollektor-Basis-Diode des zweiten Bipolartransistors. Die Durchbruchspannung ist dabei vorzugsweise durch den Zenereffekt überwiegend beeinflusst. Die unterschiedlichen Durchbruchspannungen der ersten Kollektor-Basis-Diode und der zweiten Kollektor-Basis-Diode bewirken dabei vorzugsweise durch eine Ausbildung der Halbleiterschutzstruktur einen zumindest temporären Basisquerstrom, der von dem zweiten Basishalbleitergebiet in das erste Basishalbleitergebiet fließt.
Eine zweite Lösungsvariante der gestellten Aufgabe sieht vor, dass der erste Bipolartransistor des ersten Teilbereichs eine größere Stromverstärkung aufweist als der zweite Bipolartransistor des zweiten Teilbereichs. Der Unterschied in der Stromverstärkung wird in einer ersten Untervariante durch einen Unterschied in der Basisweite zwischen dem ersten Bipolartransistor - A -
und dem zweiten Bipolartransistor erzielt. Eine zweite, mit der ersten Untervariante kombinierbare Untervariante sieht für eine unterschiedliche Stromverstärkung einen Unterschied in der Dotierstoffkonzentration von dem ersten Basishalbleitergebiet zu dem zweiten Basishalbleitergebiet vor. Ebenfalls ist es möglich, die Dotierstoffkonzentration im Emitterhalbleitergebiet des ersten Bipolartransistor und des zweiten Bipolartransistors unterschiedlich auszubilden. Diese dritte Untervariante kann ebenfalls mit der ersten Untervariante und/oder mit der zweiten Untervariante kombiniert werden.
Die Varianten der Struktur bewirken vorteilhafterweise, dass zur Ableitung der elektrostatischen Entladung zumindest temporär ein Basisquerstrom von dem zweiten Basishalbleitergebiet in das erste Basishalbleitergebiet fließt und den ersten Bipolartransistor aufsteuert. Hierzu kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein erster Basis-Emitter-Übergang des ersten Bipolartransistors einen geringern Widerstand aufweist, als ein zweiter Basis-Emitter-Übergang des zweiten Bipolartransistors. Auch kann dies dadurch bewirkt sein, dass eine Ladungsträgergeneration in einer ersten Kollektor-Basis-Diode des ersten Bipolartransistors kleiner ist als eine Ladungsträgergeneration in einer zweiten Kollektor-Basis-Diode des zweiten Bipolartransistors.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die insbesondere parasitären Bipolartransistoren als geschlossene Struktur, insbesondere als Ringstruktur ausgebildet sind. Als Ringstrukturen sind runde oder ovale Strukturen vorteilhaft. Diese ermöglichen den für elektrostatische Entladungen kritischen Anschluss, im Falle von pnp-Bipolartransistoren den Kathodenanschluss der Halbleiterschutzstruktur, in den Innenbereich der Halbleiterschutzstruktur anzuordnen. Weiterhin werden durch die geschlossene Struktur Randeffekte an Grenzflächen insbesondere zu Dielektrika reduziert oder sogar vollständig ausgeschlossen. In einer Ausgestaltung ist entlang des Außenbereichs der geschlossenen Struktur ein pn-Übergang vorgesehen, der in seiner Form die geschlossene Struktur vollständig nachbildet. Der pn-Übergang ist dabei durch die Halbleiterschutzstruktur selbst gebildet. Dieser ist vorteilhafterweise der Kollektor-Basis-pn-Übergang des ersten Bipolartransistors und des zweiten Bipolartransistors.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass innerhalb der geschlossenen Struktur der zweite Teilbereich zumindest teilweise ein Krümmungsbereich ist. Vorzugsweise ist der erste Teilbereich ausschließlich durch gerade Strukturabschnitte charakterisiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das zweite Basishalbleitergebiet eine geringere Dotierstoffkonzentration als das erste Basishalbleitergebiet auf. Ist das Basisgebiet beispielsweise in mehrere Dotierstoffprofile unterteilt, ist vorteilhafterweise der Unterschied in der Dotierstoffkonzentration zumindest in einer dieser Unterteilungen eingebracht. Beispielsweise kann eine (separate) Implantation oder Eindiffusion von Dotierstoffen in einen Bereich des Basishalbleitergebiets durch eine Maskierung des zweiten Basishalbleitergebiets reduziert sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine erste Zenerdurchbruchspannung einer ersten Kollektorbasisdiode des ersten Bipolartransistors des ersten Teilbereichs größer ist als eine zweite Zenerdurchbruchspannung einer zweiten Kollektorbasisdiode des zweiten Bipolartransistors des zweiten Teilbereichs. Die Zenerdurchbruchspannung ist dabei beispielsweise von einem Abstand zwischen einem hoch p- dotiertem Kollektorhalbleitergebiet und einem hoch n-dotiertem Basishalbleitergebiet eines pnp-Transistors abhängig. Analoges gilt für einen npn- Bipolartransistor. Weiterhin ist die Zenerdurchbruchspannung von einer Dotierstoffkonzentration in dem Basishalbleitergebiet abhängig. Für eine unterschiedliche Zenerdurchbruchspannung ist daher vorteilhafterweise zumindest einer der Parameter aus dem Abstand und der Dotierstoffkonzentration unterschiedlich ausgebildet. Bevorzugt ist die zweite Zenerdurchbruchspannung aufgrund einer gegenüber dem ersten Teilbereich geringeren Distanz zwischen einem hochdotierten Basisanschlusshalbleitergebiet des zweiten Basishalbleitergebiets des zweiten Teilbereichs und einem hochdotierten Kollektoranschlussgebiets des zweiten Teilbereichs niedriger ist als die erste Zenerdurchbruchspannung im ersten Teilbereich, die durch eine größere Distanz zwischen einem hochdotierten Basisanschlusshalbleitergebiet des ersten Basishalbleitergebiets des ersten Teilbereichs und einem hochdotierten Kollektorhalbleitergebiet des ersten Teilbereichs charakterisiert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind ein Anschluss eines Kollektor- halbleitergebiets von einem Anschluss eines Emitterhalbleitergebiets des ersten Teilbereichs und/oder des zweiten Teilbereich an einer Oberfläche der Halbleiterschutzstruktur durch ein Dielektrikum getrennt. Eine vorteilhafte Ausdehnung dieses Dielektrikums in die Tiefe der angrenzenden Halbleiterschicht ermöglicht zudem eine Zenerdurchbruchspannung durch eine Verlängerung der Distanz zwischen hoch p-dotiertem Halbleitergebiet und hoch n-dotiertem Halbleitergebiet in die Tiefe zu vergrößern.
Weiterhin ist vorteilhafterweise ein vergrabenes Dielektrikum zur Isolation des Kollektorhalbleitergebiets, des Basishalbleitergebiets oder des Emitterhalbleitergebiets gegenüber einem Substrat vorgesehen (SOI- Struktur). Hierzu alternativ oder in vorteilhafter Kombination weist die Halbleiterschutzstruktur eine mit Dielektrikum isolierte Grabenstruktur zur Isolation gegenüber einer benachbarten Halbleiterstruktur auf.
Im Folgenden wird die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiterschutzstruktur, die für eine elektrostatische Entladung geeignet ist,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch die Halbleiterschutzstruktur der Fig. 1 ,
Fig. 3 eine weitere schematische Schnittansicht durch die Halbleiterschutzstruktur der Fig. 1 ,
Fig. 4 eine schematische erste Strom-Spannungs-Kennlinie, und
Fig. 5 eine schematische zweite Strom-Spannungs-Kennlinie, die der
Halbleiterschutzstruktur der Fig. 1 zugeordnet ist.
Eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiterschutzstruktur 10 zeigt die Fig. 1. Diese ist für elektrostatische Entladungen geeignet und wird auch als ESD-Struktur (engl, electro-static-d ischarge) bezeichnet. Diese Halbleiterschutzstruktur 10 ist mit einer integrierten Schaltung 32 verbunden, die gegen elektrostatische Entladungen durch die Halbleiterschutzstruktur 10 geschützt werden soll. Die integrierte Schaltung 32 ist mit Anschlüssen 24 und 30 mit einer Versorgungsspannungsquelle 26 verbunden. Über diese Anschlüsse 24 und 30 können zudem elektrostatische Entladungen einwirken. Zum Schutz ist die Halbleiterschutzstruktur 10 ebenfalls mit diesen Anschlüssen 24 und 30 verbunden. Vorteilhafterweise ist die Halbleiterschutzstruktur 10 mit der zu schützenden integrierten Schaltung 32 auf einem Halbleiterplättchen gemeinsam integriert und in demselben Herstellungsprozess hergestellt. Im Gegensatz zur Halbleiterschutzstruktur 10, deren Draufsicht in Fig. 1 dargestellt ist, sind der integrierte Schaltkreis 32 und die Anschlüsse 30, 24 nur funktional als Block dargestellt. Die Halbleiterschutzstruktur 10 weist einen ersten Teilbereich 12 und einen zweiten Teilbereich 14a und 14b auf. Während der erste Teilbereich 12 ausschließlich gerade Abschnitte innerhalb der Halbleiterschutzstruktur 10 aufweist, weist der zweite Teilbereich zwei Krümmungsbereiche 14a und 14b auf. Dabei grenzt der erste Teilbereich 12 und der zweite Teilbereich 14a, 14b aneinander, so dass diese eine geschlossene Struktur in Form eines Ovals bilden. Diese wird auch als Ringstruktur bezeichnet. Ein Anodenbereich 16 ist mittels einer Anodenmetallisierung 22 an den Anschluss 24 angeschlossen. Der Anodenbereich 16 ist der Form der Ovalstruktur angepasst. Der Anodenbereich 16 bildet zudem eine äußere Begrenzung der Ovalstruktur. Ein Kathodenbereich 18 ist dagegen im Inneren der Ovalstruktur angeordnet. Der Kathodenbereich 18 ist mittels einer Kathodenmetallisierung 28 an den Anschluss 30 angeschlossen. Der Anodenbereich 16 und der Katodenbereich 18 sind an der Oberfläche der Halbleiterschutzstruktur 10 durch ein Dielektrikum 20 der Breite a voneinander getrennt.
In Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie Il - Il durch die Halbleiterschutz- Struktur 10 schematisch dargestellt. Die Schnittansicht ist dabei von der
Anodenmetallisierung 22 bis zur Kathodenmetallisierung 38 begrenzt. Mit
Ausnahme der Anodenmetallisierung 22 ist die Halbleiterschutzstruktur 10 dabei bezüglich der Achse des Ovals symmetrisch ausgebildet. Die
Metallisierung 22 der Anode und die Metallisierung 28 der Kathode sind beispielsweise über eine nicht dargestellte Silizidschicht mit darunter liegenden Halbleiterbereichen 16, 42 und 44 leitend verbunden.
Im Folgenden wird die Halbleiterschutzstruktur 10 für einen pnp- Bipolartransistor näher erläutert. Das mit der Anodemetallisierung 22 leitend verbundene Halbleitergebiet 16 ist hoch p-dotiert und bildet ein Kollektorhalbleitergebiet 16 des pnp-Bipolartransistors. Ebenfalls hoch p-dotiert ist das Halbleitergebiet 44, das das Emitterhalbleitergebiet 44 bildet. Ein Basishalbleitergebiet 34, 46, 42 ist hingegen n-dotiert. Hoch n-dotiert ist ein Anschlussgebiet 42 des Basishalbleitergebietes (34, 46, 42), das einen niederohmigen Anschluss an die Kathodenmetallisierung 28 bewirkt. Das Anschlussgebiet 42 der Basis und das Emitterhalbleitergebiet 44 sind über die Kathodenmetallisierung 28 kurzgeschlossen und weisen somit stets gleiches Potential auf. Die Gebiete 46, 34 und 40 sind hingegen niedriger n- dotiert. Dabei weist das Gebiet 34 wiederum eine geringere Dotierstoffkonzentration auf, als die Gebiete 46 und 40. Die, eine Stromverstärkung des pnp-Transistors beeinflussende Dotierstoffkonzentration innerhalb der Basis ist dabei maßgeblich durch zumindest eine der Dotierstoffkonzentrationen in den n-dotierten Halbleitergebieten 46 und 34 bestimmt. Ein weiterer Einflussfaktor ist die Basisweite W, die durch den Abstand zwischen den beiden p-dotierten Halbleitergebieten 16 und 44 des Kollektor beziehungsweise des Emitters bestimmt ist.
Zwischen dem Emitterhalbleitergebiet 44 und dem Kollektorhalbleitergebiet 16 erstreckt sich das Dielektrikum 20 der Breite a. Das Dielektrikum 20 kann in eine Vertiefung STI (shallow trench isolation) eingebracht werden. Als Dielektrikum kann beispielsweise ein PECVD-Oxid verwendet werden. Die Basisweite W ist von der Tiefe dieser mit dem Dielektrikum 20 gefüllten Vertiefung abhängig. Ein weiteres Dielektrikum 36 isoliert das Halbleitergebiet 34 der Basis von dem Halbleitersubstrat 38, so dass eine so genannte SOI-Struktur (semiconductor on insulator) ausgebildet ist. Weiterhin kann die Halbleiterschutzstruktur 10 durch in Fig. 2 nicht dargestellte, isolierte Grabenstrukturen gegenüber benachbarten Halbleiterstrukturen isoliert sein. Zudem sind die, an die Oberfläche grenzenden Halbleiterbereiche 16, 42, 44, etc. durch eine Schicht 48 aus Bor-Phosphor-Silikat-Glas (BPSG) bedeckt.
Aufgrund des Kurzschlusses von dem Basishalbleiteranschlussgebiet 42 und dem Emitterhalbleitergebiet 44 durch die Kathodenmetallisierung 28 zeigt die Halbleiterschutzstruktur 10 zudem ein Zenerverhalten. Der Zenereffekt zwischen dem Kollektorhalbleitergebiet 16 und dem Basishalbleitergebiet 42, 46, 34 wird dabei ebenfalls durch eine Menge von Parametern, wie die Dotierstoffkonzentration in den Halbleitergebieten 34 und 46 sowie durch den Abstand zwischen dem hoch p-dotierten Kollektorhalbleitergebiet 16 und dem hoch n-dotierten Basishalbleiteranschlussgebiet 42 beeinflusst. Erreicht die Raumladungszone dabei das hoch n-dotierte Basishalbleiteranschlussgebiet 42 erfolgt der Zenerdurchbruch. Zusätzlich zum Zenereffekt erfolgt auch durch den Avalanche-Effekt eine Ladungsträgergenerierung, die ein Aufschalten des pnp-Bipolartransistors bewirken kann.
Um im Falle einer elektrostatischen Entladung den im Schnitt Il - Il dargestellten pnp-Bipolartransistor früher aufzuschalten, ist parallel zur Kollektorbasisdiode, die zumindest durch die Halbleitergebiete 16, 34, 46 und 42 gebildet ist, ein Auslöseelement (engl, trigger element) geschaltet. Dieses Auslöseelement bewirkt bereits bei kleineren Spannungen einen Stromfluss parallel zur Kollektorbasisdiode in das Basishalbleitergebiet 34, 46, 42. In der Halbleiterschutzstruktur 10 ist das Auslöseelement durch den zweiten Teilbereich 14a, 14b gebildet. Der zweite Teilbereich 14a, 14b ist dabei innerhalb zumindest einer Krümmung der Ovalstruktur angeordnet.
Das Auslöseelement ist im Ausführungsbeispiel ebenfalls ein weiterer pnp- Bipolartransistor, der in Fig. 3 als schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie I - I gezeigt ist. Ein Basishalbleitergebiet 34' , 46' , 42' des weiteren Bipolartransistors grenzt dabei unmittelbar an das Basishalbleitergebiet 34, 46, 42 des in Fig. 2 im Schnitt dargestellten pnp- Bipolartransistors. Beide Basishalbleitergebiete 34, 46, 42 und 34' , 46' , 42' weisen dabei denselben Leitungstyp auf. In diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 grenzen ebenfalls ein Kollektorhalbleitergebiet 16' des weiteren Bipolartransistors an das Kollektorhalbleitergebiet 16 des in Fig. 2 im Schnitt dargestellten pnp-Bipolartransistors. In diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 grenzen ebenfalls ein Emitterhalbleitergebiet 44' des weiteren Bipolar- transistors an das Emitterhalbleitergebiet 44 des in Fig. 2 im Schnitt dargestellten pnp-Bipolartransistors. Der pnp-Bipolartransistor und der weitere pnp-Bipolartransistor sind dabei bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften unterschiedlich.
Um die unterschiedlichen Eigenschaften zu erreichen, weist der weitere pnp- Bipolartransistor eine andere Dotierstoffkonzentration in zumindest einem der Halbleitergebieten 16' , 40' , 34' , 46' , 42' oder 44' gegenüber den jeweils zugeordneten Halbleitergebiet 16, 40, 34, 46, 42 oder 44 auf. Eine andere Möglichkeit um unterschiedliche Eigenschaften zu erreichen ist ein geometrischer Unterschied, wobei beispielsweise eine Breite a' des Dielektrikums 20 des weiteren pnp-Bipolartransistors von der Breite a und damit beispielsweise eine Basisweite W des weiteren pnp-Bipolartransistors von der Basisweite W verschieden ist.
Um die Stromverstärkung im weiteren pnp-Bipolartransistor im zweiten Teilbereich 14a, 14b geringer auszubilden als im ersten Teilbereich 12 ist beispielsweise a' größer als a. Eine weitere Möglichkeit eine Ausbildung für eine geringere Stromverstärkung im zweiten Teilbereich 14a, 14b besteht darin, die Dotierstoffkonzentration in den Basishalbleitergebieten 34' und/oder 46' gegenüber den Basishalbleitergebieten 34 beziehungsweise 46 zu reduzieren. Da der zweite Teilbereich 14a, 14b als Auslöseelement fungiert, ist vorzugsweise die Ladungsträgergeneration in diesem zweiten Teilbereich höher. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass der Zenereffekt im zweiten Teilbereich 14a, 14b bei kleineren Spannungen einsetzt.
Für kleinere Zenerspannungen ist die Distanz zwischen dem Kollektorhalbleitergebiet 16' und dem Basisanschlusshalbleitergebiet 42' des weiteren pnp-Bipolartransistors des zweiten Teilbereichs 14a, 14b gegenüber der Distanz zwischen dem Kollektorhalbleitergebiet 16 und dem Basisanschlusshalbleitergebiet 42 des pnp-Bipolartransistors des ersten Teilbereichs 12 verkürzt.
Eine andere, hiermit auch kombinierbare Möglichkeit besteht darin, dass die Dotierstoffkonzentration in zumindest einem der Basishalbleitergebiete 34' oder 46' des zweiten Teilbereichs 14a, 14b gegenüber den korrespondierenden Dotierstoffkonzentration der Basishalbleitergebiete 34 beziehungsweise 46 des ersten Teilbereichs 12 reduziert ist, so dass eine Kollektor-Basis-Raumladungszone die n+ Dotierung des Basisanschluss- halbleitergebiets 42' bei kleineren Spannungen erreicht.
Alternativ zu zwei pnp-Bipolartransistoren können auch zwei npn- Bipolartransistoren verwendet werden. In diesem Fall sind die Leitungstypen der einzelnen Halbleitergebiete zu invertieren. Vorzugsweise werden dabei die Kathode innerhalb der Ovalstruktur und die Anode im Außenbereich der Ovalstruktur angeordnet.
Das bedingt durch eine hohe Zenerspannung verursachte, so genannte snap back - Verhalten ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Die über Kollektor- ström Ic und Kollektorspannung UCE eines Bipolartransistors dargestellte Kennlinie 54 zeigt eine snap-back-Spannung 56 bei etwa 28 Volt. Mittels der Halbleiterschutzstruktur der Figuren 1 bis 3 werden dagegen die Kennlinien 56 der Fig. 5 erzielt, wobei die Halbleiterschutzstruktur keinen snap-back- Effekt aufweist. Die Auslösespannung von ca. 8 Volt kann durch elektrische Eigenschaften des Auslöseelementes im zweiten Teilbereich 14a, 14b beeinflusst werden.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterschutzstruktur (10) geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD)
- mit einem ersten Teilbereich (12) der einen ersten Bipolartransistor zur Ableitung der elektrostatischen Entladung aufweist, und - mit einem zweiten Teilbereich (14a, 14b), der einen zweiten
Bipolartransistor aufweist,
- wobei der erste Bipolartransistor und der zweite Bipolartransistor parallel geschaltet, so dass auch beide Emitterhalbleitergebiete (44, 44' ) und beide Kollektorhalbleitergebiete (16, 16' ) des ersten Bipolartransistors und des zweiten Bipolartransistors jeweils miteinander leitfähig verbunden sind,
- wobei ein erstes Basishalbleitergebiet (34, 46, 42) des ersten Bipolartransistors an ein zweites Basishalbleitergebiet (34' , 46' , 42' ) des zweiten Bipolartransistors grenzt, - wobei das erste Basishalbleitergebiet (34, 46, 42) des ersten
Bipolartransistors und das zweite Basishalbleitergebiet (34' , 46' , 42' ) des zweiten Bipolartransistors einen selben Leitungstyp aufweisen, bei der
- eine erste Kollektor-Basis-Diode des ersten Bipolartransistors eine größere Durchbruchspannung aufweist als eine Kollektor-Basis-Diode des zweiten Bipolartransistors und/oder ■ - der erste Bipolartransistor eine größere Stromverstärkung aufweist als der zweite Bipolartransistor.
2. Halbleiterstruktur (10) geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach Anspruch 1 , bei der beide Kollektorhalbleitergebiete (16, 16' ) des ersten Bipolartransistors und des zweiten Bipolartransistors aneinander grenzen.
3. Halbleiterschutzstruktur (10) geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die insbesondere parasitären Bipolartransistoren als geschlossene Struktur, insbesondere als Ringstruktur ausgebildet sind.
4. Halbleiterschutzstruktur (10) geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach Anspruch 3, bei der ein pn-Übergang die geschlossene Struktur vollständig umläuft.
5. Halbleiterschutzstruktur (10) geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der innerhalb der geschlossenen Struktur der zweite Teilbereich (14a, 14b) zumindest teilweise ein Krümmungsbereich ist und/oder der erste Teilbereich (12) ausschließlich gerade Strukturabschnitte aufweist.
6. Halbleiterschutzstruktur (10) geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zweite Basishalbleitergebiet (34' , 46' , 42' ) eine geringere Dotierstoffkonzentration aufweist als das erste Basishalbleitergebiet (34, 46, 42).
7. Halbleiterschutzstruktur (10) geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine erste Zenerdurchbruchspannung einer ersten Kollektorbasisdiode des ersten Teilbereichs (12) größer ist als eine zweite Zenerdurchbruchspannung einer zweiten Kollektorbasisdiode des zweiten Teilbereichs (14a, 14b).
8. Halbleiterschutzstruktur (10) geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach Anspruch 7, bei der die zweite Zenerdurchbruchspannung durch eine geringere Dotierstoffkonzentration in dem zweiten Basishalbleitergebiet (34' , 46' , 42' ) niedriger ist als die erste Zenerdurchbruchspannung.
9. Halbleiterschutzstruktur geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der die zweite Zenerdurchbruchspannung aufgrund einer gegenüber dem ersten Teilbereich (12) geringeren Distanz zwischen einem hochdotierten
Basisanschlusshalbleitergebiet (42' ) des zweiten Basishalbleitergebiets des zweiten Teilbereichs (14a, 14b) und einem hochdotierten Kollektorhalbleitergebiets (16' ) des zweiten Teilbereichs (14a, 14b) niedriger ist als die erste Zenerdurchbruchspannung im ersten Teilbereich (12).
10. Halbleiterschutzstruktur geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Anschluss eines Kollektorhalbleitergebiets (16,16' ) von einem Anschluss eines Emitterhalbleitergebiets (44, 44' ) des ersten Teilbereichs (12) und/oder des zweiten Teilbereich (14a, 14b) an einer Oberfläche der Halbleiterschutzstruktur durch ein Dielektrikum (20) getrennt sind.
11. Halbleiterschutzstruktur geeignet für eine elektrostatische Entladung (ESD), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein vergrabenes
Dielektrikum (36) zur Isolation gegenüber einem Substrat (38) und/oder eine mit Dielektrikum isolierte Grabenstruktur zur Isolation gegenüber einer benachbarten Halbleiterstruktur aufweist.
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