DE3243276A1 - Halbleitereinrichtung mit einer gate-elektroden-schutzschaltung - Google Patents
Halbleitereinrichtung mit einer gate-elektroden-schutzschaltungInfo
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Description
»κ- 3
Halbleitereinrichtung mit einer Gate-Elektroden-
Schutzschaltung
Die folgende Erfindung betrifft allgemein eine Halbleitereinrichtung, die eine Gate-Elektrodensehutzschaltung
aufweist und insbesondere eine Stoßspannungssohutzschaltung für eine Halbleitereinrichtung. Diese Schutzschaltung
ist zum Schütze der Gate-Elektrode vor starken HF-Stoßspannungen erforderlich, die über eine Eingangsklemme,
etwa einen Verbindungsanschluß, eingegeben werden; außerdem soll verhindert werden, daß die Halbleiterschal-
tung durch die Stoßspannung fehlerhaft aktiviert wird .
Der Stand der Technik soll in seiner Anwendung auf integrierte Halbleiterschaltungen, insbesondere auf solche
mit Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode
"
in Anwendung für Kraftfahrzeuge erläutert werden.
Ein Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode wird auch mit MOS FET bezeichnet, da die Gate-Elektrode
gebildet wird aus der Kombination von Metall (Gate-Elek-25
trode), Oxyd (Gate-Isolator) und Halbleiter. Derartige
Feldeffekttransistoren werden auf verschiedenen Gebieten
in großer Zahl verwendet. Da jedoch der Gate-Oxydfilm
dieses Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elek-
ΟΛ trode verhältnismäßig dünn und die Gate-Impedanz des
au
Transistors verhältnismäßig hoch ist, ergeben sich dann, wenn über einen Verbindungsanschluß von einer externen
Einrichtung eine hohe HF-Stoßspannung eingegeben wird, einige Probleme dergestalt, daß die Gate-Elektrode zuoc
sammenbricht oder die auf einem Halbleiter-Siliziumsubstrat gebildete Schaltung aufgrund der hohen Stoßspan-
BAD ORIGINAL
nung fehlerhaft aktiviert wird. Gerade bei der Anwendung von MOS FETs bei Kraftfahrzeugen sind die vorgenannten
Probleme besonders schwerwiegend, da ein Kraftfahrzeug gewöhnlich verschiedene Elemente oder Einheiten aufweist,
die sehr leicht eine hohe HF-Stoßspannung erzeugen, beispielsweise ein Verteiler, ein Startermotor, ein
Zündsystemschalter, usw. Im einzelnen bedeutet dies, daß beim An- oder Abschalten eines der vorgenannten in-
jQ duktiven Elemente mit hoher Geschwindigkeit eine Art
elektromagnetischer Welle als elektrisches Störsignal von dem induktiven Element erzeugt wird. Wird dann diese
elektromagnetische Störwelle von einer Halbleitervorrichtung mit einer hohen Eingangsimpedanz, etwa einem FeIdeffekttransistor
empfangen, dann kann sich an den Eingangsklemmen der Halbleitervorrichtung eine Stoßspannung
entwickeln, die in der Größenordnung von 400 bis 500 Volt liegen kann.
Um die Halbleitervorrichtung vor einer derartigen Stoßspannung
zu schützen, ist e? allgemein bekannt, eine Gate-Elektrodenschutzschaltung, beispielsweise einen
Stoßspannungsschutzwiderstand vorzusehen, der zwischen die Eingangsklemme und die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors
geschaltet ist. Ist ein derartiger Gate-Elektroden-Schutzwiderstand zusätzlich vorgesehen, dann
kann die über den Verbindungsanschluß eingegebene Stoßspannung ohmisch gedämpft werden und es ist somit möglich,
den Zusammenbruch der Transistor-Gate-Elektrode
30' oder die fehlerhafte Aktivierung des Transistors zu verhindern
.
Bei einem Kraftfahrzeug kommt es häufig vor, daß sich
an der Eingangsklemme eines Feldeffekttransistors eine
Stoßspannung entwickelt, die mehrere hundert Volt betragen kann und eine Frequenz von mehreren MHz bis mehreren
BAD QRIGINAL ;
zehn MHZ besitzt. Wird eine derartige hohe HF-Stoßspannung an die Vorrichtung angelegt, dann ist es möglich,
die über den Verbindungsanschluß 9 eingegebene Stoßspannung annehmbar zu reduzieren, bevor die Stoßspannung die
Gate-Elektrode des Transistors erreicht und zwar deshalb, weil die Gate-Elektroden-Schutzschaltung zusammen mit dem
Transistor gebildet wird. Dies gilt jedoch nur, wenn die
Frequenz der Stoßspannung verhältnismäßig niedrig ist.
Ist jedoch die Frequenz der Stoßspannung außerordentlich hoch, dann leckt der Stoßstrom häufig von dem Verbindungsanschluß
zu anderen auf dem Halbleitersubstrat gebildeten Schaltungen über das Substrat, da eine verteil-
._ te Kapazität zwischen dem Verbindungsanschluß und dem
Ib
Siliziumsubstrat vorhanden ist, zwischen, denen als Dielek
trikum der isolierende Siliziumoxydfilm liegt. Leckt der
Stoßstrom von dem Verbindungsanschluß zu anderen auf dem Substrat gebildeten Schaltungen, dann besteht die Gefahr,
daß diese Schaltungen fehlerhaft aktiviert werden.
Der Aufbau der bekannten Gate-Elektroden-Schutzschaltung,
wie sie in einer Halbleitervorrichtung gebildet wird, wird nachstehend noch anhand der Figurenbeschreibung erläutert.
Unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Probleme ist es ein vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung,
eine Halbleitereinrichtung mit einer Gate-Elektroden-Schutzschaltung
anzugeben, die sehr wirksam HF-Stoßspannungen oder -ströme zu der Stromversorgungsleitung oder
der Masseleitung der Halbleitereinrichtung ableiten und somit verhindern kann, daß andere auf dem gleichen Substrat
ausgebildete Schaltungen fehlerhaft aufgrund der HF-Stoßspannung aktiviert werden.
BAD ORIGINAL
Zur Lösung dieser Aufgabe besitzt die Halbleitereinrichtung mit einer Gate-Elektroden-Schutzschaltung gemäß der
Erfindung einen η-Typ- oder p-Typ-Halbleiterbereich tnife
hoher Störstellenkonzentration, der unter der Eingangs-5
klemme etwa dem Verbindungsanschluß, ausgebildet und mit der Stromversorgungsleitung oder der Masseleitung der
Halbleitervorrichtung verbunden ist.
Da bei einem Störstellenbereich, der wie zuvor angegeben, unter dem Verbindungsanschluß ausgebildet ist, eine verhältnismäßig
große verteilte Kapazität zwischen dem Verbindungsanschluß und dem Störstellen-Halbleiterbereich
mit dem dazwischen liegenden isolierenden Siliziumoxydfilm als Dielektrikum besteht, ist es möglich, eine hohe
HF-Stoßspannung, die an den Verbindungsanschluß angelegt wird, über den isolierenden Siliziumoxydfilm und den
Störsteilen-Halbleiterbereich zur Stromversorgungsleitung
oder der Masseleitung abzuleiten; somit kann verhindert on werden, daß die auf dem gleichen Substrat ausgebildeten
Schaltungen fehlerhaft aktiviert werden.
Merkmale und Vorteile der Halbleitereinrichtung mit einer Gate-Elektroden-Schutzschaltung gemäß der Erfindung gegen
über der bekannten Halbleitereinrichtung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche
oder ähnliche Elemente oder Einheiten in allen Figuren bezeichnen. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt der Struktur einer typischen Gate-Elektrodenachutzschaltung, wie sie bei
einer integrierten Halbleiterschaltung mit Isolations-Gate-Elektrode bekannter Art vor
gesehen ist,
Fig. 2 ein äquivalentes Schaltbild der Gate-Elektroden-Schutzschaltung
nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt des Aufbaus eines ersten Ausfühö
rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gate-Elek troden-Schutzschaltung für die Halbleitervorrichtung mit isolierter Gate-Elektrode, und
Fig. H einen Schnitt des Aufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäföen Gate-Elektroden-Schutzschaltung
für die Halbleitervorrichtung mit isolierter Gate-Elektrode.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird
anhand der Figuren eine bekannte Gate-Elektroden-Schutzschaltung für eine integrierte CMOS-Halbleiterschaltung
kurz beschrieben.
2Q Fig. 1 zeigt eine typische bekannte Gate-Elektroden-Schutzschaltung,
wie sie für eine integrierte CMOS-Halbleiterschaltung verwendet wird.
Die Schaltung ist auf auf einem n-Silizium-Halbleitersubstrat-Chip
untergebracht. Eine p-Mulde 2 ist unter
einem Siliziumoxydfilm durch Diffundieren beispielsweise
von Boron (B) gebildet, die eine Basis,beispielsweise
eines N-MOS FET, wird. Es sind p-Störstellen-Halbleiterbereiche
3 und 5 sowie n-Störstellen-Halbleiterbereiche
^ und 6, ein isolierender Siliziumoxydfilm 7, eine polykristalliner
Silizium-Gate-Elektroden-Schutzwiderstand 8,." ein Verbindungsanschluß 9, eine Stromversorgungsklemme
10 (Leitung VßD), eine Gate-Elektroden-Klemme 11 (Leitung OUT) und eine Masse-Klemme 12 (Leitung GND) vorgesehen.
BAD ORIGINAL
Der p-Störstellenbereich 5 und der n-Störstellenbereich
sind innerhalb der p-Mulde 2 ausgebildet. Der isolierende Siliziumoxydfilm 7 (SiO„) ist derart ausgebildet, daß SP
die Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrats 1 durchb
gehend bedeckt. Ein Ende des polykristallinen Silizium-Schutzwiderstandes
8 ist mit dem Verbindungsanschluß verbunden, an den eine externe Einrichtung angeschlossen
ist, während das andere Ende des VJiderstandes 8 mit der _ Gate-Elektrode eines Transistors mit isolierter Gate-Elektrode
und mit dem p-Bereich 3 sowie dem n-Bereich verbunden, in denen Klemmdioden ausgebildet sind. Die
Klemme 10 ist mit der Stromversorgung VßD, die Klemme
mit einer Gate-Elektrode OUT der Schaltungen auf dem JK Substrat 1 und die Klemme 12 mit Masse GND verbunden.
Fig. 2 zeigt ein äquivalentes Schaltbild der derartig
aufgebauten Gate-Ellektroden-Schutzschaltung. Eine in
dem p-Bereich 3 gebildete Diode ist mit 13 bezeichnet, eine andere im n-Bereich 6 ausgebildete Diode mit 14.
Das Bezugszeichen 15 bezeichnet den Gesamtwiderstand des Siliziumsubstrats 1, während die verteilte Kapazität,die
zwischen dem Verbindungsanschluß 9 und dem Siliziumsubstrat 1 mit dazwischen liegendem Siliziumoxydfilm 7 als
Dielektrikum ausgebildet ist, ist mit 16 bezeichnet..
Wie zuvor erläutert, kann der Gate-Elektroden-Schutzwiderstand 8 die über dem Verbindungsanschluß 9 eingegebene
hohe Stoßspannung dämpfen, bevor die Stoßspannung die Gate-Elektrode der Schaltung erreicht, so daß ein
Zusammenbruch der Gate-Elektrode oder eine fehlerhafte Aktivierung der auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildeten
Schaltungen aufgrund der hohen Stoßspannung verhindert wird.
BAD ORIGINAL
Bel der bekannten integrierten Halbleiterschaltung mit
einer derartigen Gate-Elektroden-Schutzschaltung, wie sie zuvor beschrieben wurde, kann der Fall auftreten,
daß eine hohe HF-Stoßspannung S (500 bis 600 V und 5 bis 60 MHz) sich an der Eingangsklemme der Schaltung entwickelt; dabei ist es möglich, die Stoßspannung zu einem
gewissen Grade durch Erhöhen des Widerstandes des Gate-Elektroden-Schutzwiderstandes
8 zu reduzieren. Wird jedoch die Frequenz der Stoßspannung S außerordentlich hoch,
dann besteht die Gefahr, daß die Stoßspannung von dem Verbindungsanschluß 9 über den isolierenden Siliziumoxydfilm
7 und das Siliziumsubstrat 1 zu anderen auf
dem gleichen Substrat 1 ausgebildeten Schaltungen ge-. langt und zwar aufgrund der verteilten Kapazität 16, die
unvermeidlich zwischen dem Verbindungsanschluß 9 und dem
Siliziumsubstrat 1 mit dem dazwischen liegenden Siliziumoxydfilm.
7 als Dielektrikum vorhanden ist, wie dies durch den Pfeil A in Fig. 2 gezeigt ist, was zu einer fehler-
2Q haften Arbeitsweise der anderen Schaltungen führen kann.
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Beschreibung werden nun Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung
mit Gate-Elektroden-Schutzschaltung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Gate-Elektroden-Schutzschaltung weist einen auf einem isolierenden Siliziumoxydfilm 7 ausgebildeten Strombegrenzungs-Gate-Elektroden-Schutzwiderstand
8 und zwei Klemmdioden 13 und 14 auf, die in einem p-Störstellen-Halbleiterbereich
3 und einem n-Störstellen-Halbleiterbereich 6
ausgebildet sind. Der Gate-Elektroden-Schutzwiderstand 8 ist zwischen einem Verbindungsanschluß 9 und eine Gate-Elektroden-Klemme
11 geschaltet, an die weiterhin eine Schaltung angeschlossen ist.
BAD ORIGINAL
Der Gate-Elektroden-Schutzwiderstand 8 bewirkt einen Spannungsabfall für die an die Vorrichtung über die Eingangsklemme,
etwa den Verbindungsanschluß 9, eingegebene Stoßspannung, bevor diese an die Gate-Elektrode der
Schaltung gelangt.
Je höher somit der Schutzwiderstand ist, umso wirksamer
wird die Schaltung vor der hohen Spannung geschützt.
Um andererseits zu verhindern, daß ein HP-Stoßstrom von dem Verbindungsanschluß 9 durch das Substrat 1 über eine
verteilte Kapazität 16 (die zwangsläufig zwischen dem Verbindungsanschluß 9 und dem Substrat 1 mit dazwischen
liegendem Siliziumoxydfilm 7 als Dielektrikum ausgebil-15
det ist) zu anderen Schaltungen gelangt, wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein eine Vorspannung an das Substrat 1 anlegender n-Halbleiterbereich 17 derart auf dem
Substrat 1 ausgebildet, daß er sich unter dem Verbindungs anschluß 9 erstreckt und den Anschluß bedeckt, wie dies
Fig. 3 zeigt. Hierdurch vergrößert sich die Fläche der Kapazität 16, wodurch die verteilte Kapazität 16 größer
wird als bei dem bekannten Aufbau. Da ferner der n-Halbleiterbereich 17 mit der Stromversorgungsleitung 10 ver-
O1_ bunden ist, kann der HF-Stoßstrom von dem Verbindungs-Jo
anschluß 9 über den Siliziumoxydfilm 7 und den n-Bereich
17 zur Stromversorgungsleitung 10 abgeleitet werden, wodurch verhindert wird, daß der Stoßstrom durch das Substrat
T zu anderen auf dem gleichen Substrat 1 ausgebil-QQ
deten Schaltungen hindurchleckt; es wird somit verhindert,
daß diese Schaltungen fehlerhaft aktiviert werden.
Fig. 1I zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem ein zusätzlicher p-Halbleiterbereich 18 derart auf dem Substrat 1 ausgebildet ist, daß er sich
unter dem Verbindungsanschluß 9 erstreckt und diesen An-
BADORietNAL
-J^ /IA
Schluß bedeckt, wobei eine zusätzliche Masseleitung 19
mit dem p-Bereich 18 verbunden ist. Der Strombegrenzungs-Gate-Elektroden-Schutzwiderstand
8 und die beiden Dioden 13 und 14 werden auf dem Substrat in der gleichen Weise
wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Somit wird die Fläche der Kapazität 16 vergrößert und damit wird auch die verteilte Kapazität 16 größer als bei
dem bekannten Aufbau. Da der p-Bereich 18 mit der Masseleitung
19 verbunden ist, kann der HF-Stoßstrom wirksam von dem Verbindungsanschluß 9 über-den Siliziumoxydfilm
und dem p-Bereich 18 zur Masseleitung abgeleitet werden, so daß verhindert wird, daß der Stoßstrom durch das
Substrat 1 zu anderen auf dem gleichen Substrat 1 ausge-15
bildeten Schaltungen hindurchleckt; hierdurch wird die
fehlerhafte Aktivierung der Schaltungen verhindert.
Bei den integrierten Halbleiterschaltungen sind ferner
zwei Fälle, wo die HF-Spannung zur Versorgungsleitung 20
und zur Masseleitung gemäß dem Muster der Gate-Elektroden-Verdrahtung
abgeleitet wird. Somit ist das erste Ausführungsbeispiel geeignet für den Fall, bei dem die
Stoßspannung zur Stromversorgungsleitung abgeleitet
• wird, während das zweite Ausführungsbeispiel für den
25
Fall geeignet ist, bei dem eine Ableitung zur Masseleitung erfolgt.
Da gemäß der vorliegenden Beschreibung bei der Halblei-OQ
tervorrichtung mit Gate-Elektroden-Schutzschaltung gemäß der Erfindung ein Halbleiterbereich hoher Störstellenkonzentration
(N+ oder P+) unter der Eingangsklemme der
Gate-Elektroden-Schutzschaltung etwa dem Verbindungsanschluß ausgebildet wird und da dieser Störstellen-Halbleiterbereich
mit der Stromversorgungsleitung oder der Masseleitung verbunden ist, kann eine an den Verbindungs-
anschluß von einer externen Einrichtung angelegte HF-Stoßspannung über die zwischen dem Verbindungsanschluß und
dem Störstellen-Halbleiterbereich mit dazwischen liegendem
isolierenden Siliziumoxydfilm als Dielektrikum ausgebil-5
dete verteilte Kapazität wirksam abgeleitet werden. Dies bedeutet, daß ein Lecken der Stoßspannung zu anderen auf
dem gleichen Substrat ausgebildeten Schaltungen verhindert werden kann. Somit ist es möglich, mit Sicherheit
fehlerhafte Aktivierungen in integrierten Schaltungen aufgrund einer hohen HF-Stoßspannung zu vermeiden.
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Claims (1)
- PatentansprücheHalbleitereinrichtung, die mit einer Gate-Elektroden-Schutzschaltung ausgebildet ist, mit einer Eingangsklemme, einem Strombegrenzungs-Gate-Elektroden-Schutzwiderstand und Klemm-(Begrenzungs-)Dioden, die alle in oder an dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet , daß unter der Eingangsklemme (9) ein Halbleiterbereich (17, 18) hoher Störstellen-Konzentration ausgebildet ist und daß dieser Störstellen-Halbleiterbereich (17, 13) entweder mit der Stromversorgungsleitung oder der Masseleitung der Halbleitereinrichtung verbunden ist.35 2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiterbereieh (17) mit hoher Störstellen-Konzentration mit der Strom·BAD ORIGINALVersorgungsleitung (10) der Halbleitereinrichtung (1) verbunden ist, wenn der Störstellen-Halbleiterbereich vom η-Typ ist.3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiterbereich (18) mit hoher Störstellen-Konzentration mit der Masseleitung (19) der Halbleitereinrichtung (1) verbunden,Q ist, wenn der Störstellen-Halbleiterbereich vom p-Typ ist.4. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangsklemme der Gate-Elektroden-Schutzschaltung ein Verbindungsanschlufö (9) ist, an den eine externe Einrichtung angeschlossen ist.
Applications Claiming Priority (1)
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