DE3616394A1

DE3616394A1 - Schutzelement gegen elektrostatische entladungen, insbesondere fuer bipolare integrierte schaltungen

Info

Publication number: DE3616394A1
Application number: DE19863616394
Authority: DE
Inventors: Maria Luisa Mailand/Milano Manzoni; Vanni Monza Saviotti
Original assignee: SGS Microelettronica SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1985-05-30
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1986-12-04
Also published as: GB2176053A; IT8520951A0; GB2176053B; GB8612026D0; JPS61276369A; IT1217298B; NL8601346A; FR2582861A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schutzelement gegen elektrostatische Entladungen, insbesondere für bipolare integrierte Schaltungen.

Es ist bekannt, daß bipolare integrierte Schaltungen einen sicheren Schutz gegen elektrostatische Entladungen erfordern. Insbesondere müssen solche bipolaren Schaltungen während des Herstellungsprozesses geschützt werden, und darüber hinaus können sie auch während der gesamten Verarbeitung beschädigt werden. Eine sehr kritische Stufe besteht in der Verarbeitung von bereits geschlossenen· Bauelementen.

Dieses Problem des Schutzes von bipolaren integrierten Schaltungen gegen elektrostatische Entladungen kann auf zwei verschiedenen Wegen angegangen werden: Entweder werden Maßnahmen antistatischer Art ergriffen, oder die integrierten Schaltungen werden vorsorglich so entworfen, daß sie bei Beachtung bestimmter Handhabungsbedingungen selbst geschützt sind.

Für den letzteren Weg sind mehrere Lösungen vorgeschlagen worden, worin eine darin besteht, die Entlädungsspannungsspitze gegen Masse oder Betriebsspannung kurzzuschließen, wie nachfolgend noch besprochen werden wird. Schutzelemente

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nach diesem Prinzip müssen folgende Anforderungen erfüllen:

1. Sie müssen einen niedrigen Widerstand gegen Masse haben.

2. Sie müssen gegenüber dem normalen Betrieb der zu schützenden Schaltungsanordnung eine volle Transparenz haben, d.h., sie dürfen die Betriebsweise der Schaltungs anordnung in keiner Weise beeinflussen.

3. Sie müssen einen geringen Platzbedarf haben.

4. Sie müssen einen hohen Schutzpegel aufweisen, d.h., sie müssen ausreichend leistungsfähig sein.

5. Sie müssen gegenüber der zu schützenden Schaltungsanordnung genügend schnell reagieren.

6. Sie müssen in Verbindung mit allen bipolaren Herstellunc verfahren anwendbar sein.

Von den bekannten Lösungen werden nachfolgend einige aufgezählt, die interessante Merkmale im Vergleich zu den vorstehend aufgezählten Anforderungen besitzen.

r / Eine dieser bekannten Lösungen arbeitet mit entsprechend bemessenen Doppel-SCR-Bauelementen (gesteuerte Siliziumgleichrichter) , die als Schutzelemente wirken. Auch wenn diese Lösung vorteilhafte Eigenschaften hat, so ist sie nicht frei von Nachteilen. Wird das SCR-Bauelement in bekannter Weise hergestellt, so hat es einen großen Platzbedarf, so daß die Forderung nach kompakten Flächenab-

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messungen nicht erfüllt werden kann. Eine andere Lösung zur Bildung von SCR-Bauelementen besteht darin, die vorhandenen parasitischen Strukturen in dem Bauelement auszunutzen. Eine solche Lösung ist bei Entwicklern jedoch nicht beliebt, da dieses Phänomen der parasitischen Strukturen im Normalbetrieb nicht sicher reproduzierbar ist.

Eine weitere Lösung besteht darin, einen sogenannten Phantom-Emitter anzuwenden. In einem solchen Fall wird der schwache Transistor in der zu schützenden Schaltungsanordnung durch einen Phantom-Emitter-Transistor ersetzt, der sich dadurch von einem konventionellen Transistor unterscheidet, daß eine zweite Emitter-Diffusion vorhanden ist, die zur Basis kurzgeschlossen ist, und daß der Basisanschluß von der normalen Emitter-Diffusion getrennt ist. Eine solche Struktur ist bezüglich des Platzbedarfes sehr vorteilhaft, weil sie sich, in der Fläche der zu schützenden integrierten Schaltung unterbringen läßt; es fallen jedoch geringfügig höhere Kosten aufgrund des Abstandes zwischen der Basis und dem Emitter an. Diese Struktur kann jedoch nur in Verbindung mit NPN-Transistoren, aber nicht bei PNP-Transistoren angewendet werden, so daß diese Lösung auf wenige Fälle beschränkt ist.

Eine weitere Lösung besteht in der Anwendung eines Klemm-Transistor, der an den Verstärkereingängen angeordnet ist (siehe hierzu das Bauelement LM 110 der Firma National Semiconductors Company). Dieses Bauelement ist jedoch

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insbesondere für die Benutzung an Verstärkereingängen entworfen und die Anwendung für andere Zwecke würde zu Problemen führen.

Andere Lösungen bestehen z.B. in der Benutzung von Zener-Dioden oder Schottky-Dioden, wie z.B. die Zenerdioden MCE AD 20 B 518 C (L731) oder die Schottky-Dioden MCE 20 A 579 B (L730), oder entsprechende, von Motorola hergestellte Schottky-Dioden. Solche Lösungen bilden verschiedene Alternativen, die einen Klemm-Transistor zum Ableiten der Spannungsspitzen verwenden. Solche Schutzelemente haben ebenfalls bevorzugte Anwendungsgebiete und sind für einige spezielle Fälle nicht einsetzbar.

Aufgrund der vorstehenden Situation liegt der vorliegenden Erfindung..die Aufgabe zugrunde, ein Schutzelement gegen elektrostatische Ladungen, insbesondere für bipolare integrierte Schaltungen, vorzuschlagen, daß alle Anforderungen an solche Schutzelemente erfüllt und auch an solche Verwendungszwecke anpaßbar ist, bei denen konventionelle Schutz elemente versagen. Das Schutzelement soll vor allem zuverlässig arbeiten und sowohl gegen postive als auch gegen negative Spannungsspitzen schützen. Wichtig ist auch, daß das Schutzelement ohne großen Platzbedarf integrierbar ist.'

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schutzelement gegen elektrostatische Entladungen, insbesonde für bipolare integrierte Schaltungen, zum Parallelschalten an eine zu schützende Schaltungsanordnung, die gekennzeichne

ist durch mindestens eine Stufe mit einem bipolaren Transistor und ein integriertes Widerstandselement, das zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors gebildet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Schutzelementes;

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Layout einer Hälfte

des Schutzelementes nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Schutzelement

nach Fig. 2; und

Fig. 4 eine Darstellung der Kollektor-Emitter-Spannung

in einigen Betriebszuständen des Anschlusses eines bipolaren Transistors gegenüber dem Logarithmus des Kollektorstromes.

Fig. 1 zeigt die Äquivalentschaltung des Schutzelementes gemäß der Erfindung. Das Schutzelement besteht aus zwei gleichen Stufen, von denen die obere das Bezugszeichen 10' und die untere das Bezugszeichen 10*' trägt- Die obere Stufe

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TO¹ ist zwischen einem durch die Betriebsspannung V_,_ gebildeten ersten Referenzpotential und einer Leitung 13 geschaltet, die den Eingang 20 mit dem Eingangsanschluß 18 der zu schützenden Schaltungsanordnung verbindet, die gestrichelt gezeichnet ist und das Bezugszeichen 5 trägt. . Die untere Stufe 10*' ist zwischen die Leitung 13 und ein zweites Referenzpotential,'nämlich Masse, geschaltet. Jede dieser Stufen 10' und 10'' besteht aus einem Transistor 15' bzw. 15"', deren Basis und Emitter über ein Widerstandselement 16' bzw. 16'' miteinander verbunden sind. Der Kollektor des Transistors 15' ist mit der Betriebsspannung V und der Emitter des Transistors 15' sowie ein Anschluß des Widerstandes 16' ist mit der Leitung 13 verbunden. Der Kollektor des Transistors 15'' ist an die Leitung 13 angeschlossen, während der Emitter des Transistors 15'' sowie ein Anschluß des Widerstandes 16'' mit Masse verbunden sind. Die Basis jedes der Transistoren ist mit dem zweiten Anschlv des Widerstandes 16' bzw. 16'' verbunden.

Jede Stufe des Schutzelementes nach Fig. 1 ist wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt aufgebaut. Wie aus den Fig. hervo: geht, ist eine solche Stufe mit dem Bezugszeichen 10 versehen und stellt entweder die Stufe 10' oder 10'' der Fig. dar. Jede der Stufen 10 ist in einem Siliziumchip gebildet, das ein Substrat 35, eine verdeckte Schicht 33 der η Polaritätstype, eine Kollektorregion 27 der η Polaritätstype mi" einer stärker dotierten Region 25 der η Polaritätstype, die mit dem Kollektoranschluß 26 verbunden ist, und eine Basisregion 29 der ρ Polaritätstype enthält. Innerhalb der

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Basisregion 29 ist eine Emitterregion 28 der η Polaritätstype gebildet· Die Basis- und Emitterregionen sind mit einem Basisanschluß 31 und einem Emitteranschluß 30 verbunden und durch eine Metallschicht 32 überbrückt. Die Schaltung wird kompletiert durch Isolationsregionen 34 der ρ Polaritätstype.

Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, hat die Basisregion eine längliche Form, die sich vom Basiskontakt 31 bis unterhalb die Emitterregion 28 und den entsprechenden Kontakt 30 erstreckt. Außerdem hat die Basisregion (siehe Fig. 2) im mittleren Bereich einen reduzierten Querschnitt, der sozusagen eine eingeschnürte Zone bildet. Diese Zone mit reduziertem Querschnitt hat in Draufsicht eine Doppel-T-Form und bildet das Widerstandselement, das in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 16' bzw. 16'' bezeichnet ist. Die Breite des Bereiches mit reduziertem Querschnitt kann eingestellt werden, um optimale Widerstandswerte darzustellen. Vorteilhafte Ergebnisse wurden erzielt mit einem Widerstand von etwa 1000 Ohm, wobei dieser Wert zwischen 800 Ohm und 1200 Ohm schwanken kann. In der Praxis entsteht eine Widerstandsverteilung in Längsrichtung der Basisregion, wobei eine Diode an dem Übergang zwischen der Basisregion 29 und der Emitterregion 28 gebildet wird.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Schutzelementes ist wie folgt, wobei angenommen wird, daß die Stufe 10 der Fig. die untere Stufe 10'' der Fig. 1 darstellt. Beim Auftreten von negativen Spannungsspitzen wird die zwischen dem Basis-

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Emitter-Übergang gebildete Diode in Sperrichtung vorgespannt Aus diesem Grunde fließt ein Strom durch den in der begrenzten Basisregion integrierten Widerstand, während der Basis-Kollektor-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird. Hierdurch arbeitet der Transistor in genau der entgegengesetzten Weise wie ein konventioneller Transistor, d.h., der Kollektor arbeitet als Emitter und der Emitter als Kollektor. Hierdurch ist die Verstärkung des Transistors gering und die negativen Spannungsspitzen werden begrenzt.

Im Falle positiver Spannungsspitzen dagegen ist der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrichtung vorgespannt und der Spannungsabfall zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors hat den Verlauf der Kurve V___ nach Fig. 4.

Fig. 4 zeigt außerdem die Kollektor-Emitter-Spannung gegenüber dem Kollektorstrom bei verschiedenen Betriebsarten des Transistors. Insbesondere ist zu sehen, daß die Kollekte Emitter-Spannung V_c des erfindungsgemäßen Schutzelementes zwischen den Kurven der Kollektor-Emitter-Spannung V bei offener Basis und der Kollektor-Basis-Spannung V^,__ bei offenem Emitter liegt. Wird der Widerstand in der Basisregion 29 wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ausgebildet, so ist dies besonders zweckmäßig, weil das Verhalten der Stufe auch in Bezug auf die Kollektor-Emitter-Spannung bei offener Basis einen besseren Verlauf hat. Insbesondere erlaubt das Vorhandensein eines Widerstandselementes einen Leistungsverbrauch eines Teils der Leistung, die dem Anschlu 20 außerhalb der zu schützenden Schaltungsanordnung zugeführ wird.

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Die obere Stufe 10" wird nur dann vorgesehen, wenn die Schaltungsdaten das Zuführen e-iner positiven Entladung zwischen dem Anschluß der zu schützenden integrierten Schaltung erfordert sowie einer Leistung und einer negativen Entladung in Richtung auf Massepotential.

Unter diesen Testbedingungen wird die obere Stufe eingeschaltet, wenn eine positive Entladung am geprüften Anschluß 20 vorhanden ist. Der Strom fließt dann durch den Widerstand 16" und schaltet den Transistor 15' ein, der derart vorgespannt ist, daß er mit gegenseitig vertauschten Kollektor- und Emitteranschlüssen arbeitet (d.h., der Kollektor arbeitet als Emitter und der Emitter als Kollektor), wodurch die Verstärkung des Transistors reduziert wird.

Auf diese Weise erreicht eine positive Entladung über die Betriebsspannung Massepotential und fließt dabei in der getesteten Schaltung durch einen Strompfad mit niedrigem Widerstand.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, erreicht das erfindungsgemäße Schutzelement alle gestellten Anforderungen. Insbesondere weist das Schutzelement alle einzeln aufgezählten Eigenschaften auf und erlaubt den wirksamen Schutz einer nachgeschalteten Schaltungsanordnung gegen positive und negative Spannungsspitzen, was mit bisher bekannten Schutzelementen nicht möglich war.

Es soll betont werden, daß das erfindungsgemäße Schutzelement sowohl für den Schutz von nachgeschalteten Schaltungsanordnungen geeignet ist als auch in Bezug auf die Betriebsspannung. Im ersten Fall ist es lediglich erforderlic die untere Stufe 10'' vorzusehen, während im letzteren Fall es notwendig ist, die vollständige Anordnung nach Fig. 1 vorzusehen.

Es ist außerdem von erheblichem Vorteil, daß das Schutzelement gemäß der vorliegenden Erfindung einen sehr geringen Platzbedarf bei der Integration erfordert. Werden Toleranzen in Verbindung mit einem bestimmten Niederspannungs-Verfahren eingeschlossen, so beträgt der Platzbedarf im Falle eines Schutzes gegen die Betriebsspannung

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und gegen Masse nur etwa 0,042 mm (65,02 mils ).

Eine einwandfreie Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Schutzelementes bei Spannungsspitzen ist auch dadurch gegeben, daß durch das Widerstandselement ein zusätzlicher Energieverbrauchspfad geschaffen ist.

Insbesondere ist es unabhängig von dem Herstellprozeß mit dem Schutzelement gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, beliebige Strukturen gegen elektrostatische Entladungen im Bereich vom 4000 Volt zu schützen.

Das erfindungsgemäße Schutzelement kann auf verschiedene Weise abgewandelt werden, ohne sich von der Idee der Erfindui zu entfernen. Insbesondere kann das Schutzelement mit nur einer Stufe oder mit zwei Stufen (der oberen und der unteren

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Stufe), je nach Erfordernis, aufgebaut sein. Außerdem kann der Widerstandswert des Widerstandes 1-6 * , 16'' abgewandelt werden, um eine Anpassung an spezielle Bauelemente-Parameter vorzunehmen.

Claims

Strada Primosole 50, Catania, Italien

Schutzelement gegen elektrostatische Entladungen, insbesondere für bipolare integrierte Schaltungen

PATENTANSPRÜCHE

1 . Schutzelement gegen elektrostatische Entladungen, insbesondere für bipolare integrierte Schaltungen, zum Parallelschalten an eine zu schützende Schaltungsanordnung,

gekennzeichnet durch mindestens eine Stufe (10, 10', 10¹¹) mit einer bipolaren Transistoranordnung (15¹, 15¹¹), die eine Emitterelektrode, eine Basiselektrode und eine Kollektorelektrode aufweist; und eine integrierte Widerstandsanordnung (16¹ 16¹¹), die zwischen der Basiselektrode" und der Emitterelektrode der Transistoranordnung integriert ist.

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Martinisiralk· 24 Telefon Telecopierer Telex Datex-P

D-28OOBremenl 0421-328037 0421-326834 244020fepatd 44421040311
2. Schutzelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Basisregion (29) der Transistoranordnung (15', 15'') eine längliche Ausdehnung hat, die sich von der Basiselektrode (31) bis zur Emitterregion (29) des Transistors erstreckt und die Widerstandsanordnung (16*, 16¹¹) bildet.
3. Schutzelement nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Basisregion einen mittleren Bereich (29') mit reduziertem Querschnitt aufweist.
4. Schutzelement nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich mit reduziertem Querschnitt einen reduzierten Breitenbereich (29") aufweist.
5. Schutzelement nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Basisregion eine Doppel-T-Form hat.
6. Schutzelement nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode (31) über eine Metallschicht (32) zur Emittierelektrode (30) kurzgeschlossen ist.
7. Schutzelement nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsanordnung (16* , 16'') einen Widerstand im Bereich von etwa 800 - 1200 Ohm. hat.
8» Schutzelement nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (1O¹¹) zwischen den Eingang (18) der zu schützenden Schaltungsanordnung (5) und Masse geschaltet ist und daß die Kollektorelektrode des Transistors (15¹¹) mit dem Eingang (18) der Schaltungsanordnung (5) und die Emitterelektrode mit Masse verbunden ist.
9. Schutzelement nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (10¹) zwischen den Eingang (18) der zu schützenden Schaltungsanordnung (5) und der Betriebsspannung (V_,_r) geschaltet ist und daß die Kollektorelektrode des Transistors (15') mit der Betriebsspannung (V ) und die Emittlerelektrode des Transistors mit dem Eingang (18) der zu schützenden Schaltungsanordnung (5) verbunden ist.