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Diese Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum
Schutz integrierter Schaltkreise gegen
elektrostatische Entladungen und im besonderen auf
einen Schutz in kompakter Bauweise für integrierte
Schaltkreise, die Mischtechnologie verwenden und
mit niedrigen Versorgungsspannungen arbeiten.
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Es ist eine anerkannte Tatsache, dass die
Kontaktflächen eines integrierten Schaltkreises
leicht versehentlich mit elektrisch geladenen
Gegenständen in Kontakt kommen können, sowohl
während des Herstellungsprozesses als auch bei der
Zusammensetzung zu komplexen Schaltungen oder im
Betrieb. Daraus ergibt sich, dass sich ausreichende
Potentialdifferenzen zwischen Gebieten oder Teilen
des integrierten Schaltkreises entwickeln können,
die dünne Nichtleiter im Bauteil, wie z. B. die
Gate-Oxide bei Transistoren vom MOS-Typ,
beschädigen oder sogar zerstören können.
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Wenn also die Potentialdifferenz, die
elektrostatisch hervorgerufen wurde, die
dielektrische Stärke der Gate-Isolierung
übersteigt, wird ein MOS-Transistor durch die
elektrostatische Entladung unbrauchbar, die die
Isolierung durchdringt.
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Dies ist ein destruktiver Effekt, der in einem
Schaltkreis, der in MOS-Technologie integriert ist,
die eine minimale Gate-Dimension von 1,2 um bietet,
zum Beispiel bereits bei Spannungen von nur 12 V
auftreten kann, d. h. bei viel niedrigeren Werten
als denen, die durch elektrostatische Entladungen
in einigen Fällen auftreten können.
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Es sind eine Reihe von Maßnahmen bekannt zum Schutz
der Ein- und Ausgangsanschlüsse eines integrierten
Schaltkreises vor elektrostatischen Entladungen,
deren Effektivität offensichtlich von den
Integrationseigenschaften abhängt.
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Einige dieser Maßnahmen sehen die Verwendung von in
Serie geschalteten Widerständen und seriell oder
parallel verbunden Dioden vor, die mit dem Substrat
des integrierten Schaltkreises integriert sind, um
die Ströme, die aufgrund von elektrischen
Entladungen entstehen, zu begrenzen oder zu
"unterdrücken", und sind im wesentlichen wirksam
zum Schutz der Eingangsanschlüsse.
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Die EP-Anmeldung Nr. 92830477.3 (EP-A-0 532 481)
veröffentlicht eine integrierte schützende
Struktur, die Schutz von Strukturen vor
elektrostatischen Entladungen bietet, für einen
integrierten Schaltkreis, die funktional mit einem
bestimmten externen Pin verbunden sind. Die
schützende Struktur wird in einer einzigen
epitaktischen Wanne gebildet und beinhaltet eine
auslösende Zenerdiode und einen vertikalen
bipolaren Transistor.
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Andere, aufwendigere Maßnahmen sehen die Verwendung
von Thyristorstrukturen oder SCRs (steuerbare
Siliziumdiode) vor und können verwendet werden, um
sowohl die Eingangs- als auch Ausgangsanschlüsse zu
schützen, mit möglichen Modifikationen, um die
Zündspannung niedrig zu halten.
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Fig. 1 der dieser Beschreibung beigefügten
Zeichnungen zeigt einen Eingangsschutzschaltkreis
für Schaltkreise vom BiCMOS-Typ, d. h. in
Mischtechnologie.
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Die Transistoren Q1 und Q2 formen zusammen eine
äquivalente Struktur einer Zenerdiode,
angeschlossen zwischen dem Eingangsanschluss IN und
der Masse GND des integrierten Schaltkreises.
Dieser Typ von ESD-(elektrostatische Entladung)
Schutz und seine Arbeitsweise werden z. B. in dem
Buch "BiCMOS Technology and Applications", Zweite
Auflage, herausgegeben von A.R. Alvarez (Cypress
Semiconductor Corporation) beschrieben.
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Dieser Schutz ist recht kompakt und kann leicht in
einem Prozess vom BiCMOS-Typ integriert werden, was
höchst vorteilhaft ist, wobei ein Schutz für jeden
Anschluss des integrierten Schaltkreises gegeben
wird, der in Kontakt mit externen Gegenständen
kommen könnte.
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Er ist jedoch nicht kompatibel mit Anschlüssen, die
im Betrieb möglicherweise negativen
Dynamikbereichen ausgesetzt werden können.
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Das zugrundeliegende technische Problem dieser
Erfindung besteht darin, einen Schutz gegen
elektrostatische Entladungen zu bieten, der
einmalig kompakt und schnell ist, und auch durch
Prozesse vom BiCMOS-Typ schnell integriert werden
kann, und der sowohl zum Schutz von Eingangs- als
auch von Ausgangsanschlüssen (einschließlich
Versorgungsanschlüssen) unter allen
Arbeitsbedingungen verwendet werden kann.
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Dieses Problem wird von einem Schutz gelöst, wie im
kennzeichnenden Teil des angehängten Anspruchs zu
dieser Beschreibung definiert.
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Die Eigenschaften und Vorteile eines Schutzes gemäß
der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
einer Ausführungsform davon ersichtlich, die in
Form eines Beispiels gegeben wird und nicht als
Abgrenzung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen.
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In den Zeichnungen:
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Fig. 1 zeigt einen Schaltplan für einen
konventionellen Schutz, wie zuvor erwähnt;
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Fig. 2 zeigt ein Schaltbild für einen Schutz der
gemäß der Erfindung erstellt werden kann; und
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Fig. 3 ist ein Schnitt einer realisierbaren
Schutzstruktur gemäß der Erfindung.
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Der in Abb. 2 gezeigte Schaltkreis zum Schutz
vor elektrostatischen Entladungen ist recht einfach
und besteht aus einem erstem Q1 und zweitem Q2
Transistor, beide vom bipolaren NPN-Typ in der
bevorzugten Ausführungsform.
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Der Transistor Q1 wird zwischen einem zu
schützenden Anschluss T1 und, vorzugsweise, der
Masse T2 des integrierten Schaltkreises
angeschlossen, der die Schutzvorrichtung (oder
Schutzvorrichtungen, wenn mehrere Anschlüsse des
integrierten Schaltkreises vor elektrostatischen
Entladungen geschützt werden sollen) mit ihrem
Emitteranschluss bzw. dem Kollektoranschluss
enthält.
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Der Transistor Q2 ist mit dem Kollektoranschluss
des Transistors Q1 verbunden, sowohl mit seinem
Emitter- als auch seinem Kollektoranschluss, und
daher in diesem Fall an die Masse T2.
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Die Transistoren Q1 und Q2 haben ihre jeweiligen
Basisanschlüsse miteinander verbunden.
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Es ist immer sicherer, wenn sich der Schutz
zwischen dem Anschluss, der geschützt werden soll,
und einem Masseanschluss befindet, auch wenn
Stromversorgungsanschlüsse beteiligt sind. Daher
ist es im vorliegenden Fall besser, zwei
Schutzvorrichtungen zu verwenden, einen für jeden
der zwei Stromversorgungsanschlüsse, obwohl ein
gewisser Schutz durch eine einzige Vorrichtung
gewährleistet werden könnte, die zwischen beide
Anschlüsse geschaltet wird.
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Während einer positiven Entladung würde der
Emitter-Basis-Übergang des Transistors Q1 einer
Lawinenleitung ausgesetzt, der Transistor Q2
dioden-polarisiert und der Basis-Kollektor-Übergang
des Transistors Q1 in Durchlassrichtung betrieben.
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Entsprechend arbeitet der Transistor Q1 invers im
Zustand BVcer und zeigt eine sehr niedrige
Ausgangsimpedanz.
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Andererseits würde während einer negativen
Entladung der Emitter-Basis-Übergang des
Transistors Q2 einem Lawinendurchbruch ausgesetzt,
so dass der Transistor Q1 einen Basisstrom erhält
und anfängt im aktiven Bereich zu arbeiten.
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Nachdem er einmal aktiviert wurde, zieht der
Transistor Q1 den größten Teil des Strom ab und der
Serienwiderstand der Struktur ist recht niedrig.
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Wenn die Transistoren Q1 und Q2 identisch sind, ist
die Durchbruchsspannung der Struktur für positive
und negative elektrostatische Entladungen
"symmetrisch".
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In jedem Fall hängt die Durchbruchsspannung von der
Wahl der zwei Transistoren Q1 und Q2 ab.
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Abb. 3 ist ein Schnitt einer realisierbaren
Struktur gemäß der Erfindung, die in
Mischtechnologie implementiert werden kann, aber
nicht ausschließlich.
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Diese Struktur kann auf einer monokristallinen
Siliziumscheibe gebildet werden, die ein mit
Verunreinigungen vom P-Typ dotiertes Substrat
enthält, überlagert von einer epitaktischen Schicht
1, die mit Verunreinigungen vom N-Typ dotiert ist,
wobei die epitaktische Schicht eine Dicke von 8 bis
10 um besitzt mit einen spezifischen Widerstand im
Bereich von 1,5 Ohm*cm.
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Während des Wachstums der epitaktischen Schicht 1
durch Techniken, die Fachleuten wohlbekannt sind,
bildet sich ein Subkollektor-Zone oder Schicht 2,
die stärker dotiert ist (N&spplus;) als der Rest der
Schicht und die mit der Oberfläche über eine
Sinkzone 3, auch vom Typ N&spplus;, verbunden ist.
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Auf der epitaktischen Schicht 1, über der
Subkollektor-Schicht 2, befindet sich eine P-Typ
oder P-Körper Oberflächenzone 4, in der
gegenwärtigen Ausführung durch Implantation von
Bar, dessen Dosierung im Bereich 1*10¹³ cm&supmin;² bis
3*10¹³ cm&supmin;² liegt, bis zu einer Tiefe von ungefähr
1,25 um.
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Eine Zone 5 vom Typ N&spplus; reicht von der Oberfläche
aus bis in die JP-Körperzone, und wird gebildet
durch Implantation von Arsen mit einer Dosierung im
Bereich von 1*10¹&sup5; cm&supmin;² und bis zu einer Tiefe von
0,3 um.
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Zusätzlich wird in ähnlicher Weise eine Zone 6
gebildet, die von der Platinenzone 3 zum
Kantenbereich einer P-Körperzone reicht.
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Geeignete elektrische Anschlussmittel, in den
Zeichnungen der Einfachheit halber als Leitungen T1
und T2 bezeichnet, wobei sie tatsächlich zum Teil
aus diffundierten Bereichen vom Typ N&spplus; und zum Teil
aus Pfaden eines elektrisch leitenden Materials
bestehen, wie z. B. Aluminium oder dotiertem
polykristallinen Silizium, werden auf den Zonen 5
und 3 im ohmschen Kontakt mit denselben gebildet.
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Dadurch wird die in Abb. 2 gezeigte
Schaltkreisschutz-Struktur auf sehr einfache Weise
implementiert.
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Der Transistor Q1, angeschlossen zwischen dem zu
schützenden Anschluss T1 und der Masse T2, besteht
aus der NPN- Folge: der Zonen 5,4 und 2, wobei die
Zone 5 der Emitter ist, die P-Körperzone die Basis
und die epitaktische Schicht den Kollektor
darstellt, insbesondere durch ihre Subkollektor-
Schicht 2.
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Dies trifft auch auf den Transistor Q2 zu, dessen
Emitter die Zone 6 ist, die den Peripheriebereich
der gemeinsamen P-Körperbasiszone überlagert,
während der gemeinsame Kollektor von der Zone 2
gebildet wird, die über die Platinenzone 3 mit der
Emitterzone 6 verbunden ist.
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Gemäß der Erfindung werden HVS (Hohe
Spannungsverschiebungen) an den Kanten der
Emitterzonen 5 und 6 erzeugt, die eine geringere
Dotierungskonzentration haben als die Kernzone, um
den Krümmungsradius der Übergangskante und damit
den Durchbruch besser zu steuern, wodurch die
Bildung destruktiver "Hot spots" vermieden wird.
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Zwischen den zwei Emitterzonen 5 und 6 befindet
sich das Gebiet 7 vom P-Typ, dessen
Dotierungskonzentration höher ist als die der
anderen Gebiete der P-Körperzone, um die Isolierung
der zwei Emitterzonen 5 und 6 voneinander zu
erhöhen.
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Es ist zu beachten, dass Veränderungen,
Integrationen und Ersetzung von Elementen an der
Ausführungsform, die hiervor bildlich diskutiert
wurde, durchgeführt werden können, ohne vom
Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche
abzuweichen.