DE3615049C2 - Integrierte Widerstandsanordnung mit Schutzelement gegen Verpolung und Über- bzw. Unterspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer spannungsgeschützten Halbleiteranordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

In bipolaren monolithisch integrierten Schaltungen sind gewöhnlich durch eine ringförmig geschlossene Isolations­ diffusion erzeugte Bereiche vorhanden, in denen die in der Schaltung benötigten Widerstände eingebettet sind. Die Widerstände werden dabei durch Widerstandsdiffusionen mit zum Bereich entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp er­ zeugt. Durch eine geeignete Vorspannung des Bereiches, auch Widerstandswanne genannt, entsteht daher eine Sperr­ schicht beim Übergang zur Widerstandsdiffusion, wodurch die Widerstände gegeneinander sowie gegenüber dem Substrat und damit anderen Schaltungsteilen elektrisch isoliert sind. Solche Halbleiteranordnungen sind beispielsweise aus der Druckschrift "Analog Integrated Circuit Design", Grebene, New York 1972, I SBN 0-442-22827-9, Seiten 96 bis 109, bekannt.

Die Druckschrift DE 34 44 376 A1 beschreibt eine integrierte Schaltungsanordnung zum Kompensieren von Substratleckströmen bei einer mit pn-Übergängen isolierten Wannenbereichen. Dabei ermöglicht ein Transistor mit mehreren Kollektoren (Multikollektor-Transistor), von dem ein Kollektor an einem ersten, durch pn-Übergang isolierten Wannen-Bereich angeschlossen ist und ein zweiterr Kollektor mit einem zweiten durch pn-Übergang isolierten Wannenbereich verbunden ist, die wirksame Aufhebung des Substratleckstromes des zweiten Wannenbereichs, der eine oder mehrere aktive Halbleitereinrichtungen enthalten kann.

Aus der Druckschrift GB 20 90 701 A ist es zudem bekannt, integrierte Schaltungen, die nach dem Metall-Oxid-Halbleiter-Prinzip (MOS) aufgebaut sind, mit Hilfe eines integrierten Feldeffekt-Transistors gegen Überspannungen zu schützen.

Weiterhin ist von CORNISH, B.: "Transistor base-emitter junction protection improves reliability", in Electronic Engineering, Vol. 45, H. 546, Aug. 1973, Seiten 44-46, bekannt, einen Transistor mit Hilfe einer Diode vor einem elektrischen Durchbruch bei Verpolung zu schützen. Dabei wird die Diode parallel zum Basis-Emitter-Übergang angeordnet oder in Serie zum Basisanschluß geschaltet.

In Fig. 1 der Zeichnung ist dementsprechend eine aus dem Stand der Technik bekannte Widerstands-Halbleiteran­ ordnung näher dargestellt. Auf der Rückseite eines schwach dotierten p-Substrats 1 ist eine Rückseitenmetallisierung 2 aufgebracht, die mit einem Substratanschluß 3 elektrisch verbunden ist. Auf dem p-Substrat ist eine schwach dotier­ te n-Schicht bzw. n-Widerstandswanne 4 aufgebracht, die ringförmig von einer stark dotierten p-Isolierungsdiffusion 5 umgeben ist. In die Widerstandswanne 4 ist eine p-Widerstandszone 6 eingebracht. Von der Oberseite her ist die Halbleiteranordnung in bekannter Weise von einer Passi­ vierungsschicht 7 bedeckt, die nur einige Kontaktfenster aufweist. Die Widerstandszone 6 ist dabei über stark dotierte Kontaktdiffusionen 8 mit zwei solchen Fenstern verbunden, die Raum für die eigentlichen metal­ lischen Widerstandskontakte 9 geben. Auch die Widerstands­ wanne 4 ist dementsprechend über eine hoch dotierte Kon­ taktdiffusion 10 an einen metallischen Wannenkontakt 11 angeschlossen, der mit einer spannungsführenden Leitung bzw. Versorgungsspannungsleitung 12 verbunden ist. Zwischen die Versorgungsspannungsleitung 12 und den Wannenkontakt 11 ist weiterhin als Schutzelement eine Schutzdiode 13 geschaltet.

Im Normalbetrieb ist an die Versorgungsspannungsleitung 12 ein positives Potential angelegt, während der Substratan­ schluß 3 mit der Masseleitung der Schaltung verbunden ist. Die Widerstandswanne 4 ist dann über den Wannenkontakt 11 auf das um die Durchflußspannung der Schutzdiode 13 ver­ minderte Potential der Versorgungsspannungsleitung 12 ge­ legt. Die Isolationswirkung des Sperrschichtübergangs zwischen Widerstandsdiffusion 6 und Widerstandswanne 4 ist dann so lange wirksam, wie die Widerstandsdiffusion 6 über die Widerstandskontakte 9 auf einem Potential ge­ halten wird, das unterhalb dem der Widerstandswanne 4 liegt. Bei einer Verpolung der Schaltung, d. h. wenn am Substratanschluß 3 die positive Versorgungsspannung an­ liegt und die Versorgungsspannungsleitung 12 Massepoten­ tial aufweist, ist der Übergang zwischen p-Substrat 1 und n-Widerstandswanne 4 in Flußrichtung gepolt. Die in diesem Fall in Sperrichtung betriebene Schutzdiode 13 verhindert aber ein selbsttätiges Zerstören der Schal­ tungsanordnung.

Häufig ist die Widerstandsdiffusion so hoch dotiert, daß eine Kontaktdiffusion entfallen kann, weil dann auch ohne sie eine gute elektrische Verbindung zum metallischen Wi­ derstandskontakt erreichbar ist. In vielen Anwendungsfäl­ len kann auch die Rückseitenmetallisierung entfallen, da das Substrat über die Isolierungsdiffusion an Masse ange­ schlossen werden kann.

Die bekannte Halbleiteranordnung hat nun den Nachteil, daß im Normalbetrieb die Betriebsspannung der Halbleiteranord­ nung um die Durchflußspannung der Schutzdiode 13 verringert wird. Darüber hinaus ist es nicht möglich, die integrierten Widerstände direkt mit den positiven Versorgungsspannungs­ anschluß zu verbinden, da sonst im Normalbetrieb die Sperr­ schicht zwischen Widerstandswanne 4 und Widerstandsdiffu­ sion 6 in Flußrichtung gepolt würde, was in der Regel die Funktion der Schaltung stören würde. Bei Verpolung würde die Schutzdiode 13 unwirksam, da dann die Sperrschicht zwi­ schen Widerstandswanne 4 und Widerstandsdiffusion 6 in Flußrichtung zwischen den Versorgungsspannunganschlüssen läge und diese kurzschließen würde. Entsprechendes gilt bei Einschaltung einer Schutzdiode in die Masseleitung der Halbleiteranordnung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, eine Halbleiteranordnung zu finden, die im Normal­ betrieb keinen Versorgungsspannungsverlust aufweist und bei der die integrierten Widerstände mit beiden Anschlüssen der Versorgungs­ spannung verbunden werden können.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine integrierte Widerstandsanordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat nun gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Halbleiteranordnungen zusätzlich den Vorteil, daß das als Transistor ausgebildete Schutzelement ein aktives steuerbares Element ist und in die Halbleiteranordnung monolithisch integriert werden kann. Die Steuerbaueinheit des Schutzelements, das als bipolarer Transistor oder als Feldeffekttransistor ausgebildet sein kann, erlaubt einen vielfältigen Schutz der Halbleiteranordnung. Im Schutzfall, das heißt bei Ver­ polung, Über- oder Unterspannung, wird dann die Steuerelek­ trode, Basis oder Gate, des Transistors so angesteuert, daß der Transistor in den nichtleitenden Zustand übergeht, so daß die Widerstandswanne von der spannungsführenden Leitung abgetrennt wird. In bevorzugter Ausführung ist der Tran­ sistor wie die Halbleiteranordnung bipolar ausgeführt. Da dann der Transistor an seinem Kollektor nur den äußerst geringen Sperrstrom der Widerstandswanne aufbringen muß, ist seine Emitter-Kollektor-Sättigungsspannung sehr ge­ ring in der Größenordnung von wenigen Millivolt. Der Kol­ lektor des Transistors kann daher auch als kleiner Hilfs­ kollektor einer Multikollektorstromquellenstruktur ausge­ führt werden, wie sie zur Versorgung von Schaltungsteilen häufig in integrierten Schaltungen verwendet werden. Wei­ terhin ist bei Lateral-Transistoren die Emitter-Basis- Sperrspannung, die bei Verpolung der Halbleiteranordnung beansprucht wird, in der Regel größer als 50 Volt. Im Gegensatz zu diskreten Transistoren, deren Emitter-Basis- Sperrspannung normalerweise nur 5 bis 7 Volt beträgt (La­ winendurchbruch), wird hiermit eine erhöhte Betriebssicher­ heit erreicht und es ist möglich, die Halbleiteranordnung in einem Kraftfahrzeug einzusetzen, dessen Bordspannung normalerweise etwa 14 Volt beträgt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine bekann­ te integrierte Widerstandsanordnung, wie bereits eingangs ge­ schildert wurde.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine integrierte Widerstandsanordnung gemäß einem Ausführungsbei­ spiel, während

Fig. 3 eine entsprechende Aufsicht zeigt, wie sie etwa beim Betrachten der Anordnung nach Fig. 2 durch ein Mikroskop erscheinen konnte.

In Fig. 2 ist eine integrierte Widerstandsanordnung dargestellt, die auf der rechten Seite einen integrierten Wider­ stand und auf der linken Seite einen durch eine Iso­ lierungsdiffusion getrennten Lateral-Transistor auf­ weist. Der auf der rechten Seite dargestellte inte­ grierte Widerstand entspricht der bereits eingangs geschilderten bekannten Halbleiterstruktur, so daß hier eine Wiederholung unterbleiben kann. Der auf der linken Seite der Fig. 2 dargestellte Lateral-Transi­ stor ist beispielsweise aus der Druckschrift "Analog Integrated Circuit Design", Grebene, New York, 1972, Seiten 57 bis 61, bekannt.

In allen drei Figuren der Zeichnung sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden, wo es sich um gleiche oder entsprechende Merkmale der Halbleiteranordnung han­ delt. Der Unterschied zwischen der Fig. 1 und der Fig. 2 besteht darin, daß in Fig. 1 die Widerstandswanne mit 4 und in Fig. 2 die Widerstandswanne mit 41 bezeichnet ist, um sie deutlich von der benachbarten Basiswanne 42 des Lateral-Transistors zu trennen.

Beim als Transistor ausgebildeten Schutzelement han­ delt es sich in Fig. 2 um einen pnp-Multikollektor- Lateral-Transistor, dessen erste Kollektorzone 14 in die Basiswanne 42 eindiffundiert ist, und die mit dem Wannenkontakt 11 elektrisch verbunden ist. Die benach­ barte Emitterzone 15 des Transistors ist über einen Emitterkontakt 16 an die Versorgungsspannungsleitung 12 gelegt. Eine zweite Kollektorzone 17 ist über eine Anströmleitung 18 mit der Basiszone 19 des Lateral- Transistors verbunden.

Im Normalbetrieb ist der Transistor in Sättigung, so daß die Potentialdifferenz zwischen Emitterkontakt 16 und Wannenkontakt 11 nur wenige Millivolt beträgt. Da der Transistor nur den äußerst geringen Sperrstrom des Halb­ leiterübergangs zwischen Widerstandswanne 41 und Wider­ standsdiffusion 6 aufbringen muß, ist der in der Anström­ leitung 18 fließende Basisstrom des Transistors ausrei­ chend.

In Fig. 3 ist eine Aufsicht auf einen Teil der Halbleiter­ anordnung gemäß Ausführungsbeispiel darge­ stellt, wobei wiederum entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wurden.

In Fig. 3 stellen die schraffierten Bereiche die metal­ lischen Kontakte entsprechend der Fig. 2 dar. Die fest umrandeten Bereiche innerhalb des gezeigten Ausschnitts der Halbleiteranordnung stellen Umrandungen von Diffu­ sionszonen dar. Mit einer gestrichelten Umrandung ist ein auf der Oberfläche der Halbleiteranordnung aufge­ brachtes metallisches Verbindungsnetzwerk dargestellt, das die metallischen Kontakte der Halbleiteranordnung untereinander verbindet. Der in Fig. 2 beschriebene La­ teral-Transistor ist hier deutlich in seiner Multikol­ lektorstruktur erkennbar, wobei um die Emitterzone 15 herum mehrere Kollektorzonen gruppiert sind. Deutlich sind die erste Kollektorzone 14 und die zweite Kollek­ torzone 17 gemäß Fig. 2 zu erkennen. Weitere Kollektor­ zonen 20, 21 dienen zur Stromversorgung weiter entfern­ ter Teile der Halbleiteranordnung, beispielsweise weite­ rer Widerstandswannen, die zur Vereinfachung hier nicht näher dargestellt sind. Auf der rechten Seite der Fig. 3 sind weiterhin mehrere Widerstandsdiffusionen entsprechend der Widerstandsdiffusion 6 erkennbar, die in der gemein­ samen Widerstandswanne 41 angeordnet sind.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gewählte Ausführungsbeispiel beschränkt. In weiterer Ausgestaltung läßt sich ein Schutz gegen Über- und Unterspannungen an ei­ nem Punkt der Halbleiteranordnung erreichen, wenn durch entsprechende Mittel der Transistor durch Ansteuerung der Basis in den nichtleitenden Zustand geschaltet wird. Die hierfür notwendige Steuerenergie kann von der Über- oder Unterspannung beispielsweise über eine Diode ge­ wonnen werden, die dementsprechend nur im Schutzfall leitend wird.

Claims (11)

1. Integrierte Widerstandsanordnung mit Schutzelement, mit einem p-Substrat (1)

• - mit einer darauf abgeschiedenen n-Schicht (4)
• - mit einer p-Isolierungsdiffusion (5) zur elektri­ schen Isolierung einzelner Schichtbereiche
• - mit einer p-Widerstandszone (6) in einem als Widerstandswanne (41) wirkenden Schichtbereich
• - mit zwei Widerstandskontakten (9) zum Anschluß von elektrischen Leitern an die p-Widerstandszone (6)
• - mit einem Wannenkontakt (11) zum Anschluß einer span­ nungsführenden Leitung (12) über ein Schutzelement an die Widerstandswanne (41),

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Widerstandswanne (41) über die Schaltstrecke (15, 14) eines Transistors mit zugehörigen Schaltmitteln an die spannungsführende Leitung (12) angeschlossen ist,
• - daß der Transistor im Normalbetrieb im leitenden Zu­ stand betrieben wird und
• - daß der Transistor im Schutzfall im nichtleitenden Zu­ stand betrieben wird.

2. Integrierte Widerstandsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Transistor ein pnp-Lateral-Transistor ist, dessen als Basis wirkender Schichtbereich (42) durch eine p-Isolierungsdiffusion (5) von der Widerstandswanne (41) elektrisch isoliert ist und dessen Kollektor (14) an die Widerstandswanne (41) angeschlossen ist.

3. Integrierte Widerstandsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein Multikollektor- Transistor ist.

4. Integrierte Widerstandsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Kollektor (17) des Transistors zur An­ strömung mit der Basis (19) des Transistors verbunden ist.

5. Integrierte Widerstandsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Kollektoren (20, 21) des Transistors zur Stromversorgung weiterer Teile der Halb­ leiteranordnung vorgesehen sind.

6. Integrierte Widerstandsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die weiteren Kollektoren (20, 21) zur Ver­ bindung mit weiteren Widerstandswannen der Halbleiteran­ ordnung vorgesehen sind.

7. Integrierte Widerstandsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Transistor ein Feldeffekttransistor ist.

8. Integrierte Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandskontakt (9) direkt an eine Versorgungsspannungsleitung ange­ schlossen ist.

9. Integrierte Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltmittel eine Diode aufweisen, die im Normalbetrieb im nichtleitenden Zustand betrieben wird.

10. Integrierte Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau eine inverse Leitfähigkeitsstruktur aufweist.