DE69523391T2 - Schutzschaltung gegen elektrostatische Entladung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Schutz gegen elektrostatische Entladungen.
• Solche Schutzschaltungen gibt es beispielsweise in den integrierten MOS-Schaltungen (Metal Oxide Semiconductors).
• Der Fachmann weiß, daß die Gate-Isolierung geringer Dicke in MOS-Transistoren plötzlich leitend werden kann, wenn das an sie angelegte elektrische Feld einen bestimmten Wert überschreitet, den Durchschlagswert. Dies zieht eine Beschädigung nach sich, die bis zur Zerstörung des Transistors gehen kann. Daher wurden Schutzschaltungen entwickelt, um dies zu vermeiden.
• Man kennt verschiedene Arten von Schutzschaltungen. Manche schützen nur Schaltungen, die entweder mit einer positiven oder einer negativen Vorspannung arbeiten. Es ist dannr nicht möglich, Schaltungen zu schützen, die sowohl mit positiven als auch negativen Spannungen vorgespannt werden.
• Andere Schaltungen erlauben einen Schutz von Schaltungen, die sowohl mit positiven als auch negativen Vorspannungen arbeiten. Manche dieser Schaltungen sind sehr komplex. Es kann dann erforderlich sein, in einem Substrat des Typs P Senken des Typs N oder umgekehrt auszubilden. Ein Nachteil liegt dann in der Notwendigkeit, diese Senken vorspannen zu müssen.
• Andere Schaltungen haben eine weniger komplexe Struktur und vermeiden die Vorspannung der Senken. Diese Schaltungen haben ein Ersatzschaltbild in Form zweier gegenpolig montierter Dioden. Eine erste Diode wird beispielsweise von einer Zone P+ in einer Senke vom Typ N und eine zweite Diode wird von der Junktion gebildet, die die Senke N und das Substrat P bilden.
• Das Zünden der Dioden durch Avalanche-Effekt ermöglicht es, die Amplitude der Entladespannungen zu begrenzen, die die Schaltungen beschädigen könnten. Die Durchschlagsspannungen der von der Junktion der Senke des Typs N mit dem Substrat des Typs P gebildeten Diode ist relativ hoch und liegt beispielsweise in der Größenordnung von 100 V. Oft ist es erforderlich, daß die Entladung bei niedrigeren Spannungswerten erfolgt, beispielsweise bei 15 bis 20 V. Der Fachmann weiß, daß die Durchschlagsspannung durch Abstandsringe, beispielsweise vom Typ N+, eingestellt wird, die durch Überdotierungen an der Oberfläche des Bauteil s realisiert werden. Daraus folgt, daß der Durchschlag auch an der Oberfläche erfolgt. Ein solcher Schutz ist im allgemeinen wenig wirksam, um die Ströme aufgrund der elektrostatischen Entladungen abzuleiten. Er ist andrerseits auch der Alterung unterworfen. Mit zunehmender Anzahl von Durchschlägen verschlechtert sich die Diode und die Durchschlagsspannung nimmt zu. Andere Schaltungen sind in den Druckschriften JP-A-58165369 und US-A-4 692 781 beschrieben.
• Die vorliegende Erfindung ist frei von diesen Mängeln.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schutzschaltung gegen elektrostatische Entladungen, die an den Klemmen einer Schaltung auftreten können, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Transistor, der in einer Senke liegt, deren Potential undefiniert ist, wobei der erste Transistor den Wert der Entladungsspannung auf einen Wert von mindestens gleich dem Wert seiner Schwellspannung begrenzen kann, und einen zweiten Transistor enthält, der in einer Senke liegt, deren Potential undefiniert ist, während der zweite Transistor den Wert der Entladungsspannung auf den Wert seiner Schwellspannung begrenzen kann.
• Ein Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, daß die Verwendung von Schutzschaltungen der oben erwähnten Art vermieden wird.
• Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Figuren näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Schutzschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
• Fig. 2 zeigt im Schnitt eine Schutzschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
• In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
• Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Schutzschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
• In einem Substrat 1 vom Typ P ist eine Senke 2 des Typs N ausgebildet.
• Gemäß der Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, ist die Senke 2 an keinerlei äußere Vorspannung angeschlossen und befindet sich somit auf einem undefinierten Potential.
• Drei dotierte Zonen P+, P1, P2, P3 sind auf der Oberfläche der Senke 2 ausgebildet. Wie Fig. 1 zeigt, liegen die drei Zonen P1, P2, P3 vorzugsweise in Flucht, wobei die Zone P2 sich zwischen der Zone P1 und der Zone P3 befindet. Eine dielektrische Isolierschicht C1 bedeckt die Oberfläche der Senke zwischen den Zonen P1 und P2. In gleicher Weise bedeckt eine dielektrische Isolierschicht C2 die Oberfläche der Senke zwischen den Zonen P2 und P3. Die dielektrische Schicht C1 ist mit einer leitenden Schicht M1 und die dielektrische Schicht C2 ist mit einer leitenden Schicht M2 bedeckt. Daraus folgt, daß einerseits die Zonen P1 und P2 die Hauptelektroden eines ersten MOS-Transistors T1 vom Typ P bilden, dessen Steuerelektrode von der leitenden Schicht M1 gebildet wird, während andrerseits die Zonen P2 und P3 die Hauptelektroden eines zweiten MOS-Transistors T2 vom Typ P bilden, dessen Steuerelektrode von der leitenden Schicht M2 gebildet wird.
• Die beiden Hauptelektroden des Transistors T1 sind mit E1 und E2 bezeichnet und entsprechen den Zonen P1 und P2 mit P+-Dotierung. Die beiden Hauptelektroden des Transistors T2 sind mit E3 und E4 bezeichnet und entsprechen den Zonen P2 und P3 mit P+-Dotierung. Die Hauptelektroden E2 und E3 fallen zusammen und entsprechen der Zone P2 mit P+ -Dotierung. Die Steuerelektrode des Transistors T1 trägt das Bezugszeichen K1 und die Steuerelektrode des Transistors T2 trägt das Bezugszeichen K2.
• Wie oben erwähnt, wird jede Steuerelektrode K1, K2 von einer dielektrischen Isolierschicht C1, C2 gebildet, die von einer leitenden Schicht M1, M2 bedeckt wird. Die dielektrische Isolierschicht kann entweder eine dünne Schicht sein, die aus einem Dielektrikum der gleichen Art besteht, wie sie zur Bildung der Gates der zu schützenden Transistoren verwendet wird, oder eine dicke Oxidschicht.
• Im ersteren Fall, das heißt, wenn die dielektrische Schicht eine dünne Schicht ist, die von einem Dielektrikum der gleichen Art gebildet wird, wie sie für die Gates der zu schützenden Transistoren verwendet wird, sind Zonen mit N+- Dotierung in die halbleitenden Zonen vom Typ N unterhalb der Steuerelektroden implantiert, sodaß der Absolutwert der Schwellspannungen der Transistoren T1 und T2 angehoben wird. Wie weiter unten erläutert werden wird, erfolgt die N+- Dotierung so, daß man beispielsweise Schwellspannungen mit identischen Absolutwerten von etwa 17 V erreicht. Ganz allgemein betrifft die Erfindung auch andere Ausführungsformen, für die die erhaltenen Schwellspannungen andere sind. Um jeden störenden Durchschlag zwischen den Zonen mit P+-Dotierung und N+-Dotierung zu vermeiden, werden die N+- Dotierungen nicht in allen Zonen vom Typ N, sondern vorzugsweise nur im zentralen Bereich der Zonen vom. Typ N realisiert.
• Im zweitgenannten Fall, das heißt, wenn das Dielektrikum zur Isolierung eine dicke Oxidschicht ist, braucht man nicht unbedingt eine Zone mit N+-Dotierung in den unter den Steuerelektroden liegenden Zonen zu implantieren. Alleine durch Veränderung der Dicke der Oxidschicht kann dann die Schwellspannung auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
• Erfindungsgemäß sind die Hauptelektrode E1 und die Steuerelektrode K1 gemeinsam auf das Bezugspotential Su des Substrats 1 gelegt, die Hauptelektrode E4 ist an das Bezugspotential des Substrats 1 angeschlossen, und die Hauptelektroden E2 und E3 sowie die Steuerelektrode K2 liegen gemeinsam an einem Anschluß Q.
• Die Schutzschaltung liegt parallel zu den zu schützenden Schaltungen, die somit zwischen dem Anschluß Q und dem Bezugspotential Su des Substrats 1 liegen.
• Die Transistoren T1 und T2 haben Schwellspannungen VT1 beziehungsweise VT1 mit negativen Amplituden. Wie oben erwähnt sind die Spannungswerte VT1 und VT2 entweder mithilfe der N+-Dotierung der Zone vom Typ N unter den dielektrischen Isolierschichten C1 und C2 oder durch die Veränderung der Dicke der Schichten C1 und C2 eingestellt. Beispielsweise erfolgt die N+-Dotierung so, daß sich Schwellspannungen von vorzugsweise identischen Werten ergeben, beispielsweise von etwa 17 V absolut.
• Wenn eine Entladung einer positiven Amplitude V bezüglich des Bezugspotentials des Substrats 1 an den Anschluß Q gelangt, verhalten sich die Elektroden E1 und E2 wie der Drain beziehungsweise die Source des Transistors T1, und die Elektroden E3 beziehungsweise E4 verhalten sich wie die Source beziehungsweise der Drain des Transistors T2. Daraus folgt, daß der Transistor T2 gesperrt und der Transistor T1 leitend wird, wenn die elektrostatische Entladespannung einen Wert von mindestens VT1 annimmt.
• Entsprechend gilt, wenn eine Entladung einer negativen Amplitude V bezüglich des Bezugspotentials des Substrats 1 an den Anschluß Q gelangt, daß sich die Elektroden E1 und E2 wie die Source beziehungsweise der Drain des Transistors T1 verhalten und daß die Elektroden E3 beziehungsweise E4 sich wie der Drain beziehungsweise die Source des Transistors T2 verhalten. Daraus folgt, daß der Transistor T1 gesperrt und der Transistor T2 leitend wird, wenn die elektrostatische Entladespannung einen Wert von mindestens VT2 annimmt.
• Fig. 2 zeigt im Schnitt eine Schutzschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
• Gemäß dieser Ausführungsform gibt es eine Zone mit P+-Dotierung, die die Hauptelektrode E2 des Transistors T1 definiert, und eine weitere Zone mit P+-Dotierung, die die Hauptelektrode E3 des Transistors T2 definiert. Die Transistoren T1 und T2 werden dann in zwei unterschiedlichen Senken 4 und 5 in Fig. 2 ausgebildet. Erfindungsgemäß sind diese Senken an keiner äußerer Vorspannung verbunden und befinden sich somit auf einem nicht definierten Potential. Die Elektroden E2 und E3 sind jedoch stets miteinander verbunden und liegen am gleichen Anschluß Q. Die Trennung der beiden Zonen mit P+-Dotierung erfolgt also durch eine Isolationszone I aus einer dicken Oxidschicht. Eine Zone 3 in Fig. 2 mit P+-Dotierung ist in das Substrat vom Typ P unter der Zone I aus einer dicken Oxidschicht implantiert. Diese Zone verbessert die Isolation der Senken 4 und 5, in denen der Transistor T1 beziehungsweise der Transistor T2 ausgebildet ist, und vermeidet insbesondere die Bildung eines parasitären Kanals zwischen den Senken 4 und 5.
• Wie Fig. 2 zeigt, sind die Senken mit P+-Dotierung ganz allgemein unter allen Isolationszonen mit einer dicken Oxidschicht der Schaltung implantiert. Diese Zonen wurden aus Gründen der Vereinfachung in Fig. 1 nicht dargestellt.
• Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sich der Schutz der Schaltung durch das Leitendwerden von MOS-Transistoren und nicht durch ein Avalanche-Phänomen von Dioden ergibt. Die Wirksamkeit des Schutzes ist somit ebenso wesentlich verbessert wie die Zuverlässigkeit des Bauteils.
• Ein anderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Schaltungen nicht nur in Gegenwart von positiven und/- oder negativen Vorspannungen der zu schützenden Schaltungen, sondern auch in Abwesenheit von jeglicher äußerer Vorspannung geschützt werden.
• Gemäß den beiden oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind die beiden Schutztransistoren T1 und T2 in MOS-Technik Transistoren mit eingelassenem Kanal des Typs P, die in einer Senke des Typs N auf einem Substrat vom Typ P ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft jedoch auch Schutztransistoren vom MOS-Typ mit einem eingelassenen Kanal des Typs N, die in einer Senke vom Typ P innerhalb eines Substrats vom Typ N ausgebildet sind.

Claims (11)

1. Schutzschaltung gegen elektrostatische Entladungen, die an den Klemmen einer Schaltung auftreten können, mit einem ersten und einem zweiten MOS-Transistor (T1, T2), die je zwei Hauptelektroden und eine Steuerelektrode besitzen, wobei der erste Transistor (T1) eine erste Hauptelektrode (E1), die an die eigene Steuerelektrode (K1) und an eine erste Klemme der zu schützenden Schaltung angeschlossen ist, und eine zweite Hauptelektrode (E2) besitzt, die an eine zweite Klemme der zu schützenden Schaltung angeschlossen ist, und der erste Transistor den Wert der Entladespannung auf einen Wert von mindestens gleich dem Wert seiner Schwellspannung (VT1) begrenzen kann, während der zweite Transistor (T2) eine erste Hauptelektrode (E3), die an die eigene Steuerelektrode (K2) und an die zweite Klemme der zu schützenden Schaltung angeschlossen ist, und eine zweite Hauptelektrode (E4) besitzt, die an die erste Klemme der zu schützenden Schaltung angeschlossen ist, und der zweite Transistor den Wert der Entladespannung auf einen Wert gleich dem Wert seiner Schwellspannung (VT2) begrenzen kann,

- wobei der erste Transistor in einer Senke mit undefiniertem Potential bezüglich eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist, auf dem die Schaltung ausgebildet ist,

- und wobei der zweite Transistor in einer Senke mit undefiniertem Potential bezüglich des Substrats ausgebildet ist.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor (T1, T2) in einer gemeinsamen, in einem Substrat (1) ausgebildeten Senke (2)ausgebildet sind.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Klemme elektrisch mit dem Substrat (1) verbunden ist.

4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Hauptelektrode (E2) des ersten Transistors (T1) mit der ersten Hauptelektrode (E3) des zweiten Transistors (T2) zusammenfällt.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (T1) in einer ersten Senke (4) und der zweite Transistor (T2) in einer zweiten Senke (5) ausgebildet ist, wobei die beiden Senken in einem gemeinsamen Substrat (1) ausgebildet sind und durch eine Isolationszone (I) aus einer dicken Oxidschicht voneinander getrennt sind.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Klemme elektrisch mit dem gemeinsamen Substrat (1) verbunden ist.

7. Schutzschaltung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (C1, C2) der Steuerelektroden (K1, K2) in den beiden Transistoren je mit einem Dielektrikum gleicher Art wie für die Bildung der Gates der zu schützenden Schaltungen realisiert sind.

8. Schutzschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zentralen halbleitenden Schichten, die sich unter den dielektrischen Schichten (C1, C2) befinden, so überdotiert sind, daß der Absolutwert der Schwellspannung der beiden Transistoren angehoben wird.

9. Schutzschaltung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (C1, C2) der Steuerelektroden (K1, K2) des ersten und des zweiten Transistors von einer dicken Oxidschicht gebildet werden.

10. Schutzschaltung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor MOS-Transistoren vom Typ P sind.

11. Schutzschaltung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor MOS-Transistoren vom Typ N sind.