DE69609558T2

DE69609558T2 - Empfindliches Schutzbauelement für Schnittstellenschaltung von Teilnehmerleitungen

Info

Publication number: DE69609558T2
Application number: DE69609558T
Authority: DE
Inventors: Eric Bernier
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1996-05-06
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2016-05-07
Also published as: FR2734114B1; DE69609558D1; US5684322A; EP0742592A1; JPH0927595A; EP0742592B1; JP3968796B2; FR2734114A1

Description

Empfindliches Schutzbauteil für Interface- bzw. Schnittstellen-Schaltung von Teilnehmerleitungen Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Schutz der Interface- bzw. Schnittstellen-Schaltungen von Teilnehmerleitungen (SLIC, 'subscriber line interface circuits'). Es besteht ein Bedürfnis nach spezifischen Schutzmaßnahmen für die Interface-Schaltungen von Teilnehmerleitungen, die mit Telefonleitungen verbunden sind, welche verschiedene Störungen empfangen können, die in bestimmten Fällen besonders hoch sein können, beispielsweise als Folge von Blitzeinschlägen oder von Kontakten zwischen einer Telefonleitung und einer Netzstromleitung.
Allgemein gesehen sind, wie in Fig. 1 dargestellt, die Adern T und R einer Telefonleitung, die gewöhnlich auf negative Spannungen (beispielsweise -50 bzw. -4 V) vorgespannt sind, mit dem Eingang einer Teilnehmer-Interface-Schaltung über ein Leitungsbelegungsrelais 2 verbunden. Die SLIC-Schaltung umfaßt verschiedene integrierte Schaltungen und ist besonders empfindlich für das Auftreten von elektrischen Überspannungen. Daher hat man im Stande der Technik sehr zahlreiche Arten des Schutzes von SLIC-Schaltungen entwickelt.
Allgemein finden, gesondert für sich oder in Kombination, Schutzvorrichtungen Anwendung, wie sie beispielsweise in den Blöcken I, II und III von Fig. 1 veranschaulicht sind.
Die Schutzvorrichtung I ist stromaufwärts des Leitungsbelegungs- bzw. Pick-up-Relais 2 angeordnet. Diese Vorrichtung interveniert, wenn die Leitungsbelegungsrelais im Läutemodus sind, und muß verhältnismäßig intensive Läutesignale durchlassen. Aus diesem Grund findet man im allgemeinen in dieser Vorrichtung feste Schutzvorrichtungen vom bidirektionalen Typ, die auf Werte in der Größenordnung von 250 V eingestellt sind und Überlasten von mehr als 30 A für eine Standardüberlastwelle von 10/1000 usec aushalten.
Die Schutzvorrichtung II ist zwischen den Leitungsbelegungs- bzw. Pick-up-Relais und der SLIC-Schaltung vorgesehen und soll erst intervenieren, sobald die Leitung belegt ist, d. h. wenn sich die Relais im Sprechmodus befinden. Der Schutzpegel ist im allgemeinen zwischen 50 und 80 V eingestellt. Diese Komponente muß ferner auch starke Überlasten, wie sie beispielsweise bei einem Blitzeinschlag oder bei einem Kontakt mit einer elektrischen Netzleitung auftreten, aushalten.
In den Blöcken I und II sind herkömmliche Beispiele verwendeter Schutzvorrichtungen dargestellt. Man erkennt, daß diese Vorrichtungen zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich sind und daß Umgruppierungen dieser Vorrichtungen der Blöcke I und II vorgeschlagen wurden. Jedenfalls können diese Vorrichtungen I und II aufgrund der Tatsache, daß sie in der Lage sein müssen, sehr starke Überlasten zu absorbieren, derzeit und zu vernünftigen Kosten nicht die Eigenschaften hinsichtlich Ansprechgeschwindigkeit erreichen, wie sie für die SLIC-Schaltungen mit derzeitigen integrierten Schaltungen angestrebt werden.
Als Konsequenz sieht man allgemein ein drittes Niveau von weitgehendem Schutz vor, die Vorrichtung III nach Fig. 1, die unmittelbar benachbart den Eingängen der SLIC-Schaltung angeordnet ist und die äußerst schnell sein muß. Dies wird deswegen ermöglicht, weil von dieser Vorrichtung nicht die Absorption hoher Überlasten verlangt wird, sondern nur die Absorption des anfänglichen Teils des raschen Anstiegs einer Überlast. Tatsächlich läßt beim Wirksamwerden einer Vorrichtung III der in Reihe in der Leitung vor der Vorrichtung III angeordnete Widerstand die Leitungsspannung ansteigen, und eine der Vorrichtungen I und II löst aus. Allgemein gesprochen nimmt man an, daß die Vorrichtung III nur Intensitäten in der Größenordnung von einigen Zehn Ampere während einer Zeitdauer von weniger als 20 usec zu absorbieren braucht.
Eine Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung für hochgetriebenen Schutz ist in dem Block III von Fig. 1 veranschaulicht. Die Vorrichtung umfaßt einfach zwei Dioden, deren Anoden mit den Leitern der Leitung verbunden sind und deren Kathoden miteinander mit Masse verbunden sind, sowie zwei Dioden, deren Kathoden mit den Leitern der Leitung verbunden sind und deren gemeinsame Anode mit der von der SLIC-Schaltung her verfügbaren Batteriespannung verbunden ist. Jede dieser Dioden ist für Funktion in Durchlaßrichtung bestimmt, und man sucht sehr schnelle Dioden mit geringer Überspannung beim Leitungseinsatz (niedrige peak-on-Überspannungen) herzustellen. Wenn eine positive Überspannung auf einer der Leitungen T und R (die, wie erinnerlich, normalerweise negativ vorgespannt sind) auftritt, wird sie durch die mit Masse verbundenen Dioden eliminiert. Tritt auf einer der Leitungen eine Überspannung auf, die negativer als die Batteriespannung ist, so wird sie in Richtung auf die Batteriespannung VBAT entladen (gewöhnlich eine negative Spannung in der Größenordnung von -48 V).
Man kennt derzeit keine der in Block III von Fig. 1 dar gestellten Nahschutzvorrichtung äquivalente Vorrichtung, die in Form eines monolithischen Bauteils auf einem einzigen Halbleitersubstrat ausgeführt wäre. Tatsächlich erkennt man, daß in dieser Schaltung zwei mit ihren Anoden miteinander verbundene Dioden und zwei mit ihren Kathoden miteinander verbundene Dioden vorliegen, was unvermeidlich dazu führen würde, eine monolithische Schaltung in Form einer Kombination von vertikalen und lateralen Dioden auszuführen, was schädlich für die Schnelligkeit der Vorrichtung wäre.
Die vorliegende Erfindung zielt auf die Schaffung eines derartigen Bauelements in Form einer monolithischen Schaltung, ohne ihre Eigenschaften hinsichtlich Schnelligkeit und geringer Überspannung beim Leitungseinsatz zu beeinträchtigen.
Zur Erreichung dieses Ziels hat die Anmelderin mit einer Analyse verschiedener Vorrichtungen begonnen, welche die von der Nahschutzvorrichtung III von Fig. 1 erfüllte Funktion ausüben können.
Unter diesen Vorrichtungen hat sie die Vorrichtung ausgewählt, die nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wird, und hat sodann eine Integration dieser Vorrichtung realisiert.
Näherhin sieht die vorliegende Erfindung vor ein monolithisches Halbleiter-Schutzbauteil hoher Geschwindigkeit, mit zwei NPN-Transistoren und zwei Dioden, wobei die Kathoden der Dioden und die Kollektoren der Transistoren mit einem gemeinsamen Anschluß verbunden sind, die Anode einer Diode und der Emitter eines Transistors mit einem ersten Anschluß und die Anode der anderen Diode und der Emitter des anderen Transistors mit einem zweiten Anschluß verbunden sind und die Basis-Anschlüsse der Transistoren mit einer Bezugsspan nung verbunden sind. Dieses Bauteil umfaßt ein schwach dotiertes N-Halbleitersubstrat, dessen Rück- bzw. Unterseite eine mit einer ersten Metallisierung überzogene stark dotierte Schicht aufweist, an der Oberseite des Substrats stark dotierte erste und zweite P-Bereiche, einen schwach dotierten P-Graben, in welchem dritte und vierte N-Bereiche und ein fünfter P-Bereich ausgebildet sind, eine den ersten und den dritten Bereich verbindende zweite Metallisierung, eine den zweiten und den vierten Bereich verbindende dritte Metallisierung, sowie eine mit dem fünften Bereich einstückige vierte Metallisierung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der genannte Graben von einem N-Ring umschlossen ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß das Bauteil an seinem Umfang von einem N- Ring umschlossen ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß das Bauteil einen P-Ring am Innenumfang des genannten Grabens aufweist. Dieser Ring kann mit dem fünften Bereich zusammenhängend ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß das genannte Substrat eine durch Epitaxie auf einem stark dotierten N-Plättchen gebildete schwach dotierte N-Schicht aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der genannte Graben an der Oberfläche eine Dotierungskonzentration im Bereich von 1. 10¹&sup5; cm&supmin;³ bis 5. 1015 cm&supmin;³ aufweist und die Tiefe des PN-Übergangs einen Wert in der Größenordnung von 30 bis 40 pn besitzt.
Diese und weitere Ziele, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden, nicht einschränkenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungsfiguren im einzelnen auseinandergesetzt; in der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Gesamtschutzschema einer Interface- bzw. Schnittstellen-Schaltung für eine Teilnehmerleitung (SLIC),
Fig. 2 in Form einer Schaltung einen speziellen Typ einer Nahschutzvorrichtung für ein SLIC,
Figg. 3 und 4 Schnittansichten von Ausführungsbeispielen eines monolithischen Halbleiter-Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung, welches die Funktion des Nahschutzes eines SLIC erfüllt, sowie
Fig. 5 ein Beispiel einer Draufsicht auf eine Doppelstruktur, welche zwei Bauteile des Typs gemäß den Figg. 3 und 4 vereint.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung als Nahschutzvorrichtung für eine SLIC-Schaltung eine Vorrichtung mit zwei Dioden D1, D2 und zwei Transistoren T1, T2 vorgeschlagen. Die Dioden sind mit den Leitungen T und R durch ihre betreffenden Anoden verbunden und sind mittels ihrer Kathoden miteinander und mit Masse verbunden. Die Transistoren vom NPN-Typ sind durch ihre entsprechenden Emitter mit den Leitungen T und R verbunden. Die Kollektoren der Transistoren sind miteinander und mit Masse verbunden. Die Basis-Anschlüsse der Transistoren sind miteinander und mit der Spannung VDT verbunden.
Ein besonderer Vorteil dieses Gebildes besteht darin, daß jeder der Transistoren auslöst, sobald die Spannung an seinem Emitter kleiner als die negative Spannung VBAT wird, wobei jedoch danach der Überlaststrom nicht aus der Spannung VBAT, sondern aus der Masse entnommen wird. Somit wird der Strombedarf an die Spannungsquelle VBAT der Intensität der Überspannung geteilt durch den Verstärkungsfaktor der Transistoren entsprechen. Dies ist in der Praxis von Interesse, da tatsächlich die von der SLIC-Schaltung aus verfügbare Spannung VBAT eine an den Klemmen einer Kapazität auftretende Spannung ist und die derzeitigen Normen eine Minimierung der Stromentnahmen fordern.
Nachdem somit gemäß der vorliegenden Erfindung die in Fig. 2 veranschaulichte Schaltung ausgewählt wurde, sieht die Erfindung die Schaffung dieser Schaltung in Form eines monolithischen Bauteils vor, bei gleichzeitiger Bewahrung der folgenden Vorteile:
- schnelle Dioden D1 und D2 mit niedriger peak-on-Überspannung,
- schnelle Transistoren T1 und T2 mit Kommutation beim Schließen,
- Transistoren T1 und T2 mit hohem Verstärkungsfaktor (50 bis 150) zur Begrenzung des aus der Quelle VBAT entnommenen Stroms,
- Transistoren T1 und T2 mit hoher Emitter-Basis-Spannungsfestigkeit (ca. 100 V), um die normale, in Sperrrichtung angelegte Spannung auszuhalten,
- Transistoren T1 und T2 mit niedrigem Widerstand im Leitungszustand, um eine Erwärmung des Bauteils und eine Zerstörung durch eine Überspannung zu vermeiden.
Eine Ausführungsform des Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der schematischen Schnittansicht von Fig. 3 veranschaulicht. Wie auf dem Gebiet der Darstellung von Halbleiter-Bauteilen üblich, sind die Dicken und die Abmessungen der verschiedenen Schichten und Halbleiterbereiche nicht maßstabsgerecht.
Das Bauteil wird auf einem N-Substrat 3 ausgeführt, dessen Unter- bzw. Rückseite eine stark dotierte N-Schicht 4 (N+) aufweist. In der Oberseite des Substrats sind verhältnismäßig stark dotierte erste und zweite P-Bereiche 5 und 6 vorgesehen sowie ein schwach dotierter P-Graben 7 (P&supmin;). In dem Graben 7 sind N&spplus;-Bereiche 8 und 9, ein P&spplus;-Bereich 11 und ein P&spplus;-Umfangsbereich 12 ausgebildet. Ringförmige N&spplus;-Bereiche 14 sind in dem Substrat am Außenumfang des Grabens 7 und am Umfang des Bauteils vorgesehen.
Die Unter- bzw. Rückseite des Substrats ist mit einer Metallisierung 21 versehen. Die Oberseite des Substrats ist mit einer dünnen Oxidschicht 22 überzogen, außer an den Stellen, wo Kontakte mit den Metallisierungen hergestellt werden müssen. Auf der Oberseite hat eine erste Metallisierung 24 Kontakt mit dem Bereich 5 und dem Bereich 8, eine zweite Metallisierung 25 ist in Kontakt mit dem Bereich 6 und dem Bereich 9, und eine dritte Metallisierung 26 ist in Kontakt mit dem Bereich 11.
Die Metallisierungen 21, 24, 25 und 26 sind jeweils zur Verbindung mit Masse, mit dem Leiter T, mit dem Leiter R, sowie mit der negativen Spannung VBAT bestimmt. Tatsächlich befinden sich zwischen den Metallisierungen 24 und 21 eine Diode D1, deren Anode dem Bereich 5 und deren Kathode dem Substrat entspricht, sowie ein NPN-Transistor T1, dessen Emitter dem Bereich 8 entspricht, die Basis dem Graben 7 und der Kollektor dem Substrat 3. In gleicher Weise sind zwischen der Metallisierung 25 und der Metallisierung 21 auf der Rückseite die Diode D2 und der Transistor T2 ausgebildet. Die Metallisierung 26 entspricht der gemeinsamen Basis der Transistoren T1 und T2.
In diesem Bauteil wählt man das Substrat 3 derart, daß sein spezifischer Widerstand so niedrig wie möglich ist, um die Überspannung beim Leitungseinsatz (peak-on) der durch die PN-Übergänge 5-3 und 6-3 gebildeten Dioden D1 und D2 möglichst zu minimieren. Dies ermöglicht die Ausbildung eines schwach dotierten Grabens P 7 durch Diffusion.(oder Implantation/Diffusion) und damit die Ermöglichung eines hohen Verstärkungsfaktors für die NPN-Transistoren.
Die Dotierung des Grabens 7 wird beispielsweise mit einer Oberflächenkonzentration CS von 1 bis 5.1015 Atomen/cm³ gewählt, die Tiefe des PN-Übergangs liegt in der Größenordnung von 30 bis 40 jun. Man erhält dann eine Emitter/Basis-Spannungsfähigkeit (B~E) in der Größenordnung von 80 bis 150 V, bei einer gleichzeitigen hohen Verstärkung (Verstärkungsfaktor von 50 bis 150).
Die P&spplus;-Bereiche 5, 6, 11 und 12 werden gleichzeitig ausgebildet und können beispielsweise eine Oberflächenkonzentration CS von 1 bis 5.10¹&sup8; Atomen/cm³ besitzen, mit einer Tiefe des PN-Übergangs in der Größenordnung von 20 bis 25 jun. Die Oberflächenkonzentration wird hinreichend hoch gewählt, um einen guten Ohmschen Kontakt mit den Metallisierungen zu bekommen. Der Umfangsring 12 vom P&spplus;-Typ soll Leckströme vermeiden, die von der Schaffung eines Oberflächen-Inversionskanals herrühren, für dessen Auftreten ein hohes Risiko besteht, angesichts des sehr niedrigen Dotierungspegels des Grabens 7. Aufgrund des gleichen Umstands verringert sich auch die Gefahr einer eventuellen Auslösung von lateralen parasitären Transistoren oder Thyristoren.
Die N~-Bereiche 8, 9 und 14 sowie die Schicht 4 auf der Rückseite werden gleichzeitig ausgebildet und können beispielsweise eine Oberflächenkonzentration Cs von 5.10²&sup0; bis 3.10²¹ Atomen/cm³ haben, mit einer Tiefe des PN- Übergangs in der Größenordnung von 7 bis 15 jun. Die Tiefen des PN-Übergangs werden im wesentlichen zur Regelung der Verstärkung der Transistoren eingestellt. Die Ringe 14 haben eine Kanal-Stopp-Funktion.
Das Substrat 14 hat beispielsweise einen spezifischen Widerstand von 2 bis 5 Ohm. cm.
Die vorliegende Erfindung gestattet verschiedene Varianten und Modifikationen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Während in Fig. 3 ein Gebilde beschrieben wurde, das ausgehend von einem N-Substrat erhalten wurde, dessen Rückseite eine durch Diffusion gebildete N&spplus;-Schicht aufweist, kann man als Ausgangsmaterial ein N&spplus;-Substrat verwenden, auf welchem eine N-Schicht durch Epitaxie gebildet wird.
Ein derartiges Gebilde ist in Fig. 4 im Schnitt gezeigt; das N&spplus;-Substrat ist mit der Bezugsziffer 31 bezeichnet, die Epitaxie-Schicht mit der Bezugsziffer 33. Dies bietet den Vorteil einer Minimierung der Dicke der Schicht 3 und damit einer Verbesserung der peak-on-Überspannung der Dioden und des Widerstands im leitenden Zustand (Ron) der Transistoren sowie auch der Verstärkung dieser Transistoren. Tatsächlich hat im Fall einer Diffusionsstruktur auf dem N- Substrat entsprechend Fig. 3, für eine Minimum-Dicke (ungefähr 200 jan) des Plättchens, die verbleibende Schicht 3 eine Dicke in der Größenordnung von 150 um, während man mit einer Epitaxie-Schicht für die Dicke der Schicht 33 einen Minimalwert für Festigkeit gegenüber der angelegten Spannung wählen kann, nämlich ca. 75 pin. Diese Verbesserung um einen Faktor 2 hinsichtlich der Dicke äußert sich in einer Verbesserung der peak-on-Überspannung der Dioden und des Widerstands im leitenden Zustand (Ron) der Transistoren.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Draufsicht (ohne die Metallisierungen) auf ein Bauteil, bei welchem zwei Gebilde der in Form der funktionellen Schnittansichten der Figg. 3 und 4 veranschaulichten Strukturen einander zugeordnet sind. Dieses Bauteil kann zum Schutz von zwei auf einem SLIC ankommenden Leitungen dienen. Ein erstes Schutzaggregat entspricht dem rechten Teil der Figur und ein zweites dem linken Teil. Diese beiden Aggregate haben den mit VBAT verbundenen Basis-Bereich 7 gemeinsam. Die Ringe 14 sind zusammenhängend.

Claims

1. Monolithisches Halbleiter-Schutzbauteil hoher Geschwindigkeit, mit zwei NPN-Transistoren (T1, T2) und zwei Dioden (D1, D2), wobei die Kathoden der Dioden und die Kollektoren der Transistoren mit einem gemeinsamen Anschluß verbunden sind, die Anode einer Diode und der Emitter eines Transistors mit einem ersten Anschluß und die Anode der anderen Diode und der Emitter des anderen Transistors mit einem zweiten Anschluß verbunden sind, und die Basisanschlüsse der Transistoren mit einer Bezugsspannung verbunden sind, und wobei das Bauteil umfaßt:

- ein schwach dotiertes N-Halbleitersubstrat (3), dessen Rück- bzw. Unterseite eine mit einer ersten Metallisierung (21) überzogene stark dotierte Schicht (4) aufweist,

- an der Oberseite des Substrats stark dotierte erste und zweite P-Bereiche (5, 6),

- einen schwach dotierten P-Graben (7), in welchem dritte und vierte N-Bereiche (8, 9) und ein fünfter P-Bereich ausgebildet sind,

- eine den ersten und den dritten Bereich verbindende zweite Metallisierung (24),

- eine den zweiten und den vierten Bereich verbindende dritte Metallisierung (25), sowie

- eine mit dem fünf ten Bereich (11) einstückige vierte Metallisierung (26).

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Graben von einem N-Ring (14) umschlossen ist.

3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es an seinem Umfang von einem N-Ring (14) umschlossen ist.

4. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen P-Ring (12) am Innenumfang des genannten Grabens aufweist.

5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Ring (12) mit dem fünften Bereich (11) zusammenhängend ausgebildet ist.

6. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Substrat eine durch Epitaxie auf einem stark dotierten N-Plättchen (31) gebildete schwach dotierte N-Schicht (33) aufweist.

7. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Graben (7) an der Oberfläche eine Dotierungskonzentration im Bereich von 1 . 10¹&sup5; cm&supmin;³ bis 5 . 10¹&sup5; cm aufweist und die Tiefe des PN-Übergangs einen Wert in der Größenordnung von 30 bis 40 Mikrometer besitzt.