DE102006000936A1

DE102006000936A1 - Halbleiterbauelement mit einer Schutzschaltung, Schutzschaltung für Halbleiterbauelemente und Betriebsverfahren für eine Schutzschaltung

Info

Publication number: DE102006000936A1
Application number: DE102006000936A
Authority: DE
Inventors: Marcus Gehle; Uwe Dr. Weder
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2026-01-06
Also published as: US20070171588A1; US8222700B2; DE102006000936B4

Abstract

Eine dotierte Wanne (n-well) wird intermittierend auf ein vorgesehenes elektrisches Potenzial (V¶DD¶) aufgeladen. In den Zwischenzeiten zwischen den Ladevorgängen bleibt die dotierte Wanne auf gleitendem Potenzial. Ein Absinken des an der Wanne anliegenden Potenzials inforlge eines Lichtangriffes wird mittels einer Schutzschaltung (COMP) detektiert, die bei Erreichen eines voreingestellten Grenzwertes ein Alarmsignal auslöst. Ein Latch-up des Halbleiterbauelementes wird durch eine vorgesehene Schutzschaltung (LPC) verhindert. Zusätzlich kann eine das Potenzial an der Wanne stabilisierende Bezugsstromschaltung (RCC) vorgesehen sein. Es kann weiterhin vorgesehen sein, einen Latch-up auch dadurch zu verhindern, dass beim Absinken des Potenzials automatisch ein Ladevorgang erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schutz von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Logikbauelementen, gegen Lichtangriffe.
Bei Halbleiterbauelementen mit einer Logikschaltung, wie sie zum Beispiel als zentrale Prozessoreinheit (CPU) eingesetzt wird, sind Standardzellen mit p-Kanal-Transistoren in einer n-leitend dotierten Wanne angeordnet. Diese n-Wannen werden fest mit dem höchsten vorgesehenen elektrischen Potenzial (Versorgungsspannung V_DD) verbunden. Damit wird erreicht, dass der pn-Übergang zwischen der n-leitend dotierten Wanne und dem Source-Bereich nicht leitend wird. Zusätzlich erhält man definierte Transistoreigenschaften. Außerdem verhindert dies ein Absinken des Wannenpotenzials unter einen Wert, bei dem ein so genannter Latch-up des Bauelements auftritt, der dazu führt, dass das Bauelement nicht mehr funktionsfähig ist.

Ein Problem bei Halbleiterbauelementen ist eine notwendige Absicherung gegen Lichtangriffe, mit denen Funktionsstörungen des Bauelementes bewirkt werden können oder eine unerwünschte Fremdanalyse des Schaltungsaufbaus ermöglicht werden soll. Es gibt bereits eine Reihe von Vorschlägen, wie ein Halbleiterbauelement gegen Lichtangriffe geschützt werden kann. Die erforderlichen Maßnahmen sind jedoch in der Regel sehr aufwendig und verteuern daher das Bauelement erheblich. Außerdem übersteigt der zusätzliche Flächenbedarf der Komponenten einer Schutzschaltung leicht die für die gesamte integrierte Schaltung verfügbare Fläche. Die bekannten Maßnahmen betreffen ausnahmslos globale, das heißt, nicht auf eingegrenzte Bereiche beschränkte, Lichtangriffe. Gegen lokale Lichtangriffe sind keine effizienten Maßnahmen bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach realisierbare Möglichkeit anzugeben, mit der Halbleiterchips, insbesondere Logikbauelemente, wirkungsvoll gegen Lichtangriffe geschützt werden können.

Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1, mit der Schutzschaltung für ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 4 beziehungsweise mit dem Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 15 gelöst. Jeweilige Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird eine dotierte Wanne des Halbleiterbauelementes in regelmäßigen kurzen Abständen auf ein vorgesehenes elektrisches Potenzial aufgeladen. Zwischen den Ladevorgängen bleibt die Wanne auf gleitendem Potenzial und wird im Falle eines Lichtangriffes, unabhängig von dem Auftreffpunkt des Lichtes, entladen. Eine Detektorschaltung ist dafür vorgesehen, ein Absinken des Potenzials der Wanne zu detektieren und bei Erreichen eines vorgesehenen Grenzwertes ein Alarmsignal auszulösen. Für das Aufladen der Wanne mittels einer Ladeschaltung ist ein periodisches Signal, vorzugsweise ein Pulssignal, vorgesehen, mit dem ein Schalter abwechselnd geöffnet und geschlossen wird, der die Wanne in kurzen Zeitintervallen mit dem vorgesehenen elektrischen Potenzial verbindet. Der Ladevorgang dauert typisch wenige Nanosekunden, woran sich jeweils ein Zustand gleitenden Potenzials anschließt, der einige Mikrosekunden oder Millisekunden dauert.

Zwischen den Ladevorgängen bewirkt eine Lichteinstrahlung, dass das Potenzial der Wanne absinkt. Dieses Absinken kann durch die Schutzschaltung detektiert werden, sodass ein Alarmsignal ausgelöst werden kann und vorzugsweise mit einer besonderen Schutzschaltung ein Latch-up des Halbleiterbauelementes verhindert werden kann. Die Latch-up-Schutzschaltung verhindert ein weiteres Absinken des Wannenpotenzials. Zusätzlich kann vorgesehen sein, die Wanne sofort wieder aufzuladen, um die Wanne möglichst schnell wieder auf das vorgesehene Potenzial zu bringen. Potenzialschwankungen an der Wanne, die dadurch hervorgerufen werden, dass die Wanne nicht ständig an einen Anschluss einer Versorgungsspannung angeschlossen ist, können durch Einsatz einer Bezugsstromquelle, die an die Wanne angeschlossen ist, verhindert werden.

Es wird mit dieser Schutzvorrichtung ein flächendeckender Schutz gegen Lichtangriffe sowohl von der Vorderseite als auch von der Rückseite (Substrat) des Halbleiterbauelementes erreicht. Es sind keine weiteren Maßnahmen innerhalb der zu schützenden Schaltungen erforderlich. Es kann die gesamte in den Chip integrierte Schaltung, insbesondere eine komplette Logikschaltung, geschützt werden. Die Empfindlichkeit kann voreingestellt werden, oder aber auch dem jeweiligen Betriebszustand des Bauelementes angepasst werden. Das geschieht insbesondere dadurch, dass die Zeitdauer, während der die Wanne auf gleitendem Potenzial bleibt, geeignet gewählt wird. Über den Bezugsstrom kann ebenfalls die Empfindlichkeit der Schutzschaltung geeignet eingestellt werden, und die Latch-up-Schutzschaltung kann so eingestellt werden, dass ein Absinken der Spannung an der dotierten Wanne unter einen bestimmten vorgegebenen Wert verhindert wird. Die Schutzschaltung kann daher in einem weiten Umfang an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Halbleiterbauelementes und der Schutzschaltung anhand der beigefügten 1 bis 4.
Die 1 zeigt ein Schaltungsschema der Schutzschaltung.
Die 2 zeigt ein Schaltungsschema für eine alternative Schutzschaltung.
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schutzschaltung gemäß der 2.
Die 4 zeigt einen Querschnitt durch ein mit der Schutzschaltung versehenes Halbleiterbauelement.
In dem Schaltungsschema der 1 ist auf der linken Seite ein Beispiel einer Logikschaltung LC eingezeichnet. Die Logikschaltung stellt nur ein mögliches Ausführungsbeispiel dar und ist nicht wesentlich für die erfindungsgemäße Schutzschaltung. Anhand der Logikschaltung soll gezeigt werden, dass bei dem Schaltungsschema der 1 der mit „n-well" bezeichnete Anschluss der dotierten Wanne nicht wie sonst üblich direkt an die Versorgungsspannung V_DD angeschlossen ist. Der Anschluss der dotierten Wanne ist statt dessen über den Schalter T1, der vorzugsweise ein Transistor ist, mit einem Anschluss der Versorgungsspannung V_DD verbunden. Der Schalter T1 wird intermittierend geschlossen. Dafür ist ein periodisches Signal vorgesehen, das in dem Beispiel der 1 als Rechtecksignal „precharge" symbolisiert ist. Es ist als Steuersignal an den Gateanschluss des Schalters T1 geführt.
Die dotierte Wanne wird periodisch aufgeladen. Das hierzu vorgesehene Potenzial muss nicht V_DD sein; die Wahl des positiven Anschlusses V_DD der Versorgungsspannung ist aber in dem beschriebenen Beispiel einer n-leitend dotierten Wanne besonders bevorzugt. Das Aufladen dauert typisch etwa wenige Nanosekunden. Dazwischen befindet sich jeweils eine Zeitspanne in der Größenordnung von Mikrosekunden oder Millisekunden, in denen das Potenzial der dotierten Wanne gleitet. In diesen Zwischenzeiten wird das an der dotierten Wanne anliegende Potenzial jeweils mit einer Bezugsspannung V_ref verglichen. In dem Schaltungsschema des Beispiels der 1 ist dafür ein Komparator COMP vorgesehen. Falls das an der dotierten Wanne anliegende Potenzial deutlich von dem vorgesehenen Potenzial abweicht, in dem dargestellten Beispiel also deutlich unter das positive Versorgungspotenzial V_DD absinkt, wird in der Schaltung ein Alarmsignal generiert.
Bei einem Logikbauelement ist V_DD typisch 1,5 V. Die Schwelle zur Generierung eines Alarmsignals wird man in diesem Fall vorzugsweise in dem Spannungsbereich von etwa 1,3 V bis 1,2 V vorsehen. Wenn das an der dotierten Wanne anliegende Potenzial auf Werte abgesunken ist, die deutlich unter diesem Spannungsbereich liegen, besteht nämlich die Gefahr, dass ein Latch-up des Bauelementes auftritt. Bei der in der 1 dargestellten Ausgestaltung der Schutzschaltung ist eine Latch-up-Schutzschaltung LPC (latch-up protection circuit) vorgesehen. Diese Schutzschaltung ist prinzipiell so konzipiert, dass sie ein zu starkes Absinken des an der dotierten Wanne anliegenden Potenzials verhindert. Sie ist dazu in geeigneter Weise mit einem Anschluss des betreffenden Poten zials, in diesem Beispiel der Versorgungsspannung V_DD, verbunden.
Die konkrete Ausgestaltung der Latch-up-Schutzschaltung ist im Prinzip beliebig, wenn nur erreicht wird, dass ein zu weites Absinken des Potenzials der dotierten Wanne zuverlässig verhindert wird. Die Latch-up-Schutzschaltung kann insbesondere so konzipiert sein, dass ihre Wirkung durch das generierte Alarmsignal in Kraft gesetzt wird.
In der 2 ist ein Schaltungsschema entsprechend dem Schaltungsschema der 1 dargestellt, das um weitere Komponenten ergänzt ist. Bei dieser Schaltung erfolgt ein Aufladen der dotierten Wanne auf das vorgesehene Potenzial nicht nur im Turnus des periodischen Signales „precharge", sondern auch dann, wenn der Komparator ein Alarmsignal ausgibt. Dieses Alarmsignal ist ja das Anzeichen dafür, dass das Potenzial an der dotierten Wanne zu stark abgesunken ist. Bei der in der 2 dargestellten Schaltung wird außer der Erzeugung des Alarmsignales bewirkt, dass der Schalter T1 geschlossen und somit die Wanne mit dem vorgesehenen Potenzial V_DD verbunden wird. Die periodische Abfolge der Ladezyklen wird somit unterbrochen, damit außer der Reihe ein vorgezogenes Aufladen der dotierten Wanne erfolgen kann. Zusätzlich zu dem durch die Latch-up-Schutzschaltung LPC bewirkten Schutz wird so in jedem Fall das Auftreten eines Latch-up sicher verhindert.
Bei dem Schaltungsschema der 2 ist zusätzlich eine Stabilisierungsschaltung in Form einer Bezugsstromschaltung RCC (reference current circuit) vorgesehen. Mit dieser Schaltung werden mittels einer Bezugsstromquelle Spannungsschwankungen der dotierten Wanne abgefangen und so das Potenzial an der dotierten Wanne stabilisiert. Damit wird erreicht, dass der Schutzmechanismus nur dann in Aktion tritt, wenn das an der dotierten Wanne anliegende Potenzial von einem Soll-Potenzial erheblich abweicht, zum Beispiel infolge eines Lichtangriffes. Auf diese Weise werden kurzfristige Spannungsschwankungen, die auftreten können, während die dotierte Wanne im Zustand gleitenden Potenzials ist, unterbunden und können sich nicht nachteilig bemerkbar machen, insbesondere nicht zu einem unerwünschten Auslösen eines Alarms führen. Diese Stabilisierungsschaltung kann durch die Wahl der Stärke des Bezugsstroms geeignet eingestellt werden.
Es folgen weitere Erläuterungen anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels dieser Schaltungen. In der 3 ist eine Schaltung als Ausführungsbeispiel zu dem Schaltungsschema der 2 dargestellt. Auf der linken Seite ist der Anschluss an die dotierte Wanne, in diesem Beispiel eine n-leitend dotierte Wanne, eingezeichnet. Zwischen die Potenziale V_DD und V_SS ist zur Ausbildung der Bezugsstromschaltung RCC eine variable Stromquelle (variable current source) geschaltet, die über einen aus zwei Transistoren gebildeten Stromspiegel mit dem Anschluss der dotierten Wanne verbunden ist. Diese Schaltung bildet eine hochohmige Verbindung der Versorgungsspannung zur dotierten Wanne, mit der, ohne dass die Wanne ständig auf eine Versorgungsspannung gelegt ist, eine Stabilisierung des an der Wanne anliegenden Potenziales bewirkt ist. Diese Stabilisierung kann über die variable Stromquelle außerdem eingestellt werden. Dieser Schaltungsteil ist bevorzugt vorhanden, kann allerdings auch weggelassen sein.
Weiter rechts in der 3 ist die Latch-up-Schutzschaltung dargestellt, deren wesentlicher Bestandteil der Transistor T2 ist. Der Anschluss an die dotierte Wanne ist über diesen Transistor T2 mit der positiven Versorgungsspannung V_DD verbunden. Die Latch-up-Schutzschaltung kann in dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel mittels eines Signales (enable) ein- und ausgeschaltet werden. Der Gate-Anschluss des Transistors T2 ist bei dieser Ausführungsform über die weiteren Schalter T3 und T4, die vorzugsweise Transistoren sind, mit V_DD beziehungsweise dem Anschluss der dotierten Wanne (n-well) verbunden. Das an die Latch-up-Schutzschaltung angelegte Enable-Signal bewirkt, dass immer einer der weiteren Schalter T3 oder T4 leitet und der andere sperrt. Je nachdem, welcher der weiteren Schalter T3 oder T4 leitend geschaltet ist, liegt an dem Gate-Anschluss des Transistors T2 dauerhaft das hohe Potenzial V_DD oder jeweils das Potenzial der dotierten Wanne (n-well) an.
Wenn der erste weitere Schalter T3 leitet und der zweite weitere Schalter T4 sperrt, so dass an dem Gate-Anschluss des Transistors T2 folglich das Potenzial V_DD anliegt, unterbricht der Transistor T2 die Verbindung zwischen der dotierten Wanne und dem Potenzial V_DD, und die dotierte Wanne kann zwischenzeitlich auf gleitendem Potenzial liegen. Wenn der zweite weitere Schalter T4 leitet und der erste weitere Schalter T3 sperrt, so dass an dem Gate-Anschluss des Transistors T2 folglich das Wannenpotenzial anliegt, wird der Transistor T2 bei einem Absinken des Wannenpotenzials immer mehr leitend, was verhindert, dass das Wannenpotenzial bis in den für einen Latch-up kritischen Spannungsbereich absinkt. Der Transistor T2 wird hierzu geeignet dimensioniert, insbesondere ausreichend groß.
Damit wird das Auftreten eines Latch-up verhindert. Die Latch-up-Schutzschaltung ist in diesem Beispiel nur in einer von vielen Möglichkeiten dargestellt. In jedem Fall wird die Schaltung so konzipiert, dass ein Absinken des Wannenpotenzials unter einen vorgesehenen Grenzwert verhindert wird. Die Latch-up-Schutzschaltung wird vorzugsweise so konzipiert, dass die Schutzschaltung nicht bereits bei geringfügigen, im Betrieb des Bauelementes möglicherweise häufiger vorkommenden Spannungsschwankungen, sondern erst bei einem deutlichen Absinken der Spannung, insbesondere infolge eines Lichtangriffes, in Funktion tritt.
Das intermittierende Aufladen der dotierten Wanne über den ersten Schalter T1 erfolgt aufgrund eines periodischen Signales „precharge", das an dem Anschluss A des Logikgliedes anliegt. An dem zweiten Eingang B liegt das Ausgangssignal des Komparators comp an, mit dem das Schließen des ersten Schalters T1 und ein Aufladen der dotierten Wanne bewirkt wird, wenn das Potenzial an der dotierten Wanne unter den Wert der Bezugsspannung V_ref absinkt. Damit wird zusätzlich zu der Latch-up-Schutzschaltung ein Schutz gegen einen Latch-up bewirkt. Diese Schaltung ermöglicht es, zuverlässig einen Lichtangriff zu detektieren und gleichzeitig einen Latch-up des Bauelementes zu verhindern.
Die 4 zeigt im Querschnitt einen prinzipiellen Aufbau eines Halbleiterbauelementes mit der vorgesehenen Schutzschaltung. In einem Substrat 1 aus Halbleitermaterial, das zum Beispiel mit einer p-leitenden Grunddotierung versehen sein kann, ist eine dotierte Wanne 2, insbesondere eine n-Wanne, ausgebildet. In der dotierten Wanne 2 sind die Transistorstrukturen 3 der Logikschaltung, hier p-Kanal-Transistoren, angeordnet. Die Schutzschaltung 4 ist in dem Halbleiterchip integriert und in der beschriebenen Weise an die dotierte Wanne 2 angeschlossen. Das ist in dem Querschnitt der 4 nur schematisch angedeutet. Die Schutzschaltung kann in der von IC-Chips an sich bekannten Weise in dem Halbleiterbauelement zusammen mit den übrigen Schaltungsteilen und Komponenten integriert sein.

1: Substrat
2: dotierte Wanne
3: Transistorstruktur
4: Schutzschaltung
COMP: Komparator
LC: Logikschaltung
LPC: Latch-up-Schutzschaltung
RCC: Bezugsstromschaltung
T1: erster Schalter
T2: Transistor
T3: erster weiterer Schalter
T4: zweiter weiterer Schalter
V_ref: Bezugsspannung

Claims

Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat (1), einer in dem Halbleitersubstrat (1) ausgebildeten dotierten Wanne (2), in der dotierten Wanne (2) angeordneten Transistorstrukturen (3) und einer mit der dotierten Wanne (2) verbundenen integrierten Schaltung (4), die dafür vorgesehen ist, die dotierte Wanne (2) intermittierend auf ein vorgesehenes elektrisches Potenzial aufzuladen, eine Abweichung des an der dotierten Wanne anliegenden Potenzials von dem vorgesehenen Potenzial festzustellen und bei einer bestimmten Abweichung ein Alarmsignal auszulösen.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die dotierte Wanne (2) eine n-Wanne ist und das vorgesehene elektrische Potenzial eine positive Versorgungsspannung (V_DD) ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die mit der dotierten Wanne (2) verbundene integrierte Schaltung (4) einen Schalter (T1) zwischen der Wanne (2) und einem Anschluss des vorgesehenen elektrischen Potenzials umfasst und die Schaltung dafür eingerichtet ist, den Schalter (T1) entsprechend einem periodischen Signal zu öffnen und zu schließen.
Schutzschaltung für ein Halbleiterbauelement, bei der ein Anschluss an eine dotierte Wanne (2) in einem Halbleitersubstrat (1) vorgesehen ist, eine Ladeschaltung vorhanden ist, die den Anschluss an die dotierte Wanne (2) intermittierend mit einem vorgesehenen elektrischen Potenzial verbindet, eine Detektorschaltung vorgesehen ist, die eine Abweichung des an dem Anschluss an die dotierte Wanne anliegenden Potenzials von dem vorgesehenen Potenzial feststellt und bei einer bestimmten Abweichung ein Alarmsignal auslöst.
Schutzschaltung nach Anspruch 4, bei der ein Schalter (T1) vorhanden ist, der zwischen den Anschluss an die dotierte Wanne und einen Anschluss des vorgesehenen elektrischen Potenzials geschaltet ist.
Schutzschaltung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der Anschluss an eine n-dotierte Wanne vorgesehen ist.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der das vorgesehene elektrische Potenzial eine Versorgungsspannung (V_DD) der Schaltung ist.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Ladeschaltung ein Pulssignal erzeugt und der Anschluss an die dotierte Wanne jeweils während der Dauer eines Pulses des Pulssignals mit dem vorgesehenen elektrischen Potenzial verbunden wird.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, die zum Schutz eines Logikbauelementes gegen Lichtangriffe vorgesehen ist.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der die Detektorschaltung einen Komparator und eine Bezugsspannung umfasst.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, die eine Latch-up-Schutzschaltung (LPC) umfasst, die dafür vorgesehen ist, einen Zustand eines Latch-up eines Halbleiterbauelementes zu verhindern.
Schutzschaltung nach Anspruch 11, bei der die Latch-up-Schutzschaltung (LPC) einen Transistor (T2) mit einem Gate-Anschluss umfasst, der Transistor (T2) zwischen den Anschluss an die dotierte Wanne (2) und das vorgesehene elektrische Potenzial geschaltet ist, der Gate-Anschluss des Transistors (T2) über einen ersten weiteren Schalter (T3) mit dem vorgesehenen elektrischen Potenzial und über einen zweiten weiteren Schalter (T4) mit dem Anschluss der dotierten Wanne (2) verbunden ist und der erste und der zweite weitere Schalter (T3, T4) mit einem Signal so adressiert werden, dass immer einer der weiteren Schalter (T3, T4) leitet und der andere sperrt.
Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, bei der eine Bezugsstromschaltung vorgesehen ist, die an den Anschluss an die dotierte Wanne angeschlossen ist und das an dem Anschluss an die dotierte Wanne anliegende Potenzial stabilisiert.
Schutzschaltung nach Anspruch 13, bei der die Bezugsstromschaltung einen Stromspiegel umfasst.
Betriebsverfahren für eine Schutzschaltung gegen Lichtangriffe, bei dem eine dotierte Wanne (2) eines Halbleiterbauelementes in regelmäßigen Abständen auf ein vorgesehenes elektrisches Potenzial aufgeladen wird, die dotierte Wanne zwischen den Ladevorgängen auf gleitendem Potenzial bleibt und eine Abweichung des an der dotierten Wanne anliegenden Potenzials von dem vorgesehenen Potenzial festgestellt und bei einer bestimmten Abweichung ein Alarmsignal ausgelöst wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 15, bei dem als dotierte Wanne (2) eine n-Wanne gewählt wird und als das vorgesehene elektrische Potenzial eine positive Versorgungsspannung (V_DD) gewählt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem ein Pulssignal erzeugt wird und die dotierte Wanne (2) jeweils während der Dauer eines Pulses des Pulssignals mit dem vorgesehenen elektrischen Potenzial verbunden wird.