DE102015104409B4

DE102015104409B4 - Halbleiter-Anordnung mit ESD-Schutzschaltung

Info

Publication number: DE102015104409B4
Application number: DE102015104409.9A
Authority: DE
Inventors: c/o Micronas GmbH Schmidt Lothar
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: US20160284686A1; US9653451B2; DE102015104409A1

Abstract

Halbleiter-Anordnung (10) umfassend:einen ersten Halbleiterchip (20a) mit einer ersten integrierten Schaltung (25a) und einer ersten Teilschaltung (35a); undeinen zweiten Halbleiterchip (20b) mit einer zweiten integrierten Schaltung (25b) und einer zweiten Teilschaltung (35b), wobei die erste Teilschaltung (35a) und die zweite Teilschaltung (35b) jeweils eine Zener-Diode (40) und eine Normal-Diode (45) aufweisen, wobei die erste Teilschaltung (35a) und die zweite Teilschaltung (35b) gemeinsam eine ESD-Schutzschaltung (30) bilden, über welche die erste integrierte Schaltung (25a) mit der zweiten integrierten Schaltung (25b) verbunden ist und der erste Halbleiterchip (20a) ansonsten von dem zweiten Halbleiterchip (20b) isoliert ist, wobei die erste Teilschaltung (35a) zwischen einer ersten Massenleitung (GND1) des ersten Halbleiterchips (20a) und einer zweiten Massenleitung (GND2) des zweiten Halbleiterchips (20b) vorgesehen ist und die zweite Teilschaltung (35b) zwischen der zweiten Massenleitung (GND2) des zweiten Halbleiterchips (20b) und der ersten Massenleitung (GND1) des ersten Halbleiterchips (20a) vorgesehen ist, wobei die Zener-Diode (40) der erste Teilschaltung (35a) direkt mit der zweiten Massenleitung (GND2) des zweiten Halbleiterchips (20b) verbunden ist und die Zener-Diode (40) der zweiten Teilschaltung (35b) direkt mit der ersten Massenleitung (GND1) des ersten Halbleiterchips (20a) verbunden ist und die Normal-Diode (45) der erste Teilschaltung (35a) mit der ersten Massenleitung (GND1) des ersten Halbleiterchips (20a) verbunden ist und die Normal-Diode (45) der zweiten Teilschaltung (35b) mit der zweiten Massenleitung (GND2) des zweiten Halbleiterchips (20b) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine gestapelte Halbleiter-Anordnung mit einer ESD-Schutzschaltung (ESD = Electrostatic Discharge = Elektrostatische Entladung).
Hintergrund der Erfindung
Elektrostatische Entladung ist ein Funken oder Durchschlag, der zum Beispiel durch eine große Potentialdifferenz zwischen zwei Gegenständen entsteht. Die Entladung bewirkt an einer elektronischen Komponente einen sehr kurzen, sehr hohen elektrischen Spannungsimpuls. Dieser Spannungsimpuls kann die elektronische Komponente schädigen, insbesondere bei mikroelektronischen Bauteilen kann der Schaden sehr groß sein, und zur Funktionsunfähigkeit der mikroelektronischen Bauteile führen. Gerade bei integrierten Schaltkreisen auf Halbleiterbasis ist die elektrostatische Entladung eine der häufigsten Ausfallursachen und daher sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um diesem Problem entgegenzuwirken.
Zum Beispiel zeigt die Europäische Patentanmeldung Nr. EP 1 363 329 A2 (Micronas GmbH) eine Schutzstruktur gegen eine elektrostatische Entladung mit einem MOS- Transistor.
Eine andere Lösung für eine ESD-Schutzschaltung ist aus der US Patentanmeldung Nr. US 2013 / 0 070 376 A1 (Semiconductor Manufacturing International (Beijing) Corporation) bekannt geworden. Diese ESD-Schutzschaltung umfasst einen Entladungspfad auf dem Halbleiterchip. Der Entladungspfad umfasst MOS-Transistoren, die in Reihe zwischen der Masseleitung und der Versorgungsleitung geschaltet sind. Eine ESD-Detektionseinheit ist mit dem Gate der Transistoren verbunden und schaltet die Transistoren bei Detektion einer elektrostatischen Entladung ein.
Die US Patentanmeldung Nr. US 2010 / 0 006 943 A1 offenbart auch eine ESD-Schutzschaltung mit einem MOS-Transistor, der beim Auftreten einer elektrostatischen Entladung eingeschaltet wird.
Des Weiteren ist aus der US Patentanmeldung Nr. US 2009 / 0 078 967 A1 eine Halbleiter-Anordnung bekannt, die einen ersten Halbleiterchip und einen zweiten Halbleiterchip umfasst und bei welcher eine ESD-Schutzschaltung zwischen einer ersten integrierten Schaltung, auf dem ersten Halbleiterchip, und einer zweiten integrierten Schaltung, auf dem zweiten Halbleiterchip, verbunden ist.
Aus der US Patentanmeldung Nr. US 2010 / 0 127 359 A1 ist eine ESD-Schutzschaltung bekannt, welche nach Fertigstellung des Halbleiterchips entfernt werden kann. Diese ESD-Schutzschaltung umfasst zwei Dioden, die mit der Masse verbunden sind.
Weitere ESD-Schutzschaltungen sind aus der US Patentanmeldung Nr. US 2009 / 0 078 967 A1 und aus der internationalen Patentanmeldung WO 2012 / 003 087 A1 bekannt.
Die Verwendung einer ESD-Schutzschaltung bei sogenannten Dual-Dies (zwei Halbleiterchips) kann für jeden Halbleiterchip eine separate ESD-Schutzschaltung vorsehen. In einigen Fällen müssen allerdings die zwei Halbleiterchips voneinander isoliert werden und in diesem Fall gibt es bei einer elektrostatischen Entladung keinen vordefinierten Strompfad zwischen dem Anschluss an einem ersten Halbleiterchip und einem weiteren Anschluss an dem zweiten Halbleiterchip. Dadurch kann in der Halbleiter-Anordnung mit den zwei Halbleiterchips eine sehr hohe Spannung entstehen. Somit ist in solch einem Fall mit einem Durchbruch des Dielektrikums und mit Beschädigung des Bauelements in einer integrierten Schaltung auf dem Halbleiterchip zu rechnen. Die Höhe der Spannung ist bei dem Durchbruch nicht vordefiniert und somit ist der Durchbruch nicht vorhersehbar. Es besteht daher ein Bedarf an einer ESD-Schaltung zum Schutz einer Halbleiter-Anordnung mit mehreren Halbleiterchips beim Auftreten einer elektrostatischen Entladung.
Kurzfassung der Erfindung
Eine Halbleiter-Anordnung ist beschrieben. Diese Halbleiter-Anordnung umfasst einen ersten Halbleiterchip mit einer ersten integrierten Schaltung und einer ersten Teilschaltung, und einen zweiten Halbleiterchip mit einer zweiten integrierten Schaltung und einer zweiten Teilschaltung. Der erste Halbleiterchip ist z.B. auf den zweiten Halbleiterchip aufgestapelt (d.h. stacked in Englisch). Der erste Halbleiterchip und der zweite Halbleiterchip können auch nebeneinander angeordnet sein, z.B. in einem Leadframe („Anschluss-Rahmen“). Die erste Teilschaltung und die zweite Teilschaltung bilden gemeinsam eine ESD-Schutzschaltung, über welche die erste integrierte Schaltung und die zweite integrierte Schaltung geschaltet/verbunden ist und beim Auftreten einer elektrostatischen Entladung schaltet sich die ESD-Schutzschaltung ein. Der erste Halbleiterchip ist somit weitgehend von dem zweiten Halbleiterchip isoliert. Durch den Anschluss der ESD-Schutzschaltung zwischen der ersten integrierten Schaltung und der zweiten integrierten Schaltung entsteht bei der elektrostatischen Entladung ein Strompfad, der Schäden an den Bauelement verhindern kann. Die erste Teilschaltung und die zweite Teilschaltung weisen jeweils eine Zener-Diode und eine Normal-Diode auf. Die erste Teilschaltung ist zwischen einer ersten Massenleitung des ersten Halbleiterchips und einer zweiten Massenleitung des zweiten Halbleiterchips vorgesehen und die zweite Teilschaltung ist zwischen der zweiten Massenleitung des zweiten Halbleiterchips und der ersten Massenleitung des ersten Halbleiterchips vorgesehen. Die Zener-Diode der erste Teilschaltung ist direkt mit der zweiten Massenleitung des zweiten Halbleiterchips verbunden und die Zener-Diode der zweiten Teilschaltung ist direkt mit der ersten Massenleitung des ersten Halbleiterchips verbunden. Die Normal-Diode der erste Teilschaltung ist mit der ersten Massenleitung des ersten Halbleiterchips verbunden und die Normal-Diode der zweiten Teilschaltung ist mit der zweiten Massenleitung des zweiten Halbleiterchips verbunden.
Die ESD-Schutzschaltung kann zwischen der ersten Versorgungsleitung auf dem ersten Halbleiterchip und der zweiten Versorgungsleitung auf dem zweiten Halbleiterchip geschaltet/verbunden sein. Dies ermöglicht eine sehr flexible Anordnung der ESD-Schutzschaltung, da die jeweiligen Anschlüsse auf dem Halbleiterchip, die am nächsten zur ESD-Schutzschaltung vorhanden sind, verwendet werden können.
Die Schutzschaltung muss in einer Polarität ab einer Schwellspannung (im Beispiel 40V) leitend werden, während die Schutzschaltung in der anderen Polarität immer nicht leitend ist.
Im normalen Betrieb leitet die ESD-Schutzschaltung keinen Strom. Beim Auftreten einer sehr hohen Spannung z.B. 40V erreicht die Spannung die Durchbruchspannung der Zener-Diode und Strom wird über einen Ast der ESD-Schutzschaltung geleitet.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1A den Aufbau einer gestapelten Halbleiter-Anordnung;
1B den Aufbau einer Halbleiter-Anordnung in einem Leadframe;
2 eine Schaltung einer ESD-Schutzschaltung, die nicht Teil der Erfindung ist;
3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer ESD-Schutzschaltung;
4 eine ESD-Schutzschaltung die nicht Teil der Erfindung ist;
5 eine ESD-Schutzschaltung die nicht Teil der Erfindung ist;
6 eine ESD-Schutzschaltung die nicht Teil der Erfindung ist;
7 eine ESD-Schutzschaltung die nicht Teil der Erfindung ist; und
8 eine ESD-Schutzschaltung die nicht Teil der Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1A zeigt den Aufbau einer gestapelten Halbleiter-Anordnung 10. Die Halbleiter-Anordnung 10 hat einen ersten Halbleiterchip 20a mit einer ersten integrierten Schaltung 25a und einen zweiten Halbleiterchip 20b mit einer zweiten integrierten Schaltung 25b. Der erste Halbleiterchip 20a ist auf den zweiten Halbleiterchip 20b aufgestapelt. Die erste integrierte Schaltung 25a und die zweite integrierte Schaltung 25b sind hier nur skizziert. In der Praxis werden die erste integrierte Schaltung 25a und die zweite integrierte Schaltung 25b wesentlich mehr Platz in dem Halbleiterchip 20a, 20b belegen.
Eine Electrostatic Discharge (ESD) - Schutzschaltung 30 besteht in diesem Aspekt aus einer ersten Teilschaltung 35a, welche in den ersten Halbleiterchip 20a integriert ist, und aus einer zweiten Teilschaltung 35b, welche in den zweiten Halbleiterchip 20b integriert ist. Die erste Teilschaltung 35a und die zweite Teilschaltung 35b sind miteinander verbunden, wie später erläutert wird, und bilden gemeinsam die ESD-Schutzschaltung 30.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (1B) ist der erste Halbleiterchip 20a neben dem zweiten Halbleiterchip 20b z.B. in einem Leadframe (Anschluss-Rahmen) oder auf einem Chip-Träger angeordnet.
Der erste Halbleiterchip 20a, der zweiter Halbleiterchip 20b und die Schutzschaltung sind in einem gemeinsamen Gehäuse 15 untergebracht.
2 zeigt die eine Schaltung der ESD-Schutzschaltung 30, die nicht Teil der Erfindung ist. Die ESD-Schutzschaltung 30 weist eine Zener-Diode 40 und eine (Normal)-Diode 45, die zwischen der Massenleitung GND1 des ersten Halbleiterchips 20a und der zweiten Massenleitung GND2 des zweiten Halbleiterchips 20b in Reihe geschaltet sind, auf. Die Zenerdiode 40 und die Diode 45 sind gegeneinander geschaltet und somit fließt normalerweise keinen Strom zwischen der ersten Massenleitung GND1 und der zweiten Massenleitung GND2. Nur beim Erreichen der Durchbruchspannung leitet die Zenerdiode und Strom fließt zwischen der zweiten Massenleitung V_G2 und der zweiten Massenleitung V_G1 . Aus der Strom-Spannungskennlinie der 2 kann man erkennen, dass die Durchbruchspannung bei ca. 40 V liegt. Die Durchbruchsspannung kann durch Verwendung von anderen Zener-Dioden angepasst werden.
3 zeigt eine Schaltung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der ESD-Schutzschaltung 30. Aus dieser Figur ist zu erkennen, dass die ESD-Schutzschaltung 30 aus einer ersten Teilschaltung 35a und aus der zweiten Teilschaltung 35b besteht. Die erste Teilschaltung 35a ist zwischen der ersten Massenleitung GND1 und der zweiten Massenleitung GND2 vorgesehen und beim Erreichen der Durchbruchspannung leitet diese Strom. Die zweite Teilschaltung 35b ist zwischen der zweiten Massenleitung GND2 und der ersten Massenleitung GND1 vorgesehen und leitet Strom in dieser Richtung bei Erreichen der Durchbruchspannung der Zener-Diode 40a in der Teilschaltung 35a. In anderen Worten sind die erste Teilschaltung 35a und die zweite Teilschaltung 35b weitgehend identisch aber in umgekehrter Richtung geschaltet. Das bedeutet das die Durchbruchspannung bei den jeweiligen Zener-Dioden 40a und 40b in der ersten Teilschaltung 35a und der zweiten Teilschaltung 35b eine ähnliche Durchbruchspannung haben können/sollen. Sollte eine elektrostatische Entladung stattfinden, kann entweder die erste Teilschaltung 35a oder die zweite Teilschaltung 35b den Strom leiten, wenn die Durchbruchspannung der jeweiligen Zener-Diode 40 erreicht wird. Dieser Effekt ist in der Strom-Spannungskennlinie dargestellt.
4 zeigt eine Schaltung, die nicht Teil der Erfindung ist, bei der ein weiterer Halbleiterchip 50 für die ESD Schutzschaltung 30 verwendet ist. Diese Schaltung ist für den Fall nützlich, dass der Platz („Real-Estate) auf dem ersten Halbleiterchip 20a und dem zweiten Halbleiterchip 20b nicht für die ESD-Schutzschaltung 30 mehr ausreicht.
Eine weitere Schaltung, die nicht Teil der Erfindung ist, ist in 5 dargestellt, bei der zwei ESD-Schutzschaltungen 30 zwischen dem ersten Halbleiterchip 20a und dem zweiten Halbleiterchip 20b vorhanden sind. Ein Anschluss 60 (sogenannter exposed die pad) ist zwischen den zwei ESD-Schutzschaltungen 30 vorhanden. Der Anschluss 60 muss auch für beide Polaritäten gegenüber dem ersten Halbleiterchip 20a und dem zweiten Halbleiterchip 20b geschützt werden. Die zugehörige Spannung-Stromkennlinie ist auch dargestellt. Der Spannungsabfall hängt davon ob, ob der Anschluss 60 mit einer Spannung belegt ist oder nicht.
Eine ähnliche Schaltung, die nicht Teil der Erfindung ist, ist in 6 dargestellt, bei der die zwei ESD-Schutzschaltungen 30 jeweils auf dem ersten Halbleiterchip 20a oder dem zweiten Halbleiterchip 20b angebracht sind.
In 7 ist eine ESD-Schaltung 30, die nicht Teil der Erfindung ist, zwischen der Versorgungsleitungen SUP1 und der zweiten Versorgungsleitung SUP2 vorgesehen. 7 zeigt, dass zumindest eine ESD-Schutzschaltung 30 ebenfalls zwischen den Versorgungsleitungen SUP1 und SUP2 eingesteckt werden kann. Eine ähnliche Schaltung, die nicht Teil der Erfindung ist, ist auf 8 dargestellt, bei der die zwei ESD-Schutzschaltungen 30 auf einem oder zwei weiteren Halbleiterchip(s) vorhanden sind.

Claims

Halbleiter-Anordnung (10) umfassend: einen ersten Halbleiterchip (20a) mit einer ersten integrierten Schaltung (25a) und einer ersten Teilschaltung (35a); und einen zweiten Halbleiterchip (20b) mit einer zweiten integrierten Schaltung (25b) und einer zweiten Teilschaltung (35b), wobei die erste Teilschaltung (35a) und die zweite Teilschaltung (35b) jeweils eine Zener-Diode (40) und eine Normal-Diode (45) aufweisen, wobei die erste Teilschaltung (35a) und die zweite Teilschaltung (35b) gemeinsam eine ESD-Schutzschaltung (30) bilden, über welche die erste integrierte Schaltung (25a) mit der zweiten integrierten Schaltung (25b) verbunden ist und der erste Halbleiterchip (20a) ansonsten von dem zweiten Halbleiterchip (20b) isoliert ist, wobei die erste Teilschaltung (35a) zwischen einer ersten Massenleitung (GND1) des ersten Halbleiterchips (20a) und einer zweiten Massenleitung (GND2) des zweiten Halbleiterchips (20b) vorgesehen ist und die zweite Teilschaltung (35b) zwischen der zweiten Massenleitung (GND2) des zweiten Halbleiterchips (20b) und der ersten Massenleitung (GND1) des ersten Halbleiterchips (20a) vorgesehen ist, wobei die Zener-Diode (40) der erste Teilschaltung (35a) direkt mit der zweiten Massenleitung (GND2) des zweiten Halbleiterchips (20b) verbunden ist und die Zener-Diode (40) der zweiten Teilschaltung (35b) direkt mit der ersten Massenleitung (GND1) des ersten Halbleiterchips (20a) verbunden ist und die Normal-Diode (45) der erste Teilschaltung (35a) mit der ersten Massenleitung (GND1) des ersten Halbleiterchips (20a) verbunden ist und die Normal-Diode (45) der zweiten Teilschaltung (35b) mit der zweiten Massenleitung (GND2) des zweiten Halbleiterchips (20b) verbunden ist.
Halbleiter-Anordnung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die ESD-Schutzschaltung (30) zwischen einer ersten Versorgungsleitung (SUP1) auf dem ersten Halbleiterchip (20a) und einer zweiten Versorgungsleitung (SUP2) auf dem zweiten Halbleiterchip (20b) verbunden/geschaltet ist.
Halbleiter-Anordnung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Teilschaltung (35a) im Wesentlichen identisch wie die zweite Teilschaltung (35b) aufgebaut ist.
Halbleiter-Anordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die erste Teilschaltung (35a) und die zweite Teilschaltung (35b) jeweils eine Schwellenspannung mit unterschiedlicher Polarität aufweisen.
Halbleiter-Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Halbleiterchip (20a) auf dem zweiten Halbleiterchip (20b) aufgestapelt ist.
Halbleiter-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei der erste Halbleiterchip (20a) neben dem zweiten Halbleiterchip (20b) angeordnet ist.
Halbleiter-Anordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Halbleiterchip (20a) und der zweite Halbleiterchip (20b) in einem gemeinsamen Gehäuse (15) untergebracht sind.