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Technisches Gebiet
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein elektronische Schaltungen. Insbesondere stellen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung eine Schaltungsstruktur und ein Verfahren zur Steuerung eines elektrostatischen Entladungs (ESD) -Ereignisses in einer Widerstands-Kondensator-Schaltung bereit.
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Hintergrund
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Elektrische Schaltungen, einschließlich integrierter Schaltungen (ICs), können Elemente zum Schutz der Gerätehardware gegen elektrostatische Entladungs- (ESD) Spannungen enthalten, die elektrische Kurzschlüsse, dielektrischen Durchbruch und/oder andere Fehlermodi verursachen können. Im Idealfall haben ESD-Elemente keine Auswirkungen auf den Betrieb des Geräts, bis ein ESD-Ereignis von einem Pin auf einem IC erkannt wird, wo das ESD-Ereignis als Auslösespannung wirkt, die die ESD-Bauteile einschaltet und den Strom durch das ESD-Element in die Strom- oder Masseversorgungsschienen ableitet. ESD-Elemente können ohne Betriebszweck sein, bis eine Auslösespannung an das ESD-Element angelegt wird, um es zu aktivieren. Da die Anforderungen an eine geringe Leckage und eine längere Batterielebensdauer weiter steigen, ist die typische Stromzange, die einen großen FET als Entladungselement verwendet, oft zu undicht. Ein anderes Problem tritt häufig auf, wenn der große FET durch eine Snapback-Vorrichtung" ersetzt wird, um das Problem der Leckage zu lösen. Eine Snapback-Vorrichtung bezieht sich auf eine bestimmte Gattung von Vorrichtungen, bei denen der Stromfluss, sobald er aktiviert ist, auch nach dem Anlegen eines Signals an einen Gate-Anschluss der Snapback-Vorrichtung eingeschaltet bleiben kann (d. h. „Latchup“). Herkömmliche Konfigurationen für ESD-Elemente und/oder andere Strukturen waren nicht in der Lage, stabile Auslösespannungen zu liefern und gleichzeitig einen Latchup zu verhindern, um sicherzustellen, dass das ESD-Element nur während eines ESD-Ereignisses aktiv ist.
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Das Dokument
DE 10 2011 054 700 A1 betrifft ein ESD-Schutzbauelement und -verfahren. Halbleiterbauelement umfasst einen in einem Halbleiterkörper angeordneten ESD-Bauelementbereich; einen auf einem zweiten Bauelementbereich mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp angeordneten ersten Bauelementbereich mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei sich der erste und zweite Leitfähigkeitstyp voneinander unterscheiden, wobei der erste Bauelementbereich mit einem ersten ESD-Knoten gekoppelt ist und wobei der zweite Bauelementbereich in dem ESD-Bereich angeordnet ist; einen auf dem zweiten Bauelementbereich angeordneten dritten Bauelementbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps; einen an dem zweiten Bauelementbereich angrenzenden vierten Bauelementbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der vierte Bauelementbereich in dem ESD-Bereich angeordnet ist; einen in dem vierten Bauelementbereich angeordneten fünften Bauelementbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei der erste Bauelementbereich, der zweite Bauelementbereich, der vierte Bauelementbereich und der fünfte Bauelementbereich einen gesteuerten Halbleitergleichrichter bzw. SCR bilden, wobei der fünfte Bauelementbereich mit einem zweiten ESD-Knoten gekoppelt ist; und einen an den vierten Bauelementbereich angrenzenden sechsten Bauelementbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei eine Grenzfläche zwischen dem vierten Bauelementbereich und dem sechsten Bauelementbereich eine Diodensperrschicht bildet.
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Das Dokument
DE 10 2013 112 339 A1 betrifft eine Vorrichtung und Verfahren für aktive Erkennung, zeitliche Steuerung und Schutz in Bezug auf transiente elektrische Ereignisse offenbart. Eine Schutzschaltung kann in Reaktion auf ein transientes elektrisches Belastungsereignis über einen ersten und einen zweiten Knoten ein erstes Aktivierungssignal erzeugen. Eine Sperrschaltung ist derart ausgebildet, dass sie die Basis eines ersten bipolaren Treibertransistors vorspannt, um die Entladung gespeicherter Basis-Ladung eines ersten bipolaren Treibertransistors zu verlangsamen, wodurch es dem ersten bipolaren Treibertransistor ermöglicht wird, für eine längere Zeitdauer aktiviert zu bleiben, als wenn die Basis des ersten bipolaren Treibertransistors auf die gleiche Spannung wie die des Emitters des ersten Bipolartransistors vorgespannt gewesen wäre.
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Das Dokument
US 5 754 381 A betrifft einen Ausgangs-ESD-Schutz mit hochstromgetriggertem lateralen SCR. Ein Ausgangspuffer in einer CMOS-Schaltung umfasst ein Ausgangspad; eine VDD-Leitung, die eine erste Versorgungsspannung liefert; eine VSS-Leitung, die eine zweite Versorgungsspannung liefert; ein erstes MOS-Bauelement, das zwischen der VDD-Leitung und dem Ausgangspad angeschlossen ist; ein zweites MOS-Bauelement, das zwischen der VSS-Leitung und dem Ausgangspad angeschlossen ist; ein laterales SCR-Bauelement, das vom Ausgangspad mit einer der VDD- und VSS-Leitungen verbunden ist und parallel zu einem der ersten und zweiten MOS-Bauelemente geschaltet ist; und eine Bypass-Diode, die mit der anderen der VDD- und VSS-Leitungen und mit dem lateralen SCR-Bauelement verbunden ist.
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Zusammenfassung
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Aspekte der vorliegenden Erfindung stellen eine Schaltungsstruktur bereit, umfassend: eine Widerstands-Kondensator (RC) -Schaltung mit einem ersten Knoten, einem zweiten Knoten, der von dem ersten Knoten durch ein Widerstandselement und ein kapazitives Element getrennt ist, und einem dritten Knoten zwischen dem Widerstandselement und dem kapazitiven Element; einen Trigger-Transistor mit einem Paar von Source/Drain (S/D) -Anschlüssen, die zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten parallel zu der RC-Schaltung verbunden sind, und einem Gate-Anschluss, der mit dem dritten Knoten der RC-Schaltung gekoppelt ist; einen Spiegeltransistor mit einem Paar von S/D-Anschlüssen, die zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten parallel zu der RC-Schaltung verbunden sind, und einem Gate-Anschluss, der mit dem Gate-Anschluss des Trigger-Transistors gekoppelt ist, wobei ein Strom durch das Paar von S/D-Anschlüssen des Spiegeltransistors geringer ist als ein Strom durch das Paar von S/D-Anschlüssen des Trigger-Transistors; und eine Snapback-Vorrichtung mit einem Gate-Anschluss zum Steuern des Stromflusses in der Snapback-Vorrichtung, wobei die Snapback-Vorrichtung eine P-Wanne mit einem ersten N-dotierten Bereich, der mit dem ersten Knotenpunkt gekoppelt ist, eine N-Wanne neben der P-Wanne und mit einem ersten P-dotierten Bereich umfasst, der mit dem zweiten Knotenpunkt gekoppelt ist, wobei ein Strompfad von dem ersten Knotenpunkt zu dem zweiten Knotenpunkt durch die Snapback-Vorrichtung zu der RC-Schaltung parallel ist, und mindestens einen dotierten Bereich innerhalb der P-Wanne oder N-Wanne, der mit einem ausgewählten des Paars von S/D-Anschlüssen des Spiegeltransistors gekoppelt ist und den Gate-Anschluss der Snapback-Vorrichtung festlegt, wobei der mindestens eine dotierte Bereich einen gleichen Dotierungstyp in Bezug auf die P-Wanne oder die N-Wanne aufweist.
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Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung stellen ein Verfahren zur Steuerung eines elektrostatischen Entladungs (ESD) -Ereignisses in einer Widerstands-Kondensator (RC) - Schaltung bereit, wobei das Verfahren umfasst: ein Übertragen eines elektrostatischen Entladungs (ESD) -Stroms durch einen Trigger-Transistor parallel zu einer Widerstands-Kondensator-Schaltung (RC-Schaltung), wobei die RC-Schaltung einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten, der von dem ersten Knoten durch ein Widerstandselement und ein kapazitives Element getrennt ist, und einen dritten Knoten umfasst, der mit einem Gate des Trigger-Transistors zwischen dem Widerstandselement und dem kapazitiven Element gekoppelt ist; ein Übertragen eines gespiegelten Stroms durch einen Spiegeltransistor parallel zu dem Trigger-Transistor, wobei der Spiegeltransistor ausgebildet ist, um einen Strom zu übertragen, der kleiner ist als der übertragene ESD-Strom; und ein Übertragen des gespiegelten Stroms zu einem Gate-Anschluss einer Snapback-Vorrichtung, die elektrisch zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten parallel zu der RC-Schaltung verbunden ist, um einen Stromfluss von dem ersten Knoten zu dem zweiten Knoten durch die Snapback-Vorrichtung während der Übertragung des gespiegelten Stroms zu dem Gate-Anschluss zu ermöglichen. Die Snapback-Vorrichtung umfasst eine P-Wanne mit einem ersten N-dotierten Bereich, der mit dem ersten Knotenpunkt gekoppelt ist, eine N-Wanne neben der P-Wanne und mit einem ersten P-dotierten Bereich, der mit dem zweiten Knotenpunkt gekoppelt ist, wobei ein Strompfad von dem ersten Knotenpunkt zu dem zweiten Knotenpunkt durch die Snapback-Vorrichtung zu der RC-Schaltung parallel ist, und mindestens einen dotierten Bereich innerhalb der P-Wanne oder N-Wanne, der mit einem ausgewählten des Paars von S/D-Anschlüssen des Spiegeltransistors gekoppelt ist und den Gate-Anschluss der Snapback-Vorrichtung festlegt, wobei der mindestens eine dotierte Bereich einen gleichen Dotierungstyp in Bezug auf die P-Wanne oder die N-Wanne aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Merkmale dieser Erfindung sind aus der detaillierten Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen leichter verständlich, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung darstellen und in denen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Schaltungsstruktur zur Steuerung eines elektrostatischen Entladungs (ESD) -Ereignisses gemäß den Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
- 2 einen anschaulichen Graphen von Strom gegen Gate-Spannung einer Snapback-Vorrichtung im Betriebs gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
- 3 eine Querschnittsansicht einer Snapback-Vorrichtung innerhalb einer Schaltungsstruktur gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
- 4 eine Querschnittsansicht einer Snapback-Vorrichtung innerhalb einer Schaltungsstruktur gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
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Die Zeichnungen der Erfindung sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Die Zeichnungen sollen typische Aspekte der Erfindung darstellen und sind daher nicht als den Umfang der Erfindung beschränkend anzusehen. In den Zeichnungen stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Zeichnungen dar.
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Detaillierte Beschreibung
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In der vorliegenden Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und in denen zur Veranschaulichung bestimmte beispielhafte Ausführungsformen dargestellt sind, in denen die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Diese Ausführungsformen sind hinreichend detailliert beschrieben, um dem Fachmann die Anwendung der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass Änderungen im Rahmen der vorliegenden Lehre möglich sind. Die vorliegende Beschreibung ist daher lediglich anschaulich.
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Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Schaltungsstruktur und ein zugehöriges Verfahren zur Steuerung eines elektrostatischen Entladungs (ESD) -Ereignisses bereit, das in Antwort auf ein ESD-Ereignis zuverlässig auslöst, ohne ein signifikantes Risiko eines Latchups in einer Snapback-Vorrichtung zum Leiten von ESD-Strömen parallel zu einer Widerstands-Kondensator-Schaltung (RC) darzustellen. Die RC-Schaltung kann einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten, der vom ersten Knoten durch ein Widerstandselement und ein kapazitives Element getrennt ist, und einen dritten Knoten zwischen dem Widerstandselement und dem kapazitiven Element umfassen. Ein Trigger-Transistor mit einem Paar von Source/Drain (S/D) -Anschlüssen kann zwischen den ersten und den zweiten Knoten parallel zur RC-Schaltung geschaltet sein und der Gate-Anschluss des Trigger-Transistors ist mit dem dritten Knoten der RC-Schaltung verbunden.
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Wenn ein ESD-Ereignis eintritt, ermöglicht eine resultierende Spannung in der RC-Schaltung einen Stromfluss durch den Trigger-Transistor parallel zur RC-Schaltung. Die Schaltung umfasst einen Spiegeltransistor mit einem Gate-Anschluss, der mit dem Gate-Anschluss des Trigger-Transistors gekoppelt ist, und Source/Drain-Anschlüssen, die parallel zur RC-Schaltung geschaltet sind. Der Spiegeltransistor kann jedoch ausgebildet sein, um einen viel geringeren Strom zu übertragen als der Trigger-Transistor (z. B. indem er viel kleiner ist), und kann daher nur einen Teil des Stroms durch den Trigger-Transistor replizieren. Eine Snapback-Vorrichtung, insbesondere ein elektrisches Element, bei dem der Stromfluss zwischen Anoden- und Kathodenanschlüssen nur bei Anlegen einer Spannung an seinen Gate-Anschluss („TGate“) aktiviert wird, ist mit einem S/D-Anschluss des Spiegeltransistors verbunden. Die Anoden/Kathoden-Anschlüsse der Snapback-Vorrichtung sind parallel mit dem RC-Kreis verbunden. Durch Einstellen des Verhältnisses zwischen dem Strom der Auslösevorrichtung und dem Strom der Spiegelvorrichtung kann die gesamte Strommenge, die zum Auslösen der Klemme erforderlich ist („Itrigger“), moduliert werden. So kann die Schaltung elektrisch mit einem hohen Itrigger-Wert ausgebildet werden, um eine Fehlauslösung der Klemme zu vermeiden.
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1 ist eine schematische Ansicht einer Schaltungsstruktur (im Folgenden einfach „Struktur“) 100 gemäß den Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Die Struktur 100 kann als jede Art von elektronischer Schaltung ausgeführt sein und kann in verschiedenen Ausführungsformen in Form einer integrierten Schaltung (IC) oder als Teil einer solchen Struktur bereitgestellt werden. Die Struktur 100 kann gegenüberliegende Anschlüsse einer Widerstands-Kondensator-Schaltung (RC-Schaltung) 110 umfassen oder anderweitig damit verbunden sein, die in verschiedenen Einstellungen auch als „RC-Filter“ oder „RC-Netzwerk“ bezeichnet wird. Die RC-Schaltung 110 kann viele elektrisch aktive Elemente umfassen, darunter mehrere Widerstände, Kondensatoren, Dioden und/oder andere Bauelemente. Unabhängig von Struktur oder Funktion kann die RC-Schaltung 110 schematisch mit zwei elektrischen Komponenten dargestellt werden: einem Widerstandselement 112 und einem kapazitiven Element 114, die in Reihe zwischen einem Eingangsanschluss („VDD“), der z. B. eine Verbindung zu einer Stromversorgung anzeigt, und einem Ausgangsanschluss („VSS“), der z. B. eine Verbindung zu Masse anzeigt, verbunden sind. Ein erster Knoten A kann den „Hochspannungs“-Anschluss des RC-Schaltkreises 110 anzeigen und ein zweiter Knoten B kann den entgegengesetzten „Niederspannungs-“ oder „Masse“-Anschluss des RC-Schaltkreises 110 anzeigen. Mehrere Merkmale der Struktur 100 können zwischen den Knoten A und B parallel mit der RC-Schaltung 110 verbunden sein, wie hier beschrieben ist. Ein dritter Knoten C kann den Übergang zwischen dem Widerstandselement 112 und dem kapazitiven Element 114 innerhalb der RC-Schaltung 110 bezeichnen. Der dritte Knoten C kann verwendet werden, um den Betrieb der Struktur 100 zu steuern, z. B. um auf elektrische Stromspitzen während eines ESD-Ereignisses zu reagieren, wie hier beschrieben. Die Struktur 100 ist ausgebildet, um auf übermäßige Ladungen und Ströme, die von einem ESD-Ereignis herrühren, zu reagieren, indem sie den Stromfluss in aktive Komponenten (z. B. RC-Schaltung 110) verhindert. Der Eingangsanschluss VDD kann eine Eingangsspannung und/oder ein Signal über eine beliebige Verdrahtung mit der RC-Schaltung 110 verbinden. Die durch ein ESD-Ereignis erzeugte überschüssige Ladung kann über den Eingangsanschluss VDD an die Struktur 100 übertragen werden.
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Die Struktur 100 kann die Form einer Klemme aufweisen, die ausgebildet ist, so dass sie solche überschüssigen Ladungen über den Ausgangsanschluss VSS von der Stromversorgung zu Masse kurzschließt. Es versteht sich, dass die Bezeichnungen VDD und VSS für die Eingänge und Ausgänge der Struktur 100 und des RC-Schaltkreises 110 in weiteren Implementierungen vertauscht sein können. Die Struktur 100 ist so ausgebildet, dass sie nicht unter Nicht-ESD-Bedingungen mit Spannungsschwankungen arbeitet. Insbesondere bleibt die Struktur 100 während der Ein- und Ausschaltvorgänge, bei denen die Spannungen schwanken können, inaktiv, wenn diese Spannungsschwankungen nicht ausreichen, um das/die Transistor-Gate(s) ihrer Komponenten auszulösen. Die Struktur 100 ist daher so ausgelegt, dass sie den Stromfluss nur bei Erkennung eines ESD-Ereignisses selektiv zulässt.
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Eine Menge von ESD-Elementen 120 kann zwischen dem ersten Knoten A und dem zweiten Knoten B parallel zur RC-Schaltung 110 verbunden sein, wobei Teile der ESD-Elemente 120 mit dem dritten Knoten C gekoppelt sind. Die ESD-Elemente 120 können während eines ESD-Ereignisses selektiv aktiviert werden, indem sie auf Spannungen oder Ströme ansprechen, die höher sind als für die RC-Schaltung 110 vorgesehen. Die ESD-Elemente 120 können den Stromfluss von der Eingangsklemme VDD zur Ausgangsklemme VSS verhindern, bis eine Triggerspannung an einen Trigger-Transistor 122 des/der ESD-Elemente 120 angelegt wird oder nicht. In verschiedenen anderen Beispielen können zusätzliche Schaltungen und/oder Strompfade zwischen der RC-Schaltung 110 und den ESD-Elementen 120 angeordnet sein, um die Umstände weiter zu steuern, unter denen die ESD-Elemente 120 elektrisch aktiv werden.
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Die ESD-Elemente 120 der Struktur 100 können mehrere Transistoren umfassen, die jeweils so ausgebildet sind, dass sie reagieren, um den Stromfluss durch die ESD-Elemente 120 während eines ESD-Ereignisses zu steuern. Ein Transistor ist ein elektrisches Bauteil, bei dem ein Stromfluss zwischen Eingangs- und Ausgangsknoten (z. B. Source- und Drain-Anschluss) durch die an einen dritten „Gate“-Anschluss angelegte Spannung gesteuert wird. Der Trigger-Transistor 122 kann an seinem Gate mit dem dritten Knoten C der RC-Schaltung 110 gekoppelt sein, so dass ein Betriebsstrom oder eine Betriebsspannung der RC-Schaltung 110 steuert, ob der Trigger-Transistor 122 ein- oder ausgeschaltet ist. Der Trigger-Transistor 122 kann über einen ersten Inverter 124, der zwischen dem dritten Knoten C und dem Gate des Trigger-Transistors 122 in Reihe geschaltet ist, mit der RC-Schaltung 110 verbunden sein. Der Inverter 124 kann die Spannung am dritten Knoten C in die entgegengesetzte Polarität umwandeln (z. B. von negativ in positiv oder umgekehrt). Der erste Inverter 124 kann auch mit den Knoten A, B parallel zu der RC-Schaltung 110 verbunden sein, um seine invertierende Funktion in der Struktur 100 elektrisch zu versorgen. Der erste Wechselrichter 124 kann im Tandem mit anderen Wechselrichtern der ESD-Elemente 120 arbeiten, um die elektrische Stabilität zu gewährleisten und/oder die Zeit absichtlich zu verzögern, die die Struktur 100 benötigt, um auf ein ESD-Ereignis zu reagieren. In weiteren Ausführungsformen kann der erste Inverter 124 weggelassen und/oder durch mehrere Inverter ersetzt werden. In jedem Fall kann die elektrische Kopplung vom dritten Modus C mit dem Gate des Trigger-Transistors 122 Spannungsspitzen verursachen, die den Trigger-Transistor 122 aktivieren.
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Das Gate des Trigger-Transistors 122 kann mit dem Gate-Anschluss eines Spiegeltransistors 126 gekoppelt sein. Der Spiegeltransistor 126 kann Source- und Drain-Anschlüsse aufweisen, die zwischen den ersten Knoten A und den zweiten Knoten B der Struktur 100 parallel zum Trigger-Transistor 122 gekoppelt sind. Da der Spiegeltransistor 126 an seinem Gate mit dem Gate des Trigger-Transistors 126 gekoppelt ist, kann er als „Stromspiegel“ wirken, bei dem der Source-Drain-Strom im Spiegeltransistor 126 um ein festes Vielfaches proportional zum Source-Drain-Strom im Trigger-Transistor 122 ist. Ein Stromspiegel bezieht sich auf eine beliebige Schaltungsstruktur, die ausgebildet ist, so dass sie den Strom durch eine Vorrichtung (z. B. den Strom durch den Trigger-Transistor 122) in einer anderen Vorrichtung um seinen exakten Betrag oder um einen Faktor zwischen null und eins kopiert. Ein Widerstand 128 kann zwischen den ersten Knoten A und den Source- oder Drain-Anschluss des Spiegeltransistors 126 geschaltet sein, z. B. um die Spannung an der Source oder am Drain des Spiegeltransistors 126 im Vergleich zum Spannungspegel VDD weiter zu verringern. Der Spiegeltransistor 126 kann einen wesentlich geringeren Durchfluss aufweisen, als durch den Trigger-Transistor 122 erlaubt ist, z. B. um den Leckstrom innerhalb aktiver Komponenten (z. B. einer hierin behandelten Snapback-Vorrichtung 130) der Struktur 100 zu reduzieren, die mit dem Spiegeltransistor 126 gekoppelt sind. Der Spiegeltransistor 126 kann eine Source-Drain-Breite aufweisen, die wesentlich kleiner ist als die des Trigger-Transistors 122. In einem solchen Beispiel kann der Spiegeltransistor 126 höchstens ein Zehntel des Stroms im Trigger-Transistor 122 führen. In weiteren Beispielen kann der Trigger-Transistor 122 einen Strom von höchstens etwa zweihundert Milliampere (mA) führen, während der Spiegeltransistor 126 einen Strom von höchstens etwa zwanzig mA führen kann. In einem weiteren Beispiel kann die Source-Drain-Breite des Trigger-Transistors 122 etwa zweihundert Mikrometer (µm) betragen, während die Source-Drain-Breite des Spiegeltransistors 126 etwa zehn µm (d. h. etwa zwanzigmal kleiner) betragen kann.
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Das Source oder Drain des Spiegeltransistors 126 kann mit dem zweiten Knoten B gekoppelt sein, wodurch ein weiterer paralleler Strompfad in Bezug auf die RC-Schaltung 110 und den Trigger-Transistor 122 entsteht. Der andere Source- oder Drain-Anschluss des Spiegeltransistors 126 kann mit einem Gate-Anschluss TGate der Snapback-Vorrichtung 130 gekoppelt sein. Ähnlich wie der Trigger-Transistor 122 kann (können) das (die) ESD-Element(e) 120 mindestens einen zweiten Inverter 132 umfassen, der zwischen dem Gate-Anschluss TGate der Snapback-Vorrichtung 130 und dem Spiegeltransistor 126 angeschlossen ist. Der zweite Inverter 132, der die gleiche Art von Inverter wie der erste Inverter 124 und/oder eine ähnliche Struktur aufweisen kann, kann die Spannungspolarität zwischen dem Gate des Spiegeltransistors 126 und TGate der Snapback-Vorrichtung 130 umkehren, z. B. zur weiteren Stabilität und/oder zum Schutz gegen falsch positive ESD-Spannungen. Die elektrische Kopplung zwischen dem Trigger-Transistor 122 und dem Spiegeltransistor 126 selbst kann als dritter Inverter zwischen dem ersten Inverter 124 und dem zweiten Inverter 132 wirken und dadurch eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität, aber geringerer Größe am Gate-Anschluss TGate der Snapback-Vorrichtung 130 verursachen. Wie an anderer Stelle erwähnt, kann der zweite Inverter 132 mehrere zusätzliche Inverter umfassen und/oder in alternativen Konfigurationen ganz weggelassen werden.
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Die Snapback-Vorrichtung 130 kann zusätzlich einen Kathoden-Anschluss TCat, der mit dem ersten Knoten A gekoppelt ist, und einen Anoden-Anschluss TAn, der mit dem zweiten Knoten B parallel zur RC-Schaltung 110 gekoppelt ist, umfassen. Der Begriff „Snapback-Vorrichtung“ bezieht sich auf ein elektrisches Element mit drei Anschlüssen, das einen elektrischen Pfad vom Kathoden-Anschluss zum Anoden-Anschluss festlegt, wobei ein Gate-Anschluss in elektrischer Verbindung mit den Kathoden- und Anoden-Anschlüssen steht. Das Anlegen eines relativ kleinen Eingangsstroms an den Gate-Anschluss ermöglicht den Stromfluss von der Kathode zur Anode. Ein Thyristor (SCR) ist eine häufig eingesetzte Art von Snapback-Vorrichtung, da ein SCR mehrere dotierte Halbleiterbereiche mit unterschiedlicher Polarität und Konzentration aufweisen kann. Ein SCR eignet sich besonders gut als Snapback-Vorrichtung 130 in der Struktur 100, da er sich leicht in Halbleitermaterialien mit anderen darin ausgebildeten Strukturen/Vorrichtungen integrieren lässt. Weitere Arten von Elementen, die zur Bildung der Snapback-Vorrichtung 130 geeignet sind, können z. B. bidirektionale Thyristoren oder andere thyristorbasierte Schutzvorrichtungen (TSPDs), Gasentladungsröhren (GDTs), bipolare Transistoren mit Lawinenübergängen und/oder andere elektrische Elemente mit ähnlichen Eigenschaften sein.
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Mit kurzem Bezug auf 2 ist ein Graph von Kathoden-Anoden-Stroms (variabel I, gemessen in mA) gegen Versorgungsspannung (variabel VDD, gemessen in Volt (V)) für die Snapback-Vorrichtung 130 gemäß einer beispielhaften Implementierung gezeigt, um das Verhalten der Struktur 100 besser zu veranschaulichen. Während des Nicht-ESD-Betriebs der RC-Schaltung 110 kann eine Nicht-ESD-Spannung („VStable“) an die gegenüberliegende RC-Schaltung 110 angelegt werden, ohne das/die ESD-Element(e) 120 auszulösen. In diesem Zustand kann im Wesentlichen kein Strom den Gate-Anschluss TGate erreichen und somit fließt im Wesentlichen kein Strom von der Kathode zur Anode in der Snapback-Vorrichtung 130 (d. h. die Snapback-Vorrichtung 130 weist einen Strom Ioff auf). Wenn die Versorgungsspannung VDD aufgrund eines ESD-Ereignisses ansteigt, kann die Snapback-Vorrichtung einen Stromfluss von der Kathode zur Anode ermöglichen (z. B. weist die Snapback-Vorrichtung 130 einen von Null verschiedenen Strom Ion auf), da sie den Überlaufstrom vom ersten Knoten A ableitet. Eine Auslösespannung Vtrigger kann die ESD-Spannung angeben, bei der das/die ESD-Element(e) 120 auslöst/auslösen (d. h. der Strom von Kathode zu Anode wird aktiviert), während Itrigger die ESD-Spannung angeben kann, bei der das/die ESD-Element(e) 120 auslöst/auslösen. Wenn der ESD-Strom Vtrigger erreicht oder überschreitet, kehrt die Snapback-Vorrichtung 130 in einen Zustand zurück, in dem der Stromfluss von Kathode zu Anode derzeit aktiviert ist (d. h. Latchup). In diesem Zustand würde die Snapback-Vorrichtung 130 auch im Nicht-ESD-Betrieb permanent einen höheren Strom Ilatchup aufweisen. Ausführungsformen der Erfindung vermeiden oder verhindern dieses Problem durch die Einbeziehung des Spiegeltransistors 126 (1). Damit der Spiegeltransistor 126 genügend Strom liefern kann, um die Snapback-Vorrichtung 130 durch die Vorspannung des Gate-Anschlusses (TGate) auszulösen, kann der Trigger-Transistor 122 mit einem wesentlich größeren Strom versehen werden. Durch Konfiguration der Schaltung 100 für ein bestimmtes Stromspiegelverhältnis kann der Wert des Auslösestroms Itrigger moduliert werden. Wenn beispielsweise die Auslösung der Snapback-Vorrichtung 130 einen Strom von 5 mA von der Spiegelvorrichtung 126 erfordert, kann die Auslösevorrichtung 122 einen Strom von 200 mA liefern, wodurch Itrigger auf über 205 mA ansteigen kann.
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In den 1 und 3 werden weitere beispielhafte Unterkomponenten der Snapback-Vorrichtung 130 erörtert. Hier kann die Snapback-Vorrichtung 130 die Form eines SCR haben. Die Snapback-Vorrichtung 130 kann aus einem Substrat 140 gebildet werden, das z. B. ein oder mehrere Halbleitermaterialien umfasst. Das Substrat 140 kann jedes derzeit bekannte oder später entwickelte Halbleitermaterial umfassen, das ohne Einschränkung Silizium, Germanium, Siliziumkarbid und solche aufweisen kann, die im Wesentlichen aus einem oder mehreren III-V-Verbindungshalbleitern mit einer Zusammensetzung gebildet sind, die durch die Formel AIX1GaX2InX3AsY1PY2NY3SbY4 definiert sind, wobei X1, X2, X3, Y1, Y2, Y3 und Y4 relative Proportionen darstellen, die jeweils größer oder gleich Null sind und X1+X2+X3+Y1+Y2+Y3+Y4=1 (wobei 1 die gesamte relative Molmenge ist). Andere geeignete Substrate sind II-VI-Verbindungshalbleiter mit der Zusammensetzung ZnA1CdA2SeB1TeB2, wobei A1, A2, B1 und B2 relative Anteile sind, die jeweils größer oder gleich Null sind und A1+A2+B1+B2=1 (1 ist eine Gesamtmolmenge). Die Gesamtheit des Substrats 140 oder ein Teil davon kann belastet werden.
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Verschiedene Abschnitte des Substrats 140 können auf der Grundlage der beabsichtigten Polarität und/oder der beabsichtigten Eigenschaften der Snapback-Vorrichtung 130 und/oder anderer darauf gebildeter Vorrichtungsstrukturen dotiert werden, um eine P-Wanne 142 und eine N-Wanne 144 neben der P-Wanne 142 zu bilden. Die P-Wanne befindet sich in einem Beispiel rechts von der N-Wanne 142 und ist ungefähr gleich groß, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Verschiedene aktive Elemente können auf oder in der P-Wanne 142 und/oder N-Wanne 144 ausgebildet werden, um elektrische Pfade durch die Snapback-Vorrichtung 130 zu bilden, den Stromfluss durch die Wanne(n) 142, 144 usw. elektrisch vorzuspannen und/oder zu beeinflussen, ohne die Funktion der aktiven Elemente grundlegend zu verändern und/oder andere Strukturen zu beeinträchtigen, die über oder in dem Substrat 140 ausgebildet sind. In einigen Ausführungsformen (z. B. Halbleiter-auf-Isolator (SOI) -Strukturen) können eine oder mehrere Schichten aus einem dielektrischen oder anderen isolierenden Material vertikal zwischen dem Substrat 140 und einer oder beiden der Vertiefungen 142, 144 angeordnet sein.
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Ein „Dotierstoff“ bezieht sich auf ein Element, das in den Halbleiter eingebracht wird, um entweder eine Leitfähigkeit vom p-Typ (Akzeptoren) oder n-Typ (Donatoren) zu erzeugen. Im Falle eines Siliziumsubstrats können übliche Dotierstoffe z. B. Bor (B) und/oder Indium (In) für die Dotierung vom p-Typ aufweisen. Bei der n-Dotierung können die dotierten Elemente z. B. Phosphor (P), Arsen (As) und/oder Antimon (Sb) umfassen. Bei der Dotierung werden Verunreinigungen (Dotierstoffe) in das Halbleitersubstrat oder in die auf dem Halbleitersubstrat gebildeten Elemente eingebracht. Die Dotierung erfolgt häufig mit einer Maske (z. B. einer Schicht aus Fotolack und/oder einer anderen Komponente zum Blockieren von Dotierstoffen), so dass nur bestimmte Bereiche des Substrats dotiert werden. Im Beispiel der Dotierung durch Implantation kann ein lonenimplantator verwendet werden. In weiteren Beispielen können In-situ-Dotierung oder andere Dotierungstechniken verwendet werden.
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Bei der Dotierung sind in der Regel ein Dotierstoff, eine Dosierung und ein Energieniveau angegeben und/oder es kann ein resultierendes Dotierniveau angegeben werden. Eine Dosierung kann in der Anzahl der Atome pro Quadratzentimeter (cm2) und einem Energieniveau (angegeben in keV, Kiloelektronenvolt) angegeben werden, was zu einem Dotierungsniveau (Konzentration im Substrat) von einer Anzahl von Atomen pro Kubikzentimeter (cm3) führt. Die Anzahl der Atome wird üblicherweise in exponentieller Schreibweise angegeben, wobei eine Zahl wie „3E15“ 3 mal 10 hoch 15 oder eine „3“ gefolgt von 15 Nullen (3.000.000.000.000.000) bedeutet. Ein Beispiel für eine Dotierung ist die Implantation von B (Bor) mit einer Dosis von etwa 1E12 bis 1E13 Atome/cm2 und einer Energie von etwa 40 bis 80 keV, um ein Dotierungsniveau von 1E17 bis 1E18 Atome/cm3 zu erreichen. Dotierte Abschnitte eines Substrats sind in der Fachwelt als eine „Wanne“ bekannt. Eine Wanne bezieht sich im Allgemeinen auf den implantierten/diffundierten Bereich in einem Halbleiterwafer, der für die Implementierung einer CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) -Zelle benötigt wird. Eine „tiefe Wanne“ bezieht sich auf dotiertes Halbleitermaterial, das sich unter aktiven Komponenten und/oder anderen Wannen befindet. Je nach den Eigenschaften eines herzustellenden Bauelements können Teile des Halbleitermaterials auf oder über dem Substrat 140 entweder vom N-Typ oder vom P-Typ dotiert sein, wie hierin beschrieben ist.
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Die Wannen 142, 144 können mit zusätzlichen Materialien in einer höheren Konzentration als die Wanne(n) 142, 144 und mit unterschiedlichen Dotierungstypen dotiert sein, um die Funktionen der Snapback-Vorrichtung 130 während des Betriebs zu erreichen. Beispielsweise kann die P-Wanne 142 einen ersten N-dotierten Bereich 146 aufweisen, der mit dem ersten Knoten A verbunden ist, der derselbe Knoten wie der Kathoden-Anschluss TCat sein und/oder diesen umfassen kann. Der N-dotierte Bereich 146 kann daher den entgegengesetzten Dotierungstyp wie die P-Wanne 142 aufweisen. Die N-Wanne 144 kann in ähnlicher Weise einen ersten P-dotierten Bereich 148 aufweisen, der mit dem zweiten Knoten B verbunden ist, der derselbe Knoten wie der Anoden-Anschluss TAn sein und/oder diesen umfassen kann. Abschnitte von jeder Wanne 142, 144 können den ersten N-dotierten Bereich 146 vom ersten P-dotierten Bereich 148 physisch trennen. Die Anordnung von abwechselnd dotierten Bereichen innerhalb der Snapback-Vorrichtung 130 bietet einen Strompfad L vom Kathoden-Anschluss TCat zum Anoden-Anschluss TAn durch die Snapback-Vorrichtung 130.
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Die Snapback-Vorrichtung 130 kann einen ersten dotierten Bereich 150 und/oder einen zweiten dotierten Bereich 152 entsprechend innerhalb der P-Wanne 142 und der N-Wanne 144 umfassen, um einen Gate-Kontakt zur Steuerung des Stromflusses entlang des Strompfades L bereitzustellen. Jeder dotierte Bereich 150, 152 kann vom gleichen Dotierungstyp wie die entsprechende Wanne 142, 144 sein und kann einen Gate-Anschluss TGate umfassen oder anderweitig mit diesem verbunden sein. Hier kann der erste dotierte Bereich 150 vom P-Typ sein und sich in der P-Wanne 142 befinden, während der zweite dotierte Bereich 152 vom N-Typ sein kann und sich in der N-Wanne 142 befindet. Gegebenenfalls können die dotierten Bereiche 150, 152 mit dem Ausgang des zweiten Wechselrichters 132 gekoppelt werden. Die elektrische Kopplung mit dem zweiten dotierten Bereich 152 ist mit gestrichelten Linien dargestellt, um anzuzeigen, dass es sich um eine zusätzliche oder alternative Kopplung in Bezug auf den ersten dotierten Bereich 150 handeln kann. Die Übertragung eines Stroms an den/die dotierten Bereich(e) 150, 152 der Snapback-Vorrichtung kann die Wanne(n) 142, 144 elektrisch vorspannen und gleichzeitig einen Stromfluss durch den Strompfad L ermöglichen.
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Mit Bezug auf 4 können weitere Ausführungsformen der Snapback-Vorrichtung 130 mehrere dotierte Bereiche umfassen, die mit Spannungen entgegengesetzter Polarität gekoppelt sind, um den Stromfluss durch den Strompfad L stärker zu steuern. In solchen Fällen kann die Snapback-Vorrichtung 130 zwei Gates TGate1 und TGate2 aufweisen, die mit dem ersten dotierten Bereich 150 und dem zweiten dotierten Bereich 152 gekoppelt sein können. In diesem Fall können die dotierten Bereiche 150 und 152 jeweils elektrisch mit dem Eingang und dem Ausgang des zweiten Inverters 132 verbunden sein. In einigen Konfigurationen kann die Polarität von jedem der Gate-Anschlüsse TGate1 und TGate2 relativ zum zweiten Inverter 132 invertiert sein. Durch eine solche Verbindung kann das Anlegen einer einzigen Spannung an die Gate-Anschlüsse TGate1 und TGate2 elektrische Ströme in jedem dotierten Bereich 150, 152 erzeugen, um die N-Wanne 142 und P-Wanne 144 gleichzeitig mit entgegengesetzten Spannungspolaritäten elektrisch vorzuspannen. Dies kann die Leckage und das Einschalten der Snapback-Vorrichtung 130 weiter steuern.
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Mit weiterem Bezug auf 1 und 3 können Verfahren gemäß der Erfindung die Verwendung der Struktur 100 während des Betriebs einer Vorrichtung zur Steuerung von ESD-Ereignissen umfassen, um die RC-Schaltung 110 vor übermäßigen elektrischen Strömen zu schützen. Verfahren gemäß der Erfindung können z. B. ein Übertragen eines ESD-Stroms durch den Trigger-Transistor 122 des/der ESD-Elements/e 120 parallel zur RC-Schaltung 110 umfassen. Der ESD-Strom kann aus einem ESD-Ereignis in einem oder mehreren mit der Struktur 100 verbundenen Vorrichtungen resultieren. Die Übertragung eines solchen Stroms durch den Trigger-Transistor 122 führt dazu, dass der Spiegeltransistor 126 parallel zum Trigger-Transistor 122 ebenfalls einen gespiegelten Strom empfängt, der jedoch niedriger ist als der Strom im Trigger-Transistor 122. Der verringerte Strom im Spiegeltransistor 126 ist z. B. darauf zurückzuführen, dass der Spiegeltransistor 126 wesentlich kleiner ist (z. B. eine geringere Source-Drain-Breite hat, wie hierin beschrieben), und/oder auf das Vorhandensein des Widerstands 128, wo anwendbar. In einer beispielhaften Implementierung kann der gespiegelte Strom im Spiegeltransistor 126 höchstens etwa 1/10 des Stroms im Trigger-Transistor 122 betragen. Der gespiegelte Strom im Spiegeltransistor 126 kann zum Gate-Anschluss TGate der Snapback-Vorrichtung 130 geleitet werden, wodurch ein Stromfluss von Kathode zu Anode entlang des Strompfads J ermöglicht wird (2). Im aktiven Zustand schließt die Snapback-Vorrichtung 130 den ESD-Strom elektrisch kurz, um die RC-Schaltung 110 zu umgehen. Die Zeitverzögerung zwischen der Aktivierung des Trigger-Transistors 122 und der Aktivierung der Snapback-Vorrichtung 130 kann unbedeutend klein sein (z. B. etwa hundert Pikosekunden (ps)), um jegliche Auswirkung von ESD-Strömen auf die RC-Schaltung 110 und die integrierte Schaltung zu verhindern.
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Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen der Veranschaulichung, sollen aber nicht vollständig und/oder auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung und/oder die technische Verbesserung gegenüber den auf dem Markt befindlichen Technologien bestmöglich zu erklären und/oder um anderen als dem Fachmann ein Verstängnis der hierin beschriebenen Ausführungsformen zu ermöglichen.
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Ausführungsformen der Erfindung können mehrere technische und kommerzielle Vorteile bieten, von denen einige hier beispielhaft erörtert sind. Ausführungsformen der Struktur 100 bieten z.B. eine Struktur, die auf ESD-Ereignisse mit konventionellen Auslösespannungsgrößen reagieren kann, während der Strom oder die Spannung reduziert wird, die erforderlich ist, um einen elektrischen Kurzschluss durch die Snapback-Vorrichtung 130 zu ermöglichen. Ausführungsformen der Erfindung verhindern außerdem, dass die Gate-Spannung der Snapback-Vorrichtung 130 einen Wert erreicht, der das Risiko eines „Latchups“ und eines permanenten elektrischen Kurzschlusses der RC-Schaltung 110 birgt. In einigen Fällen können die Größe und die elektrischen Parameter des Trigger-Transistors 122 und/oder des Spiegeltransistors 126 so gewählt werden, dass sie für verschiedene Typen von RC-Schaltungen 110 und/oder Vorrichtungen geeignet sind, die mit der Struktur 100 elektrisch verbunden sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen für die Reaktion auf ESD-Ereignisse, die den RC-Schaltkreis 110 beeinträchtigen, nehmen Ausführungsformen der Struktur 100 eine ähnliche oder geringere Fläche ein als andere Schaltkreise, um den RC-Schaltkreis 110 vorübergehend zu überbrücken.