Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes
Eingangs-Schutznetzwerk zum verhindern einer
Beschädigung in einer Eingangsschaltung einer MOS-
Halbleitervorrichtung sowie einer damit verbundenen
Gate-Elektrode durch eine darauf wirkende
elektrostatische Entladung.
Hintergrund der Erfindung
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Es ist allgemein bekannt, daß Halbleiterübergänge
und insbesondere die Gate-Oxide von
MOS-Transistoren durch elektrostatische Entladung leicht
beschädigt werden. Die Siliziumdioxid (SiO&sub2;-)Gate-
Isolatoren besitzen typischerweise eine Dicke in
der Größenordnung von ca. 400 Angström.
Durchbruchpotentiale liegen in der Größenordnung von 20 bis
50 Volt. Dort wo ein oder mehrere Anschlüsse der
Vorrichtung einem elektrostatischen Potential
ausgesetzt sind, das sich von dem bereits darauf
wirkenden elektrostatischen Potential unterscheidet,
kann die sich daraus ergebene Energieentladung zu
einer permanenten Schädigung der Eingangsschaltung
der Vorrichtung entweder durch eine übermäßige
Stromdichte bei einem Lawinendurchbruch, durch
Gate-Oxidbruch oder durch allmähliche
Verschlechterung aufgrund des kumulativen Einschlusses von
Ladungen in dem Gate-Isolator verursachen. Die
Fähigkeit der Vorrichtung, dieser Energieentladung
standzuhalten, kann durch einen elektrostatischen
Entladungstest quantitativ bestimmt werden.
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Bei einem solchen elektrostatischen Entladungstest
wird ein Kondensator, der die Kapazität des
menschlichen Körpers simuliert, aus einer Spannungsquelle
auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen und
sodann in den Eingangsanschluß der getesteten
Vorrichtung durch einen mit Quecksilber benetzten
Kontakt und einen Serien-Strombegrenzungswiderstand
entladen. Im allgemeinen liegt der Widerstandswert
eines solchen Widerstands im Bereich von 0 bis 1500
Ohm, und die Spannungszufuhr kann in der
Größenordnung von 500 bis 2000 Volt liegen.
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Nach einer derartigen Entladung wird die getestete
Vorrichtung auf Leckstrom bei einer angelegten
Spannung untersucht, wobei es sich z. B. um eine
Arbeitsspannung von 5 Volt handelt. Der bei einer
unbeschädigten Vorrichtung zu erwartende Leckstrom
wäre nicht höher als z. B. ein Mikroampere. Für
einen elektrostatischen Entladungstest dieser Art
verlangen die Industrienormen der USA
typischerweise die Verwendung eines Testkondensators von 100
pF, der durch mit Quecksilber benetzte Kontakte und
einen Serienbegrenzungswiderstand mit 1500 Ohm in
den Eingangsschaltungsanschluß bzw. die
Eingangsschaltungsanschlußfläche der Vorrichtung entladen
wird.
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Aufgrund der in dieser Industrie akzeptierten
Definition wird eine schlecht geschützte
MOS-Eingangsschaltung durch ein Potential von ca. 700 Volt
geschädigt, während ein akzeptables
Eingangsschaltungsnetzwerk einen Schutz für Potentiale von
bis zu ca. 1500 Volt schafft und eine als sehr gut
erachtete Eingangsschaltung einen Schutz gegen
Potentiale von bis zu ca. 3000 Volt schafft. Da
Testgerätschaften zur Ausführung eines Tests mit
3000 Volt nicht allseits zur Verfügung stehen, ist
es allgemein üblich, statt dessen einen
Testkondensator von 200 pF vorzusehen, und in diesem Fall
dürfte die vorstehend genannte sehr gute
Schutzschaltung 2000 Volt oder mehr standhalten.
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In der Vergangenheit war die das größte Problem
darstellende Ausfallursache das Brechen des Gate-
Isolieroxids der MOS-Vorrichtung. Dieses Brechen
trat bei ca. 50 Volt auf, ohne daß dabei praktisch
irgendein Stromfluß erforderlich war. Als Ergebnis
hiervon werden häufig Eingangsschaltungen
verwendet, die von einem RC-Netzwerk und/oder irgendeiner
Art einer Gate-Klemmvorrichtung Gebrauch machen;
dabei kann es sich um eine mit Gate versehene Diode
oder um einen Feldinversionstransistor handeln,
wobei beide das MOS-Gate durch Durchbrechen nach
Art eines Lawineneffekts oder im Fall des
Feldinversionstransistors durch Source-/Drain-Aktivierung
schützen. In diesem Fall kann man Ausfälle
normalerweise auf ein vollständiges Ausfallen der
Schutzschaltung anstatt des MOS-Vorrichtungs-
Eingangs-Gates zurückführen. Solche katastrophalen
Ausfälle in dem Eingangs-Schutznetzwerk sind jedoch
genauso tödlich für die Vorrichtung wie ein Ausfall
in dem Gate-Oxid-Isolator.
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Zur Veranschaulichung der bei MOS-Vorrichtungen
vorherrschenden harten Bedingungen braucht man nur
zu bedenken, daß der Eingangsdurchbruch bei einer
normalen integrierten MOS-Schaltung bei 20 Volt bis
50 Volt auftritt; dabei handelt es sich bei dem
Ausfallschwellenwert von 20 Volt um eine Funktion
der Gate-Diode oder des
Polysilizium-Feldinversionstransistors, und der Ausfallschwellenwert von
50 Volt tritt in dem N+/P-Übergang der
MOS-Vorrichtung auf. Diese Durchbrüche zeigen einen sehr
geringen Widerstand für Spannungen, die höher sind
als die Schwellendurchbruchspannung der
Schutzschaltung. Außerdem führt der eine hohe Dichte
aufweisende Durchbruchsstrom zu sekundären
Wirkungen, wie z. B. Bipolar-Transistor-Aktion, wodurch
der Durchbruchwiderstand weiter vermindert wird.
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Man kann als grobe Schätzung annehmen, daß die
Spannung am Eingangsanschluß der dem Test
unterzogenen Vorrichtung durch die Schutzschaltung auf 50
bis 100 Volt geklemmt wird. Auf der Eingangsseite
des Test-Serienwiderstands von 1500 Ohm muß man für
einen guten Eingangsschutz davon ausgehen, daß die
Spannung 2000 Volt oder mehr beträgt. Eine
vorsichtige Schätzung des in den Eingangssanschluß
fließenden momentanen maximalen Stroms bewegt sich
daher in der Größenordnung:
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(2000 - 100)V/1500 = 1,26 Amp.
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Idealerweise sollte die Spezifikation für den
Eingangsschutz auf die maximale Spannung ausgelegt
werden, die angelegt werden könnte, bevor eine
Schädigung der Eingangsschaltung erfolgt.
Selbstverständlich müssen dabei auch die Größe des
Testkondensators und des
Serienstrombegrenzungswiderstands spezifiziert werden. Je nach der speziellen
Schutzschaltung wird eine Beschädigung entweder
durch die maximale (momentane) Stromdichte oder
durch Gesamtverlustenergieladung oder durch eine
Kombination von beiden verursacht. Es ist klar, daß
die Spitzenstromdichte durch den Wert des
Serienbegrenzungswiderstands (ob er nun Teil der
Testschaltung ist oder ein innerer Bestandteil des
Chips ist) gesteuert wird; durch Variieren der
Kondensatorspannung wird sowohl die
Spitzenstromdichte als auch die gesamte Verlustenergie
gesteuert, während durch eine Veränderung der
Kondensatorgröße
nur Veränderungen bei der Gesamtenergie
hervorgerufen werden.
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Man kann daher erkennen, daß durch Testen
hinsichtlich der zerstörerischen Grenzen bei einer
gegebenen Eingangs-Schutzschaltung als Funktion von
allen drei Grenzbedingungen, d. h.
Kondensatorspannung, Kondensatorwert und Serienwiderstand, eine
Beurteilung dahingehend möglich ist, welche der
Ausfall-Arten dominant ist. Wenn z. B. Anzeichen für
eine Ionenmigration vorhanden sind, ist der Ausfall
wahrscheinlich bedingt durch eine übermäßige
Spitzenstromdichte; gibt es Anzeichen für ein
Schmelzen des Übergangs durch übermäßige Joulesche
Erwärmung des Übergangs, ist der Ausfall
wahrscheinlich durch eine übermäßige
Gesamtverlustenergie bedingt.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß eine
elektrostatische Entladung innerhalb von ca. 100 Nanosekunden
ab ihrer Aufbringung stattfindet, und daß eine
Beschädigung innerhalb der ersten Bruchteile einer
Nanosekunde erfolgt. Aufgrund der extrem raschen
Anstiegszeiten hat sogar die Testvorrichtungs-
Zuleitungsinduktivität einen Effekt auf die
Testergebnisse. Außerdem ist es schierig, die
Widerstandswerte der Schutznetzwerks sowie der externen
Verdrahtungseinrichtungen vorauszusagen, wobei sich
diese Schwierigkeit durch den Skineffekt aufgrund
der raschen Anstiegszeiten ergibt. Es ist also
klar, daß der Testvorgang exakt gesteuert werden
muß.
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Bei 2000 Volt oder mehr am Eingangsanschluß ist ein
Lawinendurchbruch unvermeidbar. Das Ziel einer
Eingangsschutzschaltung ist nicht das Vermeiden des
Durchbruchs sondern vielmehr das Überleben sowohl
der Eingangs-Gateoxid-Isolierung als auch der
Schutzschaltung in einer derartigen Weise, daß
keine von beiden eine dauerhafte Schädigung
erleidet. Ein Lawinendurchbruch ist im allgemeinen durch
einen negativen Temperaturkoeffizienten
gekennzeichnet. Auf jedem bevorzugten Stromweg (Weg
geringen Widerstands), der durch den
Lawinendurchbruch verursacht wird, tritt eine hohe Stromdichte
auf. Dadurch wird eine "Heißstelle" verursacht, und
der Lawineneffekt wird an der Heißstelle durch die
positive Rückkopplungsstrom-Charakteristik aufgrund
des negativen Temperaturkoeffizienten noch weiter
verstärkt; all dies verursacht einen noch höheren
Strom sowie eine noch höhere Stromdichte durch die
Heißstelle. Dieses Phänomen ist unter der
Bezeichnung "thermische Instabilität" allgemein bekannt.
Eine übermäßige Stromdichte und/oder Temperatur
führt zu einem dauerhaften Schaden an der
Heißstelle.
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Ein Kontakt von Metall mit Silizium erfolgt durch
Aufbringen von Aluminium bei erhöhten Temperaturen
sowie Legieren desselben mit dem Silizium während
einer anschließenden Wärmebehandlung in einem
Formgas. Die Kontaktgrenzfläche zwischen dem Silizium
und dem Aluminium ist nicht planar, sondern das
Silizium ist an der Grenzfläche in das Aluminium
hinein gelöst, und das Aluminium füllt die durch
das diffundierte Silizium verbliebenen Hohlräume
aus. Diese ausgefüllten Hohlräume können in der Art
von Metallspitzen aus Aluminium vorliegen, die
teilweise in die N+-Diffusionsschicht hineinragen.
Im schlimmsten Fall erstreckt sich die Spitze durch
den gesamten Übergang hindurch und bildet einen
Kurzschluß mit dem P--Substrat. (Das Aluminium, bei
dem es sich um einen P-Dotierstoff handelt, stellt
einen direkten ohmschen Kontakt mit dem P--Substrat
her und schließt den Eingang zu dem Substrat
kurz.). Doch selbst dann, wenn die Spitze sich
nicht über den gesamten Weg bis zu dem Substrat
erstreckt, stellt die Metallspitze einen
bevorzugten Stromweg tief in der Diffusionsschicht her, und
ein Durchbruch erfolgt ab diesem Punkt in der Bahn
des geringsten Widerstands. Wenn die diffundierte
Schicht in ihrer Tiefe vermindert wird, steigert
sich dieser "Spitzen"-Effekt. Bei der zunehmenden
Entwicklung von integrierten Schaltungen mit sehr
hoher Integration sind die Halbleiter-Übergänge
sowie die Gateisolierungen in ihrer Tiefe immer
kleiner geworden.
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In Fällen, in denen das Metall und die vergrabenen
Kontakte mit rechtwinkligen oder harten Ecken oder
mit konvexen "Spitzen" konfiguriert sind, besteht
in diesen Ecken ein hohes elektrisches Feld, und
dies bildet eine bevorzugte Durchbruchbahn, die
wiederum in einer sehr hohen Stromdichte in diesen
Ecken resultiert. Die hohe Spannung von der
Eingangsanschlußfläche, die durch das Metall, den
Metallkontakt und hinab durch das polykristalline
Silizium (wie es bei der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, siehe nachfolgende Beschreibung)
gelangt, trifft auf eine N+-Diffusion. Diese N+-
Diffusion bildet die erste Stelle, wo die hohe
Spannung durch einen Lawinendurchbruch geklemmt
wird, und es ist die erste Stelle auf dem
Halbleiter-Chip, wo in beträchtlichem Ausmaß
Verlustenergie auftritt. Der Seitenwand-Übergang besitzt
einen steileren Gradienten und somit eine
niedrigere Durchbruchspannung als der untere Übergang, da
die Seiten der N+-Diffusion eine Bor-Kanal Stopp-
Feld-Implantation berühren.
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Außerdem tritt durch die Krümmung des Umfangs des
Übergangs eine Erhöhung des elektrischen Felds
auf. Bei Reduzierung des Übergangsradius wird das
elektrische Feld bei gleichem Eingangspotential
höher. Bei einer rechteckigen
Diffusions-Konfiguration besitzt der Übergang eine dreidimensionale
Ecke nahe dem Boden des Übergangs in der Ecke der
Konfiguration, und an diesem Punkt ist der
Übergangsgradient noch höher als am Boden oder an der
Seite der N+-Diffusion. Dies führt zur Bildung
einer weiteren bevorzugten Bahn für
Durchbruchstrom während des Lawinendurchbruchs, und praktisch
der gesamte Strom der elektrostatischen Entladung
fließt durch diese Ecken. Dies führt dazu, daß die
maximale sichere Stromdichte an der sich daraus
ergebenden Heißstelle bei einem geringeren
Eingangspotential überschritten wird.
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In der JP-A-59-154056 ist eine
Halbleitervorrichtung beschrieben, die eine verbesserte Fähigkeit
zum Standhalten gegenüber hohen angelegten
Spannungen besitzt. Dies wird erzielt durch
Schaffen einer Polysiliziumschicht über einer
Isolierschicht auf einem Wafer, durch die hindurch eine
Kontaktöffnung für ein Widerstandselement auf dem
Wafer geschaffen wird. Die Polysiliziumschicht
wirkt als zweite Verdrahtungsschicht und ist die
obere Oberfläche des Widerstandselements
überdeckend ausgebildet, wodurch die lokale
Feldkonzentration in dem Widerstandselement bei Anlegung
hoher Spannungen gemildert wird.
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Die JP-A-59-94865 beschreibt dagegen eine
Halbleitervorrichtung, die eine verbesserte Fähigkeit zum
Standhalten gegenüber hohen anliegender statischer
Spannungen aufweist. Dies wird erzielt durch
Auslegen der Ecken der Kontaktöffnung in
querverlaufender
Weise, wodurch die Stromkonzentration an
den Ecken der Kontaktöffnung abgeschwächt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist nun verständlich, daß ein Ziel einer guten
Eingangsnetzwerkausbildung darin bestehen muß,
Strom sowie Wärmeableitung über eine
größtmögliche Fläche so gleichmäßig wie möglich zu verteilen.
Die vorstehend beschriebenen sowie weitere Probleme
werden gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst
durch Reduzieren der Heißstellen; durch Verteilen
des Stroms über eine größere Fläche (durch Erhöhen
der effektiven Lawinenvorrichtungs-Kontaktgröße,
um dadurch die Stromdichte ohne beträchtliche
Erhöhung der Eingangskapazität für normale Signale
zu reduzieren), durch Reduzieren der
Widerstandsschwankungen in der Grenzfläche von Metall zu
Silizium durch Anordnung von polykristallinem Silizium
zwischen dem Metall und dem monokristallinen
Silizium, durch exaktes Ausrichten der
Aluminiumflächenkontakte mit dem Diffusionsmuster und den
vergrabenen Kontakten in dem monokristallinen
Silizium, durch Vermeiden von in der Nähe befindlicher
Plazierungen anderen N+-Diffusionen, durch
Verwenden von verteilten
Feldinversion-Lawinenvorrichtungen sowie durch Verwendung einer exakt
gerundeten N+-Diffusion ohne jegliche konvexe Ecken sowie
konzentrisches Anordnen der exakt gerundeten
Metallkontakte und der exakt gerundeten vergrabenen
Kontakte in einer derartigen Weise, daß diese auch
in bezug auf das Diffusionsmuster konzentrisch
sind.
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Ein Ziel der Erfindung besteht somit in der
Schaffung eines verbesserten Eingangsschutzes für eine
MOS-Halbleiterschaltung durch Reduzieren von
Heißstellen
(bevorzugten Stromwegen) in der
Eingangsschaltung.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der
Reduzierung von Heißstellen in der
Eingangsschaltung einer MOS-Halbleitervorrichtung durch
Vergrößern der Fläche des Eingangskontakts in der
Lawinendurchbruch-Schutzvorrichtung.
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Noch ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der
Reduzierung von Heißstellen in der
Eingangsschaltung einer MOS-Halbleitervorrichtung durch
Vermindern der Widerstandsschwankungen von dem Metall zu
dem N+/P-Übergang der
Lawinendurchbruch-Schutzvorrichtung sowie in der Reduzierung der Schwankungen
des Al-Si-Kontaktpotentials durch Aufbringen einer
polykristallinen Siliziumschicht zwischen dem
Metallkontakt und dem monokristallinen Silizium der
Diffusionsschicht der Vorrichtung.
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Noch ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der
Reduzierung von Heißstellen in der
Eingangsschaltung einer MOS-Halbleitervorrichtung durch exaktes
(vertikales) Ausrichten von Aluminiumflächen-
Eingangskontakten mit vergrabenen Kontakten in der
Lawinenschutzvorrichtung des Netzwerks.
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Ein zusätzliches Ziel der Erfindung besteht in der
Schaffung eines verbesserten Eingangsschutzes für
eine MOS-Halbleiterschaltung durch Reduzieren von
Heißstellen in der Eingangsschaltung durch Schaffen
exakt gerundeter N+-Diffusions-Kontakte sowie
vergrabener und Metallkontakte ohne jeglich konvexe
Ecken, die einen bevorzugten Stromweg durch die
Diffusionsschicht schaffen würden.
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Noch ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der
Schaffung eines verbesserten
Eingangs-Schutznetzwerks unter Verwendung einer verteilten Lawinen-
Halbleitervorrichtung.
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Ein zusätzliches Ziel der Erfindung besteht in der
Schaffung eines verbesserten
Eingangs-Schutznetzwerks durch Steuern der Effekte in einer
nahegelegenen Diffusionsschicht sowie durch Schaffen einer
derartigen Diffusionsschicht in verteilter Form,
wobei diese Diffusionsschicht in einer eng
gesteuerten, gleichmäßigen Distanz von der
Eingangsschutzdiffusion gehalten wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft also ein
Eingangs-Schutznetzwerk zur Reduzierung der
schädigenden Wirkung einer elektrostatischen Entladung in
wenigstens eine Eingangsschaltungsanschlußfläche,
die mit der wenigstens einen
Eingangs-Gate-Elektrode einer integrierten MOS-Halbleiterschaltung auf
einem Halbleitersubstrat elektrisch verbunden ist,
durch Reduzierung von Heißstellen und der sich
daraus ergebenden übermäßig hohen Stromdichte in
dem Netzwerk, die durch einen übermäßigen Stromfluß
oder Wärmeanstieg verursacht werden, wobei die MOS-
Vorrichtung wenigstens eine mit der wenigstens
einen Eingangs-Gate-Elektrode elektrisch verbundene
Eingangsschaltungsanschlußfläche sowie eine
Serienwiderstandseinrichtung zur Schaffung eines
Serienwiderstands zwischen der wenigstens einen
Eingangsanschlußfläche und der wenigstens einen Eingangs-
Gate-Elektrode aufweist, wobei die
Serienwiderstandseinrichtung eine Mehrzahl exakt runder
und konzentrischer Schichten aufweist und die
mehreren Schichten in einer Reihenfolge der Schichten
von oben nach unten wenigstens eine exakt runde und
konzentrische Metallkontaktschicht und eine exakt
runde und konzentrische untere Diffusionsschicht
beinhalten, wobei die exakte Konzentrizität
zwischen allen der mehreren Schichten gegenseitig
vorhanden ist und die Konzentrizität innerhalb von
zehn Prozent liegt, wobei es sich bei der unteren
Diffusionsschicht um einen Bereich der
Serienwiderstandseinrichtung handelt und jede der mehreren
exakt runden und konzentrischen Schichten von oben
nach unten, mit Ausnahme der unteren
Diffusionsschicht, einen Kontakt auf einer der
darunterliegenden, exakt runden und konzentrischen Schichten
aufweist und wobei es sich bei wenigstens einem
Bereich der Serienwiderstandseinrichtung um eine
Mehrfachdiffusionsbahn handelt, die eine einen pn-
Übergang mit dem Substrat bildende erste
Diffusionsbahn, die ein Ende und zwei langgestreckte
Seiten aufweist und in einer Ebene liegt, sowie
eine einen pn-Übergang mit dem Substrat bildende
zweite Diffusionsbahn beinhaltet, wobei die zweite
Diffusionsbahn in der Ebene der ersten
Diffusionsbahn liegt und die zweite Diffusionsbahn allgemein
die Form eines "U" mit zwei Enden aufweist und
wobei die zweite Diffusionsbahn von der ersten
Diffusionsbahn gleichmäßig beabstandet ist und
diese an den beiden langgestreckten Seiten sowie an
dem Ende umschließt, wobei die zweite
Diffusionsbahn an jedem der beiden Enden geerdet ist.
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Diese und weitere Ziele der Erfindung werden bei
Betrachtung der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den
Zeichnungen noch deutlicher. In den Zeichnungen
zeigen:
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Fig. 1A bis 1F Darstellungen der Geometrie des
Eingangsnetzwerks der Erfindung in Form einer
Calma-Darstellung der Draufsicht einer jeden der
Schichten des Netzwerks, wobei
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Fig. 1A die N+-Diffusionsschicht zeigt;
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Fig. 1B eine polykristalline Siliziumschicht zeigt;
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Fig. 1C den (vergrabenen) Kontakt von der
Polysiliziumschicht zu der N+-Diffusionsschicht zeigt;
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Fig. 1D eine weitere Polysiliziumschicht zeigt;
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Fig. 1E den (Metall-)Kontakt von dem Aluminium zu
dem Polysilizium zeigt; und
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Fig. 1F die Metallschicht (Aluminiumschicht) zeigt;
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Fig. 2A bis 2F in kumulierter Weise den Aufbau der
Schichten der Fig. 1A bis 1F zeigen, wobei Fig. 2A
mit Fig. 1A identisch ist, Fig. 2B die Kombination
der Schichten der Fig. 1A und 1B darstellt und Fig.
2C die Ansammlung der Fig. 1A, 1B und 1C darstellt,
usw.;
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines
Kontaktbereichs von einem Eingangsmetall zu einer
Diffusionsschicht bei Schaltungen des Standes der
Technik;
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Fig. 4 eine Querschnittsansicht der
Eingangsschaltung der vorliegenden Erfindung entlang der Linie
4-4 der Fig. 2F;
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Fig. 5 eine isometrische Ansicht eines
Metallkontakt-/N+-Diffusionsbereichs mit rechteckiger
Geometrie;
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Fig. 6 eine Darstellung eines runden,
nicht-konzentrischen Metallkontakt-/N+-Diffusionsbereichs;
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Fig. 7 eine Darstellung eines runden,
konzentrischen Metallkontakt-/Diffusionsbereichs gemäß der
vorliegenden Erfindung, wobei jedoch in der Nähe
ein weiterer N+-Diffusionsbereich vorhanden ist;
und
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Fig. 8 eine Querschnittsansicht entlang der Linie
8-8 der Fig. 2F.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Es ist darauf hinzuweisen, daß es sich bei einer
Reihe von Merkmalen um integrierte Teile der
Erfindung handelt, deren jeder zu einem verbesserten
Eingangs-Schutznetzwerk für eine
MOS-Halbleitervorrichtung beiträgt. Während jedes dieser Merkmale zu
dem gewünschten Schutznetzwerk beiträgt, erzielt
man optimale Ergebnisse durch Ausführen aller
dieser Merkmale bei einer gegebenen
Halbleiterausbildung. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß jedes
der einzelnen Merkmale auf die eine oder andere
Weise zu dem Eingangsschutz beiträgt und daß diese
Merkmale auch einzeln oder in jeder gewünschten
Kombination zur Reduzierung einer Schädigung
aufgrund einer elektrostatischen Entladung in eine
MOS-Eingangs-Gate-Elektrode verwendet werden
können. Das hierin gelehrte, spezielle bevorzugte
Ausführungsbeispiel macht von allen Merkmalen der
Erfindung Gebrauch.
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Die Fig. 1A bis 1F und 2A bis 2F stellen eine
Calma-Maschinendarstellung der verschiedenen
Schichten des Eingangs-Schutznetzwerks der
Erfindung dar. Die Fig. 1A und 2A sind identisch. Fig.
2B zeigt, wie die Schichten der Fig. 1A und 1B
kombiniert sind. Fig. 2C zeigt, wie die Schichten
der Fig. 1A, 1B und 1C kombiniert sind, usw.. Fig.
2F zeigt das vollständige Eingangsnetzwerk. Es ist
darauf hinzuweisen, daß die Verfahrensschritte zum
Niederschlagen von Siliziumdioxid und Glas in
diesen Figuren nicht gezeigt sind, wobei jedoch für
den Fachmann auf dem Gebiet der Halbleitertechnik
vollständig klar ist, daß diese Niederschläge in
der erforderlichen Weise zwischen den dargestellten
Niederschlägen angeordnet sind.
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Fig. 1A zeigt das N+-Diffusionsmuster 10, das
zuerst in allgemein bekannter Weise in ein
monokristallines
P--Siliziumsubstrat 12 eindiffundiert
wird. Über der Diffusionsschicht 10 wird dann eine
Schicht aus SiO&sub2;(Siliziumdioxid) niedergeschlagen
(in den Fig. 1 und 2 nicht gezeigt, siehe jedoch
Fig. 4, Bezugszeichen 11). Fig. 1B zeigt eine erste
polykristalline Siliziumschicht 14, wobei diese in
Kombination mit der N+-Diffusionsschicht 10 in Fig.
2B gezeigt ist. Die Polysiliziumschicht 14 kann
eine Dicke in der Größenordnung von 400 nm (4000
Angström) besitzen.
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Fig. 1C zeigt ein Muster 16, das zum Wegätzen von
Siliziumdioxid 11 verwendet wird (das vor dem
Polysilizium aufgebracht wurde), und die
Kombination aus den drei Schichten der Fig. 1A bis 1C ist
in Fig. 2C dargestellt. Die Öffnung 16 in dem
Siliziumdioxid, die in Fig. 1C gezeigt ist, dient
zur Bildung eines vergrabenen Kontakts zwischen der
N+-Diffusionsschicht 10A und dem Polysilizium 18,
die in den Fig. 1D und 2D gezeigt sind. Wie in
Fig. 4 zu sehen ist, bei der es sich um eine
Querschnittsansicht der Fig. 2F entlang der Linie 4-4
handelt, besitzt das Polysilizium 18 in seinem
oberen Bereich einen größeren maximalen Durchmesser
als in seinem unteren Bereich, der den vergrabenen
Kontakt mit der Diffusionsschicht 10A bildet. Es
ist auch darauf hinzuweisen, daß der größere und
der kleinere Umfang des Polysiliziums 18 und der
Diffusionsschicht 10A rund sowie exakt konzentrisch
jeweils in bezug aufeinander ausgebildet sind.
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Nach dem Aufbringen der Polysiliziumschicht 18 wird
in Fig. 4 gezeigtes Glas 20 aufgebracht. Fig. 1E
zeigt ein in das Glas 20 geätztes Fenster 22 (dort
sowie in Fig. 4 gezeigt), um eine Bildung eines
Metallkontakts 24 (siehe Fig. 4) durch dieses
hindurch zu ermöglichen. Die Konfiguration der
geätzten
Öffnung 22 ist in Fig. 2E in der Draufsicht
dargestellt. Gleichzeitig werden Fenster 26 und 26A
geätzt. Schließlich wird eine Metallschicht 28
niedergeschlagen, die in den Fig. 1F und 2F
dargestellt ist. Die Metallschicht 28 stellt durch die
Fenster 22, 26 und 26A, Wo immer diese vorhanden
sind, Kontakt mit den darunterliegenden Schichten
her. In allen diesen Fällen, mit Ausnahme eines
einzigen, erfolgt dieser Metallkontakt mit der N+-
Diffusionsschicht 10. Die Ausnahme ist dort
vorhanden, wo die Metallschicht 28 das Polysilizium durch
das Fenster 26A hindurch kontaktiert, wie dies in
Fig. 2F zu sehen ist.
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Die Struktur des Eingangsnetzwerks der vorliegenden
Erfindung ist bei sorgfältiger Betrachtung der Fig.
3 und 4 noch besser zu verstehen. Fig. 3 zeigt eine
Darstellung der Struktur einer Eingangsschaltung
einer Vorrichtung des Standes der Technik, wie sie
sich bei einem Querschnitt entlang der Linie 4-4
der Fig. 2F darstellen würde. Metall (Aluminium) 28
kontaktiert die N+-Diffusionsschicht 10A direkt
durch ein Fenster 22 in dem Glas 20 hindurch. Eine
Metallspitze 19 erstreckt sich über eine
beträchtliche Distanz nach unten in die Diffusionsschicht
10A hinein und stellt einen einen geringen
Widerstand aufweisenden, bevorzugten Stromweg zu dem
Substrat 12 dar, der einen Lawinendurchbruch in
diesem N+-Bereich 10A zwischen dem Metall 28 (an
dem Kontakt 24) und dem Substrat 12 verursachen
kann.
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Fig. 4 zeigt einige Verbesserungen der vorliegenden
Erfindung. Eine polykristalline Siliziumschicht 18
ist zwischen dem Metall 28 und der N+-Schicht 10A
angeordnet.
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Die vorstehend beschriebene Schichtung des
Eingangsnetzwerks der Fig. 2F umfaßt eine Reihe von
Merkmalen, die zu einem guten elektrostatischen
Entladungswiderstand beitragen. Um alle Merkmale
der vorliegenden Erfindung verstehen zu können, muß
man zuerst verstehen, wie das Eingangsnetzwerk in
einer integrierten MOS-Schaltung verwendet wird.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1F und 2F wird
normalerweise eine große Metall-Eingangsanschlußfläche
(nicht gezeigt in den Fig. 1F und 2F) als Teil der
Metallschicht 28 sowie mit dieser an der Leitung
28A verbunden vorgesehen, um einen
Bondverbindungsdraht zu einem Eingangsanschluß der in einem
Gehäuse befindlichen Vorrichtung aufzunehmen. Die N+-
Diffusionsschicht 10A würde sich an dem oberen Ende
von 10A zu einer Gate-Elektrode 50 eines Eingangs-
Gatetransistors 52 der Vorrichtung erstrecken. Eine
derartige obere Verlängerung der Diffusionsschicht
10A könnte sich unterhalb einiger Metallschichten
befinden, wobei dies von der allgemeinen Auslegung
der Vorrichtung abhängig ist, in der das Netzwerk
verwendet wird. Es versteht sich natürlich, daß die
elektrostatische Aufladung, bei der es sich im
vorliegenden Fall um die Schadensursache handelt,
durch den Eingangsanschluß und sodann durch den
Bondverbindungsdraht an die mit der Leitung 28A
verbundene Eingangs-Metallanschlußfläche angelegt
wird. Der Zweck des Netzwerks der Fig. 2F besteht
darin, eine Beschädigung des Eingangs-Gates 50 oder
auch des Schutz-Netzwerks der Fig. 2F durch eine
elektrostatische Entladung zu verhindern.
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Der Zweck der in Fig. 2F gezeigten
Polysiliziumschicht 14, die zwischen dem Substrat 12 und der
Metallschicht 28 angeordnet ist, besteht in der
Wirkung als Opferschicht. Sie "zieht" die Spitzen
19 der Metallschicht 28 durch Sättigen der großen
Metallfläche mit Silizium "an", so daß diese
Spitzen nicht an anderen Stellen der Schaltung
auftreten, wo sie schädlicher sein können. Die
Opfer-Polysiliziumschicht 14 befindet sich nahe der
Leitung 28A, und zwar aufgrund der relativ großen
Metallmasse, die die Eingangsanschlußfläche
darstellt, welche nicht gezeigt, jedoch an der Leitung
28A angebracht ist.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß die Metallschicht 28
über einem großen Bereich der Diffusionsschicht 10
und 10A angeordnet ist. Ein Vergleich der Geometrie
der Diffusionsschicht 10, 10A (Fig. 1A) und der
Metallschicht 28 (Fig. 1F) zeigt die
unterschiedliche Ausbildung sowie das Ausmaß der Überlappung
zwischen diesen beiden Schichten, wie dies auch bei
genauer Betrachtung von Fig. 2F zu sehen ist.
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Es wird nun auf die beiden Fig. 2F und 4 (bei der
es sich um eine Querschnittsansicht des
Metallkontaktbereichs 22 von Fig. 2F handelt) Bezug
genommen, wobei zu erkennen ist, daß der Kontaktbereich
22 der Metallschicht 28 mit dem polykristallinen
Silizium 18 zusammen mit der N+-Diffusionsschicht
10A unter dem Kontaktbereich 22 eine aktive
Halbleitervorrichtung bildet, bei der es sich um eine
Lawinendiode oder um einen NPN-Feldumkehrtransistor
bzw. Feldinversionstransistor handeln kann. Es ist
diese Halbleitervorrichtung, die einen Schutz gegen
Beschädigung des Eingangs-Gates 50 der Vorrichtung
schafft. Wie vorstehend erwähnt wurde,
gewährleistet die Breite und unterschiedliche Ausbreitung
der Metallschicht-/Diffusionsschicht-Überlappung
eine eine große Fläche aufweisende
Lawinenvorrichtung, die ein hohes Ausmaß von Beschädigungsschutz
durch Reduzieren der Entstehung von Heißstellen in
der Diffusionsschicht 10A durch Verminderung der
Stromdicht schafft.
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Ein weiteres Problem ist die Ionenwanderung bei
Aluminium. Man hat festgestellt, daß ein grobes Maß
für die in Aluminium zulässige maximale
Stromdichte, bei der eine Ionenwanderung noch vermieden
wird, 64 A/cm² beträgt. Diese Zahl wird durch
weitere Faktoren beeinflußt, nämlich das Erfordernis
hinsichtlich der durchschnittlichen Zeit vor einem
Ausfall sowie die absoluten Dimensionen des
Metallquerschnitts. Somit muß ein metallischer
Kontakt mit einer Diffusionsschicht größer sein
als:
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Fläche = maximaler Strom/
maximale Stromdichte
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= 2 A/2·106 A/cm²*
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= 100 um²
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(* siehe oben hinsichtlich des Ursprungs der
Zahlenwerte. Weiterhin ist anzumerken, daß eine
Stromdichte von 2 A anstatt der eingangs genannten 1,26
A verwendet wurde, um einen vorsichtigeren Wert zu
schaffen, mit dem man Betrachtungen in bezug auf
das Erfordernis hinsichtlich der durchschnittlichen
Zeit vor einem Ausfall sowie in bezug auf den
Metallquerschnitt Rechnung zu tragen sucht.)
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Der in der Metallschicht 28 vorhandene Kontakt 24
(in dem Fenster 22) ist auf einer Schicht aus
polykristallinem Silizium 18 niedergeschlagen
(siehe Fig. 4). Bei dem Zwischenraum zwischen sowie
um die Metallschicht 28, die Polysiliziumschicht 18
und die N+-Diffusionsschicht 10A handelt es sich um
SiO&sub2; 11 und/oder Glas 20, bei denen es sich um
ausgezeichnete elektrische und thermische
Isolatoren
handelt (Fig. 3 zeigt die Verfahrensweise zum
Aufbringen der Metallschicht 28 direkt auf die
monokristalline N+-Diffusionsschicht 10A gemäß dem
Stand der Technik).
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Weiterhin ist in Fig. 4 zu sehen, daß diese
Anordnung einen Polysiliziumleiter 18 zwischen der
Metallschicht 28 und der N+-Diffusionsschicht 10A
schafft. Da die Tiefe der Metallspitze 19 einen
geringeren Prozentsatz der Gesamttiefe der
Polysiliziumschicht 18 und der Diffusionsschicht 10A in
Kombination als die Tiefe der Metallspitze 19 (bei
der Konfiguration des Standes der Technik gemäß
Fig. 3) in Proportion zu der Tiefe der
Diffusionsschicht 10A alleine darstellt, stellt der
Widerstand des bevorzugten Stromweges eine geringere
Widerstandsänderung als im Fall der Fig. 3 dar. Das
Vorhandensein der Polysiliziumschicht 18 schafft
einen Serienwiderstand sowie einen vergrabenen
Kontakt in der N+-Diffusionsschicht 10A. Die
relative Änderung des Widerstands sowohl in vertikaler
Richtung als auch in seitlicher Richtung ist
gegenüber der direkten Grenzfläche von Metall zu
monokristallinem Silizium bei Netzwerken des Standes
der Technik stark verringert, wodurch sich die
Heißstellen-Probleme verringern, da die
Polysiliziumschicht 18 beträchtlich zum gesamten
Serienwiderstand in dem Durchbruchweg beiträgt und die
Metallspitzen einen relativ gesehen geringeren
Effekt erzeugen. Mit der Polysiliziumschicht 18
zwischen dem Metallkontakt 24 und der N+
-Diffusionsschicht 10A müßte eine Stromspitzenbildung
über einen großen Teil der Polysiliziumschicht 18
sowie durch die gesamte N+-Diffusionsschicht 10A
stattfinden, bevor ein Kurzschluß resultieren
könnte.
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Die Passage von Strom durch die Polysiliziumschicht
18 verursacht einen Energieverlust aufgrund von
Widerstandserwärmung, wobei es sich bei dem
Widerstand um die Polysiliziumschicht 18 handelt. Es
findet auch ein Ohmscher Spannungsabfall in der
Polysiliziumschicht 18 statt, wodurch der Übergang
einer niedrigeren Spannung ausgesetzt wird. Der
Energieverlust wird in Form von Wärme abgeführt,
doch der nicht mit der N+-Diffusionsschicht 10A in
Kontakt befindliche Bereich der Polysiliziuschicht
18 ist von Siliziumoxid 11 und Glas 20 umgeben, bei
denen es sich um schlechte Wärmeleiter handelt. Ein
Polysiliziumwiderstand kann nicht viel Wärmeenergie
ohne Gefahr von Verdunstung abführen, und jegliche
Art eines Polysiliziumwiderstands in der
Eingangsschaltung, der sich nicht in gutem Wärmekontakt mit
dem Substrat befindet, wirkt als schmelzbares
Verbindungsglied, das sich selbst bei moderaten
Stromdichte-Pegeln auflöst. Ein wichtiges Merkmal der
vorliegenden Erfindung besteht somit darin, daß
sich die Polysiliziumschicht 18 in gutem
Wärmekontakt mit der N+-Diffusionsschicht 10A befindet, die
in Kombination mit dem Substrat 12 einen guten
Kühlkörper bildet.
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Für optimale Ergebnisse ist es von wesentlicher
Bedeutung, den Metallkontakt 24 derart
auszurichten, daß er exakt rund und konzentrisch in bezug
auf den exakt runden, vergrabenen Kontakt 16 in der
N+-Diffusionsschicht 10A ist. Es ist auch wichtig,
konvexe Bereiche in der Geometrie einer jeglichen
Schicht zu vermeiden, so daß keine bevorzugten Wege
von dem Metallkontakt 24 zu der N+
-Diffusionsschicht 10A vorhanden sind. Dies ist in Fig. 6
veranschaulicht, in der der Effekt eines
außermittigen Musters gezeigt ist. Die bei den
Bezugszeichen 32 und 34 dargestellte Differenz in den
Abmessungen
stellt eine Widerstandsdifferenz in den
beiden Wegen von dem Kontakt 24 zu dem Rand oder
Umfang der Diffusionsschicht 10A dar. Diese
Differenz macht den Weg 34 zu einem bevorzugten
Stromweg (einem Stromweg mit niedrigem Widerstand).
Diese Vorzugswegbildung wird durch echte
Konzentrizität eliminiert. Wenn die Differenz in der Praxis
nicht mehr als 10 Prozent des minimalen
Bahnwiderstands trägt, ist sie praktisch ohne Bedeutung.
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Weiterhin ist es von Vorteil, den Kreis der
Diffusionsschicht 10A beträchtlich größer als den
Durchmesser des Kontakts 24 auszubilden. Wie vorstehend
erläutert wurde, ergibt sich die steuernde Wirkung
durch das Verhältnis zwischen der Differenz der
beiden Kreisradien und der potentiellen
Fehlausrichtung. Je größer diese Differenz ist, desto
größer kann die tolerierbare Fehlausrichtung sein.
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Die in Fig. 2F und anderen Figuren dargestellte
runde Übergangskopfkonfiguration ist für die gute
Stromflußverteilung wichtig, wenn eine
elektrostatische Ladung auf das Netzwerk einwirkt. Wie
vorstehend erwähnt wurde, begünstigen rechtwinklige
Ecken 40 (siehe Fig. 5) hohe
Stromdichtenkonzentrationen in diesen Ecken; somit ist ein
niedrigeres Potential erforderlich, um einen Durchbruch
bei 60 zu verursachen. Durch Verwendung der perfekt
gerundeten Konfiguration der Fig. 2F z. B. wird die
Konzentration, die sich bei einer Version mit
rechtwinkligen Ecken ergeben würde, gleichmäßig
entlang des gesamten Umfangs der runden Gestalt
verteilt, wodurch die der rechtwinkligen
Konfiguration innewohnenden Heißstellen vermieden werden.
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Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, in der eine
in der Nähe befindliche, aber nicht zugehörige N+-
Diffusion 36 in der Nähe der N+-Diffusion 10
dargestellt ist. Es ist anzumerken, daß der
elektrostatische Entladungs-Spitzenstrom in der Größenordnung
von Ampere liegt. Bei derart hohen Lawinenströmen
werden so viele Löcher in das Substrat 12 nahe der
Oberfläche injiziert, daß selbst bei schlechtem
Sammelwirkungsgrad jegliche nicht zugehörige N+-
Diffusion 36 in unmittelbarer Nähe der Übergangs-
Diffusion 10A als Kollektor für einen bipolaren
NPN-Transistor wirken kann, der aus der für den
Eingangsschutz dienenden, runden N+-Diffusion 10A
als Kollektor oder Emitter (abhängig von der
Polarität der darauf wirkenden elektrostatischen
Entladung), dem an der Oberfläche befindlichen
Substrat 12 als Basis und der nicht zugehörigen
bzw. separaten Diffusion 36 als Emitter bzw.
Kollektor gebildet ist. (Während eines
elektrostatischen Entladungstests kann man annehmen, daß alle
Diffusionen geerdet sind.)
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Wenn der Lawinenmultiplikationsfaktor M mal der
Transportfaktor o größer als 1 wird, sieht der
elektrostatische Entladungsstrom einen negativen
Widerstand, und der Strom wird nur durch den
externen Testwiderstand begrenzt. Im allgemeinen kann
man sagen, daß dann, wenn irgendeine separate
Diffusion 36 innerhalb eines Abstands von ca. 20 bis
70 um von der N+-Diffusion 10A des Schutznetzwerks
angeordnet ist - wobei dies von dem Substratstrom
abhängig ist - der bipolare NPN-Transistor zwischen
diesen Diffusionen eingeschaltet wird und einen
unerwünschten bevorzugten Stromweg bzw. eine
Heißstelle 38 herstellt. Es ist sehr platzaufwendig,
alle nicht zugehörigen Diffusionen von jeder
Eingangsschutz-Diffusion in einem Abstand von mehr als
20 bis 70 um zu halten. Die Wirkung des bipolaren
Transistors ist zwar nicht an sich schädigend, doch
die Tatsache, daß sie in einer schmalen Bahn
stattfindet, welche die kürzeste Distanz zwischen den
Diffusionen darstellt, kann zu Schäden führen.
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Es ist möglich, diesen normalerweise unerwünschten
Bipolartransistor in vorteilhafter Weise als Teil
des Schutznetzwerks zu verwenden. Man betrachte
Fig. 1A. Wird er als ringförmige Diffusion 42 (ein
Bereich der N+-Diffusion (o)) ausgebildet, die die
Schutzdiffusion 10A in konzentrischer Weise
umschließt, so kann man annehmen, daß keine
unerwünschte Heißstelle entsteht. Der Abstand 44 muß
derart ausgebildet sein, daß der Transistor bei
normalen Betriebsniveaus nicht leitet, so daß die
N+-Diffusionen 10A, 42 unter diesen Bedingungen
voneinander isoliert bleiben. Da die ringförmige,
nicht zugehörige Diffusion 42 von derselben Maske
(und Schicht) wie die Eingangsschutzdiffusion 10A
herrührt, läßt sie sich ohne jegliche
Ausrichtungsprobleme exakt konzentrisch ausbilden. Der Abstand
ist überall der gleiche, und der Strom ist sehr
gleichmäßig verteilt, wenn ein Durchbruch
stattfindet. In Fig. 1A ist zu sehen, daß die ringförmige
Diffusion bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung nicht völlig rund ist, sondern
statt dessen den größten Teil des Umkreises der
unter dem Metallkontakt liegenden runden
Schutzdiffusionsschicht abdeckt und dann parallel zu der
langen zentralen Diffusionsbahn der Schutzschaltung
verläuft, wodurch überall ein gleichmäßiger Abstand
zu der Eingangsschutz-Diffusionsbahn gehalten wird.
Dieser verteilte bipolare NPN-Transistor
gewährleistet überall eine gleichmäßige Verteilung des
Durchbruchstroms, und zwar unter Vermeidung von
Heißstellen und Reduzierung der Stromdichte auf
erträgliche Niveaus; dies bedeutet, daß die
Schutzschaltung ihre hohe Widerstandscharakteristik nach
dem Durchbruch wiedererlangen kann. Was bisher als
"nicht zugehörige bzw. separate Diffusion"
bezeichnet worden ist, kann man nun als "Schutzring"
bezeichnen, der zu einem sicheren Schutz gegen
Beschädigung wird.
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Die Wirksamkeit des Schutzrings 42 wird durch
Verwendung eines Serienwiderstands zwischen dem
Schutzring und Masse gesteigert. Dies wird in
inhärenter Weise erzielt, da es sich bei dem
Schutzring 42 selbst um einen verteilten Widerstand
handelt. An Stellen 46 (Fig. 2F) ist er mit Vss
verbunden (nicht gezeigt), wobei es sich um Masse
handelt. Der an Masse angeschlossene
Serienwiderstand schafft einen Spannungsabfall in diesem
Widerstand während eines Durchbruchs, so daß der
Schutzring auf die Durchbruchspannung ansteigt.
Aufgrund des Ohmschen Spannungsabfalls entsteht
eine Verlustenergiezerstreuung in diesem Widerstand
sowie längs des Umkreises und des Bodens des N+-
Schutzrings 42 aufgrund des dort stattfindenden
Lawinendurchbruchs. Derselbe Ohmsche
Spannungsabfall erfolgt in der N+-Diffusion 10A und verläuft
über die Stelle 48 zu dem Eingangs-Gate 50, wobei
jedoch die mit dem Gate 50 verbundene Diffusion
durch eine Spannungsklemmschaltung geschützt ist,
die nachfolgend erläutert wird, so daß das Gate 50
gegenüber Spannungen geschützt ist.
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Wenn man sich jedes horizontale Segment 54 der
Länge der drei langgestreckten Diffusionen (am
deutlichsten in Fig. 1A zu sehen) als einen ein
separates Element bildenden, bipolaren Transistor
mit eigenem Kollektor, Basis und Emitter vorstellt,
ist die Summe des Kollektor- und Emitterwiderstands
konstant zu dem Basisstrom, der durch eine
Stromquellen-Lawineninjektion injiziert wird. Dies
zwingt die Fläche zwischen den Widerständen zur
Ableitung von Energie.
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Bis zu diesem Punkt war die Diskussion insgesamt
auf die Ableitung von elektrostatischer
Entladungsenergie in so gleichmäßig wie möglicher Weise über
eine Fläche und ein Volumen so groß wie möglich
gerichtet, um dadurch die spezielle
Strom-/Energiedichte zu reduzieren. Dies dient dazu, eine
Beschädigung des Eingangsschutznetzwerks gemäß der
Erfindung unter elektrostatischen Entladungsbelastungen
zu verhindern. Das übrige Augenmerk gilt dem Schutz
des Eingangs-Gates 50 des FET 52, wobei der
Eingangstransistor der integrierten Schaltung
geschützt ist. Siehe Fig. 2F. Die Gateisolieroxid-
Bruchspannung liegt normalerweise im Bereich von 40
bis 50 V. Im Gegensatz zu einem
Übergangs-Lawinendurchbruch, der zu keiner permanenten Schädigung
führt, es sei denn, es wird übermäßig Wärme pro
Volumeneinheit erzeugt, wird das Gateoxid durch
jeglichen Stromfluß durch dieses hindurch dauerhaft
geschädigt. Selbst unter sehr kontrollierten
Strombegrenzungsbedingungen, in denen der Gatestrom auf
winzige Beträge begrenzt ist und das Gate nicht
vollständig bricht, geht man durch das
Vorhandensein eingeschlossener Ladungen innerhalb des Oxids
Kompromisse hinsichtlich der Zuverlässigkeit des
Gateoxidisolators ein; daraus resultiert ein
permanenter Spannungsstreß.
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In der wirksamsten Weise befindet sich die beste
Stelle für eine Gate-Spannungsklemmung unmittelbar
an dem Gate 50, und zwar so weit wie möglich unten
an der Schaltung an dem Serienwiderstand der
Diffusionsschicht 10A. Die Gatekapazität und der
Seriendiffusionswiderstand bilden ein Tiefpassfilter an
dem Gate, das sehr kurze Entladungsimpulse an der
körperlichen Gate-Eingangsstelle integriert und
dämpft. Der Serienwiderstand muß den maximalen
Stromfluß durch die Spannungsquelle auf sichere
Niveaus begrenzen.
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Bei der am häufigsten verwendeten Spannungsklemmung
(nicht gezeigt) handelt es sich um einen
Anreicherungstransistor, dessen Drain mit dem zu
schützenden Gate verbunden ist und dessen Source und Gate
geerdet sind. Das geerdete Gate trägt einer Drain-
Durchbruchspannung Rechnung, die niedriger ist als
die übliche N+-Übergangs-Durchbruchspannung. Wenn
der Durchbruchstrom ausreichend hoch ist, schaltet
sich ein Bipolartransistor, der eine N+-Source als
Emitter, die P--Substratfläche als Basis und das
N+-Drain als Kollektor aufweist, ein, und zwar
unter Schaffung eines Rücksprung-Effekts. Bei
negativen Eingangsspannungen wird die Spannung durch
die N+/P-Diode auf eine Spannung in der
Größenordnung von 1 Volt geklemmt. Der
Anreicherungstransistor schaltet sich parallel dazu unter etwa
denselben Bedingungen ein. Eine derartige Spannungs-
Klemmung erfordert jedoch, daß in der Nähe eine
massive Vss-Metalleitung (Erdungsleitung) vorhanden
ist.
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Für den Fall, daß nur eine Vcc-Leitung
(Energiefuhrleitung) in der Nähe vorhanden ist, muß man
einen anderen Weg zum Klemmen der Spannung
verwenden. Es ist darauf hinzuweisen, daß während einer
elektrostatischen Entladung die Vorrichtung nicht
mit Energie gespeist wird und Vcc ebenso einen Weg
zur Masse wie Vss darstellt. Wie in Fig. 8 zu sehen
ist, bei der es sich um eine Querschnittsansicht
der Fig. 2F handelt, kann es sich bei der
Spannungsklemmvorrichtung um einen Metall- oder
Polysilizium-Inversionsfeldtransistor handeln,
dessen Gate 29 durch das Eingangsmetall 28, dessen
Source 10 durch Vss oder Vcc und dessen Drain 10A
durch die Diffusion an dem Ende des
Eingangswiderstands gebildet sind. Der Metallfeldinversions-
Schwellenwert beträgt ca. 30 bis 35 Volt. Je mehr
die Eingangsspannung steigt, desto stärker schaltet
dieser Klemmtransistor ein, so daß bei höheren
Eingangsspannungen die geklemmte Spannung an dem
Gate 50 des Eingangstransistors 52 sogar niedriger
als bei geringeren Eingangsspannungen ist. Der
"Ein" -Widerstand des Feldinversionstransistors
(Fig. 8) ist eine quadratische Funktion der
Eingangsspannung, doch der Lastwiderstand oder
Serienwiderstand ist konstant. Anstatt den
Feldinversionstransistor (Fig. 8) nur an dem Ende des
Serienwiderstands vorzusehen, kann er über die
gesamte Strecke zu der Eingangsdiffusion verlängert
werden, wobei dies vorzugsweise der Fall ist.
Zusätzlich zu dem Feldinversionstransistor wird dann,
wenn der Eingangsknoten 10A über die
Durchbruchspannung steigt, ein Bipolartransistor gebildet,
wobei N+ den Kollektor 10A, der P-(oder P+)-Bereich
des Substrats 12 die Basis und N+ den Emitter 10
bildet. Jeglicher Durchbruchstrom an dem Ende des
Kollektors 10A bildet auch den Basisstrom des
seitlichen NPN-Transistors. Derzeit ist nicht
vollständig bekannt, welcher Mechanismus zur überwiegenden
Leitung von der ringförmigen Eingangsdiffusion zu
dem konzentrischen Schutzring während einer
elektrostatischen Entladung beiträgt, doch man glaubt,
daß der größte Beitrag von dem seitlichen
Bipolartransistor stammt. Jedenfalls hat die Überlappung
des Abstandsfelds zwischen der Eingangsdiffusion
und dem geerdeten Schutzring keinen nachteiligen
Einfluß auf die Stromableitung bei einer
elektrostatischen Entladung und unter gewissen
Zeit-/Spannungsbedingungen
wird erwartet, daß dies auch einen
Beitrag zum Schutz leistet.