УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ РАЗРЯДОВ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ВЫВОДОВ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ МОП (МЕТАЛЛ-ОКИСЕЛ-ПОЛУПРОВОДНИК) ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА КНС (КРЕМНИЙ НА САПФИРЕ), КНИ (КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ) СТРУКТУРАХ Российский патент 2012 года по МПК H01L27/02 

Устройство защиты от разрядов статического электричества выводов комплементарных МОП (металл-окисел-полупроводник) интегральных схем на КНС (кремний на сапфире), КНИ (кремний на изоляторе) структурах.

Изобретение относится к полупроводниковой промышленности, в частности к интегральным микросхемам, и может быть использовано преимущественно для защиты от воздействия разрядов статического электричества входов и выходов кристаллов комплементарных МОП микросхем, изготовленных на эпитаксиальных структурах с изолированной подложкой.

Основной проблемой защиты от воздействия разрядов статического электричества на МОП транзисторы, сформированные в тонких эпитаксиальных слоях КНС (КНИ), является невозможность использования традиционных конструктивных решений, характерных для объемного кремния, ввиду отсутствия донных р-n переходов, обеспечивающих эффективный слив избыточного заряда в подложку.

Устройство должно обеспечивать быстрое пропускание тока (до двух ампер) без разрушения тонкого эпитаксиального островка и без пробоя подзатворного диэлектрика охранных элементов.

Известно устройство защиты выводов интегральных микросхем от электростатических разрядов («Устройство защиты выводов интегральных схем со структурой МДП от электростатических разрядов» патент RU 2308146 дата приоритета 13.12.2005 г., авторы Грошкова Н.М., Губин Я.С., Сибагатулин А.Г.), содержащее два ключевых транзистора, обеспечивающих протекание входного тока в зависимости от полярности на шину питания или земли и далее через элемент защиты цепей питания, два нагрузочных резистора и два транзистора, управляющих по затвору ключевыми транзисторами.

Однако в связи с тем, что в цепи протекания тока через каналы управляющих транзисторов включены нагрузочные резисторы, разность потенциалов между стоками и затворами управляющих транзисторов в момент воздействия разряда более 2000 вольт неизбежно приведет к пробою подзатворного диэлектрика или разрушению островка резистора.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство защиты входных цепей от статического электричества комплементарных МОП интегральных микросхем на структурах КНИ (кремний на изоляторе) («Method and structure for providing ESD protection for silicon on insulator integrated circuits» патент WO 9622613 дата приоритета 20.01.1995 г., авторы Staab David R., Li Sheau-Suey), содержащее два латеральных диода с затворами, два балластных резистора, один n-канальный транзистор, шину питания, шину земли и входную шину, при этом первый диод включен между шиной питания и первым балластным резистором, второй резистор включен между первым резистором и катодом второго диода, анод второго диода подключен к шине земли, защитный элемент цепей питания (n-канальный транзистор) стоковыми и истоковыми электродами подключен, соответственно, к шине питания и земли, а затвором накоротко соединен с шиной земли, входная шина подключена к узловой точке соединения балластных резисторов.

Однако данное решение обладает рядом недостатков по отношению к заявленному изобретению:

- конструкция латеральных диодов имеет затвор, лежащий на подзатворном диэлектрике над низколегированной областью базы диода, что может привести к пробою подзатворного диэлектрика,

- балластные резисторы, сформированные в островках эпитаксиального слоя, не обладают достаточной электрической прочностью для рассеивания большой мощности при воздействии напряжения более 2000 вольт,

- элемент защиты цепей питания (n-канальный транзистор) содержит затвор, накоротко подключеннный к шине земли, в то время как сток транзистора связан с шиной питания, так что статический разряд между землей и питанием воздействует на границу сток-затвор и может повредить подзатворный диэлектрик транзистора.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в том, чтобы исключить возникновение большой разности потенциалов (более 15 вольт) между затворами и сток-истоковыми областями охранных транзисторов и обеспечить быстрое пропускание тока (более двух ампер) без повреждения эпитаксиальных островков при воздействии разряда статического электричества до 3500 вольт. При этом цепи протекания тока должны обладать минимально возможным сопротивлением.

Данный технический результат достигается тем, что при возникновении разряда статического электричества (длительность импульса порядка 200 нсек) отрицательной полярности на входной шине (1) обеспечивается протекание разрядного тока (до 2 ампер) на шину земли одновременно по прямосмещенному латеральному диоду, имеющему развитый периметр границы р-n перехода не менее 500 мкм и удалены от контактов к токоведущим дорожкам в пределах 5 мкм÷2 мкм, и открытому транзистору Т (4), имеющему кольцевой затвор с большой шириной канала (не менее 250 мкм). При положительной полярности разряда ток протекает на шину земли одновременно по двум цепям: через транзистор Т (4), который открывается по переднему фронту разряда, т.к. его затвор заряжается через проходную емкость сток-затвор, а высокоомный резистор (не менее 20 кОм), подключенный к земле, препятствует быстрому выключению, и последовательно через прямосмещенный латеральный диод Д (2) и транзистор Т(6), затвор которого также резко заряжается по переднему фронту разряда.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

- на Фиг.1 изображена принципиальная схема устройства защиты выводов от разрядов статического электричества выводов комплементарных МОП (металл-окисел-полупроводник) интегральных схем на КНС (кремний на сапфире), КНИ (кремний на изоляторе) структурах,

- на Фиг.2 изображен разрез эпитаксиальной структуры устройства защиты выводов от разрядов статического электричества выводов комплементарных МОП (металл-окисел-полупроводник) интегральных схем на КНС (кремний на сапфире), КНИ (кремний на изоляторе) структурах,

Устройство защиты выводов от разрядов статического электричества выводов комплементарных МОП (металл-окисел-полупроводник) интегральных схем на КНС (кремний на сапфире), КНИ (кремний на изоляторе) структурах содержит вывод контактной площадки (1), связанный низкоомной металлизированной шиной с другими элементами схемы, латеральные диоды Д (2) (Фиг.2. 201, 202, 203) и Д (3) (Фиг.2. 301, 302, 303), которые обеспечивают протекание разрядного тока большой величины, анод Д (2) (Фиг.2. 203) и катод Д (3) (Фиг.2. 301) связаны с входной шиной, катод Д (2) (Фиг.2. 201) подключен к шине положительного питания (+Еп) (8), а анод Д (3) (Фиг.2. 303) - к шине земли (▼) (9). Сток (исток) кольцевого n-канального транзистора Т (4) (Фиг.2. 403) связан с входной шиной, исток (сток) (Фиг.2. 401) подключен к шине земли (9), а затвор (Фиг.2. 405) подключен к шине земли через высокоомный резистор Р (5) (Фиг.2. 501, 502, 503). Между шинами питания (8) и земли (9) включен кольцевой n-канальный транзистор Т (6) (Фиг.2. 601-605) (элемент защиты цепей питания), затвор которого (Фиг.2. 604) подключен к шине земли через высокоомный резистор Р (7) (Фиг.2. 701, 702, 703). Сигнал с контактной площадки поступает на электроды внутренней схемы (10).

Также на Фиг.2 изображены элементы: 1100 - изолирующая подложка (сапфир или окисел), 404 и 405 подзатворный диэлектрик транзисторов Т(4) и Т(6), соответственно.

Устройство работает следующим образом.

При возникновении разряда статического электричества отрицательной полярности на входной шине (1) обеспечивается протекание разрядного тока (до 2 ампер) на шину земли (9) одновременно по прямосмещенному латеральному диоду Д (3) и открытому транзистору Т (4). При положительной полярности разряда ток протекает на шину земли одновременно через транзистор Т (4), который открывается по переднему фронту разряда, т.к. его затвор заряжается через проходную емкость сток-затвор, а также последовательно через прямосмещенный латеральный диод Д (2) и транзистор Т(6), затвор которого резко заряжается по переднему фронту разряда.

Изобретение относится к полупроводниковой промышленности. Сущность изобретения: в устройстве защиты от разрядов статического электричества выводов комплементарных МОП интегральных схем на КНС, КНИ структурах вывод контактной площадки (1) связан с латеральными диодами Д (2) и Д (3), стоком транзистора Т (4) и внутренними электродами схемы (10), латеральные диоды Д (2) и Д (3), анод Д (2) и катод Д (3) связаны с входной шиной, катод Д (2) подключен к шине положительного питания (8), а анод Д (3) - к шине земли (9), сток (исток) n-канального транзистора Т (4) связан с входной шиной, исток (сток) подключен к шине земли (9), а затвор подключен к шине земли через резистор Р (5), между шинами питания (8) и земли (9) включен n-канальный транзистор Т (6), затвор которого подключен к шине земли через резистор Р (7). Латеральные диоды сформированы в одиночных островках эпитаксиальной структуры, имеют развитый (длинный) периметр границы р-n перехода, удаленной от контактов к токоведущим шинам, и не имеют затвора над низколегированными областями базы, а n-канальные транзисторы имеют кольцевые затворы, которые связаны с шиной земли через высокоомные резисторы, области каналов транзисторов не подключены к фиксированным потенциалам. Изобретение обеспечивает быстрое пропускание тока без повреждения эпитаксиальных островков при воздействии разряда статического электричества до 3500 вольт. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство защиты от разрядов статического электричества выводов комплементарных МОП (металл-окисел-полупроводник) интегральных схем на КНС (кремний на сапфире), КНИ (кремний на изоляторе) структурах, содержащее вывод контактной площадки (1), связанный с латеральными диодами Д (2) и Д (3), стоком транзистора Т (4) и внутренними электродами схемы (10), латеральные диоды Д(2) и Д (3), анод Д (2) и катод Д (3) связаны с входной шиной, катод Д (2) подключен к шине положительного питания (8), а анод Д (3) - к шине земли (9), сток (исток) n-канального транзистора Т (4) связан с входной шиной, исток (сток) подключен к шине земли (9), а затвор подключен к шине земли через резистор Р (5), между шинами питания (8) и земли (9) включен n-канальный транзистор Т (6), затвор которого подключен к шине земли через резистор Р (7), отличающееся тем, что латеральные диоды сформированы в одиночных островках эпитаксиальной структуры, имеют развитый (длинный) периметр границы р-n перехода, удаленной от контактов к токоведущим шинам, и не имеют затвора над низколегированными областями базы, а n-канальные транзисторы имеют кольцевые затворы, исключающие воздействие электростатического разряда на торцы островковой эпитаксиальной структуры, затворы транзисторов связаны с шиной земли через высокоомные резисторы, что обеспечивает резкое кратковременное открытие канала транзисторов при воздействии разряда статического электричества, области каналов транзисторов не подключены к фиксированным потенциалам, тем самым обеспечивая униполярность транзисторов при пропускании тока статического электричества.

2. Устройство защиты от разрядов статического электричества выводов комплементарных МОП (металл-окисел-полупроводник) интегральных схем на КНС (кремний на сапфире), КНИ (кремний на изоляторе) структурах по п.1, отличающееся тем, что границы р-n переходов диодов имеют развитый периметр длиною не менее 500 мкм и удалены от контактов к токоведущим шинам в пределах 5 мкм - 2 мкм.

3. Устройство защиты от разрядов статического электричества выводов комплементарных МОП (металл-окисел-полупроводник) интегральных схем на КНС (кремний на сапфире), КНИ (кремний на изоляторе) структурах по п.1, отличающееся тем, что затворы п-канальных транзисторов связаны с шиной земли через высокоомный резистор с сопротивлением не менее 20 кОм.