Der Schutz gegen elektrostatische Entladungen (ESD, "Electrostatic Discharge") ist unabdingbar für moderne integrierte Schaltungen (ICs). Nahezu alle diese ICs enthalten zu diesem Zweck ESD-Schutzschaltungen.

Eine hierzu übliche Schaltungsanordnung ist in Figur 2 dargestellt. Eine integrierte Schaltung 7 enthält einen Schaltungsteil 6, dem über einen Anschluss 3 Signale zuführbar sind oder der über den Anschluss 3 abzugreifende Signale erzeugt. Die integrierte Schaltung wird über einen Anschluss 1 mit einer positiven und über einen Anschluss 2 mit einer negativen Versorgungsspannung versorgt.

Der Schaltungsteil 6 kann beispielsweise empfindliche Gateoxide enthalten, welche vor zum Beispiel von Personen auf den Anschluss 3 übergreifende elektrostatischen Entladungen geschützt werden soll. Dies wird durch eine erste ESD- Schutzstufe 4, einen Widerstand 8 und eine zweite ESD- Schutzstufe 5 erreicht. Dabei umfassen die erste und die zweite ESD-Schutzstufe 4,5 ESD-Schutzelemente 41,42 beziehungsweise 51,52, welche die elektrostatische Entladung auf die positive oder negative Versorgungsspannung ableiten.

Diese ESD-Schutzelemente 41,42, 51,52 können beispielsweise durch Dioden, n-MOS ("Metal Oxide Semiconductor")- Transistoren, Bipolartransistoren oder dergleichen realisiert werden. Der Widerstand 8, welcher typischerweise im Bereich

von 100Q-1000Q liegt, stellt einen zusätzlichen Schutz für die empfindlichen Gateoxide des Schaltungsteils 6 dar.

Eine derartige Schaltungsanordnung führt bei Hochgeschwindigkeits-ICs zunehmend zu Problemen. Die maximale Frequenz von an Anschlüssen des ICs anliegenden Signalen erreicht bei modernen CMOS-Technologien inzwischen etwa lOGHz. Bei diesen Frequenzen bilden der Widerstand 8 und die Kapazitäten der ESD-Schutzelemente 41,42, 51,52 ein RC-Glied, welches derartige hohe Frequenzen stark dämpft und die obere Grenzfrequenz für den Betrieb eines mit einer derartigen Schutzschaltung ausgestatteten ICs stark reduziert. In diesen Hochgeschwindigkeits-ICs wird daher auf die zweite ESD- Schutzstufe 5 verzichtet, was jedoch zu einer geringen ESD- Festigkeit führt.

Ein weiteres Problem bei integrierten Schaltungen ist der so genannte Latch-Up. Beim externen Latch-Up werden z. B. durch eine kurzfristige Oberspannung an einem Anschluss der integrierten Schaltung Ladungsträger in ein Halbleitersubstrat in der integrierten Schaltung injiziert.

Diese Ladungsträger diffundieren in das Innere des ICs und erzeugen dort einen Spannungsabfall im Halbleitersubstrat, welcher beispielsweise einen im IC vorhandenen Thyristor aufsteuern und somit zu einer Fehlfunktion oder auch zur Zerstörung der Schaltung führen kann. Daher müssen in derartigen Schaltungen Latch-Up-Schutzmassnahmen getroffen werden. Diese Schutzmassnahmen bestehen typischerweise aus sogenannten Guardringen, d. h. Ringen aus n-oder p- diffundierten Bereichen, welche mit einem Signalpfad verbundene diffundierte Bereiche umgeben. Durch Anlegen einer Betriebsspannung an diese Ringe können die injizierten Ladungsträger wieder aus dem Halbleitersubstrat entfernt und somit unschädlich gemacht werden. Der Nachteil dieser Schutzmassnahmen besteht in einem zusätzlichen Platzbedarf und einem erhöhten Layoutaufwand für die integrierte Schaltung.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, welche einerseits einen guten ESD-Schutz bei gleichzeitiger Hochfrequenztauglichkeit und zudem einen Schutz vor Latch-Up-Effekten bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Kapazität als ESD- Schutzelement zu verwenden, wobei ein erster Anschluss der Kapazität mit einem zu schützenden Schaltungsteil einer integrierten Schaltung verbunden ist und ein zweiter Anschluss der Kapazität derart verschaltet ist, dass ein dem Schaltungsteil zuzuführendes Signal oder ein von dem Schaltungsteil erzeugtes Signal über die Kapazität an das Schaltungsteil beziehungsweise von dem Schaltungsteil übertragen wird. Diese Kapazität wird im allgemeinen mit in der integrierten Schaltung integriert sein.

Durch diese Kapazität kann insbesondere ein Vorwiderstand und eine zweite ESD-Schutzstufe ersetzt werden. Die gesamte Schaltungsanordnung kann in diesem Fall beispielsweise aus einer ersten ESD-Schutzstufe und der Kapazität bestehen, wobei im Prinzip auch zufrieden stellende Ergebnisse ohne eine derartige erste ESD-Schutzstufe erzielt werden können.

Die Schutzwirkung der Kapazität besteht darin, dass sie einen Hochpass darstellt, der so zu dimensionieren ist, dass er die dem Schaltungsteil zuzuführenden oder von dem Schaltungsteil erzeugten hochfrequenten Signale passieren lässt, während er für elektrostatische Entladungen und/oder Latch-Up-Ströme, welche langsamere Anstiegszeiten als die hochfrequenten Signale aufweisen, ein Sperrverhalten aufweist.

Dabei gibt es verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für diese Kapazität, zum Beispiel als Metall-Isolator-Metall- Kapazität (MIMCAP), als auf polykristallinem Silizium basierende Kapazität (Poly-Poly-Kapazität), als Gridkapazität (Grid-Cap), als MOS ("Metall Oxide Semiconductor")-Kapazität (MOSCAP), als Metall-Metall-Kapazität oder als Gatekapazität.

Eine mögliche Erweiterung der Schaltung stellen Dioden von dem ersten oder dem zweiten Anschluss der Kapazität zu einer positiven und/oder negativen Versorgungsspannung dar, welche eine kleine Kapazität, insbesondere eine kleinere Kapazität als die zum ESD-Schutz eingesetzte Kapazität, aufweisen.

Diese können den Schutz vor elektrostatischen Entladungen weiter verbessern, ohne die Hochfrequenztauglichkeit zu beeinträchtigen.

Eine weitere Erweiterung der Schaltung stellt eine Verbindung eines Anschlusses der Schaltungsanordnung, über den dem zu schützenden Schaltungsteil beispielsweise Signale zuführbar sind, mit einem hochohmigen Schaltungsmittel, zum Beispiel mit einem Widerstand oder einem sperrenden Transistor, mit einer Versorgungsspannung dar. Hierdurch kann das Gleichstrom (DC) potential an dem entsprechenden Anschluss genau definiert werden.

Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ein sehr guter ESD-Schutz bei gleichzeitiger Hochfrequenztauglichkeit erreicht werden und zudem ohne weiteren Aufwand eine Schaltung vor Latch-Up-Effekten geschützt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen oder Latch-Up-Effekten.

Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen gemäß dem Stand der Technik.

Bei der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird einer integrierten Schaltung 7 über einen Anschluss 1 eine positive Versorgungsspannung (VDD) und über einen Anschluss 2 eine negative Versorgungsspannung (VSS) zugeführt. Einem Schaltungsteil 6 der integrierten Schaltung 7 ist über einen Anschluss 3 ein hochfrequentes Signal mit einer Frequenz von typischerweise einigen GHz zuführbar. Selbstverständlich ist es prinzipiell auch möglich, dass der Anschluss 3 einen Ausgang darstellt, an dem ein von dem Schaltungsteil 6 erzeugtes Signal abgreifbar ist, dies ändert nichts an der Funktionsweise des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels als ESD-Schutzschaltung.

Der Schaltungsteil 6 enthält beispielsweise empfindliche Gateoxide, welche vor elektrostatischen Entladungen geschützt werden müssen. Zudem soll verhindert werden, dass Ladungsträger, die beispielsweise durch kurzfristige Überspannungen am Anschluss 3 erzeugt werden, in den Schaltungsteil 6 gelangen und zu Latch-Up-Effekten führen.

Als eine erste ESD-Schutzstufe 4 dienen ESD-Schutzelemente 41,42, welche einen Teil der elektrostatische Entladung auf die positive oder negative Versorgungsspannung ableiten.

Diese ESD-Schutzelemente können beispielsweise Dioden, n- MOS ("Metal Oxide Semiconductor")-Transistoren, Bipolartransistoren oder dergleichen umfassen.

Nach dieser ersten ESD-Schutzstufe 4 ist eine Kapazität 9 vor den zu schützenden Schaltungsteil 6 geschaltet. Diese Kapazität 9 ersetzt in diesem Ausführungsbeispiel den in der

weiter oben erläuterten Figur 2 dargestellten Widerstand 8 und die zweite ESD-Schutzstufe 5. Die Anstiegszeiten typischer elektrostatischer Entladungen von einer Person auf den Anschluss 3 der Schaltungsanordnung betragen entsprechend dem Human Body Modell (HBM) mehrere Nanosekunden, während bei Hochfrequenzanwendungen die typischen über die Kapazität zu dem Schaltungsteil 6 zu übertragenden Signale eine Frequenz von mehreren GHz besitzen und somit in der Zeitskala etwa einen Faktor 10 unterhalb der typischen elektrostatischen Entladungen liegen. Damit kann die Kapazität 9 bei entsprechender Dimensionierung als Hochpass wirken, welcher für die der Schaltung zuzuführenden Signale ein Durchlassverhalten aufweist, während er für elektrostatische Entladungen ein Sperrverhalten aufweist. Typische Grenzfrequenzen der Kapazität 9 liegen entsprechend im Bereich größer oder gleich lGHz, was auf der Zeitskala ein Sperrverhalten für Anstiegszeiten oberhalb eines Grenzwerts von etwa lns und ein Durchlassverhalten für Anstiegszeiten unterhalb dieses Grenzwerts von etwa lns bedeutet.

Als Kapazität 9 kann bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Metall-Isolator-Metall-Kapazität (MIMCAP) verwendet werden. Die Durchbruchspannung einer derartigen Kapazität beträgt typischerweise 40V und ist somit ausreichend hoch, die Spannung einer elektrostatischen Entladung, die nach der ersten ESD-Schutzstufe typischerweise 10V beträgt, zu überstehen. Selbstverständlich können auch andere Kapazitäten mit hinreichender Spannungsfestigkeit, beispielsweise eine Metall-Metall-Kapazität, eine auf polykristallinem Silizium basierende Kapazität (Poly-Poly- Kapazität), eine Gridkapazität (Grid-Cap), eine MOS ("Metall Oxide Semiconductor")-Kapazität (MOSCAP), eine Gatekapazität oder dergleichen, eingesetzt werden.

Mit einem derartigen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel konnte durch den Einsatz einer Kapazität 9 beispielsweise eine ESD-Festigkeit von über 2000V gemäß HBM erreicht werden,

während eine Schaltungsanordnung nur mit einer ersten ESD- Stufe lediglich eine ESD-Festigkeit von unter 500V HBM erreichte. Gleichzeitig konnte die Hochfrequenztauglichkeit bei Frequenzen von 3GHz nachgewiesen werden, welche beispielsweise bei einem Einsatz eines Widerstandes und einer zweiten ESD-Schutzstufe wie in Figur 2 nicht gegeben ist.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel stellt gleichzeitig einen Latch-Up-Schutz für den Schaltungsteil 6 dar. Die Zeitskalen typischer beispielsweise durch eine kurzfristige Überspannung hervorgerufenen Latch-Up-Ereignisse liegt im Bereich einiger Mikrosekunden bis zu einigen Millisekunden.

Damit stellt eine Kapazität 9, welche für Signale mit einer Anstiegzeit oberhalb eines Grenzwertes von beispielsweise 1us ein Sperrverhalten und für Signale unterhalb dieses Grenzwerts von lus ein Durchlassverhalten aufweist, ein Schutzelement für Latch-Up-Ereignisse dar. Insbesondere liegt dieser Grenzwert für Latch-Up-Ereignisse über demjenigen für elektrostatischen Entladungen. Daher bietet eine für den ESD- Schutz dimensionierte Kapazität gleichzeitig ohne weiteren Aufwand Schutz vor Latch-Up-Effekten.

Mögliche Erweiterungen des in Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels stellen beispielsweise Dioden mit kleinem kapazitiven Belag von einem der Anschlüsse der Kapazität 9 zu der positiven oder negativen Versorgungsspannung dar, um den ESD-Schutz weiter zu verbessern. In Figur 1 ist eine derartige Diode 10 beispielhaft getrichelt angedeutet. Dabei sollte die Kapazität der Dioden 10 so klein sein, dass die Hochfrequenztauglichkeit der Anordnung nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere sollte die Kapazität der Dioden 10 im Allgemeinen kleiner als die der Kapazität 9 sein. Typische Werte für die Kapazitäten dieser Dioden 10 liegen im Bereich von einigen 10 fF.

Weiterhin ist es möglich, den Anschluss 3 mit hochohmigen Schaltungsmittel, beispielsweise einem Widerstand oder einem sperrenden Transistor, mit einer Versorgungsspannung zu verbinden, um das Gleichstrom (DC) potential an dem Anschluss 3 genau zu definieren. Ein Beispiel für einen derartigen Widerstand 11 ist ebenfalls in Figur 1 gestrichelt angedeutet. Der Widerstand dieses hochohmigen Schaltungsmittels 11 beträgt dabei typischerweise über 100kQ.