AT409901B - Integrierter schaltkreis mit leitung für hochfrequente signale - Google Patents

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Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis, aufgebaut auf einem Halbleiter-Substrat, mit zumindest einer Leiterbahn für hochfrequente Signale, die auf einem, beispielsweise aus Silizium gebildeten, Dielektrikum festgelegt ist, das am mit der elektrischen Masse des Schaltkreises verbundenen Halbleiter-Substrat angeordnet ist, wobei Leiterbahn und Halbleiter-Substrat die beiden elektrischen Leiter einer Signalübertragungsleitung für hochfrequente Signale bilden. 



   Das Übertragen von hochfrequenten Signalen wird in der Literatur vielfach behandelt, als diesbezügliche Veröffentlichungen seien die folgenden beiden Dokumente angegeben
Die DE-A1-198 06 601 beschäftigt sich mit der Auslegung einer Busplatine für Hochgeschwindigkeits-Computer. Eine solche Busplatine trägt eine oder mehrere Signalleitungen, über welche die auf die Busplatine aufgesteckten Leiterplatten miteinander verbunden sind Ziel der DE-A1-198 06 601 ist es, Massnahmen anzugeben, mit weichen die Signalqualität bei höheren Frequenzen gesteigert werden kann. Diese Massnahmen bestehen in der Dimensionierung der Impedanz der Signalleitungen, ganz konkret soll diese Impedanz bei Datenfrequenzen von grösser 10 MHz kleiner gleich 30 Ohm sein. 



   In der DE-A1-1 591 763 wird ein für Höchstfrequenzen geeigneter Duplexschalter beschrieben, der auf einem Halbleiterträger mit sehr hohem spezifischem Widerstand aufgebaut ist. Dieser Träger kann beispielsweise ein p-dotiertes Silizium mit einem spezifischen Widerstand grösser als 1500 Qcm sein. Die einzelnen Bauteile des Duplexschalters sind durch auf den Träger aufgebrachte Schichten gebildet. Durch Auswahl der Breite der Mikroübertragungsleitungen kann deren Wellenwiderstand auf   einen "gewünschten" Wert eingestellt   werden. 



   In der Haibleitertechnik spricht man von einer"interconnect crisis", womit das Problem bezeichnet wird, dass die signalverarbeitenden Bauteile eines integrierten Schaltkreises (in der Regel Transistoren) bereits schneller arbeiten, als die zu verarbeitenden Signale ihnen über die elektrischen Zuleitungen zugeführt werden können. 



   Dieser, die mögliche Geschwindigkeit von integrierten Schaltkreisen negativ beeinflussende Effekt kommt dadurch zustande, dass die Zuführungsleitungen mehr Zeitverzögerungen verursachen als die Transistoren. 



   Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen integrierten Schaltkreis der eingangs angeführten Art anzugeben, bei welchem dieses Problem vermieden ist, d. h. über dessen zumindest eine Leiterbahn Signale nahezu unverzögert, d. h. mit Lichtgeschwindigkeit und damit nahezu verzerrungsfrei übertragen werden können. 



     Erfindungsgemäss   wird dies dadurch erreicht, dass das Dielektrikum zumindest in jenem Be- 
 EMI1.1 
 
 EMI1.2 
 ter ohmscher Widerstand,   C'=differentielle   Kapazität und   L'=differentielle Induktivität   der Signal- übertragungsleitung für hochfrequente Signale, und damit das bekannte Kriterium für eine verzerrungsarme bzw. verzerrungsfreie Leitung erfüllt ist. 
 EMI1.3 
 
 EMI1.4 
 
Ableit-Null ist. Damit Ist eine   verzögerungs-und   verzerrungsfreie, mit Lichtgeschwindigkeit erfolgende Signalübertragung möglich. 
 EMI1.5 
 
 EMI1.6 
    von - hält,verzögerung- bzw.   verzerrungsarme   Signalübertragung möglich. Die "interconnect cnsis"scheint   mit dieser Erfindung behebbar zu sein. 



   Gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Dielektri-   kum durch eine durchgängige Schicht aus schwach, beispielsweise mit einer Akzeptorendichte von 6. 1014 cm-3, dotierten Silizium-Einkristallen gebildet ist.   



   Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das Dielektrikum durch eine durchgängige Schicht 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 aus polykristallinem Silizium gebildet ist. 



   Beide Materialien sind in der Halbleitertechnologie -insbesondere in der   IC-Herstellunggängige   Materialien, womit die Realisierung der Erfindung unter Verwendung dieser Materialien besonders unaufwendig   1St.   



     Gemäss   einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Dielektrikum durch eine elektrisch isolierende Schicht gebildet ist, in welche konzentrierte Widerstände in Gestalt elektrisch leitender, sich durch die Dicke des Dielektrikums hindurch erstreckender Abschnitte eingebracht sind. 



   Eine elektrisch isolierende Schicht lässt sich einfacher herstellen als eine Schicht mit einem vorgegebenen, ganz bestimmten und über weite Bereiche der Schicht konstanten Widerstand, so wie dies gemäss den vorstehenden Ausführungsformen notwendig ist. Ein an sich elektrisch isolierendes Dielektrikum enthaltend konzentrierte Widerstände ist demgegenüber insgesamt technisch einfacher herzustellen. 



   Bei einem integrierten Schaltkreis, aufgebaut auf einem Halbleiter-Substrat, mit zumindest einer Leiterbahn für hochfrequente Signale, die am mit der elektrischen Masse des Schaltkreises verbundenen Halbleiter-Substrat angeordnet ist, wobei Leiterbahn und Halbleiter-Substrat die beiden elektrischen Leiter einer Signalübertragungsleitung für hochfrequente Signale bilden, ist zur Erreichung der oben angeführten Aufgabe der Erfindung vorgesehen, dass die Leiterbahn zumindest abschnittsweise durch zwei planparallele, unmittelbar aufeinander liegende Halbleiterschichten gebildet ist, von welchen die erste Schicht p-dotiert und die zweite Schicht n-dotiert ist, womit diese beiden Schichten einen   pn-Übergang   bilden, wobei an den pn-Übergang eine diesen in Sperrichtung vorspannende Vorspannung in solcher Höhe angelegt ist,

   dass der zwischen der 
 EMI2.1 
 
 EMI2.2 
 Kapazität und   L'=differentlelle Induktivität   der Signalübertragungsleitung für hochfrequente Signale und so das bekannte Kriterium für eine verzerrungsarme bzw. verzerrungsfreie Leitung erfüllt ist. 



   Diese Ausgestaltungsvariante hat gegenüber den zuvor angeführten den Vorteil, dass die Grö- 
 EMI2.3 
 
 EMI2.4 
 
 EMI2.5 
 



   Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt :
Fig. 1 ein Leitungs-Ersatzschaltbild und
Fig. 2 bis 4 jeweils einen in vertikaler Richtung im Bereich einer Leiterbahn 1 durch einen erfindungsgemässen integrierten Schaltkreis geführten Schnitt, wobei der Schaltkreis jeweils in einer anderen Ausführungsform aufgebaut ist. 



   Die Ursache der schon eingangs   erwähnten "interconnect   crisis", wonach Signale In integrierten Schaltkreisen im Vergleich zur hohen Arbeits-Geschwindigkeit der signalverarbeitenden Bauteile des integrierten Schaltkreises zu langsam transportiert werden, kann am besten durch die Berechnung eines Leitungs-Ersatzschaltbildes (Fig. 1) verdeutlicht werden :
Die homogene Leitung ist zum Zweck dieser Berechnung -so wie in Fig. 1 dargestellt- in infinitesimale Streifen der Länge dx geteilt.

   Jede, eine Leitungs-Länge dx repräsentierende Zelle ist durch eine Induktivität pro Längeneinheit L' eine Kapazität pro Langeneinheit C' einen Längswiderstand pro Längeneinheit R', und einen Querleitwert pro Längeneinheit G' gekennzeichnet. 
 EMI2.6 
 

 <Desc/Clms Page number 3> 

   (- < fl=ss-ja (1)    als komplexer Ausbreitungskonstante das Ergebnis : 
 EMI3.1 
 sign   a = sign ss   (2c) (vgl. F.

   Paschke, Modellbildung, Skriptum S. 140,144, Eingenverlag von inst. 359 der TU Wien, Sept. 1995) Für den komplexen Wellenwiderstand 
 EMI3.2 
   manerhält man    
 EMI3.3 
 sign Xo = sign(L'G'-C'R') (4c) Für herkömmliche Verbindungsleitungen in integrierten Schaltkreisen, z.B. miniaturisierten Alumi-   nium-Streifenleitungen   mit Quarz   (SiOz)   als Isolator, gilt : G' 0 (5a) und meistens    & )   L'   R' (5b) so dass 
 EMI3.4 
 Damit sinkt die Ausbreitungsgeschwindigkeit weit unter die Lichtgeschwindigkeit, die erst bei sehr hohen Frequenzen, wo G' 0 (7a)   # L"# R' (7b)   gilt, erreicht werden kann. Mit der dispersionsbedingten Verzögerung ist auch eine Verzerrung von Signalen (Impulsformen) verbunden. 



  Abhilfe schafft die Einführung eines ganz bestimmten differentiellen Ableitverlustes G', der dazu 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 führt, dass Xo = 0 wird, womit der Wellenwiderstand nur noch einen ohmschen Anteil aufweist : Für 
 EMI4.1 
   liefern die GI. (2) bis (4)    
 EMI4.2 
 
 EMI4.3 
 mit c als Lichtgeschwindigkeit, und 
 EMI4.4 
   Xo = 0 (10b)    
Diese "verzerrungsfreie Leitung" ist aus der Literatur seit langem bekannt. Sie wird in der Regel nicht eingesetzt, da die mit der Einführung des   Ableitverlustes     G'verbundene   Erhöhung der Leitungsdämpfung nicht akzeptiert werden kann. Die verzögernde Wirkung von R'C' (siehe   GI.

   (6a))   wird dabei dadurch aufgehoben, dass ein bestimmter spannungsabhängiger Verlust, charakterisiert durch   G',   eingebaut wird (der mit   R'verbundene Verlust   ist natürlich stromabhängig). 



   Erfindungsgemäss ist nun-entgegen der bisherigen Vorgangsweise der Fachwelt, die verzerrungsfreie Leitung aufgrund ihrer dämpfenden Wirkung nicht zu verwenden-vorgesehen, in einem integrierten Schaltkreis, der auf einem Halbleiter-Substrat 4 aufgebaut ist (vgl. Fig. 2) und zumindest eine Leiterbahn 1 aufweist, die auf einem Dielektrikum 2, das am mit der elektrischen Masse des Schaltkreises verbundenen Halbleiter-Substrat 4 angeordnet ist, wobei Leiterbahn 1 und Halbleiter-Substrat 4 die beiden elektrischen Leiter einer Signalübertragungsleitung bilden, diese verzerrungsfreie Leitung einzusetzen. 
 EMI4.5 
 
 EMI4.6 
 
 EMI4.7 
 
 EMI4.8 
    ! e) ! erAbieitver ! ust G'einen Wert im Bereich von G'=--20% aufweist. (R'=differentiet ! erverzögerungs-und   verzerrungsfreie Signalübertragung über die betroffene Leitung möglich ist.

   Selbst wenn aber dieses Optimum nicht genau erreicht wird,   d. h.   der Ableitverlust G'nur einen im Bereich von +20% dieses Optimums liegenden Wert aufweist, ist eine deutlich verbesserte,   d. h.   sehr   verzogerungs- und   verzerrungsarme   Signalübertragung möglich.   



   Das Dielektrikum 2 kann vollflächig oder auch nur im Bereich der Leiterbahn 1 mit einem Ab- 
 EMI4.9 
 
 EMI4.10 
 
 EMI4.11 
 
 EMI4.12 
 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 
G'dergemass einer ersten, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, dass das Dielektrikum 2 als durchgängige Schicht aus einem elektrisch schwach leitenden Material ausgebildet wird. An konkreten Beispielen kann eine Schicht aus schwach dotierten Silizium-Einkristallen oder eine Schicht aus polykristallinem Silizium angeführt werden. 



   Das Dielektrikum 2 weist eine Leitfähigkeit K, eine Dielektrizitätskonstante   c und   eine Permea-   bilitat f1 auf   Die metallischen Leiterbahnen 1 haben einen spezifischen Widerstand p,. Sind diese Leiterbahnen   1 -so wie In   einem integrierten Schaltkreis der Fall- als dünne Streifen ausgeführt, dominiert der Streifen Im Widerstand R', so dass 
 EMI5.1 
 angenommen werden kann. 



  Für Aluminium, aus welchem Material die Leiterbahn 1 gebildet ist, gilt   p= 2, 8 10-6 Qm    und für Silizium als Dielektrikum 2   e9, 7 10' As/Vm 1, 26- 10' Vs/Am     Gl.   (8) fordert 
 EMI5.2 
 Mit der   exemplarische   Geometrie 
 EMI5.3 
 wird   K=2, 16A/Vm.    



   Leitfähigkeiten K In diesem Grössen-Bereich lassen sich sehr leicht durch Verwendung der schon erwähnten Schichten aus schwach dotierten   Silizium-Einkristallen, z. B   p-dotiert mit einer Akzeptorendichte von 61014 cm-3 (vgl. G. Fasching, Werkstoffe für die Elektrotechnik, S 354, Springer Verlag, Wien 1984) oder aus polykristallinem Silizium erzielen. 



   Die Erfindung kann beispielsweise zur Übertragung von Signalen zwischen zwei, auf dem Halbleiter-Substrat 4 aufgebauten Puffertransistoren eingesetzt werden, indem die zwischen diesen beiden Transistoren liegende Signalübertragungs-Leitung als verzerrungsfreie Leitung ausgebildet wird. Der senderseitige, in Drainbasis (bzw. Kollektorbasis)-Schaltung verschaltene Puffertransistor weist einen hochohmigen Eingang und einen niederohmigen Ausgang und der empfängerseitige, in Gatebasis (bzw. Blockbasis)-Schaltung verschaltene Puffertransistor einen niederohmigen Eingang und einen hochohmigen Ausgang auf. Der Ausgang der senderseitigen Transistor-Schaltung ist genauso wie der Eingang der empfängerseitigen Transistor-Schaltung an die erfindungsgemässe verzerrungsfreie Leitung damit gut angepasst. 



   Gemäss einer zweiten, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Dielektrikum 2 nicht als durchgängige, elektrisch schwach leitende Schicht ausgebildet, sondern ist eine elektrisch Isolierende Schicht. In diese sind elektrisch leitende, sich quer durch die Dicke d des Dielektrikums 2 hindurch erstreckende elektrisch leitende Abschnitte 5 eingebracht. Diese elektrisch leitenden Abschnitte 5 bilden konzentrierte elektrische Widerstände, welche den erfindungs- 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 
 EMI6.1 
 
 EMI6.2 
 können, ist entsprechend dotiertes, beispielsweise aus Silizium gebildetes Substratmaterial.

   So   konnen   die Abschnitte 5 mit der Geometrie gemäss Fig. 2 von   d=2llm   und   t=0, 5gm   p-dotiert und mit einer Akzeptorendichte von 2,   7'1015     cm'   ausgestattet sein. 



   Fig. 4 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der gegenständlichen Erfindung, die von den bisher behandelten beiden ersten Ausführungsformen insofern abweicht, als die Leiterbahn 1 zumindest abschnittsweise nicht durch einen Metallstreifen, sondern durch einen in Sperrichtung vorgespannten pn-Obergang 3 gebildet   1St.   Dazu umfasst die Leiterbahn 1 zwei planparallele, unmittelbar aufeinander liegende Halbleiterschichten 30, 31. Die erste Schicht 30 ist dabei p-dotiert und die zweite Schicht 31 ist n-dotiert. Dieser   pn-Obergang   3 liegt wieder auf einem Halbleiter-Substrat 4, weiches mit der elektrischen Masse des Schaltkreises verbunden ist. Leiterbahn 1 und HalbleiterSubstrat 4 bilden wieder die beiden elektrischen Leiter einer Signalübertragungsleitung. 



   Der differentielle Ableitverlust G', der erfindungsgemäss zwischen der Leiterbahn 1 und dem Halbleiter-Substrat 4 liegen muss, wird durch den gesperrten pn-Ubergang 3 selbst gebildet. Durch 
 EMI6.3 
 
 EMI6.4 
 
Von Fig. 4 kann insofern abgegangen werden, als der   pn-Übergang   3 um seine Längsachse gedreht angeordnet wird, also anstelle der p-Schicht 30 die n-Schicht 31 direkt am HalbleiterSubstrat 4 aufgebracht wird. 



   Der konstruktive Aufbau der beiden Schichten 30,31 ist nicht erfindungswesentlich und kann gemäss den im Stand der Technik bekannten Möglichkeiten gehalten sein. 



   Die Höhe der Vorspannung Uv, welche zum Erreichen eines Ableitverlustes   G'in   der erfindungsgemässen Höhe notwendig ist, ist abhängig von den Abmessungen des pn-Uberganges 3, der Materialien seiner Schichten 30,31, seinen Dotierungsstärken usw. Sie wird jedenfalls so gewählt, dass sich ein Ableitverlust   G'der erfmdungsgemässen Höhe   zwischen der Leiterbahn 1 und dem Halbleiter-Substrat 4 ergibt und somit   eine verzögerungs- und   verzerrungsarme bzw. im Idealfall   verzögerungs-und   verzerrungsfreie   Signalübertragung   möglich ist. 

**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.

Claims (5)

  1. Der pn-Übergang 3 kann sich über die gesamte Länge der Leiterbahn 1 erstrecken, sodass die gesamte Leiterbahn 1 durch einen langgestreckten pn-Übergang 3 gebildet 1St. Es ist aber auch möglich, einen oder mehrere pn-Übergänge 3 vorzusehen, weiche nur Abschnitte der Leiterbahn 1 bilden. Die zwischen den pn-Übergängen 3 liegenden Leiterbahn-Abschnitte können wie auch sonst üblich durch Metallstreifen gebildet sein PATENTANSPRÜCHE : 1.
    Integrierter Schaltkreis, aufgebaut auf einem Halbleiter-Substrat (4), mit zumindest einer Leiterbahn (1) für hochfrequente Signale, die festgelegt ist auf einem, beispielsweise aus Silizium gebildeten, Dielektrikum (2), das am mit der elektrischen Masse des Schaltkreises verbundenen Halbleiter-Substrat (4) angeordnet ist, wobei Leiterbahn (1) und Halbleiter- Substrat (4) die belden elektrischen Leiter einer Signalübertragungsleitung für hochfre- quente Signale bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (2) zumindest In jenem Bereich, auf dem die elektrische Leiterbahn (1) liegt, eine Leitfähigkeit K aufweist, die zu einem differentiellen Ableitverlust (G') des Dielektrikums (2) im Bereich von EMI6.5 EMI6.6 <Desc/Clms Page number 7> Leitung erfüllt ist (Flg. 2, 3).
  2. 2. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (2) durch eine durchgängige Schicht aus schwach, beispielsweise mit einer Akzeptorendichte von 6'1014 cm", dotierten Silizium-Einkristallen gebildet ist.
  3. 3. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (2) durch eine durchgängige Schicht aus polykristallinem Silizium gebildet ist.
  4. 4. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (2) durch eine elektrisch isolierende Schicht gebildet ist, in welche konzentrierte Wider- stände in Gestalt elektrisch leitender, sich durch die Dicke (d) des Dielektrikums (2) hin- durch erstreckender Abschnitte (5) eingebracht sind (Fig. 3).
  5. 5. Integrierter Schaltkreis, aufgebaut auf einem Halbleiter-Substrat (4), mit zumindest einer Leiterbahn (1) für hochfrequente Signale, die am mit der elektrischen Masse des Schalt- kreises verbundenen Halbleiter-Substrat (4) angeordnet ist, wobei Leiterbahn (1) und Halb- leiter-Substrat (4) die beiden elektrischen Leiter einer Signalübertragungsleitung für hoch- frequente Signale bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (1) zumindest ab- schnittsweise durch zwei planparallele, unmittelbar aufeinander liegende Halbleiterschich- ten (30, 31) gebildet ist, von welchen die erste Schicht (30) p-dotiert und die zweite Schicht (31) n-dotiert ist, womit diese beiden Schichten (30, 31) einen pn-Übergang (3) bilden, wo- bei an den pn-Übergang (3) eine diesen in Sperrichtung vorspannende Vorspannung (Uv)
    EMI7.1 EMI7.2 Kapazität und L'=differentielle Induktivität der Signalübertragungsleitung für hochfrequente Signale und so das bekannte Kriterium für eine verzerrungsarme bzw. verzerrungsfreie Leitung erfüllt ist (Fig. 4)
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