CH638341A5

CH638341A5 - Integrierte logische schaltung.

Info

Publication number: CH638341A5
Application number: CH1170178A
Authority: CH
Inventors: Jan Lohstroh
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1977-11-17
Filing date: 1978-11-14
Publication date: 1983-09-15
Also published as: FR2409600A1; BE872064A; GB2008317A; DE2848576C2; NL7712649A; CA1129972A; IT1100271B; JPS5928058B2; DE2848576A1; IT7829767A0; FR2409600B1; BR7807508A; BE872065A; GB2008317B; US4595942A; ES475104A1; JPS5478987A

Description

Die vorliegende Erfindung bezweckt, Massnahmen anzuge- 4<> Bei einer anderen wichtigen Ausführungsform der inte-ben, um, ausgehend von dieser bekannten LSI-Logik, ein grierten Schaltung nach der Erfindung ist der komplementäre attraktives Erzeugnis zu bilden, das zu einem konkurrierenden Hilfstransistor als lateraler Transistor eingebaut. Diese Ausfüh-Preis hergestellt und auf den Markt gebracht werden kann, und rungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Hauptober-ihr liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass durch Abänderung fläche neben der Basiszone eine an das Kollektorgebiet vom der beschriebenen integrierten Schaltung die Herstellung 45 ersten Leitungstyp grenzende weitere Oberflächenzone vom erheblich vereinfacht und dadurch auch der Selbstkostenpreis zweiten Leitungstyp vorhanden ist, die von der Hauptober-beträchtlich herabgesetzt werden kann, während zu gleicher fläche bis zu praktisch der gleichen Tiefe wie die Basiszone in Zeit dennoch die günstigen elektrischen Eigenschaften und die den Halbleiterkörper reicht, wobei diese weitere Zone als Kolfür Integration erwünschte hohe Packungsdichte zum grössten lektor des Hilfstransistors dient und mit dem Substratgebiet Teil erhalten bleiben können. so verbunden ist.

Überraschenderweise haben Versuche ergeben, dass mit Diese weitere Oberflächenzone kann einfach zugleich mit besonderen Massnahmen in der Halbleiterstruktur, die keine der Basiszone angebracht werden, wobei der Abstand zwischen zusätzlichen Bearbeitungen bei der Herstellung erfordern, ein diesen Zonen verhältnismässig klein sein kann. Vorzugsweise mit dem bipolaren Schalttransistor gekoppelter Hilfstransistor ist der Abstand an der Hauptoberfläche zwischen der Basiszone erhalten werden kann, der es ermöglicht, die Anklammerungs- 55 und der weiteren Oberflächenzone höchstens 5 um.

diode fortzulassen, ohne dass dadurch die Schaltgeschwindig- Der vertikale und der horizontale Hilfstransistor können keit der Zelle auf unzulässige Weise verringert wird. auch mit Vorteil in derselben integrierten Schaltung nach der

Die integrierte logische Schaltung der eingangs beschriebe- Erfindung kombiniert werden.

nen Art weist nach der Erfindung die im kennzeichnenden Teil Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale auf. eo Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher

Die vorgeschlagene integrierte logische Schaltung mit beschrieben. Es zeigen :

einem Invertertransistor mit auf oder in dem Kollektorgebiet Fig. 1 das elektrische Schaltbild des bekannten NICHT-

integrierten Kopplungsdioden und einem wirksamen eingebau- UND-Gatters,

ten komplementären Hilfstransistor schafft eine wesentliche Fig. 2 schematisch einen Teil einer Aufsicht auf eine erste

Verbesserung in bezug auf LS TTL. Die Schaltgeschwindigkeit 65 Ausführungsform der integrierten Schaltung nach der Erfinder Gatterschaltung ist wenigstens gleich der von LS TTL, wäh- dung,

rend die Verlustleistung wesentlich geringer ist, wobei ausser- Fig. 3 und 4 schematische Querschnitte durch diesen Teil dem die Packungsdichte noch um etwa einen Faktor 2 bis 6 der ersten Ausführungsform längs der Linien III-III bzw.

638 341 4

IV-IV der Fig. 2, Metallisierung mit Metall-Halbleiter-Kontakten verschiedener

Fig. 5 schematisch einen Teil einer zweiten Ausführungs- Zusammensetzung gewählt, die Schottky-Dioden mit einem form der integrierten Schaltung nach der Erfindung, und günstigen kleinen Diodendurchlassspannungsunterschied von

Fig. 6 schematisch einen Querschnitt durch diese zweite etwa 150 mV ergeben. Sowohl im Schalttransistor T als auch Ausführungsform längs der Linie VI-VI. 5 beim Bestimmen des gewünschten logischen Hubes spielt also

Das elektrische Schaltbild des vorgenannten bekannten die gewählte Metallisierung eine wesentliche entscheidende NICHT-UND-Gatters, das in Fig. 1 dargestellt ist, enthält einen Rolle.

Signaleingang 1, der durch die Basis eines Bipolartransistors T Die vorliegende Erfindung schafft die Möglichkeit, statt gebildet wird, und mehrere Signalausgänge 2,3,4 und 5, die je dieser entscheidenden komplexen Metallisierung, die notwen-über eine Diode 6 mit dem Kollektor des Bipolartransistors T io digerweise aus leitenden Schichten verschiedener Materialien gekoppelt sind. Der Signaleingang 1 ist mit Mitteln zum Zufüh- aufgebaut ist, eine viel einfachere Metallisierung zu verwen-ren von Strom versehen, die durch die Stromquelle I dargestellt den, die z.B. auch in bereits bekannten Erzeugnissen Anwen-sind. dung gefunden hat.

Der Transistor T ist ein Planartransistor, dessen Kollektor- • Die erste Ausführungsform, die weiter an Hand der Fig. 2,3 Basis-Übergang von einer Schottky-Diode 7 überbrückt ist. 15 und 4 beschrieben wird, enthält einen Halbleiterkörper 20 mit Dank dieser Anklammerungsdiode weist der Transistor die einer Hauptoberfläche 21, an die mehrere Oberflächengebiete hohe Schaltgeschwindigkeit auf, die für logische Schaltungen 22 bis 28 von einem ersten Leitungstyp'grenzen, die sich auf jetzt verlangt wird. Wenn die Anklammerungsdiode 7 fortge- einem gemeinsamen Substratgebiet 29 von einem zweiten dem lassen wird, wird der Transistor im leitenden Zustand weit in ersten entgegengesetzten Leitungstyp befinden. Das Substratge-Sättigung gesteuert. Der Transistor enthält dann eine grosse 20 biet 29 kann eine gemeinsame Halbleiterschicht sein, die z.B. Menge gespeicherter Ladung, hauptsächlich in Form von auf einem Substrat angebracht ist. Im vorliegenden Beispiel

Minoritätsladungsträgern, die sich im Kollektorgebiet befin- wird ein p-leitendes Halbleitersubstrat aus Silizium mit einem den. Das Ausschalten des Transistors verläuft dementspre- spezifischen Widerstand von z.B. 10 bis 15 £1-cm verwendet,

chend träge. Die Anklammerungsdiode 7 verhindert, dass der An der Hauptoberfläche 21 sind die Oberflächengebiete 22

Transistor in Sättigung gesteuert wird, so dass die genannte 25 bis 28 je von einer Isolierzone 30 umgeben, mit deren Hilfe die Ladungsspeicherung vermieden wird. Oberflächengebiete wenigstens beim Betrieb elektrisch gegen-

Wenn beim Betrieb der Signaleingang 1 nicht angeschlossen einander isoliert sind. Die Isolierzonen können völlig oder teilist, wird der Signaleingang 1 von dem zugeführten Strom I bis weise aus Isoliermaterial bestehen. Auch können p-leitende zu der Emitter-Basis-Spannung des Transistors T aufgeladen, Zonen verwendet werden, die sich von der Hauptoberfläche her die zu dem leitenden Zustand gehört. Diese Diodendurchlass- 30 in einer n-leitenden Oberflächenschicht erstrecken. Die p-lei-oder Übergangsspannung VBE ist für einen Siliziumtransistor tenden Isolierzonen erstrecken sich über einen Teil der Dicke z.B. etwa 700 bis 750 mV. der Oberflächenschicht oder durchdringen völlig die Oberflä-

Wenn die Spannung am Signaleingang die Diodendurch- chenschicht, so dass sie bis in das Substrat 29 reichen. Durch lassspannung VBe erreicht, wird der Transistor T leitend und das Anlegen einer Spannung in der Sperrichtung über den zwi-wird der Strom I als Basisstrom benutzt. Der an einem oder 35 sehen den Isolierzonen 30 und den Oberflächengebieten 22 bis mehreren der Signalausgänge verfügbare Strom wird dann über 28 und zwischen dem Substrat 29 und den Oberflächengebieten den Transistor T abgeführt, wobei die Spannung am betreffen- 22 bis 28 gebildeten pn-Übergängen kann auf übliche Weise den Signalausgang gleich der Diodendurchlassspannung Vdi beim Betrieb eine elektrische Isolierung zwischen den Oberflä-der Kopplungsdioden 6 zuzüglich der Kollektor-Emitter-Span- chengebieten 22 bis 28 sichergestellt werden.

nung des leitenden Transistors T sein wird. Diese Kollektor- 40 Wenigstens eines (22) der Oberflächengebiete 22 bis 28 Emitter-Spannung ist gleich der Spannung VBE abzüglich der dient als Kollektorgebiet eines Bipolartransistors. Dieses Kol-Diodendurchlassspannung VD2 der Anklammerungsdiode 7. lektorgebiet 22 enthält einen hochohmigen Teil 31 und einen Wenn die Spannung VD2 grösser als die Spannung VDi ist, ist die niederohmigen Teil 32, wobei der niederohmige Teil 32 sich an Signalausgangsspannung kleiner als VBe und wird der Transi- und längs der Grenzfläche zwischen dem Kollektorgebiet 22 stor eines nächstfolgenden mit dem betreffenden Signalaus- 45 Und dem Substratgebiet 29 erstreckt.

gang verbundenen NICHT-UND-Gatters im nicht-leitenden Der Bipolartransistor enthält weiter eine an die Hauptober-

Zustand gehalten. fläche 21 grenzende Emitterzone 33 vom ersten Leitungstyp,

Der Hub des logischen Signals, d.h. der Unterschied zwi- die im Halbleiterkörper 20 durch eine bis zu der Hauptober-schen dem hohen und dem niedrigen Signalpegel, ist gleich fläche 21 reichende Basiszone 34 vom zweiten Leitungstyp von dem Unterschied zwischen den Diodendurchlassspannungen 50 dem Kollektorgebiet 22 getrennt ist. Die n-leitende Emitterzone VD2 der Anklammerungsdiode 7 und VD] der Kopplungsdioden 33 bildet mit der p-leitenden Basiszone 34 einen ersten pn-6. Übergang 35 mit einer ersten Diodendurchlassspannung VBE

Die Schottky-Anklammerungsdiode 7 ist ein PtSi-Si-Kon- und die p-leitende Basiszone 34 bildet mit dem n-leitenden Koltakt mit einer Diodendurchlassspannung Vp2von etwa 500 mV. lektorgebiet 22 einen zweiten pn-Übergang 36. die Schottky-Kopplungsdioden 6 sind Ti-Si-Kontakte mit einer 55 Auf der Hauptoberfläche 21 ist eine elektrisch isolierende Diodendurchlassspannung von etwa 350 mV. Der logische Hub Schicht 37 vorhanden, die in der Draufsicht nach Fig. 2 annah-beträgt dann etwa 150 mV. Dieser verhältnismässig kleine logi- meweise durchsichtig ist. Die Schicht 37 besteht z.B. aus einem sehe Hub hat einen günstigen Effekt auf die Verzögerungszeit Isoliermaterial, wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder der Gatterschaltung. Beim Umschalten von dem hohen auf den einer Kombination dieser Materialien. Eine erste Öffnung 38 in niedrigen Signalzustand oder umgekehrt braucht nur ein gerin- 60 der Isolierschicht 37 liegt über der Emitterzone 33. Eine zweite ger Spannungsunterschied überbrückt zu werden. Das Öffnung 39 liegt neben der Emitterzone 33 über der Basiszone

Umschalten kann also in entsprechend kurzer Zeit vor sich 34. Ausserdem sind neben der Basiszone 34 über dem Kollekgehen. torgebiet 22 mehrere dritte Öffnungen 40 vorhanden. In Fig. 2

Die beschriebene bekannte logische Schaltung verdankt sind die dargestellten Öffnungen in der Isolierschicht 37 mit ihre günstigen schalttechnischen Eigenschaften also hauptsäch- 65 einem Kreuzchen versehen.

lieh zwei Ursachen: An erster Stelle wird ein schneller mit Hilfe r>ip TcnliprcrhirVit T7 trennt Hip T .eiterhahnen 11 1? 13 14 der Schottky-Diode 7 ausser Sättigung gehaltener Planartransi- 15 und41 von dem Halbleiterkörper 20, die für elektrischen stor T verwendet und an zweiter Stelle wird eine geeignete Anschluss bis in die ersten, zweiten und dritten Öffnungen 3 8,

5

638 341

39 bzw. 40 reichen. In Fig. 2 sind der Deutlichkeit halber alle Leiterbahnen fortgelassen.

Die Leiterbahnen 12,13,14 und 15, die bis in die dritten Öffnungen 40 reichen, sind über je einen gleichrichtenden Übergang 16, der an das Kollektorgebiet 22 grenzt, mit diesem Kollektorgebiet gekoppelt. In diesem Beispiel sind die gleichrichtenden Übergänge 16 Metall-Halbleiter- oder Schottky-Übergänge. Es handelt sich um Platinelsilizidkontakte, wie sie z.B. in der US-PS 3 855 612 beschrieben sind. Die gleichrichtenden Übergänge 16 weisen eine Diodendurchlassspannung VDi auf. Für die Wirkung der Schaltung ist es erforderlich, dass Übergänge 16 mit einer Diodendurchlassspannung VD1 verwendet werden, die kleiner als die Diodendurchlassspannung VBe des Emitter-Basis-pn-Übergangs 35 des Transistors ist.

Der niederohmige Teil 32 des Kollektorgebiets 22 weist in einer zu der Hauptoberfläche 21 praktisch parallelen Richtung einen beschränkten Umfang auf, wobei sich dieser Teil 32 einerseits unter der Emitterzone 33 und unter den gleichrichtenden Übergängen 16 erstreckt und andererseits unter der Basiszone 34 und der über dieser Zone liegenden zweiten Öffnung 39 ein Gebiet freilässt, in dem der hochohmige Teil 31 des Kollektorgebietes unmittelbar unter Bildung eines dritten pn-Übergangs 42 an das Substratgebiet 29 grenzt. Die zwischen dem zweiten und dem dritten pn-Übergang 36 bzw. 42 gemessene Dicke des hochohmigen Teiles 31 des Kollektorgebietes 22 ist vorzugsweise kleiner als 5 [im. Dadurch ist in der npn-Tran-sistorstruktur auf zweckmässige Weise und praktisch ohne dass für den Transistor eine grössere Halbleiteroberfläche erforderlich ist, ein vertikaler komplementärer Hilfstransistor eingebaut, dessen Emitter durch die Basiszone 34, dessen Basis durch den hochohmigen Teil 31 des Kollektorgebietes 22 zwischen den beiden pn-Übergängen 36 und 42 und dessen Kollektor durch das Substratgebiet 29 gebildet wird.

Durch zusätzliche Massnahmen, in diesem Beispiel dadurch, dass die vergrabene Schicht 32 mit einem geringeren Umfang als üblich ausgeführt ist, wodurch unter dem Basiskontakt das Substratgebiet bis in verhältnismässig geringe Entfernung von dem Basis-Kollektor-Übergang 36 reicht, wirkt der betreffende Teil des Substratgebietes auf zweckmässige Weise als Kollektor des komplementären Hilfstransistors mit dem angrenzenden hochohmigen Teil 31 und der Basiszone 34 zusammen. Dadurch fliesst, wenn der Invertertransistor übersteuert ist (wie nachstehend noch auseinandergesetzt werden wird), ein erheblicher Teil des in der Basiszone 34 fliessenden Stromes durch den Hilfstransistor und wird die Speicherung beweglicher Ladungsträger in dem übersteuerten Invertertransistor wesentlich beschränkt.

In Fig. 2 sind auch Oberflächengebiete 23 bis 27 dargestellt, die identische, wenigstens ähnliche Schaltungselemente enthalten. Diese Gebiete dienen also je als Kollektorgebiet eines Pla-nar-npn-Transistors mit einer Anzahl von Signalausgangsbahnen, die über eine Diode mit dem betreffenden Kollektorgebiet gekoppelt sind. Die Anzahl von Dioden kann von Transistor zu Transistor zwischen 1 und z.B. 4 oder 5 variieren und wird von der von der integrierten Schaltung zu erzeugenden logischen Funktion abhängig sein.

Die Kollektorgebiete oder Inseln 22 bis 27 sind zu beiden Seiten eines langgestreckten Oberflächengebietes 28 angeordnet, aus dem die Signaleingänge 11 Strom empfangen. In diesem Gebiet 28 sind eine Anzahl lateraler pnp-Transistoren angebracht, die eine gemeinsame p-leitende Emitterzone 43 aufweisen. Das Gebiet 28 dient als eine gemeinsame n-leitende Basiszone. Die pnp-Transistoren enthalten je eine gesonderte p-leitende Kollektorzone 44, die über eine Öffnung 45 in der Isolierschicht 37 mit einem Signaleingang 11 verbunden ist. Die gemeinsame Emitterzone 43 ist über eine Öffnung 46 mit einer Leiterbahn 47 verbunden, die mit einem schematisch dargestellten Anschluss 48 für eine Speisequelle versehen ist.

Die gemeinsame Basiszone 28 enthält einen hochohmigen Teil 49 und einen niederohmigen Teil 50 in Form einer vergrabenen Schicht. Weiter ist in der Basiszone 28 ein niederohmiges n-leitendes Oberflächengebiet 51 vorhanden, das z.B. zugleich mit der Emitterzone 33 angebracht sein kann und das die gesonderten Kollektorzonen 44 wenigstens teilweise gegeneinander abschirmt. Das Gebiet 51 bildet auf entsprechende Weise auch eine Abschirmung zwischen den Emitter- und Kollektorzonen einerseits und den Isolierzonen 30 andererseits. Die vergrabene Schicht 50 und das Oberflächengebiet 51 dienen zur Herabsetzung des Basisreihenwiderstandes und zur Unterdrückung parasitärer Transistorwirkung zu dem Substrat und/oder den Isolierzonen und zwischen den Kollektorzonen untereinander. Über dem Oberflächengebiet 51 befinden sich Öffnungen 52, 59 in der Isolierschicht 37, durch die die gemeinsame Basiszone 28 mit Leiterbahnen 53 verbunden ist.

Die integrierte Schaltung ist mit einer Metallisierung ausgeführt, die über mehrere Schichten verteilt ist und ohne deren Anwendung sich komplexe LSI-Schaltungen jetzt praktisch nicht realisieren lassen. Dazu besteht die Isolierschicht 37 aus einer ersten oder unteren Schicht 55 mit den Öffnungen 38,39, 40,45,46 und 52 und einer zweiten oder oberen Schicht 56. Auf der unteren Schicht 55 befindet sich ein erstes Niveau von Leiterbahnen, das u.a. die Leiterbahnen 11 bis 15 und 47 enthält. Die Leiterbahnen 41 und 53 bestehen aus zwei Teilen, von denen ein erster Teil 57 bzw. 63 auf dem ersten Niveau liegt und bis in die Öffnungen 38 bzw. 52 reicht und ein zweiter Teil 58 bzw. 64 auf einem zweiten Niveau liegt, das durch die obere Schicht 56 von dem ersten Niveau getrennt ist, und über Öffnungen 59 mit dem ersten Teil 57 bzw. 63 in direkter Verbindung steht.

Die ersten Teile 64 der Leiterbahnen 53 sind z.B. kammför-mig, wobei sich die Basis des Kammes praktisch parallel zu der Emitterzone 43 und der Leiterbahn 47 erstreckt und Ansätze oder Zähne des Kammes von der Basis des Kammes bis in die Öffnungen 59 in der Isolierschicht 37 reichen. Die ersten Teile 64 können mit einem schematisch angegebenen Anschluss 54 für die Leiterbahnen 53 verbunden sein.

Die Leiterbahnen 11 bis 15,47 und 57 des ersten Niveaus können z.B. aus Aluminium oder aus einem anderen geeigneten leitenden Material bestehen. Erwünschtenfalls kann zur Vermeidung direkten Kontakts zwischen dem Aluminium und dem in den Öffnungen in der Isolierschicht gebildeten Platinel-silizid eine Sperrschicht verwendet werden. Als Sperrschicht kann z.B. Titan-Platin oder Titan-Wolfram oder Rhodium verwendet werden.

Die Leiterbahnen 58 und 64 des zweiten Niveaus bestehen z.B. aus Aluminium oder Titan-Platin-Gold.

Vorzugsweise ist in allen Öffnungen 38,39,40,45,46 und 52 in der ersten Isolierschicht 37 und namentlich in den ersten, zweiten und dritten Öffnungen 38,39 bzw. 40 dasselbe Material in direktem Kontakt mit dem Halbleiterkörper. Im vorliegenden Beispiel ist dieses Material das genannte Platinelsilizid, das in den Öffnungen 40 eine Schottky-Diode bildet und das in den anderen Öffnungen einen gut leitenden Übergang zwischen den Leiterbahnen und den in diesen Öffnungen daran grenzenden Halbleitergebieten bildet.

Die mit der Emitterzone 33 verbundene Leiterbahn 41 ist mit einem schematisch angegebenen Anschluss 60 versehen und das Substratgebiet 29 weist einen Anschluss 61 auf, der mit dem Anschluss 60 zu einem gemeinsamen Anschluss 62 für eine Speisequelle zusammengebaut sein kann.

Der Anschluss 62 kann mit einem geeigneten Bezugspotential, z.B. Erde, verbunden werden. Zwischen den Anschlüssen 62 und 48 wird eine geeignete Strom- oder Spannungsspeisequelle eingeschaltet. Der Anschluss 54 wird mit einem geeigneten Bezugspotential verbunden, wobei die pnp-Transistoren leitend sind. Weiter ist die integrierte Schaltung mit einem oder

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

638 341

mehreren nicht dargestellten Signaleingängen, über die einer oder mehreren Leiterbahnen 11 Eingangssignale zugeführt werden können, und mit einem oder mehreren nicht dargestellten Signalausgängen versehen, über die von der integrierten Schaltung erzeugte Ausgangssignale entnommen werden können. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass das zweite Niveau von Leiterbahnen erwünschtenfalls völlig oder teilweise mit einer weiteren Isolierschicht abgedeckt werden kann.

Die beschriebene Ausführungsform weist eine Kombination von Eigenschaften auf, die für LSI-Schaltungen besonders geeignet ist. Zunächst ist der für diese integrierte Schaltung benötigte Herstellungsvorgang erheblich einfacher als für die beschriebene bekannte Schaltung. Die integrierte Schaltung nach der Erfindung kann durch denselben bekannten Vorgang hergestellt werden, durch den z.B. auch LS TTL und PL hergestellt werden können. Im Gegensatz zu der beschriebenen bekannten Schaltung sind LS TTL und PL beide käuflich erhältliche Erzeugnisse. Ein Vergleich der integrierten Schaltung nach der Erfindung mit diesen beiden käuflich erhältlichen Erzeugnissen liefert ein gutes Bild der besonderen Eignung und der Anwendbarkeit der vorgeschlagenen neuen LSI-Logik. Bei einem derartigen Vergleich ist dann nicht nur von Bedeutung, dass die zu vergleichenden Erzeugnisse durch den gleichen oder nahezu den gleichen Vorgang hergestellt werden, sondern auch, dass vergleichbare Entwurfregeln für die Topologie oder das Layout eingehalten werden. Die nachstehenden Ergebnisse basieren auf einem Vergleich, bei dem für alle drei Erzeugnisse davon ausgegangen wird, dass das kleinste in den Masken zu bildende Detail mindestens eine Länge von 5 (xm aufweisen muss. Weiter ist für die integrierte Schaltung nach der Erfindung eine n-leitende epitaktische Schicht mit einer Dicke von etwa 3 Jim und einem spezifischen Widerstand von etwa 0,7 £2* cm angewendet. Wie erwähnt, waren die Schottky-Kopplungsdioden von einem auch in LS TTL üblichen Typ mit einem Platinelsilizidübergang. Die Diodendurchlassspannung dieser Dioden war etwa 0,48 V.

Bekanntlich ist die übliche PL verhältnismässig langsam im Vergleich zu LS TTL. Während die minimale Verzögerungszeit eines PL-Inverters mit einem einzigen Ausgang etwa 10 bis 20 Nanosekunden beträgt, liegt für LS TTL die minimale Verzögerungszeit in der Nähe von etwa 5 bis 7 Nanosekunden. Die hier gegebenen Schaltzeiten werden in PL- bzw. LS TTL-Schaltun-gen mit einer epitaktischen Schicht mit einer Dicke von etwa 3 |im erzielt. Der spezifische Widerstand der epitaktischen Schicht beträgt für PL-Schaltungen etwa 0,7 Q. • cm, während für LS TTL-Schaltungen von einem Wert von etwa 0,3 £1- cm ausgegangen wird.

Es ist nun sehr überraschend, dass die minimale Verzögerungszeit für die Schaltung nach der Erfindung etwa 3 bis 3,5 Nanosekunden beträgt. Diese minimale Verzögerungszeit wurde bei einem Strompegel von etwa 400 [iA gemessen. Dabei war die Emitter-Basis-Diodendurchlassspannung etwa 760 mV und die Kollektor-Emitter-Spannung VCe des leitenden Inver-tertransistors etwa 60 mV. Der Hub des logischen Signals war etwa 220 mV.

Trotz der Tatsache, dass in LS TTL der Invertertransistor mit Hilfe einer Schottky-Anklammerungsdiode ausser Sättigung gehalten wird, und der Invertertransistor in der Schaltung nach der Erfindung wohl in Sättigung gerät, weist die letztere Schaltung dennoch eine etwa zweimal kürzere Verzögerungszeit auf. Der vergleichbare PL-Inverter, der auch in Sättigung gerät, weist dagegen eine drei- bis sechsmal längere Verzögerungszeit auf. Offenbar ist die Beschränkung des Umfangs der vergrabenen Schicht, wie angegeben ist, eine unerwartet wirksame Massnahme, wobei .einerseits der innere Reihenwiderstand im Kollektorgebiet nicht oder nahezu nicht vergrössert wird, während andererseits ein besonders wirksamer komplementärer Hilfstransistor erhalten wird, der die Folgen der Steuerung des Invertertransistors in den Sättigungszustand drastisch beschränkt und der das Ausmass in dem der Invertertransistor in den Sättigungszustand gesteuert wird, genau regelt.

Eine andere für Vergleiche vielfach angewandte Grösse ist das Produkt der Verzögerungszeit t und der Verlustleistung D. Für LS TTL beträgt dieses x D-Produkt etwa 19 pJ, für I2L und die Schaltung nach der Erfindung liegt das t D-Produkt in nahezu der gleichen Grössenordnung, und zwar 0,5 bis 2 pJ. Die integrierte Schaltung nach der Erfindung hält auch diesen Vergleich also glanzreich aus.

Eine dritte Grösse, die für LSI-Schaltungen besonders wichtig ist, ist die Packungsdichte oder die Anzahl von Gatterschaltungen, die durchschnittlich pro Quadratmillimeter Halbleiteroberfläche verwirklicht werden kann. In dieser Hinsicht ist, wie bekannt, PL mit einer Packungsdichte von 200 bis 250 Gattern/mm2 LS TTL deutlich überlegen, die eine Packungsdichte von 15 bis 20 Gattern/mm2 aufweist. Die Packungsdichte der integrierten Schaltung nach der Erfindung ist 120 bis 180 Gatter/mm2. Dies ist also um einen Faktor von etwa 6 günstiger als für LS TTL und um weniger als einen Faktor 2 schlechter als für PL.

Die vorliegende Erfindung schafft somit eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu LS TTL und ist namentlich für Anwendungen, bei denen eine für übliche PL zu hohe Schaltgeschwindigkeit erforderlich ist, deutlich konkurrierend in bezug auf PL. Schaltgeschwindigkeiten von einigen Nanosekunden können in PL praktisch nur erzielt werden, wenn dielektrische Isolierung verwendet wird. Der zugehörige Herstellungsvorgang ist aber verwickelter als der übliche Herstellungsvorgang, wodurch leicht ein verhältnismässig hoher Selbstkostenpreis erhalten wird. Weiter können aus entsprechenden Gründen wie bei PL auch bei der integrierten Schaltung nach der Erfindung die Schaltgeschwindigkeiten durch Anwendung dielektrischer Isolierung verringert werden.

Im zweiten Ausführungsbeispiel, das an Hand der Fig. 5 und 6 beschrieben werden wird, sind noch eine Anzahl weiterer Massnahmen zur Verbesserung der integrierten Schaltung angewandt. In diesem Beispiel sind für entsprechende Teile namentlich für den Invertertransistor und die Kopplungsdioden die gleichen Bezugsziffern wie im ersten Beispiel verwendet.

In der Draufsicht nach Fig. 5 sind die Leiterbahnen auf dem ersten Niveau zum Teil wohl dargestellt. Es handelt sich u.a. um die Leiter 11,12 und 57. Der Deutlichkeit halber sind die dargestellten Leiterbahnen schraffiert'

Eine erste Massnahme zur Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit ist, dass der nicht aktive Teil der Basiszone 34 vergrössert ist und deutlich grösser ist als für das Anbringen eines Basiskontakts notwendig ist, während die vergrabene Schicht 32 in der Ausdehnung doch auf das Gebiet unter der Emitterzone 33 und dem aktiven Teil der Basiszone 34 beschränkt ist.

In diesem Zusammenhang ist unter dem aktiven Teil der Basiszone 34 derjenige Teil zu verstehen, der erforderlich ist, um darin eine Emitterzone 33 bilden zu können. Diesem aktiven Teil schliesst sich ein nicht aktiver Teil der Basiszone 34 an, der für elektrischen Anschluss der Leiterbahn 11 erforderlich ist.

Wenn in den vorliegenden Beispielen von einer Emitterzone 33 von z.B. 12x 12 p.m mit einer zugehörigen Kontaktöffnung 38 von etwa 6x6 |im ausgegangen und eine Mindestgrösse von 3 p.m für den Abstand an der Halbleiteroberfläche zwischen dem Emitter-Basis-Übergang 35 und dem Basis-Kollektor-Übergang 36 eingehalten wird, ist der aktive für die Emitterzone erforderliche Teil der Basiszone 18x18 jj,m. Neben der Emitterzone ist aber mindestens eine Kontaktöffnung zur Kon-taktierung der Basis erforderlich. Diese Kontaktöffnung 39 ist

6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

638 341

z.B. 5 x 10 (im. Wenn ausserdem ein Mindestabstand von etwa 6 kontaktöffnungen braucht nicht notwendigerweise unter (im zwischen den Leitern 57 und 11, die bis in die Öffnungen 38 jedem der Basiskontakte ein Hilfstransistor eingebaut zu sein, und 39 reichen, berücksichtigt wird, wird die Basiszone 34 ins- Vorzugsweise ist das Kollektorgebiet 22 des Invertertransistors gesamt eine Grösse von 18 x 32 (im aufweisen. Der nicht aktive praktisch rechteckig und liegen die Öffnungen 38,39 und 40 in für Kontaktierung bestimmte Teil der Basiszone 34 ist also min- 5 der Isolierschicht in einer gleichen Richtung nebeneinander, destens 18x 14 p.m. Bei den gegebenen Abmessungen weist der wobei die Öffnung(en) 39 und die zugehörige(n) Emitter-nicht aktive Teil eine mehr als 20% kleinere Oberfläche als der zone(n) 33 zwischen den Öffnung(en) 40 für die Kopplungsdio-aktive Teil auf. den einerseits und der Öffnung oder mindestens einer der Öff-

Im vorliegenden zweiten Beispiel ist eine Basiszone 34 von nungen 38 für den Basiskontakt andererseits liegt (liegen). Der 37 x 18 (im mit darin derselben Emitterzone von 12x12 (im io gewünschte eingebaute vertikale Hilfstransistor ist z.B. unter angewendet. Der aktive Teil weist somit auch in diesem Falle der zuletzt genannten äusseren Kontaktöffnung 39 vorhanden, eine Oberfläche von 18x18 (im auf. Der nicht aktive Teil weist Die vergrabene Schicht 32 erstreckt sich vorzugsweise ununter-in diesem Falle Abmessungen von 18 x 19 (im auf. In diesem brachen von unter der Emitterzone 33 bis unter die Kopplungs-zweiten Beispiel ist der nicht aktive Teil also etwa 35% grösser diode 16.

in Oberfläche als im ersten Beispiel. Ausserdem weist in diesem 15 Eine weitere Massnahme zur Verbesserung der Schaltgezweiten Beispiel der nicht aktive Teil sogar eine grössere Ober- schwindigkeit ist, dass ein verbesserter lateraler Hilfstransistor fläche als der aktive Teil auf. Vorzugsweise ist im Rahmen der durch Hinzufügen einer weiteren Oberflächenzone 71 einge-vorliegenden Erfindung der nicht aktive Teil der Basiszone 34, baut ist, die während der Herstellung zugleich mit der Basis-der den Emitter des vertikalen komplementären Hilfstransi- ZOne 34 gebildet werden kann. Die Zone 71 weist den gleichen stors enthält, mindestens gleich gross wie der aktive Teil. 20 Leitungstyp wie die Basiszone 34 und wie die Isolierzone 30 auf

Im zweiten Beispiel wird die grössere Basiszone 34 dazu und fällt an der Halbleiteroberfläche teilweise mit der Isolierbenutzt, die Kontaktöffnung 39 zu vergrössern. Statt einer Öff- zone 30 zusammen. Die Zonen 71 und 30 überlappen sich. Es ist nung von 5 x 10 (im ist in diesem Falle eine Öffnung 39 von von Bedeutung, dass die Basiszone 34 und die Isolierzone 30

10x10 (im verwendet. Die Öffnung 39 ist hier somit zweimal durch verschiedene Diffusionsbearbeitungen erhalten werden, breiter als minimal erforderlich ist. An sich ist diese Verbreite- 25 wodurch ihr gegenseitiger Abstand an der Halbleiteroberfläche rung der Öffnung 39 für die gute Wirkung der integrierten verhältnismässig gross sein muss. Die Basiszone 34 und die

Schaltung nicht notwendig. Unabhängig von der tatsächlich Zone 71 werden dagegen durch dieselbe Diffusionsbearbeitung vorhandenen Öffnung 39 wird die Erweiterung der Basiszone gleichzeitig erhalten, so dass ihr gegenseitiger Abstand verhält-34, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen nismässig klein sein kann. Sie weisen praktisch die gleiche Einwird, vorzugsweise derartig sein, dass der nicht aktive Teil der 30 dringtiefe in den Halbleiterkörper und in einer Richtung quer Basiszone 34 so gross ist, dass genügend Raum zur Verfügung zu der Hauptoberfläche praktisch den gleichen Dotierungskon-steht, um eine Kontaktöffnung 39 benutzen zu können, deren zentrationsverlauf auf. Ein üblicher Abstand zwischen der Breite grösser als die Kleinstabmessung der Öffnungen 40 für Basiszone 34 und der Isolierzone 30 ist z.B. etwa 10 (im. Der die Kopplungsdioden ist. Vorzugsweise ist der verfügbare Abstand zwischen der Basiszone 34 und der weiteren Oberflä-

Raum genügend gross für eine Kontaktöffnung mit einer 35 chenzone 71 braucht nicht mehr als 5 (im zu betragen. Die Breite, die mindestens gleich dem Zweifachen der Kleinstab- Zonen 34 und 71 bilden den Emitter und den Kollektor eines messung der Öffnungen 40 ist. In den beiden Ausführungsbei- effektiven lateralen Hilfstransistors, dessen Basisdicke 5 (im spielen weisen die Öffnungen 40 Abmessungen von 5 x 22 (im oder weniger ist. Auch dieser Hilfstransistor führt, wenn der auf. Invertertransistor leitend ist, Strom ab, wodurch der Inverter-

Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, dass sich die io transistor in geringerem Masse übersteuert wird.

obenerwähnten Abmessungen der Einfachheit halber auf die Wie erwähnt, ist die Basisdicke des lateralen Hilfstransi-

Masken beziehen, die für die unterschiedlichen photolithogra- stors vorzugsweise höchstens 5 (im. Im vorliegenden Beispiel phischen Behandlungen bei der Herstellung erforderlich sind. gelten die angegebenen Abstände von 10 und 5 (im für die bei In den integrierten Schaltungen selber sind bekanntlich die der Herstellung zu verwendenden Masken und sind die entspre-wirklichen Abmessungen etwas abweichend, u.a. weil bei 45 chenden Abmessungen in der integrierten Schaltung vor allem Belichtung und Entwicklung des photoempfindlichen Lackes durch das Auftreten seitlicher Diffusion kleiner. Der Abstand keine wirklich exakte Abbildung der Masken erhalten wird, da zwischen der Basiszone 34 und der Isolierzone 30 beträgt durch-bei Ätzbehandlungen oft Unterätzung stattfindet und da bei schnittlich etwa 7 (im. Die Basisdicke des lateralen Hilfstransi-Diffusion von Verunreinigungen auch laterale, seitliche Diffu- stors ist tatsächlich etwa 3 (im.

sion auftritt. 50 jn dieser Ausführungsform mit einem lateralen komple-

Durch die angegebene Vergrösserung der Basiszone 34 mentären Hilfstransistor bildet die zusätzliche Oberflächen erhalten die einander gegenüberliegenden Teile der pn-Über- zone 71 das Gebiet vom zweiten Leitungstyp, das auf zweck-gänge 36 und 42 auch eine grössere Oberfläche. Tatsächlich ist mässige Weise als Kollektor des Hilfstransistors dient.

also der eingebaute vertikale pnp-Hilfstransistor vergrössert, Die weitere Oberflächenzone 71 kann eine geschlossene wodurch überschüssiger Basisstrom des leitenden Invertertran- 55 Geometrie aufweisen und als ein Ring die Basiszone 34 umge-sistors zweckmässiger und bei einer niedrigeren Spannung über ben, wobei sie zwischen der Basiszone 34 einerseits und den dem pn-Übergang 36 abgeführt werden kann. Der leitende Kopplungsdioden 16 andererseits verläuft. Vorzugsweise ist die

I n vertertransistor wird in geringerem Masse übersteuert und weitere Zone 71 aber auf der Seite der Kopplungsdioden 16 die Ladungsspeicherung im Kollektorgebiet 22 wird dement- offen und umgibt sie die Basiszone 34 nur an dem den Koppsprechend herabgesetzt. 60 lungsdioden nicht zugekehrten Teil des Basiszonenrandes. Im

Im Obenstehenden ist von einem Invertertransistor mit vorliegenden Beispiel ist die Zone 71 daher U-förmig.

einer einzigen Emitterzone 33 und einer einzigen Basiskontakt- Der Anwendung einer Zone 71 mit einer nichtgeschlosse-öffnung 38 ausgegangen. U.a. in Abhängigkeit von dem nen Geometrie liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine derar-

gewünschten Strompegel können auch z.B. zwei leitend mitein- tige Zone auf der den Kopplungsdioden 16 zugekehrten Seite ander verbundene Emitterzonen verwendet werden. Auch kön- 65 der Basiszone 34 praktisch überflüssig ist. Namentlich wenn die nen mehrere Basiskontaktöffnungen, z.B. zwei Kontaktöffnun- Kopplungsdioden Schottky-Dioden sind, ist die Lebensdauer gen auf einander gegenüberliegenden Seiten einer einzigen für die Minoritätsladungsträger im Kollektorgebiet 22 an den

Emitterzone, vorhanden sein. Bei Anwendung mehrerer Basis- gleichrichtenden Übergängen 16 sehr kurz. Vor allem die erste

638 341

8

der Basiszone 34 am nächsten liegende Kopplungsdiode wird Minoritätsladungsträger aus dem Kollektorgebiet absaugen und erfüllt damit praktisch die gleiche Funktion wie die Zone 71. Dadurch wird aber durch die erste Kopplungsdiode ein etwas grösserer Strom als durch die übrigen weiter entfernten Kopplungsdioden fliessen. Dieser Unterschied in Stromgrösse ist jedoch derart gering, dass dadurch die gute elektrische Wirkung der Schaltung gar nicht beeinträchtigt wird. Die Inverter-transistoren weisen eine reichlich genügende Verstärkung auf, um diese Stromunterschiede auffangen zu können.

Die für die weitere Oberflächenzone 71 gewählte Form weist den wichtigen Vorteil auf, dass kein zusätzlicher Raum an der Halbleiteroberfläche benötigt wird. Eine geschlossene Form oder ein geschlossener Ring, die oder der das ganze Kollektorgebiet umgibt, würde den für die Kopplungsdioden verfügbaren Raum beschränken. Eine geschlossene Form oder ein geschlossener Ring, die oder der die Basiszone 34 umgibt und zwischen der Basiszone 34 und der ersten Kopplungsdiode 6 verläuft, würde einen grösseren Abstand zwischen dieser Basiszone 34 und der ersten Kopplungsdiode 16 notwendig machen.

Eine andere Massnahme, durch die die Schaltgeschwindigkeit vergrössert werden kann, ist der Ersatz des für die Stromzufuhr verwendeten lateralen pnp-Transistors 43,28,44 aus dem ersten Beispiel durch einen Widerstand in Kombination mit einer möglichst niedrigen Speisespannung von 1V oder weniger. Vorzugsweise ist die Speisespannung höchstens gleich der Summe der Diodendurchlassspannung VBe des Invertertransi-stors und des Hubes des logischen Signals, oder mit anderen Worten, höchstens gleich annähernd 2Vbe-VDi, wobei VD1 die Diodendurchlassspannung der Kopplungsdioden ist.

Auch die letztere Massnahme ist im zweiten Beispiel angewandt. Die Kollektorgebiete 22 bis 26 der Invertertransistoren sind auf den gegenüberliegenden Seiten eines gemeinsamen Oberflächengebietes oder inselförmigen Gebietes 72 angeordnet. Diese Insel 72 enthält eine Anzahl von Widerständen 73, die mit je einem Signaleingangsleiter 11 verbunden sind. Weiter sind die Widerstände 73 mit Anschlusskontakten in Form einer leitenden Schicht 74 versehen, die, gleich wie die mit der Emitterzone 33 verbundenen leitenden Schichten 57, zu dem ersten Niveau von Leiterbahnen gehören. Die leitenden Schichten 74 dienen zum Anschluss an eine in Fig. 5 nicht dargestellte, in der Zeichnungsebene der Fig. 5 waagerecht verlaufende praktisch in der Mitte über den Widerständen 73 liegende Speiseleitung 75. Diese waagerechte Speiseleitung 75 gehört zu den Leiterbahnen des zweiten Niveaus und weist Ansätze auf, die in der Ebene der Fig. 5 abwechselnd nach oben und nach unten gerichtet sind und die mit den Schichten 74 über eine Öffnung in der Isolierschicht 56, die die Leiterbahnen verschiedener Niveaus voneinander trennt, verbunden sind.

Auch die zweite Speiseleitung 58 gehört zu den Leiterbahnen des zweiten Niveaus und ist in der Zeichnung der Fig. 5 nicht dargestellt. Die Speiseleitung 58 erstreckt sich praktisch parallel zu der Speiseleitung 75 und liegt über der Emitterzone 33.

Schliesslich zeigt Fig. 5 einige Signaleingangsleiter 11 und Signalausgangsleiter 12, die zu dem ersten Niveau von Leiterbahnen gehören. Sofern Signale anderer weiter entfernter Teile der integrierten Schaltung den dargestellten Invertertransistoren zugeführt werden müssen, sind in einer zu den Speiseleitungen parallelen Richtung mindestens zwei Lagen verfügbar, die zwischen den elektrischen Anschlüssen der Widerstände 73 liegen. Obendrein kann manchmal eine Lage zwischen den Widerständen und den Invertertransistoren, wie unten in Fig. 5 angegeben ist, verwendet werden. Ferner können mit Hilfe des zweiten Niveaus von Leiterbahnen auch sich kreuzende Signalleiter gebildet werden.

Die Widerstände 73 weisen eine für integrierte Schaltungen übliche Struktur auf. Es sind p-leitende Zonen, die zugleich mit den Basiszonen 34 erzeugt werden können. Diese Zonen 73 liegen in der gemeinsamen Insel 72 über einer zu der Insel 72 gehörigen vergrabenen Schicht 76. An dem mit der Speiseleitung 75 verbundenen Ende der Widerstände 73 ist zugleich mit den Emitterzonen 33 eine höher dotierte n-leitende Oberflächenzone 77 angebracht. Der an der Grenze der Zonen 73 und 77 gebildete pn-Übergang 78 ist durch die darauf liegende leitende Schicht 74 kurzgeschlossen. Über die Oberflächenzonen 77 ist die Speiseleitung 75 direkt mit der gemeinsamen Insel 72 verbunden.

Übrigens dürfte es einleuchten, dass nicht alle Widerstände auf einer Seite mit der gemeinsamen Insel 72 über eine angrenzende Oberflächenzone 77 und einen kurzgeschlossenen pn-Übergang 78 verbunden zu sein brauchen. Meistens ist z.B. auch eine einzige Verbindung zwischen der Speiseleitung 75 und der gemeinsamen Insel 72 an sich bereits genügend. Über die Verbindung mit der Speiseleitung brauchen nur die Leckströme der verschiedenen pn-Übergänge abgeführt zu werden, so dass der Strom durch diese Verbindung verhältnismässig klein ist.

Der Flächenwiderstand der Zonen 73 beträgt z.B. etwa 200 Q. Die Widerstände weisen z.B. je einen Wert von etwa 800 Q, auf.

Die Speiseleitung 75 ist mit einem Anschluss 48 und die Speiseleitung 58 ist, wie das Substratgebiet 29, mit dem Anschluss 62 verbunden. Zwischen den Anschlüssen 48 und 62 kann eine Speisespannung von z.B. etwa 920 mV angeboten werden. Diese Speisung ist in Fig. 6 schematisch durch die Spannungsquelle 79 dargestellt.

Die gewählte Speisespannung ist gleich der Summe der Diodendurchlassspannung VBE des Invertertransistors und des logischen Hubes. Der logische Hub ist gleich der Spannung VBE abzüglich der Diodendurchlassspannung VDi und der Kollek-tor-Emitter-Spannung VCE des leitenden Invertertransistors.

Beim Betrieb ist der Ausgang einer ersten Gatterschaltung" mit einem leitenden Invertertransistor an den Eingang einer zweiten Gatterschaltung angeschlossen, deren Invertertransistor dann nichtleitend ist. Über dem zu der ersten Gatterschaltung gehörigen Widerstand wird ein Spannungsabfall auftreten, der gleich dem logischen Hub ist. Das Eingangssignal ist ja hoch und gleich der Basis-Emitter-Durchlassspannung VBE. Über dem zu der zweiten Gatterschaltung gehörigen Widerstand wird ein Spannungsabfall auftreten, der zweimal grösser als der logische Hub ist. Hier ist das Eingangssignal niedrig und etwa gleich der Summe der Diodendurchlassspannung VD1 und der Spannung VCE des leitenden Transistors. Der durch den zweiten Widerstand fliessende Strom, der über den Kollektor des leitenden Transistors abgeführt wird, ist also etwa zweimal grösser als der durch den ersten Widerstand fliessende Strom, der als Basisstrom dem leitenden Transistor zugeführt wird. Der leitende Transistor ist somit deutlich weniger übersteuert als bei einer idealeren Stromquellenspeisung der Fall gewesen wäre. Im letzteren Falle wären die Basis- und Kollektorströme praktisch gleich gross gewesen, während im vorliegenden Beispiel infolge der niedrigen Speisespannung in Vereinigung mit den Widerständen 73 ein Unterschied gleich einem Faktor 2 auftritt. Die Ladungsspeicherung im Invertertransistor ist damit entsprechend herabgesetzt.

Auch bei Anwendung einer höheren Speisespannung kann es vorteilhaft sein, die Ströme über Widerstände den Basen der Invertertransistoren zuzuführen. Der Widerstandswert der Widerstände muss dann grösser sein. Nötigenfalls können die Widerstände auf an sich bekannte Weise mit Hilfe von Ionenimplantation hergestellt werden. In diesem Falle können einfach Widerstandszonen mit einem Flächenwiderstand von z.B. etwa 2 k Q. erhalten werden. Auch können die Widerstände statt in dem Halbleiterkörper auf dem Körper angebracht werden, z.B. mit einer durch Niederschlagen oder auf andere Weise

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

9

638 341

erhaltenen Schicht aus Widerstandsmaterial, wie Titan, Tantal oder polykristallinem Halbleitermaterial.

In den beschriebenen Beispielen wird über den vertikalen und/oder den horizontalen komplementären Hilfstransistor Strom zu dem Anschluss 61 abgeführt. Dieser elektrische Anschluss 61 bildet den Anschluss des Kòllektors des Hilfstransistors. Zur Herabsetzung des Reihenwiderstandes kann es in diesem Zusammenhang günstig sein, das Substrat 29 nicht oder nicht nur auf der Unterseite anzuschliessen, sondern auf der Oberseite des Halbleiterkörpers die tiefen p-leitenden Zonen 30 an vorzugsweise in regelmässigen Abständen voneinander liegenden Stellen mit einer Leiterbahn und z.B. mit der Speiseleitung 58 zu verbinden. Wenn die Isolierzonen über ihre ganze Tiefe oder über einen Teil ihrer Tiefe aus Isoliermaterial bestehen, empfiehlt es sich, an regelmässig angeordneten Stellen zwischen oder neben den Gatterschaltungen tiefe von der Halbleiteroberfläche bis zu dem Substratgebiet reichende Halbleiterzonen anzubringen, die an der Halbleiteroberfläche mit einer Leiterbahn verbunden sind und die auf diese Weise für die gewünschte Stromableitung sorgen können.

Die beschriebenen integrierten logischen Schaltungen können völlig auf übliche Weise mit Hilfe in der Halbleitertechnik gebräuchlicher Verfahren hergestellt werden.

Es ist einleuchtend, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abwandlungen möglich sind. So können andere Halbleitermaterialien, wie Germanium oder AmBv Verbindungen verwendet werden. Weiter können in den Beispielen die Leitungstypen verwechselt werden, wobei die elektrischen Spannungen und Stromrichtungen dementsprechend angepasst werden.

Die Dicke der Oberflächenschicht ist vorzugsweise nicht grösser als etwa 6,5 (im. Mit Vorteil wird eine Dicke von höchstens etwa 3,5 Jim verwendet. Die Oberflächenschicht ist meistens eine epitaktische Schicht, aber "kann auch auf andere Weise, z.B. durch Diffusion oder Ionenimplantation, gebildet werden. Die Kollektorgebiete können auch als gesonderte Gebiete durch Dotierung in einem Substrat vom entgegengesetzten Leitungstyp angebracht werden. Der spezifische Widerstand, oder im allgemeinen die Dotierungskonzentration der

Oberflächenschicht kann innerhalb weiter Grenzen angepasst werden. Z.B. kann statt der epitaktischen Schicht von 0,7 fi • cm auch mit Vorteil eine epitaktische Schicht von etwa 0,3 £2* cm verwendet werden. Dieser spezifische Widerstand beeinflusst 5 u.a. den Reihenwiderstand der Kopplungsdioden.

Sowohl für den vertikalen als auch für den lateralen Hilfstransistor gilt, dass die Basisdicke des Hilfstransistors zwischen dem Emitter und dem Kollektor vorzugsweise etwa 3 (im oder weniger beträgt.

10 Der Invertertransistor kann auch symmetrisch zu dem nicht aktiven Teil der Basiszone, der den Emitter des Hilfstransistors enthält, ausgeführt sein. In diesem Falle wird der betreffende Basiskontakt zentral angeordnet sein, wobei auf zwei gegenüberliegenden Seiten dieses Kontakts eine Emitterzone 15 und eine oder mehrere Kopplungsdioden vorhanden sind. Auf jeder dieser Seiten wird eine vergrabene Schicht vorhanden sein, die ununterbrochen von unter der Emitterzone bis unter die Kopplungsdioden reicht. Wenn in einen derartigen symmetrischen Transistor ein lateraler Hilfstransistor eingebaut ist, 2o wird das Gebiet, das als dessen Kollektor dient, aus zwei Teilen bestehen, die neben den beiden anderen einander gegenüberliegenden Seiten der Basiszone, die nicht den Kopplungsdioden zugekehrt sind, liegen.

Die Aktivatorkonzentration in dem Teil des Substratgebie-25 tes, der als Kollektor des vertikalen Hilfstransistors der Basiszone des Invertertransistors gegenüber angeordnet ist, ist vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10 und mit Vorteil um mindestens einen Faktor 100 niedriger als die Aktivatorkonzentration in dem niederohmigen Teil des Kollektorgebietes 30 des Invertertransistors.

Die Kopplungsdioden 16 können auch mit Hilfe anderer Materialien als das genannte Platinelsilizid erhalten werden. Z.B. kann Aluminium, Plantinsilizid oder Titan Anwendung finden. Dieses Material kann nur in den Öffnungen in der Iso-35 lierschicht vorhanden sein, wie bei den beschriebenen Platinel-silizidübergängen, oder als Schicht einen Teil der Leiterbahnen bilden, wie bei Titan häufig der Fall ist. Die Titanschicht ist dann mit einer gut leitenden Schicht aus z.B. Gold überzogen, wobei nötigenfalls eine Sperrschicht aus z.B. Platin zwischenge-40 fügt sein kann.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims

638341

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Integrierte logische Schaltung mit einem Signaleingang, der durch eine Basis eines Bipolartransistors gebildet wird, und mit mehreren Signalausgängen, die über je eine Diode mit dem Kollektor des Bipolartransistors gekoppelt sind, wobei der Signaleingang mit Mitteln zum Zuführen von Strom versehen ist, wobei die Schaltung einen Halbleiterkörper mit einer Hauptoberfläche enthält, an die mehrere Oberflächengebiete von einem ersten Leitungstyp grenzen, die sich auf einem gemeinsamen Substratgebiet von einem zweiten dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp befinden, wobei jedes dieser Oberflächengebiete an der Hauptoberfläche von einer Isolierzone umgeben ist, mit deren Hilfe die Oberflächengebiete voneinander getrennt sind, wobei eines dieser Oberflächengebiete vom ersten Leitungstyp als Kollektorgebiet des Bipolartransistors dient, wobei dieser Bipolartransistor weiter eine an die Hauptoberfläche grenzende Emitterzone vom ersten Leitungstyp enthält, die in dem Halbleiterkörper durch eine bis zu der Hauptoberfläche reichende Basiszone vom zweiten Leitungstyp von dem Kollektorgebiet getrennt ist und mit dieser Basiszone einen ersten pn-Übergang bildet, wobei die Basiszone über einem Teil des Kollektorgebiets liegt und mit dem Kollektorgebiet einen zweiten pn-Übergang bildet, und wobei auf der Hauptoberfläche eine elektrisch isolierende Schicht mit wenigstens einer ersten über der Emitterzone liegenden Öffnung, mit wenigstens einer zweiten neben der Emitterzone über der Basiszone liegenden Öffnung und mit mehreren dritten neben der Basiszone über dem Kollektorgebiet liegenden Öffnungen vorhanden ist, wobei die Isolierschicht Leiterbahnen von dem Halbleiterkörper trennt, die für elektrischen Anschluss bis in die ersten, zweiten und dritten Öffnungen reichen, und wobei die bis in die dritten Öffnungen reichenden Leiterbahnen je über einen gleichrichtenden Übergang, der an das Kollektorgebiet grenzt, mit dem Kollektorgebiet gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halbleiterstruktur des Bipolartransistors zusätzlich ein Gebiet vom zweiten Leitungstyp mit der genannten Basiszone vom zweiten Leitungstyp und dem genannten Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp zusammenarbeitet, wodurch ein komplementärer Hilfstransistor eingebaut ist, dessen Emitter durch die genannte Basiszone, dessen Basis durch das Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp und dessen Kollektor durch das Gebiet vom zweiten Leitungstyp gebildet wird, wobei das zuletzt genannte Gebiet mit einem elektrischen Anschluss versehen ist, so dass, wenn der Bipolartransistor übersteuert ist, ein erheblicher Teil des in der Basiszone des Bipolartransistors fliessenden Stromes durch den Hilfstransistor fliessen kann und die Speicherung beweglicher Ladungsträger in dem übersteuerten Bipolartransistor erheblich herabgesetzt wird.
2. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 1, bei der das Kollektorgebiet einen hoch- und einen niederohmigenTeil enthält, wobei sich der niederohmige Teil an und längs der Grenzfläche zwischen dem Kollektorgebiet und dem Substratgebiet erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der niederohmige Teil des Kollektorgebietes in einer zu der Hauptoberfläche praktisch parallelen Richtung einen beschränkten Umfang aufweist, wobei sich dieser Teil einerseits unter der Emitterzone und unter den gleichrichtenden Übergängen erstreckt und andererseits unter der Basiszone und der über dieser Zone liegenden zweiten Öffnung in der Isolierschicht ein Gebiet freilässt, in dem der hochohmige Teil des Kollektorgebietes direkt unter Bildung eines dritten pn-Übergangs an das Substratgebiet grenzt, wobei der an den hochohmigen Teil des Kollektorgebietes grenzende Teil des Substratgebietes als Kollektor des Hilfstransistors mit dem angrenzenden Kollektorgebiet und der Basiszone des Bipolartransistors zusammenarbeitet.
3. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen dem zweiten und dem dritten pn-Übergang gemessene Dicke des hochohmigen Teiles des Kollektorgebietes höchstens 5 Jim beträgt.
4. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Aktivatoren im Substratgebiet an der Grenze mit dem hochohmigen Teil des Kollektorgebietes vom ersten Leitungstyp mindestens um einen Faktor 10 niedriger als die Konzentration an Aktivatoren im niederohmigen Teil dieses Kollektorgebietes ist.
5. Integrierte logische Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiszone einen aktiven Teil aufweist, der die Emitterzone umgibt und dem sich ein nicht aktiver Teil anschliesst, der für elektrischen Anschluss der Basiszone dient und über dem die zweite Öffnung vorhanden ist, wobei dieser anschliessende nicht aktive Teil den Emitter des Hilfstransistors bildet und mindestens gleich gross wie der genannte aktive Teil ist.
6. Integrierte logische Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiszone einen aktiven Teil aufweist, der die Emitterzone umgibt und dem sich ein nicht aktiver Teil anschliesst, der für elektrischen Anschluss der Basiszone dient und über dem die zweite Öffnung vorhanden ist, wobei dieser nicht aktive Teil den Emitter des Hilfstransistors bildet, und wobei die genannte zweite Öffnung eine Kleinstabmessung aufweist, die grösser als die Kleinstabmessung der dritten Öffnungen über dem Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp ist.
7. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinstabmessung der zweiten Öffnung mindestens zweimal grösser als die Kleinstabmessung der dritten Öffnungen ist.
8. Integrierte logische Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass, auf die Hauptoberfläche gesehen, die ersten, zweiten und dritten Öffnungen eine Reihe bilden, wobei zwischen einer der dritten Öffnungen einerseits und der zweiten Öffnung, die sich über dem Teil der Basiszone befindet, der den Emitter des Hilfstransistors bildet, andererseits die erste über der Emitterzone liegende Öffnung vorhanden ist.
9. Integrierte logische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hauptoberfläche neben der Basiszone eine an das Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp grenzende weitere Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp vorhanden ist, die von der Hauptoberfläche bis zu praktisch der gleichen Tiefe wie die Basiszone in den Halbleiterkörper reicht, wobei diese weitere Oberflächenzone als Kollektor des Hilfstransistors dient und mit dem Substratgebiet verbunden ist.
10. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand an der Hauptoberfläche zwischen der Basiszone und der weiteren Oberflächenzone höchstens 5 (im beträgt.
11. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierzonen Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp sind, die sich von der Hauptoberfläche bis zu einer grösseren Tiefe in den Halbleiterkörper als die weitere Oberflächenzone erstrecken, wobei die weitere Oberflächenzone direkt mit der an das Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp grenzenden Isolierzone verbunden ist, dadurch, dass sich diese beiden Zonen an der Hauptoberfläche überlappen.
12. Integrierte logische Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiszone an der Hauptoberfläche nur teilweise von der weiteren Oberflächenzone umgeben ist, wobei der an der Hauptoberfläche liegende Umfang der Basiszone zum Teil einer oder mehreren dritten Öffnungen und zum verbleibenden Teil der weiteren Oberflächenzone gegenüberliegt.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3 638 341
13. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 12, grösser ist. Von besonderer Bedeutung ist, dass diese Verbesse-

dadurch gekennzeichnet, dass die Basiszone praktisch rechtek- rung erzielt wird, ohne dass ein verhältnismässig verwickelter kig ist, wobei die weitere Oberflächenzone praktisch U-förmig Herstellungsvorgang erforderlich wird. Der für die vorgeschla-ist und die Basiszone auf drei Seiten umgibt, wobei die dritten gene integrierte Schaltung benötigte Herstellungsvorgang ist Öffnungen in der Isolierschicht auf der vierten Seite der Basis- s gleich dem Vorgang, durch den auch LS TTL hergestellt werden zone neben dieser Basiszone angeordnet sind. kann. Es ist daher umso wichtiger und auch überraschender,

dass bei Anwendung der vorliegenden Erfindung eine so deutliche Verbesserung in bezug auf LS TTL erzielt wird.

Bei einer besonderen bevorzugten Ausführungsform der 10 integrierten Schaltung nach der Erfindung ist der komplementäre Hilfstransistor als vertikaler Transistor ausgebildet. Bei Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte logische dieser Ausführungsform enthält das Kollektorgebiet einen

Schaltung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. hoch- und einen niederohmigen Teil, wobei sich der niederoh-

Diese Schaltung ist aus «19751.E.E.E. International Solid- mige Teil an und längs der Grenzfläche zwischen dem Kollek-State Circuits Conference», Digest of Technical Papers, is torgebiet und dem Substratgebiet erstreckt, und diese Ausfüh-

Februar 1975, S. 168 und 169 bekannt und wird als sehr attrak- rungsform ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass der nieder-tiv für gross integrierte Schaltungen (LSI) betrachtet. Die Basis- ohmige Teil des Kollektorgebietes vom ersten Leitungstyp in zelle ist ein NICHT-UND-Gatter, in dem die Kopplungsdioden einer zu der Hauptoberfläche praktisch parallelen Richtung an den Signalausgängen als Schottky-Dioden ausgebildet sind. einen beschränkten Umfang aufweist, wobei sich dieser Teil Ausserdem enthält die Zelle auch eine Schottky-Diode, die zu 20 einerseits unter der Emitterzone und unter den gleichrichtendem Kollektor-Basis-Übergang des Transistors parallelgeschal- den Übergängen erstreckt und andererseits unter der Basiszone tet ist. Diese Schottky-Diode (Anklammerungsdiode) weist eine und der über dieser Zone liegenden zweiten Öffnung in der Isoandere Diodendurchlassspannung als die Kopplungsdioden lierschicht ein Gebiet freilässt, in dem der hochohmige Teil des auf. Der Hub des logischen Signals, d.h. der Spannungsunter- Kollektorgebietes unmittelbar unter Bildung eines dritten pn-schied zwischen den Signalen, die eine logische « 1 » bzw. eine 25 Übergangs an das Substratgebiet grenzt, wobei der an den hochlogische «0» darstellen, ist gleich dem Unterschied zwischen ohmigen Teil des Kollektorgebietes grenzende Teil des Sub-den Diodendurchlassspannungen der beiden voneinander ver- stratgebietes als Kollektor des Hilfstransistors mit dem angren-schiedenen Arten Schottky-Dioden. Dieser Hub kann dadurch zenden Kollektorgebiet und der Basiszone des Bipolartransi-verhältnismässig klein sein, wodurch die Schaltgeschwindigkeit stors zusammenarbeitet. Vorzugsweise ist in dieser Ausfüh-der Zelle günstig beeinflusst wird. Die Mindestverzögerungs- 30 rungsform die zwischen dem zweiten und dem dritten pn-Über-zeit der Zelle ist mit der der TTL-Version mit Schottky-Diode gang gemessene Dicke des hochohmigen Teiles des Kollektor-und geringer Verlustleistung vergleichbar, die auch kurz als gebietes nicht grösser als 5 um.

«LS TTL» bezeichnet wird. Weiter ist die Zelle besonders Dieser vertikale Hilfstransistor, der überschüssigen Basis gedrängt und ist auch das Produkt der Verzögerungszeit und ström des Invertertransistors über das Substratgebiet abfliessen der Verlustleistung günstig niedrig. 35 lässt, ist, wie gefunden wurde, ein besonders zweckmässiges

Obgleich diese attraktive LSI-Logik vor nun schon fast drei Mittel zur Beschränkung der Übersteuerung des Invertertransi-Jahren angekündigt wurde, hat sie, sofern der Anmelderin stors und zur Herabsetzung der Speicherung beweglicher Mino-

bekannt ist, bisher nicht zu Erzeugnissen geführt, die auf dem ritätsladungsträger in diesem Transistor, wodurch verhältnis-Markt Eingang gefunden haben. mässig kurze Schaltzeiten erzielt werden.