DE2105475A1

DE2105475A1 - Integrierte Halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE2105475A1
Application number: DE19712105475
Authority: DE
Inventors: Kenneth William Horley Surrey Moulding (Großbritannien)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-02-06
Filing date: 1971-02-05
Publication date: 1971-08-12
Also published as: DE2105475C3; ES387993A1; FR2080964B3; SE358051B; JPS4945196B1; CA939827A; FR2080964A7; US3697784A; GB1232946A; NL7101395A; DE2105475B2

Description

GÜNTHER M. DAVID

Pafsntas-jscsor

Anmelder: FJ.V. PHILIPS' GLOEILAMPEKFABRIEKaI /•■Me: PHB-32.038

Anmeldung vom: 4. Febr. 1971

PHB.32.058

Ya/EVH

"Integrierte Halbleiterschaltung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem Halbleiterkörper, von dem ein Teil einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei an diesen Teil mindesten« ein erstes, ein zweites und ein drittes Gebiet grenzen, welohe Gebiete gegeneinander isoliert sind, je bia zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers reichen, je mit dem Teil vom ersten Leitfähigkeitstyp einen pn-Uebergang bilden und je ein Schaltungselement enthalten·

In einer allgemein bekannten Ausführungsform eines integrierten Halbleiterschaltung ist eine Anzahl von Inseln in einer epitaktischen Schicht vom ersten Leitfähifrkeitstyp, meistens vom

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n-LeitfShigkeitatyp, vorhanden, die auf einen Substrat aus einem Material voa_entgegenßesetzten LeilfHhigkeitstyp (p-Leitfähigkeitstyp) mit einem hohen spezifischen Widerstand angebracht ist. Die Inaein verden in dex epitaktischen Schicht durch Gebiete mit niedrigem spezifischem Widerstand aus einem Material von dem gleichen Lei-tfMhigkeitatyp wie das Substrat definiert, welche Gebiete sich durch die epitaktische Schicht hindurch von der Oberfläche bis zu dem Substrat erstrecken. Biese Gebiete werden durch Diffusion erhalten und verden gewöhnlich als Isolierzonen bezeichnet. Halbleiterschaltungselemente befinden sich in den Inseln und werden durch Diffusion von Verunreinigungen in die Oberflächenteile der Inseln durch Oeffnungen in einer schutzenden isolierenden Maekierungaschioht auf der Oberfläche der epitakti3chen Schicht gebildet»

Die Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Schaltungselementen in den Inseln werden duroh Teile einer Metallschicht, die einen Kontakt mit OberflSchenteilen der unterschiedlichen Schaltungselemente bilden und sich weiter über die schutzende Isolierschicht erstrecken, hergestellt. Die elektrische Trennung zwischen den einzelnen Schaltungselementen in verschiedenen Inseln wird daduroh erhalten, dass die pn-üebergänge zwischen den (nleitenden) Inseln und den (p-leitenden) Isolierzonen des Substrats in der Sperrichtung vorgespannt werden.

Wenn ein Schaltungselement ein Bipolartransistor, z.B. ein npn-Transistor mit diffundierten Emitter- und Basisgebieten ist, wird das Kollektorgebiet des Translators duroh das ursprüngliche Material einer η-leitenden Insel in einer η-leitenden spitaktiachen Sohicht gebildet. Sin Kondensator oder eine Diode kann in einer integrierten Schaltung durch einen pn-TJebergang zwischen

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eines Insel aus einem Material vom ersten Leitfähigkeit«typ (z.B. n-Leitfähigkeitstyp) und einem Gebiet vom entgegengesetzten LeitfShigkeitstyp (p-LeitfShigkeitstyp) in dieser Insel gebildet werden.

Bei den Entwicklungen von Schaltungsanordnungen in Form integrierter Halbleiterachaltungen der obenerwähnten Art hat sich gezeigt, dass unerwünschte Rückkopplungseffekte erzeugende Störsignale von einen Transistor in einer Insel zu einem Transistor in einer anderen Insel über eine aus den Kapazitäten zwischen dem Kollektorgebied jedes Transistors und dem Substrat bestehende Bahn und Über die Leitung via das Substrat übergehen können. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige störende Verbindungsbahn, die falsche Signale veranlasst, insbesondere in einer integrierten Schaltung auftritt, die einen Verstarker mit einem Hochleistungs- und Hochfrequenztransistor enthält. Es h*t sioh weiter herausgestellt, dass unerwünschte Rtiokkopplungseffekte erzeugende Störsignale auf gleiche Weise zwischen den Schaltungeelementen (somit nicht notwendigerweise Transistoren) passieren können, die in verschiedenen Inseln liegen und Gebiete aufweisen, die mit dem Substrat einen pn-Uebergang bilden.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Möglichkeit zur nahezu vollständigen Unterdrückung des RUokkopplungseffektes derartiger Störsignale in integrierten Schaltungen zu schaffen; weiter hat sie zum Zweck, bestimmte Typen von Schaltungsanordnungen zu schaffen.

Eine integrierte Schaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement des ersten Gebietes und das Schaltungselement des zweiten Gebietes in Gegentakt geschaltet sind, wobei die Impedanz des Kreises, der

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duroh den pn-Uebergang zwischen dem ersten Gebiet und dem Teil, den Widerstand in dem Teil zwischen dem ersten und dem dritten Gebiet und den pn-Uebergang zwischen dem Teil und dem dritten Gebiet gebildet wird, nahezu gleich der Impedanz des Kreises ist, der durch den pn-Uebergang zwischen dem zweiten Gebiet und dem Teil, den Widerstand im Teil zwischen dem zweiten und dem dritten Gebiet und den pn-Uebergang zwischen dem Teil und dem dritten Gebiet gebildet wird. Die integrierte Schaltung kann z.B. drei Inseln enthalten, die durch IsolierwSnde begrenzt werden und je ein Schaltungselement enthalten, wobei zwei dieser Sohaltungselemente in Gegentakt geschaltet sind und z.B. eine Ausgangsstufe eines Verstärkers bilden. Das dritte Gebiet ist derart in der integrierten Uchaltung angebracht, dass dieses Gebiet am Knotenpunkt eines elektrischen Potentialmusters liegt, das im Substrat infolge Störsignale gebildet werden kann, die von jedem Schaltungselement des in Gegentakt geschalteten Paares zu dem Schaltungselement im dritten Gebiet laufen«

Die an den erwähnten Gebieten der in Gegentakt geschalteten Elemente auftretenden Spannungen werden gegenphasig sein, so dass von diesen Gebieten zu dem an Knotenpunkt liegenden Gebiet laufende Storsignale an diesem Knotenpunkt beseitigt werden, wodurch dar Röckkopplungseffekt der Störsignale auf das Schaltungselement im dritten Gebiet vermieden wird.

Bei einer praktischen Ausfuhrungeform der Erfindung kann eine waiters Insel mit einem darin gebildeten Schaltungeelement, von dem ein Gebiet einen pn-Uebergang mit dem Substrat bildet, derart in der integrierten Schaltung angebracht werden, dass das erwähnte Gebiet diesel Sahaltungeelementee an einem Knotenpunkt des erwähnten elektrischen Potentialmustere liegt,

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so dass der RUckkopplungaeffekt der e¥w8bnten Störaignale auch bei diaaem weiteren Schaltungselement in der erwähnten Insel vermieden wird.

Umgekehrt kann, z.B. falle das Schaltungselement des dritten Gebietes zu der Auegangsstufe eines VerstBrkera gehört, der RUckkopplungseffekt von Störsignalen, die von diesem Schaltungselement zu den beiden Schaltungselementen in den beiden anderen Gebieten laufen, dadurch vermieden werden, dass die beiden erwähnten Schaltungselemente in Gegentakt miteinander verbunden werden und ihre Verbindung derart in der integrierten Schaltung angebracht wird, dass die erwähnten Gebiete dieser beiden Schaltungselemente an Punkten gleichen Potentiale des Potentialmusters liegen, das infolge der von dem Schaltungeelement des dritten Gebietes herrührenden StSrsignale auftreten kann.

Bei einer praktischen Aueführungaform der Erfindung können die Gebiete mindestens eines weiteren Paares in Gegentakt geschalteter Elemente in reepektiven Gebieten, die einen pn-Uebergang mit dem Substrat der integrierten Schaltung bilden» auf gleiche Weise angebracht werden, ao dass auch bei diesen Schalungselementen der Rückkopplungseffekt der Störsignale beseitigt wird·

In gewissen Fällen ist es leicht und günstig, die Schaltung bei einem Transistorverstärker mit einer Gegentaktausgangastufe zu verwenden. Auch kann in gewissen Fällen der Eingang oder die Zwischenstufe eines VeratJfkers ale eine Gegentakts tufe ausgebildet werden. Es ist bekannt, dass in jedem dieser FSlIe Spannungen gleicher Grosse, aber auch entgegengesetzter Phasen an den Kollektoren der Gegentakttraneiatoren beim Betrieb dea Verstärkers auftreten werden. Auoh können zvei Schaltungselemente von einen anderen Typ, z.B.Kondensatoren,

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einer Schaltung in Gegenteki; angeordnet werden, wobei gegenphasige Spannungen gleicher Grosse un sinsr der Elektroden beim Betrieb der Schaltung auftreten werden.

Die vorliegende Erfindung kann also im allgemeinen bei integrierten Schaltungen mit einem Paar in Gegentakt geschalteter Elemente Anwendung finden, wenn ein durch Störeignale herbeigeführter Rückkopplun^seffekt vermieden werden muss. Inabesondere lSsst sich die Erfindung in integrierten Schaltungen eines Hochfrequenz- und HochleistungstrEnsiatorverstärkere verwenden, der insbesondere mit einer Gegentakt-Auagangsstufe versehen ist.

Bei der praktischen Anwendung der Erfindung, bei der Störsignale von den in Gegentakt geschalteten Elementen zu dem dritten Gebiet laufen, hängt das Potentialraueter von der Anordnung der beiden Gebiete, in denen zwei Transistoren oder andere Schaltungselemente das Fear in 3«gentakt geschalteter Elemente biläan, und auch von der Fo*ia des vollständigen .1 ίΐβϊ« ^"rriiffuaioaamuetera der integrierter. Schaltung ab. Bei eines -ymiuetrischen Anordnung lässt sich erzielen, dass Knotenpunkt« an der Mittellinie der integrierten Schaltung auftreten. Es ist möglich, dass keine Symmetrie erhalten werden kann, in welchem Falle die Knotenpunkte nicht auf dar Hittellinie der integrierten Schaltung liegen; die Lagen der Knotenpunkte können dann aber durch Lösung der Laplace-Gleichungen (V 0 =« 0) gefunden werden, wobei φ das elektrische Potential darstellt. Dies kann unter Verwendung eines elektrolytiachen Troganalogona oder mittels Kippachwingungsverfahren fflit einer digitalen Rechenanlage durchgeführt werden.

Bei der praktischen Anwendung des Erfindung, bei der Störeignale von dem dritten Gebiet zu den ii,· Oe^r.takt ^e«schali ;-ten Element· laufen, treffen selbstverständlich «lie gleioh«n

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Erwägungen zuj in diesem Falle müssen aber Punkte gleichen Potentials (keine Knotenpunkte) des Potentialmusters bestimmt werden.

Bei einer praktischen Ausführungsform eines Hochfrequenz- und Hochleiatungs-Mehrstufentranaiatorverstörkers in Form einer integrierten Schaltung nach der Erfindung kann eine Gegentakt-Ausgangsstufe mit zwei Transistoren in respektiven Inseln der Schaltung verwendet werden, wobei ein oder mehrere Transistoren einer oder mehrerer vorangehenden Stufen, vorzugsweise wenigstens die Eingangsstufe, in einer anderen Insel oder in anderen Inseln gebildet werden, die, wie oben erwähnt, an dem (den) Knotenpunkt(en) das Potentialmusters in dem Substrat der integrierten Schaltung liegt (liegen). Auch kann die Eingangsstufe und/oder mindestens eine Zwischenstufe des Verstärkers durch ein in Gegeηtakt geschaltetes Transistorenpaar gebildet werden, deeeen Transistoren in gesonderten Inseln liegen, die an Punkten gleichen Potentials des Potentialmusters im Substrat liegen, dadurch, dass die Ausgangsstufe des Verstärkers in einer anderen Insel gebildet ist.

Die Erfindung lässt sich außerdem zur Beseitigung dea Rüokkopplungseffektes von Störsignalen zwischen Transistoren oder anderen Schaltungselementen verschiedenartiger in derselben integrierten Schaltung vorhandener Anordnungen verwenden.

Einige Ausführungsformeη der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es ze igent

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine integrierte Schaltung mit zwei darin gebileten Transistoren;

Fig. 2 schematiech die Rückkopplungabahn zwischen den Kollektorgebieten der beiden Transistoren in der integrierten Schaltung nach Fig. 1,

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Fig. 3 schematisoh die Anordnung der Inseln in einer integrierten Schaltung nach der Erfindung,

Fig. 4 schematisch die Rückkopplungsbahn zwischen den Kollektorgebieten <1er Tranaistoren in der Schaltung nach Fig. 3»

Fig. 5 schematiaoh die Anordnung von Inseln in einer anderen integrierten Schaltung nach der Erfindung, und

Fig. 6 schematisch die Rückkopplungsbahnen zwischen den Kollektorgebieten der Transistoren in der Schaltung nach Fig. 5«

Die integrierte Halbleiterschaltung nach Fig. 1 enthält zwei Gebiete 1 und 2, die einen pn-üebergang mit dem Teil 4 des Halbleiterkörper bilden. Die Gebiete 1,2 sind als Inseln in einer η-leitenden epitaktischen Schicht 3 angebracht, die auf einem den Teil 4 bildenden Substrat 4 aus p-leitendem Material mit einem hohen spezifischen Widerstand liegt· Die Inseln 1 und werden in der epitaktischen 'Schicht 3 durch Gebiete 5» 6 und 7 aus p-leitendem Material mit einem niedrigen spezifischen Widerstand begrenzt, die eich von der Oberfläche der epitaktischen Schicht 3 bis zu dem Substrat erstrecken. Die Gebiete 5» 6 und werden durch Diffusion erhalten und werden gewöhnlich als Isolierzonen bezeichnet. In jeder der Inseln 1 und 2 wird ein Bipolartransistor durch Diffusion einer Verunreinigung in die Oberflächenteile der Inseln 1 und 2 durch Oeffnungen in einer schützenden isolierenden (nicht dargestellten) Maekierung?schioht auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht 3 angebracht. In jeder der Inseln 1 und 2 bildet das η-leitende Material den Kollektor eines Transistors_s während die Basis dieses Transistors durch ein Gebiet 8 (oder9) aus p-leitendem Material innerhalb der Insel und der Emitter des Transistors durch ein n-leitendee Gebiet 10 (oder 11) aua η-leitendem Material höherer Leitfähigkeit

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innerhalb des Basiegabietea 8 oder 9 gebildet wird. Ein η -Gebiet 12 oder 13 aus η-leitendem Material höherer Leitfähigkeit bildet die Verbindung mit dem Kollektorgebiet von 1 oder 2.

Die Verbindungen ndt den beiden Transistoren und die Verbindungen zwiBchen diesen Transistoren kennen durch Teile einer Metallschicht m, die mit den Oberflöchenteilen der Transistoren einen Kontakt bilden, erhalten werden.

Sie elektrische Isolierung zwischen den beiden Transistoren in den beiden Inseln wird daduroh erhalten, dass die pn-Uebergänge zwischen den η-leitenden Inseln 1 und 2 und dem p-leitenden Substrat 4 in der Sperrichtung polarisiert und die Isolierwände 5t 6 und 7 vorgesehen werden. Eine starke Quelle möglicher Rückkopplung ergibt sich aber längs einer Bahn durch das Substrat infolge der Kapazitäten zwischen den Kollektorgebieten und dem Substrat der beiden Transistoren. Diese RUckkopplungsbahn ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, in der die beiden Transistoren mit 14 und 15 bezeichnet sind, während ihre Kapazitäten zwischen den Kollektorgebieten und dem Substrat bei 16 und angedeutet sind; die Leitfähigkeit des Substratkörpers 4 wird durch das Widerstandsnetzwerk 1(3 dargestellt*

Wenn einer der beiden Transistoren durch zwei in einzelnen Inseln liegende Transistoren ersetzt wird, bildet sich eine Rtickkopplungsbahn zwischen den Kollektoren jedes der beiden Transistoren und dem Kollektor des anderen Transistors. Dies ist schematiach in Fig. 3 angegeben, die ein Substrat 19 rait Inseln 20, 21 und 22 zeigt, wobei Tranaistoren 23, 24 bzw. 25 in diesen Inseln gebildet sind. Die Kapazitäten zwischen den Kollektorgebieten der Transistoren und dem Substrat sind durch Kondensatoren 26, 27 bzw. 28 dargestellt, während die durch die Leitung

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des Cubstratkö'rpers 19 ο^β^-ϊ·1^^βΐβΓ< Widerstar.dsbahnen durch das Widerstandsnetzwerk 29 dargestellt werden. Fig. 4 zeigt schematisch die Symmetrie des Wideratandsnetzwerkes 29, die erhalten wird, wenn die Insel 20 symmetrisch zu den Inseln 21 und 22 auf der Kittellinie der integrierten Schaltung angebracht wird. Durch dia Ge^ontaktachaltung der beiden Transistoren 24 und 25 sind die Kollektorspannungen dieser Transistoren gegenphasig, so daas etwaige Rückkopplungsspannungen am Kollektor des Tranaistors 23 von den Kollektoren der Transistoren 24 und 25 an Über die Rückkopplungabahnen die gleiche Grosse, aber entgegengesetzter Phasen aufweisen werden, wodurch sie sich am Kollektor des Transistors 23 ausgleichen.

Bei dieser symmetrischen Anordnung wird angenommen, dass die Knotenpunkte des elektrischen Potentials infolge der Hlickkopplungsapannungen auf der Mittellinie der integrierten Schaltung liegen. Dio Laplaca-Gleiohung kann "wt ob«· -'■' ^arhriebene Weise zur Bestimmung von Nullpotentialpunkten zum Anbringen dee Transistors verwandet werden, zu dessen Behuf die Effekte der Rückkopplungsspannungen unterdrückt werden müssen, und zwar in denjenigen Fällen» in denen keine symmetrische Anordnung erhalten werden kann·

In Fig. 5 und 6 wird eine Anwendung der Erfindung zur Beseitigung dei Wirkung der Riiokkopplungsspannungen von einer Transistorstufe zu zwei oder mehr weiteren Transistoren oder Transistorstufen in den respektiven Inse?n einer integrierten Schaltung dargestellt. Nach Fig. 5 "wird die erwÄhnte Transistor» stufe durch einen Gegentaktstufe mit zwei Transistoren jSQ und 3*1 in respektiven Ineeln 32 und 33 gebildet, wahrend ,Jede der zve_ oder mehreren weiteren Inseln 34 und 35 eine Traneistor3tufe enthSlt,

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welche Stufen aua je einem Transistor 36 bzw. 37 bestehen. Die Tranaiatoren 36 und 37 können z.B. gleichfalle in Gegentakt geschaltet sein. Ein Gebiet 38 stellt ein hypothetisches Isolieruneediffuaionarauater im Substrat 39 der integrierten Schaltung dar. Widerstände φ stellen di· Leitung des Substratkörpera 39 und di« Kondensatoren 4I - 44 stellen die betreffenden Kapazitäten zwischen den Kollektorgebieten der Transistoren 30» 31» 56 und 37 und dem Subetrat dar. Durch Anbringung jeder der Inseln 34 und 35 an einem Knotenpunkt des Potentialmusters, das im Substrat 39 infolgt Störsignale , die vom Kollektor jedes der in Gegentakt geschalteten Transistoren 30 und 31 herrühren, auftreten kann, wird eine symmetrische HUckkopplungsscha]tungeanordnung nach Fig. 6 erhalten. Der Rückkopplungaeffekt der Störsignale wird daduroh in jeder der Inseln 34 und 35 beseitigt.

Obschon sich die obenstehende Beschreibung nur auf den Fall bezieht, in dem das in Gegentakt geschaltete Paar auf das dritte Gebiet rückgekoppelt wird, iat es einleuchtend, dass sich die Erfindung auch im ,umgekehrten Fall verwenden löset, ausgenommen, wenn im letzteren Falle die Symmetrieanforderungen sich auf Punkte gleichen Potentiale des Potentialmusters und nicht auf Knetenpunkte beziehen.

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Claims

Al

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PATENT AITS PRÜECHE ι

Integrierte Halbleiterschaltung mit einem Halbleiterkörper, von dem ein Teil einen ersten Leitftihigkeitstyp aufweist, wobei an diesen Teil mindestens ein ersten, ein zweites und ein drittes Gebiet grenzen, welche Gebiete gegeneinander isoliert sind, je bis zu einer Oberfläche dee Halbleiterkörper reichen, je mit dem Teil vom ersten Leitfähigkeitstyp einen pn-Uebergang bilden und je ein Schaltungselement enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement des ersten Gebietes und das Schaltungselement des zweiten Gebietes in Gegentakt geschaltet sind, wobei die Impedanz des Kreises, der durch den pn-Uebergang zwischen dem ersten Gebiet und dem Teil, den Widerstand im Teil zwisohen dem ersten und dem dritten Gebiet und den pn-Uebergang zwischen dem Teil und dem dritten Gebiet gebildet wird, praktisch gleioh der Impedanz des Kreises ist, der durch den pn-Uebergang zwischen dem zweiten Gebiet und dem Teil, den Widerstand im Teil zwischen dem zweiten und dem dritten Gebiet und den pn-Uebergang zwischen dem Teil und dem dritten Gebiet gebildet wird.
2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass an den erwähnten Teil ein viertes Gebiet grenzt, das gegen das erste, das zweite und das dritte Gebiet isoliert ist, bis zu der erwShnten Oberflfifohe dee Halbleiterkörper« reicht, mit dem Teil einen pn-Uebergang bildet und ein Schaltungselement enthalt« wobei oie Impedanz des Kreises, der durch den pn-Uebergang zwischen dem vierten Gebiet und dem Teil, den Wideretand im Teil zwischen dem vierten Gebiet und dem ersten Gebiet und den pn-Uebargang zwischen dem Teil und dem ereten Gebiet gebildet wird, praktisch gleich d«z In pe dm ζ das Kreises ist, der durch den pn-Ueb®rgang zwischen dem vierten Gebiet und dem Teil,

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den Widerstand im Teil zwischen dem vierten Gebiet und dem zweiten Gebiet und den pn-Uebergang zwischen dem Teil und dem zweiten Gebiet gebildet wird»
3. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungselemente dta dritten Gebietes und des vierten Gebietes in Gegentakt geschaltet sind.
4. Integrierte Halbleiterschaltung naoh einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung einen Transistorverstärker enthält, dessen Ausgangsstufe durch die in Gegentakt geschalteten und aus Transistoren bestehenden Schaltungselemente des ersten und des zweiten Gebietes gebildet wird, wobei das dritte Gebiet einen Transietor einer der vorangehenden Stufen des Verstärkers enthält.
.5. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement des dritten Gebietes zu der Eingangsstufe des Verstärkers gehört.
6. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das dritte und das vierte Gebiet symmetrisch zu dem ersten und dem zweiten Gebiet angeordnet sind.

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