DE2105475B2

DE2105475B2 - Integrierte Halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE2105475B2
Application number: DE2105475A
Authority: DE
Inventors: Kenneth William Horley Surrey Moulding
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-02-06
Filing date: 1971-02-05
Publication date: 1981-04-16
Also published as: FR2080964B3; ES387993A1; GB1232946A; DE2105475A1; NL7101395A; JPS4945196B1; CA939827A; SE358051B; US3697784A; FR2080964A7; DE2105475C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In einer allgemein bekannten Ausführungsform einer integrierten Halbleiterschaltung ist eine Anzahl von Inseln in einer epitaktischen Schicht vom ersten Leitungstyp, meistens vom N-Leitungstyp vorhanden, die auf einem Substrat aus einem Material vom entgegengesetzten Leitungstyp (P-Leitungstyp) mit einem hohen spezifischen Widerstand angebracht ist Die Inseln werden in der epitaktischen Schicht durch Gebiete mit niedrigejn spezifischem Widerstand aus einem Material von dem gleichen Leitungstyp wie das Substrat definiert, welche Gebiete sich durch die epitaktische Schicht hindurch von der Oberfläche bis zu dem Substrat erstrecken. Diese Gebiete werden durch Diffusion erhalten und werden gewöhnlich als Isolierzonen bezeichnet Halbleiterschaltungselemente befinden sich ^;n den Inseln und werden durch Diffusion von Verunreinigungen in die Oberflächenteile der Inseln durch öffnungen in einer schützenden isolierenden Maskierungsschicht auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht gebildet

Die Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Schaltungselementen in den Inseln werden durch Teile einer Metallschicht, die einen Kontakt mit Oberflächenteilen der unterschiedlichen Schaltungselemente bilden und sich weiter über die schützende Isolierschicht erstrecken, hergestellt. Die elektrische Trennung zwischen den einzelnen Schaltungselementen in verschiedenen Inseln wird dadurch erhalten, daß die PN-Übergänge zwischen den (N-leitenden) 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 Transistors durch ei is ursprüngliche Material einer N- leitenden Insel in einer N-leitenden epitaktischen Schicht gebildet. Ein Kondensator oder eine Diode kann in einer integrierten Schaltung durch einen PN-Übergang zwischen einer Insel aus einem Material vom ersten Leitungstyp (z. B. N-Leitungstyp) und einem Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp (P-Leitungstyp) in dieser Insel gebildet werden.

Bei den Entwicklungen von Schaltungsanordnungen in Form integrierter Halbleiterschaltungen der obenerwähnten Art hat sich gezeigt, daß unerwünschte Rückkopplungseffekte erzeugende Störsignale von einem Transistor in einer Insel zu einem Transistor in einer anderen Insel über eine aus den Kapazitäten zwischen dem Kollektorgebiet jedes Transistors und dem Substrat bestehende Bahn und durch Leitung über 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 Verstärker mit einem Hochleistungs- und Hochfrequenztransistor enthält. Es hat sich weiter herausgestellt, daß unerwünschte Rückkopplungseffekte erzeugende Störsignale auf gleiche Weise zwischen den Schaltungselementen (somit nicht notwendigerweise Transistoren) passieren können, die in verschiedenen Inseln liegen und Gebiete

!I aufweisen, die mit dem Substrat einen PN-Übergang

I! bilden.

jj! Aus der DE-AS 12 93 903 ist eine integrierte

H Schaltung bekannt, bei der eine Kopplung zwischen

p Schaltungselementen durch eine Schicht hoher Impe-

g§ danz vermieden wird. Es handelt sich dabei um einen

il Verstärker mit zwei in Gegentakt geschalteten Ein-

% gangstransistoren.

|| Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine

Jf] integrierte Halbleiterschaltung der eingangs genannten

Sf Art so auszubilden, daß Rückkopplungseffekte nahezu

£?: vollständig unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

\x kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen

U Merkmale gelöst

<|; Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich

• ·ΐ aus den Unteransprüchen.

' Die integrierte Schaltung kann z. B. drei Inseln bzw.

ί,ί Gebiete enthalten, die durch Isolierwände begrenzt

j§ werden und je ein Schaltungselement enthalten, wobei

;¥| zwei dieser Schaltungselemente in Gegentakt geschal-

;; tet sind und z. B. eine Ausgangsstufe eines Verstärkers

bilden. Das dritte Gebiet ist derart in der integrierten ■ Schaltung angebracht, daß dieses Gebiet am Knotenpunkt eines elektrischen Potentialmusters liegt, das im Halbleiterkörper infolge Störsignale gebildet werden kann, die von jedem Schaltungselement des in Gegentakt geschalteten Paares zu dem Schalungselement im dritten Gebiet laufen.

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

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung kann eine weiteres Gebiet mit einem darin gebildeten Schaltungselement, von dem ein Teil einen PN-Übergang mit dem Halbleiterkörper bildet, derart in der integrierten Schaltung angebracht werden, daß das Gebiet dieses Schaltungselementes an einem Knotenpunkt des elektrischen Potentialmusters liegt, so daß der Rückkopplungseffekt der erwähnten Störsignale auch bei dem Schaltungselement in dem weiteren Gebiet vermieden wird.

Umgekehrt kann, z. B. falls das Schaltungselement des dritten Gebietes zu der Ausgangsstufe eines Verstärkers gehört, der Rückkopplungseffekt von Störsignalen, die von diesem Schaltungselement zu den beiden Schaltungselementen in den beiden anderen Gebieten laufen, dadurch vermieden werden, daß die beiden Schaltungselemente in Gegentakt miteinander verbunden werden und ihre Verbindung derart in der integrierten Schaltung angebracht wird, daß die Gebiete dieser beiden Schaltungselemente an Punkten gleichen Potentials des Potentialmusters liegen, das infolge der von dem Schaltungselement des dritten Gebietes herrührenden Störsignale auftreten kann.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung können die Gebieie mindestens eines weiteren Paares in Gegentakt geschalteter Elemente, die einen PN-Übergang mit dem Halbleiterkörper der integrierten Schaltung bilden, auf gleiche Weise angebracht werden, so daß auch bei diesen .^chaltungselementen der Rückkopplungseffekt der Stöi'signale beseitigt wird.
In gewissen Fällen ist es zweckmäßig, die Schaltung bei einem Transistorverstärker mit einer Gegentaktausgangsstufe zu verwenden. Auch kann ^;n gewissen Fällen der Eingang oder die Zwischenstufe eines Verstärkers als eine Gegentaktstufe ausgebildet werden. Es ist bekannt, daß in jedem dieser Falls Spannungen gleicher Größe, aber auch entgegengesetzter Phasen an den Kollektoren der Gegentakttransistoren beim Betrieb des Verstärkers auftreten werden. Auch können zwei Schaltungselemente von einem anderen Typ, z.B. Kondensatoren, einer Schaltung in Gegentakt angeordnet werden, wobei gegenphasige Spannungen gleicher Größe an einer 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 Störsignale herbeigeführter Rückkopplungseffekt vermieden werden muß. Insbesondere läßt sich die Erfindung in integrierten Schaltungen eines Hochfrequenz- und Hochleistungstransistorverstärkers verwenden, der mit einer Gegentakt-Ausgangsstufe versehen ist.

Bei der praktischen Anwendung der Erfindung, bei der Störsignale von den in Gegentakt geschalteten Elementen zu dem dritten Gebiet laufen, hängt das Potentialmuster von der Anordnung der beiden Gebiete, in denen zwei Transistoren oder andere Schaltungselemente das Paar in Gegentakt geschalteter Elemente bilden, und auch von der Form des vollständigen lsolierungsdiffusionsmusters der integrierten Schaltung ab. Bei einer symmetrischen Anordnung läßt sich erreichen, daß Knotenpunkte an der Mittellinie der integrierten Schaltung auftreten. Es ist möglich, daß keine Symmetrie erhalten werden kann, die Knotenpunkte liegen dann nicht auf der Mittellinie der integrierten Schaltung. Die Lagen der Knotenpunkte können dann aber durch Lösung der LaplaceGleichungen (V²^ = O) gefunden werden, wobei Φ das elektrische Potential darstellt. Dies kann unter Verwendung eines elektrolytischen Troganalogons oder mittels Kippschwingungsverfahren mit einer digitalen Rcchenanlage durchgeführt werden.

Bei der praktischen Anwendung der Erfindung, bei der Störsignale von dem dritten Gebiet zu den in Gegentakt geschalteten Elemente laufen, treffen selbstverständlich die gleichen Erwägungen zu; in diesem Falle müssen aber Punkte gleichen Potentials (keine Knotenpunkte) des Potentialmusters bestimmt werden.

Bei einer praktischen Ausführungsform eines Hochfrequenz- und Hochleistungs-Mehrstufentransistorverstärkers in Form einer integrierten Schaltung kann eine Gegentakt-Ausgangsstufe mit zwei Transistoren in entsprechenden Gebieten der Schaltung verwendet werden, wobei ein oder mehrere Transistoren einer oder mehrerer vorangehender Stufen, vorzugsweise wenigstens die Eingangsstufe, in einem anderen Gebiet oder in anderen Gebieten gebildet werden, das bzw. die, wie oben erwähnt, an dem (den) Knotenpunkt(en) des Potentialmusters in dem Halbleiterkörper der integrierten Schaltung liegt (liegen). Auch kann die Eingangsstufe und/oder mindestens eine Zwischenstufe des Verstärkers durch ein in Gegentakt geschaltetes Transistorenpaar gebildet werden, dessen Transistoren in gesonderten Gebieten liegen, die an Punkten gleichen Potentials des Potentialmusters im Halbleiterkörper liegen, dadurch, daß die Ausgangsstufe des Verstärkers in einem anderen Gebiet gebildet ist.

Die Erfindung läßt sich außerdem zur Beseitigung des

Rückkopplungseffektes von Störsignalen zwischen Transistoren oder anderen Schaltungselementen verschiedenartiger in derselben integrierten Schaltung vorhandener Anordnungen verwenden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine integrierte Schaltung mit zwei darin gebildeten Transistoren;

F i g. 2 schematisch die Rückkopplungsbahn zwischen den Kollektorgebieten der beiden Transistoren in der integrierten Schaltung nach F i g. 1;

Fig.3 schematisch die Anordnung der Gebiete in einer integrierten Schaltung;

F i g. 4 schematisch die Rückkopplungsbahn zwischen den Kollektorgebieten der Transistoren in der Schaltung nach F ig. 3;

F i g. 5 schematisch die Anordnung von Gebieten in einer anderen integrierten Schaltung; und

F i g. 6 schematisch die Rückkopplungsbahnen zwischen den Kollektorgebieten der Transistoren in der Schaltung nach F i g. 5.

Die integrierte Halbleiterschaltung nach F i g. 1 enthält zwei Gebiete 1 und 2, die einen PN-Übergang mit dem Bereich 4 des Halbleiterkörpers bilden. Die Gebiete 1, 2 sind als Inseln in einer N-Ieitenden epitaktischen Schicht 3 angebracht, die auf einem den Bereich 4 bildenden Substrat aus P-leitendem Material mit einem hohen spezifischen Widerstand liegt. Die Gebiete 1 und 2 werden in der epitaktischen Schicht 3 durch Isolierwände 5,6 und 7 aus P-leitendem Material mit einem niedrigen spezifischen Widerstand begrenzt, die sich von der Oberfläche der epitaktischen Schicht 3 bis zu dem Substrat erstrecken. Die Isolierwände 5, 6 und 7 werden durch Diffusion erhalten. In jeder der Gebiete 1 und 2 wird ein Bipolartransistor durch Diffusion einer Verunreinigung in die Oberflächenteile der Gebiete 1 und 2 durch Öffnungen in einer schützenden isolierenden (nicht dargestellten) Maskierungsschicht auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht 3 angebracht In jedem der Gebiete 1 und 2 bildet das N-leitende Material den Kollektor eines Transistors, während die Basis dieses Transistors durch eine Zone 8 (oder 9) aus P-leitendem Material innerhalb der Gebiete und der Emitter des Transistors durch eine N-leitende Zone 10 (oder 11) aus N-leitendem Material höherer Leitfähigkeit innerhalb der Basiszone 8 oder 9 gebildet wird Eine N⁺-Zone 12 oder 13 aus N-leitendem Material höherer Leitfähigkeit bildet die Verbindung mit den Kollektoren der Transistoren.

Die Verbindungen mit den beiden Transistoren und die Verbindungen zwischen diesen Transistoren können durch Teile einer Metallschicht m, die mit den Oberflächenteilen der Transistoren einen Kontakt bilden, erhalten werden.

Die elektrische Isolierung zwischen den beiden Transistoren in den beiden Gebieten wird dadurch erhalten, daß die PN-Obergänge zwischen den N-Ieitenden Gebieten t und 2 und dem P-leitenden Substrat 4 in der Sperrichtung polarisiert und die Isolierwände 5, 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 Rückkopplungsbahn ist schematisch in F i g. 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 17 angedeutet sind; die Leitfähigkeit des Substratkörpers 4 wird durch das Widerstandsnetzwerk 18 dargestellt.

Wenn einer der beiden Transistoren durch zwei in voneinander getrennten Gebieten liegende Transistoren ersetzt wird, bildet sich eine Rückkopplungsbahn zwischen den Kollektoren jedes der beiden Transistoren und dem Kollektor des anderen Transistors. Dies ist

ίο schematisch in F i g. 3 angegeben, die ein Substrat 19 mit Gebieten 20,21 und 22 zeigt, wobei Transistoren 23,24 bzw. 25 in diesen Gebieten 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 des Substratkörpers 19 gebildeten Widerstandsbahnen durch das Widerstandsnetzwerk 29 dargestellt werden. Fig.4 zeigt schematisch die Symmetrie des Widerstandsnetzwerkes 29, die erhalten wird, wenn die Insel 20 symmetrisch zu den Inseln 21 und 22 auf der Mittellinie der integrierten Schaltung angebracht wird. Durch die Gegentaktschaltung der beiden Transistoren 24 und 25 sind die Kollektorspannungen dieser Transistoren gegenphasig, so daß etwaige Rückkopplungsspannungen am Kollektor des Transistors 23 von den Kollektoren der Transistoren 24 und 25 an über die RUckkopplungsbahnen die gleiche Größe, aber entgegengesetzte 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 Rückkopplungsspannungen auf der Mittellinie der integrierten Schaltung liegen. Die Laplace-Gleichung kann auf obenbeschriebene Weise zur Bestimmung von Nullpotentialpunkten zum Anbringen des Transistors verwendet werden, für den die Effekte der Rückkopplungsspannungen unterdrückt werden müssen, und zwar in denjenigen Fällen, in denen keine symmetrische Anordnung erhalten werden kann.

In F i g. 5 und 6 wird eine Anwendung der Erfindung zur Beseitigung der Wirkung der Rückkopplungsspannungen von einer Transistorstufe zu zwei oder mehr weiteren Transistoren oder Transistorstufen in den entsprechenden Gebieten einer integrierten Schaltung dargestellt. Nach F i g. 5 wird die erwähnte Transistorstufe durch eine Gegentaktstufe mit zwei Transistoren 30 und 31 in Gebieten 32 und 33 gebildet, während jede der zwei oder mehreren weiteren Gebiete 34 und 35 eine Transistorstufe enthält, welche Stufen aus je einem Transistor 36 bzw. 37 bestehen. Die Transistoren 36 und 37 können z. B. gleichfalls in Gegentakt geschaltet sein. Ein Gebiet 38 stellt ein hypothetisches Isolierungsdiffusionsmuster im Substrat 39 der integrierten Schaltung dar. Widerstände 40 stellen die Leitung des Substratkörpers 39 und Kondensatoren 41—44 stellen die betreffenden Kapazitäten zwischen den Kollektorgebieten der Transistoren 30, 31, 36 und 37 und dem Substrat dar. Durch Anbringung jeder der Inseln 34 und

bo 35 an einem Knotenpunkt des Potentialmusters, das im Substrat 39 infolge Störsignale, die vom Kollektor jedes der in Gegentakt geschalteten Transistoren 30 und 31 herrühren, auftreten kann, wird eine symmetrische Rückkopplungsschaltungsanordnung nach F i g. 6 erhalten. Der Rückkopplungseffekt der Störsignale wird dadurch in jeder der Inseln 34 und 35 beseitigt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiterschaltung mit einem Halbleiterkörper, von dem ein Bereich einen ersten Leitungstyp aufweist, wobei an diesen Bereich mindestens ein erstes, ein zweites und ein drittes Gebiet grenzen, welche Gebiete gegeneinander isoliert sind, je bis zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers reichen, je mit dem Bereich vom ersten Leitungstyp einen PN-Obergang bilden und je ein Schaltungselement enthalten, wobei das Schaltungselement des ersten Gebietes und das Schaltungselement des zweiten Gebietes in Gegentakt geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz des Schaltungsteiles, der den PN-Übergang zwischen dem ersten Gebiet (21, 32) und dem Bereich, den Widerstand in dem zwischen dem ersten und dem dritten (20,34) Gebiet gelegenen Teil des Bereiches und den PN-Übergang zwischen dem Bereich und dem dritten Gebiet umfaßt, praktisch gleich der Impedanz des Schaltungsteiles ist, der den PN-Übergang zwischen dem zweiten (22, 33) Gebiet und dem Bereich, den Widerstand in dem zwischen dem zweiten und dem dritten Gebiet gelegenen Teil des Bereiches und den PN-Übergang zwischen dem Bereich und dem dritten Gebiet umfaßt.

2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Bereich ein viertes Gebiet (35) grenzt, das gegen das erste (32), das zweite (33) und das dritte Gebiet (34) isoliert ist, bis zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers reicht, mit dem Bereich einen PN-Übergang bildet und ein Schaltungselement (37) enthält, wobei die Impedanz des Schaltungsteiles, der den PN-Übergang zwischen dem vierten Gebiet (35) und dem Bereich, den Widerstand im Bereich zwischen dem vierten Gebiet (35) und dem ersten Gebiet (33) und den PN-Übergang zwischen dem Bereich und dem ersten Gebiet (32) enthält, praktisch gleich der Impedanz des Schaltungsteiles ist, der den PN-Übergang zwischen dem vierten Gebiet (35) und dem Bereich, den Widerstand im Bereich zwischen dem vierten Gebiet (35) und dem zweiten Gebiet (33) und den PN-Übergang zwischen dem Bereich und dem zweiten Gebiet (33) enthält.

3. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselemente des dritten Gebietes (34) und des vierten Gebietes (35) in Gegentakt geschaltet sind.

4. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Transistorverstärker enthält, dessen Ausgangsstufe durch die in Gegentakt geschalteten und aus Transistoren bestehenden Schaltungselemente des ersten (32) und des zweiten (33) Gebietes gebildet wird, wobei das dritte Gebiet (34) einen Transistor einer der vorangehenden Stufen des Verstärkers enthält.

5. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement des dritten Gebietes (34) zu der Eingangsstufe des Verstärkers gehört.

6. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte (34) und das vierte (35) Gebiet symmetrisch zu dem ersten (32) und dem zweiten (33) Gebiet angeordnet sind.