DE2212168A1

DE2212168A1 - Monolithisch integrierte halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE2212168A1
Application number: DE2212168A
Authority: DE
Inventors: Horst H Dipl Ing Dr Berger; Siegfried K Dipl Ing Wiedmann
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1972-03-14
Filing date: 1972-03-14
Publication date: 1973-09-20
Also published as: IT978833B; DE2212168C2; GB1401158A; NL7303411A; FR2175752B1; FR2175752A1; JPS5149552B2; SE386541B; US3823353A; JPS494485A

Description

Monolithisch integrierte Halbleiterstruktur

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Halbleiterstruktur, bestehend aus Teilstrukturen mit mindestens einem Transistor.

In der bipolaren monolithischen Technik werden gegenwärtig Strukturen hergestellt, deren Dimensionen und Dotierungsprof j.le im wesentlichen von einer Oberfläche des verwendeten Halbleiter- · plättchens aus bestimmt werden. Die dabei angewandten Verfahren sind unter dem Begriff Planar-Diffusionstechnik zusammenzufassen, wobei alle Elemente auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen angeordnet sind und mit Hilfe von aufgebrachten flächenhaften Leitungszügen untereinander kontaktiert werden. Als Ausgangsmaterial dient dabei meist eine relativ schwach dotierte Siliciumscheibe als Substrat, auf das eine dünne, schwach dotierte einkristalline SiIiciumschicht epitaktisch aufgewachsen ist. In diese epitaktisch aufgewachsene Siliciumschicht werden nun in aufeinanderfolgenden fotolithografischen Prozeßschritten mit:jeweils nachfolgenden Diffusionsprozessen die gewünschten, pn-übergänge bildenden Strukturen eingebracht. Da die Leitfähigkeit der Epitaxieschicht rela-

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ti ν hoch ist, so dall die Schaltungselemente, die sich auf einem gemeinsamen Halbleiterplattchen befinden, miteinander verkoppelt werden, nüssen sie gegeneinander isoliert werden. Das derzeit allgemein gebräuchliche Verfahren zur Isolation besteht in der Bildung von Isolationswannen dadurch, daß durch zusätzliche rahmenförmlge Diffusionszonen, die in Sperrichtung vorgespannte pnübergänge bilden, getrennte, die einzelnen Schaltungselemente aufnehmende Halbleiterbereiche hergestellt werden· Die ineinander verschachtelten aktiven Halbleiterzonen eines Transistors müssen eine gewisse Mindestoberfläche aufweisen, an der die erforderliche Kontaktierung vorgenommen werden kann. Außerdem erfordern die rahmenförraig die aktiven Zonen umgebenden Isolationszonen, die die Epitaxieschicht bis zum Substrat durchdringen müssen. Infolge ihrer seitlichen Ausdiffusion zusätzlichen Piachenaufwand· Das bedeutet also, daß derartige bekannte Strukturen aufgrund ihrer Dimensionen und ihrer durch Diffusion erzeugten Dotierungsprofile nicht optimal sind, wenn Schaltkreise extrem hoher Dichte und minimaler Verlustleistung hergestellt werden sollen. Sie haben den zusätzlichen Nachteil, daft die Ladungsspeicherung der Transistoren im gesattigten Zustand schwierig zu kontrollieren ist. Außerdem sind die Herstellungsverfahren aufwendig, da relativ viele Maskierungs- und Diffusionsschritte erforderlich sind.

Man ist aus Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen bestrebt, eine möglichst große Anzahl von Schaltungskcraponenten auf einem einzigen Halbleiterplattchen unterzubringen· Ein weiteres dauerndes Ziel bei der Auslegung monolithischer Halbleiterschaltungen besteht darin, die Verfahrensschritte zu vereinfachen oder, noch besser, zu verringern· Um eine größere Anzahl von Schaltungakoraponenten auf einem einzigen Halbleiterplattchen unterzubringen, muß in der Regel dessen Oberflache vergrößert werden« Dadurch nimmt jedoch zunächst die von einer kreisförmigen Halbleiterscheibe (Wafer) erhältliche Anzahl von Plättchen (Chips) ab. Außerdem sinkt die Ausbeute an brauchbaren Halbleiterplättchen aus einer Halbleiterscheibe rapide ab. Soll deshalb eine

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gegebene Schaltung mit möglichst hoher Ausbeute hergestellt werden, dann muß schon beim Entwurf darauf geachtet werden, daß sie eine möglichst kleine Oberfläche einnimmt·

Um den geschilderten Forderungen gerecht zu werden bzw. um die aufgezeigten Probleme zu mindern, 1st es im Zusammenhang mit der monolithischen Auslegung von bipolaren Schaltungen bereits bekannt, in Verbesserung der "üblichen Layout-Technik", wonach für jedes Schaltungselement eine besondere Isolationswanne vorgesehen 1st, mehrere Schaltungskomponenten innerhalb einer einzigen Isolationswanne zusammenzufassen. Es werden dabei vorzugsweise auch gleichartige, auf demselben Potential liegende Halbleiterzonen geraeinsam ausgebildet. Es ist welter bekannt, NPN- und PHP-Transistoren in einer Vierschichtstruktur miteinander zu integrieren. Bei einer derartigen bekanntgewordenen Schaltung wirkt dabei der zusammen mit dem üPil-Transistor integrierte PHP-Transistor als sättigungverhinderndes Schaltungselement (Microelectronic-Circuits and Application, J. M. Carrol, MacGraw Hill 1965, Seite 76, Fig. 4). Auch bei dieser bekannten Schaltung kann nicht auf die beschriebene flächenaufwendige Isolationsdiffusion verzichtet werden. Schließlich bringen sie auch bezüglich der innerhalb der Isolationswannen realisierten Sch&ltungskozoponenten keir-·» Prozeßvereinfachung oder gar eine Einsparung von Prozeßschritten.

Aus diesem Grunde ist in der deutschen Qffenlegungsschrift Nr. 2 021 824 ein in gewisser Hinsicht bereits verbesserter monolithischer Aufbau der genannten, bekannten Schaltung mit zwei komplementären Transistoren angegeben worden. Außerdem ist dort bereits die Anwendung dieser Schaltung als Grundbaustein für ein logisches Halbleiterschaltungskonzept vorgeschlagen worden. Dieses logische Schaltungskonzept 1st zum Zwecke der Erreichung einer hohen Packungsdichte derart aufgebaut, daß in ein Halbleitergrundmaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps mindestens zwei dazu entgegengesetzt leitfähige Gebiete in einem Abstand als Emitter- und Kollektorzonen einer lateralen Traneistorstruktur ange-

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ordnet sind. In der Kollektorzone der lateralen Transistorstruktur befindet sich mindestens eine weitere dazu entgegengesetzt leitfähige Zone als Kollektorzone einer invers betriebenen vertikalen Transietorstruktur.*Zum Betrieb dieser Halbleiterstruktür als logische Grundschaltung wird in die Emitterzone der lateralen Transistorstruktur ein Strom eingeprägt, der in Abhängigkeit von dem an seiner zugehörigen Kollektorzone angelegten Eingangssignal den als Ausgangssignal dienenden Stromflufl durch die vertikale Transietorstruktur steuert·

Diese bekannte Struktur bzw. logische Grundschaltung läßt sich universell für verschiedenste Verknüpfungsnetzwerke einsetzen, indem mehrere derartige Grundschaltungen, die beispielsweise als NOR-Schaltungen betreibbar sind, in bestimmter Weise kombiniert werden. Es ist festzustellen, daB Infolge äma Fehlens von Isolationsdiffusionsgebieten, da die einzelnen Grundschaltungen ohne Trennung aneinandergereiht integrierbar sind, sowie durch Vermeidung von diffundierten Widerstanden eine erhebliche Flächeneinsparung gegenüber bekannten logischen Schaltungsfamilien möglich ist. Außerdem ist der Herstellungsprozeß vereinfacht und entspricht dem bei der Herstellung eines einzelnen Planartransistors. Es 1st aber auch festzustellen, daB der flächenmäßige Aufwand durch die laterale Struktur des einen Transistors bestimmt ist, wobei die einzelnen, an die Oberfläche tretenden Diffusionszonen die erforderliche Fläche aufweisen nüssen· Au-Serdera sind für zwei Transistorzonen selektive Diffusionsprozesse erforderlich. Schließlich 1st festzustellen, das für die logische Verknüpfung und für die Stromversorgung getrennte Verdrahtungen vorzusehen sind.

Es 1st die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine integrierte Halbleiterstruktur, bestehend aus Teilstrukturen mit mindestens einem Transistor anzugeben, die sich von den bekannten Strukturen Insbesondere dadurch unterscheidet, da« sie eine weitere Erhöhung der Integrationedicnte bzw. Verringerung des Flächenbedarfes, eine Verringerung der Verlustleistung in Ver-

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bindung mit einem optimalen Geschwindigkeits-Leistungsverhältnis und eine Verbesserung der Eigenschaften bei wesentlich vereinfachtem Herstellungsverfahren gewährleistet. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, als Teilstruktur ein logisches Halbleiterschaltungskonzept anzugeben, das, verglichen mit dem bekannten Schaltungskonzept, mit erhöhter Packungsdichte in einem weiter vereinfachten HerstellungsprozeS hergestellt werden kann, ohne daß dabei die Vorteile hinsichtlich der Flexibilität bei der Anwendung für die verschiedensten Verknüpfungsnetzwerke eingeschränkt werden würden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für eine integrierte Halbleiterstruktur dadurch gelöst, daß sie aus einer auf ein Substrat eines ersten Leitfähigkeitetyps aufgebrachten ersten Schicht des entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyps, einer auf die erste Schicht aufgebrachten zweiten Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps und einer auf die zweite Schicht aufgebrachten dritten Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps besteht und daß zur Kontaktierung der einzelnen Schichten jede Teilstruktur von die jeweils darüberliegenden Schichten durchdringenden Zonen des der zu kontaktierenden Schicht entsprechenden Leitfähigkeitstyps rahioenförmig umgeben ist. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die rahmenförralgen Zonen gleichzeitig als Isölationszonen verwendet sind.

Als wesentliche Vorteile dieser Halblalterstruktur erweisen sich der einfache Aufbau und damit die hinsichtlich Anzahl und Komplexität der erforderlichen Verfahrensschritte einfache Herstellungsweise. Die aktiven Zonen sämtlicher Teilstrukturen bestehen lediglich aus einer einheitlichen, durchgehenden Schichtstruktur abwechselnden Leitfähigkeitstyps, in die in zwei unkritischen Prozess chritten die rahmenförmigen Zonen eingebracht sind· Ober diese Zonen erfolgt gleichzeitig die Kontaktierung und die Trennung der einzelnen Teilstrukturen· Mit einem derartigen Aufbau lassen sich extrem hohe Paekungsdichten erreichen.

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Ein besonders platzsparender Aufbau wird dadurch erreicht, daß zur Abgrenzung der Teilstrukturen und Kontaktierung der zweiten Schicht eine erste Zone und der ersten Schicht eine innerhalb der ersten Zone liegende zweite Zone angeordnet ist· Diese Zonen sind vorteilhafterweise hoch dotiert.

Die einfachste Halbleiterstruktur besteht darin, daß innerhalb jeder Teilstruktur die erste Schicht den Emitter, die zweite Schicht die Basis und die dritte Schicht den Kollektor eines ersten Transistora bildet und daß die Anschlüsse des Eraiiters, der Basis und des Kollektors entsprechend Ober Kontakte an den Oberf!Sehen der zweiten Zone, der ersten Zone und der dritten Schicht erfolgen« Teilstrukturen mit Einzeltransistoren unterschiedlicher Emitterpotentialö sind vorteilhaft derart ausgebildet, daft die erste Zone in den die zweite Zone außen umgebenden Bereich bis in das Substrat reicht. Zur Bildung von Mehrfachkollektor-Transistoren sind mehrere Kontakte an der Oberfläche der dritten Schicht angeordnet. Diese Kontakte können vorteilhafterweise als Schottky-Dioden ausgebildet sein. Eine derartige Transistors traktor hat mehrere Vorteile, Die pn-Ubergangakapazitäten können klein gehalten werden, weil die Dotierungen niedrig gewählt werden können. Außerdem kann die Sättigungsladung des Transistors extrem klein gehalten werden, weil die inversere Stromverstärkung sehr klein gemacht werden kann, so daß kein innerer Strotaverstlrkungseffekt und damit eine geringe Ladungsspeicherung in der Basis erreicht wird, und well die Kollektorschicht sehr dünn gemacht werden kann, so daß nur eine geringe Ladungsspeicherung im Kollektor erfolgt. Damit lassen sich hohe Grenzgeschwindigkeiten erreichen.

Die genannten Vorteile lassen sich insbesondere dann erzielen, wenn die Schichten Epitaxieschichten und die rahmenfβrmigen Zonen entweder Diffusionsgebiete oder durch Ionenimplantation hergestellte Gebiete sind.

Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens erweist sich ein« Strukt»*- Docket GB 972 004 309838/0718

derart, das die erste und die dritte Schicht aus einer gemeinsamen Schicht bestehen, in die durch Ionenimplantation die zweite Schicht eingebracht ist, als besonders vorteilhaft·

Eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur besteht darin, daft die dritte Schicht lediglich aus einer innerhalb jeder Teilstruktur in die zweite Schicht eingebrachten, in ihrer Ausdehnung begrenzten Kollektorzone besteht und das die Kontaktierung der zweiten Schicht bei entfallender erster Zone direkt an ihre Oberfläche außerhalb der Kollektorzone erfolgt. Dabei können zur Bildung von Mehrfachkollektor-Transistoren mehrere getrennte Kollektorzonen in die zweite Zone eingebracht sein.

Znsbesondere ist eine Weiterbildung, bestehend aus Teilstrukturen mit zwei komplementären Transistoren, wobei die Basis des ersten, mit den Kollektor des zweiten und der Emitter des ersten mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist, derart aufgebaut, daß das Substrat kontaktiert 1st und als Emitter des zweiten Transistors dient, dessen Basis aus der ersten Schicht und dessen Kollektor aus der zweiten Schicht besteht. Die Vorteile der letztgenannten Halbleitersferuktür ergeben sich Insbesondere dann, wenn zum Betrieb dieser Teilstrukturen als logische Grundschaltung ein StromfuS Ober den Emitter des zweiten Transistors eingeprägt ist, der in Abhängigkeit von dem an seinem Kollektor bzw. an der Basis des ersten Transistors angelegten Eingangssignal den als Ausgangssignal dienenden Kollektorstrom des ersten Transistors steuert. Dabei ist die Dicke und Störstellenkonzentration der Schichten insbesondere so ausgelegt, daß die Injektion von Minorltätsladungsträgern bei den im Betrieb vorwärts gepolten pn-übergSngen der Traneistoren vorwiegend in Richtung der Schichtung erfolgt.

Die Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur als logische Grundschaltung besteht darin, daß zur Bildung eines NOS- bzw. NAND-Gliedes mindestens zwei derartige Grundschaltungen bezüglich ihrer Ausgänge zu einem gemeinsamen Ausgang zusanmenge-

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schaltet äind. Insbesondere besteht eine Heiterbildung darin, daß die monolithische Auslegung komplexer Verknüpfungsnetzwerke aus der Aneinanderreihung derartiger Grundschaltungen besteht.

Derartige Halbleiterstrukturen zeichnen sich durch wesentliche Fischenreduzierung, einfache Verdrahtung, wesentliche Reduzierung der Ein- und Ausgangskapazitäten und durch die einfache Herstellungsweise aus. Insbesondere 1st auf die hohe Grenzgeschwindigkeit und das optimale Geschwindigkeits-Leistungsverhältnis hinzuweisen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen naher erläutert. Es zeigent

Fig. 1 das elektrische Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur, die als logische Grundschaltung dient,

Fig. 2 den schematischen Querschnitt der entsprechenden

erfindungsgemSßen Halbleiterstruktur,

Flg. 3 eine Abwandlung der Halbleiterstruktur gemäß

Fig. 2,

Fig. 4 das elektrische Ersatzschaltbild eines mit der

erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur verwirklichten NOR-Gliedes,

Fig. 5a die schematlsche Draufsicht und

Fig. 5b einen schematischen Querschnitt durch die Struktur des NOR-Gliedes geraSß Fig. 4 bei der Verwirklichung mittels der Grundstruktur gemäß Fig. 3 und

Fig. 6a die schematische Draufsicht und Docket GE 972 004 3 0 9 8 3 8 / 0 7 1 S

Fig. 6b einen schematischen Querschnitt durch die Struktur des NOR-Gliedes gemSß Fig. 4 bei der Verwirklichung mittels der Grundstruktur gemSß Fig. 2.

Wie bereits angedeutet, kann es sich bei jeder erfindungsgemäßen Teilstruktur uci einen einzelnen Transistor oder um eine Kombination mehrerer, in bestimmter Weise verbundener Transistoren handeln. In der Struktur selbst ergeben sich dabei keinerlei Unterschiede sondern lediglich geringfügig in ihrer Kontaktierung. Aus diesem Grunde sei die Erfindung zunächst an Hand einer Kombination mehrerer eine Grundschaltung für eine logische Verknüpfungsschaltung und an Hand einer beispielsweise aus dieser Grundschaltung zusammengesetzten, vollständigen Verknüpfungsschaltung beschrieben. Aufbau und Wirkungsweise eines Einzeltransistors ist dann ohne weiteres erkennbar.

Das elektrische Ersatzschaltbild der Grundschaltung für ein logisches Schalttsngskonzept ergibt sich aus Fig. 1. Es besteht aus zwei komplementären Transistoren Tl und T2„ Der Kollektor Cl des PNP-Transistors Tl ist mit der Basis B2 des WPU-Transistors T2 verbunden. Außerdem ist die Basis Bl des Transistors Tl mit dem Emitter 52 des Transistors T2 verbunden, über den Emitter Bl des PNP-Transistors Tl wird ein Strom I in die Basis B2 de« MPN-Transistors T2 eingespeist. Der Kollektor C2 des ?IPN-Transistors T2 bildet den Ausgang der Schaltung. Wie aus dem Ersatzschaltbild zu ersehen ist, weisen die beiden Transistoren gleichartige Halbleiterzonen auf, die außerdem auf gleichem Potential liegen« Diese Halbleiterzonen sind dementsprechend Identisch bezeichnet und können bei der Realisierung der Halbleiterstruktur In gemeinsamen Halbleiterzonen untergebracht werden. Es ergibt sich folgende Wirkungsweise der Grundschaltung· Wird an den gemeinsamen Kollektor-Basisanschluß Cl, B2 kein definiertes Potential angelegt, so fließt der in den PNP-Tran3istor Tl eingeprägte Strom I in die Basis des NPN-Transistore T2. Transistor T2 wird dadurch sätti«»

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cjungsleitend. Liegt dagegen der gemeinsame Kollektor-Basisanschlue Cl, B2 auf Massepotential, so wird der im Transistor Tl eingeprägte Strom I Ober diesen Anschluß abgezogen und kann nicht in die Basis von Transistor T2 fließen. Transistor T2 wird in diesem Fall gesperrt sein· Unter Berücksichtigung der sich jeweils am Kollektor C2 des Traneistors T2 einstellenden Potentiale wird demnach durch die Kombination der beiden Transistoren Tl und T2 prinzipiell ein Znverterglied gebildet.

Fig. 2 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel den Aufbau der die genannte Grundschaltung gemäß Fig. 1 bildenden Halbleiter-Struktur. Dabei sind gleichartige Bezeichnungen für die einzelnen Zonen und Anschlüsse gewählt. Auf einem gemeinsamen HaIbleiterplättchen sind eine Vielzahl derartiger Grundschaltungen angeordnet, von denen in Fig. 2 lediglich eine im Ausschnitt schematisch dargestellt ist. Auf einem P-leitendem Substrat Pl befindet sich eine erste S-leitende Schicht Hl, darüber eine P-leitende Schicht F2 und wiederum darüber eine N-leitende Schicht N2« Das Substrat Pl dient als geraeinsamer Emitter El aller PNP-Transistoren Tl auf dem Halbleiterplättchen. Die dar-Überliegende gemeinsam© Schicht Nl bildet die Basis für alle FNP-Traneiatoren Tl und gleichseitig den Emitter E2 aller nvn-Tran3istoren T2« Die Kollektoren Cl der Transistoren Tl, die identisch mit den Basen B2 der Tranaistoren T2 sind, werden durch die Schicht P2 verkörpert. Die abschließende Schicht N2 bildet die Kollektoren C2 sämtlicher Transistoren T2. Jede dieser Grundschaltungea wird durch die rahmenförmlgen Zonen 5 und 6 begrenzt, über als rahaenfdraige P-Zone 5 erfolgt die Kontaktierung ä&B Kollektors· Ci, des Transistors Tl bzw. der Basis &2 des Transistors T2_a &la Zorm 5 muß sich aus diesem Grunde mindestens bis in die Schicht P2 erstrecken« Innerhalb der rahmenfSrmigen P-Zone 5 liegt ©ine ebenfalls rahmenfönnige H -Zone 6, über die die Kontaktierung der Schicht Ul erfolgt, die gleichzeitig die Basis Bl des Transistors Tl v&id de*i Emitter E2 de» Tranais tor« T2 bildet. Diese N^-dotierte Sone 6 isoliert die Kollektoren Cl und die Bas«» 12 der einstalnen Grundechaltungen voneinander

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und muß sich auch aus diesem Grunde mindestens bis in die Schicht Nl hineinerstrecken· Vorzugsweise könnte es 3ich auch bis zum Substrat Pl erstrecken, um die Injektion vom Substrat her günstig zu beeinflussen. Der Anschluß der einzelnen Zonen bzw. Schichten erfolgt über an deren Oberfläche angebrachte Kontakte 8, 9. Der Anschluß des Kollektors C2 des Transistors T2 erfolgt durch einen Kontakt 7 an der Oberflache der innerhalb der rahraenförmigen Zone 5 liegenden Schicht N2. Durch geeignete Wahl von Dotierung, Dicke und Profil der einzelnen Schichten kann man optimale Eigenschaften für die Transistoren Tl und T2 erreichen« Die niederohreige Zone 6 sorgt für ein gleichförmiges Potential der Schicht Nl. Die Kontaktierung des Substrats Pl und damit der Anschluß des Emitters El für die Transistoren Tl erfolgt über einen Kontakt 10.

Das Herstellungsverfahren für eine derartige Struktur ist sehr einfach. Wegen der gleichmäßigen Schichtung über der gesamten Halbleiterscheibe bedarf die Herstellung der Schichten Nl, P2 und N2 keiner Maske, sondern kann durch epitaxiales Wachstum auf das Substrat Pl z. B. unter wechselnder Beigabe von geeigneten Dotierungsstoffen geschehen. Bei Anwendung von Ionenimplantation genügt zunächst die Herstellung einer !!-dotierten Epitaxieschicht auf dera Substrat Pl mit einer nach oben stark abfallenden Dotierung. Durch die Ionenimplantation 13St sich dann die Schicht P2 und damit die Trennung der Schichten Nl, H2 innerhalb der N-dotierten Epitaxieschicht erzeugen. Die rahraenförmigen Zonen 5 und € können durch Diffusion oder Ionenimplantation durch Masken hindurch erzeugt werden. Es sind also nur Maskierungsschritte zur Herstellung der beiden rahiaenförraigen Zonen und der Kontakte erforderlich. Schaltkreise üblicher Art, die beispielsweise aus ninaeltransistoren init unterschiedlichen Fnitterpotentialen aufgebaut sind, lassen sich rait der beschriebenen Struktur in einfacher Heise dadurch verwirk liehen, da/! die Schicht ITl unterbrochen wird, indei* die" P-dotierte 2one 5 in dem die Zone 6 auRon u;i<jeb<3n;lGn Bereich bis in das Substrat Pl eindiffundiert wird. Dasu ist lediglich ein weiterer Maskierungsschritt erforderlich. Die Schicht Pl darf dabei beliebig niedrig dotiert sein, weil ler

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zwischen den Schichten Pl und 771 hier nur in Sperrichtung geschaltet wird. Ohmsche Widerstände können beispielsweise» in der Schicht ill, aber auch in den anderen Schichten verwirklicht werden.

Das Ausführungabeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von τΊογλ cjGMilß Pig. 2 im wesentlichen dadurch, daß keine durchgehende, den Kollektor C2 des Transistors Ί2 bildende Schicht H2 verwendet wird. Da unter dieser Voraussetzung die Schicht P2 über den Kontakt 3 direkt an der Oberfläche kontaktierbar 1st, entfällt auch die beim Ausführungsbeiepiel gemäe Fig. 2 erforderliche P-dotierte Zone 5. Al3 Kollektor C2 dient nuantehr eine in die Schicht P2 durch Diffusion oder Ionenimplantation eingebrachte, in ihrer Ausdehnung begrenzte Sone 11· Bezüglich der prinzipiellen Operationsweise i3t zwischen den Strukturen gemäß Fig. 2 und Fig. 3 kein wesentlicher Unterschied festzustellen.

Im folgenden wird der Aufbau eines r<;it der erfindungsgeniStSen Halbleiterstruktur verwirklichten NOR-Gliedes beschrieben. Bekanntlich lassen sich alle logischen Grundverknüpfungen sowie komplexe logische Verknüpfungsnetzwerfce lediglich unter Verwendung von NOR-Gliedern realisieren. Insoweit kann die TIOR-Verknüpfung als Fundamenta!verknüpfung angesehen werden. Wenn es gelingt, eine minimale Fläche beanspruchende Halbleiteranordnung zu finden, aiit der die HQR-VerknUpfung realisiert werden kann, ergibt sich eine erhebliche Kosteneinsparung beim Aufbau von Rechnern, da gerade dort in größtem Maße logische Verknüpf unt*snetzwerke eingesetzt werden, z. B. im eigentlichen Rechenwerk, bei der Adreßdecodierung usw. Ausgehend von der in Verbindung mit den Fign. 1 bis 3 beschriebenen Grundschaltung erhält nan ein erfindungsgeraäflas NOR-Glied, das durch Zusammenschalten 1er Ausgänge zweier derartiger Grundschaltungen entsteht. Das in Fig. 4 gezeigte Ersatzschaltbild eines derartigen !TOR-Gliedes erlaubt also, wie dort angegeben, die Durchführung der logischen Verknüpfung K .+ Y. Anstelle einer Grundschaltung mit nur einem Transistor T2 ist eine solche nit einem woitoren Transistor T2¹ vor-

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gesehen. Diese beiden Transistoren bilden, da ihre Emitter und ihre Basen gemeinsam und lediglich ihre Kollektoren getrennt sind einen Mehrfachkollektor-Transistor. Auf diese Weise kann die Zusammenschaltung der Ausgänge über die beiden Kollektorzonen N2¹ erfolgen, während an den Kollektorzonen N2 jeweils das invertierte Signal X bzw. Ϋ des an der Basis der beiden·Transistoren T2 bzw. T2' zugeführten Eingangssignals X bzw. Y anliegt. Das Potential am Ausgang bei gesperrtem Transistor T2¹ wird dabei durch die nachgeschalteten Stufen bestimmt. Die Wirkungsweise der beiden Grundschaltung ist im übrigen wieder identisch mit der der Grundschaltungen gemäß den Fign. 1 bis 3. Der an den gemeinsamen Emittern El der Transistoren Tl zugeführte, eingeprägte Strom I fließt in Abhängigkeit von den Eingangssignalen X und Y entweder in die Basis der Transistoren T2 und T2¹ oder er fließt über die Eingänge von X und Y ab.

Entsprechend der beiden Ausführungsbeispiele der Grundstruktur gemäß Fig. 2 und Fig. 3 sind für das NOR-Glied in den Fign. 5 und 6 ebenfalls zwei Ausführungsbeispiele angegeben. Es sind wiederum die gleichen Bezugszeichen verwendet, so daß sich ein weiteres Eingehen auf diese Strukturen erübrigt. Zu beachten ist lediglich die Tatsache, daß anstelle des Transistors T2 ein Mehrfachkollektor-Transistor T2, T2' verwendet ist. Das bedeutet, daß beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fign. 5 in der Schicht P2 zwei getrennte Kollektorzonen 11 und 11'- zur Bildung der Kollektoren C2 und C2¹ angeordnet sind. Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fign, 5 entspricht also dem Ausführungsbeispiel der Grundschaltung gemäß Fig. 3. Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fign. 6 sind entsprechend zur Entkopplung der beiden Kollektorausgänge C2 und C2¹ zwei Kontakte 7 und 7¹ auf die Schicht N2 aufgebracht und bilden mit dieser Schottky-Dioden.. Die Struktur gemäß den Fign. 6 entspricht also im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Grundschaltung gemäß Fig. 2. Die Fign. 5a und 6a zeigen jeweils eine Draufsicht des topologischen Entwurfs des NOR-Gliedes und die Fign. 5b und 6b einen Querschnitt entlang der angedeuteten Schnittlinie dieser Struktur.

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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich die neue Struktur durch wesentliche Vorteile auszeichnet. Es ergibt sich eine wesentliche Flachenreduzierung auf dem Kalbleiterplättchen. Die Schaltkreisdichte ist überwiegend durch die Zahl und Größe der Kont^aktlöcher bestimmt, die für die logischen Ein- und Ausgänge erforderlich sind. Es ergibt sich eine einfache Verdrahtung, da nur für die logische Verknüpfung, nicht aber für die Stromzufuhr, eine Verdrahtung erforderlich ist. Es kann durch Verwendung einer niedrig dotierten Schicht P2 eine wesentliche Reduzierung der Ein- und Ausgangskapazitäten der gezeigten logischen Verknüpfungsschaltung erreicht werden. Dadurch ergibt sich ein ausgezeichnetes Geschwindigkeits-Leistungsverhültnis und eine hohe Grenzgeschwindigkeit. Das anzuwendende Herstellungsverfahren ist außerordentlich einfach« Durch die die Struktur umgebende N -dotierte rahmenartige Zone 9 wird eine parasitäre Lateral-Injektion verhindert, so daß sich eine gute Kontrolle des Nebensprechens ergibt.

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Claims

PAT E NTANS P RÖCHE

Monolithisch Integrierte Halbleiterstruktur, bestehend au· Tel!strukturen mit mindestens einem Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer auf ein Substrat (Pl) eines ersten Leitfähigkeitstype aufgebrachten ersten Schicht (Nl) des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps, einer auf die erste Schicht aufgebrachten zweiten Schicht (P2) des ersten LeitfShigkeitstyps und einer auf die zweite Schicht aufgebrachten dritten Schicht (N2) des zweiten Leitfähigkeitstyps besteht und daß zur Kontaktierung der einzelnen Schichten jede Teilstruktur von die jeweils darüber liegenden Schichten durchdringenden Zonen (5, 6) des der zu kontaktierenden Schicht entsprechenden Leitfähigkeitstyps rahüienfönnig umgeben 1st.

2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrukturen gegeneinander isoliert sind.

3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß rahmenförraigen Zonen (S, 6) gleichzeitig als Isolationszonen verwendet sind.

4. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abgrenzung der Teilstrukturen und Kontaktierung der zweiten Schicht (P2) eine erste Zone (5) und der der ersten Schicht (Nl) eine innerhalb der ersten Zone (5) liegende zweite Zone (6) angeordnet ist.

5. Halbleiterstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (5, 6) hoch dotiert sind.

6. Halbleiterstruktur nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb jeder Teilstruktur die erste

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Schicht (Nl) den Emitter, die zweite Schicht (P2) die Basis und die dritte Schicht (N2) den Kollektor eines ersten Transistors (T2) bildet und daß die Anschlüsse des Emitters, der Basis und des Kollektors entsprechend über Kontakte (9, 8, 7) an den Oberflächen der zweiten Zone (6), der ersten Zone (5) und der dritten "Schicht (N2) erfolgen.

7. Halbleiterstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei aus Einzeltransistoren bestehenden Teilstrukturen die erste Zone (5) in dem die zweite Zone (6) außen umgebenden Bereich bis in das Substrat (Pl) reicht.

8. Halbleiterstruktur nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von Mehrfachkollektor-Ausgängen ',mehrere Kontakte (7, 7¹) an der Oberfläche der dritten Schicht (N2) angeordnet sind.

9. Halbleiterstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (7, 7¹) als Schottky-Dioden ausgebildet sind.

10. Halbleiterstruktur nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die dritte Schicht (Nl und N2) aus einer gemeinsamen Schicht bestehen, in die durch Ionenimplantation die zweite Schicht (P2) als Zwischenschicht eingebracht ist.

11. Halbleiterstruktur nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht (N2) lediglich aus einer innerhalb jeder Teilstruktur in die zweite Schicht (P2) eingebrachten, in ihrer Ausdehnung begrenzten Kollektorzone (11) besteht und daß die Kontaktierung der zweiten Schicht (P2) bei entfallender erster Zone (5) direkt an ihrer Oberfläche außerhalb der Kollektorzone (11) erfolgt.

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12. Halbleiterstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von Mehrfachkollektor-Transistoren mehrere getrennte Kollektorzonen (11, II¹)-in die zweite Zone (P2) eingebracht sind.

13. Halbleiterstruktur nach den Ansprüchen 1 bis 12, bestehend aus Teilstrukturen mit zwei komplementären Transistoren, wobei die Basis des ersten, \ mit dem Kollektor des zweiten und der Emitter des ersten mit der Basis des'zweiten Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (Pl) kontäktiert ist und als Emitter (El) des zweiten Transistors (Tl) dient, dessen Basis aus der ersten Schicht (Nl)- und dessen Kollektor (Cl) aus der zweiten Schicht (P2) besteht.

14. Halbleiterstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb dieser Teilstrukturen als logische Grundschaltung ein Stromfluß (I) über den Emitter (El) des zweiten Transistors (Tl) eingeprägt ist, der in "Abhängigkeit von dem an seinem Kollektor (Cl) bzw. an der Basis (B2) des ersten Transistors (T2) angelegten Eingangssignal den als Ausgangssignal dienenden Kollektorstrom des ersten Transistors (T2) steuert.

15. Halbleiterstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion von Minoritätsladungsträgern bei den im Betrieb vorwärts gepolten pn-übergängen der Transistoren (Tl, T2) vorwiegend in Richtung der Schichtung erfolgt.

f.

16ο Halbleiterstruktur nach den Ansprüchen 14 und 15> dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines NOR- bzw. NAND-Gliedes mindestens zwei derartige Grundschaltungen be-

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ζüglieh ihrer Ausgänge zu einem gemeinsamen Ausgang zusaiuaengeschaltet sind.

17. Halbleiterstruktür nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Auslegung komplexer Verknüpfungsnetzwerke aus der Aneinanderreihung derartiger Grundschaltungen besteht.

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