DE2427307A1

DE2427307A1 - Integrierte schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2427307A1
Application number: DE19742427307
Authority: DE
Inventors: Mark Berwyn Knight
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-06-14
Filing date: 1974-06-06
Publication date: 1975-01-16
Also published as: JPS524434B2; CA1003123A; BE816307A; JPS5037393A; US3931634A; FR2233711A1; GB1426544A; FR2233711B1; IT1012356B

Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland · Dr.-Ing. R. König ■ Dipl.-Ing. K. Bengen

Patentanwälte · 4ddd Düsseldorf 30 ■ Cecilienallee 7B · Telefon 43Ξ732

5. Juni 1974 29 398 B

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,

New York. N.Y« 10020 (V.St.A.)

"Integrierte Schaltungsanordnung"

Die Erfindung bezieht sich auf monolithische integrierte Schaltungsanordnungen mit isolierenden Übergängen«

Monolithische integrierte Schaltungen dieser Art weisen in der Regel einen Halbleiterkörper mit einem relativ dicken Siliziumsubstrat des einen Leitungstyps, gewöhnlich P-leitend, und einer das Substrat überziehenden epitaktischen Schicht aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps auf« Diese epitaktische Schicht ist in eine Vielzahl isolierter Inseln oder "N-Schichten" mittels isolierter Zonen des gleichen Leltüngstyps wie das Substrat unterteilt, wobei die isolierten Inseln sich durch die epitaktische Schicht derart erstrecken, daß jede Insel der epitaktischen Schicht von einem PN-Übergang umgeben ist„ Die Schaltungsanschlüsse sind am Substrat derart vorgesehen, daß an das Substrat eine Spannung relativ zu den N-Inseln angelegt werden kann, welche die isolierenden PN-Übergänge in Sperrichtung vorspannt. Wenn also das Substrat in der üblichen Weise P-leitend ist, so ist es mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden, die das Substrat auf ein Potential legt, das nicht höher als das Potential des N-leitenden Materials der isolierten Inseln während des- Betriebs ist.

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Es treten manchmal Schaltungsbedingungen auf, bei denen einer oder mehrere der isolierenden PN-Übergänge in Durchlaßrichtung vorgespannt ist oder sind_a In diesem Falle kann der PN-Übergang zum Emitterübergang eines parasitären Transistors werden, dessen Basis durch das Substrat oder eine isolierende Zone und dessen Kollektorübergang durch einen anderen, in Sperrichtung vorgespannten isolierenden PN-Übergang gebildet ist. Minoritätsträger, welche auf diese Weise zu einer andernfalls isolierten Inseln fließen können, können Ursache für einen fehlerhaften Betrieb der integrierten Schaltungsanordnung sein.

Diese Schwierigkeiten bekannter Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art sollen mit der Erfindung überwunden werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fi^. 1 ein Schaltbild eines Teils der integrierten Schaltungsanordnung mit einem in Durchlaßrichtung vorgespannten Isolationsübergang, bei der die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung vorgesehen sein kann;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine integrierte Schaltungsanordnung in typischem Aufbau der Chip-Komponenten der Anordnung gemäß Fig, 1; und

Fig. 5 eine Teildraufsicht auf eine Komponente der integrierten Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2.

Die beschriebene integrierte Schaltungsanordnung, die in der Zeichnung mit 10 bezeichnet ist, ist hier so darge-

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stellt, daß sie direkt mit einer Wechselstromquelle, z.B. einer 120 V Wechselstromquelle "betrieben werden kann. Bei dem "beschriebenen Ausführungsbeispiel kann ein Isolationsübergang in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, wobei die Schutzeinrichtung verhindert, daß dieser Zustand für die Punktionsweise der Schaltungsanordnung schädlich ist.

Eine typische schematische Schaltung, in der die Erfindung Anwendung finden kann, ist in Fig. 1 dargestellt. Die auf einem Chip angeordneten Komponenten der Schaltungsanordnung 10 sind in der gestrichelten Umrandung 12 in Fig. dargestellt. Innerhalb der Umrandung 12 sind drei Komponenten gezeigt, nämlich eine Klemmdiode 14, eine Gleichrichterdiode 15 und ein Transistor 16. Die Gleichrichterdiode -15 liegt zwischen den beiden Anschlüssen 18 und der Schaltungsanordnung 10 und dient zur Gleichrichtung einer Wechselspannung, die von einer zwischen dem Anschluß 18 und einem Anschluß 24 der Anordnung liegenden Wechselstromquelle 22 geliefert wird. Ein Strombegrenzungswiderstand 26 kann in Anordnung zwischen der Wechselstromquelle 22 und dem Anschluß 18 verwendet werden. Eine Seite der Wechselstromquelle 22 ist geerdet, wie dies üblicherweise der Fall ist.

Die Klemmdiode 14 liegt zwischen den Anschlüssen 18 und 24 der Anordnung 10 und dient zum Stabilisieren der an die Anode der Gleichrichterdiode 15 angelegten Spannung auf einen sicheren Pegel. Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Aufbaus der integrierten Schaltungsanordnung ergibt, wird die Anode der Diode 14 bei diesem Ausführungsbeispiel durch das Substratmaterial und/ oder eine Isolationszone der Anordnung 10 gebildet.

Der Transistor 16 soll den Kollektoranschluß eines

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typischen Transistors darstellen, der in dem Signalverarbeitungsteil oder in anderen Teilen der Schaltungsanordnung 10 angeordnet wird. Der Kollektor des Transistors 16 ist mit der Kathode der Diode 15 und dem Anschluß 20 der Schaltungsanordnung 10 verbunden« Die Basis- und Emitteranschlüsse dieses Transistors sind für die Erfindung unwesentlich. Eine externe Last ist durch eine Parallelkombination aus einem Kondensator 28 und einem Widerstand 30 dargestellt, die zwischen dem Anschluß 20 und einem Anschluß 32 der Schaltungsanordnung 10 liegt.

Die Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 ist wie folgt: Wenn der Anschluß 18 bezüglich dem Anschluß 24 positiv ist, so wird die Gleichrichterdiode 15 in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß der Kondensator 28 auf eine positive Spannung aufgeladen wird. Die Spannung ist auf die Durchbruchsspannung der Klemmdiode 14 beschränkte In der negativ verlaufenden Halbperiode, bei der der Anschluß 18 auf einem weniger positiven Potential als der Anschluß 24 liegt, ist die Gleichrichterdiode 15 in Sperrichtung vorgespannt, und der Kondensator 24 ist von der Quelle 22 getrennt, jedoch ist die Klemmdiode 14 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Die Spannung an der Anode der Diode 14 wird daher auf einem Wert gehalten, der von der Spannung am Anschluß 18 nur um den geringen Spannungsabfall an der in Durchlaßrichtung vorgespannten Diode 14 verschieden ist. Die im Kondensator 28 gespeicherte Energie steht dann als Kollektor-Gleichspannung für andere Transistoren, z.B„ den Transistor 16, der Schaltungsanordnung 10 zur Verfügung.

Eine typische Ausführung der in Chip-Anordnung vorgesehenen Komponenten 14, 15 und 16 der Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Die integrierte Schaltungsanordnung 10 weist

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ein Substrat 34 aus P-leitendem Silizium mit einer Oberseite 35 auf, auf der eine epitaktische Schicht 36 niedergeschlagen ist, welche bei der Herstellung den N-Leitfähigkeitstyp erhält. Die epitaktische Schicht 36 hat eine solche Dicke, daß ihre Oberfläche 37 von der Oberseite 35 mit Abstand und parallel angeordnet ist. Eindiffundierte Isolationszonen 38 des P⁺ Leitungstyps erstrecken sich'durch die epitaktische Schicht 36 in herkömmlicher Weise und unterteilen die epitaktische Schicht 36 in eine Vielzahl von getrennten Inseln, "N-Schiffchen" 40, 42, 43 und 44 „

Die N-Insel 40 bildet das Kathodengebiet der Diode 14, und das Substrat 34 und/oder die umgebende Isolationszone 38 bilden zusammen deren Anode. Die Diode 14 weist ferner eine Kathodenanschlußzone 45 auf, die mit dem Anschluß 18 der Schaltungsanordnung 10 über einen niedergeschlagenen Leiter 46 verbunden ist. Das Substrat 34 ist über die die N-Insel 40 umgebende Isolationszone 38 und einen niedergeschlagenen Leiter 48 mit den Anschlüssen 24 und 32 der Schaltungsanordnung 10 verbunden. Der der N-Insel 40 benachbarte Übergang 50 trennt die N-Insel 40 vom Substrat 34 und der umgebenden Isolationszone 38 und ist daher ein isolierender Übergang, der in Durchlaßrichtung vorgespannt werden kann, wenn die Anschlüsse 18 und 24 an eine Wechselstromquelle angeschlossen werden, so daß Minoritätsträger in das Substrat 34 injiziert werden können.

Um zu verhindern, daß diese Träger irgendwo anders in der integrierten Schaltung, z.B_e am Kollektor des Transistors 16 gesammelt werden, ist die N-Insel 40 von der N-Insel 42 umgeben. Bine N⁺ leitende Kontaktierungszone 42 ist innerhalb der N-Insel 42 niedergeschlagen und über den

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Leiter 48 mit den Anschlüssen 24 und 32 der Schaltungsanordnung 10 verbundene Gegebenenfalls kann auch eine N⁺ leitende Zone 54 in das Substrat 34 nahe der N-Insel 42 einbezogen werden, um den effektiven Reihenwiderstand zu verringern und den Sammeleffekt dieser Zone zu vergrößern.

Gegebenenfalls können Mittel vorgesehen sein, welche injizierte Ladungsträger seitlich zur Kontaktzone 52 fließen lassen und dadurch die Ladun/gsträgerinjektion in das Substrat 34 wirksam verringern. Zu diesem Zweck kann, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, eine Zone 55 des P-Leitungstyps (schwächer leitend als die Isolationszone 38) vorgesehen sein, welche mit der umgebenden Isolationszone 38 gekoppelt ist und sich im dargestellten Ausführungsbeispiel von drei Seiten aus in die N-Insel 40 erstreckt. Wenigstens auf den gleichen drei Seiten kann die Kontaktzone 52 einen Teil 52a aufweisen, der die Zone 55 überlappt und in Richtung der N-Insel 40 verlängert ist. Diese beiden Maßnahmen verbessern die Verstärkungseigenschaften des parasitären Transistors, dessen Emitter von der N-Insel 40, dessen Basis von der Zone 55 und dessen Kollektor von der Kontaktzone 52 gebildet sind. Die Zone 55 schafft aufgrund ihrer niedrigeren Leitfähigkeit einen wirksamer injizierenden Emitterübergang. Die Verlängerung 52a der Kontaktzone 52 verengt die Basisbreite des parasitären Transistors, Injizierte Ladungsträger werden ■ auf diese Weise mit größerer Wahrscheinlichkeit seitlich zur Kontaktzone 52 gelenkt„ Einige Träger können in das Substrat 34 injiziert werden, jedoch sollten diese direkt von der umgebenden Schutzzone 42 eingefangen werden,, An der vierten Seite der N-Insel 40 (die nicht von der Zone 55 begrenzt ist) verbindet der niedergeschlagene Leiter 48 die Isolationszone 38 um die N-Insel 40 mit der Kontaktzone 52, um diese beiden Zonen auf dem gleichen

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Potential zu halten» Die Kathodenanschlußzone 45 der Diode 14 wird von dem niedergeschlagenen Leiter 46 mit der Gleichrichterdiode 15 verbunden.

Die Durchbruchs spannung der G-leichrichterdiöde 15 sollte höher als die gleichgerichtete Spannung am Anschluß 20 seinj zu diesem Zweck wird ein diodengekoppelter PNP-QuertransJsbor als Diode 15 verwendet. Die Diode 15 weist eine P leitende Diffusionszone 56 als Anode und die N-Insel 43 und die N⁺ leitende Kontaktzone 58 als Kathode auf. Die Anodenzone 56 ist über den Leiter 46 mit der Diode 14 verbunden, und die Kathodenzone 43 (und 58) ist über einen niedergeschlagenen Leiter 60 mit Anschluß 20 der Schaltungsanordnung 10,und dem Transistor 16 verbunden_o Eine Ringzone 61, die den Kollektor bildet, wenn diese Anordnung als Transistor geschaltet ist, wird über den Leiter 60 mit der Zone 58 kurzgeschlossen.

Der Transistor 16 ist herkömmlich aufgebaut und weist eine vergrabene N⁺ Zone 62 und die N-Insel 44 als Kollektor auf. Eine N⁺ Zone. 64 dient als Kollektoranschlußzone, und der Leiter 60 erstreckt sich von der Gleichrichterdiode 15 zur Zone 64_O Die Basis des Transistors 16 ist eine P leitende Diffusionszone 66, und der Emitter wird durch einen N⁺ Diffusionszone 68 gebildet. Niedergeschlagene Metalleiter 70 und 72 dienen zum Anschluß der Basis- und Emitterzonen 66 bzw. 68 an andere Teile der Schaltungsanordnung.

Im Betrieb der integrierten Schaltungsanordnung 10 in der oben beschriebenen Weise mit einer Wechselstromquelle und einer kapazitiven Last sind alle N-Inseln in den ähnlich dem Transistor 16 ausgebildeten verschiedenen Transistoren der Schaltungsanordnung mit dem Anschluß 20 verbunden und werden demzufolge auf dem Potential

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der positiven Seite des Kondensators 28 oder, abhängig von der Bedingung der nicht gezeigten Lasten in den Kollektorzweigen des Transistors, auf einem niedrigeren Potential gehalten. Dieses Potential ist nicht niedriger als das Potential des Substrats 34, so daß die jedes der N-Inseln umgebenden Isolationsübergänge stets in Sperrrichtung vorgespannt sind. Die N-Insel 40 ist jedoch direkt mit einem der Eingangsanschlüsse 18 verbunden und befindet sich daher einmal während jeder Wechselstromperiode auf einem niedrigeren Potential als die Substratzone 34, welche direkt mit dem anderen Eingangsanschluß verbunden ist, d.h., der Übergang 50 ist während jeder Halbperiode der Betriebsspannung in Durchlaßrichtung vorgespannt. Demgemäß werden während jeder Halbperiode Minoritätsträger im Substrat 34 bildende Ladungsträger über den Übergang 50 injiziert» Aufgrund des Vorhandenseins der Schutzeinrichtung, d„h. der umgebenden Zone 42, die auch an den Anschluß 24 angeschaltet ist, und gegebenenfalls an die Zone 55 und die Verlängerungszone 52a der Anschlußzone 52, werden diese Minoritätsträger in die N-Insel 42 und die Kontaktzone 52 eingeschleust und auf diese Weise an einer Stelle nahe dem Injektionspunkt gesammelt. Infolgedessen wandern diese Minoritätsträger nicht zu einem in Sperrichtung vorgespannten Isolationsübergang der Schaltung, z.B. zum Übergang um den Transistor 16, wo sie gesammelt werden könnten und unerwünschte Betriebseigenschaften der Schaltung herbeiführen können. Eine umgebende Zone ähnlich der Zone 42 kann um eine N-Insel vorgesehen sein, welche zumindest momentan in Durchlaßrichtung vorgespannt wird.

Die zuvor beschriebene übergangsisolierte Schaltungsanordnung kann direkt aus einer Wechselstromquelle gespeist werden, und zwar ohne die Gefahr unerwünschter Betriebs-

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eigenschaften; das Substrat dieser Schaltungsanordnung kann mit Erde verbunden werden und demgemäß auf ein festes Potential gelegt werden«,

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,

New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

.j Integrierte Schaltungsanordnung mit isolierenden Übergängen, deren Schaltungsverbindungen so gewählt sind, daß mindestens einer der isolierenden Übergänge wenigstens kurzzeitig in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, während andere isolierende Übergänge gesperrt bleiben, gekennzeichnet durch Mittel zur Verhinderung parasitärer Transistorwirkung unter Beteiligung des mindestens einen isolierenden Übergangs (50) und eines der anderen isolierenden Übergänge, wobei eine Einrichtung (42, 55) vorgesehen ist, die ohne den einen der anderen isolierenden Übergänge über den mindestens einen Übergang (50) injizierte Träger sammelt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung eine nahe dem mindestens einen Übergang (50) angeordnete Zone (42) aufweist, die zum Anziehen von Trägern geeignet vorgespannt ist.
3· Monolithische integrierte Schaltungsanordnung mit isolierenden Übergängen, die ein Substrat aus einem Halbleitermaterial des einen Leitungstyps und mehrere Inseln aus einem Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps, die normalerweise durch in Sperrichtung vorgespannte PN-Übergänge von dem Substrat getrennt sind, aufweist, wobei durch geeignete Schaltungsbedingungen der PN-Übergang zwischen einer oder mehreren Inseln

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und dem Substrat in Durchlaßrichtung vorspannbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß in der integrierten Schaltungsanordnung (10) jede der einen oder mehreren Inseln (40) unmittelbar von Zonen (42) umgeben ist, welche von der einen Insel (40) in das Substrat (34) injizierte Träger sammeln,,
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Ladungsträger sammelnde Zone eine Zone (42) des entgegengesetzten Leitungstyps Ist, welche von jeder der einen oder mehreren Inseln (40) durch eine Isolationszone.(38) des einen Leitungstyps getrennt ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Träger-Sammelzone (42) durch Leitungsmittel (48 und 52) mit der Isolationszone (38) verbunden ist, um die Zone (42) und die Zone (38) auf dem gleichen Potential zu halten.
6. Monolithische integrierte Schaltungsanordnung mit einem Substrat aus einem Halbleitermaterial des einen Leitungstyps, einer Mehrzahl von Inseln aus einem Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps, die voneinander durch isolierende' Zwischenzonen aus einem Halbleitermaterial des einen Leitungstyps getrennt sind, ferner mit Schaltungsverbindungen, die so gewählt sind, daß der PN-Übergang zwischen wenigstens einer der Inseln und dem Substrat und den isolierenden Zonen wenigstens zeitweilig in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, während die PN-Übergänge zwischen anderen Inseln und dem Substrat und den isolierenden Zonen in Sperrichtung vorgespannt bleiben, dadur ch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (42) zum Sammeln von aus der wenigstens einen Insel (40) in das Substrat (34) und

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die isolierenden Zonen (38) injizierten Trägern an einer Stelle nahe der Injektionsstelle vorgesehen ist, so daß die Träger nicht zu einem oder mehreren der in Sperrichtung vorgespannten Übergänge wandern können.
7. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Ladungsträger sammelnde Einrichtung eine die wenigstens eine Insel umgebende Zone des entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, die von der wenigstens einen Insel durch eine isolierende Zone des einen Leitungstyps getrennt ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Träger-Sammelzone durch Leitungsmittel mit der Isolationszone verbunden ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß zur Verringerung des effektiven Widerstands und zur Erhöhung der Sammelwirkung der Träger-Sammelzone eine Zone relativ hoher Leitfähigkeit des entgegengesetzten Leitungstyps im Substrat nahe der Träger-Sammelzone angeordnet ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung zur Reduktion der Trägerinjektion in das Substrat (34) vorgesehen ist.

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