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Integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente Die Erfindung bezieht
sich auf integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente unter Verwendung dielektrischer
Isolation in der Oberfläche der Halbleiterunterlage.
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Die dielektrische Isolation ist eine ausgezeichnete Art der Trennung
der einzelnen Elemente einer integrierten Halbleiterschaltung, da sie, im Gegensatz
zur PN-Übergangs isolation, niemals das AuStreten parasitärer aktiver Elemente zwischen
den einzelnen Schaltungsbauelementen in der Unterlage verursacht.
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Mittels der dielektrischen Isolation werden die Schaltungsbauelemente
in der Unterlage durch eine
dielektrische Schicht, z. B. SiO2 vollständig
voneinander getrennt, so daß kein Kunstgriff, wie er bei der PN-Übergangsisolation
angewandt wird, erforderlich ist, um die Unterlage auf dem Minimalpotential anzuschließen,
d. h. die Unterlage ist elektrisch erdfrei oder ungeerdet.
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Da jedoch der dielektrische Teil selbst eine elektrostatische Kapazität
aufweist, treten kapazitive Kopplungen zwischen den Schaltungsbauelementen in der
Unterlage auf, obwohl die Schaltungsbauelemente voneinander durch die dielektrische
Schicht völlig getrennt sind. Durch die kapazitiven Kopplungen werden Nebensprecherscheinungen
zwischen den Schaltungsbauelementen hervorgerufen, falls ein Signal im Hochfrequenzbereich
über einigen MHz verwendet wird. Die Nebensprecherscheinungen sind die erheblichsten
Störungen, die bei integrierten Halbleiterschaltungsbauelementen zu überwinden sind,
die in Sprechpfadschaltern von Fernmeldegeräten zur Verarbeitung eines Breitband-Hochfrequenzbereichs
verwendet werden.
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In der deutschen Patentanmeldung P 24 55 981.9-51 ist bereits ein
Halbleitersprechpfadschalter mit in einer polykristallinen Unterlage durch dielektrische
Isolation elektrisch voneinander isolierten Sprechpfadelementen vorgeschlagen worden,
bei dem an der polykristallinen Unterlage ein den Sprechpfadelementen gemeinsamer
Kontakt angebracht und zur Vermeidung der gegenseitigen elektrischen Kopplung der
Sprechpfadelemente durch die elektrostatische Kapazität des dielektrischen Isolatlonsteils
geerdet ist. Bei diesem
Schalter ist wahlweise vorgesehen, daß in
der Unterlage Hochkonzentrationsverunreinigungszonen gebildet und an diesen Zonen
Kontakte angebracht und geerdet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Halbleiterschaltung,
die nach der Technik der dielektrischen Isolation gefertigt wird, zu entwickeln,
bei der keine kapazitive Kopplung zwischen den Schaltungsbauelementen bei Signalen
im Breitband-Hochfrequenzbereich auftritt.
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Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, sind integrierte
Halbleiterschaltungsbauelemente, die in Siliziumeinkristallinseln gebildet sind,
die in einer Halbleiterunterlage untereinander durch dielektrische Isolation isoliert
sind, mit dem Kennzeichen, daß wenigstens ein Teil der Unterlage einen niedrigen
elektrischen Widerstaud aufweist und an diesem Teil ein Erdungskontakt angebracht
ist.
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Vorzugsweise weist der Teil der Unterlage einen dem der Siliziumeinkristallinseln
entgegengesetzten Leitungstyp auf.
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Die erfindungsgemäßen Bauelemente können auch so aufgebaut sein,
daß die Unterlage im ganzen einen dem der Siliziumeinkristallinseln entgegengesetzten
leitungstyp und einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist und an der Unterlage
der Erdungskontakt angebracht ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung weist die Unterlage
einen dem der Siliziumeinkristallinseln
entgegengesetzten Leitungstyp
auf, wenigstens ein -Teil des Bereichs der Unterlage, der jede der Siliziumeinkristallinseln
umgibt, weist einen niedrigen elektrischen Widerstand auf, und an diesem Teil ist
der Erdungskontakt angebracht.
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Die Erfindung gibt also integrierte Ha lb leiterschaltungsbauelemente
an, bei denen Siliziumeinkristallinseln in der Oberfläche einer Unterlage durch
dielektrische Isolation gebildet sind, die Unterlage einen niedrigen elektrischen
Widerstand und einen dem der Siliziumeinkristallinseln entgegengesetzten Leitungstyp
aufweist, an einer der Hauptoberflächen der Unterlage ein Kontakt angebracht und
dieser Kontakt geerdet ist, um die kapazitive Kopplung zwischen den integrierten
Halbleiterschaltungsbauelementen zu reduzieren.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 im Querschnitt integrierte
Halb leiterschaltungsbauelemente bekannter Art, die untereinander durch dielektrische
Isolation in einer polykristallinen Siliziumunter lage getrennt sind; Fig. 2 im
Querschnitt integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente als erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung; Fig. 5 ein Aquivalentschaltbild zur Darstellung des Zustands der
kapazitiven Kopplung zwischen den in Fig. 2 dargestellten dielektrisch isolierten
Schaltungsbauelementen;
Fig. 4 und 5 im Querschnitt modifizierte
Ausführungsarten der in Fig. 2 dargestellten integrierten Halbleiterschaltungsbauelemente;
Fig. 6 im Querschnitt integrierte Ha lb leiterschaltungsbauelemente als zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 7 eine Aufsicht der Bauelemente in Fig.
6; Fig. 8 ein A'quivalentschaltbild zur Darstellung des Zustandes der kapazitiven
Kopplung zwischen den in Fig. 6 dargestellten dielektrisch isolierten Bauelementen;
Fig. 9 die Teile (a), (b) und (c) anderer Gestaltungen der erfindungsgemäß verwendeten
polykristallinen Bereiche mit einem niedrigen elektrischen Widerstand; Fig.10 und
12 im Querschnitt integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente als viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung; Fig.15 bis 15 im Querschnitt die Reihenfolge der Verfahrensschritte
zur Bildung einer in Fig. 10, 11 oder 12 gezeigten Unterlage; und Fig.16 und 17
im Querschnitt integrierte Schaltungsanordnungen, die durch Stirnseiteabwärtsverbindung
solcher in Fig. 4 oder 5 dargestellter integrierter Halbleiterschaltungsbauelemente
hergestellt sind.
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Vor der Erläuterung der konkreten Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nun bekannte integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente,
die
durch dielektrische Isolation in einer polykristallinen Siliziumunterlage hergestellt
sind, anhand der Fig. 1 beschrieben.
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In Fig. 1, die im Querschnitt integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente
nach Herstellung durch dielektrische Isolation in einer polykristallinen Siliziumunterlage
nach bekannten Verfahren zeigt, erkennt man eine polykristalline Siliziumunterlage
1, Siliziumeinkristallbereiche 2 (im folgenden als Siliziumeinkristallinseln bezeichnet),
eine dielek trische Schicht 3 (üblicherweise aus SiO2) zur dielektrischen Isolation
der Siliziumeinkristallinseln, die als Schaltungsbauelemente dienen, und einen SiO2-Oberflächenfilm
4. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, sind P-Diffusionszonen und eine N+-Diffusionszone
in jeder N-Typ-Siliziumeinkristallinsel gebildet, um je einen Thyristor mit seinem
Anodenkontakt 5, seinem Kathodenkontakt 6 und seinem Torkontakt 7 zu schaffen. Hierbei
existiert, da die Siliziumeinkristallinseln strukturell voneinander mittels der
jeweiligen dielektrischen Schicht 3 getrennt sind, keine solche kapazitive Kopplung
infolge von parasitären aktiven Elementen, wie man sie bei Anwendung der PN-Übergangsisolation
antrifft. Die Abwesenheit solcher parasitärer aktiver Elemente ergibt bei den integrierten
Schaltungstechniken zahlreiche Vorteile. Da jedoch die polykristalline Siliziumunterlage
elektrisch erdlos oder ungeerdet ist, gibt es elektrostatische kapazitive Kopplungen
aufgrund der dielektrischen Schicht zwischen den Siliziumeinkristallinseln, die
als Schaltungsbauelemente
dienen. Dementsprechend treten, falls
Signale in einem Hochfrequenzbereich oberhalb einiger MHz zu verarbeiten sind, die
schon erwähnten Nebensprecherscheinungen der Signale zwischen den Schaltungsbauelementen
auf, obwohl das Ausmaß des Nebensprechens hier geringer als im Fall der PN-Übergangsisolati,on
ist.
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Fig. 2 zeigt im Querschnitt integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente
als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Man erkennt in Fig. 2 eine polykristalline
Siliziumunterlage 11 des P-Leitungstyps, die erfindungsgemäß mit hochkonzentrierten
Verunreinigungen zur Entwicklung eines niedrigen elektrischen Widerstandes stark
dotiert ist, Siliziumeinkristallinseln 12, eine dielektrische Schicht 15 (gewöhnlich
aus sio2) zur dielektrischen Isolation der Siliziumeinkristallinseln voneinander
und eine SiO2-Oberflächenschicht 14.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind P-Diffusionszonen und eine N+
-Diffusionszone in jeder N-Typ-Einkristallinsel 12 gebildet, so daß sich jeweils
ein Thyristor mit seinem Anodenkontakt 15, seinem Kathodenkontakt 16 und seinem
Torkontakt 17 ergibt. Außerdem ist erfindungsgemäß ein Kontakt 18 oben an der polykristallinen
Siliziumunterlage 11 angebracht, zu welchem Zweck die SiO2-OberflSchenschicht hier
durchbrochen ist.
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Fig. 3 zeigt als Aquivalentschaltbild den Zustand der zwischen den
Siliziumeinkristallinseln aufgrund
der dielektrischen Isolation
mittels der dielektrischen Schicht 13 gemäß Fig. 2 entstehenden kapazitiven Kopplung,
wobei die in den Inseln 12 gebildeten Schaltungsbauelemente in Form der schwarzen
Vierecke 19 und 19' dargestellt und die elektrostatische Kapazität des dielektrischen
Teils und der geerdete Kontakt bei 20 bzw. 18 angedeutet sind. Es ist hier offenbar,
daß sich die oben erwähnte kapazitive Kopplung durch den geerdeten Kontakt 18 beseitigen
läßt. Es sei darauf hingewiesen, daß man bei der bekannten integrierten Schaltung,
bei der die polykristalline Siliziumunterlage einen ziemlich hohen elektrischen
Widerstand aufweist, die Wirkung der Erdung der Kontaktselektrode zur Beseitigung
der kapazitiven Kopplung nicht voll erzielen könnte. Dagegen ist die polykristalline
Siliziumunterlage erfindungsgemäß mit Verunreinigungen des P-Typs oder N-Typs -(in
diesem Ausführungsbeispiel des P-Typs) hoher Konzentration dotiert, um den elektrischen
Widerstand so zu senken, daß die Wirkung der Erdung zur Beseitigung der kapazitiven
Kopplung zwischen den Siliziumeinkristallinseln in ausreichendem Maß erreicht wird.
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Fig. 4 zeigt ein Beispiel, in dem ein solcher, dem in Fig. 2 entsprechender
Kontakt 18' zur Erdung so angebracht ist, daß er die gesamte Hinterseite der polykristallinen
P+ -Siliziumunterlage 11 bedeckt.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel, nach dem die Rückseite der polykristallinen
P+ -Siliziumunterlage 11 mit einer SiO2-Schicht 14' überzogen und ein Kontakt 18"
zur Erdung an bzw. in einem Teil davon vorgesehen ist.
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Da die polykristalline P+ -Siliziumunterlage 11 sehr stark mit Verunreinigungen
dotiert ist, läßt sie sich gut in Ohm'schem Kontakt mit dem Erdungs; kontakt 18
halten.
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Fig. 6 zeigt im Querschnitt integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente
als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, und man erkennt hier eine polykristalline
Siliziumunterlage 21, die Siliziumeinkristallinseln 22, je eine dielektrische Schicht
25 zur Isolation der Einkristallinseln 22 und eine SiO2-Oberflächenschicht 24. Das
Schaltungsbauelement in jeder Siliziumeinkristallinsel 22 ist wie in Fig. 1 ein
Thyristor mit seinem Anodenkontakt 25, seinem Kathodenkontakt 26 und seinem Torkontakt
27.
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Die Bereiche 28 in den die Siliziumeinkristallinseln 22 umgebenden
Teilen der polykristallinen Siliziumunterlage 21 sind stark mit P-Verunreinigungen
dotiert, und die Kontakte 29 sind zur Erdung der Bereiche 28 vorgesehen.
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Fig. 7 ist eine Aufsicht der integrierten Halbleiterschaltungsbauelemente
nach Fig.6 und zeigt den Aufbau, bei dem die Siliziumeinkristallinseln 22 völlig
von den P+-Bereichen 28 umgeben sind, die durch Eindiffusion von Hochkonzentrationsverunreinigungen
des P-Typs in die polykristalline Siliziumunterlage 21 ausgebildet wurden. In Fig.
7 sind die Kontakte und die SiO2-Oberflächenschicht zur besseren Übersicht nicht
dargestellt.
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Fig. 8 ist ein Aquivalentschaltbild und zeigt in Form schwarzer Vierecke
die in Fig. 6 dargestellten integrierten Halbleiterschaltungsbauelemente, die gegenseitig
durch dielektrische Isolation in der polykristallinen Siliziumunterlage isoliert
sind, wobei die einzelnen Schaltungsbauelemente in den Siliziumeinkristallinseln
mit 50, 302 und 30", die elektrostatischen Kapazitäten der dielektrischen Schichten
mit 51 und die zur Beseitigung der kapazitiven Kopplung zwischen den Schaltungsbauelementen
geerdeten Kontakte mit 29 bezeichnet sind. Dementsprechend läßt sich bei dem zweiten,
in Fig>6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung der zur Beseitigung
der kapazitiven Kopplung zwischen den Schaltungsbaue lementen ausreichende Erdung
effekt durch Vorsehen der P+ -Bereiche 28 mit einem aufgrund der Eindiffusion der
Hochkonzentrationsverunreinigungen niedrigen elektrischen Widerstand um die Siliziumeinkristallinseln
22 herum erreichen.
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Fig. 9 zeigt andere BeSiplele (a), (b) und (c) des Aufbaues bzw,
der Gestalt der Pf Bereiche, die den polykristallinen P# -Siliziumbereichen 28 in
Fig. 7 entsprechen und einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen. Man erkennt
in Fig. 9 polykristalline P -Siliziumbereiche 41 w 42 und 45 mit einem niedrigen
elektrischen Widerstand, die mit Seiten- oder Ecken-Unterbrechungen um die Siliziumeinkristallinseln
herum vorgesehen sind und zu dem praktisch gleichen Ergebnis führen.
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Fig. 10 zeigt im Querschnitt integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente
als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wo man eine Halbleiterunterlage 51
erkennt, die aus mit Hochkonzentrationsverunreinigungen dotierten polykristallinen
-Siliziumbereichen 53 mit einem niedrigen elektrischen Widerstand und P -Siliziumeinkristallbereichen
54 mit dem gleichen Leitungstyp wie dem der Bereiche 53 und mit niedrigem elektrischen
Widerstand besteht; außerdem zeigt die Fig. 10 Siliziumeinkristallinseln 52 des
N-leitungstyps, dielektrische Schichten 55 (üblicherweise aus Silo2) zur isolierenden
Trennung der Siliziumeinkristallinseln 52 voneinander in der Unterlage 51 und eine
Si02-Oberflächenschicht 56. Das SchZaltungsbauelement in jeder Siliziumeinkristallinsel
52 ist ein Thyristor seitlichen Aufbaues, der durch die Diffusion von P- und N-Verunreinigungen
gebildet ist und jeweils einen Anodenkontakt 57, einen Kathodenkontakt 58 und einen
Torkontakt 59 aufweist. An den Bereichen 54 sind Kontakte 60 zur Erdung dieser die
Siliziumeinkristallinseln 52 umgebenden P+ -Siliziumeinkristallbereiche 54 angebracht.
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Fig. 11 und 12 zeigen im Querschnitt integrierte #alb leiterschaltüngsbaüelemente
als viertes A usführungs -beispiel der Erfindung, bei dem die Unterlagen 51' aus
polykristallinen Siliziumbereichen 53' und Siliziumeinkristallbereichen 54? bestehen,
wobei Niedrigwiderstandsbereiche 61 bzw. 61' in den Siliziumeinkristallbereichen
54' gebildet sind, die die Siliziumeinkristallinseln 52 wie im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 6 umgeben, und Kontakte 62 bzw. 62' zür Erdung an den Bereichen 61 bzw.
61' angebracht sind.
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Fig. 13 bis 15 veranschaulichen die einzelnen Schritte des Verfahrens
zur Herstellung einer solchen Unterlage 51 nach Fig. 10. Wie Fig. 13 zeigt, werden
in das N-Siliziumeinkristallplättchen 63 durch Ätzen Nuten 64 eingeschnitten, dielektrische
Schichten 55 (üblicherweise aus sio2) zur Isolation werden auf die Teile aufgebracht,
die als Siliziumeinkristallinseln dienen, und man laß#t die Bodenflächen der Nuten
64 frei, d. h. unbedeckt. Dann führt, wie in Fig 14 veranschaulicht ist, das Aufdampfungskristaliwachstum
zur Bildung von polykristallinen P+-Sil4,ziumschichten 53 und P+ -Siliziumeinkristallschichten
54 auf den mit den dielektrischen Schichten 55 aus SiO2 bzw. den freien Bodenflächen
der Nuten 64. Schließlich wird das N-Siliziumeinkristallplättchen 63 einem Xtzen
oder Abpolieren auf eine gewünschte Tiefe entsprechend der Zwischenhorizontalen
in Fig. 15 unterworfen, um eine Unterlage zur erz in dungsgemäßen Verwendung zu
schaffen.
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Fig. 16 und 17 zeigen integrierte Halbleiterschaltungsbauelemente
nach Fig. 4 oder 5, die auf einer Unterlage 70 nach dem Oberseitenabwärtsverbindungsverfahren
(face down bouding) montiert sind, wobei die Vorderseite des integrierten Schaltungsplättchens
nach unten gewandt ist. Gemäß Fig. 16 ist der mit dem Erdungsleiter 71 für die Unterlage
70 verbundene Verdrahtungsleiter 72 durch ein Drahtverbindungsverfahren mit dem,lMetalldraht
75 verbunden, der an den an der gesamten Rückseite der polykristallinen Siliziumunterlage
11 vorgesehenen Erdungskontakt 18' angeschlossen
ist. In Fig. 17
ist das integrierte Schaltungsplättchen auf einer Unterlage 70 nach dem Oberseitenabwärtsverbindungsverfahren
montiert und von einer Gehäusekappe 74 eingehüllt. Ein Isolierharzfilm 75 ist, wie
die Fig. 17 zeigt, auf der Unterlage 70 mit Ausnahme der Rückseite des auf der Unterlage
70 montierten integrierten Schaltungsplättchens und eines Teils des Erdungsleiters
71 und des Verdrahtungsleiters 72 vorgesehen.
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Der in der Gehäusekappe 74 verbleibende Raum ist mit leitendes Material
enthaltendem Kunstharz gefüllt, so daß der an der R«ckseite der polykristallinen
Siliziumunterlage 11 angebrachte Kon takt 18" mit dem Erdungsleiter 71 durch das
leitendes Material enthaltende Kunstharz 76 elektrisch verbunden ist.
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Um den elektrischen Widerstand der Siliziumeinkristallbereichsunterlage
allein oder der Siliziumeinkristall- und der polykristallinen Bereiche, wie sie
in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 12 verwendet werden, niedrig zu
machen, können die Verunreinigungen entweder beim Aufdampfungskristallwachstumsschritt
im Zuge des Verfahrens zur Bildung der Unterlage dotiert oder in die Unterlage nach
deren Fertigstellung mit Ausnahme der Siliziumeinkristallinseln eindiffundiert werden.
Außerdem kann die Bildung der Niedrigwiderstandsbereiche um die Siliziumeinkristallinseln
herum in den in Fig.6 bis 9 und 11 bis 12 gezeigten Ausführungsbeispielen erleichtert
werden, wenn sie gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt
zur Eindiffusion
von Verunreinigungen, z. B. P-Verunreinigungen, bei der Bildung der integrierten
Schaltungsbauelemente in den Siliziumeinkristallinseln erfolgt.
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In allen obigen Ausführungsbeispielen ist angenommen, daß die Niedrigwiderstandsbereiche
der Unterlage vom P-Leitungstyp sind, doch läßt sich ein entpsrechender Effekt der
Beseitigung bzw. Vermeidung der kapazitiven Kopplung auch dann erreichen, wenn die
Niedrigwiderstandsbereiche vom N-leitungstyp sind. Die vorliegende Erfindung ist
also nicht nur bei P-, sondern auch bei N-Leitungstypunterlagen anwendbar. Im Fall
einer Unterlage des P-Leitungstyps mit Inseln des N-Einkristalltyps wie nach den
erläuterten Ausführungsbeispielen, gemäß denen die Unterlage geerdet ist, existiert,auch
wenn ein Fehler, wie z. B. eine Pore in der dielektrischen Schicht auftritt, ein
Sperr- oder Rückwärtsvorspannungszustand zwischen den Siliziumeinkristallinseln
und dem umgebenden Unterlagenbereich, so daß eine Insel von der anderen durch die
Isolation aufgrund des erläuterten Aufbaues mit der erfindungsgemäßen Erdung sicher
isoliert ist. Im Fall von P-Inseln ist es nur erforderlich, eine N-Unterlage zu
verwenden und die Unterlage mit einem erhöhten Potential, wie z. B. einer Batterie
zu verbinden. Die Verbindung mit der Batterie ergibt den Effekt der Erdung für Wechselstromsignale.
Demgemäß liefert diese Kombination von Inseln und einer Unterlage, deren Ieitungstyp
dem der Inseln entgegengesetzt und deren elektrischer Widerstand niedrig ist, eine
weitere vorteilhafte
Ausführungsart der Erfindung. In dem in Fig.
10 gezeigten Ausführungsbeispiel können auch nur die Siliziumeinkristallbereiche
54 einen niedrigen elektrischen Widerstand haben. Außerdem ist die Anbringung des
Erdungskontakts an der Rückseite der Unterlage zwar nur im ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung nach den Varianten gemäß Fig. 4 und 5 erkennbar, doch läßt sich die
gleiche Anordnung auch in den anderen Ausführungsbeispielen anwenden. In der vorstehenden
Beschreibung sind die Schaltungsbauelemente in den Siliziumeinkristallinseln als
Thyristoren erläutert, doch selbstverständlich läßt sich die gleiche Wirkung gemäß
der Erfindung auchterzielen, wenn diese Schaltungsbauelemente Transistoren, PNPN-Dioden,
Feldeffektanordnungen oder dergleichen sind.
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Wie im Vorstehenden erläutert, lassen sich erfindungsgemäß die kapazitiven
Kopplungen zwischen den Einkristallbereichen, die infolge der dielektrischen Isolation
auftreten, wirksam beseitigen, indem man einfach die die Einkristallbereiche umgebende
Unterlage erdet, so daß man erfindungsgemäß integrierte Halb leiters cha lt ungsbaue
lemente herstellen kann, die auch im Hochfrequenzbereich praktisch frei von Nebensprecherscheinungen
sind.