DE2655575A1

DE2655575A1 - Kompakte monolithische halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE2655575A1
Application number: DE19762655575
Authority: DE
Inventors: John Balyoz; Algirdas Joseph Gruodis; Teh-Sen Jen; Wadie Faltas Mikhail
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-08
Publication date: 1977-07-07
Also published as: GB1557790A; JPS5282191A; FR2337426A1; CA1064624A; US4080720A; US4032962A; JPS6011470B2

Description

bu/bm

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 975 006

Kompakte monolithische Halbleiterstruktur

Die Erfindung betrifft eine Anordnung wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Bei Entwicklung des Schaltungsaufbaues auf einem Halbleiterchip muß zur Erzielung niedriger Kosten ein Kompromiß geschlossen werden zwischen den kritischen Faktoren, Stromverbrauch, physikalische Anordnung und Leistungsfähigkeit. In jüngster Zeit widmete man dabei der physikalische Anordnung oder der monolithischen Struktur erhöhte Aufmerksamkeit. Wenn einmal eine Schaltungsfamilie, wie TTL, DTL oder MTL gewählt ist, ist der Stromverbrauch mehr oder weniger festgelegt. Die Leistungsfähigkeit des Schaltungsaufbaus bei Speicherchips, die bestimmt wird von den Verzögerungen innerhalb einer Speicherzelle und zwischen Speicherzellen, ist ebenfalls sowohl durch die Schaltungsfamilie, als auch durch die physikalische Anordnung der Schaltung festgelegt. Somit bleibt als einziger Faktor die physikalische Anordnung übrig, die durch die monolithische Struktur oder die Konstruktion der Schaltung in gewisser Weise beeinflußt werden kann.

TTL-Schaltungen erfreuen sich sehr großer Verbreitung auf Schaltwerk-Chips. Diese Schaltungsfamilie bietet hohe Leistungsfähigkeit bezüglich Umschaltgeschwindigkeit ohne dabei ungewöhnlich hohe Ströme zu verlangen, TTL-Schaltungen sind für einen großen Bereich logischer Funktionen geeignet, relativ unempfindlich gegen Wechsel-r Spannungsrauschen und haben gutes Fan-in- und Fan-out-Leistungs-

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vermögen. Konstruktionsgrenzen für TTL-Schaltungen sind relativ gut bekannt und ihre Fertigung in Form von integrierten Halbleiterschaltungen wirft heutzutage kaum mehr Probleme auf. Die Kosten wurden weiter gesenkt und die Leistungsfähigkeiten der TTL-Schaltungen immer mehr verbessert, indem man versucht, die Packungsdichte der Schaltungen innerhalb einer vorgegebenen Chipfläche zu erhöhen. Dasselbe kann von DTL-Schaltungen und den relativ neuen

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MTL(I L)-Schaltungsfamilien gesagt werden.

Es ist bereits eine monolithische Struktur vorgeschlagen, in der beispielsweise Speicherzellen in orthogonalen Gruppen angeordnet sind und im wesentlichen in parallelen Zellen in beiden orthogonalen Richtungen in Blöcke so zusammengefaßt sind, daß diese Blöcke zwei Zellen in Y-Richtung und vier Zellen in X-Richtung breit sind. Jede Zelle belegt im wesentlichen gleiche Chipflächenanteile und hat auch im wesentlichen dieselbe monolithische Struktur wie jede andere Zelle. Diese monolithische Halbleiterstruktur besteht aus einer regelmäßig aufgebauten Matrix von Schaltgliedern, die eine fast gleiche Preferenz für Datenfluß-Fortleitung in horizontaler und vertikaler Richtung aufweist.

Bei der erwähnten vorgeschlagenen monolithischen Struktur werden zwar die Anzahl der erforderlichen Metallisierungsebenen für Verbindungen innerhalb einer Zelle und zwischen Zellen untereinander sowie die Größe einer Zelle gegenüber früheren Strukturen verbessert und auch die Hervorhebung jedes einzelnen Chips, d.h. die Anordnung der Metallverbindungen zur Definition der Leitungszugsstruktur innerhalb eines bestimmten Schaltkreises durch computergestützte Konstruktion ist dabei wesentlich leichter als bei früheren Konstruktionen; trotzdem ist aber noch ein nennenswerter Anteil der Chipfläche für aktive Schaltelemente wegen des für die Leitungszüge auf der Chipoberfläche erforderlichen Raumes ungenutzt.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht daher in der Erhöhung der Packungsdichte für Schaltwerk-Zellen auf einem Halbleiterchip durch Verschalten einer größeren Anzahl von Schaltwerk-Zellen

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untereinander ohne zusätzlichen Flächenbedarf für die Leitungsizüge, so daß sich eine kompakte monolithische Struktur für verschiedene Schaltungsfamilien in einem Verfahren ergibt, in dem jdie monolithische Struktur unter Anwenden von Standardtechniken J ^!für integrierte Schaltungen aufgebaut wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, wie es im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

'jeder Schaltkreis einer spaltenweise Anordnung identischer Schaltjkreise enthält ein erstes Bauelement mit einer länglichen Fremdatom-Izone und einer Reihe anderer Fremdatomzonen, die zusammenhängend j jmit oder in dieser Zone zur Bildung von Diodenübergängen niedergeschlagen sind. Die längliche Zone kann eine vorgegebene Höchstzahl jder anderen Zonen enthalten. Ein zweites Bauelement liegt neben der Schmalseite besagten ersten Bauelementes. Ein erster Satz von Lei-, tungszügen verläuft auf einem ersten Niveau orthogonal zur Längsrichtung über diese längliche Zone und ist mit ausgewählten Zonen jaus den anderen Fremdatomzonen verbunden. Die Anzahl anderer Fremdiatomzonen, die tatsächlich auf diese Weise miteinander verbunden {Sind, ist dabei immer kleiner als besagte vorgegebene Höchstzahl. Ein anderer Leitungszug in einem zweiten Niveau auf dem Substrat list mit einer Fremdatomzone des zweiten Bauelementes verbunden und verläuft im wesentlichen parallel zur Längsrichtung. Dieser !zweite Leitungszug verbindet größtenteils das zweite Bauelement mit einem der Leitungszüge im ersten Satz und ist dann mit einem anderen Schaltkreis derselben Spalte yerbunden. Der andere Leitungszug kann aber auch an einen anderen Schaltkreis einer anderen Spalte oder gar außerhalb des Substrates angeschlossen sein.

Bei einem der drei nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung handelt es sich um eine TTL-Schaltung, in der das erste Bauelement ein Transistor mit mehreren Emittern ist, der eine längliche Basiszone hat. Die Emitter bestehen aus den anderen Zonen, die mit dem ersten Satz yon Leitungszügen zum Empfang von Eingangssignalen yerbunden sind. Das zweite Bauelement ist der Ausgangs transistor, dessen Kollektor mit dem anderen Leitungszug

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!verbunden ist, um Ausgangssignale von der TTL-Schaltung entweder an andere Schaltkreise auf dem Substrat oder auch an Schaltkreise (außerhalb des Substrates abzugeben. Außerdem sind Ausführungsbei- J \ 2 ·

spiele der Erfindung für DTL- und MTL(I L)-Schaltungen beschriebenJ Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung gehören Referenzpotential-j !Leitungen, die orthogonal zur Längsrichtung verlaufen. Bei den TTL-j jund DTL-Strukturen sind längliche Widerstandszonen im wesentlichen jin derselben Richtung ausgebildet wie die genannte längliche Zone/ 'um die Transistoren und die Referenzpotential-Leitungen miteinanider zu verbinden.

^Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die über das oben gesagte hinausgehen, sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung soll nun anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert werden.

;Es zeigen:

¹FIg. 1 ein an sich bekanntes NAND-Glied in TTL-Technik,

jFig, 2 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer mono- ;

; lithisch integrierten Halbleiterschaltung erfin- j

dungsgemäß aufgebauter TTL-Schaltkreise,

Fig. 2A einen Querschnittsausschnitt aus der Anordnung j nach Fig. 2,

Fig. 3 Halbleiterstruktur für Schaltkreise nach Fig. 2

in Prinzipdarstellung,

Fig, 4 ein NAND-Glied in bipolarer DTL-Technik gemäß der

Erfindung,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine monolithisch integrierte j

j . i

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Halbleiterschaltung als Strukturausschnitt mit '· einem NAND-Glied nach Fig. 4,

!Fig. 6 einen MTL-Schaltkreis (I L) gemäß der Erfindung,

Fig. 7 Halbleiterstruktur nach Fig. 6 als Draufsichtsausschnitt,

Fig. 7A Querschnittsausschnitt der Halbleiterstruktur

nach Fig. 7.

Eine herkömmliche TTL-Schaltung, wie sie Fig. 1 zeigt, führt die NAND-Funktion aus, indem sie einen positiven oder hohen Ausgangssignalpegel für alle Eingangskombinationen liefert, ausgenommen die Kombination, bei der alle Eingänge positiv sind. Der Eingangstransistor T1 hat mehrere Emitter, die am Kollektorausgang 24 mit der Basis des Transistors T2 gekoppelt sind, der nur einen Emitter hat. Die Widerstände R1, R2 und R3 liefern entsprechende Vorspannungen für die Transistoren T1 und T2. Die Diode D1 ist ein Zusatzelement, das den Transistor T1 klemmt, um seinen invertierten Beta-Wert zu reduzieren. Bei Bedarf kann auch der Basis-Kollektor-Übergang des Transistors T2 durch eine Schottky-Diode geklemmt werden.

pie Fign, 2 und 2A zeigen eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines erfindungsgemäß aufgebauten Zellenpaares mit den Bezeichnungen B3 und B4, Die obere Zelle enthält die Transistoren T1 land T2 und die untere die Transistoren T1^f und T2¹. Das zweite Metallisierungsniveau ist in Fig. 2 weggelassen, um die Analyse der verschiedenen Zonen im Substrat und des ersten Metallisierungsniveaus zu vereinfachen. In Fig. 2A jedoch ist das zweite Metallisierungsniveau gezeigt. Jede Zelle ist eine TTL-Schaltung des in Fig. 1 gezeigten Typs und enthält mehrere Fremdatomzonen unterschiedlicher Leitfähigkeit im Chip, um Transistoren und Widerstände zu bilden. Diese Zonen sind im ersten Metallisierungsniveau zu einer TTL-Schaltung verbunden. Nach Darstellung in Fig.

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iO

entspricht jede Zelle der in Fig. 1 gezeigten TTL-Schaltung. Die Zahlen in Fig. 2 und 2A entsprechen daher denjenigen in Fig. 1.

Der Transistor T1 besteht aus einer länglichen Subkollektorzone 24, einer länglichen Basiszone 20 und mehreren Emitterzonen in der länglichen Basiszone. Die Emitterzonen werden wahlweise über den Isolator 41 mit einer Metallschicht verbunden, die eine Reihe von Kanalbahnen für Leitungszüge mit den Bezeichnungen CH1, CH2, ..., CH32 enthält. Die Metallisierung ist durch die dielektrischen Schichten 40 und 41 isoliert. Darstellungsgemäß verlaufen die Kanäle orthogonal zur Längsrichtung der länglichen Basiszone 20, was für eine erhöhte Schaltungsdichte nicht nur wichtig, sondern direkt kritisch ist.

Die Basiszone 20 ist also eine längliche Fremdatomzone, die eine Anzahl anderer Zonen enthält, d.h. die Emitterzonen 19 zur Bildung von Diodenübergängen. Nach Darstellung in Fig. 2A sind in der Basiszone 20 nur diejenigen Emitter ausgebildet, die tatsächlich mit dem ersten Leitungszugsniveau verbunden sind. Die anderen Bereiche in der Basis, die noch Emitterzonen enthalten könnten, sind durch gestrichelte Linien angedeutet.

In der Praxis bestehen wenigstens zwei Möglichkeiten zur Personalisierung integrierter Schaltungen, Nach Bedarf kann die vorbestimmte Höchstzahl von Emittern, in diesem Fall 32, gänzlich in der Basiszone 20 ausgebildet werden. Ein Schritt zur Personalisierung des Chips würde dann im ersten Metallisierungsniveau erfolgen, nämlich nur die nach dem Verbindungsplan ausgewählten Emitter würden so durch die Isolation 41 mit den Leitungszügen 42 verbunden.

Andererseits kann die Personalisierung auch dadurch erfolgen, daß man nur diejenigen Emitterzonen in der Basiszone 20 ausbildet, die benutzt werden sollen. Jede dieser Emitterzonen, im bevorzugten Ausführungsbeispiel vier Stück, würde dann mit den Leitungszügen 22 verbunden.

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,Für die Erfindung ist die Tatsache wesentlich, daß die Anzahl der tatsächlich mit den Leitungszügen 22 verbundenen Fremdatomzonen (Emitter) kleiner ist als die Höchstzahl von Emittern, die auf diese Weise angeschlossen werden könnte. Im bevorzugten AusfUhrungsbeispiel sind von den 32 Möglichen, nur vier Emitter 19 auf diese Weise angeschlossen. Dabei spielt es keine Rolle, ob jalle Emitter oder nur ein Teil der Emitter tatsächlich in der 'länglichen Basiszone ausgebildet ist. Aufgrund dieses Schemas ,werden zahlreiche Leitungszüge 22 freigelassen und können mit den 'Emittern anderer Transistoren verbunden werden. In einer Spalte !können natürlich beliebig viele Kanäle vorgesehen werden.

In Fig. 2 sind vorzugsweise 32 Leitungszüge mit der Bezeichnung ICH1, CH2, ..., CH32 vorgesehen, von denen vier Kanäle Leitungszüge oder -streifen enthalten können, die mit vier Emittern des Transistors T1 verbunden sind. Die übrigen Leitungszüge in den Bahnen liegen über den Emitterzonen 19, sind jedoch nicht mit den Emittern in der gezeigten Zelle verbunden. Somit können 32 Emitterzonen für Eingangssignale gewählt werden, im Ausführungsbeispiel dienen jedoch nur vier derartige Zonen tatsächlich als Eingangssignalanschlüsse.

Obwohl jede Bahn mit einem darin enthaltenen Leitungszug dargestellt ist, ist es im allgemeinen nicht der Fall. Für bestimmte Schaltungen empfiehlt es sich normalerweise, Leitungszüge nur dort niederzuschlagen, wo sie gebraucht werden. Für T1 in der Schaltung B3 nicht benutzte Kanäle sind normalerweise mit den jEmittern des Transistors T1' in der Schaltung B4 oder den Emittern !anderer Transistoren in anderen Zellen (nicht dargestellt) verbunden. Bei manchen Konstruktionen wird derselbe Leitungszug in einer bestimmten Bahn mit einer Emitterzone von mehr als einer Zelle verbunden_f in anderen Fällen kann eine Bahn mehr als einen Leitungszug enthalten_f indem man eine elektrische Unterbrechung in die Bahn legt. Auf diese Weise können Emitterzonen in ver-j- ;schiedenen Zellen unter derselben Bahn als isolierte Eingänge für

die entsprechenden Schaltungen dienen.

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Die Leitungszüge 37, 39 und 39* stellen jedent Schaltkreis Referenz-] !potential bereit und sind auch orthogonal zur Zonen-Längsrichtung i

angeordnet. j

iDie Basis 20 von T1 ist mit dem Leitungszug 39 verbunden, der üb- _;

er Metallisierung 21 und Widerstand R1 Referenzpotential V „ be- I reitstellt. Deß Transistor T2 liegt in den Fign. 2 und 2A rechts

von T1 und besteht aus dem Subkollektor 34, der Basis 30 und ei- j

nem Emitter 36, der auf Referenzpotential V₀₁₃ liegt, das durch i

OO

die Leitung 37 bereitgestellt wird. Die Basis von T2 ist mit dem ; Kollektor 24 des Transistors T1 über Leitung 25 verbunden.

Die Widerstände R1 und R2 und R3 werden auf übliche Weise in der
Epitaxieschicht 4 entweder durch Diffusion von N+-oder P+-leiten- Ϊ den Dotierungsmitteln oder durch Ionenimplantation der Dotierungs-j mittel oder durch beide Verfahren ausgebildet. Der Widerstand R1 J liegt auf Referenzpotential V„„ über Leitung 39 des ersten Metal- · lisierungsniveaus, welche parallel zu den Emittereingangskanälen
verläuft. Das Potential V__c wird auch den Widerständen R2 und R3
über Leiterkanal 39' bereitgestellt. Der Widerstand R2 ist mit der Basis 30 von T2 über Leiter 26 des ersten Metallisierungsniveaus
und mit dem Kollektor von T1 über Basiszone 30 und Leiter 25 des
ersten Metallisierungsniveaus verbunden. Der Widerstand R3 ist mit!

Kollektor 34 von T2 durch Leiter 38 des ersten Metallisierungen!- |

veaus verbunden.

Die Zellen B3 und B4 können auf konventionelle Weise durch elektrische Isolation oder Übergangs!solation elektrisch voneinander
!getrennt sein.

Der Ausgang des NAND-Gliedes 16 wird am Kollektor 34 Über Verbindung 44 eines zweiten Metallisierungsniveaus 45 abgenommen, welche! parallel zur Längsrichtung läuft. Das zweite Metallisierungsniveauj ist vom ersten Metallisierungsniveau durch das dielektrische j

Material 40 isoliert. !

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Gemäß Darstellung in Fig. 2 ist der Kollektorausgang der Zelle B3 mit einem Emitterkanal 22 über die Metallisierung 45 verbunden. Dieser Kanal ist mit einem Emitter einer anderen Zelle im Chip 10 verbunden. Andererseits kann der Kollektorausgang der Zelle B3 auch mit einem Eingang einer anderen Zelle in einer anderen Spalte das Chip auf die gleiche Weise verbunden sein oder an eine Treiberschaltung am Rande der Anordnung oder auch außerhalb des Substrates angeschlossen sein.

Die Kreuzung des Kollektorausganges des Schaltkreises in einem zweiten Metallisierungsniveau über dem ersten Metallisierungsniveau, das die Kanaleingänge enthält, ist nicht nur wichtig sondern kritisch für eine sehr hohe Packungsdichte auf dem Chip. Es ließe sich auch vermuten, daß ein diffundierter Bereich im Halbleitersubstrat anstelle des zweiten Metallisierungsniveaus hierfür genügen würde; das ist jedoch nicht der Fall.

Wenn eine diffundierte oder implantierte Zone als Leiterbahn benutzt wird, z.B. eine hochdotierte N+-Diffusion in der Epitaxiezone 4, dann würde diese Bahn einen hohen verteilten Widerstand und eine hohe verteilte Kapazität aufweisen. Der Leitungszug 45 hat andererseits eine wesentlich niedrigere Impedanz. Typischerweise hat ein N+-Bereich einen Widerstand von 5 Ohm pro Quadrat und eine Kapazität von 0,8 pF pro (25,4 un| gegenüber einem Metalleiter von 0,0 Ohm pro Quadrat und einer Kapazität von höchstens; 0,025 pF pro (25,4 um ) im ungünstigsten Falle.

In einem typischen Halbleiterchip von 180 χ 180 (25,4 uny schwankt die Länge der Widerstandsbahn zwischen 0,5 mm und 4 mm. Der Wider-« Standsbereich würde dabei eine resistive Last von etwa 8000 0hm und eine kapazitive Last von 12,8 pF darstellen. Wenn der Kollektorausgang einer typischen TTL-Schaltung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, mit dieser Last zusätzlich zur Normallast der Schaltung verbunden würde, wäre die Rauschgrenze der Schaltung wesentlich reduziert, wenn nicht sogar vollständig eliminiert und die RC- \ Zeitverzögerung der Schaltung wäre enorm hoch.

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- ie 11

Bei einem weiteren Versuch, den Serienwiderstand der Widerstandsbahn im Substrat zu reduzieren, beispielsweise durch eine größere Zonenbreite, wird aber nur die Größe des Schaltkreises sowie seine Kapazität erhöht. Somit kann als Leiter nur eine Metalleitung dienen.

Zur Herstellung der in den Fign. 2 und 2A gezeigten integrierten Schaltung werden die N-leitende Subkollektorzone 24 die P+-Isolationszonen und die Epitaxiezone 4 in üblicher Weise aufgebracht. Die P+-Basiszonen 20 und 30 werden vorzugsweise durch gleichzeitige Bordiffusion gebildet. Die Basiszone 20 ist quer zu den Leitungskanälen länglich ausgebildet. In der Praxis beträgt die Länge der Basiszone 20 für eine Einheit mit 32 möglichen Leiterkanälen im ersten Metallisierungsniveau etwa 0,4 mm und die Breite «epetwa 13 um, was ein Verhältnis von Länge zu Breite von rund 31s1 ergibt.

Die Basiszone 30 ist bei einer Länge von etwa 32 pm und der gleichen Breite die]wie der Basiszone 20, nämlich 13 μαΐ/ebenfalls etwas länglich ausgebildet. Die ganze Schaltung B3 hat die Maße: 0,51 mm χ 23,5 um.

Die Emitterzonen 19 der Transistoren werden in räumlichem Abstand voneinander innerhalb der Basiszonen ausgebildet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Emitter aus thermisch diffundiertem Arsen, es kann jedoch ebensogut thermisch diffundierter Phosphor oder durch Ionenimplantation eingebrachtes Arsen oder Phosphor oder eine Kombination von 4mseek Diffusion und Ionenimplantation eingebrachten Materials verwendet werden. In Fig. 2A sind die nicht von Durchgangsverbindungen zu den Leiterkanälen 22 berührten Emitterzonen 19 in gestrichelten Linien dargestellt. Das bedeutet, daß im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Emitter nur innerhalb der Basiszone 20 ausgebildet werden, wenn sie als Eingangsverbindung durch die Leiterkanäle benutzt werden. Es können aber auch alle Emitterzonen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also 32, gleichzeitig ausgebildet werden, ungeachtet dessen, daß

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jnur vier Zonen tatsächlich Im vorgegebenen Bauelement benutzt !werden.

Wie schon gesagt wurde, hängt die Entscheidung, ob alle Emitterzonen ausgebildet werden oder nicht, von dem Schritt bei der Herstellung ab, in dem die Personalisierung des Chips beginnt. Wenn ein gegebenes Chip, beginnend mit dem ersten Metallisierungsniveau personalisiert wird, spielt es keine Rolle, ob alle Emitterzonen ausgebildet werden oder nur diejenigen, die benutzt werden sollen. Wenn jedoch die Personalisierung erst mit Ausbildung der Emitter beginnen soll, dann werden natürlich nur die Emitter bereitgestellt},

die auch tatsächlich benutzt werden. ;

: ί

Kontakte zu den Emitterzonen sowie zu den anderen, in Fig. 2Ά gezeigten Zonen werden durch die aus einzelnen Lagen zusammengesetzte Isolierschicht 41 geführt, die aus einer ersten Siliciumdioxidschicht, einer Schicht aus Siliciumnitrid und einer Schicht ! aus pyrolithisch niedergeschlagenem Siliciumdioxid besteht. Natur- ! lieh können auch andere dielektrische Schichten anstelle der zu- '■ sammengesetzten Schicht 41 eingesetzt werden.

Das erste Metallisierungsniveau zur Ausbildung der ohmschen Kontakt te zur Fremdatomzone sowie der nichtohmschen Kontkate zu den iSchottky-Dioden besteht aus einer ersten Chromschicht von ungefähr . 0,1 pm Dicke, einer darauf niedergeschlagenen Platinschicht und j einer anschließenden Legierung aus Aluminium _f Kupfer und Silicium. !Anderes Metall kann natürlich auch verwendet werden.

iNachdem das erste Metallisierungsniveau gebildet ist, wird eine

!Isolierschicht, beispielsweise aus Quarz, niedergeschlagen, um das erste und das noch zu bildende zweite Metallisierungsniveau

!Voneinander zu isolieren. Die Quarzschicht 40 wird vorzugsweise !durch Planarisierung gebildet, wie an anderer Stelle vorgeschlagen.

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Der dritte Personalisierungsschritt bei Ausbildung der integrierten Schaltung besteht aus dem Bilden der Durchgangsbohrungen in der! Glasschicht 40, womit entsprechende Verbindungen vom zweiten Metallisierungsniveau zum ersten hergestellt werden sollen. In Fig. 2A wird eine Verbindung vom Kollektor des Transistors T2 über Metallisierung 44 in diesem Fall zum Leiterkanal CH4 geführt, der nicht als Emitterverbindung zum Transistor T1 desselben Schaltkreises benutzt wird. Im allgemeinen gehört zum Ausgang des Kollektors eines Schaltkreises auch der Emittereingang zu einem anderen Schaltkreis und die Verbindung erfolgt durch einen Leiterkanal. Die Tatsache, daß diese Verbindung auf dem zweiten Metallisierungsniveau orthogonal zu den Kanälen auf dem ersten Metallisierungsniveau verläuft, ist für die Sicherung der hohen Packungsdichte der integrierten Schaltungen bedeutsam.

Nach Fertigstellen des zweiten Metallisierungsniveaus, wird eine Glasschicht 42, vorzugsweise in derselben Technik niedergeschlagen, wie sie auch für Schicht 40 angewandt wurde. Bei einer nachfolgenden in den Zeichnungen der Klarheit halber nicht dargestellten Metallisierung wird auch diese im üblichen Verfahren aufgebracht.

Fig. 3 zeigt die Gesamtstruktur der Schaltkreise nach Fig. 2 auf einem Halbleiterchip. Jede Zelle: A1, A2, ..., B3, B4, ..., Fi17, F118 stellt also einen einzelnen Schaltkreis dar, wie in größerer Einzelheit in Fig. 2 gezeigt. Wie in Fig. 3 angedeutet, ist der Rand des Chips 10 für Steuerkreise, Empfänger und Treiber reser-

2 Viert. Das praktische Ausführungsbeispiel des Chips ist 185 mils groß und die durch die TTL-Schaltkreise belegte Fläche beträgt etwa 162 mils . Jede Zelle beansprucht, wie schon gesagt, einen Platz von 0,51 mm χ 23,5 pm.So kann man sechs Spalten und 118 Zeilen mit insgesamt 708 TTL-Kreisen unterbringen, so daß sich eine extrem dichte Struktur bipolarer Schaltkreise ergibt.

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Die Anzahl der zulässigen Bauelemente auf einem gegebenen Halbleiterchip ändert sich natürlich abhängig vom Strombedarf der Schaltung, der Art der benutzten Kühlung und anderer Faktoren. Die hierauf bezogenen Zahlen gelten für eine tatsächliche Konstruktion einer monolithischen Struktur im Rahmen des heutigen Standes der Halbleitertechnik. Abhängig von zahlreichen Faktoren können diese Zahlen größer oder kleiner ausfallen, ohne daß dadurch die Erfindung irgendwie eingeschränkt wird.

In den Fign. 4 und 5 ist ein bipolares Schaltglied gezeigt, das allgemein als DTL-Schaltung bekannt ist und die NAND-Funktion übernimmt. Die in Fig. 4 gezeigte DTL-Schaltung entspricht aber nicht der sonst bekannten DTL-Standardschaltung mit NAND-Funktion. In der Standardschaltung wird nämlich die Ausgabe der Diode mit mehreren Eingängen von der Anode der Diode zur Basis des Ausgangstransistors abgenommen. In Fig. 4 hingegen ist eine gemäß der Erfindung verbesserte DTL-Schaltung gezeigt, in der der Ausgang von einer zusätzlichen Kathode der Diode mit mehreren Eingängen zur Basis des Ausgangstransistors abgenommen wird. Außerdem ist in Fig. 4 ein Widerstand R3 zwischen Emitter des Ausgangstransistors und Ausgangskathodenbereich 118 von D__N gelegt. Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung an sich bildet keinen Teil der Erfindung, die stattdessen in der Schaltungsstruktur nach Fig. 5 liegt. Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung wird jedoch gegenüber der DTL-Standardschaltung bevorzugt und daher hier im einzelnen beschrieben.

Nach Darstellung in Fig. 4 besteht die Schaltung aus einer Diode mit mehreren Eingängen D__N und einem Ausgangstransistor T4. Die Schottky-Diode D3 ist zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit vorgesehen. Die verschiedenen Zonen der Bauelemente und die Verbindungen sind zum leichteren Verständnis der vorliegenden Erfindung bei ihrer Beschreibung im Zusammenhang mit Fig. 5 durchnumeriert. Bei Betrieb als Schaltglied müssen alle Eingänge 119 auf hohem oder Eins-Signalpegel liegen, bevor die Kathode (Emitter) 118 leitet. Der Transistor T4 schaltet dann aufgrund des von der

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Kathode 118 gelieferten Basisstromes ein und dadurch wird der Ausgangspegel bei 142 auf Erdpotential (0) abgesenkt.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Struktur der in Fig. 4 dargestellten Schaltung. Die Diode D_1n mit mehreren Eingängen besteht aus länglichen Zonen 120 und 124, die der Basis- und der Kollektorzone eines Transistors entsprechen. Sie sind jedoch durch die Verbindung 139 miteinander kurzgeschlossen und bilden so die Anode der Diode D mit mehreren Eingängen. Die Zone 120 ist also eine längliche Fremdatomzone, die eine Anzahl anderer Fremdatomzonen 119 enthält, die den Emittern eines Transistors entsprechen, jedoch hier zutreffender als Kathoden einer Diode bezeichnet werden.

Die Kathodenzonen 119 werden wahlweise durch eine entsprechende erste Isolierschicht 146 hindurch mit einer Metallschicht verbunden, die eine Anzahl von Kanalbahnen für die Leiterlinien mit den Bezeichnungen CH1, CH2, ..., CH32 enthält. Die Kanäle laufen auch hier orthogonal zur Längsrichtung der länglichen Zone 120, und wie bei den anderen Ausführungsbeispielen gibt es auch hier eine vorgegebene Höchstzahl von Kathodenzonen 119, von denen nur eine begrenzte Anzahl tatsächlich für einen vorgegebenen Schaltkreis benutzt wird. Dabei spielt es keine Rolle, ob alle oder nur ein Teil der Kathodenzonen 190 in der länglichen Anodenzone 120 ausgebildet sind. Dadurch bleiben viele Leiterlinien frei für Verbindung mit Kathodenzonen anderer Dioden mit mehreren Eingängen.

über Leiter 143 und 144 werden Referenzpotentiale V_n, und V-„ an den Schaltkreis bereitgestellt. Zur Lieferung des KjSRe ferenzpotentials V_cc ist nur eine Sammelleitung erforderlich, im Gegensatz zu zwei Leitungen, bei der in Fig. 2 gezeigten TTL-Schaltung. Dieser Vorteil wird teilweise wieder wettgemacht dadurch, daß der Widerstand R1, der die Sammelleitung 144 mit dem Kollektor 124 verbindet, eine relativ lange Strecke belegen muß. Die Möglichkeit zur Verwirklichung dieser Konstruktion hängt vom jeweiligen Widerstandswert von R1 ab, wie er von der Schaltungskonstruktion

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verlangt wird. Im vorliegenden Fall hat R1 einen Wert von annähernd 7 kilo Ohm, so daß eine lange Widerstandsbahn erforder- ! lieh ist. ·

Die Ausgangskathode 118 von D__N in Fig. 5 ist über die Metallisierung 121 mit dem Widerstand R3 am Anschluß 125_f mit der Anode der Schottky-Diode D3 und der Basiszone 130 des Transistors T4 an der Zone 126 verbunden. Die Schottky-Diode D3 wird am Schnittpunkt der Metallisierung 121 mit der N-Zone von T4 gebildet, der über dem N+-Subkollektor 134 liegt.

Der Widerstand R3 im Halbleitersubstrat ist grundsätzlich U-förmig, weil sein Widerstandswert mit 18 kilo Ohm relativ hoch ist. Wie bei den Widerständen R2 und R3 ist auch der Widerstand R4 in Längsrichtung der Zone 120 ausgebildet. Der Widerstand R3 liegt auf dem Potential V_, indem die Metallisierung 135 auf dem ersten Metallisierungsniveau über der Isolierschicht 146 durch den Kontakt 125 an die Leiterlinie 121 angeschlossen ist. Die Widerstände R1 und R2 liegen durch die Isolierschicht 146 hindurch an den Kontakten 140 bzw. 141 und damit auf Potential V_cc· Durch die Widerstandswertforderungen ist der Widerstand R1 in zwei Teile innerhalb des Substrates unterteilt, die durch eine Leiterlinie 137 auf dem ersten Metallisierungsniveau verbunden sind. Der Widerstand liegt innerhalb des Substrates, da er unter der Leiterlinie 143 durchläuft und als Leiterlinie 145 an die Oberfläche tritt, bevor er den Kollektor 124 berührt. Der Widerstand R2 ist mit dem Ausgang des Schaltkreises an der Zone verbunden.

Der Emitter 136 des Transistors T4 wird in der Basiszone 130 ausgebildet und macht ohmschen Kontakt mit der V™*Sammelleitung 143. Der Ausgang von T4 wird vom Kollektor an der Zone 142 zu einem zweiten Metallisierungsniveau geführt (nicht dargestellt). Wie beim oben beschriebenen TTL-Schaltkreis verläuft die Ausgangsleitung dieses Schaltkreises orthogonal innerhalb eines zweiten Metallisierungsniveaus, die-vom ersten isoliert ist, zu einer

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ZO

der Leiterlinien CH1, —, CHN. Der Kollektorausgang kann dadurch mit einer Kathode eines anderen DTL-Schaltkreises in derselben j oder einer anderen Spalte des Chips oder auch mit einem Treiberkreis am Rande oder auch außerhalb des Substrates verbunden werden. .

Führt man den Kollektorausgang des Schaltkreises* im zweiten Metal-i lisierungsniveau zu einem der Kanäle im ersten Metallisierungsniveau, so hat das dieselben Vorteile, wie oben im Zusammenhang mit den TTL-Schaltkreisen beschrieben.

Die Fign. 6, 7 und 7A zeigen je ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Misch-Transistorlogikschaltung (MTL), die ,

2 auch als integrierte Injektionslogik (I L) bekannt ist.

Fig. 6 zeigt nun eine MTL-Schaltung, zu der Schottky-Dioden als Klemm-Dioden gehören. Die Schaltung selbst bildet keinen Teil der Erfindung und ihre Wirkungsweise wurde bereits beschrieben im Artikel mit dem Titel "Injection Logic's Range of Application is Widest", Electronics Magazine, vom 10, Juli 1975, Seiten 86-89.

Die Fign. 7 und 7A zeigen die erfindungsgemäße integrierte Struktur einer solchen MTL-Schaltung mit Schottky-Klemmdioden. Die MTL-Schaltung unterscheidet sich von den vorher beschriebenen TTL-Schaltungen und DTL-Schaltungen dadurch, daß sie zwar mehrere Ausgänge aber nicht mehrere Eingänge hat. Im MTL-Ausführungsbeispiel enthalten die Schottky-Dioden eine längliche^N-leitende^aktive Fremdatomzone, die normalerweise als Kathode bezeichnet wird und einen Satz von Metallkontakten, normalerweise Anoden genannt, in dieser länglichen Zone hast-

Außerdem enthält die MTL-Schaltung ein paar Transistoren und nicht nur einen, die den Schottky-Dioden zugeordnet sind. Der Transistor T5 in Fig. 7 enthält ein neben der Schmalseite des ersten Bauelementes liegendes zweites Bauelement, d.h. Schottky-Dioden. Außerdem ist die Anzahl der Fremdatomzonen, in diesem Fall die Anzahl

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der Anoden der Schottky-Dioden, die tatsächlich mit der Kathodenzone verbunden sind, immer kleiner als die vorgegebene Höchstzahl der so anschließbaren Anodenzonen.

Die MTL-Schaltung enthält eine Schottky-Diode mit mehreren Ausgangszonen 219 in nichtohmschen Kontakt mit der länglichen Ausgangszone 229. Im gezeigten Bauelement enthält jeder MTL-Kreis drei derartige Ausgänge, die durch eine erste Isolierschicht 241 hindurch mit Leitungslinien CH1, CH2, ..., CH32 verbunden sind. In der Zeichnung sind nur drei derartige Verbindungen dargestellt und die anderen Kanäle verlaufen oberhalb des N-Substrats, sind jedoch nicht damit verbunden. Die Kathode der Schottky-Diode, die durch das N-Substrat 229 gebildet wird, ist verbunden mit dem N+-Kollektor 232 des Transistors T5, der außerdem die Basiszone 231 und die Emitterzone 230 enthält. Der Ausgang der Emitterzone ist an eine Erdsammelleitung mit der Bezeichnung GND angeschlossen, die auf der ersten Isolierschicht 241 dargestellt ist. Die Basiszone 231 des Transistors T5 ist an den Kollektor 220 des Transistors T6 über Leiterlinie 225 angeschlossen. Auf diese Weise sind sowohl die Basiszone 231 des Transistors T5 als auch der Kollektor 220 des Transistors T6 mit dem Eingang 218 des Schaltkreises verbunden.

Nach Darstellung in Fig. 7A ist der Eingang 218 an einen Ausgang eines anderen MTL-Kreises auf dem Chip über einen anderen Leiter 245 angeschlossen, der oberhalb eines ersten Satzes von Leiterlinien angeordnet und von diesen durch eine zweite Schicht Isoliermaterials 240 isoliert ist. Der Leiter 245 läuft im wesentlichen parallel zur Längsrichtung der N-Zone 229, Er muß nicht unbedingt mit einem anderen MTL-Kreis in derselben Spalte verbunden sein, wie es in Pig, 7A gezeigt ist, sondern er kann auch an einen anderen Schaltkreis in einer anderen Spalte des Substrates oder an einem Treiberkreis am Rande der Baugruppe angeschlossen sein.

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JtI

Der Transistor T6 enthält auch eine ringförmige N-leitende Basiszone 224, de* die P-leitende Emitterzone 226 umgibt. Die Basiszone 224 ist ebenfalls mit dem Erdkontakt 233 durch die N+-Zone 234 verbunden. Die Erdleitung 233 ist mit der Erdsammelleitung GND durch die Metallisierung verbunden (nicht dargestellt). Die Transistoren T5 und T6 sind voneinander durch einen dielektrischen Isolierbereich 243 und eine darunterliegende P+-Zone auf konventionelle Weise isoliert.

Obwohl die MTL-Schaltungsfamilie ganz anders betrieben wird als TTL-Schaltungen und DTL-Schaltungen, läßt sich die monolithische Struktur nach dem Erfindungsgedanken in derselben Grundcharakteristik herstellen. Die Dichte der MTL-Schaltungen ist wegen des Grundprinzips länglicher Fremdatomzonen mit einem Satz anderer Fremdatomzonen sehr hoch, in diesem Fall also der Anoden und der Kathode der Schottky-Dioden. Ein zweites Bauelement, der Transistor T5 liegt neben der Schmalseite der Kathode 229. Ein erster Satz von Leitern auf dem ersten Metallisierungsniveau läuft über die längliche Zone 229 orthogonal zu deren Längsrichtung. Diese sind mit ausgewählten Anodenzonen 219 verbunden, deren tatsächliche Anzahl immer kleiner als die vorgegebene Höchstzahl der an sich verfügbaren Zonen 219 ist. Ein anderer Leiter 245 in einem zweiten Metallisierungsniveau ist mit der Basiszone 231 des Transistors T5 verbunden und verläuft im wesentlichen parallel zur Längsrichtung. Referenzpotentialanschlüsse, in diesem Fall GND und +V erfolgen durch Leiterkanäle, die in derselben Richtung verlaufen wie der erste Leitersatz.

Es ist also eine integrierte Schaltungsstruktur gezeigt, die höchste Schaltkreispackungsdichte sicherstellt. Die Struktur eignet sich für verschiedene Schaltungstypen, wie in den bevorzugten Ausführungsbeispielen gezeigt. Außerdem umfaßt die Erfindung in breitem Rahmen auch andere Schaltungsfamilien, in denen eine Zone eines Bauelementes, sei es ein Transistor, eine Diode oder ein anderes Bauelement, mehr als eine Fremdatomzone in demselben Element enthalten kann.

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•ts

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

' 1. J Monolithisch integrierte Halbleiterschaltungsstruktur "^ enthaltend einen ersten Bauelementtyp mit länglicher Fremdatomzone, in die ein Satz von Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zur Bildung einer entsprechenden Anzahl von Dioden-Übergängen eingebracht ist* dadurch gekennzeichnet, daß dieser Satz aus einer vorgegebenen maximalen Anzahl von Fremdatomzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht, daß ein zweites Bauelement an der Schmalseite dieser länglichen Fremdatomzone in Verlängerung hiervon angebracht ist,

daß ein erster Satz von Leitungszügen oberhalb einer auf das erste Halbleiterbauelement niedergeschlagenen Isolierschicht verlaufend angebracht ist, daß dieser erste Leitungszugssatz sich orthogonal über diese erste Fremdatomzone erstreckt, daß Verbindungsleitungen von ausgewählten Elektroden der in die längliche Fremdatomzone angebrachten Fremdatomzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps an ausgewählte Leitungszüge des ersten Leitungszugssatzes angeschlossen sind,

daß die Anzahl der tatsächlich in die längliche Fremdatomzone eingebrachten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps unterhalb der Maximalanzahl hierin unterzubringender Fremdatomzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gewählt,

daß oberhalb des ersten Leitungszugssatzes eine Isolierschicht aufgetragen ist, über der eine zweite Metallisierung isoliert gegenüber dem ersten Leitungszugssatz aufgebracht ist,

daß die zweite Metallisierung an eine Fremdatomzone des zweiten Halbleiterbauelements angeschlossen ist und sich im wesentlichen parallel zur länglichen Fremdatomzone

erstreckt, A

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ein zweiter Leitungszugssatz sich orthogonal zur länglichen FremdatOKsone erstreckend zur Bereitstellung von Bezugspotentiaien ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leitungsaugssatz auf dem gleichen Metallisierungsniveau wie der erste Leitungszugssatz angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugspotentialleitungszüge über Widerstandselertiente an die betreffenden Schaltkreise geführt sind, wobei diese Widerstandselemente aus in das Halbleitersubstrat eingebracht, im wesentlichen in gleicher Richtung wie die länglichen Fremdatorßzonen verlaufende Zonen bestehen,
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der in die längliche Fremdatomzone eingebrachten Fremdatomzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gleich der vorgegebenen Maximalanzahl ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Anzahl der in die längliche Fremdatomzone eingebrachten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps geringer als die vorgegebene Maximalanzahl ist.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines TTL-Schaltkreises ein erster Transistor mit einer länglichen Basiszone in das Halbleitersubstrat eingebracht ist, wobei ein Satz von Emitterzonen in die längliche Basiszone eingegeben ist, und daß ein zweiter Transistor in Verlängerung des ersten Transistors in das Halbleitersubstrat eingebracht ist, daß die Emitterzonen an den ersten Leitungszugssatz zur Aufnahme der Eingangssignale angeschlossen sind und

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daß der Kollektor des zweiten Transistors an die zweite Metallisierung zur Bereitstellung von Ausgangssignalen des TTL-Schaltkreises an andere Schaltkreise des gleichen Substrats oder eines anderen Substrats angeschlossen ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schottky-Dioden-Element in unmittelbarer Nachbarschaft der verlängerten Basiszone angebracht ist.
9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines integrierten DTL-Schaltkreises in die erste längliche Fremdatomzone als Satz von Fremdatomzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine Vielfach-Eingangsdiode eingebracht ist, die an den ersten Leitungszugssatz zur Aufnahme der Eingangssignale angeschlossen ist, daß ein Transistor in Verlängerung der Vielfach-Eingangsdiode an der Schmalseite der länglichen Fremdatomzone angeordnet ist, dessen Kollektor mit der zweiten Metallisierung verbunden ist, um Ausgangssignale vom DTL-Schaltkreis entweder zu anderen Schaltkreisen auf dem Substrat oder außerhalb des Substrats abzugeben.
10. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn-

2 zeichnet, daß zur Bildung eines MTL-Schaltkreises (I L) in die erste längliche Fremdatomzone eine Vielfach-Eingangs-Schottky-Diode neben einem Satz von Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eingebracht ist, daß erste und zweite Transistoren an der Schmalseite der Schottky-Diode angebracht sind, daß die Schottky-Diode Vielfach-Ausgangszonen neben der verlängerten Eingangszone besitzt, daß diese Ausgangszonen dem Satz von Fremdatomzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps entsprechen, die mit dem ersten Satz der Leitungszüge zur übertragung der Aus-

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gangssignale verbunden sind,

daß das zweite Bauelement aus einem ersten Transistor besteht, dessen Basis zur Aufnahme der Eingangssignale an der zweiten Metallisierung liegt, wobei die Eingangssignale von einem anderen Schaltkreis entweder auf dem Halbleitersubstrat oder außerhalb des Halbleitersubstrats zuführbar sind und daß ein zweiter Transistor benachbart zum ersten Transistor angeordnet ist, wobei der Kollektor des zweiten Transistors an der Basis des ersten Transistor^ liegt.
11. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schaltkreise hintereinander angeordnet sind und zur Bildung einer Matrix diese Hintereinanderanordnungen spaltenweise auf einem Substrat angeordnet sind, wobei sich der erste Leitungszugssatz spaltenweise oberhalb der ersten Isolierschicht erstreckt.

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