DE2820982A1 - Integrierter halbleiterverstaerker - Google Patents

Integrierter halbleiterverstaerker

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DE2820982A1 DE19782820982 DE2820982A DE2820982A1 DE 2820982 A1 DE2820982 A1 DE 2820982A1 DE 19782820982 DE19782820982 DE 19782820982 DE 2820982 A DE2820982 A DE 2820982A DE 2820982 A1 DE2820982 A1 DE 2820982A1
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Osamu Yamashiro
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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen integrierten Halbleiterverstärker, der in einem einzigen Halbleitersubstrat integriert ist und insbesondere eine Verstärkerschaltung und eine Oszillatorschaltung mit CMOS-Aufbau (Komplementär-iiOS-Aufbau) .
Eine solche Oszillatorschaltung mit einer u±£>o-Verstärkerschaltung ist bekannt, bei der ein P-Kanal-MISFET und ein N-Kanal-MISFET in Reihe geschaltet sind, so dass eine komplementäre Funktionsweise bei gleichzeitigem Anlegen eines Eingangssignals an die Gatesder beiden MISFETS vorliegt.
Gemäss der US-Patentanmeldung i-Ir. 7^9 238 wurde von Osamu Yamashiro, einem Erfinder der vorliegenden Erfindung, eine in Fig. 1 dargestellte CMOS-Verstärkerschaltung rcit geringer Leistungsaufnahme vorgeschlagen. Bei dieser in Fig. Λ dargestellten CMOS-Verstärkerschaltung sind ed η P-K?na1-FiSTM5, der mit einem Anschluss VDl) einer Span,lUügsquellein Verbindung steht, und ein Ν-ΚπηοΙ-ίΈίΜϊί, der mit dem anderen Anschluss VSS der Spannungsquelle in Verbindung steht, miteinander über einen Lastwiderstand i-ih verbunden. Zwischen den Gate- und Drain-Elektroden der jeweiligen FETMP und FEThN liegt jeweils ein Vorwiderstand HF1 und EF2. Zwischen den G3te-Elektroden der beiden i'ETs liegt ein Gleichstrom-Sperrköndensator CO.
Da der durch die Komplementär-MOSFETs gebildete Inverter mit dem Lastwiderstand EL versehen ist, ist es bei dieser Verstärkerschaltung möglich, die Eingangs-y/Ausgangs-Ubertragungskennlinie dadurch steil genug zu machen, dass der Widerstandswert des Lastwiderstandes grosser als der Widerstand zwischen der Source- und Drain-Elektrode jedes Isolierschicht-Feldeffekttransistors MP, M gewählt wird. Dadurch liegt die Vorspennung zwischen der Gate- und der Source-
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Elektrode nahe dem Schwellwert, so dass die Leistungsaufnahme wesentlich verringert wird-
Darüberhinaus wirken die Vorwiderstände Ri1I und Hi?2, die zwischen der Ggte- und der Drain-Elektrode der jaweiligen FETs (ITETrIP und FETM) liegen, derart, dass die Spannungen der jeweiligen Gate-Elektrode auf einen Spannungswert gebracht werden, der im wesentlichen gleich dem Gleichspannungspotential der jeweiligen Drain-Elektroden ist. Der Arbeits- bzw. Vorspannungspunkt ist besser stabilisiert und es wird ein höherer mu-Faktor erhalten, wenn die Widerstandswerte der Widerstände kleiner werden. Diese Verstärkerschaltuagen werden diesem Phänomen am besten gerecht.
Bei der zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung wird die Gleichstromkomponente des am Eingang IN anliegenden Eingangs-1.5 signals durch den Gleichstrom-Sperrkondensator CO abgeblockt, so dass die Vorspannungs- bzw. Arbeitspunkte der FETi1IP und FETi-Ei unabhängig voneinander festgelegt sind, und sich nicht gegenseitig beeinflussen.
Daher v/ird eine Verstärkungsschaltung mit einer hohen Stabilität erhalten, wobei diese Verstärkungsschaltung eine geringe Leistungsaufnahme zeigt.
Darüberhinaus ist es vorteilhaft und wünschenswert, dass die elektronischen Geräte und Einrichtungen, die aus verschiedenen Schaltungen bestehen, eine möglichst geringe Anzahl an Schaltungsteilen aufweisen. Um dieser Forderung zu genügen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung verschiedene Untersuchungen durchgeführt und Anstrengungen gemacht, um einen Verstärker in Form einer sogenannten integrierten Halbleiterschaltung su schaffen, bei dem der Verstärker aus einem einzigen Halbleitersubstrat bzw. aus einem einzigen Halbleiterbauelement besteht. Die Erfinder haben als Ergebnis dieser Untersuchungen festgestellt, dass die Widerstände EL, Hi1I und EF2 mit anderen P- und N-MOSFETS
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in einem einzigen Halbleiterchix» integral ausgebildet werden können, und zwar dadurch, dass von Widerständen Gebrauch gemacht wird, die durch den PN-Übergang vorn Halbleitersubstrat getrennt sind. Die Widerstände bestehen aus PoIysiliciumkörpern, oder die FET-V/i der stände bestehen aus Widerständen, die zwischen der Source- und Drain-Elektrode eines MOSi1BTs auftreten, wenn an dem MOSPET eine feste Spannung angelegt wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben weiterhin Überlegungen und Untersuchungen angestellt, um den Gleichstroa-Sperrkondensator CO in der zuvor beschriebenen Schaltung zu integrieren. Der erste Versuch bestand darin, den integrierten Kondensator GO aus einem sogenannten MIS-Kondensator zu bilden, dessen erste Elektrode durch eine Halbleiterzone auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats und dessen zweite Elektrode durch eine leitende Schicht gebildet wird, die auf der Halbleiterzone ausgebildet wurde, wobei, zwischen der leitenden Schicht und der Halbleiterzone eine Isolierschicht vorliegt. Diese Anordnung ist jedoch insofern mchteilig, als die Funtion der Verstärkerschaltung durch eine sogenannte parasitäre Kapazität CX stark nachteilig beeinflusst wird, die durch einen Pii-Übergang zwischen der Halbleiterzone, die eine der Elektroden des MIS-Kondensators bildet, und dem Substrat mit zur Halbleiterzone entgegengesetzter Leitfähigkeit auftritt. Die Signal-Übertragungskennlinien oder -eigenschaften des Verstärkers werden nämlich durch die Lage bzw. Stelle stark beeinflusst, an der sich die parasitäre Kapazität hinsichtlich dem Eingang befindet, an dem das Eingangssignal anliegt.
Bei Quarzoszillatoren oder entsprechenden Schaltungen, bei denen dieser Verstärkertyp verwendet wird, wird der Frecuenzeinstellbereich auf Grund des Vorhandenseins der parasitären Kapazität CX stark eingeengt, wenn eine parasitäre Kapazität mit einem Kapazitätswert, der dem Kapazitätswert eines Kon-
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densators entspricht bzw. angenahei't ist, welcher aussen an der integrierten Schaltung zur Einstellung der Oszillatorfrequenz angeschlossen ist, in der Rückkoppelschleife auftritt.
Insbesondere in elektronischen Einrichtungen, wie elektronischen Uhren, bei denen nicht nur eine geringe Leistungsaufnahme, sondern auch eine sehr hohe Genauigkeit bei der Funktion der Schaltung gefordert wird, verursacht der zuvor angegebene Effekt schwerwiegende Probleme, die die Verwendung von IC in diesen Einrichtungen behindern oder beschränken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die die bei den herkömmlichen
Schaltungen auftretenden, zuvor angegebenen Schwierigkeiten nicht aufweist und die verschiedenen Forderungen , die von den herkömmlichen Schaltungsanordnungen nicht voll befriedigt werden, zu befriedigen. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen integrierten Halbleiterverstärker zu schaffen, bei dem der Einfluss der parasitären Kapazität; einer in einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildeten Kondensators so stark wie möglich ausgescheitet wird.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung schafft also eine integrierte Halbleiterschaltung, die die Nachteile herkömmlicher Schaltungen dieser Art nicht aufweist und die.verschiedenen Forderungen an eine derartige Schaltung befriedigt. Der Einfluss der parasitären Kapazität eines in einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildeten Kondensators ist bei der erfindungsfcr-mässen Schaltungsanordnung stark reduziert, üarüberhinaus
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schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte GlIOS-Oszillatorschaltung. Der erfindungsgeraässe CHOS-Verstärker bzw. die erfindungsgemässe Oszillatorschaltung weist eine sehr geringe Leistungsaufnahme auf, und der Einfluss der parasitären Kapazität eines Gleichstrom-Sperrkondensators ist stark reduziert.
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein in einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildeter Kondensator zu schaffen, der eine geringe parasitäre Kapazität besitzt.
Die parasitäre Kapazität des Gleichstrom-Sperrkondensators ist bei der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung wesentlich reduziert, so dass ein breiterer Frequenz-Einstellbereich des Verstärkers vorliegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung, die der Erläuterung einer im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendeten CMOS-Verstärkerschaltung dient,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen wesentlichen Teil einer integrierten Halbleiterschaltung geraäss der vorliegenden Erfindung, wobei die Schaltung wie in Fig. 1 in einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildet ist,
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung eines weiteren im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendeten CKOS-Verstärkers,
Fig. 4 einen Querschnitt durch wesentliche !'eile einer integrierten Halbleiterschaltung gemäss einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform, die man durch Integrieren der in Fig. 3 dargestellten Schaltung erhält,
Fig. 5 und 6 Ersatzschaltbilder von integrierten Halbleiterschaltungen, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, um diese integrierten Halbleiterschaltungen zu erläutern,
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Fig. 7 eine Kennlinie einer parasitären Kapazität eines Kondensators, wie er bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 8 die Schaltungsanordnung einer Quarzoazillators mit einer erfindungsgemässen integrierten Halbleiterschaltung,
Fig. 9 einen Querschnitt durch einen wesentlichen Teil der integrierten Halbleiterschaltung, wie sie bei dem in iig. 8 dargestellten Quarzoszillator verwendet wird,
Fig.10, 11, 13 und 14 Querschnitte von wesentlichen Teilen verschiedener Kondensatoren, die im Zusammenhang mit der erfindungsgeaässen Schaltungsanordnung verwendet werden können, und
Fig.12 eine Spannungs-Kapazitäts-Kennlinie des in Fig. 11 dargestellten Kondensators.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen wichtigen Teil einer Halbleiterschaltung, bei der die Verstärkerschaltung der ersten, in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform in einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildet ist. P-leitende Halbleiterzonen 2, 3 (die nachfolgend als P-leitende Tröge bezeichnet v/erden sollen) sind in der Hauptfläche eines N-leitenden Silicium-Einkristall-Substrates 1 ausgebildet. Auf der Oberfläche des P-leitenden Troges 2 befinden sich die N-leitenden Source- und Drain-Zonen 4, 5. Auf der Oberfläche des P-leitenden Troges 2 befindet sich eine Gate-Elektrode 95 die aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, oder einem Polysilicium besteht. Zwischen der Gate-Elektrode 9 und der Oberfläche des P-leitenden Troges 2 liegt eine Gate- Isolierschicht 8, die aus einem isolierenden Material, beispielsweise Siliciumoxid besteht und etwa 100 A dick ist. Diese Source- und Drain-Zonen 4, 5 und die Gate-Elektrode 9 bilden zusammen einen MOSFET MM.
Auf der Oberfläche des anderen P-leitenden Troges 3 befindet sich eine 100 S dicke Isolierschicht 10 aus einem isolieren-
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den Material, beispielsweise aus Siliciumoxid. Auf der Isolierschicht 10 ist eine leitende Schicht 11 aus einem Metall, beispielsweise Aluminium oder einem Polysiliciua ausgebildet, so dass ein Kondensator GO gebildet wird.
Weiterhin wird ein P-Kanal-MCSFET MN durch die P-leitenden Source- und Drain-Halbleiterzonen 6, 7, die auf der anderen Hauptfläche des N-leitenden Substrates 1 ausgebildet sind, und ruch eine Gate-Elektrode gebildet, die aus Aluminium oder einem entsprechenden Material oder einem Polysilicium besteht und sich über einer 100 S dicken und aus Siliciumoxid oder einem entsprechenden isolierenden Material bestehenden Isolierschicht 12 auf derselben Hauptfläche befindet.
In Pig. 2 sind Widerstände mit den Bezugszeichen IiL, HIi1I und RF2 bezeichnet, die integral mit dem zuvor beschriebenen Transistoren MN und MP und mit dem Kon den sato r CQ in der zuvor beschriebenen V/eise in Form von HalbleiLerv/iderständen auf der Oberfläche des li-ilbl oitersubstrats 1, in Form von Polysilicium-Widerständen auf einer Isolrierschicht oder in Form von Kanalv/iderständen der MOSFETs gebildet werden können. Der Übersichtlichkeit halber und aun leichteren Verständnis der vorliegenden Erfindung sind diese Widerstände jedoch nicht im Querschnitt, sondern einfach durch die Symbole wiedergegeben.
Wie Fig. 2 zeigt, ist die Halbleiterzone (der P-leitende Trog), der die erste Elektrode eines Kondensators GO darstellt, bei der integrierten Schaltung gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung mittels eines PM-Übergangs vom Substrat getrennt und mit der Gate-Elektrode 9 eines MOSFETg MN, der auf der Oberfläche des anderen P-leitenden Troges 2 ausgebildet ist, über eine Verbindungs- bzw. Verdrahtungsschicht verbunden.
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Die leitende Schicht 11, die die zweite Elektrode des Kondensators Gü bildet, ist andererseits über die Verbindungsschicht mit der Gate-Elektrode 13 des IiOSFE1Is IIP verbunden, die direkt, d. h. ohne die Verwendung des Troges, auf dem ίί-leitenden Substrat ausgebildet ist.
Durch Ausbildung der in Fig. 1 dargestellten Verstärkerschaltung in einem einzigen Halbleitersubstrat in der zuvor beschriebenen Weise wird der Verstärker besser von der Beeinflussung parasitärer Kapazitäten CX des Kondensators CO
freigehalten, die zwischen dem Kondensator CO und den Substrat auftreten.
Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild der in Fig. 2 dargestellten integrierten Schaltung Die parasitäre Kapazität CX liegt direkt zwischen dem Eingang IW des Verstärkers und Masse parallel zur inneren Kapazität der Eingangssignalquelle SIG, so dass die hauptsächlichen Komponenten des am Eingang IN auftretenden Signals zur Gate-Elektrode des NOSE1ETs 1-iP gelangen.
Fig. 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Rückwärts-Vorspannung und der Kapazität im PN-Übergang, der im Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Die parasitäre Kapazität CX zwischen dem Substrat 1 und dem P-leitenden Trog wird also kleiner", wenn die Rückwärts-Vorspannung zwischen dem Substrat 1 und dem P-leitenden Trog 3 gross v/ird. Durch Ausbildung der Elemente in einem einzigen Substrat und einer geeigneten, in Fig. 2 dargestellten Verbindung, zwischen diesen Elementen ist der Gate-Punkt B des FETiIN mit einem kleineren Potential als das Potential des Gate-Punktes A des FETiIP bei dem Plus-Versorgungsquellenanschluss VDD mit dem P-leitenden Trog 3 verbunden, so dass eine relativ hohe Rückwärts-s spannung zwischen dem P-leitenden Trog 3 und dem N-leitenden Substrat 1 auftritt. Daher v/ird die parqsitäi'e Kapazität CX, die zwischen dem P-leitenden Trog 3 und dem Substrat 1
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auftritt, wesentlich kleiner. Erwähnt sei noch, dass dann, wenn eine elektronische Schaltung oder ein elektronisches Gerät an diese Schaltung angeschlossen wird, eine der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Spannungs-Versorgungsanschlüsse VDD und VSS an Masse liegt.
Wenn der den Kondensator CO bildende P-leitende Trog mit dem Punkt A und die Elektrode 11 auf dem P-leitenden Trog mit dem Punkt B verbunden ist, entspricht die Schaltungsanordnung den in Fig. 6 dargestellten Ersatzschaltbild.
In diesem Falle befindet sich die parasitäre Kapazität CX zwischen dem Kondensator CO und der Gate-Elektrode des MOSFETs IiP, wobei der Kondensator CO und die Gate-Elektrode des MOSFETs MP mit dem Eingang IK in Reihe liegen, so dass die von der Eingangssignalquelle SIG bereitgestellte Sig~ nalspannung über CO und CX an den MOSFET MP gelangt. Da der Punkt A, der auf einem höheren Potential als der Punkt B liegt, mit dem P-leitenden Trog 3 verbunden ist, wird die Rückwärts-Vorspannung, die über dem zwischen dem F-leitenden Trog 3 und den IT-leitenden Substrat auftretenden PN-Übergang anliegt, relativ klein, so dass der Kondensator CO im Vergleich zum Kondensator CO von Fig. 2 eine grössere parasitäre Kapazität auf v/eist.
Aus der vorausgegangenen Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels ergibt sich also, dass mit der in tig. 2 dsrgestellten integrierten Halbleiterschaltung ein Verstärker geschaffen wird, der durch die parasitäre Kapazität CX weniger beeinflusst wird.
Wenn eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Verstärkers durch Vergrössern der Kapazität des Kondensators CO erforderlich wird, ist es notwendig,den Btreich der Elektrode 11 auf dem P-leitenden Trog 3 entsprechend gross zu machen. Das bedeutet, dass der Bereich des P-leitenden Troges 3 selbst unerwünscht gross sein muss. Die in Fig. 2 dargestellte integrierte Schaltung
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kann in geeigneter Weise die Forderung befriedigen, weil sie erlaubt, für einen vorgegebenen begrenzten Bex'eich der. P-leitenden Troges den Kondensator CO mit einer grösseren Kapazität und mit einer kleineren parasitären Kapazität auszubilden.
Beim vorliegenden Ausfiihrungsb ei spiel ist das Substrat 1 N-leitend. Es ist jedoch auch möglich, den Cl'iOS-Verstärkc-r mit einem P-leitenden Halbleitersubstrat 14 herzustellen. In diesem Falle ergibt sich die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Schaltungsanordnung bzw. integrierte Schaltung, wie der Fachmann sofort erkennt.
Genauer ausgedrückt, ist ein IT-leitender Trog 16, der die erste Elektrode des Kondensators CO darstellt, mit der Gate-Elektrode 26 eines P-Kanal-HOöFETs verbunden, der auf dem M-leitenden Trog 15 ausgebildet ist. Die zweite Elektrode des Kondensators CO ist mit der Gate-Elektrode 22 des H-Kanal-MGöFETs HN verbunden, der direkt auf dea P-ieiteaden Substrat 14 ausgebildet ist. Das heisst, die zweite Elektrode des ls-leitenden HOSFETs Mi v;ird durch dar. Substrat 14 gebildet. Das Eingangssignal wird an dem Verbindungspunkt zwischen der Gate-Elektrode des MOSFETp, Γ-ΙΡ und dem M-leitenden Trog 15 angelegt. In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen 17 und die Ii-Ieitenden Source- und Drain-Zonen des IiOSFETs KN, und die Bezugszeichen 19 und 20 die P-leitenden Drain- und Source-Zonen des MOSFETs MP. Diese Zonen entsprechen den jeweiligen Zonen von Fig. 2, Weiterhin sind dünne Isolierschichten 21, 23 und 25 aus Siliciumoxid oder einem entsprechenden isolierenden Materials, sowie leitende Schichten 22, 24 und 26 aus Aluminium oder einem Polysilicium vorhanden.
Fig. 8 zeigt das Beispiel einer Oszillatorschaltung, bei der die erfindungsgemässe Verstärkerschaltung verwendet wird. Bei dieser Oszillatorschaltung ist ein P-Kanal-FET MP, der an der Versorgungsquelle VDD mit hohem Spannungspegel angeschlossen ist, über Lastwiderstände ItLI und RL2 mit dem U-
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Kanal-FET Kj verbunden, der an den Versorgungsspannungsanschluss VSS mit niederem SpannungspegeJ angeschlossen ist. Vorwiderstände RF1 und RF2 liegen zwischen der Source- und der Drain-Elektrode des jeweiligen FiTs MP und Jj1IiTs Κλ Die Gate-Elektroden der beiden FETs sind über den Gleichstrom-Sperrkondensator CO miteinander verbunden, so dass sich die Verstärkerschaltung ergibt.
Die Oszillatorschaltung umfasst eine iiückkopp el schleife mit einem Quarzoszillator χ, der zwischen^ dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers liegt, sowie Kondensatoren CG und CD, die mit der einen Elektrode an Masse liegen. Eine der Versorgungsspannungsanschlüsse VDD und VSS in Fig. 8 ist in entsprechender Weise an Masse gelegt.
Der in Fig. 8 strichpunkt-liniert umrandete Öchaltungsteil ist in integrierter Bauweise ausgebildet, v:ie dies in Fig. dargestellt ist. Oder genauer gesagt, der zuvor genannte Gleichstrom-Sperrkondensator CO besitzt den in Fig. K) dargestellten Aufbau.
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Kondensators, der als Gleichstrom-Sperrkondensator CO zu verwenden ist. Eine der Elektroden des Kondensators CO wird durch einen im N-leitenden Halbleitersubstrat 1 ausgebildeten P-leitenden Trog 3 gebildet und die andere Elektrode wird durch eine Gate-Zone 11 gebildet, die auf den P-Ieitenden Trog 3 über einer dazwischenliegenden Gate-Oxidationsschicht 10 ausgebildet ist, so dass die Gate-Kapazität; zwischen dem P-leitenden Trog 3 und der Gate-Zone 11 ausgenützt wird.
Eine ρ -leitende Zone 27, die an der Grenzfläche zwischen dem P-leitenden Trog 3 und dem li-leitenden Substrat 1 ausgebildet ist, bildet eine Leitung für die Elektrode der Trogzone. Weiterhin ist eine dicke Oxidationsschicht 28 und eine Schutz-Oxidationsschicht 31 sowie Elektrodenanschlüsse
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- 14 A und J3 vorgesehen.
Bei dieser Ausbildung ist die Gate-Elektrodenkapazität, wie Fig. 9 zeigt, so verbunden, dass der Gate-Elektrodenanschluss A mit der Gate-Elektrode des P-Kanal-FET IIP verbunden ist, der am Versorgungsspannungsanschluss VBD mit hohem Spannungspegel liegt- Der Trogzonenelektroden-Anschluss B ist mit der G^te-Elektrode des N-Kanal-FET fiü verbunden, der mit dem Versorgungsspannungs-Aiischluss VSS mit niederem Spannungspegel verbunden ist.
Diese Anordnung schafft aus dem selben Gründe wie zuvor bereits angegeben, eine üszillatorschalturig, deren Hauptteile in einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildet sind und die durch die parasitäre Kapazität GX weniger stark beeinflusst wird.
Wenn die in 1-ig. 8 dargestellte Quarz-üsziilatorsehaltung im Zusammenhang mit einem elektronischen Gerät,, beispielsweise einer elektronischen Armbanduhr, verwendet wird, ist en erforderlich, die Kapazitäten, die durch OG und CD dargestellt sind, extern mit der integrierten Schaltung zu verbinden, uia eine feineinstellung der Oszillatorfrequenz durchzuführen. Der Frequenz-Einstellbereich, der durch diese Kapazitäten (deren Kapazität etwa in der Grössenordnung von 20 ρF liegt) festgelegt ist, wird stark durch das Vorhandensein der zuvor genannten parasitären Kapazität boeinflusst. Oder genauer ausgedrückt, wird der Einstellbereich ungewünscht verkleinert, wenn die parasitäre Kapazität gross wird. Dieses Problem ist bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform nicht so schwer wiegend, da die parasitäre Kapazität auf Grund der Verbindung der Trogzone 3i die den Kondensator CO bildet, mit der Gate-Elektrode des HOSFETs KN klein gehalten werden kann, wobei an die Gate-Elektrode des MOSFETε Hu das Eingangssignal angelegt wird. Ein entsprechender vorteil kann auch durch unterschiedliche L1Oraen des
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/ic; _
Kondensators CO erhalten v/eräen, der bei eier erfindungsgemässen integrierten Halbleiterschaltung -verwendet wird, wie dies im weiteren noch beschrieben werden wird.
I'ig. 11 zei.gt im Querschnitt eine v/eitere Ausführungsform des Gleicastrom-Sperrkondensators CO. Dieser Kondensator zeichnet sich dadurch aus, dass die Gate-Elektrode 11 auf einem Polysilicium-Material desselben Leitfähigkeitstyps wie die Tx'ogzone 3 (P-leitend) ausgebildet ist, obgleich der grundsätzliche Aufbau im wesentlichen derselbe ist, wie der Aufbau des in Fig. 10 dargestellten Kondensators. Diese Anordnung ergibt aus dem nachfolgend angegebenen Grund eine grössere Kapazität für die Einheitsfläche der Gate-Kapazität GO.
I'ig- 12 zeigt zur Erläuterung des zuvor erwähnten Grundes eine Gate-Kapazität-Gate-Spannungs-Kennlinie für jeden F-all der Gate-Elektroden, die durch das N-leitende Polysilicium und das P-Leitende Polyailicium gebildet werden, 'wie anhand der Kennlinien zu ersehen ist, wird die Gate—K-jp^zität des MOS-Kondensators kleiner als die Maximum-Kapazität, die durch die Dicke der Gate-Isolierschicht festgelegt ist, wenn der Kanal auf der Trogzone unterhalb der Gate-Isolierschicht ausgebildet wird.
Infolgedessen wird die Minimurn-Gate-Kapaz.ität erhalten, wenn die Gate-Spannung im wesentlichen auf den Pogel der Schwellwertspannung (Vthn, Vthp) erhöht wird. Das Austrittsarbeits-Differential bzw. die Austrittsarbeits-Spannung 0-. (function differential) wird dadurch reduziert, dass statt des E-leitenden Siliciums P-leitendes Silicium verwendet wird, so dass die Schwellwertspannung in positiver Richtung, d. h. von Vthn zu Vthp verschoben wird, so dass dadurch auch die Kapazitäts-Kennlinie verschoben wird. Diese verschobene Kennlinie bzw. Kurve ist im wesentlichen gleich 2 0E, was etv/a 0,6 V entspricht. Wenn die Gate-Elektrode also durch das P-leitende Polysilicium gebildet wird, kann der Konden-
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sator in einen Bereich verwendet werden, über dera die Verringerung der Gate-Kspazitüt relativ klein ist, so dass die Kapazität pro Einheitsbereich oder -fläche gross gewählt werden kann. Infolgedessen kann der durch den Kondensator eingenommene Bereich oder die durch den Kondensator eingenommene Fläche verringert v/erden, so dass die parasitäre Kapazität, die zwischen den Kondensator und dern !^-leitenden Substrat auftritt, weiter verringert wird. Das Ersetzen des N-leitenden Siliciums durch P-leitendes Silicium kann durch übliche CJKOS-Herstellungsverfahren durchgeführt v/erden, ohne dass komplizierte zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich sind.
Die Fig. 13 und 1A- zeigen weitere Ausführungsformen des Gleichstrom-Sperrkondensators CO.
P-leitende Fremdatome, beispielsweise Boratome, werden bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform durch ein Ioneniuiplantationsverfahren (ion-driving method) von der Oberseite der Gate-Isolierschicht 10 bei der in !"'ig. 11 dargestellten Ausbildung implantiert bzw. eingegeben (driven), die eine Gate-Elektrode aus einem Polysilicium aufweist. Dadurch wird eine Zone 3^ mit hoher Fremdatonikons ent ration an der Oberseite des P-leitenden Troges 3 gebildet.
In Fig. 14 wird eine Gate-Kapazität durch einen in einem N-leitenden Substrat 1 gebildeten P-leitenden Trog 3 gebildet, wobei eine Gate-Isolierschicht 10 auf dem P-leitenden Trog 3 und eine Gate-Elektrode 11 mit einer kleineren Fläche als die Fläche des P-leitenden Troges 3 auf der Gate-Isolierschicht 10 ausgebildet wird. Bei diesem Kondensator wird unterhalb der Gate-Elektrode 11 durch Eingaben bzw. Implantieren von N-leitenden Fremdatomen, beispielsweise von Phosphor, mittels des Ionenimplantationsverfahrens eine Zone 35 mit hoher Fremdatomkonzentration eines Leitfähigkeitstyps, der entgegengesetzt dem Leitfähigkeitstyp der Zone 3^-
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in Fig. 13 ist, d- h. eine n+-leitende i'rexidato-iizone 35, gebildet.
Bei den in den Fig. 13 und 14· dargestellter: Kondensatoren wird die inverse Schicht unterhalb der Gate-Elektrode weniger leicht gebildet, weil die Fremdatomkonzenfcration an einer solchen Stelle besonders hoch ist. Infolgedessen wird es möglich, die Kapazität pro Einheitsfläche grosser zu machen, und die Fläche kann daher entsprechend kleiner gemacht v/erden, so dass die parasitäre Kapazität verringert wird, die zwischen dem N-leitenden Substrat und dem Kondensator auftritt. Durch Verringerung oder Begrenzung der Ausbildung der inversen Schicht in der beschriebenen Weise wird der Kondensator gleichzeitig als Kondensator verwendbar, der keine Spannungsabhängigkeit aufweist.
Wie zuvor beschrieben, wird die parasitäre Kapazität des Gleichstrom-Sperrkondensators erfindungsgemäss also wesentlich verringert. Auf diese Weise erhält man eine Verstärkerschaltung oder eine Cszillatorschaltung mit kleiner parasitärer Kapazität durch Verwendung eines solchen Kondensators.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert. Es sind jedoch auch weitere Ausführungsformen möglich, und zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen können vorgenommen werden, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
Beispielsweise wurde in der vorausgegangenen Beschreibung von Ausführungsbeispieln zwei Arten für die Verringerung der parasitären Kapazität erläutert: Eine direkte Reduzierung der parasitären Kapazität und eine indirekte Reduzierung der parasitären Kapazität durch Vergrössern der Gate-Kapazität pro Einheitsfläche. Obwohl diese Arten oder Möglichkeiten voneinander getrennt beschrieben wurden, muss nicht zusätzlich noch hervorgehoben werden, dass beide Arten zur Redu-
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zierung der parasitären Kapazität zusammen bzw. kombiniert verwendet werden können, us einen gröfjseren Effekt bei der Reduzierung der parasitären Kapazität zu erreichen.
Die Erfindung wurde speziell anhand der Darstellung einer CKOS-Anordnung mit in H-leitendem Substrat ausgebildeten .P-leitenden Trog erläutert. Dem i'achmaan ist jedoch klar, dass eine inverse Ausbildung, d. h. eine Ausbildung mit in P-leitendem Substrat ausgebildetem Il-leitenaen Trog durch Austauschen oder Ersetzen der Leitfähigkeit der Elemente und der Polarität der Spannungs-Versorgungsquelle erhalten werden kann. Bei dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem P-leitendes Poljrsilicium zur Bildung der Gate-Elektrode anstelle des ii-leitenden PoIysiliciums verwendet werden kann, wurde die Substitution in umgekehrter Weise durchgeführt, d. h. die P-leitende Silicium-Gate-Elektrode wurde durch die N-leitende Silicium-Gate-ElektiOde ersetzt, wenn der Trog N-leitend ist.
Der Gate-Kondensator mit einer in Fig. 11 dargestellten P-leitenden Gate-Zone, der pro Einheitsfläche eine grossere Kapazität aufweist, kann darüberhinaus auch allein und unabhängig als Kondensator verwendet werden, der eine kleine Spannungsabhängigkeit besitzt.
Die vorliegende Erfindung kann also in breitem Umfange bei verschiedensten Verstärkern verwendet werden, bei denen Schwierigkeiten auf Grund der parasitären Kapazität auftreten.
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Claims (1)

alts Z. \J Δ vJ Ό Ό /. SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCH ϋ BEll-hOPF EB8INGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95 HITACHI, LTD. 12. Mai 1978 DA-5623 Integrierter Halbleiterverstärker Patentans prüche
1. Verstärker mit einem P-Kanal-MISEBT und einem N-Kanal-MISEET, die in einem einzigen Halbleitersubstrat integriert sind, einem Lastwiderstand, der zwischen den Drain-Zonen der MlSFSTs liegt, einer Spannungsquelle, an der die MISFSTs in Reihe liegen und einem Gleichstrom-Sperrkondensator , über dem die Gates der MISFSTs miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Gate-Kapazität (CO), deren einer Anschluß durch einen im Halbleitersubstrat (1; 14) ausgebildeten Trog (3; 16) gebildet wird, und deren andere Elektrode durch eine auf der Oberfläche des Troges (3; 16) ausgebildete Gate-Elektrode (11; 24) gebildet wird, wobei die Gate-Elektrode (11; 24) mit dem hochspannungsseitigen Anschluß (Vy^; V3„) der Spannungsquelle und der Trog (3; 16) mit dem niederspannungsseitigen Anschluß (Vqq> ^t)jO ^er Spannungsquelle verbunden ist.
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ORIGINAL INSPECTED
2- Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektrode (11; 24) mit dem Gate (13; 22) des mit dem hochspannungsseitigen Anschluss (Vjj Vgg) der Spannungsquelle in Verbindung stehenden (MP; MN) verbunden ist^und der Trog (3; 16) mit dem Gate (9; 26) des anderen, mit dem niederspannungsseitigen Anschluss (Vgg> V-nrj) der Spannungsquelle in Verbindui.g stehenden MISFETs (KN; KP) verbunden ist.
3- Integrierte Halbleiterschaltung, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper (1; 14) mit einer Hauptfläche eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine erste und eine zweite Halbleiter-Trogzone (2, 3; 155 16) des zweiten Leitfühigkeitstyps, die in der Hauptfläche des Halbleiterkörpers (1; 14) ausgebildet sind, einen MIS-Transistor (KIT; MP) des ersten Leitfähigkeitstyps, der an der Oberfläche der ersten Trogzone (2; 15) ausgebildet ist, einem MIS-Transistor (MP; nN) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der an der Hauptfläche des Halbleiterkörpers (1; 14) getrennt von den ersten und zweiten Trogzonen (2, 3; 15, 16) ausgebildet ist, eine auf der Oberfläche der zweiten Trogzone (3» 16) ausgebildete Isolierschicht (10; 23), eine auf der Isolierschicht (10; 25) ausgebildete leitende Schicht (11; 24), eine Verbindung die die zweite Trogzone (3; 16) mit dem Gate (9; 26) des MIS-Transistors (M; MP) des ersten Leitfähigkeitstyps verbindet, sowie eine Verbindung, die die leitende Schicht (11; 24) mit dem Gate (13; 22) des MIS-Transistors (MP; MN) vom zweiten Leitfähigkeitstyp verbindet, so dass beide Gates(9, 13; 22, 26) mit einem Kondensator (CO) verbunden sind.
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