DE2822403A1

DE2822403A1 - Integrierte injektions-logik-vorrichtung

Info

Publication number: DE2822403A1
Application number: DE19782822403
Authority: DE
Inventors: Richard Alan Pedersen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-05-25
Filing date: 1978-05-23
Publication date: 1978-12-07
Also published as: FR2392499A1; NL7805471A; US4156246A; JPS53145585A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft integrierte Injektions-Logik-Halbleitervorrichtungen und befaßt sich insbesondere mit einer Ausgangskontaktanordnung für solche Vorrichtungen.

Die integrierte Injektions-Logik (I L, die auch als verschmolzene (merged) Transistorlogik bekannt ist) ist eine bekannte Form einer Logikvorrichtung in bipolaren integrierten Halbleiterschaltungen. Die Grundlogikeinheit, wie sie ursprünglich vorgeschlagen und ausgeführt worden ist, umfaßt einen Inverter, der als Vielfachkollektor-NPN-Transistor verwirklicht ist. Die Basisansteuerung wird durch Injektion vom Emitter eines lateralen PNP-Transistors gespeist, dessen Kollektor mit der Basis des NPN-Transistors verschmolzen ist. Der PNP-Transistor kann vom Vertikaltyp sein, mit einem Aufbau, den man als Sübstratspeiselogik bezeichnet. Bei allen Variationen sind jedoch der Kollektor des PNP-Transistors und die Basis des NPN-Transietors sowie die Basis des PNP-Transistors und der Emitter des NPN-Transistors verschmolzen. Logikfunktionen erhält man durch direktes Koppeln der Transistoren.

In einer bestimmten Form der integrierten Injektions-Logik, die

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Schottky-I L genannt wird, sind Schottky-Dioden in Reihe zum Kollektorausgang oder zu den Kollektorausgängen vorgesehen. Diese Dioden bewirken eine Reduzierung sowohl des Signalausschlags (swing) als auch der abwärts gerichteten, umgekehrten Stromverstärkung. Ersteres verbessert den Energieverzögerungswirkungsgrad und letzteres die eigentliche Geschwindigkeitsgrenze .

Wenn auch die Schottky-I L~Konfiguration sehr vorteilhaft ist,

ρ
wenn die Ausgänge mit anderen I L-Einheiten verbunden sind, um Logik-Felder zu bilden, ist sie jedoch nachteilig, wenn der Ausgang mit einer anderen Nicht-Logik-Schaltungsanordnung verbunden ist. Insbesondere besitzt der Schottky-Ausgang eine hohe Sattigungsspannung, die aus dem Spannungsabfall über dem Schottky-Übergang zusätzlich zur eigentlichen Sättigungsspannung des NPN-Transistors besteht. Demgemäß besitzen Ausgangstransistoren normalerweise herkömmliche Ohmsche oder niederohmige Kontakte am Kollektor, wodurch eine niedrige Sättigungsspannung erzeugt wird, und zwar aufgrund des niederohmigen Kontaktes und der hohen abwärts gerichteten, umgekehrten Stromverstärkung. Solche Ausgangstransistoren mit diesen Eigenschaften leiden jedoch an längeren Ladungsträgerspeicherverzögerungszeiten, so daß die Schaltkreisgeschwindigkeit begrenzt ist.

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Daher ist mit der vorliegenden Erfindung eine integrierte Injektions-Logik-Vorrichtung mit einem Ausgangstransistor verfügbar gemacht worden, der eine Kollektorzone aufweist, die eine erste und eine zweite Zone aufweist, von denen die erste Zone einen Schottky-Sperrschichtkontakt mit einem darüberliegenden leitenden Kontaktmaterial und die zweite Zone einen Ohmschen Kontakt niedrigen Widerstandes mit dem darüberliegenden Kontaktmaterial bildet.

Handelt es sich um einen NPN-Ausgangstransistor, kann die erste Zone aus relativ schwach dotiertem n-Silicium und die zweite Zone aus stärker dotiertem n-Silicium hergestellt sein. In diesem Fall ist die Dotierungsstärke in der ersten Zone vor-

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zugsweise kleiner als etwa 10 Atome pro cm und die Dotierungsstärke in der zweiten Zone vorzugsweise größer als etwa

1Q ¹^

10 ^ Atome pro cm .

Die zweite Zone kann in seitlicher Richtung gänzlich innerhalb der ersten Zone liegen, und die zweite Zone kann sich vom Kontaktmaterial aus weniger tief erstrecken als die erste Zone.

Das Flächenverhältnis von Ohmschem Kontakt zu Schottky-Sperrschichtkontakt beträgt vorzugsweise etwa 1:4.

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Das Kontaktmaterial liegt vorzugsweise nur über der ersten und der zweiten Zone.

Die Erfindung wird nun anhand einer Ausführungsform näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Teils einer integrierten Halbleiterschaltungsvorrichtung mit einem verschmolzenen Transistor-Logik-Teil gemäß Erfindung; und

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild der verschmolzenen Transistor-Logik-Einheit der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Halbleiterkörper 10 einen Teil einer integrierten Silicium-Schaltungsvorrichtung bildet. Ein N⁺-leitender Teil 11 stellt einen Teil des ursprünglichen Materials des Chips oder Halbleiterplättchens dar, in dem die Logik und andere Einheiten der integrierten Schaltung gebildet sind. Bei dieser Ausführungsform sind drei Ausgangsanschlüsse 38, 39 und 40 lediglich zu Erläuterungszwecken gezeigt, obwohl in den meisten Fällen nur ein einziger Ausgang verwendet wird, mit dem eine Verbindung nach außerhalb des Chips oder zu anderen Hicht-Logik-Schaltungen auf dem selben Chip herstellbar sind. Gemäß

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dem in Fig. 2 gezeigten Schaltbild umfaßt die Logikeinheit einen NPN-Inverter oder Ausgangstransistor 41 und einen PNP-Stromquellentransistor 42. Der Ausgangstransistor 41 ist mit Vielfachkollektoren dargestellt, die zu drei Ausgangsanschlüssen 47, 48 und 49 führen. Ein Anschluß 50 ist mit dem Emitter des Stromquellentransistors 42, der als Injektor bezeichnet wird, verbunden, und Anschluß 43 stellt einen Logikeingangsanschluß dar.

Bekanntlich wird Binärinformation durch den Weg bestimmt, den der aus dem Kollektor des Transistors 42 kommende Strom am Knoten 51 einschlägt, was eine Funktion der relativen Spannung am Eingangsanschluß 43 ist.

Wie man dem Schaltbild der Fig. 2 entnehmen kann, ist der Emitter des Ausgangstransistors 41 mit der Basis des Transistors 42 verschmolzen und wird durch eine N"~-Zone 12 in Fig. 1 gebildet. Der Kollektor des Transistors 42 ist gleicherweise mit der Basis des Transistors 41 verschmolzen und durch mehrere P-Zonen 14, 15, 16, 17, 19, 20 und 21 gebildet. Eine P-Zone 13 ist die Emitterzone des Transistors 42, und ein Anschluß 31 bildet den Injektor. Die Vielfachkollektorzonen des Ausgangstransistors 41 sind durch N~-Zonen 22, 23 und 24 und N⁺- Zonen 25 bis 30 gebildet. Obwohl die N⁺-Zone in dieser Quer-

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schnittsansicht als ein Paar N⁺-Zonen innerhalb einer jeden N~-Zone dargestellt ist, kann sie eine einzige Zone sein, die durch eine ununterbrochene geschlossene Figur gebildet ist, welche einen Teil der N~-Zonen 22, 23 und 24 des Kollektors umgibt.

Die N⁺-Zonen 25 bis 30 weisen von der Oberfläche des Halbleiterkörperteils eine beträchtlich geringere Tiefe auf als die N~-Zonen 22, 23 und 24 des Kollektors. Bei der beispielsweisen Ausführungsform besitzen die N"~-Zonen eine resultierende Störstellenkonzentration von 1 - 5 x 10 Atomen/cm , und in jedem Fall sollte für die Erzeugung der gewünschten Kontakteigenschaften die resultierende Konzentration nicht über etwa 1 χ 10¹⁷ Atome/cm³ hinausgehen. Die N⁺-TeHe des Kollektors besitzen typischerweise eine resultierende Störstellenkonzeii-

19 # ^

tration von wenigstens etwa 1 χ 10 Atomen/cm , um die Bildung eines elektrischen Kontaktes niedrigen Widerstandes mit ihnen sicherzustellen.

Elektrischer Kontakt zu der Halbleitervorrichtung wird durch metallische Schichtteile 32, 33t 34, 35 und 36 hergestellt, von denen jeder in seiner Fläche durch eine Siliciumoxidschicht 18 auf der Hauptoberfläche des Körpers definiert ist. Bei einer speziellen Ausführungsform umfassen die metallischen Kontakte Vielfachschichten, die von der Siliciumoberflache aus nach

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außen hin Platinsilicid, Titan, Platin oder Palladium und schließlich Gold aufweisen. Andere Metallsysteme oder Einzelmetalle können ebenfalls verwendet werden, einschließlich insbesondere Aluminium, wie andere Metalle, die derzeit für Halbleiterkontakte Verwendung finden.

Vom Standpunkt der vorliegenden Erfindung aus ist besonders wichtig, daß die Metallkontaktanordnung derart ist, daß die Kollektorausgangskontakte 34, 35 und 36 einen Kombinationskontakt bilden, bei dem die über den N⁺-Zonen liegenden Teile Ohmsche Kontakte niedrigen Widerstandes und die in Kontakt mit den N~"-Zonen befindlichen restlichen Teile Schottky-Kontakte bilden. Die Schottky-Sperrschichtkontaktteile besitzen die Wirkung, daß sie die übermäßige Minoritätsladungsträgerdichte, in diesem Fall die Löcherdichte, an der N""-Zonenoberfläche auf Null drücken, indem sie eine Minoritätsladungsträgerrekombinationsoberflache schaffen. Im Effekt ist damit ein PNP-Transistor geschaffen, der einen Schottky-Kollektor besitzt, der über den gemeinsamen Kontakt mit der N⁺-Zone und der Schottky-Sperrschicht mit dessen Basis kurzgeschlossen ist. Wie Fig. 2 zeigt, äind die PNP-Schottky-Transistoren 44, 45 und 46 ^e parallel zu einem der mehreren Basis-Kollektorübergänge des Ausgangstransistors 41 geschaltet. Mit dieser Konfiguration erfreuen sich die Ausgangstransistoren der rela-

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tiv niedrigen Sättigungsspannung, wie sie durch den Ohmschen Kontaktteil des Kollektorausgangsanschlusses gebildet wird,
während gleichzeitig der PNP-Schottky-Transistor im aktiven
Arbeitsbereich bleibt und folglich die überschüssige Löcherdichte an der Schottky-Oberflache auf Null hält. Demgemäß
weist die Kombination eine r eduzierte Minoritätsladungsträgerspeicherungsverzögerung und eine verbesserte Schaltgeschwindigkeit auf.

Der Grad, in welchem die genannten vorteilhaften Eigenschaften erzeugt werden, hängt in einem beträchtlichen Ausmaß von den relativen Flächen der Ohmschen Kontakteile und der Schottky-Kontaktteile ab. Bei der beispielsweisen Ausführungsform ist das Flächenverhältnis von Ohmschen Kontaktteilen (N⁺) zu
Schottky-Kontaktteilen (N") etwa Eins zu Vier.

Die Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Logik-Einheit geschieht nach derzeit bekannten Methoden. Bei einer Ausführungsform
können die N~~Zone 12 und darinliegende Zone durch einen epitaktischen Niederschlag auf einer ursprünglichen Halbleiterscheibe mit N⁺-Leitfähigkeit erzeugt werden. Die P-Zwischenzonen 19, 20 und 21 werden vorteilhafterweise im Anschluß
daran durch Ionenimplantation gebildet, und in einer solchen Anordnung besitzen die N~-Zonen gewöhnlich eine gleichförmige Störstellen- oder Dotierstoffverteilung. Eine solche Vertei-

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lungsform ist jedoch nicht wesentlich, und diese wie auch andere Zonen können durch Diffusion erzeugt werden, was gewöhnlich zu einem Konzatrationsverteilungsgradienten führt.

Die N⁺-KoIlektorzonen 25 bis 30 liegen in Fig. 1 gänzlich innerhalb des N~-Kollektors und weisen deshalb einen Abstand von den benachbarten P-Zonen 14 bis 17 auf. Diese Anordnung schließt die Möglichkeit einer unerwünschten Tunnelung aus, die auftreten kann, wenn die P-Zone relativ hohe Leitfähigkeit besitzt. Ein solcher Abstand mag unnötig sein, wenn die P-Zonen geringere Leitfähigkeit besitzen. Außerdem ist es bedeutsam, daß jeder Metallkontakt 34, 35 und 36 nur in Berührung mit d'sn N-KoIlektorzonen steht.

Wie beide Figuren zeigen, entsprechen der Injektorkontakt dem Anschluß 50, der Eingangskontakt 37 dem Anschluß 43 und Ausgangskontakte 38, 39 und 40 den Anschlüssen 47, 48 und 49· Die Masseverbindung mit dem N-leitenden Substrat ist nicht gezeigt.

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Claims

blumbach · weser · bergen · kramer

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radecxestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Pedersen 6

Integrierte In.iektions-Logik-·Vorrichtung

Patentansprüche

Integrierte Insektions-Logik-Vorrichtung mit einem eine Kollektorzone aufweisenden Ausgangstransistor, dadurch gekennzeichnet , daß die Kollektorzone eine erste (22, 23, 24) und eine zweite (25 bis 30) Zone aufweist, von denen die erste Zone einen Schottky-Sperrschichtkontakt mit einem darüberliegenden leitenden Kontaktmaterial (34, 35, 36) und die zweite Zonen einen Ohmschen Kontakt niedrigen Widerstandes mit dem darüberliegenden Kontaktmaterial bildet.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. ■ P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. . P.Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Ausgangstransistor vom NPN-Typ ist, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Zone durch relativ schwach dotiertes n-leitendes Silicium und die zweite Zone durch stärker dotiertes nleitendes Silicium gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dotierungsstärke in der ersten

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Zone weniger als etwa 10 ' Atome pro cm und die Dotierungsstärke in der zweiten Zone größer als etwa 10 ^y Atome pro cnr ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3_t dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Zone seitlich gesehen gänzlich innerhalb der ersten Zone liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch '4, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Zone die Form einer ununterbrochenen geschlossenen Figur besitzt, die in seitlicher Richtung einen Teil der ersten Zone umgibt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Zone vom Kontaktmaterial aus weniger tief als die erste Zone erstreckt .

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der Ohmschen Kontakte zu den Schottky-Sperrschichtkontakten etwa 1 : 4 beträgt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß das Kontaktmaterial nur über der ersten und der zweiten Zone liegt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die erste und die zweite Zone aus Silicium bestehen, dadurch gekennzeichnet , daß das Kontaktmaterial eine diese Zonen berührende Schicht aus Platinsilicid aufweist.

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