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Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Injektionslogik- Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
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Die DE-OS 26 55 917 zeigt eine Vorrichtung der eingangs genannten Art. Eine solche Vorrichtung kann auch als eine SITL (statische Induktionstransistorlogik) bezeichnet werden. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist es nur sehr schwer möglich, eine Stromverstärkung zu erreichen, die eine größere Anzahl von Ausgangsanschlüssen (Fan-out) ermöglicht. Aus der DE-OS 24 28 643 ist ferner eine Anordnung mit schwebenden Gates bekannt, und zwar in einem vertikalen Sperrschichtfeldeffekt- Transistor. Diese schwebenden Gates befinden sich jedoch vollständig innerhalb der Halbleiterkörper und sind für eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und den hohen Verstärkungsfaktor einer Ladungs-Speicher-Anordnung, insbesondere für Halbleiterbildaufnahmeanordnungen, wesentlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dem gegenüber die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Injektionslogik-Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß eine vergrößerte Stromverstärkung erreicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei der eingangs genannten integrierten Injektionslogik-Halbleitervorrichtung die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs vor.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt
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Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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Fig. 2 einen schematischen Vertikalschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;
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Fig. 3 eine Äquivalentschaltung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2.
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Die Vorrichtung weist einen Halbleiterwafer 10 auf, der aus einem stark dotierten n&spplus;-Halbleitersubstrat 12 ausgebildet ist, wobei eine relativ schwach dotierte n -- Halbleiterschicht 14 auf dem Substrat angeordnet ist. Die n -- Halbleiterschicht 14 kann beispielsweise durch ein übliches Dampfabscheidungsverfahren ausgebildet werden. Die Schicht 14 ist elektrisch in isolierte Inselzonen unterteilt, deren äußerste Grenzen durch ein Isoliergitter 16 definiert werden, welches sich von der oberen Oberfläche (Oberseite) zur unteren Oberfläche (Unterseite) der Schicht 14 erstreckt. Das Isolationsgitter 16 kann eine p-Diffusionszone oder ein Oxid sein, wie beispielsweise Siliciumdioxyd. Es sei bemerkt, daß nur eine dieser isolierten Inselzonen (im folgenden durch Bezugszeichen 14bezeichnet) in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. In jeder Inselzone 14 ist eine Schaltungszelle ausgebildet, die einen SIT (statischer Injektionstransistor) als Schalttransistor und einen Injektions- bzw. Injektortransistor aufweist.
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In der Inselzone 14 sind starkdotierte p&spplus;-Halbleiterzonen 18, 20, 22, 24 und 26 vorgesehen, die sämtlich an der Oberseite der Inselzone 14 angeordnet sind und in Draufsicht, wie in Fig. 1 gezeigt, ausgebildet sind. Diese p&spplus;- Halbleiterzonen können gleichzeitig durch Verwendung eines bekannten selektiven Diffusionsverfahrens ausgebildet werden. Die Vorrichtung weist ferner stark dotierte n&spplus;-Halbleiterzonen 28, 30 und 32 auf, die an der Oberseite derjenigen Gebiete der Schicht 14 ausgebildet sind, die zwischen den entsprechenden Zonen 20, 22, 24 und 26 liegen. Diese n&spplus;-Zonen können auch durch ein selektives Diffusionsverfahren ausgebildet werden.
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Die p&spplus;-Zone 18, eine zwischen Zonen 18 und 20 liegende n --Zone 19 und die p&spplus;-Zone 20 dienen als Emitter bzw. Basis bzw. Kollektor eines pnp-Bipolartransistors mit Lateralstruktur. Dieser im ganzen mit Q i bezeichnete Bipolartransistor wird als Injektortransistor betrieben. Die p&spplus;-Zone 20 mit gitterförmiger Gestalt, die p&spplus;-Zonen 22, 24 und 26, die n&spplus;-Zonen 28, 30 und 32, das n&spplus;-Substrat 12 und diejenigen zylindrischen n --Zonen 21, 23 und 25 in der Schicht 14, die zwischen den p&spplus;-Zonen 22, 24 und 26 liegen, arbeiten als Steuergate, schwebende Gates, Drains, die Source- und die Stromkanäle eines vertikalen statischen Induktionstransistors der in einer normalerweise Aus- Betriebsart (d. h. der Transistor ist ausgeschaltet wenn keine Spannung am Steuergate anliegt) betrieben wird. Dieser allgemein mit Q s bezeichnete SIT wird als der Schalttransistor in der SITL-Vorrichtung verwendet. Es sei bemerkt, daß der Kollektor des Injektortransistors mit dem p&spplus;-Steuergate 20 des Schalttransistors vereinigt (identisch) ist.
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Die Basis 19 des Injektortransistors und die Source 12 des Schalttransistors sind elektrisch miteinander durch die n --Schicht 14 gekoppelt, und sie sind über eine Erdelektrode GND, vorgesehen an Source 12, geerdet. Am Emitter 18 ist eine Ohm'sche Elektrode Inj vorgesehen, um eine Injektionselektrode vorzusehen. Im Betrieb wird eine konstante Spannung an die Injektionselektrode Inj angelegt. Der Schalttransistor besitzt an seinem Steuergate 20 eine Ohm'sche Elektrode G, an welche ein Steuersignal extern angelegt werden kann. Die schwebenden Gatezonen oder Floating-Gates 22, 24 und 26 sind hingegen mit keiner Elektrode versehen, weil sie, ohne irgendein externes Signal daran anzulegen, verwendet werden sollen. An den entsprechenden Drains 28, 30, 32 sind Ohm'sche Elektroden D 1, D 2 und D 3 vorgesehen.
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Die geometrischen Abmessungen und die Störstellenkonzentrationen der Halbleiterzonen zur Bildung des Schalttransistors, d. h. eines statischen Induktionstransistors, sind derart bestimmt, daß sichergestellt ist, daß dieser Transistor in einer Normal- Aus-Betriebsart arbeitet. Insbesondere sind sie derart eingestellt, daß dann, wenn das Steuergate 20 auf im wesentlichen Null-Potential bezüglich der Source 12 gehalten wird, die Stromkanäle 21, 23 und 25 fast vollständig durch Verarmungsschichten abgeschnürt sind, die um das Steuergate 20und die schwebenden Gates 22, 24 und 26 herum entwickelt werden infolge des Diffusionspotentials zwischen den Stromkanälen und den Gates. Auf diese Weise wird der Schalttransistor nicht leitend gehalten. Wenn das Steuergate 20 ein positives Potential von 0,3 bis 0,8 Volt oder mehr bezüglich der Source 12 erhält, so schrumpfen die Gateverarmungslagen in einem solchen Ausmaß, daß die Stromkanäle 21, 23 und 25, und daher der Schalttransistor, "ein"-geschaltet werden. Bevorzugte Abmessungen und Störstellenkonzentrationen der entsprechenden Teile der Halbleitervorrichtungen werden im folgenden beschrieben. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besitzt das Substrat 12 eine Störstellenkonzentration von 1024 bis 1027 Atome/m3. Die n --Zone 14 besitzt eine Dicke von 2 bis 10 Mikrometer und eine Störstellenkonzentration von 1018 bis 1021 Atome/m3. Die Injektionszone 18, das Steuergate 20 und die schwebenden Gates 22, 24 und 26 besitzen eine Tiefe von 1 bis 3 Mikrometer und eine Störstellenkonzentration von 1024 bis 1026 Atome/m3. Die Drains 28, 30 und 32 besitzen eine Tiefe von 1 Mikrometer oder weniger und eine Störstellenkonzentration von 1024 bis 1027 Atome/m3. Der Teil der Schicht 14, der zwischen den Zonen 18 und 20 angeordnet ist, d. h. der Teil 19, besitzt eine Breite (in Horizontalrichtung in Fig. 2) von ungefähr 5 Mikrometer oder weniger. Der Abstand zwischen dem Steuergate 20 und den schwebenden Gates 22, 24 und 26 ist 2 bis 10 Mikrometer zur Definition der Kanalbreite des Schalttransistors. Da jeder der Kanäle 21, 23 und 25, d. h. der Teil der Zone 14, der zwischen dem Steuergate 20 und den schwebenden Gates 22, 24 und 26 sich befindet, ein einen hohen Widerstandswert aufweisender n --Halbleiter mit einer Störstellenkonzentration von 1018 bis 1021 Atome/m3 ist, erstrecken sich die Verarmungslagen stark vom Steuergate und den schwebenden Gates (pn-Grenzschicht) aus, um im wesentlichen den Kanal bei der Gatespannung Null zu schließen oder abzuschnüren, und sie schrumpfen, um den Kanal dann zu öffnen, wenn das Gatepotential erhöht wird.
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Eine Äquivalentschaltung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt, wo eine Schaltungszelle, gebildet in jeder Inselzone 14, im Halbleiterwafer 10 von einem gestrichelten Kasten 40 umschlossen ist. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen Q ps den Schalttransistor der vorhergehenden Stufe.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 wird die logische Arbeitsweise der SITL-Vorrichtung beschrieben. Es sei angenommen, daß die Injektionselektrode auf einem positiven konstanten Potential gehalten wird und daß der Schalttransistor Q ps in der vorhergehenden Stufe eingeschaltet ist. Unter dieser Bedingung werden fast alle positiven Löcher, geliefert vom Kollektor 20 des Injektortransistors Q i , in die Drain des vorhergehenden Transistors Q ps gezogen und das Steuergate 20 des Schalttransistors Q s wird auf einem niedrigen Pegelpotential gehalten, d. h. nahezu auf Erdpotential. Somit befindet sich der Schalttransistor Q s im nichtleitenden Zustand, wobei sich seine Drains auf einem Potential mit hohem Pegel befinden. Es sei bemerkt, daß es der übliche Fall ist, daß eine der Drains des Transistors Q s über ein Lastelement mit einem positiven Potential verbunden ist, und dieses Lastelement kann der Injektortransistor der darauffolgenden Schaltungsstufe sein, die nicht gezeigt ist. Wenn danach der vorausgehende Transistor Q ps ausgeschaltet wird, so werden die Ladungsträger vom Injektortransistor Q i umgeschaltet und fließen in das Steuergate 20 des Schalttransistors Q s , wobei das Steuergate 20 positiv aufgeladen wird auf ein Potential von 0, 8 bis 0,3 Volt oder mehr. Infolgedessen wird der Schalttransistor Q s eingeschaltet und bewirkt ein Potential mit niedrigem Niveau an den Drains.
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Wenn das Steuergate 20 positiv gemacht wird, so sind die pn-Grenzschichten zwischen dem Steuergate 20 und den Stromkanälen 21, 23 und 25 in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Somit werden Träger, die im Ausführungsbeispiel positive Löcher sind, in die Stromkanäle 21, 23 und 25 vom Steuergate 20 injiziert, wobei die Verarmungslagen, die um das Steuergate herum angeordnet sind, zur Schrumpfung veranlaßt werden. In diesem Augenblick fließen die injizierten Träger teilweise in die schwimmenden Gates 22, 24 und 26, um diese positiv in einer Weise ähnlich zu der aufzuladen, bei welcher die vom Emitter 18 injizierten Ladungsträger das Kollektor/Gate 20 durch die Basis 19 erreichen. Somit werden auch die Verarmungsschichten, die um die schwebenden Gates herum bestehen, in einem Ausmaß entsprechend dem Potentialanstieg schrumpfen, was seinerseits den Übergang der Stromkanäle zum leitenden Zustand beschleunigt.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Lage, eine vergrößerte Stromverstärkung zu erreichen und gestattet eine größere Anzahl von Ausfächerungen oder Anschlüssen.