DE2848576A1

DE2848576A1 - Integrierte schaltung

Info

Publication number: DE2848576A1
Application number: DE19782848576
Authority: DE
Inventors: Jan Lohstroh
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-11-17
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1979-05-23
Also published as: GB2008317A; BR7807508A; ES475104A1; NL7712649A; IT7829767A0; GB2008317B; JPS5478987A; DE2848576C2; CA1129972A; BE872064A; FR2409600A1; IT1100271B; BE872065A; FR2409600B1; CH638341A5; JPS5928058B2; US4595942A

Description

W Philips' ϋΐϋ-,α.,μ,,^υ..^!!, EinühovBn 2 8 A 8 57 6

30.7.1978 1 PIIN 8956

Integrierte Schaltung.

Die Erfindung bezieht sich auf

eine integrierte logische Schaltung mit einem durch "eine Basis eines Bipolartransistors gebildeten Signaleingang und mit mehreren Sigiialausgängeii, die je über eine Diode mit dem KollekLor des Bipolartransistors gekoppelt sind, wobei der Signaleingang mit Mitteln zum Zuführen von Strom versehen ist, wobei diese Schalung einen Halbleiterkörper mit einer Hauptoberflache enthält, an die mehrere Oberflächengebiete von einem ex-st en Leitungstype grenzen., die

\Q sich auf eliißin gemeinsamen Substratgebiet von einem zweiten dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp befinden, wobei Jedes dieser Oberflächengebiete an der Hauptoberflache von einer Isolierzoue umgeben ist, mit deren Hilfe die Obe.rflachengeb.Lcte wenigstens beim Betrieb elektrisch gegeneinander isoliert sind, wobei eines dieser Oberflächengebio te vom ersten Leitungstyp als Kollektorgebiet des Bipolar trunsis tors dient, wobei dieser Bipolartransistor weiter ein« an dio Hauptoberfläche grenzende Emitterzone vom erfjten Lei tungs type aufweist, die in dem Halblo.i terkörpcr durch eine bis zu der Hauptoberf lache reichende Basiszone vom zwei tun LeituDgstyp von dem Kollektorgebiet getrennt ist und mit dieser Basiszone einen ersten ρη~ΰhergang bildet, wobei die Basiszone mit dem Kollektorgebiet einen zweiten pn-Ubergang bildet, und wobei auf der Haufjtoberflache eine elektrisch isolierende Schicht mit

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wenigstens einer ersten über der Emitterzone liegenden öffnung, wenigstens einer zweiten neben der Emitterzone über der Basiszone liegenden Öffnung und mehreren dritten neben der Basiszone über dem Kollektorgebiet liegenden öffnungen vorhanden ist, wobei die Isolierschicht Leiterbahnen von dem Halbleiterkörper trennt, die für elektrischen Anschluss bis in die ersten, zweiten und dritten öffnungen reichen, und wobei die bis in die dritten öffnungen reichenden Leiterbahnen je über einen gleichrichtenden Übergang, der an das Kollektorgebiet grenzt, mit dem Kollektorgebiet gekoppelt sind.

Diese Schaltung ist aus "1975

I.E.E.E. International Solid-State Circuits Conference", Digest of Technical Papers, Februar 1975» S. I68 und 169 bekannt und wird als sehr attraktiv für gross integrierte Schaltungen (LSI) betrachtet. Die Basiszelle ist ein NICHT-UND-Gatter, in dem die Kopplungsdioden an den Signalausgangen als Schottky-Dioden ausgebildet sind. Aueserdetn enthält die Zelle auch eine Schottky-Diode, die zu dem Kollektor-Basis-Ubergang des Transistors parallelgeschaltet ist. Diese Schottky-Diode (Anklammerungsdiode) weist eine andere Diodendurchlassspannung als die Kopplungsdioden auf. Der Hub des logischen Signals, d.h. der Spannungsunterschied zwischen den Signalen, die eine logische "1" bzw. eine logische "0" darstellen, ist gleich dem Unterschied zwischen den Diodendurchlassspannungen der beiden voneinander verschiedenen Arten Schottky-Dioden. Dieser Hub kann dadurch verhältnismässig klein sein, wodurch die Schaltgeschwindigkeit der Zelle günstig beeinflusst wird. Die Mindestverzögerungszeit der Zelle ist mit der der TTL-Version mit Schottky-Diode und geringer Verlustleistung vergleichbar, die auch kurz a3 s "LS TTL" bezeichnet wird. Weiter ist die Zelle besonders gedrängt und ist auch das Produkt der Verzogoxmngszeit und der Verlustleistung günstig niedrig.

Obgleich diese attraktive LSI-

Logik vor mui schon fast drei Jahren angekündigt wurde, hat sie, sofern der Anmelderin bekannt ist, bisher nicht

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zu Erzeugnissen geführt, die auf dem Markt Eingang gefunden haben.

Die vorliegende Erfindung bezweck^ Massnahmen anzugeben, um, ausgehend von dieser bekannten

_s LSI-Logik, ein attrattives Erzeugnis zu bilden, das zu einem konkurrierenden Preis hergestellt und auf den Markt
gebracht werden kann, und ihr liegt u.a. die Erkenntnis
zugrunde, dass durch Abänderung der Beschriebenen integrierten Schaltung die Herstellung erheblich vereinfacht

.Q und dadurch auch der Selbstkostenpreis beträchtlich herabgesetzt werden kann, während zu gleicher Zeit dennoch die günstigen elektrischen Eigenschaften und die für Integration erwünschte hohe Packungsdichte zum grössten Teil
erhalten bleiben können.

«. Überraschenderweise haben Versuche

ergeben, dass mit besonderen Massnahmen in der Halbleiterstruktur, die keine zusätzlichen Bearbeitungen bei der
Herstellung erfordern, ein mit dem bipolaren Schalttransistor gekoppelter Hilfstransistor erhalten werden kann,

2Q der es ermöglicht, die AnManimerungsdiode fortzulassen,

ohne dass dadurch die Schaltgeschwindigkeit der Zelle auf unzulässige Weise verringert wird.

Eine integrierte logische Schaltung der eingangsbejchriebenen Art ist nach der Erfindung

2§ dadurch gekennzeichnet, dass in der Halbleiterstruktur des Bipolartransistors zusätzliche Massnahmen getroffen sind, durch die ein Gebiet vom zweiten Leitungstyp effektiv mit der genannten Basiszone und dem genannten Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp zusammenarbeitet, so dass ein komplementärer Hilf stransistor eingebaut ist, dessen Emitter· durch die genannte Basiszone, dessen Basis durch das KoI-lektor-gebiet vom ersten Leitungstyp und dessen Kollektor durch das Gebiet vom zweiten Leitungstyp gebildet wird,
wobei das letztere Gebiet mit einem eldifcrischen Anschluss versehen ist, wodurch, wenn der Bipolartransistor übersteuert ist, ein wesentlicher Teil des in der Basiszone
des Bipolartransistors fliessenden Stromes durch den Hilfstransistor fliessen kann und die Speicherung beweglicher

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Ladungsträger in dem übersteuerten Bipolartransistor erheblich beschränkt werden kann.

Die vorgeschlagene integrierte logische Schaltung mit einem Jnvertertransistor mit auf oder in dem Kollektorgebiet integrierten Kopplunga&oden und einem wirksamen eingebauten komplementären Hilfstransistor schafft eine wesentliche Verbesserung in bezug auf LS TTL. Die Schaltgeschwindigkeit der Gatterschaltung ist wenigstens gleich der von L.S TTL, während die Verlustleistung wesentlich geringer ist, wobei ausserdem die Packungsdichte noch um etwa einen Faktor 2 bis 6 grosser ihst. Von besonderer Bedeutung ist, dass diese Verbesserung erzielt wird, ohne dass ein verhältnismässig verwickelter Herstellungsvorgang erforderlich wird. Der für die vorgeschlagene integrierte Schaltung benötigte Herstellungsvorgang ist gleich dem Vorgang, durch den auch LS TTL hergestellt werden kann. Es ist daher umso wichtiger und auch überraschender, dass bei Anwendung der vorliegenden Erfindung eine so deutliche Verbesserung in bezug auf LS TTL erzielt wird.

Bei einer besonderen bevorzugten

Ausführungsform der integrierten Schaltung nach der Erfindung ist der komplementax-e Hilfstransistor als vertikaler Transistor ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform enthält das Kollektorgebiet einen hoch- und einen niederohmigen Teil, wobei sich der niederohmige Teil an und längs der Grenzfläche zwischen dem Kollektorgebiet und dem Substratgebiet erstreckt, und diese Ausführungsform ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass der niederohmige Teil des Kollektorgebietes vom ersten Leitungstyp in einer zu der Hauptoberfläche praktisch parallelen Richtung einen beschränkten Umfang aufweist, wobei sich dieser Teil einerseits unter der Emitterzone und unter den gleichrichtenden Übergängen erstreckt und andererseits unter der Basiszone und der über dieser Zone liegenden zweiten Öffnung in der Isolierschicht ein Gebiet freilässt, in dem der hochohmige Teil des Kollektorgebietes unmittelbar unter Bildung eines dritten pn-Ubergangs an das Substrat-

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gebiet grenzt, wobei der an den hochohmigen Kollektorgebietes grenzende Teil des Substratgebietes als Kollektor des Hilfstransistors mit dem angrenzenden Kollektorgebiet und der Basiszone des Bipolartransistors zusammenarbeitet. Vorzugsweise ist in dieser Aus fülirungs form die zwischen dem zweiten und dem dritten pn-Ubergang gemessene Dicke des hochohmigen Teiles des Kollektorgebietes nicht grosser als 5/um.

Dieser vertikale Hilfstransistor, der überschüssigen Basisstrom des Invertertraasistors über das Substratgebiet abfHessen lässt, ist, wie gefunden wurde, ein besonders zweckmässiges Mittel zur Beschränkung der Übersteuerung des Invertertraasistors und zur Herabsetzung der Speicherung beweglicher¹ Minoritätsladungsträger in diesem Transistor, wodurch verhältnismäs-· sig kurze Schaltzeiten erzielt werden.

Bfei einer anderen wichtigen Ausführungsform der integrierten Schaltung nach der Erfindung ist der komplementäre Hilfstransistor als lateraler Transistor eingebaut. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Hauptoberfläche neben der Basiszone eine an das Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp grenzende weitere Oberfläclienzone vom zweiten Leitungstyp vorhanden ist, die von der Hauptoberfläche

^ bis zu praktisch der gleichen Tiefe wie die Basiszone in den Halbleiterkörper reicht, wobei diese weitere Zone als Kollektor des Hilf stransistors dient und mit dem Substratgebiet verbunden ist.

Diese weitere Oberflächenzone kann einfach zugleich mit der Basiszone angebracht werden, wobei der Abstand zwischen diesen Zonen verhältnismässig klein sein kann. Vorzugsweise ist der Abstand an der Hauptoberflache zwischen der Basiszone und der weiteren Oberflächenzone höchstens 5 /um.

Der vertikale und der horizontale Hilfstransistor können auch mit Vorteil in derselben integrierten Schaltung nach der Erfindung kombiniert werden.

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Einige Ausführungsformen aer Er*·

findung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das elektrische Schaltbild des bekannten NICHT-UND-Gatters,

Fig. 2 schematisch einen Teil

einer Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der integrierten Schaltung nach der Erfindung,

Figuren 3 und k schematisch Querschnitte durch diesen Teil der ersten Ausführungsform längs der Linien III-III bzw. IV-IV der Fig. 2,

Fig. 5 schematisch einen Teil

einer zweiten Ausführungsform der integrierten Schaltung nach der Erfindung, und

Fig. 6 schematisch einen Querschnitt durch diese zweite Ausführungsform längs der Linie VI-VI.

Das elektrische Schaltbild des

vorgenannten bekannten NICHT-UND-Gatters, das in Fig. 1 dargestellt ist, enthält einen Signaleingang 1, der durch die Basis eines Bipolartransistors T gebildet wird, und mehrere Signalausgänge 2, 3» ^ und 5» die je über eine Diode 6 mit dem Kollektor des Bipolartransistors T gekoppelt sind. Der Signaleingang 1 ist mit Mitteln zum Zuführen von Strom versehen, die durch die Stromquelle I dargestellt sind.

Der Transistor T ist ein Planartransistor, dessen Kollektor-Basis-Ubergang von einer Schottky-Diode 7 überbrückt ist. Dank dieser Anklammerungsdiode weist der Transistor die hohe Schältgeschwindigkeit auf, die für logische Schaltungen jetzt verlangt wird. Wenn die AnHammerungsdiode 7 fortgelassen wird, wird der Transistor im leitenden Zustand weit in Sättigung gesteuext Der Transistor enthält dann eine grosse Menge gespeicherter Ladung, hauptsächlich in Form von Minoritätsladungsträgern, die sich im Kollektorgebiet befinden. Das Ausschalten des Transistors verläuft dementsprechend träge. Die Anklammerungsdiode 7 verhindert, dass der Transistor in Sättigung

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gesteuert wird, so dass die genannte Ladungsspeicherung vermieden wird.

Wenn beim Betrieb der Signaleingang 1 nicht angeschlossen ist, wird der Signaleingang 1 von dem zugefülirten Strom I bis zu der Emitter-Basis-Spannung des Transistors T aufgeladen, die zu dem leitenden Zustand gehört. Diese Diodendurchlass- oder Übergangsspannung V_T._ ist für einen Siliziumtraiisistor z.B. etwa mit

bis 750 mV.

'0 Wenn die Spannung am Signaleingang die Dioden-durchlassspannung V__ erreicht, wird der Transistor T leitend und wird der Strom Σ als Basisstrom benutzt. Der an einem oder mehreren der Signalausgänge verfügbare Strom wird dann über den Transistor T abgeführt,

Ϊ5 wobei die Spannung am betreffenden Signalausgang gleich der Diodendurchlassspannung V^₁ der Kopplungsdioden 6 zuzüglich der Kollektor-Emitter-Spannung des leitenden Transistors T eein wird.. Diese Kollektor-Emitter-Spannung ist gleich der

Spannung V₁-.,-, abzüglich der Diodendurchlassspannung V_._ der iihj . Mtt

JLnklammerungsdiode 7· Wenn die Spannung V^₂ grosser als die Spannung V^₁ i«t, ist die Signalausgangsspannung kleiner als V„_E und wird der Transistor eines nächstfolgenden mit dem betreffenden Signalausgang verbundenen NXCHT-UND-Gatters im nicht-leitenden Zustand gehalten.

Der Hub des logischen Signals, d.h. der Unterschied zwischen dem hohen und dem niedrigen Signalpogel, ist gleich dem Unterschied zwischen den Diodendurchlass spannungen V_D2 der Anklammerungsdiode 7 und V_ni der Kopplungsdioden 6.

** Die Schottky-Anklammerungsdiode

7 ist ein PtSi-Si-Kontakt mit einer Diodendurchlassspannung V_D2 von etwa 500 mV. Die Schottky-Kopplungsdioden 6 sind Ti-Si-Kontakte mit einer Diodendurchlassspannung von etwa 35O mV. Der logische Hub beträgt dann etwa I50 mV. Diese

** verhältnismässig kleine logische Hub hat einen günstigen Effekt auf die Verzögerungszeit der Gatterschaltung. Beim Umschalten von dem hohen auf den niedrigen Signalzustand oder umgekehrt braucht nur ein geringer Spannungsunter-

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schied überbrückt zu werden. Das Umschalten kann also in entsprechend kurzer Zeit vor sich gehen.

Die beschriebene bekannt logische Schaltung verdankt ihre günstigen schalttechnischen Eigenschaften also hauptsächlich zwei Ursachen : An erster Stelle wird ein schneller mit Hilfe der Schottky-Diode 7 ausser Sättigung gehaltener Planartransistor T verwendet und an zweiter Stelle wird eine geeignete Metallisierung mit Metall-Halbleiter-Kontakten verschiedener Zusammen-

setzung gewählt, die Schottky-Dioden mit einem günstigen kleinen Diodendurchlassspannungsunterschied von etwa 150 mV ergeben. Sowohl im Schalttransistor T als auch beim
Bestimmen des gewünschten logischen Hubes spielt also die gewählte Metallisierung eine wesentliche entscheidende

Rolle.

Die vorliegende Erfindung schafft

die Möglichkeit, statt dieser entscheidenden komplexen
Metallisierung, die notwendigerweise aus leitenden Schichten verschiedener Materialien aufgebaut ist, eine viel einfächere Metallisierung zu verwenden, die z.B. auch in
bereits bekannten Erzeugnissen Anwendung gefunden hat.

Die erste Ausführungsform, die

weiter an Hand der Figuren 2, 3 und 4 beschrieben wird,
enthält einen Halbleiterkörper 20 mit einer Hauptoberfläehe 21, an die mehrere Oberflächengebiete 22 bis 28 von
einem ersten Leitungstyp grenzen, die sich auf einem gemeinsamen Substratgebiet 29 von einem zweiten dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp befinden. Das Substratgebiet

29 kann eine gemeinsame Halbleiterschicht sein, die z.B.

auf einem Substrat angebracht ist. Im vorliegenden Beispiel wird ein p-leitendes Halbleitersubstrat aus Silizium mit einem spezifischen Widerstand von z.B. 10 bis 15 -Π. .cm
verwendet.

An der Hauptoberfläche 21 sind die Oberflächengebiete 22 bis 28 je von einer Isolierzone

30 umgeben, mit deren Hilfe die Oberflächengebiete wenigstens beim .Betrieb elektrisch gegeneinander isoliert sind. Die Isolierzonen können völlig oder teilweise aus Isolier-

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material bestehen Auch können p-leitende Zonen verwendet werden, die sich von der Hauptoberfläche her in einer nleitenden Oberflächenschicht erstrecken. Die p-leitenden Isolierzonen erstrecken sich über einen Teil der Dicke der Oberflächenschicht oder durchdringen völlig die Oberflächenschicht so dass sie bis in das Substrat 29 reichen. Durch das Anlegen einer Spannung in der Sperrichtung über den zwischen den Isolierzonen 30 und den Oberflächengebieten 22 bis 28 und zwischen dem Substrat 29 und den Oberflächen— gebieten 22 bis 28 gebildeten pn-Ubergängen kann auf übliche Weise beim Betrieb eine elektrische Isolierung zwischen den Oberflächengebieten 22 bis 28 sichergestellt werden.

Wenigstens eines (22) der Oberflächengebiete 22 bis 28 dient als Kollektorgebiet eines

Ί5 Bipolartransistors. Dieses Kollekfcorgebiet 22 enthält einen hochohmdgen Teil 31 und einen niederohmigen Teil 32, wobei rlar niederohmige Teil 32 sich an und längs der Grenzfläche zwischen dom Kollektorgebiet 22 und dem Substratgebiet 29 erstreckt.

^O Der Bipolartransistor enthält

weiter eine an die Hauptoberfläche 21 grenzende Emitterzone 33 vom ersten Leitungstype, die im Halbleiterkörper 20 durch eine bis zu der Hauptoberfläche 21 reichende Basiszone 3^ vom zweiten Leitungstyp von dem Kollektorgebiet 22 getrennt ist. Die η-leitende Emitterzone 33 bildet mit der pleitenden Basiszone 3h einen ersten pn-Ubergang 35 mit einer ersten Diodendurchlass spannung V-n^ und die p-leitende Basiezone 3h bildet mit dem η-leitenden Kollektorgebiet 22 einen zweiten pn-Ubergang 36.

Auf der Hauptoberflä ehe 21 ist eine elektrisch isolierende Schicht 37 vorhanden, die in der Draufsicht nach Fig. 2 annahmeweise durchsichtig ist. Die Schicht 37 besteht z.B. aus einem Isoliermaterial, wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder einer Kombination dieser Materialien. Eine erste öffnung 38. in der Isolierschicht 37 liegt über der Emitterzone 33. Eine zweite öffnung 39 liegt neben der Emitterzone 33 über der Basiszone 3^· Ausserdem sind neben der Basiszone Jh über dem Kollek-

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torgebiet 22 mehrere dritte öffnungen kO vorhanden. In Fig. 2 sind die dargestellten öffnungen in der Isolierschicht 37 mit einem Kreuzchen versehen.

Die Isolierschicht 37 trennt Leiterbahnen 11, 12, 13, 1k, 15 und kl von dem HalbleiterkSrper 20, die für elektrischen Anschluss bis in die ersten, zweiten und dritten öffnungen 38, 39 bzw. 4o reichen. In Fig. 2 sind der Deutlichkeit halber alle Leiterbahnen fortgelassen.

.J0 Die Leiterbahnen 12, 13, ~\k und

15» die bis in die dritten öffnungen kO reichen, sind über je einen gleichrichtenden Übergang 16, der an das Kollektorgebiet 22 grenzt, mit diesem Kollektorgebiet gekoppelt·» In diesem Beispiel sind die gleichrichtenden Übergänge 16 Metall-Halbleiter- oder Schottky-Ubergänge. Es handelt sich um Platinelsilizidkontakte, wie sie z.B. in der US-PS 3·855·612 beschrieben sind. Die gleichrichtenden Übergänge 16 weisen eine Diodendurchlassspannung V^₁ auf. Für die Wirkung der Schaltung ist es erforderlich, dass Übergänge 16 mit einer Diodendurchlassspannung V^₁ verwendet werden, die kleiner als die Diodendurchlassspannung V__E des Emitter-Basis-pn-Ubergangs 35 des Transistors ist.

Nach der Erfindung weist der niederohmige Teil 32 des Kollektorgebiets 22 in einer zu der Hauptoberfläche 21 praktisch parallelen Richtung einen beschränkten Umfang auf, wobei sich dieser Teil 32 einerseits unter der Emitterzone 33 und unter den gleichrichtenden Übergängen 16 erstreckt und andererseits unter der Basiszone 3k und der über dieser Zone liegenden zweiten öffnung 39 ein Gebiet freilässt, in dem der hochohmige Teil 31 des Kollektorgebietes unmittelbar unter Bildung eines dritten pii-Ubergangs kZ an das Substratgebiet 29 grenzt. Die zwischen dem zweiten und dem dritten pn-Ubergang 36 bzw. kZ gemessene Dicke des hochohmigen Teiles 31 des Kollektorgebietes 22 ist vorzugsweise kleiner als 5/um. Dadurch ist in der npn-Transistorstruktur auf zweckmässige Weise und praktisch ohne dass für den Transistor eine grössere Halbleiteroberfläche erforderlich ist, ein verti-

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kaier komplementärer Hilfstransistor eingebaut, dessen Emitter durch die Basiszone 3^» dessen Basis durch, den liochohmigen Teil 31 des Kollektorgebietes 22 zwischen den beiden pn-Ubergäiigen 36 und hZ und dessen Kollektor S durch das Sübstratgebiet 29 gebildet wird.

Durch zusätzliche Massnahmen, in

diesem Beispiel dadurch, dass die vergrabene Schicht 32 mit einem geringeren Umfang als üblich ausgeführt ist, wodurch unter dem Basiskontakt das Substratgebiet bis in verhält-

*° nismässig geringe Entfernung von dem Basis-Kollektor-Ubergang 36 reicht, wirkt der betreffende Teil des Substratgebietes auf zweckmässige ¥eise als Kollektor des komplementären Hilfstransistors mit dem angrenzenden hochohmigen Teil 31 und der Basiszone 3k zusammen. Dadurch fliesst,

1§ wenn der Invertertränsistor übersteuert ist (wie nachstehend noch auseinandergesetzt werden wird), ein erheblicher Teil des in der Basiszone 3k fliessenden Stromes durch den Hilfstransistor und wird die Speicherung beweglicher Ladungsträger in dem übersteuerten Invertertransistor wesentlich beschränkt.

In Fig. 2 sind auch Oberflächengebiete 23 bis 27 dargestellt, die identische, wenigstens ähnliche Schaltungselemente enthalten. Diese Gebiete dienen also, je als Kollektorgebiet eines Planar-npn-Translstors mit einer Anzahl von Signalausgangsbalinen, die über eine Diode mit dem betreffenden Kollektorgebiet gekoppelt sind. Die Anzahl von Dioden kann von Transistor zu Transistor zwischen 1 und z.B. k oder 5 variieren und wird von der von der integrierten Schaltung zu erzeugenden logischen

^ Funktion abhängig sein.

Die Kollektorgebiete oder Inseln

22 bis 27 sind zu beiden Seiten eines langgestreckten Oberflächengebietes 28 angeordnet, aus dem die Signaleingänge 11 Strom empfangen. In diesem Gebiet 28 sind eine

^ Anzahl lateraler pnp-Transistoren angebracht, die eine gemeinsame p-leitende Emitterzone k3 aufweisen. Das Gebiet 28 dient als eine gemeinsame n-3citende Basiszone. Die pnp-Transistoren enthalten je eine gesonderte p-leitende KoI-

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lektorzone 44, die über eine öffnung 45 in der Isolierschicht 37 mit einem Signaleingang 11 verbuirbn ist. Die gemeinsame Emitterzone 43 ist über eine öffnung 46 mit einer Leiterbahn 47 verbunden, die mit einem schematisch dargestellten An-Schluss 48 für eine Speisequelle versehen ist.

Die gemeinsame Basiszone 28 enthält einen hochohmigen Teil 49 und einen niederohmigen Teil 50 in Form einer vergrabenen Schicht. Weiter ist in der Basiszone 28 ein niederohmiges η-leitendes Oberflächengebiet 51 vorhanden, das z.B. zugleich mit der Emitterzone angebracht sein kann und das die gesonderten Kollfctorzone 44 wenigstens teilweise gegeneinander abschirmt. Das Gebiet 51 bildet auf entsprechende Weise auch eine Abschirmung zwischen den Emitter- und Kollektorzonen einerseits und den Isolierzonen 30 andererseits. Die vergrabene

' Schicht 50 und das Oberflächengebiet 51 dienen zur Herabsetzung des Basisreihenwiderstandes und zur Unterdrückung parasitärer Transistorwirkung zu dem Substrat und/oder den Isolierzonen und zwischen den Kollektorzonen untereinander.

Uher. dem Obdrflächengetoiet 51 befinden sich öffnungen 52, 59 in der Isolierschicht 37, durch die die gemeinsame Basiszone 28 mit Leiterbahnen 53 verbunden ist.

Die integrierte Schaltung ist mit einer Metallisierung ausgeführt, die über mehrere Schichten verteilt ist und ohne deren Anwendung sich komplexe LSI-Schaltungen jetzt praktisch nicht realisieren lassen. Dazu besteht die Isolierschicht 37 aus einer ersten oder unteren Schicht 55 mit den öffnungen 38, 39, 40, 45, 46 und 52 und einer zweiten oder oberen Schicht 5^> · Auf der unteren Schicht 55 befindet sich ein erstes Niveau von Leiterbahnen, das u.a. die Leiterbahnen 11 bis 15 und 47 enthält. Die Leiterbahnen 41 und 53 bestehen aus zwei Teilen, von denen ein erster Teil 57 bzw. 63 auf dem ersten Niveau liegt und bis in die öffnungen 38 bzw. 52 reicht und ein zweiter Teil 58 bzw. 64 auf einem zweiten Niveau liegt, das durch die obere Schicht 5^ von dem ersten Niveau getrennt ist, und über öffnungen 59 mit dem ersten Teil 57 bzw. 63 in direkter Verbindung steht.

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tr Die erste Teile 64 der Leiterbahnen 53 sind z.B. kommförmig, wobei sich die Basis des Kammes praktisch parallel zu der Emitterzone 43 und der Leiterbahn 47 erstreckt und Ansätze oder Zähne des Kammes

e von der Basis des Kammes bis in die öffnungen 59 in der Isolierschicht 37 reichen. Die ersten Teile 64 können mit einem schematisch angegebenen Anschluss 54 für die Leiterbahnen 53 verbunden sein.

Die Leiterbahnen 11 bis 15, 47

J₀ und 57 des ersten Niveaus können z.B. aus Aluminium oder aus einem anderen geeigneten leitenden Material bestehen. Erwünschtenfalls kann zur Vermeidung direkten Kontakts zwischen dem Aluminium und dem in den öffnungen in der Isolierschicht gebildeten Platinelsilizid eine Sperr-

J₅ schicht verwendet werden. Als Sperrschicht kann z.B.

Titan-Platin oder Titan-Wolfram oder Rhodium verwendet werden.

De Leiterbahnen 58 tind 64 des zweiten Niveaus bestehen z.B. aus Aluminium oder Tltan-

2a Platin-Gold.

Vorzugsweise ist in allen öffnungen 38, 39, 4θ, 45, h6 und 52 in der ersten Isolierschicht 37 und namentlich in den ersten, zweiten und dritten öffnungen 38, 39 bzw. 4θ dasselbe Material in direktem Kontakt mit dem Halbleiterkörper. 3Em vorliegenden Beispiel ist dieses Material das genannte Platinelsilizid, das in den öffnungen 4θ eine Schottky-Diode bildet und das in den anderen öffnungen einen gut leitenden Übergang zwischen den Leiterbahnen und den in diesen öffnungen daran grenzenden Halbleitergebieten bildet.

Die mit der Emitterzone 33 verbundene Leiterbahn 41 ist mit einem schematisch, angegebenen Anschluss 60 versehen und das Substratgebiet 29 weist einen Anschluss 6\ auf, der mit dem Anschluss 60 zu einem gemeinsamen Anschluss 62 für eine Speisequelle zusammengebaut sein kann.

Der Anschluss 6Z kann mit einem geeigneten Bezugspotential, z.B. Erde, verbunden werden.

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Zwischen den Anschlüssen (Q. und 48 wird eine geeignete Stromoder Spannungsspeisequelle eingeschaltet. Der Anschluss 5^· wird mit einem geeigneten Bezugspotential verbunden, wobei die pnp-Transistoren leitend sind. Weiter ist die integrier-

S te Schaltung mit einem oder mehreren nicht dargestellten Signaleingängen, über die einer oder mehreren Leiterbahnen Tl Eingangssignale zugeführt werden können, und mit einem oder mehreren nicht dargestellten Signalausgängen versehen, über die von der integrierten Schaltung erzeugte Ausgangssignale entnommen werden können. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass das zweite Niveau von Leiterbahnen erwünschtenfalls völlig oder teilweise mit einer weiteren Isolierschicht abgedeckt werden kann.

Die beschriebene Ausführungsform weist eine Kombination von Eigenschaften auf, die für LSI-Schaltungen besonders geeignet ist. Zunächst ist der für diese integrierte Schaltung benötigte Herstellungsvorgang erheblich einfacher als für die beschriebene bekannte Schaltung. Die integrierte Schaltung nach der Erfindung kann durch denselben bekannten Vorgang hergestellt werden,

2
durch den z.B. auch LS TTL und I L hergestellt werden können. Im Gegensatz zu der beschriebenen bekannten Schal-

tung sind LS TTL und I L beide käuflich erhältliche Erzeugnisse. Ein Vergleich der integrierten Schaltung nach der Erfindung mit diesen beiden käuflich erhältlichen Erzeugnissen liefert ein gutes Bild der besonderen Eignung und der Anwendbarkeit der vorgeschlagenen neuen LSI-Logik. Bei einem derartigen Vergleich ist dann nicht nur von Bedeutung, dass die zu vergleichenden Erzeugnisse durch den gleichen oder nahezu den gleichen Vorgang hergestellt werden, sondern auch, dass vergleichbare Entwurfregeln für die Topoigie oder das Layout eingehalten werden. Die nachstehenden Ergebnisse basieren auf einem Vergleich, bei dem für alle drei Erzeugnisse davon ausgegangen wird, dass das kleinste in den Masken zu bildende Detail mindestens eine Länge von 5/um aufweisen muss. Weiter ist für die inte-■ grierte Schaltung nach der Erfindung eine η-leitende epitaktische Schicht mit einer Dicke von etwa 3 /tan und einem

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spezifischen Widerstand von etwa 0,7JX «cm angewendet. Wie erwähnt, waren die Schottky-Kopplungsdioden von einem auch in LS TTL üblichen Typ mit einem Platinelsilizidübergang. Die Diodendurchlassspannung dieser Dioden war etwa 0,48 V. Bekanntlich ist die übliche I L verhältnismässig langsam im Vergleich zu LS TTL. Während

2 die minimale Verzögerungszeit eines I L-Inverters mit einem einzigen Ausgang etwa 10 bis 20 Nanosekunden beträgt, liegt für LS TTL die minimale Verzögerungszeit in der Nä-

W he von etwa 5 bis 7 Nanosekunden. Die hier gegebenen

2
Schaltzeiten werden in I L-bzw. LS TTL Schaltungen mit .

einer epitaktischen Schicht mit einer Dicke von etwa 3/um erzielt. Der spezifische Widerstand der epifcaktischen

2
Schicht beträgt für I L-Schaltungen d;wa 0,7 -Π- .cm, während

*⁵ für LS TTL-Schaltung en von einem Wert von etwa 0,3 SL *^cra ausgegangen ist.

Es ist nun sehr überraschend,

dass die minimale Verzögerungszeit für die Schaltung nach der Erfindung etwa 3 bis 3>5 Nanosekunden beträgt. Diese

* minimale Verzögerungszeit wux-de bei einem Strompegel von etwa hOO /uA gemessen. Dabei war die Emitter-Basis-Diodendurchlass spannung etwa 700 mV und die Kollektor-Emitter-Spannung V_, " des leitenden Invertertransistors etwa 6θ mV.

KjEj

Der Hub des logischen Signals war etwa 220 mV.

Trotz der Tatsache, dass in LS TTL der Invertertransistor mit Hilfe einer Schottky-Anklammerungsdiode ausser Sättigung gehalten wird, und der Invertertransistor in der Schaltung nach der Erfindung wohl in Sättigung gerät, weist die letztere Schaltung

** dennoch eine etwa zweimal kürzere Verzögerungszeit auf.

Der vergleichbare I L-Inverter, der auch in Sättigung gerät, weist dagegen eine drei- bis sechsmal längere Verzögerungszeit auf. Offenbar iäb die Beschränkung des Umfangs der vergrabenen Schicht, wie angegeben ist, eine unerwar^w tet wirksame Massnahme, wobei einerseits der innere Reihenwiderstand im Kollektorgebiet nicht odfer nahezu nicht vergrössert wird, während andererseits ein besonders wirksamer komplementärer Hilfstransistor erhalten wird, der

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die Folgen der Steuerung des Invertertransistors in den Sättigungszustand drastisch beschränkt und der das Ausmas^ in dem der Invertertransistor in den Sättigungszustand gesteuert wird, genau regelt.

Eine andere für Vergleich vielfach angewandte Grosse ist das Produkt der Verzögerungszeit f und der Verlustleistung D. Für LS TTL beträgt

2 dieser fD-Produkt etwa 19 PJ» für I L und die Schaltung nach der Erfindung liegt das *£* D-Produkt in nahezu der gledchen Grössenordnung, und zwar 0,5 bis 2 pJ. Die integrierte Schaltung nach der Erfindung hält auch diesen Vergleich also glanzreich aus.

Eine dritte Grosse, die für LSI-

Schaltungen besonders wichtig ist, ist die Packungsdichte oder die Anzahl von Gatterschaltungen, die durchschnittlich pro Quadratmillimeter Halbleiteroberfläche verwirliht

2 werden kann. In dieser Hinsicht ist, wie bekannt, I L mit einer Packungsdichte von 200 bis 25 Gattern/mm² LS TTL deutlich überlegen, die eine Packungsdichte von 15 bis 20 Gattern /mm² aufweist. Die Packungsdichte der integrierten Schaltung nach der Erfindung ist 120 bis 18 Gatter/mm². Dies ist also um einen Faktor von etwa 6 günstiger als für LS TTL und um weniger als einen Faktor 2 schlechter als für I²L.

^ Die vorliegende Erfindung schafft

somit eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu LS TTL und ist namentlich für Anwendungen, bei denen eine für

2
übliche I L zu hohe Schaltgeschwindigkeit erforderlich ist,

2 deutlich konkurrierend in bezug auf I L. Sehaltgeschwin-

Ort ^

digkeiten von einigen NanoSekunden können in I L praktisch nur erzielt werden, wenn dielektrische Isolierung verwendet wird. Der zugehörige Herstellungsvorgang ist aber verwickelter als der übliche Herstellungsvorgang, wodurch leicht ein verhältnismässig hoher Selbstkostenpreis erhalten wird. Weiter können aus entsprechenden Gründen wie bei I L auch bei der integrierten Schaltung nach der Erfindung die Schaltgeschwindigkeiten durch Anwendung dielektrischer Isolierung verringert werden.

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Im zweiten Ausftihrungsbeispiel,

das art Hand der Figuren 5 und 6 beschrieben werden wird, sind noch eine Anzahl weiterer Massnahmen zur Verbesserung der integrierten Schaltung angewandt. In diesem Beispiel sind für entsprechende Teile namentlich für den Invertertransistor und die Kopplungsdioden die gleichen Bezugszifforn wie im ersten Beispiel verwendet.

In der Draufsicht nach Fig. 5 sind die Leiterbahnen auf dem ersten Niveau zum Teil wohl dargestellt. Es handelt sich u.a. um die Leiter 11, 12 und 57» Der Deutlichkeit halber sind die dargestellten Leiterbahnen schraffiert.

Eine erste Massnahme zur Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit ist, dass der nicht aktive Teil der Basiszone 3k vergrössert ist und deutlich grosser ist als für das Anbringen eines Basiskontakts notwendig ist, während die vergrabene Schicht 32 in der Ausdehnung doch auf das Gebiet unter der Emitterzone 33 und dem aktiven Teil der Basiszone 3^ beschränkt ist.

In diesem Zusammenhang ist untei· dem aktiven Teil der Basiszone 3k derjenige Teil zu verstehen, der erforderlich ist, um darin eine Emitterzone bilden zu können. Diesem aktiven Teil schliesst sich ein nicht aktiver Teil der Basiszone 3k an, der für elektri·«- sehen Anschluss der Leiterbahn 11 erforderlich ist.

Wenn in den vorliegenden Beispielen von einer Emitterzone 33 von z.B. 12/um χ 12/Um mit einer zugehörigen Kontaktöffnung 38 von etwa 6 /um χ 6 ,xaa ausgegangen und eine Mindestgrösse von 3/um für den Abstand an der Halbleiteroberfläche zwischen dem Emitter-Basis-Ubergang 35 und dem Basis-KoUektoo?—Übergang 36 eingeha.lten wird, ist der aktive für die Emitterzone erforderlidie Teil der Basiszone 18 /um χ 18/Um. Neben der Emitterzone ist aber mindestens eine Kontaktöffnung zur Kontaktierung der Basis erforderlich. Diese Kontaktöffnung 39 ist z.B. 5/um χ 10/um. Venn ausserdem ein Mindestabstand von etwa 6 /um zwischen den Leitern 57 und 11, die bis in die öffnungen 38 und 39 reichen, berücksichtigt wird, wird die Basiszone 3^ insgesamt eine Grosse von 18/um χ 32/um aufweisen.

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Der nicht aktive für Kontaktierung bestimmte Teil der Basie zone 3h ist also mindestens 18 /um χ 14/um. Bei den gegebenen Abmessungen weist der nicht aktive Teil eine mehr als 20 $ kleinere Oberfläche als der aktive Teil auf.

Im vorliegenden zweiten Beispiel ist eine Basiszone 3^ von 37 /im χ 18 /um mit darin derselben Emitterznne von 12 /um χ 12/um angewendet. Der aktive Teil weist somit auch in diesem Falle eine Oberfläche von 18 /um χ 18 /um auf. Der nicht aktive Teil weist in diesem Falle Abmessungen von 18 ,van χ 19/um auf. In diesem zweiten Beispiel ist der nicht aktive Teil also etwa 35 $ grosser in Oberfläche als im ersten Beispiel. Ausserdem weist in diesem zweiten Beispiel der nicht aktive Teil sogar eine grössere Oberfläche als der aktive Teil auf. Vorzugsweise ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der nicht aktive Teil der Basiszone 3^» der den Emitter des vertikalen komplementären Hilfstransistors enthält, mindestens gleich gross wie der aktive Teil.

Im zweiten Beispiel wird die grössere Basiszone 3^ dazu benutzt, die Kontaktöffnung 39 zu vergrössern. Statt einer öffnung von 5/um χ 10,um ist in diesem Falle eine öffnung 39 von 10/um χ 10 /um verwendet. Die öffnung 39 ist hier somit zweimal breiter als minimal erforderlich ist. An sich ist diese Verbreiterung der öffnung 39 für die gute Wirkung der integrierten Schaltung nicht notwendig. Unabhängig von der tatsächlich vorhandenen öffnung 39 wird die Erweiterung der Basiszone 3h, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, vorzugsweise derartig sein, dass der nicht aktive Teil der Basiszone 3h so gross ist, dass genügend Raum zur Verfügung steht, um eine Kontaktöffnung 39 benutzen zu können, deren Breite grosser als die Kleinstabmessung der öffnungen 40 für die Kopplungsdioden ist. Vorzugsweise ist der verfügbare Raum genügend gross für eine Kontaktöffnung mit einer Breite, die mindestens gleich dem Zweifachen der Kleinstabmessung der öffnungen 40 ist. In den beiden Ausführungsbeispielen weisen die öffnungen*«} Abmessungen von 5/um χ 22/um auf.

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Der Vollständigkeit halber sei

bemerkt, dass sich die obenerwähnten Abmessungen der Einfachheit halber auf die Masken beziehen, die für die unterschiedlichen photolithographischen Behandlungen bei der Herstellung erforderlich sind. In den integrierten Schältungen selber sind bekanntlich die wirlichen Abmessungen etwas abweichend, u.a. weil bei Belichtung und Entwicklung des photoempfindlichen Lackes keine wirlich exakte Abbildung der Masken erhalten wird, da bei Ätzbehandlungen oft

W Unterätzung stattfindet und da bei Diffusion von Verunreinigungen auch laterale, seitliche Diffusion auftritt.

Durch die angegebene Vergrösse-

rung der Basiszone 3^ erhalteidie einander gegenüber liegenden Teile der pn-Übergänge 36 und k2 auch eine grössere Oberfläche. Tatsächlich ist also der eingebaute vertikale pnp-Hilfstransistor vergrössert, wodurch überschüssiger Basisstrom des leitenden Invertertransistors zweckmässiger und bei einer niedrigeren Spannung über dem pn-tTbergang 36 abgeführt werden kann. Der leitende Invertertransistor wird in geringerem Masse übersteuert und die Ladungsspeicherung im Kollektorgebiet 22 wird dementsprechend herabgesetzt.

Xm Obenstehenden ist von einem

Invertertransistor mit einer einzigen Emitterzone 33 und einer einzigen Basiskontaktöffnung 38 ausgegangen. U.a.

²^ in Abhängigkeit von dem gewünschten Strompegel können auch z.B. zwei leitend miteinander verbundene Emitterzonen verwendet werden. Auch können mehrere Basiskontaktöffnungen, z.B. zwei Kontaktöffnungen auf einander gegenüberliegenden Seiten einer einzigen Emitterzone, vorhanden sein. Bei

* Anwendung mehrerer Basiskontaktöffnungen braucht nicht notwendigerweise unter jedem der Basiskontakte ein Hilfstransistor eingebaut zu sein. Vorzugsweise ist das Kollektorgebiet 22 des Invertertransistors praktisch rechteckig und liegen die öffnungen 38, 39 und kO in der Isolierschicht in

•^ einer gleichen Richtung nebeneinander, wobei die öffnung(en) 39 und die« zugehörige(n) Emitterzone(n) 33 zwischen den öffnung(en) ^O für die Kopplüngsdioden einerseits und der öffnung oder mindestens einer der Offnungen 38 für den

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ORiGlNAL INSPECTED

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Basiskontakt andererseits liegt (liegen). Der gewünschte eingebaute vertikale Hilfstransistor ist z.B. unter der zuletzt genannten äasseren Kontaktöffnung 39 vorhanden. Die "vergrabene Schicht 32 erstreckt sich vorzugsweise ununterbrechen von unter der Emitterzone 33 bis unter die Kopplungs diode Ί6.

Eine weitere Massnahme zur Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit ist, dass ein verbesserter lateraler Hilfstransistor durch Hinzufügung einer weiteren Oberflächenzone 71 eingebaut ist, die während der Herstellung zugleich mit der Basiszone 3k gebildet werden kann· Die Zone 71 weist den gleichen Leitungstyp wie die Basiszone 3k und wie die Isolierzone 30 auf und fällt an der Halbleiteroberfläche teilweise mit der Isolierzone 30 zusammen. Die Zonen 71 und 30 überlappen sich. Es ist von " Bedeutung, dass die Basiszone 3k und die Isolierzone 30 durch verschiedene Diffusionsbearbeitungen erhalten werden, wodurch ihr gegenseitiger Abstand an der Halbleiteroberfläche verhältnisinässig gross sein muss. Die Basiszone 3^ und die Zone 71 werden dagegen durch dieselbe Diffusionsbearbeitung gleichzeitig erhalten, so dass ihr gegenseitiger Abstand verhältnismässig klein sein kann. Sie weisen praktisch die gleiche Eindringtiefe in den Halbleiterkörper und in einer Richtung quer zu der Hauptoberfläche praktisch den gleichen Dotierungskonzentrationsverlauf auf. Ein üblicher Abstand zwischen der Basiszone 3k und der Isolierzone 30 ist z.B. etwa 10 /um. Der Abstand zwischen der Basiszone 3k und der weiteren Oberflächenzone 71 braucht nicht mehr als 5/um zu betragen. Die Zonen 3k und 71 bil-

den den Emitter und den Kollektor eines effektiven Hilfstransistors, dessen Basisdicke 5/um oder weniger ist. Auch dieser Hilfstransistor führt, wenn der Invertertransis-"tor~leitend ist, Strom ab, wodurch der Invertertransistör in geringerem Masse Übersteuert wird.

Wie erwähnt, ist die Basisdicke des lateralen Hilfstransistors vorzugsweise höchstens 5 /um. Im vorliegenden Beispiel gelten die angegebenen Abstände von 10 und 5 ,um für die bei der Herstellung zu verwendenden

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" "*"' " öRiGiNÄL Inspected

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Masken und sind die entsprechenden Abmessungen in der integrierten Schaltung vor allem durch das Auftreten seitlicher Diffusion kleiner. Der Abstand zwischen der Basiszone 3k und der Isolierzone 30 beträgt durchschnittlich etwa 7/vaa.

Die Basisdicke des lateralen Hilfstransistors ist tatsächlich etwa 3/um.

In dieser Ausführungsform mit

einem lateralen komplementären Hilfstransistor bildet die zusätzliche Oberflächenzone 71 das Gebiet vom zweiten Leitungstyp, das auf zweckmässige Weise als Kollektor des Hilfstransistors dient.

Die weitere Oberflächenzone 71

kann eine geschlossene Geometrie aufweisen und als ein Ring die Basiszone 3^ umgeben, wobei sie zwischen der Basisone 3k einerseits und den Kopplungsdioden 16 andererseits verläuft. Vorzugsweise ist die weitere Zone 71 aber auf der Seite der Kopplungsdioden 16 offen und umgibt sie die Basiszone 3^ nur an dem den Kopplungsdioden nicht zugekehrten Teil des Basiszonenrandes. Im vorliegenden Beispiel ist die Zone 71 daher U-förmig.

Der Anwendung einer Zone 71 mit

einer nichtgeschlossenen Geometrie liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine derartige Zone auf der den Kopplungsdioden 16 zugekehrten Seite der Basiszone 3k praktisch

²^ überflüssig ist. Namentlich wenn die Kopplungsdioden Schottky-Dioden sind, ist die Lebensdauer für die Minoritätsladungsträger im Kollektorgebiet 22 an den gleichrichtenden Übergängen 16 sehr kurz. Vor allem die erste der Basiszone 3k am nächaben liegende Kopplungsdiode wird Minoritätsladungsträger aus dem Kollektorgebiet absaugen und erfüllt damit praktisch die gleiche Funktion wie die Zone 71· Dadurch wird aber durch die erste Kopplungsdiode ein etwas grösserer Strom als durch die übrigen weiter entfernten Kopplungsdioden fliessen. Dieser Unterschied in Stromgrösse ist jedoch derart gering, dass dadurch die gute elektrische Wirkung der Schaltung gar nicht beeinträchigt wird. Die Invertertransistoren weisen eine reichlich genügende Verstärkung auf, um diese Stromunterschiede auffangen

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. gankönnen«

Die für die weitere Oberflächenzone 71 gewühlte Form weist den wichtigen Vorteil auf, dass kein zusätzlicher Raum an der Halbleiteroberfläche benötigt wird. Eine geschlossene Form oder ein geschlossener Ring, die oder der das ganze Kollektorgebiet umgibt, würde den für die Kopplungsdioden verfügbaren Raum beschränken. Eine geschlossene Form oder ein geschlossener Ring, die oder der die Basiszone 3k umgibt und zwischen der Basiszone 3h und der ersten Kopplungsdiode 6 verläuft, würde einen grösseren Abstand zwischen dieser Basiszone 3^ und der ersten Kopplungsdiode 16 notwendig machen.

Eine andere Massnahme, durch die die Schaltgeschwindigkeit vergrÖssert werden kann, ist der Ersatz des für die Stromzufuhr verwendeten lateralen pnp-Transiefors 43» 28, kk aus dem ersten Beispiel durch einen Widerstand in Kombination mit einer möglichst niedrigen Speisespannung von 1 V oder weniger. Vorzugsweise ist die Speisespannung höchstens gleich der Summe der Diodendurchlassspannung V₀-,, des Invertertransistors und des Hubes des

JjJB/

logischen Signals, oder mit anderen Worten, höchstens gleich annähernd 2V_,_ - V,.., wobei V₁..., die Diodendurchlassspannung

IdHi JJ I UI

der Kopplungsdioden ist.

Auch die letztere Massnahme ist im zweiten Beispiel angewandt. Die Kollektorgebiete 22 bis 26 der.Invertertransistoren sind auf den gegenüberliegenden Seiten eines gemeinsamen Oberflächengebietes oder inselförmigen Gebietes 72 "angeordnet. Diese Insel 72 enthält eine Anzahl von Widerständen 73» die mit je einem Signaleingangsleiter 11 verbunden sind. Veiter sind die Widerstände 73 mit Anschlüsskontakten in Form einer leitenden Schicht ¹Jh versehen, die, gleich wie die mit der Emitterzone 33 verbundenen leitenden Schichten 57» ^zu dem ersten Niveau von Leiterbahnen gehören. Die leitenden Schichten lh dienen zum

'* Anschluss an eine in Fig. 5 nicht dargestellte, in der Zeichnungsebene der Fig. 5 waagerecht verlaufende praktisch in der Mitte über den Widerständen 73 liegende Speiseleitung 75» Diese waagerechte Speiseleitung 75 gehört

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zu den Leiterbahnen des zweiten Niveaus und weist Ansätze auf, die in der Ebene der Fig. 5 abwechselnd nach, oben und nach unten gerichtet sind und die mit den Schichten "7h über eine öffnung in der Isolierschicht 56, die die Leiterbahnen verschiedener Niveaus voneinander trennt, verbunden sind.

Auch die zweite Speiseleitung 58

gehört zu den Leiterbahnen des zweiten Niveaus und ist in der Zeichnung der Fig. 5 nicht dargestellt. Die Speiseleitung 58 erstreckt sich praktisch parallel zu der Speiseleitung 75 und liegt über der Emitterzone 33·

Schliessiich zeigt Fig. 5 einige

Signaleingangsleiter 11 und Signalausgangsleiter 12, die zu dem ersten Niveau von Leiterbahnen gehören. Sofern Signale anderer weiter entfernter Teile der integrierten Schaltung

.J5 den dargestellten Invertertransistoren zugeführt werden müssen, sind in einer zu den Speiseleitungen parallelen Richtung mindestens zwei Lagen verfügbar, die zwischen den elektrischen Anschlüssen der Widerstände 73 liegen. Obendrein kann manchmal eine Lage zwischen den Widerständen und den Invertertransistoren, wie unten in Fig. 5 angegeben ist, verwendet werden. Ferner können mit Hilfe des zweiten Niveaus von Leiterbahnen auch sich kreuzende Signalleiter gebildet werden.

Die Widerstände 73 weisen eine

2s für integrierte Schaltungen übliche Struktur auf. Es sind p-leitende Zonen, die zugleich mit den Basiszonen 3h erzeugt werden können. Diese Zonen 73 liegen in den gemeinsamen Insel 72 über einer zu der Insel 72 gehörigen vergrabenen Schicht 76. An dem mit der Speiseleitung 75 verbundenen Ende der Widerstände 73 ist zugleich mit den Emitterzonen 33 eine höher dotierte η-leitende Oberflächenzone 77 angebracht. Der an der Grenze der Zonen 73 und 77 gebildete pn-Ubergang 78 ist durch die darauf liegende leitende Schicht "Jh kurzgeschlossen. Über die Oberflächen-Zonen 77 ist die Speiseleitung 75 direkt mit der gemeinsamen Insel 72 verbunden.

Übrigens dürfte es einleuchten, dass nicht alle Widerstände auf einer Seite mit der gemein-

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samen Insel 72 über eine angrenzende Oberflächenzone 77 und einen kurzgeschlossenen pn-Ubergang 78 verbunden zu sein brauchen. Meistens ist z.B. auch eine einzige Verbindung zwischen der Speiseleitung 75 und der gemeinsamen Insel 72 an sich bereits genügend. Über die Verbindung mit der Speiseleitung brauchen nur die Leckströme der verschiedenen pn-Übergänge abgeführt zu werden, so dass der Strom durch diese Verbindung verhältnismässig klein ist.

Der Flächenwiderstand der Zonen 73 beträgt z.B. etwa 200 XL . Die Widerstände weisen z.B. je einen Wert von etwa 800 IL auf.

Die Speiseleitung 75 ist mit

einem Anschluss 48 und die Speiseleitung 58 ist, wie das Substratgebiet 29» mit dem Anschluss 62 verbunden. Zwischen den Anschlüssen 48 und 62 kann eine Speisespannung von z.B. etwa 920 mV angeboten werden. Diese Speisung ist in Fig. 6 schematisch durch die Spannungsquelle 79 dargestellt.

Die gew2L--l1.lte Speisespannung ist

^ gleich der Summe der Diodendurchlassspannung V_x,,., des Invertertransistors und des logischen Hubes. Der logische Hub ist gleich der Spannung V™ abzüglich der Diodendurchlassspannung Vp... und der Kollektor-Emitter-Spannung V«,, des leitenden Invertertransistors..

Beim Betrieb ist der Ausgang · einer ersten Gatterschaltung mit einem leitenden Invertertransistor an den Eingang einer zweiten Gatterschaltung angeschlossen, deren Invertertransistor dann nichtleitend ist. Über dem zu der ersten Gatterschaltung gehörigen

. Widerstand wird ein Spannungsabfall auftreten, der gleich dem logischen Hub ist. Das Eingangssignal ist ja hoch und gleich der Basis-Emitter-Durchlassspannung V_BE.Uber dem zu der zweiten Gatterschaltung gehörigen Widerstand wird ein Spannungsabfall auftreten, der zweimal grosser als der logische Hub ist. Hier ist das Eingangssignal niedrig und etwa gleich der Summe der Diodendurchlassspannung V₀₁ und der Spannung V„_ des leitenden Transistors. Der durch den

Kj Of

zweiten Widerstand fliessende Strom, der über den Kollek-

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tor des leitenden Transistors abgeführt wird, ist also etwa zweimal grosser als der durch den ersten ¥iderstand fliessende Strom, der als Basisstrom dem leitenden Transistor zugeführt wird. Der leitende Transistor ist somit deutlieh weniger übersteuert als bei einer idealeren Stromquellenspeisung der Fall gewesen wäre. Im letzteren Falle wären die Basis- und Kollektorströme praktisch gleich gross gewesen, während im vorliegenden Beispiel infolge der niedrigen Speisespannung in Vereinigung mit den Widerständen 73 ein Unterschied gleich einem Fäior Z auftritt. Die Ladungsspeicherung im Invertertransistör ist damit entsprechend herabgesetzt.

Auch bei Anwendung einer höheren Speisespannung kann es vorteilhaft sein, die Ströme

^⁵ über Widerständen den Basen der Invertertransistoren zuzuführen. Der Widerstandswert der Widerstände muss dann grosser sein. !Nötigenfalls können die Widerstände auf an sich bekannte Weise mit Hilfe von Ionenimplantation hergestellt werden. In diesem Falle können einfach Widerstandszonen

²^ mit einem Flächenwiderstand von z.B. etwa 2 kil erhalten werden. Auch können die Widerstände statt in dem Halbleiterkörper auf dem Körper angebracht werden, z.B. mit einer durch Niederschlagen oder auf andere Weise erhaltenen Schicht aus Widerstandsmaterial, wie Titan, Tantal oder

^ polykristallinem Halbleitermaterial.

In den beschriebenen Beispielen

wird über den vertikalen und/oder den horizontalen komplementä.-xen Hilfstransistor Strom zu dem Anschluss 61 abgeführt. Dieser elektrische Anschluss 61 bildet den Anschluss des Kollektors des Hilfstransistors. Zur Herabsetzung des Reihenwiderstandes kann es in diesem Zusammenhang günstig sein, das Substrat 29 nicht oder nicht nur auf der Unterseite anzuschliessen, sondern auf der Oberseite des Halbleiterkörpers die tiefen p-leitenden Zonen

30 an vorzugsweise inregelmässigen Abständen voneinander liegenden Stellen mit einer Leiterbahn und z.B. mit der Speiseleitung 58 zu verbinden. Wenn die Isolierzonen über ihre ganze Tiefe oder über einen Teil ihrer Tiefe aus

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ORIQINAt IMSFEGTES

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isoliermaterial bestehen, empfiehlt es sich, an regelmässig angeordneten Stellen zwischen oder neben den Gatterschaltungen tiefe von der Halbleiteroberfläche bis zu dem Substratgebiet reichende Halbleiterzonen anzubringen, die an der Halbleiteroberfläche mit einer Leiterbahn verbunden sind und die auf diese Weise für die gewünschte Stromableitung sorgen können.

. Die beschriebenen integrierten logischen Schaltungen können völlig auf übliche Weise mit Hilfe in der Halbleitertechnik gebräuchlicher Verfahren hergestellt werden.

Es ist einleuchtend, dass die

Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abwandlungen möglich sind. So können andere Halbleitermaterialien, wie Germanium oder A B Verbindungen, verwendet werden. Weiter können in den Beispielen die Leitungstypen verwechselt werden, wobei die elektrischen Spannungen und Stromrichtungen dementsprechend angepasst werden.

Die Dicke der Oberflächenschicht

ist vorzugsweise nicht grosser als etwa 6,5 /um. Mit vorteil wird eine Dicke von höchstens etwa 3,5/tun verwendet. Die Oberflächenschicht ist meistens eine epitaktische Schicht, aber kann auch auf andere Weise, z.B. durch Diffusion oder Ionenimplantation, gebildet werden. Die Kollektorgebiete können auch als gesonderte Gebiete durch Dotierung in einem Substrat vom entgegengesetzten Lei- txaigstyp angebracht werden. Der spezifische Widerstand,

Ό oder im allgemeinen die Dotierungskonzentration der Oberflächenschicht kann innerhalb weiter Grenzen angepasst werden. Z.B. kann statt der epitaktischen Schicht von 0,7Λ .cm auch mit Vorteil eine epitaktische Schicht von etwa 0,3 JX »cm. verwendet werden. Dieser spezifische Wider-

stand beeinflusst u.a. den Reihenwiderstand der Kopplungsdioden.

Sowohl für den vertikalen als auch für den lateralen Hilfstransistor gilt, dass die Ba-

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sisdiclce des Hilfstraasistors zwischen dem Emitter und dem Kollektor vorzugsweise etwa 3/um oder weniger beträgt.

Der Invertertransistor kann auch symmetrisch zu dem nicht aktiven Teil der Basiszone, der den Emitter des Hilfstx-ansistors enthält, ausgeführt sein. In diesem Falle wird der betreffende Basiskontakt zentral angeordnet sein, wobei auf zwei gegenüberliegenden Seiten dieses Kontakts eine Emitterzone und eine oder mehrere Kopplungsdioden vorhanden sind. Auf jeder dieser Seiten wird eine vergrabene Schicht vorhanden sein, die ununterbrochen von unter der Emitterzone bis unter die Kopplungsdioden reicht. Wenn in einen derartigen symmetrischen Transistor ein lateraler Hilfstransistor eingebaut ist, wird das Gebiet, das als dessen Kollektor dient, aus zwei Tei~ len bestehen, die neben den beiden anderen einander gegenüberliegenden Seiten der Basiszone, die nicht den Kopplung= dioden zugekehrt sind, liegen.

Die Aktivatorkonzentration in dem Teil des Substratgebietes, der als Kollektor des vertikalen Hilfstransistors der Basiszone des Invertertransistors gegenüber angeordnet ist, ist vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10 und mit Vorteil um mindestens einen Faktor 100 niedriger als die Alctivatorkonz entration in dem niederohmigen Teil des Kollektorgebietes des Invertertransistors,

Die Kopplungsdioden 16 können

axich mit Hilfe anderer Materialien als das genannte Platinelsilizid erhalten werden. z.B. kann Aluminium, Plantinsilizid oder Titan Anwendung finden. Dieses Material kann nur in den öffnungen in der Isolierschicht vorhanden sein, wie bei den beschriebenen Platinelsilizidübergängen, oder als Schicht einen Teil der Leiterbahnen bilden, wie bei Titan häufig der Fall ist. Die Titanschicht ist dann mit einer gut leitenden Schicht aus z.B. Gold überzogen, wobei nötigenfalls eine Sperrschicht aus z.B. Platin l_ zwischengefügt sein kann.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE :

1 .y Integrierte logische Schaltung

mit einem Signaleingang, der durch eine Basis eines Bipolartransistor s gebildet wird, und mit mehreren Signalausgängen, die über je eine Diode mit dem Kollektor des Bipolartrausistors gekoppelt sind, wobei der Signaleingang mit Mitteln zum Zuführen von Strom versehen ist, wobei die Schaltung einen Ilalbleitearkörper mit einer Hauptoberfläche enthält, an die mehrere Oberf'lächengebiote von einem ersten Leitungstyp grenzen, die sich auf einem gemeinsamen

Substratgebiet von einem zweiten dem ersten ent^egengesetz-10

ten Leitungstyp befinden, wobei jedes dieser Oberflächengebiete an der Ilauptoberfläche von einer Isolierzone umgeben ist, mit deren Hilfe die Oberflächengeblote wenigstens beim Betrieb elektrisch gegeneinander isoliert sind, wobei eines dieser Oberflächengebiete vom ersten Leitungstyp als Kollektorgebiet des Bipolartransistors dient,

dieser Bipolartransistor weiter eine an die Hauptoberfläche grenzende Emitterzone vom ersten Leitungstyp enthält, die in dem Halbleiterkörper dux^ch eine bis zu der Ilaup fcoberfläche reichende Basiszone vom zweiten Leiturigstyp von dem Kollektorgebiot getrennt ist und mit dieser Basiszone einen ersten pn-Ubergang bildet, wobei die Basiszone mit dem KolJiktorgebiet einen zweiten pn-Ubex-gang bildet, und wobei auf der Hauptoberfläche eine elektrisch isolierende* Schicht mit wenigstens einer ersten über der Emitterzone liegenden Öffnung, mit wenig-

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stens einer zweiten neben der Emitterzone über der Basiszone liegenden öffnung und mit mehreren dritten neben der Basiszone über dem Kollektorgebici liegenden öffnungen vorhanden ist, wobei die Isolierschicht Leiterbahnen von dem S Halbleiterkörper trennt, die für elektrischen Anschluss bis in die ersten, zweiten und dritten öffnungen reichen, und wobei die bis in die dritten öffnungen reichenden Leiterbahnen je über einen gleichrichtenden Übergang, der an das Kollektorgebiet grenzt, mit dem Kollektorgebiet gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halbleiterstruktur des Bipolartransistors zusätzliche Massnahmen getroffen sind, durch die ein Gebiet vom zweiten Leitungstyp effektiv mit der gebildeten Basiszone und dem genannten Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp zusammenarbeitet, so dass ein komplementärer Hilfstransistor eingebaut ist, Dessen Emitter durch die genannte Basiszone, dessen Basis durch das Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp und dessen Kollektor durch das Gebiet vom zweiten Leitungstyp gebildet wird, wobei das zuletzt genannte Gebiet mit einem elektrischen Anschluss versehen ist, wodurch, wenn der Bipolartransistor übersteuert ist, ein erheblicher Teil des in der Basiszone des Bipolartransistors fliessenden Stromes durch den Hilfstransistor fliessen kann und die Speicherung beweglicher Ladungsträger in dem übersteuerten Bipolartransistor erheblieh herabgesetzt werden kann.

2. Integrierte logische Schaltung

nach Anspruch 1, bei der das Kollektorgebiet einen hoch- und einen niedorohmigeii Teil enthält, wobei sich der niederohniige Teil an und längs der Grenzfläche zwischen dem Kollektox'gebiet und dem Substratgebiet erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der niederohmige Teil des Kollektorgebietos in einer zu der Ilauptoberfläche praktisch paralen Richtung einen beschränkten Umfang aufweist, wobei sich dieser Teil einerseits unter der Emitterzone und unter den

* gleichrichtenden Übergängen erstreckt und andererseits unter den Basiszone und der über diese Zone liegenden zweiten öffnung in der Isolierschicht ein Gebiet freilässt, in dem der hochohmige Teil des Kollektorgebietes direkt unter

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Bildung eines dritten pn-Ubex-gangs an das Substratgebiet grenzt, wobei der an den hocholimigen Teil des Kollektorgebietes grenzende Teil des Substratgebietes als Kollektor des Hilfstransistors mit dem angrenzenden Kollektorgebiet und der Basiszone des Bipolartransistors zusammenarbeitet. 3. Integrierte logische Schaltung

nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen dem zweiten und dem dritten pn-Ubergang gemessene Dicke des hochohmigen Teiles des Kollektorgebietes höchstens 5 /im beträgt.

km Integrierte logische Schaltung

nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Aktivatoren im Substratgobiet an der Grenze mit dem hochohmigen teil des Kollektorgebietes vom ersten Leitungstyp mindestens um einen Faktor 10 niedriger als die Konzentration an Aktivatoren im nieder.ohmigeii Teil dieses Kollektorgebietes ist.

5. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 2, 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiszone einen aktiven Teil aufweist, der die Emitterzone umgibt und dem sich ein nicht aktiver Teil anschliesst, der für elektrischen Anschluss der Basiszone dient und über dem eine zweite öffnung vorhanden ist, wobei dieser anschliessende nicht aktive Teil den Emitter des Hilfstransistors

" enthält und mindestens gleich gross wie der genannte aktive Teil ist.

6. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 2, 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiszone einen aktiven Teil aufweist, der die Emitterzone umgibt und dem sich ein nicht aktiver Teil anschliesst, der für elektrischen Anschluss der Basiszone dient und über dem eine zweite öffnung vorhanden ist, wobei dieser nicht aktive Teil den Emitter des Hilfstransistors enthält, und wobei die genannte zweite öffnung eine Kleinstabmossung (Breite) aufweist, die grosser als die Kleinstabmessung (Breite) der dritten öffnungen über dem Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp ist.

7· Integrierte logische Schaltung

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nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinstabmessung der zweiten Öffnung mindestens zweimal grosser als die Kleinstabmessung der dritten öffnungen ist. 8. Integrierte logische Schaltung

nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass, auf die Hauptoberfläche gesehen, die ersten, zweiten und dritten öffnungen eine Reihe bilden, wobei zwischen einer oder mehr dritten öffnungen einerseits und einer zweiten öffnung, die sich über einem Teil der

m Basiszone befindet, der den Emitter des Hilfstransistors enthält, andererseits mindestens eine erste über einer Emi-feterzone liegende öffnung vorhanden ist.

9· Integrierte logische Schaltung

nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, da-

** durch gekennzeichnet, dass an der Hauptoberfläche neben der Basiszone eine an das Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp grenzende weitere Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp vorhanden ist, die von der Hauptoberfläche bis zu praktisch der gleichen Tiefe wie die Basiszone in den

^ Halbleiterkörper reicht, wobei diese weitere Oberflächenzone als Kollektor des Hilfstransistors dient und mit dem Substratgebiet verbunden ist.

10. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand

^ an der Ilauptoberfläche zwischen der Basiszone und der weiteren Oberflächenzone höchstens 5/uni beträgt.

11. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierzonen Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp sind,

* die sich von der Ilauptoberfläche bis zu einer grösseren Tiefe in den Halbleiterkörper als die \tfeitere Oberflächenzone erstrecken, wobei die weitere Oberflächenzone direkt mit der an das Kollektorgebiet vom ersten Leitungstyp grenzenden Isolierzone verbunden ist, dadurch, dass sich diese beiden Zonen an der Ilauptoberfläche überlappen.

12. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiszone an der Ilauptoberfläche nur teilweise von der

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weiteren Oberfläclienzone umgeben ist, wobei der an der Hauptoberfläche liegende Umfang der Basiszone zum Teil einer oder mehr dritten Offnungen und zum verbleibenden Teil der weiteren Oberflächenzone gegenüberliegt. 13. Integrierte logische Schaltung

nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiszone praktisch rechteckig ist, wobei die weitere Oberflächenzone praktisch U-förmig ist und die Basiszone auf drei Seiten umgibt, wobei die dritten öffnungen in der Isolierschicht auf der vierten Seite der Basiszone neben dieser Basiszone angeordnet sind.

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