DE3116516C2

DE3116516C2 - Integrierte Injektionslogik-Halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE3116516C2
Application number: DE19813116516
Authority: DE
Inventors: Setsuo Tokyo Koga; Yukuya Yokosuka Kanagawa Tokumaru
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-04-28
Filing date: 1981-04-25
Publication date: 1987-05-07
Also published as: JPS56152261A; NL8102069A; JPS621255B2; DE3116516A1

Abstract

Es wird eine integrierte Injektionslogik (IIL)-Halbleiterschaltung mit einem Quertransistor und einem Vertikaltransistor geschaffen, die einen zusätzlichen Bereich (19) in der Nähe der Kollektor-Bereiche (16, 17) des Vertikaltransistors (Q1) aufweist und der so angeordnet ist, daß seine Durchbruchsspannung kleiner ist als für die Kollektorbereiche. Der zusätzliche Bereich (19) ist elektrisch an den Basisbereich (14) des Vertikaltransistors (Q1) angeschlossen, so daß Beschädigungen aufgrund von Spannungsstößen ausgeschaltet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, die auch als integrierte Injektionslogik HL bzw. I²L bezeichnet wird.

Eine derartige IIL-Schaltung ist aus dem IBM-Technical Disclosure Bulletin, Vol. 19, No. 7, Dezember 1976, S. — 2577, bekannt, bei der eine zusätzliche n ⁺ -Zone eine Beschleunigungsdiode bildet. Zur Erzielung einer möglichst kleinen Zeitkonsianten ist der Diodenbereich keinesfalls größer und in einem bevorzugten Fall sogar nur halb so groß wie der benachbarte Kollektorbereich. Dadurch erhöht sich jedoch die Durchbruchsspannung im Vergleich zu den übrigen Transistoren der IIL-Schaltung.

Integrierte Injektionslogik HL hat es ermöglicht, die Integrationsdichte zu erhöhen, die Leistungsaufnahme zu vermindern, die Betriebsspannung zu reduzieren und eine Integration von digitalen und analogen Funktionen auf einem einzigen Chip in einem größeren Aufmaß durchzuführen, als dies in bipolaren oder MOS integrierten Schaltungen möglich ist.

Der Grundaufbau einer IIL-Schaltung ist anhand der F i g. 1 und 2 erkennbar. Fig. 1 zeigt eine eingebettete N+ -Schicht 12 auf einem P-Substrat 11 und eine N--Schicht 13, wobei eine Basis 14 durch Diffusion gebildet ist. In dieser !' + -Basis 14 sind beispielsweise zwei N+ -Kollektorbereiche 16 und 17 geformt, die im Abstand zueinander liegen. Ferner sind ein P' -Emitterbereich 15 und ein N"-Erdbereich 18 durch Diffusion auf der Oberfläche der N - -Schicht 13 gebildet, die im Abstand zur P⁺-Basis 14 liegt Die P⁺-Basis 14, die N+ -Kollektorbereiche 16 und 17, der P+-Emitterbereich 15 und der N + -Erdbereich 18 sind an eine Eingangsklemme /N, an Ausgangsklemmen OUTX und

5 OLIT2, an eine Ladungsinjektionsklemme + E bzw. an eine Erdklemme G angeschlossen. Die in F i g. 1 dargestellte bekannte IIL-Schaltung läßt sich durch die Schaltung gemäß F i g. 2 sinngemäß darstellen, nämlich als kombinierte Schaltung eines NPN-Vertikaltransistors OX und eines PNP-Lateraltransistors Q2. Der Vertikaltransistor QX weist N+-Kollektorbereiche 16 und 17, eine P+-Basis 14 und eine N--Schicht 13 auf, die den Emitterbereich bildet, während der Lateraltransistor Q2 einen P+-Emitterbereich 15, eine N--Schicht 13 als Basis und einen P+-Bereich 14 als Kollektor besitzt. Der Lateraltransistor Q 2 dient zur Injektion von Trägern in die Basis des Vertikaltransistors Q i und wird daher als Injektionstransistor bezeichnet.

Ein Nachteil in der bekannten IIL-Schaltung liegt jedoch darin, daß sie durch externe Spannungssiöße, die beispielsweise aufgrund statischer Elektrizität auftreten, zerstörbar ist. Diese Zerstörung läßt sich am besten anhand der Fig. 1 erläutern, wenn nämlich positive Spannungsstöße an der Erdklemme G auftreten.

Erscheinen positive Impulse an der Erdklemme Gund negative Impulse an der Eingangsklenrrie IN, dann bilden sich drei Strompfade alpha, beta und gamma, die als gestrichelte Linien dargestellt sind und von der Erdklemme G zur Eingangsklemme IN führen. Der Strompfad läuft direkt zur Eingangsklemme IN über den Emitier-Basisübergang, wenn die Spannungen der angelegten Impulse uie Emitter-Basis-Durchbruchsspannung ßVoüberschrciten.

Der Strom auf dem Pfad beta fließt durch den Emitter-Basisübergang und durch den Basisbereich 14. Der Strompfad gamma läuft durch den Emitter-Basisübergang, durch den Basisbereich !4, den Kollektorbereich 16 und den Kollektor-Basisübergang.

Wenn Stromstöße durch den Kollektorbereich 16 auftreten, so können zwei Fälle eintreten:

Erstens kann der Kollektor-Basis-Übergang vorwärtsgespannt werden, wenn der Spannungsabfall aufgrund des Strompfades beta die rückwärtsgerichtete Durchbruchsspannung von im allgemeinen 7 Volt des

■»5 Kollektor-Basis-Übergangs übersteigt.

Zweitens kann der Stromstoß beim Überschreiten der Durchbruchsspannung OV₅ zwischen dem Emitter und dem Kollektor durch die Spannungsstöße durch den Kollektorbereich 16 und in den Kollektorbereich 16 in Querrichtung laufen und schließlich durch den Kollektor-Basis-Übergang aus der Eingangsklemme /A/austreten. Wenn dies der Fall ist, dann wird ein Teil des Kollektor-Basis-Überganges teilweise geschmolzen und zerstört, was eine Erhöhung der Leckströme, eine Abnahme der Durchbruchsspannungen, eine Abnahme der Stromverstärkungsfaktoren und eine Zunahme von Rauschen bedeutet. Im schlimmsten Fall wird der Kollektor-Basis-Übergang vollständig zerstört. Im allgemeinen ist eine Zerstörung des Kollektor-Basis-Über-

bo ganges die häufigste Ursache für eine Beschädigung von IIL-Schaltungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Halbleiterschaltung unter Verwendung von integrierter Injektionslogik zu schaffen, die bei Spannungsstößen weniger leicht zerstörbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Schaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. welche dadurch gekennzeichnet sind, daß die Durchbruchsspannung des

vierten Bereichs kleiner als die des dritten Bereichs ist Dadurch werden Überströme schneller abgeleitet als beim Stand der Technik.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine bekannte Schaltung,

Fig.2 ein äquivalentes Schaltbild der Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.4 eine Draufsicht auf die Schaltung gemäß Fig. 3,

F i g. 5 ein Äquivalenzschaltbild der Schaltung gemäß Fig. 3,

F i g. 6 bis 8 Schnitte durch weitere Ausführungsbeispiele und

Fig. 9 eine Draufsicht auf die Schaltung gemäß F15.8.

In den Figuren sind durchwegs gleich*· Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei Fig.3 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel und Fig.4 ein Draufsichtmuster zeigen. Ein zusätzlicher Bereich 19 von N+-Leitfähigkeit ist auf der Oberfläche des P⁺-Basisbereichs 14 am N+ -Kollektorbereich 16 gebildet. Eine Eingangsklemme IN gehört sowohl zur Oberfläche des zusätzlichen Bereichs 19 und des Basisbereichs 14, so daß diese beiden Bereiche von der Eingangsklemme IN elektrisch miteinander verbunden und damit kurzgeschlossen sind. Die anderen Bereiche sind so angeordnet, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist. Das Gebiet des zusätzlichen Bereichs 19 ist größer als uie Gebiete der N+ -Kollektorbereiche 16 und 17. Die Durchbruchsspannung BVt ist daher zwischen dem Emitter und dem von dem zusätzlichen Bereich 19 gebildeten »Kollektor« kleiner als die Durchbruchsspannungen SV, und ßV^der N+-Kollektorbereiche 16 und 17.

F i g. 5 zeigt ein Äquivalenzschaltbild der Schaltungen gemäß den Fig. 3 und 4. Wird in Fig.5 ein Spannungsstoß zwischen Erdklemme G und Eingangsklemme IN gelegt, dann fließt ein Stromstoß durch den Weg des kleinsten Widerstandes, also durch den zusätzlichen Bereich 19 zur Eingangsklemme IN. Die in Fig. 1 dargestellten Strompfade alpha und beta sind daher durch Einführung des zusätzlichen Bereichs 19 ausgeschaltet. Es kann somit praktisch kein Strom in die Kollektorbereiche 16 und 17 fließen, so daß diese nicht zerstört werden.

Außerdem ist der zusätzliche Bereich 19 an der Basis 14 kurzgeschlossen, so daß der Stromstoß sofort aus der Eingangsklemme IN abfließt. Es ist somit weniger wahrscheinlich, daß der Übergang des zusätzlichen Bereichs 19 beschädigt wird. Wird der zusätzliche Bereich 19 jedoch beschädigt, so hat dies keinen Einfluß auf die Eigenschaften der IIL-Schaltung, da dieser an der Basis 15 kurzgeschlossen ist. Das Vorhandensein des zusätzlichen Bereichs 19 verringert somit nicht die Durchbruchsspannung ßV₃ zwischen dem Emitter und der Basis des Vertikaltransistors Qi gemäß Fig.2, so daß der Emitter-Basis-Übergang gegenüber statischen Entladungen spannungsfest bleibt.

Es ist allgemein bekannt, daß die Verwendung eines großen Reihenwiderstandes die Spannungsfestigkeit wieder erhöht. Ist der Rfiheilwiderstand, und zwar in F i g. 5, der Widerstand Ri + Rbl. zwischen der Erdklemme G und der IIL-Schaltüng groß gewählt, dann führt dies zu einem Schweben des Cmitterpotentials, was zu einer unerwünschten Abnahme des logischen Spannungswertes aufgrund eines hohen Null-Potentials führt. Dies vergrößert die Instabilität der logischen Operationen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird ein Spannungsstoß praktisch durch die Einführung des zusätzlichen Bereichs 19 abgezweigt, so daß der Reihenwiderstand (Re+Rbl) unter Berücksichtigung der Anforderungen an die logischen Operationen einstellbar ist. Dies erhöht die Freiheit im Schaltungsaufbau.

In F i g. 5 stellen Bvu Bvi und By₄ Durchbruchsspannungen zwischen dem Kollektor und dem Emitter entsprechend den N + -Bereichen 19, 16 und 17 des Vertikaltransistors Ql dar. Bv3 ist die Durchbruchsspannung zwischen dem Emitter und der Basis des Vertikaltransistors Q1. Bvs und Bve sind Durchbruchsspannungen zwischen dem Kollektor und der Basis des Vertikaltransistors Qi. Rb ist der Basisreihenwiderstand des Vertikaltransistors Q1.

Die Fig. 6 bis 9 zeigen weitere Ausführungen der Erfindung mit unterschiedlichen Eigenschaften zur Reduzierung der Durchbruchsspannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor des zusätzlichen Bereichs. In F i g. 6 ist die Tiefe des zusätzlichen Bereichs 19a größer als die der benachbarten zwei N+-Kollektorbereiche 16 und 17. Das Gebiet des zusätzlichen Bereichs 19a ist so gestaltet, daß die Integrationsdichte erhöht ist.

In Fig. 7 ist die Verunreinigungsdichte im Basisbereich 14a unter dem zusätzlichen Bereich \9b geringer gewählt als unter den N+-Kollektorbereichen 16 und 17, so daß die Durchbruchsspannung reduziert ist. Ein zusätzlicher Bereich 196 ist gleichzeitig mit den N+ -Kollektorbereichen 16 und 17 gebildet und das Gebiet des zusätzlichen Bereichs 19Z> ist frei wählbar. Der Basisbereich 14a ist flacher als der übrige Teil der Basis 14, kann in einer anderen Ausführung jedoch die gleiche Tiefe haben oder sogar tiefer sein, solange die Durchbruchsspannung reduziert ist.

F i g. 8 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, bei der eine IIL-Schaltung 30 links von der gestrichelten Linie auf einem einzigen Chip und eine lineare Schaltung 31 rechts von der gestrichelten Linie dargestellt sind, die jeweils hohe Spannungsfestigkeit besitzen. Durch gleichzeitige Diffusion sind N + -Berei-

-¹⁵ ehe 16, 17, 19, 21, 22 und 23 gebildet. Das Gebiet des zusätzlichen N+ -Bereichs 19 der IIL-Schaltung 30 ist größer als das Gebiet der N + -Bereiche 16 und 17 gewählt und der zusätzliche N + -Bereich 22 ist jeweils an die P+-Basisbereiche 14 bzw. 24 angeschlossen.

'" F i g. 9 zeigt eine Draufsicht auf die Schaltung gemäß Fig.8, wobei der P+-Bereich 14 der IIL-Schaltung ringförmig gestaltet ist und sich nicht unter die N+ -Bereiche 16,17 und 19 erstreckt. P--Bereiche 25,26 und 27 sind von geringer Verunreinigungsdichte und

^r> erstrecken sich tief unter die N--Bereiche 16,17 und 19.

Gleichzeitig mit der Bildung des Basisbereichs 14 ist der P+-Basisbe.-cich 24 hergestellt. In der IIL-Schaltung 30

sind der Überschwingfaktor des ansteigenden Stroms, die Durchbruchsspannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter und die Spannungsfestigkeit jeweils einzeln erhöht.

Bei einem linearen Transistor sind ebenfalls der Überschwingfaktor des abfallenden Stroms, die Durchbruchsspannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter sowie die Spannungsfestigkeit verbessert. Es wird darauf hingewiesen, daß die Schaltung gemäß den F i g. 6 und 7 auf die Schaltung gemäß F i g. 8 anwendbar ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiter-Logikschaltung mit einem Substrat, das einen ersten Bereich (13) mit einer ersten Leitfähigkeit aufweist, der einen Emitterbereich eines Vertikaltransistors bildet, während ein zweiter Bereich (14) von zweiter Leitfähigkeit auf der Oberfläche des ersten Bereichs (13) gebildet ist und einen Basisbereich für den Vertikaltransistor darstellt und mindestens ein dritter Bereich (16, 17) der ersten Leitfähigkeit auf der Oberfläche des zweiten Bereichs (14) gebildet ist und mindestens einen Kollektorbereich für den Vertikaltransistor formt, und bei der ein vierter Bereich (19) der ersten Leitfähigkeit unabhängig von dem dritten Bereich (16,17) auf der Oberfläche des zweiten Bereichs (14) geformt und elektrisch an den zweiten Bereich (14) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchsspannung des vierten Bereichs (19) kleiner als die des dritten Bereichs (16, 17) ist.

2. IIL-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Durchbruchsspannung das, Gebiet des vierten Bereichs (19) größer als das des dritten Bereichs (16,17) ist.

3. IIL-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da[( zur Verringerung der Durchbruchsspannung die Tiefe des vierten Bereichs (19a) größer als die des dritten Bereichs (16,17) ist.

4. IIL-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Durchbruchsspannung die Verunreinigungsdichte im zweiten Bereich (14) in dem unter dem vierten Bereich (19ty liegenden Basisbereich (14a,;geringer als unter den dritten Bereichen (16,17) ist.