DE3902641A1 - Multifunktionszelle fuer kundenspezifische integrierte schaltungen - Google Patents
Multifunktionszelle fuer kundenspezifische integrierte schaltungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Multifunktionszelle in Siliciumbi
polartechnologie mit einem Standard npn-Transistor aus einer
oberen n⁺-Emitterschicht, einer darunter liegenden p-Basis
schicht und einer darunter befindlichen n⁻-Kollektorschicht,
wobei sich diese Schichten flächenmäßig innerhalb eines Be
reichs einer unterhalb der n⁻-Kollektorschicht vergrabenen
n⁺-Schicht befinden und seitlich von einer Epitaxiewanne aus
n⁻-Material die allseitig von einem pn-Übergang zu benachbarten
Epitaxiewannen isoliert ist, begrenzt sind.
Multifunktionszellen für kundenspezifische integrierte Schal
tungen sollen eine Vielzahl von elektronischen Funktionen in
möglichst kleinem Halbleiterkristallvolumen vereinen.
In der Bipolartechnologie umfaßt eine Multifunktionszelle den
Bereich einer Epitaxiewanne, die durch einen allseitigen pn-
Übergang von benachbarten Multifunktionszellen elektrisch iso
liert ist. Unter einem Standard npn-Transistor in einer solchen
Epitaxiewanne wird eine vergrabene n⁺- Schicht eindiffundiert,
deren Bereich flächenmäßig größer ist als die n⁻-Kollektor
schicht mit dem Kollektorkontaktfenster, sodaß auch die
p-Basisschicht und die n⁺-Emitterschicht des npn-Transistors
flächenmäßig innerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht
und räumlich oberhalb der vergrabenen n⁺-Schicht liegen.
Werden mehrere npn-Transistoren mit getrennten Kollektorkon
takten für eine integrierte Schaltung benötigt, so müssen diese
in verschiedenen Zellen oder Epitaxiewannen untergebracht wer
den. Bisher werden Widerstände integrierter Schaltungen in
einer von den Transistorzellen getrennten Epitaxiewanne ge
meinsam vorgesehen. Dazu wird nachteilig relativ viel Kristall
oberfläche verbraucht.
Aufgabe der Erfindung ist es, teure Kristalloberfläche einzu
sparen und eine Multifunktionszelle anzugeben, in der wichtige
Widerstände, die häufig und unmittelbar mit Transistoren in
einer integrierten Schaltung verknüpft sind, zum Bestandteil
der Zelle zu machen und eine Multifunktionszelle anzubieten,
die besonders vielseitig einsetzbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die p-Basisschicht des
npn-Transistors und die Epitaxiewanne über den Bereich der
vergrabenen n⁺-Schicht hinausragen und die Epitaxiewanne und
die Basisschicht außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-
Schicht jeweils mindestens ein zusätzliches Kontaktfenster auf
weisen und daß die Epitaxiewanne zwischen ihrem zusätzlichen
Kontaktfenster und dem Ende der vergrabenen n⁺-Schicht in
Breite, Länge und Flächenwiderstand so ausgebildet ist, daß ihr
elektrischer Widerstand die Größe eines Kollektorwiderstands
für integrierte Schaltungen aufweist.
Ein Vorteil dieser Multifunktionszelle ist, daß für einen Kol
lektorwiderstand einer Transistorschaltung, wie er in zahl
reichen integrierten Schaltungen auftritt, keine separate Epi
taxiewanne vorzusehen ist, sodaß erhebliche Kristallfläche
eingespart wird. Darüber hinaus hat die Multifunktionszelle den
Vorteil, daß für den Kollektorwiderstand eine Kontaktfenster
fläche eingespart wird, da dieser Kollektorwiderstand mit einem
Ende unmittelbar an die vergrabene n⁺-Schicht angrenzt. Die
vergrabene n⁺-Schicht eines npn-Transistors ist nämlich eine
vergrabene Kollektorkontaktfläche.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
Epitaxiewanne zwischen einem zusätzlichen Kontaktfenster und
dem Beginn der vergrabenen n⁺-Schicht in Breite, Länge und
Flächenwiderstand so ausgebildet, daß ihr elektrischer Wider
stand eine Größe von 1 kOhm bis 30 kOhm, vorzugsweise von 2
kOhm bis 15 kOhm aufweist. Dieser Widerstandsbereich hat den
Vorteil, daß damit ein großer Teil der üblichen Transistor
schaltungen mit einem passenden Kollektorwiderstand ausrüstbar
ist. Der bevorzugte Bereich von 2 kOhm bis 15 kOhm ist zwar
eine Einschränkung, deckt aber immernoch bis zu 60% der
üblichen Transistorschaltungen in Siliciumbipolartechnologie
ab.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, daß
die Basisschicht ausschließlich außerhalb des Bereichs der ver
grabenen n⁺-Schicht Kontaktfenster aufweist.
Bei einem herkömmlichen npn-Transistor liegt die gesamte Basis
schicht, die auch das Kontaktfenster trägt, flächenmäßig inner
halb der vergrabenen n⁺-Schicht. Die erfindungsgemäße Lösung
hat den Vorteil, daß bis auf einen Randbereich die gesamte von
der vergrabenen n⁺-Schicht flächenmäßig begrenzte Basisschicht
eine n⁺-Emitterschicht aufnehmen kann, sodaß ein hoher Sät
tigungsstrom möglich wird. In der üblichen Lösung muß die sät
tigungsstrombegrenzende Emitterfläche wesentlich kleiner als
die Basisschicht gestaltet werden, da noch ein Basiskontakt
fenster auf der p-Basisschicht neben der n⁺-Emitterschicht
unterzubringen ist.
Die Basisschicht außerhalb der vergrabenen n⁺-Schicht kann vor
zugsweise so ausgebildet werden, daß der elektrische Widerstand
zwischen einem zusätzlichen Kollektorkontaktfenster und dem
Basisfenster des npn-Transistors die Größe eines Basiswider
standes für integrierte Schaltungen aufweist. Damit wird es
vorteilhaft möglich, daß nicht nur die Basis über ein Kontakt
fenster außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht ver
fügt, sondern auch ein Basiswiderstand, der häufig bei Transis
torschaltungen erforderlich ist, in derselben Epitaxiewanne
eingebaut ist wie der npn-Transistor.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird die
Basisschicht außerhalb der vergrabenen n⁺-Schicht und zwischen
dem zusätzlichen Kontaktfenster und dem Basisfenster des npn-
Transistors in Länge, Breite und Flächenwiderstand so ausge
bildet, daß ein Basiswiderstand von 100 Ohm bis 2 kOhm, vor
zugsweise von 200 Ohm bis 1000 Ohm realisiert wird.
Einen zusätzlichen Vorteil liefert die Multifunktionszelle mit
einer über die vergrabene n⁺-Schicht hinausragende p-Basis
schicht dadurch, daß der Basiswiderstand in seiner Größe um
den Basisbahnwiderstand des npn-Transistors erhöht werden kann,
indem die Emitterbasisdiode in Vorwärtsrichtung betrieben wird
und als Widerstandskontakte das zusätzliche Kontaktfenster auf
der verlängerten p-Basisschicht und das Emitterkontaktfenster
des npn-Transistors eingesetzt werden.
Die erweiterte Epitaxiewanne die den Kollektorwiderstand bildet
und die verlängerte Basisschicht, die den Basiswiderstand auf
weist, werden vorzugsweise räumlich übereinander angeordnet, so
daß diese Bereiche in Wechselwirkung mit dem die Epitaxiewanne
umgebenden p-Gebiet einen vertikalen pnp-Transistor bilden. Der
Emitter des vertikalen pnp-Transistor ist die p-Basisschicht
außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht. Die Basis
bildet die n⁻-Epitaxiewanne außerhalb der vergrabenen n⁺-
Schicht und den Kollektor die p-Schicht, die die Epitaxiewanne
umgibt, soweit sie außerhalb der vergrabenen n⁺-Schicht liegt.
Ein Vorteil dieser Anordnung ist über die Vorteile eines pnp-
Transistors hinaus die Wirkung, daß der Kollektorwiderstand,
den die Epitaxiewanne bildet, vergrößert wird, da der räumlich
in den Kollektorwiderstand eingebaute Basiswiderstand den Quer
schnitt des Kollektorwiderstands vorteilhaft verringert.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, den
pn-Übergang des npn-Transistors zwischen n⁺-Emitterschicht und
p-Basisschicht in Bezug auf die Fläche und die Störstellenkon
zentration so auszulegen, daß ein irreversibles Durchschalten
in Sperrichtung über den Zehnerdurchbruch bei überhöhter Strom
dichte auftritt. Im Kristall entsteht dabei anstelle eines
gleichrichtenden pn-Übergangs ein Kurzschlußgebiet, das sich
vorteilhaft zum nachträglichen Programmieren von Schaltungs
strukturen und zum Abgleichen von Widerstandsnetzwerken in
elektronischen und integrierten Schaltungen eignet.
Der Abstand zwischen den Kontaktfenstern der p-Basisschicht
kann vorzugsweise so dimensioniert werden, daß zwischen ihnen
auf der Multifunktionszelle mindestens eine Leiterbahn isoliert
positioniert werden kann. Damit entsteht vorteilhaft eine drei
schichtige isolierte Kreuzung von mindestens zwei Strompfaden,
einer durch die Leiterbahn und ein weiterer durch den Basis
widerstand.
Wird vorzugsweise der Basiswiderstand räumlich im Bereich des
Kollektwiderstands angeordnet und der Abstand zwischen den
Kontaktfenstern der p-Basisschicht so dimensioniert, daß
zwischen diesen mindestens eine Leiterbahn isoliert posi
tioniert werden kann, so bildet diese Struktur eine vier
schichtige Kreuzung von mindestens drei Strompfaden, einer
durch die obere Leiterbahn, ein weiterer durch den darunterbe
findlichen Basiswiderstand und ein dritter durch den unter dem
Basiswiderstand befindlichen Kollektorwiderstand.
Eine niederohmige Verbindung zwischen Kollektor-Kontaktfenster
und vergrabener n⁺-Schicht aus einem hochdotierten n⁺-Gebiet
unterhalb des Kollektorkontaktfensters des npn-Transistors, die
die Epitaxiewanne vorzugsweise von oben bis zur vergrabenen
n⁺-Schicht durchdringt hat den Vorteil, daß der untere Strom
pfad zum Kollektorwiderstand niederohmig bleibt und vermindert
vorteilhaft den Schaltungswiderstand des npn-Transistors.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren
näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt durch drei von
einander isolierte Epitaxiewannen bestückt mit ver
gleichbaren Standardbauteilen.
Fig. 2 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt einer Multifunk
tionszelle.
Fig. 3 zeigt das Schema einer dreischichtigen Kreuzung von
mindestens 2 Strompfaden der Multifunktionszelle.
Fig. 4 zeigt das Schema einer vierschichtigen Kreuzung von
mindestens 3 Strompfaden der Multifunktionszelle.
Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt durch drei vonein
ander durch pn-Übergänge 19 isolierte Epitaxiewannen 20, 21 und
22, die mit Standardbauteilen wie beispielsweise einem npn-
Transistor 28 in der Epitaxiewanne 20, einem von mehreren p-
Basisschicht-Widerständen 29 in der Epitaxiewanne 21 und einem
vertikalen pnp-Transistor 30 in der Epitaxiewanne 22, bestückt
sind. Diese Lösungen verdeutlichen den Stand der Siliciumbi
polartechnologie und beinhalten nur einen Teil der Funktionen
der Multifunktionszelle. Dabei besteht der npn-Transistor 28 in
der Epitaxiewanne 20 aus einer vergrabenen n⁺-Schicht 2, die
den Boden der Epitaxiewanne zum p-leitenden Substrat 1 hin
deckt. Allseitig wird die Epitasiewanne 20 von einer hochdo
tierten eindiffundierten p⁺-Zone 13 umgeben, die über ein Iso
lationskontaktfenster 9 auf das niedrigste Potential der Schal
tung gelegt werden kann. Flächenmäßig im Bereich der vergrabenen
n⁺-Schicht liegt das Kollektorkontaktfenster 4 sowie der Kollek
tor 24 des npn-Transistors 28.
Dieser Kollektor 24 besteht aus der n⁻-Epitaxieschicht 23
zwischen vergrabener n⁺-Schicht 2 und p-Basisschicht 14. Die
p-Basisschicht 14 trägt an ihrer Oberfläche das Basiskontakt
fenster 7 und die n⁺-Emitterschicht 5. Die n⁺-Emitterschicht 5
trägt ihrerseits ein Emitterkontaktfenster 18.
Soll beispielsweise das Kollektorkontaktfenster 4 des npn-Tran
sistors 28 mit einem Widerstand verkünpft werden, so wird eine
metallische Leiterbahn über die isolierende Siliciumdioxid
schicht 16 vom Kollektorkontaktfenster 4 zur Epitaxiewanne 21
geführt, die mehrere p-Schichten 6 als Widerstände 29 mit ent
sprechenden Widerstands-Kontaktfenstern 8 enthält.
Einen vertikalen pnp-Transistor 30 enthält die Epitaxiewanne 22.
Beim pnp-Transistor 30 wird das Isolationskontaktfenster 9 zum
Kollektorkontaktfenster.
Das Gebiet der Epitaxiewanne 22, soweit es zwischen dem Sub
strat 1 und einer p-Schicht 27 liegt zur n⁻-Basiszone 25 des
vertikalen pnp-Transistors 30 mit einem n⁺-Basiskontaktfenster
26. Die p-Schicht 27 ist ein p-Emitter des pnp-Transistors 30
mit dem p-Emitterkontaktfenster 15. Die Fig. 1 zeigt deutlich,
daß bei herkömmlichen Lösungen ein hoher Flächenaufwand erfor
derlich wird.
Fig. 2 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt durch eine Multi
funktionszelle, wobei in einer einzigen Epitaxiewanne 3 durch
erfinderische Abweichungen von den in Fig. 1 gezeigten Standard
lösungen wesentlich mehr Funktionen auf kleinerem Raum verwirk
licht werden. Dazu wurde die p-Basisschicht 14 eines npn-Tran
sistors 28 über das Ende 11 des Bereichs der vergrabenen n⁺-
Schicht 2, hinaus um den Bereich 35 verlängert, in der Weise,
daß diese Verlängerung einen Basiswiderstand 31 von 400 Ohm
durch einen zusätzlichen Kontakt 33 bildet. Ebenso ragt die
Epitaxiewanne 3 über die vergrabene n⁺-Schicht 2 und damit dem
Kollektor 24 des npn-Transistors 28 hinaus, sodaß das Gebiet 12
zwischen dem Ende 11 der vergrabenen n⁺-Schicht 2 und dem zu
sätzlichen Kontaktfenster 34 einen an den Kollektor angeschlos
senen Kollektorwiderstand 32 von 5 kOhm bildet. Um die Zuleitung
zum Kollektorkontakt niederohmig zu gestalten, wird ein hoch
dodiertes n⁺-Gebiet 10 als Verbindung zwischen Kollektor-Kon
taktfenster 4 und vergrabener n⁺-Schicht eindiffundiert.
Beide verlängerten Bereiche 12 und 35 sind so angeordnet, daß
der Bereich 35 räumlich innerhalb des Bereichs 12 liegt. Da
durch wird zum einen der Kollektorwiderstand 32 vergrößert und
zum anderen der Effekt erreicht, die Multifunktionszelle als
vertikalen pnp-Transistor 30 zu betreiben, wobei das Kontakt
fenster 33 mit dem Bereich 35 den p-Emitter bildet, das Kon
taktfenster 34 mit dem Bereich 12 die n-Basis und der Iso
lationskontakt 9 über das hochdodierte p⁺-Gebiet 13 mit dem
Substrat 1 den p-Kollektor des vertikalen pnp-Transistor 30
bildet.
Einen weiteren hilfreichen Effekt liefert diese Anordnung, wenn
über der isolierenden Siliciumdioxidschicht 16 im Bereich des
Basiswiderstandes 31 eine oder mehrere Leiterbahnen 17 die
Mulitfunktionszelle kreuzen. In diesem Fall entsteht eine neu
artige vierschichtige Kreuzung von Strompfaden, wie sie in der
Fig. 4 näher erläutert wird. In den bisher üblichen Lösungen
sind drei-schichtige Kreuzungen von mindestens 2 Strompfaden
wie sie in Fig. 3 erläutert werden Stand der Technik.
Schließlich läßt sich durch geeignete Wahl der Fläche der n⁺-
Emitterschicht und der Störstellenkonzentration von n⁺-Emitter-
Schicht 5 und p-Basisschicht 14 der pn-Übergang 37 zwischen
Basis und Emitter so auslegen, daß er als irreversibles
Schaltelement zwischen den Kontaktfenstern 5 und 7 in der Multi
funktionszelle eingesetzt werden kann, ohne daß davon die Funk
tion des pnp-Transistors 30 oder der Widerstände 31 und 32 oder
die vierschichtige Kreuzungsfunktion mit der Leiterbahn 17
wesentlich beeinträchtigt werden.
Fig. 3 zeigt das Schema einer dreischichtigen Kreuzung von
mindestens 2 Strompfaden 41 und 42, die durch eine Isolations
schicht 44 getrennt werden und im Stand der Technik bekannt
sind.
Fig. 4 zeigt das Schema einer vierschichtigen Kreuzung von
mindestens drei Strompfaden 41, 42 und 43 wie sie mit der
Multifunktionszelle möglich werden, wobei die Strompfade 41 und
42 wieder durch eine Isolationsschicht 44 getrennt sind und die
Strompfade 42 und 43 durch einen in Sperrichtung geschalteten
pn-Übergang 45 voneinander isoliert werden.
Claims (10)
1. Multifunktionszelle in Siliciumbipolartechnologie mit einem
Standard npn-Transistor aus einer oberen n⁺-Emitterschicht,
einer darunter liegenden p-Basisschicht und einer darunter
befindlichen n⁻-Kollektorschicht, wobei sich diese Schichten
flächenmäßig innerhalb eines Bereichs einer unterhalb der
n⁻-Kollektorschicht vergrabenen n⁺-Schicht befinden und
seitlich von einer Epitaxiewanne aus n⁻-Material, die all
seitig von einem pn-Übergang zu benachbarten Epitaxiewannen
isoliert ist, begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
p-Basisschicht (14) des npn-Transistors (28) und die Epi
taxiewanne(3) über den Bereich der vergrabenen n⁺-Schicht (2)
hinausragen und die Epitaxiewanne (3) und die Basisschicht
(35) außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht (2)
jeweils mindestens ein zusätzliches Kontaktfenster (33 und
34) aufweisen und daß die Epitaxiewanne (3) zwischen ihrem
zusätzlichen Kontaktfenster (34) und dem Ende (11) der ver
grabenen n⁺-Schicht in Breite, Länge und Flächenwiderstand
so ausgebildet ist, daß ihr elektrischer Widerstand die
Größe eines Kollektorwiderstands (32) für integrierte Schal
tungen aufweist.
2. Multifunktionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kollektorwiderstand (32) eine Größe von 1 kOhm bis
30 kOhm besitzt, vorzugsweise 2 kOhm bis 15 kOhm aufweist.
3. Multifunktionszelle nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die p-Basisschicht (14) ausschließlich
außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht (2) Kon
taktfenster (7 und 33) aufweist.
4. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (35) außerhalb
des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht (2) in Breite, Länge
und Flächenwiderstand so ausgebildet ist, daß der elek
trische Widerstand zwischen dem zusätzlichen Kontaktfenster
(33) und einem Basiskontaktfenster (7) des npn-Transistors
(28) die Größe eines Basiswiderstands (31) für integrierte
Schaltungen aufweist.
5. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Größe des Basiswiderstands
(31) 100 Ohm bis 2 kOhm, vorzugsweise 200 Ohm bis 1000 Ohm
ist.
6. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der Bereich des Basiswiderstands
(31) räumlich innerhalb des Bereichs des Kollektorwider
stands (32) liegt, in der Weise, daß diese Bereiche mit der
p-Schicht des pn-Übergangs (19), der die Epitaxiewanne (3)
allseitig isoliert, einen vertikalen pnp-Transistor (30)
aufweisen.
7. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang (37) zwischen
n⁺-Emitterschicht (5) und p-Basisschicht (14) des npn-Tran
sistors (28) in Bezug auf Fläche und Störstellenkonzentra
tion so ausgelegt ist, daß ein irreversibles Durchschalten
in Sperrichtung über den Zehnerdurchbruch bei überhöhter
Stromdichte auftritt.
8. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß das Kollektorfenster (4) des npn-
Transistors (28) und die vergrabene n⁺-Schicht (2) über ein
n⁺-Gebiet (10), das die Epitaxiewanne (3) von oben nach
unten durchdringt, unmittelbar widerohmig verbunden sind.
9. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Kontaktfenster der Basis
schicht (7 und 33) so voneinander beabstandet sind, daß eine
dreischichtige isolierte Kreuzung von mindestens zwei Strom
pfaden auf der Multifunktionszelle möglich ist.
10. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß die Kontaktfenster der Basis
schicht (7 und 33) und der Epitaxiwanne (4 und 37) so von
einander beabstandet sind, daß eine vierschichtige isolierte
Kreuzung von mindestens 3 Strompfaden auf der Multifunk
tionszelle möglich ist.
Priority Applications (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
Country | Link |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CORDES, KARL-HERMANN, DR., 8012 OTTOBRUNN, DE |
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8125 | Change of the main classification |
Ipc: H01L 27/118 |
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8131 | Rejection |