NL8300843A

NL8300843A - Geintegreerde logische schakeling.

Info

Publication number: NL8300843A
Application number: NL8300843A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1983-03-09
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1984-10-01
Also published as: US4577123A; JPS59169171A; CA1214552A; DE3480981D1; EP0120529B1; EP0120529A1

Description

4 EHN 10607 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

"Geïntegreerde logische schakeling".

De uitvinding heeft betrekking qp een geïntegreerde logische schakeling met een signaalingang, die wordt gevormd door een stuurelek-trode van een transistor, en net meerdere signaaluitgangen die elk via een diode met een eerste hoofdelektrode van de transistor zijn gekoppeld, 5 waarbij de signaalingang is verbonden net middelen voor het toevoeren van stroon, welke geïntegreerde logische schakeling een halfgeleïderli-chaam bevat met een hoofdoppervlak dat zich bevindt aan een aktieve zijde van het halfgeleiderlichaam , waarbij een groep van gebieden van een eerste geleidingstype aan deze aktieve zijde van het halfgeleiderlichaam aan-10 wezig is, welke gebieden zich uitstrekken op een voor deze gebieden gemeenschappelijk substraatgebied van een tweede geleidingstype, waarbij elk van de gebieden van het eerste geleidingstype is ongeven door een isolatiezone die zich vanaf het hoofdoppervlak in het halfgeleiderlichaam uitstrekt en net behulp waarvan althans een aantal van deze gebieden al-15 thans tijdens bedrijf van de geïntegreerde logische schakeling elektrisch van elkaar zijn geïsoleerd, waarbij een eerste tot de groep van gebieden behorend gebied van het eerste geleidingstype tot de eerste hoofdelektrode van de transistor behoort en de stuurelektrode van de transistor een oppervlaktezone van het tweede geleidingstype heeft welke zich binnen de ! 20 isolatiezone die dit eerste gebied ongeeft bevindt en waarbij een tweede hoofdelektrode van de transistor aan het hoofdoppervlak grenst en door ! een gelijkrichtende overgang van de stuurelektrode is gescheiden en waarbij aan het hoofdoppervlak een stelsel van signaalverbindingen aanwezig is dat geleidersporen bevat, die door een isolerende laag van het half-25 geleiderlichaam zijn gescheiden, waarbij meerdere van deze geleidersporen het eerste gebied van het eerste geleidingstype elk via een diodeovergang verbinden met een verder deel van de geïntegreerde logische schakeling, waarbij de· diodeovergangen de genoemde dioden vormen, die elk in de voor-waartsrichting met de hoofdstroombaan van de transistor in serie zijn ge-30 schakeld en waarbij de middelen voor het toevoeren van stroon een voedings-lijn voor aansluiting van een voedingsbron en middelen om vanuit deze voe-dingslijn streem aan de signaalingang toe te voeren bevatten en waarbij een geleidende verbinding die tenminste een belas tingselement bevat aan- 8300843 - - ----* 4 * „ I* PHN 10607 2 wezig is tussen de voedingslijn en de eerste hoofdelektrode van de transistor.

Een dergelijke geïntegreerde schakeling is bekend uit IEEE,

Journal of Solid State Circuits, Vol.SC-17, No.4, aug.'82, blz. 687-695, in het bijzonder fig. 9.

5

In het algemeen betreft de uitvinding logische schakelingen van bijvoorbeeld het 1^1-type (Integrated Injection Logic) het ISL-type (Integrated Schottky Logic) en. het STL-type (Schottky Transistor Logic), waarbij een stroomvoorziening aan de logische ingang en een interne pull-up verbinding tussen de eerste hoofdelektrode en de voedingslijn aan-10 wezig zijn. De transistor kan bijvoorbeeld een bipolaire transistor of een statische inductie transistor zijn en heeft een tussen een eerste en een tweede hoofdelektrede gelegen hoofdstroombaan en een stuurelektrade voor de besturing van de tijdens het bedrijf door de hoofdstroombaan vloeiende stroom. Bij een bipolaire transistor vormen de kollektor en de emit-15 ter de beide hoofdelektroden en is de basis de stuurelektrode,

De interne pull-up-verbinding kan eenvoudig een weerstand bevatten of kan bijvoorbeeld uit de serieschakeling van een weerstand en een diode bestaan. Met deze verbinding wordt bereikt dat de vertragingstijd worgende..' van de op de van een pull-up verbinding voorziene poortschakelingerp lo^ 20 gische poortschakeling minder afhankelijk is van het aantal voorafgaande poortschakelingen dat met de ingang van deze volgende poortschakeling is verbonden. Voorts wordt hierdoor een verbetering van de storingsmarge verkregen. Bij geïntegreerde schakelingen met veel poortschakelingen kunnen alle poortschakelingen een interne pull-up-verbinding hebben.

25

De genoemde verbeteringen kunnen praktisch zonder verhoging van de ener-giedissipatie worden gerealisserd door de stroom die zonder pull-up-ver-binding uitsluitend aan de ingang werd toegevoerd nu over de ingang en de pull-up-verbinding te verdelen, zodanig dat de totale stroon, per poortschakeling praktisch onveranderd blijft.

on

Meestal zal het voldoende zijn cm alleen, bij poortschakelingen die deel uitmaken van een kritisch signaalpad en waarvan de ingang met een relatief groot aantal voorafgaande poortschakelingen is verbonden deze voorafgaande poortschakelingen van een interne pull-up-verbinding te voorzien.

De onderhavige uitvinding beoogt de beschreven logische schakelingen met interne pull-up-verbinding verder te verbeteren en met name de vertragingstijd te verminderen.

De uitvinding berust onder meer op het inzicht, dat dit kan worden 8300843 « — i EHN 10607 3 bereikt door de spanning tassen de eerste en de tweede hoofdelektrode van de transistor in de uit-toestand te begrenzen tot een waarde kleiner dan de spanning tussen de voedingslijn en de tweede hoofdelektrode en wel zodanig dat over het gehele temperatuurtrajekt waarin de poortschakeling 5 bedrijfszeker moet funktioneren, in de uit-toestand van de transistor praktisch geen stroon van de ingang van de volgende poortschakeling naar de tweede hoofdelektrode van de transistor kan vloeien.

Volgens de uitvinding is een geïntegreerde logische schakeling van de in de aanhef beschreven soort daardoor gekenmerkt, dat een verdere 10 verbinding aanwezig is die de serieschakeling van een Schottky-diode en een weerstand bevat, welke verdere verbinding de eerste hoofdelektrode met de tweede hoofdelektrode van de transistor verbindt, waarbij de verdere verbinding en de hoofdstrocmbaan van de transistor met dezelfde stroomrichting aan elkaar parallel geschakeld zijn.

15 Bij aanwezigheid van een dergelijke verdere verbinding zal in de uit-toestand van de transistor de door de verbinding tussen de voedingslijn en de eerste hoofdelektrode vloeiende stroom praktisch geheel door de verdere verbinding afvloeien, terwijl deze stroom in de aan-toestand van de transistor door de transistor vloeit, waarbij de spanning aan de 20 eerste hoofdelektrode zo gering is, dat de verdere verbinding praktisch stroomloos is.

Gebleken is dat in de geïntegreerde schakeling volgens de uitvinding een effectieve begrenzing van de spanning op de eerste hoofdelektrode wordt bereikt, waarbij weliswaar in de uit-toestand van de trans is-25 tor stroom door de verdere verbinding blijft lopen, waardoor de dissipa-tie van de poortschakeling in geringe mate is verhoogd, maar waarbij de vertragingstijd aanmerkelijk is verlaagd. Daarbij zorgt vooral de weerstand in de verdere verbinding er voor, dat in het gehele gewenste temperatuur tra j ekt, dus ook bij hogere temperaturen van bijv. 125°C tot 30 150°C voldoende storingsmarge aanwezig blijft. In dit verband worden de weerstanden in de pull-up-verfrmding en de verdere verbinding bij voorkeur zo gedimensioneerd, dat over de weerstand in de verdere verbinding een spanningsval van tenminste 60 mV optreedt. Zeer goede resultaten en een hogere mate van bedrijfszekerheid worden bereikt net een spannings-35 val van 150 mV of meer.

Een belangrijk voordeel van de onderhavige uitvinding is ook dat de verdere verbinding betrekkelijk eenvoudig kan worden meegeïntegreerd waarbij relatief weinig extra ruimte aan het halfgeleideroppervlak nodig 8300843 PHN 10607 4 is.

Bij een belangrijke voorkeursuitvoeringsvorm van de geïntegreerde logische schakeling volgens de uitvinding wordt de weerstand in de verdere verbinding gevormd door een halfgeleiderzone van het eerste ge-5 leidingstype, waarbij de Schottky-diode wordt gevormd door een gelijk-richtend kontakt op de halfgeleiderzone.

ffet voordeel is de halfgeleiderzone een tweede tot de groep van gebieden behorend gebied van het eerste geleidingstype, waarbij het eerste en het tweede gebied van elkaar gescheiden gebieden van het eerste ge-10 leidingstype zijn waarvan alleen het eerste een hoger gedoteerd begraven gebied van het eerste geleidingstype heeft, dat zich aan en nabij een deel van de grens tussen het eerste gebied en het gemeenschappelijke substraat-gebied uitstrekt. Door het gebruik van een Schottky-diode bestaat in deze uitvoeringsvorm ondanks het ontbreken van een begraven laag praktisch geen ^ gevaar voor parasitaire trans is torwerking naar het gemeenschappelijke substraatgebied. Door het ontbreken van de begraven laag is voor de weerstand maar weinig ruimte aan het halfgeleideroppervlak nodig.

In deze uitvoeringsvorm maakt bij voorkeur althans een deel van een derde tot de groep van gebieden behorend gebied van het eerste gelei-20 dingstype als weerstand deel uit van de pull-up-verbinding waarbij in dit deel van het derde gebied van het eerste geleidingstype, evenals in het tweede gebied van het eerste geleidingstype een begraven laag ontbreekt. De beide weerstanden zijn dan in dezelfde vorm uitgevoerd waardoor de verhouding van hun weer standswaarden en daarmee de waarde van de 23 begrensde spanning relatief ongevoelig is voor kleine variaties in het vervaardigingproces, die zoals bekend bij fabrieksmatige produktie kunnen optreden. Bovendien zullen beide weerstanden praktisch dezelfde tempera-tuurcoëfficiënt hebben.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een 30 uitvoeringsvoorbeeld en de bijgaande tekening, waarin

Fig. 1 een schakelschema van de geïntegreerde logische schakeling volgens de uitvinding weergeeft en F-ig. 2 schematisch een bovenaanzicht van een deel van een uit-voeringsvoorbeeld van de geïntegreerde logische schakeling volgens de 35 uitvinding toont, waarbij

Fig. 3 schematisch een dwarsdoorsnede van dit uitvoeringsvoor-beeld volgens de lijn III-III van Fig. 2,

Fig. 4 een soortgelijke dwarsdoorsnede volgens de lijn IV-IV van 8300843 ΕΗΝ 10607 5 * . £ .

Fig. 2 en

Fig. 5 een soortgelijke dwarsdoorsnede volgens de lijn V-V van Fig. 2 weergeeft.

Zoals vermeld betreft de uitvinding geïntegreerde logische scha-5 kelingen van bijvoorbeeld het l\-type, het ISL-type en het STL-type die met elkaar gemeen hebben, dat zij een signaalingang 1 (fig. 1) hebben die wordt gevormd door de stuurelektrode 4 van een transistor en meerdere signaaluitgangen 2 die elk via een diode met een eerste hoofdelektrode 5 van de transistor zijn gekoppeld, waarbij de signaalingang 1 is 10 verbonden met middelen voor het toevoeren van stroom, die een voedings-lijn 3 voor het aansluiten van een voedingsbron en middelen 1^ cm vanuit deze voedingslijn 3 stroon aan de signaalingang 1 toe te voeren bevatten en waarbij een geleidende verbinding die tenminste een belastingselement I2 bevat, aanwezig is tussen de voedingslijn 3 en de eerste hoofdelektro-15 de 5 van de transistor . Logische schakelingen van deze soort zijn in de literatuur uitvoerig beschreven zodat op de werking daarvan hier niet behoeft te worden ingegaan. De transistor kan bijvoorbeeld een bipolaire transistor of een statische inductie transistor zijn en heeft een tussen een eerste hoofdelektrode 5 en een tweede hoofdelektrode 6 gelegen 20 hoofdstrcombaan en een stuurelektrode 4 voor sturing van de tijdens het bedrijf door de hoofdstroombaan vloeiende stroom. De tweede hoofdelektro- j de 6 is meestal verbonden met een punt van referentiepotentiaal, bijv. aarde. Deze verbinding is hier aangegeven met een tweede voedingslijn 7.

In ISL-schakelingen is de transistor voorzien van een of meer 25 hulptrans is tors die de mate waarin de transistor in de aan-toes tand in verzadiging gaat beperken. Bijvoorbeeld kan daartoe een kcmplementaire transistor T2 aanwezig zijn die in de geïntegreerde schakeling als laterale en/of als vertikale transistor kan zijn uitgevoerd.

In STL-schakelingen is een Schottky-diode over de koliektor-30 basis-overgang van de transistor aangebracht die voorkomt dat transistor T-j in verzadiging gaat.

De in de vorm van stroombron 1^ aangegeven middelen kunnen worden gerealiseerd in de vorm van een kcmplementaire transistor, die dan veelal lateraal zal zijn uitgevoerd. Een andere gebruikelijke uitvoerings-35 vorm heeft een weerstand tussen voedingslijn 3 en signaalingang 1.

Het belastingselement I2 bestaat meestal uit een weerstand of uit de serieschakeling van een weerstand en een diode. De verbinding tussen de voedingslijn 3 en de eerste hoofdelektrode 5 vormt een interne 8300843 - --- ---^ tf * PHN 10607 6 pull-up-ver binding, die bij het naar de uit-toes tand omschakelen van transistor helpt de potentiaal van de eerste hoofdelektrode naar een hoge waarde te brengen. Via deze verbinding kunnen de met dit inwendige knooppunt van de schakeling verbonden kapaciteiten relatief snel worden opge-5 laden. Daardoor wordt de gevoeligheid van de vertragingstijd van de volgende poortschakeling voor de fan-in van deze volgende pcortschakeling aanmerkelijk verminderd.

Als voorbeeld van de geïntegreerde logische schakeling volgens de uitvinding zal vervolgens aan de hand van de fig. 2 t/m 5 een ISL-10 schakeling worden beschreven, waarvan fig. 1 het bijbehorende schakelschema weergeeft en waarin de daarin aangegeven stroombronnen I-j en 1^ zijn gerealiseerd in de vorm van weerstanden.

De geïntegreerde logische schakeling volgens de fig. 2 t/m 5 heeft een half geleider lichaam 10 met een hoofdoppervlak 11 dat zich be-15 vindt aan een aktieve zijde van het half geleider lichaam 10. De aktieve zijde van het halfgeleiderlichaam is de zijde waaraan de schakelelementen of althans het grootste deel van de schakelelementen van de geïntegreerde schakeling is aangebracht. Aan deze aktieve zijde is een groep van gebieden of eilanden 13 t/m 17 van een eerste geleidingstype aanwezig. Deze 20 gebieden of eilanden strekken zich uit op een voor deze gebieden of eilanden gemeenschappelijk substraatgebied 18 van een tweede geleidingstype. Elk van deze gebieden 13 t/m 17 is geheel of praktisch geheel cmgeven door een isolatiezone 19.die zich vanaf het hoofdoppervlak 11 in het halfgeleiderlichaam 10 uitstrékt. De gebieden 13, 14 en 15 zijn door middel 25 van een begraven laag 12 van het eerste geleidings type met elkaar verbonden. De gebieden 16 en 17 zijn met behulp van de isolatiezone 19 althans tijdens het bedrijf van de geïntegreerde schakeling elektrisch van elkaar en van de met elkaar verbonden gebieden 13,14 en 15 geïsoleerd. Daarnaast kan de geïntegreerde schakeling vele andere, niet-getekende van elkaar 30 geïsoleerde gebieden van het eerste geleidings type hebben waarin soortgelijke ISL-poortschakelingen of andere schakelingen of schakelelementen kunnen zijn gerealiseerd.

Een eerste 13 van de gebieden van het eerste geleidingsttype behoort tot de eerste hoofdelektrcde van de transistor , in dit geval 35 de kollektor van een bipolaire transistor. De stuurelektrode of basis van de bipolaire transistor heeft een oppervlaktezone 20 van het tweede geleidingstype die zich binnen de isolatiezone 19 die het eerste opper-vlaktegebied 13 cmgeeft bevindt. Een tweede hoof elektrode of emitter 21 8300843 - * ' EHN 10607 7 van de bipolaire transistor -grenst aan het hoofdoppervlak 11 en is door een gelijkrichterde overgang 40 van de stuurelektrode of basis 20 gescheiden.

Aan het hoofdoppervlak 11 is een stelsel van signaalverbindingen 5 aanwezig dat geleidersporen bevat die door een isolerende laag 22 van het halfgeleiderlichaam zijn gescheiden. De isolerende laag 22 kan een gedeponeerde laag zijn maar kan ook door thermische oxydatie zijn verkregen.

In het laatste geval zal, waar in dit voorbeeld ook de isolatiezone 19 uit isolerend materiaal bestaat, de isolerende laag 22 alleen qp de gebie-10 den 13 t/m 17 aanwezig zijn, waarbij de dikte van de isolatiezone 19 tijdens het aanbrengen van de laag 22 in geringe mate toeneemt.

Meerdere geleidersporen 23 verbinden het eerste gebied 13 elk via een diodeovergang 24 met niet-getekende verdere delen van de geïntegreerde logische schakeling, waarbij de diodeovergangen 24 de dioden uit 15 fig. 1 vormen.

De diodeovergangen 24 zijn Schottky-overgangen tussen een geschikt metaal of metaalhoudend materiaal en het gebied 14. Het eerste gebied 13 is door het begraven gebied 12 van het eerste geleidingstype met het gebied 14 verbonden.

20 De dioden D^, dus de diodeovergangen 24, zijn in de voorwaarts- richting met de hoofdstrocmbaan van de transistor die door de kollek-tor-emitter-weg wordt gevormd, in serie geschakeld.

De middelen voor het toevoeren van stroom aan de signaal ingang bevatten een voedingslijn 25 en middelen in de vorm van een weerstand 26, 25 27 cm vanuit de voedingslijn 25 stroom aan de signaalingang 28 toe te voeren. De signaalingang 28 is een geleiderspoor dat de weerstand 26, 27 met de basis van de transistor verbindt..

Voorts is een geleidende verbinding met tenminste een belastings-element dat in dit voorbeeld de vorm van een weerstand heeft die door al-30 thans een deel van het gebied 15 van het eerste geleidings type wordt gevormd, aanwezig tussen de voedingslijn 25 en de eerste hoofdelektrode of kollektor 13, 12 van de transistor . Het ene uiteinde van het gebied ! 15 is met de voedingslijn 25 verbonden en het andere uiteinde van het gebied 15 maakt deel uit van een kollektoraansluiting voor de transistor 35 die ook het geleiderspoor 33 bevat.

De emitter 21 van de transistor is verbonden net een tweede voedingslijn 7, die is uitgevoerd als het geleiderspoor 29. Dit geleiderspoor 29 is met behulp van een oppervlaktegebied van het tweede geleidings- 8300843 ¥ ·» PHN 10607 8 type 30 ook met het substraatgebied 18 verbonden.

De komplementaire transistor T2 van fig. 1 wordt gevormd door de basis 20 en het kollektorgebied 13 van transistor en het substraatgebied 18, die respektievelijk de emitter, de basis en de koliek tor van 5 transistor T2 vormen. In verband hiermee is het oppervlaktegebied 30 dichtbij de transistor aangebracht. De kollektorserieweerstand van transistor T2 blijft daardoor beperkt. Een gunstige invloed op die serie-weerstand heeft ook de aanwe2igheid van gebruikelijke kanaalonderbrekers 31 van het tweede geleidingstype onder de uit isolerend materiaal gevonrr 10 de isolatiezone 19.

Zoals gebruikelijk in ISL-schakelingen met een vertikale komplementaire transistor T2 strekt de begraven laag 12 zich maar onder een deel van de basiszone 20 uit, namelijk alleen onder het aktieve deel dat de emitterzone 21 bevat. Onder het overige deel van de basiszone 20 dat op 15 het aktieve deel aansluit is geen begraven laag 12 aanwezig. In dit deel van de halfgeleiderstruktuur wordt een effektieve transistorwerking naar het substraatgebied 18 verkregen waarmee de mate waarin transistor in verzadiging kan gaan, wordt begrensd.

Volgens de uitvinding is een verdere verbinding aanwezig die de 20 serieschakeling van een Schottky-diode D2 en een weerstand R (fig. 1) bevat, welke verdere verbinding de eerste hoofdelektrode 5 net de tweede hoofdelektrode 6 van de transistor verbindt, waarbij de hoofdstroombaan van transistor en de verdere verbinding met dezelfde stroomrichting aan elkaar parallel geschakeld zijn. Met andere woorden, als de 25 (positieve) stroomrichting in de hoofdstroombaan van transistor zodanig is dat de stroom van de kollektor naar de emitter vloeit, dan is de diode D2 zo geplaatst, dat de stroomrichting in de verdere verbinding, dus de voorwaartsrichting van de Schottky-diode D2 ook zodanig is, dat de stroom van de kollektor naar de emitter van transistor vloeit.

30 De Schottky-diode D2 wordt in de geïntegreerde schakeling volgens de fig. 2 t/m 5 gevormd door de Schottky-overgang 32 tussen het met de kollektor van de transistor verbonden geleiderspoor 33 en het gebied 16 van het eerste geleidingstype. Deze Schottky-overgang 32 bevindt zich aan een uiteinde van het gebied 16, waarbij het andere uiteinde van het 35 gebied 16 met het geleiderspoor 29 en via dit geleiderspoor 29 met de tweede hoofdelektrode of emitter 21 van transistor is verbonden. Het geïsoleerde gebied 16 vormt de met de Schottky-diode D2 in serie geschakelde weerstand R.

8300843 * * PHN 10607 9

De verdere verbinding met de diode en de weerstand R heeft het voordeel dat in de aan-toestand van transistor geen stroon door de diode D2 en de weerstand R vloeit en dat in de uit—toestand van de transistor de spanning op de kolléktor van transistor effektief 5 wordt begrensd waarbij ook bij hogere temperaturen geen s troon aan opvolgende poortschakelingen wordt onttrokken.

In de aan-toestand van transistor is de kollektorspanning zo laag dat diode D2 niet kan geleiden. In de uit-toes tand van de transistor T.j kan begrenzing van de kollektorspanning met behulp van diode D2 bij 10 hogere temperaturen echter gemakkelijk tot problemen aanleiding geven.

Rekening is te houden met het feit dat vanuit de ingang van de opvolgende poortschakeling gezien, de diodes en D2 in serie staan en samen een belangrijk grotere temperatuurscoëfficiënt hebben dan de emitter-basis-overgang aan de ingang van de opvolgende poortschakeling. De weerstand R 15 stelt zéker dat ook bij hogere temperaturen van 125 a 150°C de kollektorspanning voldoende hoog blijft cm het onttrekken van stroom aan de opvolgende poortschakelingen praktisch te voorkomen.

De ondergrens van de weerstandswaarde van de weerstand R wordt met name bepaald door de mate van zekerheid, door de storingsmarge, die 20 bij hoge temperatuur nog gewenst is. Daarnaast is die ondergrens ook afhankelijk van de gekozen voedingsspanning en de dicdevoorwaartsspanning van de diode D2. Bij voorkeur is de weerstand R zo gekozen dat tijdens het bedrijf in de uit-toes tand van transistor daarover een spannings-val van tenminste 60 mV aanwezig is. Grotere zekerheid dat ook bij zeer 25 hoge temperaturen geen strocmverlies optreedt wordt verkregen met een spanningsval over de weerstand R van tenminste 150 mV.

Is de voedingsspanning op de voedingslijn 3 bijvoorbeeld 1,5 V en heeft de diode D2 bij kamertemperatuur een dicdevoorwaartsspanning van bijvoorbeeld ongeveer 480 mV, dat betekent een spanningsval van bij-30 voorbeeld 300 mV over de weerstand R dat de spanningszwaai op de kollek-tor van transistor door het aanbrengen van de verdere verbinding ongeveer is gehalveerd. Dit is vooral van belang vanwege de basis-kollektor-kapaciteit-van de transistor T-j, die tijdens het cmschakelen door het Miller-effekt een extra grote invloed heeft. Door de verkleinde span-35 ningszwaai op de kolléktor van de transistor wordt de bijdrage tot de vertragingstijd van deze basis-kollektor-kapaciteit aanzienlijk verkleind.

Daarnaast speelt ook de kapaciteit van de kolléktor van de transistor naar massa een rol. Aan deze kapaciteit dragen onder meer de kapaciteiten ___ __ ____ j 8300843 j ΓΗΝ 10607 10 van de oppervlaktegebieden 13 en 14 naar het substraat bij. In dit verband is het gunstig dat in de verdere verbindingsweg een Schottky-diode wordt gebruikt. Aan het knooppunt van de logische schakeling dat door de kollektor van de transistor wordt gevormd wordt daardoor relatief 5 weinig extra kapaciteit naar massa toegevoegd. Als de diode in de verdere verbindingsweg zou worden gerealiseerd in de vorm van de emitter-basis-diode van een extra transistor waarvan de basis-kollektor-overgang is kortgesloten, wordt de kollektor-substraat kapaciteit van deze extra transistor aan de kapaciteit van het genoemde knooppunt toegevoegd. De 10 met de verdere verbindingsweg bereikte verbetering wordt daardoor kleiner.

De basis-kollektor-overgang is als diode minder geschikt in verband met de relatief grote ladingsopslag die daarin plaats vindt. Tenslotte heeft de toepassing van een trans is tors truktuur in plaats van de voorgestelde Schottky-diode bovendien een ongunstige invloed op de op-15 brengst waarmee de geïntegreerde schakeling kan worden vervaardigd.

Bij voorkeur wordt de weerstand in de verdere verbindingsweg gevormd door een halfgeleiderzone 16 van het eerste geleidingstype, waarbij de Schottky-diode wordt gevormd door een gelijkrichtend kontakt 32 op deze halfgeleiderzone 16. Bij een relatief eenvoudig mee te integre-20 ren verdere verbinding van deze vorm is het gelijkrichtende kontakt 32 van de halfgeleiderzone 16 door een van de geleidersporen, namelijk het geleiderspoor 33, met de eerste hoofdelektrode 12,13,15 van de transistor verbonden, waarbij op afstand van het gelijkrichtende kontakt 32 een niet-gelijkrichtend kontakt 41 op de halfgeleiderzone 16 is aangebracht, 25 dat via het geleiderspoor 29 geleidend met de tweede hoofdelektrode 21 van de transistor is verbonden. In het voorbeeld is het niet-gelijkrich-tende kontakt verkregen met behulp van een hoger gedoteerd aansluitgebied 38 dat in de halfgeleiderzone 16 is aangebracht.

Een zeer geschikte uitvoeringsvorm, met name voor poortschake-30 lingen met een lage dissipatie en een relatief hoge weer standswaarde, is die waarbij de halfgeleiderzone van de weerstand een tweede 16 van de gebieden 13 t/m 17 van het eerste geleidingstype is, waarbij het eerste 13 en het tweede gebied 16 van elkaar gescheiden gebieden zijn waarvan alleen het eerste een hoger gedoteerd begraven gebied 12 van het eerste 35 geleidingstype heeft dat zich aan en nabij een deel van de grens tussen het eerste gebied 13 en het gemeenschappelijke substraatgebied 18 uitstrekt. Daarbij is gebruik gemaakt van het feit dat de diode in de verdere verbinding een Schottky-diode 32 is. Bij deze in de voorwaartsrichting 8300843 - PHN 10607 11 bedreven diode zal ondanks het ontbreken van een begraven gebied in het gebied 16 praktigsch geen parasitaire trans is torwerking naar het gemeenschappelijk substraat 18 optreden.

Met voordeel is de weerstand in de interne pull-up-verbinding 5 in dezelfde vorm uitgevoerd, waarbij althans een deel van een derde gebied 15 van het eerste geleidingstype laatstgenoemde weerstand vormt en in dit deel evenals in het tweede gebied 16 een hoger gedoteerd begraven laag ontbreekt. De weerstand in de interne pull-up-verbinding en de weerstand R hebben dan praktisch dezelfde temperatuurcoëfficiënt en bovendien zal 10 de verhouding van hun weerstands waarden relatief ongevoelig zijn voor kleine variaties in het vervaardigingsproces. De waarde van de met de ver-verbindingsweg dere begrensde spanning op de eerste hoofdelektrode van de transistor is dan weinig gevoelig voor variaties in de weerstandswaarden en de temperatuur van de weerstanden.

15 Het voorbeeld volgens de figuren 2 5 kan geheel op in de halfgeleidertechniek gebruikelijke wijze, net behulp van bekende technieken zoals epitaxie, diffusie en/of implantatie, plaatselijke oxydatie en depositie van isolerende en/of geleidende lagen, worden vervaardigd.

Bij voorbeeld kan worden uitgegaan van een p-type siliciumli-20 chaam met een soortelijke weerstand van 20 a 30item en (111)·-oriëntatie. Voor de begraven laag kan bijvoorbeeld Sb worden geïmplanteerd. De vier-kantsweerstand van de begraven laag bedraagt ongeveer 30 JL.

Vervolgens kan op het p-type lichaam een n-type epitaxiale laag worden gedeponeerd met een dikte van ongeveer 1,2^um en een soortelijke 25 weerstand van ongeveer 0,3Acm.

De isolatiezone 19 kan door plaatselijke oxydatie worden verkregen met behulp van een uit een dunne oxydelaag en een siliciumnitridelaag bestaand masker. Nadat openingen in deze maskerende laag zijn aangebracht kan silicium worden geëtst en kan vervolgens door middel van implantatie 30 borium voor de kanaalonderbrekers 31 worden aangebracht. Daarna wordt het halfgeleiderlichaam in een oxyderende atmosfeer verhit tot isolatiezones met een dikte van ongeveer 1,5^um zijn verkregen, die praktisch over hun gehele dikte in het halfgeleiderlichaam zijn verzonken. Het halfgeleiderlichaam 10 heeft dan een aantal n-type eilanden 13 t/m 17, die zich uit-35 strekken op een voor deze eilanden gemeenschappelijke p—type substraat-gebied 18.

Voor de vorming van het p-type oppervlaktegebied 30 kan door implantatie borium worden aangebracht. Na een warmtebehandeling van bijvoor 8300843 I.

* PHN 10607 12 beeld ongeveer 7,5 uur bij ongeveer 1000°C in een stikstofatmosfeer kan het borium voldoende diep gediffundeerd zijn cm een goed kontakt met het substraatgebied 18 te verzekeren. De vierkantsweerstand van het p-type oppervlaktegebied bedraagt ongeveer 80 SL· 5 Ook de aansluitgebieden 35 kunnen door implantatie en diffusie worden verkregen. Als doteringsmateriaal kan bijvoorbeeld fosfor worden gebruikt en de vierkan tsweers tand van deze aansluitgebieden 35 bedraagt bijvoorbeeld 50 a 60Sl.

De basiszone 20 en de aansluitgebieden 27 van de weerstand 26, 27 10 zijn bijvoorbeeld net borium gedoteerd en hebben bijvoorbeeld een vier-kantsweerstand van ongeveer 500 SL De basis-kollektor-overgang ligt bijvoorbeeld op een diepte van ongeveer 0,5^um.

Het weerstandsgebied 26 van de weerstand 26, 27 kan met behulp van implantatie met borium zijn gedoteerd. De vierkan tsweers tand kan onge-15 veer 2kJL bedragen en de met het n-type gebied 17 gevormde pn-overgang kan op een diepte van ongeveer 0,5^,urn liggen.

De gedeponeerde isolerende laag 22 kan bijvoorbeeld uit een dubbellaag van siliciumoxyde en siliciumnitride bestaan. In deze dubbellaag kunnen alle verdere nog benodigde openingen tegelijk worden aangebracht.

20 Met behulp van een fotolaklaagpatrcon worden dan alle openingen behalve die waarin de emitterdotering wordt aangebracht af gedekt. De emitterdo-tering, bijvoorbeeld As, wordt geïmplanteerd. De vierkantsweerstand bedraagt bijvoorbeeld 25 è 30 ii en de emitter-basis-overgang ligt bijvoorbeeld op een diepte van ongeveer 0,25^um. Tegelijk met de emitterzone 21 25kan een kollektorkontaktgebied 36, een n-type aans lui tgebied 37 voor het oppervlaktegebied 17, een n-type aansluitgebied 38 voor de weerstand 16 en een n-type aansluitgebied 39 voor de weerstand 15 worden aangebracht.

Na verwijdering van het fotolaklaagpatroon en het schoonmaken van de openingen kan op gebruikelijke wijze een geschikt materiaal voor 3ode vorming van Schottky-overgangen worden aangebracht. In het voorbeeld werd een uit Pt en Ni bestaande laag met een dikte van ongeveer 25 nm toegepast. Na de vorming van silicide in de openingen bij ongeveer 475°C werden de overtollige delen van deze PtNi-laag verwijderd. De barriêre-hcogte van de verkregen Schottky-overgangen bedraagt ongeveer 0,78 eV.

35 De geleidersporen 23,25,28,29 en 33 kunnen bijvoorbeeld bestaan uit een ongeveer 0,1^um dikke TIW-laag en een 0,6 a 0,7^,urn dikke Al-laag. Over deze geleidersporen kan een niet-getekende verdere isolerende laag van bijvoorbeeld siliciumoxyde worden aangebracht, waarin kontaktopeningen 8300843 *. ·>.

EHN 10607 13 worden gemaakt. Op deze isolerende laag en in de kontaktopeningen kan vervolgens een niefc-getekend tweede patroon van geleidersporen worden aangehracht voor elektrische verbinding van de getekende poortschakeling net andere niet-getekende delen van de geïntegreerde schakeling. Voor dit 5 tweede patroon van geleidersporen kan bijvoorbeeld een Al-laag met een dikte van ongeveer 1,5^um worden toegepast.

Tenslotte kan over het tweede patroon van geleidersporen nog een beschermende, een passiverende isolerende laag van bijvoorbeeld sili-ciumoxyde en/of siliciumnitride worden toegepast en kan de geïntegreerde 10 schakeling verder op gebruikelijke wijze, bijvoorbeeld in een geschikte omhulling, worden af gemonteerd.

In het tegen oxydatie maskerende masker dat bij het aanbrengen van de isolatiezone 19 wordt gebruikt kan het gebied 13 bijvoorbeeld afmetingen hebben van 16^um bij 12^um. Het gebied 15 is bijvoorbeeld 48^,um 15 bij 10yum. Het gebied 16 kan ongeveer 2Cyum lang en 8^um breed zijn.

Het gebied 17 is bijvoorbeeld 48^um bij 8^um en de afmetingen van het gebied 14 zijn bijvoorbeeld 37,5^um bij 13^um. Het oppervlaktegebied 30 voor de aansluiting van het substraatgebied 18 is bijvoorbeeld 15^um bij 12^um. In de werkelijke halfgeleiderstruktuur zullen de genoemde afme-20 tingen kleiner zijn als gevolg van de etsbehandeling van het silicium-lichaam en het groeien van het oxyde van de isolatiezone 19.

De opening in de isolerende laag 22 voor de emitterzone 21 is bijvoorbeeld ongeveer 6^ui^en%ngeveer 2,5^um breed. Andere openingen in de isolerende laag zijn, voorzover hun rand niet samenvalt met de be-25 grenzing van gebieden of eilanden 13 t/m 17 in fig. 1 met onderbroken j lijnen 42 aangegeven. De breedte van de openingen voor de Schottky-dioden D^ is bijvoorbeeld ongeveer 4^um en de lengte van de opening voor de Schottky-dicde D2 is bijvoorbeeld ongeveer 9^um.

In het beschreven voorbeeld hebben de weerstanden 26 en 15 een 30 waarde van ongeveer 12 kil en bedraagt de waarde van de weerstand R - het gebied 16 - ongeveer 4,5 kH. Bij een voedingsspanning van ongeveer 1,5 Volt en een gemiddelde stroom (1^ + I2) per poortschakeling van ongeveer 125yUA kan de vertragingstijd dan ongeveer 1 nsec. bedragen. Deze vertragingstijd verandert tot en met een fan-in van 7 a 8 minder dan on-35 geveer 10%. Het produkt van vertraginstijd T en dissipatie D is hierbij ongeveer 0,19 pJ. Indien de verdere verbindingsweg wordt weggelaten zal de vertragingstijd onder overigens dezelfde omstandigheden ongeveer 1,3 nsec. zijn.

8300843

' V

κ ΡΗΝ 10607 14 «

De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot het beschreven uitvoeringsvoorbeeld. Voor de vakman zijn binnen het kader van de uitvinding zowel in de opbouw van de geïntegreerde schakeling als in de beschreven werkwijze ter vervaardiging daarvan vele variaties mogelijk.

5 Bijvoorbeeld kunnen de aangegeven geleidingstypes worden verwisseld, waarbij ook de polariteiten van de aangelegde spanningen verwisselt worden.

Dit betekent onder meer ook dat de stroomrichting in de middelen 1^ voor het toevoeren van stroom aan de signaalingang 4, in de interne pull-up-verbinding met het impedantie-element ^ en in de verdere verbinding met 10 de diode D2 en de weerstand R wordt omgekeerd. De uitdrukking "middelen voor het toevoeren van stroom" moet dan ook zodanig ruim worden begrepen, dat daarmee beide stroomrichtingen zijn omvat.

Voor de Schottky-dioden kunnen ook andere materialen dan het aangegeven PtNi worden gebruikt, zoals Pt of Ti of TiW. Uit de literatuur 15 zijn de vakman verschillende voorbeelden bekend van materialen waarmee met n-type en/of met p-type halfgeleidermateriaal geschikte Schottky-over-gangen kunnen worden verkregen. In het kader van de uitvinding worden onder Schottky-overgangen niet alleen zuivere metaal-halfgeleider-over-gangen verstaan, maar bijvoorbeeld ook metaalsilicide-halfgeleider-over-20 gangen en in het algemeen alle geschikte gelijkrichtende overgangen die met behulp van een metaalhoudende laag aan het halfgeleideroppervlak of in de direkte nabijheid daarvan kunnen worden verkregen, waarbij bijvoorbeeld ook ioneniraplantatie kan worden toegepast cm de eigenschappen van de diode te beïnvloeden of aan te passen. In een diode van deze soort 25 zal relatief weinig opslag van lading plaats vinden en de voorwaarsspan-ning over een dergelijke Schottky-diode die in de geleidende toestand is, zal kleiner zijn dan de overeenkomstige spanning over een geleidende pn-overgang in het toegepaste praktisch monokristallijne halfgeleiderlichaam van de geïntegreerde schakeling. Ook is de temperatuurcoëfficiënt van 30 een dergelijke diode relatief laag.

Bij voorkeur hebben de diodes D^ en D2 dezelfde opbouw. In STL-schakelingen, waarin Schottky-diodes met een verschillende barriêrehoogte nodig zijn-, heeft de diode D2 bij voorkeur dezelfde opbouw als de diode met de grootste barriêrehoogte. Overigens zal in STL-schakeingen met dio-35 de D2 en weerstand R bij verhoging van temperatuur de storingsmarge meestal eerder te klein worden dan in ISL-schakelingen zodat de aanwezigheid van een voldoend grote weerstand R in STL-schakelingen extra belanrijk is.

In ISL-schakelingen kan behalve of in plaats van de beschreven 8300843 -% PHN 10607 15 4 kanplementaire hulptrans is tor ook een hulptransistor van hetzelfde type als de transistor worden toegepast. Bijvoorbeeld is dan in de basiszone 20 tegelijk met de emitterzone 21 een verder n—type oppervlak-tegebied aangebracht, dat met behulp van het geleiderpatroon 28 met de 5 basiszone 20 is kortgesloten.

In plaats van de scheiding met door plaatselijke oxydatie verkregen isolatiezones 19 kunnen andere diëlectrische isolatietechnieken worden toegepast zoals V-groeven of met isolerend en/of polykristallijn halfgeleidermateriaal opgevulde groeven. Ook kan de geïntegreerde scha-10 keling met de meer conventionele pn-isolatie worden gerealiseerd.

In plaats van silicium kunnen andere halfgeleidermaterialen zoals germanium of A^-B^-verbindingen worden gebruikt. Ook voor de isolerende laag of lagen kunnen andere dan de genoemde materialen, zoals aluminiumoxyde of siliciumoxynitride worden toegepast. De geleidersporen 15 kunnen behalve uit Al of TiW-Al geheel of gedeeltelijk uit andere geschikte materialen zoals polykristallijn halfgeleidermateriaal en/of me-taalsilicide bestaan.

In plaats van een door implantatie verkregen weerstand 26,27 aan de ingang van de logische poortschakeling kan ook een weerstand met de-20 zelfde of een vergelijkbare opbouw als de weerstand 15 in de pull-up-verbinding en/of de in serie met de diode 32 geschakelde weerstand 16 worden toegepast.

In het voorbeeld zijn de diodes in de vorm van over gangen 24 qp het kolléktorgebied 13 of althans cp een in het halfgeleiderlichaam 25 direkt daarmee verbonden oppervlaktegebied of eiland 14 aangebracht. Zonodig kunnen de dioden echter ook worden gesitueerd in een op afstand van de transistor gelegen, separaat eiland, dat via de kollektoraan-sluiting 33 en een geleiderspoor met de kollektor van de transistor is verbonden.

30 35 8300843

Claims

1. Geïntegreerde logische schakeling met een signaalingang, die wordt gevonrd door een stuurelektrode van een transistor, en met meerdere signaaluitgangen die elk via een diode met een eerste hoofdelektrode van de transistor zijn gekoppeld, waarbij de signaalingang is verbonden met * 5 middelen voor het toevoeren van stroom, welke geïntegreerde logische schakeling een halfgeleiderlichaara bevat met een hoofdoppervlak dat zich bevindt aan een aktieve zijde van het halfgeleiderlichaam waarbij een groep van gebieden van een eerste geleidingstype aan deze aktieve zijde aanwezig is, welke gebieden zich uitstrekken op een voor deze gebieden 10 gemeenschappelijk substraatgebied van een tweede geleidingstype, waarbij elk van de gebieden van het eerste geleidingstype is omgeven door een isolatiezone, die zich vanaf het hoofdoppervlak in het halfgeleiderlichaam uitstrekt en met hehulp waarvan althans een aantal van de gebieden van het eerste geleidingstype althans tijdens het bedrijf van de geïnte-15 greerde logische schakeling elektrisch van elkaar zijn geïsoleerd, waarbij een eerste tot de groep van gebieden behorend gebied van het eerste geleidingstype tot de eerste hoofdelektrode van de transistor behoort en de stuurelektrode van de transistor een oppervlaktezone van het tweede geleidingstype heeft, welke zich binnen de isolatiezone die dit eerste 20 gebied omgeeft bevindt en waarbij een tweede hoofdelektrode van de transistor aan het hcofdoppervlak grenst en door een gelijkrichtende overgang van de stuurelektrode is gescheiden en waarbij aan het hoofdoppervlak een stelsel van signaalverbindingen aanwezig is dat geleider-sporen. bevat, die door een isolerende laag van het halfgeleiderlichaam 25 zijn gescheiden, waarbij meerdere van deze geleidersporen het eerste gebied van het eerste geleidingstype elk via een diode-overgang verbinden met een verder deel van de geïntegreerde logische schakeling, waarbij de diode-overgangen de genoemde dioden vonten, die elk in de voorwaartsrichting met de hoofdstroombaan van de transistor in serie 30 zijn geschakeld en waarbij de middelen voor het toevoeren van stroom een voedingslijn voor aansluiting van een voedingsbron en middelen om vanuit deze voedingslijn stroon aan de signaalingang toe te voeren bevatten en. waarbij een geleidende verbinding die tenminste een belastings-element bevat aanwezig is tussen de voedingslijn en de eerste hoofde-35 lektrcde van de transistor met het kenmerk, dat een verdere verbinding aanwezig is die de serieschakeling van een Schottky-diode en een weerstand bevat, welke verdere verbinding de eerste hoofdelektrode met de tweede hoofdelektrode van de transistor verbindt, waarbij de verdere 8300843 EHN 10607 17 1 < « . S' * * verbinding en de hoofdstroanbaan van de transistor net dezelfde stroomrichting aan elkaar parallel geschakeld zijn.

2. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 1, net het kennerk, dat tijdens het bedrijf ever de veerstand in de verdere ver- 5 binding een spanningsval van tenminste 60mV optreedt.

3. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de spanningsval tenminste 150 mV bedraagt.

4. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de weerstand in de verdere verbinding wordt gevormd 10 door een halfgeleiderzone van het eerste geleidingstype, waarbij de Schottky-diode wordt gevormd door een gelijkrichtend kentakt op deze halfgeleiderzone.

5. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 4, net het kenmerk, dat het gelijkrichtende kontakt van de half gele ider zone door een 15 van de genoemde geleidersporen is verbonden net de eerste hoofdelektrode van de transistor, waarbij op afstand van het gelijkrichtende kontakt een niet-gelijkrichtend kontakt op de halfgeleiderzone is aangebracht, dat geleidend met de tweede hoofdelektrode van de transistor is verbonden.

6. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 4 of 5, 20 met het kenmerk, dat de halfgeleiderzone een tweede tot de groep van gebieden behorend gebied van het eerste geleidingstype is, waarbij het eerste en het tweede gebied van elkaar gescheiden gebieden van het eerste geleidingstype zijn waarvan alleen het eerste een hoger gedoteerd begraven gebied van het eerste geleidingstype heeft dat zich aan en nabij 25 een deel van de grens tussen het eerste gebied en het gemeenschappelij ke substraatgebied uitstrekt.

7. Geïntegreerde logische schakeling volgens conclusie 6, net het kenmerk, dat althans een deel van een derde tot de groep van gebieden behorend gebied van het eerste geleidingstype als weerstand deel uitmaakt 30 van de verbinding tussen de voedingslijn en de eerste hoofdelektrode van de transistor waarbij van het eerste en het tweede gebied van het eerste geleidingstype en het genoemde deel van het derde gebied van het eerste geleidingstype alleen het eerste gebied van het eerste geleidingstype een hoger gedoteerd begraven gebied van het eerste geleidingstype 35 heeft. 8300843