Przedmiotem wynalazku jest scalony uklad iniektorowy o wysokim stopniu scalania, przeznaczony do zastosowania w szczególnosci w urzadzeniach cyfrowych.Znane sa scalone uklady iniektorowe, zawierajace ge¬ nerator pradu i normalnie odciety n-kanalowy tranzystor polowy, którego bramka jest polaczona z generatorem pradu i elektroda wejsciowa ukladu, zródlo-uziemione, a dren polaczony zelektroda wyjsciowa ukladu.Znane scalone uklady iniektorowe odznaczaja sie sto- io sunkowo nieduza szybkoscia dzialania, wynikajaca z faktu gromadzenia w obszarze zródla nadmiernego ladunku nosników, wstrzykiwanych przez zlacze p-n brama-zródlo.W tym ukladzie przy zwiekszeniu pradu zasilania, potrzeb¬ nego do zmniejszenia czasu ladowania pojemnosci struktury, 15 zwieksza sie ladunek, gromadzony w obszarze zródla i z tego powodu zwieksza sie czas, potrzebny do rozpro¬ wadzenia tego dunku, to znaczy zwieksza sie czas calkowity opóznienia przelaczenia ukladu. Poza tym uklad zajmuje stosunkowo duza powierzchnie, co wynika z faktu, iz do- 20 mieszki maja boczny dostep pod maskujaca warstwa tlenku podczas ksztaltowania bramki tranzystora polowego i ze wymagane jest uwzglednienie wiekszych tolerancji wymiarowych, aby zapewnic pokrywanie sie otworów w maskach fotolitograficznych do zlacz z obszarami bra- 25 mek i drenów oraz otworów maski fotograficznej stosowanej w operacji dla dyfuzji domieszek do obszaru bramki przy ksztaltowaniu obszaru drenu.Glównym zadaniem wynalazku jest zwiekszenie szybkosci dzialania scalonego ukladuiniektorowego. 30 Zadaniem wynalazku jest równiez zwiekszenie liczby elementów ukladu scalonego na jednostce powierzchni podloza pólprzewodnikowego.Zadanie zostalo rozwiazane w wyniku zaprojektowania scalonego ukladu iniektorowego zawierajacego generator pradu i normalnie odciety n-kanalowy tranzystor polowy, którego bramka jest polaczona z generatorem pradu i e- lektroda wejsciowa ukladu, zródlo jest uziemione, a dren jest polaczony z elektroda wyjsciowa ukladu.Zgodnie z wynalazkiem, jako generator pradu jest wy¬ korzystywany tranzystor bipolarny z kolektorem metalo¬ wym. Bramka tranzystora polowego jest wykonana w postaci co najmniej jednego niewstrzykujacego nosników zlacza prostujacego polaczonego z jedna z elektrod kolektorowych tranzystora polowego.Bramka tranzystora polowego jest wykonana w postaci dwóch niewstrzykujacych zlacz prostujacych, przy czym drugie niewstrzykujace zlacze prostujace jest polaczone z druga z elektrod kolektorowych tranzystora biopolarnego i z dodatkowa elektroda wejsciowa tranzystora. Poza tym bramka tranzystora polowego pokrywa sie z kolektorem metalowym tranzystora bipolarnego.Obszary bramki tranzystora polowego sa zrealizowane jako odcinki wewnatrzukladowych polaczen, usytuowanych na nieoslonietych strefach powierzchni podloza i zabezpie¬ czonych z góry dielektrykiem, nad którym usytuowany jest obszar drenu w taki sposób, iz tworzy zlacze rezystan- cyjne na podlozu na odcinku, pokrywajacym sie z obszarami ladunku objetosciowego zlacz prostujacych obszarów bramek. 119 495110 495 3 W podlozu w odleglosci a od powierzchni, nie przewyz¬ szajacej grubosci warstwy ladunku objetosciowego nie- wstrzykujacego nosników zlacza prostujacego bramka-zród- lo, usytuowany jest dodatkowy obszar, którego typ prze¬ wodnictwa jest przeciwny typowi przewodnictwa pod¬ loza, w taki sposób, ze calkowicie pokrywa sie ze zlaczem rezystancyjnym miedzy obszarem drenu i podlozem.Istota rozwiazania technicznego wedlug wynalazku jest wyjasniona na podstawie przykladów realizacji wynalazku i w oparciu o zalaczony rysunek, na którym fig. 1 przedsta¬ wia ideowy schemat elektryczny scalonego ukladu iniekto- fbwegó, a mianowicie elementu logicznego LUB-NIE, fig.J2 — w postaci schematycznej strukture iólprzewodni- jlj^wa, ~eIemen"UL Ulicznego LUB-NIE, przedstawionego j na fig. 1 w widoktr*zlgóry, fig. 3 — w postaci schematycz- ! nej strukture pólprzewodnikowa elementu logicznego f L&B*Nl£? ©g*lfl¥ przekroju poprzecznym, fig. 4 — w po- I s^d^schcnifrtyczaeil strukture pólprzewodnikowa dwu- wejscioweSi^ulcSair scalonego, stanowiacego zawór lo¬ giczny z generatorem pradu, wykonanym w postaci l«po- larnego tranzystora z kolektorem metalicznym, pokrywaja¬ cym sie z bramka tetraysluia p^uingi, w wMatji *^ó»y, fig. 5 — w postaci schematycznej ptensrna strukture pól¬ przewodnikowa tranzystora polowego z obszarami bramek, wykonanymi w. postaci odcinków -polaczen wwaatrz- ukladowych, w przekroju poprzecznym, a fig. 5 — przed¬ stawia schematycznie strukture pólprzewodnikowa tran¬ zystora polowego 2 dodatkowym obszarem, którego to obszaru typ przewodnictwa jest przeciwny typowi przewod¬ nictwa podloza pólprzewodnikowego, w przekroju poprzecz¬ nym.Na figurze 1 przedstawiony jest ideowy schemat elektry¬ czny ukladu scalonego typu iniektorowego wedlug jed¬ nego z przykladów realizacji wynalazku, a mianowicie — elementu logicznego LUB-NIE, stanowiacego zawór logiczny.Element logiczny, stanowiacy zawór logiczny, zawiera .generator pradu, wykonany w imnmi <¦—iFiUaa !¦¦#—1111 nego 1, którego emiter 2 polaczony jest z elektroda 3 obwodu zasilania (nie pokazanego na rysunku), baza 4 polaczona jest z elektroda uziemienia 5, a kolektory 6, 6* sa odpowiednio polaczone z elektrodami wejsciowymi 7, 7' zaworu logicznego. Poza tym zawór Jogiczny zawieja normalnie odciety (nie przewodzacy) n-kanalowy tranzys¬ tor polowy 8, którego obszar bramki 9 polaczony jest z elektroda wyjsciowa 11 i którego obszary bramek 12, 12' sa wykonane w postaci niewstrzykujacych nosników zlacz prostujacych, dolaczonych odpowiednio do elektrod wej¬ sciowych 7 i T zaworu logicznego.W przykladzie realizacji wynalazku, przedstawionym na fig. 1, bramki 12 i 12' tranzystora polowego «wyftttM»e sa w postaci dwóch niewstrzykujacych nosników zlacz prostujacych, przy czym drugie zlacze polaczone jest z dodatkowa elektroda wejsciowa 7\.Na figurze 2 przedstawiona jest schematycznie, bez uwzglednienia rzeczywistych stosunków wymiarów po¬ szczególnych elementów, struktura pólprzewodników tego samego zaworu logicznego, którego schemat ideowy przed¬ stawiony jest na fig. 1.Oznaczenia podstawowych elementów sa takie same, jak i na fig. 1. Generator pradu, zrealizowany w postaci tranzystora bipolarnego 1 oraz tranzystor polowy 8 uksztal¬ towane sa na wspólnym podlozu pólprzewodnikowym 13 o przewodnictwie typu n, przy czym obszar bazy 4 4 tranzystora 1 i obszar zródla 9 n-kanalowego tranzystora polowego 8 pokrywaja sie ze soba.Na fig. 3 przedstawiona jest ta sama struktura pól¬ przewodnikowa z fig. 2 w przekroju poprzecznym przy tym 5 oznaczenia podstawowych elementów na fig. 3 sa przyjete takie same, jak na fig. 2. Obszar drenu 10 tranzystora po¬ lowego 8 jest usytuowany miedzy niewstrzykujacymi nosników zlaczami prostujacymi obszarów bramek 12 i 12'.Liniami przerywanymi zaznacza sie granice warstw la- 10 dunku objetosciowego zlacz prostujacych obszarów 12 i 12' w podlozu 13.Na figurze 4 przedstawiona jest schematycznie struktura pólprzewodnikowa dwuwejsciowego zaworu logicznego z generatorem pradu w postaci tranzystora bipolarnego 15 z kolektorami metalicznymi, pokrywajacymi sie z bram¬ kami tranzystora polowego. W tej strukturze kolektory metaliczne 6, 6' bipolarnego tranzystora pokrywaja sie z obszarami bramek 12, 12', zrealizowanymi w postaci zlacz rnetal-pólprzewodnik typu diod Schottky'ego. 20 Zwiekszanie gestosci komponowania elementów w danej konstrukcji osiaga sie poprzez nalozenie wymienionych obszarów 6, 6' i 12, 12' odpowiednio, a wiec poprzez wye- lhamowarae elementów laczeniowych miedzy kolektorami 6, 25 4akienalozenie obszarów stalo sie mozliwe dzieki wykona¬ niu generatora pradu w postaci tranzystora bipolarnego zkolektorem metalicznym.Na figurze 5 przedstawiona jest schematycznie struktura pólprzewodnikowa normalnie odcietego (nie przewodza- 30 cego) n-kanalowego tranzystora polowego 8, wchodzacego w sklad scalonego ukladu logicznego, bedacego zaworem logicznym, którego schemat ideowy przedstawiony jest na fig. 1. Pozostala czesc ukladu moze byc wykonana tak samo, jak to zostalo przedstawione na fig. 4. 35 Zaproponowana konstrukcja ukladu scalonego z tranzys¬ torem polowym, wyposazonym w obszary bramek, zre¬ alizowane w postaci niewstrzykujacych nosników zlacz, umozliwila realizacje obszarów bramek 12, 12' w postaci odcinków metalicznych polaczen wewnatrzukladowych 14, 40 lezacych na odcinkach podloza 13, nie oslonietych dielek¬ trykiem maskujacym 15. Taka konstrukcja zapewnia mozliwosc ksztaltowania obszarów bramek 12, 12' jedno¬ czesnie z wytwarzaniem pierwszej warstwy polaczen wewnatrzukladowych w ukladzie scalonym. Rozmieszczenie 45 obszaru drenu 10 nad dielektrykiem 16, oslaniajacym polaczenie wewnatrzukladowe 14, pozwala na ksztalto¬ wanie obszaru drenu 10 jednoczesnie z wytwarzaniem drugiej warstwy polaczen wewnatrzukladowych (na ry¬ sunku nie pokazanych) ukladu scalonego. 50 Na figurze 6 przedstawiona jest schematycznie struktura pólprzewodnikowa tranzystora polowego, bedacego czescia struktury ukladu scalonego wedlug wynalazku, zrealizowa¬ nego wedlugjeszczejednego przykladu wykonania wynalaz¬ ku. Struktura ta rózni sie od opisanej wyzej i przedstawio- 55 nej na fig. 5 tym, ze przewidziany jest w niej dodatkowy obszar 17, uksztaltowany w podlozu 13 w odleglosci a od powierzchni, nie przewyzszajacej grubosci warstwy ladunku objetosciowego niewstrzykujacego nosników zla¬ cza prostujacego obszaru bramki 12. Obszar 17 ma przewod¬ no nictwo typu, przeciwnego typowi przewodnictwa podloza 13.W danym przykladzie wykonania obszar 17 ma przewod¬ nictwo typu p. Obszar 17 jest usytuowany w taki sposób, aby calkowicie pokrywal sie ze zlaczem rezystancyjnym 18 65 miedzy obszarem drenu a podlozem 13. Wprowadzenie119 495 5 dodatkowego obszaru 17 pozwala zwiekszyc odleglosc miedzy obszarami bramek 12 i 12' i uproscic technologie wytwarzania ukladu scalonego dzieki zmniejszeniu wymagan, jakim powinna odpowiadac maska fotolitograficzna, sto¬ sowana do ksztaltowania obszarówbramek. 5 Scalony uklad typu iniektorowego (zawór logiczny) pracuje w sposób nastepujacy: obszar emitera 2 tranzystora bipolarnego 1 wstrzykuje dziury w obszar bazy 4. Te dziury dla obszaru bazy 4 sa nosnikami mniejszosciowymi la¬ dunku. Te nosniki ladunku odbierane sa przez obszary 10 kolektorów 6 i 6'. W zaleznosci od napiecia na elektrodach wejsciowych 7 i T zawór logiczny moze znajdowac sie w jednym z nastepujacych stanów.Jesli na obydwóch elektrodach 7, T obecne jest male napiecie, bliskie potencjalowi „ziemi", wówczas odbierane 15 przez zlacza kolektorowe obszarów 6 i 6' nosniki ladunku odprowadzane sa do „ziemi". Przy tym elektroda wyjsciowa 11 nie ma polaczenia galwanicznego z elektroda 5 „ziemia" i, jezeli zawór ten obciazony jest przez analogiczny zawór (nie pokazany na fig. 1), to na elektrodzie 11 obecne 20 bedzie duze napiecie, równe napieciu otwarcia zlacza miedzy obszarami 12, 12' i 9.Naruszenie wymienionego polaczenia galwanicznego nastepuje wskutek pokrycia sie obszaru podloza 13, usytuo¬ wanego miedzy elektrodami 11 i 5, z warstwami ladunków objetosciowych, znajdujacych sie w stanie odciecia (w stanie nieprzewodzenia pradu elektrycznego) zlacz miedzy ob¬ szarami 12, 12' i 9 (granice warstw ladunków objetoscio¬ wych zaznaczone sa liniami przerywanymi). 30 Jesli na elektrodach wejsciowych 7 i 7' obecne jest - duze napiecie, przewyzszajace napiecie, przy którym na¬ stepuje przejscie zlacz miedzy obszarami 12, 12' i 9 w stan przewodzenia, wówczas miedzy elektrodami 11 i 5 ma miej¬ sce polaczenie galwaniczne i napiecie na wyjsciu elementu logicznego jest prawie równe napieciu na elektrodzie uziemienia 5. Wymienione polaczenie galwaniczne zapewnia sie na skutek zmniejszenia rozmiarów obszaru ladunku objetosciowego zlacz miedzy obszarami 12, 12' i 9 przy zwiekszeniu napiecia na elektrodach wejsciowych 7 i 7\ Jesli do jednej z elektrod 7, 7' przylozone jest male napiecie, to zachodza dwa przypadki. Pierwszy, gdy rezys- tywnosc obszaru 10 i odleglosc L miedzy obszarami 12, 12' (fig. 2) sa wybrane w taki sposób, ze szerokosc warstwy ladunku objetosciowego miedzy obszarami 12 i 9 jest 45 wieksza lub równa odleglosci L. Drugi — gdy szerokosc warstwy ladunku objetosciowego tego zlacza jest mniejsza od odleglosci L. W pierwszym przypadku polaczenie galwaniczne miedzy elektrodami 11 i 5 nie istnieje, a w dru¬ gim — polaczenie galwaniczne miedzy elektroda 11 i „zie- 50 mia" (elektroda 5) ma miejsce. W ten sposób element logiczny, w zaleznosci od parametrów strukturalno-topo- logicznych (wartosci b i rezystywnosci obszaru 10), moze realizowac funkcje logiczne LUB-NIE i I-NIE.Zwiekszenie szybkosci dzialania danego elementu lo- 55 gicznego jest osiagane dzieki wykorzystaniu jako obszarów bramek 12, 12' i jako obszarów kolektorów 6, 6' niewstrzy- kujacych nosników zlacz prostujacych, a mianowicie zlacz metal-pólprzewodnik. Brak wstrzykiwania nosników mniej¬ szosciowych ladunku z obszarów bramek jest przyczyna 60 braku nadmiernego ladunku w obszarze 13 i z tego powodu znacznie zmniejsza sie czas trwania procesów nieustalo¬ nych w zaworze logicznym przy zmianie stanu elementu (przy przejsciu ze stanu przewodzenia w stan nieprzewo¬ dzenia). 65 6 Zasada dzialania ukladu scalonego, zawierajacego tran¬ zystor polowy, przedstawiony na fig. 6, jest nastepujaca.Dodatkowy obszar 17 stanowi przeszkode dla przeplywu pradu od elektrody wyjsciowej 11 ku obszarowi zródla 9 w kierunku prostopadlym do powierzchni ukladu scalonego i zapewnia, ze linie przeplywu pradu sa równolegle do po¬ wierzchni. W warunkach, gdy na obszarach bramek 12, 12* obecny jest maly potencjal, warstwa ladunku objetoscio¬ wego stanowi przegrode na drodze przeplywania pradu, poniewaz obszar dodatkowy 17 calkowicie pokrywa sie ze zlaczem rezystencyjnym miedzy obszarem drenu 10 a podlozem 17. Obszar 17 moze byc polaczony z „ziemia" lub tez moze byc spolaryzowany napieciem, dostarczonym z dodatkowego zródlanapiecia.Uklad scalony wedlug wynalazku jest ukladem technolo¬ gicznym, moze byc wytwarzany metodami, wlasciwymi dla technologii planarnej zarówno z zastosowaniem warstw epitaksjalnychjak i bez warstw epitaksjalnych.Szerokie mozliwosci funkcjonalne, duza szybkosc dzia¬ lania czyni mozliwym szerokie zastosowanie ukladu sca¬ lonego wedlug wynalazku przy konstruowaniu duzych ukladów scalonych o wysokiej gestosci komponowania elementów na podlozu krystalicznym.Zastrzezenia patentowe 1. Scalony uklad typu iniektorowego zawierajacy gene¬ rator pradu i normalnie odciety n-kanalowy tranzystor polowy, którego bramka jest polaczona z generatorem pradu i elektroda wejsciowa ukladu, zródlo jest uziemione, a dren jest polaczony z elektroda wyjsciowa ukladu, zna¬ mienny tym, ze jako generator pradu jest wykorzystywany tranzystor bipolarny (1) z kolektorem metalowym (6, 6'), a bramka tranzystora polowego (8) jest wykonana w postaci co najmniej jednego niewstrzykujacego nosników zlacza prostujacego (12) polaczonego z jedna (6) z elektrod ko¬ lektorowych tranzystora polowego (1). 2. Uklad wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze bramka tranzystora polowego (8) jest wykonana w postaci dwóch niewstrzykujacych zlacz prostujacych (12, 12*), przy czym drugie niewstrzykujace zlacze prostujace (12') jest polaczone z druga (6*) z elektrod kolektorowych tranzystora bipolar¬ nego (1) i z dodatkowa elektroda wejsciowa (7) tranzystora (8). 3. Uklad wedlug zastrz. 2, znamienny tym, ze bramka (12,12') tranzystora polowego (8) pokrywa sie z kolektorem metalowym (6, 6') tranzystora bipolarnego (1). 4. Uklad wedlug zastrz. 3, znamienny tym, ze obszary bramki (12, 12') tranzystora polowego (8) sa zrealizowane jako odcinki wewnatrzukladowych polaczen (14), usytuo¬ wanych na nieoslonietych strefach powierzchni podloza (13) i zabezpieczonych z góry dielektrykiem (16), nad którym usytuowany jest obszar drenu (10) w taki sposób, iz tworzy zlacze rezystancyjne (18) na podlozu (13) na odcinku, pokrywajacym sie z obszarami ladunku objetoscio¬ wego zlacz prostujacych obszarów bramek (12,12'). 5. Uklad wedlug zastrz. 4, znamienny tym, ze w podlozu (13) w odleglosci (a) od powierzchni, nie przewyzszajacej grubosci warstwy ladunku objetosciowego niewstrzykuja¬ cego nosników zlacza prostujacego bramka-zródlo, usytuo¬ wany jest dodatkowy obszar (12), którego typ przewodnic¬ twa jest przeciwny typowi przewodnictwa podloza (13), w taki sposób, ze calkowicie pokrywa sie ze zlaczem rezys- tacyjnym (18) miedzy obszarem drenu (10) i podlozem (13).119 495 H i 7 0 ó 0/ y l r \Dn' tf!r i_ ^L a ... j ~n H /-' v £ -9 FIE.2 &W £*tt 7\ fi 7 7 W////M ,r .«/ /7£ 3 ^ "^ j? ra.7 n V i /"/££ /7£4 ssaka_Lgsd4rf-iyto#_L te •/' A.FIE.S LDD Z-d 2, z. 292/1400/83, n. 105 + 20 egz.Cena 100 zl PL PL PL PL PL PL PL PL PL