DE2508553A1

DE2508553A1 - Integrierte halbleiterschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2508553A1
Application number: DE19752508553
Authority: DE
Inventors: Gerhard Krause
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-02-27
Filing date: 1975-02-27
Publication date: 1976-09-09
Also published as: DE2508553C3; FR2302590B1; GB1533569A; JPS6019668B2; CA1070854A; DE2508553B2; IT1062863B; JPS51110286A; FR2302590A1

Description

Berlin und München V,^rittelsbachert>latz 2

VPA 75 P 1025 BRD

Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit aktiven und passiven Elementen in einem Halbleiterkörper.

Bei bisher bekannten integrierten Kalbleiterschaltungsanordnungen muß die Versorgungsspannung für die Funktionselemente an Kcntaktelektroden zugeführt werden, welche sich auf dem die Funktionselemente enthaltenden Halbleiterkörper befinden. Von diesen Kontaktelektroden gehen auf dem Halbleiterkörper verlaufende Leiterbahnen aus, welche zur Zuführung der Versorgungsspannung zu den im Halbleiterkörper befindlichen Funktionselementen dienen. Sowohl für die Kontaktelektroden als auch für die Leiterbahnen ist aus technologischen Gründen ein bestimmter Platzbedarf erforderlich, welcher an sich für die im Halbleiterkörper befindlichen Funktionselemente allein nicht notwendig wäre. Der Packungsdichte der Funktionselemente im Halbleiterkörper ist daher eine Grenze gesetzt, welche durch die Leitungsführung auf dem Halbleiterkörper gegeben ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit der Spannungsversorgung der Funktionselemente von integrierten Schaltungen zu schaffen, bei der eine weit größere Packungsdichte der Funktionselemente möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch

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gelöst, daß als Versorgungsspannung für die Punktionselemente eine hochfrequente Wechselsosnming Verwendung findet.

Die Wechselspannung kann dabei insbesondere sinusförmig sein.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann zur Zuführung der hochfrequenten Wechselspannung auf einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers befindlichen Isolationsschicht eine Metallelektrode vorgesehen sein. Weiterhin kann zu diesem Zweck auch eine niederohmige polykristalline Halbleiterschicht oder eine in Sperrichtung betriebene Sperrschicht in Form eines pn-Übergangs oder eines Schottky-Kontaktes dienen.

Zur optimalen Nutzung dieser Art der Spannungsversorgung der Funktionselemente ist es vorteilhaft, für Transistor-Funktionselemente von den bekannten Strukturen (Planarstrukturen) abweichende Strukturen zu verwenden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind Transistoren folgendermaßen ausgebildet:

Einen als Emitter wirkenden, hochdotierten Substratkörper des einen Leitungstyps, eine auf dem Substratkörper vorgesehene schwach dotierte oder eigenleitende Schicht, in der schwach dotierten oder eigenleitenden Schicht befindliche, räumlich getrennte Basiszonen des anderen Leitungstyps, und auf den Basiszonen vorgesehene, diese mindestens teilweise bedeckende Metallbelegungen, welche jeweils mit einer Basiszone einen Schottky-Kontakt bilden und als Kollektor wirken.

Zur Schaffung von elektrischen Verbindungen zwischen derartig ausgebildeten Transistoren ist es vorteilhaft, die als Kollektor wirkenden Metallbelegungen mindestens zum Teil über die schwach dotierte oder eigenleitende Schicht bis zu einer benachbarten Basiszone zu führen, wo sie mit dieser einen ohmschen Kontakt bilden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können Transistoren folgendermaßen ausgebildet sein: Ein als Emitter wirkender hochdotierter Substratkörper des einen Leitungstyps, eine auf dem Substratkörper vorgesehene

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schwach dotierte oder eigenleitende Schicht, in der schwach dotierten oder- eigenleitenden Schicht "befindliche, räumlich getrennte Basiszonen des anderen Leitungstyps und in den Basiszonen befindliche, als Kollektoren wirkende Zonen des einen Leitungstyps.

Auch bei dieser Ausführungsform von Transistoren ist es zu deren elektrischer Verbindung vorteilhaft, die als Kollektoren wirkenden Zonen wenigstens zum Teil durch die schwach dotierte oder eigenleitende Schicht bis zu einer benachbarten Basiszone zu führen, wo sie mit dieser einen, beispielsweise durch starke Dotierung beider Zonen erzeugten, ohm¹sehen Kontakt bilden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung können die Basiszonen und die Kollektorzonen streifenförmig ausgebildet sein und sich rasterförmig überlappen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 ein Schaltbild einer logischen Schaltung mit Transistoren zur Erläuterung des Prinzips der Spannungsversorgung mit einer hochfrequenten Wechselspannung;

Figur 2 einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit einer ersten Ausführungsform von Transistοrstrukturen;

Figur 3 einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit einer zweiten Ausführungsform von Transistorstrukturen; und

Figur 4. eine Ausbildung von streifenförmigen Basis- und Kollektorzonen bei Transistorstrukturen nach Fig. 3.

In der Schaltung nach Figur 1 sind in Emitterschaltung betriebene Transistoren T^ bis T^ in Kaskade geschaltet.

Um anzudeuten, daß eine solche Schaltung im Prinzip beliebig erweitert werden kann, ist in ausgezogen gezeichneten Teil der Schaltung ein Transistor T. in gestrichelter Darstellung hinzugefügt.

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Den Kollektoren der Transistoren T₁ und T₂, der Basis des Transistors T^ (und falls zugeschaltet auch den Kollektor des Transistors T,) sowie der Basis des Transistors Tj- wird über eine Kapazität C₁ "bzw. C₂ von einer Klemme S eine hochfrequente Wechselspannung als Versorgungs- bzw. Speisespannung zugeführt. Weiterhin wird dem Kollektor des Transistors T₁-über einen Arbeitswiderstand H eine gesonderte \^rersorgungserleichspannunp· von einer Klemme U zugeführt. Die Transistoren T₁ und Tp (und falls zugeschaltet auch der Transistor T.) sind an Klemmen I₁ bis I, über ihren Basen ansteuerbar. Eine Klemme O bildet den Ausgang der Schaltung.

Erfindungsgemäß liegt nun an der Klemme S in Bezug auf Erde als Versorgungsspannung eine hochfrequente Wechselspannung, die beispielsweise einen sinusförmigen oder rechteckförmigen Verlauf und bei einem Suannungswert von 5 Volt eine Frequenz von 15 Mhz besitzt. Über die Kapazität C₁ und die Basis-Emitter-Streclce des Transistors T^ sowie über die Kapazität C₂ und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₁- fließt während der positiven Halblwelle der hochfrequenten Wechselspannung an der Klemme S ein Strom, wobei jedoch die an den Kollektoren der Transistoren stehende Spannung aufgrund der Niederohraigkeit der Basis-Emitter-Strecken stehende Spannung kleiner als die Versorgungsspannung ist. Die Kapazitäten bilden für die Transistoren also hochfrequente Stromgeneratoren.

Wird nun einer der Transistoren T₁ oder T₂ an der Klemme I₁ bzw. I₂ durch ein positives Steuersignal in den leitenden Zustand geschaltet, so wird der über die Kapazität C₁ fließende hochfrequente Strom durch die Kollektro-Eraitter-Strecke des leitenden Transistors kurzgeschlossen, so daß in die Basis des Transistors T, kein Strom mehr fließen kann, d.h., der Transistor T, wird gesperrt. Liegen die Klemmen I₁ und I« auf Erdpotential, wobei die Transistoren T₁ und T₂ gesperrt sind, so fließt die positive Halbquelle des hochfrequenten Stroms über die Basis des Transistors T~. In diesem Fall ist der Transistor T, leitend, sodaß er den über die Kapazität C₂ fließenden hochfrequenten Strom kurzschließt. Da der die letzte Stufe bildende Transistor T₅ mit einer gesonderten Versorgungsgleichspannung von z.B. 5 Volt betrieben wird,

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liegt am Ausgang O bei durchgesteuertem Transistor T, dauernd die ""■ersorgungssOannung ^TT. Ist der Transistor T_T jedoch gesperrt, so schwankt die Spannung am Ausgang 0 im Takt der hochfrequenten Versorgungsspannung zwischen Erdt>otential und der VersorgungsSDannung IJ. Dieses hochfrequente Ausgangssignal sowie auch ein daraus durch Siebung gewonnenes Gleichstromsignal eignen sich zur Ansteuerung weiterer Schaltungen.

Die Realisierung der vorstehend beschriebenen Schaltungsmöglichkeiten in integrierter Technik wird anhand der Ausführungsformen nach den Figuren 2 und 3 erläutert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist auf einen hochdotierten Substratkörper 1 eines Leitungstyps (beispielsweise p-Typ) eine schwach dotierte oder eigenleitende Schicht 2 aufgebracht. In dieser Schicht 2 sind - beispielsweise durch Diffusion hergestellte - Zonen 3 des anderen Leitungstyps (beispielsweise η-Typ) vorgesehen. Auf die Oberfläche dieser Halbleiterstruktur sind Metallbelegungen 4 aufgebracht. Diese Metallbelegungen 4 bilden einerseits im großflächigen Teil Schottky-Kontakte 5 und andererseits ohm'sche Kontakte 6 mit den darunter liegenden Zonen 3. Die ohm¹sehen Kontakte 6 sind in Fig. durch Doppelschraffur angedeutet.

Auf die Struktur aus halbleitenden Bereichen und Metallbelegungen ist eine Isolationsschicht 8 aufgebracht, auf der sich wiederum eine Metallelektrode 9 befindet. Auf der Unterseite des Substratkörpers 1 ist eine weitere Metallelektrode 6 vorgesehen.

Irrerden nun der pn-übergang zwischen dem Substratkörper 1 und den Zonen 3 in Durchlaßrichtung und die Schottky-Kontakte zwischen den Zonen 3 und den Metallbelegungen 5 in Sperrichtung betrieben, so arbeiten die Zonenfolgen als Transistoren mit Emitter 1, Basis 3 und Kollektor 4.

Im Sinne der Ausführungen zur Schaltung nach Figur 1 wurd nun an die Metallelektrode 9 eine hochfrequente Wechselspannung als Versorgungsspannung angelegt. Die integrierte Struktur nach Fig. 2 bietet dabei den Vorteil, daß Kapazitäten, wie

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die Kapazitäten C. und Cp nach Fig. 1, nicht zusätzlich integriert v/erden müssen. Diese Kapazitäten werden vielmehr durch die Isolationsschicht 8 gebildet.

"Durch die ohm^?sehen Kontakte 6 ist gleichzeitig eine Verschaltung zwischen dem Kollektor eines Transistors und der Basis •eines anderen Transistors möglich. Die schwach dotierte oder eigenleitende Schicht 2 gewährleistet eine Isolation zwischen den Transistoren. Eine zusätzliche Isolationsdiffusion oder eine Isolation durch Oxid ist nicht erforderlich, weil die zu isolierende Spannung maximal 0,6 Volt (Schwellspannung der Basis-Emitter-Diode) beträgt und weil ein ins Gewicht fallender Teil dieser Spannung durch die Potentialbarriere der Schicht 2 aufgefangen wird. Noch fließende Isolationsströme sind vernachlässigbar.

Pig. 3, in der gleiche Teile wie in Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine weitere Ausführungsform der Transistorstrukturen. Dabei entsprechen die Emitter- und Basisbereiche denjenigen nach Fig. 2. Die Kollektoren werden jedoch hierbei nicht durch Metallbelegungen sondern durch Halbleiterzonen 13 (beispielsweise durch Diffusion hergestellt) gebildet, welche in Bezug auf die Basiszonen 3 von entgegengesetztem Leitungstyp sind. Ohm'sche Kontakte 14, welche zur elektrischen Verbindung der Einzeltransistoren dienen, ergeben sich durch starke Dotierung, was wiederum durch eine Doppelschraffierung angedeutet ist.

Bei entsprechender Wahl der Leitfähigkeitstypen sind beispielsweise mit einer Anordnung nach Fig. 2 pnp-Transistoren und mit einer Anordnung nach Fig. 3 npn-Transistören realisierbar.

Die Anordnung nach Fig. 3 besitzt weiterhin den Vorteil, daß der Halbleiterkörper nicht durch Metallbahnen unterbrochen wird, sodaß bei dem beschriebenen Aufbau auch dreidimensionale Strukturen realisierbar sind. Dabei können solche Transistoren und die Zuführungen für die Versorgungsspannung auch übereinander angeordnet werden.

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Gemäß Fig. 4 läSt sich eine Transistorenordmmg noch dadurch vereinfachen, daß die Basen und die Kollektoren streifenförmig ausgebildet sind, wobei ein Kollektor dort entsteht, wo sich ein Streifen 13 großflächig mit einem Streifen 3 kreuzt. Die Eereiche 14 stellen wiederum elektrische Verbindungspunkte und Basisanschlüsse dar. Bei Bedarf können über einen Basis-•streifen auch mehrere Kollektorstreifen geführt werden. Dabei sind große geometrische Toleranzen zulässig, weil die verschiedenen Zonen nicht wie bei konventionellen Transistoren ineinander verschachtelt angeordnet sind. Daraus ergeben sich kleinere Transistorstrukturen, wodurch die Packungsdichte weiter erhöht wird.

Oa über die Basis der Transistoren nur die positive Halbwelle der hochfrequenten Versorgungsspannung fließen kann, muß dafür Sorge getragen werden, daß die gleiche Ladungsmenge auch in der negativen Halbwelle abfließen kann, damit sich die Anordnung durch den Gleichrichtereffekt nicht selbst sperrt. Bei den Anordnungen nach Pig. 4 ist dies durch den Parallelwiderstand zur Basis-Emitter-Strecke gewährleistet, der sich durch fehlende Isolation, beispielsweise Isolationsdiffusion ergibt. Bei wenigen in Kaskade geschalteten Transistorstufen kann die Ladung in der negativen Halbwelle über die in Flußrichtung vorgespannten Kollektor-Basis-Strecken abfließen. Grundsätzlich kann aber auch parallel zur Basis-Smitter-Strecke eine gegen diese invers geschaltete Diode vorgesehen v/erden, welche dem gleichen Zweck dient. Eine solche Diode ist dabei nicht für alle Transistorstufen erforderlieh.Das erfindungsgemäße Prinzip ist für andere Bauelemente, beispielsweise Feldeffekt-' transistoren anwendbar.

Bei einer großen Anzahl von Stufen kann es wegen der endlichen Signallaufzeit notwendig sein, die Versorgungsspannung an verschiedenen Stufen mit einer unterschiedlichen Phasenlage oder Frequenz zuzuführen. Dabei ist insbesondere ein Dreiphasensystem mit einer Phasendifferenz von 120° von Bedeutung.

4 Figuren

11 Patentansprüche . ORlSJMAL ί^ΓΊΟΤΕΗ

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Claims

tentanst>rüche

1.)) Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit aktiven und passiven Funktionselementen in einem Halbleiterköper, dadurch gekennzeichnet, daß als Versorcungsspannung für Funktionselemente eine hochfrequente '''echselspannung Verwendung findet.

2.) Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungswechselspannung sinusförmig ist.

3.) Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung der hochfrequenten Wechselspannung auf einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers befindlichen Isolationsschicht (8) eine Metallelektrode (9) vorgesehen ist.

4.) Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung der hochfrequenten Wechselspannung eine niederohrnige polykristalline Halbleiterschicht dient.

5.) Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung der hochfrequenten VJechselspannung eine in Sperrichtung betriebene Sperrschicht in Form eines pn-Übergangs oder eines Schottky-Kontaktes dient.

6.) Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Ausbildung der Transistoren: Einem als Emitter wirkenden, hochdotiertem Substratkörper (1) des einen Leitungstyps, eine auf dem Substratkörper (1) vorgesehene schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2), in der schwachdotierten oder eigenleitenden Schicht (2) befindliche, räumlich getrennte Basiszonen (3) des anderen

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LeitungstyOS, und auf den Basiszonen (3) vorgesehene, diese mindestens teilweise bedeckende Metallbelegungen (4), welche jeweils mit einer Basiszone (3) einen Schottky-Kontakt (5) bilden und als Kollektor wirken,(Fig. 2).

7.) Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kollektoren wirkenden Metallbelegungen (5) mindestens zum Teil über die schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2) bis zu einer benachbarten Basiszone (3) geführt sind und mit dieser einen ohm^fsehen Kontakt (6) bilden, (Pig. 2).

8.) Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Ausbildung der Transistoren: Einen als Emitter wirkenden, hochdotierten Substratkörper (1) des einen Leitungstyps, eine auf dem "Substratkorper (1) vorgesehene schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2), in der schwachdotierten oder eigenleitenden Schicht (2) befindliche, räumlich getrennte Basiszonen (3) des anderen Leitungstyps und in die den Basiszonen (3) befindlichen Zonen (13) des einen Leitungstyps, (Fig. 3).

9.) Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kollektoren wirkenden Zonen (13) wenigstens zum Teil durch die schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2) bis zu einer benachbarten Basiszone (3) geführt sind und mit dieser einen, beispielsweise durch starke Dotierung erzeugten, ohm«sehen Kontakt (14) bilden, (Fig. 3).

10.integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszonen (3) und die Kollektorzonen (13) streifenförmig ausgebildet sind und sich rasterförmig überlappen, (Fig.4).

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11.) Integrier⁴"«? Hplbleiterschaltungsar.crdr.ung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Yersorgungswechselspannung an verschiedenen Stufen mit unterschiedlicher Phasenlage oder Frequenz, insbesondere als Dreiphasensystem mit einer Phasendifferenz von 120 zurteführt ist.

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