DE2753882A1 - Struktur fuer digitale integrierte schaltungen - Google Patents

Description

Struktur für digitale integrierte Schaltungen

Die Erfindung betrifft eine Struktur für digitale integrierte Schaltungen.

Zahlreiche Familien von Halbleiterstrukturen für diesen Gebrauch sind bekannt. Manche dieser Strukturen bestehen aus komplementären PNP- und NPN-Transistoren. Sie weisen zahlreiche Vorteile auf, aber auch Nachteile. Insbesondere erfordern sie zahlreiche Schaltungsverbindungen, die häufig zu Mehrschichtschaltungen führen, was die Integrationsdichte beeinträchtigt, d. h. die Anzahl von auf ein und derselben Substratflache integrierten Schaltungselementen begrenzt.

Die meisten von ihnen enthalten als Grundelement eine Anordnung aus einem NPN- und einem PNP-Transistor, wobei der PNP-Transistor ein lateraler Transistor ist,d. h. ein Transistor, in welchem der Strom parallel zu der Oberfläche des Substrats fließt, und von denen der andere ein vertikaler Transistor ist, d. h. ein Transistor, in welchem der Strom senkrecht zu dieser Oberfläche fließt.

Die Verstärkung des ersten Transistors ist immer sehr klein (deutlich kleiner als Eins).

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Strukturelements für Digitalschaltungen, das die Vermeidung dieser Nachteile gestattet.

Erfindungsgemäß ist die Struktur für digitale integrierte Schaltungen, die, integriert auf ein und demselben Halbleitersubstrat einen ersten Transistor eines ersten Typs (PNP oder NPN), der als Stromquelle geschaltet ist und dessen Basis sowie dessen Emitter mit der einen bzw. der anderen von zwei festen Vorspannungsquellen verbunden sind, einen zweiten Transistor desselben Typs wie der erste und einen dritten Transistor komplementären Typs aufweist, wobei der zweite und der dritte Transistor eine Wechselfolge von halbleitenden Übergängen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Transistor vertikale Transistoren und in eine isolierende Wanne eingeschlossen sind, die mit dem Substrat einen halbleitenden Übergang bildet, wobei ein erster Teil der Wanne als Kollektor des ersten Transistors

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und ein zweiter Teil als Emitter des zweiten Transistors dient.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt ein erstes Ausführungsbeispiel,

die Fig. 2 Ersatzschaltbilder,

und 3

die Fig. 4 Vertikalschnittansichten von drei weiteren

bis 6 Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Fig. 7 eine Endansicht der Struktur nach der

Erfindung,

Fig. 8 in Draufsicht Digitalschaltungselemente,

bei welchen die erfindungsgemäße Struktur ang ewandt ist, und

die Fig. 9 ihr Ersatzschaltbild.

bis 11

Fig. 1 zeigt im Vertikalschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auf einem N-leitenden Substrat 1 mit der Verunreinigungsdichte N- ist ausgehend von einer seiner Flächen eine Schicht 2 des entgegengesetzten Leitungstyps, nämlich des Typs P und der Dotierung P₉, diffundiert worden.

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-D-

Auf die Anordnung ist eine zweite Schicht 3 des Leitungstyps N und der Dotierung N₉ durch Epitaxie aufgewachsen worden. Am Ende dieser Operation erstreckt sich die Schicht 2 bekanntlich infolge von Wanderungserscheinungen der P-Verunreinigungen sowohl in die Schicht 1 als auch in die Schicht 3.

Schließlich sind von der Oberfläche der Zone 3 aus Isolierwände 4 des Leitungstyps P und der Dichte P- diffundiert worden. Diese Isolierwände erreichen die Schicht 2 und bilden mit ihr geschlossene isolierende Wannen, welche die Ladungsträger des Leitungstyps N daran hindern, die Potentialberge zu durchqueren.

Zwei Wannen sind auf diese Weise gebildet worden: die Wanne I und die Wanne II. #

In die Wannen I und II sind durch dieselbe Maske hindurch Zonen 5 des Leitungstyps N und der Dotierung N. und durch eine weitere Maske hindurch Zonen 6 der Dotierung P. diffundiert worden.

Die Dotierungen N. und P. sind höher als die der benachbarten Schichten.

In der Wanne I dient die !^-Schicht 5, die in eine N₃-Schicht diffundiert worden ist, als Anschlußkontakt auf letzterer, welche die Basis eines PNP-Transitors ist, welcher als Emitter die P,-Zone 6 und als Kollektor die

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P₉-Zone 2 hat. Die N--Zone 5 und die P.-Zone 6 sind mit Anschlußkontakten versehen, die gestatten, sie mit Konstantvorspannungsquellen V _R bzw. V zu verbinden.

Die Wanne II enthält einen PNP- und einen NPN-Transistor. Der PNP-Transistor hat die P₁-Zone als Kollektor, die N--Zone als Basis und die P--Zone 2 als Emitter. Es handelt sich daher um einen vertikalen Transitor, dessen Verstärkung deutlich besser ist als die der lateralen Transistoren.

Außerdem liegen der Emitter und der Kollektor, d. h. die P--Zone und die P_-Zone des Transistors der Wanne I elektrisch auf demselben Potential und es ist keine äußere Schaltungsverbindung erforderlich, um sie miteinander zu verbinden.

Der NPN-Transistor hat die N.-Zone als Emitter, die P--Zone als Basis und die N₂-Zone als Kollektor.

Das Ersatzschaltbild ist in Fig. 2 dargestellt. Die Wanne II enthält den PNPN-Doppeltransistor, wobei von dem NPN-Transistor T- der Emitter an Masse (N,-Schicht) liegt, während seine Basis P. mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist und als Kollektor des PNP-Transistors T- dient. Die Basis des letzteren, d.h. die N--Zone dient als Kollektor für den Transistor T- und bildet den Ausgang der Schaltung.

Der Emitter des Transistors T- ist mit dem Kollektor des Transistors T. verbunden, der eine Konstantstromquelle bildet.

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Fig. 3 zeigt deshalb die Anordnung der sechs Schichten und der drei entsprechenden Transistoren.

Die beschriebene Anordnung ist ein Inverter . Wenn der Eingang in dem Zustand "0" ist, blockiert er den Transistor T- und trennt den Ausgang S von der Masse. Der Ausgang S ist in dem Zustand "1". Ebenso kann leicht gezeigt werden, daß, wenn der Eingang E in dem Zustand "1" ist, der Transistor T. leitend ist und der Ausgang S an Masse liegt und daher in dem Zustand ¹¹O" ist.

Es ist zu erkennen, daß die vorstehend beschriebene Struktur gestattet, an der Oberfläche jede Verbindung zwischen dem Transistor T. und dem Transistor T_? zu vermeiden. Infolgedessen sind die den Schaltungsverbindungen vorbehaltenen Räume kleiner.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen im Vertikalschnitt weitere Ausführungsformen der Struktur nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine zwei symmetrische Inverter versorgende Stromquelle . In Fig. 4 bezeichnen, ebenso wie in den folgenden Figuren, gleich Bezugszeichen gleiche Teile.

In Fig. 4 versorgt dieselbe Stromquelle zwei Inverter , die in derselben Weise wie in Fig. 1 hergestellt sind. Die P„-Schicht 2 besteht aus zwei Teilen und die beiden geschlossenen Wannen enthalten zwei gleiche Inverter.

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Die Stromquelle umfaßt eine Zone P., die den Emitter des Transistors bildet. Die Basis besteht aus dem Substrat, das an der Spannung V- liegt.

Dieser Transistor kann sowohl als lateraler als auch als vertikaler Transistor angesehen werden.

Diese Ausführungsform beeintrSchtigt die Verstärkung des Stromquellentransistors, gestattet aber eine größere Integrationsdichte. Es ist nämlich kein Anschlußkontakt an der Oberfläche (N,) für den Stromquellentransistor erforderlich.

Fig. 5 unterscheidet sich von Fig. 4 durch das Weglassen der Schicht P~ auf der Hohe des Stroequellentransistors, der deshalb aus zwei lateralen Transistoren besteht.

Die Technologie ist einfacher, der Zugangswiderstand zu der Basis kleiner, aber der Kollektor P. maß in bezug auf die Isolierwände genau positioniert werde».

In Fig. 6 ist eine 11,-Diffusion Bit großer Verunreinigungsdichte in der P.-Schicht geringerer Dotierung mit gemeinsamem Anschlußkontakt vorgesehen worden. Es kann gezeigt werden, daß die Verstärkung des laterale» Stromquellentransistors einen Wirkungsgrad haben kasan, der um einen Faktor in der Größenordnung von 5 erhöht ist.

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Fig. 7 zeigt im Vertikalschnitt das Element nach der Erfindung vom Ende her gesehen.

In Fig. 7 ist klar die Anordnung der Schichten N„, N~ einerseits, der Schicht P„ und der Isolierwände P~ andererseits zu erkennen.

Die nächsten Figuren zeigen in Draufsicht mehrere Digitalschaltungen, welche das vorstehend beschriebene Schaltungselement enthalten.

Fig. 8 zeigt in Draufsicht unten einen Inverter CL,, wie er in den vorangehenden Figuren dargestellt ist. Er ist in ein aus Wänden P. gebildetes Rechteck eingefügt. Die weiße Zone stellt die Oberseite des Substrats außerhalb jeder Implantation oder Diffusion dar. Die Zone N₁ links in Fig. 8 stellt den Anschlußkontakt auf der Zone N₂ dar. Die Zone N, rechts in Fig. 8 ist die Zone 5 der Fig. 4 oder 5, die über die Schaltungsverbindung M mit Masse verbunden ist.

Das Eingangssignal wird über die Metallisierung E eingegeben und das Ausgangssignal wird an der Metallisierung erhalten.

Die metallische Verbindung Vcc bedeckt ein Gebiet P,, da es sich bei dem Stromquellentransistor um den in Fig. 4 oder 5 dargestellten Typ handelt. Die Gesamtanordnung bildet

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eine Schicht, die sich über das Substrat erstreckt und die verschiedenen Strukturen über Isolierwände P- versorgt.

Die Verbindung V__n, die mit dem unteren Teil des strats verbunden ist, ist nicht dargestellt.

In einem benachbarten Rechteck CL₂ ist eine UND-Schaltung integriert, deren Ersatzschaltbild in Fig. 9 dargestellt ist.

In dieser Schaltung hat der Transistor T» zwei Emitter E. und E₂) die Spannungen mit den beiden Werten A und B empfangen. Wenn einer dieser Werte in dem Zustand 0 ist, ist der Transistor T- leitend und der Ausgang S ist in dem Zustand 0. Wenn dagegen beide Werte in dem Zustand 1 sind, ist der Ausgang in dem Zustand 1 und die realisierte Verknüpfungsoperation ist die Operation S ■ A.B.

Die Schaltung CL₃, deren Ersatzschaltbild in Fig. 10 dargestellt ist, realisiert die NOR-Verknüpfung.

Der Transistor T„ hat zwei Kollektoren, die jeweils mit der Basis des Transistors T₃ verbunden sind.

Er realisiert die Operation S - A + B . Die beiden Eingänge A und B sind mit den beiden Kollektoren des Transistors T₇ verbunden.

Eine Spannung mit dem Wert 1, die über einen dieser Ein-809823/0875

gänge oder über beide Eingänge an den Transistor T« angelegt wird, macht ihn leitend und setzt den Ausgang, d. h. bringt seinen Kollektor auf den Massewert 0. Wenn beide Eingänge den Wert 0 führen, befindet sich der Ausgang S in dem Zustand "1" (Transistor T- gesperrt).

Die Schaltung CL, ist eine komplementierte Antivalenzschaltung oder XOR-Schaltung.

Ihr Ersatzschaltbild ist in Fig. 11 dargestellt.

Der Transistor T- ist durch zwei Transistoren T,^ und T₃₂ ersetzt.

Der Transistor T- hat eine Basis und zwei Kollektoren, die mit den beidi
bunden sind.

mit den beiden Basen der Transistoren T-, bzw. T-_? ver-

Der Emitter des Transistors T-, ist mit der Basis des Transietors T₃₂ verbunden und die beiden Basen der Transistoren T-. und T₃₂ sind mit den beiden Eingägen verbunden. Es läßt sich leicht zeigen, daß diese Schaltung folgende Wahrheitstabelle hat:

	1	0
1	1	0
0	0	1

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Im Rahmen der Erfindung lassen sich viele analoge Schaltungen finden.

Dieses Schaltungselement weist gegenüber den bekannten Schaltungen verschiedene Vorteile auf. Das Bauelement mit vier Schichten enthält nur vertikale Transistoren. Daraus ergibt sich eine günstigere Konfiguration der PNP-Transistoren und die Möglichkeit, die Grenzfrequenz zu erhöhen.

Die meisten Schaltungsverbindungen sind vergraben, was gestattet, die Integrationsdichte zu erhöhen.

Die gesamte Anordnung enthält nur sechs Halbleiterschichten und ist durch aufeinanderfolgende Epitaxie und Diffusion sehr leicht realisierbar.

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Claims (7)

1. OpI -Ing Dip!-Chem Di»*-··«!

   E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

   Er nsbergci str asse 19

   8 München 60

   THOMSON - CSP 1. December 1977

   173, Bd. Hauesmann

   75008 PARIS / Frankreich

   Unser Zeichen; T 3001

   Patentansprüche :

   , l.iStruktur für digitale integrierte Schaltungen, die, integriert auf ein und demselben Halbleitersubstrat einen ersten Transistor eines ersten Typs (PNP oder NPN), der als Stromquelle geschaltet ist und dessen Basis sowie dessen Emitter mit der einen bzw. der anderen von zwei festen Vorspannungsquellen verbunden sind, einen zweiten Transistor desselben Typs wie der erste und einen dritten Transistor komplementären Typs aufweist, wobei der zweite und der dritte Transistor eine Wechselfolge von halbleitenden Übergängen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Transistor vertikale Transistoren und in eine isolierende Wanne eingeschlossen sind, die mit dem Substrat einen halbleitenden übergang bildet, wobei ein erster Teil der Wanne als Kollektor des ersten Transistors und ein zweiter Teil als Emitter des zweiten Transistors dient.
2. 2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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   der erste Transistor ein PNP-Transistor ist.
3. 3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des ersten Transistors und derEiritter des zweiten Transistors aus ein und derselben Platte bestehen, die zwischen das Substrat und eine Halbleiterschicht desselben Leitungstyps wie das Substrat eingefügt ist, und daß Isolierwände, die mit der Platte eine Wanne bilden, den ersten Transistor, der ebenfalls ein vertikaler Transistor ist, umgeben.
4. 4. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Kollektors des ersten Transistors aus einer der Isolierwände der Wanne besteht, die die Anordnung aus dem ersten und dem zweiten Transistor umgeben.
5. 5. Struktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle, die die Basis des ersten Transistors vorspannt, mit dem Substrat verbunden ist.
6. 6. Struktur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zone eines Leitungstyps, der dem des Emitters des ersten Transistors entgegengesetzt ist, in diesen eingefügt ist, wobei ein und derselbe elektrische Kontakt auf dieser Zone und dem Emitter hergestellt ist.
7. 7. Verwendung einer Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Digitalschaltung.

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