DE2800335A1 - Integrierte injektionsschaltung - Google Patents

Integrierte injektionsschaltung

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DE2800335A1
DE2800335A1 DE19782800335 DE2800335A DE2800335A1 DE 2800335 A1 DE2800335 A1 DE 2800335A1 DE 19782800335 DE19782800335 DE 19782800335 DE 2800335 A DE2800335 A DE 2800335A DE 2800335 A1 DE2800335 A1 DE 2800335A1
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KREMLEV VJATSCHESLAV JAKOVLEVITSCH
LAVROV VADIM VALERJEVITSCH
NAZARJAN ARTASCHES RUBENOVITSCH
SLADKOV VIKTOR IVANOVITSCH
VENKOV BORIS VALENTINOVITSCH
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KOKIN VILIAM NIKOLAEVITSCH
KREMLEV VJATSCHESLAV JAKOVLEVITSCH
LAVROV VADIM VALERJEVITSCH
NAZARJAN ARTASCHES RUBENOVITSCH
SLADKOV VIKTOR IVANOVITSCH
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Description

η ο η η q O C
SCHIFF V. FCINER STREHL SCHOBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK /.UUUOOJ
Beschreibung
Die Lrfinrj-jjig besieht sich, auf eis Mikroelektronik und betrifft insbesondere integrierte In.jekticnss ehalt ungen π it hoheIi Integrationsgrad, die vorzugsweise für die Anwendung in digitalen Siiirichtui-gen b = stinr.t sind.
Ss sind integrierte In.ielct ions schaltungen bekannt, die einen Stromgenerator und einen normalerweise geschlossenen n-Kanal-?eldeffekttransistor enthalten, bei deia das Gate mit den Stron^eneratcr und der Singan^selek-crode der Schaltung verbunden ist, die Source geerdet und. die Drain mit der Jiusgangselektrode der Schaltung verbunden ist (SU-PS 597 094).
Die bekannten integrierten Injektionssehaltungen haben aber eine verhältnismäßig niedrige Arbeitsgeschwindigkeit, die eine Folge der Ansa.r.nlung von überschüssigen, durch den Gate-
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Source-pn-Übergang injizierten Ladungsträgern in Source-Gebiet ist. Bei Verstärkung des Speisestrones zur Verkürzung der Aufladungszeit der Kapazitäten der Struktur erhöht sich bei diesen Schaltungen die im Source-Gebiet erzeugte Ladung und verlängert sich demzufolge die su ihren Abfließen erforderliche Zeit', also steigt die Gesaratze it der -einschaltverzögerung an. Außerdem weisen die Schaltungen eine relativ große Fläche auf, die durch das seitliche Eindringen von Beimengungen unter die maskierende Cbiyd schicht bei der Bildung des Gates und durch die liotwendigkeit von Deckungszugaben bei den Fotoschablonen^enstern bedingt ist, die für die Bildung von Kontakten mit den Gate- und Drain-Gebieten so-vie für die Diffusion von Beimengungen in das Gate-Gebiet bei der Bildung des Jurain-Gebiets bestiimt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zagrunde, eine integrierte In^jelctionsschaltung mit einem normalerweise geschlossenen n-IIanal-Feldeffekttransistor zu entwickeln, deren Aufbau eine bedeutende Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit und eine kleinere Fläche der Schaltung ergibt, ohne daß die Anforderungen an die Abmessungen der Fotoschablonenfenster und an die Genauigkeit der fotolithografischen Prozesse erhöht werden.
Die Erfindung bezweckt eine erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit der integrierten Injektionsschaltung.
In einer integrierten Injektiοnssehaltung mit einem Stromgenerator und einem normalerweise geschlossenen n-Kanal-Feldeffekttransistor, bei dem das Gate mit dem Stromgenera-
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tor und der Eingangselektrode der Schaltung verbunden ist, die Source geerdet ist und die Drain mit der Ausgangselektrode der Schaltung Verbindung hat, wird dieses Ziel erfindungsgemäß dadurch, erreicht, daß das Gate des Feldeffekttransistors wenigstens als ein nicht injizierender Gleichrichter kontakt ausgeführt wird.
Zur !Erweiterung der IT unkt ionsnöglichkeiten der Schaltung kann der Feldeffekttransistor zwecknäßigerweise mit zwei nicht inj izierenden Kontakten und einer zusätzlichen Eingangselektrode ausgeführt werden, wobei der zweite Kontakt mit dieser zusätzlichen Eingangselektrode verbunden wird.
Zur Erhöhung der Packungsdichte wii-d zweckmäßig ein Bipolartransistor mit L'.etallkolle.itor als Stromgenerator verwendet, wobei der Lletallkoilektor a it dem Gate des Feldeffekttransistors vereinigt wird.
Die integrierte Schaltung wird zwecidäßigerweise als
Halbleiter struktur mit einen bipolaren Planartransistor als Stromgenerator und mit einem Planar-Feldeffekttransistor ausgeführt , bei dem das Gate-Gebiet auf der Oberfläche des Substrats liegt, während die inneren Metalleiterverbindungen auf dem maskierenden Dielektrikuni angeordnet werden, wobei die Gate-Gebiete des Feldeffekttransistors zweckmäßig als Abschnitte der inneren Le iterverb indungen ausgeführt werden, die auf nichtmaskierten Abschnitten der Substratoberfläcne liegen und von oben mit einem Dielektrikum geschützt werden, und das Drain-Gebiet über diesem
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Dielektrikum so angeordnet ist, daß es einen ohmschen Kontakt mit dem Substrat auf dem Abschnitt bildet, der durch die Kaumladungsgebiete der nicht injizierenden Gleichrichterkontakte der Gate-Gebiete überdeckt wird.
Im Substrat der integrierten Schaltung, und zwar in einer Entfernung von der Oberfläche, die kleiner als die Dicke der Haunladungsschicht des nichtinjisierenaen Gleichrichte rkontakta des Gate-Gebiets ist, wird zweckraaßigervjeise zur Vereinfachung der Herstellungstechnologie ein zusätzliches Gebiet vom entgegengesetzten LeitungstTp so gebildet, daß dieses G-ibiet den ohmschen Kontakt des Drain-Gebiets mit dem Substrat vollständig deckt.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein elektrisches Prinzipschaltbild der als logisches QD£R-i;iCHT-Gatter ausgeführten integrierten Injektonsschaltung;
ij'ig. 2 eine schematische Draufsicht des Halbleiterbauelements der Fig. 1;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt des Gatters der i'ig. 1 ;
Jig. 4 eine scherratische Darstellung des Halbleiterbauelements eines Gatters mit zwei Eingängen und mit einem Stromgenerator, der einen bipolartransistor mit ..letallkollektor darstellt, welcher mit dem Gate des ü'eldeffelcirfcran-
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sistors vereinigt ist (Draufsicht);
Fig. 5 eine scheiaatische Querschnittsdarstellung der Halbleiter-aPxanarstruktur des Feldeffekttransistors, dessen Gate-Gebiete als Abschnitte der inneren Leiterverbindungen ausgeführt sind;
ι«'ig. 6 ein© schenatische Quer schnitt sd ar st ellung des Feldeffekttransistors mit einem zusätzlichen Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp.
In Fig. 1 isc ein elektrisches Prinzipschaltbild einer als logisches Gatter ausgeführten Variante der integrierten Schaltung nach der Erfindung dargestellt.
Ims Gatter enthält einen ^trongensrator, der einen Bipolartransistor 1 darstellt, bei den der Emitter 2 mit der Elektrode 3 des in Fig. 1 nicht gezeigten Speisestronkreises verbunden ist, die Basis A- an die iruelek'crode 5 angeschlossen ist und die Kollektoren 6 und 6* an den 3ingangsslektroden 7 bzw. 7' des Gatters liegen. Au3erde.a enthält das Gatter einen normalerweise gesperrten n-Kanal-I?eldeffekttransistor 8, bei dem das Source-Gebiet 9 in it der Erdelektrode 5> das Drain-Gebiet lü nit der 3ingangselektrode 11 und die als nicht injizierende Gleichrichterkontakte ausgeführten Gate-Gebiete 12 und 12' nit den üingangselektroden 7 bzv;. 7' des Gatters verbunden sind.
Also ist das Gatter des J?eldeffektransistors 8 in der in Pig. 1 dargestellten Schaltungsvariante als zwei nicht injizierende Gleichrichterkontakte (Gebiete 12 und 12') ausge-
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führt, wobei der zweite Kontakt mit der zusätzlichen Eingangselektrode 7' verbunden ist.
In Fig. 2 ist eine schematische nicht maßstäbliche Darstellung eier Kalbleiter struktur desselben logischen Gatters nach 51Ig. 1 gezeigt, wobei die Bezeichnungen der wichtigsten Elemente von Fig. 1 beibehalten sind.
Der aus einem Bipolartransistor 1 bestehende Stromgenerator und der Feldeffekttransistor 8 sind im gemeinsamen η-leitenden Halbleitersubstrat IJ ausgeführt, wobei das Basisgebiet 4- des Transistors 1 und das Sourcs-Gebiet 9 des n-Kanal-Feideffekttransistors S vereinigt sind.
Fig. 3> zeigt schematisch die Halbleiter struktur nach Fig. 2 mit den gleichen Bezeichnungen. Das Drain-Gebiet 10 des Feldeffekttransistors 8 liegt zwischen den nicht injizierenden Gleichrichterkontakten der Gate-Gebiete 12 und 12'; die gestrichelten Linien zeigen die Grenzen der Raumladungsschxchter. der mit dem Substrat 13 gebildeten Gleichrichterricntakte der Gebiete 12 und 12*.
Fig. 4 veranschaulicht schematisch die dalbleiterstruktur eines logischen Gatters mit zwei Kingängen und mit einem mittels eines Bipolartransistors realisierten Stromgenerator, dessen Metallkollektoren mit den Gates des Feldeffekttransistors vereinigt sind. In dieser Struktur, sind nämlich die Metallkollektoren 6 und 6' des Bipolartransistors 1 mit den Gate-Gebieten 12 und 12' ξus anmengeführt, die als Metall-
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Halbleiter-ubergänge nach Art der Schotte-Dioden ausge führt s ind.
Die ii'rnöiiuns der Packungsdichte wird bei die sea iichaltungsaufbau durch Vereinigung aer erwähnten Kollektoren 6,6' und der Gate—Gebieten 12, 12', also durch Beseitigung der Leiterverbindungen zwischen den Kolloktoren 6, 6* und den Gate-Gebieten 12 und 12' erreicht. Es sei bemerkt, daß diese Vereinigung der Gebiete durch die Ausführung des otronigenerators in aer Art eines Bipolartransistors niit Metallkollektor abglich wurde.
Jig. 5 zeigt scheinatisch die Halbleiter-Planarstruktur eines normalerweise gesperrten n-Ilanai-JeldefferrctrarLsistors δ, äer zur integrierten Schaltuns Q^s logischen Gatters gehört, dessen Frinsipschaltbild in Fig. 1 gezeigt ist. Der übrige !'eil cer /jc^altung kann ebenso wie in ?ig. 4 aufgebaut werden.
Die vorgeschlagene Struktur der integrierten Schaltung, die sinen Feldeffekttransistor mit den Gate-Gebie;en in der Art von niche injizierend en Kontakten enthält, ermöglicht die Ausführung der Gate-Gebiete 12 und 12' in ?om von Abschnitten der inneren ,MetalleQuerverbindungen 14, die auf den durch das maskierende Dielektrikum 15 nicht abgedeckten Abschnitten des Substrats 13 liegen. Diese Struktur gibt die Möglichkeit, die Gate-Gebiete 12 und 12' gleichseitig mit der Bildung der ersten Schicht der inneren Leiterverbindungen in der integrierten ochaltung nerzustellen. Die Anordnung
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des Drain-Gebiets 10 über dem Dielektrikum 16, das die inneren Leiterverbindungen 14 schützt, ermöglicht die Herstellung des Drain-Gebiets 10 gleichzeitig mit der Bildung der zweiten Schicht der in Pig. 6 nicht gezeigten inneren Leiterverbindungen der integrierten Schaltung.
In -iig. 6 ist oie Haibleiterstruktur einer weiteren AusführungsVariante des Feldeffekttransistors schematisch dargestellt, der ein Teil der Strukcur der vorgeschlagenen integrierten Schaltung ist. Diese Struktur unterscheidet sich von der beschriebenen und in i"ig. 5 gezeigten Bauart durch das Vorhandensein eines zusätzlichen Gebiets 17i das im Substrat Ip im Abstand a von der Oberfläche liegt, wobei dieser Abstand a nicht größer als die Dicke der Raumladung s schicht des nicntinjizierenden Gleicnricnterkontakts des Gate-Gebiets 12 ist. j^as Gebiet Iy weist gegenüber dem Substrat 13 den entgegengesetzten Leitungstyp, gegebenenfalls den p-Leiuungstyp auf. Dieses Gebiet Iy ist so angeordnet, daii es den ohmschen Zontakt 13 des Drain-Gebiets mit dem Substrat l'j> vollständig aeckt. uie einführung des zusätzlichen Gebiets 17 ermöglicht eine Vergrößerung des Abstandes der Gate-Gebiete 12 und 12* voneinander und eine Vereinfachung der Herstellungstechnologie der integrierten Schaltung infolge weniger strenger Anforderungen an die zur Bildung der Gate-Gebiete bestimmte Fotoschablone.
Die als logisches Gatter ausgeführte integrierte Injektionsschaltung funktioniert wie folgt. Das £mittergebiet 2
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des Bipolartransistors 1 injiziert in das Basisgebiet 4 Löcher, die für das Gebiet 4 Minoritäts-Ladungsträger darstellen. Diese Ladungsträger werden durch, die ilollektorgebiete 6 nnd 6' gesammelt. Je nacn der Spannung an den Eingangselektroden. 7 und 7' kann sich im logischen Gatter einer der is. folgenden beschriebenen Zustände einstellen.
Liegt an den beiden Singangselektroden 7 und 7' eine niedrige, des "£rä"-Potential nahe Spannung an, so fließen die durch Übergänge der Gebiete 6 und 6* gesammelten Ladungsträger zur "Erde" ab. Dabei hat die Ausgangsclektrode 11 keine galvanische Verbindung π it der Zündelektrode 5· V/enn das Gatter rait einen ähnlichen in Fig. 1 nicht gezeigten Gatter belastet ist, so baut sich an der Elektrode 11 eine höhere Spsjinung auf, die der üffnungssparmung des Überganges zwischen den Gebieten 12, 12' und 9 entspricht.
Die unterbrechung der erwähnten galvanischen Verbindung erfolgt infolge der Überlappung des zwischen den Elektroden 11 und 5 liegenden Abschnittes des /Substrats 13 durch die Haunladun^fschichten der gesperrten Übergänge zwischen den Gebieten 12, 12' und 9 (die iiauailadungsschichte'n sind in Fig. durch gestrichelte Linien angedeutet).
','ienxi die Singangselektrouen 7 und 7' eine hönere Spannung führen, die höher als die Öffnungsspannung der Übergänge zwischen den Gebieten 12, 12' und 9 ist, so besteht zwischen den Elektroden 11 und 5 eine galvanische Verbindung,
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und die Spannung am Ausgang des logischen Gatters liegt nahe der Spannung an der Lrdelektrode 5· Sie erwähnte galvanische Verbindung entstellt infolge der Verkleinerung der Abmessungen des Saunlaaungsgebiets der Übergänge zwischen den Gebieten 12, 12' und $ bei der Erhöhung uer äpaimung an den liingangseiel-ctroden 7 und 7'.
wenn an eine der Elektroden '/ oder 7' eine niedrigere Spannung angelegt wird, ergeben sich zwei i.lc'glicii.-ieiten. Ini ersten Fall, - :·:3ητ± der spezifische Vf id erstand des Gebiets IC und der gegenseitige Abstand L der Gcciete 12 und 12' (Fig. 2) so gewählt werden., da3 die Breite der F.aunladungs~ schicht aes Überganges zwischen den Gebieten 12 ui-d 9 größer als der Abstanc L oue~ gleich diesen; ist;. Der s'.veite begliche Zustand ergibt sich, ,venn die Sreite Jer Rau~ladungsschicht des er-„-ännter. Überganges kleiner als der Ab-Soand L ist. Zs. ersten »'all fei.lt dis galvanische Verbindung s'.vischen uen Elektroden 11 und 5> und i.-. z.veiten r7all entsteht die galvanische Verbindung sw is el:«= η der Ijick'orode 11 und blasse (der Elektrode 5).
bomit; kann das erfindungsgomULi aufgebaute logische Sleasnt je nach seineri strukturellen tGeologischen Paratstem (jo nach uer Grö^e L und de::: spezificci.:-1:: .,"i-JL-i.v-fcand des Gebietis 10) die logischen Funktionen "OiJ^i-IiI1JiLv" sowie "0".0-1.'ICIIi111 erfüllen.
Lie iraöhung der Avbeicsgesch-.vnidi;,^ iz ues Io ;iseilen L'leinjnfcu viii'd dadurch erreicht, dali füi* die G1-^e- Iebiete
BAD
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und 12' sowie für die Kollektorgebiefce 6 und 6' die nichtinjizierenden GIe i Ciir icht er kontakte (die .Metall-Halbleiterübergänge) benutzt werden. D&s Ausbleiben der Injektion von iMinoritätsladungsträgern aus den Gate-Gebieten 12 und 12' bedingt das xenlen der Ub^rschuTiladurg is Gebiet 1J> und ergibt eine starke Verringerung der Dauer der Übergangs vorgänge η im logischen Gatter oe in Übergang von geöffneten zürn gesperrten Zustand.
I/ie Beso.i-Jeriieit oer Arbeit; der in j'ig. 6 dargestellten integrierten Schaltung :_iü aevi Feldeffekttransistor besteht darin, daß das zusätzliche Gebisb 17 den Stronfluii von v'Jer Aucgan^selekcrode 11 ;iu:.i Jource-uebiet 9 i— der iior.T.alenrichcung 2ur Ooerflä-jhe der integrierten Schaltung vernin'iert; u::J uq:i zuv Gb-irfiüc::e parallel gerichteten Jcroia-LJLUi nojiich ;:acht. .^e ir. niedrigers.i ro-untial an den Gate- -Go bleu en 12 und 12' ver^-c-err- die iiau^ladung^scnicht den ijüror-iflu^v/eg, da der ou.icchs KonLakc de:j ^rain-Geb^.ets Iu durcn ü;.:j su;j::.C/;liche Gebiet L7 voLlsclIriJig abgedeckt ;vird. iJaj GtibiuL V/ kann r.:ifc de:· "i.u-Je" verbunden werden, oder ej k;jiia von einer ;:iijllL;;li'j:i.:£L upaiiaLir^j^queLlo vorgüijoaiiiit werden.
üb.1. vorb-.'üChLa-;crie inte i'L-jl1 L-J Jonalfcun.; im L'urfc igun jij- ;/;re(i:tL uu J 1:: n:. aiiL" viei.1 I'u.i.· -i-.l· t LaiiarLec^nvio^ie i.iü Mhi üini'J w[ii:.;i.-;ial;;Gili«iiL«U h -"g· .... .,1 '. L Wt-1I.1 JUU.
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geschwindigkeit der vorgeschlagenen integrierten Schaltung ermöglichen ihre weitgehende Anwendung bei der Entwicklung von Großschaltkreisen mit hoher Packungsdichte von Elementen in einem Kristall.
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Claims (1)

  1. "ATEJTANWÄLTE
    SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCH Ü BEL-HO PF
    MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95
    Artasches Rubenovitsch Nazarjan *ARL LuDW1° SCHIFF
    rr . ι , -, τ-, n . , - T- - DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER v. FÜNER
    Vjatseheslav Jakovlevitsch Kremlev DIPmng.pEter5ireHl
    Viliam Nikolaevitsch Kokin dipl. chem. dr. ursula sohübeu-ho
    Viktor Ivanovitsch Sladkov D'PUNG-D!EIER iBBINSHAUS
    _ . -,τ-, , . . , , ,, , DR- INe DIETER FiNCK
    Borx s Valentmovitsch Venkov Vadim Valerjevitsch Lavrov
    TELEFON (OS9) 4B2O54
    TELEX 5-23 565 AURO D
    TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN
    DA-18352
    4. Januar 1978
    INTEGRIERTE INJEKTIONSSCHALTUNG
    Patentansprüche
    ' 1. !integrierte Insektionsschaltung mit einem Stromgenerator und einem normalerweise geschlossenen n-Kanal-Feldeffekttransistor, bei dem das Gate mit dem Stromgenerator und der Eingangselektrode der Schaltung verbunden ist, die Source geerdet ist und die Drain mit der Ausgangselektrode der Schaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (12) des Feldeffekttransistors (8) wenigstens als ein nichtinjizierender Gleichrichterkontakt ausgeführt ist.
    2. Integrierte Injektionsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (8) mit zwei nichtinjizierenden Kontakten und
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    ORIGINAL INSPECTED
    einer zusätzlichen Eingangselektrode (71) ausgeführt ist, wobei der zweite Kontakt (Gate 12') mit dieser zusätzlichen Eingangselektrode (71) verbunden ist.
    3. Integrierte Injektionsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Bipolartransistors (1) mit Metallkollektor (6, 6!) als Stromgenerator, wobei der Metallkollektor (6, 61) mit dem Gate 12, 12') des Feldeffekttransistors (8) verbunden ist.
    4. Integrierte Injektionsschaltung nach Anspruch 1 mit einem bipolaren Planartransistor als Stromgenerator und mit einem Planar-Feldeffekttransistor, bei dem das Gate-Gebiet auf der Oberfläche des Substrats liegt, sowie mit inneren Metalleite rverbindungen, die auf dem maskierenden Dielektrikum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Gebiete (12, 12') des Feldeffekttransistors (8) als Abschnitte der inneren Leiterverbindungen (14) ausgeführt sind, die auf nichtmaskierten Oberflächenabschnitten des Substrats (13) liegen und von oben mit einem Dielektrikum (16) geschützt sind, über dem das Drain-Gebiet (10) so angeordnet ist, daß es einen ohmschen Kontakt (18) mit dem Substrat (13) auf dem Abschnitt bildet, der durch die Raumladungsgebiete der Gleichrichterkontakte der Gate-Gebiete (12, 12') überdeckt wird.
    5. Integrierte Injektionsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Substrat
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    (13), und zwar in einer Entfernung (a) von der Oberfläche, die kleiner als die Dicke der Raumladungsschicht des nichtinjizierenden Gleichrichterkontakts zwischen dem Gate und der Source ist, ein zusätzliches Gebiet (17) mit gegenüber dem Substrat (13) entgegengesetztem Leitungstyp so gebildet ist, daß dieses Gebiet (17) den ohmschen Kontakt (18) des Drain-Gebiets (10) mit dem Substrat (13) vollständig deckt.
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