DE2262297A1 - Monolithisch integrierbare, digitale grundschaltung - Google Patents
Monolithisch integrierbare, digitale grundschaltungInfo
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Description
gg-sn
Anmelderin: IBM Deutschland GmbH
Pascalstr. 100 7000 Stuttgart 80
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung ε
Aktenzeichen der Anmelderin: GE 972 024
Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung, bestehend aus einem an eine geeignete Stromversorgung
angeschlossenen Schalttransistor, an dessen Basis Dioden angelegt sind.
•In der bipolaren monolithischen Technik werden Strukturen hergestellt,
deren Dimensionen und Dotierungsprofile im wesentlichen von einer Oberfläche des verwendeten Halbleiterplättchens aus
bestimmt werden. Die dabei angewandten Verfahren sind unter dem Begriff "Planartechnik" zusammenzufassen. Dabei sind alle Elemente
auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen angeordnet und mit Hilfe von aufgebrachten flächenhaften Leitungszügen untereinander
kontaktiert. Als Ausgangsmaterial dient meist eine relativ schwach dotierte Siliziumscheibe als Substrat, auf das eine dünne,
schwach dotierte einkristalline Siliziumschicht epitaktisch aufgewachsen
ist. In diese epitaktisch aufgewachsene Siliziumschicht werden in aufeinanderfolgenden photolithographischen Prozeßschritten
mit jeweils nachfolgenden Diffusionsprozessen die gewünschten, PN-übergänge bildenden Strukturen eingebracht. Da die
Leitfähigkeit der Epitaxieschicht relativ hoch ist, so daß die Schaltungselemente, die sich auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen
befinden, miteinander verkoppelt werden, müssen sie
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gegeneinander isoliert werden. Das derzeit allgemein gebräuchliche
Verfahren zur Isolation besteht in der Bildung von Isolationswannen dadurch, daß durch zusätzliche rahmenförmige Diffusionszonen, die in Sperrichtung isolierende PN-Übergänge bilden, getrennte,
die einzelnen Schaltungselemente aufnehmende Halbleiterbereiche hergestellt werden. Die ineinander verschachtelten aktiven
Halbleiterzonen eines Transistors müssen eine gewisse Mindestoberfläche aufweisen, an der die erforderliche Kontaktierung vorgenommen
werden kann. Außerdem erfordern die die aktiven Zonen rahmenförmig umgebenden Isolationszonen, welche die Epitaxieschicht
bis zum Substrat durchdringen müssen, infolge ihrer seitlichen Ausdiffusion zusätzlichen Flächenaufwand. Das bedeutet
also, daß derartige bekannte Strukturen aufgrund ihrer Dimensionen und ihrer durch Diffusion erzeugten Dotierungsprofile nicht optimal
sind, wenn Schaltkreise extrem hoher Dichte und minimaler Verlustleistung hergestellt werden sollen. Sie haben den zusätzlichen
Nachteil, daß die Ladungsspeicherung der Transistoren im gesättigten Zustand schwierig zu kontrollieren ist. Außerdem sind
die Herstellungsverfahren aufwendig, da relativ viele Maskierungsund Diffusionsschritte erforderlich sind.
Man ist aus Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen bestrebt, eine möglichst große Anzahl von Schaltungskomponenten auf einem einzigen
Halbleiterplättchen unterzubringen. Ein weiteres dauerndes Ziel bei der Auslegung monolithischer Halbleiterschaltungen besteht
darin, die Verfahrensschritte zu vereinfachen und zu verringern. Um eine größere Anzahl von Schaltungskomponenten auf einem einzigen
Halbleiterplättchen unterzubringen, muß in der Regel dessen Oberfläche vergrößert werden. Dadurch nimmt jedoch zunächst die
von einer kreisförmigen Halbleiterscheibe (Wafer) erhältliche Anzahl von Plättchen (Chips) ab. Außerdem sinkt die Ausbeute an
brauchbaren Halbleiterplättchen auf einer Haltleiterscheibe rapide ab. Soll deshalb eine gegebene Schaltung mit möglichst hoher
Ausbeute hergestellt werden, dann muß schon beim Entwurf darauf geachtet werden, daß sie eine möglichst kleine Oberfläche einnimmt.
GE 972 024 AO 98 26/0 S3 β
Um den geschilderten Forderungen gerecht zu werden, bzw. um die aufgezeigten Probleme zu mindern/ ist es im Zusammenhang mit der
monolithischen Auslegung von bipolaren Schaltungen.bereits bekannt
in Verbesserung der "üblichen Layout-Technik", wonach für iedes Schaltungselement eine besondere Isolationswanne vorgesehen
ist, mehrere Schaltungskomponenten innerhalb einer einzigen Isolationswanne
zusammen zu fassen. Es werden dabei vorzugsweise auch gleichartige, auf demselben Potential liegende Halbleiterzonen
gemeinsam ausgebildet. Es ist weiter bekannt, NPN- und PNP-Transistoren in einer Vierschichtstruktur miteinander zu integrieren
(Microelectronic-Circuits and Applikation, J.M. Carrol, MacGraw Hill, 1965, Seite 76, Fig. 4). Auch bei dieser bekannten Schaltung
kann nicht auf die beschriebene flächenaufwendige Isolationsdiffusion
verzichtet werden. Schließlich bringt sie auch bezüglich der innerhalb der Isolationswannen realisierten Schaltungskomponenten
keine Prozeßvereinfachung oder gar eine Einsparung von Prozeßschritten.
Aus diesem Grunde ist in der deutschen Offenlegungsschrift Nr.
2 021 824 ein in gewisser Hinsicht bereits verbesserter monolithischer Aufbau der genannten, bekannten Schaltung mit zwei
komplementären Transistoren angegeben worden. Außerdem ist dort bereits die Anwendung dieser Schaltung als Grundbaustein für ein
logisches Halbleiterschaltungskonzept vorgeschlagen worden. Dieses logische Schaltungskonzept ist zum Zwecke der Erreichung einer
hohen Packungsdichte derart aufgebaut, daß in ein Halbleitergrundmaterial
eines ersten Leitfähigkeitstyps mindestens zwei dazu entgegengesetzt" leitfähige Gebiete in einem Abstand als
Emitter- und Kollektorzonen einer lateralen Transistorstruktur angeordnet sind. In der Kollektorzone der lateralen Transistorstruktur
befindet sich mindestens eine weitere dazu entgegengesetzt leitfähige Zone als Kollektorzone einer invers betriebenen
Transistorstruktur. Zum Betrieb dieser Halbleiterstruktur als logische Grundschaltung wird in die Emitterzone der lateralen
Transistorstruktur ein Strom eingeprägt, der in Abhängigkeit von dem an seiner zugehörigen Kollektorzone angelegten Eingangssignal
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den als Ausgangssignal dienenden Stromfluß durch die vertikale
Transistorstruktur steuert.
Diese bekannte Struktur bzw. logische Grundschaltung läßt sich universell für verschiedenste Verknüpfungsnetzwerke einsetzen,
indem mehrere derartige Grundschaltungen, die beispielsweise als NOR-Schaltungen betreibbar sind, in bestimmter Weise kombiniert
werden. Es ist festzustellen, daß infolge des Fehlens von Isolationsdiffusionsgebieten,
da die einzelnen Grundschaltungen ohne Trennung aneinandergereiht integrierbar sind, sowie durch Vermeidung
von diffundierten Widerständen eine erhebliche Flächeneinsparung gegenüber bekannten logischen Schaltungsfamilien möglich
ist. Außerdem ist der Herstellungsprozeß vereinfacht und entspricht
dem bei der Herstellung eines einzelnen Planartransistors.
Es ist auch festzustellen, daß der flächenmäßige Aufwand durch die
laterale Struktur des einen Transistors bestimmt ist, wobei die einzelnen, an die Oberfläche tretenden Diffusionszonen die erforderliche
Fläche aufweisen müssen. Außerdem sind für zwei Transistorzonen selektive Diffusionsprozesse erforderlich. Schließlich
ist festzustellen, daß für die logische Verknüpfung und für die Stromversorgung getrennte Verdrahtungen vorzusehen sind.
Es ist auch bereits eine hinsichtlich der Integrationsdichte bzw. des Flächenbedarfes, der Verlustleistung in Verbindung mit einem
optimalen Geschwindigkeits-Leistungsverhältnis und hinsichtlich
des Herstellungsverfahrens verbesserte monolithische Struktur für diese bekannte logische G^undschaltung vorgeschlagen worden.
Diese Halbleiterstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer auf ein Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps aufgebrachten
ersten Schicht des entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeit styps , einer auf die erste Schicht aufgebrachten zweiten
Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps und einer auf die zweite Schicht aufgebrachten dritten Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps besteht und daß zur Kontaktierung der einzelnen Schichten
jede Teilstruktur von die jeweils darüberliegenden Schichten durchdringenden Zonen des zu kontaktierenden Schicht entsprechenden
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Leitfähigkeitstyps rahmenförmig umgeben ist. Das Substrat bildet
den Emitter des zweiten, die erste Schicht den Emitter des ersten und die Basis des zweiten, die zweite Schicht die Basis des ersten
und den Kollektor des zweiten und die dritte Schicht bildet den Kollektor des ersten Transistors der bekannten Schaltung.
Die bereits vorgeschlagene Version der logis'chen Grundschaltung
weist zwar gegenüber der bekannten Version in vielerlei Hinsicht Vorteile auf, es haftet ihr aber weiterhin der Nachteil an, daß
es schwierig ist, die Grenzgeschwindigkeit bei Verwendung üblicher Transistoren auf extrem hohe Werte anzuheben. Die Ursache dafür
ist, daß die Transistoren in Sättigung betrieben werden.
Der Sättigungseinfluß führt aber zu einer Herabsetzung der erreichbaren
Schaltgeschwindigkeiten. -
Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die bereits vorgeschlagene Grundschaltung bzw. deren Halbleiterstruktur dahingehend
zu verbessern, daß der Sättigungseinfluß völlig be- · seitigt wird und damit extrem hohe Grenz- bzw. Schaltgeschwindigkeiten
erreicht werden. Dabei sollen die bei der bereits vorgeschlagenen Grundschaltung hinsichtlich der einfachen Struktur,
der hohen Integrationsdichte, der niedrigen Verlustleistung in Verbindung mit einem optimalen Geschwindigkeits-Leistungsverhältnis
und hinsichtlich des einfachen Herstellungsverfahrens erzielten Vorteile erhalten bleiben.·
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für eine monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung, bestehend aus einem an
eine geeignete Stromversorgung angeschlossenen Schalttransistor, an dessen Basis Dioden angelegt sind, dadurch gelöst, daß der
Kollektor des Schalttransistors und die Dioden aus Schottky-Kontakten
an der die Basis des Schalttransistors bildenden Halbleiterzone bestehen. Hierbei werden in vorteilhafter Weise die
günstigen Sättigungseigenschaften eines einen Schottky-Kollektor aufweisenden Transistors ausgenutzt.
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Ein besonders günstiger Aufbau besteht darin, daß Emitter und Basis des Schalttransistors aus einer Schichtstruktur mit zwei
Halbleitersohichten unterschiedlichen Leitfahigkeitstyps bestehen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß die Stromversorgung
aus einem zum Schalttransistor komplementären Transistor besteht, dessen Kollektor mit der Basis und dessen Basis mit dem
Emitter des Schalttransistors verbunden ist, und über den eine Ladungsträger-Injektion in den Emitter des Schalttransistors erfolgt.
Hinsichtlich der Anwendbarkeit erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Schottky-Barrieren für den Kollektor einerseits und für
die Dioden andererseits unterschiedlich gewählt sind.
Vorteilhafterweise bilden die Dioden die Eingänge und der Kollektor
des Schalttransistors den Ausgang der eine NOR-Verknüpfung darstellenden Grundschaltung. Zur Darstellung komplexer logischer
Verknüpfungen sind mehrere Grundschaltungen entsprechend kombiniert. Zur Anpassung der Eingangs- und Ausgangspegel aneinander ist die
Schottky-Barriere für den den Kollektor bildenden Schottky-Kontakt
höher gewählt als die die für die Dioden bildenden Schottky-Kontakte.
Zur Darstellung einer ODER-Verknüpfung die den gemeinsamen Ausgang bildenden Kollektoren mehrerer Grundschaltungen
sind direkt verbindbar.
Eine vorteilhafte strukturelle Ausgestaltung besteht darin, daß die Grundschaltung aus einer Schichtstruktur mit einer ersten,
einer zweiten mittleren und einer dritten Halbleiterschicht abwechselnden Leitfähigkeitstyps besteht, daß die erste und die
zweite Halbleiterschicht ohmisch kontaktiert sind und daß die dritte Halbleiterschicht mit den Schottky-Kontakten versehen
ist. Insbesondere ist diese Struktur dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht gleichzeitig den Emitter des Schalttransistors
und die Basis des zusätzlichen Transistors bildet, dessen Emitter aus der ersten Halbleiterschicht besteht, und daß
ge 972 024 409826/0536
die dritte Halbleiterschicht gleichzeitig den Kollektor des zusätzlichen
Transistors und die Basis des Schalttransistors bildet.
Zum Zwecke der Kontaktierung ist vorgesehen, daß die erste Halbleiterschicht
direkt und die zweite Halbleiterschicht über eine hochdotierte, die dritte Halbleiterschicht durchquerende Kontaktierungszone
des der zweiten Halbleiterschicht entsprechenden
Leitfähigkeitstyps mit einem ohmschen Kontakt versehen ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung komplexer Verknüpfungsnetzwerke besteht darin, daß beliebige, aus mehreren Grundschaltungen bestehende
logische Verknüpfungsschaltungen eine gemeinsame Schichtstruktur aufweisen.
Eine weitere vorteilhafte strukturelle Ausgestaltung besteht darin,
daß der komplementäre Transistor als laterale Struktur ausgebildet
ist. Dabei ist die den Emitter des komplementären Transistors bildende erste Halbleiterschicht durch eine entsprechend
dotierte, innerhalb einer Kontaktierungszone zur zweiten Halbleiterschicht liegende Halbleiterzone ersetzt.
Hinsichtlich der gegenseitigen Isolation einzelner, gemeinsam integrierter Grundschaltungen vorteilhafter Ausgestaltungen
bestehen darin, daß die einzelnen Grundschaltungen durch rahmenförmig ihre Struktur umgebende und die dritte Halbleiterschicht
durchquerende Isolationszone gegeneinander isoliert sind. Hierbei
erweist es sich als vorteilhaft, daß die Isolationszone aus einer hochdotierten Halbleiterzone des der zweiten Halbleiterschicht
entsprechenden Leitfähigkeitstyps besteht. Dabei kann über die als Isolationszone dienende hochdotierte Halbleiterzone gleichzeitig
die Kontaktierung der zweiten Halbleiterschicht erfolgen. Weitere, die Isolation betreffende Ausgestaltungen ergeben sich
dadurch, daß die Isolationszonen aus Halbleiteroxyd bestehen, oder
daß die Isolationszonen durch eine Mesa-Ätzung ersetzt sind.
Zur Vermeidung parasitärer Injektionsströme in, den die Dioden
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aufnehmenden Teil der Basiszone des Schalttransistors sind Vorkehrungen
getroffen, die darin bestehen, daß die dritte Halbleiterschicht durch eine Trennzone in einen ersten Teilbereich,
für den Kollektor-Schottky-Kontakt und in einem zweiten Teilbereich
für die Dioden-Schottky-Kontakte aufgeteilt ist. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die beiden Teilbereiche durch eine
gleichartig, aber hochdotierte, zwischen der zweiten und der dritten und im wesentlichen unterhalb des zweiten Teilbereichs
liegende, vergrabene Halbleiterzone miteinander verbunden sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Trennzone bestehen darin, daß
die Trennzone durch eine Mesa-Ätzung hergestellt ist, oder daß die Trennzone aus einer Isolationszone besteht, oder daß die
Trennzone der rahmenförmig die Struktur der Grundschaltung umgebenden Isolationszone entspricht oder daß schließlich die
Trennzone aus einer entsprechend der vergrabenen Halbleiterzone dotierten und diese mit der Oberfläche der dritten Halbleiterzone
verbindenden Halbleiterzone besteht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das elektrische Ersatzschaltbild einer Halb
leiterstruktur, das der erfindungsgemäßen logischen Grundschaltung zugrunde gelegt ist,
Fig. 2 das entsprechende elektrische Ersatzschaltbild,
dem schematisch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Lösung der gestellten Aufgabe zu entnehmen
sind,
Fign. 3A und 3B die Gegenüberstellung der Bändermodelle eines
üblichen PNP-Transistors und eines Transistors mit Schottky-Kollektor,
Fig. 4 eine aus erfindungsgemäßen Grundschaltungen auf
gebaute Inverterkette,
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Fig. 5. eine schematische Schnittansicht eines ersten
prinzipiellen Ausführungsbeispiels der Halbleiterstruktur der erfindungsgemäßen logischen
Grundschaltung,
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines zweiten
Ausführungsbeispiels in Mesa-Ätztechnik,
Fig. 7 eine schematische Schnittansicht eines dritten
Ausführungsbeispiels in Oxyd-Isolationstechnik,
Fig. 8 eine schematische Schnittansicht eines vierten
Ausführungsbeispiels in Sperrschicht-Isolationstechnik
und
Fig. 9 eine Schnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels, bei dem anstelle eines vertikalen
ein lateraler Transistor für die Stromversorgung des Schalttransistors vorgesehen ist.
Zunächst sei der in Fig, 1 dargestellte Teil der erfindungsgemäßen logischen Grundschaltung beschrieben, der bereits in der
bekannten Anordnung■aus der deutschen Qffenlegungsschrift 2
824 Verwendung findet. Er besteht aus zwei komplementären Transistoren
Tl1 und T2, Der Kollektor des NPN-Transistors T2 ist
mit dem Basisanschluß E des PNP-Transistors Tl* verbunden* Außer·"
dem ist die Basis des- Transistors T2 mit dem Emitter ans chluß E
des Transistors Tl1 verbunden, über den Emitteranschluß S des
iNIPN-Transistors T2 wird ein Strom in die Basis des PNP-Transistors
Tl* eingespeist. Der Kollektoranschluß C des PNP-Transistors .Tl1
bildet den Ausgang der Schaltung« Wie aus der Ersatzschaltbild zu ersehen ist, weisen die beiden Transistoren gleichartige
Halbleiterzonen auf, die außerdem auf gleichem Potential liegen. Diese Halbleiterzonen sind dementsprechend identisch bezeichnet
und können bei der Realisierung der Halbleiterstruktur in gemeinsamen
Halbleiterzonen untergebracht werden» Es ergibt sich
GE 972 024
403.826/05,3$
folgende Wirkungsweise der Grundschaltung. Wird an den gemeinsamen
Kollektor-Basisanschluß B Hein definiertes Potential angelegt,
so fließt der in den NPN-Transistor T2 eingeprägte Strom in die Basis des PNP-Transistors Tl1. Transistor Tl' wird dadurch
sättigungsleitend. Liegt dagegen der gemeinsame Kollektor-Basisanschluß B auf Massepotential, so wird der im Transistor T2 eingeprägte
Strom über diesen Anschluß abgezogen und kann nicht in die Basis von Transistor Tl1 fließen. Transistor Tl" wird in diesem
Fall gesperrt sein. Unter Berücksichtigung der sich jeweils am Kollektoranschluß C des Transistors Tl1 einstellenden Potentiale
wird demnach durch die Kombination der beiden Transistoren Tl1 und
T2 prinzipiell ein Inverterglied gebildet.
Durch geeignete Kombination derartiger Inverterglieder lassen
sich bekanntlich beliebige logische Verknüpfungen durchführen. Zum Zwecke der Entkopplung der einzelnen über den Kollektor ihres
Schalttransistors verbundenen Inverterglieder sind gegebenenfalls an jedem Kollektor eine oder mehrere Entkopplungsdioden vorzusehen.
Die Tatsache, daß der Schalttransistor bis in die Sättigung leitend wird und daß dadurch eine Ladungsspeicherung im Kollektor
auftritt, ist ausschlaggebend für die Begrenzung der maximal erreichbaren Schaltgeschwindigkeit.
Ausgehend von dem der bekannten Halbleiterstruktur entsprechenden Ersatzschaltbild gemäß Fig. 1, ist in Fig. 2 ein der erfindungsgemäßen
Halbleiterstruktur entsprechendes Ersatzschaltbild dargestellt. Die Schaltung besteht wiederum aus einem Schalttransistor
Tl mit einem Emitteranschluß E und einem Kollektoranschluö C. Der Kollektoranschluß C bildet den Ausgang der logischen Grundschaltung.
Zur Sicherstellung der Stromversorgung des Schalttransistors Tl ist auch hier ein komplementärer Transistor T2
vorgesehen, dessen Kollektor N2 mit der Basis N2 und dessen Basis
Pl mit dem Emitter Pl des Schalttransistors Tl verbunden ist. Wie den beiden Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist, unterscheider;
sich die Ersatzschaltbilder dadurch, daß anstelle des PNP-Schalttransistors
Tl1 der bekannten Grundschaltung bei der erfindungs-
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gemäßen Grundschaltung ein sogenannter Schottky-Kollektor-Transistor
mit einem Emitter Pl, einer Basis N2 und einem an der Basiszone angebrachten Schottky-Kontakt Mc als Kollektor vorgesehen
ist. An der Basiszone sind außerdem weitere Dioden Dl bis Dn bildende Schottky-Kontäkte Ml bis Mn angeordnet. Jeweils die
eine Elektrode dieser Dioden ist mit einem der zugeordneten Anschlüsse Bl bis Bn verbunden. Die Anschlüsse Bl bis Bn bilden die
logischen Eingänge der Grundschaltung. Über diese Dioden erfolgt die erforderliche Entkopplung bei der Durchführung logischer Verknüpfungen.
Bevor auf die Wirkungsweise und die Vorteile der Grundschaltung gemäß Fig. 2 eingegangen wird, sei zunächst auf die in den Figuren
3A und 3B schematisch dargestellten qualitativen Bändermodelle für
einen üblichen PNP-Transistor (Fig. 3A) und einen Schottky-Kollektor-Transistor
(Fig. 3B), wie er beispielsweise aus der Druckschrift "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 14, Nr. 11, April
19 72, Seite 3248 bekannt ist, verwiesen. Die Gegenüberstellung zeigt, daß das Bändermodell für den Schottky-Kollektor-Transistor,
bei dem also die P-dotierte Kollektorzone durch einen Schottky-Metallkontakt
ersetzt ist, mit dem Bändermodell für den PNP-Transistor zumindest große Ähnlichkeit aufweist. Insbesondere läßt
die Ähnlichkeit des Potentialverlaufs im Bereich der Kollektoren erkennen, daß auch der Schottky-Kontakt als Kollektor verwendbar
ist. Die Höhe der Schottky-Barriere φ am Basis-Metallkontakt-Übergang
hängt von dem verwendeten Metall ab. Durch Verwendung unterschiedlicher Metalle lassen sich also Schottky-Kontäkte unterschiedlicher
Barrieren erzeugen.
Es hat sich erwiesen, daß ein derartiger Schottky-Kollektor-Transistor
im Vergleich zum normalen Transistor sehr günstige Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf das Sättigungsverhalten
aufweist. Insbesondere ist festzustellen, daß im Kollektor keine Ladungsspeicherung auftritt. Da dieser Transistortyp außerdem
eine extrem kleine inverse Stromverstärkung aufweist, findet auch keine interne Stromaufschaukelung statt. Auch diese Eigenschaft
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führt dazu, daß bei Sättigung nur eine minimale Ladungsspeicherung
erfolgt. Die Ursache für das günstige Verhalten von Schottky-Kontakten
ist darin zu finden, daß die Ladungsspeicherung proportional dem Minoritätsträger-Diffusionsstrom ist. Dieser
Diffusionsstrom ist aber im Vergleich zum normalen Halbleiterübergang beim Schottky-Kontakt um einige Größenordnungen kleiner.
Es ergibt sich folgende, prinzipiell mit der der bekannten Schaltung
gemäß Fig. 1 vergleichbare Wirkungsweise der erfindungsgemäßen logischen Grundschaltung gemäß Fig. 2. Die Stromversorung
für den als Schalttransistor verwendeten Schottky-Kollektor-Transistor
Tl erfolgt über den Transistor T2. Dabei wird zwischen den Anschlüssen E und S eine Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt
oder ein entsprechender Strom zugeführt. Der Transistor T2 kann dann als Konstantstromquelle angesehen werden, die über den
Kollektor N2 einen Strom in die Basis N2 des Schottky-Kollektor-Transistors Tl einprägt. Liegt an jedem der logischen Eingänge Bl
bis Bn ein definiertes Potential, das einer logischen "O" entspricht
und bei dem die Dioden Dl bis Dn gesperrt sind, so fließt der eingeprägte Strom direkt in die Basis des Schalttransistors
Tl. Der Transistor wird leitend und am Kollektoranschluß C erscheint
ein eine logische "1" kennzeichnendes Potential. Liegt dagegen an einem oder mehreren Eingängen Bl bis Bn ein Potential,
das einer logischen "1" entspricht, und bei dem die entsprechenden Dioden Dl bis Dn leitend sind, so fließt der eingeprägte Strom
über die leitenden Dioden ab. Der Schottky-Kollektor-Transistor Tl bleibt gesperrt und am Kollektoranschluß C erscheint ein eine
logische "0" kennzeichnendes Potential. Diese Grundschaltung stellt demnach offensichtlich eine NOR-Verknüpfung her. Durch geeignete
Kombination von mehreren derartigen Grundschaltungen lassen sich bekanntlich alle logischen Grundverknüpfungen und komplexe Verknüpfungsnetzwerke
verwirklichen. Außerdem erhält man durch einfaches Zusammenschalten mehrerer Kollektoranschlüsse C verschiedener
Grundschaltungen eine ODER-Verknüpfung. Eine logische Verknüpfung
kann also über die Dioden D und/oder über die Verbindung der Kollektoranschlüsse C der Grundschaltungen herbeigeführt
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werden.
Um die Potentialverhältnisse bei einem praktischen Ausführungsbeispiel zu zeigen, sei auf die in Fig. 4 dargestellte, aus drei
erfindungsgemäßen Grundschaltungen zusammengesetzte Inverterkette hingewiesen. Die Schottky-Kollektor-Transistoren TIl, T12 und T13
sind die Schalttransistoren der dargestellten,dreistufigen Inverterkette.
Die Transistoren T21, T22 und T23 führen aufgrund von an die gemeinsamen Anschlüsse E und S angelegten Potentialen
jeweils ein Konstantstrom D. Jede der drei Grundschaltungen weist eine Eingangsdiode DIl, D12 bzw. D13 auf, die an die jeweils zugeordnete
Eingangsklemme BIl, B12 bzw. B13 geführt ist. Die die Ausgänge der Grundschaltungen bildenden Kollektoranschlüsse Cl,
C2 und C3 sind jeweils mit dem Eingang der folgenden Stufe verbunden. In die dargestellte Schaltung der Inverterkette sind die
auftretenden Spannungspegel in Klammern eingetragen. Dabei.ist
von der Annahme ausgegangen, daß die Vorwärtsspannung der Dioden DIl, D12 und D13 0,4 Volt und die Vorwärtsspannung der Kollektor/
Basis-Schottky-Dioden 0,5 Volt beträgt. Die logischen Pegel lassen sich dann derart definieren, daß einer logischen "1" etwa
0,2 Volt und einer logischen 0 etwa 0,3 Volt entsprechen. Das heißt also im betrachteten Beispiel, daß am Eingang BIl der ersten'
Inverterstufe eine logische "1" zugesteuert wird. Damit ist der
Schalttransistor TIl gesperrt und am Ausgang Cl erscheint eine logische "0". Da am Eingang B12 der zweiten Inverterstufe dann
eine logische "0" liegt, ist der Schalttransistor Tl2 leitend und am Ausgang T2 erhält man eine logische "1". Diese logische
"1" wird in der dritten Inverterstufe erneut invertiert, so daß am Ausgang C3 eine logische "0" vorhanden ist.
Im folgenden seien anhand der Figuren 5 bis 9 praktische Realisierungsmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Grundstruktur nach Fig. 2 angegeben. Die Bezeichnungen der einzelnen Halbleiterschichten,
der Anschlüsse und der Schottky-Kontakte sind im
Ersatzschaltbild nach Fig. 2 und in den entsprechenden Strukturen nach den Figuren 5 bis 9 identisch gewählt, so daß eine direkte
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Zuordnung ermöglicht wird. Die Bezeichnungen der Halbleiterschichten
geben gleichzeitig den Leitfähigkeitstyp an.
Die einfachste, die Ersatzschaltung der Fig. 2 aufweisende erfindungsgemäße Halbleiterstruktur ist in Fig. 5 dargestellt. Es
handelt sich um eine Schichtstruktur mit einer ersten Halbleiterschicht Nl, einer zweiten mittleren Halbleiterschicht Pl und
einer dritten Halbleiterschicht N2. Auf der dritten Halbleiterschicht N2 sind die die an die Anschlüsse Bl bis Bn geführten
Dioden Dl bis Dn bildenden Schottky-Kontakte IU bis Mn und der den Schottky-Kollektor bildende Schottky-Kontakt Mc mit Anschluß
C angeordnet. Die zweite Halbleiterschicht Pl und die erste Halbleiterschicht Nl sind ohmisch kontaktiert und an die zugeordneten
Anschlüsse E und S geführt. Durch einen Vergleich mit dem Ersatzschaltbild nach Fig. 2 ist leicht zu erkennen, daß die erste
Halbleiterschicht Nl den Emitter des Transistors T2 bildet. Die zweite Halbleiterschicht Pl liefert die Basis des Transistors T2
und gleichzeitig den Emitter des Transistors Tl. Die dritte Halbleiterschicht N2 ergibt die Basis des Transistors Tl und den
Kollektor des Transistors T2. Die Struktur nach Fig. 5 enthält demnach in vollkommener Integration die Grundschaltung nach Fig.
mit dem PlN2Mc-Schottky-Kollektor-Transistor als Schalttransistor Tl und den für die Stromversorgung zuständigen komplementären
N1P1N2-Transistor T2 mit sämtlichen erforderlichen äußeren Anschlüssen B, C, S und E und den Entkopplungsdioden D am Eingang.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 unterscheidet sich von dem nach
Fig. 5 dadurch, daß die dritte Halbleiterschicht Nl durch Mesa-Ätzungen gebildete Trenn- bzw. Isolationszonen I, I1 in jeweils
einen Teilbereich N21, der die die Dioden bildenden Schottky-Kontakte
Ml bis Mn aufnimmt, und in einen Teilbereich N2, der den den Kollektor des Schalttransistors bildenden Schottky-Kontakt Mc
aufnimmt, unterteilt ist. Auf diese Weise wird eine Trennung dieser beiden Teilbereiche gegeneinander und außerdem eine Isolation
einzelner benachbarter Grundstrukturen erreicht. Unterhalb des Teilbereichs N21 ist eine vergrabene hochdotierte Zone N an-
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geordnet, die sich bis in den Teilbereich N2 erstreckt. Diese vergrabene
Zone verhindert eine unter Umständen die Funktion der Grundschaltung störende Injektion von Strömen in den Teilbereich
N21. Die Kontaktierung der mittleren zweiten Schicht Pl erfolgt
über eine hochdotierte, die dritte Halbleiterschicht Nl durchquerende Kontaktierungszone P , die über einen ohmschen Kontakt
an den Anschluß E geführt ist. Die Kontaktierung kann aber auch in einem weiteren Mesa-Ätzgebiet erfolgen.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 unterscheidet sich von dem nach Fig. 6 lediglich dadurch, daß die Trenn- bzw. Isolationszone
I, I1 aus Isoliermaterial, insbesondere aus einem Oxyd des Halbleitermaterials
bestehen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 besteht die Trennzone zur Unterteilung der Teilbereich N21 und N2 aus einer rahmenförmig
den Teilbereich N21 umgebenden, von der darunter liegenden vergrabenen,
entsprechend dotierten Zone ausgehenden Halbleiterzone N . Die Isolation der Grundstruktur selbst erfolgt durch eine
die Struktur ebenfalls rahmenförmig umgebende Kontaktierungszone P für die mittlere Halbleiterschicht Pl.
Schließlich ist in Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel angegeben, bei dem im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 die erste
Halbleiterschicht Nl entfällt und durch eine innerhalb der rahmenföförmigen Isolations- bzw. Kontaktierungszone angeordnete Halbleiterzone
Nl1 ersetzt ist. Das bedeutet, daß der in den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen vorgesehene vertikale N1P1N2-Tränsistor T2 durch einen lateralen N1'P1N2-Transistor ersetzt
wurde.
Bezüglich der Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen logischen -Grundschaltung sei bemerkt, daß die in der Planartechnik
üblichen Prozesse in bekannter Weise anwendbar sind.
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Claims (1)
- - 16 -PATENTANSPRÜCHEMonolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung, bestehend aus einem an eine geeignete Stromversorgung angeschlossenen Schalttransistor, an dessen Basis Dioden angelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Schalttransistors (Tl) und die Dioden (D) aus Schottky-Kontakten (M) an der die Basis des Schalttransistors bildenden Halbleiterzone (N2) bestehen.2. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter und Basis des Schalttransistors aus einer Schichtstruktur mit zwei Halbleiterschichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps bestehen.3. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung durch Ladungsträgerinjektion in den Emitter des Schalttransistors (Tl) erfolgt.4. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromver-' sorgung aus einem zum Schalttransistor (Tl) komplementären Transistor (T2) besteht, dessen Kollektor mit der Basis und dessen Basis mit dem Emitter des Schalttransistors verbunden ist, und über den die Ladungsträgerinjektion in den Emitter des Schalttransistors erfolgt.5. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schottky-Barrieren für den den Kollektor und für die die Dioden bildenden Schottky-Kontakte unterschiedlich gewählt sind.C>. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach GE 972 024 409826/0536den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden die Eingänge und der Kollektor des Schalttransistors den Ausgang bildet.7. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung komplexer logischer Verknüpfungen mehrere, jeweils eine NOR-Verknüpfung bildenden Grundschaltungen entsprechend kombiniert sind.8. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung der Eingangs- und Ausgangspegel die Schottky-Barriere für den den Kollektor bildenden Schottky-Kontakt (Mc) höher gewählt ist als die für die die Dioden bildenden Schottky-Kontakte (Ml bis Mn).9. Monolithisch integrierbare, digitale. Grundschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,· daß zur Darstellung einer ODER-Verknüpfung die den gemeinsamen Ausgang bildenden Kollektoren (C) mehrerer Grundschaltungen verbunden sind.10. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschaltung aus einer Schichtstruktur mit einer ersten, (Nl), einer zweiten mittleren (Pl) und einer dritten Halbleiterschicht (N2) abwechselnden Leitfähigkeitstyp besteht, daß die erste und die zweite Halbleiterschicht ohmisch kontaktiert sind und daß die dritte Halbleiterschicht mit den Schottky-Kontakten (M) versehen ist.11. .'monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (Pl) gleichzeitig den Emitter des Schalttransistors (Tl) und die Basis des, zusätzlichen TransistorsGE 972 O24 4098 26/0 536(T2) bildet, dessen Emitter aus der ersten Halbleiterschicht (Nl) besteht, und daß die dritte Halbleiterschicht gleichzeitig den Kollektor des zusätzlichen Transistors
und die Basis des Schalttransistors bildet.12. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht direkt und die zweite Halbleiterschicht über eine hoch dotierte, die erste Halbleiterschicht durchquerende Kontaktierungszone (P ) des der
zweiten Halbleiterschicht entsprechenden Leitfähigkeitstyps mit einem ohmschen Kontakt versehen ist.13. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beliebige, aus mehreren Grundschaltungen bestehende logische Verknüpfungsschaltungen eine gemeinsame Schichtstruktur
aufweisen.14. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
komplementäre Transistor (T2) als laterale Struktur ausgebildet ist.15. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die den Emitter des komplementären Transistors (T2) bildende erste Halbleiterschicht (Nl) durch eine entsprechend dotierte,
innerhalb einer Kontaktierungszone (P ) zur zweiten Halbleiterschicht (Pl) liegende Halbleiterzone (Nl1) ersetzt wird.16. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Grundschaltungen durch rahmenförmig ihre Struktur umgebende und die die Basis des Schalttransistors bildendege 972 024 4098 26/0536Halbleiterschicht durchquerende Isolationszonen (P )
gegeneinander isoliert sind.17. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationszone aus einer hochdotierten Halbleiterzone des der zweiten Halbleiterschicht entsprechenden Leitfähigkeitstyps besteht»18. ' Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nachAnspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß über die als
Isolationszone dienende hochdotierte Halbleiterzone (P ) gleichzeitig die Kontaktierung der zweiten Halbleiterschicht (Pl) erfolgt.19. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationszonen (I) aus HalbIeiteroxyd bestehen.20. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationszonen (I) durch eine Mesa-Ätzung ersetzt sind.21. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 3 bis 20, dadurch, gekennzeichnet daß die die Basis des Schalttransistors bildende Halbieiterschicht durch eine Trennzone in einen ersten Teilbereich (N2) für den Kollektor-Schottky-Kontakt (Mc) und in einen zweiten Teilbereich (N21) für die Dioden-Schottky-Kontakte (Ml bis Mn) aufgeteilt ist.22. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilbereiche durch eine gleichartig aber hochdotierte, zwischen der zweiten und dritten und im wesentlichen unterhalb des zweiten Teilbereichs liegende, vergrabene Halbleiterzone (N ) miteinander verbunden sind.ge 972 024 409826/053623. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzone (I1) durch eine Mesa-Ätzung hergestellt ist.24. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzone (I1) aus einer Isolationszone besteht.25. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach den Ansprüchen 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzone (I1) der rahmenförmig die Struktur der Grundschaltung umgebenden Isolationszone (I) entspricht.26. Monolithisch integrierbare, digitale Grundschaltung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzone aus einer entsprechend der vergrabenen Halbleiterzone dotierten und diese mit der Oberfläche der dritten Halblei terzpne verbindenden Halbleiterzone (N ) besteht.A09826/0536
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