DE3902641A1 - Multifunktionszelle fuer kundenspezifische integrierte schaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Multifunktionszelle in Siliciumbi­ polartechnologie mit einem Standard npn-Transistor aus einer oberen n⁺-Emitterschicht, einer darunter liegenden p-Basis­ schicht und einer darunter befindlichen n⁻-Kollektorschicht, wobei sich diese Schichten flächenmäßig innerhalb eines Be­ reichs einer unterhalb der n⁻-Kollektorschicht vergrabenen n⁺-Schicht befinden und seitlich von einer Epitaxiewanne aus n⁻-Material die allseitig von einem pn-Übergang zu benachbarten Epitaxiewannen isoliert ist, begrenzt sind.

Multifunktionszellen für kundenspezifische integrierte Schal­ tungen sollen eine Vielzahl von elektronischen Funktionen in möglichst kleinem Halbleiterkristallvolumen vereinen.

In der Bipolartechnologie umfaßt eine Multifunktionszelle den Bereich einer Epitaxiewanne, die durch einen allseitigen pn- Übergang von benachbarten Multifunktionszellen elektrisch iso­ liert ist. Unter einem Standard npn-Transistor in einer solchen Epitaxiewanne wird eine vergrabene n⁺- Schicht eindiffundiert, deren Bereich flächenmäßig größer ist als die n⁻-Kollektor­ schicht mit dem Kollektorkontaktfenster, sodaß auch die p-Basisschicht und die n⁺-Emitterschicht des npn-Transistors flächenmäßig innerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht und räumlich oberhalb der vergrabenen n⁺-Schicht liegen.

Werden mehrere npn-Transistoren mit getrennten Kollektorkon­ takten für eine integrierte Schaltung benötigt, so müssen diese in verschiedenen Zellen oder Epitaxiewannen untergebracht wer­ den. Bisher werden Widerstände integrierter Schaltungen in einer von den Transistorzellen getrennten Epitaxiewanne ge­ meinsam vorgesehen. Dazu wird nachteilig relativ viel Kristall­ oberfläche verbraucht.

Aufgabe der Erfindung ist es, teure Kristalloberfläche einzu­ sparen und eine Multifunktionszelle anzugeben, in der wichtige Widerstände, die häufig und unmittelbar mit Transistoren in einer integrierten Schaltung verknüpft sind, zum Bestandteil der Zelle zu machen und eine Multifunktionszelle anzubieten, die besonders vielseitig einsetzbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die p-Basisschicht des npn-Transistors und die Epitaxiewanne über den Bereich der vergrabenen n⁺-Schicht hinausragen und die Epitaxiewanne und die Basisschicht außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺- Schicht jeweils mindestens ein zusätzliches Kontaktfenster auf­ weisen und daß die Epitaxiewanne zwischen ihrem zusätzlichen Kontaktfenster und dem Ende der vergrabenen n⁺-Schicht in Breite, Länge und Flächenwiderstand so ausgebildet ist, daß ihr elektrischer Widerstand die Größe eines Kollektorwiderstands für integrierte Schaltungen aufweist.

Ein Vorteil dieser Multifunktionszelle ist, daß für einen Kol­ lektorwiderstand einer Transistorschaltung, wie er in zahl­ reichen integrierten Schaltungen auftritt, keine separate Epi­ taxiewanne vorzusehen ist, sodaß erhebliche Kristallfläche eingespart wird. Darüber hinaus hat die Multifunktionszelle den Vorteil, daß für den Kollektorwiderstand eine Kontaktfenster­ fläche eingespart wird, da dieser Kollektorwiderstand mit einem Ende unmittelbar an die vergrabene n⁺-Schicht angrenzt. Die vergrabene n⁺-Schicht eines npn-Transistors ist nämlich eine vergrabene Kollektorkontaktfläche.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Epitaxiewanne zwischen einem zusätzlichen Kontaktfenster und dem Beginn der vergrabenen n⁺-Schicht in Breite, Länge und Flächenwiderstand so ausgebildet, daß ihr elektrischer Wider­ stand eine Größe von 1 kOhm bis 30 kOhm, vorzugsweise von 2 kOhm bis 15 kOhm aufweist. Dieser Widerstandsbereich hat den Vorteil, daß damit ein großer Teil der üblichen Transistor­ schaltungen mit einem passenden Kollektorwiderstand ausrüstbar ist. Der bevorzugte Bereich von 2 kOhm bis 15 kOhm ist zwar eine Einschränkung, deckt aber immernoch bis zu 60% der üblichen Transistorschaltungen in Siliciumbipolartechnologie ab.

Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, daß die Basisschicht ausschließlich außerhalb des Bereichs der ver­ grabenen n⁺-Schicht Kontaktfenster aufweist.

Bei einem herkömmlichen npn-Transistor liegt die gesamte Basis­ schicht, die auch das Kontaktfenster trägt, flächenmäßig inner­ halb der vergrabenen n⁺-Schicht. Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß bis auf einen Randbereich die gesamte von der vergrabenen n⁺-Schicht flächenmäßig begrenzte Basisschicht eine n⁺-Emitterschicht aufnehmen kann, sodaß ein hoher Sät­ tigungsstrom möglich wird. In der üblichen Lösung muß die sät­ tigungsstrombegrenzende Emitterfläche wesentlich kleiner als die Basisschicht gestaltet werden, da noch ein Basiskontakt­ fenster auf der p-Basisschicht neben der n⁺-Emitterschicht unterzubringen ist.

Die Basisschicht außerhalb der vergrabenen n⁺-Schicht kann vor­ zugsweise so ausgebildet werden, daß der elektrische Widerstand zwischen einem zusätzlichen Kollektorkontaktfenster und dem Basisfenster des npn-Transistors die Größe eines Basiswider­ standes für integrierte Schaltungen aufweist. Damit wird es vorteilhaft möglich, daß nicht nur die Basis über ein Kontakt­ fenster außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht ver­ fügt, sondern auch ein Basiswiderstand, der häufig bei Transis­ torschaltungen erforderlich ist, in derselben Epitaxiewanne eingebaut ist wie der npn-Transistor.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird die Basisschicht außerhalb der vergrabenen n⁺-Schicht und zwischen dem zusätzlichen Kontaktfenster und dem Basisfenster des npn- Transistors in Länge, Breite und Flächenwiderstand so ausge­ bildet, daß ein Basiswiderstand von 100 Ohm bis 2 kOhm, vor­ zugsweise von 200 Ohm bis 1000 Ohm realisiert wird.

Einen zusätzlichen Vorteil liefert die Multifunktionszelle mit einer über die vergrabene n⁺-Schicht hinausragende p-Basis­ schicht dadurch, daß der Basiswiderstand in seiner Größe um den Basisbahnwiderstand des npn-Transistors erhöht werden kann, indem die Emitterbasisdiode in Vorwärtsrichtung betrieben wird und als Widerstandskontakte das zusätzliche Kontaktfenster auf der verlängerten p-Basisschicht und das Emitterkontaktfenster des npn-Transistors eingesetzt werden.

Die erweiterte Epitaxiewanne die den Kollektorwiderstand bildet und die verlängerte Basisschicht, die den Basiswiderstand auf­ weist, werden vorzugsweise räumlich übereinander angeordnet, so­ daß diese Bereiche in Wechselwirkung mit dem die Epitaxiewanne umgebenden p-Gebiet einen vertikalen pnp-Transistor bilden. Der Emitter des vertikalen pnp-Transistor ist die p-Basisschicht außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht. Die Basis bildet die n⁻-Epitaxiewanne außerhalb der vergrabenen n⁺- Schicht und den Kollektor die p-Schicht, die die Epitaxiewanne umgibt, soweit sie außerhalb der vergrabenen n⁺-Schicht liegt. Ein Vorteil dieser Anordnung ist über die Vorteile eines pnp- Transistors hinaus die Wirkung, daß der Kollektorwiderstand, den die Epitaxiewanne bildet, vergrößert wird, da der räumlich in den Kollektorwiderstand eingebaute Basiswiderstand den Quer­ schnitt des Kollektorwiderstands vorteilhaft verringert.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, den pn-Übergang des npn-Transistors zwischen n⁺-Emitterschicht und p-Basisschicht in Bezug auf die Fläche und die Störstellenkon­ zentration so auszulegen, daß ein irreversibles Durchschalten in Sperrichtung über den Zehnerdurchbruch bei überhöhter Strom­ dichte auftritt. Im Kristall entsteht dabei anstelle eines gleichrichtenden pn-Übergangs ein Kurzschlußgebiet, das sich vorteilhaft zum nachträglichen Programmieren von Schaltungs­ strukturen und zum Abgleichen von Widerstandsnetzwerken in elektronischen und integrierten Schaltungen eignet.

Der Abstand zwischen den Kontaktfenstern der p-Basisschicht kann vorzugsweise so dimensioniert werden, daß zwischen ihnen auf der Multifunktionszelle mindestens eine Leiterbahn isoliert positioniert werden kann. Damit entsteht vorteilhaft eine drei­ schichtige isolierte Kreuzung von mindestens zwei Strompfaden, einer durch die Leiterbahn und ein weiterer durch den Basis­ widerstand.

Wird vorzugsweise der Basiswiderstand räumlich im Bereich des Kollektwiderstands angeordnet und der Abstand zwischen den Kontaktfenstern der p-Basisschicht so dimensioniert, daß zwischen diesen mindestens eine Leiterbahn isoliert posi­ tioniert werden kann, so bildet diese Struktur eine vier­ schichtige Kreuzung von mindestens drei Strompfaden, einer durch die obere Leiterbahn, ein weiterer durch den darunterbe­ findlichen Basiswiderstand und ein dritter durch den unter dem Basiswiderstand befindlichen Kollektorwiderstand.

Eine niederohmige Verbindung zwischen Kollektor-Kontaktfenster und vergrabener n⁺-Schicht aus einem hochdotierten n⁺-Gebiet unterhalb des Kollektorkontaktfensters des npn-Transistors, die die Epitaxiewanne vorzugsweise von oben bis zur vergrabenen n⁺-Schicht durchdringt hat den Vorteil, daß der untere Strom­ pfad zum Kollektorwiderstand niederohmig bleibt und vermindert vorteilhaft den Schaltungswiderstand des npn-Transistors.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt durch drei von­ einander isolierte Epitaxiewannen bestückt mit ver­ gleichbaren Standardbauteilen.

Fig. 2 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt einer Multifunk­ tionszelle.

Fig. 3 zeigt das Schema einer dreischichtigen Kreuzung von mindestens 2 Strompfaden der Multifunktionszelle.

Fig. 4 zeigt das Schema einer vierschichtigen Kreuzung von mindestens 3 Strompfaden der Multifunktionszelle.

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt durch drei vonein­ ander durch pn-Übergänge 19 isolierte Epitaxiewannen 20, 21 und 22, die mit Standardbauteilen wie beispielsweise einem npn- Transistor 28 in der Epitaxiewanne 20, einem von mehreren p- Basisschicht-Widerständen 29 in der Epitaxiewanne 21 und einem vertikalen pnp-Transistor 30 in der Epitaxiewanne 22, bestückt sind. Diese Lösungen verdeutlichen den Stand der Siliciumbi­ polartechnologie und beinhalten nur einen Teil der Funktionen der Multifunktionszelle. Dabei besteht der npn-Transistor 28 in der Epitaxiewanne 20 aus einer vergrabenen n⁺-Schicht 2, die den Boden der Epitaxiewanne zum p-leitenden Substrat 1 hin deckt. Allseitig wird die Epitasiewanne 20 von einer hochdo­ tierten eindiffundierten p⁺-Zone 13 umgeben, die über ein Iso­ lationskontaktfenster 9 auf das niedrigste Potential der Schal­ tung gelegt werden kann. Flächenmäßig im Bereich der vergrabenen n⁺-Schicht liegt das Kollektorkontaktfenster 4 sowie der Kollek­ tor 24 des npn-Transistors 28.

Dieser Kollektor 24 besteht aus der n⁻-Epitaxieschicht 23 zwischen vergrabener n⁺-Schicht 2 und p-Basisschicht 14. Die p-Basisschicht 14 trägt an ihrer Oberfläche das Basiskontakt­ fenster 7 und die n⁺-Emitterschicht 5. Die n⁺-Emitterschicht 5 trägt ihrerseits ein Emitterkontaktfenster 18.

Soll beispielsweise das Kollektorkontaktfenster 4 des npn-Tran­ sistors 28 mit einem Widerstand verkünpft werden, so wird eine metallische Leiterbahn über die isolierende Siliciumdioxid­ schicht 16 vom Kollektorkontaktfenster 4 zur Epitaxiewanne 21 geführt, die mehrere p-Schichten 6 als Widerstände 29 mit ent­ sprechenden Widerstands-Kontaktfenstern 8 enthält.

Einen vertikalen pnp-Transistor 30 enthält die Epitaxiewanne 22. Beim pnp-Transistor 30 wird das Isolationskontaktfenster 9 zum Kollektorkontaktfenster.

Das Gebiet der Epitaxiewanne 22, soweit es zwischen dem Sub­ strat 1 und einer p-Schicht 27 liegt zur n⁻-Basiszone 25 des vertikalen pnp-Transistors 30 mit einem n⁺-Basiskontaktfenster 26. Die p-Schicht 27 ist ein p-Emitter des pnp-Transistors 30 mit dem p-Emitterkontaktfenster 15. Die Fig. 1 zeigt deutlich, daß bei herkömmlichen Lösungen ein hoher Flächenaufwand erfor­ derlich wird.

Fig. 2 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt durch eine Multi­ funktionszelle, wobei in einer einzigen Epitaxiewanne 3 durch erfinderische Abweichungen von den in Fig. 1 gezeigten Standard­ lösungen wesentlich mehr Funktionen auf kleinerem Raum verwirk­ licht werden. Dazu wurde die p-Basisschicht 14 eines npn-Tran­ sistors 28 über das Ende 11 des Bereichs der vergrabenen n⁺- Schicht 2, hinaus um den Bereich 35 verlängert, in der Weise, daß diese Verlängerung einen Basiswiderstand 31 von 400 Ohm durch einen zusätzlichen Kontakt 33 bildet. Ebenso ragt die Epitaxiewanne 3 über die vergrabene n⁺-Schicht 2 und damit dem Kollektor 24 des npn-Transistors 28 hinaus, sodaß das Gebiet 12 zwischen dem Ende 11 der vergrabenen n⁺-Schicht 2 und dem zu­ sätzlichen Kontaktfenster 34 einen an den Kollektor angeschlos­ senen Kollektorwiderstand 32 von 5 kOhm bildet. Um die Zuleitung zum Kollektorkontakt niederohmig zu gestalten, wird ein hoch­ dodiertes n⁺-Gebiet 10 als Verbindung zwischen Kollektor-Kon­ taktfenster 4 und vergrabener n⁺-Schicht eindiffundiert.

Beide verlängerten Bereiche 12 und 35 sind so angeordnet, daß der Bereich 35 räumlich innerhalb des Bereichs 12 liegt. Da­ durch wird zum einen der Kollektorwiderstand 32 vergrößert und zum anderen der Effekt erreicht, die Multifunktionszelle als vertikalen pnp-Transistor 30 zu betreiben, wobei das Kontakt­ fenster 33 mit dem Bereich 35 den p-Emitter bildet, das Kon­ taktfenster 34 mit dem Bereich 12 die n-Basis und der Iso­ lationskontakt 9 über das hochdodierte p⁺-Gebiet 13 mit dem Substrat 1 den p-Kollektor des vertikalen pnp-Transistor 30 bildet.

Einen weiteren hilfreichen Effekt liefert diese Anordnung, wenn über der isolierenden Siliciumdioxidschicht 16 im Bereich des Basiswiderstandes 31 eine oder mehrere Leiterbahnen 17 die Mulitfunktionszelle kreuzen. In diesem Fall entsteht eine neu­ artige vierschichtige Kreuzung von Strompfaden, wie sie in der Fig. 4 näher erläutert wird. In den bisher üblichen Lösungen sind drei-schichtige Kreuzungen von mindestens 2 Strompfaden wie sie in Fig. 3 erläutert werden Stand der Technik.

Schließlich läßt sich durch geeignete Wahl der Fläche der n⁺- Emitterschicht und der Störstellenkonzentration von n⁺-Emitter- Schicht 5 und p-Basisschicht 14 der pn-Übergang 37 zwischen Basis und Emitter so auslegen, daß er als irreversibles Schaltelement zwischen den Kontaktfenstern 5 und 7 in der Multi­ funktionszelle eingesetzt werden kann, ohne daß davon die Funk­ tion des pnp-Transistors 30 oder der Widerstände 31 und 32 oder die vierschichtige Kreuzungsfunktion mit der Leiterbahn 17 wesentlich beeinträchtigt werden.

Fig. 3 zeigt das Schema einer dreischichtigen Kreuzung von mindestens 2 Strompfaden 41 und 42, die durch eine Isolations­ schicht 44 getrennt werden und im Stand der Technik bekannt sind.

Fig. 4 zeigt das Schema einer vierschichtigen Kreuzung von mindestens drei Strompfaden 41, 42 und 43 wie sie mit der Multifunktionszelle möglich werden, wobei die Strompfade 41 und 42 wieder durch eine Isolationsschicht 44 getrennt sind und die Strompfade 42 und 43 durch einen in Sperrichtung geschalteten pn-Übergang 45 voneinander isoliert werden.

Claims (10)

1. Multifunktionszelle in Siliciumbipolartechnologie mit einem Standard npn-Transistor aus einer oberen n⁺-Emitterschicht, einer darunter liegenden p-Basisschicht und einer darunter befindlichen n⁻-Kollektorschicht, wobei sich diese Schichten flächenmäßig innerhalb eines Bereichs einer unterhalb der n⁻-Kollektorschicht vergrabenen n⁺-Schicht befinden und seitlich von einer Epitaxiewanne aus n⁻-Material, die all­ seitig von einem pn-Übergang zu benachbarten Epitaxiewannen isoliert ist, begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Basisschicht (14) des npn-Transistors (28) und die Epi­ taxiewanne(3) über den Bereich der vergrabenen n⁺-Schicht (2) hinausragen und die Epitaxiewanne (3) und die Basisschicht (35) außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht (2) jeweils mindestens ein zusätzliches Kontaktfenster (33 und 34) aufweisen und daß die Epitaxiewanne (3) zwischen ihrem zusätzlichen Kontaktfenster (34) und dem Ende (11) der ver­ grabenen n⁺-Schicht in Breite, Länge und Flächenwiderstand so ausgebildet ist, daß ihr elektrischer Widerstand die Größe eines Kollektorwiderstands (32) für integrierte Schal­ tungen aufweist.

2. Multifunktionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorwiderstand (32) eine Größe von 1 kOhm bis 30 kOhm besitzt, vorzugsweise 2 kOhm bis 15 kOhm aufweist.

3. Multifunktionszelle nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Basisschicht (14) ausschließlich außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht (2) Kon­ taktfenster (7 und 33) aufweist.

4. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (35) außerhalb des Bereichs der vergrabenen n⁺-Schicht (2) in Breite, Länge und Flächenwiderstand so ausgebildet ist, daß der elek­ trische Widerstand zwischen dem zusätzlichen Kontaktfenster (33) und einem Basiskontaktfenster (7) des npn-Transistors (28) die Größe eines Basiswiderstands (31) für integrierte Schaltungen aufweist.

5. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Größe des Basiswiderstands (31) 100 Ohm bis 2 kOhm, vorzugsweise 200 Ohm bis 1000 Ohm ist.

6. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bereich des Basiswiderstands (31) räumlich innerhalb des Bereichs des Kollektorwider­ stands (32) liegt, in der Weise, daß diese Bereiche mit der p-Schicht des pn-Übergangs (19), der die Epitaxiewanne (3) allseitig isoliert, einen vertikalen pnp-Transistor (30) aufweisen.

7. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang (37) zwischen n⁺-Emitterschicht (5) und p-Basisschicht (14) des npn-Tran­ sistors (28) in Bezug auf Fläche und Störstellenkonzentra­ tion so ausgelegt ist, daß ein irreversibles Durchschalten in Sperrichtung über den Zehnerdurchbruch bei überhöhter Stromdichte auftritt.

8. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kollektorfenster (4) des npn- Transistors (28) und die vergrabene n⁺-Schicht (2) über ein n⁺-Gebiet (10), das die Epitaxiewanne (3) von oben nach unten durchdringt, unmittelbar widerohmig verbunden sind.

9. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kontaktfenster der Basis­ schicht (7 und 33) so voneinander beabstandet sind, daß eine dreischichtige isolierte Kreuzung von mindestens zwei Strom­ pfaden auf der Multifunktionszelle möglich ist.

10. Multifunktionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kontaktfenster der Basis­ schicht (7 und 33) und der Epitaxiwanne (4 und 37) so von­ einander beabstandet sind, daß eine vierschichtige isolierte Kreuzung von mindestens 3 Strompfaden auf der Multifunk­ tionszelle möglich ist.