КОМПЛЕМЕНТАРНАЯ БИПОЛЯРНАЯ СХЕМА И - НЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H01L27/04 H03K19/08 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании конструкций логических комбинированных Би-КМОП сверхбольших интегральных схем (СБИС) со сверхмалым потреблением мощности.

Известна схема транзисторно-транзисторной логики с инжекционным питанием элемент И-НЕ, содержащая многоэмиттерный n-p-n транзистор, переключательную схему и инжектирующий p-n-p транзистор, эмиттер которого соединен с источником питания, а коллектор и база соответственно с базой и коллектором многоэмиттерного транзистора (авт. св. СССР N 1128387, кл. H 03 K 19/088, 1984).

Недостаток данной схемы большая потребляемая мощность.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой схеме является схема транзисторно-транзисторной логики с инжекционным питанием (авт. св. СССР N 1744738А 1, кл. Н 01 L 27/04, 1990), содержащая многоэмиттерный и переключательный n-p-n транзисторы и металлизированное соединение между коллектором многоэмиттерного и базой переключательного n-p-n транзисторов.

Недостаток данной схемы относительно большая потребляемая мощность.

Наиболее близким конструктивным решением к комплементарной биполярной схеме И-НЕ является инжекционный элемент И-НЕ (авт. св. СССР N 1744738А 1, кл. H 01 L 27/04, 1990), содержащий p⁺-подложку, к которой подключен металлизированный электрод питания. В подложке совмещены эмиттеры инжектирующих первого и дополнительного p-n-p транзисторов. В первой n_эп1 эпитаксиальной области совмещены коллектор многоэмиттерного n-p-n транзистора и база первого инжектирующего p-n-p транзистора. Во второй n_эп2 эпитаксиальной области совмещены база второго инжектирующего p-n-p транзистора и эмиттер переключательного n-p-n транзистора; к этой же области через глубокую диффузионную подконтактную n⁺-область подключен электрод общей шины. Над областью n_эп1 расположена третья p_эп1 эпитаксиальная область первого типа проводимости, в которой совмещены база многоэмиттерного n-p-n транзистора и коллектор первого инжектирующего p-n-p транзистора. Область p_эп1 содержит диффузионные области n₁ и n₂, являющиеся эмиттерами многоэмиттерного транзистора, к которым подключены входные электроды. Над областью n_эп2 расположена четвертая p_эп2 эпитаксиальная первого типа проводимости. В области p_эп2 совмещены база переключательного n-p-n транзистора и коллектор дополнительного второго инжектирующего p-n-p транзистора. Область p_эп2 содержит n область, к которой подключен выходной электрод, и диффузионную подконтактную область p+2

Недостатком данного конструктивного решения является сложность изготовления, требующая создания двух эпитаксиальных слоев.

В основу настоящего изобретения положены задача разработки комплементарной биполярной схемы И-НЕ функционально-интегрированной схемы с меньшей потребляемой мощностью и задача упрощения технологии изготовления до стандартного КМОП-процесса.

Поставленные задачи решаются следующим образом.

1. Комплементарная биполярная схема И-НЕ, содержащая подложку, сформированные в подложке n- и p-области, входные и выходные металлические электроды, металлический электрод питания и электрод общей шины, содержит подложку, выполненную из кремниевого материала n-типа, в ней сформированы n⁺-область, соединенная с выходным металлическим электродом, замкнутая изолирующая p⁺-область, соединенная с электродом общей шины, и первая, вторая, третья p-области, причем первая p-область, являющаяся инжектором, расположена между второй и третьей p-областями и подключена к металлическому электроду питания, во второй p-области сформированы одна коллекторная n⁺-область и не менее двух эмиттерных n⁺-областей, к которым подключены входные металлические электроды, в третьей p-области сформирована p⁺-область, соединенная металлическим электродом с коллекторной n⁺-областью, расположенной во второй p-области, и n⁺-область, которая соединена с электродом общей шины, в итоге достигается технический результат упрощение технологии изготовления до стандартной КМОП-технологии и ее разновидностей.

2. Комплементарная биполярная схема И-НЕ, содержащая подложку, сформированные в подложке n- и p-области, входные и выходные металлические электроды, металлический электрод питания и электрод общей шины, содержит подложку, выполненную из низкоомного материала n⁺-типа, на котором расположена высокоомная эпитаксиальная область n-типа, в которой сформированы n⁺-область, соединенная с выходным металлическим электродом, замкнутая изолирующая p⁺-область, соединенная с электродом общей шины, и первая, вторая, третья p-области, причем первая p-область, являющаяся инжектором, расположена между второй и третьей p-областями и подключена к металлическому электроду питания, во второй p-области сформированы одна коллекторная n⁺-область и не менее двух эмиттерных n⁺-областей, к которым подключены входные металлические электроды, в третьей p-области сформирована p⁺-область, соединенная металлическим электродом с коллекторной n⁺-областью, расположенной во второй p-области, и n⁺-область, которая соединена с электродом общей шины, что приводит к ослаблению паразитного эффекта "защелкивания".

3. Комплементарная биполярная схема И-НЕ, содержащая подложку, сформированные в подложке n- и p-области, входные и выходные металлические электроды, металлический электрод питания и электрод общей шины, содержит подложку, выполненную из изолирующего материала, на котором расположен монокристаллический высокоомный слой n-типа, в котором сформированы n⁺-область, соединенная с выходным металлическим электродом, и первая, вторая, третья p-области, причем первая p-область, являющаяся инжектором, расположена между второй и третьей p-областями и подключена к металлическому электроду питания, во второй p-области сформированы одна коллекторная n⁺-область и не менее двух эмиттерных n⁺-областей, к которым подключены входные металлические электроды, в третьей p-области сформирована p⁺-область, соединенная металлическим электродом с коллекторной n⁺-областью, расположенной во второй p-области, и n⁺-область, которая соединена с электродом общей шины, в результате достигается следующий технический эффект: исключаются паразитный эффект "защелкивания" и токи утечки, уменьшаются паразитные емкости, повышаются быстродействие, помехозащищенность и радиационная стойкость.

Комплементарная биполярная схема И-НЕ, являющаяся функционально-интегрированной схемой, совместимой с КМОП-технологией, обладает меньшей в сравнении с прототипом потребляемой мощностью, что обеспечивается следующими существенными признаками: введены первый и второй нагрузочные p-n-p транзисторы, объединены их базы и подключены к выходу схемы, в результате нагрузочные p-n-p транзисторы работают на границе запирания и не потребляют тока от источника питания, когда хотя бы на один из входов схемы подано напряжение логического нуля.

Упрощение и удешевление технологии достигается за счет использования функциональной интеграции полупроводниковых областей всех транзисторов схемы и стандартного КМОП-процесса изготовления предлагаемой схемы.

Ослабление паразитного эффекта "защелкивания" достигается за счет введения в конструкцию схемы низкоомной n⁺-подложки, в результате уменьшается коэффициент усиления по току паразитного p-n-p транзистора и уменьшается паразитное сопротивление n-подложки R_x [1]
Исключение паразитных эффектов "защелкивания" и токов утечки, уменьшение паразитных емкостей, повышение быстродействия и радиационной стойкости достигаются за счет размещения конструкции схемы на изолирующей подложке, в итоге исключаются изолирующие глубокие окаймляющие схему p⁺-области, обладающие паразитными утечками тока и емкостями, а также объемными и поверхностными областями, где может развиваться генерация носителей заряда, вызванная действием радиации.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в том, что предложенная конструкция обладает меньшей потребляемой мощностью и более упрощенной и удешевленной технологией изготовления.

На фиг. 1 представлена конструкция комплементарной биполярной схемы И-НЕ, функционально-интегрированной схемы, совместимой со стандартной КМОП-технологией; на фиг. 2 конструкция комплементарной биполярной схемы И-НЕ функционально-интегрированной схемы, совместимая с модифицированной КМОП- технологией; на фиг. 3 конструкция комплементарной биполярной схемы И-НЕ функционально-интегрированной схемы, совместимой с КМОП-технологией "кремний на изоляторе"; на фиг. 4 принципиальная схема комплементарной биполярной схемы И-НЕ.

Комплементарная биполярная схема И-НЕ функционально-интегрированная схема, совместимая со стандартной КМОП- технологией (фиг.1), содержит кольцевую изолирующую p-область 2, которая сформирована на n-подложке 1 с концентрацией 1 • 10¹⁴ 2 • 10¹⁵, к подложке 1 подключен через n⁺-область 3 выходной металлизированный электрод 4. В подложке 1 совмещены базы нагрузочных p-n-p транзисторов 24, 25 и коллектор переключательного n-p-n n-транзистора 23, а замкнутая изолирующая область 2, базовая область 5 многоэмиттерного горизонтального n-p-n транзистора, базовая область 6 переключательного n-p-n транзистора и p-область 7 совмещенных эмиттеров нагрузочных горизонтальных p-n-p транзисторов выполняются одновременно в ходе технологического процесса и имеют концентрацию примеси (1-5) • 10¹⁶см^-3. К области 7 совмещенных эмиттеров нагрузочных p-n-p транзисторов подключен металлизированный электрод питания 8. В базовой области 5 многоэмиттерного транзистора содержатся эмиттерные n⁺-области 9, 10 и коллекторная n⁺-область 11 с концентрацией 1 • 10²⁰см^-3, совмещены база многоэмиттерного n-p-n и коллектор первого нагрузочного p-n-p транзисторов. К эмиттерным n⁺-областям 9, 10 подключены металлизированные входные электроды 12, 13. В базовой p-области 6 переключательного n-p-n транзистора содержатся эмиттерная n⁺-область 14 с концентрацией доноров 1 • 10²⁰см^-3, совмещены база переключательного n-p-n и коллектор второго нагрузочного p-n-p транзисторов, подконтактная p⁺-область 15 с концентрацией акцепторов 1 • 10²⁰см^-3 соединена металлизированным проводником 16 с n⁺-коллекторной областью многоэмиттерного транзистора. К эмиттерной n⁺-области 14 подключен металлизированный электрод общей шины 17. В p-области 7 совмещены эмиттеры первого и второго нагрузочных p-n-p транзисторов 24, 25.

Комплементарная биполярная схема И-НЕ функционально-интегрированная схема, совместимая с модифицированной КМОП-технологией (фиг. 2), снижающей эффект "защелки", содержит n⁺-подложку 18 с концентрацией 1 • 10¹⁹см^-3, на которой выращивается эпитаксиальная область 19 с концентрацией (1-5) • 10¹⁴см^-3.

Комплементарная биполярная схема И-НЕ функционально-интегрированная схема, совместимая с КМОП-технологией "кремний на изоляторе" (фиг. 3 содержит изолирующую подложку 20, на которой или эпитаксиально выращивается, или формируется SIMOX-методом область монокристаллического кремния 21. В таких структурах полностью исключаются образование паразитных p-n-p-n приборов и эффект "защелки" и сильно уменьшаются паразитные емкости и токи утечки, что приводит к улучшению быстродействия, помехоустойчивости и радиационной стойкости схемы.

На принципиальной электрической схеме комплементарной биполярной схемы И-НЕ функционально-интегрированной схемы, совместимой с КМОП-технологией (фиг. 4) многоэмиттерный горизонтальный n-p-n транзистор 22, переключательный вертикальный n-p-n транзистор с нормальной структурой 23, первый нагрузочный горизонтальный p-n-p транзистор 24, второй нагрузочный горизонтальный p-n-p транзистор 25.

Комплементарная биполярная схема И-НЕ работает следующим образом.

Для обеспечения работы к p-области 7 подается напряжение питания
E > (1,5-1,7) B
E > u_бэ23 + u_бк22 + u_кэн24,
где u_бэ23 напряжение на открытом переходе 6 14 база эмиттер переключательного n-p-n транзистора 23;
u_бк22 напряжение на открытом переходе 5 11 база коллектор многоэмиттерного n-p-n транзистора 22;
u_кэн24 напряжение 5 7 коллектор эмиттер насыщения первого нагрузочного p-n-p транзистора 24.

Режим 1. При подаче хотя бы на один входной электрод 12 или 13 напряжения логического нуля низкого уровня напряжения все транзисторы находятся в полузакрытом состоянии. На выходе схемы напряжение логической единицы - высокий уровень напряжения, определяемой по формуле
E u_бэ25,
где u_бэ25 напряжение на полузакрытом переходе база эмиттер 1 - 7 второго нагрузочного p-n-p транзистора.

Режим 2. При подаче на все входы схемы напряжения логической единицы многоэмиттерный n-p-n транзистор 22 открыт и работает в инверсном режиме, его переход 5 11 база коллектор смещен в прямом направлении. Первый нагрузочный p-n-p транзистор 24 насыщен. Осуществляется инжекция носителей из p-области 7 в базовую область 5 многоэмиттерного n-p-n транзистора 22. Ток из n коллекторной области 11 по металлизированному проводнику 16 поступает в p базовую область 6 переключательного n-p-n транзистора 23. Второй нагрузочный p-n-p транзистор 25 работает в нормальном активном режиме. На выходе комплементарной биполярной схемы И-НЕ низкий уровень напряжения напряжение логического нуля, определяемое напряжением 1 14 коллектор эмиттер открытого переключательного n-p-n транзистора 23, работающего на границе насыщения.

Из режимов работы следует, что данная комплементарная биполярная схема и соответствующие ей конструкции выполняют логическую функцию И-НЕ.

Изменение конструкции по сравнению с прототипом связано с заменой вертикальной структуры многоэмиттерного n-p-n транзистора 22 на горизонтальную, обращенной структуры переключательного n-p-n транзистора 23 на нормальную, вертикальной структуры нагрузочных p-n-p транзисторов 24 и 25 на горизонтальную и объединением базовых областей нагрузочных p-n-p транзисторов 24 и 25 с областью коллектора переключательного n-p-n транзистора 23.

Таким образом, по отношению к прототипу объединение базовых областей нагрузочных p-n-p транзисторов 24 и 25 с коллектором переключательного n-p-n транзистора 23 снижает потребляемую схемой мощность, а замена вертикальных конструкций многоэмиттерного n-p-n транзистора 22 и нагрузочных p-n-p транзисторов 24 и 25 на горизонтальные сильно упрощает технологию изготовления, делая ее совместимой с наиболее распространенными разновидностями КМОП-процесса.

Комплементарные биполярные схемы И-НЕ функционально-интегрированные схемы, совместимые с КМОП-технологией, обеспечивающие меньшую потребляемую мощность и изготавливаемые по более простой технологии, позволяют создавать на одном кристалле комбинированные Би-КМОП-схемы, что приводит к улучшению параметров микросхем и снижению стоимости микроэлектронных устройств.

Литература
1. Маллер Г. Кейминс Т. Элементы интегральных схем./Пер. с англ. М. Мир, 1989, 630 с.

Использование: микроэлектроника, для создания конструкций логических комбинированных Би-КМОП сверхбольших интегральных схем со сверхмалым потреблением мощности. Сущность изобретения: комплементарная биполярная схема И-НЕ, являющаяся функционально-интегрированной схемой, совместимой с КМОП-технологией, обладает меньшей в сравнении с прототипом потребляемой мощностью, что обеспечивается следующими существенными признаками: введены первый и второй нагрузочные p-n-p транзисторы, объединены их базы и подключены к выходу схемы, в результате нагрузочные p-n-p транзисторы работают на границе запирания и не потребляют тока от источника питания, когда хотя бы на один из входов схемы подано напряжение логического нуля. Упрощение и удешевление технологии достигаются за счет использования функциональной интеграции полупроводниковых областей всех транзисторов схемы и стандартного КМОП-процесса изготовления предлагаемой схемы. Ослабление паразитного эффекта "защелкивания" достигается за счет введения в конструкцию схемы низкоомной n⁺-подложки, в итоге уменьшается коэффициент усиления по току паразитного p-n-p транзистора и паразитное сопротивление n-подложки R_x. Исключение паразитных эффектов "защелкивания" и токов утечки, уменьшение паразитных емкостей, повышение быстродействия и радиационной стойкости достигаются за счет размещения конструкции схемы на изолирующей подложке, в результате исключаются изолирующие глубокие окаймляющие схему p⁺-области, обладающие паразитными утечками тока, и емкостями, а также объемными и поверхностными областями, где может развиваться генерация носителей заряда, вызванная действием радиации. 3 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Комплементарная биполярная схема И НЕ, содержащая подложку, сформированные в подложке n- и p-области, входные и выходные металлические электроды, металлический электрод питания и электрод общей шины, отличающаяся тем, что подложка выполнена из кремниевого материала n-типа, в ней сформированы n⁺-область, соединенная с выходным металлическим электродом, замкнутая изолирующая p⁺-область, соединенная с электродом общей шины, и первая, вторая и третья p-области, причем первая p-область, являющаяся инжектором, расположена между второй и третьей p-областями и подключена к металлическому электроду питания, во второй p-области сформированы одна коллекторная n⁺-область и не менее двух эмиттерных n^+- областей, к которым подключены входные металлические электроды, в третьей p-области сформирована p⁺-область, соединенная металлическим электродом с коллекторной n⁺-областью, расположенной во второй p-области и n⁺-область, которая соединена с электродом общей шины. 2. Комплементарная биполярная схема И НЕ, содержащая подложку, сформированные в подложке n- и p-области, входные и выходные металлические электроды, металлический электрод питания и электрод общей шины, отличающаяся тем, что подложка выполнена из низкоомного материала n⁺-типа, на котором расположена высокоомная эпитаксиальная область n-типа, в которой сформированы n⁺-область, соединенная с выходным металлическим электродом, замкнутая изолирующая область, соединенная с электродом общей шины, и первая, вторая и третья p-области, причем первая p-область, являющаяся инжектором, расположена между второй и третьей p-областями и подключена к металлическому электроду питания, во второй p-области сформированы одна коллекторная n⁺-область и не менее двух эмиттерных n⁺-областей, к которым подключены входные металлические электроды, в третьей p-области сформирована p⁺-область, соединенная металлическим электродом с коллекторной n⁺-областью, расположенной во второй p-области, и n⁺-область, которая соединена с электродом общей шины. 3. Комплементарная биполярная схема И НЕ, содержащая подложку, сформированные в подложке n- и p-области, входные и выходные металлические электроды, металлический электрод питания и электрод общей шины, отличающаяся тем, что подложка выполнена из изолирующего материала, на котором расположен монокристаллический высокоомный слой n-типа, в котором сформированы n⁺-область, соединенная с выходным металлическим электродом, и первая, вторая и третья p-области, причем первая p-область, являющаяся инжектором, расположена между второй и третьей p-областями и подключена к металлическому электроду питания, во второй p-области сформированы одна коллекторная n⁺-область и не менее двух эмиттерных n⁺-областей, к которым подключены входные металлические электроды, в третьей p-области сформирована p⁺-область, соединенная металлическим электродом с коллекторной n⁺-областью, расположенной во второй p-области, и n⁺-область, которая соединена с электродом общей шины.