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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der
integrierten Bipolarschaltungen und näherhin die Ausbildung von
relativ zueinander vorbestimmte Verstärkungen aufweisenden
Transistoren in einer integrierten Bipolarschaltung.
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Die vorliegende Erfindung wird näherhin erläutert anhand des
Falls von integrierten Bipolarschaltungen mit Isolierung
durch PN-Übergänge.
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In einer integrierten Schaltung finden sehr zahlreiche
identische Bauteile, die in verschiedenartiger Weise in
verschiedenen Schaltungen zusammengefaßt sind, Verwendung.
Sämtliche Bauteile werden identisch hergestellt, damit die
Eigenschaften der mit diesen Bauteilen erhaltenen
Schaltungen bestimmbar sind. Tatsächlich werden in einer
klassischen integrierten Schaltung, wenn man beispielsweise zwei
unterschiedliche Typen von NPN-Transistoren verwendet, alle
Transistoren eines gegebenen Typs bestimmte Eigenschaften
besitzen, wobei jedoch die Beziehungen zwischen den
Eigenschaften von Transistoren des ersten Typs und Transistoren
des zweiten Typs im allgemeinen Schwankungen bzw. Änderungen
in Abhängigkeit von Schwankungen der Herstellungstechnologie
unterliegen werden (insbesondere Schwankungen bzw.
Änderungen der Dotierungsniveaus der verschiedenen Schichten und
der mit den Temperungsbehandlungen verbundenen
Diffusionstiefen).
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Fig. 1 veranschaulicht den Grundbaustein einer herkömmlichen
integrierten Bipolarschaltung mit Isolierung mittels PN-
Übergang, für den Fall, wo das Substrat vom P-Typ ist und
die verschiedenen Elemente in Gräben vom N-Typ ausgebildet
sind.
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Die integrierte Schaltung wird, ausgehend von einem Substrat
1, aus einem monikristallinen Halbleiter eines ersten
Leitfähigkeitstyps, beispielsweise Silizium vom P-Typ,
hergestellt. Über diesem Substrat wird eine Schicht vom
entgegengesetzten N-Leitfähigkeitstyp erzeugt, im allgemeinen
mittels Epitaxie. Diese Schicht N wird in Gräben 2 unterteilt,
und zwar durch tiefe Diffusionen 3 vom ersten
Leitfähigkeitstyp, welche, ausgehend von der Oberfläche des
Plättchens, bis in das Substrat 1 hinabreichen. Geläufigerweise
weist der Boden des Grabens einen vergrabenen Bereich 4 vom
zweiten Leitfähigkeitstyp mit hohem Dotierungspegel auf. Ein
in dem Graben 2 gebildeter NPN-Transistor umfaßt einen
Kollektorbereich, welcher dem Graben 2 entspricht. Auf
diesem Bereich 2 wird unter Zwischenschaltung einer
überdotierten Zone 6 ein Kollektorkontakt C angebracht. Von der
Oberfläche des Grabens aus wird durch Implantation/Diffusion ein
napfförmiger Bereich 7 vom P-Typ gebildet, der der Basis des
NPN-Transistors entspricht. Innerhalb des Basisbereichs wird
ein N+-Emitterbereich 8 gebildet. Auf dem Bereich 7 wird
ein Basiskontakt B gebildet. Auf dem Emitterbereich 8 wird
eine Emittermetallisierung E erzeugt.
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Die Dotierungsniveaus, die Tiefen der PN-Übergänge und die
Konzentrationsgradienten auf dem Niveau der
Emitter-Basisund Bas is-Kollektor-PN-Übergänge bestimmen die Eigenschaften
des erhaltenen NPN-Transistors und insbesondere seine
Stromverstärkung und seine Durchbruchspannung BVCEO. Zur
Herstellung
von NPN-Transistoren mit von den in Fig. 1
dargestellten verschiedenen Stromverstärkungen muß man
normalerweise eine ihrer Eigenschaften, beispielsweise die
Dotierung ihrer Basis oder ihres Emitters, modifizieren, aber
dann werden diese zweiten Transistoren, in unterschiedlichen
Herstellungschargen bzw. -partien, nicht mehr genau
bestimmte Verstärkungen, bezogen auf die ersten Transistoren,
besitzen.
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Derartige bezüglich den ersten Transistoren modifizierte
NPN-Transistoren wurden bereits nach dem Stande der Technik
realisiert, wie dies beispielsweise in JP-A-57 106 160
(Hitachi), FR-A-2 101 228 (IBM) oder FR-A-2 282 721 (RCA)
beschrieben ist. In der IBM-Patentschrift sind ein normaler
Transistor und ein Transistor mit sehr niedriger
Stromverstärkung in ein und demselben Graben vereint, und der
Transistor mit sehr geringer Verstärkung soll als Diode dienen,
wobei diese Diode gegebenenfalls über ihre Anode mit der
Basis des normalen Transistors verbunden ist. Keine dieser
Druckschriften beschreibt einen neuen Transistor mit
bestimmter Verstärkung, der aus zwei miteinander verbundenen
Elementartransistoren besteht.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung, in
einer erste 'normale' Bipolar-Transistoren aufweisenden
integrierten Bipolarschaltung, von zweiten
Bipolar-Transistoren, die, bezogen auf die ersten Transistoren, ein
bestimmtes Verstärkungsverhältnis aufweisen, unabhängig von
Schwankungen der Herstellungsparameter und der Temperatur.
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Zur Erreichung dieses Ziels sieht die vorliegende Erfindung
vor, in ein und demselben Graben einen 'normalen' ersten
bipolaren Elementartransistor und einen zweiten bipolaren
Elementartransistor mit stark dotierter Basis zu erzeugen,
wobei die Basiselektroden und die Emitter dieser beiden
Transistoren miteinander verbunden sind. Um einen Bipolar-
Transistor zu erhalten, der, bezogen auf die normalen
Bipolar-Transistoren der Schaltung, eine Stromverstärkung von
1/k+1 aufweist, wird vorgesehen, daß in einem gegebenen
Graben der Elementartransistor mit sehr stark dotierter
Basis eine um das k-fache größere Emitteroberfläche als die
des normalen Elementartransistors besitzt.
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Näherhin sieht die vorliegende Erfindung eine integrierte
Bipolarschaltung vor mit in einem Substrat eines zweiten
Leitfähigkeitstyps ausgebildeten Gräben eines ersten
Leitfähigkeitstyps, wobei die Schaltung in ersten Gräben erste
Transistoren umfaßt, deren Graben den Kollektor bildet, in
dessen Innerem ein Basisbereich vom zweiten
Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, der seinerseits einen Emitterbereich
vom ersten Leitfähigkeitstyp enthält. Diese integrierte
Schaltung umfaßt in wenigstens einem einen Kollektor
bildenden zweiten Graben einen zweiten Transistor, der durch
einen dritten Elementartransistor mit Bereichen gleicher
Dotierung wie die ersten Transistoren und durch einen
vierten Elementartransistor gebildet wird, der einen
Basisbereich von höherem Dotierungspegel als dem der Basen der
ersten Transistoren und einen Emitterbereich von gleichem
Dotierungspegel wie dem der ersten Transistoren aufweist,
wobei die Emitter und die Basen des dritten und des vierten
Transistors miteinander verbunden sind und den Emitter bzw.
die Basis des zweiten Transistors darstellen.
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Auf diese Weise sieht die vorliegende Erfindung eine
integrierte Bipolarschaltung vor, welche in einen Kollektor
bildenden isolierten Gräben erste Transistoren und einen
zweiten Transistor umfaßt, der mit Bezug auf die ersten
Transistoren eine Stromverstärkung im Verhältnis 1/k+1
besitzt, wobei dieser zweite Transistor durch die
Parallelverbindung eines dritten und eines vierten
Elementartransistors
gebildet wird, die in ein und demselben
Kollektorgraben erzeugt sind, wobei der dritte Transistor gleichartig
mit den ersten Transistoren ist und der vierte Transistor
eine, bezogen auf die ersten Transistoren, sehr stark
dotierte Basis und einen Emitter von gleichem Dotierungspegel
besitzt und die Emitteroberfläche des vierten Transistors
k-fach größer als die des dritten Transistors ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Gräben durch PN-Übergänge isoliert sind und der
Boden jedes Grabens eine vergrabene Schicht vom ersten
Leitfähigkeitstyp mit hohem Dotierungspegel aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Basen der vierten Transistoren je Oberflächeneinheit
tausendfach stärker dotiert sind als die Basen der ersten
Transistoren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Basen der dritten und vierten Transistoren
benachbart sind.
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Diese sowie weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung
spezieller Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten
Zeichnungen im einzelnen erläutert; in der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 den herkömmlichen Aufbau eines NPN-Transistors
in einer integrierten Bipolarschaltung mit durch PN-Übergang
isolierten Gräben,
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Fig. 2 eine erste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 3 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen
Transistors mit regelbarer Verstärkung,
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Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, und
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Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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In den Figg. 1, 2, 4 und 5 sind die verschiedenen Schichten
nicht maßstabsgetreu wiedergegeben, ihre Abmessungen sind
der besseren Übersichtlichkeit der Figuren halber
willkürlich vergrößert oder verkleinert, wie dies auf dem Gebiet
der Wiedergabe von Halbleiterbauteilen üblich ist. Außerdem
entsprechen die Formen der Schichten nicht den tatsächlichen
Formen. Insbesondere sind die als rechteckig wiedergegebenen
verschiedenen Ränder und Ecken der Schichten in Wirklichkeit
als Folge der verschiedenen Diffusions- und Temperungsstufen
abgerundet. Des weiteren sind in diesen Figuren die
identischen oder entsprechenden Bereiche oder Zonen mit denselben
Bezugsziffern bezeichnet.
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Fig. 2 zeigt einen NPN-Transistor E'B'C' mit vorbestimmter
Verstärkung gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine dem
Gebilde EBC in Fig. 1 äquivalente Struktur E&sub1;B&sub1;C' bildet
einen ersten Elementartransistor. Außerdem sind in dem
gleichen Graben ein zweiter Basisbereich 11 und ein zweiter
Emitterbereich 12 zur Bildung eines zweiten
Elementartransistors mit Emitter E&sub2;, Basis B&sub2; und Kollektor C'
vorgesehen.
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Die Dotierungsniveaus der Basis- und Emitterschichten 7 bzw.
8 des Elementartransistors E&sub1;B&sub1;C' stimmen mit denen des
Transistors in Fig. 1 streng überein. Demgegenüber ist der
Basisbereich 11 gegenüber dem Basisbereich 7 stark dotiert.
Der Emitterbereich 12 weist den gleichen Dotierungspegel wie
der Emitterbereich 8 auf. Die Basen B&sub1; und B&sub2; sind
miteinander verbunden, und zwar entweder auf äußere Weise oder
mittels Metallisierungen auf dem Bauteil, unter Bildung der
Basis B' des Transistors mit vorbestimmter Verstärkung; die
Emitterbereiche E&sub1; und E&sub2; sind miteinander verbunden zur
Bildung des Emitters E' des Transistors mit vorbestimmter
Verstärkung.
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Das Verhältnis k zwischen der Oberfläche des Emitterbereichs
8 und der Oberfläche des Emitterbereichs 12 wird in der
nachstehend dargelegten Weise bestimmt, um die Verstärkung
des Transistors festzulegen.
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Zunächst sollen die Mechanismen in Erinnerung gerufen
werden, welche die Stromverstärkung eines Transistors
festlegen.
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Beim Anlegen einer Spannung VBE zwischen Basis und Emitter
eines Transistors entstehen zwei Ladungsträgerströme.
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- Der Emitter injiziert in die Basis einen
Ladungsträgerstrom umgekehrt proportional der Gummel-Zahl dieser Basis
(die Gummel-Zahl ist die Anzahl von je Oberflächeneinheit
in jedem Bereich des Transistors eingeführten
Dotierungsatomen). In einem Transistor mit herkömmlichen Werten des
Dotierungsgrades wie dem in Fig. 1 dargestellten durchqueren
praktisch sämtliche Ladungsträger die Basis und bilden den
Kollektorstrom.
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- Die Basis injiziert in den Emitter einen
Ladungsträgerstrom umgekehrt proportional der Gummel-Zahl des Emitters.
Diese Ladungsträger bilden fast den gesamten Basisstrom.
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Die Stromverstärkung eines Transistors, die gleich dem
Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom und dem Basisstrom ist,
ist daher gleich dem Verhältnis der Gummel-Zahlen des
Emitters und der Basis (sie ist hoch, falls dieses Verhältnis
hoch ist). Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine
vereinfachende Erklärung, und es müssen Korrekturfaktoren
angebracht werden, insbesondere um den starken
Emitterdotierungen Rechnung zu tragen. Daher ist zu beachten, daß die
Verstärkung nicht gleich dem Verhältnis der Gummel-Zahlen
ist, aber direkt mit diesem Verhältniswert in Verbindung
steht. Diese Anmerkung berührt die nachfolgenden Erklärungen
nicht, wo Transistoren mit gleichem Emitterdotierungsgrad in
Betracht gezogen werden.
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Vergleicht man den Elementartransistor B&sub2;E&sub2;C' mit dem
Elementartransistor B&sub1;E&sub1;C', für eine gegebene Basis-
Emitter-Spannung und gleiche Emitteroberflächen, so ist der
Basisstrom derselbe, da die Gummel-Zahl der Emitter die
gleiche ist. Jedoch ist für den Elementartransistor
B&sub2;E&sub2;C' der Kollektorstrom sehr schwach, beispielsweise
deutlich kleiner als der Basisstrom, da die Gummel-Zahl der
zweiten Basis sehr hoch ist. Der zweite Transistor weist
daher eine sehr niedrige Stromverstärkung auf.
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Betrachtet man den durch die Parallelanordnung der
Transistoren E&sub1;B&sub1;C' und E&sub2;B&sub2;C' gebildeten Transistor
E'B'C', und nimmt man an, daß ein Strom IB in den
Basisanschluß B' injiziert wird, so wird sich dieser Strom gleich
zwischen diesen beiden Transistoren aufteilen, da die
Emitter dieser beiden Transistoren die gleiche Gummel-Zahl
besitzen. Somit wird ein halber Basisstrom in dem Transistor
E&sub1;B&sub1;C' fließen, der daher einen Kollektorstrom
entsprechend der Hälfte des Kollektorstroms, den er in Abwesenheit
des Transistors E&sub2;B&sub2;C' besäße, aufweisen wird. Da der
Kollektorstrom des Transistors E&sub2;B&sub2;C' praktisch Null
ist, wird die Stromverstärkung des Transistors E'B'C' aus
Fig. 2 relativ bezüglich dem des Transistors EBC in Fig. 1
durch 2 geteilt. Allgemeiner gesprochen ist, wenn das
Verhältnis zwischen den Oberflächen der Emitterbereiche 8 und
12 gleich k ist, die Verstärkung des Transistors E'B'C'
gleich dem 1/k+1-fachen der Verstärkung des Transistors EBC
in Fig. 1.
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Man hat so einen neuen Transistor realisiert, der eine
bestimmte Verstärkung relativ bezüglich der Verstärkung der
'normalen' Transistoren besitzt, wobei die neue Verstärkung
durch das Verhältnis zwischen den Emitteroberflächen
festgelegt ist, d. h. durch einen Parameter, der in integrierter
Schaltung in einfacher Weise und praktikabel regelbar ist,
da er nur von Maskenflächen und nicht von technologischen
Verfahrensparametern abhängt. Da außerdem die beiden
Elementartransistoren E&sub2;B&sub2;C' und E&sub1;B&sub1;C' in ein und
demselben Graben ausgebildet sind, werden die Parameter dieser
beiden Transistoren in gleicher Weise in Abhängigkeit von
Schwankungen der Temperatur variieren, und das Verhältnis
zwischen der Verstärkung des erfindungsgemäßen Transistors
und der Verstärkung des herkömmlichen Transistors bleibt bei
Temperaturschwankungen konstant.
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Somit schlägt die vorliegende Erfindung einen neuen Typ von
Bipolar-Schaltbauteil vor, das einen Transistor mit
bestimmter und regelbarer Verstärkung relativ bezüglich anderen
Transistoren der Schaltung bildet. Man kann, falls
erwünscht, in ein und derselben integrierten Bipolarschaltung
eine Vielzahl von Transistoren mit bestimmten Werten der
Verstärkung erzielen, was dem Fachmann in einfacher Weise
die Schaffung neuer Arten von Schaltungen gestattet.
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Die Figg. 4 bzw. 5 zeigen im Schnitt und in Draufsicht eine
abgewandelte Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die
Basisbereiche 7 und 11 sind hierbei, statt voneinander
getrennt, aneinandergrenzend.
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Als Beispiel für den Dotierungspegel kann man für die
verschiedenen Bereiche eines erfindungsgemäßen Transistors,
Dotierungspegel oder Widerstandswerte (r) in Ohm pro Fläche
und für die Tiefe des PN-Übergangs (x) in Mikrometern, die
folgenden Werte vorsehen:
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Kollektor 2 vom N-Typ: 2.10¹&sup5; Atome/cm³
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Basis 7 vom P-Typ
(außerhalb der Emitterzone): r = 130, x = 3
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Basis 11 vom p&spplus;-Typ
(außerhalb der Emitterzone): r = 10, x = 6 bis 15
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Emitter 8 und 12 vom N&spplus;-Typ: r = 5, x = 2,8
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Mit Werten dieser Größenordnung besitzt der Transistor
E&sub1;B&sub1;C' eine Verstärkung in der Größenordnung von 50 bis
500 und der Transistor E&sub2;B&sub2;C' eine Verstärkung
unterhalb 0,1.
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Das Verhältnis zwischen den Dotierungsmengen in den Basen 11
und 8 kann Werte in der Größenordnung von 1000 erreichen.
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Für den Fachmann ist klar, daß die vorliegende Erfindung
mannigfachen Abwandlungen zugänglich ist. Insbesondere
können sämtliche Vervollkommnungen und Verfeinerungen, wie
sie üblicherweise bei NPN-Transistorgebilden vorliegen,
Anwendung finden. Beispielsweise wurden hier lediglich
herkömmliche Strukturen von Bipolar-Gräben mit Isolierung
mittels PN-Übergang wiedergegeben, jedoch eignet sich die
Erfindung in gleicher Weise zur Anwendung bei Gräben mit
dielektrischer Isolation. Des weiteren wurde jedes der
Elemente in vereinfachter Form beschrieben und dargestellt. So
werden im allgemeinen Oberflächenschichten zur Isolierung
vorgesehen, die nicht dargestellt sind, sowie gegebenenfalls
überdotierte Bereiche zur Kontaktbildung ...