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DE2415736A1 - METAL-SILICON FIELD EFFECT TRANSISTOR - Google Patents

METAL-SILICON FIELD EFFECT TRANSISTOR

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Publication number
DE2415736A1
DE2415736A1 DE2415736A DE2415736A DE2415736A1 DE 2415736 A1 DE2415736 A1 DE 2415736A1 DE 2415736 A DE2415736 A DE 2415736A DE 2415736 A DE2415736 A DE 2415736A DE 2415736 A1 DE2415736 A1 DE 2415736A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
substrate
source
zone
drain regions
transistor arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE2415736A
Other languages
German (de)
Inventor
Leon Benton Pearce
Richard Nathan Wilenken
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Intersil Corp
Original Assignee
Intersil Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Intersil Inc filed Critical Intersil Inc
Publication of DE2415736A1 publication Critical patent/DE2415736A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/80Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs
    • H10D84/82Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs of only field-effect components
    • H10D84/83Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs of only field-effect components of only insulated-gate FETs [IGFET]
    • H10D84/85Complementary IGFETs, e.g. CMOS
    • H10D84/858Complementary IGFETs, e.g. CMOS comprising a P-type well but not an N-type well
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

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KARL-HEINZSCHAUMBURG ZH IKARL-HEINZSCHAUMBURG ZH I

PATKNTANWAIiTPATKNTANWAIiT

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10900 North Tantau Avenue mauehkihchühbth. ei10900 North Tantau Avenue mauehkihchühbth. egg

Cupertino, California 95014 amawm «ein mim· U.S.A. m IJ? 1274Cupertino, California 95014 amawm «a mim · USA m IJ? 1274

Metall-Silizium-PeldeffekttransistorMetal-silicon pelde effect transistor

In der Transistortechnik wurden die verschiedensten Arten von Feldeffekttransistoren oder -anordnungen entwickelt. Sehr weitläufig wird davon der Metall-auf-Silizium-Feldeffekttransistor angewendet, der allgemein auch als MOSFET bezeichnet wird. Ferner gibt es die komplementäre Kombination von N-Kanal- und P-Kanal-MOSFETS auf einem einzigen Schaltungsträger, die allgemein auch als CMOS bezeichnet wird. Diese Anwendungsbereiche solcher Anordnungen und deren verschiedene Vorteile sind dem Fachmann bekannt. Ein typischer N-Kanal-MOSFET kann eine (P-)-Zone aufweisen, die in die obere Fläche eines (N-)-Substrats eingebracht ist und zwei (N+)-Kanäle mit gegenseitigem Abstand enthält· Eine Gate-Elektrode ist auf die Oberseite einer Isolierschicht an der oberen Fläche des Substrats zwischen den beiden (N+)-Kanälen aufgebracht, und allgemein sind diese beiden Kanäle mit einer Isolation P+ umgeben. Die Funktion eines derartigen MOSFET kann durch Anlegen einer Signalspannung an einen der (N+)-Kanäle und durch Verbinden des anderen Kanals über einen Lastwiderstand mit Erdpotential hervorgerufen werden. Der erste Kanal wird dann als Source, der zweite als Drain bezeichnet. Die (P-)-Zone ist normalerweise mit der negativen Betriebsspannung (-V_„),The most varied types of field effect transistors or arrangements have been developed in transistor technology. Very spacious becomes the metal-on-silicon field effect transistor used, which is commonly referred to as MOSFET. There is also the complementary combination of N-channel and P-channel MOSFETs on a single circuit carrier, also commonly referred to as CMOS. These areas of application such arrangements and their various advantages are known to those skilled in the art. A typical N-channel MOSFET can be a (P -) - Zone, which is introduced into the upper surface of an (N -) - substrate and two (N +) - channels with mutual Distance Contains · A gate electrode is on top of an insulating layer on the top surface of the substrate applied between the two (N +) - channels, and generally these two channels are surrounded by an insulation P +. the Such a MOSFET can function by applying a signal voltage to one of the (N +) channels and by connecting of the other channel can be caused by a load resistor with earth potential. The first channel is then called Source, the second called drain. The (P-) zone is normally with the negative operating voltage (-V_ "),

CwCw

das Substrat mit der positiven Betriebsspannung (+V._) ver-the substrate with the positive operating voltage (+ V._)

·■■*· " cc· ■■ * · "cc

bund en·' Die Steuerung dieser Anordnung erfolgt durch Anlegen einer Steuerspannung an die Gate-Elektrode.bund en · 'This arrangement is controlled by applying a control voltage to the gate electrode.

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Die bisher üblichen MOSFET- und CMOS-Anordnungen verursachen verschiedene Schwierigkeiten und sind Einschränkungen unterlegen. Sp muß beispielsweise bei ihrem Betrieb eine Vorwärtspolung zwischen Source und Körper oder zwischen Drain und Körper vermieden werden. Diese Vorwärtspolung könnte aus einer Überspannung infolge eines AusgleichsVorgangs an der Source oder Drain auftreten und sich auch durch Anlegen einer Signalspannung vor der Anschaltung der negativen Betriebsspannung -Vcc an die (P-)-Zone ausbilden. Ein solcher Zustand erzeugt eine Transistorwirkung« durch die ein Basisstrom durch die geerdete (P-)-Zone erzeugt wird und das (N-)-Substrat als ein Kollektor wirkt, so daß der Kollektorstrom nur durch den Widerstand des Substrats begrenzt wird. Dadurch ist eine Beschädigung des Transistors sehr wahrscheinlich.The previously common MOSFET and CMOS arrangements cause various difficulties and are subject to limitations. For example, a forward polarity between source and body or between drain and body must be avoided in its operation. This forward polarity could arise from an overvoltage as a result of a compensation process at the source or drain and could also be formed by applying a signal voltage before the negative operating voltage -V cc is connected to the (P -) zone. Such a condition creates a transistor effect by which a base current is created through the grounded (P-) region and the (N-) substrate acts as a collector so that the collector current is limited only by the resistance of the substrate. This is very likely to damage the transistor.

Es sei ferner bemerkt, daß bei vielen üblichen Betriebsbedingungen von MOSFET-Anordnungen die erforderliche Gate-Source-Schwellenspannung zur Erzeugung des leitenden Zustands nach dem Enhancement-Prinzip so hoch ist, daß zusätzlich zu der normalerweise vorgesehenen Stromversorgung für die MOSFET- Anordnung eine weitere Stromversorgungseinrichtung erforderlich ist· It should also be noted that under many normal operating conditions of MOSFET arrangements, the gate-source threshold voltage required to generate the conductive state according to the enhancement principle is so high that a further power supply device in addition to the normally provided power supply for the MOSFET arrangement is required·

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die MOSFET-Anordnungen so zu verbessern, daß ein Schutz gegen Überspannungen und gegen Einschaltvorgänge, eine niedrigere Schaltschwellenspannung und ein geringerer Drain-Source-Widerstand bei geringerem Flächenbedarf für den Schaltungsträger gewährleistet sind.The object of the invention is now the MOSFET arrangements to improve so that a protection against overvoltages and against switch-on processes, a lower switching threshold voltage and a lower drain-source resistance are guaranteed with less space required for the circuit carrier.

Die gemäß Patentanspruch 1 vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ist in gleicher Weise für N-Kanal- und P-Kanal-MOSFET-Anordnungen anwendbar, und die folgende Beschreibung bezieht sioh auf N-Kanal-Anordnungen, deren Leitfähigkeitetypen und Polari- The solution to this problem provided according to claim 1 can be used in the same way for N-channel and P-channel MOSFET arrangements , and the following description relates to N-channel arrangements, their conductivity types and polar

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täten lediglich umgekehrt werden müssen, um die entsprechende Anwendung für P-Kanal-Anordnungen zu ermöglichen. Die Erfindung arbeitet nach dem Prinzip, daß die (P-)-Zone eines N-Kanal-MOSFET elektrisch schwebend gehalten wird. Es erfolgt also kein elektrischer Anschluß an die (P-)-Zone. Das (N-)-Subetrat ist mit der Betriebsspannung +V verbunden, während die Source-, die Drain- und die Gate-Elektrode wie bei einem MOSFET üblicher Art beschaltet sind, so daß eine innere Diodenstrecke in Sperrichtung innerhalb des Körpers der Gesamtanordnung vorliegt. Dadurch wird dann die Möglichkeit einer Transistorwirkung zwischen einem Kanal, der (P-)-Zone und dem Substrat verhindert, da keine mögliche Quelle für Basisstrom einer solchen Transistoranordnung zur Verfügung steht. Deshalb ist es nicht erforderlich, bei Verwendung eines einzigen MOSFET nach der Erfindung in anderen Schaltungen einen Schutz gegen die Vorwärtspolung beispielsweise zwischen Source und Körper vorzusehen. Ferner ist eine viel geringere Spannungsfunktion nach dem Enhancement-Prinzip erforderlich, so daß innere Maßnahmen zur Kompensation des Körpereffekts des MOSFET nicht erforderlich sind. Integrierte Schaltungen mit MOSFETS üblicher Art enthalten normalerweise eine Vielzahl solcher Vorrichtungen, die nur eine einzige Funktion erfüllen, da die Kompensation von Körpereffekten erforderlich ist. Die Erfindung erfordert lediglich einen einzigen MOSFET pro Funktion, der dann den Vorteil einer viel größeren Sihaltungsdichte in integrierten Schaltungen verwirklicht.would only have to be reversed to get the appropriate To enable application for P-channel arrangements. The invention works on the principle that the (P -) zone of an N-channel MOSFET is held electrically floating. There is therefore no electrical connection to the (P -) zone. The (N -) - Subetrat is connected to the operating voltage + V, while the Source, drain and gate electrodes are wired as in a MOSFET of the usual type, so that an inner Diode path is present in the reverse direction within the body of the overall arrangement. This then creates the possibility a transistor effect between a channel, the (P-) - zone and the substrate prevents, since no possible source for Base current of such a transistor arrangement is available. Therefore it is not necessary when using a single MOSFET according to the invention in other circuits protection against forward polarity, for example to be provided between source and body. Furthermore, a much lower voltage function is required according to the enhancement principle, so that internal measures to compensate for the body effect of the MOSFET are not required. Integrated Circuits with MOSFETS of the usual type normally contain a multiplicity of such devices, a single one Fulfill function, since the compensation of body effects is required. The invention only requires one single MOSFET per function, which then has the advantage of a much greater storage density in integrated circuits realized.

Die Erfindung vermeidet auch verkettete Sperrungserscheinungen in der CMOS-Technik, bei der N-Kanal- und P-Kanal-Anordnungen auf einem einzigen Schaltungsträger vorgesehen sind. Obwohl eine Anordnung nach der Erfindung mit dem beschriebenen Prinzip der elektrisch schwebenden Beschaltung die Anzahl möglicher Wege für derartige Verriegelungserscheinungen wesentlichThe invention also avoids concatenated blocking phenomena in CMOS technology, in the case of N-channel and P-channel arrangements are provided on a single circuit carrier. Even though an arrangement according to the invention with the principle of electrically floating circuit described, the number of possible Ways for such locking phenomena are essential

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verringert, indem der Basisstrom minimal gehalten wird, ist es doch möglich, daß kombinierte N- und P-Kanal-Anordnungen auf einem CMQS-Substrat eine NPNP- oder PNPN-Situation schaffen, die als Äquivalent einen gesteuerten Siliziumgleichrichter hat« Diese unerwünschte Wirkung kann Schaltfehler und mögliche Zerstörungen der Gesamtanordnung hervorrufen. Durch die Erfindung ist es möglich, bei Kombination von N-Kanal- und P-Kanal-Anordnungen auf einem CMOS-Substrat zusätzlich zur elektrisch schwebenden Funktion der (P-)-Zone zunächst eine N-Epitaxialschicht auf dem Substrat vorzusehen und darin in Kontakt mit und unter der (P-)-Zone eine sogenannte Buried Layer P+ vorzusehen, die gewissermaßen wannenförmig in beide Schichten hineinreicht. Diese Buried Layer P+, die im folgenden auch als Wannenschicht bezeichnet wird, hält die Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern, die von der (P-)-Zone verfügbar sind, und damit eine mögliche unerwünschte Transistor-Wirkung oder SCR-Wirkung minimal.is reduced by keeping the base current to a minimum it is possible that combined N- and P-channel arrangements on a CMQS substrate create an NPNP or PNPN situation, which has as an equivalent a controlled silicon rectifier «This undesirable effect can be switching errors and possible Cause destruction of the entire arrangement. The invention makes it possible with a combination of N-channel and P-channel arrangements on a CMOS substrate in addition to the electrically floating function of the (P -) - zone initially one Provide N-epitaxial layer on the substrate and in Contact with and under the (P-) zone a so-called buried layer P + is to be provided, which is in a trough-shaped manner in both Layers reach in. This buried layer P +, which is also referred to as the tub layer in the following, maintains the service life of minority charge carriers that are available from the (P -) zone, and thus a possible undesirable transistor effect or SCR effect minimal.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Figuren beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are set out below Hand of the figures described. Show it:

Fig. 1 das elektrische Schaltungsprinzip eines MOSFET bekannter Art, Fig. 1 shows the electrical circuit principle of a MOSFET of known type,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines MOSFET nach der Erfindung,2 shows a schematic sectional illustration of a MOSFET according to the invention,

Fig. 2 die elektrische Schaltung eines MOSFET nach Fig. 2 undFIG. 2 shows the electrical circuit of a MOSFET according to FIG. 2 and

Fig· 4 eine schematische Schnittdarstellung eines N-Kanal- und eines P-Kanal-MOSFET in CMOS-Technik nach der Erfindung. Fig · 4 is a schematic sectional view of an N-channel and a P-channel MOSFET in CMOS technology according to the invention.

In Fig. 1 ist die elektrische Schaltung eines N-Kanal-MOSFET bekannter Art dargestellt, wobei der Körper B, der die (P-)-Zone repräsentiert, mit der Betriebsspannung -V verbundenIn Fig. 1 is the electrical circuit of an N-channel MOSFET of known type, the body B, which represents the (P -) zone, connected to the operating voltage -V

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ist. Die Source-, die Drain- und die Gate-Elektrode sind mit S, D, G bezeichnet, die Drain-Elektrode ist über einen Lastwiderstand RT mit Massepotential verbunden. Ferner sind Be-is. The source, drain and gate electrodes are labeled S, D, G, and the drain electrode is connected to ground potential via a load resistor R T. Furthermore,

IiIi

trlebsspannungen angegeben, die Signalspannung hat einen Wert von +10 Volt, die Spannung -V einen Wert von -15 Volt und die Gate-Spannung einen Wert von +15 Volt· Unter diesen Bedingungen giltdead voltages specified, the signal voltage has a value of +10 volts, the voltage -V has a value of -15 volts and the gate voltage has a value of +15 volts · Under these conditions is applicable

VGS " 15V " 10V " +5V und V GS " 15V " 10V " + 5V and

VBS - -15V - 10V - -25VV BS - -15V - 10V - -25V

Betrachtet man nun die Gate-Source-Schwellenspannung und legt man für sie den Wert X bei einer Basis-Source-Spannung von -25 Volt und einen Wert von Y bei einer Basis-Source-Spannung von 0 Volt fest, so kann näherungsweise X » Y + 2,5\/VBS gelten. Setzt man den entsprechenden Wert für V53 ein, so ergibt sich X ■» Y + 12,5* Es ist also zu erkennen, daß auch bei einer Gate-Source-Schwellenspannung Y von 1 Volt bis 3 Volt beispielsweise bei einer Basls-Source-Spannung von 0 Volt die Größe X, die die Gate-Source-Schwellenspannung bei einer Basis-Source-Spannung von 25 Volt ist, im Bereich von 13,5 Volt bis 15,5 Volt liegt. Unter diesen Umständen ist eine Gate-Spannung von mindestens 23,5 Volt bis 25,5 Volt erforderlich, um die Anordnung bei Punktion nach dem Enhancement-Prinzip einzuschalten. Eine solche hohe Gate-Spannung erfordert bei normalen Schaltungen eine zusätzliche Stromversorgung, da üblicherweise bei integrierten Schaltungen höchstens ca. I5 Volt zur Verfügung stehen. Die Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten neben anderen noch zu beschreibenden.If you now consider the gate-source threshold voltage and define for it the value X with a base-source voltage of -25 volts and a value of Y with a base-source voltage of 0 volts, then approximately X » Y + 2.5 \ / V BS apply. If you insert the corresponding value for V 53 , the result is X ■ »Y + 12.5 * It can therefore be seen that even with a gate-source threshold voltage Y of 1 volt to 3 volts, for example with a Basls source -Voltage of 0 volts the quantity X, which is the gate-source threshold voltage with a base-source voltage of 25 volts, is in the range of 13.5 volts to 15.5 volts. Under these circumstances, a gate voltage of at least 23.5 volts to 25.5 volts is required in order to switch on the arrangement in the event of a puncture according to the enhancement principle. Such a high gate voltage requires an additional power supply in normal circuits, since usually at most about 15 volts are available in integrated circuits. The invention avoids these difficulties, among others to be described.

In Pig. 2 ist nun der physikalische Aufbau einer Anordnung nach der Erfindung dargestellt. Diese hat ein (N-)-Substrat 21, das in der Praxis ein Teil eines Slliziumschaltungsträgers ist, der mit einer leichten Dotierung aus Donator-Verunreinigungen versehen ist. In der oberen Fläche des Substrats ist eine (P-)-Zone 13 vorgesehen, die dadurch gebildet werden kann, daß eine Akzeptor-Verunreinigung in den Schaltungsträger diffundiert wird. Diese Zone hat eine solche seitliche Ausdehnung, daß in ihr mehrere zusätzliche Bereiche vorgesehen werden können. In der (P-)-Zone an der oberen Fläche des Schaltungsträgers sind mit Abstand zueinander zwei (N+)-Kanäle 23 und 24 vorgesehen. Diese bilden Bereiche mit relativ starker Dotierung mit Donator-Verunreinigungen. Die KanäleIn Pig. 2 the physical structure of an arrangement according to the invention is now shown. This has an (N-) substrate 21, which in practice is part of a silicon circuit carrier is the one with a light doping of donor impurities is provided. A (P-) zone 13 is provided in the upper surface of the substrate, which is thereby formed can that an acceptor contamination in the circuit board is diffused. This zone has such a lateral extent that several additional areas are provided in it can be. In the (P-) zone on the upper surface of the circuit board there are two (N +) channels at a distance from one another 23 and 24 provided. These form areas with relative heavily doped with donor impurities. The channels

23 und 24 sind mit einem (P+)-Isolierbereich 26 umgeben.23 and 24 are surrounded by a (P +) insulating area 26.

Auf der oberen Fläche des Schaltungsträgers ist eine Isolierschicht 31 ausgebildet, die beispielsweise aus Siliziumoxid auf einem Siliziumträger besteht. Bei dieser Isolierschicht ist eine erste öffnung über dem (N+)-Kanal 23 vorgesehen, die mit Metall wie z.B* Aluminium gefüllt ist. Dieses bildet eine Souroe-Elektrode 32, die in ohm'scher Verbindung mit dem Kanal steht. Eine zweite öffnung ist über dem (N+)-Kanal 24 vorgesehen und bildet eine Drain-Elektrode 33· Über der Isolierschicht 31 ist zwischen den beiden Kanälen 23 undThere is an insulating layer on the upper surface of the circuit board 31 formed, which consists for example of silicon oxide on a silicon carrier. With this insulating layer a first opening is provided above the (N +) channel 23, which is filled with metal such as * aluminum. This forms a souroe electrode 32, which is in ohmic connection with the channel. A second opening is above the (N +) channel 24 and forms a drain electrode 33 · Above the insulating layer 31 is between the two channels 23 and

24 eine Metallelektrode J>k angeordnet, die die Gate-Elektrode bildet. Elektrische Leiter sind an die Elektroden 32, 33 und 34 angeschlossen und dienen zur Beschaltung. Das Substrat 21 ist gemäß der Erfindung mit der positiven Betriebsspannung +V verbunden, die normalerweise einen Wert von +15 Volt hat. Hierzu dient eine Metallkontaktfläche 36. Die (P-)-Zone ist nicht beschaltet, da sie elektrisch schwebend gehalten wird.24 a metal electrode J> k is arranged, which forms the gate electrode. Electrical conductors are connected to electrodes 32, 33 and 34 and are used for wiring. According to the invention, the substrate 21 is connected to the positive operating voltage + V, which normally has a value of +15 volts. A metal contact surface 36 is used for this purpose. The (P -) zone is not connected because it is kept floating electrically.

Die elektrische Konfiguration der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt, wobei die Source-, die Dräin- und die Gate-Elektrode den in Fig. 2 gezeigten entsprechen« Die Kontakte sind gleichartig wie in Fig. 2 bezeichnet* In Fig. 3 ist die positive Betriebsspannung +Vn. mit dem (N-)-The electrical configuration of the arrangement shown in FIG. 2 is shown in FIG. 3, with the source, drain and gate electrodes corresponding to those shown in FIG. 2. The contacts are labeled in the same way as in FIG Fig. 3 is the positive operating voltage + V n . with the (N -) -

GCGC

Substrat verbunden, und innerhalb der Anordnung ist eine Diode 41 vorgesehen, die zum (N-)-Substrat hin leitet. Diese Diode 41 wird durch den PN-Übergang zwischen der (P-)-Zone und dem (N-)-Substrat gebildet. Die Folge dieses Unterschieds der Erfindung gegenüber bekannten Anordnungen ist sehr weitreichend. In diesem Zusammenhang wird auf die obige Beschreibung der Anordnung nach Flg. 1 verwiesen. Berücksichtigt man für Fig. 3* daß dieselben Potentialwerte verwendet werden, d.h. eine Eingangssignalspannung von +10 Volt an der Source-Elektrode, eine Gate-Spannung von+15 Volt und eine Betriebsspannung V__ von +15 Volt, so ist zu erkennen, daß eine Gate-Substrate connected, and within the array is one Diode 41 is provided, which conducts towards the (N-) substrate. This diode 41 is made by the PN junction between the (P-) zone and the (N-) substrate. The consequence of this difference between the invention and known arrangements is very far-reaching. In this context, reference is made to the above description of the arrangement according to FIG. 1 referenced. If you take into account for Fig. 3 * that the same potential values are used, i.e. an input signal voltage of +10 volts at the source electrode, a gate voltage of + 15 volts and an operating voltage V__ of +15 volts, it can be seen that a gate

CCCC

Source-Schwellenspannung von 1 Volt bis 3 Volt bei einer Basis-Source-Spannung von 0 Volt eine starke Leitung hervor>ruft, da die anliegende Gate-Source-Spannung +5 Volt beträgt. Unter diesen Umständen muß die Gate-Spannung nur 11 Volt bis 13 Volt bei einer Basis-Source-Spannung von 10 Volt betragen, um die Anordnung einzuschalten. An Hand des zuvor beschriebenen Beispiels ist zu erkennen, daß diese Spannung ca. 12,5 Volt niedriger liegt als sie bei den normalen und üblichen Anordnungen unter denselben Umständen erforderlich ist. Durch die Erfindung ist es also möglich, übliche +15 Volt-Stromversorgungen, wie sie allgemein für Operationsverstärker vorgesehen sind, auch hier zu verwenden, so daß im Gegensatz zu den bisher bekannten Prinzipien keine zusätzliche Stromversorgung erforderlich ist.Source threshold voltage from 1 volt to 3 volts with a base-source voltage from 0 volts produces a strong line>, since the applied gate-source voltage is +5 volts. Under these circumstances the gate voltage only needs to be 11 volts to 13 volts with a base-source voltage of 10 volts, to turn on the arrangement. Using the example described above, it can be seen that this voltage is approximately 12.5 Volts is lower than that required by the normal and customary arrangements under the same circumstances. By the invention makes it possible to use conventional +15 volt power supplies, as they are generally intended for operational amplifiers, also to be used here, so that in contrast to the previously known principles no additional power supply is required.

Es sei Insbesondere darauf hingewiesen, daß durch die innere Diode 41 in einer MOSFET-Anordnung nach der Erfindung und durch den elektrischen Schwebezustand der (P-)-Zone in den It should be noted in particular that the internal diode 41 in a MOSFET arrangement according to the invention and the electrical floating state of the (P -) - zone in the

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als Beispiel beschriebenen N-Kanal-MOSFET die Möglichkeit der Transistorwirkung von einem N-Kanal durch die (P-)-Zone zu dem (N-)-Substrat ausgeschlossen ist. Mit dieser Konfiguration ist es nicht möglich, das Äquivalent eines Basisstroms für eine solche Transistorwirkung zu erzeugen, so daß entsprechend auch keine Leitfähigkeit auftritt, die die Anordnung zerstören kann. Außerdem sind Stromversorgungen mit hoher Spannung im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen nicht erforderlich. Da ein eigener Schutz der Anordnung gegen Fehler durch Signalausgleichsvorgänge oder ungeeignete Betriebseinschaltung vorgesehen ist, sind keine zusätzlichen Schaltelemente für einen solchen Schutz erforderlich. Eine typische Ausgangsschaltung in CMOS-Technik kann vier MOSFET-Anordnungen zur Verarbeitung eines logischen Signals umfassen, während die Erfindung nur mit einem einzigen MOSFET eine entsprechende Schaltung ermöglicht. Deshalb wird eine Einsparung an Schaltungsträgerfläche mit dem Faktor 4 : 1 erzielt, ferner ergeben sich wesentliche Vorteile durch einfachere Herstellung integrierter Schaltungen. Außerdem sei bemerkt, daß der Drain-Source-Widerstand im leitenden bzw. eingeschalteten Zustand der Anordnung in vielen Fällen durch die Erfindung wesentlich verringert wird, er beträgt meist 1/10 des Widerstandes bisher üblicher MOSFET-Anordnungen.N-channel MOSFET described as an example the possibility of Transistor action from an N-channel through the (P-) zone to the (N -) - substrate is excluded. With this configuration it is not possible to get the equivalent of a base current for a to produce such a transistor effect, so that accordingly no conductivity occurs which can destroy the arrangement. In addition, unlike the prior art arrangements, high voltage power supplies are not required. Since its own Protection of the arrangement against errors caused by signal equalization processes or unsuitable operating switch-on is provided, no additional switching elements are required for such protection. A typical output circuit in CMOS technology can include four MOSFET arrays for processing a logic signal, while the invention only uses a single one MOSFET enables a corresponding circuit. Therefore, a saving in circuit board area is increased by the factor 4: 1 is achieved, and there are also significant advantages due to the simpler manufacture of integrated circuits. Besides, be notes that the drain-source resistance in the conductive or switched-on state of the device in many cases through the invention is significantly reduced, it is usually 1/10 of the resistance of conventional MOSFET arrangements.

Wie vorstehend ausgeführt, kann bei der Erfindung zusätzlich eine unerwünschte Wirkung entsprechend einem gesteuerten Siliziumgleiehrichter vermieden werden. In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 4 verwiesen, die einen N-Kanal-MOSFET und einen P-Kanal-MOSFET auf einem einzigen Substrat 51 zeigt, das ein (N-)-Substrat ist. Auf diesem Substrat ist eine N-Epitaxialschicht 52 in bekannter Weise ausgebildet, wodurch mittels Masken und Diffusion eine Buried Layer 53 aus stark dotiertem Akzeptormaterial in der Epitaxialschicht 52 gebildet wird, und zwar innerhalb des Volumens, das als N-Kanal-MOSFET 54 vorgesehen ist» Die (P-)-Zone 56 ist oberhalb und in Kon-As stated above, in the invention, an undesirable effect corresponding to a controlled silicon leveler can additionally be avoided. In this regard, reference is made to Fig. 4, which shows an N-channel MOSFET and a P-channel MOSFET on a single substrate 51 which is an (N-) substrate. An N-epitaxial layer 52 is formed on this substrate in a known manner, as a result of which a buried layer 53 of heavily doped acceptor material is formed in the epitaxial layer 52 by means of masks and diffusion, specifically within the volume provided as N-channel MOSFET 54 » The (P -) - zone 56 is above and in con-

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takt mit der (P+)-Buried Layer 53 angeordnet und enthält mehrere (N+)-Bereiche 57 bis 60, die Source- und Drain-Bereiche des MOSPET 54 sind. Die beiden (N+)-Bereiche 57 und 59 können elektrisch außerhalb des Schaltungsträgers miteinander an eine Source-Elektrode 6l angeschaltet sein, während die beiden anderen (N+)-Bereiche 58 und 60 gemeinsam an eine Drain-Elektrode 62 angeschaltet sind. Im Zusammenhang mit Fig. 4 ist ferner eine Gate-Elektrode 63 schematisch dargestellt, die mit den beiden Gate-Bereichen zwischen benachbarten (N+)-Kanälen 57 bis 60 verbunden ist. Es werden lediglich die Bereiche innerhalb des dargestellten Schaltelements beschrieben.clock with the (P +) - buried layer 53 and contains several (N +) - areas 57 to 60, the source and drain areas of the MOSPET 54 are. The two (N +) areas 57 and 59 can electrically outside of the circuit substrate connected to one another to a source electrode 6l, while the two other (N +) regions 58 and 60 are connected together to a drain electrode 62. In connection with FIG. 4 a gate electrode 63 is also shown schematically, which is connected to the two gate regions between adjacent (N +) channels 57 to 60 is connected. Only the areas within the switching element shown are described.

Der P-Kanal-MOSPET 64 enthält mehrere (P+)-Kanäle 66 bis 69, die von der oberen Fläche des Elements in die Epitaxialschicht 52 reichen und mit Verbindungen zu Source- und Drain-Elektroden 71 und 72 versehen sind. Eine Gate-Elektrode 73 führt zu metallenen Gate-Bereichen über und zwischen benachbarten (P+)-Kanälen 66 bis 69.The P-channel MOSPET 64 contains several (P +) channels 66 to 69, extending from the top surface of the element into epitaxial layer 52 and with connections to source and drain electrodes 71 and 72 are provided. A gate electrode 73 leads to metal gate areas above and between adjacent (P +) channels 66 to 69.

Die unerwünschte Wirkung des gesteuerten Siliziumgleichrichters, die durch die Erfindung minimal gehalten wird, könnte zwischen der N-Kanal-Anordnung und der P-Kanal-Anordnung auftreten und ist ein Ergebnis des Verstärkungsprodukte einer vertikalen NPN-Situation in der N-Kanal-Anordnung und einer horizontalen PNP-Situation in der P-Kanal-Anordnung, wenn dieses größer als 1 ist. Ein vertikaler NPN-Transistor wird gebildet mit dem (N+)-Kanal 60 als Emitter, der (P-)-Zone 56 und der (P+)-Buried Layer 53 als Basis sowie der N-Epitaxialschicht 52 als Kollektor. Der in seitlicher Richtung wirksame PNP-Transistor hat den (P+)-Kanal 66 als Emitter, die N-Epitaxialschicht 52 als Basis und die (P-)-Zone 56 sowie die (P+)-Buried Layer 53 als Kollektor. Es ist somit zu erkennen, daß es sich um eine vierschichtige Anordnung mit einer Struktur entsprechend einem gesteuerten Silizium- The undesirable effect of the silicon controlled rectifier, which is minimized by the invention, could occur between the N-channel arrangement and the P-channel arrangement and is a result of the gain product of a vertical NPN situation in the N-channel arrangement and a horizontal PNP situation in the P-channel arrangement if this is greater than 1. A vertical NPN transistor is formed with the (N +) channel 60 as the emitter, the (P-) zone 56 and the (P +) buried layer 53 as the base and the N-epitaxial layer 52 as the collector. The PNP transistor effective in the lateral direction has the (P +) channel 66 as the emitter, the N-epitaxial layer 52 as the base and the (P-) zone 56 and the (P +) -buried layer 53 as the collector. It can thus be seen that it is a four-layer arrangement with a structure corresponding to a controlled silicon

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gleichrichter handelt. Eine Schaltungsanalyse zeigt, daß die entsprechende Schaltwirkung nur auftreten kann, wenn das Produkt der Verstärkungen (ß) der beiden Transistorstrecken grosser oder gleich 1 ist. Die Erfindung yermeidet jedoch diese Wirkung oder begrenzt sie zumindest auf einen derart niedrigen Wert, daß sie keine schädlichen Auswirkungen hat. Die Verstärkung des NPN-Transistors wird so verringert, daß die Gesamtverstärkung kleiner als 1 ist. Dies.wird durch die (P+)-Buried Layer 55 aus stark dotiertem Akzeptormaterial erreicht, welches die Lebensdauer überschüssiger Minoritätsladungsträger in der Basis des NPN-Transistors drastisch verringert. Dadurch wird wiederum die Verstärkung des NPN-Transistors verringert, die direkt proportional der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger ist. Eine unerwünschte Schaltwirkung entsprechend einem gesteuerten Siliziumgleichrichter aus der Simulation einer Vierschichtanordnung in CMOS-Technik wird also praktisch vermieden, da die (P+)-Buried Layer in dem Schaltelement vorhanden ist, wobei die N-Epitaxialschicht das Anordnen eines solchen Bereiohs bei der Herstellung erleichtert. rectifier acts. A circuit analysis shows that the corresponding switching effect can only occur if the product of the gains (β) of the two transistor paths is greater than or equal to 1. However, the invention avoids this effect or at least limits it to such a low level that it does not have any harmful effects. The gain of the NPN transistor is reduced so that the total gain is less than one. This is achieved by the (P +) buried layer 55 made of heavily doped acceptor material, which drastically reduces the service life of excess minority charge carriers in the base of the NPN transistor. This in turn reduces the gain of the NPN transistor, which is directly proportional to the life of the minority charge carriers. An undesirable switching effect corresponding to a controlled silicon rectifier from the simulation of a four-layer arrangement in CMOS technology is thus practically avoided, since the (P +) buried layer is present in the switching element, the N-epitaxial layer making it easier to arrange such a region during manufacture.

Die gesamten vorstehenden Ausführungen beziehen sich in gleicher Weise auch auf P-Kanal-MOSFETS, wie eingangs erläutert wurde. Gleiches gilt für die verschiedenen möglichen Weiterbildungen der Erfindung.All of the above explanations also relate in the same way to P-channel MOSFETS, as explained at the beginning became. The same applies to the various possible developments of the invention.

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Claims (5)

- li -- li - lj Metall-Silizium-Feldeffekttransistoranordnung mit einem Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer an der Oberfläche des Substrats vorgesehenen Zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps« in der mit gegenseitigem Abstand Source- und Drain-Bereiche des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet sind« einer alle Flächen der Transistoranordnung bedeckenden Isolierschicht und einer auf dieser zwischen den Source-.'.und Drain-Bereichen angeordneten Gate-Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Source-Bereich (23), der Drain-Bereich (24), die Gate-Elektrode (34) und das Substrat (21) mit Kontaktelektroden beschaltet sind.lj metal-silicon field effect transistor arrangement with a Substrate of a first conductivity type, a zone of a second conductivity type provided on the surface of the substrate « in which source and drain regions of the first conductivity type are arranged at a mutual distance « an insulating layer covering all surfaces of the transistor arrangement and one on top of this between the source -. ' Gate electrode arranged in drain regions, characterized in that the source region (23), the drain region (24), the gate electrode (34) and the substrate (21) with contact electrodes are connected. 2. Transistoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (21) leicht dotiert ist, daß die Zone (22) des zweiten Leitfähigkeitstyps leicht dotiert ist, daß die Source- und Drain-Bereiche (23, 24) stark dotiert sind und daß die Isolierschicht (31) aus Siliziumoxid besteht und alle Flächen des Substrats (21) bedeckt.2. Transistor arrangement according to claim 1, characterized in that the substrate (21) is lightly doped that the zone (22) of the second conductivity type is lightly doped that the source and drain regions (23, 24) are heavily doped and that the insulating layer (31) consists of silicon oxide and covers all surfaces of the substrate (21). 3. Transistoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (21) mit seiner Kontaktelektrode an der der Zone (22) des zweiten Leitfähigkeitstyps abgewandten Oberfläche versehen ist.3. Transistor arrangement according to claim 2, characterized in that the substrate (21) with its contact electrode on the the surface facing away from the zone (22) of the second conductivity type is provided. 4. In CMOS-Technik aufgebaute Transistoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein (N-)-Substrat (51)> eine auf dem Substrat (51) angeordnete N-Epitaxialschicht (52), die eine (P+)-Buried Layer (53) aufweist, eine zwischen, der (P+)-Buried Layer (53) und einer oberen Fläche der N-Epltaxialsohicht (52) angeordnete (P-)-Zone,4. In CMOS technology constructed transistor arrangement according to one of the preceding claims, characterized by an (N -) - substrate (51)> an N-epitaxial layer arranged on the substrate (51) (52), which has a (P +) - buried layer (53), one between, the (P +) - buried layer (53) and an upper one Area of the N-Epltaxialsoicht (52) arranged (P -) - zone, 409843/0776409843/0776 mindestens zwei (N+)-Kanäle (58, 59) in der oberen Fläche der (P-)-Zone (56), die Source- und Drain-Bereiche bilden, eine Metall-auf-Silizium-Gate-Elektrode (63) zwischen den Source- und Drain-Bereichen (58, 59) mindestens zwei (P+)-Kanäle (67, 68), die seitlich versetzt zu den (N+)-Kanälen (58, 59) in die N-Epitaxialschicht (52) eingelassen sind und P-Kanal-Source- und Drain-Bereiche bilden, zwischen .denen mindestens eine Metall-auf-Silizium-Gate-Elektrode (73) angeordnet ist, und einen mit dem Substrat (5I) verbundenen Körperkontakt als Anschlußelektrode (B).at least two (N +) channels (58, 59) in the upper surface of the (P-) region (56), which form source and drain regions, a metal-on-silicon gate electrode (63) between the Source and drain regions (58, 59) have at least two (P +) channels (67, 68) which are laterally offset to the (N +) channels (58, 59) are embedded in the N-epitaxial layer (52) and form P-channel source and drain regions between .den at least one metal-on-silicon gate electrode (73) is arranged, and one connected to the substrate (5I) Body contact as connection electrode (B). 5. Betriebsverfahren für eine Transistoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Source-Elektrode (32) ein positives Signal und an das N-Substrat (21) eine positive Betriebsspannung (-V„_) sowie an die Gate-Elektrode (34) eine positive Steuer-5. Operating method for a transistor arrangement according to One of the preceding claims, characterized in that a positive signal is sent to the source electrode (32) and a positive operating voltage (-V "_) to the N-substrate (21) and a positive control voltage to the gate electrode (34) spannung angeschaltet wird, wodurch ein Drain-Strom durch einen mit der Drain-Elektrode (33) verbundenen Lastwiderstand (RL) fließt.voltage is turned on, whereby a drain current flows through a load resistor (R L ) connected to the drain electrode (33). 409043/077409043/077 LeerseiteBlank page
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