CH626488A5

CH626488A5 -

Info

Publication number: CH626488A5
Application number: CH323778A
Authority: CH
Inventors: James Alvin Davis; William Jay Ooms
Original assignee: Western Electric Co
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1981-11-13
Also published as: ES468296A1; DE2812784A1; IT7821620A0; NL7803206A; IT1093920B; JPS53120390A; CA1095182A; JPS6337507B2; GB1588695A; FR2386224A1; DE2812784C2; SE7803064L; BE865243A; FR2386224B1; US4125855A; SE439409B

Description

Die Erfindung betrifft eine zweiseitige Signalübertragungs-Schaltmatrix gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Zweiseitige Übertragungs- und Vermittlungsschaltungen finden weite Anwendung in sprachfrequenten Nachrichtenübertragungsanlagen. Von früher her wurden metallische Kreuzpunktschalter für solche Anwendungsfälle benutzt, da diese Kreuzpunktschalter eine hohe Impedanz im offenen Zustand und eine niedrige zweiseitige Impedanz im geschlossenen

Zustand besitzen. Darüber hinaus sind die Steuerschaltungen für metallische Kreuzpunktkontakte von den Übertragungsstrecken isoliert. Als Ersatz für metallische Schaltkontakte sind auch schon gasgefüllte Röhren und verschiedene Halbleiterbauelemente benutzt worden. Solche Ersatzanordnungen beinhalten jedoch unsymmetrische Bauteile, die unerwünschte Übertragungs- oder Steuereigenschaften besitzen.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine symmetrische, zweiseitige Halbleiterschaltanordnung hoher Güte zu schaffen. Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer zweiseitigen Signalübertragungs-Schaltmatrix der eingangs genannten Art und ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Üblicherweise werden ein symmetrischer zweiseitiger Übertragungsschalttransistor hoher Güte und ein zugeordneter Steuertransistor in einer Epitaxialschicht über einer gemeinsamen vergrabenen Zone oder Insel in einem Substrat zur Bildung eines Kreuzpunktes erzeugt. Der Kollektor des Steuertransistors und die Basis des Schalttransistors sind ohmisch über die vergrabene Insel verbunden. Die Emitter-und Kollektorzonen des Schalttransistors haben gleiche Grösse, Form und Dotierdichte, so dass der Schalttransistor hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Betriebsweise symmetrisch ist.

Bei einer bevorzugten Anordnung ist eine Vielzahl von Paaren von Emitter- und Kollektorelektroden in jedem Übertragungsschalttransistor gebildet, um eine höhere Strombelastbarkeit und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Die Emitter-und Kollektorelektroden sind ineinandergeschoben. Eine Oberflächenmetallisierung kann zur Verbindung der Vielzahl von Emitterelektroden und eine andere Oberflächenmetallisierung zur Verbindung der Kollektorelektroden dienen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer Kreuzpunktschaltung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Matrix mit den Schaltungen nach Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Aufsicht von zwei Kreuzpunkten nach der Erfindung;

Fig. 4 einen Querschnitt für einen Kreuzpunkt gemäss Fig. 3 entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 einen Querschnitt eines Kreuzpunktes mit einer Vielzahl von Paaren von Emitter- und Kollektorelektroden;

Fig. 6 einen um 90° gedrehten Teilquerschnitt des Kreuzpunktes gemäss Fig. 5;

Fig. 7 einen Teilquerschnitt ähnlich dem gemäss Fig. 5 mit einer Abänderung.

In Fig. 1 ist ein Kreuzpunkt 101 dargestellt, der einen symmetrischen Übertragungsschalttransistor 102 mit einer Basis

105 und identischen Emitter- und Kollektorelektroden 103,104 aufweist. Der geschaltete Übertragungsweg führt vom Ein-gangsanschluss I über die Leitung 114, die Elektrode 103, die Elektrode 104 und die Leitungen 110,111 zum Ausgangsan-schluss O. Der Transistor 102 ist entsprechend der nachfolgenden Erläuterung so ausgelegt, dass er symmetrische Betriebseigenschaften besitzt und die Elektroden 103,104 können austauschbar als Emitter- oder Kollektor verwendet werden. Aus diesem Grund werden diese Elektroden nachfolgend als Emi-ter/Kollektorelektroden bezeichnet. Ein Steuerstrom für den Transistor 102 wird von der Stromquelle 113 mit negativer Spannung über den Widerstand 112 und den Steuertransistor

106 geliefert. Wie sich später zeigt, können, obwohl der symmetrische Übertragungsschaltransistor 102 und der Steuertransistor 106 in einer einzelnen vergrabenen Insel im Halbleiterkörper angeordnet sind, die Parameter dieser beiden Transistoren bei der Herstellung unabhängig voneinander gesteuert werden.

Der vom Steuertransistor 106 zur Basis 105 des Übertra-

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gungstransistors 102 gelieferte Strom wird zur Stromquelle über externe Schaltungen (nicht gezeigt) zurückgeführt, die an eine der Elektroden 103,104 angeschaltet sind. Bei fehlendem Treibstrom für die Basis 105 des Transistors 102 liegt eine hohe Impedanz zwischen dem Eingangsanschluss I und dem Aus- 5 gangsanschluss O. Bei Vorhandensein eines ausreichenden Treibstromes für die Basis 105, der so gross ist, dass er den Transistor 102 in die Sättigung bringt, liegt ein Weg kleiner Impedanz für bipolare Signale zwischen dem Eingang I und dem Ausgang O. Der Transistor 102, der symmetrisch aufge- 10 baut ist, zeigt eine symmetrische Spannungs-Stromkennlinie, die linear im Nulldurchgang der Kennlinie ist und demgemäss eine Übertragungsstrecke zum Durchschalten zweiseitiger bipolarer Analogsignale darstellt.

Die Organisation einer Vielzahl von Kreuzpunkten gemäss 15 Fig. 1 zeigt die Matrix nach Fig. 2, in der die Eingangsleitungen Ii bis In selektiv mit den Ausgangsleitungen Oi bis On dadurch verbunden werden können, dass der Kreuzpunkt am Schnittpunkt der zu verbindenden Eingangs- und Ausgangsleitung betätigt wird. Wenn beispielsweise die Leitung 11 mit der Leitung Oi 20 verbunden werden soll, so wird ein Betätigungssteuersignal an den Anschluss Cu angelegt, um den Kreuzpunkt 206 zu betätigen.

In Fig. 3 sind in der Aufsicht zwei Kreuzpunkte der schema- 25 tisch in Fig. 1 gezeigten Form dargestellt. In der oberen Hälfte der Fig. 3 sind verschiedene Schichten der Anordnung gezeigt, während in der unteren Hälfte ein Kreuzpunkt dargestellt ist, wie man ihn bei der Betrachtung der Oberfläche des Halbleiterkörpers sieht. Die Kreuzpunkte sind durch eine p+-Isolations- 30 zone 308 voneinander getrennt, die eine Vielzahl von sich schneidenden rechteckigen oder rahmenartigen Strukturen umfasst. Die Isolationszone wird von benachbarten Kreuzpunkten gemeinsam benutzt, die je einen lateralen pnp-Schalt-transistor und einen vertikalen npn-Steuertransistor enthalten. 35 Der auf der rechten Seite in Fig. 3 gezeigte Schalttransistor besitzt zwei p+-Zonen 309 und 312 gleicher Grösse, die in einem Abstand voneinander angeordnet und durch einen Teil 313 einer p-leitenden Schicht 322 (Fig. 4) getrennt werden.

Diese Schicht 322 bildet die Basis des Schalttransistors. Ober- 40 flächenmetallisierungen 310 und 311 stellen die elektrische Verbindung zur p+-Zone 309 bzw. 312 her. Diese p+-Zonen bilden die Emitter/Kollektorelektroden eines Übertragungsschalttransistors, beispielsweise des schematisch in Fig. 1 dargestellten T ransistors 102. Diese Struktur ist im Halbleiterkörper der 45 integrierten Schaltung gebildet, der ein p-leitendes Substrat 321 und eine darüberliegenden Epitaxialschicht 322 aufweist. Im p-leitenden Substrat ist eine vergrabene n+-Schicht 323 gebildet und die Transistorstruktur ist oberhalb dieser Schicht hergestellt. Die rahmenförmige n+-Isolationszone 319, die die 50 Elektroden 309 und 312 umgibt, verhindert eine Ladungsträgerinjektion von diesen Elektroden in das Substrat 321, die p+-Iso-lationszone 308 oder die Basiszone 320 des auf der linken Seite in Fig. 3 gezeigten vertikalen Steuertransistors.

Der vertikale Steuertransistor besitzt (Fig. 4) eine n-lei- 55 tende Emitterzone 314, eine p-leitende Basiszone 320 und eine Kollektorzone 322', die innerhalb des Substrats 321 ohmisch mit der Basiszone 313 des Schalttransistors verbunden ist.

Die den Eingangs- und Ausgangsleitungen zugeordneten Angaben entsprechen denen in Fig. 2. Demgemäss entspricht 60 der in der oberen Hälfte in Fig. 3 gezeigte Kreuzpunkt dem Kreuzpunkt 206 in Fig. 2 und der Kreuzpunkt in der unteren Hälfte der Fig. 3 entspricht dem Kreuzpunkt 208 in Fig. 2. Eine Stromversorgung für diese Kreuzpunkte wird über die unten in Fig. 3 dargestellten negativen Stromquellen über die Strom- 65 quellenwiderstände 306 und 307 geliefert, ein Betätigungssignal auf der Steuerleitung Cn dient zur Verbindung des Anschlusses Ii mit dem Anschluss Oi über die Leitung 301, den in der oberen rechten Hälfte in Fig. 3 gezeigten Übertragungsschalttransistor und die Leitungen 303 und 305. In entsprechender Weise dient ein Betätigungssignal am Anschluss C21 zur Verbindung des Eingangsanschlusses I2 mit dem Ausgangsanschluss Oi auf entsprechende Weise, aber über den in der unteren rechten Hälfte in Fig. 3 gezeigten Übertragungsschalttransistor.

In Fig. 4 ist der Kreuzpunkt im Halbleiterkörper mit dem Substrat 321 und der Epitaxialschicht 322 gezeigt. Die vergrabene n+-Schicht 323 wird im Substrat 321 vor dem Aufwachsen der Epitaxialschicht 322 gebildet. Die p-i--Elektrodenzonen 309,312 des Schalttransistors und die rahmenförmige p-leitende Isolationszone 308 werden in einem gemeinsamen Verarbeitungsschritt erzeugt. Demgemäss ist der Dotierungsgrad dieser Zonen vergleichbar. Die rahmenförmige n+-Isolations-zone 319 wird in einem weiteren Verarbeitungsschritt erzeugt. Gleiches gilt für die Basiszone 320 und die Emitterzone 314, die in weiteren Verarbeitungsschritten gebildet werden. Wie oben erläutert, verhindert die n+-Isolationszone 319, die die vergrabene n+-Schicht 323 schneidet, eine Ladungsträgerinjektion aus den Elektrodenzonen 309 und 312 in benachbarte p-leitende Zonen, nämlich die Isolationszone 308, das Substrat 321 und die Basiszone 320. Tiefe Oxidzonen 326 bzw. 325 isolieren die n+-Isolationszone 319 von den p+-Elektroden 309 und 312 sowie von der Isolationszone 308, die auf Wunsch zusätzlich vorgesehen werden kann, also nicht vorhanden sein muss, und der Basiszone 320. Diese tiefen Oxidzonen dienen zur Erhöhung der Durchbruchsspannung zwischen den jeweils benachbarten Zonen, setzen die unerwünschte Kapazität zwischen den Eie- ■ menten herab und verringern unerwünschte Elektrodenemissionen in Richtung weg von den Kollektorelektroden. Die Anordnungen gemäss Fig. 3 und 4 weisen zwei Emitter/Kollektorelektrodenzonen 309,312 auf, und, wie die Figuren zeigen, hat jede dieser Elektroden einen Abstand von der n+-Isola-tionszone 319. Jeder dieser Bereiche ist jedoch einem Teil der Epitaxialschicht benachbart, beispielsweise dem Abschnitt 313 in Fig. 4. Bei diesem Aufbau ergibt sich eine parasitäre Diode, die beispielsweise die p-leitende Elektrodenzone 312 und den n-leitenden Epitaxialschichtbereich 313 umfasst. Diese Diode begrenzt in gewissem Umfang die Güte des Bauteils. Wie sich anhand der nachfolgenden Erläuterung von Fig. 5 zeigen wird, besitzt ein Aufbau mit einer Vielzahl von Paaren von Emitter/ Kollektorzonen eine höhere Güte als ein Bauteil mit einem einzigen Paar von Emitter/Kollektorelektroden.

Die Kreuzpunktanordnung gemäss Fig. 5 entspricht im wesentlichen der Anordnung gemäss Fig. 3 und 4 mit der Ausnahme, dass in Fig. 5 sechs Emitter/Kollektorbereiche 519 bis 524 vorhanden sind, die in zwei, die Eingangs- und Ausgangselektrodenbereiche bildenden, ineinandergeschobenen Gruppen angeordnet sind. Ausserdem sind in Fig. 5 die wunschge-mäss zusätzlich möglichen tiefen Oxidzonen gemäss Fig. 4 weggelassen. Den Zonen 519 bis 524 sind die Metallisierungen 510 bis 516 entsprechend zugeordnet. Die Metallisierungen 510, 513 und 515 sind durch eine weitere Oberflächenmetallisierung mit dem Eingangsanschluss I über die Leitung 509 verbunden. Die Metallisierungen 512,514 und 516 sind durch eine weitere Oberflächenmetallisierung und die Leitung mit dem Ausgangsanschluss O verbunden. Die Metallisierung, die die Elektroden 510,513 und 515 verbindet, befindet sich auf einer Oberfläche entlang einer Seite der Elektroden 519 bis 524, während die Metallisierungen, die die Elektroden 512,514 und 516 verbinden, auf der anderen Seite der Elektroden 519 bis 524 angeordnet sind. Dies ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. Gemäss Fig. 3 sind drei Seiten jeder der Elektrodenzonen 309 und 312 seitlich der n+-Vert>indungszone 319 ausgesetzt. In entsprechender Weise sind in Fig. 5 die Endbereiche 519 und 524 auf drei Seiten den n+-Zonen ausgesetzt. Im Gegensatz dazu sind die anderen Elektrodenzonen zwischen den Endzonen, beispielsweise die Elektrodenzonen 520 bis 523 nur mit zwei Sei

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ten der n+-Verbindungszoné ausgesetzt. Demgemäss haben die den jnneren Elektroden 520 bis 523 zugeordneten parasitären pn-Übergänge nur geringere Bedeutung als die den Endelektroden 520 bis 524 zugeordneten pn-Übergänge. Demgemäss haben Übertragungsschalttransistoren mit einer Vielzahl von Paaren von Emitter/Kollektorelektroden eine etwas höhere Güte als Übertragungsschalttransistoren mit nur einem einzigen Paar von Emitter/Kollektorelektroden.

Der vertikale npn-Transistor gemäss Fig. 5 weist die n-lei-tende Emitterzone 508, die p-leitende Basiszone 525 und die n-leitende Kollektorzone mit einem Abschnitt 528 der Epitaxialschicht auf. Der aktive Teil der Kollektorzone 528 ist ohmisch durch die vergrabene n-f-Schicht 503 mit den Basiszonen 529 bis 533 des Schalttransistors verbunden. Der Kreuzpunkt gemäss Fig. 5 ist durch eine rahmenförmige p+-Isola-tionszone 504 isoliert. Im Falle des Aufbaus gemäss Fig. 3 und 4 sind die p+-Elektrodenzonen 519 bis 524 und die Isolationszone 504 in einem gemeinsamen Verarbeitungsschritt gebildet worden. Die p+-EIektrodenzonen 519 bis 524 haben alle gleiche Grösse, Form sowie gleichen Dotierungsgrad und sind in gleichem Abstand voneinander angeordnet. Demgemäss weisen bei den Anordnungen gemäss Fig. 3 und 5 die Bauteile symmetrische elektrische Eigenschaften auf und bei der Anordnung gemäss Fig. 5 können die miteinander verbundenen Elektrodenzonen 519,521,523 sowie die miteinander verbundenen 5 Elektrodenzonen 520,522,524 als Emitter oder Kollektoren ohne Unterscheidung verwendet werden.

In Fig. 7 ist ein Teil einer Struktur gezeigt, die der auf der reichten Seite in Fig. 5 mit zusätzlichen tiefen Oxidzonen 701 und 702 entspricht. Entsprechend der Erläuterung in Verbin-lo dung mit Fig. 3 und 4 werden die wunschgemäss zusätzlichen möglichen tiefen Oxidzonen benutzt, um die n+-Isolationszone 507 zu isolieren, und damit die Kapazität zwischen den Bauteilen herabzusetzen und die Durchbruchsspannung zwischen den Bauteilen zu erhöhen.

15 Fig. 6 zeigt einen gegen den Querschnitt in Fig. 5 um 90° gedrehten Querschnitt durch die p+-EIektrodenzone 519. Wenn die zusätzlichen tiefen Oxidzonen, beispielsweise 701 und 702 (Fig. 7) verwendet werden, so erscheinen sie im Querschnitt gemäss Fig. 6 zwischen der n-t~Verbindungszone 507 20 und der p+-Elektrodenzone 519 sowie der p+-Isolationszone 504.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Zweiseitige Signalübertragungs-Schaltmatrix mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Schaltkreuzpunkten, die in einem Halbleiterkörper gebildet sind, der ein Substrat (321 ) des einen Leitfähigkeitstyp und eine darüber lie- s gende Epitaxialschicht (322) des anderen Leitfähigkeitstyp umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreuzpunkte (101) innerhalb einer gitterförmigen Struktur von sich kreuzenden, in Zeilen und Spalten angeordneten Isolationszonen (308) des einen Leitfähigkeitstyp angeordnet sind, dass die Isolations- io zonen sich innerhalb des Halbleiterkörpers erstrecken, dass die gitterförmige Struktur in dem Substrat (321) vergrabene Schichten (323) umgibt, dass in jeder Masche der gitterförmigen Struktur je einer der Schaltkreuzpunkte angeordnet ist,

dass jeder Schaltkreuzpunkt einen symmetrischen Übertra- 15 gungsschalttransistor (102) mit wenigstens zwei identischen und elektrisch austauschbaren Elektrodenzonen (309,312) des einen Leitfähigkeitstyp, die sich unter der Oberseite des Halbleiterkörpers erstrecken, einer ersten Basiszone (313) des anderen Leitfähigkeitstyp, welche Basiszone die Elektrodenzonen 20 umgibt und ohmisch mit der in der Masche der gitterförmigen Struktur vergrabenen Schicht (323) verbunden ist, und Mittel (310,311) für den elektrischen Zugriff zu den Elektrodenzonen aufweist, dass ein vertikaler Steuertransistor (106) über der gleichen vergrabenen Schicht (323) angeordnet ist wie der Über- 25 tragungsschalttransistor und wenigstens eine zweite sich unterhalb der Oberseite des Halbleiterkörpers erstreckenden Basiszone (320) des einen Leitfähigkeitstyp, eine sich unter der Oberseite des Halbleiterkörpers erstreckende und innerhalb der zweiten Basiszone angeordnete Emitterzone (314) sowie eine 30 die zweite Basiszone umgebende Kollektorzone (322') des anderen Leitfähigkeitstyp enthält, welche Kollektorzone ohmisch mit der vergrabenen Schicht verbunden ist, dass die Kollektorzone (322') des Steuertransistors ohmisch mit der ersten Basiszone (313) des Übertragungsschalttransistors ver- 35 bunden ist, und dass auf der Oberseite des Halbleiterkörpers angeordnete Mittel (I; 301,302) zum elektrischen Verbinden der ersten Elektrodenzonen (309) jedes der in einer der Zeilen angeordneten Übertragungsschalttransistoren und weitere Mittel (O; 303,304) zum elektrischen Verbinden der zweiten 40 Elektrodenzonen (312) jedes der in einer der Spalten angeordneten Übertragungsschalttransistoren vorhanden sind.
2. Schaltmatrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jeder Masche der gitterförmigen Isolationszonen (308) eine sich durch die vergrabene Schicht (323) erstrek- 45 kende weitere rahmenförmige Isolationszone (319) des einen Leitfähigkeitstyp angeordnet ist und dass die rahmenförmige Isolationszone den Übertragungsschalttransistor seitlich umgibt.
3. Schaltmatrix nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 50 dass sich von der Oberseite des Halbleiterkörpers eine Oxidzone (326) nach innen erstreckt und dass die Oxidzone zwischen der rahmenförmigen Isolationszone und dem Übertragungsschalttransistor angeordnet ist und denselben umschliesst. 55

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