DE3206060A1

DE3206060A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE3206060A1
Application number: DE19823206060
Authority: DE
Inventors: Isao Takasaki Shimizu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-02-20
Filing date: 1982-02-19
Publication date: 1982-09-09
Also published as: HK44986A; US4500900A; IT1149658B; MY8600549A; IT8219677A0; GB2095471B; GB2095471A; JPS57138174A; JPH049378B2

Description

Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, insbesondere einen Leistungstransistor, der in einer integrierten Halbleiterschaltung mit hoher Ausgangsleistung (im folgenden als "Leistungs-IC" bezeichnet, enthalten ist. Bei einem Leistungstransistor in einem Leistungs-IC einer Audioausgangsschaltung oder einer ähnlichen Schaltung, sind eine Mehrzahl von Emittergebieten innerhalb eines einzelnen Basisgebietes angeordnet, um einen hohen Ausgangsstrom zu erzielen. Bei einem solchen Leistungstransistor sind Ballastwiderstände (Stabilisierungswiderstände) zwischen den jeweiligen Emittergebieten und den entsprechenden Emittereingangsanschlüssen zwischengesetzt, so daß die Emitterströme gleichmäßig durch die jeweiligen Emittergebiete fließen. Um die besetzte Fläche für den gesamten Leistungstransistor klein zu machen, ist als Konfiguration für die Stabilisierungswiderstände vorgesehen worden, ein diffundiertes Widerstandsgebiet zu bilden, dessen eines Ende kontinuierlich in das eigentliche Emittergebiet übergeht und dessen anderes Ende mit einer Emittereingangselektrode verbunden ist.

Ein Leistungstransistor mit der oben beschriebenen Struktur hat jedoch den Nachteil, daß der Strom sich örtlich in dem Teil des Ballastwiderstands zusammendrängt, der nahe an der Eingangselektrode liegt, was zu einem Durchbruch des Transistors führt. Bei der Untersuchung des Durchbruchs hat der Erfinder herausgefunden, daß der Durchbruch dem Umstand zuzuschreiben ist, daß auch dasjenige Gebiet des Stabilisierungswiderstands, das nahe bei der Eingangselektrode liegt, einen Transistorbetrieb bewirkt. Insbesondere hat sich herausgestellt, daß der Strom sich leicht in einem parasitären Transistor zusammendrängt, dessen Emitter das Gebiet des Stabilisierungswiderstandes ist und das die lokale

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Stromverdichtung in einem Teil dieses Gebietes auftritt, mit dem Ergebnis, daß der Transistor durchbricht.

Dementsprechend ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Durchbruchsicherheit eines Leistungstransistors zu vergrößern, bei dem ein Teil des Emittergebietes als Stabilisierungswiderstand eingesetzt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiteranordnung gernäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nach der im kennzeichnenden Teil dieses Patentanspruchs angegebenen Weise gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird die Oberfläche eines Basisgebietes, das sich entlang des Stabilisierungswiderstandes erstreckt, wenigstens an der Seite der Basiselektrode schmal ausgebildet, so daß der Basiswiderstand eines parasitären Transistors hierdurch vergrößert wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf den einen Leistungstransistor enthaltenden Teil eines Leistungs-IC gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Draufsicht eines wesentliehen Teils der Figur 1;

Figur 3 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie III-III in den Figuren 1 oder 2;

Figur "4 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV der Figur 2;

Figur 5 ist ein Ersatzschaltbild für den Fall, bei dem zwei Leistungstransistoren mit einem Basisgebiet ausgebildet sind, und

Figur 6 zeigt ähnlich zu Figur 2 eine vergrößerte Draufsicht eines Teils eines Leistungstransistors nach einer 3b anderen Ansführungsform.

Die Figur 1 zeigt in einer Draufsicht die Struktur eines

Leistungstransistors gemäß der Erfindung, der in einem Leistungs-IC vorhanden ist. Der Leistungstransistor ist in einem Teil eines Silizium-Halbleiterscheibe 20 ausgebildet, die aus einem P-leitenden Halbleitersubstrat sowie aus einer darauf aufgewachsenen epitaxialen N leitenden Schicht 2 besteht. Im einzelnen ist der Leistungstransistor von einem P -dotierten Isolationsgebiet 3 umgeben und elektrisch isoliert von (nicht dargestellten) Schaltungselementen, die in anderen Teilen der Halbleiter-

TO scheibe 20 ausgebildet sind.

Entsprechend der Figur 3 ist ein N -Diffusionsgebiet 5, das tief genug ist, um eine N -dotierte vergrabene Schicht 4 zu erreichen und das zum Herausführen einer Kollektorelektrode dient, ringförmig innerhalb der N dotierten epitaxialen Schicht 2 ausgebildet, die von dem Isolationsgebiet 3 umgeben ist. Innerhalb der N -leitenden epitaxialen Schicht 2, die von dem N -diffundierten Gebiet 5 umgeben ist,sind Basisgebiete 6 vom P-Typ mittels der bekannten Diffusionstechnik gebildet. Entsprechend der Figur 1 sind vier solcher Basisgebiete 6 in dem einzelnen Inselgebiet 2 ausgebildet. Ein Paar von benachbarten Basisgebieten ist von dem N -dotierten Gebiet 5 umgeben. Innerhalb eines jeden Basisgebietes 6 sind zwei N -dotierte Emittergebiete 7 mit der bekannten Diffusionstechnik gebildet. Entsprechend der Figur 2 besitzt jedes Emittergebiet 7 einen Emitteranteil 7a, der für den eigentlichen Transistorbetrieb ausgebildet ist, einen Widerstandsanteil 7b, der als Stabilisierungswiderstand dient, und einen Elektroden-Außenanschlußteil 7c. Ein entlang der Linie IV-IV der Figur 2 gezogener Schnitt ist in Figur dargestellt. Entsprechend der Figur 3 steht eine aus Aluminium o.a. bestehende Metallelektrode 8 in ohmschem Kontakt mit dem Elektrodenaußenanschlußteil 7c über ein Kontaktloch 18, das in einem Siliziumoxidfilm 10 vorgesehen ist. Wie durch die mit zwei Punkton versehene strichpunktierte Linie in

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Figur 1 angedeutet ist, ist die Elektrode 8 an die Emittergebiete über entsprechende Kontaktlöcher 18 angeschlossen und bildet den Emittereingangsanschluß. Eine Emitterelektrode 9 aus einem Metall wie z.B. Aluminium steht in ohmschem Kontakt mit dem Emitterteil 7a des für den Transistorbetrieb vorgesehenen Teils über ein Kontaktloch 17. Mit dem zwischen einem Paar von Emittergebieten 7 liegenden Teil des Basisgebietes 6 steht eine aus einem Metall wie z.B. Aluminium bestehende Basiselektrode 14 über ein Kontaktloch 16, das nicht entlang den Widerstandsteilen 7b gebildet ist, in ohmschem Kontakt. Wie durch die zweipunktige strichpunktierte Linie in Figur 1 angedeutet ist, ist die Basiselektrode 14 so angeordnet, daß sie die Basiskontaktgebiete gemeinsam verbindet und damit den, Basiseingangsanschluß bildet. Wie durch die zweipunktige strichpunktierte Linie in Figur 1 angedeutet ist, ist eine Kollektorelektrode 15 über Kontaktlöcher 13 in gewöhnlicher Weis«? aus den Kollektoraußenanschlußgebieten 5 herausgeführt,

Figur 5 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Transistoren, die in einem einzelnen Basisgebiet des obigen Leistungstransistors ausgebildet sind. Tr. bezeichnet den eigentlich geforderten Transistor, der mit dem Emitterteil 7a gebildet ist. Tr„ bezeichnet den ungünstigen parasitären Transistor, der mit den in ohmschem Kontakt mit der Emitterelektrode 8 gehaltenen Elektrodenaußenanschlußteil 7c gebildet wird» Mit dem Buchstaben R ist ferner der Stabilsierungswiderstand bezeichnet, der in dem Widerstandsgebiet 7b gebildet ist.

Wichtig ist, daß - entsprechend den Figuren 1 und 2 das Basisgebiet 6 nur an der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers so angeordnet ist, daß es entlang dem Emitter-Stabilisierungswiderstandsgebiet 7b schmal ausgebildet ist. Das bedeutet, daß die Breite W„-, des Teils des Basisgebietes, der dem Emitterballastwiderstandste.il 7b umgibt, kleiner ist als die Breite W_R2 des Teils des Basisgebietes, der den

Emitterelektrodenaußenanschlußteil 7c umgibt.

Der mit Rb bezeichnete Basiswiderstand kann so aufge-

faßt werden, daß er parallel die beiden Widerstandskomponenten des Basisgebietes direkt unterhalb des Emittergebietes (7b, 7c) und die Widerstandskomponente, die in den seitlichen Oberflächen des Emittergebietes (7b, 7c) vorhanden ist, einschließt. Da nun das sich entlang des Emittergebietes 7b, 7c erstreckende Basisgebiet schmal ausgebildet ist, braucht nur der Basiswiderstand direkt unter dem Gebiet 7b berücksichtigt werden. Da die Dotierstoffkonzentration des unter diesem Emittergebiet liegenden Basisgebiets klein ist, kann der Basiswiderstand Rb sehr groß gemacht werden. Dieser Widerstand arbeitet als Basiswiderstand für den parasitären Transistor. Als Folge davon kann die Basisemitterspannung V_ßp des parasitären Transistors aufgrund des Spannungsabfalls über den Basiswiderstand Rb beim Betrieb des Leistungstransistors klein gemacht werden. Der Normalbetrieb wird daher ausgeführt, indem man nur den eigentlichen Transistor Tr- in den "Ein"-Zustand bringt, ohne zuzulassen, daß der parasitären Transistor in den "Ein"-Zustand gelangt. Das bedeutet, daß beim Betrieb des Leistungstransistors der Strom durch den eigentlichen Transistor fließt, indem im wesentlichen der parasitäre Transistor an einem Betrieb gehindert wird. Weiterhin kann ein gleichförmiger Betrieb erzielt werden, indem man eine Stromverdichtung mittels des Stabilisierungswider-Standes R verhindert.

Um den Leistungstransistor normal zu betreiben und weitgehend das Mitwirken des parasitären Transistors in der oben beschriebenen Weise zu verhindern, muß der Stabilisierungswiderstand R in Bezug auf den parasitären Transistor so ausgelegt sein, daß die Gleichung

R < r— (wobei h„„ die Stromverstärkung ist) h_FE V FE

erfüllt ist. In diesem Fall gilt gewöhnlich R- 1 - 2 Ω. Unter der Voraussetzung, daß h „ ungefähr 200 ist, wird Rb > 200 bis 400 Ω. Da aber dasjenige Basisgebiet, das

direkt unter dem Gebiet 7o liegt und das den Basiswiderstand Rb bestimmt, einen hohen Widerstand (10 kß/O ) und damit die gleiche Größe wie ein Pinch-(Einschnürungs-)Widerstand besitzt, kann der Basiswiderstand Rb so vergrößert werden, daß die Gleichungen eingehalten werden, indem man die Umfangsform des Basisgebietes geeignet gestaltet. Beispielsweise kann die Breite des Basisgebietes 6, das sich zwischen den Gebieten 7b und 7c erstreckt, ungefähr 5 μκι betragen. Die Breite des Basisgebietes 6 kann mit hoher Präzision kleiner gemacht werden, indem einige der das Basisgebiet bildenden Fenster bei der Bildung der Emittergebiete angebracht werden. Die Basisbreite muß 1 bis 2 ym oder größer gemacht werden, um einen Durchbruch zwischen dem N -Gebiet 7 und dem N*"-iGebiet 2 zu verhindern.

Aus dem vorangehenden ist ersichtlich, daß bei einem Leistungstransistor gemäß dieser Erfindung das Bsisgebiet, das sich entlang dem Stabilisierungswiderstandsteil erstreckt, besonders schmal gemacht wird, so daß der Basißwiderstand des parasitären Transistors vergrößert wird- Damit kann eine Stromverdichtung auf den parasitären Transistor in der zuvor beschriebenen Weise verhindert v/erden, und der Strom fließt gleichmäßig durch den eigentlichen Transistor mittels des Stabilisierungswiderstandes, so daß die Durchbruchfestigkeit des Leistun,gstransistors vergrößert wird und die Wirkung der Stabilsierungswiderstände sich daher besonders wirkungsvoll zqigt.

Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und stellt die Draufsicht auf einen Leistungstransistor dar.

Bei diesem Beispiel sind in einem einzelnen Basisgebiet 6 ein Emittergebiet 7, das aus zwei Emitterbetriebsteilen 7a, 7a¹ und Emitter-Stabilsierungswiderstandsteilen 7b, 7b' mit im wesentlichen gleichen Breiten besteht, und ein Elektrodenaußenanschlußteil 7c angeordnet. Eine als Emittereingangsanschluß dienende Aluminiumelektrode ist von dem

Elektrodenaußenanschlußteil 7c herausgeführt. Demgegenüber umgibt das Basisgebiet 6 mit einer kleinen Breite die Emitterballastwiderstandsgebiet 7b, 7b' und den Emitterelektrodenaußenanschlußteil 7c. Mit anderen Worten befinden sich keine Basisgebiete zwischen einem Paar von Widerstandsteilen 7b und 7b¹ oder zwischen einem Basiskontakt 16 und dem Elektrodenaußenanschlußteil 7c, ferner ist die N -dotierte epitaxiale Schicht 2 direkt auf der Substratoberfläche. Es zeigt, daß wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel die Breite W₁ desjenigen Teils des Basisgebiets, der die Emitterballastwiderstandsteile 7b und 7b' umgibt, kleiner ist als die Breite W_R~ desjenigen Teils des Basisgebiets, der den Emitterelektrodenaußenanschlußteil 7c umgibt.

Selbst mit einer dem vorangehenden Ausführungsbeispiel entsprechenden Konstruktion kann der Basiswiderstand Rb des parasitären Transistors so groß gemacht werden, daß der ihm zugeführte Strom stark reduziert wird und der eigentliche Transistor normal arbeiten kann.Weiter kann ein gemeinsamer Emittereingangsanschluß vorgesehen sein.

Die zuvor beschriebene Erfindung kann auf der Basis der Grundidee dieser Erfindung modifiziert werden. Beispielsweise kann die in Draufsicht gesehene Ausgestaltung des Basisgebietes, das sich entlang dem Stabilsierungswiderstandsteil erstreckt, in verschiedener Weise verändert werden, und die Anordnung der Basiskontakte ist nicht auf diejenige der vorangehenden Beispiele beschränkt. Ferner kann im Unterschied zu den vorangehenden Beispielen nur ein Emittergebiet in einem einzelnen Basisgebiet ausgebildet sein, wobei das Basisgebiet das Emittergebiet an der Frontflächenseite mit einer schmalen Breite umgibt. Diese Erfindung ist ebenfalls auf PNP-Transistoren anwendbar, bei denen die Leitfähigkeitstypen der jeweiligen Halbleitergebiete gegenüber den oben beschriebenen umgekehrt sind.

Wie beschrieben ist bei dieser Erfindung das Bsisgebiet

an der Hauptoberfläche entlang dem Emitterstabilsierungswiderstandsheil schmal. Daher kann der Basiswiderstand des parasitären Transistors groß gemacht werden, um den durch ihn fließenden Strom zu reduzieren, und der Strom konzentriert sich auf den Teil des eigentlichen Transistors. Weiterhin kann eine Stromverdichtung durch die Wirkung des Emitterstabilisierungsteils verhinder werden. Es wird daher möglich, die Durchbruchsfestigkeit eines Transistors zu erhöhen und eine Halbleiteranordnung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere als Leistungstransistor nützlich ist.

Claims

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 4 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. ■ 19. Februar 1982

DEA-25650

PATENTANSPRÜCHE

/1/. Halbleiteranordnung mit einem ersten Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, das an der Hauptoberfläche eines Halbleiterkörpers angeordnet ist, einem zweiten Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyp, das von dem ersten Halbleitergebiet umgeben ist, und mit einem dritten Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das von dem zweiten Halbleitergebiet als Kollektorgebiet umgeben ist, mit einem Basisgebiet und einem Emittergebiet, dadurch gekennzeichnet , daß das dritte Halbleitergebiet einen Transistorbetriebsteil, einen Stabilisierungswiderstandsteil und einen Elektrodenanschlußteil aufweist, und daß die Breite des zweiten Halbleitergebiets, das den Stabilisierungswiderstandsteil umgibt, kleiner ist als die Breite des den Elektrodenanschlußteil umgebenden zweiten Halbleitergebiets.
2. Halbleiteranordnung nach Anpsruch 1, dadurch gekennzeichnet / daß auf den Oberflächen des Transistorbetriebsteils und des Elektrodenanschlußteils jeweils Elektroden ausgebildet sind.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps als Emittergebiet dient und innerhalb des zweiten Halbleitergebiets so ausgebildet ist, daß es von dem dritten Halbleitergebiet entfernt liegt, wobei das vierte Halbleitergebiet einen Transistorbetriebsteil, einen Stabilisierungswiderstandsteil und einen Elektrodenanschlußteil aufweist.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des zweiten Halbleitergebiets zwischen dem Transistorbetriebsteil der dritten und vierten Halbleitergebiete eine Elektrode gebildet ist.
5. Halbleiteranordnung mit einem erstep -Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, das sich an einer Hauptoberfläche eines Halbleiterkörpers befindet, mit einem zweiten Halbleitergebiot eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das von dem ersten Halbleitergebiet umgeben ist, und mit einem dritten Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das von dem zweiten Halbleitergebiet als Kollektorgebiet

umgeben ist, mit einem Basisgebiet und einem Emittergebiet, dadurch gekennzeichnet , daß das dritte Halbleitergebiet ein Paar von Transistorbetriebsteilen, ein Paar von Stabilisierungswiderstandsteilen und einen gemeinsamen Elektrodenanschlußteil besitzt und daß ein Teil des ersten Halbleitergebiets an eine Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers zwischen den Ballastwiderstandsgebieten angeordnet ist.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf der Oberfläche des zweiten Halbleitergebiets zwischen den Transistorbetriebsteilen und der Oberfläche des gemeinsamen Elektrodenanschlußteils Elektroden gebildet sind.
7. Halbleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Basisgebieten in einem Kollektorgebiet angeordnet sind, daß eine Mehrzahl von Emittergebieten in jedem Basisgebiet angeordnet ist, wobei die Emittergebiete alle einen Emitterstabilisierungswiderstandsteil besitzen, und daß eine allen Emittergebieten gemeinsame Elektrode vorhanden ist.
8. Als Transistor verwendbare Halbleiteranordnung, bei der ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, ein zweites Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das in dem ersten Halbleitergebiet angeordnet ist,

und ein drittes Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das in dem zweiten Halbleitergebiet angeordnet ist, jeweils als Kollektorgebiet bzw, als Basisgebiet bzw. als Emittergebiet verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Halbleitergebiet einen eigentlichen Transistorbetriebsteil enthält, ferner einen Stabilisierungswiderstandsteil und einen Anschlußteil, und daß das zweite Halbleitergebiet, das sich an einer Vorderoberfläche erstreckt, einen entlang des Stabilisierungswiderstandsteil sich erstreckenden Teil besitzt, der an wenigstens einer Seite des Basiskontaktgebietes schmal ausgebildet ist.