JP2000323490A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】トランジスタの安全動作領域を広くする。 【解決手段】エミッタ領域２３は、直線状リング形状に
形成され、エミッタ−ベース接合界面の面積が大きくと
られている。また、Ｐ型ベース領域２２には、ユニバー
サル接合構造をなすベース電極接続部２５が内蔵されて
いる。ユニバーサル電極構造部２５は、電荷の移動方向
と交差する方向に沿って、Ｐ⁺ 型領域２５１とＮ⁺ 型領
域２５２とを交互に配列して構成されている。これによ
り、ベース領域２２における小数キャリア（電子）は、
Ｎ型領域２５２へと引き込まれるので、ベース領域２２
における電子の蓄積が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、バイポーラトラ
ンジスタを有する半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から用いられているバイポーラトラ
ンジスタの原理的な構成は、図９に示されている。すな
わち、Ｎ型半導体基板１の表層部に、Ｐ型のベース領域
１２が形成され、このＰ型のベース領域１２内にＮ型の
エミッタ領域１３が形成されている。ベース領域１２お
よびエミッタ領域１３には、それぞれベース電極１５お
よびエミッタ電極１６が接合されている。コレクタ電極
１９は、Ｎ型半導体基板１の裏面側において、Ｎ⁺ 型領
域１４を介してとられるようになっている。１７は絶縁
膜である。

【０００３】電流増幅率を上げるためには、ベース領域
１２の不純物濃度を薄くする必要がある。しかし、この
不純物濃度を過度に薄くすると、ベース領域１２とベー
ス電極１５との接合部がショットキ接合となり、トラン
ジスタ特性が得られない。そこで、ベース領域１２にお
いてベース電極１５の接合位置には、オーミック接合を
形成するためのＰ⁺ 型領域１８が形成されている。

【０００４】図１０、図１１および図１２は、エミッタ
領域１３の形成パターン例をそれぞれ示す図である。

【０００５】図１０は、メッシュ型エミッタ構造のバイ
ポーラトランジスタの構造を示している。このトランジ
スタでは、半導体基板１５の表層部に形成されたベース
領域１２に、島状のエミッタ領域１３が格子状に配列さ
れて埋設されている。そして、島状のエミッタ領域１３
にエミッタ電極（図示せず）が共通接続される。

【０００６】図１１は、リングエミッタ（メッシュ型ベ
ース）構造を示している。この構造では、半導体基板１
の表層部に形成されたベース領域１２に、エミッタ領域
１３が広く形成されいる。そして、この大面積のエミッ
タ領域１３内において、ベース領域１２が格子状配列パ
ターンに従う位置で島状に露出するようになっている。
そして、この露出部において、ベース電極（図示せず）
とベース領域１２とを接続するためのコンタクトがとら
れるようになっている。

【０００７】図１２は、ストライプエミッタ構造を示
す。この構造では、半導体基板１の表層部に形成された
ベース領域１２に、線状の複数のエミッタ領域１３が、
ほぼ平行に埋設されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図１０のメッシュ型エ
ミッタ構造および図１１のリングエミッタ構造のトラン
ジスタでは、いずれも、安全動作領域が比較的狭く、破
壊耐量が必ずしも十分ではない。そのため、負荷に十分
な電流を流すことができない場合がある。また、スイッ
チング時間（とくにオフ時間）が長く、高速なスイッチ
ングができないという問題もある。

【０００９】図１２のストライプエミッタ構造を採用す
れば、破壊耐量が向上されるのであるが、それでもな
お、負荷駆動性能が十分ではない場合がある。また、ス
トライプエミッタ構造のトランジスタのスイッチング時
間は、メッシュ型エミッタ構造やリングエミッタ構造の
ものに比較すると良好であるが、さらに高速なスイッチ
ングが求められる場合もある。

【００１０】バイポーラトランジスタのスイッチングが
低速なのは、小数キャリアである電子がベース領域１２
とＰ⁺ 型領域１８（図９参照）との間のＰ／Ｐ⁺ 接合に
よってせき止められることに主因がある。すなわち、ス
イッチング動作時に、ベース領域１２において電子の蓄
積が起こる。これにより、スイッチング損失が大きくな
り、高速なスイッチングが妨げられるうえ、消費電力の
増大を招くという問題がある。

【００１１】バイポーラトランジスタの高速スイッチン
グを可能にするために、本願の発明者は、先に提出した
特願平１１−１２４５１５号（平成１１年４月３０日提
出）において、ベース部にユニバーサル接合構造を内蔵
したユニバーサルベース構造のバイポーラトランジスタ
を提案している。この構造により、ベース領域に蓄積さ
れた少数キャリアは、ユニバーサル接合構造によってベ
ース電極へと速やかに引き込まれる。これにより、高速
なスイッチングが可能になる。

【００１２】本願発明者のその後の研究により、上記提
案に係る新たな構造のバイポーラトランジスタでは、ユ
ーバーサル接合構造の採用により、安全動作領域がスト
ライプエミッタ構造と同程度に改善されることが確認さ
れた。

【００１３】一方、トランジスタの消費電力は、オン時
のコレクタ−エミッタ間電圧にも大きく依存するのであ
るが、これについては、メッシュ型エミッタ構造および
リングエミッタ構造の方が、ストライプエミッタ構造や
ユニバーサルベース構造よりも優れていることが確認さ
れた。

【００１４】この発明の第１の目的は、安全動作領域を
広くすることができるトランジスタを有する半導体装置
を提供することである。

【００１５】また、この発明の第２の目的は、オン時の
電圧を低くすることができるトランジスタを有する半導
体装置を提供することである。

【００１６】さらに、この発明の第３の目的は、高速ス
イッチング可能で、かつ十分な安全動作領域を有するト
ランジスタを備えた半導体装置を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、コレクタ
領域と、このコレクタ領域に接合して形成されたベース
領域と、このベース領域に埋設された状態で設けられ、
所定方向に沿って直線状に引き延ばされたリング形状の
エミッタ領域とを含むトランジスタを備えた半導体装置
半導体装置である。

【００１８】より具体的には、上記トランジスタは、半
導体基板に形成された第１の導電型のベース領域と、こ
のベース領域に埋設された第２の導電型（第１の導電型
とは異なる導電型）のエミッタ領域と、ベース領域に接
触して形成された第２の導電型のコレクタ領域とを有し
ている。

【００１９】この発明の構成によれば、エミッタ領域
は、線状に形成されていて、しかも、リング状に形成さ
れているので、ストライプエミッタ構造における安全動
作領域拡大の効果を増大させることができ、十分な安全
動作領域を確保することができる。すなわち、リング状
のエミッタの内方および外方においてエミッタ−ベース
接合が形成されることになり、エミッタ−ベース接合界
面の面積が、単なる線状のエミッタ領域の場合と比較す
ると、約２倍になる。これにより、エミッタ−ベース間
に十分な電流を流すことができるので、破壊耐量が向上
され、安全動作領域が大幅に拡大できる。

【００２０】より詳しく説明すると、トランジスタの破
壊は、エミッタ−ベース接合部における温度上昇（約１
５０℃を超える高温）に起因している。この温度上昇
は、エミッタ−ベース接合界面における電流密度に依存
する。よって、エミッタ−ベース接合界面の面積を大き
くすることができるリング形状のエミッタを採用するこ
とにより、エミッタ−ベース接合界面での温度上昇を抑
制することができ、その結果、安全動作領域を拡大する
ことができる。

【００２１】また、エミッタ−ベース接合界面の面積が
大きくなることによって、トランジスタのオン時の抵抗
が少なくなるので、これにより、オン時のコレクタ−エ
ミッタ間電圧を低くすることができる。したがって、消
費電力の低減にも寄与することができる。

【００２２】なお、複数本の上記リング形状エミッタ領
域が、ベース領域内にストライプ状（すなわち、実質的
に互いに平行な位置関係のパターン）に形成されていて
もよい。

【００２３】さらに、エミッタ領域は、半導体表面に露
出するようにベース領域に埋設されていて、リング形状
の露出面パターンを有し、このリング形状の露出面パタ
ーンに、リング形状のコンタクト部が設定され、このコ
ンタクト部にエミッタ電極が接合されるようになってい
ることが好ましい。

【００２４】請求項２記載の発明は、上記ベース領域に
ユニバーサル接合構造が内蔵されていることを特徴とす
る請求項１記載の半導体装置である。

【００２５】より具体的には、ベース領域においてベー
ス電極が接続される部位にユニバーサル接合構造が形成
されることが好ましい。

【００２６】ユニバーサル接合構造は、ベース部の小数
キャリアに対して障壁をなす第１領域と、上記小数キャ
リアを引き込む第２領域とを電荷の移動方向と交差する
方向に沿って交互に配置した構造である。この第１およ
び第２領域に接触するようにベース電極が設けられるの
が好ましい。たとえば、ベース領域がＰ型領域である場
合に、Ｐ⁺ 型領域とＮ⁺ 型領域とを電荷の移動方向と交
差する方向に交互に配置したり、Ｐ⁺ 型領域とＰ型領域
とを電荷の移動方向と交差する方向に交互に配置したり
することによってユニバーサル電極構造を形成すること
ができる。

【００２７】この発明の構成によれば、ベース部にユニ
バーサル接合構造を内蔵しているため、ベース部におけ
る小数キャリアの蓄積を抑制できる。これにより、スイ
ッチング動作を高速にすることができ、かつ、スイッチ
ング損失を低減できるので、消費電力を低減できる。

【００２８】したがって、高速なスイッチングが可能
で、かつ十分な安全動作領域を有することができ、しか
も、オン時のコレクタ−エミッタ間電圧の低い低消費電
力型のトランジスタを有する半導体装置を実現すること
ができる。そして、安全動作領域については、直線リン
グ形状エミッタ領域の採用とユニバーサルベース構造の
採用との両面から著しく改善される。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００３０】図１は、この発明の一実施形態に係るトラ
ンジスタの一部の構造を断面構造とともに示す拡大斜視
図である。Ｎ型半導体基板２１の表面には、Ｐ型のベー
ス領域２２が形成されており、このＰ型のベース領域２
２内に、Ｎ型のエミッタ領域２３が埋設されて形成され
ている。これにより、ＮＰＮ構造が形成されていて、Ｎ
型半導体基板２１がコレクタ領域を形成している。

【００３１】図２の平面図に示すように、エミッタ領域
２３は、一方向に直線的に延びた閉リング形状に形成さ
れている。このリング形状のエミッタ領域２３は、半導
体基板２１の表面において、ストライプパターンを成し
て露出するように複数個形成されている。そして、各直
線状リング形状のエミッタ領域２３を一定の間隔を開け
て包囲するように、直線状リング形状のベース電極接続
部２５が設けられている。

【００３２】図３に拡大して示すように、個々のエミッ
タ領域２３は、ベース領域２２のほぼ全幅に渡って互い
に平行に形成された一対の直線部２３Ａ，２３Ｂと、こ
れらの両端をそれぞれ結合する半円弧形状の結合部２３
Ｃとを有し、内部にベース領域２３が入り込む開口２３
Ｄを規定している。

【００３３】図１に示されているように、ベース電極接
続部２５には、ベース電極２６が接合されている。ま
た、リング形状のエミッタ領域２３の表面には、エミッ
タ領域２３よりも幅狭のリング状のコンタクト領域３５
が設定されており、このコンタクト領域３５において、
エミッタ電極２７がエミッタ領域２３に接合されてい
る。コレクタ電極３０は、半導体基板２１の裏面側に形
成されたＮ⁺ 型領域２８から取られている。２９は、絶
縁膜である。

【００３４】ベース電極接続部２５は、微小幅のＰ⁺ 型
領域２５１と、同じく微小幅のＮ⁺型領域２５２とを、
ベース電極２６に接触するように交互に配置して構成し
たユニバーサル接合構造を有している。すなわち、Ｐ型
領域２５１とＮ型領域２５２とは、ベース領域２２とベ
ース電極２６との間の電荷の移動方向と交差する方向に
沿って交互に配列されている。平面視においては、Ｐ⁺
型領域２５１およびＮ ⁺ 型領域２５２は、図３に拡大し
て示すように、リング帯状のベース電極接続部２５の長
さ方向に沿っう帯状パターンをなしている。

【００３５】この構成により、ベース領域２２における
多数キャリアであるホールは、Ｐ⁺型領域２５１を通っ
て移動することができ、小数キャリアである電子は、Ｎ
⁺ 型領域２５２に落ち込むことができる。したがって、
ベース領域２２における電子の蓄積が抑制され、高速で
かつ損失の少ないスイッチングが可能になる。

【００３６】エミッタ領域２３およびベース電極接続部
２５を覆うように形成された絶縁膜（図示せず）には、
リング状のコンタクト領域３５をそれぞれ露出させる複
数のコンタクト孔４１およびベース電極接続部２５をそ
れぞれ露出させる複数のコンタクト孔４２が形成されて
いる。そして、図４に示すように、エミッタ電極２７
は、複数のエミッタ領域２３の各コンタクト孔４１に共
通に接続されるように形成されており、複数のベース電
極接続部２５を露出させる各コンタクト孔４２に共通接
続するようにベース電極２６が形成されている。ベース
電極２６およびエミッタ電極２７は、図４に示すように
互いに噛み合う櫛形電極で形成されていてもよい。

【００３７】図５は、バイポーラトランジスタＴｒを用
いた抵抗型負荷Ｒのためのスイッチング回路の構成例を
示す電気回路図であり、図６は、バイポーラトランジス
タＴｒのスイッチング特性を示す図である。図６(a) は
ベース電流Ｉ_B を示し、図６(b) はコレクタ電流Ｉ_C を
示し、図６(c) はコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_CEを示
す。そして、図６(b) および図６(c) において、この実
施形態のバイポーラトランジスタをトランジスタＴｒに
適用したときの特性は実線で示されており、図９の従来
のバイポーラトランジスタをトランジスタＴｒに適用し
たときの特性は二点鎖線で示されている。

【００３８】図６から明らかなように、トランジスタＴ
ｒが遮断されるときの蓄積時間（Ｔstg ）および降下時
間（Ｔf ）の和であるターンオフ時間Ｔoff （＝Ｔstg
＋Ｔf ）が、ベース電極接続部２５をユニバーサル接合
構造としたこの実施形態のバイポーラトランジスタを用
いた場合に、著しく改善されることが理解される。

【００３９】また、トランジスタオン時のコレクタ−エ
ミッタ間電圧Ｖ_CE(sat) が、この実施形態の構造を採用
することによって、従来の構造よりも低くできることが
理解される。

【００４０】ベース領域２２に蓄積されたキャリアを零
にするのに要する時間Ｔoff は、本実施形態の構成を採
用することにより、従来の構成の場合の約３０％にする
ことができる。トランジスタＴｒのオフ時の電力ロス
は、図６(c) における領域ＳＩ（本実施形態の構成の場
合），ＳＰ（従来の構成の場合）の面積により表すこと
ができ、より具体的には、下記第(1) 式により表すこと
ができる。

【００４１】

【数１】

【００４２】したがって、時間Ｔoff を格段に短縮する
ことができる本実施形態のバイポーラトランジスタを用
いることにより、消費電力を格段に低減することができ
る。しかも、直線リング形状のエミッタ領域２３を採用
した本実施形態の構造では、オン時のコレクタ−エミッ
タ間電圧Ｖ_CE(sat) を、従来の構成の５０％に低減する
ことができるので、これによっても、電力ロスを低減で
きる。

【００４３】さらに、この実施形態の構成では、ストラ
イプ状に配置されたエミッタ領域は、線状のリング形状
に形成されている。そのため、図１と図９との比較から
明らかなように、エミッタ−ベース接合界面の面積が従
来の構造の約２倍となっている。すなわち、いわゆる表
皮効果のために電流が集中しやすい半導体基板の表面付
近において、エミッタ領域２３は、従来構造の約２倍の
周囲長を有することができる。これにより、一定の電流
を流したときのベース−エミッタ接合界面での電流密度
を低くすることができ、この接合界面の温度上昇を抑制
できる。これにより、大電流を通電することが可能とな
るから、良好な破壊耐量を実現でき、安全動作領域を広
くとることができる。

【００４４】しかも、前述のとおり、ユニバーサルベー
ス構造の採用によっても破壊耐量の向上が図られるか
ら、このユニバーサルベース構造と直線リング形状エミ
ッタ領域２３とを組み合わせた本実施形態の構造のトラ
ンジスタは、実用十分な破壊耐量を有することができ、
従来構造に比較して安全動作領域を格段に広くできる。
具体的には、抵抗型負荷および誘導性負荷のいずれの場
合でも、従来の構造に比較して、約２倍の破壊耐量を実
現できることが確認されている。

【００４５】図７は、この発明の他の実施形態に係るバ
イポーラトランジスタのベース電極接続部に採用可能な
ユニバーサル接合構造の構成を拡大して示す断面図であ
る。この図７において、上述の図１の各部に対応する部
分には、図１の場合と同じ符号を付して示す。この実施
形態では、Ｐ型のベース領域２２に内蔵して形成された
ユニバーサル接合構造部５０（ベース電極接続部）は、
電荷の移動方向と交差する方向に沿って複数のＰ⁺ 型領
域５１を互いに離間して配列して形成されている。そし
て、隣接するＰ⁺ 型領域５１の間においては、ベース電
極２６とＰ型のベース領域２２との間でショットキ接合
が形成されており、全体として、ショットキユニバーサ
ル電極構造が形成されている。

【００４６】この構成では、ベース領域２２に蓄積され
た小数キャリアをショットキ接合部を介して速やかに放
出することができる。これにより、上述の第１の実施形
態の場合と同様に、ベース領域２２における小数キャリ
アの蓄積を抑制でき、高速なスイッチング動作を実現で
きるととも、低消費電力駆動が可能になる。

【００４７】この発明の２つの実施形態について説明し
たが、この発明は、他の形態で実施することも可能であ
る。たとえば、上述の実施形態では、ＮＰＮトランジス
タを例にとったが、この発明は、ＰＮＰトランジスタに
も適用することができる。この場合には、Ｎ型のベース
領域に、Ｎ⁺ 領域とＰ⁺ 領域とを交互に配列したユニバ
ーサル接合構造、または複数のＮ⁺ 領域を離間して配列
したショットキユニバーサル接合構造をベース電極接続
部に設ければよい。さらに、ショットキ部を、アルミニ
ウム（Ａｌ）以外のチタン（Ｔｉ）などの電極材に変え
ることにより形成してもよい。

【００４８】また、半導体基板２１として、不純物（た
とえば、Ｎ型の場合はヒ素、Ｐ型の場合はホウ素）を添
加して比抵抗７Ωcm程度まで（対応する不純物濃度は、
〜１×１０²¹程度）とした低抵抗の基板を使用して、オ
ン時のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_CEのさらなる低減を
図ってもよい。

【００４９】さらに、上述の実施形態では、直線リング
状エミッタ領域とユニバーサル接合構造を有するベース
とを組み合わせた例について説明したが、オン時のコレ
クタ−エミッタ間電圧Ｖ_CEの低減および破壊耐量の改善
のみが重要課題であって、スイッチング時間の向上がさ
ほど重要でない場合には、ユニバーサル接合構造を省い
てもよい。

【００５０】また、上述の実施形態においては、直線状
エミッタ領域２３は、１つの開口２３Ｄを有する単純リ
ング構造を有しているが、図８に示すように、直線部２
３Ａ，２３Ｂを橋渡しする架橋部２３Ｅを設けて、開口
２３Ｄを複数個に分割した構造の直線状リング構造を採
用してもよい。

【００５１】さらに、上述の実施形態では、１個のバイ
ポーラトランジスタを有する半導体装置を例にとった
が、この発明は、複数個のバイポーラトランジスタを有
する半導体装置やバイポーラトランジスタ以外の機能素
子を同一半導体基板上に有する半導体装置などにも適用
することができる。

【００５２】その他、特許請求の範囲に記載された事項
の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係るトランジスタの一
部の構造を断面構造とともに示す拡大斜視図である。

【図２】上記実施形態に係るトランジスタの基板表面の
構成を示す平面図である。

【図３】ベース電極接続部の構成を拡大して示す平面図
である。

【図４】上記トランジスタの電極配置を説明するための
平面図である。

【図５】バイポーラトランジスタを用いた抵抗型負荷の
ためのスイッチング回路の構成例を示す電気回路図であ
る。上記実施形態のバイポーラトランジスタの具体的な
構成例を示す平面図である。

【図６】バイポーラトランジスタのスイッチング特性を
示す図である。

【図７】この発明の他の実施形態に係るトランジスタの
部分拡大断面図である。

【図８】エミッタ領域の変形例を示す平面図である。

【図９】従来のバイポーラトランジスタの原理的な構成
を示す断面図である。

【図１０】メッシュ型エミッタ構造のバイポーラトラン
ジスタの構造を説明するための簡略化した斜視図であ
る。

【図１１】リングエミッタ構造のバイポーラトランジス
タの構造を説明するための簡略化した斜視図である。

【図１２】ストライプエミッタ構造のバイポーラトラン
ジスタの構造を説明するための簡略化した斜視図であ
る。

【符号の説明】

２１ Ｎ型半導体基板（コレクタ領域） ２２ ベース領域 ２３ エミッタ領域 ２５ ベース電極接続部（ユニバーサル接合構造） ２５１ Ｐ⁺ 型領域 ２５２ Ｎ⁺ 型領域 ２６ ベース電極 ２７ エミッタ電極 ５０ ユニバーサル接合構造部 ５１ Ｐ⁺ 型領域

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コレクタ領域と、このコレクタ領域に接合
   して形成されたベース領域と、このベース領域に埋設さ
   れた状態で設けられ、所定方向に沿って直線状に引き延
   ばされたリング形状のエミッタ領域とを含むトランジス
   タを備えた半導体装置。
2. 【請求項２】上記ベース領域にユニバーサル接合構造が
   内蔵されていることを特徴とする請求項１記載の半導体
   装置。