JP2009177066A - Transistor structure and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トランジスタ構造およびトランジスタを含む半導体素子が集積された半導体装置に関する。
The present invention relates to a transistor structure and a semiconductor device in which semiconductor elements including transistors are integrated.
パワー半導体素子として電源回路等に適用されるトランジスタの性能指標の1つに安全動作領域SOA(Safe Operating Area)という仕様項目がある。SOAは、トランジスタを素子破壊などの故障無く正常に動作させることができる電流・電圧の許容値を示す領域であり、トランジスタを用いた電源回路は、トランジスタがSOAで示される領域内で動作するように外部回路を設ける必要がある。即ち、SOAを拡大することは、トランジスタの信頼性を向上させ、電源回路を簡素化させる手段の1つである。
One of the performance indicators of a transistor applied to a power supply circuit or the like as a power semiconductor element is a specification item called safe operating area SOA (Safe Operating Area). The SOA is an area showing allowable values of current and voltage that allow the transistor to operate normally without failure such as element destruction, and the power supply circuit using the transistor operates so that the transistor operates within the area indicated by the SOA. It is necessary to provide an external circuit. That is, expanding the SOA is one of means for improving the reliability of the transistor and simplifying the power supply circuit.
図3は、特許文献1に記載されている従来のNPN型トランジスタの平面構造であり、図4は、その断面構造である。
N+型の半導体基板1と、
半導体基板1上に形成され且つ半導体基板1よりも不純物濃度が低いN−型のコレクタ層2と、
コレクタ層2上に島状に形成されたP型のベース層3と、
ベース層3上に島状に形成されたN+型のエミッタ層4と、
コレクタ層2とベース層3とエミッタ層4との各表面上に形成された絶縁膜5と、
絶縁膜5の開口部においてベース層3と電気的に接続され、ベースコンタクト9を形成するベース電極7と、
絶縁膜5の開口部においてエミッタ層4と電気的に接続され、エミッタコンタクト10を形成するエミッタ電極8と、
半導体基板1と電気的に接続されるコレクタ電極6と、を有し、
ベース層3上に島状に形成され、且つ、平面的に見て、エミッタコンタクト10を包囲するように形成されたN+型の第1抵抗層11を備えている。
FIG. 3 is a planar structure of a conventional NPN transistor described in
An N +
An N−
A P-
An N +
An
A
An
A
An N + type
従来のトランジスタにおいて、第1抵抗層11は、ベース層上に形成され、且つ、エミッタ層4を包囲するように形成されるので、ベース電極7からエミッタ層4へと流れる電流経路を狭め、電気的抵抗値を増加させることができる。このような第1抵抗層11は、バラスト抵抗と呼ばれ、ベース層3にバラスト抵抗を形成することで、ベース電極7からエミッタ電極9へと流れるベース電流を制限し、エミッタコンタクトにおける電流集中を防ぐことができ、SOAを拡大する効果がある。
ところで、トランジスタが大電圧・大電流をスイッチングする場合、特にエミッタコンタクト10においてコレクタ電流による大きな発熱が起こり、発熱によりコレクタ電流は更に大きくなり、更なる発熱を引き起こす。その結果、エミッタコンタクト10近傍に集中しやすく、熱暴走又は熱による接合破壊が起きることで、逆に安全動作領域SOAが狭くなってしまう懸念があった。
By the way, when the transistor switches a large voltage and a large current, a large amount of heat is generated due to the collector current, particularly in the
そこで、ベース電流を制限してコレクタ電流を小さくするために、第1抵抗層11の電気的抵抗値を高くすると、トランジスタの静特性が悪化するという問題点があった。また、エミッタ層4に抵抗領域を形成すると、エミッタコンタクトの発熱が抑えられる一方、抵抗領域でも発熱して熱暴走が起こるため、SOA拡大には効果的ではなかった。
Therefore, when the electric resistance value of the
そこで、本発明の目的は、動作時の熱暴走および熱破壊を防止し、且つ、SOAが拡大できるトランジスタを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a transistor capable of preventing thermal runaway and thermal breakdown during operation and expanding the SOA.
上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項1に係る本発明のトランジスタ構造は、
第1導電型のコレクタ層と、
前記コレクタ層上に島状に形成され且つ前記第1導電型と異なる第2導電型のベース層と、
前記ベース層上に少なくとも1つの島状に形成され且つ前記第1導電型のエミッタ層と、
前記ベース層と電気的に接続されベースコンタクトを形成するベース電極と、
前記エミッタ層と電気的に接続されエミッタコンタクトを形成するエミッタ電極と、
前記コレクタ層と電気的に接続されたコレクタ電極と、を有し、
前記エミッタ層上に形成され且つ前記第1導電型の第1抵抗層が、平面的に見て、前記ベースコンタクトを包囲するように形成されることを特徴とする。
In order to solve the above problems and achieve the above object, the transistor structure of the present invention according to
A first conductivity type collector layer;
A base layer of a second conductivity type formed in an island shape on the collector layer and different from the first conductivity type;
An emitter layer of at least one island type and of the first conductivity type formed on the base layer;
A base electrode electrically connected to the base layer to form a base contact;
An emitter electrode electrically connected to the emitter layer to form an emitter contact;
A collector electrode electrically connected to the collector layer,
The first resistance layer of the first conductivity type formed on the emitter layer is formed so as to surround the base contact in a plan view.
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項2に係る本発明のトランジスタ構造は、前記第1抵抗層が、前記エミッタ層よりも不純物濃度が低いことを特徴とする。
In order to solve the above problems and achieve the above object, the transistor structure of the present invention according to
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項3に係る本発明のトランジスタ構造は、前記第1抵抗層が、前記ベース層上に複数の島状に形成された前記エミッタ層が水平方向に重複した領域から成ることを特徴とする。
Furthermore, in order to solve the above problems and achieve the above object, the transistor structure of the present invention according to
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項4に係る本発明のトランジスタ構造は、前記ベースコンタクトと前記エミッタコンタクトとの間の前記ベース層上に島状に形成され且つ前記第1導電型を有する第2抵抗層を備える特徴とする。
Furthermore, in order to solve the above problems and achieve the above object, a transistor structure of the present invention according to
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項5に係る本発明のトランジスタ構造は、メッシュエミッタ構造であることを特徴とする。
Furthermore, in order to solve the above problems and achieve the above object, the transistor structure of the present invention according to
さらに、上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項6に係る本発明の半導体装置は、前記トランジスタ構造を含む半導体装置であることを特徴とする。
Further, in order to solve the above problems and achieve the above object, a semiconductor device according to a sixth aspect of the present invention is a semiconductor device including the transistor structure.
各請求項の発明によれば、動作時の熱暴走および熱破壊を防止し、且つ、安全動作領域SOAが拡大できる。
According to the invention of each claim, thermal runaway and thermal destruction during operation can be prevented, and the safe operation area SOA can be expanded.
次に、図1〜4を参照して本発明の実施例に係わるトランジスタの一例を説明する。
Next, an example of a transistor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の実施例のNPN型トランジスタの平面構造を図1、その断面構造を図2に示す。
本発明の実施例に係るトランジスタは、
N+型の半導体基板1と、
半導体基板1に形成され且つ半導体基板1よりも不純物濃度が低いN−型のコレクタ層2と、
コレクタ層2上に島状に形成されたP型のベース層3と、
ベース層3上に島状に形成されたN+型のエミッタ層4a、4bと、
コレクタ層2とベース層3とエミッタ層4a、4bとの各表面上に形成された絶縁膜5と、
絶縁膜5の開口部においてベース層3と電気的に接続され、ベースコンタクト9を形成するベース電極7と、
絶縁膜5の開口部においてエミッタ層4aと電気的に接続され、エミッタコンタクト10を形成するエミッタ電極8と、
半導体基板1と電気的に接続されるコレクタ電極6と、を有し、
さらに、ベース層3上に島状に形成され、且つ、平面的に見て、ベースコンタクト9を包囲するように形成されたN+型の第2抵抗層12を備え、
エミッタ層4a、4b上に島状に形成され、且つ、平面的に見て、ベースコンタクト9および第2抵抗層12を包囲するように形成されたN−型の第1抵抗層11を備えている。
FIG. 1 shows a plan structure of an NPN transistor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a sectional structure thereof.
A transistor according to an embodiment of the present invention includes:
An N +
An N − -
A P-
N +
An
A
An
A
Furthermore, an N + type
An N-type
実施例のトランジスタは、ベース層3およびエミッタ層4上に夫々ベースコンタクト9を包囲するようなバラスト抵抗が形成されている。即ち、第1抵抗層11が、ベースコンタクト9を包囲するようにエミッタ層4上に形成される点および第2抵抗層12が、ベースコンタクト9を包囲するようにベース層3上に形成される点で、従来のトランジスタと異なり、この他は従来のトランジスタと同一に構成されている。
In the transistor of the embodiment, ballast resistors are formed on the
実施例のトランジスタにおいて、第1抵抗層11および第2抵抗層12は、周知の選択拡散方法によってエミッタ層4a、4bと同時に形成される。詳細には、エミッタ層4a、4bおよび第2抵抗層12を形成すべき領域の表面が開口となり、第1抵抗層11を形成すべき領域およびその他の領域の表面がマスクで覆われるように、選択拡散のためのマスクを形成する。このようなマスクを設けた状態でN型不純物をベース層3に拡散すると、マスクの開口部からN型不純物が拡散してN+型のエミッタ層4a、4bおよび第2抵抗層12が形成される。それと同時に、N型不純物の横方向拡散によって、ベース層3上のマスクで覆われている領域にもN型不純物が拡散して、不純物濃度の低いN−型の第1抵抗層11が形成される。
本発明の実施例に係わるトランジスタ構造において、半導体基板1の不純物濃度は1×1018〜1×1020cm−3、コレクタ層2の不純物濃度は5×1013〜5×1015cm−3、ベース層3の不純物濃度は1×1017〜5×1018cm−3、エミッタ層4および第2抵抗層12の不純物濃度は3×1019〜3×1020cm−3である。さらに、半導体基板1の厚さは50〜400μm、コレクタ層2の厚さは5〜50μm、ベース層3の厚さは3〜30μm、エミッタ層4および第2抵抗層12の厚さは1〜20μmである。
In the transistor of the embodiment, the
In the transistor structure according to the embodiment of the present invention, the impurity concentration of the
実施例のトランジスタによれば、次の作用効果が得られる。
(1) 第1抵抗層11がベースコンタクト9を包囲するように形成されるため、エミッタコンタクト10および第1抵抗層11において発生する熱が分散され、トランジスタの熱暴走又は熱による接合破壊を防止できる。
(2) 第1抵抗層11がエミッタ層4a、4b上に形成されるため、コレクタ電極6からエミッタ電極8へと流れるコレクタ電流を直接制限することができる。さらに、ベース層3上に第2抵抗層12が形成されるため、ベース電極7からエミッタ電極8へと流れるベース電流を制限することができる。したがって、より効果的にエミッタコンタクトにおける電流集中を防ぎ、SOAが拡大できる。
(3) 第1抵抗層11および第2抵抗層12が、エミッタ層4a、4bと同時に形成されるため、製造上容易にこれを得ることができる。
According to the transistor of the embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Since the
(2) Since the
(3) Since the
本発明のトランジスタは、上記の実施例に限定されず、様々な変形が可能なものである。例えば、第1抵抗層11が、エミッタ層4上に二重三重に形成されることで、エミッタコンタクトにおける電流集中を防ぎ、トランジスタのSOAをより拡大する効果が得られる。さらに、PNP型トランジスタにおいても、上記の実施例と同様に、ベース層3上に第2抵抗層12が形成され、さらに、エミッタ層4上に第1抵抗層11が形成されることで、上記の実施例と同様の効果が得られる。
The transistor of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, the
1 半導体基板
2 コレクタ層
3 ベース層
4、4a、4b エミッタ層
5 絶縁膜
6 コレクタ電極
7 ベース電極
8 エミッタ電極
9 ベースコンタクト
10 エミッタコンタクト
11 第1抵抗層
12 第2抵抗層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記コレクタ層上に島状に形成され且つ前記第1導電型と異なる第2導電型のベース層と、
前記ベース層上に少なくとも1つの島状に形成され且つ前記第1導電型のエミッタ層と、
前記ベース層と電気的に接続されベースコンタクトを形成するベース電極と、
前記エミッタ層と電気的に接続されエミッタコンタクトを形成するエミッタ電極と、
前記コレクタ層と電気的に接続されたコレクタ電極と、を有し、
前記エミッタ層上に形成され且つ前記第1導電型の第1抵抗層が、平面的に見て、前記ベースコンタクトを包囲するように形成されることを特徴とするトランジスタ構造。
A first conductivity type collector layer;
A base layer of a second conductivity type formed in an island shape on the collector layer and different from the first conductivity type;
An emitter layer of at least one island type and of the first conductivity type formed on the base layer;
A base electrode electrically connected to the base layer to form a base contact;
An emitter electrode electrically connected to the emitter layer to form an emitter contact;
A collector electrode electrically connected to the collector layer,
The transistor structure, wherein the first resistance layer of the first conductivity type is formed on the emitter layer so as to surround the base contact in a plan view.
2. The transistor structure according to claim 1, wherein the first resistance layer has an impurity concentration lower than that of the emitter layer.
3. The transistor structure according to claim 2, wherein the first resistance layer comprises a region in which the emitter layers formed in a plurality of islands on the base layer overlap in the horizontal direction.
4. The transistor structure according to claim 2, further comprising a second resistance layer formed in an island shape on the base layer between the base contact and the emitter contact and having the first conductivity type.
5. The transistor structure according to claim 1, wherein the transistor structure is a mesh emitter structure.
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2008
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