JP2555794B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2555794B2
JP2555794B2 JP3072772A JP7277291A JP2555794B2 JP 2555794 B2 JP2555794 B2 JP 2555794B2 JP 3072772 A JP3072772 A JP 3072772A JP 7277291 A JP7277291 A JP 7277291A JP 2555794 B2 JP2555794 B2 JP 2555794B2
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将弘 岩村
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明はインバータ回路に係り、
特に電界効果トランジスタとバイポーラトランジスタと
を複合した高速,低消費電力の半導体集積回路のデバイ
ス構造に関する。 【0002】 【従来の技術】MOSトランジスタとバイポーラトラン
ジスタとを複合したインバータ回路の例として、特開昭
54−148469号に記載がある。この回路は、CMOS回路
の駆動力不足を解決するものである。 【0003】また、MOSトランジスタとバイポーラト
ランジスタとの複合回路のデバイス構造を示すものとし
て、IEEE Trans.ElectronDevices,vol.ED−16,N
o.11.Nov,1969,p945〜952のFig.1に
記載がある。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】上記従来例のインバー
タ回路ではバイポーラトランジスタがNPN,PNPの
相補型を用いており、そのスイッチング特性を合わせる
ことが困難である。 【0005】また、PNPを使用しているため、次のよ
うな問題がある。すなわち、PNPはキャリアが正孔で
あることや、今日の製造技術の問題からNPNに相当す
る高性能トランジスタが作れない。ちなみに、今日のプ
ロセス,デバイス技術でNPNはfT が数GHzのものが
容易に得られるがPNPのfT は数10〜数100MH
zである。したがって、この回路では回路のスイッチン
グ速度がPNPの性能で制限され、高速化が困難であ
る。 【0006】また上記従来のデバイス構造では、NPN
バイポーラトランジスタのコレクタが基板で形成されて
いるため以下のような問題を生ずる。 【0007】すなわち、このような構造においては、コ
レクタ電流が基板中を流れるが、基板は不純物濃度が低
いので、コレクタ抵抗,Rcが大きくなる。したがって
スイッチングのとき、コレクタ基板の電位が低下する。
この基板電位の変動により、同一チップ上の他の素子は
Vth(閾値電圧)の変動やラッチアップなど種々の悪
影響を受ける。従って、LSI化が困難である。また、
コレクタ電位の低下によりベース電位よりコレクタ電位
が低くなることによってバイポーラトランジスタが飽和
してしまい高速スイッチングが不可能となる。更に、電
極が基板の両表面に存在することから配線の自由度を十
分にとることが出来ずLSIの自由度が小さい。 【0008】本発明以上の問題点に鑑み、高速,低消費
電力でかつLSI化に適した半導体集積回路を提供する
ことにある。 【0009】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、同一基板上に複数の素子が形成され、上記基
板は他方導電型基板である半導体装置において、上記複
数の素子のうち少なくとも1つは、上記他方導電型基板
上に電気的に絶縁するように形成された第1の一方導電
型半導体層の上に形成され、ソースとドレインが他方導
電型拡散層に形成される電界効果トランジスタであっ
て、上記複数の素子のうちバイポーラトランジスタは、
上記他方導電型基板上に電気的に絶縁するための第2の
一方導電型半導体層を形成し、上記第2の一方導電型半
導体層の上に上記電界効果トランジスタの他方導電型拡
散層より低い濃度の他方導電型半導体層が形成され、上
記他方導電型半導体層の上に第3の一方導電型拡散層が
形成され、コレクタは上記第2の一方導電型半導体層に
形成した第3の一方導電型拡散層に形成され、ベースは
上記他方導電型半導体層に形成され、エミッタは上記第
2の一方導電型拡散層に形成され、上記電界効果トラン
ジスタのソースまたはドレインの形成される領域の深さ
より上記ベースの形成される領域の深さが深いコレクタ
分離型の縦型バイポーラトランジスタであって、上記コ
レクタ、上記ベース、上記エミッタ及び上記MOS電界
効果トランジスタのゲート、ソース及びドレインは同一
主平面上に電極が形成されていることを特徴とする。 【0010】 【作用】本発明の特徴によれば半導体集積回路を構成す
る2個のバイポーラトランジスタのコレクタ,エミッタ
及びベース電極のすべてが一主表面上に位置している。
まず、コレクタは基板で形成されていないことから上述
したような他の素子に悪影響を及ぼすことがない。ま
た、電極すべてが同一主表面上にあることから、配線の
自由度が増す。これらのことにより回路のLSI化が容
易に行える。 【0011】また、バイポーラトランジスタがその半導
体層を縦型にして構成されるので、バイポーラトランジ
スタの高性能化及び、半導体集積回路の高密度化が図れ
る。 【0012】更に本発明の別の特徴によれば一方及び他
方の導電型電界効果型トランジスタのドレイン,ソー
ス,ゲートの電極がバイポーラトランジスタと同じ一主
表面上に位置している。このことにより、更にLSI化
が容易になる。 【0013】 【実施例】図1は本発明の一実施例を示すインバータ回
路図である。図において、43は他方導電型電界効果ト
ランジスタであるPMOS,44,45,46は一方導
電型電界効果トランジスタであるNMOS,47,48
は第1,第2のNPNバイポーラトランジスタである。
PMOS43とNMOS44はCMOSインバータを構成しており、
夫々のゲートGが共通入力端子40に接続され、夫々の
ドレインDが第1のNPN47のベースBに接続される
とともにNMOS46のゲートGにも接続される。PMOS43とNM
OS44のソースSは夫々第1の電位となる電源端子42と
第2の電位となる接地電位GNDに接続される。NMOS45
のドレインDは出力端子41に、ゲートGは入力端子4
0に、ソースSはNMOS46のドレインDと第2のNPN4
8のベースBに接続される。NMOS46のソースSは接地電
位GNDに接続される。また、第1のNPN47のコレ
クタCは電源42に、ベースBはPMOS43とNMOS44の共通
ドレイン接続点に、エミッタEはNMOS45のドレインDと
第2のNPN48のコレクタCと出力端子41に共通接
続される。第2のNPN48のベースBはNMOS45のソー
スSとNMOS46のドレインDに共通接続され、エミッタE
は接地電位GNDに接続される。また、CL は負荷容量
である。 【0014】次に本実施例のインバータ回路の動作を説
明する。いま、入力VI が低レベルから高レベルにスイ
ッチするとPMOS43はオフ、NMOS44はオンとなり、第1の
NPN47のベースは低レベルとなるためNPN47お
よびNMOS46はオフとなる。一方、NMOS45がオンとなるた
め、出力端子41から第2のNPN48のベースへの電
流路が形成され、第2のNPN48がオンし、出力V0
は高レベルから低レベルへスイッチする。 【0015】次に、入力Vが高レベルから低レベルに
スイッチするとNMOS45、第2のNPN48がオフ
となる。一方、PMOS43がオンとなり、NMOS4
4がオフとなるため、電源端子42から第1のNPN4
7のベースへの電流路が形成され、第1のNPN47の
ベースは高レベルにスイッチし、第1のNPN47とN
MOS46がオンする。したがって出力Vは低レベル
から高レベルにスイッチする。ここでNMOS46の働
きは高速スイッチングのために重要である。NMOS4
6はダイナミックディスチャージ回路として作用する。
すなわち、入力Vが低レベルから高レベルにスイッチ
するときPMOS43はオフし、NMOS44がオン
し、NMOS46のゲートは第1のNPN47のベース
信号に応答して高レベルから低レベルにスイッチするた
めNMOS46はオフになる。したがって、第2のNP
N48のベースBと接地電位GNDは電流パスが無いた
め出力VよりNMOS45を通して流れる電流はすべ
て第2のNPN48のベースBに流れるため、第2のN
PN48は高速にターン・オンできる。次に、入力V
が高レベルから低レベルにスイッチするとき、NMOS
46のゲートGは第1のNPN47のベース信号に応答
して低レベルから高レベルにスイッチするため、NMO
S46はオンになる。したがって、第2のNPN48の
ベースBは低インピーダンスで接地され、ベース領域の
寄生電荷を速やかに放電する。このため、第2のNPN
48のターンオフが速やかに行われ、第1のNPN47
から流れる電流はすべて負荷Cの充電電流になり、高
速に充電が行われる。 【0016】図2は本実施例インバータ回路の入出力特
性を示している。回路の論理スレッショールド電圧VLT
は通常電源電圧の1/2の値に設定するが、用途により
LTを変える場合はPMOS43とNMOS44のサイズ比を選択す
ることにより、容易にVLTを変えることができる。 【0017】図3は、CMOSインバータと本実施例イ
ンバータ回路の負荷容量CL に対する遅延時間特性を示
す。図中(A)はCMOSインバータ回路の遅延時間特
性であり、(B)は本実施例インバータの遅延時間特性
である。図より明らかなように本実施例インバータ回路
は微少負荷領域C1 以下ではCMOSインバータより僅
かに遅くなるが、高駆動能力を要求される高負荷領域で
ははるかに高速であることがわかる。 【0018】図4は図1の回路を実現するためのデバイ
ス断面構造を示し、図4と同一部分は同一番号を付して
いる。なお、図面の複雑化を避けるため図1のPMOS43,
NMOS44,NPN47の部分のみ図4に示されている。 【0019】図4において、70はP型半導体基板、7
1は素子相互間を分離するためのP型分離層である。P
MOS43はN型エピタキシャル層73を基板としてP
+拡散74,75によりドレイン,ソース領域が形成さ
れる。PMOS43の基板73はN+拡散76によりオ
ーミックコンタクトがとられ、電源42に接続される。
MOS44はN型エピタキシャル層上にP型拡散により
ウエル領域80が形成され、その中にN+拡散によりソ
ース81,ドレイン82が形成される。NMOS44の
基板80はP+拡散83によりオーミックコンタクトが
とられ、接地電位に接続される。なお、77,84は夫
々、PMOS,NMOSのゲート電極であり、ポリシリ
コン形成される。 【0020】NPN47は縦型であり、N型エピタキシ
ャル層90をコレクタとし、N+ 拡散によりオーミック
コンタクトをとって電源42に接続される。ベースはP
型ベース拡散92により形成され、その中にN+ 拡散9
3によりエミッタが形成される。 【0021】図から明らかなようにNPN47のコレク
タ電極は半導体基板70と分離して形成されているの
で、電気的に絶縁された状態にあり、かつ、ベース電
極,エミッタ電極と同一主平面上に位置している。ま
た、PMOS43、及びNMOS44のソース電極,ド
レイン電極,ゲート電極も上述した同一主平面上に位置
している。すなわち本実施例のデバイス構造によれば半
導体素子のすべての電極が同一主平面上に位置すること
になり、配線の自由度が高く、LSI化の自由度が増
す。 【0022】なお、図中、NBLとあるのはN+ 型高濃
度埋込み層であり、主としてNPN47のコレクタ抵抗を小
さくするために使われている。 【0023】 【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、高速,低消費電力の半導体集積回路を実現でき
る。また、本発明の半導体集積回路のデバイス構造は、
自由度の高いLSI化が実現でき、メモリLSIや論理
LSIに適用した場合その効果は顕著である。
【図面の簡単な説明】 【図1】図1は本発明の一実施例を示すインバータ回路
図である。 【図2】図2は図1のインバータ回路の伝達特性を示す
図である。 【図3】図3は図1のインバータ回路の遅延時間特性を
示す図である。 【図4】図4は図1のインバータ回路のデバイス断面構
造を示す図である。 【符号の説明】 43…PMOS、44,45,46…NMOS、47,
48…NPN。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】1. 同一基板上に複数の素子が形成され、上記基板は他
    方導電型基板である半導体装置において、 上記複数の素子のうち少なくとも1つは、上記他方導電
    型基板上に電気的に絶縁するように形成された第1の一
    方導電型半導体層の上に形成され、ソースとドレインが
    他方導電型拡散層に形成される電界効果トランジスタで
    あって、 上記複数の素子のうちバイポーラトランジスタは、上記
    他方導電型基板上に電気的に絶縁するための第2の一方
    導電型半導体層を形成し、上記第2の一方導電型半導体
    層の上に上記電界効果トランジスタの他方導電型拡散層
    より低い濃度の他方導電型半導体層が形成され、上記他
    方導電型半導体層の上に第3の一方導電型拡散層が形成
    され、コレクタは上記第2の一方導電型半導体層に形成
    した第3の一方導電型拡散層に形成され、ベースは上記
    他方導電型半導体層に形成され、エミッタは上記第2の
    一方導電型拡散層に形成され、上記電界効果トランジス
    タのソースまたはドレインの形成される領域の深さより
    上記ベースの形成される領域の深さが深いコレクタ分離
    型の縦型バイポーラトランジスタであって、 上記コレクタ、上記ベース、上記エミッタ及び上記電界
    効果トランジスタのゲート、ソース及びドレインは同一
    主平面上に電極が形成されていることを特徴とする半導
    体装置。2. 特許請求の範囲第1項において、 上記一方導電型はN型であり、上記他方導電型はP型で
    あることを特徴とする半導体装置。
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