JP4031640B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイポーラトランジスタのベースに一定電圧以上の電圧が印加される場合に動作する電圧駆動型のデジタルトランジスタの動作をする半導体装置に関する。さらに詳しくは、ベースにツェナーダイオードを内蔵し、所望の動作電圧を調整し得るようにすると共に、印加入力の電流が多い場合でもトランジスタを破壊しないような構造のデジタルトランジスタの動作を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6に示される構造になっている。すなわち、n形半導体層11の表層部に、p形のベース領域12が形成され、このp形のベース領域12内にn形のエミッタ領域13が形成されている。ベース領域12には、p+形領域からなるコンタクト領域14を介してベース電極16が、エミッタ領域13には、エミッタ電極17がそれぞれ接合されている。コレクタ電極18は、n形半導体層11の下側のn+形半導体基板11a裏面に設けられている。19は絶縁膜である。
【0003】
そして、この構造のバイポーラトランジスタを用いて、デジタルトランジスタのような電圧駆動型トランジスタを構成する場合、たとえば図7に示されるように、コレクタ・エミッタ間に抵抗R1を介して電源電圧VCCを印加し、バイポーラトランジスタQのベースBに、分割抵抗R2、R3を介して所定の電圧がベースに印加された場合にトランジスタQがオンし、ベース電流IBに対して、コレクタ電流ICが流れ、所定の電圧に達していない場合にはオンしないような回路により形成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、デジタルトランジスタは、ベース電流によってベース・エミッタ間の電位をトランジスタQの動作する電圧(0.7V以上)に上げる回路を1チップ化した素子であるが、トランジスタQがオンするまでは分割抵抗R2、R3に電流が流れてしまうため、図4の破線Qに示されるように、電流増幅率hFEの直線性が悪く、コレクタ電流ICを大きくするには、ベース電流IBを大きくしなければならないという問題がある。また、コレクタ電流ICに対するコレクタ・エミッタ間の飽和動作電圧(VCE(sat))の関係が図8に示されるように、コレクタ・エミッタ間の飽和電圧を下げるためにも、ベース電流IBを充分に大きくする必要がある。
【0005】
しかも、ユーザによってトランジスタをオンにする入力電圧が1.5V〜数十Vと種々あり、その電流もユーザによって区々であるため、分割抵抗のR2およびR3をそれぞれ1kΩ〜100kΩ程度の間で種々組合せて製造しなければならず、製造のみならず、その保管管理が非常に複雑であるという問題がある。
【0006】
さらに、前述のトランジスタ構造でベース領域のベース電極16との接続部には、不純物濃度を高くしてオーミックコンタクトを得るためのp+形コンタクト領域14が形成されているが、そのコンタクト領域14の不純物濃度が高いと小数キャリアである電子がベース領域12とコンタクト領域14との間のp/p+接合によってせき止められ、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(とくにオフ時間が長くなる)うえ、消費電力の増大を招くという問題がある。
【0007】
さらに、前述の分割抵抗によるバイアス設定では、抵抗の負荷容量などによりスピードが遅れるという問題もある。また、ツェナーダイオードをトランジスタのベースに外付けで接続しても、ノイズを拾いやすくコンデンサを並列に接続してノイズ除去対策をする必要があり、また、接続リードなどにより発生する容量により、スピードが遅くなる。
【0008】
一方、本発明者は、トランジスタのスイッチング速度を早く、かつ、消費電力を低減することができるバイポーラトランジスタを得るため、図5に断面構造およびその等価回路が示されるように、ベース電極16のコンタクト部にベース領域の導電形と異なる導電形(エミッタ領域と同じ導電形)の拡散領域24を形成し、その拡散領域24にベース電極16をコンタクトさせる構造のトランジスタを発明し、特願2000−387465号により開示している。この構造にすることにより、拡散領域24がベース領域12との間で逆方向ダイオードとなり、図5(b)に示されるようなベースにツェナーダイオードZDを内蔵するトランジスタとなる。そのため、このツェナーダイオードのツェナー電圧以上の入力電圧が印加されないと、トランジスタQがオンせず、このツェナー電圧を調整することにより、デジタルトランジスタとして動作させることができる。
【0009】
しかし、この構造のツェナーダイオードのツェナー電圧を調整するには、拡散領域24の濃度を調整する必要があるが、プロセス的にはエミッタ領域13と同時に形成するのが好ましいにも拘わらず、要求されるトランジスタの特性からはエミッタ領域の濃度を自由に変えることはできず、エミッタ領域と別の工程でこの拡散領域24を形成するとしても、不純物濃度を余り下げると、ベース電極16とのコンタクト抵抗が増大してトランジスタの所望の特性が得られず、入力電圧が7V程度より低い電圧で動作させるトランジスタを作りずらいという問題がある。また、デジタルトランジスタとして使用しなくても、この構造にすることにより、前述のように、速いスイッチング速度と消費電力の小さいバイポーラトランジスタが得られるが、入力信号電圧が低い場合には、逆方向ダイオードのツェナー電圧を下げないと動作しないという問題がある。
【0010】
さらに、デジタルトランジスタにする場合、ユーザによって入力信号は区々であり、内蔵するツェナーダイオードによりオンさせる電圧を設定しても、入力信号が高い電圧で電流の大きい場合には、ベース電流が大きくなり、増幅されるコレクタ電流も非常に大きくなり、所望のトランジスタ特性が得られなかったり、トランジスタを破壊してしまうという問題もある。
【0011】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ベース電極のコンタクト部にベース領域と異なる導電形の拡散領域を形成するトランジスタのオンするベース入力信号電圧を調整し得る構造のバイポーラトランジスタを有する半導体装置を提供することを目的とする。
【0012】
本発明の他の目的は、ベースにツェナーダイオードを内蔵させ、デジタルトランジスタを構成する場合でも、ベース入力信号に拘わらず、ベース電流を制御し、コレクタ電流を調整し得る構造のバイポーラトランジスタを有する半導体装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置は、コレクタ領域とする第1導電形半導体層と、該第1導電形半導体層に設けられる第2導電形領域からなるベース領域と、該ベース領域内に設けられる第1導電形領域からなるエミッタ領域と、前記ベース領域に設けられる第1導電形領域からなるベース電極接続部と、該ベース電極接続部の周囲に、pn接合を形成し所望の電圧でツェナー降伏するように設けられる、第2導電形領域からなるツェナー電圧コントロール拡散領域と、前記ベース電極接続部と電気的に接続して設けられるベース電極と、前記エミッタ領域および前記コレクタ領域にそれぞれ電気的に接続して設けられるエミッタ電極およびコレクタ電極とを含み、ベースにツェナーダイオードが直列に内蔵された構造のバイポーラトランジスタを有している。
【0014】
この構造にすることによって、ベース電極接続部の周囲に、ベース領域と同じ導電形のツェナー電圧コントロール拡散領域が設けられているため、このツェナー電圧コントロール拡散領域の不純物濃度をベース電極接続部の不純物濃度に近づけることにより、ツェナー電圧を下げることができ、ベース電極接続部の不純物濃度を下げなくても、1.5〜5V程度の低い信号電圧で動作させることができる。すなわち、ツェナー電圧は、pn接合の両者間における不純物濃度の差が小さいほど小さく、大きくするほどツェナー電圧が高くなる。そのため、ベース領域の不純物濃度は、トランジスタの特性から余り高くすることができず、また、ベース電極接続部の不純物濃度は、接触抵抗などの問題からできるだけ不純物濃度を高くする必要があるが、それらの不純物濃度に拘わらず、ツェナー電圧を自由に調整することができる。
【0015】
前記ベース電極接続部に電気的に接続して抵抗体が設けられ、該抵抗体に電気的に接続して前記ベース電極が設けられることにより、入力信号が高い電圧の場合でも、過電流になってトランジスタを破壊することがないので好ましい。
【0016】
本発明による半導体装置の他の形態は、コレクタ領域とする第1導電形半導体層と、該第1導電形半導体層に設けられる第2導電形領域からなるベース領域と、該ベース領域内に設けられる第1導電形領域からなるエミッタ領域と、前記ベース領域に設けられ、該ベース領域とpn接合を形成し所望の電圧でツェナー降伏するように設けられる第1導電形領域からなるベース電極接続部と、該ベース電極接続部に電気的に接続して設けられる抵抗体と、該抵抗体に電気的に接続して設けられるベース電極と、前記エミッタ領域および前記コレクタ領域にそれぞれ電気的に接続して設けられるエミッタ電極およびコレクタ電極とを含んでいる。
【0017】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明のバイポーラトランジスタ構造を有する半導体装置について、図面を参照しながら説明をする。本発明による半導体装置は、その一実施形態の平面およびその断面の説明図が図1(a)および(b)に示されるように、コレクタ領域とする第1導電形(n形)半導体層11の表面に、第2導電形(p形)領域からなるベース領域12が形成されており、このp形ベース領域12内に第1導電形(n+形)領域からなるエミッタ領域13が形成されている。
【0018】
そして、ベース領域12に第1導電形(n+形)領域からなるベース電極接続部24が設けられ、さらにベース電極接続部24の周囲に、pn接合を形成し所望の電圧でツェナー降伏するように、第2導電形(p+形)領域からなるツェナー電圧コントロール拡散領域25が設けられ、図1に示される例では、さらにベース電極接続部24に金属電極16aを介してポリシリコンからなる抵抗体26が接続され、その抵抗体26の他端部側にベース電極16が、エミッタ領域13およびコレクタ領域11にそれぞれ電気的に接続してエミッタ電極17およびコレクタ電極18が設けられることにより、図1(c)に等価回路図が示されるように、ベースにツェナーダイオードZDおよび抵抗体26が直列に内蔵された構造のバイポーラトランジスタを有している。
【0019】
なお、コレクタ電極18はn形半導体層11が成長されるn+形半導体基板11aの裏面に設けられている。また、19は酸化シリコンなどの層間絶縁膜、29はチッ化シリコンなどからなる保護膜である。
【0020】
すなわち、前述のように、本発明者は、ベース領域12のベース電極16と接続する部分にベース領域12と異なる導電形のベース電極接続部24を形成することにより、スイッチングの際の少数キャリアを早期に消滅させてスイッチング速度を早くすると共に、消費電力を小さくし得るトランジスタ構造を、特願2000−387465号で開示しているが、本発明では、そのベース領域の導電形と異なる導電形のベース電極接続部を逆方向のツェナーダイオードとして利用することによりデジタルトランジスタとして動作し得るようにすると共に、デジタルトランジスタとして使用しない場合でも、低い入力信号に対しても動作し、スイッチング速度の速い半導体装置として動作するように、ベース電極接続部の周囲にベース領域と同じ導電形のツェナー電圧コントロール拡散領域26が形成されていることに特徴がある。
【0021】
ベース電極接続部24は、エミッタ領域13と同じ導電形であり、エミッタ領域13と同時に同じ不純物濃度で形成することができる。このベース電極接続部24をエミッタ領域13とは別の工程で形成し、その不純物濃度をエミッタ領域13とは異なる不純物濃度にすることもできるが、余り不純物濃度が小さくなると、ベース電極との接触抵抗が増大するため、不純物濃度としては、1×1017cm-3程度以上にすることが好ましい。一方、ベース領域13の不純物濃度は、トランジスタの電流増幅率を大きくしたり、特性を向上させるためには、1×1016〜1×1018cm-3程度にする必要がある。
【0022】
ベース電極接続部24とベース領域12との間に形成されるpn接合からなるダイオードの逆方向ツェナー電圧は、この両者の不純物濃度の差が大きいと高く、濃度差が小さいと低い。しかし、前述のように、両者の不純物濃度は、トランジスタの特性から制約を受けており、トランジスタを高性能に動作させるためには、両者の不純物濃度差がある程度以上に大きくなり、ツェナー降伏電圧は7〜30V程度になってしまう。そのため、トランジスタ特性を高性能に維持しながら、それより低い信号電圧でトランジスタをオンさせたり、たとえばLSIのロジック回路に接続されるデジタルトランジスタのように、1.5〜5V程度の所望の低い信号電圧でオンさせるトランジスタを実現することが難しい。
【0023】
そこで、本発明では、ベース電極接続部24をベース領域12と逆導電形のn+形とし、その接続部とpn接合を形成するp形領域の不純物濃度を所望の濃度に調整し得るように、ベース電極接続部24の周囲にツェナー電圧コントロール拡散領域25を形成することにより、スイッチング速度を早くしたり、消費電力を抑えながら、低い電圧の入力信号により動作したり、所望の電圧でツェナー降伏を生じ、デジタルトランジスタとして動作するようにしたものである。
【0024】
このツェナー電圧コントロール拡散領域25は、ベース領域より不純物濃度の大きい領域を形成し、低い電圧でもツェナー降伏を起こさせるものであるため、ベース電極接続部24とのpn接合の一部に形成されておれば、そこでツェナー降伏をする。そのため、ベース電極接続部24の周囲全体に亘って形成されていなくても、周囲の一部やベース電極接続部の拡散深さより浅い拡散領域で充分に目的を達成することができる。ベース電極接続部24の不純物濃度は、前述のように電極金属との接触抵抗などの観点から、たとえば1×1019〜1×1020cm-3程度の一定の不純物濃度に設定されており、このツェナー電圧コントロール拡散領域25の不純物濃度を1×1016〜1×1019cm-3程度の範囲で所望の濃度に制御することにより、デジタルトランジスタのような所望の入力電圧でオンにするトランジスタでも、容易に形成することができると共に、トランジスタの特性を高性能に維持し、何ら影響を及ぼすことがない。このベース電極接続部24(n+)、ツェナー電圧コントロール拡散領域25(p+)およびベース領域12(p)におけるそれぞれの不純物濃度の関係を図2に示す。
【0025】
このツェナー電圧コントロール拡散領域25の形成は、たとえばベース電極接続部24の拡散領域を形成した後に、その周囲に開口部を設けたマスクを形成し、p+形の不純物を拡散することにより形成するのが、ベース電極接続部の不純物濃度を下げる虞れがないため好ましい。この場合、ベース電極接続部24とツェナー電圧コントロール拡散領域25とが離れすぎたり、オーバラップしないようにマスク合せする必要があるが、少々のマスクずれは余り問題にならない。
【0026】
図1に示される例は、ベース電極接続部とベース領域との間のpn接合をツェナーダイオードとして用いたデジタルトランジスタの例で、そのツェナーダイオードに直列に抵抗体26が接続され、その抵抗体26の他端側にベース電極16が形成されている。この抵抗体26は、図1に示される例では、半導体基板の表面に層間絶縁膜19を介してポリシリコン膜で形成され、その上にさらに保護膜としての絶縁膜29が形成され、被覆されている。しかし、抵抗体26は、このようなポリシリコンにより形成されなくても、半導体層中に拡散をした拡散抵抗体でも構わない。
【0027】
この抵抗体26をベース側に接続するのは、ベースに高い電圧が印加される場合でも、ベース電流が大量に流れ、それに伴いコレクタ電流が非常に多くなってトランジスタが破壊するというような事態を生じさせないためである。すなわち、ベースにツェナーダイオードが挿入されたデジタルトランジスタは、図3にベース・エミッタ間電圧VBEとベース電流IBとの関係がAで示されるように、たとえばツェナー電圧が5Vであれば、5Vまではベース電流IBが流れず、トランジスタはオンしない。しかし、5Vを超えるとベース電流IBが流れ始め、トランジスタがオンすると共に、ベース・エミッタ間電圧VBEがそれより大きくなるとIBも急激に増大する。そのため、増幅されるコレクタ電流ICも急激に増大し、トランジスタの破壊に至る虞れがある。
【0028】
一方、ベースに直列に抵抗体26が接続されていることにより、ベース電流IBが流れ始めるとその電流で電圧降下が生じ、トランジスタのベース領域とエミッタ領域間に印加される電圧はその抵抗体による電圧降下分下がる。すなわち、図3のBに示されるように、ベース電極に印加される電圧が増加しても、ベース電流の増加傾向が傾斜し、極端なベース電流の増大を防止することができる。
【0029】
ベース電極接続部24、ツェナー電圧コントロール拡散領域25および抵抗体26が設けられる以外の他の構造は、従来のバイポーラトランジスタの構造と同様で、ベース領域22やコレクタ領域となるn形半導体層21の不純物濃度は、使用目的の逆耐圧などにより設定される。なお、図1に示される例では、図1(a)に半導体層表面の平面説明図が示されるように、平面形状が3角形状のp形ベース領域12内に3角形状のn+形エミッタ領域13が形成され、3角形の底辺側にベース電極接続部24およびツェナー電圧コントロール拡散領域25が形成された単純構造の例で、トランジスタの形成されない部分にポリシリコンによる抵抗体26が形成されている。これは、放電などにより絶縁膜を破壊してトランジスタを破壊しないようにするためである。
【0030】
以上のように、本発明によれば、トランジスタのベースにツェナーダイオードが直列に内蔵されているため、そのツェナーダイオードのツェナー電圧以上の一定の入力に対してトランジスタをオンにするデジタルトランジスタを実現することができる。その結果、従来の抵抗分割によるデジタルトランジスタと異なり、トランジスタがオンしないような低い電圧ではベース電流は殆ど0であり、分割抵抗に流れる無駄なベース電流が存在しない。そのため、図4のPにコレクタ電流ICに対する電流増幅率hFEの関係が示されるように、コレクタ電流ICの小さい範囲でも、電流増幅率hFEとして一定の特性が得られ、図4のQに示される従来の特性と大きく異なり、高特性のトランジスタ動作をする。これは、分割抵抗による無効電流がないため、ベース電流IBが全て増幅されてコレクタ電流ICになるのに対して、従来の分割抵抗によるデジタルトランジスタでは、僅かながら分割抵抗を介して流れる無効電流があり、ベース電流IBの小さいところではその割合が大きく電流増幅率hFEに顕著に現れるが、ベース電流IBが多くなると、割合としては小さくなるため、電流増幅率hFEには余り現れないためである。
【0031】
さらに、従来のデジタルトランジスタでは、ユーザの使用状況により、図7に示される分割抵抗R2とR3の組合せを種々作らなければならなかったが、本発明によれば、オンさせるデジタル電圧の設定は、ツェナー電圧コントロール拡散領域により、たとえば1.5V、3V、5V、12V程度の種類に設定され、それぞれについて、たとえば10kΩと100kΩの抵抗体を接続したものを製造しておくだけですみ、沢山の抵抗の組合せをする必要がない。
【0032】
さらに、ツェナーダイオードを外付け(トランジスタのベースリードにツェナーダイオードを接続)する場合、ノイズを拾いやすく、ノイズによりオンする場合があるため、コンデンサを並列に入れてノイズ除去を図る必要があるが、本発明では、ツェナーダイオードが内蔵されているため、ノイズを拾い難いと共に、ツェナーダイオード間に寄生の容量が形成され、そのようなのイズ対策を何ら行う必要がないという利点がある。
【0033】
前述の例では、単一のエミッタ領域と単一のベース領域という単純構造のトランジスタの例であったが、大電流を必要とする場合には、マルチエミッタ構造、ストライプ型エミッタ構造、またはマルチベース構造などにすることもできる。また、抵抗体を接続する場合でも、ポリシリコンによる抵抗体に限らず、拡散抵抗などの他の抵抗体でも構わない。また、絶縁膜破壊の虞れがなければ、素子が形成された上に絶縁膜を介して抵抗体を形成することもできる。
【0034】
さらに、入力信号がほぼ一定で、ベース電流が過大になる虞れのない場合には、抵抗体を接続する必要はなく、また、入力電圧が7V程度以上の高い電圧の場合には、前述のツェナー電圧コントロール拡散領域を形成しなくても、ベース電極接続部の不純物濃度によりツェナー電圧を調整することも可能である。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、所定電圧以上の入力の場合のみにトランジスタをオンさせるデジタルトランジスタを構成する場合でも、トランジスタの特性を維持しながら、所定の電圧を自由に設定することができる。しかも、無効なベース電流がないため、ベース電流の小さい部分でも電流増幅率の大きなデジタルトランジスタが得られる。
【0036】
また、ベース側に抵抗体が内蔵されることにより、ツェナー電圧より高い電圧が印加される場合でも、ベース電流が多くなりすぎてトランジスタの所望のコレクタ電流が得られなかったり、トランジスタを破壊することが無く、高特性のトランジスタを維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるバイポーラトランジスタ構造を有する半導体装置の一実施形態を説明する図である。
【図2】図1のベース電極接続部、ツェナー電圧コントロール拡散領域およびベース領域におけるそれぞれの不純物濃度の関係例を示す図である。
【図3】図1の抵抗体がある場合とない場合とで、ベース・エミッタ間電圧に対するベース電流の変化を示す図である。
【図4】図1のコレクタ電流に対する電流増幅率の関係を従来構造の場合と対比して示す図である。
【図5】スイッチング速度を早く、かつ、消費電力を低減すべく開発されたバイポーラトランジスタの断面構造を示す説明図である。
【図6】従来のバイポーラトランジスタの構造例を示す断面説明図である。
【図7】従来のバイポーラトランジスタをデジタルトランジスタとして使用する場合の回路例をそれぞれ示す図である。
【図8】図7に示すデジタルトランジスタのコレクタ電流とコレクタ・エミッタ間飽和電圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
11 半導体層(コレクタ領域)
12 ベース領域
13 エミッタ領域
16 ベース電極
17 エミッタ電極
18 コレクタ電極
24 ベース電極接続部
25 ツェナー電圧コントロール拡散領域
26 抵抗体
Claims (3)
- コレクタ領域とする第1導電形半導体層と、該第1導電形半導体層に設けられる第2導電形領域からなるベース領域と、該ベース領域内に設けられる第1導電形領域からなるエミッタ領域と、前記ベース領域に設けられる第1導電形領域からなるベース電極接続部と、該ベース電極接続部の周囲に、pn接合を形成し所望の電圧でツェナー降伏するように設けられる、第2導電形領域からなるツェナー電圧コントロール拡散領域と、前記ベース電極接続部と電気的に接続して設けられるベース電極と、前記エミッタ領域および前記コレクタ領域にそれぞれ電気的に接続して設けられるエミッタ電極およびコレクタ電極とを含み、ベースにツェナーダイオードが直列に内蔵された構造のバイポーラトランジスタを有する半導体装置。
- 前記ベース電極接続部に電気的に接続して抵抗体が設けられ、該抵抗体に電気的に接続して前記ベース電極が設けられてなる請求項1記載の半導体装置。
- コレクタ領域とする第1導電形半導体層と、該第1導電形半導体層に設けられる第2導電形領域からなるベース領域と、該ベース領域内に設けられる第1導電形領域からなるエミッタ領域と、前記ベース領域に設けられ、該ベース領域とpn接合を形成し所望の電圧でツェナー降伏するように設けられる第1導電形領域からなるベース電極接続部と、該ベース電極接続部に電気的に接続して設けられる抵抗体と、該抵抗体に電気的に接続して設けられるベース電極と、前記エミッタ領域および前記コレクタ領域にそれぞれ電気的に接続して設けられるエミッタ電極およびコレクタ電極とを含むバイポーラトランジスタ構造を有する半導体装置。
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