JPH0397259A - 低温動作半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＩＩＬ（インテグレイテイド・インジエクシシ
ョン・ロジック）構造あるいはその類似構造を有する半
導体装置に係わり、特に、２００Ｋ以下の低温において
高速に動作する半導体装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のＩＩＬ構造について述べられているものには、例
えば、柳井久義，永田穣著の集積回路工学（２）、第８
７項から第９２項がある。ＩＩＬの断面構造を第１図に
，従来のＩＩＬ構造での不純物濃度分布を第６図に示す
。通常、ＩＩＬではエミッタ領域２の不純物濃度は５　
Ｘ　１　０　１５／　ａｍ”程度、ベース領域５の最大
不純物濃度は５Ｘ１０１７／■３程度になっている。ｎ
ｐｎトランジスタを逆方向動作で用いるのがＩＩＬの特
徴の一つである。エミッタ領域の濃度が低いのは、同一
チップ上の順方向動作ｎｐｎトランジスタのコレクタ耐
圧を得るためで、常温（３００Ｋ）程度の温度では逆方
向動作のＩＩＬを十分に動作させることができる。エミ
ッタは基板として全て接地され、電極を取り出す必要が
無いので、集積度は非常に高くなる。また、回路的には
ペースコレクタ間電圧ＶＢＥ程度の低電圧で動作するの
で、低消費電力であるという特徴を持つ。

〔発明が解決しようとする課題〕

ＩＩＬの一般的な問題として，逆方向ｎｐｎトランジス
タの性能が良くないため、動作速度が上がらないという
問題が有る。この問題の解決には基本的に高性能な逆方
向動作トランジスタが必要である．その一つとして、Ｉ
ＩＬの低温動作が考えられる。

従来のＩＩＬを２００Ｋ以下の低温で動作させる時の問
題点を第ｌ図を用いて説明する。まず、エミッタ領域２
の不純物濃度がモット転移濃度以下であるためにキャリ
ア・フリーズアウトが起り、多数キャリアが不純物準位
にトラップされる現象が起きる。このため、エミッタ抵
抗が急激に上昇し、動作できなくなる。また、エミッタ
領域の不純物濃度を上げた場合にはバンドギャプナロー
イングを起すことが知られている。ベース領域５の濃度
がエミッタ領域２よりも低い場合には、エミッタのバン
ドギャプナローイング量がベースより大きく、エミッタ
とベースの間にバンドギャップの障壁ができ、エミッタ
からの電子の注入が抑えられ、電流増幅率が下がって、
動作できなくなる。

ＩＩＬ構造に含まれる横型ｐｎｐトランジスタにおいて
も、ベース領域（ｎｐｎトランジスタのエミッタ領域２
と同一層）のキャリアフリーズアウト，インジェクタ領
域３のバンドギャップナローイングがベース領域２より
も大きいために正孔の注入ができなくなるという問題点
がある。

以上に述べた原因により、従来のＩ　Ｉ　Ｌは２００Ｋ
以下の低温では正常な性能が得られない。

本発明の目的は，低温の環境で起るこのような現象を考
慮して，２００Ｋ以下の低温において高速な動作を可能
にした、ｒＩＬ［造を提供することにある。

Ｃ？ＲＭを解決するための手段〕 上記目的は、エミッタ領域２の不純物濃度を１０１８／
ａｍ３以上とし、ベース領域５の不純物濃度をエミッタ
領域の不純物濃度以上とすることにより達成される。こ
のような濃度分布は、プレーナプロセス技術を用いた場
合、逆方向動作の方が作りやすい。従って、逆方向動作
が基本になるＩＩＬ構造に適している。さらにインジェ
クタ領域３の上記エミッタ領域２に接している部分の不
純物濃度を上記エミッタ領域２と同一あるいはそれ以下
の濃度とすることにより、ＩＩＬの横型ｐｎｐ　ｈラン
ジスタ領域も正常に動作する。また、低温ではベース領
域５中の少数キャリア移動度が大幅に上昇するため、常
温よりも高速化が可能である。以上の手段により、２０
０Ｋ以下の低温で，高速に動作するＩＩＬ構造の半導体
素子を提供することができる。

〔作用〕

のＩＩＬの２００Ｋ以下での低温における第一の問題点
は、エミッタ領域２のキャリアフリーズアウトであった
。これはエミッタ領域の不純物濃度をモット転移濃度よ
りも高くすることにより、不純物準位にバンドを作り、
キャリアフリーズアウトを起こらないようにすることで
解決することができる。しかしながら、エミッタ領域の
不純物濃度を高くすると、この領域でのバンドギャップ
ナローイングが問題となる。ベース領域５よりもエミッ
タ領域２のバンドギャップが小さくなるので、低温では
この効果がきいて，電流増幅率が低下し、動作できなく
なる。バンドギャップナローイングは，不純物濃度が高
いほど大きいことが知られている。そこで、ベース領域
５の不純物濃度を１０工８／ａＩ＋３以上にしてこの現
象を起こさせ、逆にエミッタ領域２は不純物濃度をベー
ス領域５の不純物濃度以下にしてこの現象を抑える。す
ると低温では、ベース領域５のバンドギャップナローイ
ングによるエネルギーギャップが効いてきてエミッタ領
域２からの少数キャリアの注入効率が上がる．またベー
ス領域の不純物濃度が高いので、キャリアフリーズアウ
トも起こらずベース抵抗が上がることもない。

インジエク領域３のベース領域（ｎｐｎトランジスタの
エミッタ領域２と同一層）に接する部分に設けた低濃度
不純物層４の作用を第４図を用いて説明する。低濃度不
純物層４は、ベース領域と同一あるいはそれ以下の濃度
に設定してある。従って、バンドギャップナローイング
の値は同じかインジェクタ領域の方が小さいので、バン
ドギャップ障壁は生まれない。低温においてもこの関係
は変化しないので、低温においても常温と同じ程度かそ
れ以上の電流増幅率を得ることができる。

以上の作用により、低温においても高性能なＩＩＬを提
供することができる。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。ここ
で図示されていない冷却装置（例えば、液体窒素、液体
ヘリウム、液体空気等を用いたもによって、半導体装置
は２００Ｋ以下の低温に冷却されているものとする。

以下の説明では、第１導電型にｎ型、第２導電型にｐ型
を対応させたが、これを反対にしても動作原理は同等で
ある。

第１図は本発明の第工の実施例を示したものである。

まず，ベース領域５の最大不純物濃度をＩＸＩＯ”／■
３に設定してある。不純物濃度が１０１８／−８以上な
ので，この領域でバンドギャップナローイングが起り、
０．１ｅＶ程度バンドギャップが小さくなる。一方、エ
ミッタ領域２では不純物濃度が１０１８／０３程度なの
で、キャリアフリーズアウトは起こらず、また、ベース
領域５と比較してバンドギャップナローイングの値は小
さい。従って，エミッタ領域２とベース領域５はバンド
ギャップの異なる一種のへテロ接合となる。エネルギー
ギャップは０．１　ｅＶ程度なので常温ではほとんど無
関係であるが，低温ではこのエネルギーギ？流増幅率（
ｈｆｅ）が温度の逆数の指数関数で増加する。断面ａ−
ａ’の不純物濃度分布と電子のエネルギーバンド図を第
２図に示した。ベース領域はバンドギャップナローイン
グにより、バンドギャップがＥ＋ｒ２に縮小し、エミッ
タ領域はバンドギャップナローイングがほとんど起きな
いのでＥ■、のままである。

製造方法は、通常のプロセスとほとんど同じである。高
濃度基板１上にエミッタ領域となるリンドープのエビタ
キシャル層２を成長させる。その後、ボロンをイオン打
込みして拡散させ、ベース領域５とインジェクタ領域３
を同時に形成する。

その後ヒ素をイオン打ち込みして拡散し、コレクタ領域
６を形成する。

第ｌの実施例に対応する回路図を第３図に示す。

点線で囲った部分が第１図の断面構造に対応している。

この回路図から分かるように、ＩＩＬ回路は、本来負荷
に相当するｐｎｐｔ’ランジスタが入力のベースに接続
され、１セル単位↓こなっている動作を使用しているた
め，コレクタを多数取り出せるメリットがある。ここで
はインジェクタとして横型ｐｎｐを用いているが、この
代わりに抵抗やＭＯＳＦＥＴでも動作させることができ
る。

次に第２の実施例を第４図に示す。ＩＩＬのインジェク
タ領域にエミッタ領域２とほぼ同一な不純物濃度の低不
純物濃度層４を設けている。これにより、インジェクタ
領域のバンドギャップナローイングはエミッタ領域２と
ほぼ同じになるので、インジェクタからエミッタ領域へ
の正孔の注入効率が低温においても低下せずに動作する
ことができる。この領域の断面ｂ−ｂ’の不純物濃度分
布とバンド図を第５図に示す．さらに、ベース１！極下
のエミッタ領域に面する部分に設けた領域７は、領域４
と同じ濃度の層で、この領域へのエミッタ領域からの電
子の注入を抑えている。これにより、ｎｐｎ　トランジ
スタの真性部分に電子が注入されるので、電流増幅率、
遮断周波数等において本来の性能を引きだすことができ
る。また、低不純物果もある， 製造方法は、第１の実施例のプロセスに加えて、低不純
物濃度層形成の工程が入る。エミッタ領域エビタキシャ
ル層を或長させた後、ボロンをイオン打ち込みして、拡
散させ、低不純物濃度層４と７を同時に形成する。その
後は第１の実施例のプロセスと同じである。

次に第３の実施例を第７図，第８図を用いて説明する。

この実施例はＳ　Ｉ　Ｃ　Ｏ　Ｓ　（ＳＩｄｅｗａｌｌ
Ｃｏｎｔａｃｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を用いた、低温
動作ＩＩＬの実施例である．基本的な濃度分布は第２の
実施例と同じである．インジェクタ領域３と注入効率を
高めるための低不純物濃度層４はポリシリコン１１から
の二重拡散で形成している。先ず、ポリシリコンに通常
の１／１０の量のボロンのイオン打ち込みをして，ドラ
イブイン拡散を行なって、低不純物層４を形成する．こ
の時、横型ｐｎｐトランジスタのコレクタ側のポリシリ
コンに低濃度層は形成しないほうがよい．インジェクタ
から注入された正孔を効率良く集めるため、バンドギャ
ツプナローイングを起こさせた方が良いからである。次
に通常の量のボロンをイオン打ち込みして、その後は通
常のＳＩＣＯＳＩＩ造工程に従って作成する。その後の
熱工程により、通常のインジェクタ領域３形成する。ｎ
ｐｎトランジスタ領域の周辺部分（グラフトベース）へ
の注入を抑える低不純物濃度層７は，低不純物濃度Ｎ４
と同じくポリシリコンからの二重拡散で作っている。

本実施例によれば、エミッタ、ベースの濃度分布と低不
純物濃度層４，７の効果により、低温での高速な動作が
可能になる。さらに、外部ベース領域がほとんどポリシ
リコンで酸化膜上に形成されているため、動作はほとん
ど真性部分となり、また、外部ベース領域とエミッタの
間には接合がなく、ペースエミッタ間の容量が小さいの
で、第２の実施例よりもさらに高速な動作が可能となる
。

第８図は本実施例の上面図で，ベースのイオン打ち込み
をする前の状態を示している。ｎｐｎトランジスタの部
分は動作領域のまわりをボリシリコ純物濃度層７と通常
のグラフトース領域１２を形成し、横型ｐｎｐ部分は対
面する一方向だけにポリシリコンを設けて、インジェク
タ領域のみ二重拡散を行なって、横型ｐｎｐ｝’ランジ
スタを実現している。

次に、第４の実施例の断面構造を第９図に、回路図を第
１０図に示す。第１０図の点線で囲った領域が断面構造
に対応する。本実施例では、第２の実施例のｎＰｎトラ
ンジスタのコレクタ側に、ショットキーダイオードを設
けた。これは、ショットキーＩＩＬと呼ばれるものをを
２００Ｋ以下の低温で動作させようとするものである。

バイボーラトランジスタのＶＢＥは、低温になるにつれ
て上昇する．例えば、常温では０．７Ｖ程度の値が、液
体窒素温度（７　７　Ｋ）では約０．９ｖになる。

ＩＩＬの論理レベルのＬｏｗレベルはほぼグランドレベ
ル、ＨｉｇｈレベルはＶＢＥ程度なので、低温では論理
振幅が大きくなり、高速化の観点から望ましくない。そ
こで，コレクタ側にショットキーダイオードを入れて、
論理のＬｏｗレベルをシヨットキーダイオードの順方向
電圧（０．５Ｖ）程度にする。これにより論理振幅は０
．９−０．５＝０．４Ｖ　と小さくでき、高速化をはか
ることができる。本実施例のベースとコレクタの間にさ
らにショットキーダイオードを入れて、コレクタ領域の
少数キャリアの蓄積を抑えるショットキー・トランジス
タ・ロジック（ＳＴＬ）も同様に低温動作させることが
できる。

製造方法は，第２の実施例とほとんど変わらない。但し
、ショットキーダイオードを形成するために、コレクタ
領域６の濃度をＩ　Ｘ　Ｉ　Ｏ”δ／ａＩ１８程度にし
てある。ベース領域の濃度を５Ｘ１０１’／ａＩ１３程
度に設定し、その後リンのイオン打ち込みで補償して、
コレクタ領域を形威している。また，ショットキー形戊
用の金属層１３にはパラジウムを用いたが、白金や、ア
ルミニウムでも良い。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明では２００Ｋ以下の低温
において、高濃度ベース領域のバンドギャップナローイ
ングにより、ｎｐｎトランジスタ領域の電流利得と遮断
周波数を上昇させ、インジェクタ領域に低不純物濃度層
を股けることにより，横型ｐｎｐの低温動作を可能にす
るので，高速に動作するＩＩＬを提供することができる
。高集積で低電圧動作するＩＩＬの特長をそのまま低温
動作に生かし、さらに常温よりも高速に動作する効果は
大きい．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の断面構造を示し、第２
図は第１図のａ　−　ａ　’断面上のｎｐｎ｝ランジス
タ領域の不純物濃度分布とバンドギャップを示し、第３
図は第１の実施例の回路図を示し、第４図は本発明の第
２の実施例の断面構造を示し、第５図は本発明の第３図
のｂ−ｂ’断面上のインジェクタ領域の不純物濃度分布
とバンドギャップを示し、第６図は従来構造での不純物
濃度分布を示し、第７図は本発明の第３の実施例の断面
構造を示し、第８図は本発明の第３の実施例のベース形
成直前の上面構造図を示し、第９図は本発明の第４の実
施例の断面構造を示し、第１０図には第？の実施例の回
路図を示す。 １・・・高濃度基板、２・・・エミッタ領域エビタキシ
ャル層、３・・・インジェクタ領域、４・・・インジェ
クタ領域低不純物濃度層、５・・・ベース領域，６・・
・コレクタ領域、７・・・ベース電極下低不純物濃度層
、８・・・シリコン酸化膜、９・・・コレクタボリシリ
コン、１ｏ・・・アルミ電極層．１１・・・外部ベース
ボリシリコン層、１２・・・グラフトベース領域、１３
・・・ショットキー形成用金属電極層、Ｅ■１・・・バ
ンドギャップナローイングを起さない場合のバンドギャ
ップ，ＥｆＺ・・・バンドギャップナローイングを起し
た場合のバンドギャップ。 １　の 第　２　（２） ｌ 拓 ７ 区 ！ 拓 ３ 図 第 ５ 図 猶 ６ 喝 拓 ９ 図 第 ／θ 口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２００Ｋ以下の低温で動作させる半導体装置におい
   て、上記半導体装置には、少なくとも一つのＩＩＬ（イ
   ンテグレイテイド・インジェクシション・ロジック）構
   造あるいはその類似構造が含まれ、上記のＩＩＬは第１
   導電型のエミッタ領域と、該エミッタ領域に接続された
   第２導電型のベース領域と、該ベース領域に接続された
   第１導電型のコレクタ領域と、該エミッタ領域に接続さ
   れた第２導電型のインジェクタ領域からなり、上記ベー
   ス領域の第２導電型不純物濃度の最大値が１×１０＾１
   ＾８／ｃｍ＾３以上に設定され、上記エミッタ領域中の
   少なくとも上記ベース領域に接する部分の第１導電型の
   不純物濃度が前記ベース領域の第２導電型の不純物濃度
   よりも低く設定されており、上記エミッタ領域、上記ベ
   ース領域、上記コレクタ領域は不純物を除いて同一半導
   体材料によつて形成されていることを特徴とする半導体
   装置。 ２、請求項１記載の半導体装置において、前記インジェ
   クタ領域の前記エミッタに接する部分に前記エミッタと
   ほぼ同一あるいはより低濃度の第２導電型の不純物濃度
   領域を設けたことを特徴とする半導体装置。 ３、請求項１記載の半導体装置において、前記ベース領
   域中の前記コレクタ領域下あるいはインジェクタ領域に
   対面している領域以外のベース領域の前記エミッタ領域
   に接する部分に前記エミッタ領域とほぼ同一あるいはよ
   り低濃度の第２導電型の不純物濃度領域を設けたことを
   特徴とする半導体装置。 ４、請求項１記載の半導体装置において、前記コレクタ
   領域と上記コレクタ領域に接続される金属電極層との間
   にショットキーダイオードを形成することを特徴とする
   半導体装置。 ５、請求項１記載の半導体装置において、前記コレクタ
   領域と前記ベース領域の間にショットキーダイオードを
   設けることを特徴とする半導体装置。