JPH07321123A - 集積回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バイポーラトランジスタが小型になるにつれ
て、電流クラウディングによってバイポーラ動作がトラ
ンジスタの一部の周辺で起って効率がわるくなるので、
構成要素の構造を新しくしてトランジスタの性能を改善
すること。 【構成】 トランジスタのエミッタ（１０）の活動的な
周辺を最大にすることにより、電流クラウディングに関
連する従来の技術の問題を解消するバイポーラトランジ
スタ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【従来の技術】バイポーラトランジスタの設計と製作に
はさまざまの考慮が払われている。最も重要なのは、ト
ランジスタのスイッチイング速度を高めるために、特に
トランジスタのベースとエミッタ間の容量をできるだけ
小さくしなければならないことである。同じ理由から、
ベースとコレクタ間の容量もできるだけ小さくしなけれ
ばならない。ベース・エミッタ領域を小さくすることに
よって容量を小さくすることが、ベースとエミッタのレ
イアウトに関するこれまでの主要な焦点であった。

【０００２】一般に、電流クラウディング(crowding)を
減らすことは余り重視されていなかった。最近のバイポ
ーラトランジスタ技術では形がますます小さくなる傾向
にあるので、電流クラウディングがかなり大きくなって
いる。電流クラウディングによって主なバイポーラ動作
がトランジスタの周辺で起こり、またバイポーラの動作
は、ベース接点から特定のエミッタ端への電流路によっ
ても更に影響を受ける。更に以下に説明するように、従
来のバイポーラトランジスタは、ほとんどの基本構成要
素（すなわちベース、エミッタ、コレクタ）を動作中に
効率的に用いていないので、十分な働きをしていない。

【０００３】図１は、よく用いられる従来のバイポーラ
構造を示す。この図はエミッタ４に対するベース接点２
のレイアウトの平面図を示す。このレイアウトを採用し
た最も大きな理由はベース抵抗（ｒ_b ）を最小にするこ
とであったが、二つのベース接点の位置が図１に示すよ
うになっているために、バイポーラ動作中にＦＦとＲＲ
で示すエミッタの両側を使うことができた。これとは対
照的に単一のベース接点を単一のエミッタと組み合わせ
る場合は、エミッタの片側だけが活動状態である。電流
クラウディングにより、エミッタの反対側は不活動状態
になる。

【０００４】図２はこの例を示す図で、単一のベース接
点２と単一のエミッタ４を組み合わせたレイアウトの平
面図に部分的な回路の略図を重ねたものである。図２に
示す部分的な回路の略図は、分散抵抗と分散トランジス
タとを、関連するトランジスタのモデル化パラメータ
（すなわちｒ_b とエミッタ抵抗ｒ_e ）と共に半導体チッ
プ面に割り付けたものである。

【０００５】図２には、分散バイポーラトランジスタを
それぞれＴ１，Ｔ２，Ｔ３で示す。各分散トランジスタ
のベータ（β）は同じと仮定する。更にベース抵抗やエ
ミッタ抵抗などのモデル化パラメータは同じと仮定す
る。ｒ_b とｒ_e は、それぞれの分散トランジスタの番号
を添えて示す。

【０００６】ベース接点２からエミッタ４への抵抗路は
Ｒで示す抵抗で表す。全ての抵抗路を図示しているわけ
ではないが、図示したものでは、その通路の抵抗の数が
増えると共にその通路の相対的な抵抗が大きくなる。ベ
ース接点２は等電位と仮定する。

【発明が解決しようとする課題】

【０００７】図２から容易に分かるように、分散トラン
ジスタＴ１およびＴ３のベースの電圧は分散トランジス
タＴ２のゲートの電圧より低いので、分散トランジスタ
Ｔ２は分散トランジスタＴ１およびＴ３より高い活動状
態にある。このように電圧が低いのは、分散トランジス
タＴ２に比べて分散トランジスタＴ１およびＴ３のベー
スへの回路上の抵抗の数が多いからである。

【０００８】Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３のような分散トランジス
タは全てエミッタ４の周辺に配置することができる。図
３はこれを最も良く示した略図で、分散抵抗と分散トラ
ンジスタを全てエミッタの周辺に配置している。更に図
３は図２の略図の上にレイアウトを重ねて、ベース接点
２に対するエミッタ４の相対位置を示している。ｒ_bや
ｒ_e などのモデル化した分散トランジスタの抵抗は他の
抵抗と一緒にまとめてあり、全ての抵抗を抵抗Ｒで示
す。

【０００９】更に図３は、分散トランジスタがベース接
点２から遠いほど、分散トランジスタはオンになり難
い、すなわち活動状態になり難いことを示す。従って、
分散トランジスタＴ３は他の分散トランジスタよりベー
ス接点２に物理的に近いので、他の分散トランジスタに
比べて最も活動状態にある。更にＲＲ側に近い分散トラ
ンジスタＴ５からＴ８はほとんど活動状態にならないの
で、電流クラウディングによってオフになると考えてよ
い。電流クラウディングの影響は、前の例の抵抗路で示
してある。従って分散トランジスタのかなりの部分はト
ランジスタの動作中にはほとんど働かない。従ってバイ
ポーラトランジスタの実効と効率を改善する必要があ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】エミッタの活動的(activ
e)な周辺を最大にし、ベースの活動的(active)な周辺を
最小にするバイポーラトランジスタを開示する。

【００１１】

【実施例】この発明は、エミッタの活動的な周辺を増や
し、かつベースの活動的な周辺を減らすことによって、
バイポーラトランジスタの実効と効率を改善するという
上の問題を解決する。こうすることによって、この発明
のバイポーラトランジスタは、この発明を用いずに製作
するバイポーラトランジスタに比べて動作速度が大き
い。周知の半導体製作方法を用いて、この発明を集積回
路として製作することができる。

【００１２】図４ａはこの発明のレイアウトを具体的に
示す構造の平面図であり、図４ｂは線ＡＡ’に沿うこの
構造の断面図である。図４ａと図４ｂにおいて、円筒形
のエミッタ１０は円１４と１６の間にある。ここに示す
円は全て実際は六角形である。ここに用いた円は、図示
しやすくするために六角形を近似しただけである。ベー
ス１２に接触するエミッタ１０の部分１１は、隠れた円
１８と２０の間にある。コレクタ２１は半導体基板２４
内のフィールド下の拡散（ＤＵＦ）部分２２に含まれ
る。

【００１３】エミッタ１０は多結晶半導体（ポリ）エミ
ッタであることが望ましい。このようなポリ材料は、例
えば多結晶シリコン（ポリシリコン）でよい。金属１の
エミッタ接点２６はポリエミッタ１０に接触する。金属
１はタングステンを含むことが望ましいが、アルミニウ
ムなどの他の金属を用いてもよい。ポリエミッタ１０に
より、主としてエミッタの拡散を浅くすることができ
る。しかしポリを用いなくても、金属１の接点２６を拡
散部分１１に直接に接触させてもよい。

【００１４】ベース接点２８はポリ半導体で作り、その
細い部分は円３０と隠れた円３２の間にある。金属１の
ベース接点３４はポリベース接点２８に接触する。ポリ
ベース接点２８は自動調整(self aligned)構造により、
コレクタ・ベースの容量とベース抵抗とを共に最小にす
ることができる。従ってこのポリベース構造により、ト
ランジスタ速度は更に大きくなる。

【００１５】ベース接点２８は、図４ａに示すように円
２９内にある。（見やすくするために、以下の図では円
２９を図示しない）。しかし金属ベース接点３４はベー
ス１２に直接に接続してよい。金属１のコレクタ接点３
８は、円４６と隠れた円４８の間にあり、コレクタ２１
に直接に接続してよい。図に示すように、酸化物などの
絶縁物４０で上に述べた各接点を囲む。

【００１６】図４ａと図４ｂに示す構造のエミッタはベ
ース接点の中心から所定の半径にあり、ベースから実質
的に等距離にある。この発明において、エミッタの活動
的な周辺は最大になり、ベースの活動的な周辺は最小に
なっている。全体の構造は円対称で、数個のこれらの構
造を六角形の密に詰めた構造として単一のコレクタウエ
ル内に積み重ねてよい。

【００１７】図５は、このような構造のレイアウトの平
面図を示す。見やすくするために、エミッタに関連する
隠れた円は省いてある。各円は関連する六角形に相当し
ており、六角形は密に詰めた構造である。このような形
にした最小寸法のトランジスタは極めて大きくすること
ができる。ベース１２は各トランジスタの位置に関連し
ていることに注意していただきたい。トランジスタの位
置はトランジスタ動作が起こる領域をいい、ベース、コ
レクタ、エミッタを含む。

【００１８】ベース同士をつなぎ（例えば金属で）、エ
ミッタ同士をつなぎ（例えばポリで）、共通のコレクタ
領域を用いることにより、この構造は全体として単一の
トランジスタのように動作することができる。ベース接
点とエミッタの距離が等しいので、このようなトランジ
スタの活動的な周辺が増え、電流クラウディングの影響
は実質的に小さくなった。コレクタ２２がベースとエミ
ッタの下に延びているので、コレクタに関しては電流ク
ラウディングのような現象は実質的に起こらない。

【００１９】この発明の別の実施態様を図６のレイアウ
トの平面図で示す。この実施態様は、図４ａと図４ｂの
エミッタとベースを交換したものである。この図で、円
１４と１６の間にあるエミッタは、円３０内にある各関
連するベース接点から等距離にある。

【００２０】図６に示す実施態様も、六角形の密に詰め
た構造として用いることができる。図７はこのような実
施態様を示す。図６と同様に、隠れた円は省いてある。
ポリエミッタは円１４と１６の間にある。図に示すよう
に、一列のこのようなエミッタをポリ領域５０で結合す
ることができる。更に図に示すように、一列の円３０内
のベース接点をポリ領域５２で接続することができる。
各トランジスタの位置を領域５０と５２で結合して、単
一トランジスタのように動作させることができる。

【００２１】図に示すように、円３０内にある各ベース
接点は、４個の周囲のトランジスタの主ベース接点とし
て働くことができる。例えばベース接点Ａは、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅにあるトランジスタのベース接点として働く。し
かしベース接点Ｆも、位置ＤとＥにあるトランジスタの
主ベース接点として働く。更に電流クラウディングのた
めに、トランジスタ動作が例えば位置Ｄで起こって、ベ
ース接点ＡやＦなどの別個のベース接点が関連すること
もある。電流クラウディングにより、ベース接点Ａはト
ランジスタ位置Ｄのある部分でのトランジスタ動作に関
連し、ベース接点Ｆはトランジスタ位置Ｄの他の部分で
のトランジスタ動作に関連する。

【００２２】図８は、この発明の別の実施態様のレイア
ウトの平面図を示す。この場合は、エミッタ接点６０と
ポリエミッタ６２との間隔は、ベース接点６４とポリエ
ミッタ６２との間隔に等しい。各ベース接点６４は、ポ
リエミッタ６２に重なっている金属線６６と接続するこ
とができる。同様に各エミッタ接点６０は、ポリ６８と
接続することができる。これまでの実施態様と同様に、
この実施態様は電流クラウディングの問題を減らす。

【００２３】更に、ポリ６８を選択した抵抗の形にして
通し、図８のレイアウトを用いて形成した分散トランジ
スタのバイアスを制御することができる。この発明のこ
の点を図９で更に説明する。図９は、３個の分散トラン
ジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３の略図を示す。これらのトラン
ジスタは無視できるベース抵抗と変化する分散エミッタ
抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を備える。

【００２４】分散トランジスタＴ１が最も活動状態にあ
る分散トランジスタを表すとすると、分散トランジスタ
Ｔ２とＴ３はベース抵抗とエミッタ抵抗が高いので、オ
ンになりにくい。（他の点では分散トランジスタＴ１、
Ｔ２、Ｔ３は同じものであり、Ｒ１＜Ｒ２およびＲ１＜
Ｒ３と仮定する）。

【００２５】ベース・エミッタ電圧ＶＢＥは、Ｖ１引く
エミッタ電流（Ｉ）掛けるエミッタ抵抗Ｒに比例し（Ｖ
ＢＥ＝Ｖ１−ＩＲ）、またエミッタ電流はＩ_O 掛けるｅ
^VBE（Ｉ_O は温度に依存する量で、温度と共に増加す
る）に比例するので、ポリ６８を通す距離を長くしてＲ
１の抵抗値を増やすことにより、分散トランジスタＴ２
とＴ３をより活動的にすることができる。同様に、Ｒ２
とＲ３の分散抵抗値に対して同じことを行い、分散トラ
ンジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を流れる電流をより均一にす
ることができる。

【００２６】図１０は、この発明の別の実施態様のレイ
アウトの平面図を示す。この発明の他の実施態様と同様
に、図に示すようにベースとエミッタを備えるトランジ
スタの活動的な周辺を増やすことにより、有効な活動的
なトランジスタの寸法を増やすことができた。図１０に
は、ベース接点は示したがエミッタ接点は示していな
い。エミッタ接点は図８に関連して説明したこの発明の
上述の実施態様に従って設け、ポリを用いて分散トラン
ジスタを選択的にバイアスすることができる。

【００２７】更に図１０には、コレクタとコレクタ接点
も示していない。ＤＵＦコレクタを使うのが望ましいの
で、コレクタ接点の位置は余り重要ではない。図１０に
示すエミッタは複数の部分に分けてあり、図１０ではそ
の中の二つのＥ１とＥ２を示す。エミッタを数個の部分
に分けることにより（分割しているので分割エミッタと
呼ぶ）、単一の連続したエミッタ部分を用いるのに比べ
て、端ｅｄは電流を流すのに一層大きな役割を果たす。
エミッタの各部の間の隙間により、ベースと端ｅｄとの
接続が良くなり、従ってトランジスタの動作が良くな
る。

【００２８】これまでの実施態様と同様に、エミッタ部
分はポリで接続することができる。同様に、ベース接点
も金属で接続することができる。分割したエミッタ部分
を持つこの発明のこの実施態様の別の利点は、コレクタ
とトランジスタ基板との間およびベースとコレクタとの
間の容量が非常に小さくなることである。このため性能
は一層改善される。この発明のこの実施態様で実験的な
構造を使ってシリコンのデータを取ったところ、製作し
たトランジスタのベース抵抗が分割エミッタでないもの
より小さかった。この実施態様での実験的なエミッタ結
合論理回路の性能は約２０％改善した。

【００２９】この発明について望ましい実施態様といく
つかの別の実施態様を参照して詳細に説明したが、この
説明は単なる例示であって、制限的な意味に解釈しては
ならない。この説明を参照すれば、この発明の実施態様
およびこの発明の別の実施態様の詳細はいろいろ変形す
ることができることは、この技術に精通した人には明か
でありまた実施することができる。このような変形や別
の実施態様は、特許請求の範囲に示すこの発明の精神と
真の範囲内にあるものである。

【００３０】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 １． 集積回路装置であって、ベースと、コレクタと、
エミッタとを備え、装置の動作中に前記ベース、エミッ
タ、コレクタがトランジスタとして集合的に動作し、前
記エミッタの活動的な周辺が最大になり、前記ベースの
活動的な周辺が最小になる集積回路装置。

【００３１】２． 集積回路装置であって、ベースと、
コレクタと、エミッタとを備え、装置の動作中に前記ベ
ース、エミッタ、コレクタがトランジスタとして集合的
に動作し、前記エミッタは平面の片側で前記ベースを実
質的に囲む集積回路装置。 ３． 前記エミッタは円筒形のポリエミッタである、第
２項記載の集積回路装置。

【００３２】４． 前記ベースへのポリ接点を更に備え
る、第３項記載の集積回路装置。 ５． 前記ポリエミッタへの金属接点と、前記ベースポ
リ接点への金属接点を更に備える、第４項記載の集積回
路装置。 ６． 前記金属はタングステンまたはアルミニウムから
成るグループから選択する、第５項記載の集積回路装
置。

【００３３】７． 前記ポリエミッタへの金属接点と、
前記ベースへの金属接点を更に備える、第３項記載の集
積回路装置。 ８． 前記コレクタはフィールド下の拡散部分を含む、
第２項記載の集積回路装置。 ９． 前記各装置は円対称であり、前記複数の集積回路
装置は平面内に六角形の密に詰めた構造に配置されてい
る、第２項記載の型の複数の集積回路装置。

【００３４】１０． 集積回路装置であって、ベース
と、コレクタと、円筒形のエミッタ、ただし装置の動作
中に前記ベースとエミッタとコレクタはトランジスタと
して集合的に動作するものと、前記円筒形エミッタの質
量の中心から実質的に等距離にある前記エミッタから離
れている複数のベース接点とを備える集積回路装置。 １１． 前記各装置は円対称であり、前記複数の集積回
路装置は平面内に六角形の密に詰めた構造に配置されて
いる、第１０項記載の型の複数の集積回路装置。

【００３５】１２． 前記装置の選択したエミッタ同士
をポリで接続し、前記装置の選択したベース同士を接続
する、第１１項記載の複数の集積回路装置。 １３． ポリが前記装置の選択したエミッタを接続し、
前記ポリは前記装置の活性的な部分を最大にするように
通す、第１０項記載の複数の集積回路装置。 １４． 互いに離れた複数の部分に分割したエミッタを
備えるバイポーラトランジスタ。

【００３６】１５． トランジスタのエミッタ（１０）
の活動的な周辺を最大にすることにより、電流クラウデ
ィングに関連する従来の技術の問題を減らすバイポーラ
トランジスタ。

【図面の簡単な説明】

【図１】エミッタに対するベース接点の従来レイアウト
を示す平面図。

【図２】単一ベース接点と単一エミッタとを組み合わせ
た従来レイアウトの平面図に部分回路の略図を重ねた
図。

【図３】エミッタの周辺に分散抵抗と分散トランジスタ
を配置した従来例の略図。

【図４】ａは本発明のレイアウトを具体的に表す構造の
平面図。ｂは図４ａの構造の線ＡＡ’に沿う断面図。

【図５】六角形の密に詰めた構造にして単一コレクタウ
エルに重ねた円対称の数個の構造のレイアウトの平面
図。

【図６】図４ａと図４ｂのエミッタとベースを交換し
た、本発明の別の実施態様のレイアウトを示す平面図。

【図７】六角形の密に詰めた構造にして用いる、図６に
示すこの発明の実施態様を示す平面図。

【図８】エミッタ接点とポリエミッタの間隔が、ベース
接点とポリエミッタの間隔に等しいことを示す、本発明
の別の実施態様のレイアウトを示す平面図。

【図９】無視できるベース抵抗と変化する分散エミッタ
抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を備える３個の分散トランジスタ
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の略図。

【図１０】本発明の別の実施態様であって、本発明の他
の実施態様と同様に、図示のようにベースとエミッタを
備えるトランジスタの活動的な周辺を増やすことにより
有効な活性的なトランジスタの大きさを増やす実施態様
のレイアウトを示す平面図。

【符号の説明】

２ ベース接点 ４ エミッタ １０ エミッタ １１ エミッタの拡散部分 １２ ベース １４，１６ 円 １８，２０ 円 ２１ コレクタ ２２ フィールド下の拡散（ＤＵＦ） ２４ 半導体基板 ２６ 金属エミッタ接点 ２８ ポリベース接点 ２９，３０，３２ 円 ３４ 金属ベース接点 ３８ 金属コレクタ接点 ４０ 絶縁物 ４６，４８ 円 ５０，５２ ポリ領域 ６０ エミッタ接点 ６２ ポリエミッタ ６４ ベース接点 ６６ 金属線 ６８ ポリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 27/082

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集積回路装置であって、 ベースと、 コレクタと、 エミッタとを備え、装置の動作中に前記ベース、エミッ
   タ、コレクタがトランジスタとして集合的に動作し、前
   記エミッタの活動的な周辺が最大になり、前記ベースの
   活動的な周辺が最小になる、集積回路装置。