JPS5963761A - 過電圧被保護集積トランジスタ - 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】 発明の関連する分軒 本発明はモノリシック半導体装置、特に過電圧から保護
される集積化トランジスタに関するものである。これら
トランジスタは例えば、家庭用電気器具のモータ或いは
自動車の電子式イグニッション装置の誘導負荷のスイッ
チングを制御するために使用する。

従　　来　　技　　術 一般に、過度の逆バイアス電圧がベース−コレクタ接合
に印加されると、トランジスタは損傷し、或いは破壊し
つるようにもなる。

この危険な過磁圧状態は、特にトランジスタがコレクタ
に直列に接続されている誘導負荷のスイッチングを行う
ときに現われる。即ち、トランジスタσ）スイッチオフ
中即ちクエンチング中に、負荷電流が突然変動すると、
負荷に逆起電力が誘起され、比較的晶い電圧でトランジ
スタのベース−コレクタ接合がＪＶ！バイアスされるよ
うになる。

一般にトランジスタのスイッチオフ時の過渡現象を減少
させるためには、電荷を適切な回路手段によりベースか
ら導出するようにしており、従って、トランジスタはさ
らに危険な出力状態いわゆる［１更２次降伏Ｊ（ＥＳ／
ｂ）状態にさらされるようになり、この状爬では高電流
密度、従って高温の区域が形成され、これによりトラン
ジスタ自体が容易に破壊されつるようになる。

これら破壊降伏効果を防止するための既知の解決法は、
ベース接点全構成する金属電極によってベースに短絡さ
れ、ベースとの間にＰＮ接合を形成する補助エミッタを
有するトランジスタを設けることである。

逆バイアス状態においては、ベース−コレクタ接合によ
って補助エミッタ領域の蓄積電荷を、言わゆる「突抜は
現象」を利用してｙ！１．ｍする。この現象では、逆バ
イアスの状態において、十分に高い？’［Ｂｉのためベ
ース−コレクタ接合のｉ￥１移領域がベース領域を横切
ってエミッタｍ域士で延在し、従って電流は補助エミッ
タ及びベース接点を経てコレクタ領域からベース領域に
流れるようになる。

かかる結果を得るためには、補助エミッタを適宜構成し
てベース−コレクタ接合の逆降伏が起る前に突抜は現象
が起るようにする。

しかし、製造中或いは高温での動作中にもベース及び補
助エミッタを短絡〜するベース接点の金属層から金属ス
ポットを形成し得るようになり、この金属スポットは下
側の半導体領域内に延在すると共にベースと補助エミッ
タとの間のＰＮ接合をもＦ通するようになり従って保護
動作が損われるようになるため、信頼性の問題が生じて
くる。

さらに当業者に既知であり、過電圧からトランジスタを
深部するための解決法は、コレクタ端子及びベース端子
間に外部ダイオードを接続することである。この解決法
は個別の素子で実施し得るが、経済的観点から不利であ
るため、半導体装１４ｊにダイオードを集積化すればこ
の解決法を一層好適に用いることができる。

モノリシック半導体装置にトランジスタと共に集積化さ
れたツェナダイオードは、ベース接点に対し強くドープ
されると共にトランジスタのベース電極の下側に位置し
、トランジスタのエミッタと相俟ってＰＮ接合を形成す
る第１牛導体領域と、トランジスタのコレクタの導電域
と同−導？σ型の不純物で強くドープされ、これより高
い濃度の第２半導体領域とにより形成することができる
。この第２半尋体領域は、その上側表面が第。１牛導体
領域の下ｆｉｌ！１表向と接触し、その下側表面がコレ
クタと接触し、更に第１半導体領域とトランジスタのベ
ース領域との双方との間にＰＭ接合を夫々形成する。

不純物の濃度を適切に調整することにより、前記のよう
に形成したツェナダイオードの降伏電圧ｖｚを適宜定め
て、ツェナダイオードがトランジスタのベース−フレフ
タ接合の降伏を起こすｍ圧より低い逆バイアスＮ圧に対
して導通状態となるようにする。

トランジスタをｆ呆「物するためにツェナダイオードを
使用することによって、第１の解決策の不安定性及び信
頼性に関する欠点を除去することができる。

しかしモノリシック半導体本体にトランジスタを集積化
する従来技術には当然Ｉ＃造許容公差が含まれることは
明らかである。コレクタの厚さ及び抵抗率はトランジス
タ自体に特有の降伏ｉｌ！庄の無視できない変動に相当
する変動に特に左右されるｄツェナｆＬｔ＋ｊｉダイオ
ードの降伏電圧は、ダイオ−で調整することは、簡単で
はなく、シかも経済的観点から有利ではない。

発明の開示 本発明の目的は、誘導性負荷のスイッチングを制御する
ために使用し得ると共に簡単且つ経済的な手段で形成し
くａ、製造許容公差に関係なくトランジスタの実際の構
造により保趣を行うようにした過電圧被医護集積トラン
ジスタを提供せんとするにある。

本発明は１導■型のコレクタ領域と、該コレクタ領域に
隣接し、その界面にベース−コレクタＰＮ接合を形成す
る反対導電型の第１ベース領域と、該ベース領域に隣接
し、その界面にベース−エミッタＰ　Ｎ接合を形成する
１導当型の第１エミツタ領域とを具える集積トランジス
タにおいて、■導電型の第２エミツタ領域と、反対導電
型の第２ベース領域とを設け、該第２ベース領域は、前
記第２エミツタ領域及びコレクタ領域に隣接し、その各
々の、界面に夫々ＰＮ接合を形成し、前記第２エミツタ
領域は、電極により前記第１ベース領域にオーム接触さ
せ、前記ｆａ２ベース領域はトラ・ンジスタの何れのｖ
４極にも直接接続しないでトランジスタに供給される電
圧に対して浮動状朝となるようにし、前記コレクタ領域
と第２エミツタ領域との間のベース開放降伏電圧の値を
、前記コレクタ領域と第１ベース領域との間のＰＮ接合
の降伏電圧の値より低くするようにしたことを特徴とす
る。

実施例 図面につき本発明の詳細な説明する。

図に示す本発明のトランジスタの構竹は、パワープレー
ナトランジスタを製造する既知の処理の一つにより形成
することができる。

基Ｉｔはドーピングされた半導体材料で例えは低抵抗率
（約０．＋１１０囮Ｘｍ　）のＮ型シリコンとする。こ
の基板の上に、その抵抗率より高い抵抗率（おおよそ５
００ｈｍＡｍ　）　ｆ有し、厚さが約５０μｍのＨｇエ
ピタキシャル層２を成長させる。

まず第１に既知のマスク技術と拡散技術とを用いてエピ
タキシャル層２に抵抗率が低く拡散深さがほぼ等しい（
約１０μｍ）２個のＰ型領域３及び４を形成する。

本例では領域４の表面抵抗率は、ｍ域３の表面抵抗率よ
り充分低い値に保持する（例えば表面濃８ 度を夫々約ＩＯ及び５・１０１フイオン／　ｃｍ８とす
る。）図において、柿々の領域にドープされる不純物濃
度の濃淡に相当する低抵抗率或いは高抵抗率は、導電型
を表わす文字Ｐ及びＮに夫々記号「＋」及び「−」を附
して示す。

不純物拡散の深さを等しくすると共に異なる抵抗率を得
る一つの方法では、例えば、まず第１に領域４と関連す
る半導体の表向部分にのみ適当な濃度の不純物を堆積し
、次いで中間の深さまでこれら不純物を拡散し、最後に
領域３と関連する表１ｍ部分にのみ更に高い濃度の不純
物を必要敏堆檀し、その後次の拡散１櫟を白領域８及び
４がほぼ同じ深さに到達するまで行なう。

頭載３及び４は、これら領域を囲むＮ型エピタキシャル
層２と相俟って２個のＰＮ接合５及び６を形成する。

次いで既知のマスク技術及び拡散技術を用いて・領域３
及び４に抵抗率が低く（例えはドーピング剤の表間濃度
が約１０２０イオン／Ｃｍ８）且つほぼ等しいドーピン
グ深さ及び輪郭を有する２個のＮ型領域７及び８を形成
する。領域７及び８Ｇま、領域３及び４と相俟って２個
のＰＮｍ合９及びｌＯを夫々形成する。

最終の拡散処理後に半導体本体上に形成された二酸化ケ
イ素層１１に開口を設け、これら開口を経て従来の金属
化技術により、領域３及び７に対１する金具接点１２及
び１３と、領域３及び８間にオーム接点を形成する金属
接点１４とを設ける。

同様にして金属接点１５を基板の自由表面に設ける０ 同面に示す構成の領域１及び２と領域８及び７とを組合
せることにより、これら領域が夫々コレクタ＋　１　、
２　）、ベース（３）及びエミッタ（７）を夫々構成す
るプレー−ｊ）ランジスタを形成し、且つ接点１２．１
８及び１５ｆｉ：、トランジスタの夫々ベース、エミッ
タ及びコレクタ接合極とする。

このトランジスタには、本発明による集梢保傅手段を設
ける。叩ち護膜手段は第２ベース領域４及び第２エミツ
タ領域８により構成し、これら領域は説明の便宜上主パ
ワートランジスタと共に集４Ｎ′４化され、このパワー
トランジスタと共通のコレクタ（１，２）を有する補助
護膜トランジスタの夫々エミッタ及びベースとみなすこ
とができる。この保噸トランジスタは、そのエミッタ８
を主トランジスタのベース８に金量接点１４によりオー
ム接続すると共にそのベース４を主トランジスタの何れ
の電極にも接続しないで浮動状態とする。

ｆ呆訪！トランジスタのベース領域４のドープされた不
純物の一度を主トランジスタのベース領域８の不純物濃
度より低くするのが好適である。

既知の方法を用いて、２個のベース３と４との間の不純
物濃度従って抵抗率の差を適切に調整することにより、
トランジスタのベース開放による’：Ｉ　Ｌ／　フタ−
ｘ　ミッタ降伏電圧値を主トランジスタのコレクターベ
ース接合の降伏電圧の値より正確に必要な厭だけ低くす
ることができる。

本発明による半導体装置の構造を試験した所から明らか
なようにかくして得られた保護トランジスタは、コレク
タのエピタキシャル成長に関連するＷ　＠　＃１：容公
差には左右されないが、その厚さは、試料毎に無視し得
ない■度に変化するようになる。

補助保詭トランジスタ番ま、そのコレクタを主トランジ
スタのコレクタと同一とするため、瞬危許容公差の開傘
として降伏特性の変化鼠が自ｌ１ｉｌｌ的に同一となる
。

例えはトランジスタがコレクタに直列接続された誘導性
負荷の■制御中スイッチオフ状ｌ―にあるものと仮定す
ると、トランジスタが過電Ｆ＋：、を受けている場合の
トランジスタの原論動作を特に′考察する。

トランジスタのベース−コレクタ接合は、保設’を行わ
ない場合、半導体装置を破壊するに充分な比較的高い電
圧で逆バイアスされるようになる。

その理由は、ベースから電荷を導出する電流が同時に流
れて、スイッチング時期を早めるようになるからである
。

しかし、ベース−コレクタ接合の電圧が、接合自体の降
伏電圧よりも低い保護トランジスタとして形成されたト
ランジスタのベース開放コレクターエミッタ降伏面圧と
等しくなると、保護トランジスタが逆方向に導通を開始
して、主トランジスタにより電荷を注入し、これにより
、［逆２次降伏］（ＥＳ／ｂ）の危険性を回避し得るよ
うＧこする。従。

つて入力ベース電流が増加すると、パワートランジスタ
はパワー破壊現象を起すことなく逆方向に導ｊノ■１す
るようになる。

しかし、コレクターエミッタ降伏が生じても深１；牲ト
ランジスタは破壊しない。その理由はそのベースか浮動
状咋にあり、ベース電流が流れることがないからである
。従って医科トランジスタは信頼できるものとなる。

さらにこのトランジスタに流れ且つ維持される電流は、
単に主トランジスタを導通させるに十分な電流であり、
従ってプレーナ構造の場合に、この構造の集積化は、占
有面積の点で経済的であり、しかも前述したようにプロ
セス技術により製造ずるのが容易且つ簡単となる。

特に厳しい高速スイッチング状幅のもとでは、スイッチ
オフ状態中にパワートランジスタのベースから著しい電
荷導出電流が流れると、降伏電１−Ｅに関する上記スイ
ッチング状態によって損傷の起こりつる前に１呆峻作動
を行い得なくなる。

この場合には、技術的信頼性テストによって、保鎧トラ
ンジスタのベース開放コレクターエミッタ降伏電圧が主
トランジスタ自体のベース開放コレクターエミッタ降伏
電圧より低い場合、パワートランジスタが保護されるこ
とを示すようにする。

これがため２つのベース領域間の不純物感度従って抵抗
率の差を適切に調整するのが好適である。

図面に示す横滑を有し、過電圧から保゛洒するトランジ
スタは、人力トランジスタによりｉｌｉ’ｌＪ　１ｉｌ
ｔｌされる最終段トランジスタとして特にダーリントン
型の増幅装置に集積（３するのが好適である。この入力
トランジスタのエミッタ及びコレクタは同−導１１′ｉ
型の最終段トランジスタのベース及びコレクタに夫々接
続する。

本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、要
旨を変更しない範囲内で幾多の変更を加えることができ
る。

例えは、第１ベース領域３よりも夕晴の不純物をドープ
した第２ベース領域４を有するトランジスタを造る代わ
りに、ドーピング剤の表面濃度が均一で第１エミツタ領
域７よりも深い第２エミツタ領域８を形成することによ
っても上述した所と同４″にの結果を得ることができる
。

この面領域の深さを相違させる方法としては、例えば、
まず第１に領域８に関連する半導体本体の表＋ｆｕ部分
のみに適当な濃度の不純、物を堆積し、次いでこれら不
純物を中間の深さまで拡散し、最後に領域７の表面で更
に不純Ｗを堆積し、その後次の拡散によって、領域７を
形成すると共に領域８を更に深く拡散し得るようにする
。

【図面の簡単な説明】

図は本発明による過Ｎ土から保護される集積トランジス
タの構成を示す拡大断面図である。 １・・・＝４８導体材料の基板 ２・・・Ｎ　Ｊ５エピタキシャル層 ３．４・・・Ｐ型半導体領域 ５．６・・・領域３．４とＮ　型エピタキシャル層２と
で形成するＰＮ接合 ７．８・・・Ｎ型半導体領域 ９　、１１３・・・ｉｉ口境域７８と領域８．４とで形
成するＰＮ接合 １１・・・二ｊ設化ケイ素層 １２、１８．１４．１５・・・金用接点電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　　ＩＱ％電型のコレクタ領域と、該コレクタ領域に
   隣接し、その界面にベース−コレクタＰＮ接合を形成す
   る反対導電型の第１ベース領域と、該ベース領域に隣接
   し、その界面にベース−エミッタＰＮ接合を形成する１
   導市型の第１エミツタ領ｊ或とを具える集積トランジス
   タにおいて、■導電型の第２エミツタ領域と、反対導ｍ
   型の第２ベース領域とを設け、該第２ベース領域は、前
   記第２エミツタ領域及びコレクタ領域に隣接し、での各
   々の界面に夫々ＰＮ接合を形成し、前ｄ１−：第２エミ
   ッタ６ＯＮ、　Ｇｉ、電極ニより前記＠＞、　１ベース
   ｊｆｌ　ｊｋにオーム接触させ、前記第２ベース領域６
   まトランジスタの何れの電極にも１代接接続しないでト
   ランジスタに供給される電圧に対して浮動状態となるよ
   うにし、前記コレクタ領域と第２エミツタ領域との間の
   ベース開放降伏ｉｆｆ　Ｈｚの値を・ｎｉｌ記フレフレ
   クタ領域１ベース領域との間のＰＮ接合の降伏電圧の値
   より低くするようにしたことを特徴とする過電圧波１呆
   脚集梢トランジスタ。 λ　前記フＩ・フタ領域と第２エミツタ領域との間のベ
   ース開放降伏電圧の値を、前記コレクタ領Ｊｉ＆と第１
   エミツタ領域との間のベース開放降伏電圧の値より低く
   するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の過Ｕ￥圧被１呆Ｈ＜シ集梢トランジスタ。 ８、　前記第２ベース領域のドーピング剤の表向１度を
   １１１１記第１ベース領域のドーピング剤の表面ａ　Ｉ
   ６：より低くするようにしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の過１■圧被保瞳集檀ト
   ランジスタ。 ４　前記第２ベース領域の厚さを前記第１ベース領域の
   厚さより薄くするようにしたことを特徴とする特ｉ１’
   Ｉ’　ｉ４求の範囲第１項また番ま第２項記載の過寄庄
   被保霞集槍トランジスタ。 ５、　互いに直接結合してダーリントン型槽１１’Ｍ　
   ｋを形成する少なくとも第１及び第２のトランジスタを
   具え、該第１及びＰＡ２のトランジスタを前記増幅器の
   夫々入力トランジスタ及び出力トランジスタとし、前記
   箔２トランジスタに特Ｗｆ　＃ｎ求の範囲第１項乃至第
   ４項の何れかに記載の過電圧被保護トランジスタを用い
   ることを特徴とするモノリシック半導体プレーナ装置。