KR20030052638A - 바이폴라 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전류밀도분산에 적합한 접합깊이를 갖는 고농도 베이스영역과, 나아가, 정전기수준을 향상시킬 수 있는 베이스전극의 형태를 구비한 바이폴라 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 구조에 따른 바이폴라 트랜지스터는 고농도 베이스영역의 깊이를 에미터형성영역의 깊이를 고려하여 적절한 범위로 깊게 형성시킴으로써 에미터전류밀도를 분산시켜 우수한 정전기 내전압특성을 도모할 수 있다. 또한, 정전기수준을 보다 향상시킬 수 있는 베이스전극의 형성면이 고농도베이스영역의 상면에 포함되도록 구성하여 저농도 베이스영역을 통한 베이스전극으로의 전류밀도집중을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 바이폴라 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에미터에서 베이스로의 전류집중을 감소시켜 정전기 내전압 수준을 강화하기 위한 바이폴라 트랜지스터에 관한 것이다.
일반적으로, 바이폴라 트랜지스터는 스위칭 및 증폭기능을 수행하기 위하여 실리콘 기판위에 베이스와 콜렉터 및 에미터에 의한 두 개의 pn접합을 갖는 반도체 소자로서 널리 알려져 있다.
상기 두 개의 pn 접합은 에미터-베이스 접합과 컬렉터-베이스 접합으로 불리워지며, 인접한 접합의 바이어스 변화에 의한 pn 접합에서의 전류 흐름의 변조를 바이폴라 트랜지스터 작동(bipolar transistor action)이라고 한다.
이러한 바이폴라 트랜지스터 작동 중에, 에미터-베이스 접합의 역바이어스 가 인가되는데, 그 전압이 높아지면 소자를 파괴하거나 재료를 용융시킬 수도 있다. 이러한 소자파괴현상이 발생되는 전압을 정전기(electrostatic discharge:ESD)내전압이라 하며, 이는 반도체 디바이스의 안정성을 결정하는 척도가 된다.
일반적으로, 정전기 내전압을 향상시키기 위해, 저농도의 내부 베이스 영역(intrinsic base region)와 그 베이스 영역에 얕은 접합깊이를 갖는 고농도의 외부 베이스 영역(extrinsic base region)을 형성하는 방식이 사용된다. 이 구조는 에미터와 접합하는 베이스영역을 저농도 불순물 영역으로 형성하여 내전압을 결정하는 요인이 되는 항복전압을 높이면서, 고농도 베이스영역을 통해 베이스 저항을 낮춰 고속동작을 보장한다.
도1은 종래의 바이폴라 트랜지스터의 구조를 나타내는 단면도이다. 도1을 참조하면, 종래의 npn 바이폴라 트랜지스터는, 고농도 n형 실리콘기판(1)과 그 위에 형성된 저농도 n형 에피택셜층(2)으로 이루어진 컬렉터영역과, 상기 n형 에피택셜층에 p형 불순물이 저농도로 도핑된 내부 베이스 영역(3)과 그 내부 베이스영역에p형 불순물로 고농도로 도핑된 외부베이스영역(5)으로 이루어진 베이스영역과, 상기 내부 베이스영역에 n형 불순물로 도핑된 에미터영역(4)을 포함한다. 최상단에는 산화막층(6)이 형성되고 에미터영역(4)과 외부베이스영역(5)에 해당하는 부분을 오픈시켜 폴리실리콘 내지 금속을 이용하여 에미터 전극(7)과 베이스전극(8)을 형성한다. 도1에는 도시되지 않았으나 n형 실리콘기판(1) 하면에는 컬렉터 전극이 추가적으로 형성된다.
도1에 예시된 npn 바이폴라 트랜지스터 구조와 같이, 고농도 외부베이스영역(5)을 고주파동작을 구현하기 위해 얕은 접합깊이로 형성하여 왔다. 외부베이스영역(5)의 얕은 접합깊이로 인해 에미터영역(14)과 인접한 에지부의 측면부가 좁은 면을 갖게 되고, 그로 인해, 에미터와 베이스간의 역바이어스 하에서는, 화살표로 표시된 바와 같이, 에미터전류가 외부베이스영역(5)의 좁은 면을 갖는 에지부로 집중되는 현상이 발생된다. 이러한 전류집중으로 인해 트랜지스터를 열화시키는 요인이 되거나, 심한 경우에는 재료를 녹게 하나 디바이스를 파괴시킬 수 있다.
또한, 도1과 같이, 내부베이스영역(3)의 일부가 베이스전극(8)에 노출되는 경우에도 마찬가지로 에미터 전류밀도가 증가하여 소자가 파괴되기 쉽다.
이와 같이, 종래의 바이폴라 트랜지스터에서는, 고농도 베이스영역의 좁은 에지부와 그 베이스영역 상에 형성된 전극과 저농도 베이스영역의 접촉영역으로 의해 디바이스의 정전기 내전압을 감소시키는 원인이 되어 왔다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 그 목적은 고주파 특성을 유지하면서 전류밀도분산에 적합한 접합깊이를 갖는 고농도 베이스영역과, 나아가, 정전기수준을 향상시킬 수 있는 베이스전극의 형태를 구비한 바이폴라 트랜지스터를 제공하는데 있다.
도1은 종래의 바이폴라 트랜지스터의 구조를 나타내는 단면도이다.
도2는 본 발명의 일실시형태에 따른 바이폴라 트랜지스터의 구조를 나타내는 단면도이다.
도3은 고농도베이스접합깊이에 따른 정전기 내전압 특성의 변화를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11: n형 반도체 기판12: n형 에피택셜층
13: 저농도 p형 내부베이스영역14: n형 에미터영역
15: 고농도 p형 외부베이스영역
본 발명은, 제1 도전형 불순물로 도핑된 반도체 기판으로 이루어진 컬렉터 영역과, 상기 기판에 형성되며, 제2 도전형 불순물로 저농도 도핑된 내부 베이스영역과, 상기 내부 베이스영역에 형성되며 제1 도전형 불순물로 도핑된 에미터영역과, 상기 에미터영역의 형성깊이의 0.6배이상 1배이하의 형성깊이를 갖도록, 상기 내부 베이스영역에 형성되며, 제2 도전형으로 고농도로 도핑된 외부 베이스영역과, 상기 반도체 기판의 하면에 구비된 컬렉터 전극과, 상기 에미터영역의 상면에 형성된 에미터전극 및 상기 외부베이스영역의 상면에 형성된 베이스전극을 포함하는 바이폴라 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 상기 베이스전극을 적어도 상기 외부베이스영역의 상면을 포함하도록 형성시킴으로써 저농도의 내부베이스영역을 통한 베이스전극으로의 전류집중을 방지할 수 있다.
또한, 상기 외부 베이스영역은 에미터영역으로부터 발생되는 전류의 흐름을 인접한 다른 베이스영역과 균일하게 분산시킬 수 있도록 에미터영역과 수평방향으로 동일한 거리를 유지하면서 형성시켜, 베이스영역을 향한 전류밀도로 균일하게 분산시켜 정전기 내전압특성을 향상시킬 수도 있다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도2은 본 발명의 일실시형태에 따른 바이폴라 트랜지스터의 구조를 나타내는 단면도이다. 도2을 참조하면, 제1 도전형 불순물을 n형 불순물로, 제2 도전형 불순물을 p형 불순물로 각각 선택하여 제조된 npn 바이폴라 트랜지스터의 구조가 도시되어 있다.
도2에 도시된 바와 같이, 그 상면에 저농도 n형 에피택셜층(12)이 형성된 고농도 n형 실리콘기판(11)으로 이루어진 컬렉터영역과, 상기 n형 에피택셜층(12)에 p형 불순물이 저농도로 도핑된 내부 베이스 영역(13)과 그 내부 베이스영역에 p형 불순물로 고농도로 도핑된 외부베이스영역(15)으로 이루어진 베이스영역과, 상기 내부 베이스영역에 n형 불순물로 도핑된 에미터영역(16)을 포함한다.
상기 n형 에피택셜층(12)의 상면에는 SiO2와 같은 물질로 산화막층(18)이 형성되고, 에미터영역(16)과 고농도 외부베이스영역(15)에 해당하는 부분을 오픈시켜 폴리실리콘 내지 금속을 이용하여 에미터 전극(14)과 베이스전극(17)을 형성한다. 또한, n형 실리콘기판 하면에는 컬렉터 단자(미도시)를 추가적으로 형성된다.
본 실시형태의 npn 바이폴라 트랜지스터에서는, 에미터영역(16)과 고농도 베이스영역(15)의 형성깊이의 비율이 1:0.9가 되도록 고농도 베이스영역(15)이 형성된다. 따라서, 에미터-베이스접합에 역바이어스가 인가될 때에, 에미터(14)에서 고농도베이스영역(15)으로 향하는 전류는 도1과 달리, 비교적 넓은 면적이 고농도베이스영역(15) 측면으로 분포될 수 있다. 이와 같은 전류분포로 인해 정전기내전압 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 고농도 외부베이스영역(15) 상에 형성된 베이스전극(17)과 내부베이스영역(13)이 접촉부가 발생하지 않도록 상기 외부베이스영역(15) 상면 내에만 위치하도록 베이스전극(17)을 형성하는 구조를 갖는다. 따라서, 내부 베이스영역(13)에 접촉된 베이스전극(17)을 향하는 에미터전류의 흐름을 방지시킴으로써 정전기내전압 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 실시형태는 에미터영역(14) 주위에 형성된 고농도 외부 베이스영역(15)의 패턴을 균일한 간격으로 형성되도록 하여 특정부위의 베이스영역에 대한 전류밀도의 집중을 방지하고 균일하게 전류를 분포시켜 정전기내전압 특성을 향상시키는 방안을 추가적으로 적용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는, 고농도 외부베이스영역(15)의 형성깊이를 증가시켜 에미터영역(14)에 인접한 측면영역을 보다 넓게 확보함으로써 고농도 외부베이스영역(15)으로 향한 에미터 전류의 분포를 효과적으로 분산시킬 수 있다. 또한, 베이스전극(17)의 형성면을 고농도 베이스영역(15)의 상면에 포함되도록 형성하여 내부 베이스영역(13)에 접촉되지 않도록 함으로써 내부베이스영역(13)을 통해 직접 베이스전극(17)으로 향하는 전류흐름의 발생을 방지할 수 있다. 본 발명에서는 이와 같은 베이스전극(17)의 정렬도 역시 바이폴라 트랜지스터의 정전기 내전압을 향상시킬 수 있는 방안으로 채용하고 있다.
하지만, 이러한 방안 중 고농도 베이스영역의 접합깊이를 크게 하는 것은 베이스-컬렉터 접합의 항복전압 감소에 의해 제한을 받는다. 즉, 고농도 베이스영역의 접합깊이를 증가시킴으로써 에미터로부터 전류분포를 분산시킬 수 있는 측면은 크게 확보할 수 있으나, 그에 따라 컬렉터영역과 접합을 형성하는 저농도의 내부 베이스영역은 감소시키는 결과를 가져온다. 따라서, 그로 인해 베이스-컬렉터의 항복전압특성이 급격한 감소를 가져올 수 있다.
따라서, 본 발명자는 고농도 베이스영역의 접합 깊이를 증가시켜 정전기내전압 특성을 향상시킬 수 있는 효과와 함께, 베이스-컬렉터의 항복전압감소에 대한 영향을 실험을 통해 확인하였다. 이 실험의 목적은 정전기 내전압 특성을 향상시키기 위한 고농도베이스영역의 접합깊이 범위를 얻는데 있다.
(실시예)
우선, 동일한 조건으로 안티몬(Sb)가 도핑된 n형 실리콘기판을 제조한 후에 p형 불순물인 붕소(B)을 저농도로 도핑하여 내부베이스영역을 형성하고, 다시 저농도 내부 베이스영역의 일부에 안티몬을 도핑하여 형성깊이가 1.5㎛인 에미터영역을 형성하는 방법으로 4개의 시편을 제조하였다.
각각의 시편에 고농도 외부베이스영역을 에미터영역과 동일한 간격을 갖도록형성하되, 각각의 접합깊이를 달리하도록 형성하였다. 즉, 동일한 p형 불순물을 2×1015atoms/㎤로 각각의 시편에 대해 접합깊이를 달리하기 위해 이온주입에너지를 50Kev, 100Kev, 150Kev, 180Kev, 200Kev로 하였다. 이온주입에너지를 달리하여 주입된 깊이는 각각 1608Å, 2994Å, 4205Å, 4872Å, 5297Å이었다. 이를 1000℃의 질소분위기에서 25분동안 확산시켜 최종 얻어진 베이스영역의 깊이는 각각 0.82㎛, 1.05㎛, 1.39㎛, 1.53㎛, 1.61㎛가 되었다.
상기 4개의 시편을 에미터-베이스접합에 역바이어스가 인가된 상태에서 정전기 내전압을 측정하였다. 그 결과는 아래 표1과 도3의 그래프로 나타난 바와 같다.
| 고농도 외부베이스영역 | Xjb(㎛) | Xjb/Xje | ESD내전압(V) | |||
| 도우즈량(atoms/㎤) | 이온주입에너지(Kev) | Rp(Å) | ||||
| 시편1 | 2×1015 | 50 | 1608 | 0.82 | 0.55 | 143 |
| 시편2 | 2×1015 | 100 | 2994 | 1.05 | 0.70 | 305 |
| 시편3 | 2×1015 | 150 | 4205 | 1.39 | 0.93 | 320 |
| 시편4 | 2×1015 | 180 | 4872 | 1.53 | 1.02 | 323 |
| 시편5 | 2×1015 | 200 | 5297 | 1.61 | 1.07 | 325 |
표1에 나타난 바와 같이, 시편1에서 측정된 정진기내전압은 143V에 불과하나 에미터 대 고농도 베이스영역의 깊이가 1: 0.6에서부터 급격히 향상되는 것을 알수 있다. 고농도 베이스영역 깊이가 증가할수록 정전기내전압특성은 점차 향상되나, 도3에 도시된 그래프에 도시된 시편 5에 해당하는 부분을 살펴보면, 에미터영역의 형성깊이보다 커지게 되면서부터, 베이스-컬렉터의 항복전압이 급격히 감소하여, 결국 그 접합영역에서 또 다른 문제가 야기될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 고농도 베이스영역의 형성깊이는 에미터영역의 형성깊이와 비교하여 그 60-100%수준(도3의 그래프에서 ① - ②로 표시된 범위임)으로 형성하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 예를들어, 본 실시형태의 설명에서는 npn구조 바이폴라 트랜지스터로 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, pnp구조 바이폴라 트랜지스터도 포함되는 것은 자명한 사실이다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구조에 따른 바이폴라 트랜지스터는 고농도 베이스영역의 깊이를 에미터형성영역의 깊이를 고려하여 적절한 범위로 깊게 형성함으로써 에미터전류밀도를 분산시켜 정전기 내전압특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 정전기수준을 보다 향상시킬 수 있는 베이스전극의 형성면이 고농도베이스영역의 상면에 포함되도록 구성하여 저농도 베이스영역을 통한 베이스전극으로의 전류밀도집중을 방지할 수 있다.
Claims (3)
- 제1 도전형 불순물로 도핑된 반도체 기판으로 이루어진 컬렉터 영역;상기 기판에 형성되며, 제2 도전형 불순물이 저농도로 도핑된 내부 베이스영역;상기 내부 베이스영역 상부의 제1 영역에 형성되며 제1 도전형 불순물로 도핑된 에미터영역;상기 제1 영역과 소정간격을 갖는 상기 내부 베이스영역 상부의 제2 영역에 형성되며, 상기 에미터영역의 형성깊이의 0.6배이상 1배이하의 깊이를 갖도록, 제2 도전형으로 고농도로 도핑된 외부 베이스영역;상기 반도체 기판의 하면에 구비된 컬렉터 전극,상기 에미터영역의 상면에 형성된 에미터전극 및상기 외부베이스영역의 상면에 형성된 베이스전극을 포함하는 바이폴라 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,상기 베이스전극은 적어도 상기 외부베이스영역의 상면을 포함하도록 형성된 것을 특징으로 하는 바이폴라 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,상기 외부 베이스영역은 상기 에미터 영역의 적어도 양측에 형성되고,상기 외부 베이스영역은 에미터영역으로부터 발생되는 전류의 흐름을 인접한 다른 외부 베이스영역과 균일하게 분산시킬 수 있도록, 에미터영역과 수평방향으로 동일한 거리를 유지하면서 형성된 것을 특징으로 하는 바이폴라 트랜지스터.
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