JPS584825B2 - ハンドウタイソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は互に極性の異る横方向及び縦方向の二個のト
ランジスタ、（以後Ｔｒと略記する。

）を備えて論理回路を構成する半導体装置に関する。

近年、ＤＴＬ，ＴＴＬ，ＣＭＬ等の従来からある論理回
路とは異って、これらより構造が簡単で製造歩留りが高
く、集積度を向上し、かつ消費電力の少ない論理回路が
注目されている。

例えば半導体基体にインバータ素子として働く縦方向Ｔ
ｒと、このＴｒのベース領域に少数キャリアを注入する
横方向Ｔｒとが設けられ、この少数キャリアをインバー
タＴｒのベース領域へ注入しつつ、入力を制御してコレ
クタ出力を有効に制御しようとするものがある。

この論理素子の構造を第１図断面図で説明する。

任意の例えばＮ導電型を有する半導体基板１に気相成長
法でこの半導体基板１より不純物濃度の低いＮ導電型の
エビタキシャル層２を積層し、ここにＰ導電型領域３，
４を約１０１７〜１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の硼素を
選択拡散して形成する。

このＰ導電型領域３には１０１８〜１０２１ａｔｏｍｓ
／ｃｍ３の燐を拡散してＮ導電型領域５を形成する。

尚前記エビタキシャル層２の不純物濃度ぱＰ導電型領域
３，４のそれより低濃度にしてある。

この結果、Ｐ導電型領域４をエミッタ領域、エビタキシ
ャル層２をベース領域、Ｐ導電型領域３をコレクタ領域
とした横力向ＰＮＰＴｒと、エビタキシャル層２をエミ
ツタ領域、Ｐ導電型領域３をベース領域、Ｎ導電型領域
５をコレクタ領域とした縦方向ＮＰＮＴｒとが形成され
る。

ここでＰ導電型領域４と、エビタキシャル層２から形成
されたＰＮ接合に順方向電圧を印加したとすると正孔は
この領域４からエビタキシャル層２を通ってＰ導電型領
域３へと注入される。

第２図はこの論理素子の等価回路を示すもので、ここで
Ｅｐぱ定電流源接続端子、Ｂは信号入力端子、Ｃは出力
端子、ＥＮは接地端子とする。

今端子Ｂの入力信号が“１”レベル（例えば０．７ボル
ト）であると、端子ＥＰより注入された外部エミッタ電
流ＩＨＰは横力向ＰＮＰＴｒのベース接地電流増巾率α
ＰＮＰ倍つまりＩＥＰ×αＰＮＰとなってこのＴｒのコ
レクタ領域であると共に縦方向ＮＰＮＴｒのベース領域
であるＰ導電型領域３へ流れる。

従って縦方向ＮＰＮＴｒがオンとなり、端子Ｃの出力ぱ
“０“レベルとなる。

更にこの出力端子Ｃに生ずるコレクタ出力電流は前記縦
方向ＮＰＮＴｒのベース電流をその電流増巾率βＮＰＮ
倍した値まで許るされる。

逆に端子Ｂの入力信号が“０”レベル（例えばＯボルト
）であると、端子ＥＰから注入された外部エミツタ電流
ＩＢＰは入力端子Ｂへと流出して縦方向ＮＰＮＴｒのベ
ース電流とはならず、このために縦方向ＮＰＮＴｒはオ
フ状態となって端子Ｃの出力は“１”レヘルとなる。

このように入出力信号レベルが互に反転するインバータ
特性を持った論理素子はこれを組合せてＮＡＮＤ，ＮＯ
Ｒ，ＦＵＰ・ＦＬＯＰ等基本的な論理回路を構成できる
し、更に複雑な機能を持った高密度集積回路も実現可能
にする。

このような論理素子の消費電力は横方向ＰＮＰＴｒの特
性、即ちベース接地された電流増巾率αＰＮＰにより大
きく影響を受け、とのαＰＮＰの値が理想値１に近づく
程少なくなる。

またインバータ素子の最高スピード周波数特性、ファン
アウト雑音余裕度等は縦方向ＮＰＮＴｒの特性、とりわ
けエミツタ接地された電流増巾率βＮＰＮ及び利得帯域
巾積ｈによって影響を受ける。

従ってこの論理素子では横方向ＰＮＰＴｒと縦方向ＮＰ
ＮＴｒのそれぞれの電流増巾率と縦力向ＮＰＮＴｒの
利得帯域巾積ｆＴを同時に高めることが重要である。

一般にＴｒの電流増巾率はキャリアの注入効率とその輸
送効率との良否によって大きな影響をうける。

単位入力電流に対して、どれだけの少数キャリアがエミ
ツタ領域からベース領域からベース領域へ注入されるか
という効率を示すのが、キャリアの注入効率であシ、エ
ミツタ電流Ｉｅ、そのうちのベース領域での電流成分■
ｅｐをそれぞれ仮定するとき；次式で示される。

それ故キャリア注入効率を改善するためには、エミツタ
領域の不純物濃度をベース領域のそれに対して適当な比
に設定するとともに、エミツタ・ベースの接合面には適
当な不純物濃度の勾配をもたせて、ベース領域に注入さ
れるキャリアの数を増大せしめるとともに、注入された
キャリアに正方向の加速電界が働くようにすればよい。

一方、ベース領域内でのキャリアの輸送効率に関しては
、ベース領域内でのキャリアの拡散距離Ｌｂ、ベース領
域の巾Ｗをそれぞれ仮定するとき次式で示される。

したがってこのキャリアの輸送効率を改善するためには
、エミツタ領域から注入されたベース領域中のキャリア
がコレクタ領域に到達するまでの実効的な距離すなわち
ベース巾Ｗをできるだけ狭くして、かつこのキャリアが
ベース領域内の再結合中心に補獲され消失しないように
することが重要である。

ところで前記第１図の構造素子で横方向ＰＮＰＴｒのエ
ミツタ領域４とベース領域２の不純物濃度の比を適当な
値に設定し、かつベース領域内での再結合中心密度を低
くすることは比較的容易に行なうことができる。

しかしキャリアの輸送効率を改善ナるためにベース巾を
狭くすることは写真蝕刻技術、とくにマスク精度に大き
く制約されていて、その技術的限界が５〜１０μｍの現
状においては、一定の限界がある。

しかも、エミツタ領域とコレクタ領域はともにＮ導電型
エビタキシャル層２に相対して拡散形成されたＰ導電型
不純物拡散領域４，３からそれぞれ成るので、双方とも
対向する拡散側面は深さ方向で末広がりに遠去かる。

このためＮ導電型エビタキシャル層２の内部において、
拡散が深くなる程、相対する二箇のＰ導電型領域４，３
間に形成されるベース巾は急激に増大する。

したがって接合面積を広くしようとすればする程ベース
巾が拡がシキャリアの輸送効率は著しく劣化する。

またエミツタ領域４とベース領域２の全接合面部におい
ては前述の様にＰ導電型不純物が対向する領域側面を深
さ方向で遠去けるよう拡散されているので、不純物濃度
勾配はきわめて緩やかであり、キャリアの注入効率が悪
い。

したがって従来の構造において横方向ＰＮＰＴｒの高い
電流増巾率を得ることは非常に困難である。

又前記第１図の構造を有する従来の縦方向ＮＰＮＴｒに
おいては、Ｎ導電型エビタキシャル層２をエミツタ領域
Ｋ用い、さらにそこに形成した二重拡散層をペース領域
とコレクタ領域として用いているので、ベース巾を狭く
することは比較的容易であるが、エミツタ領域の不純物
濃度はベース領域のそれより低くならざるを得ない。

その上、ベース領域に注入されたキャリアにはその不純
物濃度勾配に基因して減速電界がかかるため、注入効率
を低下し、Ｎ導電型エビタキシャル層２をエミツタ領域
とする、いわゆる逆方向動作の電流増巾率は極めて低い
。

さらにこの論理素子においては横方向ＰＮＰＴｒと縦方
向ＮＰＮＴｒの領域の一部が互に併合されているので、
一方のＴｒの電流増巾率をより高める方向に不純物濃度
比を設定しても、それは他方のＴｒの電流増巾率にとっ
てはより悪い結果となってしまう。

例えば横方向ＰＮＰＴｒのキャリア注入効率を改善しよ
うとして、ベース領域即ちＮ導電型エビタキシャル層２
の不純物濃度を下げると、とのＮ導電型エビタキシャル
層２は縦方向ＮＰＮＴｒのエミツタ領域そのものでもあ
るので縦方向ＮＰＮＴｒのキャリア注入効率が著しく悪
くなってしまう。

尚この縦方向ＮＰＮＴｒの利得帯域巾積ｆＴは、今まで
の説明で明らかなように、低い電流増巾率とエミツタ領
域がＮ導電型エビタキシャル層２全体で構成されている
ことにより、やはり低い値しか得ることができなかった
。

これ等種々の欠点は、この論理素子の低消費電力性、高
速性に一定の限界があることを示唆し、とくに高周波領
域での動作がほとんど不可能であることを明示していた
。

本発明は上記の欠点を除去し改良された半導体装置を提
供するもので、第一に電源及び負荷となるＴｒの電流増
巾率を改善することによシ、消費電力を少なくし、第二
にインバータ素子となるＴｒの順逆両方向の電流増巾率
を同時に改善し、電流ホツキング現象を防止するととも
に、素子の高速化、高周波化を図るものである。

即ちこの発明は一方導電型半導体基体表面から深さ方向
に設けられる他方導電型堰層と、堰層の底領域に接続し
て基体内に基体分離域を区界する他方導電型遮断層と、
堰層の内側に形成され分離域をコレクタ領域とし堰層を
ベース領域とする横方向Ｔｒのエミツタ領域となる一方
導電型領域と、基体分離域の内側に形成され基体分離域
をベース領域とし遮断層をエミツタ領域とする縦方向Ｔ
ｒのコレクタ領域となる他方導電型領域と、縦方向Ｔｒ
のベース領域に設けられ電極で互に接続されるベース接
続用領域及び一方導電型キャリア吸出し領域と、縦方向
Ｔｒベース領域表面に形成される一乃至複数箇の金属半
導体間整流性接触ダイオードを備える半導体装置にある
。

この発明で一方導電型半導体基体はＰ導電型又はＮ導電
型の何れか一方であって良い。

そしてこの基体は一体であって良く、又例えば基板上に
形成された気相成長層のように積層体の一層であっても
良い。

他方導電型遮断層は一方導電型基体の一側とＰＮ接合を
形成する層であって、一方導電型基体より高濃度とし、
普通他方導電型堰層と同一濃度であるか又はより高濃度
とする。

一方導電型堰層は他方導電型遮断層に到達し、一方導電
型基体より高濃度とする。

基体分離域は他方導電型堰層及び他方導電型遮断層で囲
まれた基体の一部一方導電型領域を意味する。

このようなこの発明の半導体装置では、堰層をベース領
域としこの堰層内にエミツタ領域を形成して分離域をコ
レクタ領域とする横方向Ｔｒ分離域をベース領域としこ
の分離域内にコレクタ領域を形成して遮断層をエミツタ
領域とする第二の縦方向Ｔｒ、前記縦方向Ｔｒのベース
領域に設けられ特設又はベース電極の何れかであって良
い電極の直下のベース接続用領域及びベース領域とは反
対導電型のキャリア吸出し領域、並びに縦方向Ｔｒのベ
ース領域に設けられた金属半導体間整流性接触ダイオー
ドが併設されている。

従って横方向Ｔｒに於いてはエミツタ領域からベース領
域へのキャリアの注入効率が著しく改善され、さらにキ
ャリアに加速電界がかかるので高い電流増巾率が実現さ
れる。

一方縦方向Ｔｒに於いては、コレクタ領域とベース領域
並びにこれと対峙して設置されたエミツタ領域となる遮
断層との不純物濃度比を適当にとることが可能となり、
さらにベース領域の不純物濃度がほゞ一定であるので遮
断層をエミツタ領域として行わせる順方向動作の電流増
巾率は広い電流範囲にわたって高い値をとることが出来
る。

ここで順方向動作の電流増巾率が十分に高いことはこの
論理素子の高速性、ファンアウト、雑音余裕度等が従来
のものに比較して著しく改善されることを示す。

また分離域内の他方導電型領域をエミツタ領域として行
わせる逆方向動作の電流増巾率を適切な値に設定できる
ことは、ＤＣＴＬ回路で問題であったいわゆる大ファイ
ン・ゲート数による入力電流のホツギング現象の防止を
完全なものとし、更にベース領域と短絡されたキャリア
吸い出し領域の存在と相まって過剰少数キャリアの蓄積
を少くして素子の高速化を図ることができることを意味
する。

又金属一半導体整流性接触ダイオードが組み込まれてい
るために縦方向Ｔｒの論理振幅がその順方向電圧分だけ
下り作動を高速にする。

更にもしもこのダイオードを複数個と縦方ｍＴｒのコレ
クタ領域を複数箇設けるとこの素子は多入力多出力ＮＡ
ＮＤ機能を備えるものとならて集積度を良好にする。

この場合ダイオード及びコレクタの個数は対応しても対
応しなくても良い。

以下実施例について述べる。

この例の断面図を第３図に、等価回路図を第４図に示す
。

第３図で遮断層として用いられる例えばＮ導電型ケイ素
基板は高濃度Ｎ十導電型基板１１上に半導体基体として
用いられる低濃度Ｐ−導電型或いはπ導電型基体１２を
形成する。

基体１２の不純物濃度は遮断層１１のそれよりも著しく
低くするため例えば１０ｌ４〜１０１６ｃｍ−３とし、
ホウ素をＰ導電型不純物として添加してある。

基体１２は通常のケイ素エビタキシャル成長法を用いて
遮断層上に形成し、その膜厚は例えば２〜５μｍとする
。

次に基体１２の表面に絶縁膜として通常の高温酸化雰囲
気中で二酸化ケイ素膜を被着形成し、横力向Ｔｒのベー
ス領域となる堰層１３を形成するために光蝕刻を行って
この二酸化ケイ素膜を所定パターンで開孔する。

この状態で基体表面にリンを添加した二酸化ケイ素膜を
５００℃程度の低温で気相成長させ非酸化性雰囲気中で
熱拡散してＮ導電型堰層１３を形成する。

こゝで拡散は凡そ１２００℃とし基体をつきぬけて遮断
層に到達するように行う。

又堰層の濃度は１０１６〜１０１７ｃｍ−３として基体
よりも高濃度とする。

この結果堰層と遮断層により基体分離域１２′が区界さ
れる。

再び光蝕刻を行って二酸化ケイ素膜を開孔し保層の一部
表面及び基体分離域表面の他の一部を露出して、この開
孔部からホウ素を高温酸化雰囲気中で熱拡散する。

この拡散によって横方向ＴｒのＰ電型エミソタ領域１４
及びＰ電型ベース接続領域１８が形成される。

ベース接続領域はこゝでは横方向Ｔｒのエミツタ領域と
同時に形成しているが、別に工程を設けて形成してもさ
し支えない。

又これ等両領域共拡散法によらず別の例えばイオン打込
み法によって形成してもよい。

次に縦方向Ｔｒにコレクタ領域を複数箇とキャリア吸出
し領域を一個形成するために二酸化ケイ素層を一部基体
分離域上で開孔しリンを高温酸化雰囲気中で熱拡散しＮ
導電型領域１５１，１５２，１９を形成する。

即ち領域１５１，１５２はコレクタ領域でありそして領
域１９はキャリア吸出し領域で先に設けたベース接続領
域１８と短絡するように設けられる。

これ等各領域表面の絶縁物層を電極を取り出すため所望
に開孔Ｕ用孔部１０１，１０２，１０３，１０４並びに
３０１，３０２，３０３を設ける。

但し開孔部１０１けＮ導電型キャリア吸出し領域１９と
Ｐ導電型ベース接続領域１８の両領域に渡って開孔され
ることが必要である。

次に公知の配線技術により電極配線が形成され電極１０
２′と１０３′は出力端子Ｂ１，Ｂ２へ、１０４′は電
源端子ＥＰへそれぞれ接続され、１０１′によってＮ導
電型キャリア吸出し領域１９とベース接続領域１８とが
短絡される。

又聞孔部３０１，３０２，３０３に設けられた各電極３
０１，３０２，３０３ はそれぞれ基体分離域１２′側
を陽極側とするダイオード１２１，１２２，１２３の陰
極を構成する。

ダイオードの設置箇数はこの例では三箇であるが一箇又
は複数箇でよい。

電極金属はチタン、白金、アルミニウム等でよい。

そして各電極３０１′，３０２，３０３は入力端子Ａ１
，Ａ２，Ａ３にそれぞれ接続される。

但しここで入力端子部に組み込まれたダイオードの順方
向電圧は縦方向ＮＰＮＴｒのエミツタベース接合め順方
向電圧より低いように構成しなければならない。

第４図でＥＰは電源端子で横方向ＰＮＰＴｒのエミッタ
領域に接続され、Ａ１，Ａ２，Ａ３は入力端子で横方向
ＰＮＰＴｒのコレクタ領域、即ち縦方向ＮＰＮＴｒのベ
ース領域に接続され、またＢ１，Ｂ２は出力端子で縦方
向ＮＰＮＴｒのコレクタ領域に、Ｅｎは接地端子で横力
向ＰＮＰＴｒのベース領域と縦力向ＮＰＮＴｒのエミツ
タ領域に各々接続される。

まず端子Ｅｎを零電位にして、端子ＥＰにプラス０．７
ボルトを印加すると横方向ＰＮＰＴｒが動作状態となっ
てエミツタ領域１４からベース領域１３に注入された正
孔はこの領域を通ってコレクタ領域１２′即ち縦方向Ｎ
ＰＮＴｒのベース領域に到達する。

縦方向ＮＰＮＴｒにおいては、このベース領域内に注入
された過剰正孔により縦方向ＮＰＮＴｒのエミツタ領域
１１からベース領域１２ に新たに電子が注入される。

つまり縦方向ＮＰＮＴｒのエミツタベース接合は順方向
バイアスされ、動作状態となり、その出力端子Ｂ１，Ｂ
２の電位はほゞ零電位となる。

但しこの時、入力端子Ａ１，Ａ２，Ａ３は開放状態にあ
るか、或はエミツタ接地縦方向ＮＰＮＴｒのしきい値電
圧以上の適当な正の電圧が印加された状態にある。

又この入力端子Ａ１，Ａ２，Ａ３の少くとも一個を零電
位にすると縦方向ＮＰＮＴｒは遮断状態となり、出力端
子Ｂ１，Ｂ２は正電位となる。

即ち入力が全て“１”の時のみ出力が“０”となる多入
力多出力のＮＡＮＤ機能を持った論理素子が構成される
ことになる。

尚複数個の整流性ダイオード部分はＡＮＤ機能を、縦方
向ＮＰＮＴｒの部分はインバータ機能を持つことは自明
である。

ところで前記説明では半導体基体をＰ導電型としてＰ型
からスタートしているが、Ｎ導電型からスタートしても
勿論良い。

したがってこの場合には各領域及び層の導電型及び電源
をすべて反転しておけば同様に動作する。

このような新論理素子では電流源及び負荷となる横方向
Ｔｒのベース巾を、従来の横方向Ｔｒのようにマスク巾
によらないで、拡散により制御できるので極めて狭くで
き、不純物プロファイルからキャリアに対して加速電界
がかかるのでキャリアの注入効率及び輸送効率が著しく
改善される。

この為、広い電流範囲に渡り高い電流増巾率を得ること
かでき、論理回路としての消費電力が著しく減少する。

又遮断層１１をエミッタとする縦方向Ｔｒをインバータ
素子として用いるので、広い電流範囲にわたって高い電
流増巾率を実現することはもちろん高い利得帯域巾積∫
Ｔを得ることができる。

更に又縦方向ＮＰＮＴｒのベース領域に短絡するキャリ
ア吸出し領域の存在によってベース領域及びコレクタ領
域に蓄積される過剰少数キャリアを抑制出来、出力の反
転速度を高めることを可能にしている９更に入力端子に
インバータ機能を持つ縦方向Ｔｒのエミツタベース接合
の順方向電圧より低い順方向電圧特性を持つ金属半導体
整流性接触ダイオードを、その陽極側を縦方向Ｔｒのベ
ース領域自体で形成しているため多入力多出力ＮＡＮＤ
機能を一素子で実現出来る効果をも併せる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体装置断面図、第２図は第１図装置
の等価回路図、第３図はこの発明の半導体装置断面図、
第４図はその等価回路図である。 第３図で１２・・・基体、１３・・・堰層、１２ ・・
・基体分離域、１１・・・遮断層、１４・・・横方向Ｔ
ｒのエミッタ領域、１５１，１５２・・・縦方向Ｔｒの
コレクタ領域、１８・・・ベース接続用領域、１９・・
・キャリア吸出し領域、１２１，１２２，１２３・・・
ダイオード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一方導電型半導体基体表面から深さ方向に設けられ
   る他方導電型堰層と、堰層の底領域に接続して基体内に
   基体分離域を区界する他方導電型遮断層と、堰層の内側
   に形成され分離域をコレクタ領域とし堰層をベース領域
   とする横方向トランジスタのエミッタ領域となる一方導
   電型領域と、基体分離域の内側に形成され基体分離域を
   ベース領域とし遮断層をエミツタ領域とする縦方向トラ
   ンジスタのコレクタ領域となる他方導電型領域と、縦方
   向トランジスタのベース領域に設けられ電極で互に接続
   されるベース接続用領域及び一方導電型キャリア吸出し
   領域と、縦方向トランジスタのベース領域表面に形成さ
   れる一乃至複数箇の金属半導体間整流性接触ダイオード
   を備える半導体装置。