JPS635552A - バイポ−ラ/mosデバイス - Google Patents

バイポ−ラ/mosデバイス

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JPS635552A
JPS635552A JP62158760A JP15876087A JPS635552A JP S635552 A JPS635552 A JP S635552A JP 62158760 A JP62158760 A JP 62158760A JP 15876087 A JP15876087 A JP 15876087A JP S635552 A JPS635552 A JP S635552A
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JP
Japan
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gate
base
bipolar
hybrid
mos
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JP62158760A
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English (en)
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Pieere Koringe Jiin
ジーン・ピエーレ・コリンゲ
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Hewlett Packard Japan Inc
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Yokogawa Hewlett Packard Ltd
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Publication date
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    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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    • H01L29/7317Bipolar thin film transistors

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  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

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〕 本発明は一般に集積回路素子に関し、特に、バイポーラ
コンポーネントおよびMOSコンポーネントの両方を持
つ集積回路素子に関する。
〔従来技術とその問題点〕
集積回路の設計は通常、バイポーラテクノロジもしくは
MOSテクノロジのどちらかを基礎にしている。バイポ
ーラテクノロジを使えば一般にMOSテクノロジによっ
て作られた素子よりも速い素子を製造できる。しかしな
がら、MOSテクノロジはより簡単に実現でき、−般に
ずっと低電力の素子を製造できる。
集積回路素子内の個々の部分は基板上に形成され、導電
線によって相互接続される。通常、基板は軽くドープさ
れた半導体でふり、その上に連続して半導体層、絶縁層
、および導電層が沈積される。
バルク半導体基板(バルクシリコン)上に電子コンポー
ネントを製造するための技術およびテクノロジがよく知
られておシ、簡単に実現できるが、バルクシリコン技術
によって製造された素子にはいくつかの望ましくない特
性がある。たとえば、バルクシリコン上に形成されたM
OS)ランジスタは望ましくない大きな寄生ソース容量
、およびドレン容量を持ち、MOS)ランジスタの動作
をスローダウンし、消費電力を増加させる。
前述の寄生容量問題を減するための1つの方法はシリコ
ン−オン−インシュレータ(SOI)技術(絶縁性基板
上への半導体結晶形成技術)を用いることである。SO
I技術を使い、二酸化シリコンのような絶縁基板の上に
活性半導体コンポーネントを形成し、コンポーネントお
よび下層の基板の間の容量性効果を大幅に減少する。
SOI技術を用いて、バイポーラトランジスタを形成す
ることが様々なエンジニアおよび研究者によって探究さ
れてきた。たとえば1983年6月のI EEEEle
ctron Device Letters第EDL−
4巻、第6号のl” 5ilicon−on−4nsu
latorBipolar Transistors 
Jという論文の中で、Rodder らは二酸化シリコ
ン基板上に作られた薄膜、ラテラル、NPNバイポーラ
トランジスタを教えている。Rodder等はさらにN
PNバイボ゛−ラトランジスタのベース領域に用いられ
る酸化層、および酸化物上に形成されたメタルゲートな
教えている。この構成によりトランジスタはN−チャン
ネルMO8FETとして動作し、さらに、ゲートバイア
ス電圧を変化させたときの特性の研究が可能になる。最
大DC電流利得値2.5は5ミクロンのベース幅で達成
され、約0.5の値は10ミクロンのベース幅で達成さ
れた。
Rodder等のテスト素子はいくつかの理由のためD
C電流利得が非常に低い。その理由の1つのため、Ro
dder等はMOS−タイプゲート待った狭いベース幅
を有するNPNバイポーラトランジスタを作ることがで
きなかった。またRodderらのテスト素子はバイポ
ーラモードおよびMOSモードの両方で同時に動作する
ことは決してない。
言い換えればRodder等によるとテスト素子はNP
NバイポーラトランジスタかあるいはN−チャンネルM
OSFETトランジスタとして動作するが、両方が組み
合わさって動作することはない。
しかしながら、たとえRodderらがバイポーラ/M
O8の組み合わさった素子としてテスト素子を動作させ
たとしてもテスト素子のベース幅が広いため電流利得は
得られなかったであろう。
1983年8月のIEEE Electron Dev
iceLetters第EDL−4巻、第8号のT’5
aur等による論文「Eu1ly l5olated 
Lateral BipolarMO8Transis
tors Fabricated in Zone−M
elting−Recrystalized Si F
ilms on 5i02 Jは絶縁基板上に形成され
たバイポーラおよびMO8両トランジスタを含む他の集
積回路素子を教えている。Tsaur等の発表において
、4端子素子が述べられておち1、該素子は選択的にN
PNバイポーラトランジスタもしくは通常のN−チャン
ネルMO8FETとして動作させることができる。バイ
ポーラ動作ではエミッタ接地電流利得、約20が観察さ
れている。’p、aur等のバイポーラトランジスタは
Rodder等の電流利得よシ大きい電流利得を示すが
、通常のバイポーラテクノロジで達成される電流利得と
比べてむしろまだ低い。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、高速動作、高い利得、低コストでの製
造、および低電力消費特性を有するトランジスタを提供
することである。
本発明の他の目的は従来のバイポーラトランジスタおよ
びMOSトランジスタよシ高い利得を持つトランジスタ
デバイスを提供することである。
さらに、本発明の他の目的は特に高速インバータ回路に
対し好適に使用できるトランジスタデバイスを提供する
ことである。
〔発明の概要〕
簡単に言えば、本発明によるハイブリッドバイポーラ/
MOSデバイスはエミッタ、ベース、およびコレクタを
持つバイポーラトランジスタ部分と、ベース上に形成さ
れたゲート部分と、ベースにゲート部分をつなぐ電気的
接続から成る。ゲート部分はベース上に形成されたゲー
ト絶縁体、およびゲート絶縁体上に形成されたゲートコ
ンダクタから成る。アルミニウムあるいはグイ化物のよ
うな非常に導電性の高い物質によってゲート部分とベー
ス間を電気的接続する。なお、この電気的接続は低い導
電性物質によってなされてもよい。
ハイブリッドバイポーラ/MOSデバイスが上述のよう
に構成されると、バイポーラエミッタはMOSソースと
しても働き、またバイポーラコレクタはMOSドレンと
しても働く。結果として本発明のハイブリッドデバイス
は、いくつかの点で、まるでバイポーラトランジスタが
MOSトランジスタに並列接続されたかのように動作す
る。
本発明のハイブリッドデバイスはSOI技術を用いて都
合よく絶縁基板上に製造される。これにより、寄生容量
問題を減少し、その結果、動作が速く、電力消費が低く
なる。
本発明によるハイブリッドバイポーラ/MOSインバー
タは、第1のタイプの第1ハイブリツドバイポーラ/M
OSデバイスと、第2タイプの第2ハイブリツドバイポ
ーラ/MOSデバイスと、両ハイブリッドデバイスのベ
ース/ゲートニ接続された入力部と、デバイスのコレク
タ/ドレンに接続された出力部と、第1ハイブリツドデ
バイスのエミッタ/ソースと第2ハイブリツドデバイス
のエミッタ/ソー1間に接続された電源とから成る。本
発明の1実施例において、第1ハイブリツドデバイスは
PNPバイポーラトランジスタ部分を含み、第2ハイブ
リツド成分はNPNバイポーラトランジスタ部分を含む
。結果としてのインバータは低い消費電力、高電流駆動
能力を持ち、高速で動作し、約O〜0.8ボルトの電圧
幅で動作する。
本発明の長所はバイポーラテクノロジおよびMoSテク
ノロジを基礎にしたトランジスタデバイスの最良の特徴
を結合したハイブリッドバイポーラ/MOSデバイスを
提供していることである。
本発明の他の長所はハイブリッドバイポーラ/MOSデ
バイスが従来の技術を用いて、しかも非常に低いコスト
で製造できることである。
本発明のこれら、および他の目的、および長所は以下の
説明および図面によって明白になるであろう。
〔実施例〕
ここで、本発明の特徴的な実施例を詳しく参照する。そ
れは本発明を実施するために具現化されたベストモード
を図示している。
他の実施例についても応用できるように簡潔に述べる。
第1図において、不発明に従ったハイブリッドバイポー
ラ/ M OSデバイス10はバイポーラ部12、ゲー
ト部14、および接続部16を含む。
ハイブリッドコンポーネント10はまたエミッタ/ソー
ス(E/S)コンタクト18、ベース/ゲート(B/G
)、  コンタクト20、およびコレクタ/ドレン(C
/D )コンタクト22を含む。
ここで、さらに、第2図を参照すると、ハイブリッドコ
ンポーネントハシリコンーオンーインシュレータ(SO
I)技術を用いて絶縁基板24上に都合よく形成される
。絶縁基板24は二酸化シリコンから都合よく形成され
るが、集積回路の製造に用いるサファイアのような他の
商業上入手可能な絶縁物質からも形成することができる
バイポーラ部12は前述のSOI技術を用いて絶縁基板
24上に形成され、第1領域26、第2領域28および
第3領域30を含む。第1領域26および第3領域30
はシリコンのような半導体物質から作られ、該半導体物
質をドープして第1導電形物質を作る。第2領域28も
シリコンのような半導体物質から作υ、それをドープし
て第2導電形物質にする。説明を簡潔にするために、第
1領域26、および第3領域30はN型半導体となるよ
うにドープし、第2領域28をP型半導体となるように
ドープし、NPNバイポーラトランジスタを製造するも
のと仮定する。もちろんバイポーラ部12はまた従来か
らよく知られているようなPNPバイポーラトランジス
タのようにも構成できる。
従来からよく知られているように第1(エミッタ)領域
26は第3(コレクタ)領域30より濃くドープする。
第2領域28はゲート部14と同じ横幅を持ち、利得を
犬とするためにできるだけ薄く作る。
ここでさらに第3図を参照するとゲート部14はゲート
コンダクタ32およびゲート絶縁体34を含む。ゲート
コンダクタ32はアルミニウムのような金属、あるいは
他のケイ化物やポリシリコンのような導電物質から成る
。ゲート絶縁体34は二酸化シリコンから都合よく形成
される。
接続部16はシリサイドから都合よく形成された接続層
36を含む。シリサイドはゲートコンダクタ32と第2
領域28間に小さく自己整合された結線を提供できるの
で本発明には望ましい接続物質である。しかしながら、
本発明のいくつかの実施例において、アルミニウムのよ
うな他の導電物質を用いて、ゲートコンダクタ32を第
2領域28に接続する。これらすべての実施例において
、後により詳しく述べるように、半導体ベースの固有抵
抗がゲートの動作部分とベース間の抵抗となるが、ゲー
トの一部は本質的にベースの一部とショートしている。
コンタクト18.20および22は第1領域26、第2
領域28、および領域30とそれぞれシリサイド物層3
8.36および40で、それぞれ電気的に結合している
。コンタクト18.20および22は都合よくアルミニ
ウムでできている。二酸化シリコンから成る絶縁壁42
、フランクゲート部分14はゲート絶縁体34と共に領
域26.28および30が互いにショートするのを防ぐ
ハイブリッドデバイス10は、電圧−制御パイポーラ/
MO8(vCBM)モードにおける適切な動作を比較す
るために、バイポーラモード、あるいはMOSモードで
テスト動作されうる。バイポーラテストモードにおいて
、ゲートコンダクタ32をグラウンドし、第2領域28
への影響を最小にし、ベースはゲートから切り離される
。そして領域26.28.30はバイポーラトランジス
タのエミッタ、ベース、コレクタとしてそれぞれ働へ対
応したエミッタコンタクト、ベースコンタクト、および
コレクタコンタクトはもちろんそれぞれコンタクト18
.20および22である一0M0Sテストモードで動作
するとき、第2領域28をフローティング圧し、ベース
はゲートから切シ離し、ゲートコンダクタ32は電圧源
に接続される。前述のように、このモードのときに第2
領域28はMOSFETの主要部(body )として
働き、ゲート部14によって完全に被われる。第1領域
26はMOSトランジスタのソースとして働き、第3領
域30はMOSトランジスタのドレンとして働く。
ハイブリッドモード、すなわちVCBMモードで適切に
動作するとき、ハイブリッドコンポーネント10はバイ
ポーラおよびMO8両トランジスタから区別できる特性
を持つ。このモードのとき第1領域26はエミッタ/ソ
ースE/Sとして働き、領域28はベース/ゲート B
/Gとして働き、領域30はコレクタ/ドレン C/D
として働く。
1/2ミクロンより狭い幅の領域28(したがって、ゲ
ート部14)を持って形成されたハイブリッドデバイス
10で75までの電流利得が観察された。ハイブリッド
デバイス10を通る電流はMOS)ランジスタ電流とバ
イポーラトランジスタ電流の合計に近いと思われる。ハ
イブリッドデバイス10のバイポーラ的動作とMO8O
8作動作問々な相互作用のため素子を通る全電流は実際
には2つの前述の電流の合計より約10%はど小さい。
この付加的な影響は約1ミクロン以上のベース幅に対し
てはそれほど重要でないということに注目すべきである
。したがって、ハイブリッドデバイス10におけるサブ
ミクロンの特徴を作り出すために、高度のVLSI技術
を用いることが重要である。
領域28はバイポーラトランジスタのベース、およびM
OS)ランジスタの本体(主要部)として両方の働きを
するので、領域28のベース電流は該領域内に正の電圧
を発生し、MOSトランジスタのしきい値電圧な1:げ
る。結果として、ハイブリッドデバイス10のMOSト
ランジスタ部のしきい値電圧は「オフ」状態においてよ
りもrオン」状態における方が低く、rオン」状態にお
いて、ドレン電流をさらに増加させる。
ハイブリッドバイポーラ/MOSデバイスの近似等価回
路11を第4A図に示す。素子11はソースS、ゲート
G1およびドレンDを持つMOSトランジスタ50と、
エミッタ/ソ−スB1およびコレクタCを持つバイポー
ラトランジスタ52とヲ含ム。ドレンDはコレクタCに
接続され、ソースSはエミッタEに接続され、ゲートG
は抵抗素子54によってベースBに接続される。最終的
に、コンタクトB/GがゲートGに接続され、コンタク
トC/DはドレンD、およびコレクタCに接続され、コ
ンタクトE/SはソースSおよびエミッタEに接続され
る。
抵抗素子54は前述の第2領域28の固有抵抗である。
この固有抵抗は第3図の抵抗素子54によって示され、
数千オームである。抵抗素子54は本質的にはコンタク
ト20と領域28の間の接触抵抗と、領域280ベース
拡がり抵抗の合計である。
本発明の他の実施例において、付加抵抗素子56が固有
抵抗素子54に直列に接続され、素子の動作特性を変化
させる場合があり得る。これは、ゲートとベース間に、
シリサイドやアルミニウムはどの導電性がない接続物質
が用いられる場合に生ずる。ハイブリッドバイポーラ/
MOSデバイスが第4B図に図式的に示される。
第5A図にMOS−専用テストモードで動作しているハ
イブリッドデバイス10の伝達特性を示す。ソース−ド
レンt 流Iso カソースードレン電圧vsDに対し
てプロットされ、ここでグラフの各トレースは200ミ
リボルトステツプのゲート電圧に対する特性を表わす。
グラフかられかるように各トレースの勾配は望ましくな
いほど急勾配であり、「キンク効果」として知られた本
質的な非線形特性を持つ。したがって、MOS−専用テ
ストモードで動作するハイブリッドデバイス10はひず
みの問題のためあまりよいアナログコンポーネントを作
らないという結論になる。
第5B図にバイポーラ−専用テストモードでのハイブリ
ッドデバイス10の伝達特性を示す。このグラフではベ
ース−エミッタ電圧VB!+に対してエミッターコレク
タ電流Il+cが20マイクロアンペアのステップ毎に
プロットしである。グラフかられかるように、トレース
はMOS−専用テストモードよシも線形であるが、まだ
望ましくない急勾配があり、かつまだ利得特性が比較的
低い。
第5C図において、・・イブリッド動作、すなわち、W
圧制御バイポーラ、/MoS(vCBM)モードでのハ
イブリッドデバイスの伝達特性を示す。
ソース−ドレン’[a Isn カソースドレンit圧
Vspに対してプロットされ、各トレース間のステップ
は200ミリボルトである。
第5C図に示したVCBM  モードでの電流は第5A
図に示したMOS−専用テストモードでの電流の約4倍
であることに注目すべきである。さらに、VCBMモー
ドのトレースは事実上線形であり、望ましい小さい勾配
を持つ。これらの特性のためハイブリッドコンポーネン
ト10ばその708Mモードで正しく動作するときアナ
ログおよびデジタルのアプリケーションに非常に有用で
あるさらに、適切なVCBMモードのとき素子10は(
MOSトランジスタと同じく)電圧制御されるが、(バ
イポーラトランジスタと同様)高い電流利得を持つ。
第6図において、ハイブリッドデバイス10のコンダク
タンスをゲート電圧■Gに対しての電流を様々にプロッ
トし、図示する。ハイブリッドデバイス10のコレクタ
ードレン電流ICDをカーブAで示し、ベース電流りを
カーブBで示す。MOSモードで動作するときのドレン
電流IOをカーブCで示す。
VCBMモード、あるいはMOS−専用テストモードの
どちらかで動作させるとき、ハイブリッドデバイス10
のしきい値電圧は約0.6ボルトとなって現れる。VC
BMモードおよびバイポーラ−専用テストモードの間に
は2.4ボルト付近にクロスオーバーが存在することに
注目すべきである。
ハイブリッドデバイス10の電流利得HFEは式)(y
t二Ic/In  によって与えられるので、Voが2
.4ボルト以下のとき利得は1以上になりV。が2.4
ボルトよυ大きいとき1以下となる。したがって、ハイ
ブリッドデバイス10は0.6ボルトのしきい値電圧と
2.4ボルトのクロスオーバ電圧との間の範囲で動作さ
れるべきである。
第7図にハイブリッドデバイス10の相互コンダクタン
スGMを示す。相互コンダクタンスGMはコレクタ電流
をゲート電圧で微分したものである。数学的に表わすと
GM = d Ic / d Voとなる。
もちろん、相互コンダクタンスはできるだけ大きいこと
が望ましい。第7図に見られるように、ハイブリッドデ
バイス10の相互コンダクタンスはMO8専用モードの
ときよりVCBM  モード中の方がずっと良い。VC
E3M モードで動作する・・イブリントデバイス10
の相互コンダクタンスGMは■g=約1ボルトで最大値
を示す。
第6図のコンダクタンス特性および第7図の相互コンダ
クタンス特性からノへイブリッドデバイス10の動作範
囲が明らかになる。素子10を完全にシャットオフする
にはゲート電圧VG = oポルトとすればよく、最大
相互コンダクタンスは約1ボルトのゲート電圧Vaで実
現される。実際は動作範囲の上端はバイポーラ利得およ
びコンパチビリティなとのいろいろな理由で1.3かあ
るいは1.4ボルト位が望ましい。
第8A図にハイブリッドデバイス11および12を用い
るインバータ58を示す。特にインバータ58は前述の
ハイブリッドデバイス11と異なるタイプのハイブリッ
ドデバイス12とを含む。特にハイブリッドコンポーネ
ント11はNPNバイポーラトランジスタ部分を持ち、
−方、素子12はPNPバイポーラトランジスタ部分を
持っている。その他の点ではデバイス11および12の
構成は本質的には同じである。
入力vINはデバイス11および12のB/G入力に接
続され、出力voU↑はデバイス11および12の端子
C/Dに接続される。電圧源■DDはデバイス120E
/S端子に接続され、デバイス110E/S端子はグラ
ウンドに接続される。
動作時には十分な正の電圧VIHによりハイブリッドデ
バイス12はターンオフし、ハイブリッド素子11はタ
ーンオンし、voU丁はグラウンドまで引っばられる。
もし、vINをグラウンドすれば、ハイブリッドデバイ
ス12はターンオンし、ハイブリッドデバイス11はタ
ーンオフし、700丁をVDI)にまで引き上げる。
第8B図に、第8A図の回路の伝達特性を示す。
図かられかるように、各トレースは非常に線形で水平な
部分、およびかなり線形で垂直な部分を表わす。これら
の特性は第8A図のインバータ58がO〜2ボルトの範
囲でほとんど理想的なインバータであることを示してい
る。
多くの出版物が集積回路デバイスの製造プロセスに用い
られる共通技術を詳細に述べていることに注目すべきで
ある。たとえばPreston Publishiny
カンパニーが出版した「Sem1conductor 
andIntegrated C1rcuit Fab
rication Techniques Jがある。
これらの技術は一般に本発明の構造体の製造に用いるこ
とができる。さらに、個々の製造ステップは商業的に入
手可能な集積回路製造用機械を用いて実現できる。本発
明を理解するために特に必要なので、本実施例のための
おおよその技術データを現在のテクノロジを基に示した
。本技術分野の将・来の発展によシ、適当な修正が必要
となるであろうことは明らかである。
本発明の実施例の前述の説明は例証、および説明の目的
で提示されたものである。したがって、かかる説明は、
本発明を前述したものと寸分違わない形に制限するもの
ではない。明らかに、多くの修正や、変形が本技術分野
の当業者には明白である。多くのバイポーラおよびMO
Sプロセスの製造技術で本発明を実現することが可能で
ある。
同様に、今まで述べたどのプロセスステップも、同じ結
果を得るために他のステップと置き換えることができる
。実施例では当業者が本発明を理解できるように、本発
明の原理、および実用応用を最もうまく説明するために
選択し、述べたものである。
〔発明の効果〕
以上の説明よシ明らかなように、高速、高利得、低コス
トでの製造可能、低電力消費のバイポーラ/ M O8
素子が実現でき、特にインバータ回路に使用して効果が
犬である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による−・イブリッドバイポーラ/MO
Sデバイスの上面図、第2図は第1図の線2−2に泊っ
た断面図、第3図は第1図の線3−3に漬った断面図、
第4A図は第1図のデバイスの近似等価回路、第4B図
は第4A図のデバイスの模式図、第5A図はMO8専用
モードでの動作時における伝達特性図、第5B図はバイ
ポーラ専用モードでの動作時における伝達特性図、第5
C図はハイブリッド、電圧制御バイポーラ/MO8(V
CBM)モードでの動作時における伝達特性図、第6図
は本発明デバイスのコンダクタンス特性図、第7図は本
発明デバイスの相互コンダクタンス特性図、第8A図は
本発明デバイスを2個使用したインバータの回路図、第
8B図は第8A図のインバータの伝達特性図である。 12:バイポーラ部分 14:ゲート部分 16:接続部分 18:エミッタ/ソース・コンタクト 20:ベース/ゲート・コンタクト 22:コレクタ/ドレイン・コンタクト24:絶縁基板 26:第1領域 28:第2領域 30:第3領域 32:ゲート・コンダクタ、 34:ゲート絶縁体、 38.40:シリサイド。 出願人 横河叱rレット・ノジ址ド株式会社代理人 弁
理士  長 谷 川 次  男囲囲馨葺。 ==  oハ のく −ヨ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)エミッタ、ベースおよびコレクタを有するバイポ
    ーラトランジスタ手段と、前記ベースに接近配置された
    ゲート手段と、前記ゲート手段を前記ベースに電気的に
    接続する接続手段とを含むバイポーラ/MOSデバイス
  2. (2)前記ゲート手段はゲート導電体とゲート絶縁体と
    より成り、前記ゲート絶縁体は前記ゲート導電体と前記
    ベースとの間に形成され、前記接続手段は前記ゲート導
    電体を前記ベースに接続するものである特許請求の範囲
    第1項記載のバイポーラ/MOSデバイス。
JP62158760A 1986-06-25 1987-06-25 バイポ−ラ/mosデバイス Pending JPS635552A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US87846286A 1986-06-25 1986-06-25
US878462 1986-06-25

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JPS635552A true JPS635552A (ja) 1988-01-11

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ID=25372083

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