JPS584824B2 - 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、集積度が向上し、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、とのＴｒのベース領域に少数キャリアを注入する
横方向Ｔｒとを設けられ、この少数キャリアを前記イン
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である。

この論理素子の構造を第１図に示した断面図で説明する
。

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。

との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の不純物濃度は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をエミツタ領域、エビタキシ
ャル層２をベース領域、Ｐ導電型不純物領域３をコレク
タ領域とした横方向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は定電流源接続端子、Ｂは信号入力端子、Ｃは出力
端子、ＥＮは接地端子を示す。

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 よシ注入された外部エミツタ
電流ＩＥＰは横力向ＰＮＰＴｒのベース接地電流増巾率
α階倍つまりＩＥｐ×αＰＮＰとなってこのＴｒのコレ
クタ領域であると共に縦力向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の出力は
“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のペ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０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
ＩＥＰ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”レベルとなる。

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α
ＰＮＰ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ヒード、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
９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ｆＴ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方向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り、エミツタ電流Ｉｅ
、そのうちのベース領域での電流成分Ｉｅｐ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・ペ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図の構造素子で従来の横方向ＰＮＰＴ
ｒ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するためにベース巾を
狭くする場合、それが写真蝕刻技術、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５〜１０μ
ｍの現状においては、一定の限界があった。

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
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
巾が拡がり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
ては前述しへ如く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った。

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
に用い、さらにそこに形成した二重拡散層をベース領域
とコレクタ領域として用いているので、ベース吊を狭く
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かった
。

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
ものであった。

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。

尚この縦力向ＮＰＮＴｒの利得帯域巾積ｆＴは、今まで
の説明で明らか々ように、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り、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、電流ホツギ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コレクタ領域となる他方導電型領域と、第二の縦方向
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
領域とする縦方向Ｔｒｓ前記第二の縦方向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が併設されている。

従って横力向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ゝ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、
更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
。

こゝ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出来る
ことは、ＤＣＴＬ回路で問題となる所謂大ファイン・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
し領域の存在により過剰少数キャリアの蓄積を少くして
素子を高速化する効果を併せる。

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
基板又は高濃度Ｎ＋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１０１４〜１０１６ｃｍ−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、横方向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堰層の一部
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力向ＴｒのＰ導電型エミツタ領域１
４及びＰ導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力向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。

次に縦力向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
に開孔し開孔部１０１，１０２，１０３，１０４を設け
る。

但し開孔部１０１は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社出力端子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。

第４図でＥＰは電源端子で第一の横方向 ＰＮＰＴｒのエミツタ領域に接続され、Ａは入力端子で
横力向ＰＮＰＴｒのコレクタ領域、即ち縦力向ＮＰＮＴ
ｒのベース領域に接続され、またＢｌ，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
で横方向ＰＮＰＴｒ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袖ち縦方向ＮＰ
ＮＴｒ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１
１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，
Ｂ２の電位はほゞ零電位となる。

但しこの時、入力端子Ａ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Ａ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。

即ち入力がすべて“１”の時のみ出力が“０”となる多
入力多出力のＮＡＮＤ機能を備えた論理回路が構成され
ることになる。

尚縦方向ＮＰＮＴｒがインバータ機能を備えることは明
瞭である。

又前記説明は半導体基体をＰ導電型としてなされている
が、Ｎ導電型を用いても勿論良い。

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
ができ、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をエミツタとする縦方向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極めて高い利得帯域
巾積ｆＴ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。

【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図は第３図装置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Ｔｒ
のエミツタ領域、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。

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
   領域を備える半導体装置。