JPS63128742A - 半導体注入集積論理回路装置 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明はＩＣに組込まれる半導体注入集積論理回路装置
（以下、ＩＩＬと称す）の改良に関する。

（ロ）従来の技術７ １１Ｌは第６図の等価回路図に示す如く、エミッタ接地
型のインバータＮＰＮトランジスタ（１）とベース接地
型のインジェクタＰＮＰ）ランジスタ（２）この複合構
造を成し、インバータＮＰＮトランジスタ（１）のベー
ス端子を入力端子（３）、コレクタ端子を出力端子（４
）とするバイポーラ型の論理回路素子である。そしてイ
ンジェクタＰＮＰトランジスタ（２）が前段の負荷と次
段の定電流源として動作する為、低消費電力動作が可能
で高速、高集積化できる利点を有する。

第７図は上記ＩＩＬの一般的な構造を示すもので、Ｐ型
半導体基板（１１）上に積層して形成したＮ型エピタキ
シャル層（１２）と、基板（１１）表面に形成したＮ型
埋込層（１３）と、エピタキシャル層（１２）を貫通し
たＰ１型分離領域（１４〉によって島状に分離された島
領域（１５）と、島領域（１５）表面に形成したＰ型イ
ンジェクタ領域（１６）及びベース領域（１７）と、ベ
ース領域（１７）表面に形成したＮ＋型コレクタ領域（
１８）とで構成され、インジェクタＰＮＰトランジスタ
（２）はインジェクタ領域（１６〉をエミッタ、島領域
（１５）をベース、ベース領域（１７）をコレクタとす
るラテラルＰＮＰトランジスタで、インバータＮＰＮト
ランジスタ（１）は島領域（１５）をエミッタ、ベース
領域（１７）をベース、コレクタ領域（１８）をコレク
タとする逆方向縦型ＮＰＮ　トランジスタで各々構成さ
れている。尚島領域（１５）にはコンタクト領域（１９
）を介して接地電位ＧＮＤが印加される。

斯上したＩＩＬ構造によれば、２つのトランジスタを１
つのトランジスタのスペース内にまとめて収容でき、そ
れらの素子分離が不要なので高集積化が図れる。

ところが、このような構造ではインバータＮＰＮトラン
ジスタ（１）が逆方向に形成され、ベース領域（１７）
の不純物濃度勾配が少数キャリアの注入方向とは逆方向
に傾く為、高い電流増幅率（逆β）が得られない欠点を
有していた。

そこで例えば特開昭６０−２２６１６５号公報に記載さ
れているように、インバータＮＰＮトランジスタ（１）
のベース領域を埋込んだ埋込みベース型のＩＩＬが提案
されている。

第８図は斯る埋込ベース型のＩＩＬを示し、埋込層り１
３）に重畳したＰ型の埋込ベース領域（２０）と、コレ
クタ領域（１８〉を取囲むようにエピタキシャル層（１
２）表面から埋込ベース領域（２０）まで達するＰ型の
ベース導出領域（２１）とを形成し、逆方向縦型ＮＰＮ
　トランジスタのベースを基板（１１）表面から上方向
へ拡散形成した埋込ベース領域（２０）で構成するよう
に形成している。この構造によれば、埋込ベース領域（
２０）の不純物濃度勾配が少数キャリアの注入方向と順
方向に形成きれるので、少数キャリアがベースでの電界
加速を受け、高い逆βが得られるようになる。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかしながら、従来のＩＩＬでは構造的にインジェクタ
ＰＮＰ　）ランジスタ（２）のベースとインバータＮＰ
Ｎトランジスタ（１）のエミッタとを共用する為、入力
端子（３）の電位、つまりインジェクタＰＮＰトランジ
スタ（２）のコレクタの電位が上昇するとこのトランジ
スタが飽和してしまい、インバータＮＰＮ　トランジス
タ（１）のベース電流として十分なインジェクタ電流を
供給できなくなる欠点があった。また、それによってイ
ンバータＮＰＮ　）−ランジスタ（１）のドライブ能力
が不足する欠点があった。

第９図は従来のＩＩＬの動作原理を説明するだめの特性
図で、縦軸はインバータＮＰＮトランジスタ（１）のベ
ース゛電流Ｉｌｌ、横軸はインバータＮＰＮトランジス
タ（１）のベース電位Ｖ８、実線ＡはインバータＮＰＮ
トランジスタ（１）のベース・エミッタ間のＰＮ接合の
順方向接合特性、実線Ｂは前段のインバータＮＰＮ）−
ランジスタの飽和電圧Ｖｃｔ（ｓａｔ）特性、そして実
線ＣはインジェクタＰＮＰトランジスタ（２）の負荷特
性を示す。

先ず入力端子（３）の電位が“Ｌ”の時、具体的にはそ
の電位が例えば前段のインバータＮＰＮトランジスタの
飽和電圧ｖ　ｃｘ（ｓａｔ）　（約０．ＩＶ）に等しい
時、次段のインバータＮＰＮ　トランジスタ（１）は０
ＦＦｔ、、インジェクタＰＮＰ　）−ランジスタ（２）
は前段の負荷として動作する。その際、インジェクタＰ
ＮＰトランジスタ（２）のエミッタ・コレクタ間には約
０．５ｖもの電位差が印加されるので、このトランジス
タはまだ高ｈ□の状態で動作することができ、図示Ｘ点
に相当する高いインジェクタ電流を供給できる。

ところが、入力端子（３）の電位が上昇してインジェク
タＰＮＰ）ランジスタ（２）のコレクタの電位が上昇す
ると、このトランジスタは急速に飽和し始め、その電位
が“Ｈ”になった時、つまりインバータＮＰＮトランジ
スタ（１）がＯＮＬ、てベースの電圧が約０．６■に固
定された時、インジェクタＰＮＰトランジスタ（２）は
ベース・コレクタ間が完全に順バイアスになって低り、
露の状態でしか動作できなくなってしまい、図示Ｙ点に
相当するインジェクタ電流しか供給できなくなる。その
ため、インバータＮＰＮ　トランジスタ（１）にとって
はベース電流が不足することになり、逆β倍のベース電
流で表わされるドライブ能力も当然高くできない。これ
を改善するにはインバータＮＰＮトランジスタ（１）の
逆βを向上させれば良いが、プロセスが難しく・なるの
と構造的な問題から限界がある。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明は斯上した欠点に鑑みてなされ、埋込ベース領域
（３６）をコレクタ、区画された島領域（３ｓ）ノーｆ
ｆＦｒをベース、インジェクタ領域（３７）をエミッタ
とする縦型ＰＮＰトランジスタをインジェクタＰＮＰト
ランジスタ（２）として用い、そのベースとなる領域と
アノード領域（４０）とを電極配線によって接続したこ
とを特徴とする。

（＊）作用 本発明によれば、インジェクタＰＮＰ　トランジスタ（
２）として縦型ＰＮＰ　トランジスタを用いたので、イ
ンバータＮＰＮ）ランジスタ（１）のエミッタとなる島
領域（３５）からそのベースとなる領域を電気的に独立
させることができ、さらにアノード領域（４０）と電極
配線で接続したので、インジェクタＰＮＰ）−ランジス
タ（２）のベースをダイオード（５）を介して接地した
回路を実現できる。

（へ）実施例 以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。

第１図及び第２図は本発明によるＩＩＬの断面図及び平
面図で、Ｐ型半導体基板（３１）上に積層して形成した
Ｎ型のエピタキシャル層（３２）と、基板（３１）表面
に形成したＮゝ型の埋込Ｊｉ（３３）とここの埋込層（
３３）を取囲むようにエピタキシャル層（３２）を貫通
したＰ＋型の分離領域（３４）と、分離領域（３４）に
よって島状に分離された島領域（３５）と、埋込　　。

層（３３）に重畳して基板（３１ン表面から上方向へ拡
散形成した埋込ベース領域（３６）と、島領域（３５）
表面に形成したＰ型のインジェクタ領域（３７）及びＮ
４″型のコレクタ領域（３８）と、インジェクタ領域（
３７）及びコレクタ領域（３８）を各々取囲むように島
領域（３５）表面から埋込ベース領域（３６）まで達す
るベース導出領域（３９）と、島領域（３５）表面に形
成したＰ型のアノード領域（４０）とで構成されている
。

インバータＮＰＮトランジスタ（１）は島領域（３５）
及び埋込層（３３）をエミッタ、埋込ベース領域（３６
）をベース、コレクタ領域（３８）を囲むベース導出領
域（３９）と埋込ベース領域（３６）とによって完全に
区画きれた島領域（３５ａ）をコレクタとする逆方向縦
型ＮＰＮトランジスタで形成され、インジェクタＰＮＰ
トランジスタ（２〉はインジェクタ領域（３７）をエミ
ッタ、インジェクタ領域（３７）を囲むベース導出領域
（３９）と埋込ベース領域（３６）とによって完全に区
画された島領域（３５ｂ）をベース、埋込ベース領域（
３６）をコレクタとする縦型ＰＮＰ　トランジスタで形
成される。アノード領域＜４０）（！：島領域（３５）
このＰＮ接合によってダイオード（５）が形成され、そ
れは電極配線によって前記区画された島領域（３５ｂ）
表面に形成したＮ＋型のコンタクト領域（４１）に接続
される。インバータＮＰＮ　トランジスタ（１）のエミ
ッタとなる島領域（３５）にはＮ０型のカラー領域（４
２）を介して接地電位ＧＮＤが印加され、カラー領域（
４２）はベース導出領域（３９）を囲むことによりホー
ルの逆注入を抑えて高い逆βが得られるように形成して
いる。また、ベース導出領域（３９）とアノード領域（
４０）この間にもカラー領域〈４２）を設けてそれらの
不要な寄生効果を防止する。

次に本発明によるＩＩＬの製造方法を説明する。

先ず第３図Ａに示す如く、半導体基板（３１）表面に埋
込層（３３）を形成するアンチモン＜Ｓｂ）をデポジッ
トし、埋込層（３３）上及び埋込層り３３）を囲む基板
（３１）表面には埋込ベース領域（３６）と上下分離領
域（３４）の下側拡散層（４３）を形成するボロン（Ｂ
）をデポジット又はイオン注入する。

次に第３図Ｂに示す如く、基板（３１）全面に周知の気
相成長法によってＮ型のエピタキシャル層（３２）を所
定厚さに積層して形成する。

続いて第３図Ｃに示す如く、エピタキシャル層（３２）
表面より上下分離領域（３４）の上側拡散層（４４）と
ベース導出領域（３９〉とを同時に選択拡散し、この熱
処理によって先にデポジットしておいた各領域をドライ
ブインする。本工程で上側拡散層（４４）は下側拡散層
（４３）と連結して上下分離領域（３４）を構成し、ベ
ース導出領域（３９）はインバータＮＰＮトランジスタ
（１）のコレクタとなる島領域（３５）の一部とインジ
ェクタＰＮＰ　ｌ−ランジスタ（２）のベースとなる島
領域（３５）の一部を区画しなから埋込ベース領域（３
６）に到達する。

そして第３図りに示す如く、Ｎ＋型のコレクタ領域（３
８）とカラー領域り３９）とを例えば通常のＮＰＮトラ
ンジスタのエミッタ拡散工程によって形成し、さらにＰ
型のインジェクタ領域（３７）を例えばイオン注入法に
よって形成する。このインジェクタ領域（３７）はイン
ジェクタＰＮＰ　トランジスタ（２）の耐圧ｖｅＫｏを
考慮してかなり浅い領域を用いてあり、仮にもっと深い
通常のＮＰＮトランジスタのベース拡散工程を用いるな
らば、エピタキシャル層（３２）の厚みを厚くしてイン
ジェクタ領域（３７）底部から埋込ベース領域（３６）
上部までを十分に離間させるか、又は区画された島領域
（３５ｂ）にエピタキシャル層り３２）より高不純物濃
度のＮ型の領域を設けるかしてバンチスルー電圧（耐圧
■４０に等しい）が劣化しないようにする必要がある。

斯上した如く構成した本発明のＩＩＬによれば、インジ
ェクタＰＮＰ　トランジスタ（２）として縦型ＰＮＰ　
トランジスタを用いたので、インバータＮＰＮ　トラン
ジスタ（１）のエミッタとなる島領域（３５）からイン
ジェクタＰＮＰ　トランジスタ（２）のベースとなる領
域を電気的に独立させることができ、それによって１個
の島領域（３５）内で第４図の等価回路を実現すること
が容易に可能になる。

第４図は本発明のＩＩＬの等価回路を示し、（１）はイ
ンバータＮＰＮ）−ランジスタ、（２）はインジェクタ
ＰＮＰトランジスタ、（３）は入力端子、（４）は出力
端子で、インジェクタＰＮＰトランジスタ（２）のエミ
ッタには電源電位ＶＣＣが、インバータＮＰＮトランジ
スタ（１）のエミッタには接地電位ＧＮＤが各々印加さ
れ、インジェクタＰＮＰトランジスタ（２）のコレクタ
はインバータＮＰＮトランジスタ（１）のベースに接続
される。そしてインジェクタＰＮＰ）−ランジスタ（２
）のベースはアノード領域（４０）と島領域（３５）と
で形成するＰＮ接合ダイオード（５）を介して接地きれ
る。

このようなＩＩＬ回路によれば、インジェクタＰＮＰ　
）ランジスタ（２）のベースがダイオード（５）によっ
て常時的０．６Ｖに固定されるので、インジェクタＰＮ
Ｐトランジスタ（２）はＩＩＩ、の動作状態に拘わらず
、高ｈ□の状態で動作できる。つまり、入力端子（３〉
の電位が”Ｈ”になって次段のインバータＮＰＮ）ラン
ジスタ（１）がＯＮＬ、、インジェクタＰＮＰ　トラン
ジスタ（２）のコレクタの電位がインバータＮＰＮ）ラ
ンジスタ（１〉のベース・エミッタ間電圧Ｖ、Ｋによっ
て約０．６Ｖなった場合においても、あらかじめベース
の電位が０．６ｖであるのでこのトランジスタはまだ飽
和せず高ｈ□の状態で動作できるのである。

第５図は本発明によるＩＩＬの動作原理を説明する為の
特性図で、縦軸はインバータＮＰＮ　トランジスタのベ
ース電流Ｉ８、横軸はインバータＮＰＮトランジスタの
ベース電圧Ｖ８、実線Ａはイ’Ｉ／　ハークＮＰＮ　ト
ランジスタ（１）のベース・エミッタ間順方向立上り特
性、実ＨＢはそのコレクタが入力端子（３）に接続され
る前段のインバータＮＰＮ　トランジスタの飽和電圧Ｖ
Ｃ！（ｓａｔ）特性、実線ＣはインジェクタＰＮＰトラ
ンジスタの負荷特性を各々示す。

先ず入力端子（３）の電位が“Ｌ″の時、即ちその電位
が前段のインバータＮＰＮ　トランジスタの飽和電圧Ｖ
ｃｔ（ｓａｔ）において約０．１Ｖに固定された状態の
時、インジェクタＰＮＰトランジスタク２）のエミッタ
・コレクタ間には約１．１ｖもの電位差が印加され、こ
のトランジスタは活性領域で高ｈ□の状態で動作できる
。そしてインバータＮＰＮトランジスタ（１）はＯＦＦ
状態にあり、インジェクタＰＮＰトランジスタ（２）は
前段のインバータＮＰＮ　トランジスタの負荷として図
示Ｘ点に相当するインジェクタ電流を供給する。

次に入力端子（３）の電位が“Ｈ”の時、即ち前段のイ
ンバータＮＰＮ　トランジスタが０ＦＦＬ、て入力端子
（３）の電位が上昇し、次段のインバータＮＰＮ　トラ
ンジスタ（１）がＯＮすることによってその電位が約０
．６ｖに固定された時、当然インジェクタＰＮＰ　トラ
ンジスタ（２）のコレクタの電位も上昇するが、それで
もまだベースとコレクタとが互いに約０．’６Ｖで同電
位であり、エミッタ・コレクタ間には約０．６ｖもの電
位差が印加されるので、このトランジスタは今だに飽和
せず高ｈ□の状態で動作できる。そしてインジェクタＰ
ＮＰトランジスタ（２）は次段の定電流源として図示Ｙ
点に相当するインジェクタ電流を供給することができ、
その値はＩＩＬの動作状態によって変ることが無い。

従ってインジェクタＰＮＰ　トランジスタ（２）は常に
一定したインジェクタ電流を供給することができるので
、インバータＮＰＮ　トランジスタ（１）の逆βは理論
的に１”以上あれば動作し得ることになり、それほど高
い逆βを与えなくても高いドライブ能力を有することが
できる様になる。

きらに、本発明によれば逆方向縦型ＮＰＮ）ランジスタ
のベースを基板（３１）表面から上方向へ拡散した埋込
ベース領域（３６）で形成したので、濃度勾配による電
界加速がキャリアの注入方向に対して順方向に働き−１
高い逆βが得られる。しかもインジェクタＰＮＰ）ラン
ジスタ（２）のパンチスルー電圧を考慮すればエピタキ
シャル層（３２）をかなり薄く設定することができ、高
速性を活かしたＩＩＬが実現できると同時に高速型のバ
イポーラ素子この共存も可能である。

（ト）発明の詳細 な説明した如く、本発明によればインジェクタＰＮＰト
ランジスタ（２）として縦型ＰＮＰ　トランジスタを用
いたので、インバータＮＰＮトランジスタ（１）のエミ
ッタとなる島領域（３５）からインジェクタＰＮＰ　ト
ランジスタ（２）のベースとなる領域を電気的に独立さ
せることができ、それによってインジェクタＰＮＰトラ
ンジスタ（２）のベースのみをダイオード（５）を介し
て接地した回路が容易に実現できる利点を有する。

そして斯上した回路を実現することにより、インジェク
タＰＮＰ　トランジスタ（２）のインジェクタ電流が動
作状態によって変化するここの無い、インバータＮＰＮ
　トランジスタ（１）のドライブ能力に優れたＩＩＬを
提供できる利点を有する。また、インジェクタ電流が常
に一定なので、インバータＮＰＮトランジスタ（１）の
逆βに厳しい要求をする必要が無くなり、設計が容易で
且つ工程変動に強いＩＩＬを提供できる利点を有する。

さらに、インジェクタＰＮＰ　トランジスタ（２）とし
て縦型ＰＮＰ　トランジスタを用いたので、通常のＮＰ
Ｎトランジスタはもちろん単体の縦型ＰＮＰトランジス
タとも共存させることが可能である利点を有する。また
、縦型ＰＮＰ　トランジスタを用いたので、インジェク
タ領域（３７）から注入したインジェクタ電流の捕獲効
率に優れ、無効電流が少い利点を有し、さらにはインジ
ェクタＰＮＰトランジスタ（２）のコレクタとしてイン
バータＮＰＮトランジスタ（１）の埋込ベース領域（３
６）をそのまま使用できるので、工程の効率化と簡素化
が図れる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は各々本発明の第１の実施例を示す断
面図及び平面図、第３図Ａ乃至りは本発゛明によるＩＩ
Ｌの製造方法を説明する為の断面図、第４図は本発明の
ＩＩＬを示す等価回路図、第５図は本発明のＩＩＬの動
作原理を説明するための特性図、第６図は従来のＩＩＬ
を示す等価回路図、第７図及び第８図は従来のＩＩＬを
示す断面図、第９図は従来のＩＩＬの動作原理を説明す
るための特性図である。 （１）はインバータＮＰＮ　トランジスタ、　（２）は
インジェクタＰＮＰ　）−ランジスタ、　〈５）はダイ
オード、　（３１）は半導体基板、　（３３）は埋込層
、（３６）は埋込ベース領域、　（３７）はインジェク
タ領域、（３８）はフレフタ領域、（３９）はベース導
出領域、　　（４０）はアノード領域である。 出願人　三洋電機株式会社外１名 代理人　弁理士　西野卓嗣　外１名 第１図 Ｉｎｊ　　ＩＮＣ＋　　　Ｃ２ＧＮＤ 第３第３ 第△図Ｂ 第３図Ｃ 第３ｉＤ 第４図 第５図 第６図 ＣＣ 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）一導電型半導体基板上に積層して形成した逆導電
   型のエピタキシャル層と、前記基板表面に埋込んで形成
   した逆導電型の埋込層と、この埋込層を取囲むように前
   記エピタキシャル層を貫通した一導電型の分離領域と、
   該分離領域によって島状に分離された島領域と、前記埋
   込層に重畳して形成した一導電型の埋込ベース領域と、
   該埋込ベース領域に対応する前記島領域表面に形成した
   逆導電型のコレクタ領域及び一導電型のインジェクタ領
   域と、前記コレクタ領域及びインジェクタ領域を夫々囲
   むように前記エピタキシャル層表面から前記埋込ベース
   領域まで達する一導電型のベース導出領域と、前記島領
   域表面に形成した一導電型のアノード領域とを備え、前
   記インジェクタ領域をエミッタ、前記インジェクタ領域
   直下の区画された島領域の一部をベース、前記埋込ベー
   ス領域をコレクタとして形成する縦型ＰＮＰトランジス
   タをインジェクタトランジスタとして用い、且つ前記ア
   ノード領域と前記ベースとなる区画された島領域の一部
   とを電気的に接続したことを特徴とする半導体注入集積
   論理回路装置。