Полупроводниковый прибор Советский патент 1978 года по МПК H01L29/70 

1

Изобретение откосится к по.п проводникавым приборам, имеющим большое количество р-п-пере.одов, например биполя|)пым транзисторам или тиристорам, в частности к прибору, в котором обеспеч}гвается такая концентр.ация примеси в области миттера, при которой эффективная диффузионная длина неосновных носителей заряда оказывается значительно болыие, 4eivi ширина области эмиттера, и устройствам, обеспечивающим такую генерацию неосновных носителей заряда, инжектируемых в область эмиттера, которые урав 1ове1пивают неосновные носите.ли заряда, инжектируемые в область эмиттера из области базы.

Известны полупроводниковые приборы с больп1им количеством р-п-переходов 1,

Наиболее близкое техническое решение к изобретению - полупроводниковый прибор, имеюший э п ттерную, базовую и коллекторную зоны чередующегося типа проводимости и образуюндие два р-п-перехода. дополнительную зону противоположного типа проводимости в эмиттере и образующую с ней допо.1ннтельный р-п-переход, и средство для прямого смешения 2, Однако в этом приборе не определен ни вид распределения

концентрации примесей, ни то, какой ;u. быть пшрина базы или эмиттера.

Концентрацию легирующих элементов в эмиттере обеспечивают более высокой, чем в базе. По мере увеличения этой разшщы повьппается эффективность , которая принимает значение, близкое к единице. ()днако при сильной степени легирования происходит возрастание концентрации дефектов решетки и дислокаци в те,те полупроводника. Умепьпление степени легирования сопровождается в транзисторах снижением коэс})фициеита усиления но току.

Цель изобретения - уменьнкми-.е и увеличение коэффициента усиления току.

Поставленная це,1ь достигается , что расстояние между переходом эмиттер-база и допо,тп1 Т:мьпым переходо%; кч;и1::е, чем диффузионная длина пеосновнь Х носителе в эм1 ттере, что позволяет по.тучагь равномерную концентрацию неосновных носитс. в области эмиттера.

Базовая и допо.шительная зошз элек рл чески соед,инены, а переход эмиттер-база и допо.шительный переход смежные.

Н,-| фИГ. схематически показана часть попе Ччного разреза ХРХ-трпнзнстора; на фиг. 2 - диаграмма, распределения примеси в приборе и концентрации неосновных носителей заряда п области эмиттера; на фиг. 3 изображена часть иоперсчного разре.чл чипа интегральной схемы, в которую входят предлагаемый NPN-транзистор и Pi P-TpaH3HCTOp известной конструкции, обеспечивающие создание дополнительной пары транзисторов в чипе интегральной схе.мы; на фиг. 4, 5 и б представлены варианты технического решения; на фиг. 7 показана зависимость коэффициента Ьр усиления но току, получаемого в схеме с заземленным эмиттером, от тока коллектора; на фиг. 8 - зависимость шум-фактора от частоты при значении полного входного сопротивления, равного 1000 Ом; на фиг. 9 - зависимость шум-фактора от частоты при значении полного входного сопротивления, равном 30 Ом; на фиг. 10 даны шумовые диаграммы, на которых шум-фактор построен в зависимости от тока коллектора; на фиг. 11 представлена зависимость коэффициента температуры. Предлагаемый прибор имеет подложку 1, сильно легированную примеся.ми N-типа, т.е. подложка может образовываться на базе кремния, сильно легированного сурьмой. Г1редпочтительное значение концентрации легируюшей примеси составляет 4 X Ш с.м-, а. удельное сопротивление подложки - приблизительно 0,01 Ом-см. При этой концентрации легируюш,ей примеси удельное сопротивление подложки .может меняться в пределах от 0,008 до 0,012 ОмСм, предпочтительное значение толщины подложки составляет приблизительно 250 мкм. На подложку 1 наносят выращенный эпитаксиально слой 2 кремния, имеющий N-тип. проводимости, который вместе с N -областью подложки образует область коллектора. Этот эпитаксиальный слой слабо легирован сурьмой таким ,образом, чтобы концентрация легирующей примеси в нем составляла 7 X 10 см . Удельное сопротивление слоя в это.м случае равно приблизительно 8-10 Ом-см Предпочтительное значение толщины эпитаксиального слоя составляет приблизительно 20 мкм. Далее на N-слой 2 наносят эпитаксиально слой 3 кремния р-типа для создания активной базы транзистора. В качестве легирующего элемента для этого слоя может быть взят бром в таком количестве, чтобы концентрация легирующей примеси составляла 1 X . Уд,ельное сопротивление слоя составляет 1,5 Ом-см. Предпочтительное значение толщины эпитакси-ального слоя 3 составляет приблизительно 5 мкм. На слой 3 Р-типа накладывают эпитаксиально слой 4 кремния N-типа, с помощью которого создается э.миттер. Слой 4 слабо легирован сурьмой таким образом, что конце1гграция легирующей примеси составляет приблизительно 5 5 X 10 ное сопротивление слоя приблизите. 1ьно 1Ом-см, толщина слоя от 2 до 5 мкм. На N-слой 4-затем методом диффузии напосится слой 5 1-типа, предназначенный для обеспечения создания контактной поверхности к области эмиттера. Этот слой легирован фосфором, концентрация примесей на его поверхности составляет 5 X см , а глубина залегания порядка 1 мк.м. Сильно легированная область 6, охватывающая область коллектора, образуется методом диффузии, причем эта область проникает через Р-базу в N-коллекторный слой 2. Легирующей при.месью в этом случае является фосфор, а поверхностная концентрация легирующей примеси составляет приблизительно 3 X 105 смЗ. Область 7 Р-типа, получаемая методом диффузии, проникает через N-слой 4 эмиттера в слой 3 базы Р-типа, который ограничивает область эмиттера и охватывает ее. Концентрация на поверхности легирующего элемента, в качестве которого выбран бор, составляет 7 X Ш® см . В области 7 методом диффузии создается область 8 Р-типа, сильно легированная бором, поверхностная концентрация атомов которого равна приблизительно 5X10 см , а глубина области 8-1,8 мк.м. Верхнюю часть прибора покрывают слоем двуокиси кремния для пассивирования поверхности. Электрод к поверхности области 9 коллектора, образуемый с помощью алюминия, наносится на N область подложки 1. Электрод 10 к области базы создается на основе алюминия, который наяосится на контактную область 8 базы. Электрод 11 к области эмиттера наносится на контактный слой 5 эмиттера. На N-область эмиттера наносится методом диффузии область Р-типа, с помощью которой образуется PN-переход между ней и слоем эмиттера. Эта область легирована борол и образуется одновременно с образованием контактной области 8 базы, концентрация легирующей примеси составляет 5-10 см , глубина залегания слоя - приблизительно 1,8 .мкм. Таким образом, переход 12 коллектор - база создан N-слоем 2 и Р-слоем 3. С помощью Р-слоя 3 и N-слоя 4 образуется переход 14 эмиттер-база, а с помощью N-слоя 4 и дополнительной области Р-типа - допол-нительный PN-переход 14. Предпочтительное расстояние между переходом 13 э.миттер-база и дополнительны.м PN-переходом 14 от 2до 5 мкм. В варианте, показанном на фиг. 3, NPNтранзистор, который был изображен на фиг. 1, используется в интегральной схеме с другими полупроводниковыми элемента.ми (например PNP-транзистор). Интегральная схема содержит транзисторы двух различных типов (например дополнительные транзисторы, в частносш Р --транз11Сто|) и PNPтранзистор). Эти транзисторы создаю:оя на подложке 1-5, выполненной из кремния Р-типа. NPN-TJU1H3HCTOP включает в себя cii.ibiio легированнук/ область коллектора, функцию которой выполняет подложка 1. слабо легпрованный сл(й 2 коллектора, слабо легированный слой 3 базы, с. легированный слой 4.эмиттера, сильно легированный контактный слой 5 эмиттера, ввод в область б коллектора, контактную область 16 коллектора, ввод в базовую область 7, контактную область 8 базы, дополнительную область, электрод к области 9 коллектора, базовый электрод 10 и электрод 11 к области э.миттера.

В PNP-траизисторе имеется коллектор 17 Р-типа, база 18 N-типа, эмиттер 19 Р-тнна, коллектор 20 Р-типа, контактная область 21 коллектора, контактная область 22 базы N-тииа, коллекторный электрод 23, базовый электрод 24 и эмиттерный электрод 25.

Электрическое разделение транзисторов осуш,еств.,|Яется с помощью PN-переходов. Изолирующая область 26 Р-типа примыкает к подложке 15 Р-типа и охватывает какNPN-, так и PNP-транзисторы. Три области N-типа, 27, 28 и 29 образуют чашеобразную изолирующую область, охватывающую только PNP-транзистор. В этой интегральной схеме одновременно создается большое количество парных или строенных эле.ментов, например N t Р-слои 1 и 3 образуются методом селективной диффузии в подложку 15 Р-типа. Слой 2 и область 28 создаются методом эпитаксиального выращивания материала N-типа, Р-слой 3 транзистора NPN и коллектор 17, Р-типа транзистора PNP создаются либо методом эпитаксиального выращивания, либо методом селективной диффузии. N-слой 4 NPN транзистора и N-база 18 Р Ф-транзистора создаются методом эпитаксиального выращивания. Области N 6 и 29 создаются с помощью диффузии элементов, приводящих к возникновению N-типа проводимости. Р-область 7 и коллектор 20 создаются с помощью диффузии элементов, приводящих к возникновению слоя Р-типа проводимости.Р -область 8 PNP-транзистора, дополнительная область транзистора и NPN-эмиттер 19 PNP-транзистора создаются с помощью диффузии элементов, приводящих к возникновению слоя Р-типа проводимости. Области 5, 16 и 22 созданы- .методом диффузии.

В варианте, показанном ,на фиг. 4, дополнительная область при.мыкает к области 7 и области 8 базы. Базовый электрод может наноситься не только на области 7 базы, но и на дополнительную область 30.

В варианте по фиг. 5 на гкик рхиосги елабо легированного слоя 4 эмиттера p i MeiiiaeTся Л ОГ1-структура(мет;1.лл-окись-11().1упроводник .У11р;иияюни1Й .-j.ieKrpo.i

31. iLiroHH.icHHbiii из алюминия, и cjioii 32 двуокиси кремния со слоем 4 эмиттера обра. ют .М()П-структу|1 . При ириклады|,а11ии заранее выбранных значений напряжения к управляющему э.1ектроду 31 иод и и) с.юем 32 происходит образование барьера 33. Слой 32 называется также iiHiKpcnijivi .слоем, областью иетон1ения и.1и оплао накопления.

В варнанге, показанном на фиг. 6, на поверхность елабо легированного слоя 4 Э.МИТI ера наносится слой, с по.мощью которого создается барьер Шоттки. Для образования барьера Шотткн на N-слой 4 эмиттера наносится подходящий для этой цели металл, например платина.

На фиг. 2 представлена диаграмма раснределения нримеси и кo цeнтpaции неосновных носителей заряда в эмиттере прибогч, представленного на фиг. 1. В верхней час и показаны кривые, относящиеся к N-легированной кре.мниевой подложке 1, слою 2 N-KO.Tлектора, слою 3 Р-базы, слою 4 эмиттера и Р-об.-|асти. Распределение концентрации примеси в каждой из этих областей показано в центральной части,и в нижней части - распределение концентрации инжектированных в эмиттер неосновных носителей заряда, которая является комбинацией инжектированных неосновных носителей заряда из базовой области слоя 3 и из PN-перехода, разделяющего Р-область и слой 4.

Компонент концентрации, возникающий в результате инжекции неосновных носителей - заряда из пере.хода 13 эмиттер-база, изображен линией 34 градиента, компонент концентрации, возникающий в результате инжекции тока неосновных носителей заряда из дополнительного перехода 14, - линией 35 градиента. Так как инжектированные неосновные носители заряда перемещаются в противоположных направлениях, они обладают тенденцией к рекомбинации друг с другом, в результате чего определяется строго плоская или находящаяся на одном уровне линия 35 градиента. Именно за счет этой характеристики обеспечивается большое значение коэффициента усиления по оку и ini3кий уровень шумов в приборе.

Неосновные носители заряда (дырки), инжектированные через переход эмиттер-база, достигают дополнительного перехода 14 и попадают в дополнительную область. С друг1 1 oTopofibi из P-o6.iacTH также происходит инжекция дырок в слое 4 э.миттера N-тииа, и эти Дырки проходят через эмиттер и. доходят до перехода 13 эмиттер-база, поскольку диффузионная длина инжектированных носителей Wg меньше, чем диффузионная длина в слое 4 N-эмиттера. Когда уровень инжекции дырок из Р-области достаточно высок, дырочный ток из дополнительного переходами, направленный в сторону перехода 13, компенсирует дырочный ток. протекающий от перехода 3 к дополнительному переходу И. В результате этой компенсацнм обеспечивается плоское распределение концентрации дырок в Э айттере N-типа н уменьшается величина дырочного тока, текущего от слоя 3 базы к слою 4 эмнттера. С помощью прибора, показанного на фиг. i, достигаются sbscoKoe значение коэффициента усиления по току и малый уровень шумов. Это пронсходит потому, что коэффициент h;-|4fcsifleHMH по току в схеме с заземленнь м эмиттером является одним из важнейших параметров транзистора. Он определяется hfg. () где «1, коэффициент усиления в схеме с заземленной базой. Коэффициент йЬусиления по току находят по формуле (2) где ей - отношение, связанное с умножением на коллекторе; J8 - коэффициент передачи базы; у - эффективность эмиттера. В NPN-траизисторе, например, эффективность эмиттера определяется как i 3p/3f, где За - плотность электронного тока, создаваемого электронами, которые инжектируются через переход эмиттер-база в направлении от эмиттера к базе, а плотность дырочного тока, создаваемого дырками, которые инжектируются через тот же переход - в обратном направлении от базы к эмиттеру. Величина плотности электронного тока задается Dp-Р. ( f - f) () где Lit - это диффузионная длина электронов в базе, имеющей р-тип проводимрсти; диффузионная длина дырокв эмиттере, имеющем N-тип проводимости; tj -- коэффициент диффузии Для дырок; P(j7- коэффициент диффузии для электронов;Ир - концентрация электронов, являющихся неосновными носителями в базе Р-типа в состоянии равиовесия; Р - концентрация дырок, являющихся неосновными носителями в эмиттере N-типа проводимости в состоянии равиовесия; V - напряжение, приложенное к P-N-neреходу:Т - температура; q -- заряд мектрона; k - постоянная Больцмана. Вводя величину 6, равную отношекка и, можно тогда записать f 2. Л аменив соотношение где Ыд- концентрация примесей в области азы; Ng - концентрация- примеси в области эмиттера; W - ширина базы, величина которой ограничивает диффузионную длину электронов LI, в области базы. Коэффициенты диффузии носителей заря а DD и Dp являются функциями подвижноси носителей заряда и температуры и могут быть практически постоянными. При умеиьшении значения 3р.величина у становится близкой к единице в соответствии с уравнением (3), значение eLвозрастает в соответствии с уравнением (2) и значение в соответствии с уравнением (I) Низкие шумовые характеристики объясняются следующим: концентрация дефектов решетки или дислокаций значительно уменьшается в связи с тем, что N-переход эмиттер-база образуется сильно легированным слоем 4 эмиттера и сильно легированным слрем 3 базы. Концентрация примесей в сильно легированном слое 4 эмиттера с точки зрения шумовых характеристик, .времени жизни тр и диффузионной длины неосновных носителей заряда Lf, должна быть уменьшена до значений, приблизительно меньших, чем 10 8 см. Другим фактором, приводящим к низкому уровню шумов, является то, что ток эмнттера течет почти в вертикальном направлении как в сильно легированном слое 4 эмиттера, так и в сильно легированном слое 3 базы. Высокие значения коэффициента усиления по току - для схемы с заземленным эмиттером hpj для прибора, представленного на фиг 1, показаны на фиг. 7 двумя графиками 36, 37. Кривые отражают экспериментальные результаты, полученные при исследованиях двух различных транзисторов. Разница между двумя кривыми объясняется тем, что имеет место различная плоскостная конфигурацня эмиттера. Обе кривые свидетельствуют, что приборы обладают высокими знач1 ниями коэффициента усиления по току в схеме с заземленным эмиттером. На фиг. 8 приведены зависимости уровня шумов от частоты, полученные для прибора, изображенного на фиг. I. случай, когда полное входное сопротивление равно 1000 Ом, ток коллектора I мА, а напряжение смещения, приложенное между эмиттером и коллектором,6 В. Значения уровня шумов показаны линией 38. Уровень шумов длятранзистора, изготовленного по известной технологии, при которой уровень шумов минимальный, показан линией 39. На фиг. 9 представлена кривая, подобная кривой на фиг. 8, где характеристики прибора, представленного на фиг. , изображены линией 40, а уровень шумов, наблюдаемый на npti6ope, изготовленном по технологии предшествующего уровня техники, показан линией 41 Кривые на фиг. 9 соответствуют величине полного входного сопротивления, равного 30 Ом, при этом величины тока коллектора и напряжение между эмиттером и коллектором такие же, как при построении диаграмм на фиг. 8. Н фиг. 10 представлены шумовые, диаграммы для известного транзистора (42) и прибора, изображенного на фиг. (43). Обе диаграммы построены для уровня шума в 3 дб: Кривые, построенные на фиг. 11, являются зависимостью от температуры. К,(ивая 44 относится к известному прибору, а кривая 45 - к предлагаемому. Выражение «фактически плоское, которое используется для описания распределения концентрации на основных носителях заряда вдоль эффективной области эмиттера, следует понимать таким образом, что комбинированное значение концентрации неосновных носителей заряда, которые инжектируются из активной области базы в активную область эмиттера, и концентрация неосновных носителей заряда в эмиттере, перемещающихся в противоположном направлении под воздействием возникающего контактного поля, оставалось на одном уровне 6 ПО всей активной области эмиттера. Это состояние представлено частью линии на фиг. 2, которая относится к области эмиттера и нДет горизонтально. В описанных выше вариантах прибора за счет хорошего качества поверхности кремния и нанесения пассивирующего слоя SIOj обеспечивается низкое значение скорости поверхностей рекомбинации. С помощью дополнительного барьера, описанного выше, также удается получить низкое значение скорости поверхностной рекомбинации и на поверхностях отдельных плоскостей переходов. Хотя изобретение пояснено с помощью NPN-траизистора, показанного на фиг. I, очевидно, что это может быть и PNP-транзистор, имеющий подобную структуру и характеристики. Практически вариантом изобретения может быть и полупроводниковый прибор NPNP-типа. Формула изобретения 1. Полупроводниковый прибор, имеющий эмиггериую б зовую и коллекторную зоны чередующегося типа проводимости н образующие два р-п-перехода, дополнительную зону противоположного типа проводимскти в эмиттере и образующую с ней дополнительный р-п-ргереход, и средство для прямого смешения, отличающийся тем, что, с целью уменьшения щума и увеличения коэффициента усиления по току, расстояние между переходом эмиттер-база и дополнительным переходом меньше, чем диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере, что позволяет получить равномерную концентрацию неосновных Носителей в области эмнттера. 2. Прибор по п. I, отличающийся тем, что базовая и дополнительная зоны электрически соединены, а переход эмиттер-база и дополнительный переход смежные. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Кузьмин В. А. Тиристоры малой и средней мощностей. М., «Сов. радио. 1971. 2.Патент США № 3591430, кл. 317-233, 1968.

2

Л

ТИ

J -9 / / f

W

- ;

-w w

2S S 7 8 10 13 14 p 11 TPIF ЖЕ /5 3 n 2 If

J т 35 Б 26 га 20 г гг fa 25 22 zi 20 гэ ze ,4, h 1 1 N r H. h LJ LJ и h r r YL I / / „- I 4-F// v -trr Pл/27 5 /7 W

6 16 3 7 to i3 f 30 1 ff 7 6

E

M- iL -,-u::ii/r H- I /П

U / LAJlIZII bj,L

.P-

1 12 2 3

16 Э 7 6 10 13 33 32 31 Ti 7

. S Ю 8 f S 11 / 7 S /

«1

t2-uJ- 4-J

s

7

/

2 /г .j

(риг.е

lOOjjA rriA 10mA iOOmA Ic Ф.иг. 7

NF

J5 (аь)

(риг. 11