[12]发明专利申请公开说明书
[21]申请号98803910.9
[51]Int.CI7
H01L 29/73H01L 23/64
[43]公开日2000年5月3日[22]申请日98.3.19
[21]申请号98803910.9
[11]公开号CN 1252168A
[74]专利代理机构中国专利代理(香港)有限公司
代理人邹光新 李亚非
[30]优先权
[32]1997.04.04 [33]SE [31]9701241－3[86]国际申请PCT/SE98/00499 1998.03.19[87]国际公布WO98/45883 EN 1998.10.15[85]进入国家阶段日期
1999.09.30
[71]申请人艾利森电话股份有限公司
地址瑞典斯德哥尔摩
[72]发明人A·K·S·瑟德贝里 N·O·厄格伦 E·
H·舍丁
权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 6 页
[54]发明名称
双极型晶体管结构
[57]摘要
为了避免双极型晶体管中的热击穿,发射极配备了镇流电阻。建议使用长条形镇流电阻,连接其长度的一部分以便获得适当的阻抗和设计灵活性。一方面,建议将发射极(3)分隔成多个发射极部分,并为每个部分提供一个独立的发射极镇流电阻。在优选实施方案中,集电极和基极也是分隔开的,晶体管分隔成多个单位单元,每个单位单元包含发射极、镇流电阻、基极和集电极,它们通过各自的公用引线(10,11,12)连接起来。这种结构可以优选地在SOI技术中实现,电绝缘可以保证数字、模拟和功率器件毫无问题地混合在同一芯片上。
98803910.9
权 利 要 求 书
第1/2页
1.集成半导体器件，包括长条形发射极(3)，基本上平行于发射极的长条形基极(2)，和集电极(1，5)，发射极通过长条形镇流电阻(14)连接到发射极引线(10)，基极连接到基极引线(11)，集电极连接到集电极引线，其中长条形镇流电阻基本上平行于长条形发射极(3)和长条形基极(2)，长条形镇流电阻(14)覆盖集电极区(1)的表面部分，发射极引线(10)具有与长条形镇流电阻上的第一点相连的电触点(K13-14)，发射极(3)具有与长条形镇流电阻(14)上的第二点相连的电触点，镇流电阻上的第一点和第二点之间的阻抗构成发射极(3)的镇流阻抗。
2.权利要求1的半导体器件，其中长条形镇流电阻的长度是长条形基极(2)的长度的50-200％。
3.权利要求1或2的半导体器件，其中发射极引线(10)平行于长条形镇流电阻，第二长条形引线(13)和夹在其间的引线(15)的第一支线的端点与发射极(3)接触的引线(15)的第二支线发射极引线(10)连接到下面长条形镇流电阻(14)上的第一点，并通过触点(K10-13)连接到第二长条形引线(13)，长条形镇流电阻上的第二点(K14-15)通过引线(15)连接到发射极(3)。
4.权利要求1-3中任何一个的半导体器件，其中长条形镇流电阻绝缘地覆盖在基极-集电极pn结的表面部分。
5.前述权利要求中任何一个的半导体器件，其中器件是用绝缘体基外延硅技术制作的。
6.前述权利要求中任何一个的半导体器件，其中长条形镇流电阻(14)包括硅。
7.前述权利要求中任何一个的半导体器件，其中器件配置在芯片的某一部分上，并具有用于与包含其它半导体器件的其它芯片部分电绝缘的绝缘装置(16)。
8.集成半导体器件，包括发射极(3)，基极(2)和集电极(5)，发射极分隔成多个发射极部分，每个发射极部分都通过隔离的、长条形镇流电阻(14)连接到公用发射极引线(10)，发射极部分沿公共方向长条形配置，镇流电阻(14)基本上平行于公共方向，其中公用发射极引线(10)具有平行于公共方向、邻近每个长条形镇流电阻
2
98803910.9权 利 要 求 书 第2/2页
(14)并且带有与每个长条形镇流电阻(14)上的第一点相连的电触点(K13-14)的多个部分，每个发射极部分(3)具有与长条形镇流电阻(14)上的第二点相连的电触点(15，K14-15)，镇流阻抗上的第一点和第二点之间的阻抗构成所连接的发射极部分的镇流阻抗。
9.权利要求8的半导体器件，其中集电极和基极的接触区(5)还分别分隔成多个集电极和基极部分，并分别连接到公用集电极和基极引线(12，11)，多个发射极、基极和集电极部分分布在单元中，使得每个单元都具有镇流电阻(14)。
10.权利要求8的半导体器件，其中长条形镇流电阻(14)的长度是基极部分长度的50-200％。
11.权利要求8-10中任何一个的半导体器件，其中器件是利用绝缘体基外延硅技术制作的。
12.权利要求8-11中任何一个的半导体器件，其中长条形镇流电阻(14)包含硅。
13.权利要求8-12中任何一个的半导体器件，其中长条形镇流电阻绝缘地覆盖在基极-集电极pn结的表面部分上。
14.权利要求8-13中任何一个的半导体器件，其中单元中的公用发射极引线(10)覆盖在长条形镇流电阻上、第二长条形引线(13)和绝缘地夹在其间的引线(15)的第一支线的端点、接触地覆盖在发射极部分(3)上的引线(15)的第二支线，公用发射极引线(10)连接到下面长条形镇流电阻(14)上的第一点，并通过触点(K10-13)连接到第二长条形引线(13)，长条形镇流电阻上的第二点(K14-15)通过引线(15)连接到发射极(3)。
15.权利要求7-12中任何一个的半导体器件，其中器件配置在芯片的某一部分上，并具有用于与包含其它半导体器件的其它芯片部分电绝缘的绝缘装置(16)。
3
98803910.9
说 明 书
第1/5页
双极型晶体管结构
本发明涉及集成电路，特别是用于集成电路芯片中的放大器结构的晶体管，该晶体管可以具有低级数字和模拟电路。
以前得知在双极型晶体管中提供了由相互并联的发射极指和发射极电阻构成的发射极系统，每个发射极指具有一个发射极电阻，通常该电阻位于发射极区域的外部，一般是在各个发射极指的延长部分。这在某种程度上解决了由某个发射极-基极区的局部过热而引起的电流增加的问题，这种局部过热将导致热击穿。然而，经验表明即使使用镇流电阻，还是会发生局部过热，使得所有的指在与镇流电阻相连的各个部分受到的加热比其它部分的更多，红外光谱指出正是因为在高负载条件下集电极指之间出现集体加热，使得总体效率低于最优值。
根据上述概念的解决方法是已知的，即将发射极镇流电阻安置在半导体器件的内部，而不是安置在细长的发射极指的延长部分或发射极插接线的线性阵列中。US-A-5 374 844和5 444 292给出了这种解决方法。这些解决方法的共同点是电阻层安置在硅中的发射极区和金属盖层发射极引线之间，使得其间的电流在深度方向和横向受限于电阻通路，并且垂直于发射极方向或发射极插接线线性方向。 根据本发明的一个方面，其目的是制备一种多用途的单元型集成电路晶体管，该晶体管既可以用作单晶体管，又可以用于多个这种单元的并联形式。
本发明的另一目的是利用分布式镇流电阻进一步改善对热击穿的测量。本发明的这一目的和其它目的可以利用晶体管型半导体器件实现，其中发射极分隔为多个发射极部分，每一部分都具有各自的、配置在其发射极部分附近的镇流电阻。
本发明的一个重要方面是将半导体器件的发射极部分分隔成多个单位单元，每个单位单元均具有各自的发射极和镇流电阻，镇流电阻集成在同一单位单元内，这对于节省硅表面的所谓管芯面积(realestate)是十分重要的。在进一步的实施方案中，集电极和基极部分也分隔开的。
4
98803910.9说 明 书 第2/5页
本发明的具体目的还有获得多功能的单元结构，这种结构可以随意地在半导体表面上倍增，简化了设计。
尽管可以利用其它方法分隔成单位单元，但是本发明是利用绝缘体基外延硅(SOI)方案说明的。因此，利用发明的镇流电阻可以补偿其冷却消弱的缺点。然后，按照优选方法，利用垂直氧化物壁在芯片上实现与其它器件的隔离。由一个单元或多个单位单元构成的半导体器件在VLSI结构中与其它部分电隔离，其中的VLSI结构可以包括各种工作在很低功率的数字电路和模拟电路。这种应用的一个实例是用于电话系统的接口，SLIC(用户线路接口电路)，其中需要多个功率晶体管来产生振铃电流。更一般地讲，电隔离是器件的用途更加广泛-推挽器件可以简单地按照达林顿对的形式配置。
在优选结构中，镇流电阻，可以是薄膜电阻或适当掺杂的多晶硅，电阻同时用于电场控制，如果覆盖在pn过渡区的话，电阻的电压必需接近基极和发射极电压。
当每个单元中的薄膜或多晶硅长条镇流电阻在单元中平行于发射极时，就有可能使其在各个触点上与发射极和公共发射极引线相连，使电阻值决定于所用电阻的长度。因此，用于大规模集成的标准单元是根据期望的用途，通过改变触点，利用修正镇流电阻构成的。 利用单位单元便于修改描述晶体管的电特性的模型。单元的数目可以随意选择，有时可以是单个单元，在其它情况下可以包括数百个单元，以便满足不同的应用。
现在，结合附图，由示例性实施方案出发对本发明进行描述，描述是为了说明本发明，而不是限制本发明。
图1简略地示出根据本发明的一个方面构成半导体器件的一组单位单元。图2示出半导体器件的单位单元的一般盖层的顶视图。图3-5分别示出图2单位单元沿A-A、B-B和C-C的剖面图。图6和7分别示出利用集总和分布镇流电阻处理功率的对比曲线。图8和9示出在不存在和存在分布发射极镇流阻抗的条件下半导体的基极电流和集电极电流与发射极-基极电压的关系曲线。
图1示出半导体器件的部分顶视图，器件具有一组连接到公用集电极引线12的指状集电极。发射极分隔成多个发射极指部分，每一部分均连接到公用发射极引线10。基极引线没有在图中示出。发射
5
98803910.9说 明 书 第3/5页
极指部分通常沿公共方向长条形配置，镇流电阻基本上平行于公共方向。在该图中还可以看出发射极镇流电阻的一端连接各个发射极，另一端连接公用发射极引线10。尽管图中没有示出，但是还是有可能在下面具有一个基极区，该基极区分隔成多个部分，每个发射极下有一部分，使得指向各个集电极的边缘通过各个镇流电阻与夹心绝缘体重叠。在该实施方案中，集电极是与发射极的一个线性组结合的长条形指。应当理解的是，为了示例的目的，所示的发射极数目很低，实际数目至少应当高一个数量级。
图2示出本发明进一步实施方案的盖层结构的顶视图。图3、4和5分别示出了沿图2的A-A、B-B和C-C得到的垂直剖面图。在该实施方案中，图1的各个发射极指是单位单元的一部分，一个单位单元可以构成一个完整的晶体管，其中发射极、基极和集电极独立地配置在硅片上的隔离部分。这在所有的图中都示出了，其中阴影部分16或者如SOI技术中常见的那样表示绝缘层，例如氧化硅材料，或者是导电类型与集电极相反的层。在另一个相关实施方案中，可以随意地倍增相同的单元结构，然后，绝缘部分16转换成多个单位单元的外围部分。
因此，该单元具有n型硅1构成的埋藏式集电极板，并在硅中扩散基极p型区2，然后在p型区中扩散n发射极区3和p基极连接区。n集电极接触区5扩散在同一表面(通常，对于pnp型双极型晶体管，这些部件可以具有相反的导电类型)。
这些区域的连接是通过埋藏在顶氧化硅中的连接区实现的。因此，单位单元通过一组金属连接区，例如公用发射极引线10、公用基极引线11和公用集电极引线12连接在一起。如图2以及图3和5中的剖面图所示，集电极接触区5通过K12-5表示的点接触连接到金属集电极引线12(还有可能制作一种长条形的连续接线)。金属基极引线11以同样的方式通过K11-4表示的触点连接到基极接触区4。
如图所示，集电极接触区5与发射极区3和基极区4配置在同一表面上，这在SOI方案中通常是优选的。然而，没有什么理由阻止在更加一般化的本发明实施方案中，在不偏离本发明的条件下将集电极连接作为埋藏层集电极配置在相对面上、或者配置在靠近下氧化层的
6
+
+
+
98803910.9说 明 书 第4/5页
层中。本领域的技术人员清楚地知道这些和其它修正都是本发明的显然方案。
然而，公用发射极引线10和发射极区3之间的连接由于镇流电阻14而变得稍稍复杂一些。这种优选地由适当的掺杂多晶硅制作、或者由任何适当的薄膜电阻材料制作的阻性长条形器件覆盖在薄SiO2层的顶部和基极区2的边缘的顶部。
金属公用发射极引线10点连接到绝缘的第二金属引线13的一端，并与之平行，金属引线13可以覆盖单元全长的大部分，但是在这里只是全长的1/3左右。在另一端，见图2，连接K13-14建立在第二金属引线13和镇流电阻层14之间。依次地，镇流层14在K14-15(见图5)连接到L形第三金属引线15的短支线和覆盖发射极区3的长支线。两层通过多个触点K15-3(见图3和5)连接在一起。很清楚的是根据期望的用途，为了获得不同数值的镇流阻抗可以调节触点K13-14的位置。
正如本领域的技术人员所能理解的，图3-5的剖面图中的厚度已经被显著地夸大了。这种SOI和基于SOI材料的器件的制作工艺是众知的。在Sorin Cristoveanu and Sheng S.Li：“ElectricalCharacterization of Silicon-On-Insulator Materials andDevices”，1995，K1uwer Academic Publishers，Massachusetts，USA中描述了这种材料的制作工艺。为了获得更多关于可利用工艺步骤的信息，可以参考本领域的专著，例如Wolf+Tauber，“SiliconProcessing for the VLSI Era”(Lattice Press，Sunset Beach，Cal.，1986)。这些出版物作为参考包含在本公开内容中。
在本例中，埋藏绝缘体由氧化硅和硅衬底制作。器件层的厚度在0.1和30μm之间，但是在优选实施方案中，厚度在5和10μm之间。埋藏层的厚度可以在0.1和10μm之间变化，但是也有可能利用绝缘材料制作整个承载衬底。然后，在后续步骤中，利用这种材料制作图3、4和5所示的各种层，其中包括添加在向下刻蚀到埋藏绝缘层的槽中的最终隔离绝缘壁。
本领域的技术人员还可以理解的是，图2-5所示的单位单元，它们或者单独地使用，或者如图1所示大量地使用，可以具有多种可能的变化。集电极可以是埋藏集电极，或者集电极区可以是双重的(镜
7
98803910.9说 明 书 第5/5页
像图2中环绕导体11的盖层)，等等。
图6和7示出了根据图2-5制作的、具有由5×20个单位单元组成的阵列的系统的特性曲线，其中在图6中，利用已有技术为每一列施加外部镇流电阻，而在图7中，每个单元具有一个阻抗大约为140Ω的镇流电阻。由10W的功率曲线可以看出，在这种功率下，除了集电极电压的高压端之外，发生了热击穿，其中在高压端雪崩击穿出现得更早。同样的、但是具有镇流电阻的系统始终较好，除高压端之外，在25W左右还是稳定的。
图8和9示出与发射极尺寸为100×2μm的单个单位单元的对比。在这两幅图中，以对数刻度(每个刻度代表十倍)示出了基极电流、发射极电流随发射极-基极电压的变化规律。基极-集电极电压恒定在+60V。可以看出，在没有发射极镇流阻抗时，发射极-基极击穿在发射极-基极电压大约为-0，65V、集电极电流大约为0，5mA的条件下发生(在更高的发射极-基极电压处示出的电流受到测量仪器的限制)。在具有大约为140Ω的镇流电阻时，如图9所示，甚至在集电极电流大约为5mA时也没有出现击穿现象。
围绕着附图示出的详细实施方案描述了本发明。并简要地提及了一些可能的变化，但是，对于本领域的技术人员很清楚的是实际上存在无数种变化的可能性，本发明的范围只受限于附属权利要求。
8
98803910.9
说 明 书 附 图
第1/6页
图1
图2
9
98803910.9说 明 书 附 图 第2/6页
图3
图4
10
98803910.9说 明 书 附 图 第3/6页
图5
11
98803910.9说 明 书 附 图 第4/6页
12
98803910.9说 明 书 附 图 第5/6页
图7
13
98803910.9说 明 书 附 图 第6/6页
图8
图9
14
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容