Мощный биполярный транзистор с защитой от перенапряжения

 

Использование: область полупроводникового производства. Сущность: мощный биполярный транзистор с защитой от перенапряжения, состоящий из рабочей транзисторной структуры и защитного стабилитрона в виде транзистора с "плавающей" базой, интегрированного с указанной рабочей транзисторной структурой в одной полупроводниковой подложке таким образом, что они имеют общий коллектор, а эмиттерная область стабилитрона омически соединена с базовой областью рабочей транзисторной структуры, причем пробивное напряжение между коллектором и эмиттером защитного стабилитрона ниже пробивного напряжения между коллектором и эмиттером рабочей транзисторной структуры при ее разомкнутой базе. Новым в конструкции указанного транзистора является то, что ширина активной базы защитного стабилитрона больше ширины активной базы рабочей транзисторной структуры, а степень легирования N_{s эст} эмиттерной области защитного стабилитрона отлична от степени легирования эмиттерной области рабочей транзисторной структуры и выбирается в зависимости от величины указанной степени легирования N_{s этр} таким образом, что статический коэффициент передачи тока эмиттера (в схеме с общим эмиттером) стабилитрона больше соответствующего коэффициента усиления рабочей транзисторной структуры, а дефектность активной базы защитного стабилитрона и (или) прилегающей к ней области коллектора меньше дефектности соответствующих областей рабочей транзисторной структуры. 3 з.п. ф-лы. 4 ил.

Изобретение относится к полупроводниковому производству, а именно к конструкции мощного биполярного транзистора с защитой от перенапряжения, например, предназначенного для коммутации индуктивной нагрузки. Целью изобретения является повышение устойчивости к вторичному пробою мощного транзистора с защитой от перенапряжения при обратном смещении его базы без изменения временных и электрических параметров за счет изменения ширины и уменьшения дефектности активной базы защитного стабилитрона и прилегающей к ней области коллектора. Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показано поперечное сечение мощного биполярного транзистора известной (фиг. 1) и предлагаемой конструкции (фиг. 2,3,4). Мощный биполярный транзистор с защитой от перенапряжения (фиг. 2) состоит из рабочей транзисторной структуры n-р-n- типа и защитного стабилитрона в виде транзистора n-р-n-типа с плавающей базой, интегрированного с указанной рабочей транзисторной структурой таким образом, что они имеют общий коллектор, состоящий из высокоомного слоя 1 n-типа с удельным сопротивлением 45 Ом· см толщиной 90 мкм и низкоомного слоя 2 n⁺-типа толщиной 180 мкм, легированного фосфором с поверхностной концентрацией 5·10²⁰ат/см³. Базовая область 3 рабочей транзисторной структуры и базовая область 4 стабилитрона легированы бором и имеют одну глубину, равную 24 мкм, и степень легирования, равную 6·10¹⁷ат/см³, причем поверхность базовой области 4 стабилитрона и места выхода на поверхность полупроводниковой подложки границ р-n-переходов изолированы термическим окислом 9 толщиной 0,85 мкм. Эмиттерная область 6 стабилитрона глубиной 4 мкм и степенью легирования 3·10¹⁹ ат/см³ с помощью алюминиевой металлизации 8 толщиной 5 мкм омически соединена с базовой областью 3 рабочей транзисторной структуры. Эмиттерная область 5 рабочей транзисторной структуры имеет глубину 8 мкм и степень легирования 5·10²⁰ат/см³. Ширина активной базы стабилитрона равна 20 мкм, что превышает ширину активной базы рабочей транзисторной структуры, равную 16 мкм, на величину Δ4 мкм, однако благодаря тому, что коэффициенты инжекции и переноса стабилитрона значительно выше соответствующих коэффициентов рабочей транзисторной структуры (вследствие чего коэффициент усиления стабилитрона, равный для указанной конструкции 60-80, значительно выше коэффициента усиления указанной рабочей транзисторной структуры, равного 40-50), пробивное напряжение стабилитрона U_{кэс ст} 370 В меньше соответствующего пробивного напряжения рабочей транзисторной структуры U_{кэо тр} 410 В. На поверхности эмиттерной области 5 рабочей транзисторной структуры сформирована алюминиевая металлизация 7 толщиной 5 мкм, а на поверхности сильнолегированного слоя 2 коллектора сформирована двухслойная металлизация 10 никель-золото общей толщиной 1,5 мкм. При подаче на базу мощного транзистора запирающего тока при переходе в режимы U_кбо или U_кэо защитный стабилитрон ограничивает напряжение, подаваемое на рабочую транзисторную структуру, значением U_кэост 370 В и таким образом защищает мощный транзистор от перенапряжения. Благодаря увеличенной ширине активной базы стабилитрона, а также пониженной дефектности указанной активной базы и прилегающей к ней области коллектора возможности транзистора по устойчивости к вторичному пробою значительно увеличены. Так, при N_{s этр} N_{s эст}5·10²⁰ ат/см³ у известной конструкции (с разной степенью легирования базовых областей стабилитрона и рабочей транзисторной структуры) энергия вторичного пробоя транзистора Е_вп 0,6-0,8 Дж, а энергия вторичного пробоя транзистора предлагаемой конструкции составила Е_вп 1,0-1,2 Дж, причем все электрические и временные параметры мощного транзистора остались без изменения, а степень легирования базовых областей стабилитрона и рабочей транзисторной структуры одинаковы. На фиг. 3 показан второй вариант реализации предлагаемой конструкции. Его отличие заключается в том, что степень легирования эмиттера 5 рабочей транзисторной структуры составляет 1·10²⁰ ат/см³, а эмиттер 6 стабилитрона является двухслойным и состоит из относительно слаболегированной области (N_{s эст} 1· 10¹⁹ат/см³) глубиной Н 4 мкм и приповерхностной относительно сильнолегированной области 11 (N_s 1·10²⁰ ат/см³) глубиной h 1 мкм. При этом получена энергия вторичного пробоя Е_вп 1,1-1,4 Дж. На фиг. 4 показан еще один вариант реализации предлагаемой конструкции. Его отличие заключается в том, что степень легирования эмиттера 5 рабочей транзисторной структуры составляет 2·10¹⁸ ат/см³, а степень легирования эмиттера 6 стабилитрона больше и составляет 3· 10¹⁹ ат/см³. При этом ширина активной базы стабилитрона W_{aкт ст} больше ширины активной базы рабочей транзисторной структуры W_{акт тр} на величину D > W_тp, где W_тp глубина общей базы указанной рабочей транзисторной структуры. Коэффициент усиления стабилитрона составил 40-50 при коэффициенте усиления рабочей транзисторной структуры 20-30, причем в приведенном примере W_тp 24 мкм, а W_{aкт ст} 27 мкм. При этом получена энергия вторичного пробоя Е_вп1,0-1,4 Дж. Технологический процесс изготовления транзистора предлагаемой конструкции весьма несложен. Рассмотрим его на примере получения конструкции мощного транзистора, изображенной на фиг. 3. Сначала известным способом встречной диффузии формируется n-n⁺-структура. Затем поверхность высокоомного слоя окисляется и в полученном окисле вскрываются окна под диффузию базовой примеси (бора). Далее при Т 1220^oС проводится процесс локальной диффузии бора, в ходе которого на поверхности базовой области выращивают термический окисел. Затем в базовых областях стабилитрона 4 и рабочей транзисторной структуры 3 вскрываются окна под эмиттер и известным образом формируется эмиттерные области с пониженной концентрацией фосфора. Затем, после снятия ФСС, на поверхности базовой области снова формируется термический окисел, в котором методом фотолитографии вскрывается окно в базовой области 3 рабочей транзисторной структуры и известным способом формируется эмиттерная область рабочей транзисторной структуры соответствующей концентрацией. Далее при Т 1220^oС проводят разгонку фосфора в эмиттерных областях стабилитрона 6 и рабочей транзисторной структуры 5, в процессе которой также выращивается термический окисел. Далее известным способом проводят вскрытие и подлегирование эмиттерной области 11 стабилитрона. Затем известными способами термического окисления, напыления алюминия, фотолитографии, а также химического никелирования и гальванического золочения создают защитную изолирующую пленку 9 термического окисла и металлизацию 7 и 8 рабочей стороны и металлизацию 10 обратной стороны полупроводниковой подложки. Таким образом применение предлагаемой конструкции мощного биполярного транзистора с защитой от перенапряжения позволит существенно повысить его устойчивость к вторичному пробою при обратном смещении базы, причем без изменения временных и электрических параметров.

Формула изобретения

1. Мощный биполярный транзистор с защитой от перенапряжения, состоящий из рабочей транзисторной структуры и защитного стабилитрона в виде транзистора с плавающей базой, выполненной в одной полупроводниковой подложке так, что они имеют общий коллектор, а эмиттерная область стабилитрона омически соединена с базовой областью рабочей транзисторной структуры, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости к вторичному пробою при обратном смещении базы без изменения его временных и электрических параметров за счет изменения ширины и уменьшения дефектности активной базы защитного стабилитрона и прилегающей к ней области коллектора, ширина активной базы стабилитрона больше ширины активной базы рабочей транзисторной структуры, а степень легирования эмиттерной области защитного стабилитрона больше или меньше степени легирования N_{s этр} эмиттерной области рабочей транзисторной структуры в зависимости от величины указанной степени легирования N_{s этр}, чтобы обеспечить статический коэффициент передачи тока эмиттера стабилитрона больше коэффициента усиления рабочей транзисторной структуры. 2. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что эмиттерная область защитного стабилитрона выполнена двухслойной и состоит из первого слоя глубиной H и степенью легирования N_{s эст1} и приповерхностного второго слоя глубиной h и степенью легирования N_{s эст2}, где О <h <3/4 Н, а N_{s эст1} ≅N_{s эст2}, причем степень легирования указанных слоев стабилитрона выбрана в зависимости от величины степени легирования N_{s этр} эмиттерной области рабочей транзисторной структуры: при N_{s этр} ≥ 2·10²⁰ат/см³ - N_{s эст1} ≅ N_{s эст2} < N_s или N_{s эст1} < N_{s эст2} ≅ N_{s этр}, а при N_{s этр} < 2·10²⁰ат/см³ N_{s эст1} < N_s ≅ N_{s эст2} или N_{s эст1} ≅ N_{s этр} < N_{s эст2}, причем N_{s эст1} < 2 ·10²⁰ат/см³. 3. Транзистор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что эмиттерная область стабилитрона дополнительно легирована одной или несколькими примесями одного типа проводимости с эмиттерной областью. 4. Транзистор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что эмиттерная область стабилитрона дополнительно легирована одной или несколькими примесями, имеющими тип проводимости, противоположный типу проводимости эмиттерной области рабочей транзисторной структуры, при этом тип проводимости эмиттера стабилитрона соответствует типу проводимости эмиттера рабочей транзисторной структуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4