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 конструкция активной базы стабилитрона обеспечивает пробивное направление между коллектором и эмиттером стабилитрона ниже пробивного напряжения между коллектором и эмиттером рабочей транзисторной структуры при ее разомкнутой базе. Новым в транзисторе является то, что активная база защитного стабилитрона имеет ячеистую структуру переменной ширины и степени легирования, где относительно мелкие и слаболегированные области-ячейки окружены относительно глубокими и сильнолегированными разделительными областями, а ширина и степень легирования активной базы защитного стабилитрона в указанных областях-ячейках меньше ширины и степени легирования активной базы рабочей транзисторной структуры. 1 з.п. ф-лы. 2 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 биполярного транзистора с защитной от перенапряжения при обратном смещении его базы. Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показано поперечное сечение мощного биполярного транзистора известной (фиг. 1) и предлагаемой (фиг. 2) конструкции. 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 х 10²⁰ат/см³. Базовая область 3 рабочей транзисторной структуры легирована галлием и имеет глубину 24 мкм и степень легирования З x 10¹⁷ ат/см³. Базовая область 4 защитного cтабилитрона также легирована галлием и имеет переменную глубину и степень легирования, при этом максимальные значения глубины и степени легирования составляют соответственно 24 мкм и 3 х 10¹⁷ат/см³, а минимальные значения соответственно 20 мкм и 4 х 10¹⁶ ат/см³. Эмиттерная область 5 рабочей транзисторной структуры и эмиттерная область 6 защитного стабилитрона имеют одинаковую глубину 6 мкм и одинаковую степень легирования 5 х10²⁰ат/см³. Таким образом активная база рабочей транзисторной структуры имеет ширину 18 мкм и постоянную степень легирования вдоль активной базы, а активная база стабилитрона имеет переменную ширину и степень легирования вдоль активной базы, где указанная ширина изменяется на величину Δ=4мкм (с 14 до 18 мкм). Таким образом относительно мелкие и слаболегированные области-ячейки 11 окружены относительно глубокими и сильнолегированными разделительными областями 12. Поверхность базовой области 4 стабилитрона и места выхода на поверхность полупроводниковой подложки р-n-переходов изолированы термическим окислом 9 толщиной 0,85 мкм. Эмиттерная область 6 стабилитрона с помощью алюминиевой металлизации 8 толщиной 5 мкм омически соединена с базовой областью 3 рабочей транзисторной структуры. 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. Благодаря тому, что ширина и степень легирования относительно мелких и слаболегированных областей 11 активной базы стабилитрона меньше соответствующих значений активной базы рабочей транзисторной структуры, пробивное напряжение стабилитрона U_кэост=360 В меньше соответствующего пробивного напряжения рабочей транзисторной структуры U_кэотр=430 В. При подаче на базу мощного транзистора запирающего том при переходе в режим U_кбо или U_кэо защитный стабилитрон ограничивает напряжение, подаваемое на рабочую транзисторную структуру, значением 360 В и таким образом защищает мощный транзистор от перенапряжения. Благодаря ячеистой структуре активной базы стабилитрона, имеющей переменную ширину и степень легирования, при возникновении тепловой нестабильности появление мезоплазм происходит в областях 11, окруженных относительно "холодными" разделительными областями 12, что препятствует процессу шнурирования (стягивания) эмиттерного тока стабилитрона в одну "горячую" точку. В результате даже после появления тепловой нестабильности обеспечивается длительное устойчивое квазистабильное состояние, что значительно повышает возможности предлагаемой конструкции по устойчивости к вторичному пробою. Так, при ширине активной базы защитного стабилитрона 14 мкм у известной конструкции энергия вторичного пробоя транзистора Е_вп 0,5-0,7 Дж, а энергия вторичного пробоя транзистора предлагаемой конструкции составляет Е_вп=0,7-1,0 Дж. Изготовление заявляемого транзистора проводится простым эффективным способом. Рабочая поверхность исходной n-n⁺-структуры окисляется известным способом в парах воды, в результате чего на указанной поверхности получают термический окисел. На поверхность термического окисла наносят защитную пленку из нитрида кремния, служащую маской при создании базовых областей транзистора. Проводят процесс фотолитографии, вскрывая окна под диффузию базовой примеси, причем в базовой области стабилитрона указанные окна вскрываются в виде сетки с шириной полос, равной задаваемой ширине глубоких сильнолегированных разделительных областей, а базовая область рабочей транзисторной структуры вскрывается полностью. Далее проводят процесс диффузии галлия методом открытой трубы. Благодаря тому, что коэффициент диффузии галлия в термическом окисле гораздо выше коэффициента диффузии галлия в кремнии, в области базы стабилитрона под защитной маской формируются области-ячейки с пониженной глубиной и степенью легирования, причем указанные глубина и степень легирования непрерывно ("плавно") уменьшаются к центру указанных областей-ячеек. Понятно, что базовая область рабочей транзисторной структуры однородно легирована и имеет постоянную глубину. Далее после снятия защитной маски известными способами формируют эмиттерные области транзистора, пассивацию его эмиттерных и коллекторных р-n-перехода, а также металлизацию эмиттера, базы и коллектора. Таким образом применение предлагаемой конструкции мощного биполярного транзистора с защитой от перенапряжения позволит существенно повысить его устойчивость к вторичному пробою при обратном смещении базы.

Формула изобретения

1. Мощный биполярный транзистор с защитой от перенапряжения, состоящий из рабочей транзисторной структуры и защитного стабилитрона в виде транзистора с плавающей базой, выполненный в одной полупроводниковой подложке таким образом, 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, за счет изменения конструкции активной базы стабилитрона, активная база стабилитрона выполнена в виде областей-ячеек, в которых ширина и степень легирования активной базы стабилитрона меньше ширины и степени легирования активной базы рабочей транзисторной структуры, окруженных разделительными областями, в которых ширина и степень легирования активной базы стабилитрона больше или равна ширине и степени легирования активной базы рабочей транзисторной структуры. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что площадь разделительных областей стабилитрона по крайней мере не превышает площадь областей-ячеек.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2