專利名稱：雙極晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進的雙極晶體管結(jié)構(gòu)。
更具體地，本發(fā)明涉及一種具有傳統(tǒng)基極、集電極和發(fā)射極端子的雙極晶體管結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明特別涉及但是不專門涉及插入在雙極晶體管的達林頓結(jié)構(gòu)中的雙極晶體管，并且參考此應用領(lǐng)域來給出以下描述，僅為了簡化其公開。
背景技術(shù)：
如在該特定技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的，在需要使用小火花引擎的許多應用中，例如在小引擎操作的工具中，存在較強的需要來確保工具甚至在極端操作和/或環(huán)境條件下工作。
可以參考動力刀具、動力鋸或動力刀片等，即，由必須工作在極端或有功條件下的小火花引擎進行操作的所有工具。
通常，這些種類的小火花引擎包括利用功率晶體管的電子啟動器，并且在大多數(shù)情況下，達林頓結(jié)構(gòu)的功率晶體管。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的那樣，晶體管的達林頓結(jié)構(gòu)包括彼此相連的兩個雙極晶體管，具有公共的集電極端子，且第一或驅(qū)動晶體管的基極端子與第二晶體管的基極端子相連。
多年以來使用了該結(jié)構(gòu)，并且在文獻中該結(jié)構(gòu)是已知的。
在先前所引述的應用中，在達林頓結(jié)構(gòu)中，雙極功率晶體管經(jīng)常彼此相連地使用。
即使在許多觀點上具有優(yōu)點，并且實質(zhì)上滿足需要，但是上述結(jié)構(gòu)引起了一些驅(qū)動問題，主要是在截止階段期間。
事實上，實際的已知技術(shù)提出了通過具有復雜和昂貴結(jié)構(gòu)的相應驅(qū)動電路來驅(qū)動針對功率應用的達林頓結(jié)構(gòu)，這不會引起制造商的興趣，這是由于對于大規(guī)模集成而言不存在實際市場。
本發(fā)明的技術(shù)問題在于如果情況如此，在達林頓結(jié)構(gòu)內(nèi)提供了新的雙極晶體管結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)具有能夠簡化相應的驅(qū)動電路或甚至省略驅(qū)動電路的功能和結(jié)構(gòu)特征。
這樣的晶體管結(jié)構(gòu)應該適合于通過簡單制造工藝以低成本進行的半導體集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明背后的解決方案的思想在于在相同的芯片上，集成功率雙極晶體管和位于所述晶體管的基極和發(fā)射極端子之間的閘流晶體管SCR器件。
按照這種方式，達林頓結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路得到了極其地簡化，并且閘流晶體管SCR器件的柵極端子上的簡單電流脈沖信號允許實現(xiàn)功率晶體管的基極和發(fā)射極端子之間的短路，從而截止功率晶體管自身或?qū)⑵洳迦肫渲械倪_林頓結(jié)構(gòu)。
有利地，當該類晶體管處于達林頓結(jié)構(gòu)內(nèi)時，最好使用發(fā)射極開關(guān)技術(shù)，從而通過埋層和相應的沉觸點區(qū)域，獲得半導體芯片中的基極和發(fā)射極區(qū)域。
根據(jù)上述解決方案的思想，由權(quán)利要求1及以下所定義的雙極晶體管結(jié)構(gòu)來解決該技術(shù)問題。
本發(fā)明還涉及如權(quán)利要求8及以下所定義的這種晶體管結(jié)構(gòu)的制造工藝。
參考附圖，根據(jù)以下所給出的指示性且非限定性示例的描述，晶體管及相應制造工藝的特征和優(yōu)點將顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明所實現(xiàn)的達林頓晶體管結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是示出了至少包括圖1的示意圖所示的晶體管在內(nèi)的集成半導體電路部分的垂直橫截面且放大了比例的示意圖；
圖3和4示出了通過根據(jù)本發(fā)明的處理階段來制造如圖2所示的集成晶體管結(jié)構(gòu)的半導體材料部分的垂直橫截面且放大了比例的相應示意圖；圖5和6示出了通過根據(jù)本發(fā)明的另外處理階段的擴展的半導體材料部分的垂直橫截面且放大了比例的相應示意圖。
具體實施例方式
參考附圖，更具體地，參考圖1的示例，圖1全局且示意性地示出了利用此后將公開的制造工藝根據(jù)本發(fā)明而實現(xiàn)的達林頓結(jié)構(gòu)的雙極晶體管結(jié)構(gòu)。
如先前所述，結(jié)構(gòu)1僅作為指示性和非限定性的示例來公開，示出了利用本發(fā)明所獲得的該新種類的功率晶體管的應用。使用達林頓結(jié)構(gòu)的本發(fā)明晶體管可以適合于獲得更高的增益；然而，本發(fā)明的原理可以應用于單個的達林頓結(jié)構(gòu)的晶體管。
達林頓結(jié)構(gòu)1包括NPN型的第一驅(qū)動晶體管T1，具有傳統(tǒng)的端子基極B1端子、集電極C1端子和發(fā)射極E1端子。
優(yōu)選地，晶體管T1是施加以高電流和電壓的功率晶體管。
達林頓結(jié)構(gòu)1包括NPN型的第二功率晶體管T2，具有傳統(tǒng)的端子基極B2端子、集電極C2端子和發(fā)射極E2端子。
甚至該第二晶體管T2是雙極功率晶體管。
在達林頓結(jié)構(gòu)1中，兩個晶體管T1和T2彼此相連，第一晶體管T1的發(fā)射極E1與第二晶體管T2的基極B2相連，并具有公共的集電極C1和C2端子。
由此，如果應該將達林頓結(jié)構(gòu)1看作單一的電子設備，公共集電極C1和C2對應于整個結(jié)構(gòu)的集電極端子C；第一晶體管T1的基極B1是整個結(jié)構(gòu)的基極端子B，同時，第二晶體管的發(fā)射極端子E2是整個結(jié)構(gòu)1的發(fā)射極。
見圖1，可以意識到，端子B、C和E對應于單個雙極晶體管的端子，并且包括在虛線內(nèi)的整個部分可以被看作單一的功率晶體管。
集電極端子C通常與電壓源基準相連。
有利地，根據(jù)本發(fā)明，電阻R連接在達林頓結(jié)構(gòu)1的集電極端子C和基極端子B之間；電阻R集成在相同的芯片中。
按照這種方式，能夠在達林頓結(jié)構(gòu)1的基極B上提供直流驅(qū)動電流，以便強制為常導通狀態(tài)。
優(yōu)選地，電阻R是高電壓類型，即，其適合于承受在其端子之間的高電壓值。根據(jù)在US專利No.5,053,743中所公開的內(nèi)容，可以集成該電阻。
而且，總是根據(jù)本發(fā)明，電子器件3——SCR閘流晶體管器件連接在達林頓結(jié)構(gòu)1的基極B和發(fā)射極E之間。
按照四層PNPN結(jié)構(gòu)實現(xiàn)閘流晶體管3，將在之后進行公開。
將達林頓結(jié)構(gòu)1、電阻R和SCR閘流晶體管器件3集成到相同的半導體材料部分中，并形成單片集成電路。
此外，即使利用發(fā)射極開關(guān)(E.S)技術(shù)也可以制造結(jié)構(gòu)1。例如，利用該技術(shù)，如圖2所示，利用埋層和接觸沉阱來實現(xiàn)發(fā)射極E和基極B。
在發(fā)射極開關(guān)器件的原始結(jié)構(gòu)中，由于作為形成閘流晶體管器件SCR的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，存在在圖2中未示出的其他層。
可以認為根據(jù)本發(fā)明的達林頓結(jié)構(gòu)1還集成了驅(qū)動電路。換句話說，如果與已知的方案相比，對達林頓結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路進行了簡化，從而利用閘流晶體管3 SCR的柵極端子上的簡單脈沖信號，能夠建立基極B和發(fā)射極E之間的短路，從而使達林頓結(jié)構(gòu)截止。需要非常簡單的電路將更為適當?shù)碾娏髅}沖施加到閘流晶體管的柵極端子上。
現(xiàn)在，特別是參考圖3到6的示例，將公開各種制造處理步驟，用于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)1，例如，如圖1所示。
此后所公開的處理階段和結(jié)構(gòu)未形成用于制造集成電路的完整的處理流程，這是由于可以對本發(fā)明進行縮減，以便與IC領(lǐng)域中實際使用的制造技術(shù)一起實施；因此，這里僅公開了對實現(xiàn)本發(fā)明較為有用的處理階段。
示出了在其制造處理器件的集成電路部分的橫截面的附圖并未按比例再現(xiàn)，而是對其進行再現(xiàn)以使其示出了本發(fā)明最重要的特征。
本發(fā)明的處理最初提供給擴散步驟。由于其可以按照雙重模式來實現(xiàn)，因此，始終公開了摻雜階段和擴散區(qū)域的種類，而只是指示性和非限定性的。
從具有非常低的電阻率的N+摻雜的襯底4開始，生長外延層5。該層5具有N-型摻雜、以及與作為整體的該結(jié)構(gòu)1可以承受的電壓電平相對應的電阻率和厚度。
該外延層5可以包含或可以不包含可選能量層。
然后，實現(xiàn)第一埋層6(P-BL)，以形成第一晶體管T1的基極B，由此形成了達林頓結(jié)構(gòu)1的基極B。
在埋層6的注入和擴散步驟之后，在表面上形成了熱氧化層；通過該氧化層定義了孔，以便通過光刻技術(shù)來實現(xiàn)第二埋層7(N-BL)，能夠獲得達林頓結(jié)構(gòu)1的第二晶體管T2的發(fā)射極E2。
在已經(jīng)完全去除了表面氧化層之后，生長第二外延層8，具有與第一外延層5相同的電阻率類型，但是具有幾微米的厚度，例如4-6微米，如在圖3中示意地示出的那樣。
分別利用P和N型的所謂沉阱9、10的擴散階段來執(zhí)行該處理，所述沉阱在第二外延層8內(nèi)獲得，并且設置其，以便與相應的基極和發(fā)射極區(qū)域，即第一埋層6和第二埋層7相接觸。
P型的沉擴散9還用于形成閘流晶體管3 SCR的陽極。
可以意識到，在圖4中，第二埋層停止在接近于沉區(qū)域9處。
圖4所示的結(jié)構(gòu)必須被認為是整個結(jié)構(gòu)1的簡化部分，以便將注意力放在對器件3 SCR的形成有意義的半導體部分。
明顯地，在圖4的一側(cè)，存在達林頓結(jié)構(gòu)的第一和第二晶體管T1、T2。其他的圖5和6示出了甚至可以看到達林頓結(jié)構(gòu)的相同半導體材料的放大部分。
然后，在所述第二外延層8內(nèi)部，在沉區(qū)域9、10之間實現(xiàn)另外的層11、12。
通過擴散來獲得這些層11、12，并且這些層11、12分別為P和N+型的。針對發(fā)射極開關(guān)結(jié)構(gòu)的閘流晶體管的P體和N源區(qū)域，設置這些層11、12。
在該處理步驟結(jié)束時所獲得的這些層提供了PNPN四層結(jié)構(gòu)，如在圖5中所清楚地示出的那樣。
更具體地，P層11是閘流晶體管器件3的柵極，而N+層12是其陰極。
如從圖5中可以意識到，P摻雜阱總體包含了其中形成了閘流晶體管SCR的半導體區(qū)域。
該處理進行到傳統(tǒng)的最終階段，能夠定義先前所實現(xiàn)的各種區(qū)域的金屬觸點。
在已經(jīng)完成了擴散處理之后，生長熱氧化層16，在該氧化層中限定孔，以實現(xiàn)觸點。充分地，沉積金屬層13，以使N+層12與發(fā)射極沉區(qū)域10相連，從而使閘流晶體管SCR的陰極與結(jié)構(gòu)1的發(fā)射極E相連，如圖6所示。
在該相同的圖6中，將柵極觸點14設置在針對也對應于結(jié)構(gòu)1的基極B的閘流晶體管SCR的P區(qū)域11上方。
還使這樣實現(xiàn)的閘流晶體管具有適當?shù)某叽纾瑥亩谠摻M件上的直流電壓降(Vf)低于結(jié)構(gòu)1的基極-發(fā)射極電壓降(Vbe)。按照該方式，在基極B和發(fā)射極E之間實現(xiàn)了有效的短路。
設置第二金屬層15，利用與電壓源基準相連的高電壓電阻R，使閘流晶體管3 SCR的陽極與達林頓結(jié)構(gòu)1的基極B相連。
根據(jù)本發(fā)明的改進達林頓結(jié)構(gòu)解決了技術(shù)問題，所達到的各種優(yōu)點中的第一優(yōu)點基于以下事實在單一的集成功率電路內(nèi)，針對晶體管或晶體管達林頓結(jié)構(gòu)，獲得了簡單且有效的驅(qū)動電路。
而且，該結(jié)構(gòu)的制造工藝特別簡單和便宜。
截止速度不是非常高，但是，這對于其中形成了達林頓結(jié)構(gòu)的各種應用而言不是問題。
權(quán)利要求
1.一種具有傳統(tǒng)的基極(B)、集電極(C)和發(fā)射極(E)端子的類型的改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)(1)，其特征在于包括位于晶體管結(jié)構(gòu)的基極(B)和發(fā)射極(E)之間的集成閘流晶體管器件(3)SCR。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括集成在集電極(C)和基極(B)端子之間的高電壓電阻(R)；所述集電極(C)與電源電壓基準相連，以便將所述晶體管結(jié)構(gòu)(1)保持在常導通狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于利用位于一個晶體管(T1)的集電極(C)和基極(B)之間的所述電阻、以及位于另一晶體管(T2)的所述基極(B)和發(fā)射極之間的所述閘流晶體管(3)SCR，將所述改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)集成為達林頓晶體管結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于根據(jù)發(fā)射極開關(guān)技術(shù)，利用針對所述基極(B)和發(fā)射極(E)的埋置區(qū)域和相應的接觸沉區(qū)域(9，10)，來獲得所述改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述閘流晶體管(3)是具有四層結(jié)構(gòu)的PNPN型的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電阻(R)和所述閘流晶體管(3)SCR形成所述晶體管結(jié)構(gòu)(1)的驅(qū)動電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于通過在所述閘流晶體管(3)的柵極端子上施加電流脈沖信號，使所述驅(qū)動電路能夠用于截止階段。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成雙極晶體管結(jié)構(gòu)(1)的制造方法，其特征在于在具有相應外延層(5)的半導體襯底(4)上設置以下階段-形成針對所述結(jié)構(gòu)(1)的相應基極(B)和發(fā)射極(E)的第一埋層(6)和第二埋層(7)，所述第二埋層(7)與所述第一層(6)重疊；-在所述埋層(6，7)上方形成第二外延層(8)；-通過所述第二外延層(8)形成相應的沉區(qū)域(9，10)，以便獨立地與所述埋層(6，7)接觸，所述區(qū)域之一(9)是所述閘流晶體管(3)SCR的陽極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于按照一個在另一個內(nèi)部的方式獲得所述第二外延層中的所述沉區(qū)域(9，10)，以便形成針對所述閘流晶體管器件(3)的基極區(qū)域(11)和陰極區(qū)域(12)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述閘流晶體管(3)的所述陰極區(qū)域(12)通過金屬化層(13)與發(fā)射極(E)的沉區(qū)域(10)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有傳統(tǒng)的基極(B)、集電極(C)和發(fā)射極(E)端子的類型的、可以集成為達林頓結(jié)構(gòu)的改進雙極晶體管結(jié)構(gòu)(1)，包括在集電極(C)和(B)之間的電阻(R)；以及在基極(B)和發(fā)射極(E)之間的閘流晶體管器件(3)SCR。所述電阻(R)是使晶體管結(jié)構(gòu)保持為常導通的高電壓電阻，而閘流晶體管是在其柵極端子上使能和驅(qū)動的截止電路。
文檔編號H01L27/07GK1623233SQ02828380
公開日2005年6月1日 申請日期2002年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月28日
發(fā)明者塞薩爾·龍西斯瓦萊 申請人:St微電子公司