(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース、エミッタ、およびコレクタが設けられ、トランジスタの機能を有し、前記エミッタは前記ベース内に形成されている半導体素子において、
前記エミッタは、半導体層表面を垂直視して長方形となるベース領域に一体に形成され、
前記長方形の短辺方向の前記エミッタの両外側に、逆側に対して互いに前記長方形の長辺方向についての位置が同じで、同側において前記長辺方向に並べられた複数のベースコンタクトが形成され、
前記エミッタの前記短辺方向の両端部に、前記ベースコンタクトに対して前記長辺方向についての位置が同じで一対一にエミッタコンタクトが形成され、
前記短辺方向に沿って、前記両端部の前記エミッタコンタクトの間で、かつ、前記エミッタの中央部に位置するエミッタコンタクトが形成され、
前記長辺方向について、前記両端部の前記エミッタコンタクトの間に前記エミッタの開口が形成され、
前記開口内にベースコンタクトが形成され、
前記開口内の前記ベースコンタクトと前記中央部のエミッタコンタクトとの間に位置する前記エミッタの孔であって、横断面の大きさが前記開口より小さな孔が形成され、
前記孔内を含んで前記エミッタ及び前記ベースの表面を被い、前記ベースコンタクト及びエミッタコンタクトを露出する絶縁膜が形成され、
前記エミッタの両外側の前記ベースコンタクト上で前記長辺方向に延在して当該ベースコンタクトに接続し、前記短辺方向内方に枝を延ばして前記開口内の前記ベースコンタクトに接続する２つの櫛形ベース電極が前記絶縁膜上に形成され、
前記中央部に前記長辺方向に延在して前記中央部の前記エミッタコンタクトに接続し、前記短辺方向の両外方に枝を延ばして前記両端部の前記エミッタコンタクトに接続する１つの両櫛形エミッタ電極が前記絶縁膜上に形成され、
前記開口と前記孔の内周面は、前記ベースと接し、半導体層表面において前記エミッタが前記ベースと接している長さの単位面積あたりの値が２５０[ｃｍ/ｃｍ２]を超えていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記開口の横断面形状は八角形であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベース、エミッタ、およびコレクタが設けられ、トランジスタの機能を有し、前記エミッタは前記ベース内に形成されている半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイポーラトランジスタのような接合型の半導体素子は、回路動作が安定し、また、大きな電流を出力することができることから素子の駆動能力に優れ、いわゆるパワーＩＣに好適に用いられている。
ところで、以前より、上記接合型の半導体素子においては、エミッタ・クラウディング現象によりメイン電流が、エミッタの周縁部に集中してしまい、エミッタ全体が均等に動作しないという問題があった。
【０００３】
このエミッタ・クラウディング効果の対策を講じた従来の例を図８、９に挙げた。図８に示したものは、ベース電流の前に抵抗ＲB1、ＲB2…、を設け、トランジスタ群内に流れ込む電流のばらつきを緩和しエミッタ全体が均一に動作するよう、工夫したものである。
また、図９に示したものは、フローティング・エミッタと呼ばれるもので、電流が、ｐ型ベースにおいてエミッタ直下の高抵抗部を通って、エミッタ領域に流れるようにしたもので、これにより、エミッタ全体が均一に動作するよう、工夫されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８、図９の半導体素子では、出力電流が数１０ｍＡ程度と小さいときは、内部抵抗による損失のために電流の増幅率が低い。また、出力電流が数Ａ程度と大きいときは、エミッタ・クラウディング効果によるエミッタ周縁部への電流の集中のために素子が破壊され、デバイスとして機能しなくなっていた。結果として、図８、図９の半導体素子は、デバイスとして機能する電流のレンジが狭く、実用的な性能が十分ではなかった。
特に、なるべく大きな電流を幅広い電流領域にわたって出力することが望まれるパワーＩＣへ用いられるものでありながら、大きな電流を出力しようとすると、それ以前に破壊されてしまうことは、重大な問題であった。
【０００５】
本発明は、エミッタ・クラウディング効果による影響を軽減することができ、それにより、広い電流レンジにおいてデバイスとして機能し、特に、従来よりも大きな電流値においてデバイスとして機能する半導体素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決すべく、本発明者等は鋭意検討し、同じ大きさの出力電流であれば、エミッタパターンの周辺長が大きいほど、つまりエミッタとベースの接合長さ（対向長）が長いほど、対向長の単位長さ当たりの電流密度が小さくなることに注目し、本発明をなすに至った。
【０００７】
すなわち、請求項１に記載の発明は、参照符号又は参照図番を付して示せば、
ベース、エミッタ、およびコレクタが設けられ、トランジスタの機能を有し、前記エミッタは前記ベース内に形成されている半導体素子において、
前記エミッタ（８）は、半導体層表面を垂直視して長方形（図１参照）となるベース領域に一体に形成され、前記長方形の短辺方向の前記エミッタの両外側に、逆側に対して互いに前記長方形の長辺方向についての位置が同じで、同側において前記長辺方向に並べられた複数のベースコンタクト（７ｂ）が形成され、
前記エミッタの前記短辺方向の両端部に、前記ベースコンタクトに対して前記長辺方向についての位置が同じで一対一にエミッタコンタクト（図３で長方形の８ａ）が形成され、
前記短辺方向に沿って、前記両端部の前記エミッタコンタクトの間で、かつ、前記エミッタの中央部に位置するエミッタコンタクト（図３で八角形の８ａ）が形成され、
前記長辺方向について、前記両端部の前記エミッタコンタクトの間に前記エミッタの開口（８１）が形成され、
前記開口内にベースコンタクト（７ａ）が形成され、
前記開口内の前記ベースコンタクトと前記中央部のエミッタコンタクトとの間に位置する前記エミッタの孔であって、横断面の大きさが前記開口より小さな孔（８２）が形成され、
前記孔内を含んで前記エミッタ及び前記ベースの表面を被い、前記ベースコンタクト（７ａ，７ｂ）及び前記エミッタコンタクト（８ａ）を露出する絶縁膜（９）が形成され、
前記エミッタの前記両外側の前記ベースコンタクト上で前記長辺方向に延在して当該ベースコンタクトに接続し、前記短辺方向内方に枝を延ばして前記開口内の前記ベースコンタクトに接続する２つの櫛形ベース電極（１１，１１）が前記絶縁膜上に形成され、
前記中央部に前記長辺方向に延在して前記中央部の前記エミッタコンタクトに接続し、前記短辺方向の両外方に枝を延ばして前記両端部の前記エミッタコンタクトに接続する１つの両櫛形エミッタ電極（１０）が前記絶縁膜上に形成され、
前記開口と前記孔の内周面は、前記ベースと接し、半導体層表面において前記エミッタが前記ベースと接している長さの単位面積あたりの値が２５０[ｃｍ/ｃｍ２]を超えていることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、トランジスタの機能を有し、エミッタがベース内に形成されている半導体素子において、エミッタには、横断面形状が多角形の開口と、横断面の大きさが前記開口より小さな孔が、それぞれ多数設けられ、これら開口と孔の内周面はベースと接していることから、エミッタとベースは、エミッタの外周部分だけではなく、開口の内周面や、孔の内周面においても接することになり、その分、前記対向長を十分に確保でき、対向長の単位長さ当たりの電流密度が軽減され、エミッタ・クラウディング効果が緩和される。
【０００９】
ここで、請求項１の開口の横断面の形状は、特に限定されないが、たとえば、六角形〜十角形程度である。
具体的には、請求項２に記載の発明のように、八角形であってもよい。
【００１０】
また、請求項１および請求項２における孔の横断面形状は、特に限定されず、たとえば、多角形、円形、楕円形等でもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１、図２は、本発明の半導体素子の一例としてのバイポーラトランジスタの概略を示す図であり、図１は平面図、図２は断面図である。
図１、図２で示すように、バイポーラトランジスタ１は、ｐ型のシリコン基板２の上部にｎ型の埋め込み層３が形成され、この状態のシリコン基板２の表面に、主にシリコンからなるｎ型のエピタキシャル層４が設けられている。このエピタキシャル層４の所定の箇所に、ｐ型の分離層５を形成し、この分離層５の内側にｎ型のコレクタ層６、ｐ型のベース層７、ｎ型のエミッタ層８が形成されている。
なお、このバイポーラトランジスタ１は、２．５×２．０ｍｍ（５ｍｍ2）のサイズを有している。
【００１３】
エミッタ層８は、図１に一部（Ａ部）示すように、本発明に特徴的な微細構造を有しており、それを図３に拡大して示した。
エミッタ層８には、図３に示すように、横断面形状が八角形の多数の開口８１、８１…が左右に並んだ状態で、二列、形成されている。開口８１、８１…の内側にはベース層７が露出しており、中央にはベースコンタクト７ａ、７ａ…が形成されている。また、上下に配設された開口８１、８１間には、横断面形状が７角形の４つの孔８２、８２、８２、８２がＸ字状に形成され、この孔８２…においてもベース層７が露出している。
また、左右に隣接する２つの開口８１、８１の間と、同じく左右に並ぶ２組の４つの孔８２…の間には、エミッタコンタクト８ａ、８ａ…が形成されている。エミッタ層８の周囲にはベース層７が露出し、所定の箇所にベースコンタクト７ｂ、７ｂ…が形成されている。
【００１４】
ところで、ベース層７、エミッタ層８の上面は、ＳｉＯ2からなる絶縁膜９、９…によって被われており、ベース層７およびエミッタ層８は、それらの上部に形成される電極とのコンタクト部分のみ絶縁膜９…から露出している。この様子を図４を用いて説明する。
図４は、ベース層７、エミッタ層８、絶縁膜９の上下関係を模式的に示した図であり、エミッタ電極１０、ベース電極１１も合わせて示した。たとえば、開口８１内のベースコンタクト７ａに相当するものが図４のＰ部であり、孔８２に相当するものがＱ部である。また、図３のエミッタコンタクト８ａ、８ａ…に相当するものが図４のＲ部、Ｒ部、同じくベースコンタクト７ｂに相当するものが図４のＳ部である。
【００１５】
また、ベースコンタクト７ａ…、７ｂ…、およびエミッタコンタクト８ａ…が、図３のように配設されていることから、これらコンタクトと接触するように形成される、アルミニウムからなるベース電極およびエミッタ電極は、図５に示すように周縁部が櫛形になる。
つまり、図５（ａ）に示すように、エミッタ電極１０はエミッタコンタクト８ａ…を被うように周縁部が太線Ｍ、Ｍのような形状になり、ベース電極１１はベースコンタクト７ａ…、７ｂ…を被うように周縁部が太線Ｎ、Ｎのような形状になり、電極のみ示すと、エミッタ電極１０、ベース電極１１は図５（ｂ）に示すような形状となる。
【００１６】
前述したように、本発明は、対向長と電流密度の関係に注目してなされたものである。つまり、同じ大きさの出力電流であれば、エミッタパターンの周辺長が大きいほど、エミッタとベースの接合長さ（対向長）が長くなり、対向長の単位長さ当たりの電流密度を小さくすることができる。
バイポーラトランジスタ１は、上記のようにエミッタ層８内に開口８１…や孔８２…が設けられて、複雑な形状に形成されているので、十分な対向長を確保している。対向長の具体的な値を以下に述べる。
【００１７】
図６には、図３の構造を有するエミッタ層８においてベース層７と接している各部の長さを示した。図６には、繰り返し構造を有するエミッタ層８の最小単位のエリアを示し、各辺の長さをμｍ単位で示した。このエリア全体の大きさは、縦７５μｍ、横６０μｍである。
図６に示すように、エミッタ層８は、開口８１を画成する内周面、孔８２を画成する内周面、およびエミッタ層８の外周部において、ベース層７と接しており、接している部分の全長を、図６に示した長さを全て加算して求めると、３２１μｍとなる。
本実施の形態のバイポーラトランジスタ１のエミッタ層８は、図１に示すエミッタ層８全体で、図６に示す最小単位を５１２個形成してなる。したがって、エミッタ層８がベース層７と接している長さの総計（以下、対向長Ｌ）は、３２１μｍ×５１２＝１６．４３５２ｃｍとなる。
また、図６に示すエリアのエミッタ層８のみの面積（図中の点で示す面積）は、図６に示す各辺の長さを用いて計算すれば、２７００μｍ2である。したがって、バイポーラトランジスタ１のエミッタ層８全体の面積（Ｓ）は、２７００μｍ2×５１２＝１．３８２×１０-2ｃｍ2となる。
【００１８】
なお、これら対向長Ｌ、エミッタ面積Ｓを、単位面積あたりに換算すると、対向長Ｌについては２８１．７ｃｍ／ｃｍ2、エミッタ面積Ｓについては０．２３６７ｃｍ2／ｃｍ2となる。本発明者は、対向長Ｌについて、２５０ｃｍ／ｃｍ2であれば、本発明の目的を達成できると予想しこの値を目安としていたが、バイポーラトランジスタ１はこの目安を十分にクリアした対向長Ｌを有している。
【００１９】
さらに、上記のＬ、Ｓの値を用いて、電流密度の計算を行う。
要求される出力電流の大きさとして、たとえば、４Ａと設定する。この場合、単位対向長当たりの電流密度（ＪL）は、４／１６．４３５２＝０．２４３（Ａ／ｃｍ）であり、単位面積当たりの電流密度（ＪS）は、４／１．３８２×１０-2＝２８９．４（Ａ／ｃｍ2）である。
【００２０】
以上のバイポーラトランジスタ１によれば、エミッタ層８には、八角形の開口８１、８１…と七角形の孔８２、８２…が、多数設けられていることから、エミッタ層８とベース層７は、エミッタ層８の外周部分だけではなく、開口８１…の内周面や、孔８２…の内周面においても接合することになり、その分、対向長Ｌを十分に確保できるようになり、対向長Ｌの単位長さ当たりの電流密度が軽減され、エミッタ・クラウディング効果が緩和される。
【００２１】
これについて、図７に具体的に示した。
図７は、３種類のｎｐｎ型のバイポーラトランジスタについて、ベース電流を流したときのエミッタ電流の増幅率ｈＦＥを示したもので、横軸に出力電流の値、縦軸に電流増幅率を示した。コレクターエミッタ間の供給電圧は２．５Ｖである。また、電流増幅率については、１００を超えれば実用上十分であると言える値である。
図７のグラフのうち、○は上記実施の形態におけるバイポーラトランジスタ１の結果である。
また、□は図８の回路構成を有する従来のバイポーラトランジスタのデータで、従来例１とする。このトランジスタのサイズは２．５×２．０ｍｍ（５ｍｍ2）であり、前記と同様に求めた電流密度ＪSは２８７（Ａ／ｃｍ2）、同じくＪLは０．４２５（Ａ／ｃｍ）である。
△は、図９の構造を有するバイポーラトランジスタのもので、従来例２とする。このトランジスタのサイズは２．４４×２．７７（５．５４ｍｍ2）であり、前記と同様に求めた電流密度ＪSは３７９（Ａ／ｃｍ2）、同じくＪLは０．６８５（Ａ／ｃｍ）である。
なお、３種類のバイポーラトランジスタの製造方法や使用したシリコン基板、あるいは不純物の種類、濃度等の各種条件は、ほぼ同様に設定している。
【００２２】
図７から分かるように、従来例１のトランジスタの場合、数十ｍＡ程度の比較的小さい電流では増幅率が低く、１００ｍＡ程度を超えなければ実用の域に達しない。これはトランジスタ内部の電流損失のためと考えられる。また、２Ａを超えると、電流増幅率が急速に落ちてしまう。これは、エミッタクラウディング効果によりエミッタが均一に動作しなくなりデバイスとして正常に機能しなくなったためと考えられる。このように、従来例１のトランジスタは、使用できる電流レンジが非常に狭い。
また、従来例２のトランジスタの場合、従来例１と比較すれば、より小さな電流で実用的な電流増幅率を発揮する。しかし、２Ａを超えると電流増幅率が急速に落ちてしまうことは同様であり、使用できる電流レンジが十分であるとは言えない。
【００２３】
上記の従来例１、２に対して、本発明のバイポーラトランジスタ１は、数ｍＡ程度の非常に小さい電流であっても１００以上の電流増幅率を発揮し、約１０Aまで、実用上十分な電流増幅率を有し、広い電流レンジにおいて、安定した電流増幅率を示している。
上記の電流密度ＪS、ＪLのデータについて、本発明のバイポーラトランジスタ１、従来例１、および従来例２を比較すると、エミッタ面積Ｓに関する電流密度ＪSは本発明と従来例１は同等であり、従来例２はこれらより大きい値になる。一方、対向長Ｌに関する電流密度ＪLについて、本発明は、従来例１の半分程度、従来例２の３分の１程度で、本発明のトランジスタ１は対向長Ｌが従来に比べ飛躍的に大きいことが分かる。
本発明の優れた性能は、上記のようにエミッタ層８を複雑な形状に形成し、それにより対向長Ｌが十分に確保され、対向長Ｌの単位長さ当たりの電流密度が軽減されたためと考えられる。バイポーラトランジスタ１では、エミッタクラウディング効果により、エミッタ層８周辺部に電流が集中したとしても、電流密度が小さいためデバイス動作に深刻な影響が現れるほどではないのである。
【００２４】
以上のように、本発明のバイポーラトランジスタ１であれば、エミッタ・クラウディング効果の影響を軽減することができ、それにより、幅広い電流レンジにおいてデバイスとして機能しアナログＩＣに利用しやすい。特に、従来よりも大きな電流域においてデバイスとして有効に機能し、パワーＩＣに好適に用いることができる。
【００２５】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱しない限り変更してもよく、たとえば、エミッタ層の開口や孔の形状、これらを形成する図６で示した各辺の長さ、あるいはエミッタコンタクトやベースコンタクトの位置等は、適宜変更可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、トランジスタの機能を有し、エミッタがベース内に形成されている半導体素子において、エミッタには、横断面形状が多角形の開口と、横断面の大きさが前記開口より小さな孔が、それぞれ多数設けられ、これら開口と孔の内周面はベースと接していることから、エミッタとベースは、エミッタの外周部分だけではなく、開口の内周面や、孔の内周面においても接合することになり、その分、対向長を十分に確保でき、対向長の単位長さ当たりの電流密度が軽減され、エミッタ・クラウディング効果が緩和される。
したがって、幅広い電流レンジにおいてデバイスとして機能し、アナログＩＣに利用しやすい。特に、従来よりも大きな電流域においてデバイスとして機能することから、パワーＩＣに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子としての一例である、バイポーラトランジスタの概略を示す平面図である。
【図２】図１のバイポーラトランジスタの断面図である。
【図３】図１のバイポーラトランジスタのエミッタ層の拡大図である。
【図４】エミッタ層、ベース層、および絶縁膜の位置関係の概略を示す断面図である。
【図５】エミッタ電極とベース電極の形状を説明するための図であり、（ａ）はエミッタコンタクトおよびベースコンタクトを電極によって被う様子を示し、（ｂ）はエミッタ電極とベース電極の平面図である。
【図６】図３のエミッタ層の最小単位を各辺の長さとともに示した図である。
【図７】図１のバイポーラトランジスタと従来のバイポーラトランジスタの電流増幅率を示すグラフである。
【図８】従来のバイポーラトランジスタの一例の回路構成を示す図である。
【図９】従来のバイポーラトランジスタの他の例の実装構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１  バイポーラトランジスタ（半導体素子）
４  エピタキシャル層
６  コレクタ層
７  ベース層
７ａ、７ｂ  ベースコンタクト
８  エミッタ層
８１  開口
８２  孔
８ａ  エミッタコンタクト
９  絶縁層
１０  エミッタ電極
１１  ベース電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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