RU2024995C1

RU2024995C1 - Integrated transistor resistant to back secondary puncture

Info

Publication number: RU2024995C1
Authority: RU
Inventors: В.О. Насейкин; А.Ф. Королев; А.И. Гордеев; Н.М. Сандина
Original assignee: Завод "Искра"
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1991-07-22
Publication date: 1994-12-15

Abstract

FIELD: semiconductor devices. SUBSTANCE: transistor has auxiliary protective transistor structure with base and emitter regions of same type of conductivity as basic transistor in substrate-collector. Emitter region of protective transistor is actively connected with electrode to base region of basic transistor. Base region of protective transistor is built floating. It is located around base region of basic transistor and serves as dividing ring for it. EFFECT: enhanced operational efficiency and reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к мощным высоковольтным транзисторам, работающим на индуктивную нагрузку. The invention relates to semiconductor devices, in particular to high-power transistors operating inductive load.

Известно, что работа транзистора, имеющего в цепи индуктивную нагрузку, связана с большими перенапряжениями, возникающими во время его выключения. Такие перенапряжения могут привести к обратному вторичному пробою и выходу транзистора из строя. Существует несколько способов повышения устойчивости транзисторов к обратному вторичному пробою. Известен интегральный транзистор с защитой от перенапряжений, в котором для защиты от перенапряжений используется интегральный транзистор, имеющий коллекторную область первого типа проводимости; первую и вторую базовые области второго типа проводимости, противоположного первому; первую и вторую эмиттерные области первого типа проводимости. Вторая эмиттерная область омически соединена с первой базовой областью посредством электрода; вторая базовая область не соединена непосредственно с каким-либо электродом транзистора и поэтому имеет плавающий потенциал; пробивное напряжение при разомкнутой базе между коллекторной областью и второй эмиттерной областью меньше значения пробивного напряжения p-n-перехода между коллекторной областью и первой базовой областью. Данное соотношение достигается путем получения разного уровня легирования первой и второй базовых областей или первой и второй эмиттерных областей. Следует отметить, что такой способ получения необходимого соотношения между пробивными напряжениями основного и вспомогательного транзисторов является трудоемким, т.к. требует проведения дополнительных операций фотолитографии и диффузии. Кроме того из-за дефектов, вносимых этими дополнительными операциями, в итоге снижается процент годных приборов. It is known that the operation of a transistor having an inductive load in a circuit is associated with large overvoltages that occur during its shutdown. Such overvoltages can lead to reverse secondary breakdown and transistor failure. There are several ways to increase the transistor's resistance to reverse secondary breakdown. An integrated transistor with surge protection is known, in which an integrated transistor having a collector region of a first type of conductivity is used for surge protection; the first and second base regions of the second type of conductivity, the opposite of the first; first and second emitter regions of the first type of conductivity. The second emitter region is ohmically connected to the first base region by an electrode; the second base region is not directly connected to any electrode of the transistor and therefore has a floating potential; the breakdown voltage at the open base between the collector region and the second emitter region is less than the breakdown voltage of the pn junction between the collector region and the first base region. This ratio is achieved by obtaining different levels of doping of the first and second base regions or of the first and second emitter regions. It should be noted that this method of obtaining the necessary ratio between the breakdown voltages of the main and auxiliary transistors is laborious, because requires additional photolithography and diffusion operations. In addition, due to defects introduced by these additional operations, the percentage of usable devices is reduced.

Целью изобретения является повышение устойчивости транзистора к обратному вторичному пробою. The aim of the invention is to increase the stability of the transistor to reverse secondary breakdown.

В предлагаемом изобретении интегральный транзистор с защитой от перенапряжений, имеющий вспомогательный транзистор, с напряжениями пробоя коллектор-эмиттер гарантированно меньшими, чем у основного, образуется в течение одного технологического цикла, необходимого для создания основного транзистора. Необходимое соотношение между напряжениями пробоя основного и вспомогательного транзистора достигается тем, что основной транзистор имеет по периферии базовой области кольцо того же типа проводимости, что и база. Внутри делительного кольца формируется эмиттерная область того типа проводимости, что и у эмиттерной области основного транзистора. Эмиттерная область в охранном кольце соединена электродом с базовой областью основного транзистора, охранное кольцо ни с какой областью транзистора не соединено, т. е. имеет плавающий потенциал. В этом случае автоматически получается: пробивное напряжение между коллектором и эмиттером в делительном кольце меньше пробивного напряжения между коллектором и эмиттером основного транзистора без проведения дополнительных операций фотолитографии и диффузии, за счет которых создается разница между напряжениями пробоя коллектор-эмиттер основного и вспомогательного транзисторов. Эта разница получается за счет того, что напряжение пробоя коллектор-база основного транзистора больше, чем напряжение пробоя между коллектором и делительным кольцом. In the present invention, an integrated transistor with overvoltage protection having an auxiliary transistor with collector-emitter breakdown voltages is guaranteed to be lower than that of the main one, is formed during one technological cycle necessary to create the main transistor. The necessary ratio between the breakdown voltages of the main and auxiliary transistors is achieved by the fact that the main transistor has a ring of the same conductivity type on the periphery of the base region as the base. An emitter region of the same type of conductivity as that of the emitter region of the main transistor is formed inside the dividing ring. The emitter region in the guard ring is connected by an electrode to the base region of the main transistor, the guard ring is not connected to any region of the transistor, that is, it has a floating potential. In this case, it automatically turns out: the breakdown voltage between the collector and the emitter in the dividing ring is less than the breakdown voltage between the collector and the emitter of the main transistor without additional photolithography and diffusion operations, which creates a difference between the breakdown voltages of the collector-emitter of the main and auxiliary transistors. This difference is due to the fact that the collector-base breakdown voltage of the main transistor is greater than the breakdown voltage between the collector and the dividing ring.

Данный способ защиты структуры от перенапряжений можно использовать в совокупности с применением делительных колец, расположенных по периферии базовых областей основного и вспомогательного транзисторов, служащих для увеличения напряжения пробоя за счет снижения напряженности электрического поля на поверхности. При этом также сохраняется необходимое соотношение между напряжениями пробоя коллектор-эмиттер основного и вспомогательного транзисторов, т. к. база вспомогательного транзистора является дополнительным делительным кольцом для основного транзистора. Получение пробивного напряжения коллектор-эмиттер вспомогательного транзистора меньшего, чем у основного транзистора, позволяет ограничить напряжение на основном транзисторе, тем самым последний не входит в область вторичного пробоя. This method of protecting the structure from overvoltage can be used in conjunction with the use of dividing rings located on the periphery of the base regions of the main and auxiliary transistors, which serve to increase the breakdown voltage by reducing the electric field strength on the surface. At the same time, the necessary relationship between the collector-emitter breakdown voltages of the main and auxiliary transistors is also preserved, since the base of the auxiliary transistor is an additional dividing ring for the main transistor. Getting the breakdown voltage of the collector-emitter of the auxiliary transistor less than that of the main transistor allows you to limit the voltage on the main transistor, thereby the latter does not enter the secondary breakdown region.

На чертеже представлен разрез части структуры интегрального транзистора, устойчивого к обратному вторичному пробою. The drawing shows a section of a part of the structure of an integrated transistor that is resistant to reverse secondary breakdown.

Приняты обозначения: области 1 и 2 - коллектор интегрального транзистора; области 3 и 4 - соответственно базовые области основного и вспомогательного транзисторов; 5 и 6 - коллекторные p-n-переходы основного и вспомогательного транзисторов; 7 и 8 - эмиттерные области основного и вспомогательного транзисторов; 9 и 10 - эмиттерные p-n-переходы основного и вспомогательного транзисторов; 11 - слой двуокиси кремния; 12 - металлический контакт к базовой области основного транзистора; 13 - металлический контакт к эмиттерной области основного транзистора; 14 - металлический контакт, омически соединяющий базовую область основного транзистора и эмиттерную область вспомогательного транзистора; 15 - металлический контакт к коллекторной области интегрального транзистора. Designations are accepted: areas 1 and 2 - collector of an integrated transistor; areas 3 and 4, respectively, the base areas of the main and auxiliary transistors; 5 and 6 - collector pn junctions of the main and auxiliary transistors; 7 and 8 - emitter region of the main and auxiliary transistors; 9 and 10 - emitter pn junctions of the main and auxiliary transistors; 11 - a layer of silicon dioxide; 12 - metal contact to the base region of the main transistor; 13 - metal contact to the emitter region of the main transistor; 14 - metal contact, ohmically connecting the base region of the main transistor and the emitter region of the auxiliary transistor; 15 - metal contact to the collector region of the integrated transistor.

Транзистор создается следующим образом. The transistor is created as follows.

На подложке из легированного полупроводникового материала, например, кремния n-типа с низким удельным сопротивлением ( ≈ 0,01 Ом ˙ см) выращен эпитаксиальный слой 2 n-типа с более высоким удельным сопротивлением ( ≈ 50 Ом ˙ см), чем у подложки и толщиной примерно 80 мкм. Больший или меньший уровень легирования на чертеже обозначен значками "+" и "-". С помощью известных способов фотолитографии и диффузии в слое 2 одновременно образованы две области 3 и 4 p-типа, причем область 4 замыкается вокруг области 3. Области 3 и 4 образуют со слоем 2 два p-n-перехода, обозначенных соответственно 5 и 6. An n-type epitaxial layer 2 with a higher resistivity (≈ 50 Ohm ˙ cm) is grown on a substrate of doped semiconductor material, for example, n-type silicon with a low resistivity (≈ 0.01 Ω ˙ cm) than that of the substrate and about 80 microns thick. Higher or lower doping levels in the drawing are indicated by the “+” and “-” icons. Using known photolithography and diffusion methods, two p-type regions 3 and 4 are simultaneously formed in layer 2, and region 4 closes around region 3. Regions 3 and 4 form two p-n junctions with layer 2, designated 5 and 6, respectively.

Далее тем же способом в областях 3 и 4 создаются области 7 и 8 n-типа с равным уровнем легирования и глубиной диффузии. Области 7 и 8 образуют с областями 3 и 4 два p-n-перехода, обозначенные на фиг. 1 соответственно 9 и 10. На поверхности имеется слой двуокиси кремния 11, образованный после окончательной диффузии, в котором получены окна для образования омических контактов к областям 3, 7 и 8. Одним из известных способов металлизации в окнах в слое 11 образуются металлические контакты 12, 13 и 14, обеспечивающие омическое соединение областей 3 и 8. На свободной поверхности подложки 1 образуют металлический контакт 15. Области коллектора 1 и 2, базы 3 и эмиттера 7 образуют основной планарный транзистор с металлическими контактами 15, 12 и 13 к соответствующим областям. Этот транзистор имеет защиту в виде вспомогательного транзистора, база 4 которого является охранным кольцом для основного транзистора, а эмиттер 8 вспомогательного транзистора расположен внутри делительного кольца; области 1 и 2 являются также коллектором вспомогательного транзистора. Коллектор вспомогательного транзистора имеет металлический контакт 15, эмиттер омически соединен с базой 3 основного транзистора металлическим контактом 14, а его база имеет плавающий потенциал, т.к. она не соединена ни с одним электродом основного транзистора. Further, in the same way in regions 3 and 4, n-type regions 7 and 8 are created with an equal doping level and diffusion depth. Regions 7 and 8 form, with regions 3 and 4, two p-n junctions indicated in FIG. 1, respectively 9 and 10. On the surface there is a layer of silicon dioxide 11 formed after the final diffusion, in which windows are obtained for the formation of ohmic contacts to regions 3, 7 and 8. One of the known metallization methods in the windows in layer 11 is formed by metal contacts 12, 13 and 14, providing ohmic connection of regions 3 and 8. On the free surface of the substrate 1 form a metal contact 15. The areas of the collector 1 and 2, base 3 and emitter 7 form the main planar transistor with metal contacts 15, 12 and 13 to correspond areas. This transistor has a protection in the form of an auxiliary transistor, the base 4 of which is a guard ring for the main transistor, and the emitter 8 of the auxiliary transistor is located inside the dividing ring; areas 1 and 2 are also the collector of the auxiliary transistor. The collector of the auxiliary transistor has a metal contact 15, the emitter is ohmically connected to the base 3 of the main transistor with a metal contact 14, and its base has a floating potential, because it is not connected to any electrode of the main transistor.

Проверка структуры такого интегрального транзистора подтверждает, что созданная таким образом защита всегда имеет меньшие пробивные напряжения на вспомогательном транзисторе по отношению к основному транзистору. Таким образом, можно создать интегральный транзистор с защитой от обратного вторичного пробоя простым и экономичным способом, не используя вспомогательные технологические операции для получения необходимого соотношения между напряжениями пробоя основного и вспомогательного транзисторов, что в итоге повышает процент выхода годных приборов. Описанную структуру интегрального транзистора целесообразно также использовать в качестве выходного транзистора схемы Дарлингтона. Checking the structure of such an integrated transistor confirms that the protection thus created always has lower breakdown voltages at the auxiliary transistor with respect to the main transistor. Thus, it is possible to create an integrated transistor with protection against reverse secondary breakdown in a simple and economical way without using auxiliary technological operations to obtain the necessary ratio between the breakdown voltages of the main and auxiliary transistors, which ultimately increases the percentage of suitable devices. It is also advisable to use the described structure of an integrated transistor as an output transistor of a Darlington circuit.

Claims

INTEGRAL TRANSISTOR RESISTANT TO THE REVERSE SECONDARY BREAKDOWN, containing a collector region with a conductivity of the first type, a first base region with a conductivity of the second type opposite to the first type, adjacent to the collector region with the formation of a p - n junction base - collector, the first emitter region with adjacent to the first base region with the formation of the p - n junction base - emitter, the second emitter region with the conductivity of the first type, the second base region with the conductivity of the second type, p adjacent to the second emitter region and to the collector region with the formation of the corresponding p - n junctions, the second emitter region being ohmic connected to the first base region using an electrode, and the second base region is made floating, characterized in that the second base region is located around the first base region and is for her a dividing ring.