双极晶体管结构.pdf

本发明涉及一种具有传统的基极(B)、集电极(C)和发射极(E)端子的类型的、可以集成为达林顿结构的改进双极晶体管结构(1)，包括：在集电极(C)和(B)之间的电阻(R)；以及在基极(B)和发射极(E)之间的闸流晶体管器件(3)SCR。所述电阻(R)是使晶体管结构保持为常导通的高电压电阻，而闸流晶体管是在其栅极端子上使能和驱动的截止电路。

1.  一种具有传统的基极(B)、集电极(C)和发射极(E)端子的类型的改进双极晶体管结构(1)，其特征在于包括位于晶体管结构的基极(B)和发射极(E)之间的集成闸流晶体管器件(3)SCR。

2.  根据权利要求1所述的改进双极晶体管结构，其特征在于：还包括集成在集电极(C)和基极(B)端子之间的高电压电阻(R)；所述集电极(C)与电源电压基准相连，以便将所述晶体管结构(1)保持在常导通状态。

3.  根据权利要求2所述的改进双极晶体管结构，其特征在于：利用位于一个晶体管(T1)的集电极(C)和基极(B)之间的所述电阻、以及位于另一晶体管(T2)的所述基极(B)和发射极之间的所述闸流晶体管(3)SCR，将所述改进双极晶体管结构集成为达林顿晶体管结构。

4.  根据权利要求1所述的改进双极晶体管结构，其特征在于：根据发射极开关技术，利用针对所述基极(B)和发射极(E)的埋置区域和相应的接触沉区域(9，10)，来获得所述改进双极晶体管结构。

5.  根据权利要求1所述的改进双极晶体管结构，其特征在于：所述闸流晶体管(3)是具有四层结构的PNPN型的。

6.  根据权利要求1所述的改进双极晶体管结构，其特征在于：所述电阻(R)和所述闸流晶体管(3)SCR形成所述晶体管结构(1)的驱动电路。

7.  根据权利要求6所述的改进双极晶体管结构，其特征在于：通过在所述闸流晶体管(3)的栅极端子上施加电流脉冲信号，使所述驱动电路能够用于截止阶段。

8.  一种根据权利要求1所述的集成双极晶体管结构(1)的制造方法，其特征在于：在具有相应外延层(5)的半导体衬底(4)上设置以下阶段：
-形成针对所述结构(1)的相应基极(B)和发射极(E)的第一埋层(6)和第二埋层(7)，所述第二埋层(7)与所述第一层(6)重叠；
-在所述埋层(6，7)上方形成第二外延层(8)；
-通过所述第二外延层(8)形成相应的沉区域(9，10)，以便独立地与所述埋层(6，7)接触，所述区域之一(9)是所述闸流晶体管(3)SCR的阳极。

9.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于：按照一个在另一个内部的方式获得所述第二外延层中的所述沉区域(9，10)，以便形成针对所述闸流晶体管器件(3)的基极区域(11)和阴极区域(12)。

10.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述闸流晶体管(3)的所述阴极区域(12)通过金属化层(13)与发射极(E)的沉区域(10)相连。

双极晶体管结构
技术领域
本发明涉及一种改进的双极晶体管结构。
更具体地，本发明涉及一种具有传统基极、集电极和发射极端子的双极晶体管结构。
本发明特别涉及但是不专门涉及插入在双极晶体管的达林顿结构中的双极晶体管，并且参考此应用领域来给出以下描述，仅为了简化其公开。
背景技术
如在该特定技术领域内所公知的，在需要使用小火花引擎的许多应用中，例如在小引擎操作的工具中，存在较强的需要来确保工具甚至在极端操作和/或环境条件下工作。
可以参考动力刀具、动力锯或动力刀片等，即，由必须工作在极端或有功条件下的小火花引擎进行操作的所有工具。
通常，这些种类的小火花引擎包括利用功率晶体管的电子启动器，并且在大多数情况下，达林顿结构的功率晶体管。
如本领域的技术人员所公知的那样，晶体管的达林顿结构包括彼此相连的两个双极晶体管，具有公共的集电极端子，且第一或驱动晶体管的基极端子与第二晶体管的基极端子相连。
多年以来使用了该结构，并且在文献中该结构是已知的。
在先前所引述的应用中，在达林顿结构中，双极功率晶体管经常彼此相连地使用。
即使在许多观点上具有优点，并且实质上满足需要，但是上述结构引起了一些驱动问题，主要是在截止阶段期间。
事实上，实际的已知技术提出了通过具有复杂和昂贵结构的相应驱动电路来驱动针对功率应用的达林顿结构，这不会引起制造商的兴趣，这是由于对于大规模集成而言不存在实际市场。
本发明的技术问题在于：如果情况如此，在达林顿结构内提供了新的双极晶体管结构，这样的结构具有能够简化相应的驱动电路或甚至省略驱动电路的功能和结构特征。
这样的晶体管结构应该适合于通过简单制造工艺以低成本进行的半导体集成。
发明内容
本发明背后的解决方案的思想在于：在相同的芯片上，集成功率双极晶体管和位于所述晶体管的基极和发射极端子之间的闸流晶体管SCR器件。
按照这种方式，达林顿结构的驱动电路得到了极其地简化，并且闸流晶体管SCR器件的栅极端子上的简单电流脉冲信号允许实现功率晶体管的基极和发射极端子之间的短路，从而截止功率晶体管自身或将其插入其中的达林顿结构。
有利地，当该类晶体管处于达林顿结构内时，最好使用发射极开关技术，从而通过埋层和相应的沉触点区域，获得半导体芯片中的基极和发射极区域。
根据上述解决方案的思想，由权利要求1及以下所定义的双极晶体管结构来解决该技术问题。
本发明还涉及如权利要求8及以下所定义的这种晶体管结构的制造工艺。
参考附图，根据以下所给出的指示性且非限定性示例的描述，晶体管及相应制造工艺的特征和优点将显而易见。
附图说明
图1是根据本发明所实现的达林顿晶体管结构的示意图；
图2是示出了至少包括图1的示意图所示的晶体管在内的集成半导体电路部分的垂直横截面且放大了比例的示意图；
图3和4示出了通过根据本发明的处理阶段来制造如图2所示的集成晶体管结构的半导体材料部分的垂直横截面且放大了比例的相应示意图；
图5和6示出了通过根据本发明的另外处理阶段的扩展的半导体材料部分的垂直横截面且放大了比例的相应示意图。
具体实施方式
参考附图，更具体地，参考图1的示例，图1全局且示意性地示出了利用此后将公开的制造工艺根据本发明而实现的达林顿结构地双极晶体管结构。
如先前所述，结构1仅作为指示性和非限定性的示例来公开，示出了利用本发明所获得的该新种类的功率晶体管的应用。使用达林顿结构的本发明晶体管可以适合于获得更高的增益；然而，本发明的原理可以应用于单个的达林顿结构的晶体管。
达林顿结构1包括NPN型的第一驱动晶体管T1，具有传统的端子：基极B1端子、集电极C1端子和发射极E1端子。
优选地，晶体管T1是施加以高电流和电压的功率晶体管。
达林顿结构1包括NPN型的第二功率晶体管T2，具有传统的端子：基极B2端子、集电极C2端子和发射极E2端子。
甚至该第二晶体管T2是双极功率晶体管。
在达林顿结构1中，两个晶体管T1和T2彼此相连，第一晶体管T1的发射极E1与第二晶体管T2的基极B2相连，并具有公共的集电极C1和C2端子。
由此，如果应该将达林顿结构1看作单一的电子设备，公共集电极C1和C2对应于整个结构的集电极端子C；第一晶体管T1的基极B1是整个结构的基极端子B，同时，第二晶体管的发射极端子E2是整个结构1的发射极。
见图1，可以意识到，端子B、C和E对应于单个双极晶体管的端子，并且包括在虚线内的整个部分可以被看作单一的功率晶体管。
集电极端子C通常与电压源基准相连。
有利地，根据本发明，电阻R连接在达林顿结构1的集电极端子C和基极端子B之间；电阻R集成在相同的芯片中。
按照这种方式，能够在达林顿结构1的基极B上提供直流驱动电流，以便强制为常导通状态。
优选地，电阻R是高电压类型，即，其适合于承受在其端子之间的高电压值。根据在US专利No.5,053,743中所公开的内容，可以集成该电阻。
而且，总是根据本发明，电子器件3——SCR闸流晶体管器件连接在达林顿结构1的基极B和发射极E之间。
按照四层PNPN结构实现闸流晶体管3，将在之后进行公开。
将达林顿结构1、电阻R和SCR闸流晶体管器件3集成到相同的半导体材料部分中，并形成单片集成电路。
此外，即使利用发射极开关(E.S)技术也可以制造结构1。例如，利用该技术，如图2所示，利用埋层和接触沉阱来实现发射极E和基极B。
在发射极开关器件的原始结构中，由于作为形成闸流晶体管器件SCR的传统结构，存在在图2中未示出的其他层。
可以认为根据本发明的达林顿结构1还集成了驱动电路。换句话说，如果与已知的方案相比，对达林顿结构的驱动电路进行了简化，从而利用闸流晶体管3 SCR的栅极端子上的简单脉冲信号，能够建立基极B和发射极E之间的短路，从而使达林顿结构截止。需要非常简单的电路将更为适当的电流脉冲施加到闸流晶体管的栅极端子上。
现在，特别是参考图3到6的示例，将公开各种制造处理步骤，用于实现根据本发明的结构1，例如，如图1所示。
此后所公开的处理阶段和结构未形成用于制造集成电路的完整的处理流程，这是由于可以对本发明进行缩减，以便与IC领域中实际使用的制造技术一起实施；因此，这里仅公开了对实现本发明较为有用的处理阶段。
示出了在其制造处理器件的集成电路部分的横截面的附图并未按比例再现，而是对其进行再现以使其示出了本发明最重要的特征。
本发明的处理最初提供给扩散步骤。由于其可以按照双重模式来实现，因此，始终公开了掺杂阶段和扩散区域的种类，而只是指示性和非限定性的。
从具有非常低的电阻率的N+掺杂的衬底4开始，生长外延层5。该层5具有N-型掺杂、以及与作为整体的该结构1可以承受的电压电平相对应的电阻率和厚度。
该外延层5可以包含或可以不包含可选能量层。
然后，实现第一埋层6(P-BL)，以形成第一晶体管T1的基极B，由此形成了达林顿结构1的基极B。
在埋层6的注入和扩散步骤之后，在表面上形成了热氧化层；通过该氧化层定义了孔，以便通过光刻技术来实现第二埋层7(N-BL)，能够获得达林顿结构1的第二晶体管T2的发射极E2。
在已经完全去除了表面氧化层之后，生长第二外延层8，具有与第一外延层5相同的电阻率类型，但是具有几微米的厚度，例如4-6微米，如在图3中示意地示出的那样。
分别利用P和N型的所谓沉阱9、10的扩散阶段来执行该处理，所述沉阱在第二外延层8内获得，并且设置其，以便与相应的基极和发射极区域，即第一埋层6和第二埋层7相接触。
P型的沉扩散9还用于形成闸流晶体管3 SCR的阳极。
可以意识到，在图4中，第二埋层停止在接近于沉区域9处。
图4所示的结构必须被认为是整个结构1的简化部分，以便将注意力放在对器件3 SCR的形成有意义的半导体部分。
明显地，在图4的一侧，存在达林顿结构的第一和第二晶体管T1、T2。其他的图5和6示出了甚至可以看到达林顿结构的相同半导体材料的放大部分。
然后，在所述第二外延层8内部，在沉区域9、10之间实现另外的层11、12。
通过扩散来获得这些层11、12，并且这些层11、12分别为P和N+型的。针对发射极开关结构的闸流晶体管的P体和N源区域，设置这些层11、12。
在该处理步骤结束时所获得的这些层提供了PNPN四层结构，如在图5中所清楚地示出的那样。
更具体地，P层11是闸流晶体管器件3的栅极，而N+层12是其阴极。
如从图5中可以意识到，P掺杂阱总体包含了其中形成了闸流晶体管SCR的半导体区域。
该处理进行到传统的最终阶段，能够定义先前所实现的各种区域的金属触点。
在已经完成了扩散处理之后，生长热氧化层16，在该氧化层中限定孔，以实现触点。充分地，沉积金属层13，以使N+层12与发射极沉区域10相连，从而使闸流晶体管SCR的阴极与结构1的发射极E相连，如图6所示。
在该相同的图6中，将栅极触点14设置在针对也对应于结构1的基极B的闸流晶体管SCR的P区域11上方。
还使这样实现的闸流晶体管具有适当的尺寸，从而在该组件上的直流电压降(Vf)低于结构1的基极-发射极电压降(Vbe)。按照该方式，在基极B和发射极E之间实现了有效的短路。
设置第二金属层15，利用与电压源基准相连的高电压电阻R，使闸流晶体管3 SCR的阳极与达林顿结构1的基极B相连。
根据本发明的改进达林顿结构解决了技术问题，所达到的各种优点中的第一优点基于以下事实：在单一的集成功率电路内，针对晶体管或晶体管达林顿结构，获得了简单且有效的驱动电路。
而且，该结构的制造工艺特别简单和便宜。
截止速度不是非常高，但是，这对于其中形成了达林顿结构的各种应用而言不是问题。