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JP4815754B2 - Semiconductor device - Google Patents
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JP4815754B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、複数のIIL素子が半導体基板に形成されてなる半導体装置関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a plurality of IIL device is formed in the semiconductor substrate.

複数のIIL(Integrated Injection Logic)素子とバイポーラトランジスタとが同じ半導体基板に形成されてなる半導体装置が、例えば、特開平9−289256号公報(特許文献1)に開示されている。   A semiconductor device in which a plurality of IIL (Integrated Injection Logic) elements and bipolar transistors are formed on the same semiconductor substrate is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-289256 (Patent Document 1).

図5に、IIL素子1の等価回路を示す。IIL素子1は、図5に示すように、pnpトランジスタ2をスイッチングトランジスタとし、npnトランジスタ3を電流注入源とし、pnpトランジスタ2のコレクタとnpnトランジスタ3のベースとを接続して構成したものである。IIL素子1においては、図5に示すように、通常、pnpトランジスタ2のベース2Bとnpnトランジスタ3のエミッタ3Eは接地される。   FIG. 5 shows an equivalent circuit of the IIL element 1. As shown in FIG. 5, the IIL element 1 is configured by using the pnp transistor 2 as a switching transistor, the npn transistor 3 as a current injection source, and connecting the collector of the pnp transistor 2 and the base of the npn transistor 3. . In the IIL element 1, as shown in FIG. 5, the base 2B of the pnp transistor 2 and the emitter 3E of the npn transistor 3 are normally grounded.

図6は、図5に示すIIL素子1を半導体基板上に構成した場合の平面図を示すものである。IIL素子1は、横型のpnpトランジスタ2のコレクタ2Cと縦型のnpnトランジスタ3のベース3Bとをp型領域4で共有し、接地されて使用される横型のpnpトランジスタ2のベース2Bと縦型のnpnトランジスタ3のエミッタ3Eとを高濃度のn型領域5で共有する構造となっている。尚、IIL素子1としては、pnpトランジスタ2のエミッタ2EをインジェクタIと称し、npnトランジスタ3のベース3B,エミッタ3E及びコレクタ3Cを夫々ベースB,エミッタE及びコレクタCと称している。   FIG. 6 shows a plan view when the IIL element 1 shown in FIG. 5 is configured on a semiconductor substrate. The IIL element 1 shares the collector 2C of the horizontal pnp transistor 2 and the base 3B of the vertical npn transistor 3 in the p-type region 4, and is connected to the base 2B of the horizontal pnp transistor 2 that is used while being grounded. In this structure, the n-type region 5 having a high concentration shares the emitter 3E of the npn transistor 3. As the IIL element 1, the emitter 2E of the pnp transistor 2 is referred to as an injector I, and the base 3B, emitter 3E, and collector 3C of the npn transistor 3 are referred to as base B, emitter E, and collector C, respectively.

半導体基板上に多数のIIL素子を構成する場合には、IIL素子間でn型領域5を共有して、高集積化を図ることができる。また、IIL素子は、負荷抵抗の代わりにpnpトランジスタ2を用いることから、消費電力が低いという特徴を有しており、高速性が要求される論理回路を構成する場合などに用いられている。   When a large number of IIL elements are formed on a semiconductor substrate, the n-type region 5 can be shared between the IIL elements to achieve high integration. In addition, the IIL element uses the pnp transistor 2 instead of the load resistance, and thus has a feature of low power consumption, and is used when configuring a logic circuit that requires high speed.

図7(a),(b)は、特許文献1に開示されている半導体装置で、複数のIIL素子と高耐圧バイポーラトランジスタとが、同じ半導体基板に形成された半導体装置10を示す図である。   7A and 7B are diagrams showing a semiconductor device 10 in which a plurality of IIL elements and high-breakdown-voltage bipolar transistors are formed on the same semiconductor substrate, as disclosed in Patent Document 1. .

図7(a)は、半導体装置10の一部を示す平面図である。3個のIIL素子11乃至13が半導体基板上に配置されて論理回路部14の一部を構成しており、その論理回路部14の破断して示す右方には、npn型で縦型の高耐圧バイポーラトランジスタ15が同一の半導体基板上に配置されている。また、同図(b)は、同図(a)におけるX−X′断面(IIL素子11及び12の断面)を示す摸式的な断面図である。尚、以下では、各素子のインジェクタ(I),ベース(B),コレクタ(C)及びエミッタ(E)を表すのに、各素子の符号に、I,B,C及びEを付して示す。   FIG. 7A is a plan view showing a part of the semiconductor device 10. Three IIL elements 11 to 13 are arranged on a semiconductor substrate to constitute a part of the logic circuit unit 14. On the right side of the logic circuit unit 14, the npn type vertical type is shown. A high breakdown voltage bipolar transistor 15 is disposed on the same semiconductor substrate. FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing the XX ′ cross section (the cross section of the IIL elements 11 and 12) in FIG. In the following, the injector (I), base (B), collector (C), and emitter (E) of each element are shown with I, B, C, and E attached to the reference numerals of each element. .

図7(b)において、3個のIIL素子11乃至13は、p型のシリコン基板(半導体基板)16上に形成されている。そのp型のシリコン基板16には、単位面積当たりの濃度1018のアンチモン(Sb)が深さ約7μmまで拡散されて高濃度n型の埋め込み拡散層17が形成され、その埋め込み拡散層17上に表面濃度1015程度の低濃度n型のエピタキシャル層(共通のエミッタE)18が形成されている。 In FIG. 7B, the three IIL elements 11 to 13 are formed on a p-type silicon substrate (semiconductor substrate) 16. On the p-type silicon substrate 16, antimony (Sb) having a concentration of 10 18 per unit area is diffused to a depth of about 7 μm to form a high-concentration n-type buried diffusion layer 17. A low-concentration n-type epitaxial layer (common emitter E) 18 having a surface concentration of about 10 15 is formed.

図7(a)において3個の内中央に配置されているIIL素子11は、エピタキシャル層18に濃度1018程度のボロン(B)を深さ約3μmまで拡散させて面積10×20μmの高濃度p型のインジェクタ領域19(11I)を形成し、同じくエピタキシャル層18にボロン(B)を拡散させてp型のベース領域20(11B)を形成し、更に、このベース領域20内に濃度1020程度の燐(P)をイオン打込みにより注入した後、熱拡散が施されて面積10×14μmの高濃度n型のコレクタ領域21a,21b及び21c(11Ca,11Cb及び11Cc)を形成してなるものである。尚、他の素子12及び13についても、IIL素子11と同様に形成されている。また、高耐圧バイポーラトランジスタ15の構成については周知のものであり、説明を省略する。 In FIG. 7A, the three IIL elements 11 arranged in the middle of the three diffused boron (B) having a concentration of about 10 18 to the epitaxial layer 18 to a depth of about 3 μm, resulting in a high concentration of 10 × 20 μm. A p-type injector region 19 (11I) is formed, and boron (B) is diffused in the epitaxial layer 18 to form a p-type base region 20 (11B). Further, a concentration of 10 20 is formed in the base region 20. After implanting a certain amount of phosphorus (P) by ion implantation, thermal diffusion is performed to form high concentration n-type collector regions 21a, 21b and 21c (11Ca, 11Cb and 11Cc) having an area of 10 × 14 μm. It is. The other elements 12 and 13 are formed in the same manner as the IIL element 11. The configuration of the high breakdown voltage bipolar transistor 15 is well known and will not be described.

加えて、エピタキシャル層18には、濃度1020程度の燐(P)及び砒素(As)をイオン打込により深く注入した後、熱拡散が施されて高濃度n型領域22(E)が形成されており、その先端部分は、埋め込み拡散層17の一部分とオーバーラップしている。この、高濃度n型領域22は、図7(a)に網目状斜線で示すように、各素子11乃至13相互間(分離領域)に形成されており、各IIL素子11乃至13を夫々電気的に分離するようになっている。 In addition, phosphorus (P) and arsenic (As) having a concentration of about 10 20 are implanted deep into the epitaxial layer 18 by ion implantation, and then thermal diffusion is performed to form a high concentration n-type region 22 (E). The tip end portion of the buried diffusion layer 17 overlaps a part thereof. The high-concentration n-type region 22 is formed between the elements 11 to 13 (separation region) as shown by the hatched mesh in FIG. 7A, and each of the IIL elements 11 to 13 is electrically connected. Separated.

また、実際は、上記各領域にはコンタクト部が設けてあり、そのコンタクト部にスパッタなどによるアルミニウム配線が施されているが、図7(a)においては図示を省略している。以上のように構成された半導体装置10は、論理回路部14において論理演算された結果得られる出力信号を高耐圧バイポーラトランジスタ15に与えるようになっており、高耐圧バイポーラトランジスタ15は、その出力信号に応じて図示しない負荷を駆動するようになっている。
特開平9−289256号公報
Actually, each region is provided with a contact portion, and the contact portion is provided with aluminum wiring by sputtering or the like. However, the illustration is omitted in FIG. The semiconductor device 10 configured as described above provides an output signal obtained as a result of the logical operation in the logic circuit unit 14 to the high breakdown voltage bipolar transistor 15, and the high breakdown voltage bipolar transistor 15 In response to this, a load (not shown) is driven.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-289256

図7(a)の半導体装置10では、IIL素子11〜13における縦型のnpnトランジスタのベース11B〜13Bと、npn型の高耐圧バイポーラトランジスタ15のベースとでは、p型不純物の濃度を異にする必要がある。具体的には、IIL素子11〜13を構成するnpnトランジスタの逆方向電流増幅率βupを上げてIIL素子11〜13の駆動能力Deffを確保するために、IIL素子11〜13におけるベース11B〜13Bは、高耐圧バイポーラトランジスタ15におけるベース領域に較べて、不純物濃度を1/3程度にする。従って、図7(a)の半導体装置10を製造するにあたっては、IIL素子11〜13におけるベース11B〜13Bのイオン注入と、高耐圧バイポーラトランジスタ15におけるベースのイオン注入は、別工程で行っている。このため、これが半導体装置10の製造コスト増大要因となっている。 In the semiconductor device 10 of FIG. 7A, the concentration of the p-type impurity is different between the bases 11B to 13B of the vertical npn transistors in the IIL elements 11 to 13 and the base of the npn-type high breakdown voltage bipolar transistor 15. There is a need to. Specifically, in order to increase the reverse current amplification factor βup of the npn transistors constituting the IIL elements 11 to 13 and to secure the driving ability D eff of the IIL elements 11 to 13, the bases 11B to 11B of the IIL elements 11 to 13 are secured. 13B makes the impurity concentration about 1/3 as compared with the base region in the high breakdown voltage bipolar transistor 15. Therefore, in manufacturing the semiconductor device 10 of FIG. 7A, the ion implantation of the bases 11B to 13B in the IIL elements 11 to 13 and the ion implantation of the base in the high breakdown voltage bipolar transistor 15 are performed in separate steps. . For this reason, this is a factor for increasing the manufacturing cost of the semiconductor device 10.

一方、IIL素子11〜13のベース11B〜13Bと高耐圧バイポーラトランジスタ15のベースのイオン注入を共通化して一工程で行い、かつIIL素子11〜13の駆動能力Deffを確保することのできる方法として、次の方法が考えられる。すなわち、IIL素子11〜13におけるインジェクタ11I〜13Iとベース11B〜13Bの間隔を広げて、IIL素子11〜13を構成するpnpトランジスタの逆方向電流増幅率αを下げ、IIL素子11〜13の駆動能力Deffを確保する方法である。しかしながら、この場合にはIIL素子11〜13の素子サイズが30%以上大きくなってしまう。また、各ベース11B〜13Bに配置されるコレクタ11Ca〜11Cc,12Ca〜12Cc,13Ca〜13Ccの数を少なくしてインジェクタ11I〜13Iとベース11B〜13Bの間隔を広げることもできるが、この場合には、論理回路設計の自由度が低下する。 On the other hand, a method of performing ion implantation of the bases 11B to 13B of the IIL elements 11 to 13 and the base of the high breakdown voltage bipolar transistor 15 in a single process and securing the driving capability D eff of the IIL elements 11 to 13 The following method can be considered. That is, the interval between the injectors 11I to 13I and the bases 11B to 13B in the IIL elements 11 to 13 is widened to lower the reverse current amplification factor α r of the pnp transistors constituting the IIL elements 11 to 13, and the IIL elements 11 to 13 This is a method of ensuring the driving capability D eff . However, in this case, the element sizes of the IIL elements 11 to 13 are increased by 30% or more. Further, the number of collectors 11Ca to 11Cc, 12Ca to 12Cc, and 13Ca to 13Cc arranged on the bases 11B to 13B can be reduced to widen the intervals between the injectors 11I to 13I and the bases 11B to 13B. This reduces the degree of freedom in logic circuit design.

そこで本発明は、複数のIIL素子が半導体基板に形成されてなる半導体装置であって、型で、論理回路設計の自由度が低下することのない半導体装置提供することを目的としている。 The present invention includes a plurality of IIL device is a semiconductor device formed by forming a semi-conductor substrate, a small type, it is an object of the flexibility of the logic circuit design to provide a semiconductor device that does not decrease .

請求項1に記載の発明は、複数のIIL素子が、半導体基板に形成されてなる半導体装置であって、前記IIL素子が、横型のpnpトランジスタのコレクタと縦型のnpnトランジスタのベースとが接続されてなり、前記pnpトランジスタのベースと前記npnトランジスタのエミッタとが接地されてなり、前記半導体基板が、高濃度のn導電型不純物を含有する埋め込み拡散層と、当該埋め込み拡散層上に形成され、低濃度のn導電型不純物を含有するエピタキシャル層とを有し、前記pnpトランジスタが、前記エピタキシャル層をベースとし、前記エピタキシャル層の表層部に離間して形成される2つのp導電型不純物拡散領域をエミッタおよびコレクタとし、前記npnトランジスタが、前記pnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域をベースとし、前記エピタキシャル層をエミッタとし、前記ベースであるp導電型不純物拡散領域の表層部に形成されるn導電型不純物拡散領域をコレクタとし、前記半導体基板の基板面内において、前記pnpトランジスタのエミッタであるp導電型不純物拡散領域を間に挟んで前記pnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域が置されたIL素子複数成されてなり、前記複数IIL素子其々が、前記半導体基板の基板面内において、前記半導体基板の表面から前記埋め込み拡散層に達する高濃度のn導電型不純物を含有するn+拡散領域で取り囲まれてなり、前記半導体基板の基板面内において、其々の前記IIL素子前記pnpトランジスタにおけるエミッタとコレクタに挟まれたベース領域に、前記n+拡散領域が突き出されてなることを特徴としている。 The invention according to claim 1 is a semiconductor device in which a plurality of IIL elements are formed on a semiconductor substrate, and the IIL element is connected to a collector of a horizontal pnp transistor and a base of a vertical npn transistor. The base of the pnp transistor and the emitter of the npn transistor are grounded, and the semiconductor substrate is formed on the buried diffusion layer containing a high concentration n-conductivity type impurity and the buried diffusion layer. And two p-conductivity type impurity diffusions, wherein the pnp transistor is formed based on the epitaxial layer and spaced apart from the surface layer of the epitaxial layer. The region is an emitter and a collector, and the npn transistor is the collector of the pnp transistor. A substrate surface of the semiconductor substrate having a p conductivity type impurity diffusion region as a base, the epitaxial layer as an emitter, and an n conductivity type impurity diffusion region formed in a surface layer of the p conductivity type impurity diffusion region as a base as a collector. in inner, a pnp transistor p conductivity type in between the impurity diffusion regions is the collector of the pnp transistor p conductivity type impurity diffusion region is placed to the I IL elements is an emitter of is being made more structure, Each of the plurality of IIL elements is surrounded by an n + diffusion region containing high-concentration n-conductivity type impurities reaching the buried diffusion layer from the surface of the semiconductor substrate within the substrate surface of the semiconductor substrate, in the substrate surface of the semiconductor substrate, interposed in the emitter and collector of said pnp transistor of said IIL device其s The base region, the n + diffusion region is characterized by comprising protrudes.

これによれば、半導体基板の基板面内において、pnpトランジスタのエミッタであるp導電型不純物拡散領域を間に挟んでpnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域が置されたIL素子複数成し、複数IIL素子其々が、埋め込み拡散層に達する高濃度のn導電型不純物を含有するn+拡散領域で取り囲まれるようにして、其々のIIL素子おいて、前記n+拡散領域をpnpトランジスタにおけるエミッタとコレクタに挟まれたベース領域に突き出し形成することで、このn+拡散領域でキャリアであるホールを捕獲する。これにより、pnpトランジスタにおけるエミッタとコレクタの間隔(IIL素子におけるインジェクタとベースの間隔)を広げることなく、pnpトランジスタの逆方向電流増幅率αを下げることができ、これによってIIL素子の実効駆動能力Deffを確保することができる。また、各IIL素子のベースに配置されるコレクタの数も少なくする必要もない。従って、当該半導体装置を、小型で、論理回路設計の自由度が低下することのない半導体装置とすることができる。 According to this, in the substrate surface of the semiconductor substrate, p conductivity type impurities in between the diffusion region is a collector of the pnp transistor p conductivity type impurity diffusion region is placed to the I IL elements is an emitter of the pnp transistor the form multiple structure,'s multiple IIL elements, so as to be surrounded by the n + diffusion region containing n-type conductivity impurity of high concentration to reach the buried diffusion layer, Oite the IIL device其people, the By forming the n + diffusion region in a base region sandwiched between the emitter and collector of the pnp transistor, holes that are carriers are captured in the n + diffusion region. Thus, without increasing the emitter and the collector distance in pnp transistor (injector and based intervals in IIL element), can be lowered reverse current amplification factor alpha r of the pnp transistor, whereby the effective driving capability of the IIL element D eff can be ensured. Further, it is not necessary to reduce the number of collectors arranged at the base of each IIL element. Therefore, the semiconductor device can be a small semiconductor device that does not reduce the degree of freedom in logic circuit design.

請求項2に記載の発明は、バイポーラトランジスタが、前記半導体基板におけるIIL素子と別位置に形成されてなり、前記バイポーラトランジスタが、npnトランジスタであり、前記バイポーラトランジスタのベースが、前記エピタキシャル層の表層部に形成されるp導電型不純物拡散領域であり、前記バイポーラトランジスタのベースと、前記IIL素子におけるnpnトランジスタのベースとが、同じ不純物濃度で形成されてなることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, the bipolar transistor is formed at a position different from the IIL element on the semiconductor substrate, the bipolar transistor is an npn transistor, and the base of the bipolar transistor is a surface layer of the epitaxial layer. A p-type impurity diffusion region formed in a portion, wherein the base of the bipolar transistor and the base of the npn transistor in the IIL element are formed with the same impurity concentration.

n+拡散領域をpnpトランジスタのベース領域に突き出し形成した上記半導体装置においては、npnトランジスタの逆方向電流増幅率βupを上げる代わりに、pnpトランジスタの逆方向電流増幅率αを下げてIIL素子の実効駆動能力Deffを確保する。従って、導体基板の別位置に形成するバイポーラトランジスタがnpnトランジスタの場合には、バイポーラトランジスタのベースとIIL素子におけるnpnトランジスタのベースとを、例えば、同じイオン注入工程により同時に形成することができる。この場合には、IIL素子とバイポーラトランジスタのベースのイオン注入工程を共通化するため、製造コストを低減することができ、安価な半導体装置とすることができる。 In the semiconductor device in which the n + diffusion region protrudes from the base region of the pnp transistor, instead of increasing the reverse current amplification factor β up of the npn transistor, the reverse current amplification factor α r of the pnp transistor is decreased to reduce the IIL element The effective driving capability D eff is ensured. Therefore, when the bipolar transistor to be formed in another position of the semi-conductor substrate of the npn transistor and a base of the npn transistor the base and IIL element of the bipolar transistor, for example, it can be formed simultaneously by the same ion implantation process. In this case, since the ion implantation process for the base of the IIL element and the bipolar transistor is made common, the manufacturing cost can be reduced and an inexpensive semiconductor device can be obtained.

請求項3に記載の発明は、複数のIIL素子が、半導体基板に形成されてなる半導体装置であって、前記IIL素子が、横型のpnpトランジスタのコレクタと縦型のnpnトランジスタのベースとが接続されてなり、前記pnpトランジスタのベースと前記npnトランジスタのエミッタとが接地されてなり、前記半導体基板が、高濃度のn導電型不純物を含有する埋め込み拡散層と、当該埋め込み拡散層上に形成され、低濃度のn導電型不純物を含有するエピタキシャル層とを有し、前記pnpトランジスタが、前記エピタキシャル層をベースとし、前記エピタキシャル層の表層部に離間して形成される2つのp導電型不純物拡散領域をエミッタおよびコレクタとし、前記npnトランジスタが、前記pnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域をベースとし、前記エピタキシャル層をエミッタとし、前記ベースであるp導電型不純物拡散領域の表層部に形成されるn導電型不純物拡散領域をコレクタとし、前記半導体基板の基板面内において、前記pnpトランジスタのエミッタであるp導電型不純物拡散領域を間に挟んで前記pnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域が置されたIL素子複数成されてなり、前記複数IIL素子其々が、前記半導体基板の基板面内において、前記半導体基板の表面から前記埋め込み拡散層に達する高濃度のn導電型不純物を含有するn+拡散領域で取り囲まれてなり、其々の前記IIL素子おいて、前記npnトランジスタのベースであるp導電型不純物拡散領域の不純物濃度が、該npnトランジスタのエミッタとコレクタに挟まれた基板面内において、高濃度と低濃度の繰り返しパターン分布を有することを特徴としている。 The invention according to claim 3 is a semiconductor device in which a plurality of IIL elements are formed on a semiconductor substrate, wherein the IIL element is connected to a collector of a horizontal pnp transistor and a base of a vertical npn transistor. The base of the pnp transistor and the emitter of the npn transistor are grounded, and the semiconductor substrate is formed on the buried diffusion layer containing a high concentration n-conductivity type impurity and the buried diffusion layer. And two p-conductivity type impurity diffusions, wherein the pnp transistor is formed based on the epitaxial layer and spaced apart from the surface layer of the epitaxial layer. The region is an emitter and a collector, and the npn transistor is the collector of the pnp transistor. A substrate surface of the semiconductor substrate having a p conductivity type impurity diffusion region as a base, the epitaxial layer as an emitter, and an n conductivity type impurity diffusion region formed in a surface layer of the p conductivity type impurity diffusion region as a base as a collector. in inner, a pnp transistor p conductivity type in between the impurity diffusion regions is the collector of the pnp transistor p conductivity type impurity diffusion region is placed to the I IL elements is an emitter of is being made more structure, Each of the plurality of IIL elements is surrounded by an n + diffusion region containing high-concentration n-conductivity type impurities reaching the buried diffusion layer from the surface of the semiconductor substrate within the substrate surface of the semiconductor substrate,其s Oite said IIL device, the impurity concentration of the p conductivity type impurity diffusion region is a base of the npn transistor, the n In n the substrate surface sandwiched emitter and collector of the transistor, it is characterized by having a repeating pattern distribution of the high density and low density.

また、請求項に記載のように、前記繰り返しパターン分布は、ストライプ状もしくは格子状とすることができる。 In addition, as described in claims 4 and 5 , the repetitive pattern distribution can be a stripe shape or a lattice shape.

上記請求項3〜5に記載の半導体装置においても、半導体基板の基板面内において、pnpトランジスタのエミッタであるp導電型不純物拡散領域を間に挟んでpnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域が置されたIL素子複数成し、複数IIL素子其々が、埋め込み拡散層に達する高濃度のn導電型不純物を含有するn+拡散領域で取り囲まれるようにしている。
一方、請求項1および2に記載の半導体装置では、IIL素子を構成するpnpトランジスタのベース領域にn+拡散領域を突き出し形成することで、pnpトランジスタの逆方向電流増幅率αを下げ、IIL素子の実効駆動能力Deffを確保している。これに対して、上記請求項3〜5に記載の半導体装置では、IIL素子を構成するnpnトランジスタのベースであるp導電型不純物拡散領域の不純物濃度が、エミッタとコレクタに挟まれた基板面内において、高濃度と低濃度の繰り返しパターン分布を有する。このため、npnトランジスタのエミッタとコレクタに挟まれたベース領域では、繰り返しパターンからなる不純物濃度の低い領域が存在し、実質的にnpnトランジスタのベースの不純物濃度を低くしたのと同じ効果が得られる。従って、npnトランジスタの逆方向電流増幅率βupを上げることができ、これによってIIL素子の実効駆動能力Deffを確保することができる。また、各IIL素子のベースに配置されるコレクタの数も少なくする必要もない。従って、当該半導体装置を、小型で、論理回路設計の自由度が低下することのない半導体装置とすることができる。
Also in the semiconductor device according to any one of claims 3 to 5, in the substrate surface of the semiconductor substrate, the p conductivity type impurity diffusion that is the collector of the pnp transistor with the p conductivity type impurity diffusion region that is the emitter of the pnp transistor interposed therebetween. the I IL element region are placed form a plurality structure,'s multiple IIL elements have to be surrounded by the n + diffusion region containing n-type conductivity impurity of high concentration to reach the buried diffusion layer.
On the other hand, in the semiconductor device according to claim 1 and 2, by forming projecting the n + diffusion region to the base region of the pnp transistor constituting the IIL device, lower the reverse current amplification factor alpha r of the pnp transistor, IIL element The effective driving ability D eff is ensured. In contrast, in the semiconductor device according to any one of claims 3 to 5, the impurity concentration of the p-conductivity type impurity diffusion region which is the base of the npn transistor constituting the IIL element is within the substrate plane sandwiched between the emitter and the collector. In FIG. 4, the pattern has a high density and low density repetitive pattern distribution. For this reason, in the base region sandwiched between the emitter and collector of the npn transistor, there is a region with a low impurity concentration consisting of a repetitive pattern, and substantially the same effect is obtained as when the impurity concentration of the base of the npn transistor is lowered. . Therefore, the reverse current amplification factor βup of the npn transistor can be increased, thereby ensuring the effective driving capability D eff of the IIL element. Further, it is not necessary to reduce the number of collectors arranged at the base of each IIL element. Therefore, the semiconductor device can be a small semiconductor device that does not reduce the degree of freedom in logic circuit design.

また、複数のIIL素子とバイポーラトランジスタとが、同じ半導体基板に形成され、前記バイポーラトランジスタが、npnトランジスタであり、前記バイポーラトランジスタのベースが、前記エピタキシャル層の表層部に形成されるp導電型不純物拡散領域である場合には、前記IIL素子におけるnpnトランジスタのベース領域に、繰り返しパターンを有するイオン注入マスクを配置して、前記バイポーラトランジスタのベースと、前記IIL素子におけるnpnトランジスタのベースとを、同じイオン注入工程により同時に形成することができる。 A plurality of IIL elements and bipolar transistors are formed on the same semiconductor substrate, the bipolar transistor is an npn transistor, and a base of the bipolar transistor is formed on a surface layer portion of the epitaxial layer. In the case of the diffusion region, an ion implantation mask having a repetitive pattern is arranged in the base region of the npn transistor in the IIL element so that the base of the bipolar transistor and the base of the npn transistor in the IIL element are the same. They can be formed simultaneously by an ion implantation process.

このように、IIL素子とバイポーラトランジスタのベースのイオン注入工程を共通化することで、当該半導体装置の製造コストを低減することができ、安価な半導体装置とすることができる。   Thus, by making the ion implantation process of the base of the IIL element and the bipolar transistor in common, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced and an inexpensive semiconductor device can be obtained.

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

最初に、図7(a),(b)に示す半導体装置10におけるIIL素子11を用いて、IIL素子11の実効駆動能力Deffを簡単に説明する。尚、IIL素子11の実効駆動能力Deff の算出及び評価方法については、特許文献1に詳細に開示されており、その説明は省略する。 First, the effective drive capability D eff of the IIL element 11 will be briefly described using the IIL element 11 in the semiconductor device 10 shown in FIGS. Note that the calculation and evaluation method of the effective driving ability Deff of the IIL element 11 is disclosed in detail in Patent Document 1, and the description thereof is omitted.

図7(a),(b)に示すIIL素子11の実効駆動能力Deffは、IIL素子11のベースに流れ込む負荷電流(ベース電流)をI、IIL素子11のコレクタ飽和電流をIとした場合、以下の式で表わされる。
(数式1) Deff =I/I=βup(1−α)/(1+2αsb
ここで、αは、IIL素子11のpnpトランジスタの逆方向電流増幅率である。βupは、IIL素子11におけるnpnトランジスタの逆方向電流増幅率である。これらは、図7(a),(b)に示すIIL素子11のコレクタ領域21とベース領域20との面積比、及びインジェクタ領域19とベース領域20との間隔を設定することにより設定される。例えば、コレクタ領域21とベース領域20との面積比を10%と設定し、インジェクタ領域19とベース領域20との間隔を11μmと設定することにより、逆方向電流増幅率βupは約20、逆方向電流増幅率α は約0.7となる。また、αsbは、IIL素子11のベース11BとIIL素子12及び13のベース12B及び13Bとの間に存在する、2つの寄生pnpトランジスタの順方向電流増幅率である。
The effective driving capability D eff of the IIL element 11 shown in FIGS. 7A and 7B is expressed as I b , the load current (base current) flowing into the base of the IIL element 11, and the collector saturation current of the IIL element 11 as I c . In this case, it is expressed by the following formula.
(Equation 1) D eff = I c / I b = β up (1−α r ) / (1 + 2α sb )
Here, α r is the reverse current amplification factor of the pnp transistor of the IIL element 11. β up is the reverse current amplification factor of the npn transistor in the IIL element 11. These are set by setting the area ratio between the collector region 21 and the base region 20 of the IIL element 11 shown in FIGS. 7A and 7B and the interval between the injector region 19 and the base region 20. For example, when the area ratio between the collector region 21 and the base region 20 is set to 10% and the distance between the injector region 19 and the base region 20 is set to 11 μm, the reverse current gain β up is approximately 20, The directional current gain α r is about 0.7. Α sb is the forward current amplification factor of the two parasitic pnp transistors existing between the base 11B of the IIL element 11 and the bases 12B and 13B of the IIL elements 12 and 13.

上記数式1に示すIIL素子11の実効駆動能力Deffは、他のIIL素子12及び13との間に存在している寄生pnpトランジスタの影響をも考慮した駆動能力を表しているものである。IIL素子11の実効駆動能力Deffを評価するにあたっては、IIL素子11の論理ハイレベルを維持するためにノイズマージンが正となる必要があり、Deff>1がその条件となる。このように、実効駆動能力Deffは理論的には1を超える値となれば良いが、実際には工程のばらつきを±4σ(σは標準偏差)まで考慮し、更に、半導体装置10が使用される環境における周囲温度の変動をも加味することによって、例えば5に設定する。この実効駆動能力Deffを達成するためには、βup=20、α=0.7の時、寄生pnpトランジスタの順方向電流増幅率αsbが0.1でなければならない(尚、この寄生pnpトランジスタの順方向電流増幅率αsbを達成するためには、実測データより、埋め込み拡散層17と高濃度n型領域22との重なり厚が約5.5μmになる必要がある)。従って、例えば、エピタキシャル層18の厚さが5.5μmの場合には、各IIL素子間を電気的に分離するのに最低限必要な高濃度n型領域22の半導体装置10の表面(エピタキシャル層18の表面)からの拡散深さXが、約11μmとなる。
(第1の実施形態)
図1(a),(b)に、第1実施形態における本発明の半導体装置30を示す。半導体装置30は、複数のIIL素子と高耐圧バイポーラトランジスタとが同じ半導体基板に形成されてなる半導体装置である。図1(a)は、半導体装置30を構成する1つのIIL素子31を、Y方向で半分にカットして示した斜視図である。半導体装置30を構成する複数のIIL素子は、図1(a)に示す構造のIIL素子31が基板面内においてX方向およびY方向に隣接して繰り返し配置されるもので、この複数のIIL素子により半導体装置30の論理回路部が形成される。また、半導体装置30を構成する高耐圧バイポーラトランジスタは、周知の構造を有するもので、同じ半導体基板40における複数のIIL素子とは別位置に形成される(図示省略)。尚、図5〜8の場合と同様にして、以下では、各素子のインジェクタ(I),ベース(B),コレクタ(C)及びエミッタ(E)を表すのに、各素子の符号に、I,B,C及びEを付して示す。また、インジェクタ(I),ベース(B),コレクタ(C)及びエミッタ(E)内にある細線は、不純物の濃度分布を示す等濃度線である。
The effective drive capability D eff of the IIL element 11 shown in the above formula 1 represents the drive capability in consideration of the influence of the parasitic pnp transistor existing between the other IIL elements 12 and 13. In evaluating the effective driving capability D eff of the IIL element 11, the noise margin needs to be positive in order to maintain the logic high level of the IIL element 11, and D eff > 1 is the condition. As described above, the effective driving capability D eff is theoretically only required to exceed 1. However, in actuality, the semiconductor device 10 is used in consideration of process variations up to ± 4σ (σ is a standard deviation). For example, it is set to 5 by taking into account the fluctuation of the ambient temperature in the environment in which it is performed. In order to achieve this effective driving capability D eff , when β up = 20 and α r = 0.7, the forward current amplification factor α sb of the parasitic pnp transistor must be 0.1 (note that this In order to achieve the forward current amplification factor α sb of the parasitic pnp transistor, the overlap thickness between the buried diffusion layer 17 and the high-concentration n-type region 22 needs to be about 5.5 μm based on actually measured data). Therefore, for example, when the thickness of the epitaxial layer 18 is 5.5 μm, the surface (epitaxial layer) of the semiconductor device 10 in the high-concentration n-type region 22 which is the minimum necessary for electrically separating the IIL elements from each other. 18), the diffusion depth Xj is about 11 μm.
(First embodiment)
1A and 1B show a semiconductor device 30 of the present invention in the first embodiment. The semiconductor device 30 is a semiconductor device in which a plurality of IIL elements and high breakdown voltage bipolar transistors are formed on the same semiconductor substrate. FIG. 1A is a perspective view showing one IIL element 31 constituting the semiconductor device 30 cut in half in the Y direction. The plurality of IIL elements constituting the semiconductor device 30 are such that the IIL elements 31 having the structure shown in FIG. 1A are repeatedly arranged adjacent to each other in the X direction and the Y direction within the substrate surface. Thus, the logic circuit portion of the semiconductor device 30 is formed. The high breakdown voltage bipolar transistor constituting the semiconductor device 30 has a well-known structure and is formed at a position different from the plurality of IIL elements on the same semiconductor substrate 40 (not shown). As in the case of FIGS. 5 to 8, in the following, to represent the injector (I), base (B), collector (C) and emitter (E) of each element, , B, C and E. The thin lines in the injector (I), the base (B), the collector (C), and the emitter (E) are isoconcentration lines indicating the impurity concentration distribution.

図1(a)のIIL素子31は、横型のpnpトランジスタ32と縦型のnpnトランジスタ33とからなる。IIL素子31では、図5に示すIIL素子1の等価回路と同様にして、pnpトランジスタ32のコレクタ32Cとnpnトランジスタ33のベース33Bとが接続され、pnpトランジスタ32のベース32Bとnpnトランジスタ33のエミッタ33Eとが共に接地される。   The IIL element 31 in FIG. 1A includes a horizontal pnp transistor 32 and a vertical npn transistor 33. In the IIL element 31, as in the equivalent circuit of the IIL element 1 shown in FIG. 5, the collector 32C of the pnp transistor 32 and the base 33B of the npn transistor 33 are connected, and the base 32B of the pnp transistor 32 and the emitter of the npn transistor 33 are connected. 33E is grounded together.

IIL素子31は、p型のシリコン(Si)基板40上に形成されている。p型のシリコン基板40上には、単位面積当たりの濃度1018のアンチモン(Sb)が深さ約7μmまで拡散されて、高濃度のn導電型不純物を含有する埋め込み拡散層41が形成されている。また、埋め込み拡散層41上には、表面濃度1015程度の低濃度のn導電型不純物を含有するエピタキシャル層42が形成されている。低濃度エピタキシャル層42の厚さは、図示を省略した高耐圧バイポーラトランジスタに要求される耐圧の下限に応じて設定される。例えば、耐圧の下限を25Vとする場合には、その耐圧を得るために必要なエピタキシャル層18の厚さを5.5μmに設定する。 The IIL element 31 is formed on a p-type silicon (Si) substrate 40. On the p-type silicon substrate 40, an antimony (Sb) having a concentration of 10 18 per unit area is diffused to a depth of about 7 μm to form a buried diffusion layer 41 containing a high concentration of n-conductivity type impurities. Yes. Further, on the buried diffusion layer 41, epitaxial layer 42 containing an n conductivity type impurity of a low concentration of about surface concentration 10 15 are formed. The thickness of the low-concentration epitaxial layer 42 is set according to the lower limit of the breakdown voltage required for the high breakdown voltage bipolar transistor (not shown). For example, when the lower limit of the breakdown voltage is set to 25 V, the thickness of the epitaxial layer 18 necessary for obtaining the breakdown voltage is set to 5.5 μm.

IIL素子31を構成する横型のpnpトランジスタ32は、エピタキシャル層42をベース32Bとし、エピタキシャル層42の表層部に離間して形成される2つのp導電型不純物拡散領域43,44を、それぞれエミッタ32Eおよびコレクタ32Cとしている。IIL素子31を構成する縦型のnpnトランジスタ33は、横型のpnpトランジスタ32のコレクタ32Cであるp導電型不純物拡散領域44をベースとしている。また、縦型のnpnトランジスタ33は、横型のpnpトランジスタ32のベース32Bでもあるエピタキシャル層42をエミッタ33Eとし、p導電型不純物拡散領域44の表層部に形成された3つのn導電型不純物拡散領域45をコレクタ33Ca〜33Ccとしている。以上のようにして、IIL素子31においては、pnpトランジスタ32のコレクタ32Cとnpnトランジスタ33のベース33Bとが、p導電型不純物拡散領域44を共有することで互いに接続される。また、pnpトランジスタ32のベース32Bとnpnトランジスタ33のエミッタ33Eとが、エピタキシャル層42を共有することで互いに接続されて、接地される。   The lateral pnp transistor 32 that constitutes the IIL element 31 has two p-conductivity type impurity diffusion regions 43 and 44 formed separately from the surface layer portion of the epitaxial layer 42 by using the epitaxial layer 42 as a base 32B, and an emitter 32E. And collector 32C. The vertical npn transistor 33 constituting the IIL element 31 is based on the p conductivity type impurity diffusion region 44 that is the collector 32C of the horizontal pnp transistor 32. The vertical npn transistor 33 has three n-conductivity type impurity diffusion regions formed in the surface layer portion of the p-conduction type impurity diffusion region 44 with the epitaxial layer 42 that is also the base 32B of the horizontal pnp transistor 32 as the emitter 33E. 45 is the collectors 33Ca to 33Cc. As described above, in the IIL element 31, the collector 32C of the pnp transistor 32 and the base 33B of the npn transistor 33 are connected to each other by sharing the p conductivity type impurity diffusion region 44. Further, the base 32B of the pnp transistor 32 and the emitter 33E of the npn transistor 33 are connected to each other by sharing the epitaxial layer 42 and are grounded.

半導体装置30においては、図1(a)に示すIIL素子31のように、複数のIIL素子の其々が、シリコン(Si)基板40、埋め込み拡散層41およびエピタキシャル層42からなる半導体基板の基板面内において、表面から埋め込み拡散層41に達する高濃度のn導電型不純物を含有するn+拡散領域50で取り囲まれている。また、其々のIIL素子においては、図1(a)に示すように、上記半導体基板の基板面内において、横型のpnpトランジスタ32におけるエミッタ32Eとコレクタ32Cに挟まれたベース32Bの領域に、n+拡散領域50が突き出されて、n+拡散領域突き出し部50tが形成されている。   In the semiconductor device 30, as in the IIL element 31 shown in FIG. 1A, each of the plurality of IIL elements is a semiconductor substrate including a silicon (Si) substrate 40, a buried diffusion layer 41, and an epitaxial layer 42. In the plane, it is surrounded by an n + diffusion region 50 containing high-concentration n-conductivity type impurities reaching the buried diffusion layer 41 from the surface. In each IIL element, as shown in FIG. 1A, in the substrate surface of the semiconductor substrate, in the region of the base 32B sandwiched between the emitter 32E and the collector 32C of the lateral pnp transistor 32, The n + diffusion region 50 is protruded to form an n + diffusion region protrusion 50t.

図1(b)は、図1(a)の一点鎖線で囲ったA部を拡大して示した平面図である。n+拡散領域突き出し部50tを形成しない場合には、横型のpnpトランジスタ32におけるベース32Bの幅が図中のWとなるが、n+拡散領域突き出し部50tを形成することで、横型のpnpトランジスタ32におけるベース32Bの幅(n+拡散領域突き出し部50tの間隔)が、図中のWのように狭くなる。 FIG. 1B is an enlarged plan view showing a portion A surrounded by a one-dot chain line in FIG. If the n + does not form a diffusion region protrusion 50t is the width of the base 32B in the lateral pnp transistor 32 is W 0 in the figure by forming the n + diffusion region protrusion 50t, lateral pnp transistor 32 The width of the base 32B (the interval between the n + diffusion region protrusions 50t) becomes narrower as W b in the figure.

図1(a)に示すIIL素子31では、n+拡散領域50をpnpトランジスタ32におけるエミッタ32Eとコレクタ32Cに挟まれたベース32Bの領域に突き出し形成することで、このn+拡散領域突き出し部50tでキャリアであるホールを捕獲することができる。これにより、pnpトランジスタ32におけるエミッタ32Eとコレクタ32Cの間隔(IIL素子31におけるインジェクタ31Iとベース31Bの間隔)を広げることなく、pnpトランジスタ32の逆方向電流増幅率αを下げることができる。従って、これによって数式1で示したように、IIL素子31の実効駆動能力Deffを大きくすることができ、必要な実効駆動能力Deffの値を確保することができる。 In the IIL element 31 shown in FIG. 1A, the n + diffusion region 50 protrudes from the region of the base 32B sandwiched between the emitter 32E and the collector 32C of the pnp transistor 32, so that the carrier at the n + diffusion region protrusion 50t is formed. The hole that is can be captured. Thus, without increasing the distance between the emitter 32E and collector 32C in the pnp transistor 32 (distance between the injectors 31I and the base 31B of the IIL element 31), it is possible to reduce the reverse current amplification factor alpha r of the pnp transistor 32. Therefore, as shown in Equation 1, the effective driving capability D eff of the IIL element 31 can be increased, and the necessary effective driving capability D eff can be ensured.

図2は、図1(b)における幅Wを変えて、実効駆動能力Deffを評価した結果である。尚、図1(b)におけるベース32Bの幅Wは32μmとしている。図2の結果に示すように、n+拡散領域突き出し部50tの間隔(ベース32Bの幅)Wが小さくなるほど実効駆動能力Deffが増大し、W=15μmで実効駆動能力Deff=5の値が得られる。 FIG. 2 shows the result of evaluating the effective driving ability D eff by changing the width W b in FIG. The width W 0 of the base 32B in FIG. 1B is 32 μm. As shown in the result of FIG. 2, the effective drive capability D eff increases as the interval (width of the base 32B) W b between the n + diffusion region protrusions 50t decreases, and the effective drive capability D eff = 5 when W b = 15 μm. A value is obtained.

n+拡散領域50をpnpトランジスタ32のベース32Bの領域に突き出し形成した図1(a)の半導体装置30においては、npnトランジスタ33の逆方向電流増幅率βupを上げる代わりに、pnpトランジスタ32の逆方向電流増幅率αを下げて、IIL素子31の実効駆動能力Deffを確保している。従って、IIL素子31のベース31Bに配置されるコレクタ31Ca〜31Ccの数も少なくする必要もない。このため、図1(a)に示す半導体装置30を、小型で、論理回路設計の自由度が低下することのない半導体装置とすることができる。 In the semiconductor device 30 of FIG. 1A in which the n + diffusion region 50 protrudes from the region of the base 32B of the pnp transistor 32, instead of increasing the reverse current amplification factor β up of the npn transistor 33, the reverse of the pnp transistor 32 The directional current amplification factor α r is lowered to ensure the effective driving capability D eff of the IIL element 31. Therefore, it is not necessary to reduce the number of collectors 31Ca to 31Cc arranged on the base 31B of the IIL element 31. For this reason, the semiconductor device 30 illustrated in FIG. 1A can be a small-sized semiconductor device that does not reduce the degree of freedom in logic circuit design.

また、図1(a)に示す半導体装置30では、図示を省略した高耐圧バイポーラトランジスタがnpnトランジスタである場合には、以下のようにして半導体装置30のコストダウンを図ることができる。すなわち、高耐圧バイポーラトランジスタがnpnトランジスタで、ベースが図1(a)と同様のエピタキシャル層42の表層部に形成されるp導電型不純物拡散領域である場合には、高耐圧バイポーラトランジスタのベースとIIL素子におけるnpnトランジスタのベースとを、同じイオン注入工程により同時に形成する。従って、図示を省略した高耐圧バイポーラトランジスタのベースと、IIL素子31におけるnpnトランジスタ33のベース33Bとが、同じ不純物濃度で形成される。この場合には、IIL素子31と図示を省略した高耐圧バイポーラトランジスタのベースのイオン注入工程を共通化するため、製造コストを低減することができ、安価な半導体装置30とすることができる。
(第2の実施形態)
第1実施形態の半導体装置は、素子を分離するn+拡散領域をIIL素子におけるpnpトランジスタのベース領域に突き出し形成して、必要な実効駆動能力Deffの値を確保した半導体装置であった。本実施形態の半導体装置では、IIL素子におけるnpnトランジスタのベース領域における不純物濃度が所定の繰り返しパターン分布を持つように制御して、必要な実効駆動能力Deffの値を確保する。
In the semiconductor device 30 shown in FIG. 1A, when the high breakdown voltage bipolar transistor (not shown) is an npn transistor, the cost of the semiconductor device 30 can be reduced as follows. That is, when the high breakdown voltage bipolar transistor is an npn transistor and the base is a p-conductivity type impurity diffusion region formed in the surface layer portion of the epitaxial layer 42 similar to FIG. The base of the npn transistor in the IIL element is simultaneously formed by the same ion implantation process. Therefore, the base of the high breakdown voltage bipolar transistor (not shown) and the base 33B of the npn transistor 33 in the IIL element 31 are formed with the same impurity concentration. In this case, since the ion implantation process of the base of the high breakdown voltage bipolar transistor (not shown) is made common with the IIL element 31, the manufacturing cost can be reduced and the inexpensive semiconductor device 30 can be obtained.
(Second Embodiment)
The semiconductor device according to the first embodiment is a semiconductor device in which an n + diffusion region that separates elements is formed so as to protrude from a base region of a pnp transistor in an IIL element to ensure a necessary effective drive capability D eff . In the semiconductor device of the present embodiment, the necessary effective drive capability D eff is ensured by controlling the impurity concentration in the base region of the npn transistor in the IIL element to have a predetermined repetitive pattern distribution.

図3(a),(b)に、本実施形態における半導体装置60を示す。尚、図3(a),(b)に示す半導体装置60において、図1(a),(b)に示す半導体装置30と同様の部分については同じ符号を付けた。また、図1(a),(b)の場合と同様にして、以下では、各素子のインジェクタ(I),ベース(B),コレクタ(C)及びエミッタ(E)を表すのに、各素子の符号に、I,B,C及びEを付して示す。また、インジェクタ(I),ベース(B),コレクタ(C)及びエミッタ(E)内にある細線は、不純物の濃度分布を示す等濃度線である。   3A and 3B show a semiconductor device 60 in this embodiment. In the semiconductor device 60 shown in FIGS. 3A and 3B, the same reference numerals are given to the same parts as those of the semiconductor device 30 shown in FIGS. 1A and 1B. Similarly to the case of FIGS. 1A and 1B, each element will be described below to represent the injector (I), base (B), collector (C) and emitter (E) of each element. I, B, C and E are attached to the reference numerals. The thin lines in the injector (I), the base (B), the collector (C), and the emitter (E) are isoconcentration lines indicating the impurity concentration distribution.

図3(a)に示す半導体装置60も、複数のIIL素子と高耐圧バイポーラトランジスタとが同じ半導体基板に形成されてなる半導体装置である。図3(a)は、半導体装置60を構成する1つのIIL素子61を、Y方向で半分にカットして示した斜視図である。半導体装置60を構成する複数のIIL素子は、図3(a)に示す構造のIIL素子61が基板面内においてX方向およびY方向に隣接して繰り返し配置されるもので、この複数のIIL素子により半導体装置60の論理回路部が形成される。また、半導体装置60を構成する高耐圧バイポーラトランジスタは、周知の構造を有するもので、同じ半導体基板40における複数のIIL素子とは別位置に形成される(図示省略)。   The semiconductor device 60 shown in FIG. 3A is also a semiconductor device in which a plurality of IIL elements and a high voltage bipolar transistor are formed on the same semiconductor substrate. FIG. 3A is a perspective view showing one IIL element 61 constituting the semiconductor device 60 cut in half in the Y direction. The plurality of IIL elements constituting the semiconductor device 60 are such that the IIL elements 61 having the structure shown in FIG. 3A are repeatedly arranged adjacent to each other in the X direction and the Y direction within the substrate surface. Thus, the logic circuit portion of the semiconductor device 60 is formed. The high breakdown voltage bipolar transistor constituting the semiconductor device 60 has a well-known structure and is formed at a position different from the plurality of IIL elements on the same semiconductor substrate 40 (not shown).

図3(a)のIIL素子61も、図1(a)のIIL素子31と同様に、横型のpnpトランジスタ62と縦型のnpnトランジスタ63とからなる。また、IIL素子31においても、図5に示すIIL素子1の等価回路と同様にして、pnpトランジスタ62のコレクタ62Cとnpnトランジスタ63のベース63Bとが接続され、pnpトランジスタ62のベース62Bとnpnトランジスタ63のエミッタ63Eとが共に接地される。   Similarly to the IIL element 31 in FIG. 1A, the IIL element 61 in FIG. 3A also includes a horizontal pnp transistor 62 and a vertical npn transistor 63. Also in the IIL element 31, as in the equivalent circuit of the IIL element 1 shown in FIG. 5, the collector 62C of the pnp transistor 62 and the base 63B of the npn transistor 63 are connected, and the base 62B of the pnp transistor 62 and the npn transistor are connected. The emitter 63E of 63 is grounded together.

IIL素子61を構成する横型のpnpトランジスタ62は、エピタキシャル層42をベース62Bとし、エピタキシャル層42の表層部に離間して形成される2つのp導電型不純物拡散領域43,70を、それぞれエミッタ62Eおよびコレクタ62Cとしている。IIL素子61を構成する縦型のnpnトランジスタ63は、横型のpnpトランジスタ62のコレクタ62Cであるp導電型不純物拡散領域70をベースとしている。このp導電型不純物拡散領域70は、後に図3(a)で詳述するように、不純物濃度が所定の繰り返しパターン分布を持つように制御されている。また、縦型のnpnトランジスタ63は、横型のpnpトランジスタ62のベース62Bでもあるエピタキシャル層42をエミッタ63Eとし、p導電型不純物拡散領域70の表層部に形成された3つのn導電型不純物拡散領域45をコレクタ63Ca〜63Ccとしている。以上のようにして、IIL素子61においては、pnpトランジスタ62のコレクタ62Cとnpnトランジスタ63のベース63Bとが、p導電型不純物拡散領域70を共有することで互いに接続される。また、pnpトランジスタ62のベース62Bとnpnトランジスタ63のエミッタ63Eとが、エピタキシャル層42を共有することで互いに接続されて、接地される。   The lateral pnp transistor 62 constituting the IIL element 61 includes two p-conductivity type impurity diffusion regions 43 and 70 formed with the epitaxial layer 42 as a base 62B and spaced apart from the surface layer portion of the epitaxial layer 42, respectively. And collector 62C. The vertical npn transistor 63 constituting the IIL element 61 is based on a p-conductivity type impurity diffusion region 70 which is the collector 62C of the horizontal pnp transistor 62. The p conductivity type impurity diffusion region 70 is controlled so that the impurity concentration has a predetermined repetitive pattern distribution, as will be described later in detail with reference to FIG. The vertical npn transistor 63 has three n-conductivity type impurity diffusion regions formed in the surface layer portion of the p-conduction type impurity diffusion region 70 using the epitaxial layer 42 which is also the base 62B of the horizontal pnp transistor 62 as the emitter 63E. Reference numeral 45 denotes collectors 63Ca to 63Cc. As described above, in the IIL element 61, the collector 62C of the pnp transistor 62 and the base 63B of the npn transistor 63 are connected to each other by sharing the p-conductivity type impurity diffusion region 70. Further, the base 62B of the pnp transistor 62 and the emitter 63E of the npn transistor 63 are connected to each other by sharing the epitaxial layer 42 and are grounded.

半導体装置60においても、図1(a)に示す半導体装置30と同様にして、図3(a)に示すIIL素子61のように、複数のIIL素子の其々が、シリコン(Si)基板40、埋め込み拡散層41およびエピタキシャル層42からなる半導体基板の基板面内において、表面から埋め込み拡散層41に達する高濃度のn導電型不純物を含有するn+拡散領域50で取り囲まれている。一方、半導体装置60の其々のIIL素子では、図1(a)に示す半導体装置30のIIL素子と異なり、横型のpnpトランジスタ62におけるエミッタ62Eとコレクタ62Cに挟まれたベース62Bの領域には、n+拡散領域50は突き出し形成されていない。   In the semiconductor device 60 as well, as in the semiconductor device 30 shown in FIG. 1A, each of a plurality of IIL elements, such as the IIL element 61 shown in FIG. In the substrate surface of the semiconductor substrate composed of the buried diffusion layer 41 and the epitaxial layer 42, the semiconductor substrate is surrounded by an n + diffusion region 50 containing a high concentration n-conductivity type impurity reaching the buried diffusion layer 41 from the surface. On the other hand, each IIL element of the semiconductor device 60 is different from the IIL element of the semiconductor device 30 shown in FIG. 1A in the region of the base 62B sandwiched between the emitter 62E and the collector 62C of the horizontal pnp transistor 62. , N + diffusion region 50 is not protruded.

図3(b)は、図3(a)の一点鎖線で囲ったB部を拡大して示した断面図である。   FIG. 3B is an enlarged cross-sectional view of a portion B surrounded by a one-dot chain line in FIG.

図3(a)の半導体装置60においては、p導電型不純物拡散領域70の不純物濃度が、図3(b)に示すように、縦型のnpnトランジスタ63におけるエミッタ63Eとコレクタ63Ca〜63Ccに挟まれたベース63Bの領域(ピンチ領域)において、高濃度と低濃度の繰り返しパターン分布を有している。この不純物濃度の繰り返しパターン分布は、基板面内において、ストライプ状もしくは格子状とすることができる。この不純物濃度の繰り返しパターン分布は、図3(b)に示す繰り返しパターンを有するイオン注入マスクM70を用いて不純物をイオン注入し、注入した不純物を熱拡散させて形成する。   In the semiconductor device 60 of FIG. 3A, the impurity concentration of the p conductivity type impurity diffusion region 70 is sandwiched between the emitter 63E and the collectors 63Ca to 63Cc in the vertical npn transistor 63 as shown in FIG. 3B. The region of the base 63B (pinch region) has a repeated pattern distribution of high density and low density. The repeated pattern distribution of the impurity concentration can be a stripe shape or a lattice shape within the substrate surface. This repeated pattern distribution of the impurity concentration is formed by ion-implanting impurities using the ion implantation mask M70 having the repeated pattern shown in FIG. 3B and thermally diffusing the implanted impurities.

実施形態1における図1(a),(b)の半導体装置30では、IIL素子31を構成するpnpトランジスタ32のベース32B領域に、n+拡散領域50を突き出し形成することで、pnpトランジスタ32の逆方向電流増幅率αを下げ、IIL素子31の実効駆動能力Deffを確保していた。これに対して、本実施形態の図3(a),(b)の半導体装置60では、IIL素子61を構成するnpnトランジスタ63のベース63Bであるp導電型不純物拡散領域70の不純物濃度が、前記ピンチ領域において、高濃度と低濃度の繰り返しパターン分布を有する。言い換えれば、npnトランジスタ63のピンチ領域において、図3(b)に示すように、繰り返しパターンからなる不純物濃度の低い領域63Btが存在する。このため、実質的にnpnトランジスタ63のベース63Bの不純物濃度を低くしたのと同じ効果が得られ、npnトランジスタ63の逆方向電流増幅率βupを上げることができる。従って、これによって数式1で示したように、IIL素子61の実効駆動能力Deffを大きくすることができ、必要な実効駆動能力Deffの値を確保することができる。 In the semiconductor device 30 of FIGS. 1A and 1B according to the first embodiment, the n + diffusion region 50 is protruded and formed in the base 32B region of the pnp transistor 32 that constitutes the IIL element 31, thereby reversing the pnp transistor 32. The directional current amplification factor α r was lowered, and the effective driving capability D eff of the IIL element 31 was ensured. On the other hand, in the semiconductor device 60 of FIGS. 3A and 3B of this embodiment, the impurity concentration of the p-conduction type impurity diffusion region 70 that is the base 63B of the npn transistor 63 constituting the IIL element 61 is The pinch region has a high density and low density repetitive pattern distribution. In other words, in the pinch region of the npn transistor 63, as shown in FIG. 3B, there is a region 63Bt having a low impurity concentration made of a repetitive pattern. Therefore, substantially the same effect as when the impurity concentration of the base 63B of the npn transistor 63 is lowered can be obtained, and the reverse current gain β up of the npn transistor 63 can be increased. Therefore, as shown in Equation 1, the effective driving capability D eff of the IIL element 61 can be increased, and the necessary effective driving capability D eff can be ensured.

図4は、図3(b)におけるイオン注入マスクM70のライン・アンド・スペース幅W&Wを変えて、実効駆動能力Deffと耐圧Vceoを評価した結果である。図4の結果に示すように、ライン・アンド・スペース幅W&Wが大きくなるほど、実効駆動能力Deffが増大する。評価したW&Wが0.8μm以上の範囲においては、実効駆動能力Deffは以上の値が得られている。一方、耐圧Vceoは、ライン・アンド・スペース幅W&Wが大きくなるほど低下する。図4中に白抜き矢印で示したように、W&Wが1.0μm以下の範囲においては、IIL素子61に必要な耐圧Vceo1.9V以上が確保できる。尚、図4の評価においては、ライン幅Wとスペース幅Wを同じ値に設定したが、ライン幅Wとスペース幅Wは独立して任意の値に設定することができ、これによって所望の不純物濃度の繰り返しパターン分布を得ることができる。 FIG. 4 shows the results of evaluating the effective drive capability D eff and the withstand voltage V ceo by changing the line and space widths W L & W S of the ion implantation mask M70 in FIG. As shown in the result of FIG. 4, the effective driving capability D eff increases as the line and space width W L & W S increases. In the range where the evaluated W L & W S is 0.8 μm or more, the effective drive capability D eff has the above value. On the other hand, the breakdown voltage V ceo is, line-and-space width W L & W S is reduced as increases. As shown by the outlined arrow in FIG. 4, in the W L & W S is the range of 1.0 .mu.m, it can be secured breakdown voltage V ceo 1.9V or more necessary IIL element 61. Incidentally, in the evaluation of Figure 4 has been set the line width W L and space width W S to the same value, the line width W L and space width W S can independently set to any value, which Thus, a repetitive pattern distribution with a desired impurity concentration can be obtained.

npnトランジスタ63のピンチ領域に繰り返しパターンからなる不純物濃度の低い領域63Btを有する図3(a)の半導体装置60においては、ベース63Bの不純物濃度を実質的に下げてnpnトランジスタ63の逆方向電流増幅率βupを上げ、これによってIIL素子61の実効駆動能力Deffを確保している。従って、IIL素子61のベース61Bに配置されるコレクタ61Ca〜61Ccの数も少なくする必要もない。このため、図3(a)に示す半導体装置60を、小型で、論理回路設計の自由度が低下することのない半導体装置とすることができる。 In the semiconductor device 60 of FIG. 3A having a low impurity concentration region 63Bt having a repetitive pattern in the pinch region of the npn transistor 63, the reverse current amplification of the npn transistor 63 is achieved by substantially reducing the impurity concentration of the base 63B. The rate β up is increased, thereby ensuring the effective driving capability D eff of the IIL element 61. Therefore, it is not necessary to reduce the number of collectors 61Ca to 61Cc arranged on the base 61B of the IIL element 61. Therefore, the semiconductor device 60 illustrated in FIG. 3A can be a small semiconductor device that does not reduce the degree of freedom in logic circuit design.

また、図3(a)に示す半導体装置60では、図示を省略した高耐圧バイポーラトランジスタがnpnトランジスタである場合には、以下のようにして半導体装置60のコストダウンを図ることができる。すなわち、高耐圧バイポーラトランジスタがnpnトランジスタで、ベースが図3(a)と同様のエピタキシャル層42の表層部に形成されるp導電型不純物拡散領域である場合には、IIL素子61におけるnpnトランジスタ63のベース領域に、繰り返しパターンを有するイオン注入マスクM70を配置して、高耐圧バイポーラトランジスタのベースとIIL素子におけるnpnトランジスタのベースとを、同じイオン注入工程により同時に形成する。この場合には、IIL素子61と図示を省略した高耐圧バイポーラトランジスタのベースのイオン注入工程を共通化するため、製造コストを低減することができ、安価な半導体装置60とすることができる。   In the semiconductor device 60 shown in FIG. 3A, when the high breakdown voltage bipolar transistor (not shown) is an npn transistor, the cost of the semiconductor device 60 can be reduced as follows. That is, when the high breakdown voltage bipolar transistor is an npn transistor and the base is a p-conductivity type impurity diffusion region formed in the surface layer portion of the epitaxial layer 42 similar to FIG. 3A, the npn transistor 63 in the IIL element 61. In the base region, an ion implantation mask M70 having a repetitive pattern is arranged, and the base of the high breakdown voltage bipolar transistor and the base of the npn transistor in the IIL element are simultaneously formed by the same ion implantation process. In this case, since the ion implantation process of the base of the high breakdown voltage bipolar transistor (not shown) is shared with the IIL element 61, the manufacturing cost can be reduced and the inexpensive semiconductor device 60 can be obtained.

第1実施形態における本発明の半導体装置で、(a)は、半導体装置を構成する1つのIIL素子を、Y方向で半分にカットして示した斜視図である。(b)は、(a)の一点鎖線で囲ったA部を拡大して示した平面図である。In the semiconductor device of the present invention in the first embodiment, (a) is a perspective view showing one IIL element constituting the semiconductor device cut in half in the Y direction. (B) is the top view which expanded and showed the A section enclosed with the dashed-dotted line of (a). 図1(b)における幅Wを変えて、実効駆動能力Deffを評価した結果である。It is the result of changing the width W b in FIG. 1B and evaluating the effective driving ability D eff . 第2実施形態における本発明の半導体装置で、(a)は、半導体装置を構成する1つのIIL素子を、Y方向で半分にカットして示した斜視図である。(b)は、(a)の一点鎖線で囲ったB部を拡大して示した断面図である。In the semiconductor device of the present invention in the second embodiment, (a) is a perspective view showing one IIL element constituting the semiconductor device cut in half in the Y direction. (B) is sectional drawing which expanded and showed the B section enclosed with the dashed-dotted line of (a). 図3(b)におけるイオン注入マスクのライン・アンド・スペース幅W&Wを変えて、実効駆動能力Deffと耐圧Vceoを評価した結果である。This is a result of evaluating the effective drive capability D eff and the withstand voltage V ceo by changing the line and space widths W L & W S of the ion implantation mask in FIG. IIL素子の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of an IIL element. 図5に示すIIL素子を半導体基板上に構成した場合の平面図である。It is a top view at the time of comprising the IIL element shown in FIG. 5 on a semiconductor substrate. 従来の半導体装置で、(a)は、半導体装置の一部を示す平面図である。(b)は、(a)におけるX−X′断面を示す摸式的な断面図である。FIG. 2A is a plan view showing a part of a semiconductor device in a conventional semiconductor device. (B) is a typical sectional view showing an XX 'section in (a).

符号の説明Explanation of symbols

10,30,60 半導体装置
1,11〜13,31,61 IIL素子
2,32,62 (横型の)pnpトランジスタ
3,33,63 (縦型の)npnトランジスタ
16,40 シリコン(Si)基板
17,41 埋め込み拡散層
18,42 エピタキシャル層
43,44,70 p導電型不純物拡散領域
45 n導電型不純物拡散領域
22,50 n+拡散領域(高濃度n型領域)
50t n+拡散領域突き出し部
63Bt 不純物濃度の低い領域
M70 イオン注入マスク
10, 30, 60 Semiconductor device 1, 11-13, 31, 61 IIL element 2, 32, 62 (horizontal) pnp transistor 3, 33, 63 (vertical) npn transistor 16, 40 Silicon (Si) substrate 17 , 41 Embedded diffusion layer 18, 42 Epitaxial layer 43, 44, 70 p-conduction type impurity diffusion region 45 n-conduction type impurity diffusion region 22, 50 n + diffusion region (high-concentration n-type region)
50t n + diffusion region protruding portion 63Bt Low impurity concentration region M70 Ion implantation mask

Claims (5)

複数のIIL素子が、半導体基板に形成されてなる半導体装置であって、
前記IIL素子が、
横型のpnpトランジスタのコレクタと縦型のnpnトランジスタのベースとが接続されてなり、
前記pnpトランジスタのベースと前記npnトランジスタのエミッタとが接地されてなり、
前記半導体基板が、
高濃度のn導電型不純物を含有する埋め込み拡散層と、
当該埋め込み拡散層上に形成され、低濃度のn導電型不純物を含有するエピタキシャル層とを有し、
前記pnpトランジスタが、前記エピタキシャル層をベースとし、前記エピタキシャル層の表層部に離間して形成される2つのp導電型不純物拡散領域をエミッタおよびコレクタとし、
前記npnトランジスタが、前記pnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域をベースとし、前記エピタキシャル層をエミッタとし、前記ベースであるp導電型不純物拡散領域の表層部に形成されるn導電型不純物拡散領域をコレクタとし、
前記半導体基板の基板面内において、前記pnpトランジスタのエミッタであるp導電型不純物拡散領域を間に挟んで前記pnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域が置されたIL素子複数成されてなり、
前記複数IIL素子其々が、前記半導体基板の基板面内において、前記半導体基板の表面から前記埋め込み拡散層に達する高濃度のn導電型不純物を含有するn+拡散領域で取り囲まれてなり、
前記半導体基板の基板面内において、其々の前記IIL素子前記pnpトランジスタにおけるエミッタとコレクタに挟まれたベース領域に、前記n+拡散領域が突き出されてなることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which a plurality of IIL elements are formed on a semiconductor substrate,
The IIL element is
The collector of the horizontal pnp transistor and the base of the vertical npn transistor are connected,
The base of the pnp transistor and the emitter of the npn transistor are grounded;
The semiconductor substrate is
A buried diffusion layer containing a high concentration of n-conductivity type impurities;
An epitaxial layer formed on the buried diffusion layer and containing a low-concentration n-conductivity type impurity;
The pnp transistor is based on the epitaxial layer, and two p-conductivity type impurity diffusion regions formed separately from the surface layer portion of the epitaxial layer as an emitter and a collector,
The npn transistor has a p conductivity type impurity diffusion region as a collector of the pnp transistor as a base, the epitaxial layer as an emitter, and an n conductivity type impurity formed in a surface layer portion of the p conductivity type impurity diffusion region as the base. Using the diffusion region as a collector,
Wherein in the substrate surface of the semiconductor substrate, I IL element p conductivity type impurity diffusion region is a collector of the pnp transistor in between the p-conductivity type impurity diffusion region serving as an emitter is placed in the pnp transistor is more structure made are made by,
Each of the plurality of IIL elements is surrounded by an n + diffusion region containing high-concentration n-conductivity type impurities reaching the buried diffusion layer from the surface of the semiconductor substrate within the substrate surface of the semiconductor substrate,
The semiconductor substrate substrate surface of a semiconductor device, characterized in that the base region between the emitter and the collector of the pnp transistor of said IIL device其s, comprising the n + and diffusion region is protruded.
バイポーラトランジスタが、前記半導体基板におけるIIL素子と別位置に形成されてなり、
前記バイポーラトランジスタが、npnトランジスタであり、
前記バイポーラトランジスタのベースが、前記エピタキシャル層の表層部に形成されるp導電型不純物拡散領域であり、
前記バイポーラトランジスタのベースと、前記IIL素子におけるnpnトランジスタのベースとが、同じ不純物濃度で形成されてなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
A bipolar transistor is formed at a position different from the IIL element on the semiconductor substrate;
The bipolar transistor is an npn transistor;
A base of the bipolar transistor is a p-conductivity type impurity diffusion region formed in a surface layer portion of the epitaxial layer;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the base of the bipolar transistor and the base of the npn transistor in the IIL element are formed with the same impurity concentration.
複数のIIL素子が、半導体基板に形成されてなる半導体装置であって、
前記IIL素子が、
横型のpnpトランジスタのコレクタと縦型のnpnトランジスタのベースとが接続されてなり、
前記pnpトランジスタのベースと前記npnトランジスタのエミッタとが接地されてなり、
前記半導体基板が、
高濃度のn導電型不純物を含有する埋め込み拡散層と、
当該埋め込み拡散層上に形成され、低濃度のn導電型不純物を含有するエピタキシャル層とを有し、
前記pnpトランジスタが、前記エピタキシャル層をベースとし、前記エピタキシャル層の表層部に離間して形成される2つのp導電型不純物拡散領域をエミッタおよびコレクタとし、
前記npnトランジスタが、前記pnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域をベースとし、前記エピタキシャル層をエミッタとし、前記ベースであるp導電型不純物拡散領域の表層部に形成されるn導電型不純物拡散領域をコレクタとし、
前記半導体基板の基板面内において、前記pnpトランジスタのエミッタであるp導電型不純物拡散領域を間に挟んで前記pnpトランジスタのコレクタであるp導電型不純物拡散領域が置されたIL素子複数成されてなり、
前記複数IIL素子其々が、前記半導体基板の基板面内において、前記半導体基板の表面から前記埋め込み拡散層に達する高濃度のn導電型不純物を含有するn+拡散領域で取り囲まれてなり、
其々の前記IIL素子おいて、前記npnトランジスタのベースであるp導電型不純物拡散領域の不純物濃度が、該npnトランジスタのエミッタとコレクタに挟まれた基板面内において、高濃度と低濃度の繰り返しパターン分布を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which a plurality of IIL elements are formed on a semiconductor substrate,
The IIL element is
The collector of the horizontal pnp transistor and the base of the vertical npn transistor are connected,
The base of the pnp transistor and the emitter of the npn transistor are grounded;
The semiconductor substrate is
A buried diffusion layer containing a high concentration of n-conductivity type impurities;
An epitaxial layer formed on the buried diffusion layer and containing a low-concentration n-conductivity type impurity;
The pnp transistor is based on the epitaxial layer, and two p-conductivity type impurity diffusion regions formed separately from the surface layer portion of the epitaxial layer as an emitter and a collector,
The npn transistor has a p conductivity type impurity diffusion region as a collector of the pnp transistor as a base, the epitaxial layer as an emitter, and an n conductivity type impurity formed in a surface layer portion of the p conductivity type impurity diffusion region as a base. Using the diffusion region as a collector,
Wherein in the substrate surface of the semiconductor substrate, I IL element p conductivity type impurity diffusion region is a collector of the pnp transistor in between the p-conductivity type impurity diffusion region serving as an emitter is placed in the pnp transistor is more structure made are made by,
Each of the plurality of IIL elements is surrounded by an n + diffusion region containing high-concentration n-conductivity type impurities reaching the buried diffusion layer from the surface of the semiconductor substrate within the substrate surface of the semiconductor substrate,
其s Oite said IIL device, the impurity concentration of the p conductivity type impurity diffusion region is a base of the npn transistor, in the substrate plane sandwiched emitter and collector of the npn transistor, high concentration and low concentration A semiconductor device having a repeated pattern distribution.
前記繰り返しパターン分布が、ストライプ状であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 3, wherein the repetitive pattern distribution is a stripe shape. 前記繰り返しパターン分布が、格子状であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 3, wherein the repetitive pattern distribution has a lattice shape.
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