[发明专利]一种制造抵消晶格的双极型晶体管

说明书

技术领域：

本发明有关于垂直双极型晶体管的设计和制造，更明确地，关于双极型晶体管的结构，该结构产生一个器件，它有减小的总集电极阻抗并且可以在非饱和下操作，也就是，低集电极发射极输出电压的线性体制。

背景技术：

“共发射极”接线方案，有一个基极到发射极输入，和一个集电极到发射极输出，是把双极型晶体管连接到一个电路最常用的方式。这是首要的，因为在最常用的接线方案中，共发射极连接的放大系数是最大的。

在足够的集电极发射极电压下操作晶体管，以保持该器件在所谓的操作非饱和区，所以，晶体管在它的基极发射极输入和集电极发射极输出电路之间具有电流增益。如果晶体管以这种方式偏置，那么该器件可以充当一个放大器或稳压器中的一个功率控制通路元件。这些操作模式是重要的，并且对于一个晶体管是两个主要的作用。换句话说，如果晶体管在饱和区操作，该器件具有低增益；结果该晶体管不能放大输入信号。它同样不能被用作稳压器中的一个功率控制通路元件。这是因为，为了使稳压器是节能的，驱动该通路元件的控制电路必须比被通路元件控制的电路有更低的功耗。

工作在上述模式的晶体管的一个例子是低压差稳压器（LDO）里的晶体管，根据定义，它必须能够在晶体管输入输出之间的低值电压差下提供调节。这是理想的前景，因为稳压器两端有越低的电压降，稳压器功耗就越低，整个电路的效率就越高。

这个性能说明规定了用于这种稳压器的晶体管的某些需求。由于通路元件的集电极连接到输出，它的发射极连接到输入，通路元件的集电极-发射极电压等于稳压器的输入-输出电压；因此，为了使LDO稳压器在低输入-输出电压差分时操作，通路元件必须能够在低集电极-发射极电压下，工作于非饱和区。

如果晶体管的集电极-发射极电压很小，大约1V左右（正如LDO里通路元件的通常情况），然后由于集电极-发射极阻抗产生的电压降，足够使基极-集电极接口上的集电极电压足够小，使基极-集电极结点正向偏置。这使晶体管工作于饱和区，从而削减电流增益（被称为β）到很低的值，这样，基极电流就与流向负载的电流竞争，基极电流用来调节流出集电极功率的流量，该晶体管不适合作为一个功率控制的元件。

这个问题提供了动力去找到减小总集电极阻抗的方法。如果成功，这将会允许一个晶体管被制成，在更低的集电极-发射极电压时该晶体管工作在非饱和区。这种晶体管可以被用来做出稳压器，该稳压器工作在小的多的输入-输出电压差下。

图1显示了一个典型垂直NPN双极型晶体管10的横截面视图。“垂直”意味着双极型晶体管具有一种结构，发射极向下发出电流，在一个垂直于晶体管硅体表面的方向上。双极型晶体管里的发射极，水平地发射电流，也就是，在一个平行于硅体表面的方向上，该方向被称为“横向”。

如图1所示，双极型晶体管10包括硅衬底11和集电极区19。集电极区19下是埋层14。集电极接触20形成于集电极区19里，埋层14上。基极区12形成于集电极区19里。基极接触16和发射极18形成于基极区12。当晶体管10以共发射极模式连接时，电流15从发射极18向下流入埋层14，横向沿着埋层14，向上流到集电极接触20。

典型双极型晶体管的制造过程，比如用来制造图1中显示的本类型NPN垂直晶体管的方法，现在将会被描述。描述的制造过程，目的仅仅是为了说明，因为本发明适应于任何垂直双极型器件的设计，也就是，PNP或NPN。在每一个描述的加工步骤，正在操作器件的区域由著名的光刻技术定义，该技术用于半导体工业中。

第一步中，n型掺杂物被植入衬底11以形成埋层14。n型外延硅然后植到衬底11顶部，形成集电极区19。p型掺杂物然后植入集电极区19以形成基极区12。高浓度的n型掺杂物紧随其后植入，来形成发射极18和集电极接触20，以及植入p+掺杂物以形成基极接触16。

众所周知，如图2所示，双极型晶体管10的总集电极阻抗等于从发射极18到埋层14的向下阻抗30，埋层14的阻抗以及从埋层14到集电极接触20的向上阻抗34的总和。如前所述，为了使LDO稳压器工作于低输入-输出电压差，通路元件必须能够在低集电极-发射极电压下，工作于非饱和区。这提供了减小总集电极阻抗的动力，且刺激了努力设计双极型晶体管结构，该结构减小总集电极阻抗的一个或多个成分。

集电极阻抗的向下成分30可以通过增大发射极的表面积来减小。这传播发射极和埋层之间的电流，从而，将电压降减到最小。发射极接触面积的增大通常通过安排多个发射极在基极区域上来实现。