专利名称：功率晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率晶体管，特别是中电流、大电流、低损耗的功率晶体管，这种功率晶体管适用于由控制用集成电路(IC)和功率晶体管的两块芯片构成的串联稳压器和开关稳压器、以及其它容易发生电涌的电源电路等。
在以往的功率晶体管中，为了防止由于电流集中造成的元件损坏以及增大电流容量，或采用将表面电极的形状做成网状结构、或采用设置基极镇流电阻和发射极镇流电阻等的结构。
然而，即使作为这种结构，在元件中流过额定以上的电流的场合中，有时元件会被损坏。另外，对于中电流或者大电流用的晶体管，在其使用方法中常常瞬时流过比通常的动作电流大几倍到几十倍的浪涌电流。
对于如稳压器用的元件那样内装控制用IC的元件，为了无论在什么样的场合，元件都不会损坏，一般设置有保护功能。这种场合，有必要在元件损坏前，迅速且高精度地检测过电流和晶体管芯片的结温、并反馈到控制用IC中。
图27至图30给出了由PNP功率晶体管81和控制用IC82组成的低损耗串联稳压器的结构。在该结构中，控制用IC82在检测出过电流和过热的场合，对功率晶体管81的基极电流进行限制，防止功率晶体管81的电涌损坏。
在图27中，在功率晶体管81的集电极(或者发射极)中设置过电流检测用电阻84，将该电阻84的电压降部分作为取入控制用IC82的信号(称其为以往技术1)。此外，图中的标号83表示稳压器元件。
另外，在图28和图29中，将稳压器83元件内作为晶体管芯片86的表面电极的发射极电极87和外壳端子88的连接布线89的电阻85，作为过电流检测用电阻，将该布线电阻85的电压降部分作为取入控制用IC82的信号(称其为以往技术2)。
作为防止功率晶体管芯片损坏的另一个方法是迅速地检测晶体管芯片的结温的上升，并利用控制用IC限制基极电流(称其为以往技术3)。
但是，在以往技术1中，因过电流检测用电阻84必须能承受比功率晶体管81中流过的电流要大的电流，所以体积增大。此外，因必须要散热，所以必须另外附在稳压器元件83的外面。此外存在的问题还有，将电阻与使用低饱和电压的PNP晶体管的低损耗稳压器串联，这种结构与元件的特点相违背、不能令人满意。
在以往技术2中，因布线电阻85使用通常的铝线和金线等、稳压器83的输入输出间电压差变小，也就是说，要使用大的直径、以便尽可能降低电阻。为此出现的问题是，检测电压小且由于导线的长度或由于导线焊接而引起的焊接部分的变形等，使电阻值有很大变化。此外，在有源区域中使晶体管动作的稳压器等的场合中，通过集电极发射极之间的电压来检测电流也是不可能的。
另外，如图29和图30所示，在以往技术3中，在晶体管芯片86和控制用IC芯片82的两块芯片结构的场合，在晶体管表面产生的热量虽然传到晶体管芯片86的基片91、焊锡92、铜外壳93、绝缘粘接材料94、控制用IC芯片82，但问题是，因各自具有热阻，所以等传到控制用IC芯片82需要一定的时间，在限制基极电流之前晶体管芯片86已经损坏。此外，为了安装散热板，晶体管芯片86的面积变小，晶体管芯片86和铜外壳93之间的热阻变大，这种情况下条件进一步变坏。
本发明的目的用于解决前述问题，其目的在于提供能迅速且高精度地检测电流和结温、并能缩小晶体管芯片的功率晶体管。
为达到前述目的，本发明的功率晶体管，其特征在于，包括具有成为集电极层的基片、例如硅基片或者GaAs基片，基于选择扩散、在前述基片上形成的基极层，和基于选择扩散、在前述基极层上形成的发射极层的晶体管芯片；和设置在前述晶体管芯片的前述基极层一侧表面的集电极层上、用于取出前述基片的电阻产生的电压降作为电流检测信号的电流检测用电极。
采用前述结构，则借助于在晶体管芯片表面的集电极层中设置电流检测用电极，能用基片的电阻作为电流检测用的电阻。因在晶体管芯片的表面上设置前述电流检测用电极、与晶体管芯片表面的集电极层相连，所以能用与发射极电极和基极电极相同的工序制造。因此，能用与通常的功率晶体管的形成相同的工艺制造，而且可以实现能迅速且高精度地检测集电极电流的功率晶体管。此外，因如果是集电极电流通过基片的功率晶体管，则基片是必须的构成组成部分，所以功率晶体管整体的电阻值能与没有检测集电极电流的场合保持相同。而且，因不必外加过电流检测用的电阻，所以能使得采用功率晶体管的整个电路小型化和简单化。
采用前述结构的功率晶体管，则因能迅速且高精度地检测集电极电流，所以能缩短从过电流流过功率晶体管的时刻开始到功率晶体管的控制电路控制功率晶体管为止的时间。由此，能可靠地防止功率晶体管的电涌破坏。因此，功率晶体管的电涌承受量可以按通常使用状态的电涌承受量相同程度设定。其结果，与以往的功率晶体管相比、能大幅度地缩小功率晶体管的芯片尺寸。
此外，在前述功率晶体管具有因场片效应使耐压改善的场片用电极的场合，前述电流检测用电极最好作为场片用电极的一部分形成。由此，因不必要形成新的电流检测用电极，所以能进一步简化功率晶体管的结构。
另一方面，为达到前述目的，与本发明的其它令人满意的实施例有关的功率晶体管，其特征在于，包括具有成为集电极层的基片、例如硅基片或者GaAs基片，基于选择扩散、在前述基片上形成的基极层，和基于选择扩散、在前述基极层上形成的发射极层的晶体管芯片；在前述晶体管芯片的前述基极层一侧表面的集电极层上形成的对温度进行检测的检测单元；设置在前述晶体管芯片的前述基极层一侧上、并与前述检测单元进行电气连接的第1电极；和设置在前述晶体管芯片的前述基极层一侧上、并在与前述第1电极不同的地方、与前述检测单元进行电气连接的第2电极。此外，能利用扩散形成的小面积的二极管或电阻实现前述检测单元。这种场合，能借助于随温度变化的二极管正向电压或者测定电阻的电阻值、检测功率晶体管的结温。
在该结构中，因在晶体管芯片中设置检测单元、第1和第2电极，所以检测单元的温度与功率晶体管的结温相同。因此，能迅速且高精度地检测以往难以检知的功率晶体管的急剧的发热。此外，因能缩短从功率晶体管发热开始到功率晶体管的控制电路控制功率晶体管为止的时间，所以能可靠地防止功率晶体管的电涌破坏。因此，功率晶体管的承受电涌余量可以按通常使用状态的承受电涌余量相同程度设定。其结果，与以往相比、能大幅度地缩小功率晶体管的芯片尺寸。
此外，能用与基极扩散层和发射极扩散层、或者基极电极和发射极电极等功率晶体管中必须的结构组成部分相同的工序，制造检测单元和两电极。因此，能用与不具有检测单元的功率晶体管完全相同的工艺，制造能检测温度的功率晶体管。
而且，因在晶体管芯片的表面上形成前述第1和第2电极，所以，为了检测温度，流过两电极间的电流主要沿着晶体管芯片表面流动。因此，与温度检测用的电流流过晶体管基片的场合相比，能较低地保持检测单元和各电极间的电阻值，并能抑制由于该电流的损耗。此外，因不受基片的电阻值的偏差和温度特征的影响，所以能改善检测精度。另外，最好是将前述检测单元配置在晶体管芯片的中央部分。在功率晶体管中，电流集中在晶体管芯片的中央部分、而且中央部分最容易发热。因此，借助于在中央部分中设置检测单元，能进一步迅速且高精度地检测功率晶体管的过热。
本发明的其它目的、特征和优点，由下述实施例能充分了解。用参照附图的下述说明能明白本发明的优点。
图1表示与本发明实施例1相关的功率晶体管的结构的剖视图。
图2是图1所示结构的功率晶体管的等效电路图。
图3表示用前述结构的功率晶体管构成的低损耗稳压电源的方框图。
图4表示前述功率晶体管的一变形例子、是表示功率晶体管的结构的剖视图。
图5表示前述功率晶体管的结构的平面图。
图6表示本发明的其它实施例，是表示具有结温检测用二极管的功率晶体管的结构的剖视图。
图7是图6所示结构的功率晶体管的等效电路图。
图8表示在图6所示结构的功率晶体管的结温检测用二极管中、流过了1mA的正向电流的场合随结温而引起正向电压变化的图。
图9表示在其它部分上形成结温检测用二极管的实施例的剖视图。
图10是图9所示结构的功率晶体管的等效电路图。
图11表示在另外其它部分上形成结温检测用二极管的实施例的剖视图。
图12是图11所示结构的功率晶体管的等效电路图。
图13表示图6或者图9所示的功率晶体管的结构的平面图。
图14表示图11所示的功率晶体管的结构的平面图。
图15表示与本发明另外其它实施例相关的功率晶体管的结构的剖视图。
图16是图15所示结构的功率晶体管的等效电路图。
图17表示图15所示结构的功率晶体管的结温检测用电阻为宽度10μm、长度400μm的场合随结温而引起电阻值的变化的图。
图18表示在另外其它部分上形成结温检测用电阻的实施例的剖视图。
图19是图18所示结构的功率晶体管的等效电路图。
图20表示在另外其它部分上形成结温检测用电阻的实施例的剖视图。
图21是图20所示结构的功率晶体管的等效电路图。
图22表示在另外其它部分上形成结温检测用电阻的实施例、成为最大电阻值的夹层电阻结构的剖视图。
图23是图22所示结构的功率晶体管的等效电路图。
图24表示在另外其它部分上形成结温检测用电阻的实施例中、使用最小电阻值的高浓度的发射极扩散电阻的结构的剖视图。
图25是图24所示结构的功率晶体管的等效电路图。
图26表示图15所示的功率晶体管的结构的平面图。
图27表示以往技术例子，是在由PNP晶体管和控制用IC组成的低损耗串联稳压器中、在功率晶体管的集电极中设置过电流检测用电阻的结构的电路图。
图28是在由PNP晶体管和控制用IC组成的低损耗串联稳压器中、使用连结发射极电极和外壳端子的布线的电阻作为过电流检测用电阻的结构的电路图。
图29是控制用IC和功率晶体管的两块芯片构成的低损耗串联稳压器的平面图。
图30表示图29所示的低损耗串联稳压器的剖视图。
下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。
实施例1下面，参照图1至图5对本发明的实施例1进行说明。
与本实施例相关的功率晶体管是特别在中电流和大电流中低损耗的功率晶体管，是例如在串联稳压器和开关稳压器等电涌容易发生的电源电路等中特别适合使用的功率晶体管。如图3所示，在电源31和负载32之间设置的稳压器元件33包括用于控制流过输入(IN)端和输出(OUT)端之间的电流量的功率晶体管T的晶体管芯片41、和控制前述功率晶体管T的基极电流的控制用IC42。在前述晶体管芯片41中设置用于取出对应于功率晶体管T的集电极电流的信号作为电流检测信号的电极，在电流检测信号为过电流的场合，控制用IC42对功率晶体管T的基极电流进行限制。由此，能确实地防止功率晶体管T的电涌损坏。
前述晶体管芯片41和控制用IC42封装在例如铜外壳等一个外壳中，并利用例如导线焊接等、将晶体管芯片41的电极和控制用IC42的电极相连。
与本实施例相关的功率晶体管是例如平面型晶体管，如图1的剖视图所示，在成为集电极层基片1和外延层2上有选择地扩散形成成为基极层的基极扩散层3。进而，在这种基极扩散层3上有选择地扩散形成成为发射极层的发射极扩散层4。为了降低发射极-集电极间的饱和电压，设定的前述外延层2的厚度极薄、例如1μm以下。而设定的基片1的厚度较厚、例如400μm左右。
利用例如氧化膜等，在外延层两侧的晶体管芯片表面上形成绝缘膜5。在对应于基极扩散层3的地方去除该绝缘层5，并在其去除的部分中形成基极电极6。相同地，也去除对应于绝缘膜5的发射极扩散层4的部分，并在其去除的部分形成发射极电极7。另一方面，在基片1一侧的晶体管芯片表面上形成集电极电极8。由此，形成垂直(纵向)的单体晶体管。此外，下面为说明上的方便起见，称晶体管芯片表面中外延层两侧为表面，基片1一侧为背面。
此外，在本实施例中，在形成基极扩散层3时，形成的基极扩散层3的部分较小，形成的晶体管芯片表面没有进行基极扩散的部分较大。去除前述绝缘层5的与该部分相应部分，并在其去除部分中，形成电流检测用电极9，用于取出由基片1的电阻选定的电压降作为电流检测信号。在比每边为100μm的方形更宽的尺寸等、能焊线的尺寸上，形成该电流检测用电极9的晶体管芯片表面侧的端面。
与功率晶体管部分同时地形成前述电流检测用电极9。具体地说，在去除对应于基极扩散层3和发射极扩散层4的部分的绝缘层5的同时，去除形成电流检测用电极9时的绝缘膜5，在形成基极电极6和发射极电极7的同时，形成电流检测用电极9。
因此，能用通常的平面型晶体管相同的工序，形成前述结构的功率晶体管。此外，因平面型晶体管的制造工序是以往以来众所周知的技术，所以这里省略与该功率晶体管的制造工序相关的详细的说明。
图2是图1所示结构的功率晶体管的等效电路图。具体地说，因该功率晶体管是纵向晶体管，所以通过基准电阻1a，将理想的功率晶体管T的集电极连接到集电极电极8上。将功率晶体管T的集电极和基准电阻1a的连接点连接到电流检测用电极9上。前述基准电阻1a主要是基片1的电阻，在图1中用虚线表示。
在前述结构的功率晶体管中，当集电极电流流过时，在集电极电极8和电流检测用电极9之间，产生基片1的电阻值×集电极电流的电压。因此，基于两电极8、9之间的电压，能检测功率晶体管的集电极电流。
例如，在图1所示结构的功率晶体管中，在晶体管芯片的尺寸是1mm方形(长1mm、宽1mm)，基片1的电阻率为0.01Ω·cm，基片1的厚度是400cm的场合，基准电阻1a的电阻值为40mΩ。因此，在背面的集电极电极8和电流检测用电极9之间，集电极电流为1A时输出40mV的电压。
这里，为了进行比较，对在本实施例有关的功率晶体管的不同的地方设置电流检测用的电极的结构简单地进行说明。在该比较例有关的功率晶体管中，设置直接连接到发射极扩散层的发射极电流检测用电极。此外，在发射极电极和发射极扩散层之间形成电阻膜。在该结构中，因发射极电流流过电阻膜，所以借助于测定电阻膜的两端电压、即发射极电极和发射极电流检测用电极之间的电压，能检测发射极电流。
但是问题是，在该结构中，功率晶体管的制造工序变得复杂。具体地说，必须另加设置电阻膜的工序和在该电阻膜上形成发射极电极的工序。此外，因增加了与发射极串联的电阻，所以还产生了新的问题，即功率晶体管损耗增加。
对此，在本实施例有关的功率晶体管中，借助于在作为集电极层的外延层2中设置电流检测用电极9，用基片1的电阻(基准电阻1a)作为电流检测用电阻。如果是在晶体管芯片的背面上形成集电极电极8的纵向晶体管，则该基准电阻1a是结构上不可缺少的组成部分。因此，即使使用基准电阻1a作为用于检测过电流的电阻，功率晶体管的电阻也不会增加。此外，因用与基极电极6和发射极电极7相同工序形成电流检测用电极9，所以能不必设置新的工序来制造功率晶体管。
此外，在平面结构的水平结构(横向)晶体管的场合，在配置集电极层层的接触部分、以便夹住发射极层和基极层的同时，借助于设置与接触部分的一边连接的电流引出用的第1集电极电极和与另一边连接的电流检测用的第2集电极电极，能检测集电极电流。但是，在该结构中，主要用外延层中形成的B/L埋入层的电阻，作为用于检测集电极电流的检测电阻。因此，不能将该结构用于垂直(纵向)晶体管中。
这里，作为与本实施例有关的功率晶体管的一变形例子，对适用于具有沟道截断环的功率晶体管的场合进行说明。对于具有与图1所示结构相同的功能的构件，附以相同的标号并省略其说明。
也就是说，如图4所示，在晶体管芯片表面的外延层2中，为了在基极扩散层3与晶体管芯片的端部之间的部分中阻止耗尽层延伸并得到稳定的耐压，通过选择扩散、形成与发射极扩散层4相同导电类型的沟道截断环21。例如，在本实施例中，在50V耐压的场合，将沟道截断环21和基极扩散层3的距离设定成60μm左右。另外，或者例如，也在沟道截断环21上形成绝缘层5，然后去除对应于沟道截断环21的部分，或者在外延层2上形成绝缘层5时，预先在对应于沟道截断环21的以外的部分上形成绝缘层5，这样使沟道截断环21露出。此外，在露出的沟道截断环21上，用基极电极6和发射极电极7相同的工序形成场片用电极22。该场片用电极22与沟道截断环21的露出部分直接接触。场片用电极22覆盖绝缘层5的端部、并在基极扩散层3方向延伸设置绝缘层5。
在前述结构中，当在集电结上施加反向电压时，在成为集电极层的外延层2中，耗尽层从基极扩散层3的四周向晶体管芯片的端部不断延伸。当耗尽层到达沟道截断环21时，伴随着前述反向电压的进一步增加，耗尽层从沟道截断环21开始延伸。其结果，从基极扩散层3开始的耗尽层的延伸停止，能稳定地并较高地保持功率晶体管的耐压。
因利用场片用电极22覆盖绝缘层5的端部，所以利用场片的效果，在从基极扩散层3延伸的耗尽层与绝缘层5连接的部分中，能加宽耗尽层的宽度。
如图5的平面图所示，例如，包含前述基片1和外延层2的晶体管芯片构成方形，并在该晶体管芯片的四周边缘部分上设有场片用电极22。更详细地说，在晶体管芯片的各边上，场片用电极22呈大致相同，并与基极扩散层3保持大致相同的距离。
为了使本实施例有关的场片用电极22进一步具有电流检测用电极的功能，将其一部分做得较宽。具体地说，在前述晶体管芯片四角的至少一个角，将场片用电极22在基极扩散层3方向上延伸、这样形成的宽度较各边部分的宽度更宽。下面，将在场片用电极22中形成的较宽的部分、作为电流检测用电极9a。该电流检测用电极9a的宽度设定成约100μm以上，以便能进行引线焊接。
另一方面，在较剩余的部分更内侧上形成电流检测用电极9a附近的基极扩散层3，以便场区比剩余部分的场区更宽。具体地说，假设如图中虚线所示，在仅与电流检测用电极9a的突出部分的相同部分、在内侧形成相对于电流检测用电极9a的部分的基极扩散层3的场合，在电流检测用电极9a附近的部分与剩余的部分，场片用电极22和基极扩散层3之间的场区的宽度大致相同。这种场合，在电流检测用电极9a附近的部分，与剩余的部分相比、因电场容易集中的棱角部分的数量增加，所以功率晶体管的耐压降低。对此，在本实施例中，如图中实线所示，形成了与电流检测用电极9a相对的部分的基极扩散层3，使在内侧洼进去的部分比电流检测用电极9a的突出部分更大。假设，例如电流检测用电极9a的一边为100μm、其以外的部分的场片用电极22的宽度为50μm，则电流检测用电极9a突出50μm。这种场合，使得形成的电流检测用电极9a附近的基极扩散层3，在内侧洼进去50μm以上。因此，电流检测用电极9a附近的场区比剩余部分的场区更宽。其结果，尽管由于电流检测用电极9a的形成而使电场容易集中的棱角部分的数量增加，也能抑制功率晶体管的耐压降低。
在前述结构中，改变场片用电极22的形状的一部分，形成了电流检测用电极9a。因此，不必增加新的电极，能形成电流检测用电极。其结果，能较图1的结构更容易地得到相同的效果。
实施例2在前述实施例1中，对为了可靠地防止功率晶体管的电涌破坏，在形成功率晶体管的晶体管芯片中设置集电极电流检测用的电极的结构进行了说明。而在本实施例中，将就借助于在形成功率晶体管的晶体管芯片中设置温度检测用的电极、并能可靠地防止电涌破坏的结构进行说明。这种场合，在图3所示的稳压元件33中，基于从晶体管芯片41的电极取出的温度检测信号，控制用IC42限制功率晶体管T的基极电流。由此，能可靠地防止功率晶体管T的电涌破坏。
如图6所示，前述功率晶体管与图1所示的功率晶体管相同，是通常的平面型晶体管，在成为集电极层的基片1和外延层2上有选择地扩散形成基极层，并在这种基极扩散层3上有选择地扩散形成发射极层4。然后，去除在晶体管芯片表面上形成的绝缘膜5的必要地方，并在其去除的部分上形成基极电极6和发射极电极7。
此外，在与本实施例有关的功率晶体管中，在晶体管芯片表面的不进行基极扩散的外延层2上形成阴极扩散层(N扩散层)K和阳极扩散层(P+扩散层)A，并形成用于检测晶体管的结温的结温检测用二极管10a。再进一步，去除对应于这种结温检测用二极管10a的晶体管芯片表面的绝缘膜5，并在其去除的部分上形成用于从结温检测用二极管10a取出信号的电极12·12。
而结温检测用二极管10a的阳极扩散层A和阴极扩散层K的形成是与功率晶体管部分的形成(即基极扩散层3和发射极扩散层4的形成)同时进行的。另外绝缘膜5的去除和电极12·12的形成，也与功率晶体管部分的形成(即对应于基极扩散层3和发射极扩散层4的部分的绝缘膜5的去除和基极电极6以及发射极电极7的形成)同时进行的。
如图7所示，前述结构的功率晶体管的等效电路包含理想的功率晶体管T和与该功率晶体管T独立设置的结温检测用二极管10a。但是，因在与功率晶体管同一芯片内形成结温检测用二极管10a，所以如图7虚线所示，相当于通过二极管、结温检测用二极管10a的阴极区域K与功率晶体管T的集电极连接。
图8是表示在图6所示结构的功率晶体管的结温检测用二极管10a中在流过1mA正向电流的场合结温的正向电压的变化。当结温从25℃上升到125℃，正向电压就降低25％左右。
通过电极12·12、从图3所示的控制用IC42供给结温检测用二极管10a规定的正向电流。这里，因结温检测用二极管10a，与作为单体晶体管的功率晶体管设置在同一芯片上，所以，当由于在功率晶体管中流动的电流使功率晶体管一发热，结温检测用二极管10a的温度就与功率晶体管的发热同时上升。因此，如图8所示，作为温度检测信号的电极12·12之间的电压V，与功率晶体管的结温成正比地减少。前述控制用IC42，在前述电压V表示功率晶体管过热的场合、例如、通过限制向功率晶体管施加的基极电流，抑制功率晶体管的发热。由此，控制用IC42能保护功率晶体管过热。
如前所述，因结温检测用二极管10a设置在与功率晶体管相同的芯片上，所以两者间几乎没有热阻，其温度与功率晶体管发热同时上升。因此，能迅速且高精度地检测功率晶体管的结温。而且，与基极扩散层3和发射极扩散层4相同，因能通过对外延层2的规定的部分的扩散、形成结温检测用二极管10a，所以不必要另外设置用于生成结温检测用二极管10a的工序。其结果，不必增加制造工序，能提供具备温度检测用电极的功率晶体管。
这里，基于控制用IC的电路结构等，有的情况采用在与图6所示的结温检测用二极管10a不同的部分上形成结温检测用二极管的方法更好。下面，对它们的变形例子进行说明。
也就是说，在图9所示的功率晶体管中，在与基极扩散层3的场所中，形成阴极区域(N扩散层)。在这种结构中，外延层2用作阳极区域，并构成结温检测用二极管10b。此外，共用与阳极区域连接的电极12和集电极电极8。因此，在图10所示的等效电路中，将结温检测用二极管10b连接到等效的功率晶体管T的集电极上。由图10还能知道，与本变形例有关的功率晶体管等效地放入二极管的位置不同。对于电极也能与晶体管的集电极电极共用。因此，能缩小芯片面积、同时能减少与外壳连接的引线数。
作为其它的变形例子，在图11所示的功率晶体管中，借助于在基极扩散层3中形成阳极区域A，形成结温检测用二极管10c。在结温检测用二极管10c中，共用阴极区域K和基极扩散层3，并共用与阴极区域K连接的电极12和基极电极6。因此，在图12所示的等效电路中，结温检测用二极管10c连接到等效的功率晶体管T的基极上。由图12还能知道，与图6所示的结构相比，与本变形例有关的功率晶体管等效地放入二极管的位置不同。此外，对于电极也能与晶体管的基极电极共用。因此，能缩小芯片面积、同时能减少与外壳连接的引线数。
这里，为比较起见，对在与本实施例有关的功率晶体管的不同地方设置电流检测用电极的结构简单地进行说明。在与该比较例有关的功率晶体管中，通过绝缘膜、在晶体管部分的上方形成多晶硅膜，并在该多晶硅膜上形成二极管。但是，在该结构中，为了形成二极管的P型区域和N型区域，离子注入工序和热处理工序两者都必须采用与形成功率晶体管的不同的工序，使功率晶体管的制造工序变得复杂。
而在与本实施例有关的功率晶体管中，通过在功率晶体管的外延层2上有选择地扩散，形成构成结温检测用二极管10a～10c的阴极区域K和阳极区域A。其结果，在形成功率晶体管的基极扩散层3和发射极扩散层4的工序的相同工序中，能形成前述各区域K及A。其结果，不会使制造工序复杂，并能制造能检测结温的功率晶体管。
此外，在图9所示的功率晶体管中，共用电极12和集电极电极8，并通过基片1、流过向结温检测用二极管10b供给的正向电流。其结果，因基片1的电阻将产生损耗，使功率晶体管的发热量增加。此外，基片1的电阻值有离散性、同时该电阻值也会随着温度变化。因此，晶体管芯片表面的电极12和背面的集电极电极8之间的电压受到基片1的电阻值的离散性和温度特性的影响，会降低结温的检测精度。
而在图6和图11所示的功率晶体管中，在结温检测用二极管10a(10c)中流过的电流，不经过基片1，主要地在与晶体管芯片的表面平行的方向上流动。其结果，与图9所示的功率晶体管相比，能抑制损耗和发热量。而且，在电极12之间发生的电压不受基片1的电阻值的离散性和温度特性的影响。因此，能进一步改善结温的检测精度。
此外，如图6所示，在除功率晶体管的电极(6·8等)，另外设置电极12·12的场合，两电极12·12之间发生的电压与功率晶体管的电极也作为电极12使用的场合相比，难以受到功率晶体管的寄生效应的影响。因此，图3所示的控制用IC42难以受到因功率晶体管上施加的高电压和大电流的影响(例如噪声等)，能进一步改善结温的检测精度。
再有，前述各结温检测用二极管10a～10c如果配置在功率晶体管同一芯片上，则与不配置在同一芯片上相比，因能迅速且高精度地检测功率晶体管的结温，所以即使形成在例如晶体管芯片的端部上，也能得到规定的效果。
但是，为了更迅速且高精度地检测功率晶体管的结温，前述各结温检测用二极管10a～10c如下所示地配置较好。也就是说，在功率晶体管中，在晶体管芯片的中央部分上电流集中且中央部分最容易发热。因此，为了可靠地防止由于温度上升的功率晶体管的破坏，最好将前述各结温检测用二极管10a(10b·10c)配置在晶体管芯片的中央部分。
例如，在图6和图9所示的功率晶体管的场合，如图13所示，在晶体管芯片表面的中央部分形成结温检测用二极管10a(10b)的阴极区域K，形成的基极扩散层3呈中间空心形状，以便围住该阴极区域K。前述阴极区域K和基极扩散层3是用同一工序形成。此外，在如图6所示的功率晶体管的场合，用选择扩散发射极扩散层(P+扩散层)4工序的同一工序，在前述阴极区域K内形成阳极扩散层(P+扩散层)A。此外，作为一例，在图13中所示为形成网孔状的发射极扩散层4。
在图11所示的功率晶体管的场合，如图14所示，通过在基极扩散层3上选择扩散，形成结温检测用二极管10c的阳极区域A和围住该阳极区域A的呈中间空心形状的发射极扩散层4。
如图13和图14所示，借助于形成在晶体管芯片表面的中央部分，将各结温检测用二极管10a～10c配置在功率晶体管温度最高的部分。因此，与在其它部分形成的场合相比，能更加迅速且高精度地检测功率晶体管的结温，并能可靠地防止电涌破坏。
此外，在图13和图14中，与前述实施例1相同，给出了在晶体管芯片四角的一个角形成电流检测用电极的场合。因此，基极扩散层3和发射极扩散层4，其相对于电流检测用电极的一个角形成向内侧凹进去的形状。
实施例3在前述实施例2中，对使用二极管来检测功率晶体管的结温的结构进行了说明。而在本实施例中，对在功率晶体管上设置电阻来检测结温的场合进行说明。
如图15的剖视图所示，与实施例2有关的功率晶体管相同，本实施例有关的功率晶体管是通常的平面型晶体管，在成为集电极层的基片1和外延层2上有选择地扩散形成基极层，并在这种基极扩散层3上，有选择地扩散形成发射极层4。然后，去除在晶体管芯片表面形成的绝缘膜5的必要的地方，并在其去除的部分上形成基极电极6和发射极电极7。
此外，在与本实施例有关的功率晶体管中，在不进行晶体管芯片表面的基极扩散的外延层2上形成杂质扩散层(N扩散层)，形成用于检测晶体管的结温的结温检测用电阻11a。此外，去除对应于这种结温检测用电阻11a的晶体管芯片表面的绝缘膜5，并在其去除的部分上形成用于从结温检测用电阻11a取出信号的电极13·13。
此外，结温检测用电阻11a的杂质扩散层的形成与功率晶体管部分的形成(即基极扩散层3的形成)同时进行。另外，绝缘膜5的去除和电极13·13的形成，也与功率晶体管部分的形成(即对应于基极扩散层3和发射极扩散层4的部分的绝缘膜5的去除和基极电极6以及发射极电极7的形成)同时进行。
如图16的等效电路所示，用相互独立设置的理想的功率晶体管T和结温检测用电阻11a表示前述结构的功率晶体管。但是，因在同一芯片上形成结温检测用电阻11a和功率晶体管T，所以在成为集电极层的外延层2和结温检测用电阻11a的N扩散层之间形成PN结。因此，如图16中虚线所示，结温检测用电阻11a等效地被连接到功率晶体管T的集电极上。
图17表示图15所示结构的功率晶体管的结温检测用电阻11a为宽10μm、长400μm的场合的因结温而导致的电阻值变化的图形。当结温从25℃上升到125℃，电阻值就增加30％左右。
通过电极13·13，从图3所示的控制用IC42供给结温检测用电阻11a规定的电流。这里，结温检测用电阻11a因与作为单体晶体管的功率晶体管设置在同一芯片上，所以，当由于在功率晶体管中流动的电流使功率晶体管一发热，结温检测用电阻11a的温度就与功率晶体管的发热同时上升。因此，如图17所示，电极13·13之间的电压V，与功率晶体管的结温成正比地上升。与实施例2相同，将该电压V作为温度检测用信号反馈到前述控制用IC42中，控制用IC42基于该温度检测信号保护功率晶体管不致过热。
如前所述，因结温检测用电阻11a设置在与功率晶体管相同的芯片上，所以两者间几乎没有热阻，其温度与功率晶体管发热同时上升。因此，能迅速且高精度地检测功率晶体管的结温。而且，与基极扩散层3和发射极扩散层4相同，因能通过对外延层2的规定的部分的扩散、形成结温检测用电阻11a，所以不必要另外设置用于生成结温检测用电阻11a的工序。其结果，不必增加制造工序，能提供具备温度检测用电极的功率晶体管。
这里，基于控制用IC的电路结构等，有的情况采用在与图15所示的结温检测用电阻11a不同的部分上形成结温检测用电阻的方法更好。下面，对它们的变形例子进行说明。
也就是说，在例如图18所示的功率晶体管中，在与基极电极6不同的场所，与基极扩散层3电气连接形成结温检测用电极13。由此，用基极扩散层3的一部分作为结温检测用电阻11b。此外，能用与基极电极6相同的工序形成该电极13。
在该结构中，共用构成结温检测用电阻11b的杂质扩散层和基极扩散层3，并且结温检测用电极13的一个电极与基极电极6共用。因此，在本变形例中，如图19的等效电路所示，在等效的功率晶体管T的基极上连接结温检测用电阻11b。
作为其它的变形例子，在例如图20所示的功率晶体管中，在与发射极电极7不同的场所，与发射极扩散层4电气连接形成结温检测用电极13。由此，用发射极扩散层4的一部分作为结温检测用电阻11c。此外，能用与发射极电极7相同的工序形成该电极13。
在该结构中，共用构成结温检测用电阻11c的杂质扩散层和发射极扩散层4，并且结温检测用电极13的一个电极与发射极电极7共用。因此，在本变形例中，如图21的等效电路所示，在等效的功率晶体管T的发射极上连接结温检测用电阻11c。
在图18和图20所示的结构中，构成功率晶体管的杂质扩散层与构成结温检测用电阻11b(11c)的杂质扩散层共用，结温检测用电极13的一个电极与功率晶体管的电极共用。因此，能缩小芯片面积、同时能减少与外壳连接的引线数。
在图15、图18、图20所示的功率晶体管中，对于由单一的杂质扩散层形成结温检测用电阻11a·11b·11c的场合进行了说明。这种场合，如图15、图18所示，如果这种扩散层是N扩散层，则结温检测用电阻的电阻值为几百Ω左右，如图20所示，如果是P+扩散层，则为几Ω左右。
但是，与本发明有关的结温检测用电阻不限于前述结构，能根据需要的电阻值、采用各种结构。
例如，在图22所示的功率晶体管中，使用夹层电阻结构的结温检测用电阻11d。具体地说，与基极扩散层3分开，另外形成结温检测用电阻11d的N扩散层，并在该N扩散层上形成P+扩散层。此外，能用与发射极扩散层4同一工序形成该P+扩散层。此外，在前述N扩散层中，在夹住P+扩散层的场所形成电极13·13。由此，形成成为最大电阻值的夹层电阻结构的结温检测用电阻11d。这种场合，如图23所示，功率晶体管的等效电路与图16的电路相同，结温检测用电阻11d的电阻值为几kΩ左右。
在图24所示的功率晶体管中，采用高浓度的发射极扩散电阻结构的结温检测用电阻11e。具体地说，与基极扩散层3分开，另外形成结温检测用电阻11e的N扩散层，并在该N扩散层上形成P+扩散层。此外，结温检测用电极13·13空开规定的间隔、连接到该P+扩散层上。由此，利用电阻值最小的高浓度的发射极扩散电阻，形成结温检测用电阻11e。这种场合，结温检测用电阻11e的电阻值为几Ω左右。在该结构中，因在结温检测用电阻11e的P+扩散层和N扩散层之间、该N扩散层和外延层2之间形成PN结，所以在图25所示的等效电路中，相当于在等效的功率晶体管T的集电极和结温检测用电阻11e之间存在阴极相互连接的串联的二极管。
这里，与前述实施例2有关的结温检测用二极管10a～10c相同，前述各结温检测用电阻11a～11e形成在晶体管芯片的中央部分较好。如果以图17所示的结温检测用电阻11a为例进行说明，则如图26所示，在外延层2的中央部分形成结温检测用电阻11a的N扩散区域，并形成中间空心的基极扩散层3，以便围住该N扩散区域。
这样，借助于在发热最大的晶体管芯片的中央部分形成各结温检测用电阻11a～11e，与在其它部分形成的场合相比，能更加迅速且高精度地检测功率晶体管的结温，并能可靠地防止电涌破坏。
此外，如果在与实施例2有关的结温检测用二极管和与本实施例有关的结温检测用电阻中采用了一种，则能将温度检测信号传送到图3所示的控制用IC42。但是，与实施例2相关的温度检测信号对于温度表现出有负的相关关系，与本实施例相关的温度检测信号对于温度表现出有正的相关关系。因此，对应于控制用IC42的电路结构，选择与两实施例有关的功率晶体管的结构中容易使用的一种结构。此外，因实施例1与实施例2或者实施例3的用途和电极的形成位置不同，所以能与实施例2或者实施例3组合实施。
在前述实施例1至实施例3中，虽然以平面型结构的功率晶体管为例进行了说明，但不限于此。如果构成结温检测用二极管或者二极管部分的N扩散层不用与功率晶体管的基极扩散层3分离的结构，也适用于台面型的功率晶体管，并能得到相同的效果。此外，在前述各实施例中，虽然以PNP型的功率晶体管为例进行了说明，但如果更换各扩散层的导电型，则也能适用于NPN的功率晶体管。
如前所述，本发明的第1种功率晶体管是在成为集电极层的基片上选择扩散基极层、并在其上选择扩散发射极层的平面型晶体管，其特征在于，在晶体管芯片表面的集电极层上、设置用于取出所述基片的电阻产生的电压降作为电流检测信号的电极。
在这种结构中，当集电极电流流过时，在背面的集电极电极和表面的电流检测用电极之间产生基片的电阻×电流的电压，能检测功率晶体管的集电极电流。
本发明的第2种功率晶体管是在成为集电极层的基片上选择扩散基极层、并在其上选择扩散发射极层的平面型晶体管，其特征在于，在晶体管芯片表面的集电极层上、设置用于检测晶体管的结温的二极管部分、和用于从这种二极管部分取出信号的电极。
在这种结构中，因在功率晶体管同一芯片上设置二极管部分，所以二极管部分的温度与功率晶体管的结温相同。因此，借助于测定与温度成正比进行变化的二极管的正向电压，能检测功率晶体管的结温。
本发明的第3种功率晶体管是在成为集电极层的基片上选择扩散基极层、并在其上选择扩散发射极层的平面型晶体管，其特征在于，在晶体管芯片表面的集电极层上、设置用于检测晶体管的结温的电阻部分、和用于从这种电阻部分取出信号的电极。
在这种结构中，因在功率晶体管同一芯片上设置电阻部分，所以电阻部分的温度与功率晶体管的结温相同。因此，借助于测定与温度成正比进行变化的电阻部分的电阻值，能检测功率晶体管的结温。
采用前述第1至第3种功率晶体管的结构，则用与通常的功率晶体管的形成完全相同的工艺，并借助于在晶体管芯片的一部分上增加焊点区和设置小面积的二极管部分、电阻部分，能迅速且高精度地检测出集电极电流或晶体管芯片的结温。能不要以往必须的外附的过电流检测用电阻，并能使电路小型化和简单化。
在用功率晶体管和控制用IC芯片构成的稳压器元件等中，能迅速且高精度地检测出以往难以检测出的功率晶体管的急剧的发热，并借助于将其检测出的信号送到控制用IC中对基极电路进行控制，能可靠地防止电涌破坏。
在采用没有本发明那样的保护功能的以往的功率晶体管时，必须是对于预想的浪涌电流不会损坏的具有承受足够电涌量的晶体管，但借助于使用本发明的保护功能，具有通常的使用状态下的承受电涌量即可，能大幅度地缩小功率晶体管的芯片尺寸。
在本发明的详细的说明中，作为具体的实施形态或者实施例，最终也只是用于说明本发明的技术内容，不应该狭义地解释为仅限定前述的具体例子，只要在本发明的精神和权利要求所述的范围内，当然能进行各种变更并进行实施。
权利要求
1.一种功率晶体管，其特征在于，包括具有成为集电极层的基片，基于选择扩散、在所述基片上形成的基极层，和基于选择扩散、在所述基极层上形成的发射极层的晶体管芯片；和设置在所述晶体管芯片的所述基极层一侧表面的集电极层上、用于取出所述基片的电阻产生的电压降作为电流检测信号的电流检测用电极。
2.如权利要求1所述的功率晶体管，其特征在于，还包括设置在与所述晶体管芯片的所述基极层一侧相反的面上的集电极电极。
3.如权利要求1所述的功率晶体管，其特征在于，还包括基于选择扩散、在所述基极层的外侧的所述基片上形成的阻止从所述基极层的耗尽层的延伸的沟道截断环；在从所述基极层开始到所述沟道截断环为止的所述基片上形成的绝缘膜；和与所述沟道截断环电气连接的、形成覆盖所述绝缘膜的所述沟道截断环侧的端部的场片用电极；所述电流检测用电极是所述场片用电极的一部分。
4.如权利要求3所述的功率晶体管，其特征在于，所述电流检测用电极的大小按引线焊点可能的大小设定。
5.如权利要求4所述的功率晶体管，其特征在于，形成的所述电流检测用电极为比大约100μm更宽的方形。
6.如权利要求3所述的功率晶体管，其特征在于，在所述基极层方向上延长所述场片用电极、形成所述电流检测用电极；用仅比所述场片用电极的延长量大的量、在内侧形成所述电流检测用电极附近的基极层。
7.一种功率晶体管，其特征在于，包括具有成为集电极层的基片，基于选择扩散、在所述基片上形成的基极层，和基于选择扩散、在所述基极层上形成的发射极层的晶体管芯片；在所述晶体管芯片的所述基极层一侧表面的集电极层上形成的对温度进行检测的检测单元；设置在所述晶体管芯片的所述基极层一侧、并与所述检测单元进行电气连接的第1电极；和设置在所述晶体管芯片的所述基极层一侧、并在与所述第1电极不同的地方、与所述检测单元进行电气连接的第2电极。
8.如权利要求7所述的功率晶体管，其特征在于，所述检测单元是基于选择扩散形成、且对应于温度的变化电阻值发生变化的电阻。
9.如权利要求8所述的功率晶体管，其特征在于，所述检测单元是所述基极层；所述第1电极是与所述基极层进行电气连接的基极电极。
10.如权利要求8所述的功率晶体管，其特征在于，所述检测单元是所述发射极层；所述第1电极是与所述发射极层进行电气连接的发射极电极。
11.如权利要求8所述的功率晶体管，其特征在于，与所述发射极层和基极层分开，另外形成所述检测单元。
12.如权利要求8所述的功率晶体管，其特征在于，所述检测单元是夹层电阻结构。
13.如权利要求8所述的功率晶体管，其特征在于，所述检测单元是发射极扩散电阻。
14.如权利要求7所述的功率晶体管，其特征在于，所述检测单元是包含与所述第1电极连接的第1区域、和具有与所述第1区域不同的导电类型并与所述第2电极连接的第2区域，且对应于温度的变化正向电压发生变化的二极管。
15.如权利要求14所述的功率晶体管，其特征在于，所述第1区域是所述基极层；所述第1电极是与所述基极层连接的基极电极。
16.如权利要求14所述的功率晶体管，其特征在于，与所述基极层分开，另外形成所述第1区域。
17.如权利要求7所述的功率晶体管，其特征在于，在所述晶体管芯片表面的中央部分形成所述检测单元。
全文摘要
本发明揭示一种功率晶体管。包括在成为集电极层的基片表面上选择扩散基极层、且在该基极层上选择扩散发射极层,形成平面型晶体管。在该平面型晶体管的芯片表面的集电极层设置电流检测用电极。在基片的背面形成集电极电极。当晶体管工作、集电极电流流动时,基于基片的电阻、在集电极电极和电流检测用电极之间,生成对应于集电极电流的电压。因此,晶体管能对集电极电流进行检测、并将电流检测信号传送到控制用IC中。
文档编号H01L29/66GK1181631SQ9712113
公开日1998年5月13日 申请日期1997年10月14日 优先权日1996年10月14日
发明者上内元 申请人:夏普株式会社