JP2000252457A - メサ型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ｐｎ接合の端部とメサ溝の稜線とのなす角度
を鋭角で、できるだけ小さくし、かつ、ｐｎ接合の端部
が当る部分のメサ溝に充分にガラス保護膜が形成され得
る構造にすることにより、低電圧でのアバランシェ降伏
を防止することができるメサ型半導体装置を提供する。 【解決手段】 ｎ形半導体層１の表面側にｐ形拡散層２
が拡散により設けられ、その境界にｐｎ接合１２が形成
されている。そして、ｎ形半導体層１とｐ形拡散層２と
の両方に跨がるようにその境界部にメサ溝３が形成され
ている。このメサ溝３は、ｐ形拡散層２の拡散深さ、す
なわちｐｎ接合１２の底面より浅く形成されると共に、
前述のｐｎ接合１２の端部がメサ溝３と交差する部分で
のメサ溝３の稜線とｐｎ接合面とのなす角度θが鋭角、
なかんずくできるだけ小さくなるようにメサ溝３が形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、とくに高耐圧が要
求されるサイリスタやトライアックなど、メサ型形状に
より耐圧を得る構造のメサ型半導体装置に関する。さら
に詳しくは、メサ型構造でもとくに耐圧が向上する構造
のメサ型半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のメサ型のサイリスタやトライアッ
クは、高圧が印加されて使用される場合が多く、その高
圧に耐え得る必要があるため、ｐｎ接合の耐圧特性が最
重要の課題である。このトライアックの構造は、図５
（ａ）〜（ｂ）に示されるように、たとえばｎ形の半導
体基板２１の両面にｐ形領域であるベース層２２、２３
が形成され、そのベース層２２、２３内にｎ形領域であ
るエミッタ層２４、２５、２６が形成され、それぞれに
図示しない電極が設けられて第１端子Ｔ１、ゲート端子
Ｇ、第２端子Ｔ２が形成されている。そして、そのベー
ス層２２、２３と半導体基板２１とのｐｎ接合の端部が
メサ型形状にされてそのメサ溝内にガラス保護膜２７が
被覆され、ｐｎ接合部のブレークダウンに対する保護が
なされている。このメサ型形状は、図５（ａ）に示され
るような上下両面がメサ型形状にされ、その溝の中心部
で切断されてメサ型形状部分がチップの側面に露出して
いる両メサタイプと、図５（ｂ）に示されるような表面
と裏面のベース層２３がアイソレーション２８により連
結されて上面側に導出され、メサ型形状はチップの一表
面（上面）側のみに形成されると共に、そのアイソレー
ション２８部分で切断されてチップ化される片メサタイ
プとがある。

【０００３】このようなメサ型半導体装置の耐圧は、ｐ
ｎ接合とメサ溝の稜線とのなす角度θが９０゜に近づく
ほど、低電圧でのアバランシェ降伏を引き起しやすいこ
とが知られている。従来のこの種のメサ型素子では、ｐ
ｎ接合が半導体基板２１の表面と平行に延び、そのｐｎ
接合を貫通するようにメサ溝が形成されている。そのた
め、ｐｎ接合とメサ溝の稜線とのなす角度を小さくしよ
うとすると、ｐｎ接合面がメサ溝の底部に接するように
形成する必要があるが、その制御は容易ではないと共
に、ｐｎ接合の端部がメサ溝に完全に当らないと耐圧を
確保できず不良になってしまう。そのため、通常はメサ
溝の上の方にｐｎ接合面が当るように、メサ溝が深く形
成される。

【０００４】また、メサ溝の内面を被覆するガラス保護
膜２７は、ペースト状のものを塗布して固化させること
により形成されるが、メサ溝が深くなると、ペーストが
メサ溝の底に垂れて、メサ溝の側壁に被覆するガラス保
護膜２７は薄くなる。ｐｎ接合の端部を被覆するガラス
保護膜２７が薄いと耐圧が低下することもよく知られて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のような従来の構
造のメサ型半導体装置では、ｐｎ接合端部のメサ溝に当
る部分のメサ溝の稜線とのなす角度が９０゜に近づくこ
と、その表面の保護膜が薄くなりやすいこと、などの点
から耐圧を向上させるのに好ましくないという問題があ
る。

【０００６】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、ｐｎ接合の端部とメサ溝の稜線との
なす角度を鋭角で、できるだけ小さくし、かつ、ｐｎ接
合の端部が当る部分のメサ溝に充分にガラス保護膜が形
成され得る構造にすることにより、低電圧でのアバラン
シェ降伏を防止することができるメサ型半導体装置を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によるメサ型半導
体装置は、第１導電形の半導体層と、該第１導電形半導
体層の表面側に拡散により設けられる第２導電形拡散層
とを有し、該第１導電形半導体層と第２導電形拡散層と
のｐｎ接合の端部を前記第１導電形半導体層および第２
導電形拡散層に跨がって形成されるメサ溝に終端させる
メサ型半導体装置であって、前記メサ溝が、前記第２導
電形拡散層より浅く形成されると共に、前記ｐｎ接合の
端部が前記メサ溝の稜線とのなす角度が鋭角になるよう
に前記メサ溝が形成されている。

【０００８】ここにメサ溝の稜線とは、メサ溝と半導体
層との境界面の形状を意味し、メサ溝の稜線とのなす角
度が鋭角とは、図１または３に示されるように、ｐｎ接
合の端部と交差するメサ溝部分の接線とｐｎ接合の接線
とのなす角度のうち小さい方の角度θを意味し（低不純
物濃度半導体層側の角度が純角の場合も他方の半導体層
側の小さい方の角度を指す）、鋭角とは、直角近傍の角
度より小さい角度を意味し、できるだけ小さい角度が好
ましい。

【０００９】この構造にすることにより、メサ溝がｐｎ
接合の深さより浅いため、ｐｎ接合の端部がメサ溝と交
差する角度を小さくしながら、ｐｎ接合端部と交差する
部分のメサ溝の表面に充分の厚さの保護膜を形成しやす
い。その結果、低電圧でのアバランシェ降伏を防止する
ことができる。

【００１０】具体的な構造として、前記メサ溝の上部が
前記第１導電形半導体層と接する側の前記メサ溝の側壁
に前記ｐｎ接合の端部を終端させることにより、前記ｐ
ｎ接合の端部が前記メサ溝の稜線とのなす角度を小さく
したり、前記メサ溝の底部が、前記第２導電形拡散層の
側底部の円弧部分に当たるような深さに形成されること
により、前記ｐｎ接合の端部が前記メサ溝の稜線とのな
す角度を小さくすることができる。

【００１１】前記メサ溝の少なくとも周囲の前記半導体
層の表面側に絶縁膜がブリッジ状に設けられることによ
り、ガラスペーストを塗布してガラス保護膜を形成する
際に、絶縁膜との間に毛細管現象によりペーストが充分
に確保され、浅いメサ溝内に充分に厚い保護膜が形成さ
れるため、より一層耐圧を向上させることができる。

【００１２】前記第１導電形半導体層の表面側に、前記
第２導電形拡散層とは別に第２導電形アイソレーション
層が設けられることにより、前記第１導電形半導体層と
の間に第２のｐｎ接合が形成され、該第２のｐｎ接合お
よび前記ｐｎ接合の端部の両方が、前記メサ溝の底部に
終端するように前記メサ溝が幅広に形成されることによ
り、耐圧を向上させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明のメサ型半導体装
置について、図面を参照しながら説明をする。本発明に
よるメサ型半導体装置は、図１にその一実施形態のメサ
型整流用ダイオードの一例の説明図が示されるように、
第１導電形（ｎ形）の半導体層１の表面側に第２導電形
（ｐ形）拡散層２が拡散により設けられ、その境界にｐ
ｎ接合１２が形成されている。すなわち、通常のメサ型
半導体装置では、この第２導電形層（ｐ形層２）はエピ
タキシャル成長層で形成されるが、本発明では拡散によ
り拡散層として設けられている。そして、ｎ形半導体層
１とｐ形拡散層２との両方に跨がるようにその境界部に
メサ溝３が形成されている。このメサ溝３は、ｐ形拡散
層２の拡散深さ、すなわちｐｎ接合１２の底面より浅く
形成されると共に、前述のｐｎ接合１２の端部がメサ溝
３と交差する部分でのメサ溝３の稜線とｐｎ接合面との
なす角度（メサ溝３の稜線の交点における接線とｐｎ接
合の交点における接線とのなす角度で小さい方の角度）
θが鋭角、なかんずくできるだけ小さくなるように前記
メサ溝３が形成されていることに特徴がある。なお、図
１で１ａはｎ⁺ 形半導体基板を、４はメサ溝３内に設け
られるガラスなどからなるガラス保護膜、５はメサ溝３
を形成するためのＳｉＯ₂ などからなるマスクで、この
例ではメサ溝３を形成する際のエッチングにより、マス
ク５の下までエッチングされてメサ溝３上の周囲にブリ
ッジ部分５ａが残されたままの状態でガラス保護膜４の
形成が行われている。

【００１４】本発明では、メサ溝３の深さがｐ形拡散層
２の深さより浅く形成されると共に、ｐｎ接合１２の端
部とメサ溝３の交点での相互のなす角度θができるだけ
小さくなるような位置関係にメサ溝３が形成されてい
る。図１に示される例では、ｐｎ接合１２の端部がメサ
溝３の上部がｎ形半導体層１と接する側のメサ溝３の側
面と交差するように、すなわちｐｎ接合１２がメサ溝３
の中心部を越えてからメサ溝３の側壁と交差するように
メサ溝３が形成されている。その結果、ｐｎ接合１２の
面とメサ溝３の側壁とのなす角度θをｐ形拡散層２側で
交差する場合より容易に小さくすることができる。すな
わち、傾斜方向が異なる曲面で交差するより、傾斜方向
が同じ曲面で交差する方がその交差する角度θを小さく
することができる。前述のように、このメサ溝３とｐｎ
接合１２とのなす角度θが小さいほど耐圧が向上し、低
い電圧でのアバランシェ降伏を防止することができる。
この角度θとアバランシェ降伏を起こす電圧との関係
が、図２に示されるように（図２では低不純物濃度の半
導体層側の角度で示し、９０゜より大きい場合もそのま
まその角度で示されているが、ほぼ対称であり、本発明
では低不純物濃度の半導体層側が９０゜より大きい場合
も他方の半導体層側の角度である小さい方の角度で表現
する）、ほぼ放物線形状となり、角度θを小さくすれば
する程（９０゜より大きくする程）降伏電圧が高くなる
ので好ましいが、放物線の底部を脱する７５゜以下、好
ましくは６０゜以下程度にすることが、降伏電圧の特性
がとくに向上するため好ましい。

【００１５】図１に示される例のように、メサ溝３とｐ
ｎ接合１２面の両方の曲面が同じ方向になるようにする
ことにより、この角度θを４５゜程度以下にすることが
でき、低い電圧でのアバランシェ降伏を防止することが
できる。しかし、図３（ａ）に示されるように、ｐ形拡
散層２側、すなわち両者の曲面の方向が反対向きの場合
でも、その交差部分がメサ溝の上部になるようにメサ溝
３を形成することにより、両者のなす角度θを小さくす
ることができる。

【００１６】また、図３（ｂ）に示されるように、ｐｎ
接合１２の円弧部にメサ溝３の底部が当るようにしても
よい。すなわち、ｐ形拡散層２は拡散により形成されて
いるため、表面から拡散するとｎ形半導体層１の下側お
よび横側に等方的に拡散する。そのため、側面から底面
にかけては断面形状で円弧を描くようにｐｎ接合１２が
形成される。したがって、その円弧部の下の方の部分
に、平らな底部を有するメサ溝３を形成することによ
り、そのなす角度θを小さくすることができる。このｐ
ｎ接合１２は、前述のように円弧を描いてｎ形半導体層
１の表面側に延びるため、メサ溝３が少々浅くてもｐｎ
接合１２の端部は必ずメサ溝３と交差する。したがっ
て、ある程度の平面が形成されるように幅広なメサ溝３
を形成することにより、確実に小さな交差角度でｐｎ接
合１２の端部をメサ溝３の底壁に突き当てることができ
る。とくに、この構造では、メサ溝３の底部にｐｎ接合
１２の端部を突き当てる構造であるため、メサ溝３の内
表面に設けられる保護膜が厚く形成され、より一層耐圧
向上に寄与する。

【００１７】ガラス保護膜４は、たとえばペースト状の
ガラスを表面に塗布してからメサ部以外の部分のペース
トを除去し、ガラス材料によっても異なるが、たとえば
７００〜８００℃程度で焼結することにより形成され
る。メサ溝３は、従来のように深くないため、メサ溝３
内の全面に一様に付着しやすい。この際、前述のように
メサ溝３形成のためのマスク５のブリッジ部分５ａを残
したままペーストを塗布して固化させることにより、ブ
リッジ部分５ａの内面にもガラス保護膜４が形成される
ため、余計メサ溝３の上部にも一様にガラス保護膜４が
形成されやすいため好ましい。

【００１８】図４は、トライアックの例で、前述の図３
の構造を応用し、ｎ形半導体層１の裏面側に形成される
ｐ形第２拡散層（ベース層）６をチップ周囲のアイソレ
ーション層８を介してｎ形半導体層１の表面側で、その
第２のｐｎ接合１６の端部も保護する、いわゆる片面メ
サタイプの例である。

【００１９】半導体基板１の上面側のｐ形拡散層（ベー
ス層）２、そのベース層２にさらに拡散するｎ形拡散層
（エミッタ層）１３、１４の形成、およびｐ形第２拡散
層（ベース層）６に形成するｎ形拡散層（エミッタ層）
１５の形成などは従来と同様に形成される。そして、ｐ
形第２拡散層がアイソレーション層８を介して半導体基
板１の表面側に接続され、そのｐ形第２拡散層６および
アイソレーション層８とｎ形半導体基板１とにより形成
されるｐｎ接合１６の端部が、表面側のｐ形拡散層２と
半導体基板１とにより形成されるｐｎ接合の端部と共に
半導体基板１の表面側に設けられるメサ溝３の底部に終
端するようにメサ溝３が幅広に形成されている。このｐ
ｎ接合１２、１６のメサ溝３に交差する角度は、前述の
ようにできるだけ小さくなるようにｐｎ接合の円弧部と
交差するようにメサ溝３が形成されている。たとえばｐ
形拡散層２の深さは、３５〜５０μｍ程度に形成され、
メサ溝３の深さは２０〜３０μｍ程度、幅は１００〜１
５０μｍ程度に形成されることにより、角度θは２０〜
３０゜程度に形成される。エミッタ層１３、１４、１５
にそれぞれ図示しない電極が接続されて、それぞれが第
１端子Ｔ１、ゲート端子Ｇ、第２端子Ｔ２が設けられ
る。なお、メサ溝３は、四角形状のチップの周囲に沿っ
てリング状に形成される。また、前述の図１に示される
例と同様に、メサ溝３の上面の周囲に図示しないマスク
をブリッジ状に残存させることにより、メサ溝３内への
ガラス保護膜４を形成しやすくなる。

【００２０】本発明によれば、メサ溝３が浅く形成され
ると共に、第２導電形拡散層をエピタキシャル成長によ
り全面に設けるのではなく、拡散により部分的に設けて
いるため、ｐｎ接合をメサ溝の下側からメサ溝に終端さ
せることができる。そのため、メサ溝とｐｎ接合とのな
す角度を小さくすることができる。その結果、耐圧が向
上し、低い電圧でのアバランシェ降伏を防止することが
できる。しかも、メサ溝が浅いため、その内面に設ける
ガラス保護膜を厚く形成しやすく、ｐｎ接合の終端部に
厚い保護膜を形成することができ、より一層耐圧の向上
に寄与する。この場合、メサ溝の周囲の表面側にマスク
をブリッジ状に残存させることにより、メサ溝の上部ま
でより一層保護膜を設けることができる。なお、メサ溝
３が浅いため、粘度の低いガラスペーストを使用してス
ピンコーターにより自動で塗布することができ、非常に
作業効率が向上しながらｐｎ接合の端部を確実にガラス
保護膜４により被覆することができる。

【００２１】さらに、メサ溝を幅広に形成し、２つのｐ
ｎ接合をその幅広のメサ溝の底部に終端させることによ
り、、トライアックなどを片面メサ型構造により簡単に
製造することができる。

【００２２】前述の例は、整流ダイオード、および半導
体基板の上下両面にｐｎ接合部が形成されトライアック
の例であったが、通常のトランジスタやダイオードにも
本発明を適用することができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、サイリスタやトライア
ックなどの大電力で使用される半導体装置の高耐圧化を
図ることができる。また、メサ溝を浅く形成することが
でき、エッチングによるバラツキをなくすることができ
ると共に、確実にｐｎ接合の端部部分にガラス保護膜を
厚く被膜することができ、低電圧でのアバランシェ降伏
を防止することができる。そのため、歩留りが向上し、
さらに信頼性も非常に向上する。

【００２４】さらに、本発明によれば、メサ溝内にガラ
ス保護膜を形成するのに、粘度の低いガラスペーストを
使用しても、目的の場所に充分に保護膜を形成すること
ができるため、スピンコーターにより自動的にガラスペ
ーストを塗布して焼結することができる。その結果、ガ
ラス保護膜の形成が非常に簡単になり、コストダウンに
寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のメサ型半導体装置の一実施形態の整流
ダイオードの説明図である。

【図２】ｐｎ接合とメサ溝とのなす角度に対する耐圧の
関係を示す図である。

【図３】図１のｐｎ接合とメサ溝との交差部分の他の構
造例の説明図である。

【図４】本発明のメサ型半導体装置の他の実施形態のト
ライアックの説明図である。

【図５】従来のトライアックの構造例の説明図である。

【符号の説明】

１ ｎ形半導体層 ２ ｐ形拡散層 ３ メサ溝 ４ ガラス保護膜 １２ ｐｎ接合

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電形の半導体層と、該第１導電形
   半導体層の表面側に拡散により設けられる第２導電形拡
   散層とを有し、該第１導電形半導体層と第２導電形拡散
   層とのｐｎ接合の端部を前記第１導電形半導体層および
   第２導電形拡散層に跨がって形成されるメサ溝に終端さ
   せるメサ型半導体装置であって、前記メサ溝が、前記第
   ２導電形拡散層より浅く形成されると共に、前記ｐｎ接
   合の端部が前記メサ溝の稜線とのなす角度が鋭角になる
   ように前記メサ溝が形成されてなるメサ型半導体装置。
2. 【請求項２】 前記メサ溝の上部が前記第１導電形半導
   体層と接する側の前記メサ溝の側壁に前記ｐｎ接合の端
   部を終端させることにより前記ｐｎ接合の端部が前記メ
   サ溝の稜線とのなす角度を小さくする請求項１記載のメ
   サ型半導体装置。
3. 【請求項３】 前記メサ溝の底部が、前記第２導電形拡
   散層の側底部の円弧部分に当たるような深さに形成され
   ることにより、前記ｐｎ接合の端部が前記メサ溝の稜線
   とのなす角度を小さくする請求項１記載のメサ型半導体
   装置。
4. 【請求項４】 前記メサ溝の少なくとも周囲の前記半導
   体層の表面側に絶縁膜がブリッジ状に設けられてなる請
   求項１、２または３記載のメサ型半導体装置。
5. 【請求項５】 前記第１導電形半導体層の表面側に、前
   記第２導電形拡散層とは別に第２導電形アイソレーショ
   ン層が設けられることにより、前記第１導電形半導体層
   との間に第２のｐｎ接合が形成され、該第２のｐｎ接合
   および前記ｐｎ接合の端部の両方が、前記メサ溝の底部
   に終端するように前記メサ溝が幅広に形成されてなる請
   求項１、３または４記載のメサ型半導体装置。