JP2004288680A - 圧接型半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】サイリスタの逆阻止耐圧特性や逆回復特性を格段に改善できる圧接型半導体装置を提供する。
【解決手段】Ｎ−型半導体基板１０の表面にＰ型不純物の拡散によって、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１が形成され、基板１０の表面にＮ型不純物の拡散によって、第一拡散層１１より浅いＮ型の第四拡散層１４が形成される。基板１０の裏面にＰ型不純物の拡散によって、基板側面に露出するように円環状にＰ型の第二拡散層１２が形成され、基板１０の裏面にＰ型不純物の拡散によって、第二拡散層１２の内側に分布するようにＰ＋型の第三拡散層１３が形成される。サイリスタのエミッタ層として、Ｐ型の第二拡散層１２およびＰ＋型の第三拡散層１３の二段形成を行っている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業、電力制御システムなどの回路の応用に必要な逆阻止能力を有する、例えばサイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）サイリスタ、ＧＣＴ（Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）サイリスタ等の圧接型半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧接型半導体装置は、Ｎ−型の半導体基板の表面にＰ型不純物を拡散することによってＰ＋＋型半導体層が形成され、半導体基板の裏面にＰ型不純物を拡散することによってＰ型半導体層が形成され、さらに半導体基板の表面にＮ型不純物を拡散することによってＰ＋＋型半導体層より浅いＮ型半導体層が形成されており、全体としてＰＮＰＮ接合構造を有し、サイリスタ動作が可能になる。
【０００３】
関連する先行技術として、下記の文献が挙げられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２６４７５４号公報（第４頁）
【特許文献２】
特開平９−２６０６４０号公報（第５頁）
【特許文献３】
特開平３−１２０７２４号公報（第２頁）
【特許文献４】
特開平８−１１６０４７号公報（第３頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
サイリスタが発展した逆阻止型ＧＣＴサイリスタにおいて、素子の動作周波数が高くなるとともに、全体の発生損失においてスイッチング損失が占める割合が大きくなる。そのため、ターンオフ損失と逆回復損失を最適化することが要望されている。
【０００６】
本発明の目的は、サイリスタの逆阻止耐圧特性や逆回復特性を格段に改善できる圧接型半導体装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧接型半導体装置は、第１導電型の半導体基板と、
半導体基板の第１面において、第２導電型不純物の拡散によって形成された第一拡散層と、
半導体基板の第１面において、第１導電型不純物の拡散によって第一拡散層より浅く形成された第四拡散層と、
半導体基板の第１面に設けられ、第一拡散層と接触するゲート電極と、
半導体基板の第１面に設けられ、第四拡散層と接触する第１電極と、
半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって形成された第二拡散層と、
半導体基板の第２面に設けられ、第二拡散層と接触する第２電極とを備え、
第一拡散層の深さＤ１と第二拡散層の深さＤ２とが、Ｄ１＞Ｄ２の関係をなすことを特徴とする。
【０００８】
また本発明に係る圧接型半導体装置は、第１導電型の半導体基板と、
半導体基板の第１面において、第２導電型不純物の拡散によって形成された第一拡散層と、
半導体基板の第１面において、第１導電型不純物の拡散によって第一拡散層より浅く形成された第四拡散層と、
半導体基板の第１面に設けられ、第一拡散層と接触するゲート電極と、
半導体基板の第１面に設けられ、第四拡散層と接触する第１電極と、
半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出するように局所的に形成された第二拡散層と、
半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出しないように局所的に形成された第三拡散層と、
半導体基板の第２面に設けられ、第三拡散層と接触する第２電極とを備え、
第二拡散層の深さＤ２と第三拡散層の深さＤ３とが、Ｄ２＞Ｄ３の関係をなすことを特徴とする。
【０００９】
また、第一拡散層の深さＤ１、第二拡散層の深さＤ２、第三拡散層の深さＤ３として、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係をなすことが好ましい。
【００１０】
また、第二拡散層のキャリア濃度と第三拡散層のキャリア濃度とが異なることが好ましい。
【００１１】
また、半導体基板の内部において、半導体基板より短いライフタイムを有する複数のライフタイム制御領域が基板面と略平行に形成されており、
第二拡散層および第三拡散層に最も近接した第一ライフタイム制御領域は、第二拡散層および第三拡散層に２番目に近接した第二ライフタイム制御領域よりも短いライフタイムを有することが好ましい。
【００１２】
また、第二拡散層および第三拡散層に最も近接した第一ライフタイム制御領域は、各ライフタイム制御領域のうちで最も短いライフタイムを有することが好ましい。
【００１３】
また、半導体基板の内部において、半導体基板より短いライフタイムを有する３つのライフタイム制御領域が形成されており、
第二拡散層および第三拡散層に最も近接した第一ライフタイム制御領域のライフタイムτ１、２番目に近接した第二ライフタイム制御領域のライフタイムτ２、３番目に近接した第三ライフタイム制御領域のライフタイムτ３として、τ１＜τ２＜τ３の関係をなすことが好ましい。
【００１４】
また、半導体基板より短いライフタイムを有するライフタイム制御領域が、基板側面に沿った外周部に形成されており、
ライフタイム制御領域の内部界面は、第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分より内側に配置されることが好ましい。
【００１５】
また、基板側面に沿ってベベル面が形成されており、
第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分は、ベベル面の最内径部分より内側に配置されることが好ましい。
【００１６】
また、第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分は、第２電極の最外径部分より外側に配置されることが好ましい。
【００１７】
また、基板側面に沿ってベベル面が形成されており、
ベベル面の最内径Ｆｂ、第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分の直径Ｅｂ、第２電極の最外径Ｅａ、ライフタイム制御領域の内部界面の最内径Ｆａとして、Ｆｂ＞Ｅｂ＞Ｅａ＞Ｆａの関係をなすことが好ましい。
【００１８】
また、第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分の直径Ｅｂ、第２電極の最外径Ｅａ、第二拡散層の深さＤ２として、Ｅｂ−Ｅａ＞２×Ｄ２の関係をなすことが好ましい。
【００１９】
また、第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分の直径Ｅｂ、第四拡散層の最外径Ｅｃ、第一拡散層の内部界面から第三拡散層の内部界面までの距離Ｄ５として、Ｅｃ＜Ｅｂ−Ｄ５の関係をなすことが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
実施の形態１．
図１は本発明の第１実施形態を示し、図１（ａ）は垂直断面図、図１（ｂ）は平面図である。Ｎ−型の半導体基板（例えばＳｉ等）１０の表面にＰ型不純物（例えばＢ，Ａｌ等）を拡散することによって、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１が形成される。さらに、基板１０の表面にＮ型不純物（例えばＰ，Ａｓ等）を拡散することによって、第一拡散層１１より浅いＮ型の第四拡散層１４が形成される。第四拡散層１４はエッチング等によって部分的に除去されて、第一拡散層１１が基板表面に部分的に露出している。
【００２２】
一方、基板１０の裏面にＰ型不純物を拡散することによって、Ｐ型の第二拡散層１２が形成される。
【００２３】
こうしてサイリスタ動作が可能なＰＮＰＮ接合構造が得られる。
【００２４】
図１（ｂ）に示すように、基板１０の表面には、Ｎ型の第四拡散層１４と接触するように円形状のカソード電極２１が設けられ、さらにＰ＋＋型の第一拡散層１１と接触するようにリング状のゲート電極２３が設けられる。
【００２５】
基板１０の裏面には、Ｐ型の第二拡散層１２に接触するように、円形状のアノード電極２２が形成される。
【００２６】
次に動作について説明する。カソード電極２１をグランドラインに接続し、アノード電極２２に正の電圧を印加した場合、Ｐ型の第二拡散層１２とＮ−型の基板１０との間は順バイアス状態となり、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１とＮ型の第四拡散層１４との間は順バイアス状態となり、Ｎ−型の基板１０とＰ＋＋型の第一拡散層１１との間は逆バイアス状態となって空乏層が形成される。このとき空乏層の存在によって、電流はほとんど流れない。
【００２７】
アノード電圧がより高くなって降伏電圧を超えると、電流が急激に増加して、半導体装置はターンオン状態になる。その際、ゲート電極２３から注入する電流（キャリア）量を制御することによって、降伏電圧を制御できる。
【００２８】
次にターンオン状態でアノード電極２２に逆電圧が印加されると、Ｐ型の第二拡散層１２とＮ−型の基板１０との間は逆バイアス状態となり、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１とＮ型の第四拡散層１４との間は逆バイアス状態となり、Ｎ−型の基板１０とＰ＋＋型の第一拡散層１１との間は順バイアス状態となる。このとき内部に蓄積されていたキャリアが移動するのに時間を要するため、ある程度の期間だけ逆電流が流れてしまう。
【００２９】
そこで、ゲート電極２３にオン状態とは逆方向の電流を流して残留キャリアを積極的に引き出すことによって、逆回復特性を改善できる。内部キャリアが存在しなくなるとターンオフ状態になり、空乏層の存在によって電流はほとんど流れなくなる。こうしてターンオンとターンオフを繰り返すことによって、電流のスイッチング動作が可能になる。
【００３０】
本実施形態では、サイリスタのエミッタ層として、Ｐ型の第二拡散層１２を形成している。
【００３１】
第二拡散層１２は、逆回復特性に影響する活性部領域であり、この第二拡散層１２の深さＤ２を比較的小さく形成することによって、ターンオフ時に残留キャリアが速やかに移動するようになるため、逆回復特性を改善することができる。また、第二拡散層１２の深さＤ２を小さく形成することによって、Ｎ−型層の厚さが従来のものより増加するため、逆阻止耐圧特性を改善することができる。
【００３２】
特に、第二拡散層１２の深さＤ２は、第一拡散層１１の深さＤ１より小さいことが好ましく、これによって逆回復特性および逆阻止耐圧特性をより改善できる。第一拡散層１１および第二拡散層１２の各深さＤ１，Ｄ２は、例えば５０〜１００μｍの範囲内で、Ｄ１＞Ｄ２の関係をなすように選定される。
【００３３】
また、第二拡散層１２のうち基板側面に露出した部分は、耐圧特性に影響する部分であり、この露出部分の深さおよびキャリア濃度は従来のエミッタ層と同程度に設定することによって、従来のものと同程度の耐圧特性を確保することができる。
【００３４】
実施の形態２．
図２は本発明の第２実施形態を示し、図２（ａ）は垂直断面図、図２（ｂ）は平面図である。Ｎ−型の半導体基板（例えばＳｉ等）１０の表面にＰ型不純物（例えばＢ，Ａｌ等）を拡散することによって、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１が形成される。さらに、基板１０の表面にＮ型不純物（例えばＰ，Ａｓ等）を拡散することによって、第一拡散層１１より浅いＮ型の第四拡散層１４が形成される。第四拡散層１４はエッチング等によって部分的に除去されて、第一拡散層１１が基板表面に部分的に露出している。
【００３５】
一方、基板１０の裏面にＰ型不純物を拡散することによって、基板側面に露出するように円環状にＰ型の第二拡散層１２が局所的に形成される。さらに、基板１０の裏面にＰ型不純物を拡散することによって、基板側面に露出しないように第二拡散層１２の内側に分布するようにして、Ｐ＋型の第三拡散層１３が局所的に形成される。
【００３６】
こうしてサイリスタ動作が可能なＰＮＰＮ接合構造が得られる。
【００３７】
図２（ｂ）に示すように、基板１０の表面には、Ｎ型の第四拡散層１４と接触するように円形状のカソード電極２１が設けられ、さらにＰ＋＋型の第一拡散層１１と接触するようにリング状のゲート電極２３が設けられる。
【００３８】
基板１０の裏面には、Ｐ＋型の第三拡散層１３と接触して、Ｐ型の第二拡散層１２には接触しないように、円形状のアノード電極２２が形成される。
【００３９】
次に動作について説明する。カソード電極２１をグランドラインに接続し、アノード電極２２に正の電圧を印加した場合、Ｐ＋型の第三拡散層１３とＮ−型の基板１０との間は順バイアス状態となり、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１とＮ型の第四拡散層１４との間は順バイアス状態となり、Ｎ−型の基板１０とＰ＋＋型の第一拡散層１１との間は逆バイアス状態となって空乏層が形成される。このとき空乏層の存在によって、電流はほとんど流れない。
【００４０】
アノード電圧がより高くなって降伏電圧を超えると、電流が急激に増加して、半導体装置はターンオン状態になる。その際、ゲート電極２３から注入する電流（キャリア）量を制御することによって、降伏電圧を制御できる。
【００４１】
次にターンオン状態でアノード電極２２に逆電圧が印加されると、Ｐ＋型の第三拡散層１３とＮ−型の基板１０との間は逆バイアス状態となり、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１とＮ型の第四拡散層１４との間は逆バイアス状態となり、Ｎ−型の基板１０とＰ＋＋型の第一拡散層１１との間は順バイアス状態となる。このとき内部に蓄積されていたキャリアが移動するのに時間を要するため、ある程度の期間だけ逆電流が流れてしまう。
【００４２】
そこで、ゲート電極２３にオン状態とは逆方向の電流を流して残留キャリアを積極的に引き出すことによって、逆回復特性を改善できる。内部キャリアが存在しなくなるとターンオフ状態になり、空乏層の存在によって電流はほとんど流れなくなる。こうしてターンオンとターンオフを繰り返すことによって、電流のスイッチング動作が可能になる。
【００４３】
本実施形態では、サイリスタのエミッタ層として、Ｐ型の第二拡散層１２およびＰ＋型の第三拡散層１３の二段形成を行っている。すなわち基板裏面から見て、エミッタ層の中央部に高キャリア濃度の第三拡散層１３を配置し、その第三拡散層１３を包囲するように低キャリア濃度の第二拡散層１２を配置している。
【００４４】
第三拡散層１３は、逆回復特性に影響する活性部領域であり、この第三拡散層１３の深さＤ３を比較的小さく形成することによって、ターンオフ時に残留キャリアが速やかに移動するようになるため、逆回復特性を改善することができ、また、第三拡散層１３の深さＤ３を小さく形成することによって、Ｎ−型層の厚さが従来のものより増加するため、逆阻止耐圧特性を改善することができる。
【００４５】
特に、第三拡散層１３の深さＤ３は、第一拡散層１１の深さＤ１および第二拡散層１２の深さＤ２よりそれぞれ小さいことが好ましく、これによって逆回復特性および逆阻止耐圧特性をより改善できる。第一拡散層１１〜第三拡散層１３の各深さＤ１，Ｄ２，Ｄ３は、例えば５０〜１００μｍの範囲内で、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係をなすように選定される。
【００４６】
一方、第二拡散層１２は、耐圧特性に影響する部分であり、この第二拡散層１２の深さＤ２およびキャリア濃度は従来のエミッタ層と同程度に設定し、第三拡散層１３のキャリア濃度より低くなるように形成することによって、従来のものと同程度の耐圧特性を確保することができる。
【００４７】
実施の形態３．
図３は、本発明の第３実施形態を示す垂直断面図である。Ｎ−型の半導体基板（例えばＳｉ等）１０の表面にＰ型不純物（例えばＢ，Ａｌ等）を拡散することによって、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１が形成される。さらに、基板１０の表面にＮ型不純物（例えばＰ，Ａｓ等）を拡散することによって、第一拡散層１１より浅いＮ型の第四拡散層１４が形成される。第四拡散層１４はエッチング等によって部分的に除去されて、第一拡散層１１が基板表面に部分的に露出している。
【００４８】
一方、基板１０の裏面にＰ型不純物を拡散することによって、基板側面に露出するように円環状にＰ型の第二拡散層１２が局所的に形成される。さらに、基板１０の裏面にＰ型不純物を拡散することによって、基板側面に露出しないように第二拡散層１２の内側に分布するようにして、Ｐ＋型の第三拡散層１３が局所的に形成される。
【００４９】
こうしてサイリスタ動作が可能なＰＮＰＮ接合構造が得られる。
【００５０】
各電極の形状および配置は、図１（ｂ）のものと同様であり、基板１０の表面には、Ｎ型の第四拡散層１４と接触するように円形状のカソード電極２１が設けられ、さらにＰ＋＋型の第一拡散層１１と接触するようにリング状のゲート電極２３が設けられる。
【００５１】
基板１０の裏面には、Ｐ＋型の第三拡散層１３と接触して、Ｐ型の第二拡散層１２には接触しないように、円形状のアノード電極２２が形成される。
【００５２】
サイリスタのエミッタ層については、図１のものと同様に、Ｐ型の第二拡散層１２およびＰ＋型の第三拡散層１３の二段形成を行っている。すなわち基板裏面から見て、エミッタ層の中央部に高キャリア濃度の第三拡散層１３を配置し、その第三拡散層１３を包囲するように低キャリア濃度の第二拡散層１２を配置している。
【００５３】
第三拡散層１３は、逆回復特性に影響する活性部領域であり、この第三拡散層１３の深さＤ３を比較的小さく形成することによって、ターンオフ時に残留キャリアが速やかに移動するようになるため、逆回復特性を改善することができ、また、第三拡散層１３の深さＤ３を小さく形成することによって、Ｎ−型層の厚さが従来のものより増加するため、逆阻止耐圧特性を改善することができる。
【００５４】
特に、第三拡散層１３の深さＤ３は、第一拡散層１１の深さＤ１および第二拡散層１２の深さＤ２よりそれぞれ小さいことが好ましく、これによって逆回復特性および逆阻止耐圧特性をより改善できる。第一拡散層１１〜第三拡散層１３の各深さＤ１，Ｄ２，Ｄ３は、例えば５０〜１００μｍの範囲内で、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係をなすように選定される。
【００５５】
一方、第二拡散層１２は、耐圧特性に影響する部分であり、この第二拡散層１２の深さＤ２およびキャリア濃度は従来のエミッタ層と同程度に設定し、第三拡散層１３のキャリア濃度より低くなるように形成することによって、従来のものと同程度の耐圧特性を確保することができる。
【００５６】
本実施形態では、半導体基板１０のＮ−型層の内部において、複数（図３では３つ）のライフタイム制御領域を基板面と略平行に形成している。ライフタイム制御領域は、プロトン等を照射することによって結晶欠陥を故意に導入して、半導体禁制帯内に深い準位を形成したものであり、これによってターンオフ時に残留キャリアを速やかに消滅させることができ、逆回復特性が向上する。
【００５７】
なお、ライフタイム制御領域における残留キャリアのライフタイム長はプロトンの照射量によって制御可能であり、ライフタイム制御領域の深さはプロトンの照射エネルギーによって制御可能である。
【００５８】
ここでは、図３に示すように、３つのライフタイム制御領域を形成しており、第二拡散層１２および第三拡散層１３に最も近接した第一ライフタイム制御領域３１は、第二拡散層１２および第三拡散層１３に２番目に近接した第二ライフタイム制御領域３２よりも短いライフタイムを有することが好ましい。また、第一ライフタイム制御領域３１のライフタイムは、各ライフタイム制御領域のうちで最も短いことが好ましい。
【００５９】
特に、第二拡散層１２および第三拡散層１３に最も近接した第一ライフタイム制御領域３１のライフタイムτ１、２番目に近接した第二ライフタイム制御領域３２のライフタイムτ２、３番目に近接した第三ライフタイム制御領域３３のライフタイムτ３として、τ１＜τ２＜τ３の関係をなすことが好ましい。
【００６０】
図７（ａ）はターンオフ時の逆回復電荷Ｑｒｒと残留キャリアのライフタイムとの関係を示すグラフであり、図７（ｂ）はターンオフ時の逆回復電流波形を示すグラフである。まず図７（ａ）において、カーブＣＡは、３つのライフタイム制御領域のうち第一ライフタイム制御領域３１のライフタイムτ１が最も短い場合を示す。カーブＣＢは、第二ライフタイム制御領域３２のライフタイムτ２が最も短い場合を示す。カーブＣＣは、第三ライフタイム制御領域３３のライフタイムτ３が最も短い場合を示す。
【００６１】
カーブＣＡ〜ＣＣを参照すると、ターンオフ時において、残留キャリアのライフタイムが長くなるにつれて、逆回復電荷Ｑｒｒは徐々に増加する傾向がある。
【００６２】
図７（ｂ）に示すように、逆回復電荷Ｑｒｒは、逆回復電流の時間積分値に相当するものであり、逆回復電荷Ｑｒｒが小さいほど優れた逆回復特性を示す。特に、逆回復電流波形のゼロクロス点から最初のピークまでの期間ＰＡは第一ライフタイム制御領域３１のライフタイムτ１による影響が大きく、最初のピークから次の湾曲点までの期間ＰＢは第二ライフタイム制御領域３２のライフタイムτ２による影響が大きく、期間ＰＢの終りから電流ゼロに収束するまでの期間ＰＣは第三ライフタイム制御領域３３のライフタイムτ３による影響が大きい。
【００６３】
従って、各ライフタイム制御領域のライフタイムτ１〜τ３に関して、τ１＜τ２＜τ３の関係を満たすことによって、逆回復損失およびターンオフ損失を改善することができる。
【００６４】
実施の形態４．
図４は、本発明の第４実施形態を示す垂直断面図である。Ｎ−型の半導体基板（例えばＳｉ等）１０の表面にＰ型不純物（例えばＢ，Ａｌ等）を拡散することによって、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１が形成される。さらに、基板１０の表面にＮ型不純物（例えばＰ，Ａｓ等）を拡散することによって、第一拡散層１１より浅いＮ型の第四拡散層１４が形成される。第四拡散層１４はエッチング等によって部分的に除去されて、第一拡散層１１が基板表面に部分的に露出している。
【００６５】
一方、基板１０の裏面にＰ型不純物を拡散することによって、基板側面に露出するように円環状にＰ型の第二拡散層１２が局所的に形成される。さらに、基板１０の裏面にＰ型不純物を拡散することによって、基板側面に露出しないように第二拡散層１２の内側に分布するようにして、Ｐ＋型の第三拡散層１３が局所的に形成される。
【００６６】
こうしてサイリスタ動作が可能なＰＮＰＮ接合構造が得られる。
【００６７】
各電極の形状および配置は、図１（ｂ）のものと同様であり、基板１０の表面には、Ｎ型の第四拡散層１４と接触するように円形状のカソード電極２１が設けられ、さらにＰ＋＋型の第一拡散層１１と接触するようにリング状のゲート電極２３が設けられる。
【００６８】
基板１０の裏面には、Ｐ＋型の第三拡散層１３と接触して、Ｐ型の第二拡散層１２には接触しないように、円形状のアノード電極２２が形成される。
【００６９】
サイリスタのエミッタ層については、図１のものと同様に、Ｐ型の第二拡散層１２およびＰ＋型の第三拡散層１３の二段形成を行っている。すなわち基板裏面から見て、エミッタ層の中央部に高キャリア濃度の第三拡散層１３を配置し、その第三拡散層１３を包囲するように低キャリア濃度の第二拡散層１２を配置している。
【００７０】
第三拡散層１３は、逆回復特性に影響する活性部領域であり、この第三拡散層１３の深さＤ３を比較的小さく形成することによって、ターンオフ時に残留キャリアが速やかに移動するようになるため、逆回復特性を改善することができ、また、第三拡散層１３の深さＤ３を小さく形成することによって、Ｎ−型層の厚さが従来のものより増加するため、逆阻止耐圧特性を改善することができる。
【００７１】
特に、第三拡散層１３の深さＤ３は、第一拡散層１１の深さＤ１および第二拡散層１２の深さＤ２よりそれぞれ小さいことが好ましく、これによって逆回復特性および逆阻止耐圧特性をより改善できる。第一拡散層１１〜第三拡散層１３の各深さＤ１，Ｄ２，Ｄ３は、例えば５０〜１００μｍの範囲内で、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係をなすように選定される。
【００７２】
一方、第二拡散層１２は、耐圧特性に影響する部分であり、この第二拡散層１２の深さＤ２およびキャリア濃度は従来のエミッタ層と同程度に設定し、第三拡散層１３のキャリア濃度より低くなるように形成することによって、従来のものと同程度の耐圧特性を確保することができる。
【００７３】
本実施形態では、半導体基板１０の側面に沿って断面凹状のベベル面ＢＶが形成されており、このベベル面ＢＶの外周部に沿って第四ライフタイム制御領域３４を円筒状に形成している。第四ライフタイム制御領域３４は、プロトン等を照射することによって結晶欠陥を故意に導入して、半導体禁制帯内に深い準位を形成したものである。これによって電流（キャリア）は、中央の活性部領域に集中するようになり、基板側面の外周部は流れににくくなる。すると、電流損失による発熱は、外部電極（不図示）の圧接により放熱効果が高いカソード電極２１およびアノード電極２２に向かって伝達されるようになり、放熱効果が低い基板側面へ伝達されにくくなり、その結果、動作温度を向上させることができる。
【００７４】
特に、第四ライフタイム制御領域３４の内部界面は、第二拡散層１２の内部界面および第三拡散層１３の内部界面が互いに交差する部分より内側に配置されることが好ましい。これによって基板側面付近での電流密度および温度上昇が抑制されて、動作温度を向上させることができる。
【００７５】
実施の形態５．
図５は本発明の第５実施形態を示し、図５（ａ）は垂直断面図、図５（ｂ）は平面図である。Ｎ−型の半導体基板（例えばＳｉ等）１０の表面にＰ型不純物（例えばＢ，Ａｌ等）を拡散することによって、Ｐ＋＋型の第一拡散層１１が形成される。さらに、基板１０の表面にＮ型不純物（例えばＰ，Ａｓ等）を拡散することによって、第一拡散層１１より浅いＮ型の第四拡散層１４が形成される。第四拡散層１４はエッチング等によって部分的に除去されて、第一拡散層１１が基板表面に部分的に露出している。
【００７６】
一方、基板１０の裏面にＰ型不純物を拡散することによって、基板側面に露出するように円環状にＰ型の第二拡散層１２が局所的に形成される。さらに、基板１０の裏面にＰ型不純物を拡散することによって、基板側面に露出しないように第二拡散層１２の内側に分布するようにして、Ｐ＋型の第三拡散層１３が局所的に形成される。
【００７７】
こうしてサイリスタ動作が可能なＰＮＰＮ接合構造が得られる。
【００７８】
各電極の形状および配置は、図１（ｂ）のものと同様であり、基板１０の表面には、Ｎ型の第四拡散層１４と接触するように円形状のカソード電極２１が設けられ、さらにＰ＋＋型の第一拡散層１１と接触するようにリング状のゲート電極２３が設けられる。
【００７９】
基板１０の裏面には、Ｐ＋型の第三拡散層１３と接触して、Ｐ型の第二拡散層１２には接触しないように、円形状のアノード電極２２が形成される。
【００８０】
サイリスタのエミッタ層については、図１のものと同様に、Ｐ型の第二拡散層１２およびＰ＋型の第三拡散層１３の二段形成を行っている。すなわち基板裏面から見て、エミッタ層の中央部に高キャリア濃度の第三拡散層１３を配置し、その第三拡散層１３を包囲するように低キャリア濃度の第二拡散層１２を配置している。
【００８１】
第三拡散層１３は、逆回復特性に影響する活性部領域であり、この第三拡散層１３の深さＤ３を比較的小さく形成することによって、ターンオフ時に残留キャリアが速やかに移動するようになるため、逆回復特性を改善することができ、また、第三拡散層１３の深さＤ３を小さく形成することによって、Ｎ−型層の厚さが従来のものより増加するため、逆阻止耐圧特性を改善することができる。
【００８２】
特に、第三拡散層１３の深さＤ３は、第一拡散層１１の深さＤ１および第二拡散層１２の深さＤ２よりそれぞれ小さいことが好ましく、これによって逆回復特性および逆阻止耐圧特性をより改善できる。第一拡散層１１〜第三拡散層１３の各深さＤ１，Ｄ２，Ｄ３は、例えば５０〜１００μｍの範囲内で、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係をなすように選定される。
【００８３】
一方、第二拡散層１２は、耐圧特性に影響する部分であり、この第二拡散層１２の深さＤ２およびキャリア濃度は従来のエミッタ層と同程度に設定し、第三拡散層１３のキャリア濃度より低くなるように形成することによって、従来のものと同程度の耐圧特性を確保することができる。
【００８４】
本実施形態では、半導体基板１０の側面に沿って断面凹状のベベル面ＢＶが形成されており、このベベル面ＢＶの外周部に沿って第四ライフタイム制御領域３４を円筒状に形成している。第四ライフタイム制御領域３４は、プロトン等を照射することによって結晶欠陥を故意に導入して、半導体禁制帯内に深い準位を形成したものである。これによって電流（キャリア）は、中央の活性部領域に集中するようになり、基板側面の外周部は流れににくくなる。すると、電流損失による発熱は、外部電極（不図示）の圧接により放熱効果が高いカソード電極２１およびアノード電極２２に向かって伝達されるようになり、放熱効果が低い基板側面へ伝達されにくくなり、その結果、動作温度を向上させることができる。
【００８５】
特に、第二拡散層１２の内部界面および第三拡散層１３の内部界面が互いに交差する部分（直径Ｅｂ）は、ベベル面ＢＶの最内径Ｆｂ部分より内側に配置されることが好ましい。これによって基板側面付近での電流密度および温度上昇が抑制されて、動作温度を向上させることができる。
【００８６】
また、第二拡散層１２の内部界面および第三拡散層１３の内部界面が互いに交差する部分（直径Ｅｂ）は、アノード電極２２の最外径Ｅａ部分より外側に配置されることが好ましい。これによって基板側面付近での電流密度および温度上昇が抑制されて、動作温度を向上させることができる。
【００８７】
また、ベベル面の最内径Ｆｂ、第二拡散層１２の内部界面および第三拡散層１３の内部界面が互いに交差する部分の直径Ｅｂ、アノード電極２２の最外径Ｅａ、第四ライフタイム制御領域３４の内部界面の最内径Ｆａとして、Ｆｂ＞Ｅｂ＞Ｅａ＞Ｆａの関係をなすことが好ましい。これによって基板側面付近での電流密度および温度上昇が抑制されて、動作温度を向上させることができる。
【００８８】
また、第二拡散層１２の内部界面および第三拡散層１３の内部界面が互いに交差する部分の直径Ｅｂ、アノード電極の最外径Ｅａ、第二拡散層１２の深さＤ２として、Ｅｂ−Ｅａ＞２×Ｄ２の関係をなすことが好ましい。これによってアノード電極のエッジから第二拡散層１２と第三拡散層１３の交差部分までの投影間隔が第二拡散層１２の深さＤ２より大きくなるため、第二拡散層１２へ流れ込む電流が少なくなり、基板側面付近での電流密度および温度上昇が抑制されて、動作温度を向上させることができる。なお、基板側面にベベル面ＢＶを形成した場合、第二拡散層１２の深さＤ２は、第二拡散層１２の内部界面とベベル面ＢＶとが互いに交差する部分から基板裏面までの距離で定義される。
【００８９】
また、第二拡散層１２の内部界面および第三拡散層１３の内部界面が互いに交差する部分の直径Ｅｂ、第四拡散層１４の最外径Ｅｃ、第一拡散層１１の内部界面から第三拡散層１３の内部界面までの距離Ｄ５として、Ｅｃ＜Ｅｂ−Ｄ５の関係をなすことが好ましい。これによって基板側面付近での電流密度および温度上昇が抑制されて、動作温度を向上させることができる。なお、図５の断面図は、理解容易のため、高さ方向の縮尺を拡大描写している。
【００９０】
図６は、本発明に係る圧接型半導体装置の実装例を示す断面図である。上述のように構成された圧接型半導体装置１は、アノード側に配置された電極板５１および外部アノード電極５２と、カソード側に配置された電極板５３および外部カソード電極５４によって加圧挟持される。外部アノード電極５２と外部カソード電極５４は、電気絶縁材料からなるケーシング５５に取り付けられる。こうした圧接型実装構造は、電極５２，５４が半導体装置１のヒートシンクとして機能するため、高電圧大電流の電力制御に好適である。
【００９１】
図８は、逆回復特性のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。横軸は時間であり、左の縦軸は電流および電圧であり、右の縦軸は電力損失である。実線グラフは本発明のもの（図２）で、破線グラフは従来構造のものを示す。
【００９２】
時間１５μｍにおいてターンオン状態であり、アノード電流は約８００Ａ、アノード電圧は約０Ｖ、電力損失は約０ＭＶＡを示す。
【００９３】
時間１８μｍにおいてアノード電極に逆電圧が印加されて電流が減少し、時間２０μｍにおいて逆回復電流がピークに達する。このとき破線グラフは約−１０００Ａであるが、実線グラフは約−８００Ａに抑制されている。
【００９４】
時間２１μｍにおいて電力損失はピークに達し、破線グラフは約３．１ＭＶＡであるが、実線グラフは約２．５ＭＶＡに抑制されている。
【００９５】
時間２２μｍ付近において、最大逆電圧ＶＲＭはピークに達し、破線グラフは約−５５００Ｖであるが、実線グラフは約−５５００Ｖに抑制されている。
【００９６】
このようにサイリスタのエミッタ層として、Ｐ型の第二拡散層１２およびＰ＋型の第三拡散層１３の二段形成を採用することによって、逆回復特性が改善されていることが判る。
【００９７】
図９は、逆阻止電圧特性のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。横軸は逆阻止電圧であり、縦軸は洩れ電流である。実線グラフは本発明のもの（図２）で、破線グラフは従来構造のものを示す。
【００９８】
逆阻止電圧が７５００Ｖのとき、破線グラフは約０．２μＡであるが、実線グラフは約０．１μＡに抑制されている。逆阻止電圧が８０００Ｖのとき、破線グラフは約０．８μＡであるが、実線グラフは約０．１５μＡに抑制されている。
【００９９】
また最大逆阻止電圧について、破線グラフは約８０５０Ｖであるが、実線グラフは約８３００Ｖに向上している。
【０１００】
このようにサイリスタのエミッタ層として、Ｐ型の第二拡散層１２より深さが小さいＰ＋型の第三拡散層１３を形成することによって、逆阻止電圧特性が改善されていることが判る。
【０１０１】
以上の説明では、第１導電型としてＮ型、第２導電型としてＰ型、第１電極としてカソード電極、第２電極としてアノード電極を例示したが、極性反転の構成でも本発明は同様に適用可能である。
【０１０２】
【発明の効果】
以上詳説したように、サイリスタのエミッタ層として、拡散層の構造および深さを工夫することによって、逆阻止耐圧特性や逆回復特性を格段に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示し、図１（ａ）は垂直断面図、図１（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示し、図２（ａ）は垂直断面図、図２（ｂ）は平面図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す垂直断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態を示す垂直断面図である。
【図５】本発明の第５実施形態を示し、図５（ａ）は垂直断面図、図５（ｂ）は平面図である。
【図６】本発明に係る圧接型半導体装置の実装例を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）はターンオフ時の逆回復電荷Ｑｒｒと残留キャリアのライフタイムとの関係を示すグラフであり、図７（ｂ）はターンオフ時の逆回復電流波形を示すグラフである。
【図８】逆回復特性のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【図９】逆阻止電圧特性のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 半導体基板、 １１ 第一拡散層、 １２ 第二拡散層、 １３ 第三拡散層、 １４ 第四拡散層、 ２１ カソード電極、 ２２ アノード電極、
２３ ゲート電極、 ３１ 第一ライフタイム制御領域、 ３２ 第二ライフタイム制御領域、 ３３ 第三ライフタイム制御領域、 ３４ 第四ライフタイム制御領域、 ＢＶ ベベル面。

Claims (13)

  1. 第１導電型の半導体基板と、
    半導体基板の第１面において、第２導電型不純物の拡散によって形成された第一拡散層と、
    半導体基板の第１面において、第１導電型不純物の拡散によって第一拡散層より浅く形成された第四拡散層と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第一拡散層と接触するゲート電極と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第四拡散層と接触する第１電極と、
    半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって形成された第二拡散層と、
    半導体基板の第２面に設けられ、第二拡散層と接触する第２電極とを備え、
    第一拡散層の深さＤ１と第二拡散層の深さＤ２とが、Ｄ１＞Ｄ２の関係をなすことを特徴とする圧接型半導体装置。
  2. 第１導電型の半導体基板と、
    半導体基板の第１面において、第２導電型不純物の拡散によって形成された第一拡散層と、
    半導体基板の第１面において、第１導電型不純物の拡散によって第一拡散層より浅く形成された第四拡散層と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第一拡散層と接触するゲート電極と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第四拡散層と接触する第１電極と、
    半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出するように局所的に形成された第二拡散層と、
    半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出しないように局所的に形成された第三拡散層と、
    半導体基板の第２面に設けられ、第三拡散層と接触する第２電極とを備え、
    第二拡散層の深さＤ２と第三拡散層の深さＤ３とが、Ｄ２＞Ｄ３の関係をなすことを特徴とする圧接型半導体装置。
  3. 第１導電型の半導体基板と、
    半導体基板の第１面において、第２導電型不純物の拡散によって形成された第一拡散層と、
    半導体基板の第１面において、第１導電型不純物の拡散によって第一拡散層より浅く形成された第四拡散層と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第一拡散層と接触するゲート電極と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第四拡散層と接触する第１電極と、
    半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出するように局所的に形成された第二拡散層と、
    半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出しないように局所的に形成された第三拡散層と、
    半導体基板の第２面に設けられ、第三拡散層と接触する第２電極とを備え、
    第一拡散層の深さＤ１、第二拡散層の深さＤ２、第三拡散層の深さＤ３として、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係をなすことを特徴とする圧接型半導体装置。
  4. 第二拡散層のキャリア濃度と第三拡散層のキャリア濃度とが異なることを特徴とする請求項２または３記載の圧接型半導体装置。
  5. 第１導電型の半導体基板と、
    半導体基板の第１面において、第２導電型不純物の拡散によって形成された第一拡散層と、
    半導体基板の第１面において、第１導電型不純物の拡散によって第一拡散層より浅く形成された第四拡散層と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第一拡散層と接触するゲート電極と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第四拡散層と接触する第１電極と、
    半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出するように局所的に形成された第二拡散層と、
    半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出しないように局所的に形成された第三拡散層と、
    半導体基板の第２面に設けられ、第三拡散層と接触する第２電極とを備え、
    半導体基板の内部において、半導体基板より短いライフタイムを有する複数のライフタイム制御領域が基板面と略平行に形成されており、
    第二拡散層および第三拡散層に最も近接した第一ライフタイム制御領域は、第二拡散層および第三拡散層に２番目に近接した第二ライフタイム制御領域よりも短いライフタイムを有することを特徴とする圧接型半導体装置。
  6. 第二拡散層および第三拡散層に最も近接した第一ライフタイム制御領域は、各ライフタイム制御領域のうちで最も短いライフタイムを有することを特徴とする請求項５記載の圧接型半導体装置。
  7. 半導体基板の内部において、半導体基板より短いライフタイムを有する３つのライフタイム制御領域が形成されており、
    第二拡散層および第三拡散層に最も近接した第一ライフタイム制御領域のライフタイムτ１、２番目に近接した第二ライフタイム制御領域のライフタイムτ２、３番目に近接した第三ライフタイム制御領域のライフタイムτ３として、τ１＜τ２＜τ３の関係をなすことを特徴とする請求項６記載の圧接型半導体装置。
  8. 第１導電型の半導体基板と、
    半導体基板の第１面において、第２導電型不純物の拡散によって形成された第一拡散層と、
    半導体基板の第１面において、第１導電型不純物の拡散によって第一拡散層より浅く形成された第四拡散層と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第一拡散層と接触するゲート電極と、
    半導体基板の第１面に設けられ、第四拡散層と接触する第１電極と、
    半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出するように局所的に形成された第二拡散層と、
    半導体基板の第２面において、第２導電型不純物の拡散によって基板側面に露出しないように局所的に形成された第三拡散層と、
    半導体基板の第２面に設けられ、第三拡散層と接触する第２電極とを備え、
    半導体基板より短いライフタイムを有するライフタイム制御領域が、基板側面に沿った外周部に形成されており、
    ライフタイム制御領域の内部界面は、第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分より内側に配置されることを特徴とする圧接型半導体装置。
  9. 基板側面に沿ってベベル面が形成されており、
    第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分は、ベベル面の最内径部分より内側に配置されることを特徴とする請求項８記載の圧接型半導体装置。
  10. 第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分は、第２電極の最外径部分より外側に配置されることを特徴とする請求項８または９記載の圧接型半導体装置。
  11. 基板側面に沿ってベベル面が形成されており、
    ベベル面の最内径Ｆｂ、第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分の直径Ｅｂ、第２電極の最外径Ｅａ、ライフタイム制御領域の内部界面の最内径Ｆａとして、Ｆｂ＞Ｅｂ＞Ｅａ＞Ｆａの関係をなすことを特徴とする請求項８記載の圧接型半導体装置。
  12. 第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分の直径Ｅｂ、第２電極の最外径Ｅａ、第二拡散層の深さＤ２として、Ｅｂ−Ｅａ＞２×Ｄ２の関係をなすことを特徴とする請求項８記載の圧接型半導体装置。
  13. 第二拡散層の内部界面および第三拡散層の内部界面が互いに交差する部分の直径Ｅｂ、第四拡散層の最外径Ｅｃ、第一拡散層の内部界面から第三拡散層の内部界面までの距離Ｄ５として、Ｅｃ＜Ｅｂ−Ｄ５の関係をなすことを特徴とする請求項８記載の圧接型半導体装置。
JP2003075548A 2003-03-19 2003-03-19 圧接型半導体装置 Pending JP2004288680A (ja)

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