JP2596126B2 - Epitaxial gate turn-off thyristor - Google Patents

Epitaxial gate turn-off thyristor

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JP2596126B2 JP1142612A JP14261289A JP2596126B2 JP 2596126 B2 JP2596126 B2 JP 2596126B2 JP 1142612 A JP1142612 A JP 1142612A JP 14261289 A JP14261289 A JP 14261289A JP 2596126 B2 JP2596126 B2 JP 2596126B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ゲート電極の設けられる第二導電形のベー
ス層の上に分散配置される第一導電形のアミッタ層がエ
ピタキシャル技術を用いた低不純物濃度の第二導電形の
層を介して形成されるエピタキシャルゲートターンオフ
(GTO)サイリスタに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] In the present invention, an amitter layer of a first conductivity type dispersed and arranged on a base layer of a second conductivity type provided with a gate electrode uses an epitaxial technique. The present invention relates to an epitaxial gate turn-off (GTO) thyristor formed through a low impurity concentration second conductivity type layer.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

GTOサイリスタは、最大制御電流の大きいことが望ま
れる。一般にGTOサイリスタの最大制御電流を向上させ
るために、ゲートインピーダンスを減少させる方法ある
いはターンオフ時に、ゲート・カソード間にかける逆バ
イアス電圧が大きく出来るようにゲート・カソード間の
逆耐圧を大きくする方法が考えられている。拡散法によ
りnエミッタ,pベースを形成するGTOサイリスタでは、
ゲート・カソード間の逆耐圧とゲートインピーダンスの
間には、互いに相反する関係がある。すなわち、ゲート
インピーダンスを小さくするためには、ゲート部のpベ
ース層の濃度が高くなければならない。しかしながらゲ
ート・カソード間の逆耐圧を大きくするためには、pベ
ース層の濃度が低くなければならない。これらの相反す
る特性を解決するために、pベース層とnエミッタ層の
間にエピタキシャル技術による低濃度のp-層を設けるエ
ピタキシャルGTOサイリスタが考案されるに至ってい
る。
It is desired that the GTO thyristor has a large maximum control current. Generally, in order to improve the maximum control current of the GTO thyristor, a method of reducing the gate impedance or a method of increasing the reverse withstand voltage between the gate and the cathode so that the reverse bias voltage applied between the gate and the cathode at the time of turn-off can be increased is considered. Have been. In a GTO thyristor that forms an n emitter and a p base by the diffusion method,
There is a conflicting relationship between the reverse withstand voltage between the gate and the cathode and the gate impedance. That is, in order to reduce the gate impedance, the concentration of the p base layer in the gate portion must be high. However, in order to increase the reverse breakdown voltage between the gate and the cathode, the concentration of the p base layer must be low. In order to solve these contradictory characteristics, an epitaxial GTO thyristor in which a low-concentration p layer is formed between a p base layer and an n emitter layer by an epitaxial technique has been devised.

以下、このエピタキシャルGTOサイリスタの構造を図
を引用して説明する。従来のエピタキシャルGTOサイリ
スタは、第2図に示すような断面構造を備え、シリコン
基板はpエミッタ層1,nベース層2,p+ベース層3,p-エピ
タキシャルベース層4,nエミッタ層5を有し、nエミッ
タ層5とp-エピタキシャルベース層4はp+ベース層3に
囲まれた多数の島状セグメントとして形成されている。
pエミッタ層1およびnエミッタ層5には、それぞれア
ノード電極6およびカソード電極7が被着しており、例
えば加圧接触電極体を介して、それぞれ主端子に接続さ
れる。また、p+ベース層3には、ゲート電極8が被着し
ている。なお、島状セグメントの側面に保護膜としての
酸化膜9に覆われている。
Hereinafter, the structure of the epitaxial GTO thyristor will be described with reference to the drawings. A conventional epitaxial GTO thyristor has a cross-sectional structure as shown in FIG. 2, and a silicon substrate has a p emitter layer 1, an n base layer 2, a p + base layer 3, a p epitaxial base layer 4, and an n emitter layer 5, The n emitter layer 5 and the p epitaxial base layer 4 are formed as a number of island-shaped segments surrounded by the p + base layer 3.
An anode electrode 6 and a cathode electrode 7 are attached to the p emitter layer 1 and the n emitter layer 5, respectively, and are connected to the main terminals via, for example, a pressure contact electrode body. Further, a gate electrode 8 is adhered to the p + base layer 3. The side surfaces of the island-shaped segments are covered with an oxide film 9 as a protective film.

このようなエピタキシャルGTOサイリスタは、カソー
ド電極7に対してアノード電極6の電圧が正の時、カソ
ード電極7とゲート電極8の間でゲート電極8に電流を
流し込むとオフ状態からオン状態に移行し、反対にゲー
ト電極8から電流を引き抜くとオン状態からオフ状態に
転ずる。
Such an epitaxial GTO thyristor shifts from an off state to an on state when a current is applied to the gate electrode 8 between the cathode electrode 7 and the gate electrode 8 when the voltage of the anode electrode 6 is positive with respect to the cathode electrode 7. Conversely, when a current is drawn from the gate electrode 8, the state changes from the on state to the off state.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記のようなエピタキシャルGTOサイリスタでは、p-
エピタキシャルベース層4にnエミッタ層5が設けられ
ているため、ゲート・カソード間の接合での不純物濃度
が低く、逆耐圧は従来の20〜30Vから100〜150Vへと約5
倍に向上させることができる。このことは、ゲート・カ
ソード間に印加する逆バイアスを従来素子の約5倍に高
めることが出来るということであり、それゆえ、ゲート
からの引き抜き能力が5倍に向上することになる。しか
しながら、nエミッタ層5直下のp-ベース層4の濃度が
従来素子のpベース層濃度に対して低いので、その部分
のインピーダンスは従来素子よりも大きくなる。従っ
て、濃度の高いp+拡散ベース層3を通して、ターンオフ
時にはゲートから電流を引き抜くことが必要となるわけ
である。このp+拡散ベース層3は、拡散による不純物濃
度分布を持っていて、p-エピタキシャルベース層4との
境界近傍が不純物濃度が高い。それ故、ゲートエッチン
グ時にこのp+層3の不純物濃度の高い部分まで均等にエ
ッチングされない場合には、ゲートインピーダンスにば
らつきが生じ、最大ターンオフ電流を著しく損なうこと
となる。従来のゲートエッチング技術では、30μmエッ
チングした時、4インチウエハで5μm程度のエッチン
グのばらつきが生じ、ゲートインピーダンスのばらつき
の原因となったり、p-低濃度エピタキシャル層4を全部
エッチングしないで残してしまうことがさけられない状
態であった。特に、p-エピタキシャル層4が残るとゲー
トインピーダンスは極端に上がるという問題があった。
In the epitaxial GTO thyristor, such as described above, p -
Since the n-emitter layer 5 is provided on the epitaxial base layer 4, the impurity concentration at the junction between the gate and the cathode is low, and the reverse breakdown voltage is reduced from about 20 to 30V to about 100 to 150V.
Can be improved by a factor of two. This means that the reverse bias applied between the gate and the cathode can be increased to about five times that of the conventional device, and therefore, the ability to pull out from the gate is improved to five times. However, since the concentration of the p base layer 4 immediately below the n emitter layer 5 is lower than the concentration of the p base layer of the conventional device, the impedance at that portion becomes larger than that of the conventional device. Therefore, it is necessary to draw a current from the gate at the time of turn-off through the p + diffusion base layer 3 having a high concentration. The p + diffusion base layer 3 has an impurity concentration distribution due to diffusion, and the vicinity of the boundary with the p epitaxial base layer 4 has a high impurity concentration. Therefore, if the portion of the p + layer 3 where the impurity concentration is high is not uniformly etched during the gate etching, the gate impedance varies and the maximum turn-off current is significantly impaired. In the conventional gate etching technique, when etching 30 μm, a variation of about 5 μm occurs on a 4-inch wafer, causing a variation in gate impedance or leaving the p low-concentration epitaxial layer 4 entirely without etching. It was in a state where I couldn't help. In particular, there is a problem that the gate impedance is extremely increased when the p - epitaxial layer 4 remains.

本発明の目的は、上述の問題を解決し、最大ターンオ
フ電流の向上に必要な小さいゲート引き抜き抵抗をばら
つきなく形成できるエピタキシャルGTOサイリスタを提
供することにある。
An object of the present invention is to provide an epitaxial GTO thyristor capable of solving the above-mentioned problem and forming a small gate pull-out resistance required for improving a maximum turn-off current without variation.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上述の目的を達成するために、本発明は、一方の面に
ゲート電極が形成され、他方の面に第一導電形のベース
層が形成される第二導電形のベース層の一方の面に選択
的に凸状の低不純物濃度第二導電形エピタキシャル層が
形成され、そのエピタキシャル層の表面部に選択的に第
一導電形のエミッタ層が形成されるものにおいて、第二
導電形ベース層の一方の面とゲート電極の間および凸状
のエピタキシャル層の側面に連続して高不純物濃度第一
導電形層が形成されたものとする。
In order to achieve the above-described object, the present invention provides a method for forming a gate electrode on one surface and forming a base layer of a first conductivity type on the other surface. A selectively low-impurity-concentration second-conductivity-type epitaxial layer is formed selectively, and an emitter layer of the first-conductivity-type is selectively formed on the surface of the epitaxial layer. It is assumed that a high impurity concentration first conductivity type layer is formed continuously between one surface and the gate electrode and on the side surface of the convex epitaxial layer.

〔作用〕[Action]

第二導電形ベース層の一方の面とゲート電極の間およ
び凸状のエピタキシャル層の側面に連続して形成された
高不純物濃度第二導電形層はゲート引き抜き電流の径路
となり、たとえ凹部のエッチング深さにばらつきがあっ
ても低ゲートインピーダンスが確保できる。一方、第二
導電形のベースと第一導電形のエミッタの間のpn接合
は、低不純物濃度第二導電形エピタキシャル層とその表
面部に選択的に形成された第一導電形エミッタ層の間に
存在するので高い逆耐圧が十分確保できる。
The high impurity concentration second conductivity type layer formed continuously between one surface of the second conductivity type base layer and the gate electrode and on the side surface of the convex epitaxial layer serves as a path for the gate pull-out current, even if the recess is etched. Low gate impedance can be ensured even if the depth varies. On the other hand, the pn junction between the base of the second conductivity type and the emitter of the first conductivity type is between the low impurity concentration second conductivity type epitaxial layer and the first conductivity type emitter layer selectively formed on the surface thereof. Therefore, a high reverse withstand voltage can be sufficiently ensured.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の一実施例のエピタキシャルGTOサイ
リスタの断面構造を示し、第2図と共通の部分には同一
の符号が付されている。この場合も第2図のサイリスタ
と同様、p-エピタキシャルベース層4はp+ベース層3に
囲まれた多数の島状のセグメントとして形成され、その
表面部に選択的にnエミッタ層5が設けられている。従
って、nエミッタ層5はp-エピタキシャルベース層4に
囲まれ、その間に生ずるpn接合が高い逆耐圧を有する。
第2図のサイリスタと異なる点は、エッチングにより形
成されたベース層3の表面およびエピタキシャル層4の
側面に斜線を引いて示したp++拡散層10が設けられてい
ることである。このp++拡散層は、島状カソードセグメ
ントの周囲をエッチングにより掘り下げて凹部を形成す
るときにカソードセグメント部を保護した酸化膜マスク
をそのまま使用した公知のセルフアライメント方式の選
択拡散により形成される。凹部形成のための掘り下げエ
ッチングにばらつきがあって、凹部底面のp+ベース層の
表面不純物濃度にばらつきがあったり、あるいはp-エピ
タキシャル層が残ることがあっても、このp++層の拡散
により高不純物濃度のゲート引き抜き電流の径路が形成
され、低ゲートインピーダンスが確保される。なお、以
上の実施例はpベース層にゲート電極を設けたGTOサイ
リスタについて述べたが、nベース層にゲート電極を設
けたエピタキシャル層GTOサイリスタについても同様に
本発明を実施できる。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of an epitaxial GTO thyristor according to one embodiment of the present invention, and portions common to FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. Also in this case, similarly to the thyristor shown in FIG. 2, the p epitaxial base layer 4 is formed as a large number of island-shaped segments surrounded by the p + base layer 3, and the n emitter layer 5 is selectively provided on the surface thereof. Have been. Therefore, n emitter layer 5 is surrounded by p epitaxial base layer 4, and the pn junction generated between them has a high reverse breakdown voltage.
The difference from the thyristor shown in FIG. 2 is that a p ++ diffusion layer 10 indicated by oblique lines is provided on the surface of the base layer 3 formed by etching and the side surface of the epitaxial layer 4. This p ++ diffusion layer is formed by a well-known self-alignment type selective diffusion using an oxide film mask protecting the cathode segment portion as it is when the recess around the island-shaped cathode segment is dug down by etching. . Even if there is a variation in the depth etching for forming the recess and the surface impurity concentration of the p + base layer on the bottom of the recess varies, or the p - epitaxial layer remains, the diffusion of this p + + layer As a result, a path for a gate extraction current having a high impurity concentration is formed, and a low gate impedance is ensured. In the above embodiment, the GTO thyristor in which the gate electrode is provided in the p base layer has been described. However, the present invention can be similarly applied to the epitaxial layer GTO thyristor in which the gate electrode is provided in the n base layer.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、第二導電形のベース層と第一導電形
のエミッタ層との間に、低不純物濃度のエピタキシャル
ベース層を介在させてゲート電極と隣接主電極の間の逆
耐圧を従来素子の約5倍としたエピタキシャルGTOサイ
リスタの第二導電形ベース層の表面および凸状のエピタ
キシャル層の側面に連続して第二導電形の高不純物濃度
層を設けてゲート電極への引き抜き電流の径路としたた
め、最大ターンオフ電流で従来素子の約3倍の能力を持
つエピタキシャルGTOサイリスタを得ることが可能とな
った。
According to the present invention, a reverse breakdown voltage between a gate electrode and an adjacent main electrode is conventionally reduced by interposing a low impurity concentration epitaxial base layer between a second conductivity type base layer and a first conductivity type emitter layer. A high impurity concentration layer of the second conductivity type is provided continuously on the surface of the second conductivity type base layer of the epitaxial GTO thyristor and the side surface of the convex epitaxial layer, which is about five times as large as the device, so that the extraction current to the gate electrode can be reduced. Because of the path, it was possible to obtain an epitaxial GTO thyristor with a maximum turn-off current and approximately three times the capacity of the conventional device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例のエピタキシャルGTOサイリ
スタの断面図、第2図は従来のエピタキシャルGTOサイ
リスタの断面図である。 1:pエミッタ層、2:nベース層、3:p+ベース層、4:p-エピ
タキシャルベース層、5:nエミッタ層、6:アノード電
極、7:カソード電極、8:ゲート電極、10:p++拡散層。
FIG. 1 is a sectional view of an epitaxial GTO thyristor according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of a conventional epitaxial GTO thyristor. 1: p emitter layer, 2: n base layer, 3: p + base layer, 4: p - epitaxial base layer, 5: n emitter layer, 6: anode electrode, 7: cathode electrode, 8: gate electrode, 10: p ++ diffusion layer.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】一方の面にゲート電極が形成され、他方の
面に第一導電形のベース層が形成される第二導電形のベ
ース層の一方の面に選択的に凸状の低不純物濃度第二導
電形エピタキシャル層が形成され、そのエピタキシャル
層の表面部に選択的に第一導電形のエミッタ層が形成さ
れるものにおいて、第二導電形ベース層の一方の面とゲ
ート電極の間および凸状のエピタキシャル層の側面に連
続して高不純物濃度第二導電形層が形成されたことを特
徴とするエピタキシャルゲートターンオフサイリスタ。
A first conductive type base layer having a gate electrode formed on one surface and a first conductive type base layer formed on the other surface; A second conductivity type epitaxial layer is formed, and an emitter layer of the first conductivity type is selectively formed on a surface portion of the epitaxial layer. An epitaxial gate turn-off thyristor, wherein a high impurity concentration second conductivity type layer is continuously formed on a side surface of the convex epitaxial layer.
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