JP2746301B2 - 半導体整流素子 - Google Patents

半導体整流素子

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は半導体整流素子に係り、特に第1の導電型半
導体領域と第2の導電型半導体領域とを接合させること
によって構成された半導体整流素子に関する。
[従来の技術] PN接合ダイオードにおいて、スッチング速度の向上
は、強く要望されている。ところが、単結晶を用いたPN
接合ダイオードでは、バルク中でのキャリアライフタイ
ムが長いため、ON状態からOFF状態に切り換えたとき、
残留している過剰少数キャリアによる遅延時間が長くス
イッチング速度に限界があった。
これを解決するために、従来はPNダイオードに重金
属、例えば金を再結合中心として導入したり、多結晶上
にPN接合ダイオードを形成し粒界欠陥を再結合中心とし
て利用することで、少数キャリアのライフタイムを短か
くし、遅延時間の短縮を図っていた。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記従来例において、金を再結合中心
として導入する場合では、金原子に電界集中が生じると
いう問題点があり、粒界欠陥を再結中心として利用する
場合では、高濃度層付近の粒界には不純物が偏析してい
るため、接合面を横切る結晶粒界に電界集中が生じる問
題点があった。
その結果、電界降伏がおこり、暗電流成分の増加がお
きることとなる。
第9図は、PN接合ダイオードの電流−電圧特性を示す
特性図である。
同図において、破線は電界降伏による暗電流成分の増
加を示すものである。
[課題を解決するための手段] 本発明の半導体整流素子は、第1の導電型半導体領域
と第2の導電型半導体領域との接合を有する半導体整流
素子において、 第1の導電型半導体領域の第1の単結晶粒と、 該第1の単結晶粒との間に結晶粒界を形成する、該結
晶粒界に交わらない第1の導電型半導体領域と第2の導
電型半導体領域との接合面を有する第2の単結晶粒と、 該第1の単結晶粒及び該第2の導電型半導体領域に対
応する該第2の単結晶粒の夫々に設けられた電極と、を
有し、 前記結晶粒界は、前記第1の単結晶粒と前記第2の単
結晶粒の第1の導電型半導体領域とが接して形成されて
いるものである。
[作用] 本発明の半導体整流素子は、結晶粒界を接合面と交わ
らないように、且つ電極との間に配置し粒界欠陥を有効
に再結合中心として導入することで、高速動作可能で良
好な電流−電圧特性を持つ半導体整流素子を作製可能と
するものである。
[実施例] 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。
まず、本発明の実施例の半導体整流素子に用いる結晶
粒界を有する結晶基板を作成する製造工程について説明
する。
以下の製造工程は、欧州特許出願公開第0244,081号に
開示した結晶成長方法を用いたものである。
第4図(a)〜(e)は、本発明の実施例の半導体整
流素子に用いる結晶基板を作成する製造工程を示す縦断
面図である。
第5図は、SiO2膜上に設けたSiO3N4膜を示す斜視図で
あり、第4図(a)に示す製造工程に対応するものであ
る。
まず、第4図(a)および第5図に示すように、(10
0)のシリコンウェハー上に熱酸化法を用いて2000Åの
非核形成面たるSiO2膜1を形成する。このSiO2膜1上に
SiO3N4膜を300Å堆積させ、さらに2μm口の大きさ
で、間隔b(ここでは、b=100μm)で配置されるよ
うに公知の微細加工技術を用いて前記Si3N4膜をパター
ンニングする。形成された核形成面たるSi3N4膜8を以
下サイトと呼ぶ。
次に、第4図(b)に示すように、Si2Cl2/HCl/H2/P
H3系の気相成長法を施すと、SiO2に比べSi3N4が核形成
密度が大きいため、サイト8のみにSiの結晶核を形成す
ることができ、サイト8を十分小さくすれば、サイト8
のみに一つだけSiの結晶核9を形成することができる。
次に、第4図(c)に示すように、引き続き結晶を成
長させると、サイト8上の一つの結晶核9のみが成長を
続けてSi単結晶粒10が形成され、さらにこのSi単結晶粒
10を成長させることができる。
次に、第4図(d)に示すように、隣りのサイト8か
ら成長して来たSi単結晶粒10どうしがサイト8間の中央
でぶつかり結晶粒界11を形成する。なお、この結晶粒界
11は図示したように基板に対して垂直方向に形成され
る。
次に、第4図(e)に示すように、Si単結晶粒10がぶ
つかって結晶粒界11が形成された基板を厚さが2μmに
なるまで研磨し単結晶層2を形成する。この結果、結晶
粒界の位置が100μm間隔の格子状に制御された、リン
(P)濃度、1×1016atom/cm3のn型シリコン結晶基
板を得た。
なお、結晶粒界の位置が制御された結晶基板は、本発
明においては重要な構成部材であり、前述した欧州特許
出願公開第0244,081号に開示した結晶成長方法を用い
て、かかる結晶基板を形成することができるが、この結
晶成長方法に限定されるものではない。
以上説明した製造工程で作成されたn型シリコン結晶
基板を用いて、本発明の半導体整流素子を次のようにし
て作製することができる。
(実施例1) 第1図は、本発明の実施例1の半導体整流素子の構成
を説明するための部分断面図である。
第2図は、上記半導体整流素子の部分平面図である。
第3図は、上記半導体整流素子の結晶粒界の配置を説
明するための部分断面図である。
まず、第4図(e)に示したn型シリコン結晶基板に
対しSiO2膜を5000Åつける。そして第4図(e)に示す
単結晶層2の中の一単結晶粒の中のみに不純物高濃度領
域ができるように一単結晶粒の中央を中心として、93μ
m角でSiO2膜を除去する(なお、第3図の13は残された
SiO2膜を示している。)。残されたSiO2膜をマスクとし
てBN拡散を1000℃,2時間で行い、拡散層を下地まで到達
させて、第1図に示す高濃度のp型半導体領域3を形成
する。第3図において、13はBN拡散のマスク用酸化膜を
示し、cは結晶粒界5からSiO2膜の端部までの距離(こ
こでは約3.5μm)、dはBN拡散による横方向の拡散の
距離(深さの70%程度で、ここでは約1.4μm)を示
す。p型半導体領域3およびn型半導体領域2aの研磨を
行った主表面と結晶粒界5とは直角に形成されており、
結晶粒界5は接合面6とほぼ平行に形成されている。
このp+型半導体領域3が形成されている単結晶粒に隣
接するn型単結晶粒(n型半導体領域2a)にコンタクト
を取るためのn+半導体領域4を形成するため、熱酸化膜
を4000Åつけたあと、選択的にSiO2膜を除去し、P−CV
DでPSG膜4000Åを堆積させ9000℃,30分の熱処理を施
し、不純物(P)を拡散させた。そして、第2図に示す
ように、コンタクトホールをあけ、アルミ(Al)を蒸着
し電極とした。保護膜として、SiO2膜を1000Å堆積させ
た。
ここで、重要なことは第3図に示すように、結晶粒界
5が空乏端12から拡散長Lp(Lpは正孔の拡散長)までの
領域にあるということである。本実施例においては、拡
散長Lpは〜5μm程度であり、接合面6はBN拡散による
横方向の拡散距離dも考慮にいれると結晶粒界5から約
2μmのところに位置している。また空乏層幅は、20vo
ltで約1μmであるため、第3図に示すように、空乏端
12から拡散長Lp内に結晶粒界5が位置している。
本実施例においては、空乏端12から拡散長Lpまでの領
域に過剰少数キャリアが多く存在しており、この領域内
にある再結合中心が最も有効に働くことから、この領域
に粒界欠陥を設けることでスイッチングの高速化が可能
である。すなわち、本発明は、結晶粒界を接合面と交わ
らないように、且つ電極との間に配置し粒界欠陥を有効
に再結合中心として導入することで、高速動作可能で良
好な電流−電圧特性を持つ半導体整流素子を可能にした
のである。
粒界欠陥は欠陥準位が金の0.2eVよりも中央にあると
考えられ、金よりも有効な再結合中心として働く。そし
てその密度は約1012〜1013/cm2であるため、金を再結
合中心に用いたときの1017/cM3以上に対応する。この
結果逆方向電流密度は〜10-8AとCz法によって得られた
単結晶基板に作成したものと遜色ない。
本実施例の半導体整流素子は、低暗電流の良好なI−
V特性を示し、なおかつ第8図に示す回路を用いて、 となるよう外部回路を設定し、逆方向回復時間を測定し
たところ、〜5nsecという高速スイッチング特性を示し
た。
(実施例2) 本実施例は、前述した実施例1を二次元に配置したも
のである。
第6図は、本発明の実施例2の半導体整流素子の構成
を示す部分平面図である。
第7図は、上記半導体整流素子の配線状態を示す部分
平面図である。
第6図に示すように、本実施例は千鳥模様、すなわ
ち、P型半導体領域とN型半導体領域とが列,行とで交
互に配置されている。なお、第6図は10×10のマトリク
スに配置したものの一部を示すものである。
本実施例の半導体整流素子についても、実施例1と同
様に欧州特許出願公開第0244,081号に開示した結晶成長
方法を用いて作成することができ、ガス系はSiCl2H2/H
2/HCl系で、結晶粒径が50μmとなるように成長させた
のち、単結晶層の厚さが2μmとなるまで研磨した。
以下、実施例1と同様な条件で、P+層,N+層を設けた
のち、コンタクトホールおよびAl配線を形成し、さらに
保護膜としてスパッタ法によってSiO2を10000Å堆積さ
せた。
なお、実施例1においては、デバイスが占有する面積
に比して充分な接合面積を得ることができないため、比
較的大きな電流を必要とする場合には充分対応できない
が、本実施例においては、千鳥模様に配列することによ
り、同じ面積で2倍以上の電流値を得ることができる。
従って、このような配置をとることで、少ないスペース
に大きい接合面積を持つ半導体整流素子も作製可能とな
る。
本実施例において得られる半導体整流素子は、第9図
の実線に示すように良好なI−V特性が得られ、且つス
イッチング速度は、第8図に示す回路を用いて、 となるよう外部回路を設定し、逆方向回復時間を測定し
たところ、〜5nsecという高速スイッチング特性を示し
た。
[発明の効果] 以上詳細に説明したように、本発明による半導体整流
素子によれば、I−V特性が良好で且つ逆方向回復時間
が、nsecオーダーの速度動作が可能な半導体整流素子の
実現が可能となった。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施例1の半導体整流素子の構成を
説明するための部分断面図である。 第2図は、上記半導体整流素子の部分平面図である。 第3図は、上記半導体整流素子の結晶粒界の配置を説明
するための部分断面図である。 第4図(a)〜(e)は、本発明の実施例の半導体整流
素子に用いる結晶基板を作成する製造工程を示す縦断面
図である。 第5図は、SiO2膜上に設けたSi3N4膜を示す斜視図であ
る。 第6図は、本発明の実施例2の半導体整流素子の構成を
示す部分平面図である。 第7図は、本発明の実施例2の半導体整流素子の配線状
態を示す部分平面図である。 第8図は、本発明の実施例の半導体整流素子の逆方向回
復時間を測定した回路を示す回路図である。 第9図は、PN接合ダイオードの電流−電圧特性を示す特
性図である。 1:SiO2膜、2:単結晶層、3:p型半導体領域、4:n+半導体
領域、5:結晶粒界、6:接合面、12:空乏端、13:BN拡散の
マスク用酸化膜。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の導電型半導体領域と第2の導電型半
    導体領域との接合を有する半導体整流素子において、 第1の導電型半導体領域の第1の単結晶粒と、 該第1の単結晶粒との間に結晶粒界を形成する、該結晶
    粒界に交わらない第1の導電型半導体領域と第2の導電
    型半導体領域との接合面を有する第2の単結晶粒と、 該第1の単結晶粒及び該第2の導電型半導体領域に対応
    する該第2の単結晶粒の夫々に設けられた電極と、を有
    し、 前記結晶粒界は、前記第1の単結晶粒と前記第2の単結
    晶粒の第1の導電型半導体領域とが接して形成されてい
    る半導体整流素子。
  2. 【請求項2】前記第1の導電型半導体領域及び前記第2
    の導電型半導体領域の少なくとも一方の主表面と前記結
    晶粒界とが直角に形成されている請求項1に記載の半導
    体整流素子。
  3. 【請求項3】前記結晶粒界を格子状に設け、前記第1の
    単結晶粒と前記第2の単結晶粒が千鳥模様に配置されて
    いる請求項1に記載の半導体整流素子。
  4. 【請求項4】前記第1の単結晶粒及び前記第2の単結晶
    粒は、核形成密度の小さい非核形成面と、単一核のみよ
    り結晶成長するに充分小さい面積を有し、前記非核形成
    面の核形成密度より大きい核形成密度を有する一定距離
    を隔てて配置された複数の核形成面とが隣接して配され
    た自由表面を有する基体上に設けられている請求項1に
    記載の半導体整流素子。
  5. 【請求項5】前記結晶粒界は前記第1の導電型半導体領
    域と前記第2の導電型半導体領域との接合による空乏端
    から少数キャリアの拡散長までの間に設けられている請
    求項1に記載の半導体整流素子。
JP63262930A 1988-10-20 1988-10-20 半導体整流素子 Expired - Fee Related JP2746301B2 (ja)

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