JP4116161B2 - 過電圧保護機能付半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、過電圧からサイリスターを保護する機能を有する過電圧保護機能付半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のサイリスターの概念図を図11に示す。図11において、101はp型のPエミッタ層、102はn型のNベース層、103はp型のPベース層、104はn型のNエミッタ層、105はPエミッタ層101に接触する電気抵抗の小さい金属から成るアノード電極、106はNエミッタ層104に接触する電気抵抗の小さい金属から成るカソード電極、107はPベース層103に接触する電気抵抗の小さい金属から成るゲート電極、10はPエミッタ層101、Nベース層102、Pベース層103、Nエミッタ層104からなる半導体基体である。
【0003】
大容量の高電圧電力変換装置に適用されるサイリスターは、降伏電圧を越えた過電圧Vが印加された場合、過電圧Vによってアノード電極105とカソード電極106との間を流れる過電流によってサイリスターが破壊されることがある。このため、過電圧Vからサイリスターを保護するための過電圧保護機能が必要になる。
【0004】
過電圧保護機能がサイリスター自身にあるもの(過電圧保護機能付半導体装置)が提案されている。従来の過電圧保護機能付半導体装置を図12に示す。図12の各符号は図11と同様なので説明を省略する。図12の特徴は、Pベース層103を湾曲させたことである。
【0005】
次に、図12の過電圧保護機能付半導体装置の動作について説明する。まず、アノード電極105とカソード電極106との間に順方向となる過電圧Vが印加されると、Pベース層103とNベース層102との接合部J2から広がる空乏層Dが発生する。空乏層Dによって過電圧Vの殆どが支持される。
【0006】
湾曲部103aでは他のPベース層103の領域よりも電界強度が高くなる。このため、湾曲部103a近傍では、過電圧Vより低い電圧で、電子なだれ降伏(アバランシェ降伏)が生じる。これによって、過電圧保護機能付半導体装置はターンオンし、アノード電極105からカソード電極106へ電流が流れる。つまり、ブレークオーバーする。このときの電流は、過電圧保護機能付半導体装置を破壊しない程度の電流(非破壊電流)なので、過電圧保護機能付半導体装置は過電圧Vから保護される。
【0007】
従来では、図12のように、Pベース層103を湾曲させることによって、湾曲部103aで、意図的に過電圧Vより低い電圧でアバランシェ降伏を生じさせて、ブレークオーバーさせる。言い換えれば、Pベース層103の湾曲部103aの曲率で決まる電圧でブレークオーバーする。
【0008】
湾曲部103aを有するPベース層103は、製造工程中のサイド拡散と呼ばれる工程、つまり、不純物イオンを注入した後、熱処理によって不純物イオンを拡散することで形成される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
湾曲部103aの曲率はイオン注入の深さ(半導体基体10の上面から接合部J2までの距離)に影響され、イオン注入の深さはサイド拡散に影響される。よって、サイド拡散が湾曲部103aの曲率に影響し、ブレークオーバーする電圧(ブレークオーバー電圧)を精度良く制御することが困難であるという問題点がある。特に、大容量の高電圧電力変換装置に適用される過電圧保護機能付半導体装置では、イオン注入の深さが長いため、サイド拡散の湾曲部103aの曲率への影響は大きい。
【0010】
本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、過電圧から保護するためのブレークオーバー電圧を精度良く制御できる過電圧保護機能付半導体装置及びその製造方法を得ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る課題解決手段は、第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に形成された、第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層上に形成され、第1領域と、湾曲部を有する第2領域とを含む、前記第1導電型の第3半導体層と、前記第3半導体層上に選択的に形成された、前記第2導電型の第4半導体層と、前記第1半導体層に接続される第1電流電極と、前記第4半導体層に接続される第2電流電極とを備え、断面視において前記第2領域の前記湾曲部は、前記第4半導体層の底面から上面に向かう端縁部に沿うように湾曲した形状を有しており、前記第2半導体層は、前記第2半導体層の他の領域よりも高い不純物濃度に設定された高濃度領域を含む。
【0012】
本発明の請求項2に係る課題解決手段において、前記高濃度領域は、少なくとも前記湾曲部の直下方に存在する。
【0013】
本発明の請求項3に係る課題解決手段において、前記高濃度領域は、前記湾曲部の直下方のみに存在する。
【0014】
本発明の請求項4に係る課題解決手段において、前記高濃度領域は、前記第3半導体層全体の直下方に存在する。
【0015】
本発明の請求項5に係る課題解決手段において、前記高濃度領域は前記第3半導体層に接触しない。
【0016】
本発明の請求項6に係る課題解決手段は、請求項1記載の過電圧保護機能付半導体装置の製造方法であって、前記第1ないし第4半導体層の形成後、前記第2導電型のイオン注入によって、前記第2半導体層内に前記高濃度領域を形成する工程を備える。
【0017】
本発明の請求項7に係る課題解決手段において、前記イオン注入を選択的に行うことにより、前記高濃度領域を前記湾曲部の直下方のみに形成する。
【0018】
本発明の請求項8に係る課題解決手段において、前記イオン注入を全面に行うことにより、前記高濃度領域を前記第3半導体層全体の直下方に形成する。
【0019】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1の過電圧保護機能付半導体装置の平面図である。図2は図1のA−Aにおける断面図である。図1及び図2において、201はp型(第1導電型)のPエミッタ層(第1半導体層)、202はPエミッタ層201上に形成されたn型(第2導電型)のNベース層(第2半導体層)、203はNベース層202上に形成されたp型のPベース層(第3半導体層)、204はPベース層204上に選択的に形成されたn型のNエミッタ層(第4半導体層)、205はPエミッタ層201に接触する電気抵抗の小さい金属から成るアノード電極、206はNエミッタ層204に接触する電気抵抗の小さい金属から成るカソード電極、207はPベース層203に接触する電気抵抗の小さい金属から成るゲート電極、203aはPベース層203に含まれ、Pベース層203の他の領域(第1領域)よりもアバランシェ降伏の起こりやすい湾曲部(第2領域)、208は湾曲部203a直下方のNベース層202内に設けられ、Nベース層202の他の領域よりも高いn型の不純物濃度に設定された高濃度領域、J1はPエミッタ層201とNベース層202との接合部、J2はNベース層202とPベース層203との接合部、J3はPベース層203とNエミッタ層204との接合部、1はPエミッタ層201、Nベース層202、Pベース層203及びNエミッタ層204からなる半導体基体である。
【0020】
図1のように、ゲート電極207は円形である。カソード電極206はゲート電極207を囲み、ゲート電極207と中心が同じのリング状である。ゲート電極207とカソード電極206との間にはPベース層203(湾曲部203a)及びNエミッタ層204が露出している。図2に示すように、高濃度領域208は、湾曲部203aの直下方にだけ存在している。
【0021】
次に、動作について説明する。まず、アノード電極205とカソード電極206との間に順方向となる過電圧Vが印加されると、接合部J2から広がる空乏層D1が発生する。空乏層D1によって過電圧Vの殆どが支持される。
【0022】
従来同様、湾曲部203aでは他のPベース層203の領域よりも電界強度が高くなる。このため、湾曲部203a近傍では、過電圧Vより低い電圧で、アバランシェ降伏が生じる。これによって、過電圧保護機能付半導体装置はターンオンし、アノード電極105からカソード電極106へ電流が流れる。つまり、ブレークオーバーする。この電流は、過電圧保護機能付半導体装置を破壊しない程度の電流(非破壊電流)なので、過電圧保護機能付半導体装置は過電圧Vから保護される。
【0023】
また、高濃度領域208が存在することによって、高濃度領域208近傍の空乏層D1は広がり難く薄くなる。空乏層D1が薄くなると、その部分で空乏層D1の電界強度が高くなる。このため、湾曲部203aだけが存在するよりもさらに低い電圧で、アバランシェ降伏が生じる。これによって、サイリスターは高濃度領域208の影響をも受けてターンオンし、非破壊電流が流れ、過電圧Vから保護される。
【0024】
以上のように、ブレークオーバー電圧は、Pベース層203の湾曲部203aの曲率及び高濃度領域208の不純物濃度で決まる。
【0025】
次に、製造方法を説明する。まず、n型の半導体基板である半導体基体1を準備する(図3)。
【0026】
次に、従来の技術で説明したサイド拡散を行う。つまり、半導体基体1の上面の湾曲部203aが形成される部分を覆う例えば酸化膜マスクM1を形成する。次に半導体基体1の上下面両側からp型不純物を注入する。酸化膜マスクM1の直下方の領域にはp型不純物が注入されない。その後、熱処理によって注入したp型不純物を拡散させる。この拡散は半導体基体1の縦方向及び横方向に進む。その結果、均一な厚さのPエミッタ層201、酸化膜マスクM1の回りに形成されたPベース層203が形成され、半導体基体1の残りの領域が凸状のNベース層202として残る。この時点で、イオン注入の深さ(半導体基体1の上面から接合部J2までの距離)が決まる(図4)。
【0027】
次に、酸化膜マスクM1を除去する。次に、不純物が半導体基体1に注入されないように半導体基体1の下面を覆う例えば酸化膜マスクM3を形成する。半導体基体1の上面には、Pベース層203を覆い、Nベース層202を覆わない例えば酸化膜マスクM2を形成する。そして、p型不純物を半導体基体1に注入する。これによって、半導体基体1の上面に露出しているNベース層202にp型不純物が注入され、その結果、Nベース層202の凸状の頂部がPベース層203の一部となり、湾曲部203aの基が完成する(図5)。
【0028】
次に、酸化膜マスクM2を除去する。次に、半導体基体1の上面の湾曲部203aが形成される部分を覆う例えば酸化膜マスクM4を形成する。次に半導体基体1にn型不純物を注入する。酸化膜マスクM4の直下方の領域はn型不純物が注入されない。その後、熱処理によって注入したn型不純物を拡散させる。この拡散は半導体基体1の縦方向及び横方向に進む。その結果、半導体基体1上面から眺めて酸化膜マスクM4(湾曲部203a)を囲むNエミッタ層204が形成される(図6)。
【0029】
次に、酸化膜マスクM3,M4を除去し、Pエミッタ層201に接触するアノード電極205、Nエミッタ層204に接触するカソード電極206、Pベース層203に接触するゲート電極207を形成する(図7)。
【0030】
次に、半導体基体1上方から眺めて、Nエミッタ層204を覆い、湾曲部203aの上方を覆わない例えばアルミマスクM5を形成する。次に、ブレークオーバー電圧を調節するために、半導体基体1上方から半導体基体1へ例えばプロトンなどの不純物イオンを注入する。プロトンなどのイオン注入によれば、注入エネルギーを制御することにより、Nベース層202内の所望の領域に高濃度領域208を形成することができる。以上のように、イオン注入を選択的に行うことによって、高濃度領域208を湾曲部203aの直下方のみに形成する(図8)。次に、アルミマスクM5を除去して、過電圧保護機能付半導体装置が完成する。
【0031】
以上のように、高濃度領域208を設けることによって、その部分での空乏層D1の厚さを薄く強制することによって、アバランシェ降伏が生じてブレークオーバーするときのブレークオーバー電圧を調節することができる。ブレークオーバー電圧は湾曲部203aの曲率と高濃度領域208の不純物濃度との2パラメータで決定することができる。よって、たとえ、図4のサイド拡散の湾曲部203aの曲率への影響が大きく、このパラメータだけではブレークオーバー電圧を精度良く制御することができなくても、高濃度領域208を形成することによってもう一つのパラメータを導入して当該パラメータによってブレークオーバー電圧を適切に調節することができるため、全体としてブレークオーバー電圧を精度良く制御できる。
【0032】
実施の形態2.
図9は本発明の実施の形態2の過電圧保護機能付半導体装置の断面図である。図9は図2に対応する。図2の高濃度領域208に対応する高濃度領域308はNベース層202内であって、Pベース層203全体の下方に設けられている。その他の構成については実施の形態1と同様である。
【0033】
実施の形態2の動作は実施の形態1と主として同様である。高濃度領域308をPベース層203全体の下方に設けたことによって、空乏層D2は全体が広がり難く薄くなる。
【0034】
次に、製造方法を説明する。実施の形態1と同様にして図7の構造を得る。
【0035】
次に、図7の構造に対して、ブレークオーバー電圧を調節するために、半導体基体1上方から半導体基体1へ例えばプロトンなどの不純物イオンを注入して、Nベース層202内であってPベース層203全体の下方に、高濃度領域308を形成する(図10)。
【0036】
実施の形態2では、高濃度領域308を全体的に形成するため、図8のアルミマスクM5が必要ない。よって、製造工程における作業性を良くすることができる。
【0037】
また、図2の高濃度領域208や図9の高濃度領域308はPベース層203に接触すると、ブレークオーバー電圧が逆に高くなって過電圧保護機能が悪化する恐れがある。よって、過電圧保護機能の悪化を防ぐために、高濃度領域208や高濃度領域308はPベース層203に接触させないように設けることが望ましい。
【0038】
変形例.
本発明は、図示の構造に限定されない。例えば、実施の形態1,2のゲート電極207を削除し、Pベース層203に光を照射して制御される光サイリスターに適用してもよい。
【0039】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、高濃度領域を設けてブレークオーバー電圧が調節されているため、ブレークオーバー電圧の制御の精度が良い。
【0040】
請求項2記載の発明によれば、たとえ、湾曲部の曲率によってブレークオーバー電圧を精度良く制御することができなくても、高濃度領域を設けてブレークオーバー電圧が調節されているため、ブレークオーバー電圧の制御の精度が良い。
【0041】
請求項3記載の発明によれば、必要最小限の大きさの高濃度領域によって湾曲部の空乏層の電界強度が高くなり、さらに低い電圧で、アバランシェ降伏が生じる。
【0042】
請求項4記載の発明によれば、過電圧保護機能付半導体装置の製造が簡単になる。
【0043】
請求項5記載の発明によれば、過電圧保護機能の悪化を防ぐことができる。
【0044】
請求項6記載の発明によれば、イオン注入という簡単な工程によって、ブレークオーバー電圧を調節することができる。
【0045】
請求項7記載の発明によれば、必要最小限の面積のイオン注入によって湾曲部の空乏層の電界強度を高めて、さらに低い電圧で、アバランシェ降伏が生じるようにできる。
【0046】
請求項8記載の発明によれば、簡単に過電圧保護機能付半導体装置を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1の過電圧保護機能付半導体装置を示す平面図である。
【図2】 本発明の実施の形態1の過電圧保護機能付半導体装置を示す断面図である。
【図3】 本発明の実施の形態1の過電圧保護機能付半導体装置の製造工程図である。
【図4】 本発明の実施の形態1の過電圧保護機能付半導体装置の製造工程図である。
【図5】 本発明の実施の形態1の過電圧保護機能付半導体装置の製造工程図である。
【図6】 本発明の実施の形態1の過電圧保護機能付半導体装置の製造工程図である。
【図7】 本発明の実施の形態1の過電圧保護機能付半導体装置の製造工程図である。
【図8】 本発明の実施の形態1の過電圧保護機能付半導体装置の製造工程図である。
【図9】 本発明の実施の形態2の過電圧保護機能付半導体装置を示す断面図である。
【図10】 本発明の実施の形態2の過電圧保護機能付半導体装置の製造工程図である。
【図11】 従来の過電圧保護機能付半導体装置を示す断面図である。
【図12】 従来の過電圧保護機能付半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
201 Pエミッタ層、202 Nベース層、203 Pベース層、203a湾曲部、204 Nエミッタ層、205 アノード電極、206 カソード電極、208 高濃度領域。
Claims (8)
- 第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層上に形成された、第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層上に形成され、第1領域と、湾曲部を有する第2領域とを含む、前記第1導電型の第3半導体層と、
前記第3半導体層上に選択的に形成された、前記第2導電型の第4半導体層と、
前記第1半導体層に接続される第1電流電極と、
前記第4半導体層に接続される第2電流電極と、
を備え、
断面視において前記第2領域の前記湾曲部は、
前記第4半導体層の底面から上面に向かう端縁部に沿うように湾曲した形状を有しており、
前記第2半導体層は、前記第2半導体層の他の領域よりも高い不純物濃度に設定された高濃度領域を含む過電圧保護機能付半導体装置。 - 前記高濃度領域は、少なくとも前記湾曲部の直下方に存在する請求項1記載の過電圧保護機能付半導体装置。
- 前記高濃度領域は、前記湾曲部の直下方のみに存在する請求項2記載の過電圧保護機能付半導体装置。
- 前記高濃度領域は、前記第3半導体層全体の直下方に存在する請求項2記載の過電圧保護機能付半導体装置。
- 前記高濃度領域は前記第3半導体層に接触しない請求項1〜4のいずれかに記載の過電圧保護機能付半導体装置。
- 請求項1記載の過電圧保護機能付半導体装置の製造方法であって、
前記第1ないし第4半導体層の形成後、前記第2導電型のイオン注入によって、前記第2半導体層内に前記高濃度領域を形成する工程を備えた、過電圧保護機能付半導体装置の製造方法。 - 前記イオン注入を選択的に行うことにより、前記高濃度領域を前記湾曲部の直下方のみに形成する請求項6記載の過電圧保護機能付半導体装置の製造方法。
- 前記イオン注入を全面に行うことにより、前記高濃度領域を前記第3半導体層全体の直下方に形成する請求項6記載の過電圧保護機能付半導体装置の製造方法。
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