JPH04111358A - Overvoltage self-protection type thyristor - Google Patents

Overvoltage self-protection type thyristor

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JPH04111358A
JPH04111358A JP22816690A JP22816690A JPH04111358A JP H04111358 A JPH04111358 A JP H04111358A JP 22816690 A JP22816690 A JP 22816690A JP 22816690 A JP22816690 A JP 22816690A JP H04111358 A JPH04111358 A JP H04111358A
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JP
Japan
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thyristor
region
breakdown voltage
overvoltage
proton irradiation
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JP22816690A
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Japanese (ja)
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Yoshiteru Shimizu
清水 喜輝
Takeshi Yokota
横田 武司
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To control a breakdown voltage characteristic with high accuracy by a method wherein a part where an ion distribution density displays a peak value is formed by using a proton irradiation means and a part where a forward breakdown voltage is dropped is formed. CONSTITUTION:At a thyristor element in which electrodes 6, 7 have been formed, a shielding plate 15 is used so that only a region constituting a pilot thyristor part 8 is irradiated selectively with protons; the protons are irradiated from the cathode side of the element. After this irradiation has been finished, a short-time annealing operation is repeated until a prescribed breakdown voltage is obtained. Thereby, a peak region 12 appears in a prescribed position in an n-base layer 3 as shown on the right side in the figure as a damage distribution; a crystal defect production region 13 can be formed. An interaction between ion particles and semiconductor atoms appears strongly inside the region 13; the interaction becomes more strongly and a crystal defect density in a semiconductor becomes maximum in the region 12. An ion distribution and the damage distribution are set to a peak state in nearly the same position and the lifetime of carriers in the semiconductor becomes minimum at this part.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、順方向降伏電圧を越える過電圧の印加に際し
て、自ら安全にターンオンすることにより、素子の破壊
を防止するようにした過電圧自己保護型サイリスタに係
り、特にパイロットサイリスタ部又は補助サイリスタ部
を備えた大容量のサイリスタに好適な過電圧自己保護型
サイリスタに関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is an overvoltage self-protection type device that prevents destruction of the device by safely turning on itself when an overvoltage exceeding the forward breakdown voltage is applied. The present invention relates to a thyristor, and particularly to an overvoltage self-protection type thyristor suitable for a large capacity thyristor equipped with a pilot thyristor section or an auxiliary thyristor section.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

サイリスタ素子は、その降伏電圧を越えた電圧が印加さ
れ、無理にターンオンされた場合、素子破壊にいたる虞
れがあり、このことは、特に大容量のサイリスタ素子の
場合に著しい。
If a voltage exceeding its breakdown voltage is applied to a thyristor element and it is forcibly turned on, there is a risk that the element will be destroyed, and this is particularly noticeable in the case of a large capacity thyristor element.

ところで、このような過電圧に対するサイリスタ素子の
保護については、従来から、別途、保護回路を設置する
ことにより対処していた。
By the way, protection of the thyristor element against such overvoltage has conventionally been dealt with by installing a separate protection circuit.

しかしながら、このような保護回路の設置によっていた
のでは、コストアップや部品点数の増加に伴う信頼性の
低下などの問題があり、このため、近年、過電圧自己保
護型サイリスタと呼ばれる、サイリスタ素子自体に保護
機能を持たせたサイリスタが種々提案され、使用される
ようになってきている。
However, installing such a protection circuit causes problems such as increased cost and reduced reliability due to an increase in the number of components.In recent years, the thyristor element itself, called an overvoltage self-protection type thyristor, has been developed. Various types of thyristors with protective functions have been proposed and are now being used.

そこで、以下、これらの従来技術について説明する。Therefore, these conventional techniques will be explained below.

まず、第8図は、特開昭52−126181号公報に開
示されているもので、図において、1は半導体基板を表
わし、nエミツタ層2と、nベース層3、pベース層4
、それにnエミツタ層5とで構成されている。そして、
nエミツタ層2にはアノード電極6が、また、nエミツ
タ層5にはカソード電極7がそれぞれ低抵抗接触されて
いる。
First, FIG. 8 is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 126181/1981. In the figure, 1 represents a semiconductor substrate, and includes an n-emitter layer 2, an n-base layer 3, a p-base layer 4.
, and an n emitter layer 5. and,
An anode electrode 6 is connected to the n-emitter layer 2, and a cathode electrode 7 is connected to the n-emitter layer 5 with low resistance.

さらにカソード側には、nエミツタ層5からpベース層
4に達するようにして食刻領域Eが設けられており、そ
して、二〇食刻領域Eを取り囲んで、ゲート電極Gがp
ベース層4に低抵抗接触して設けられている。
Furthermore, on the cathode side, an etched region E is provided extending from the n emitter layer 5 to the p base layer 4.
It is provided in low resistance contact with the base layer 4.

なお、このサイリスタ素子では、pベース層4が、所々
でnエミツタ層5を貫通してカソード電極7に低抵抗接
触するように構成されており、これにより、いわゆるエ
ミッタ短絡構造となるように作られている。
In this thyristor element, the p base layer 4 is configured to penetrate the n emitter layer 5 at some places and come into low resistance contact with the cathode electrode 7, thereby creating a so-called emitter short circuit structure. It is being

この第8図のサイリスタ素子では、食刻領域Eの深さに
より、保護すべき過電圧、つまり自己保護電圧が決めら
れる。すなわち、この素子では、nベース層3とpベー
ス層4が作る中央接合Jcに逆バイアスが加わり、耐圧
を負担して順方向阻止状態にあるときに、pベース層4
内に空乏層が作られるが、この空乏層の中に食刻領域E
の底面が丁度位置するようにし、この空乏層の存在によ
り、食刻領域Eの底面と中央接合Jcの間での電界強度
が他の部分よりも大になることを利用したもので、所定
の自己保護電圧以上の電圧が印加されたどき、この電界
強度が大になっている部分で。
In the thyristor element shown in FIG. 8, the depth of the etched region E determines the overvoltage to be protected, that is, the self-protection voltage. That is, in this device, when a reverse bias is applied to the central junction Jc formed by the n-base layer 3 and the p-base layer 4, and it is in a forward blocking state by bearing withstand voltage, the p-base layer 4
A depletion layer is created within the depletion layer, and an etched region E is formed within this depletion layer.
This method takes advantage of the fact that the electric field strength between the bottom surface of the etched region E and the central junction Jc is larger than that in other parts due to the existence of this depletion layer. When a voltage higher than the self-protection voltage is applied, the electric field strength increases.

まずブレークオーバーを発生させることにより、自己保
護機能が得られるものである。
First, by generating a breakover, a self-protection function can be obtained.

次に、第9図は、特開昭53−80981号公報に開示
されているもので、最初、nベース層3に食刻領域Eを
形成してからpベース層4を形成したものである。
Next, FIG. 9 is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-80981, in which an etched region E is first formed in the n base layer 3, and then the p base layer 4 is formed. .

また、第1O図は、特開昭59−158560号公報に
開示されているもので、pベース層4を形成した後、こ
れに食刻領域Eを中央接合Jcに達するまで形成し、さ
らにこの食刻領域Eからアクセプタを拡散し、これによ
り中央接合Jcに彎曲部が形成されるようにしたもので
ある。
FIG. 1O is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-158560, in which after forming the p base layer 4, an etched region E is formed thereon until it reaches the central junction Jc. The acceptor is diffused from the etched region E, thereby forming a curved portion at the central junction Jc.

これら第9図と第10図のサイリスタ素子は、何れも食
刻領域Eの直下の中央接合Jcに彎曲部を形成すること
により、この彎曲部での空乏層の電界強度を高め、これ
により自己保護機能が与えられるようにしたものである
In both of the thyristor elements shown in FIGS. 9 and 10, by forming a curved portion at the central junction Jc directly below the etched region E, the electric field strength of the depletion layer at this curved portion is increased, thereby It is designed to provide a protective function.

〔発明が解決しようとする課題] 上記従来技術は、自己保護機能が発動される電圧の設定
精度について配慮がされておらず、所定の正確なブレー
クオーバー電圧特性を有するサイリスタ素子の製造歩留
まり低下と、コストアップの問題があった。
[Problems to be Solved by the Invention] The above-mentioned conventional technology does not take into account the accuracy of setting the voltage at which the self-protection function is activated, resulting in a decrease in the manufacturing yield of thyristor elements having predetermined and accurate breakover voltage characteristics. , there was a problem of increased costs.

具体的に説明すると、まず、第8図の従来技術では、ブ
レークオーバー電圧特性が食刻領域Eの底面の平坦性に
大きく依存し、同様に、第9図と第10図の従来技術で
は、食刻領域Eでの彎曲部の形状や曲率がそれぞれブレ
ークオーバー電圧特性を決定するため、結局、これらの
従来技術では、ブレークオーバー電圧特性を高精度で制
御するためには、食刻領域Eの形状を精度よく制御する
必要があるが、このような食刻領域の形成のために従来
から用いられているウェットエツチングなどの技法では
、形状の制御を高精度で行なうのは極めて困難であり、
従って、従来技術では、歩留まりの向上やコストダウン
に問題を生じていたのである。
To explain specifically, first, in the prior art shown in FIG. 8, the breakover voltage characteristic largely depends on the flatness of the bottom surface of the etched region E, and similarly, in the prior art shown in FIGS. 9 and 10, Since the shape and curvature of the curved portion in the etched region E determines the breakover voltage characteristics, in the end, in these conventional techniques, in order to control the breakover voltage characteristics with high precision, it is necessary to It is necessary to control the shape with high precision, but it is extremely difficult to control the shape with high precision using techniques such as wet etching that have been conventionally used to form such etched areas.
Therefore, with the conventional technology, problems have arisen in improving yield and reducing costs.

本発明の目的は、ブレークオーバー電圧特性の高精度制
御が簡単で、高い歩留まりとローコスト化が容易に得ら
れる、過電圧自己保護型サイリスタを提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an overvoltage self-protection type thyristor whose breakover voltage characteristics can be easily controlled with high accuracy and which can easily achieve high yield and low cost.

[課題を解決するための手段] 上記目的を達成するため、本発明は、プロトン照射手段
を用い、サイリスタを構成する半導体層内にイオン分布
密度がピーク値を示す部分を形成させ、このピーク値を
示す部分の存在により順方向降伏電圧が低下している部
分を形成するようにしたものである。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention uses proton irradiation means to form a portion in which the ion distribution density shows a peak value in a semiconductor layer constituting a thyristor, and to A portion where the forward breakdown voltage is lowered due to the presence of the portion exhibiting .

〔作用〕[Effect]

半導体層内でのイオン分布密度がピーク値を示す部分の
性質は、プロトンの照射条件と、このプロトン照射後に
必要に応じて実行されるアニール処理条件とにより容易
に制御することができる。
The properties of the portion in the semiconductor layer where the ion distribution density shows a peak value can be easily controlled by the proton irradiation conditions and the annealing treatment conditions performed as necessary after the proton irradiation.

そして、これらプロトン照射とアニール処理とは、何れ
も高精度の制御が容易であるから、結局、高精度のブレ
ークオーバー電圧特性を容易に得ることができる。
Since both proton irradiation and annealing can be easily controlled with high precision, it is possible to easily obtain breakover voltage characteristics with high precision.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明による過電圧自己保護型サイリスタについ
て、図示の実施例により詳細(こ説明する。
Hereinafter, the overvoltage self-protection type thyristor according to the present invention will be explained in detail with reference to the illustrated embodiments.

第1図は、パイロットサイリスタ領域を有する過電圧自
己保護型サイリスタに本発明を適用した場合の一実施例
で、図において、半導体基板1、pエミッタ層2、nベ
ース層3、pヘース層4、nエミツタ層5、アノード電
極6、それにカソード電極7は、上記した従来技術と同
じである。
FIG. 1 shows an embodiment in which the present invention is applied to an overvoltage self-protection type thyristor having a pilot thyristor region. The n-emitter layer 5, anode electrode 6, and cathode electrode 7 are the same as in the prior art described above.

8はパイロットサイリスタ部、1oはパイロットサイリ
スタ電極、12はプロトン照射によるイオン分布のピー
ク領域、そして13はプロトン照射による結晶欠陥生成
領域である。
8 is a pilot thyristor portion, 1o is a pilot thyristor electrode, 12 is a peak region of ion distribution due to proton irradiation, and 13 is a crystal defect generation region due to proton irradiation.

ここで、まず、パイロットサイリスタ領域の機能につい
て説明すると、一般に、このような、比較的大容量の過
電圧自己保護型サイリスタでは、パイロットサイリスタ
、或いは補助サイリスタと呼ばれる領域を設定し、これ
らの領域のブレークオーバー電圧を、主サイリスタとし
て働く領域のブレークオーバー電圧よりも僅かに低く設
定しておくのである。
First, to explain the function of the pilot thyristor region, in general, in such a relatively large capacity overvoltage self-protection thyristor, regions called pilot thyristor or auxiliary thyristor are set, and the break in these regions is set. The overvoltage is set slightly lower than the breakover voltage of the region that functions as the main thyristor.

そうすれば、サイリスタに過電圧が印加された場合には
、必ず、これらパイロットサイリスタ領域、或いは補助
サイリスタ領域からターンオンし始める。そして、この
ようにして、ひとたびパイロットサイリスタ領域、或い
は補助サイリスタ領域がターンオンした後、これらの領
域から主サイリスタ領域に導通状態が移行することによ
り、素子全体が安全にターンオンし、電流集中による破
壊を免れることができるのである。
Then, when an overvoltage is applied to the thyristor, the pilot thyristor region or the auxiliary thyristor region always starts to turn on. In this way, once the pilot thyristor region or the auxiliary thyristor region is turned on, conduction is transferred from these regions to the main thyristor region, thereby safely turning on the entire device and preventing destruction due to current concentration. It is possible to escape.

第1図に戻り、領域12と13は、後述するようにして
、パイロットサイリスタ部8に選択的にプロトン照射す
ることにより、nベース層4とnベース層3の中に生成
された領域を表わしている。
Returning to FIG. 1, regions 12 and 13 represent regions generated in the n-base layer 4 and the n-base layer 3 by selectively irradiating the pilot thyristor section 8 with protons, as will be described later. ing.

このプロトン照射による技法では、例えば、アイ・イー
・イー・ジェイ、プロシーデインゲス・オン・1988
・インターナショナル・シンポジュウム・オン・パワー
・セミコンダクタ・デバイセズ、p p 、  l 4
7−152 (IEEJ、Proceedingsof
 1988 International Sympo
sium on PowerSemiconducto
r Devices、pp、147−152)のFig
、 1に記載されているように、その照射エネルギーを
変化させると、エネルギーに応じて半導体内でのイオン
分布のピーク位置を変えることができる。
In this proton irradiation technique, for example, I.E.J., Proceedings on 1988
・International Symposium on Power Semiconductor Devices, p p , l 4
7-152 (IEEJ, Proceedings of
1988 International Sympo
sium on Power Semiconductor
r Devices, pp, 147-152)
, 1, by changing the irradiation energy, the peak position of the ion distribution within the semiconductor can be changed depending on the energy.

また、このとき、そのドーズ量に応じて、上記したイオ
ン分布のピーク位置でのピーク強度を変えることができ
ることも、よく知られていることである。
It is also well known that at this time, the peak intensity at the peak position of the ion distribution described above can be changed depending on the dose.

そこで、この第1図の実施例のように、パイロットサイ
リスタ部8に垂直に、つまりカソード側からプロトン照
射を行ない、このときの照射エネルギーとドーズ量を適
当に選ぶ二とにより、nベース層3の中の所定の位置に
、図の右側に損傷分布として示した如く、ピーク領域1
2が現われるようにして、結晶欠陥生成領域13を形成
させることができる。
Therefore, as in the embodiment shown in FIG. 1, proton irradiation is performed perpendicularly to the pilot thyristor section 8, that is, from the cathode side, and by appropriately selecting the irradiation energy and dose, the n-base layer 3 is As shown as the damage distribution on the right side of the figure, the peak area 1
2 appears, the crystal defect generation region 13 can be formed.

この結晶欠陥生成領域13内では、イオン粒子と半導体
原子との相互作用が強く現われるが、ピーク領域12で
は、この相互作用が更に強くなり、半導体中の結晶欠陥
密度が最大になっている。
In this crystal defect generation region 13, the interaction between ion particles and semiconductor atoms appears strongly, but in the peak region 12, this interaction becomes even stronger, and the crystal defect density in the semiconductor becomes maximum.

第2図にで示すように、イオン分布と損傷分布は、はぼ
同じ位置でピーク状態になり、この部分での半導体中で
のキャリヤのライフタイムは最小になる。
As shown in FIG. 2, the ion distribution and the damage distribution reach a peak state at approximately the same position, and the lifetime of carriers in the semiconductor at this portion becomes the minimum.

そこで、このような性質を利用すれば5半導体中でのキ
ャリヤのライフタイム分布を任意に調整することができ
ることになり、従って、このようなプロトン照射エネル
ギーとドーズ量の制御により、半導体のオン特性とスイ
ッチング特性とのトレードオフの向上を図る技法は、近
年、広く採用されているが、しかして、本発明は、この
プロトン照射でのドーズ量と、その後でのアニール処理
条件により、サイリスタのブレークオーバー電圧を任意
に規定できる点に着目してなされたもので、以下、この
点について、実施例により、さらに詳しく説明する。
Therefore, by utilizing these properties, it is possible to arbitrarily adjust the lifetime distribution of carriers in the semiconductor. Therefore, by controlling the proton irradiation energy and dose, the on-characteristics of the semiconductor can be adjusted. In recent years, techniques for improving the trade-off between proton irradiation and switching characteristics have been widely adopted. This was made with attention to the point that the overvoltage can be arbitrarily defined, and this point will be explained in more detail below with reference to examples.

まず、第3図は、同一構造、同一寸法のサイリスタ素子
、すなわち、基板抵抗率400Ω国、nエミッタ厚さ1
0μm、pベース厚さ100μm1nベース厚さ120
0μm、 nエミッタ厚さ120μmのサイリスタ素子
を用い、カソード側から9 M e Vのプロトンを、
ドーズ量を変えて照射した場合の順方向電圧−電流特性
を示したもので、照射前の特性■に対して、照射量が増
加するにつれて、特性■、■、■で示すようにブレーク
オーバー電圧が低下してゆくのが判る。なお、このとき
のアニール条件は全て同じで、400℃、60分となっ
ている。
First, Fig. 3 shows a thyristor element with the same structure and the same dimensions, that is, the substrate resistivity is 400Ω, and the emitter thickness is 1.
0μm, p base thickness 100μm 1n base thickness 120
Using a thyristor element with an n emitter thickness of 0 μm and a thickness of 120 μm, protons of 9 M e V are emitted from the cathode side.
This shows the forward voltage-current characteristics when irradiating with varying doses.As the irradiation dose increases, the breakover voltage changes as shown by the characteristics ■, ■, and ■, with respect to the characteristic (■) before irradiation. It can be seen that the is decreasing. Note that the annealing conditions at this time were all the same: 400° C., 60 minutes.

このときの、照射したプロトンのドーズ量とブレークオ
ーバー電圧との関係を、第3図の特性からまとめて示し
たのが第4図の特性図で、この特性に示されるように、
プロトンのドーズ量によりサイリスタのブレークオーバ
ー電圧が変る(低下)原因については、以下の事柄が考
えられる。
The characteristic diagram in Figure 4 summarizes the relationship between the dose of irradiated protons and the breakover voltage at this time based on the characteristics in Figure 3.As shown in this characteristic,
The following may be the cause of the change (decrease) in the breakover voltage of the thyristor depending on the proton dose.

すなわち、まず、プロトンがシリコンに照射されると、
浅いドナーレベルを作るといわれているが、このドナー
の形成は、さらに300〜400℃のアニールにより顕
著に現われる。
That is, first, when protons are irradiated onto silicon,
Although it is said that a shallow donor level is created, the formation of this donor becomes more noticeable when annealing is performed at a temperature of 300 to 400°C.

このようにして、シリコンがドナー化すると、その抵抗
率は減少する。これは、n型シリコンの抵抗率ρ。は次
の式で表わされ、ドナー化が進むほど電子濃度nが大に
なるからである。
In this way, when silicon becomes a donor, its resistivity decreases. This is the resistivity ρ of n-type silicon. is expressed by the following formula, and the electron concentration n increases as donorization progresses.

ρ・″q・μ。・n ここで、q:素電荷 μfi :電子の移動度 n:電子濃度 また、シリコンの雪崩降伏電圧■ヮ、と基板抵抗率ρの
間には、一般に次の実験式が成立ち、基板抵抗率ρが小
さくなるにつれ雪崩降伏電圧■、vも低くなる。
ρ・″q・μ.・n Here, q: Elementary charge μfi: Electron mobility n: Electron concentration Also, the relationship between silicon avalanche breakdown voltage ■ヮ and substrate resistivity ρ is generally determined by the following experiment. The formula holds true, and as the substrate resistivity ρ becomes smaller, the avalanche breakdown voltage .

V−K・ρに こで、K:定数 このように、プロトンのドーズ量が増すと共に、ドナー
が形成され易くなるための条件である基板抵抗率ρが低
下するので、結局、降伏電圧も低下するのであると考え
られ、且つ、サイリスタのブレークオーバー電圧は、基
板ウェハーの降伏電圧により決定されることから、ドー
ズ量によりブレークオーバー電圧が制御できることにな
ると考えられるのである。
V-K・ρ, K: constant As shown above, as the proton dose increases, the substrate resistivity ρ, which is a condition for facilitating the formation of donors, decreases, so the breakdown voltage also decreases. Since the breakover voltage of the thyristor is determined by the breakdown voltage of the substrate wafer, it is thought that the breakover voltage can be controlled by the dose amount.

一方、プロトン照射後のアニールによってもドナーの形
成され方が異なってくる。
On the other hand, the way donors are formed also differs depending on the annealing after proton irradiation.

第5図は、第3図と同じサイリスタ素子、すなわち、基
板抵抗率400(’2cm、nエミッタ厚さ10μm、
  pベース厚さ100μm、 nベース厚さ1200
μm、nエミッタ厚さ120μmのサイリスタ素子にア
ノード側から 6 Me V、  5 X 10”cm−”のプロトン
を照射した場合での、ブレークオーバー時の電圧−電流
特性を、プロトン照射直後の特性■と、アニール後での
特性■、■とに分けて示したもので、まずプロトン照射
直後の特性のによれば、この場合には、概略8,5kV
でブレークオーバーしているが、特性■で示す、320
℃、30分のアニール後では、それが約7.2kVに低
下し、そして特性■で示す、350℃、30分のアニー
ル後では、更にそれが約5.4kVにまで低下している
FIG. 5 shows the same thyristor element as in FIG.
P base thickness 100μm, N base thickness 1200μm
When a thyristor element with an emitter thickness of 120 μm is irradiated with protons of 6 Me V, 5 x 10 cm from the anode side, the voltage-current characteristics at breakover are shown as the characteristics immediately after proton irradiation. The characteristics after annealing (■) and (■) are shown separately. First, according to the characteristics immediately after proton irradiation, in this case, the voltage is approximately 8.5 kV.
There is a breakover at 320, as shown by the characteristic ■.
After annealing at 350° C. for 30 minutes, it drops to about 7.2 kV, and after annealing at 350° C. for 30 minutes, as shown by characteristic (2), it further drops to about 5.4 kV.

これは、プロトン照射後のアニールによってドナーの形
成が促進されたためである。なお、二のように、プロト
ンや電子線なとの放射線を照射した直後は、この照射に
よって発生した結晶欠陥がシリコン中に多数残っており
、この結果、高温時での漏れ電流が大きくなってしまう
ことから、アニールしてから使用するようにするのが一
般的である。
This is because donor formation was promoted by annealing after proton irradiation. As shown in 2, immediately after irradiation with radiation such as protons or electron beams, many crystal defects generated by this irradiation remain in the silicon, resulting in an increase in leakage current at high temperatures. Because it is stored away, it is common to anneal it before use.

この第5図の結果から、プロトン照射によるブレークオ
ーバー電圧の制御には、前述のドーズ量による外、アニ
ール条件によっても可能なことが判る。
From the results shown in FIG. 5, it can be seen that the breakover voltage due to proton irradiation can be controlled not only by the dose described above but also by the annealing conditions.

従って、第1図の実施例によれば、ピーク領域12によ
るブレークオーバー電圧特性を高精度で任意に設定でき
ることになり、所定の正確なブレークオーバー電圧特性
を有する過電圧自己保護型サイリスタを容易に得ること
ができる。
Therefore, according to the embodiment shown in FIG. 1, the breakover voltage characteristic by the peak region 12 can be arbitrarily set with high precision, and an overvoltage self-protection type thyristor having a predetermined and accurate breakover voltage characteristic can be easily obtained. be able to.

次に、この第1図の実施例による過電圧自己保護型サイ
リスタの製造方法について、第6図により説明する。
Next, a method of manufacturing the overvoltage self-protection type thyristor according to the embodiment shown in FIG. 1 will be explained with reference to FIG. 6.

まず、半導体基板1として、基板抵抗率380Ω・印、
厚さ1500μmのn型シリコンウェハーを用意し、こ
れにn型不純物であるAΩ(アルミニウム)を、概略、
表面濃度が7 X I O”ロー″拡散源さ145μm
となるように両面から拡散し、pエミッタ層2とpベー
ス層4を形成する(第6図(a))。
First, as the semiconductor substrate 1, the substrate resistivity is 380Ω・mark,
An n-type silicon wafer with a thickness of 1500 μm is prepared, and AΩ (aluminum), which is an n-type impurity, is added to it approximately as follows.
Surface concentration is 7 x IO "low" diffusion source 145μm
The p-emitter layer 2 and the p-base layer 4 are formed by diffusing from both sides so that the p-type emitter layer 2 and the p-base layer 4 are formed (FIG. 6(a)).

次に、カソード側となる拡散面、つまりpバー2層4側
の面を表面から約35μmの深さにエツチングし、そこ
にn型不純物であるP(リン)を、1100℃で120
分の拡散により、nエミツタ層となる深さ8〜10μm
のn型高濃度不純物層n4を形成する(第6図(b))
、このとき、これらの層の間に形成されるJ、接合の下
のシート抵抗は、600〜1000Ω10になる。なお
アノード側にも形成されてしまうn“拡散層は、約20
μmの化学エツチングにより除去する。
Next, the diffusion surface that will become the cathode side, that is, the surface on the p-bar layer 2 layer 4 side, is etched to a depth of about 35 μm from the surface, and P (phosphorus), which is an n-type impurity, is etched there at 120 μm at 1100° C.
Due to the diffusion of
An n-type high concentration impurity layer n4 is formed (FIG. 6(b)).
, at this time, the sheet resistance under the J junction formed between these layers will be 600-1000Ω10. Note that the n" diffusion layer that is also formed on the anode side is about 20
Removed by micrometer chemical etching.

続いて、カソード側のエミッタパターンをフォトリソグ
ラフィ技法によりカソード面に転写し、エッチダウン法
により形成して、サイリスタに必要とする接合構造を全
て作成した後、アノード側及びカソード側のそれぞれに
、電極となるAαを約15μmの厚さに蒸着した後、同
じくフォトリソグラフィ技法により所定のパターンにし
たがって選択的に除去し、電極を形成する(第6図(C
))。
Next, the emitter pattern on the cathode side is transferred to the cathode surface using photolithography and formed using an etch-down method to create all the bonding structures required for the thyristor. Then, electrodes are placed on the anode and cathode sides respectively. After depositing Aα to a thickness of about 15 μm, it is selectively removed according to a predetermined pattern using the same photolithography technique to form an electrode (see Fig. 6 (C).
)).

このようにして、接合構造及び電極形成を終えたサイリ
スタ素子に、最後にプロトン照射を実施する。
In this way, the thyristor element with the bonding structure and electrodes formed is finally irradiated with protons.

パイロットサイリスタ部を構成する領域にだけ選択的に
プロトンを照射するため、第6図(d)に示すように、
プロトンに対して遮蔽効果を有する、例えばアルミニウ
ムなどの金属板で作られた遮蔽板(マスク)15を用い
、素子のカソード側(アノード側でもよい)から、エネ
ルギー9MeVで、ドーズ量5X10’″国−′の条件
のもとてプロトン照射を行なう。
In order to selectively irradiate protons only to the region constituting the pilot thyristor section, as shown in FIG. 6(d),
Using a shielding plate (mask) 15 made of a metal plate such as aluminum that has a shielding effect against protons, a dose of 5×10''' is applied from the cathode side (or the anode side) of the device at an energy of 9 MeV. Proton irradiation is performed under the conditions of -'.

照射終了後、素子の端面加工と、表面安定化のためのパ
ッシベーション材の塗布を行ない、この後、アニール処
理を実施する。アニール温度は300〜400℃の範囲
で、このとき、カーブトレーサにより素子の特性を観察
しながら、所定のブレークオーバー電圧が得られるまで
、10〜20分程度の短時間のアニールを繰り返すので
ある。
After the irradiation is completed, the end face of the element is processed and a passivation material is applied to stabilize the surface, followed by an annealing treatment. The annealing temperature is in the range of 300 to 400° C. At this time, while observing the characteristics of the element with a curve tracer, short annealing of about 10 to 20 minutes is repeated until a predetermined breakover voltage is obtained.

従って、この実施例によれば、従来のサイリスタ素子の
製造工程を何ら変えること無く、素子の接合構造を完成
した後でプロトン照射を行ない、この後でのアニール処
理を、特性をモニターしながら実施するだけで、容易に
所定のブレークオーバー電圧を有する過電圧自己保護型
サイリスタを得ることが出来る。
Therefore, according to this embodiment, without changing the conventional manufacturing process of thyristor elements, proton irradiation is performed after the joining structure of the element is completed, and the subsequent annealing treatment is performed while monitoring the characteristics. By simply doing this, it is possible to easily obtain an overvoltage self-protection type thyristor having a predetermined breakover voltage.

つぎに第7図は本発明の他の一実施例で、同図(a)は
断面図、(b)は平面図を示し、パイロットサイリスタ
と補助サイリスタの双方を備えたサイリスタに本発明を
適用したものであり、図において、9は補助サイリスタ
部、11は補助サイリスタ電極であり、その他の構成は
第1図の実施例と同じである。
Next, FIG. 7 shows another embodiment of the present invention, in which (a) is a cross-sectional view and (b) is a plan view, in which the present invention is applied to a thyristor having both a pilot thyristor and an auxiliary thyristor. In the figure, 9 is an auxiliary thyristor section, 11 is an auxiliary thyristor electrode, and the other configurations are the same as the embodiment shown in FIG.

従って、この実施例は、素子の中央部にパイロットサイ
リスタ領域があり、それを囲むようにして隣接した補助
サイリスタ領域と、更に主サイリスタ領域が存在する2
段増幅方式により構成した過電圧自己保護型サイリスタ
となっているものであるが、この実施例では、ピーク領
域12を形成するためのプロトンの照射を、アノード電
極6が存在する面側からパイロットサイリスタ領域に合
わせて選択的に実施したものである。
Therefore, in this embodiment, there is a pilot thyristor region in the center of the device, an auxiliary thyristor region adjacent to the pilot thyristor region surrounding it, and a main thyristor region.
This is an overvoltage self-protection type thyristor constructed using a stage amplification method. In this embodiment, proton irradiation for forming the peak region 12 is performed from the side where the anode electrode 6 is present to the pilot thyristor region. This was carried out selectively in accordance with the

このように、アノード側からプロトンを照射した場合に
は、サイリスタの逆方向電圧を阻止するためのJ1接合
に結晶欠陥生成領域13がかかるため、順方向阻止状態
での漏れ電流よりも、逆方向阻止状態での漏れ電流の方
が、いくらか大になる傾向がある。従って、素子の仕様
により、カソード側からプロトン照射するか、アノード
側からプロトン照射するかを選択するようにすればよい
In this way, when protons are irradiated from the anode side, the crystal defect generation region 13 is applied to the J1 junction for blocking the reverse voltage of the thyristor. Leakage current in blocking conditions tends to be somewhat higher. Therefore, depending on the specifications of the element, it is only necessary to select whether proton irradiation is performed from the cathode side or from the anode side.

この第7図の実施例によっても、パイロットサイリスタ
部8でのブレークオーバー電圧を、高精度で容易に設定
でき、第1図の実施例と同様に、優れた特性の過電圧自
己保護型サイリスタをローコストで容易に得ることが出
来るという効果が得られる。
The embodiment shown in FIG. 7 also allows the breakover voltage in the pilot thyristor section 8 to be easily set with high precision, and similarly to the embodiment shown in FIG. The effect is that it can be easily obtained.

なお、以上の説明では、本発明を電気ゲート方式のサイ
リスタに適用した実施例について示したが、本発明は光
トリガサイリスタやゲートターンオフサイリスタなど、
電気ゲート方式以外のサイリスタにも適用可能なことは
いうまでもない。
In the above description, an example in which the present invention is applied to an electric gate type thyristor has been described, but the present invention can also be applied to an optical trigger thyristor, a gate turn-off thyristor, etc.
Needless to say, the present invention can also be applied to thyristors other than electric gate type.

[発明の効果] 本発明によれば、従来のサイリスタの製造プロセスを何
ら変更することなく、サイリスタ素子に必要な接合形成
後のプロトン照射条件や、その後でのアニール処理条件
により、ブレークオーバー電圧を自在に、しかも高精度
で簡単に調整できるため、歩留まり向上と相俟ってロー
コストで高性能の過電圧自己保護型サイリスタを容易に
提供することが出来る。
[Effects of the Invention] According to the present invention, the breakover voltage can be increased by adjusting the proton irradiation conditions after forming the junction necessary for the thyristor element and the subsequent annealing treatment conditions, without changing the conventional thyristor manufacturing process. Since it can be adjusted freely and easily with high precision, it is possible to easily provide a high-performance overvoltage self-protection type thyristor at low cost while improving yield.

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

第1図は本発明による過電圧自己保護型サイリスタの一
実施例を示す断面図、第2図は深さ方向のイオン分布及
び損傷分布を示す図、第3図はドーズ量をパラメータと
した電圧−電流特性図、第4図はドーズ量に対するブレ
ークオーバー電圧特性図、第5図はアニール条件をパラ
メータとした電圧−電流特性図、第6図は製造工程図、
第7図は本発明の他の一実施例を示す断面図と平面図、
第8図、第9図、第10図はそれぞれ従来技術の説明図
である。 1・・・・・・半導体基板、2・・・・・・nエミツタ
層、3・・・・・・nベース層、4・・・・・・pベー
ス層、5・旧・・nエミツタ層、6・・・・・・アノー
ド電極、7・・・・・・カソード電極、8・・・・・・
パイロットサイリスタ部、9・・・・・・補助サイリス
タ部、10・・・・・・パイロットサイリスタ電極、1
1・・・・・・補助サイリスタ電極、12・・・・・・
プロトン照射によるイオン分布のピーク領域、13・・
・・・・プロトン照射による結晶欠陥生成領域である。 11\ 第1図 第2図 表面のゝづの巽離 O 第3図 奄 圧 (kV) w&5図 電 圧 (kV) O 第4図 ドース゛IL (cm−勺 第6図 第7図 第8図 第9図 第10図
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of an overvoltage self-protection type thyristor according to the present invention, FIG. 2 is a view showing the ion distribution and damage distribution in the depth direction, and FIG. 3 is a diagram showing the voltage - Current characteristic diagram, Figure 4 is a breakover voltage characteristic diagram with respect to dose amount, Figure 5 is a voltage-current characteristic diagram with annealing conditions as parameters, Figure 6 is a manufacturing process diagram,
FIG. 7 is a sectional view and a plan view showing another embodiment of the present invention,
FIG. 8, FIG. 9, and FIG. 10 are explanatory diagrams of the prior art, respectively. 1... Semiconductor substrate, 2... N emitter layer, 3... N base layer, 4... P base layer, 5... Old... n emitter layer. layer, 6... anode electrode, 7... cathode electrode, 8...
Pilot thyristor section, 9... Auxiliary thyristor section, 10... Pilot thyristor electrode, 1
1... Auxiliary thyristor electrode, 12...
Peak area of ion distribution due to proton irradiation, 13...
...This is a region where crystal defects are generated due to proton irradiation. 11\ Fig. 1 Fig. 2 Distance of the surface O Fig. 3 Voltage (kV) w & Fig. 5 Voltage (kV) O Fig. 4 Dose IL (cm-) Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8 Figure 9 Figure 10

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、接合面の一部に順方向降伏電圧が低下している部分
を形成することにより過電圧保護機能を与える方式のサ
イリスタにおいて、上記接合面を形成している一方の半
導体層内にイオン分布密度がピーク値を示す部分をプロ
トン照射により形成し、このピーク値を示す部分の存在
により上記順方向降伏電圧が低下している部分が形成さ
れるように構成したことを特徴とする過電圧自己保護型
サイリスタ。 2、請求項1の発明において、上記サイリスタがパイロ
ットサイリスタ部又は補助サイリスタ部の少なくとも一
方を備え、上記ピーク値を示す部分が、これらパイロッ
トサイリスタ部又は補助サイリスタ部の少なくとも一方
が形成されている部分の中に存在するように構成したこ
とを特徴とする過電圧自己保護型サイリスタ。 3、請求項1又は2の発明において、上記順方向降伏電
圧が低下している部分の順方向降伏電圧特性が、上記プ
ロトン照射時での照射条件と、このプロトン照射後のア
ニール処理条件により決定されていることを特徴とする
過電圧自己保護型サイリスタ。
[Claims] 1. In a thyristor of a type that provides an overvoltage protection function by forming a portion where the forward breakdown voltage is lowered in a part of the junction surface, one of the semiconductors forming the junction surface. A feature is that a portion in which the ion distribution density exhibits a peak value is formed in the layer by proton irradiation, and the presence of the portion exhibiting this peak value forms a portion where the forward breakdown voltage is lowered. Overvoltage self-protection type thyristor. 2. In the invention of claim 1, the thyristor includes at least one of a pilot thyristor section or an auxiliary thyristor section, and the portion exhibiting the peak value is a section where at least one of the pilot thyristor section or the auxiliary thyristor section is formed. An overvoltage self-protection type thyristor characterized in that the overvoltage self-protection type thyristor is configured to exist in the thyristor. 3. In the invention of claim 1 or 2, the forward breakdown voltage characteristics of the portion where the forward breakdown voltage is decreased are determined by the irradiation conditions during the proton irradiation and the annealing treatment conditions after the proton irradiation. An overvoltage self-protection thyristor characterized by:
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6359313B1 (en) * 1998-05-18 2002-03-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Electrostatic discharge protection transistor for a semiconductor chip
JP2011210774A (en) * 2010-03-29 2011-10-20 Mitsubishi Electric Corp Manufacturing method of semiconductor device
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