JPH06508962A - パワー半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 パワー半導体素子及びその製造方法 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念によるパワー半導体素子に関する。

請求の範囲第１項の上位概念によるパワー半導体素子は、例えばＷ、Ｇｅｒｌａ ｃｈの文献“Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒｅｎ、Ｒｅ１ｈｅ　ＨａｌｂｌｅｉｔｅｒｅＩ ｅｋｔｒｏｎｉｋ　Ｂａｎｄ１２．Ｓｐｒｉｎｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ　Ｂｅｒ ｌｉｎ／Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ／Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、１９７９．”の５６＋５７ ．１４０，１４１頁から公知である。このパワー半導体素子はエミッタゾーンを 備えたサイリスタである。

このエミッタゾーンはエミッタ短絡のための溝を有している。非常に小さな負荷 電流に対するエミッタ効率はほぼゼロなので、エミッタ短絡により順阻止特性（ 能力）が向上する。

本発明の課題は、比較的高い負荷電流の際のエミッタ効率がほぼゼロとなるよう なパワー半導体素子を提供することである。

この課題は、請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明によるパワー半導体素 子によって解決される。

本発明によって得られる利点は、例えば絶縁ゲートを有するバイポーラトランジ スタ（ＩＧＢＴ）において寄生サイリスタの点弧（ラッチアップ）が避けられる ことである。

本発明によるパワー半導体素子の有利な実施例は従属請求項に記載されている。

これらのパワー半導体素子は有利には請求の範囲８項及び９項に従って製造可能 である。

本発明は図面に基づいて以下に詳細に説明される。

図面の説明 図１は本発明によるパワー半導体素子の部分領域の断面図である。

図２は本発明の第１実施例の断面図である。

図３は本発明の第２実施例の断面図である。

図４は本発明によるパワー半導体素子の電流／電圧ダイヤグラムである。

図５は、本発明によるパワー半導体素子の製造方法の個々のステップを説明する ための図である。

実施例の説明 図１には本発明によるパワー半導体素子の断面図が示されている。このパワー半 導体素子ではアノード側においてｎ−−ドーピングされたセンターゾーン１にエ ミッタゾーンＥＺが続いている。このエミッタゾーンＥＺは、ｐ＋−ドーピング されたエミッタ領域４と、吸引抽出構造部ＡＳのｐ−−ドーピングされた第１の 部分５とからなってしする。この吸引抽出構造部ＡＳの第１の部分５にはそれぞ れ当該吸引抽出構造部Ａｓのｎ４−ドーピングされた第２の部分６が結合してい る。

この第２の部分６はアノード電極７と導電的に接続している。このアノード電極 ７はアノード端子Ａを有しており、この端子Ａはエミッタ領域４と導電的に接続 している。この場合エミッタ領域４は、ｎ“−ドーピングされたエミッタ短絡領 域Ｓを有し得る。このエミッタ短絡領域Ｓによっては、図１に破線で示されてい るようにアノード電極Ａがセンタゾーンｌに接続せしめられる。さらに−例とし て吸引抽出構造部ＡＳにおける当該吸引抽出構造部ＡＳの第１部分と第２部分と の間の接合領域において空間電荷領域ＲＬＺが斜線で示されている。

本発明によるパワー半導体素子のオン状態ではエミッタゾーンＥＺの前のセンタ ーゾーン１において自由電子と正孔からなる蓄電部分が発生する。エミッタ領域 ４の前に存在する電子は通常の形式でセンターゾーンｌへの正孔の注入を生ぜし める。吸引抽出構造部ＡＳの第１の部分５の前に存在する電子の特性は、そこで 生じている電子密度に強く依存する。電子密度が低い場合、すなわち負荷電流が 僅かな場合には、電子は吸引抽出構造部ＡＳの第１の部分５内へ拡散されるが、 空間電荷領域ＲＬＺにまでは至らない。なぜならこれらの電子はその前に再結合 するからである。再結合に要する正孔はアノード電極７からｐ“−ドーピングさ れたエミッタ領域４を介して再供給される。これに対して電子密度が高い場合に は、電子は空間電荷領域ＲＬＺに達し、そこで生じている電界に達する。この電 界は電子をアノード電極７の方向へ吸引する。電子は常にセンタゾーンｌから吸 引される。これにより比較的像かな電子が、エミッタ領域からの正孔の注入を引 き起こす。これによりアノード側のエミッタ効率が低減される。吸引抽出構造部 ＡＳはエミッタ短絡のように作用する。このエミッタ短絡は臨界電流レベルを越 えた場合に衝撃的に投入接続される。この臨界電流レベルでの及びこの臨界電流 レベルを越えての臨界電子密度は実質的に当該吸引抽出構造部の第１の部分５の 厚さとドーピング濃度によって決定する。この場合電子密度は負荷電流の高さと エミッタ領域４及び吸引抽出構造部の横方向の寸法に依存する。前記のパラメー タを用いて（吸引作用の生ぜしぬられる）所期の臨界電流レベルが調整され得る 。

図２には、絶縁ベースを有するバイポーラトランジスタ（Ｉ　ＧＢＴ）形状の本 発明によるパワー半導体素子の第１実施例が示されている。このパワー半導体素 子も図１において既に詳細に説明したセンターゾーンｌと、アノード側エミッタ 領域４と、吸引抽出構造部ＡＳの第１の部分５と、吸引抽出構造部ＡＳの第２の 部分６と、アノード電極７と、アノード端子Ａとを有している。さらにカソード 側にはｐ−ドーピングされたベースゾーン２がウェル状に当該Ｉ　ＧＢＴ内に設 けられており、またｎｌ−ドーピングされたカソード側エミッタ領域３が含まれ ている。ゲート端子Ｇを備えたゲート電極９は酸化膜Ｏによって当該半導体から 分離されている。この場合ゲート電極９はベースゾーン２が半導体表面に現われ てくる個所において当該ベースゾーン２を覆っている。ゾーン２及び３の、ゲー ト電極とは反対側にはカソード電極８が配置されている。

このカソード電極８はゾーン２と３の間で強い分路を成し、カソード電極にと接 触接続されている。

図２に示されているＩ　ＧＢＴは寄生サイリスタを存している。このサイリスタ はエミッタ領域４とゾーン１．２．３からなっている。アノード側エミッタゾー ンＥＺのエミッタ効率と荷電キャリア密度が高いならば、これらは寄生サイリス タの点弧（ラッチアップ）を惹起するおそれがある。

本発明によれば、荷電キャリア密度が高い場合にエミッタ効率が低減し、それに より不所望の寄生サイリスタの点弧が効果的に回避される。これに対しては閾値 がこの場合衣のように設定される。すなわちゾーン１．２．３によって形成され るバイポーラトランジスタの点弧に十分な増幅度が達成される前に前記のような ことが生ぜしめられるように設定される。

図３には、ゲート・ターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯ）として公知であるターン オフサイリスタ形状の本発明によるパワー半導体素子の第２実施例が示されてい る。この実施例もｎ−−ドーピングされたセンサゾーンｌと、カソード側エミッ タ領域３の埋込まれているカソード側ベースゾーン２とを有している。さらにこ の実施例も図１及び図２における吸引抽出構造部ＡＳとアノード側エミッタ領域 ４からなる前記配置構成と同じ構成を有している。エミッタ領域３は、エミッタ 電極８を備えている。これらのエミッタ電極間にはゲート電極９が配置されてい る。ゲート電極９は全てゲート端子Ｇに接続され、エミッタ電極８は全てカソー ド端子Ｋに接続されている。これによりこれらはそれぞれ並列に接続される。

ＧＴＯ及びサイリスタでは、抽出構造ＡＳとエミッタ領域４からなる配置構成に よって５極管のような出力特性曲線が生ぜしめられる。比較のために、図４では 本発明によるＧＴＯの出力特性曲線すと従来のＧＴＯの出力特性曲線ａが電流− 電圧ダイヤグラムで示されている。この図ではアノード電流ＩＡがアノード電圧 Ｕ　Ａに亘ってプロットされており、特性曲線ａ及びｂは臨界アノード電流ＩＫ までは同じである。アノードを流ＩＡが臨界アノード電流ＩＫを越えて上昇した 場合に例えばＧＴＯは電圧を大幅に吸収し、このＧＴＯにおける電圧降下は例え ば遮断装置に対する入力パラメータとして用いることができる。

本発明によるパワー半導体素子の有利な製造方法は図５ａ〜図５ｅに示されてい る。この場合半導体Ｈのアノード側領域がそれぞれ主要な方法ステップに従って 示されている。まず図５ａでは第１の方法ステップに従った半導体のアノード側 領域が示されている。このステップではｎ−−ドーピングされた、つまり低濃度 でｎ−ドーピングされた半導体Ｈに、厚＜ｐ−−ドーピングされた層５１．すな わち低濃度でｐ−ドーピングされた層５１が面状に注入される。この場合ｎ−− ドーピングされた領域１１は後のセンターゾーンｌのために処理される。この面 状の注入は例えば１０１４ｂｏｒｏｎ　ａｔｏｍｓ／ｃｍの調量で行われる。

図５ｂには第２の方法ステップに従った半導体の領域が示されている。このステ ップでは厚くｐ−−ドーピングされた層５１へ、ｎｌ−ドーピングされた、すな わち高濃度にｎ−ドーピングされた（後の吸引抽出構造部の第２の部分６に対す る）層６１が面状に注入される。それにより層６１と層１１との間に薄＜ｐ−− ドーピングされた層５２が残される。ｎ“−注入は緩慢に拡散するドナー、例え ば砒素、アンチモン等を用いて行われる。この場合調量は例えばｌ　Ｏ１６ｃ　 ｔｎ−２である。それにより当該第２ステツプの結果としてドーピング濃度が１ ０２１０２０ａとなるように選定することができる。図５０では第３方法ステツ プに従った半導体素子の領域が示されている。このステップでは後の吸引抽出構 造部に対する領域のマスクが絶縁−又は酸化膜Ｍによって行われる。

図５ｄには第４の方法ステップに従った半導体Ｈの領域が表されている。このス テップではｎ”−ドーピングされた層６１が後のエミッタ領域４においてｐ−一 ドーピングされた層５２までエツチングされる。この場合、層６１からは後の吸 引抽出構造部の第２部分６に対する領域６２が残される。

図５ｅにはｐｏ−配置構成に従った、すなわち高濃度ｐ−ドーピングに従った半 導体Ｈの領域が示されている。ここでは第５方法ステツプにおいて層５２内の、 マスクＭによって覆われなかった個所において、後のアノード側エミッタ領域４ に対するｐｌ−ドーピング領域４１が生ぜしめられる。マスクＭによって覆われ た個所には後の吸引抽出構造部の第１部分５に対するｐ−−ドーピング領域５３ が形成される。この場合特に有利なのは、マスクＭをエツチングステップにもＰ “−配置構成にも用いることができることである。

マスクＭの除去の後では打ち込みステップ（このステップでは図５ｆに示されて いるように半導体のエツチングによって半導体内へｐ＋−ドーピング領域が打ち 込まれる）形式の第６の方法ステップにより、エミッタ領域４が半導体内へ吸引 抽出構造部の第１の部分５よりも深く拡張される。第７の及び最終の方法ステッ プとしてアノード側表面から金属被覆が行われる。

この金属被覆では、アノード電極７が形成される。これは図５ｇから明らかなよ うに、吸引抽出構造部の第２部分とエミッタ領域４に対する接触面を有する。

前記実施例ではわかりやすくするためにセンターゾーンｌ、すなわち初期の材料 がｎ−−ドーピングされたタイプの本発明によるパワー半導体素子のみが示され ている。しかしながら本発明はｐ−−ドーピングされたセンターゾーンを剪する パワー半導体素子にも同様に当てはまるものである。この場合は単に全てのゾー ンないし領域がその伝導タイプに入れ替わり、アノードがカソードに入れ替わる だけである。またｐ−−ドーピングされたセンタゾーンを有する本発明によるパ ワー半導体素子の製造方法に対してもそれぞれドナーの代わりにアクセプタが逆 に用いられる。

ＩＧ　４ ＩＧ　５ａ ＩＧ５ｂ ＦＩＧ　５ｄ ＦＩＧ　５ｅ ＩＧ５ｆ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成　６年　１月１７日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の伝導形（ｎ）の少なくとも１つの第１のエミッタゾーン（３）と、 第２の伝導形（ｐ）の少なくとも１つのベースゾーン（２）と、 センターゾーン（１）と、 第２のエミッタゾーン（ＥＺ）と、 第２の主電極（７）とを有し、 前記第１のエミッタゾーン（３）は、第１の主電極（８）と導電的に接続されて おり、 前記第２のエミッタゾーン（ＥＺ）は、第２の伝導形（ｐ）の少なくとも１つの 高濃度ドーピングされたエミッタ領域（４）と、該エミッタ領域（４）とは異な って構成された少なくとも１つの別の領域とからなっており、 前記第２の主電極（７）は、第２の伝導形（ｐ）の高濃度ドーピングされたエミ ッタ領域（４）と導電的に直接接続されている、パワー半導体素子において、 前記第２のエミッタゾーン（ＥＺ）の別の領域は、低濃度にドーピングされ、第 ２の伝導形（ｐ）を有し、さらに吸引抽出構造部（ＡＳ）の第１の部分（５）を 形成しており、 前記吸引抽出構造部（ＡＳ）の第２の部分（６）は、高濃度にドーピングされ、 第１の伝導形（ｎ）を有しており、さらに当該第２の部分（６）により前記吸引 抽出構造部（ＡＳ）の第１の部分（５）が前記第２の主電極（７）に接続されて いることを特徴とする、パワー半導体素子。 ２．前記センタゾーン（１）と第２の主電極（７）との間に、第１の導電性タイ プ（ｎ）の高濃度ドーピングされた接合部領域の形状で少なくとも１つのエミッ タ短絡領域が設けられている、請求の範囲第１項記載のパワー半導体素子。 ３．臨界電流強度（１Ｋ）が前記吸引抽出構造部（ＡＳ）の第１の部分（５）の 厚さ及び／又はドーピング濃度によって、及び／又は前記吸引抽出構造部（ＡＳ ）とエミッタ領域の横方向の寸法によって予め設定可能である、請求の範囲第１ 項又は２項記載のパワー半導体素子。 ４．前記吸引抽出構造部（ＡＳ）の第１の部分（５）は、連続した領域として構 成されており、該領域において第２の伝導形の高濃度ドーピングされた少なくと も１つのエミッタ領域が島状に形成されている、請求の範囲第１項又は２項記載 のパワー半導体素子。 ５．前記第２の伝導形（ｐ〕の高濃度ドーピングされたエミッタ領域（４）は連 続した領域として構成されており、該領域において前記吸引抽出構造部（ＡＳ） の少なくとも１つの第１の部分（５）が島状に形成されている、請求の範囲第１ 項又は２項記載のパワー半導体素子。 ６．前記センタゾーン（１）はｎ形伝導タイプである請求の範囲第１項又は２項 記載のパワー半導体素子。 ７．前記センタゾーン（１）はｐ形伝導タイプである請求の範囲第１項又は２項 記載のパワー半導体素子。 ８．請求項１に記載のパワー半導体素子を製造するための方法において、 第１の伝導タイプ（ｎ）の半導体（Ｈ）内へ、第２の伝導タイプ（ｐ）の低濃度 に厚くドーピングされた層（５１）を面全体に亘って注入し、前記第２の伝導タ イプ（ｐ）の低濃度に厚くドーピングされた層（５１）内へ、第１の伝導タイプ （ｎ）の高濃度にドーピングされた層（６１）を、緩慢に拡散するドーピング材 料（ドナー）を用いて面状に注入し、この場合第２の伝導タイプ（ｐ）の低濃度 に薄くドーピングされた層（５２）は残されており、 前記第１の伝導タイプ（ｎ）の高濃度にドーピングされた層（６１）を、マスク （Ｍ）を用いて少なくとも１つの領域内において覆い、 前記第１の伝導タイプ（ｎ）の高濃度にドーピングされた層（６１）のうちの前 記マスク（Ｍ）によって覆われなかった少なくとも１つの領域をエッチングによ って除去し、 第１の伝導タイプ（ｎ）の高濃度にドーピングされた少なくとも１つの領域（６ ２）を残し、前記第２の伝導タイプ（ｐ）の低濃度に薄くドーピングされた層（ ５２）のうちの前記マスク（Ｍ）によって覆われなかった少なくとも１つの領域 を、マスク（Ｍ）によって覆われた領域よりも高濃度にドーピングし、第２の伝 導タイプ（ｐ）の低濃度にドーピングされた少なくとも１つの領域（５３）と第 ２の伝導タイプ（ｐ）の高濃度にドーピングされた少なくとも１つの領域（４１ ）とを形成し、前記第２の伝導タイプ（ｐ）の低濃度にドーピングされた少なく とも１つの領域（５３）と第２の伝導タイプ（ｐ）の高濃度にドーピングされた 少なくとも１つの領域（４１）を、前記マスク（Ｍ）の除去の後で加熱により半 導体（Ａ）内へ打ち込み、この場合前記第２の伝導タイプ（ｐ）の低濃度にドー ピングされた少なくとも１つの領域（５３）からは吸引抽出構造部の第１の部分 （５）が形成され、前記第２の伝導タイプ（ｐ）の高濃度にドーピングされた少 なくとも１つの領域（４１）からは第２の伝導タイプ（ｐ）のエミッタ領域（４ ）が形成され、前記第１の伝導タイプ（ｎ）の高濃度にドーピングされた領域（ ６２）からは当該吸引抽出構造部（６）の第２の部分が形成されるものであり、 さらに第２の主電極（７）として金属膜を設け、該金属膜は、前記第２の伝導タ イプ（ｐ）の少なくとも１つのエミッタ領域（４）と、吸引抽出構造部の少なく とも１つの第２の部分（６）と導電的に接続されるものであることを特徴とする 、パワー半導体素子を製造するための方法。 ９．前記第２の伝導タイプ（ｐ）の低濃度に厚くドーピングされた層（５１）は ｎ伝導タイプであり、前記第１の伝導タイプ（ｎ）の高濃度にドーピングされた 層（６１）をドービング材料としての砒素又はアンチモンを用いて作製する請求 の範囲第８項記載のパワー半導体素子を製造するための方法。