JPH0677262U - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面降伏を起こさずにＰＮ接合と表面との交
叉部に比較的高い電圧を保持し得る半導体装置を提供す
ることを目的とする。 【構成】 半導体ウエハ（１２）は交叉部（３２）及び
ＰＮ接合（２８）を有する導電領域（１８）と、絶縁層
（５０）及び半絶縁層（５２）とを有する。層（４２）
は半絶縁層（５２）を導電領域（２６）にオーム接続す
る。層（５４）は絶縁層（５２）を導電領域（１８）に
オーム接続する。半絶縁層は絶縁層を越えて延びウエハ
表面に接する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、ＰＮ接合と半導体ウエハ表面との交叉部（インタセプト）を覆う 不働態化構造に関するもので、更に詳しくは、表面降伏を起こさずにＰＮ接合と 表面との交叉部に比較的高い電圧を保持し得るような構造に関するものである。

【０００２】

【考案の背景】

固体半導体装置は、通常、Ｐ型領域とＮ型領域とによって１個以上のＰＮ接合 が形成されている半導体材料のウエハを持っている。典型的なものでは、それら ＰＮ接合の少なくとも１個はウエハの表面と交叉している。たとえば、一般にブ レーナ半導体装置と呼ばれる装置、すなわちＰ型及び／またはＮ型導電領域をウ エハの主表面から半導体中に拡散させた形式の装置にあっては、各拡散領域のＰ Ｎ接合はウエハ主表面と交叉している。

【０００３】 電力装置のようなものの場合には、その動作時に或るＰＮ接合で可なり高い電 界を維持しなければならない。そのような（高電圧）ＰＮ接合はその理論的なバ ルク降伏値に近い電圧を保持し得るものであることが望ましい。特定のＰＮ接合 で保持し得る電圧を高めるために、その接合とウエハ表面との交叉部を覆って不 働態化処理を施すことが通常行なわれる。この不働態化部は、通常、絶縁性また は半絶縁性材料の層の形をしていて、ＰＮ接合を外気から保護する働きをする。 この不働態化のために、種々の材料及びその組合わせが提案されており、普通使 用されている材料は、２酸化シリコン、窒化シリコン、半絶縁性多結晶シリコン （ＳＩＰＯＳ）、及び種々のドープされた或いは非ドープのシリケート・ガラス 等である。

【０００４】 ＰＮ接合が比較的高い電界を保持しているときには、その交叉部付近の部分は 特に表面電気的降伏を起こし易い。通常の不働態化処理を施した装置では、表面 電気的降伏は、その接合が耐え得る最大電圧であるＰＮ接合バルク降伏電圧の７ ０％から８０％の電圧で発生し、装置を破壊する。ＰＮ接合交叉部近傍のウエハ 表面で電圧を分布させることによって表面電気的降伏電圧値を増大させる試みと して、種々の金属電界遮蔽構造が提案された。例えば、１９８３年５月２４日発 行の「ＲＣＡテクニカル・ノート」１３２５頁のネイルソン（Ｊ．Ｍ．Ｓ．Ｎｅ ｉｌｓｏｎ）氏他による「ダブル・フィールド・シールド構造」及び１９８３年 ５月２６日発行の「ＲＣＡテクニカル・ノート」１３２６頁のネイルソン氏他の 「テーパード・フィールド・シールド」を参照されたい。

【０００５】

【考案の概要】

この考案による半導体装置構造は、第２導電型の領域とＰＮ接合を形成する第 １導電型の領域を有する半導体ウエハより成り、上記ＰＮ接合はウエハの表面と 交叉（インタセプト）している。そのウエハ表面には電気的絶縁材料の層が設け られまたこの電気的絶縁材料層の上には半絶縁性材料の層が形成され、これら両 層がＰＮ接合交叉部の上にありかつそのＰＮ接合に付帯する空乏領域の上に延び ている。第１導電型の領域の一部と半絶縁性材料とをオーム接続する第１の手段 と、第２導電型の領域の一部と半絶縁性材料とをオーム接続する第２の手段とが 設けられている。この第１の手段は第２の手段から所定の距離だけ隔てられてい る。

【０００６】

【実施例の詳細な説明】

図１と図２に例示されたように、この考案による電圧分布型不働態化層は、ブ レーナ・バイポーラ・トランジスタ１０のような装置に容易に適用することがで きる。装置１０は、第１と第２の主表面１４と１６を有するほぼ平坦な半導体ウ エハ１２を持っている。第２の主表面１６から第１の主表面１４へ延びているの は第１導電型のコレクタ領域１８である。コレクタ領域１８は、第２主表面１６ と一体の平坦な比較的高導電性部２０と、この高導電性部２０と一体で第１主表 面１４まで延びる比較的低導電性部２２とを持っている。これらの比較的高導電 性部２０と比較的低導電性部２２との間の界面は符号２４で示された高・低接合 と呼ばれる。

【０００７】 第１の主表面１４からウエハ１２の中へは第２導電型のベース領域２６が延び ており、このベース領域はコレクタの低導電性部２２に比べて比較的高導電性で ある。ベース領域２６はコレクタの低導電性部２２とベース・コレクタＰＮ接合 ２８を形成している。このベース・コレクタＰＮ接合２８は第１主表面１４から 所定の深さまで延びており、また接合２８が第１主表面１４と交叉部３２を形成 するように湾曲部３０を持っている。ベース領域２６の境界の内側では第１主表 面１４からウエハ１２の中へ第１導電型のエミッタ領域３４が延長しており、エ ミッタ・ベースＰＮ接合３６を形成している。第１導電型を有しコレクタの低導 電性部２２に比べて比較的高導電性のコレクタ接触領域３８が、第１主表面１４ の周縁に沿ってウエハ１２中へ延びている。

【０００８】 第１主表面１４の上には、エミッタ領域３４とオーム接触を作るエミッタ電極 ４０と、ベース領域２６とオーム接触を作るベース電極４２が設けられている。 主表面１４のエミッタ・ベース接合３６交叉部上には絶縁層４４が載っていてエ ミッタ電極４０とベース電極４２とを相互に隔てている。絶縁層４４は例えば２ 酸化シリコンより成り、エミッタ及びベースの両電極は例えばアルミニウムより 成るものである。例えばアルミニウムで作り得るコレクタ電極４６は、第２主表 面１６上でコレクタの比較的高導電性部２０にオーム接触を形成している。

【０００９】 動作時について説明すると、この装置のベース・コレクタＰＮ接合２８は或電 圧を保持し、それによって接合に隣接するベース及びコレクタ領域の部分２６と １８中に空乏領域が発生する。この空乏領域の大きさは、接合の両側にあって、 半導体材料から可動電荷キャリヤが除去される距離で表わすことができる。特定 の半導体領域中の空乏領域の大きさは、その内部の不純物濃度分布、ＰＮ接合の 寸法形状、その接合が保持すべき電圧及び接合の端部における境界条件などの関 数である。また、或る接合によって保持される特定電圧に対して空乏領域が広け れば広いほどその接合における電界は弱くなることに注意されたい。接合が保持 し得る理論的最大電圧は、バルク降伏電圧と名付けられ、その電圧で空乏領域の 大きさは最大となる。

【００１０】 この考案の構造においては、第１主表面１４上にしかもベース・コレクタＰＮ 接合２８の交叉部３２を覆うように電圧分布不働態化層４８が設けられている。 この不働態化層４８は、主表面１４上に直接載っている絶縁層５０とこの絶縁層 ５０上の半絶縁性層５２で構成されている。絶縁層５０は図２に示すように横寸 法Ｄ１を持っている。この絶縁層は、装置の動作時に交叉部３２のところでベー ス・コレクタＰＮ接合２８に生ずるであろう最大空乏領域を覆うように、主表面 １４上に位置づけされている。好ましい実施例においては、絶縁層５０は２酸化 シリコンより成り、半絶縁性層５２は抵抗率が約１０⁷ Ω-cm のＳＩＰＯＳで形 成されている。高抵抗体として働くこの所要抵抗率を有するＳＩＰＯＳは約１０ ％乃至２０％の酸素濃度を有する。酸素添加多結晶シリコン材料であるこのＳＩ ＰＯＳの構造に関するこれ以上の詳細は、１９７７年３月２日付で松下氏他に与 えられた米国特許第４０１４０３７号「半導体装置」に記述されている。

【００１１】 ベース電極４２は、ベース領域２６に接触する（ベース・コレクタＰＮ接合２ ８によって空乏化されない部分で）と共に半絶縁性層５２とベース領域２６との 間のオーム接続も行なう。好ましい実施例においては、このベース電極４２は、 図２に距離Ｄ２で示すようにベース・コレクタＰＮ接合の交叉部３２から測って コレクタ領域の低導電性部２２の上に或る所定の横方向距離だけ延長するように 、半絶縁性層５２の上を覆っている。ベース電極４２がコレクタ領域上に載って いることは絶対必要な条件ではないがそのような構造は一般にベース・コレクタ ＰＮ接合交叉部３２のフィールド遮蔽と呼ばれている。

【００１２】 第２のオーム接続５４が、比較的高導電性のコレクタ接触領域３８を介して、 半絶縁性層５２をコレクタの比較的低導電性部分２２にオーム接続している。接 続５４は、ベース・コレクタＰＮ接合２８によって空乏化されない位置でコレク タ領域１８に接触している。ベース電極４２は図１及び図２にＤ３で示されるよ うに第２オーム接続５４から所定距離隔てられている。この距離Ｄ３は装置の設 計バルク降伏電圧によって決定される。距離Ｄ３によって１ミクロン当たり約１ ０ボルトに耐えられる。従って、例えば、１００ミクロンのＤ３の場合にはベー ス・コレクタＰＮ接合間の１０００ボルトの電圧に耐えられる。距離Ｄ３の最適 寸法は、ベース・コレクタＰＮ接合２８のバルク降伏電圧のほぼ９５％が得られ るように計算すべきである。もしこの寸法Ｄ３が最適値より大幅に大きい（例え ば、バルク降伏電圧の１００％よりも大きい）と、装置の表面積が不当に犠牲に なる。また、Ｄ３が最適値より可なり小さいと早期表面電気的降伏が起こり易い 。

【００１３】 通常の不働態化を施した装置では、最大バルク降伏電圧より相当に低い電圧で 降伏が起こるのが普通である。この考案の装置１０では、電圧分布不働態化層４ ８とそれに付属する接続が、ベース・コレクタＰＮ接合２８に生ずる電界をベー ス・コレクタＰＮ接合２８とコレクタ接触領域３８の間の表面１４上に一様に分 布させる。ベース領域２６とコレクタ領域１８の間の電圧は線形分布されるので 、ベース・コレクタＰＮ接合２８に生ずる空乏領域が拡げられる。これによって 、この考案の装置では、主表面と湾曲部３０の近傍とにおける降伏電圧が高くな る。

【００１４】 この考案の電圧分布型不働態化構造を利用することによって、１１００乃至１ ３００ボルトという降伏電圧が得られるが、この電圧は不働態化されている接合 のバルク降伏電圧の９５％から９８％である。この考案を実施した装置では、１ ０００ボルトで２０ワット以上（すなわち２０ミリアンペア）を安全に消費する ことができた。さらに、この電圧分布型不働態化構造は、装置を例えば約２００ ℃の範囲という様な可なり高い温度で動作させる場合に有利である。それは、高 い温度で生ずるＳＩＰＯＳの抵抗率の低下は、高温下で必ず生ずるベース・コレ クタ接合両端間の漏洩の増大によるオフセット以上であるからである。

【００１５】 この考案による構造は通常の処理技法を使用して形成することができる。また この構造は、半導体処理業界で使用されている普通のホトマスク法や被着法と完 全に両立し得るものである。更に、以上この考案をブレーナ・バイポーラ・トラ ンジスタへの応用について説明したが、その応用範囲はこの例に限定されるもの ではない。たとえば、この考案は、ＭＯＳ装置のような電界効果トランジスタ、 サイリスタ、ダイオード及び非ブレーナ装置にも非ブレーナ半導体ウエハ表面に も、容易に適用し得る。この構造は、また、高圧電力集積回路のような平坦な集 積回路構造とも両立し得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案による構造の一例を実施した半導体装
置の一例平面図である。

【図２】図１の半導体装置の断面図である。

【符号の説明】

１０ 半導体装置 １２ 半導体ウエハ １４，１６ ウエハの主表面 １８ 第２導電型の領域 ２６ 第１導電型の領域 ２８ ＰＮ接合 ３２ ＰＮ接合と主表面との交叉部 ４２ 半絶縁性材料層と領域２６との第１接続手段 ５０ 絶縁材料 ５２ 半絶縁性材料層 ５４ 半絶縁性材料層と第２導電型領域との第２接続手
段

Claims (8)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型の領域（２６）と、該ウエハ
   （１２）の表面（１４）との交叉部（３２）を有しかつ
   それに関する空乏領域を有するＰＮ接合（２８）を該第
   １導電型の領域（２６）と共に形成する第２導電型の領
   域（１８）とを有する半導体ウエハ（１２）と、両方共
   上記ＰＮ接合の交叉部（３２）に重なりかつ該空乏領域
   上に延びている、該ウエハ表面（１４）上の電気的絶縁
   材料の層（５０）及び該電気的絶縁材料の層（５０）上
   の約１０⁷ Ω-cm の抵抗率の半絶縁性材料の層（５２）
   と、該半絶縁性材料の層（５２）を該第１導電型の領域
   （２６）の一部分にオーム接続する第１の手段（４２）
   と、該半絶縁性材料の層（５２）を該第２導電型の領域
   （１８）の一部分にオーム接続する、該第１の手段より
   所定距離隔てられた第２の手段（５４）とを含み、該半
   絶縁材料の層は該絶縁材料の層を越えて延び該ウエハ表
   面に接する構成としたことを特徴とする半導体装置（１
   ０）。
2. 【請求項２】 該第１導電型の領域（２６）が、該第２
   導電型の領域（１８）に比べて比較的高い導電率を有す
   る請求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 該第２導電型の領域（１８）に隣接し、
   該ウエハの表面（１４）に配置された比較的高い導電率
   の第２導電型の領域（３８）と前記第２の手段（５４）
   が該比較的高い導電率の第２導電型の領域（３８）を含
   むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 該比較的高い導電率の第２導電型の領域
   （３８）はウエハ（１２）の縁に隣接していることを特
   徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 【請求項５】 該電気的絶縁材料の層（５０）が２酸化
   シリコンであることを特徴とする請求項１に記載の半導
   体装置。
6. 【請求項６】 該半絶縁性材料の層（５２）がＳＩＰＯ
   Ｓであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装
   置。
7. 【請求項７】 該第１の手段（４２）が該半絶縁性材料
   の層（５２）及び該ウエハの表面（１４）の上に載って
   いる金属層からなることを特徴とする請求項１に記載の
   半導体装置。
8. 【請求項８】 該第２の手段（５４）が、該半絶縁性材
   料の層（５２）及び該ウエハの表面（１４）の上に載っ
   ている金属層からなることを特徴とする請求項１に記載
   の半導体装置。