JPH10294450A - Gate turn-off thyristor and its manufacture - Google Patents

Gate turn-off thyristor and its manufacture

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JPH10294450A
JPH10294450A JP10004097A JP10004097A JPH10294450A JP H10294450 A JPH10294450 A JP H10294450A JP 10004097 A JP10004097 A JP 10004097A JP 10004097 A JP10004097 A JP 10004097A JP H10294450 A JPH10294450 A JP H10294450A
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JP
Japan
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semiconductor region
region
forming
semiconductor
type
Prior art date
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Application number
JP10004097A
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Japanese (ja)
Inventor
Susumu Murakami
進 村上
Saburo Oikawa
三郎 及川
Yasuhiro Mochizuki
康弘 望月
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the minimum gate ignition current by performing ion implantation of an n-type impurity in a p-base surface that is included between the n-type semiconductor region and an n-type emitter region of a mesa part, and forming an n-type inversion layer on the p-base surface by the positive charge of an insulation film. SOLUTION: Normally, a positive charge exists in an oxide film 7, an opposite charge is induced on the surface of a p-type semiconductor region 3 when the p-type semiconductor region 3 makes contact with the oxide film 7, and the surface of the p-type semiconductor region 3 is subjected to acceptor-type impurity ionization. As a result, a depletion layer is formed. By including an n-type inversion layer 6 between the p-type semiconductor region 3 and the oxide film 7, the surface of the n-type inversion layer 6 cannot turn to a depletion layer even if a gate current is allowed to flow on turn-on, thus preventing a surface recombination current from flowing, essentially increasing the ratio of a true gate current that flows into a p base, and reducing the minimum gate ignition current.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に係り、特に最小ゲート点弧電流を小さくで
きるゲートターンオフサイリスタ及びその製造方法に関
する。
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a gate turn-off thyristor capable of reducing a minimum gate firing current and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】ゲートターンオフサイリスタのスイッチ
ング性能を向上させるために、従来から種々の技術が提
案されている。
2. Description of the Related Art Various techniques have been proposed to improve the switching performance of a gate turn-off thyristor.

【0003】例えば、可制御電流を向上させる従来技術
として、特公平6−24243号公報に記載された技術が知ら
れている。この従来技術は、カソード領域が蝕刻領域に
接する縁部分において中心部より深くなるように形成す
ることにより、中心部より縁部で不純物濃度の低いカソ
ード領域が形成され、ゲート/カソード間耐圧を上げ、
可制御電流を改善するとされている。
[0003] For example, as a conventional technique for improving the controllable current, a technique described in Japanese Patent Publication No. 6-24243 is known. In this prior art, the cathode region is formed so as to be deeper than the center portion at the edge portion in contact with the etching region, so that the cathode region having a lower impurity concentration is formed at the edge portion than the center portion, and the gate-cathode breakdown voltage is increased. ,
It is said that the controllable current is improved.

【0004】さらに、ゲートターンオフサイリスタのタ
ーンオフ性能を向上させる他の従来技術として、特公平
7−120787 号公報や特公平6−69092号公報に記載された
技術が知られている。これらの従来技術は、先ずn型シ
リコン基板にゲート堀込み部となる凹部を形成してお
き、p型不純物のガリウムやボロンの拡散後のドライブ
イン拡散によって形成することにより、ゲート堀込み部
のpベース層の不純物濃度の低下を抑制することがで
き、ゲートターンオフ能力を維持でき、電流遮断能力の
向上が達せられるものとされている。
Another conventional technique for improving the turn-off performance of a gate turn-off thyristor is disclosed in
The techniques described in JP-A-7-120787 and JP-B-6-69092 are known. In these prior arts, first, a concave portion serving as a gate dug portion is formed in an n-type silicon substrate, and then formed by drive-in diffusion after diffusion of gallium or boron of a p-type impurity, thereby forming the gate dug portion. It is described that a decrease in the impurity concentration of the p base layer can be suppressed, the gate turn-off capability can be maintained, and the current blocking capability can be improved.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術では、ゲートターンオフサイリスタを点弧すると
きに、ゲート/カソード間に順バイアス電圧を印加しゲ
ート電流を流すが、pベース表面で表面再結合電流が流
れ、最小ゲート点弧電流の増大やその面内ばらつきが生
じ、オン電圧の増大や面内でのターンオフ性能がばらつ
くため、最大可制御電流が低下する問題は考慮されてい
なかった。
However, in the prior art, when a gate turn-off thyristor is fired, a forward bias voltage is applied between a gate and a cathode to flow a gate current, but the surface recombination occurs on the p base surface. Since the current flows, the minimum gate firing current increases and its in-plane variation occurs, and the on-voltage increases and the in-plane turn-off performance varies, so that the problem that the maximum controllable current decreases is not considered.

【0006】本発明の目的は、従来の半導体装置及びそ
の製造方法の問題点を解決したゲートターンオフサイリ
スタ及びその製造方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a gate turn-off thyristor and a method for manufacturing the same, which solve the problems of the conventional semiconductor device and the method for manufacturing the same.

【0007】本発明の目的を具体的に言えば、ゲート・
カソード間のpベース表面での表面再結合電流を低減で
き、最小ゲート点弧電流を低い値にできるゲートターン
オフサイリスタ及びその製造方法を提供することにあ
る。
Specifically, the object of the present invention is to provide a gate
An object of the present invention is to provide a gate turn-off thyristor capable of reducing a surface recombination current on a p-base surface between cathodes and reducing a minimum gate ignition current, and a method of manufacturing the same.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに本発明は、一対の主表面を有し、一方の主表面から
nエミッタ領域,pベース領域,nベース領域,pエミ
ッタ領域が順次積層され、一方の主表面から所定の領域
にnエミッタ領域とpベース領域からなるpn接合が露
出するようメサ型に溝が設けられ、このメサ部の底部の
pベース領域表面には高不純物濃度のp+ 型半導体領域
が形成され、nエミッタ領域の露出面にカソード電極が
接続され、高不純物濃度のp+ 型半導体領域の露出面に
はゲート電極が接続され、pエミッタ領域の露出面には
アノード電極が接続されたゲートターンオフサイリスタ
において、上記メサ部のp+ 型半導体領域とnエミッタ
領域との間に介在するpベース表面にn型不純物をイオ
ン打ち込み法により導入したり、あるいは上記メサ部を
形成した後に熱処理をしてメサ部のpベース領域表面の
不純物を外向拡散して内部より低不純物濃度化する等し
て、絶縁膜の正電荷によりpベース表面にn型反転層が
形成されるようにしたものである。
In order to achieve the above object, the present invention has a pair of main surfaces, and an n emitter region, a p base region, an n base region, and a p emitter region are sequentially formed from one of the main surfaces. A mesa-shaped groove is provided so that a pn junction consisting of an n-emitter region and a p-base region is exposed in a predetermined region from one main surface, and a high impurity concentration is formed on the surface of the p-base region at the bottom of the mesa portion. A p + type semiconductor region is formed, a cathode electrode is connected to an exposed surface of the n emitter region, a gate electrode is connected to an exposed surface of the p + type semiconductor region having a high impurity concentration, and an exposed surface of the p emitter region is formed. In a gate turn-off thyristor connected to an anode electrode, an n-type impurity is ion-implanted into a p-base surface interposed between the p + -type semiconductor region and the n-emitter region in the mesa portion. Or by performing a heat treatment after the formation of the mesa portion, outward diffusion of impurities on the surface of the p base region of the mesa portion to lower the impurity concentration from the inside, and the like. An n-type inversion layer is formed on the substrate.

【0009】さらにまた、ゲート・カソード間の逆方向
電圧−電流波形の内、耐圧以下の任意の逆方向印加電圧
を境にして、逆方向印加電圧の増加に伴いリーク電流の
逆方向印加電圧に対する増加割合が減少する、2段波形
を有するようにしたものである。
Further, in the reverse voltage-current waveform between the gate and the cathode, at an arbitrary reverse applied voltage lower than the breakdown voltage, the leakage current is increased with respect to the reverse applied voltage as the reverse applied voltage increases. It has a two-stage waveform in which the increasing rate decreases.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0011】(実施例1)図1は本発明によるゲートタ
ーンオフサイリスタ(以下、GTOと略称する)の第1
実施例を示す断面図である。図において、1はnベース
層となるn型半導体領域であり、2はpエミッタ層とな
るp+ 型半導体領域、3はpベース層となるp型半導体
領域、4はnエミッタ層となるn+ 型半導体領域、5は
p型半導体領域3がゲート電極30をオーミック接触さ
せるためのp+ 型半導体領域である。6はn+ 型半導体
領域4とp+ 型半導体領域5との間のp型半導体領域上
に形成されたn型反転層である。7は少なくともn+ 型
半導体領域4とn型反転層6からなる接合、n型反転層
6、及びn型反転層6とp+ 型半導体領域5からなる接
合上に形成された酸化膜であり、この酸化膜7は熱酸化
による二酸化珪素膜,リンガラス膜,CVD法による二
酸化珪素膜や窒化珪素膜、あるいはこれらの複合膜であ
る。pエミッタ層となるp+ 型半導体領域2にはアノー
ド電極20がオーミック接続され、pベース層となるp
型半導体領域3上に形成されたp+ 型半導体領域5には
ゲート電極30がオーミック接続され、nエミッタ層と
なるn+型半導体領域4にはカソード電極40が接続さ
れている。
FIG. 1 shows a first embodiment of a gate turn-off thyristor (hereinafter abbreviated as GTO) according to the present invention.
It is sectional drawing which shows an Example. In the figure, 1 is an n-type semiconductor region serving as an n-base layer, 2 is a p + -type semiconductor region serving as a p-emitter layer, 3 is a p-type semiconductor region serving as a p-base layer, and 4 is an n-type semiconductor region serving as an n-emitter layer. The + type semiconductor regions 5 and 5 are p + type semiconductor regions for the p type semiconductor region 3 to make the gate electrode 30 in ohmic contact. Reference numeral 6 denotes an n-type inversion layer formed on the p-type semiconductor region between the n + -type semiconductor region 4 and the p + -type semiconductor region 5. Reference numeral 7 denotes an oxide film formed on at least a junction composed of the n + -type semiconductor region 4 and the n-type inversion layer 6, an n-type inversion layer 6, and a junction composed of the n-type inversion layer 6 and the p + -type semiconductor region 5. The oxide film 7 is a silicon dioxide film or a phosphorus glass film formed by thermal oxidation, a silicon dioxide film or a silicon nitride film formed by a CVD method, or a composite film thereof. An anode electrode 20 is ohmically connected to the p @ + -type semiconductor region 2 serving as a p-emitter layer, and the p-type semiconductor region 2 serves as a p-base layer.
A gate electrode 30 is ohmic-connected to the p + -type semiconductor region 5 formed on the type semiconductor region 3, and a cathode electrode 40 is connected to the n + -type semiconductor region 4 serving as an n emitter layer.

【0012】次に、図1に示したGTOが最小ゲート点
弧電流の低減に効果があることについて述べる。図1に
示したアノード電極20が正、カソード電極40が負と
なるアノード電圧を印加しておき、ゲート電極30から
カソード電極40に点弧するためのゲート電流を流す
と、nエミッタ層のn+ 型半導体領域4から電子が注入
され、注入された電子はp型半導体領域3を通り、pエ
ミッタ層のp+ 型半導体領域2に隣接するn型半導体領
域1に溜り、ここでの電位を下げる。従って、p+ 型半
導体領域2とn型半導体領域1は順バイアスされ、pエ
ミッタから正孔が注入される。注入された正孔はp型半
導体領域3に溜り、ここでの電位を上げる。従って、n
+ 型半導体領域4とp型半導体領域3は順バイアスさ
れ、再びn+ 型半導体領域4から電子が注入される。こ
のように、n+ 型半導体領域4,p型半導体領域3,n
型半導体領域1,p+ 型半導体領域2からなるpnpn
構造に正帰還がかかり、GTOは阻止状態から導通状態
に移行する。
Next, the fact that the GTO shown in FIG. 1 is effective in reducing the minimum gate firing current will be described. When an anode voltage is applied such that the anode electrode 20 shown in FIG. 1 is positive and the cathode electrode 40 is negative and a gate current for firing from the gate electrode 30 to the cathode electrode 40 is applied, n Electrons are injected from the + type semiconductor region 4, and the injected electrons pass through the p type semiconductor region 3 and accumulate in the n type semiconductor region 1 adjacent to the p + type semiconductor region 2 of the p emitter layer. Lower. Therefore, the p + -type semiconductor region 2 and the n-type semiconductor region 1 are forward biased, and holes are injected from the p emitter. The injected holes accumulate in the p-type semiconductor region 3 and raise the potential there. Therefore, n
The + type semiconductor region 4 and the p type semiconductor region 3 are forward biased, and electrons are injected from the n + type semiconductor region 4 again. Thus, the n + type semiconductor region 4, the p type semiconductor region 3, and the n
Pnpn comprising a p-type semiconductor region 1 and a p + type semiconductor region 2
Positive feedback is applied to the structure, and the GTO transitions from the blocking state to the conducting state.

【0013】このGTOが導通状態に移行するいわゆる
オン状態に点弧させることができるゲート電流の最小値
を最小ゲート点弧電流IGTとよび、IGTはゲートドライ
バ回路の部品の小型化,熱損失の低減等からできるだけ
小さいことが望ましい。
[0013] size of the components of the so-called ON state the minimum value of the gate current that can be fired and the minimum gate firing current I GT, I GT gate driver circuit this GTO moves in a conductive state, heat It is desirable to be as small as possible from the viewpoint of reduction of loss and the like.

【0014】通常、酸化膜7中には正の電荷が存在し、
p型半導体領域3と酸化膜7が接しているとp型半導体
領域3の表面には反対電荷が誘起され、p型半導体領域
3の表面はアクセプタ型不純物がイオン化された空乏層
が形成される。p型半導体領域3の表面に空乏層が形成
されていると、ゲート電流を流しても、この表面の空乏
層で再結合する表面再結合電流が増大し、実質的にpベ
ース中を流れる真のゲート電流の割合が減る。従って、
ゲート電極30から流れるゲート電流の内、無効な表面
再結合電流が増加すると、最小ゲート点弧電流IGTの増
加を招く問題を生じる。
Usually, a positive charge exists in the oxide film 7,
When the p-type semiconductor region 3 and the oxide film 7 are in contact with each other, opposite charges are induced on the surface of the p-type semiconductor region 3, and a depletion layer is formed on the surface of the p-type semiconductor region 3 in which acceptor-type impurities are ionized. . If a depletion layer is formed on the surface of p-type semiconductor region 3, even if a gate current flows, the surface recombination current that recombine in the depletion layer on this surface increases, and the true current flowing in the p base substantially increases. , The ratio of the gate current decreases. Therefore,
When the invalid surface recombination current among the gate currents flowing from the gate electrode 30 increases, there arises a problem that the minimum gate firing current IGT increases.

【0015】この表面再結合電流を低減するため、p型
半導体領域3表面の不純物濃度を高くするとゲート・カ
ソード間の耐圧が低下し、ターンオフ性能が低下してし
まう。
If the impurity concentration on the surface of the p-type semiconductor region 3 is increased to reduce the surface recombination current, the breakdown voltage between the gate and the cathode is reduced, and the turn-off performance is reduced.

【0016】本発明によるn型反転層6をp型半導体領
域3と酸化膜7との間に介在させることにより、ターン
オン時にゲート電流を流してもn型反転層6の表面は空
乏層とはならないので表面再結合電流が流れなく、実質
的にpベース中を流れる真のゲート電流の割合が増加
し、最小ゲート点弧電流IGTの低減を図ることができ
る。
By interposing the n-type inversion layer 6 according to the present invention between the p-type semiconductor region 3 and the oxide film 7, the surface of the n-type inversion layer 6 is not depleted even when a gate current flows at the time of turn-on. not do so without recombination current flow surface, substantially the proportion of true gate current flowing through the p base is increased, it is possible to reduce the minimum gate firing current I GT.

【0017】図2は図1に示した本発明のゲートターン
オフサイリスタを製造するための主な工程ごとの断面図
であり、以下、この図を参照して本発明の第1実施例の
製造方法を説明する。
FIG. 2 is a cross-sectional view of each of the main steps for manufacturing the gate turn-off thyristor of the present invention shown in FIG. 1. Referring to FIG. 2, the manufacturing method of the first embodiment of the present invention will be described below. Will be described.

【0018】まず、(a)が示すように、n型半導体領
域1となるシリコン基板としてFZ(111)、抵抗率
が200〜400Ωcmのn型単結晶シリコンを用い、一
方の主表面にB(ボロン)あるいはGa(ガリウム)を
不純物とし、表面不純物濃度が5×1017〜3×1018
/cm3 、深さが70±10μmなるようにp型半導体領
域3を形成し、他方の主表面にはB(ボロン)あるいは
Ga(ガリウム)を不純物とし、表面不純物濃度が1×
1018/cm3 以上、深さが30±10μmなるようにp
+ 型半導体領域2を形成し、さらに一方の主表面のp型
半導体領域3の表面から表面不純物濃度が5×1019
cm3 以上のP(リン)を15±5μmの深さに、イオン
打ち込み法あるいは次亜塩素酸リンを用いてn+ 型半導
体領域4を形成する。次に、図示していないがドライ酸
化あるいはウェット酸化により約2〜3μmのシリコン
酸化膜を形成し、(b)が示すように通常のホトリソグ
ラフィによりウェットエッチあるいはドライエッチで約
30±10μmエッチングし、p型半導体領域3とn型
半導体領域1からなるpn接合が露出するようメサ溝を
形成する。その後、(c)に示すように図1に示したn
型反転層6を形成するため、イオン打ち込み法によりP
(リン)6aを1〜5×1011/cm2 程度のドーズ量で
注入する。本実施例ではP(リン)6aをドーズする場
合、表面に熱酸化膜を形成していないが、0.05〜0.
5μm程度の熱酸化膜を形成した後、上記のイオン打ち
込みをしてもかまわない。
First, as shown in (a), FZ (111) is used as a silicon substrate to be an n-type semiconductor region 1, n-type single crystal silicon having a resistivity of 200 to 400 Ωcm, and B ( (Boron) or Ga (gallium) as impurities, and the surface impurity concentration is 5 × 10 17 to 3 × 10 18
/ Cm 3 and a depth of 70 ± 10 μm are formed on the p-type semiconductor region 3. On the other main surface, B (boron) or Ga (gallium) is used as an impurity, and the surface impurity concentration is 1 ×.
10 18 / cm 3 or more and depth should be 30 ± 10 μm.
+ Type semiconductor region 2 is formed, and the surface impurity concentration from the surface of p type semiconductor region 3 on one main surface is 5 × 10 19 /
An n @ + -type semiconductor region 4 is formed by ion implantation or phosphorus hypochlorite to a depth of 15 ± 5 μm of P (phosphorus) of cm 3 or more. Next, although not shown, a silicon oxide film of about 2 to 3 μm is formed by dry oxidation or wet oxidation, and is etched by about 30 ± 10 μm by wet or dry etching by ordinary photolithography as shown in FIG. Then, a mesa groove is formed so that a pn junction composed of the p-type semiconductor region 3 and the n-type semiconductor region 1 is exposed. Thereafter, as shown in (c), n shown in FIG.
To form the pattern inversion layer 6, P
(Phosphorus) 6a is implanted at a dose of about 1 to 5 × 10 11 / cm 2 . In this embodiment, when P (phosphorus) 6a is dosed, a thermal oxide film is not formed on the surface, but 0.05 to 0.5 mm.
After forming a thermal oxide film of about 5 μm, the above-described ion implantation may be performed.

【0019】次に、(d)が示すように高温でアニール
し、打ち込まれたP(リン)6aを活性化する。その
後、熱酸化して約1〜2μmのシリコン酸化膜7aを形
成し、通常のホトリソグラフィによりパターニングし、
pベース表面に部分的にイオン打ち込み法によりB(ボ
ロン)を表面不純物濃度が5×1018/cm3 以上になる
ようp+ 型半導体領域5を形成する。
Next, as shown in (d), annealing is performed at a high temperature to activate the implanted P (phosphorus) 6a. Thereafter, thermal oxidation is performed to form a silicon oxide film 7a of about 1 to 2 μm, and patterning is performed by ordinary photolithography.
A p + -type semiconductor region 5 is formed on the p base surface by ion implantation so that B (boron) has a surface impurity concentration of 5 × 10 18 / cm 3 or more.

【0020】その後、(f)が示すように再び酸化膜7
を形成し、(g)が示すように通常のホトリソグラフィ
により、p+ 型半導体領域5及びn+ 型半導体領域4の
表面の酸化膜7を部分的に除去する。
After that, as shown in FIG.
Is formed, and the oxide film 7 on the surfaces of the p + -type semiconductor region 5 and the n + -type semiconductor region 4 is partially removed by ordinary photolithography as shown in FIG.

【0021】次に、露出したp+ 型半導体領域2,n+
型半導体領域4、及びp+ 型半導体領域5の表面にそれ
ぞれアノード電極20,カソード電極40、及びゲート
電極30を形成する(h)。
Next, the exposed p + type semiconductor region 2, n +
An anode electrode 20, a cathode electrode 40, and a gate electrode 30 are formed on the surfaces of the p-type semiconductor region 4 and p-type semiconductor region 5, respectively (h).

【0022】(実施例2)図3は図1に示した本発明の
ゲートターンオフサイリスタを製造するための他の製造
方法の工程ごとの断面図であり、以下、この図を参照し
て本発明の第2実施例の製造方法を説明する。製造方法
の主な工程は図2で示したものと同様であり、ここでは
本発明に関わる要点を示す断面図を用いて説明する。図
3(a)は図1で示したn型反転層6を形成するための
他の方法を示している。すなわち、n型反転層6を形成
するのにn型不純物をイオン打ち込み法で形成する替わ
りに、p型拡散層の外向拡散による表面不純物濃度の低
下現象を利用する方法である。図3(a)は図2の工程
(c)に対応する。(a)が示すように通常のホトリソ
グラフィによりウェットエッチあるいはドライエッチで
約30±10μmエッチングし、p型半導体領域3とn
型半導体領域1からなるpn接合が露出するようメサ溝
を形成した後、酸素雰囲気中で1050〜1150℃で
2〜10時間熱処理をして、エッチングで露出したpベ
ース表面不純物濃度を低下させる。この熱処理により、
ボロンやガリウム等のp型不純物は外向拡散して表面の
不純物濃度は低下し、n型反転層61を形成することが
できるが、もともとn型不純物としてシリコン基板にド
ープされているリンは逆にパイルアップして表面の不純
物濃度は増加する。従って、n型反転層61を形成する
のに、基板にドープされているリンのパイルアップを利
用してもかまわない。
(Embodiment 2) FIG. 3 is a sectional view of each step of another manufacturing method for manufacturing the gate turn-off thyristor of the present invention shown in FIG. 1. Referring to FIG. The manufacturing method of the second embodiment will be described. The main steps of the manufacturing method are the same as those shown in FIG. 2, and here, the description will be made with reference to cross-sectional views showing the main points relating to the present invention. FIG. 3A shows another method for forming the n-type inversion layer 6 shown in FIG. In other words, instead of forming the n-type impurity by the ion implantation method to form the n-type inversion layer 6, a method of utilizing the phenomenon of decreasing the surface impurity concentration due to outward diffusion of the p-type diffusion layer is used. FIG. 3A corresponds to step (c) in FIG. As shown in (a), the p-type semiconductor region 3 and n are etched by about 30 ± 10 μm by wet or dry etching by ordinary photolithography.
After forming a mesa groove so that the pn junction formed of the type semiconductor region 1 is exposed, a heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 1050 to 1150 ° C. for 2 to 10 hours to reduce the concentration of the p base surface impurity exposed by etching. By this heat treatment,
A p-type impurity such as boron or gallium diffuses outward to lower the impurity concentration on the surface, thereby forming the n-type inversion layer 61. However, phosphorus originally doped as an n-type impurity in the silicon substrate is reversed. The pile-up increases the impurity concentration on the surface. Therefore, to form the n-type inversion layer 61, the pile-up of phosphorus doped into the substrate may be used.

【0023】その後、図2(e)〜(h)に示した同様
の工程を経て、ゲートターンオフサイリスタを製造す
る。図3(b)は図2の工程(h)に対応する。
Thereafter, a gate turn-off thyristor is manufactured through the same steps as shown in FIGS. 2 (e) to 2 (h). FIG. 3B corresponds to step (h) in FIG.

【0024】次に各実施例による動作について、断面の
不純物濃度分布を示す図4を用いて説明する。なお、図
4における符号の内、図2及び図3に示されているもの
は説明を省略する。
Next, the operation of each embodiment will be described with reference to FIG. 4 showing an impurity concentration distribution in a cross section. The description of the reference numerals shown in FIGS. 2 and 3 among the reference numerals in FIG. 4 is omitted.

【0025】図4(a)は図2(h)におけるA−A′
部での不純物濃度分布を示す。図4(a)が示すように
メサ部において、n型半導体領域1の表面にpベースと
なるp型半導体領域3が表面から任意の距離において不
純物濃度が最大値を示し表面には本発明によるn型不純
物がイオン打ち込み法により、n型反転層6が形成され
ている。ゲート電極30にゲート電流を流すと、正孔は
内部のp型半導体領域3を流れ、一方n+ 型半導体領域
4から注入される電子はまず表面のn型反転層6を流れ
るが、n型反転層の表面は空乏層となっていないので、
表面再結合電流は流れない。従って、GTOの最小ゲー
ト点弧電流を小さくおさえることが可能となる。
FIG. 4A is a sectional view taken along the line AA 'in FIG.
4 shows an impurity concentration distribution in a portion. As shown in FIG. 4A, in the mesa portion, the p-type semiconductor region 3 serving as a p-base on the surface of the n-type semiconductor region 1 has a maximum impurity concentration at an arbitrary distance from the surface, and the surface according to the present invention has An n-type inversion layer 6 is formed by ion implantation of n-type impurities. When a gate current is applied to the gate electrode 30, holes flow through the internal p-type semiconductor region 3, while electrons injected from the n + -type semiconductor region 4 first flow through the n-type inversion layer 6 on the surface. Since the surface of the inversion layer is not a depletion layer,
No surface recombination current flows. Therefore, it is possible to keep the minimum gate firing current of the GTO small.

【0026】図4(b)は図3(b)におけるB−B′
部での不純物濃度分布を示す。図4(b)が示すように
メサ部において、n型半導体領域1の表面にpベースと
なるp型半導体領域3が表面から任意の距離において不
純物濃度が最大値を示すところは図4(a)と同様であ
るが、pベース表面は本発明による外向拡散あるいはn
型不純物のパイルアップにより、実効的なpベース表面
不純物濃度を1×1015/cm3 程度に下げている。本発明
者らの検討結果では、実効的なpベース表面不純物濃度
として1×1016/cm3 以下に下げておけば効果があ
る。なお、理解を助けるために、図4(b)の右側にエ
ネルギバンド構造を示している。通常酸化膜7中には正
の電荷Nfが5×1010〜3×1011/cm2存在してお
り、これと反対の極性を有する電子がp型半導体領域表
面に誘起されn型反転層61が形成される。なお、n型
反転層61は上記の酸化膜7中に存在する正の電荷Nf
がある一定の値を有する場合、できるだけp型半導体領
域3の表面不純物濃度を下げておくことが望ましい。こ
の場合も、図4(a)で述べたようにゲート電流を流す
と、正孔は内部のp型半導体領域3を流れ、一方n+ 型
半導体領域4から注入される電子はまず表面のn型反転
層61を流れるが、n型反転層の表面は空乏層となって
いないので、表面再結合電流は流れない。従って、GT
Oの最小ゲート点弧電流を小さくおさえることが可能と
なる。
FIG. 4B is a sectional view taken along line BB 'in FIG. 3B.
4 shows an impurity concentration distribution in a portion. As shown in FIG. 4B, in the mesa portion, the p-type semiconductor region 3 serving as a p-base on the surface of the n-type semiconductor region 1 shows the maximum impurity concentration at an arbitrary distance from the surface. ), Except that the p-base surface has either outward diffusion or n-type diffusion according to the invention.
By pile-up of the type impurities, the effective p-base surface impurity concentration is reduced to about 1 × 10 15 / cm 3 . According to the study results of the present inventors, it is effective to reduce the effective p-base surface impurity concentration to 1 × 10 16 / cm 3 or less. In order to facilitate understanding, an energy band structure is shown on the right side of FIG. During normal oxide film 7 is positively charged N f is 5 × 10 10 ~3 × 10 11 / cm 2 exists, which the electrons of opposite polarity is induced in the p-type semiconductor region surface n-type inversion Layer 61 is formed. Note that the n-type inversion layer 61 has a positive charge N f existing in the oxide film 7.
If the value has a certain value, it is desirable to lower the surface impurity concentration of the p-type semiconductor region 3 as much as possible. In this case as well, when a gate current is applied as described with reference to FIG. 4A, holes flow through the internal p-type semiconductor region 3, while electrons injected from the n + -type semiconductor region 4 first emit n Although it flows through the type inversion layer 61, no surface recombination current flows because the surface of the n-type inversion layer is not a depletion layer. Therefore, GT
It is possible to keep the minimum gate firing current of O small.

【0027】図5は本発明によるゲートターンオフサイ
リスタ及びその製造方法によって製造されたGTOのゲ
ート・カソード間の逆方向電圧−電流波形を示す。図中
の曲線Aは本発明によるn型反転層6あるいは61が存
在している場合であり、曲線Cはn型反転層6あるいは
61が存在しない場合について示す。曲線Cではリーク
電流が急増する電圧いわゆる耐圧以下の電圧領域で、p
ベース表面の空乏層中で発生した表面発生電流が流れリ
ーク電流が多く、本発明による曲線Aでは耐圧以下の任
意の電圧のところで一坦波形に変曲点が現れる2段波形
を示している。これは、任意の電圧Vp 以下の電圧領域
では、本発明によるn型反転層6あるいは61が空乏層
になっていなく中性状態であり、Vp 以上の電圧領域で
はn型反転層6あるいは61が空乏層になり、表面発生
電流が流れるからである。なお、曲線Aは曲線Cより、
耐圧が約4V程度高くなったが、n型反転層6あるいは
61表面全体が空乏層となっているため、表面電界が低
減されるためである。このように、本発明によれば、最
小ゲート点弧電流を低減できるだけでなく、ターンオフ
性能を左右するゲート・カソード間の耐圧も向上させる
ことができる。
FIG. 5 shows a reverse voltage-current waveform between the gate and the cathode of the GTO manufactured by the gate turn-off thyristor and the method of manufacturing the same according to the present invention. A curve A in the figure shows a case where the n-type inversion layer 6 or 61 according to the present invention exists, and a curve C shows a case where the n-type inversion layer 6 or 61 does not exist. In the curve C, in a voltage region where the leak current increases rapidly, that is, a voltage region equal to or lower than the withstand voltage, p
The surface-generated current generated in the depletion layer on the base surface flows, causing a large leak current, and the curve A according to the present invention shows a two-stage waveform where an inflection point appears in a single-waveform at an arbitrary voltage lower than the breakdown voltage. This is, in the following voltage region arbitrary voltage V p, a neutral state not be n-type inversion layer 6 or 61 according to the present invention becomes a depletion layer, n-type inversion layer in V p higher voltage region 6 or This is because 61 becomes a depletion layer and a surface-generated current flows. Note that curve A is obtained from curve C
Although the withstand voltage has increased by about 4 V, the surface electric field is reduced because the entire surface of the n-type inversion layer 6 or 61 is a depletion layer. As described above, according to the present invention, not only the minimum gate firing current can be reduced, but also the withstand voltage between the gate and the cathode, which affects the turn-off performance, can be improved.

【0028】図6は本発明によるゲートターンオフサイ
リスタ及びその製造方法によって製造されたGTOのゲ
ート・カソード間の順方向電圧−電流波形を示す。図中
の曲線Aは本発明によるn型反転層6あるいは61が存
在している場合であり、曲線Cはn型反転層6あるいは
61が存在しない場合について示す。なお、図中に順方
向電流成分として、傾きq/kTを有する拡散電流と傾
きq/2kTを有する再結合電流の電圧依存性を示す。
曲線Cでは順方向電流は0.6V 以下の電圧領域で、ほ
とんど再結合電流が支配的であるが、pベース表面の空
乏層中での表面再結合電流であり、GTOをターンオン
させる時に流すゲート電流はほとんどターンオンに寄与
しない無効電流が多く流れることを意味する。これに対
して、本発明による曲線Aでは順方向電流は0.5V 以
下の電圧領域で、再結合電流が支配的であり、0.5V
以上では半導体内部を流れる拡散電流が支配的となる理
想的な波形を示しており、無効な表面再結合電流が流れ
ない。従って、GTOの最小ゲート点弧電流を小さくす
ることが可能である。
FIG. 6 shows a forward voltage-current waveform between the gate and the cathode of the GTO manufactured by the gate turn-off thyristor and the method of manufacturing the same according to the present invention. A curve A in the figure shows a case where the n-type inversion layer 6 or 61 according to the present invention exists, and a curve C shows a case where the n-type inversion layer 6 or 61 does not exist. In addition, the voltage dependence of the diffusion current having the slope q / kT and the recombination current having the slope q / 2kT as the forward current component is shown in FIG.
In the curve C, the recombination current is almost dominant in the forward current in a voltage region of 0.6 V or less, but is a surface recombination current in the depletion layer on the p base surface, and the gate flowing when the GTO is turned on is turned on. The current means that a large amount of reactive current that hardly contributes to turn-on flows. On the other hand, in the curve A according to the present invention, the recombination current is dominant in the forward region where the forward current is 0.5 V or less, and the forward current is 0.5 V.
The above shows an ideal waveform in which the diffusion current flowing inside the semiconductor is dominant, and no invalid surface recombination current flows. Therefore, it is possible to reduce the minimum gate firing current of the GTO.

【0029】上記各実施例では、ゲート・カソード間耐
圧は約29Vの値を示し、4500V,4000A級あ
るいは6000V,6000A級の場合、最小ゲート点
弧電流を従来の8Aから3〜4Aに低減でき、コンデン
サや抵抗等のゲートドライブ回路部品の小型化,損失低
減を達成することができる。
In each of the above embodiments, the gate-cathode withstand voltage shows a value of about 29 V. In the case of 4500 V, 4000 A class or 6000 V, 6000 A class, the minimum gate firing current can be reduced from 8 A in the past to 3 to 4 A. In addition, downsizing and loss reduction of gate drive circuit components such as capacitors and resistors can be achieved.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明によるゲートターンオフサイリス
タ及び及びその製造方法によれば、最小ゲート点弧電流
を小さくすることができ、ゲートドライブ回路の低損失
化,小型化を実現できる。
According to the gate turn-off thyristor and the method of manufacturing the same according to the present invention, the minimum gate firing current can be reduced and the loss and size of the gate drive circuit can be reduced.

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

【図1】本発明のゲートターンオフサイリスタによる第
1実施例の断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of a gate turn-off thyristor of the present invention.

【図2】本発明のゲートターンオフサイリスタによる第
1実施例の製造工程図。
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of a first embodiment using a gate turn-off thyristor of the present invention.

【図3】本発明のゲートターンオフサイリスタによる第
2実施例の断面図。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a gate turn-off thyristor according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明のゲートターンオフサイリスタによる第
1実施例のA−A′部、及び第2実施例のB−B′部に
おける不純物濃度分布。
FIG. 4 shows impurity concentration distributions in the AA 'part of the first embodiment and the BB' part of the second embodiment by the gate turn-off thyristor of the present invention.

【図5】本発明のゲートターンオフサイリスタのゲート
/カソード間の逆方向電圧−電流波形。
FIG. 5 is a reverse voltage-current waveform between the gate and the cathode of the gate turn-off thyristor of the present invention.

【図6】本発明のゲートターンオフサイリスタのゲート
/カソード間の順方向電圧−電流波形。
FIG. 6 shows a forward voltage-current waveform between a gate and a cathode of the gate turn-off thyristor of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…n型半導体領域、2,3,5…p+ 型半導体領域、
4…n+ 型半導体領域、6,61…n型反転層、7…酸
化膜、20…アノード電極、30…ゲート電極、40…
カソード電極。
1 ... n type semiconductor region, 2,3,5 ... p + type semiconductor region,
4 n + type semiconductor region, 6, 61 n type inversion layer, 7 oxide film, 20 anode electrode, 30 gate electrode, 40
Cathode electrode.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一対の主表面を有し、一方の主表面からn
エミッタ領域,pベース領域,nベース領域,pエミッ
タ領域が順次積層され、一方の主表面から所定の領域に
nエミッタ領域とpベース領域からなるpn接合が露出
するようメサ型に溝が設けられ、このメサ部の底部のp
ベース領域表面には高不純物濃度のp+ 型半導体領域が
形成され、nエミッタ領域の露出面にカソード電極が接
続され、高不純物濃度のp+ 型半導体領域の露出面には
ゲート電極が接続され、pエミッタ領域の露出面にはア
ノード電極が接続されたゲートターンオフサイリスタに
おいて、上記メサ部のp+ 型半導体領域とnエミッタ領
域との間に介在するpベース表面にn型反転層が形成さ
れていることを特徴とするゲートターンオフサイリス
タ。
1. A semiconductor device comprising: a pair of main surfaces;
An emitter region, a p base region, an n base region, and a p emitter region are sequentially laminated, and a mesa-shaped groove is provided in a predetermined region from one main surface so that a pn junction composed of the n emitter region and the p base region is exposed. , P at the bottom of this mesa
A p + type semiconductor region having a high impurity concentration is formed on the surface of the base region, a cathode electrode is connected to an exposed surface of the n emitter region, and a gate electrode is connected to an exposed surface of the p + type semiconductor region having a high impurity concentration. A gate turn-off thyristor having an anode electrode connected to an exposed surface of the p-emitter region, wherein an n-type inversion layer is formed on a surface of a p-base interposed between the p + -type semiconductor region and the n-emitter region of the mesa portion. A gate turn-off thyristor characterized in that:
【請求項2】第1導電型の半導体基板の一方の主表面か
ら内部に延びる第2導電型の第2半導体領域を形成する
工程と、他方の主表面から内部に延びる第2導電型の第
3半導体領域を形成する工程と、一方の主表面の第2半
導体領域表面から内部に延びる第1導電型の高不純物濃
度の第4半導体領域を形成する工程と、 一方の主表面から選択的に分離された複数の第4半導体
領域を形成するようエッチングしpn接合が露出するよ
うメサ型に溝を形成する工程と、 一方の主表面から第1導電型の不純物をイオン打ち込み
法あるいは熱拡散法により少なくとも上記メサ部に導入
しメサ部の第2半導体領域表面を第1導電型に反転する
工程と、 メサ部の底部の第2半導体領域表面には高不純物濃度の
第2導電型の第5半導体領域を形成し第2導電型にする
工程と、 少なくとも表面に露出する第4半導体領域と該反転領域
からなる接合、該反転領域さらに該反転領域と第5半導
体領域からなる接合表面を覆う絶縁膜を形成する工程
と、 表面に露出した第3半導体領域と第4半導体領域には第
1及び第2の主電極を形成し、第5半導体領域の表面に
は制御電極を形成する工程からなることを特徴とするゲ
ートターンオフサイリスタの製造方法。
A step of forming a second semiconductor region of a second conductivity type extending inward from one main surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type, and a step of forming a second semiconductor region of a second conductivity type extending inward from the other main surface. Forming a third semiconductor region; forming a first conductive type high impurity concentration fourth semiconductor region extending inward from the second semiconductor region surface on one main surface; Etching to form a plurality of isolated fourth semiconductor regions to form a mesa-shaped groove so as to expose a pn junction; and ion implantation or thermal diffusion of impurities of the first conductivity type from one main surface. A step of inverting the surface of the second semiconductor region of the mesa portion to the first conductivity type by at least introducing the semiconductor device into the mesa portion, and forming a fifth impurity of the second conductivity type having a high impurity concentration on the bottom surface of the second semiconductor region at the bottom of the mesa portion. Form semiconductor region and conduct second Forming a mold; forming a junction covering at least a fourth semiconductor region exposed on the surface and the inversion region; and forming an insulating film covering the inversion region and a junction surface including the inversion region and the fifth semiconductor region. Forming first and second main electrodes on the third semiconductor region and the fourth semiconductor region exposed to the outside, and forming a control electrode on the surface of the fifth semiconductor region. Manufacturing method.
【請求項3】第1導電型の半導体基板の一方の主表面か
ら内部に延びる第2導電型の第2半導体領域を形成する
工程と、他方の主表面から内部に延びる第2導電型の第
3半導体領域を形成する工程と、一方の主表面の第2半
導体領域表面から内部に延びる第1導電型の高不純物濃
度の第4半導体領域を形成する工程と、 一方の主表面から選択的に分離された複数の第4半導体
領域を形成するようエッチングしpn接合が露出するよ
うメサ型に溝を形成する工程と、 熱処理をして、メサ部の第2半導体領域表面の不純物を
外向拡散して内部より低不純物濃度化された第6半導体
領域を形成する工程と、 メサ部の底部の第2半導体領域表面には高不純物濃度の
第2導電型の第5半導体領域を形成する工程と、 少なくとも表面に露出する第4半導体領域と第6半導体
領域からなる接合、第6半導体領域さらに第6半導体領
域と第5半導体領域からなる接合表面を覆う膜中に第6
半導体領域と同じ極性の電荷を有する絶縁膜を形成する
工程と、 表面に露出した第3半導体領域と第4半導体領域には第
1及び第2の主電極を形成し、第5半導体領域の表面に
は制御電極を形成する工程からなることを特徴とするゲ
ートターンオフサイリスタの製造方法。
A step of forming a second semiconductor region of a second conductivity type extending inward from one main surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type, and a step of forming a second semiconductor region of a second conductivity type extending inward from the other main surface. Forming a third semiconductor region; forming a first conductive type high impurity concentration fourth semiconductor region extending inward from the second semiconductor region surface on one main surface; Etching to form a plurality of isolated fourth semiconductor regions to form a mesa-shaped groove so as to expose a pn junction; and performing heat treatment to outwardly diffuse impurities on the surface of the second semiconductor region in the mesa portion. Forming a sixth semiconductor region having a lower impurity concentration than the inside by forming a fifth semiconductor region of a second conductivity type having a high impurity concentration on the surface of the second semiconductor region at the bottom of the mesa portion; At least the fourth semiconductor exposed on the surface In the film covering the junction consisting of the body region and the sixth semiconductor region, the sixth semiconductor region and the film covering the junction surface consisting of the sixth semiconductor region and the fifth semiconductor region,
Forming an insulating film having an electric charge of the same polarity as that of the semiconductor region; forming first and second main electrodes on the third and fourth semiconductor regions exposed on the surface; A method of manufacturing a gate turn-off thyristor, comprising a step of forming a control electrode.
【請求項4】請求項1において、ゲート・カソード間の
逆方向電圧−電流波形が、耐圧以下の任意の逆方向印加
電圧を境にして、逆方向印加電圧の増加に伴いリーク電
流の逆方向印加電圧に対する増加割合が減少する、2段
波形となることを特徴とするゲートターンオフサイリス
タ。
4. The method according to claim 1, wherein the reverse voltage-current waveform between the gate and the cathode is such that the reverse current of the leak current increases with the increase of the reverse applied voltage at an arbitrary reverse applied voltage lower than the breakdown voltage. A gate turn-off thyristor having a two-stage waveform in which an increasing ratio with respect to an applied voltage decreases.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011143963A1 (en) * 2010-05-19 2011-11-24 中国科学院微电子研究所 Semiconductor junction type diode device and manufacturing method thereof
JP2013536576A (en) * 2010-07-26 2013-09-19 クリー インコーポレイテッド Electronic device structure with semiconductor ledge layer for surface passivation

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