JPH10512396A - 電力半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つ以上のｐ−ｎ接合を有する、特にバイポーラトランジスタ又はサイリスタである半導体装置。この装置は、装置の活性領域に流れる電流から離れて置かれた、バイポーラトランジスタの場合であればベースである、装置のｐ−ｎ接合の２つ、すなわち装置の２つのｐ−ｎ接合の間の領域内に金イオン注入を有している。注入された金は活性領域からキャリアを引き出すキャリアのためのシンクの役目を果たす再結合中心を与えるので、この装置は低抵抗を有し、高速にターンオフすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 電力半導体装置 本発明は、半導体装置、特にバイポーラトランジスタのような電力半導体装置 、に関するものである。 電力バイポーラトランジスタの応用では、多くの場合、トランジスタが短いス イッチング時間、及び飽和電流がトランジスタを流れるときのトランジスタのエ ミッタとコレクタとの間の低い電圧（Ｖ_ce、_sat）の両方を有することが望まし い。後者は、トランジスタで消費される電力を最少に保持することを保証する。 これらの２つの目的は、これまで同一トランジスタでは達成されていなかった。 現在、トランジスタを半導体基板の表面に形成するプレナー技術を利用した２ 種類の電力トランジスタがある。このトランジスタは、高周波で駆動する蛍光照 明管のような用途に使用される。 第１の種類のトランジスタは短いスイッチング時間を有するように最適化され ている。それは、トランジスタを基板の表面層中に形成する前にアルミナ粗粒子 で研磨してその表面層を傷をつけることによって達成される。その処理は、多数 の再結合中心を形成し、その結果として、キャリアの寿命が非常に短くなる。し たがって、トランジスタを高速にオフにスイッチすることができる結果となる。 残念ながら、傷によって、半導体材料はより抵抗が高くなり、したがってトラン ジスタのＶ_ce、_satが増加する。傷は、トランジスタの電流利得（ｈ_fe）も減少 させる。 第２の種類のトランジスタは低いＶ_ce、_satを有するように最適化されている 。それを達成するために、基板は、トランジスタが形成される前にエッチングさ れて、無傷の新しい表面を露出させる。したがって、トランジスタを形成する半 導体材料は低いＶ_ce、_satのトランジスタを生じる低抵抗を有する。しかしなが ら、対応するトランジスタのキャリアの長い寿命は、トランジスタを高速にオフ にスイッチすることができないことを意味する。 本発明の目的は、低いＶ_ce、_sat及び短いスイッチング時間を有するトランジ スタを提供することにある。 第１の態様では、本発明は、２つ以上の直列のｐ−ｎ接合を有し、かつ２つの ｐ−ｎ接合によって隣接されている第１の導電形の領域と再結合中心の領域を含 み、その再結合中心領域は、第１の導電形の領域に隣接するｐ−ｎ接合間に流れ る電流の大部分が流れる第１の導電形の領域のその部分から離れて置かれていて 、その部分からキャリアを引き出して速度を増すことによって半導体装置をター ンオフするような半導体装置での使用法を提供する。 電流が主に流れる活性領域からのキャリアの引き出しには、本発明の下記の態 様が利用される。 第２の態様では、本発明は、２つ以上の直列のｐ−ｎ接合を有し、かつ２つの ｐ−ｎ接合によって隣接されている第１の導電形の領域と、第１の導電形の領域 に隣接するｐ−ｎ接合間に流れる電流の大部分が流れる第１の導電形の領域のそ の部分から離れた第１の導電形の領域内にある付加された再結合中心の領域とを 含む半導体装置であって、その領域のその部分が付加された再結合中心から実質 的に自由な独立した半導体装置を提供する。 第３の態様では、本発明は、２つ以上の直列のｐ−ｎ接合を有し、かつ２つの ｐ−ｎ接合によって隣接されている第１の導電形の領域と、第１の導電形の領域 に隣接するｐ−ｎ接合間に流れる電流の主要部分が流れるその領域のその部分か ら離れている付加された再結合中心の領域とを含む半導体装置であって、半導体 装置の材料がシリコンであり、再結合中心が金であり、再結合中心の濃度が２× １０¹³ｃｍ^-2未満である半導体装置を提供する。 第１、第２及び第３の態様では、半導体装置はバイポーラトランジスタであっ てよく、どの場合においても、第１の導電形の領域が、トランジスタのベース領 域であり、エミッタ領域及びコレクタ領域によって隣接されている。これらの態 様では、半導体装置はサイリスタであってもよい。 本発明のこれらの態様では、外因性再結合中心の全体が、第１の導電形の領域 又は場合によってはベース領域内にあってもよい。 第４の態様では、本発明は、エミッタ領域と、ベース領域と、コレクタ領域と を含み、かつエミッタ領域とコレクタ領域との間に流される電流の大部分が流れ る部分から離れたベース領域にある付加された再結合中心の領域を有するバイポ ーラトランジスタを提供する。 第５の態様では、本発明は、クレームされたトランジスタと同一であるが、イ オン注入なしのトランジスタと比べて、トランジスタがトランジスタをターンオ フすることができる最少時間を５％以上減少させたＶ_ce、_satを１０％未満増加 させた、選択された領域にイオン注入を有するバイポーラトランジスタを提供す る。 本発明の第４及び第５の態様では、付加された再結合中心の領域がベース領域 内に完全にあってもよい。 半導体装置又はトランジスタの材料はシリコンであってもよい。 付加された再結合中心は白金又は好ましくは金であってもよい。 金の濃度が、２×１０¹³原子ｃｍ^-2未満であるのが好ましく、１×１０¹²原子 ｃｍ^-2から２×１０¹³原子ｃｍ^-2の間にあってもよく、好ましくは、約１×１０¹³ 原子ｃｍ^-2である。 付加された再結合中心の領域が複数の別々の小領域に分割されていてもよい。 付加された再結合中心の領域又はその小領域がボンドパッドの下に置かれてい てもよい。 付加された再結合中心の領域は、完成された装置において、半導体材料を金属 化から絶縁する材料の層の窓を通して実行できる、イオン注入によって製造され てもよい。好ましくは、絶縁材料及びその材料におけるいかなる他の窓も注入中 、マスクによって保護される。 第６の態様では、本発明は、２つ以上の直列のｐ−ｎ接合を有し、かつ２つの ｐ−ｎ接合によって隣接されている第１の導電形の領域を含む半導体装置の製造 方法を提供し、この方法は、再結合中心を生じさせる化学物質によってイオン注 入することを含み、装置の使用において、第１の領域に隣接するｐ−ｎ接合を通 って流れる電流の大部分は第１のその部分を流れない。 本発明によるトランジスタは、活性モードのトランジスタによって流される電 流と逆方向に電流を流すようにトランジスタのエミッタとコレクタとの間に接続 されたダイオードと同一の基板の上に集積されてもよい。また、そのダイオード が付加された再結合中心を有していてもよい。 再結合中心の領域によって、半導体装置、例えばトランジスタがオフにスイッ チされる時間が短くなる。トランジスタがオフにスイッチされるとベース電流は 減少するので、ベースに蓄積されたキャリアは、キャリアが再結合する注入領域 に引き出される。活性領域は注入されていないので、装置の抵抗及び、したがっ て、バイポーラトランジスタの場合は、Ｖ_ce、_sat及びｈ_feは影響は及ぼされな い。 第１図は、金属化工程が完了した後のバイポーラトランジスタの断面図である 。 第２図は、金属化工程直前の製造工程における第１図のトランジスタの平面図 を示す。 第１図は、ｎ形シリコン基板１の表面に形成されたバイポーラトランジスタの 断面図である。トランジスタのベース領域は、基板１の表面に形成されたｐ形領 域２によって実現できる。トランジスタのエミッタ領域は、ベース領域２内の基 板の表面に形成されたｎ形領域３によって実現できる。トランジスタのコレクタ は、基板１の残りの部分によって実現できる。ベース領域は、トランジスタの降 伏電圧を増加するより深い、あまり多量に不純物を添加されないｐ形領域５によ って囲まれている。 基板のシリコンを酸化させることによって成長した酸化物６の層は基板の上に ある。酸化物６は窓７、８及び９を有する。アルミニウム金属層は、酸化物層の 上にあり、酸化物における窓を通してベース領域２及びエミッタ領域３と接触す る。金属層は２つの別々の領域にパターン化される。第１の領域はベースボンド パッド１１及びベース接点１２を実現提供し、第２の領域はエミッタ接点１３及 びエミッタボンドパッドを提供する（第２図）。 金属層は、アルミニウムの層を付着する従来の処理によって形成される。この 方法は、アルミニウムの層を焼結して、オーム接触及び機械強度のためにシリコ ンとともに共融混合物を形成した後シリコンをパターン化するためにエッチング するものである。 コレクタ接点１７は基板１の後部側に形成されている。 第２図は、金属層が付加される前の製造工程における第１図のトランジスタの 平面図を示す。通常、多数のトランジスタが、完成されるときに分けられる基板 上に作られるけれども、単一のトランジスタだけが示されている。第１図の断面 の位置は、第２図でＩ−Ｉの印を付けられている。 第１図及び第２図を参照するに、ベース領域２は、それの内部にエミッタ領域 ３が指状に形成される大きな矩形領域である。指形状は、電力トランジスタに必 要とされる大電流可能出力を得るために使用される。窓８は、電気接点がエミッ タ接点１２とともにエミッタ領域３の全ての部分に対して形成されるように同一 形状を有する。それを通って接続部がベース接点１２とともにベース領域２に形 成される窓７も指状にされ、窓８と互いにかみ合わされる。 前述の構造を製造することのできる方法は周知である。 酸化物層６における窓９は大きく、酸化物層６の一面に付着された金属ベース ボンドパッド１１を有する。ベースボンドパッドは、ベース領域２をパッケージ トランジスタのベース端子に接続するために使用される。それを介して接続部が エミッタ領域３とパッケージトランジスタのエミッタ端子との間に形成される第 ２のボンドパッドは、このボンドパッドがベース領域３から絶縁されるように酸 化物の上部に形成される。第２のボンドパッドが形成される位置は、第２図にお いて一点鎖線で描かれたボックス１０で印を付けられている。 第２図に示された製造工程で、フォトレジストマスクが、露光された酸化物中 の窓９を残す窓とともにトランジスタの一面に形成される。金がフォトレジスト の窓及び酸化物を通してトランジスタのベース領域２の中に注入される。金イオ ンに対して８０ｋｅＶの加速電圧が使用される。フォトレジストを取り除き、注 入によって引き起こされた傷を直すためにトランジスタを、酸化雰囲気で５分間 ９３０℃でアニールする。アニール工程中に酸化物層６の窓の一面に成長する酸 化物はエッチングによって取り除かれる。注入の結果、ベース領域の一部に１× １０¹³ｃｍ²の濃度を有する金再結合中心が生じる。その濃度は、二次イオン質 量分析器で発生された金原子の濃度プロフィールを積分することによって測定さ れる。 第１図は、金で注入され、高キャリア再結合速度を有するベースボンドパッド １１の下の領域１４を示している。トランジスタの動作に対する金注入領域１４ の影響は下記の通りであると考えられる。 トランジスタがエミッタとコレクタとの間に電流を流すとき、その電流の大部 分は、エミッタ領域３の下のベース領域の一部を通るベース領域２を通って流れ る。そのベースの部分は“活性”部として知られている。金注入は、エミッタ領 域３、ベース領域２及びコレクタ領域１を通る電流経路上にないので、注入によ って、その経路に沿った電流に対するいかなる付加抵抗も起こらず、したがって Ｖ_ce、_satは増加しない。電流の流れは、第３図に矢印１５によって示されてい る。これらの矢印の方向は従来の電流の方向を示している。 バイポーラトランジスタが導通している間は、ベース領域の活性部に蓄積され る大きな電荷の少数キャリア（この場合は電子）がある。これらは、トランジス タがターンオフされるのであれば、漏れ電流だけがエミッタとコレクタとの間を 通過するように取り除かれなければならない。金注入領域１４は、ベースの中で の少数キャリアに対するシンクとしての役目を果たす。それは、付加された金の 原子が、その領域の中での少数キャリアの濃度が低いことを意味する、余分の再 結合中心を与えるので、その領域の中でのキャリア寿命が短いからである。した がって、ベース領域の活性部と金注入領域１４との間に濃度こう配があり、この こう配によってベース領域の活性部から少数キャリアを引き出す拡散電流が生じ る。その拡散電流は、第３図に破線矢印１６によって示されている。トランジス タは、ベースとエミッタとの間の電圧を減少させることによってターンオフされ 、一方金注入によって引き起こされる拡散電流は、ベース領域の活性部での少数 キャリアの濃度を減少させるのに役立ち、その結果トランジスタがターンオフす るのにかかる時間が減少する。 一連のトランジスタは、それぞれ１×１０¹²ｃｍ^-2、５×１０¹²ｃｍ^-2、１× １０¹³ｃｍ^-2２及び２×１０¹³ｃｍ^-2の注入金原子の濃度で製造されている。こ れらの最初のものは、金注入なしで製造された同一トランジスタよりもかろうじ て小さいスイッチング時間を有することがわかった。濃度が増加するにつれて、 装置がオフにスイッチされる時間が減少するということがわかった。２×１０¹³ ｃｍ^-2での金注入なしの同様な装置に対するＶ_ce、_satの増加は注目されるが許 容できない値という程ではない。 再結合中心の領域がボンドパッドの下にある必要はないが、その位置は、この 領域のためになんら余分の空間も使用する必要がないので、都合が良い。 大きな装置では１つ以上の再結合中心の領域を分布させて、装置の中の、電流 の大部分を流す全ての部分を再結合中心に確実に十分近くして、キャリア濃度こ う配を与え、それによって活性領域からキャリアを引き出し、所望されるのと同 じ速さで装置をターンオフさせるのに十分な拡散電流を供給させることが望まし い。 第１図及び第２図に示されたようなバイポーラトランジスタを製造する方法の 例は下記の通りである。６３５μｍ（２５ミル）の厚さを有する１００ｍｍ直径 のｎ形の６０〜８０Ωｃｍのフロートゾーンシリコンに、リンの発生源としてＰ ＯＣｌ₃を使用して４時間１２００℃でリン不純物を加える。次に、ウエハを１ ５６時間、１３２５℃でアニールする。生じるリン不純物を加えられた領域は、 ウエハの両側から２４０μｍ（９．５ミル）延びる。リン不純物を加えられた上 部領域は研磨によって、ウエハを３５５μｍ（１４ミル）厚さにする。 次に、ウエハの最上部面はみがかれ、複数のトランジスタのベース領域及びエ ミッタ領域はその表面に形成される。ウエハの下部の２／３におけるリンドーピ ングは完成トランジスタのコレクタ抵抗を減少するのに役立つ。 降伏電圧を増加させるための領域５及びベース領域２を、２つのホウ素注入工 程を使用して形成する。 領域５に関しては、０．８μｍの厚さの酸化物マスク層を酸化雰囲気で成長さ せ、パターン化して窓を露出する。その窓を通して、７．０×１０¹²イオンｃｍ^-2 を注入し、ウエハを１３００℃で６０時間アニールする。ホウ素は、４．４μ ｍの深さまでウエハを貫通する。アニールは、窓の中により多くの酸化物を生じ るように酸化雰囲気で実行される。 ベース領域２に関しては、酸化物層に新しい窓が開けられ、５．２×１０¹⁴イ オンｃｍ^-2が注入される。次に、ウエハを酸化雰囲気で１３００℃で２．２時間 アニールする。 次に、酸化物層の中に他の窓が開かれ、１１０℃で１１０分間ＰＯＣｌ₃にウ エハをさらすことによってその窓を通してエミッタ領域３に、リン不純物を加え る。リンは０．６２μｍの深さまで貫通する。 次の工程は金領域１４へのイオン注入である。窓９を覆う酸化物をまず取り除 き、次にフォトレジストの層をウエハの上で回転加工し、パターン化して窓９の 大部分を越えてその周辺の丁度内側まで延びる窓を露出させる。次に、１×１０¹³ イオンｃｍ^-2の金をフォトレジストの窓及び酸化物の窓９を介してベースボン ドパッドの下にあるベース領域の部分にイオン注入する。８０ｋｅＶの加速電圧 が使用される。次に、フォトレジストを取り除き、ウエハを、酸化雰囲気で５分 間９３０℃でアニールする。 次に、窓７、８及び９の各々を覆う酸化物をエッチングによって取り除き、次 にアルミニウム層をウエハの最上部面上に付着して、パターン化する。アルミニ ウム層は、コレクタ接点１７の役目を果たすようにウエハの最下部面上にも付着 される。 ウエハを、各々の上に単一のトランジスタを有するチップに分割する。 前述したように、エミッタとコレクタとの間に接続された逆並列ダイオードを 各チップ上に集積してもよい。ダイオードは、前述の２つの間に他のホウ素イオ ン注入を使用して形成されることが好ましい。酸化物層に窓を開け、ダイオード の陽極を形成するために５．２×１０¹⁴イオンｃｍ^-2をｎ形基板の中に注入する 。次に、ウエハを、酸化雰囲気で１３００℃で２．２時間アニールする。陽極は 、０．６４μｍの深さまでウエハを貫通する。 ダイオードの陽極領域は、ベースボンドパッドの下にあるベース領域の一部に 加えて、陽極領域を露出するために酸化物及びフォトレジストの中に窓を開き、 同時に両方の領域の中に注入することによって達成することができる同一の金注 入を受け入れることができる。 逆並列ダイオードがトランジスタとともに集積される場合、別々のエミッタボ ンドパッドを備える必要はない。ダイオードの陽極に対するアルミニウム接続部 は陽極及びエミッタの両方に接続するためのボンドパッドとして機能する。

【手続補正書】 【提出日】１９９７年９月５日 【補正内容】 請求の範囲 １．２つ以上の直列のｐ−ｎ接合を備え、かつ２つのｐ−ｎ接合によって隣接 されている第１の導電形の領域と付加された再結合中心を含む半導体であって、 その付加された再結合装置は、使用中、その再領域に隣接するｐ−ｎ接合間に流 れる電流の大部分が速さを増して流れる領域のその部分から離れて配置されてお り、その速さによってその部分を通って流れる電流をターンオフすることができ 、かつその領域のその部分が付加された再結合中心から実質的に離れていること を特徴とする半導体装置。 ２．付加された再結合中心の領域が第１の導電形の領域内にあることを特徴と する請求項１に記載された装置。 ３．付加された再結合中心は、金の濃度が２×１０¹³ｃｍ^-2よりも低い金であ ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された装置。 ４．付加された再結合中心が白金であることを特徴とする請求項１又は請求項 ２に記載された装置。 ５．付加された再結合中心がアルゴンであることを特徴とする請求項１又は請 求項２に記載された装置。 ６．付加された再結合中心の領域がボンドパッドのほぼ下にあることを特徴と する先行の請求項のいずれかに記載された装置。 ７．付加された再結合中心の領域がイオン注入であることを特徴とする先行の 請求項のいずれかに記載された装置。 ８．付加された再結合中心の領域が、２つのｐ−ｎ接合間の電流のほぼ全てが 流れる装置のその領域から離れて置かれていることを特徴とする先行の請求項の いずれかに記載された装置。 ９．付加された再結合中心の領域が、２つのｐ−ｎ接合間の電流が流れる装置 のその領域の一方の側にほぼあることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれ かに記載された装置。 10．付加された再結合中心の領域が装置のほぼ領域内にあり、その場合の使用 中、電流密度は装置が導通しているときに装置にある最大電流密度の１％未満で あることを特徴とする、先行のいずれかの請求項に記載された装置。 11．付加された再結合中心の領域が装置のほぼ領域内にあり、その場合の使用 中、電流密度は装置が導通しているときに装置にある最大電流密度の０．１％未 満であることを特徴とする請求項１０に記載された装置。 12．装置がバイポーラトランジスタであり、その第１の導電形の領域は前記ト ランジスタのベース領域であることを特徴とする、先行のいずれかの請求項に記 載された装置。 13．付加された再結合中心の領域が、前記ベース領域中で、前記トランジスタ のエミッタ領域とコレクタ領域との間に流れる電流の大部分が流れるベース領域 のその部分から離れたところにあることを特徴とする請求項１２に記載された装 置。 14．クレームされたトランジスタと同一であるがイオン注入なしのトランジス タと比べて、前記トランジスタが、トランジスタをターンオフすることができる 最少時間を５％以上減少させ、Ｖ_ce、_satを１０％増加させることを特徴とする 請求項１２又は請求項１３に記載された装置。 15．付加された再結合中心の領域が、前記ベース領域内に完全にあることを特 徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれかに記載された装置。 16．前記装置がサイリスタであることを特徴とする請求項１〜請求項１１のい ずれかに記載された装置。 17．請求項１〜請求項１１又は請求項１２〜請求項１５のいずれかに記載され た装置を含む集積回路であって、その回路が、 装置の陽極と陰極との間又はトランジスタのエミッタ領域とコレクタ領域との 間に接続され、かつ装置又は活性モードのトランジスタによって流される電流と 逆向きに電流を流すように配置されたダイオードを備えていることを特徴とする 集積回路。 18．前記ダイオードが再結合中心を含んでいることを特徴とする請求項１７に 記載された回路。 19．請求項１２〜請求項１５のいずれかに記載されたバイポーラトランジスタ を含む、蛍光菅のための電子回路安定器。 20．２つ以上の直列のｐ−ｎ接合を有し、２つのｐ−ｎ接合によって隣接され ている第１の導電形の領域を含む半導体装置を製造する方法において、 ｐ−ｎ接合間に流れる電流の大部分が流れる領域のその部分から離れて置かれ ており、使用中、キャリアをその部分から引き出して電流の速さを増すことによ ってその部分を流れる電流をターンオフすることになる再結合中心を領域内に生 じる化学物質を注入することを含むことを特徴とする方法。 21．２つ以上の直列のｐ−ｎ接合を有し、２つのｐ−ｎ接合によって隣接され ている第１の導電形の領域を含む半導体装置を製造する方法において、 ｐ−ｎ接合間に流れる電流の大部分が流れない領域のその部分から離れて置か れており、使用中、キャリアをその部分から引き出して電流の速さを増すことに よってその部分を流れる電流の大部分をターンオフすることになる再結合中心を 領域内に生じる化学物質を注入することを含むことを特徴とする方法。 22．注入ステップが、完成された装置において、半導体材料を金属層から絶縁 する材料の層における窓を通して行われることを特徴とする請求項２０又は請求 項２１に記載された方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラットジャーズ，コーンラード，テウニ ス，フランシス イギリス国エムケイ43 ７エイチデイ ベ ドフォードシャー，フェルマーシャム，マ リオツ クロース 22

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つ以上の直列のｐ−ｎ接合を備え、かつ２つのｐ−ｎ接合によって隣接 されている第１の導電形の領域より成る半導体装置において、付加された再結合 中心を用いるものであって、この再結合中心は、前記第１の導電形の領域の内で 前記第１の導電の領域に接する前記ｐ−ｎ接合の間を導通する電流の流れる部分 から、離れて配置されており、その結果、上記電流の流れる部分からキャリアを 引き出し、よって半導体装置のターンオフの早さを増加させた前記半導体装置。