JPS584466B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＮＰＮ接合の単位素子を複数個メサ型構造に配
置した半導体素子の製造方法に関する。

半導体素子のうちジャイアントトランジスタやゲートタ
ーンオフサイリスクなどにあっては、その機能を十分に
発揮させるため単位素子を複数並列的に配置するいわゆ
るメサ型構造を採用しているものが多い。

ところで、メサ型構造を採用したこれらの素子、一例と
してゲートターンオフサイリスクは一般に、第１図に示
すように構成されている。

すなわち、Ｐ型層１，２およびＮ型層３，４を図示の如
くＰ−Ｎ−Ｐ−Ｎの４層構造に接合するとともにＮ型層
４をエッチングなどによって複数に分割し、この分割に
よって露出したＰ型層２の表面にアルミニウムなどを蒸
着してゲート電極５とし、同様にＮ型層４、Ｐ型層１の
表面にもアルミニウムなどを蒸着してこれらをそれぞれ
力ソート電極６、アノード電極７としている。

なお、図中８は酸化被膜などの絶縁層を示している。

しかしながら、上記のように構成されたゲートターンオ
フサイリスタにあっては、特にメサの部分つまりエミッ
タとＰベースとの部分に次のような問題があった。

すなわち、この種サイリスクを製造するに当っては、通
常、Ｎ型基板の両面にＰ型不純物を拡散させてＰ型層１
，２を形成し、次に上記Ｐ型層２の表面側にＮ型不純物
を拡散させてＮ型層４を形成し、この状態でメサエッチ
ングを施すようにしている。

したがって、各メサに形成されるＰ型層２とＮ型層４と
の接合面９は第２図に拡大して示すように平坦となる。

そして、上記のようにメサエツチングを施すと接合面９
の近傍の抵抗値が高いことが原因して接合面９の外周縁
部のエッチング速度が他の部分より遅くなり、このため
上記部分が第２図中１０で示すように外方へ向けて突出
したものとなる。

すなわち、たとえば一般的なエッチング液であるＨＦ（
弗酸）ＨＮＯ３（硝酸）液でエッチングすると通常、抵
抗値の高い部分は反応速度が遅い。

しかるに、接合面９の近傍はキャリアの存在しない空乏
層の存在によって抵抗値が高いためエッチング速度が遅
くこのため上述の如く突出したものとなる。

このように、接合而９が平坦で、しかも接合面９の外周
縁部が外方に向けて突出していると、取扱い中に上記突
出部１０に外力が加わり易く、このため、突出部１０が
破壊され易い。

突出部１０は接合面９の外周縁に位置しているので、上
記のように突出部１０が破壊されると接合面９の外周縁
も直接的に破壊されることになり、この結果、電気的特
性の悪化を招く欠点があった。

また、Ｐ型層２は一般に拡散によって形成されるのでＮ
型層４に近い程高濃度になっている。

そして、接合面９の位置は一般に耐電圧性能を考慮して
Ｐ型濃度が１０１７原子／ｃｍ３未満の領域に設定され
ている前述のように接合面９は平坦に形成されているの
で接合面９の外周縁部も１０１７原子／ｃｍ３のＰ型濃
度領域に接していることになる。

Ｐ型層２の表面濃度が１０１７原子／ｃｍ３未満である
とき、その表面に酸化被膜等の絶縁層８を形成すると、
Ｐ型層２の表面にＮ型と同じ機能を発揮する反転層が接
合面縁部に接触した状態で形成される。

この反転層が生じるとカソード電極６とゲート電極５と
の間に加わる逆電圧が増加した場合、上記反転層を通し
て電流が流れ、第３図に示すように漏洩電流が非常に大
きくなる。

そこで、従来は上記した漏洩電流を抑えるために、基板
に構造損傷を与えない程度にγ線を照射したり、エッチ
ングされたＰ型層２の表面に新たに高濃度のＰ型拡散を
施したり、あるいはまたエッチングされたＰ型層２の表
面にＰ２Ｏ５やｐｏｃｌ３によるリンガラスを生成させ
て表面イオンの動きを阻止するなどの手段が採用されて
いる。

しかし、このような手段を採用すると製作の複雑化を招
く問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その
目的とするところは、メサの側面に形成される突出部が
たとえ破壊されても、この破壊が電気特性に直接影響を
与える虞れがなく 格別な特殊処理等を施すことなしに勝れた電気的特性を
発揮する、ＮＰＮ接合の単位素子をメサ型構造に複数配
置した半導体素子を複雑な工程を伴なわずに製造する方
法を提供することにある。

以下、本発明の製造方法を詳細に説明する。

第４図は本発明を適用して製造したゲートターンオフサ
イリスクの断面を示すもので、このサイリスクは次のよ
うに構成されている。

すなわち、シリコンのＰ型層１１，１２とＮ型層１３．
１４とを図示の如くＰ−Ｎ−Ｐ−Ｎの４層構造に接合す
るとともにＮ型層１４を所定のパターンに分割して複数
のメサを形成し、この分割によって露出したＰ型層１２
の表面にアルミニウムなどを蒸着してゲート電極１５と
し、同様にＮ型層１４、Ｐ型層１１の表面にもアルミニ
ウムなどを蒸着してこれらをそれぞれカソード電極１６
、アノード電極１７としている。

なお、図中１８は酸化被膜などの絶縁層を示している。

しかして、前記各メサのＮ型層１４とＰ型層１２との接
合面１９は、第５図に拡大して示すように中央部分１９
ａが平坦で、周辺部分１９ｂが外周縁に近づくにしたが
ってＮ型層１４の厚みを薄くするように折曲している。

そして、接合面１９の中央部分１９ａはＰ型層１２のＰ
型濃度が１０１７原子／ｃｍ３未満の領域に接する位置
に、また、接合層１９の最外周縁部はＰ型層１２のＰ型
濃度が１０１７原子／ｃｍ３以上の領域に接する位置に
それぞれ配置されている。

次に上記構成のゲートターンオフサイリスタを本発明方
法で製造した場合の一実施態様を図面を参照しながら説
明する。

なお、第４図に示す部分と同一部分は同一符号で示して
ある。

まず、第６図ａに示すように厚さ数１００μ，面指数＜
１−１−１＞、抵抗率数１０Ω篩の濃度均一なＮ型基板
１３を用意し、このＮ型基板１３の両面にＧａあるいは
ボロンなどのＰ型不純物を温度１０００℃以上で数１０
時間拡散し、所定の表面濃度のＰ型層１１，１２を厚さ
１０μに形成する。

続いて同図ｂに示すようにＰ型層１２の表面にリンなど
のＮ型不純物２１を１０００℃以上の温度で数時間デポ
ジション拡散して濃度一定のＮ型不純物層を形成し、そ
の後同図Ｃに示すようにＮ型不純物２１の側から所定の
パターンに写真蝕刻を施してＮ型不純物２１に近づくに
したがって細くなる台形のメサを複数形成する。

次に同図ｄに示すように１０００℃以上の温度で数十時
間ドライブイン拡散を行ないＮ型不純物２１をＰ型層１
２内へ拡散させてＮ型層１４を形成する。

この場合、各メサを台形に形成していることが有効に作
用し、Ｎ型層１４とＰ型層１２との間の接合面１９は、
中央部分１９ａが平坦になり、周辺部分１９ｂが外周縁
に近づくにしたがってＮ型層１４の厚みを薄くする方向
に折曲したものとなる。

そして、拡散時間を制御することによって接合面１９の
中央部分１９ａをＰ型層１２のＰ型濃度か１０１７原子
／ｃｍ３未満の領域に、また、接合面１９の最外周縁部
をＰ型層１２のＰ型濃度が１０１７原子／ｃｍ３以上の
領域にそれぞれ接するように位置させる。

その後、同図ｅに示すようにＮ型層１４の表面およびＰ
型層１２の表面に酸化被膜１８を形成し、これを蝕刻し
てＰ型層１２の表面にゲート電極１５を、またＮ型層１
４の表面にカソード電極１６をそれぞれ蒸着などによっ
て形成するとともにＰ型層１１の表面にアノード電極１
７を固着する。

そして、このようにして出来上ったものを表面処理した
後パッケージして製造工程を終了する。

このように、濃度が均一なＮ型基板１３内に濃度が厚み
方向に順次変化するＰ型層１２を拡散によって形成し、
このＰ型層１２の高濃度側にＮ型層１４を拡散接合した
ＮＰＮ接合の単位素子を複数個並列的にメサ型構造に配
設するに当って、厚み方向に濃度が徐々に変化するＰ型
層１２の高濃度側にＮ型不純物２１をデボジョンした後
、写真蝕刻等によって複数の台形のメサを形成し、その
後で上記Ｎ型不純物２１をドライブイン拡散させてＮ型
層１４を形成するとともに上記Ｎ型層１４と前記Ｐ型層
１２との間の接合面１９の中央部１９ａをＰ型層１２の
１０１７原子／ｃｍ３未満の濃度領域に、また接合面１
９の最外周縁部をＰ型層１２の１０１７原子／ｃｍ３以
上の濃度領域にそれぞれ接触するように位置させている
。

したがって、次のような利点がある。

すなわち、上記のような製造方法を採用すればエッチン
グによって台形メサを形成したときに、各台形メサの側
面でかつＮ型不純物２１とＰ型層１２との境界部分に突
出部３０が形成されるが、その後のドライブイン拡散工
程において、Ｎ型不純物２１がＰ型層１２内へ拡散する
ことによって、拡散によって形成されたＮ型層１４とＰ
型層１２との接合面１９が第５図に示すように突出部３
０の位置よりＮ型層１３側へ移動して形成されることに
なり、この結果、接合面１９の外周縁に対して突出部３
０が位置的に離れることになる。

したがって、外力によって突出部３０がたとえ破壊した
場合であっても、この破壊によって接合面１９の外周縁
部が直接的に破壊されるようなことはないので、結局、
外力に伴う電気的特性の低下を抑え得るものを製造でき
る。

また各メサを台形に形成しているので、ドライブイン拡
散によって形成された接合面１９は第５図に示すように
必然的に中央部分１９ａが平坦に、また周辺部分１９ｂ
が外周縁部に近づくにしたがってＮ型層１４の厚みを薄
くする方向に折曲したものとなる。

そして、本発明では上記折曲現象を利用して、接合面１
９の最外周縁部だけをＰ型層１２のＰ型濃度が１０１７
原子／ｃｍ３以上の領域に接する位置に設定している。

この濃度領域においては、その表面に酸化被膜等の絶縁
層１８を設けてもＮ層に近い機能を発揮する反転層が生
じない。

したがって、反転層が接合面縁部に接触するのを防止で
きるので従来のように格別な反転層除去処理を施さなく
ても、つまり複雑な工程を必要とせずに第７図のＡで示
すように逆電圧−漏洩電流特性の勝れたものが得られる
。

すなわち、第７図のＡは接合面の最外周縁部がＰ型拡散
層の１．５×１０１７原子／ｃｍ３の濃度域に位置した
例の特性を示し、また、Ｂは同じく８．８×１０１６原
子／ｃｍ３の濃度域、Ｃは８．２×１０１６原子／ｃｍ
３の濃度域、Ｄは７×１０１６原子／ｃｍ３の濃度域に
位置した例の特性を示している。

この図から判るように、漏洩電流番十分に小さくするに
は、接合面１９の最外周縁部をＰ型拡散層の１０１７原
子／ｃｍ３以上の濃度領域に位置させることが必要であ
る。

また、ジャイアントトランジスタをオフさせたり、ゲー
トターンオフサイリスクをターンオフさせたりするには
、ゲート・カソード間、つまり、Ｐ−Ｎ接合に逆電圧を
加える必要があるが、高い逆電圧を加える程、オフ能力
を高めることができ、またターンオフ時間を速めること
ができる。

したがって、このように機能させるためには、Ｐ−Ｎ接
合の逆方向降服電圧が１０Ｖ以上であることが望まれる
。

シリコンで形成されたＰ−Ｎ接合の場合、一般に接合面
のＰ型濃度が１×１０１７原子／ｃｍ３のとき逆方向降
服電圧が１０■である。

したがって、逆方向降服電圧を１０Ｖ以上にするには、
接合面１９の中央部を１０１７原子／ｃｍ３未満のＰ型
濃度領域に位置させる必要がある。

なお、接合面１９の最外周縁部は前述の如く、１０１７
原子／ｃｍ３以上のＰ型濃度領域に接しているが、この
部分は界面の影響を受けて空乏層の広がりが大きく、し
たがって、この部分によって逆方向降服電圧が決定され
るようなことはない。

なお、本発明方法を適用するに当って、Ｎ型不純物２１
をデポジョンする代りにＮ型不純物をイオン化してＰ型
層１２の高濃度側に打込んで濃度一定のＮ型不純物層を
形成し、次にメサエツチングした後上記Ｎ型不純物をド
ライブイン拡散させてもよい。

また、上述した実施例は本発明をゲートターンオフサイ
リスクに適用した例であるが本発明はＮＰＮ接合の単位
素子を複数並列的にメサ型構造に配設する素子全般に適
用できる。

さらに上記実施例では接合面１９の最外周縁部をＰ型層
１２の１０１７原子／ｃｍ３以上の濃度領域に接触させ
ると説明したが、好ましくは１×１０１７原子／ｃｍ３
乃至８×１０１７原子／ｃｍ３付近である。

また接合面１９の中央部もＰ型層１２の２×１０１６原
子／ｃｍ３乃至８×１０１６原子／ｃｍ３の濃度領域に
接触させるのが好ましい。

以上詳述したように本発明によれば、機械的にも電気的
にも勝れた特性を発揮し得るＮＰＮ接合の単位素子を複
数並列的に配置してなるメサ型構造の半導体素子を頗る
簡単な工程だけで製造できる製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの種素子を要素とした従来のゲートターンオ
フサイリスタの縦断面図、第２図は同サイリスタの要部
を拡大して示す図、第３図は同要部の特性を説明するた
めの図、第４図は本発明を適用して製造されたゲートタ
ーンオフサイリスタの縦断面図、第５図は同サイリスタ
の要部を拡大して示す図、第６図は本発明の製造方法を
工程順序に示す図、第７図は本発明によって製造された
素子と他の素子との特性を説明するための図である。 １２・・・・・・Ｐ型層、１４・・・・・・Ｎ型層、１
５・・・・・・ゲート電極、１６・・・・・・カソード
電極、１９・・・・・・接合面、２１・・・・・・Ｎ型
不純物層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 各部の濃度が均一なＮ型基板内に高濃度側表面が露
   出するように濃度が厚み方向に順次変化するＰ型拡散層
   を設ける工程と、上記Ｐ型拡散層の上記高濃度側表面に
   濃度が均一なＮ型不純物層を形成する工程と、上記Ｎ型
   不純物層の側から前記Ｐ型拡散層の中途位置まで所定の
   パターンに蝕刻して複数の台形メサを形成する工程と、
   この工程の後に前記Ｎ型不純物層をドライブイン拡散さ
   せ、この拡散によるＮ型拡散層と前記Ｐ型拡散層との接
   合面の最外周縁部が上記Ｐ型拡散層の１０１７原子／ｃ
   ｍ３以上の濃度領域に接触し、上記接合面の中央部が上
   記Ｐ型拡散層の１０１７原子／ｃｍ３未満の濃度領域に
   接触してなるＮＰＮ接合の単位素子を複数形成する工程
   とを具備してなることを特徴とする半導体素子の製造方
   法。