JPS5942989B2 - 高耐圧半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

高耐圧半導体素子およびその製造方法

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JPS5942989B2 JP52005787A JP578777A JPS5942989B2 JP S5942989 B2 JPS5942989 B2 JP S5942989B2 JP 52005787 A JP52005787 A JP 52005787A JP 578777 A JP578777 A JP 578777A JP S5942989 B2 JPS5942989 B2 JP S5942989B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体素子およびその製造方法に係かり、特に
、高耐圧半導体素子およびその製造方法に関する。
以下においては、ｐｎｐｎの４層構造をもつサイリスタ
を例にあげて、この発明を説明するが、本発明はこれに
限定されるものではなく、高耐圧のトランジスタ、ダイ
オード等にも適用できるものである。
ｐｎｐｎサイリスタは一般に、第１図Ａに示すように、
ｎ型基板１の両面にｐ型不純物を拡散して、一方をｐベ
ース層２、他方をｐエミッタ（アノード）層３とし、そ
の間にはさまれた素材基板のｎ型の部分１をｎベース層
とし、さらにｐベース層２の表面にｎ型領域４を形成し
、これをｎエミッタ（カソード）層とすることによつて
製造される。
Ｉ このサイリスタの順方向耐圧は、ｐベース層２とｎ
ベース層１間の接合（Ｊ２接合）で定まる。すなわち、
Ｊ２接合付近におけるｐベース層２の不純物濃度勾配が
小さいはど、耐圧を向上できることが知られている。し
かるに、単一のｐ型不純物の１回の拡散でｐベース層２
を形成する場合、Ｊ２接合付近の不純物濃度勾配を小さ
くすれば、必然的にｎエミッタ層４とｐベース層２間の
接合（Ｊ３接合）部の不純物濃度が低下するので、ゲー
ト点孤電流が小さくなりすぎたり、許容順電圧上昇速度
Ｄｖ／Ｄｔが低下するなど、他のサイリスタ特性の劣化
をきたす。
このことを解決するために、従来ｐベース層２の不純物
濃度分布を２段とする方法がとられているＯすなわち、
第１図Ｂの不純物濃度曲線に示すように、ｐベース層２
を拡散深さが大きく、かつ低い濃度分布を有する部分２
１．および拡散深さが浅い高濃度部分２２から成る２段
構造に形成することにより、Ｊ，接合部の不純物濃度勾
配を低減して高耐圧化をはかり、かつＪ３接合部の不純
物濃度を高め、ｐベース層全体の平均抵抗Ｒ，Ｂの低下
を補なう方法である。
しかし、この方法を高耐圧半導体素子に応用する場合、
小数キヤリヤのライフタイムの点で問題があつた。
すなわち高耐圧素子では、不純物濃度の最も小さいベー
ス層巾力状きくなるため、このベース層での電圧降下が
大きくなり、それだけ導通時の熱損失が大きくなる。こ
の熱損失を小さくするためには、ベース層における少数
キヤリヤのライフタイムを大さくすることが要請される
。
たとえば耐圧３０００Ｖ以上の素子では、少なくとも５
０μｓ以上のライフタイムを必要とする。しかるに、前
述の２段ｐベース層の低濃度部分２１を形成するための
ｐ型不純物の低濃度拡散では、素子基板のライフタイム
低下をきたし、通常は、１０μｓ以下のライフタイムし
か得ることができない。
もつとも、２段ｐベース層の高濃度部分２２は、従来ボ
ロンまたはガリウム拡散により形成されており、この高
濃度部分２２の拡散により、多少はライフタイムが向上
する。
しかし、ポロンおよびガリウム拡散の場合、最大濃度の
得られる固溶限の拡散を行なつても、ライフタイムは高
々２０μ８どまりである。加えて、高濃度部分２２の表
面濃度が高くなればなるほど、ライフタイムは多少向上
するものの、不純物濃度分布がより急峻な勾配となる。
このため、Ｊ３接合を形成する際に、その深さが極く僅
かになつただけでも、ｐベース層２の抵抗が大幅に変化
することになる。ノ したがつて、ｐベース層の平均抵抗ＲＰＢの制御が困難
となるなどの欠点を生じ、従来法では、熱損失が小さく
、かつ素子特性のそろつた素子を得ることは困難であつ
た。
以上は、サイリスタを例に採つて従来の欠点を説明した
が、同様の問題はトランジスタ及びダイオードにおいて
も存在している。
本発明は、上記の欠点を除去した新規な高耐圧半導体素
子およびその製造方法を提供することを目的とするもの
であり、その特徴とするところは、ｐ型の導電型を有す
る層が、拡散深さが大きくかつ低い濃度分布を有する第
１の部分と、拡散深さが浅くかつ高濃度分布を有する第
２の部分とから成る２段構造を有する高耐圧半導体素子
において、前記高濃度部分がアルミニウム不純物により
形成されていることである。
本発明者等は、アルミニウム拡散後における半導体基板
の少数キヤリヤのライフタイムをくわしく検討した。
その結果、アルミニウム拡散においては、拡散前の基板
のライフタイムを向上させる作用が顕著で、かつアルミ
ニウムの固溶限以下の比較的低い濃度の拡散でもライフ
タイムを向上させる作用が著しいことを見出し、本発明
に至つた。すなわち、ライフタイムが１０μｓ以下であ
る半導体基板に、ボロンおよびガリウムをそれぞれ固溶
限まで拡散させても、ライフタイムが２０μ８をこえる
ことはないのに対し、アルミニウム拡散の場合は、ライ
フタイムが約５０μｓに上昇する。しかも、このライフ
タイムを向上させる作用は、必ずしもアルミニウムの固
溶限（約１０１９ａｔ０ｍ８／ＣＴｉ）の拡散を必要と
せず、アルミニウムの最大濃度が５×１０１６ａｔｎｍ
ｓ／ＣＴｌｔ以上であれば、その効果は十分に顕著であ
る。さらに、前記最大濃度は、必ずしも半導体装置とし
て製品化された状態で必要なのではなく、その製造工程
において少なくとも１回だけ、前記最大濃度に達した履
歴があれば、同様のライフタイム上昇効果があることが
実験的に確認された。
すなわち、本発明者らの実験によれば、アルミニウムの
拡散工程で、少くとも一度は、５×１０１６ａｔ０ｍｓ
／〜以上の濃度に達した履歴がなければ、ライフタイム
は１０１ｉＳｅＣ以下のものしか得られなかつた。した
がつて、本発明の半導体素子においては、２段構造のｐ
層２の高濃度を有する第２の部分２２の勾配を比較的ゆ
るやかにすることが可能である。
さらに、高濃度を有する第２の部分２２の不純物分布を
、第２図に示すように、濃度の最大値が表面より内部に
あるようにすれば、サイリスタのｐベース層の場合、こ
の最大値付近にｎエミツタ層４とｐベース層２間の接合
を形成することが可能となり、ｐベース層２の平均抵抗
ＲＰＢを、きわめて精度よく制御することもできる。
なお、本発明におけるアルミニウム拡散は、高濃度部分
を形成するに十分なアルミニウム濃度の得られる方法で
あれば、どのような方法でも可能であるが、拡散の均一
性からいつて真空拡散が望ましい。
また、ｐ層の低濃度部分２１は、いずれのｐ型不純物で
も可能であるが、深い拡散を必要とするため、拡散勝間
を短縮できる点で、拡散係数の大きいＡ１が有利である
。
以下に、本発明の一実施例を説明する。
用いた基板ウエハ１は直径約６０７！Ｌｍφ、厚さ１０
５０μのＦＺｎ型のシリコンウエハで、抵抗率は約２０
０Ω？であつた。まず、Ａ１線をソースとし、アルゴン
を封入した石英アンプル中で、Ａ１拡散（１２５０′Ｃ
ｌ７５時間）を行ない、このウエハの両面に、表面濃度
約３×１０１６ａｔ０ｍｓ／ｄ、拡散深さ約１７０Ｐｍ
０ｐ型拡散層を形成した。
次に、一方の面（Ａ面と称する）を表面から約５５μｍ
、他方の面（Ｂ面）を約３０μｍ、エツチングにより除
去した。
この結果、Ａ面およびＢ面の表面濃度は、それぞれ９Ｘ
１０１６および１．８×１０１６ａｔ０ｍｓ／〜となつ
た。つマいて、Ａ１線をソースとし、真空封じした石英
アンプル中で１０８０′Ｃｌ２時間のＡ１拡散（プレデ
ポジシヨン）を施したのち、チツ素気流中で１２５０′
Ｃｌ５時間の熱処理（ドライブイン）を行なつた。
このようなＡ１のプレデポジシヨンおよびドライブイン
拡散により、ウエハ表面からの深さ約５０１ｔｍの範囲
に、高濃度のｐ層が形成されると共に、約２５μｍの深
さのところに、最大濃度値（約６×１０１６ａｔ０ｍｓ
／０ｒ１ｔ）が得られた。
次に、Ａ面の表面を、エツチングにより約１８μｍ除去
したのち、１１００′ＣでＰＯＣｌ３をソースとしたリ
ン拡散を行なつてウエハ両面に７μｍのｎ層を形成した
。最後に、Ｂ面側のｎ層を除去するために、約３０μｍ
エツチングした。
このようにして、Ａ面側からｉエミツタ層４、ｐベース
層２、ｎベース層１およびｐエミツタ層３の４層が、前
記の順に配列されたサイリスタが製作された。このサイ
リスタにおけるｐベース層２及びｐエミツタ層３内の不
純物濃度分布は、ほぼ第２図に示すような形になつてお
り、Ｊ３接合は、ほぼ高濃度部分の最大値付近に位置し
ていた。
本実施例のサイリスタにおけるｐベース層２の、平均抵
抗の設計中心値を４５０Ωとした場合、そのバラツキを
±５０Ω以内とすることができた。
さらに、最終的に得られたサイリスタは４０００Ｖ以上
の高耐圧を示し、かつｎベース層１のライフタイムは５
０〜８０μｓで、順電圧降下は２．２Ｖ以下におさえる
ことができた。以上のように、本発明によれば、順電圧
降下が小さく、かつ特性のそろつた高耐圧半導体素子が
得られる効果を奏する。
前述のｐベース層およびｐエミツタ層の構成および製造
方法をダイオードやトランジスタに適用すれば、特に電
力変換装置等に適した高耐圧の大容量ダイオード、大電
力トランジスタが得られることは、当業者には容易に了
解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理を説明するための曲線図、第２図
は本発明の１実施例の曲線図である。 １・・・・・・ｎ基板、２・・・・・・ｐベース層、３
・・・・・・ｐエミツタ層、４・・・・・・ｎエミツタ
層、２１・・・・・・低濃度部分、２２・・・・・・高
濃度部分。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体ウェハがｐ型層とｎ型層とを有し、前記ｐ型
    層は、拡散深さが大きく、かつ低濃度分布を有する第１
    の部分と、拡散深さが小さく、かつ高濃度分布を有する
    第２の部分とからなる高耐圧半導体素子において、前記
    第２の部分の導電型を決定している不純物がアルミニウ
    ムであることを特徴とする高耐圧半導体素子。 ２ 第２の部分のアルミニウムの最大濃度が５×１０＾
    １＾６ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾３以上であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項記載の高耐圧半導体素子。 ３ 第１の部分の導電型を決定している不純物がアルミ
    ニウムであることを特徴とする特許請求の範囲第１また
    は第２項記載の高耐圧半導体素子。 ４ 半導体ウェハがｐ型層とｎ型層とを有し、前記ｐ型
    層は、拡散深さが大きく、かつ低濃度分布を有する第１
    の部分と、拡散深さが小さく、かつ高濃度分布を有する
    第２の部分とからなる高耐圧半導体素子の製造方法にお
    いて、ｐ型層を形成する工程が、任意の不純物の注入に
    よつて、拡散深さが大きくかつ低濃度分布を有する第１
    の部分を形成する第１工程と、アルミニウム不純物の注
    入によつて、拡散深さが小さくかつ高濃度分布を有する
    第２の部分を形成する第２工程とよりなり、前記アルミ
    ニウム不純物の最大濃度が、少なくとも前記第２工程の
    一時期において、５×１０＾１＾６ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾
    ３以上となることを特徴とする高耐圧半導体素子の製造
    方法。 ５ 第１工程で注入される不純物がアルミニウムである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の高耐圧半
    導体素子の製造方法。
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