JPS6034276B2 - 半導体装置を形成する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電力半導体装置を形成する方法に関し、特に
該装置の電荷再結合の寿命並びにそのターンオフの制御
に関して、その制御手段を作る方法に関する。

電力半導体整流器並びに電力半導体サィリスタでターン
オフ時間を短縮して、スイッチング時間を損失を少なく
する為、例えば金、白金、銀、銅等のような深いレベル
の不純物が整流器及びサィリスタに導入される。

従来の製造方法ではこの所望の結果を達成するのに、１
回又は２回の拡散方法を用いている。然し、拡散処理は
思う通切こ行かず、その為整流器又はサィリスタを構成
する半導体材料の中の殆んどどこにでも深いレベルの不
純物が導入される。この為、電力整流器及び電力サィリ
スタの漏洩電流が過大になり、その電圧定格並びに温度
定格に悪影響がある。更に、深いレベルの不純物を適当
にドープされた半導体材料の中に導入すると、例えば燐
でドープした領域のような適当にドープされる或る領域
の境界に深いレベルの不純物金属の析出が起り、例えば
棚素でドープした領域のような他の適当にドープされた
領域に空乏状態を生ずる傾向がある。この析出物は境界
で過大な漏洩が起る原因になる。従って、この発明の特
徴は、従来の半導体装置の欠点を克服した電力整流器及
び電力サィリスタのような改良された半導体装置を提供
することである。

この発明の実施例では、向い合う２つの主面を持つ半導
体材料の本体から成る新規で改良された半導体装置が提
供される。

向い合う２つの主面は夫々本体の上面及び下面である。
本体は反対の導電型を持つ相接する少なくとも２つの領
域を有する。一方の領域は上面と同長の面を持ち、他方
の領域は本体の下面と同長の面を持つ。反対の導電型を
持つ各対の領域の相接する面によってＰＮ接合が形成さ
れる。各々のＰＮ接合はその一部分が上面並びに下面の
両方に対して略平行である。本体の再結晶半導体材料か
ら成る少なくとも１つの指向性凝固領域を本体の中に形
成し、向い合う２つの主面の内の一方から予定の距離だ
け本体の中に入れ込むようにする。指向性凝固領域の材
料は、例えば金、白金、銀、鋼等のような深いレベルの
不純物でドープされ、本体の内部の自由担体に対する再
結合中心となる。再結晶領域は本体全体を通抜けてもよ
く、全てのＰＮ接合を横切ってもよいし、或いは存在す
るＰＮ接合の内の選ばれたものだけを横切っていてもよ
い。１つ又は更に多くの指向性凝固領域を作るのに、結
晶面配向が（１１１）または（１００）の面に温度勾配
帯城溶融法を実施することにより、所望の効果が得られ
た。

こうして作られた１つ又は更に多くの再結晶領域の材料
は、深いレベルの不純物を固溶解度で持っている本体の
再結晶半導体材料である。第１図には選ばれた比抵抗並
びに第１の導電型を持つ半導体材料の本体１０が示され
ている。

本体１０Ｇま夫々上面並びに下面となる向い合う２つの
主面１２，１４を持っている。本体１０を構成する半導
体材料はシリコン、ゲルマニウム、炭化珪素、磁化ガリ
ウム、０族元素と町族元素との化合物、及びｍ族元素と
Ｖ族元素との化合物であってよい。例えばヱピタキシャ
ル成長、拡散、拡散とェピタキシヤル成長の組合せ等の
ような従来周知の方法に従って本体１０を処理し、電力
整流器、ェミツタを短絡してもしなくつてもよいが電力
サィリスタ、電力２方向スイッチ等を作る。このような
電力装置を作ることは、周知であって、この発明の一部
を構成するものではない。この発明を更に詳しく説明す
る為、半導体材料の本体１０をシリコンであるとし、従
来の方法に従って、Ｐ型の導電型を持つ第１の領域１６
、Ｎ型の導電型を持つ第２の領域１８及びＮ＋の導電型
を持つ第３の領域２０を持つ電力整流器のような電力装
置を作る。反対の導電型を持つ領域１６，１８の相接す
る面によってＰＮ接合２２が形成される。電力装置の種
々の導電型の領域を作った後、本体１０を機械的に研磨
し、化学的に食刻してきずのついた面を取去り、脱イオ
ン水で洗総し、空気中で乾かす。耐酸性マスク２４を本
体１０の表面の上に配置する。マスク２４は、周知の方
法で表面上に熱的に成長させ又は気相沈積した酸化珪素
であることが好ましい。周知の写真製版法を用いて、例
えばコダックのメタル・エッチ・レジストのようなフオ
トレジスト材料の層２６を酸化珪素層２６の面２７の上
に沈積する。層２６の材料は、約８０ｑｏの温度で焼く
ことによって乾かす。例えばドットの配列、同心円の配
列又は同心形状の配列のような１つ又は更に多くの幾何
学的な形状を限定する適当なマスクをフオトレジスト層
２６の上におき、紫外線に露出する。露出後、フオトレ
ジスト層２６をキシレン（Ｘｙｌｅｎｅ）で洗ってマス
ク２６に窓２８を開け、酸化珪素層を選択的に食刻して
、酸化物層２４の窓３０内にある本体１０の面１２の選
ばれた表面区域を露出することが出来るようにする。好
ましい幾何学的な形状は、主に電力整流器の中心領域に
制限されたドットの配列である。

装置内部に於ける深いレベルのトラップの効率を最大に
する為、少数担体制御用不純物金属の各々の指向性凝固
領域の断面積を出来るだけ小さくし、装置の単位寸法内
にあるこう云う領域の数を最大することが望ましい。各
々の領域は少なくとも１種類の深いレベルの不純物金属
を園溶解度で持っている本体１０の再結晶半導体材料で
構成される。各々のドットを１０ミクロン以下、相互の
中心間間隔を１５ミクロン以下にすぬのが好ましいこと
が判った。この配置にすると、各領域が互いに１拡散長
以上離れないと云う望ましい条件が充たされる。拡散長
とは、少数担体が発生されて再結合するまで拡散する平
均距離である。

担体の濃度が低い時、これは１個の少数担体が再結合が
起るまでに移動するとみられる距離でもある。担体注入
レベルが高い時、存在する両極性又は２種担体に対する
拡散長は、２種類の担体が再結合が起るまでに移動する
と孝えられる距離である。上に述べたような配置にする
と、整流器の外側円板が、深いレベルのトラップがない
状態に保たれた緑まで約１拡散長又はそれ以上の距離を
持つ。この為、ＰＮ接合２２の緑に於ける表面並びにバ
ルクの漏洩がこ）で実施する方法の為に増加することは
ない。こう云う好ましい実施例では、電力整流器が、従
来の方法で作られたものに較べて電圧及び温度定格が一
層高くなり、スイッチングの遠い電力装置となる。サィ
リスタでは、ゲート及び増幅ゲート領域は、性能の条件
並びに設計のかね合いに応じて、再結合箇所を導入して
もしなくてもよい。緩衝フッ化水素酸溶液（ＮＨ４Ｆ一
日Ｆ）を用いて酸化珪素層２４の選択的な食刻を行なう
。フオトレジスト・マスク２６の窓２８に対応する第２
組の窓３０が酸化珪素層２４に開けられて、本体１０の
面１２の選ばれた一部分を露出するまで、食刻を続ける
。処理すみの本体１０を脱イオン水で洗浴して乾かす。
フオトレジスト・マスク２６の残りの部分は、１８０ｏ
ｏの濃硫酸に浸糟することにより、又は１部の過酸化水
素及び１部の濃硫酸との溶液に混合した直後に浸糟する
ことによって取去る。第２図について説明すると、混合
酸溶液を用いて本体１０の露出した表面区域の選択的な
食刻が行なわれる。

混合酸溶液は１０容積部の７０％硝酸と、４容積部の１
００％酢酸と、１容積部の４８％フッ化水素酸とで構成
される。２０乃至３０℃の温度で、混合酸溶液が本体１
０のシリコンを約５ミクロン／分の速度で選択的に食刻
する。

酸化物層２４の各々の窓３０の下方で本体の面内に凹み
３２が食刻される。選択的な食刻は、凹み３２の深さが
、移動させる領域の一様な断面が得られる位の量の金属
を導入するのに十分になるまで続けられる。２５００の
温度で約５分間食刻すると、窓３０の対し深さ２５乃至
３０ミクロンの凹み３２が得られる。

食刻した本体１０を蒸溜水で洗濃し、風で乾かす。例え
ばフレオン、アルゴン等のようなガスが、処理ずみの本
体１０を乾かすのに適している。処理ずみの本体１０を
金属蒸発室内に配置する。

例えば金、白金、銀等のような深いレベルの不純物金属
の層３４を酸化珪素層２４の残っている部分の上並びに
凹み３２内の露出したシリコンの上に沈糠することによ
り、面１２の選ばれた表面区域上に形成する。凹み３２
内にある深いレベルの不純物金属が、電力装置に於ける
寿命を所望の通り空間的に制御する為に、電力装置の本
体１０の中に熱移動させるようにする金属の滴である。
寿命を空間的に制御する為、装置の内部に残す深いレベ
ルの不純物金属の濃度を制御したい場合、層３４の金属
は、例えば錫のような材料で構成することも出来る。層
３４の厚さは凹み３２の深さと大体等しく、今の場合、
この厚さは１０ミクロンであることが好ましい。凹み３
２内にある金属の滴（１つ又は複数）をシリコンの本体
１０の中に移動させる前、過剰の金属を６００グリット
のカーバィド紙で研削するとか、或いは選択的な化学的
な食刻のような適当な手段により、酸化珪素層から層３
４の過剰の金属を取去る。深いレベルの不純物金属の層
を蒸着するのは約５×１０‐５トルの圧力で行なうべき
であることが判った。

この圧力５×１０‐５トルより高いと、金属を凹み３２
の中に次積した場合、金属がシリコンの中に浸透して本
体の中を移動するようにならないことが判った。シリコ
ン材料の上に薄い酸化物層が形成され、それがシリコン
中の金属層の相接する面を良好にぬらす妨げにもなるも
のと孝えられる。熱移動に必要な深いレベルの不純物金
属とシリコンとの初期溶融物が得られない。これは金の
原子等がシリコンの界面中に拡散することが出来ないか
らである。同様に、スパッタリングによって深いレベル
の不純物金属を沈積するのは、この方法では酸素が入り
、次積される金属がこの酸素で飽和すると思われるので
、望ましくない。シリコン本体の上に深いレベルの不純
物金属を沈積する好ましい方法は、沈積される金属中に
トラツプされる酸素があるとしても、ごく僅かである電
子ビーム法等である。次に第３図について説明すると、
処理ずみの本体１０が図に示していない熱移動装置の中
に配置され、温度勾配帯域溶融法により、凹み３２内の
金属の満が本体１０の中に予定の距離だけ移動させられ
、少なくとも深いレベルの不純物金属が固溶解度で入っ
ている本体１０の再結晶材料から成る領域３６を形成す
る。

高温面である下面１４を低温面である上面１２との間に
約５０ｏｏ／肌の温度勾配を使うのが、４００乃至１３
５０００の本体１ ０の平均温度にとって適当であるこ
とが判った。この方法は、金属の満を本体１０の中に予
定の距離だけ移動させるのに十分な長さの時間の間実施
される。例えば、各々の金属の満が約２０ミクロンの厚
さであって、温度勾配が５０００／伽、本体１０の温度
が４５０００である時、そう云う形にするものとして、
滴を厚さ約１ミリのシリコン本体を通り抜けるように移
動させるのに、大体２独特間未満の炉時間しか必要とし
ない。面１２から本体１０の中へ予定の距離まで達した
時、温度勾配を逆転する。

この時、金属の満は大体同じ移動軸線又は結晶軸に沿っ
て移動し、面１２に達する。研削又は選択的な化学的な
食刻により、過剰の金属を取去る。この結果得られた構
造は、深いレベルの不純物がＰＮ接合２２の注入効率に
影響すると云う点が望ましい。この為、領域３６がＰＮ
接合２２から予定の距離の所で終端する時、こうして得
られた電力整流器はＰＮ接合の注入効率がすぐれている
。同時に、耐高温性としてＰＮ接合に於ける電流の漏洩
が最小になる。この為装置は、動作中、ターンオフ時間
並びに耐高温性がすぐれる。金属の滴は本体１０の中で
凝固されてはならない。本体１０の内部で滴が凝固する
と、著しい内部応力が起る原因になることがあり、材料
の破損さえ起ることがあって、本体１０の物理的な特性
を悪影響を持つ。処理された本体１０が完全に破損する
ことさえある。本体１０がシリコン、ゲルマニウム、炭
化珪素、枇化ガリウム等の半導体材料である時、移動す
る金属の滴には、最終的に得られた再結晶領域３６が移
動する滴と同じ断面形になるようにする好まさし、形が
ある。

熱移動が＜１１１＞の結晶軸方向である時、滴は（１１
１）面内にある３角形の板として移動する。板の辺が（
１１２）面によって限定される。１辺０．１０センチよ
り大きい満は不安定であって、移動中に幾つかの滴に分
断する。

０．００１０センチより小さい滴は、表面障壁の問題が
ある為、本体１０の中に移動しないことがある。

滴の移動速度と加えられる温度勾配との比は、滴の熱移
動が行なわれる温度の関数である。１０５０乃至１４０
０ｑｏ程度の高い温度では、温度上昇と共に満の移動速
度が急速に増加する。

アルミニウム及びシリコンで構成されるような金属の満
に対しては、１０伽／日又は１．２×１０‐４仇／秒の
速度を達成し得る。満の移動速度は満の容積の影響も受
ける。

滴の容積が小さくなると、満の移動速度が低下する。滴
は＜１００＞結晶方向に、前側の４つの（１１１）面並
びに後側の（１００）面によって限定されたピラミッド
として熱移動する。温度勾配並びに移動速度を注意深く
制御することわ必要である。そうしないと、領域に擦れ
やこふくが出来ることがある。前側の４つの（１１１）
面が必ずしも一様な速度で溶解しないと云う点で、これ
らの面の溶解は一様でないと思われる。前側の４つの（
１１１）面の溶解が一様でないことにより、満の正規の
ピラミッド形が台形に歪むことがある。半導体材料の本
体が厚さ１０ミル程度の薄いウェーハである場合、滴の
熱移動は正圧の下で不活性ガス雰囲気内で実施すること
が出来ることが判った。

この代りに、第３図の装置程に要求される動作特性が厳
しくない場合、第４図に示すような適本体１０全体にわ
たって移動させ、電力整流器を作ることが出来る。

温度勾配帯域溶融法が完了したら、本体１０の途中まで
又は全体を移動して夫々の面１２，１４に達した金属の
瓶を選択的な食刻又は研削によって取去る。

本体の凹み３２内にあった金属の滴を熱移動させること
により、本体１０１こは、満を構成する溶解金属を持つ
本体１０の再結晶半導体材料から成る柱状領域３６の配
列が出来る。各々の領域３６は、指向性をもつて凝固し
た柱状領域３６の全体にわたり夫々の不純物金属を略一
定の一様な濃度レベルで持っている。こ）で実施する方
法の性質の為、濃度に若干の変化が起る。材料の組成の
変化は使う材料の関連した相図から直ぐ判る。然し、そ
の変化はごく僅かで問題にならない。領域３６の幅は全
長にわたって略一定である。領域３６の夫々の端面が本
体１０の上面及び下面１２，１４と夫々同一平面にある
。本体１０の残りの材料が領域３６を取囲み、指向性を
もって凝固した再結晶領域３６の配列が占める容積の外
側にある本体１０の残りの部分で構成される。半導体本
体１０は、酸化物層２４及び凹み３２の残っている部分
を機械的な研削並びに研磨によって取去り、第４図の装
置に対して第５図に示すように、処理された本体１０を
作る‐ように更に処理される。この場合、上面及び下面
は滑らかで研磨されていて、平面状であり、互いに略平
行である。この後、電極３８，４０を装置の上面及び下
面に夫々導電性を持つように固着することにより、電力
装置が完成される。こうして完成された装置は従来の装
置よりターンオフ特性及び温度特性がすぐれている。

複数個の柱状領域は、装置の少数担体の寿命を制御する
すぐれた手段となる。こ）で実施した温度勾配帯城溶融
法により、装置の最も高温の領域、即ち、電流密度が最
大であって装置の自由電荷密度が最大である領域の全体
にわたり、柱状領域を分布させることが出来る。この為
、この発明の装置は従来の装置に較べて、すぐれたター
ンオフ時間を持つと共に表面漏洩の点でも改善されてい
る。この発明の装置は従来の装置に較べて改善された電
圧及び温度定格を有する。この発明の方法によって少数
担体の寿命を制御する材料を導入したことにより、例え
ば燐を拡散した領域のような拡散領域の境界にいづれか
の材料が析出して、例えば棚素を拡散した領域のような
他の領域を空乏状態にすることは実質的にない。柱状領
域の配列は、各領域が互いに１拡散長未満の距離しか離
れないような配列になるように設計する。

こ）で云う拡散長が明細書の冒頭に述べたものであるこ
とを繰返しておきたい。柱状領域の間にある自由担体は
再結晶領域の強い再結合中心へ非常に急速に移動するこ
とが出来る。従って、柱状領域の配列が実質的には一様
にドープまれた領域として作用する。深いレベルの不純
物の再結晶領域の柱状の配置並びにそれを作る方法は、
互いに隣接したＰＮ接合、特に装置のベース幅を限定す
るＰＮ接合が好ましくは４０ミクロン程度又はそれ以上
隔たっている半導体装置に於ける少数坦体の寿命を制御
する為に適応自在である。

この間隔が好ましいとするのは、本体の中を熱移動する
合金の満が、前端で本体の材料を溶解し、滴の同じ端に
沈積するからである。この為、ＰＮ接合を横切って熱移
動が起ると、滴が横切ったＰＮ接合の部分は、熱移動と
同じ方向に、満の長さまでの距離だけ変位する。瓶が長
さ１０ミクロン程度又はそれ以化であることが好ましく
、ＰＮ接合は約１０ミクロン又はそれ以下まで変位され
ることが出来る。この為、第５図の装置のＰＮ接合２２
の内、変位した部分を点線２２′で示してある。ＰＮ接
合のこの変位は、電力定格に正常の電力定格の±１０％
の許容公差が与えられるような大面積の電力装置では許
容し得る。第６図はこの発明に従って作られた半導体制
御整流器１１０が示されている。装置１１川ま第１のレ
ベルの少数担体の寿命を持つ本体１１２と、向い合って
いて互いに略平行である上面及び下面１１４，１１６と
を有する。交互に反対の電導型を持つ４つの領域１１８
，１２０，１２２，１２４が本体１１２の中に形成され
る。夫々反対の導電型の対の領域１１８と１２０，１２
０と１２２、並びに１２２と１２４の相接する面により
、ＰＮ接合１２６，１２８，１３０が形成される。本体
１１２の中に柱状領域１３２の配列が配置される。各々
の領域１３２は上面及び下面１１４，１１６に対して略
垂直であって、互いに略平行である。各々の領域１３２
は前に述べた第１図乃至第４図の装置の領域３６と同様
に形成され、同じ材料の組成及び結晶構造を持ち、装置
１１０に於ける少数担体の寿命のレベルを制御する。領
域１３２の相互の間隔並びに装置１１０の外周からの間
隔も、第１図乃至第４図の装置について前に説明した通
りである。電気接点１３４，１３６，１３８が夫々の領
域１１８及び１３２と、Ｉ２０と、１２４とに固着され
、それらと導電性を持ち、適当にバイヤスされた時に装
置１１０が半導体制御スイッチとして作用し得るように
する。この代りに、必要に応じて第７図に示すように、
下面１１６から本体の中に予定の距離だけ熱移動させる
ことにより、柱状領域１３２の配列を作ることが出来る
。領域１３２がＰＮ接合１３０を横切り、領域１２２に
入り込むが、ＰＮ接合１２８より手前で終端している。
装置１４０の動作上の作用並びに利点は第３図の装置に
ついて前に説明した通りである。特に領域１２２及１２
４が大きな幅を持つことが多いことに注意されたい。こ
の為、領域１３２を形成する際、ＰＮ接合１３０が変位
しても、装置の性能に対する影響は殆んと問題にらない
。第８図にはスイッチ１１０の別の実施例として半導体
制御整流器１５０が示されている。

スイッチ１１０と同じ参照数字で表わされた部分は、同
じであり、作用も同じである。スイッチ１５川ま基本的
にェミッタ短絡形式であって、電気接点１５２が領域１
１８，１２０‘こ同時に固着され、それらと導電性を持
つ。柱状領域１３２の配列が、配列が装１５０の短絡ェ
ミッタ領域内に配置されないような形で配置されている
ことに注意されたい。第９図にはスイッチ１１０，１５
０の別の実施例として２方向スイッチ２１０が示されて
いる。スイッチ１１０，１５０と同じ参照数字で表わさ
れた部分は前述のものと同じであって、作用も同じであ
る。このスイッチ２１０が他のスイッチ１１０，１５０
と違うのは、電気接点２１２が領域１２２，１２４に同
時に固着されてそれらと導電性を持ち、装置を２方向ス
イッチにするのに必要な第２の短絡ェミッ夕を作ってい
ることである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図はこの発明に従って処理される単結晶
半導体材料の本体の側面断面図、第６図はこの発明に従
って作られた半導体装置の側断面図、第７図は第６図の
装置の別の実施例の側面断面図、第８図及び第９図はこ
の発明に従って作られた他の半導体装置の側面断面図で
ある。 主な符号の説明、１０：半導体材料の本体、１２，１４
：主面、１６：Ｐ型領域、１８：Ｎ型領域、２０：Ｎ＋
型領域、２２：ＰＮ接合、３６：再結晶領域。 第１図 第２図 第９図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ （イ）予定の導電型、予定の比抵抗レベル、予定の
   第１のレベルの寿命、それぞれ上面並びに下面となる向
   い合う２つの主面、該本体の材料の所望の第１結晶軸と
   略平行に整列した垂直軸を有し、上記上面および下面の
   少なくとも一方が（１１１）及び（１００）からなる群
   から選ばれたものの１つである所望の結晶面配向を有す
   る単結晶半導体材料の本体を用意し、（ロ）上記本体内
   に交互に反対導電型である少なくとも２つの相接する領
   域が上記本体の上面と同一平面にある面、他方の領域が
   上記本体の下面と同一平面にある面を持ち、ＰＮ接合が
   反対導電型の相接する領域の各対の材料の同長の面によ
   つて形成され、前記ＰＮ接合のうち１つの少なくとも一
   部分が上記２つの向い合う主面に平行であるように形成
   し、（ハ）各領域の金属に富んだ半導体材料の溶融を前
   記本体の所望の第１結晶軸および垂直軸に略平行に整合
   した温度勾配に沿つて予定の高温で温度勾配帯域溶融法
   により領域中を移動させて前記本体内の原位置に再結晶
   半導体材料の少なくとも１つの領域を形成し、該再結晶
   半導体材料の領域は移動させる前記予定の高温で半導体
   材料の金属の固定角度の限界によつて決まる予定のレベ
   ルの溶融の金属濃度を有し、該金属は該領域全体にわた
   つて略均一に分布され、かつ該金属は少なくとも１種の
   深いレベルの不純物材料を含んでいて前記再結晶材料領
   域に予定の第２レベルの寿命を与え、前記本体材料内に
   発生した自由担体に対する再結合中心を与えるようにし
   、このようにして、各々の再結晶半導体材料領域は向い
   合う２つの主面の１つと同一平面にある少なくとも１つ
   の端面を有し、該領域は該端面から前記本体中に予定の
   距離だけ伸びて、１つの領域全部と二つ目の領域の少な
   くとも一部を横切り、前記２つの領域の間に形成されて
   いて前記向い合う主面に平行な少なくとも１つのＰＮ接
   合の前記一部分と交差するようにする、ことからなる半
   導体装置を形成する方法。