JPS6048910B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6048910B2
JPS6048910B2 JP6776379A JP6776379A JPS6048910B2 JP S6048910 B2 JPS6048910 B2 JP S6048910B2 JP 6776379 A JP6776379 A JP 6776379A JP 6776379 A JP6776379 A JP 6776379A JP S6048910 B2 JPS6048910 B2 JP S6048910B2
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JP6776379A
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徹郎 末岡
聰 石橋
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Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1012Base regions of thyristors
    • H01L29/102Cathode base regions of thyristors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低抵抗埋込層を眉するゲートターンオフサイリ
スタ(GTO)や接合形電界効果トランジスタやサイリ
スタなどの半導体装置に関し、特にその低抵抗埋込層に
関し、特にその低抵抗埋込層のパターン形状に関するも
のである。
本発明に関する基本構造をGTOの場合について第1図
に示す。
第1図において、GTOはP、N、P。
N。からなるサイリスタの陽極端子A、陰極端子に間に
陽極端子A側を正とした電圧を印加した状態で、ゲート
オン電極端子0、より陰極端子に側にP。N。接合を順
バイアス方向に電流Ig、を流すと、P、N、P2N2
からなるサイリスタは導通状態となつて、負荷に電流を
流す。次に陰極端子にとゲートオフ電極端子G。間にP
。N。接合を逆バイアスする方向、即ちゲートオフ電極
端子Coに対して陰極端子に側を正バイアスすると、負
荷電流の一部がゲートオフ電極端子G。側に流れ、陰極
端子Aと陰極端子に間は阻止状態になる。このターンオ
フ過程での電流は、N2層全面に一様に流れていた電流
がオフ過程において、低抵抗P゛゛埋込層に流入して、
ゲートオフ電極端子℃2側に流れるものであり、オフ過
程で電流集中が生じない様に低抵抗がP ”゛埋込層の
パターン形状を構成することが重要である。このパター
ンとして埋込構造ではないが、設計思想が同一である表
面にゲートパターンを構成した「特公昭53−4767
2、半導体装置用の櫛形構造」に・一示されており、ゲ
ートでターンオフさせる構造の素子ではインボリュート
形状が有利であることがわかる。しかしながら、接合直
径が40−mnより大きくなる様な大電流容量の素子で
は、インボリュート状のゲート部の線長が大きくなり、
従つてこのフ部分の内部抵抗が大きくなり、効果的に電
流を掃引することがむずカルくなる。これを解決するた
めに、同公報第7図、第8図では、インボリュートパタ
ーンを右廻り、左廻りの2組を合せた形状が示されてい
る。
またこれ以5外にインボリュートパターンの長さ方向を
数段に区切る方法が考えられる。このように長さ方向を
数段に区切つたパターンを第1図に示した埋込形GTO
に適用すると、ターンオフ過程での局部的電流集中は防
止されゲートで遮断できる電流値は増大する筈であるが
、ゲート電流で点弧(ターンオン)させた時、ゲート近
傍からカソード面積全体への導通領域の広がり ,が阻
害されることがわかつた。即ち低抵抗P ”゛埋込層の
半径方向と直角な方向の幅がある値以上になると、ゲー
トオン電極に近い所にのみ電流が集中し、この部分の温
度の異常上昇をきたし、結果的にはこの部分の熱損傷を
きたすことがわかつ (た。本発明はこのようなゲート
構造における埋込パターンの従来の問題点を解決しよう
とするもので、以下第2図、第3図をさらに併用して説
明する。
なお、第2図は第1図に斜線で示した低抵抗P゛゛埋込
層の平面的パターン形状を示す図、第3図は第2図の一
部拡大概略図である。第1図の半導体装置(一例として
耐圧1200V)電流容量50A(7)GTO)は次の
ようにして作られる。
即ち、比抵抗50Ω・α、直径25TmのN刑Siの両
面からGaを熱拡散してP形層即ちP,層、P2層を形
成する。この時のG.拡散層の表面濃度は5〜10×1
0″7であり、かつ拡散深さは30〜50μである。こ
の時のN,層の厚みは250〜300μである。−この
Gaを拡散して形成したP形層の一方表面に酸化膜を利
用して通常の選択拡散法により第2図の如き中心部を除
き半径外方向へ向つて網目状のパターンでB(ボロン)
を拡散する。その時の表面濃度は195×1ぴoで、深
さは10μである。次に二このB(ボロン)を拡散して
なる低抵抗P゛゛埋込層を埋込むようにこの表面全域に
エピタキシャル法でP形単結晶層をエピタキシャル成長
させる。この成長層の厚さは15〜20μで比抵抗は1
020Ω・Cmとした。さらにこの表面層に第1図の形
状にな3るようにりんPを選択拡散し、カソードN2層
を形成する。このりんPの拡散層はその表面濃度が略5
×IPで、拡散深さが略10μである。次に低抵抗Pf
゛埋込層の最外側連結部(電極取出層域)2に電極7を
接着するために、低抵抗P″′゛埋込層4fの最外側連
結部2が露出する深さまで部分エッチングにより堀込溝
を設け、さらに通常の方法で図示の如く、低抵抗P゛゛
埋込層の最外側連結部2の表面、P。層の表面、N2層
の表面およびP,層表面に夫々アルミニウムを電極とし
て接着して接着し、ゲートオフ電極7、ゲートオン電極
8、カソード電極9および陽極10を形成する。ここで
、前述した第2図の低抵抗P゛゛埋込層の丁平面的形状
について詳しく説明すると、低抵抗P″′゛埋込層(斜
線で示す部分)41〜44の長方向の抵抗を減らすため
に4段に分割し、かつ埋込部に狭まれた残りの領域51
〜54の幅がいずれも夫々等しくなる様に配列する。
このため4段夫々oの埋込層41〜44の本数は異なつ
ている。インボリュート埋込部41,42,43,44
の区切部には幅狭の連結部31〜33で互に連結し、埋
込部44の内側6には第1図に示すように連結部は設け
られず、中心部1はゲートオン電極8に対7向したP2
層に対応する部分である。埋込部41〜44と連結部2
および31〜33に囲まれた残りの領域51〜54部に
第1図に示した陽極端子Aから陰極端子Kの方向に負荷
電流が流れる。なお第2図においては、網目状の埋込層
は一部しか示Jされていないが、360゜方向全体に亘
つて同様に構成されている。本発明をよりわかりやすく
説明するために第2図の一部を概略的に拡大して示すと
第3図で示される。
本発明はこの第3図かられかるように、低抵抗P゛゛埋
込層は半径方向と直角な方向に幅広の埋込部41〜43
(幅W)と、それを連結する半径方向に幅狭の埋込層で
ある連結部31〜33(幅t)と最外側連結部の埋込部
2とから構成されている。いま、たとえば領域53にの
み、負荷電流が流れているとすると、埋込層のない通常
のサイリスタ構造では、この電流の流通域は半径方向(
実線矢印11で示す方向)および半径方向と直角な方向
(点線矢印12で示す方向)に広がり、一定時間後に全
領域が導通状態になるが、埋込P ”゛層の幅が広いと
、この広がりが阻害されるものである。
従つて、GTO動作でのP″′゛埋込層の埋込部41〜
43の幅Wは外部電極の取出層域2側に大きな電流を流
す必要から、P ”゛埋込層部分の抵抗が小さいことが
必要で、これはP゛゛埋込層の幅Wを広くするべきであ
ることがわかる。
ところが、B(ボロン)選択拡散層のパターン陥W及び
tを各種かえて実験した結果、この幅が300μ(0.
3TWL)以上あると導通域の広がりが阻害され、電圧
降下が異常に高くなる。
そこで幅Wと小さくして導通域の半径方向と直角な方向
への広がりを考えてもよいが、幅Wを小さくするとカソ
ードN。層の中央部から電極7の部分までの掃引.抵抗
が大きくなり、電極7に遠い所で永久破壊する。幅Wを
小さくして、それだけ幅W(7)P゛゛埋込部の本数を
増すことも考えられるが、導通域51〜53の面積がP
゛゛埋込層からの外方拡散法によりせばめられ、有効面
積が減るのでこの方法は得策ではない。従つて埋込層の
幅Wを一定として連結部31,32の幅をいろいろ変え
て実験を試みた。
Si(シリコン)ウェハーの直径25Tf7;In)比
抵抗50Ω・αで前述した方法を用いて試作した120
0V)平均電流50AクラスのGTOの場合について実
測した結果を第4図に示す。同図は200Aの負荷電流
をGTOに流したときの素子AK間の電圧降下(Vp)
とゲートによリターンオフできる電流IAcを示してあ
り、これかられかるように埋込層の幅tが300μをこ
えると点弧領域の広がり(第3図矢印11)が阻害され
、従つて電圧降下(VF)が増加し、かつターンオフ可
能電流(IAc)が低下している。即ち第3図において
低抗埋込層の幅が400μである矢印12の方向には導
通域は殆んど広がらす、300μ以下てある矢印11の
方向には導通域は比較的容易に広がることがわかる。勿
論更に高電流を流し、従つて電流密度を高め、あるいは
電流の通電時間を長くすれば400μの幅でも広がる事
が出来るが、これは高速性能を要求する本発明の目的で
ある半導体素子には適用できない。これかられかるよう
に本発明を適用した埋込刑GTOはVFが低く、かつ高
周波GTOが作れる。以上から本発明では、Pf゛埋込
層の幅が400p(0.4771771)程度あると広
がり阻害されることがわ力つた。従つて広がりをを要求
する方向でのPf゛埋込層の幅は上記寸法より小さくす
べきであることがわかる。即ち電流を掃引する方向(半
径方向)のP ”゛埋込層の幅は本質的に広がりを考え
ないでもよい構成にした場合、主たる掃引方向の埋込P
ff層の幅Wを広くして掃引抵抗を小さくし、かつ半径
方向と直角な方向の連結層の幅tを0.33mm以下に
する必要がある。また半径方向のみでなく円周方向への
広がりを要求する場合にはいずれも埋込層の幅0.3−
以下にしなければならない。本実施例においては、P゛
゛埋込層のパターンを平行な形状としてたとえばインボ
リュート形状を例にとつて説明したけれども、本発明は
これに限定されることなく、必ずしも平行になつていな
い・形状のパターンでも同様に適用できる。上述したよ
うに本発明による半導体装置を用いれば、制御電流(ゲ
ート電流)で点弧(ターンオン)させた時、制御電流(
ゲート)近傍からカソード面積全体への導通領域の広が
りが阻害されるフことがなくなり、このため従来の如く
GTOの場合、ゲート点弧電極に近い所のみに電流が集
中して、この部分の温度の異常上昇をきたし、結果的に
はこの部分の熱損傷をきたすというようなことがなくな
る。
5図面の簡単な説明 第1図はGTOの基本的構造を示す縦断面図、第2図は
第1図のP ”゛埋込層のパターン形状を示す図、第3
図は第2図の一部を概略拡大して本発明の詳細な説明す
るための図、第4図は実験結果ノoの実測の一例を示す
図であつて、図中7はゲートオフ電極、8はゲートオン
電極、9はカソード電極、18は陽極、2は最外側連結
部、41〜44はインボリュート埋込部、31〜33は
幅狭の連結部を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 1つ以上のPN接合によつて形成される制御半導体
    素子の層内に同じ極性の、しかも中心部を除き半径外方
    向へ向つて網目状の低抵抗埋込層を設け、該低抵抗埋込
    層を電流制御端子として負荷電流をオン、オフさせる半
    導体装置において、前記低抵抗埋込層を半径方向に向い
    かつ半径方向と直角な方向に幅広の複数の埋込部と、こ
    れらの幅広の埋込部を連結し半径方向に幅狭の連結部と
    によつて構成し、前記幅狭の連結部の幅tを300μ以
    下とし、かつ前記幅広の埋込部の幅を前記tに等しいか
    、それより大きくするようにしたことを特徴とする半導
    体装置。
JP6776379A 1979-05-31 1979-05-31 半導体装置 Expired JPS6048910B2 (ja)

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JPS55160468A JPS55160468A (en) 1980-12-13
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JPS62177968A (ja) * 1986-01-31 1987-08-04 Hitachi Ltd ゲ−トタ−ンオフサイリスタ

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JPS55160468A (en) 1980-12-13

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