JPS608632B2 - 逆回復電荷を減少させたサイリスタの製造方法 - Google Patents

逆回復電荷を減少させたサイリスタの製造方法

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JPS608632B2
JPS608632B2 JP56098501A JP9850181A JPS608632B2 JP S608632 B2 JPS608632 B2 JP S608632B2 JP 56098501 A JP56098501 A JP 56098501A JP 9850181 A JP9850181 A JP 9850181A JP S608632 B2 JPS608632 B2 JP S608632B2
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anode
junction
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recovery charge
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体装置、特にサィリスタの製造方法に関
するものである。
この発明は、本出願入の米国特許第4075037号(
197母王2月21日付)に開示された発明の改良に関
するものである。
近年、半導体装置(デバイス)の電気的特性を変えるた
め、種々の方法で、半導体装置を隙射することが試みら
れている。
このような例として「米国特許第3809582号;第
3840887号:第3852612号;第38724
93号;第3877977号;第3881963号:第
3881964号:第3990091号;第40401
70号:第4056408号:第4075037号;第
4076555号;及び、特磯昭54−165814号
(特開昭55−88338号公報)が挙げられる。これ
らは、いずれも本出願人に係るものである。特定の半導
体装置は、その動作中に、大電流順方向導通モードから
高電圧逆方向阻止モードヘスZィッチングされなければ
ならない。その最も一般的なものがサイリスタである。
サイリスタをその要素として含む更に複雑な装置に、ダ
イアック(djac)、トライアック(trjac)、
逆スイッチング整流器、及び逆導通サィリスタがある。
Zサィリスタ、殊に電力用サィリスタが順方向
導通状態に在るとき、過剰キャリア濃度及びこれに対応
する過剰電荷がベース領域、殊に、普通カソード・ベー
ス領域より低い不純物濃度を有するアノード。ベース領
域、に存在する。サィリスタが2逆回復する間に、逆回
復電荷Qrrと呼ばれる過剰電荷は、サィリスタの逆阻
止特性を制限するキャリア再結合及び拡散により除去さ
れなければならない。この逆回復電荷の量は、その装置
の諸パラメータのうち、ベース領域での少数キャリアの
ラ2ィフタィムとアノード・ベース領域両端の電流利得
との関数である。サイリスタを用いた多くの場合におい
て、逆回復電荷Qrrはできる限り少し、か、或いは特
定の値にすることが望ましい。
前に挙げた米国特許第34075037号では、その装
置を照射(特に電子照射)することによって、そのベー
ス領域、特にカソード・ベース領域での少数キャリアの
ライフタイムを減らすことによって、過剰電荷を減らす
ことが提案されている。この方法で一応の目的は蓬3せ
られるが、この方法によって少数キャリアのライフタイ
ムと過剰電荷を減少させる場合、これに伴なつて順方向
電圧降下VTM及び漏れ電流が増加するので、照射量を
慎重に制御しなければならない。過剰電荷の減少と日頃
方向電圧降下の増加との4間で、適当な妥協が必要であ
った。この発明は、かかる問題を克服し、順方向電圧降
下VTMと漏れ電流の変化を最少に抑えながら、サィリ
ス夕の逆回復電荷ねrrを減少させる方法を提供するも
のである。
米国特許第4056408号には、原子核照射(好まし
くは陽子或いはアルファ粒子照射〉で、サィリスタを含
む半導体装置のスイッチング時間を短縮する方法が開示
されている。
ここでは、逆阻止PN接合の隣りに欠陥を発生させるた
めに、照射源からのエネルギーレベルが調整される。そ
して、この発明と対照的に、カソード・ベース領域とア
ノード・ベース領域との間の逆阻止PN接合に隣接して
、最大の結晶欠陥を発生させることが示されている。し
かしながら、このような従来技術は遠動作スイッチング
時にブレークダウンを起こし素子を破壊してしまうとい
う欠点があった。従ってこの発明の目的は、順方向電圧
降下をほとんど増加させることなくサィリスタの逆回復
電荷を減少させる方法を提供することである。この発明
は、広義には、順方向電圧降下を実質的に増加させるこ
となく逆回復電荷を減少させたサィリスタの製造方法で
あって、前記サィリスタのカソード−ェミツタ領域に隣
接した主表面からのアノードPN接合の深さを求める工
程、少なくとも1の分子量を有する粒子を放出する所定
の放射線源を用いて前記主表面から照射する場合の、前
記サィリスタに発生する最大欠陥発生場所の位置を求め
る工程、前記最大欠陥発生場所が前記サィリスタのアノ
ードPN接合に隣接するように、前記放射線源からの前
記主表面でのエネルギーレベルを調整する工程、及び前
記放射線源からの前記エネルギーレベルで、前記主表面
を介して、前記サィリスタの逆回復電荷を減少させるた
めの所定の照射量だけ前記サィリス夕を照射する工程、
を備えた方法に在る。この発明によれば、サィリスタの
逆回復電荷が、他の電気的特性、特に順方向電圧降下及
び漏れ電流に著しい悪影響を与えないで、減少させる方
法が提供される。
普通の半導体装置においては、スイッチング時間Tqも
幾分短縮される。この発明の方法は、サィリスタのカソ
ード・ェミッタ領域に隣接する主表面からの、アノード
PN接合面の深さを求める工程を含んでいる。そして、
サィリスタの最大欠陥発生場所のその主表面からの深さ
が、所定の、好ましくは少くとも1の分子量を持つ粒子
を放出する単一エネルギーの放射線源を利用して、決定
される。このような原子核放射線源として、陽子或いは
アルファ粒子放射線源が比較的安価に入手でき、かつ、
これらは、後述する様に、シリコン半導体本体へ照射す
る場合、化学的及び電気的にほとんど不活性である点で
、好ましいものである。より狭い半幅(half−wi
dth)すなわち最大結晶欠陥発生の半分の分布曲線の
幅を持つ欠陥発生分布が必要であることから、例えば窒
素イオンの様なより大きい分子量の放射線が望ましい場
合もあり得る。この「半幅」については、米国特許第4
056408号の第I Z図に示されている。次に、ア
ノードPN接合好ましくはこのアノード接合に隣接する
アノード・ベース領域での最大欠陥発生場所の深さを得
るために、放射線源からの、サィリスタ主表面でのエネ
ルギーレベルが調整される。
最大欠陥発生場所は、アノードPN接合から、それぞれ
アノード・ベース領域で20マイクロメートル以内、或
いは、アノード・ェミツ夕領域で10〜15マイクロメ
ートル以内にあることが好ましい。このような原子核粒
子の範囲は、半導体物質及びエネルギーレベルがわかれ
ば容易に決定できるので、最大欠陥発生場所の位置は容
易に求められる。更に、一つの、好ましくは複数個のサ
ィリスタの主表面が、調整されたエネルギーレベルを持
つ放射線源に晒される様に、位置決めされる。次にそれ
らのサィリスタは、順方向電圧降下及び漏れ電流に実質
的な影響を及ぼさないで、そのサィリス夕の逆回復電荷
を減少する照射量レベルまで、調整された放射線源を用
いて、照射される。以下、この発明の好ましい実施例に
沿って、この発明を詳細に説明する。この発明に従って
照射される、中心点弧型のサィIJスタが第1図に示さ
れている。
半導体本体1川こは、上部と底部の二つの主表面1 1
,12及び曲面状の側面13がある。また、このサィリ
スタ本体10には、主表面11と12に隣接して、互い
に反対の導電形の不純物を有するカソード・ェミッタ領
域14とァノード・ェミッタ領域17とが含まれており
、半導体本体10の内部に、二つのェミッタ領域14と
17とに挟まれた、互いに反対の導電形の不純物を有す
るカソード・ベース領域15とアノード・ベース領域1
6とが含まれている。カソード・ェミッタ領域14とカ
ソ−ド・ベース領域15とは互いに反対の導電形の不純
物領域であり、アノード・ベース領域16とアノード・
ェミツ夕領域17も互いに反対の導電形の不純物領域で
ある。カソード・ベース領域15及びアノード・ェミッ
タ領域17は、標準的な技術により、例えば1×1び7
〜1×1び9原子/塊の表面濃度まで、例えばカリウム
及びアルミニウム又はこれらのいずれかを主表面11及
び12から拡散させることによって、同時に形成するこ
とが好ましい。その後、主表面11から、例えばリンを
、標準的な技術により、選択的に拡散させて、カソード
・ェミッタ領域14が形成される。このよにして、サィ
リスタ本体101こ、3つのPN接合18,19、及び
20(すなわちカソードPN接合18、逆阻止PN接合
19、及びアノードPN接合20)から成る4層不純物
構造が形成される。このサイリスタ本体10の中心部分
における主表面1 1にカソード・ベース領域15を隣
接させることにより、中心点弧型ゲートが形成される。
カソード・ベース領域15は、各カソード・ェミッタ領
域14の間の部分において間欠的に主表面11と隣接し
、大電力用サィリスタでは既知の短絡領域(sh側t)
を形成している。サィリスタ本体10への電気的接続を
行なうため、主表面11で、カソード・ベース領域15
とカソード・ェミッタ領域14とに、金属電極21及び
22がオーム接触している。例えばアルミニウムの様な
適当な金属を選択的にメタラィズすることによって、或
いは、既にメタラィズされた金属、標準的な写真製版及
びエッチング技術によって選択的に取除くことによって
、例えば約40000Aの厚さのゲート電極21とカソ
ード電極22を形成することが好ましい。サィリスタ装
置を支持する金属電極253は、主表面12で、アノー
ド・ェミッタ領域17にオーム接触している。この電極
23は、厚さ80ミル(2伽)の適当な金属、例えばモ
リブデンを、本体10に合金化することが好ましい。適
当な不活性化(パッシベーション)樹脂(例えばシ0リ
コーン、ェボキシ又はワニスの組成物)24を側面13
に被覆することにより、サィリスタの動作に対する外気
の影響がほとんどなくなる。この発明を実施するために
は、半導体本体10の主表面11からのアノードPN接
合20の深さが、周知の方法を使って決定される。照射
を行なうため、少くとも1の分子量を有する原子核粒子
を放出する。
適当な放射線源が選ばれる。その放射線源は、陽子、ア
ルファ粒子或いは窒素イオンを放出するものであること
が好ましいが、その理由は、かかる粒子が、半導体本体
内へ打ち込まれる際、電気的及び化学的にほとんど不活
性であるからである。この点については、ベリリウムイ
オンが次に好ましいものと言える。少くとも1の分子量
を有するその他の各粒子も利用できるが、16より大き
い分子量を有する原子核粒子は目下のところ利用できな
い。何故なら、市販の放射線源、例えばファン・デ・グ
ラーフ(VandeCraaff)加速器では、その様
な分子量の大きい粒子を、半導体本体内へ、以下に述べ
る所望の深さまで打ち込むのに充分大きいエネルギーが
得られないからである。更に、ホウ素イオン、炭素イオ
ン及び酸素イオンのような核粒子は、半導体本体へ打込
む際電気的及び化学的に作用するために、使用すべきで
はない。このような理由から、陽子とアルファ粒子が一
般に最も望ましいものではあるが、欠陥発生分布につい
て、より狭い半幅が望ましい特定の用途においては、窒
素イオンのような分子量の大きい粒子の方が役に立つこ
ともある。さらに、放射線源は、欠陥発生分布に対して
最も狭い半幅を得るためには、ファン。
デ・グラ−フ加速器の様な基本的に単一エネルギー源で
あることが好ましい。一様な粒子分布を得るために照射
ビームが水平方向と垂直方向とに変調できない場合、単
一エネルギーをある程度犠牲にして、散乱箔(フオィル
)を利用し、半導体装置の表面に、より一様な粒子分布
を形成することが特定の放射線源には適当である。しか
しながら、一般には放射線源の単一エネルギーは、順方
向電圧降下を低く保ちながら、欠陥発生分布に対する半
幅を最も狭くし、ひいては逆回復電荷を最少にすること
のできる程度になっているものである。放射線源が選定
されると、エネルギーレベルが再調整されてサィリス夕
のアノードPN接合20の近くに最大欠陥が発生する。
このエネルギーレベルの調整は、米国特許第40564
08号の第10図に示される様なグラフからエネルギー
範囲を実験的に選び、その後、その範囲中の種々のェネ
ルギ−レベルで、照射すべき特定の種類のサィリスタの
種々の本体を照射し、そして電気的特性、特に順方向電
圧降下ト漏れ電流、ターンオフ時間を測定することによ
って行なわれる。測定された電気的特性間の関係を、第
4図乃至第6図に示す様にプロツトし、或いは測定され
たデータをディジタルコンピュータで処理することによ
り、最適のエネルギーレベルを選択することができる。
このエネルギーレベルは「放射線源のエネルギーレベル
0を制御することによって調整するのが好ましい。ファ
ン。デ・グラーフの様な選ばれた原子核放射線源に晒す
ため、サイリスタ本体10の主表面11を位置決めする
ことによって、サィリスタへの照射が行なわれる。この
ような構成によって、タ選択された放射線源からの調整
されたエネルギーレベルの放射線26によって、カソー
ド4ヱミッタ領域14に隣接する主表面11を通って照
射される様に、サィリスタ本体10が位置決めされる。
その後、位置決めたれたサィリス外ま、選ばoれた放射
線緩からの調整されたエネルギーレベルの放射線26に
よって、サィリスタの逆回復電荷を所望のレベルまで十
分減らすことのできる照射量レベルまで、照射される。
この最適な照射量レベルは、同種類のサィリスタ群を色
々な照射量レベルまで照射し、かつ第4図乃至第6図に
示される様に、順方向電圧降下、逆回復電荷、及びスイ
ッチング時間の関係をプロットすることにより、最適エ
ネルギーレベルとともに実験的に選ばれる。或いは、得
られたデータを、ディジタルコンピュータで処理して、
所望の照射量レベルを選んでもよい。更に、この電気的
特性を最良のものにするため、これらの関係に漏れ電流
を加えてプロツトしてもよい。いずれの場合にしても、
第1図の点線25で示される様に、アノードPN接合2
01こ隣接するアノードェミッタ領域17に、最大欠陥
が発生する。
すなわち、アノードPN接合20から主表面12までの
アノードヱミッタ領域17の幅の1/4以下(電力用サ
ィリスタの場合には、好ましくは、アノード接合から1
0〜15マイクロメートル以内)の部分に最大欠陥が発
生する。しかしながら、最大欠陥発生場所は、漏れ電流
を減少させるために、アノードPN接合20から隔てら
れている。後で詳しく述べる様に、このような位置決め
によりサィリスタの逆回復電荷が減らされ、順方向電圧
降下と漏れ電流の増加を最少にすることができる。次に
第2図において、第1図に関連して説明したものと同様
の中心点弧型サィリスタが、この発明に従って照射され
て、逆回復電荷が減少される。
このサィリス外ま、第1図に示されているものと同じ要
素と、それらの関係とを備えている。従って、各要素に
は、第1図の要素の各符号の前に「1」が附されて図示
されている。ただ一つ違う点は、最大欠陥発生場所12
5の位置である。
第2図では、最大欠陥発生場所125は、PN接合12
0に隣接するアノード・ベース領域116中に位置して
いる。すなわち、この最大欠陥発生場所はアノード・ベ
ース領域116にあって、逆阻止PN接合119とアノ
ード接合120とに挟まれるアノード・ベース領域11
6の幅の1′4以下(電力用サィリスタでは好ましくは
、そのアノードPN接合120から20マイクロメート
ル以内)の部分にある。この場合にも、漏れ電流の増加
を防ぐために、最大欠陥発生場所がアノードPN接合1
20から隔てられている。上述した如く、第1図及び第
2図に示される様に、最大欠陥発生場所は、アノードP
N接合に隣接して、アノード・ェミツタ領域の幅の1/
4と、アノード・ベース領域の幅の1/4との間(好ま
しくはアノード・ェミッタ領域での10〜15マイクロ
メートル以内から、アノード・ベース領域での20マイ
クロメートル以内まで)の範囲となる。しかしながら、
高い不純物濃度を持つアノード・ェミッタ領域に欠陥発
生場所を作るには、大きなエネルギー及び照射量が必要
であることが分かったので、最大欠陥発生場所は、アノ
ード・ベース領域においてアノードPN接合から隔てた
位置にあることが更に好ましい。可調整放射線源として
ファン・デ・グラーフ加速器を用い、それから放出され
る10.2Mevの単一エネルギーのアルファ粒子を利
用して、通常の電力用サィリスタに形成される最大欠陥
発生場所の好ましい位置決めが第3図に示されている。
図示の如く、半導体装置の中に、主表面から放射線が約
61マイクロメートル入った所で、アノード・ベース領
域におけるアノードPN接合から約9マイクロメートル
のところに、最大欠陥発生場所が位層付けられている。
その放射線欠陥の半幅は約1.3マイクロメートルであ
る。第2図及び第3図に例示されたこの発明の作用を示
すため、それぞれ2の固のT6がBH型電力用サィリス
タから成る二つのサィリス夕群に、ファン・デ・グラー
フ加速器から10.2Mevの単一エネルギーアルファ
粒子を照射した。
各サィリスタ群は、図示の如く、1の当り3.72×1
ぴ。アルファ粒子の照射量とした。一方のサィリスタ群
すなわち“サイリスタ群2”には、さらに、ファン1デ
・グラーフ加速器からの17Mevアルファ粒子で、1
.24×1ぴo粒子/地の照射量が与えられた。2番目
の照射は、17Mevアルファ粒子による欠陥発生が逆
回復電荷にどの様な影響を及ぼすか、を求めるために行
なわれたものである。
各サィリスタの逆回復電荷が、照射の前後にわたって、
マイクロクーロン〔仏C〕で測定された。
下記の表1には、照射の前後における、各サイリスタ群
についての逆回復電荷Qnの平均値oが、逆回復時間の
短縮率ともに示されている。表 1初期 Qrr終了時
の短縮率 〔.仏○〕 Qrr〔仏○〕 協 夕 (未照射)(照射剤) サィリスタ群1 105 55 44サィリスタ群
2 132 50 62表1に示されている様に、
いずれの照射におし、0ても、逆回復電荷がかなり減少
している。
さらに、これらのエネルギーと照射量について、”頃方
向電圧降下VTM及び漏れ電流の変化は最少であること
がわかった。この発明を更に示すために、ファン・デ・
グラターフ加速器からの陽子粒子を用いて、T7州CB
型電力用サィリスタを照射した。
この照射は、11マイクロメートルのアルミニウム散乱
箔を介して、異つたエネルギーレベルで行なわれた。そ
のエネルギーレベルの差は、アノード・ベース領域及び
0アノード・ェミツタ領域において、アノードPN接合
に隣接した最大欠陥発生場所の位置を変更する様に選ば
れた。各サィリスタ群について5〜1の固の半導体装置
を与え、7つの電力サィリスタ群が用意された。
各サィリスタにおいて、アノ−ドPN接合は、236マ
イクロメートルの製造限界内に決められた。これらのサ
ィリスタ群は、散乱箔を介して、5.2,5.4,5.
6,5.& 6.0,6.2,及び6.4Mevの陽子
で照射された。アノードPN接合での最大欠陥発生場所
位置決めするために5.8Mevが計算により求められ
、他のエネルギーはアノードPN接合の両側において、
15マイクロメートル毎に最大欠陥発生場所を位置決め
するために計算により求められた。照射前と、段階的に
変わる照射量での照射後とで、半導体装置の逆回復電荷
Qrrトスィッチング時間Tq、及び順方向電圧降下V
TMが測定された。
順方向電圧降下VTMと逆回復電荷Qrrとの関係、順
方向電圧降下VTMとスイッチング時間Tqとの関係、
及びスイッチング時間Tqと逆回復電荷Qrrとの関係
を示すために、それぞれ第4図乃至第6図において、測
定結果の平均値がプロットされている。第4図に示され
ている様に、全ての例において逆回復電荷ねnが著しく
短縮され、しかも日頃方向電圧降下は極めて僅かに増加
しているだけである。
更に、これも第4図からわかる様に、アノード。ベース
領域とアノード・ェミッ夕領域のいずれにおいても、ア
ノードPN接合に隣接して最大欠陥発生場所を位置付け
ることは、電気的特性にほとんど相対的変化をもたらさ
ない。アノード・ェミッタ領域において、アノードPN
接合から約15マイクロメートルに最大欠陥発生場所を
形成する6.0Mevエネルギーレベルで照射すること
によ3り、僅かによい特性が得られた。しかしながら、
第4図では、より少い照射量でアノードQベース領域に
最大欠陥発生場所を位置付けることにより、逆回復電荷
に、より大きな変化が得られることが示されており、こ
のことによって、この実施3例が一層実用的なものとな
っている。第5図及び第6図において、他の点は全て等
しくして、スイッチング時間Tqと順方向電圧降下VM
との関係、或いはスイッチング時間Tqと逆回復時間Q
mとの関係が最適なものとなる様に「4エネルギーレベ
ルを決めることができる。
しかしながら、この場合でも殆んど違いがなく、6.0
Mevエネルギーレベルの場合に僅かによいだけである
第6図で示される様に、照射によってスイッチング時間
も幾分短縮されたが、大したものではなかった。
この短縮は全照射量について約1/2であった。このこ
とは、カソード。ベース領域でのキャリアのライフタイ
ムを実質的に変化させないで「アノード・ベース領域の
両端間の電流利得が0照射によって大きく変化したこと
によるものと考えられる。現在での好ましい実施例につ
いて述べたが、この発明はその他の様々な形で実施し、
利用できるものである。
以上のように、本願発明によれば、タ順方向電圧降下及
び漏れ電流の増加を招来することなく一層逆回復電荷を
減少させることができ、以て、遠動作スイッチング時の
ブレークダウンを回避できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明に従って照射される中心点孤型のサィ
リスタの断面図、第2図は第1図とは異なる条件で照射
される中心点孤型のサィリスタの断面図、第3図は第2
図で示される様に、アルファ粒子で照射されたサィリス
タの、照射による欠陥の空間分布を示す図、第4図は色
々なエネルギーレベルでの陽子による照射を受けたサィ
リス夕の逆回復電荷Qrrと順方向電圧降下VTMとの
関係を示す図、第5図は第4図に示されているものと同
じサイリスタについての、スイッチング時間Tqと順方
向電圧降下VTMとの関係を示す図、そして第6図は第
4図に示されているものと同じサイリスタについての、
スイッチング時間Tqと逆回復電荷Qrrとの関係を示
す図、である。 10…・・・サィリスタ本体、11,12……主表面、
14…・・・カソード・ェミツタ領域、15・・・・・
・カソード・ベース領域、16……アノード・ベース領
域、17・・・・・・アノード■ェミッタ領域、18…
…カソードPN接合、19…・・・逆阻止PN接合、2
0…・・・アノードPN接合、25,125・・…・最
大欠陥発生装置、尚、図中、同一符号は同‐一又は相分
部分を示す。 FIG.l. FIG.2. FIG.3. FIG.4. FIG.5. FIG.6.

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 順方向電圧降下を実質的に増加させることなく逆回
    復電荷を減少させたサイリスタの製造方法であって、(
    A) 前記サイリスタのカソード・エミツタ領域に隣接
    した主表面からのアノードPN接合の深さを求める工程
    、(B) 少なくとも1の分子量を有する粒子を放出す
    る所定の放射線源を用いて前記表面から照射する場合の
    、前記サイリスタに発生する最大欠陥発生場所の位置を
    求める工程、(C) 前記最大欠陥発生場所が前記サイ
    リスタのアノードPN接合に隣接するように、前記放射
    線源からの前記主表面でのエネルギーレベルを調整する
    工程、及び(D) 前記放射線源からの前記エネルギー
    レベルで、前記主表面を介して、前記サイリスタの逆回
    復電荷を減少させるための所定の照射量だけ前記サイリ
    スタを照射する工程、を備えた方法。 2 前記最大欠陥発生場所の深さがアノード・ベース領
    域において、前記アノードPN接合から20マイクロメ
    ートル以内にある特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 前記最大欠陥発生場所の深さが、アノード・エミツ
    タ領域において、前記アノードPN接合から15マイク
    ロメートル以内にある特許請求の範囲第1項記載の方法
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