JPS62263674A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、コレクタとエミッタ間にフリーホイリングＰ
Ｎ接合ダイオードを内蔵する大電力用バイポーラトラン
ジスタに関するもので、持にダイオードの逆回復時間ｔ
ｒ＋−を改善したＶ４造に係るものである。

（従来の技術） 大電力用バイポーラトランジスタのうち特に空調殿やロ
ボット等のモータドライブに使用されるものは、多くの
場合コレクタとエミッタ間にフリーホイリングダイオー
ドを接続して用いる。　このような従来の大電力用半導
体装置の一例を図面に基づいて説明する。　第９図はフ
リーホイリングダイオードを内蔵する２段ダーリントン
トランジスタの断面図である。　Ｎ−Ｎ＋基板１のＮ型
領域に前段トランジスタＴＲ１及び後段トランジスタＴ
Ｒ２のそれぞれのＰ型ベース部２ｂ及び３ｂと、フリー
ホイリングダイオードＤ１のＰ型アノード部４ａを同時
に拡散形成後、トランジスタＴＲ１及びＴＲ２のＮ＋梨
型エミッタ２ａ及び３ａを、電流増幅率ｈＦＥが所定値
になるよう拡散形成する。　その後、ダイオードＤ１の
アノード部４ａのみ酸化膜をホトエツチングプロセス（
以下ＰＥＰと略記する）により孔明けし、ライフタイム
キラーとして白金等を８５０℃、　１時間の熱処理によ
りアノード部にドープし、キャリアの寿命時間を適当値
にする。　次に酸化膜８を基板面に被着し、電極金属形
成のためのＰＥＰを行い、トランジスタＴＲ１のベース
電極５、前段トランジスタＴＲＩのエミッタ部と後段ト
ランジスタＴＲ２のベース部を結ぶ電極６及び後段トラ
ンジスタＴＲ２のエミッタ部３ａとダイオードＤ１のア
ノード部４ａとを結ぶエミッタ電極７を形成する。

ダイオードのアノード部４ａとトランジスタＴＲ２のベ
ース部３ｂとの距離ｌは７０μｍで設計されている。

この半導体装置の等両回路を第１０図に示す。

ダーリントン接続のトランジスタの電流増幅率は、側々
のトランジスタの電流増幅率の積にほぼ等しく大きな直
となるので、ドライブ電流が小さくてよい。　又このト
ランジスタのコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅの間に逆
電圧が印加されると、内部の寄生ダイオードに大電流が
流れ、トランジスタを破壊することがあるので、コレク
タ・エミッタ間に高速のダイオード（フリーホイリング
ダイオードと呼ぶ）Ｄｌを接続して使用する。　従来は
トランジスタとフリーホイリングダイオードＤ１とはそ
れぞれ別チップとし、外部で接続して使用されているが
、その後第９図に示すように、１つの半導体基板にトラ
ンジスタとフリーホイリングダイオードを併設したもの
が開発された（以後ダイオード内蔵の半導体装置と呼ぶ
）。

これらの半導体装置を入電カスイツチング用或いはモー
タドライブ用に使用する場合には、トランジスタの動作
速度を速くする為フリーホイリングダイオードの逆回復
時間ｔｒｒは小さいことが必要である。　この逆回復時
間　し、は、並列に接続されているトランジスタのベー
ス・エミッタ間の逆バイアス電圧Ｖ、８（ベースを基準
にしたエミッタの電位）に依存する。　ダイオード別チ
ップの半導体装置とダイオード内蔵の半導体装置のそれ
ぞれについて逆回復時間ｔｒｒの逆バイアス電圧■５ヨ
依存性の一例について第１１図に示す。　トランジスタ
のコレクタ・エミッタ間に逆電圧が印加されたときのダ
イオード部の動作は、第１０図及び第１１図に示す通り
ＶｔＢが約１．５Ｖ以上ではトランジスタ側は動作せず
、ダイオード側のみ電流ＩＡが流れるが、ｖ８が０，５
Ｖないし１Ｖでは抵抗Ｒ２を通してトランジスタＴＲ２
のベースからコレクタに電流Ｉｓが流れる。　本来のト
ランジスタＴＲ２のエミッタとコレクタが逆となり、電
流１日１こよりトランジスタＴＲ２はオンし、オン電流
１゜が流れる。　即ちＶ　Ｅｌｌが１．５Ｖより小さい
と、電流（Ｉｅ＋Ｉｃ）が電流ＩＡと同時に流れるため
全般に　ｂｒ特性は悪化する。　第１１図に示すように
、ダイオード内蔵の半導体Ｒ２ｉの逆回復特性ｔｒｒ（
・印で示す）は、Ｖ　Ｅ８が０，５ｖないし１Ｖでは、
ダイオード別チップの半導体装置（ム印で示す）に比べ
大幅に悪化しており、又ＶＥｌｌが１．５Ｖ以上でもｔ
ｒｒ特性は劣っており問題となっている。

（発明が解決しようとする問題点） 前記の通りダイオード内蔵の半導体装置の逆回復特性［
１，は、従来のダイオード別チップの半導体装置の［４
，に比べ悪化して問題となっている。

本発明の目的は、トランジスタのエミッタ・コレクタ間
にフリーホイリングダイオードを内蔵する半導体装置に
おいて、ダイオードの逆回復特性（ｔｒｒ）をダイオー
ド別チップの半導体装置のダイオードの逆回復特性と同
等若しくはそれ以上高速とする構造のダイオード内蔵の
半導体装置を提供することである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、一導電型半導体基板く一導電型は、Ｎ型とす
ることが多いので以後の説明においてＮ型とする）の一
部領域をコレクタ部とするＮＰＮ型バイポーラトランジ
スタと、前記Ｎ型半導体基板の一部領！！（前記コレク
タ部と重なる領域とそうでない領域とを含む）をＮ型カ
ソード部とするフリーホイリングＰＮ接合ダイオードを
形成してなる半導体装置において、前記トランジスタの
Ｐ型ベース部と前記ダイオードのＰ型アノード部とに挾
まれた前記Ｎ型基板部分に、ダイオードのＰ型アノード
部から前記Ｎ型基板部分に注入される少数キャリア（正
孔）がトランジスタのＰ型ベース部に到達するのを実質
的に阻止する注入少数キャリア阻止領域を一介在させた
ことを特徴とする半導体装置である。　注入少数キャリ
ア素子領域は、例えばトランジスタのベース部とダイオ
ードの７ノ一ド部に挾まれるＮ型基板部分であって且つ
ベース部とアノード部との距ｒａ１［μｍ］と前記Ｎ型
基板部分の比抵抗ρ［Ωｃｍ］のそれぞれの数値ｌとρ
とが１＞３０の関係を満たすｆｆ？域であってもよいし
、或いは又前記Ｎ型基板部分に、互いに分離され且つ外
部電極に直接接続されないフローティング（ｆｌｏａｔ
ｉｎｇ）電位の高濃度のＮ＋型層及びＰ型層を少なくと
もいずれか１つ介在ざぜた領域を注入少数キャリア阻止
領域としてもよい。

（作用〉 ダイオード内蔵の半導体装置とダイオード別チップの半
導体装置とのダイオード逆回復特性　ｔｒｒの前記の比
較試行結果に基づいて調査した結果、ダイオード内蔵の
半導体装置の前記逆回復特性が大幅に悪化する原因は、
トランジスタのＰ型ベース部と、ダイオードのＰ型アノ
ード部と、その両部に挾ま札るＮ型基板部分とによって
構成される寄生ＰＮＰトランジスタＱ１が動作するため
と確認された。　従って前記問題点を解決するためには
、この寄生ＰＮＰトランジスタのトランジスタ作用を阻
止することである。

このため奇生ＰＮＰトランジスタのベース領域として動
作する前記Ｎ型基板部分にダイオードのアノード部から
注入される少数キャリアがトランジスタのベース部に到
達するのを実質的に阻止する注入少数キャリア阻止領域
を設ける。　注入少数キャリアを阻止するためには、前
記１〜ランジスタのベース部とダイオードのアノード部
との距離ｌを十分大きく取るか（ｌ＞３ρ）、或いは又
両部の間にフローティング電位のＮ＋型層及びＰ型層を
少なくともいずれか１つ挿入する。　距離乏を十分大き
く取れば、ダイオードのアノード部より注入された少数
キセリアのうちトランジスタのベース部に向かう少数キ
ャリアは実質的にすべて再結合によって消滅し寄生トラ
ンジスタのトランジスタ作用は止められる。　又注入少
数キャリアは両部の間にＮ＋型層を介在させると、Ｎ型
層との界面に形成されるドナーの濃度差による電界と、
Ｎ＋型型内内おける電子との再結合により、又Ｐ型層を
介在させるとＰＮ接合障壁によりトランジスタのベース
部へ到達するのが阻止される。　いずれの場合において
もトランジスタのベース部とダイオードのアノード部と
はそれぞれ独立に形成された乙のと見なすことができ、
ダイオード別チップの半導体装置と同等のダイオードの
逆回復特性がｉ！？られる。

（実施例） まず従来のトランジスタにおける寄生ＰＮＰトランジス
タＱ１の動作について第１２図及び第１３図を参照して
説明する。　第１２図において奇生ＰＮＰトランジスタ
Ｑ１（破線で示す）は、ダイオードＤ１のアノード部４
ａと、１−ランジスクＴＲ２のベース部３ｂと、両部に
挾まれたＮ型基板部分９とから構成される。　第１２図
及び第１３図において２段ダーリントントランジスタの
エミッタ・コレクタ端子ＥＣ間に逆誘起電圧（Ｅ−正、
Ｃ−１が印加されるとダイオードのアノード部４ａに主
電流Ｉ、が流れＡｏ　又アノード部４ａから奇生トラン
ジスタＱ１のベース領域９に電流Ｉ２が流れる。　電流
Ｉ２により寄生トランジスタＱ１は動作し、アノード部
４ａよりベース領域９を経てトランジスタのベース部３
ｂに電流Ｉ３が流れる。　本来の後段トランジスタＴＲ
２のエミッタとコレクタを逆にしたｌ−ランジスタをＱ
２とすると、電流Ｉ、はトランジスタＱ２のベース電流
の動きをし更に電流Ｉ４が流れ、従って合計電流は（Ｉ
ｌ＋１２±１３＋Ｉａ）となりダイオードＤ１の逆回復
特性（０，が悪化すると考えられる。

次に寄生トランジスタＱ１のベース部９の厚さ即ちトラ
ンジスタＴＲ２のベース部３ｂとダイオードＤ１の７ノ
一ド部４ａとの距Ｍｉと、ベース部９の比抵抗を変えて
、寄生トランジスタＱ１のトランジスタ動作が阻止され
る条件を調べた。

第１図はこの試行に使用したダイオード内蔵の半導体装
置で、本発明の第１の実施例の半導体装置を含む、、　
第２図はその電気等価回路を示す。

なお第１及び第２図において第９図及び第１２図と同一
符号は同一部分をあられす。　まず、Ｎ−Ｎ３基板１の
Ｎ型領域の比抵抗ρを一定にし、距２ｉＩｌを変化した
ときの試行の一例について説明する。　寄生トランジス
タＱ１のベース部９の比抵抗（前記Ｎ型領域の比抵抗と
同じ）を５０Ωｃｍとし、距Ｉｆを７０ｕ　ｍ　、　　
１００＃　ｍ及び１５０μｍと増加し、それぞれについ
てＶ　Ｅｌｆと逆回復時間　ｔ　ｒｒを測定した。　第
３図にその結果を示す。　・印点を結んだ折れ線は℃＝
７０μｍの場合、同様にム印は１００μｍ、ｘ印は１５
０μｍの場合の結果である。

試行結果より距Ｗｉ１の増加に伴ない逆回復時間シ４、
は短くなり、距離ｌが一定値を超えるとダイオード別チ
ップの半導体装置のｊｒｒ　　Ｖ＝ｇ特性とほぼ同一に
なることが確認された。　次にＮ型基板部分９の比抵抗
ρの箱を変えた場合の試行結果の一例を第４図に示す。

　・印点を結ぶ折れ線は、比抵抗ρが２０Ωｃｍで距’
１１１が７０μｍの場合で、同様に■印は２００ｃｍ、
　　１５Ｊｚｍ、　ｘ印は５０Ωｃｍ。

１５０μｍ、ム印は１１０００ａ、　　１５０μｍ及び
◎印は１００Ωａｍ、　　２５０μｍの場合のそれぞれ
のｔｒｒ−Ｖ　ＥＢ特性の結果を示す。　×、・、■及
び◎印のそれぞれの各点を結ぶ折れ線は重なる。　この
結果、Ｎ型基板部分の比抵抗ρが１００Ωｃｍのものは
距離１が２００μｍ以上なければダイオード別チップの
半導体装置と同等のｔ７７−　Ｖ　Ｅ８特性が得られな
い。

以上の試行結果等より、寄主トランジスタのトランジス
タ動作を阻止するためには、＼型基板の比抵抗ρΩｃｍ
を３屯し、ダイオードの７ノ一ド部とトランジスタのベ
ース部との間の距離りμｍは、３Ωμｍ必要と考える。

　なおρはΩｃｍで表した基板の比抵抗の数値である。

　寄生トランジスタＱ１のベース部９０幅ｌがこの条件
を満たせばダイオードのアノ−１ζ部４ａからベース部
９に注入された少数キャリア（正孔〉のうちトランジス
タのベース部３ｂに向かう少数キャリアは、走行中再結
合により実質的にリベてＣ肖滅し奇生トランジスタＱ１
のトランジスタ動作は阻止される。

次に本発明の第２の実施例について第５図を参照して説
明する。　同図は本発明の半導体装置の奇生トランジス
タＱ１近１角の部分拡大断面図である。　省略した部分
は第１図に示す半導体装置と同じである。　ダイオード
Ｄ１のアノード部４ａとトランジスタＴＲ２のベース部
３ｂとに挾まれた基板部分に互いに分離され且つ外部電
極に直接接続されていない２つのＰ型層１１ａ及び１１
ｂを設けたことが第１図の装置と相違する。　この半導
体装置の製造方法の概要は次の通りである。

Ｎ−Ｎ＋半導体基板１（Ｎ領域の比抵抗ρは５００ｃｍ
）にダイオードのＰ型アノード部４ａ、トランジスタＴ
Ｒ１，ＴＲ２のＰ型ベース部２ｂ。

３ｂ及びフローティングＰ型層１１ａ、１１ｂを同時拡
散形成（深さ２０μｍ、不純物濃度Ｎ５−５Ｘ　１０１
１′／　（Ｊ１３）する。　次に１〜ランジスタＴＲ１
゜ＴＲ２のＮ型上ミツ９部２ａ　、３ａを所定のり。

になるよう拡散形成（深さ１０１１ｍ、不純物濃度Ｎ　
５　＝　　ｉｘ　１０２ｏ／　Ｃｍ’　）する。　更ニ
タイオートのアノード部４ａのみＰＥＰにより孔明けを
行い、金又は白金を拡散源にして８５０〜９５０℃、　
１時間程度のライフタイムコントロールを実施し、ダイ
オード逆回復特性ｔヶの高速化を行う。　拡散工程完了
後所定領域の孔明けを行い電極を形成する。

なおダイオードのアノード部４ａとトランジスタベース
部３ｂとの距１１は１００μｍとする。

第６図に本発明の第３の実施例を示す。　これは第２の
実施例に類似しているが、ダイオードＤ１のアノード部
４ａの拡散深さがトランジスタのベース部３ｂの拡散深
さより深くなっている。

ダイオードのアノード部深さ４０〜４５μｍ、不純物温
度Ｎ　Ｓ　＝　５ｘ　１０１８／　ｃｍ３に拡散形成後
、トランジスタのベース部２ｂ、３ｂ及びフローティン
グＰ型層１１ａ、１１ｂを深さ２０μｍ不純物濃度Ｎ　
５　＝　５ｘ　１０１８／　Ｃｍ３に拡散形成する。　
エミッタ拡散工程等それ以降の工程及びＮ型基板部分の
比抵抗ρ（５０Ωｃｍ）　、距ｆｌｉＡ　（１００μｍ
）は第２の実施例と同一である。

第７図は本発明の第４の実施例で、互いに分離されたフ
ローティング電位のＰ型層、Ｎ“型層及びＰ型層の三重
構造のものでその他については第２又は第３の実施例と
同一である。

第２．第３及び第４の実施例の半導体装置について逆回
復時間［１，とｖ　ｔ８との関係を測定した結果を第８
図に示す。　同図で閣印点を結ぶ折れ線は第２の実施例
の場合、同様にＸ印は第３の実施例、◎印は第４の実施
例の場合の結果である。

なお比較のため、従来のダイオード内蔵の半導体装置（
・印）及びダイオード別チップの半導体装置（ム印）に
ついて同様の測定を行った結果を示す。　本発明の第２
の実施例（ｍ印）とダイオード別チップの半導体装置（
ム印）との　し、ゎ−ＶＥＩ＋特性は同等である。　ト
ランジスタのベース部とダイオードのアノード部との距
ｍｌが１００μｍであってもフローティングＰ型層の影
響により寄生ＰＮＰトランジスタＱ１の動作は行われて
ないことがわかり、第１の実施例に比較しチップ面積を
小さくできる。　さらにダイオードのアノード部の拡散
深さを従来よりも深くした第３及び第４の実施例の半導
体装置は、第１の実施例よりも良好な結果を得ることが
できた。

前記の説明はＮＰＮ型２段ダーリントントランジスタに
関して行ったが、本発明はＰＮＰ型のトランジスタ、１
段のトランジスタ或いは３段以上のダーリントン］−ラ
ンジスタの場合でも同様の効果が得られることは勿論で
ある。

［発明の効果］ 従来のダイオード内蔵の半導体装置の逆回復特性【２．
は、ダイオード別チップの半導体装置のし、に比し大幅
に悪化する。　この原因は、トランジスタのＰ型ベース
部と、ダイオードのＰ型アノード部と、両部に挾まれる
Ｎ型基板部分とから成る奇生ＰＮＰトランジスタ動作の
影響によるものである。　本発明の半導体装置において
は、奇生トランジスタのベース部となる前記Ｎ型基板部
分の厚さ１（前記両部門の距離１）を十分大きくとる（
ｌ＞３ρ）か、或いはＮ型基板部分にフローティングＰ
型層、Ｎ＋望府或いはこれらの混合層を介在させて、注
入少数キャリア阻止領域を形成したので、寄生トランジ
スタのトランジスタ動作は停止され、ダイオード別チッ
プの半導体装置と同等の逆回復特性が得られた。　又ダ
イオードの７ノ一ド部の拡散深さをトランジスタのベー
ス部の拡散深さより深くすることにより同等以上に良い
逆回復特性が得られた。

又低いＶ　ＥＱ雷電圧、良いダイオード逆回復特性が１
９られるので、本半導体装置使用時の周辺回路の電圧を
低下使用できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置の第１の実施例を示す断面
図、第２図はその′８価回路図、第３図及び第４図は本
発明の半導体装置を含む各種半導体装置の逆回復時間ｔ
ｒｒとＶ　＝ａとの関係を示す特性図、第５図、第６図
及び第７図はそれぞれ本発明の第２．第３及び第４の実
施例の半導体装置の部分拡大断面図、第８図は本発明の
第２．第３及び第４の実施例の半導体装置の逆回復時間
［０，とＶ　ＥＲどの関係を示ず１１性図、第９図は従
来の半導体装置の断面図、第１０図はその等価回路図、
第１１図は従来の半導体装置の逆回復時間ｔ６とＶ　Ｅ
Ｒとの関係を示ず特性図、第１２図及び第１３図は従来
の半導体装置の寄生トランジスタを説明するための半導
体装置の断面図及びその等衛回路図である。 １・・・一導電型半導体基板（Ｎ−Ｎ＋型型半導体根板
、　３ｂ・・・後段トランジスタのベース部、４ａ・・
・ダイオードの反対導電型部（アノード部）、９・・・
トランジスタのベース部とダイオードの反対導電型部（
アノード部）とに挾まれた基板部分（ｌ〉３ρのとき本
発明の注入少数キャリア阻止領域となる）、　１１ａ、
１１ｂ・・・注入少数キャリア阻止′Ａ滅くフローティ
ングＰ型頭域）、ＴＲ１・・・前段トランジスタ、　Ｔ
Ｒ２・・・後段トランジスタ、　Ｄｌ・・・フリーホイ
リングＰＮ接合ダイオード、　Ｑｌ・・・寄生トランジ
スタ。 特許出願人　株式会社　東　　芝 第１図 第２図 ＶＦ６　（Ｖ） 第３図 第５図 第６図 第７図 第９図 第１０図 第１１図　　　　■εＢ（ｖ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　一導電型半導体基板に、該基板の一部領域をコレク
   タ部とするバイポーラトランジスタと該基板の一部領域
   を一導電型部とするフリーホイリングＰＮ接合ダイオー
   ドとを形成してなる半導体装置において、該トランジス
   タのベース部と該ＰＮ接合ダイオードの反対導電型部と
   に挾まれた該基板部分に、該ＰＮ接合ダイオードの反対
   導電型部より該基板部分に注入される少数キャリアが該
   トランジスタのベース部へ到達するのを実質的に阻止す
   る注入少数キャリア阻止領域を介在させたことを特徴す
   る半導体装置。 ２　前記注入少数キャリア阻止領域が、該トランジスタ
   のベース部と該ＰＮ接合ダイオードの反対導電型部とに
   挾まれた該基板部分であつて且つベース部と反対導電型
   部との距離ｌ［μｍ］と該基板部分の比抵抗ρ［Ωｃｍ
   ］のそれぞれの数値ｌとρとがｌ＞３ρの関係を満たす
   特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。 ３　注入少数キャリア阻止領域が、該トランジスタのベ
   ース部と該ＰＮ接合ダイオードの反対導電型部とに挾ま
   れた該基板部分に、互いに分離され且つ外部電極に直接
   接続されていない反対導電型層及び一導電型高濃度層を
   、少なくともいずれか１つ介在させて成る特許請求の範
   囲第１項記載の半導体装置。 ４　該ＰＮ接合ダイオードの反対導電型部の拡散深さが
   、該トランジスタのベース部の拡散深さよりも浅くない
   特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記
   載の半導体装置。