JPS6313338B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置の製法に係り、特に半導体
基体のpn接合露出端に表面保護膜を均一の厚さ
に形成する方法に関する。

半導体装置では、半導体基体内に所定のpn接
合を形成した後、pn接合露出部に対し表面保護
膜を形成して特性を安定化させる必要がある。

半導体基体が比較的小さい場合、あるいはpn
接合が負担すべき耐圧が比較的低い場合は表面保
護膜を形成するのに左程困難はない。例えばpn
接合形成のための拡散工程において生じる半導体
酸化膜をそのまま表面保護膜として用いたり、所
要部にガラス粉末を付着させ、それを焼結させて
表面保護膜とする技術が確立されている。

反対に、半導体基体が大形になり、所望される
耐圧が高くなるに従い、適切な表面保護膜を形成
させることが難しくなる。その原因は例えば半導
体基体と表面保護膜との熱膨張係数の相違に基づ
く熱歪の問題であり、あるいは表面保護材の高電
界下における信頼性の問題である。特に、近年、
電力用半導体装置の分野、例えば直流送電システ
ム用のサイリスタ等に見られるように半導体基体
の直径が数十〜100mmにも達したり、耐圧が1000
〜数千Ｖにも達する半導体装置が開発されるに伴
い、これらの半導体装置に適合する表面保護膜が
所望されている。

このような観点から近年、表面保護膜として半
絶縁性の多結晶Si膜を用いることが提案されてい
る（例えば特公昭53−2552号）。これは多結晶Si
膜中に酸素等を所定量ドープすることにより多結
晶Si膜を半絶縁性とし、高電界下での信頼性を向
上させるものである。また、熱膨張係数もSi等か
らなる半導体基体に近いので熱歪の問題も解消し
得る。

ところが、なお問題が残つている。それは表面
保護膜をpn接合露出端部に均一に付着させる必
要があるという点である。この問題が解決されな
ければ、上述の半絶縁性の多結晶Si膜それ自体の
特性が優れていたとしても、表面保護は不十分と
なる。しかるに、半絶縁性の多結晶Si膜は通常気
相から析出、堆積される。そのために、平面状の
部分には比較的均一な厚さに形成し易いが、凹
部、凸部には均一に形成し難いという欠点がある
ことがわかつた。

本発明の目的は上述の欠点を解決し、半導体基
体の凹部あるいは凸部のような非平面形状の部分
に均一な厚さの表面保護膜を気相から析出、堆積
させる方法を提供することである。

本発明の特徴は、内部に所定のpn接合が形成
され、少なくとも１のpn接合端が、主表面を除
く側面あるいは表面に形成された凹部等の非平面
部分あるいはその近傍に露出した半導体基体の、
上記非平面部分に例えばノズルを対向させ、少な
くとも上記非平面部分の上記ノズルに対向する部
分を加熱した状態で、上記ノズルから表面保護膜
の成分を含有するガスを吹き出させる等の手段に
より、上記非平面部分に表面保護膜を気相から選
択的に析出させる点にある。

大電力用あるいは高耐圧半導体装置では半導体
基体表面での耐圧を高めるために、pn接合を半
導体基体側面に終端させ、終端部の形状がベベル
面となる様種々加工する場合が多い。あるいは
pn接合を半導体基体に設けられた溝の内面等の
凹部に終端させる構造も用いられている。これら
の場合、表面保護膜を形成すべき部分は比較的薄
い（約0.1〜１mm）半導体基体の側端面や溝の内
壁等、全体として平面形状をとらない非平面部と
なる。

本発明者らの実験的検討によれば、このような
非平面部に通常の気相成長法によつて表面保護膜
を堆積させると表面保護膜が均一には形成されな
いことが明らかとなつた。第１図ａ，ｂにその例
を示す。図において、一対の主表面１０１，１０
２を有するサイリスタ基体１はその内部に、ｐ型
エミツタ層p_E、ｎ型ベース層n_B、ｐ型ベース層p_B
およびｎ型エミツタ層n_Eがこの順で積層され、各
層間にpn接合J₁，J₂およびJ₃が形成されている。
pn接合J₃は主表面１０１に、J₂およびJ₃は側面１
０３にそれぞれ終端している。１１は石英等から
なるカバーである。

これらのサイリスタ基体の側面１０３に対し、
通常の気相成長装置を用いて半絶縁性の多結晶Si
膜２を付着させた。ところが、図示するように、
ａでは主表面１０１の外周の凸状部に特に厚く付
着され、側面１０３の凹部（通常数百μmの深さ
を有する）にはほとんど付着されなかつた。ま
た、ｂでは、サセプタ１０に接する主表面１０２
の外周部にはほとんど付着されなかつた。

この現象は次のように説明される。原料ガスは
半導体基体の主表面と平行な方向すなわち第１図
ｂでの100の方向に流れているがその流速は小さ
い。原料ガスが半導体基体１付近に達するとまず
主表面外周の角部に付着し始める。特に側面１０
３の凹部には原料ガスがほとんど到達せず、上述
の角部で反応した残ガスが到着するだけである。
これが繰り返されて、角部では増々成長が加速さ
れ、逆に凹部には増々原料ガスが到達し難くな
る。なお、ガス流量、ガス組成等成長条件を変え
たが顕著な効果は認められなかつた。この様な状
態で接合J₁およびJ₂の阻止特性を調べたところ、
リーク電流が大きく、所定の耐圧が得られなかつ
た。

また、本発明では、半導体基体の少なくとも上
記非平面状部の一部、例えばノズルに対向する部
分を加熱する必要がある。仮に、ノズルから原料
ガスを吹き出させる以前の部分で加熱して原料ガ
スを反応させ、反応後の原料ガスを加熱されてい
ない半導体基体へ吹きつけて付着させたとして
も、リーク電流が非常に大きくなるなど、満足な
特性を有する膜は得られない。この原因は、反応
生成物が半導体基体上で急冷されるため付着した
膜中の歪が大きくクラツクが発生し易くなつてい
ること、膜自体が基板を加熱しつつ付着させた膜
に比較して緻密度に欠けること等である。また、
ノズルから吹き出す以前にかなりの量のガスが反
応して粉末状となり、粉として半導体基体に付着
される場合が生じた。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第２図は本発明の一実施例において使用される
半導体基体端面への半絶縁性多結晶Si膜の成長装
置の概略を示す。この成長装置は、石英製のベル
ジヤー２１および基台２２で囲まれる反応室を有
し、反応室内には一端が基台外に延びる支持台２
３に載置されたグラフアイト製の加熱板２４、石
英製の絶縁板２５、加熱コイル２６、ノズル２７
が配置されている。また、基台２２には、排気口
２８が設けられている。反応室外には、支持台２
３を回転させるための回転機２９、ノズル２７を
首振り運動させるための回転機３０、高周波電源
３１と原料ガス系３２が配置されている。

原料ガス系３２内には、N₂ガス源３２１、N₂
で希釈されたSiH₄ガス源３２２、N₂Oガス源３
２３およびNH₃ガス源３２４が配置されている。
各ガス源にはそれぞれ流量計およびバルブ３２５
〜３２８が設置され、それらは配管３２９に接続
されている。配管３２９は原料ガス系３２外へ延
び、回転可能の接続部３３を経てノズル２７に通
ずる。

本装置を使用するには、まず所定のpn接合形
成のための拡散等の処理を終了し、主接合の露出
端面が加工された半導体基体１を加熱板２４に載
せ半導体基体１の上に石英製のカバー１１を載せ
る。ベルジヤー２１を閉じた後、バルブ３２５を
開き反応室へその内容積の10倍以上のN₂ガスを
流し、空気を置換する。次に高周波電源３１を作
動させ、加熱コイル２６により加熱板２４をうず
電流損失のエネルギーで加熱する。加熱板２４は
支持台２３を回転機２９により回転させることに
より、回転させる。ノズル２７の高さが半導体基
体１の側端面と同じ高さになるように調整し、回
転機３０によりノズル２７の先端を半導体基体１
の側端面に向け両者の間隙が約２cmとなる様調整
する。半導体基体１の温度が約650℃に達したと
ころでバルブ３２６および３２７を開きノズルか
ら反応室内へSiH₄とN₂Oを導入する。ノズル２
７を用いない従来の常圧反応炉ではキヤリア用
N₂ガスを40／分、SiH₄を50c.c.／分、N₂Oを15
c.c.／分としたとき、平面状被着基体上の成長速度
は約0.05μm／分であるが、本実施例による装置
では原料ガスが一部分に集中するため、それぞれ
の原料ガスの流量を上述の約１／４とした場合でも 成長速度に変りはなく、また半導体基体１の側端
面凹部にはほぼ平均して多結晶Si膜が形成され
た。

第３図は本発明の実施例で用いることのできる
他の気相成長装置の概略を示す。この装置は複数
の半導体基体を同時に処理できることを特徴とし
ている。

本装置では、反応室内の支持台２３上に複数
（図では10枚）の半導体基体１がその中心軸を合
せて重ねられる。ノズル２７１の吹き出し口は重
ねられた半導体基体１のそれぞれの側端面に近接
するように、複数個（図では10カ所）設けられて
いる。半導体基体の側端面を加熱するためのヒー
タ２６１がベルジヤー２１の側周に配置されてい
る。また、ベルジヤー２１の頂部には排気口２１
１が設けられている。その他の部分は、原料ガス
系３２も含めて、第２図の装置と同様である。

本装置を使用する場合の、表面保護膜の形成手
順は第２図の装置の場合と同様であるので、説明
は省略する。本装置によれば一度に多数の半導体
基体に対し表面保護膜を気相成長させることがで
きるという効果がある。

次に、本発明の方法を用いて作製される半導体
装置の製法の一例につき、第４図を用いて説明す
る。半導体基体１の出発材料となるウエハは、抵
抗率250Ωcm、直径80mm、厚さ1000μmのｎ型Siウ
エハである。真空蒸着法によりGaを半導体基体
の両主表面に蒸着し、1250℃でドライブインして
深さ約60μmとし、ｐ型エミツタ層p_E、ｐ型ベー
ス層p_Bを形成する。次に一方の主表面１０１の中
央部にN₂ガス中でPOCL₃をリースとして燐をデ
ポジシヨンし、1100℃でドライブインして深さ約
30μmのｎ型エミツタ層n_Eを形成する(a)。

次に、半導体基体１の他方の主表面１０２をガ
ラス板１１０にワツクスで張り付け、一方の主表
面をワツクス１１１でカバーした後、半導体基体
１の端面に砂を吹き付け、主接合J₁およびJ₂端面
が共に正ベベルとなる様、すなわち半導体基体１
がプーリー状となる様に加工する。生じた溝の深
さは約0.5mmである。加工面には加工歪が入つて
いるので、HF：HNO₃：CH₃COOH＝１：２：
２の混酸でその表面をエツチングする(b)。

第２図又は第３図で述べた装置および方法によ
り、半導体基体１の主接合端面に選択的に半絶縁
性の多結晶Si膜２を形成する。厚さは約0.5μmで
ある。多結晶Si膜２の抵抗率はリーク電流に関係
する。リーク電流を抑えかつ必要な導電性を維持
するには抵抗率を10⁸〜10¹⁰Ωcmとすることが良
く、このためには多結晶Si膜中の酸素量が10〜
30atomic％となる様に原料ガス中のN₂O量を調
整する。この条件で形成した多結晶Si膜２は端面
の凹部底部にも均一に付着されており、安定した
特性を示した。例えば直径80mmの4000V級サイリ
スタでのリーク電流は室温で100〜200μA、125℃
で50〜100mAであつた(c)。

次に各電極を形成する。まず、半導体基体表面
に拡散工程に形成された半導体酸化物を、HF溶
液を用いて除去する。この時、酸素原子を含む半
絶縁性多結晶Si膜２もHF溶液により浸されるの
で、この部分にシールを施すことが望ましい。続
いて、p_E，n_Eおよびp_B各層の露出表面に約15μm
の厚さのAl膜を蒸着し、N₂ガス中で400℃、30分
間のシンタリングを行つて、アノード電極３、カ
ソード電極４およびゲート電極５を形成する(d)。

多結晶Si膜２の上に放電防止および機械的損傷
からの保護のため有機質保護膜６を形成する。こ
の有機質保護膜６は直接pn接合と接しないため、
任意の樹脂例えばシリコーンゴム等を使うことが
できる。外気の影響によりシリコーンゴム等の有
機質保護膜６に電荷が発生した場合でも下地の半
絶縁性多結晶Si膜２によりその影響を防止でき
る。したがつて有機質保護膜６の材質、被着条件
等を従来の様に厳格に管理しなくても良い(e)。

こうして製造した半導体装置は以後のパツケー
ジ封入工程、直流印加試験においても安定な特性
を示し、本発明の有効性が確認された。なお、半
絶縁性多結晶Si膜２の膜厚は、0.3〜0.5μmの範囲
で良い結果が得られた。

パツケージの構造は任意のものが採用し得る。
例えば周知の平型圧接構造が適用可能である。あ
るいは、アノード電極３およびカソード電極４に
それぞれ支持電極（図示せず）を接着し、一対の
支持電極間に半導体基体を内部にとり囲むように
有機樹脂の枠をとり付けたものでもよい。この場
合、この枠と一対の支持電極とでパツケージとす
る。パツケージ内に有機樹脂を充填してもよい。
本発明を適用すれば信頼性の高い表面保護膜が得
られるので、上述のようにパツケージとして比較
的簡単な構成を採り得る。

次に本発明の他の実施例あるいは応用例を述べ
る。多結晶Si膜の成長時の反応室内の圧力は、上
述の実施例のように常圧とするほか、減圧下で行
うこともできる。ただし1Torr前後の圧力での反
応では成長速度が0.5μm／時間と遅くなるので、
堆積時間が１時間程度必要となる。そうするとこ
の間堆積した膜が徐々に再配列して収縮するため
膜中の歪が大きくなり、リーク電流が増す恐れが
ある。したがつて減圧下で行う場合は原料濃度を
高くするか、圧力を10Torr程度に保ち、堆積時
間を10〜30分程度に短縮することが望ましい。本
発明方法を減圧下で行えば、半導体基体のノズル
に対向する部分へ、常圧下と比べてより選択性を
もつて気相成長させ得る。そのため、膜形成部を
限定させたいときには有利な方法である。

次に、半絶縁性多結晶Si膜中にドープする元素
としては酸素のほか、窒素等他の元素をドープす
ることも可能である。例えば窒素をドープするた
めには、第２図に示すようにNH₃ガス源３２４
を用意し、ノズル２７へ原料ガスを供給するとき
にバルブ３２７のかわりにバルブ３２８を開く。

また、半導体基体１を加熱する方法としては、
高周波誘導加熱（第２図）や電熱ヒータによる加
熱（第３図）の他、赤外線ランプやレーザビーム
の照射による加熱も適用できる。その場合、半導
体基体全体を加熱せずに、ノズルと対向する端部
のみが昇温されるような局部加熱を施すことも可
能である。局部加熱法によれば、半導体基体の他
の部分をそれほど昇温させないので、半導体基体
に支持電極等の他の部材が取り付けられていたと
しても、他の部材の劣化あるいは他の部材と半導
体基体との好ましくない相互作用を防ぐことがで
きる。例えば、半導体基体の一主表面に主表面よ
り若干大きいＷ，Mo等の支持電極を接着させた
状態で半導体基体側面を加工した後本発明法を適
用し更に局部加熱法を採用すれば、半導体基体端
部の加工時、取扱い時の破損が支持電極により防
止されると同時に、支持電極への膜成分付着が防
止され、支持電極と半導体基体との接着状態（ア
ロイング状態）の変化を防止できるという効果が
ある。

第５図は断面がプーリー状の半導体基体１の側
面１０３に半絶縁性の多結晶Si膜２を厚く付けた
例を示す。この構造にした場合、半絶縁性多結晶
Si膜２の厚さに比例してリーク電流が増す傾向が
あるので、必要な抵抗率の半絶縁性多結晶Si膜を
所定厚さに形成した後、酸素濃度を増して抵抗率
がさらに高い多結晶Si膜を形成し、厚い多結晶シ
リコン膜２を形成することが望ましい。この構造
とすることにより、半導体基体１の端面の機械的
強度を増すことができる。

次に、本発明が適用されるべき他の形状の半導
体基体について例示する。第６図ないし第１０図
はp_E，n_B，p_B，n_E各層の積層構造を有するサイリ
スタ基体の例であり、第１１図はnpnトランジス
タ基体の例である。各図において、第１図と同等
の部分には第１図におけると同じ符号を用いた。

第６図のサイリスタ基体は側面１０３が単一の
傾斜角でベベルされ、一方の主表面１０１から
pn接合J₂へ至る傾斜された環状溝１０４を有する
ものであり、環状溝１０４内壁にも半絶縁性の多
結晶Si膜２が形成されている。

第７図のサイリスタ基体は、第１図ｂに示すも
のに対し側面１０３の傾斜が逆にされた例であ
る。また、第８図のサイリスタ基体は側面１０３
が２段階に変化した角度でベベルされた例であ
る。

第９図のサイリスタ基体は、一対の主表面１０
１および１０２にそれぞれ形成され、pn接合J₁お
よびJ₂が内壁に終端する環状溝１０５および１０
６を有する。これらの環状溝によつて囲まれた内
側の領域がサイリスタ領域となる例である。この
ような構造は比較的小電流容量の分野で使用され
ることが多い。

第１０図には他の種類の半導体素子の例とし
て、トランジスタ基体を示す。図において、半導
体基体１はn⁺型エミツタ層n_E ⁺、ｐ型ベース層p_B、
n^-型コレクタ層n_C ^-およびn⁺型コレクタ層n_C ⁺の積
層構造を有する。一方の主表面１０１には環状溝
１０５が形成され、内壁には本発明に従つて、半
絶縁性の多結晶Si膜２が形成されている。３００
はコレクタ電極、４００はエミツタ電極、５００
はベース電極である。

本発明は以上で述べた以外にも種々の態様にて
実施できる。例えば、減圧下においてプラズマ中
で反応させたり、グロー放電中で反応させること
ができる。更に、Siの高周波スパツタリング、Si
の分子線蒸着法等によつても形成することができ
る。また、プラズマ中の反応、グロー放電による
反応等では、SiH₄ガス中にC₂H₄，CH₄等を混入
させることにより炭素がドープされた半絶縁性の
多結晶Si膜を形成することができる。

以上の実施例・応用例では半絶縁性の多結晶Si
膜を形成する場合で説明したが、本発明は非晶質
の半導体膜を形成する場合にも有効である。ま
た、高絶縁性の単結晶、多結晶あるいは非晶質膜
を得る場合にも有効である。また、半導体基体と
してはサイリスタ、トランジスタに限定されず、
ダイオード、IC等他の種類のものに適用できる
ことは勿論である。

以上説明したように、本発明によれば、半導体
基体の非平面形状部分に均一な厚さの表面保護膜
を気相から析出、堆積させるのに効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の課題を説明するためのサイリ
スタ基体の断面図、第２図および第３図は本発明
の実施例で使用される気相成長装置の概略を示す
図、第４図は本発明の一実施例に基づいて作製さ
れるサイリスタの製造工程要部を示す断面図、第
５図は本発明の他の実施例に基づいて作製された
サイリスタ基体の断面図、第６図ないし第１０図
はそれぞれ本発明が適用された半導体基体の断面
図である。 １……半導体基体、２……半絶縁性多結晶Si
膜、３，４，５，３００，４００，５００……電
極、６……有機質保護膜、１１……カバー、２３
……支持台、２７，２７１……ノズル、３２……
原料ガス系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に所定のpn接合が形成され少なくとも
   １のpn接合端が主表面平面を除く非平面状部あ
   るいはその近傍に露出した半導体基体を反応炉内
   に配置し、半導体基体の上記非平面状部を加熱
   し、昇温された上記非平面状部に局部的に表面保
   護膜の成分を含有するガスを吹きつけ、上記非平
   面状部に対する表面保護膜を気相から析出させる
   工程を有することを特徴とする半導体装置の製
   法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記表面保
   護膜は酸素、窒素、炭素から成る群から選ばれた
   少なくとも１の元素がドープされた非単結晶状の
   半導体膜であることを特徴とする半導体装置の製
   法。 ３ 特許請求の範囲第１項において、上記表面保
   護膜の成分を含有するガスは、上記半導体基体の
   上記非平面状部に対向して配置されたノズルから
   上記非平面状部に対して吹き付けられることを特
   徴とする半導体装置の製法。 ４ 特許請求の範囲第３項において、上記半導体
   基体は対向する一対の円状の主表面と主表面間を
   結び上記表面保護膜が形成されるべき非平面状部
   である側面とを有し、上記ノズルが固定され上記
   半導体基体がその主表面の中心部を回転軸として
   回転されることにより、上記側面の全体に上記表
   面保護膜が気相から成長されることを特徴とする
   半導体装置の製法。 ５ 特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
   かにおいて、上記表面保護膜が形成されるべき非
   平面状部は凹状部を含むことを特徴とする半導体
   装置の製法。