JP3142009B2 - 静電誘導形ゲート構造の製造方法 - Google Patents
静電誘導形ゲート構造の製造方法Info
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Description
デバイス、特に静電誘導形サイリスタ及び静電誘導形ト
ランジスタにおいて、高速スイッチング性能と高ゲート
耐圧を製造安定性を損うことなく実現する、表面ゲート
構造を有する静電誘導形ゲート構造の製造方法に関す
る。
サイリスタと称す)、静電誘導形トランジスタ(以後S
ITと称す)の模式的断面構造図を図13乃至図15に
示す。図13は埋込みゲート形構造、図14は切込みゲ
ート形構造、図15は表面ゲート形構造の例である。図
13乃至図15において、1はカソード電極(ソース電
極)、2はゲート電極、3はアノード電極(ドレイン電
極)、4はnエミッタ(nE )(ソース)拡散層、5は
エピタキシャル成長層内n- 層、6はpゲート拡散層
(pB )、7はn- 或いはi(intrinsic) 基板、8はp
エミッタ拡散層、9はSiO2 絶縁膜、10はnチャン
ネル、11はエッチングによる削除域、12はエピタキ
シャル成長層、13はゲート近傍静電容量、14はpB
−nE 間抵抗rs を示す。
以後、説明簡略化のためSIサイリスタの場合について
説明する。
“1600V、300A SIサイリスタの特性”電気
学会資料EDD-88-56, SPC-88-54, 67 (1988) 或いは、龍
田らによる論文、“高周波パワーSITの特性”電気学
会資料EDD-87-68, SPC-87-52,61 (1987) において開示
されている構造である。また図14は、例えば、H. Gru
ening らによる論文、“Field Controlled Thyristors
a New-Family of PowerSemiconductors with Advanced
Circuitry”Conf. Rec., PESC '88, 1311 (1988) にお
いて開示されている構造である。或いはまた、図15
は、例えば、只野らによる論文、“短絡構造SIサイリ
スタのスイッチング特性”電気学会資料EDD-90-59, SPC
-90-58 (1990) において開示されている構造である。
イスの長所、短所を記すと次の様になる。図13の埋込
みゲート形構造では、カソード側にn- エピタキシャル
層12を成長させ、エッチングにより削除域11を除く
工程を含んでいる。長所としてカソード・ゲート間のエ
ピタキシャル層の厚さをとれるのでゲート・カソード耐
圧が高くとれる。例えば、70〜200V程度は容易に
得られる。従って、製造歩留りは高く、またカソードを
圧接し圧接型パッケージに密封し組込むことも可能であ
り、大電力のスイッチング素子として使えることが主要
な用途としてあげられる。しかし短所として、このタイ
プはエピタキシャル層12の厚みをパワー用に厚くとる
が、エピタキシャル成長時においてゲート拡散層(pB
層)6や基板からのアウトデイフュージョンで高抵抗の
安定したn- 層5を形成するのが難しく、通常NB =1
〜4×1015cm-3程度で形成される。
は、階段接合の場合
率、εs はSiの比誘電率、NB はエピタキシャル層内
n形不純物濃度、Vbiは内蔵電位、Vは逆バイアス(マ
イナス)電圧である。
は、理想的にn- 層を高抵抗化、すなわちi層化(例え
ばN B <1×1013cm-3)した場合に比べ大きくなる。す
なわちSIサイリスタをON状態にする際、静電誘導効
果の限界を与える充電時間(時定数)τ=Cg ×rs が
大きくなる。ここで、RC回路系にて流れる電流を
tは時間、rs はnエミッタ拡散層(nE )4とpゲー
ト拡散層(pB )6間の通電時抵抗である。それ故、こ
のタイプのデバイスはエピタキシャル層12の厚さが厚
くなればなる程、ターンオン・タイムが顕著に増加し、
デバイスの性能上高速化は制限を受ける。
で、カソード微細化が難しく、電流導通域としてのチャ
ンネル10の数を多く配置するため、ゲート電極2から
電流を引き出す際に遅れが生ずる。即ち、単位セグメン
トの中央域においてゲート電圧による制御性の悪い領域
ができる。従って、ターンオフ性能も制限を受けるの
で、エピタキシャル層12により、パワーデバイス向け
ではあるが、高速性能は劣り、高速化は期待できない。
板7上をドライエッチングで切込んで縦方向に長いチャ
ンネル10が形成される工程を含んでいる。この長さは
例えば約25μm程度にも達する。
できるが、チャンネルが縦方向に長いだけオン性能には
不利であると同時に、nエミッタ拡散層(nE )4の平
面と同一平面上にpゲート拡散層(pB )との接合がで
きていて、高濃度同士の接合となっている。それ故、接
合に高電界がかかり、耐圧は7〜25V程度にしかとれ
ない。これはプレーナ形特有のことで、図15と共通の
問題であり、製造上、均一に安定したゲート・カソード
間耐圧を得ることが難しく、低耐圧が故に、装置組込
時、高速動作時等、スパイク電圧等で破壊し易いのが大
きな欠点となっている。
面上にカソード電極1、ゲート電極2を設ける工程を含
んでいる。長所として、ゲート・カソード間に形成され
る静電容量Cg が小さく、ON性能が最も優れる。一般
的に、サイリスタでOFF性能を向上させるにはアノー
ドショート率を増加させたり、ライフタイムコントロー
ルを用いるが、そうするとON性能は低下する。しか
し、ON性能が優れているデバイスのOFF性能の向上
をさせても、ON性能に変化は少ないか、無視できる位
となる。プレーナ形ゲート構造はカソード側が最も微細
化でき、電流通電面積も多くとれ、面積利用率が高い。
また、チャンネルのすぐ隣りにゲート電極を配置でき、
電流のゲート電極への引き出し抵抗が低く、ターンオフ
OFF性能も優れる。
みゲート形構造と同じくnE 層4とpB 層6とが高濃度
同士の接合を有するプレーナ接続となっているため、カ
ソード電極1、ゲート電極2間耐圧がせいぜい25V程
度しかとれない。
m)等の制限があり、pB 層6、nE 層4の配置を正確
に行う必要が有る。両層が所定の位置よりズレると、p
B −nE 間で接合の濃度勾配が特に急峻になる等の不都
合が生じ、耐圧は更に低下する。一般に従来のプレーナ
形での合わせ精度は0.数μmが要求され、非常に製作
安定化が難しい。それ故、図14に示した構造と同様に
歩留りの面、使用時に破壊し易い点で問題がある。
でゲート側の合わせ精度、仕上り寸法精度が厳しく要求
される。まず、静電誘導形素子はアノード・カソード間
に順方向に印加される規定電圧を、ゲート近傍のゲート
ポテンシャル即ち、例えばpB −nE 間に発生する内蔵
電位もしくはゲート・カソード間逆バイアス印加電圧で
ブロック(阻止)する。ここで電圧増幅率μは制御され
るべきアノード電圧に対するゲート電圧として定義され
る。そのため、ゲート近傍の仕上り寸法は0.数μmが
要求される。また、上記の寸法上の制約により、pB 拡
散層6とnE 拡散層4とを近接形成することになる。そ
の結果、高濃度拡散層同士の“p+ −n+ 接合”が、ゲ
ート拡散層表面近傍にできる。この接合に逆方向バイア
ス電圧を印加すると、いわゆる、ゲート・カソード間逆
方向耐圧は、急峻な濃度差の接合部に強い電界が集中す
るため、低いバイアス電圧(例えば25V程度)で、ブ
レークオーバーしてしまう。ここでも仕上り寸法精度の
差により、“p+−n+ 接合”の急峻な濃度勾配が変わ
り、ゲート・カソード間逆方向耐圧は変化し、ばらつい
たものとして仕上がることになる。
造では、非常に厳しい加工精度が要求され、ステッパー
露光法やセルフアラインメント技術等の技術を駆使して
製造されるが、歩留りは中々上がらないのが実情であ
る。更に、実用となる寸法設計で、ゲート・カソード間
逆方向耐圧は、せいぜい25V程度である。装置に適用
した場合に、実動作時のスパイク電圧等で局所破壊し易
い。従って、従来のプレーナ形ゲート構造は、特にパワ
ーデバイス化の方向において、欠点となっている。
ナ形の静電誘導形ゲート構造の新規な製造方法を提供す
ることである。
レーナ形の静電誘導形ゲート構造において、高ゲート耐
圧高製造歩留りを実現できる製造方法を提供することで
ある。
ード間の逆方向耐圧を向上させるためと、製作し易いよ
うにゲート・カソード間に仕上り寸法に余裕を持たすべ
く、基板7側へのpB 拡散深さに比べて薄いエピタキシ
ャル成長層を形成することを特徴とする。これは高温エ
ピタキシャル成長中にpB拡散層からのp形不純物のア
ウトデイフュージョン、及びチャンネルが全閉にならな
いようn形の不純物による補償により、エピタキシャル
成長の始まる界面から、エピタキシャル成長終了のカソ
ード側表面にかけてpB 拡散層6を埋込みゲート形のゲ
ート形状に近似して仕上げる工程、いわゆる、後から形
成するnE 拡散層4に接するまでの不純物濃度勾配、及
び濃度を従来のプレーナ形に比べゆるく、そして低く形
成することを特徴としている。
ち、本発明は、ゲート拡散層とそれに対向するエミッタ
拡散層が同一平面上に形成される、プレーナ形の静電誘
導形ゲート構造の製造方法であって、ゲート拡散を行っ
た後、埋込みゲート形ゲート構造を形成する如くエピタ
キシャル成長層を形成する工程と、該エピタキシャル成
長層の形成中に、ゲート拡散不純物のオートドーピング
及びオートドーピングの補償を行い、エピタキシャル成
長層表面に形成するエミッタ拡散層と該ゲート拡散層と
の間にp形とn形の不純物がほぼ等量補償し合った高抵
抗層をはさんだpin接合を形成する工程と、該エピタ
キシャル成長層の形成の終了後、埋込まれたゲート拡散
層上にゲート不純物と同じ導電形の半導体を形成する不
純物を追加拡散する工程と、該エピタキシャル表面にゲ
ート電極を形成する工程とからなることを特徴とする、
静電誘導形ゲート構造の製造方法としての構成を有する
ものである。
造を、プレーナエピタキシャルゲート(Planar Epitaxi
al Gate,PEG)と称す。
間、即ち逆方向耐圧(VRGM )が決まる接合部における
深さ方向の、p形、n形不純物のプロファイル及び拡が
り抵抗法による抵抗値(Rs )のプロファイルを示す。
ゲート形構造の場合で、VRGM =60〜200Vが得ら
れるプロファイルを示す。この場合、pB −nE 間には
厚いエピタキシャル層が存在するため、任意に高耐圧が
得られる。しかし、実際の装置に応用するにあたり、必
要十分なVRGM はせいぜい60V程度であり、本構造は
ゲート掘り出し工程を伴うことでゲート抵抗のバラツキ
を生じ易く、素子性能の低下を伴い易い。また直接的
に、プレーナ形構造の如く、pB 層全域に金属配線する
ことは難しく、特殊な構造が必要となる。ゲート抵抗を
製造上のバラツキから下げにくいことが、ゲート抵抗が
低い特徴を有するはずのSIサイリスタ、SITの性能
を制限することになる。
ナ形構造の場合で、VRGM =25Vが得られるプロファ
イルを示す。これはノーマリーオフ形の場合の例であ
り、GTOサイリスタと耐圧的には大差ない。これは、
pB 層とnE 層が高濃度同士で接触しているためで、短
い接合部と高電界が集中するためである。また0.数μ
mの合わせ精度バラツキにより、更に耐圧を出すことが
難しい接合が形成されることになる。また、場所により
様々な接合ができやすい。つまり、装置に応用したとき
局部破壊し易く、また製造歩留りが低いという大きな特
徴が有る。
合で、エピタキシャル成長層上にゲート電極2を設ける
ため、pE 層6とnE 層4とが低濃度−低濃度勾配で接
しているため、高抵抗なi層が1.5μm程度形成され
pin構造化している。このため、電界が、断面BB′
に比べ、より均一に広がって分布するため、VRGM =6
0Vと耐圧が向上するという特徴を有する。またパター
ンずれに関しても、pB −nE 間が低濃度同士で接する
ので、pin構造の性能はほとんどかわらない。つま
り、工程バラツキに対しても、安定化が図れ、かつ必要
十分な埋込みゲートタイプ並の耐圧を確保できる大きな
特徴がある。またエピタキシャル成長を使ったものの、
ゲート掘り出しエッチが不要で直接金属電極をpB 層6
にコンタクトできるので、プレーナ形と同様、ゲート抵
抗が理想的に下げられる。つまり高速化がはかれ、破壊
耐量も高い。
一例を、図1乃至図6のSIサイリスタのプレーナ形ゲ
ート構造にて説明する。図1乃至図6において、1〜1
4は従来例と同一領域は同一番号を符してある。即ち、
1はカソード電極、2はゲート電極、3はアノード電極
である。4はnエミッタ(nE )拡散層、5はエピタキ
シャル成長層内n- 層、6はpゲート拡散層(pB )、
7はn- (i)基板、8はpエミッタ拡散層、9はSi
O2 絶縁膜、10はnチャンネル、11はエッチングに
よる削除域、12はエピタキシャル成長層、13はゲー
ト近傍静電容量、14はpB −nE 間抵抗rs である。
更に、9′はSiO2 膜、15はSiNx、及びポリイ
ミド絶縁膜を示す。
i)において製造方法を順次説明する。
ォトリソグラフィー工程を用い、pB 拡散層6を選択的
にボロン拡散で形成する。拡散深さは5μmである。
(=4Ω−cm)のエピタキシャル成長を行う。エピタキ
シャル成長にあたり、表面清浄化のHClガスエッチに
続き、SiCl4 ガス、補償ガスとしてPH3 、キャリ
アガスとしてH2 により、1180℃の成長温度にて
0.18μm/分の成長速度でエピタキシャル成長を
2.5μm行う。nチャンネル10をpB 層で閉塞させ
ないため、エピタキシャル成長中、pB 層6よりアウト
デイフュージョンするボロン原子(B)と、ほぼ等量の
リン原子(P)を補償することで、チャンネル10近傍
は特にi層化している。またエピタキシャル成長の進行
に伴い、ボロン原子(B)のアウトデイフュージョンも
減るのでpB 層6の面積はカソード表面に近づくにつれ
減少する。またpB 層6表面の濃度及び深さ方向の濃度
勾配は、表面近傍の接合において薄く、かつゆるくな
る。
電極2とのオーミック接触を良好にすること、及びゲー
ト引き出し抵抗を下げることで、高速動作化する。この
ため、エピタキシャル成長後、酸化し、pB 層6中央部
に選択的な窓を開け、ボロン或いはp形不純物を追加拡
散し、pゲートオーミック拡散層6′を形成する。他に
エピタキシャル成長ガスとしてSiH4 、SiH2 Cl
2 、SiHCl3 、を用いても同様な構造を形成し得
る。
E 拡散層領域を設けるため、再酸化し、チャンネル部1
0上の酸化膜に選択的な窓を開け、リン、或いはn形不
純物を拡散する。深さは約1μmである。
るため、pB 層上部のSiO2 膜に選択的な窓を開け、
Al蒸着を全面に施して選択的にゲート部に残し、その
部分をCVDによるSiNとポリイミド等の絶縁用樹脂
膜で選択的に絶縁する。
ド電極としてAl蒸着を施し、カソード電極を形成す
る。
とすべきトランジスタ、サイリスタの構造に合わせて形
成するが、ここでは説明を省略する。
ナ形に比べ、nE 層とpB 層の間がエピタキシャル層を
用いた分だけ距離的にも余裕ができ、また接合部の不純
物濃度勾配が少なくなり、その間により高抵抗の真性に
近くなったi層が確実に形成されることとなる。接合部
において高濃度同士で濃度勾配が大きい場合、i層が形
成されにくくなるのは、ハイドープで結晶性が悪くなる
ためである。
した例を示す。
G構造を設け、アノード側にSIアノードショート構造
を用いたSIサイリスタの模式的断面構造図を示す。
たSITの模式的断面構造図を示す。
で、カソード側第1ゲート電極をp+ 拡散層で作り、ア
ノード側第2ゲート電極をn+拡散層で設けたものであ
る。第2ゲート側は、今までの説明の場合と逆の接合を
有している(ゲート:n+ ,アノード:p+ )がPEG
型構造は全く同様に適用される。ダブルゲートSIサイ
リスタでは特にアライメント精度はウエハ基板の表、裏
で共に厳しい加工精度が要求されるので、本発明による
PEG構造は有利である。尚、配置ピッチは15μmで
形成したが、従来のプレーナ形に変わりなく、デバイス
面積の有効利用ができる。各図中、16は第2ゲート電
極、17はアノードn+ ショート層、18はドレインn
+ 拡散層、19は第2ゲートn+ 拡散層、19′は第2
ゲートn++追加拡散層、20はソース電極、21はドレ
イン電極を示す。尚、1〜15については、従来例及び
図1乃至図6に示した実施例と重複する部分は同一番号
を符している。
ードと、加工精度の許容度を上げることにより、ステッ
パー等の高度な製造設備を用いずに、高い製造歩留りと
より高ゲート耐圧が得られる静電誘導形ゲート構造の製
造方法に関する。その点について、1200V/30A
級シングルゲートSIサイリスタにて、従来形とPEG
形とを比較すると表1の通りである。
高い上、従来のプレーナ形と同じスイッチングスピード
をもつ、優れた静電誘導形ゲート構造が実現できる。
する工程図である。
る。
る。
る。
抵抗Rs 及び不純物密度分布を示す。
抵抗Rs 及び不純物密度分布を示す。
抗Rs 及び不純物密度分布を示す。
造を有するSIサイリスタに対する本発明の適用例を示
す。
を示す。
適用例を示す。
的断面構造図を示す。
的断面構造図を示す。
断面構造図を示す。
Claims (1)
- 【請求項1】 ゲート拡散層とそれに対向するエミッタ
拡散層が同一平面上に形成される、プレーナ形の静電誘
導形ゲート構造の製造方法であって、 ゲート拡散を行った後、埋込みゲート形ゲート構造を形
成する如くエピタキシャル成長層を形成する工程と、 該エピタキシャル成長層の形成中に、ゲート拡散不純物
のオートドーピング及びオートドーピングの補償を行
い、エピタキシャル成長層表面に形成するエミッタ拡散
層と該ゲート拡散層との間にp形とn形の不純物がほぼ
等量補償し合った高抵抗層をはさんだpin接合を形成
する工程と、 該エピタキシャル成長層の形成の終了後、埋込まれたゲ
ート拡散層上にゲート不純物と同じ導電形の半導体を形
成する不純物を追加拡散する工程と、 該エピタキシャル成長層の表面にゲート電極を形成する
工程とからなることを特徴とする静電誘導形ゲート構造
の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17180591A JP3142009B2 (ja) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | 静電誘導形ゲート構造の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17180591A JP3142009B2 (ja) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | 静電誘導形ゲート構造の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05152566A JPH05152566A (ja) | 1993-06-18 |
JP3142009B2 true JP3142009B2 (ja) | 2001-03-07 |
Family
ID=15930052
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17180591A Expired - Lifetime JP3142009B2 (ja) | 1991-06-17 | 1991-06-17 | 静電誘導形ゲート構造の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3142009B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101600519B (zh) * | 2007-02-09 | 2013-01-02 | 冶金研究Asbl中心 | 用于在高湍流动态下冷却轧辊的冷却装置和冷却方法 |
-
1991
- 1991-06-17 JP JP17180591A patent/JP3142009B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101600519B (zh) * | 2007-02-09 | 2013-01-02 | 冶金研究Asbl中心 | 用于在高湍流动态下冷却轧辊的冷却装置和冷却方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH05152566A (ja) | 1993-06-18 |
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