JPH0216740A - パイポーラパワー半導体デバイス及びその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、バイポーラ半導体デバイス、特にパワー利用
のために設計された前記デバイス及びその製造方法に関
する。

より詳細には、本発明はエミッタ領域として動作するセ
ルのマトリックスアレイを有する半導体デバイス及びそ
の製造に関するものである０例えば並列操作を行いかつ
その電気的機能が生成するデバイスの電流及び電圧特性
を形成することに比例して寄与する基本トランジスタで
ある多数の小さい構成要素が、この構造により組み立て
られる。

単一のセルは規則的な配置とサイズを有しているため、
完全にバランスした構造が得られ、この構造からある種
の非常に重要な利点が誘導される。

電流負荷は、ベースとエミッタを有するプレーナトラン
ジスタの通常の構造と比較して、均質に等しく分割され
ている。従って該デバイスはより強固で、より速いスイ
ッチング速度を有している。

（従来技術） エミッタとして動作するセルのマトリックスアレイとと
もに製造される半導体デバイスが、例えばヨーロッパ特
許出願第１８６１４０に記載されている。

この刊行物には、トランジスタ又はＧＴＯサイリスタで
あるパワースイッチが示され、その中では複数のエミッ
タ領域が、マトリックスコンフィギユレーション及び金
属層として形成された導体による並列接続に従って、ベ
ース上に分散されている。

（発明により解決されるべき問題点） 概念的には簡単であるが、類似するセル状構造の製造は
、本質的に被覆されるべき導電性及び絶縁性物質の量及
び質に関連する技術的困難性により実際には制限されて
いる。

性能と頑丈性に関する重要な制限を生じさせる製造に関
する特別の困難性は、金属化されたベース・とエミッタ
が好適に分離されたコンフィギユレーションの実現が必
要であることである。

本発明では、この問題点を解決するために、２種の金属
化層を縦に積層し、酸２種の金属化層の間に中間絶縁層
を挿入する。これによりベースエリア上に広がる単一セ
ルのセットにより、エミッタがその中に形成される構造
を実現することが可能になる。

５ＩＲＥＴ（シーメンス・リング・エミッタ・トランジ
スタ）と命名されているデバイスが、ＩＥＤＭ８５にお
けるその紹介の機会に刊行された盲信の中に記載されて
いる。

高電圧バイポーラパワースイッチトランジスタから成る
このデバイスは、メツシュの形態でベースに接触するエ
ミッタセルの周囲の第１の金属化コンフィギユレーショ
ンを有する構造を示している。該金属化層の上には、窒
化シリコンの絶縁層があり、その上にはエミッタ金属の
第２層が位置している。該エミッタはセルを形成するマ
トリックスコンフィギユレーションに従って位置してい
る。

この構造では、前記セルは開口しかつ中空であるため、
該セルに対応する前記２種の金属層は物理的な接触を有
しない。この構造の実現のためには、使用される物質に
起因する操作上の複雑性のための特別の構造上の問題点
が存在する。

（問題点を解決するための手段） 本発明の製造方法によると、ベース金属層の深さに関す
る限りはセル状構造が制限なく容易に組み立てられ、か
つベース及びエミッタ間が短絡することがない。

本発明は、第１及び第２のタイプの導電性の物質の積層
から形成されるコレクタ及びベース；該ベース上のマト
リックスアレイ中に位置する第１のタイプの導電性の一
連の分離されたセル状領域；ベース−エミッタ接合接点
の上の前記セル状領域の周囲に位置し互いに分離されて
いる一連の環状酸化物領域；及びベース及びエミッタの
ためのボンドパッドエリアを含んで成り、かつ前記セル
状領域（２）と前記ベースの物質が逆の導電性でありこ
れにより前記セルの周囲の連続するベース領域中にエミ
ッタ領域を形成するセルのマトリックスアレイにより複
数の前記ベース−エミッタ接合を形成するようにしたバ
イポーラ半導体デバイスにおいて、 前記エミッタボンドパッドエリア及び前記環状酸化物領
域の上面を除いた連続するベース領域及び前記エミッタ
領域上に形成され、これにより前記ベース領域上の金属
及び前記エミッタ領域上の金属が電気的に遮断されるよ
うにした第１の金属層；前記ベースボンドパッドエリア
を除いたベース領域の金属上に重ねられ、更に前記酸化
物領域上にも重ねられたポリイミドにより形成された第
１の絶縁層；第２の金属層を通しての、前記ベース及び
エミッタのボンドパッドエリア間の連続した電気的接点
を除いた、前記エミッタ領域に対応する第１の金属層上
、前記絶縁層上、及び前記ベース及びエミッタボンドパ
ッドエリア上のそれぞれに重ねられ、これにより金属化
された前記第１及び第２の層が前記エミッタ領域中の２
種の重ねられた面上で電気的に接触するようにした第２
の金属層；及び前記ベース及びエミッタボンドパッドエ
リアを除いた前記第２の金属層上に受動層として重ねら
れたポリイミドで形成された第２の絶縁層とを含んで成
ることを特徴とするバイポーラ半導体デバイスである。

本発明の他の対象は、ベースの形成、酸化、ベース酸化
物中のウィンドウの開口、及びベースエミッタ接合にお
ける酸化物を保護しながらエミッタ領域の形成のための
ドーパントの拡散の、初期操作を行うことを含んで成る
バイポーラ半導体パワーデバイスの製造方法において、 第１の金属化層を付着させ、かつ写真食刻法により前記
第１の金属層の金属をエミッタ領域の酸化物表面から及
びエミッタボンドパッドエリアの酸化物から除去し；絶
縁用のポリイミドから成る第１の絶縁層を付着させ、か
つ写真食刻法により前記絶縁物をエミッタ領域から及び
エミッタ及びベースボンドパッドエリアから除去し；第
２の金態化層を付着させ、かつ該第２の金属層の金属を
写真食刻法により前記ベースボンドパッドエリアを囲む
連続するストリップから除去し；かつ受動層としてポリ
イミドにより形成された第２の絶縁層を付着させ、かつ
該第２層の絶縁物を前記ベース及びエミッタポンドパッ
ドエリアから除去する上記各操作を順に行うことを含ん
で成ることを特徴とするバイポーラ半４体デバイスの製
造方法である。

（実施例） 以下添付図面に示す実施例に従って本発明をより詳細に
説明するが、本発明は該実施例に限定されるものではな
い。１図中、半導体デバイスをＮＰＮトランジスタとし
ているが、本発明はＰＮＰ　）ランジスタにも同様に適
用することができる。

本発明は、例えばベース−コレクタのターミネーション
の任意のタイプの構造（プレーナトランジスタ、メサ等
）、更に２又はそれ以上のステップのダーリントントラ
ンジスタのような単一トランジスタより複雑な集積構造
にも適用することができる。

更にトランジスタにつき一般的に記述される本発明は、
サイリスタ、ＧＴＯソリッドステートスイッチ及び他の
用途に適用することができる。

図中、第１図は、本発明が従来技術から離れることにな
るその出発点である不完全なＮＰＮ　）ランジスタの構
造を概略的に示し、 第２図（ａ）及び第２図（ｂ）は、それぞれ本実施例に
よるデバイスのエミッタ領域の構造の断面図及び平面図
であり、 第３図は、本実施例によるデバイスのマトリックスコン
フィギユレーションのセルを有する構造の平面図であり
、 第４図は、第３図のｍ−ｍ線断面図である。

第１図を参照すると、トランジスタ構造は、低抵抗（Ｎ
＋）のＮタイプ基質、Ｎタイプ層、及び高抵抗（Ｎ−）
のＮタイプ層の多層エピタキシャルウェファを含んで成
っている。プレーナ製造技術で使用される通常の操作に
より、金属化の直前のトランジスタの構造が、第１図に
示すように得られた。酸化後のベース領域１には、ウィ
ンドウが好適なマスキングにより開口され、続いてエミ
ッタドーパントを付着させ拡散させると２で示されるエ
ミッタ領域が形成された。該領域はマトリックスアレイ
に従ってプレート上に位置する。

特別の写真食刻技術を使用して連続操作すると、シリコ
ン接点が前記エミッタ領域の酸化物中へ開口し、これに
よりエミッタ領域２を形成する単一セルが生成される。

シリコンも、前記セル又はエミッタ領域２を囲むベース
領域上に現れるようになり、各セル２の周囲に環状酸化
物が残る。これは、該環状酸化物をレジストでマスクす
ることにより得られ、これによりそれはその表面のベー
ス−エミッタ接合を保存しかつ絶縁する。

この段階では、エミッタボンドパッドのために保存され
た酸化物エリア４もマスクされ、これにより該エリアは
下方に位置するＮ＋ドープされた領域から絶縁されたま
まとなる。ベースボンドパッドのためのエリア５は逆に
被覆されず、金属化ベースと連続的な接触を有している
。上述の操作は第１図に示す構造を生じさせる。

該構造では、前記ベース領域１は１０μの深さを有する
ことができ、一方前記エミッタセル２は８０μの直径と
５μの深さを有するが、これらの値は例示である。

本実施例によると、トランジスタの金属化層が、その間
にポリイミドの中間絶縁層を有する２種の縦型オフセッ
ト金属層として実現される。

金属化のための好適な金属は、例えばスパッタリングに
より適用できるアルミニウムーシリコン合金である。

金属化の第１層は、このように第１図に示すような構造
上に形成され、そして続けて写真食刻除去技術により、
第４図中に数字６で示されるこの層の金属がベースボン
ドパッドエリア５上及びエミッタセル２上に残り、逆に
エミッタボンドパッドエリア７からは除去される。

第１の金属層６上には、８で示される絶縁物の層が形成
される。

ポリイミドは、通常の技術と装置を使用することができ
、かつ比較的低コストで高効率を実現できるため、理想
的な絶縁物であることが見出された。特にポリイミドは
、スピン被覆プロセスつまり通常フォトレジストの付着
に使用するのと同じ方法を使用して適用することができ
る。これは、第２の金属層の付着の前に、平面にできる
限り近い表面トポグラフィを得ることを可能にする。

超小型電子技術で現在使用されている無機タイプの他の
絶縁剤、例えば化学蒸着で適用される窒化シリコンは実
際に特別の困難性の問題点を与える。該問題点は、厚さ
に比例して大きくなりかつウェファに脆弱性を与え、最
終的にその高さに比例して先行する写真技術により発生
するステップの不十分な被覆を生じさせる、フィルムの
大きい機械的欠陥、必要な厚さに対する遅い成長速度、
基板上に導入される禁止されるべき応力として、まとめ
ることができる。

第４図の８で示されるポリイミドの層は次いで写真食刻
プロセスにより処理されて、それぞれ５及び７で示され
るベース及びエリアボンドパッド及びエミッタセル２か
ら前記イミドが除去される。

これによりメツシュコンフィギユレーションを有する前
記ポリイミド層８は、エミッタセル２の周囲に位置する
ベース領域中の第１金属層の上に残る。

９で示される第２の金属化層が、これも好ましくはスパ
ッタリングにより第１の金属層６及びポリイミド層８上
へ加えられ、この上に残る。従って該第２の金属層９は
、ベースボンドパッドエリア５上により厚い金属層を形
成するだけでなく、エミッタ領域２をエミッタボンドパ
ッドエリア７に接続する役割を果たす。

前記ベースボンドバンドエリア５と前記エミッタボンド
パッドエリア７はオーム的に絶縁されなければならない
ことは明らかであり、そのため前記第２の金属層９が前
記ベースボンドパッドエリア５の全周に亘ってストリッ
プとして除去される。

該第２の金属化層のために使用される金属は第１の金属
化層に使用されたものと異なっていてもよく、又特にシ
リコン−アルミニウム合金の場合には第１の金属化層と
同じものを使用してもよい。

このように得られたエミッタ領域のセル状構造は、それ
ぞれ各セルの拡大縦断面図及び拡大平面図である第２図
（ａ）及び第２図（ｂ）に良好に示されている。

本実施例により実現できる構造の例として、セル又はエ
ミッタ２は、８０μの直径を有するエミッタドープされ
た領域上で３０μの直径を有することができる。前記エ
ミッタの周囲の酸化物リング３は典型的には、３０μの
内径と１３０μの外径を有し、放射方向の約２０μの酸
化物上に第１の金属層が重ねられている。

再度限定することを意図しない例として、第１の金属化
層は約３μの厚さを有し、文筆２の金属化層は６μの厚
さを有することができ、一方中間に重ねられたポリイミ
ド層は約３から３．６μの厚さを有することができる。

シリコン／金属接点が得られる本実施例のプロセスは、
デバイスの効率のために根本的な重要性を有する。ベー
ス及びエミッタ用の２種の別個の金属化層があるため、
それぞれの接点は２種の別々の時点で形成されなければ
ならない。低抵抗を有する接点を得るためには、シリコ
ンの表面が損傷されず付着物や固有の酸化物が存在しな
い必要があるということ力（注目されるべきである。

第１の金属化層は前記セル２の周囲のベースエリアとと
もに、前記セル自身の開口接点を被覆する。これは、シ
リコンを物理的にシールし、かつエミッタ接点の形成の
連続フェーズ間の汚れや損傷から保護することを可能に
する。本実施例によると実際に、単一フェーズでベース
及びエミッタ用の接点が開口される。この結果はエミッ
タセル内の金属／シリコン接点抵抗の最適化を許容し、
更に第２の金属化層の付着のために提供される表面がよ
り以上に平滑になる。この方法により、エミッタセルの
端部に対応する金属が最終的に薄くなることが防止され
る。

第１の金属層のバターニング後の熱処理は、シリコンと
金属間にベース及びエミッタのオーム接点を形成する。

次いでエミッタの電気接点が金属／金属接点の形態で形
成される。

（発明の効果） 上述のような方法で得られたトランジスタは強靭性及び
スイッチ速度の観点から顕著な特性を示す。

構造の最適なバランスを許容するマトリックスセルのコ
ンフィギユレーションは、■Ｓ／ｂ（直接セクンドブレ
ークダウン）又はＥｓ／ｂ（逆セクンドプレークダウン
）に起因するエミッタの集束点の存在とその結果生ずる
欠陥を排除する。

基本セルがスイッチオフする速度のために及び抽出電流
が「メツシュ」状のベース領域に沿って集められる速度
のために、スイッチングの性能も等しいエリアのインタ
ーディジティド（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉ　ｔｅｄ）ブレー
ナトランジスタに関してより良い結果を生じさせる。

セルの解決により、全デバイスの既知の部分である基本
デバイス上のみの電流を測定することにより、電流感知
を行うことが可能になる。

従って一般に実際の限界を越えて、プレーナ技術のよう
な比較的複雑でなく経済的である統合された技術により
組み立てられたデバイスの性能を向上させることが可能
である。実際に、前述の構造を得るために必要な付加的
な操作はプロセスの複雑化とコストの増加を招くが、最
終的な利点としてこれらは無視できる程度のものである
。

本発明に従って得られるデバイスの性能は実際に、製造
方法の単純性と比較した場合に、より評価されるであろ
う。操作の全工程数は実際に少なく維持され、付加的な
ステップはポリイミドと第２の金属層の付着と写真食刻
のみである。

前述の通り、これらの操作は一般に利用されているもの
と異なった装置及び技術の使用を必要としない。例えば
スピンコーティングで付着できるポリイミドの使用のた
めの付加的な投資は不要である。

他の無機タイプの絶縁物を使用することができるが、こ
れらは洗練された装置と大きな投資、付加的なサービス
及び危険なガスの使用を必要とする。

第３図は、エミッタセルのマトリックスコンフィギユレ
ーションを有するウェファを示している。

ベースボンドパッド５及びエミッタボンドパット７も明
瞭に見ることができる。

静的及び動的タイプの電気的測定を前述の通りにトラン
ジスタ上で行うことができる。

開口するベース及び短絡したエミッタ及びベースのブレ
ークダウン測定は、他の従来のバイポーラトランジスタ
の測定と類似する結果を示す。

動的タイプの電気的測定は、本発明によるセル状構造が
例えば中空エミッタ構造より当かに速くナノ秒の数十倍
のオーダーの下降速度に達することを示す。

これらの結果は、電圧及び電流抽出の両者の場合の基本
セルのスイッチオフの容易性のために得ることができる
。

記憶も同じ条件で、中空のエミッタデバイス中よりも迅
速であることをそれ自身示している。

金属化された２種の層の存在はベースとエミッタ間のキ
ャパシティを誘導するが、これはスイッチ速度に何の負
の影響も与えない。

実際に抵抗負荷上で行われる測定は、本発明によるデバ
イスのスイッチ速度が同じ条件における中空のエミッタ
デバイスのそれにどのようにも匹敵し、更に上昇がより
迅速であることを示している。

本発明により製造される多セル構造は、電圧及び電流抽
出の両者の場合に開口ベースでブレークダウン電圧を越
えて７アンペアをスイッチングすることを可能にするＲ
ＢＳＯＡの場合にも最適の挙動を示す。

上述したことから、低コスト技術により製造され、かつ
より洗練された技術により製造される従来の半導体デバ
イスの性能に匹敵する性能をも有する半導体デバイスを
製造するという本発明の目的が達成されることが分かる
であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明が従来技術から離れることになるその
出発点を形成する不完全なＮＰＮ　）ランジスタの構造
を概略的に示し、第２図（ａ）及び第２図（ｂ）は、そ
れぞれ本発明によるデバイスのエミッタ領域を例示する
断面図及び平面図であり、第３図は、本発明によるデバ
イスのマトリックスコンフィギユレーションのセルを有
する構造を例示する平面図であり、第４図は、第３図の
ｍ−ｍ線断面図である。 ・ベース領域　２・・・エミッタ領域 ・環状酸化物　４・・・酸化物エリア ・ベースボンドバンドエリア ・第１金属層 ・エミッタボンドパッドエリア ・第１絶縁層　９・・・第２金属層 ・第２絶縁層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）第１及び第２のタイプの導電性の物質の積層から
   形成されるコレクタ及びベース；該ベース（１）上のマ
   トリックスアレイ中に位置する第１のタイプの導電性の
   一連の分離されたセル状領域（２）；ベース−エミッタ
   接合接点の上の前記セル状領域の周囲に位置し互いに分
   離されている一連の環状酸化物領域；及びベース（５）
   及びエミッタ（７）のためのボンドパッドエリアを含ん
   で成り、かつ前記セル状領域（２）と前記ベース（１）
   の物質が逆の導電性でありこれにより前記セルの周囲の
   連続するベース領域中にエミッタ領域を形成するセルの
   マトリックスアレイにより複数の前記ベース−エミッタ
   接合を形成するようにしたバイポーラ半導体デバイスに
   おいて、 前記エミッタボンドパッドエリア（７）及び前記環状酸
   化物領域（３）の上面を除いた連続するベース領域（１
   ）及び前記エミッタ領域（２）上に形成され、これによ
   り前記ベース領域上の金属及び前記エミッタ領域上の金
   属が電気的に遮断されるようにした第１の金属層（６）
   ；前記ベースボンドパッドエリア（５）を除いたベース
   領域の金属上に重ねられ、更に前記酸化物領域（３）上
   にも重ねられたポリイミドにより形成された第１の絶縁
   層（８）；第２の金属層を通しての、前記ベース及びエ
   ミッタのボンドパッドエリア間の連続した電気的接点を
   除いた、前記エミッタ領域に対応する第１の金属層上、
   前記絶縁層上、及び前記ベース及びエミッタボンドパッ
   ドエリア上のそれぞれに重ねられ、これにより金属化さ
   れた前記第１及び第２の層が前記エミッタ領域中の２種
   の重ねられた面上で電気的に接触するようにした第２の
   金属層（９）；及び前記ベース及びエミッタボンドパッ
   ドエリアを除いた前記第２の金属層上に受動層として重
   ねられたポリイミドで形成された第２の絶縁層（１０）
   とを含んで成ることを特徴とするバイポーラ半導体デバ
   イス。 （２）第１及び第２の金属層が同じ金属により形成され
   ている請求項１に記載のデバイス。 （３）ＰＮＰタイプのパワートランジスタとして形成さ
   れている請求項１に記載のデバイス。 （４）ＮＰＮタイプのパワートランジスタとして形成さ
   れている請求項１に記載のデバイス。 （５）トランジスタがプレーナタイプである請求項３又
   は４に記載のデバイス。 （６）トランジスタがメサタイプである請求項３又は４
   に記載のデバイス。 （７）サイリスタとして形成されている請求項１に記載
   のデバイス。 （８）ＧＴＯソリッドステートスイッチとして形成され
   ている請求項１に記載のデバイス。 （９）集積回路の一部として形成されている請求項１に
   記載のデバイス。 （１０）集積回路が２又はそれ以上の段を有するダーリ
   ントン回路である請求項９に記載のデバイス。 （１１）ベースの形成、酸化、ベース酸化物中のウィン
   ドウの開口、及びベース−エミッタ接合における酸化物
   を保護しながらエミッタ領域の形成のためのドーパント
   の拡散の、初期操作を行うことを含んで成るバイポーラ
   半導体パワーデバイスの製造方法において、 第１の金属化層を付着させ、かつ写真食刻法により前記
   第１の金属層の金属をエミッタ領域の酸化物表面から及
   びエミッタボンドパッドエリアの酸化物から除去し；絶
   縁用のポリイミドから成る第１の絶縁層を付着させ、か
   つ写真食刻法により前記絶縁物をエミッタ領域から及び
   エミッタ及びベースボンドパッドエリアから除去し；第
   ２の金属化層を付着させ、かつ該第２の金属層の金属を
   写真食刻法により前記ベースボンドパッドエリアを囲む
   連続するストリップから除去し；かつ受動層としてポリ
   イミドにより形成された第２の絶縁層を付着させ、かつ
   該第２層の絶縁物を前記ベース及びエミッタボンドパッ
   ドエリアから除去する上記各操作を順に行うことを含ん
   で成ることを特徴とするバイポーラ半導体デバイスの製
   造方法。 （２）第１及び第２の金属化層の付着を同じ金属を使用
   して行う請求項（１１）に記載の方法。 （１３）第１及び第２の絶縁層の付着をスピンコーティ
   ングで行う請求項（１１）に記載の方法。 （１４）第１及び第２の金属化層の付着をスパッタリン
   グで行う請求項（１１）に記載の方法。