JPH0445579A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JPH0445579A
JPH0445579A JP2154621A JP15462190A JPH0445579A JP H0445579 A JPH0445579 A JP H0445579A JP 2154621 A JP2154621 A JP 2154621A JP 15462190 A JP15462190 A JP 15462190A JP H0445579 A JPH0445579 A JP H0445579A
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semiconductor
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徳能 太
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    • H10W10/20Air gaps

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  • Thyristors (AREA)
  • Element Separation (AREA)
  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)

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〕 この発明は複合形半導体装置とその製造方法1こ関する
もので、特に、素子間の抵抗分離に用0られる溝構造の
改良に関する。
〔従来の技術〕
第9図は、従来の逆導通ゲートターンオフサイリスタ(
逆導通GTO)100の素子分離領域付近の構造を示す
部分断面図であり、この第9図Cよ、第10図に平面図
として示した逆導通GTO100の部分100aをIX
−IX線に沿って見た断面lこ相当する。
逆導通GTO100は半導体基体110を有しており、
この半導体基体110は、nエミツタ層111 (nE
)、 pベース層112(pB)、nベース層113(
nB)およびpエミ・ツタ層]15(p )からなるp
npn4層構造を有してOる。第9図にはひとつのnエ
ミ・ツタ層111のみが示されているが、pベース層1
12上(こ4よ多数のnエミツタ層111が配列形成さ
れて(する。また、pエミッタ層115の相互間にはn
形高不純物濃度領域116(n”)が存在している。
この半導体基体110は、その中にGTOとダイオード
とを逆並列に組込んだ構造となっている。
領域GRはGTO領域であって、カソード電極層122
(K)、ゲート電極層123(G)およびアノード電極
層124(A)を介して外部回路と接続される。また、
領域DRはダイオード領域であり、電極層121がダイ
オードのアノード電極として用いられるとともに、電極
層124がそのダイオードのカソード電極としても機能
すφ。電極層121はカソード電極層122と電気的に
接続されている。
GTO領域GRとダイオード領域DRとの間には素子分
離領域SRが設けられている。この素子分離領域SRに
は、分離溝131を有する素子分離構造130が形成さ
れている。分離溝131はpベース層112を選択的に
エツチングして形成されており、その側壁132,13
3の下方にはオーバーエッチ部134,135が存在し
ている。
また、nベース層113のうち分離溝131の下方に存
在する部分に−は、選択的にp 分離層114が形成さ
れている。
pベース層112のうち分離溝131の底部に存在する
p領域112Cは、そのシート抵抗によって、9層11
2をGTO領域GR内の部分112aとダイオード領域
DR内の部分112bとに抵抗分離する機能を有してい
る。すなわち、p領域112Cのシート抵抗による分離
抵抗は電極層121.123の間に等測的に介挿される
ことになるため、p領域112Cを介したゲート・カソ
ード間のもれ電流を低下させることができる。
第11図は、分離溝131の拡大図である。
般に拡散条件などが同一の場合には、p領域112Cに
おけるシート抵抗はこのp領域112Cの厚さに依存す
る。このp領域112Cの厚さは分離溝131の底面1
36の中央部分とオーバーエッチ部134,135とで
は異なるが、オーバーエッチ部134.135のそれぞ
れの幅Waは分離溝131の全幅Wよりもかなり小さい
。したがって、実質的に領域112Cによる逆導通GT
O100の分離抵抗は、分離溝131の底面136の中
央部分におけるp領域112Cの厚さD によって定ま
る。そして、この厚さD が小さいはど分離能力が高く
なる。
一方、GTO領域GRに順方向電圧を印加した場合には
9層112内に空乏層が伸びる。第9図中に破線で囲ん
だオーバーエッチ部134付近についてのこのような空
乏層の伸びが第12図に模式的に示されている。順方向
印加電圧が上昇すると空乏層140の伸び量が増大し、
その上端141がオーバーエッチ部134に近づいて分
離溝131へと露出する。すると、オーバーエッチ部1
34の上に付着しているイオンなどの影響によって空乏
層140の上端に局所的な電界集中が生じ、逆導通GT
O100にブレークダウンが生ずることがある。このた
め、逆導通GTO100の順方向耐圧を向上させるには
、オーバーエッチ部134.135の最深部におけるp
領域112cの厚さDb (第11図)は大きい方がよ
いことになる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、従来の逆導通GTO100ではDbくD の
関係があるため、厚さD5を太きくしようとすると必然
的に中央部分の厚さD も大きくなってしまう。すなわ
ち、分離抵抗と順方向耐圧との間にはトレードオフが存
在し、双方を同時に向上させることは困難である。第1
3図はこのような状況を例示するグラフであって、分離
抵抗が約70Ωを超えると順方向耐圧が低下し始めるこ
とがわかる。なお、第13図中の破線はpB ”B接合
の耐圧の理論値を示している。
この発明は従来技術における上記の問題を解決すること
を意図しており、分離抵抗と耐圧との双方を高めること
ができる複合形半導体装置とその製造方法とを提供する
ことを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明の複合形半導体装置は、上記目的を達成するた
め、(a)  半導体基体の第1の領域に形成された第
1の半導体素子構造と、(b)  前記半導体基体の主
面に平行な方向において前記第1の半導体素子構造から
離れて形成された第2の半導体素子構造と、(c)  
前記第1と第2の半導体素子構造の間に設けられた素子
分離構造とを備え、前記素子分離構造は、前記主面上に
形成され、かつその中心に向ってステップ的に順次に深
くなる多段溝を有する。
好ましくは、前記多段溝の内壁部分におけるステップ構
造の幅は、前記多段溝の全幅の10%以上とする。
また、この発明の複合形半導体装置の製造方法は、(a
)  主面上の所定のエリアをはさんで前記主面に平行
な方向に配列された第1と第2の半導体素子構造を半導
体基体に形成する工程と、(b)前記半導体基体の前記
主面のうち前記エリア内に存在する部分を選択的にエツ
チングすることにより、所定の幅を有する溝を前記エリ
ア内に形成する工程と、(c)  前記半導体基体の前
記主面のうち前記溝を含みかつ前記溝よりも広い範囲を
選択的にエツチングすることにより、中心に向ってステ
ップ的に順次に深くなる多段溝を形成する工程とを備え
る。
この製造方法において、前記工程(c)が、前記多段溝
の内壁部分に、前記多段溝の全幅の10%以上の幅を持
つステップ構造が形成されるように前記半導体基体の前
記主面を選択的にエッチンーグする工程を有することが
好ましい。
〔作用〕
この発明の半導体装置においては、中心に向ってステッ
プ的に順次に深くなる多段溝を用いて素子間の抵抗分離
が行われている。多段溝においては、その最端部の深さ
をあまり深くすることなしに、中央部の深さを深くする
ことができる。このため、耐圧を減少させることなしに
分離抵抗を増大させることができる。特に、多段溝の内
壁部分のステップ構造の幅を多段溝の全幅の10%以上
とすることにより、多段溝の最端部付近の局所的形状に
影響されずに中央部分の深さを十分に深くすることがで
きる。
また、この発明の製造方法では上記、多段溝をエツチン
グの繰返しによって得ており、多段溝の最端部のオーバ
ーエッチ深さに制約されずに、多段溝の中央部分の深さ
を深くすることができる。
〔実施例〕
<A、デバイス構造〉 第1図はこの発明の一実施例である逆導通GT01の部
分断面図であり、この第1図は第2B図に平面図として
示す逆導通GTO1の部分1aをI−I線に沿って見た
断面に相当する。また、この逆導通GTO1は、第2A
図に示すようにGTOとダイオードとの逆並列接続に相
当する。
第1図に示すように逆導通GTO1は半導体基体10を
備えている。半導体基体1oにおいてはnベース層13
 (n B)の上にpベース層12(pn )が形成さ
れている。pベース層12の上には選択的にnエミツタ
層11が設けられている。
第1図中にはひとつのnエミツタ層11のみが示されて
いるが、半導体基体1o上には多数のエミツタ層11が
配列している。また、nベース層13の下側部分には選
択的にnエミツタ層15(pE)が形成されている。n
エミツタ層15の相互間にはn形高不純物濃度領域16
(n)が存在する。
半導体基体10はその主面に平行な方向に沿って配列し
た3つの領域GR,DR,SRを有している。領域GR
はGTOを構成し、領域DRはダイオードを構成する。
領域SRはこれらのGTO領域GRとダイオード領域D
Rとの抵抗分離に用いられる素子分離領域であり、この
領域SRには素子分離構造30が設けられている。この
素子分離構造30は、9層12に形成した多段溝31を
有している。この多段溝31の全幅は側壁32゜33に
よって規定されており、その中心に向ってステップ的に
順次に深くなっている。したがって、多段溝31の底面
36の幅は、側壁32.33の間の距離すなわち多段溝
31の全幅よりも狭い。
領域GR,DR,SRによる区分に従って、9層12は
p領域12a、12b、12cへと区分される。また、
nベース層13の下部には、この底面36に相当する幅
を持ったp形高不純物濃度領域14(p”)が形成され
ている。
半導体基体10の下側主面上にはモリブデンからなるア
ノード電極層24がロウ付けされている。
また、nエミツタ層11の上にはカソード電極層22が
設けられている。nエミツタ層11が多数設けられてい
ることに対応して、カソード電極層22も同心円状に多
数配列している(第2B図)。
また、p領域12bの上にはダイオードのアノード電極
層21が形成され、カソード電極層22と共通接続され
る。さらに、p領域12aの上にはゲート電極23が配
列形成されている。これらの電極層21.22.23は
たとえばアルミニウムによって形成されている。
この逆導通GTO1の動作特性は多段溝31の形状に依
存するが、その形状の細部は多段溝31の形成プロセス
を通じて理解できる。そこで以下ではこの逆導通GTO
1の製造プロセスを説明し、その後に逆導通GTO1の
動作特性について述べる。
<B、製造プロセス〉 まず、第3A図に示すようにn形半導体基板53の上側
主面側にn拡散層52を設けた構造を得る。この構造は
たとえばn形シリコンウェハの両生面にp彫工鈍物を拡
散し、下側主面側のp拡散層をラップオフプロセスによ
って取除くことによって得られる。
次に、第3B図に示すようにn拡散層52の上側主面に
n彫工鈍物の選択拡散を行い、n拡散層51を得る。ま
た0層53の下側主面にn彫工鈍物を高濃度に拡散した
後、p彫工鈍物の選択拡散を行うことによってp 層5
4.p層55およびn+層56を得る。0層51は、層
54〜56を得た後に形成してもよい。
次のステップl!3C図)では、n拡散層52の上面を
選択的にエツチングして浅い凹部52a。
52bを形成する。また、この凹部52a、52bとn
拡散層51の側部を含むエリアがさらに選択的にエツチ
ングされ、n拡散層51がメサ形とされる(第3D図)
次のステップ(第3E図)では第3D図の構造の上面全
面にシリコン酸化膜61を形成し、写真製版プロセスを
用いてこの酸化膜61をバターニングする。パターニン
グされた後の酸化膜61は、素子分離領域SRとなるべ
きエリアARの中央部分に窓62を有している。この窓
62の幅はエリアARの幅より小さい。そして、この酸
化膜61をマスクとしてp層52を選択的にエツチング
することにより比較的浅い溝41を形成する。この溝4
1の深さは形成すべき多段溝の深さの約15%以上が好
ましい(数値例は後述する)。このエツチングは弗酸と
硝酸との混合液、またはこれらに酢酸を添加したエッチ
ャントを用いて行う。このウェットエツチングを以下で
は「第1回エツチング」と呼ぶ。この第1回エツチング
によって溝41の両端にはオーバーエッチ部42が形成
されるが、満41を浅く形成するため、そのオーバーエ
ッチ量もわずかである。
酸化膜61を除去した後、上面全面に新たなシリコン酸
化膜63(第3F図)を形成する。写真製版プロセスを
用いてこの酸化膜63を選択的に除去し、それによって
この酸化膜63をバタ一二ングする。パターニングされ
た後の酸化膜63はエリアARの幅と実質的に同一の幅
の窓64を有している。第3E図の酸化膜61を比較的
厚く形成した場合には、酸化膜61を選択的に取除いで
酸化膜63を得てもよい。
次に、酸化膜63をマスクとし、上記と同様のエッチャ
ントを用いて9層52の上面を選択的にエツチング(第
2回エツチング)する。この第2回エツチングによって
溝41の深さが全体的に深くなるほか、この溝41の外
側に位置する9層52の部分も除去される。その結果、
両端にステップ構造34.35を有する多段溝31が得
られる。
ステップ構造34.35のそれぞれの端部にはオーバー
エッチ部42.43が存在する。このうち、オーバーエ
ッチ部43は、第2回エツチング時に形成されたもので
ある。その後、酸化膜63を除去し、第1図の電極層2
1〜24を形成して逆導通GTO1が得られる。第3F
図の層51〜56は、それぞれ第1図の層11〜16に
相当する。
くC0詳細形状と動作特性〉 二の製造プロセスによって得られた多段溝31の形状の
詳細は次の通りである。まず、最初の溝41が形成され
た時点での状態を示す第4A図において、この溝41の
幅w1はたとえば2.On−とされる。そして溝41の
中央部分の深さD はおよそ10μmである。このよう
な溝41の形成にあたって、のその深さとオーバーエッ
チ量D2との関係を調べてみると、 D2−  k−DI         ・・・(1)の
関係があり、比例定数には0.1−0.15の値となっ
ていることが確認されている。したがって、オーバーエ
ッチ量D2は約1.0〜1.5μmである。
多段溝31を形成し終った状態を示す第4B図において
、この多段溝31の全幅Wはたとえば3.0■lとされ
る。したがって、ステップ構造34゜35の幅つまりス
テップ面37.38のそれぞれの幅W2は、 W2g−(W−Wl)/2 =   0.5  m+*             
  −(2)となる。また、多段溝31の深さD3が6
0μmとなるようにエツチングを行う場合には、オーバ
ーエッチ部43におけるオーバーエッチ量D4はたとえ
ば6〜9μmとなる。このため、2層12と0層13と
の界面Jから多段溝31の底面36の中央部分までの距
離、すなわちp領域12cmの中央部分の厚さDAに対
して、オーバーエッチ部42.43のそれぞれから界面
Jまでの距離DB。
Doは次のような関係にある。
DB−DA−D2 −  DA−1,Ourn      −(3)DC−
DA+DI−DA −DA+10μm−m−6t t DA+4μm      ・・・(4)ただし、D
、D、DAとしてそれぞれ10μm。
1.0μm、6μmの値を例として用いている。
(3)、 (4)式の関係によって次のことがわかる。
まず、 (3)式によればオーバーエッチ部42の底部
は多段溝41の中央部分の深さよりも深くなるが、その
差は1.0μm程度である。従来技術における厚さり、
Db (第11図)の関係は、たとえば Db−Da 6.0 μm      ・・・(5)と
なるため、実施例の逆導通GTO1では多段溝31の底
面36はその全域にわたって実質的にフラットであり、
オーバーエッチ部42が界面Jにあまり近づいていない
ことがわかる。これは、第2回エツチングにおいてはオ
ーバーエッチ部42の形状は実質的に変わらず、第1図
エツチング時のオーバーエッチ量D2が維持されている
ためである。
多段溝31の側壁32.33の直下に存在するオーバー
エッチ部43は、(4)式からゎがるように底部36よ
りもがなり上に存在する。したがって、このオーバーエ
ッチ部43がpm域12cの電気的特性に与える影響は
ほとんど無視できる。
第5図はステップ構造34の模式的拡大図である。逆導
通GTO1に順方向電圧を印加すると2層12と0層1
3との間の界面Jがら空乏層7゜が伸びるが、空乏層7
oの上端71はオーバーエッチ部42に容易には近づか
ない。したがって、厚さDAを小さくすることによりG
TOとダイオードとの分離抵抗を大きくしても、空乏層
70の上端71が9層12の表面に容易に露出すること
はない。その結果、分離抵抗と順方向耐圧との双方を向
上させることができる。換言すれば、分離抵抗の値を従
来と同じにしたときには順方向耐圧が著しく向上する。
また、順方向耐圧を従来と同じにしたときには分離抵抗
の値が著しく向上する。
第6図はこのような関係を示すグラフである。
実施例の逆導通GTOIでは分離抵抗を100Ω近くま
で向上させても順方向耐圧は低下しない。また、順方向
耐圧が低下し始める領域でも従来例よりも高い耐圧が確
保される。
ところで、ステップ構造34.35のそれぞれの幅W2
 (第4B図)をあまり小さくするとオーバーエッチ部
42.43が部分的に重なり、その結果としてオーバー
エッチ部42の深さが深くなってしまう。このため、こ
の幅W2をあまなり小さくしない方がよい。逆導通GT
OIを形成するためのシリコンウェハとして直径100
鰭のつエバを使用し、シリコン酸化膜をマスクとしてエ
ツチングした場合には、オーバーエッチ部43の横方向
の幅はエツチングを行うエリアの全幅Wの5〜lO%で
あることが確認されている。したがってステップ構造3
4.35の幅W2はエリアARの幅つまり多段溝41の
全幅Wの10%以上であることが好ましい。この実施例
における幅W2− O,Sm園はエリア幅W−3嘗嘗の
10%よりも大きいことは容易に確認できる。
<D、他の実施例〉 第7図はこの発明の他の実施例における多段溝81を示
す。この多段溝81の両端部にはステップ構造82.8
3が存在し、これらのステップ構造82.83のそれぞ
れは2段ステップ構造となっている。このような2段ス
テップ構造はエツチング幅を順次に広げた3回のエツチ
ングによって得ることができる。このステップ構造82
,83の幅W2も分離溝81の全幅Wの10%以上とす
ることが好ましい。また、各ステップの個別の幅W21
’ W22の関係は任意であり、第8A図のように幅W
2□、W22を同一としてもよく、第8B図のように幅
W21.W2・2が異なっていてもよい。3以上のステ
ップを有するステップ構造も利用可能である。
この発明は素子間の抵抗分離を必要とする一各種の複合
形半導体装置に適用できる。たとえばGTO以外のサイ
リスタとダイオードとの逆並列接続を含んだ装置たとえ
ば逆導通G A T T (Gate Ass。
clated Turn−Off Thyrister
)や、メインサイリスタと補助サイリスタとを有する光
サイリスタがその例である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、請求項1記載の発明によれば、多
段溝を用いて素子間の抵抗分離を行っているため、最端
部深さに制約されずに中央部分深さを決定可能である。
このため、分離抵抗と耐圧との双方を増大させた複合形
半導体装置を得ることができる。
また、請求項2の発明では多段溝の最端部付近の局所的
形状に影響されずに中央側の溝の深さを深くすることが
できるため、分離抵抗と耐圧とをさらに向上させること
ができる。
さらに、請求項3.4の発明ではエツチングの繰返しに
よって上記多段溝を得ており、多段溝の最端部のオーバ
ーエッチ深さに制約されずに多段溝の中央部分の深さを
深くすることができる。これによって、分離抵抗と耐圧
との双方を高めた半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例である逆導通GTOの部分
断面図、第2A図は逆導通GTOの等価回路図、第2B
図は実施例の逆導通GTOの平面図、第3A図から第3
F図は実施例の逆導通GTOの製造プロセスを示す工程
断面図、第4A図および第4B図は実施例の多段溝構造
の各製造ステップにおける拡大図、第5図は実施例の多
段溝の特性説明図、第6図は実施例の逆導通GTOにお
ける分離抵抗と順方向耐圧との関係を示すグラフ、第7
図、第8A図および第8B図はこの発明の他の実施例の
部分図、第9図は従来の逆導通GTOの部分断面図、第
10図は従来の逆導通GTOの平面図、第11図は従来
の抵抗分離溝の拡大図、第12図は従来の逆導通GTO
の特性説明図、第13図は従来の逆導通GTOにおける
分離抵抗と順方向耐圧との関係を示すグラフである。 図において、1は逆導通GT0,10は半導体基体、G
RはGTO領域、DRはダイオード領域DRは分離領域
、30は素子分離構造、31は多段溝、34,35はは
ステップ構造である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)複合形半導体装置であって、 (a)半導体基体の第1の領域に形成された第1の半導
    体素子構造と、 (b)前記半導体基体の主面に平行な方向において前記
    第1の半導体素子構造から離れて形成された第2の半導
    体素子構造と、 (c)前記第1と第2の半導体素子構造の間に設けられ
    た素子分離構造とを備え、 前記素子分離構造は、 前記主面上に形成され、かつその中心に向ってステップ
    的に順次に深くなる多段溝を有することを特徴とする半
    導体装置。
  2. (2)請求項1記載の半導体装置において、前記多段溝
    の内壁部分におけるステップ構造の幅は、前記多段溝の
    全幅の10%以上とされていることを特徴とする半導体
    装置。
  3. (3)複合形半導体装置の製造方法であって、(a)主
    面上の所定のエリアをはさんで前記主面に平行な方向に
    配列された第1と第2の半導体素子構造を半導体基体に
    形成する工程と、 (b)前記半導体基体の前記主面のうち前記エリア内に
    存在する部分を選択的にエッチングすることにより、所
    定の幅を有する溝を前記エリア内に形成する工程と、 (c)前記半導体基体の前記主面のうち前記溝を含みか
    つ前記溝よりも広い範囲を選択的にエッチングすること
    により、中心に向ってステップ的に順次に深くなる多段
    溝を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装
    置の製造方法。
  4. (4)請求項3記載の方法において、 前記工程(c)が、 前記多段溝の内壁部分に、前記多段溝の全幅の10%以
    上の幅を持つステップ構造が形成されるように前記半導
    体基体の前記主面を選択的にエッチングする工程を有す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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