JPH05190839A - 静電誘導型半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

静電誘導型半導体装置およびその製造方法

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JPH05190839A
JPH05190839A JP615892A JP615892A JPH05190839A JP H05190839 A JPH05190839 A JP H05190839A JP 615892 A JP615892 A JP 615892A JP 615892 A JP615892 A JP 615892A JP H05190839 A JPH05190839 A JP H05190839A
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聡 宮崎
Hoki Haba
方紀 羽場
Takayasu Kawamura
貴保 川村
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 制御電極部のゲート層中にその深さ方向に沿
った溝状の不純物層を形成することにより、高性能にし
て高信頼性の静電誘導型半導体装置を得る。 【構成】 制御電極部を構成するゲート層に深溝10
a,10bを形成し、この深溝の表面に不純物を成膜し
た後に拡散して不純物層を形成するとともに、深溝に沿
って形成された不純物層の表面に金属層12を成膜す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は静電誘導型半導体装置お
よび静電誘導型半導体装置の製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】大容量静止無効電力補償装置(SV
G),可変電圧,可変周波数制御装置(VVVF)用に
用いる素子として、例えば、4500V×3000Aの
ゲートターンオフサイリスタを多重並列に組合せて5〜
10KHz動作で使用されている。そのゲートターンオ
フサイリスタの異常電圧防止のために、スナバーコンデ
ンサは6μF程度のものが使われている。従って、非常
に多数のゲートターンオフサイリスタを使う必要がある
場合は、関連装置が非常に大型化し、かつコストもかさ
むこととなる。この原因は500〜1KHzで使用する
ゲートターンオフサイリスタを用いているからでる。従
って、このような高周波で高圧,大容量に適した素子と
して、静電誘導型半導体装置である静電誘導サイリスタ
(以下、SIサイリスタと略記する)がある。
【0003】SIサイリスタは、導通時、ゲートとゲー
トの間でゲートターンオフサイリスタに比べて1桁以上
せまいカソードチャンネルを通して電流を流し、しゃ断
時は有効的に電流をゲートを通して流してやる構造にな
っており、スイッチング速度はゲートターンオフサイリ
スタよりも速い。このSIサイリスタを用いれば高周波
動作で高圧大容量パワー素子の実現が可能となる。この
ように、静電誘導サイリスタは、低損失,高速性の点か
ら優れた電力素子であるが、製造技術の難しさ及び制御
回路の複雑さから実現が遅れている。
【0004】図4は従来の静電誘導サイリスタの構成を
示すもので、この静電誘導サイリスタはP層1(アノー
ド層),N-層2(ベース層),N層3(カソード層)
およびP層4a,4b(ゲート層)によって構成されて
いる。AはP層1に電極5が装着されたアノード電極、
KはN層3に電極6が装着されたカソード電極、GはP
層4a,4bにそれぞれ電極7a,7bが装着されたゲ
ート電極である。ここで、8はSiO2からなる絶縁膜
である。P層1,N-層2およびP層4a(4b)によ
ってPN-Pトランジスタが形成され、N-層2,P層4
a(4b)およびN層3によって静電誘導トランジスタ
が形成される。
【0005】第4図の静電誘導サイリスタは、基本的に
はゲート電極G、カソード電極K間をゲート電極G側を
負に(逆バイアス)電圧を印加することによりアノード
電極Aとカソード電極K間の特性を阻止状態とするター
ンオフ素子である。この阻止状態は高抵抗の空間電荷層
がP−P層間に形成されることにある。従って、第4図
に示すP層4a,4b間の幅を狭くしかつP層4a(4
b)の深さを深くすると、高抵抗層は容易に(低い逆バ
イアス電圧で)形成され、ある値以下(又は以上)にな
ると、ゲート逆バイアスが無い状態でもオフ状態となる
いわゆるノーマルオフ型性能となる。また反対に幅を広
くし、深さを浅くするとノーマルオン状態、いわゆるノ
ーマルオン型性能となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】SIサイリスタはゲー
トターンオフサイリスタに比べて非常に狭いカソード面
積を持つ。すなわち、速い速度でオン,オフさせるため
にゲート間隔を狭める必要があった。従って、図4に示
すように、ゲート(P層4a,4b)の面積が非常に大
きくなり、電流を流せるカソード(N層3)の面積は小
さくなってしまう。
【0007】例えば、4インチウエハーを用いたゲート
ターンオフサイリスタでは、12cm2〜79cm2が有
効なカソード面積となるが、従来から使われている拡散
技術を用いて4500V耐圧のSIサイリスタを作製す
ると、N-層2(ベース層)へのP型ゲート拡散深さを
40μmにすると約2cm2しかとれない。従って、S
Iサイリスタの電流密度はゲートターンオフサイリスタ
の約1.5倍以上とすることができるので、従来の拡散
技術によるSIサイリスタは、4インチウエハーを用い
れば、4500×750Aの素子ができることとなる
が、電流容量においてゲートターンオフサイリスタの約
25%しかとれなくなってしまう。
【0008】この原因は、従来の拡散技術ではシリコン
(Si)上の酸化膜にホトリゾ工程で拡散窓を開け、拡
散炉中でB3+をB23の形で成膜後高温で押込み酸化を
するからである。このとき、B3+の拡散がSiの結晶面
に対して異方性が悪ければよいが、かなり等方的に拡散
され縦方向の拡散深さをXjとすると横方向は0.8X
jだけ拡散される。従って、図4に示すように、深く拡
散すれば横方向にも拡散は広がるため電流を通せるカソ
ード面積は同一寸法のウエハーにおいて減少する。この
ため、高周波動作と大容量とはSi基板の寸法を一定と
すればトレードオフの関係にある。
【0009】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、制御電極部のゲート層中にその深さ
方向に沿った溝状の不純物層を形成することにより、高
性能にして高信頼性の静電誘導型半導体装置を提供する
ことである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述目的を達
成するために、互に極性の異なる少なくとも2つの半導
体層の間に少なくとも1つの接合を有するウエハーに設
けられた少なくとも2つの主電極部と、前記ウエハーの
1つの半導体層に設けられ該1つの半導体層とは同極性
又は異極性である半導体層を有する制御電極部からなる
半導体装置において、前記制御電極部の半導体層に、該
半導体層の厚さ方向に伸びる不純物層を形成するととも
に、該不純物層の表面に金属層を形成して静電誘導型半
導体装置を構成する。
【0011】また、本発明において、互に極性の異なる
少なくとも2つの半導体層の間に少なくとも1つの接合
を有するウエハーに設けられた少なくとも2つの主電極
部と、前記ウエハーの1つの半導体層に設けられ該1つ
の半導体層とは同極性又は異極性である半導体層を有す
る制御電極部からなる半導体装置の前記制御電極部の半
導体層に該半導体層の厚さ方向に伸びる溝を設け、この
溝の表面に沿って拡散源である不純物を成膜した後拡散
押し込みするとともに、この拡散された不純物層の表面
に金属層を成膜して上記静電誘導型半導体装置を作る。
【0012】
【作用】制御電極部を構成するゲート層に深溝を形成
し、この深溝の表面に不純物を成膜した後に拡散して不
純物層を形成するものであるから、ゲート層内で幅方の
拡散幅が大きくなることなく、深く拡散できる。従っ
て、カソード面積を広くできるため、その分だけ同一寸
法のウエハーにおいて電圧,電流容量が大きくなる。ま
た、深溝に沿って形成された不純物層の表面に金属層を
成膜するものであるから、空孔などの発生による電流し
ゃ断時の欠陥原因を防止できる。
【0013】
【実施例】以下に本発明の実施例を図1〜図3を参照し
ながら説明する。
【0014】図1は本発明の実施例による静電誘導サイ
リスタを示すもので、同図において図4のものと同一部
材または相当部分には同一符号が付されている。本実施
例のSIサイリスタにおいては、P層4a,4b(ゲー
ト層)内に2段深溝10が形成されており、これらの2
段深溝10の表面に不純物としての高濃度B3+ドープポ
リシリコン層11が形成されているとともに、高濃度B
3+ドープポリシリコン層11の表面にはアルミニウムか
ら金属膜12が形成されている。ここで、2段深溝10
は、図1と図2に示すように、制御電極部を形成するP
層(ゲート層)4の一方の面からその深さ方向に開口す
る第1の溝部10aと、この第1の溝部10aに連通し
てP層(ゲート層)4の深方向に伸びかつ第1の溝部1
0aの径よりも小なる径を有する第2の溝部10bによ
って構成されている。
【0015】P層1(アノード層)と金属層5は主電極
部としてのアノード電極部を構成し、N+層2(カソー
ド層)と金属層3は主電極としてのカソード電極部を構
成するとともに、P層4a,4b(ゲート層)と不純物
拡散層11および金属膜12は制御電極部を構成する。
【0016】本実施例では例えば4インチ基板を用いて
4500Vで10KHz動作が可能なSIサイリスタを
製作する。この場合、ゲートターンオフサイリスタ
「4.5KV×3KA)の約半分以上の電流容量を持つ
素子を実現するための新ゲート(P型)構造を形成する
方法について述べる。
【0017】4500Vを電圧利得180でしゃ断する
にはゲート・カソード間電圧VGK=25Vが必要とな
る。このときのゲート深さは、図1に示すように、約4
0μmとなり、カソード幅は約10μmとなる。また、
4500V耐圧に必要なN-ベースの厚さは480μm
以上となる。4インチ基板で4500V×1500Aの
SIサイリスタを実現するには、従来法によるカソード
面積2cm2の倍の4cm2のカソード面積にする必要が
ある。
【0018】そこで図2に示すような2段溝を作製し、
この2段溝表面よりB3+を10〜15μmだけ縦方向と
横方向に拡散させる。4500V耐圧に必要なP型ゲー
ト部分の厚みは7〜10μmであるので、B3+拡散は1
5μmがよい。このとき横方向には0.8〜0.9Xj
拡散され、図1に示すようなP型ゲートが形成されるこ
とになる。2段深溝10の形成は、反応性イオンエッチ
ング装置(RIE)を用いて行い異方性エッチングと等
方性エッチングを並用して行うことで実現できる。
【0019】通常、このような深溝エッチングするとブ
ラックSiと呼ばれる異物等が溝の表面上に付着するの
でこれらを除去し、クリーンな表面とした後、高B3+
ープポリシリコンを溝表面上に低圧化学蒸着(LPCV
D)で成膜し、拡散押し込み後、次にアルミニウムをス
パッタリングで溝に空孔が出来ないように成膜する。こ
のようにして、4500V×1500A(しゃ断電流)
の容量を持つSIサイリスタを作製した。作製したSI
サイリスタを10KHzで動作させた結果、十分に15
00Aの電流をしゃ断することができた。なお、2段深
溝としたのは加工し易くするために、まず径が大きい第
1の溝部10aを形成し、次に径の小さい第2の溝部1
0bを形成するようにしたものである。
【0020】上述の製造方法によれば、P層(ゲート
層)4に2段深溝を形成するものであるから、次の拡散
源であるポリシリコンの溝表面におけるブリッジ形成を
防止でき、均一な拡散が可能である。また、深溝を形成
するものであるから、アルミニウムの成膜時も溝の深部
にもアルミニウムを成膜でき、電流しゃ断時における欠
陥である空孔などの発生を防止できる。従って、新ゲー
ト構造により約2倍の電流容量を持つ高圧大容量で高周
波動作が可能なSIサイリスタを実現できる。
【0021】なお、本発明においては、溝部の形状は2
段深溝に限定されるものではなく、任意の形状でよい。
【0022】
【発明の効果】本発明は、以上の如くであって、制御電
極部を構成するゲート層に深溝を形成し、この深溝の表
面に不純物を成膜した後に拡散して不純物層を形成する
ものであるから、ゲート層内で幅方の拡散幅が大きくな
ることなく、深く拡散できる。従って、カソード面積を
広くできるため、その分だけ同一寸法のウエハーにおい
て電圧,電流容量が大きくなるとともに、深溝に沿って
形成された不純物層の表面に金属層を成膜するものであ
るから、空孔などの発生による電流しゃ断時の欠陥原因
を防止でき、高性能にして高信頼性の静電誘導型半導体
装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による静電誘導型半導体装置の
正断面図。
【図2】本発明の実施例による静電誘導型半導体装置の
製造工程を示す正断面図。
【図3】本発明の実施例による静電誘導型半導体装置の
製造工程を示す正断面図。
【図4】従来の静電誘導型半導体装置の正断面図。
【符号の説明】
1…P層(アノード層)、2…N-層(ベース層)、3
…N層(カソード層)、4a,4b…P層(ゲート
層)、5,6…金属層、10…2段深溝、10a…第1
の溝部、10b…第2の溝部、11…不純物層であるP
型ポリシリコン層、12…アルミニウム層、A…主電極
部であるアノード電極、K…主電極部であるカソード電
極、G…制御電極であるゲート電極。
フロントページの続き (72)発明者 川村 貴保 東京都品川区大崎2丁目1番17号 株式会 社明電舎内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 互に極性の異なる少なくとも2つの半導
    体層の間に少なくとも1つの接合を有するウエハーに設
    けられた少なくとも2つの主電極部と、前記ウエハーの
    1つの半導体層に設けられ該1つの半導体層とは同極性
    又は異極性である半導体層を有する制御電極部からなる
    半導体装置において、前記制御電極部の半導体層に、該
    半導体層の厚さ方向に伸びる不純物層を形成するととも
    に、該不純物層の表面に金属層を形成して構成したこと
    を特徴とする静電誘導型半導体装置。
  2. 【請求項2】 互に極性の異なる少なくとも2つの半導
    体層の間に少なくとも1つの接合を有するウエハーに設
    けられた少なくとも2つの主電極部と、前記ウエハーの
    1つの半導体層に設けられ該1つの半導体層とは同極性
    又は異極性である半導体層を有する制御電極部からなる
    半導体装置において、前記制御電極部の半導体層に該半
    導体層の厚さ方向に沿って段付溝状不純物層を形成する
    と共に、該不純物層の上に該不純物層の深さ方向に沿っ
    て金属層を形成したことを特徴とする静電誘導型半導体
    装置。
  3. 【請求項3】 互に極性の異なる少なくとも2つの半導
    体層の間に少なくとも1つの接合を有するウエハーに設
    けられた少なくとも2つの主電極部と、前記ウエハーの
    1つの半導体層に設けられ該1つの半導体層とは同極性
    又は異極性である半導体層を有する制御電極部からなる
    半導体装置の前記制御電極部の半導体層に該半導体層の
    厚さ方向に伸びる溝を設け、この溝の表面に沿って拡散
    源である不純物を成膜した後拡散押し込みするととも
    に、この拡散された不純物層の表面に金属層を成膜する
    ことを特徴とする静電誘導型半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 互に極性の異なる少なくとも2つの半導
    体層の間に少なくとも1つの接合を有するウエハーに設
    けられた少なくとも2つの主電極部と、前記ウエハーの
    1つの半導体層に設けられ該1つの半導体層とは同極性
    又は異極性である半導体層を有する制御電極部からなる
    半導体装置の前記制御電極部の半導体層に該半導体層の
    厚さ方向に次第に径が小になる段付溝を設け、この段付
    溝の表面に沿って拡散源である不純物を成膜した後押し
    込み拡散して不純物層を形成し、この拡散された不純物
    層の表面に金属層を成膜することを特徴とする静電誘導
    型半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6137124A (en) * 1996-11-20 2000-10-24 Robert Bosch Gmbh Integrated vertical semiconductor component

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