JPS5927571A - ゲ−トタ−ンオフサイリスタ - 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】 本発明はゲート制御極付半導体素子に係シ、特にゲート
ターンオフサイリスタに関するものである０ ゲートターンオフサイリスタ（以ＦＧＴｏと称する）は
Ｐ　Ｎ、、Ｐ　Ｈの４１−３接合よりなり、例えば陽極
から陰陣に負荷電流を導通した状態で、陰極からゲート
方向（４−ゲート電流を流すことによって負荷すをオフ
させる機桶を有する。このようなＧＴＯで爪間な性能は
可制御電流Ｘａｔ。といわれ、９れは通常オフし得る負
荷１区流の値で示される０このような工、□。の増大化
を図るものとして、従来、２０１図に示すようなＧＴＯ
が本出願人によって提案されてｈる。即ち＠１図は埋込
形ゲート電極を有するＧＴＯであって、／はＰ、層コ、
Ｎ！魔、ｚ、ｐｍ周りを有する円板状のウェハで、Ｐ２
Ｊ轡ｌの表面に高濃度不純物を有するＰ！＋＋層Ｊを設
け、更にその上部に比較的低濃度の不純物を有するＰｚ
−Ｊ＠ＡとＮ’、’　＃’７、およびゲート電流増幅用
の小面積Ｎ３層♂を設けるとともて、最外周にリング状
のＮ４層９を形成している。

なおＩＯは円板状の金Ｈ４層、ｌ／〜／３はそれぞれ同
心状に設けられたリング状の金へ層、／ＱはＰ、層コの
露出表面に設けられた金ＰＡ層でアノード電極部Ａを形
成する。また、Ｋはカソード電極部、Ｇ１は第１のゲー
ト電極部、Ｇ２は第２のゲート電極部であυ、Ｐ１ｆ＠
２＋Ｎ１）崎’ＩＰ！／脩”＋Ｐ！→層ｊ　Ｉ、Ｐ−ｊ
−）菌ＡおよびＮ２層７にｊＺ）−ｒ主ＧＴＯ部Ｍ（）
が形成され、Ｐ、層コｒ　Ｎ１層Ｊ、Ｐ２層１、抵抗抗
層Ｐ＋＋層ｊ　＋　Ｐ　２”’ｊｊＺお工びＮ５）１１
５’によって補助（）Ｔｏ部ＡＧが形成される。

第２図は第１図のＧＴＯの濃度分布を示すものである。

ｍ２図で横ｉＩ！ｌ１１１）はＪ’、ｉ（み方向の距離
を、縦軸０．は不純物濃度を示す。第２図に示すよりな
ＧＴＯは次の工程によって製作される。すなわち、Ｎ型
シリコン（ｓｌ）ウェハ／の両面に通常の封入拡散法に
よつ、てガリウム（Ｇａ）を拡散してｐＩＮＩＰ２層を
・作り、更にＰ２層表面にＪｊ１定のパターンに酸化膜
（日１ｏ２）を用いてボロンを高濃度に拡散すること（
でよ、！７Ｐ２＋＋　層を作る。この上にエビタギシャ
ル法でＰｚ一層を形成し、更に選択拡散法によって燐を
拡散してＮ、層を作る。

なお本実験に用いたサンプルのディメンジョンは、５０
Ω−ｃｍの比抵抗のＮ１層の厚さが２６０８ｍ５ＩＪ２
層が１０μｍ１その表面濃度を１〜６Ｘ　ｌ　Ｏ”　ａ
ｔｏｍｓ　７ｃｍ””、Ｐ、層のシート抵抗を６Ω、ボ
ロン埋込層Ｐ！０の厚みを７μｍとし、□そのシート抵
抗は０．６０としである。このような構成では、Ｐ２＋
１層を形成するＰ２層Ｖの表面濃度がＧＴＯの動作特性
に重要な関係があることが判明した。すなわち、２２Ｍ
４の表面濃度ＣＰ２を各種変□化させて実験した結果、
第８図（〜および（Ｂ）に示す傾向が得られた。第８図
（Ａ）はＧＴＯのターン時の電圧波形を示し、第８図（
Ｂ）はターンオフ時の電流波形を示す。またＣ１２が低
い場合を曲線ｆｆ１１゜と２口で示し、０ｐｆｆｉが高
い場合を曲ａｌｔ、とＸＭｋで示す。ＣＦ２を小さくす
ると、ターンオン時間は短かくなるが、ターンオフ時■
）が長くなる相反する効果がある。

ターンオフ時間の増加はターンオフ可能な１［ｃ流が低
下することを意味する。

しかるに、ＧＴ、ＯＫ要求される／ｌ’？　ｆａｉとし
て、小信号のゲート′屯流でオン、オフできること、小
信号でオンさせるときターンオン時間が速くかつ負荷電
流の立キυ（ａｔ／ａｔ）が大きくできること、小信号
のゲート逆電流で大きな負荷↑ぽ１流を短時間にオフで
きること宿であるみ ＧＴＯをターンオンさせることと、ターンオフさせるこ
とは二律相反する事柄・であシ、このｖｌＩＪＨＩＭを
いかにして良くとるかが重要なことである。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは補助ＧＴＯ部を（１４成するＮ３層に対向
するＰ２／＃の表面濃度を、主ＯＴＯ部を構成するＮ２
層に対向する１２層の表面Ｍ度よりも小さくすることに
より、高性能なＧＴＯを提供することである。

以下に本発明の実施例に係るゲートターンオフサイリス
タについて、第４図〜第８図を参照して説明する。第４
図および第５図に示すように、この実施例による半導体
制御素子たとえばゲートターンオフサイリスタにおいて
は、円板状のウェハ／はＰ１ｆ＠Ｊ＋　Ｎｓ　ＨＪ＋　
Ｐ＊　ｌ＠４．　Ｐ！−廣Ａおよびり゛ング状のＮ２Ｍ
７によ！、＋　４’＃を成されているＯＮ　２　Ｊｆａ
　７の内側にはリング状のＮ、層ざがｐ、一層を内に設
けられ、またＮ２層７の外側にはリング状のＮ　ａ　層
９が同心状に設けられている。さらＫＰｚ層ダ内にはそ
れぞれ同心円状になっているリング状でメツシュｆａｔ
造パターンの低抵ツノ′ｃ、値を有スルア、＋＋層ｊａ
−ｊｄが埋ｉｉｋされているＮ、層に対応する坤込部Ｊ
ａ〜ＪｄとＮｓＪＭに対応する埋込層Ｊθ〜Ｊｆは別の
構成となっておりｉに連結はしていない。

ｐｌ一層乙の露出面の中央部には金ｐＡ層１０が設けら
れており、この金属Ｉｌｌ　ｔｏと低抵抗１１１！込層
Ｐ２＋＋ｊｅ〜ｊｆＫよつ゛〔叱ｌのゲート電梗ａｔが
形成される。リング状のＮ　意ＪｓＮｉ　７上にはリン
グ状の金属層／２が配設されており、これにょ）カソー
ド電悼Ｋが形成される。

Ｎ３層Ｊ’にはこのＮ３層ｇとＰ１層６とを短絡する金
属層／／が配設され増幅ゲート部／弘が形成されている
。Ｎ　ｊ　Ｉｌｌ　Ｙ上には金属）＃４　／、７が配設
され、この金Ｍ層／Ｊｅ　Ｎ　ａ　Ｊｆｄ　’　＋　Ｐ
＊”＋層Ｊｒ　ａ　〜ｊ　ｄにょつて第２のゲート電極
Ｇ２が構成される。２１層の露出面には金属層１５が設
けられ、アノード電極Ａが形成される。特に、本実施例
のＧＴＯは、第５図に示すように、補助サイリスタ部Ａ
Ｇを構成するＮ３層ｔＫ対向するＰ、屑ｌの表面濃度Ｏ
Ｉを主ザイリスタ部ＭＧを構成するＩＪｍ層７に対向す
るＰ２層ダの表面濃度よりも小さくして構成されている
。

さて以上のような構造のＧＴＯの実際の製造方法を具体
的に示したものが第６図であって、以下第（１図に基き
水鳥１（（に係るＧＴＯの製造方法を述べる０ 本願では例えば耐圧１２００ｖターンオフ電流１．００
０ＡクラスのＧＴＯを得シうとするものであって、先ず
第６図（Ａ）Ｋ示すように、比抵抗が６０Ｑ′ｃｍで厚
さ８００μの片面鏡面４ｕｆ磨したｌｑ形シリコン基板
を用意して、このシリコン基板Ｎ、を一般によく知られ
ている閉゛は法を用いて画面からガリウム゛を拡散して
第（５図Ｐ１及び１２層をそれぞれ形成する。この嚇合
の拡散状態は例えば表面＋１１１　ＬＫ　８　Ｘ　ｌ　
Ｏ１１ａｔｏｍｓ　／ｃｉで拡散深さ８０層ｍである。

この状態の製置プロフィルは第７図に示す表Ｉ口１濃度
がＯ？１＋Ｃ？１であシ、これＫよシＰ、　Ｎ飄Ｐ驚゛
層が形成される。

続いて、その全表面に酸化ｊｌＩ、ｌ［を形成し第６図
（Ａ）に示すようにウェハーの中央部ＡＧ領域即ち第５
図に示すＮｓｌＨｇが形成される補助・す゛イリスタ部
ＡＧｖ頭域部分ＫＩｖ化膜／Ｓを残しその他領域にボロ
ンを選択拡散して不純物層１６を形、成する。この時の
表面？ｉ’ＪＩ　［は１ｘｉｕム−ａｔ□ｍｇ　／ｌｄ
で、拡散深さは６μｍである。さらにボロンを押込み拡
散して表ηｉ濃度７　Ｘ　１０　”　ａｔｏｍｓ　／ｌ
＋Ｉ１１’　、拡散深さ７μｍとする。

この時点の濃度は第７図のＯｐ　Ｉ’ｓ　Ｏｐ　＊’　
および補助サイリスタ部ＡＧは０，２である。

次に、第６図（Ｂ）に示すように、ｐ！ｌ＠４の表面に
所定のパターンで高濃度不純物）＠Ｓを形成してゲート
層とする。この表面濃度はＩＸＩＯ９０ａｔｏｍｓ／ｃ
ｉ　Ｓ拡散深さ７μ惰であシ、この濃度をＣ，！＋＋と
する０ 次に、第６図（０）に示すように、Ｐ＊ｊ−表面側に５
ＸＩＯ１６ａｔｏｍθ／ｄのボロン不純物濃度のエピタ
キシャル単結晶層１９を２５μｍ成長させる。このプロ
フィルは第７図にｏ、−で示す０この状態で高濃度Ｐ、
＋−１一層ｊ　ｌｄ　Ｐ　雪層ダ内に埋込まれた状態に
なっている。さらに、第６図（Ｄ）に示すようにＰ、一
層の表面に選択拡散法で所定のパターンＫ　Ｎ　２　Ｊ
ＩＩｉ７＋ＮｓＪ錆ざ＋Ｎ４層りをリンを不純物として
表面濃度２　Ｘ　ｌ　Ｏ”　ａｌｍｏｎｄｓ　／ｂ−ｎ
ｒ’、拡散法さ１０　ｐｍＶＣ選択拡散する。このプロ
フィルが第７図に示スＣＮ２である。これに続いて７５
１定の金拡散並びに電極接着をしでＧ　’ｒ　Ｏを得る
ことができる。

ｐ′Ｅ米のＧＴＯにおいては、ターンオフ性能を高める
ためにＰｚｌ曽の表面濃度ｏｒ、を高くしなければなら
ず、このためターンオン特性が犠牲になっていた。

しかるに、上述の実施例によれば、補助サイリスタ部Ａ
Ｇのカソードエミツタ層の不純物濃度０？２を、主サイ
リス２部ＭＧの不純物濃度ｃｌ′よシも小さくしたこと
によシ上述の実施例によるＧＴＯによれば、次のような
槙々の効果が得られた。すなわち、 （１）　　ターンオン領域の広がシ速度が改善され、従
来ターンオン時間が８〜ｌＯμＳであったものが８〜５
μｓに短縮され、かつゲート点弧電流値が従来０．５〜
α８仏）であったものが０．１〜０．２　（Ａ）に低下
し、ターンオン特性が改善された。

（２）　　従来、８（Ａ）のゲートドライブ電流でオン
させた場合ｃｌｉ／ｄｔ　＃ｆ量は４．００〜５００　
Ａ／μｓで補助サイリスタ部のＮ３層が破壊していたが
、同一条件では補助サイリスタ部の破壊は無くなシ主サ
イリスタ部のＮ２層に破壊が移シ、耐量が１０００〜５
０００Ａ／μＳに向上した。

（３）　　従来、ターンオン特性との関係からターンオ
だが、本発明によれば、従来のオフ時間が４〜６μＳ必
要であったものが８〜４μｓになシターンオフ特性が向
」二した。

（４）　　この結果、ターンオフ可能電流（１−ｉＪ制
制御泥流も従来のものに対して約１５０％向上した０（
５）表面誤度Ｃ，２ＶＣ対するＧＴＯのオン時間ｔｏ＋
＋とオフ時同上〇７．の実測価の平均データをよ、第８
図しζ示すように、補助サイリスタ部Ａｓのカソードエ
ミツタ層の不純物濃度ｏ、２を５Ｘ１０１６〜５Ｘ１０
１７ａｔｏｍｅ／７に、主サイリスタｆｔ１ｌ　Ｍ　Ｅ
ｌのカソードエミツタ層の不純物濃度ＣｖｚをＩＸＬ０
１７〜ｌＸｌ０Ｉ”ａｔＯｍｅ／ｄにすることが適当で
ある。

また上述の実施例によるＧＴＯにおいては、ゲー１、Ｎ
５）ｆＪＫ５！’Ｊ向したｐ　、＋中層部分はターンオ
フ時にアノード側からの電流でＰｇ　Ｎ、　ｐ２Ｎ３層
が形成する寄生サイリスタがターンオンし゛ないように
Ｎ。

層を覆うよう幅の広い帯状に形成されている。

なお、上述の実施例では埋込型ゲート層葡有するＧＴＯ
について説明したが、本発明はこれに限定されることな
くＰ２＋＋がＰ２ベース内ｖｃｍ込まれておらずかつＰ
２ベース内で最大になる領域があるように構成した構造
にも適用できるものであるＯ 以上説明したよって１本発明はＰｉ　Ｎｌ　ｐ２Ｎ、か
らなる主ザイリスタ部と、ＰＨＮＩ　Ｐｌ　Ｎｇからな
る補助サイリスタ部とからなり、ＮｔＭと、Ｎｓｌ＠お
よびＮ３層に狭まれ九Ｐ２層の不純物濃度がその中間で
最大（ＯＦ２）となυ、Ｎ２とＮ５）−側で不純物濃度
が低くなるように構成したＧＴＯにおいて、Ｎ５７−に
対向する前記２２層の最大不純物濃度とＮ３層に対向す
る２２層の最大不純濃度のうち、少なくともＮ３層に対
向−ノーる２２層の不純物ｖＡＷの方が小さくなる。【
うＫＧＴＯを構成したものである０したがって、本発ψ
Ｊはターンオン特性とターンオン特性との良好な性能を
兼ね・備えた高信頼１生のゲートターンオフサイリスタ
を得る仁とができ、−その技術的な効果は大である。

【図面の簡単な説明】

４↓Ｌ図はに米のゲートターンオフサイリスクの断面図
、第２図はその厚さ方向に対する不純物濃１ｘ［の分布
状況金示す不純物ｍ　Ｉ＆［分布図、第８図（Ａ）はゲ
ートターンオフサイリスタのｉｔ’ｄ、圧特性図、第３
図（Ｂ）はゲートター／オフサイリスタの′電流ｌ持性
１ス１、第４図は本発明の実施例しζよるゲートター／
オフサイリスタの平面図、第す図は第４（９）のＶ　−
Ｖ線１１ノ１而図、第６図は不発１夕Ｊのゲートターン
オフ゛リーイリスタの製造工程を示す工程図、第７図は
本発明の実施例に係るゲートターンオフサイリスタの厚
さ方向に対する不、陣中濃度の分布状況を示す不純物濃
度分布図、第８図は本発明に係仝ゲートターンオフザイ
リスタのターンオン時間特性およびターンオフ時間特性
を示す線図である。 ／・・・ウエハニ、コ・・・Ｐｔ層、Ｊ・・・Ｎｔ層、
ψ・・・Ｐ、層、Ｊ・・・高不純物ａ度層、乙・・・Ｐ
２一層、７・・・Ｎ２１Ｗｓ　ざ・・・Ｎ３層、７・・
・だ４層、λ１Ｇ・・・主ＧＴＯ部、ＡＧ・・・補助Ｇ
ＴＯ部０ 第１図 第２図 ＝１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１第
６図（Ａ） 第６図ＣＢ） 第６図（Ｃ） 第６図（Ｄ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （０８つの連続配置された接合部を形成する交互に異な
   る導電型の４層を有する半導体物質のウェハからなる半
   導体素子に、主サイリスタ部と補助サイ゛リスタ部を形
   成したものにおいて、前記補助サイリスタ艷に隣接する
   ゲート層の電流通路を形成する領域の不純物濃度が前記
   主サイリスタ部の負荷Ｎ、電流通路形成する領域の不純
   物ａ度よシも小さくなるように構成したこと全ｌ持ｒ改
   とするゲートターンオフサイリスタ。 （２）前記補助サイリ′スタ部に対応するゲート層の。 不純物濃度が５ＸｌＯ”ないし５　Ｘ　ｌ　０１７ａｔ
   ｏｍｓ　／ｃｄヤあシ、前記主サイリスタ部に対応する
   ゲート層の主′亀流通路の不純物濃度がｔ　ｘ　ｉ　ｏ
   ”ないしＬ　、Ｘ　ｌ　Ｏ”　ａｔｏｍｓ　／ｄである
   竺許Ｈｆｆ求の範囲第１項記載のゲートターンオフサイ
   リス２０