JPS5987868A - 過電圧自己保護構造のサイリスタ - 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】 この発明は、一般にパワー半導体素子、特に過電圧自己
保護構造のサイリスタに関するものである。

〔従来技術〕

サイリスタの過電圧保護の代表的な例は、サイリスタを
トリガするためのゲート領域にアバランシュ電流を用い
ることである。このアバランシュはシリコン・ウェーハ
の処理中ケート領域に約０，２ＳＱｗ　（　／　０ミル
）の深い凹みをエツチングすることによって得られ、エ
ツチングはアルミニウムの拡散後かつガリウムの拡散前
に通常行われる。アバランシュ電圧はエツチングした凹
みの深さおよび形状で決められる。

自己保護のためにアバランシュを使用すると、アバラン
シュ電圧が素子の縁部ブレイクダウン電圧より低いか高
いかによって成功したり失敗アバランシュを使用すると
、必然的に、素子の電気的パラメータの定格を幾分低下
させる。

特に、順方向阻止電圧ＶＤＲＭの定格が低下すると、同
一の順方向阻止電圧ＶＤＲＭに対して順方向電圧降下Ｖ
，が増大する。

従来のエッチング凹み式保護構造の主な欠点は、サイリ
スタの阻止性能を測定できる前にウェーハ製造処理の比
較的早い段階で凹みを形成する必要があることである。

この従来構成の他の欠点は、順阻止接合の必要な湾曲を
得るために、凹みのエツチングに続くガリウムの拡散を
制御することの難しさであるＯ 深い凹みを有する従来技術は、［ｌ？ざｌ工ＥＤＭ　Ｊ
の第ダ１０〜ダｌ３ページに掲載されたＪ．　ｘ．　ｐ
ｒｚｙｂｙｓｚおよびＢ．Ｓ，　Ｓｃｈｌｅｇｅｌ共著
の６過電圧自己保護構造のサイリスタ”に述べられてい
る。

過電圧保護のための他の一つの従来方法は、（１）ｖＢ
ｏの位置および電圧レベルを制御するための薄くされた
アノード・ペースおよび（コ）湾曲した順阻止接合を使
用することである。

これらの両方法は、サイリスタを完成させてそのパラメ
ータを測定する前に保護構造を作る必要がある。

２ざＯＱポルトでアバランシュすることになる深い凹み
は、２７００ボルトで縁部ブレイクダウンをうけるサイ
リスタを保護しない。他方、コざＱＯボルトのアバラン
シュは，３２００ボルトを阻止し得るサイリスタの定格
をあまりにも低下させすぎる。

深い凹みを使用するアバランシュ法は、定格が大巾に下
るが歩留りの高いサイリスタと定格が少し＼か下らない
が歩留りの低いサイリスタとのどちらを選ぶかと云う選
択の余地を技術者に残す。

湾曲した接合を使用する技術は、Ｐ型拡散をマスクする
際の難しさのせいでしばしば歩留りを低（することにな
る。

過電圧保護をするために薄いアノード・べ−スおよび湾
曲した接合を使用する技術は、「ｌ９ざｌＩＥＤＭＪの
第１Ｉｏｂ〜４！０９ページに掲載されたＶ，Ａ．に、
Ｔｅｍｐｌｅ著の１高いｄｉ／’ｄｔ性能のための被制
御サイリスタ・ターンオン”に述べられている。

補助サイリスタの使用およびＮｑベベー領域の異種ドー
ピングは、「固体エレクトロニクス（ｌタクダ年）第１
り巻、第ｔｓｓ〜４４７　ページに掲載されたＰ．Ｖｏ
ｓｓ　著の”ブレイクダウン。

ターンオンでのｄ　ｉ／ｄ　を故障から保護されるサイ
リスタ”に述べられている。

米国特許第１Ａｏｏｓ，ｏ７ａ号は過電圧保護手段とし
ての湾曲した接合を教示する。

［ＩＥＥＥ　’ｒｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　Ｏｎ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ｊ、第Ｅｄー２７
巻、第２号（　ｔｑｇｏ年ａ月号）の第３７３〜３７９
ページに掲載されたヒサオ・コンド−およびヨシノリ・
ユキモト共著の６新規なバイポーラ・トランジスタＧＡ
Ｔ”は、ベース領域の一部がベース領域の残りの部分よ
りもコレクタ領域の中へ深く延びてデプレション領域と
接触する従来のトランジスタの代表的な例であも更に、
幾つかの応用例の７つとして、サイリスタのｐｍベース
領域が互に分れた部分から成りかつこれらの部分がＮ型
ベース領域へ延びてデプレション領域と接触するものが
ある。

特願昭！；１−．７ざ３ワざ号は、サイリスタのゲート
領域の中心にレーザ・パルスを照射して阻止接合を変形
させかっＰ型ベース領域の一部をＮ型ベース領域へ延長
させることにより、サイリスタに過電圧保護を与えるこ
とを教示する。

〔発明の概要〕

この発明は過電圧自己保護構造の改良したサイＩＪ　ス
タを提供することである。

この発明は、頂面、底面およびこれらの頂面と底面の間
に延びる縁部を有するシリコン基体から成り、互に分れ
ておりかつ前記頂面から前記シリコン基体の中へ所定の
第１距離だけ延びるカソード・エミッタ領域と、前記分
れたカソード・エミッタ領域を囲む前記シリコン基体の
前記頂面から前記シリコン基体の中へ前記第１距離より
も長い所定の第２距離だけ延びるカソード・ベース領域
と、アノード・ベース領域と、アノード嗜エミッタ領域
と、前記カソード・ベース領域と前記アノード・ベース
領域の間のＰＮ接合と、前記頂面に配置されて前記カソ
ード・エミッタ領域とオーミック電気接触をなす第１金
属電極と、前記頂面に配置されて前記カソード・ベース
領域だけとオーミック電気接触をなす第１金属電極とを
備え、前記頂面の一部が前記カソード・ベース領域だけ
から成るサイリスタにおいて、前記カソード・ベース領
域の壁が前記カソード・ベース領域内に凹みを形成し、
この凹みが側壁および底面を有すると共に前記頂面から
前記カソード・ベース領域の中へ所定の第３距離だけ延
び、この第３距離は前記ＰＮ接合の空間電荷領域が所定
のブレイクオーバ電圧で前記凹みの底面と接触するよう
な距離であり、更に、前記凹みの少なくとも底面とオー
ミック電気接触をなす第３金属電極を設けたことを特徴
とする過電圧自己保護構造のサイリスタ、に向けられる
。

この発明をより一層理解するためには、以下の詳しい説
明および添付図面を参照されたい。

〔発明の実施例〕

第１図はサイリスタ１０を示す。

このサイリスタは、当栗者に知られた代表的なサイリス
タである。シリコンから成るサイリスタＩＯは分れたカ
ソード・エミッタ領域ノコを有する。このカソード・エ
ミッタ領域１２は、１０”〜１０２０個原子／ＣＣの表
面濃度にドープされたＮ千尋電型でありかつその他の主
面で約６ｘＩＯ１６個原子／Ｕのドープ濃度を有する。

代表的な例では、カソード・エミッタ領域ｌλの厚さは
７５〜−２Ｑミクロンである。カソード−エミッタ領域
／−に隣接してカソード・ベース領域／ｅがあり、この
カソード・ベース領域／１−ＪＰ導を型でありかつｓｘ
ｔθ１７〜１０１９個原子／Ｗの表面濃度にドープされ
る。代表的な例では、カソード・ベース領域ｌｌＩの厚
さは７０〜９０ミクロンである。カソード・エミッタ領
域ノコとカソード・ベース領域／４ｔの間にＰＮ接合１
６がある。

カソード−ペース領域／ｌＩに隣接してアノード・ベー
ス領域７ｇがある。このアノード・ベース領域ｌざはＮ
導電型で５５Ω・のである。アノード・ベース領域ｉｇ
の厚さはサイリスタ／θに所望されたブレイクダウン電
圧性能に依存する。代表的な例では、アノード・ベース
領域／ｇの厚さは所望のブレイクダウン電圧のＩＯボル
ト毎に７ミクロンであるので、　２３０ミクロンである
。

カッ−）”・ベース領域／タトアノード・ベース領域ｌ
ざの間にはＰＮ接合２ｏがある。

アノード・エミッタ領域！、２は、アノード・ベース領
域／１に隣接しており、Ｐ千尋電型であって５ＸＩＱＨ
〜１０１９個原子／ｃｃの表面濃度にドープされる口代
表的な例では、アノード・ベース領域２２の写場は７０
〜９０ミクロンでありかつ通常カソード・ベース領域ｌ
ｌＩと同じ厚さである。

７　／　−）”・ベース領域ｌざとアノード・エミッタ
領域−一の間にはＰＮ接合２ダがある。

カニ／　−）”・ベース領域ｌｔｉ中にカソード・エミ
ッタ領域／２から離して形成された補助エミッタ領域す
なわち浮遊ゲート領域コロもある。

この補助エミッタ領域コロはＮ導電型でありかつ１０１
９〜１　ｏ２０個原子／Ｗの表面濃度にドープされる。

補助エミッタ領域コロとカソード・ベース領域／＋の間
にはＰＮＮ接合タデある。

エミッタ・コンタクトと称されるアルミニウムの第１オ
ーミツク嗜コンタクト２ｇは、サイリスタ／θの頂面３
ｏで分れたカソード命エミッタ領域１２へ付着されてオ
ーミック電気接触しておりかつまたカソード・ベース領
域ｌグとオーミック電気接触している。これは、事実上
カソード・エミッタ領域１２とカソード・ベース領域／
ｐを電気的に短絡する。

アルミニウムの第コオーミック・コンタクト３コはサイ
リスタｌθの頂面３ｏで補助エミッタ領域２６へ付着さ
れる。第コオーミック・コンタクト３．２は補助エミッ
タ領域２６とカソード・ベース領域／４（の両方とオー
ミック電気接触しかつＰＮ接合２９が頂面３０と交叉す
る所でＰＭ接合＝９を橋絡する。

環状すなわちリング状のゲート・コンタクト３ダは頂面
３０に配置されてカソード・ベース領域ｌｌＩとオーミ
ック電気接触する。

第１オーミツク・コン々クトコざ、第２オーミツク・コ
ンタクト３２およびゲート会コンタクト３１Ｉは、全て
サイリスタ／θの頂面３０に配置されかつ第１図に示し
たように互に離されている。

モリブデンで作られることが望ましいアノード会エミッ
タ・コンタクト３６は、サイリスタｉｏの底面３ｇへ付
着されてアノード・エミッタ領域ココとオーミック電気
接触する。

第１図のサイリスタＩＯは完成したサイリスタであるこ
とを理解されたい。

この発明を実施する際に、”カーブ嗜トレーサ１１０は
導体１１．２．’７３によってそれぞれ第１オーミツク
・コンタクトすなわちカソード・エミッタ・コンタクト
、２ｇ、アノード・エミッタ・コンタクト３６間に電気
的に接続される。適当なカーブ・トレーサはテクトロニ
クス（ＴｅｋｔｒＯｎｉｘ）社からｃｕｒｖｅ　Ｔｒａ
ｃｅ　Ｓ　７４　（：して市販されている。

サイリスタ１０をカーブ・トレーサｌＩｏへ接続すると
、サイリスタ１０の工Ｖ特性が測定される。

第２図では、レーザを使用してカソード・ベース領域／
ｌの大体真中でサイリスタ／θにレーザ・パルスを与え
る。これは環状のゲート・コンタクト３’１間で頂面３
０に与えられ、カソード・ペース領域／ダに凹みｌＩ６
を形成することになる。

サイリスタのＩＶ特性は最初各パルスが与えられた後で
或は２〜３のパルスが与えられた後で測定され、その後
裔パルスが与えられた後で阻止電圧を測定する。

レーザ拳パルスは所望の阻止電圧が得られるまで続いて
与えられる。

この発明を実施する際に使用されたレーザはＹＡＧレー
ザでも良いしルビー・レーザでも良い。

ＹＡＧレーザでは、パルス幅は約ｌナノ秒から約／ミリ
秒まで変り得るし各パルス毎のエネルギーは７０ミリジ
ユールからｇθミリジュールまで変り得る。しかしなが
ら、各パルス毎のエネルギーは例えば３〜１５ミリジユ
ール程かなり小さい。

ルビｍ−レーザでは、パルス幅は約２００ミリジユール
のエネルギー／パルスで約２０マイクロ秒から約７ミリ
秒まで変り得る。

第１図について上述したようなサイリスタでは、７０〜
ｇθミリジュールのエネルギー／パルスを有するＹＡＧ
レーザからのｉｔ個のパルスはｌＩ＋〜７７ミクロシの
深さの凹みを作った。

凹み１６をレーザ以外の手段で形成しても良い。

例えば、Ｊ　Ｏ，０００回転のエアー・グラインダによ
って駆動される厘径約／、！？＋１１ｆｆｌ〜ｏ、ｙｑ
ｍｍｃｌ／ｉｔ、インチ〜／／、７２インチ）のカーバ
イドロビットを使用してポーリングまたは研摩で凹み形
成した。コムコ社（ｃｏｍｃｏ　工ｎｃ、　）のＭｉｃ
ｒｏａｂｒａｓｉｖｅ　（）ｌｏｖｅ　Ｂｏｘを使用し
かつ例えばｏ、１Ｉｓｙ、（／ざミル）のノズルを通し
て乞ヲＫｙ／ｒｍ　２（７０ｐｓｉ　）で進ませられた
７０ミクロンのアルミナ粉末での場合のように研摩吹付
けで凹みを形成した。

凹みの形成に続き、７片のろうを凹みに置いてその場で
溶かす。ろうの使用量は凹みの底面を覆いかつ側面をよ
じ登ってゲート・コンタクト３ダと接触する程充分でな
ければならない。

ＣＯ！レーザで加熱することによりろうを溶かすことが
できる。

再凝固時、ろうは凹み４を乙の底面とゲート・コンタク
ト、？４ｔの間で電気コンタクト４１ｇになる。凹み４
！乙の底面でのろうとシリコンの接触はオーミック・コ
ンタクトまたはショットキー・コンタクトであり得る。

適当なろうは、９７重量−の銀、−重量％のル（０ｏｎ
ｓｉ１）　９７０として市販されている。

シリコンおよびゲート・コンタクトとの良好な電気コン
タクトになるかぎり、適当な金属ろうを使用できる。

自己保護スイッチング電圧でこの発明のサイリスクを動
作させる際、順阻止接合の空間、電荷領域は凹みの底面
と接触する。空間電荷領域中に存在する電界は電気コン
タクトｌＩとから電流を引き出し、これはサイリスタを
スイッチ・オンさせる。／Ｊ＼ζい電流でかつ温度に対
して適当な電圧でスイッチングは突然に起る。

第１図および第一図について説明した型式のサイリスク
を製作した。

そのサイリスクは、７０２０個原子／ｃｃの表面濃度ま
でドープされたカソード・エミッタ領域を有した。この
カソード・エミッタ領域の厚さは７７ミクロンだった。

カソード・ベース領域およびアノード・エミッタ領域は
各々ざ×１０１７個原子／ＣＣの表面濃度にドープされ
かつ厚さが７５ミクロンだった。カソード・ベース領域
との境界でのカソード修エミッタ領域のドープ濃度はＡ
×／Ｑ”個原子／ＣＣだった。アノード・ベース領域は
９Ｘ１０１３個原子／ＣＣの濃度にドープされ、その厚
さは、２．７（７ミクロンだった。

サイリスタを上述したテクトロニクスＳ７Ａに接続しか
つサイリスクにＹＡＧレーザの光パルスを与えて凹みを
形成した。

パルス幅は１０□マイクロ秒で、エネルギー／パルスは
７０ミリジユールだった。

ｉｔ個の光パルスを与えた後ｉｔｏθボルトで電流−電
圧特性に鋭い湾曲部が現われた。この点での凹みの深さ
はｔｉｓミクロンだった。

上述した市販の銀−鉛一アンテモンろう（コンシルワク
Ｏ）のθ、Ｏｓ／ｒｔｍ（，２ミル）箔を凹みの中に置
きかっろう苗土に直径ｏ、５／龍（−〇ミル）のスポッ
トを作るように焦点が合わされた４７７ワツトの○０２
レーザを使用してその場で溶かした。

第３図は、室温２５℃において約１ｓｏｏボルトでこの
サイリスタを自己保ａスイッチングさせた特性図である
。

第７図の場合はサイリスタを／コ５″Ｃまで加熱したが
、それでもまだ／ＳＯθボルトでサイリスクをスイッチ
ングしかつスイッチング電流が小さいことが分る。

この優れた嘉度安定性はスイッチング電流を生じる際に
漏れ電流が無いことに寄与する。

〔発明の効果〕

サイリスクのターンオン電圧は凹みの深さによって決ま
り、この深さをコントロールすることによって過電圧保
護を達成できるが、この発明では凹みの深さのコントロ
ールがし易く、温度に依存しない過電圧自己保護構造の
サイリスタが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による処理前のサイリスタの側断面図
、第２図はこの発明による処理後のサイリスタの側断面
図、第３図、第７図はそれぞれコ５°Ｃ，／２Ｓ℃での
第２図のサイリスタの電流−電圧特性曲線図である。 ３０は頂面、３ｇは底面、ノコはカソード・エミッタ領
域、ｌｌＩはカソード・ベース領域、ｌざはアノード−
ベース領域、２２はアノード・エミッタ領域、２０はＰ
Ｍ接合、２ｇは第１金属電極としての第１オーミツク・
コンタクト、３′ｌは第２金属電極としてのゲート・コ
ンタクト、４ＩＡは凹み、グざは第３金属電極としての
電気コンタクト、ＩＯはサイリスタである。 を流（ｍＡ） 電流（ｍＡ） 手続補正書 昭和５８年１１月２８　　日 特許庁長官殿 １、　事件の表示 昭和５を年特許願第１１６０４ダ　号 ２、　発明の名称 過電圧自己保護構造のサイリスタ ３、　補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　　（７／／）ウェスチングハウス・エレクトリッ
ク・コーポレーション ４、代理人 ５、補正の対象 （１）明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 （１）　　明細書中の下記の個所における「アバランシ
ュ」の記載を「アバランシェ」と補正する。 ページ　　　　　　　行 、？　　　　　１０〜／／、／／〜／、２、／６、／ざ
、／　ｑ ダ　　　　　　　　　コ ５　　　　　り、１０．　　／、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／　頂面、底面およびこれらの頂面と底面の間に延びる
   縁部を有するシリコン基体から成り、互に分れておりか
   つ前記頂面から前記シリコン基体の中へ所定の第１距離
   だけ延びるカソード・エミッタ領域と、前記分れたカソ
   ード・エミッタ領域を囲む前記シリコン基体の前記頂面
   から前記シリコン基体の中へ前記第１距離よりも長い所
   定の第２距離だけ延びるカソード・ベース領域と、アノ
   ードＯペース領域と、アノード・エミッタ領域と、前記
   カソード・ベース領域と前記アノード・ベース領域の間
   のＰＮ接合と、前記頂面に配置されて前記カソード・エ
   ミッタ領域とオーミック電気接触をなす第１金属電極と
   、前記頂面に配置されて前記カソード拳ベース領域だけ
   とオーミック電気接触をなす第１金属電極とを備え、前
   記頂面の一部が前記カソード・ベース領域だけから成る
   サイリスタにおいて、前記カソード・ベース領域の壁が
   前記カソード拳ベース領域内に凹みを形成し、この凹み
   が側壁および底面を有すると共に前記頂面から前記カソ
   ード・ベース領域の中へ所定の第３距離だけ延び、この
   第３距離は前記ＰＮ接合の空間電荷領域が所定のブレイ
   クオーバ電圧で前記凹みの底面と接触するような距離で
   あり、更に、前記凹みの少なくとも底面とオーミック電
   気接触をなす第３金属電極を設けたことを特徴とする過
   電圧自己保護構造のサイリスタ。 ユ　カソード・ベース領域だけから成る頂面の一部が頂
   面の中央部であり、第１金属電極がカソード争エミッタ
   領域と前記カソード・ベース領域の両方とオーミック電
   気接触をなし、第２金属電極が環状でありかつ前記頂面
   の中央部に配置され、凹みの開孔部が前記第１金属電極
   によって完全に囲まれる特許請求の範囲第１項記載の過
   電圧自己保護構造のサイリスタ。