JPH04111358A - 過電圧自己保護型サイリスタ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、順方向降伏電圧を越える過電圧の印加に際し
て、自ら安全にターンオンすることにより、素子の破壊
を防止するようにした過電圧自己保護型サイリスタに係
り、特にパイロットサイリスタ部又は補助サイリスタ部
を備えた大容量のサイリスタに好適な過電圧自己保護型
サイリスタに関する。

〔従来の技術〕

サイリスタ素子は、その降伏電圧を越えた電圧が印加さ
れ、無理にターンオンされた場合、素子破壊にいたる虞
れがあり、このことは、特に大容量のサイリスタ素子の
場合に著しい。

ところで、このような過電圧に対するサイリスタ素子の
保護については、従来から、別途、保護回路を設置する
ことにより対処していた。

しかしながら、このような保護回路の設置によっていた
のでは、コストアップや部品点数の増加に伴う信頼性の
低下などの問題があり、このため、近年、過電圧自己保
護型サイリスタと呼ばれる、サイリスタ素子自体に保護
機能を持たせたサイリスタが種々提案され、使用される
ようになってきている。

そこで、以下、これらの従来技術について説明する。

まず、第８図は、特開昭５２−１２６１８１号公報に開
示されているもので、図において、１は半導体基板を表
わし、ｎエミツタ層２と、ｎベース層３、ｐベース層４
、それにｎエミツタ層５とで構成されている。そして、
ｎエミツタ層２にはアノード電極６が、また、ｎエミツ
タ層５にはカソード電極７がそれぞれ低抵抗接触されて
いる。

さらにカソード側には、ｎエミツタ層５からｐベース層
４に達するようにして食刻領域Ｅが設けられており、そ
して、二〇食刻領域Ｅを取り囲んで、ゲート電極Ｇがｐ
ベース層４に低抵抗接触して設けられている。

なお、このサイリスタ素子では、ｐベース層４が、所々
でｎエミツタ層５を貫通してカソード電極７に低抵抗接
触するように構成されており、これにより、いわゆるエ
ミッタ短絡構造となるように作られている。

この第８図のサイリスタ素子では、食刻領域Ｅの深さに
より、保護すべき過電圧、つまり自己保護電圧が決めら
れる。すなわち、この素子では、ｎベース層３とｐベー
ス層４が作る中央接合Ｊｃに逆バイアスが加わり、耐圧
を負担して順方向阻止状態にあるときに、ｐベース層４
内に空乏層が作られるが、この空乏層の中に食刻領域Ｅ
の底面が丁度位置するようにし、この空乏層の存在によ
り、食刻領域Ｅの底面と中央接合Ｊｃの間での電界強度
が他の部分よりも大になることを利用したもので、所定
の自己保護電圧以上の電圧が印加されたどき、この電界
強度が大になっている部分で。

まずブレークオーバーを発生させることにより、自己保
護機能が得られるものである。

次に、第９図は、特開昭５３−８０９８１号公報に開示
されているもので、最初、ｎベース層３に食刻領域Ｅを
形成してからｐベース層４を形成したものである。

また、第１Ｏ図は、特開昭５９−１５８５６０号公報に
開示されているもので、ｐベース層４を形成した後、こ
れに食刻領域Ｅを中央接合Ｊｃに達するまで形成し、さ
らにこの食刻領域Ｅからアクセプタを拡散し、これによ
り中央接合Ｊｃに彎曲部が形成されるようにしたもので
ある。

これら第９図と第１０図のサイリスタ素子は、何れも食
刻領域Ｅの直下の中央接合Ｊｃに彎曲部を形成すること
により、この彎曲部での空乏層の電界強度を高め、これ
により自己保護機能が与えられるようにしたものである
。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、自己保護機能が発動される電圧の設定
精度について配慮がされておらず、所定の正確なブレー
クオーバー電圧特性を有するサイリスタ素子の製造歩留
まり低下と、コストアップの問題があった。

具体的に説明すると、まず、第８図の従来技術では、ブ
レークオーバー電圧特性が食刻領域Ｅの底面の平坦性に
大きく依存し、同様に、第９図と第１０図の従来技術で
は、食刻領域Ｅでの彎曲部の形状や曲率がそれぞれブレ
ークオーバー電圧特性を決定するため、結局、これらの
従来技術では、ブレークオーバー電圧特性を高精度で制
御するためには、食刻領域Ｅの形状を精度よく制御する
必要があるが、このような食刻領域の形成のために従来
から用いられているウェットエツチングなどの技法では
、形状の制御を高精度で行なうのは極めて困難であり、
従って、従来技術では、歩留まりの向上やコストダウン
に問題を生じていたのである。

本発明の目的は、ブレークオーバー電圧特性の高精度制
御が簡単で、高い歩留まりとローコスト化が容易に得ら
れる、過電圧自己保護型サイリスタを提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明は、プロトン照射手段
を用い、サイリスタを構成する半導体層内にイオン分布
密度がピーク値を示す部分を形成させ、このピーク値を
示す部分の存在により順方向降伏電圧が低下している部
分を形成するようにしたものである。

〔作用〕

半導体層内でのイオン分布密度がピーク値を示す部分の
性質は、プロトンの照射条件と、このプロトン照射後に
必要に応じて実行されるアニール処理条件とにより容易
に制御することができる。

そして、これらプロトン照射とアニール処理とは、何れ
も高精度の制御が容易であるから、結局、高精度のブレ
ークオーバー電圧特性を容易に得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明による過電圧自己保護型サイリスタについ
て、図示の実施例により詳細（こ説明する。

第１図は、パイロットサイリスタ領域を有する過電圧自
己保護型サイリスタに本発明を適用した場合の一実施例
で、図において、半導体基板１、ｐエミッタ層２、ｎベ
ース層３、ｐヘース層４、ｎエミツタ層５、アノード電
極６、それにカソード電極７は、上記した従来技術と同
じである。

８はパイロットサイリスタ部、１ｏはパイロットサイリ
スタ電極、１２はプロトン照射によるイオン分布のピー
ク領域、そして１３はプロトン照射による結晶欠陥生成
領域である。

ここで、まず、パイロットサイリスタ領域の機能につい
て説明すると、一般に、このような、比較的大容量の過
電圧自己保護型サイリスタでは、パイロットサイリスタ
、或いは補助サイリスタと呼ばれる領域を設定し、これ
らの領域のブレークオーバー電圧を、主サイリスタとし
て働く領域のブレークオーバー電圧よりも僅かに低く設
定しておくのである。

そうすれば、サイリスタに過電圧が印加された場合には
、必ず、これらパイロットサイリスタ領域、或いは補助
サイリスタ領域からターンオンし始める。そして、この
ようにして、ひとたびパイロットサイリスタ領域、或い
は補助サイリスタ領域がターンオンした後、これらの領
域から主サイリスタ領域に導通状態が移行することによ
り、素子全体が安全にターンオンし、電流集中による破
壊を免れることができるのである。

第１図に戻り、領域１２と１３は、後述するようにして
、パイロットサイリスタ部８に選択的にプロトン照射す
ることにより、ｎベース層４とｎベース層３の中に生成
された領域を表わしている。

このプロトン照射による技法では、例えば、アイ・イー
・イー・ジェイ、プロシーデインゲス・オン・１９８８
・インターナショナル・シンポジュウム・オン・パワー
・セミコンダクタ・デバイセズ、ｐ　ｐ　、　　ｌ　４
７−１５２　（ＩＥＥＪ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ
　１９８８　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏ
ｓｉｕｍ　ｏｎ　ＰｏｗｅｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、ｐｐ、１４７−１５２）のＦｉｇ
、　１に記載されているように、その照射エネルギーを
変化させると、エネルギーに応じて半導体内でのイオン
分布のピーク位置を変えることができる。

また、このとき、そのドーズ量に応じて、上記したイオ
ン分布のピーク位置でのピーク強度を変えることができ
ることも、よく知られていることである。

そこで、この第１図の実施例のように、パイロットサイ
リスタ部８に垂直に、つまりカソード側からプロトン照
射を行ない、このときの照射エネルギーとドーズ量を適
当に選ぶ二とにより、ｎベース層３の中の所定の位置に
、図の右側に損傷分布として示した如く、ピーク領域１
２が現われるようにして、結晶欠陥生成領域１３を形成
させることができる。

この結晶欠陥生成領域１３内では、イオン粒子と半導体
原子との相互作用が強く現われるが、ピーク領域１２で
は、この相互作用が更に強くなり、半導体中の結晶欠陥
密度が最大になっている。

第２図にで示すように、イオン分布と損傷分布は、はぼ
同じ位置でピーク状態になり、この部分での半導体中で
のキャリヤのライフタイムは最小になる。

そこで、このような性質を利用すれば５半導体中でのキ
ャリヤのライフタイム分布を任意に調整することができ
ることになり、従って、このようなプロトン照射エネル
ギーとドーズ量の制御により、半導体のオン特性とスイ
ッチング特性とのトレードオフの向上を図る技法は、近
年、広く採用されているが、しかして、本発明は、この
プロトン照射でのドーズ量と、その後でのアニール処理
条件により、サイリスタのブレークオーバー電圧を任意
に規定できる点に着目してなされたもので、以下、この
点について、実施例により、さらに詳しく説明する。

まず、第３図は、同一構造、同一寸法のサイリスタ素子
、すなわち、基板抵抗率４００Ω国、ｎエミッタ厚さ１
０μｍ、ｐベース厚さ１００μｍ１ｎベース厚さ１２０
０μｍ、　ｎエミッタ厚さ１２０μｍのサイリスタ素子
を用い、カソード側から９　Ｍ　ｅ　Ｖのプロトンを、
ドーズ量を変えて照射した場合の順方向電圧−電流特性
を示したもので、照射前の特性■に対して、照射量が増
加するにつれて、特性■、■、■で示すようにブレーク
オーバー電圧が低下してゆくのが判る。なお、このとき
のアニール条件は全て同じで、４００℃、６０分となっ
ている。

このときの、照射したプロトンのドーズ量とブレークオ
ーバー電圧との関係を、第３図の特性からまとめて示し
たのが第４図の特性図で、この特性に示されるように、
プロトンのドーズ量によりサイリスタのブレークオーバ
ー電圧が変る（低下）原因については、以下の事柄が考
えられる。

すなわち、まず、プロトンがシリコンに照射されると、
浅いドナーレベルを作るといわれているが、このドナー
の形成は、さらに３００〜４００℃のアニールにより顕
著に現われる。

このようにして、シリコンがドナー化すると、その抵抗
率は減少する。これは、ｎ型シリコンの抵抗率ρ。は次
の式で表わされ、ドナー化が進むほど電子濃度ｎが大に
なるからである。

ρ・″ｑ・μ。・ｎ ここで、ｑ：素電荷 μｆｉ　：電子の移動度 ｎ：電子濃度 また、シリコンの雪崩降伏電圧■ヮ、と基板抵抗率ρの
間には、一般に次の実験式が成立ち、基板抵抗率ρが小
さくなるにつれ雪崩降伏電圧■、ｖも低くなる。

Ｖ−Ｋ・ρに こで、Ｋ：定数 このように、プロトンのドーズ量が増すと共に、ドナー
が形成され易くなるための条件である基板抵抗率ρが低
下するので、結局、降伏電圧も低下するのであると考え
られ、且つ、サイリスタのブレークオーバー電圧は、基
板ウェハーの降伏電圧により決定されることから、ドー
ズ量によりブレークオーバー電圧が制御できることにな
ると考えられるのである。

一方、プロトン照射後のアニールによってもドナーの形
成され方が異なってくる。

第５図は、第３図と同じサイリスタ素子、すなわち、基
板抵抗率４００（’２ｃｍ、ｎエミッタ厚さ１０μｍ、
　　ｐベース厚さ１００μｍ、　ｎベース厚さ１２００
μｍ、ｎエミッタ厚さ１２０μｍのサイリスタ素子にア
ノード側から ６　Ｍｅ　Ｖ、　　５　Ｘ　１０”ｃｍ−”のプロトン
を照射した場合での、ブレークオーバー時の電圧−電流
特性を、プロトン照射直後の特性■と、アニール後での
特性■、■とに分けて示したもので、まずプロトン照射
直後の特性のによれば、この場合には、概略８，５ｋＶ
でブレークオーバーしているが、特性■で示す、３２０
℃、３０分のアニール後では、それが約７．２ｋＶに低
下し、そして特性■で示す、３５０℃、３０分のアニー
ル後では、更にそれが約５．４ｋＶにまで低下している
。

これは、プロトン照射後のアニールによってドナーの形
成が促進されたためである。なお、二のように、プロト
ンや電子線なとの放射線を照射した直後は、この照射に
よって発生した結晶欠陥がシリコン中に多数残っており
、この結果、高温時での漏れ電流が大きくなってしまう
ことから、アニールしてから使用するようにするのが一
般的である。

この第５図の結果から、プロトン照射によるブレークオ
ーバー電圧の制御には、前述のドーズ量による外、アニ
ール条件によっても可能なことが判る。

従って、第１図の実施例によれば、ピーク領域１２によ
るブレークオーバー電圧特性を高精度で任意に設定でき
ることになり、所定の正確なブレークオーバー電圧特性
を有する過電圧自己保護型サイリスタを容易に得ること
ができる。

次に、この第１図の実施例による過電圧自己保護型サイ
リスタの製造方法について、第６図により説明する。

まず、半導体基板１として、基板抵抗率３８０Ω・印、
厚さ１５００μｍのｎ型シリコンウェハーを用意し、こ
れにｎ型不純物であるＡΩ（アルミニウム）を、概略、
表面濃度が７　Ｘ　Ｉ　Ｏ”ロー″拡散源さ１４５μｍ
となるように両面から拡散し、ｐエミッタ層２とｐベー
ス層４を形成する（第６図（ａ））。

次に、カソード側となる拡散面、つまりｐバー２層４側
の面を表面から約３５μｍの深さにエツチングし、そこ
にｎ型不純物であるＰ（リン）を、１１００℃で１２０
分の拡散により、ｎエミツタ層となる深さ８〜１０μｍ
のｎ型高濃度不純物層ｎ４を形成する（第６図（ｂ））
、このとき、これらの層の間に形成されるＪ、接合の下
のシート抵抗は、６００〜１０００Ω１０になる。なお
アノード側にも形成されてしまうｎ“拡散層は、約２０
μｍの化学エツチングにより除去する。

続いて、カソード側のエミッタパターンをフォトリソグ
ラフィ技法によりカソード面に転写し、エッチダウン法
により形成して、サイリスタに必要とする接合構造を全
て作成した後、アノード側及びカソード側のそれぞれに
、電極となるＡαを約１５μｍの厚さに蒸着した後、同
じくフォトリソグラフィ技法により所定のパターンにし
たがって選択的に除去し、電極を形成する（第６図（Ｃ
））。

このようにして、接合構造及び電極形成を終えたサイリ
スタ素子に、最後にプロトン照射を実施する。

パイロットサイリスタ部を構成する領域にだけ選択的に
プロトンを照射するため、第６図（ｄ）に示すように、
プロトンに対して遮蔽効果を有する、例えばアルミニウ
ムなどの金属板で作られた遮蔽板（マスク）１５を用い
、素子のカソード側（アノード側でもよい）から、エネ
ルギー９ＭｅＶで、ドーズ量５Ｘ１０’″国−′の条件
のもとてプロトン照射を行なう。

照射終了後、素子の端面加工と、表面安定化のためのパ
ッシベーション材の塗布を行ない、この後、アニール処
理を実施する。アニール温度は３００〜４００℃の範囲
で、このとき、カーブトレーサにより素子の特性を観察
しながら、所定のブレークオーバー電圧が得られるまで
、１０〜２０分程度の短時間のアニールを繰り返すので
ある。

従って、この実施例によれば、従来のサイリスタ素子の
製造工程を何ら変えること無く、素子の接合構造を完成
した後でプロトン照射を行ない、この後でのアニール処
理を、特性をモニターしながら実施するだけで、容易に
所定のブレークオーバー電圧を有する過電圧自己保護型
サイリスタを得ることが出来る。

つぎに第７図は本発明の他の一実施例で、同図（ａ）は
断面図、（ｂ）は平面図を示し、パイロットサイリスタ
と補助サイリスタの双方を備えたサイリスタに本発明を
適用したものであり、図において、９は補助サイリスタ
部、１１は補助サイリスタ電極であり、その他の構成は
第１図の実施例と同じである。

従って、この実施例は、素子の中央部にパイロットサイ
リスタ領域があり、それを囲むようにして隣接した補助
サイリスタ領域と、更に主サイリスタ領域が存在する２
段増幅方式により構成した過電圧自己保護型サイリスタ
となっているものであるが、この実施例では、ピーク領
域１２を形成するためのプロトンの照射を、アノード電
極６が存在する面側からパイロットサイリスタ領域に合
わせて選択的に実施したものである。

このように、アノード側からプロトンを照射した場合に
は、サイリスタの逆方向電圧を阻止するためのＪ１接合
に結晶欠陥生成領域１３がかかるため、順方向阻止状態
での漏れ電流よりも、逆方向阻止状態での漏れ電流の方
が、いくらか大になる傾向がある。従って、素子の仕様
により、カソード側からプロトン照射するか、アノード
側からプロトン照射するかを選択するようにすればよい
。

この第７図の実施例によっても、パイロットサイリスタ
部８でのブレークオーバー電圧を、高精度で容易に設定
でき、第１図の実施例と同様に、優れた特性の過電圧自
己保護型サイリスタをローコストで容易に得ることが出
来るという効果が得られる。

なお、以上の説明では、本発明を電気ゲート方式のサイ
リスタに適用した実施例について示したが、本発明は光
トリガサイリスタやゲートターンオフサイリスタなど、
電気ゲート方式以外のサイリスタにも適用可能なことは
いうまでもない。

［発明の効果］ 本発明によれば、従来のサイリスタの製造プロセスを何
ら変更することなく、サイリスタ素子に必要な接合形成
後のプロトン照射条件や、その後でのアニール処理条件
により、ブレークオーバー電圧を自在に、しかも高精度
で簡単に調整できるため、歩留まり向上と相俟ってロー
コストで高性能の過電圧自己保護型サイリスタを容易に
提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による過電圧自己保護型サイリスタの一
実施例を示す断面図、第２図は深さ方向のイオン分布及
び損傷分布を示す図、第３図はドーズ量をパラメータと
した電圧−電流特性図、第４図はドーズ量に対するブレ
ークオーバー電圧特性図、第５図はアニール条件をパラ
メータとした電圧−電流特性図、第６図は製造工程図、
第７図は本発明の他の一実施例を示す断面図と平面図、
第８図、第９図、第１０図はそれぞれ従来技術の説明図
である。 １・・・・・・半導体基板、２・・・・・・ｎエミツタ
層、３・・・・・・ｎベース層、４・・・・・・ｐベー
ス層、５・旧・・ｎエミツタ層、６・・・・・・アノー
ド電極、７・・・・・・カソード電極、８・・・・・・
パイロットサイリスタ部、９・・・・・・補助サイリス
タ部、１０・・・・・・パイロットサイリスタ電極、１
１・・・・・・補助サイリスタ電極、１２・・・・・・
プロトン照射によるイオン分布のピーク領域、１３・・
・・・・プロトン照射による結晶欠陥生成領域である。 １１＼ 第１図 第２図 表面のゝづの巽離 Ｏ 第３図 奄 圧 （ｋＶ） ｗ＆５図 電 圧 （ｋＶ） Ｏ 第４図 ドース゛ＩＬ （ｃｍ−勺 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、接合面の一部に順方向降伏電圧が低下している部分
   を形成することにより過電圧保護機能を与える方式のサ
   イリスタにおいて、上記接合面を形成している一方の半
   導体層内にイオン分布密度がピーク値を示す部分をプロ
   トン照射により形成し、このピーク値を示す部分の存在
   により上記順方向降伏電圧が低下している部分が形成さ
   れるように構成したことを特徴とする過電圧自己保護型
   サイリスタ。 ２、請求項１の発明において、上記サイリスタがパイロ
   ットサイリスタ部又は補助サイリスタ部の少なくとも一
   方を備え、上記ピーク値を示す部分が、これらパイロッ
   トサイリスタ部又は補助サイリスタ部の少なくとも一方
   が形成されている部分の中に存在するように構成したこ
   とを特徴とする過電圧自己保護型サイリスタ。 ３、請求項１又は２の発明において、上記順方向降伏電
   圧が低下している部分の順方向降伏電圧特性が、上記プ
   ロトン照射時での照射条件と、このプロトン照射後のア
   ニール処理条件により決定されていることを特徴とする
   過電圧自己保護型サイリスタ。