JPH1092991A - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大電力を扱う半導体素子であって、より大電力
・より省スペースの新たな半導体素子の構造を提供す
る。 【解決手段】パイプ状部材などを基体として、直接半導
体ないし絶縁膜などの半導体素子の基本構成部分を形成
し、パイプ部に冷媒を流すことを特徴とする半導体素
子。さらにその製造方法として、該基体を材料ガス雰囲
気中に置き、加熱あるいは気体放電を発生して該材料を
含む層を析出させ、容易に半導体素子を製造する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機器、電子機
器の部品として用いられる半導体素子、特に大電力を扱
う半導体素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子は発電から末端の機器にいた
るまであらゆる分野で活用されていることはいうまでも
ない。従来の半導体素子は、主にシリコンやゲルマニウ
ムのウエハー上に構造を作り込んだものがつかわれてい
る。シリコン素子を例にとると、数百μm の厚さのシリ
コンウエハに酸化、不純物のイオン打ち込み、エッチン
グ、電極膜の成膜といった工程で形成される。シリコン
ウエハがあくまで基板であるため、独立した素子を作製
するにはシリコンウエハから個々の素子を切り出し、金
属電極に接着する必要があった。特に大電力を扱うパワ
ー素子の場合は素子内に発生する熱を逃がすために大面
積の金属放熱部材に接着し、この放熱部材を電極のひと
つに兼用するのが通常である。

【０００３】この様に、従来の半導体素子は放熱用の金
属電極に半導体ウエハを接着する方法で構成されてい
る。従って、素子と金属電極との熱抵抗に限界があり、
信頼性を確保するためには接合部の面積を本来必要な面
積以上にしなければならない。換言すれば素子を小型化
し難くまた小型化しても信頼性が得られにくいという問
題があった。また、冷媒を用いて素子の冷却を行うに
は、素子をさらに放熱部品に接合する必要があり、その
接合部にも熱抵抗が発生する問題があった。熱抵抗を下
げるにはシリコングリスを塗布したり柔らかい金属の箔
をはさみ圧着するなどの方法をとりうるが、それぞれ余
計な手間と経費を必要とする。さらには、シリコンない
しゲルマニウムなどの半導体材料のウエハを用いる必要
上、素子の基本形状が平面状となり、機器への組み込み
を考えた場合かならずしも最適な形状がとれないという
問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のパワー半導体素
子の冷却方法は、半導体素子とは別の放熱部品を必要と
し素子全体として小型化できない問題があった。また放
熱部品への接合も特別の方法を必要とし接合方法も煩雑
で余計な手間と経費を必要とする問題もあった。本発明
は、上記問題点に鑑みて成されたもので、冷却用の放熱
部品を必要とせず、複雑な装着方法も必要としない半導
体素子を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、請求項１の本発明は、基体と、この基体上に形成さ
れた半導体層と、この半導体層に形成された電極とを有
する半導体素子において、前記基体は中空のパイプ構造
を有し前記半導体層で発生する熱を取り出すことを特徴
とする半導体素子を提供するものである。

【０００６】また、請求項２の発明は、内部が中空の第
１の電極と、この第１の電極表面に絶縁膜を介して形成
され、内部キャリアが前記第１の電極からの電界によっ
て制御される半導体層と、この半導体層に電気的に接触
して形成され電流入力用の第２の電極と、この半導体層
に電気的に接触して形成され電流出力用の第３の電極と
を具備することを特徴とする半導体素子を提供するもの
である。

【０００７】また、請求項３の発明は、導電性の中空の
パイプ構造を有する電極の回りに半導体層が形成された
半導体素子を形成するに際して、前記電極を加熱すると
共に前記半導体の原料ガス雰囲気中に放置することで前
記電極の表面に直接或いは間接的に半導体層を気相成長
させる工程を有することを特徴とする半導体素子の製造
方法を提供するものである。

【０００８】また、請求項４の発明は、導電性の中空の
パイプ構造を有する第１の電極の回りに半導体層が形成
された半導体素子を形成するに際して、前記半導体の原
料ガス雰囲気中に設置した上で前記第１の電極および/
または前記電極近傍に設置された第２の電極に電圧を印
加し、前記電極の周囲に放電を誘起することで前記電極
の表面に直接或いは間接的に半導体層を気相成長させる
工程を有することを特徴とする半導体素子の製造方法を
提供するものである。

【０００９】また、請求項５の発明は、請求項３の発明
において、前記電極に電圧を印加することで加熱するこ
とを特徴とする半導体素子の製造方法を提供するもので
ある。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は上記した課題を解決する
手段としてなされたものであり、半導体素子であって、
その一部に冷媒を流せる中空構造を有する部材、好まし
くはパイプ状部材を従来の板状半導体ウエハに代わる基
体として、直接半導体ないし絶縁膜などの半導体素子の
基本構成部分を形成したことを特徴とする半導体素子を
提供する。またその製造方法として、この基体を材料ガ
ス雰囲気中に置き、加熱あるいは気体放電を発生して該
材料を含む層を析出させ、容易に半導体素子を製造する
方法を提供することを骨子とする。

【００１１】図１は本発明を実施して作製したMOS 構造
のトランジスタの構造図である。金属パイプの周囲に順
次絶縁膜、ｐ型ドープ半導体膜、ｎ＋ドープ半導体膜、
ドレイン又はソース電極が同心円状に積層されている。
ここで基体となるのは金属パイプであるが、AlN 、Ａｌ
2 Ｏ3 、Ｓｉ3 Ｎ4 等のセラミックスパイプにAl、Au、
Cu、Mo、W 等の金属を蒸着形成したようなものであって
ももちろん良い。そのさいにはセラミックスパイプは、
熱伝導性がよいものが望ましい。

【００１２】ドレイン・ソース電極は金属、たとえばモ
リブデンやアルミニウムなどで構成されており、外部回
路に引き出すことができる。本素子の動作は通常のMOS
トランジスタとなんらかわることがない。すなわち、た
とえばソース電極を接地電位とし、ドレインに定電圧を
印加してゲート電極の電位を変化させると、ドレイン・
ソース間に流れる電流がゲート電圧によって制御するこ
とができる。本発明のひとつの特徴は、ゲート電極の内
部に冷媒を流せることにある。即ち、たとえば空気、窒
素などの気体、あるいは水、油などの液体を流すこと
で、輻射冷却に比べてはるかに高い冷却効率が得られ
る。換言すれば、トランジスタがはるかに大きい電流を
扱うことができる。さらに、棒状の部材全面にわたり能
動素子が形成されるため、省スペース性に優れた半導体
デバイスが提供できる。製造時は、中心部のパイプ電極
をシランなどの雰囲気中に保持し、加熱することでSiな
どを析出させる熱CVD モード、析出Si膜の熱酸化モー
ド、またパイプ電極を減圧雰囲気下に保持しつつRFを印
加することで周囲に放電を生じせしめ、放電中で分解し
た活性ガス種による膜成長を利用するプラズマCVD モー
ドと各種の成膜法が採用できる。それらの方法によって
全面に膜を成長させることが容易であることが、もう一
つの特徴である。したがって、用いる基体の形状の自由
度が大きい。たとえば、円筒状パイプだけでなく、断面
が楕円、正方形、長方形、その他の多角形、或いはパイ
プ自体の太さも冷媒の上流側に比べて下流側を大きくし
たものやまたその逆或いは素子の形成される部分のみを
細くしたものであっても良い。その他異形のを含めてさ
まざまな形状が採用できる。

【００１３】本発明の効果はMOS トランジスタに限るも
のではもちろんなく、バイポーラトランジスタやサイリ
スタ、ダイオードなど、およそすべての半導体応用素子
に適用可能である。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）図を参照しながら本発明の実施例１を詳細
に説明する。図１は素子全体の外観を示す図で、図２は
その断面図である。図２において、１はドレイン電極、
２はソース電極、３は金属パイプであるゲート電極、４
はＳｉＯ2 の絶縁膜、５はSi膜、６はn+にドープしたSi
膜、７はモリブデン膜である。６のSi膜のドーパントは
リンとした。すなわち、本素子はｎチャネルのMOS-FET
となる。

【００１５】以下に本実施例のMOS トランジスタの作製
手順を示す。半導体膜の作製はいわゆる常圧CVD によっ
た。まず、ゲート電極となる銅パイプを酸洗いの洗浄・
乾燥後、真空容器に設置した。

【００１６】ついで、真空容器を十分に排気した後、シ
ランガスとN2O ガスを導入し、１気圧とした。この状態
で上述した銅パイプを900 ℃に加熱した。すると酸化シ
リコン膜が銅パイプの表面に徐々に成長した。酸化シリ
コン膜が400nm になったところでガス流を中止した。

【００１７】続いてシランガスとアルシンガスを流し、
ｐ型ドープシリコン層を形成した。また、続いてシラン
とホスフィンガスを流し、ｎ＋ドープシリコン膜を形成
した。

【００１８】最後にトリメチルアルミニウムガス中で加
熱し、全面にアルミニウム膜を形成した。つづいてパタ
ーニングを行い、ソース・ドレイン電極を残すととも
に、金属パイプを露出する等して不要な部分を除去して
図１、図２のような素子が完成した。

【００１９】パターニングはフォトレジストを全面に塗
布し、取り除きたい部分のみをマスクして紫外線を照射
した後、現像液に漬け、未露光部を取り除いた。さらに
適当なエッチングガス、たとえばシリコンの場合はCF4
＋O2ガス雰囲気中に置き、放電を行ってF ラジカルを発
生させてエッチングを行った。この場合パイプ電極にRF
電源を接続し、被加工物自身を放電電極としてプラズマ
を発生させ、エッチングを行うこともできる。最後に引
き出し電極１０を接続して完成した。

【００２０】この素子は、動作中にパイプ内に冷媒であ
る水を通すことで素子全体を冷却することができ、また
ゲート電極であるパイプ自体が冷却部品を兼ねるために
特別な冷却部品を必要とせず、従来の板状の半導体素子
を冷却版に接着したようなバワー半導体と比べて小型化
に有利である。

【００２１】（実施例２）図４は本発明を実施して作製
したゲートターンオフサイリスタアレイである。また、
図３は本実施例のゲートターンオフサイリスタの一ユニ
ットを拡大した図である。図３において、２１はゲート
電極、２２はアノード電極、２３はカソード電極に相当
する。２４、２５、２６、２７はそれぞれｎ型、ｐ型、
ｎ型、ｐ型半導体層である。それぞれの半導体層は後述
する気相成長法で形成した多結晶シリコンである。アノ
ード、ゲート両電極は大電力を扱うことができるよう、
複数個並列に接続されている。

【００２２】本実施例のゲートターンオフサイリスタア
レイは、いわゆるLPCVD 法により作製した。以下にその
手順を示す。まず、カソード電極となるタングステンパ
イプを酸洗い洗浄・乾燥の後、LPCVD 装置の真空容器内
に設置した。この真空容器を十分に排気した後、シラン
ガスとホスフィンガスを導入し、0.5Torr とした。この
状態で上述したタングステンパイプを900 ℃に加熱し
た。するとｎ型にドープされた多結晶シリコン膜がパイ
プの回りに徐々に成長した。

【００２３】次に、冷却の後取り出して不要な部分をパ
ターニングにより除去した後、再び真空容器に装入し、
今度はシランガスとアルシンの混合ガスを導入した後、
加熱によりｐ型のSi膜を成長させた。このような工程を
繰り返して図の構造が完成した。ゲート、アノードの取
り出し電極には６フッ化タングステン中の加熱によって
タングステン膜を析出させ、さらにパターニングを行っ
て電極２１、２３を形成した。

【００２４】本素子の特徴は、通常のプレーナ型ゲート
ターンオフサイリスタと同様に、ゲート電極に印加する
バイアスでアノード・カソード間の電流をオン・オフで
きる。一般的にサイリスタは大電流を制御する目的で使
用される。すなわち動作時の発熱が製品の重要な仕様の
ひとつである。いったんオンした素子をオフする際に
は、一時的にアノード電極近傍の電流がゲートからはな
れた領域に集中する現象（ゲートターンオフ電流の集
中）が知られており、これが最大定格をきめる要素であ
るが、本実施例の構造で強制冷却が容易であるため、加
熱による動作劣化がなく、すぐれた特性の大電力制御素
子が提供できる。さらに該素子の大きさを従来の構造に
比べ小さくできる。冷媒は水だけでなく油脂などの液
体、あるいは窒素などの気体でもよい。本発明の実施に
より、容易な工程によって優れた特性のトランジスタ、
サイリスタ、ダイオードなどの半導体素子が提供でき、
特に大電力を扱う素子の温度上昇を防ぐことに効果があ
る。言い換えれば従来技術によるものと同じ定格電力の
素子であれば、本発明を実施したものはより小型化が可
能である。さらに、本発明による半導体素子を応用する
とスペース的に効率のよい機器が設計できる。以上の実
施例では半導体には、シリコンを使用したが、シリコン
以外のＩＶ族半導体のゲルマニウム、炭素、或いは化合
物半導体、例えばＳｉＧｅ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等でも良
い。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、冷却用の放熱部品
を必要とせず、複雑な装着方法も必要としない半導体素
子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１であるMOS トランジスタの
外観図。

【図２】 本発明の実施例１であるMOS トランジスタの
断面図。

【図３】 本発明の実施例２であるゲートターンオフサ
イリスタの腰部断面図。

【図４】 本発明の実施例２であるゲートターンオフサ
イリスタの断面図。

【符号の説明】

１ ドレイン電極 ２ ソース電極 ３ 金属パイプであるゲート電極 ４ SiO2絶縁膜 ５ Si膜 ６ ドープしたSi膜 ７ モリブデン膜 ２１ ゲート電極 ２２ アノード電極 ２３ カソード電極 ２４、２５、２６、２７ ｎ型、ｐ型、ｎ型、ｐ型半導
体層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体と、この基体上に形成された半導体層
   と、この半導体層に形成された電極とを有する半導体素
   子において、前記基体は中空のパイプ構造を有し前記半
   導体層で発生する熱を取り出すことを特徴とする半導体
   素子。
2. 【請求項２】内部が中空の第１の電極と、この第１の電
   極表面に絶縁膜を介して形成され、内部キャリアが前記
   第１の電極からの電界によって制御される半導体層と、
   この半導体層に電気的に接触して形成され電流入力用の
   第２の電極と、この半導体層に電気的に接触して形成さ
   れ電流出力用の第３の電極とを具備することを特徴とす
   る半導体素子。
3. 【請求項３】導電性の中空のパイプ構造を有する電極の
   回りに半導体層が形成された半導体素子を形成するに際
   して、前記電極を加熱する（加熱以外の方法もあるので
   はないでしょうか）と共に前記半導体の原料ガス雰囲気
   中に放置することで前記電極の表面に直接或いは間接的
   に半導体層を気相成長させる工程を有することを特徴と
   する半導体素子の製造方法。
4. 【請求項４】導電性の中空のパイプ構造を有する第１の
   電極の回りに半導体層が形成された半導体素子を形成す
   るに際して、前記半導体の原料ガス雰囲気中に設置した
   上で前記第２の電極および/ または前記電極近傍に設置
   された第２の電極に電圧を印加し、前記電極の周囲に放
   電を誘起することで前記電極の表面に直接或いは間接的
   に半導体層を気相成長させる工程を有することを特徴と
   する半導体素子の製造方法。
5. 【請求項５】前記電極に電圧を印加することで加熱する
   ことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子の製造方
   法。