KR940008214B1 - 압접형 반도체 장치 - Google Patents

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요시오 요꼬따
가즈오 와따누끼
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가부시끼가이샤 도시바
아오이 죠이찌
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Abstract

내용 없음.

Description

압접형 반도체 장치
제1도는 본 발명의 한 실시예에 관련된 얼로이프리 구조의 압접형 다이오드의 주요 부분을 도시한 단면도.
제2도는 제1도의 압접형 다이오드와 종래예의 얼로이프리 구조의 압접형 다이오드에 관해서 백파워 내량(VIJ)를 실제로 측정한 결과를 도시한 도면.
제3도는 제1도의 압접형 다이오드의 변형예의 주요 부분을 도시한 단면도.
제4도 및 제5도는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 각각 대응하는 전자선 조사 또는 프로톤 조사에 의해 캐리어 수명의 부분적인 제어가 행해진 얼로이프리 구조의 역저지형 GTO 사이리스터의 일부를 도시한 단면도.
제6도 및 제7도는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 각각 대응하는 전자선 조사 또는 프로톤 조사에 의해 캐리어 수명의 부분적인 제어가 행해진 얼로이프리 구조의 역도통형 GTO 사이리스터의 일부를 도시한 단면도.
제8도는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 레벨 이외의 접합 종단을 갖고 있는 MAGTO 사이리스터의 일부를 도시한 단면도.
제9a도 및 제9b도는 종래의 압접형 다이오드에 관한 얼로이구조의 한 예와 얼로이프리 구조를 개략적으로 각각 도시한 부분 단면측면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 30 : 반도체 펠릿(다이오드) 11 : 산화막
12 : 주요 전극 13 : 봉입재
14 : 전극 부재 15 : 전극 포스트
16 ,77 : 애노드 전극 17, 75, 76, 808 : 게이트 전극
40, 50 : 반도체 펠릿(역저지형 GTO 사이리스터
60,70 : 반도체 펠릿(역도통형 GTO 사이리스터)
71 : GTO부 72 : 다이오드부
73 : 분리 영역 74, 812 : 캐소드 전극
80 : 반도체 펠릿(MAGTO 사이리스터)
802 : 애노드 영역 809 : 베이스 전극
A, C, E, G : 전자선 조사 부분 B, D, F : 프로톤 조사 부분
본 발명은 전력용 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하면 압접형(壓接型) 반도체 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전력용 반도체 장치는 방열(放熱), 전류 용량, 방폭(防爆) 및 반도체 펠릿(Pallet) 직경 등의 특수한 조건을 만족시키기 위해 스터드(stud)형 또는 플래트 팩케이지(flat package)형 등의 가압 접촉형(압접형) 외위기(外圍器)가 사용되고 있으나, 주내압(主耐壓)을 얻기 위해 반도체 펠릿의 접합 표면에 베벨(bevel) 구조 등의 특별한 접합 종단 영역을 사용하므로, 동작시에 열이 발생하는 부분의 전체 표면에 대해 압접하는 것은 곤란하다. 또한, 상기 압접형 외위기는 열 발생원인 반도체 펠릿면 내에서 압접 전극이 충분히 강하게 당접되어 있는 부분의 방열은 양호하지만, 압접 전극이 당접되어 있지 않는 부분의 방열은 매우 불량하다는 특징이 있다.
그러므로, 이와 같은 압접형 외위기를 사용한 종래의 압접형 반도체 장치는 방열 대책으로서, 외부 전극이 반도체 펠릿에 당접되는 부분의 면적을 가능한 한 크게 설계하거나, 반도체 펠릿의 편면측(片面側)에 알루미늄ㆍ실리콘(Al-Si) 합금박을 삽입하여, 반도체 펠릿(실리콘 펠릿)과 열팽창 계수가 거의 같은 몰리브덴(Mo)이나 텅스텐(W)등의 열완충판에 펠릿을 고착하기도 했다.
그러나, 이와 같이 해도, 반도체 펠릿면 내에서 외부 전극이 당접되지 않는 부분의 부분적인 방열 부족이 발생하여, 반도체 소자가 파괴되어 버리는 문제점이 있었다.
제9a도 및 제9b도에는 각각 종래의 압접형 다이오드에 대해서, 얼로이(alloy) 구조의 한 예 및 얼로이프리(alloyfree) 구조의 다른 한 예가 개략적으로 도시되어 있다. 여기에서, 참조 번호(90)은 pn 접합 다이오드가 형성된 반도체 펠릿(실리콘 펠릿)이고, 편면측(제1)의 주요 표면 및 다른 면측(제2)의 주요 표면에 각각 주전극이 형성되어 있다. 또한, 이러한 반도체 펠릿(90)의 주변 단면부를 덮도록 봉입재(예를 들면, 실리콘 고무 ; 91)이 설치되어 있다.
제9a도에 도시된 얼로이 구조에서는 반도체 펠릿(90)의 편면측이 열완충판(예를 들면, Mo ; 92)에 합금 접합에 의해 고착되고, 반도체 펠릿(90)의 다른 면측에 전극 부재(93)이 배치되어, 이들의 양측으로부터 전극 포스트(post)(예를 들면, Cu ; 94)에 의해 가압된다.
제9b도에 도시된 얼로이프리 구조에 있어서는 반도체 펠릿(90)의 제1주요 표면의 주요 전극 및 제2주요 표면의 주요 전극에 대해서 각각 전극 부재(93)을 통해 가압한 상태로 전극 포스트(94)가 설치되어 있다. 이러한 경우, 반도체 펠릿(90)과 전극 부재(93)과 전극 포스트(94)의 각각의 대향면은 서로 고착되지 않고, 서로 접촉한 상태로 가압되어 있다.
제9a도 및 제9b도 중의 화살표(a)로 도시된 부분[반도체 펠릿(90)면의 외부 전극이 당접되지 않은 부분]은 동작시에 열이 발생하는데도 불구하고 방열이 양호하게 이루어지지 않으므로, 이 반도체 펠릿(90)이, 예를 들면 다이오드인 경우에는 역회복시의 백파워(back power)에 의해 매우 용이하게 파괴된다.
상술한 바와 같이 종래의 압접형 반도체 장치는 반도체 펠릿면내에서 외부 전극이 당접되지 않은 부분의 방열이 좋지 않아. 반도체 소자의 파괴 내랑 낮다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 펠릿면내에서 외부 전극이 당접되지 않은 부분의 열의 발생량이 억제되어, 반도체 소자의 파괴 내량이 증가하는 압접형 반도체 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 편면측의 제1주요 표면 및 다른 면측의 제2주요 표면에 각각 형성된 주요 전극을 갖는 반도체 펠릿과, 이러한 반도체 펠릿의 최소한 한쪽의 주요 표면에 전극 부재를 개재하여 상기 반도체 펠릿의 제1주요 표면의 주요 전극 및 제2주요 표면의 주요 전극을 가압한 상태에서 반도체 펠릿을 삽입하도록 설치된 전극 포스트를 포함하는 압접형 반도체 장치에 있어서, 상기 전극 부재에 서로 접촉되지 않은 열 발생 부분에서의 캐리어 수명(carrier lifetime)이 상기 전극 부재에 당접되는 열 발생 부분에서의 캐리어 수명보다도 낮아지도록 결정결함(結晶缺陷) 밀도가 상기 반도체 펠릿 면 내에 분포되어 있는 것을 특징으로 한다.
반도체 펠릿의 최소한 한쪽의 주요 표면내에서, 전극 부재가 당접되지 않은 열발생 부분은 전극 부재가 당접된 열 발생 부분에 비해서, 결정 결함이 크고, 캐리어 수명이 떨어지며, 전류 분담이 작아지므로, 열 발생량이 억제되어, 반도체 소자의 파괴 내량이 증가한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 상세하게 설명하겠다.
제1도에는 얼로이프리 구조의 압접형 다이오드의 한 예의 주요 부분이 도시되어 있다. 여기에서, 참조번호(10)은 p층과 n-층과 n+층이 접합되어 이루어지는 다이오드가 형성된 반도체 펠릿(실리콘 펠릿)이고, 편면측의(제1의) 주요 표면 및 다른 면측의 (제2)의 주요 표면에는 주변 연부에 산화막(SiO2막 ; 11)이 형성되며, 거의 모든 면에 애노드 또는 캐소드 용의 주요 전극(12)가 형성된다. 또한, 이러한 반도체 펠릿(10)의 주변 단면부를 덮도록 봉입재(예를들면, Mo ; 14)가 배치되고, 이러한 전극 부재(14)를 통해 반도체 펠릿(10)의 양면을 가압한 상태로 전극 포스트(예를들면, Cu)가 설치된다. 이러한 경우, 반도체 펠릿(10)과 전극 부재(14)와 전극 포스트와의 각각의 대향면은 서로 고착되지 않고, 서로 접촉된 상태로 가압되도록 압접형 외위기(外圍器)에 장착된다.
본 발명에서는, 상기 반도체 펠릿면내의 결정 결함 밀도는 전극 부재(14)에 접촉되지 않은 열 발생 부분(펠릿 주변부)에서의 캐리어 수명이, 전극 부재(14)에 접촉된 열 발생 부분에서의 캐리어 수명보다도 낮아지는 분포를 갖는다.
그 다음에, 상기 압접형 다이오드의 반도체 펠릿(10)의 형성방법의 한 예에 대해서 설명하겠다. 우선, 가속 전압 10MeV, 도우즈량 5×1011cm-2의 전자선을 반도체 펠릿(10)면내에 전체적으로 균일하게 조사하고, 펠릿 전체의 캐리어 수명을 충분히 낮게 하여, 반도체 소자의 전기적인 특성을 목표에 거의 가깝게 얻는다. 그 다음, 전극 부재(14)에 접촉되어 충분한 방열 효과가 얻어지는 열 발생 부분 이외의 부분(펠릿 주변부)에 대해서 상기 펠릿면 전체를 균일하게 조사했을 때의 약 10배의 도우즈량(5×1012cm-2)의 전자선을 조사한다. 이러한 경우, 상기 전자선을 선택적으로 조사하기 위한 마스크는 두께가 3-6mm 정도인 Mo판 등을 사용한다. 여기에서, 부분적으로 전자선 조사[일렉트론(Electron)ㆍ비임(Beam)ㆍ인젝션(Injection) ; EBI]가 행해진 전자선 조사 부분(A)(점선으로 도시된 사선 영역)은, 방열은 좋지 않지만, 펠릿내의 전극 부재(14)에 당접한 열 발생 부분에 비해 캐리어의 재결합 중심이 되는 결정 결함 밀도가 거의 1.5배 이상으로 된다.
상기 실시예의 압접형 다이오드에 의하면, 펠릿내의 전극 부재(14)가 충분히 강하게 당접되어 있는 열 발생 부분의 방열은 양호하다. 이에 대해서, 전극 부재(14)가 당접되어 있지 않은 펠릿 주변부의 열 발생 부분[즉, 전자선 조사 부분(A)]는, 방열은 좋지 않지만, 전극 부재(14)에 당접된 열 발생 부분에 비해서, 캐리어 수명이 상당히 낮아지므로, 펠릿면 내에서의 전류 분담이 작아지고, 열의 발생량이 억제되어, 역회복시의 백파워 내량이 향상된다는 것이 확인되었다.
여기에서, 상기 실시예의 압접형 다이오드와 종래예의 얼로이프리 구조의 압접형 다이오드에 대해서 백파워 내량(VIJ)를 실제로 측정한 결과가 제2도에 도시되어 있는데, 상기 실시예의 백파워 내량(VIJ)는 종래 예에 비해 약 1.5배이다.
또한, 상술한 바와 같은 캐리어 수명의 부분적인 제어 방법으로서는 전자선 조사에 한정되지 않고, 알파()선 등의 방사선 조사나, 중금속 확산 등의 방법을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 프로톤을 조사하는 경우에는 제3도에 도시된 압접형 다이오드와 같이, 펠릿 주변부에 프로톤을 조사해서 펠릿 주변부의 깊이 방향으로 국소적으로 캐리어 수명이 낮은 프로톤 조사부분(B)(점선으로 도시된 사선 영역)을 형성하도록 제어하면, 반도체 펠릿(30)면 내에서 뿐만 아니라, 깊이 방향의 결정 결함 밀도를 억제할 수도 있고, 상술한 바와 같은 효과가 용이하게 얻어진다. 이러한 경우, 상기 프로톤을 선택적으로 조사하기 위한 마스크는 두께가 0.2~1mm 정도인 Al판을 사용하면 충분하다. 이 두께는 전자선의 1/2에서 1/10이다.
또한, 제3도에 도시된 압접형 다이오드에 있어서, 제1도에 도시된 압접형 다이오드와 동일 부분에는 동일 부호를 사용하였다.
또한, 상기 실시예는 압접형 다이오드에 대해 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 일반적인 사이리스터(thyrister), GTO[게이트ㆍ턴ㆍ오프(GateㆍTurnㆍOff)]사이리스터, SI[정전ㆍ유도성(StaticㆍInduction)]사이리스터, IGBT[절연ㆍ게이트ㆍ바이폴라ㆍ트랜지스터(InsulatedㆍGateㆍBipolarㆍTransistor)], MAGT[모스(Mos)ㆍ어시스티드(Assisted)ㆍ게이트(Gate)ㆍ트리거(Trigger)]사이리스터, MAGTO[모스(Mos)ㆍ어시스티드(Assisted)ㆍ게이트(Gate)ㆍ턴(Turn)ㆍ오프(Off)]사이리스터, 역저지형(逆沮止型)GTO사이리스터, 및 역도통형(逆導通型)GTO사이리스터 등의 복합 소자 등의 모든 압접형 반도체 장치에 대해서도 상기 실시예와 동일하게 적용할 수 있다.
제4도 및 제5도에는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 각각 대응하는 전자선 조사 또는 프로톤 조사에 의해 캐리어 수명의 부분적인 제어가 행해진 얼로이프리 구조의 역저지형 GTO 사이리스터의 일부가 도시되어 있는데, 반도체 펠릿(40,50)은 시그마(∑)형상의 더불ㆍ베벨(doubleㆍbevel) 구조를 갖고 있고, 전극 부재(14)에 당접되지 않은 열 발생 부분인 펠릿 주변부에 전자선 조사 또는 프로톤 조사에 행해지고, 점선으로 도시된 사선 영역에 전자선 조사 부분(C)가 형성되며, 프로톤 조사 부분(D)가 형성된다. 또한, 참조번호(13)은 봉입재이고, 참조 번호(14)는 전극 부재이며, 참조 번호(15)는 상기 전극 부재(14)를 통해서 반도체 펠릿(40 또는 50)의 양쪽면을 가압한 상태로 설치된 전극 포스트(예를 들면, Cu)이고, 참조 번호(16)은 애노드 전극이며, 참조 번호(17)은 게이트 전극이다.
상기 역저지형 GTO 사이리스터에 의하면, 펠릿 주변부에 있어서, 캐리어 수명이 충분히 낮아지고, 펠릿면 내애서의 전류 분담이 적어지며, 열의 발생량이 억제되고, 더우기 캐리어 주입이 적어지면 턴오프 시간이 짧아진다는 효과가 얻어진다.
제6도 및 제7도에는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 각각 대응하는 전자선 조사 또는 프로톤 조사에 의해 캐리어 수명의 부분적인 제어가 행해진 얼로이프리 구조의 역도통형 GTO 사이리스터의 일부가 도시되어 있는데, 반도체 펠릿(60,70)의 중앙부에는 GTO부(71)이 형성되고, 펠릿 주변부에는 플라이휠(fly wheel)용의 다이오드부(72)가 형성되며, 이들의 GTO부(71)과 다이오드부(72) 사이에는 분리 영역(73)이 형성되고, 전극 부재(14)에 당접되지 않은 열 발생 부분이 펠릿 주변부에 전자선 조사 또는 프로톤 조사가 행해지며, 점선으로 도시된 사선 영역(E)에 전자선 조사 부분이 형성되고, 점선으로 도시된 사선 영역(F)에 프로톤 조사 부분이 형성된다. 또한, GTO부(71)에 있어서, 참조 번호(74)는 미세화된 다수의 캐소드 전극이고, 참조 번호(75)는 이 캐소드 전극(74)를 둘러싸도록 배치된 게이트 전극이며, 참조 번호(76)은 다이오드부(72)의 캐소드 전극이고, 참조 번호(77)은 펠릿 편면측에 형성된 공통 애노드 전극이다.
또한, 상기 각각의 실시예는 베벨 구조의 압접형 반도체 장치에 대해 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 주요 접합의 접합 종단이 베벨 이외에, 예를 들면 가아드 링(guard ring), 리서프(RESURF), 레지스티브ㆍ필드ㆍ플레이트(ResistiveㆍFieldㆍPlate ; RFP) 등의 압접형 반도체 장치에 본 발명을 적용하여도 상기 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
제8도에는 베벨 이외의 접합 종단을 갖고 있는 얼로이프리 구조의 MAGTO 사이리스터의 일부가 도시되어 있다. 여기에서, 참조 번호(80)은 반도체 펠릿이고, 참조번호(14)는 전극 부재이며, 참조 번호(15)는 전극 부재(14)를 통해서 반도체 펠릿(80)의 양쪽면을 가압한 상태로 설치된 전극 포스트(예를 들면, Cu)이고, 전극 부재(14)에 당접되지 않은 열 발생 부분인 펠릿 주변부의 접합 종단 영역(80')에 전자선 조사가 행해져 캐리어 수명의 부분적인 제어가 행해지고, 점선으로 도시된 사선 영역에 전자선 조사 부분(G)가 형성된다.
또한, 참조 번호(801)은 애노드 전극이고, 참조 번호(802)는 P형 에미터(애노드) 영역이며, 참조번호(803)은 N+버퍼층이고, 참조 번호(804)는 N-베이스 층이며, 참조 번호(805)는 P형 베이스 영역이고, 참조 번호(806)은 N+에미터 층이며, 참조 번호(807)은 게이트 절연막이고, 참조 번호(808)은 게이트 전극이며, 참조 번호(809)는 베이스 전극이고, 참조 번호(810 및 811)은 절연막이며, 참조 번호(812)는 캐소드 전극이고, 참조 번호(813)은 P+영역이며, 참조 번호(814)는 P-형 리서프 영역이고, 참조 번호(815)는 N+스토퍼(stopper)층이며, 참조 번호(816)은 산화막이고, 참조 번호(817)은 사이포스(SIPOS)막이다.
또한, 본 발명은 상기 각각의 실시예에서 예시한 바와 같은 얼로이프리 구조의 압접형 반도체 장치에 적용하여도 효과가 커지지만, 얼로이 구조의 압접형 반도체 장치에 적용하여도 효과가 얻어지는 것은 물론이다.
또한, 상기 각 실시예에서는 1개의 반도체 펠릿을 사용한 구조의 압접형 반도체 장치에 대해 기술하였지만, 여러개의 반도체 펠릿을 나란히 배치하여 사용하는 구조(열 발생 장소가 다수 산재하는 구조)의 압접형 반도체 장치에 적용하여도 효과를 얻을 수 있다.
또, 본원 청구 범위의 각 구성 요건에 병기한 도면 참조 부호는 본원 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이지, 본원 발명의 기술적 범위를 도면에 도시한 실시예에 한정할 의도로 병기한 것은 아니다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 반도체 펠릿면내에서 외부 전극이 당접되지 않은 부분의 열의 발생량이 억제되고, 반도체 소자의 파괴 내량이 증가하는 압접형 반도체 장치를 실현할 수 있다.

Claims (5)

  1. 편면측의 제1주요 표면 및 다른 면측의 제2주요 표면의 각각에 형성된 주요 전극(12)를 갖는 반도체 펠릿(10,30,40,50,60,70,80)과, 상기 반도체 펠릿의 최소한 한쪽의 주요 표면에 전극 부재(14)를 개재하여 상기 반도체 펠릿의 제1주요 표면의 주요 전극 및 제2주요 표면의 주요 전극을 가압한 상태로 반도체 펠릿을 삽입하도록 설치된 전극 포스트(15)를 포함하는 압접형 반도체 장치에 있어서, 상기 전극 부재에 서로 접촉되지 않은 열 발생 부분(A,B,C,D,E,F,G)에서의 캐리어 수명이 상기 전극 부재에 당접되는 열 발생 부분에서의 캐리어 수명보다도 낮아지도록 결정 결합 밀도가 상기 반도체 펠릿면 내에 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 압접형 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 펠릿의 주요 표면내에서 상기 전극 부재에 당접되지 않은 열 발생부분에서의 결정 결함 밀도가 상기 전극 부재에 당접된 열 발생 부분에서의 결정 결함 밀도에 비해 약 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 압접형 반도체 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결정 결함 밀도의 분포가 반도체 펠릿면내 및 깊이 방향으로 제어되는 것을 특징으로 하는 압접형 반도체 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 펠릿의 제1주요 표면의 주요 전극 및 제2주요 표면의 주요 전극에 대해서 각각 전극 부재를 개재하여 가압된 상태로 전극 포스트가 설치되고, 상기 반도체 펠릿, 전극 부재, 및 전극 포스트의 각각의 대향면이 서로 고착되지 않고 서로 접촉된 상태로 가압되는 것을 특징으로 하는 압접형 반도체 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 펠릿의 주요 표면내에서 상기 전극 부재에 당접되지 않은 열 발생 부분이 펠릿 주변부인 것을 특징으로 하는 압접형 반도체 장치.
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