專利名稱：可對(duì)象限q4和q1響應(yīng)的雙向靜態(tài)開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以單片形式制造的中等功率的雙向開(kāi)關(guān)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前多數(shù)靜態(tài)雙向開(kāi)關(guān)是雙向閘流晶體管(三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件)。雙向閘流晶體管相當(dāng)于兩個(gè)閘流晶體管反并聯(lián)。因此雙向閘流晶體管可以直接在交流網(wǎng)絡(luò)，比如，電力網(wǎng)，中連接。通常的雙向閘流晶體管的柵極相當(dāng)于形成雙向閘流晶體管的至少兩個(gè)閘流晶體管中的一個(gè)的陰極柵極并且是指位于此雙向閘流晶體管的正面一側(cè)(即包括門端子的表面)的電極，而此雙向閘流晶體管的背面，處于高電壓，當(dāng)前是連接到一個(gè)輻射器，而這產(chǎn)生絕緣問(wèn)題。
歐洲專利申請(qǐng)EP-A-0817277描述了一種新型雙向開(kāi)關(guān)，其觸發(fā)通過(guò)施加在位于器件正面上的控制電極和在位于器件的對(duì)面或背面的主電極的電壓下的電極之間的電壓來(lái)保證，而此整個(gè)背面由金屬化層覆蓋并可接地。
歐洲專利申請(qǐng)EP-A-1076355描述了對(duì)上述開(kāi)關(guān)的一種改進(jìn)，可以對(duì)象限Q3和Q2中的控制，即當(dāng)柵極很可能接受到相對(duì)背面電極為負(fù)的控制電壓，具有相對(duì)高的響應(yīng)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對(duì)歐洲專利申請(qǐng)EP-A-0817277的器件提供一種改進(jìn)使其可以獲得對(duì)象限Q4和Q1的相對(duì)高的響應(yīng)性能，即當(dāng)柵極有可能接受一個(gè)相對(duì)當(dāng)前接地的背面電極為正的控制電壓，而正面電極相對(duì)背面電極分別為正或負(fù)時(shí)。
為達(dá)到這一目的和其他目的，本發(fā)明提供一種在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底中形成的具有正面和背面的雙向開(kāi)關(guān)，其構(gòu)成包括在第一區(qū)中的第一主垂直閘流晶體管，該閘流晶體管具有一第二導(dǎo)電類型的背面層，與具有第一導(dǎo)電類型的背面層的第二主垂直閘流晶體管鄰接；一個(gè)與第一區(qū)分開(kāi)配置于正面一側(cè)的觸發(fā)區(qū)，此觸發(fā)區(qū)包括一個(gè)第二導(dǎo)電類型的阱，在阱中形成一個(gè)第一導(dǎo)電類型區(qū)；覆蓋背面的第一主電極金屬化層；在第一和第二閘流晶體管上的正面層上的第二主金屬化層；在所述阱上的第三柵極金屬化層；以及在背面一側(cè)，第二導(dǎo)電類型的附加區(qū)域和夾在此附加區(qū)域和第一背面金屬化層中間的絕緣層；所述附加區(qū)域在觸發(fā)區(qū)和部分地在第一區(qū)下延伸；以及在所述區(qū)域上的第四金屬化層。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，雙向開(kāi)關(guān)包括一個(gè)從背面向正面延伸的第二導(dǎo)電類型的周邊阱。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，在工作時(shí)，第四金屬化層與背面金屬化層的電壓相連接。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述阱，在頂視圖中，包圍第一區(qū)，所述區(qū)域只在第一閘流晶體管一側(cè)的第一區(qū)的一側(cè)上延伸。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，在第一區(qū)的周邊上配置一個(gè)第二導(dǎo)電類型的輕摻雜層，由一個(gè)足夠?qū)挼幕讌^(qū)將其與結(jié)構(gòu)的其余部分分開(kāi)以便耐受所要求的器件擊穿電壓，此足夠?qū)挼幕讌^(qū)由阻擋溝道環(huán)分割為兩部分。
本發(fā)明的上述目的、特征及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合附圖在具體實(shí)施方式
的下面的非限制性描述中予以詳細(xì)討論。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的雙向開(kāi)關(guān)的具體實(shí)施方式
的簡(jiǎn)化剖面圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的雙向開(kāi)關(guān)的具體實(shí)施方式
的簡(jiǎn)化剖面圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的雙向開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電流的特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式
為清楚起見(jiàn)，不同附圖中的同樣元件用同一標(biāo)號(hào)標(biāo)記。另外，與通常在集成電路的表示法中一樣，圖1和圖2不是按比例繪制的。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種單片的雙向開(kāi)關(guān)的一個(gè)實(shí)施方式的簡(jiǎn)化剖面圖。此器件包含一個(gè)可以具有高擊穿電壓(比如300至1000伏)的中等功率開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。與圖1所示的為了清楚起見(jiàn)的示圖相反，此開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)實(shí)際上占據(jù)了器件表面區(qū)的大部分。該開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)反向并聯(lián)的閘流晶體管Th1和Th2。此器件在N型半導(dǎo)體基底上1形成。在正面一側(cè)形成有一個(gè)P型阱2，其中形成有一個(gè)N型區(qū)3。在背面一側(cè)形成有一個(gè)P型層5，其中形成有一個(gè)N型區(qū)6，區(qū)6至少與未被層3占據(jù)的阱2的部分相對(duì)。閘流晶體管Th1與區(qū)和層5-1-2-3相對(duì)應(yīng)且其陽(yáng)極在背面一側(cè)。第二閘流晶體管Th2在區(qū)和層6-5-1-2上形成且其陽(yáng)極位在正面一側(cè)。
在正面一側(cè)，開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)Th1和Th2由用來(lái)決定擊穿電壓的一個(gè)周邊區(qū)所包圍。此周邊區(qū)，比如，包含一個(gè)在阱2的周邊上的輕摻雜的P型環(huán)8，環(huán)8在橫向方向上由N型基底的一個(gè)區(qū)將其與其他結(jié)構(gòu)元件隔開(kāi)，在該區(qū)的中部形成有一個(gè)N型阻擋溝道環(huán)9。
觸發(fā)結(jié)構(gòu)由P型阱11形成，在其中形成一個(gè)N+型12。器件周邊由一P型阱13定界，該P(yáng)型阱13從背面延伸到正面。在圖中靠右方，一個(gè)P-型環(huán)15形成阱13的界限，并且在圖中靠左方，形成P型阱11的界限，該P(yáng)-型環(huán)15也示出為用來(lái)改進(jìn)開(kāi)關(guān)部分的擊穿電壓。阱11與阱13隔開(kāi)的距離足以承受此電壓。作為一種替代方案(圖中未示出)，為了避免寄生觸發(fā)和減小橫向閘流晶體管2-1-11-12的敏感度，在阱11和阱13中間設(shè)置一個(gè)電阻。此電阻，比如，可以由在阱11和阱13中間的輕摻雜的P型區(qū)(P-)形成。
器件的整個(gè)背面覆蓋一層金屬化層M1，就像通常在中等功率和功率器件中所做的那樣。金屬化層M2覆蓋閘流晶體管Th2的陽(yáng)極和閘流晶體管Th1的陰極。在P阱上形成與柵極端連接的柵極金屬化層M3，而在N+區(qū)12形成金屬化層M4。最好是環(huán)形金屬化層M5覆蓋環(huán)形區(qū)9，并且環(huán)形金屬化層M6覆蓋阱13的周邊。金屬化層M5和M6不與外部端子連接，只是用來(lái)保證下面的摻雜區(qū)電位相同。
根據(jù)本發(fā)明的雙向開(kāi)關(guān)預(yù)備在金屬化層M4，與金屬化層M1一樣，接地時(shí)，將柵極端G設(shè)置為正電壓。這種觸發(fā)模式是本發(fā)明的一個(gè)方面。
在象限Q4，即當(dāng)金屬化層M2相對(duì)接地的金屬化層M1為負(fù)并且在柵極端上施加的是正電壓時(shí)，有一個(gè)柵極電流流過(guò)P阱11和N+柵極區(qū)12中間的結(jié)(正向偏置的)。之后，電子通過(guò)擴(kuò)散注入到基底，并且電子返回處于最大正電壓的柵極金屬化層G。從柵極G的區(qū)11，空穴被注入到基底。之后，這些空穴受到存在于此結(jié)構(gòu)中的最低負(fù)電位所吸引。最低負(fù)電位是金屬化層M2上的電位。于是，空穴(箭頭18)將開(kāi)啟N型基底1和P型阱2中間的結(jié)，而閘流晶體管Th1趨于導(dǎo)通。然而，假設(shè)接地的金屬化層M1的電位比柵極區(qū)電位更負(fù)，則一部分空穴(箭頭19)將流向此金屬化層，在該金屬化層的電位下這些空穴將會(huì)復(fù)合并且這些空穴將會(huì)在觸發(fā)中消耗掉。結(jié)果，為了觸發(fā)閘流晶體管，必須提供足夠大的柵極電流。
空穴要達(dá)到閘流晶體管Th1的觸發(fā)區(qū)而需要通過(guò)的路徑(箭頭18)比較長(zhǎng)，假定在實(shí)際開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的周邊必須提供一個(gè)自由區(qū)以便保證足夠的擊穿電壓的話。這樣，在觸發(fā)區(qū)前面的背面一側(cè)上存在N+區(qū)(圖中未示出)的場(chǎng)合，類似于上面對(duì)歐洲專利申請(qǐng)EP-A-1076365的描述，已經(jīng)確認(rèn)，為了在象限Q4中觸發(fā)閘流晶體管Th1，柵極電流必須大于40毫安。
如圖2所示，為了提高觸發(fā)的靈敏度，本發(fā)明，除了圖1所示的具體觸發(fā)結(jié)構(gòu)之外，還在觸發(fā)區(qū)下面配置一個(gè)借助絕緣層21(最好是氧化物層)而與金屬化層M1絕緣的重?fù)诫sP型區(qū)20。采用這種結(jié)構(gòu)，在觸發(fā)時(shí)，上述空穴沿著點(diǎn)線示出的路徑23，在重?fù)诫s的P型區(qū)20中不幾乎發(fā)生復(fù)合地傳播。要使層20足夠有效，它不僅必須在觸發(fā)區(qū)下面，即在阱11下面，而且也必須侵入到與實(shí)際開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的區(qū)域之下。P型環(huán)8的外部部分的投影和實(shí)際開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)下面P區(qū)20的界限的投影之間的距離在圖2中以d1標(biāo)記。距離d1特別包含環(huán)8的寬度。
圖3示出閘流晶體管Th1在其陰極負(fù)偏置時(shí)的觸發(fā)電流igt4的值與距離d1的關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)距離d1很小時(shí)，柵極電流值很大，如前所述，大致可達(dá)到40毫安。一當(dāng)距離d1變得大于環(huán)8的寬度，則觸發(fā)電流減小并且實(shí)質(zhì)上在距離d1大致等于200μm時(shí)到達(dá)極小值，之后實(shí)質(zhì)上保持不變。此時(shí)觸發(fā)電流的值大約為10毫安，此值是完全可以接受的。
圖2中在絕緣壁的周邊上也示出橫向金屬化區(qū)域40。此區(qū)相應(yīng)于可能的燈芯作用。應(yīng)當(dāng)指出，在示出的場(chǎng)合，此燈芯作用對(duì)電路工作無(wú)影響。這是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的器件在象限1中進(jìn)行控制時(shí)，即在柵極電流還為正時(shí)，主金屬化層M2相對(duì)主金屬化層M1為正偏置的情況下，也必須能夠滿意地工作。在此場(chǎng)合，要考慮從N+區(qū)12擴(kuò)散到基底中的電子。這些電子很容易通過(guò)N型基底傳播到正金屬化層M2啟動(dòng)N型區(qū)3和阱2之間的阻斷結(jié)。P+型區(qū)20的存在對(duì)此觸發(fā)模式無(wú)影響，這在避免在金屬化層M1一側(cè)發(fā)生復(fù)合也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在此場(chǎng)合，這一點(diǎn)比較起來(lái)是第二位的。
對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人士而言可以對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種改進(jìn)以使其工作優(yōu)化。比如，柵極接觸M3最好是盡量靠近功率區(qū)。比如，如果，在圖2中，柵極接觸是置于金屬化層M4的下面而不在金屬化層M3的下面，則將會(huì)從大約為10毫安的觸發(fā)電流切換到大約為25毫安的觸發(fā)電流。的確，在此場(chǎng)合，在絕緣壁上失掉的空穴與指向絕緣的背層20的空穴相比較不再是可以忽略不計(jì)。
另一方面，為了使閘流晶體管Th1在象限Q4中易于觸發(fā)，N+型區(qū)3下面的P型阱2的電阻最好比較大。
為了保證擊穿電壓，將在P型絕緣層20，一方面，和壁13，另一方面，和P層5之間提供足夠的距離。最好在P型摻雜層5中在功率器件一側(cè)上的絕緣層21的界限處提供一個(gè)N型摻雜層25。這可以使一部分空穴避免經(jīng)此P層被吸引到金屬化層M1。
阱11可在以包圍整個(gè)功率區(qū)的柵極金屬化層M3覆蓋的環(huán)中延伸。
當(dāng)然，本發(fā)明可以有各種改變、改型和改進(jìn)，這些對(duì)于本專業(yè)領(lǐng)域的人士是顯而易見(jiàn)的。特別是，本發(fā)明可應(yīng)用于形成開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的任何類型的單片器件。另外，所有的導(dǎo)電類型都可以反轉(zhuǎn)，而偏置也應(yīng)該相應(yīng)地改變。還有，為了改進(jìn)閘流晶體管的靈敏度，通?？梢栽谂c閘流晶體管Th1的陰極相對(duì)應(yīng)的N+型區(qū)3中提供發(fā)射極短路孔。
這些改變、改型和改進(jìn)的目的是本發(fā)明的公開(kāi)的一部分，并包括在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。因此，上述說(shuō)明的描述僅僅是舉例，并且只有下面的權(quán)利要求及其等效物確定的本發(fā)明的范圍不限于此。
權(quán)利要求
1.一種在第一導(dǎo)電類型的具有正表面和背表面的一個(gè)半導(dǎo)體基底(1)上形成的單片雙向開(kāi)關(guān)，包括在第一區(qū)中的第一主縱向閘流晶體管(Th1)，該閘流晶體管具有一第二導(dǎo)電類型的背表面層(5)并與具有第一導(dǎo)電類型的背表面層(6)的一個(gè)第二主縱向閘流晶體管(Th2)相鄰接；一個(gè)與第一區(qū)分開(kāi)地設(shè)置于正表面一側(cè)的觸發(fā)區(qū)，此觸發(fā)區(qū)包括一個(gè)第二導(dǎo)電類型的阱(11)，在該阱(11)中形成有一個(gè)第一導(dǎo)電類型的區(qū)(12)；覆蓋背表面的第一主電極金屬化層(M1)；在第一和第二閘流晶體管上的正表面層上的第二主電極金屬化層(M2)；在所述阱(11)上的第三柵極金屬化層(M3)；在背表面一側(cè)上的第二導(dǎo)電類型的一個(gè)附加區(qū)域(20)和位于此附加區(qū)域和第一背表面金屬化層(M1)中間的一個(gè)絕緣層(21)，所述附加區(qū)域在觸發(fā)區(qū)之下延伸并部分地在第一區(qū)下延伸并與所述第一和第二閘流晶體管的背表面層相分開(kāi)；以及在所述區(qū)域(12)上的第四金屬化層(12)。
2.如權(quán)利要求1的雙向開(kāi)關(guān)，包括一個(gè)從背表面向正表面延伸的第二導(dǎo)電類型的周邊阱(13)。
3.如權(quán)利要求1的雙向開(kāi)關(guān)，其中在工作時(shí)第四金屬化層(M4)與背表面金屬化層(M1)的電壓相連接。
4.如權(quán)利要求3的雙向開(kāi)關(guān)，其中所述阱(11)從上方看包圍第一區(qū)，所述區(qū)域(12)只在第一閘流晶體管Th1一側(cè)的第一區(qū)的一側(cè)上延伸。
5.如權(quán)利要求3的雙向開(kāi)關(guān)，其中在第一區(qū)的周邊上設(shè)置有一個(gè)第二導(dǎo)電類型的輕摻雜層(6)，該層(6)由一個(gè)足夠?qū)挼幕讌^(qū)與結(jié)構(gòu)的其余部分分開(kāi)以便耐受所要求的器件擊穿電壓，此足夠?qū)挼幕讌^(qū)由一個(gè)阻擋溝道環(huán)(9)分割為兩部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基底中形成的具有正面和背面的雙向開(kāi)關(guān)，其構(gòu)成包括在第一區(qū)中的第一主垂直閘流晶體管，該閘流晶體管具有一第二導(dǎo)電類型的背面層，與具有第一導(dǎo)電類型的背面層的第二主垂直閘流晶體管鄰接；一個(gè)與第一區(qū)分開(kāi)配置于正面一側(cè)的觸發(fā)區(qū)，此觸發(fā)區(qū)包括一個(gè)第二導(dǎo)電類型的阱，在阱中形成一個(gè)第一導(dǎo)電類型區(qū)；覆蓋背面的第一主電極金屬化層；在第一和第二閘流晶體管上的正面層上的第二主金屬化層；在所述阱上的第三柵極金屬化層；以及在背面一側(cè)，第二導(dǎo)電類型的附加區(qū)域和夾在此附加區(qū)域和第一背面金屬化層中間的絕緣層；所述附加區(qū)域在觸發(fā)區(qū)和部分地在第一區(qū)下延伸；以及在所述區(qū)域上的第四金屬化層。
文檔編號(hào)H01L29/74GK1428871SQ0216087
公開(kāi)日2003年7月9日 申請(qǐng)日期2002年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月28日
發(fā)明者奧利佛·拉迪雷 申請(qǐng)人:St微電子公司