專利名稱：電壓控制雙向開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙向開關(guān)領(lǐng)域，并且更為特別的是涉及以垂直構(gòu)件的形式制造的雙向開關(guān)，其中信號(hào)施加給控制電極，控制電極被提供給關(guān)于構(gòu)件的后表面的電壓，在垂直構(gòu)件中，構(gòu)件的后表面經(jīng)常是均勻金屬化的。
背景技術(shù)：
構(gòu)件的這種類型已經(jīng)在Robert Pezzani的美國(guó)專利6,034,381中描述，并且已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給現(xiàn)受讓人，在此合并所述美國(guó)專利作為參考。
圖1A，1B，1C復(fù)制美國(guó)專利6,034,381的圖1A，1B，1C。
圖1A的結(jié)構(gòu)是在輕微摻雜N型半導(dǎo)體基底1上形成的。此雙向開關(guān)包括兩個(gè)反向平行的垂直半導(dǎo)體閘流管Th1和Th2。半導(dǎo)體閘流管Th1的陽(yáng)極相當(dāng)于在基底的后表面?zhèn)刃纬傻腜型層2。其陰極相當(dāng)于在P型阱(well)4的前表面上形成的第二傳導(dǎo)性類型的區(qū)域3。半導(dǎo)體閘流管Th2的陽(yáng)極相當(dāng)于在層2的前表面?zhèn)壬闲纬傻腜型阱5，并且其陰極相當(dāng)于在層2的后表面?zhèn)壬闲纬蒒型區(qū)域6。這種雙向開關(guān)就是通常所說的阱型，就是其外圍由從前表面?zhèn)妊由斓絇型后表面層2的高摻雜P型壁(wall)7形成。涂有噴涂金屬(metallization)M1的后表面相當(dāng)于雙向開關(guān)的第一主端子A1，并且涂有第二噴涂金屬M(fèi)2的區(qū)域3和5的上表面相當(dāng)于雙向開關(guān)的第二主端子A2。
此雙向開關(guān)的啟動(dòng)結(jié)構(gòu)包括一形成于前表面或上表面?zhèn)鹊腜型阱10，其中在P型阱10中形成有N型區(qū)域11。阱10的表面用連接到雙向開關(guān)的柵極端子G的噴涂金屬M(fèi)3覆蓋，并且通過噴涂金屬M(fèi)4將表面區(qū)域11連接到高摻雜P型外圍壁7的上表面。
所示結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)件的符號(hào)已經(jīng)在圖1A中示出。因此，如所示，上述提及的半導(dǎo)體閘流管Th1和Th2和晶體管T1的基極相當(dāng)于阱10和柵極噴涂金屬G，并且它們的射極相當(dāng)于區(qū)域11和噴涂金屬M(fèi)4(即，該射極通過阱7連接到雙向開關(guān)的第一主后表面或底面電極A1)，并且它們的集電極相當(dāng)于基底1，更確切地說，相當(dāng)于半導(dǎo)體閘流管Th1和Th2的陽(yáng)極門區(qū)域。
通常地，這樣一個(gè)雙向開關(guān)是如此裝配的，其通常連接到散熱器的后表面連接到地，并且使得其前表面連接到相對(duì)于地交替為正和負(fù)的電壓。
美國(guó)專利6034381示出了一種控制電極G安排在前表面的雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)，并且其中該雙向開關(guān)通過應(yīng)用在控制電極G上的正偏壓信號(hào)來啟動(dòng)，其中正偏壓信號(hào)是相對(duì)于后表面電極A1的電壓而得到的。
圖1中所述類型的結(jié)構(gòu)已經(jīng)由已經(jīng)申請(qǐng)了多項(xiàng)專利的STMicroelectronics制造，這些專利均是對(duì)于此結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
然而，此結(jié)構(gòu)具有如下缺點(diǎn)，如作為傳統(tǒng)三端雙向可控硅開關(guān)元件的情況下，其控制是通過輸入電流來執(zhí)行的?，F(xiàn)在，用電壓源控制開關(guān)相對(duì)于用電流源控制開關(guān)是容易的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電壓控制的雙向開關(guān)，其中控制是參考后表面電壓的。
為了達(dá)到這個(gè)和其他目的，本發(fā)明提供了一種電壓控制的垂直雙向單片(monolithic)開關(guān)，相對(duì)于開關(guān)的后表面，從低摻雜N型半導(dǎo)體基底上形成，其中控制結(jié)構(gòu)包括在前表面?zhèn)鹊牡谝籔型阱，在第一P型阱中形成了一個(gè)N型區(qū)域，并且還包括形成了MOS晶體管的第二P型阱，第一P型阱和MOS晶體管的柵極連接到控制端，所述N型區(qū)域連接到MOS晶體管的主端子，并且MOS晶體管的第二主端子連接到開關(guān)的后表面電壓。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，單片集成電路結(jié)構(gòu)環(huán)繞有與后表面噴涂金屬相接觸的高摻雜P型壁，MOS晶體管的第二主端子和后表面的電壓之間的連接是由將第二主端子連接到所述壁的上表面的噴涂金屬來保證的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，一方面是控制端和第一P型阱之間的連接，另一方面是控制端和柵極之間的連接都是通過各自的電阻來保證的，其中連接在控制端和第一阱的一個(gè)觸點(diǎn)之間的第一電阻高，并且連接在控制端和柵極之間的第二電阻低。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，第一電阻具有幾百千歐之類的電阻值并且第二電阻小于100歐姆。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，開關(guān)包括一個(gè)絕緣層，該絕緣層位于后表面?zhèn)取⒃诎雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)和后表面噴涂金屬之間、至少延伸到控制區(qū)域下并且不延伸到能量(power)區(qū)域。
結(jié)合附圖，在以下具體實(shí)施例的非限定性描述中將具體討論前述本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)等。


圖1A，1B和1C分別為根據(jù)美國(guó)專利6034381的雙向電壓控制開關(guān)的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化的截面視圖和等效圖。
圖2A和2B分別為根據(jù)本發(fā)明的雙向電壓控制開關(guān)的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化的截面視圖和等效圖。
圖3A和3B分別為根據(jù)本發(fā)明的雙向開關(guān)的第一實(shí)施例的俯視圖和仰視圖。
圖4A和4B分別為根據(jù)本發(fā)明的雙向開關(guān)的第二實(shí)施例的俯視圖和仰視圖。
具體實(shí)施例方式
為了清楚，在不同的圖中，已經(jīng)指定的相同的部件具有相同的附圖標(biāo)記。進(jìn)一步，照常在半導(dǎo)體構(gòu)件的表示領(lǐng)域中，各種截面視圖是非常簡(jiǎn)化的，并且是不按照比例的。例如在實(shí)際實(shí)施中，參考圖3和4的俯視圖和仰視圖。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的電壓控制雙向開關(guān)的實(shí)施例的簡(jiǎn)化的截面視圖。
在此圖中，與那些在相關(guān)圖1A中已經(jīng)描繪的元件類似的元件具有相同的附圖標(biāo)記。因此，可以在圖2A中發(fā)現(xiàn)，在終端A1和A2之間，半導(dǎo)體閘流管Th1具有位于下面噴涂金屬M(fèi)1側(cè)的陽(yáng)極、且包括區(qū)域或?qū)?-1-4-3，并且半導(dǎo)體閘流管Th2具有位于上表面?zhèn)鹊年?yáng)極、且包括區(qū)域和層部分5-1-2-6。
在圖2A中，閘流管Th1和閘流管Th2的阱4和5作為相同的阱的部分已經(jīng)示出。然而，與圖1A相同的安排是可能的(阱4和5形成為兩部分)。進(jìn)一步，環(huán)繞整個(gè)阱4-5的可選擇的溝道停止環(huán)(channel stop ring)21已經(jīng)示出。
進(jìn)一步，實(shí)質(zhì)上位于阱4的相反部分的整個(gè)下表面外側(cè)的絕緣層23出現(xiàn)在噴涂金屬M(fèi)1和P型層2之間的下表面?zhèn)取⒖紙D3B和4B的仰視圖，這些層的布置將更容易理解。此絕緣層的功能是通過帶來載荷子(charge carrier)來幫助開關(guān)的啟動(dòng)，其中載荷子是在控制信號(hào)施加后，在控制區(qū)域產(chǎn)生并傳播到能量區(qū)域(power area)(半導(dǎo)體閘流管Th1和Th2)的。一個(gè)N+型層具有相似的功能。
控制區(qū)域包括第一P型阱24，在其中形成有N型區(qū)域25。此后，該阱和該區(qū)域由不同于圖1A中的阱10和區(qū)域11的附圖標(biāo)記進(jìn)行指示，如以下將看到的，阱24的摻雜層和深度優(yōu)選的是不同于以前已經(jīng)敘述過的現(xiàn)有技術(shù)。噴涂金屬M(fèi)5與阱24相接觸。N型區(qū)域25通過噴涂金屬26連接到在P型阱27中形成的MOS晶體管T3的N+型源極區(qū)域28。MOS晶體管T3包括一個(gè)N+型漏極區(qū)域26，且其P型溝道形成區(qū)域的上端具有傳導(dǎo)門(conductive gate)29。噴涂金屬M(fèi)7將區(qū)域28連接到高摻雜P型外圍壁7以建立與后表面P型區(qū)域2和噴涂金屬M(fèi)1之間的接觸。柵極端子G，優(yōu)選地通過電阻，將噴涂金屬M(fèi)5和MOS晶體管的柵極29形成一塊，這些在圖2B的等效圖中已經(jīng)示出，并且雖然這些在圖2A中并沒有示出，但是可以通過集成形式形成的。
如圖所示，阱27可以鄰近外圍壁7或者其他的分立的阱，漏極28和該阱的上表面之間的連接通過噴涂金屬M(fèi)7確保。進(jìn)一步，MOS晶體管T3已經(jīng)完全用示意圖示出。此晶體管的任何變化都可以使用。特別地，MOS晶體管按照慣例具有多單元(multiple-cell)結(jié)構(gòu)，例如，可以通過使用一種具有兩種噴涂金屬的結(jié)構(gòu)建立接觸來實(shí)現(xiàn)。
在圖2B中示出了雙向開關(guān)的等效圖。如圖所示，NPN晶體管T2具有區(qū)域25作為發(fā)射極，區(qū)域24作為基極且基底1作為集電極?？刂贫俗覩和晶體管的基極之間的連接通過電阻R2來保證，并且控制端子G和MOS晶體管T3的柵極之間的連接通過電阻R3來保證。例如，電阻R2可以具有大約幾百千歐的電阻值，并且電阻R3可以具有大約幾百歐的電阻值。
接下來是此裝置的操作。
無(wú)論端子A2相對(duì)于端子A1的偏置如何，電路都通過施加到端子G的正電壓來控制。
在正電壓半波，就是說，當(dāng)端子A2相對(duì)于端子A1為正電壓，并且當(dāng)正電壓信號(hào)施加到端子G時(shí)，MOS晶體管T3導(dǎo)通并且在二極管24-25中電流從噴涂金屬M(fèi)5流向噴涂金屬M(fèi)6，并且在MOS晶體管中流向端子A1。二極管24-25的導(dǎo)通使得電子通過N+區(qū)域25注入。由于電阻R2的大電阻值的限制，這些電子的一部分繼續(xù)流到端子G。這些電子另外的部分到達(dá)基底1，并且這些電子被由層4-5形成的陽(yáng)極吸引，其中層4-5通過噴涂金屬M(fèi)2連接到端子A2。這導(dǎo)致由區(qū)域4-5的空穴的注入到基底1和下部P層2之間的連接。由于絕緣層23的存在，此注入實(shí)質(zhì)上發(fā)生在能量區(qū)域，并且此導(dǎo)致半導(dǎo)體閘流管Th2的導(dǎo)通。
當(dāng)端子A2相對(duì)于端子A1為負(fù)電壓時(shí)(負(fù)電壓半波)，與此相對(duì)的操作發(fā)生。接著，正電壓施加在端子G上以導(dǎo)通MOS晶體管T3，電流在二極管24-25中流動(dòng)。這導(dǎo)致電子注入到基底中。此時(shí)，這些電子直接流向連接到正電壓端子A1的層2，并且層2注入空穴到基底，這將會(huì)消除在基底1和P型阱4之間的半導(dǎo)體閘流管Th1的阻塞結(jié)。
依照本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)沒有信號(hào)施加到端子G時(shí)，MOS晶體管T3被阻塞，并且設(shè)有任何導(dǎo)通電流。因此，當(dāng)沒有柵極信號(hào)時(shí)，與MOS晶體管T3串連連接的NPN晶體管T2的發(fā)射極處于懸浮態(tài)，并且設(shè)有任何手段可以導(dǎo)通，即使由于各種寄生影響電荷被注入到基底，例如，在端子A2和A1間根據(jù)時(shí)間的大電流變化的施加(dV/dt)。一方面，這導(dǎo)致可以選擇具有高增益的晶體管T2，另一方面，這導(dǎo)致可以選擇兩個(gè)特別敏感半導(dǎo)體閘流管的裝配?？梢酝ㄟ^優(yōu)化阱24獲得一個(gè)具有高增益的晶體管，所以特別地，在發(fā)射極和集電極之間的基極(24)的厚度是小的。例如，敏感半導(dǎo)體閘流管可以是由優(yōu)化布局和發(fā)射極短路的小密度而產(chǎn)生的。這導(dǎo)致晶體管T2可以被非常小的電流觸發(fā)，并且具有高阻值的電阻R2可以被串連在其基極。因此，在隨后的控制和操作中，一個(gè)非常小電流被注入到晶體管T2的基極。這導(dǎo)致了其實(shí)際上是電壓控制，而不再是本發(fā)明的實(shí)施例的兩個(gè)更具體的實(shí)例在圖3A、3B的俯視圖和仰視圖和圖4A和4B的俯視圖和仰視圖中分別描繪。在這些俯視圖和仰視圖中，噴涂金屬已經(jīng)被刪除，但是可以理解怎樣從圖2A的簡(jiǎn)化的截面視圖和從圖2B的等效圖中布置它們。
在圖3A和3B的實(shí)施例中，如在圖2A的簡(jiǎn)化的截面視圖中，P型阱4和5形成同一個(gè)阱?？梢岳斫獾氖?，MOS晶體管T3的溝道區(qū)域被布置在N+型區(qū)域26、28的相對(duì)的部分。
例如圖4A和4B，兩個(gè)半導(dǎo)體閘流管Th1和Th2被分別布置到所述結(jié)構(gòu)的任一側(cè)。因此，阱4和5是不同的，并且絕緣壁7包括分隔兩個(gè)結(jié)構(gòu)的中間部分。相對(duì)于絕緣壁的中間部分，兩個(gè)控制區(qū)域被對(duì)稱地布置，實(shí)際上每個(gè)具有相同的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)如已經(jīng)在前面示出和所述的。
當(dāng)然，圖3和4僅僅示出了本發(fā)明的實(shí)施例的確定特殊的實(shí)例。根據(jù)相應(yīng)于圖2B中所敘述的電路的單片集成電路形成的本發(fā)明的思想，許多其他實(shí)際上的具體實(shí)施例可以由那些熟悉關(guān)于各種層的布局的技術(shù)的技術(shù)人員想到。
本發(fā)明可能具有不同的變形、改善和改進(jìn)，對(duì)于這些，那些熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地想到。這些變形、改善和改進(jìn)均是本發(fā)明公開的一部分，并且這些變形、改善和改進(jìn)均是在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的。因此，前述僅僅是作為實(shí)例并且不限于此。本發(fā)明僅限定于在下述權(quán)利要求和與此相等的所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電壓控制的垂直雙向單片開關(guān)，關(guān)于開關(guān)的后表面，由低摻雜N型半導(dǎo)體基底形成，其中在前表面?zhèn)壬峡刂平Y(jié)構(gòu)包括第一P型阱(24)，在第一P型阱(24)中形成了一個(gè)N型區(qū)域(25)，以及包括形成了MOS晶體管(T3)的第二P型阱(27)，第一P型阱(24)和MOS晶體管的柵極(29)連接到控制端(G)，所述N型區(qū)域(25)連接到MOS晶體管的主端子(26)，并且MOS晶體管的第二主端子(28)連接到開關(guān)的后表面電壓。
2.如權(quán)利要求1所述開關(guān)，其中單片集成電路結(jié)構(gòu)環(huán)繞有高摻雜P型壁(7)，所述高摻雜P型壁(7)與后表面噴涂金屬(M1)相接觸，MOS晶體管的第二主端子和后表面的電壓之間的連接是由將該第二主端子連接到所述壁的上表面的噴涂金屬(M7)來保證的。
3.如權(quán)利要求1所述開關(guān)，其中，一方面是控制端(G)和第一P型阱之間的連接，另一方面是控制端(G)和柵極(29)之間的連接都是通過各自的電阻來保證的，連接在控制端和第一阱的一個(gè)觸點(diǎn)(M5)之間的第一電阻(R2)高，并且連接在控制端和柵極之間的第二電阻(R3)低。
4.如權(quán)利要求3所述開關(guān)，其中第一電阻具有大約幾百千歐的電阻值，并且第二電阻小于100歐姆。
5.如權(quán)利要求1所述開關(guān)，包括一個(gè)絕緣層(23)，該絕緣層位于后表面?zhèn)?、在半?dǎo)體結(jié)構(gòu)和后表面噴涂金屬(M1)之間，且其至少延伸到控制區(qū)域下并且不延伸到能量區(qū)域。
全文摘要
一種電壓控制的垂直雙向單片開關(guān)，參考關(guān)于開關(guān)的后表面，從低摻雜N型半導(dǎo)體基底上形成，其中控制結(jié)構(gòu)包括在前表面?zhèn)鹊牡谝籔型阱，在第一P型阱中形成有一個(gè)N型區(qū)域，并且還包括形成了MOS晶體管的第二P型阱，第一P型阱和MOS晶體管的柵極連接到控制端，所述N型區(qū)域連接到MOS晶體管的主端子，并且MOS晶體管的第二主端子連接到開關(guān)的后表面電壓。
文檔編號(hào)H01L29/66GK1835247SQ20051012172
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者塞繆爾·蒙納德 申請(qǐng)人:St微電子公司