具有q1和q4控制的雙向開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種參考后表面的控制類型的垂直雙向開關(guān)，包括在其后表面上的第一主電極(A1)、在其前表面上的第二主電極(A2)以及柵極電極(G)。所述開關(guān)能夠由柵極電極與第一電極之間的正電壓控制。在所述開關(guān)中，柵極電極(G)被布置在穿過其中形成開關(guān)的芯片的過孔的前表面上。
【專利說明】具有Q1和Q4控制的雙向開關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及由半導(dǎo)體芯片形成的雙向開關(guān)，該半導(dǎo)體芯片包括在芯片各表面上的主電極和在芯片前表面的控制電極，該控制電極或柵極由參考于后表面電極電壓的電壓所控制。
【背景技術(shù)】
[0002]這類組件不同于單向可控硅或三端雙向可控硅，其中參考前表面電極控制柵極信號。具有參考后表面的柵極電極的事實是有利的，這是因為便于將包括單個電極的后表面連接至接地板或輻射器(radiator)上，這使得柵極信號能夠參考固定電壓(例如接地電壓)，而在許多應(yīng)用中，主表面電極被連接至主電壓，使其必需提供隔離系統(tǒng)以遞送控制信號和可變電勢之間的電壓。
[0003]本 申請人:已創(chuàng)建參考后表面的雙向開關(guān)的概念，其以“ACS”的商品名稱出售，本 申請人:已經(jīng)對這些部件進行許多研究。特別提到美國專利N0.6034381,6593600和6927427。另外，本 申請人:之前提供將多個單向部件(可控硅)與共陰極(cathode)并聯(lián)連接，該柵極參考該陰極，如美國專利5914502所述。
[0004]當(dāng)在Ql和Q4模式下可控時，即當(dāng)柵極關(guān)于后表面電極為正時，各種已知雙向后表面參考開關(guān)的架構(gòu)具有涉及晶體管或橫向可控硅(lateral thyristor)用于它們的“導(dǎo)通”的缺點。一方面，這導(dǎo)致了在關(guān)于被指派給柵極的表面面積的問題，而在另一方面，當(dāng)在主電極(dV/dt導(dǎo)通)之間施加突變電壓變化時，這導(dǎo)致了可能的閂鎖問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此需要形成雙向開關(guān)，其中柵極電極參考后表面，其具有尤其簡單和小體積(low-bulk)的控制結(jié)構(gòu)，并且該雙向開關(guān)對因其主電極之間的突變電壓變化所致的閂鎖幾乎不敏感。
[0006]本發(fā)明的一個實施例提供一種類型的垂直雙方向開關(guān)，該類型的控制參考后表面，在它的后表面包括第一主電極并且在它的前表面包括第二主電極和柵極電極，該開關(guān)由它的柵極和它的第一電極之間的正電壓可控，其中該柵極電極被布置在穿過其中形成開關(guān)的芯片的過孔前表面上。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，雙向開關(guān)包括在前表面?zhèn)壬嫌傻诙?dǎo)電性類型的壁所包圍的第一導(dǎo)電性類型的半導(dǎo)體襯底；第二導(dǎo)電類型的阱，在該阱的基本上一半中形成第一導(dǎo)電類型的第一區(qū)域；從襯底的前表面至后表面的第二導(dǎo)電性類型的過孔，布置在第一區(qū)域和壁之間，該過孔在后表面?zhèn)壬吓c柵極電極相接觸；其中在阱的、未被第一區(qū)域占據(jù)的部分前面形成第一導(dǎo)電性類型的第二區(qū)域的、第二導(dǎo)電性類型的一層；布置在后表面上過孔區(qū)域附近的絕緣層。第二導(dǎo)電性類型的層會被阻斷，而所述絕緣層布置成當(dāng)正電壓被施加在基極電極和第一主電極之間時，電流流入所述襯底下方的第二導(dǎo)電性類型的層中。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在后表面?zhèn)壬闲纬傻谝粚?dǎo)電性類型的第三區(qū)域，從而所述電流在夾入?yún)^(qū)域(pinched reg1n)中流動。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，雙向開關(guān)還包括布置在阱中在前表面?zhèn)壬喜⑶遗c柵極電極連接的第一導(dǎo)電性類型的第四區(qū)域，從而開關(guān)在所有四個象限內(nèi)可控。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一導(dǎo)電性類型為N型。
[0011]本發(fā)明前述以及其它的目的、特征和優(yōu)勢將在下面對特定實施例的非限制性描述和附圖中詳細(xì)論述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的雙向開關(guān)的簡化俯視圖；
[0013]圖1B是沿圖1A的線B-B的簡化截面圖，并且旨在進一步圖示出象限Ql中的操作；
[0014]圖1C是與圖1B相似的簡化截面圖，其旨在圖示出象限Q4中的操作；
[0015]圖2是替代實施例的俯視圖，其中雙向開關(guān)有可能除象限Ql和Q4之外在象限Q2和Q3中被控制；以及
[0016]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一個部件的替代拓?fù)涞母┮晥D。
【具體實施方式】
[0017]照例在半導(dǎo)體部件的表示中，各個附圖不按比例繪制。
[0018]如圖1A的俯視圖和圖1B的截面圖所示，通過使用P型外圍壁3圍繞輕摻雜的N型襯底I形成雙向開關(guān)。當(dāng)然，在制造期間，襯底I對應(yīng)于硅晶片的芯片。
[0019]P型阱5在襯底I中的上表面(或前表面)側(cè)上的基本中間位置中延伸。重?fù)诫s的N型區(qū)7(N+)在阱5的基本一半中形成。在襯底的下表面(或后表面)主要由P型層9占據(jù)，P型層9具有與后文關(guān)于開關(guān)操作的討論有關(guān)的討論的限制。重?fù)诫s的N型區(qū)11在層9中形成為面對P阱5的、其中未形成區(qū)域7的部分。因此，該部件的功率部分包括兩個反向平行的可控娃，這兩個反向平行的可控娃分別包括區(qū)域和層5-1-9-11和7-5-1-9。
[0020]P型過孔14穿過襯底I到達(dá)P型層9。該過孔被布置在襯底I中在N型區(qū)7的一側(cè)的前面，并且可以例如對應(yīng)于驅(qū)入?yún)^(qū)域(drive-1n reg1n)。另外,可以提供圍繞P講5并且形成溝道停止區(qū)域的N+型環(huán)16。在下表面?zhèn)壬?，絕緣層18在N區(qū)I的、布置在過孔14和外圍阱3之間的部分下方延伸，并且向該部件的中心延伸。另外，重?fù)诫s的N型區(qū)19被布置在下表面?zhèn)壬系膶?中基本上在過孔14的脫出(emerging)部分和N+型區(qū)7的投影之間。
[0021]主電極金屬Al覆蓋全部的下表面。主電極金屬A2覆蓋P阱5的區(qū)域和礦區(qū)7的所有區(qū)域，而柵極金屬G覆蓋過孔14的上表面。為了簡化起見，這些金屬在圖1A中沒有示出而僅在圖1B中出現(xiàn)。另外，在圖1B中，沒有示出覆蓋與金屬接觸的區(qū)域之外的前表面的絕緣層。
[0022]對于雙向開關(guān)而言，限定了四個導(dǎo)通象限。仍然假設(shè)電極Al接地。第一象限Ql對應(yīng)于正的A2和正的G，第二象限Q2對應(yīng)于正的A2和負(fù)的G，第三象限于Q3對應(yīng)負(fù)的A2和負(fù)的G，第四導(dǎo)通象限Q4對應(yīng)于負(fù)的A2和負(fù)的G。前述部件能夠在第一象限和第四象限中操作，該部件有可能通過對柵極電極施加相對于電極Al的正信號而被導(dǎo)通，而無論A2的偏壓。
[0023]在圖1B中，以虛線箭頭指示象限Ql中的導(dǎo)通模式，即當(dāng)電極A2關(guān)于電極Al為正時。關(guān)于電極Al的正柵極端引起電流Il從電極G向電極Al的流動，該電流垂直流動經(jīng)過過孔14，然后在P層9的、在絕緣層18上方的N襯底I和N區(qū)19之間的部分(如果存在的話)中水平(在圖中為向左)流動。該電流不能夠朝外圍壁3直接流動，這是因為如下事實:P層9并不在襯底I的、位于過孔14的脫出部分之外的部分下方延伸。電流在P型層9的、在絕緣層18和區(qū)域19與襯底I之間的夾入?yún)^(qū)域中的流動使P層9與區(qū)域19之間的結(jié)導(dǎo)電，并且電子沿箭頭12被注入至襯底I。這導(dǎo)致通過P阱5向襯底中注入空穴以確保平衡，并且在包括層和區(qū)域5-1-9-11的垂直可控硅中開始導(dǎo)電，如箭頭14所示。
[0024]應(yīng)該注意，這種導(dǎo)通不對應(yīng)于晶體管或橫向可控硅的導(dǎo)通，并且由于電極A2和電極Al之間的快速過電壓(fast overvoltage),因此不能夠發(fā)生導(dǎo)通。在此實施例中，該部件因此對于寄生dV/dt導(dǎo)通尤其不敏感。
[0025]圖1C示出了在模式Q4中的導(dǎo)通，即當(dāng)電極A2關(guān)于電極Al為負(fù)時。初始地，相同電流Il如之前所指示的那樣流動經(jīng)過過孔14。相似地，這引起了電子12注入襯底。在過孔14和襯底I之間的PN結(jié)趨向于導(dǎo)電，這引起空穴從區(qū)域14向P阱5注入(箭頭13)。這些空穴朝P區(qū)域5中的負(fù)電極A2導(dǎo)向(箭頭14)，并且這通常解鎖垂直可控硅7-5-1-9 (箭頭 15)。
[0026]圖2示出了圖1的實施例的一個變體。除了已經(jīng)關(guān)于圖1示出和描述的要素外，存在在外圍絕緣壁3的上部分中形成的兩個N+區(qū)域21、22 (單獨一個實際上是必需的)。這些N+區(qū)域可以由金屬連接至柵極過孔14，并且形成能夠在象限Q2和Q3中導(dǎo)通的雙向開關(guān)的柵極，這與本說明書開始時所提到的美國專利中的至少一些專利中所描述的相似。因此獲得在四象限中可控的開關(guān)。
[0027]圖3示出了在圖1和圖2中俯視圖中所示的結(jié)構(gòu)的一個替代實施例。這種變化僅為拓?fù)渥兓?柵極過孔14被放置于該結(jié)構(gòu)的角落中，而柵極21被放置于該結(jié)構(gòu)的另一角落中，過孔14面向N+部分7，該N+部分7此時斜對角切分P型阱5。
[0028]當(dāng)然，本發(fā)明可能具有將被本領(lǐng)域技術(shù)人員尤其是在閱讀了在此被認(rèn)為是已知的、 申請人:之前提及的現(xiàn)有專利之后易于想到的許多替代實施例。因此，在此未給出摻雜水平、層厚和尺寸的詳細(xì)例子，這些值對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言易于確定。
【權(quán)利要求】
1.一種類型的垂直雙向開關(guān)，其具有參考后表面的控制柵極，所述開關(guān)包括:在其后表面上的第一主電極(Al)和在其前表面上的第二主電極(A2)以及柵極電極(G)，所述開關(guān)由其柵極與其第一主電極之間的正電壓可控，其中所述柵極電極(G)布置在穿過其中形成所述開關(guān)的芯片的過孔的前表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向開關(guān)，包括: 由第二導(dǎo)電性類型的壁(3)圍繞的第一導(dǎo)電性類型的半導(dǎo)體襯底(1)， 在前表面?zhèn)壬系牡诙?dǎo)電類型的阱(5)，在所述阱(5)的基本上一半中形成所述第一導(dǎo)電性類型的第一區(qū)域(7)， 第二導(dǎo)電性類型的過孔(14)，從所述襯底的前表面至后表面，布置在第一區(qū)域(7)和所述壁(3)之間，所述過孔與所述柵極電極(G)接觸， 在后表面?zhèn)壬系牡诙?dǎo)電類型的層(9)，在所述層(9)中基本上在所述阱(5)的未被所述第一區(qū)域(7)占據(jù)的部分前面形成第一導(dǎo)電性類型的第二區(qū)域(11)，絕緣層(18)布置在所述后表面上圍繞所述過孔區(qū)域(14)， 其中所述第二導(dǎo)電性類型的層被阻斷，并且所述絕緣層被布置成當(dāng)正電壓施加在所述柵極電極(G)與所述第一主電極(Al)之間時，電流(Il)在所述襯底(I)下方的所述第二導(dǎo)電類型的層中流動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙向開關(guān)，其中所述第一導(dǎo)電性類型的第三區(qū)域(19)在所述后表面?zhèn)壬闲纬?，從而所述電流在夾入?yún)^(qū)域中流動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的雙向開關(guān)，還包括布置在所述前表面?zhèn)壬系乃鲒逯胁⑶遗c所述柵極電極(G)連接的第一導(dǎo)電性類型的第四區(qū)域(21，22)，從而所述開關(guān)在所有四象限中可控。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的雙向開關(guān)，其中所述第一導(dǎo)電性類型為N型。
【文檔編號】H01L29/747GK104040723SQ201180076227
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2010年4月29日
【發(fā)明者】S·梅納爾 申請人:意法半導(dǎo)體(圖爾)公司