CN105304626A - 双向开关 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及双向开关。提供一种形成在衬底中的双向开关，包括：反并联的第一主垂直晶闸管和第二主垂直晶闸管；第三辅助垂直晶闸管，具有与第一晶闸管的背表面层相同的背表面层；外围区域，围绕这些晶闸管，并且将背表面层连接至定位在衬底的另一侧的第三晶闸管的相同导电类型的中间层；金属化层，连接第一晶闸管和第二晶闸管的背表面；以及绝缘结构，定位在第三晶闸管的背表面层和金属化层之间，并且在第一晶闸管的外围下方延伸，这种结构包括：由绝缘材料制成的第一区域；以及由半导体材料制成的互补区域。

Description

双向开关
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年7月23日提交的法国专利申请第14/57089号的优先权权益，其内容在法律允许的最大程度上通过全文引用被并入本文。
技术领域
本公开内容总体上涉及电子部件，并且更具体地针对在半导体衬底之内和之上形成单片式双向开关。
背景技术
最常规的双向开关是三端双向可控硅开关元件(triac)。三端双向可控硅开关元件对应于两个晶闸管的反并联联结。其可以直接连接到例如主电网的交流电(A.C.)网络中。常规三端双向可控硅开关元件的栅极对应于形成其的这两个晶闸管中的至少一个的阴极栅极，并且参考定位在该三端双向可控硅开关元件的正表面(即，包括该栅极电极的表面)上的主电极(或者功率传导电极)、定位在该三端双向可控硅开关元件的另一表面或者背表面上的主电极(或者功率传导电极)，接收功率信号。
在美国专利No.6,034,381、No.6,593,600、No.6,380,565和No.6,818,927(通过参考并入)中描述的类型的双向开关将在下文更详细地描述，该类型的双向开关通过在定位于部件的正表面上的栅极电极与定位于部件的相对表面或背表面上的主电极之间施加电压而被触发。
图1示出了这种双向开关的等效电路图。开关控制电极G连接至双极晶体管T的发射极，该双极晶体管T的集电极连接至在两个主电极A1和A2之间反并联设置的第一晶闸管Th1和第二晶闸管Th2的阳极栅极。电极A1连接至晶闸管Th1的阳极，并且连接至晶闸管Th2的阴极。电极A1也连接至晶体管T的基极。电极A2连接至晶闸管Th2的阳极，并且连接至晶闸管Th1的阴极。
发明内容
一个实施例提供了一种双向开关，其形成在包括正表面和背表面的第一导电类型的半导体衬底之内和之上，包括：第一主垂直晶闸管，具有第二导电类型的背表面层；第二主垂直晶闸管，具有第一导电类型的背表面层；第三辅助垂直晶闸管，具有与第一晶闸管的背表面层相同的第二导电类型的背表面层；第二导电类型的外围区域，围绕第一晶闸管、第二晶闸管和第三晶闸管，并且将第三晶闸管的背表面层连接至定位在衬底的另一侧上的该晶闸管的第二导电类型的中间层；第一金属化层(metallization)，连接第一晶闸管和第二晶闸管的背表面；以及具有绝缘功能的结构，定位在第三晶闸管的背表面层和第一金属化层之间，并且在第一晶闸管的外围的部分下方延伸，所述结构包括：由绝缘材料制成的第一区域，覆盖衬底的背表面；以及由第一导电类型的半导体材料制成的第二区域，占据与由第一区域所占据的面积基本上互补的面积。
根据一个实施例，第一晶闸管和第三晶闸管的背表面层形成在第二导电类型的相同的层中，该层基本上在开关的整个表面之上延伸，并且第一金属化层基本上在开关的整个背表面之上延伸。
根据一个实施例，第一晶闸管和第二晶闸管相邻，并且第三晶闸管定位在第一晶闸管的与第二晶闸管相对的一侧上。
根据一个实施例，绝缘结构在定位于沿着第一晶闸管和第二晶闸管之间的相邻边缘行进的线的与第二晶闸管相对的一侧上的、开关的整个表面下方延伸。
根据一个实施例，在底视图中绝缘结构在第一晶闸管的周围延伸，除了第一晶闸管的与第二晶闸管相邻的边缘的位置处之外。
根据一个实施例，绝缘结构的第一区域在第三晶闸管下方延伸，而绝缘结构的第二区域从在第一晶闸管和第二晶闸管之间的相邻边缘一直延伸到第一区域。
根据一个实施例，绝缘结构的第二区域的厚度小于第二晶闸管的背表面层的厚度。
根据一个实施例，第一晶闸管具有第一导电类型的正表面层；第二晶闸管具有第二导电类型的正表面层；并且第三晶闸管具有第一导电类型的正表面层，开关进一步包括：第二金属化层，连接第一晶闸管和第二晶闸管的正表面层；以及第三金属化层，覆盖第三晶闸管的正表面层。
根据一个实施例，在顶视图中开关具有总体上为矩形的形状，并且第二晶闸管、第一晶闸管和第三晶闸管沿着开关的长度对齐。
根据一个实施例，在顶视图中开关具有总体上为正方形的形状，并且第二晶闸管、第一晶闸管和第三晶闸管沿着开关的对角线对齐。
附图说明
上述以及其他特征和优点，将结合附图在以下对特定实施例的非限制性说明中论述，其中：
上述的图1是双向开关的一个示例的电路图；
图2A和图2B分别是双向开关的一个示例的简化截面图和简化顶视图；
图3A至图3C是双向开关的一个实施例的简化截面图和底视图；以及
图4A和图4B分别是图3A至图3C的双向开关的一个备选实施例的顶视图和底视图。
具体实施方式
为了清楚起见，在各个附图中相同的元件被标示有相同的附图标记，并且进一步地，按照在集成电路表示中的惯例，各个附图并未按比例绘制。进一步地，在以下说明中，除非另外指示，否则术语“大致”、“基本上”、“大约”和“在……数量级”是指“在20％之内”，并且指示方向的术语，诸如“横向”、“上”、“下”、“顶”、“垂直”等，适用于如在对应视图中图示的那样布置的器件，应理解，在实践中该器件可以具有不同的方向。
图2A和图2B分别为参照图1描述的类型的双向开关的单片式实施例的简化截面图和简化顶视图。图2A是沿着图2B的平面A-A的截面图。出于简化的目的，图2A的电极和钝化层未在图2B的顶视图中示出。晶体管T形成在附图的右手部。晶闸管Th1和Th2为垂直晶闸管，在本示例中相邻，分别定位在附图的中央和左方。
图2A和图2B的结构形成自N型掺杂的半导体衬底101，例如硅衬底。晶闸管Th1和Th2中的每一个都包括在衬底的正表面和背表面之间延伸的交替导电类型的四个层的堆叠。晶闸管Th1的阳极，或者晶闸管Th1的背表面层，对应于形成在衬底101的下表面或背表面侧的P型掺杂的层103。在本示例中，层103基本上在衬底的整个表面之上延伸。晶闸管Th1的阴极，或者晶闸管Th1的正表面层，对应于N型掺杂的区域105，该区域105在衬底的上表面或正表面侧上形成在形成于正表面侧的P型掺杂的阱107中。在本示例中，晶闸管Th1的阴极区域105占据了阱107的表面的仅仅部分，而晶闸管Th2的阳极或者晶闸管Th2的正表面层对应于阱107的另一部分。晶闸管Th2的阴极，或者晶闸管Th2的背表面侧，对应于N型掺杂的区域109，该区域109在层103中的背表面侧上形成在与区域105占据的面积基本上互补的面积中。因此，晶闸管Th1的有源部分通过区域105以及区域107、101和103的与区域105相对的部分的堆叠而形成，而晶闸管Th2的有源部分通过区域109、103、101和107的与晶闸管Th1的有源部分的其余部分相对的部分的堆叠而形成。
在其周边，开关包括P型掺杂的区域111，该区域111从衬底的正表面一直延伸到层103并且形成围绕晶闸管Th1和Th2以及晶体管T的垂直环形壁。区域111例如通过从衬底的两个表面驱入而获得。开关栅极由N型区域113形成，该N型区域113在正表面侧上形成在与外围区域111接触的P型掺杂的阱115中。作为一个变化例(未示出)，区域113可以直接形成在外围区域111的上部分中。进一步地，作为一个变化例(未示出)，阱115可以与外围区域111分隔开并且通过金属化层连接至外围区域111。进一步地，作为一个变化例(未示出)，外围区域111可以在其整个表面上被覆盖有未连接至开关的外部端子的金属化层。在正表面侧，在顶视图中限定了形成晶闸管Th1和Th2的有源部分的区域的阱107，通过衬底101的环形带116而与外围壁111和/或阱115分隔开。在所示示例中，区域113定位在晶闸管Th1的与在晶闸管Th1与晶闸管Th2之间的相邻区域相对的一侧(即，在本示例中，在晶闸管Th1的右方)。
在背表面侧，与开关的第一主电极A1对应的金属化层M1基本上在衬底的整个背表面之上延伸，并且接触晶闸管Th1和Th2的背表面。在正表面侧，与开关的第二主电极A2对应的金属化层M2覆盖区域105的上表面和阱107的上表面，从而连接晶闸管Th1和Th2的正表面。区域113的上表面被覆盖有与开关的栅极电极G对应的金属化层M3。
在所示示例中，开关在正表面侧、在衬底的环形带中进一步包括环形的N型掺杂的区域117，该区域117具有大于衬底的掺杂水平，围绕阱107(在顶视图中)。金属化层M4可以形成在区域117的上表面上，其中金属化层M4未连接至开关的外部端子。
在正表面侧，衬底表面的未覆盖有金属化层的部分可以被覆盖有绝缘钝化层119。
图2A和图2B的开关在背表面侧进一步包括附加区域121，该区域121具有绝缘功能，定位在层103与金属化层M1之间，与晶体管T基本上一致，即，在定位在阱115的位置处的区域113、阱115和环形带部分116下方。在本示例中，绝缘层121由N型掺杂的区域制成，该区域形成在层103的背表面侧。在底视图中，绝缘区域121例如从定位在栅极区域113的与晶闸管Th1相对之侧的开关的边缘，一直延伸到阱107的面向栅极区域113的边缘。
图2A和图2B的双向开关操作如下。
当电极A2相对于电极A1为负时，晶闸管Th1可能导通。如果在栅极电极G和端子A1之间施加负电压，那么晶体管T的基极-发射极结被正向偏置，并且晶体管导通。电流在金属化层M1与金属化层M3之间流动，经过层103和外围区域111，并且然后流到形成晶体管T的区域101、115和113中。从而在晶闸管Th1的有源部分的附近、靠近在衬底101与阱107之间的结、在衬底101与阱115之间的结处生成载流子。当生成足够的载流子时，晶闸管Th1被设定为导通状态。也可以认为，已经使包括区域113-115-101-103的辅助NPNP垂直晶闸管Th导通，该辅助NPNP垂直晶闸管Th具有形成其背表面层的层103、形成其正表面层的区域113以及形成其阴极栅极的区域115。
当电极A2相对于电极A1为正时，晶闸管Th2可能被导通。如果在栅极电极G与端子A1之间施加负电压，那么晶体管T成为导通的，并且如在上述情况(负电极A1)中那样，垂直电流在金属化层M1与金属化层M3之间流动，经过层103和外围区域111，并且然后流到形成晶体管T的区域101、115和113中。N型区域117相对于衬底101相对强地导电，特别是在其被覆盖有环形的金属化层M4时，在金属化层M1与金属化层M3之间的电流的电子的一部分流过环形区域117/M4并且流过外围壁111。因此在晶闸管Th2的有源部分的附近、靠近在衬底101和阱107之间的结、在衬底101和外围壁111之间的结处生成载流子。当生成足够的载流子时，晶闸管Th2被设定为导通状态。
应期望能够增加上述类型的开关在电极A2相对于电极A1为负时的控制灵敏度或导通灵敏度，即，减少导通晶闸管Th1所需的栅极电流。
在图2A和图2B的示例中，与不包括区域121的相似结构相比，绝缘区域121已经使得能够改进晶闸管Th1的控制灵敏度。实际上，绝缘区域121使得能够使辅助晶闸管Th的主电流ic偏移，从而从区域113流到金属化层M1，流过区域115、101和103，从而促进该电流在最有效地导致晶闸管Th1导通的面积区域附近的流动，即，靠近阱107的界线，如图2A的箭头ic所示。
绝缘区域121进一步导致使晶体管T的基极电流ib偏移，经由P型区域103、111和115，从金属化层M1流到区域113，如由图2A的箭头ib所示。区域121的厚度应当足够小，以使得晶体管T能够初始地由通过层103的基极电流ib的流动来导通。实际上，如果区域121过厚，那么层103在区域121与衬底101之间的剩余厚度导致存在过高的电阻，其抵抗基极电流ib的流动。在实践中，从而区域121的厚度优选地小于形成晶闸管Th2的阴极的区域109的厚度。
然而，甚至通过设置具有最小可能厚度的区域121，层121也可能增加抵抗基极电流ib的流动的电阻，这就违背了期望目标，这是因为降低了晶闸管Th1的控制灵敏度，从而至少部分地抵消了由于区域121的存在而产生的优点。
作为一个变化例，图2A的区域121可以采用绝缘材料的层来替代，例如氧化硅，定位在衬底的背表面上，在层103与金属化层M1之间，并且在顶视图中占据了与区域121相同的表面面积。在金属化层M1与层103之间存在绝缘层，还导致使晶体管T的基极电流ib以及辅助晶闸管Th的主电流ic偏移，并且具有不增加层部分103的定位在基极电流ib的路径上的电阻的优点。然而，发明人已经发现采用绝缘层替代图2A的层121导致了在电流ic的影响下电荷载流子注入的更差的定位，相应地降低了晶闸管Th1的控制灵敏度。
图3A、图3B和图3C示意性地图示了双向开关的一个实施例。图3C是开关的顶视图，而图3A和图3B是开关沿着图3C的平面A-A和B-B的截面图。图3A至图3C的开关具有许多与图2A和图2B相同的元件。这些元件在下文中不再次详细描述。在下文中仅仅描述在图3A至图3C的结构与图2A和图2B的结构之间的差异。图3A和图3C的结构的顶视图与图2B的结构的顶视图相同或相似，并且因此没有再现。出于清楚的目的，在图3C的底视图中未示出背表面金属化层。
图3A至图3C的结构与图2A和图2B的结构的不同之处在于，在图3A至图3C的结构中在背表面侧，绝缘区域121采用呈两个部分的绝缘结构301来替代，定位在层103与金属化层M1之间。绝缘结构301在辅助晶闸管Th下方延伸，并且沿着主晶闸管Th1的边缘继续，停止在晶闸管Th1的与晶闸管Th2相邻的边缘的位置处。作为一个示例，在底视图中，绝缘结构301基本上占据了定位在沿着在晶闸管Th1与Th2之间的相邻边缘行进的线的与晶闸管Th2相对的一侧上的、开关的整个表面，除了定位在晶闸管Th1的有源表面下方的面积之外。
结构301包括：区域301a，由诸如氧化硅的绝缘材料制成，覆盖衬底的在层103和金属化层M1之间的背表面；以及绝缘区域301b，由N型掺杂的区域制成，形成在层103的背表面侧。区域301a和301b占据绝缘结构301的基本上互补的表面。因此，区域301a不由形成在层103中的N型区域顶覆，而区域301b在其背表面侧上不覆盖有绝缘层。
区域301a例如从开关的定位在栅极区域113的与晶闸管Th1相对之侧的边缘，一直延伸到晶闸管Th1的有源部分的与晶闸管Th2相对的边缘。区域301a在接触到沿着晶闸管Th1和Th2之间的邻近边缘行进的线之前停止。然后区域301b接续，以提供在金属化层M1与层103之间的绝缘功能。区域301b部分地围绕晶闸管Th1的有源部分，并且在晶闸管Th1和Th2之间的相邻边缘的位置处停止。作为一个非限制性的示例，晶闸管Th1的有源部分的轮廓线的大约40％至60％与区域301a接壤，晶闸管Th1的有源部分的轮廓线的其余部分一方面与区域301a接壤而另一方面与晶闸管Th2的有源部分接壤。
特别地限定晶闸管Th2的阴极的区域109，例如占据了部件的整个下表面，除了与晶闸管Th1的有源部分相对的表面以及由区域301所占据的表面之外。区域109和301b可以是邻接的，与图3B和图3C示出的不同。
出于上面结合图2A和图2B提及的原因，区域301b优选地具有与区域109相比更小的厚度，以限制抵抗晶体管T的基极电流的电阻。进一步地，区域301b的掺杂水平可以与区域109的掺杂水平不同。然而所描述的实施例并不限于该特定情况。作为一个变化例，区域301b和109可以具有相同的掺杂水平和相同的厚度。在该情况下，区域301b和109可以在开关制造方法的相同阶段期间共同地形成。
所执行的测试已经表明，与图3A至图3C相关联地描述的类型的、组合由绝缘材料制成的区域和在该绝缘结构的互补面积中的N型掺杂的区域的背表面绝缘结构，相对于参照图2A和图2B所描述的类型的双向开关，使得能够显著地改进晶闸管Th1的控制灵敏度。实际上，这种呈两个部分的绝缘结构提供了在电流ic的影响下的电荷载流子注入的良好定位以及晶体管T的低基极电阻两者。
作为一个非限定性示例，衬底101具有在1014原子/cm3至2×1014原子/cm3范围内的掺杂水平，P型掺杂的区域103、107、111和115具有在1018原子/cm3至1019原子/cm3范围内的掺杂水平，而N型掺杂的区域105、109、113、117和301b具有在1019原子/cm3至2×1020原子/cm3范围内的掺杂水平。进一步地，区域109的厚度在10μm至20μm的范围内，而区域301b的厚度例如在1μm至10μm的范围内。
应注意，晶闸管Th1、Th2和Th的有源部分可以具有除了图3A至图3C示出的形状之外的其它形状(在顶视图中)。如果期望，那么区域301a和301b可以具有除了图3A至图3C示出的形状之外的其它形状，只要遵从相对于开关栅极而定位这些区域的上述规则即可。
作为一个示例，图4A和图4B图示了图3A至图3C的开关的一个备选实施例，其中晶闸管Th1、Th2和Th的有源部分根据与参照图3A至图3C所描述的布局不同的布局而被布置。图4A和图4B的开关包括与图3A至图3C的开关相同的元件。图4A是开关的顶视图，而图4B是底视图。
在图3A至图3C的示例中，开关在顶视图中具有基本上为矩形的总体形状，晶闸管Th2、Th1和Th按该顺序沿着部件长度基本上对准。
图4A和图4B的开关与本配置的不同之处在于，其具有基本上为正方形的总体形状，晶闸管Th2、Th1和Th按该顺序沿着部件的对角线基本上对准。开关的栅极区域113被布置在部件的角部，与参照图3A至图3C所描述的类型的结构相比，这就特别地提供了在由部件所占据的半导体表面面积方面的获益。
已经描述了各个特定的实施例。对于本领域技术人员而言，各种备选例、修改例和改进例将是显而易见的。特别是，可以优选地提供用于最优化开关性能的各种附加元件，诸如，在晶闸管Th2的阴极区域中存在短路空穴、开关栅极的另外的布局等等。
这种备选例、修改例和改进例意在作为本公开的一部分，并且意在被包括在本发明的精神和范围之内。因此，上述说明仅仅是以示例的方式，而并非意在限制。本发明仅仅由以下权利要求及其等同方案限制。

Claims (10)

1.一种双向开关，所述双向开关形成在具有正表面和背表面的第一导电类型的半导体衬底(101)之内和之上，所述双向开关包括：
第一主垂直晶闸管(Th1)，具有第二导电类型的背表面层(103)；
第二主垂直晶闸管(Th2)，具有所述第一导电类型的背表面(109)；
第三辅助垂直晶闸管(Th)，具有与第一晶闸管的所述背表面层相同的所述第二导电类型的背表面层(103)；
所述第二导电类型的外围区域(111)，围绕所述第一晶闸管(Th1)、所述第二晶闸管(Th2)和所述第三晶闸管(Th)，与所述第三晶闸管的所述背表面层(103)接触，并且与定位在所述衬底的另一侧的该晶闸管的所述第二导电类型的中间层(115)接触，或者通过金属化层电连接至该中间层；
第一金属化层(M1)，连接所述第一晶闸管(Th1)和所述第二晶闸管(Th2)的所述背表面；以及
具有绝缘功能的结构(301)，定位在所述第三晶闸管(Th)的所述背表面层(103)和所述第一金属化层(M1)之间，并且在所述第一晶闸管(Th1)的所述外围的部分下方延伸，所述结构(301)包括：由绝缘材料制成的第一区域(301a)，覆盖所述衬底的所述背表面；以及由所述第一导电类型的半导体材料制成的第二区域(301b)，占据与由所述第一区域(301a)所占据的面积互补的面积。
2.根据权利要求1所述的开关，其中所述第一晶闸管(Th1)和所述第三晶闸管(Th)的所述背表面层形成在所述第二导电类型的相同的层(103)中，所述层基本上在所述开关的整个表面之上延伸，并且其中所述第一金属化层(M1)基本上在所述开关的整个背表面之上延伸。
3.根据权利要求1所述的开关，其中所述第一晶闸管(Th1)和所述第二晶闸管(Th2)相邻，并且其中所述第三晶闸管(Th)定位在所述第一晶闸管(Th1)的与所述第二晶闸管(Th2)相对的一侧上。
4.根据权利要求3所述的开关，其中所述绝缘结构(301)在定位于沿着所述第一晶闸管(Th1)和所述第二晶闸管(Th2)之间的相邻边缘行进的线的与所述第二晶闸管(Th2)相对的一侧上的、所述开关的整个表面下方延伸。
5.根据权利要求3所述的开关，其中在底视图中所述绝缘结构(301)在所述第一晶闸管(Th1)的周围延伸，除了所述第一晶闸管(Th1)的与所述第二晶闸管(Th2)相邻的边缘的位置之外。
6.根据权利要求3所述的开关，其中所述绝缘结构(301)的所述第一区域(301a)在所述第三晶闸管(Th)下方延伸，而所述绝缘结构(301)的所述第二区域(301b)从在所述第一晶闸管(Th1)和所述第二晶闸管(Th2)之间的相邻边缘一直延伸到所述第一区域(301a)。
7.根据权利要求1所述的开关，其中所述绝缘结构(301)的所述第二区域(301b)的厚度小于所述第二晶闸管(Th2)的所述背表面层(109)的厚度。
8.根据权利要求1所述的开关，其中：
所述第一晶闸管(Th1)具有所述第一导电类型的正表面层(105)；
所述第二晶闸管(Th2)具有所述第二导电类型的正表面层(107)；以及
所述第三晶闸管(Th)具有所述第一导电类型的正表面层(113)，
所述开关进一步包括：第二金属化层(M2)，连接所述第一晶闸管(Th1)和所述第二晶闸管(Th2)的所述正表面层；以及第三金属化层(M3)，覆盖所述第三晶闸管(Th)的所述正表面层。
9.根据权利要求1所述的开关，在顶视图中具有总体上为矩形的形状，并且其中所述第二晶闸管(Th2)、所述第一晶闸管(Th1)和所述第三晶闸管(Th)沿着所述开关的长度对齐。
10.根据权利要求1所述的开关，在顶视图中具有总体上为正方形的形状，并且其中所述第二晶闸管(Th2)、所述第一晶闸管(Th1)和所述第三晶闸管(Th)沿着所述开关的对角线对齐。
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