双向开关的制作方法

本申请要求于2014年7月24日提交的法国专利申请第14/57142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。

技术实现要素：

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中，包括：相邻的第一晶闸管和第二晶闸管，反并联地连接，在衬底的正表面与背表面之间垂直地延伸；第二导电类型的垂直外围壁，将衬底的正表面连接至其背表面，并且围绕晶闸管；以及第一导电类型的第一区域，具有大于半导体衬底的掺杂水平的掺杂水平，在正表面上，在衬底的将垂直外围壁与晶闸管分隔开的环形区域中，第一区域具有环形带的部分的形状，部分地围绕第一晶闸管，并且停止于在第一晶闸管和第二晶闸管之间的相邻区域的位置处。

根据一个实施例，开关进一步包括：第一导电类型的第二区域，形成在与壁连接的第二导电类型的第一阱中，第二区域形成开关的栅极并且离第二晶闸管比离第一晶闸管更远。

根据一个实施例，第二区域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，第一区域的部分定位在第二区域与第一晶闸管之间。

根据一个实施例，第一阱与垂直壁邻接。

根据一个实施例，第一区域覆盖有未与开关的外部端子连接的金属化层。

根据一个实施例，在正表面上、在衬底的环形区域中，开关进一步包括：第一导电类型的第三区域，具有大于衬底的掺杂水平的掺杂水平，第三区域具有环形带的部分的形状，部分地围绕第二晶闸管并且停止于在第一晶闸管和第二晶闸管之间的相邻区域的位置处，并且第三区域和第一区域分隔开。

根据一个实施例，第三区域覆盖有未与开关的外部端子连接并且未与第一区域连接的金属化层。

根据一个实施例，在背表面上，开关包括：第二导电类型的层、以及形成在所述层中并且在开关的该表面的第一部分之上延伸的第一导电类型的第四区域，所述层通过开关的外围壁连接至正表面；在正表面上，开关包括：第二导电类型的第二阱，通过衬底的环形区域而与壁分隔开；以及第一导电类型的第五区域，形成在第二阱中，并且在开关的该表面的基本上与第一部分互补的第二部分之上延伸，第一区域的端部在顶视图中定位在离第四区域与离第五区域基本上相同的距离处。

根据一个实施例，开关进一步包括：第一金属化层，覆盖第四区域处的背表面以及所述层处的背表面；以及第二金属化层，覆盖第五区域处的正表面以及第二阱处的正表面。

根据一个实施例，第一导电类型和第二导电类型分别是类型N和类型P。

根据一个实施例，第一区域是U形的或C形的。

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3是双向开关的一个实施例的简化顶视图；

图4是图3的双向开关的一个备选实施例的简化顶视图。

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，适用于如在图2A的截面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。为了简化，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的阳极对应于形成在衬底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的阳极对应于阱107的另一部分。晶闸管Th2的阴极对应于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，而与晶闸管Th1的有源部分相邻的晶闸管Th2的有源部分通过区域109和区域103、101和107的与区域109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。

在背表面侧，与开关的第一主电极A1对应的金属化层M1覆盖区域109的下表面和层103的下表面。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。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。

在衬底的正表面侧，开关进一步包括形成在衬底116的环形区域中的环形的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。

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和117具有在10¹⁹原子/cm³至2×10²⁰原子/cm³范围内的掺杂水平。

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。这样的开关导通模式将被称为“Q3导通”。

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Q3导通时那样，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。这样的开关导通模式将被称为“Q2导通”。

出现一个问题：这种类型的开关具有如下的控制灵敏度或导通灵敏度，其根据开关是在Q2中导通还是在Q3中导通而不同，即，使晶闸管Th1导通(Q3导通)所需的栅极电流与使晶闸管Th2导通(Q2导通)所需的栅极电流不同。作为一个非限制性的说明示例，采用参照图2A和图2B所描述的类型的结构，本发明人已经观察到，获得Q3导通所需的栅极电流基本上是获得Q2导通所需的栅极电流的2.5倍。

应期望能够进一步对称化(symmetrize)参照图1、图2A和图2B所描述的类型的双向开关的Q2导通灵敏度和Q3导通灵敏度。

由上文可知，在图2A和图2B的示例中，在开关的Q2导通中环形区域117起到主要作用，这是因为其使得栅极电流的一部分能够在晶闸管Th2的有源部分的附近流动，从而使晶闸管Th2导通。实际上，在图2A和图2B的示例中，晶闸管Th1和Th2相邻，并且开关的晶闸管的栅极区域113定位在晶闸管Th1的有源部分的与晶闸管Th2的有源部分相对之侧。因此，在栅极区域113与晶闸管Th2的有源部分之间的距离大于在栅极区域113与晶闸管Th1的有源部分之间的距离。在没有区域117的情况下，晶闸管Th2的导通将因而特别地困难，或者甚至不可能。

对于提供环形区域117的一个备选方案是在晶闸管Th2之侧形成第二栅极区域，该第二栅极通过金属迹线连接至区域113。另一个方案是提供单个栅极(如在图2A和图2B的示例中)，并且将该栅极放置在离晶闸管Th1的有源部分与离晶闸管Th2的有源部分基本上相同的距离处。然而这样的方案具有其它缺点。具体地，它们增加部件的表面面积。

本发明人进行的研究已经能够显示出，环形区域117对于Q2导通灵敏度与Q3导通灵敏度之间的不对称性起到作用。实际上，在Q2导通期间如Q3导通期间，由区域117使得导通电流的电子的部分偏移。然而，在Q2导通的情况下，被区域117偏移的电子电流必需使晶闸管Th2导通，而在Q3导通的情况下，被区域117偏移的电子电流是损失电流，其降低了晶闸管Th1的控制灵敏度。

图3是双向开关的一个实施例的简化的顶视图。图3的开关的结构具有许多与图2A和图2B的开关相同的元件。这些元件在下文中将不再详细描述。在下文中将仅仅描述图3的结构与图2A和图2B的结构的区别。

图3的结构与图2A和图2B的结构的不同之处在于，图2A和图2B的结构的环形区域117用U形的N掺杂的区域301替代，该区域301：具有高于衬底的掺杂水平，例如，与图2A和图2B的结构的区域117相同的掺杂水平；并且定位在环形衬底区域116中，该区域116定位在阱107与外围壁111和/或阱115之间。区域301仅仅部分地围绕阱107。更具体地，区域301部分地围绕阱107的与最靠近栅极区域113的晶闸管(在本示例中是晶闸管Th1)的有源部分对应的部分，并且停止于在晶闸管Th1和Th2之间的相邻区域的位置处，即，区域301的每个端部都定位在离晶闸管Th1的有源部分与离晶闸管Th2的有源部分基本上相同的距离处。换言之，在顶视图中、或者垂直投影在衬底的正表面的平面中，每个U形端部都定位在离区域105与离区域109基本上相同的距离处。区域301任选地可以覆盖有金属化层，该金属化层并不连接至开关的外部端子。

由本发明人执行的测试已经显示出，用图3的U形区域替代图2A和图2B的环形区域117，使得能够显著地改进开关在Q3导通中的控制灵敏度，而并不显著地更改Q2导通的灵敏度。因此，与图2A和图2B相比，图3的结构具有更优的导通灵敏度对称性。作为一个非限制性的说明示例，采用参照图3所描述的类型的结构，本发明人已经观察到，获得Q3导通所需的栅极电流仅仅是获得Q2导通所需的栅极电流的1.3倍。

图4是图3的双向开关的一个备选实施例的简化顶视图。图4的结构包括与图3的结构相同的元件，并且进一步包括第二U形N型区域401，该区域401：具有大于衬底的掺杂水平，例如，与区域301的掺杂水平相同；并且定位在环形衬底区域116中，该区域116定位在阱107与外围壁111和/或阱115之间。区域401部分地围绕阱107。更具体地，区域401部分地围绕阱107的部分，阱107的该部分包含最远离栅极区域113的晶闸管(在本示例中是晶闸管Th2)的有源部分，并且区域401停止于在晶闸管Th1和Th2之间的相邻区域的位置处。区域301和401是分隔开的。U形区域401的端部指向U形区域301的端部，但是并不接触区域301。区域401可以任选地覆盖有金属化层，该金属化层并不连接至区域301并且不连接至开关的外部端子。

图4的结构具有与图3的结构相同的优点，并且进一步能够改进开关在关断状态下的击穿电压。实际上，在图4的结构中，区域301和401形成沟道停止区域，该沟道停止区域使得能够沿着几乎开关的整个外围避免由区域111、101和107形成的PNP型横向寄生晶体管的导通。在图3的结构中，由区域301保护了开关外围的仅仅(大致)一半以免于该横向PNP晶体管的导通的影响。从而区域301和401能够限制在钝化层119下方可能形成P沟道的影响。

作为一个变化例，在图4的结构中，区域401可以在U的两个端部之间包括一个或多个开关，这就使得能够调整在灵敏度对称性与关态击穿电压之间的折中。

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。

具体地，相邻晶闸管Th1和Th2的有源部分可以(在顶视图中)具有与在附图中示出的那些形状不同的其他形状。区域301和/或区域401可以具有与上述U形不同的其他形状，例如，C形，或者其端部定位于在晶闸管Th1和Th2之间的相邻区域的位置处的任何其他环形带部分形状。

此外，可以任选地提供用于使开关性能最优化的各种附加元件，诸如：存在跨区域109的并且将金属化层M1连接至层103的P型短路空穴；在栅极区域113下方、在开关的背表面侧、在层103与金属化层M1之间存在电阻性的或绝缘的层；开关栅极的其他布置，例如，栅极被布置在部件的角部；等等。

这种备选例、修改例和改进例意在作为本公开内容的一部分，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。