专利名称：具有高击穿电压的立式元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源元件，更确切地说，涉及为这些元件提供高击穿电压的外围结构。更确切地说，本发明针对“四层”元件，比如具有井型结构的可控硅整流器或三端双向可控硅开关。
背景技术：
图1为极为简化的剖面图，显示了由轻微掺杂的N型基底1形成的一个井型可控硅整流器结构。该可控硅整流器由P型绝缘壁2定界。后部表面均匀覆盖着P型层3。在前部表面一侧，在P型井4中，有一个强烈掺杂的N型区域5，形成了可控硅整流器的阴极。在层4形成一片电极(未显示)，并形成可控硅整流器的栅极。在元件的后部表面形成一片阳极金属喷镀A，在N+型区域5上形成阴极金属喷镀K。常规情况下，区域5配备了发射极短路，也就是，在若干处中断了N+层，金属喷镀K与P型层4的若干部分相接触。
图2以同样的简化方式显示了一个三端双向可控硅开关的结构。这种三端双向可控硅开关，是由P型掺杂的绝缘壁2围绕的、轻微掺杂的N型基底1形成的。该三端双向可控硅开关能够被视为由两个逆并行的可控硅整流器形成。第一个可控硅整流器从其阳极到其阴极，相继包括下层3、基底1、P型井4和N+型区域5。第二个可控硅整流器从其阳极到其阴极，包括P型井4、基底1、P型区域3和N+型区域7。N+型区域7是在下表面一侧形成的，基本上对着井4的没有形成区域5的部分。如同在图1中可控硅整流器的情况，在上表面一侧上配备了一个栅极区域和一个栅极接触金属喷镀(未显示)。金属喷镀A1覆盖着后部表面。金属喷镀A2与N+区域5和P井4相接触。常规情况下，区域5和7配备了发射极短路。
为了获得可控硅整流器和三端双向可控硅开关的所需特征，尤其是其对电压变化的敏感度、对电流变化的敏感度、导通状态的电压降落、栅极开启电流阈值、击穿电压等等，对所示各层的立式结构进行了优化。
然而，实际上反向偏置击穿电压本质上是由元件外围确定的，如同后文的讨论。
发明内容
本发明的一个目的是改进上述外围，以便优化四层元件的击穿电压，比如前面介绍的元件。
为了达到这个目的，本发明提供了一种4层结构的立式元件，包括一个第一导电类型的、轻微掺杂的厚区域，它确定该元件的击穿电压，外面围绕着第二导电类型的外围壁，从元件的一个表面垂直延伸至另一个表面；一个第二导电类型的、强烈掺杂的一层，延伸覆盖该元件的整个后部表面，在第一导电类型的、轻微掺杂的厚区域和第二导电类型的、强烈掺杂的一层之间，第二导电类型的、轻微掺杂的一层，延伸覆盖着整个元件表面。
按照本发明的一个实施例，该元件是一个三端双向可控硅开关，包括在第一导电类型的、强烈掺杂的一层中后部表面一侧上形成的一个第一导电类型的、强烈掺杂的区域，其中在所述强烈掺杂区域之前中断了所述轻微掺杂层。
按照本发明的一个实施例，该强烈掺杂区域配备了发射极短路，并且该轻微掺杂层的若干部分保持在所述发射极短路之前。
附图简要说明在以下连同附图对具体实施例的的非限制说明中，将详细讨论本发明的以上和的其它目的、特性和优点，其中图1是一个可控硅整流器的简化剖面图；图2是一个三端双向可控硅开关的简化剖面图；
图3是一个常规的可控硅整流器/三端双向可控硅开关外围结构的剖面图；图4是一个按照本发明的可控硅整流器/三端双向可控硅开关外围结构的剖面图；以及图5是一个按照本发明替代方案的三端双向可控硅开关外围结构的剖面图。
具体实施例方式
在半导体界的表示中，通常各层并不按比例绘制，在其水平方向如此，在其垂直方向也如此。
图3本质上显示了一个元件的外围部分。在这幅图的右面，显示了可控硅整流器或者三端双向可控硅开关的组成要素，指示它们的引用号与图1和图2相同，也就是，从阳极到阴极，延伸覆盖整个后部表面的P型层3、轻微掺杂的N型基底1、P型井4和强烈掺杂的N型区域5，其中已经显示了一个发射极短路孔。通常是从基底的上下表面注入而形成的绝缘壁2，占据了元件外围。
为了具有满意的反向偏置击穿电压，要注意的第一点，是P型绝缘壁2的界限和基底的上表面一侧上的P型区域4之间的横向距离，至少等于基底1的厚度。另外，通常要提供覆盖着金属喷镀12的一个通道停止区域11，它可能向内延伸以形成一个场电极。P型区域4可能围绕着轻微掺杂的P型环13。在绝缘壁2上表面的一个更强烈掺杂的部分14之上，可以通过金属喷镀15建立一个接触，该金属喷镀回到元件的内部，也形成了一个场电极。在元件外围形成的、强烈掺杂了磷的N+区域16用作getter。众所周知，提高元件的击穿电压的常规方法，基本上是降低在基底的上表面处发生击穿的可能性。确实，这个上表面从推理上是最敏感的，元件的侧面(壁3)和底面(层4)形成了一个相同的等电位表面。
然而，无论怎样预防，在指定的电压下还是不可避免地要发生击穿。为了提高击穿电压，已经提供了多种解决方案。
第一个解决方案包括增加基底的电阻率(降低其掺杂水平)，但是同时也增加了该元件的导通状态电阻(Ron)，并且也增加了切换时由于电流的突然变化(di/dt)而触发的敏感度。
另一种解决方案包括增加活化部分(P区域4)的界限与绝缘壁之间的距离。当然，这种方案的缺点是增加了芯片的表面积。
另一种解决方案包括在绝缘壁上表面的外围内部，形成一个轻微掺杂的P型区域，类似于区域13。这种解决方案像前一种一样，会导致芯片的表面积增加。
另外，尽管最后两个解决方案有其缺点，以击穿电压而论，它们也没有带来显著的优点。所以，本申请人已经再次分析了该结构的反向击穿现象，并且已经进行了多种试验和模拟，以便检验所作的假设。因此，本申请人已经考虑了发生反向击穿本质上是由于绝缘壁2和下表面P型层3之间的交线所对应的区域18中场线的明显弯曲。
为了解决这个问题，如图4所示，本发明在轻微掺杂的N型基底1和强烈掺杂的后部表面P型层3之间的界面处，形成了一个轻微掺杂的P型层21。
本申请人进行的模拟和试验表明，使用了这样一层时，击穿不再发生于元件的外围，而是在其中心区域。因此获得了与4层元件的立式结构特征相连的、可能的最高击穿电压。按照本发明的一个优点，与图3的常规结构相比，获得这种结果并没有增加表面积。
在一个真实的例子中，在没有P型层21的、图3中类型的一个元件具有大约1050伏特的反向击穿电压时，按照本发明的、配备了层21的一个元件具有1350伏特的击穿电压，改进程度大于25％。
在可控硅整流器的情况下，存在层21的惟一缺点是稍微增加了导通状态的电压降落，在11安培情况下是从1.25伏特增加到1.32伏特，也就是增加了不到5％，在大多数应用中实际上是可以忽略的。
在元件为三端双向可控硅开关的情况下，除了这个缺点以外，还表现出三端双向可控硅开关在Q3象限(电极A1为正、电极A2为负、栅极为负)中的开启阈值电流较大。为了克服这个缺点，如图5所示，按照本发明，在后部表面的N型层7之前中断了P型层21，层21仅仅保留在层7之上的区域以外(见图2和图5)。这个解决方案提供了很好的结果，在Q3象限中的敏感度没有可见的改变，击穿电压为1220伏特，也就是获得了15％的提高，而不是25％的提高。
应当注意，按照本发明插入轻微掺杂的P型区域，并没有使该结构的制造过程复杂。确实，这个P型区域能够与P型区域13同时形成，恰好在形成绝缘壁2之后。例如，P型区域13将具有1015原子/cm3的表面浓度和50-μm的渗透深度。
当然，对于本领域的技术人员，本发明很可能具有容易发生的多种改变、修改和改进。所有导电类型都可以反转。本发明可应用于可控硅整流器和三端双向可控硅开关以外的多种其它的4层元件。目前对这些元件进行的多种改进，都可以与本发明合并。
权利要求
1.一种4层结构的立式元件，包括一个第一导电类型的、轻微掺杂的厚区域(1)，它确定该元件的击穿电压，外面围绕着第二导电类型的外围壁(2)，从元件的一个表面垂直延伸至另一个表面，一个第二导电类型的、强烈掺杂的层(3)，延伸覆盖该元件的整个后部表面，其特征在于，在第一导电类型的、轻微掺杂的厚区域和第二导电类型的、强烈掺杂的一层之间，它进一步包括第二导电类型的、轻微掺杂的一层(21)，延伸覆盖着整个元件表面。
2.根据权利要求1的立式元件，形成一个三端双向可控硅开关，包括在第一导电类型的、强烈掺杂的一层(3)中后部表面一侧上形成的一个第一导电类型的、强烈掺杂的区域(7)，其中在所述强烈掺杂区域(7)之前中断了所述轻微掺杂层(21)。
3.根据权利要求2的元件，其特征在于，该强烈掺杂区域(7)配备了发射极短路，并且该轻微掺杂层(21)的若干部分保持在所述发射极短路之前。
全文摘要
本发明涉及一种具有四层结构的立式元件，它包括一个第一导电类型的、轻微掺杂的厚区域(1)，它为该元件提供电压强度，外面围绕着第二导电类型的外围壁(2)，从元件的一个表面垂直延伸至另一个表面，一个第二导电类型的、强烈掺杂的一层(3)，延伸覆盖该元件的整个后部表面。在第一导电类型的、轻微掺杂的厚区域和第二导电类型的、强烈掺杂的一层之间，第二导电类型的、轻微掺杂的一层(21)，延伸覆盖着整个元件表面。
文档编号H01L29/02GK1470074SQ01817268
公开日2004年1月21日 申请日期2001年10月11日 优先权日2000年10月12日
发明者杰拉德·奥列尔, 杰拉德 奥列尔 申请人:St微电子公司