集成電路的單塊單元并且尤其是單塊轉換單元的制作方法
【專利摘要】根據本發明的一種單元包含至少兩個相同類型的關于電壓和電流呈現單向的半導體結構，每個結構具有陽極（10）、陰極（14）和可選的柵極（16）。所述結構集成到同一個半導體襯底（4）的體積中，陰極（14）和可選的柵極（16）位于半導體襯底（4）的第一表面上。陽極（10）位于半導體襯底（4）的與第一表面相對的第二表面上與陰極和可選的柵極相對。兩個不同結構的電極，陽極或陰極，被相互電連接。
【專利說明】集成電路的單塊單元并且尤其是單塊轉換單元
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于集成電路的單塊單元，特別是單塊轉換單元和使用至少一個這種單元的應用。
【背景技術】
[0002]本發明的領域是用于在一般為不同類型的發生器與接收器之間轉換電能的功率電子領域。然后必須適應電能的特性和不同形式(直流或交流)。一般使用基于半導體部件和諸如電感器或電容器的無源部件的開關來實現電氣轉換器。開關和二極管使得能夠控制電能的傳送，而無源部件用于過濾該能量的波形。開關的行為類似于非線性電阻，該非線性電阻必須在導通狀態中盡可能地低且在阻止狀態中盡可能地高。這里提到的轉換器不使用旋轉部分，并因此也被稱為“靜態轉換器”。
[0003]縮寫為IGBT的絕緣柵極雙極晶體管已知被用作用于功率電子的電路中的電子開關。這種部件允許大大簡化操作，同時保持導通損失較低。使用這種部件在可靠性和低成本方面為電力電子的應用帶來許多提升。
[0004]基于諸如例如IGBT的部件，通過組裝部件實現功率集成是已知的。以這種方式制造標準模塊。該技術常用于工業、傳輸或能源領域中。因此，例如，在芯片內集成僅具有兩個功率電極的開關雙極、在芯片內垂直實現電壓穩定和電流流動是已知的。這種雙極常被稱為“開關”。然后，為了產生用于能量轉換的結構，通過用布線將幾個開關連接在一起，產生能量轉換結構。該布線操作在連接電感、相對于接地面的寄生電容、半導體自身和它們的近控制電子裝置之間產生強的寄生電交互作用。
[0005]這些交互作用使制造的能量轉換器的總體性能相對于初始部件(開關)的性能劣化。布線操作還限制了有線組件的可靠性，從而在使用高電流強度、高環境溫度和操作熱循環時導致服役壽命的降低。最后，該操作是高成本的，原因是它在實現起來需要較長的時間，并因此限制生產率。
[0006]將整個控制和邏輯電路集成到硅即同一個芯片中也是已知的。例如，它用于大規模制造應用中，例如，用于汽車工業中。最經常在硅晶體的表面上實現該功能。因此，啟動電壓受到限制，并且這些方案僅與某些應用有關。
【發明內容】
[0007]本發明具有這樣的目的，S卩，在功率電子的領域中允許更大程度的小型化，以便獲得更小型化的轉換器。優選地，所獲得的可靠性也增加。并且，本發明將有利地允許降低功率轉換器的成本。
[0008]出于這種目的，提供一種包括在電壓和電流上呈現單向的相同類型的至少兩個半導體結構的集成電路的單塊單元，每個結構具有陽極、陰極，并可選地具有柵極。
[0009]根據本發明，所述結構集成到同一個半導體襯底的體積中，在半導體襯底的第一表面上，一個相應結構的陰極和可選的柵極在每種情況下位于第一預定區域中，每個結構的陽極位于半導體襯底的與第一表面相對的第二表面上的第二區域中，一個結構的第二區域與該相應結構的第一區域相對，并且，相同類型的不同結構的選自包含陽極和陰極的組的電極被相互電連接。
[0010]因此，本發明提出在同一個半導體器件內不僅僅制造諸如例如開關偶極子的偶極子，而且制造形成集成電路的真實的單元的三極子(或四極子或更多極子)，不再限于單一部件。根據本發明的單元可由此形成真實的基本轉換器，該基本轉換器沒有所有的導線電纜并具有極低的電交互作用，同時提供高水平的小型化、降低成本并提高可靠性。根據本發明的器件可被用于使用230V/400V的應用或用于具有750V?850V的電壓的工業應用。
[0011]由于其使用對稱單元的兩個單塊、一般和模塊結構的結構，由本發明提出的方案使得能夠限制半導體器件內的摻雜層的數量。
[0012]根據所謂的共用陽極類型的本發明的集成電路的單塊單元的第一實施例，相鄰的兩個結構的陽極在每種情況下被電連接。在本實施例中，通過半導體襯底在其在兩個陽極之間的第二面上的金屬化實現兩個相鄰的陽極(P+)之間的電連接，并且，半導體襯底在金屬化的附近具有N+區域，從而通過單元允許電流的雙向導通，并在兩個結構之間具有N-區域。
[0013]根據稱為共用陰極類型的本發明的單塊單元的第二實施例，兩個相鄰的結構的陰極在每種情況下被電連接。這里設想，例如，在涉及的兩個結構之間實現P+類型的垂直絕緣壁，從而允許單元內的橫向電壓耐受性。
[0014]在根據本發明的單塊單元中，半導體襯底例如由硅(SiO2)制成，但也可使用其它的半導體材料。
[0015]在根據本發明的單元中，每個半導體結構例如與二極管對應。
[0016]在根據本發明的單元的另一實施例中，每個半導體結構可以是在電壓和電流上呈現單向的半導體開關結構。作為本發明的變更例，每個結構也可被提供有至少一個控制電極。仍然在該實施例中，可以替代性地或者累積性地設想，每個單元在晶體中與允許其反向導通的二極管相關聯。在后一種情況下，被提供有至少一個控制電極并在晶體中與允許其反向導通的二極管相關聯的在電壓和電流上呈現單向的每個開關結構選自包含反向導通絕緣柵極雙極晶體管和VD-MOS型的晶體管的一組結構。
[0017]本發明還涉及一種整流器橋，其特征在于，它包括根據本發明的共用陽極轉換單元和根據本發明的共用陰極轉換單元。
[0018]本發明還涉及一種電力逆變器橋，其特征在于，它包括根據本發明的共用陽極轉換單元和根據本發明的共用陰極轉換單元。
[0019]最后，本發明還涉及一種在電流和電壓上呈現雙向的功率開關，其特征在于，它包括根據本發明的轉換單元。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]參照附圖閱讀以下的描述，本發明的細節和優點將變得更加清楚，其中，
[0021]圖1是共用陽極轉換單元的電路圖；
[0022]圖2是共用陰極轉換單元的電路圖；
[0023]圖3表示根據本發明的共用陽極轉換單元的結構；[0024]圖4表示圖3中的結構的簡化等價電路圖，從電路觀點表示圖3所示的單元的行為；
[0025]圖5表示根據本發明的共用陰極轉換單元的結構；
[0026]圖6是根據本發明的整流器橋的電路圖；
[0027]圖7是根據本發明的逆變器橋的電路圖；
[0028]圖8表示使用用于執行開關類型的功能的IGBT類型的兩個晶體管的共用陽極轉換單元的結構；
[0029]圖9表示使用用于執行開關類型的功能的IGBT類型的兩個晶體管的共用陰極轉換單元的結構；
[0030]圖10表示使用用于執行開關類型的功能的VDMOS類型的兩個晶體管的共用陽極轉換單元的結構；
[0031]圖11表示使用用于執行切換類型的功能的VDMOS類型的兩個晶體管的共用陰極轉換單元的結構；
[0032]圖12表示集成兩個共用陽極二極管的單塊單元的結構；
[0033]圖13表示集成兩個共用陰極二極管的單塊單元的結構；
[0034]圖14表示圖8所示的結構上的二極管功能的集成；
[0035]圖15表示圖9所示的結構上的二極管功能的集成；
[0036]圖16是與圖8中的結構對應的電路圖，可選地具有多于兩個的結構；
[0037]圖17是與圖9中的結構對應的電路圖，可選地具有多于兩個的結構；
[0038]圖18是與圖12中的結構對應的電路圖，但具有多個二極管；
[0039]圖19是與圖13中的結構對應的電路圖，但具有多個二極管；
[0040]圖20是與圖14中的結構對應的電路圖；
[0041]圖21是與圖15中的結構對應的電路圖；
[0042]圖22和圖23分別表示基于根據本發明的兩個單塊單元制造的DC-DC轉換器的電路圖；
[0043]圖24和圖25分別表示基于根據本發明的單塊單元制造的雙向開關的電路圖。【具體實施方式】
[0044]本說明書涉及兩個新穎的器件，該器件以硅、或例如碳化硅SiC或氮化鎵GaN的半導體材料的單塊形式實現，呈現為單塊三極的形式。
[0045]圖1表示采取將兩個晶體管Tl和T2接合在一起的電流開關類型的具有對稱布局的轉換單元的形式的三極子。這些晶體管中的每一個在所示的實施形式中是反向導通絕緣柵極雙極晶體管(RC-1GBT)。在所述圖1所示的三極子中，兩個晶體管Tl和T2具有共用陽極或共用后面。
[0046]作為變更例，晶體管可具有不同的類型。例如，它可以為VDMOS或VDM0SFET類型的晶體管。VDMOS是垂直雙擴散金屬氧化物半導體的縮寫。VDM0SFET是垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管的縮寫。
[0047]在圖2中表示第二三極子。在這種情況下，它是將RC-1GBT類型的兩個晶體管接合在一起的電流開關類型的具有對稱布局的轉換單元，但這些晶體管Tl和T2以它們的陰極或前面被共用的方式被組裝(它們也可以是VDMOS或VDM0SFET晶體管)。
[0048]應當注意，圖1和圖2所示的兩個三極子是對稱的，并且它們共同具有相同類型的電極(陽極或陰極)。這些特性被利用，使得可相對容易和有利地共享兩個絕緣柵極雙極晶體管或金屬化面的整個區域，以有利于它們的集成和開發新性能。
[0049]在圖1中示出其電路圖的三極子可完全在同一個半導體襯底4上制造，并例如具有圖3所示的結構。后者包含兩個反向導通絕緣柵極雙極晶體管結構(以下，稱為“IGTB結構”)。如在圖3上重疊相應的電子部件的圖4所示，注意，圖3所示的結構的各IGTB結構在其內部集成提供反向導通的PIN二極管8。這些反向導通IGBT結構中的每一個與用虛線繪制的矩形所示的部分6對應。
[0050]發明人已證明，兩個反向導通IGBT結構能夠容納于同一個娃芯片中。由于可能在圖3和圖4 (以及圖5)所示的結構的兩個部分6之間產生的各種交互作用，這些交互作用可以是總體集成結構的故障來源，因此兩個反向導通IGBT結構的單塊集成對本領域技術人員來說不是顯而易見的。在該結構中，當其操作時，兩個部分(每個具有反向導通IGBT結構)總是處于兩個不同的狀態:一個部分處于導通狀態，另一個處于阻止狀態。
[0051]在圖3?5中，以下考慮所示的結構包含配置于底部的后面和配置于頂部的前面。在這些附圖中，對于與反向導通IGBT結構對應的每一個部分6，陽極位于后面上。
[0052]在圖3和圖4中，應當注意，在各陽極上存在P+擴散和N+擴散，N+擴散位于具有另一陽極的一側。這兩個N+擴散和P+擴散在每種情況下都通過兩個部分6共用的陽極10而短路。配置于兩個N+擴散之間的氧化物層12使得能夠隔離陽極與襯底4的N-區域。這種氧化物的分離和使用使得一方面能夠減少兩個部分6之間的交互作用，并且另一方面減小使得后面P+/N-結導通所需要的陽極電流的水平。
[0053]在前面上(圖3和圖4)，P-區域在各部分6上形成并用于保護阻止狀態中的結曲率免于提前擊穿的風險。前面與部分6的陰極14的面對應。對于兩個陰極，電極被編號(1、
2、3)。電極I用于固定在阻止狀態中被反向極化的P-區域的電勢。
[0054]圖3和圖4所示的集成結構的正確的操作與以下的兩種情況對應:
[0055]一左部分6為導通，而右部分6保持阻止并支持施加的電壓；
[0056]一右部分6為導通，而左部分6保持阻止并支持施加的電壓。
[0057]也可添加與反向導通對應的兩種模式。當一個二極管導通時，另一保持阻止并支持例如600V的電壓。
[0058]應當注意,在圖3和圖4所示的優選實施例中，結構相對于垂直對稱面對稱。
[0059]如圖所示，部分6中的每一個還在其前面上具有兩個P區域。第一 P區域配置于前面的端部并接收電極3。該第一 P區域通過襯底的N-區域與第二 P區域分開，該N-區域還使該第二 P區域與上述的P-區域分開。第二 P區域集成設置在前面上的兩個N+區域。第二 P區域一方面使兩個N+區域相互分開，另一方面使N+區域中的每一個與襯底4的N-區域分開。電極2與第二 P區域并與兩個N+區域對應。
[0060]如圖所示，結構的前面還承載用于各部分6的柵極16。
[0061]當結構的絕緣柵極雙極晶體管處于其歐姆區域中時，其對應者必須保持阻止。當晶體管為導通時，電子通過導通狀態中的IGBT結構的MOS溝道注入N-區域(共用于兩個部分6)中。因此，位于集成結構的后面上的P+區域將空穴注入到也稱為漂移區域的N-區域中，以確保電中性。與位于假定為保持于阻止狀態中的IGBT結構側的P+/N-結相比，該注入將在位于導通狀態中的IGBT結構側的P+/N-結上更大。該區域中的注入必須盡可能地低，以減少阻止狀態中的IGBT結構的漏電流。為了限制該漏電流，能夠調整分開兩個部分6的距離。通過增加電阻Rtoift的值，出現通過位于阻止狀態中的IGBT結構的前面上的P擴散收集的空穴的量的減少(圖4)。要進一步減少收集的空穴的量，優選使用N+擴散以降低阻止狀態中的IGBT的后面P+/N-結的注入效率。
[0062]集成結構的后面的配置導致導通狀態中的兩種操作模式，即，用于低水平的電流的VDMOS模式和用于高水平的電流的IGBT模式。由處于阻止狀態中的IGBT結構的基極P收集的空穴的起源是來自后面的P+擴散。為了減少通過該P+擴散的空穴的注入，后面上的N+區域使得能夠使P+/N-結的導通電流的水平回到高水平。但是，當部分6從阻止狀態變為導通狀態時，可使得該結導通。
[0063]作為純粹為了解釋的非限制性的例子，對于結構的兩個部分6的幾何參數給出數值。如上所述，假定該結構是對稱的，因此兩個部分6有相同的值。
[0064]
【權利要求】
1.一種集成電路的單塊單元，包含至少兩個相同類型的關于電壓和電流呈現單向的半導體結構，每個結構具有陽極(10)、陰極(14)和可選的柵極(16)，其特征在于，所述結構集成到同一個半導體襯底(4)的體積中，在半導體襯底(4)的第一表面上，一個相應結構的陰極(14)和可選的柵極(16)在每種情況下位于第一預定區域中，每個結構的陽極(10)位于半導體襯底(4)的與第一表面相對的第二表面上的第二區域中，一個結構的第二區域與所述相應結構的第一區域相對，并且，相同類型的不同結構的、選自包含陽極和陰極的組的電極被相互電連接。
2.根據權利要求1的單元，其特征在于，相鄰的兩個結構的陽極(10)在每種情況下被相互電連接。
3.根據權利要求2的單元，其特征在于，相鄰的兩個陽極之間的電連接是通過半導體襯底(4)在其處于兩個陽極(10)之間的第二面上的金屬化實現的，以及，半導體襯底在所述金屬化的附近具有N+區域并在所涉及的兩個結構之間具有N-區域。
4.根據權利要求1的單元，其特征在于，相鄰的兩個結構的陰極(14)在每種情況下被電連接。
5.根據權利要求4的單元，其特征在于，P+型垂直絕緣壁體在兩個結構之間實施。
6.根據權利要求1?5中任一項的單元，其特征在于，半導體襯底(4)是由硅(SiO2)制成的。
7.根據權利要求1?6中任一項的單元，其特征在于，每個半導體結構與二極管對應。
8.根據權利要求1?6中任一項的單元，其特征在于，每個半導體結構是關于電壓和電流呈現單向的半導體開關結構。
9.根據權利要求8的單元，其特征在于，每個結構被提供有至少一個控制電極。
10.根據權利要求8或9中任一項的單元，其特征在于，每個單元在晶體中與允許其反向導通的二極管相關聯。
11.根據權利要求10的單元，其特征在于，被提供有至少一個控制電極并在晶體中與允許其反向導通的二極管相關聯的關于電壓和電流呈現單向的每個開關結構選自包括反向導通絕緣柵極雙極晶體管和VD-MOS型晶體管的一組結構。
12.一種整流器橋，其特征在于包括根據權利要求2的轉換單元和根據權利要求4的轉換單元。
13.—種逆變器橋，其特征在于，它包括根據權利要求2的轉換單元和根據權利要求4的轉換單元。
14.一種關于電流和電壓呈現雙向的功率開關，其特征在于包括根據權利要求10或11中任一項的轉換單元。
【文檔編號】H01L21/8234GK104011861SQ201280049682
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年10月9日 優先權日:2011年10月10日
【發明者】A·布倫納尼, M·布萊爾杜普伊, F·理查德尤, J-L·桑德切 申請人:國家科研中心, 圖盧茲聚合技術國家研究所