双基极双向双极晶体管两个相对表面上的场板：器件、方法和系统

摘要

公开了双基极双边双极功率晶体管，其中用绝缘场板将发射极/集电极扩散物和与其最靠近的基极接触扩散物隔开。所述器件在关断性能和击穿电压方面提供了令人惊奇的改进。

说明书

交叉引用

要求如下申请的优先权：2014年10月13日提交的美国申请62/063,090，在此通过引用将其结合于本文中。

在美国，要求如下申请的部分优先权：共同未决的PCT申请WO2014/210072(指定美国)；和通过上述申请于2013年6月24日提交的美国临时申请61/838,578，在此通过引用将其结合于本文中。

背景技术

本申请涉及双基极双向双极晶体管，更具体而言，涉及被称为B-TRANs的通用型功率晶体管。

请注意，以下讨论的要点可能反映了从所公开的发明获得的事后认识，但并非必然被承认是现有技术。

已公布的美国申请US 2014-0375287公开了一种完全双向双极晶体管，其发射极/集电极区域位于半导体晶片的两个面上，其基极接触区域也位于两个面上。在一组实施方式(参见该申请附图13A以及[0083]段的描述)中，发射极/集电极区域与基极接触区域通过填充有电介质的沟槽横向隔开。这样减少了ON状态下的同侧载流子复合。

申请US 2014-0375287也描述了该器件在操作中某些令人惊奇的方面。尤其是：1)当该器件接通时，优选将其首先仅作为二级管操作，然后施加基极驱动以减小接通状态电压降。2)不论哪个发射极/集电极区域被用作集电极(由在该器件端子处检测到的外部电压所确定)，基极驱动优选施加于最靠近该集电极的基极。3)优选使用二阶段断开顺序。4)在断开状态下，基极-发射极电压(在每侧)被与基极-发射极结并联的低电压二级管限制。

Wood的申请WO2014/122472展示并描述了略微相似的结构。然而，该申请主要面向不同的结构。该Wood申请也没有描述申请US 2014-0375287所述操作的方法。该Wood申请看起来也未描述在发射极/集电极区域和基极接触区域之间的横向沟槽隔离。

本申请提供了对该类型结构、操作该结构的方法和包括该结构的系统的改进。

除其他创新外，本申请教导了对称双向双接触基极双极结型晶体管，其中出现在半导体晶片的两个(相对)表面上的两个发射极/集电极区域均被沟槽中的场板环绕。该场板将发射极/集电极区域与邻近的基极接触区域隔开。由于基极接触区域出现在该器件的两个表面上，不论哪一个基极接触区域在集电极侧上，该结构提高其击穿电压而不会降低另一侧上的基极接触区域的特性。该结构在类似于US 2014-0375287中的器件的击穿电压方面提供了令人惊奇的改进。

除其他创新外，本申请也教导了操作该类型结构的方法，以及包括该类型结构的系统。

附图说明

将参照附图描述所公开的发明，这些附图展示了重要的样本实施方式并由此通过引用而结合于本说明书中，其中：

图1示意地展示了具有沟槽式场板的示例性B-TRAN。

图2展示了B-TRAN类型器件的优选电路表征。

图3示意地展示了具有填充有电介质的沟槽的B-TRAN的一个样本实施方式，已公布的申请US 2014-0375287描述了该实施方式，该申请在此通过引用结合于本文中。

图4A展示了类似于图1所示器件中的示例性掺杂分布。图4B展示了击穿时类似于图1所示器件中的电势分布。

图5A展示了击穿时类似于图1所示器件中的电场。图5B展示了击穿时类似于图1所示器件中的碰撞电离。

图6展示了击穿时类似于图1所示器件中的电流密度大小分布。

图7展示了击穿时类似于图1所示器件的上侧的电流密度分布图，其具有所示的电流矢量。

图8展示了击穿时类似于图1所示器件的下侧的电流密度分布图，其具有与图6类似的所示电流矢量。

图9展示了类似于图1所示器件一个表面的俯视图，其中展示了发射极/集电极区域如何被垂直场板横向地环绕。

图10为类似于图1所示器件边缘的部分横截面，其总体地展示了掺杂分布。

具体实施方式

将具体参照当前优选的实施方式(以示例方式而非限制方式)描述本申请的众多创新教导。本申请描述了若干发明，以下任何陈述都不应被当作在总体上限制权利要求。

已公布的美国申请US 2014-0375287中描述的这类完全双向双极双基极晶体管现在通常被称为B-TRAN。在本申请的某些实施方式中，发射极/集电极区域与基极接触区域通过填充有电介质的沟槽隔开。如图1的样本实施方式所示，B-TRAN是一种三层四端子双向双极晶体管。它是一种对称器件，意味着两个“端接”端子102和104上的电压的极性确定了这两个端子中的哪一个起到发射极的作用(例如，具有正偏结)，以及哪一个端子起到集电极的作用(例如，具有反偏结)。其典型地具有范围为5-20的增益，并且当偏置为“断开”时能够承受任一方向上的高电压。此外，作为双极晶体管，其具有低至0.2伏特的最小导通电压(VCE-SAT)，这显著低于结型二极管的电压降(在硅中是0.6伏特)。由于B-TRAN是对称的，其可以用于任何需要双向开关的电路。图2展示了一种器件表征，其展示B-TRAN的对称性。

当e基极(发射极一侧的基极)短路至发射极时，B-TRAN处于“主动断开状态”，此时c基极(集电极一侧的基极)断路。在该状态下，对于NPN型B-TRAN，集电极为阳极(高电压侧)，发射极为阴极(低电压侧)。

当两个基极均断路时B-TRAN也断开，但由于该状态下B-TRAN的相对高增益，击穿电压较低。别处已有公开，在每个基极和与其对应的发射极/集电极之间附加的常开型开关与二极管的串联组合，在该“被动断开状态”下将会显著地提高阻断电压。在常规操作中这些开关会被关断。

图3展示了完全对称双向双极晶体管，其中发射极/集电极区域与基极接触区域通过填充有电介质的沟槽隔开。已公布的申请US 2014-0375287描述了该结构。所示的示例为npn器件，其中n型发射极/集电极区域出现在p型半导体晶片的前后两面上。此外，单独的p型基极接触区域被设置在前后两个表面上，用于提供对p型半导体材料块的连接。该结构中，半导体晶片的整个厚度可被视为基极，但是两个基极接触区域在电性上是不同的，并且被单独地操作。

随着B-TRAN器件的精制和改进，本发明人已经意识到双基极双向双极晶体管面临若干独特的挑战。发射极与基极分离为其中之一。在标准的双极结型晶体管中，发射极与基极之间的电压差从来不会太大；然而，在完全双向双极晶体管中，具有两个发射极/集电极端子，而非不同的发射极和集电极。无论哪一侧起到集电极的作用(取决于外部施加电压的极性)，均将会在该侧靠近发射极/集电极扩散区的底部发现强电场。

相同的物理结构能够起到或者发射极或者集电极作用的要求在不同时间对于相同的结具有显著不同的要求。例如，当图3中的集电极/发射极端子102起到集电极的作用时，在器件顶部的反偏P-N结必须承受横跨器件的全部电压。令人惊奇的是，仿真显示，图3的结构——其使用填充有绝缘体的沟槽106以将n型区域与p型区域隔开——会导致填充有绝缘体的沟槽底部下方的电场强度增强，这样降低了器件的耐受电压或击穿电压。

如图1所示，通过邻近沟槽106的侧壁和底部地设置电介质层108并使在沟槽中央的场板110与n型结连接，这样可以减少或消除上述器件性能的降低。

需要选择电介质108的厚度，以使得沟槽106底部下方的电场强度减小到所制造器件可接受的水平。然而仿真已显示，对二氧化硅层来说，0.2微米范围的厚度足以使得器件具备1200伏特击穿电压。

图4A的样本实施方式展示了类似于图1所示器件具有5微米深沟槽的掺杂分布。该样本实施方式具有1223伏的击穿电压，和1195.23伏的断路c基极电压。图4B展示了类似于图4A的仿真器件在击穿时的示例性电势图。

图5A的样本实施方式，其仿真了类似于图1所示器件击穿时的电场。类似的，图5B仿真了类似于图4A的示例性仿真器件在击穿时的碰撞电离。

图6的样本实施方式，绘制了在类似于图1所示器件击穿时，在起到集电极作用的发射极/集电极区域附近的电流密度分布。在发射极附近的电流密度近似于IE＝100A/cm2。基极-集电极电压为VBC＝0.7V，而集电极-发射极电压为VCE＝0.184V。在图7的样本实施方式中，在该电流密度分布上补充了表示在类似于图1所示器件的集电极附近的电流方向的矢量。类似的，图8的样本实施方式展示了在类似于图1所示器件的发射极附近的电流密度分布和电流方向。

图9展示了类似于图1所示器件一个表面的俯视图，其中展示了发射极/集电极区域如何被垂直场板横向地环绕。

图10为类似于图1所示器件边缘的部分横截面，其总体地展示了掺杂分布。请注意，该示例中只展示了两个场限环，但在实际应用中场限环的数量可以多很多，比如10个。

有源区域包括发射极区域，每一发射极区域均被垂直场板环绕。基极接触区域与每一个发射极区域的长边缘相邻。

从有源区域边缘到晶片边缘，这些区域分布如下：

–绕整个有源区域的场板环。其在有源区域边缘向外延伸越过P-区域，并进入具有厚场氧化物区的区域。

–由扩散进入轻度掺杂p型衬底的轻度掺杂n型区域组成的一系列大约10个场限环(FLR)。场限环具有场板以扩展耗尽区域。

–由铝环组成的、在端子外周上的等电位环，其接触被形成在晶片边缘的P+区域。

该示例中，被图示为n-的掺杂(在边缘)优选是与发射极/集电极区域中使用的相同的磷掺杂。发射极/集电极区域本身也具有较浅的n+接触掺杂，其并未出现在n-边缘区域内。这优选是AS(砷)。

类似的，该示例中，被图示为p-的掺杂(在边缘)优选是与发射极/集电极区域中使用的相同的硼掺杂。该区域本身也具有较浅的p+接触掺杂，其并未出现在n-边缘区域内。

p-掺杂为半导体晶片的大块掺杂。例如，这可以是对应1200伏部分的180-250ohm-cm，对应600伏部分的80-120ohm-cm，以及对应更高的额定电压的更高电阻率。

优点

在各种实施方式中所公开的创新提供了至少以下优点中的一个或多个。然而，并非所公开的每一个创新都能产生全部这些优点，并且该优点列表并不限制所要求保护的各种发明。

●增加的击穿电压

●增加的耐久性

●关断期间更好的性能，以及

●改进的器件性能

根据某些但不一定全部的实施方式，提供了双基极双边双极功率晶体管，该晶体管使用绝缘场板将发射极/集电极扩散物与最接近的基极接触扩散物隔开。这提供了在关断性能和击穿电压方面令人惊奇的改进。

根据某些但不一定全部的实施方式，提供了一种功率半导体器件，包括：第一和第二第一导电型发射极/集电极区域，分别位于具有第一和第二表面的第二导电型半导体晶片的第一和第二表面；第一和第二第二导电型基极接触区域，分别位于半导体晶片的第一和第二表面；第一和第二绝缘场板结构，分别位于半导体晶片的第一和第二表面；其中，半导体场板结构是导电的，并垂直延伸，并与发射极/集电极区域横向邻接；其中，第一发射极/集电极区域通常形成为具有侧边和端部的带状物，并在两侧边及两端部处被第一绝缘场板结构横向环绕，并与第一绝缘场板结构电连接；其中，第二发射极/集电极区域大体形成为具有侧边和端部的带状物，并在两侧边及两端部处被第二绝缘场板结构横向环绕，并与第二绝缘场板结构电连接；由此不论施加何种极性的电压，均可提高击穿电压。

根据某些但并不一定全部的实施方式，提供了一种功率半导体器件，包括：具有第一和第二表面的p型半导体晶片；第一和第二n型发射极/集电极区域，分别位于半导体晶片的第一和第二表面；第一和第二p型基极接触区域，分别位于半导体晶片的第一和第二表面；第一和第二沟槽式场板结构，分别位于半导体晶片的第一和第二表面；其中，第一发射极/集电极区域与第一沟槽式场板结构电连接，并被该场板结构完全环绕；其中，第二发射极/集电极区域与第二沟槽式场板结构电连接，并被该场板结构完全环绕；由此不论施加何种极性的电压，均可提高击穿电压。

根据某些但不一定全部的实施方式，提供了一种功率半导体器件，包括：具有第一和第二表面的n型半导体晶片；第一和第二p型发射极/集电极区域，分别位于半导体晶片的第一和第二表面；第一和第二n型基极接触区域，分别位于半导体晶片的第一和第二表面；第一和第二沟槽式场板结构，分别位于半导体晶片的第一和第二表面；其中，第一发射极/集电极区域与第一沟槽式场板结构电连接，并被该场板结构完全环绕；其中，第二发射极/集电极区域与第二沟槽式场板结构电连接，并被该场板结构完全环绕；由此不论施加何种极性的电压，均可提高击穿电压。

根据某些但不一定全部的实施方式，提供了一种切换方法，包括：在ON状态下，驱动基极电流通过位于p型衬底相对两个面上的第一和第二p型基极接触区域其中之一而非流过第一和第二p型基极接触区域两者，以允许电流在同样位于p型衬底相对两个面上的第一和第二n型发射极/集电极区域之间通过；其中基极接触区域和发射极/集电极区域在衬底的两个面上被垂直延伸的导电场板横向隔开，所述导电场板由电介质材料横向环绕；在OFF状态下，通过与绝缘场板的电容耦合减小发射极-基极结附近的峰值电场。

根据某些但不一定全部的实施方式，提供了一种切换方法，包括：在ON状态下，驱动基极电流通过位于n型衬底相对两个面上的第一和第二n型基极接触区域其中之一而非流过第一和第二n型基极接触区域两者，以允许电流在同样位于n型衬底相对两个面上的第一和第二p型发射极/集电极区域之间通过；其中，基极接触区域和发射极/集电极区域在衬底的两个面上被垂直延伸的导电场板横向隔开，所述导电场板由电介质材料横向环绕；在OFF状态下，通过与绝缘场板的电容耦合减小发射极-基极结附近的峰值电场。

根据某些但不一定全部的实施方式，提供了一种切换功率双极半导体器件的方法，该器件在p型半导体晶片的第一和第二表面上均包括n型发射极/集电极区域和p型基极接触区域两者，所述方法包括：在ON状态下，驱动基极电流进入其中一个基极接触区域；在转变为OFF状态期间，临时性地将第一表面上的基极接触区域短路到第一表面上的发射极/集电极区域，同时也将第二表面上的基极接触区域短路到第二表面上的发射极/集电极区域，然后使得至少第一表面上的基极接触区域浮空；其中，第一表面上的基极接触区域与第二表面上的基极接触区域不连接；其中，沟槽式场板将每个发射极/集电极区域与各自对应的基极接触区域隔开；由此可以在相对表面的发射极/集电极区域之间可控地切换两种极性的电流。

根据某些但不一定全部的实施方式，提供了一种切换电路，包括：双基极双向npn半导体器件，其在p型单片式半导体晶片的两个相对表面上均包括n型发射极/集电极区域和p型基极接触区域两者，；控制电路，分别与位于相对表面上的第一和第二基极接触区域相连接；第一和第二独立箝位电路，每个箝位电路都包括低电压二极管和常开开关的串联组合，其以如下方式被连接：当常开开关接通时，低电压二极管的阳极与p型基极接触区域连接，低电压二极管的阴极与n型发射极/集电极区域连接；以及沟槽中的绝缘场板结构，其将每个发射极/集电极区域与邻近的基极接触区域隔开；其中，在施加一正向电压时低电压二极管接通，该正向电压小于发射极/集电极区域与半导体晶片之间的p-n结的二极管压降；由此，当常开开关为ON时，发射极/集电极区域与半导体晶片之间的p-n结不能正偏。

根据某些但不一定全部的实施方式，提供了一种切换功率半导体器件的方法，该器件在p型半导体晶片的第一和第二表面上均包括n型发射极/集电极区域和p型基极接触区域两者，所述方法包括：在ON状态下，使基极电流流过与更具正性的一个发射极/集电极区域更靠近的基极接触区域，而非通过另一个基极接触区域；其中，第一表面上的基极接触区域与第二表面上的基极接触区域没有电连接，除非通过半导体晶片本身；其中，第一表面上的发射极/集电极区域与第二表面上的发射极/集电极区域没有电连接；其中，沟槽式场板将每个发射极/集电极区域与相应的基极接触区域隔开；由此实现具有低通态电压降与可靠关断的双向切换。

根据某些但不一定全部的实施方式，提供了一种切换功率半导体器件的方法，该器件在p型半导体晶片的第一和第二表面上均包括n型发射极/集电极区域和p型基极接触区域两者，所述方法包括：接通时，将更具正性的一个发射极/集电极区域和与其位于同一表面上的基极接触区域一同短路，以由此以二级管电压降传导电流；并随后使基极电流流过至少一个基极接触区域，从而如双极晶体管那样以低于二极管电压降而开始导电；其中，第一表面上的基极接触区域与第二表面上的基极接触区域没有电连接，除非通过半导体晶片本身；其中，沟槽式场板将每个发射极/集电极区域与相应的基极接触区域隔开；由此实现具有低通态电压降与可靠关断的双向切换。

修改与变化

本领域技术人员可以认识到，可在极大范围的应用内对本申请所描述的创新构思进行修改与变化，因而授予专利的主题内容的范围并不受到这里给出的任何具体示例性教导的限制。旨在包含落入所附权利要求的精神和宽广范围内的所有这些替换、修改和变化。

以上示例中的半导体晶片为硅，但可替代使用其他半导体材料。

优选使用掺杂多晶硅制造场板，但也可使用其他导电材料，如铝或钨。

优选地，场板周围的绝缘层足够厚，以承受在断开状态在下集电极侧看到的大电压降。此外，若需要，场板周围的绝缘层可以更强韧。

优选地，场板周围的绝缘层是通过在蚀刻入(硅)晶片的沟槽的侧壁上生长的二氧化硅薄层来提供的。然而，该绝缘层替代地包括多种不同材料。

在以下公开文献中，可以发现有助于展示变化和实现方式的附加的一般背景技术：US 9,029,909,US 9,035,350,US 9,054,706,US 9,054,707,US 9,059,710，所有这些公开文献均通过引用结合于本文之中。

在如下美国专利申请中，可以发现有助于展示变化和实现方式的附加的一般背景技术，以及可与以下所要求保护的发明共同实现的某些特征。所有这些申请与本申请具有至少某些共同的享有人、未决性或发明人，所有这些申请以及直接或间接地结合于这些申请内的任何素材，均通过引用而结合于本文之中：US 2015-0214055 Al,US 2015-0214299Al,US 2015-0270771 Al,US 2015-0270837 Al,US 2015-0280613 Al；PCT/US 14/43962,PCT/US 14/69611,PCT/US15/11827；14/755,065,14/791,977,14/792,262；以及上述申请的所有优先权申请，通过引用将上述每一个申请结合于本文之中。

本申请中的任何描述都不应被解读为暗示任何具体元件、步骤或功能是在权利要求范围内必须包括的不可或缺的要素：授予专利的主题内容的范围仅由授权的权利要求界定。此外，没有任何一个权利要求旨在援引35USC第112节的第六段，除非确切措辞“用于……的装置”之后跟随分词。

所提交的权利要求旨在尽可能地全面，没有任何主题内容是有意地被撤回、捐献或放弃。