[发明专利]功率集成电路

说明书

本发明涉及半导体元件领域，在下文中半导体元件被称之为功率元件，这种功率元件能耐高压和/或传输高功率。这些元件竖立地安装在整块半导体晶层组成的低掺杂衬底上方，致使这些元件有高的击穿电压。

按常规，像闸流管、三端双向可控硅开关元件、双极晶体管、功率MOS晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBTs)等都是功率元件。

这些设计成控制高的电功率的元件耗热。因而，使这些元件的底表面金属化并安装在散热器上。如果希望在同一芯片上形成若干个功率元件，那么只有在这些不同的元件具有一个共同终端时才可能。

本发明的目的是制造功率集成电路，也就是在同一衬底上聚集纵向元件，这些纵向元件至少含有由衬底的低掺杂部分构成的一层晶层。使衬底的底表面金属化以能焊接或以另一种适当的方式连接在散热器上。

为了达到这个目的和其他一些目的，本发明提供了在整片第一种导电类型的低掺杂半导体薄片上单片式安装纵向功率半导体元件的方法。薄片底表面用金属镀层均匀地覆盖。至少一个元件，所谓“独立”元件，在衬底的隔离区域内形成。这些“隔离区域”，其侧面被第二种导电类型的扩散墙隔离而其底部由于在衬底底表面和底表面的金属镀层之间插入介电(绝缘)层而被隔离。

当独立元件底表面的半导体区域是第一种导电类型时，在衬底底表面上形成第一种导电类型的过量掺杂区域和在至少是部分底表面过量掺杂区域之上的衬底上表面里形成第一导电类型的过量掺杂区域，从这个区域引出一个接点。

当独立元件底表面的半导体区域是第二种导电类型时，该区域横向延伸到隔离墙；从隔离墙的上表面再引出一个接点，介电层在隔离墙的下基底下面延伸。

在至少一个隔离区域内能够形成逻辑元件。

本发明也应用于制造单片二极管电桥，在第一导电类型衬底中包含；两个第一纵向二极管，其共同的阴极相当于底表面的金属镀层；和在衬底的隔离区域(由第二种导电类型的隔离墙使隔离区域和衬底的其余部分分离)内包含，两个第二纵向二极管，其共同的阳极相当于在底表面上形成的第二导电类型的一层晶层，该晶层通过隔离墙从隔离墙上表面引出接点，这两个二极管的底表面被插入半导体薄片和底表面金属镀层之间的隔离薄层覆盖。

本发明也应用于组成单相整流电桥的元件，包括：安装在交流电源终端之间第一对和第二对头对尾连接的二极管，每对二极管内的二极管中间的连接点构成直流电源的一个端子；两个与第一对二极管内的二极管成反并联的头对尾的肖克莱(Shockley)二极管。肖克莱二极管和第一对二极管竖立地安装在半导体衬底内，衬底上表面包含组成交流电源端子的两层第一金属镀层，以及衬底下表面包含组成交流电源端子的第三金属镀层，相当于第一对两个二极管的连接点。第二对二极管是被安装在形成一个直流电源端子的第四金属镀层和形成交流电源端子的每一层金属镀层之间的隔离区域内。

根据本发明的优点，许多纵向元件能在同一片半导体衬底上形成，第一纵向元件其有由底表面金属镀层构成的一个共同电极，而第二元件是独立元件；也就是其电极能够独立地与其他元件的各种连接端或者与外部连接端连接，这些电极中没有一个电极是由底表面的金属镀层构成。

此外，由于独立元件的底表面用例如氧化硅层之类的薄隔离层保护，隔离薄层本身也用底表面金属镀层覆盖所以获得良好的散热性，即使元件的底表面含有的薄层是电绝缘的但是保留了导热性。

虽然在下面描述仅仅是能安装成功率集成电路而且有可能与逻辑电路和某些应用有联系的一些特殊元件但是本发明不受这些特殊情况限制。精通技术的人会注意到，与本发明相应的独立元件和双极集成电路的各个元件之间的相似性。实际上在双极集成电路中大部分集成电路元件是在外延层内形成，但是个别元件是用对外延层深扩散的方法互相隔离而其底部是用另一种导电类型的埋层隔离。根据本发明，整片衬底相当于外延层而底部结隔离(埋层)可以用插入在衬底底表面和底表面金属镀层之间的隔离薄层代替。这些精通技术的人们可以利用这种相似性去探索本发明的进一步的变更和应用。

根据下面结合附图对本发明所作的详细描述，发明的上述目的及其他一些目的、特点、状况和优点将更明显。

图1A和1B分别为根据本发明能被集成的各种类型二极管的横截剖视图和示意图；

图2A和2B分别为根据本发明能被集成的各种类型的闸流管的横截剖视图和示意图；

图3A和3B分别为根据本发明能被集成的各种类型的NPN晶体管的横截剖视图和示意图；

图4A和4B分别为根据本发明能被集成的各种类型的PNP晶体管的横截剖视图和示意图；