DE102009051828A1

DE102009051828A1 - Ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102009051828A1
Application number: DE102009051828A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Schulze; Rudolf Buchberger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-11-05
Also published as: US8754444B2; DE102009051828B4; US20110101463A1; CN102122945A

Abstract

Ein Halbleiterbauelement umfasst ein erstes Bauelement 100, ein zweites Bauelement 200; ein Substrat 300, in dem das erste Bauelement 100 und das zweite Bauelement 200 lateral nebeneinander ausgebildet sind; und eine Rekombinationszone 400. Die Rekombinationszone 400 ist in dem Substrat 300 zwischen dem ersten Bauelement 100 und dem zweiten Bauelement 200 ausgebildet, so dass zwischen dem ersten Bauelement 100 und dem zweiten Bauelement 200 diffundierende Ladungsträger rekombinieren.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements und insbesondere ein Verfahren und eine Struktur zum Herstellen eines Triac.
Für viele Anwendungen in der modernen Halbleiterprozesstechnik ist es wichtig, zum einen Halbleiterbauelemente auf engstem Raum zusammen in einem Substrat auszubilden, andererseits jedoch zu verhindern, dass Ladungsträger von einem Bauelement in ein benachbartes Bauelement driften können. Dieser Drift kann beispielsweise negative Auswirkungen auf das Schaltverhalten des benachbarten Bauelements haben, da die Ladungsträger, die von einem Bauelement zum nächsten gedriftet sind, Verzögerungen (z. B. beim Schalten) verursachen können.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem ersten Bauelement, einem zweiten Bauelement, einem Substrat und einer Rekombinationszone. In dem Substrat sind das erste Bauelement und das zweite Bauelement lateral nebeneinander ausgebildet. Die Rekombinationszone ist in dem Substrat zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement ausgebildet, so dass zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement diffundierende oder driftende Ladungsträger rekombinieren.
Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1a, b eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht mit einem optionalen rückseitigen Bestrahlungsgebiet;
3 eine Querschnittsansicht durch ein Halbleiterbauelement mit einem optionalen rückseitigen Graben;
4 eine Querschnittsansicht durch ein Halbleiterbauelement mit dem optionalen rückseitigen Graben und dem Bestrahlungsgebiet;
5 eine Rückseitenansicht des Substrats mit ausgebildeten Grabenstrukturen;
6a bis 6c eine Draufsicht und zwei Querschnitte durch einen Triac gemäß Ausführungsbeispielen; und
7 eine Layout-Ansicht des Triacs gemäß Ausführungsbeispielen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine effektive Möglichkeit, die Ladungsträgerdiffusion zu verhindern, besteht darin, die beiden Bauelemente zunächst auf zwei verschiedene Chips anzuordnen und anschließend die beiden Chips (über externe Leitungen) miteinander zu verbinden.
Ein Beispiel betrifft so genannte Photo-Triac-Anwendungen, bei welchen zwei Thyristoren antiparallel geschaltet werden, so dass sie für Stromflüsse in beiden Richtungen über den Gateanschluss der Thyristoren geschaltet werden können. Um schnelle Schaltvorgänge für die beispielhaften Thyristoren zu ermöglichen, ist es wichtig, dass beide Thyristoren möglichst gut voneinander isoliert sind, was wie gesagt dadurch erreicht werden kann, dass beide Thyristoren unabhängig auf Chips ausgebildet sind. Andererseits ist es wünschenswert beide hierzu erforderlichen Thyristoren auf einem Chip auszubilden. Wie oben bereits gesagt, besteht dabei jedoch das Problem, dass solchermaßen realisierte Triacs erheblich geringere Schaltgeschwindigkeiten erlauben als die auf zwei separaten Chips realisierten Bauelemente. In diesem Beispiel ist allerdings die erreichbare Schaltfrequenz der bisherigen Ein-Chip-Variante drastisch geringer als für die konventionelle Zwei-Chip-Variante (oder Dual-Chip-Variante). Der Grund hierfür ist die oben erwähnte Diffusion freier Ladungsträger von dem eingeschalteten Thyristor zum benachbarten abgeschalteten Thyristor. Eine Konsequenz der langsameren Schaltgeschwindigkeit der Single-Chip-Lösung ist, dass bei einer beispielhaften Netzfrequenz von 60 Hz beispielsweise nicht mehr als 30 mA (bei 85°C) geschaltet werden können. Andererseits sind bei der Dual-Chip-Variante hingegen bei 60 Hz noch Ströme von ca. 300 mA sicher zu steuern. Eine Lösung dieses Problem wäre beispielsweise einen leistungsstärkeren Triac nachzuschalten, der bei einer Dual-Chip-Variante nicht erforderlich ist. Durch die deutlich höheren Ströme ist es möglich, in vielen Anwendungen auf einen nachgeschalteten, leistungsstärkeren Triac zu verzichten.
Der Ersatz der besagten Doppel-Chip-Lösung durch eine Single-Chip-Lösung würde die Herstellungskosten der Chips um ca. 25% (z. B. für die besagten Triac-Anwendungen mit einer Sperrspannung von mindestens 800 V) bzw. um ca. 50% (bei einer Sperrspannung von mindestens 600 V) senken. Diese Ersparnis ergibt sich dabei beispielsweise allein aus der Reduzierung der erforderlichen Chipfläche.
Daher besteht ein Bedarf danach, Bauelemente einerseits auf einem Chip anzuordnen und andererseits die Drift der Ladungsträger von einem Bauelement zum benachbarten Bauelement effizient zu unterdrücken, so dass in der beispielhaften Triac-Anwendung ebenfalls höhere Stromstärken bei einer Netzfrequenz von 60 Hz sicher zu steuern sind.
Eine denkbare Lösung um den Ladungsträgerdrift zwischen zwei Bauelementen, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, zu unterbinden, wäre die Bauelemente so weit auseinander anzuordnen, dass die Ladungsträger nicht in der Lage sind, den Abstand zwischen den Bauelementen zu überwinden – zumindest nicht innerhalb eines Zeitbereichs, welcher beispielsweise durch die Betriebsfrequenz (genauer: die inverse Betriebsfrequenz) vorgegeben wird. Dies bedeutet, dass es denkbar wäre, den derzeitigen Abstand zwischen beiden beispielhaften Thyristoren innerhalb des Triacs so stark zu vergrößern, dass die Ladungsträger während des Betriebs nicht in der Lage sind, von dem einem Thyristor zu dem anderen Thyristor zu gelangen. Dies würde jedoch einen erheblich höheren Flächenbedarf mit sich bringen und damit gegenüber der Dual-Chip-Lösung keinen Kostenvorteil haben. Daher ist diese offensichtliche Lösung des oben beschriebenen Problems kaum sinnvoll.
Daher gehen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einen anderen Weg. Es wird eine rekombinationswirksame, in vertikaler Richtung genügend ausgedehnte Schicht zwischen zwei auf dem Chip untergebrachten Bauelementen erzeugt (beispielsweise zwei antiparallel geschaltete Thyristoren). Die rekombinationswirksame Schicht oder Struktur (Rekombinationszone) kann beispielsweise durch eine strukturelle Veränderung des Halbleiters erzeugt werden, so dass Ladungsträger aus dem Leitungsband in das Valenzband unter Aussendung von Photonen oder Phononen wechseln können (Rekombination).
Die betreffenden Ladungsträger sind somit gebunden und stehen als freie Ladungsträger für einen Stromfluss nicht mehr zur Verfügung. Dies kann beispielsweise mittels Defekten in der Kristallstruktur des Halbleiters erzeugt werden, die, wie bei der Rekombination üblich, zu Energieniveaus führen, die zwischen dem Leitungs- und dem Valenzband liegen und somit den Ladungsträgern den Übergang vom Leitungs- ins Valenzband ermöglicht. Konkret kann das Erzeugen der Defekte beispielsweise durch eine Bestrahlung erfolgen (z. B. mit Protonen, Heliumatomen, Neutronen oder Elektronen), die dazu führt, das in dem Kristallgitter Fehlstellen, an welchen eine oder mehrere Halbleiteratome fehlen, erzeugt werden. Alternativ kann sich an den Fehlstellen ebenfalls Sauerstoff anlagern, so dass sich Sauerstoff/Leerstellen-Komplexe bilden. Möglich ist auch die Bildung von Mehrfachleerstellen, bei denen mehrere Gitteratome aus dem Kristallgitter entfernt werden und Zwischengitterplätze einnehmen. Schwermetalle wie beispielsweise Platin oder Gold können ebenfalls lokal in die Kristallstruktur eindiffundiert werden, um rekombinationswirksame Zentren zu bilden.
Daher liefern Ausführungsbeispiele ein Halbleiterbauelement mit einem ersten Bauelement und einem zweiten Bauelement, die lateral nebeneinander in einem Substrat ausgebildet sind. Eine Rekombinationszone ist in dem Substrat zwischen dem ersten und zweiten Bauelement ausgebildet und trennt Bauelemente, indem zwischen dem ersten und zweiten Bauelement diffundierende Ladungsträger rekombinieren.
Beispielhaft sollen im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Thyristoren für das erste und zweite Bauelement erläutert werden, die beispielsweise antiparallel zusammengeschaltet sind, um einen Triac zu bilden. Die Verwendung der Thyristoren für das erste und zweite Bauelement stellt jedoch lediglich ein Beispiel dar und Ausführungsbeispiele sollen darauf nicht beschränkt sein.
Zwischen den beiden benachbarten beispielhaften antiparallel geschalteten Thyristoren wird eine schmale, jedoch in vertikaler Richtung ausgedehnte Zone erhöhter Rekombination (Rekombinationszone) erzeugt. Wie gesagt hat diese Zone eine genügende Ausdehnung, um den beschriebenen Effekt (Verhinderung der Ladungsträgerdiffusion) zu erreichen. Wenn das Substrat beispielsweise eine Dicke von ca. 300 μm aufweist, sollte die Rekombinationszone typischerweise eine vertikale Ausdehnung von 10 bis 250 μm (oder 3%–90% der Substratdicke) oder von 50 bis 150 μm aufweisen (oder 20%–50% der Substratdicke) aufweisen, so dass die Ladungsträger die Rekombinationszone nicht oder nur schwer umgehen können und die lateral diffundierenden freien Ladungsträger zur Rekombination veranlasst werden. Die laterale Ausdehnung dieser Rekombinationszone beschränkt sich beispielsweise auf den elektrisch nicht aktiven Bereich zwischen den beiden antiparallel geschalteten Thyristoren (das erste und zweite Bauelement).
Die besagte Rekombinationszone kann beispielsweise mittels einer lokalen Bestrahlung (des Triacs) mit hochenergetischen leichten Teilchen erzeugt werden, wobei als Teilchen insbesondere Protonen geeignet sind, da sie eine relativ große Reichweite in dem Substrat aufweisen. Bei der Bestrahlung kann optional eine Maske genutzt werden, die beispielsweise die beiden Thyristoren maskiert und lediglich das Gebiet der Rekombinationszone zur Bestrahlung freilässt, wobei beispielsweise eine so genannte Stencil-Maske genutzt werden kann. Die Stencil-Maske kann beispielsweise mittels einer Siliziumscheibe mit geeigneten Löchern oder auch in Streifenform gebildet werden. Bei der Bestrahlung ist es sinnvoll, dass der zu bestrahlende Bereich auf der Vorderseite während der Bestrahlung frei von Deckschichten wie beispielsweise Oxidschichten, dotiertem oder undotiertem Silikatglas oder Polyimid ist, um unerwünschte Strahlung bei hochenergetischer Implantation zu vermeiden. Bei Bedarf kann beispielsweise nach der Bestrahlung eine Polyimidschicht abgeschieden werden, wobei die Prozesstemperatur beispielsweise 350°C nicht übersteigen sollte, da die durch die Bestrahlung erzeugten rekombinationswirksamen Effekte – wie beispielsweise die Doppelleerstellen oder Sauerstoff/Leerstellen-Komplexe – bei diesen Temperaturen schon weitgehend ausgeheilt sind. Beispielsweise kann die Temperung oder Temperaturbehandlung zum Stabilisieren der Defekte nach der Bestrahlung in einem Bereich zwischen 150 und 350 oder in einem Bereich zwischen 200 und 320°C erfolgen. Mit dieser Temperaturbehandlung werden die erzeugten rekombinationswirksamen Zentren stabilisiert, so dass mögliche Ausheilungen während des Betriebes des Bauelements vermieden werden.
Alternativ kann zur Erzeugung der Rekombinationszone auch eine Bestrahlung mittels Elektronen erfolgen, wobei aufgrund der höheren Eindringtiefe der Elektronen die Tiefe der Rekombinationszone annähernd die Dicke des Substrats aufweisen kann. Ebenfalls möglich ist, die Rekombinationszone mittels rekombinationswirksamer Schwermetalle wie beispielsweise Platin oder Gold zu erzeugen, die in der Rekombinationszone in dem Halbleitersubstrat eindiffundiert bzw. implantiert und anschließend eindiffundiert werden. Bei der Nutzung der Schwermetalle zur Erzeugung rekombinationswirksamer Defekte kann die Temperaturbehandlung beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 700 und 900°C erfolgen und beispielsweise zwischen 15 Minuten und 6 Stunden oder zwischen 30 Minuten und einigen Stunden dauern. Auch diese Temperaturbehandlung dient letztendlich der Stabilisierung der Defekte, so dass während des Betriebs keine Ausheilung der Effekte erfolgt und stabile Arbeitsweise erreicht wird.
Eine mögliche Strahlendosis für die genutzte Bestrahlung kann beispielsweise zwischen 10¹¹ ... 10¹⁴ Protonen pro cm² betragen oder zwischen 10¹² und 10¹³ Protonen pro cm² liegen. Es ist ebenfalls möglich, mehrere Bestrahlungsschritte nacheinander auf das Substrat einwirken zu lassen, wobei die einzelnen Bestrahlungsschritte unterschiedliche Energien und/oder unterschiedliche Dosen aufweisen können. Bei der Nutzung der Protonenbestrahlung kann beispielsweise eine Energie von ca. 2 MeV bis 4 MeV genutzt werden oder in einem Bereich zwischen 1 ... 10 MeV liegen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist es ebenfalls möglich, Gräben, Poren oder andere Strukturen in dem Halbleiter auszubilden, die ebenfalls die Drift (Diffusion) der freien Ladungsträger zwischen dem ersten und dem zweiten Bauelement effizient unterdrückt oder verhindert. Die Gräben oder Poren können beispielsweise mit Oxiden, Metallen oder Polysilizium gefüllt sein. Ebenfalls möglich ist bei weiteren Ausführungsbeispielen Gräben auf der Rückseite des Substrats beispielsweise an der Stelle der Rekombinationszone auszubilden. Damit wird der Querschnitt eines Driftpfades zwischen dem ersten und zweiten Bauelement, der freien Ladungsträgern zur Verfügung steht, weiter verringert. Optional ist es ebenfalls möglich, auch die Rückseite zu bestrahlen, wobei hierbei jedoch eine ganzseitige Bestrahlung in Frage kommen kann und die Strahlungstiefe von der Rückseite beispielsweise derart gewählt werden kann, dass zum einen keine negative Beeinflussung des ersten und zweiten Bauelements erfolgt und andererseits ein Kontakt zur Rekombinationszone hergestellt wird, so dass entlang der gesamten Substratdicke ein Ladungsträgertransport zwischen dem ersten und zweiten Bauelement unmöglich wird. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist es ebenfalls möglich, dass von der Rückseite ein oder mehrere Gräben ausgebildet werden und gleichzeitig eine Bestrahlung von der Rückseite erfolgt, so dass entlang der Gräben effektiv eine höhere Bestrahlungstiefe erreicht wird. Bei Benutzung dieser Gräben kann das oben beschriebene Ziel, nämlich die möglichst geringe Beeinflussung des ersten und zweiten Bauelements, bei gleichzeitigem Schließen möglicher Strompfade zwischen dem ersten und zweiten Bauelement, erreicht werden.
Vorteile von Ausführungsbeispielen umfassen somit, dass einerseits ein erstes und zweites Bauelement sehr nahe auf ein und demselben Substrat angeordnet werden können und andererseits eine Drift von Ladungsträgern zwischen dem ersten und zweiten Bauelement effizient verhindert wird. Die Unterdrückung des Ladungsträgertransports zwischen dem ersten und zweiten Bauelement erfolgt wie gesagt durch Rekombination – im Unterschied zu einer erhöhten Streuung von Ladungsträgern innerhalb einer Streuzone. Bei dem Ausbilden einer Streuzone würde ein Stromfluss lediglich durch eine Erhöhung des Widerstandes abgebremst. Die Rekombination führt aber nicht zu einem Bremsen des Stromflusses durch Streuungen an Streuzentren zwischen dem ersten und zweiten Bauelement, sondern zu einem Versiegen des Stromflusses, da die Rekombinationszone als eine Ladungsträgersenke wirkt.
Daher ist es möglich, bei Ausführungsbeispiele den oben erwähnten Kostenvorteil nutzen, der dadurch entsteht, dass die beiden Bauelemente auf ein und demselben Chip auf sehr engem Raum ausgebildet werden können und es somit zu einer Ersparnis an Chipfläche kommt.
1a und 1b zeigen eine Querschnittsansicht durch und eine Draufsicht auf Halbleiterbauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Die 1a zeigt das Halbleiterbauelement mit einem ersten Bauelement 100, einem zweiten Bauelement 200, einem Substrat 300 und einer Rekombinationszone 400. Das erste und zweite Bauelement 100, 200 sind lateral nebeneinander in dem Substrat 300 ausgebildet und die Rekombinationszone 400 ist in dem Substrat 300 zwischen dem ersten Bauelement 100 und dem zweiten Bauelement 200 ausgebildet, so dass zwischen dem ersten Bauelement 100 und dem zweiten Bauelement 200 diffundierende Ladungsträger rekombinieren.
Das erste Bauelement 100 kann beispielsweise ein bipolares Halbleiterbauelement umfassen (z. B. einen Thyristor). Das zweite Bauelement 200 kann ebenfalls ein bipolares Bauelement aufweisen wie beispielsweise einen zweiten Thyristor. Sowohl das erste und zweite Bauelement 100, 200 können somit schaltbare Bauelemente sein mit jeweils einem Anodenanschluss und einem Kathodenanschluss. Die Schaltung kann dabei über einen Kontrollanschluss (z. B. ein Gate) oder auch optisch erfolgen. Beispielhaft ist in der 1a ein erster Anschluss 110 des ersten Bauelements 100 und ein erster Anschluss 210 des zweiten Bauelements 200 gezeigt. Das Substrat 300 weist beispielsweise eine Schichtdicke d0 auf, wobei die Schichtdicke d0 beispielsweise in einem Bereich zwischen 200 μm und 500 μm liegen oder ca. 300 μm betragen kann. Die Rekombinationszone 400 weist eine Tiefe d1 senkrecht zur Substratoberfläche 310 auf, wobei d1 beispielsweise in einem Bereich zwischen 20 und 300 μm oder zwischen 50 und 150 μm liegen kann. Sowohl das erste Bauelement 100 als auch das zweite Bauelement 200 sind somit lateral nebeneinander entlang der Substratoberfläche 310 angeordnet und kontaktierbar. Die Anschlüsse können auch als Kontaktanschlüsse ausgebildet sein.
1b zeigt eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement, wie es in der 1a gezeigt ist. Die Schnittlinie 1-1' in der 1b zeigt dabei die Querschnittsebene, wie sie in der 1a gezeigt ist. Aus der 1b ist somit ersichtlich, dass das erste Bauelement 100 und das zweite Bauelement 200 lateral nebeneinander in dem oder an dem Substrat 300 ausgebildet sind und dass das erste Bauelement 100 den ersten Anschluss 110 und einen zweiten Anschluss 120 aufweist, die ebenfalls von der Oberfläche 310 her kontaktierbar sind. Ebenso weist das zweite Bauelement 200 den ersten Anschluss 210 und einen zweiten Anschluss 220 auf, die ebenfalls von der Oberfläche 310 des Substrats 300 kontaktierbar sind. Zwischen dem ersten Bauelement 100 und dem zweiten Bauelement 200 ist die Rekombinationszone 400 ausgebildet.
Wie aus der 1a ersichtlich, weist die Rekombinationszone 400 eine Tiefe d1 auf, die beispielsweise größer ist als die elektrisch aktive Regionen R1, R2 des ersten und zweiten Bauelements 100, 200 (schraffierte Region in der 1a). Die Rekombinationszone 400 stellt somit eine Senke für den Ladungsträgertransport dar, so dass die verbleibenden Ladungsträger zwischen dem ersten und zweiten Bauelement 100, 200 die Senke (Rekombinationszone 400) höchstens umfließen können, wenn der Diffusionspfad nicht vollständig durch die Barriere unterbrochen wird.
2 zeigt eine weitere Querschnittsansicht durch das Halbleiterbauelement mit dem ersten Bauelement 100 und dem zweiten Bauelement 200 und der Rekombinationszone 400. Wie in der 2 gezeigt, kann die Rekombinationszone 400 beispielsweise mittels einer Bestrahlung 500 erzeugt werden, wobei mittels einer Maske 550 der Bereich der Rekombinationszone 400 definiert wird. Die Maske 550 schützt dabei die aktive Region R1 des ersten Bauelements 100 und die elektrisch aktive Region R2 des zweiten Bauelements 200, so dass sowohl das erste Bauelement 100 als auch das zweite Bauelement 200 vor der Bestrahlung 500 geschützt sind und somit nicht in ihrer Arbeitsweise durch die Bestrahlung 500 eingeschränkt werden können. Die Bestrahlung 500 kann hinsichtlich der Energie als auch hinsichtlich der Dosis so bemessen sein, dass die Rekombinationszone 400 sich bis zu einer Tiefe d1 in dem Substrat 300 erstreckt, wobei die Tiefe d1 wie oben beschrieben gewählt wird.
Optional ist es ebenfalls möglich, das Substrat von einer Rückseite 320 einer Bestrahlung 510 auszusetzen. Die Rückseitenbestrahlung 510 führt somit zu einer Ausbildung einer Rückseitenrekombinationsschicht 410, die sich beispielsweise sowohl unterhalb der Rekombinationszone 400 als auch unterhalb des ersten Bauelements 100 und des zweiten Bauelements 200 erstrecken kann. Beispielsweise kann das gesamte Substrat 300 mittels einer Rückseitenrekombinationszone 410 bestrahlt werden. Die gewählte Energie für die Rückseitenrekombinationszone 410 als auch die Dosis kann beispielsweise derart gewählt werden, dass die Rückseitenrekombinationsschicht 410 sich bis in eine Höhe h2 erstreckt, so dass d1 + h2 größer ist als d0 (Schichtdicke des Substrats).
Die optionale rückseitige Bestrahlung 510 (z. B. ebenfalls mit Protonen) bezweckt eine weitere Verringerung eines Querschnitts des Driftpfades freier Ladungsträger zwischen dem ersten Bauelement 100 und dem zweiten Bauelement 200. Die Rückseitenbestrahlung 510 kann beispielsweise ganzflächig auf die unbedeckte Siliziumrückseite durchgeführt werden. Die Bestrahlungsenergie der Rückseitenbestrahlung 510 als auch deren Dosis kann in diesem Fall ganzflächig so gewählt werden bzw. optimiert werden, dass die Arbeitsweise des ersten und des zweiten Bauelements 100, 200 nicht beeinträchtigt wird. Zum Beispiel sollte die Durchlassspannung für den Fall, dass das erste und zweite Bauelement 100, 200 Thyristoren sind, nicht unnötig stark angehoben werden. Die Bestrahlungsenergie kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 2 und 4 MeV liegen.
Bei Nutzung einer Protonenbestrahlung für die Bestrahlung 500 und/oder die Rückseitenbestrahlung 510 kann beispielsweise eine maximale Energie bei ca. 4 MeV liegen, was beispielsweise eine Reichweite der Protonen von ca. 150 μm bedingt. Bei Bedarf können auch mehrere oder verschiedene Bestrahlungsenergien eingesetzt werden, um die Rekombinationswirksamkeit der Rekombinationszone 400 zu erhöhen. Die Dosis der Strahlung (Protonendosis), die eine ausreichende Rekombinationswirksamkeit hervorbringt, liegt typischerweise in einem Bereich von einigen 10¹² bis zu einigen 10¹³ Wasserstoffatomen pro cm².
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements, bei dem anstatt der Rückseitenbestrahlung 510, wie es in der 2 gezeigt ist, von der Rückseite 320 ein Graben 430 ausgebildet wird. Der Graben weist beispielsweise eine Tiefe d3 (gemessen von der Rückseite 320) auf, die beispielsweise derart gewählt werden kann, dass d3 + d1 größer ist als d0. Dies bedeutet, dass der Graben 430 sich beispielsweise bis zu einer Tiefe von der Rückseite 320 her erstreckt, bis er Kontakt zu der Rekombinationszone 400 erhält. Andererseits kann zunächst der Graben 430 mit der Tiefe d3 ausgebildet werden und anschließend kann eine Bestrahlung 500 von der Oberfläche 310 des Substrats 300 erfolgen, die so bemessen ist, dass die Tiefe der Rekombinationszone d1 so groß ist, dass sie sich bis zu dem Grabenboden erstreckt. Damit ist es möglich eine vollständige Unterbrechung der Diffusion zu erreichen.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Graben 430, wie er in der 3 gezeigt ist, und die Rückseitenbestrahlung 510, wie sie in der 2 gezeigt ist, miteinander kombiniert werden. Somit ist bei dem Ausführungsbeispiel, wie es in der 4 gezeigt ist, ebenfalls von der Rückseite 320 ein Graben 430 ausgebildet, der eine Tiefe h2 aufweist. Zusätzlich wird eine Rückseitenbestrahlung 510 durchgeführt, die dazu führt, dass sich eine Rückseitenrekombinationsschicht 410 mit einer Tiefe h1 herausbildet. Vorteilhafterweise erfolgt die Rückseitenbestrahlung 510 nach dem Ausbilden des Grabens 430, so dass die Rückseitenbestrahlung 510 an der Stelle des Grabens 430 tiefer in das Substrat 300 eindringen kann und an im wesentlichen dieser Stelle ein Kontakt zu der Rekombinationszone 400 herstellbar ist. Dies führt wiederum zu einer effizienten Unterbrechung der Ladungsträgerdrift. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist jedoch die Herstellung eines Kontaktes zwischen der Rückseitenrekombinationsschicht 410 und der Rekombinationszone 400 nicht hergestellt, sondern es wurde lediglich der Querschnitt eines möglichen rekombinationsfreien Diffusionspfades zwischen dem ersten Bauelement 100 und dem zweiten Bauelement 200 derart reduziert, dass keine bzw. nur relativ geringe Ladungsträger mehr zwischen den Bauelementen diffundieren können (wie gesagt, ein Diffundieren durch die Rekombinationszone 400 ist aufgrund der dort erfolgenden Rekombination nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich).
5 zeigt eine Ansicht auf die Rückseite 320 mit der elektrisch aktiven Region R1 des ersten Bauelements 100 und der elektrisch aktiven Region R2 des zweiten Bauelements 200 (die Bauelemente sind nicht ersichtlich in der 5). Zwischen den elektrisch aktiven Regionen R1 und R2 sind bei dem Ausführungsbeispiel, wie es in der 5 gezeigt ist, ein erster Graben 430a und ein zweiter Graben 430b ausgebildet. Sowohl der erste Graben 430a als auch der zweite Graben 430b können beispielsweise durchgehend lateral ausgebildet werden, wobei die Gräben 430a und 430b beispielsweise parallel zu der Rekombinationszone 400 verlaufen. Alternativ ist es jedoch ebenfalls möglich, den ersten Graben 430a und/oder den zweiten Graben 430b lateral unterbrochen auszubilden, wodurch ebenfalls eine effiziente Unterdrückung eines Stromflusses zwischen der elektrisch aktiven Region R1 des ersten Bauelements 100 und der elektrisch aktiven Region R2 des zweiten Bauelements 200 gewährleistet wird. Wie in der 5 gezeigt ist, können dazu der erste Graben 430a und der zweite Graben 430b versetzt zueinander unterbrochen sein und einen lateralen Abstand a zueinander aufweisen. Die Tiefen und Breiten der Gräben 430 können wiederum so gewählt werden, dass sie keinen oder nur extrem geringen Einfluss auf die Arbeitsweise des ersten und zweiten Bauelementes 100, 200 haben.
Die mit den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele führen also dazu, dass die Eindringtiefe der Rückseitenbestrahlung 510 (z. B. mittels Protonen) lokal erhöht wird (h1 + h2 in der 4). Dabei wurden wie gesagt von der Scheibenrückseite 310 her Gräben in den Bereichen unterhalb der Rekombinationszone 400 in das Substrat 300 (oder Scheibe) geätzt, wobei deren Tiefe beispielsweise so bemessen ist, dass die Summe aus der Eindringtiefe der eingestrahlten Protonen und der Grabentiefe etwas geringer ist als die Scheibendicke d0. Die Tiefe h2 der Gräben 430 kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 10 und 100 μm liegen, wodurch beispielsweise durch die Vorderseitenbestrahlung ein Kontakt zwischen den bestrahlten Regionen herstellbar wird. Die Grabentiefe h2 sollte auch hierbei so bemessen sein, dass die im nicht geätzten Rückseitenbereich 320 eingestrahlten beispielhaften Protonen die elektrischen Eigenschaften des ersten Bauelements 100 und des zweiten Bauelements 200 nicht in nachteiliger Weise verändern. Ebenso ist es möglich, dass ein in lateraler Richtung durchgehender Graben im Bereich zwischen den beiden Bauelementen 100, 200 (z. B. antiparallel geschalteten Thyristoren) erzeugt wird oder auch mehrere in lateraler Richtung unterbrochene, nicht zu weit auseinanderliegende Gräben erzeugt werden, wobei der Abstand zwischen den Gräben beispielsweise in einem Bereich zwischen 5 μm und 100 μm oder in einem Bereich zwischen 10 μm und 50 μm liegen kann. Die Rückseitenbestrahlung kann optional ebenfalls unter Nutzung einer Maske durchgeführt werden.
Anstatt der genutzten Protonenbestrahlung ist es ebenfalls denkbar, vorderseitig (von der Oberfläche 310 des Substrats 300) eine maskierte Elektronenbestrahlung zur Erzeugung der gewünschten Rekombinationszone 400 durchzuführen. Im Falle hoher Elektronenenergien kann in diesem Fall jedoch die Anwendung einer relativ dicken Maske erforderlich sein, um eine effiziente Abschirmung des ersten und zweiten Bauelements 100, 200 zu erreichen. Die Nutzung der Elektronenbestrahlung wäre jedoch vorteilhaft, indem die Rekombinationszone 400 schon bei relativ geringen Bestrahlungsenergien zu einer vollständigen Durchstrahlung der Halbleiterscheibe (des Substrats 300) führen wird. Da bei der Nutzung von Elektronen die gleiche Art von Defektzentren wie bei der Nutzung von Protonen erzeugt werden, können in beiden Fällen die gleichen Ausheilbedingungen, wie sie oben beschrieben wurden, benutzt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung der Rekombinationszone 400 besteht in der zuvor ebenfalls beschriebenen Eindiffusion rekombinationswirksamer Schwermetalle wie beispielsweise Platin oder Gold. Dies kann vorderseitigen und/oder rückseitig geschehen, wobei optional eine Maske zur Anwendung kommt. Hierzu kann im Bereich der angezielten Rekombinationszone 400 beispielsweise lokal eine Platinsilizidschicht erzeugt werden.
Die Platinatome werden dabei bei geeigneten Temperaturen, die beispielsweise in einem Bereich zwischen 700 und 900°C liegen, in den Bereich der zu erzeugenden Rekombinationszone 400 eindiffundiert. Typische Diffusionszeiten liegen dabei in dem Bereich zwischen 30 Minuten und bis zu einigen Stunden. Bei Bedarf lässt sich dieses Ausführungsbeispiel mit der ganzflächigen rückseitigen Protonenbestrahlung 510 kombinieren.
6a bis 6c zeigen eine Draufsicht und zwei Querschnittsansichten eines Ausführungsbeispiels, bei dem das erste Bauelement 100 ein erster Thyristor und das zweite Bauelement 200 ein zweiter Thyristor ist.
6a zeigt die Draufsicht auf die Oberfläche 310 des Substrats 300, wobei der erste Thyristor 100 und der zweite Thyristor 200 durch die Rekombinationszonen 400 getrennt sind. Der erste Thyristor 100 weist ein erstes dotiertes Gebiet (z. B. n-dotiert) 130, ein zweites (komplementär) dotiertes Gebiet 140 (z. B. p-dotiert), ein drittes dotiertes Gebiet 150 (z. B. n-dotiert) und ein viertes (komplementär) dotiertes Gebiet 160 (z. B. p-dotiert) auf. Die dotierten Gebiete sind dabei derart angeordnet, dass das zweite dotierte Gebiet 140 und das vierte (komplementär) dotierte Gebiet 160 nebeneinander innerhalb des ersten dotierten Gebietes 130 ausgebildet sind. Das dritte dotierte Gebiet 150 ist innerhalb des zweiten dotierten Gebietes 140 ausgebildet. Außerdem weist der erste Thyristor 100 einen ersten Anschluss 110 auf, der mit dem dritten dotierten Gebiet 150 elektrisch verbunden ist, und außerdem einen zweiten Anschluss 120, der mit dem vierten dotierten Gebiet 160 verbunden ist. Der erste Anschluss 110 kann mit einem ersten Kontakt 111 und der zweite Anschluss 120 mit einem zweiten Kontakt 121 verbunden werden (nicht gezeigt).
Der zweite Thyristor 200, der sich auf der lateral gegenüberliegenden Seite der Rekombinationszone 400 befindet, weist die gleichen Strukturen auf, die jedoch entlang einer Linie senkrecht zur Rekombinationszone 400 gespiegelt wurden. Dementsprechend weist der zweite Thyristor 200 ebenfalls ein erstes dotiertes Gebiet 230 (z. B. n-dotiert), ein zweites (komplementär) dotiertes Gebiet 240 (z. B. p-dotiert), ein drittes dotiertes Gebiet 250 (z. B. n-dotiert) und ein viertes (komplementär) dotiertes Gebiet 260 (z. B. p-dotiert) auf. Das zweite dotierte Gebiet 240 ist wiederum lateral neben dem vierten dotierten Gebiet 260 in dem Substrat 300 ausgebildet, wobei sowohl der zweite dotierte Gebiet 240 als auch das vierte dotierte Gebiet in dem ersten dotierten Gebiet 230 als Wanne ausgebildet sind. Ebenfalls ist das dritte dotierte Gebiet 250 mit dem ersten Anschluss 210 elektrisch verbunden und das vierte (komplementär) dotierte Gebiet 260 mit dem zweiten Anschluss 220 verbunden. Der erste Anschluss 210 kann wiederum mit einer ersten Elektrode 211 und der zweite Anschluss 220 mit einer zweiten Elektrode 221 verbunden sein. Die elektrische Verbindung kann mittels Metallisierungen oder Metallschichten ausgebildet sein.
Die ersten dotierten Gebiete 130, 230 des ersten und zweiten Thyristors 100, 200 sind somit als n-Wannen in dem Substrat 300 ausgebildet und von der Rekombinationszone 400 voneinander getrennt. Das Substrat 300 selbst kann beispielsweise schwach p-dotiert sein. Die gewählten Dotierungen für die einzelnen Gebiete/Substrat sind allerdings nur beispielhaft und können bei weiteren Ausführungsbeispielen anders gewählt sein.
Der erste Thyristor 100 und der zweite Thyristor 200 sind bei dem Ausführungsbeispiel, wie es in der 6a gezeigt ist, als Photothyristoren ausgebildet, so dass deren Zündung mittels eines Lichtsignals (oder allgemein eines optischen Signals) in einem optischen Fenster 600, die als Gate dient, erfolgt. Das optische Fenster 600 ist dabei beispielsweise in dem zweiten (komplementär) dotierten Gebiet 140, 240 ausgebildet, welches als Photozelle wirkt. Die durch das optische Signal frei werdenden Ladungsträger bewirken somit die Zündung des jeweiligen Thyristors, so dass er für den Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss 110 und dem zweiten Anschluss 120 geöffnet ist. Der pn-Übergang beispielsweise zwischen dem dritten dotierten Gebiet 150 und dem zweiten (komplementär) dotieren Gebiet 140 wirkt somit als Photozelle und die Zündung erfolgt optisch. Die Zündung kann jedoch alternativ auch über einen Gatekontakt, der die p-dotierte Basiszone 140 kontaktiert, erfolgen.
6b zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Querschnittslinie b-b' (siehe 6a). Aus der 6b ist somit ersichtlich, dass innerhalb des Substrats 300 die Rekombinationszone 400 zwischen dem ersten Thyristor und dem zweiten Thyristor in dem Substrat 300 ausgebildet ist. Wie aus der 6b ersichtlich ist, ist das dritte dotierte Gebiet 150 als eine Wanne innerhalb des zweiten (komplementär) dotierten Gebiets 140 ausgebildet, die ihrerseits wiederum als eine Wanne innerhalb des ersten dotierten Gebiets 130 ausgebildet ist. Ebenso ist das erste dotierte Gebiet 230 des zweiten Thyristors als eine weitere Wanne lateral zum erstem dotierten Gebiet 130 des ersten Thyristors 100 versetzt ausgebildet und enthält das vierte dotierte Gebiet 260 des zweiten Thyristors 200. Optional kann die vierte dotierte Gebiet 260 des zweiten Thyristors 200 noch eine hochdotierte Anschlussregion 270 aufweisen, die eine gleiche Dotierung wie das vierte dotierte Gebiet 260 aufweist und einen effizienten elektrischen Kontakt zu dem zweiten Anschluss 220 bezweckt.
Der erste Kontaktanschluss 110 des ersten Thyristors 100 stellt wie gesagt einen elektrischen Kontakt zum dritten dotierten Gebiet 150 her und bildet beispielsweise einen Kathodenanschluss K1. Sowohl der erste Anschluss 110 als auch der zweite Anschluss 220, der beispielsweise einen Anodenanschluss A2 des zweiten Thyristors 200 bildet, können beispielsweise als eine Durchkontaktierung (Via-Kontakt) ausgebildet sein, die eine optionale Oxidschicht, die entlang der Oberfläche 310 des Substrats 300 ausgebildet ist, überwindet. Die Zündung des Thyristors erfolgt, wie in der 6a gezeigt, beispielsweise mittels eines optischen Signals in der Region 600 (optisches Fenster), die durch den photoelektrischen Effekt dazu führt, dass Ladungsträger in dem zweiten (komplementär) dotierten Gebiet 140 frei werden und ihrerseits zum Zünden des Thyristors (des ersten oder zweiten Thyristors) führen.
Die 6c zeigt eine weitere Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie c-c' (siehe 6a). Somit zeigt die 6c eine Schnittdarstellung durch den ersten Thyristor 100, der in dem Substrat 300 ausgebildet ist. Aus der 6c ist somit ersichtlich, dass das erste dotierte Gebiet 130 als eine Wanne ausgebildet ist, die sowohl das zweite (komplementär) dotierte Gebiet 140 als auch das vierte (komplementär) dotierte Gebiet 140 lateral nebeneinander umschließt. Ferner ist das dritte dotierte Gebiet 150 als eine Wanne innerhalb des zweiten (komplementär) dotierten Gebiets 140 ausgebildet. Somit ergibt sich von dem ersten Anschluss 110, der das dritte dotierte Gebiet 150 elektrisch kontaktiert, und dem zweiten Anschluss 120, der das vierte (komplementär) dotierte Gebiet 160 (beispielsweise über eine Anschlussregion 170) kontaktiert, ein npnp-Übergang, wobei beispielsweise die dritte dotierte Region 150 n-dotiert ist, die zweite (komplementär) dotierte Region p-dotiert ist, die erste dotierte Region 130 n-dotiert und die vierte (komplementär) dotierte Region p-dotiert ist. Die Anschlussregion 170 kann beispielsweise ebenfalls p-dotiert sein, wobei die Dotierung der Anschlussregion 170 deutlich oberhalb der Dotierung des vierten dotierten Gebiets 160 liegt. Eine optionale Oxidschicht 340 ist beispielsweise auf der Substratoberfläche 310 ausbildet und sowohl der erste Kontaktanschluss 110 als auch der zweite Kontaktanschluss 120 sind beispielsweise als so genannte Durchkontaktierungen (Via-Kontakte), die eine optionale Oxidschicht 340 durchkontaktieren, ausgebildet. Daher sind beispielsweise oberhalb der Oxidschicht 340 der Kathodenanschluss K1 und der Anodenanschluss A1 ausgebildet. Die Oxidschicht 340 kann beispielsweise lichtdurchlässig ausgebildet sein, so dass sich ein optisches Fenster 600 ergibt, welches es ermöglicht, dass einfallendes Licht innerhalb des zweiten (komplementär) dotierten Gebiets 140 über den photoelektrischen Effekt freie Ladungsträger erzeugt, die den ersten Thyristor 100 in Durchlassrichtung schalten. Damit wird ein Strompfad von dem ersten Kontaktanschluss 110 (z. B. Kathode K1) zu dem zweiten Kontaktanschluss 120 (z. B. Anode A1) herausgebildet. Das Substrat 300 kann beispielsweise Silizium aufweisen und die erste dotierte Region 130 (z. B. n-Wanne) kann beispielsweise eine Dicke aufweisen, die kleiner ist als die Eindringtiefe d1 der Rekombinationszone 400, welche in der 6c nicht gezeigt ist (siehe 6b).
Um einen Triac zu erhalten, wird der erste Anschluss 110 des ersten Thyristors 100 mit dem zweiten Anschluss 210 des zweiten Thyristors 200 elektrisch miteinander verbunden, und der zweite Anschluss 120 des ersten Thyristors 100 wird mit dem ersten Anschluss 220 des zweiten Thyristors 200 elektrisch verbunden. Somit ist der erste Thyristor 100 mit dem zweiten Thyristor 200 antiparallel verschaltet, indem der Kathodenanschluss des ersten Thyristors 100 mit dem Anodenanschluss des zweiten Thyristors elektrisch verbunden ist und der Anodenanschluss des ersten Thyristors 100 mit dem Kathodenanschluss des zweiten Thyristors ebenfalls elektrisch verbunden ist. Damit ist sichergestellt, dass für jede Stromrichtung (z. B. beim Anliegen eines Wechselstromes) entweder der eine Thyristor oder der andere Thyristor bei einfallendem Licht auf Durchlassrichtung geschaltet ist. Die optische Schaltung mittels eines Lichtsignals hat dabei den Vorteil, dass es gleichzeitig zu einer galvanischen Entkopplung des Steuersignals mit dem Laststromkreis kommt, der beispielsweise eine deutlich höhere Spannung oder Stromstärke aufweisen kann als der Steuerstromkreis.
7 zeigt einen Vergleich zu einem konventionellen Triac, der ebenfalls einen ersten Thyristor 100 und einen zweiten Thyristor 200 aufweist, die jeweils auf einem eigenen Substrat ausgebildet sind (wodurch eine gegenseitige Beeinflussung von einem Thyristor zum anderen Thyristor ausgeschlossen ist) und entlang der Trennlinie 700 zusammengebracht wurden. Die in der 7 gezeigte Draufsichten entsprechen den Draufsichten, wie sie auch in der 6a gezeigt sind, so dass der erste Thyristor 100 einen ersten Kontaktanschluss 110 und einen zweiten Kontaktanschluss 120 aufweist und das optische Fenster 600 zentral angeordnet ist. Ebenso weist der zweite Thyristor 100 einen ersten Kontaktanschluss 210 und einen zweiten Kontaktanschluss 220 als auch ein zentrales optisches Fenster 600 auf.
Die konventionelle Dual-Chip-Variante ist in der 7 rechts gezeigt, wobei beispielsweise der zweite Thyristor 200 (rechts angeordnet) auf Durchlass geschaltet ist, so dass von dem zweiten Kontaktanschluss 220 (z. B. Anode) ein Stromfluss 720 zum ersten Kontaktanschluss 210 (z. B. Kathode) erfolgt. Da der erste Thyristor 100 und der zweite Thyristor 200 antiparallel geschaltet sind, ist bei dieser Schaltung der erste Thyristor 100 blockiert (in Sperrrichtung geschaltet), so dass kein Stromfluss zwischen dem ersten Kontaktanschluss 110 und dem zweiten Kontaktanschluss 120 des ersten Thyristors 100 erfolgt. Daher befinden sich nur wenige Ladungsträger in der Nähe des zweiten Kontaktanschlusses 120 des ersten Thyristors 100, die ihrerseits nur zu einer kurzzeitigen Verzögerung oder Blockierung des Stromflusses führen, wenn sich die Stromrichtung umdreht (z. B. nach Anlegen einer Wechselspannung). Die elektrischen Feldlinien 710 zeigen die Stromrichtung nach der Kommutierung an. Bei der gezeigten Dual-Chip-Variante werden die beiden Fotothyristoren antiparallel und galvanisch getrennt montiert (jeweils auf einem eigenen Substrat und anschließend zusammen montiert).
Auf der linken Seite der 7 ist die konventionelle Ein-Chip-Variante dargestellt, bei dem der erste Thyristor 100 und der zweite Thyristor 200 in konventioneller Art (ohne Rekombinationszone 400) auf einem gemeinsamen Substrat 300 angeordnet sind, so dass die Trennlinie 800 einen offenen Siliziumstreifen darstellt. Nach Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird der Trennstreifen 800 genutzt, um beispielsweise mittels einer Protonenimplantation die Rekombinationszone 400 auszubilden, indem freie Ladungsträger rekombinieren. Somit ist auch auf der linken Seite der 7 das Beispiel gezeigt, bei dem sich der zweite Thyristor 200 in Durchlassrichtung befindet, so dass es zu einem Stromfluss 720 von dem zweiten Kontaktanschluss 220 zu dem ersten Kontaktanschluss 210 kommt. Der erste Thyristor 100 befindet sich bei diesem Beispiel wiederum in Sperrrichtung.
Nachteilig an dieser konventionellen Anordnung, bei der sich der zweite Thyristor 200 und der erste Thyristor 100 nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat 300 befinden und noch keine Rekombinationszone 400 nach Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, ist die Ladungsträgerdiffusion 820 von dem zweiten Thyristors 200 zu dem ersten Thyristors 100 und zwar insbesondere die Diffusion der freien Ladungsträger von der Basiszone des ersten Thyristors zu der Basiszone des zweiten Thyristors. Diese Diffusion der Ladungsträger 820 entlang des Diffusionspfades führt dazu, dass im Bereich des ersten Thyristors 100 sich mehr Ladungsträger ansammeln (als dies beispielsweise auf der rechten Seite bei der 2-Chip-Lösung der Fall ist) und es somit bei einer Kommutierung des Stromflusses zu einer deutlich erhöhten Verzögerung oder Blockierung des ersten Thyristors 100 kommt. Zunächst müssen erst die sich angesammelten Ladungsträger abgebaut werden. Die Drift der Ladungsträger entlang des Diffusionspfades 820 kann beispielsweise eine Geschwindigkeit von 1 mm pro Sekunde aufweisen, so dass sich nach kurzer Zeit die Ladungsträger an dem inaktiven Thyristor sammeln und den Blockierbetrieb verzögern. Die elektrischen Feldlinien 710 deuten wiederum die Feldrichtung nach der Kommutierung an.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird nun der bereits vorhandene offene Siliziumstreifen 800 genutzt, um eine Rekombinationszone 400 (beispielsweise durch eine Protonenbestrahlung oder Elektronenbestrahlung) zu erzeugen, der eine effiziente Unterdrückung der Diffusion der freien Ladungsträger entlang des Driftweges 820 zur Folge hat.
Der erste Thyristors 100 und zweite Thyristors 200 auf dem Substrat 300 können beispielsweise einen Abstand b aufweisen, der beispielsweise 150 μm umfasst oder in einem Bereich zwischen 50 und 500 μm liegt. Der Abstand b kann beispielsweise als der Abstand des ersten dotierten Gebietes 130 des ersten Thyristors 100 und des ersten dotierten Gebietes 230 des zweiten Thyristors 200 definiert werden, wobei die Messung entlang der Substratoberfläche 310 geschehen kann.
Die in der 7 gezeigten weiteren Details weisen beispielsweise zusätzliche Zündthyristoren oder auch weitere kleine Schaltungen auf. Eine Oxidschicht 340, die auf der Substratoberfläche 310 ausgebildet ist kann beispielsweise eine Dicke von 5 μm aufweisen oder in einem Bereich zwischen 1 ... 20 μm liegen und als eine Feldplatte ausgebildet sein.
Ausführungsbeispiele umfassen somit sowohl eine Struktur (neuartiges Halbleiterbauelement) als auch ein Verfahren, welches zur Herstellung der Struktur oder des Halbleiterbauelements dient. Die Struktur umfasst dabei die Rekombinationszone 400 in dem Bereich zwischen den beiden beispielhaft antiparallel geschalteten Thyristoren. Optional können ebenfalls tiefe Gräben oder Poren ausgebildet werden, die beispielsweise mit Oxid, Metall oder Polysilizium gefüllt oder auch ungefüllt sein können. Somit kann bei weiteren Ausführungsbeispielen die Rekombinationszone 400 ebenfalls durch einen Graben oder durch Poren oder durch eine Grabenstruktur ersetzt werden, wobei die Gräben entweder offen sind oder mit einem dielektrischen Material wie beispielsweise einem Oxid gefüllt sein können. Optional ist es ebenfalls möglich die Rekombinationszone 400 mit weiteren Gräben (die wiederum offen oder mit Oxid gefüllt sein können) an der Substratoberfläche 310 zu kombinieren, um den Ladungsträgerdrift noch effizienter zu unterdrücken. Prinzipiell kann das beschriebene Verfahren auch auf anderen Strukturen angewendet werden, die parallele, antiparallele oder seriell geschaltete Halbleiterbauelemente oder Leistungshalbleiter auf einem Chip aufweisen.
Ausführungsbeispiele können beispielsweise innerhalb von Optokopplern angewendet werden, bei denen eine galvanische Trennung zweier Signalpfade durch eine zwischenzeitliche optische Übertragung des Signals erreicht wird. Das optische Signal wird dabei über das optische Fenster 600 an den Strompfad zwischen dem ersten und zweiten Anschluss 110, 120 des ersten Thyristors 100 (oder analog für den zweiten Thyristor 200) gekoppelt, so dass dieser Strompfad über das optische Fenster 600 steuerbar ist.
Ausführungsbeispiele umfassen insbesondere zwei antiparallel geschaltete gesteuerte bipolare Bauelemente wie beispielsweise zwei Thyristoren, die zu einem Triac zusammengeschaltet sind. Die laterale Ausdehnung kann beispielsweise 1,5 × 1,5 mm betragen und die vertikale Ausdehnung 500 μm. Gemäß Ausführungsbeispielen ist eine sichere Schaltung bis zu einer Frequenz von 100 Hz möglich und zwar bei einer Sperrfähigkeit bis zu 800 V. Die Substratdotierung kann beispielsweise derart gewählt sein, dass sich ein spezifischer Widerstand zwischen 30 und 500 Ohm·cm ergibt. Die Basisausdehnung kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 30 μm und 1.000 μm liegen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelements beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder Teil des Bauelements auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung ganz oder teilweise in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Ein Halbleiterbauelement mit: einem ersten Bauelement (100); einem zweiten Bauelement (200); einem Substrat (300), in dem das erste Bauelement (100) und das zweite Bauelement (200) lateral nebeneinander ausgebildet sind; und einer Rekombinationszone (400), die in dem Substrat (300) zwischen dem ersten Bauelement (100) und dem zweiten Bauelement (200) ausgebildet ist, so dass zwischen dem ersten Bauelement (100) und dem zweiten Bauelement (200) diffundierende Ladungsträger rekombinieren.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem das erste Bauelement (100) einen ersten Anschluss (110) und einen zweiten Anschluss (120) aufweist und das zweite Bauelement (200) einen ersten Anschluss (210) und einen zweiten Anschluss (220) aufweist, wobei der erste Anschluss (110) und zweite Anschluss (120) des ersten Bauelements (100) und der erste Anschluss (210) und zweite Anschluss (220) des zweiten Bauelements (200) von einer gemeinsamen Oberfläche (310) des Substrats (300) her kontaktierbar sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Bauelement (100) und das zweite Bauelement (200) antiparallel oder parallel verschaltet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rekombinationszone (400) Gitterdefekte des Substrats (300) aufweist und die Gitterdefekte Rekombinationszentren zur Rekombination diffundierender Ladungsträger bilden.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (300) eine Oberfläche (310), entlang derer das erste Bauelement (100) und das zweite Bauelement (200) kontaktierbar sind, und eine entgegengesetzte Oberfläche (320) aufweist, wobei entlang der entgegengesetzten Oberfläche (320) eine Rückseitenrekombinationsschicht (410) ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem die Rückseitenrekombinationsschicht (410) durch eine Rückseitenbestrahlung (510) verursachte Kristallgitterdefekte aufweist, so dass die Rückseitenrekombinationsschicht (410) eine höhere Rekombinationsrate aufweist als das Substrat (300).
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem entlang einer der Oberfläche (310) entgegengesetzten Oberfläche (320) zumindest ein Graben (430) ausgebildet ist, wobei der Graben (430) und die Rekombinationszone (400) zumindest teilweise parallel verlaufen.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Rekombinationszone (400) eine Tiefe (d1) aufweist und bei dem die Rückseitenrekombinationsschicht (410) die Rekombinationszone (400) kontaktiert, so dass ein Driftpfad der diffundierenden Ladungsträger unterbrochen ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die Rekombinationszone (400) eine Tiefe (d1) aufweist und bei der Graben (430) die Rekombinationszone (400) kontaktiert.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rekombinationszone (400) einen Graben und/oder Poren aufweist, wobei der Graben und/oder die Poren offen sind oder mit einem Oxid zumindest teilweise gefüllt sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Bauelement (100) einen ersten Thyristor und das zweite Bauelement (200) einen zweiten baugleichen Thyristor umfassen.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats (300); Ausbilden eines ersten Bauelements (100) in dem Substrat (300); Ausbilden eines zweiten Bauelements (200) in dem Substrat (300) derart, dass das erste Bauelement (100) und das zweite Bauelement (200) lateral nebeneinander an einer Substratoberfläche (310) angeordnet werden; und Ausbilden einer Rekombinationszone (400) in dem Substrat (300) zwischen dem ersten Bauelement (100) und dem zweiten Bauelement (200), so dass zwischen dem ersten Bauelement (100) und dem zweiten Bauelement (200) diffundierende Ladungsträger rekombinieren.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Ausbildens der Rekombinationszone (400) eine maskierte Protonen-, Helium- oder Elektronenbestrahlung (500) umfasst, die zur Bildung von rekombinationswirksamen Kristallgitterdefekten in dem Substrat (300) führen.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei dem der Schritt des Ausbildens der Rekombinationszone (400) ferner einen Schritt des Ausheilens von rekombinationswirksamen Defekten durch eine Temperaturbehandlung umfasst, bei der das Substrat (300) mit der Rekombinationszone (400) einer Temperatur unterhalb von 350°C oder einem Temperaturbereich zwischen 200 ... 320°C ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Schritt des Ausbildens der Rekombinationszone (400) die Verwendung von Protonen mit einer Energie zwischen 1 MeV und 6 MeV und/oder einer Dosis von 10¹² bis 10¹⁴ Protonen pro cm² umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem der Schritt des Ausbildens der Rekombinationszone (400) ein Diffundieren von Schwermetallen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner den Schritt einer Temperaturbehandlung mit einer Temperatur zwischen 700 und 900°C umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, welches ferner das Ausbilden eines Grabens (430) an einer der Substratoberfläche (310) gegenüberliegenden Rückseite (320) des Substrats (300) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, das ferner den Schritt einer Rückseitenbestrahlung des Substrats (300) umfasst, wobei die Rückseitenbestrahlung auf einer der Substratoberfläche (310) gegenüberliegenden Rückseite (320) des Substrats (300) sowohl unterhalb des ersten Bauelements (100) und des zweiten Bauelements (200) als auf unterhalb der Rekombinationszone (400) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Rückseitenbestrahlung eine Protonenbestrahlung umfasst.