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Die vorliegende Erfindung betrifft die vertikale Integration von Leistungstransistorbauelementen, insbesondere die vertikale Integration von Leistungstransistorbauelementen unter Verwendung gestapelter SOI-(silicon-on-isulator)-Strukturen.
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Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere solche für Hochspannungsanwendungen, erfordern während der Herstellung eine exakte Kontrolle der Dicke eines Wafers, in dem ein Bauelement implementiert ist, um Schaltverluste des späteren Bauelements zu reduzieren. Wenn ein Leistungstransistor eingeschaltet ist, beträgt eine Spannungsdifferenz zwischen dem Drainanschluss (Kollektoranschluss) und dem Sourceanschluss (Emitteranschluss) des Transistors nur einige wenige Volt. Diese Spannungsdifferenz zwischen Drain- und Sourceanschluss kann, abhängig von der Spannungsfestigkeit des Bauelements, jedoch auf mehrere 100 V oder sogar mehrere 1.000 V im sperrenden (ausgeschalteten) Zustand springen. Die Spannungsfestigkeit eines Transistors kann über die Dicke des Halbleitermaterials des Transistors in dem Bereich, in dem sich bei sperrendem Bauelement eine Raumladungszone ausbildet, eingestellt werden. Die stark variierende Spannung über der Laststrecke des Transistors zwischen eingeschaltetem Zustand und ausgeschaltetem Zustand kann eine Herausforderung an Steuerschaltungen darstellen.
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In einer Halbbrückenschaltung kann beispielsweise ein Level-Shifter (Pegelschieber) dazu verwendet werden, Steuersignale, die auf ein Sourcepotential eines unteren Transistors der Halbbrücke bezogen sind, an das Gate des oberen Transistors zu liefern. Das Gatepotential des oberen Transistors ist auf das variable Potential am Mittenabgriff der Halbbrücke bezogen. Bis vor Kurzem waren externe Halbleiterschaltungen notwendig, um solche Ansteuerschaltungen zu realisieren. Die externen Schaltungen müssen eine hohe Spannungsfestigkeit besitzen, und verwenden beispielsweise optische Koppler, Transformatoren oder spezielle Steuerschalter auf SOI-Basis. Bei einem TEDFET (Trench Extendet Drain Field Effect Transistor) ist eine Diode zwischen eine Drainzone und eine Driftsteuerzone geschaltet ist. Die Driftsteuerzone steuert bei diesem Bauelement einen leitenden Kanal in der Driftzone wenn der Transistor eingeschaltet ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Halbleiteranordnung mit einem Leistungstransistor und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiteranordnung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch Halbleiteranordnungen nach den Ansprüchen 1 und 17 und durch Verfahren nach den Ansprüchen 10 und 22 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein erster Aspekt betrifft eine Halbleiteranordnung. Die Halbleiteranordnung umfasst eine Schichtenfolge mit einer ersten Isolatorschicht, einer ersten Halbleiterschicht, die auf der ersten Isolatorschicht angeordnet ist, einer zweiten Isolatorschicht, die auf der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist und einer zweiten Halbleiterschicht, die auf der zweiten Isolatorschicht angeordnet ist. Die Halbleiteranordnung umfasst außerdem mehrere Bauelemente, die wenigstens teilweise in der ersten Halbleiterschicht ausgebildet sind, wobei ein erstes der mehreren Bauelemente ein Leistungstransistor ist, der in einem ersten Bereich der ersten Halbleiterschicht und einem ersten Bereich der zweiten Halbleiterschicht ausgebildet ist, wobei die ersten Bereiche der ersten und zweiten Halbleiterschichten durch eine erste Öffnung in der zweiten Isolatorschicht elektrisch miteinander verbunden sind.
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Ein zweiter Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung. Das Verfahren umfasst das Herstellen einer Schichtenfolge mit einer ersten Isolatorschicht, einer ersten Halbleiterschicht, die auf der ersten Isolatorschicht angeordnet ist, einer zweiten Isolatorschicht, die auf der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, und einer zweiten Halbleiterschicht, die auf der zweiten Isolatorschicht angeordnet ist. Das Verfahren umfasst außerdem das Herstellen mehrerer Bauelemente, die wenigstens teilweise in der ersten Halbleiterschicht angeordnet sind, wobei ein erstes der mehreren Bauelemente ein Leistungstransistor ist, der in einem ersten Bereich der ersten Halbleiterschicht und einem ersten Bereich der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, wobei die ersten Bereiche der ersten und zweiten Halbleiterschichten elektrisch miteinander verbunden sind durch eine erste Öffnung in der zweiten Isolatorschicht.
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Ein dritter Aspekt betrifft eine Halbleiteranordnung. Die Halbleiteranordnung umfasst eine Schichtfolge mit einer ersten Isolatorschicht, einer ersten Halbleiterschicht, die auf der ersten Isolatorschicht angeordnet ist, einer zweiten Isolatorschicht, die auf der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist und einer zweiten Halbleiterschicht, die auf der zweiten Isolatorschicht angeordnet ist. Die Halbleiteranordnung umfasst außerdem einen Leistungstransistor mit einer Drainzone, die in einem ersten Bereich der ersten Halbleiterschicht ausgebildet ist, und einer Driftzone, einer Bodyzone, einer Sourcezone und einem Gate, die in einem ersten Bereich der zweiten Halbleiterschicht ausgebildet sind, wobei die Driftzone elektrisch durch eine Öffnung in der zweiten Isolatorschicht an die Drainzone angeschlossen ist; und eine Diode mit einer Anode und einer Kathode, die in einem zweiten Bereich der ersten Halbleiterschicht (104) ausgebildet ist, wobei eine von Anode und Kathode elektrisch an die Drainzone des Leistungstransistors und die andere von Anode und Kathode elektrisch an einen zweiten Bereich der zweiten Halbleiterschicht angeschlossen ist durch eine zweite Öffnung in der zweiten Isolatorschicht, wobei die ersten und zweiten Bereiche der zweiten Halbleiterschicht lateral voneinander isoliert sind.
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Ein vierter Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung. Das Verfahren umfasst das Herstellen einer Schichtenfolge mit einer ersten Isolatorschicht, einer ersten Halbleiterschicht, die auf der ersten Isolatorschicht angeordnet ist, einer zweiten Isolatorschicht, die auf der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, und einer zweiten Halbleiterschicht, die auf der zweiten Isolatorschicht angeordnet ist. Das Verfahren umfasst außerdem das Herstellen eines Leistungstransistors, der wenigstens einen Teil einer Drainzone in einem ersten Bereich der ersten Halbleiterschicht und eine Driftzone, eine Bodyzone, eine Sourcezone und ein Gate in einem ersten Bereich der zweiten Halbleiterschicht aufweist, das elektrisches Verbinden der Driftzone und der Drainzone durch eine erste Öffnung in der zweiten Isolatorschicht, das Herstellen einer Diode mit einer Anode und einer Kathode in einem zweiten Bereich der ersten Halbleiterschicht, das elektrische Verbinden einer von Anode und Kathode und der Drainzone durch eine erste Öffnung in der ersten Isolatorschicht, das elektrische Verbinden der anderen von Anode und Kathode und eines zweiten Bereichs der zweiten Halbleiterschicht durch eine zweite Öffnung in der zweiten Isolatorschicht, und das laterales Isolieren der ersten und zweiten Bereiche der zweiten Halbleiterschicht voneinander.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Diese Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur solche Merkmale dargestellt sind, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind. Die Zeichnungen sind notwendigerweise maßstabsgerecht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale in den Zeichnungen.
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1 veranschaulicht eine schematische Querschnittsdarstellung einer vertikalen Halbleiteranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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2–21 veranschaulichen schematisch Querschnittsdarstellungen einer Halbleiterstruktur bei verschiedenen Verfahrensschritten verschiedener Ausführungsbeispiele zum Herstellen einer vertikalen Halbleiteranordnung.
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Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschreiben eine Halbleiteranordnung (Leistungstransistorschaltung) mit einem vertikalen Leistungstransistor, der beispielsweise als Leistungsschalter eingesetzt werden kann, und mit weiteren Strukturelementen. Das Versorgungspotential des Leistungsschalters, beispielsweise das Drainpotential (Kollektorpotential), kann an andere Strukturelemente angelegt werden, die in der Leistungstransistorschaltung integriert sind. Diese Strukturelemente können wenigstens teilweise zwischen zwei Isolatorschichten, wie beispielsweise Oxidschichten, im Bereich der Rückseite des Bauelements angeordnet sein. Eine Verbindung nach oben kann durch einen leicht dotierten Pfad realisiert sein, der in der Lage ist, die Sperrspannung der Leistungstransistorschaltung (beispielsweise für Level-Shifter-Anwendungen in einer Halbbrücke oder zu Spannungsmesszwecken am Drainanschluss) aufzunehmen, kann jedoch auch durch einen niederohmigen Pfad (beispielsweise außerhalb eines lateralen Randabschlusses der Vorderseite des Halbleiterchips oder beispielsweise mit einem isolierten Graben, der mit Polysilizium oder Kohlenstoff gefüllt ist) realisiert sein.
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Teils einer Halbleiteranordnung (Halbleiterbauelementanordnung) 100, die eine Schichtfolge aufweist. Die Schichtfolge umfasst eine erste Isolatorschicht 102, eine erste Halbleiterschicht 104 auf der ersten Isolatorschicht 102, eine zweite Isolatorschicht 106 auf der ersten Halbleiterschicht 104 und eine zweite Halbleiterschicht 108 auf der zweiten Isolatorschicht 106. Die erste Halbleiterschicht 104 wird nachfolgend auch als untere oder vergrabene Halbleiterschicht, die zweite Halbleiterschicht 108 als obere Halbleiterschicht, die erste Isolatorschicht 102 als untere Isolatorschicht und die zweite Isolatorschicht 106 als obere Isolatorschicht bezeichnet, um in der nachfolgenden Beschreibung die Beziehung dieser Schichten zu verdeutlichen. Selbstverständlich können zusätzliche Schichten oberhalb und/oder unterhalb einer beliebigen dieser einzelnen Schichten angeordnet sein. Die untere Halbleiterschicht 104 ist also zwischen der unteren Isolatorschicht 102 und der oberen Isolatorschicht 106 angeordnet und die obere Isolatorschicht 106 ist zwischen der unteren Halbleiterschicht 104 und der oberen Halbleiterschicht 108 angeordnet.
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Mehrere Bauelemente sind wenigstens teilweise in der unteren Halbleiterschicht 104 ausgebildet. Eines dieser Bauelemente ist ein Leistungstransistor, der in einem ersten Bereich (einem ersten Gebiet) 114 der unteren Halbleiterschicht 104 und einem ersten Bereich (einem ersten Gebiet) 116 der oberen Halbleiterschicht 108 angeordnet ist. Die ersten Bereiche 114, 116 der ersten und zweiten Halbleiterschichten 104, 108 stehen durch eine erste Öffnung 118 in der oberen Isolatorschicht 106 in elektrischem Kontakt miteinander. Bei einem Ausführungsbeispiel bildet der erste Bereich 114 der unteren Halbleiterschicht 104 wenigstens einen Teil einer Drainzone des Leistungstransistors und der erste Bereich 114 der oberen Halbleiterschicht 108 umfasst eine Driftzone des Leistungstransistors. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Drainzone ein hochdotiertes Gebiet, beispielsweise den ersten Bereich 114, das in elektrischem Kontakt mit der Driftzone steht. Allgemein sind die Dotierungstypen der Drainzone und der Sourcezone gleich. Die Dotierungstypen der Drain- und der Sourcezone einerseits und der Dotierungstyp der Driftzone andererseits können gleich oder komplementär sein. Eine Bodyzone 120 besitzt einen zu einem Dotierungstyp der Sourcezone und eines Teils der Drainzone komplementären Dotierungstyp. Oberhalb der Drainzone bildet ein höher n-dotierter Abschnitt 110 wenigstens einen Teil eines Gegenstücks zu dem Body. Die Dotierungskonzentration der Driftzone ist vergleichsweise gering, um hohen Sperrspannungen Stand zu halten, wobei die Driftzone entweder n-dotiert oder p-dotiert sein kann. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist ein Teil der Drainzone in der oberen Halbleiterschicht 108 angeordnet. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Drainzone des Leistungstransistors vollständig in der unteren Halbleiterschicht 104 enthalten.
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Eine Bodyzone 120 des Leistungstransistors ist auch in dem ersten Gebiet 116 der oberen Halbleiterschicht 108 oberhalb der Driftzone ausgebildet. Die Sourcezone 122, das Gate 124 und eine hoch leitende Kontaktzone 126 des Leistungstransistors sind in oder auf der Bodyzone 120 und der Sourcezone 122 ausgebildet. Eine Kanalzone ist in der Bodyzone 120 zwischen der Sourcezone 122 und der Driftzone vorhanden, wenn eine ausreichende Spannung an das Gate 124 angelegt wird, wodurch der Transistor eingeschaltet wird. Das Gate 124 umfasst eine Gateelektrode 128, die durch ein Gatedielektrikum 130 gegenüber der Bodyzone 120 isoliert ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Gate 124 und/oder die hoch leitende Kontaktzone 126 wenigstens teilweise auf oder oberhalb der Bodyzone 120 und der Driftzone ausgebildet sein.
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Der Leistungstransistor gemäß 1 ist ein vertikaler MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Andere Arten von vertikalen Leistungstransistoren können anstelle des MOSFET ebenfalls realisiert werden, wie beispielsweise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), ein JFET (Junction Field Effect Transistor), eine Diode, usw. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die obere Halbleiterschicht 108 nahe der oberen Isolatorschicht 106 höher dotiert sein, was in 1 durch den mit n+ bezeichneten Abschnitt 110 angedeutet ist, und kann weiter weg von der oberen Isolatorschicht 106 niedriger dotiert sein, was in 1 durch den mit n bezeichneten Abschnitt 112 angedeutet ist, und zwar abhängig von der Art des zu realisierenden Bauelements. Die in den Figuren dargestellte n-Dotierung dient lediglich zu Zwecken der Beschreibung und ist nicht als einschränkend anzusehen. Selbstverständlich können die ersten und zweiten Halbleiterschichten 104, 108 ebenso wie die n+-Schicht 110 als p-dotierte und/oder n-dotierte Gebiete ausgebildet sein.
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Eine Metallisierungsschicht 132 ist auf einer Seite der unteren Isolatorschicht 102 angeordnet, die von der unteren Halbleiterschicht 104 wegzeigt. Dadurch ist die untere Isolatorschicht 102 zwischen der Metallisierungsschicht 132 und der unteren Halbleiterschicht 104 angeordnet. Die Metallisierungsschicht 132 steht in elektrischem Kontakt mit mehreren Gebieten der unteren Halbleiterschicht 104, die die Drainzone 114 des Leistungstransistors aufweist, durch entsprechende Öffnungen 134, 136, 138 in der unteren Isolatorschicht 102. Die Metallisierungsschicht 132 kann als Rückseitengate verwendet werden, das beispielsweise einen Löcherkanal steuert, oder für einen bidirektionalen IGBT, oder für einen MOSFET, der drainseitig eine gezielte Löcherinjektion aufweist. In jedem Fall kann die untere Isolatorschicht 102 strukturiert werden, um gewünschte elektrische Kontakte zwischen der Metallisierungsschicht 132 und den in der unteren Halbleiterschicht 104 ausgebildeten Bauelementen zur Verfügung zu stellen. Die Metallisierungsschicht 132 kann im Wesentlichen die gesamte Rückseite des Halbleiterkörpers (Halbleiterchips) überdecken oder kann strukturiert sein, um isolierte Elektroden zur Verfügung zu stellen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Diode mit einer Anode 140 und einer Kathode 142 in einem Bereich der ersten Halbleiterschicht 104 benachbart zu der Drainzone 114 des Leistungstransistors ausgebildet. Die Anode 140 steht in elektrischem Kontakt mit der Metallisierungsschicht 132 durch eine Öffnung 134 in der unteren Isolatorschicht 102, beispielsweise durch dieselbe Öffnung, durch welche die Metallisierungsschicht 132 die Drainzone 114 des Leistungstransistors kontaktiert, wie dies in 1 dargestellt ist. Die Kathode 142 der Diode ist durch eine entsprechende Öffnung in der oberen Isolatorschicht 106 und einen leitenden Graben 148 kapazitiv an ein Gebiet der oberen Halbleiterschicht 108 gekoppelt, das benachbart zu der Driftzone des Leistungstransistors angeordnet ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel steht die Kathode in elektrischem Kontakt mit einer höher dotierten Zone 110 oder wird wenigstens teilweise durch die höher dotierte Zone 110 (der Kontakt in der oberen Isolatorschicht 106 ist in 1 nicht gezeigt) gebildet, so dass die Kathode in elektrischem Kontakt mit der Rückseite der Driftsteuerzone steht. Die Diodenanschlüsse können je nach Bauelement auch vertauscht werden.
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Der leitende Graben 148 umfasst ein leitendes Material 147, das von einer Isolatorschicht 149 an einer Grabenseitenwand umgeben ist. Dieses Gebiet 144 der oberen Halbleiterschicht 108 bildet eine Driftsteuerzone, die einen leitenden Kanal in der Driftzone des Leistungstransistors steuert. Die Driftzone und die Driftsteuerzone sind durch eine Isolatorschicht 150 lateral voneinander isoliert, die sich vertikal durch die obere Halbleiterschicht 108 bis an die obere Isolatorschicht 106 erstreckt, und zwar in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite der oberen Halbleiterschicht 108 liegt. Die Isolatorschicht 150 bildet das Dielektrikum zwischen der Driftsteuerzone 144 und der Driftzone und das Dielektrikum 149 isoliert den leitenden Graben gegenüber allen anderen Gebieten.
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Das Integrieren der Diode im Bereich der Rückseite der Driftsteuerzone in der unteren Halbleiterschicht 104 erlaubt, dass die Diode eine aktive Fläche besitzt, die ein Großteil des Halbleiterchips einnehmen kann, und hilft dadurch thermische Leckströme auch bei extrem hohen Temperaturen von der Driftsteuerzone abzuleiten, woraus eine hohe Robustheit des Bauelements auch im Avalanchebetrieb oder unter Kurzschlussbedingungen resultiert. Hierzu ist die Kathode 142 in elektrischem Kontakt mit der Unterseite der Driftsteuerzone, und zwar durch die Öffnung 146 in der oberen Isolatorschicht 106, und die Anode 140 ist in elektrischem Kontakt mit der Rückseitenmetallisierung 132.
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Zusätzliche Bauelemente können wenigstens teilweise in der unteren Halbleiterschicht 104 ausgebildet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel steht ein Level-Shifter zur Verfügung, der ein Gate 152 aufweist, das in einem Bereich der unteren Halbleiterschicht 104 ausgebildet ist, das lateral von anderen Gebieten der unteren Halbleiterschicht 104 isoliert ist. Das Gate 152 des Level-Shifters ist auch gegenüber der Metallisierungsschicht 132 isoliert, und zwar durch die untere Isolatorschicht 102. Der Level-Shifter kann beispielsweise einen Spannungspegel zwischen einem Low-Side-Schalter und einem High-Side-Schalter einer Gatetreiberschaltung übertragen. Die Halbleiteranordnung gemäß 1 kann beispielsweise ein solche Gatetreiberschaltung umfassen, wobei der Leistungstransistor ein High-Side-Schalter oder ein Low-Side-Schalter sein kann (der komplementäre Schalter ist im vorliegenden Fall nicht dargestellt). Der High-Side-Schalter liefert einen Strom an die Last und der Low-Side-Schalter verbindet die Last mit Bezugspotential, wie beispielsweise Masse, oder trennt die Last von Bezugspotential, und übernimmt einen Strom von der Last. Auch andere Schaltungskonfigurationen können für den Level-Shifter verwendet werden, der Level-Shifter kann sogar bei Leistungstransistorschaltungen, die keinen Level-Shifter benötigen, weggelassen werden.
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Eine andere Art von Bauelement oder Bauelementstruktur, die wenigstens teilweise in der unteren Halbleiterschicht 104 ausgebildet sein kann, ist eine Verbindungsstruktur. Die Verbindungsstruktur kann ein oder mehrere Gebiete aus Polysilizium oder hoch dotiertem Halbleitermaterial aufweisen, wie beispielsweise aus silizidiertem Halbleitermaterial, das in der unteren Halbleiterschicht 104 angeordnet ist. Die Verbindungsstruktur kann Bauelemente, die in der unteren Halbleiterschicht 104 ausgebildet sind, in lateraler Richtung elektrisch miteinander verbinden und/oder kann eine laterale Verbindung von der Metallisierungsschicht 132 zu einem Gebiet 154 der oberen Halbleiterschicht 108 bereitstellen. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Widerstands 156, der die Metallisierungsschicht 132 elektrisch mit einem Gebiet 154 der oberen Halbleiterschicht 108 verbindet. Das Gebiet 154 der oberen Halbleiterschicht 108, das mit dem vergrabenen Widerstand 156 verbunden ist, kann lateral von angrenzenden Gebieten der oberen Halbleiterschicht 108 durch ein Isolationsmaterial 150 isoliert sein, wie dies in 1 dargestellt ist. Entsprechend kann der Widerstand 156 lateral von benachbarten Gebieten der unteren Halbleiterschicht 104 isoliert sein, wie dies in 1 dargestellt ist. Der Widerstandswert des vergrabenen Widerstands 156 kann durch dessen Dotierungskonzentration eingestellt werden.
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Allgemein können benachbarte Gebiete der unteren Halbleiterschicht 104 lateral isoliert sein, um eine geeignete Bauelementisolation sicherzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Gebiete lateral im Bereich der Rückseite voneinander isoliert sein, durch Realisieren der Gebiete in einer n-dotierten Wanne 157, die auf dem höchsten elektrischen Potential liegt, die in diesem Bereich vorkommt, wie beispielsweise dem Drainpotential. p-dotierte Gebiete sind dann durch pn-Übergänge isoliert. Außerdem können auch n-dotierte Gebiete in den p-dotierten Gebieten angeordnet sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind benachbarte Gebiet lateral durch ein Isolationsmaterial voneinander isoliert, wie beispielsweise eine STI (Shallow Trensch Isolation), die in der unteren Halbleiterschicht 104 ausgebildet ist, wie in 1 dargestellt. ist. Die Tiefe der STI 158 reicht beispielsweise wenigstens von der unteren Isolatorschicht 102 an die obere Isolatorschicht 106. die STI könnte ausgehend von der Rückseite tiefer in den Halbleiterkörper hinreichen, wenn dies notwendig oder erwünscht ist. Wenn die STI-Isolation oder die Sperrschichtisolation sich nicht über die gesamte Tiefe der unteren Halbleiterschicht 104 erstreckt, fließt ein (Leck-)Strom zwischen den in der unteren Halbleiterschicht 104 integrierten Bauelementen, was möglicherweise nicht erwünscht ist.
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Die 2 bis 21 veranschaulichen verschiedene Ausführungsbeispiele von Verfahrenschritten zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit vertikal integrierten Bauelementen oder Bauelementstrukturen unter Verwendung gestapelter SOI-Strukturen. Bei diesen Ausführungsbeispielen können verschiedene Funktionen im Bereich der Rückseite (Unterseite) des Halbleiterbauelements integriert sein, wobei aufgrund von Selbstjustierungsmechanismen während des Herstellungsprozesses auch Strukturen mit kleinsten Abmessungen präzise hergestellt werden können.
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2 zeigt ein Halbleitersubstrat 200, wie beispielsweise einen Siliziumwafer, auf dessen Oberseite eine Isolatorschicht 202 angeordnet ist. Die Isolatorschicht 202 bildet nachfolgend die obere (zweite) Isolatorschicht 106 des Halbleiterbauelements 100 gemäß 1. Die Isolatorschicht 202 kann durch Oxidieren des Wafers hergestellt werden. Das Substrat 200 weist eine Grunddotierung auf, wie beispielsweise eine n-Dotierung, wie in 2 dargestellt, oder eine p-Dotierung.
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3 zeigt das Substrat 200, das ein höher dotiertes Gebiet 204 benachbart zu der Isolatorschicht 202 und ein niedriger dotiertes Gebiet 206 aufweist. Das höher dotierte Gebiet 204 kann durch Implantieren von Dotierstoffen in das Substrat 200 in eine Tiefe unterhalb der Isolatorschicht 202 hergestellt werden, und zwar entweder im Bereich der gesamten Oberfläche oder lokal, d. h. durch Maskieren der Oberfläche. Ein Rückseitenemitter, Feldstoppzonen und/oder Randabschlüsse im Bereich der Rückseite können später hergestellt werden, gleiches gilt für einen vorderseitigen pn-Übergang. Das Einbringen von Dotierstoffen zu diesem Zeitpunkt des Verfahrens ermöglicht eine Diffusion der Dotierstoffe, da das Dotieren das gesamte Temperaturbudget des Prozesses bereitstellt. Eine laterale Diffusionsgrenze kann durch eine laterale STI (in 3 nicht dargestellt) bereitgestellt werden, die bis an die Isolatorschicht 202 reicht.
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4 zeigt das Substrat 200, nachdem die Isolatorschicht 202 strukturiert wurde. Die Isolatorschicht 202 kann unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, wie beispielsweise durch Masken- und Ätztechniken strukturiert werden. Die Isolatorschicht 202 ist derart strukturiert, dass sie die gewünschten elektrischen Verbindungen zwischen der unteren Halbleiterschicht 104 des in 1 dargestellten Bauelements und der oberen Halbleiterschicht 108 bereitstellt.
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5 zeigt ein SOI-Subtrat 210, das eine vergrabene Oxidschicht 212 aufweist, die ein dickeres Bulk-Gebiet 214 von einer dünneren Halbleiterschicht 216 trennt bzw. isoliert. Das SOI-Substrat 210 kann unter Verwendung herkömmlicher Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise unter Verwendung eines Smart-Cut-Verfahrens oder unter Verwendung eines SIMOX-Verfahrens (bei letzterem erfolgt eine Trennung durch implantierten Sauerstoff).
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In die dünne Halbleiterschicht 216 können zu diesem Zeitpunkt ganzflächig oder lokal Dotierstoffe implantiert werden, sofern dies gewünscht oder notwendig ist. Die Halbleiterschichten in einem SOI-Substrat sind üblicherweise ziemlich dünn und besitzen eine exakt definierte Dicke, sie sind daher gut geeignet für Leistungstransistorschaltungen, bei denen die Bauelementedicke und Variationen der Dicke einen erheblichen Einfluss auf die zuvor erläuterte Spannungsfestigkeit des Bauelements besitzen.
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Um eine geeignete Waferverbindung (engl.: wafer bond) zu erreichen, werden bestehende Fenster in der Isolatorschicht 202 mit einem leitenden Material 203 gefüllt, wie beispielsweise einem polykristallinen oder einem monokristallinen Halbleitermaterial, und ein dünnes Oxid 205 kann auf der oberen Fläche des leitenden Materials 203 hergestellt werden. Die Oberfläche des Substrats 200 ist bei einem Ausführungsbeispiel relativ eben, um eine für ein Wafer-Bonding-Verfahren geeignete Oberfläche zur Verfügung zu stellen. Das SOI-Substrat 210 kann befestigt ("gebondet") werden an einer planaren Oberfläche mit abwechselnden Strukturen eines Füllmaterials 203, einer strukturierten Isolatorschicht 202 und einem optionalen dünnen Oxid 205, oder an einer planaren Oberfläche aus Füllmaterial 203, wenn die strukturierten Fenster in der Isolatorschicht 202 und die Isolatorschicht 202 überfüllt, d. h. vollständig aufgefüllt sind und überdeckt werden.
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6 zeigt das an dem ersten Substrat 200 befestigte SOI-Substrat 210, wobei die auf dem ersten Substrat 200 gebildete Isolatorschicht 202 benachbart zu der dünneren Halbleiterschicht 216 des SOI-Substrats 210 angeordnet ist. Das optionale dünne Oxid 205, sofern dies vorhanden ist, kann durch eine Wärmebehandlung effektiv entfernt werden oder kann in kleine Oxidinseln umgewandelt werden, die in umliegendem Halbleitermaterial eingebettet sind. Das Bulk-Gebiet 214 des SOI-Substrats 210 wird dann entfernt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die zusammengesetzte Struktur auf einem Schleifträger montiert und wird dann ausgehend von der Rückseite gedünnt. Ein Großteil des Bulk-Gebiets 214 kann zunächst durch Schleifen entfernt werden. Die vergrabene Oxidschicht 212 kann als Stoppschicht während des Dünnprozesses dienen, beispielsweise während eines CMP-Prozesses (CMP = Chemical Mechanical Polishing) oder während eines chemischen Ätzprozesses. Die vergrabene Oxidschicht 212 bleibt während des Dünnens unstrukturiert.
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7 zeigt die Struktur nach Dünnen des SOI-Substrats 210. Die erste (untere) Isolatorschicht 102 der in 1 dargestellten Schichtfolge wird durch die vergrabene Oxidschicht 212 des SOI-Subtrats 210 gebildet, die erste (untere oder vergrabene) Halbleiterschicht 104 wird durch die dünnere Halbleiterschicht 216 des SOI-Substrats 210 gebildet, die zweite (obere) Isolatorschicht 106 wird durch die Isolatorschicht 202 des ersten Substrats 200 gebildet, und die zweite (obere) Halbleiterschicht 108 wird durch das Halbleitermaterial des ersten Substrats 200 gebildet. Das Bulk-Gebiet 214 des SOI-Substrats 210 wird entfernt. 7 zeigt das erste Substrat 200 oben und die vergrabene Oxidschicht 212 des SOI-Subtrats 210 unten. Die Isolatorschicht 202, die zwischen den Halbleiterschichten 200, 212 angeordnet ist, wurde zuvor in der oben erläuterten Weise strukturiert. Öffnungen in der unteren Isolatorschicht 212 können später in dem Verfahren geätzt werden, in denen dann lokale Kontakte hergestellt werden, die beispielsweise durch eine Metallisierung gebildet sind. Das leitende Material 203, das die Fenster in der Isolatorschicht 202 füllt, und die dünne Halbleiterschicht 216 sind in den nachfolgenden Figuren zu Zwecken der Erläuterung als einzelne Schicht dargestellt.
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8 zeigt Gräben 220, die in der oberen Halbleiterschicht 200 hergestellt wurden. Die Gräben 220 können durch selektives Ätzen des Halbleitermaterials in gewünschten Bereichen hergestellt werden. Jeder Graben 220 erstreckt sich bis an die obere Isolatorschicht 202 und umgibt ein entsprechendes Gebiet der oberen Halbleiterschicht 200. die obere Isolatorschicht 202 kann als Ätzstopp dienen. Die Gräben 220 werden nachfolgend für eine laterale Isolation genutzt.
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Der Graben 220' auf der rechten Seite von 8 wird verwendet, um eine elektrische Verbindung zu ermöglichen.
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9 zeigt Isolationsgräben 220, die mit einem dielektrischen Material 222, wie beispielsweise einem Oxid gefüllt sind. Das dielektrische Material 222 kann unter Verwendung herkömmlicher Prozesse, wie beispielsweise das Abscheiden eines dielektrischen Materials, eine thermische Oxidation oder eine Kombination solcher herkömmlicher Prozesse hergestellt werden. Das dielektrische Material 222 kann beispielsweise über der gesamten Fläche, einschließlich der Seitenwände und der Böden der Gräben 220 hergestellt werden und die Gräben 220 mit dem elektrischen Material 222 auffüllen. Der Graben 220' auf der rechten Seite von 9 wird mit einem leitenden Material 147, wie beispielsweise einem Metall, Polysilizium oder einem Metallsilizid gefüllt, um eine elektrische Verbindung, beispielsweise zwischen der Kathode 142 der in 1 dargestellten Diode und der Driftsteuerzone 144 herzustellen.
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Die 10 bis 12 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel zum lateralen Isolieren des Leistungstransistors von benachbarten Gebieten der oberen Halbleiterschicht 200. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Teil der oberen Halbleiterschicht 200 bis an die obere Isolatorschicht 202 geätzt, um einen in 10 dargestellten Graben 226 herzustellen. Ein Isolationsmaterial 228 wird dann an jeder umlaufenden Seitenwand 230 der verbleibenden oberen Halbleiterschicht 200 hergestellt, wie in 11 dargestellt ist. Ein Isolationsmaterial 149 wird in ähnlicher Weise auch in dem Graben 220 hergestellt, der auf der rechten Seite von 11 dargestellt ist. Die Seitenwandisolation 228, 149 kann unter Verwendung beliebiger herkömmlicher Prozesse, wie beispielsweise unter Verwendung einer thermischen Oxidation hergestellt werden. Der Bodenisolator in dem großen Graben 226 wird entfernt, beispielsweise durch einen anisotropen Ätzprozess. Eine Epitaxieschicht 232 aus einem Halbleitermaterial wird dann in dem durch den Ätzprozess 226 hergestellten Graben hergestellt, wie dies in 12 dargestellt ist. Die Epitaxieschicht 232 wird während des Epitaxieprozesses dotiert, um einen Teil des vertikalen Leistungstransistors, wie beispielsweise die Driftzone zu bilden. Ein leitendes Material 147 wird in ähnlicher Weise auch in dem ganz rechts in 12 dargestellten Graben hergestellt. Body- und Sourcegebiete (beispielsweise Body 120 und Source 122 gemäß 1) können durch Implantation und/oder die Diffusion von Dotierstoffatomen hergestellt werden. Der Isolator 228 kann in einem weiteren Ätzschritt entfernt werden. Der dadurch hergestellte Graben kann mit einem neuen Isolator aufgefüllt werden. Die Gräben 220, 220', die in der oberen Halbleiterschicht 200 ausgebildet sind, werden, wie oben erläutert, aufgefüllt.
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13 zeigt die Struktur nach Herstellen von Kontaktöffnungen 234, 236, 238 in der unteren Isolatorschicht 212. Die Kontaktöffnungen 234, 236, 238 können unter Verwendung herkömmlicher Prozesse hergestellt werden, wie beispielsweise unter Verwendung von Maskieren und Ätzen. Die Kontaktöffnungen 234, 236, 238 erstrecken sich bis an die untere Halbleiterschicht 216. Die Bauelementgebiete in der unteren Halbleiterschicht 216 können durch geeignetes Dotieren der Schicht 216 hergestellt werden. Beispielsweise können das Drain des Leistungstransistors, der Widerstand 156, das Gate 152 des Pegelschiebers und die Anode 140 und die Kathode 142 der Diode in der unteren Halbleiterschicht 216 durch Implantieren eines geeigneten Dotierstoffs in die Schicht 216 und durch einen Ausheilschritt und/oder durch Ausdiffusion hergestellt werden. Die verschiedenen Bauelementgebiete können auch lateral isoliert werden, beispielsweise unter Verwendung einer pn-Sperrschichtisolation oder einer STI 158. 13 zeigt einen Abschnitt des Leistungstransistors, der in der unteren Halbleiterschicht 216, die zwei dotierte Gebiete 240, 242 aufweist, ausgebildet ist. Das erste Gebiet 240 bildet einen Emitter und das zweite Gebiet 242 ist gegenüber dem Emitter isoliert und bildet ein p-dotiertes Gebiet, das das rückseitige Drain kurzschließt.
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Die 14 bis 15 zeigen ein weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die untere Halbleiterschicht 216 früher während des Herstellungsprozesses dotiert wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die untere Halbleiterschicht 216 dotiert, um die einzelnen Bauelementgebiete zu bilden, bevor die Isolationsgebiete in der oberen Halbleiterschicht 200 hergestellt werden. 15 zeigt die Struktur nachdem die Bauelementgebiete in der oberen Halbleiterschicht 200 durch die mit dem dielektrischen Material 222 gefüllten Gräben lateral isoliert werden.
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16 zeigt die Struktur nachdem die untere Isolatorschicht 212 strukturiert wurde, um die Öffnungen 234, 236, 238 zu den unterschiedlichen Bauelementgebieten in der unteren Halbleiterschicht 216 herzustellen. Ein beliebiger herkömmlicher Prozess kann verwendet werden, um die Öffnungen 234, 236, 238 in der unteren Isolatorschicht 212 herzustellen, wie beispielsweise ein Maskier- und Ätzprozess. Die Seitenwandisolation 224 kann auch entlang der Seitenwände der unteren Halbleiterschicht 216 hergestellt werden, beispielsweise um das isolierte Gate 152 des Level-Shifters herzustellen.
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Der Leistungstransistor kann ein IGBT sein. Entsprechend kann der Bereich der unteren Halbleiterschicht 216, der dem Leistungstransistor zugeordnet ist, eine integrierte Reversdiode aufweisen. Der Leistungstransistor kann auch in der in 1 dargestellten Weise realisiert sein oder kann eine beliebige andere gewünschte Konfiguration besitzen.
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In jedem Fall umfasst die untere Halbleiterschicht 216 Bauelemente oder Teile von integrierten Schaltungen. Weitere Abschnitte der Bauelemente können in der oberen Halbleiterschicht 200 und/oder in zusätzlichen Halbleiterschichten hergestellt werden, sind außer den bereits zuvor beschriebenen Leistungstransistoren, aus Gründen der Klarheit jedoch nicht dargestellt. Diese Bauelementgebiete können unter Verwendung herkömmlicher Verfahrensschritte hergestellt werden, die beispielsweise eine Implantation von Dotierstoffen, das Herstellen eines Dielektrikums, das Herstellen einer Metallisierung, das Herstellen einer Bauelementisolation, usw., umfassen.
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17 zeigt die Struktur, nachdem der Leistungstransistor hergestellt wurde. Das Gebiet 116 der oberen Halbleiterschicht 200, das dem Leistungstransistor zugeordnet ist, wird dotiert, um die Driftzone, die Bodyzone 120 und die Sourcezone 122 des Leistungstransistors zu bilden. Dies kann das Dotieren dieses Gebiets 116 der oberen Halbleiterschicht 200 nach Herstellen der mit Isolationsmaterial gefüllten Isolationsgräben 220 oder das Dotieren des Epitaxiegebiets 232, das nach der Seitenwandoxidation aufgewachsen wurde, umfassen, so wie dies zuvor beschrieben wurde. Das Gate 124 wird benachbart zu der Bodyzone 120 hergestellt und ist bei einem Beispiel gemäß 17 als Trench-Gate ausgebildet. Isolations- und Metallisierungsschichten auf der oberen Halbleiterschicht 200 sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Alternativ kann das Gate 124 in herkömmlicher Weise auch auf der Oberfläche der oberen Halbleiterschicht 200 hergestellt werden.
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18 zeigt die Struktur mit einer Metallisierungsschicht 132, die auf der unteren Isolatorschicht 212 hergestellt ist. Das Herstellen der Metallisierungsschicht 132 kann mit dem Herstellen anderer elektrischer Leiter einhergehen. Die Rückseitenmetallisierungsschicht 132 kann aus herkömmlichen Metallen, einer Schichtenfolge mit Metallschichten, aus einer Legierung oder einer Schichtenfolge mit wenigstens einer Legierung und/oder wenigstens einer Metallschicht bestehen. Geeignete Metalle sind in diesem Zusammenhang beispielsweise Aluminium (Al), Gold (Au), Silber (Ag), Titan (Ti), Nickel (Ni), Vanadium (V), Platin (Pt), Kupfer (Cu), und andere. Weitere Isolatorschichten mit Kontaktfenstern können oberhalb dieser Leiter hergestellt werden. Unabhängig davon ist die Metallisierungsschicht 132 im elektrischen Kontakt mit den in der unteren Halbleiterschicht 216 gebildeten Bauelementbereichen, und zwar durch die entsprechenden Kontaktöffnungen 234, 236, 238, die zuvor hergestellt wurden. Die Anode 142 der Diode und der Emitter 240 des Leistungstransistors sind beide an die Metallisierungsschicht 132 angeschlossen, und zwar durch dieselbe Öffnung 238 in der unteren Isolatorschicht 212 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Metallisierungsschicht 132 kontaktiert auch ein Ende des Widerstands 156 und andere lateral isolierte Gebiete der unteren Halbleiterschicht 216. Über die Metallisierungsschicht 132 kann bei diesem Ausführungsbeispiel auch das Gate 152 des Pegelschiebers angesteuert werden. Die Metallisierungsschicht 132 kann strukturiert sein, um gewünschte elektrische Kontakte zwischen der Metallisierungsschicht 132 und den in der unteren Halbleiterschicht 104 hergestellten Bauelementen zur Verfügung zu stellen. Die Metallisierungsschicht 132 kann im Wesentlichen die gesamte Rückseite des Halbleiterchips überdecken oder kann strukturiert sein, um isolierte Elektroden zur Verfügung zu stellen. Selbstverständlich können auch andere Konfigurationen verwendet werden. Beispielsweise kann ein oder können mehrere laterale CMOS-Bauelemente (CMOS = Complimentary Metal Oxide Semiconductor), Kondensatoren usw., in der unteren Halbleiterschicht 216 hergestellt werden. In jedem Fall wird die untere Isolatorschicht 212 vor dem Herstellen der Metallisierungsschicht strukturiert.
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Die 19 bis 21 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Isolatorschicht 212 früher in dem Verfahren strukturiert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Isolatorschicht 212 strukturiert, bevor Isolationsgebiete in der oberen Halbleiterschicht 200 hergestellt werden, wie dies in 19 dargestellt ist. Die Isolationsgräben 222 und/oder die Seitenwandisolation 228 in dem Leistungstransistor werden dann in der oberen Halbleiterschicht 200 hergestellt, wie dies in 20 dargestellt ist. Die Metallisierungsschicht 132 wird dann auf der unteren Isolatorschicht 212 hergestellt, wie dies in 21 dargestellt ist, und weitere Prozessschritte können durchgeführt werden, um die Bauelemente in der oberen Halbleiterschicht zu vervollständigen. Die Metallisierungsschicht 132 kann als separate Metallschicht oder als einzelne Schicht hergestellt werden. Darüber hinaus können die zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele auch auf einfache Weise dahingehend erweitert werden, dass diese mehrere SOI-Wafer aufweisen, um eine Bauelementstruktur zur Verfügung zu stellen, die mehr als eine vergrabene Halbleiterschicht aufweist.
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Abschließend sei erwähnt, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, selbst wenn dies zuvor nicht explizit erwähnt wurde.
