DE112015001786B4 - Halbleiterchip und optoelektronisches Bauelement mit Halbleiterchip - Google Patents

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Abstract

Halbleiterchip (10) zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen, mit- einem Halbleiterkörper (1) mit einer ersten Hauptoberfläche (12) und einer der ersten Hauptoberfläche (12) gegenüber liegend angeordneten zweiten Hauptoberfläche (13), wobei der Halbleiterkörper (1) einen p-dotierten Teilbereich (2), der einen Teil der ersten Hauptoberfläche (12) bildet, und einen n-dotierten Teilbereich (3), der einen Teil der zweiten Hauptoberfläche (13) bildet, aufweist, und- einem metallischen Kontaktelement (7), das von der ersten Hauptoberfläche (12) zur zweiten Hauptoberfläche (13) reicht und das von einem der Teilbereiche (2, 3) elektrisch getrennt ist, wobei der n-dotierte Teilbereich (3) den p-dotierten Teilbereich (2) vom metallischen Kontaktelement (7) elektrisch trennt,wobei das metallische Kontaktelement (7) auf einer die Hauptoberflächen (12, 13) verbindenden Seitenfläche des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist undwobei der p-dotierte Teilbereich (2) von der ersten zur zweiten Hauptoberfläche (12, 13) reicht.

Description

  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2014 105 188.2 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Es werden ein Halbleiterchip und ein optoelektronisches Bauelement mit einem Halbleiterchip angegeben.
  • Halbleiterchips sind beispielsweise in den Druckschriften US 2015/0061084 A1 , DE 102009013085 A1 und US 8 164 113 B2 offenbart.
  • Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, einen Halbleiterchip anzugeben, der als Schutzelement gegen elektrostatische Entladungen („electrostatic discharge“, ESD) verwendet werden kann. Weiterhin liegen Aufgaben von bestimmten Ausführungsformen darin, ein optoelektronisches Bauelement mit einem solchen Halbleiterchip anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden durch Gegenstände und Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Halbleiterchip einen Halbleiterkörper mit einer ersten Hauptoberfläche und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüber liegend angeordneten zweiten Hauptoberfläche auf. Der Halbleiterkörper ist insbesondere durch ein Halbleitermaterial gebildet, das in verschiedenen Teilbereichen unterschiedliche Leitfähigkeitstypen, also unterschiedliche Dotierungen, aufweist. So weist der Halbleiterkörper zumindest einen p-dotierten Teilbereich und zumindest einen n-dotierten Teilbereich auf. Insbesondere kann der Halbleiterkörper Silizium aufweisen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Dass der Halbleiterkörper im Wesentlichen aus Silizium besteht, bedeutet insbesondere, dass der Halbleiterkörper als Grundmaterial Silizium aufweist, das in Teilbereichen durch unterschiedliche Dotierungen unterschiedliche Leitfähigkeitstypen aufweist. Weiterhin kann der Halbleiterkörper beispielsweise durch Oxidation wie etwa thermische Oxidation elektrisch isolierende Bereiche und/oder Schichten aufweisen, die beispielsweise durch ein Siliziumoxid wie etwa Siliziumdioxid gebildet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Halbleiterkörper eine Quaderform auf. Das bedeutet insbesondere, dass die Grundform des Halbleiterkörpers in Form eines Quaders ausgebildet ist, wobei hierbei die Form der Hauptoberflächen, die parallel zueinander angeordnet sind, rechteckig ist. Unter den Begriff einer Quaderform fallen auch Modifikationen eines im streng mathematischen Sinne ausgebildeten Quaders. So kann der Halbleiterkörper in Quaderform zusätzlich Oberflächenstrukturen wie Aus- oder Einbuchtungen sowie zumindest eine durchgehende Öffnung aufweisen. Alternativ zu rechteckigen Hauptoberflächen können diese auch eine andere Form aufweisen. Weiterhin weist der Halbleiterkörper Seitenflächen auf, die die Hauptoberflächen verbinden. Im Falle einer Quaderform des Halbleiterkörpers sind die Seitenflächen rechteckig.
  • Außerdem weist der Halbleiterkörper des Halbleiterchips einen p-dotierten Teilbereich auf, der einen Teil der ersten Hauptoberfläche bildet, und einen n-dotierten Teilbereich, der einen Teil der zweiten Hauptoberfläche bildet. Dass ein dotierter Teilbereich einen Teil einer Hauptoberfläche bildet, bedeutet insbesondere, dass der dotierte Teilbereich über die entsprechende Hauptoberfläche direkt elektrisch kontaktiert werden kann, dass also der Teilbereich bis zur genannten Hauptoberfläche reicht und eine Oberfläche des dotierten Teilbereichs den genannten Teil der genannten Hauptoberfläche bildet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips ein Halbleiterkörper bereitgestellt. Der Halbleiterkörper ist insbesondere mit einem ersten Leitfähigkeitstyp dotiert. Beispielsweise kann der bereitgestellte Halbleiterkörper p-dotiert sein. Der Halbleiterkörper kann insbesondere in Form eines Halbleiterwafers, im Falle von Silizium als Grundmaterial des Halbleiterkörpers als Siliziumwafer, bereitgestellt werden. Der Siliziumwafer kann bereits die gewünschte Dotierung, beispielsweise eine p-Dotierung aufweisen. Weiterhin ist es auch möglich, einen n-dotierten oder einen undotierten Halbleiterkörper bereitzustellen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Teilbereich des Halbleiterkörpers mit einem zweiten, vom ersten Leitfähigkeitstyp verschiedenen Leitfähigkeitstyp versehen. Die Leitfähigkeitstypen, also der erste und der zweite Leitfähigkeitstyp, sind aus einer p-Dotierung und einer n-Dotierung ausgewählt, so dass der Halbleiterkörper nach dem Herstellen des Teilbereichs mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp einen p-dotierten Teilbereich und einen n-dotierten Teilbereich aufweist. Wird beispielsweise ein Halbleiterkörper mit einer p-Dotierung bereitgestellt, so wird der Halbleiterkörper in einem Teilbereich mit einer n-Dotierung versehen, so dass dieser Teil den n-dotierten Teilbereich bildet, während der übrige Teil des Halbleiterkörpers den Teilbereich mit der p-Dotierung bildet. Alternativ dazu kann auch ein n-dotierter Halbleiterkörper bereitgestellt werden, der in einem Teilbereich p-dotiert wird. Weiterhin ist es auch möglich, dass ein undotierter Halbleiterkörper bereitgestellt wird, der in einem ersten Teilbereich mit einer p-Dotierung und in einem weiteren Teilbereich mit einer n-Dotierung versehen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Versehen zumindest eines Teilbereichs des Halbleiterkörpers mit einem Leitfähigkeitstyp durch eine Diffusionsdotierung. Hierbei wird ein gewünschter Dotierstoff mittels Diffusion in einen Teilbereich des Halbleiterkörpers eingebracht. Wird ein Halbleiterkörper mit einer bestimmten Dotierung bereitgestellt, so wird diese Dotierung durch das Einbringen eines weiteren Dotierstoffes mittels Diffusion überkompensiert, so dass sich eine Dotierung mit einem anderen als dem bereitgestellten Leitfähigkeitstyp einstellt.
  • Die vorab und im Folgenden beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen gelten gleichermaßen für den Halbleiterchip wie auch für das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterchips.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist im Falle eines auf Silizium basierenden Halbleiterkörpers der p-dotierte Teilbereich zumindest einen oder mehrere Dotierstoffe ausgewählt aus Bor, Indium, Aluminium und Gallium auf, während der n-dotierte Teilbereich einen oder mehrere Dotierstoffe aufweist, die ausgewählt sind aus Phosphor, Arsen und Antimon.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform grenzen der p-dotierte Teilbereich und der n-dotierte Teilbereich im Halbleiterkörper aneinander an und bilden bevorzugt eine Diode, die einen Diodenteil des Halbleiterchips bildet. Insbesondere kann der Halbleiterchip durch den p-dotierten Teilbereich und den n-dotierten Teilbereich des Halbleiterchips als ESD-Schutzdiode ausgebildet sein. Die jeweilige Dotierung des p-dotierten Teilbereichs und des n-dotierten Teilbereichs richtet sich nach den Anforderungen an die Durchbruchspannung der ESD-Diode. Alternativ zu einer pn-Diode, die durch aneinander angrenzende p-dotierte und n-dotierte Teilbereiche gebildet wird, kann der Halbleiterkörper auch mehrere p-dotierte Teilbereiche und/oder mehrere n-dotierte Teilbereiche und/oder undotierte Teilbereiche aufweisen, die zusammen einen Diodenteil des Halbleiterchips bilden und die gewünschte Funktionalität, insbesondere eine ESD-Schutzfunktion, ermöglichen können. Die elektrische Kontaktierung des Halbleiterchips erfolgt insbesondere über die erste und zweite Hauptoberfläche des Halbleiterchips. Der Halbleiterchip kann zur elektrischen Kontaktierung der Hauptoberflächen Metallisierungen aufweisen, die jeweils zumindest einen Teil der jeweiligen Hauptoberfläche bedecken.
  • Der Teilbereich mit dem ersten Leitfähigkeitstyp kann auch von der ersten zur zweiten Hauptoberfläche reichen. Im Falle eines p-dotierten Halbleiterkörpers, in dem ein n-dotierter Teilbereich hergestellt wird, reicht der p-dotierte Teilbereich von der ersten zur zweiten Hauptoberfläche.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Halbleiterchip ein metallisches Kontaktelement auf, das von der ersten zur zweiten Hauptoberfläche reicht und das von einem der Teilbereiche elektrisch getrennt ist. Das metallische Kontaktelement kann insbesondere vom p-dotierten Teilbereich oder vom n-dotierten Teilbereich elektrisch getrennt sein. Dass das metallische Kontaktelement von einem der Teilbereiche elektrisch getrennt ist, bedeutet insbesondere, dass das metallische Kontaktelement keinen unmittelbaren Kontakt zu diesem Teilbereich aufweist. Beispielsweise kann zwischen dem metallischen Kontaktelement und dem davon elektrisch getrennten Teilbereich eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein. Weiterhin kann zwischen dem metallischen Kontaktelement und dem davon elektrisch getrennten Teilbereich ein Teilbereich mit einem anderen Leitfähigkeitstyp angeordnet sein als dem Leitfähigkeitstyp des vom metallischen Kontaktelement elektrisch getrennten Teilbereichs. Insbesondere trennt hierbei der n-dotierte Teilbereich den p-dotierten Teilbereich vom metallischen Kontaktelement. Alternativ hierzu kann der Halbleiterkörper eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, die den p-dotierten Teilbereich vom metallischen Kontaktelement trennt. Durch das metallische Kontaktelement wird eine direkte elektrische Verbindung der ersten zur zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers gebildet. Diese direkte elektrische Verbindung ist parallel zum durch den p-dotierten Teilbereich und den n-dotierten Teilbereich gebildeten Diodenteil im Halbleiterkörper ausgebildet. Der Halbleiterchip weist somit zum einen eine Diodenfunktionalität, insbesondere in Form einer ESD-Schutzdiode, sowie zum anderen eine direkte elektrische Verbindung durch das metallische Kontaktelement auf.
  • Beispielsweise wird das metallische Kontaktelement in einer Öffnung des Halbleiterkörpers angeordnet, die von der ersten zur zweiten Hauptoberfläche reicht. Hierzu kann der Halbleiterkörper mit einer Öffnung versehen sein, die entsprechend von der ersten zur zweiten Hauptoberfläche reicht und in der das metallische Kontaktelement angeordnet wird.
  • Beispielsweise wird der Teilbereich mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp an der zweiten Hauptoberfläche erzeugt. Ein die Öffnung umgebender und an die Öffnung anschließender Oberflächenbereich der ersten Hauptoberfläche wird durch thermische Oxidation mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen oder durch ein Dotierungsverfahren mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert. Dadurch ist es möglich, in dem die Öffnung umgebenden und an die Öffnung anschließenden Oberflächenbereich der ersten Hauptoberfläche beispielsweise ein elektrisches Anschlusselement wie etwa eine Elektrodenschicht aufzubringen, die in elektrischem Kontakt zum metallischen Kontaktelement steht, aber vom Teilbereich des Halbleiterkörpers mit dem ersten Leitfähigkeitstyp elektrisch getrennt ist.
  • Beispielsweise weist die Öffnung eine Wandung auf, auf der eine elektrisch isolierende Schicht ausgebildet ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise durch Aufbringen eines elektrisch isolierenden Materials wie beispielsweise Siliziumdioxid hergestellt werden. Weiterhin kann die elektrisch isolierende Schicht beispielsweise durch Oxidation des Materials des Halbleiterkörpers, etwa durch thermische Oxidation, ausgebildet werden. Im Falle eines auf Silizium basierenden Halbleiterkörpers kann so eine Wandung hergestellt werden, die mittels thermischer Oxidation mit einer elektrisch isolierenden Schicht aus Siliziumoxid versehen wird.
  • Außerdem ist das metallische Kontaktelement auf einer die Hauptoberflächen verbindenden Seitenfläche des Halbleiterkörpers angeordnet. Mit anderen Worten weist der Halbleiterkörper zumindest eine die erste und zweite Hauptoberfläche verbindende Seitenfläche auf, auf der das metallische Kontaktelement angeordnet ist.
  • Beispielsweise wird das metallische Kontaktelement, das beispielsweise Kupfer und/oder Nickel aufweisen oder daraus sein kann, mittels galvanischer Abscheidung oder mittels Plattieren in einer Öffnung im Halbleiterkörper aufgebracht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das metallische Kontaktelement, das beispielsweise Kupfer und/oder Nickel aufweisen oder daraus sein kann, mittels galvanischer Abscheidung oder mittels Plattieren auf einer Seitenfläche des Halbleiterkörpers, die die erste und zweite Hauptoberfläche verbindet, aufgebracht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Vielzahl von Halbleiterchips in einem Verbund erzeugt. Hierzu wird insbesondere ein als Halbleiterwafer ausgebildeter Halbleiterkörper bereitgestellt, in dem nebeneinander eine Vielzahl von gewünscht dotierten Teilbereichen sowie gegebenenfalls Öffnungen und/oder Gräben erzeugt werden, in oder zwischen denen metallische Kontaktelemente aufgebracht werden. Durch Vereinzeln des Halbleiterwafers nach der Ausbildung der gewünschten Teilbereiche und metallischen Kontaktelemente ist eine Vielzahl gleichartiger Halbleiterchips erhältlich.
  • Gemäß einem Beispiel wird der Halbleiterkörper nach der Bereitstellung von einer Seite her mit Gräben versehen, wodurch Erhebungen gebildet werden, die durch die Gräben voneinander getrennt sind. Die Seite mit den Gräben und Erhebungen wird großflächig als Teilbereich mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Mit anderen Worten erstreckt sich der Teilbereich mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp über diejenige, bevorzugt gesamte Oberfläche des Halbleiterkörpers, die mit den Gräben und den dazwischen angeordneten Erhebungen ausgebildet ist. Zwischen den Gräben können auf den Erhebungen auf dem Teilbereich mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp metallische Kontaktelemente aufgebracht werden. Durch Vereinzelung des Halbleiterkörpers entlang der Gräben kann eine Vielzahl von Halbleiterchips hergestellt werden, deren erste und zweite Hauptoberfläche zumindest teilweise durch das Vereinzeln erzeugt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein optoelektronisches Bauelement einen Halbleiterchip gemäß der vorherigen Beschreibung auf. Weiterhin weist das optoelektronische Bauelement ein optoelektronisches Halbleiterbauteil auf, das dazu eingerichtet ist, im Betrieb Licht zu detektieren oder abzustrahlen, und das zwei gegenüber liegenden Hauptoberflächen aufweist, von denen zumindest eine durchlässig für Licht ist. Das optoelektronische Halbleiterbauteil kann insbesondere als optoelektronischer Halbleiterchip, beispielsweise als Leuchtdiodenchip, Laserdiodenchip oder Fotodiodenchip, ausgebildet sein. Insbesondere kann das optoelektronische Halbleiterbauteil so ausgebildet sein, dass es von beiden Hauptoberflächen her elektrisch kontaktiert wird, so dass es also auf den zwei gegenüber liegenden Hauptoberflächen jeweils eine elektrische Anschlussmöglichkeit zur elektrischen Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterbauteils aufweist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optoelektronische Bauelement einen Gehäusekörper auf, der den Halbleiterchip und das optoelektronische Halbleiterbauteil an den die jeweiligen Hauptoberflächen verbindenden Seitenflächen formschlüssig umschließt. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der Gehäusekörper den Halbleiterchip wie auch das optoelektronische Halbleiterbauteil über deren Seitenflächen zusammenhält, während die Hauptoberflächen des Halbleiterchips und des optoelektronischen Halbleiterbauteils jeweils zumindest teilweise frei vom Material des Gehäusekörpers sein können. Der Gehäusekörper, der insbesondere als Formkörper ausgebildet ist, kann die Seitenflächen des Halbleiterchips und des optoelektronischen Halbleiterbauteils insbesondere formschlüssig und unmittelbar bedecken. Der Gehäusekörper kann dabei insbesondere an den Halbleiterchip und das optoelektronische Halbleiterbauteil angeformt sein und den Halbleiterchip und das optoelektronische Halbleiterbauteil in lateraler Richtung umgeben. Als laterale Richtung wird hierbei eine Richtung bezeichnet, die parallel zur Haupterstreckungsebene der Hauptoberflächen des Halbleiterchips und des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist. Die Seitenflächen des Halbleiterchips und des optoelektronischen Halbleiterbauteils können ganz oder nur zu einem gewissen Teil mit dem Gehäusekörpermaterial bedeckt sein, so dass der Gehäusekörper eine Höhe aufweisen kann, die gleich oder kleiner als die Höhe des Halbleiterchips und/oder des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist. Weiterhin kann der Gehäusekörper auch zumindest auf einer Hauptoberfläche den Halbleiterchip und/oder das optoelektronische Halbleiterbauteil überragen und somit eine größere Höhe aufweisen.
  • Der Gehäusekörper kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial aufweisen, etwa ein Silikon, ein Epoxid, ein Silikon- Epoxid-Hybrid-Material, einen Polyester oder ein niedrig schmelzendes Glas oder eine niedrig schmelzende Glaskeramik. Mit „niedrig schmelzend“ werden hier solche Gläser und Glaskeramiken bezeichnet, die sich in einem Formprozess bei Temperaturen verarbeiten lassen, bei denen der Halbleiterchip und das optoelektronische Halbleiterbauteil nicht geschädigt werden. Insbesondere kann der Gehäusekörper ein mechanisch stabilisierendes Element bilden, das die Stabilität des optoelektronischen Bauelements im Wesentlichen bewirkt. Der Gehäusekörper kann insbesondere durch einen Formprozess, beispielsweise Spritzen, Gießen, Drücken, Auflaminieren einer Folie oder dergleichen, erfolgen. Beispielsweise kann der Gehäusekörper durch einen Spritzpress-Prozess („transfer molding“), beispielsweise einen folienunterstützten Spritzpress-Prozess, gebildet werden. Ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäusekörper ist beispielsweise in der Druckschrift WO 2011/015449 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich vollumfänglich durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind auf dem Gehäusekörper zwei voneinander getrennte elektrische Anschlusselemente auf einer der lichtdurchlässigen Hauptoberfläche des optoelektronischen Halbleiterbauteils gegenüber liegenden Montageseite angeordnet. Mit anderen Worten weist das optoelektronische Bauelement auf einer Montageseite, die der lichtdurchlässigen Hauptoberfläche des optoelektronischen Halbleiterbauteils gegenüber liegt, die zwei voneinander getrennten elektrischen Anschlusselemente auf. Die elektrischen Anschlusselemente auf der Montageseite dienen dazu, den Halbleiterchip und das optoelektronische Halbleiterbauteil parallel zu verschalten. Das bedeutet mit anderen Worten, dass sich eines der elektrischen Anschlusselemente auf der Montageseite teilweise über die der Montageseite zugewandte Hauptoberfläche des Halbleiterchips und über die der Montageseite zugewandten Hauptoberfläche des optoelektronischen Halbleiterbauteils erstreckt und die beiden Hauptoberflächen somit elektrisch leitend miteinander verbindet. Das andere Anschlusselement hingegen ist lediglich auf der der Montageseite zugewandten Hauptoberfläche des Halbleiterchips angeordnet. Insbesondere ist eines der Anschlusselemente mit der durch den p-dotierten Teilbereich und den n-dotierten Teilbereich des Halbleiterkörpers des Halbleiterchips gebildeten Diode elektrisch leitend verbunden, während das andere Anschlusselement mit dem metallischen Kontaktelement verbunden ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf einer der Montageseite gegenüber liegenden Oberseite des Gehäusekörpers des optoelektronischen Bauelements ein weiteres elektrisches Anschlusselement angeordnet, das die der Oberseite des optoelektronischen Bauelements zugewandte Hauptoberfläche des Halbleiterchips mit der lichtdurchlässigen Hauptoberfläche des optoelektronischen Halbleiterbauteils elektrisch leitend verbindet. Hierbei kann das weitere elektrische Anschlusselement auf der Oberseite des optoelektronischen Bauelements den Diodenteil und das metallische Kontaktelemente des Halbleiterchips miteinander elektrisch leitend verbinden.
  • Die elektrischen Anschlusselemente können beispielsweise Kupfer und/oder Nickel aufweisen, die beispielsweise aufgedampft oder durch ein galvanisches Verfahren aufgebracht werden.
  • Durch den hier beschriebenen Halbleiterchip ist es möglich, ein einziges Bauteil beispielsweise für das hier beschriebene optoelektronische Bauelement bereitzustellen, das sowohl eine ESD-Schutzdiodenfunktion als auch eine dazu parallel eingerichtete elektrische direkte Verbindung zwischen den sich gegenüber liegenden Hauptoberflächen bereitstellt. Im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen, bei denen elektrische Durchführungen und Schutzdioden als gesonderte Komponenten hergestellt und positioniert werden müssen, kann mit Hilfe des hier beschriebenen Halbleiterchips dieser Aufwand reduziert werden, da zusätzlich zum optoelektronischen Halbleiterbauteil nur ein einziger Chip positioniert werden muss.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
    • 1A bis 1G schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterchips gemäß einem Beispiel,
    • 2A bis 2C schematische Darstellung eines optoelektronischen Bauelements mit einem Halbleiterchip gemäß einem weiteren Beispiel,
    • 3A bis 3E schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterchips gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
    • 4 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines optoelektronischen Bauelements mit einem Halbleiterchip gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • In den 1A bis 1G sind Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterchips 10 gezeigt, der zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen ausgebildet ist. Insbesondere ist der Halbleiterchip 10, der in 1E in einer Schnittdarstellung, in 1F in einer Aufsicht und zudem in 1G in Form eines Ersatzschaltbilds gezeigt ist, mit einem als ESD-Schutzdiode ausgebildeten Diodenteil versehen und somit unter anderem als ESD-Schutzdiode ausgebildet.
  • In einem ersten Verfahrensschritt wird, wie in 1A gezeigt ist, ein Halbleiterkörper 1 bereitgestellt, der mit einem ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist. Ein Teilbereich des Halbleiterkörpers 1 wird mit einem zweiten, vom ersten Leitfähigkeitstyp verschiedenen Leitfähigkeitstyp versehen, wobei der erste und zweite Leitfähigkeitstyp ausgewählt sind aus einer p-Dotierung und einer n-Dotierung.
  • Im gezeigten Beispiel weist der Halbleiterkörper 1 Silizium auf, aus dem der Halbleiterkörper 1 im Wesentlichen besteht. Das bedeutet, dass der Halbleiterkörper 1 Silizium mit einer Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die im gezeigten Beispiel eine p-Dotierung ist. Durch die Dotierung eines Teilbereichs des Halbleiterkörpers 1 mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, der im gezeigten Beispiel entsprechend eine n-Dotierung ist, wird der n-dotierte Teilbereich 3 ausgebildet, während der übrige Teil des Halbleiterkörpers einen p-dotierten Teilbereich 2 bildet. Die Leitfähigkeitstypen der Teilbereiche 2 und 3 können auch umgekehrt zur vorliegenden Beschreibung sein. Die Dotierung des Halbleiterkörpers 1, also die p-Dotierung des p-dotierten Teilbereichs 2 und die n-Dotierung des n-dotierten Teilbereichs 3, richtet sich dabei nach den Anforderungen an die Durchbruchspannung der herzustellenden ESD-Schutzdiode.
  • Der Halbleiterkörper 1, der im gezeigten Beispiel quaderförmig ausgebildet ist, kann beispielsweise auch Teil eines Halbleiterwafers wie etwa eines Siliziumwafers sein, an dem die hier und nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte in einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Bereichen ausgeführt werden. Durch späteres Vereinzeln des Wafers kann dann eine Vielzahl von Halbleiterchips 10 erhalten werden.
  • Der Halbleiterkörper 1 weist eine erste Hauptoberfläche 12 und eine zweite Hauptoberfläche 13 auf, wobei die zweite Hauptoberfläche 13 der ersten Hauptoberfläche 12 gegenüber liegend angeordnet ist. Der p-dotierte Teilbereich 2 bildet zumindest einen Teil der ersten Hauptoberfläche 12, im gezeigten Beispiel die gesamte erste Hauptoberfläche 12, während der n-dotierte Teilbereich 3 einen Teil der zweiten Hauptoberfläche 13 bildet. Da der n-dotierte Teilbereich 3 nur in einem begrenzten Gebiet der zweiten Hauptoberfläche 13 ausgebildet wird, reicht der p-dotierte Teilbereich 2 von der ersten Hauptoberfläche 12 zur zweiten Hauptoberfläche 13.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt, wie in 1B gezeigt ist, wird ein Bereich der ersten Hauptoberfläche 12 mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen, wodurch ein elektrisch isolierender Bereich 4 erzeugt wird. Der elektrisch isolierende Bereich 4 ist lateral versetzt zum n-dotierten Teilbereich 3. Mit einer lateralen Richtung wird hier und im Folgenden eine Richtung parallel zu den Hauptoberflächen 12, 13 bezeichnet. Der elektrisch isolierende Bereich 4 kann beispielsweise durch Oxidation, etwa durch thermische Oxidation, des Siliziums des Halbleiterkörpers 1 erzeugt werden. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, dass als isolierender Bereich 4 eine elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise aus Siliziumoxid, auf die erste Hauptoberfläche 12 aufgebracht wird. Weiterhin kann es auch möglich sein, den Bereich 4 mit einem Leitfähigkeitstyp zu dotieren, der vom Leitfähigkeitstyp des Teilbereichs 2 abweicht, im gezeigten Beispiel also mit einer n-Dotierung zu versehen. Alternativ zu einem elektrisch isolierenden Bereich 4 kann also auch ein n-dotierter Bereich auf der ersten Hauptoberfläche 12 lateral versetzt zum n-dotierten Bereich 3 auf der zweiten Hauptoberfläche 13 ausgebildet werden.
  • Durch den elektrisch isolierenden Bereich 4 hindurch wird in einem weiteren Verfahrensschritt, der in 1C gezeigt ist, eine Öffnung 5 im Halbleiterkörper 1 ausgebildet, die von der ersten Hauptoberfläche 12 zur zweiten Hauptoberfläche 13 reicht.
  • Die Ausbildung des n-dotierten Teilbereichs 3 sowie der Öffnung 5 können mit Hilfe herkömmlicher Halbleiterbearbeitungsmethoden, im vorliegenden Fall insbesondere mittels herkömmlicher Silizium-Technologie, hergestellt werden. So kann die Herstellung des n-dotierten Teilbereichs 3 beispielsweise mittels Diffusionsdotierung erzeugt werden.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt, der in 1D gezeigt ist, wird die Öffnung 5 gegen den Halbleiterkörper 1 und insbesondere gegen den p-dotierten Teilbereich 2 elektrisch isoliert. Hierzu wird die Wandung der Öffnung 5 mittels thermischer Oxidation mit einer elektrisch isolierenden Schicht 6 versehen. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, dass eine elektrisch isolierende Schicht 6 auf der Wandung der Öffnung 5 aufgebracht wird.
  • Anschließend wird die Öffnung 5 in einem weiteren Verfahrensschritt, der in 1E gezeigt ist, metallisch verfüllt, so dass in der Öffnung 5 ein metallisches Kontaktelement 7 ausgebildet wird, dass die erste Hauptoberfläche 12 und die zweite Hauptoberfläche 13 des Halbleiterkörpers 1 miteinander verbindet. Das metallische Kontaktelement 7, das beispielsweise mittels galvanischer Abscheidung oder Plattieren erzeugt wird und das Nickel und/oder Kupfer aufweisen kann, ist im fertig gestellten Halbleiterchip 10 als elektrisches Via durch den Halbleiterkörper 1 neben dem Diodenteil ausgebildet, der durch den p-dotierten Teilbereich 2 und den n-dotierten Teilbereich 3 gebildet wird.
  • In 1F ist der Halbleiterchip 10 zusätzlich zur Schnittdarstellung der 1E in einer Aufsicht auf die zweite Hauptoberfläche 13 gezeigt. Die 1G zeigt ein entsprechendes Ersatzschaltbild des Halbleiterchips 10 mit der durch die Teilbereiche 2, 3 gebildeten ESD-Schutzdiode und der durch das metallische Kontaktelement 7 gebildeten elektrischen Durchführung.
  • Aufgrund des elektrisch isolierenden Bereichs 4 ist das metallische Kontaktelement 7 auf der ersten Hauptoberfläche 12 vom p-dotierten Teilbereich 2 elektrisch isoliert, so dass auf der ersten Hauptoberfläche 12 die Diode und die elektrische Durchführung getrennt voneinander elektrisch angeschlossen werden können.
  • In den 2A bis 2C sind verschiedene Ansichten sowie ein Ersatzschaltbild eines optoelektronischen Bauelements 100 gezeigt, das einen Halbleiterchip 10 gemäß dem vorherigen Beispiel aufweist. Die 2A entspricht dabei einer Aufsicht auf eine Oberseite des optoelektronischen Bauelements 100, der die zweite Hauptoberfläche 13 des Halbleiterchips 10 zugewandt ist, während die 2B eine Aufsicht auf eine Montageseite des optoelektronischen Bauelements 100 zeigt, der die erste Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 zugewandt ist.
  • Das optoelektronische Bauelement 100 weist zusätzlich zum Halbleiterchip 10 ein optoelektronisches Halbleiterbauteil 20 auf, das dazu eingerichtet ist, im Betrieb Licht zu detektieren oder abzustrahlen. Im gezeigten Beispiel ist das optoelektronische Halbleiterbauteil 20 rein exemplarisch als Leuchtdiodenchip ausgebildet, der eine lichtdurchlässige Hauptoberfläche aufweist, die der Oberseite des optoelektronischen Bauelements 100 zugewandt ist und über die das optoelektronische Halbleiterbauteil 20 im Betrieb Licht abstrahlen kann. Auf der lichtdurchlässigen Hauptoberfläche des Halbleiterbauteils 20 ist im gezeigten Beispiel weiterhin ein Wellenlängenkonversionselement 21 aufgebracht, das einen Teil des vom optoelektronischen Halbleiterbauteil im Betrieb erzeugten Lichts in Licht mit einer anderen Wellenlänge umwandeln kann. Alternativ zum gezeigten Beispiel kann das optoelektronische Halbleiterbauteil 20 beispielsweise auch als Laserdiodenchip oder als Fotodiodenchip ausgebildet sein. Weiterhin können über dem optoelektronischen Halbleiterbauteil 20 auch weitere oder andere optische Komponenten wie beispielsweise ein Diffusorelement und/oder eine Linse angeordnet sein. Das optoelektronische Halbleiterbauteil 20 wird auf jeder der Hauptoberflächen elektrisch kontaktiert, so dass das Halbleiterbauteil 20 auf seiner Ober- und Unterseite jeweils eine elektrische Anschlussmöglichkeit, beispielsweise in Form einer Elektrodenschicht, aufweist.
  • Das optoelektronische Bauelement 100 weist weiterhin einen Gehäusekörper 22 auf, der den Halbleiterchip 10 und das optoelektronische Halbleiterbauteil 20 an ihren jeweiligen Seitenflächen formschlüssig umschließt. Die Seitenflächen des Halbleiterchips 10 und des optoelektronischen Halbleiterbauteils 20 sind diejenigen jeweiligen Oberflächen, die die jeweiligen Hauptoberflächen verbinden.
  • Der Gehäusekörper 22 kann insbesondere als Formkörper aus einem Kunststoff oder einem niedrig schmelzenden Glas oder einer niedrig schmelzenden Glaskeramik ausgebildet sein und mittels eines Formprozesses, wie im allgemeinen Teil beschrieben ist, hergestellt werden, durch den der Halbleiterchip 10 und das optoelektronische Halbleiterbauteil 20 mit dem Material des Gehäusekörpers 22 umformt werden.
  • Der Gehäusekörper bildet zusammen mit dem Halbleiterchip 10 und dem optoelektronischen Halbleiterbauteil 20 ein so genanntes Embedded-Wafer-Level-Bauteil, das in einem Verbund in einer Mehrzahl von solchen Bauelementen hergestellt werden kann, die durch Durchtrennung des Gehäusekörpermaterials in einzelne optoelektronische Bauelemente 100 zerteilt werden können. Der Gehäusekörper 22 bildet im Verbund somit einen Kunst-Wafer, in dem eine Vielzahl von Halbleiterchips 1 und optoelektronischen Halbleiterbauteilen 20 angeordnet sind.
  • Auf der in 2B dargestellten Montageseite des optoelektronischen Bauelements 100 sind zwei voneinander getrennte elektrische Anschlusselemente 23, 24 angeordnet, die als Elektrodenschichten, beispielsweise mit oder aus Kupfer und/oder Nickel, ausgebildet sind. Das elektrische Anschlusselement 23 erstreckt sich dabei teilweise über die der Montageseite zugewandte erste Hauptoberfläche 12 des Halbleiterchips 10 und über die der Montageseite zugewandte Hauptoberfläche des optoelektronischen Halbleiterbauteils 20, so dass diese elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
  • Mit anderen Worten ist eine Rückseite, also eine der lichtdurchlässigen Hauptoberfläche gegenüberliegende Seite, des optoelektronischen Halbleiterbauteils 20 mit dem p-dotierten Teilbereich 2 des Halbleiterchips 10 elektrisch leitend verbunden. Das weitere Anschlusselement 24 auf der Montageseite des optoelektronischen Bauelements 100 ist auf dem elektrisch isolierenden Bereich 4 und damit nur in elektrischem Kontakt mit dem metallischen Kontaktelement 7 angeordnet.
  • Wie in 2A erkennbar ist, ist auf der der Montageseite gegenüberliegenden Oberseite des optoelektronischen Bauelements 100 ein weiteres elektrisches Anschlusselement 25 in Form einer weiteren Elektrodenschicht angeordnet, die den n-dotierten Teilbereich 3 sowohl mit dem metallischen Kontaktelement 7 als auch mit der Oberseite des optoelektronischen Halbleiterbauteils 20 elektrisch leitend verbindet. Das elektrische Anschlusselement 25 kann dabei mittels einer geeigneten Isolatorschicht auf der zweiten Hauptoberfläche 13 des Halbleiterchips 10 (nicht gezeigt) vom p-dotierten Teilbereich 2 elektrisch isoliert sein.
  • Wie in den 2A und 2B und auch im Ersatzschaltbild der 2C erkennbar ist, wird das optoelektronische Halbleiterbauteil 20 auf der Vorderseite, also der lichtdurchlässigen Hauptoberfläche, die eine p-Seite des Halbleiterbauteils 20 ist, über das metallische Kontaktelement 7 mit der Rückseite verbunden. Gleichzeitig wird die p-Seite des Halbleiterbauteils 20 mit dem n-dotierten Teilbereich 3 des Diodenteils des Halbleiterchips 1 elektrisch leitend verbunden. Auf der Rückseite wird entsprechend die n-Seite des optoelektronischen Halbleiterbauteils 20 mit dem p-dotierten Teilbereich 2 und damit mit der p-Seite des Diodenteils des Halbleiterchips 10 verbunden, während das metallische Kontaktelement 7 als metallische Durchkontaktierung davon getrennt den Kontakt zur p-Seite des optoelektronischen Halbleiterbauteils 20 bildet. Im Vergleich zu bekannten entsprechenden Bauelementen, bei denen die elektrische Durchführung getrennt von einem ESD-Chip hergestellt und positioniert werden müssen, ist es beim hier gezeigten optoelektronischen Bauelement 100 nur mehr erforderlich, ein einziges Bauteil in Form des Halbleiterchips 10 zusätzlich zum optoelektronischen Halbleiterbauteil 20 zu positionieren, das beide Funktionalitäten, also eine ESD-Schutzfunktion und eine davon elektrisch getrennte metallische Durchführung, aufweist.
  • In den 3A bis 3E ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips 10 gezeigt.
  • In einem ersten Verfahrensschritt, der in 3A gezeigt ist, wird wie beim Verfahren der 1A bis 1G ein Halbleiterkörper 1 bereitgestellt, der mit einem ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist. Wie im vorherigen Ausführungsbeispiel kann der Halbleiterkörper 1 Silizium aufweisen, das p-dotiert ist. Der Halbleiterkörper 1 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Halbleiterwafer ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, eine Mehrzahl von Halbleiterchips 10 herzustellen.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt, der in 3B gezeigt ist, wird der Halbleiterkörper 1 von einer Seite her mit Gräben 31 und dazwischen angeordneten Erhebungen 32 versehen. Die Gräben 31 können beispielsweise durch ein Ätzverfahren erzeugt werden. Durch die Gräben 31 werden die Erhebungen 32 voneinander getrennt.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt, der in 3C gezeigt ist, wird die Seite mit den Gräben 31 und den Erhebungen 32 großflächig als Teilbereich mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird hierbei durch eine entsprechende n-Dotierung ein n-dotierter Teilbereich 3 auf der gesamten Oberfläche des Halbleiterkörpers 1, die durch die Gräben 31 und die Erhebungen 32 gebildet wird, ausgebildet, während der übrige Teil des Halbleiterkörpers 1 einen p-dotierten Teilbereich 2 bildet.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt, der in 3D gezeigt ist, wird die Oberseite der Erhebungen 32 mit einer Metallisierung versehen. Insbesondere wird auf den Erhebungen 32 zwischen den Gräben 31 auf dem n-dotierten Teilbereich 3 eine Vielzahl von metallischen Kontaktelementen 7, beispielsweise durch Galvanisieren oder Plattieren, aufgebracht.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird entlang von in der 3D beispielhaft angedeuteten Trennungslinien 9 der noch als Halbleiterwafer ausgebildete Halbleiterkörper 1 so entlang der Gräben 31 vereinzelt, dass eine Vielzahl von Halbleiterchips 10 entsteht, deren erste und zweite Hauptoberfläche zumindest teilweise durch das Vereinzeln erzeugt werden. In 3E ist ein entsprechender Halbleiterchip 10 gezeigt, der beispielsweise eine Höhe H von 120 µm und eine Länge von L von 200 µm aufweist, die zur Verdeutlichung auch in der 3D eingezeichnet sind.
  • In 4 ist eine schematische Ansicht eines Ausschnitts eines optoelektronischen Bauelements 100 mit einem gemäß dem Verfahren der 3A bis 3E hergestellten Halbleiterchip 10 gezeigt. Der Halbleiterchip 10 ist gekippt in den durch den Gehäusekörper 22 gebildeten Kunst-Wafer eingebracht und kann wie der in Verbindung mit den 1A bis 1G beschriebene Halbleiterchip 10 sowohl eine ESD-Funktion als auch eine Stromdurchführung bereitstellen. Das optoelektronische Bauelement 100 der 4 stellt eine Modifikation des in den 2A bis 2C gezeigten Beispielen dar und zeigt in einer Schnittdarstellung lediglich den Bereich, in dem der Halbleiterchip 10 angeordnet ist.
  • Die elektrischen Anschlusselemente 23, 24, 25 entsprechen den elektrischen Anschlusselementen 23, 24, 25 des Beispiels der 2A bis 2C, wobei in 4 zusätzlich eine elektrisch isolierende Schicht 26 zur Isolation des p-dotierten Teilbereichs 2 an der zweiten Hauptoberfläche 13 vom elektrischen Anschlusselement 25 gezeigt ist.
  • Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Beispiele und Ausführungsbeispiele können alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen.

Claims (4)

  1. Halbleiterchip (10) zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen, mit - einem Halbleiterkörper (1) mit einer ersten Hauptoberfläche (12) und einer der ersten Hauptoberfläche (12) gegenüber liegend angeordneten zweiten Hauptoberfläche (13), wobei der Halbleiterkörper (1) einen p-dotierten Teilbereich (2), der einen Teil der ersten Hauptoberfläche (12) bildet, und einen n-dotierten Teilbereich (3), der einen Teil der zweiten Hauptoberfläche (13) bildet, aufweist, und - einem metallischen Kontaktelement (7), das von der ersten Hauptoberfläche (12) zur zweiten Hauptoberfläche (13) reicht und das von einem der Teilbereiche (2, 3) elektrisch getrennt ist, wobei der n-dotierte Teilbereich (3) den p-dotierten Teilbereich (2) vom metallischen Kontaktelement (7) elektrisch trennt, wobei das metallische Kontaktelement (7) auf einer die Hauptoberflächen (12, 13) verbindenden Seitenfläche des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist und wobei der p-dotierte Teilbereich (2) von der ersten zur zweiten Hauptoberfläche (12, 13) reicht.
  2. Halbleiterchip (10) nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterkörper (1) Silizium aufweist.
  3. Halbleiterchip (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der p-dotierte Teilbereich (2) zumindest einen oder mehrere Dotierstoffe ausgewählt aus Bor, Indium, Aluminium und Gallium aufweist und der n-dotierte Teilbereich (3) einen oder mehrere Dotierstoffe ausgewählt aus Phosphor, Arsen und Antimon aufweist.
  4. Optoelektronisches Bauelement, aufweisend - einen Halbleiterchip (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, - ein optoelektronisches Halbleiterbauteil (20), das dazu eingerichtet ist, im Betrieb Licht zu detektieren oder abzustrahlen, und das zwei gegenüber liegende Hauptoberflächen aufweist, von denen eine durchlässig für Licht ist, und - einen Gehäusekörper (22), der den Halbleiterchip (10) und das optoelektronische Halbleiterbauteil (20) an die jeweiligen Hauptoberflächen verbindenden Seitenflächen formschlüssig umschließt, wobei auf dem Gehäusekörper (22) zwei voneinander getrennte elektrische Anschlusselemente (23, 24) auf einer der Licht durchlässigen Hauptoberfläche des optoelektronischen Halbleiterbauteils (20) gegenüber liegenden Montageseite angeordnet sind, zwischen denen der Halbleiterchip (10) und das optoelektronische Halbleiterbauteil (20) parallel verschaltet sind, wobei eines der Anschlusselemente (23) mit dem metallischen Kontaktelement (7) elektrisch leitend verbunden ist und das andere der Anschlusselemente (24) mit dem vom metallischen Kontaktelement (7) elektrisch getrennten Teilbereich (2) des Halbleiterchips (10) elektrisch leitend verbunden ist.
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