DE19546418A1 - Photospannungsgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Photospannungsgenerator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art und insbeson­ dere auf Photospannungsgeneratoren zur Erzeugung eines Steuer­ signals für die Steuerung eines Halbleiter-Schalterbauteils.

Photospannungsgeneratoren (PVG) sind gut bekannt und werden allgemein zur Erzeugung eines Steuersignals für ein Festkörper­ relais verwendet. Derartige Bauteile verwenden eine Leucht­ diode, die über Eingangsanschlüsse angesteuert wird, um die lichtempfindliche Oberfläche eines mit Abstand von der Leucht­ diode angeordneten und hiervon isolierten Photospannungsbau­ teils zu bestrahlen. Das Ausgangssignal des Photospannungs­ bauteils kann als Eingangssignal für ein Schalterbauteil, wie z. B. ein ein MOS-Gate aufweisendes Bauteil, typischerweise einen Leistungs-MOSFET, dienen, wobei dieses Bauteil Lastan­ schlüsse aufweist, die bei der Ansteuerung der Leuchtdiode eingeschaltet werden. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Relais sind durch einen Abstand zwischen der Leuchtdiode und dem Photospannungsbauteil isoliert. Üblicherweise besteht das Photospannungsbauteil aus einer großen Anzahl von in Serie geschalteten Photospannungszellen, damit eine Spannung erzeugt wird, die ausreichend hoch ist, um das Leistungsschalterbauteil einzuschalten. Derartige Bauteile sind gut bekannt und werden unter der Bezeichnung "PVI" (Photospannungsisolator) von der Firma International Rectifier Corp., El Segundo, Californien, USA vertrieben, dem Anmelder der vorliegenden Erfindung.

Der aus mehreren Zellen bestehende Photospannungsgenerator kann in vielfältiger Weise hergestellt werden. Ein bekannter Genera­ tor verwendet einen Stapel oder eine Säule von Photospannungs­ zellen, wie dies in dem US-Patent 4 755 697 gezeigt ist. Andere Bauteile verwenden eine ebene Anordnung von Zellen, die hin­ sichtlich ihrer Grenzschichten voneinander isoliert und an ihren Oberflächen in Serie miteinander verbunden sind. Es sind weitere Bauteile bekannt, bei denen die einzelnen Zellen, die auf der Oberfläche eines Siliziumplättchens angeordnet sind, durch Grenzschichten voneinander isoliert oder dielektrisch isoliert sind, wie dies in den US-Patenten 4 227 098 und 4 390 790 gezeigt ist.

Die bekannten Bauteile weisen den Nachteil auf, daß sie in der Herstellung aufwendig sind und eine geringe Herstellungs­ ausbeute aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Photospannungs­ generator zu schaffen, der eine große Anzahl von voneinander isolierten Zellen aufweist, die in Serie miteinander geschaltet werden können, um ein Einschaltsignal für ein ein MOS-Gate auf­ weisendes Leistungsbauteil zu erzeugen, wobei dieser Photospan­ nungsgenerator jedoch unter Verwendung von zuverlässigen Bear­ beitungsgeräten und -techniken leicht herstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Photospannungsgenerator weist eine neuar­ tige Struktur auf, bei der eine Anordnung von ebenen Zellen, die in einem Siliziumsubstrat ausgebildet sind, dielektrisch von­ einander in einer Baugruppe mit voneinander isolierten, jedoch miteinander verbundenen Halbleiterscheiben ausgebildet sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die dielektrisch isolier­ ten planaren Photospannungsgenerator-Zellen in einer ebenen dünnen dielektrisch verbundenen Siliziumscheibe ausgebildet, die aus einer relativ dicken "Handhabungs"-Scheibe besteht, die über eine Oxydschicht mit einer dünnen Bauteil-Halbleiterscheibe (einer die Grenzschichten aufnehmenden Schicht) verbunden, je­ doch von dieser isoliert ist. Einzelne planare und voneinander mit Abstand angeordnete Senken oder Wannen sind durch eine Anordnung von einander schneidenden Gräben ausgebildet, die sich durch die dünne Bauteilschicht zum Oxydverbindungsbereich erstrecken, um die einzelnen Senken oder Wannen dielektrisch vollständig voneinander zu isolieren. Jede der Senken weist eine N⁺-Bodenfläche und einen oberen N⁺-Kontaktbereich sowie eine P⁺-Diffusion auf, so daß eine "P-auf-N"-Solarzellen- Anordnung gebildet wird. Der obere N⁺-Kontakt jeder Zelle ist mit dem P⁺-Kontakt einer benachbarten Zelle verbunden, um jede einer vorgegebenen Anzahl von Zellen, beispielsweise 16 Zellen, in Serie miteinander zu verbinden.

Die obere Oberfläche des Bauteils wird dann der Strahlung einer mit Abstand hiervon angeordneten Leuchtdiode ausgesetzt, um Ausgangsspannungen von jeder der Zellen zu erzeugen. Diese Ausgangsspannungen sind miteinander in Serie geschaltet und erzeugen ein Signal, das das Schalten eines ein MOS-Gate aufweisenden Bauteils steuern kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen kleinen Abschnitt einer über ein Oxyd verbundenen Handhabungs-Halbleiterscheibe und einer Bauteil- Halbleiterscheibe,

Fig. 2 die Scheibe nach Fig. 1 nach der Ausbildung von Isolationsgräben zur dielektrischen Trennung und Ausbildung isolierter Zellen oder Senken,

Fig. 2a eine Einzelheit eines Isolationsgrabens nach Fig. 2,

Fig. 3 die Diffusion von mit Abstand voneinander ange­ ordneten flachen P⁺-Bereichen und N^--Kontakten in der Bauteil-Halbleiterscheibe oder -schicht nach Fig. 2,

Fig. 3a eine Draufsicht auf einen Teil der Halbleiter­ scheibe nach Fig. 3, wobei ein N⁺^--Finger gezeigt ist, der sich von dem N⁺-Kontaktring aus erstreckt,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil des Bauteils nach Fig. 3 nach der Ausbildung von Kontakten zur Serienver­ bindung der Bauteile,

Fig. 5 eine Querschnittsansicht der Struktur nach Fig. 4 entlang der Schnittlinie 5-5 nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer Zelle einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang einer Schnittlinie 6-6 nach Fig. 7,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Zelle nach Fig. 6.

Wenn zunächst die Fig. 1 betrachtet wird, so ist eine Ausgangs­ scheibe zu erkennen, die aus einer N⁺-Handhabungsscheibe 10 und einer die gleiche Erstreckung aufweisenden N^--Bauteil­ schicht 11 besteht, die mit der Handhabungsscheibe 10 über eine Oxydschicht 12 verbunden ist. Die Unterseite der N^--Bauteil­ schicht 11, die verglichen mit der Dicke der Handhabungsscheibe 10 sehr dünn ist, enthält eine flache N⁺-Diffusion 13 benach­ bart zur Oxydschicht 12.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Handhabungsscheibe 10 eine unkritische Dicke von ungefähr 375 bis 525 Mikrometern und eine hohe unkritische Konzentration von N⁺-Trägern aufweisen. Zu Befestigungszwecken kann eine Metall­ schicht 14 auf der Unterseite der Scheibe 10 angeordnet sein.

Die Bauteilschicht oder -scheibe 11 besteht aus monokristalli­ nem Silizium und enthält die Diffusionen, die jede der Photo­ spannungszellen des Bauteils bilden. Die Schicht 11 kann eine Dicke von ungefähr 20 µm aufweisen, obwohl diese Dicke von 5 bis 50 µm reichen könnte, und sie könnte einen spezifischen Wider­ stand von ungefähr 2 bis ungefähr 12 Ohm-cm aufweisen.

Die dielektrische Verbindungsschicht 12 weist eine Dicke von ungefähr 0,45 µm auf und isoliert die Scheiben 10 und 11 elek­ trisch voneinander. Es können andere Oxyddicken verwendet wer­ den, und sie sind so gewählt, daß eine Überwachung der nachfol­ genden Grabenätzung auf den Abschluß der Ätzung ermöglicht wird.

Es kann jedes gewünschte bekannte Verfahren zum Verbinden der Scheiben 10 und 11 verwendet werden. Derartige Verfahren sind beispielsweise in den Veröffentlichungen "Wafer Bonding Technique etc." von Abe et al, Solid State Technology, November 1990, Seiten 39 und 40 und "Silicon Wafer Bonding etc," von Abe et al, Proceedings of 4th Intl. Symposium on Silicon-On- Isulator Technology and Devices, 6.-11. Mai 1990, Montreal, beschrieben.

Nach der Ausbildung der miteinander verbundenen Baugruppe nach Fig. 1 wird die Scheibe 11 bearbeitet, um ein Gitter von tiefen Grabenisolationen 40 zu bilden, die jeden der N⁺-Kollektor­ kontaktbereiche umgeben und isolieren und sich durch die einge­ bettete N⁺-Schicht 13 hindurch bis zur dielektrischen Schicht 12 erstrecken. Abschnitte des Grabens sind im Querschnitt als Teile 40a, 40b, 40c, 40d und 40e gezeigt. Die Gräben bilden dielektrisch aneinander isolierte "Wannen" in der Schicht 11, die jeweils eine Oberfläche von ungefähr 0,25 mal 0,25 mm (10 mal 10 mil) aufweisen, wobei jeder Grabenspalt typischerweise 20 bis 25 µm breit ist. Es können selbstverständlich auch andere Abmessungen verwendet werden.

Nachdem die Anordnung von Gräben 40 gebildet wurde, wird ein dünnes Oxyd thermisch auf den Innenwänden der Gräben aufge­ wachsen, wie dies in Fig. 3a in Form der Oxydschichten 50, 51 gezeigt ist, und der in der Mitte liegende Spalt zwischen diesen Oxydschichten wird mit Polysilizium 52 gefüllt. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von identischen dielektrisch voneinander isolierten Photospannungsgenerator-Zellen in der Schicht 11 ausgebildet. Die Dicke der Oxydschichten (oder anderer Isolier­ schichten) 50 und 51 ist so gewählt, daß sich das Reflektions­ vermögen für Strahlung an der Grenzfläche mit dem Silizium 10 in optimaler Weise ergibt (dies verbessert den Wirkungsgrad des Bauteils).

Nach der Ausbildung der dielektrisch ausgebildeten Wannen oder Senken nach Fig. 2 werden die Photospannungszellen bildende Diffusionen in der Oberfläche der Scheibe 11 ausgebildet. Unter Verwendung geeigneter photolithographischer Techniken wird somit eine Anordnung von rechtwinkligen oder eine andere Form aufwei­ senden flachen P⁺-Diffusionen 20 bis 24 und quadratischen ringförmigen N⁺-Kontaktdiffusionen 25 bis 19, die jeweils die P⁺-Diffusionen 20 bis 24 umgeben, in der Scheibe 11 aus­ gebildet. Typischerweise werden in einer Scheibe mit einem Durchmesser von 12,7 cm (5 Zoll) 88.000 mit Abstand voneinander angeordnete P⁺-Diffusionen über die Scheibe hinweg ausge­ bildet, um ungefähr 9.000 Halbleiterplättchen zu bilden. Es ist zu erkennen, daß alle P- und N-Leitungstypen umgekehrt werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die P⁺-Bereiche 20 bis 24 eine Tiefe von 2 µm und eine Fläche von 0,2286 mal 0,2286 mm (9 mil mal 9 mil) auf. Die P⁺-Bereiche können mit einer Implantationsdosis von Bor von 5E18 pro cm² mit einer Spitzenkonzentration von 5E18 pro cm³ ausgebildet werden.

Die N⁺-Ringe 25 bis 28 weisen eine Tiefe von 1 µm und eine Breite von 12,7 mal 10^-3 mm (0,5 mil) und einen Innenumfang von 0,8636 mm (34 mil) auf. Die Ringe 25 bis 28 können durch eine Arsen-Implantation mit einer Dosis von 8E15 pro cm² mit einer Spitzenkonzentration von 4E20 pro cm³ gebildet werden. Ein in der Mitte liegender N⁺-Kollektorfinger 30, der in Fig. 3a für den Ring 25 gezeigt ist, kann am Mittelbereich jeder P⁺-Diffusion angeordnet sein. Der Finger 30 kann eine Breite von 12,7 mal 10^-3 mm (0,5 mil) und eine Länge von ungefähr 0,178 mm (7 mil) aufweisen. Wie es als nächstes in Fig. 5 gezeigt ist, wird eine Oxydschicht 60 über der Oberfläche der Scheibe 11 abgeschieden. Eine Kontaktmaske versieht die Oxyd­ schicht dann mit einer derartigen Muster, daß Kontaktöffnungen zu den N⁺- und P⁺-Bereichen hin gebildet werden. Danach wird ein Kontaktmetall auf der Oberseite der Oxydschicht 60 abge­ schieden, und das Metall wird geätzt, um Kontaktstreifen 70, 71, 72 und 73 zu bilden, die in den Fig. 4 und 5 gezeigt sind, um die P⁺-Diffusion einer Zelle mit der N⁺-Kontaktdiffusion einer benachbarten Zelle zu verbinden.

Nachdem das Bauteil fertiggestellt wurde, kann die Scheibe mit einem transparenten Schutzüberzug beschichtet werden. Die Scheibe wird danach in Halbleiterplättchen mit Einheiten von 16 in Serie verbundenen Zellen zerschnitten, die jeweilige (nicht gezeigte) Lötkissenanschlüsse aufweisen, um Bauteile zu erzeugen, die 7 Volt und 2,5 µA liefern können, wenn sie mit einer Leuchtdiode beleuchtet werden.

Entsprechend können die einzelnen Bauteile zusammen mit einer Leuchtdiode 80 (in Fig. 5) montiert werden, die von diesen Bau­ teilen isoliert ist, jedoch so angeordnet ist, daß sie eine Strahlung erzeugt, die die Oberfläche des Halbleiterplättchens beleuchtet. Die Leuchtdiode 80 wird durch eine geeignete Ein­ gangsleistung an ihren Anschlüssen 81 und 82 eingeschaltet, die dielektrisch von den Ausgangsanschlüssen des Halbleiterplätt­ chens isoliert sind. Es kann irgendeine geeignete Leuchtdiode verwendet werden.

Wenn dies erwünscht ist, kann die vorstehend beschriebene Photo­ spannungsgenerator-Struktur (mit Ausnahme der Leuchtdiode) in das gleiche Halbleiterplättchen integriert werden, das das MOS- Gate-gesteuerte Leistungsbauteil enthält, das von der Photo­ spannungsgeneratorstruktur gesteuert werden soll.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine zweite Ausführungsform einer Zel­ lenanordnung mit einer anderen Kontaktkonfiguration. Bei der Beschreibung der Fig. 6 und 7 bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile wie die in den Fig. 1 bis 5. Die Verarbeitungs­ folge ist ebenfalls die gleiche, mit der Ausnahme von Ände­ rungen, die speziell beschrieben werden. So verwendet das Bauteil nach den Fig. 6 und 7 eine eine größere Fläche auf­ weisende P⁺-Diffusion 100. Weiterhin weist bei der Ausfüh­ rungsform nach den Fig. 6 und 7 die N^--Scheibe 11 eine Kon­ zentration von mehr als 27 Ohm-Zentimeter auf. Der P⁺-Bereich 100 ist hinsichtlich seiner Tiefe und Konzentration identisch zu der nach den Fig. 2 bis 5. Es wird jedoch lediglich eine kleine N⁺-Kontaktdiffusion verwendet, die 1 µm tief ist, jedoch lediglich Abmessungen von 12,7 · 10^-3 mal 12,7 · 10^-3 mm (0,5 mil mal 0,5 mil) aufweist. Weiterhin nehmen die Innenwände der Gräben 40 eine dünne N⁺-Beschichtung 105 auf, die bei­ spielsweise durch Diffusion aus POCl bis zu einer Tiefe von ungefähr 5 µm ausgebildet ist und eine Oberflächenkonzentration von ungefähr 2E18 pro cm³ aufweist.

Claims (10)

1. Photospannungsgenerator mit einer Scheibe, die aus einer ersten ebenen relativ dicken Handhabungsscheibe und einer zwei­ ten ebenen realtiv dünnen und die Grenzschichten aufnehmenden Scheibe besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Scheiben (10, 11) miteinander über eine dünne dielektrische Verbindungs­ schicht (12) miteinander verbunden sind, daß die zweite Scheibe (11) eine leicht dotierte Scheibe von einem Leitungstyp ist, daß sich eine gitterförmige dünne Grabenstruktur (40) von der Außenoberfläche der zweiten Scheibe (11) bis zu der dünnen dielektrischen Verbindungsschicht (12) erstreckt, wodurch die Scheibe in eine Vielzahl von elektrisch voneinander isolierten Wannen unterteilt wird, wobei in der flachen äußeren Oberfläche jeder der Wannen eine relativ flache Diffusion vom entgegenge­ setzten Leitungstyp ausgebildet ist, so daß Strahlung, die die Grenzschicht zwischen der flachen Diffusion und dem Hauptteil des leicht dotierten Materials der Wanne erreicht, eine Photo- Ausgangsspannung erzeugt, und daß Verbindungseinrichtungen 70 bis 73 zum Verbinden der flachen Diffusion von zumindestens einer Vielzahl der Wannen mit dem leicht dotierten Material benachbarter Wannen vorgesehen sind.

2. Photospannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Gräben (40) mit einer dünnen dielektrischen Schicht (50, 51) ausgekleidet sind.

3. Photospannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine eine vergrößerte Konzen­ tration aufweisende Kontaktdiffusion auf der Oberseite jeder der Wannen aufweist, die mit seitlichem Abstand von der Diffu­ sion des anderen Leitungstyps angeordnet ist.

4. Photospannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungstyp der N-Lei­ tungstyp ist.

5. Photospannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Scheibe (11) eine dünne, eine hohe Konzentration aufweisende Pufferschicht (13) des einen Leitungstyps benachbart zu der dünnen dielektrischen Ver­ bindungsschicht (12) aufweist.

6. Photospannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben (40) ein Polysilizium- Füllmaterial (52) zwischen den Auskleidungen (50, 51) aus dielektrischem Material aufweist.

7. Photospannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Wände des Grabens (40) eine flache Diffusion (50, 51) des einen Leitungs­ typs aufweisen.

8. Photospannungsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktdiffusion in jeder der Wannen eine Ringform aufweist, die den Umfang der Diffusion vom anderen Leitungstyp mit Abstand umgibt.

9. Photospannungsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktdiffusion durch ein eine geringe Fläche aufweisendes Rechteck gebildet ist, die von dem Umfang der Diffusion des anderen Leitungstyps mit Abstand ange­ ordnet ist.

10. Photospannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Wannen eine vieleckige Form an ihrer oberen Oberfläche aufweist.