DE19546418C2

DE19546418C2 - Photospannungsgenerator

Info

Publication number: DE19546418C2
Application number: DE19546418A
Authority: DE
Inventors: William F Cantarini
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2015-12-13
Also published as: JP3292651B2; IT1281736B1; JPH08250761A; DE19546418A1; FR2729504B1; GB2296993A; ITMI960042A1; GB2296993B; US5549762A; FR2729504A1; ITMI960042A0; GB9526541D0

Abstract

Ein Photospannungsgenerator weist eine dünne, pn-Übergangszonen aufnehmende Siliziumscheibe (11) eines ersten Leitungstyps auf, die durch eine gitterförmige Grabenstruktur (40) in eine Vielzahl von elektrisch voneinander isolierten Wannen unterteilt ist. In der Außenoberfläche jeder Wanne ist eine flache eindiffundierte dotierte Zone (20-24) eines dem ersten entgegengesetzten Leitungstyps ausgebildet, so daß die die pn-Übergangszone zwischen der Zone und dem Hauptteil der Wanne erreichende Strahlung eine Photoausgangsspannung erzeugt. Verbindungseinrichtungen (70-73) verbinden die Zone einer jeweiligen Wanne mit dem leicht dotierten Material benachbarter Wannen. Die Scheibe wird vor der Ausbildung der Grabenstruktur über eine dünne dielektrische Verbindungsschicht (12) mit einer Handhabungsscheibe (10) verbunden. Die Grabenstruktur erstreckt sich von der Außenoberfläche der Scheibe bis zur Verbindungsschicht und wird vor der Ausbildung der pn-Übergangszonen ausgebildet. Die Wände der Gräben sind zur Verbesserung des Reflexionsvermögens für Strahlung an der Grenzfläche mit dem Silizium mit einer dünnen dielektrischen Auskleidungsschicht (50, 51) bedeckt.

Description

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

Photospannungsgeneratoren (PVG) sind gut bekannt und werden allgemein zur Erzeugung eines Steuersignals für ein Festkörperrelais verwendet. Derartige Bauteile verwenden eine Leuchtdiode, die über Eingangsanschlüsse angesteuert wird, um die lichtempfindliche Oberfläche eines mit Abstand von der Leuchtdiode angeordneten und hiervon isolierten Photospannungsbauteils zu bestrahlen. Das Ausgangssignal des Photospannungsbauteils kann als Eingangssignal für ein Schalterbauteil, wie z. B. ein ein MOS-Gate aufweisendes Bauteil, typischerweise einen Leistungs-MOSFET, dienen, wobei dieses Bauteil Lastanschlüsse 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 Generator verwendet einen Stapel oder eine Säule von Photospannungszellen, wie dies in dem US-Patent 4 755 697 gezeigt ist. Andere Bauteile verwenden eine ebene Anordnung von Zellen, die hinsichtlich ihrer pn-Übergangszonen 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 pn- Übergangszonen voneinander isoliert oder dielektrisch isoliert sind, wie dies in den US-Patenten 4 227 098 und 4 390 790 gezeigt ist.

Ein Photospannungsgenerator der eingangs genannten Art ist aus dem US-Patent 4 612 408 bekannt. Hierbei wird eine die pn-Übergangszonen aufnehmende Halbleiter scheibe verwendet, in der zunächst die pn-Übergangszonen ausgebildet werden, worauf diese die pn-Übergangszonen aufnehmende Scheibe auf der die pn- Übergangszonen aufnehmenden Oberfläche durch ein Klebemittel mit einer Trägerschicht verbunden wird und in der Halbleiterscheibe Gräben ausgebildet werden. Anschließend wird eine weitere Trägerschicht auf der von der die pn- Übergangszonen aufnehmenden Oberfläche abgewandten und mit einer unteren Metallschicht versehenen Seite durch ein Klebemittel befestigt und die erste Trägerschicht entfernt. Beide Trägerschichten weisen eine wesentlich geringere Dicke auf, als die die pn-Übergangszonen aufnehmende Schicht.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Photospannungsgenerator 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 aufweisendes Leistungsbauteil zu erzeugen, wobei dieser Photospannungs generator jedoch unter Verwendung von zuverlässigen Bearbeitungsgeräten 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.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind dielektrisch isolierte planare 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 pn-Übergangszonen aufnehmenden Schicht) verbunden, jedoch 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 eindiffundierte P⁺-dotierte Zone 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 Anordnung von einen Abstand voneinander aufweisenden flachen P⁺-Bereichen und N^--Kontakten in der Bauteil-Halbleiterscheibe oder -schicht nach Fig. 2,

Fig. 3a eine Draufsicht auf einen Teil der Halbleiterscheibe 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 Serienverbindung 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 Ausgangsscheibe zu erkennen, die aus einer N⁺-Handhabungsscheibe 10 und einer die gleiche Erstreckung aufweisenden N^--Bauteilschicht 11 besteht, die mit der Handhabungsscheibe 10 über eine Oxydschicht 12 verbunden ist. Die Unterseite der N^--Bauteilschicht 11, die verglichen mit der Dicke der Handhabungsscheibe 10 sehr dünn ist, enthält eine flache eindiffundierte N⁺-dotierte Zone 13 benachbart 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 Metallschicht 14 auf der Unterseite der Scheibe 10 angeordnet sein.

Die Bauteilschicht oder -scheibe 11 besteht aus monokristallinem Silizium und enthält die eindiffundierten dotierten Zonen, die jede der Photospannungszellen 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 Widerstand von ungefähr 2 bis ungefähr 12 Ωcm aufweisen.

Die dielektrische Verbindungsschicht 12 weist eine Dicke von ungefähr 0,45 µm auf und isoliert die Scheiben 10 und 11 elektrisch voneinander. Es können andere Oxyddicken verwendet werden, und sie sind so gewählt, daß eine Überwachung der nachfolgenden 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-Insulator Technology and Devices, 8.-11. Mai 1990, Montreal, S. 61-71 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 jede der N⁺-Kollektorkontaktzonen umgeben und isolieren und sich durch die eingebettete 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 voneinander isolierte 'Wannen' in der Schicht 11, die jeweils eine Oberfläche von ungefähr 0,25 mm mal 0,25 mm 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 aufgewachsen, wie dies in Fig. 2a 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 Photospannungs generator-Zellen in der Schicht 11 ausgebildet. Die Dicke der Oxydschichten (oder anderer Isolierschichten) 50 und 51 ist so gewählt, daß sich das Reflexionsvermögen 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 eindiffundierte dotierte Zonen in der Oberfläche der Scheibe 11 ausgebildet. Unter Verwendung geeigneter photolitho graphischer Techniken wird somit eine Anordnung von rechtwinkligen oder eine andere Form aufweisenden flachen eindiffundierten P⁺-dotierten Zonen 20 bis 24 und quadratischen ringförmigen eindiffundierten N⁺-dotierten Kontaktzonen 25 bis 29, die jeweils die eindiffundierten P⁺-dotierten Zonen 20 bis 24 umgeben, in der Scheibe 11 ausgebildet. Typischerweise werden in einer Scheibe mit einem Durchmesser von 12,7 cm 88.000 mit Abstand voneinander angeordnete eindiffundierte P⁺-dotierte Zonen über die Scheibe hinweg ausgebildet, 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 mm mal 0,2286 mm auf.

Die N⁺-Ringe 25 bis 29 weisen eine Tiefe von 1 µm und eine Breite von 12,7 µm und einen Innenumfang von 0,9374 mm auf. Die Ringe 25 bis 29 können durch eine Arsen-Implantation mit einer Dosis von 8 . 10¹⁵ pro cm² mit einer Spitzenkonzentration von 4 . 10²⁰ 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 eindiffundierten P⁺-dotierten Zone angeordnet sein. Der Finger 30 kann eine Breite von 12,7 µm und eine Länge von ungefähr 0,178 mm 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 Oxydschicht dann mit einem derartigen Muster, daß Kontaktöffnungen zu den N⁺- und P⁺-Bereichen hin gebildet werden. Danach wird ein Kontaktmetall auf der Oberseite der Oxydschicht 60 abgeschieden, 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 eindiffundierte P⁺-dotierte Zone einer Zelle mit der eindiffundierten N⁺-dotierten Kontaktzone 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 Bauteilen isoliert ist, jedoch so angeordnet ist, daß sie eine Strahlung erzeugt, die die Oberfläche des Halbleiterplättchens beleuchtet. Die Leuchtdiode 80 wird durch eine geeignete Eingangsleistung an ihren Anschlüssen 81 und 82 eingeschaltet, die dielektrisch von den Ausgangsanschlüssen des Halbleiterplättchens isoliert sind. Es kann irgendeine geeignete Leuchtdiode verwendet werden.

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

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine zweite Ausführungsform einer Zellenanordnung 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 Verarbeitungsfolge ist ebenfalls die gleiche, mit der Ausnahme von Änderungen, die speziell beschrieben werden. So verwendet das Bauteil nach den Fig. 6 und 7 eine eine größere Fläche aufweisende eindiffundierte P⁺-dotierte Zone 100. Weiterhin weist bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 die N^--Scheibe 11 einen spezifischen Widerstand von mehr als 27 Ωcm auf. Der P⁺-Bereich 100 ist hinsichtlich seiner Tiefe und Konzentration identisch zu dem nach den Fig. 2 bis 5. Es wird jedoch lediglich eine kleine eindiffundierte N⁺-dotierte Kontaktzone verwendet, die 1 km tief ist, jedoch lediglich Abmessungen von 12,7 µm mal 12,7 µm aufweist. Weiterhin nehmen die Innenwände der Gräben 40 eine dünne N⁺-Beschichtung 105 auf, die beispielsweise durch Eindiffundieren von POCl bis zu einer Tiefe von ungefähr 5 µm ausgebildet ist und eine Oberflächenkonzentration von ungefähr 2 . 10¹⁸ pro cm³ aufweist.

Claims

1. Photospannungsgenerator mit einer ebenen, relativ dünnen und die pn- Übergangszonen aufnehmenden Scheibe (11) aus Silizium von einem ersten Leitungstyp, die durch eine gitterförmige dünne Grabenstruktur (40) in eine Vielzahl von elektrisch voneinander isolierten Wannen unterteilt ist, wobei in der flachen äußeren Oberfläche jeder der Wannen eine relativ flache eindiffundierte dotierte Zone (20-24) von einem zweiten, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp ausgebildet ist, so daß Strahlung, die die pn-Übergangszone zwischen der flachen eindiffundierten dotierten Zone und dem Hauptteil des leicht dotierten Materials der Wanne erreicht, eine Photo-Ausgangsspannung erzeugt, und mit Verbindungseinrich tungen (70-73) zum Verbinden der flachen eindiffundierten dotierten Zone (20-24) von zumindest einer der Vielzahl von Wannen mit dem leicht dotierten Material benachbarter Wannen, wobei die die pn-Übergangszonen aufnehmende Scheibe (11) vor der Ausbildung der Grabenstruktur mit einer Handhabungsschicht verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Handhabungsschicht durch eine bezogen auf die die pn-Übergangszonen aufnehmende Scheibe (11) relativ dicke Handhabungs scheibe (10) gebildet ist, die mit der die pn-Übergangszonen aufnehmenden Scheibe (11) über eine dünne dielektrische Verbindungsschicht (12) vor der Ausbildung der pn-Übergangszonen miteinander verbunden wird, wobei sich die Grabenstruktur (40) von der Außenoberfläche der die pn-Übergangszonen aufnehmenden Scheibe (11) bis zu der dünnen dielektrischen Verbindungsschicht (12) erstreckt und vor der Ausbildung der pn-Übergangszonen ausgebildet wird, und daß die Wände der Gräben (40) mit einer dünnen dielektrischen Auskleidungsschicht (50, 51) bedeckt sind, die das Reflexionsvermögen für Strahlung an der Grenzfläche mit dem Silizium verbessert.

2. Photospannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine eine vergrößerte Konzentration aufweisende eindiffundierte dotierte Kontaktzone (25-29) auf der Oberseite jeder der Wannen mit seitlichem Abstand von der eindiffundierten dotierten Zone (20-24) des zweiten Leitungstyps angeordnet ist.

3. Photospannungsgenerator nach Anspruche 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eindiffundierte dotierte Kontaktzone (25-29) in jeder der Wannen eine Ringform aufweist, die den Umfang der relativ flachen eindiffundierten dotierten Zone (20-24) mit Abstand umgibt.

4. Photospannungsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eindiffundierte dotierte Kontaktzone (25-29) durch ein eine geringe Fläche aufweisendes Rechteck gebildet ist, die von dem Umfang der relativ flachen eindiffundierten dotierten Zone (20-24) mit Abstand angeordnet ist.

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

6. Photospannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die die pn-Übergangszonen aufnehmende Scheibe (11) eine dünne, eine hohe Konzentration aufweisende Pufferschicht (13) des ersten Leitungs typs benachbart zu der dünnen dielektrischen Verbindungsschicht (12) aufweist.

7. Photospannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben (40) ein Polysilizium-Füllmaterial (52) zwischen den Auskleidungsschichten (50, 51) aufweisen.

8. Photospannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Wände der Gräben (40) eine flache eindiffundierte dotierte Zone (50, 51) des ersten Leitungstyps aufweisen.

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

10. Photospannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die die pn-Übergangszonen aufnehmende Scheibe (11) eine Dicke von 5 bis 50 µm aufweist, und daß die Handhabungsscheibe eine Dicke von 375 bis 525 µm aufweist.

11. Photospannungsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Handhabungsscheibe (10) eine N⁺-Handhabungsscheibe ist und daß die die pn-Übergangszonen aufnehmende Scheibe (11) eine N^--Bauteil scheibe ist.