DE19546418A1 - Photospannungsgenerator - Google Patents
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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.
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