CN105006468B - 一种多层硅片封装结构中的信息传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层硅片封装结构中的信息传输装置，包括若干层叠放置的半导体硅片，各层半导体硅片上均设有光电转化器，通过互为发送光电信号从而实现半导体硅片中集成电路功能模块之间的信息传输；其中，光电转化器包括至少一个光发射器件、至少一个光接收器件以及至少一个光电转化控制电路。本发明提供的多层硅片封装结构中的信息传输装置，在集成电路制造过程中，在半导体硅片上同时制造光电转化器，利用光电信号进行芯片间的信息传输，无需对硅衬底进行通孔工艺，避免了繁琐的硅通孔互连封装工艺，具有工艺难度低、易于实施、成本低等特点。

Description

一种多层硅片封装结构中的信息传输装置
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造领域，涉及一种多层硅片封装结构中的信息传输装置。
背景技术
随着微电子技术的不断发展，芯片制造工艺细微化，促使集成电路封装技术不断发展，现在，三维封装技术已被认为是未来集成电路封装的发展趋势，而且，三维封装技术已经由芯片级的堆叠芯片封装或者堆叠封装技术发展到了晶圆级的硅通孔(ThroughSilicon Via，TSV)互连封装技术。
硅通孔互连技术是通过在硅片和硅片之间制作垂直通孔，然后在硅片正面和背面形成互连微焊点，将多个集成电路功能模块如存储器、微处理器、光学传感器等直接堆叠起来而不用外部引线互连进行封装。硅通孔互连技术可以分为先通孔式(via first)和后通孔式(via last)两种。先通孔式技术就是在硅片上集成电路制造完成之前形成互连通孔，这种技术可以是在芯片制造的最初几步内形成硅通孔互连，也可以是在BEOL(Back-end ofLine)之前形成硅通孔互连。后通孔式技术则是在BEOL或者整个集成电路制造完成之后再进行硅通孔互连。硅通孔内的填充材料包括一个绝缘层和一个用于导电的金属层或者高掺杂的多晶硅。
请参阅图1，图1为现有技术中硅通孔互连结构的结构示意图；图1中具有若干层叠的半导体硅片10，半导体硅片10上具有TSV结构20，将若干半导体硅片10通过TSV结构20相连，以得到更好的封装密度。
但是，采用硅通孔互连封装技术的缺点是需要进行额外TSV的制造工艺，包括深孔光刻、刻蚀、清洗、介质淀积、阻挡层淀积、籽晶层淀积、铜电化学镀、铜化学机械抛光等工艺，TSV的制造工艺为本领域技术人员熟知，在此不再赘述，此外，TSV通孔结构不仅占用相当部分芯片面积，同时也增加工艺成本，由于其结构特点，还可能产生键合、可靠性等问题。
因此，本领域技术人员亟需提供一种多层硅片封装结构中的信息传输装置，以解决现有的硅通孔互连封装技术中工艺复杂、可靠性低、成本高的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多层硅片封装结构中的信息传输装置，以解决现有的硅通孔互连封装技术中工艺复杂、可靠性低、成本高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多层硅片封装结构中的信息传输装置，包括若干层叠放置的半导体硅片，各层半导体硅片上均设有光电转化器，通过互为发送光电信号从而实现半导体硅片中集成电路功能模块之间的信息传输；其中，所述光电转化器包括至少一个光发射器件及一个光接收器件以及至少一个光电转化控制电路，所述光电转化控制电路连接光发射器件及光接收器件，所述光发射器件及光接收器件在光电转化控制电路的控制下，将需要传输的电信号通过光发射器件转换为光信号输出，或者将接收到的光信号通过光接收器件转化为电信号输出。
优选的，所述光发射器件以及光接收器件通过金属互连线与半导体集成电路功能模块连接，与集成电路功能模块在制造过程中同时完成。
优选的，所述光发射器件的周围形成有呈环状的围栏结构，所述围栏结构内填充有金属材料，以使所述光发射器件发出的光的传输路径垂直于半导体硅片。
优选的，所述金属材料为钨。
优选的，所述围栏结构的下端延伸至半导体衬底中的浅沟槽隔离结构中。
优选的，所述光发射器件为发光二极管。
优选的，所述光接收器件为光敏二极管或光敏电阻。
优选的，所述光发射器件或光接收器件的有源区的禁带宽度小于半导体衬底的禁带宽度。
优选的，所述光发射器件或光接收器件的有源区的材质为锗硅或锗。
优选的，所述光发射器件上设有用于提高电导性的硅化物层。
与现有的方案相比，本发明提供的多层硅片封装结构中的信息传输装置，在集成电路制造过程中，在半导体硅片上同时制造光电转化器，利用光电信号进行芯片间的信息传输，无需对硅衬底进行通孔工艺，避免了繁琐的硅通孔互连封装工艺，相对于现有的硅通孔互连封装技术，具有工艺难度低、易于实施、成本低等特点，与现有半导体集成电路制造工艺兼容。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中硅通孔互连结构的结构示意图；
图2为本发明多层硅片封装结构中的信息传输装置的结构示意图；
图3为本发明多层硅片封装结构中的信息传输装置的结构剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图2、3对本发明的多层硅片封装结构中的信息传输装置进行详细说明。
如图2所示，本发明提供了一种多层硅片封装结构中的信息传输装置，包括若干层叠放置的半导体硅片10，各层半导体硅片10上均设有光电转化器30，通过互为发送光电信号从而实现半导体硅片中集成电路功能模块之间的信息传输。
其中，光电转化器包括至少一个光发射器件及一个光接收器件以及至少一个光电转化控制电路，光电转化控制电路连接光发射器件及光接收器件，光发射器件及光接收器件在光电转化控制电路的控制下，将需要传输的电信号通过光发射器件转换为光信号输出，或者将接收到的光信号通过光接收器件转化为电信号输出。
具体的，本实施例中，光发射器件以及光接收器件通过金属互连线与半导体集成电路功能模块实现电连接，在制作光电转化器件时，光电转化器件可与集成电路功能模块连接同时完成制作。同时，光电转化器中的光发射器件优选为发光二极管，光接收器件优选为光敏二极管或光敏电阻。
请参阅图3，光发射器件包括光发射器件的有源区31、硅化物层33以及金属互连线34；其中，光发射器件的有源区31的材质优选为GeSi或Ge，以使其发射光子能量小于半导体衬底11的禁带宽度，不致被半导体衬底11吸收，以顺利实现光信息的传输；硅化物层33用于提高电导性，光发射器件通过金属互连线34与集成电路功能模块连接。具体的，光发射器件的一极为P阱，另一极为n型SiGe或Ge，形成PN结；当该PN结正向导通时，载流子复合即发出光。
请继续参阅图3，光接收器件以光敏二极管为例，包括光接收器件的有源区32和金属互连34，其中光接收器件的有源区32的材质为与光发射器件的有源区31同时制造、且材质相同，即优选为GeSi或Ge。
此外，为解决光路传输的单一性问题，防止由于光发散造成相互干扰，本实施例中对光发射器件进行了准直性处理：在接触孔工艺时，在光发射器件周围形成环状的围栏结构35，围栏结构35内填充有金属材料；即制造出一圈不透光的围栏结构35以限制光的传播路径，使光发射器件发出的光沿大致垂直于硅片的方向传输，对光发射器件进行了准直性处理可提高光发射器件的发光指向性，能有效的防止被其它光接收器件所接收。
为了进一步提高围栏结构35对光传播路径的限制效果，围栏结构35的下端可延伸至半导体衬底11上的浅沟槽隔离结构18中，同时，围栏结构35内填充的金属材料优选为钨。
请参阅图3，各层半导体硅片上设有集成电路功能模块,具体的，集成电路功能模块包括位于半导体衬底11之上的p阱12,在p阱12两端由高掺杂n+区形成的源极13/漏极14,以及位于源极13和漏极14之间的栅极15，栅极15的下方设有栅氧化层16，栅极15的两侧具有侧墙结构17，半导体衬底11上还具有浅沟槽隔离结构18，关于集成电路的制作工艺为本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供的多层硅片封装结构中的信息传输装置，在集成电路制造过程中，在半导体硅片上制造光电转化器，利用光电信号进行芯片间的信息传输，无需对硅衬底进行通孔工艺，避免了繁琐的硅通孔互连封装工艺，相对于现有的硅通孔互连封装技术，具有工艺难度低、易于实施、成本低等特点，与现有半导体集成电路制造工艺兼容。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，包括若干层叠放置的半导体硅片，各层半导体硅片上均设有光电转化器，通过互为发送光电信号从而实现半导体硅片中集成电路功能模块之间的信息传输；
其中，所述光电转化器包括至少一个光发射器件及一个光接收器件以及至少一个光电转化控制电路，所述光电转化控制电路连接光发射器件及光接收器件，所述光发射器件及光接收器件在光电转化控制电路的控制下，将需要传输的电信号通过光发射器件转换为光信号输出，或者将接收到的光信号通过光接收器件转化为电信号输出，所述光发射器件包括光发射器件的有源区、硅化物层以及金属互连线；所述光接收器件包括光接收器件的有源区和金属互连线。
2.根据权利要求1所述的多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，所述光发射器件以及光接收器件通过金属互连线与半导体集成电路功能模块连接，与集成电路功能模块在制造过程中同时完成。
3.根据权利要求1所述的多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，所述光发射器件的周围形成有呈环状的围栏结构，所述围栏结构内填充有金属材料，以使所述光发射器件发出的光的传输路径垂直于半导体硅片。
4.根据权利要求3所述的多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，所述金属材料为钨。
5.根据权利要求3所述的多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，所述围栏结构的下端延伸至半导体衬底中的浅沟槽隔离结构中。
6.根据权利要求1所述的多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，所述光发射器件为发光二极管。
7.根据权利要求1所述的多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，所述光接收器件为光敏二极管或光敏电阻。
8.根据权利要求1所述的多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，所述光发射器件或光接收器件的有源区的禁带宽度小于半导体衬底的禁带宽度。
9.根据权利要求8所述的多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，所述光发射器件或光接收器件的有源区的材质为锗硅或锗。
10.根据权利要求1所述的多层硅片封装结构中的信息传输装置，其特征在于，所述光发射器件上设有用于提高电导性的硅化物层。
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