CN105428357B - 多源自供电集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多源自供电集成电路，包括多源能量采集器和集成电路，多源能量采集器和集成电路共同集成在P型或N型衬底上，多源能量采集器包括PN结和覆盖在PN结上的抗反射层；集成电路设置在与PN结相反一面的衬底上；多源能量采集器的P区和N区分别通过金属导线从衬底内部直接连接到集成电路，多源能量采集器采集能量后为集成电路供电。多源能量采集器还包括射频能源采集天线，射频能源采集天线设置在抗反射层上或者设置在与PN结相反一面的衬底上，或者同时在这两个面都设置；射频能源采集天线连接到集成电路，天线采集能量后为集成电路供电。本发明能采集多种能源，并能够长期稳定提供电量；能在各种极端险恶环境中使用。

Description

多源自供电集成电路
技术领域
本发明涉及多源自供电集成电路，具体涉及一种与双源能源采集器集成的自供电集成电路，属于能源采集与电路集成应用的技术领域。
背景技术
目前，能够高效、低成本地获取周围环境的能量并将其转换为电能以替代或增强电池或其他常规电源、为低功耗电子设备供电的发电技术正越来越多地得到应用；上述发电技术常包括光伏发电、压电式发电、电动式发电、温差电等形式，如何将多种发电技术综合利用、形成多种能源采集的技术目前鲜少出现。
在无线传感器网络(WSN)等的应用中，有大量用于远程探测环境和当地物理参数(如温度、压力、流速、补平、化学物质存在以及生物条件等)的传感器，此类传感器大多应用在极端、偏远地区甚至危险的环境中，当与传感器配套使用的电源发生电量耗尽或者产生故障时，更换电源十分不便，且可能给工作人员的人身安全带来危险，甚至有的传感器一旦安装后电源根本无法更换(比如检测飞行器表面缺陷的传感器)；此外，有些传感器需要长期使用几十年(如10～30年)，那么就需要提供长期稳定的可靠电量供应。所以，急需一种可以长期提供可靠电量供应以及能在各种极端险恶环境中使用的自供电系统。
虽然各种发电技术和集成电路已经分别有相关的报道，但是将多种能源采集技术与集成电路集成为一个器件是一项全新的技术，实现这一全新的技术需要解决一系列新的问题，如：如何将多种能源采集技术与集成电路集成在一块硅片衬底上；如何选择合适的材料以及制备工艺来保证器件良好的性能等。
发明内容
为了克服现有技术中存在的如下缺点：(1)现有的能源采集技术只能转化单一能源为电能；(2)现有自供电系统的能量采集部分和存储部分为分立的元件，体积和成本较大，不便于安装或更换；(3)现有的自供电系统尚未出现能量采集和集成电路相集成的技术；(4)不能稳定地长期提供电量；(5)不能在各种极端险恶环境中使用；而本发明提供了一种多源自供电集成电路，其能够采集多种能源，综合利用；体积小、成本低；长期稳定提供电量；能在各种极端险恶环境中使用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
多源自供电集成电路，包括多源能量采集器和集成电路，所述多源能量采集器和集成电路共同集成在P型或N型衬底上，所述多源能量采集器包括PN结和覆盖在PN结上的抗反射层；所述集成电路设置在与PN结相反一面的衬底上；所述多源能量采集器的P区和N区分别通过金属导线从所述衬底内部直接连接到集成电路，能量采集器采集能量后为集成电路供电。
所述多源能量采集器还包括射频能源采集天线，射频能源采集天线设置在抗反射层上或者设置在与PN结相反一面的衬底上，或者同时在这两个面都设置；所述射频能源采集天线连接到集成电路，天线采集能量后为集成电路供电。
进一步地，所述射频能源采集天线与集成电路之间还设有乘法电路。所述乘法电路设置在衬底外部或者集成在衬底内。
所述P区和N区分别设有重掺杂区，重掺杂区与集成电路相连。
一种多源自供电集成电路的制备方法，包括如下步骤：
(1)在P型或N型衬底上形成多源能量采集器的PN结，在具有PN结一面的衬底上通过绝缘体钝化工艺形成抗反射层；
(2)在与PN结相反一面的衬底上覆盖外延层，在外延层上利用集成电路制备工艺制备集成电路；
(3)通过光刻和刻蚀工艺在衬底内部形成两个连接孔，其中一个连接孔贯穿外延层并深入到衬底内部与P区连通，另外一个连接孔贯穿外延层并深入到衬底内部与N区连通；然后使用金属沉积工艺形成两条所述金属导线，分别连接到集成电路为其供电。
进一步地，在抗反射层的表面或者在与PN结相反一面的衬底上，或者同时在这两个表面上，通过金属淀积工艺形成射频能源采集天线；然后使用金属沉积、光刻、剥离或掩膜工艺形成金属连接线，将射频能源采集天线连接到集成电路为其供电。
进一步地，所述射频能源采集天线与集成电路之间还连接有乘法电路。所述乘法电路设置在衬底外部，或者与集成电路同时集成在衬底内。
在PN结的P区和N区内分别制备有重掺杂区，两个连接孔分别与重掺杂区连通。
本发明具有的有益效果如下：
(1)本发明能够综合采集多种能源。一体化的光伏太阳能电池和射频能源采集天线形成多能源采集系统，可以作为本发明自供电模块上的唯一电源或者备用电源。由于本发明有两种方式供电，避免了供电不稳定性的问题。
(2)本发明的多源自供电集成电路的优势是可以在险恶环境、不安全环境下，或者无电源或不可更换电池情况下，或者系统需要非常长期的运作(如10-30年)的情况下使用。
(3)本发明与传感器联合使用，可用于远程监视环境或其他当地条件敏感期间的数据，例如：在传感器网络中使用的对森林条件进行远程和持续时间较长的监测，以提供早期检测数据和森林火灾的位置，或者本发明用于检测飞行器的的表面缺陷等。
(4)本发明将光伏太阳能电池、射频能源采集天线以及集成电路集成设置在同一块硅片衬底上，体积缩小，成本大大降低。由于光伏太阳能电池和射频发电工艺与集成电路工艺兼容，所以几乎不增加生产成本，而且本发明外加能源采集器件成本较低，体积小。
(5)本发明能在各种环境中使用，如偏远地区、森林防火、不方便换电池、使用期长(10-30年)、节点过多、更换电池费用太高、电池对环境产生的污染等。
附图说明
图1是本发明的集成电路和太阳能电池的连接方式的示意图；
图2是实施例中的乘法电路的示意图；
图3是实施例中的射频能源采集天线的放大示意图；
其中，1-P型衬底(P区)，2-N区，3-抗反射层，4-射频能源采集天线，5-晶体管，6-集成电路联线，7-外延层，8-绝缘层，9-浅孔，10-深孔，11-栅极，12-源极，13-漏极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本实施例的多源自供电集成电路的结构如下：光伏太阳能电池和射频能源采集天线4以及集成电路共同制作在一个共同的P型衬底1上，光伏太阳能电池和射频能源采集天线4分别通过电路连接为集成电路提供能量。
衬底1为半导体硅片，该硅片的厚度约为700微米，可以是直径为100毫米、200毫米或300毫米的圆形或正方形的硅晶片。
如图1所示，在P型衬底1的背面，用N型掺杂剂形成一个掺杂的N区2，N区2的厚度约为1～2微米，其和P型衬底1(即P区)形成太阳能电池的PN结，还可以进一步地分别在PN结的P区和N区2内制备形成重掺杂区。其中，上述掺杂采用离子注入的方式(如磷、砷等离子)，后加一个或多个热退火工艺激活(如1000℃炉管内高温扩散约1小时，快速热退火800-1000℃(RTP)约1秒～3分钟，1100-1300℃激光退火约1秒-2分钟)，以上形成高效率的太阳能电池。
在P型衬底1的背面，覆盖一个或多个抗反射层3用作保护层，抗反射层3的材质可为氮化硅(SixNy)或氧化硅(SiOz)等具有高介电常数的绝缘材质，以上绝缘钝化工艺包括等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)和化学气相沉积法(CVD)等。
然后在抗反射层3的表面，通过金属沉积工艺(如溅射的方式)形成射频能源采集天线4，溅射的金属包括铝、金、银、钨、铜或氮化钛等；然后使用光刻或其他图形产生方式，如剥离(lift off)、掩膜(shadow mask)等和金属沉积工艺形成金属连接线，将射频能源采集天线4连接到集成电路为其供电。
在P型衬底1的正面，覆盖大约3微米厚的外延层7，在外延层7上设有集成电路(包括PMOS和NMOS晶体管5)和其它电路器件；该其他电路器件包括乘法电路(即电压倍增电路)，具体电路结构如图2所示，该乘法电路由标准集成电路工艺实现，由射频能源采集天线4输入能源，输出可以为集成电路供给能量。该乘法电路也可以不设置在外延层7上，而设置在衬底1的外部(如衬底背面或者外接分立电路)。
关于晶体管5的形成，采用掺杂制造步骤(正负离子的注入，如磷、砷、硼、氟化硼离子)以提供n型或p型区，然后再形成栅极11/电介质堆叠结构，再通过掺杂以提供p型或n型的源极12/漏极13(同一个晶体管的源极12和漏极13同为P型或者N型)栅极11和源极12、漏极13由金属硅化物或其他材料作为接触地层。集成电路还配有集成电路联线6。
在外延层7的表面形成一层或者多层绝缘层8，在最外层的绝缘层8上也可以设置有射频能源采集天线4。
射频能源采集天线4主要是用于采集能量，诸如射频能量等各种形式的能量，并将采集到的能量传送至集成电路，集成电路连接各种传感器，用于监测数据指标；相应的，射频能源采集天线4还能将集成电路中的存储的能量以诸如无线电信号方式进行能量发送，进而实现对其他器件结构的无线充电。为了提高射频能源采集天线4能量采集的效率及范围，本实施例中可将该射频能源采集天线4设置为如图3所示的包括非闭合的钩状结构的射频能量采集单元等结构。在具体的工艺过程中，可根据具体的需求或器件结构特点，还可将该射频能源采集天线4设置在其他区域，只要其能够有利于实现诸如光电等各种形式能量的采集或发送即可。
如图1所示，关于自供电集成电路和太阳能电池之间的连接方式如下：在外延层7上钻孔分别形成大小不一的两个连接孔，由于连接孔的大小不同，刻蚀以后形成的连接孔深浅不同，大的连接孔比较深，为深孔10，小的连接孔比较浅，为浅孔9。浅孔9贯穿整个外延层7并深入连通到衬底1的内部与P区相通，深孔10贯穿整个外延层7和P型衬底1并深入连通N区2；然后采用金属沉积工艺在浅孔9和深孔10内的空腔中形成两条金属导线，金属导线与集成电路联线6连接，通过浅孔9中的金属导线分别连接P型衬底1和集成电路的漏极13，深孔10中的金属导线分别连接N区2与集成电路的源极12。通过以上的连接方式，太阳能电池可以为自供电集成电路来提供能量。
本实施例制备多源自供电集成电路的具体步骤如下：
(1)在具有P型衬底1的表面上，旋涂光刻胶，并经固化显影后去除多余的光刻胶，形成具有图案的掩膜，依次采用固体扩散或离子注入的方式进行掺杂和退火，在P型衬底1上形成一个掺杂N区2，从而形成太阳能电池的PN结；另外，可以进一步分别在P区和N区2再掺杂形成重掺杂区。
(2)在具有PN结一面的衬底1上，通过PECVD或CVD方法形成保护层，该保护层优选的可为抗反射层3，材质可选为氮化硅(SixNy)或氧化硅(SiOz)，如二氧化硅等材质；然后，在抗反射层3的表面，通过溅射的方式形成射频能源
采集天线4，溅射的金属包括铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、钨(W)、铜(Cu)或氮化钛(TiN)等；然后使用光刻或其他图形产生方式，如剥离(lift off)、掩膜(shadow mask)等和金属沉积工艺形成金属连接线，将射频能源采集天线4连接到集成电路为其供电。射频能源采集天线4也可以叠加几次金属淀积工艺以形成厚金属膜。
(3)将上述结构进行翻转固定至预先提供的承载晶圆上，在PN结的背面的衬底1上设置大约3微米厚度的外延层7，在外延层7上设有PMOS和NMOS晶体管5以及乘法电路：乘法电路分别与射频能源采集天线4和集成电路连接，射频能源采集天线4采集能源后，通过乘法电路放大电压信号，为集成电路供给能量。
关于有PMOS和NMOS晶体管5的形成步骤如下：采用掺杂制造步骤(正负离子的注入，如磷、砷、硼、氟化硼离子)在外延层7上形成n型或p型区，然后形成栅电极/电介质堆叠结构，再通过掺杂方法来提供p型或n型源极/漏极，栅极和源极/漏极由金属硅化物或其他材料作为接触地层。
(4)通过光刻、刻蚀工艺在上述外延层7上钻孔，分别设有浅孔9和深孔10，浅孔9贯穿外延层7并深入连通到P型衬底1的内部，深孔10贯穿外延层7和P型衬底1并深入连通到N区2的内部。然后采用金属沉积工艺在浅孔9和深孔10内的空腔中形成两条金属导线；通过浅孔9中的金属导线分别连接P型衬底1的重掺杂区和晶体管5的漏极13，深孔10中的金属导线分别连接N区2的重掺杂区与晶体管5的源极12。通过以上的连接方式，太阳能电池可以为自供电集成电路来提供能量。
(5)在上述外延层7的表面上覆盖三层绝缘层8，在最外层的绝缘层8上也可以设置有射频能源采集天线4。
以上所述仅为本发明的一个优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.多源自供电集成电路，其特征在于，包括多源能量采集器和集成电路，所述多源能量采集器和集成电路共同集成在P型或N型衬底上，所述多源能量采集器包括PN结和覆盖在PN结上的抗反射层；所述集成电路设置在与PN结相反一面的衬底上；所述多源能量采集器的P区和N区分别通过金属导线从所述衬底内部直接连接到集成电路，能量采集器采集能量后为集成电路供电；所述多源能量采集器还包括射频能源采集天线，射频能源采集天线设置在抗反射层上或者设置在与PN结相反一面的衬底上，或者同时在这两个面都设置；所述射频能源采集天线连接到集成电路，天线采集能量后为集成电路供电；所述射频能量采集天线包括非闭合的钩状结构的射频能量采集单元，所述非闭合的钩状结构包括直线部分和钩子部分，其中直线部分的宽度小于钩子部分的宽度，钩子部分的开口面积小于闭合面积。
2.如权利要求1所述的多源自供电集成电路，其特征在于，所述射频能源采集天线与集成电路之间还设有乘法电路。
3.如权利要求2所述的多源自供电集成电路，其特征在于，所述乘法电路设置在衬底外部或者集成在衬底内。
4.如权利要求1至3之一所述的多源自供电集成电路，其特征在于，所述P区和N区分别设有重掺杂区，重掺杂区与集成电路相连。
5.一种如权利要求1所述的多源自供电集成电路的制备方法，其特征在于，
所述制备方法包括如下步骤：
(1)在P型或N型衬底上形成多源能量采集器的PN结，在具有PN结一面的衬底上通过绝缘体钝化工艺形成抗反射层；
(2)在与PN结相反一面的衬底上覆盖外延层，在外延层上利用集成电路制备工艺制备集成电路；
(3)通过光刻和刻蚀工艺在衬底内部形成两个连接孔，其中一个连接孔贯穿外延层并深入到衬底内部与P区连通，另外一个连接孔贯穿外延层并深入到衬底内部与N区连通；然后使用金属沉积工艺形成两条所述金属导线，分别连接到集成电路为其供电。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在抗反射层的表面或者在与PN结相反一面的衬底上，或者同时在这两个表面上，通过金属淀积工艺形成射频能源采集天线；然后使用金属沉积、光刻、剥离或掩膜工艺形成金属连接线，将射频能源采集天线连接到集成电路为其供电。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述射频能源采集天线与集成电路之间还连接有乘法电路。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述乘法电路设置在衬底外部，或者与集成电路同时集成在衬底内。
9.如权利要求5至8之一所述的制备方法，其特征在于，在PN结的P区和N区内分别制备有重掺杂区，两个连接孔分别与重掺杂区连通。
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