CN110349980A - 一种芯片的制造方法及芯片 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种芯片的制造方法及芯片。该方法包括：在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构；在半导体衬底的第二区域形成逻辑运算结构；第一区域与第二区域不重叠；在半导体衬底上形成导线；导线用于使能量转换结构与逻辑运算结构形成电连接；能量转换结构通过导线向逻辑运算结构提供电能；将能量转换结构与逻辑运算结构封装在一起，形成芯片。

Description

一种芯片的制造方法及芯片

技术领域

本申请实施例涉及半导体技术，涉及但不限于一种芯片的制造方法及芯片。

背景技术

通常芯片使用半导体材料制成。在半导体材料的晶圆表面经过离子注入、镀膜、光刻以及其他复杂的工艺制程，形成大规模集成电路。将制作完成的大规模集成电路通过封装得到能够应用于计算机、通信、航空航天、医疗以及农业等各领域的各类电子设备当中的芯片产品。

芯片具有强大的数据存储、运算等处理能力，芯片的处理能力是通过芯片中的电路对电信号的处理而实现的，因此，芯片的使用离不开电源所提供的能量。一般芯片都是仅包括逻辑运算结构，然后通过外接电源来获得能量的。然而，在实际应用中，并非所有场景都适合为芯片外接电源，或者外接电源会造成使用的不便，因此，如何方便地为芯片提供电能是现有技术中亟待解决的技术问题之一。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种芯片的制造方法及芯片。

本申请实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种芯片的制造方法，该方法包括：

在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构；

在所述半导体衬底的第二区域形成逻辑运算结构；所述第一区域与所述第二区域不重叠；

在所述半导体衬底上形成导线；所述导线用于使所述能量转换结构与所述逻辑运算结构形成电连接；所述能量转换结构通过所述导线向所述逻辑运算结构提供电能；

将所述能量转换结构与所述逻辑运算结构封装在一起，形成所述芯片。

第二方面，本申请实施例提供一种芯片，该芯片包括：封装在一起的能量转换结构与逻辑运算结构；

所述能量转换结构，形成于半导体衬底的第一区域；

所述逻辑运算结构，形成于所述半导体衬底的第二区域；所述第一区域与所述第二区域不重叠；

所述能量转换结构与所述逻辑运算结构之间通过导线形成电连接；所述能量转换结构通过所述导线向所述逻辑运算结构提供电能。

本申请实施例在同一半导体衬底上分别制作能量转换结构和逻辑运算结构，形成带有电源的芯片，通过能量转换结构向逻辑运算结构提供电能，从而使芯片能够直接进行指定的逻辑运算处理而无需连接外接的电源。如此，能够使芯片能够广泛应用于各种场景，避免了需要外接电源带来的不便。

附图说明

图1为芯片与电源构成的系统结构示意图；

图2为本申请实施例一种芯片的制造方法的实现流程示意图；

图3为本申请实施例一种芯片的制造方法的实现原理示意图；

图4为本申请实施例一种芯片的组成结构示意图。

具体实施方式

SOC(System on Chip，系统级芯片)作为一个具有专用目的的集成电路，其中通常包含完整系统并嵌入有软件的全部内容，可以直接应用而无需安装在其他系统中。但是，SOC通常需要外接电源来为系统进行供电，为一些应用场景带来了很多不便。图1为芯片与电源构成的系统结构示意图，如图1所示，该系统包括芯片10和插线电源11或太阳能电池12，芯片10与插线电源11或太阳能电池12构成的系统的制造，通常需要单独制作芯片和电源，然后通过外接的导线将芯片与电源连接起来。芯片通过导线获得电源提供的电能，然后经过运算处理后得到所需的电信号。

然而这种方式的芯片与电源的整合性较差，在使用过程中会带来诸多不便，例如，电源与芯片需要进行型号的匹配；电源与芯片的连接处容易损坏；电源与芯片组装并整合进电子设备中时，需要使用电源及芯片的结构和尺寸都符合要求的外壳等等。

本申请实施例基于上述问题，提出了一种将电源与芯片整合在一起的系统级芯片，能够通过自身的电源结构为大规模集成电路提供电能。下面结合附图和实施例进行详细说明。

图2为本申请实施例一种芯片的制造方法，如图2所示，该方法包括：

步骤101、在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构；

步骤102、在半导体衬底的第二区域形成逻辑运算结构；上述第一区域与第二区域不重叠；

步骤103、在半导体衬底上形成导线；

导线用于使能量转换结构与逻辑运算结构形成电连接；能像转换结构通过导线向逻辑运算结构提供电能；

步骤104、将能量转换结构与逻辑运算结构封装在一起，形成芯片。

这里，在同一半导体衬底的不同区域形成了不同的结构。在第一区域内，形成能够进行能量转换的结构，包括将其他形式的能量，如光能、化学能、热能等转换为电能的结构。例如，太阳能电池。在第二区域内，形成芯片中起到逻辑运算功能的结构，例如处理器或存储器等，由晶体管结构等电子元器件构成的逻辑运算电路。

在同一半导体衬底上，通过芯片级别的制造方法分别形成能量转换结构和逻辑运算结构，并形成连接能量转换结构和逻辑运算结构的导线。如此，包括能量转换结构在内的整个芯片系统都能够被整合在一起，然后通过封装形成一个完整的芯片。在使用过程中，逻辑运算结构不需要外加电源，而是利用芯片自身的能量转换结构获取电能，对于系统级芯片的应用带来了极大的便利。

在一些实施例中，上述在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构之前，该方法还包括：

步骤11、在半导体衬底上形成第一遮挡层。该第一遮挡层用于遮挡上述第二区域。

由于制作能量转换结构与制作逻辑运算结构采用的可能是不同的制造工艺，例如，制作太阳能电池时，需要对半导体衬底进行腐蚀形成绒面，这一过程则会破坏半导体衬底原有的结构，使其无法继续用于形成逻辑运算结构。

因此，这里采用覆盖遮挡层的方法，将需要形成逻辑运算结构的第二区域保护起来，然后再对第一区域进行处理，形成能量转换结构。

在一些实施例中，上述在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构之后，该方法还包括：

步骤12、去除第一遮挡层；

步骤13、在半导体衬底上形成第二遮挡层；第二遮挡层用于遮挡第一区域。

在完成能量转换结构的制作后，去除第一遮挡层，使第二区域重新暴露出来，以便进行逻辑运算结构的制作工艺。

但是逻辑运算结构的制作工艺也可能会破坏已经完成制作的能量转换结构，因此，这里还需要形成第二遮挡层，遮挡住已经形成能量转换结构的第一区域，保护能量转换结构不被后续的工艺所破坏。

在其他实施例中，上述避免能量转换结构与逻辑运算结构的制作过程互相影响的方法，还可以采用另一种方式：

即上述在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构，包括：

步骤21、在半导体衬底上形成能量转换结构；

步骤22、在第一区域形成第三遮挡层；第三遮挡层用于遮挡已经形成能量转换结构的第一区域；

步骤23、去除上述第三遮挡层未遮挡的区域的能量转换结构，是能量转换结构仅保留在第一区域。

这里，先不对半导体衬底进行遮挡处理，而是直接在整个半导体衬底上形成能量转换结构。然后，在第一区域形成第三遮挡层，保护第一区域的能量转换结构。

此时，第二区域裸露出来，但第二区域被能量转换结构所覆盖，需要将第二区域的能量转换结构去除掉才能够继续形成逻辑运算结构。因此，这里可以通过物理或化学的方式将第三遮挡层未覆盖的区域中的能量转换结构去除掉，例如，通过研磨或化学腐蚀等方式去除能量转换结构。

通过上述处理后，半导体衬底上的第一区域内具有能量转换结构，而其他区域则恢复为半导体衬底原有的结构，从而便于后续继续形成逻辑运算结构。

在其他实施例中，上述第二区域包含于第三遮挡层未遮挡的区域内；上述在半导体衬底的第二区域形成逻辑运算结构后，该方法还包括：

步骤24、去除第三遮挡层。

为了便于后续的处理，例如形成导线等步骤，在完成逻辑运算结构后需要将第三遮挡层去除掉。

如此，通过上述步骤就能够分别形成能量转换结构和逻辑运算结构，并且相互之间不会造成破坏或其他影响。

在一些实施例中，上述在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构包括以下步骤：

步骤31、对所述半导体衬底的第一区域进行腐蚀，形成绒面；

步骤32、在所述绒面使用杂质材料的进行扩散处理，形成PN结；所述PN结用于吸收光能，并将光能转换为电能；

步骤33、在所述第一区域的边缘进行刻蚀处理，形成绝缘沟槽；所述绝缘沟槽用于防止所述太阳能电池漏电；

步骤34、在所述PN结上形成第一金属电极；所述第一金属电极用于将所述PN结转换的电能导出。

通过上述几个基本步骤就能够形成一般的光电转换结构，例如太阳能电池。太阳能电池通过大面积的PN节吸收光能，通过光能激发出大量的导电粒子，从而形成电流。通过PN结上形成的第一金属电极和连接至逻辑运算结构的导线，就能够将电流提供至逻辑运算结构，从而使逻辑运算结构能够在没有外接电源的情况下就能够进行逻辑运算。

在其他实施例中，上述方法还包括：在逻辑运算结构上形成第二金属电极；第二金属电极用于获取能量转换结构提供的电能。

上述在半导体衬底上形成导线，包括：在第一金属电极与第二金属电极之间形成导线，连接第一金属电极和第二金属电极。

由于逻辑运算结构中包含若干相互连接的晶体管等元器件，获取电能使需要通过电源端口来获取电能供应整个电路结构的运行。在该电源端口形成金属电极后，能够便于形成导线。在形成导线时，只需要将第一金属电极和第二金属电极对应连接起来，形成一个完整的通路，就可以利用能量转换结构相逻辑运算结构提供电能，使逻辑运算结构能够独立运行。

在一些实施例中，上述在半导体衬底的第二区域形成逻辑运算结构，包括：

步骤41、在半导体衬底的第二区域进行光刻，形成图形化区域；

步骤42、在图形化区域进行离子注入，形成至少一个源级和一个漏极；

步骤43、在至少一个源级和一个漏极之间形成栅绝缘层；

步骤44、在栅绝缘层上形成导电层；导电层和栅绝缘层构成栅极；栅极和至少一个源级和一个漏极构成晶体管；

步骤45、在至少两个晶体管之间形成导电层，使至少两个晶体管构成逻辑运算结构。

上述步骤包括形成逻辑运算结构的基本步骤，这里的逻辑运算结构包括处理器、存储器等各种常用的结构。对于实现不同功能的逻辑运算结构，上述方法还可以包含其他步骤或重复多次上述步骤等，具体实现方式可以根据实际应用来进行设定。

在一些实施例中，上述将能量转换结构与逻辑运算结构封装在一起，形成芯片，包括：

步骤51、将能量转换结构与逻辑运算结构同时从半导体衬底上切割下来，得到裸片；

步骤52、对裸片进行封装，形成芯片。

由于一片半导体衬底上可以形成多个芯片，数量与分布的位置可以根据芯片中能量转换结构与逻辑运算结构的尺寸来设定。再生产过程中，可以同时制作一片半导体衬底上的多个能量转换结构，再同时制作多个对应的逻辑运算结构，从而提升生产效率。

完成上述制作步骤后，可以将每个单独的能量转换结构与对应的逻辑运算结构同时从半导体衬底上切割下来，得到的是未经封装的裸片，裸片已经具有芯片的基本功能，但是不便于运输和使用。

因此，还需要对裸片进行封装，封装后就得到了成品芯片，能够直接进行使用。

通过上述方法，就能够在同一半导体衬底上分别形成能量转换结构和逻辑运算结构，并通过能量转换结构直接向逻辑运算结构提供电能，具有很好的整合性，无需外接电源。尤其是针对系统级芯片，为使用提供了极大的便利。

本申请实施例提供又一种芯片的制造方法，该方法包括：

步骤1、在半导体衬底上形成能量转化结构；

如图3所示，在半导体衬底20的表面先形成能量转换结构21，这里的能量转换结构21可以为太阳能电池，由于太阳能电池和逻辑运算器，例如处理器和存储器等由晶体管构成的逻辑运算结构等都是以半导体衬底为基底制作而成的，因此，可以在半导体衬底的一部分区域上形成太阳能电池后，在其他区域上制作逻辑运算结构22。

上述太阳能电池21用于为逻辑运算结构22提供电能，因此，需要将太阳能电池21提供的电信号引出到逻辑运算结构22。

由于太阳能电池21为PN结组成的板状电池，需要通过电极将转化太阳能得到的电信号引出。因此，这里还需要在PN结上形成金属电极，用于连接导线，进而将PN结所转换得到的电信号引出。

太阳能电池的制作包括以下几个步骤：

第一，准备半导体衬底，半导体衬底由半导体材料制成，例如硅片等；

第二，对上述半导体衬底进行清洗和制绒；

使用化学碱或酸对半导体衬底进行腐蚀，去除半导体衬底表面机械损伤层，并在半导体衬底表面形成金字塔结构的绒面从而减少光的反射，增加半导体衬底对太阳能的吸收。

第三，扩散和刻蚀；

在半导体衬底的上述太阳能电池进行杂质材料的扩散处理，形成PN结。通过PN结，太阳能电池就能够将接收到的太阳能转化为电能；然后，使用激光刻蚀的方法形成绝缘沟槽，从而减少太阳能电池所形成电流的泄漏。

第四，形成金属电极。

形成金属电极可以采用PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)的方式，将金属粒子沉积在PN结所在的表面，形成金属层；然后可以再通过刻蚀的方法去除多余的金属材料，保留电极所在位置的金属层，从而形成金属电极。

步骤2、在上述半导体衬底上形成逻辑运算结构；

完成上述太阳能电池的制作后，在上述半导体衬底上继续进行逻辑运算结构的制作。主要包括以下几个步骤：

第一，在半导体衬底上需要形成逻辑运算结构的区域进行光刻，形成图形化区域；

第二，在上述图形化区域进行离子注入，形成至少一个源级和一个漏极；因为一个MOS晶体管通常包括一个源极和一个漏极，源极和漏极之间是由半导体材料形成的沟道。源级与漏极的结构是相同的，因此，在形成源级或漏极时不需要特别区分。

第三，在源级和漏极之间的区域上方形成栅绝缘层；

第四，在所述栅绝缘层上形成导电层；导电层和栅绝缘层用于构成栅极；栅极与至少一个源级和一个漏极构成晶体管；

上述沟道上方是由栅绝缘层和导电层组成的栅极，在栅极施加电压后，沟道中形成导电通路，源极和漏极之间存在电压差时就能够产生电流。

第五，在至少两个所述晶体管之间形成导电层，使所述至少两个晶体管构成所述逻辑运算结构；

逻辑运算结构是由多个晶体管通过不同的连接方式形成的不同的逻辑运算单元所组成的，也就是形成大规模集成电路的基本过程。

第六，形成金属电极。

由于逻辑运算结构需要从太阳能电池获取电能，因此，这里还需要在逻辑运算结构中的电源端形成金属电极，用于获取太阳能电池提供的电信号。

形成金属电极的方法可以通过PVD的方式形成金属层，然后通过刻蚀的方法去除掉多余的金属，保留电极处的金属层，从而形成金属电极。

步骤3、在上述太阳能电池与上述逻辑运算结构之间形成导线；导线用于使太阳能电池与逻辑运算结构之间形成电连接；

上述太阳能电池与逻辑运算结构都具有对应的金属电极，因此，这里采用金属材料使太阳能电池的金属电极与逻辑运算结构的金属电极连接起来，就形成了金属导线。

形成上述导线可以采用上述PVD的方式，也可以通过打线的方式来实现。

步骤4、将太阳能电池与相连接的逻辑运算结构同时从半导体衬底上切割下来；

步骤5、进行封装，封装后要使太阳能电池的接收面裸露出来。

在一块半导体衬底上可以制作多个太阳能电池与逻辑运算结构，对于一个芯片，可以具有一个太阳能电池和对应连接的一组逻辑运算结构。进行封装时，可以先将太阳能电池与对应连接的逻辑运算结构从半导体衬底上切割下来，得到裸片。然后将对裸片进行封装，包括制作芯片外壳以及管脚等等，封装完成后就形成了能够使用的芯片。对于片上系统，一个芯片能够作为一个独立完成某些运算功能的完整系统，在封装时还可以制作对应的其他部件，例如参数显示装置等等。

由于本实施例中的芯片带有太阳能电池的结构，因此，在封装时要注意将太阳能电池的接收面裸露出来，用于接收太阳光的照射。

在上述制作的过程中，可以先通过形成遮挡层的方式遮挡住需要形成逻辑运算结构、导线和其他不需要形成太阳能电池的区域，仅裸露出半导体衬底上需要形成太阳能电池的区域，然后再制作太阳能电池，防止制作过程中破坏半导体衬底的其他区域。

然后再去除遮挡层，再用同样的方法形成新的遮挡层，遮挡住太阳能电池和不需要形成逻辑运算结构的其他区域，然后再制作逻辑运算结构。

当然，也可以先进行相应的遮挡，制作逻辑运算结构，然后再制作太阳能电池。在实际应用中，可以根据实际情况而设定制作的顺序。

除此之外，也可以先不对半导体衬底进行遮挡，直接对半导体衬底进行处理，制作太阳能电池，这时，在整个半导体衬底的表面形成了太阳能电池的结构，而需要形成逻辑运算结构的区域则被破坏。因此，需要将这些区域恢复到半导体衬底的原有结构。这里，在需要形成太阳能电池的区域形成遮挡层，保护已经形成的太阳能电池。然后，去除其他区域的太阳能电池的结构，在其他区域重新得到半导体的表面，用来形成逻辑运算结构等。去除太阳能电池的结构可以采用研磨或腐蚀的方式，去掉已经被破坏的半导体衬底，使半导体衬底重新露出半导体结构的表面。

本申请实施例还提供一种芯片，如图4所示，该芯片包括：封装在一起的能量转换结构100与逻辑运算结构200；

能量转换结构100，形成于半导体衬底的第一区域；

逻辑运算结构200，形成于半导体衬底的第二区域；第一区域与第二区域不重叠；

上述能量转换结构100与逻辑运算结构200之间通过导线300形成电连接；能量转换结构100通过导线300向逻辑运算结构200提供电能。

这里，逻辑运算结构200与能量转换结构100均形成在同一半导体衬底上，完成制作后，则封装在一起，如此，就得到了自带电源的芯片。该芯片可以是系统级芯片，能够单独使用并实现特定的逻辑运算功能，而不需要外接电源。因此，本申请实施例所提供的芯片能够广泛应用于各种场景，避免了需要外接电源而带来的不便。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本申请的实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构；

在所述半导体衬底的第二区域形成逻辑运算结构；所述第一区域与所述第二区域不重叠；

在所述半导体衬底上形成导线；所述导线用于使所述能量转换结构与所述逻辑运算结构形成电连接；所述能量转换结构通过所述导线向所述逻辑运算结构提供电能；

将所述能量转换结构与所述逻辑运算结构封装在一起，形成所述芯片。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构前，所述方法还包括：

在所述半导体衬底上形成第一遮挡层；所述第一遮挡层用于遮挡所述第二区域。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构后，所述方法还包括：

去除所述第一遮挡层；

在所述半导体衬底上形成第二遮挡层；所述第二遮挡层用于遮挡所述第一区域。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构，包括：

在半导体衬底上形成能量转换结构；

在所述第一区域形成第三遮挡层；所述第三遮挡层用于遮挡已经形成能量转换结构的所述第一区域；

去除所述第三遮挡层未遮挡的区域的所述能量转换结构，使所述能量转换结构仅保留在所述第一区域。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第二区域包含于所述第三遮挡层未遮挡的区域内；

所述在所述半导体衬底的第二区域形成逻辑运算结构后，所述方法还包括：

去除所述第三遮挡层。

6.根据权利要求1至5任一所述的制造方法，其特征在于，所述在半导体衬底的第一区域形成能量转换结构，包括：

对所述半导体衬底的第一区域进行腐蚀，形成绒面；

在所述绒面使用杂质材料进行扩散处理，形成PN结；所述PN结用于吸收光能，并将光能转换为电能；

在所述第一区域的边缘进行刻蚀处理，形成绝缘沟槽；所述绝缘沟槽用于防止所述太阳能电池漏电；

在所述PN结上形成第一金属电极；所述第一金属电极用于将所述PN结转换的电能导出。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述逻辑运算结构上形成第二金属电极；所述第二金属电极用于获取所述能量转换结构提供的电能；

所述在所述半导体衬底上形成导线，包括：在所述第一金属电极与所述第二金属电极之间形成导线，连接所述第一金属电极和所述第二金属电极。

8.根据权利要求1至5任一所述的制造方法，其特征在于，所述在所述半导体衬底的第二区域形成逻辑运算结构，包括：

在所述半导体衬底的第二区域进行光刻，形成图形化区域；

在所述图形化区域进行离子注入，形成至少一个源级和一个漏极；

在所述至少一个源级和一个漏极之间形成栅绝缘层；

在所述栅绝缘层上形成导电层；所述导电层和所述栅绝缘层构成栅极；所述栅极和所述至少一个源级和一个漏极构成晶体管；

在至少两个所述晶体管之间形成导电层，使所述至少两个晶体管构成所述逻辑运算结构。

9.根据权利要求1至5任一所述的制造方法，其特征在于，所述将所述能量转换结构与所述逻辑运算结构封装在一起，形成所述芯片，包括：

将所述能量转换结构与所述逻辑运算结构同时从所述半导体衬底上切割下来，得到裸片；

对所述裸片进行封装，形成所述芯片。

10.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括：封装在一起的能量转换结构与逻辑运算结构；

所述能量转换结构，形成于半导体衬底的第一区域；

所述逻辑运算结构，形成于所述半导体衬底的第二区域；所述第一区域与所述第二区域不重叠；

所述能量转换结构与所述逻辑运算结构之间通过导线形成电连接；所述能量转换结构通过所述导线向所述逻辑运算结构提供电能。