CN1890818A - 具有单片集成的互阻抗放大器和分析电子单元的光电探测器以及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明应该这样地构造光电探测器(10)，使得在现有技术中的用于小的待处理的光功率的探测器中不产生缺点，特别是当涉及具有分析电子单元的单片集成时。对此提出了一种用于小的待处理的光功率的、具有单片集成的互阻抗放大器和分析电子单元的光电探测器。本来的光电池部分(20)被分配给所述的一个芯片面，光优选地在该面上入射。电子电路部分(30)被设置在相反的芯片面上。在光电池和电子电路之间的电连接(40)以在与芯片法线的垂直线方向上的伸展而存在。
Description
已描述了用于小的待处理的光功率的光电探测器的结构性构造，在该光电探测器中，光敏元件(光电池)与互阻抗放大器及相应的分析电子单元被单片地集成，其中提出了光敏元件和电子电路的垂直布置。这具有提高光电探测器的敏感性和在芯片表面上节省位置(单片解决方案)的优点。在组装中节省开销，因为该芯片壳体可以被更小并且更简单地形成。
在光电系统例如光耦合器、用于IR遥控的红外接收器电路，图像传感器或CD/DVD光电探测器IC中，由于对“光至电压—转换”的极为不同的要求，所以存在不同的工艺上的实现方案。人们将完全集成的电路与双芯片解决方案区别开，完全集成的电路将探测器(大多数情况下为光电二极管)和所属的电子单元一起集成到一个芯片上，在双芯片解决方案中，探测器作为分离的芯片通过压焊丝(Bonddraht)与放大器电子单元和分析电子单元电连接。
完全集成解决方案另外能够实现直接的信号处理并且由此特别适合于非常高的速度/数据率(例如CD/DVD PDIC’s-PDIC是光电探测器集成电路)。当多个光学信号在位置上紧密相邻并且必须被同时探测时(例如扫描仪行、图像传感器、测量任务)，完全的集成系统是不可缺少的。
对于具有小的待处理的光功率的应用需要较大的探测器表面。这些探测器表面不再能够经济地与处理信号的电路部分共同被集成。原因在于，由于集成的放大电子单元和分析电子单元，要使用复杂的并且由此昂贵的制造过程(CMOS，BiCMOS)。对于工艺上较早的简陋的大探测器表面(例如光电二极管表面)，这样会产生同样的、高的、工艺引起的费用。由此在现今对于小光功率可用的双芯片解决方案中，对于要求的系统的不同芯片使用了最佳匹配的半导体工艺。然而由此形成了附加的安装费用、增大的位置需求以及由此更大的壳体。通过探测器芯片与处理信号的IC的、借助键合连接的电连接，此外可能更容易被电磁辐射干扰。特别在传统的用于红外遥控的IR接收器模块中是这样的，这些模块在电视机中被安装在显像管或LC显示器的环境中。这只有通过更复杂的并且由此更昂贵的壳体来补偿，也可以参见Sharp技术说明表，附件GP1UE26RK.pdf。
本发明的任务在于，这样地构造光电探测器，使得当涉及具有分析电子单元的单片集成时，所描述的、在现有技术中在用于低的待处理的光功率的探测器中出现的缺点被克服。
该任务以在权利要求1、7或10中说明的特征被解决。
权利要求1的技术方案具有这些优点，即探测器的光敏的表面几乎可以在相应于芯片大小的整个表面上伸展，并且该面积大小也可以被用于放大器电路和/或另外的信号处理的集成。在此，工艺上的制造花费由于光电池区域与集成电路经过垂直地(与芯片法线平行地)延伸的掺杂沟道的垂直连接、例如通过被改良的绝缘沟道(Trench)被轻微地增大；然而整个系统的所需的面积和另外的后续成本被大比例地降低。由于紧凑的结构方式，此外相对于传统的双芯片解决方案还有参数上的优点。
权利要求1的主题的有利的扩展方案在从属权利要求中被说明。
在此，特别有利的是在其扩展方案中作为在光电池和电子电路之间的电连接使用的(被改良的)沟道。
本发明将借助实施例进一步被说明。附图是可自身说明的并且仅仅需要简短的进一步说明。
图1是光电池20和电子电路30的、根据本发明的垂直设置的第一实施例的示意性示图，它们通过被改良的沟道(Trench)电连接40，它们都在单片的集成中。
图2是在壳体60中的垂直集成的探测器系统的示意性示图，其中包封的封装材料61对于信号波长的光是透明的。
图1a是光电池和电子电路的、根据本发明的垂直设置的一种另外的实施例的示意性示图，它们通过被改良的沟道(Trench)电连接，在单片的集成中。
图2a是在壳体中的垂直的集成探测器系统的一种另外的示意性示图，其中包装的封装材料对于信号波长的光是透明的。
为了制造单片的光电探测器10可以如下进行：
对于所有实施例，原始材料都是高阻的硅晶片(100至1000Ohm*cm)，例如p导电型的硅片。例如借助磷离子注入从所述的一个晶片面V向内进入其里面地进行掩模的(掩模限制的)转掺杂(Umdotierung)。该掩模可以几乎打开整个以后的芯片面积。在合适的退火之后(该退火可以与氧化一同进行，其中氧化的等级则用作调正辅助)在非相反的晶片面V上以更高的掺杂(5...50Ohm*cm)以及在10...25μm范围内的厚度进行以与原始晶片相同导电类型的外延。
通过该外延层28，引入了局部的掺杂用于现在被掩埋的、被转掺杂的层29的接触(Kontaktierung)，该层形成了光电池的主要部分。这可以通过已公开的槽扩散(Sinker-Diffusion)进行。在所示的实施例中产生了掺杂，其方式是深的绝缘沟道41(Trenchs)被蚀刻直到被掩埋的层29，并且随后其侧壁41a、41b借助适当地倾斜的离子注入被掺杂。随后开口被以多晶硅填充。
同样可能的是，隔离沟道以被掺杂的多晶硅填充并且放弃所提及的侧壁注入。
若该隔离沟道被封闭并且被平面化，则在该外延的晶片面上开始通常的CMOS或BiCOMS过程。在一定程度上被掩埋的光电池20通过隔离沟道41或在另外的实施例中通过隔离沟道40与在表面上的电路30相连。
电路30的布局这样地被构造，使得被掩埋的光电池(例如二极管)的接触区域41或40被直接包括在内，以实现理想的短的连接路径。在光电池和电子电路之间存在电连接(40)这些电连接具有在至芯片平面的垂线(法线)方向上的伸展。
在传统的半导体制造过程结束之后，在背离电子电路的面R上进行整个半导体晶片的薄化(Abdünnen)并且必要时在晶片背面R上淀积一个防反射层(ARC)21。在晶片分离之后这样制造的芯片随后被头朝上地(即以电路30向下地)安装至印刷电路板上(倒装芯片技术(Flip Chip-Technik))，这样光电池20以其上表面指向上方并且是可达到的。该倒装芯片技术对于最佳地充分利用具有该电路的探测器的垂直集成是有利的。
然而也可能，芯片传统地借助用于工作电压和输出信号的键合连接以“引线上芯片(Chip on Lead)”技术被构造在“净模(Clear-Mold)”壳体中。在此，从一侧(电子单元侧)或另外一侧(探测器侧)的照明都是可能的。
为小的待处理的光功率而设置的光电探测器由此具有单片集成的互阻抗放大器和分析电子单元。一个本来的光电池部分配置给所述的一个芯片面。光优选地从该面上入射。电子电路部分被设置在相反的芯片面上。在光电池和该(这些)电子电路之间存在一些电连接，并在与芯片平面垂直的方向上延伸。
入射光的光电检测这样地进行，使得光射到背面或正面上，并且视波长而定地在第一的10μm至20μm中生成电子/空穴对。
这些电子/空穴对扩散到被掩埋的二极管的空间电荷区并且在那里视布线而定地生成光电压或光电流，其信号被位于其上的CMOS或BiCMOS电路30分析并且处理，这里即存在单片集成的互阻抗放大器和分析电子单元。
在光电池部分和电子电路之间的电连接通过在确定区域中被掺杂的、特别填充的沟道(Trenchs)形成，其中这些被特别填充的沟道具有被掺杂的侧壁，这些侧壁在光电池和电子电路之间形成电连接。
这些被特别填充的沟道可以以被掺杂的多晶硅填充，该多晶硅在光电池和电子电路之间形成电连接，其中这些被特别填充的沟道也可以被用于不同芯片区域的不导电的隔离(Isolation)。
参考标号表
10 在单片集成(单晶)中的光电探测器
20 光电池部分
30 电子电路部分
40 电连接
41 导电的分隔沟道
60 壳体
61 封装材料
Claims (19)
1.用于小的待处理的光功率的、具有单片集成的互阻抗放大器和分析电子单元的光电探测器，其中
一个本来的光电池部分(20)被配置给一个芯片面(R)，光(L)优选地从该面入射，
一个电子电路部分(30)被设置在相反的芯片面上(V)；
在该光电池部分(20)和该电子电路部分(30)之间存在一些电连接(40，41)，这些电连接具有在与一个垂直线(芯片法线)平行的方向上的伸展，或者具有在与芯片平面垂直的方向上的伸展。
2.根据权利要求1的光电探测器，其中在该光电池部分(20)和该电子电路部分(30)之间的这些电连接通过一些在一些确定区域中被掺杂的(特定地)填充的沟道(Trenchs)来形成(40，41)，特别是在晶体的半导体中连续延伸地形成。
3.根据权利要求1和2的光电探测器，其中这些被填充的沟道具有一些(导电地)被掺杂的侧壁(41a，41b)，它们在该光电池部分(20)和该电子电路部分(30)之间形成所述至少一个电连接，特别是在晶体的半导体中连续延伸地形成。
4.根据权利要求1和2的光电探测器，其中被填充的沟道(40，41)以被掺杂的多晶硅填充，该多晶硅在该光电池部分(20)和该电子电路之间形成所述电连接。
5.根据权利要求1至4之一的光电探测器，其中这些被填充的沟道也被用于不同的芯片区域的不导电的隔离(Isolation)。
6.根据权利要求1至5之一的光电探测器，其中它以CMOS过程或BiCMOS过程来制造。
7.用于制造根据权利要求1的、用于小的待处理的光功率的、具有单片集成的互阻抗放大器和分析电子单元(30)的光电探测器的方法，主要具有以下的制造步骤：
-在一个晶片中使用一个第一导电类型的、特别是p导电类型的高阻的硅(100至1000Ohm*cm)作为原始材料，
-特别是通过离子注入进行一个区域的、向相反导电类型的、掩模限制的转掺杂，并具有接着的、在对于分析电子单元(30)设置的晶片面(V)上的退火；
-在所述一个晶片面上以在5至50Ohm*cm范围内的掺杂进行外延，用于产生厚度基本上为10至25μm的、并且具有原始材料的的第一导电类型的层；
-借助通过槽扩散(Sinker-Diffusion)或通过包含被掺杂区域的、(特定地)被填充的沟道(Trenchs)形成外延层的局部掺杂，进行现在被掩埋的、被转掺杂的层(根据第二步骤)的接触；
-平面化具有该外延层的晶片面的表面的至少这些被填充的沟道；
-执行一个(通常的)CMOS过程或BiCMOS过程，用于在所述一个晶片面制造集成的电子电路(30)；
-在另一面上薄化该晶片，
-特别是在所述一个面上施加一个防反射层；
-分离和安装这些芯片以及以一种在光电探测器的敏感范围中光学透明的封装材料(61)包封。
8.根据权利要求7的用于制造光电探测器的方法，其中
-在所述分离之后，以所述一个面(探测器面)进行芯片到一个COL(引线上芯片)引线框架(Trgerstreifen)上的安装，并且以传统方式通过压焊丝进行电连接。
9.根据权利要求7的用于制造光电探测器的方法，其中
-在所述分离之后，以所述电子电路(30)的该面进行所述至少一个芯片到一个印刷电路板或一个引线框架(芯片引线框架)上的安装；
-以一种在该光电探测器的敏感范围中光学透明的封装材料(61)包封该被安装的芯片(10)。
10.用于小的待处理的光功率的、具有单片集成的互阻抗放大器和分析电子单元的光电探测器，即不但光电池部分而且分析电子单元(20，30)都被实现在相同的单晶的半导体材料中，
其中被掩埋的光电池部分和设置于其上的电子电路部分被配置给该芯片正面(V)；
在该光电池部分和该电子电路之间在芯片法线方向上或与该芯片法线平行的方向上存在沟道(40，41)形式的一些电连接；
以便让待检测的光从该芯片背面(R)入射(参见图1)。
11.根据权利要求10的单片的光电探测器，其中该芯片背面被构造用于接收该待检测的光(参见图1，1a)。
12.根据权利要求10的单片的光电探测器，其中在该光电池部分和该电子电路之间的这些电连接(40)通过在一些确定的区域中被掺杂的、一些特定地填充的沟道(Trenches)来形成并且仅仅位于单晶的半导体材料内部。
13.根据权利要求10至12之一的单片的光电探测器，其中这些被填充的、仅仅位于该单晶的半导体材料内部的沟道(40)被连续地掺杂并且由此具有连续导电的侧壁(41a，41b)，这些侧壁在该光电池和该电子电路之间建立这些电连接。
14.根据权利要求10至12之一的单片的光电探测器，其中该被特定地填充的沟道(41)以被掺杂的多晶硅填充，该多晶硅在该光电池和该电子电路之间建立这些电连接。
15.根据权利要求10至14之一的单片的光电探测器，其中这些被填充的沟道将不同的芯片区域不导电地隔离(Isolation)。
16.根据权利要求10至15之一的单片的光电探测器，其中它以CMOS过程或BiCMOS过程制造。
17.用于制造根据权利要求1的、用于小的待处理的光功率的、具有单片集成的互阻抗放大器和分析电子单元的光电探测器的方法，其特征在于具有以下的制造步骤：
7.1)使用该一种导电类型的、高阻的硅(100至1000Ohmcm)，
7.2)优选地通过离子注入进行一个区域的、向相反导电类型的、掩模限制的转掺杂，并具有接着的、在该(以后承载该电子单元的)晶片正面上的退火，
7.3)在该晶片正面上以5至50Ohmcm范围之间的掺杂进行外延，用于产生厚度为10至25μm的、并且具有该原始材料的导电类型的一个层；
7.A1)借助一些特定地被填充的沟道(Trenches)进行该掩模限制的、现在被掩埋的、被转掺杂的层(根据步骤7.2)的接触，
7.A2)进行在该晶片正面上的、这些被特定地填充的沟道的平面化，
7.4)执行一个通常的CMOS过程或BiCMOS过程，用于在该晶片正面上制造该集成的电子电路，
7.5)从该晶片背面薄化该半导体晶片，
7.6)在分离之后，以该正面(该电子电路的面)向下地将芯片安装到印刷电路板或一个引线框架(芯片引线框架)上，并且以一种在该光电探测器的敏感范围中光学透明的封装材料包封。
18.根据权利要求17的方法，其中通过连续的编号来确定一个次序。
19.根据权利要求17的方法，其中该步骤17.A1和随后的17.A2总是在17.3之后进行，然而替代地也在17.4后或在该步骤17.4的方法复合体内被实施。
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