半导体器件的制作方法

包括说明书、附图和摘要的、于2017年6月29日提交的日本专利申请号2017-126865的公开内容以整体内容通过引用并入本文。

本发明涉及半导体器件，并且更具体地，涉及对于具有多沟道光电耦合器的半导体器件有用的技术。

背景技术：

日本未经审查的专利申请公开号2008-235599公开了多沟道光电耦合器的结构和用于操纵其的方法。多沟道光电耦合器包括两个光发射元件14和两个光接收区11，其中，一个光发射元件14通过透明的第一树脂13光学地耦合到一个光接收元件11。换句话说，透明的第一树脂13被提供用于每个沟道并且多个透明的第一树脂13由不透明的第二树脂15光学地分离。

技术实现要素：

期望具有多沟道光电耦合器的半导体器件是紧凑的。

本发明的以上和其他目标和新颖特征将从本说明书中和附图中的以下详细描述而更完全地出现。

根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，其包括：第一光发射元件，其发射具有第一波长的第一光以发送第一信号；第二光发射元件，其发射具有第二波长的第二光以发送第二信号；第一光接收元件，其接收第一光以接收第一信号；以及第二光接收元件，其在平面图中重叠第一光接收元件，并且接收透过第一光接收元件的第二光以接收第二信号。

根据本发明，提供了紧凑的半导体器件。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的半导体器件的结构的电路图；

图2是示出根据实施例的半导体器件的结构的平面图；

图3是沿着图2的线x1-x1截取的剖视图；

图4是根据实施例的半导体器件的主要部分的平面图；

图5是沿着图4的线x2-x2截取的剖视图；

图6是示出根据实施例的半导体器件的结构的示意图；

图7是示出硅的光吸收系数和光透射长度对波长的依赖性的图；

图8是示出根据实施例的第一光接收元件的灵敏度对波长的依赖性的图；

图9是示出根据实施例的第二光接收元件的灵敏度对波长的依赖性的图形；

图10是根据变型1的半导体器件的主要部分的平面图；

图11是根据变型2的半导体器件的主要部分的平面图；以及

图12是根据变型3的半导体器件的主要部分的平面图。

具体实施方式

本发明的优选的实施例将在下文在不同的章节中或者根据需要或者出于方便的缘故分离地被描述，但是除非另外说明，否则如此所描述的实施例彼此不相关。一个实施例可以全部或部分地是另一个的修改、详细或者补充形式。而且，在下文所描述的优选的实施例中，当用于元件的数值信息(件数、数值、数量、范围等)由特定数字给定时，除非另外说明，否则其不限于特定数目或者理论上限于特定数目。其可以大于或小于特定数目。在下文所描述的优选的实施例中，显而易见地，除非另外说明，否则构成元件(包括构成步骤)不必是必要的或者被认为是理论上必要的。类似地，在下文所描述的优选的实施例中，当特定形式或者位置关系被指示用于元件时，其应当解译为包括除非另外说明否则基本上近似或类似于特定形式或位置关系或理论上限于特定形式或位置关系的形式或位置关系。对于以上数值信息和范围同样如此。

然后，优选的实施例将参考附图来描述。在图示优选的实施例的所有附图中，具有相同功能的构件由相同附图标记指定并且不重复其描述。在优选的实施例的描述中，除非需要，否则基本上不重复地描述相同或类似元件。

在描述实施例使用的附图中，为了容易理解，剖面线可以甚至在剖视图中被省略。而且，为了容易理解，剖面线可以甚至在平面图中被使用。

实施例

<半导体器件的结构>

图1是示出根据本发明的实施例的半导体器件的结构的电路图。图2是示出根据实施例的半导体器件的结构的平面图。图3是沿着图2的线x1-x1截取的剖视图。

根据该实施例的半导体器件具有多沟道光电耦合器。光电耦合器是在传送信号的同时保持初级侧(输入)与次级侧(输出)之间的电绝缘的器件。换句话说，光电耦合器是光耦合器件，其将电信号转换为光信号，传送信号，并且将接收到的光信号重新转换为电信号。特别地，光电耦合器包括一对光发射元件和光接收元件。多沟道光电耦合器包括两对或两对以上光发射元件和光接收元件。该实施例通过将2沟道光电耦合器当作示例来描述。

如在图1中所示，具有光电耦合器的半导体器件fc包括初级(输入)端子t1至t4和次级(输出)端子t5至t8。初级端子t1和t2被耦合到在半导体芯片ch1中形成的光发射元件led(光发射二极管)1，并且初级端子t3和t4被耦合到在半导体芯片ch2中形成的光发射元件led2。次级端子t5至t8被耦合到作为光接收ic的半导体芯片ch3，并且两个光接收元件pd1和pd2、两个放大器电路amp1和amp2、以及两个输出电路oc1和oc2被形成在半导体芯片ch3中。

在两个沟道中的一个中，光发射元件led1根据在初级端子t1与t2之间输入的输入信号(电信号)而接通/关断，以发送光信号，光信号由光接收元件pd1接收并且被转换为电信号，然后电信号作为输出信号通过放大器电路amp1和输出电路oc1被发送到次级端子t6和t8。还在另一沟道中，类似地，输出信号根据初级端子t3与t4之间输入的输入信号被发送到次级端子t7和t8。次级端子t5是用于电源电势(vdd)的端子并且次级端子t8是用于参考电势(vss)的端子。

如在图2中所示，半导体器件fc包括具有形成在其中的光发射元件led1的半导体芯片ch1、具有形成在其中的光发射元件led2的半导体芯片ch2、和具有形成在其中的光接收元件pd1和pd2的半导体芯片ch3。半导体器件fc还包括多个初级导线lt、多个次级导线lt、由对于来自光发射元件led1和led2的光的波长透明的材料制成的密封体bd1、以及由对于来自光发射元件led1和led2的光的波长不透明的材料制成的密封体bd2。

光发射元件led1是光发射二极管，其发射具有波长λ1的光l1。光l1是例如具有410nm的波长λ1的蓝光。光发射元件led2是光发射二极管，其发射具有波长λ2的光l2。光l2是例如具有800nm的波长λ2的红外光。

如稍后将提到的，在该实施例中，重要的是，光发射元件led1的波长λ1应当与光发射元件led2的波长λ2不同，并且进一步地，重要的是，光发射元件led1的波长λ1应当比光发射元件led2的波长λ2更短。

包括光发射元件led1的半导体芯片ch1被安装在导线lt(t2)上方，光发射元件led1的一个电极电气耦合到导线lt(t2)，并且另一电极通过接线w电气耦合到导线lt(t1)。类似地，包括光发射元件led2的半导体芯片ch2被安装在导线lt(t3)上方，光发射元件led2的一个电极电气耦合到导线lt(t3)，并且另一电极通过接线w电气耦合到导线lt(t4)。

半导体芯片ch3在芯片ch3的主表面上包括光接收元件区pd和多个接合焊盘(焊盘电极)bp。在光接收元件区pd中，光接收元件pd1和pd2被形成。如稍后将提到的，光接收元件pd1和pd2层层堆叠。特别地，光接收元件pd1被形成在光接收元件pd2上方。接合焊盘bp中的每一个通过接线w被耦合到次级导线lt。而且，两个放大器电路amp1和amp2和两个输出电路oc1和oc2被形成在半导体芯片ch3中。

次级导线lt(8)在一端具有芯片焊盘dp并且半导体芯片ch3被安装在芯片焊盘dp上方。半导体芯片ch3的后表面被接合到芯片焊盘dp。在平面图中，芯片焊盘dp部分地重叠初级导线lt(t2)和lt(t3)。芯片焊盘dp还重叠光发射元件led1和led2，其被安装在初级导线lt(t2)和lt(t3)上。

如在图2中所示，在平面图中，光发射元件led1重叠光接收元件区pd并且光发射元件led2未重叠区pd。换句话说，在平面图中，光发射元件led1被定位在光接收元件区pd内部并且光发射元件led2被定位在光接收元件区pd外部。光发射元件led1和led2彼此隔开与导线lt(t2)与lt(t3)之间的距离相等的距离，但是光接收元件区pd不需要足够大以重叠光发射元件led1和led2二者。如果光接收元件区pd更大，则半导体芯片ch3应当更大。因此，光接收元件区pd仅重叠或者光发射元件led1或者光发射元件led2。

当光的功率相同时，光接收元件的灵敏度取决于其接收的光的波长。这是因为在接收光时在光接收元件中所生成的载流子的数目取决于波长。特别地，光接收元件对具有短波长的光的灵敏度低于对具有长波长的光的灵敏度。出于该原因，重要的是，用于短波长的光发射元件led1应当优选地被定位在重叠光接收元件区pd的位置中。

如在图2和图3中所示，包括光发射元件led1的半导体芯片ch1、包括光发射元件led2的半导体芯片ch2、包括光接收元件pd1和pd2的半导体芯片ch3、初级导线lt中的每一个的一端、和次级导线lt中的每一个的一端由密封体bd1覆盖。密封体bd2以包裹密封体bd1的方式覆盖密封体bd1的外表面。初级导线lt中的每一个的另一端和次级导线lt中的每一个的另一端从密封体bd2突出。

如在图3中所示，半导体芯片ch1的前表面面对半导体芯片ch3的前表面。同样地，半导体芯片ch2的前表面面对半导体芯片ch3的前表面。简而言之，光发射元件led1和led2的光发射表面面对光接收元件区pd。

密封体bd1由对光发射元件led1和led2的波长λ1和λ2透明的树脂制成。密封体bd1可以包含填充物(例如，二氧化硅的球形填充物)以便使从光发射元件led1和led2发射的光l1和l2散射。密封体bd2由对光发射元件led1和led2的波长λ1和λ2不透明的树脂制成，并且具有将从光发射元件led1和led2发射的光l1和l2密封在密封体bd1的功能。密封体bd1和bd2例如由环氧树脂制成，并且包含诸如氧化钛、氧化铝、云母、氮化铝或氮化硼的填充物。为了使其对波长λ1和λ2不透明，密封体b2包含许多填充物(例如，二氧化硅的球形填充物)。如果密封体bd1包含填充物，则密封体bd2包含比密封体bd1更多的填充物。

这意味着光发射元件led1和光接收元件pd1通过透明的密封体bd1光学地耦合。同样地，光发射元件led2和光接收元件pd2通过透明的密封体bd1光学地耦合。在该实施例中，半导体芯片ch1、ch2和ch3由一个密封体bd1覆盖。换句话说，光发射元件led1和led2和光接收元件pd1和pd2由密封体bd1覆盖。该结构提供半导体器件fc可以紧凑的特征。另外，由于组成2个沟道的光发射元件led1和led2和光接收元件pd1和pd2被包含在密封体bd1，因而重要的是，光发射元件led1的波长λ1应当与光发射元件led2的波长λ2不同。

图4是根据该实施例的半导体器件的主要部分的平面图，更特别地，图4是在半导体芯片ch3上形成的光接收元件区pd的平面图。图5是沿着图4的线x2-x2截取的剖视图。

如在图4中所示，在平面图中，光接收元件pd1和光接收元件pd2彼此重叠，并且如在图5中所示，光接收元件pd1被形成在光接收元件pd2上方。由于光接收元件pd1和pd2以这种方式彼此重叠，因而光接收元件区pd的面积能够减小并且半导体芯片ch3的平面面积能够减小。

如在图5中所示，光接收元件pd2被形成在半导体基板sub中。半导体基板sub例如由p型单晶硅制成，并且具有彼此相反的前表面suba和后表面subb。

如在图5中所示，光接收元件pd2包括在半导体基板sub中形成的p型半导体区psr2和在p型半导体区psr2中形成的n型半导体区nsr2，其中，这些区域形成pn结。换句话说，p型半导体区psr2比n型半导体区nsr2更深并且n型半导体区nsr2由p型半导体区psr2围绕。p型半导体区psr2的杂质浓度是例如1×10¹⁶cm^-3或以上，并且n型半导体区nsr2的杂质浓度是1×10¹⁵cm^-3。n型半导体区nsr2的深度是例如大约10μm。利用在杂质浓度方面的以上关系，当反向偏置被应用到光接收元件pd2的pn结时，耗尽层几乎在n型半导体区nsr2内散布。由于光接收元件pd2上的入射光在以上耗尽层中生成载流子，因而相对于入射光的载流子生成效率能够通过增加耗尽层的厚度改进。特别地，当n型半导体区nsr2的深度大约是与10μm一样大时，相对于入射光的载流子生成效率(即，转换为电信号的效率)能够被改进。

而且，如在图5中所示，具有比p型半导体区psr2更高的杂质浓度的p型半导体区(高浓度p型半导体区)被形成在p型半导体区psr2中，并且电极(p侧电极)ep2被耦合到p型半导体区hp。而且，具有比n型半导体区nsr2更高的杂质浓度的n型半导体区(高浓度n型半导体区)被形成在n型半导体区nsr2中，并且电极(n侧电极)en2被耦合到n型半导体区hn。

如在图4中所示，在平面图中，p型半导体区psr2和n型半导体区nsr2各自是矩形的(矩形)，并且p型半导体区psr2比n型半导体区nsr2更大。n型半导体区nsr2被定位在p型半导体区psr2内部，并且n型半导体区nsr2由p型半导体区psr2围绕。

如在图5中所示，半导体层sl通过绝缘膜z1被形成在半导体基板sub的前表面suba上方。绝缘膜z1是例如氧化硅膜。半导体层sl由多晶硅制成。n型半导体区nsr1被形成在半导体层sl中并且p型半导体区psr1被形成在n型半导体区nsr1中。光接收元件pd1具有被形成在半导体层sl中的n型半导体区nsr1和p型半导体区psr1，其中，这些区域形成pn结。半导体层sl的厚度是大约0.2μm，n型半导体区nsr1的深度大约是0.2μm并且p型半导体区psr1的深度大约是0.1μm。由于半导体层sl必须透过来自光发射元件led2的光l2，因而其是相对薄的。n型半导体区nsr1和p型半导体区psr1各自具有1×10^16～18cm^-3的杂质浓度。

如在图5中所示，具有比n型半导体区nsr1更高的杂质浓度的n型半导体区(高浓度n型半导体区)被形成在n型半导体区nsr1中，并且电极(n侧电极)en1被耦合到n型半导体区hn。而且，具有比p型半导体区psr1更高的杂质浓度的p型半导体区(高浓度p型半导体区)被形成在p型半导体区psr1中，并且电极(p侧电极)ep1被耦合到p型半导体区hp。

而且，如在图4中所示，n型半导体区nsr1和p型半导体区psr1各自是矩形的(矩形)，并且n型半导体区nsr1比p型半导体区psr1更大。p型半导体区psr1被定位在n型半导体区nsr1内部并且p型半导体区psr1由n型半导体区nsr1围绕。n型半导体区nsr1被定位在被配置为光接收元件pd2的n型半导体区nsr2内部，并且n型半导体区nsr1由n型半导体区nsr2围绕。

而且，如在图5中所示，绝缘膜z2以覆盖绝缘膜z1的方式被形成在半导体基板sub上，并且半导体层sl和电极ep1、ep2、en1和en2被形成在绝缘膜z2上方。电极ep1、ep2、en1和en2被形成在第一接线层m1中。第一接线层m1位于不仅在绝缘膜z2上方，而且在绝缘膜z1和z2中形成的开口op1和在绝缘膜z2中形成的开口op2内部。换句话说，电极ep1包括被形成在绝缘膜z2上方的接线部分和在开口op2中形成的耦合部分，并且耦合部分被耦合到在p型半导体区psr1中形成的p型半导体区hp。同样地，电极en1包括被形成在绝缘膜z2上方的接线部分和在开口op2中形成的耦合部分，并且耦合部分被耦合到在n型半导体区nsr1中形成的n型半导体区hn。而且，电极ep2包括形成在绝缘膜z1和z2上方的接线部分和在开口op1中形成的耦合部分，并且耦合部分被耦合到在p型半导体区psr2中形成的p型半导体区hp。同样地，电极en2包括形成在绝缘膜z1和z2上方的接线部分和在开口op1中形成的耦合部分，并且耦合部分被耦合到在n型半导体区nsr2中形成的n型半导体区hn。

第一接线层m1是层压膜，其包括氮化钛(tin)、钛钨(tiw)等的阻挡膜和形成在阻挡膜上方的基于铝(al)的主金属膜。在以上电极中的每一个中，接线部分可以由层压膜形成并且耦合部分可以是由钨制成的插入电极。

而且，如在图5中所示，绝缘膜z3以覆盖电极ep1、en1、ep2和en2的方式形成在绝缘膜z2上方。光屏蔽膜sh被形成在绝缘膜z3上。光屏蔽膜sh包括第二接线层m2，其具有与第一接线层m1相同的膜结构。光屏蔽膜sh覆盖半导体层sl和电极ep1、en1、ep2和en2的一部分并且具有开口op3，其使用于光接收元件pd1和pd2的光接受区域lra暴露。光接收区域lra是将来自光发射元件led1的光l1和来自光发射元件led2的光l2带到光接收元件pd1和pd2中的区域。

如在图4和图5中所示，在光接收区域lra(即，开口op3)中，被配置为光接收元件pd1的p型半导体区psr1和n型半导体区nsr1以及被配置为光接收元件pd2的n型半导体区nsr2和p型半导体区psr2从光屏蔽膜sh暴露。表达“暴露”此处意味着被配置为光接收元件pd1的p型半导体区psr1和n型半导体区nsr1以及被配置为光接收元件pd2的n型半导体区nsr2和p型半导体区psr2具有重叠光接收区域lra(即，开口op3)的区域。在图4中，光屏蔽膜sh的开口op3(即，光接收区域lra)被示出。换句话说，尽管在图4中未示出，但围绕开口op3存在的光屏蔽膜sh覆盖例如电极ep1、ep2、en1和en2。

而且，如在图5中所示，绝缘膜z4以覆盖光屏蔽膜sh的方式形成在绝缘膜z3上方。绝缘膜z2至z4是例如氧化硅膜。

图6是示出根据实施例的半导体器件的结构的示意图。如在图6中所示，从光发射元件led1发射的光l1和从光发射元件led2发射的光l2进入光接收元件pd1，并且透过光接收元件pd1的光l1(被称为透过光l1t)和透过光接收元件pd1的光l2(被称为透过光l2t)进入光接收元件pd2。

光发射元件led1发射具有波长λ1的光l1并且发送信号sg1。然后，光接收元件pd1接收光l1和信号sg1。光发射元件led2发射具有波长λ2的光l2并且发送信号sg2。然后，光接收元件pd2接收发射光l2t和信号sg2。此处，波长λ1和波长λ2彼此不同。由于光l1和光l2同时发射，因而当光接收元件pd1接收光l1时，光l2变为噪声。而且，当光接收元件pd2接收透过光l2t时，透过光l1t变为噪声。因此，为了确保光接收元件pd1接收具有高准确度的光l1的信号sg1并且光接收元件pd2接收具有高准确度的光l2的信号sg2，必要的是，光l1应当满足光接收元件pd1提供低透射率的条件并且光l2应当满足光接收元件pd2提供高透射率的条件。

图7是示出硅的光吸收系数和光透射长度对波长的依赖性的图形。图形显示当波长更短时，吸收系数更高(换句话说，穿透长度是短)，并且当波长更长时，吸收系数更低(换句话说，穿透长度更长)。换句话说，已经证明使用短波长光作为由光接收元件pd1接收到的光l1并且长波长光作为由光接收元件pd2接收到的光l2是有效的。简而言之，重要的是，光l1的波长λ1应当比光l2的波长λ2更短。而且，重要的是，光接收元件pd1应当具有吸收大部分光l1并且透过大部分光l2的厚度，并且光接收元件pd2应当具有吸收足够数量的光l2的厚度。简而言之，满足以下关系是重要的：光接收元件pd1的光吸收区(半导体层sl)的厚度<光接收元件pd2的光吸收区(n型半导体区nsr2)的厚度。

为了使得光接收元件pd1能够接收具有高准确度的光l1的信号sg1而不由上文所提到的噪声影响，重要的是，以下关系应当满足：

s11≥2×s12……(公式1)

其中

s11：光接收元件pd1相对于波长λ1的灵敏度，以及

s12：光接收元件pd1相对于波长λ2的灵敏度。

为了使得光接收元件pd2能够接收具有高准确度的光l2的信号sg2，重要的是，以下关系应当满足：

s22×tm2≥2×s21×tm1……(公式2)

其中

s21：光接收元件pd2相对于波长λ1的灵敏度，

s22：光接收元件pd2相对于波长λ2的灵敏度，

tm1：光接收元件pd1的光l1的透射率，以及

tm2：光接收元件pd1的光l2的透射率。

图8是示出根据该实施例的光接收元件(第一光接收元件)pd1的灵敏度对波长的依赖性的图形。图9是示出根据该实施例的光接收元件(第二光接收元件)pd2的灵敏度对波长的依赖性的图形。图8和图9示出了在该实施例的条件下模拟的结果。

如在图8中所示，光接收元件d1的灵敏度比如下：

s11:s12＝24:1……(公式3)

如在图9中所示，光接收元件d1的灵敏度比如下：

s22×tm2:s12×tm1＝3.9:1……(公式4)

因此，满足以上公式1和公式2。

因此，根据该实施例，光接收元件pd1和光接收元件pd2能够分别地以高准确度接收来自光发射元件led1的信号sg1和来自光发射元件led2的信号sg2。

<该实施例的特征>

由于针对光接收元件pd1和pd2采用层压结构，因而包括光接收元件pd1和pd2的半导体芯片ch3能够是紧凑的。

由于光接收元件pd1和pd2层层堆叠并且由更靠近光发射元件led1和led2定位的光接收元件pd1接收的光l1的波长λ1相对短并且由光接收元件pd2接收到的光l2的波长λ2相对长，因而光接收元件pd1和pd2能够以高准确度接收信号。

由于被配置为一个沟道的光发射元件led1和光接收元件pd1以及被配置为一个沟道的光发射元件led2和光接收元件pd2由一个密封体bd1覆盖，因而具有2沟道光电耦合器的半导体器件能够是紧凑的。

<变型1>

图10是根据变型1的半导体器件的主要部分的平面图。在变型1中，如在图4中所示的根据以上实施例的p型半导体区psr1被修改。在根据变型1的半导体芯片ch3m1中，p型半导体区psr11在平面图中是格子状的(格子图案)。其他构成元件与在以上实施例中相同。这改进由p型半导体区psr11和n型半导体区nsr1形成的pn结的面积并且因此改进光接收元件pd1的灵敏度。

<变型2>

图11是根据变型2的半导体器件的主要部分的平面图。在变型2中，如在图4中所示的根据以上实施例的p型半导体区psr1被修改。在根据变型2的半导体芯片ch3m2中，p型半导体区psr12在平面图中是螺旋的(螺旋图案)。其他构成元件与在以上实施例中相同。与以上实施例相比较，这改进由p型半导体区psr12和n型半导体区nsr1形成的pn结的面积并且因此改进光接收元件pd1的灵敏度。

<变型3>

图12是根据变型3的半导体器件的主要部分的剖视图。在根据变型3的半导体芯片ch3m3中，光接收元件pd1像光接收元件pd2那样也被形成在半导体基板sub中。

如在图12中所示，光接收元件pd1包括在半导体基板sub中形成的n型半导体区nsr13和在n型半导体区nsr13中形成的p型半导体区psr13，其中，这两个区域形成pn结。如在以上实施例中，光接收元件pd2包括在半导体基板sub中形成的p型半导体区psr2和在p型半导体区psr2中形成的n型半导体区nsr2，其中，这两个区域形成pn结。光接收元件pd1的n型半导体区nsr13通过p型半导体区piso形成在光接收元件pd2的n型半导体区nsr2中。换句话说，p型半导体区piso形成在n型半导体区nsr2中并且n型半导体区nsr13形成在p型半导体区piso中。

p型半导体区piso是将光接收元件pd1与光接收元件pd2电气隔离的半导体区。隔离电极iso被耦合到p型半导体区piso，并且低电压被施加到隔离电极而不是电极en1和en2。

对于p型半导体区psr13而言，杂质浓度是3×10¹⁹cm^-3并且深度是0.1μm；对于n型半导体区nsr13而言，杂质浓度是2×10¹⁸cm^-3并且深度是0.2μm；并且对于p型半导体区piso而言，杂质浓度是2×10¹⁷cm^-3并且深度是0.8μm。如在以上实施例中，对于n型半导体区nsr2而言，杂质浓度是1×10¹⁵cm^-3并且深度是10μm；并且对于p型半导体区psr2而言，杂质浓度是例如1×10¹⁶cm^-3。

由本发明人制造的本发明至此已经参考其优选的实施例具体地解释。然而，本发明不限于以上实施例并且显而易见的是，这些细节可以以各种方式修改而不脱离其主旨。