一种适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构及其加工方法与流程

本发明涉及一种芯片结构及其加工方法，尤其涉及一种适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构及其加工方法。

背景技术：

光敏器件作为一种光学传感元件，与发光管配合，可以实现电/光、光/电的相互转换，正越来越多的被应用到智能穿戴、智能控制、物联网等场合。

常见的光敏元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管。光敏电阻因其阻值对光的变化灵敏度高、成本低，被市场广泛使用。但由于光敏电阻含有硫化物、硒化物、碲化物等，这些材料是现在欧盟新规中都不能含有的有毒物质，因此，光敏电阻的市场逐渐被光敏二极管和光敏三极管替代。

光敏二极管和光敏三极管是在硅基上制作，其pn结在光照下本征激发产生光电流，从而实现光电转换。光敏二极管的缺点是灵敏度较低，光敏三极管对光电流有放大作用，因此灵敏度很高。但是，光敏二极管、光敏三极管共同的缺陷是暗电流在温度升高时会急剧上升。

由于市场越来越要求光电器件微型化、集成化，越来越多的应用场合需要微型表面贴装的光电器件，而实践表明，光电二极管、光电三极管采用微型表面贴装封装时，随着基板的温度升高，内部芯片的工作温度也升高，当温度超过60℃时，漏电流高至几个微安～几十微安，极易引起误操作。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的弊端，提供一种适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构及其加工方法。

本发明所述的适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构，包括芯片本体，所述芯片本体上设置有面积相同、pn结体结构相同的第一光敏二极管和第二光敏二极管；还包括第一pmos管和第二pmos管；

其中，所述第一光敏二极管的受光照区域覆盖遮光件；

所述第一pmos管的源极和所述第二pmos管的源极均连接于正极，所述第一pmos管的栅极和所述第二pmos管的栅极相接；

所述第一pmos管的漏极与栅极相接、同时与第一光敏二极管的负极相接；

所述第二pmos管的漏极与第二光敏二极管的负极相接、同时接入电流放大器的输入端，该电流放大器的输出端即为信号输出端；

所述第一光敏二极管的正极与所述第二光敏二极管的正极均接地。

本发明所述的适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构中，所述遮光件为金属层。

本发明所述的适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构中，所述光敏二极管包括n型衬底，在所述n型衬底上设置有p阱层，所述p阱层的顶面间隔分布有p型基区和n+掺杂，在所述n+掺杂上分布有栅氧，且在预定的栅氧上设置了多晶；

所述多晶、栅氧、栅氧之下的n+掺杂、以及p型基区均被介质层覆盖，在所述介质层上覆盖有二氧化硅层；

所述介质层上对应于p型基区的位置开设有通孔，在所述二氧化硅层的下层对应于所述通孔的位置设置有金属铝；

在所述二氧化硅层的顶面、且正对多晶的上部具有开窗。

本发明还提供一种加工适合微型表面贴装的光敏二极管的方法，包括如下步骤：

步骤一，取型号为n型，电阻率20～30ohm-cm，晶向<100>的硅材料形成n型衬底；

步骤二，在所述n型衬底上推进氧化层厚为200a～400a、结深为6um～8um的p阱；

步骤三，在所述p阱上间隔进行离子注入以形成p型基区，所述离子注入剂量为1e14，注入能量60kev～80kev；

步骤四，进行as离子注入以表面调节，所述离子注入能量为80kev～200kev，离子注入剂量为8e12～2e13；

步骤五，在所述p阱上间隔推进n+掺杂，其中，氧化层厚度为3000a～4000a，基区结深为4um～6um；

步骤六，在所述n+掺杂上形成栅氧，其中，氧化层厚度为150a～250a；

步骤七，在预定的栅氧上设置电阻率为20～30ohm/sq、厚度为2000a～4000a的多晶；

步骤八，形成厚度为100a～300a的介质层，并令所述介质层覆盖所述多晶、栅氧、栅氧之下的n+掺杂、以及p型基区；

步骤九，在所述介质层上对应于p型基区的位置光刻腐蚀出通孔；

步骤十，在所述介质层上、且对应于通孔的位置淀积8000a～12000a金属铝；

步骤十一，在所述介质层上淀积形成二氧化硅层，且所述二氧化硅层厚度为10000a～20000a；

步骤十二，在所述二氧化硅层的顶面、且正对多晶的上部开窗。

本发明所述的适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构及其加工方法中，令所述第一光敏二极管/第一pmos管和第二光敏二极管/第二pmos管形成差分结构，从而抵消半导体光敏器件的反向漏电流，消除了高温环境对漏电流的影响，尤其适用于微型表面贴装。并且，通过对光敏二极管的加工方法进行优化、改进，也可以有效降低漏电流。

附图说明

图1为本发明所述适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构的结构示意图；

图2为本发明所述适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构中的光敏二极管的剖视示意图；

图3为采用本发明所述的光敏传感芯片进行试验获得的暗电流随温度变化曲线示意图；

图4为采用本发明所述的光敏传感芯片与中国台湾光磊公司产品st0128获得的温漂测试对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明所述的适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构，包括芯片本体(图中未示)，所述芯片本体上设置有面积相同、pn结体结构相同的第一光敏二极管3和第二光敏二极管4；还包括第一pmos管1和第二pmos管2。其中，所述第一光敏二极管3的受光照区域覆盖遮光件，该遮光件可采用覆盖一层金属的方式来实现，即通过覆盖金属层令所述第一光敏二极管3不至于产生光电流、而只有漏电流。

所述第一pmos管1的源极s和所述第二pmos管2的源极s均连接于正极vcc，所述第一pmos管1的栅极g和所述第二pmos管2的栅极g相接。所述第一pmos管1的漏极d与栅极g相接、同时与第一光敏二极管3的负极相接。

所述第二pmos管2的漏极d与第二光敏二极管4的负极相接、同时接入电流放大器5的输入端52，该电流放大器5的输出端51即为信号输出端。

所述第一光敏二极管3的正极与所述第二光敏二极管4的正极均接地gnd。

本发明中，因第一光敏二极管3的受光照区域覆盖了金属层，因此，流过该第一光敏二极管3的只有漏电流(标记为id1)，而第二光敏二极管4因受光照区域并未被覆盖，故流过该第二光敏二极管4的电流为光电流(标记为ib2)与漏电流(标记为id2)之和。如图1所示，第一光敏二极管3/第一pmos管1和第二光敏二极管4/第二pmos管2形成差分结构，输出的电流为流经第一光敏二极管3的电流(id1)和流经第二光敏二极管4的电流(ib2+id2)的差；同时，又由于第一光敏二极管3与第二光敏二极管4的结构相同，故流经第一光敏二极管3的漏电流和流经第二光敏二极管4的漏电流也相同(即id1＝id2)，故最终的输出电流(标记为iout)为iout＝(ib2+id2)—id1＝ib2，也即在电流放大器5的输入端52处输入的电流为ib2。可以看出，该输出的电流iout已经不含漏电流，因此本发明所述的结构能够适用于高温环境，尤其适于微型表面贴装。

如图2所示，本发明中采用的第一光敏二极管与第二光敏二极管的结构相同，即所述光敏二极管包括n型衬底1，在所述n型衬底1上设置有p阱层2，所述p阱层2的顶面间隔分布有p型基区4和n+掺杂3，在所述n+掺杂3上分布有栅氧5，且在预定的栅氧5上设置了多晶6；

所述多晶6、栅氧5、栅氧5之下的n+掺杂3、以及p型基区4均被介质层7覆盖，在所述介质层7上覆盖有二氧化硅层8；

所述介质层7上对应于p型基区4的位置开设有通孔10，在所述二氧化硅层8的下层对应于所述通孔10的位置设置有金属铝11；

在所述二氧化硅层8的顶面、且正对多晶6的上部具有开窗9。

本发明还提供一种加工适合微型表面贴装的光敏二极管的方法，采用该方法可获得前述图2所示光敏二极管，具体包括如下步骤：

步骤101，取型号为n型，电阻率20～30ohm-cm，晶向<100>的硅材料形成n型衬底；

步骤102，在所述n型衬底上推进氧化层厚为200a～400a、结深为6um～8um的p阱；

步骤103，在所述p阱上间隔进行离子注入以形成p型基区，所述离子注入剂量为1e14，注入能量60kev～80kev；

步骤104，进行as离子注入以表面调节，所述离子注入能量为80kev～200kev，离子注入剂量为8e12～2e13；

步骤105，在所述p阱上间隔推进n+掺杂，其中，氧化层厚度为3000a～4000a，基区结深为4um～6um；

步骤106，在所述n+掺杂上形成栅氧，其中，氧化层厚度为150a～250a；

步骤107，在预定的栅氧上设置电阻率为20～30ohm/sq、厚度为2000a～4000a的多晶；

步骤108，形成厚度为100a～300a的介质层，并令所述介质层覆盖所述多晶、栅氧、栅氧之下的n+掺杂、以及p型基区；

步骤109，在所述介质层上对应于p型基区的位置光刻腐蚀出通孔；

步骤110，在所述介质层上、且对应于通孔的位置淀积8000a～12000a金属铝；

步骤111，在所述介质层上淀积形成二氧化硅层，且所述二氧化硅层厚度为10000a～20000a；

步骤112，在所述二氧化硅层的顶面、且正对多晶的上部开窗。

本发明所述的适合微型表面贴装的光敏传感芯片结构及其加工方法中，令所述第一光敏二极管/第一pmos管和第二光敏二极管/第二pmos管形成差分结构，从而抵消半导体光敏器件的反向漏电流，消除了高温环境对漏电流的影响，占用空间更小，尤其适用于微型表面贴装。并且，通过对光敏二极管的加工方法进行优化、改进，也可以有效降低漏电流。此外，还可在后续加入电流放大电路，从而提高光电器件的响应灵敏度。

图3为采用本发明所述的光敏传感芯片进行试验获得的暗电流随温度变化曲线示意图。从图3中可以看出，对本发明所述的五个光敏传感芯片进行测试，暗电流(漏电流)控制得非常好，在常温下，暗电流小于10na，高温至100℃时，暗电流值在300na～400na。

图4为采用本发明所述的光敏传感芯片与中国台湾光磊公司产品st0128获得的温漂测试对比示意图。图4中曲线1为光敏三极管的测量结果，选择的是台湾光磊公司产品st0128，能看到，光敏三极管随着温度升高，暗电流急剧上升，当温度至100℃时，暗电流超过了7ua,而同样条件下，采用本发明技术方案获得的光敏传感芯片的暗电流不到其10％。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。