高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构及制作方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构及制作方法。

背景技术：
随着光纤通信技术的不断发展，10Gb/s及以上高速光纤通信网得到了快速的发展和广泛的应用。10Gb/sInGaAs/InPPIN光电二极管(PIN-PD)或雪崩光电二极管(APD)用于高速光信号的接收检测，是10Gb/s及以上高速光纤通信中的核心芯片之一。现有10Gb/s速率及以上PIN-PD或APD管芯采用正面垂直入射光，P、N电极异面结构，芯片正面欧姆接触P电极接触环占用了有源区面积，导致芯片光接收孔径小(小于30微米)，后续封装耦合容差小，可靠性差，不适合大批量生产；P、N电极异面结构与P延伸电极，会增加寄生参数，导致管芯频率响应特性劣化，并采用低频下传统的金丝焊接方式，影响PIN-PD或APD管芯与跨阻放大器(TIA)芯片封装后光接收机的性能。对此，为了提高高速PIN-PD或APD管芯整体性能，采用背面入射光，顶部电极可对入射光形成反射，入射光两次穿过吸收区，等效增加吸收长度，从而提高量子效率；集成微透镜增加光接收孔径；P、N电极共面设计，减少串联电阻与寄生MOS电容。但是，背照式10Gb/sPIN-PD或APD管芯需要倒装集成后才能满足后续封装要求。因此，管芯结构设计及其倒装集成结构设计与制作工艺就显得至关重要，不仅直接影响光电性能(尤其是频率响应特性)与倒装结构可靠性，而且还要考虑倒装后光电流输出接口与跨阻放大器(TIA)前端输入端兼容性。

技术实现要素：
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构，其结构设计简单适用，并考虑工艺制作的可行性，能够有效解决高速InGaAs光电探测器管芯倒装后芯片光电性能和结构可靠性等难点，满足高速InGaAs光电探测器高响应度、高带宽、高可靠性以及大耦合容差等实际应用技术要求。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构，包括管芯和用于倒装焊接所述管芯的载体，所述管芯的衬底面集成微透镜，所述管芯的正面中心设有P电极，于正面中心对称设有N电极，所述载体的正面中心设有与所述P电极对应的第一金属焊盘，于正面中心对称设有与所述N电极对应的第二金属焊盘，所述第一金属焊盘上设有与所述P电极键合的第一金属凸点，所述第二金属焊盘上设有与所述N电极键合的第二金属凸点，在所述载体的正面还设有与所述第一金属焊盘金丝键合的P电极键合焊盘，以及与所述第二金属焊盘金丝键合的N电极键合焊盘。本发明提供的高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构中，所述管芯结构设计采用衬底面集成微透镜，增加光接收孔径，增大封装耦合容差；P电极和N电极同面引出且P极无延伸电极，减少寄生电容；N电极金属图形对称设计，便于倒装焊接时管芯受力均匀分布；载体倒装焊接位置图形采用对称分布设计，因而管芯与载体对准简单，可节省工艺时间，提高工艺效率；管芯与载体直接通过金属凸点倒装集成，比传统键合金丝距离短，有效减小了寄生电感影响，更加适合高速封装模块的要求，且管芯与载体倒装后光电流输出接口与跨阻放大器芯片输入接口兼容；因而本结构设计简单适用，且考虑工艺制作的可行性，能够有效解决高速InGaAs光电探测器管芯倒装后芯片光电性能和结构可靠性等难点，满足高速InGaAs光电探测器高响应度、高带宽、高可靠性以及大耦合容差等实际应用技术要求。进一步，所述管芯的正面中心设有圆形的P电极，于正面中心对称设有包括第一N电极和第二N电极的N电极，且所述第一N电极和第二N电极之间设有开口，由此可以保证倒装焊接时管芯受力均匀分布，同时N电极金属图形两边开口又易于金属剥离工艺制作。进一步，所述第一金属焊盘和第二金属焊盘为圆形，所述第二金属焊盘的个数为4，且这4个第二金属焊盘呈正方形设置于所述第一金属焊盘的四周并呈＂U＂形连通，由此对称均匀分布设计，可以保证管芯与载体对准简单，节省工艺时间，提高工艺效率。进一步，所述载体的材料选自蓝宝石、氧化铝和氮化铝中的一种。进一步，所述第一金属凸点和第二金属凸点的材料选自金、铟和金锡合金中的一种。本发明还提供一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构的制作方法，包括管芯制作、载体制作和倒装焊接步骤：所述管芯制作步骤是，在所述管芯的衬底面集成微透镜，在所述管芯的正面中心制作P电极，于正面中心对称制作N电极；所述载体制作步骤是，在所述载体的正面中心制作与所述P电极对应的第一金属焊盘，于正面中心对称制作与所述N电极对应的第二金属焊盘，采用自动金属植球设备，在所述第一金属焊盘上制作第一金属凸点，及在所述二金属焊盘上制作第二金属凸点，并在所述载体的正面制作P电极键合焊盘和N电极键合焊盘，所述P电极键合焊盘通过键合金丝与所述第一金属焊盘键合，所述N电极键合焊盘通过键合金丝与所述第二金属焊盘键合；所述倒装焊接步骤是，采用倒装焊接设备将所述管芯吸取，使具有金属电极的管芯正面朝下，在所述倒装焊接设备的控制下让所述P电极与所述第一金属凸点之间，以及所述N电极与所述第二金属凸点之间分别对准后，进行热压焊接。本发明提供的高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构的制作方法中，载体倒装焊接位置图形采用对称分布设计，因而管芯与载体对准简单，可节省工艺时间，提高工艺效率；在金属化图形的载体上采用金属植球工艺制作金属凸点，较传统电镀工艺流程简单，无需凸点下金属层，成本低，平整度可达到±2微米，便于批量生产；且在所述倒装焊接步骤中，采用热压焊接方式进行金属凸点的焊接，由此可以避免传统超声焊接对芯片的损伤。进一步，所述管芯制作步骤中，在所述管芯的正面中心制作圆形的P电极，于正面中心对称制作包括第一N电极和第二N电极的N电极，并在所述第一N电极和第二N电极之间制作开口。进一步，所述载体制作步骤中，在所述载体的正面中心制作圆形的所述第一金属焊盘，并于正面中心对称制作4个圆形的所述第二金属焊盘，且这4个圆形的所述第二金属焊盘呈正方形分布于所述第一金属焊盘的四周并形成＂U＂形连通。进一步，所述载体制作步骤中，所述第一金属凸点和第二金属凸点为金凸点，其具体制作包括：采用金丝植球设备并设定和启动设备键合程序，由金丝植球设备打火杆放电促使金丝成球，劈刀下压，将金球固定在金属焊盘位置，劈刀上方的超声波发生器发生作用，将能量由劈刀传递到金球与金属焊盘接触的界面，在超声能量的作用下，金球与金属焊盘发生分子间的结合形成金属键，劈刀释放压力，经过一次横向振动使金球在顶部位置与金丝发生断裂，劈刀上升回到初始位置，设备打火杆重新放电形成金球，一次植球周期结束，按上述过程重复，直至所有金属焊盘完成植球操作。进一步，所述倒装焊接步骤包括：将带金属凸点的载体在倒装焊接设备加热台上预热，由焊接吸头将所述管芯从料盘里吸取，芯片电极面朝下，推入双向图像采集镜头，将所述管芯电极与所述载体金属凸点进行预对位，设定焊接压力、温度和持续时间，启动倒焊程序，吸附有管芯的倒焊吸头下降至芯片与金属凸点接触的位置，压力传感器受压后启动零点信号，倒装焊接设备按预设工艺条件施加温度和压力作用，工艺结束后焊接吸头上升回到初始位置。附图说明图1是本发明提供的10Gb/sInGaAs/InPAPD芯片倒装结构立体结构示意图。图2是本发明提供的10Gb/sInGaAs/InPAPD芯片倒装结构侧视结构示意图。图3是本发明提供的10Gb/sInGaAs/InPAPD芯片倒装结构正视结构示意图。图4是本发明提供的10Gb/sInGaAs/InPAPD管芯衬底面结构示意图。图5是本发明提供的10Gb/sInGaAs/InPAPD管芯正面结构示意图。图6是本发明提供的带有金属图形的蓝宝石载体结构示意图。图7是本发明提供的制作有金凸点的蓝宝石载体结构示意图。图8是本发明提供的高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构制作方法流程示意图。图中，1、管芯；11、微透镜；12、P电极；13、N电极；131、第一N电极；132、第二N电极；14、开口；2、载体；21、第一金属焊盘；22、第二金属焊盘；23、第一金属凸点；24、第二金属凸点；25、P电极键合焊盘；26、N电极键合焊盘；27、对位标记。具体实施方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“宽度”、“深度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。请参考图1-7所示，本发明提供一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构，包括管芯1和用于倒装焊接所述管芯的载体2，所述管芯1的衬底面集成微透镜11，所述管芯1的正面中心设有P电极12，于正面中心对称设有N电极13，所述载体2的正面中心设有与所述P电极12对应的第一金属焊盘21，于正面中心对称设有与所述N电极13对应的第二金属焊盘22，所述第一金属焊盘21上设有与所述P电极键合的第一金属凸点23，所述第二金属焊盘22上设有与所述N电极键合的第二金属凸点24，在所述载体2的正面还设有与所述第一金属焊盘21金丝键合的P电极键合焊盘25，以及与所述第二金属焊盘22金丝键合的N电极键合焊盘26。本发明提供的高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构中，所述管芯结构设计采用衬底面集成微透镜，增加光接收孔径，增大封装耦合容差；P电极和N电极同面引出且P极无延伸电极，减少寄生电容；N电极金属图形对称设计，便于倒装焊接时管芯受力均匀分布；载体倒装焊接位置图形采用对称分布设计，因而管芯与载体对准简单，可节省工艺时间，提高工艺效率；管芯与载体直接通过金属凸点倒装集成，比传统键合金丝距离短，有效减小了寄生电感影响，更加适合高速封装模块的要求，且管芯与载体倒装后光电流输出接口与跨阻放大器芯片输入接口兼容；因而本结构设计简单适用，且考虑工艺制作的可行性，能够有效解决高速InGaAs光电探测器管芯倒装后芯片光电性能和结构可靠性等难点，满足高速InGaAs光电探测器高响应度、高带宽、高可靠性以及大耦合容差等实际应用技术要求。作为具体实施例，请参考图4和图5所示，高速PIN-PD或APD管芯1采用InP衬底面集成微透镜11，为了减少寄生电容，正面P电极12与N电极13同面引出，版图中心为圆形P极输出无延伸电极，即所述管芯的正面中心设有圆形的P电极12；另外考虑倒装焊接芯片受力均匀分布，N极输出金属图形对称设计，即于正面中心对称设有包括第一N电极131和第二N电极132的N电极13，且所述第一N电极131和第二N电极132之间设有开口14，由此可以保证倒装焊接时管芯受力均匀分布，同时N电极13金属图形两边开口又易于金属剥离工艺制作。作为具体实施例，请参考图6和图7所示，所述第一金属焊盘21和第二金属焊盘22为圆形，所述第二金属焊盘22的个数为4，且这4个第二金属焊盘22呈正方形设置于所述第一金属焊盘21的四周并呈＂U＂形连通，由此对称均匀分布设计，可以保证管芯与载体对准简单，节省工艺时间，提高工艺效率。具体地，所述载体图形中心圆形金属焊盘对应管芯中心P电极，中心圆形金属焊盘的四周为4个圆形金属焊盘呈正方形设置并呈＂U＂连通，对应管芯中的N电极，保证管芯倒装时应力均匀分布；在载体图形两边设有P电极和N电极输出金丝键合焊盘25和26，P电极键合焊盘25与TIA芯片输入接口兼容，键合金丝短，引线电感小，保证高速光接收器件良好的高频特性。作为具体实施例，请参考图7所示，所述第一金属焊盘21上设有与所述P电极键合的第一金属凸点23，所述第二金属焊盘22上设有与所述N电极键合的第二金属凸点24，所述第一金属凸点23和第二金属凸点24采用自动金属植球机，选用合适规格的劈刀在载体上制作成型；同时，所述管芯1与载体2通过第一金属凸点23与P电极12键合，以及通过第二金属凸点24与N电极13键合，并采用倒装焊接工艺即通过加热和加压,使焊区发生塑形变形,同时破坏压焊界面上的氧化层,从而使原子间产生吸引力来达到键合焊接的目的，由此避免了传统超声对高速PIN-PD或APD管芯造成损伤的问题发生。作为具体实施例，所述载体2的材料选自蓝宝石、氧化铝和氮化铝中的一种。作为优选实施方式，所述载体的材料为蓝宝石，由此可以使高速PIN-PD或APD管芯信号输出后获得良好的频率响应特性以及可靠性与工艺检验因素，所述频率响应特性包括介电常数、传输损耗等，所述可靠性与工艺检验因素包括热传导、表面光洁度、透明度及机械强度等；同时，所述蓝宝石载体透明，易于倒装焊接后工艺检验，并进行失效分析。作为具体实施例，所述第一金属凸点23和第二金属凸点24的材料选自金(Au)、铟(In)和金锡合金(AuSn)中的一种。作为优选实施方式，所述第一金属凸点23和第二金属凸点24的材料为金，即采用金丝植球机，在所述第一金属焊盘21上成型第一金凸点23，在所述第二金属焊盘22上成型第二金凸点24，所述金凸点工艺制作简单，工艺效率高，成本低，利于批量生产；而铟凸点与金锡凸点工艺制作流程长，需要经过光刻、蒸发、剥离及电镀等工艺，周期长，工艺效率低，成本高，不利于批量生产。请参考图8所示，本发明还提供一种高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构的制作方法，包括管芯制作、载体制作和倒装焊接步骤：所述管芯制作步骤是，在所述管芯的衬底面集成微透镜，在所述管芯的正面中心制作P电极，于正面中心对称制作N电极；所述载体制作步骤是，在所述载体的正面中心制作与所述P电极对应的第一金属焊盘，于正面中心对称制作与所述N电极对应的第二金属焊盘，采用自动金属植球设备，在所述第一金属焊盘上制作第一金属凸点，及在所述二金属焊盘上制作第二金属凸点，并在所述载体的正面制作P电极键合焊盘和N电极键合焊盘，所述P电极键合焊盘通过键合金丝与所述第一金属焊盘键合，所述N电极键合焊盘通过键合金丝与所述第二金属焊盘键合；所述倒装焊接步骤是，采用倒装焊接设备将所述管芯吸取，使具有金属电极的管芯正面朝下，在所述倒装焊接设备的控制下让所述P电极与所述第一金属凸点之间，以及所述N电极与所述第二金属凸点之间分别对准后，进行热压焊接。本发明提供的高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构的制作方法中，载体倒装焊接位置图形采用对称分布设计，因而管芯与载体对准简单，可节省工艺时间，提高工艺效率；在金属化图形的载体上采用金属植球工艺制作金属凸点，较传统电镀工艺流程简单，无需凸点下金属层，成本低，平整度可达到±2微米，便于批量生产；且在所述倒装焊接步骤中，采用热压焊接方式进行金属凸点的焊接，由此可以避免传统超声焊接对芯片的损伤。作为具体实施例，所述管芯制作步骤中，在所述管芯的正面中心制作圆形的P电极，于正面中心对称制作包括第一N电极和第二N电极的N电极，并在所述第一N电极和第二N电极之间制作开口。具体地，请参考图4和图5所示，10Gb/sInGaAs/InPAPD管芯尺寸为300微米×300微米×120微米，采用InP衬底面集成微透镜，该微透镜的光接收孔径为70～80微米；为了减少寄生电容，正面P电极与N电极同面引出，版图中心为圆形P极输出且无延伸电极；同时考虑倒装焊接时芯片受力均匀分布，N极输出金属图形对称设计，即在正面中心对称制作第一N电极和第二N电极，所述第一N电极和第二N电极金属电极图形之间制作开口，开口宽度为45微米，以便于金属剥离工艺制作；所述P电极和N电极金属膜层为Ti/Pt/Au，其厚度为20纳米/40纳米/500纳米。作为具体实施例，所述载体制作步骤中，在所述载体的正面中心制作圆形的所述第一金属焊盘，并于正面中心对称制作4个圆形的所述第二金属焊盘，且这4个圆形的所述第二金属焊盘呈正方形分布于所述第一金属焊盘的四周并形成＂U＂形连通。具体请参考图6所示，所述载体为经切割设备切割成型的单元载体，该单元载体的尺寸为600微米×600微米×250微米，单元载体图形中心圆形的第一金属焊盘(直径60微米)对应所述管芯中心的P电极，所述第一金属焊盘的四周为4个圆形的第二金属焊盘呈正方形布置并形成＂U＂形连通，所述4个圆形的第二金属焊盘对应管芯的N电极，由此可以保证管芯倒装应力均匀分布；在载体图形两边设计P电极和N电极输出金丝键合焊盘，P电极键合焊盘与TIA芯片输入接口兼容，键合金丝短，引线电感小，保证10Gb/sAPD-TIA光接收器件良好的高频特性。作为一种实施方式，所述第一金属焊盘、第二金属焊盘、P电极键合焊盘和N电极键合焊盘即载体上P、N金属电极图形的制作工艺流程包括：先采用磁控溅射方法依次生长TiW/Au金属膜层，厚度为100纳米/500纳米；再采用光刻剥离工艺的方式，在蓝宝石基板上定义出P、N金属电极的蒸镀区域，采用电镀的方法加厚Au层至3微米；然后用湿法腐蚀方法去除P、N金属电极图形以外的TiW/Au金属膜层；最终完成带有P、N金属电极图形的蓝宝石基板制作。具体地，先在蓝宝石基板(厚度250微米)上，采用磁控溅射的方法依次生长TiW/Au金属膜层形成一个起始的种籽(seed)层，厚度要求为100纳米/500纳米；再采用高分辨率的图形正/负可改变型光刻胶在金属膜层上制作电镀用光刻胶膜层，其主要步骤包括：基片烘焙、涂胶、前烘、曝光、反转烘烤、泛曝光、显影、后烘等，要求光刻胶膜层的厚度介于2.5至3.0微米之间；将蓝宝石基板固定于托盘上，置于电镀槽中，并完全浸入电镀液之中，使基片表面与阴极(负电极)相连，调节电镀时间、电流大小和托盘转速，使Au层厚度均匀地加厚3～3.5微米；使用专用溶液去除光刻胶膜层，然后用电解的方法去除种籽层，得到加厚的TiW/Au金属膜层，其厚度应介于3.0至3.5微米之间；通过以上步骤，最终得到带有P、N金属电极图形的蓝宝石基板。作为具体实施例，所述载体制作步骤中，所述第一金属凸点和第二金属凸点为金凸点，其具体制作包括：采用金丝植球设备并设定和启动设备键合程序，由金丝植球设备打火杆放电促使金丝成球，劈刀下压，将金球固定在金属焊盘位置，劈刀上方的超声波发生器发生作用，将能量由劈刀传递到金球与金属焊盘接触的界面，在超声能量的作用下，金球与金属焊盘发生分子间的结合形成金属键，劈刀释放压力，经过一次横向振动使金球在顶部位置与金丝发生断裂，劈刀上升回到初始位置，设备打火杆重新放电形成金球，一次植球周期结束，按上述过程重复，直至所有金属焊盘完成植球操作。作为一种实施方式，将制作好金属图形的蓝宝石基板放在金丝植球设备加热机台上加热至150度；调整劈刀前端金球大小，采用freeairball模式在空白金板上进行预键合，调节打火杆放电生成金球的大小，控制金球球直径为50微米，金球高度在30±2微米范围内；调整到TailessSmoothBump模式，设定植球压力为25克，超声强度为500毫瓦，振动幅度为±4微米；设定设备键合程序，按工艺要求设定蓝宝石基板上的焊接点，最后按前述具体制作工艺流程制作，制作完成后利用激光切割工艺设备将蓝宝石基板切割成单元载体，每个单元载体的尺寸为600微米×600微米×250微米。作为具体实施例，所述倒装焊接步骤包括：将带金属凸点的载体在倒装焊接设备加热台上预热，由焊接吸头将所述管芯从料盘里吸取，芯片电极面朝下，推入双向图像采集镜头，将所述管芯电极与所述载体金属凸点进行预对位(载体上设有对位标记27)，设定焊接压力、温度和持续时间，启动倒焊程序，吸附有管芯的倒焊吸头下降至芯片与金属凸点接触的位置，压力传感器受压后启动零点信号，倒装焊接设备按预设工艺条件施加温度和压力作用，工艺结束后焊接吸头上升回到初始位置；焊接完成后，取下倒装集成高速10Gb/sAPD芯片，进行外观目检，工艺结束。作为一种实施方式，将所述载体在倒装焊接设备加热台上预热至250度，设定的焊接压力为3牛，温度为370度，持续时间为15秒。在本发明提供的高速InGaAs光电探测器芯片倒装集成结构及制作方法中，可以通过改变PIN-PD或APD管芯P、N电极版图、微透镜孔径尺寸等设计来改变管芯的外形结构；也可以采用类似参数特性的其他介质基板材料来代替蓝宝石基板作为倒装载体，例如氧化铝或氮化铝；还可以采用其他类似金属膜层如CrAu或Ti/Pt/Au来代替TiW/Au，作为制作倒装载体图形的金属膜层。以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。