專利名稱：低寄生電容結(jié)構(gòu)的貫穿式光電二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管構(gòu)造的改良，尤其涉及減少發(fā)光二極管的串聯(lián)電阻及寄生電容而在基板上蝕刻一凹溝(grove)，使二極管的接面形成懸浮鼓膜而消除串聯(lián)電阻之結(jié)構(gòu)上的改良。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光電二極管(photodiode)大量用于高速的光通信中。此一應(yīng)用對光電二極管的性能的兩個重要指針為頻寬及靈敏度。此兩個要素因存在于光電二極管內(nèi)的寄生電容(parasitic capacitance)及基板的串聯(lián)電阻而嚴(yán)重降低其品質(zhì)。先前曾有許多高速光電二極管的設(shè)計并商品化的產(chǎn)品。其中之一構(gòu)造如圖1所示，圖1為先前技術(shù)被普遍應(yīng)用的PIN光電二極管的構(gòu)造示意圖。此二極管有一寬的空乏區(qū)(depletion region)，如圖1中的空乏區(qū)11，此區(qū)亦稱為空間電荷區(qū)(space charge region)是由接近本質(zhì)(intrinsic)摻雜濃度的高電阻系數(shù)的基板在二極管逆向偏壓時產(chǎn)生。在空間電荷區(qū)的上下兩側(cè)，有重摻雜的P+型區(qū)15及N型基板區(qū)12、保護層16及活性區(qū)接線墊13。在N型基板區(qū)12上鍍上下電極14。所顯示的PIN二極管，下層的基板為N型，如圖1所示。但亦可用P型基板，而上層為重摻雜的N+型。為求降低二極管的接面電容(junction capacitance)，應(yīng)有較寬的空乏區(qū)，因而需使用具較高的電阻系數(shù)的基板供制造光電二極管。然而此卻形成不想要的附加串聯(lián)電阻Rs而減少頻寬的性能。若基板太厚，使貫穿式構(gòu)造的基板上在空乏區(qū)之下仍有中性區(qū)而形成串聯(lián)電阻RS，使光電二極管的性能降低，如圖1所示。
請參考圖2，圖2為顯示光電二極管及相接的轉(zhuǎn)移阻抗放大器(trans-impedance amplifier，TIA)的等效電路圖。串聯(lián)電阻RS，TIA的輸入阻抗RA，二極管的空乏區(qū)電容及其寄生電容CP皆構(gòu)成光電響應(yīng)的RC時間延遲(time delay)。通常為考慮頻寬，在TIA內(nèi)，RA設(shè)計為最小，因此若二極管的串聯(lián)電阻RS較大時，RC時間延遲將嚴(yán)重影響頻寬品質(zhì)。如圖2所示，于高頻時，大的串聯(lián)電阻將阻礙光感應(yīng)電流流入TIA的輸入端供信號放大，反而易于旁路至對光檢測無用的寄生電容上，因此在制造高速及靈敏度高的光電二極管，不但要降低二極管的電容，亦需減少在基板中性區(qū)的串聯(lián)電阻至所需的極小值，以供實際應(yīng)用。
通常一半導(dǎo)體晶圓有數(shù)百微米厚，甚難在PIN二極管的整個基板上獲得完全空乏。除非偏壓至數(shù)百伏特。但高偏壓并不為商品化的集成電路所接受，一般皆偏壓低于10伏特。為使此組件在低偏壓時能夠完全空乏，使載電子能夠完全為空乏區(qū)內(nèi)的內(nèi)建電場(build-in field)所帶動而達加速的目的，此本質(zhì)半導(dǎo)體基板必需予以磨薄至小于100微米的厚度。
然而，整片磨薄晶圓至此厚度將使其在目前的制程技術(shù)在搬運處理時易于碎裂。
此困難的解決的方法如圖3所示的先前例示技術(shù)的光電二極管。于此一貫穿式結(jié)構(gòu)，此光電二極管在面向整個光學(xué)活性區(qū)(active region)的上表面以金屬接觸31為罩幕作選擇性蝕刻，以除去P+層34及本質(zhì)摻雜的基板35直到剩下貫穿厚度之處為止。為使相應(yīng)于外部接線的寄生電容減至極小，初期技術(shù)利用一金屬針尖32觸及活性區(qū)，在偏壓下入射光33照射產(chǎn)生光電流，如圖3所示。于此一構(gòu)造，串聯(lián)電阻幾被消除，RC時間延遲被極小化而最大的傳送極限速度(transit-limited speed)可以獲得，亦即，此速度僅計及光感電荷飛越空間電荷區(qū)的時間。
然而，前述組件的構(gòu)造甚難以現(xiàn)有的自動打線設(shè)備大量封裝。本發(fā)明即為克服上述的困難而提出一種新的光電二極管的構(gòu)造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，在基板的背面蝕刻一溝槽，除去光學(xué)活性區(qū)下面除貫穿區(qū)以外多余的基板，使其串聯(lián)電阻完全被消除，以增進頻寬及靈敏度的性能。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，在光學(xué)活性區(qū)之上形成一活性區(qū)接線墊，利用其較小的接觸面積，以減少雜散電容而增進光電二極管的速度。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，于蝕刻的溝槽內(nèi)填入固體物質(zhì)，以增進光電二極管的強度，于打線封裝時免于破裂。
為達成上述目的及其它目的，本發(fā)明的第一觀點在于說明一種減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管(photodiode)的構(gòu)造，至少包含一高電阻系數(shù)的第一型硅基板(Substrate)，具有接近本質(zhì)摻雜(intrinsic doping)的高電阻系數(shù)；一空間電荷區(qū)(space charge region)，為加電壓后產(chǎn)生的貫穿空乏區(qū)(reach-through depletion region)；一第二型摻雜層，由離子布植或擴散形成的重摻雜區(qū)，作為二極管的上電極(活性電極)；一保護層(passivation layer)，覆蓋二極管形成保護及絕緣，其中有一接觸孔(contacthole)；一活性區(qū)接線墊(active bonding pad)，供打線(wire bond)之用；一背面蝕刻區(qū)，自背面選擇性蝕刻基板正對活性區(qū)(active region)到達空乏區(qū)的貫穿(reach through)厚度之處以形成懸浮鼓膜(floating membrane)結(jié)構(gòu)；一背面電極(bottom contact)，形成在前述背面蝕刻區(qū)；其特征為該背面蝕刻區(qū)為正對活性區(qū)到達貫穿空乏區(qū)的貫穿厚度之處形成懸浮鼓膜結(jié)構(gòu)，以減少光電二極管導(dǎo)通時的串聯(lián)電阻；該活性區(qū)接線墊位于光學(xué)活性區(qū)域(active area)內(nèi)直接與該上電極接觸，使接線墊與基板間的寄生電容減至最小，以提高該光電二極管的速度、頻寬及靈敏度。
本發(fā)明的第二觀點在于說明一種減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，于該背面蝕刻溝槽的該活性區(qū)接線墊的正下方留有一臺座(stand)，以增強活性區(qū)接線墊下面的強度，供封裝時平衡打線所承受的壓力。
本發(fā)明的第三觀點在于說明一種減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，該背面蝕刻溝槽以固體材料填充以增強該鼓膜的強度以承受封裝時施加的壓力。
本發(fā)明的以上及其它目的及優(yōu)點參考以下的參照圖標(biāo)及最佳實施例的說明而更易完全了解。


圖1為先前技術(shù)被普遍應(yīng)用的PIN光電二極管的構(gòu)造示意圖。
圖2為顯示光電二極管及相接的轉(zhuǎn)移阻抗放大器(trans-impedanceamplifier，TIA)的等效電路圖。
圖3為先前技術(shù)的例示性技術(shù)的光電二極管。
圖4為依據(jù)本發(fā)明的一實施例的高速光電二極管的構(gòu)造。
圖5為依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的高速光電二極管的構(gòu)造圖。
圖6為依據(jù)本發(fā)明的又一實施側(cè)的高速光電二極管的構(gòu)造圖。
主要元件符號說明11空乏區(qū)12N型基板區(qū)13活性區(qū)接線墊 14下電極15重摻雜的P+型區(qū)16保護層31金屬接觸 32金屬針尖33入射光34P+層35基板 41活性區(qū)接線墊42上電極43貫穿空乏區(qū)44下電極45貫穿空乏區(qū)的下表面46保護層47臺座48固體材料 49溝槽
具體實施例方式
本發(fā)明的內(nèi)容可經(jīng)由下述實施例配合其相關(guān)圖式的闡述而予揭示。參考圖4，圖4為依據(jù)本發(fā)明的一實施例的高速光電二極管的構(gòu)造。此光電二極管制作在一硅基板12上，硅基板12為例如具有高電阻系數(shù)的N型硅芯片，但亦可為P型，其摻雜低至接近本質(zhì)半導(dǎo)體的程度，使貫穿空乏區(qū)可更深以減少接面電容。在每一光電二極管的活性區(qū)(active region)上以擴散或離子布值形成一重摻雜(heavily doped)的P+層以形成上電極42，而與N型基板形成PN接面。然后鍍上一層保護層(passivation glass)或絕緣層46，在活性區(qū)內(nèi)將保護層46開一接觸窗并以金屬形成一活性區(qū)接線墊41，此活性區(qū)接線墊供打線連接至外部電源。然后在芯片的每一光電二極管的活性區(qū)的正下方以選擇性蝕刻形成一溝槽49，直到預(yù)計的貫穿空乏區(qū)43的厚度之下。此厚度視應(yīng)用時所加電壓的貫穿深度而定，如此使主動區(qū)形成一懸浮鼓膜的構(gòu)造。為在接線墊41上打線時增加承受力，在接線墊41正下方另留在一臺座(supporting stand)47。然后于貫穿空乏區(qū)43的下表面45鍍一層金屬形成下電極44。在外加電壓加于上電極42至下電極44時，光電二極管的基板因摻雜濃度低，其空乏區(qū)甚厚而抵達下電極，謂之貫穿(reach-through)，因其完全貫穿，故串聯(lián)電阻幾乎不存在，僅在臺座47有串聯(lián)電阻，但電流必從臺座47兩側(cè)流出而不經(jīng)由臺座47，故串聯(lián)電阻可以極小化，又活性區(qū)接線墊41位于活性區(qū)之上，且其面積小，可減少寄生電容，因而本發(fā)明的光電二極管的構(gòu)造具有小寄生電容及極小的串聯(lián)電阻，可增進二極管的操作速度，提增進頻寬及靈敏度。為本發(fā)明的一大優(yōu)點。
參考圖5，圖5為依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的高速光電二極管的構(gòu)造圖。此圖與圖4構(gòu)造不同之處為溝槽49形成在活性區(qū)的正下方而不留有臺座。為加強封裝時在活性區(qū)接線墊上打線的承受力及增進二極管的平坦性而利于切割成晶粒，在溝槽49內(nèi)回填固體材料48例如聚亞醯胺(polyimide)、光阻(photoresist)或其它聚合物(polymer)以增強在活性區(qū)形成的懸浮鼓膜的強度及平整度，且用以承受打線時的壓力。
圖6為依據(jù)本發(fā)明的又一實施例的高速光電二極管的構(gòu)造圖。此圖與圖5構(gòu)造不同之處為溝槽49內(nèi)在正對活性區(qū)接線墊41正下方有一臺座47，但仍可在溝槽49內(nèi)回填固體材料例如聚亞醯胺、光阻或其它聚合物，以增強在活性區(qū)形成的懸浮鼓膜的強度及平整度。
通過以上較佳的具體實施例的詳述，希望能更加清楚描述本創(chuàng)作的特征與精神，而并非以上述所揭露的較佳具體實例來對本發(fā)明的范疇加以限制。相反的，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排于本發(fā)明所欲申請的專利范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，至少包含一片高電阻系數(shù)的第一型硅基板，具有接近本質(zhì)摻雜的高電阻系數(shù)；一個空間電荷區(qū)，為加電壓后產(chǎn)生的貫穿空乏區(qū)；一層第二型摻雜層，由離子布植或擴散形成的重摻雜區(qū)，作為二極管的上電極；一層保護層，覆蓋二極管形成保護及絕緣，其中有一接觸孔；一個活性區(qū)接線墊，供打線之用；一個背面蝕刻區(qū)，自背面選擇性蝕刻基板正對活性區(qū)到達空乏區(qū)的貫穿厚度之處以形成懸浮鼓膜結(jié)構(gòu)；一個背面電極，形成在前述背面蝕刻區(qū)；其特征為該背面蝕刻區(qū)為正對活性區(qū)到達貫穿空乏區(qū)的貫穿厚度之處形成懸浮鼓膜結(jié)構(gòu)，以減少光電二極管導(dǎo)通時的串聯(lián)電阻；該活性區(qū)接線墊位于光學(xué)活性區(qū)域內(nèi)直接與該上電極接觸，使接線墊與基板間的寄生電容減至最小，以提高該光電二極管的速度、頻寬及靈敏度。
2.如權(quán)利要求1所述的減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，其特征在于，該第一型硅基板為N型。
3.如權(quán)利要求1所述的減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，其特征在于，該第二型摻雜層為P型。
4.如權(quán)利要求1所述的減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，其特征在于，該第一型硅基板為P型。
5.如權(quán)利要求1所述的減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，其特征在于，該第二型摻雜層為N型。
6.如權(quán)利要求1所述的減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，進一步包含于該背面蝕刻溝槽的該活性區(qū)接線墊的正下方留有一臺座，以增強活性區(qū)接線墊下面的強度，供封裝時平衡打線所承受的壓力。
7.如權(quán)利要求1或6所述的減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，進一步包含該背面蝕刻溝槽以固體材料填充以增強該懸浮鼓膜的強度以承受封裝時施加的壓力。
8.如權(quán)利要求7所述的減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，其特征在于，該固體材料為聚亞醯胺。
9.如權(quán)利要求7所述的減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，其特征在于，該固體材料為光阻。
10.如權(quán)利要求7所述的減少串聯(lián)電阻的PIN貫穿式光電二極管的構(gòu)造，其特征在于，該固體材料為聚合物材料。
全文摘要
本發(fā)明公開一種貫穿式(reach－through)光電二極管，具有一活動區(qū)接線墊(active bonding pad)，形成在光學(xué)活動區(qū)之上以降低接線墊與基板間的寄生電容。此光電二極管結(jié)構(gòu)的特征為基板的背面有部份被蝕刻除去以在光學(xué)活動區(qū)下蝕刻一溝槽(grove)以形成一懸浮鼓膜(floating membrane)。該懸浮鼓膜被移除的厚度為合于二極管接面的貫穿空乏區(qū)(depletion)的條件，因而，此被移除的基板的串聯(lián)電阻可完全被消除，以增進頻寬及靈敏度。除懸浮鼓膜結(jié)構(gòu)之外，此組件的特征為在凹陷的溝槽空間內(nèi)重新以任何固體物質(zhì)填入以在封裝時增強懸浮鼓膜的強度。另外，此組件再一特征為具有一未蝕刻的臺座(stand)在主動接線墊正下方的位置，以在打線時支持鼓膜免于破裂。
文檔編號H01L31/105GK1901239SQ20051008543
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月18日
發(fā)明者謝正雄, 黃上達, 黃進文, 林建中 申請人:樺晶科技股份有限公司