ITMI20070101A1

ITMI20070101A1 - Optoisolatore galvanico integrato monoliticamente su silicio e relativo processo di integrazione

Info

Publication number: ITMI20070101A1
Application number: IT000101A
Authority: IT
Inventors: Salvatore Coffa; Massimiliano Fiorito; Mariantonietta Monaco; Gianpiero Montalbano
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2008-07-25
Also published as: US20080173879A1; US8097868B2

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“Opto isolatore galvanico integrato monoliticamente su silicio e relativo processo di integrazione.”

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione fa riferimento ad un optoisolatore galvanico del tipo integrato monolìticamente su un substrato dì silicio.

Più in particolare, l’invenzione si riferisce ad un optoisolatore galvanico del tipo comprendente almeno una sorgente luminosa ed un fotorivelatore interfacciali per mezzo di uno strato dì isolamento galvanico.

L'invenzione fa altresì riferimento ad un processo di integrazione di un tale optoisolatore galvanico.

Arte nota

Come è ben noto, un optoisolatore galvanico è essenzialmente un dispositivo di sicurezza che permette a due diverse sezioni di un sistema di poter scambiare comandi e informazioni in modo bidirezionale rimanendo separate dal punto di vista elettrico. In particolare, la trasmissione di segnale attraverso l’optoisolatore galvanico avviene tramite impulsi luminosi che passano attraverso uno strato isolante trasparente alla luce ma con alta rigidità dielettrica.

Si ha quindi un accoppiamento ottico fra le due parti del sistema collegate dalToptoisolatore galvanico che restano comunque isolate elettricamente fra loro (in particolare, non hanno terminali di massa in comune).

Un optoisolatore galvanico di tipo noto è illustrato schematicamente in Figura 1, complessivamente indicato con 1.In particolare, l’optoisolatorc galvanico 1 connette un primo nodo circuitale, o ingresso IN, ad un secondo nodo circuitale, o uscita OUT, garantendo l’isolamento galvanico dei rispettivi riferimenti di tensione GND1 e GND2 grazie alla conversione di un segnale elettrico di ingresso in un segnale ottico.

L'optoisolatore galvanico 1 comprende quindi uno stadio di ingresso, in particolare una sorgente ottica [Optìcal Source] 2 connessa, tramite uno stadio 3 intermedio realizzato da un mezzo di trasmissione, in particolare uno strato isolante [Insulation Layer], ad uno stadio di uscita o rivelatore ottico [Optical Detector] 4. In particolare, lo strato isolante dello stadio 3 intermedio è un mezzo trasparente atto a trasmettere un segnale ottico (indicato con Light in figura) .

Più in particolare, la sorgente ottica 2 di ingresso o trasmettitore emette una potenza che viene trasferita al rivelatore ottico 4 o fotorilevatore di uscita: in questo modo, se il mezzo di trasmissione attraverso cui trasmettitore e fotori levatorc comunicano presenta una buona trasparenza ed un buon grado di isolamento elettrico, l’optoisolatore galvanico 1 realizza pienamente la funzionalità di trasmissione e contemporaneo isolamento richiesti.

Il campo di applicazione di maggiore interesse è quello riguardante 1 isolamento fra circuiti elettronici dove è prevista, ad esempio, iinterazione di- un circuito intelligente, vale a dire comprendente una memoria (SMART) ed avente capacità di calcolo, a bassa potenza con un circuito ad alta potenza con le rispettive masse isolate fra loro, come schematicamente illustrato in Figura 2.

In particolare, un sistema elettronico 5 comprende un circuito 6 a bassa potenza ed un circuito 7 ad alta potenza inseriti, in serie tra loro, tra un terminale di ingresso INPUT ed un terminale di uscita OUTPUT. Il circuito 6 a bassa potenza comprende a sua volta uno stadio di ingresso o driver 8 connesso, tramite un optoisolatore galvanico 1, ad uno stadio 9 di uscita.

Un tale tipo di collegamento tra circuiti a bassa ed alta potenza, 6 rispettivamente 7, consente di eliminare tutti quei disturbi dovuti a differenze di potenziale tra masse diverse che generano rumore nella trasmissione di un segnale all’interno del sistema elettronico 5 ed i percorsi di conduzione verso massa, o ground-loops.

La trasmissione dei segnali per via ottica permette inoltre una risposta estremamente lineare oltre ad una elevata larghezza di banda in totale assenza di distorsione.

E’ opportuno inoltre sottolineare che l’isolamento galvanico costituisce un requisito indispensabile in numerose applicazioni, quali ad esempio quelle nel settore biomedico, ove è necessario tutelare il soggetto della misura (organismo vivente) da possibili shock elettrici (per esempio attraverso un catetere è sufficiente una corrente di poche decine di μΑ per mandare in fibrillazione cardiaca il malcapitato soggetto).

Gli optoisolatori galvanici sono quindi dispositivi largamente presenti sul mercato. Essi sono solitamente realizzati assemblando in maniera opportuna un diodo ad emissione di luce (LED), in particolare realizzato con semiconduttori a banda proibita (gap] diretta, quali i semiconduttori tipo III-V, in qualità dì sorgente ottica, e un fotorivelatore (solitamente un fotodiodo o un foto transistore), tipicamente realizzato in Silicio, in qualità dì detector o rivelatore ottico.

L’utilizzo di tali sistemi a trasmissione ottica ha portato allo sviluppo di una nuova concezione delle comunicazioni secondo cui una informazione viene veicolata da opportuni impulsi di luce [trasmissione ottica], in maniera più efficiente rispetto ad una tradizionale trasmissione elettronica, essenzialmente riconducibile al trasferimento di correnti elettriche.

Le trasmissioni ottiche delle informazioni offrono, infatti, notevoli vantaggi rispetto a quelle elettroniche: basti pensare alla maggiore banda passante, all’immunità ai disturbi elettromagnetici ed alle elevatissime capacità e velocità di trasferimento dei dati. Ciò ha dato un impulso straordinario alla fotonica, intesa come la tecnologia di sistemi o dispositivi che emettono, modulano, trasmettono o rivelano la luce. Come nell'elettronica gli elettroni sono gli attori, nella fotonica i fotoni (quanti di luce) sonori protagonisti.

E’ altresì opportuno sottolineare il fatto che la fotonica, allo stato attuale, è basata su semiconduttori diversi dal silicio, che largo impiego ha trovato e trova nel campo dell’elettronica. Infatti, è noto che il silicio cristallino è un materiale a banda proibita indiretta e quindi non emette luce a temperatura ambiente in maniera efficiente, a differenza di altri materiali semiconduttori come i semiconduttori III-V (ad esempio Tarseniuro di gallio, GaAs) che presentano invece una banda proibita diretta ed un’elevata efficienza di emissione.

Questi materiali semiconduttori alternativi al silicio hanno tuttavia una tecnologia di lavorazione complessa e assai costosa, lontana da quella del silicio, semiconduttore ampiamente utilizzato per la realizzazione dì dispositivi elettronici per l’elaborazione e l’immagazzinamento di informazioni, quali microprocessori e memorie, in virtù delle sue eccellenti proprietà elettriche e meccaniche ed alla sua matura ed ormai consolidata tecnologia di fabbricazione, estremamente evoluta e caratterizzata dall’uso di processi e materiali affidabili e a basso costo.

Un confronto delle tecnologie basate su diversi materiali semiconduttori è sintetizzato nella seguente tabella 1, in termini di costi

al mm<2>:

Tabella 1

Da tale confronto è quindi immediatamente evidente che per realizzare un’interfaccia semplice e funzionale con la tecnologia rmcroelettronica risulta logico utilizzare il silicio, che in termini di costi risulta quindi essere il materiale ideale per sviluppare anche dispositivi optoelettronici. L’utilizzo del silicio consentirebbe in questo modo Γ<ζη>-tegr azione di funzioni elettriche con quelle ottiche.

L’enorme interesse tecnologico per remissione di luce dal silicio ha portato negli ultimi anni all’individuazione di alcune strategie promettenti per la realizzazione di sistemi e di dispositivi emettitori di luce discreti, interamente basati su silicio.

Una prima soluzione tecnica nota per soddisfare questa necessità ed ottenere una efficiente emissione di luce dal silicio è quello di modificare la sua struttura a bande, sintetizzando nanocristalli di silicio in una matrice di ossido di silicio (S1O2), come schematicamente illustrato nelle Figure 3A-3C.

In particolare, la Figura 3A illustra schematicamente una sorgente luminosa o led 10 realizzata mediante la deposizione su un substrato 11 di silicio di uno strato di ossido di silicio 12 arricchito di silicio o SRO (acronimo dall’inglese “Silicon Rich Oxide”), strato che presenta ossia un eccesso di silicio (Si).

E’ noto infatti sottoporre un tale strato SRO 12, deposto tramite deposizione chimica da fase vapore assistita da plasma o PECVD (acronimo dall’inglese “Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition”) a processi di ricottura con la conseguente precipitazione di nanocristalli di silicio 12A dovuta all’eccesso di silicio presente nello strato di ossido di silicio 12.

Quando le dimensioni di questi nanocristalli 12A sono inferiori a circa 4 nm, la relativa struttura elettronica a bande risulta modificata rispetto a quella di un cristallo di silicio. In particolare, gli effetti quantistici di confinamento producono un allargamento della banda proibita dello strato SRO 12 di silicio con l’effetto di facilitare le transizioni elettroniche radiative con emissione di luce (Light) nel campo del visibile, ottenendo in tal modo un led 10 luminoso in silicio.

E’ così possibile realizzare, utilizzando le comuni tecniche impiegate nel campo della microelettronica, una sorgente luminosa 19 integrata in silicio, come schematicamente illustrato in Figura 3B. In particolare, al di sopra di almeno una porzione dello strato SRO 12 viene realizzato uno strato 13 di polisìlicio e, al di sopra della struttura integrata così ottenuta, viene depositato un ulteriore strato 14 di ossido di silicio.

Vengono quindi realizzate opportune aperture nella struttura integrata così ottenuta, in particolare una prima apertura 15A in una prima porzione priva dello strato 13 di polisilicio, con eliminazione dello strato 14 di ossido di silicio e dello strato SRO 12 sottostante, ed una seconda apertura 15B in una seconda porzione in corrispondenza dello strato 13 di polisilicio, con eliminazione dello strato 14 di ossido di silicio, dello strato 13 di polisilicio e dello strato SRO 12.

In corrispondenza di tali aperture 15A e 15B vengono infine realizzate rispettive prima e seconda struttura di contatto, 16A e 16B in materiale metallico.

In tal modo, in una porzione 14A dello strato 14 di ossido di silicio al di sopra dello strato 13 di polisilicio e dello strato SRO 12 e libera dalla seconda struttura 16B di contatto, si ha emissione di luce (indicata con L in Figura 3B).

Una vista in pianta di una tale sorgente luminosa 19 integrata in silicio è schematicamente illustrata in Figura 3C.

E’ altresì noto porre rimedio al problema dell'inefficacia del silicio ad emettere luce in maniera efficiente drogando uno strato di ossido di silicio (Si02) con ioni di terre rare (Erbio ma anche Terbio e Cerio) per ottenere una sorgente luminosa o led in silicio.

Infatti, le terre rare (indicate solitamente con RE, Rare Earths) presentano una transizione ottica ad una lunghezza d'onda caratteristica pari a 1.54 pm per 1 Terbio, che corrisponde al minimo di attenuazione su fibre ottiche a base silice, 0.54 pm (nel verde) per il Terbio e 0.48 pm (nel blu) per il Cerio, e, qualora inserite in uno strato di ossido di silicio, possono essere efficientemente eccitate mediante impatto di portatori di carica.

Come visto in precedenza, ad una sorgente luminosa quale un led in silicio è associato un ricevitore o fotorilevatore, il quale ha il compito di riconvertire il segnale luminoso emesso dalla sorgente luminosa in impulsi elettrici.

E’ noto realizzare un tale fotorivelatore nella forma di un fotodiodo, vale a dire una giunzione PN la cui conducibilità aumenta in funzione dell'aumento dell'intensità della luce incidente. Per aumentare ulteriormente la sensibilità del fotorilevatore, è altresì noto ricorrere a strutture più complesse, in particolare a foto transistori o fotodarlington. Inoltre, per alimentare carichi in corrente alternata a tensione di rete è noto impiegare i cosiddetti dispositivi fototriac, il cui innesco avviene sempre illuminando il dispositivo stesso.

La struttura più comunemente utilizzata per realizzare un fotorilevatore è quella di un foto transistore, comprendente,essenzialmente un normale transistore bipolare NPN la cui giunzione base-collettore, polarizzata inversamente, viene esposta a radiazione luminosa. In tal modo, la luce incidente genera coppie elettrone-lacuna nella regione di svuotamento tra base e collettore del transistore bipolare, producendo così una fotocorrente, che si comporta esattamente come una corrente di base IB di un normale transistore bipolare (in tal caso, il transistore bipolare utilizzato in guisa dì fototransistore comprende un terminale di base tenuto flottante [floating] e quindi una corrente di base IB reale nulla). Tale fotocorrente viene quindi amplificata di un fattore pari al guadagno interno del transistore bipolare, per il ben noto effetto transistore.

Un optoisolatore galvanico di tipo integrato e comprendente un fotorilevatore nella forma di un fotodiodo in silicio amorfo deposto su una sorgente luminosa avente un mezzo attivo costituito da imo strato di Ossido di Silicio (Sì02) impiantato con ioni Germanio (Ge+), responsabili della luminescenza, nonché uno strato di isolamento galvanico realizzato da uno spesso strato di ossido di silicio è descritto ad esempio nella domanda di brevetto europeo No. EP 1132975.

La struttura integrata proposta in questo documento per realizzare l’optoisolatore galvanico utilizza inoltre uno strato di ossido sottile dì indio, noto come ITO (acronimo dall’inglese “Indium Tin Oxide ) per realizzare i contatti della sorgente di luce, materiale tipicamente molto più costoso del polisilicio normalmente utilizzato nei circuiti integrati in microelettronica.

Il problema tecnico che sta alla base^della presente invenzione è quello di escogitare un optoisolatore galvanico atto ad essere integrato monoliticamente utilizzando tecniche e processi di integrazioni attualmente in uso nella microelettronica ed avente caratteristiche strutturali e funzionali tali da consentire di superare le limitazioni e gli inconvenienti che tuttora affliggono gli optoisolatori galvanici realizzati secondo l'arte nota.

Sommario dell'invenzione

L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di realizzare un optoisolatore galvanico comprendente un fototransistore in qualità di fotorivelatore, uno strato finale di passivazione di tale fototransistore fungendo da strato di isolamento galvanico atto ad interfacciare e separare il fotorivelatore dalla sorgente luminosa.

Sulla base di tale idea di soluzione il problema tecnico è risolto da un optoisolatore galvanico del tipo precedentemente indicato e comprendente almeno una sorgente luminosa ed un fotorivelatore interfaccìati per mezzo di uno strato di isolamento galvanico caratterizzato dal fatto che detto fotorivelatore è un fototransistore realizzato su detto substrato di silicio e dal fatto che detto strato di isolamento galvanico é uno strato di passivazione di detto foto transistore.

In una forma preferita di realizzazione delToptoisolatore galvanico secondo l’invenzione, detta sorgente luminosacomprende un led integrato avente un primo strato di polisilicio con funzione di catodo ed un secondo strato di polisilicio con funzione di anodo, detti primo e secondo strato racchiudendo almeno uno strato emettitore di luce, ulteriormente preferibilmente uno strato di ossido di silicio arricchito di silicio (SRO).

Opportunamente, detto strato di isolamento galvanico è realizzato in un materiale avente una buona trasparenza ottica ed elettricamente isolante, preferibilmente uno strato di passivazione in BPSG.

Il problema è altresì risolto da un processo di integrazione di un optoisolatore galvanico del tipo precedentemente indicato e comprendente le fasi di:

- integrazione, su un substrato di silicio, di un foto rivelatore;

deposizione di uno strato di isolamento galvanico al di sopra di detto foto rivelatore; e

integrazione, al di sopra dì detto strato di isolamento galvanico, di una sorgente luminosa

caratterizzato dal fatto che detta fase di integrazione di detto fotorivelatore realizza un fototransistore avente uno strato finale di passivazione atto a fungere da strato di isolamento galvanico.

In una forma preferita di realizzazione del processo di integrazione di un optoisolatore galvanico secondo rinvenzione, detta fase di integrazione di detto fototransistore comprende ulteriormente le fasi di:

ossidazione termica con formazione di uno strato di ossido -spesso al di sopra di detto substrato;

mascheratura e attacco di detto strato di ossido spesso; ossidazione termica con formazione di uno strato di ossido di gate; e

impiantazione ionica di un primo tipo di drogante per realizzare una regione di body di detto fototransistore, detta regione di body realizzando una regione otticamente attiva di detto foto transistore,

Opportunamente, detta fase di integrazione di detto fototransistore comprende ulteriormente le fasi di:

prima diffusione termica di detto primo tipo di drogante all’intemo di detta regione otticamente attiva;

mascheratura e impiantazione ionica di un secondo tipo di drogante per realizzare una sacca di emettitore di detto foto transistore,

seconda diffusione termica di detto primo tipo di drogante ai intemo di detta regione otticamente attiva ; e

mascheratura e impiantazione ionica di detto primo tipo di drogante per realizzare una sacca di base di detto fototransistore.

Le caratteristiche ed i vantaggi del optoisolatore galvanico e del relativo processo di integrazione secondo l invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un suo esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

Breve descrizione dei disegni

Γη tali disegni:

la Figura 1 mostra uno schema di configurazione di un optoìsolatore galvanico;

la Figura 2 mostra in maggior dettaglio lo schema di Figura 1;

le Figure 3A-3C mostrano schematicamente un optoìsolatore galvanico integrato realizzato secondo la tecnica nota; e la Figura 4 mostra schematicamente un optoìsolatore galvanico integrato realizzato secondo l’invenzione.

Descrizione dettagliata

Con riferimento a tali figure, ed in particolare alla Figura 4, è schematicamente illustrato un optoìsolatore galvanico, complessivamente indicato con 20.

Essenzialmente, l’optoisolatore galvanico 20 secondo rinvenzione è integrato monoliticamente su un substrato di silicio e comprende una sorgente ottica o led 30 ed un foto rivelatore 50 interfacciati per mezzo di imo strato 40 dì isolamento galvanico.

Vantaggiosamente secondo rinvenzione, lo strato 40 di isolamento galvanico è realizzato mediante uno strato BPSG (acronimo dall’inglese: ”Boron Phosphor Silicon Glass”). E’ opportuno notare, che tale strato BPSG è uno strato di passivazione comunemente utilizzato nell’integrazione di dispositivi elettronici.

Ulteriormente vantaggiosamente secondo l’invenzione, il fotorivelatore 50 è un. foto tran si sto re.

Più in dettaglio, il fotorivelatore 50 è realizzato su un substrato 51 di silicio avente almeno una superficie inferiore 52 di retro -contatto. Nel substrato 51 è realizzata una regione otticamente attiva 53, in particolare per la generazione di una ibtocorrente, vale a dire di un segnale di corrente in corrispondenza del ricevimento, tramite lo strato 40 di isolamento galvanico, di un segnale luminoso generato dal led 30.

Nella regione otticamente attiva 53 sono ulteriormente realizzate una prima ed una seconda sacca, in particolare una sacca 54 di base ed una sacca 56 di emettitore del fotorivelatore 50. In particolare la sacca 54 di base è una sacca impiantata con Boro, mentre la sacca 56 di emettitore è una sacca impiantata con Arsenico.

In tal modo, vantaggiosamente secondo rinvenzìone, il fotorivelatore 50 è realizzato nella forma di un foto transistore, in particolare un transistore bipolare comprendente una regione otticamente attiva 53 in corrispondenza del led 30 nonché regioni di base e di emettitore corrispondenti alle sacca 54 di base ed alla sacca 56 di emettitore contattabili mediante wire bonding e, come sarà chiarito nel seguito, ottenibile con le sequenze di processo di tipo BCD3s.

Al di sopra del fotorivelatore 50, in particolare al di sopra della regione otticamente attiva 53 e delle sacche di base e di emettitore, 54 e 56, è depositato Io strato 40 di isolamento galvanico al di sopra del quale è realizzato il led 30.

In particolare, il led 30 comprende un primo strato di polis ilic io con funzione di catodo 31 ed un secondo strato sempre di polisilicio con funzione di anodo 32, i quali strati racchiudono almeno uno strato emettitore di luce 35.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, tale strato emettitore di luce 35 è uno strato di ossido di silicio arricchito di silicio o SRO.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, al di sopra del catodo 31 viene depositato uno strato di isolamento del led 30, in particolare ossido di silicio, opportunamente sagomato in maniera da realizzare almeno una prima 33 ed un seconda porzione 34 di isolamento laterale.

In una forma preferita di realizzazione della presente invenzione, tale strato di isolamento è VAPOX, vale a dire ossido di silicio depositato in fase vapore.

Opportunamente, le porzioni di isolamento laterale, 33 e 34, sono sagomate in modo da lasciare libera almeno una porzione 3 la di contatto del catodo 31, in particolare per il contatto mediante un filo 31b di bonding. Analogamente, sull’anodo 32 è presente almeno una porzione 32a di contatto mediante un rispettivo filo 32b di bonding.

Ulteriormente, il led 30, in particolare il suo catodo 31, è opportunamente sagomato in maniera da lasciare libere almeno una prima ed una seconda zona di contatto, 54a e 56a, per le sacche di -base e di emettitore, 54 e 56. In tal modo, il led 30 risulta posizionato in corrispondenza di un’area utile 50A del foto rivelato re 50.

Nello strato 40 di isolamento galvanico sono quindi realizzati, in corrispondenza di tali prima e seconda zona di contatto, 54a e 56a, almeno un primo ed un secondo foro, 55a e 57a, per il contatto delle sacche di base e di emettitore, 54 e 55, rispettivamente.

In particolare, vantaggiosamente secondo l 'invenzione, un opportuno materiale viene utilizzato per il riempimento di tali fori 55a e 57a e la realizzazione di almeno una prima ed una seconda struttura di contatto di base e di emettitore, 55b e 57b, rispettivamente, a loro volta contattate mediante rispettivi fili di bonding, 54b e 56b.

In una forma preferita di realizzazione della presente invenzione, tale materiale di riempimento è lega metallica (AlSiCu).

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, l’optoiso latore galvanico è realizzato da un blocco ottenuto dall’integrazione monolitica della sorgente di luce o led 30 direttamente sul fotorivelatore 50 nell 'ampiamente consolidata tecnologia BCD3s.

La presente invenzione fa riferimento ad un processo di integrazione di un optoisolatore galvanico 20 in tecnologia BCD3s comprendente le fasi di:

integrazione su un substrato 51 di silicio di un fotorivelatore 50;

deposizione di uno strato 40 di isolamento galvanico ad di sopra di tale fotorivelatore 50; e

integrazione, al di sopra di tale strato 40 di isolamento galvanico, di una sorgente luminosa o led 30.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, la fase di integrazione del fotorive latore 50 realizza un fototransistore comprendente almeno una regione otticamente attiva 53 in corrispondenza del led 30 nonché una<.>sacca 54 di base ed un sacca 56 di emettitore contattabili mediante wire bonding.

Più in dettaglio, la fase di integrazione del fotorivelatore 50 nella forma di un fototransistore 50 su un substrato 51 di silicio epitassiale, nell’esempio illustrato di un primo tipo di drogante, in particolare di tipo P, comprende le seguenti fasi di:

ossidazione termica con formazione di uno strato di ossido spesso al di sopra del substrato 51;

mascheratura e attacco dello strato di ossido spesso; ossidazione termica con formazione di uno strato di ossido di gate;

impiantatone ionica di tipo p per realizzare una regione di body del fototransistore 50, tale regione di body essendo la regione otticamente attiva 53

prima diffusione termica del drogante di tipo p all’intemo della regione otticamente attiva 53;

mascheratura e impiantazione ionica di un secondo tipo di drogante, in particolare di tipo n, per realizzare la sacca 56 di emettitore;

seconda diffusione termica del drogante di tipo p all’intemo della regione otticamente attiva 53; e

mascheratura e impiantazione ionica di tipo p per realizzare la sacca 54 di base;

E’ opportuno notare che, vantaggiosamente secondo l’invenzione, dopo aver depositato gli strati di processo che realizzano il fototransistore 50 si deposita ulteriormente uno strato di passivazione, in particolare uno strato BPSG, utilizzato ncll’optoisolatore galvanico 20 secondo l’invenzione come strato 40 di isolamento galvanico.

Il processo di integrazione secondo l’invenzione procede quindi con la fase di integrazione, al di sopra di tale strato 40 di isolamento galvanico, del led 30 mediante le ulteriori fasi di:

deposizione sullo strato 40 di isolamento galvanico di un primo strato di polisilicio per realizzare il catodo 31 del led 30;

mascheratura di tale primo strato di polisilicio e successivo attacco per la sagomatura del catodo 3 1 ;

deposizione di un ossido spesso (VAPOX) e attacco di tale strato di ossido per la realizzazione di una prima 33 e di una seconda porzione 34 di isolamento laterale elettrico del led 30

deposizione, al di sopra del catodo 31, di uno strato di ossido di silicio arricchito o SRO con funzione di strato emettitore di luce 35;

deposizione, al di sopra dello strato SRO, di un secondo strato di polisilicio;

mascheratura ed attacco dello strato SRO e del secondo strato di polisilicio per la realizzazione dell’anodo 32.

In sostanza, la presente invenzione propone un optoisolatore galvanico integrato monoliticamente, del tipo comprendente almeno una sorgente di luce o led 30 ed un fotorivelatore 50 nella forma di un fototransistore, riuscendo in tal modo ad integrare monoliticamente su silicio funzioni fotoniche.

In particolare, il fotorivelatore 50 è realizzato nella forma di un fototransistore npn in silicio, disposto sotto la sorgente di luce (mentre, nelle soluzioni note si utilizza un fotodiodo in silicio amorfo deposto sopra la sorgente stessa) .

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il foto tran sisto re comprendente almeno una regione otticamente attiva 53 in corrispondenza del led 30 nonché una sacca 54 di base ed un sacca 56 di emettitore contattabili mediante wire bonding grazie alla presenza delle strutture di contatto 55b e 57b in lega metallica (AlSiCu). Inoltre gli elettrodi 31 e 32 del led 30 sono stati realizzati in polisilicio eliminando in tal modo l’esigenza di utilizzare l’ossido sottile di indio o ITO (Indium Tin Oxide), come è nelle soluzioni attualmente in commercio, ossido tipicamente molto più costoso del polisilicio stesso.

Ulteriormente vantaggiosamente secondo l’invenzione, il led 30 viene realizzato in modo da emettere luce attraverso lo strato 40 di isolamento galvanico e in modo da interfacciarsi direttamente sul fotorivelatore 50.

Risulta quindi essenziale che tale strato 40 di isolamento galvanico presenti una buona trasparenza ottica e sia elettricamente isolante come normalmente accade per lo strato di passivazione BPSG utilizzato per i transistori realizzati in tecnologia BCD3s.

Opportunamente, il led 30 comprende uno strato SRO con funzione di strato emettitore di luce. Λ tal proposito, si sottolinea il fatto che la presenza di nanocristalli di silicio in una matrice di ossido di silicio, ottenuti effettuando processi di ricottura su uno strato SRO di ossido ricco di silicio facilita le transizioni elettroniche radiative nel silicio con emissione di luce nel visibile.

Inoltre, vantaggiosamente secondo l’invenzione, il led 30 ed il foto rivelatore 50 sono dimensionati in maniera adeguata di modo che:

1. la luce emessa dallo strato emettitore di luce 35 del led 30, dopo il passaggio attraverso lo strato 40 di isolamento galvanico finisce all’interno dell’area utile 50 A del fotorivelatore 50;

2. imo spazio per la contattatura elettrica del fotorivelatore 50 (in particolare le porzioni di contatto 54a e 56b) viene riservato mediante opportuna sagomatura del led 30, in particolare del suo catodo 31;

3. catodo 31 ed anodo 32 del led 30 sono direttamente contattabili elettricamente mediante rispettivi fili metallici di bonding (31b e 32b), grazie alla presenza di ulteriori spazi riservati, vale a dire le regioni di contatto 31a e 32a, sul lato esposto del led 30.

E’ in tal modo garantito il corretto funzionamento dell 'opto isolatore galvanico 20 secondo l’invenzione.

L'invenzione mette quindi a disposizione un dispositivo optoelettronico, in particolare un optoisolatore galvanico basato su silicio e realizzato utilizzando una consolidata tecnologia di integrazione microelettronica, in particolare la tecnologia BCD3s, aprendo in tal modo nuove prospettive al mercato tradizionale della optoelettronica.

Si sottolineano le potenziali importanti prospettive per classi di applicazioni interamente nuove (biomedicali, sensori, etc.), nonché la possibilità di utilizzare l’optoisolatore galvanico proposto per la realizzazione di strutture sempre più sofisticate e complete, in particolar modo vantaggiose nel campo delle cosiddette “soluzioni di sistema" .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Optoisolatore galvanico (20) del tipo integrato monoliticamente su un substrato di silicio (51) e comprendente almeno una sorgente luminosa (30) ed un fotorivelatore (50) interfacciati per mezzo di uno strato di isolamento galvanico (40) caratterizzato dal fatto che detto fotorivelatore (50) è un fototransistore realizzato su detto substrato di silicio (51) e dal fatto che detto strato di isolamento galvanico (40) è uno strato di passivazione di detto fototransistore.
2. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sorgente luminosa (30), realizzata al di sopra di detto strato di isolamento galvanico (40) comprende un led integrato avente un primo strato di polisilicio con funzione di catodo (31) ed un secondo strato di polisilicio con funzione di anodo (32), detti primo e secondo strato racchiudendo almeno uno strato emettitore di luce (35).
3. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto strato emettitore di luce (35) è uno strato di ossido di silicio arricchito di silicio (SRO).
4. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto strato di isolamento galvanico (40) è realizzato in un materiale avente una buona trasparenza ottica ed elettricamente isolante.
5. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto strato di isolamento galvanico (40) è uno strato di passivazione in BPSG.
6. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto fotorivelatore (50) comprende almeno una regione otticamente attiva (53) per la generazione di una fotocorrente al ricevimento di un segnale luminoso generato da detta sorgente luminosa (30) .
7. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto fotorivelatore (50) comprende ulteriormente almeno una prima ed una seconda sacca (54, 56) ottenute in detta regione otticamente attiva (53) ed atte a realizzare rispettivamente una regione di contatto di base ed una regione di emettitore di detto foto transistore.
8. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto strato di isolamento galvanico (40) comprende almeno un primo ed un secondo foro (55a, 57a) per il contatto di dette sacche di base e di emettitore (54, 56), rispettivamente.
9. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto fotorivelatore (50) comprende ulteriormente almeno una prima ed una seconda struttura di contatto (55b, 57b) di dette sacche di base e di emettitore (54, 56) realizzate per riempimento dì detti primo e secondo foro (55a, 57a) e contattate mediante rispettivi fili di bonding (54 b, 56b).
10. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che dette prima e seconda struttura di contatto (55b, 57b) sono in lega metallica (AlSiCu).
11. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detta sorgente luminosa (30) è posizionata in corrispondenza di un’area utile (50A) di detto foto rivelatore (50).
12. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detta sorgente luminosa (30) è opportunamente sagomata in maniera da lasciare libere almeno una prima ed una seconda zona di contatto (54a, 56a) in corrispondenza di dette prima e seconda struttura di contatto (55b, 57b) di dette sacche di base e di emettitore (54, 56) di detto fotorivelatore (50).
13. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detta sorgente luminosa (30) comprende ulteriormente rispettive porzioni di contatto (3 la, 32a) per detti catodo e anodo (31, 32) atte ad essere contattate mediante rispettivi fili di bonding (31b, 32b).
14. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detta sorgente luminosa (30) comprende ulteriormente uno strato di isolamento opportunamente sagomato in maniera da realizzare almeno una prima ed una seconda porzione (33, 34) di isolamento laterale elettrico di detta sorgente luminosa (30) al di sopra di detto catodo (31).
15. Optoisolatore galvanico (20) secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto strato di isolamento è ossido di silicio depositato in fase vapore (VAPOX).
16. Processo di integrazione di un optoisolatore galvanico (20) del tipo integrato monoliticamente e comprendente almeno una sorgente luminosa (30) ed un fotorivelatore (50) interfacciati per mezzo d-ì uno strato di isolamento galvanico (40) comprendente le fasi di: integrazione, su un substrato di silicio (51), di un fotorivelatore (50); deposizione di uno strato di isolamento- galvanico (40) al di sopra di detto fotorivelatore (50); e integrazione, al di sopra di detto strato di isolamento galvanico (40), di una sorgente luminosa (30) caratterizzato dal fatto che detta fase di integrazione di detto fotorivelatore (50) realizza un foto transistore avente uno strato finale di passivazione atto a fungere da strato di isolamento galvanico (40).
17. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detta fase di integrazione di detto fototransistore (50) comprende ulteriormente le fasi dì: ossidazione termica con formazione di uno strato dì ossido spesso al di sopra di detto substrato (51); mascheratura e attacco di detto strato di ossido spesso; ossidazione termica con formazione di uno strato di ossido di gate; e impiantazione ionica di un primo tipo di drogante per realizzare una regione di body di detto foto tran sisto re (50), detta regione di body realizzando una regione otticamente attiva (53) di detto fototransistore (50).
18. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che detta fase di integrazione di detto foto transistore (50) comprende ulteriormente le fasi di: prima diffusione termica di detto primo tipo di drogante all inter di detta regione otticamente attiva (53); mascheratura e impiantazione ionica di un secondo tipo di<->drogante per realizzare una sacca di emettitore (56) di detto fototransistore (50); seconda diffusione termica di detto primo tipo di drogante airintemo di detta regione otticamente attiva (53); e mascheratura e impiantazione ionica di detto primo tipo di drogante per realizzare una sacca di base (54) di detto fototransistore (50).
19. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione di imo strato di isolamento galvanico (40) comprende una fase di deposizione di uno strato di passivazione di detto fototransistore (50).
20. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione dì uno strato di isolamento galvanico (40) comprende una fase di deposizione di uno strato BPSG.
21. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che detta fase di integrazione dì detta sorgente luminosa (30) comprende ulteriormente le fasi di: deposizione su detto strato di isolamento galvanico (40) di un primo strato di polisilicio per realizzare un catodo (31) di detta sorgente luminosa (30); mascheratura di detto primo strato di polisilicio e successivo attacco per la sagomatura di detto catodo (31); deposizione di un ossido spesso (VAPOX) e attacco di detto strato di assido per la realizzazione di una prima e di una seconda porzione di isolamento laterale elettrico (33, 34) di detta sorgente luminosa (30); e deposizione, al di sopra di detto catodo (31), di uno strato di ossido di silicio arricchito (SRO) con funzione di strato emettitore di luce (35) di detta sorgente luminosa (30).
22. Processo di integrazione secondo la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che detta fase di integrazione di detta sorgente luminosa (30) comprende ulteriormente le fasi di: deposizione, al di sopra di detto strato di ossido di silicio arricchito (SRO), di un secondo strato di polisilicio; e mascheratura ed attacco di detto strato di ossido di silicio arricchito (SRO) e di detto secondo strato di polisilicio per la realizzazione di un anodo (32) di detta sorgente luminosa (30).