一种半导体光电传感器的制作方法

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种半导体光电传感器。

背景技术：

光电传感器的应用非常广泛，在民用，军用以及科研等领域都至关重要。根据其用途和敏感波长不同，又可分为多种类型。 其基本原理大体类似，即光子通过具有特定禁带宽度的半导体材料时会激发出自由电子，而通过检测这些电子的浓度即可得提取出光的强度。

目前通用的光电传感器大体分为两类，一类是使用电容式，如常用的CCD传感器[4]，而另外一类是基于反向p-n，如CMOS传感器[5]。对于CCD传感器，光产生的电子被电容极板所收集，之后通过电荷耦合转移到电荷放大器进行放大。由于CCD传感器基于串行的电荷转移，其工作速度慢，电荷转移需要消耗额外的能量并且需要进行电荷转移复杂时钟信号。而在CMOS传感器中，光在反向p-n结中产生电流，通过额外的积分和放大器，将此产生的电流转换成电压信号输出。CMOS传感器不需要进行电荷转移，因此弥补了CCD传感器的一些缺点。然而，CCD传感器必须使用大量的外部晶体管对p-n结产生的光电流进行积分和放大，增大了传感单元的复杂度，且损失了有效的传感面积降低了传感器的灵敏度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种传感单元复杂度低，有效传感面积大，灵敏度高的新型的半导体光电传感器。

本发明提出的半导体光电传感器，与现有的CCD和CMOS传感器不同，它基于不同的工作机理，对光产生的电荷进行积分并进行内部放大直接输出高电流。无须进行电荷转移，也无须任何额外的外围部件进行电荷积分和信号放大。它基于场效应正反馈和动态耦合的机理。场效应正反馈是一种新颖的半导体器件物理机制，它由万景等人于2012年首次结合实验和仿真定量的阐述，并由此提出了零亚阈摆幅零碰撞电离晶体管（Z²-FET） [1,2]。此后，更是将基于此机理的Z²-FET应用于高速动态存储器[3,4]。

本发明提出的半导体光电传感器，基于场效应正反馈和动态耦合的机理，其器件结构如图1所示，由以下几个部分组成：不掺杂或是弱掺杂的衬底(1)，埋层氧化层(2)和半导体沟道区(3)，在半导体沟道之上是覆盖沟道的栅氧化层(4)以及部分覆盖沟道区域的正栅极(5)。此外，在左边的源极区域是重p型掺杂的半导体区域(6)，而右边是重n型掺杂的漏极区域(7)。 本器件有四个外接金属电极，分别是源极金属接触(8)，漏极金属接触(9)，正栅极金属接触(10)和背栅极金属接触(11)。

所述的半导体光电传感器，是基于绝缘层上硅或者建立在绝缘层上的其他半导体，如锗，锗硅和氮化镓等。

所述的半导体光电传感器，其沟道为不掺杂或者弱掺杂。

所述的半导体光电传感器，其源漏为重度反型掺杂，即一方为n型而另一方为p型掺杂。且源漏的掺杂深度浅至5nm，深可覆盖整个沟道区域。

所述的半导体光电传感器，其栅极只覆盖部分沟道，栅极离源极和漏极有一段距离L1 和 L2；L1和L2大于50nm。

本发明提出的半导体光电传感器的制备方法，具体步骤为：

（1）起始的绝缘层上硅，包括衬底(1)，埋层氧化层(2)和上层半导体(3)；

（2）淀积栅氧化层(4)和正栅极材料(5)；

（3）光刻并刻蚀以形成正栅极图形(5)；

（4）光刻并离子注入以形成源极；

（5）光刻并离子注入以形成漏极并高温退火以激活掺杂，如图1 (7)；

（6）光刻并去除源漏区域的氧化层，打开金属接触的窗口；

（7）淀积金属接触并退火，以形成源极（8），漏极（9），正栅（10）和背删（11）的金属接触。

更加详细的工艺步骤如实施例1所描述。

本发明中，基于场效应正反馈的Z²-FET建立在全耗尽的绝缘层上硅的衬底上，沟道的硅层厚度在20nm以下。借助于全耗尽的薄硅层，栅极得以在沟道中形成载流子的注入势垒从而控制器件的导通。此势垒是场效应正反馈机制起作用的关键。而光电传感器的应用则需要较厚的硅层（大于50nm)从而有效地吸收光子。当沟道的硅层过厚时，绝缘层上硅为部分耗尽。此时，施加在正栅极上的电压将会被表面反型的沟道所屏蔽而不能控制最底部靠近埋层处的沟道，从而不能建立场效应正反馈所须的载流子势垒。因此，我们借助了另外一个效应-动态耦合效应。动态耦合效应是由Maryline等人于2006年在绝缘层上硅的MOS器件中发现的 [2]。在快速的栅极脉冲下，沟道表面来不及产生反型层。由于没有反型层的屏蔽，施加在栅极上的电压形成的电场得以进入深层的沟道，从而在整个沟道内形成场效应正反馈所须的势垒。而光产生的电子由于电场的作用，会逐渐在沟道表面聚集，从新形成反型层，从而屏蔽栅极电场，使得器件快速的导通。

相比于建立在全耗尽绝缘层上硅衬底上的Z²-FET结构，本发明所提出的光电传感器结构具有非常厚的沟道层（>100nm）以有效的吸收光子。且栅极离源漏各有一段大于50nm的间隔。此间隔有助于降低结遂穿产生的暗电流，并加大耗尽区域以提高光子吸收的面积。

本发明器件的工作机理结合场效应正反馈原理和绝缘层上硅的动态耦合效应，在一定的瞬态电压偏置下，通过绝缘层上硅的动态耦合效应，器件的能带呈现出类似于场效应正反馈器件的载流子注入势垒。此注入势垒的高度受到光致载流子的调控，从而使得器件能被光触发而导通。由于基于场效应正反馈效应，此器件具有响应速度快，工作电流高和器件结构简单等优点。

附图说明

图1为本发明的半导体光电传感器的结构图示。

图2为本发明的半导体光电传感器的制备流程图示。

图3为本发明的半导体光电传感器的实施例结构。其中，（a）实施例2对应的器件结构，（b）实施例3对应的器件结构。

具体实施方式

基于同一工作原理，器件的结构可以不同，具体实施方式依据实施例不同可分为：

实施例1（对应图1的器件结构和图2的工艺流程）：

（1）如图3(a)所示,为起始的绝缘层上硅晶片。其衬底掺杂一般为弱p型掺杂，掺杂浓度在10¹⁵cm^-2 至 10¹⁷cm^-2 之间。其埋层一般为二氧化硅，厚度在10nm至1000nm之间。上层的沟道一般为硅、锗硅或者氮化镓等材料。厚度为50nm至1000nm之间；

（2）淀积一层栅氧化层和一层正栅极，如图3(b)所示。栅氧化层一般为二氧化硅(SiO2),也可是氮化硅，三氧化二铝或氧化铪等材料。厚度一搬为2nm至30nm之间。淀积方式可以是热氧化，化学气相沉积或原子层沉积等方法。正栅极一般为多晶硅，也可是铟锡氧化物（ITO）等透明材料或是铝等金属，其厚度可为10nm至200nm；

（3）光刻并打开正栅极图形的窗口，之后利用光刻胶为掩膜对正栅极进行刻蚀以形成栅极的图形；刻蚀可选用干法或者湿法方法。干法刻蚀一般使用氟基或者卤族元素气体，如SF6，CHF3，HBr或者Cl2等。而湿法腐蚀一般使用TMAH，KOH等溶液；

（4）光刻并打开源极图形的窗口，之后腐蚀掉栅氧化层，并进行离子注入，以形成源极区域；刻蚀栅氧化层可选用干法或者湿法方法。干法刻蚀一般使用氟基气体，如CHF3。而湿法腐蚀一般使用稀释的氢氟酸溶液。离子注入一般使用砷或磷，剂量为10¹³cm^-2 至 10¹⁶cm^-2之间，能量为10keV至300keV之间；

（5）光刻并打开漏极图形的窗口，之后腐蚀掉栅氧化层，并进行离子注入，以形成源极区域。此后，进行退火以激活源漏的掺杂；离子注入一般使用硼或者BF2，剂量为10¹³cm^-2 至 10¹⁶cm^-2 之间，能量为10keV至300keV之间。离子激活退火温度一般为900度至1200度之间，时间为1微秒至10秒；

（6）淀积金属并退火以在源漏和栅极形成电极；常用金属为铝，镍或钛等，退火温度为300度至900度之间。

实施例2（对应图3(a)的器件结构图）

实施例2与实施例1类似，区别在于它在沟道增加了一段p型掺杂的区域，此区域掺杂浓度比实施例1的沟道掺杂高，掺杂浓度在10¹⁶cm^-2 至 10¹⁹cm^-2 之间。此段区域的长度在10nm至1000nm之间。 此实施例有助于减小器件的尺寸，增大有效的吸光面积。此外，相对比实例1，沟道可以不掺杂或者掺杂浓度更低，这有助于增大吸光的耗尽区体积，使得上层硅可以更厚。

实施例3（对应图3(b)的器件结构图）

实施例3与实施例2类似，区别在于它在将源漏和沟道的掺杂区域在垂直方向叠起来而非水平铺开。此实施例有助于进一步减小器件尺寸，增大有效的吸光面积。同样的，相对比实例1，沟道可以不掺杂或者掺杂浓度更低，这有助于增大吸光的耗尽区体积，使得上层硅可以更厚。

参考文选：

1. J. Wan, C. Le Royer, A. Zaslavsky and S. Cristoloveanu, Z2-FET field-effect transistor with a vertical subthreshold slope and with no impact ionization, 2013, 美国专利：US8,581,310.

2. J. Wan, S. Cristoloveanu, C. Le Royer and A. Zaslavsky, Dynamic memory cell provided with a field-effect transistor having zero swing, 2013, 美国专利：20,130,100,729.

3. M. Bawedin, S. Cristoloveanu, J.G. Yun and D. Flandre, A new memory effect (MSD) in fully depleted SOI MOSFETs, Solid-State Electronics 49 (2005) 1547–1555

4. Keith Fife, Abbas El Gamal and H.-S. Philip Wong, A 0.5p,m Pixel Frame-Transfer CCD Image Sensor in 110nm CMOS, IEEE International Electron Devices Meeting, 2007:1003 – 1006

5. Ajp Theuwissen, CMOS image sensors: State-of-the-art, Solid-State Electronics, 2008, 52(9):1401-1406

6. J. Wan, S. Cristoloveanu, C. Le Royer and A. Zaslavsky, A feedback silicon-on-insulator steep switching device with gate-controlled carrier injection. Solid-State Electronics, 2012. 76: p. 109-111.

7. J. Wan, C. Le Royer, A. Zaslavsky and S. Cristoloveanu, A Compact Capacitor-Less High-Speed DRAM Using Field Effect-Controlled Charge Regeneration. IEEE Electron Device Letters, 2012. 33(2): p. 179-181.。