CN108767027A - 一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件及其制作方法，涉及光电半导体技术领域。该光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括衬底、源区、漏区、源电极、漏电极、栅极介质层、光伏结构层以及栅电极，源区与漏区分别嵌设于衬底的同一端的两侧，栅极介质层与衬底面连接，且栅极介质层的两端分别与源电极、漏电极连接，光伏结构层与栅极介质层的远离衬底的一侧面连接，栅电极与光伏结构层的远离栅极介质层的一侧面连接。本发明提供的光伏场效应晶体管结构的光敏器件及其制作方法具有较高的内增益、高带宽、制备工艺和工作电压与CMOS完全兼容、可与微电子器件紧密集成等优点。

Description

一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及光电半导体技术领域，具体而言，涉及一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件及其制作方法。
背景技术
随着光电子技术的发展和信息产业对功耗、带宽、速率等越来越高的要求，光子集成或光电子集成受到人们广泛的关注。
光(电)子集成是将光电子器件或光电子器件和微电子器件集成于一个芯片上的技术。由于微电子器件主要基于CMOS工艺平台，且Si材料具有晶圆尺寸大、成本低、工艺成熟等优势，因此光(电)子集成主要为基于CMOS的Si光(电)子集成。
在集成光电接收部分，目前主要的技术方案为集成Ge/Si PD(Photo-Diode，光电二极管)或APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)。集成Ge-Si PD具有结构简单、工艺与工作电压与CMOS相兼容的优势，然而PD的响应度低，无内增益，使得其在长距离光信号检测或系统功率预算方面表现不足；集成Ge-Si APD利用光生载流子的碰撞电离可实现光电流的放大，具有一定的内增益特性，适合长距离光信号探测或用于并行光子集成系统。但APD器件的结构较为复杂，且需要较高的工作偏压来提供载流子碰撞电离所需的高电场条件。一方面，较高的工作电压与CMOS的微电子器件工作电压不兼容，这对实现大规模或高密度的光电子集成有着诸多限制；另一方面，较高的工作电压对器件的材料质量、器件结构等方面有着更高的要求，有着更高的成本。
有鉴于此，如何解决上述问题，是本领域技术人员关注的重点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件，以解决现有技术中光电子集成技术中光敏元件的工作电压与CMOS工作电压不相兼容或不具有内增益的问题。
本发明的另一目的在于提供一种光伏效应管制作方法场，以解决现有技术中光电子集成技术中光敏元件的工作电压与CMOS工作电压不相兼容或不具有内增益的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
一方面，本发明实施例提出了一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件，所述光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括衬底、源区、漏区、源电极、漏电极、栅极介质层、光伏结构层以及栅电极，所述源区与所述漏区分别嵌设于所述衬底的同一端的两侧，所述栅极介质层与所述衬底面连接，且所述栅极介质层的两端分别与所述源电极、所述漏电极连接，所述光伏结构层与所述栅极介质层的远离所述衬底的一侧面连接，所述栅电极与所述光伏结构层的远离所述栅极介质层的一侧面连接。
进一步地，区、所述漏区以及栅极介质层之间形成导电通道，所述栅电极安装于所述光伏结构层的远离所述导电通道的一端。
进一步地，所述光伏结构层的形状包括长方体形，所述栅电极安装于所述光伏结构层的端部。
进一步地，所述光伏结构层的长边与所述导电通道垂直。
进一步地，所述光伏结构层至少包括一种PN结构或PIN结构。
进一步地，所述光伏结构层包括Ge光伏结构层或GeSi光伏结构层。
进一步地，所述光伏场效应晶体管结构的光敏器件还包括钝化层，所述钝化层铺设于所述衬底的表面，且所述钝化层位于所述源电极、所述漏电极的两侧。
进一步地，所述栅极介质层的厚度包括20-100埃。
另一方面，本发明实施例还提供了一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件制作方法，所述光伏场效应晶体管结构的光敏器件制作方法包括：
在衬底上生长栅极介质层；
在栅极介质层上沉积光伏结构层；
光刻和刻蚀出栅极结构；
在所述衬底与所所述栅极结构的表面沉积SiO2层，并刻蚀掉远离所述栅极结构的SiO2层，以形成保护侧墙；
在所述衬底与所述栅极结构进行光刻，露出源区、漏区以及栅极区窗口；
向源区、漏区以及栅极区窗口做n+型离子注入掺杂，以形成源区、漏区；
在所述衬底以及所述栅极结构的表面沉积钝化层；
对所述钝化层进行刻蚀，以形成源电极孔、漏电极孔以及栅电极孔，并沿所述源电极孔、所述漏电极孔以及所述栅电极孔沉积金属电极，以形成源电极、漏电极以及栅电极。
进一步地，所述在栅极介质层上沉积光伏结构层的步骤包括：
在所述栅极介质层上沉积p+掺杂的第一Ge层；
在所述第一Ge层上沉积本征型的第二Ge层；
对沉积所述第一Ge层与所述第二Ge层后的栅极介质层进行多循环高低温退火。
相对现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件及其制作方法，该光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括衬底、源区、漏区、源电极、漏电极、栅极介质层、光伏结构层以及栅电极，源区与漏区分别嵌设于衬底的同一端的两侧，栅极介质层与衬底面连接，且栅极介质层的两端分别与源电极、漏电极连接，光伏结构层与栅极介质层的远离衬底的一侧面连接，栅电极与光伏结构层的远离栅极介质层的一侧面连接。由于本发明提供的光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括有光伏结构层，且光伏结构层位于栅极介质层上，栅电极位于光伏结构层之上，所以当栅电极外加偏置电压时，光伏结构层中的光生载流子(电子或空穴)漂移至栅极介质层附近，通过静电吸引在光伏场效应晶体管结构的光敏器件的栅极介质层之下、源漏区之间产生与该光生载流子异性的电荷(空穴或电子)，从而可以实现对光伏场效应晶体管结构的光敏器件的导电通道的调制。并且，在漏极偏置电压下，这一光生载流子对导电通道的调制可形成光响应电流，从而达到了具有较高的内增益以及结构简单的优点。同时，由于该光敏器件基于场效应晶体管结构，与微电子的晶体管结构相似，该波导型场效应晶体管结构的光敏器件可以实现更紧凑、集成度更高的光电子集成。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例提供的光伏场效应晶体管结构的光敏器件的剖面示意图。
图2示出了本发明实施例提供的光伏场效应晶体管结构的光敏器件的俯视图。
图3示出了本发明实施例提供的光伏场效应晶体管结构的光敏器件的I-V曲线与增益特性示意图。
图4示出了本发明实施例提供的光伏场效应晶体管结构的光敏器件制作方法的流程图。
图5示出了本发明实施例提供的图4中步骤S102的子步骤的流程图。
图标：100-光伏场效应晶体管结构的光敏器件；110-衬底；120-源区；130-漏区；140-源电极；150-漏电极；160-栅极介质层；170-光伏结构层；180-栅电极；190-钝化层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参照图1，本发明实施例提供了一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件100，涉及光电半导体技术领域，具体地，本实施例提供的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件100涉及半导体光电器件和光电子集成技术领域。该光伏场效应晶体管结构的光敏器件100包括衬底110、源区120、漏区130、源电极140、漏电极150、栅极介质层160、钝化层190、光伏结构层170以及栅电极180，其中，源区120与漏区130分别嵌设于衬底110的同一端的两侧，栅极介质层160与衬底110面连接，且栅极介质层160的两端分别与源电极140、漏电极150连接，光伏结构层170与栅极介质层160的远离衬底110的一侧面连接，栅电极180与光伏结构层170的远离栅极介质层160的一侧面连接，钝化层190铺设于衬底110的表面，且钝化层190位于源电极140、漏电极150的两侧。
具体地，在本实施例中，由于设置了光伏结构层170，且光伏结构层170位于栅极介质层160上，栅电极180位于光伏结构层170之上，所以当栅电极180外加偏置电压时，光伏结构层170中的光生载流子(电子或空穴)漂移至栅极介质层160附近，通过静电吸引在光伏场效应晶体管结构的光敏器件100的栅极介质层160之下、源漏区之间产生与该光生载流子异性的电荷(空穴或电子)，从而可以实现对光伏场效应晶体管结构的光敏器件100的导电通道的调制。并且，请参阅图2，试验表明，在漏极偏置电压下，这一光生载流子对导电通道的调制可形成光响应电流，通过光生载流子对光伏场效应晶体管结构的光敏器件100的导电通道的调制，可以有效地实现对光响应信号的放大，从而达到了具有较高的内增益优点。同时，相对于传统的PD或APD，本实施例采用场效应管的形式，由于场效应管为微电子中最基础的结构单元，结构简单，所以能够更好的实现光电子器件与微电子器件集成。换言之，光信号通过所述的光波导层传输至所述的光伏结构层170，从而可以增加所述光伏结构层170对光信号的吸收效率，减小所述光伏结构的尺寸，提升所述光敏器件的工作速率，并可实现所述光敏器件与其他光子器件的集成，并且，光信号通过光波导传输至光伏结构层170而被吸收，利用光伏结构产生的光电效应来调控场效应晶体管的导电通道，从而调节晶体管的源漏电流而实现对光信号的探测。
需要说明的是，本实施例所述的导电通电为源区120、漏区130以及栅极介质层160之间形成导电通道，一般的，在栅电极180增加偏置电压后，通过静电吸引作用载流子在在栅极介质层160下的的衬底110表面区域聚集，形成与源区漏区同一导电类型(n型或p型)的高载流子密度区域，从而使源区120与漏区130之间形成导电沟道，在引入光伏结构层170后，光伏结构层170在受光后产生光生载流子，通过光生载流子实现对光伏场效应晶体管结构的光敏器件100的导电通道的调制。因此，在实际应用过程中，光伏结构层170对光的吸收直接影响了光伏结构层170对导电通道的调制能力。
有鉴于此，请参阅图3，为了不阻挡光伏结构层170对光的吸收，栅电极180安装于光伏结构层170的远离导电通道的一端。
具体地，在本实施例中，光伏结构层170的形状包括长方体形，栅电极180安装于光伏结构层170的端部。当然地，在其它的一些实例中，光伏结构层170的形状也可以为其它形状，本实施例对此不做任何限定。
进一步地，光伏结构层170的长边与导电通道垂直，需要说明的是，由于本实施例中将光伏结构层170的形状设置为长方体形，所以光伏结构层170包括长边、宽边以及高边，当光伏结构层170的长边与导电通道垂直时，由于栅电极180位于光伏结构层170的端部，所以栅电极180对光伏结构层170的阻挡面积达到最小，同时，通过将光伏结构层170的长边与导电通道设置为垂直方式，能够使光伏结构层170的端部伸出源区120与漏区130之外，进而不会阻挡光生载流子对导电通道的调制。
进一步地，在本实施例中，光伏结构层170至少包括PN结构或PIN结构中的一种，即光伏结构层170可以为PN结构或PIN结构或符合结构，以达到吸收光信号，产生和分离光生载流子，并表现出光生伏特效应。
进一步地，在本实施例中，光伏结构层170包括Ge光伏结构层170或GeSi光伏结构层170，以实现对近红外波段的响应，同时Ge、GeSi均与CMOS工艺相兼容，所以制作更加方便，同时光伏结构层170上的栅电极180偏置电压和漏电极150偏置电压也可完全与CMOS的工作电压相兼容。当然地，在其它的一些实施例中，光伏结构层170也可采用其它材料，本实施例对此并不做任何限定。
同时，在本势力中，栅极介质层160可为SiO2、SiNx、SiNO或其它与CMOS工艺相兼容的高k介质层(即高介电值介质层)，且栅极介质层160的厚度一般在20-100埃。，当然地，在其它的一些实施例中，栅极介质层160的厚度也可以为其它值，本实施例对此并不错任何限定。
在本实施例中，衬底110可为体型或SOI型的n型衬底110或p型衬底110，且光伏场效应晶体管结构的光敏器件100可为增强型或耗尽型场效应晶体管结构。
第二实施例
请参阅图4，本发明实施例提供了一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件100制作方法，该光伏场效应晶体管结构的光敏器件100制作方法包括：
步骤S101，在衬底110上生长栅极介质层160。
在本实施例中，衬底110包括在p型Si基衬底110，通过干热氧化方式生长一层SiO2栅介质层，或采用镀膜沉积的方法在衬底110表面生长SiO2(SiNx或其它材料)栅介质层。其中，栅介质层的厚度约为20～100埃。
步骤S102，在栅极介质层160上沉积光伏结构层170。
在制作栅极介质层160后，需继续制作光伏结构层170。其中，请参阅图5，步骤S102包括：
子步骤S1021，在栅极介质层160上沉积p+掺杂的第一Ge层。
子步骤S1022，在第一Ge层上沉积本征型的第二Ge层。
子步骤S1023，对沉积第一Ge层与第二Ge层后的栅极介质层160进行多循环高低温退火。
在本实施例中，利用多循环高低温退火，能够实现减小Ge外延的缺陷的效果。
步骤S103，光刻和刻蚀出栅极结构。
具体地，在本实施例中，光刻和刻蚀掉位于衬底110的两端的栅极介质层160与光伏结构层170，保留中间位置为栅极介质层160与光伏结构层170，进而形成栅极结构。
步骤S104，在衬底110与所栅极结构的表面沉积SiO2层，并刻蚀掉远离栅极结构的SiO2层，以形成保护侧墙。
在本实施例中，在整个芯片表面采用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉淀)方式沉积一层厚度约为1000埃的SiO2，随后利用干法刻蚀方法刻蚀掉所沉积的大部分SiO2，仅留下栅极侧壁的SiO2，从而形成栅极保护侧墙。
步骤S105，在衬底110与栅极结构进行光刻，露出源区、漏区以及栅极区窗口。
步骤S106，向源区、漏区以及栅极区窗口注意n+型离子注入掺杂，以形成源区120、漏区130。
具体地，在离子注入的过程中，采用光刻胶做掩膜，离子注入后去除光刻胶并清洗。离子注入完成源区、漏区、栅极本征型Ge表面的n+型掺杂。
步骤S107，在N2或Ar氛围中快速热退火。
在本实施例中，利用RTP(rapid thermal processing，快速热处理)方式，修复离子注入造成的晶格损伤，有效激活注入掺杂离子。
步骤S108，在衬底110以及栅极结构的表面沉积钝化层190。
在本实施例中，采用CVD方法进行沉淀钝化层190。
步骤S109，对钝化层190进行刻蚀，以形成源电极140孔、漏电极150孔以及栅电极180孔，并沿源电极140孔、漏电极150孔以及栅电极180孔沉积金属电极，以形成源电极140、漏电极150以及栅电极180。
需要说明的是，在实际操作过程中，首先光刻刻蚀钝化膜，形成源和漏电极150孔，并沉积源极和漏极的金属接触电极。然后再光刻刻蚀钝化膜形成栅电极180孔，沉积栅极金属接触电极，并做快速热退火。
综上所述，本发明提供了一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件及其制作方法，该光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括衬底、源区、漏区、源电极、漏电极、栅极介质层、光伏结构层以及栅电极，源区与漏区分别嵌设于衬底的同一端的两侧，栅极介质层与衬底面连接，且栅极介质层的两端分别与源电极、漏电极连接，光伏结构层与栅极介质层的远离衬底的一侧面连接，栅电极与光伏结构层的远离栅极介质层的一侧面连接。由于本发明提供的光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括有光伏结构层，且光伏结构层位于栅极介质层上，栅电极位于光伏结构层之上，所以当栅电极外加偏置电压时，光伏结构层中的光生载流子(电子或空穴)漂移至栅极介质层附近，通过静电吸引在光伏场效应晶体管结构的光敏器件的栅极介质层之下、源漏区之间产生与该光生载流子异性的电荷(空穴或电子)，从而可以实现对光伏场效应晶体管结构的光敏器件的导电通道的调制。并且，在漏极偏置电压下，这一光生载流子对导电通道的调制可形成光响应电流，从而达到了具有较高的内增益以及结构简单的优点。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括衬底、源区、漏区、源电极、漏电极、栅极介质层、光伏结构层以及栅电极，所述源区与所述漏区分别嵌设于所述衬底的同一端的两侧，所述栅极介质层与所述衬底面连接，且所述栅极介质层的两端分别与所述源电极、所述漏电极连接，所述光伏结构层与所述栅极介质层的远离所述衬底的一侧面连接，所述栅电极与所述光伏结构层的远离所述栅极介质层的一侧面连接。
2.如权利要求1所述的光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述源区、所述漏区以及栅极介质层之间形成导电通道，所述栅电极安装于所述光伏结构层的远离所述导电通道的一端。
3.如权利要求2所述的光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述光伏结构层的形状包括长方体形，所述栅电极安装于所述光伏结构层的端部。
4.如权利要求3所述的光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述光伏结构层的长边与所述导电通道垂直。
5.如权利要求1所述的光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述光伏结构层至少包括一种PN结构或PIN结构。
6.如权利要求1所述的光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述光伏结构层包括Ge光伏结构层或GeSi光伏结构层。
7.如权利要求1所述的光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述光伏场效应晶体管结构的光敏器件还包括钝化层，所述钝化层铺设于所述衬底的表面，且所述钝化层位于所述源电极、所述漏电极的两侧。
8.如权利要求1所述的光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述栅极介质层的厚度包括20-100埃。
9.一种光伏场效应晶体管结构的光敏器件制作方法，其特征在于，所述光伏场效应晶体管结构的光敏器件制作方法包括：
在衬底上生长栅极介质层；
在栅极介质层上沉积光伏结构层；
光刻和刻蚀出栅极结构；
在所述衬底与所所述栅极结构的表面沉积SiO2层，并刻蚀掉远离所述栅极结构的SiO2层，以形成保护侧墙；
在所述衬底与所述栅极结构进行光刻，露出源区、漏区以及栅极区窗口；
向源区、漏区以及栅极区窗口做n+型离子注入掺杂，以形成源区、漏区；
在所述衬底以及所述栅极结构的表面沉积钝化层；
对所述钝化层进行刻蚀，以形成源电极孔、漏电极孔以及栅电极孔，并沿所述源电极孔、所述漏电极孔以及所述栅电极孔沉积金属电极，以形成源电极、漏电极以及栅电极。
10.如权利要求9所述的光伏场效应晶体管结构的光敏器件制作方法，其特征在于，所述在栅极介质层上沉积光伏结构层的步骤包括：
在所述栅极介质层上沉积p+掺杂的第一Ge层；
在所述第一Ge层上沉积本征型的第二Ge层；
对沉积所述第一Ge层与所述第二Ge层后的栅极介质层进行多循环高低温退火。
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