CN110709991B - 由分层结构制造单片传感器器件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造场效应晶体管的方法，其中在蚀刻栅极凹部之前去除自然氧化物层。清洁步骤确保跨越整个样本同时开始蚀刻所述栅极凹部，使得可以跨越场效应晶体管阵列实现一致的栅极凹部深度和轮廓。这导致所述阵列中的所述场效应晶体管的高度一致的关断电压。

Description

由分层结构制造单片传感器器件的方法
发明领域
本发明涉及通过分层结构制造单片传感器单元的方法，并且可以用于制成传感器单元阵列。所述方法可以例如用于制造包括与基于GaAs的晶体管集成的基于InSb的光电二极管的传感器单元的阵列。本发明可以应用于例如焦平面阵列(FPA)的图像传感器领域。
发明背景
从天文学到国防安全等领域中的应用会利用中红外(中IR)成像器。在天文学中，例如，特别关注在3μm与6μm之间的波长范围(许多气体的特征吸收线所处的频谱区域)中的烟羽成像。对碳氢化合物的成像可能与工业资产管理相关，而监测例如二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等温室气体在例如可视化从工厂和储存井逸出的羽流等环境应用中具有潜力。然而，想要使中IR成像器件的使用变得更广泛，必须克服若干障碍。
例如焦平面阵列(FPA)等成像器件要求个别地读取每个像素。对于可见波长，在可见范围内敏感的硅光电二极管(PD)与硅晶体管单片集成以实现个别像素寻址。为了中IR检测，合适的光电二极管材料包括锑化铟(InSb)和碲化镉汞(称为MCT)。然而，在衬底上由这些材料制成的晶体管由于它们具有高泄漏电流而不适合于像素寻址。
大多数市售的成像器通过在单独的芯片上实施中IR光电二极管和用于读出的晶体管来弥补此问题。通常在InSb或MCT材料上制造光电二极管芯片，而在互补金属氧化物半导体(CMOS)硅晶片上制成读出集成电路(ROIC)。随后将硅晶片切块为芯片，并且随后翻转硅芯片，并且使硅芯片通过所谓的“铟凸点”连接到光电二极管芯片。此技术被称为倒装芯片结合。虽然此混合方法可以生产大规格和高性能成像器，但由于所涉及的额外步骤(例如，制造单独的光电二极管芯片和ROIC芯片、制造铟凸点，以及使光电二极管芯片与ROIC芯片对准)，所述方法具有低产量和高成本。另外，当为了制造大规格阵列而将所述技术缩放时，铟凸点互连的可靠性可能会越来越具有挑战性。
混合方法的另一问题是由于以下事实：在低温冷却下操作大多数中IR成像器。由于共用的中IR敏感材料与硅芯片之间的较大的热膨胀失配，所以在热循环期间所述互连会因此经历相当大的应力，从而导致在最坏情况下连接断裂或材料破裂的可能性。
近年来，在GaAs衬底上生长的基于锑化物的检测器表现出与在更昂贵的InSb材料或GaSb材料上生长的器件相当的性能。下伏的GaAs提供节约成本的衬底，并且还可以为金属半导体场效应晶体管(MESFET)和金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)提供功能层。
发明内容
一般来说，本公开提供一种通过高度可重复的方式制造场效应晶体管的方法，所述方法可以使得能够制造跨越此类器件的阵列具有较高的响应一致性的所述阵列。本发明的方法通过在蚀刻场效应晶体管的栅极凹部之前从分层结构去除自然氧化物层来实现所述较高的响应一致性。清洁步骤确保跨越整个样本同时开始蚀刻所述栅极凹部，使得可以跨越场效应晶体管阵列实现一致的栅极凹部深度和轮廓。这导致所述阵列中的所述场效应晶体管的高度一致的关断电压。
所述方法可以在将要与单片传感器单元中的传感器一起制造场效应晶体管的情况下特别有用。举例来说，所述传感器可以是光学传感器(例如，光电二极管)，借此，所述传感器单元可以形成成像阵列(例如，焦平面阵列)中的像素。
因此，根据本发明的一个方面，提供一种制造单片传感器单元的方法，所述单片传感器单元包括传感器和形成于分层的半导体堆叠内的场效应晶体管，所述分层的半导体堆叠具有衬底、用于形成沉积在所述衬底上的场效应晶体管的第一半导体器件层，和沉积在所述第一半导体器件层上的第二半导体器件层，所述第二半导体器件层提供所述传感器的活性区，其中所述方法包括以下步骤：选择性地蚀刻所述第二半导体器件层的一部分以暴露所述第一半导体器件层的表面；以及对所述第一半导体器件层的一部分执行湿蚀刻过程以在所述第一半导体器件层中形成栅极凹部，其中所述湿蚀刻过程包括：施加自然氧化物去除溶液以从所述第一半导体器件层的暴露表面去除自然氧化物；以及施加栅极凹部溶液以从所述第一半导体器件层去除材料，并且进而形成所述栅极凹部。
所述分层的半导体堆叠可以是包括通过任何已知的方式(例如，分子束外延(MBE))依序沉积或生长的多个层的结构。
所述分层的半导体堆叠可以包括用于制造传感器和场效应晶体管的层(例如，多层)。举例来说，所述第一半导体器件层和所述第二半导体器件层可以各自包括若干层，其中所述第一半导体器件层和所述第二半导体器件层的确切结构分别取决于将要制造的场效应晶体管和传感器的类型。可以通过半导体材料制成所述第一半导体器件层和所述第二半导体器件层中的层中的一者或多者。举例来说，在传感器是光电二极管的情况下，所述第二半导体器件层可以包括夹在两个接触层之间的吸收层。所述第一半导体器件层可以例如包括例如用于制造MESFET或MISFET的沟道层和接触层。
在本文，术语“单片”用于指整个传感器单元(包括传感器和场效应晶体管两者)是由单个分层的半导体堆叠制造。这与其中在不同的芯片上容纳感测电路和寻址电路的现有技术配置形成对比。本文使用术语“样本”来描述在制造程序中的各个阶段处的传感器单元或传感器单元阵列。
可以使用湿蚀刻技术选择性地蚀刻所述选择性地蚀刻第二半导体器件层的步骤。术语“选择性地蚀刻”可以指仅蚀刻目标层(在此情况下是第二半导体器件层)的期望部分。所述湿蚀刻技术可以使用第一蚀刻剂(例如，在第一蚀刻溶液中)，所述第一蚀刻剂蚀刻第二半导体器件层而不蚀刻第一半导体器件层。实际上，这可以通过以下操作来完成：选择对第二半导体器件层比对第一半导体器件层具有高得多的蚀刻速率的第一蚀刻剂，使得所述蚀刻在第一蚀刻剂到达第一半导体器件层时有效地停止。这确保第一半导体器件层的暴露表面完全光滑，这对于在此层中实施场效应晶体管是必需的。
可以使用掩模来限定第二半导体器件层的被蚀刻的部分。所述掩模可以(例如)是使用常规的光刻技术沉积和图案化的光致抗蚀剂层，其中所述掩模使得第二半导体层的将要被蚀刻的部分暴露。在将要制造传感器单元阵列的情况下，所述第二半导体器件层的所述部分可以包括第二半导体器件层的将要被蚀刻的区域的阵列。可以通过所述掩模限定此区域阵列。
将湿蚀刻技术用于此步骤的优势在于，这避免损坏第一半导体器件层的表面，当使用替代性干蚀刻技术时可能会导致所述损坏。举例来说，反应性离子蚀刻可以使所述表面暴露于射频等离子体，所述射频等离子体可能会损坏所述表面(例如，由于所述表面中的离子植入)并且随后影响场效应晶体管的功能性。
施加自然氧化物去除溶液的步骤可以用于清洁第一半导体器件层的所述表面。当半导体材料暴露于大气中的氧气时，常常在半导体材料的表面上形成自然氧化物薄层。所述自然氧化物层可能会阻止或延迟第一半导体器件层上的蚀刻过程的开始，因为所述自然氧化物层可能会在蚀刻剂与第一半导体器件层的表面之间形成屏障。这可能会导致跨越样本的蚀刻速率的变化，并且导致所述蚀刻在样本的不同区域中在不同的时间开始(例如，由于跨越样本的自然氧化物层的厚度的变化)。在蚀刻第一半导体器件层之前去除自然氧化物层会确保对第一半导体器件层的蚀刻将跨越其整个表面是一致的。
可以通过将样本浸渍于自然氧化物去除溶液中而将自然氧化物去除溶液施加于第一半导体器件层的表面。所述自然氧化物去除溶液可以包括清洁剂，所述清洁剂被选择成从第一半导体器件层的表面去除自然氧化物。使用自然氧化物去除溶液清洁第一半导体器件层的表面的优势在于，这避免使用干蚀刻技术(例如，反应性离子蚀刻)可能导致的对所述表面的损坏。
施加栅极凹部蚀刻剂溶液的步骤可以紧接在施加自然氧化物去除溶液的步骤之后发生。这可以确保第一半导体器件层的表面在这些步骤之间不暴露于空气，从而避免形成另一自然氧化物层。这可以例如通过以下操作来完成：首先将样本浸渍到自然氧化物去除溶液(例如，在本文有时称为“清洁溶液”)中，并且随后将所述样本浸渍到栅极凹部蚀刻剂溶液中，而不让所述样本的表面在所述两个步骤之间干燥。所述自然氧化物去除溶液可以被选择成避免污染栅极凹部蚀刻剂溶液，以便避免影响蚀刻质量。举例来说，自然氧化物去除溶液中的活性剂可以与栅极凹部蚀刻剂中相同。
为了避免在蚀刻第一半导体器件层的部分时蚀刻第二半导体器件层，可以沉积覆盖并保护第二半导体器件层的钝化层。可以使用由(例如)抗蚀剂层制成的掩模来限定第一半导体器件层的被蚀刻的部分，使用电子束光刻来沉积和图案化所述抗蚀剂层。在将要制造传感器单元阵列的情况下，所述第一半导体器件层的所述部分可以包括第一半导体器件层的将要被蚀刻的区域的阵列。可以通过所述掩模限定此区域阵列。
对第一半导体器件层的蚀刻在所述第一半导体器件层中形成栅极凹部。所述栅极凹部的形状是由掩模限定，并且可以(例如)是直线或曲线。在一些示例中，可以蚀刻多个栅极凹部，使得传感器单元的场效应晶体管包括多个栅极凹部。
因为在将蚀刻溶液施加到第一半导体器件层的表面之前已经去除了自然氧化物层，所以对第一半导体器件层的蚀刻可以跨越整个样本同时且一致地进行。举例来说，在掩模界定第一半导体器件层的将要被蚀刻的区域的阵列的情况下，对第一半导体器件层的蚀刻可以在第一半导体器件层的每个区域中同时且一致地进行。这使得能够生产栅极凹部阵列，其中栅极凹部的深度和轮廓跨越整个阵列高度一致。栅极凹部的深度是从第一半导体器件层的表面到栅极凹部的底表面的台阶高度。栅极凹部的轮廓是指形成于第一半导体器件层中的栅极凹部的侧壁的形状。
所获得的栅极凹部的深度可以取决于蚀刻的持续时间(即，第一半导体器件层暴露于第二蚀刻溶液的时间越长，栅极凹部越深)。为了停止蚀刻，可以从第二蚀刻溶液去除样本并且使用洗涤溶液(例如，去离子水)洗涤所述样本。
因为场效应晶体管的关断电压可能取决于其栅极凹部的深度和轮廓，所以跨越阵列的高度一致的栅极凹部深度和轮廓使得能够生产具有高度一致的关断电压的场效应晶体管阵列。根据本发明的方法而制造的传感器单元阵列因此可以具有基本上一致的电压响应，从而使得能够生产较大的传感器阵列。在本文，术语“关断电压”是指必须施加于场效应晶体管的栅极电极以便将场效应晶体管切换为“断开”状态(即，其中场效应晶体管的源极电极和漏极电极之间的导电沟道被夹断以使得实际上阻止源极电极和漏极电极之间的电流流动的状态)的偏置电压。
在蚀刻栅极凹部之后，将栅极电极沉积在栅极凹部中。在本发明的一些实施例中，可以在沉积栅极电极之前沉积薄(例如，数纳米)的绝缘介电层。此介电层可以是(例如)氮化硅、二氧化硅或另一合适的电介质。所述介电层可以用于通过实施MISFET来减小穿过栅极电极的泄漏电流(即，在处于“断开”状态时流过器件的不想要的电流)。可以通过溅镀、电感耦合等离子体(ICP)介电沉积或用于沉积薄绝缘膜的其他合适的技术来沉积介电层。如果沉积薄绝缘膜以实施MISFET，那么将栅极电极沉积在栅极凹部中的所述绝缘膜的顶部上，而不需要额外的光刻步骤。可以使用常规的金属蒸镀和图案化提离技术来沉积所述栅极电极。所述栅极电极可以由堆叠的金属层形成以便提供与栅极凹部的底表面或绝缘介电层的低接触电阻和良好的粘附。
所述湿蚀刻过程可以包括向第一半导体器件层的暴露表面施加表面活性剂溶液。所述表面活性剂溶液可以是阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂(还称为“表面活性剂”)、稳定剂、碱金属、无磷洗涤助剂和螯合剂的混合物。所述表面活性剂溶液用于降低第一半导体器件层的表面与清洁溶液之间的表面张力，以便提高第一半导体器件层的表面的可湿性。这可以有助于清洁剂穿透复杂的微结构(例如，沟槽和通孔)并且增强清洁溶液的效能，使得可以从第一半导体器件层的表面有效地去除自然氧化物层。这继而增强蚀刻栅极凹部的一致性，因为这有助于防止在所述清洁步骤之后残余的自然氧化物留在第一半导体器件层的表面上。在清洁步骤中使用表面活性剂溶液因此可以提高跨越传感器单元阵列的响应一致性。
施加表面活性剂溶液的步骤可以紧接在施加自然氧化物去除溶液的步骤之前发生。可替代地或另外，可以在自然氧化物去除溶液中包括表面活性剂溶液。在一些示例中，所述方法包括向第一半导体器件层施加表面活性剂溶液，并且随后向第一半导体器件层的表面施加自然氧化物去除溶液与表面活性剂溶液的混合物。这可以用于进一步增强清洁溶液的作用。
在本文，术语“表面活性剂”是指降低液体与表面之间的表面张力以便提高那个表面的可湿性的化学化合物。术语“可湿性”(还称为“弄湿”))是指表面被液体弄湿的能力，并且涉及液体与表面之间的接触角度。
可以反复地执行所述湿蚀刻过程以获得具有预定深度的栅极凹部。举例来说，可以将上文论述的所述湿蚀刻过程的步骤执行为有序序列。可以重复此序列，直到获得期望深度的栅极凹部为止。如上文所述，栅极凹部的深度取决于蚀刻的持续时间。因此，通过反复地重复清洁步骤和蚀刻步骤的序列，可以递增地增加栅极凹部的深度，直到获得期望深度为止。通过以此方式控制栅极凹部的深度，可以将场效应晶体管的关断电压设定为期望水平。
如上文所述，可以通过使用洗涤溶液洗涤第一半导体器件层的表面来停止栅极凹部蚀刻。所述步骤序列因此可以包括洗涤步骤。在每个步骤序列结束时，可以测量或估计栅极凹部的深度，以便确定是否已经获得预定的栅极凹部深度。举例来说，可以使用轮廓仪测量栅极凹部的深度。可替代地，可以在所施加的偏置电压下基于场效应晶体管的源极电极和漏极电极(在下文描述源极电极和漏极电极的沉积)之间的电流流动的测量来估计栅极凹部的深度。这可以例如使用探测台以在向栅极凹部施加偏置电压时测出源极电极和漏极电极之间的电流来完成。
重复整个步骤序列(而不是仅蚀刻步骤)的优势在于，可以在若干次反复内维持蚀刻过程的一致性，因此每次提供具有类似蚀刻速率的蚀刻。这可以促进对栅极凹部深度(和因此场效应晶体管的关断电压)的精细调谐。
分层的半导体堆叠可以包括第一半导体器件层与第二半导体器件层之间的缓冲层。缓冲层的材料可以被选择成缓和由于第一半导体器件层与第二半导体器件层之间的晶格失配而引起的应变。所述缓冲层因此可以用于提高传感器单元的结构完整性，并且避免在传感器单元中发生裂缝或破裂。
在其中存在缓冲层的情况下，还可能需要选择性地蚀刻缓冲层的一部分以便暴露第一半导体器件层的表面。依据缓冲层的材料，第一蚀刻溶液也可以提供对缓冲层的选择性蚀刻。
在一个示例中，传感器是对中红外区域中的辐射敏感的光电二极管。举例来说，第二半导体器件层的活性区域可以包括InSb。在此示例中，分层的半导体堆叠可以包括第一半导体器件层与第二半导体器件层之间的GaSb缓冲层。选择性地蚀刻第二半导体器件层的一部分的步骤可以包括施加缓冲蚀刻剂溶液以便去除GaSb缓冲层以暴露第一半导体器件层的表面。所述缓冲蚀刻剂溶液可以包括四甲基氢氧化铵。如果第一半导体器件层包括场效应晶体管的GaAs沟道层，那么此溶液可以特别有利，因为此缓冲蚀刻剂溶液对GaAs基本上没有蚀刻作用。
因此，在特定实施例中，可以使用本发明的方法制造基于GaAs的场效应晶体管，可以在所述基于GaAs的场效应晶体管上实施基于InSb的光电二极管。本发明的方法因此使得能够在单个芯片上制造用于检测中IR辐射的传感器阵列(例如，FPA)，而不需要结合到用于像素寻址的第二CMOS芯片。这可以极大地简化中IR传感器阵列的制造过程，并且促进传感器阵列的大小的按比例增加。
返回到对本文公开的方法的更一般的论述，可以在第一半导体器件层的表面上形成源极电极和漏极电极以分别形成场效应晶体管的源极电极和漏极电极。所述源极电极和所述漏极电极可以被布置成使得可以基于施加到栅极电极的偏置电压来控制所述源极电极与所述漏极电极之间的电流。
可以在蚀刻所述栅极凹部之前形成所述源极电极和漏极电极，使得可以使用所述源极电极和漏极电极来监测栅极凹部的深度，如上文描述。可以使用常规的金属蒸镀和图案化提离技术来沉积所述源极电极和漏极电极。所述源极电极和漏极电极可以由堆叠的金属层形成，以便提供与第一半导体器件层的表面的低接触电阻和良好的粘附。
在某些实施例中，第二半导体器件层可以包括第一接触层、沉积在所述第一接触层上的吸收层，和沉积在活性层上的第二接触层，并且所述方法可以还包括以下步骤：蚀刻第二半导体器件层的一部分以暴露第一接触层的表面；将第一传感器电极沉积在所述第一接触层的所述表面上；以及将第二传感器电极沉积在所述第二接触层上。因此可以使用第二半导体层来制造光电二极管。可以在蚀刻第二半导体器件层之前将所述第二传感器电极沉积在所述第二接触层上。对于大尺寸，例如单像素器件，可以在单个金属化步骤中一起沉积第一传感器电极和第二传感器电极。还可以在第二半导体器件层中包括其他层，例如设置在第二接触层与吸收层之间的可以用于减小暗电流的屏障层。可以使用湿蚀刻技术蚀刻第二半导体器件层的部分。所述湿蚀刻技术可以使用与上文提及的第一蚀刻溶液类似的蚀刻溶液。可以对所述蚀刻计时，使得对所述第一接触层上方的层进行蚀刻，直到暴露第一接触层的表面为止。可以使用例如由图案化的光致抗蚀剂制成的掩模来限定将要蚀刻的第二半导体器件层的部分。
可以使用常规的金属蒸镀和图案化提离技术来沉积所述第一传感器电极和第二传感器电极。所述第一接触电极和所述第二接触电极可以由堆叠的金属层形成，以便提供与第一半导体器件层的表面的低接触电阻和良好的粘附。可以使用所述第一传感器电极和第二传感器电极从传感器获得传感器读数(例如，电压或电流)。
所述方法可以还包括沉积平坦化区段的步骤，所述平坦化区段形成第一传感器电极与漏极电极之间的斜坡；以及在所述平坦化区段上沉积互连部分以将所述第一传感器电极电连接到所述漏极电极。所述平坦化区段用于避免在所述互连部分中形成断层，可能会由于传感器单元的结构中的较大台阶而出现所述断层。可以使用常规的金属蒸镀和图案化提离技术来沉积所述互连部分。所述金属互连部分用于串联连接传感器和场效应晶体管，使得可以使用场效应晶体管来控制是否可以从传感器获得读数。
分层的半导体堆叠可以包括用于第一半导体器件层和第二半导体器件层的共用的接触层。在这些示例中，所述方法可以包括：将第一接触电极沉积在第一半导体器件层的表面上；以及将第二接触电极沉积在第二半导体器件层的表面上，其中所述第一接触电极和所述第二接触电极被布置成使得可以基于施加到栅极电极的偏置电压来控制所述第一接触电极与所述第二接触电极之间的电流。在此情况下，不需要沉积任何互连部分，因为直接通过共用的接触层来连接传感器和场效应晶体管。因此，传感器单元需要仅包括三个电极(即，第一接触电极和第二接触电极以及栅极电极)。这可以减少制造传感器单元所需的制造步骤的数目。这还可以增加第二半导体器件层上的可用的感测面积的量，使得“填充因数”(即，包括不透明电极的传感器单元的可用的感测面积与总面积之间的比率)最大化。
如上文所论述，可以在共用的衬底上的多个位置同时应用本文公开的方法以形成传感器单元阵列。在此情况下，可以针对所述阵列中的每个传感器单元执行本文描述的步骤。常规的金属沉积和光刻技术(例如，光刻和电子束光刻)使得能够按比例放大本文描述的步骤以制造传感器单元阵列。本发明的方法因此可以用于制造跨越传感器单元阵列具有高度一致的响应的所述阵列。这使得能够制造较大的、高分辨率传感器单元阵列。
根据本发明的另一方面，提供一种单片传感器单元，所述单片传感器单元具有与场效应晶体管集成的传感器，所述传感器单元具有分层的半导体堆叠，所述分层的半导体堆叠包括：衬底；第一半导体器件层，所述第一半导体器件层形成沉积在所述衬底上的所述场效应晶体管；第二半导体器件层，所述第二半导体器件层沉积在所述第一半导体器件层上，所述第二半导体器件层提供用于所述传感器的活性区域；共用的接触层，所述共用的接触层设置在所述第一半导体器件层与所述第二半导体器件层之间；第一接触电极，所述第一接触电极沉积在所述第一半导体器件层的表面上；第二接触电极，所述第二接触电极沉积在所述第二半导体器件层的表面上；以及所述场效应晶体管的栅极电极，所述栅极电极设置在形成于所述第一半导体器件层中的栅极凹部中，其中所述场效应晶体管被布置成基于施加到所述栅极电极的偏置电压来控制在所述第一接触电极与所述第二接触电极之间流动的电流。可以根据本发明的第一方面的方法来制造此方面的单片传感器单元。因此，本发明的第一方面的特征可以与此方面共享，并且不再论述。
有利的是，本发明的此方面的传感器单元不要求在传感器与场效应晶体管之间沉积任何互连部分，因为直接通过共用的接触层来连接传感器和场效应晶体管。因此，传感器单元需要仅包括三个电极(即，第一接触电极和第二接触电极以及栅极电极)。这可以减少制造传感器单元所需的制造步骤的数目。这还可以增加第二半导体器件层上的可用的感测面积的量。
分层的半导体堆叠可以包括用于缓和由于第一半导体器件层与第二半导体器件层之间的晶格失配而引起的应变的缓冲层。在一些示例中，所述缓冲层可以具有双重功能性。举例来说，如果传感器是雪崩光电二极管，那么所述缓冲层可以实现雪崩光电二极管中的电荷载流子倍增。举例来说，所述光电二极管可以包括InSb的吸收区域，并且所述缓冲层可以包括GaSb。所述第一半导体器件层可以包括场效应晶体管的GaAs沟道层。
本文描述的制造步骤可以全部在200℃以下的温度下执行。这可以使得所述方法适合于应用于在低温(即，等于或小于400℃)下生长的堆叠半导体器件层。
附图说明
下文参考附图论述本发明的示例，其中：
图1是可以用于制造根据本发明的方法的单片传感器单元的分层结构的示意性横截面视图；
图2A至图2D是在图1中示出的分层结构在本发明的方法中的不同阶段的示意性横截面视图；
图3A至图3C是单片传感器单元在本发明的方法中的不同阶段的示意性横截面视图；
图4A至图4C是示出分别与在图3A至图3C中说明的制造阶段相对应的制造阶段的单片传感器单元的俯视图的光学显微照片；
图5A是在图3C中说明的单片传感器单元的等效电路图；
图5B是根据本发明的方法而制造的传感器单元阵列的等效电路图；
图6A是示出使用常规的制造方法制造的阵列中的五个MESFET的I-V特性的曲线图；
图6B是示出使用本发明的方法制造的阵列中的五个MESFET的I-V特性的曲线图；
图7A和图7B是可以使用本发明的方法制造的分别包括MESFET和MISFET的单片传感器单元的示例的示意性横截面视图；
图8A、图8B、图8C和图8D是可以使用本发明的方法制造的单片传感器单元的示意性俯视图；
图9是示出可以形成在图7中说明的单片传感器单元的示例性层的表；
图10A至图10C是使用本发明的方法制造的单片传感器单元的三维图解；
图11是示出可以在根据本发明的基于GaAs的场效应晶体管上生长的光电二极管的示例性结构的表；
图12A是具有弯曲栅极电极的MESFET的俯视图；
图12B是示出在施加到图12A的结构中的栅极电极的不同电压下的所测得的电流的曲线图；
图12C是具有笔直栅极电极的MESFET的俯视图；
图12D是示出在施加到图12C的结构中的栅极电极的不同电压下的所测得的电流的曲线图；
图13A和图13B是分别穿过MESFET和MISFET的示意性横截面视图；以及
图13C是说明具有相同几何形状的MESFET器件和MISFET器件的电流-电压特性的实验比较的曲线图。
具体实施方式；其他选项和偏好
图1是说明可以用于使用本发明的方法制造单片传感器单元的分层结构100的示意性横截面视图。可以使用常规的技术，例如分子束外延(MBE)，来生长分层结构100。分层结构100被设计成实施具有与用于中IR检测的基于InSb的PD集成的用于个别像素寻址的基于GaAs的晶体管的传感器单元。通过使用本发明的制造方法，可以在同一衬底上制造多个传感器单元以形成像素阵列(其中每个传感器单元形成像素)。另外，本发明的方法使得能够提高跨越多个传感器单元的性能一致性，使得可以生产跨越大像素阵列具有一致响应的所述阵列。
分层结构100包括可以由半绝缘GaAs制成的衬底102。沉积在衬底102上的是用于形成场效应晶体管的第一半导体器件层104。沉积在第一半导体器件层104上的是缓冲层106，并且沉积在缓冲层106上的是用于形成光电二极管的第二半导体器件层108。
第一半导体器件层104包括沟道层110。沟道层110可以是由供体密度ND＝1×1017cm-3的n掺杂GaAs制成的200nm厚的层。沉积在沟道层110的顶部上的是接触层112。接触层112可以是ND＝2×1018cm-3的300nm厚的重度n掺杂GaAs层。因此可以使用第一半导体器件层104形成基于GaAs的金属半导体场效应晶体管(MESFET)或金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)。
第二半导体器件层108包括沉积在缓冲层106上的第一接触层114。第一接触层114可以是由n掺杂InSb制成的3000nm厚的层。沉积在第一接触层114上的是吸收层116(有时还称为“活性层”)。吸收层116可以是基本上未掺杂(即，非有意掺杂)的InSb的2500nm厚的层。在一些示例中，可以将InSb轻度掺杂以补偿所谓的背景掺杂。沉积在吸收层116的顶部上的是第二接触层118。所述第二接触层可以是p掺杂InSb的500nm厚的层。任选地，还可能存在设置在吸收层与第二接触层118之间的薄屏障层120。例如在吸收层116被无意掺杂的情况下，屏障层120可以用于阻断吸收层116与第二接触层118之间的电子流。这可以有助于减少暗电流，并且允许光电二极管在较高温度下操作。屏障层120可以是In0.15Al0.85Sb的20nm厚的层。第二半导体器件层108因此可以用于形成基于InSb的PD。
缓冲层106可以是由未掺杂的GaSb制成的300nm厚的层。缓冲层106用于允许缓和可能由于第一半导体器件层104与第二半导体器件层108之间的晶格失配而引入的任何应变。在GaAs和InSb的情况下，存在14.6％左右的较大晶格失配。
在分层结构100中还可能包括其他层。举例来说，可能存在第一半导体器件层104与衬底102之间的衬底缓冲层(未示出)。在此情况下，可以将沟道层110沉积在衬底缓冲层上，而不是直接沉积在衬底102上。衬底缓冲层可以例如由未掺杂的GaAs制成。可以在第一半导体层104与缓冲层106之间提供额外的层缓冲器(未示出)。额外的缓冲层还可以由未掺杂的GaAs制成。
应注意，除了上文关于图1描述的分层结构之外的分层结构可以与本发明的方法一起使用。具体来说，举例给出特定材料和层厚度，并且可以使用其他材料和厚度。举例来说，如果将要实施不同类型的PD(例如，其在其他波长范围内敏感)或不同类型的晶体管，那么可以使用不同材料。
图2A至图2D示出在已经对分层结构100执行本发明的方法的各个步骤之后的结构100的示意性横截面视图。所执行的步骤用于限定第一半导体器件层104中的栅极凹部，可以在所述栅极凹部中沉积栅极电极。图2A至图2D中的参考数字与在图1中的参考数字相同，其中它们涉及相同特征。
图2A示出上文关于图1描述的分层结构100。图2B示出在选择性地蚀刻第二半导体器件层108的一部分以暴露缓冲层106的表面之后的分层结构100。为此，使用标准的光刻技术使用光致抗蚀剂遮掩第二半导体器件层108的上表面的区域，使得暴露将要被蚀刻的所述部分。被遮掩的区域界定光电二极管的感测区域。可以使用基于柠檬酸和过氧化氢的湿化学蚀刻过程来蚀刻所暴露的区域。此蚀刻过程选择性地蚀刻基于InSb的第二半导体器件层108，使得所述蚀刻在基于GaSb的缓冲层处有效地停止，如交叉箭头202所指示。实际上，通过此蚀刻过程，InSb具有20纳米/分钟左右的蚀刻速率，而GaSb具有0.6纳米/分钟的蚀刻速率。
在选择性地蚀刻第二半导体器件层108之后，随后选择性地蚀刻缓冲层106。在图2C中示出此第二蚀刻的结果，其中已经去除缓冲层106的一部分以暴露接触层112的顶表面。可以使用四甲基氢氧化铵(TMAH)的溶液，例如2.5％TMAH的溶液，选择性地蚀刻基于GaSb的缓冲层。TMAH不蚀刻基于GaAs的接触层112，使得基于TMAH的蚀刻在接触层112的顶表面处有效地停止(如交叉箭头204所指示)。因此可以暴露接触层112的完全光滑的表面。适合于蚀刻GaSb的其他湿蚀刻溶液在下伏的GaAs处不停止，并且可能会妨碍后续的MESFET制造，MESFET制造需要从完全平坦的GaAs表面开始。替代性GaSb干蚀刻过程可能会导致将下伏的GaAs暴露于破坏性射频等离子体，并且影响MESFET开关性能，因此危及阵列功能性。基于TMAH的GaSb湿蚀刻过程因此使得能够在不会不利地影响阵列的性能的情况下选择性地蚀刻缓冲层106。
在选择性地蚀刻缓冲层106之后，在第一半导体器件层104中蚀刻栅极凹部206，如图2D中所示。可以通过使用常规的光刻技术在接触层112的暴露表面上形成光致抗蚀剂掩模来限定第一半导体器件层104的将要被蚀刻的区域。使用清洁溶液与蚀刻溶液的组合来执行对栅极凹部206的蚀刻。
在此示例中，使用一组四个溶液来蚀刻栅极凹部206：(1)表面活性清洁剂(有时称为表面活性剂)的溶液，(2)自然氧化物去除剂和表面活性清洁剂的溶液，(3)蚀刻溶液，以及(4)洗涤溶液。举例来说，溶液(1)可以含有100mL的水和0.1mL的表面活性清洁剂；溶液(2)可以含有100mL的柠檬酸：脱氧H2O溶液和0.1mL的表面活性剂；(3)可以含有按体积20:1的柠檬酸：H2O2蚀刻剂的溶液；以及(4)可以是去离子水。所述表面活性剂可以是阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂、稳定剂、碱金属、无磷洗涤助剂和螯合剂的混合物。合适的表面活性清洁剂可以是(例如)-90。
为了蚀刻栅极凹部206，将在图2C中示出的分层结构依序浸渍到溶液(1)至(4)中的每一者中，而不使所述分层结构在溶液之间暴露于空气。具体来说，首先将分层结构浸渍到溶液(1)中，随后浸渍到溶液(2)中，随后浸渍到溶液(3)中，并且随后浸渍到溶液(4)中。通过箭头208说明对栅极凹部206的蚀刻。
现在详述作为栅极凹部206的蚀刻过程的基础的机制。当将GaAs暴露于大气中的氧气时，将在其表面上快速地形成自然氧化物的非均匀的薄层。当基于GaAs的第一半导体器件层104暴露于空气时，此类自然氧化物层因此可以形成于基于GaAs的第一半导体器件层104的表面上。此自然氧化物层可能会阻止或延迟对第一半导体器件层104的蚀刻过程的开始。所述自然氧化物层还可能会由于其跨越较大样本的厚度的变化而导致对第一半导体器件层104的非一致的蚀刻。蚀刻速率的变化可能会导致跨越阵列的非一致的栅极凹部深度和栅极凹部轮廓，这继而可能会导致所述阵列上的GaAs MESFET关断电压的变化。因此，优选在蚀刻栅极凹部之前彻底去除自然氧化物层。
溶液(1)和(2)中的表面活性剂用于提高第一半导体器件层104的表面(在此情况下是接触层112的暴露的顶表面)的可湿性。这有助于溶液(2)中的自然氧化物去除剂穿透复杂的微结构(例如，沟槽和通孔)，使得在蚀刻开始之前从第一半导体器件层104的表面完全且一致地去除自然氧化物。在此示例中的自然氧化物去除剂是柠檬酸和水的经过稀释的脱氧溶液。此自然氧化物去除剂的优势在于，其不会污染在后面用于执行蚀刻的柠檬酸的蚀刻溶液。相比而言，经过稀释的酸溶液，例如常规上用于去除GaAs自然氧化物的HCl/H2O，可能会污染蚀刻溶液并且影响所述蚀刻的质量。
一旦已经从第一半导体器件层104的表面一致地去除了自然氧化物层，便使分层结构暴露于蚀刻溶液(溶液(3))。因为暴露于蚀刻溶液的第一半导体器件层104的表面完全光滑并且没有任何自然氧化物，所以这确保跨越期望的栅极的整个表面同时触发暴露的GaAs材料与蚀刻溶液之间的反应。去除自然氧化物层还使得能够跨越较大的表面实现一致的蚀刻速率，从而提供良好控制的栅极凹部蚀刻。还可以通过由于第一半导体器件层的表面暴露于表面活性剂而实现的提高的可湿性来增强栅极凹部蚀刻。当将分层结构浸渍到洗涤溶液中时停止对栅极凹部206的蚀刻。可以仅在接触层112中形成栅极凹部206，或者所述栅极凹部可以延伸到沟道层110中。通过使用此栅极凹部蚀刻技术，可以生产具有高度一致的栅极凹部(和因此关断电压)的MESFET阵列。
可以通过执行反复的蚀刻过程来控制栅极凹部206的深度，其中重复上文描述的浸渍序列，直到获得栅极凹部206的期望深度为止。这可以例如通过在浸渍序列结束时使用探测台来测量沉积在接触层112上的源极电极和漏极电极(在下文关于图3A至图3C描述源极电极和漏极电极)之间的电流来完成。在所施加的偏置电压下可以在源极电极与漏极电极之间流动的电流与栅极凹部的深度相关。以此方式，可以通过在每个浸渍序列结束时监测电流流动来实现期望的栅极凹部深度。举例来说，可以重复浸渍序列，直到所测得的电流在特定偏置电压下在预定值处饱和为止。
另外，在第一半导体器件层104中可以包括不被蚀刻溶液蚀刻的蚀刻止挡层(例如，由AlAs制成)，以便在预定深度处停止蚀刻并且有助于实现更好的栅极凹部蚀刻一致性。因为MESFET的关断电压取决于栅极凹部的深度，所以因此可以控制MESFET的关断电压。
可以使用上文描述的栅极凹部蚀刻技术来制成具有单个栅极凹部或多个栅极凹部的晶体管。栅极凹部的形状不限于直线。举例来说，栅极凹部可以具有弯曲形状或S形状。
应注意，可以将与上文描述的溶液(1)至(4)不同的溶液用于本发明的方法。另外，并非始终需要使用四种单独的溶液。举例来说，在一些情况下，可能不需要使用溶液(1)，因为溶液(2)中的表面活性剂可能足以充分提高接触层112的可湿性。
图3A至图3C示出在已经对分层结构100执行各个制造步骤之后的示意性横截面视图。将第一光电二极管电极302沉积在第二半导体器件层108的第一接触层114上，并且将第二光电二极管电极304沉积在第二半导体器件层108的第二接触层118上。可以使用常规的金属蒸镀和图案化提离技术来沉积所述第一光电二极管电极和所述第二光电二极管电极。为了将第一光电二极管接触件302沉积在第一接触层114上，可能需要暴露第一接触层114的表面。这可以通过蚀刻吸收层116和第二接触层118的一部分来完成。第一光电二极管电极和第二光电二极管电极可以例如由50nm厚的钛层的顶部上的150nm厚的金层组成。
可以使用基于柠檬酸和过氧化氢的湿化学蚀刻过程(例如，上文描述的湿化学蚀刻过程)来暴露第一接触层114的表面。此蚀刻过程以约20纳米/分钟的蚀刻速率蚀刻基于InSb的第二半导体器件层108。可以对所述湿化学蚀刻过程计时，使得一旦暴露第一接触层114便从蚀刻溶液取出样本。可以通过使用探针式轮廓仪测量实际的蚀刻深度来确认第一接触层114的暴露。
随后通过沉积覆盖第二半导体器件层108的任何暴露表面(包括侧壁)的钝化层306来完成由第二半导体器件层108形成光电二极管。钝化层306保护第二半导体器件层108，并且用于减少光电二极管中的暗电流。钝化层306可以是(例如)通过低温电感耦合等离子体(ICP)沉积而沉积的氮化硅(SiNx)层。可以在反应性离子蚀刻机器中使用基于六氟化硫(SF6)的等离子体蚀刻在钝化层306中打开给出第一光电二极管电极和第二光电二极管电极的入口的通孔窗口。所制造的光电二极管处于缓冲层106的顶部上，并且包括第二半导体器件层108的剩余部分、第一光电二极管电极和第二光电二极管电极302、304以及钝化层306。
应注意，可以在蚀刻缓冲层106和栅极凹部206之前沉积光电二极管电极302、304以及钝化层306。以此方式，钝化层306可以在蚀刻缓冲层106时担当缓冲层的掩模。钝化层306还可以在蚀刻栅极凹部206时保护光电二极管。
在暴露沟道层112的顶表面的对缓冲层106的蚀刻之后，将源极电极310和漏极电极308沉积在接触层112上。可以使用常规的金属蒸镀和图案化提离技术来沉积所述源极电极和漏极电极310、308。为了获得低接触电阻，源极电极和漏极电极310、308可以包括钯、锗和金的堆叠层。可以在蚀刻栅极凹部206之前沉积源极电极和漏极电极310、308。以此方式，在用于蚀刻栅极凹部的每个浸渍序列之后，可以通过测量在源极电极和漏极电极310、308之间流动的电流来估计栅极凹部的深度，如上文描述。
一旦已经蚀刻出栅极凹部206，便通过在栅极凹部206中沉积栅极电极312来完成MESFET的制造。可以使用常规的金属蒸镀和图案化提离技术来沉积栅极电极312，并且所述栅极电极可以例如包括钛、铂和金的堆叠层。所制造的MESFET处于衬底102的顶部上，并且包括第一半导体器件层104的剩余部分以及源极电极和漏极电极310、308。
为了完成传感器单元的制造，制造光电二极管与MESFET之间的互连部分。然而，如在图3A中可以看到，在各个蚀刻步骤之后，存在跨越器件的显著的非平坦性。所述器件包括器件上的不同水平之间的许多台阶(称为“台面台阶”)。从衬底102的表面到钝化层306的顶部的台阶高度可以是(例如)6μm左右。这可以使得在器件的不同部分之间形成金属互连部分(即，电线)比较困难。举例来说，在金属互连部分被直接沉积于在图3A中示出的结构上时，尤其在它们越过较大台阶时，所述金属互连部分可能会断裂。这可能会导致有故障和/或断开的连接。为了促进金属互连部分的沉积，向器件添加平坦化区段。
如图3B中所示，可以沉积第一光电二极管电极302与MESFET的源极电极310之间的第一平坦化区段314以促进这两个电极之间的连接。还可以沉积第二平坦化区段316和第三平坦化区段318以分别促进对第二光电二极管电极304和漏极电极308的连接。所述平坦化区段提供器件的不同水平之间的斜坡，可以将金属互连部分沉积在所述斜坡上。平坦化区段可以覆盖由器件中的台阶产生的任何尖角，使得在器件的不同水平之间存在连续且光滑的表面。这些平坦化区段用于避免在任何金属互连部分中出现裂缝，从而提供更可靠的连接。
所述平坦化区段可以由聚酰亚胺膜319(例如，PI-2545)制成。可以通过旋涂在器件的表面上方形成聚酰亚胺膜。所述膜可以是(例如)2μm厚。随后可以烘烤所述器件以部分地固化聚酰亚胺膜，并且在台面台阶的每个边缘处提供斜坡区域。所述烘烤可以(例如)在被设定为150℃的加热板上持续六分钟。随后可以将电子束光刻或光刻抗蚀剂层(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)或“PMMA”)旋涂到所述器件上并且进行预暴露烘烤。所述预暴露烘烤可以通过将器件放置在被设定为150℃的加热板上持续14分钟来完成。所述预暴露烘烤进一步有助于固化聚酰亚胺膜。
随后，可以使用电子束光刻将抗蚀剂层图案化以暴露下伏的聚酰亚胺膜的其中将要打开所述聚酰亚胺膜中的通孔的区域。这些区域可以位于各种电极上方，使得聚酰亚胺膜中的通孔给出所述电极的入口。在仅部分地固化聚酰亚胺膜时，可以使用湿蚀刻(例如，使用MF-319作为蚀刻剂)来去除其中被暴露的区域中的聚酰亚胺层。这暴露在所述聚酰亚胺膜下方的电极。通过仔细地控制蚀刻时间，可以在聚酰亚胺膜中打开具有小到10μm的直径的通孔。这种使用湿蚀刻来形成通孔的方法可以提供在通孔的整个周边周围具有正倾斜的侧壁(即，侧壁的高度远离通孔的中心而增加)的通孔。侧壁的正斜率提供从通孔底部处的电极的表面到聚酰亚胺膜的顶表面的斜坡，使得促进对电极的金属互连。随后可以剥离抗蚀剂，并且可以烘烤器件以便完全固化聚酰亚胺膜并且使通孔的边缘进一步光滑。所述烘烤可以在被设定为180℃的烤箱中持续两小时。
图3B示出聚酰亚胺膜319中的分别给出源极电极310、漏极电极308、第一光电二极管电极302和第二光电二极管电极304的入口的第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔320、322、324、326。
一旦形成平坦化区段和通孔，便可以通过沉积互连部分来完成传感器单元。可以使用常规的金属蒸镀和图案化提离技术来沉积所述互连部分。所述互连部分可以包括钛和金的堆叠层。
图3C示出包括互连部分的整个传感器单元300。第一互连部分328将光电二极管上的第一光电二极管电极302连接到MESFET上的源极电极310。第二互连部分330的一端连接到光电二极管上的第二光电二极管电极304，并且另一端可以连接到接地线(未示出)。第三互连部分332的一端连接到MESFET上的漏极电极308，并且另一端可以连接到列寻址线(未示出)。在图3C中可以看到，平坦化区段314、316和318分别用作用于互连部分328、330和332的器件的不同水平之间的斜坡。另外，通孔320、322、324、326的侧壁用作促进对各种电极的连接的斜坡。
图4A、图4B和图4C分别是示出在图3A、图3B和图3C中描绘的阶段处的阵列中的像素的俯视图的光学显微照片。图4A至图4C中的参考数字与在图3A至图3C中的参考数字相同，其中它们涉及相同特征，并且不再描述对应的特征。
图5A示出传感器单元300的等效电路图500。所述传感器单元包括与场效应晶体管504串联连接的光电二极管502。光电二极管502的一个端子连接到接地线506(例如，经由互连部分330)，并且光电二极管502的另一端子连接到场效应晶体管504的源极电极508(例如，经由互连部分328)。场效应晶体管504还包括漏极电极510和栅极电极512。施加到栅极电极512的偏置电压可以用于控制在源极电极508与漏极电极510之间流动的电流。场效应晶体管504控制光电二极管502的入口，并且可以用于个别地寻址传感器单元300。
在将第一偏置电压(例如，-3.5V)施加到栅极电极512时，场效应晶体管504处于“断开”状态，并且电流无法在源极电极508与漏极电极510之间流动，并且因此电流将到达不了连接到漏极电极的列读取线。在将第二偏置电压(例如，0V)施加到栅极电极时，场效应晶体管处于“接通”状态，并且电流可以在源极电极508与漏极电极510之间流动，并且因此到达连接到漏极电极的列读取线。因此，在场效应晶体管504处于“接通”状态时，可以获得来自光电二极管502的光电流。
图5B示出像素阵列514的等效电路图，其中每个像素是由单个传感器单元300形成。在图5B中示出的示例是4×4像素阵列，然而，还可以使用其他大小的阵列。传感器单元300被布置成行和列。传感器单元300可以全部使用上文描述的方法一起制造，从单个分层结构100开始。以此方式，在单个芯片上形成传感器单元阵列，所述单个芯片包括传感器(即，光电二极管)和用于个别的像素寻址的场效应晶体管。如上文所论述，本发明的方法实现跨越将要制造的整个阵列具有高度一致的栅极凹部的大型像素阵列(和因此跨越阵列的一致响应)。
特定列中的每个传感器单元300的漏极电极510连接到列寻址线516，其中每个列具有其相应的列寻址线。特定行中的每个传感器单元300的栅极电极512连接到行寻址线518，其中每个行具有其相应的行寻址线。列多路复用器520连接到列寻址线516，并且行解码器522连接到行寻址线。可以将列多路复用器520和行解码器522安装在印刷电路板(PCB)上，所述印刷电路板线结合到含有传感器单元300的芯片。
列多路复用器520和行解码器可以被配置成允许从个别像素读出。举例来说，行解码器522可以通过以下操作来选择一行像素：向行寻址线518施加电压以将那个行中的像素的所有场效应晶体管切换至“接通”状态。列多路复用器520随后可以通过依次选择每个列寻址线而从那个行中的每个像素读取光电流。可以针对所述阵列中的每个行重复此程序，使得可以从像素阵列514中的每个个别像素读取光电流。可以使用跨阻抗放大器(TIA)将从所述像素中的每一者获得的光电流输出转换为电压输出。可以使用更复杂的寻址方法，例如采用若干多路复用器和行解码器的多个多路复用层，来用于大规格阵列。举例来说，每个列可以具有其自身的TIA。可以首先将从选定的整个像素行获得的光电流转变为电压信号并且随后通过多路复用器选择性地读出。
图6A和图6B是示出针对两个不同的像素阵列当在栅极电极与源极电极之间的电压VGS保持于0V时随在漏极电极与源极电极之间施加的电压VDS而变的漏极电流I的MESFETI-V特性的曲线图。图6A示出第一像素阵列中的五个MESFET的I-V特性，每个MESFET处于所述阵列中的不同位置。第一像素阵列中的像素不是使用本发明的制造方法而制造。具体来说，未使用上文描述的一系列溶液来蚀刻栅极凹部，并且未在蚀刻之前使用表面活性剂提高接触层112的可湿性。
图6B示出第二像素阵列中的五个MESFET的I-V特性，每个MESFET处于所述阵列中的不同位置。第二像素阵列中的像素是使用本发明的制造方法而制造。通过比较图6A和图6B中的I-V特性可以看到，与第一像素阵列相比，第二像素阵列中的MESFET的响应之间存在较小的变化。另外，第二像素阵列中的MESFET的响应在较大电压范围内保持高度一致。第二像素阵列中的MESFET因此示出比第一像素阵列中的MESFET更一致的响应。这说明使用本发明的制造方法的MESFET的响应的一致性方面的提高。
图7A和图7B是可以使用本发明的方法制造的传感器单元的示意性横截面视图。图7A示出基于MESFET的传感器单元700，而图7B示出基于MISFET的传感器单元701。在传感器单元700、701中，光电二极管和场效应晶体管共享共用的接触层，使得光电二极管与场效应晶体管之间的互连通过所述共享的接触层进行，并且不需要沉积任何额外的互连部分。
传感器单元700包括衬底702、第一半导体器件层704、沉积在第一半导体器件层704上的共用的接触层706，以及沉积在共用的接触层706上的第二半导体器件层708。第一半导体器件层704与共用的接触层706一起形成场效应晶体管，而第二半导体器件层708与共用的接触层一起形成光电二极管。共用的接触层706因此充当场效应晶体管和光电二极管两者的接触层，以及所述两者之间的互连部分。沉积在第二半导体器件层708的顶表面上的是第一接触电极710。将第二接触电极712沉积在第一半导体器件层704的暴露表面上。将栅极电极714沉积在第一半导体器件层704中的栅极凹部716中。栅极电极714被布置成使得可以使用施加到栅极电极714的偏置电压来控制在第一接触电极710与第二接触电极712之间流动的电流。
传感器单元700因此表现得与上文描述的传感器单元300类似(即，其具有相同的在图5A中示出的等效电路)，主要差异在于，光电二极管与场效应晶体管之间的连接是通过共用的接触层706而不是通过所沉积的互连部分。因此，可以避免至少一个遮掩步骤和一个金属化步骤。另外，因为仅需要将一个金属接触件沉积在光电二极管上(即，第一接触电极710)，所以光电二极管的可使用的光敏区域的量可以更大。这使得能够将像素按比例缩小至更小的间距并且增加填充因数(即，光电二极管感测区域的大小除以像素间距)。这使得能够实施具有更高敏感度的更大规模阵列。可以使用与上文描述的选择性蚀刻过程类似的选择性蚀刻过程来蚀刻第二半导体器件层708和共用的接触层706的部分，并且用于在第一半导体器件层704中蚀刻栅极凹部716。
图7B是类似于传感器单元700的单片传感器单元701的横截面视图，不同之处在于，在栅极凹部716中，在沉积栅极电极714之前沉积电介质薄膜720。场效应晶体管因此是MISFET而不是MESFET，并且在栅极电极与半导体器件层704之间存在介电层允许减小栅极泄漏电流(即，当晶体管处于“断开”状态时流过所述晶体管的不想要的电流)。
图8A、图8B、图8C和图8D说明可以使用在图7A和图7B中示出的结构实现的光电二极管的感测区域的大小的增加。
图8A和图8B分别示出具有L形栅极电极和弯曲栅极电极的布局。图8C和图8D替代地都示出具有笔直形栅极电极的布局。因为在使用弯曲电极和L形电极时场效应晶体管的栅极泄漏电流更高，所以图8A和图8B中的布局更适合用于MISFET晶体管，例如，用于具有与图7B的结构类似的结构的传感器单元。图8C和图8D中的布局更好地适合MESFET器件。
图8A是具有与在图3C中示出的结构类似的结构的传感器单元的示意性俯视图，而图8B是具有与在图7A中示出的结构类似的结构的传感器单元的示意性俯视图。在图8A中的参考数字与图3C中的参考数字相同的情况下，它们涉及相同的特征，并且不再描述所述对应的特征。在图8B中的参考数字与图7A中的参考数字相同的情况下，它们涉及相同的特征，并且不再描述所述对应的特征。传感器单元800、804各自具有相应的感测区域808、810。所述感测区域是可以接收入射光的光电二极管的区域。感测区域808、810的大小受到占据传感器单元800、804上的大量表面积的源极电极和漏极电极310、308以及第一光电二极管电极和第二光电二极管电极302、304的存在限制。
相比而言，传感器单元802、806具有更大的感测区域812、814。如图8B中所示，传感器单元802包括两个电极而不是四个电极(第一接触电极710和第二接触电极712)，使得与传感器单元800相比，被电极占据的传感器单元802的总表面积得以减少。这使得传感器单元802的感测区域806能够占据传感器单元802的总表面积的更大比例，从而增加填充因数。
图9是示出可以形成在图7中示出的传感器单元700的层的示例的表900。给出在表900中列出的层中的每一者的若干参数，包括层的厚度、制成层所用的材料、掺杂剂材料、掺杂类型以及载流子浓度。衬底702可以包括GaAs衬底层和未掺杂(“UD”)的GaAs。第一半导体器件层包括n掺杂GaAs沟道层704。共用的接触层706被沉积在沟道层704上并且是由高度n掺杂的GaAs形成。第二半导体器件层708被沉积在共用的接触层706上并且包括由GaSb制成的未掺杂的倍增层、由InSb制成的高度p掺杂的吸收层、薄屏障层和高度p掺杂的顶部接触层。
在图9中示出的结构中，场效应晶体管(在此情况下是MESFET)902是由GaAs沟道层704和共用的接触层706形成。光电二极管904是由共用的接触层706和其上方的所有其他层形成。共用的接触层706因此充当场效应晶体管902和光电二极管904两者的接触层，以及所述两个部件之间的互连部分。
图9的示例中的光电二极管904是所谓的单独的吸收和倍增(SAM)中红外感测雪崩光电二极管(APD)。GaSb倍增层实现光电二极管904中的电荷载流子倍增(还称为“雪崩效应”)。GaSb倍增层还用于结构功能，原因在于其充当缓冲层，所述缓冲层使得能够缓和可能会由于其下方的基于GaAs的共用的接触层706与其上方的基于InSb的吸收层之间的晶格失配而引入的任何应变。GaSb层因此具有在图9中示出的结构中的多个功能性。因此，通过将新的功能性构建到现有的层中，可以减少器件中的层的总数。这还使得能够减少制造步骤(例如，光刻步骤)的数目以便简化整个制造程序。
本发明的方法是高度灵活的，并且可以用于制造广泛多种传感器单元。举例来说，可以将不同类型的光电二极管实施于传感器单元中，这取决于应用的类型和将要检测的波长的范围。这在图10A至图10C中说明，图10A至图10C示出不同的光电二极管结构如何可以与场效应晶体管结构集成。图10A示出完成的传感器单元1000的三维图解。可以使用上文描述的方法制造传感器单元1000，并且所述传感器单元可以具有与在图3C中示出的结构类似的结构。图10B示出传感器单元1000的三维图解，其中出于说明目的，已经使光电二极管结构1002与场效应晶体管结构1004分离。
图10C示出替代性传感器单元1006的三维图解。替代性传感器单元1006包括场效应晶体管结构1008和光电二极管结构1010。出于说明目的，场效应晶体管结构1008示出为与光电二极管结构1010分离。场效应晶体管结构1008可以类似于传感器单元1000的场效应晶体管结构1004。然而，光电二极管结构1010不同于传感器单元1000的光电二极管结构1002。光电二极管结构1010可以包括与光电二极管结构1002不同的层，并且可以使用不同的步骤(例如，不同的图案化和选择性蚀刻步骤)制造。因此，虽然制造传感器单元1000和1006的整体结构和一般方法可能是类似的，但两种传感器单元包括可能具有不同的感测性质的不同光电二极管。另外，虽然场效应晶体管结构1004和1008是类似的，但还可以实施不同的场效应结构。
还应注意，可以使用除了上述MESFET之外的其他类型的场效应结构。举例来说，可以使用本发明的方法来制造其他基于GaAs的场效应晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和高电子迁移率晶体管(HEMT)。MOSFET的制造与MESFET非常类似，因为仅有的差异是在栅极凹部蚀刻步骤与栅极电极沉积之间沉积薄电介质。确保不存在自然氧化物在制造HEMT的过程中也是有益的，从而确保栅极一致性。
本发明因此提供一种使得能够实施具有不同传感器性质的广泛多种不同的传感器单元的高度灵活的平台。可以通过更改用于制造器件的分层结构(例如，分层结构100)以及制造步骤的细节来改变传感器单元的特定结构。在每种情况下，通过在蚀刻栅极凹部之前彻底去除自然氧化物层来确保跨越传感器单元阵列的较高的响应一致性。
图11是示出已经在GaAs衬底1104上生长的光电二极管1102的示例性结构的表1100。表1100针对结构中的每个层列出与表900相同的参数。类似于上文论述的内容，可以在基于GaAs的场效应晶体管上生长光电二极管1102，并且所述光电二极管可以取代上文论述的结构中的光电二极管(例如，其可以取代光电二极管结构1010)。光电二极管1102的结构是基于具有交替的III-V材料的薄层的2型超晶格的带隙工程结构。在图11中示出的结构不同于标准的“p-i-n”光电二极管结构，并且被称为“n-B-n”结构，因为屏障层和活性区域夹在两个n型接触层之间。在此示例中，顶部接触层1106和背面接触层1108两者是由重复25个周期的InAs和GaSb的交替单层(ML)形成。图11的光电二极管结构可以用于实现用于中IR检测的光电二极管。在一些情况下，可以针对多色彩功能性来设计n-B-n结构，所述多色彩功能性取决于所施加的偏置电压。举例来说，此类光电二极管可能在施加正向偏压时对短波红外线敏感，并且在施加反向偏压时对中波红外线敏感。另一种实现多光谱检测的方式是通过多个感测层的堆叠。
图12A至图12D说明曲线形栅极电极与笔直栅极电极之间的栅极泄漏电流的差异。图12A是具有曲线形栅极电极的MESFET的俯视图。图12B示出当改变施加到图12A中的器件的栅极电极的电压时所测得的电流。当使栅极与源极之间的电压从50mV扫掠至1.5V时获得不同的曲线。图12C是具有笔直栅极电极的MESFET的俯视图，并且图12D示出当改变施加到图12C中的器件的栅极电极的电压时所测得的电流。当使栅极与源极之间的电压从50mV扫掠至1.5V时获得不同的曲线。通过比较图12B和图12D，观察到负栅极电压(即，当MESFET处于“断开”状态时)的电流的10倍的减小。
图13A至图13C提供MESFET器件与MISFET器件之间的差异的说明，其中示出了以上两者的实验数据。图13A是MESFET器件的横截面视图，而图13B是MISFET器件的横截面视图。MISFET器件具有放置在栅极电极与栅极凹部之间的薄(数纳米)绝缘层。图13C示出具有相同几何形状的MESFET和MISFET器件之间的实验比较。图13C示出当扫掠栅极电压时通过器件所测得的电流，其中在栅极与源极之间施加固定电压50mV电压。对于负栅极电压(即，对于处于“断开”状态的器件)，针对MISFET所测得的电流是针对MESFET所测得的电流的约一半。于是可以与前述单片传感器单元中的一者组合地使用MISFET器件以最小化栅极泄漏并且提高单片阵列的性能。

Claims (15)

1.一种制造单片传感器单元的方法，所述单片传感器单元包括传感器和形成于分层的半导体堆叠内的场效应晶体管，所述分层的半导体堆叠具有衬底、用于形成沉积在所述衬底上的所述场效应晶体管的第一半导体器件层、沉积在所述第一半导体器件层上的第二半导体器件层，和用于所述第一半导体器件层和所述第二半导体器件层的共用的接触层，其中所述第二半导体器件层提供用于所述传感器的活性区域，其中所述共用的接触层将所述传感器的活性区域与场效应晶体管串联连接，并且其中所述方法包括以下步骤：
选择性地蚀刻所述第二半导体器件层的一部分以暴露所述第一半导体器件层的表面；以及
对所述第一半导体器件层的一部分执行湿蚀刻过程以在所述第一半导体器件层中形成栅极凹部，其中所述湿蚀刻过程包括：
施加自然氧化物去除溶液以从所述第一半导体器件层的暴露表面去除自然氧化物，以及
施加蚀刻剂溶液以从所述第一半导体器件层去除材料，并且进而形成所述栅极凹部；
其中所述传感器单元由三个电极组成，所述三个电极通过以下方式形成：
将栅极电极沉积在所述栅极凹部中以形成所述场效应晶体管的栅极电极，
将第一接触电极沉积在所述第一半导体器件层的所述表面上；以及
将第二接触电极沉积在所述第二半导体器件层的表面上；
其中所述共用的接触层和所述第一接触电极作为所述场效应晶体管的源极和漏极，
其中所述用于所述传感器的活性区域被布置在所述共用的接触层和所述第二接触电极之间，并且
其中所述第一接触电极和所述第二接触电极被布置成使得可以基于施加到所述栅极电极的偏置电压来控制所述第一接触电极与所述第二接触电极之间的电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述施加所述蚀刻剂溶液的步骤紧接在所述施加所述自然氧化物去除溶液的步骤之后发生。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述湿蚀刻过程包括向所述第一半导体器件层的所述暴露表面施加表面活性剂溶液。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述施加所述表面活性剂溶液的步骤紧接在所述施加所述自然氧化物去除溶液的步骤之前发生。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二半导体器件层的活性区域包括基于InSb的材料，其中所述分层的半导体堆叠包括在所述第一半导体器件层与所述第二半导体器件层之间的GaSb缓冲层，并且其中所述选择性地蚀刻所述第二半导体器件层的一部分的步骤包括施加缓冲蚀刻剂溶液来去除所述GaSb缓冲层以暴露所述第一半导体器件层的所述表面。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述缓冲蚀刻剂溶液包括四甲基氢氧化铵。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括在将所述栅极电极沉积在所述栅极凹部中之前将绝缘层沉积在所述栅极凹部中。
8.根据权利要求1所述的方法，在共用的衬底上的多个位置同时应用所述方法以形成传感器单元阵列。
9.一种单片传感器单元，所述单片传感器单元具有与场效应晶体管集成的传感器，所述传感器单元具有分层的半导体堆叠，所述分层的半导体堆叠包括：
衬底；
第一半导体器件层，所述第一半导体器件层形成沉积在所述衬底上的所述场效应晶体管；
第二半导体器件层，所述第二半导体器件层沉积在所述第一半导体器件层上，所述第二半导体器件层提供用于所述传感器的活性区域；
共用的接触层，所述共用的接触层设置在所述第一半导体器件层与所述第二半导体器件层之间以将所述传感器的活性区域与场效应晶体管串联连接，
其中所述传感器单元由三个电极组成，所述三个电极是：
第一接触电极，所述第一接触电极沉积在所述第一半导体器件层的表面上；
第二接触电极，所述第二接触电极沉积在所述第二半导体器件层的表面上；以及
所述场效应晶体管的栅极电极，所述栅极电极设置在形成于所述第一半导体器件层中的栅极凹部中，
其中所述共用的接触层和所述第一接触电极作为所述场效应晶体管的源极和漏极，
其中所述用于所述传感器的活性区域被布置在所述共用的接触层和所述第二接触电极之间，并且
其中所述场效应晶体管被布置成基于施加到所述栅极电极的偏置电压来控制在所述第一接触电极与所述第二接触电极之间流动的电流。
10.根据权利要求9所述的单片传感器单元，其中所述传感器是对中红外区域中的辐射敏感的光电二极管。
11.根据权利要求9所述的单片传感器单元，其中所述分层的半导体堆叠包括用于缓和由于所述第一半导体器件层与所述第二半导体器件层之间的晶格失配而引起的应变的缓冲层。
12.根据权利要求11所述的单片传感器单元，其中所述传感器是光电二极管，并且其中所述缓冲层实现所述光电二极管中的电荷载流子倍增。
13.根据权利要求12所述的单片传感器单元，其中所述光电二极管包括吸收区域，所述吸收区域包括基于InSb的材料，并且其中所述缓冲层包括基于GaSb的材料。
14.根据权利要求10所述的单片传感器单元，其中所述第一半导体器件层包括所述场效应晶体管的GaAs沟道层，以及蚀刻止挡层，所述蚀刻止挡层被配置为在预定深度处限制所述栅极凹部的蚀刻过程。
15.一种焦平面阵列，所述焦平面阵列包括形成于共用的衬底上的多个根据权利要求9所述的单片传感器单元。
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