CN116978976A - 高光电转换效率的光电计算单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高光电转换效率的光电计算单元，光电计算组件及光电计算单元的制备方法。所述的光电计算单元进行了大间距的源端和漏端设计，并使源端和漏端分别与栅极区域之间具有小梯度的离子掺杂浓度分布，使装置实现高水平的光输入效率。

Description

高光电转换效率的光电计算单元

技术领域

本发明涉及到器件结构以及半导体工艺，具体地说，涉及一种能以较高光电转换效率实现光输入的光电计算单元，以及相应的结构和制备方法。

背景技术

现有的电子计算机在原理上，根据半导体材料可以对特定的电信号进行传递、加减和倒相等特性，经过统和与集成，可以完成极其复杂的运算。这一计算，事实上已构成现代文明的一个重要基础。

传统的计算机大多采取冯诺依曼架构，然而，冯诺依曼架构存储单元和运算单元分立，在处理以神经网络算法为代表的一类算法时，因为网络的权值需要被反复调用，存储单元和运算单元的分立就导致了在数据传输上产生了极大的能量消耗，并且影响运算速度。同时，以神经网络算法、CT算法为代表的一系列算法中，需要大量运算矩阵向量乘法，而传统乘法器的规模动辄上万晶体管，这也极大的影响了传统计算在处理此类算法时的能效比和集成度。

为了克服这种限制，人们提出了存-算一体器件。典型的存算一体器件主要为RRAM(忆阻器)和FLASH(闪存)两类，RRAM可以在断电后较长时间内保存受其电输入端输入量影响的电阻值，然而RRAM并不支持标准CMOS工艺生产，其器件的良率和均匀性都得不到保证，这在必须大量使用存-算一体器件组成网络才能加速的神经网络算法中，是不可接受的。而如果要使用FLASH作为存-算一体器件，就意味着单个浮栅管必须存储超过一位的数据，即多值存储，这对于只能使用擦除和编程两种方式改变阈值的传统FLASH是难以做到的。

光电计算单元(专利号：CN111208865A)作为一种典型的存算一体技术方案，具有一致性好，单器件存储位宽高，兼容标准CMOS工艺等特点，在2018年公开的专利光电计算单元、光电计算阵列、光电计算方法(专利号：CN111208865A)中，提出了众多的光电计算单元具体实现方案以及基于该单元的计算装置及计算方法。光电计算单元、光电计算阵列、光电计算方法(专利号：CN111208865A)中所述的实现方案，因为可以实现单器件级别的高比特非易失存储，存储时间最高可以达到10年量级，存在较大的使用便捷性与计算能效优势，然而该方案因为必须将光电子驱使到电荷耦合层中进行存储，存在量子效率过低，权值数据写入时间较长的问题，该技术瓶颈为所述器件进一步发挥其功能的最大瓶颈之一。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种光电计算单元，包括在衬底收集区上依次形成的、包括底层介质层，电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极的栅极区域，以及在同样衬底收集区上形成、且位于所述栅极区域相对两侧的源端和漏端，其特征在于，所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域预定阈值的距离，以至于经过退火工艺导致的源端和漏端的水平方向扩散不会使得源端和漏端与栅极区域竖直交叠。

本发明实施例提供的光电计算单元采用半导体材料的光电性能，用外界的输入光信号来调制半导体材料中所传输的电信号，以实现加法器、乘法器以及一些高级运算。并且，本装置可以实现高精度的存-算一体功能，单个器件即可以存储光输入端的光信号并在断光后长时间保存，且针对曝光效率这一指标进行了针对性优化，相对于传统方案可以实现更短的光数据写入时间。

其中，所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域十分之一倍栅极长度或20nm。

其中，所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处分别具有缓变的浓度梯度，使在P型衬底收集区上制备的、N型源端和N型漏端到所述P型衬底收集区的竖直剖面的掺杂浓度分别具有n+/n/n-/p-/p的浓度梯度分布；或者，使在N型衬底收集区上制备的、P型源端和P型漏端到N型衬底收集区的竖直剖面的掺杂浓度分别具有p+/p/p-/n-/n的浓度梯度分布。

其中，所述栅极区域两侧的用于源端和漏端注入的绝缘的侧墙厚度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值，所述侧墙用于所述光电计算单元的源漏注入工艺，并使得经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端与所述栅极区域竖直交叠。

其中，所述光电计算单元在制备过程中使用掩模版和光刻胶来定义所述源端和漏端的离子注入的位置，其中，覆盖在所述源端和/或漏端的光刻胶宽度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值，使得经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端区域与栅极区域竖直交叠。

其中，在源漏离子注入时使用两种不同的离子，使所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处具有缓变的浓度梯度。

其中，所述光电计算单元在制备过程中，在刻蚀控制栅极之后、淀积侧墙之前，注入一道与衬底收集区极性相反的掺杂层，导致所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处的掺杂浓度被稀释，形成相对于P型衬底收集区的n-/p-的浓度梯度，或相对于N型衬底收集区的p-/n-的浓度梯度，使所述光电计算单元在所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处分别具有缓变的浓度梯度。

其中，在所述衬底收集区耗尽区内部掺杂浓度为高掺杂浓度，耗尽区外部的掺杂呈现从低到高单调缓变的梯度结构，使得所述衬底收集区的耗尽区内部至耗尽区外部呈现出高-低-高的掺杂浓度变化。

根据本发明另一实施例，提供了一种光电计算组件，包括多个如上任一项所述的光电计算单元，多个所述光电计算单元被设置在至少一个平面上，通过布线来控制多个所述光电计算单元的工作。

其中，在由多个所述光电计算单元组成的阵列中行列选址对一个光电计算单元进行光输入时，非同列的光电单元的源端和漏端浮空。

根据本发明另一实施例，提供了一种制备光电计算单元的方法，其中，1)在衬底收集区上淀积第一介质层，在所述衬底收集区的有源区域外刻蚀出凹槽，在所述凹槽中填充氧化物以形成浅槽隔离，刻蚀去除所述第一介质层，之后对所述衬底收集区进行掺杂注入，以在衬底收集区中形成高-低-高的掺杂浓度，形成衬底收集区；2)在所述衬底收集区上淀积底层介质层，在所述底层介质层上淀积电荷耦合区，向所述电荷耦合区注入掺杂，并在所述电荷耦合区上淀积顶层介质层，3)刻蚀去除高于底层介质层部分的浅槽隔离氧化物，在顶层介质层上淀积控制栅极，所述底层介质层，电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极组成栅极区域，在所述栅极区域上覆上光刻胶以将所述光电计算单元的源端和漏端上方的电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极刻蚀掉，在刻蚀完成后注入与衬底收集区极性相反的掺杂层，以减小所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处的浓度梯度，随后去除所述栅极区域上的光刻胶，注入轻掺杂漏，接着淀积第二介质层并进行刻蚀，以在栅极区域周围留下绝缘的侧墙，最后注入源漏掺杂，所述源漏掺杂包含两种不同的离子，其中所述侧墙使得源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域预定阈值的距离，以至于经过退火工艺导致的源端和漏端的水平方向扩散不会使得源端和漏端与栅极区域竖直交叠。

本发明实施例提供的光电计算方法采用半导体材料的光电性能，用输入光信号来调制半导体材料中所传输的电信号，以实现加法器、乘法器等基本运算的新的机制。

其中，所述栅极区域两侧的绝缘的侧墙厚度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值。

其中，在注入源漏掺杂时，使用光刻胶定义所述源端和漏端的的离子注入的位置，使得所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域预定阈值的距离，并使经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端区域与栅极区域竖直交叠。

本发明采用半导体材料的光电性能，设计了一种光电计算单元，并公开了由所述光电计算单元组成的多种加法器、乘法器和算法加速器，及其相应的光电运算方法。由此可见，本发明利用半导体材料的光电特性，以及传统光学领域已经普遍使用的技术在计算领域的扩展应用，提出了一种全新的光电计算单元和一类光电计算方法，其可以实现高精度的存-算一体功能，单个器件既可以存储光输入端的光信号并在断光后长时间保存，并且可以实现单个器件即完成乘法运算，非常适合加速以神经网络算法为代表的一类需要“存储参数”的算法。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用于提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对发明的限制，在附图中：

图1是示出现有技术中光电计算单元的正视图。

图2是示出现有技术中光电计算单元的3D示意图。

图3是示出根据本发明第一实施例的光电计算单元的正视图。

图4是示出根据本发明第一实施例的光电计算单元3D示意图。

图5是示出根据本发明第一实施例的增厚侧墙源漏自对准注入方案示意图。

图6是示出根据本发明第一实施例的增厚侧墙源漏注入后结构示意图。

图7是示出根据本发明第一实施例的光刻胶源漏注入方案示意图。

图8是示出根据本发明第二实施例的源漏掺杂结构示意图。

图9是示出根据本发明第二实施例的稀释掺杂工艺示意图。

图10是示出根据本发明第三实施例的特调掺杂分布光电计算单元结构示意图。

图11是示出根据本发明第四实施例的高光电转换效率的光输入方法示意图。

图12是示出根据本发明第五实施例的步骤一形成的浅槽隔离结构示意图。

图13是示出根据本发明第五实施例的步骤二形成的高-低-高掺杂分布的衬底收集区结构图。

图14是示出根据本发明第五实施例的步骤三形成的电荷耦合区结构图。

图15是示出根据本发明第五实施例的步骤四形成的控制栅极结构图。

图16是示出根据本发明第五实施例的步骤五刻蚀栅极后的结构图。

图17是示出根据本发明第五实施例的步骤六稀释掺杂产生稀释掺杂层结构图。

图18是示出根据本发明第五实施例的步骤七注入LDD后的结构图。

图19是示出根据本发明第五实施例的步骤八淀积侧墙后的结构图。

图20是示出根据本发明第五实施例的步骤九源漏注入后的结构图。

图21是示出根据本发明第六实施例的步骤九源漏注入后的结构图。

具体实施方式

为了使得本发明实施例的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的各个实施例，在本说明书和附图中，具有基本上相同步骤和元素用相同的附图标记来表示，且对这些步骤和元素的重复解释将被省略。

应理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例。基于本发明中描述的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。而且，为了使说明书更加清楚简洁，将省略对本领域熟知功能和构造的详细描述。

下文将参照附图详细描述根据本发明的光电计算单元及光电器件的制作方法的6个优选实施例。本发明中所述的实施例仅是例子而非限制，本发明中的各个实施例中的步骤和装置并非仅限定于某个实施例中实行，且本领域技术人员可以根据本发明的构思从分开描述的各个实施例中合并和组合一些步骤和装置来实现本发明的效果，这些实施例的某些变型、修改、改变、添加和子组合形成的实施例也被包括在本发明中，在此不再一一描述。

第一实施例

参照图1至7描述根据现有技术中的光电计算单元及根据本发明第一实施例的光电计算单元的具体内容。

如图1和图2的现有技术中的光电计算单元正视图和立体图所示，标准光电计算单元的源端和漏端在水平方向上分别紧挨着由控制栅极、顶层介质层、电荷耦合层、底层介质层构成的栅极区域，而本发明实施例的光电计算单元如图3和图4的光电计算单元的正视图和立体图所示，将源端和漏端在水平方向上分别远离栅极区域预定阈值的距离。可选地，光电计算单元的源端可以在水平方向上远离栅极区域第一阈值。另外，可选地，光电计算单元的漏端可以在水平方向上远离栅极区域第二阈值。可选地，第一阈值可以与第二阈值相同或不同。在一个示例中，可选地，第一阈值和第二阈值可以分别为十分之一倍栅长，也即源端和漏端可以在水平方向上分别远离栅极区域至少十分之一倍器件的栅长，其中栅长指源端和漏端连接方向上栅极区域的长度。例如，在器件栅长为0.15um时，第一阈值和/或第二阈值可以为15nm，25nm，35nm等，在器件栅长为0.1um时，第一阈值和/或第二阈值可以为10nm，20nm，30nm等。在另一示例中，可选地，第一阈值和/或第二阈值可以分别至少为20nm，例如，在器件栅长为5um时，第一阈值和/或第二阈值可以为20nm，30nm，50nm等，在器件栅长为10um时，第一阈值和/或第二阈值可以为20nm，30nm，50nm等。

首先，该结构中源端和漏端与栅极区域之间的空间能做出更长的轻掺杂漏(LDD)区域，以减小最容易发生雪崩击穿的源漏结区域的曲率，进而增大雪崩电压；另外，我们知道更大的源漏结的结深代表更大的雪崩电压，而该空间可以支持源漏结做得更深而使水平方向的扩散不会深入栅极下方压缩沟道长度，故而该结构能大幅提高光电计算单元的雪崩电压。

本发明中的光电计算单元进行光输入时的机制为衬底热载流子注入，该机制需要在衬底上施加一个负电压以供光生电子在衬底耗尽区中加速成热电子并注入到电荷耦合区中。这意味着在光输入时施加的衬底负电压的绝对值越大，就能在衬底耗尽层中形成越大的电场来加速光生电子，但衬底电压往往受到雪崩机制的制约，所以增大光电计算单元的雪崩电压可以允许衬底电压的增大，从而增大光输入效率。

本发明提出了两种方案形成上述源端和漏端分别远离栅极区域的光电计算单元结构，具体描述如下：

1、在光电计算单元制备时，生长更厚的侧墙以供源漏注入时源端和漏端远离栅极区域。如图5的增厚侧墙源漏自对准注入方案示意图所示，在传统的工艺流程中，源漏的注入在淀积绝缘侧墙之后，而为了缩小器件的尺寸，这道侧墙会做得尽可能薄，如此一来在源漏注入之后源端和漏端会沿水平方向扩散以致在竖直方向上与栅极区域有交叠，而本发明打破了行业固有的思维惯性，独特设计的增厚侧墙将源端和漏端推离栅极区域，使得源端和漏端在经过退火导致的水平方向扩散后也不会与栅极区域交叠，如图6的增厚侧墙源漏注入后结构示意图所示。本发明实施例中的侧墙厚度与器件尺寸有关，其至少为五分之一倍器件栅长与0.1um中的最小值，例如，在器件栅长为0.3um时侧墙厚度可以为0.06um、0.1um、0.2um；在器件栅长为2um时，侧墙厚度可以为0.1um，0.2um，0.4um等。上述关于侧墙厚度的选择仅为示例，在实际应用中，可以根据应用场景和器件要求选择相应厚度的侧墙进行光电计算单元制备。

2、在光电计算单元制备时，使用掩膜版来注入源漏。在淀积侧墙之后，施加一道掩膜版进行控制栅和源漏的注入，如图7的光刻胶源漏注入方案示意图所示，为了确保光刻胶与栅极区域之间不留缝隙，本发明中将光刻胶做得更宽并覆盖一部分栅极区域。例如，本发明实施例中覆盖在栅极区域的光刻胶典型宽度可以为10～70nm，覆盖在源漏区域的光刻胶宽度与器件尺寸有关，其至少为五分之一倍器件栅长与0.1um中的最小值，例如，在器件栅长为0.3um时源漏区域光刻胶宽度可以为0.06um、0.1um、0.2um；在器件栅长为2um时，源漏区域光刻胶宽度可以为0.1um，0.2um，0.4um等。上述关于源漏区域光刻胶宽度的选择仅为示例，在实际应用中，可以根据应用场景和器件要求选择相应厚度的侧墙进行光电计算单元制备。

上述两种实现源端和漏端分别远离栅极区域的光电计算单元结构的方案可以在制备时分别使用，也可以根据实际应用的需求结合使用，在此不做限制。

第二实施例

参照图8至9描述根据本发明第二实施例的光电计算单元。

如图8的源漏掺杂结构示意图所示，本发明的源漏结处掺杂可以呈现高度缓变的结构，以P型衬底收集区为例，其N型源漏到P型衬底收集区的竖直剖面的掺杂浓度可以是n+/n/n-/p-/p的浓度梯度。更小的浓度梯度意味着更大的耗尽区，而雪崩临界电压与耗尽区的厚度息息相关，通过实现本发明所述的源漏掺杂结构可以有效提高雪崩电压。

本发明提出了两种方案以形成上述源漏掺杂结构的光电计算单元，该两种方案可以同时或分别使用：

1、光电计算单元制备时，在源漏注入时使用两种不同离子，利用不同离子扩散速度不同的特点使得源漏结的浓度梯度较小，形成大面积的耗尽，提高雪崩电压。

2、光电计算单元制备的自对准注入时，在控制栅极刻蚀后、去除刻蚀控制栅极的光刻胶前注入一道与衬底收集区极性相反的掺杂以稀释衬底收集区位于源漏结附近的衬底收集区掺杂浓度，下文中将该道掺杂称为稀释掺杂。在稀释掺杂后，再进行光刻胶的去除、侧墙的淀积和源漏注入的操作。稀释掺杂使得源漏结的浓度梯度较小，形成大面积的耗尽，提高雪崩电压。稀释掺杂注入深度可以比LDD更大，其目的是稀释源漏结处的衬底掺杂浓度以形成更小的浓度梯度。例如，稀释掺杂的注入能量可以为60keV～150keV，使得注入深度为0.1um～0.3um，由于该道注入的注入能量较大，若按常规LDD的注入方式会导致注入穿过控制栅极进入电荷耦合区，甚至进入源端与漏端之间的沟道区域，于是本发明可以在去除刻蚀控制栅极的光刻胶之前注入，利用光刻胶防止该掺杂注入到控制栅极区域，如图9的稀释掺杂工艺示意图所示。

值得一提的是，当本实施例中稀释掺杂中的一种或两种方案与第一实施例中的一种或两种方案以任意组合方式相结合时，该道掺杂对源漏结的近栅极区域的一端将有更好的包裹效果，而达到更大的雪崩电压。

第三实施例

参照图10描述根据本发明第三实施例的光电计算单元。

如图10所示的特调掺杂分布光电计算单元结构示意图所示，在本发明实施例中，衬底收集区表面掺杂浓度较高；衬底收集区中部至底部的掺杂可以呈现从低到高单调缓变的梯度结构。

图10中虚线上方的区域为耗尽区，衬底收集区中的电势差绝大部分在耗尽区中，耗尽区也是加速光生电子的主要区域，显然，该区域的厚度越大则能加速更多在耗尽区内部产生的光生电子，然而厚度过大又将使得光电子在加速过程中的散射概率增大，用如下公式来表述这一过程：

其中W为耗尽区宽度；n(W)为耗尽区宽度为W时耗尽区内部能加速为热载流子的电子数；V为施加在衬底收集区的电势差；D(x)为深度x处光生电子的浓度；A(W)为加速区域的面积，即耗尽区面积；P(x)为深度为x处的电子在加速过程中不被散射的概率，可知在耗尽区内能被直接加速至发生热载流子注入的电子数与耗尽区宽度W有关，且有一个极值，由此我们可以通过控制耗尽区内的载流子浓度来调制耗尽区的宽度，并达到该编程效率的极值。

考虑耗尽区外，也就是衬底收集区中部至底部的光生载流子，若衬底收集区中部的掺杂比底部更大，在未打光时，电子将从底部向中部扩散，从中部向底部漂移而建立稳态，打光之后，在衬底收集区中产生大量光生电子，使得中部和底部之间的扩散电流变小，漂移的力大于扩散的力，电子将由衬底收集区中部漂移至底部，这与期望的电子运动方向相反，故而本实施例中将衬底收集区中部的掺杂浓度设置得比底部更小，并且单调缓变，这样在光照之后，光生电子将从底部漂移到中部，并进入耗尽区由耗尽区加速，达到更高的光输入效率。

综合上述因素，最终衬底收集区内的掺杂确定为：从表面到底部的掺杂浓度为高-低-高的分布。在工艺上可通过至少二道不同的掺杂实现这一浓度分布，第一道用于使得耗尽区内区域重掺杂，其注入能量可以为20～60keV，浓度可以为5e12～1e14；第二道用于使得耗尽区外的衬底收集区底部重掺杂，其注入能量由衬底的厚度决定，一般为300keV以上，浓度可以为2e13～1e14。

第四实施例

参照图11描述根据本发明第四实施例的光电计算单元。

如图11所示的高光电转换效率的光输入方法示意图，在由光电计算单元组成的阵列中行列选址对某个光电计算单元进行光输入时，可以令非同列的光电计算单元的源端和漏端浮空。其中本实施例实现高光电转化效率的原理是，由于与选中的光电计算单元不同列的光电计算单元的源端和漏端浮空，其内部的光生电子无法从源端和漏端流走而会流向被选中的光电计算单元，并被加速成热载流子注入被选中的光电计算单元的电荷耦合区，相当于增大了该被选中的光电计算单元的载流子的收集区域。而在上述非同列的光电计算单元上加一个有源的电压时，即使该光电计算单元的源端和漏端的电势与衬底收集区的电势相同时，该光电计算单元的光生电子依然能够被抽走，而达不到提高光电转换效率的目的。

第五实施例

第五实施例表述一种该光电计算单元的制作方法，该方法可以包括如下各步骤。这些步骤仅为本实施例中用于制作光电计算单元的一种具体实施方式，在实际制作中，可以选择本实施例中的各步骤的其中一部分实施，也可以根据应用需求将本实施例中的各步骤调整为其他顺序进行实施，此外，还可以在本实施例中的各步骤的基础上添加其他的步骤实施，以制作该光电计算单元，在此均不做限制。

该光电计算单元的制作方法的第一步为浅槽隔离(STI)，措施为：在P型硅上淀积第一介质层，并在划定好的有源区域外刻蚀出凹槽，有源区域指的是栅极区域以及源端和漏端区域的总和，在所述凹槽中填充氧化物以形成浅槽隔离，如图12所示。

第二步为体区掺杂注入，措施为：刻蚀掉所述第一介质层，对上述完成浅槽隔离的P型硅进行至少三道不同的掺杂注入，以在衬底收集区中由上至下形成高-低-高的掺杂浓度，形成衬底收集区，如图13所示。

第三步为淀积电荷耦合区，措施为：在所述衬底收集区上淀积底层介质层，在所述底层介质层上淀积电荷耦合区，向所述电荷耦合区注入掺杂，如图14所示。

第四步为淀积控制栅极，措施为：刻蚀去除高于底层介质层部分的浅槽隔离氧化物，并淀积顶层介质层，在顶层介质层上淀积控制栅极，所述底层介质层，电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极组成栅极区域，如图15所示。

第五步为刻蚀栅极，措施为：在所述栅极区域上覆上光刻胶，以将所述光电计算单元的源端和漏端上方的电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极刻蚀掉，留出后续做源漏的空间，如图16所示。

第六步为稀释掺杂注入，措施为：在刻蚀栅极完成后注入与衬底收集区极性相反的稀释掺杂层，以减小后续进行源漏掺杂时源端和漏端与衬底收集区之间的结的掺杂浓度梯度，如图17所示。随后，去除所述栅极区域上的光刻胶。

第七步为注入轻掺杂漏(LDD)，这一道注入的能量较小而浓度较大，注入后将在靠近底层介质层的衬底收集区表面形成一层LDD注入层，如图18所示。

第八步为淀积侧墙，措施为：在整个衬底上淀积第二介质层并进行刻蚀，以在栅极区域周围留下绝缘的侧墙，如图19所示。该侧墙的厚度设置可以如第一实施例中所述。

第九步为源漏掺杂，所述源漏掺杂包含两种不同的离子，其注入深度为LDD与稀释掺杂之间，如图20所示。LDD、源漏掺杂与稀释掺杂共同作用，在源漏结处形成了缓变的N+/N/N-/P-/P掺杂梯度。

在本发明上述第一实施例至第五实施例的附图和描述中，主要使用了对光电计算单元的P型衬底收集区进行N型源漏掺杂的示例。然而，在本发明各项实施例中，还可以采用在光电计算单元的N型衬底收集区进行P型源漏掺杂的实施方式，其相应的具体操作步骤和掺杂方式基本类似，在此不做赘述。

第六实施例

第六实施例表述一种该光电计算单元的制作方法，该方法可以包括如下各步骤。这些步骤仅为本实施例中用于制作光电计算单元的一种具体实施方式，在实际制作中，可以选择本实施例中的各步骤的其中一部分实施，也可以根据应用需求将本实施例中的各步骤调整为其他顺序进行实施，此外，还可以在本实施例中的各步骤的基础上添加其他的步骤实施，以制作该光电计算单元，在此均不做限制。

该光电计算单元的制作方法的前七步与实施例五相同或类似。

第八步为淀积侧墙，措施为：在整个衬底上淀积第二介质层并进行刻蚀，以在栅极区域周围留下绝缘的侧墙，该侧墙不进行厚度上的修改，而产生标准工艺的薄侧墙。

第九步为源漏掺杂，所述源漏掺杂包含两种不同的离子，其注入深度为LDD与稀释掺杂之间。在注入时，需在器件上方覆盖光刻胶，光刻胶上应开口暴露出目标注入的源/漏区域，并且对源漏进行注入同时也对控制栅进行注入，此时也应开口暴露出控制栅极区域，为了确保光刻胶与栅极之间不留空隙，光刻胶将覆盖控制栅极的边缘部分，如图21所示。

在本发明上述第一实施例至第六实施例的附图和描述中，主要使用了对光电计算单元的P型衬底收集区进行N型源漏掺杂的示例。然而，在本发明各项实施例中，还可以采用在光电计算单元的N型衬底收集区进行P型源漏掺杂的实施方式，其相应的具体操作步骤和掺杂方式基本类似，在此不做赘述。

如前所述，本发明中所述的上述具体实施例仅是例子而非限制，本领域技术人员可以根据本发明的构思从上述分开描述的各个实施例中合并和组合一些步骤和装置来实现本发明的效果，这种合并和组合而成的实施例也被包括在本发明中，在此不一一描述这种合并和组合。

注意，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述发明的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。

本发明中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

本发明中的步骤流程图以及以上方法描述仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照给出的顺序进行各个实施例的步骤。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意顺序进行以上实施例中的步骤的顺序。诸如“其后”、“然后”、“接下来”等等的词语不意图限制步骤的顺序；这些词语仅用于引导读者通读这些方法的描述。此外，例如使用冠词“一个”、“一”或者“该”对于单数的要素的任何引用不被解释为将该要素限制为单数。

另外，本文中的各个实施例中的步骤和装置并非仅限定于某个实施例中实行，事实上，可以根据本发明的概念来结合本文中的各个实施例中相关的部分步骤和部分装置以构思新的实施例，而这些新的实施例也包括在本发明的范围内。

在此发明的方法包括用于实现所述的方法的一个或多个动作。方法和/或动作可以彼此互换而不脱离权利要求的范围。换句话说，除非指定了动作的具体顺序，否则可以修改具体动作的顺序和/或使用而不脱离权利要求的范围。

提供所发明的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不希望被限制到在此示出的方面，而是按照与在此发明的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

Claims (13)

1.一种光电计算单元，包括在衬底收集区上依次形成的、包括底层介质层，电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极的栅极区域，以及在同样衬底收集区上形成、且位于所述栅极区域相对两侧的源端和漏端，其特征在于，所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域预定阈值的距离，以至于经过退火工艺导致的源端和漏端的水平方向扩散不会使得源端和漏端与栅极区域竖直交叠。

2.如权利要求1所述的光电计算单元，其中，

所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域十分之一倍栅极长度或20nm。

3.如权利要求1所述的光电计算单元，其中，

所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处分别具有缓变的浓度梯度，使在P型衬底收集区上制备的、N型源端和N型漏端到所述P型衬底收集区的竖直剖面的掺杂浓度分别具有n+/n/n-/p-/p的浓度梯度分布；或者，使在N型衬底收集区上制备的、P型源端和P型漏端到N型衬底收集区的竖直剖面的掺杂浓度分别具有p+/p/p-/n-/n的浓度梯度分布。

4.如权利要求1所述的光电计算单元，其特征在于，所述栅极区域两侧的用于源端和漏端注入的绝缘的侧墙厚度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值，所述侧墙用于所述光电计算单元的源漏注入工艺，并使得经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端与所述栅极区域竖直交叠。

5.如权利要求1所述的光电计算单元，其特征在于，所述光电计算单元在制备过程中使用掩模版和光刻胶来定义所述源端和漏端的离子注入的位置，其中，覆盖在所述源端和/或漏端的光刻胶宽度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值，使得经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端区域与栅极区域竖直交叠。

6.如权利要求3所述的光电计算单元，其特征在于，在源漏离子注入时使用两种不同的离子，使所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处具有缓变的浓度梯度。

7.如权利要求3所述的光电计算单元，其特征在于，所述光电计算单元在制备过程中，在刻蚀控制栅极之后、淀积侧墙之前，注入一道与衬底收集区极性相反的掺杂层，导致所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处的掺杂浓度被稀释，形成相对于P型衬底收集区的n-/p-的浓度梯度，或相对于N型衬底收集区的p-/n-的浓度梯度，使所述光电计算单元在所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处分别具有缓变的浓度梯度。

8.包括权利要求1-7之一所述的光电计算单元，其特征在于，在所述衬底收集区耗尽区内部掺杂浓度为高掺杂浓度，耗尽区外部的掺杂呈现从低到高单调缓变的梯度结构，使得所述衬底收集区的耗尽区内部至耗尽区外部呈现出高-低-高的掺杂浓度变化。

9.一种光电计算组件，其特征在于，包括多个如权利要求1-8之一所述的光电计算单元，多个所述光电计算单元被设置在至少一个平面上，通过布线来控制多个所述光电计算单元的工作。

10.如权利要求9所述的光电计算组件，其特征在于，在由多个所述光电计算单元组成的阵列中行列选址对一个光电计算单元进行光输入时，非同列的光电单元的源端和漏端浮空。

11.一种制备光电计算单元的方法，其特征在于，

1)在衬底收集区上淀积第一介质层，在所述衬底收集区的有源区域外刻蚀出凹槽，在所述凹槽中填充氧化物以形成浅槽隔离，刻蚀去除所述第一介质层，之后对所述衬底收集区进行掺杂注入，以在衬底收集区中形成高-低-高的掺杂浓度，形成衬底收集区；

2)在所述衬底收集区上淀积底层介质层，在所述底层介质层上淀积电荷耦合区，向所述电荷耦合区注入掺杂，并在所述电荷耦合区上淀积顶层介质层，3)刻蚀去除高于底层介质层部分的浅槽隔离氧化物，在顶层介质层上淀积控制栅极，所述底层介质层，电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极组成栅极区域，在所述栅极区域上覆上光刻胶以将所述光电计算单元的源端和漏端上方的电荷耦合层、顶层介质层和控制栅极刻蚀掉，在刻蚀完成后注入与衬底收集区极性相反的掺杂层，以减小所述源端与衬底收集区形成的结处以及所述漏端与衬底收集区形成的结处的浓度梯度，随后去除所述栅极区域上的光刻胶，注入轻掺杂漏，接着淀积第二介质层并进行刻蚀，以在栅极区域周围留下绝缘的侧墙，最后注入源漏掺杂，所述源漏掺杂包含两种不同的离子，其中所述侧墙使得源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域预定阈值的距离，以至于经过退火工艺导致的源端和漏端的水平方向扩散不会使得源端和漏端与栅极区域竖直交叠。

12.如权利要求11所述的光电计算单元制备方法，其特征在于，所述栅极区域两侧的绝缘的侧墙厚度至少为五分之一器件栅极长度与0.1um中的最小值。

13.如权利要求11所述的光电计算单元制备方法，其特征在于，在注入源漏掺杂时，使用光刻胶定义所述源端和漏端的的离子注入的位置，使得所述源端和漏端在水平方向上分别远离所述栅极区域预定阈值的距离，并使经过退火工艺产生的源端和漏端的水平方向扩散不会使得所述源端和漏端区域与栅极区域竖直交叠。