由分层结构制造单片传感器器件的方法技术

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。

The method of manufacturing single chip sensor by layered structure

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由分层结构制造单片传感器器件的方法专利
本专利技术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。本专利技术可以应用于例如焦平面阵列(FPA)的图像传感器领域。专利技术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。
技术实现思路
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。本专利技术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，根据本专利技术的一个方面，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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用于所述传感器的活性区域，其中所述方法包括以下步骤：/n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/n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：/n施加自然氧化物去除溶液以从所述第一半导体器件层的所述暴露表面去除自然氧化物，以及/n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。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170606 GB 1709006.91.一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，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用于所述传感器的活性区域，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所述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。


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或2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.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述自然氧化物去除溶液包括表面活性剂。


6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中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。


7.根据权利要求6所述的方法，所述方法包括在所述执行所述湿蚀刻过程的步骤期间检测所述栅极凹部的深度。


8.根据任一前述权利要求所述的方法，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缓冲层。


9.根据任一前述权利要求所述的方法，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。


10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二半导体器件层的所述活性区域包括InSb。


11.根据权利要求10所述的方法，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。


12.根据权利要求11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。


13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一半导体器件层包括用于所述场效应晶体管的GaAs沟道层。


14.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括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。


15.根据权利要求14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。


16.根据任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括将源极电极和漏...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·罗伯·西姆·卡明，谢承志，文森佐·普西诺，
申请(专利权)人：格拉斯哥大学校董会，
类型：发明
国别省市：英国;GB