TW201703274A - 半導體裝置、攝影裝置及製造半導體裝置的方法 - Google Patents

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Abstract

一種半導體裝置，包括：一半導體層；一電極，從該半導體層的表面嵌入到該半導體層的內部且被一絕緣層絕緣；以及一結構，於該結構中，一第一導電類型的一第一半導體區、一第二導電類型的一第二半導體區以及該第一導電類型的一第三半導體區以此順序從該半導體層之該表面沿著經由該絕緣層之該電極來形成。該電極係佈置在透過將電壓供給到該第一半導體區和該第二半導體區的介面、以及該第二半導體區和該第三半導體區的介面的至少其中之一中的該電極而沒有形成反轉層的位置。

Description

半導體裝置、攝影裝置及製造半導體裝置的方法
本發明係關於一種半導體裝置、攝影裝置以及製造半導體裝置的方法。
光電二極體經常被用作光電偵測器，因為它們可以透過簡單的製程來製造，並可以輸出用於偵測的穩定的光電電流。然而，在光照射的時間下，由現有的光電二極體產生的光電電流較弱，並且為了在低照明下提供良好的光接收靈敏度，需要具有大的光接收面積的光電二極體。
具有雙極性電晶體結構的光電電晶體是能夠於透過一集極和一基極之間形成的光電二極體以及從光電電晶體中之射極的輸出產生光電電流時，r藉由利用雙極性電晶體結構的物理性質來放大光電電流。具有垂直雙極性電晶體結構的光電電晶體(半導體裝置)是已知的，並且在這個光電電晶體中，相對於光強度的光電電流可以藉由使用上述特徵改變電流放大係數來改變。例如，參見日本特開專利公開第2013-187527號。
根據先前技術之半導體裝置具有當增大電流放大係數時，會增加從寄生金屬氧化物半導體(MOS)電晶體產生漏電流的問題。
在一態樣中，本發明提供一種半導體裝置，其能提供一增大的電流放大係數且防止漏電流。
在一個實施例中，本發明提供一種半導體裝置，包括：一半導體層；一電極，從該半導體層的表面嵌入到該半導體層的內部且被一絕緣層絕緣；以及一結構，於該結構中，一第一導電類型的一第一半導體區、一第二導電類型的一第二半導體區以及該第一導電類型的一第三半導體區以此順序從該半導體層之該表面沿著經由該絕緣層之該電極來形成，其中該電極係佈置在透過將電壓供給到該第一半導體區和該第二半導體區的介面、以及該第二半導體區和該第三半導體區的介面的至少其中之一中的該電極而沒有形成反轉層的位置。
本發明之目的和優點將藉由在申請專利範圍中特別指出的元件和組合的方式來實現和得到。但是應當理解，前面的一般性描述和下面的詳細描述都是示例性和解釋性的，並且如申請專利範圍所主張而非限制本發明。
1‧‧‧光電偵測器
3‧‧‧半導體基板
3a‧‧‧N型矽基板
3b‧‧‧N型磊晶層
5‧‧‧閘電極(電極)
7‧‧‧閘極絕緣薄膜(絕緣層)
9‧‧‧射極區(第一半導體區)
11‧‧‧基極區(第二半導體區)
13‧‧‧集極區(第三半導體區)
15‧‧‧層間絕緣薄膜
17‧‧‧接觸孔
19‧‧‧金屬佈線圖案
21‧‧‧光罩薄膜
23‧‧‧光罩薄膜
25‧‧‧光罩薄膜
29‧‧‧光電偵測器
31‧‧‧光電偵測器
33‧‧‧光電偵測器
35‧‧‧光電偵測器
37‧‧‧光電偵測器
39‧‧‧光電偵測器
41‧‧‧光電偵測器
101‧‧‧光電偵測器
103‧‧‧閘電極
105‧‧‧閘絕緣膜
107‧‧‧寄生MOS電晶體
第1圖係顯示根據實施例之半導體裝置的剖面圖；第2圖係顯示根據實施例之半導體裝置的平面圖；第3A圖至第3C圖係說明製造根據實施例之半導體裝置的方法的圖；第4A圖至第4C圖係用於說明在執行顯示於第3C圖之步驟後，製造根據實施例之半導體裝置的方法的圖；第5A圖和第5B圖係用於說明在執行顯示於第4C圖之步驟後，根據實施例之製造半導體裝置之方法的圖；第6圖係作為參考例之光電偵測器的剖面圖；第7圖係用於說明根據光電偵測器之閘電極電壓具有垂直雙極性電晶體結構之光電偵測器的照度與光電電流之間的關係的圖；第8圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器的剖面圖；第9圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器的剖面圖；第10圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器的剖面圖；第11圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器的剖面圖； 第12圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器的剖面圖；第13圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器的剖面圖；以及第14圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器的剖面圖。
在下文中，使用在本發明之半導體裝置的第一導電類型可以是P型或N型，並且與第一導電類型相反的第二導電類型可以是N型或P型。
在一態樣中，本發明的半導體裝置包括：一半導體層；一電極，從該半導體層的表面嵌入到該半導體層的內部且被一絕緣層絕緣；以及一結構，於該結構中，一第一導電類型的一第一半導體區、一第二導電類型的一第二半導體區以及該第一導電類型的一第三半導體區以此順序從該半導體層之該表面沿著經由該絕緣層之該電極來形成，其中該電極可佈置在透過將電壓供給到該第一半導體區和該第二半導體區的介面、以及該第二半導體區和該第三半導體區的介面的至少其中之一中的該電極而沒有形成反轉層的位置。
在另一態樣中，本發明的半導體裝置包括：一半導體層；一電極，從該半導體層的表面嵌入到該半導體層的內部且被絕緣層絕緣；以及一結構，於該結構中，一第一導電類型的一第一半導體區、一第二導電類型的一第二半導體區以及該第一導電類型的一第三半導體區以此順序從該半導體層之該表面沿著經由該絕緣層之該電極來形成，其中，該電極與該第一半導體區及該第二半導體區的介面之間的距離、以及該電極與該第二半導體區及該第三半導體區的介面之間的距離的至少其中之一可大於該電極與該第二半導體區之間的距離。
這裡，該電極與該第一半導體區及該第二半導體區的介面之間的距離、該電極與該第二半導體區及該第三半導體區的介面之間的距離、以及該電極與該第二半導體區之間的距離的每一距離指的是它們之間最小的距離。
在該半導體裝置的一實施例中，相對於該電極與該第一半導體區在深度方向上的位置關係，該電極的上端可位於該第一半導體區之底部下方的位置。
在該半導體裝置的另一實施例中，相對於該電極與該第三半導體區在深度方向上的位置關係，該電極的下端可位於該第三半導體區之頂部上方的位置。
在該半導體裝置的另一實施例中，相對於該電極、該第一半導體區、以及該第二半導體區在水平方向上的位置關係，該電極與該第一半導體區的底部之間的距離可大於該電極與該第二半導體區之間的距離。具體而言，在本實施例中，該電極的一剖面形狀可以為上底的寬度小於下底的一梯形形狀、或為一凸狀結構，該凸狀結構包括該結構之上側的一向上凸部。然而，該電極的該剖面形狀不限於本實施例。
在該半導體裝置的另一實施例中，相對於該電極、該第二半導體區、以及該第三半導體區在水平方向上的位置關係，該電極與該第三半導體區之頂部之間的距離可大於該電極與該第二半導體區之間的距離。具體而言，在本實施例中，該電極的一剖面形狀可以為上底的寬度大於下底的一梯形形狀、或為一凸狀結構，該凸狀結構包括該結構之下側的一向下凸部。然而，該電極的該剖面形狀不限於本實施例。
本發明的半導體裝置可包括前面實施例的任一組合。請注意，本發明的半導體裝置不限於前面實施例以及前面實施例的組合。
在該半導體裝置的另一實施例中，取決於供給至該電極之該電壓的振幅，該半導體裝置的一電流放大係數是可變的。
在該半導體裝置的另一實施例中，該電極可在該半導體層的平面視圖上被設置成具有一框架結構。然而，該電極的結構不限於本實施例。
根據本發明的一種攝影裝置，可包括一光電偵測器，該光電偵測器係由前面實施例的半導體裝置所構成。該攝影裝置的例子可包括：一照相機、一車載照相機、一醫療用照相機、一靜脈認證照相機、一紅外照相機等。然而，根據本發明的攝影裝置並不限於這些例子。
根據本發明之製造半導體裝置的方法中，該半導體裝置包括：一半導體層；一電極，從該半導體層之表面嵌入至該半導體層之內部，且被一絕緣層絕緣；以及一結構，於該結構中，一第一導電類型的一第一半導體區、一 第二導電類型的一第二半導體區以及該第一導電類型的一第三半導體區以此順序從該半導體層之該表面沿著經由該絕緣層之該電極來形成。製造該半導體裝置的方法可包括：佈置該電極在透過將電壓供給到該第一半導體區和該第二半導體區的介面、以及該第二半導體區和該第三半導體區的介面之其中至少一者中的該電極而沒有形成反轉層的位置。
將描述根據本發明的半導體裝置。在下面中，嵌入該半導體裝置中的閘電極對應於嵌入其中的電極，在該半導體裝置中的射極區對應於第一半導體區，在該半導體裝置中的基極區對應於第二半導體區，在該半導體裝置中的集極區對應於第三半導體區。
在根據本發明的半導體裝置中，寄生MOS電晶體可在嵌入的閘電極的部分中形成。另外，根據本發明的半導體裝置中，射極區和集極區的至少其中之一位在比基極區更遠離所嵌入之閘電極的位置。因此，在可由嵌入的閘電極與射極區、基極區、以及集極區形成的寄生MOS電晶體的結構中，暗電流(漏電流)不在射極與集極之間流動。
此外，根據本發明的半導體裝置中，當使用將集極區與嵌入的閘電極隔開的結構時，也能防止暗電流從集極區流向可由閘電極之電場所引起的基極區。
因此，根據本發明的半導體裝置可提供一增大的電流放大係數且防止暗電流(漏電流)。當使用作為光電偵測器時，根據本發明的半導體裝置在光照射的時間可提供一增加的光接收靈敏度。
根據本發明的導體裝置中，在暗電流有效地防止的同時，透過該嵌入的閘電極，該空乏層對基極區的基極寬度調變效應維持不變。因此，在根據本發明的半導體裝置中，在不增加由寄生MOS電晶體所引起的暗電流的情況下，透過供給到閘電極的電壓，能將基極區改變成空乏區，且能改變該電流放大係數。
接下來，將會參考所附圖式以更詳細方式說明根據幾個實施例的半導體裝置。
第1圖係顯示根據實施例之半導體裝置1的剖面圖。第2圖係顯示根據實施例之半導體裝置1的平面圖，第1圖的剖面對應沿著第2圖中標示的A-A線所截取的半導體裝置的剖面圖。在第2圖中，為了說明起見而省略了於半導體裝置中形成在半導體基板上的上層結構的例示。
如第1圖及第2圖所示，複數個光電偵測器(半導體裝置)1被製造於半導體基板3上。例如，半導體基板3包括N型矽基板3a(N+基板)，其中N型雜質被引進，並且N型磊晶層3b(半導體層)透過磊晶成長形成在矽基板3a的表面上。注意，根據實施例在該半導體裝置中的半導體層不限於該磊晶層。根據實施例在該半導體裝置中的半導體層可以是本體矽層，或可以是由非矽的半導體材料製成。此外，根據實施例在該半導體裝置中的半導體層可以是兩層或多層層疊的半導體層。
例如，光電偵測器1以一矩陣形式排列。每一個光電偵測器1包括：一閘電極5(電極)、一閘極絕緣薄膜7(絕緣層)、一射極區9(第一半導體區)、一基極區11(第二半導體區)、以及一集極區13(第三半導體區)。
佈置閘電極5，使得閘電極5從磊晶層3b的表面向磊晶層3b的內部被嵌入在磊晶層3b中。例如，用於嵌入閘電極5的溝槽(槽)在寬度方向上具有1μm的寬度且在深度方向上具有5μm的深度。例如，閘電極5被其中引入雜質的多晶矽形成。然而，閘電極5的材料可以不限於多晶矽，且閘電極5可以由另一種半導體材料或導電材料形成。
例如，閘電極5在平面視圖中係以一網狀形式排列。光電偵測器1的其中之一形成在由嵌入閘電極5的溝槽所圍繞的每一個區域中。每一個閘電極5的上端從磊晶層3b的上表面朝向矽基板3a的側邊嵌入。每一閘電極5的上部被嵌入的絕緣層覆蓋，該絕緣層嵌入於形成閘電極5之後的溝槽中。
閘極絕緣薄膜7佈置在閘電極5與磊晶層3b之間，磊晶層3b和閘電極5被閘絕緣薄膜7隔離。閘絕緣薄膜7由具有20nm厚度的氧化矽組成。然而，閘絕緣薄膜7的材料不限於氧化矽薄膜，但可以是能夠將磊晶層3b和閘電極5隔離的材料。
射極區9(N+)形成在磊晶層3b的表面上。射極區9形成用於每一個光電偵測器1。藉由將(第一導電型的)N型雜質引進至磊晶層3b來形成射極區9。射極區9被佈置成使得射極區9與閘絕緣薄膜7隔開。射極區9的底部係位於閘電極5之上端的上方位置。
基極區11(P)形成在射極區9下方的位置之磊晶層3b中。基極區11在每個光電偵測器1中形成。藉由將(第二導電型的)P型雜質引進至磊晶層3b來形成基極區11。基極區11與閘絕緣薄膜7與射極區9兩者相鄰。基極區11的底部位於閘電極5之下端的上方位置。
集極區13(N-)由基極區11下方的磊晶層3b的部分形成。基極區13與閘絕緣薄膜7與基極區11兩者相鄰。集極區13的底部位於閘電極5之下端的下方位置。集極區13在閘電極5下方位置之相鄰的光電偵測器1之間形成連續性。矽基板3a係位於集極區13的下方位置。
一傾斜的雜質濃度分佈提供給射極區9、基極區11、以及集極區13，使得基極區11中的雜質濃度在磊晶層3b的表面側偏高，而矽基板3a的那一側偏低。
層間絕緣薄膜15形成在磊晶層3b上。接觸孔17形成在層間絕緣膜15中。接觸孔17被佈置在射極區9的上方。接觸孔17填充有導電材料，例如鎢或鋁。
由例如鋁製成的金屬佈線圖案19形成在層間絕緣膜15上。金屬佈線圖案19是經由包含於接觸孔17的導電材料與射極區9電性連接。請注意，電勢在第1圖和第2圖中所示區域之外的位置(未示出)提供給閘電極5。保護膜或類似物形成在層間絕緣薄膜15上。
根據本實施例的光電偵測器(半導體裝置)1具有垂直雙極性電晶體結構，該雙極性電晶體結構包括：射極區9、基極區11、以及集極區13。在這種雙極性電晶體中，電流放大係數隨著中性基極區變化而變化。在光電偵測器1中，當電壓供給到閘電極5時，接近閘電極5之中性基極區的空乏層的寬度變化，因此，電流放大係數也發生變化。
在根據本實施例的光電偵測器1中，寄生MOS電晶體可形成一種包括：閘電極5、閘絕緣薄膜7、射極區9(源極)、基極區11(通道)、以及集極區13(汲極)的結構。
在根據本實施例的光電偵測器1中，使用了一種閘電極5與射極區9隔開的構造。考慮到在深度方向上的閘電極5和射極區9之間的位置關係，閘電極5的上端係位在射極區9之下部的下方位置。因此，閘電極5與基極區11和射極區9的基極-射極介面之間的最小距離大於閘電極5與基極區11之間最小的距離。
出於這樣的原因，在根據實施例的光電偵測器1中，即使當施加電壓至閘電極5時N型反轉層或通道存在於基極區11，但該N型反轉層或通道不存在於基極區11和射極區9之基極-射極介面。因此，根據本實施例的光電偵測器1能防止通過寄生MOS電晶體之漏電流的流動。也就是說，根據本實施例的光電偵測器1提供一增大的電流放大係數，且防止漏電流而沒有增加暗電流。
較佳的是，閘電極5的上端與射極區9之間的距離(最小的距離)被設成由閘電極之電場感應的反轉層或通道未觸及射極區9的較小距離。閘電極5的上端與射極區9之間的距離依閘絕緣薄膜7的厚度、通道密度以及供給至閘電極5之電壓的振幅來變化。例如這樣的距離可以在0.2至0.5μm的範圍內，若閘絕緣薄膜7的厚度在20至50nm的範圍內以及通道密度在1 x 1016至1 x1017cm-3的範圍內。
在根據本實施例的光電偵測器1中，即使使用將閘電極5與射極區9隔開的構造，電壓還是供給至閘電極5且空乏層延伸到基極區11，使得光電電晶體的電流放大係數可被增大以提供增加的光電流。
第3A圖至第3C圖、第4A圖至第4C圖、第5A圖以及第5B圖係用於說明製造根據上述參考第1圖及第2圖實施例之半導體裝置(光電偵測器1)的方法的圖。
將參考第3A圖至第3C圖、第4A圖至第4C圖、第5A圖及第5B圖描述製造根據實施例之光電偵測器1的方法。
如第3A圖所示，製備其中N型磊晶層3b(其形成第1圖中的集極區13)沉積在具有低電阻的N型矽基板3a上的半導體基板3。例如矽基板3a具有6 mΩcm(毫歐姆-公分)的特定電阻，磊晶層3b具有1Ωcm(歐姆-公分)的特定電阻，並且磊晶層3b具有20μm的厚度。
如第3B圖所示，用於嵌入閘電極5(其在第1圖中顯示)的溝槽藉由執行已知的製程而形成在磊晶層3b的表面上。閘絕緣薄膜7沉積在磊晶層3b的表面上且摻雜的多晶矽經由閘絕緣薄膜7嵌入溝槽部中以形成閘電極5。例如，該溝槽具有1μm的寬度及5μm的深度，並且閘極絕緣薄膜7具有20μm的厚度。
如第3C圖所示，一回蝕刻製程係執行在摻雜的多晶矽上，以蝕刻各閘電極5的上部直到各閘電極5之所蝕刻的上部位在低於射極接合深度的位置。之後，由例如氧化矽薄膜製成之嵌入的絕緣層被嵌入在該溝槽的上部。請注意，該射極接合深度指的是如第1圖所示之在射極區9與基極區11之間的介面(或所接合的區域)的深度位置。
如第4A圖所示，光罩薄膜21形成在磊晶層3b上。例如，該光罩薄膜21可以是400nm厚的氧化矽薄膜。藉由執行一微影製程和一蝕刻製程，在對應於光電偵測器1(參見第1圖)之形成區域的位置的光罩薄膜21中形成一開口。藉由執行一離子植入製程，P型雜質(第4A圖中以“+”表示)，例如硼離子通過光罩薄膜21之開口被植入於磊晶層3b中，以形成P型雜質被引進的P型基極區。例如硼離子植入條件可以透過30kev的加速能量及3.2x 1013cm-2的劑量來表示。
如第4B圖所示，在光罩薄膜21留下來的狀態下，一熱擴散製程在第4A圖所示的步驟中植入的P型雜質上進行以形成基極區11。例如，該熱擴散製程的條件可透過1150℃之加熱溫度以及50分鐘的加熱期間來表示。之後，移除光罩薄膜21。
如第4C圖所示，在基極區11上形成一光罩薄膜23，該光罩薄膜23包括在閘電極5附近的開口。透過執行一離子植入製程，例如硼離子的P型雜質(在第4C圖中以“+”表示)經由光罩薄膜23的開口被植入在磊晶層3b(或基極區11)中。執行硼離子植入製程使得硼離子被植入在深處位置的磊晶層3b中，該深處位置位於第5A圖所示步驟中N型雜質隨後被植入的位置的下方，這會稍後描述。例如，硼離子植入條件可以透過180kev的加速能量及1.0x1013cm-2的劑量來表示。
如第5A圖，移除光罩薄膜23。形成包括在基極區11上方開口的一光罩薄膜25。透過執行一離子植入製程，例如磷離子的N型雜質(在第5A圖中以“-”表示)經由光罩薄膜25之開口被植入在磊晶層3b(或基極區11)中。例如，磷離子植入條件可以透過50kev的加速能量及6.0x1015cm-2的劑量來表示。
如第5B圖所示，在光罩薄膜25留下來的狀態下，進行熱處理以將在第4C圖及第5A圖所示的步驟中引入於磊晶層3b的P型雜質及N型雜質致動，使得射極區9在基極區11上形成。例如，熱處理的條件可透過920℃之加熱溫度以及40分鐘的加熱期間來表示。之後，移除光罩薄膜25。
此外，透過執行已知的製程，層間絕緣薄膜15、接觸孔17、金屬佈線圖案19以及保護膜以這順序形成在磊晶層3b上(參見第1圖)。請注意，根據本發明之製造半導體裝置(第1圖所示的光電測器1)的方法不限於上述參考第3A圖至第3C圖、第4A圖至第4C圖、第5A圖及第5B圖的製造方法。
第6圖係作為參考例的一光電偵測器101的剖面圖。在第6圖中，基本上與第1圖中對應的元件相同的元件係以相同參考編號標示，且其描述將予以省略。
如第6圖所示，光電偵測器101與第1圖中所示的光電偵測器1不同，在於：閘電極103和閘絕緣薄膜105之深度位置不同。在這參考例子中，閘電極103的上端和閘絕緣膜105之上端係配置在磊晶層3b之表面的附近。
與閘電極103的側邊接觸的閘絕緣薄膜105具有幾乎均勻的厚度。在這光電偵測器101中，閘電極103與基極區11及射極區9的基極-射極介面之間的最小距離係與閘電極103和基極區11之間的最小距離相同。
在光電偵測器101，形成一寄生MOS電晶體107，該寄生MOS電晶體107包括：閘電極103、閘絕緣薄膜105、射極區9、基極區11、以及集極區13。
第7圖係用於說明根據光電偵測器的閘電極電壓具有垂直雙極性電晶體結構之光電偵測器的照度與光電流之間的關係的圖。在第7圖中，垂直軸表示光電流(以安培(A)表示)，以及水平軸表示照度(以勒克斯(Lux)表示)。該閘電極電壓被設置成四個不同的值：0V、3V、3.5V、以及4V。
如7圖所示，在具有垂直雙極性電晶體結構之光電偵測器中，電流放大係數的變化取決於施加到閘電極之電壓的強度。然而，在光電偵測器101中，寄生MOS電晶體之形成如第6圖所示。
在光電偵測器101中，如果電壓供給到閘電極103，寄生MOS電晶體107與雙極性電晶體的運作同時運作。因此，當光電偵測器101運作為一光電晶體時，從寄生MOS電晶體107送出的電流不希望被加入到由光電偵測器101在光照射的時間所產生的光電流。正因為如此，在光電偵測器101中的暗電流是重要的且在低照明下光電偵測器101的光接收靈敏度比在第1圖所示的光電偵測器1的光接收靈敏度為低。
寄生MOS電晶體107的閾值是受到形成在與光電偵測器101的電流放大係數相關聯的基極區11中的雜質濃度分佈的條件的影響，並且難以獨立地控制唯一的寄生MOS電晶體107。例如，可以有降低基極區11的雜質濃度的情況，以便將電流放大係數最佳化。此外，還可以有另一種情況：由寄生MOS電晶體107所佔有的區域與整個單元區域的比率透過單元的小型化來相對增加。在這種情況下，對寄生MOS電晶體107的暗電流的貢獻將變大並且整個單元區域的暗電流將增大。
鑑於上述問題，根據上述參考第1圖和第2圖所描述之實施方式的光電偵測器1能夠防止寄生MOS電晶體的形成且在不增加暗電流下能夠提供增大的電流放大係數。
第8圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器29的剖面圖。在第8圖中，基本上與第1圖中對應的元件相同的元件均以相同參考編號標示，且其描述將予以省略。
如第8圖中所示，根據本實施例的光電偵測器29不同於第1圖中顯示的光電偵測器1，其中，在於本實施例的閘電極5被佈置成使得各閘電極5的上端和下端均在設於第1圖之光電偵測器1中閘電極5的上端和下端的位置上方的位置。具體而言，本實施例之閘電極5的上端係位在射極區9之底部上方以及基極區11之頂部上方的位置。本實施例的閘電極5的下端係位在基極區11的底部上方以及集極區13的頂端上方的位置。
在本實施例的光電偵測器29中，使用一種閘電極5的下端與基極區13隔開的結構。閘電極5與基極區11及集極區13的基極-集極介面之間的距離大於閘電極5與基極區11之間的距離。也就是說，閘電極5被配置在透過控制供給到閘電極5的電壓的振幅可防止在基極區11及集極區13之基極-集極介面中反轉層之形成的位置，雖然該反轉層形成在基極區11中。
本實施例之光電偵測器29被配置成使得非在基極區11和基極區13之基極-集極介面中形成N型反轉層或通道之狀態得以維持，即使N型反轉層或通道在基極區11中形成。因此，類似於第1圖中顯示的光電偵測器1，光電偵測器29能夠通過寄生MOS電晶體來防止漏電流的流動。光電偵測器29能夠在不增加暗電流下提供增大的電流放大係數。
此外，在本實施例的光電偵測器29中，產生電場作為輸出端的閘電極5和集極區13相對於水平方向並不重疊，並且光電偵測器29能防止在基極區11和集極區13之間反方向的漏電流。其結果能防止光電電晶體處於關閉(OFF)狀態下在基極區11中消除累積電荷。
較佳是，閘電極5的下端與集極區13之間的距離(最小距離)被設置成較小的距離，使得由閘電極之電場感應的反轉層或通道在不增加集極和基極接面中的漏電流下，不會觸及集極區13。例如，這樣的距離可以是在0.5到1.0μm的範圍內，假如閘絕緣薄膜7之厚度在20至50nm的範圍內且通道密度在1x 1016至1x1017cm-3的範圍內。
在本實施例的光電偵測器29中，即使使用了與集極區13隔開之閘電極5的結構，電壓還是供給到閘電極5且空乏層延伸到基極區11，使得光電電晶體的電流放大係數可增大以提供增加的光電流。
例如，在第3B圖所示的步驟，將閘電極5嵌入於溝渠中之前，光電偵測器29的閘電極5可透過嵌入所嵌入的絕緣層來形成，之後嵌入閘電極5於溝渠中。此外，當在所摻雜的矽上執行回蝕刻，類似於第3C圖所示的步驟，執行回蝕刻直到閘電極5所蝕刻的上端位在射極接合深度之下方的位置。在光電偵測器29中形成閘電極5的方法不受限於此例子。
第9圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器31的剖面圖。在第9圖中，基本上與第1圖中對應的元件相同的元件均以相同參考編號標示，且其描述將予以省略。
如第9圖中所示，根據本實施例的光電偵測器31不同於第1圖中顯示的光電偵測器1，在於本實施例的閘電極5被佈置成使得各閘電極5之下端位在設於第1圖之光電偵測器1中閘電極5之下端的位置上方的位置。例如，本實施例的閘電極5之下端可位在與設在第8圖之光電偵測器29之閘電極5之下端的位置相同的位置。
根據本實施例的光電偵測器31，可提供上述參考第1圖和第2圖之光電偵測器1之有利的特徵及上述參考第8圖之光電偵測器29兩者之有利的特徵。請注意，在本實施例中，閘電極5的上端與射極9之間的距離(最小距離)以及閘電極5的下端與集極13之間的距離(最小距離)與上述第1圖和第2圖之實施例的距離以及上述第8圖之實施例的距離一致。
例如，在第3B圖所示的步驟，將閘電極5嵌入於溝渠中之前，光電偵測器31的閘電極5可透過嵌入所嵌入的絕緣層來形成，之後嵌入閘電極5於溝渠中。在光電偵測器31中形成閘電極5的方法不受限於此例子。
接下來，將參考第10圖至第14圖描述根據其他實施例之幾個光電偵測器，該等光電偵測器包括複數個閘電極之每一個的不同剖面的形狀且能夠提供類似於第1圖所示之光電偵測器1的有利特徵。
第10圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器33的剖面圖。第11圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器35的剖面圖。在第10圖及第11圖中，基本上與第1圖中對應的元件相同的元件均以相同參考編號標示，且其描述將予以省略。
在第10圖中所示的光電偵測器33不同於第1圖中所顯示的光電偵測器1，其中，在本實施例的閘電極5的每一個被佈置成具有閘電極5的上端位置和剖面形狀，這不同於在第1圖中所示的光電偵測器1中每個閘電極5的上端位置及剖面形狀。在第11圖中所示的光電偵測器35也不同於第1圖中所顯示的光電偵測器1，其中，在本實施例的閘電極5的每一個被佈置成具有閘電極5的上端位置 和剖面形狀，這不同於在第1圖中所示的光電偵測器1中每個閘電極5的上端位置及剖面形狀。具體而言，在光電偵測器33中閘電極5的上端以及在光電偵測器35中閘電極5的上端係位在射極區9之底部上方的位置。
如第10圖所示，光電偵測器33的閘電極5的剖面形狀為一梯形形狀，其中，梯形的上底的寬度比梯形的下底小。如第11圖所示，光電偵測器35的閘電極5的剖面形狀是包括在上側之向上凸部的一凸狀結構。
在光電偵測器33及35中，使用了一種在水平方向上將閘電極5與射極區9隔開的構造。考慮到在水平方向上的閘電極5和射極區9、以及基極區11之間的位置關係，閘電極5與射極區9之底部之間的最小距離係大於閘電極5與基極區11和射極區9之間的最小距離。也就是說，在光電偵測器33及35中，閘電極5與基極區11及射極區9之基極-射極介面之間的最小距離大於閘電極5與基極區11之間最小的距離。因此，光電偵測器33及35也能夠提供類似於上述參考第1圖之光電偵測器1的有利特徵。
較佳是對光電偵測器33及35的結構建立製程條件，使得沒有通道藉由降低在通道表面上的電場形成於射極接合端面中。
第12圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器37的剖面圖。第13圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器39的剖面圖。在第12圖及第13圖中，基本上與第1圖中對應的元件相同的元件均以相同參考編號標示，且其描述將予以省略。
在第12圖中所示的光電偵測器37不同於第1圖中所顯示的光電偵測器1，其中，在本實施例的閘電極5的每一個被佈置成具有閘電極5的上端位置和剖面形狀，這不同於在第1圖中所示的光電偵測器1中每個閘電極5的上端位置及剖面形狀。在第13圖中所示的光電偵測器39不同於第1圖中所顯示的光電偵測器1，其中，在本實施例的閘電極5的每一個被佈置成具有閘電極5的上端位置和剖面形狀，這不同於在第1圖中所示的光電偵測器1中每個閘電極5的上端位置及剖面形狀。具體而言，在光電偵測器37中閘電極5的上端以及在光電偵測器39中閘電極5的上端係位在射極區9之底部上方的位置。
如第12圖所示，光電偵測器37的閘電極5的剖面形狀為一梯形形狀，其中，梯形的上底的寬度比梯形的下底大。如第13圖所示，光電偵測器39的閘電極5的剖面形狀是包括在下側之向下凸部的一凸狀結構。
在光電偵測器37及39中，使用了一種在水平方向上將閘電極5與集極區13隔開的構造。考慮到在水平方向上的閘電極5和基極區11、以及集極區13之間的位置關係，閘電極5與集極區13的頂部之間的最小距離係大於閘電極5與基極區11之間的最小距離。也就是說，在光電偵測器37及39中，閘電極5與基極區11及集極區13的基極-集極介面之間的最小距離大於閘電極5與基極區11之間最小的距離。因此，光電偵測器37及39也能夠提供類似於上述參考第8圖之光電偵測器29的有利特徵。
較佳是對光電偵測器37及39之結構建立製程條件，使得沒有通道藉由降低在通道表面上的電場形成於集極接合端面中。
第14圖係顯示根據另一實施例之光電偵測器41的剖面圖。在第14圖中，基本上與第1圖中對應的元件相同的元件均以相同參考編號標示，且其描述將予以省略。
如第14圖所示，光電偵測器41的閘電極5的剖面形狀可以是包括在上側的向上凸部以及在下側的向下凸部的一凸狀結構。
在本實施例的光電偵測器41中，閘電極5與基極區11及射極區9的基極-射極介面之間的最小距離，以及閘電極5與基極區11及集極區13之基極-集極介面之間的最小距離均大於閘電極5與基極區11之間最小的距離。因此，光電偵測器41也能夠提供類似於上述參考第9圖之光電偵測器31之有利特徵。
在第14圖所示的實施例中，閘電極5的剖面形狀是包括在上側的向上凸部以及在下側的向下凸部的凸狀結構。在本實施例中，在該凸狀結構中，該向上凸部和該向下凸部的至少其中之一可具有一梯形形狀，其中上或下端面的寬度尺寸比其中央部的寬度尺寸為小。
請注意，閘電極5的剖面形狀不限於第11圖、第13圖以及第14圖中所示的凸狀結構。或者是，閘電極5的剖面形狀可以為其他凸狀結構，例如具有銳角端部的凸狀結構和具有圓形端部的凸狀結構。
此外，在任何上述參考第1圖、第8圖及第9圖之實施例的閘電極5的深度方向的上端和下端的位置可以被應用到上述參考第1圖至第14圖之實施例的閘電極5的深度方向的上端和下端的位置。這種修改的光電偵測器也能夠提供類似於上述實施例的有利特徵。
如前面所述，根據本發明，能夠提供一種半導體裝置，其能夠提供增大的電流放大係數並防止漏電流。
根據本發明的半導體裝置並不限於上述實施例，並且在不脫離本發明的範圍的前提下可以作出變型和修改。但應該理解的是，前面的詳細說明是示例性和解釋性的，且不是限制如申請專利範圍主張之本發明。
例如，於上述實施例中，假設光電偵測器為NPN雙極性電晶體。然而，根據本發明的半導體裝置可以是PNP雙極性電晶體。例如，此種PNP雙極性電晶體可以藉由將使用在先前實施例的NPN雙極性電晶體中的導電類型反轉成相反的導電類型來實施。
此外，在先前實施例中，閘電極5在平面視圖中係設置為具有框架結構或網格結構。然而，根據本發明的光電偵測器不限定於這些例子。根據本發明在光電偵測器中的閘電極可以具有一種在平面視圖中既不是框架結構也不是網格結構的結構，且包括部分切除框架部。
此外，在先前實施例中，複數個個光電偵測器以一矩陣形式排列。然而，根據本發明的光電偵測器不限定於這些實施例。根據本發明的光電偵測器的配置可以是任意的。例如，光電偵測器可以蜂窩形式排列。此外，另一元件，諸如用於讀出開關的電晶體，可以被包括在光電偵測器的陣列的區域中。
在前面的描述中，假設該光電偵測器是根據本發明的半導體裝置的實施例。然而，根據本發明的半導體裝置也可以適用於非光電偵測器的半導體裝置。
本申請案係基於及主張2015年2月19日提交之日本專利申請第2015-030362號之優先權的利益，其內容全部併入於本文中供作參考。
1‧‧‧光電偵測器
3‧‧‧半導體基板
3a‧‧‧N型矽基板
3b‧‧‧N型磊晶層
5‧‧‧閘電極(電極)
7‧‧‧閘極絕緣薄膜(絕緣層)
9‧‧‧射極區(第一半導體區)
11‧‧‧基極區(第二半導體區)
13‧‧‧集極區(第三半導體區)
15‧‧‧層間絕緣薄膜
17‧‧‧接觸孔
19‧‧‧金屬佈線圖案

Claims (12)

  1. 一種半導體裝置，包括：一半導體層；一電極，從該半導體層之表面嵌入至該半導體層之內部，且被一絕緣層絕緣；以及一結構，於該結構中，一第一導電類型的一第一半導體區、一第二導電類型的一第二半導體區以及該第一導電類型的一第三半導體區以此順序從該半導體層之該表面沿著經由該絕緣層之該電極來形成，其中，該電極係佈置在透過將電壓供給到該第一半導體區和該第二半導體區的介面、以及該第二半導體區和該第三半導體區的介面的至少其中之一中的該電極而沒有形成反轉層的位置。
  2. 一種半導體裝置，包括：一半導體層；一電極，從該半導體層之表面嵌入至該半導體層之內部，且被一絕緣層絕緣；以及一結構，於該結構中，一第一導電類型的一第一半導體區、一第二導電類型的一第二半導體區以及該第一導電類型的一第三半導體區以此順序從該半導體層之該表面沿著經由該絕緣層之該電極來形成，其中，該電極與該第一半導體區及該第二半導體區的介面之間的距離、以及該電極與該第二半導體區及該第三半導體區的介面之間的距離的至少其中之一大於該電極與該第二半導體區之間的距離。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，相對於該電極與該第一半導體區在深度方向上的位置關係，該電極的上端位於該第一半導體區之底部下方的位置。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，相對於該電極與該第三半導體區在深度方向上的位置關係，該電極的下端位於該第三半導體區之頂部上方的位置。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，相對於該電極、該第一半導體區、以及該第二半導體區在水平方向上的位置關係，該電極與該第一半導體區之底部之間的距離大於該電極與該第二半導體區之間的距離。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述的半導體裝置，其中，該電極的剖面形狀為上底的寬度小於下底的一梯形形狀、或為一凸狀結構，該凸狀結構包括該結構之上側的一向上凸部。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，相對於該電極、該第二半導體區、以及該第三半導體區在水平方向上的位置關係，該電極與該第三半導體區之頂部之間的距離大於該電極與該第二半導體區之間的距離。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述的半導體裝置，其中，該電極的一剖面形狀為上底的寬度大於下底的一梯形形狀、或為一凸狀結構，該凸狀結構包括該結構之下側的一向下凸部。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，取決於供給至該電極之該電壓的振幅，該半導體裝置的電流放大係數是可變的。
  10. 依據申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中該電極在該半導體層之平面視圖上被設置成具有一框架結構。
  11. 一種攝影裝置，包括一光電偵測器，該光電偵測器由依據申請專利範圍第1項所述的半導體裝置所構成。
  12. 一種製造半導體裝置的方法，該半導體裝置包括：一半導體層；一電極，從該半導體層之表面嵌入至該半導體層之內部，且被一絕緣層絕緣；以及一結構，於該結構中，第一導電類型之第一半導體區、第二導電類型之第二半導體區以及該第一導電類型之第三半導體區以此順序從該半導體層之該表面沿著經由該絕緣層之該電極來形成，製造該半導體裝置的方法包括： 佈置該電極在透過將電壓供給到該第一半導體區和該第二半導體區的介面、以及該第二半導體區和該第三半導體區的介面的至少其中之一中的該電極而沒有形成反轉層的位置。
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