半導體裝置、成像設備及制造半導體裝置的方法

半導體裝置、成像設備及制造半導體裝置的方法
【專利摘要】本發明提供一種半導體裝置、成像設備及制造半導體裝置的方法，該半導體裝置包括：半導體層，從半導體層的表面嵌入到半導體層的內部并且由絕緣層絕緣的電極，以及一結構，在該結構中，第一導電型的第一半導體區域，第二導電型的第二半導體區域，以及第一導電型的第三半導體以前述順序從所述半導體層的表面經由所述絕緣層沿著所述電極形成。電極被布置在一位置處，在該位置，在第一半導體區域和第二半導體區域的分界面和第二半導體區域和第三半導體區域的分界面中的至少一個中沒有反型層由提供給電極的電壓形成。
【專利說明】
半導體裝置、成像設備及制造半導體裝置的方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體裝置、成像設備以及制造半導體裝置的方法。
【背景技術】
[0002]光電二極管經常被用作光電探測器，因為它們能夠通過簡單工藝制造并且能夠輸出穩定的光電流用于檢測。然而，在光照射時由現有的光電二極管產生的光電流是弱的，需要具有大的光接收區域的光電二極管以便提供在低照度下的良好的光接收靈敏度。
[0003]具有雙極晶體管結構的光晶體管在當光電流由形成在集電極和基極之間的光電二極管產生并且從光晶體管的發射極輸出時通過利用雙極晶體管結構的物理特性來放大光電流。具有縱向雙極晶體管結構的光晶體管(半導體裝置)是已知的，并且在該光晶體管中光電流相對于光強度能夠通過利用以上所述的特征改變電流放大系數而改變。例如，參見日本公開的專利公布第2013-187527號。
[0004]根據相關技術的半導體裝置具有這樣的問題:由寄生MOS(金屬氧化物半導體)晶體管引起的漏電流在當電流放大系數增大時增加。

【發明內容】

[0005]在一個方面，本發明提供一種半導體裝置，其能夠提供增大的電流放大系數并防止漏電流。
[0006]在一個實施例中，本發明提供一種半導體裝置，其包括半導體層，從半導體層的表面嵌入到半導體層的內部并且由絕緣層絕緣的電極，以及一結構，在該結構中，第一導電型的第一半導體區域、第二導電型的第二半導體區域以及第一導電型的第三半導體區域以前述順序從所述半導體層的表面經由所述絕緣層沿著所述電極形成，其中所述電極被布置在一位置處，在該位置，在第一半導體區域與第二半導體區域的分界面和第二半導體區域與第三半導體區域的分界面中的至少一個中并未由提供給電極的電壓形成反型層。
[0007]本發明的目的和優點將借助于特別地在權利要求中指出的元件及組合而得以實施和實現。要理解到，前述的總體描述及后面的詳細描述都是示例性的和解釋性的，并不對所要求保護的發明構成限制。
【附圖說明】
[0008]圖1是根據一實施例的半導體裝置的橫截面視圖；
[0009]圖2是根據所述實施例的半導體裝置的平面視圖；
[0010]圖3A到3C是用于解釋制造根據所述實施例的半導體裝置的方法的示意圖；
[0011]圖4A到4C是用于解釋在執行圖3C中示出的步驟之后制造根據所述實施例的半導體裝置的方法的示意圖；
[0012]圖5A和5B是用于解釋在執行圖4C中示出的步驟之后制造根據所述實施例的半導體裝置的方法的示意圖；
[0013]圖6是作為參考例子的光電探測器的橫截面視圖；
[0014]圖7是用于根據光電探測器的柵電極電壓解釋具有縱向雙極晶體管結構的光電探測器的光電流和照度之間的關系的示意圖；
[0015]圖8是根據另一個實施例的光電探測器的橫截面視圖；
[0016]圖9是根據另一個實施例的光電探測器的橫截面視圖；
[0017]圖10是根據另一個實施例的光電探測器的橫截面視圖；
[0018]圖11是根據另一個實施例的光電探測器的橫截面視圖；
[0019]圖12是根據另一個實施例的光電探測器的橫截面視圖；
[0020]圖13是根據另一個實施例的光電探測器的橫截面視圖；
[0021 ]圖14是根據另一個實施例的光電探測器的橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0022]在下面，被用于本發明的半導體裝置中的第一導電型可以是P型或N型，與所述第一導電型相反的第二導電型可以是N型或P型。
[0023]在一個方面，本發明的半導體裝置包括半導體層，從半導體層的表面嵌入到半導體層的內部并由絕緣層絕緣的電極，以及一結構，在該結構中，第一導電型的第一半導體區域、第二導電型的第二半導體區域以及第一導電型的第三半導體區域以前述順序從所述半導體層的表面經由所述絕緣層沿著所述電極形成，其中電極可布置在一位置處，在該位置中，在第一半導體區域和第二半導體區域的分界面與第二半導體區域和第三半導體區域的分界面的至少一個中并未由提供給電極的電壓形成反型層。
[0024]在另一個方面，本發明的半導體裝置包括半導體層，從半導體層的表面嵌入到半導體層的內部并由絕緣層絕緣的電極，以及一結構，在該結構中，第一導電型的第一半導體區域、第二導電型的第二半導體區域以及第一導電型的第三半導體區域以前述順序從所述半導體層的表面經由所述絕緣層沿著所述電極形成，其中所述電極與第一半導體區域和第二半導體區域的分界面之間的距離以及所述電極與第二半導體區域和第三半導體區域的分界面之間的距離中的至少一個可以大于所述電極和所述第二半導體區域之間的距離。
[0025]在此，所述電極與第一半導體區域和第二半導體區域的分界面之間的距離、所述電極與第二半導體區域和第三半導體區域的分界面之間的距離以及所述電極與所述第二半導體區域之間的距離中的每個都指的是它們之間的最小距離。
[0026]在半導體裝置的一個實施例中，關于在深度方向上所述電極和第一半導體區域之間的位置關系，電極的上端可位于第一半導體區域的底部下方的位置處。
[0027]在半導體裝置的另一個實施例中，關于在深度方向上所述電極和第三半導體區域之間的位置關系，電極的下端可位于第三半導體區域的頂部上方的位置處。
[0028]在半導體裝置的另一個實施例中，關于在水平方向上所述電極、第一半導體區域和第二半導體區域之間的位置關系，電極和第一半導體區域的底部之間的距離可大于電極和第二半導體區域之間的距離。具體地說，在該實施例中，電極的橫截面形狀可以是其中上底的寬度小于下底的寬度的梯形形狀或者凸起構造，該凸起構造包括在該構造的上側上的向上凸起部分。然而，電極的橫截面形狀不限于該實施例。
[0029]在半導體裝置的另一個實施例中，關于在水平方向上所述電極、第二半導體區域和第三半導體區域之間的位置關系，電極和第三半導體區域的頂部之間的距離可大于電極和第二半導體區域之間的距離。具體地說，在該實施例中，電極的橫截面形狀可以是其中上底的寬度大于下底的寬度的梯形形狀或者凸起構造，該凸起構造包括在該構造的下側上的向下凸起部分。然而，電極的橫截面形狀不限于該實施例。
[0030]本發明的半導體裝置可包括前述實施例中的任何組合。注意到，本發明的半導體裝置不限于前述的實施例以及前述實施例的組合。
[0031]在半導體裝置的另一個實施例中，半導體裝置的電流放大系數可以是取決于提供給電極的電壓的幅值而可變的。
[0032]在半導體裝置的另一個實施例中，所述電極可被設置成在半導體層的平面視圖中具有框架構造。然而，電極的構造不限于該實施例。
[0033]根據本發明的成像設備可包括由前述的實施例的半導體裝置構成的光電探測器。成像設備的例子可包括照相機，車載照相機，醫用照相機，靜脈認證照相機，紅外照相機等。然而，根據本發明的成像設備不限于這些例子。
[0034]在根據本發明的制造半導體裝置的方法中，半導體裝置包括半導體層，從半導體層的表面嵌入到半導體層的內部并由絕緣層絕緣的電極，以及一結構，在該結構中，第一導電型的第一半導體區域、第二導電型的第二半導體區域以及第一導電型的第三半導體區域以前述順序從所述半導體層的表面經由所述絕緣層沿著所述電極形成。制造半導體裝置的方法可包括將電極布置在一位置處，在該位置中，在第一半導體區域和第二半導體區域的分界面和第二半導體區域和第三半導體區域的分界面中的至少一個中，沒有反型層通過提供給電極的電壓而形成。
[0035]根據本發明的半導體裝置將被描述。在下面，嵌入半導體裝置中的柵電極對應于嵌入其中的電極，在半導體裝置中的發射極區域對應于第一半導體區域，在半導體裝置中的基極區域對應于第二半導體區域，在半導體裝置中的集電極區域對應于第三半導體區域。
[0036]在根據本發明的半導體裝置中，寄生MOS晶體管可形成在嵌入的柵電極的一部分中。進一步地，在根據本發明的半導體裝置中，發射極區域和集電極區域中的至少一個被定位在距離嵌入的柵電極比距離基極區域更遠的位置處。因此，在寄生MOS晶體管中的結構中，所述寄生MOS晶體管可由具有發射極區域、基極區域和集電極區域的嵌入柵電極形成，暗電流(漏電流)沒有在發射極和集電極之間流動。
[0037]進一步地，在根據本發明的半導體裝置中，當使用其中集電極區域與嵌入的柵電極分開的結構時，還可以防止可由柵電極的電場引起的從集電極區域到基極區域的暗電流流動。
[0038]因此，根據本發明的半導體裝置可提供增大的電流放大系數并且防止暗電流(漏電流)。當用作光電探測器時，根據本發明的半導體裝置可在光照射時提供增大的光接收靈敏度。
[0039]在根據本發明的半導體裝置中，通過嵌入的柵電極產生的耗盡層到基極區域的基極寬度調制效應保持不變而暗電流被有效地防止。因此，在根據本發明的半導體裝置中，可以通過提供給柵電極的電壓將基極區域改變為耗盡區域而沒有增大由寄生MOS晶體管引起的暗電流，并且可以改變電流放大系數。
[0040]接下來，根據若干實施例的半導體裝置將參照附圖被更詳細地描述。
[0041]圖1是根據一實施例的半導體裝置I的橫截面視圖。圖2是根據所述實施例的半導體裝置I的平面視圖。圖1的橫截面視圖對應于半導體裝置的沿著圖2中示出的線A-A截得的橫截面。在圖2中，形成在半導體裝置中的半導體基板上的頂層結構的示意圖被省略，以便于描述。
[0042]如圖1和2所示的，多個光電探測器(半導體裝置)1被制作在半導體基板3上。例如，半導體基板3包括其中N型雜質被引入的N型硅基板3a(N+基板)，以及通過外延生長形成在硅基板3a的表面上的N型外延層3b(半導體層)。注意到，在根據所述實施例的半導體裝置中的半導體層不限于外延層。在根據所述實施例的半導體裝置中的半導體層可以是體硅層，或者可以是由不是硅的半導體材料制成的半導體層。進一步地，在根據所述實施例的半導體裝置中的半導體層可以是兩個或更多個層疊的半導體層。
[0043]例如，光電探測器I排列成矩陣形式。每個光電探測器I都包括柵電極5(電極)，柵極絕緣膜7(絕緣層)，發射極區域9(第一半導體區域)，基極區域11(第二半導體區域)，和集電極區域13(第三半導體區域)。
[0044]柵電極5被布置成以使得柵電極5從外延層3b的表面到外延層3b的內部地嵌入到外延層3b中。例如，用于嵌入所述柵電極5的溝槽(槽)具有在寬度方向上I微米的寬度以及在深度方向上5微米的深度。例如，柵電極5由其中引入雜質的多晶硅形成。然而，柵電極5的材料可不限于多晶硅，柵電極5可由其它半導體材料或導電材料形成。
[0045]例如，柵電極5在平面視圖中排列成網孔形式。光電探測器I中的一個形成在由其中嵌入柵電極5的溝槽圍繞的每個區域中。每個柵電極5的上端從外延層3b的上表面朝向硅基板3a側嵌入。每個柵電極5的上部部分由在形成柵電極5之后嵌入溝槽中的嵌入絕緣層覆至
ΠΠ ο
[0046]柵極絕緣膜7被布置在柵電極5和外延層3b之間。外延層3b和柵電極5由柵極絕緣膜7隔絕。柵極絕緣膜7由具有20納米的厚度的二氧化硅膜形成。然而，柵極絕緣膜7的材料不限于二氧化硅膜，而是可以是能夠將外延層3b和柵電極5隔絕的材料。
[0047]發射極區域9(N+)形成在外延層3b的表面中。發射極區域9被形成用于每個光電探測器I。發射極區域9通過將(第一導電型的)N型雜質引入到外延層3b中得以形成。發射極區域9被布置成以使得發射極區域9與柵極絕緣膜7分開。發射極區域9的底部被定位在柵電極5的上端上方的位置。
[0048]基極區域Il(P)形成在外延層3b中位于發射極區域9下方的位置處。基極區域11被形成在每個光電探測器I中。基極區域11是通過將(第二導電型的)P型雜質引入到外延層3b中形成的。基極區域11鄰近柵極絕緣膜7和發射極區域9二者。基極區域11的底部被定位在柵電極5的下端上方的位置處。
[0049]集電極區域13(N_)是由位于基極區域11下方的外延層3b的一部分形成的。集電極區域13鄰近柵極絕緣膜7和基極區域11 二者。集電極區域13的底部位于柵電極5的下端下方的位置處。集電極區域13被形成為在柵電極5下方的位置處在相鄰的光電探測器I之間是連續的。硅基板3a被定位在集電極區域13下方的位置處。
[0050]傾斜的雜質濃度輪廓被提供給發射極區域9、基極區域11和集電極區域13，以使得在基極區域11中的雜質的濃度在外延層3b的表面一側上是高的且在硅基板3a的一側上是低的。
[0051]層間絕緣膜15形成在外延層3b上。接觸孔17形成在層間絕緣膜15中。接觸孔17被布置在發射極區域9的上方。接觸孔17填充有導電材料，例如鎢或鋁。
[0052]例如由鋁制成的金屬布線圖案19形成在層間絕緣膜15上。金屬布線圖案19經由包含在接觸孔17中的導電材料被電連接到發射極區域9。注意到，電勢在圖1和2示出的區域之外的位置(未示出)被提供到柵電極5。保護膜或類似物形成在層間絕緣膜15上。
[0053]根據該實施例的光電探測器(半導體裝置)1具有縱向雙極晶體管結構，其包括發射極區域9、基極區域11和集電極區域13。在該雙極晶體管中，電流放大系數隨著準中性基極區域的寬度變化而變化。在光電探測器I中，當電壓提供給柵電極5時，靠近柵電極5的準中性基極區域的耗盡層的寬度變化，因此電流放大系數變化。
[0054]在根據所述實施例的光電探測器I中，寄生MOS晶體管可形成有一構造，其包括柵電極5、柵極絕緣膜7、發射極區域9(源極)、基極區域11(溝道)和集電極區域13(漏極)。
[0055]在根據所述實施例的光電探測器I中，其中柵電極5的上端與發射極區域9分開的結構被使用。考慮到在深度方向上柵電極5和發射極區域9之間的位置關系，柵電極5的上端被定位在發射極區域9的下部部分下方的位置處。因此，柵電極5與基極區域11和發射極區域9的基極-發射極分界面之間的最小距離大于柵電極5和基極區域11之間的最小距離。
[0056]由于該原因，在根據所述實施例的光電探測器I中，即使N型反型層或溝道在當供給電壓到柵電極時存在于基極區域11中，N型反型層或溝道并未存在于基極區域11和發射極區域9的基極-發射極分界面中。因此，根據所述實施例的光電探測器I可以防止漏電流流過寄生MOS晶體管。即，根據所述實施例的光電探測器I提供增大的電流放大系數并且防止漏電流而沒有增大暗電流。
[0057]優選的是，柵電極5的上端和發射極區域9之間的距離(最小距離)被設定到由柵電極的電場引起的反型層或溝道沒有達到發射極區域9的較小距離。柵電極5的上端和發射極區域9之間的距離變化，其取決于柵極絕緣膜7的厚度，溝道密度以及提供給柵電極5的電壓的幅值。例如，該距離可在0.2到0.5微米的范圍內，如果柵極絕緣膜7的厚度在20到50納米的范圍內且溝道密度在Ix 116JIJIx 117/立方厘米的范圍內。
[0058]在根據所述實施例的光電探測器I中，即使其中柵電極5與發射極區域9分開的結構被使用，電壓被提供給柵電極5并且耗盡層延伸到基極區域11以使得光晶體管的電流放大系數可增大以提供增加的光電流。
[0059]圖3A-3C、4A-4C、5A和5B是用于解釋制造以上參照圖1和2所述的根據所述實施例的半導體裝置(光電探測器I)的方法的示意圖。制造根據所述實施例的光電探測器I的方法將參照圖3A-3C、4A-4C、5A和5B進行描述。
[0060]如圖3A中所示的，制備半導體基板3，其中N型外延層3b(其形成圖1中的集電極區域13)被沉積在具有低電阻的N型硅基板3a上。例如，硅基板3a具有6πιΩ cm(毫歐-厘米)的電阻率，外延層3b具有I Ω cm(歐姆-厘米)的比電阻，以及外延層3b具有20微米的厚度。
[0061]如在圖3B中示出的，用于嵌入柵電極5(其示出在圖1中)的溝槽通過執行已知的制作工藝形成在外延層3b的表面上。柵極絕緣膜7被沉積在外延層3b的表面上并且摻雜的多晶硅經由柵極絕緣膜7被嵌入到溝槽部分中以形成柵電極5。例如，溝槽具有I微米的寬度和5微米的深度，以及柵極絕緣膜7具有20納米的厚度。
[0062]如在圖3C中示出的，回蝕工藝在摻雜的多晶硅上執行以蝕刻每個柵電極5的上部部分直到每個柵電極5的蝕刻的上部部分被定位在發射極接合深度下方的位置。此后，由例如二氧化硅膜制成的嵌入絕緣層被嵌入在所述溝槽的上部部分中。注意到，發射極接合深度指的是如圖1所示的發射極區域9和基極區域11之間的分界面(或接合區域)的深度位置。
[0063]如圖4A所示的，掩蔽膜21形成在外延層3b上。例如，掩蔽膜21可以是400納米厚的二氧化硅膜。通過執行光刻工藝和蝕刻工藝，開口形成在掩蔽膜21中對應于光電探測器I的形成區域(參見圖1)的位置。通過執行離子注入工藝，P型雜質(在圖4A中由“+”指示)，例如硼離子，穿過掩蔽膜21的開口被注入到外延層3b中以形成其中P型雜質被引入的P型基極區域。例如，硼離子注入條件可通過30千電子伏的加速能量以及3.2X 113/平方厘米的劑量來指示。
[0064]如在圖4B中所示的，在其中掩蔽膜21被留下的狀態下，在熱擴散工藝在圖4A所示的步驟中注入的P型雜質上執行，以形成基極區域11。例如，熱擴散工藝的條件可由1150°c的加熱溫度和50分鐘的加熱周期指示。此后，掩蔽膜21被移除。
[0065]如圖4C所示的，包括在柵電極5附近的開口的掩蔽膜23形成在基極區域11上。通過執行離子注入工藝，P型雜質(由圖4C中的“+”指示)，例如硼離子，經由掩蔽膜23的開口被注入外延層3b(或基極區域11)中。硼離子注入工藝被執行以使得硼離子在一深度位置處被注入到外延層3b中，所述深度位置在其中N型雜質隨后在將稍后描述的圖5A中所示的步驟中被注入的位置下方。例如，硼離子注入條件可由180千電子伏的加速能量和1.0 X 113/平方厘米的劑量指示。
[0066]如圖5A所示的，掩蔽膜23被移除。包括在基極區域11上方的開口的掩蔽膜25得以形成。通過執行離子注入工藝，N型雜質(由圖5A中的指示)，例如磷離子，經由掩蔽膜25的開口被注入到外延層3b(基極區域11)中。例如，磷離子注入條件可由50千電子伏的加速能量和6.0X 115/平方厘米的劑量指示。
[0067]如圖5B中所示的，在其中掩蔽膜25被留下的狀態下，熱處理被執行以活化在圖4C和圖5A中所示的步驟中被引入到外延層3b中的P型雜質和N型雜質，以使得發射極區域9形成在基極區域11上。例如，熱處理的條件可以由920°C的加熱溫度和40分鐘的加熱周期指不。此后，掩蔽I吳25被移除。
[0068]進一步地，通過執行已知的制作工藝，層間絕緣膜15，接觸孔17，金屬布線圖案19，以及保護膜以前述順序被形成在外延層3b上(參見圖1)。注意到，制造根據本發明的半導體裝置(圖1中示出的光電探測器I)的方法不限于以上參照圖3A-3C，4A-4C，5A和5B所述的制造方法。
[0069]圖6是作為一參考例子的光電探測器101的橫截面視圖。在圖6中，實質上與圖1中的相應元件相同的元件由相同的附圖標記表示，并且它們的描述將被省略。
[0070]如圖6所示的，光電探測器101不同于圖1中所示的光電探測器I之處在于，柵電極103和柵極絕緣膜105的深度位置是不同的。在該參考例子中，柵電極103的上端和柵極絕緣膜105的上端被布置在外延層3b的表面附近。
[0071]與柵電極103的側面接觸的柵極絕緣膜105具有幾乎均勻的厚度。在該光電探測器101中，柵電極103與基極區域11和發射極區域9的基極-發射極分界面之間的最小距離與柵電極103和基極區域11之間的最小距離相同。
[0072]在光電探測器101中，寄生MOS晶體管107被形成為包括柵電極103，柵極絕緣膜105，發射極區域9，基極區域11和集電極區域13。
[0073]圖7是用于根據光電探測器的柵電極電壓解釋具有縱向雙極晶體管結構的光電探測器的照度和光電流之間的關系的示意圖。在圖7中，豎直軸表示光電流(安培(A))，水平軸表示照度(勒克斯(1^))。柵電極電壓被設定到四個不同值:(^，3￥，3.5￥和狀。
[0074]如圖7所示的，在具有縱向雙極晶體管結構的光電探測器中，電流放大系數根據提供給柵電極的電壓的幅值變化。然而，在光電探測器101中，寄生MOS晶體管107形成為如圖6所示的。
[0075]在光電探測器101中，如果電壓被提供給柵電極103，寄生MOS晶體管107隨著雙極晶體管操作同時操作。因此，當光電探測器101作為光晶體管操作時，從寄生MOS晶體管107發出的電流被不希望地增加到當光照射時由光電探測器101產生的光電流。由于此，在光電探測器101中的暗電流是嚴重的并且在低照度下光電探測器101的光接收靈敏度低于圖1中所示的光電探測器I的光接收靈敏度。
[0076]寄生MOS晶體管107的閾值受到與光電探測器101的電流放大系數有關的形成在基極區域11中的雜質濃度剖面的狀況的影響，以及它很難獨立地僅控制寄生MOS晶體管107。例如，會存在其中基極區域11的雜質濃度降低以便使電流放大系數最佳化的情況。進一步地，會存在其中由寄生MOS晶體管107占據的區域與整個單元區域的比值被所述單元的小型化相對增大的另一情況。在該情況下，對寄生MOS晶體管107的暗電流的貢獻將變大并且整個單元區域的暗電流將增大。
[0077]鑒于以上問題，根據如上參照圖1和2描述的實施例的光電探測器I能夠防止寄生MOS晶體管的形成并且提供增大的電流放大系數而沒有增大暗電流。
[0078]圖8是根據另一個實施例的光電探測器29的橫截面視圖。在圖8中，實質上與圖1中的相應元件相同的元件由相同的附圖標記表示并且它們的描述將被省略。
[0079]如圖8所示的，根據該實施例的光電探測器29不同于圖1中所示的光電探測器I之處在于，該實施例的柵電極5被布置成以使得每個柵電極5的上端和下端被定位在其中圖1的光電探測器I中的柵電極5的上端和下端所在的位置上方的位置處。具體地說，該實施例的柵電極5的上端被定位在發射極區域9的底部和基極區域11的頂部的上方的位置處。該實施例的柵電極5的下端被定位在基極區域11的底部和集電極區域13的頂部的上方的位置處。
[0080]在該實施例的光電探測器29中，其中柵電極5的下端與集電極區域13分開的結構被使用。柵電極5與基極區域11和集電極區域13的基極-集電極分界面之間的距離大于柵電極5和基極區域11之間的距離。即，柵電極5被布置在其中反型層在基極區域11和集電極區域13的基極-集電極分界面中的形成可通過控制提供給柵電極5的電壓的量值而得以防止的位置中，盡管反型層形成在基極區域11中。
[0081]該實施例的光電探測器29被構造為以使得其中N型反型層或溝道沒有形成在基極區域11和集電極區域13的基極-集電極分界面中的狀態可被維持，即使N型反型層或溝道形成在基極區域11中。因此，類似于圖1中示出的光電探測器I，光電探測器29能夠防止漏電流流過寄生MOS晶體管。光電探測器29能夠提供增大的電流放大系數而沒有增大暗電流。
[0082]進一步地，在該實施例的光電探測器29中，作為其中產生電場的輸出端子的集電極區域13和柵電極5相對于水平方向沒有重疊，光電探測器29能夠防止在相反方向上在基極區域11和集電極區域13之間的漏電流。結果，可以防止在光晶體管的OFF狀態下在基極區域11聚集的電荷的遺漏。
[0083]優選的是，柵電極5的下端和集電極區域13之間的距離(最小距離)被設定為較小距離以使得由柵電極的電場引起的反型層或溝道沒有達到集電極區域13，而沒有增加在集電極和基極極結中的漏電流。例如，該距離可以在0.5到1.0微米的范圍內，如果柵極絕緣膜7的厚度在20到50納米的范圍內并且溝道密度在I X 116JiJIX 117/立方厘米的范圍內。
[0084]在該實施例的光電探測器29中，即使其中柵電極5與集電極區域13分開的結構被使用，電壓被提供給柵電極5并且耗盡層延伸到基極區域11以使得光晶體管的電流放大系數可增大以提供增大的光電流。
[0085]例如，光電探測器29的柵電極5可以通過，在在圖3B中示出的步驟中將柵電極5嵌入在溝槽中之前，嵌入所述嵌入的絕緣層，以及此后將柵電極5嵌入在所述溝槽中，而形成。進一步地，類似于圖3C中所示的步驟，當在摻雜硅上執行回蝕工藝時，回蝕工藝被執行直到柵電極5的蝕刻的上端被定位在發射極接合深度下方的位置處。形成光電探測器29中的柵電極5的方法不限于該例子。
[0086]圖9是根據另一個實施例的光電探測器31的橫截面視圖。在圖9中，實質上與圖1的相應元件相同的元件由相同的附圖標記表示，并且它們的描述將被省略。
[0087]如圖9中所示的，該實施例的光電探測器31不同于圖1中所示的光電探測器I之處在于，該實施例的柵電極5被布置成以使得每個柵電極5的下端被定位在其中圖1的光電探測器I中的柵電極5的下端被定位所在的位置的上方的位置處。例如，該實施例的柵電極5的下端可被定位在與其中圖8的光電探測器29的柵電極5的下端被定位所在的位置相同的位置處。
[0088]根據該實施例的光電探測器31，以上參照圖1-2描述的光電探測器I的有利特征以及以上參照圖8描述的光電探測器29的有利特征都可被提供。注意到，在該實施例中柵電極5的上端和發射極區域9之間的距離(最小距離)和柵電極5的下端和集電極區域13之間的距離(最小距離)可與以上所述的圖1-2的實施例中的距離以及以上所述的圖8的實施例中的距離一致。
[0089]例如，光電探測器31的柵電極5可以通過，在在圖3B所示的步驟中將柵電極5嵌入在溝槽中之前，嵌入所述嵌入的絕緣層，以及此后將柵電極5嵌入在該溝槽中，得以形成。形成光電探測器31中的柵電極5的方法不限于該例子。
[0090]接下來，根據其它實施例的包括多個柵電極中的每個的不同橫截面形狀并且能夠提供類似于圖1中所示的光電探測器I的有利特征的有利特征將參照圖10-14進行描述。
[0091]圖10是根據另一個實施例的光電探測器33的橫截面視圖。圖11是根據另一個實施例的光電探測器35的橫截面視圖。在圖10和11中，實質上與圖1中的相應元件相同的元件由相同的附圖標記表示，并且它們的描述將被省略。
[0092]圖10中所示的光電探測器33不同于圖1中所示的光電探測器I之處在于，該實施例的每個柵電極5被布置成具有這樣的柵電極5的上端位置和橫截面形狀，即其不同于圖1中所示的光電探測器I中的每個柵電極的上端位置和橫截面形狀。在圖11中所示的光電探測器35也不同于圖1中所示的光電探測器I之處在于，該實施例的每個柵電極5被布置成具有這樣的柵電極5的上端位置和橫截面形狀，即其不同于圖1所示的光電探測器I中的每個柵電極的上端位置和橫截面形狀。具體地說，在光電探測器33中的柵電極5的上端和在光電探測器35中的柵電極5的上端被定位在發射極區域9的底部上方的位置處。
[0093]如圖10所示的，光電探測器33的柵電極5的橫截面形狀是梯形形狀，其中梯形的上底的寬度小于梯形的下底的寬度。如圖11所示的，光電探測器35的柵電極5的橫截面形狀是凸起構造，包括在上側上的向上凸起部分。
[0094]在光電探測器33和35中，其中柵電極5與發射極區域9在水平方向分開的結構被使用。考慮到在水平方向上柵電極5、發射極區域9和基極區域11之間的位置關系，柵電極5和發射極區域9的底部之間的最小距離大于柵電極5和基極區域11之間的最小距離。即，在光電探測器33和35中，柵電極5與基極區域11和發射極區域9的基極-發射極分界面之間的最小距離大于柵電極5和基極區域11之間的最小距離。因此，光電探測器33和35也能夠提供類似于以上參照圖1描述的光電探測器I的有利特征的有利特征。
[0095]優選的是，建立用于光電探測器33和35的結構的制作工藝條件以使得通過減小在溝道表面上的電場而沒有溝道形成在發射極接合端面中。
[0096]圖12是根據另一個實施例的光電探測器37的橫截面視圖。圖13是根據另一個實施例的光電探測器39的橫截面視圖。在圖12和13中，實質上與圖1中的相應元件相同的元件由相同的附圖標記表示，并且它們的描述將被省略。
[0097]圖12中示出的光電探測器37不同于圖1中示出的光電探測器I之處在于，該實施例的每個柵電極5被布置成具有這樣的柵電極5的上端位置和橫截面形狀，即其不同于在圖1中示出的光電探測器I中的每個柵電極5的上端位置和橫截面形狀。圖13中示出的光電探測器39不同于圖1中示出的光電探測器I之處在于，該實施例的每個柵電極5被布置成具有這樣的柵電極5的上端位置和橫截面形狀，即其不同于圖1中示出的光電探測器I中的每個柵電極5的上端位置和橫截面形狀。具體地，光電探測器37中的柵電極5的上端和光電探測器39中的柵電極5的上端被定位在發射極區域9的底部上方的位置處。
[0098]如圖12所示的，光電探測器37的柵電極5的橫截面形狀是梯形形狀，其中梯形的上底的寬度大于梯形的下底的寬度。如圖13所示的，光電探測器39的柵電極5的橫截面形狀是凸起構造，包括在下側上的向下凸起部分。
[0099]在光電探測器37和39中，其中柵電極5與集電極區域13在水平方向分開的結構被使用。考慮到在水平方向上柵電極5、基極區域11和集電極區域13之間的位置關系，柵電極5和集電極區域13的頂部之間的最小距離大于柵電極5和基極區域11之間的最小距離。即，在光電探測器37和39中，柵電極5與基極區域11和集電極區域13的基極-集電極分界面之間的最小距離大于柵電極5和基極區域11之間的最小距離。因此，光電探測器37和39也能夠提供類似于以上參照圖8描述的光電探測器29的有利特征的有利特征。
[0100]優選的是，建立用于光電探測器37和39的結構的制作工藝條件以使得通過減小在溝道表面上的電場而沒有溝道形成在集電極接合端面中。
[0101]圖14是根據另一個實施例的光電探測器41的橫截面視圖。在圖14中，實質上與圖1中的相應元件相同的元件由相同的附圖標記表示，并且它們的描述將被省略。
[0102]如圖14所示的，光電探測器41的柵電極5的橫截面形狀可以是凸起構造，其包括在上側上的向上凸起部分和在下側上的向下凸起部分。
[0103]在該實施例的光電探測器41中，柵電極5與基極區域11和發射極區域9的基極-發射極分界面之間的最小距離以及柵電極5與基極區域11和集電極區域13的基極-集電極分界面之間的最小距離大于柵電極5和基極區域11之間的最小距離。因此，光電探測器41也能夠提供類似于以上參照圖9所述的光電探測器31的有利特征的有利特征。
[0104]在圖14中示出的實施例中，柵電極5的橫截面形狀是凸起構造，其包括在上側上的向上凸起部分和在下側上的向下凸起部分。在該實施例中，在凸起構造中的向上凸起部分和向下凸起部分中的至少一個可具有梯形形狀，其中上端面或下端面的寬度尺度小于它的中間部分的寬度尺度。
[0105]注意到，柵電極5的橫截面形狀不限于圖11，13和14中示出的凸起構造。替代地，柵電極5的橫截面形狀可以是其他的凸起構造，例如具有銳角端部的凸起構造和具有圓形端部的凸起構造。
[0106]進一步地，在以上參照圖1，8和9所述的實施例中的任一個的柵電極5的深度方向上的上端和下端位置可以應用到在以上參照圖10-14所述的每個實施例的柵電極5的深度方向上的上端和下端位置。這樣改變的光電探測器也能夠提供類似于以上所述的實施例的有利特征的有利特征。
[0107]如以前所述的，根據本發明，可以提供一種半導體裝置，其能夠提供增大的電流放大系數并防止漏電流。
[0108]根據本發明的半導體裝置不限于以上所述的實施例，并且可進行變化和改變而沒有背離本發明的范圍。要理解到，以前的詳細描述是示例性的和解釋性的并且不限制要求保護的發明。
[0109]例如，在以上提到的實施例中，假定光電探測器是NPN雙極晶體管。然而，根據本發明的半導體裝置可以是PNP雙極晶體管。例如，這樣的PNP雙極晶體管可通過將用于前述實施例中的NPN雙極晶體管的導電型轉換為相反的導電型而得以實施。
[0110]進一步地，在以前的實施例中，柵電極5被提供以在平面視圖中具有框架構造或柵格構造。然而，根據本發明的光電探測器不限于這些例子。在根據本發明的光電探測器中的柵電極可具有在平面視圖中既不是框架構造又不是柵格構造并且包括局部切割的框架部分的構造。
[0111]進一步地，在以前的實施例中，多個光電探測器5排列成矩陣形式。然而，根據本發明的光電探測器不限于這些實施例。根據本發明的光電探測器的布置可以是任意的。例如，光電探測器可排列成蜂窩形式。此外，其它元件，例如用于讀出開關的晶體管，可被包括在光電探測器陣列的區域中。
[0112]在以前的描述中，假定光電探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還可應用到不是光電探測器的半導體裝置。
[0113]交叉參照有關申請
[0114]本申請基于2015年2月19日提交的日本專利申請第2015-030362號并要求該申請的優先權權益，該日本專利申請的內容通過參照而全文引入于此。
【主權項】
1.一種半導體裝置，包括: 半導體層； 從所述半導體層的表面嵌入到所述半導體層的內部并由絕緣層絕緣的電極；以及 一結構，在該結構中，第一導電型的第一半導體區域、第二導電型的第二半導體區域以及第一導電型的第三半導體區域以前述順序從所述半導體層的表面經由所述絕緣層沿著所述電極形成； 其中，所述電極被布置在一位置處，在該位置，在第一半導體區域與第二半導體區域的分界面和第二半導體區域與第三半導體區域的分界面中的至少一個中并未由提供給所述電極的電壓形成反型層。2.—種半導體裝置，包括: 半導體層； 從所述半導體層的表面嵌入到所述半導體層的內部并由絕緣層絕緣的電極；以及 一結構，在該結構中，第一導電型的第一半導體區域、第二導電型的第二半導體區域以及第一導電型的第三半導體區域以前述順序從所述半導體層的表面經由所述絕緣層沿著所述電極形成； 其中，所述電極與第一半導體區域和第二半導體區域的分界面之間的距離以及所述電極與第二半導體區域和第三半導體區域的分界面之間的距離中的至少一個大于所述電極和所述第二半導體區域之間的距離。3.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其中，關于在深度方向上所述電極和所述第一半導體區域之間的位置關系，所述電極的上端被定位在第一半導體區域的底部下方的位置處。4.根據權利要求1到3中的任一項所述的半導體裝置，其中，關于在深度方向上所述電極和所述第三半導體區域之間的位置關系，所述電極的下端被定位在所述第三半導體區域的頂部上方的位置處。5.根據權利要求1到4中的任一項所述的半導體裝置，其中，關于在水平方向上所述電極、第一半導體區域以及第二半導體區域之間的位置關系，所述電極和所述第一半導體區域的底部之間的距離大于所述電極和所述第二半導體區域之間的距離。6.根據權利要求5所述的半導體裝置，其中，所述電極的橫截面形狀是上底的寬度小于下底的寬度的梯形形狀，或者為一凸起構造，該凸起構造包括在該構造的上側上的向上凸起部分。7.根據權利要求1到5中的任一項所述的半導體裝置，其中，關于在水平方向上所述電極、第二半導體區域以及第三半導體區域之間的位置關系，所述電極和所述第三半導體區域的頂部之間的距離大于所述電極和所述第二半導體區域之間的距離。8.根據權利要求7所述的半導體裝置，其中，所述電極的橫截面形狀是上底的寬度大于下底的寬度的梯形形狀，或者為一凸起構造，該凸起構造包括在該構造的下側上的向下凸起部分。9.根據權利要求1到8中的任一項所述的半導體裝置，其中，所述半導體裝置的電流放大系數根據提供給所述電極的電壓的幅值是可變的。10.根據權利要求1到9中的任一項所述的半導體裝置，其中，所述電極被設置成在所述半導體層的平面視圖中具有框架構造。11.一種成像設備，包括由根據權利要求1到10中的任一項所述的半導體裝置構成的光電探測器。12.—種制造半導體裝置的方法，所述半導體裝置包括: 半導體層； 從所述半導體層的表面嵌入到所述半導體層的內部并由絕緣層絕緣的電極；以及一結構，在該結構中，第一導電型的第一半導體區域、第二導電型的第二半導體區域以及第一導電型的第三半導體區域以前述順序從所述半導體層的表面經由所述絕緣層沿著所述電極形成， 制造所述半導體裝置的方法包括: 將所述電極布置在一位置處，在該位置，在第一半導體區域和第二半導體區域的分界面以及第二半導體區域和第三半導體區域的分界面中的至少一個中并未由提供給所述電極的電壓形成反型層。
【文檔編號】H01L31/10GK105914251SQ201610086842
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月16日
【發明人】上田佳德, 米田和洋, 愛須克彥, 中谷寧, 中谷寧一, 根來寶明, 櫻野勝之, 渡邊博文
【申請人】株式會社理光