CN111446267B - 光检测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光检测器及其制作方法，该光检测器包括：基材、至少一条纳米线以及包覆层。此一条纳米线形成于基材之上，包括一个半导体核心。包覆层位于半导体核心的侧壁上，此包覆层包括：与半导体核心的侧壁接触的外延半导体薄膜、位于外延半导体薄膜外侧的金属层以及位于金属层外侧的高介电系数材质层。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元件及其制作方法，特别是涉及一种光检测器(photodetector)及其制作方法。
背景技术
光检测器(光感测器)，例如金属-氧化物-半导体(Meta-Oxide-Semiconductor，MOS)影像检测器或电荷耦合元件(charge coupled device；CCDr)影像检测器，是一种可将光学影像转变成电子信号的半导体元件。目前已广泛地被使用于消费性电子产品，例如数字相机、个人通讯服务(PersonalCommunications Service，PCS)、游戏机(gameequipment)等产品。且随着科技的进步，以及消费者对高分辨率彩色影像的需求，可以感测多种频谱色光的彩色影像检测器已成为市场主流。
现有的彩色影像检测器一般需要额外建构彩色滤光片，不仅体积巨大、制作工艺较为繁杂，且彩色滤光片的材料容易劣化，制作工艺中有严格的停留时间(Q-time)限制，无法重工，不易与半导体制作工艺进行整合，因而大幅增加制造成本与降低制作工艺良率。
此外，现有的彩色影像检测器通常需要额外制作微透镜放置于每一个像素的上方，用于将光束聚焦，再通过多个厚电介质层方能到达光侦测元件，也因此造成严重的光能损耗，进而降低感测光线的量子效率。
因此有需要提供一种新式的光检测器及其制作方法，以解决现有技术所面临的问题。
发明内容
为达上述问题，本发明的一实施例是有关于一种光检测器，其包括：基材、至少一条纳米线以及包覆层。此一条纳米线，形成于基材之上，包括一个半导体核心。包覆层位于半导体核心的侧壁上，此包覆层包括：与半导体核心的侧壁接触的外延半导体薄膜、位于外延半导体薄膜外侧的金属层以及位于金属层外侧的高介电系数材质层。
本发明的一实施例是有关于一种光检测器的制作方法，其包括下述步骤：首先，提供基材；并于基材之上形成至少一条纳米线，使此至少一条纳米线包括一个半导体核心。然后，在半导体核心的一个侧壁上形成一个包覆层，使包覆层包括：与半导体核心的侧壁接触的外延半导体薄膜、位于外延半导体薄膜外侧的金属层以及位于金属层外侧的高介电系数材质层。
根据上述，本发明的实施例是提出一种光检测器及其制作方法。其是采用半导体纳米线结构来作为光接收器，并对半导体纳米线结构的表面进行改质处理，修补半导体纳米线结构的表面晶格构造，并在半导体纳米线结构外侧，形成由外延半导体薄膜、金属薄膜和高介电系数材料层所构成的包覆层。
通过选择金属薄膜的特定材质或设计参数，使进入半导体纳米线结构的某一波长范围的光线被金属薄膜吸收，进而产生区域性表面等离子体共振效应(Localized SurfacePlasmons Resonances，LSPR)生成更多光生电子；并将未被吸收的光线反射，以提供选择性的滤波效果。可以取代现有技术的彩色滤光片，达到简化制作工艺步骤，增进制作工艺良率的目的。另外，包覆于金属薄膜外侧的高介电系数材质层，可以在金属薄膜与外延半导体薄膜的界面提供空乏区，防止光生电子向外逸散而造成光能耗损，达到增进光线的量子效率的目的。
附图说明
为了对本发明的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，特举数个优选实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下:
图1A至图1E为本发明一实施例所绘示的一系列制作光检测器的制作工艺结构剖视图。
符号说明
100：光检测器
101：基材
102：半导体层
103：半导体层
104：纳米线
105：等离子体退火制作工艺
106：外延半导体薄膜
107：包覆层
108：金属层
109：高介电系数材质层
109a：氧化铪本体层
109b：氧化钽钝化层
110：阻障层
111：介电材料
112：透明电极层
113：P/N接面
114：图案化的硬掩模层
具体实施方式
本发明是提供一种光检测器及其制作方法，可简化制作工艺步骤，增进制作工艺良率，同时降低光能耗损提高感测光线的量子效率。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。
但必须注意的是，这些特定的实施案例与方法，并非用以限定本发明。本发明仍可采用其他特征、元件、方法及参数来加以实施。优选实施例的提出，仅用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的权利要求。该技术领域中具有通常知识者，将可根据以下说明书的描述，在不脱离本发明的精神范围内，作均等的修饰与变化。在不同实施例与附图之中，相同的元件，将以相同的元件符号加以表示。
请参照图1A至图1E，图1A至图1E是根据本发明一实施例所绘示的一系列制作光检测器100的制作工艺结构剖视图。制作光检测器100的方法包括下述步骤：首先，提供一个基材101。在本发明的一些实施例之中，基材101可以是一种硅基材，例如硅晶片。接着，在基材101上方依序形成一个具有与基材101不同电性的半导体层102。
在本说明书的一些实施例之中，基材101可以是一种具有n型电性多晶硅层；半导体层102可以是一种p型电性的多晶硅层；且在基材101和半导体层102之间形成一个P/N接面113。在本说明书的另一些实施例之中，基材101和半导体层102之间，还可以包括和另一个半导体层103，其具有与基材101相同的电性。例如，在本实施例中，基材101可以是一种具有较高掺杂浓度的n型(以n+表示)电性多晶硅层；半导体层102可以是一种较高掺杂浓度的p型电性(以p+表示)；位于基材101和半导体层102之间的半导体层103以是一种具有较低掺杂浓度的n型(以n-表示)电性多晶硅层，三者之间形成一个p-i-n接面(如图1A所绘示)。
然后，图案化基材101、半导体层103和半导体层102，以于基材101之上形成多条纳米线104(如图1B所绘示)。在本说明书的一些实施例中，图案化基材101、半导体层103和半导体层102的步骤，包括：以被图案化的硬掩模层114(例如，氮化硅层)为蚀刻掩模，以干式蚀刻制作工艺(例如，反应离子蚀刻(Reactive-Ion Etching，RIE))来移除一部分基材101、一部分半导体层103和一部分半导体层102。其中，每一条通过蚀刻制作工艺所形成的纳米线104，都包括由一部分基材101、一部分半导体层103和一部分半导体层102所构成的半导体核心。本说明书所述的纳米线，是指具有纳米等级(例如，100纳米(nanometer，nm)或以下)的厚度或直径且不限定长度的半导体核心结构。
在剥除图案化的硬掩模层114之后，对纳米线104的半导体核心进行一等离子体退火(plasma annealing)制作工艺105(如图1C所绘示)。例如在本说明书的一些实施例中，可以在反应气体气氛中，例如在含有氢气(H2)的反应气体气氛中，对基材101进行热退火，温度约850℃，使氢与构成半导体核心的一部分基材101、一部分半导体层103和一部分半导体层102局部地反应，从而形成硅甲烷(SiH4)，以修补因图案化制作工艺对半导体核心所造成的晶格缺陷。
接着，在每一条纳米线104的外侧形成一个包覆层107。其中，包覆层107可以包括一个外延半导体薄膜106、一个金属层108以及一个高介电系数材质层109(如图1D所绘示)。形成包覆层107的步骤如下：
首先，进行外延成长步骤，在每一条纳米线104的半导体核心表面形成一个外延半导体薄膜106。在本说明书的一些实施例中，外延半导体薄膜106可以是一种厚度实质为5纳米(nm)，且掺杂有硼(B)离子的p型(以p+表示)多晶硅外延薄膜。通过外延半导体薄膜106的修补，可以提供纳米线104的半导体核心更完整的表面结构。
然后，在外延半导体薄膜106外侧形成一个金属层108。例如，在本说明书的一实施例中，金属层108可以是通过金属沉积制作工艺，例如，原子层沉积(Atomic layerdeposition)所形成，其厚度范围实质介于2纳米至5纳米之间。在本实施例中，金属层108可以是一种厚度约为2纳米的铜金属薄膜。另外，在沉积金属层108之前，较佳可以在外延半导体薄膜106外侧，先形成一个阻障层110。在本说明书的一些实施例中，阻障层110可以包括氮化钽(TaN)。
金属层108(取决于其所组成的材质)可以吸收通过纳米线104半导体核心具有特定波长的光线，并与其产生共振，同时将未被吸收的光线反射，以达到选择性滤波的效果。例如，在本实施例中，铜金属薄膜可以与波长范围介于495纳米至570纳米的绿光产生共振效果。光子被铜金属吸收之后，会产生声子(phonon)震荡或发生电子散射，进而在金属层108靠近外延半导体薄膜106的一侧形成电子云，并在纳米线104半导体核心中产生更多的光生电子。故而，可通过光子与金属层108的区域性表面等离子体共振效应，进一步增进光线的量子效率。
在本说明书的一些实施例中，金属层108可以是一种厚度约为2纳米的铝金属薄膜。铝金属薄膜可以与波长范围介于620纳米至750纳米的红光产生共振效果。光子被铝金属吸收之后，会产生声子震荡或发生电子散射，进而在金属层108靠近外延半导体薄膜106的一侧形成电子云，并在纳米线104半导体核心中产生更多的光生电子。故而，可通过光子与金属层108的区域性表面等离子体共振效应，进一步增进光线的量子效率。
另外，金属层108的厚度和其表面的微结构特征，以及纳米线104的特定设计参数，例如半导体核心的直径、长度以及半导体核心与金属层108层的折射率等...，也会影响不同波长光线的共振与吸收。该技术领域中具有通常知识者，都可通过调整金属层108的材料、厚度或表面的微结构特征亦或上述纳米线104的参数，来达到选择性滤波的效果。
后续，在金属层108外侧形成一个高介电系数材质层109。在本说明书的一些实施例中，可以采用沉积制作工艺，例如常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure ChemicalVapor deposition，APCVD)来形成厚度范围实质介于2纳米至10纳米之间的高介电系数材质层109。在本实施例中，高介电系数材质层109可以是一种复合材料层，包括厚度约2纳米的氧化铪(HfO2)本体层109a以及厚度约2纳米的氧化钽(TaO)钝化层109b。
其中，高介电系数材质层109可扮演电荷库(charges reservoir)的角色。由氧化铪本体层109a提供负电电荷，并且由氧化钽钝化层109b提供正电电荷，用于在金属层108和外延半导体薄膜106之间形成空乏区，可有效防止光生电子向外逸散而造成光能耗损。
在形成包覆层107之后，以介电材料111，例如硅氧化物，覆盖于基材101上方，并且填充纳米线104之间，包围每一条纳米线104。再通过回蚀移除位于纳米线104顶端的一部分的介电材料111、一部分的包覆层107以及一部分的外延半导体薄膜106，将纳米线104的半导体核心的一部分半导体层102暴露于外。然后，再于介电材料111和纳米线104顶端形成透明电极层112(如图1E所绘示)。后续，再以一系列后段制作工艺(未绘示)完成光检测器100的制备。在本说明书的一些实施例中，透明电极层112可以包括氧化铟锡((Indium TinOxide，ITO)。
根据上述，本发明的实施例提出一种光检测器及其制作方法。其是采用半导体纳米线结构来作为光接收器，并对半导体纳米线结构的表面进行改质处理，修补半导体纳米线结构的表面晶格构造，并在半导体纳米线结构外侧，形成由外延半导体薄膜、金属薄膜和高介电系数材料层所构成的包覆层。
通过选择金属薄膜的特定材质或设计参数，使进入半导体纳米线结构的某一波长范围的光线被金属薄膜吸收，进而产生区域性表面等离子体共振效应生成更多光生电子；并将未被吸收的光线反射，以提供选择性的滤波效果。可以取代现有技术的彩色滤光片，达到简化制作工艺步骤，增进制作工艺良率的目的。另外，包覆于金属薄膜外侧的高介电系数材质层，可以在金属薄膜与外延半导体薄膜的界面提供空乏区，防止光生电子向外逸散而造成光能耗损，达到增进光线的量子效率的目的。
虽然结合以上优选实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何该技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (11)
1.一种光检测器(photo-detector)，其特征在于，包括：
基材；
至少一纳米线，形成于该基材之上，包括半导体核心；以及
包覆层，位于该半导体核心的侧壁上，该包覆层包括:
外延半导体薄膜，与该侧壁接触；
金属层，位于该外延半导体薄膜外侧；以及
高介电系数(high-k)材质层，位于该金属层外侧。
2.根据权利要求1所述的光检测器，其中该半导体核心是多晶硅核心，包括n型掺杂区、p型掺杂区以及P/N接面，形成于该n型掺杂区和该p型掺杂区之间。
3.根据权利要求1所述的光检测器，其中该外延半导体薄膜包括多晶硅外延薄膜。
4.根据权利要求1所述的光检测器，其中该金属层包括氮化钽(TaN)阻障层以及铜(Cu)金属层。
5.根据权利要求1所述的光检测器，其中该高介电系数材质层包括氧化铪(HfO2)本体层。
6.根据权利要求5所述的光检测器，其中该高介电系数材质层还包括一氧化钽(TaO)钝化层，位于该氧化铪本体层外侧。
7.根据权利要求1所述的光检测器，还包括介电材料，形成于基材上并包围该至少一纳米线。
8.根据权利要求7所述的光检测器，还包括透明电极层，覆盖于该介电材料上方和该纳米线的顶端。
9.一种光检测器的制作方法，包括:
提供基材；
在该基材之上形成至少一纳米线，使该至少一纳米线包括半导体核心；以及
在该半导体核心的侧壁上形成包覆层，使该包覆层包括:
外延半导体薄膜，与该侧壁接触；
金属层，位于该外延半导体薄膜外侧；以及
高介电系数材质层，位于该金属层外侧。
10.根据权利要求9所述的光检测器的制作方法，其中在形成该包覆层之前，还包括对该半导体核心进行氢气退火(H2annealing)制作工艺。
11.根据权利要求9所述的光检测器的制作方法，还包括：在该基材上形成介电材料，并包围该至少一纳米线；以及
形成透明电极层，覆盖于该介电材料上方和该纳米线的顶端。
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