KR101116766B1 - 제너 다이오드의 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제너 다이오드의 제작방법에 관한 것으로, a) 소정 농도의 불순물이 포함된 기판의 앞/뒷면에 상기 기판과 다른 타입의 불순물을 확산시키는 단계; b) 기판의 뒷면에 형성된 확산층을 제거하는 단계; 및 c) 기판의 앞면에 보호막을 증착하여 패터닝하고, 기판의 앞면에 외부회로와의 전기적 연결을 위한 앞면 금속전극 및 뒷면 금속전극을 형성하는 단계를 포함한다.
제너 다이오드, 식각, PN
Description
도 1은 일반적인 발광소자의 단면도이다.
도 2는 발광소자와 정전압소자의 등가회로이다.
도 3a 내지 도 3g는 종래의 PN제너다이오드의 제조공정을 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4f는 종래의 PNP(NPN)제너다이오드의 제조공정을 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 PN제너다이오드의 제조공정을 나타낸 것이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PNP(NPN)제너다이오드의 제조공정을 나타낸 것이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 동일면에 PNP(또는 NPN) 제너다이오드를 제작하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 동일면에 PNP(또는 NPN) 제너다이오드를 제작하는 방법을 나타낸 순서도이다.
{도면의 주요부호에 대한 설명}
200 : PN제너다이오드 201, 301 : 실리콘 기판
202, D : 확산층 203 : 보호막
204-f, 304-f : 앞면 금속전극 204-b, 304-b : 뒷면 금속전극
본 발명은 정전압 소자로 사용하는 제너 다이오드 제조 방법에 관한 것으로, 특히 선택적 확산을 위하여 필요한 확산 마스크 없이 제너 항복을 발생시키는 제너 다이오드 제조 방법에 관한 것이다.
직접 천이형 화합물 반도체의 3-5족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 녹색, 청색 및 자외선등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하다. 이러한 기술의 발달로 디스플레이 소자뿐만 아니라 광통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL; Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 LED 백라이트, 형광등이나 백열전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
도 1은 일반적인 LED 소자(100)의 구조이다.
도 1을 참조하면, 사파이어나 n-GaAs, GaN 등의 기판(101) 위에 버퍼층(102), n-접촉층(103), n-클래딩 층(미도시), 활성층(104), p-클래딩 층(미도시), p-접촉층(105)을 화학적 기상증착법에 의하여 연속적으로 증착하고, 사진 식각 공정 및 습식/건식 식각 방법에 의하여 n-접촉층이 나타나도록 메사(MESA)패터닝 한 후, 광 투과가 용이한 투명전극으로 전류확산층(106)을 p-접촉층 위에 형성하고 외부회로와의 전기적인 연결을 위하여 p-접촉층 층과 n-접촉층 위에 금속(107)을 형 성하여 p-전극(107-p)과 n-전극(107-n)을 형성하여 LED(100)를 제작한다. 즉, 발광소자는 외부회로에서 p-전극(107-p)과 n-전극(107-n) 사이에 전압이 인가되면 p-전극(107-p)과 n-전극(107-n)으로 정공과 전자가 주입되고 활성층(104)에서 정공과 전자가 재결합하면서 여분의 에너지가 광으로 변환되어 투명전극 및 기판을 통하여 외부로 방출하게 된다. 발광 소자는 정전기나 서지 전압이 발생하면 과도한 전하가 반도체 층으로 흘러 들어가게 되어서 발광 소자를 파괴하게 된다.
이러한 문제점은 절연성 기판 위에 소자를 제작할 경우 문제가 더욱 심각하게 되는데, 서지 전압이 발생할 경우 수천 볼트까지도 오를 수 있으므로 소자의 내전압(허용 전압)이 작은 경우 보호 소자를 별도로 장착하여야 한다. 이러한 보호 소자로는 일반 다이오드를 직렬로 여러 개 연결하여 발광 소자의 구동 전압보다 높은 값에서 다이오드가 턴-온 되도록 하고, 다이오드 어레이를 발광 소자에 병렬로 연결하여 과 전압이 걸리는 경우 과 전류가 다이오드 어레이로 바이패스 시키거나, 정전압 소자로 사용되는 제너 다이오드를 발광 소자와 반대 전극끼리 연결하여 발광 소자에 걸리는 전압이 제너 다이오드의 Vz(Zener voltage)로 한정되도록 하는 방법이 있다(도 2 참조). 즉, 제너 다이오드에 걸리는 역방향 전압이 Vz 이상이 되면 역방향 전류(n전극에서 p전극 방향으로 흐르는 전류)가 크게 흐르고 제너 다이오드의 양단에 걸리는 단자전압은 Vz로 거의 일정하게 된다. 제너 다이오드는 보호 소자로 사용되는 이외에 입력 전압 또는 부하의 변화에 대하여 부하 전압을 일정하게 유지하는 정전압 소자로도 널리 쓰이고 있다. 보호용 소자인 제너 다이오드는 발광 소자와 같은 보호를 받으려는 소자와 각각 다른 칩으로 제작한 후 전기적 연 결을 통하여 병렬로 연결하거나, 발광 소자를 플립 칩으로 실리콘 sub mount 기판에 접합하는 경우 실리콘 서브 마운트 기판에 제너 다이오드를 집적할 수 있다.
도 3은 기존 발명에 의한 PN 제너 다이오드(200)의 제작 공정 흐름도로 공정순서로 설명하면 다음과 같다.
도 3a 및 도 3b는 마스크를 확산하는 과정으로써, 제너 다이오드는 양자역학적 터널링 특성을 이용하는 반도체 소자이므로 저항 값이 작은 기판(201)을 사용하여야 하고 소자의 Vz(Zener voltage)는 기판의 비저항과 확산 불순물의 농도에 의하여 결정되므로 적절한 농도의 불순물이 포함된 기판을 사용하여야 한다. 기판에 선택적 확산을 위하여 확산마스크(202)(일반적으로 실리콘 산화막 사용)를 기판의 전면(뒷면 포함)에 증착하고 확산마스크를 패터닝하여 선택적 확산이 이루어질 수 있도록 한다.
도 3c는 확산단계이다. 확산 마스크 패터닝 다음 공정으로는 확산 공정을 실시한다. 기판의 불순물과 다른 타입의 불순물을 확산마스크가 식각된 부분("B" 부분)을 통하여 기판의 안쪽으로 주입한다. 불순물 주입 공정은 노를 이용한 확산 공정과 이온 주입 공정을 이용할 수 있다.
도 3d는 마스크 제거과정으로, 확산 공정이 끝나면 확산마스크를 제거하고 기판의 전면에 보호막(203)을 증착한다.
도 3e는 전극을 형성하는 과정으로 외부회로와의 전기적 연결이 필요한 부분을 open한다.
도 3f 및 도 3g는 앞면 전극(204-f) 과 뒷면 전극 (204-b) 을 형성하여 제너 다이오드(200)를 제작한다.
도 4는 기존 발명에 의한 PNP(또는 NPN) 제너 다이오드(300)의 제작 공정 흐름도로 공정순서로 설명하면 다음과 같다.
도 4를 참조하면, 적절한 농도의 불순물이 포함된 기판(301)에 선택적 확산을 위하여 확산마스크를 패터닝하여 선택적 확산이 이루어질 수 있도록 한다(도 4a 및 도 4b 참조). 확산 마스크(302)를 통하여 확산공정을(도 4c 참조) 실시하고, 확산마스크를 제거하면(도 4d 참조) 소자당 두 부분의 확산 영역("D" 영역)이 형성된다. 확산 마스크 제거 공정이 끝나면 보호막(303)을 형성하고 pad open을 실시하고 금속 공정(304)을 실시하여 제너 다이오드를 제작한다(도 4e 및 4f 참조).
이렇게 제작된 제너 다이오드는 칩으로 분리한 후 발광 소자와 같이 정전기에 취약한 소자와 병렬로 연결하여 사용하거나, 제너 다이오드를 제작하고 제너 다이오드 위에 플립 칩으로 소자를 연결하기 위하여 솔더 금속 공정을 실시하고 칩으로 분리한 후 플립 칩 본더 장비를 이용하여 제너 다이오드 위에 소자를 정렬하고 적절한 온도를 가하여 소자를 제너 다이오드 위에 접합시킨다.
특히, 이러한 경우 제너 다이오드의 공정 수를 줄이고 단가를 줄이며, 수율을 향상시키는 것은 전체 발광 소자 패키지의 수율에 직결되는 문제이므로 제너 다이오드의 공정을 단순화하는 것은 절대적으로 필요하다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 정전기나 서지 전압 또는 전하 축적에 취약한 소자를 보호하기 위한 제너 다이오드를 제작함에 있어서, 확산 마스크를 사용하지 않으며, 공정 수를 최소한으로 줄임으로써 수율을 높이고 공정 단가를 최소화하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제너 다이오드의 제 1제작방법은 a) 소정 농도의 불순물이 포함된 기판의 앞/뒷면에 상기 기판과 다른 타입의 불순물을 확산시키는 단계; b) 기판의 뒷면에 형성된 확산층을 제거하는 단계; 및 c) 기판의 앞면에 보호막을 증착하여 패터닝하고, 기판의 앞면에 외부회로와의 전기적 연결을 위한 앞면 금속전극 및 뒷면 금속전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 제너 다이오드를 제작하는 제 2의 방법은 a) 소정 농도의 불순물이 포함된 기판의 앞/뒷면에 상기 기판과 다른 타입의 불순물을 확산시키는 단계; 및 b) 기판의 앞/뒷면에 외부회로와의 전기적 연결을 위한 앞면 금속전극 및 뒷면 금속전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 제너 다이오드를 제작하는 또 다른 제 3의 방법은 a) 소정 농도의 불순물이 포함된 기판의 앞/뒷면에 상기 기판과 다른 타입의 불순물을 확산시키는 단계; b) 기판의 앞/뒷면에 외부회로와의 전기적 연결을 위한 앞면 금속전극을 형성하는 단계; 및 c) 상기 앞면 금속전극을 두 개의 전극으로 분리하는 단계를 포 함한다.
본 발명에서 상기 제 2 및 제 3의 방법 중 단계 a)와 상기 단계 b)사이에는 기판면에 보호막을 증착하여 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 단계 a)에서 소정 농도의 불순물이 포함된 기판의 앞/뒷면에 상기 기판과 다른 타입의 불순물을 확산시킬 때 상기 기판면은 균일한 것이 바람직하다.
상기와 같은 본원발명은 다이오드 제작을 위하여 필요한 확산 공정에 사용되는 확산 마스크(일반적으로 실리콘 산화막 사용)를 사용하지 않음으로써 확산 마스크 증착 공정과 확산마스크 포토 공정 및 확산마스크 식각 공정을 제거하고, 실리콘 기판의 앞/뒷면에 전체적으로 확산을 실시하고 기판의 뒷면에 형성된 확산층을 제거하기 위하여 기판 뒷면을 CMP하거나 기판 뒷면 전체를 건식 식각 공정을 실시하여 확산층을 제거하여 PN제너 다이오드를 제작하거나, PNP(또는 NPN) 양방향 문턱 전압 특성을 갖는 제너 다이오드를 형성하는 경우는 기판 뒷면의 확산층을 제거하지 않고 앞/뒷면에 전극을 형성하여 정전압 소자를 제작하거나, 기판의 동일 면에 PNP(또는 NPN) 양방향 문턱 전압 특성을 갖는 제너 다이오드를 제작하는 경우는 다이싱을 통하여 소자를 분리할 때 half cut 공정을 실시하여 PNP(또는 NPN) 소자를 제작할 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하고 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 PN 제너 다이오드(200)의 제작 공정 흐름도이다.
상기 실시예는, PN 제너 다이오드의 제작과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5a 및 도 5b는 불순물을 확산하는 과정으로써, 제너 다이오드를 제작할 실리콘 기판(201)의 전면에 확산 마스크 없이 기판 앞/뒷면 전체에 적절한 농도의 불순물을 확산시킨다.
도 5c는 확산층을 제거하는 과정으로써, 확산 공정이 끝나면 기판의 뒷면에 형성된 확산층("D" 영역)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing)방법이나 박막 식각 공정에 의하여 제거한다.
도 5d는 보호막을 증착하는 과정으로, 기판의 뒷면에 확산층("D" 영역)이 제거되고 기판의 원래의 불순물 타입이 드러나면 기판의 앞면에 보호막(passivation layer)(203)을 증착하여 패터닝한다.
도 5e 및 도 5f는 금속전극을 형성하는 과정으로써, 기판의 앞면에 외부회로와의 전기적 연결을 위한 앞면 금속전극(확산층이 P 타입이면 P전극 또는 확산층이 N 타입이면 N전극)(204-f)을 형성하며, 기판의 뒷면에 금속전극(기판의 불순물이 N 타입이면 N전극 또는 기판의 불순물이 P 타입이면 P전극)(204-b)을 형성하여 PN 제너 다이오드(200)를 제작한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 의한 PNP(또는 NPN)제너 다이오드(300)의 제작 공정 흐름도로 공정순서도이다.
도 6a 내지 도 6c는 불순물을 확산하는 과정으로써, 적절한 농도의 불순물이 포함된 기판(301)의 앞/뒷면에 전면 확산을 위하여 확산마스크 없이 기판의 불순물 타입과 다른 타입의 불순물의 확산(기판이 P 타입 인 경우는 N 타입으로 도우핑하고, 기판이 N 타입 인 경우는 P 타입으로 도우핑)이 이루어질 수 있도록 한다. 확산 공정이 끝난 후의 확산 영역은 "D" 부분으로 기판의 전면에 확산이 이루어 졌음을 알 수 있다.
도 6d는 금속전극을 형성하는 과정으로써, 기판의 앞면에 외부회로와의 전기적 연결을 위하여 금속전극(304-f)을 형성하고, 기판의 뒷면에 외부회로와의 전기적 연결을 위하여 금속전극(304-b)을 형성하여 PNP(또는 NPN) 제너 다이오드를 제작한다(도 6d 참조).
양방향 문턱 전압 특성을 갖는 PNP(또는 NPN) 제너 다이오드의 경우는 발광 소자 등의 보호를 받으려는 소자와 연결할 경우 극성을 고려하지 않고 소자를 병렬로 연결하면 된다. 본 실시 예에 의한 PNP(또는 NPN) 제너 다이오드(300) 제작 방법은 선택적 확산을 위하여 필요한 박막(일반적으로 실리콘 산화물)과 포토용 마스크 없이 정전압 제너 다이오드를 제작할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 동일 면에 PNP(또는 NPN) 제너 다이오드(300)를 제작하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7a 내지 도 7c는 불순물을 도핑하는 과정으로써, 적절한 농도의 불순물이 포함된 기판(301)의 앞/뒷면에 전면 확산을 위하여 확산마스크 없이 기판의 불순물 타입과 다른 타입의 불순물의 확산(기판이 P 타입 인 경우는 N 타입으로 도우핑하고, 기판이 N 타입 인 경우는 P 타입으로 도우핑)이 이루어질 수 있도록 한다. 확산 공정이 끝난 후의 확산 영역은 "D" 부분으로 기판의 전면에 확산이 이루어 졌음을 알 수 있다.
도 7d 및 7e는 금속전극 형성 후 이를 분리하는 과정으로써, 기판의 앞면에 외부회로와의 전기적 연결을 위하여 금속전극(304)을 전체적으로 형성하고 두 전극으로 분리하기 위하여 다이싱 공정을 할 때 half cut 공정(다이싱 블레이드의 높이를 확산 깊이에 따라 수 um ~ 수십 um 정도로 조절)을 이용하여 금속 전극과 확산 층을 두 부분으로 분리한다.
도 7f는 최종 단면도로써, 좌/우의 두 전극에 발광 소자 등의 피보호 소자의 전극을 구분 없이 연결하면 된다.
도 6a 내지 6d 및 도 7a 내지 도 7f는 보호막을 형성하지 않은 경우의 설명 예이고 보호막을 삽입할 경우는 도 5a 내지 도 5f의 실시예에 준하여 형성할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 확산 마스크를 사용하지 않고 확산 공정을 실시하여 정전압 소자를 제작할 수 있고, 포토 공정을 모두 제거하거나 또는 최소한의 공정으로 양방향 문턱 전압 특성을 갖는 PNP(또는 NPN) 제너 다이오드 또는 PN 제너 다이오드를 제작함으로써 공정 수를 줄이고 수율을 높일 수 있다.
또한, 단가를 현격히 낮추고 다이 본딩이 가능하며 특성이 우수한 소자를 제작할 수 있으며, 제너 다이오드를 플립 칩 공정의 서브 마운트에 집적하는 경우 그 효능은 배가 될 수 있다.
Claims (5)
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- 제너 다이오드의 제작방법에 있어서,a) 소정 농도의 불순물이 포함된 기판의 앞/뒷면에 상기 기판과 다른 타입의 불순물을 확산시키는 단계;b) 기판의 앞/뒷면에 외부회로와의 전기적 연결을 위한 앞면 금속전극 및 뒷면 금속전극을 형성하는 단계; 및c) 상기 앞면 금속전극을 다이싱 공정을 이용하여 두 개의 전극으로 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제너 다이오드의 제작방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 단계 a)와 상기 단계 b)사이에는 기판면에 보호막을 증착하여 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제너 다이오드의 제작방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 a) 단계에서 소정 농도의 불순물이 포함된 기판의 앞/뒷면에 상기 기판과 다른 타입의 불순물을 확산시킬 때 상기 기판의 표면은 균일한 것을 특징으로 하는 제너 다이오드의 제작방법.
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