KR102502561B1 - Uv-ir 영역에 대한 수광성능이 개선된 수광소자의 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

Uv-ir 영역에 대한 수광성능이 개선된 수광소자의 구조 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102502561B1
KR102502561B1 KR1020200108916A KR20200108916A KR102502561B1 KR 102502561 B1 KR102502561 B1 KR 102502561B1 KR 1020200108916 A KR1020200108916 A KR 1020200108916A KR 20200108916 A KR20200108916 A KR 20200108916A KR 102502561 B1 KR102502561 B1 KR 102502561B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
concentration
ion implantation
type ion
layer
implantation layer
Prior art date
Application number
KR1020200108916A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220028199A (ko
Inventor
조덕호
심규환
최상식
Original Assignee
주식회사 시지트로닉스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 시지트로닉스 filed Critical 주식회사 시지트로닉스
Priority to KR1020200108916A priority Critical patent/KR102502561B1/ko
Publication of KR20220028199A publication Critical patent/KR20220028199A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102502561B1 publication Critical patent/KR102502561B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation
    • H01L21/266—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation using masks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 1012~1015cm-3농도의 n형 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상부 일부로부터 제1깊이로 형성된 상기 n형 반도체 기판의 농도에 비하여 2 내지 10배 높은 농도의 저농도 p형 이온주입층과, 상기 저농도 p형 이온주입층의 표면으로부터 상기 제1깊이보다 얕은 제2깊이로 다수 위치하며, 상기 저농도 p형 이온주입층의 농도보다는 높은 중간농도 p형 이온주입층을 포함할 수 있다.

Description

UV-IR 영역에 대한 수광성능이 개선된 수광소자의 구조 및 그 제조방법 {Structure and Fabrication Method of Photodiode with High Performance at UV-IR Regime}
본 발명은 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 400nm 이하의 UV 대역에서 응답성을 개선한 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 수광소자는 기본적으로 p-n 접합을 이루며, 입사광자에 의해 발생하는 반송자의 움직임을 이용하는 것으로, 입사광에 의해 물질의 전기전도도가 변화되는 광전도효과를 이용한다.
진성반도체를 이용하는 수광소자는 자외역에서 근적외역까지 이득이 있으며, 적외역용으로는 불순물 반도체가 사용되고 있다.
이와 같이 반도체 수광소자의 구조나 물성에 따라서 센싱할 수 있는 파장을 조절할 수 있다.
종래기술로서 등록특허 10-0595876호(이미지센서의 포토다이오드 제조방법, 2006년 6월 23일 등록, 이하 선행문헌1이라 약칭함)에는 이미지 센서용으로 웨이브 패턴을 형성하고, Po 이온주입을 통해 웨이브 형태의 p-n 접합을 이루는 구조와 제조방법을 제시하고 있다.
그러나 웨이브 형태의 전사에 균일성과 재현성의 확보가 쉽지 않은 것으로 예상된다.
또한, [J. Ghasemi, A.J. Chowdhury, A. Neumann, B. Fahs, M. Hella, S.R.J. Brueck, P. Zarkesh-Ha, “A novel blue-enhanced photodetector using honeycomb structure,” IEEE (2015), 이하 선행문헌2라 약칭함]에는 수광소자의 새로운 형태를 제안하고 있다.
선행문헌2에는 표면에 이온주입으로 n+층을 벌집 모양으로 형성하는 구조가 기재되어 있으나, 농도가 1.5x1019 cm-3으로 높고 깊이도 1 um로 매우 깊어서 400 nm 파장 이하의 UV 수광효율이 낮은 것으로 예측된다.
다른 논문으로 [M.L.F. Lerch, A.B. Rosenfeld, P.E. Simmonds, G.N. Taylor, V.L. Perevertailo, “Spectral Charaterization of a blue-enhanced silicon photodetector,” IEEE Trans. on Nuclear Science, Vol. 48, No. 4, (Aug. 2001), 이하 선행문헌3이라 약칭함]에는 Shallow p층과 p+ stripe를 이온주입으로 형성하는 구조에 대하여 기재하고 있다.
그러나 선행문헌3은 도핑농도와 접합깊이에 의한 영향으로 360 nm 이상의 파장대에서는 유용하지만, 350nm 이하의 UV 파장대에서 수광성능이 매우 낮다.
상술한 바와 같이, 종래의 기술은 형성되는 p-n 접합에서 공핍영역(depletion)이 기판의 하단부 0.2um 이상 매우 깊은 위치에 존재하여 400nm 이하의 단파장(UV) 대역에서 응답성(responsivity)이 심하게 감소하는 한계를 보인다.
그리고 형성되는 p-n 접합에서 p형 불순물의 농도가 높아서 운반자의 재결합(Auger recombination 현상)이 심해지고, 공핍영역(depletion) 폭이 좁아서 정전용량이 크게 인가되므로 동작속도를 높이는데 불리한 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 400nm 이하의 단파장 대역에서 응답성을 향상시킬 수 있는 수광소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
좀 더 구체적으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 단파장 대역에서 IR 대역 범위에서 높은 응답성(responsivity)을 나타내며, 정전용량 성분 및 기생 저항 성분을 최소화하여 동작속도를 높일 수 있는 수광소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 수광소자는, 1012~1015cm-3농도의 n형 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상부 일부로부터 제1깊이로 형성된 상기 n형 반도체 기판의 농도에 비하여 2 내지 10배 높은 농도의 저농도 p형 이온주입층과, 상기 저농도 p형 이온주입층의 표면으로부터 상기 제1깊이보다 얕은 제2깊이로 다수 위치하며, 상기 저농도 p형 이온주입층의 농도보다는 높은 중간농도 p형 이온주입층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1깊이는 1 내지 2um이고, 상기 제2깊이는 0.1um 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 중간농도 p형 이온주입층의 농도는 1015~1018cm-3 인 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 저농도 p형 이온주입층의 둘레에는 제1깊이보다 더 깊은 제3깊이로, n형 불순물이 주입된 가드링을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 가드링에 연결되는 금속접합층과, 상기 저농도 p형 이온주입층과 상기 중간농도 p형 이온주입층의 상면에 위치하는 반사방지층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 반도체 기판의 상면으로부터 상기 가드링과는 이격되어 위치하는 정션 아이솔레이션과, 상기 반도체 기판의 배면에 순차 위치하는 후면 고농도 n형 이온주입층 및 후면 금속접착층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 수광소자 제조방법은, a) 1012~1015cm-3농도의 n형 반도체 기판의 상부에 절연층을 증착하는 단계와, b) 상기 절연층을 버퍼로 하는 이온주입공정으로 상기 반도체 기판의 상부 일부로부터 제1깊이까지 이르며, 상기 n형 반도체 기판의 농도에 비하여 2 내지 10배 높은 농도의 저농도 p형 이온주입층을 형성하는 단계와, c) 이온주입공정을 통해 상기 저농도 p형 이온주입층의 표면으로부터 상기 제1깊이보다 얕은 제2깊이까지 위치하며, 상기 저농도 p형 이온주입층의 농도보다는 높은 다수의 중간농도 p형 이온주입층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 저농도 p형 이온주입층의 제1깊이는 1 내지 2um이고, 상기 중간농도 p형 이온주입층의 제2깊이는 0.1um 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 중간농도 p형 이온주입층은 p형 불순물이온을 1015~1018cm-3의 농도로 주입하여 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 중간농도 p형 이온주입층은 상기 저농도 p형 이온주입층의 상부에 두께가 100 내지 200nm인 산화막을 이온주입버퍼로 사용하며, BF2 +를 40keV 이하의 낮은 에너지를 사용하여 주입하고, 급속열처리기(RTA)를 이용하여 30sec 이내로 열처리하여 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, d) 상기 저농도 p형 이온주입층의 둘레에 n형 불순물을 주입하여 제1깊이보다 더 깊은 제3깊이에 이르는 가드링을 형성하는 단계와, e) n형 불순물 이온을 주입하여 상기 가드링의 둘레에 이격되어 위치하는 정션 아이솔레이션을 형성하는 단계와, f) 상기 가드링에 접하는 금속접합층과 상기 저농도 p형 이온주입층의 상부에 위치하는 반사방지층을 형성하는 단계와, g) 상기 반도체 기판의 배면에 후면 고농도 n형 이온주입층과 후면 금속층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 고농도 n형 이온주입층은, 상기 반도체 기판에 이온을 주입하여 형성하거나, 상기 반도체 기판을 성장시킨 웨어퍼를 잔류시켜 된 것일 수 있다.
본 발명 수광소자 및 그 제조방법은, 공핍영역의 깊이를 제어하여 400nm 이하, 특히 350nm 이하의 UV 파장 영역에 대한 응답성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기생 커패시턴스 및 저항 성분을 제어하여, 응답속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수광소자의 단면 구성도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 수광소자 제조공정 수순 단면도이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명과 종래 기술의 특성을 비교도시한 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수광소자 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수광소자의 단면 구성도이다.
도 1을 참조하면 본 발명 수광소자는, 저농도 n형(n-) 반도체 기판(10)의 상부 일부로부터 DI의 깊이로 형성된 저농도 p형(p-) 이온주입층(12)과, 상기 이온주입층(12)의 상부 일부로부터 DI의 깊이보다 얕은 Dm의 깊이로 형성되는 다수의 중간농도 p형(Pm) 이온주입층(15)과, 상기 이온주입층(12) 둘레의 반도체 기판(10)의 상부로부터 DI의 깊이보다 더 깊은 Dh의 깊이로 위치하는 가드링(13)과, 상기 가드링(13)의 둘레에서 소정 간격 이격된 반도체 기판(10)에 형성된 정션 아이솔레이션(14)과, 상기 가드링(13)과 정션 아이솔레이션(14) 사이의 반도체 기판(10) 상에 위치하는 절연층(11)과, 일부가 상기 절연층(11) 상에 위치하며 상기 가드링(13)에 접속되는 금속접합층(16)과, 노출된 상기 저농도 p형 이온주입층(12) 및 중간농도 p형 이온주입층(15)의 상부에 위치하는 반사방지층(17)과, 상기 반도체 기판(10)의 배면에 순차 적층된 후면 고농도 n형 이온주입층(18) 및 후면금속접합층(19)을 포함하여 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 구성과 작용에 대하여, 본 발명의 제조공정 수순 단면도인 도 2 내지 도 9를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)을 준비한다.
반도체 기판(10)은 저농도의 n-형 불순물이 도핑된 웨이퍼를 사용할 수 있다. 반도체 기판(10)의 n형 불순물의 농도는 1012~1015cm-3로 통상의 저농도 상태보다도 더 저농도인 극 저농도로 도핑된 것을 사용한다.
상기 반도체 기판(10)의 상부에 절연층(11)을 증착한다.
이때의 절연층(11)은 산화막을 사용할 수 있다.
그 다음, 절연층(11)을 버퍼로 사용하는 이온주입공정을 통해 저농도 p형 이온을 주입하여, 저농도 p형 이온주입층(12)을 형성한다.
p형 불순물의 농도는 1016cm-3 이하(바람직하게는 1013cm-3 내지 1015cm-3)이를 사용하며, p형 불순물인 붕소(B) 이온을 고에너지(>100 keV)를 이용하고, 1013 cm-2이하의 낮은 도즈(dose) 주입하여, 저농도 p형 이온주입층(12)을 형성한다.
이어서 퍼니스(Furnace)를 이용해 1100℃ 이상의 고온에서 드라이브 인(drive-in) 확산을 시킨다. 상기 저농도 p형 이온주입층(12)의 농도는 상기 반도체 기판(10)의 농도에 비하여 2 내지 10배 더 높은 것으로 하는 것이 바람직하다.
상기 저농도 p형 이온주입층(12)의 깊이 DI는 1~2 um가 되도록 한다.
그 다음, 도 3에 도시한 바와 같이 선택적 이온주입을 통해 상기 저농도 p형 이온주입층(12)의 둘레에 접하는 가드링(13)을 형성한다.
이때 가드링(13)은 고농도 p형 불순물이 주입된 것이며, 붕소 이온을 200keV 이상의 에너지를 사용하는 이온주입공정으로, 1015cm-2이상의 도즈를 주입하여 형성한다.
가드링의 깊이(Dh)는 열처리 과정을 통하여 1.5~3um의 수준으로 제어한다.
즉, 가드링(13)은 저농도 p형 이온주입층(12)에 비하여 더 깊게 위치한다.
그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이, 고농도 n형 이온주입을 통해 상기 가드링(13)의 둘레에서 이격되어 위치하는 정션 아이솔레이션(14)을 형성한다.
정션 아이솔레이션(14)은 80 keV 이상의 에너지로 1015 cm-2 농도의 도즈를 주입하여 형성할 수 있다.
그 다음, 도 5에 도시한 바와 같이 이온주입을 통하여 중간농도 p형 이온주입층(15)을 상기 저농도 p형 이온주입층(12)의 내에 다수로 형성한다.
중간농도 p형 이온주입층(15)의 주입깊이인 Dm은 USJ(Ultra Shallow Junction)인 0.1 um 이하가 되도록 한다.
이처럼 USJ를 형성하기 위하여 도면에는 도시하지 않았으나, 이온 주입전에 버퍼로 산화막을 100~200nm 두께로 형성한 후, 이온주입을 수행한다.
이온주입은 질량이 큰 BF2 +를 40keV 이하의 낮은 에너지로 1014 cm-2농도로 주입한다. 또한 급속열처리기(RTA)를 이용하여 30sec 이하의 단시간에 열처리하여 주입된 불순물의 확산을 최소화 한다.
그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 상기 가드링(13), 저농도 p형 이온주입층(12) 및 중간농도 p형 이온주입층(15)의 상부에 위치하는 절연층(11)을 선택적으로 제거한 후, 금속을 증착 및 패터닝하여, 가드링(13)에 접속되는 금속접합층(16)을 형성한다.
이때 사용하는 금속으로는 Al, Ti/Al, Ti/Ai/TiN 중 선택된 하나를 사용할 수 있다.
그 다음, 도 7에 도시한 바와 같이 상기 노출된 상기 저농도 p형 이온주입층(12)과 중간농도 p형 이온주입층(15)의 상부에 SiO2 또는 Si3N4 등의 유전체를 증착하여 반사방지층(17)을 형성한다.
이때 사용되는 반사방지층(17)은 굴절율(refractive index)를 고려하여 IR 영역에서 투과가 최대적화 할 수 있는 100 nm 내지 200 nm 두께로 증착하는 것으로 한다.
그 다음, 도 8에 도시한 바와 같이 반도체 기판(10)의 배면을 연마하여, 반도체 기판(10)의 두께 Tw를 100~300um에서 조절한다.
그 다음, 이온주입을 통해 고농도 n형 이온주입을 통해 후면 고농도 이온주입층(18)을 형성한 후, 후면 금속접합층(19)을 증착한다.
후면 금속접합층(19)은 Al, Ti/Al, Ti/Ai/TiN, Cr/Au, Ni/Al 중 하나를 사용할 수 있다.
위의 제조예에서는 이온주입을 통해 후면 고농도 이온주입층(18)을 형성하는 것으로 설명하였으나, 도 9와 같이 반도체 기판(10)을 고농도 n형 웨이퍼(20) 상에 성장시킨 경우, 고농도 n형 웨이퍼(20)의 일부를 연마 제거하여 고농도 이온주입층(18)을 형성할 수 있다.
위의 설명과 같이 다양한 금속류와 다층의 구조로 사용할 수 있으며, 이경우 고농도 n형 웨이퍼(20)의 배면에 금속층을 형성하여 후면 금속접합층(19)을 형성할 수 있다.
도 10은 본 발명과 선행문헌3의 광흡수 대역의 비교 그래프이다.
도 10을 참조하면, 종래 기술에서는 공핍영역이 시작되는 접합의 깊이가 깊고 공핍영역의 폭(Wd)이 좁은데 반하여, 본 발명에서는 공핍영역이 시작되는 접합의 깊이가 0.1um로 매우 얇고 동시에 불순물 농도도 극히 최소한으로 제어되어 공핍영역의 폭(Wd)이 더 넓은 특징이 있다.
따라서, 입사광의 파장이 300 nm인 광의 경우 표면의 하단부 0.1um 이내에서 대부분의 광흡수가 일어나고 운반자인 전자-정공쌍(Electron-hole pair)가 생성된다.
이렇게 생성된 전자-정공쌍을 수집(collection)하여 광전류(Iph)의 신호로 받기 위해서는 표면에서 심하게 일어나는 재결합이나 전도(이동)중에 운반자 사이의 충돌에 의한 재결합을 줄여야 한다.
이를 위해서 공핍영역이 표면에 최대한 근접하게 해야 하지만, 재결합을 저지하기 위해서 표면 하단부의 불순물의 도핑농도를 가능한 낮게 유지하는 구조가 유리하다.
따라서 본 발명은 이러한 불순물 도핑의 농도와 깊이 분포를 최적화 구조로 제어함으로써 Green(530nm), Red(660nm), IR(940nm)의 파장대에서 광흡수 영역이 극대화되고, 생성된 운반자의 수집 확률도 높일 수 있게 된다.
도 11은 본 발명과 선행문헌3의 입사광 파장에 따른 광 응답성 비교 그래프이다.
도 11에 도시한 바와 같이 종래 기술은 1회 또는 2회의 이온주입으로 표면에 고농도(Nh~1020cm-3)를 형성하고, 공핍영역이 생성되는 접합이 깊으며 공핍영역의 폭(Wd)이 좁다.
반면에 본 발명은 세 차례의 이온주입 공정을 사용하여 p-n접합의 공핍영역의 폭이 넓다.
즉, 공핍영역이 표면의 하부 0.1um 가까이 극히 얕은 USJ(Ultra Shallow Junction)을 형성하고, 도핑농도도 증간농도(Nm=1015~018cm-3), 저농도(Nl=1013~1015 cm-3)로 형성하여 된다. 저농도(Nl)는 기판농도(Nsub) 보다 아주 소량만 도핑농도가 높아서 공핍영역의 폭(Wd)을 넓게 형성할 수 있다.
또한, 고농도 p형 이온주입된 가드링(13)을 저농도 p형 이온주입층(12)에 비하여 더 깊게 형성하여, 금속접합층(16)과의 오믹저항을 최소화하고 누설전류를 줄이고 광전류를 최대한 신호로 추출되도록 하여 동작속도를 높이는데 기여한다.
신호광의 파장이 UV-IR의 넓은 대역의 파장대를 흡수하여 수광성능을 극대화 할 수 있다.
도 12는 본 발명과 선행문헌3의 파장에 따른 응답성을 비교한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 종래 기술의 경우 400nm 파장대역 이상의 장파장에서 응답성의 증가가 이루어지는데, 본 발명의 경우 400nm 이하의 UV 대역에서 응답성이 크게 증가한다.
단파장으로는 200nm 대역까지 유용한 특성을 보인다.
또한 공핍영역의 폭의 증가로 가시광 및 IR 대역까지 그 수광특성이 전반적으로 30~80% 정도 향상됨을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명과 선행문헌3의 입력광의 세기에 대한 광전류의 변화를 비교한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 종래기술에 의한 결과는 상대적으로 광전류(Iph)가 낮음은 물론 파장대별 차이가 크다.
즉, 녹색(Green) 점선의 경우 입력광의 세기(Pph,input)가 증가하면서 Iph의 기울기가 감소하면서 포화되어 소자의 성능과 선형성이 심각하게 저하되는 특징을 보인다.
이와 같이 종래기술은 소자의 표면부위에 발생하는 고농도의 운반자들이 심하게 재결합하는 손실에 따라 입력 광세기(Pph,input)가 커질수록 단파장(Green) 대역에서 광전류(Iph)의 선형성이 불량하게 동작하는 형태를 나타낸다.
본 발명의 경우 Green, Red, IR 각각의 파장에 해당하는 빛에 대해 input 광전력(Pph,input)에 따라 상당히 선형적이고 유사한 수준으로 증가는 광전류(Iph)를 보이고 있다. 특히 단파장인 Green의 광전류가 크게 증가하여 Red 및 IR에 근접함은 물론 입사광 전력에 대한 선형성도 크게 개선된다.
특히 종래 기술에 비하여, Green, Red, IR 각각의 파장에 대해 50% 이상 높아진 광전류를 보인다. 그리고 높은 광전력(Pph,input)까지 수광효율이 높아 우수하게 개량된 선형성을 유지한다.
따라서, 본 발명이 제공하는 수광소자의 광특성은 광센서를 제작하는 회로에 있어서 단순하고 안정적인 설계 및 구현을 가능하게 하여 매우 유용하다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10:반도체 기판 11:절연층
12:저농도 p형 이온주입층 13:가드링
14:정션 아이솔레이션 15:중간농도 p형 이온주입층
16:금속접합층 17:반사방지층
18:후면 고농도 n형 이온주입층
19:후면 금속접합층 20:고농도 n형 반도체층

Claims (12)

1012~1015cm-3농도의 n형 반도체 기판;
상기 반도체 기판의 상부 일부로부터 1 내지 2um의 깊이로 형성된 상기 n형 반도체 기판의 농도에 비하여 2 내지 10배 높은 농도의 저농도 p형 이온주입층;
상기 저농도 p형 이온주입층의 표면으로부터 0.1um 이하의 깊이로 다수 위치하며, 농도가 1015~1018cm-3인 중간농도 p형 이온주입층;
상기 중간농도 p형 이온주입층의 둘레에 배치되고, 중간농도 p형 이온주입층보다 깊게 위치하는 가드링;
상기 가드링에 연결되는 금속접합층; 및
상기 저농도 p형 이온주입층과 상기 중간농도 p형 이온주입층의 상면에 위치하는 반사방지층을 포함하는 수광소자.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 반도체 기판의 상면으로부터 상기 가드링과는 이격되어 위치하는 정션 아이솔레이션과,
상기 반도체 기판의 배면에 순차 위치하는 후면 고농도 n형 이온주입층 및 후면 금속접착층을 더 포함하는 수광소자.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
KR1020200108916A 2020-08-28 2020-08-28 Uv-ir 영역에 대한 수광성능이 개선된 수광소자의 구조 및 그 제조방법 KR102502561B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200108916A KR102502561B1 (ko) 2020-08-28 2020-08-28 Uv-ir 영역에 대한 수광성능이 개선된 수광소자의 구조 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200108916A KR102502561B1 (ko) 2020-08-28 2020-08-28 Uv-ir 영역에 대한 수광성능이 개선된 수광소자의 구조 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220028199A KR20220028199A (ko) 2022-03-08
KR102502561B1 true KR102502561B1 (ko) 2023-02-22

Family

ID=80812572

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200108916A KR102502561B1 (ko) 2020-08-28 2020-08-28 Uv-ir 영역에 대한 수광성능이 개선된 수광소자의 구조 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102502561B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117334775A (zh) * 2023-10-09 2024-01-02 江苏致芯微电子技术有限公司 一种光纤接收电路的高传输速率的光电二极管及工艺方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007035958A (ja) * 2005-07-27 2007-02-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光半導体装置及びその製造方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7259440B2 (en) * 2004-03-30 2007-08-21 Ixys Corporation Fast switching diode with low leakage current

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007035958A (ja) * 2005-07-27 2007-02-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光半導体装置及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220028199A (ko) 2022-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9178100B2 (en) Single photon avalanche diode for CMOS circuits
KR100647959B1 (ko) 능동픽셀센서및그제조방법
CN110676333B (zh) 一种单光子Si-APD探测器及其制造方法
JPH11317512A (ja) Ｃｍｏｓイメ―ジセンサ―及びその製造方法
CN116031324B (zh) 一种单光子雪崩二极管及制作方法
KR101019279B1 (ko) 이미지 센서 및 그 제조방법
KR102502561B1 (ko) Uv-ir 영역에 대한 수광성능이 개선된 수광소자의 구조 및 그 제조방법
JPH0346279A (ja) ヘテロ接合フォトダイオードアレイ
CN114975657A (zh) Spad器件结构、spad探测器及spad器件结构制备方法
US6753202B2 (en) CMOS photodiode having reduced dark current and improved light sensitivity and responsivity
US20190386157A1 (en) Semiconductor structures and manufacturing the same
KR100564587B1 (ko) 포토 다이오드 및 이의 제조 방법
KR102279835B1 (ko) 반도체 장치 및 반도체 장치의 제조 방법
CN115548157B (zh) 一种具有宽漂移区的双结单光子雪崩二极管及其制备方法
CA1078948A (en) Method of fabricating silicon photodiodes
KR20230112262A (ko) 고농도 도핑된 에피층을 이용한 광대역 포토다이오드 및 그 제조방법
KR100595876B1 (ko) 이미지센서의 포토다이오드 제조방법
TWI500180B (zh) 高量子效率光學檢測器
KR102284627B1 (ko) 수광반도체 소자 및 그 제조방법
KR20230124289A (ko) 광대역 포토다이오드 및 그 제조방법
KR20050121090A (ko) 핑거형 확산층을 갖는 반도체장치와 그 제조방법
KR20040058697A (ko) 포토다이오드의 표면결함을 치료하는 시모스 이미지센서및 그 제조방법
JPS61101084A (ja) 化合物半導体受光素子の製造方法
CN117747708A (zh) 光电二极管及其制造方法、电子元件
KR20040007966A (ko) 크로스토크를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right