KR20180046161A - 광검출 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고감도 광센서에 사용될 포토다이오드의 제조에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 무반사 코팅막을 통과한 광입자를 모아 전기적 신호로 변환하는 과정에서 누수되는 광입자를 반사하여 전기적 신호로 사용하기 위해 요철형태의 백사이드 미러 패턴을 구비하는 광검출 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드 일측에 구비되는 코팅막; 및 상기 코딩막에 대향되어 구비되는 백사이드 미러패턴;을 구비하고,
실리콘 기판에 800도 이상에서 산소를 실리콘 기판 표면과 화학 반응을 시켜, n+영역과 P+영역의 절연을 위해 실리콘 산화막을 형성 후 실리콘 기판의 내부에 고농도 불순물을 도핑하는 단계; 고농도 n+ 영역을 활성층 주변에 도핑하여 가드링을 형성하는 단계; 광흡수율을 높이기 위한 무반사 코팅층을 형성하는 단계; 외부와의 전기적 접속을 위한 메탈 전극을 형성하는 단계; 및 내부로 입사된 광이 back side에서 반사되는 광을 재흡수하기 위한 요철을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 포토다이오드; 상기 포토다이오드 일측에 구비되는 코팅막; 및 상기 코딩막에 대향되어 구비되는 백사이드 미러패턴;을 구비하고,
실리콘 기판에 800도 이상에서 산소를 실리콘 기판 표면과 화학 반응을 시켜, n+영역과 P+영역의 절연을 위해 실리콘 산화막을 형성 후 실리콘 기판의 내부에 고농도 불순물을 도핑하는 단계; 고농도 n+ 영역을 활성층 주변에 도핑하여 가드링을 형성하는 단계; 광흡수율을 높이기 위한 무반사 코팅층을 형성하는 단계; 외부와의 전기적 접속을 위한 메탈 전극을 형성하는 단계; 및 내부로 입사된 광이 back side에서 반사되는 광을 재흡수하기 위한 요철을 형성하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 고감도 광센서에 사용될 포토다이오드의 제조에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 무반사 코팅막을 통과한 광입자를 모아 전기적 신호로 변환하는 과정에서 누수되는 광입자를 반사하여 전기적 신호로 사용하기 위해 요철형태의 백사이드 미러 패턴을 구비하는 광검출 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래 기술의 경우 Si 계열의 포토다이오드는 400nm~900nm의 가시광선 및 근적외선 영역에 대해서는 광흡수 계수가 크기 때문에 문제가 없지만, 1000nm~1100nm 부근의 근적외선에 대해서는 광흡수계수가 극단적으로 낮아지는 문제가 있었다.
1000nm 이상 대역에서 Si 계열의 포토다이오드는 감도가 낮아 사용이 어려우며, 보통 화합물 반도체(InGaAs)를 이용한 검출기가 대안으로 이용되어 왔으나 화합물반도체는 원재료가 고가이고 물질의 결정 구조의 불안정한 요소로 인해 검출면적이 큰 센서를 만들기 어려운 문제가 있었다.
또한 화합물 반도체의 경우 1000nm 부군의 근적외광보다 더 긴 파장까지 감도를 가지는 것이 일반적이기 때문에 암전류의 저감을 위해서는 냉각이 필요한 경우가 있기에 사용방법이 번거로웠다.
따라서 본 발명의 목적은 무반사 코팅막을 통과한 광입자를 모아 전기적 신호로 변환하는 과정에서 누수되는 광입자를 반사하여 전기적 신호로 사용하기 위해 요철형태의 백사이드 미러 패턴을 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 포토다이오드;
상기 포토다이오드 일측에 구비되는 코팅막; 및 상기 코딩막에 대향되어 구비되는 백사이드 미러패턴;을 구비하고,
실리콘 기판에 800도 이상에서 산소를 실리콘 기판 표면과 화학 반응을 시켜, n+영역과 P+영역의 절연을 위해 실리콘 산화막을 형성 후 실리콘 기판의 내부에 고농도 불순물을 도핑하는 단계; 고농도 n+ 영역을 활성층 주변에 도핑하여 가드링을 형성하는 단계; 광흡수율을 높이기 위한 무반사 코팅층을 형성하는 단계; 외부와의 전기적 접속을 위한 메탈 전극을 형성하는 단계; 및 내부로 입사된 광이 back side에서 반사되는 광을 재흡수하기 위한 요철을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 무반사 코팅막을 통과한 광입자를 모아 전기적 신호로 변환하는 과정에서 누수되는 광입자를 반사하여 전기적 신호로 사용할 수 있다.
도 1a는 본 발명에 의한 코팅막 및 백 사이드 미러패턴이 구비된 것을 보여주는 도면.
도 1b는 본 발명에 의한 Back side mirror pattern이 적용된 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 실리콘 포토다이오드의 분광감응도 특성 그래프
도 3은 식각에 의해 미러 코팅에 형성된 요철
도 4는 일반적인 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면
도 5는 미러코팅을 적용한 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면
도 6 요철이 형성된 미러코팅을 적용한 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면
도 7은 N 채널 스토퍼가 형성된 상태를 나타내는 도면
도 8은 P 가드링이 형성된 상태를 나타내는 도면
도 9는 p 타입의 활성영역층이 형성된 도면
도 10a은 무반사 코팅층이 형성된 도면이고,
도 10b는 레이터 두께에 따른 반사율이다.
도 11은 Bottom면 식각을 통한 요철 형성 도면
도 12는 요철이 형성된 미러코팅을 적용한 도면
도 13은 반사 상태를 보여주는 도면
도 14는 기판두께에 따른 광 흡수율
도 1b는 본 발명에 의한 Back side mirror pattern이 적용된 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 실리콘 포토다이오드의 분광감응도 특성 그래프
도 3은 식각에 의해 미러 코팅에 형성된 요철
도 4는 일반적인 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면
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도 10b는 레이터 두께에 따른 반사율이다.
도 11은 Bottom면 식각을 통한 요철 형성 도면
도 12는 요철이 형성된 미러코팅을 적용한 도면
도 13은 반사 상태를 보여주는 도면
도 14는 기판두께에 따른 광 흡수율
이하, 본 발명에 의한 광검출 소자 및 그 제조방법을 첨부도면에 예시한 바람직한 실시 예에 따라서 상세히 설명한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 실질적으로 동일한 내용에 대해서는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접촉"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접촉"된 경우에도 같은 기술적 사상으로 이해되어야 할 것이다.
또한 어떤 구성 요소가 구비, 형성 또는 구성된다고 기재된 경우, 특별하게 정의를 내리지 않는 한 실질적으로 같은 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1a는 본 발명에 의한 코팅막 및 백 사이드 미러패턴이 구비된 것을 보여주는 도면이고, 도 1b는 본 발명에 의한 Back side mirror pattern이 적용된 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도면에 나타난 바와 같이, 포토다이오드 (16); 상기 포토다이오드 일측에 구비되는 코팅막(15); 및 상기 코딩막에 대향되어 구비되는 백사이드 미러패턴 (17);을 구비하고, 실리콘 기판에 800도 이상에서 산소를 실리콘 기판 표면과 화학 반응을 시켜, n+영역과 P+영역의 절연을 위해 실리콘 산화막을 형성 후 실리콘 기판의 내부에 고농도 불순물을 도핑하는 단계; 고농도 n+ 영역을 활성층 주변에 도핑하여 가드링을 형성하는 단계; 광흡수율을 높이기 위한 무반사 코팅층을 형성하는 단계;
외부와의 전기적 접속을 위한 메탈 전극을 형성하는 단계; 및 내부로 입사된 광이 back side에서 반사되는 광을 재흡수하기 위한 요철을 형성하는 단계;를 포함하여 제조한다.
실리콘 기판에 800도 이상에서 산소를 실리콘 기판 표면과 화학 반응을 시켜, n+영역과 P+영역의 절연을 위해 실리콘 산화막을 형성 후 실리콘 기판의 내부에 고농도 불순물을 도핑하는 단계 (도1-6); 고농도 n+ 영역을 활성층 주변에 도핑하여 가드링을 형성하는 단계(도1-2); 광흡수율을 높이기 위한 무반사 코팅층을 형성하는 단계(도1-5); 외부와의 전기적 접속을 위한 메탈 전극을 형성하는 단계(도1-1); 내부로 입사된 광이 back side에서 반사되는 광을 재흡수하기 위한 요철을 형성하는 단계(도1-4)를 포함한다.
도 2는 실리콘 포토다이오드의 분광감응도 특성 그래프이다.
도면에 나타난 바와 같이, 일반적인 실리콘 포토다이오드의 경우 400nm~1100nm 파장대역의 빛을 흡수하며, 940nm 이상의 파장대부터 흡수율이 급격히 떨어진다.
도 3은 식각에 의해 미러 코팅에 형성된 요철이다.
Wet etching에 의해 형성된 요철 (도3-7); Dry etching에 의해 형성된 요철(도3-8)이다.
Wet etching법을 사용, 실리콘(Si)의 경우 분해되는 속도가 결정방향에 의존하여 요철을 형성,
Si + 4HNO3 -> SiO2 + 2H2O + 4NO2
반응식 SiO2 + 6HF -> H2SiF6 + 2H2O
형성된 요철에 반사율이 높은 물질로 미러 코팅을 하는 방법(도3-7)과 반사율이 높은 물질로 미러코팅을 먼저하고, 반응성 Gas 입자의 plasma 상태를 이용하여 화학적, 물리적 반응으로 막질을 식각하는 방법(도3-8)
도 4는 일반적인 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
반사 방지막 (도4-9); 실리콘 포토다이오드(도4-10); back metal 전극(도4-11)이다.
입사된 광에 대해 적외선 영역은 40%만 흡수되고, 나머지 60%는 Back metal에 의해 흡수(도 4-11)가 되어 광흡수효율이 낮다.
도 5는 미러코팅을 적용한 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
무반사 코팅막 (도5-12);
실리콘 포토다이오드(도5-13);
back side mirror 코팅(도5-14)
미러코팅을(도 5) 적용한 포토다이오드의 경우 미러에 의해 입사된 광이 반사되어 나머지 40%만 포토다이오드 외부로 탈출한다.
도 6 요철이 형성된 미러코팅을 적용한 포토다이오드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
무반사 코팅막 (도6-15); 실리콘 포토다이오드(도6-16); back side mirror pattern (도6-17)
요철을 형성한 경우 요철에 의해 반사될 때 반사각이 달라지게 되며 이로 인하여 포토다이오드의 내부로 입사되어 back side mirror pattern에서 반사된 40% 중 포토다이오드의 표면에서 25% 내부 전반사를 일으켜 재입사된다.
도 7은 N 채널 스토퍼가 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
N 채널 스토퍼 (도7-20); n+ 전도타입의 반도체 층 (도7-21); n- Type 고저항 기판에 N 채널 스토퍼를 형성된 상태를 나타내는 도면으로 인(phosphorus) 등의 n+ 소스를 확산시켜 도7-20과 같이 N 채널 스토퍼를 형성한다.
도 8은 P 가드링이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
p 타입 소스를 주입하기 위하여 상기 산화물 층을 에칭하고, 에칭된 부분에 p 타입 소스를 주입하여 p 가드링을 형성, 이 때 주입 영역 이외의 부분은 실리콘 산화물층을 형성하여 p타입 소스가 확산되는 것을 방지함, 실리콘 산화물층의 전체 두께는 약 100nm~400nm 사이의 두께로 형성한다.
도 9는 p 타입의 활성영역층이 형성된 도면이다.
p타입 활성영역층(도9-24); 붕소 등의 p 타입 소스를 주입하기 위하여 산화물 층의 중간부를 에칭하고 implantation 방법을 사용하여 p타입 활성 영역층을 형성한다. p 타입 소스를 주입하는 방법으로는 implant를 사용하여 붕소 등을 주입하는 방법과 Poly Boron Film 박막층을 형성 한 후 열처리를 진행하는 방법 등이 있으나, 접합깊이(junction depth)를 용이하게 조절하기 위해서 implant 방법을 사용하는 것이 좋다.
도 10a은 무반사 코팅층이 형성된 도면이고,도 10b는 레이어 두께에 따른 반사율 1060nM이고, 도 10b는 레이터 두께에 따른 반사율이다.
TOP metal 전극(도10-25); 무반사 코팅층(도10-27); Bottom metal (도10-28);
Si3N4/SiO2 이중 레이어로 1060nm에서 반사율을 최소화하기 위한 무반사 코팅층을 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chenical Vapor Deposition)을 이용하여 증착(도10-27), 무반사 코팅층의 일부를 제거하여, 도 10-25와 같이 메탈 전극을 형성함, 메탈 전극은 Al 또는 TiW 등을 사용하여 1000nm 이하로 증착한다.
도 11은 Bottom면 식각을 통한 요철 형성 도면이다.
요철 형성 (도11-29); Wet etching 또는 Dry etching를 이용하여 요철을 형성, 형성된 요철은 20도~70도 사이의 경사각을 가진다.
도 12는 요철이 형성된 미러코팅을 적용한 도면이다.
요철이 형성된 백사이드 미러 코팅 (도12-30); 형성된 요철에 미러 코팅을 적용하는 단계이며, Al, Ag, Au, Cr-Au aloy, NiV-Ag aloy 중의 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 형성된 요철로 인하여 입사된 광이 반사가 되어 광경로가 길어지게 되며, 1000nm~1100nm 파장대의 빛의 흡수 효율이 좋아진다.
도 13은 반사 상태를 보여주는 도면이다.
전반사 조건 : n1 sin1 = n2 sin2
굴절률이 (n1, n2) 서로 다른 두 매질에 맞닿아 있을 때 매질을 통과하는 빛의 경로는 매질마다 광속이 다르므로 휘게 되는데, 그 휜 정도를 빛의 입사 평면 상에서 각도로 표시하면 1과2 가 된다. 이때, 빛이 투과되지 않고 반사되어 전달되기 위한 최소의 필요각을 임계각이라 하는데, 입사각이 임계각보다 크면 2번째 매질로 입사한 빛은 첫 번째 매질로 재입사하게 되며, 이를 전반사라고 한다.
도 14는 기판두께에 따른 광 흡수율이다.
기판의 두께가 두꺼울수록 장파장 영역에서 흡수율이 올라감, Absorption coefficient 및 Penetration depth는 입사광 63%가 흡수되는 깊이를 나타냄. 높은 광감응도를 위해서는 기판의 두께를 늘리던지, 광경로를 길게 가져가야함. 하지만 기판 두께가 두꺼울수록 응답속도가 느려지는 단점이 발생된다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 고감도 광센서에 사용될 포토다이오드의 제조에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 무반사 코팅막을 통과한 광입자를 모아 전기적 신호로 변환하는 과정에서 누수되는 광입자를 반사하여 전기적 신호로 사용하기 위해 요철형태의 백사이드 미러 패턴을 구비하는 광검출 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
15 : 무반사 코팅막
16 : 포토다이오드
17 : 백사이드 미러패턴
16 : 포토다이오드
17 : 백사이드 미러패턴
Claims (7)
- 포토다이오드;
상기 포토다이오드 일측에 구비되는 코팅막; 및
상기 코딩막에 대향되어 구비되는 백사이드 미러패턴;을 구비하고,
실리콘 기판에 800도 이상에서 산소를 실리콘 기판 표면과 화학 반응을 시켜, n+영역과 P+영역의 절연을 위해 실리콘 산화막을 형성 후 실리콘 기판의 내부에 고농도 불순물을 도핑하는 단계;
고농도 n+ 영역을 활성층 주변에 도핑하여 가드링을 형성하는 단계;
광흡수율을 높이기 위한 무반사 코팅층을 형성하는 단계;
외부와의 전기적 접속을 위한 메탈 전극을 형성하는 단계; 및
내부로 입사된 광이 back side에서 반사되는 광을 재흡수하기 위한 요철을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자 및 그 제조방법.
- 포토다이오드의 제조방법에 있어서,
n형 반도체 기판 상에 반도체 기판보다 높은 불순물 농도를 갖는 n형 반도체 층 및 P형 반도체 층을 갖는 반도체 소자; 및
상기 상기 기판용 반도체 층에 1.06um~1.07um 파장대에서 무반사 코팅층이 형성되는 반도체 소자. - 제 2항에 있어서, 무반사 코팅층은 SiO2 또는 SiN로 형성되는 반도체 소자.
- 제 2항에 있어서, 실리콘 기판의 하단 면에 Cr-Au, NiV-Ag 코팅하는 것을 특징으로하는 포토 다이오드.
- 제 2항에 있어서, 제 2항에 있어서, 실리콘 기판의 백사이드 면에 요철 모양으로 형성되는 포토다이오드.
- 제 5항에 있어서, 상기 형성된 요철 면은 20도~70도의 경사로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
- 제 6항에 있어서, 상기 형성된 요철 면은 두께가 10nm ~ 1,000nm인 것을 특징으로 하는 포토다이오드
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|---|---|---|---|---|
| CN112582495A (zh) * | 2020-12-03 | 2021-03-30 | 无锡中微晶园电子有限公司 | 红外增强型硅基光电探测器 |
-
2016
- 2016-10-27 KR KR1020160141076A patent/KR20180046161A/ko not_active Application Discontinuation
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| CN112582495B (zh) * | 2020-12-03 | 2024-04-09 | 无锡中微晶园电子有限公司 | 红外增强型硅基光电探测器 |
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