KR20210070016A - 수광반도체 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수광반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 반도체 기판의 상부에 매립된 p형 매립층과, 상기 p형 매립층의 상부 일부에 접하도록 위치하는 제1고농도 p형 이온주입층과, 상기 제1고농도 p형 이온주입층의 상부측에서 저농도 p형 에피층을 사이에 두고 위치하는 제2고농도 p형 이온주입층과, 상기 제2고농도 p형 이온주입층의 상부에 접하는 제1고농도 n형 이온주입층을 포함하는 애벌런치 광다이오드와, 상기 제2고농도 p형 이온주입층과는 수평방향으로 이격되어 상기 저농도 p형 에피층에 위치하는 제3고농도 p형 이온주입층과, 상기 제3고농도 p형 이온주입층의 상부에 접합과 아울러 상기 제3고농도 p형 이온주입층보다 넓은 면적의 제2고농도 n형 이온주입층을 포함하여 상기 애벌런치 광다이오드와 직렬 연결되는 제너다이오드와, 상기 광다이오드와 제너다이오드 둘레에서 상부로부터 상기 p형 매립층까지 이르는 제1트렌치 소자격리 구조들을 포함한다.

Description

수광반도체 소자 및 그 제조방법{Light receiving semiconductor device and manufacturing method thereof}
본 발명은 수광반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 자기보정 및 정전기 방호 기능을 가지는 수광반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상 애벌런치 광다이오드(avalanche photo diode, APD)는 광을 전기적 에너지로 변환시켜주는 광통신용 수광소자로서, 광 증배 효과에 의한 높은 이득을 갖는 특징이 있다.
광 증배(photo multiplication) 작용은 2차적인 캐리어를 생성하여 효율을 높일 수 있으며, 하나의 입사 광자에 대해 수십 수백개의 전자-정공 쌍을 생성하여 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나 높은 역바이어스 전압이 요구되며, 가격이 비싸고 온도 변화에 민감한 단점도 함께 가지고 있다.
종래 APD에 대하여 미국특허 4,840,916호(K. Yasuda, Y. Kishi, “Process for Fabricating an Avalanche Photodiode”Jun. 20, 1989, 이하 선행문헌1이라 약칭함)에는 광흡수층과 광증폭층을 에피성장한 다음 광증폭층을 메사식각하고 다시 에피층을 에피성장하는 방식의 제조방법을 기재하고 있다. 그 후에 메사의 상부에 이온주입을 하여 p-n접합이 형성한다.
선행문헌1의 경우 에피성장과 메사식각을 이용하여 활성층을 국부적으로 제한하여 전류의 집속을 유도한다.
다만, 메사식각으로 인한 계면결함의 발생, 에피층의 재성장의 완벽한 구조형성의 기술은 실질적으로 매우 난해한 기술적 수준을 요구한다. 따라서 재현성과 신뢰성과 균일성을 확보하는데 상당한 수준의 어려움이 있다.
선행문헌2는 공개특허 10-2012-0124559호(실리콘 광전자증배관의 트랜치 가드링형배관, 2012년 11월 14일 공개)이며 매우 일반적인 APD 구조에 트렌치 가드링을 배치하여 주변과의 전기적 아이솔레이션(isolation)을 추가하여, 누설전류나 잡음의 간섭을 최소화하려는 효과에 대해 제시하였다.
선행문헌2의 경우 트렌치 소자격리를 채용하는 구조를 제시했는데, 트렌치의 반도체-산화막 계면의 유효면적이 증가하여 오히려 계면상태가 많이 존재하게 되고, 트랩현상이 증가하여 열 잡음(thermal noise)이나 플리커 잡음(flicker noise)의 발생원인을 제공하게 된다.
또한, 트렌치공정에 인가되는 플라즈마 식각 및 산화막 형성과정이 결함의 주입 및 잔류응력에 원인이 될 수 있다.
다른 선행문헌으로서 미국등록특허 3,886,579호(Avalanche Photodiode, Jul. 24, 1973, 선행문헌3)은 종래의 일반적인 APD 소자구조에서 에피층을 성장하고 이후 메사 소자격리를 채용한하는 구조를 제안하였다.
선행문헌3의 경우 화합물반도체를 이용하는 APD 소자에 통상적으로 사용하는 구조 및 제작방법에 해당된다.
메사에 의한 소자격리는 플래너(planar) 구조에 비해 집적도가 낮다. 또한 메사의 계면이 존재하고 전계가 인가되면 계면상태와 산화막-반도체 사이에 존재하는 트랩에 의한 영향을 소자의 특성에 영향을 미치게 된다.
또 다른 선행문헌으로서 미국특허 4,463,368호(Silicon Avalanche Photodiode with Low Keff, Jul. 31, 1984, 선행문헌4)에는 기판의 뒷면에 p-n접합을 형성시키고 광신호가 기판의 상부에서 입사되는 구조로 Keff를 감소시킨 특성을 제안하였다.
선행문헌4의 경우 기판의 하단부 뒷면에 p-n접합에서 애벌런치(Avalanche) 증폭을 유발시키며, 기판의 상단부를 통하여 광신호가 입사되므로 광주입 효율이 높을 것으로 알려져 있다. 최근에 유사하게 CMOS 이미지 센서에서도 이렇게 기판의 윗면과 뒷면을 사용하는 기술이 유용하게 사용되고 있다.
다만, 인자전압이 높을 때 전계의 집속형상과 이득을 안정하게 얻는 방식이나 구조에 대한 제안은 포함되어 있지 않다.
다른 선행문헌으로서, 『Y, Kang, M. Zadka, S. Liski, G. Sarid, J. Campbell, A. Pauchard, “Epitaxially grown Ge/Si Avalanche Photodiodes for 1.3um Light Detection,” Optics Express, Vol 16, No. 13, p. 93091 (Jun. 23, 2008), 이하 선행문헌5』에는 Ge/Si의 다층 에피성장을 하고 메사식각을 하여 고속광통신의 응용을 목적으로 1.3um 파장용 APD 소자를 제작하여 평가하였다.
선행문헌5에는 이득x밴드폭이 153GHz이고, 3dB 밴드폭은 10GHz에 달하는 특성을 가지는 APD 소자에 대해 기재하고 있다.
종래의 발표된 논문인 『I. Wegzecka, M. Wegrzecki, M. Crynglas, T. Budzynski, “Design and properties of si avalanche photodiode,” Opto-Electronics Review, 12(1), pp. 95-104(2004)』에는 통상적인 Si APD 소자구조에서 고이득, 저잡음, 고감도를 위한 소자구조에 대해 논하였다.
다른 논문으로 『L. Pancheri, G.F. Dalla Betta, D. Stoppa, “Low noise avalanche photodiode with graded junction in 0.15 um CMOS Technology,”IEEE Electron Device Lett. Vol. 35, No. 5, P. 566 (2014)』에는 Si CMOS 공정을 이용한 애벌런치 광다이오드(Avalanche photodiode)에 대하여 기재하고 있다. 청색광에 대해 노이즈 F=6, 이득 M=50, 극적외선에서 F=12, M=50인 특성을 제시하였다. 이러한 결과는 선형적인 접합의 도핑을 통하여 Hayat의 데드 스페이스(dead-space) 모델을 통해 해석되었다.
또 다른 논문으로 『M. Huang, S. Li, P. Cai, G. Hou, T. Su, W. Chen, C. Hong, D. Pan, “Germanium on Silicon Avalanche Photodiode,” IEEE of elective topics in quantum electronics, Vol. 24, No. 2, Mar/April(2018)』이 있다.
고이득의 위치에 감응하는 Ge-on-Si APD 구조를 제시하고 에피성장 기술을 동원하여 제작하여 평가하였다. 1310nm 파장, 25Gbps의 동작에서 -23.5 dBm의 감도(sensivity)를 보였다. Ge 에피층을 Si 기판에 성장하여 고속동작은 물론 장파장 광에 대한 감도를 높이는 효과를 보였다.
상술한 바와 같이, 종래의 기술들은 기존에 알려진 여러 가지 문제점을 소자구조와 I-V특성에서 비교적으로 확인할 수 있다. 상술된 종래기술과 같이 APD 소자에 대해 다양한 구조가 제안되어 성능이 발전 되어 왔으나, 누설전류, 잡음지수, 이득, 항복전압 등에 대해 매우 한정되어 있다.
누설전류의 제어는 잡음 지수를 최소화하는데 영향을 미치며, 온도계수의 조절은 항복전압의 구역을 안정하게 가져가는데 중요하다.
수광 특성인 이득은 기본적으로 높아야 하지만 넓은 전압에서 동작하고, 동작온도에 의해 변화하는 폭은 가능한한 작게 유지해야 한다.
특히 APD를 사용하는 환경에 의한 온도의 변화 내지는 자체발열에 의한 온도의 변화에 의해 APD 소자의 이득은 크게 변동하므로 소자구조의 적절한 설계를 통해 온도의존성을 완화해주어야 한다. 따라서 수광 효율이 높으면서 더욱 안정하게 제어하며 동작할 수 있으며 온도와 같은 주변 환경의 변화에도 변화가 적고 다양한 전압의 영역에서도 동작하는 우수한 소자의 개발이 요구된다.
이와 같이 종래의 기술은 여러 가지 특징을 제안하고 있지만, 기본적으로 이득 성능을 제어하고 안정성을 월등하게 개선하는데 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로 주변 온도 및 자체 발열 그기로 인가전압에 대해 완만하고 안정적인 동작을 할 수 있는 수광반도체 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
아울러 본 발명의 다른 과제는, LiDAR 등과 같이 고속, 고성능, 장거리 센서용으로 적용하기 위해 동작속도, 고감도, 저잡음, 온도 안정성을 개선한 수광반도체 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 수광반도체 소자는, 반도체 기판의 상부에 매립된 p형 매립층과, 상기 p형 매립층의 상부 일부에 접하도록 위치하는 제1고농도 p형 이온주입층과, 상기 제1고농도 p형 이온주입층의 상부측에서 저농도 p형 에피층을 사이에 두고 위치하는 제2고농도 p형 이온주입층과, 상기 제2고농도 p형 이온주입층의 상부에 접하는 제1고농도 n형 이온주입층을 포함하는 애벌런치 광다이오드와, 상기 제2고농도 p형 이온주입층과는 수평방향으로 이격되어 상기 저농도 p형 에피층에 위치하는 제3고농도 p형 이온주입층과, 상기 제3고농도 p형 이온주입층의 상부에 접합과 아울러 상기 제3고농도 p형 이온주입층보다 넓은 면적의 제2고농도 n형 이온주입층을 포함하여 상기 애벌런치 광다이오드와 직렬 연결되는 제너다이오드와, 상기 광다이오드와 제너다이오드 둘레에서 상부로부터 상기 p형 매립층까지 이르는 제1트렌치 소자격리 구조들을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 수광반도체 소자 제조방법은, a) p형 매립층이 형성된 반도체 기판의 상부 전면에 제1저농도 p형 에피층을 성장시키고, p형 이온을 고농도로 주입하여 상기 p형 매립층의 일부에 접하는 제1고농도 p형 이온주입층을 형성하는 단계와, b) 상기 제1저농도 p형 에피층의 상부에 제2저농도 p형 에피층을 성장시키고, 제2저농도 p형 에피층에 p형 이온을 고농도로 주입하여 상기 제1고농도 p형 이온주입층의 상부측에 이격되어 위치하는 제2고농도 p형 이온주입층을 형성함과 아울러 상기 제2고농도 p형 이온주입층과는 수평방향으로 이격된 제3고농도 p형 이온주입층을 형성하는 단계와, c) n형 이온을 고농도로 주입하여 상기 제2고농도 p형 이온주입층과 제3고농도 p형 이온주입층 각각의 상부에 제1고농도 n형 이온주입층과 제2고농도 n형 이온주입층을 형성하는 단계와, d) 상기 제1고농도 n형 이온주입층과 제2고농도 n형 이온주입층의 둘레에 상기 p형 매립층까지 이르는 트렌치를 형성하고, 산화막 및 폴리실리콘을 증착하여 제1트렌치 소자 격리구조를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명 수광반도체 소자 및 그 제조방법은, 다수의 에피층 구조를 사용하며 상호 직렬 연결되는 애벌런치 광다이오드와 다이오드를 동시에 형성함으로써, 수광반도체 소자의 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 애벌런치 광다이오드와 다이오드의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)의 방향이 서로 반대인 상태에서 직렬 연결하도록 함으로써 온도계수를 상쇄시켜 자기 보정의 기능을 제공할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명은 애벌런치 광다이오드와 다이오드 각각의 애노드와 캐소드를 반대 방향에 위치하도록 함으로써, 수광동작시 역방향 누설전류를 낮게 유지할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명은 애벌런치 광다이오드와 다이오드가 직렬연결되고, 트렌치에 의해 액티브 면적을 최소화함으로써, 정전용량이 최소화되어 동작속도를 높일 수 있는 효과가 있다.
마지막으로, 제너 다이오드를 집적하여 정전기에 대한 내성을 강화할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수광반도체 소자의 제조공정 수순 단면도이다.
도 11 내지 도 14는 각각 본 발명과 종래 수광반도체 소자의 특성 비교 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수광반도체 소자의 구성도이다.
이하, 본 발명 수광반도체 소자 및 그 제조방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되지 않음은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수광반도체 소자의 제조공정 수순 단면도이다.
이를 참조하면 도 1에 도시한 바와 같이 에서 고농도의 n형으로 불순물이 도핑된 반도체 기판(101)에 산화막(102)을 성장하고 이어서 광리소그래피를 이용해 p형 매립(buried)층(103)을 이온주입으로 형성한다.
이때 반도체 기판(101)에 도핑되는 n형 불순물의 농도는 1014 내지 1016cm-3 를 사용한다.
또한, p형 매립층(103)의 형성은 p형 불순물의 이온을 1015 내지 1017cm- 2으로 주입하여 고농도로 형성한다.
그 다음, 도 2에 도시한 바와 같이 표면의 산화막(102)을 제거하고 저농도 p형 에피층(104)을 성장시킨다.
그 다음, 광리소그래피와 이온주입으로 고농도 p형 이온주입층(105)을 국부적으로 형성한다.
상기 고농도 p형 이온주입층(105)은 상기 p형 매립층(103)의 상부에 위치하는 것으로 한다. 고농도 p형 이온주입층(105)은 광흡수층으로 사용되며, 두께는 3~60μm, 도핑농도는 1012~1016cm-3 수준에서 응용분야의 요구사양에 따라 조절될 수 있다. 고농도 p형 불순물의 이온주입 농도는 1015 내지 1017cm- 2이 되도록 한다.
장파장의 광을 최대한 많이 흡수해야 하는 사양의 경우 에피층의 두께는 30~60μm로 두꺼운 상태를 이용하며, 일반 센서용으로 3~10μm 정도로 이용하여 애벌런치 소자의 응답성(responsivity)과 동작속도를 최적화할 수 있다.
그 다음, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 저농도 p형 에피층(104)과 상기 고농도 p형 이온주입층(105)의 상부 전면에 광흡수용 저농도 p형 에피층(106)을 성장시킨다. 여기에서 광흡수용 저농도 p형 에피층(106)의 두께는 2~30 um, 도핑농도는 1012~1016cm-3 수준에서 응용분야의 요구사양에 따라 조절할 수 있다.
그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 저농도 p형 에피층(106)의 상부전면에 산화막(107)을 성장시키고, 상기 저농도 p형 에피층(106)에 p형 이온주입층(108, 109)을 이온주입으로 형성한다.
이때 APD 소자 영역의 p형 이온주입층(108)은 상기 고농도 p형 이온주입층(105)의 상부측에 위치하도록 하며, 다이오드 소자 영역의 p형 이온주입층(109)은 p형 이온주입층(108)과는 이격된 위치에 형성한다.
상기 APD 소자 영역의 p형 이온주입층(108)은 흡수된 광에 의해 발생된 전자 전공 쌍(electron-hole pair(EHP))에서 전자(electron)를 집속하여 모으는 역할을 한다.
여기서 p형 이온주입층(108)의 도핑농도는 1016~1018cm-3 수준으로 접합깊이가 100~500nm 수준에서 응용제품의 요구사양에 따라 조절할 수 있다.
APD 소자로 입사되는 스트래이 광(stray light)에 의한 노이즈 성분에 비하여 수직으로 입사되는 광신호에 의한 EHP를 집속하여 신호대 잡음(S/N)비를 높일 수 있다.
그 다음, 도 5와 같이 고농도 n형 이온주입공정을 통하여 APD 영역에 고농도 n형 이온주입층(110)과 다이오드 소자영역에 고농도 n형 이온주입층(111)을 각각 형성한다.
상기 고농도 n형 이온주입층(110)은 p형 이온주입층(108)에 접하도록 형성되며, 고농도 n형 이온주입층(111)은 p형 이온주입층(109)에 접하되 p형 이온주입층(109)에 비하여 더 넓은 면적으로 형성한다.
n형 이온주입층(110,111)들을 형성하기 위한 이온의 에너지는 80keV이하로 낮게 제어한다. 이렇게 APD 영역에 형성된 고농도 n형 이온주입층(110)은 하단부의 고농도 p형 이온주입층(108)과 접하여 p-n 접합이 형성되어 운반자의 증폭이 일어나는 가장 중요한 부분을 형성하게 된다.
여기에서 고농도 n형 이온주입층(110)의 n형 불순물 주입에 의해 형성되는 도핑농도는 1018 ~ 1020cm-3 수준으로 조절한다.
또한, 다이오드 영역에 형성된 고농도 n형 이온주입층(111)은 하단부의 고농도 p형 이온주입층(109) 및 고농도 p형 에피층(106)과 접하여 p-n 접합이 형성되며, 제너(Zener) 동작이 일어나는 영역을 형성하게 된다.
여기에서 n형 이온주입층(111)의 n형 불순물 주입에 의해 형성되는 도핑농도는 1019 ~ 1020cm-3 고농도 수준에서 조절될 수 있다.
그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 상기 산화막(107)의 표면으로부터 p형 매립층(103)까지 연결되는 제1트렌치 소자격리 구조들(112)을 형성한다. 제1트렌치 소자격리 구조들(112)은 APD 소자영역과 제너 다이오드인 다이오드 영역을 구분하는 것으로 상기 고농도 n형 이온주입층(110,111)들의 둘레에 가깝게 형성되는 것이 바람직하다.
소자를 위한 절연막으로 트렌치에 실리콘 산화막(SiO2)을 주로 이용하고 박막의 두께는 100~200nm로 조절한다. 트렌치의 내부에는 폴리실리콘(poly-Si)을 증착하고 채움으로써 소자격리를 이룬다. 트렌치 형성에 있어서 열처리를 하여 반도체-산화막 계면에 존재하던 결함을 제거한다.
제1트렌치 소자격리 구조들(112)을 형성하기 위한 식각공정에 표면에 생성된 결함은 누설전류의 통로가 되므로 습식식각 및 열처리를 통하여 제거되어야 한다.
그 다음, 도 7에 도시한 바와 같이 상기 기판(101)까지 연결되는 제2트렌치 소자격리 구조들(113)을 형성한다. 도 6의 제1트렌치 소자격리 구조들(112)과 마찬가지로 소자를 위한 절연막으로 산화막을 주로 이용하고 박막의 두께는 100~200nm로 조절한다. 또한, 마찬가지로 트렌치의 내부에는 폴리 실리콘을 증착하고 채움으로써 소자격리를 이룬다.
그 다음, 도 8에 도시한 바와 같이 상기 산화막(107)의 일부를 제거하여 상기 고농도 n형 이온주입층(110, 111)들의 상부 일부를 노출시킨다.
그 다음, 금속층(114)을 증착하고 패터닝하여 소자의 금속-반도체 접합을 형성한다.
이때, 상기 APD 영역의 고농도 n형 이온주입층(110)은 입사되는 광의 입사효율을 높이기 위하여 노출된 영역 전체가 금속층(114)과 접하며, 다이오드 영역의 고농도 n형 이온주입층(111)은 노출된 영역의 둘레에만 금속층(114)이 형성되도록 한다.
상기 금속층(114)으로는 Ti, Ni, Al, Pt, Au 등으로 단일층 내지는 다수의 금속을 증착하여 사용할 수 있다.
그 다음, 도 9에 도시한 바와 같이 입사된 광의 반사를 줄여서 흡수효율을 높이기 위한 광반사 방지막(115)을 상기 도 8에 도시한 구조의 상부 전면에 형성한다. 이때 광반사 방지막(115)은 유전체 박막으로 ARC(Anti-reflection coating)를 증착하여 형성할 수 있다. 광의 입사효율을 높이는 광반사 방지막(115)용 절연막으로 SiO2 내지는 Si3N4와 같은 유전체박막을 주로 이용하고 박막의 두께는 입사효율이 최대가 되도록 100~300nm 수준에서 조절할 수 있다.
그 다음, 도 10에 도시한 바와 같이 금속선 연결을 위한 패드를 형성하기 위하여 광사진전사 및 식각공정으로 상기 광반사 방지막(115)의 일부를 제거하여, 상기 금속층(114)을 선택적으로 노출시킨다.
이와 같은 공정을 통해 본 발명은 제너 다이오드와 APD를 포함하는 수광반도체 소자를 제조할 수 있다.
그리고 이후의 제조공정으로는 안정화 열처리 등의 단계가 있으나, 이후 공정에는 과거로부터 사용되는 통상적인 공정기술을 이용하므로 이에 대한 상세한 설명을 여기에는 기록하지 않기로 한다.
도 11은 종래 수광반도체 소자와 본 발명의 수광반도체 소자의 비교예시도이다.
도 11의 (a)는 종래 수광반도체 소자의 단면 및 등가회로이며, 이에 도시한 바와 같이 종래 수광반도체 소자는 애벌런치 광다이오드만을 사용한 구조이다.
본 발명에서는 도 11의 (b)와 같이 애벌런치 광다이오드와 제너다이오드를 동시에 형성하고, 이를 직렬 연결함으로써 다양한 효과를 얻을 수 있다.
이때 애벌런치 광다이오드(APD)와 제너다이오드(Zener)는 캐소드(C)와 애노드(A)의 방향이 서로 반대가 되도록 직렬 연결되어, 온도계수를 상쇄시켜 자기 보정의 기능을 제공할 수 있으며, 수광동작시 역방향 누설전류를 낮게 유지할 수 있다.
아울러, 애벌런치 광다이오드와 다이오드가 직렬연결되고, 트렌치에 의해 액티브 면적을 최소화함으로써, 정전용량이 최소화되어 동작속도를 높일 수 있으며, 제너다이오드의 사용으로 정전기에 대한 내성을 강화할 수 있다.
도 12는 본 발명의 수광반도체 소자와 종래 수광반도체 소자의 역방향 전류 전압 특성 그래프이다.
도 12를 참조하면 종래기술(PA)과 본 발명(TA)의 역방향 I-V특성은 저온(LT)과 고온(HT) 환경에서 차이가 발생하게 된다.
종래기술은 TC(Temperature Coefficient=△V/△T)가 큰데 반하여 본 발명의 경우 TC가 작은 자기 보정(self-compensation) 효과를 보인다.
따라서 본 발명은 TC 변화에 대한 온도보상 회로가 더욱 간단하고 정밀해지는 효과를 얻게 된다.
더불어서 저전압의 선형동작 영역에서 본 발명의 소자는 더 낮은 누설전류 특성으로 동작하므로 소자의 감도 및 신호 잡음비 특성이 향상된다.
도 13은 본 발명의 수광반도체 소자와 종래 수광반도체 소자의 역방향 커패시턴스-전압 특성 그래프이다.
도 13에 도시한 바와 같이 종래기술(PA)의 수광반도체 소자는 n-p 접합에서 정전용량이 일정한 크기 이상이 되며, 본 발명에서는 APD와 제너다이오드가 직렬 배치되어 정전용량이 절반 이하로 감소하게 된다.
이러한 정전용량의 감소는 고속동작에 대한 성능 개선에 매우 중요한 작용을 하며, 노이즈 성분을 감소시키는 효과도 나타낸다.
도 14는 본 발명의 수광반도체 소자와 종래 수광반도체 소자의 역방향 이득 특성 그래프이다.
도 14를 참조하면 종래 수광반도체 소자는 항복구간에서 빠르게 이득(M)이 증가하며, 본 발명은 완만한 증가 특성을 나타낸다.
이러한 차이는 APD에 직결된 제너다이오드의 포워드 전류 전압 특성이 부가되어 나타나는 것이다.
따라서 본 발명은 전압대비 이득의 변동폭이 감소하게 되며, 소자 구동의 안정성을 향상시킬 수 있다. 본 발명은 일정한 이득을 유지하기 위한 역방향 전압으 제어가 용이하며, 빠르게 동작하는 신호를 정확하게 검출하는데 유리하다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예의 구성도 및 등가회로도이다.
도 15를 참조하면 APD와 업다이오드(UD), 다운다이오드(DD) 및 제너다이오드(Zener)를 집적한 예이며, 다운다이오드는 온도보정 및 정전용량 감소를 제공하고, 업다이오드와 제너다이오드는 정전용량 감소 및 정전기 내성을 강화하는 효과를 제공할 수 있다.
특히 APD에 병렬 배치되는 업다이오드는 정전용량을 획기적으로 감소시켜 수십 pF이하로 조절함으로써 10GHz 이상의 대역에서 동작하는 조건에서도 손실을 작게 유지할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
101:반도체 기판 102, 107:산화막
103:매립층 104,106:저농도 p형 에피층
105:고농도 p형 이온주입층 108,109:고농도 p형 이온주입층
110,111:고농도 n형 이온주입층 112:제1트렌치 소자격리 구조
113:제2트렌치 소자격리 구조 114:금속층
115:광반사 방지막

Claims (2)

  1. 반도체 기판의 상부에 매립된 p형 매립층과, 상기 p형 매립층의 상부 일부에 접하도록 위치하는 제1고농도 p형 이온주입층과, 상기 제1고농도 p형 이온주입층의 상부측에서 저농도 p형 에피층을 사이에 두고 위치하는 제2고농도 p형 이온주입층과, 상기 제2고농도 p형 이온주입층의 상부에 접하는 제1고농도 n형 이온주입층을 포함하는 애벌런치 광다이오드와,
    상기 제2고농도 p형 이온주입층과는 수평방향으로 이격되어 상기 저농도 p형 에피층에 위치하는 제3고농도 p형 이온주입층과, 상기 제3고농도 p형 이온주입층의 상부에 접합과 아울러 상기 제3고농도 p형 이온주입층보다 넓은 면적의 제2고농도 n형 이온주입층을 포함하여 상기 애벌런치 광다이오드와 직렬 연결되는 제너다이오드와,
    상기 광다이오드와 제너다이오드 둘레에서 상부로부터 상기 p형 매립층까지 이르는 제1트렌치 소자격리 구조들을 포함하는 수광반도체 소자.
  2. a) p형 매립층이 형성된 반도체 기판의 상부 전면에 제1저농도 p형 에피층을 성장시키고, p형 이온을 고농도로 주입하여 상기 p형 매립층의 일부에 접하는 제1고농도 p형 이온주입층을 형성하는 단계;
    b) 상기 제1저농도 p형 에피층의 상부에 제2저농도 p형 에피층을 성장시키고, 제2저농도 p형 에피층에 p형 이온을 고농도로 주입하여 상기 제1고농도 p형 이온주입층의 상부측에 이격되어 위치하는 제2고농도 p형 이온주입층을 형성함과 아울러 상기 제2고농도 p형 이온주입층과는 수평방향으로 이격된 제3고농도 p형 이온주입층을 형성하는 단계;
    c) n형 이온을 고농도로 주입하여 상기 제2고농도 p형 이온주입층과 제3고농도 p형 이온주입층 각각의 상부에 제1고농도 n형 이온주입층과 제2고농도 n형 이온주입층을 형성하는 단계; 및
    d) 상기 제1고농도 n형 이온주입층과 제2고농도 n형 이온주입층의 둘레에 상기 p형 매립층까지 이르는 트렌치를 형성하고, 산화막 및 폴리실리콘을 증착하여 제1트렌치 소자 격리구조를 형성하는 단계를 포함하는 수광반도체 소자 제조방법.
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