KR20220028199A - Structure and Fabrication Method of Photodiode with High Performance at UV-IR Regime - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 400nm 이하의 UV 대역에서 응답성을 개선한 수광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light receiving device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a light receiving device having improved responsiveness in a UV band of 400 nm or less and a method for manufacturing the same.
반도체 수광소자는 기본적으로 p-n 접합을 이루며, 입사광자에 의해 발생하는 반송자의 움직임을 이용하는 것으로, 입사광에 의해 물질의 전기전도도가 변화되는 광전도효과를 이용한다.A semiconductor light-receiving device basically forms a p-n junction, and uses the movement of a carrier caused by an incident photon, and uses the photoconductive effect in which the electrical conductivity of a material is changed by the incident light.
진성반도체를 이용하는 수광소자는 자외역에서 근적외역까지 이득이 있으며, 적외역용으로는 불순물 반도체가 사용되고 있다.Light-receiving elements using intrinsic semiconductors have benefits from ultraviolet to near-infrared, and impurity semiconductors are used for infrared.
이와 같이 반도체 수광소자의 구조나 물성에 따라서 센싱할 수 있는 파장을 조절할 수 있다. In this way, it is possible to adjust the wavelength that can be sensed according to the structure or physical properties of the semiconductor light-receiving device.
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.As a prior art, registered patent No. 10-0595876 (photodiode manufacturing method of image sensor, registered on June 23, 2006, hereinafter abbreviated as Prior Document 1) forms a wave pattern for an image sensor and performs Po ion implantation. The structure and manufacturing method of forming a wave-shaped pn junction are presented.
그러나 웨이브 형태의 전사에 균일성과 재현성의 확보가 쉽지 않은 것으로 예상된다.However, it is expected that it will not be easy to secure uniformity and reproducibility in wave-type transfer.
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. Also, [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), hereafter abbreviated as Prior Document 2] proposes a new type of light-receiving device.
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.Prior Document 2 describes a structure in which an n + layer is formed in a honeycomb shape by ion implantation on the surface. expected to be low.
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.As another paper [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), hereinafter abbreviated as Prior Document 3] describes a structure in which a shallow p layer and a p+ stripe are formed by ion implantation.
그러나 선행문헌3은 도핑농도와 접합깊이에 의한 영향으로 360 nm 이상의 파장대에서는 유용하지만, 350nm 이하의 UV 파장대에서 수광성능이 매우 낮다.However, Prior Document 3 is useful in a wavelength band of 360 nm or more due to the influence of doping concentration and junction depth, but has very low light-receiving performance in a UV wavelength band of 350 nm or less.
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.As described above, in the prior art, in the pn junction to be formed, a depletion region exists at a very deep position of 0.2 μm or more at the bottom of the substrate, so that the responsiveness is severely reduced in the short wavelength (UV) band of 400 nm or less. show limits
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.In the formed p-n junction, the concentration of p-type impurities is high, so carrier recombination (Auger recombination phenomenon) is severe, and since the depletion region is narrow, a large capacitance is applied. There was a disadvantage in increasing the operation speed.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 400nm 이하의 단파장 대역에서 응답성을 향상시킬 수 있는 수광소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.An object of the present invention to be solved in view of the above problems is to provide a light receiving device capable of improving responsiveness in a short wavelength band of 400 nm or less and a manufacturing method thereof.
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.More specifically, the problem to be solved by the present invention is a light receiving element that exhibits high responsiveness in the IR band range from a short wavelength band, and can increase the operation speed by minimizing the capacitance component and the parasitic resistance component, and manufacturing the same to provide a method.
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.A light receiving device according to an aspect of the present invention for solving the above technical problems includes an n-type semiconductor substrate having a concentration of 10 12 to 10 15 cm -3 and the n-type semiconductor substrate formed to a first depth from an upper portion of the semiconductor substrate. A low concentration p-type ion implantation layer having a concentration of 2 to 10 times higher than that of the semiconductor substrate, and a plurality of low concentration p-type ion implantation layers are located from the surface of the low concentration p-type ion implantation layer to a second depth shallower than the first depth, and the low concentration p-type ion implantation layer It may include an intermediate concentration p-type ion implantation layer higher than the concentration of the ion implantation layer.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1깊이는 1 내지 2um이고, 상기 제2깊이는 0.1um 이하일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first depth may be 1 to 2 μm, and the second depth may be 0.1 μm or less.
본 발명의 실시예에서, 상기 중간농도 p형 이온주입층의 농도는 1015~1018cm-3 인 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the concentration of the intermediate concentration p-type ion implantation layer may be 10 15 to 10 18 cm -3 .
본 발명의 실시예에서, 상기 저농도 p형 이온주입층의 둘레에는 제1깊이보다 더 깊은 제3깊이로, n형 불순물이 주입된 가드링을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the periphery of the low-concentration p-type ion-implanted layer may further include a guard ring implanted with an n-type impurity to a third depth greater than the first depth.
본 발명의 실시예에서, 상기 가드링에 연결되는 금속접합층과, 상기 저농도 p형 이온주입층과 상기 중간농도 p형 이온주입층의 상면에 위치하는 반사방지층을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, it may further include a metal bonding layer connected to the guard ring, and an anti-reflection layer positioned on the upper surface of the low-concentration p-type ion implantation layer and the intermediate concentration p-type ion implantation layer.
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.In an embodiment of the present invention, a junction isolation positioned spaced apart from the guard ring from the upper surface of the semiconductor substrate, and a rear surface high concentration n-type ion implantation layer and a rear surface metal adhesive layer sequentially positioned on the rear surface of the semiconductor substrate. can
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.A method for manufacturing a light receiving device according to another aspect of the present invention comprises: a) depositing an insulating layer on an n-type semiconductor substrate having a concentration of 10 12 to 10 15 cm -3 ; b) ions using the insulating layer as a buffer forming a low-concentration p-type ion-implanted layer with a concentration of 2 to 10 times higher than that of the n-type semiconductor substrate from an upper part of the semiconductor substrate to a first depth through an implantation process; c) an ion implantation process; and forming a plurality of intermediate concentration p-type ion implantation layers located from the surface of the low concentration p-type ion implantation layer to a second depth that is shallower than the first depth and higher than the concentration of the low concentration p-type ion implantation layer. can do.
본 발명의 실시예에서, 상기 저농도 p형 이온주입층의 제1깊이는 1 내지 2um이고, 상기 중간농도 p형 이온주입층의 제2깊이는 0.1um 이하일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first depth of the low-concentration p-type ion implantation layer may be 1 to 2 μm, and the second depth of the intermediate concentration p-type ion implantation layer may be 0.1 μm or less.
본 발명의 실시예에서, 상기 중간농도 p형 이온주입층은 p형 불순물이온을 1015~1018cm-3의 농도로 주입하여 형성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the intermediate concentration p-type ion implantation layer may be formed by implanting p-type impurity ions at a concentration of 10 15 to 10 18 cm -3 .
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.In an embodiment of the present invention, the medium-concentration p-type ion implantation layer uses an oxide film having a thickness of 100 to 200 nm on top of the low-concentration p-type ion implantation layer as an ion implantation buffer, and BF 2 + has a low energy of 40 keV or less. It can be formed by injection using a rapid heat treatment machine (RTA) and heat treatment within 30 sec.
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.In an embodiment of the present invention, d) implanting an n-type impurity around the low-concentration p-type ion implantation layer to form a guard ring reaching a third depth greater than the first depth; e) n-type impurity ions forming a junction isolation spaced apart from the circumference of the guard ring by injecting and g) forming a rear surface high concentration n-type ion implantation layer and a rear surface metal layer on the rear surface of the semiconductor substrate.
본 발명의 실시예에서, 상기 고농도 n형 이온주입층은, 상기 반도체 기판에 이온을 주입하여 형성하거나, 상기 반도체 기판을 성장시킨 웨어퍼를 잔류시켜 된 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the high-concentration n-type ion implantation layer may be formed by implanting ions into the semiconductor substrate or by remaining on a wafer on which the semiconductor substrate is grown.
본 발명 수광소자 및 그 제조방법은, 공핍영역의 깊이를 제어하여 400nm 이하, 특히 350nm 이하의 UV 파장 영역에 대한 응답성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The light-receiving device and the manufacturing method thereof of the present invention have the effect of improving the responsiveness to a UV wavelength region of 400 nm or less, particularly 350 nm or less by controlling the depth of the depletion region.
또한, 본 발명은 기생 커패시턴스 및 저항 성분을 제어하여, 응답속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of improving the response speed by controlling the parasitic capacitance and resistance components.
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.1 is a cross-sectional configuration diagram of a light receiving element according to a preferred embodiment of the present invention.
2 to 9 are cross-sectional views illustrating a process for manufacturing a light receiving device according to the present invention.
10 to 13 are graphs comparing the characteristics of the present invention and the prior art.
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.In order to fully understand the configuration and effect of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be embodied in various forms and various modifications may be made. However, the description of the present embodiment is provided so that the disclosure of the present invention is complete, and to fully inform those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, the scope of the invention. In the accompanying drawings, components are enlarged in size than actual for convenience of description, and ratios of each component may be exaggerated or reduced.
'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.Terms such as 'first' and 'second' may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the above terms. The above terms may be used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a 'first component' may be termed a 'second component', and similarly, a 'second component' may also be termed a 'first component'. can Also, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Unless otherwise defined, terms used in the embodiments of the present invention may be interpreted as meanings commonly known to those of ordinary skill in the art.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수광소자 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a light receiving device and a manufacturing method thereof according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수광소자의 단면 구성도이다.1 is a cross-sectional configuration diagram of a light receiving element according to a preferred embodiment of the present invention.
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.Referring to FIG. 1, the light receiving device of the present invention includes a low concentration p-type (p-)
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 구성과 작용에 대하여, 본 발명의 제조공정 수순 단면도인 도 2 내지 도 9를 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention configured as described above will be described in more detail with reference to FIGS. 2 to 9 , which are cross-sectional views of the manufacturing process of the present invention.
먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)을 준비한다.First, as shown in FIG. 2 , a
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.As the
상기 반도체 기판(10)의 상부에 절연층(11)을 증착한다.An
이때의 절연층(11)은 산화막을 사용할 수 있다.In this case, the insulating
그 다음, 절연층(11)을 버퍼로 사용하는 이온주입공정을 통해 저농도 p형 이온을 주입하여, 저농도 p형 이온주입층(12)을 형성한다.Then, low-concentration p-type ions are implanted through an ion implantation process using the insulating
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.The concentration of the p-type impurity is 10 16 cm -3 or less (preferably 10 13 cm -3 to 10 15 cm -3 ). It is used, and the boron (B) ion, which is the p-type impurity, is used with high energy (>100 keV). A low-dose implantation of 10 13 cm -2 or less is performed to form the low-concentration p-type
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. Then, drive-in diffusion is performed at a high temperature of 1100° C. or higher using a furnace. The concentration of the low-concentration p-type
상기 저농도 p형 이온주입층(12)의 깊이 DI는 1~2 um가 되도록 한다.The depth D I of the low-concentration p-type
그 다음, 도 3에 도시한 바와 같이 선택적 이온주입을 통해 상기 저농도 p형 이온주입층(12)의 둘레에 접하는 가드링(13)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 3 , a
이때 가드링(13)은 고농도 p형 불순물이 주입된 것이며, 붕소 이온을 200keV 이상의 에너지를 사용하는 이온주입공정으로, 1015cm-2이상의 도즈를 주입하여 형성한다.In this case, the
가드링의 깊이(Dh)는 열처리 과정을 통하여 1.5~3um의 수준으로 제어한다.The depth (D h ) of the guard ring is controlled to a level of 1.5~3um through the heat treatment process.
즉, 가드링(13)은 저농도 p형 이온주입층(12)에 비하여 더 깊게 위치한다.That is, the
그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이, 고농도 n형 이온주입을 통해 상기 가드링(13)의 둘레에서 이격되어 위치하는 정션 아이솔레이션(14)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 4 , a
정션 아이솔레이션(14)은 80 keV 이상의 에너지로 1015 cm-2 농도의 도즈를 주입하여 형성할 수 있다.The
그 다음, 도 5에 도시한 바와 같이 이온주입을 통하여 중간농도 p형 이온주입층(15)을 상기 저농도 p형 이온주입층(12)의 내에 다수로 형성한다.Then, as shown in FIG. 5 , a plurality of intermediate concentration p-type ion implantation layers 15 are formed in the low concentration p-type
중간농도 p형 이온주입층(15)의 주입깊이인 Dm은 USJ(Ultra Shallow Junction)인 0.1 um 이하가 되도록 한다. Dm, which is the implantation depth of the intermediate concentration p-type
이처럼 USJ를 형성하기 위하여 도면에는 도시하지 않았으나, 이온 주입전에 버퍼로 산화막을 100~200nm 두께로 형성한 후, 이온주입을 수행한다.In order to form the USJ as described above, although not shown in the drawings, an oxide film is formed to a thickness of 100 to 200 nm with a buffer before ion implantation, and then ion implantation is performed.
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.Ion implantation implants BF 2+ with a large mass at a concentration of 10 14 cm -2 with a low energy of 40 keV or less. In addition, the diffusion of the implanted impurities is minimized by heat treatment in a short time of 30 sec or less using a rapid heat treatment machine (RTA).
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.Then, as shown in FIG. 6, the insulating
이때 사용하는 금속으로는 Al, Ti/Al, Ti/Ai/TiN 중 선택된 하나를 사용할 수 있다.At this time, as the metal used, one selected from Al, Ti/Al, and Ti/Ai/TiN may be used.
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. Then, as shown in FIG. 7, a dielectric such as SiO 2 or Si 3 N 4 is deposited on the exposed low-concentration p-type
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.The
그 다음, 도 8에 도시한 바와 같이 반도체 기판(10)의 배면을 연마하여, 반도체 기판(10)의 두께 Tw를 100~300um에서 조절한다.Then, as shown in FIG. 8 , the back surface of the
그 다음, 이온주입을 통해 고농도 n형 이온주입을 통해 후면 고농도 이온주입층(18)을 형성한 후, 후면 금속접합층(19)을 증착한다.Then, after forming the rear surface high concentration
후면 금속접합층(19)은 Al, Ti/Al, Ti/Ai/TiN, Cr/Au, Ni/Al 중 하나를 사용할 수 있다.The back
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.In the above manufacturing example, it has been described that the rear surface high concentration
과 같이 다양한 금속류와 다층의 구조로 사용할 수 있으며, 이경우 고농도 n형 웨이퍼(20)의 배면에 금속층을 형성하여 후면 금속접합층(19)을 형성할 수 있다.As such, it can be used in a multi-layered structure with various metals, and in this case, a metal layer is formed on the rear surface of the high-concentration n-
도 10은 본 발명과 선행문헌3의 광흡수 대역의 비교 그래프이다.10 is a graph comparing the light absorption bands of the present invention and Prior Document 3;
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.Referring to FIG. 10 , in the prior art, the depth of the junction where the depletion region starts is deep and the width (W d ) of the depletion region is narrow, whereas in the present invention, the depth of the junction where the depletion region starts is very thin and simultaneously 0.1 μm. The impurity concentration is also controlled to an extremely minimum, so that the width (W d ) of the depletion region is wider.
따라서, 입사광의 파장이 300 nm인 광의 경우 표면의 하단부 0.1um 이내에서 대부분의 광흡수가 일어나고 운반자인 전자-정공쌍(Electron-hole pair)가 생성된다. Therefore, in the case of light having a wavelength of 300 nm, most of the light absorption occurs within 0.1 μm of the lower end of the surface, and electron-hole pairs, which are carriers, are generated.
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. In order to collect the electron-hole pairs generated in this way and receive them as a signal of a photocurrent (I ph ), it is necessary to reduce recombination caused by collisions between carriers during conduction (migration) or recombination that occurs heavily on the surface.
이를 위해서 공핍영역이 표면에 최대한 근접하게 해야 하지만, 재결합을 저지하기 위해서 표면 하단부의 불순물의 도핑농도를 가능한 낮게 유지하는 구조가 유리하다. For this purpose, the depletion region should be as close to the surface as possible, but in order to prevent recombination, it is advantageous to have a structure in which the doping concentration of impurities at the lower end of the surface is maintained as low as possible.
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.Therefore, the present invention maximizes the light absorption region in the wavelength bands of Green (530 nm), Red (660 nm), and IR (940 nm) by controlling the concentration and depth distribution of the impurity doping in an optimized structure, and increases the collection probability of the generated carriers. be able to
도 11은 본 발명과 선행문헌3의 입사광 파장에 따른 광 응답성 비교 그래프이다.11 is a graph comparing light responsiveness according to the wavelength of incident light of the present invention and Prior Document 3;
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. 11, in the prior art, a high concentration (N h ~ 10 20 cm -3 ) is formed on the surface by one or two ion implantation, the junction where the depletion region is created is deep, and the width of the depletion region (W d ) is narrow.
반면에 본 발명은 세 차례의 이온주입 공정을 사용하여 p-n접합의 공핍영역의 폭이 넓다.On the other hand, in the present invention, the width of the depletion region of the p-n junction is wide by using three ion implantation processes.
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. That is, the depletion region forms an extremely shallow USJ (Ultra Shallow Junction) near the lower 0.1um of the surface, and the doping concentration is also medium (N m =10 15 ~ 0 18 cm -3 ) and low concentration (N l =10 13 ~). 10 15 cm -3 ) is formed. The low concentration (N l ) can form a wide width (W d ) of the depletion region because the doping concentration is higher than the substrate concentration (N sub ) by a very small amount.
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. In addition, by forming the high-concentration p-type ion-implanted
신호광의 파장이 UV-IR의 넓은 대역의 파장대를 흡수하여 수광성능을 극대화 할 수 있다.The wavelength of the signal light absorbs the broad wavelength band of UV-IR, so that the light reception performance can be maximized.
도 12는 본 발명과 선행문헌3의 파장에 따른 응답성을 비교한 그래프이다.12 is a graph comparing the responsiveness according to the wavelength of the present invention and Prior Document 3;
도 12를 참조하면, 종래 기술의 경우 400nm 파장대역 이상의 장파장에서 응답성의 증가가 이루어지는데, 본 발명의 경우 400nm 이하의 UV 대역에서 응답성이 크게 증가한다. Referring to FIG. 12 , in the case of the prior art, the responsiveness is increased at a long wavelength of 400 nm or more, but in the case of the present invention, the responsiveness is greatly increased in the UV band of 400 nm or less.
단파장으로는 200nm 대역까지 유용한 특성을 보인다. For short wavelength, it shows useful characteristics up to 200nm band.
또한 공핍영역의 폭의 증가로 가시광 및 IR 대역까지 그 수광특성이 전반적으로 30~80% 정도 향상됨을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed that the light receiving characteristics of the visible light and IR bands are generally improved by about 30 to 80% due to the increase in the width of the depletion region.
도 13은 본 발명과 선행문헌3의 입력광의 세기에 대한 광전류의 변화를 비교한 그래프이다.13 is a graph comparing the change in photocurrent with respect to the intensity of input light according to the present invention and Prior Document 3;
도 13을 참조하면, 종래기술에 의한 결과는 상대적으로 광전류(Iph)가 낮음은 물론 파장대별 차이가 크다. Referring to FIG. 13 , the result according to the prior art has a relatively low photocurrent (I ph ) and a large difference for each wavelength band.
즉, 녹색(Green) 점선의 경우 입력광의 세기(Pph,input)가 증가하면서 Iph의 기울기가 감소하면서 포화되어 소자의 성능과 선형성이 심각하게 저하되는 특징을 보인다. That is, in the case of the green dotted line, as the intensity (P ph,input ) of the input light increases, the slope of I ph decreases and becomes saturated, and the performance and linearity of the device are severely degraded.
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.As described above, in the prior art, as the input light intensity (P ph,input ) increases, the linearity of the photocurrent (I ph ) in the short wavelength (Green) band becomes poor due to the loss caused by severe recombination of high-concentration carriers occurring on the surface of the device. indicates the working form.
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. In the case of the present invention, for light corresponding to each wavelength of Green, Red, and IR, the photocurrent (I ph ) is exhibited quite linearly and increases to a similar level according to the input optical power (P ph,input ). In particular, the short-wavelength green photocurrent greatly increases, close to Red and IR, and the linearity of the incident light power is greatly improved.
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. In particular, compared to the prior art, the photocurrent is increased by 50% or more for each wavelength of Green, Red, and IR. And it maintains excellently improved linearity due to high light-receiving efficiency up to high optical power (P ph,input ).
따라서, 본 발명이 제공하는 수광소자의 광특성은 광센서를 제작하는 회로에 있어서 단순하고 안정적인 설계 및 구현을 가능하게 하여 매우 유용하다.Therefore, the optical characteristics of the light receiving element provided by the present invention are very useful in enabling a simple and stable design and implementation in a circuit for manufacturing an optical sensor.
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.Although the embodiments according to the present invention have been described above, these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and equivalent ranges of embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the following claims.
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 반도체층10: semiconductor substrate 11: insulating layer
12: low concentration p-type ion implantation layer 13: guard ring
14: Junction isolation 15: Medium concentration p-type ion implantation layer
16: metal bonding layer 17: anti-reflection layer
18: Back high-concentration n-type ion implantation layer
19: back metal junction layer 20: high concentration n-type semiconductor layer
Claims (12)
상기 반도체 기판의 상부 일부로부터 제1깊이로 형성된 상기 n형 반도체 기판의 농도에 비하여 2 내지 10배 높은 농도의 저농도 p형 이온주입층; 및
상기 저농도 p형 이온주입층의 표면으로부터 상기 제1깊이보다 얕은 제2깊이로 다수 위치하며, 상기 저농도 p형 이온주입층의 농도보다는 높은 중간농도 p형 이온주입층을 포함하는 수광소자.10 12 ~ 10 15 cm -3 concentration of n-type semiconductor substrate;
a low-concentration p-type ion implantation layer having a concentration 2 to 10 times higher than that of the n-type semiconductor substrate formed at a first depth from an upper portion of the semiconductor substrate; and
A light receiving device including a medium concentration p-type ion implantation layer located at a second depth shallower than the first depth from the surface of the low concentration p-type ion implantation layer, and higher than the concentration of the low concentration p-type ion implantation layer.
상기 제1깊이는 1 내지 2um이고,
상기 제2깊이는 0.1um 이하인 것을 특징으로 하는 수광소자.The method of claim 1,
The first depth is 1 to 2um,
The second depth is a light receiving element, characterized in that less than 0.1um.
상기 중간농도 p형 이온주입층의 농도는 1015~1018cm-3 인 것을 특징으로 하는 수광소자. 3. The method of claim 2,
The light receiving device, characterized in that the concentration of the intermediate concentration p-type ion implantation layer is 10 15 ~ 10 18 cm -3 .
상기 저농도 p형 이온주입층의 둘레에는 제1깊이보다 더 깊은 제3깊이로, n형 불순물이 주입된 가드링을 더 포함하는 수광소자.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The light receiving element further comprising a guard ring implanted with n-type impurities to a third depth deeper than the first depth around the low-concentration p-type ion implantation layer.
상기 가드링에 연결되는 금속접합층과,
상기 저농도 p형 이온주입층과 상기 중간농도 p형 이온주입층의 상면에 위치하는 반사방지층을 더 포함하는 수광소자.5. The method of claim 4,
a metal bonding layer connected to the guard ring;
The light receiving device further comprising an anti-reflection layer positioned on the upper surface of the low-concentration p-type ion implantation layer and the intermediate concentration p-type ion implantation layer.
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.6. The method of claim 5,
a junction isolation positioned to be spaced apart from the guard ring from the upper surface of the semiconductor substrate;
The light receiving device further comprising a rear surface high-concentration n-type ion implantation layer and a rear surface metal adhesive layer sequentially positioned on the rear surface of the semiconductor substrate.
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 단계; 및
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 포함하는 수광소자 제조방법.a) depositing an insulating layer on an n-type semiconductor substrate having a concentration of 10 12 to 10 15 cm -3 ;
b) A low-concentration p-type ion-implanted layer with a concentration of 2 to 10 times higher than that of the n-type semiconductor substrate is formed from the upper part of the semiconductor substrate to the first depth by an ion implantation process using the insulating layer as a buffer to do; and
c) a plurality of intermediate concentration p-type ion implantation layers located from the surface of the low-concentration p-type ion implantation layer to a second depth shallower than the first depth through an ion implantation process, and higher than the concentration of the low-concentration p-type ion implantation layer A method of manufacturing a light receiving device comprising the step of forming a.
상기 저농도 p형 이온주입층의 제1깊이는 1 내지 2um이고,
상기 중간농도 p형 이온주입층의 제2깊이는 0.1um 이하인 것을 특징으로 하는 수광소자 제조방법.8. The method of claim 7,
The first depth of the low-concentration p-type ion implantation layer is 1 to 2 μm,
A method of manufacturing a light receiving device, characterized in that the second depth of the intermediate concentration p-type ion implantation layer is 0.1 μm or less.
상기 중간농도 p형 이온주입층은 p형 불순물이온을 1015~1018cm-3의 농도로 주입하여 된 것을 특징으로 하는 수광소자 제조방법. 9. The method of claim 8,
The intermediate concentration p-type ion implantation layer is a light-receiving device manufacturing method, characterized in that the p-type impurity ions are implanted at a concentration of 10 15 ~ 10 18 cm -3 .
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 형성하는 것을 특징으로 하는 수광소자 제조방법.10. The method according to claim 8 or 9,
The intermediate concentration p-type ion implantation layer uses an oxide film having a thickness of 100 to 200 nm on top of the low concentration p-type ion implantation layer as an ion implantation buffer,
BF 2+ is injected using a low energy of 40 keV or less,
A method of manufacturing a light receiving element, characterized in that it is formed by heat treatment within 30 sec using a rapid heat treatment machine (RTA).
d) 상기 저농도 p형 이온주입층의 둘레에 n형 불순물을 주입하여 제1깊이보다 더 깊은 제3깊이에 이르는 가드링을 형성하는 단계;
e) n형 불순물 이온을 주입하여 상기 가드링의 둘레에 이격되어 위치하는 정션 아이솔레이션을 형성하는 단계;
f) 상기 가드링에 접하는 금속접합층과 상기 저농도 p형 이온주입층의 상부에 위치하는 반사방지층을 형성하는 단계; 및
g) 상기 반도체 기판의 배면에 후면 고농도 n형 이온주입층과 후면 금속층을 형성하는 단계를 더 포함하는 수광소자 제조방법.10. The method according to claim 8 or 9,
d) forming a guard ring reaching a third depth deeper than the first depth by implanting n-type impurities around the low-concentration p-type ion implantation layer;
e) forming junction isolations spaced apart from each other around the guard ring by implanting n-type impurity ions;
f) forming an anti-reflection layer positioned on the metal bonding layer in contact with the guard ring and the low-concentration p-type ion implantation layer; and
g) forming a rear surface high concentration n-type ion implantation layer and a rear surface metal layer on the rear surface of the semiconductor substrate.
상기 고농도 n형 이온주입층은,
상기 반도체 기판에 이온을 주입하여 형성하거나,
상기 반도체 기판을 성장시킨 웨어퍼를 잔류시켜 된 것을 특징으로 하는 수광소자 제조방법.12. The method of claim 11,
The high-concentration n-type ion implantation layer,
Formed by implanting ions into the semiconductor substrate, or
A method of manufacturing a light-receiving element, characterized in that the wafer on which the semiconductor substrate is grown remains.
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|---|---|---|---|---|
| CN117334775A (en) * | 2023-10-09 | 2024-01-02 | 江苏致芯微电子技术有限公司 | High-transmission-rate photodiode of optical fiber receiving circuit and process method |
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|---|---|---|---|---|
| JP2007035958A (en) * | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical semiconductor device and its manufacturing method |
| US7259440B2 (en) * | 2004-03-30 | 2007-08-21 | Ixys Corporation | Fast switching diode with low leakage current |
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