KR20230112262A - Broadband photodiode using highly doped epitaxial layer and manufacturing method the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포토다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, n형 불순물을 1012~1015 cm-3 농도로 포함하는 저농도 n형 반도체 기판의 상부측에 위치하는 1013 cm-2이하의 도즈가 주입된 저농도 p형 이온주입층과, 상기 저농도 p형 이온주입층의 상부에 접하며, 불순물의 농도가 1019~1020 cm-3인 p형 에피층과, 상기 저농도 p형 이온주입층 가장자리에서, 저농도 p형 이온주입층보다 깊이 형성된 1015cm-2이상의 도즈가 주입된 고농도 p형 가드링과, 상기 p형 에피층 상에 형성된 반사방지막을 포함할 수 있다.The present invention relates to a photodiode and a method for manufacturing the same, and relates to a low-concentration p-type ion implantation layer implanted with a dose of 10 13 cm -2 or less located on the upper side of a low-concentration n-type semiconductor substrate containing n-type impurities at a concentration of 10 12 to 10 15 cm -3 , and a p-type epitaxial layer in contact with the upper portion of the low-concentration p-type ion implantation layer and having an impurity concentration of 10 19 to 10 20 cm -3 , a high-concentration p-type guard ring implanted with a dose of 10 15 cm −2 or more formed deeper than the low - concentration p-type ion implantation layer at the edge of the low-concentration p-type ion implantation layer, and an antireflection film formed on the p-type epitaxial layer.

Description

고농도 도핑된 에피층을 이용한 광대역 포토다이오드 및 그 제조방법{Broadband photodiode using highly doped epitaxial layer and manufacturing method the same}Broadband photodiode using highly doped epitaxial layer and manufacturing method the same}

본 발명은 광대역 포토다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 광센서로서 수광 파장이 UV에서 IR 대역까지인 브로드밴드 포토다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a broadband photodiode and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a broadband photodiode having a light receiving wavelength ranging from UV to IR as an optical sensor and a method for manufacturing the same.

본 발명과 관련된 선행 기술로서, 등록특허 10-0595876호(2006년 6월 23일 등록, 이미지센서의 포토다이오드 제조방법, 이하 종래 기술1로 약칭함)가 알려져 있다.As a prior art related to the present invention, Patent Registration No. 10-0595876 (registered on June 23, 2006, method for manufacturing a photodiode of an image sensor, hereinafter abbreviated as prior art 1) is known.

종래 기술1은 이미지 센서용 포토다이오드에 관한 것이며, 웨이브 패턴을 형성하여 P이온주입층이 웨이브 형태로 p-n 접합을 형성하는 기술에 대하여 기재하고 있다. 그러나 웨이브 형태의 전사 균일성과 재현성 확보에 어려움이 예상된다.Prior art 1 relates to a photodiode for an image sensor, and describes a technique of forming a p-n junction in a wave form with a p ion implantation layer by forming a wave pattern. However, difficulties are expected in securing wave-shaped transfer uniformity and reproducibility.

종래 기술2는 미국등록특허 06,809,391호(2004년 10월 26일 등록, Short-wavelength photodiode of enhanced sensitivity with low leak current and method of manufacturing photodiode)가 있다. Prior Art 2 has US Patent No. 06,809,391 (registered on October 26, 2004, Short-wavelength photodiode of enhanced sensitivity with low leak current and method of manufacturing photodiode).

종래 기술2는 웨이퍼 표면에 리세스 식각한 영역을 형성하고, 이온주입을 통해 p-n 접합을 형성하는 구성이 기재되어 있다.Prior Art 2 describes a configuration in which a recess etched region is formed on a wafer surface and a p-n junction is formed through ion implantation.

또한, 종래 기술3인 "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)"에는 표면에 이온주입층으로 n+층을 벌집 모양으로 형성하며, 이때 농도가 1.5x1019cm-3으로 높고, 깊이도 1um로 매우 깊은 구조를 형성한다.In addition, in the prior art 3, “J. Ghasemi, AJ Chowdhury, A. Neumann, B. Fahs, M. Hella, SRJ Brueck, P. Zarkesh-Ha, “A novel blue-enhanced photodetector using honeycomb structure,” IEEE (2015)”, an n+ layer is formed in a honeycomb shape as an ion implantation layer on the surface, wherein the concentration is as high as 1.5x10 19 cm -3 and the depth is also It forms a very deep structure with 1 μm.

이러한 조건에 의해 400nm 파장 이하의 UV 수광효율이 낮은 구조가 된다.Under these conditions, the structure has a low UV light receiving efficiency of 400 nm wavelength or less.

다른 종래 기술의 예로 "A. Ghazi, H. Zimmermann, P. Seegebrecht, “CMOS photodiode with enhanced responsivity for the UV/blue spectral range,” IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 49, No. 7 (JULY 2002), 이하 종래 기술4라 약칭함"가 있다.An example of another prior art is “A. Ghazi, H. Zimmermann, P. Seegebrecht, “CMOS photodiode with enhanced responsivity for the UV/blue spectral range,” IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 49, No. 7 (JULY 2002), hereinafter abbreviated as prior art 4”.

종래 기술4는 기판에 n- 에피층을 성장시키고, 그리드 형태로 p+ 이온주입층을 형성하며, 그리드의 폭과 간격을 조절하고, 기판의 농도를 다양하게 조절하여 그 효과를 연구하였다.In the prior art 4, an n- epitaxial layer is grown on a substrate, a p+ ion implantation layer is formed in a grid form, the width and spacing of the grid are adjusted, and the concentration of the substrate is variously controlled to study the effect.

마지막으로, "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 종래 기술5라 약칭함"이 알려져 있다.Finally, "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 art 5" is known.

종래 기술5는 얕은(Shallow) p층과 p+ 스트라이프(stripe)를 이온주입으로 형성하는 구조에 대하여 기술하고 있지만, 도핑 농도와 접합 깊이의 한정에 의해 360nm 이상의 파장대에서는 유용하나, 350nm 이하의 UV 파장대에서 수광 성능이 매우 낮은 문제점이 있었다.Prior Art 5 describes a structure in which a shallow p layer and a p+ stripe are formed by ion implantation, but is useful in a wavelength range of 360 nm or more due to limitations in doping concentration and junction depth, but has a problem in that the light receiving performance is very low in the UV wavelength range of 350 nm or less.

이처럼 종래 기술들은 p-n 접합에서 공핍영역이 기판의 하단부에 매우 깊게 존재하여 400nm 이하의 단파장(UV) 대역에서 응답성(responsivity)이 심하게 감소하는 한계가 있다.As such, the prior art has a limit in that the depletion region in the p-n junction is very deep at the bottom of the substrate, and thus the responsivity is severely reduced in the short wavelength (UV) band of 400 nm or less.

또한, 형성되는 p-n 접합에서 p형 불순물의 농도가 높아서 운반자의 재결합(Auger recombination) 현상이 심해지고, 공핍 영역의 폭이 좁아서 정전용량이 크게 인가되므로 동작속도를 높이는데 불리하게 작용한다.In addition, since the concentration of the p-type impurity is high in the formed p-n junction, the Auger recombination phenomenon becomes severe, and the width of the depletion region is narrow, so that a large capacitance is applied, which adversely affects the operation speed.

상기와 같은 종래 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, UV-IR 대역에서 유용한 포토 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 있다.A technical problem to be solved by the present invention in view of the above conventional problems is to provide a photodiode useful in the UV-IR band and a manufacturing method thereof.

특히, 본 발명은 UV 파장대로부터 파장이 더 긴 IR 대역까지 높은 응답성을 가지며, 동작 속도를 향상시킬 수 있도록 정전용량과 기생 저항을 최소화하는 포토 다이오드 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.Particularly, an object of the present invention is to provide a photodiode that has high response from a UV wavelength band to an IR band having a longer wavelength and minimizes capacitance and parasitic resistance to improve operating speed and a manufacturing method thereof.

본 발명의 일측면에 따른 포토다이오드는, n형 불순물을 1012~1015 cm-3 농도로 포함하는 저농도 n형 반도체 기판의 상부측에 위치하는 1013 cm-2이하의 도즈가 주입된 저농도 p형 이온주입층과, 상기 저농도 p형 이온주입층의 상부에 접하며, 불순물의 농도가 1019~1020 cm-3인 p형 에피층과, 상기 저농도 p형 이온주입층 가장자리에서, 저농도 p형 이온주입층보다 깊이 형성된 1015cm-2이상의 도즈가 주입된 고농도 p형 가드링과, 상기 p형 에피층 상에 형성된 반사방지막을 포함할 수 있다.A photodiode according to one aspect of the present invention includes: a low-concentration p-type ion implantation layer implanted with a dose of 10 13 cm -2 or less located on an upper side of a low-concentration n-type semiconductor substrate containing n-type impurities at a concentration of 10 12 to 10 15 cm -3 ; A high-concentration p-type guard ring implanted with a dose of 10 15 cm −2 or more formed deeper than the low-concentration p-type ion implantation layer at an edge of the low-concentration p-type ion implantation layer, and an antireflection film formed on the p-type epitaxial layer.

본 발명의 실시 예에서, 상기 p형 에피층의 상부는 소자 표면으로부터 100nm 이내에 위치할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the top of the p-type epitaxial layer may be located within 100 nm from the device surface.

본 발명의 실시 예에서, 상기 저농도 p형 이온주입층과 이격된 상기 반도체 기판의 일부에는 도즈양이 1015 cm-2인 n형 분순물 이온이 주입된 접합종료영역을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a junction termination region in which n-type impurity ions having a dose of 10 15 cm −2 is implanted may further be included in a portion of the semiconductor substrate spaced apart from the low-concentration p-type ion implantation layer.

본 발명의 실시 예에서, 상기 반도체 기판은, 저농도 n형 이온이 주입된 벌크 기판 또는 n형 기판의 상부에 저농도 n형 이온을 포함하도록 성장된 에피층일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the semiconductor substrate may be a bulk substrate implanted with low-concentration n-type ions or an epitaxial layer grown to include low-concentration n-type ions on top of the n-type substrate.

본 발명의 실시 예에서, 상기 저농도 p형 이온주입층은, 접합깊이가 0.1 내지 0.4um인 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the low-concentration p-type ion implantation layer may have a junction depth of 0.1 to 0.4 um.

본 발명의 실시 예에서, 상기 가드링은, 불순물의 농도가 1015 내지 1020 cm-3인 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the guard ring may have an impurity concentration of 10 15 to 10 20 cm -3 .

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 포토다이오드 제조방법은, a) n형 불순물을 1012~1015 cm-3 농도로 포함하는 저농도 n형 반도체 기판의 상부에 산화막을 증착한 후, 불순물 이온주입을 통해 상기 반도체 기판의 상부측에 위치하는 1013 cm-2이하의 도즈가 주입된 저농도 p형 이온주입층을 형성하는 단계와, b) 불순물 이온주입을 통해 저농도 p형 이온주입층 가장자리에서, 저농도 p형 이온주입층보다 깊이 형성된 1015cm-2 이상의 도즈가 주입된 고농도 p형 가드링을 형성하는 단계와, c) 상기 산화막의 일부를 제거하여 가드링의 내측 저농도 p형 이온주입층을 노출시키고, 노출된 저농도 p형 이온주입층에 접하는 불순물 농도가 1019~1020 cm-3인 p형 에피층을 증착하는 단계와, d) 상기 p형 에피층의 일부에 애노드인 금속층을 형성하고, 반사방지막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in the photodiode manufacturing method according to another aspect of the present invention, a) the n-type impurity is 1012~1015 cm-3 After depositing an oxide film on the upper part of the low-concentration n-type semiconductor substrate containing13 cm-2Forming a low-concentration p-type ion-implanted layer into which the following dose is implanted, and b) 10 formed deeper than the low-concentration p-type ion-implanted layer at the edge of the low-concentration p-type ion-implanted layer through impurity ion implantation.15cm-2forming a high-concentration p-type guard ring into which the above-mentioned dose is implanted; c) removing a portion of the oxide film to expose an inner low-concentration p-type ion implantation layer of the guard ring, and having an impurity concentration in contact with the exposed low-concentration p-type ion implantation layer of19~1020 cm-3Depositing a p-type epitaxial layer, and d) forming a metal layer as an anode on a portion of the p-type epitaxial layer and forming an antireflection film.

본 발명의 실시 예에서, c) 단계는,In an embodiment of the present invention, step c) is,

상기 p형 에피층의 상부는 소자 표면으로부터 100nm 이내에 위치하도록 형성할 수 있다.An upper portion of the p-type epitaxial layer may be formed to be located within 100 nm from the device surface.

본 발명의 실시 예에서, 상기 저농도 p형 이온주입층과 이격된 상기 반도체 기판의 일부에는 도즈양이 1015 cm-2인 n형 분순물 이온이 주입된 접합종료영역을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a step of forming a junction termination region implanted with n-type impurity ions having a dose of 10 15 cm −2 in a portion of the semiconductor substrate spaced apart from the low-concentration p-type ion implantation layer may be further included.

본 발명의 실시 예에서, 상기 반도체 기판은, 벌크 기판에 저농도 n형 이온을 주입하여 형성하거나 또는 n형 기판의 상부에 저농도 n형 이온을 포함하도록 에피층을 성장시킨 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the semiconductor substrate may be formed by implanting low-concentration n-type ions into a bulk substrate, or may be formed by growing an epitaxial layer on the n-type substrate to include low-concentration n-type ions.

본 발명의 실시 예에서, 상기 저농도 p형 이온주입층은, 접합깊이가 0.1 내지 0.4um가 되도록 이온주입된 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the low-concentration p-type ion implantation layer may be ion-implanted to have a junction depth of 0.1 to 0.4 um.

본 발명의 실시 예에서, 상기 가드링은, 불순물의 농도가 1015 내지 1020 cm-3가 되도록 불순물 이온을 주입할 수 있다.In an embodiment of the present invention, impurity ions may be implanted in the guard ring such that the impurity concentration is 10 15 to 10 20 cm −3 .

본 발명 포토다이오드 및 그 제조방법은, 공핍층의 깊이를 소자의 표면으로부터 50 내지 100nm 깊이로부터 형성하여, 광의 수신 감도를 높이고, 정전용량을 감소시킬 수 있어, 광대역의 광검출이 가능함과 아울러 동작속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The photodiode of the present invention and its manufacturing method form the depth of the depletion layer at a depth of 50 to 100 nm from the surface of the device, thereby increasing light reception sensitivity and reducing capacitance, thereby enabling broadband photodetection and improving the operating speed.

또한, 본 발명은 고농도의 가드링을 액티브 영역의 가장자리에 배치하여, 누설전류와 오믹저항을 감소시켜, 속도를 향상시킴과 아울러 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect of improving speed and reliability by arranging a high-concentration guard ring at the edge of the active region to reduce leakage current and ohmic resistance.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포토다이오드의 단면 구성도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명 포토다이오드의 제조공정 수순 단면도이다.
도 10 내지 도 15는 각각 본 발명과 종래 기술의 특성 비교 그래프이다.
1 is a cross-sectional configuration diagram of a photodiode according to a preferred embodiment of the present invention.
2 to 9 are cross-sectional views of the manufacturing process of the photodiode of the present invention.
10 to 15 are characteristic comparison graphs of the present invention and the prior art, respectively.

이하, 본 발명 포토다이오드 및 그 제조방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the photodiode of the present invention and its manufacturing method will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

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.The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the embodiments described below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so that this invention will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.

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. Terms used in this specification are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. Further, "comprise" and/or "comprising" when used herein specifies the presence of the recited shapes, numbers, steps, operations, elements, elements and/or groups thereof, and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, elements, elements and/or groups. As used herein, the term "and/or" includes any one and all combinations of one or more of the listed items.

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.Although terms such as first and second are used in this specification to describe various members, regions, and/or regions, it is apparent that these members, parts, regions, layers, and/or regions are not limited by these terms. These terms do not imply any particular order, top or bottom, or superiority or inferiority, and are used only to distinguish one element, region or region from another element, region or region. Thus, a first element, region or region described in detail below may refer to a second element, region or region without departing from the teachings of the present invention.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to drawings schematically illustrating embodiments of the present invention. In the drawings, variations of the depicted shape may be expected, depending, for example, on manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, the embodiments of the present invention should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in this specification, but should include, for example, a change in shape caused by manufacturing.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 포토다이오드의 단면 구성도이고, 도 2 내지 도 9는 본 발명의 제조공정 수순 단면도이다.1 is a cross-sectional configuration diagram of a photodiode according to a preferred embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 9 are cross-sectional views of a manufacturing process according to the present invention.

도 1 내지 도 9를 각각 참조하면 본 발명은, Referring to Figures 1 to 9, respectively, the present invention,

도 2에 도시한 바와 같이 반도체 기판(1)으로 저농도의 n- 형으로 불순물이 도핑된 웨이퍼를 준비한다.As shown in FIG. 2, a semiconductor substrate 1 doped with n - type impurities at a low concentration is prepared.

반도체 기판(1)은 벌크 웨이퍼(Bulk wafer)에 n형 불순물을 1012~1015 cm-3 농도로 극 저농도로 도핑하여 준비한다.The semiconductor substrate 1 is prepared by doping a bulk wafer with an n-type impurity at a concentration of 10 12 to 10 15 cm -3 at a very low concentration.

그 다음, 반도체 기판(1)의 상부 전면에 산화막(2)을 성장시키고, 이어서 광리소그래피를 이용해 저농도의 p- 형 이온주입층(3)을 반도체 기판(1)의 상면에 접하도록 일부에 형성한다.Next, an oxide film 2 is grown on the entire upper surface of the semiconductor substrate 1, and then a low-concentration p - type ion implantation layer 3 is partially formed in contact with the upper surface of the semiconductor substrate 1 using photolithography.

반도체 기판(1)에 도핑된 n- 형 불순물의 농도는 1014 cm-3 이하를 사용하며, p- 형 불순물인 B+ 이온을 고에너지(100 keV 이상)로 낮은 도즈(dose, 1013 cm-2이하)를 이온주입하여 반도체 기판(1)과 이온주입층(3) 사이에 저농도 p-n 접합을 형성한다. The concentration of the n - type impurity doped into the semiconductor substrate 1 is 10 14 cm -3 or less, and a low-concentration pn junction is formed between the semiconductor substrate 1 and the ion implantation layer 3 by implanting B + ions, which are p - type impurities, with high energy (100 keV or more) and a low dose (10 13 cm -2 or less).

이어서 퍼니스(Furnace)를 이용해 1100oC 이상의 고온에서 이온주입층(3)을 확산시킨다.Subsequently, the ion implantation layer 3 is diffused at a high temperature of 1100 ° C. or higher using a furnace.

도 3은 도 2의 예와는 다른 방식의 제조방법에 의한 반도체 기판(1)의 준비 및 이온주입층(3) 형성 과정의 예시도이다.FIG. 3 is an exemplary view of a process of preparing a semiconductor substrate 1 and forming an ion implantation layer 3 by a manufacturing method different from that of FIG. 2 .

n+ 웨이퍼(1-1)의 상부에 n-층을 에피 성장한 반도체 기판(1)을 사용한다.A semiconductor substrate 1 in which n layers are epitaxially grown on an n + wafer 1-1 is used.

그 다음, n- 에피층은 불순물 농도는 1012~1014 cm-3로 극 저농도 상태로 성장며, 도 2를 참조한 설명과 같이 이후 제조공정을 수행하여 이온주입층(3)을 형성한다.Then, the n - epi layer is grown at an extremely low concentration of 10 12 to 10 14 cm −3 impurity concentration, and the ion implantation layer 3 is formed by performing subsequent manufacturing processes as described with reference to FIG. 2 .

도 2와 도 3의 차이점으로, n+ 웨이퍼(1-1)를 사용하는 도 3의 예의 경우에는 백사이드 이온주입에 의한 n+ 이온주입층 제조 과정을 생략할 수 있다.As a difference between FIGS. 2 and 3 , in the case of the example of FIG. 3 using the n+ wafer 1-1, the manufacturing process of the n + ion implantation layer by backside ion implantation can be omitted.

즉, n+ 웨이퍼(1-1)와 이후에 설명될 백사이드 이온주입에 의한 n+ 이온주입층은 설명상 혼용될 수 있다.That is, the n+ wafer 1-1 and the n+ ion implantation layer by backside ion implantation, which will be described later, may be used interchangeably in description.

그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 이온주입층(3)의 둘레를 하향으로 관통하는 가드링(4)을 형성한다. 이때의 가드링(4)은 액티브 영역을 정의하며, 평면상은 사각링 또는 원형링의 형상이 된다.Then, as shown in FIG. 4, a guard ring 4 is formed downwardly penetrating the circumference of the ion implantation layer 3. The guard ring 4 at this time defines an active area, and has a shape of a square ring or a circular ring on a plane.

또한, 가드링(4)은 오믹접촉의 고농도 접합 영역이 된다. In addition, the guard ring 4 becomes an ohmic contact high-concentration bonding area.

가드링(4)은 B+ 이온을 고에너지(200 keV 이상)로 다량의 도즈(~1015 cm-2)를 이온주입하여 형성한다. 가드링(4)의 깊이(DGR)는 드라이브 인(drive-in) 열처리 과정을 통하여 2~4um의 수준이 되도록 제어한다.The guard ring 4 is formed by implanting B + ions with high energy (200 keV or more) and a large dose (~ 10 15 cm −2 ). The depth (D GR ) of the guard ring 4 is controlled to a level of 2 to 4 μm through a drive-in heat treatment process.

가드링(4)의 농도는 1015 내지 1020 cm-3인 것으로 할 수 있다.The concentration of the guard ring 4 may be 10 15 to 10 20 cm -3 .

그 다음, 도 5에 도시한 바와 같이 상기 이온주입층(3)과 이격된 반도체 기판(1)에 정션 소자의 가장자리에 접합 종료(junction termination)를 위해 As+, P+ 와 같은 이온을 적정한 에너지(80 keV 이상)으로 도즈(1015 cm-2)를 이온주입하여 n+ 접합의 접합종료영역(5)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 5, ions such as As + and P + are ion-implanted at an appropriate energy (80 keV or more) at a dose (10 15 cm -2 ) at the edge of the junction element into the semiconductor substrate 1 spaced apart from the ion implantation layer 3 to form a junction termination region 5 of the n + junction.

그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 상기 가드링(4)의 일부 및 그 안쪽의 이온주입층(3)의 상부에 위치하는 산화막(2)을 패터닝하여 하부의 가드링(4) 일부 및 가드링(4)의 안쪽에 위치하는 이온주입층(3)의 상부를 노출시킨다.Then, as shown in FIG. 6, a part of the guard ring 4 and the oxide film 2 located on the upper portion of the ion implantation layer 3 therein are patterned to expose a part of the lower guard ring 4 and the upper part of the ion implantation layer 3 located inside the guard ring 4.

그 다음, 고농도(NH)의 p형 에피층(6)을 성장시킨다. Then, a high concentration ( NH ) p-type epitaxial layer 6 is grown.

이때, p형 에피층(6)의 불순물 농도는 1019~1020 cm-3인 것으로 한다.At this time, the impurity concentration of the p-type epitaxial layer 6 is assumed to be 10 19 to 10 20 cm -3 .

이때, 패턴닝되지 않은 산화막(2)의 상부에는 다결정(Poly)의 박막이 증착되고, 이온주입층(3) 및 가드링(4)의 Si 반도체가 노출된 표면에는 에피층이 성장된다. At this time, a polycrystalline thin film is deposited on the unpatterned oxide film 2, and an epitaxial layer is grown on the exposed surface of the ion implantation layer 3 and the Si semiconductor of the guard ring 4.

이때, p형 에피층(6)은 접합 깊이가 USJ(Ultra Shallow Junction)인 100nm 이하로 조절한다. At this time, the junction depth of the p-type epitaxial layer 6 is adjusted to 100 nm or less, which is USJ (Ultra Shallow Junction).

Ge의 함량(XGe)과 보론(Boron)의 도핑농도는 다양하게 조절하여 제작할 수 있다.The content of Ge (X Ge ) and the doping concentration of boron can be variously controlled and manufactured.

p형 에피층(6)을 성장하는데 있어서 효율을 높이기 위해 여러 가지 에피구조를 적용할 수 있다. 이는 이후에 좀 더 상세히 설명하기로 한다.In order to increase the efficiency in growing the p-type epitaxial layer 6, various epitaxial structures can be applied. This will be described in more detail later.

그 다음, 도 7에 도시한 바와 같이 상기 p형 에피층(6)을 패터닝하여, 상기 가드링(4)과 이온주입층(3)의 상부에 위치하는 p형 에피층(6)을 잔류시키고, 주변의 산화막(2)의 상부 일부에도 p형 에피층(6)을 잔류시킨다.Then, as shown in FIG. 7, the p-type epitaxial layer 6 is patterned to leave the p-type epitaxial layer 6 located on top of the guard ring 4 and the ion implantation layer 3, and the surrounding oxide film 2. The p-type epitaxial layer 6 is also left on the upper part.

이때, 산화막(2)의 상부에 위치하는 p형 에피층(6)은 실질적으로 다결정층이지만, 명칭을 p형 에피층(6)으로 통일하게 기재한다.At this time, the p-type epitaxial layer 6 positioned above the oxide film 2 is substantially a polycrystalline layer, but the name is uniformly described as the p-type epitaxial layer 6.

그 다음, 상기 산화막(2)의 상부에 위치하는 p형 에피층(6) 상에 금속층(7) 패턴을 형성하여, 금속-반도체 접합을 형성한다.Then, a metal layer 7 pattern is formed on the p-type epitaxial layer 6 positioned above the oxide film 2 to form a metal-semiconductor junction.

이때 사용하는 금속으로는 Al, Ti/Al, Ti/Ai/TiN과 같이 다양한 금속류와 다층의 구조로 사용할 수 있다. As the metal used at this time, various metals such as Al, Ti/Al, and Ti/Ai/TiN can be used in a multi-layered structure.

본 발명에 있어서 통상적인 반도체 공정에 해당하는 광리소그래피, 유전체박막증착 및 식각, 금속박막 증착 및 식각과 같은 공정기술 및 단계에 대해서는 상세한 언급을 하지 않는다.In the present invention, process techniques and steps such as optical lithography, dielectric thin film deposition and etching, and metal thin film deposition and etching corresponding to typical semiconductor processes are not described in detail.

그 다음, 도 8에 도시한 바와 같이 SiO2 또는 Si3N4인 유전체를 도 7의 구조 상부 전면에 증착하여 반사방지막(ARC, 8)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 8 , an antireflection film ARC 8 is formed by depositing a dielectric of SiO 2 or Si 3 N 4 on the entire upper surface of the structure of FIG. 7 .

이후, 반사방지막(8)을 패터닝하여 상기 금속층(7)을 노출시킨다.Thereafter, the anti-reflection film 8 is patterned to expose the metal layer 7 .

상기 반사방지막(8)은 굴절율(refractive index)를 고려하여 IR 영역에서 투과가 최대적화 할 수 있는 20nm 내지 200nm의 두께로 증착한다.The antireflection film 8 is deposited to a thickness of 20 nm to 200 nm to maximize transmission in the IR region in consideration of the refractive index.

그 다음, 도 9에 도시한 바와 반도체 기판(1)의 뒷면을 연마하여 반도체 기판(1)의 두께(Tw)를 100~300um에서 조절한다.Then, as shown in FIG. 9 , the back side of the semiconductor substrate 1 is polished to adjust the thickness T w of the semiconductor substrate 1 at 100 to 300 um.

그 다음, 백사이드 이온주입으로 n+ 이온주입층(9)을 형성한 후, 후면 금속층(10)을 증착한다. 후면 금속층(10)은 Al, Ti/Al, Ti/Ai/TiN, Cr/Au 또는 Ni/Al과 같이 다양한 금속의 다층 구조로 형성할 수 있다.Next, after forming the n + ion implantation layer 9 by backside ion implantation, the backside metal layer 10 is deposited. The rear metal layer 10 may be formed in a multilayer structure of various metals such as Al, Ti/Al, Ti/Ai/TiN, Cr/Au, or Ni/Al.

앞서 설명한 바와 같이 도 3의 구조를 사용하는 경우 백사이드 이온주입에 의한 n+ 이온주입층(9) 형성 과정은 생략될 수 있다.As described above, when the structure of FIG. 3 is used, the process of forming the n+ ion implantation layer 9 by backside ion implantation can be omitted.

이후의 제조공정으로는 안정화 열처리 등의 단계가 있으나, 이후 공정에는 과거로부터 사용되는 통상적인 공정기술을 이용하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Subsequent manufacturing processes include steps such as stabilization heat treatment, but since conventional process techniques used in the past are used in subsequent processes, a detailed description thereof will be omitted.

다시 도 1을 참조하면 본 발명 포토다이오드는, n- type의 액티브층인 반도체 기판(1)과, 상부가 반도체 기판(1)의 상면에 이르며, 소정의 면적으로 형성된 저농도 p형 이온주입층(3)과, 상기 이온주입층(3)의 상면에 접하는 공핍층인 고농도 p형 에피층(6)과, 상기 이온주입층(3)의 가장자리 및 그 하부의 반도체 기판(1)에 형성된 가드링(4)과, p형 에피층(6)의 일부에 형성된 금속층(7)과, 상기 금속층(7)이 노출되도록 상기 에피층(6)을 덮는 반사방지막(8) 및 반도체 기판(1)의 하부측에 형성된 n+ 이온주입층(9) 및 후면 금속층(10)을 포함하여 구성된다.Referring back to Figure 1, the photodiode of the present invention, n-A semiconductor substrate 1, which is an active layer of the type, a low-concentration p-type ion implantation layer 3 formed in a predetermined area and reaching the upper surface of the semiconductor substrate 1, a high-concentration p-type epitaxial layer 6, which is a depletion layer in contact with the upper surface of the ion implantation layer 3, a guard ring 4 formed on the semiconductor substrate 1 at the edge and lower portion of the ion implantation layer 3, and a metal layer 7 formed on a part of the p-type epitaxial layer 6 ), an antireflection film 8 covering the epitaxial layer 6 so that the metal layer 7 is exposed, an n+ ion implantation layer 9 formed on the lower side of the semiconductor substrate 1, and a rear metal layer 10. It is configured to include.

액티브층인 반도체 기판(1)의 두께(Tactive로)는 에피 성장 또는 백사이드 래핑 공정에 의해 조절된다.The thickness of the semiconductor substrate 1 as an active layer (to T active ) is controlled by an epitaxial growth or backside lapping process.

도면에서 DH는 고농도 p형의 에피층(6)의 두께 또는 깊이이며, DL은 저농도 p형의 이온주입층(3)의 두께 또는 깊이이다.In the drawing, D H is the thickness or depth of the high-concentration p-type epitaxial layer 6, and D L is the thickness or depth of the low-concentration p-type ion implantation layer 3.

그리고 공핌영역인 에피층(6)은 표면으로부터 하부측 100nm부터 공핍이 시작되도록 배치되고, 0V인 오픈 서킷(open circuit) 상태에서 공핍 폭(Wd)은 10~60 um가 되도록 한다.In addition, the epi layer 6, which is a depleted region, is arranged so that depletion starts from 100 nm from the lower side from the surface, and the depletion width (W d ) is 10 to 60 um in an open circuit state of 0V.

액티브 영역의 가장자리에 고농도의 이온주입으로 형성한 가드링(4)을 반도체 기판(1)의 내부로 소정의 깊이(DGR)로 형성하여 누설전류를 줄이고, 오믹접촉의 저항을 감소시키며, 역방향 항복전압을 100V 이상 조절할 수 있게 한다. The guard ring 4 formed at the edge of the active region by ion implantation of high concentration is formed at a predetermined depth (D GR ) into the semiconductor substrate 1 to reduce leakage current, reduce the resistance of the ohmic contact, and adjust the reverse breakdown voltage to 100V or more.

이러한 소자구조는 파장이 200nm인 UV 대역 단파장까지 수광효율을 최대로 높일 수 있다. This device structure can maximize the light-receiving efficiency up to a short wavelength in the UV band with a wavelength of 200 nm.

또한, 본 발명은 p-n 접합의 공핍 폭이 넓은 만큼 p-n 접합에 인가되는 정전용량(C)가 10 nF/cm2 이하로 제어되고 외부의 기생저항 성분도 최소가 되도록 조절함으로써 RC 지연(delay)에 의한 시간상수를 최소화할 수 있다.In addition, according to the present invention, the capacitance (C) applied to the pn junction is controlled to 10 nF/cm 2 or less as the depletion width of the pn junction is wide and the external parasitic resistance component is also controlled to a minimum, thereby minimizing the time constant due to the RC delay.

도 10은 종래의 기술과 비교하여 본 발명의 소자에서 광의 파장에 따른 광 응답성의 차이를 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing the difference in light response according to the wavelength of light in the device of the present invention compared to the prior art.

종래의 기술은 1회 내지는 2회의 이온주입으로 표면에 고농도(Nh~1020 cm-3)를 형성하고, 공핍층(depletion)이 생성되는 접합이 깊으며 공핍영역의 폭(Wd)이 좁다.In the prior art, a high concentration (N h ~ 10 20 cm -3 ) is formed on the surface by ion implantation once or twice, and the junction where the depletion layer is created is deep and the width of the depletion region (W d ) is narrow.

반면에 본 발명은 이온주입과 에피성장 공정을 사용하여 p-n접합의 공핍영역 폭이 넓고, 공핍영역이 소자 표면의 하부 100nm에 위치하는 극히 얕은 위치인 USJ(Ultra Shallow Junction)를 형성하며, 도핑농도도 고농도(NH=1019~1020 cm-3)와 저농도(NL=1013~015 cm-3)로 형성된다. 따라서 저농도(NL)는 기판농도(Nsub) 보다 아주 소량만 도핑농도가 높아서 공핍영역의 폭(Wd)을 넓게 형성할 수 있다.On the other hand, the present invention uses ion implantation and epitaxial growth processes to form a USJ (Ultra Shallow Junction), which is an extremely shallow location where the depletion region of the pn junction is wide and the depletion region is located at the lower 100 nm of the device surface, and the doping concentration is also high ( NH = 10 19 ~ 10 20 cm -3 ) and low concentration ( NL = 10 13 ~ 0 15 cm -3 ). Therefore, the low concentration (N L ) has a higher doping concentration than the substrate concentration (N sub ) by a very small amount, so that the width (W d ) of the depletion region can be widened.

또한, 고농도(NH)의 에피층이 깊이(DH)로 형성되어 오믹저항을 최소화하고 암전류(Dark current)를 줄이고 광전류를 최대한 신호로 추출되도록 하여 동작속도를 높이는데 기여한다. In addition, an epitaxial layer of high concentration (N H ) is formed at a depth (D H ) to minimize ohmic resistance, reduce dark current, and maximize photocurrent as a signal, contributing to increasing operation speed.

신호광의 파장이 UV-IR의 넓은 대역의 파장대를 흡수하여 수광성능을 극대화 할 수 있다.The wavelength of the signal light absorbs a wide band of UV-IR to maximize the light receiving performance.

도 11은 종래의 기술과 비교하여 본 발명의 소자에서 접합의 구조에 따른 광흡수 현상의 차이를 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing the difference in light absorption according to the junction structure in the device of the present invention compared to the prior art.

종래 기술에서는 공핍영역이 시작되는 접합의 깊이가 깊고 공핍영역의 폭(Wd)이 좁은데 반하여, 본 발명에서는 공핍영역이 시작되는 접합의 깊이가 100nm 이하로 매우 얕고 동시에 불순물 농도도 극히 최소한으로 제어되어 공핍영역의 폭(Wd)이 넓은 폭으로 형성된다. 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 shallow, less than 100 nm, and at the same time, the impurity concentration is controlled to an extremely minimum, so that the width (W d ) of the depletion region is formed with a wide width.

이와 같은 구조의 차이에 의하여, 예를 들어 입사광의 파장이 300nm인 광의 경우 표면의 하단부 깊이 100nm 급에서 대부분의 광흡수가 일어나고 운반자인 전자-정공쌍(Electron-hole pair)이 생성된다. 이렇게 생성된 전자-정공쌍(운반자)을 수집(collection)하여 광전류(Iph)의 신호로 받기 위해서는 표면에서 심하게 일어나는 재결합이나 전도(이동)중에 운반자 사이의 충돌에 의한 재결합을 줄여야 한다.Due to this difference in structure, for example, in the case of light having a wavelength of 300 nm, most of the light is absorbed at a depth of 100 nm at the bottom of the surface, and electron-hole pairs, which are carriers, are generated. In order to collect the generated electron-hole pairs (carriers) and receive them as a signal of photocurrent (I ph ), recombination that occurs severely on the surface or recombination caused by collision between carriers during conduction (movement) must be reduced.

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 UV(360nm이하), Green(530nm), Red(660nm), IR(940nm 이상)의 파장대에서 광흡수 영역이 극대화되고, 생성된 운반자의 수집(collection) 확률도 높일 수 있다.To this end, the depletion region should be brought as close to the surface as possible, but a structure in which the doping concentration of impurities at the bottom of the surface is kept as low as possible is advantageous in order to prevent recombination. Therefore, in the present invention, by controlling the concentration and depth distribution of such impurity doping with an optimized structure, the light absorption area is maximized in the wavelength bands of UV (360 nm or less), Green (530 nm), Red (660 nm), IR (940 nm or more), and the collection probability of generated carriers can also be increased.

도 12는 본 발명에서 적용하는 고농도 에피층의 구조에 대한 사례이다. 본 발명에서는 에피층의 고품질화를 위해 세 개의 층(L1, L2, L3)으로 구성되며, L1은 시드층, L2는 도핑층, L3는 캡(cap)층으로 한다. L1과 L3층은 비도핑층(undoped)으로 두께는 5~20nm 수준으로 매우 얇게 하고, L2층의 두께는 40~100nm로 조절한다.12 is an example of a structure of a high-concentration epitaxial layer applied in the present invention. In the present invention, the epitaxial layer is composed of three layers (L1, L2, L3) for high quality, L1 is a seed layer, L2 is a doped layer, and L3 is a cap layer. The L1 and L3 layers are undoped and have a very thin thickness of 5 to 20 nm, and the thickness of the L2 layer is adjusted to 40 to 100 nm.

또한 L2층에는 Ge과 p-typ dopant(Boron)를 주입하여 고농도의 p+-layer로 형성한다. In addition, Ge and p-typ dopant (Boron) are injected into the L2 layer to form a high-concentration p + -layer.

L2층의 Ge 함량(XGe)은 네모(rectangle)형 내지 세모(triangle)의 형태로 제어하여 Si1-xGex층으로 형성된다. The Ge content (X Ge ) of the L2 layer is controlled in a rectangular to triangle shape to form a Si 1-x Ge x layer.

L2층의 Ge 함량(XGe)은 0.1~0.3의 범위에서 이용하며, L2 에피층의 두께 및 도핑농도(NBoron)와 더불어 조절하여 이용한다.The Ge content (X Ge ) of the L2 layer is used in the range of 0.1 to 0.3, and is adjusted along with the thickness and doping concentration (N Boron ) of the L2 epitaxial layer.

도 13은 종래기술과 본 발명의 에너지밴드구조에 대한 비교 그래프이다.13 is a comparison graph of energy band structures of the prior art and the present invention.

고농도의 SiGe 에피층이 표면 절연막 하단부에 100nm 두께 이하로 형성되어 콘덕션 및 밸런스(conduction & valence) 에너지밴드의 구조가 차이를 보인다. 종래기술에 비해 본 발명의 경우 공핍영역이 크고, 절연막-반도체의 계면부분의 밴드가 심한 불연속 형태를 보인다. A high-concentration SiGe epitaxial layer is formed to a thickness of less than 100 nm on the lower part of the surface insulating film, showing a difference in the structure of the conduction & valence energy band. Compared to the prior art, in the case of the present invention, the depletion region is large, and the band at the interface between the insulating film and the semiconductor shows a severely discontinuous shape.

따라서 광흡수에 의해 발생된 전자와 정공은 각각 우측의 n-type과 좌측의 p-type으로 빠르게 이동하여 광전류로 기여하게 된다. Therefore, electrons and holes generated by light absorption rapidly move to the n-type on the right side and the p-type on the left side, respectively, and contribute to the photocurrent.

에피층에 Ge을 추가하여 SiGe층을 이용하는 경우 불순물(dopant)인 보론(boron)의 농도를 높게 할 수 있다. SiGe층은 Si 보다 격자상수가 커서 압축응력을 받게 되는, 이로 인하여 밴드구조를 조절되어 정공의 이동도가 높아진다. 정공(hole)의 이동도가 높아지면 정공(hole)이 애노드(anode) 전극인 금속층(7)으로 빠르게 수집 되어 광전류의 전도성을 높이는 효과를 제공한다. When a SiGe layer is used by adding Ge to the epitaxial layer, the concentration of boron, which is a dopant, can be increased. The SiGe layer has a larger lattice constant than Si, so it is subjected to compressive stress, thereby adjusting the band structure and increasing the mobility of holes. When the mobility of the holes is increased, the holes are rapidly collected into the metal layer 7, which is an anode electrode, to provide an effect of increasing the conductivity of the photocurrent.

도 14는 본 발명과 종래 기술의 파장에 따른 응답성 비교 그래프이다.14 is a graph comparing response according to wavelength between the present invention and the prior art.

종래 기술의 경우 400nm 파장대역 이상의 장파장에서 응답성의 증가가 이루어지는데, 본 발명의 경우 400nm 이하의 UV 대역에서도 응답성이 크게 증가하며 더욱 단파장으로는 200nm대역까지 유용한 특성을 보인다. In the case of the prior art, responsiveness is increased at long wavelengths of 400 nm or more, but in the case of the present invention, responsiveness is greatly increased even in the UV band of 400 nm or less, and even shorter wavelengths show useful characteristics up to 200 nm band.

또한 공핍영역의 폭 증가로 가시광 및 IR 대역까지 그 수광특성이 전반적으로 30~80% 정도 향상되는 것을 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 15는 본 발명과 종래 기술의 입력 광의 세기에 따른 응답성 비교 그래프이다.15 is a graph comparing responsiveness according to the intensity of input light between the present invention and the prior art.

종래기술에 의한 결과는 광전류(Iph)가 낮음은 물론 파장대별 차이가 크다.As a result of the prior art, the photocurrent (I ph ) is low and the difference between wavelengths is large.

종래기술은 자외선(UV)의 감도가 매우 낮고, 녹색(Green) 점선의 경우 입력광의 세기(Pph,input)가 증가하면서 Iph의 기울기가 감소하면서 포화되어 소자의 성능과 선형성이 심각하게 저하되는 특징을 보인다. In the prior art, the sensitivity of ultraviolet (UV) is very low, and in the case of the green dotted line, the performance and linearity of the device are saturated as the intensity of the input light (P ph,input ) increases and the slope of I ph decreases. It is characterized by a serious deterioration.

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 동작한다. As described above, in the prior art, the linearity of the photocurrent (I ph ) in the short wavelength (Green) band is poor as the input light intensity (P ph,input ) increases due to the severe recombination loss of high concentration carriers occurring on the surface of the device.

본 발명의 경우 UV, Green, Red, IR 각각의 파장에 해당하는 빛에 대해 input 광전력(Pph,input)에 따라 상당히 선형적이고 유사한 수준으로 증가는 광전류(Iph)를 보이고 있다. In the case of the present invention, it shows a photocurrent (I ph ) that increases at a fairly linear and similar level according to the input optical power (P ph,input ) for light corresponding to each wavelength of UV, Green, Red, and IR.

특히 단파장인 UV, Green의 광전류가 크게 증가하여 Red에 근접함은 물론 입사광 전력에 대한 선형성도 크게 개선된다. 더우기 IR의 감도는 대응 파장이 더욱 장파장으로 증가하여 100~1200nm 파장대까지 사용이 가능한 성능을 보인다.In particular, the short-wavelength UV and green photocurrents greatly increase, approaching red, as well as greatly improving the linearity of the incident light power. Moreover, the sensitivity of IR increases as the corresponding wavelength increases to a longer wavelength, showing performance that can be used up to a wavelength range of 100 to 1200 nm.

본 발명의 경우 상술된 바와 같이 예를 들어 UV, Green, Red, IR 각각의 파장에 대해 50% 이상 높아진 광전류를 보인다. 그리고 높은 광전력(Pph,input)까지 수광효율이 높아 우수하게 개량된 선형성을 유지한다. In the case of the present invention, as described above, for example, for each wavelength of UV, Green, Red, and IR, the photocurrent is increased by 50% or more. In addition, the light receiving efficiency is high up to high optical power (P ph,input ), and thus, excellently improved linearity is maintained.

이렇게 개량된 본 발명이 제공하는 소자의 광특성은 광센서를 제작하는 회로에 있어서 단순하고 안정적인 설계 및 구현을 가능하게 하여 매우 유용하다.The improved optical characteristics of the device provided by the present invention are very useful because they enable simple and stable design and implementation in a circuit for manufacturing an optical sensor.

이처럼, 본 발명의 소자구조와 제조공정이 종래의 기술과 매우 상이하며 이로 인하여 이득특성의 안정한 제어와 신뢰성 향상으로 동작함은 물론 항복전압 주변에서 매우 재현성이 높고 안정하게 제작할 수 있는 장점을 제공하게 된다.As such, the device structure and manufacturing process of the present invention are very different from those of the prior art, and thus operate with stable control of gain characteristics and improved reliability, as well as very reproducible and stable production around breakdown voltage. It provides the advantage.

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.It is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified or modified without departing from the technical gist of the present invention.

1: 반도체 기판 2: 산화막
3: 이온주입층 4: 가드링
5: 접합종료영역 6: 에피층
7: 금속층 8: 반사방지막
9: n+ 이온주입층 10: 후면 금속층
1: semiconductor substrate 2: oxide film
3: ion implantation layer 4: guard ring
5: junction termination area 6: epitaxial layer
7: metal layer 8: antireflection film
9: n+ ion implantation layer 10: rear metal layer

Claims (12)

n형 불순물을 1012~1015 cm-3 농도로 포함하는 저농도 n형 반도체 기판의 상부측에 위치하는 1013 cm-2이하의 도즈가 주입된 저농도 p형 이온주입층;
상기 저농도 p형 이온주입층의 상부에 접하며, 불순물의 농도가 1019~1020 cm-3인 p형 에피층;
상기 저농도 p형 이온주입층 가장자리에서, 저농도 p형 이온주입층보다 깊이 형성된 1015cm-2이상의 도즈가 주입된 고농도 p형 가드링; 및
상기 p형 에피층 상에 형성된 반사방지막을 포함하는 포토다이오드.
a low-concentration p-type ion implantation layer implanted with a dose of 10 13 cm -2 or less located on an upper side of a low-concentration n-type semiconductor substrate including n-type impurities at a concentration of 10 12 to 10 15 cm -3 ;
a p-type epitaxial layer in contact with an upper portion of the low-concentration p-type ion implantation layer and having an impurity concentration of 10 19 to 10 20 cm -3 ;
a high-concentration p-type guard ring implanted with a dose of 10 15 cm -2 or more formed deeper than the low-concentration p-type ion implantation layer at the edge of the low-concentration p-type ion implantation layer; and
A photodiode comprising an antireflection film formed on the p-type epitaxial layer.
제1항에 있어서,
상기 p형 에피층의 상부는 소자 표면으로부터 100nm 이내에 위치하는 포토다이오드.
According to claim 1,
The upper portion of the p-type epitaxial layer is located within 100 nm from the device surface.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 저농도 p형 이온주입층과 이격된 상기 반도체 기판의 일부에는 도즈양이 1015 cm-2인 n형 분순물 이온이 주입된 접합종료영역을 더 포함하는 포토다이오드.
According to claim 1 or 2,
and a junction termination region in which n-type impurity ions having a dose of 10 15 cm −2 are implanted in a portion of the semiconductor substrate spaced apart from the low-concentration p-type ion implantation layer.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반도체 기판은,
저농도 n형 이온이 주입된 벌크 기판 또는 n형 기판의 상부에 저농도 n형 이온을 포함하도록 성장된 에피층인 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
According to claim 1 or 2,
The semiconductor substrate,
A photodiode characterized in that it is an epitaxial layer grown to contain low-concentration n-type ions on a bulk substrate implanted with low-concentration n-type ions or an upper portion of an n-type substrate.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 저농도 p형 이온주입층은,
접합깊이가 0.1 내지 0.4um인 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
According to claim 1 or 2,
The low-concentration p-type ion implantation layer,
A photodiode characterized in that the junction depth is 0.1 to 0.4um.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가드링은,
불순물의 농도가 1015 내지 1020 cm-3인 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
According to claim 1 or 2,
The guard ring,
A photodiode characterized in that the impurity concentration is 10 15 to 10 20 cm -3 .
a) n형 불순물을 1012~1015 cm-3 농도로 포함하는 저농도 n형 반도체 기판의 상부에 산화막을 증착한 후, 불순물 이온주입을 통해 상기 반도체 기판의 상부측에 위치하는 1013 cm-2이하의 도즈가 주입된 저농도 p형 이온주입층을 형성하는 단계;
b) 불순물 이온주입을 통해 저농도 p형 이온주입층 가장자리에서, 저농도 p형 이온주입층보다 깊이 형성된 1015cm-2 이상의 도즈가 주입된 고농도 p형 가드링을 형성하는 단계;
c) 상기 산화막의 일부를 제거하여 가드링의 내측 저농도 p형 이온주입층을 노출시키고, 노출된 저농도 p형 이온주입층에 접하는 불순물 농도가 1019~1020 cm-3인 p형 에피층을 증착하는 단계; 및
d) 상기 p형 에피층의 일부에 애노드인 금속층을 형성하고, 반사방지막을 형성하는 단계를 포함하는 포토다이오드 제조방법.
a) depositing an oxide film on an upper portion of a low-concentration n-type semiconductor substrate containing n-type impurities at a concentration of 10 12 to 10 15 cm -3 , and then forming a low-concentration p-type ion implantation layer implanted with a dose of 10 13 cm -2 or less;
b) forming a high-concentration p-type guard ring at the edge of the low-concentration p-type ion-implantation layer through impurity ion implantation and implanted with a dose of 10 15 cm -2 or more formed deeper than the low-concentration p-type ion-implantation layer;
c) removing a portion of the oxide film to expose the inner low-concentration p-type ion implantation layer of the guard ring, and having an impurity concentration of 10 19 to 10 20 cm -3 in contact with the exposed low-concentration p-type ion implantation layer Depositing a p-type epitaxial layer; and
d) forming a metal layer serving as an anode on a portion of the p-type epitaxial layer and forming an antireflection layer.
제7항에 있어서,
c) 단계는,
상기 p형 에피층의 상부는 소자 표면으로부터 100nm 이내에 위치하도록 형성하는 포토다이오드 제조방법.
According to claim 7,
c) step is,
A photodiode manufacturing method in which the upper portion of the p-type epitaxial layer is formed to be located within 100 nm from the device surface.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 저농도 p형 이온주입층과 이격된 상기 반도체 기판의 일부에는 도즈양이 1015 cm-2인 n형 분순물 이온이 주입된 접합종료영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 포토다이오드 제조방법.
According to claim 7 or 8,
and forming a junction termination region implanted with n-type impurity ions having a dose of 10 15 cm -2 on a portion of the semiconductor substrate spaced apart from the low-concentration p-type ion implantation layer.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 반도체 기판은,
벌크 기판에 저농도 n형 이온을 주입하여 형성하거나 또는 n형 기판의 상부에 저농도 n형 이온을 포함하도록 에피층을 성장시킨 것을 특징으로 하는 포토다이오드 제조방법.
According to claim 7 or 8,
The semiconductor substrate,
A photodiode manufacturing method characterized in that it is formed by implanting low-concentration n-type ions into a bulk substrate or by growing an epitaxial layer to include low-concentration n-type ions on top of the n-type substrate.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 저농도 p형 이온주입층은,
접합깊이가 0.1 내지 0.4um가 되도록 이온주입된 것을 특징으로 하는 포토다이오드 제조방법.
According to claim 7 or 8,
The low-concentration p-type ion implantation layer,
A method for manufacturing a photodiode, characterized in that the ion implantation is performed so that the junction depth is 0.1 to 0.4 μm.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 가드링은,
불순물의 농도가 1015 내지 1020 cm-3가 되도록 불순물 이온을 주입하는 것을 특징으로 하는 포토다이오드 제조방법.
According to claim 7 or 8,
The guard ring,
A photodiode manufacturing method characterized by implanting impurity ions such that the impurity concentration is 10 15 to 10 20 cm −3 .
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