KR100630679B1 - 포토 다이오드 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
포토 다이오드 및 이를 제조하는 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 포토 다이오드의 제조 방법에 따르면, 반도체 기판 상에, 제 1 도전형의 매립층, 제 1 도전형의 제 1 에피택셜층, 제 1 도전형의 제 1 접합 영역, 제 2 도전형의 제 2 에피택셜층, 제 1 도전형의 제 2 접합 영역, 제 2 도전형의 제 1 고농도 주입층 및 제 1 도전형의 제 2 고농도 주입층을 형성한다. 그 후, 상기 제 2 에피택셜층 상에 버퍼 산화막과 식각 저지막을 형성하고, 그 위에 층간 절연막 및 금속간 절연막을 순차 형성하고, 배선 구조를 형성한다. 그 후, 수광부를 형성하도록 상기 층간 절연막 및 금속간 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 식각 저지막을 노출시킨다. 상기 수광부의 식각 저지막 및 버퍼 산화막의 일부를 건식 식각에 의해 제거한 후에 상기 수광부에 남아 있는 상기 버퍼 산화막을 습식 식각에 의해 제거하여 반도체 표면을 노출시킨다. 노출된 상기 반도체 표면을 포함한 전면 상에는 반사 방지막을 형성한다.
포토 다이오드, 반사 방지막
Description
도 1은 종래의 NIP형 포토 다이오드를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2 내지 도 7는 종래의 NIP형 포토 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 본 발명에 의한 포토 다이오드를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 광신호를 전기 신호로 변환하는 포토 다이오드 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
광학 소자로 사용되는 포토 다이오드는 일반적으로 광에너지를 전기 에너지로 변환하여 광신호로부터 전기적 신호(전류 또는 전압)를 얻는 광센서의 일종이 며, 다이오드의 접합부에 광 검출 기능을 부여하여 이루어진 반도체 소자이다. 이러한 포토 다이오드는 기본적으로, 광자 흡수에 의해 과잉 전자 또는 정공이 생성됨으로써 다이오드의 전도도가 광신호에 따라 변조된다는 원리를 이용한다. 즉, 포토 다이오드의 전류는 본질적으로 캐리어의 광학적 생성률에 따라 변화하며, 이러한 특성은 시간적으로 변화하는 광신호를 전기적 신호로 변환시켜 주는 유용한 방법을 제공한다. 광신호를 전기적 신호로 변환시킴으로써 포토 다이오드는 광디스크에 저장된 데이터를 판독/기입하거나, 서보(servo)에 신호를 전달하는 인터페이스 역할을 할 수 있다.
이러한 광 검출 기능을 가진 포토 다이오드에는 P-N 접합 구조로 된 포토 다이오드, PIN형(P형 전극 - 진성 에피택셜층(Intrinsic epitaxial layer) - N+형 층 - P 기판) 포토 다이오드, NIP형(N형 전극 진성 에피택셜층 P+형 층 P 기판) 포토 다이오드, 및 애벌랜치 증식 효과를 이용하는 애벌랜치 포토 다이오드(Avalanche Photodiode; APD) 등이 있다. NIP형 또는 PIN형 포토 다이오드에서 I 영역, 즉 진성 반도체(Intrinsic Semiconductor) 영역은 저항률이 높은 영역으로서 참된 진성 반도체일 필요는 없으며, 공핍 영역의 폭을 제어하는 역할을 한다. 이러한 다양한 구조를 갖는 포토 다이오드는 CD, DVD, DVD R/W, 콤보(COMBO), 콤비(COMBI), 블루 레이(Blue ray) 등에 다양하게 응용되어 사용되고 있으며, 최근에는 주로 NIP형 또는 PIN형 포토 다이오드가 사용되고 있다.
포토 다이오드에서의 성능은 광효율과 주파수 특성(또는 대역폭)으로 평가할 수 있는데, 우수한 성능을 얻기 위해서는 검출광의 파장에 대한 광전 효율이 높아 야 하고 필요한 응답 속도가 달성되어야 한다. 이러한 포토 다이오드의 성능 향상을 위하여 여러 방면으로 연구 및 개발이 진행되고 있다. 특히, 검출하고자 하는 파장의 빛의 광효율을 증대시키기 위해 포토 다이오드의 수광부에 입사하는 빛의 반사를 가능한 한 억제할 필요가 있다. 이를 위해 포토 다이오드의 수광부 상측 표면에 반사 방지막(anti-reflective coating; ARC)을 형성하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 반사 방지막의 종류 및 두께는 수광부에 입사하는 빛의 파장과 광량 등에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 질화막(SiN) 또는 실리콘 산화막/실리콘 질화막(SiO2/SiN)의 적층막을 반사 방지막으로 사용할 수 있다. 일본 공개특허공보 제2003-163344호 및 제2003-110098호에는 반사 방지막으로서 실리콘 산화막/실리콘 질화막의 적층막을 사용하는 포토 다이오드를 포함하는 반도체 장치를 개시하고 있다.
그런데, 반사 방지막을 형성하기 전에 포토 다이오드의 수광부의 층간 절연막 및 금속간 절연막을 식각에 의해 선택적으로 제거하여 수광부의 반도체 표면을 노출시키게 되는데, 이 때 필연적으로 반도체 표면을 오버 에칭하게 된다. 이러한 오버 에칭은 반도체 표면의 손상을 일으키며, 이에 따라 누설 전류를 증가시키게 된다. 이와 같이 오버 에칭을 하는 이유는 층간 절연막 및 금속간 절연막의 두께가 웨이퍼 전체적으로 균일하지 않기 때문이다.
도 1은 종래의 NIP형 포토 다이오드를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, NIP형 포토 다이오드에는, P형 반도체 기판(101) 상에 P형 매립층(P-type Buried Layer; 102), P형 에피택셜층(103), N형 에피택셜층(105) 및 N+형 고농도 주입층(108)이 순차 형성되어 있다. P형 에피택셜층(103) 및 N형 에피택셜층(105)에는 P형 제 1 접합 영역(104) 및 P형 제 2 접합 영역(106)이 각각 형성되어 있다. 또한, P+형 층(109b)이 P형 제 2 접합 영역(106)내에 형성되어 애노드 전극의 금속 콘택 플러그 (113a)와 접촉하고 있으며, P+형 분할층(109a)이 포토 다이오드의 수광부를 분할하도록 N형 에피택셜층(105)의 상부에 형성되어 있다. 애노드 전극 포함한 금속 배선 구조(113a, 113b, 115a, 115b)는 층간 절연막(112) 및 금속간 절연막(114)에 의해 주위와 절연되어 있다. 포토 다이오드가 주변의 다른 소자와 분리되도록, 로코스(LOCOS) 등에 의한 소자 분리막(107)이 형성되어 있다. 또한, 빛이 들어오는 창(window) 역할을 하는 포토 다이오드의 수광부를 포함한 전면 상에는 입사광의 반사를 억제하기 위한 반사 방지막(120)으로서 실리콘 산화막(120a)과 실리콘 질화막(120b)이 형성되어 있다.
도 2 내지 도 7은 종래의 NIP형 포토 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, P형 반도체 기판(101), 예를 들어 P 형 실리콘 기판 상에 고농도의 P형 매립층(102)을 형성하고 P형 에피택셜층(103)을 형성한 후 P형 제 1 접합 영역(104)을 형성한다. 그리고 나서, N형 에피택셜층(105)을 형성한 후 P형 제 2 접합 영역(106)을 형성하고, 소자 분리막(107) 및 캐소드와의 콘택을 위한 N+형 층(108)을 형성하고, 애노드와의 콘택을 위한 P+형 층(109b) 및 수광부 분할을 위한 P+형 층(109a)을 형성한다.
다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 상에 층간 절연막(112)을 증착한 후, 사진 식각 공정을 통해 P+형 층(109b)를 노출시키는 콘택홀(112a)을 형성한다. 그리고 나서, 도 4에 도시된 바와 같이, 콘택홀(112a)을 매립하도록 금속을 증착한 후, 사진 식각 공정을 통해 콘택 플러그(113a)와 제 1 금속 배선층(113b)을 형성하고 금속간 절연막(114)을 증착한다. 그 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 금속간 절연막에 비아(115a) 및 제 2 금속 배선층(115b)를 형성한다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 상에 수광부를 개방하기 위한 포토레지스트 패턴(150)을 형성하고 이를 식각 마스크로 하여 층간 절연막(112) 및 금속간 절연막(114)을 선택적으로 식각하여 수광부의 반도체 표면을 노출시킨다. 이에 따라 수광부에서 N+형 층(108) 및 P+형 층(109a)이 노출된다. 그런데, 이 때 반도체 웨이퍼 전체를 통해 층간 절연막(112) 및 금속간 절연막(114)의 두께가 균일하지 않기 때문에 수광부의 반도체 표면을 확실히 노출시키기 위해서는 오버 에칭을 해주어야 한다. 이와 같은 오버 에칭은 건식 식각에 의해 이루어지며, 노출된 반도체 표면에 플라즈마에 의한 손상을 주게 된다. 그 후, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면 상에 실리콘 산화막(120a) 및 실리콘 질화막(120b)으로 된 반사 방지막(120)을 증착한다.
이와 같이, 종래 기술에 의하면, 반사 방지막을 구비하는 수광부를 형성하기 위해 반도체 표면을 노출시키는 식각을 실시할 때, 오버 에칭으로 인해 반도체 표면을 손상시키게 된다. 이에 따라 포토 다이오드의 동작시 누설 전류가 증가하게 되어 광신호의 정확한 검출을 어렵게 만든다. 이러한 문제점은 종래의 PIN형 포토 다이오드에서도 동일하게 발생한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수광부를 형성하기 위한 사진 식각 공정시 수광부에서의 반도체 표면의 손상을 방지하여 누설 전류를 감소시킬 수 있게 하는 포토 다이오드의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 반사 방지막을 구비하는 수광부에서 반도체 표면에 손상이 없는 포토 다이오드를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 포토 다이오드의 제조 방법은, 반도체 기판 상에 제 1 도전형의 매립층 및 제 1 도전형의 제 1 에피택셜층을 순차 형성한 후 상기 제 1 에피택셜층 내에 제 1 도전형의 제 1 접합 영역을 형성하는 단계와, 상기 제 1 에피택셜층 상에 제 2 도전형의 제 2 에피택셜층을 형성한 후 상기 제 2 에피택셜층을 관통하여 상기 제 1 접합 영역과 접하도록 상기 제 2 에피택셜층 내에 제 1 도전형의 제 2 접합 영역을 형성하는 단계와, 상기 제 2 에피택셜의 상부에 제 2 도전형의 제 1 고농도 주입층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 접합 영역 내에 제 1 도전형의 제 2 고농도 주입층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 에피택셜층 상에 버퍼 산화막과 식각 저지막을 순차 형성하는 단계와, 상기 식각 저지막 상에 층간 절연막을 형성하고 상기 제 2 접합 영역 상에 상기 제 2 고농도 주입층과 접하는 제 1 배선 구조를 형성하는 단계와, 상기 층간 절연막 상에 금속간 절연막을 형성하고 상기 제 1 배선 구조 상에 상기 제 1 배선 구조와 접하는 제 2 배선 구조를 형성하는 단계와, 수광부를 형성하도록 상기 금속간 절연막 및 층간 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 식각 저지막을 노출시키는 단계와, 상기 수광부의 상기 식각 저지막 및 버퍼 산화막의 일부를 건식 식각에 의해 제거하는 단계와, 상기 수광부에 남아 있는 상기 버퍼 산화막을 습식 식각에 의해 제거하여 상기 수광부의 반도체 표면을 노출시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 포토 다이오드의 제조 방법에 의하면, 상기 수광부에 남아 있는 상기 버퍼 산화막을 습식 식각에 의해 제거하여 상기 수광부의 반도체 표면을 노출시키는 단계 후에, 상기 노출된 반도체 표면을 포함한 전면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때 상기 반사 방지막은 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막을 순차 증착하여 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 포토 다이오드의 제조 방법에 의하면, 상기 제 2 에피택셜층의 상부에 제 2 도전형의 제 1 고농도 주입층을 형성하는 단계 후에, 상기 제 2 에피택셜층 상부에 상기 포토 다이오드의 수광부를 분할하는 제 1 도전형의 제 3 고농도 주입층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 접합 영역을 형성하는 단계 후에, 상기 포토 다이오드를 다른 소자와 분리하기 위한 소자 분리막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
수광부를 형성하기 위하여 상기 금속간 절연막 및 층간 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 식각 저지막을 노출시키는 단계는, 습식 식각에 의해 상기 금속간 절연막 및 층간 절연막 일부를 제거하는 단계와, 건식 식각에 의해 남아 있는 상기 층간 절연막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 수광부를 형성하기 위하여 상기 금속간 절연막 및 층간 절연막을 선택적으로 식각하여 상기 식각 저지막을 노출시키는 단계는, 건식 식각에 의해 상기 금속간 절연막 및 층간 절연막을 제거하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 포토 다이오드는, 반도체 기판 상에 순차 형성된 제 1 도전형의 매립층, 제 1 도전형의 제 1 에피택셜층 및 제 2 도전형의 제 2 에피택셜층과, 상기 제 1 에피택셜층 내에 형성된 제 1 도전형의 제 1 접합 영역과, 상기 제 2 에피택셜층을 관통하여 상기 제 1 접합 영역과 접하는 제 1 도전형의 제 2 접합 영역과, 상기 제 2 에피택셜층의 상부에 형성된 제 2 도전형의 제 1 고농도 주입층과, 상기 제 2 접합 영역 내에 형성된 제 1 도전형의 제 2 고농도 주입층과, 수광부를 개방하도록 상기 제 2 에피택셜층 상에 순차 적층된 층간 절연막 및 금속간 절연막과, 상기 제 2 고농도 주입층과 접하도록 상기 층간 절연막 및 금속간 절연막 내에 형성된 배선 구조와, 상기 수광부를 제외한 상기 제 2 접합 영역 상에 순차 형성된 버퍼 산화막 및 식각 저지막과, 상기 수광부의 상기 제 2 에피택셜층을 포함한 전면 상에 형성된 반사 방지막을 포함한다.
또한, 본 발명의 포토 다이오드는 상기 제 2 에피택셜층 상부에 상기 포토 다이오드의 수광부를 분할하는 제 1 도전형의 제 3 고농도 주입층을 더 포함할 수 있으며, 상기 포토 다이오드를 다른 소자와 분리하기 위한 소자 분리막을 더 포함할 수도 있다. 상기 반사 방지막은 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 순차 증착하 여 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 예시되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 보호 범위가 다음에 설명되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서, 층 및 영역들의 크기는 설명의 명료성을 위하여 과장된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 NIP형 포토 다이오드 및 이를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 애노드가 공통되는 애노드 공통(anode common)의 분할 포토 다이오드에 대하여 설명한다. 그러나, 당업자라면 본 실시예에서 설명하는 도전형과 반대되는 도전형을 도입함으로써 PIN형 포토 다이오드에도 본 발명이 적용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 NIP형 포토 다이오드를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면, P형 반도체 기판(201) 상에 고농도의 P형 매립층(202), P형의 제 1 에피택셜층(203) 및 N형의 제 2 에피택셜층(205)이 순차 형성되어 있다. 제 1 에피택셜층(203)과 제 2 에피택셜층(205)은 NIP형 포토 다이오드의 'I' 영역, 즉, 고저항율의 진성 에피택셜층 영역을 이루며, 광 흡수에 의해 전자-전공쌍을 생성(electron-hole pair)하는 역할을 수행한다. 또한, 제 1 에피택셜층(203)과 제 2 에피택셜층(205) 내에는 P형의 제 1 접합 영역(204)과 P형의 제 2 접합 영역(206)이 서로 접하여 형성되어 있다. 제 1 접합 영역(204) 및 제 2 접합 영역(206)은 제 1 에피택셜층(203) 및 제 2 에피택셜층(205)에서 생성된 전류 캐리어가 흐를 수 있도록 전류 경로를 제공해 준다.
제 2 에피택셜층(205)의 상부에는 얕은 접합(shallow junction) 구조의 N+형의 제 1 고농도 주입층(208)이 형성되어 있고, 제 2 접합 영역(206)에는 P+형의 제 2 고농도 주입층(209b)가 형성되어 있으며, N+형 제 1 고농도 주입층(208)을 분할하는 P+형의 제 3 고농도 주입층(209a)이 형성되어 있다. N+형의 제 1 고농도 주입층(208)은 캐소드 전극(미도시)과 연결되어 캐소드 전극의 접촉 저항을 감소시키는 역할을 하고, P+형의 제 2 고농도 주입층(209b)은 애노드 전극을 이루는 제 1 배선 구조(113a, 113b)와 연결되어 애노드 전극의 접촉 저항을 감소시키는 역할을 하며, P+형의 제 3 고농도 주입층(209a)은 포토 다이오드의 수광부를 분할하는 역할을 한다. 또한, 수광부의 제 2 에피택셜층(205)을 포함한 전면 상에는 반사 방지막(220)으로서 산화막(220a) 및 질화막(220b)이 형성되어 있다. 반사방지막(220)을 이루는 산화막(220a) 및 질화막(220b)은 수광부 주변의 층간 절연막(212), 금속간 절연막(214) 및 제 2 배선 구조(215a, 215b)의 일부에까지 연장되어 있다. 이 산화막(220a) 및 질화막(220b)은 수광부에서는 반사방지막(220)의 역할을 하고 수광부 이외의 영역에서는 그 아래에 있는 막을 보호하는 패시베이션의 역할을 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 종래의 NIP형 포토 다이오드와 달리, 수광부 영역을 제외한 P형의 제 2 접합 영역(206) 상에 버퍼 산화막(230) 및 실리콘 질화막(240)이 형성되어 있다. 실리콘 질화막(240)은 포토 다이오드의 제 조 공정 중 식각 저지막의 역할을 한다. 이 버퍼 산화막(230) 및 실리콘 질화막(240)은 본래 수광부의 제 2 에피택셜층(205)을 포함한 전면 상에 형성되었던 것이지만, 포토 다이오드의 제조 공정 중 일부 제거되어 결국 수광부 영역에는 버퍼 산화막(230) 및 실리콘 질화막(240)이 남아 있지 않게 된다.
도 9 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 9를 참조하면, P형 반도체 기판 상에 P형 매립층(202) 및 P형의 제 1 에피택셜층(203)을 순차 형성한다. 제 1 에피택셜층(203)의 두께 및 비저항은 포토 다이오드의 성능을 확보하는 데 중요한 인자가 된다. 이를 고려하여 제 1 에피택셜층은 약 8 내지 12㎛의 두께와 약 100 내지 200 Ω㎝의 비저항을 갖도록 형성한다. 그 후, 도 10에 도시된 바와 같이, 제 1 에피택셜층(203) 내에 P형의 제 1 접합 영역(204)을 형성한다. P형의 제 1 접합 영역(204)은 이온 주입 및 열확산 공정을 통해 형성한다. P형의 제 1 에피택셜층(203) 상에는 N형의 제 2 에피택셜층(205)을 형성한다. 그 다음에, 이온 주입 및 열확산 공정을 통해 제 2 에피택셜층(205) 내에 P형의 제 2 접합 영역(206)을 형성한다. 이 때, P형의 제 2 접합 영역(206)은 제 2 에피택셜층(205)을 관통하여 제 1 접합 영역(204)와 접하도록 형성된다. 그리고 나서, 포토 다이오드를 다른 소자와 분리하도록 로코스 등의 소자 분리막(207)을 형성한다.
다음으로, 도 11을 참조하면, N형의 제 2 에피택셜층(205)의 상부에 N+형의 제 1 고농도 주입층(208)을 형성한다. N+형의 제 1 고농도 주입층(208)은 캐소드 전극(미도시)에 연결되어 캐소드 전극과의 접촉 저항을 감소시키는 역할을 하는 것으로 얕은 접합(shallow junction) 구조를 갖도록 형성하는 것이 성능 향상에 바람직하다. 그리고 나서, 제 2 접합 영역(206) 내에 P+형의 제 2 고농도 주입층(209b)을 형성하고, N+형의 제 1 고농도 주입층(208)을 분할하도록 P+형의 제 3 고농도 주입층(209a)을 형성한다. P+형의 제 2 고농도 주입층(209b)은 애노드 전극의 접촉 저항을 감소시키는 역할을 하며, P+형의 제 3 고농도 주입층(209a)은 포토 다이오드의 수광부를 분할하는 역할을 한다.
다음으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 제 2 에피택셜층(205) 상에 버퍼 산화막(230)과 식각 저지막(240)을 순차 형성한다. 버퍼 산화막(230)은 실리콘 산화막으로 형성하고 식각 저지막(240)은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있으며, 버퍼 산화막(230)은 약 1000Å의 두께로 형성하고 식각 저지막(240)은 약 4000Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 13을 참조하면, 버퍼 산화막(230)과 식각 저지막(240)이 형성된 상기 결과물 상에 산화막으로 된 층간 절연막(212)을 형성한 후 사진 식각 공정을 통해 제 2 고농도 주입층(209b)의 일부를 노출시키도록 콘택홀(212a)을 형성한다. 층간 절연막(212)은 약 12000Å의 두께로 형성할 수 있다. 이 콘택홀(212a)은 제 2 고농도 주입층(209b)와 접촉하는 애노드 전극을 이루는 금속 콘택을 형성하기 위한 것이다.
다음으로, 도 14에 도시된 바와 같이, 콘택홀(212a)을 완전히 매립하도록 금속막을 증착한 후 사진 식각 공정을 통해 금속막을 패터닝하여 금속 콘택(213a) 및 금속 배선층(213b)로 이루어진 제 1 금속 배선 구조(213a, 213b)를 형성한다. 제 1 금속 배선 구조는 P+형의 제 2 고농도 주입층(209b)과 접하여 애노드 전극을 형성한다. 도면에는 도시되어 있지 않으나, 애노드 전극을 이루는 제 1 금속 배선 구조(213a, 213b) 형성 시 N+형의 제 1 고농도 주입층(209a)와 접하는 캐소드 전극도 형성된다. 제 1 배선 구조(213a, 213b)를 형성한 후에는 제 1 배선 구조(213a, 213b)를 포함한 상기 결과물 전면 상에 산화막으로 된 금속간 절연막(214)을 형성한다. 금속간 절연막(214)은 약 8000 내지 10000Å의 두께로 형성할 수 있다.
다음으로, 도 15를 참조하면, 사진 식각을 통해 상기 금속간 절연막(214)에 비아홀을 형성하고 이를 매립하는 금속막을 증착한 후 사진 식각을 통해 금속막을 패터닝하여 제 1 배선층(213b)와 접하는 제 2 배선 구조(215a, 215b)를 형성한다.
그 후에는, 도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드의 수광부를 형성하는 사진 식각 공정을 실시한다. 이에 의해 수광부 영역에서 반도체 표면이 노출되도록 한다. 먼저, 도 16을 참조하면, 제 2 금속 배선 구조(215a, 215b)가 형성된 결과물 상에 수광부를 오픈시키는 포토레지스트막 패턴(60)을 형성한다. 그 다음에, 이 포토레지스트막 패턴(60)을 식각 마스크로 하여 습식 식각을 실시하여 금속간 절연막(214) 및 층간 절연막(212)의 일부를 제거한다. 습식 식각 시 사용하는 식각액으로는 HF 용액을 사용하거나 BOE(Buffered Oxide Etchant)를 사용할 수 있다.
다음으로, 도 17에 도시된 바와 같이, 포토레지스트막 패턴(60)을 식각 마스크로하여 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 식각 선택비를 이용하여 건식 식각을 실시함으로써 남아 있는 일부 층간 절연막(212), 식각 저지막(240) 및 버퍼 산화막(230)의 일부를 제거한다. 구체적으로 말해서, 우선 Ar 가스 분위기에서 CF4, CHF3, C2F6, C3F8, C4
F8, CH2F2, CH3F, C4F6 또는 이들의 혼합물과 O2 가스를 사용하여 남아 있는 일부 층간 절연막(212)을 식각함으로써 실리콘 질화막으로 된 식각 저지막(240)을 노출시킨다. 이 때 실리콘 질화막에 대한 실리콘 산화막의 높은 식각비로 인해 식각 저지막(240)이 층간 절연막(212)과 함께 한꺼번에 제거되지 않게 된다. 그 다음에 상기 식각 가스를 이용한 타임 에칭(time etching)으로 건식 식각함으로써 식각 시간의 제어를 통해 식각 저지막(240) 및 그 아래의 버퍼 산화막(230) 일부를 제거한다. 식각 저지막(240) 및 버퍼 산화막(230)의 일부를 식각할 때 상기 CXFY 계 혼합 가스의 조성 비율을 변화시킴으로써 실리콘 질화막에 대한 실리콘 산화막의 식각 선택비를 감소시킬 수 있다. 건식 식각한 후 남아 있는 버퍼 산화막(230)의 두께(h)는 약 50Å인 것이 바람직하다. 이와 같이 반도체 표면이 노출되지 않도록 버퍼 산화막(230)의 일부를 남겨둔 상태에서 건식 식각이 종료되기 때문에, 반도체 표면에 대한 플라즈마의 영향을 배제할 수 있게 된다.
다음으로, 도 18을 참조하면, 수광부 영역에 남아 있는 버퍼 산화막(230)은 습식 식각을 통하여 제거하여 반도체 표면을 노출시킨다. 이 때 사용하는 식각액으로는 HF 용액 또는 BOE를 사용할 수 있다. 건식 식각을 사용하지 않고 식각액을 이용한 습식 처리를 행하여 반도체 기판을 노출시키기 때문에, 플라즈마에 의한 반도체 표면의 손상을 방지할 수 있게 된다.
다음으로, 도 19를 참조하면, 수광부의 광 흡수율을 향상시키도록 수광부를 포함한 전면 상에 반사 방지막(220)을 형성한다. 반사 방지막(220)은 실리콘 산화막(220a)와 실리콘 질화막(220b)을 순차 적층하여 형성할 수 있다. 반사 방지막(220)으로 사용되는 실리콘 산화막(220a) 및 실리콘 질화막(220b)은 각각 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의해 증착된 산화막 및 질화막인 것이 바람직하다. 이 때, 실리콘 산화막(220a) 및 실리콘 질화막(220b)은 수광부에서는 반사 방지막의 역할을 하나 수광부 이외의 영역에서는 그 아래에 있는 층들을 보호하는 패시베이션막으로서의 기능을 수행한다. 따라서, 수광부에서의 광효율과 수광부 이외의 영역에서의 패시베이션 역할을 함께 고려하여 최적의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시예는, 수광부를 형성하기 위한 금속간 절연막(214) 및 층간 절연막(212)의 식각 시 습식 식각을 사용하지 않고 건식 식각을 사용한다는 점을 제외하고는 전술한 실시예와 동일하다. 따라서, 본 실시예에서도, 도 9 내지 도 15를 참조하여 설명한 공정들을 실시함으로써 도 15에 도시된 바와 같은 결과물을 얻는다.
다음으로, 도 20에 도시된 바와 같이, 수광부를 오픈시키는 포토레지스트막 패턴(60)을 형성하고 이를 식각 마스크로 하여 건식 식각함으로써 금속간 절연막(212) 및 층간 절연막(214)을 제거한다.
다음으로, 도 21에 도시된 바와 같이, 계속해서 건식 식각을 실시하여 실리 콘 질화막으로 된 식각 저지막(240)을 노출시킨 후에, 타임 에칭으로 건식 식각함으로써 식각 저지막(240) 및 버퍼 산화막(230)의 일부를 제거한다. 건식 식각 후 남아 있는 버퍼 산화막(230)의 두께(h)는 약 50Å 인 것이 바람직하다.
다음으로, 도 22에 도시된 바와 같이, HF 용액 또는 BOE 등을 사용하여 습식 식각함으로써 남아 있는 버퍼 산화막(230)을 제거하여 반도체 표면을 노출시킨다. 그 후, 도 23에 도시된 바와 같이, 반도체 표면이 노출된 수광부를 포함한 전면 상에 PECVD를 통해 실리콘 산화막(220a) 및 실리콘 질화막(220b)로 된 반사 방지막(220)을 형성한다. 본 실시예에서도 습식 식각 처리에 의해 반도체 표면을 노출시키기 때문에, 건식 식각의 오버 에치에 의한 반도체 표면의 손상을 방지할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 수광부에서 식각 저지막 및 버퍼 산화막의 일부를 건식 식각에 의해 제거한 후, 수광부에 남아 있는 버퍼 산화막을 습식 식각에 의해 제거하여 반도체 표면을 노출시키기 때문에, 플라즈마에 의한 반도체 표면의 손상을 방지할 수 있게 된다. 이에 따라 포토 다이오드의 동작 시 누설 전류를 감소시키고 정확한 출력 신호를 얻을 수 있게 된다.
Claims (18)
- 반도체 기판 상에 제 1 도전형의 매립층 및 제 1 도전형의 제 1 에피택셜층을 순차 형성한 후 상기 제 1 에피택셜층 내에 제 1 도전형의 제 1 접합 영역을 형성하는 단계;상기 제 1 에피택셜층 상에 제 2 도전형의 제 2 에피택셜층을 형성한 후 상기 제 2 에피택셜층을 관통하여 상기 제 1 접합 영역과 접하도록 상기 제 2 에피택셜층 내에 제 1 도전형의 제 2 접합 영역을 형성하는 단계;상기 제 2 에피택셜의 상부에 제 2 도전형의 제 1 고농도 주입층을 형성하는 단계;상기 제 2 접합 영역 내에 제 1 도전형의 제 2 고농도 주입층을 형성하는 단계;상기 제 2 에피택셜층 상에 버퍼 산화막과 식각 저지막을 순차 형성하는 단계;상기 식각 저지막 상에 층간 절연막을 형성하고 상기 제 2 접합 영역 상에 상기 제 2 고농도 주입층과 접하는 제 1 배선 구조를 형성하는 단계;상기 층간 절연막 상에 금속간 절연막을 형성하고 상기 제 1 배선 구조 상에 상기 제 1 배선 구조와 접하는 제 2 배선 구조를 형성하는 단계;상기 금속간 절연막 및 상기 층간 절연막의 일부를 제거하는 제1 식각 단계;상기 식각 저지막과 상기 층간 절연막의 식각 선택비를 이용하여 건식식각에 의해 남아 있는 상기 층간 절연막을 제거하는 제2 식각 단계;상기 버퍼 산화막 및 상기 식각 저지막을 타임 에칭하여, 상기 식각 저지막 및 상기 버퍼 산화막의 일부를 제거하는 제3 식각 단계;상기 수광부에 남아 있는 상기 버퍼 산화막을 습식 식각에 의해 제거하여 상기 수광부의 반도체 표면을 노출시키는 제4 식각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 수광부에 남아 있는 상기 버퍼 산화막을 습식 식각에 의해 제거하여 상기 수광부의 반도체 표면을 노출시키는 제4 식각 단계 후에, 상기 노출된 반도체 표면을 포함한 전면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드의 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 반사 방지막은 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막을 순차 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제 2 에피택셜층의 상부에 제 2 도전형의 제 1 고농도 주입층을 형성하는 단계 후에, 상기 제 2 에피택셜층의 상부에 상기 포토 다이오드의 수광부를 분할하는 제 1 도전형의 제 3 고농도 주입층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제 2 접합 영역을 형성하는 단계 후에, 상기 포토 다이오드를 다른 소자와 분리하기 위한 소자 분리막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 식각 저지막 및 상기 버퍼 산화막의 일부를 제거하는 제3 식각 단계이후에, 상기 수광부에 남아 있는 상기 버퍼 산화막의 두께는 50Å 인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 수광부에 남아 있는 상기 버퍼 산화막을 습식 식각에 의해 제거하여 상기 수광부의 반도체 표면을 노출시키는 제4 식각 단계에서 식각액으로 HF 용액 또는 BOE를 사용하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 매립층, 상기 제 1 에피택셜층, 상기 제 1 접합 영역, 및 상기 제 2 접합 영역은 P형이고,상기 제 2 에피택셜층은 N형이며,상기 제 1 고농도 주입층은 N+형, 상기 제 2 고농도 주입층은 P+형인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드의 제조 방법.
- 반도체 기판 상에 순차 형성된 제 1 도전형의 매립층, 제 1 도전형의 제 1 에피택셜층 및 제 2 도전형의 제 2 에피택셜층;상기 제 1 에피택셜층 내에 형성된 제 1 도전형의 제 1 접합 영역;상기 제 2 에피택셜층을 관통하여 상기 제 1 접합 영역과 접하는 제 1 도전형의 제 2 접합 영역;상기 제 2 에피택셜층의 상부에 형성된 얕은 접합 구조의 제 2 도전형의 제 1 고농도 주입층;상기 제 2 접합 영역 내에 형성된 제 1 도전형의 제 2 고농도 주입층;상기 제 2 에피택셜층 상부에 상기 포토 다이오드의 수광부를 분할하는 제 1 도전형의 제 3 고농도 주입층;수광부를 개방하도록 상기 제 2 에피택셜층 상에 순차 적층된 층간 절연막 및 금속간 절연막;상기 제 2 고농도 주입층과 접하도록 상기 층간 절연막 및 금속간 절연막 내에 형성된 배선 구조;상기 수광부를 제외한 상기 제 2 접합 영역 상에 순차 형성된 버퍼 산화막 및 식각 저지막; 및상기 수광부의 상기 제 2 에피택셜층을 포함한 전면 상에 형성된 반사 방지막을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
- 제11항에 있어서, 상기 버퍼 산화막은 실리콘 산화막이고 상기 식각 저지막은 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
- 제11항에 있어서, 상기 반사 방지막은 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 순차 증착하여 형성된 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
- 제11항에 있어서, 상기 포토 다이오드를 다른 소자와 분리하기 위한 소자 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
- 삭제
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- 제11항에 있어서, 상기 제 1 에피택셜층의 두께는 8 내지 12 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
- 제11항에 있어서, 상기 제 1 에피택셜층의 비저항은 100 내지 200 Ω㎝ 인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드.
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