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문제 정의
- 그러나 선량 평가를 위한 반도체 검출기에 대한 연구는 아직 미진한 상태에 있다. 따라서 논 연구에서는 기존에 사용되고 있는 반도체 검출기보디 성능이 우수하고 가격이 저렴한 반도체 검출기를 제작하기 위하여 전산모사를 통한 최적의 제작 공정을 확립하고, 이를 이용하여 PIN형 반도체검 출기를 제작하여 개인 선량 측정을 위한 검출기 로서의 특성을 조사하였다.
- 본 논문에서는 가격이 저렴한 저저항 Si 기판에서 PIN형 반도체 검출기를 설계 제작하였다. 반도체 공정 변수를 분석하는 프로그램인 TSUPREMTV[기와 소자의 전기적 특성을 분석 하는 프로그램인 DAVINCI[8]를 이용하여 p+층의 폭(width)과 이온주입 (ion implant)되는 붕소의 농도 변화에 따른 누설전류의 변화와 열처리 공정에서 SiO2층에 의한 불순물의 차단 효과를 전산 모사를 하였다.
가설 설정
- 그러나 실험 환경과 최대한 유사하게 모사하기 위해서는 정확한 선원 분포를 선택해야 한다. 본 논문에서는 평면선원이 검출기의 윗면에서 입사한다고 가정하여 MCNP 코드를 완성했다.
- 그림 2는 선원의 분포 및 산란 방사선의 분포를 묘사할 수 있는 Sabrina 그래픽 소프트웨어를 이용한 평면선원의 분포를 나타내고 있다. 평면선 원은 검출기의 유효반응 면적내로만 입사된다고 가정하였다. MCNP 전산모시 결과를 이용하여 에너지 보상 필터인 A1의 두께는 1.
제안 방법
- 개인선량계의 검출기로서 사용 가능성을 시험하기 위하여 Cs-137 선원을 이용하여 조사선량률 5 mR/h ~ 25 R/h의 범위로 조사하였다. 제작된 검출기의 방사선 반응 특성은 그림 10(d)와 같이 양호한 직선성을 보여주고 있다.
- 전극단자는 으선 구리 foil에 마스크를 사용하여 전극단자의 패턴을 제작한 다음은 을 코팅하였으며 특히 검출기의 옆면에 연결되는 전극단자의 경우에는 핀과 전극단자 패턴을 silver soldering을 사용하여 접합하였다. 검줄기와 wire bonding을 하여 전극 단자를 연결한 후 epoxy resin으로 passivation을 하고 검줄기의 앞면에 에너지 필터인 1.1 mm의 알루미늄을 부착 시키고 최종적으로 epoxy로 코팅하여 PIN 반도체 검출기를 제작하였다.
- 검출기의 구조를 설계하기 위하여 먼저 소자의 크기는 1 mm(L) X 1 mm(W) x 5 로 임의로 설정하고, 이에 따른 p+ 영역의 폭을 1 Pm, 0.5 Um로 설정하여 소자 특성 분석 프로그램인 DAVINCI로 각각의 암전류(dark current)를 분석 함으로써 p+ 영역의 크기에 따른 누설전류 변화를 분석하였다. 또한 P+영역, i 영역과 n+영역의 도핑 농도는 각각 3 X IO20 cm % 1 X 1014 cm % 1 x 1021 cm 2로 설정하고 p+ 농도 변화에 따른 암전류를 측정하였다.
- 검출기의 특성 전산모사 과정에서 선정된 검출 기의 구조를 제작하기 위한 송정표를 작성하고, TSUPREM-IV 프로그램으로 전사모사를 수행하여 설계된 공정과정의 타당성을 검증한 후 전산 모사에서 제작된 검출기의 특성을 다시 분석하여 수정이 필요한 경우 공정과정 및 공정변수를 적절히 수정하여 공정 전산모사를 반복하여 수행함으로써 원하는 특성을 갖는 검출기 제작을 위한 공정을 수립하였다.
- 기존 개인선량계에 사용되고 있는 PIN 반도체 검출기보다 전기적 특성이 우수한 반도체 검출기의 제작 공정을 개발하였다. 전산모사를 통하여 p+ 층의 도핑 농도, 열처리에 의한 불순물의 재분포, guard ring에 의한 절단면에서의 전류의 분포 및 공정시 SiCh층에 의한 불순물의 차단 효과를 분석하여 누설전류가 감소되는 것을 확인하였다.
- 5 Um로 설정하여 소자 특성 분석 프로그램인 DAVINCI로 각각의 암전류(dark current)를 분석 함으로써 p+ 영역의 크기에 따른 누설전류 변화를 분석하였다. 또한 P+영역, i 영역과 n+영역의 도핑 농도는 각각 3 X IO20 cm % 1 X 1014 cm % 1 x 1021 cm 2로 설정하고 p+ 농도 변화에 따른 암전류를 측정하였다. 이 분석결과를 토대로 하여 감지하고자 하는 에너지대역의 방사선 특성, 특히 침투깊이 등을 고려하여 소자의 구조를 3 mm(L) X 3 mm(W) x 250 Pm(H)로 수정하고, p+ 영역의 폭은 1 pm, p+ 영역의 도핑 농도는 3 X 1014 cm 2, 4 X IO'5 cm 2, 3 x 1016 cm 2S.
- 5 pm로 주요 공정 변수를 설정하였다. 또한 guard ring 구조의 효율성을 검출기의 절단면 가장자리에서의 누설전류 분포의 관점에서 분석하였다[9]. 최종적으로 그림 1과 같은 최적의 검출기 구조가 설계되었다.
- 0 mm로 결정되었다. 또한 설계된 검출기의 방사선반응특성을 확 @하기 위하여 에너지를 20 keV ~ 3 MeV 범위 에서 변화시키면서 전산모사를 수행하였다.
- 본 논문에서는 가격이 저렴한 저저항 Si 기판에서 PIN형 반도체 검출기를 설계 제작하였다. 반도체 공정 변수를 분석하는 프로그램인 TSUPREMTV[기와 소자의 전기적 특성을 분석 하는 프로그램인 DAVINCI[8]를 이용하여 p+층의 폭(width)과 이온주입 (ion implant)되는 붕소의 농도 변화에 따른 누설전류의 변화와 열처리 공정에서 SiO2층에 의한 불순물의 차단 효과를 전산 모사를 하였다. 전산모사 결과로부터 최적의 변수들과 검출기의 구조가 결정되었으며, 검출기는 변수들을 반도체 집적회로 공성에 적용하여 제작되었다.
- 이 분석결과를 토대로 하여 감지하고자 하는 에너지대역의 방사선 특성, 특히 침투깊이 등을 고려하여 소자의 구조를 3 mm(L) X 3 mm(W) x 250 Pm(H)로 수정하고, p+ 영역의 폭은 1 pm, p+ 영역의 도핑 농도는 3 X 1014 cm 2, 4 X IO'5 cm 2, 3 x 1016 cm 2S. 변화시키며 특성을 분석하였다. 전산모사 결과로부터 가장 우수한 특성을 나타내는 구조를 선정하였으며, 이에 따른 실리콘 기판은 400 Qcm, i 영역의 두께는 250 ㎛, p+ 영역 및 n+ 영역 농도는 4xl015 cm % p+ 영역의 금속 접합 크기는 0.
- 설계된 PIN 반도체 검출기의 방사선적 특성 분석을 위해서 MCNP 코드를 이용하여, 방사선의 에너지 변화에 따른 반응 특성을 분석했다. 전산 모사에 있어서 고려해야 하는 중요한 변수는 방사선 입사방법의 선택이다.
- 또한 P+영역, i 영역과 n+영역의 도핑 농도는 각각 3 X IO20 cm % 1 X 1014 cm % 1 x 1021 cm 2로 설정하고 p+ 농도 변화에 따른 암전류를 측정하였다. 이 분석결과를 토대로 하여 감지하고자 하는 에너지대역의 방사선 특성, 특히 침투깊이 등을 고려하여 소자의 구조를 3 mm(L) X 3 mm(W) x 250 Pm(H)로 수정하고, p+ 영역의 폭은 1 pm, p+ 영역의 도핑 농도는 3 X 1014 cm 2, 4 X IO'5 cm 2, 3 x 1016 cm 2S. 변화시키며 특성을 분석하였다.
- 그림 9는 본 연구에서 수행한 제작 공졍을 나타낸 것이다. 전극단자는 으선 구리 foil에 마스크를 사용하여 전극단자의 패턴을 제작한 다음은 을 코팅하였으며 특히 검출기의 옆면에 연결되는 전극단자의 경우에는 핀과 전극단자 패턴을 silver soldering을 사용하여 접합하였다. 검줄기와 wire bonding을 하여 전극 단자를 연결한 후 epoxy resin으로 passivation을 하고 검줄기의 앞면에 에너지 필터인 1.
- 변화시키며 특성을 분석하였다. 전산모사 결과로부터 가장 우수한 특성을 나타내는 구조를 선정하였으며, 이에 따른 실리콘 기판은 400 Qcm, i 영역의 두께는 250 ㎛, p+ 영역 및 n+ 영역 농도는 4xl015 cm % p+ 영역의 금속 접합 크기는 0.5 pm로 주요 공정 변수를 설정하였다. 또한 guard ring 구조의 효율성을 검출기의 절단면 가장자리에서의 누설전류 분포의 관점에서 분석하였다[9].
- 전산모사를 통하여 설계된 PIN 반도체검출기의 구조와 공정변수를 사용하여 검출기들 제작하였다. 사용된 실리콘 기판은 floating zone 기판으로서 두께 250 pmT 직경 4 inch, 저항 400 Qcm, 격 자 방향이 <100>인 n형 기판을 사용하였다.
- 사용된 실리콘 기판은 floating zone 기판으로서 두께 250 pmT 직경 4 inch, 저항 400 Qcm, 격 자 방향이 <100>인 n형 기판을 사용하였다. 제작 공정은 먼저 기판의 앞면에 1 Dm의 산화막을 증 착하고 LPCVD로 양면에 1 μm의 다결정 실리콘 (poly silicon)을 증착한 다음 뒤면에 gettering을 위하여 이온주입(ion implantation)으로 균일하게 인 (phosphorous ; 50 keV, 4x10” atoms/cm?)을 도핑(doping)하여 n+영역을 형성하였으며. 전면의 다결정 실리콘을 제거하고 phot사ithography를 사용하여 p+ 영역과 guard ring 영역을 형성하기 위한 window를 열고 붕소(boron , 50 keV, 4xl015 atoms/cm?)를 1 pm 증착하였다.
- 제작 완료된 검출기의 전기적 특성은 P+ 층과 n+ 층에 역바이어스를 인가하고 guard ring에는 전압이 인가하지 않고 측정되었다. 그림 10은 EURORAD사의 개인선량계에서 사용하고 있는 검출기와 특성을 비교한 것이다.
대상 데이터
- 사용된 실리콘 기판은 floating zone 기판으로서 두께 250 pmT 직경 4 inch, 저항 400 Qcm, 격 자 방향이 인 n형 기판을 사용하였다.
- 전 산모사 결과에서 얻어진 변수들은 검출기 제작에 사용되었다. 일반적으로 검출기는 고저항 실리콘 기판에 제작되어야 하는 것으로 알려져 있으나 본 연구에서는 검출기는 가격이 저렴한 400 Q cm의 저저항 실리콘 기판을 사용하여 제작하였다. 전산모사 결과에서 확인된 것과 같이 제작뇐 검출기의 누설전류의 밀도는 0.
성능/효과
- 평면선 원은 검출기의 유효반응 면적내로만 입사된다고 가정하였다. MCNP 전산모시 결과를 이용하여 에너지 보상 필터인 A1의 두께는 1.0 mm로 결정되었다. 또한 설계된 검출기의 방사선반응특성을 확 @하기 위하여 에너지를 20 keV ~ 3 MeV 범위 에서 변화시키면서 전산모사를 수행하였다.
- 전산모사 결과로부터 최적의 변수들과 검출기의 구조가 결정되었으며, 검출기는 변수들을 반도체 집적회로 공성에 적용하여 제작되었다. 개인선량계의 검출기로서 사응 가능성을 확인하기 의하여 MCNP 코드로 100 keV이하에서 의 에니지 보상용 필터와 에너지 20 keV ~ 3 MeV까지의 방사선 반응특성이 전산모사되었다.
- 검출기의 구조와 특성을 설정하기 위한 전산모 사의 결과에서 p+ 영역의 폭에 따른 I-V 특성을 분석한 그림 3의 전산모사 결과를 보면 전류는 p+ 영역의 폭에 크게 종속하지 않으며 단순히 활성 영역(active area)의 크기에 따라 선형적으로 비례하는 것을 알 수 있다. 한편 P+ 영역에서 붕 소의 농도에 따른 전류특성은 비교적 큰 차이를 보이는 것으로 관찰되었으며, 그림 4에서 볼 수 있듯이 붕소의 농도가 증가함에 따라 누설전류가 감소하는 것을 알 수 있다.
- 165 nA로 측정되었으며, 그림10(c)에서 항복전압(breakdown voltage)은 기존 검출기에서 보다 큰 55 V 인 것으로 나타났다. 따라서 제작된 검출기의 전기적 특성은 표 1 과 같이 기존 검출기보다 우수한 것으로 나타났다.
- 7 nA/cm2/100 Um 로서 낮은 값으로 측정되었다. 방사선 반응 특성에 대한 제작된 검출기의 측정 에너지 범위는 20 keV ~ 3 MeV까지 사용될 수 있음이 전산모사 결과로 확인되었으며, Cs-137 방사선원에 대한 방사선 반응 특성시험에서 직선성이 양호한 것으로 나타났다. 따라서 개발된 공정은 저저항 실리콘 기판위에서 특성이 우수하고 저렴한 개인선량 계용 PIN 반도체 검출기를 제작하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
- 제작 공정이 완료된 후 검출기를 기판에서 분리한 다음 동작 전암을 공급하기 위한 전극을 연결하고 설계된 에너지 보상 필터를 부착하여 최종 시제품을 완성하였다. 시제품 검출기는 전압과 온도에 따른 누설전류가 측정되었으며 또한 Cs-137 선원에 의한 감마선을 조사시켜 방사선 반응 특성을 시험하여 이 반도체검출기를 개인 선량 측정에 사용할 수 있음을 확인하였다
- 5 MeV 이상의 에너지에서는 스펙트럼을 측 정하기 어려울 것이다. 이상의 전산 모사 결과를 토대로 설계된 검출기는 20 keV에서 3 MeV의 방사선 에너지 환경에서 사용될 수 있음을 확인 할 수 있다.
- 일반적으로 검출기는 고저항 실리콘 기판에 제작되어야 하는 것으로 알려져 있으나 본 연구에서는 검출기는 가격이 저렴한 400 Q cm의 저저항 실리콘 기판을 사용하여 제작하였다. 전산모사 결과에서 확인된 것과 같이 제작뇐 검출기의 누설전류의 밀도는 0.7 nA/cm2/100 Um 로서 낮은 값으로 측정되었다. 방사선 반응 특성에 대한 제작된 검출기의 측정 에너지 범위는 20 keV ~ 3 MeV까지 사용될 수 있음이 전산모사 결과로 확인되었으며, Cs-137 방사선원에 대한 방사선 반응 특성시험에서 직선성이 양호한 것으로 나타났다.
- 기존 개인선량계에 사용되고 있는 PIN 반도체 검출기보다 전기적 특성이 우수한 반도체 검출기의 제작 공정을 개발하였다. 전산모사를 통하여 p+ 층의 도핑 농도, 열처리에 의한 불순물의 재분포, guard ring에 의한 절단면에서의 전류의 분포 및 공정시 SiCh층에 의한 불순물의 차단 효과를 분석하여 누설전류가 감소되는 것을 확인하였다. 전 산모사 결과에서 얻어진 변수들은 검출기 제작에 사용되었다.
- 검출기의 구조와 특성을 설정하기 위한 전산모 사의 결과에서 p+ 영역의 폭에 따른 I-V 특성을 분석한 그림 3의 전산모사 결과를 보면 전류는 p+ 영역의 폭에 크게 종속하지 않으며 단순히 활성 영역(active area)의 크기에 따라 선형적으로 비례하는 것을 알 수 있다. 한편 P+ 영역에서 붕 소의 농도에 따른 전류특성은 비교적 큰 차이를 보이는 것으로 관찰되었으며, 그림 4에서 볼 수 있듯이 붕소의 농도가 증가함에 따라 누설전류가 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 농도가 높을수록 소수 캐리어(minority carrier) 농도는 작아지고 따라서 i 영역에 주입되는 소수 캐리어의 수가 감소하기 때문에 누설전류가 적어지게 됨을 예상할 수 있다.
후속연구
- 방사선 반응 특성에 대한 제작된 검출기의 측정 에너지 범위는 20 keV ~ 3 MeV까지 사용될 수 있음이 전산모사 결과로 확인되었으며, Cs-137 방사선원에 대한 방사선 반응 특성시험에서 직선성이 양호한 것으로 나타났다. 따라서 개발된 공정은 저저항 실리콘 기판위에서 특성이 우수하고 저렴한 개인선량 계용 PIN 반도체 검출기를 제작하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
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