[논문]중수소 결합 형성 방법에 따른 다결정 실리콘 광검출기의 광반응 특성

이재성

doi:10.5573/ieie.2015.52.11.029

중수소 결합 형성 방법에 따른 다결정 실리콘 광검출기의 광반응 특성
Photo-response of Polysilicon-based Photodetector depending on Deuterium Incorporation Method 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.52 no.11, 2015년, pp.29 - 35

초록
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다결정 실리콘으로 구성된 금속-반도체-금속(MSM) 구조의 광검출기의 광 응답 특성을 개선시키기 위해 중수소를 사용한 후속 공정을 행하였다. 다결정 실리콘 내 중수소 결합 형성 방법에 따른 광검출기의 특성 변화를 전기적 측정을 통해 비교하였다. 광검출기는 Schottky 접합 특성을 갖기 위해 Al/Ti 전극 금속이 사용되었다. 본 연구에서는 광 흡수 영역인 다결정 실리콘 내에 중수소 결합을 형성시켜 다결정 실리콘 내에 존재하는 결함을 효과적으로 passivation하여 결함밀도를 감소시키고자 한다. 후속 중수소 공정으로는 열처리 확산 방법과 이온 주입 방법을 각각 사용하였다. 중수소 열처리 확산 방법을 통해서 중수소는 다결정 실리콘의 표면 근처에 대부분 존재하였다. 다결정 실리콘의 표면은 광 흡수가 일어나는 부분이므로 중수소의 결합을 통해 광 응답 특성이 개선됨을 확인하였다. 중수소 이온 주입 방법을 통해서는 중수소를 다결정 실리콘 내부로 쉽게 분포시킬 수 있지만 다결정 실리콘 표면 근처에 결함을 만들 수 있어 광 응답 특성을 저하시키는 원인이 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The photo-response characteristics of polysilicon based metal-semiconductor-metal (MSM) photodetector structure, depending on deuterium treatment method, was analyzed by means of the dark-current and the light-current measurements. Al/Ti bilayer was used as a Schottky metal. Our purpose is to incorporate the deuterium atoms into the absorption layer of undoped polysilicon, effectively, for the defect passivation. We have introduced two deuterium treatment methods, a furnace annealing and an ion implantation. In deuterium furnace annealing, deuterium bond was distributed around polysilicon surface where the light current flows. As for the ion implantation, even thought it was a convenient method to locate the deuterium inside the polysilicon film, it creates some damages around polysilicon surface. This deteriorated the photo-response in our photodetector structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Al/Ti-다결정 실리콘-Al/Ti 구조의 광검출기를 제조하여 후속 중수소 공정을 통해 광반응 특성을 개선시키기 위한 방법을 찾고자 하였다. 다결정 실리콘 내에 중수소 결합을 형성함으로써 광전류 대 암전류비가 증가하였다.
본 연구에서는 MSM 구조의 Schottky 접합 및 grain과 grain boundary에서 불안정 결함 요소(trap 또는 defect)를 줄이기 위해서 중수소 결합을 다결정 실리콘에 형성하고자 하였다. 이는 MOS 구조에서 미 결합 계면 결함을 passivation하는 원리와 동일하다고 판단된다.
본 연구에서는 광반응 특성이 우수한 다결정 실리콘구성의 광검출기를 제조하고자 하였다. 광검출기의 구조는 MSM 구성을 갖고 있다.

가설 설정

실리콘 계면에서 축적된 양전하의 중수소 이온은 MOS 구조에서 발생하는 양전하 유사 도너 이온(positive donor like states)의 역할을 할 것으로 판단된다. 그림 5의 에너지 대역 구조에서 D+ 축적이 발생한 경우, 그림 5(a),가 D+ 축적이 없는 경우, 그림 5(b),보다 Schottky 장벽이 높아 질 것으로 생각된다. 그러나 이에 대한 정확한 물리적 해석은 아직 진행 중에 있다.

제안 방법

전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 사용하여 측정하였다. 광반응 특성은 암전류 (Idark)와 광전류(Ilight) 측정을 통해 조사되었다.
기본적인 광검출기를 제조하기 위해 그림 1과 같은 finger 및 bar 구조를 각각 설계하였다. 빛의 흡수가 일어나는 활성 영역의 길이 및 폭을 여러 가지로 변화시켰다.
Schottky 장벽에서의 passivation 효과는 이미 연구되고 있으나^[8], 다결정 실리콘에서 불안정 결함 요소의 passivation에 따른 광반응에 대한 연구는 아직 발표되지 않고 있다. 다결정 실리콘 내에 중수소 결합은 이온 주입법 및 열처리 확산법에 의해 각각 이루어졌으며, 중수소 형성 방법에 따른 다결정 실리콘의 광반응 특성을 각각에서 제조된 MSM 광검출기를 통해 조사하였다.
제조된 기본적인 MSM 광검출기에서 후속 공정으로 중수소 열처리 확산법 및 중수소 이온 주입법의 공정을 통해 그 효과를 관찰하였다. 중수소 열처리 확산은 1기압 400℃에서 30분 동안 진행되었으며, 중수소 이온 주입은 10¹⁴ atoms/cm²의 조사량과 4-12keV의 조사에너지로 진행되었다.
중수소 이온 주입 조건은 상용 tool인 SRIM을 통해 구하였다. 제조된 소자의 구조에서 다결정 실리콘을 통한 전도는 다결정 실리콘의 표면부분을 통해 우선적으로 이루어진다고 판단되어 다결정 실리콘 표면 부근의 후속 처리에 초점을 맞추고자 한다.
제조된 기본적인 MSM 광검출기에서 후속 공정으로 중수소 열처리 확산법 및 중수소 이온 주입법의 공정을 통해 그 효과를 관찰하였다. 중수소 열처리 확산은 1기압 400℃에서 30분 동안 진행되었으며, 중수소 이온 주입은 10¹⁴ atoms/cm²의 조사량과 4-12keV의 조사에너지로 진행되었다. 중수소 이온 주입 후 중수소 결합의 활성을 위해 질소 분위기(400℃, 30분)에서 후속 열처리를 행하였다.
중수소 이온 주입 후 중수소 결합의 활성을 위해 질소 분위기(400℃, 30분)에서 후속 열처리를 행하였다. 중수소 이온 주입 조건은 상용 tool인 SRIM을 통해 구하였다. 제조된 소자의 구조에서 다결정 실리콘을 통한 전도는 다결정 실리콘의 표면부분을 통해 우선적으로 이루어진다고 판단되어 다결정 실리콘 표면 부근의 후속 처리에 초점을 맞추고자 한다.
중수소 열처리 확산은 1기압 400℃에서 30분 동안 진행되었으며, 중수소 이온 주입은 10¹⁴ atoms/cm²의 조사량과 4-12keV의 조사에너지로 진행되었다. 중수소 이온 주입 후 중수소 결합의 활성을 위해 질소 분위기(400℃, 30분)에서 후속 열처리를 행하였다. 중수소 이온 주입 조건은 상용 tool인 SRIM을 통해 구하였다.
이는 중수소가 다결정 실리콘의 grain boundary나 금속과 계면에 존재하는 결함을 효과적으로 비활성화 시키는 역할을 하고 있기 때문이다. 중수소를 다결정 실리콘에 분포시키는 방법으로 열처리 확산 방법과 이온 주입 방법을 제시하였다. 실리콘 물질에 대한 중수소의 낮은 확산계수로 인해 열처리 확산방법 후에는 다결정 실리콘 표면 근처에 중수소 결합이 대부분 형성되었다.

대상 데이터

중수소 처리된 광검출기의 특성과 비교하기 위해 후속 공정 처리가 되지 않은 시료(the control)와 질소 분위기(400℃, 30 분)에서 열처리한 시료도 준비하였다. 광 응답 측정을 위해 LED 광원은 850 nm 파장을 사용하였다. 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 사용하여 측정하였다.
인가전압이 7 V이하인 낮은 전압에서는 중수소 열처리 소자가 우수한 특성을 보이고 있지만 7 V이상의 인가전압에서는 중수소 이온 주입 소자가 우수한 특성을 보이고 있다. 본 연구에서 사용된 광검출기는 광 흡수 영역 양쪽에 전극 금속이 형성된 구조를 갖는다. 그러므로 전류는 광 흡수 영역인 다결정 실리콘의 수평 방향으로 흐르게 되어, 저 전압 인가에는 다결정 실리콘의 표면을 통해 전류가 많이 흐르고 전압이 높아짐에 따라 다결정 실리콘의 깊이 방향으로도 전류가 흐르게 된다.
표면에서의 빛의 반사를 억제하기 위해 일부 시료에서는 anti-reflection (AR) 막으로 실리콘 산화막을 150 nm 증착시켰다. 최종적으로 금속은 Al/Ti 적층 구조를 사용하였다.
측정에 사용된 광검출기는 입사 빛의 반사를 최소화하기 위해 AR층을 기본으로 구성하고 있다. 사용된 소자는 네 종류로 분류된다.

이론/모형

공정 방법에 따른 다결정 실리콘 내 중수소의 분포를 이차이온질량분석법(Secondary Ion Mass Spectroscopy; SIMS) 방법으로 조사하였다. 그림 8은 중수소 열처리확산(a) 및 중수소 이온 주입(b) 방법에 따른 중수소의 농도를 각각 나타내고 있다.
그림 2는 제조된 소자의 단면을 보여준다. 실리콘 기판위에 400 nm의 산화막을 형성 한 후 500 nm의 다결정 실리콘을 LPCVD 방법으로 제조하였다. 표면에서의 빛의 반사를 억제하기 위해 일부 시료에서는 anti-reflection (AR) 막으로 실리콘 산화막을 150 nm 증착시켰다.
광 응답 측정을 위해 LED 광원은 850 nm 파장을 사용하였다. 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 사용하여 측정하였다. 광반응 특성은 암전류 (Idark)와 광전류(Ilight) 측정을 통해 조사되었다.

성능/효과

즉, 후속 공정을 통해 grain boundary내 결함이 비활성화 되었음을 의미한다. 열처리 확산 공정에서는 분위기가스에 무관함을 보이고 있으며, 이온 주입 소자에서는 다른 종류의 소자에 비해 낮은 암전류가 나타났다. 후속 공정을 행하지 않은 소자에 비해 중수소 이온 주입 소자는 100 배 정도의 낮은 암전류를 보이고 있다.
그림 7의 저 전압인가 특성 결과에서 확인할 수 있다. 이러한 이유로 중수 소 열처리 방법을 통해 다결정 실리콘 표면에 안정된 중수소 결합을 형성함으로써 동작 전압 내에서 광 응답특성을 개선시킬 수 있었다.

후속연구

그러나 중수소 이온 주입의 경우에는 강제적으로 중수소를 다결정 실리콘내로 주입시키기 때문에 다결정 실리콘 표면 뿐 아니라 내부에도 중수소가 분포하게 된다. 그러므로 중수소 열처리한 광검출기의 경우, 광흡수가 먼저 발생하는 다결정 실리콘 표면에서 중수소 효과를 관찰할 수 있으며, 중수소 이온 주입한 광검출기의 경우, 다결정 실리콘 표면뿐 아니라 내부에서도 중수소 효과를 관찰할 수 있을 것이다. 그러나 중수소 이온 주입을 행함으로써 다결정 실리콘 표면에 다소의 손상(damage)이 중수소 열처리에 비해 많이 발생하게 된다.
이러한 경우 전자 주입에 대한 Schottky 장벽이 높아질 수 있다. 실리콘 계면에서 축적된 양전하의 중수소 이온은 MOS 구조에서 발생하는 양전하 유사 도너 이온(positive donor like states)의 역할을 할 것으로 판단된다. 그림 5의 에너지 대역 구조에서 D+ 축적이 발생한 경우, 그림 5(a),가 D+ 축적이 없는 경우, 그림 5(b),보다 Schottky 장벽이 높아 질 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자-정공 쌍의 생성 원인에는 무엇이 있는가?	광전류는 빛에너지 흡수에 따른 전자-전공 쌍의 생성 및 이동에 의해 생성된다. 전자-정공 쌍의 생성 원인은 주로 에너지 밴드 개념에서inter-band 생성, intra-band 생성, 및 extrinsic 생성으로 분류된다. 생성된 전자-정공 쌍이 광전류로 전환되기 위해서는 이동 중 재결합 및 포획 등의 과정이 가급적 없어야 한다.
	실리콘을 사용한 광검출기에 요구되는 조건은?	실리콘은 파장이 1,100nm 이하 (band-to-band 흡수)인 빛에 대해 반응을 하며, 흡수되는 빛은 가시광선 영역을 포함한다. 실리콘을 사용한 광검출기(photodetector)에 대한 연구는 빠른 속도(대역폭 > 5 GHz), 높은 반응성(responsivity), 낮은 dark current (<1μA), 낮은 바이어스 전압 (<5V), 고집적화 등에 초점을 맞추고 있다. 이러한 요구 조건을 만족하기 위해서 제조방법이 간단하고 제조비용이 저렴한 박막의 다결정 실리콘이 연구되어 왔다[3].
	중수소 결합이 광점류 대 암전류비를 증가시킨 이유는?	다결정 실리콘 내에 중수소 결합을 형성함으로써 광전류 대 암전류비가 증가하였다. 이는 중수소가 다결정 실리콘의 grain boundary나 금속과 계면에 존재하는 결함을 효과적으로 비활성화 시키는 역할을 하고 있기 때문이다. 중수소를 다결정 실리콘에 분포시키는 방법으로 열처리 확산 방법과 이온 주입 방법을 제시하였다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
T. Y. Hsiang, S. Alexandrou, and C. C. Wang, M. Y. Liu, and S. Y. Chou, "Picosecond silicon metal-semiconductor-metal photodiode", Proc. SPIE, 2022, 76, 1993.
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상세보기
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J. S. Lee, D. G. Lee, S. W. Do, and Y. H. Lee, "Study for the Reliability of Nano-Scale MOS Devices that Experienced Implantation of Hydrogen or Deuterium at the Back-End of the Process Line", J. Korean Phys. Soc., vol. 50, no.5, pp.1561-1565, 2007.

상세보기
J.-S. Lee, S.-W. Do, and Y.-H. Lee, "Deuterium ion implantation for the suppression of defect generation in gate oxide of MOSFET", J. IEIE, vol. 45, no. 7, pp.23-31, 2008.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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