[논문]양성자 주입 조건에 따른 Si 다이오드의 전기적 특성

이강희; 김병길; 이용현; 백종무; 이재성; 배영호

양성자 주입 조건에 따른 Si 다이오드의 전기적 특성
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이강희 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부) , 김병길 (위덕대학교 정보통신공학부) , 이용현 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부) , 백종무 (대원과학대학 전자정보통신과) , 이재성 (위덕대학교 정보통신공학부) , 배영호 (위덕대학교 정보통신공학부)

양성자 주입 기술을 pn 다이오드의 동작 속도를 향상시키기 위한 방법 이용하였다. 양성자 주입은 에너지를 2.32 MeV, 2.55 MeV, 2.97 MeV로 변화시키며 수행하여, projection 범위를 각각 접합, 공핍, 중성영역에 위치하도록 하였다. 또한 각각의 에너지 조건에서 도즈를 $1{\times}10^{11}\;cm^{-2}\;1{\times}10^{12}\;cm^{-2},\;1{\times}10^{13}\;cm^{-2}$의 세가지 조건으로 변화시켰다. 양성자 주입 조건 변화에 따른 소자 동작특성의 변화를 관찰하기 위하여 소자의 전류-전압 특성, 용량-전압 특성, 역방향 회복시간 측정을 수행하였다. 분석결과 양성자를 주입하지 않은 소자에 비해 특성의 큰 열화없이 역방향 회복시간을 약 1/5 수준으로 단축시킬 수 있는 것으로 나타났다.

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문제 정의

본 논문에서는 pn 다이오드의 역방향 회복 시간 향상을 위하여 다양한 조건으로 양성자를 주입하고, 그 전기적인 특성을 분석하기 위해서, 순방향 및 역방향 전류-전압 특성, 용량-전압 특성, 역방향 회복 시간을 측정하였다. 그 결과 소자 동작 특성의 큰 열화 없이 역방향 회복 시간을 약 1/5 수준으로 단축시킬 수 있었다.

제안 방법

반도체 소자 내의 소수 캐리어 수명을 제어하는 방법으로 양성자 주입 기술을 적용하였다. pn 다이 오드를 제작하고 다양한 조건으로 양성자롤 주입한 후 그 제반 특성을 분석 및 평가하였다. pn 다 이오드의 정적인 특성은 양성자를 주입하지 않은 소자와 큰 차이를 보이지 않았으며, 동적인 특성은 1/5 정도의 수준으로 소자의 역방향 회복 시간을 단 축시켰다.
다이오드의 접합, 공핍, 중성 영역에 각각 양성자를 주입하기 위해서 SRIM-2003 시뮬레이션을 통해 양성자 주입 에너지를 구했으며, 이를 표 1에 나타내었다.
반도체 소자 내의 소수 캐리어 수명을 제어하는 방법으로 양성자 주입 기술을 적용하였다. pn 다이 오드를 제작하고 다양한 조건으로 양성자롤 주입한 후 그 제반 특성을 분석 및 평가하였다.
이때 각각의 조건에서 주입되는 양성자 농도는 1시0” cm'2, IxlO₁₂ cm*2 및 IxlO₁₃ cm-2 으 로 하였으며, 각각의 조건에서 소자의 전기적인 특성을 측정하였고, 양성자를 주입하지 않은 소자와 비교 분석하였다. 소자의 전기적인 특성 분석은 전류-전압 및 용량-전압 측정 그리고 역방향 회복 시 간 측정을 통해 수행되었다.
양성자 주입은 웨이퍼 제작이 완료된 후, 패키지 전의 공정단계에서 수행되었고, 양성자의 농도 피 크가 각각 p+n 접합 부위, 역 바이어스 상태에서 n-type Si의 공핍영역 그리고 n-type Si의 중성영 역에 위치하도록 양성자 주입 에너지 조건을 결정하였다. 이때 각각의 조건에서 주입되는 양성자 농도는 1시0” cm'2, IxlO₁₂ cm*2 및 IxlO₁₃ cm-2 으 로 하였으며, 각각의 조건에서 소자의 전기적인 특성을 측정하였고, 양성자를 주입하지 않은 소자와 비교 분석하였다.
양성자 주입은 웨이퍼 제작이 완료된 후, 패키지 전의 공정단계에서 수행되었고, 양성자의 농도 피 크가 각각 p+n 접합 부위, 역 바이어스 상태에서 n-type Si의 공핍영역 그리고 n-type Si의 중성영 역에 위치하도록 양성자 주입 에너지 조건을 결정하였다. 이때 각각의 조건에서 주입되는 양성자 농도는 1시0” cm'2, IxlO₁₂ cm*2 및 IxlO₁₃ cm-2 으 로 하였으며, 각각의 조건에서 소자의 전기적인 특성을 측정하였고, 양성자를 주입하지 않은 소자와 비교 분석하였다. 소자의 전기적인 특성 분석은 전류-전압 및 용량-전압 측정 그리고 역방향 회복 시 간 측정을 통해 수행되었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 소자는 p+/n/n+ 구조를 갖는 전형적인 pn 다이오드이다.
그림 1에 제조된 소자의 단면을 나타내었다. 소자 는 n-type Si 기판에 p+영역과 n+영역을 확산에 의해 각각 55 例의 두께로 제작하였으며, 전체소 자의 두께는 Au/Ni (260 nm/240 nm) 전극을 포함하여 256 伽이고, 접합면적은 1.794 mm x 1.794 mm이다.

성능/효과

pn 다이 오드를 제작하고 다양한 조건으로 양성자롤 주입한 후 그 제반 특성을 분석 및 평가하였다. pn 다 이오드의 정적인 특성은 양성자를 주입하지 않은 소자와 큰 차이를 보이지 않았으며, 동적인 특성은 1/5 정도의 수준으로 소자의 역방향 회복 시간을 단 축시켰다. 이는 현재 사용되고 있는 초고속 회복 다이오드의 범위를 만족한다.
본 논문에서는 pn 다이오드의 역방향 회복 시간 향상을 위하여 다양한 조건으로 양성자를 주입하고, 그 전기적인 특성을 분석하기 위해서, 순방향 및 역방향 전류-전압 특성, 용량-전압 특성, 역방향 회복 시간을 측정하였다. 그 결과 소자 동작 특성의 큰 열화 없이 역방향 회복 시간을 약 1/5 수준으로 단축시킬 수 있었다.
도핑 프로파일 계산 결과, 도핑 농도는 양성자 주입 도즈가 증가할수록 커진다는 것을 알 수 있었다. 이러한 도핑 농도 변화는 소자의 항복 전압을 변화시키게 된다.
양성자를 주입하지 않은 소자의 역방향 회복 시간은 약 240 nsec로 나타났으며, 주입되는 양성자 도즈가 증가할수록 역방향 회복 시간은 감소하였다. 이것은 다이오드가 순방향에서 역방향으로 스위칭 되었을 때 소자 내부에 남아있는 소수캐리어가 재결합 준위에 의해서 소멸되었고, 양성자 도즈가 증가함에 따라서 재결합 준위로 작용하는 결정결함 밀도가 더욱 커지게 됨을 알 수 있다.

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