[논문]X선 감지를 위한 PIN형 실리콘 다이오드 어레이 제작

차경환; 이규항; 남형진

문제 정의

하지만 방사선 센서의 특징이 공정에 매우 민감하게 종속하는 반면 일반적으로 공정이 비교적 복잡하며 또한 공정에 대한 상술된 연구결과를 찾기는 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 실리콘을 사용하여 제작한 PIN 다이오드 형태의 방사선 센서 공정과정에 대하여 서술하였다. 특히 공정 시에 누설전류를 최소화하기 위한 방안에 대하여 중점을 두었고 센서의 특징 면에서는 방사선 에너지에 대한 센서 반응의 선형성에 중점을 두었다.

제안 방법

PIN형 센서 어레이의 특성을 측정하기 위하여 편의상 어레이 중 10 X 10의 100개를 병렬로 연결 하여 측정하였다. 그림 4에는 이들 어레이의 전기적 특서에 대한 측정 결과를 제시하였다.
분석하였다. 방사선 감지 반응을 측정하기 위해서는 전하 감지 증폭기를 사용하여 적분기 형태의 펄스 카운터를회로를 구성하였다. 방사선 소스로는 60KV, 2mA의 바이어스를 인가한 텅스텐을 사용하였다.
그림 1에는 제작된 PIN 다이오드의 단면도와 다이오드 어레이의 표면 사진을 제시하였다. 본 연구에서는 각 센서 어레이의 드라이버는 또 다른 기판에 제작하여 b㎛p bonding 기법으로 두 기판을 접착하는 방법을 채택한 관계로 그림 1에 제시한 사진에 보이는 바와 같이 PIN 다이오드가 단순 나열되어 있다.
실리콘을 사용한 X선 감지용 센서 어레이를 제작하였다. 단일 센서 소자에서는 필수적인 guard ring구조가 어레이에서는 잘못 설계될 경우 누설전류 증가를 초래하게 되며 이 구조를 제거할 경우이웃한 픽셀 간 간섭효과는 약 3배 정도 증가하는 것으로 본 연구 결과 알 수 있었다.
우선 센서 어 레이 제작 시에 guard ring 구조를 사용할 것인지 여부를 결정하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 2에는 능동영역과 guard ring 구조 사이의 거리(L)에 따른 누설전류를 시뮬레이션한 결과를 제시하였다.
P* 영역은 기판 윗면에 붕소를 역시 ion implantation 방법으로 주입하여 형성하였다. 이번에도 인과 같은 농도를 획득할 수 있도록 implantation 조건을 시뮬레이션 결과를 토대로 설정하였다. PIN 다이오드 구조 형성 후 결함 gettering 공정을 진행하기 위해 TEOS CVD 시스템을 사용하여 lpm 두께의 산화막을 다결정 실리콘 상에 증착하였다.
그 다음 기판 뒷면을 n* 전극으로 사용하기 위해 성장된 산화막을 제거하고 여기에 1pm 두께의 다결정 실리콘을 LPCVD 시스템의 압력을 350mtorr로 유지하며 65CTC에서 증착하였다. 증착 후 인을 ion implantation 방법으로 주입하였으며 시뮬레이션을 사용하여 주입된 인의 양이 약 lX1019/cm³ 이 되도록 에너지와 도스 값을 결정하였다. P* 영역은 기판 윗면에 붕소를 역시 ion implantation 방법으로 주입하여 형성하였다.
따라서 본 논문에서는 실리콘을 사용하여 제작한 PIN 다이오드 형태의 방사선 센서 공정과정에 대하여 서술하였다. 특히 공정 시에 누설전류를 최소화하기 위한 방안에 대하여 중점을 두었고 센서의 특징 면에서는 방사선 에너지에 대한 센서 반응의 선형성에 중점을 두었다.

대상 데이터

두께가 250㎛인 (100)방향의 Y형 4" 실리콘 기판에 능동영역이 160㎛ X 160㎛인 PIN형 다이오드를 어레이 형태로 기존의 실리콘 공정기술을 사용하여 제작하였다. 사용된 기판은 비저항이 10KQ 이며 양면이 모두 polish되었다.
방사선 감지 반응을 측정하기 위해서는 전하 감지 증폭기를 사용하여 적분기 형태의 펄스 카운터를회로를 구성하였다. 방사선 소스로는 60KV, 2mA의 바이어스를 인가한 텅스텐을 사용하였다.
어레이 형태로 기존의 실리콘 공정기술을 사용하여 제작하였다. 사용된 기판은 비저항이 10KQ 이며 양면이 모두 polish되었다. 그림 1에는 제작된 PIN 다이오드의 단면도와 다이오드 어레이의 표면 사진을 제시하였다.
제작된 PIN형 센서 어레이의 전기적 특성은 HP4145B와 HP4284A를 사용하여 측정 분석하였다. 방사선 감지 반응을 측정하기 위해서는 전하 감지 증폭기를 사용하여 적분기 형태의 펄스 카운터를회로를 구성하였다.

이론/모형

증착 후 인을 ion implantation 방법으로 주입하였으며 시뮬레이션을 사용하여 주입된 인의 양이 약 lX1019/cm³ 이 되도록 에너지와 도스 값을 결정하였다. P* 영역은 기판 윗면에 붕소를 역시 ion implantation 방법으로 주입하여 형성하였다. 이번에도 인과 같은 농도를 획득할 수 있도록 implantation 조건을 시뮬레이션 결과를 토대로 설정하였다.

성능/효과

실리콘을 사용한 X선 감지용 센서 어레이를 제작하였다. 단일 센서 소자에서는 필수적인 guard ring구조가 어레이에서는 잘못 설계될 경우 누설전류 증가를 초래하게 되며 이 구조를 제거할 경우이웃한 픽셀 간 간섭효과는 약 3배 정도 증가하는 것으로 본 연구 결과 알 수 있었다. 한편 효율적인결함 gettering을 위해 다결정 실리콘과 n형 도핑 소스로서 인을 채택한 조합은 다결정 실리콘이 고온공정과정에 보호되지 않은 채 노출되는 경우에는 효과적이지 못한 것으로 관측되었다.
이 과정은 결함 gettering 시에 다결정 실리콘이 산화되는 것을 방지함은 물론 이온 주입된 인과 함께 효율적인 gettering 장소로서의 역할을 수행할 수 있는 고유의 특징을 유지시키는데 필수적인 단계이다. 본 연구에서는 이러한 과정이 생략될 경우 다결정 실리콘이 결함 gettering에 크게 기여하지 못하는 것을 밝힐 수 있었다.
한편 효율적인결함 gettering을 위해 다결정 실리콘과 n형 도핑 소스로서 인을 채택한 조합은 다결정 실리콘이 고온공정과정에 보호되지 않은 채 노출되는 경우에는 효과적이지 못한 것으로 관측되었다. 이러한 주요 관찰 결과들을 고려하여 본 연구에서 제작한 센서 어레이는 전기적 특성 및 방사선 감지 특성 모두에서우수함을 입증하였다.
단일 센서 소자에서는 필수적인 guard ring구조가 어레이에서는 잘못 설계될 경우 누설전류 증가를 초래하게 되며 이 구조를 제거할 경우이웃한 픽셀 간 간섭효과는 약 3배 정도 증가하는 것으로 본 연구 결과 알 수 있었다. 한편 효율적인결함 gettering을 위해 다결정 실리콘과 n형 도핑 소스로서 인을 채택한 조합은 다결정 실리콘이 고온공정과정에 보호되지 않은 채 노출되는 경우에는 효과적이지 못한 것으로 관측되었다. 이러한 주요 관찰 결과들을 고려하여 본 연구에서 제작한 센서 어레이는 전기적 특성 및 방사선 감지 특성 모두에서우수함을 입증하였다.

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