KR101711440B1 - 다결정실리콘 광검출기의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다결정실리콘 광검출기의 제조방법은, 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 다결정실리콘층을 형성하는 단계; 상기 다결정실리콘층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 광흡수영역을 사이에 두고 이격하며 상기 반사방지막의 일부분 상에 각각 배치되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 형성하되, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극을 그 아래의 상기 다결정실리콘층과 쇼트키 콘택을 이루는 단계; 및 상기 광흡수영역의 다결정실리콘층의 광흡수율을 증가시키기 위해, 상기 광흡수영역의 다결정실리콘층 내에 수소 이온을 주입함으로써 상기 광흡수영역의 다결정실리콘층의 부피를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다결정실리콘 광검출기의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING POLYSILICON PHOTODETECTORS}
본 발명은, 다결정실리콘 광검출기(photodetector)의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다결정실리콘 내에 수소 이온을 주입함으로써 광 응답 특성을 향상시키도록 다결정실리콘 광검출기의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘은, 파장이 1100nm 이하인 광에 대해 반응을 하며, 실리콘에 흡수되는 광은 가시광선 영역을 포함한다. 실리콘을 이용한 광검출기에 대한 연구는, 빠른 속도, 높은 반응성, 낮은 암전류(dark current), 낮은 바이어스 전압, 고집적화 등의 요구 조건에 초점을 맞추어져 있다. 이러한 요구 조건을 만족하기 위해, 실리콘으로서, 제조방법이 간단하고 제조 비용이 저렴한 박막 다결정실리콘이 연구되어 왔다. 일반적으로, 박막 다결정실리콘은 상용으로 사용되는 반도체 제조공정 중 저압 화학기상증착(low pressure chemical vapor deposition: LPCVD) 방법으로 제조된다.
광검출기의 광반응을 높이기 위해서는, 암전류를 낮추고 광전류(light current)를 높이는 방법이 고려되어야 한다. 이를 위한 광검출기의 구조로서 금속-실리콘-금속(metal-semiconductor-metal: MSM) 구조가 가능하다. 이때, 실리콘으로는 박막 다결정실리콘이 주로 사용되고, 다결정실리콘과 금속의 콘택은 쇼트키 콘택(Schottky contact)을 이룬다. 이러한 MSM 구조를 가진 광검출기는, 핑거(finger) 타입과 바(bar) 타입으로 구분될 수 있다.
일반적인 핑거 타입 광검출기 및 바 타입 광검출기의 일 예가 도 1 및 도 2에 각각 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 핑거 타입 광검출기(10)에서는, 애노드 전극(11)과 캐소드 전극(13)이 서로 이격하며 대향 배치되고, 애노드 전극(11)이 복수의 핑거 전극(12)을 갖고, 캐소드 전극(13)이 복수의 핑거 전극(14)을 갖고 있다. 핑거 전극(12)과 핑거 전극(14)은 활성 영역(15) 내에서 평행하게 교대로 배치되어 있다. 이러한 핑거 타입 광검출기(10)에서는, 애노드 전극(11)과 캐소드 전극(13) 사이에 적절한 바이어스 전압이 인가될 때, 점선 사각형으로 표시된 활성 영역(15), 즉 광흡수영역 내의 다결정실리콘(미도시)의 대부분은 전이 영역으로 바뀔 수가 있다. 그러므로 광에너지를 흡수할 수 있는 전이 영역의 단면적이 늘어나게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바 타입 광검출기(20)에서는, 애노드 전극(21)의 바 전극(22)과 캐소드 전극(23)의 바 전극(24)이 점선 사각형으로 표시된 활성 영역(25)을 사이에 두고 이격하며 대향 배치되어 있다. 또한, 바 타입 광검출기(20)를 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단하면, 바 타입 광검출기(20)의 단면 구조는 도 3에 도시된 바와 같다. 즉, 실리콘 기판(31) 상에 산화막(33)이 형성되고, 산화막(33) 상에 다결정실리콘층(35)이 형성되고, 다결정실리콘층(35) 상에 반사방지막인 산화막(37)이 형성되고, 애노드 전극(38)과 캐소드 전극(39)이 광흡수영역인 활성 영역을 사이에 두고 이격하며 반사방지막(37) 상에 배치된다. 또한, 애노드 전극(38)과 캐소드 전극(39) 각각은, 반사방지막(37)의 일부 영역에 형성된 대응하는 콘택홀을 통해 그 아래의 다결정실리콘층(35)에 쇼트키 접촉을 이룬다.
이러한 바 타입 광검출기(20)에서는, 단순한 광흡수영역의 다결정실리콘층(35)의 표면에서 광흡수가 일어나게 된다. 이는, 광전자 응용 회로에 쉽게 적용될 수가 있다.
일본특허 제6514481995호 공보 국제공개특허 WO2004012275호 공보
E. Budianu, M. Purica, E. Manea, and M. Kusko, "Poly-silicon thin layer photodetector structures", International Semiconductor Conference, vol.1. 2003.
그런데 종래의 광검출기는, 광흡수영역을 다결정실리콘으로 형성하는 경우, 광검출기의 제조 비용을 낮출 수 있지만, 고속용 소자로서 사용될 때 양자효율(quantum efficiency)이 낮은 문제점이 있다. 그러므로 광검출기의 광전도율을 높여 광 응답 특성을 향상시키는 것이 절실히 요구되고 있는 실정에 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 수소 이온 주입을 통해 암전류를 낮추고 광전도율을 높임으로써 광 응답 특성을 향상시킬 수 있도록 한 다결정실리콘 광검출기의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다결정실리콘 광검출기의 제조방법은, 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 다결정실리콘층을 형성하는 단계; 상기 다결정실리콘층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 광흡수영역을 사이에 두고 이격하며 상기 반사방지막의 일부분 상에 각각 배치되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 형성하되, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극을 그 아래의 상기 다결정실리콘층과 쇼트키 콘택을 이루는 단계; 및 상기 광흡수영역의 다결정실리콘층의 광흡수율을 증가시키기 위해, 상기 광흡수영역의 다결정실리콘층 내에 수소 이온을 이온주입함으로써 상기 광흡수영역의 다결정실리콘층의 표면 거칠기 및 부피를 증가시키는 동시에 상기 쇼트키 콘택에도 상기 수소 이온을 이온주입함으로써 상기 쇼트키 콘택의 장벽 내의 계면 결함을 패시베이션하여 쇼트키 콘택의 계면 전하 밀도를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정실리콘 광검출기의 제조방법.
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본 발명에 따른 다결정실리콘 광검출기의 제조방법은, 광흡수영역의 다결정실리콘층에 수소 이온을 주입함으로써 암전류를 낮추고 광전도율을 높임으로써 광 응답 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 일반적인 핑거 타입 광검출기의 레이아웃도이다.
도 2는, 일반적인 바 타입의 광검출기의 레이아웃도이다.
도 3은, 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단한 광검출기의 단면 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4 내지 도 6은, 본 발명에 따른 다결정실리콘 광검출기의 제조방법을 나타낸 단면공정도이다.
도 7은, 본 발명에 따른 다결정실리콘 광검출기의 광에너지 흡수와 전자-정공 쌍(electron- hole pair: EHP)의 생성을 설명하는 예시도이다.
도 8은, 본 발명에 따른 다결정실리콘 광검출기의 암전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는, 본 발명에 따른 다결정실리콘 광검출기의 광 응답 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다결정실리콘 광검출기의 제조방법을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 설명의 편의상 바 타입 구조의 다결정실리콘 광검출기를 기준으로 설명하기로 한다.
도 4 내지 도 6은, 본 발명에 따른 다결정실리콘 광검출기의 제조방법을 나타내는 단면공정도이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 기판, 예를 들어 실리콘 기판(41)을 준비한다. 이어서, 산화공정을 이용하여 실리콘 기판(41)의 표면 상에 절연막, 예를 들어 산화막(43)을 약 400㎚의 두께로 형성하고, 화학기상증착공정, 예를 들어 저압 화학기상증착공정을 이용하여 산화막(43)의 표면 상에 다결정실리콘층(45)을 약 500㎚의 두께로 형성한다.
그 다음에, 다결정실리콘층(45)의 표면 상에 반사방지막으로서 산화막(47)을 약 150㎚의 두께로 형성한다. 이때, 다결정실리콘층(45)의 두께가 약 500㎚로 매우 얇으므로 EHP 생성 속도가 거의 일정하다고 볼 수 있지만, 다결정실리콘층(45) 상에 산화막(47)이 형성되므로 다결정실리콘층(45)과 산화막(47) 사이의 계면에서 결정 부정합(lattice mismatch)이 존재하게 되어 EHP의 빠른 재결합이 일어난다. 이러한 상태에서는 광검출기의 광흡수율이 낮고 광전류가 낮을 수밖에 없다.
한편, 반사방지막으로서 산화막(47) 대신에 질화막을 사용하는 것도 가능함은 물론이다.
그런 다음에, 사진식각공정을 이용하여 광흡수영역 외측의 산화막(47)의 일부분에 애노드 전극(48) 및 캐소드 전극(49)을 위한 콘택홀을 각각 형성함으로써 그 아래의 다결정실리콘층(45)을 노출시킨다.
이러한 상태에서, 금속배선공정을 이용하여 광흡수영역을 사이에 이격하며 산화막(47)의 일부분 상에 배치되는 애노드 전극(48) 및 캐소드 전극(49)을 각각 형성한다. 이때, 애노드 전극(48)과 캐소드 전극(49)을 각각의 콘택홀을 통해 다결정실리콘층(45)과 쇼트키 콘택을 이루게 하는 것이 가능하다. 이때, 쇼트키 콘택 장벽 내의 계면 결함이 패시베이션되지 않으므로 상기 계면 결함이 비교적 많이 존재함으로써 쇼트키 콘택 장벽이 전류누설을 억제하는 등의 안정된 장벽으로서 역할을 할 수 없다. 이러한 상태의 쇼트키 콘택을 가진 광검출기는 암전류가 높을 수밖에 없다.
여기서, 애노드 전극(48) 및 캐소드 전극(49)을 형성하는 하층의 제1 금속층과 상층의 제2 금속층은, 광흡수영역 외측 영역, 즉 제2 금속층 아래 영역의 다결정실리콘층(45)에 도 5에 도시된 수소 이온이 주입되는 것을 방지할 수 있도록 충분한 두께를 갖고 있어야 한다.
애노드 전극(48)과 캐소드 전극(49)은, 복수, 예를 들어 2개의 서로 다른 도전층으로 구성할 수가 있다. 이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 증착공정을 이용하여 콘택홀을 포함한 산화막(47)의 표면 상에 하층의 도전층에 해당하는 제1 금속층을 위한 제1 금속, 예를 들어 티타늄(Ti)을 약 200㎚의 두께로 증착하고 나서 제1 금속층의 표면 상에 상층의 도전층에 해당하는 제2 금속층을 위한 제2 금속, 예를 들어 알루미늄(Al)을 약 500㎚의 두께로 증착한다. 그런 다음에, 사진식각공정을 이용하여 애노드 전극(48)과 캐소드 전극(49)의 패턴을 위한 영역 상에만 제2 금속층과 제1 금속층을 남기고 그 외측 영역의 제2 금속층과 제1 금속층을 순차적으로 제거함으로써 애노드 전극(48)과 캐소드 전극(49)의 패턴을 형성한다.
따라서 애노드 전극(48)을 하층의 제1 금속층(481)과 상층의 제2 금속층(483)으로 형성하는 동시에 캐소드 전극(49)을 하층의 제1 금속층(491)과 상층의 제2 금속층(493)으로 형성할 수 있다.
한편, 제1 금속층(481)과 제1 금속층(491)을 예를 들어 크롬(Cr)으로 형성하고, 제2 금속층(483)과 제2 금속층(493)을 예를 들어 금(Au)으로 형성하는 것도 가능하다. 또한, 애노드 전극(48)과 캐소드 전극(49)을, 3개 이상 복수의 서로 다른 도전층으로 구성하는 것도 가능하다.
도 5를 참조하면, 이후, 이온주입법을 이용하여 수소 이온(H+), 예를 들어 수소 이온을 예를 들어 1013 ~ 1015 atoms/㎠의 조사량과 8 ~ 30 keV의 조사에너지의 조건으로 광흡수영역의 다결정실리콘층(45)에 주입한다. 이때, 제1 금속층(481), 제1 금속층(491), 제2 금속층(483), 및 제2 금속층(493)이 그 아래 영역의 다결정실리콘층(45)에 수소 이온이 주입되는 것을 방지하기에 충분한 두께를 가지므로 광흡수영역 외측 영역, 즉 제1 금속층(481), 제1 금속층(491), 제2 금속층(483), 및 제2 금속층(493) 아래 영역의 다결정실리콘층(45)에 수소 이온이 주입되지 않는다.
이때, 상기 이온주입법 대신에 확산열처리법을 이용하여 다결정실리콘층(45)에 수소 이온을 주입하는 것도 가능하지만, 이온주입법을 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 이온주입법이 다결정실리콘층(45) 내에 주입된 수소 이온의 분포 깊이를 양호하게 제어할 수 있기 때문이다.
여기서, 수소는, 자연계 원소 중 질량이 가장 작으므로 다른 물질 내에 쉽게 확산하여 존재할 수 있다. 상온에서 수소의 확산 계수는 실리콘(Si)에서는 약 10-15cm2/s, 신화막(SiO2)에서는 약 10-11cm2/s를 나타낸다. 이온 주입 조건은 상용 툴인 SRIM을 통해 구할 수 있으며 또한, 이온 주입 조건은, 소자를 구성하는 박막의 두께에 따라 다를 수 있다.
한편, 광검출기의 광 응답 특성을 높이도록 광에 민감하게 반응하기 위해서는, 수광소자인 광검출기의 암전류가 낮아야 하는 동시에 광전류가 높아야 한다. 광검출기의 암전류를 낮추기 위해, 애노드 전극(48) 및 캐소드 전극(49)과 다결정실리콘층(45) 사이, 즉 제1 금속층(481,491)과 다결정실리콘층(45) 사이의 계면에 형성된 도 6에 도시된 쇼트키 콘택(51)의 장벽을 안정화시켜야 한다. 또한, 광검출기의 광전류를 높이기 위해, 광흡수영역의 다결정실리콘층(45) 내에서 광흡수를 효과적으로 일어나게 하여 과잉 전자-정공 쌍(excess electron-hole pair: EHP)을 더욱 많이 발생시켜야 한다.
이를 실현하기 위해, 본 발명은 수소 이온의 주입을 추가로 진행함으로써 쇼트키 콘택 장벽 내의 계면 결함을 패시베이션하여 쇼트키 콘택의 계면 전하 밀도를 감소시키고 나아가 누설전류를 억제하므로 광검출기의 암전류를 낮출 수 있을 뿐 아니라, 광흡수영역의 다결정실리콘층 내에 실리콘과 수소의 결합 및 실리콘과 수소의 미결합에 의해 광흡수영역의 다결정실리콘층의 표면 거칠기와 부피를 증가시켜 다결정실리콘층의 광흡수율을 높이고 나아가 과잉 전자-정공 쌍을 더욱 많이 발생시키므로 광전류를 높일 수 있다.
도 6을 참조하면, 이후, 열처리공정을 이용하여 예를 들어 질소 분위기와 약 400℃의 온도에서 약 30분 동안 실리콘 기판(41)을 열처리함으로써 상기 이온주입된 수소 이온의 결합을 활성화시킨다.
이에 따라, 제1 금속층(481,491)과 다결정실리콘층(45) 사이의 쇼트키 콘택(51)의 장벽 내의 계면 결함이 패시베이션되는 동시에 상기 광흡수영역 아래에 위치하는 영역(53)의 다결정실리콘층(45) 내에서 실리콘과 수소의 결합 및 수소의 미결합이 발생하여 영역(53)의 다결정실리콘층(45)의 부피가 증가하고 나아가 다결정실리콘층(45) 내에서의 빈 공간(void)이 증가하다.
따라서 본 발명은, 쇼트키 콘택(51)의 장벽 내의 계면 결함을 패시베이션함으로써 암전류를 낮출 수 있고, 또한, 영역(53)의 다결정실리콘층(45)의 부피를 증가시킴으로써 광흡수율을 높이고 나아가 광전류를 증가시킬 수 있으므로 광검출기의 광 응답 특성을 향상시킬 수가 있다.
그 다음으로, 공지된 후속 공정을 진행함으로써 본 발명에 따른 다결정실리콘 광검출기의 제조공정을 완료한다. 상기 공지된 후속 공정은 본 발명의 요지와 관련성이 적으므로 설명의 이해를 쉽게 하기 위해, 편의상 상기 공지된 후속 공정에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이후, 도 7 내지 도 9를 참조하면, 이와 같은 일련의 제조공정으로 제조된 금속-실리콘-금속(MSM) 구조의 다결정실리콘 광검출기에 외부 광원(미도시)의 광, 예를 들어 850㎚ 파장의 광을 조사하고, 반도체 파라미터 애널라이저(semiconductor parameter analyzer)(미도시)에 의해 광검출기의 전기적 특성을 측정하여 그 광 응답 특성을 확인한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 광흡수영역에서는, 광에너지가 반사방지막인 산화막(47)을 거쳐 다결정실리콘층(45)의 영역(53)으로 흡수되는 반면에, 광흡수영역 외측 영역에서는, 광에너지가 애노드 전극(48) 및 캐소드 전극(49)에 의해 차단되어 그 아래의 다결정실리콘층(45)에 흡수되지 않는다. 이에 따라, 광흡수영역에서, 다결정실리콘층(45)의 영역(53)에 EHP가 생성된다.
이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광검출기는, 수소 이온 주입을 하지 않은 종래의 광검출기에 비해 스윕 전압(sweep voltage)에 따른 암전류가 낮다. 따라서 본 발명의 광검출기는, 종래의 광검출기에 비해 쇼트키 콘택의 장벽 높이가 약 0.1eV 만큼 증가하는 것을 확인할 수가 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광검출기는, 종래의 광검출기에 비해 스윕 전압에 따른 광전류 대 암전류 비율이 높다. 따라서 본 발명의 광검출기는, 종래의 광검출기에 비해 5V의 스윕 전압에서 광 응답 특성이 약 6배 개선되는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명은, 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 상기한 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 변형, 변경, 치환 등이 가능하다.
10,20: 광검출기
11,21,38: 애노드 전극
12,14: 핑거 전극
13,23,39: 캐소드 전극
15: 활성 영역
22,24: 바 전극
31: 실리콘 기판
33: 산화막
35: 다결정실리콘층
37: 반사방지막
38: 애노드 전극
41: 실리콘 기판
43: 산화막
45: 다결정실리콘층
47: 산화막
48: 애노드 전극
49: 캐소드 전극
51: 쇼트키 콘택
53: 영역
481,491: 제1 금속층
483,493: 제2 금속층

Claims (3)

  1. 다결정실리콘 광검출기의 제조방법은,
    기판 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 상에 다결정실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 다결정실리콘층 상에 반사방지막을 형성하는 단계;
    광흡수영역을 사이에 두고 이격하며 상기 반사방지막의 일부분 상에 각각 배치되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 형성하되, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극을 그 아래의 상기 다결정실리콘층과 쇼트키 콘택을 이루는 단계; 및
    상기 광흡수영역의 다결정실리콘층의 광흡수율을 증가시키기 위해, 상기 광흡수영역의 다결정실리콘층 내에 수소 이온을 이온주입함으로써 상기 광흡수영역의 다결정실리콘층의 표면 거칠기 및 부피를 증가시키는 동시에 상기 쇼트키 콘택에도 상기 수소 이온을 이온주입함으로써 상기 쇼트키 콘택의 장벽 내의 계면 결함을 패시베이션하여 쇼트키 콘택의 계면 전하 밀도를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정실리콘 광검출기의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
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