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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.4 pp.195-200
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.4.195

Post Annealing Effects on the Electrical Properties of Polysilicon Metal-Semiconductor-Metal Photodetectors

Kyeong-Min Kim1, Jung-Yeul Kim2, You-Kee Lee2, Yong-Sun Choi1, Jae-Sung Lee2, Young-Ki Lee2
1Department of Information & Electronics Engineering, Uiduk University, Gyongju 38004, Republic of Korea
2Division of Green Energy Engineering, Uiduk University, Gyongju 38004, Republic of Korea
Corresponding author : E-Mail : yklee@uu.ac.kr (Y.-K. Lee, Uiduk Univ.)
December 13, 2017 January 24, 2018 March 12, 2018

Abstract


This study investigated the effects of the post annealing temperatures on the electrical and interfacial properties of a metal-semiconductor-metal photodetector(MSM-PD) device. The interdigitate type MSM-PD devices had the structure Al(500 nm) / Ti(200 nm) / poly-Si(500 nm). Structural analyses of the MSM-PD devices were performed by employing X-ray diffraction(XRD), scanning electron microscopy(SEM) and transmission electron microscope(TEM). Electrical characteristics of the MSM-PD were also examined using current-voltage(I-V) measurements. The optimal post annealing condition for the Schottky contact of MSM-PD devices are 350°C-30minutes. However, as the annealing temperature and time are increased, electrical characteristics of MSM-PD device are degraded. Especially, for the annealing conditions of 400°C-180minutes and 500°C-30minutes, the I-V measurement itself was impossible. These results are closely related to the solid phase reactions at the interface of MSM-PD device, which result in the formation of intermetallic compounds such as Al3Ti and Ti7Al5Si12.



폴리 실리콘을 이용한 금속-반도체-금속 광 검출기의 열처리에 따른 전기적 특성

김 경민1, 김 정열2, 이 유기2, 최 용선1, 이 재성2, 이 영기2
1위덕대학교 일반대학원 정보전자공학과
2위덕대학교 그린에너지공학부

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    실리콘을 이용한 반도체 소자는 실리콘 공정 기술과 소 자 기술의 향상으로 꾸준히 발전되어 왔으며, 실리콘 기판 을 이용한 센서 및 다양한 검출기들이 제작되고 있다.1-5) 여러 가지 목적의 다양한 센서(sensor) 중 실리콘을 이 용한 광검출기(photodetector)를 바이오센서(bio-sensor)에 적용할 경우 극소량의 혈액성분을 감지하는 센서부터 심 장, 간 등 인체기관으로부터 발생하는 신호를 빠르고 정 확하고 쉽게 감지할 수 있다. 이러한 바이오 센서들은 현재의 디지털 기술과 결합하여 인간의 삶의 질 향상에 기여하고 있고 지속적으로 수요증가가 예상된다. 바이오 센서들을 일상생활에 적용하기 위해서는 빛을 이용한 광 학적 센서기술이 요구되고 빛에 반응하는 감지 및 검출 능력이 뛰어나야 하며 휴대하기 쉽고 실시간 측정이 가 능해야 한다. 이러한 바이오센서를 광검출기 형태를 통 해 구현하기 위해서는 기존 반도체 공장에서 반도체 공 정을 응용하여 제조한다면 제조 과정도 간단하며 새로 운 공정 시설이 필요 없는 효과를 얻을 수 있다. 또한 반도체를 이용한 광학적·전자적 시스템을 통합하여 하 나의 칩(chip)으로 구현 가능한 고품질의 제품이 가능할 것이다. 이에 실리콘을 이용한 광검출기의 경우 반도체 공정을 이용하여 낮은 공정 온도, 단순한 제조과정 및 저비용으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.1-2,5) 특히, 광 검출기의 경우 빛을 전기 신호로 변환하는 센서로서, 입 사 광량에 따라 출력되는 전류를 의미하는 분광 감응도 (responsivity)는 적용되는 빛의 파장에 따라 달라지는 점 을 고려하여 여러 가지 반도체를 이용한 다양한 센서들이 연구되고 있다.8-12) 특히 광학 센서(optical power sensor)의 경우 휴대폰, 컴퓨터 보안장치, 생체 인식 감지하는 혈 류 센서나 박동센서 같은 바이오 센서는 높은 출력을 요 구하므로 광검출기 센서로 적용하는 경우 850 nm 파장 영역의 빛 에너지가 필요하다.

    광검출기에 이용되는 대표적인 반도체 재료로는 단결 정 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)뿐만 아니라 질화갈륨(GaN), 갈륨비소(GaAs) 등의 화합물 반도체를 사용하는 경우가 많다.3,10) 그러나 이런 화합물 반도체를 기본으로 하는 광 검출기의 특징은 화합물 반도체를 구성하는 재료 자체 와 공정 비용의 단가가 높다. 또한 바이오 센서로 사용 되기에 1,000 nm 부근의 근적외선보다 더 긴 파장까지 감응하는 것이 일반적이기 때문에 광검출기로 사용함에 있어서 특정한 파장영역에서만 사용되어야 하는 광검출 기 기능으로는 번거로운 측면도 있다. 특히 재료적인 측 면과 가격을 고려했을 때, 저비용 대량 생산측면에서 폴 리 실리콘(poly-Si)은 실리콘(Si)의 에너지 갭(gap) 크기 가 1.1 eV로 같고 재료의 단가가 저렴하다. 그리고 기존 에 반도체 공정 과정을 이용하여 μm 단위의 크기로 소 형으로 제작할 수 있으며5) 취급하기에 간편할 뿐 아니 라 다양한 광검출기를 다량 생산 할 수 있다. 또한 일 반적인 실리콘보다 높은 감광성을 포함하며 발수성, 내 화성, 산화 안정성, 저온 안정성 및 기체 투과성이 우 수하다.5,9,14)

    폴리실리콘을 이용한 소자제조는 광전자(photon) 생성 과 수집에 목적을 두고 있고 850 nm 파장대역에서 광 전자의 생성 및 이동이 발생한다. 폴리실리콘을 이용한 광검출기의 경우 금속전극과 폴리실리콘의 접촉을 통해 폴리실리콘에서 생성된 광전자의 이동을 통해 전기적 성 질의 정도를 확인할 수 있다.5-6,9,14) 광검출기 기능을 가 진 디바이스의 경우 반도체에서 금속으로 광전자가 이 동하기 위해서는 금속과 반도체의 접촉이 되어야 하며, 본 연구에서 제조한 광검출기는 쇼트키 접촉(Schottky contact)을 이용한 다이오드 기능을 가진 쇼트키 트랜지 스터 형태의 광검출기로 금속- 반도체 전계효과 트랜지 스터(metal-semiconductor field-effect transistor)와 유사하 다. 이에 금속과 반도체의 접촉을 하기 위해서는 열처 리가 필요하고, 적정 열처리를 통한 금속-반도체 접촉인 쇼트키 접촉 유무가 우선적으로 확인되어야 할 사항이다.

    본 연구에서는 850 nm 파장대역에서 폴리실리콘 기반 금속-반도체-금속 광검출기(MSM-PD)를 상호감합(interdigitate type) 형태로 제조한 후 쇼트키 접촉을 위한 열 처리 조건과 그에 따른 전기적 특성 및 계면 반응을 조 사하였다.

    2. 실험 방법

    금속-반도체-금속 광 검출기 디바이스는 일반적인 광검 출기 형태인 상호감합 형태(interdigitate type) 또는 손가 락(finger) 형태로 제작하였다. Fig. 1은 본 실험에 제작 된 폴리 실리콘을 이용한 광검출기(MSM-PD)의 형태와 모식도이다. 본 실험에서 사용한 기판은 Si(100)이었으 며, 산화 방지막으로 SiO2 층을 400 nm 적층한 후, 저압 화학 기상 증착(LPCVD, low pressure chemical vapor deposition) 방법으로 SiH4 분위기에서 광흡수(absorption layer)으로 사용할 폴리 실리콘(poly-Si)을 500 nm 두께 로 형성하였다. 광검출기의 전극으로 사용할 Ti 및 Al 박막을 증착하기 전에 디바이스 기판 표면에 잔류하는 자연 산화 막과 유기물질을 제거하기 위하여 buffered- HF 수용액과 탈이온수(deionized water) 수용액을 사용하 여 세척한 다음 DC 마그네트론 RF 스퍼터 챔버(chamber) 에 장착하였다. 스퍼터 챔버에 디바이스 기판을 장착 후 Ti 박막과 Al 박막을 in-situ로 각각 200 nm, 500 nm 증착하였다. 증착 중의 초기 진공도는 2 × 10−7 torr 이하에 서 유지되었고 스퍼터링시 필요한 스퍼터의 전력(sputtering power)은 2.5 kW, Ar gas는 65 sccm으로 제어하였다. 스 퍼터링을 이용한 광검출기의 전극 박막을 증착한 후 상 호감합 형태로 전극 형성 후 lift-off 공정을 거쳐 열처 리를 시행하였다. 본 실험에 사용한 열처리 장치는 hot plate furnace 이며, 질소 분위기(N2 gas)에서 열처리 온 도는 200 °C ~ 500 °C, 열처리 시간변화는 30분-180분으 로 열처리 후 노냉(furnace cooling)하였다. Fig. 1(a-c)는 상호감합 형태의 광검출기 모식도 및 SEM 이미지이다. 열처리 후 광검출기 디바이스 표면 형상은 주사전자 현 미경(SEM:JEOL JSM-7401F)을 이용하여 관찰하였고, 광 검출기의 전기적 특성을 확인하기 위해 반도체 소자 분 석기(semiconductor test and analyzer)를 사용하였다. 광 검출기 디바이스 내 금속간 화합물 형성 여부를 관찰하 기 위해 계면 분석에 유용한 투과전자현미경(TEM:JEOL JEM-2100F) 이용하였고, 박막과 폴리실리콘의 구조 분 석은 X-선 회절 분석기(XRD)를 사용하였다. 이때 X-ray source는 CuKα선을, 측정 범위는 20°~80°이었으며 scanning speed는 4° min−1이었다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 열처리 조건에 따른 광검출기의 전기적 특성

    제작된 금속-반도체-금속 광검출기의 열처리에 따른 전 기적 특성은 850 nm 파장 광원을 광검출기에 조사한 후 I-V 특성을 측정하였다. Fig. 2는 바이어스에 따른 광검 출기의 광전류 값을 보여준다. 일반적으로 상호감합의 전 극을 사용한 광검출기의 경우 패드에 바이어스를 인가 하게 되면 상호감합된 부분의 각각의 finger 전극에는 역 바이어스 상태에서 측정된다. 상호감합된 광검출기를 열처 리한 후 쇼트키 접촉이 되면 쇼트키 장벽이 생성되고,13) 반도체와 금속의 접촉지점과 외부에서 인가된 바이어스 는 각각의 상호감합된 finger 전극에서 역방향 바이어스 가 된다. 즉, 쇼트키 접촉이 되면 소수캐리어(minority carrier)의 축적으로 인한 효과가 없기 때문에 보다 고속 으로 응답할 수 있고, 쇼트키 장벽은 바이어스 전압에 의하여 장벽의 높이가 변하기 때문에 I-V 특성이 정류 성(rectifying)을 가지게 된다. 전극이 역 바이어스가 되 면 캐패시턴스(C)는 감소되지만 광신호보다 큰 잡음과 결 합된 암전류를 증가시키는 원인이 될 수 있고, 암전류 를 감소시키기 위해서는 재료와 열처리 온도에 따른 영 향이 크기 때문에 저온 열처리 방법으로 쇼트키 접촉 및 암전류 감소에 영향을 줄 수 있다.

    Fig. 2는 열처리 온도에 따른 광 검출기의 I-V 특성을 나타낸 것으로, 0 V ~ 15 V의 바이어스를 인가하여 측정 하였으며 쇼트키 접촉을 위한 저온열처리 후 광검출기 에 인가전압 15 V 일 때 350 °C, 30분에서 광전류는 평 균 5.12 × 10−3mA 값을 나타내었다. 따라서 Fig. 2(a)에 서 알 수 있는 바와 같이 열처리 시간 30분의 경우 최 적 열처리 온도는 350 °C인 것으로 판단된다. 또한 Fig. 2(c)에서와 같이 350 °C에서 열처리 시간이 증가됨에 따 라 점차 광전류 특성이 저하되었으며 300 °C, 180분의 경 우(Fig. 2(b))의 350 °C, 30분과 비슷한 값의 I-V 특성을 나타내었다. 이러한 결과로부터 본 연구의 광검출기의 열 처리 조건은 350 oC, 30분이 가장 적절한 것으로 판단 된다.

    3.2 열처리 조건에 따른 금속간 화합물 생성

    광검출기의 금속-반도체-금속 구조에서 금속과 반도체 의 쇼트키 접촉을 위해서는 적정한 열처리 온도와 열처 리 시간이 필요하다. 열처리 온도와 시간에 따라 광검 출기의 전기적 특성의 차이가 현저하게 달라진다는 것 을 확인할 수 있었다.

    본 연구의 금속-반도체-금속 광검출기 디바이스의 경우 온도나 시간에 따른 열처리 조건이 350 °C, 30분에서 다 른 열처리 조건에 비해 우수한 I-V 특성을 나타내었다. 또한 쇼트키 접촉을 위한 Si과 Ti, Al 금속의 열처리 공 정의 경우 일반적으로 400 °C ~ 500 °C에서 열처리를 한 다고 보고 되어왔다.7) 그러나 본 연구에서는 350 °C, 30 분에 비해 열처리 온도 및 시간이 증가할수록 상대적으 로 I-V 특성이 감소함을 보였고, 특히 400 °C, 180분, 및 500 °C, 30분 열처리의 경우 광검출기의 I-V 측정이 불 가능하였다. 이는 열처리 온도와 시간에 따른 금속간 화 합물의 생성6)으로 인한 쇼트키 접촉 및 쇼트키 장벽의 변화가 I-V 특성에 영향을 미친 것이라고 판단된다. 따 라서, 열처리 온도와 시간에 따라 광검출기의 결정학적 특징을 검토하기 위하여 X-선 회절 분석을 실시하였다. Fig. 3(a)는 열처리 시간을 30분으로 하여 열처리 온 도에 따른 XRD 결과로서 400 °C에서 계면 반응이 시 작되어 Al3Ti가 검출되었으며, 500 °C에서는 3원계인 Ti7Al5Si12 상이 관찰되었다. 또한 Fig. 3(b)에서 알 수 있 는 바와 같이 열처리 시간 180분에서는 350 °C에서도 Al3Ti 상이 형성되었다. 이러한 결과는 쇼트키 접촉을 위 한 광검출기의 전극인 Ti(200 nm)/Al(500 nm) 박막의 계 면에서 계면반응이 시작되어 Al3Ti 상이 생성된 후, 열 처리 온도 및 시간이 증가할수록 Al3Ti 상이 하부 폴리 실리콘과 반응하여 3원계의 Ti7Al5Si12 상이 형성된 것으 로 판단된다. 이러한 열처리 온도 및 시간에 따른 계면 거동은 광검출기의 I-V 특성과 일치하는 결과를 나타내 었다.

    Fig. 4는 금속-반도체-금속 광검출기의 열처리에 따른 계면 반응을 관찰하기 위한 단면 TEM 사진이다. Fig. 4(b)(c)에서와 같이 350 °C, 180분 열처리 한 경우, Al3Ti 금속간 화합물은 대략 80 nm이었고, Fig. 4(d)(e)의 400 °C, 30분에서는 Ti7Al5Si12 상이 혼재된 금속간 화합물 층의 두께는 대략 270 nm로 확인되었다. Al3Ti 금속간 화합물의 경우, 금속-반도체-금속 광검출기 디바 이스 전극 계면에서 생성되어 온도와 시간이 증가할수 록 층(layer) 형태로 성장하는 것으로 판단되며, 열처리 온도 및 시간의 증가에 따라 Al3Ti 층은 하부 폴리 실 리콘과 반응하여 3원계의 Ti7Al5Si12 층을 형성한 것으로 판단된다.

    3.3 금속간 화합물에 따른 광검출기의 전기적 특성

    Fig. 5는 열처리 온도 및 시간에 따른 Al에 대한 금 속간 화합물의 상대 비(Al3Ti/Al, Ti7Al5Si12/Al)를 나타낸 것으로 Fig. 5(a)에서와 같이 열처리 시간 30분의 경우, 400 °C에서 Al3Ti 상이 형성되었고, 500 °C에서 Ti7Al5Si12 상이 관찰되었다. 이때 Al3Ti, Ti7Al5Si12의 회절강도 비 는 JCPDS card로부터 각 상의 상대강도가 100인 (004) Al3Ti, (116)Ti7Al5Si12의 회절 면을 기준으로 하였다. 이 는 Fig. 2(a)에서와 같이, 열처리 온도의 증가에 따라 IV 특성이 점차 증가하다가 Al3Ti 상이 형성되는 400 °C 에서 감소하기 시작하여, Ti7Al5Si12 상이 형성되는 500 °C 에서는 측정 자체가 불가능하였다. 또한 Fig. 5(b)의 열 처리 시간을 180분으로 한 400 °C 경우도 측정 자체가 불가능하였다. 금속간 화합물의 생성 및 성장으로 400 °C, 30분 열처리한 광검출기의 I-V 평균값은 350 °C, 30분 열 처리한 광 검출기의 평균값인 5.12 × 10−3mA 값에 비해 10배 정도 감소한 4.2 × 10−4mA 값을 나타내었다.

    이와 같은 결과로부터 Al/Ti/poly-Si 구조의 광 검출기 의 열처리에 따른 금속간 화합물의 형성 및 성장은 광 검출기의 금속 전극 계면에서 먼저 발생하여 폴리실리 콘 층으로 성장하였다고 판단되며, 이것은 상호감합 형 태의 광검출기의 금속 전극(finger와 finger 사이) 사이에 서 광 흡수층인 폴리실리콘에서 광흡수가 일어나 전극 으로 광전자의 이동 및 광전자수집이 발생하여 I-V 특 성을 나타낸다. 열처리 조건 350 °C, 180분과 400 °C, 30분의 경우 광전자이동 및 전극으로 수집되는 현상은 발생하나 수집되는 전극의 Al/Ti 계면에서 생성되어 성 장한 Al3Ti 상의 증가로 인해 수집량이 감소한다고 판 단되며, 그 결과 Fig. 2에서와 같이 I-V 특성 또한 온도 및 시간 증가에 따라 감소된 것으로 판단된다. 그러나 광검출기를 400 °C, 180분과 500 °C, 30분로 열처리한 경우 I-V 특성을 측정할 수 없었는데, 이는 3원계 금속 간 화합물인 Ti7Al5Si12 상이 생성됨으로써 광 흡수가 일 어나 전극으로 이동하는 광전자 수집을 방해하여 나타 난 결과라고 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서 금속-반도체-금속 광검출기 디바이스를 제 조한 후, 광검출기의 쇼트키 접촉을 위한 열처리로 광 검출기의 전기적 특성을 조사하였으며, 광검출기 구조의 계면 반응에 의한 전기적 특성을 평가하였다.

    • 1) 상호감합 형태의 Ti(200 nm)/Al(500 nm)/poly-Si(500 nm) 구조 광검출기의 최적의 열처리조건은 350 °C, 30 분이다.

    • 2) 350 °C, 30분에 비해 열처리 온도 및 시간이 증가 할수록 상대적으로 I-V 특성이 감소함을 보였고, 특히 400 °C, 180분 및 500 °C, 30분 열처리의 경우 광검출기 의 I-V 측정이 불가능하였다.

    • 3) 열처리 350 °C, 180분 조건에서는 광검출기의 전극 계면에서 2원계(Al-Ti) 금속간 화합물이 생성되며 400 °C, 180분 열처리 조건에서는 2원계(Al-Ti), 3원계(Al-Ti-Si) 금속간 화합물이 함께 존재하였다. 또한 500 °C, 30분 열 처리 조건에서는 3원계(Al-Ti-Si) 금속간 화합물이 존재 하였으며, 열처리 온도와 시간이 증가할수록 2원계(Al-Ti) 상의 금속간 화합물이 3원계(Al-Ti-Si) 상으로 상변화가 일어나 층(layer) 형태로 성장하였다.

    • 4) 광검출기에서 열처리 조건에 따른 금속간 화합물의 형성과 성장 및 쇼트키 접촉의 유무를 확인할 수 있었다.

    Figure

    MRSK-28-195_F1.gif

    (a) The top-view of interdigitated electrodes for MSM-PD, (b) Cross-section image of MSM-PD and (c) SEM image of MSM-PD.

    MRSK-28-195_F2.gif

    A comparison of photocurrents for MSM-PD having various annealing time and temperature: (a) 30 min, (c) 180 min and (b) 350 °C.

    MRSK-28-195_F3.gif

    XRD plots of the Al/Ti/poly-Si MSM-PD depending on annealing time: (a) 30 min, (b) 180 min.

    MRSK-28-195_F4.gif

    (a) Cross-sectional TEM images of the MSM-PD; (a) 350 °C for 30 min, (b) and (c) low magnification and high magnification images of device annealed at 350 °C for 180 min, (d) and (e) low magnification and high magnification images of device annealed at 400 °C for 30 min.

    MRSK-28-195_F5.gif

    Intermetallic compound change with the post annealing of MSM-PD: (a) 30 min, (b) 180 min.

    Table

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