Single photon counting 센서 적용을 위한 디지털 Si-PIN X-ray detector의 제작 및 평가

Abstract

기존의 의료분야에서 X-ray 영상을 얻기 위해서 아날로그 방식의 시스템을 사용하여 X-ray 영상을 얻었으나 점점 X-ray 검출 센서를 이용한 디지털 방식의 시스템으로 진화해 나가고 있는 실정이다. 이러한 디지털 Xray 검출기는 아날로그 방식과는 달리 감광지나 현상액 등 현상 공정이 필요없이 실시간으로 X-ray 영상을 얻을 수 있다. 하지만 고해상도의 Xray 영상을 얻기 위해서는 Noise를 최소화해야 하며 이를 위해선 누설전류를 최소화 해야 한다. 그러므로 본 연구에서는 디지털 X-ray 검출기의 누설전류를 낮추기 위해 가드링이라는 구조를 적용하였으며 웨이퍼 뒷면에 게더링을 위한 공정을 진행하여 Si-PIN 포토다이오드를 제작 및 평가하였다. 먼저 낮은 누설전류를 갖는 Si-PIN 포토다이오드의 구조를 설계하기 위하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에서는 가드링의 종류와 가드링과 액티브 픽셀간의 간격에 따른 누설전류를 평가하였다. 가드링의 종류는 biased p+, non-biased p+, biased n+ and non-biased n+ 이렇게 네가지로 나누어서 같은 parameter 구조에서 평가되었으며 이 중 biased p+ 가드링의 구조를 적용하였을 시 가장 낮은 누설전류를 나타냈다. 이 때 가드링의 폭은 3 ㎛, 가드링과 액티브 픽셀간의 간격은 6 ㎛ 였다. 가드링과 액티브 픽셀간의 간격에 따른 영향을 살펴보기 위해 간격은 biased p+ 가드링 구조를 적용한 후 2㎛에서 10㎛까지 평가되었으며 이 결과 간격이 가까워질수록 누설전류가 낮아지는 경향을 나타냈으며 2㎛ 간격일 때 가장 낮은 누설전류가 측정되었다. 시뮬레이션 공정을 바탕으로 baised p+ 가드링 구조를 적용하고 간격은 4㎛에서 10㎛까지 나누어서 Si-PIN 포토다이오드를 제작하였다. 게더링이 누설전류 감소에 미치는 영향을 살펴보기 위해 이온주입법과 Doped-poly 두 공정을 적용하여 누설전류를 비교하였다. 제작을 위해 1mm 두께를 갖는 Ntype, 저항은 5~10kΩ㎝, <111> 를 갖는 Si 웨이퍼를 사용하였다. 먼저 wafer를 세정한 후 앞면에 이온주입법을 사용하여 액티브 픽셀과 가드링을 도핑하였으며 뒷면은 이온주입법과 Doped-poly 공정을 사용하여 도핑하였다. 액티브 픽셀과 가드링은 Boron을 이용하여 1E17 atoms/㎠, 80keV 조건에서 도핑하였으며 junction 깊이는 8000Å 형성되었다. 뒷면은 Phosophorus를 이용하여 1E16 atoms/㎠, 80keV 조건에서 도핑하였으며 junction 깊이는 7000Å 형성되었다. IMD 층은 PECVD 방식을 사용하여 SiO2 3000Å, 금속 층은 Ti 500Å/Al6000Å이 증착되었다. Si-PIN 포토다이오드가 제작된 후 누설전류를 평가하기 위해 100V까지의 reverse bias를 걸어주어 측정하였다. Biased p+ 가드링을 적용한 구조의 누설전류가 100V에서 50pA로 가드링을 적용하지 않은 구조보다 월등히 낮은 값을 나타냈다. 그리고 가드링과 액티브 픽셀간의 간격에 따른 누설전류를 비교해 본 결과 시뮬레이션의 결과와 동일하게 간격이 줄어들수록 낮은 누설전류가 측정되었으며 4㎛ 폭의 biased p+ 가드링의 경우 100V에서 30pA의 낮은 누설전류를 나타내었다. 그러나 bias를 가하지 않은 floating 가드링 구조에서는 누설전류 감소에 기여하지 못하는 결과를 나타냈다. 이는 누설전류에 큰 영향을 미치는 Si/SiO2 계면에서의 누설전류를 가드링이 효과적으로 차단하며 간격을 줄여 Si/SiO2 계면 영역을 줄이므로써 누설전류를 감소시킨 결과를 의미한다. 또한, 게더링 공정에 따른 누설전류를 비교한 결과 두 공정 모두 가드링과 액티브 픽셀간의 간격이 줄어들수록 낮은 누설전류를 나타내는 경향성은 마찬가지였으며 이온주입법을 게더링을 적용한 포토다이오드보다 Doped-poly 게더링을 적용한 포토다이오드가 다 낮은 누설전류를 나타냈다. 이는 단결정 구조인 이온주입법 게더링보다는 다결정 구조인 Doped-poly 게더링의 경우가 minority carrier를 trap할 공간이 더 많아 게더링의 효율이 높아졌으며 누설전류 감소에 기여한 것을 의미한다. 본 연구에서는 baised p+ 가드링과 Doped-poly 게더링을 적용하여 누설전류를 낮추었으며 1nA 이하의 낮은 누설전류를 가지는 Si-PIN 포토다이오드를 제작하였다. 그리고 가드링과 액티브 픽셀간의 간격을 줄이므로써 누설전류를 낮출 수 있다는 것을 알 수 있었다.; In present, the digital X-ray detection system is applied to various fields such as medical imaging, particle detection, rummages in airports. This system is typically composed of X-ray detecting sensors and signal-processing integrated circuits. In this thesis, fabrication and characterization of X-ray detecting sensors were carried out for the single photon counting sensor to apply to medical imaging. PIN photodiodes which have 2D planar structures were simulated and fabricated for digital X-ray detecting sensors. Floating-zone (FZ), N-type, (111) and high resistivity (5 ~ 10 kΩ?cm) silicon substrates (1000㎛ thickness) was used for sensor fabrication. Its electrical properties such as the leakage current and the breakdown voltage were characterized. First, the simulations were conducted for the high efficiency PIN photodiode. The PIN photodiodes were simulated with various types of substrates such as thickness, resistivity and orientation. The effects of substrates on efficiency of sensors were studied by these simulations. PIN photodiodes were also simulated as a function of doping concentration on front-side and guard-ring structures. Digital X-ray detecting sensors were fabricated based on simulation results. The size of pixels was 100 ㎛ × 100 ㎛. The p+ guard-ring was formed around the active area to reduce the leakage current. After the p+ active area and guard-ring were fabricated by the ion-implantation, the extrinsic-gettering on the wafer backside was performed to reduce the leakage current by n+ ion-implantation and doped-poly process. PECVD oxide was deposited as an IMD layer on front side and then, metal lines were formed on both sides of wafers. The leakage current of detectors was significantly reduced with a guard-ring when compared with that without a guard ring. The leakage current showed the strong dependency on the gap distance between the active area and the guard ring. It was possible to achieve the leakage current lower than 0.1 nA/cm2