To realize large-format compact array detectors covering a wide far-infrared wavelength range up to 200 μm, we have been developing Blocked-Impurity-Band (BIB) type Ge detectors with the room- temperature surface-activated wafer bonding technology provided by Mitsubishi Heavy Industries. We fabricated various types of p+-i junction devices which possessed a BIB-type structure, and evaluated their spectral response curves using a Fourier transform spectrometer. From the Hall effect measurement, we also obtained the physical characteristics of the p+ layers which constituted the p+-i junction devices. The overall result of our measurement shows that the p+-i junction devices have a promising applicability as a new far-infrared detector to cover a wavelength range of 100-200 μm.

실리사이드반웅을 이용하여 니켈모노실리사이드의 양측계면에 단결정실리콘을 적층시켜 전도성이 우수하며 식각특성이 달라 MEMS용 기판으로 채용이 가능한 SOS (Silicon-on-Silicide) 기판을 제작하였다. 실리콘 기판 전면에 Ni를 열증착법으로 1000Å두께로 성막하고, 실리콘 기판 경면과 맞블여 후 300~900˚C온도범위에서 15시간동안 실리사이드 처리하여 니켈모노실리사이드가 접합매체로 되는 기판쌍들을 완성하였다. 완성된 기판쌍들은 IR (infrared) 카메라를 이용하여 비파괴적으로 접합상태를 확인하고. 주사전자현미경 (scaning electron microscope)과 투과전자현미경 (tranmission electron microscope)을 이용하여 수직단면 미세구조를 확인하였다. Ni 실리사이드의 상변화가 일어나는 온도를 제외하고는 Si NiSi ∥Si 기판쌍은 기판전면에 52%이상 완전접합이 진행되었음을 확인하였고 생성 실리사이드의 두께에 따라 나타나는 명암부에 비추어 기판쌍 중앙부에 두꺼운 니켈노실리아드가 형성되었다고 판단되었다. 완성된 Si NiSi ∥ Si 기판쌍을 SBM 수직단면에 의괘 확인한 결과 접합이 완성된 기판중심부의 접합계면은 1000Å 두께의 NiSi가 균일하게 형성되었으며 배율 30,000배의 해상도에서 계면간 분리부분없이 완전한 접합이 진행되었음을 확인하였다. 반면 기판쌍 에지 (edge)부분에는 실리사이드가 헝성되지 않은 비접합상태가 발견되었다. 수직단면루과전자현미경 결과물에 근거하여 접합된 중심부에서는 피접합되는 실리콘의 경면과 니켈이 성막된 실리콘 경면 상부계면에 10-20Å의 비정질막이 발견되었으며, 산화막으로 추정되는 이 막이 접합률을 현저히 저하시키는 것을 확인하였다. 접합이 진행되지 않은 에지부는 이러한 산화막이 열처리 진행중 급격히 성장하여 피접합 실리콘층의 분리가 발생하였다. 따라서 Si NiSi ∥Si 기판쌍의 접합률을 향상시키기 위해서는 피접합 실리콘 계면과 Ni 상부층간의 비정질부를 적극적으로 제거하여야 함을 알 수 있었다.

실리콘 웨이퍼 직접 접합을 성공하기 위해서는 양호한 접합면을 구성하여야 하며, 이를 위해 접합면에서 발생하는 주요 결함 중 하나인 기포형 접합 결함을 억제하여야 한다. 본 연구에서는 접합면에서 발생하는 기포형 결함의 상온 접합 및 열처리 과정에서의 거동을 관찰하여 내부의 압력이 증가함을 직접 관찰할 수 있었다. 또한, 대기압 하의 열처리에서 결함이 발생하지 않는 SiO2-SiO2 접합 웨이퍼가 진공에서의 열처리에서 결함이 발생하는 현상을 통해 기포형 결함의 내부 압력과 성장과의 관계를 실험을 통하여 증명할 수 있었다.

실온에서 직접 접합된 실리콘 기판의 접합강도를 향상기키기 위하여 기존의 고온 로내 열처리법을 대체할 수 있는 선형 열처리법을 개발하였다. 한 개의 열원과 타원형 반사경으로 구성된 선형 열처리법은 접합면의 간격이 열처리 온도의 증가와 더불어 감소하는 특성과 온도 증가와 더불어 접합면에 생성된는 기체상의 밀도가 증가하는 현상을 응용하여 접합면의 기체상을 밀도차이를 이용하여 기판 외부로 방출시키는 방법으로 SimidmidSi 기판쌍 및 SimidmidSiO2/Si 기판쌍의 직접 접합에 적용하여 보았다. IR camera와 HRTEM으로 직접 관찰한 접합면은 실온에서 접합면에 침투한 외부 불순물에 의한 비접합 영역을 제외하고는 자제 생성된 기체상에 의한 비접합 영역은 나타나지 않았고 매우 깨끗한 접합계면을 나타내었다. 접합된 기판쌍을 Crack opening법과 인장시험법을 적용하여 접합 강도를 측정하였다. 접합 강도는 열처리 온도의 증가와 더불어 점차로 증가하였고 두 측정방법 모두 동일한 경향성을 나타내었다.

n-InP(001)기판과 PECVD법으로 Si3N4(200nm)막이 성장된 InP 기판사이의 direct wafer bonding을 분석하였다. 두 기판을 접촉시켰을 때 이들 사이의 결합력에 크게 영향을 주는 표면 상태를 접촉각 측정과 AFM을 통해서 분석하였다. InP 기판은 50% 불산용액으로 에칭하였을 때 접촉각이 5˚, RMS roughness는 1.54Å이었다. Si3N4는 암모니아수 용액으로 에칭하였을 때 RMS roughness가 3.11Å이었다. Inp 기판과 Si3N4/InP를 각각 50% 불산 용액과 암모니아수 용액에 에칭한 후 접촉시켰을 때 상당한 크기의 초기 겹합력을 관찰할 수 있었다. 기계적으로 결합된 시편을 580˚C-680˚C, 1시간동안 수소 분위기와 질소분우기에서 열처리하였다. SAT(Scanning Acoustic Tomography)측정으로 두 기판 사이의 결합여부를 확인하였다. shear force로 측정한 InP 기판과 Si3N4/InP사이의 결합력은 Si3N4/InP 계면의 결합력만큼 증가되었다. TEM과 AES를 이용해서 di-rect water bonding 계면과 PECVD계면을 분석하였다.

직접 접합된 Si 기판들의 접합계면에 관하여 연구하였다. 경사 연마 및 결함묘사, 계면의 비등방성 식각, TEM 및 HR-TEM 등의 방법들을 이용하여 접합계면에 발생하는 계면결함과 과도영역, 여러형태의 void 들, 계면 산화막의 형성 및 안정화 과정등을 조사하였다. 또한 접합된 Si-Sio2계면과 일반적인 Si-Sio2계면의 형상등을 비교 검토하였다.