[금속 공정] 훈련 3 : Schottky Contact & Ohmic Contact, 정말 중요!
캡틴 딴딴
2022. 7. 7. 21:48
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안녕하세요! 여러분들 잘 지내셨습니까.
오늘은 정말 중요한 Schottky Contact과 Ohmic Contact에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1] Schottky Contact과 Ohmic Contact에 대해서 설명하세요.
반도체 공정에서 크게 Contact은 Schottky Contact과 Ohmic Contact으로 구분할 수 있습니다. Ohmic Contact은 우리가 흔히 알고 있는 Ohm's Law (V=IR)을 따르는 접합으로, V와 I가 Linear한 Profile을 가지는 Contact입니다. Schottky Contact은 접합 Interface에서 Potential Barrier인 Schottky Barrier가 형성되어, Carrier가 Interface를 넘어가는 데 에너지 장벽을 느끼게 되면서 바이어스 인가시 특정 임계전압 (Schottky Barrier 극복) 이상에서 전류가 흐르는 Profile을 가집니다. 이러한 Contact의 양상은 접합하는 두 물질 간의 Workfunction 차이에 따라 형성되며 특히 Schottky Contact은 Workfunction이 큰 Metal과 Semiconductor 간의 Contact에서 발생합니다. (마치 PN Diode 같음)
따라서 MOSFET에서 Gate, Source/Drain (Si)과 Metal 과의 Contact 형성 시 Schottky Barrier을 제거하고 Ohmic Contact을 만들어주기 위해서 Salicide 공정을 진행합니다. (이는 다음 장에서 다루겠음). Schottky Contact은 Photo Transistor나, Detector에서 Dark Current를 낮추고, Photon이 입사됐을 때, Photo Current를 향상시키는 Photo Gate 효과를 얻을 때 적용됩니다. (광검출 소자 연구했을 때, 공부해봄ㅎ..)
Schottky Contact & Ohmic Contact의 Energy Diagram을 다루어보자.
여러분들은 두 물질의 접합이 Schottky Contact인지, Ohmic Contact인지 파악하는 방법에 대해서 가르쳐 드리겠습니다. 2가지 방법이 있는데 첫 번째는 두 소재의 물성 정보를 파악하고, Energy Diagram을 그려보는 것입니다. 물론 많이 연습을 해보셔야 합니다. 아래에서 다룰 내용을 천천히 따라오시면, '아, Schottky or Ohmic 이네!'라고 한 눈에 아실 수 있습니다. 이전 포스팅에서 말씀드린 '머리 끄댕이 올리기 권법'에 대해서 설명드리겠습니다! 두 번째는 가장 쉽게 파악할 수 있는 방법. 바로 구글링입니다. 연구하시는 분들은 꼭 그리는 것을 연습하시고, 아닌 분들은 그냥 논문 Searching 하십시오!. 그래도 반도체 인이라면 어떤 원리로 Contact이 이루어지는 지는 파악할 줄 알아야 한다고 생각됩니다.
[Background] 진공준위, 일함수, 전자친화도 1. 진공준위 : 전자가 이동하면서 전자가 물질에서 완전히 벗어나기 까지 필요한 에너지. 2. 일함수 : 진공준위와 물질의 Fermi-level (Ef)의 에너지 차이. 진공준위까지 도달했다면 전자는 소재의 구속으로부터 완전히 벗어났다고 볼 수 있음. 3. 전자친화도 : 진공준위와 Conduction Band 전도대와의 에너지 차이.
다른 서적이나 포스팅을 보시면 아래와 같이 Metal과 Semiconductor가 Junction을 이룰 때, Workfunction의 차이에 의해 Schottky & Ohmic으로 구분된다고 설명합니다. 이 내용에 대해서 한 번 다루고 바로 '머리 끄댕이 올리기 권법'을 적용하도록 하겠습니다.
① Schottky Contact : Metal / n-type Semiconductor, (Φm > Φs)
아래 그림과 같이 Metal Workfunction (vrl과 Ef의 차이) 이 n-type Si의 Workfunction보다 더 큰 것을 알 수 있습니다. 여러분들 Metal은 Conduction Band, Ec와 Fermi Level, Ef가 항상 같다는 것 아시죠?. 항상 자유전자가 존재할 확률이 100% 라는 소리입니다. 아래와 같은 상황은 n-type Si이 P or As가 고농도로 Doping된 상태의 반도체와 Metal 간의 접합이라고 생각하실 수 있습니다. 그리고 일반적인 Metal과 Semiconductor의 접합이라고 할 수 있습니다.
우린 이전 교육에서 접합 시 열평형 상태에서는 항상 접합하는 두 소재의 Fermi Level은 일치한다는 것을 배웠습니다. 마찬가지로 Metal과 Semiconductor 간의 접합 역시 열평형 상태에서 아래와 같이 Fermi Level을 일치시키기 위해 Metal의 Energy Band를 위로 올리거나, n-type Si의 Energy Band를 아래로 내립니다.
접합이 이루어질 때 무슨 일이 일어날까요. 고농도로 Doping된 n-type Si 내에 전자가 Interface를 거쳐 전자가 Metal로 Diffusion이 일어나고, Metal에서 정공이 n-type Si 쪽으로 확산이 일어나게 됩니다. 계면 쪽에서 전자가 Metal로 Diffusion 되면서 이온화된 Dopant 원자는 (+) Charge를 가지는 고정전하가 형성되고 이는 Electric Field를 형성합니다. 이전 교육에서 Energy Band의 Bending 즉, Potential의 기울기가 있다는 것은 Electric Field가 존재한다는 것을 배우셨을 것입니다. 이 E-field에 의해 Interface에서 Carrier의 Diffusion이 억제되면서 평형상태가 됩니다. 그러면 아래와 같은 Energy Diagram을 가지는 것을 확인할 수 있습니다.
위와 같이 Potential Barrier가 형성되면서 qVbi의 Energy 장벽을 극복해야만 Source에서 Drain으로 Drift된 전자가 Metal 방향으로 이동하여 Drfit Current에 기인할 수 있습니다. 그래서 Metal에 Positive Bias를 인가했을 때, 초기에는 전위장벽을 전자가 넘어가지 못 하다가, 점점 더 Bias가 증가하면 전위장벽이 낮아지면서 전위장벽을 극복하고 전류가 흐르게 되는 것입니다. (참고. 이전 교육에서 (+) Bias 인가하면, Band가 아래로 내려간다는 점!)
아래에 접합 까지는 동일합니다. 아래와 같이 접합 이전에 Workfunction이 어떻게 이루어져 있는지 알고 있습니다. 그리고 Fermi Level이 접합 시 열평형상태가 되면 일치한다는 점도 알고 있습니다.
여기서 중요한 점은 Fermi Level을 일치시킬 때, Semiconductor 쪽이 위로 올라가는지 아래로 내려가는 지 파악합니다. 아래와 같은 경우는 아래로 내려갔습니다. 여기서 중요한 점은 Interface에 이전 Conduction band, Valance band의 Point를 찍고, Ef 차이만큼 머리끄댕이를 끌어 내리거나 끌어 올립니다! 바로 보죠!
위와 같이 Interface의 접합 전 Point를 찍고 Fermi Level이 일치될 때까지 끌어내립니다. 대신 Interface에 심어져 있는 모근은 꿋꿋이 버티고 있다는 것! 이 방법을 적용하면 Workfunction을 알았을 때, '아 Schottky Contact 이구나, 혹은 Ohmic Contact이구나 알 수 있습니다.' 바로 다음 것도 적용해봅시다.
② Ohmic Contact : Metal / p-type Semiconductor, (Φm > Φs) "머리 끄댕이 올리기 권법 적용”
위와 같이 Metal의 Workfunction이 p-type Si보다 Workfunction이 크다는 것을 알 수 있습니다. 이미 이론적인 내용들은 설명했으니, 바로 머리끄댕이를 내리든지 올리든지 바로 진행해보겠습니다. 위 그림만 봐도, Semiconductor 쪽의 Ef를 내려야 하는데, 접합 전 Ec, Ev의 Point가 버티고 있습니다. p-type Si의 경우 Majority Carrier가 정공이니 Valance Band 쪽을 집중해서 보셔야 합니다.
이제 위와 같이 Conduction Band 쪽에는 Schottky Barrier가 형성되면서 전자가 쉽게 넘어가지 못 한다는 것을 알 수 있습니다. 아니 근데 왜인 걸. Valance Band가 Fermi Level을 넘어섰습니다. 이것은 즉, Interface에 정공이 추적돼 있음을 의미합니다. Metal or p-type Si에 어느 쪽에 Bias를 인가하더라도 Majority Carrier인 정공의 이동이 자유로움을 의미합니다. 즉, Ohmic Contact 입니다. Voltage가 증가할수록 Current가 Linear하게 증가합니다. 즉, 일정한 저항을 가지면서 Voltage와 Current가 선형적인 관계. V=IR, Ohm's Law을 만족한다고 할 수 있습니다.
③ Ohmic Contact : Metal / n-type Semiconductor, (Φm < Φs) "머리 끄댕이 올리기 권법 적용”
아래 그림과 같이 n-type으로 Doping된 반도체의 Workfunction이 Metal의 Workfunction보다 더 크다는 것을 알 수 있습니다. Interface에 Point를 찍고 열평형상태가 될 때 까지, 즉, Fermi Level이 같아질 때까지 n-type Si의 머리끄댕이를 끌어 올립니다.
아래와 같이 Energy Diagram이 형성됨을 한 눈에 아시겠죠. 전자가 Majority Carrier인 n-type 반도체의 Conduction Band가 Interface에서 Fermi Level과 겹치는 것을 볼 수 있습니다. 이 말은 즉, Interface에 전자가 축적되어 있고, 이는 어느 쪽이든 양방향의 Voltage가 인가되면 Carrier가 Drift 되어 Current에 기여 한다는 것을 의미 합니다. 역시 V=IR, Ohm's Law를 만족하는 Ohmic Contact임을 알 수 있습니다!
