[금속공정] 훈련 4 : Ohmic Contact을 만들어라!, Salicide 살리사이드 공정.
캡틴 딴딴
2022. 7. 11. 21:57
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여러분들 금속공정 파트에서, Hetero-, Homo- Junction 그리고 Workfunction 차이에 따른 Metal, Semiconductor의 다양한 유형의 Contact을 Energy Band Diagram을 그려보면서 공부해보았습니다. 특히 Metal과 Si 사이의 은밀한 Junction에 의해 전기적 특성이 달라지는 이슈가 발생하고 있습니다. 이를 개선하기 위해 Contact Resistance를 낮추기 위한 Salicide Process에 대해서 다루어보도록 하겠습니다.
[질문 1] Salicide 공정에 대해서 설명하세요.
반도체 Fab 공정에서 Active 영역을 형성하는 FEOL (Front End Of Line, FAB 전공정)과 배선과 절연막을 디자인에 따라 Drawing하고, 최종적으로 반도체 Chip을 Passivation하는 BEOL (Back End Of Line, FAB 후공정)을 진행합니다. FEOL에서 형성한 Transistor의 단자 (Gate, Source, Drain)과 BEOL에서 형성하는 배선 사이는 Metal과 Silicon의 접합으로 연결됩니다. 하지만 Metal과 Silicon의 직접적인 Junction은 필연적으로 Schottky Junction 특성이 나타나 Transistor의 본연의 기능을 수행하지 못합니다. 이때, Silicide라는 접합 층을 형성하여, Contact Resistance를 줄여 Ohmic Contact을 형성해주는 공정이 필요합니다.
[꼬리 1.1] Schottky Junction과 Schottky Barrier에 대해서 설명하세요.
Metal과 Silicon 사이의 접합에서는 Schottky 특성을 보입니다. Junction Interface에서 Schottky Barrier가 형성되어 전자들이 실리콘에서 금속으로 흐를 수 있으나, 금속에서 실리콘 방향으로는 흐르지 못하도록 Potential 장벽이 존재합니다. 이러한 장벽 특성을 가지는 접합 특성이 바로 Schottky Junction 입니다. Schottky Junction은 Silicon에서 Metal 방향으로 저항 성분은 낮으나, 금속에서 Silicon 방향으로 저항이 매우 높기 때문에 단방향 특성을 가집니다.
[꼬리 1.2] Schottky Junction에서 Depletion Region에 대해서 설명하세요.
열평형상태에서 실리콘은 고농도로 Doping이 된 상태로, 이미 Majority Carrier가 확보된 상태입니다. 따라서 Metal과 접합을 이루었을 때, Majority Carrier가 Metal 쪽으로 Diffusion 됩니다. 이때, Interface에서는 Silicon의 Majority Carrier가 확산되어 Metal 쪽으로 이동하기 때문에, Silicon 쪽 계면에서는 Depletion Region이 형성됩니다. Interface와 가까울수록 잉여전자들이 많이 빠져나가기 때문에 Positive Charge를 띠게 됩니다. Metal 쪽 Interface에서는 경계면을 넘어 전자들이 얇게 쌓여 있고 Si 쪽의 Depletion Region 사이에서 Capacitor 구조를 가지기 때문에 Capacitance 값을 가지게 됩니다. 이때의 Field가 전자가 양방향으로 이동하려는 것을 방해하는 기능으로 작용합니다.
[꼬리 1.3] Schottky Junction과 PN Junction에 대해서 설명하세요.
Schottky Junction과 PN Junction은 접합 경계면에 Depletion Region이 존재하고, 여기서 형성되는 E-field에 의해 Built-in Potential이 존재하여 단방향성 Carrier의 이동이 이루어진다는 점에서 공통점을 가집니다. 하지만, 엄연히 따지면, Schottky Junction은 Metal과 Silicon 사이의 Junction은 Silicon 쪽 한 방향에 대해서만 Depletion Region이 형성되기 때문에, 양 쪽 n-/p-type 접합 면에 Depletion Region이 형성되는 PN Junction 보다는 Energy 장벽이 약하다고 할 수 있습니다. 따라서 외부에서 바이어스를 인가할 때, Depletion Region이 Doping 된 Silicon 영역에서만 형성되는 만큼, Forward Bias 의 임계전압 (Vth)와 Reverse Bias 전압강하 모두 낮다고 할 수 있습니다.
[질문 2] Silicide Junction에 의한 Ohmic Contact에 대해서 설명하세요.
일반적으로 Silicide 공정은 Gate/Source/Drain에 Cobalt, Nickel, Titanium 과 같은 금속막을 증착한 후, Diffusion 시켜 형성합니다. CoSi2, TiSi2와 같이 형성된 Silicide 층에 의해 Schottky Barrier를 낮추어 낮은 비저항을 가지는 접합구조를 형성함으로써, Metal/Si 양방향으로 이동할 수 있도록 만들어줍니다. Contact을 형성할 때, Schottky 특성이 나타나면, 앞서 말씀드린 것처럼 Schottky Barrier에 의해 TR의 각 단자 Gate, Source, Drain과 금속을 연결할 때 다이오드 효과가 나타나면서 설계한 소자의 Spec을 충족시킬 수 없게 됩니다.
[꼬리 2.1] 어떻게 Silicide를 형성하는지에 대해서 설명하세요.
Schottky 특성을 Ohmic Contact으로 바꾸어주기 위해서는 Metal/Si Junction을 낮은 저항으로 만들어주기 위해 금속과 Si의 접합부에 금속 재질을 변경하는 Silicide 층을 형성해줍니다. Silicide는 Metal과 Si의 Active 기능을 하는 Schottky 특성을 수동소자 기능을 하는 면저항 성분으로 변경합니다. PVD 공정을 통해 금속막을 형성하는데, 이전에 실리콘 사이에 두께가 매우 얇은 Barrier Metal을 형성합니다. 그러면 Metal과 Si이 Junction을 형성할 때, Schottky 특성의 능동소자가 저항특성의 수동소자로 변경됩니다.
여러분들 오늘 하루도 고생 많으셨습니다. 다음 포스팅부터는 PN Junction, MOS Cap의 물리적인 내용을 심도있게 다루고, Oxidation 공정에 대해서 다루도록 하겠습니다!
