<반도체백과사전> Al-Si contact의 'Spiking' issue와 Ti박막을 이용한 Solution

이번 포스팅은 반도체를 공부하다보면 한번쯤 들어봤을 'Al-Si spiking issue' 에 관한 내용이다.

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  Metal-Semiconductor contact에서 낮은 접촉 저항을 만들어 Ohmic contact을 만들어주는 것은 반도체공정의 중요한 이슈다. 하지만! GaAs의 경우, Fermi level이 Ec- (2/3)Eg에서 pinning되니까 ohmic contact조건을 가지더라도 n-type GaAs위에 어떤 금속을 증착하더라도 barrier-type contact을 만들어낸다.

 

그럼 도대체 실제로 ohmic contact은 어떻게 얻어지는거야?

  그래서 metal-semiconductor contact 바로 아래의 semiconductor의 표면에 과도핑(heavily doping)을 해줌으로써 Ohmic contact을 형성시킨다. Si의 경우, 다음의 그림처럼 n-Si 영역 바로 위, metal과의 접촉 전에 n+로 과도핑을 해준다.

n+ high doping

지난 포스팅에서 설명했듯, 도핑의 농도에 따라서 공핍층의 두께(depletion width)가 결정되고, 아래와 같이 분류할 수 있다.

 

 

① low doping: ~10^17/cm³이하, Thermionic Emission.

② moderate doping: 10^17/cm³ ~ 10^19/cm³, Thermionic Field Emission.

③ high doping: ~10^19/cm³ 을 넘으면, 전체적인 장벽이 아주 얇아져 낮은 에너지를 가진 다수운반자(majority carrier)도 터널링(tunneling)을 통해 쉽게 semiconductor과 metal사이의 이동이 가능해진다.

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다시 말해, 장벽이 존재하더라도, semiconductor에 과도핑을 해주면, 캐리어의 이동이 용이해진다는 것!

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그런데, 이렇게 과도핑 해준다고 문제가 쉽게 해결되는 것이 아니다.

왜냐고?

  과도핑해준 semicondontor이 오믹컨택(ohmic contact)을 형성하는데 중요한 단계임에도, 소자를 Annealing이나 Heating하는 것은 접촉저항(contact resistance)을 줄이기 위해 반드시 거쳐야하는 과정인데, 이 과정에서 또 다른 문제가 발생하기 때문!

 

Al-Si Spiking

  약 ~475℃까지 온도를 올려서 질소분위기에서 몇 분 지나고나면, Al은 Si위에 형성된 native oxide layer(자연 산화층)을 통과해버리고, Al-Si사이의 상호확산이 일어난다. 얇은 층의 p+ -n이나 n+ -p접촉을 넘어 불균일한 상호확산은 알루미늄이 junction을 투과하여 junction shorting이 일어나게 한다. 이 Si 안으로 Al이 불균일하게 침투한 현상을 "Spiking"이라 부른다.

Al-Si spiking

 

 

Stability of the ohmic contact during processing

즉, 이런 spiking현상 때문에 높은 온도에서의 안정성 또한 고려해주어야 한다. 컨택 형성 후, 500℃가 넘는 온도에서 추가적인 공정을 필요로 하는 복잡한 IC에서 Al은 적절한 컨택재료가 아니다. 따라서 높은 온도 안정성은 metal과 비슷한 거동을 보이는 Si화합물(Silicides)을 Mo, Ta, Ti, W와 같은 내화물 금속재료와 같이 사용함으로써 얻어진다. TiSi₂(Titanium silicide)가 현재 가장 널리 쓰는 컨택재료다. Si컨택 위에 형성된 Ti박막은 불활성 분위기에서 가열해주면 TiSi₂로 바뀐다.

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아래 그림의 빨간색 부분으로 표시한 부분을 살펴보면, 이 과정에서 Si가 소모되기 때문에, silicide-silicon 계면은 Si쪽으로 조금 움직인다. 그래서 표면결함이 제거되고 오염은 최소화된다.

contact과 interconnect metallization

그림은 위에서 설명한 IC에서 나타나는 TiSi₂ contact 과 interconnect metallization이다. 결론은 깨끗하고 평탄하고, 온도에 안정적인 Ohmic contact을 얻어낼 수 있다.

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- 끝 -

 

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