[논문]낮은 접촉저항을 갖는 Ni/Si/Ni n형 4H-SiC의 오옴성 접합

김창교; 양성준; 조남인; 유홍진

낮은 접촉저항을 갖는 Ni/Si/Ni n형 4H-SiC의 오옴성 접합
Low Resistivity Ohmic Ni/Si/Ni Contacts to N-Type 4H-SiC 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.53 no.10, 2004년, pp.495 - 499

김창교 (순천향대학교 정보기술공학부) , 양성준 (충남전략산업기획단 기획ㆍ평가실) , 조남인 (선문대학교 전자공학과) , 유홍진 (순천향대학교 신소재화학공학부)

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Characteristics of ohmic Ni/Si/Ni contacts to n-type 4H-SiC are investigated systematically. The ohmic contacts were formed by annealing Ni/Si/Ni sputtered sequentially The annealings were performed at 950℃ using RTP in vacuum ambient and N₂ ambient, respectively. The specific contact resistivity(p/sub c/), sheet resistance(R/sub s/), contact resistance (R/sub c/) transfer length(L/sub T/) were calculated from resistance(R/sub T/) versus contact spacing(d) measurements obtained from TLM(transmission line method) structure. While the resulting measurement values of sample annealed at vacuum ambient were p/sub c/ = 3.8×10/sup -5/Ω㎠, R/sub c/ = 4.9 Ω and R/sub T/ = 9.8 Ω, those of sample annealed at N₂ ambient were p/sub c/ = 2.29×10/sup -4/Ω㎠, R/sub c/ = 12.9 Ω and R/sub T/ = 25.8 Ω. The physical properties of contacts were examined using XRD 3nd AES. The results showed that nickel silicide was formed on SiC and Ni was migrated into SiC. This result indicates that Ni/Si/Ni ohmic contact would be useful in high performance electronic devices.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근에 이르러 SiC 반도체의 상용화 및 고품질의 동족박막 성장이 가능하게 됨에 따라 다양한 내환경용 SiC 소자 개발의 기반이 마련되고 있으나, 소자 제작에 필요한 금속접합, 산화막 형성, 선택적 도핑 기술 등 제반 공정기술은 아직까지도 미흡한 수준에 머물러 있는 상황이다. 따라서 SiC 공정기술을 보다 높은 수준으로 이르게 하기 위해 금속화 공정의 중요한 오옴성 접합의 특성을 조사하였다. 오옴성 접합은 소자의 동작주파수, 잡음 특성 및 출력에 큰 영향을 미친다.
이외에도 여러 금속을 이용한 다수의 연구결과가 보고되고 있으며 진행 중에 있다[4,5]. 본 연구에서는 다른 금속에 비해 낮은 열처리 온도를 확보할 수 있는 Ni을 사용하여 2단계 열처리를 수행하였으며, 12〜 15μΩ의 낮은 비저항 값을 갖는 NiSi₂실리사이드의 형성을 위해 Ni/Si/Ni 샌드위치 구조로 금속을 SiC상에 증착한 후에 열처리하여 형성된 Ni 실리사이드와 n형 4H-SiC의 오옴성 접합 특성을 조사하였다.

제안 방법

그림에서 온도는 두 번째 단계의 열처리온도를 나타내고 있다. n형 4H-SiC에 Ni/Si/Ni를 증착한 후에 RTP에서 3.4x10^-5 Torr의 진공과 질소분위기에서 950℃에세 10분 동안 열처리한 시편의 I-V 특성을 조사하였다. 진공상태에서 열처리한 시편의 전류 값이 질소 분위 기에서 열처리한 시편보다 높은 값을 얻었으며, 오옴성 접합에 대해서 뛰어난 특성을 보여주고 있다.
다층으로 증착된 Ni/Si/Ni를 lift off 방식을 이용하여 표면 위에 증착된 패드 외의 불필요한 곳의 금속층을 제거하였다. 그리고 낮은 접촉 저항을 갖기 위하여 급속 열처리 장비 RTP(rapid thermal process)를 사용하여 열처리하였다[6-8].
다 단자를 갖는 시편에서 접촉 저항을 측정하기 위하여 도체 변수분석기(HP 4155)와 프로브스테이션(probe station)을 사용하였다. 다 단자를 갖는 접촉 저항 측정 방법은 두 단자 방식의 결점을 보완할 수 있는 방법이고, 그림 3처럼 구성된 다 단자 구조에서 접촉 저항 및 전체저항은 다음과 같이 구할 수 있다[9]
세정 공정을 마친 후, AZ 5412를 이용하여 웨이퍼 위에 PR 코팅을 하는 사진 공정과 패드의 형성을 위해 노광 공정을 실시하였고, 스퍼터(sputter)를 사용하여 Ni400Å), Si (200Å, Ni(400Å)를 증착하였다. 다층으로 증착된 Ni/Si/Ni를 lift off 방식을 이용하여 표면 위에 증착된 패드 외의 불필요한 곳의 금속층을 제거하였다. 그리고 낮은 접촉 저항을 갖기 위하여 급속 열처리 장비 RTP(rapid thermal process)를 사용하여 열처리하였다[6-8].
1x10¹⁹/cm²인 n형 4H-SiC 웨이퍼를 사용하였다. 먼저 시편의 제작과 특성 평가를 용이하게 하기 위해서 웨이퍼를 가로 1 mm, 세로 80μm의 크기로 잘라내고, 유기물을 제거하고자 초음파 세척기를 이용하여 순차적으로 TCE용액에서 3분, 아세톤에서 3분, 메탄올에서 3분 동안 세척하였으며, 최종 실리콘 카바이드 표면에 형성된 이온성 잔류 불순물과 자연 산화막 제거를 위해 NH₄OH: H₂O₂ : H₂O = 1:1:5, H₂SO₄ : H₂O₂ = 1:1 용액에서 10분 동안 세정하였다. 세정 공정을 마친 후, AZ 5412를 이용하여 웨이퍼 위에 PR 코팅을 하는 사진 공정과 패드의 형성을 위해 노광 공정을 실시하였고, 스퍼터(sputter)를 사용하여 Ni400Å), Si (200Å, Ni(400Å)를 증착하였다.
본 연구에서는 기판 위에 형성된 Ni/Si/Ni n형 4H-SiC 다층간의 접합 계면의 미세 구조와 XRD, AES 분석을 이용하여 접합 특성과 열처리 조건에 따른 저항 변화를 확인하였다. 진공 상태에서 열처리한 시편의 경우 P_c=3.
먼저 시편의 제작과 특성 평가를 용이하게 하기 위해서 웨이퍼를 가로 1 mm, 세로 80μm의 크기로 잘라내고, 유기물을 제거하고자 초음파 세척기를 이용하여 순차적으로 TCE용액에서 3분, 아세톤에서 3분, 메탄올에서 3분 동안 세척하였으며, 최종 실리콘 카바이드 표면에 형성된 이온성 잔류 불순물과 자연 산화막 제거를 위해 NH₄OH: H₂O₂ : H₂O = 1:1:5, H₂SO₄ : H₂O₂ = 1:1 용액에서 10분 동안 세정하였다. 세정 공정을 마친 후, AZ 5412를 이용하여 웨이퍼 위에 PR 코팅을 하는 사진 공정과 패드의 형성을 위해 노광 공정을 실시하였고, 스퍼터(sputter)를 사용하여 Ni400Å), Si (200Å, Ni(400Å)를 증착하였다. 다층으로 증착된 Ni/Si/Ni를 lift off 방식을 이용하여 표면 위에 증착된 패드 외의 불필요한 곳의 금속층을 제거하였다.
그림 9. 패드 사이의 저항 측정으로 접촉 저항과 전달길이 (LT) 측정.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 웨이퍼는 비저항 0.007 Ωcm², 두께 398μm 결정 방향 0°12', 도핑농도 1.1x10¹⁹/cm²인 n형 4H-SiC 웨이퍼를 사용하였다. 먼저 시편의 제작과 특성 평가를 용이하게 하기 위해서 웨이퍼를 가로 1 mm, 세로 80μm의 크기로 잘라내고, 유기물을 제거하고자 초음파 세척기를 이용하여 순차적으로 TCE용액에서 3분, 아세톤에서 3분, 메탄올에서 3분 동안 세척하였으며, 최종 실리콘 카바이드 표면에 형성된 이온성 잔류 불순물과 자연 산화막 제거를 위해 NH₄OH: H₂O₂ : H₂O = 1:1:5, H₂SO₄ : H₂O₂ = 1:1 용액에서 10분 동안 세정하였다.
그림 3. 테스트 패턴 사이의 간격이 다른 n형 4H-SiC상에 증착된 10개의 Ni/Si/Ni 테스트 구조.

성능/효과

8 Ω의 결과 값을 얻을 수 있었다. SEM 분석 결과 950C에서 열처리하였을 때 Ni/Si/Ni 금속층이 SiC 표면 위에 고르게 분포되어 오옴성 접합 특성을 향상시키는 결과를 얻었다. 또한 AES 분석 결과 Ni/Si/Ni 구조에서 열처리 결과 Ni 실리사이드가 형성되어 접촉 저항이 감소하였음을 알 수 있었다.
그리고 열처리 온도를 1000℃로 변화시켜 I-V 특성을 관찰하였으나 전체적으로 950℃에서의 전류량보다 현저하게 적게 흘렀다. 그리고 열처리 온도가 1000℃로 증가할수록 오옴성 형성의 시간은 점차적으로 짧아지는 경향을 보였으며, 특히 온도가 850℃에서 950℃로 증가할수록 전류량은 증가하나 950℃에서 1000℃로 증가하면 오히려 전류량이 감소하는 현상을 보였다.
진공상태에서 열처리한 시편의 전류 값이 질소 분위 기에서 열처리한 시편보다 높은 값을 얻었으며, 오옴성 접합에 대해서 뛰어난 특성을 보여주고 있다. 그리고 열처리 온도를 1000℃로 변화시켜 I-V 특성을 관찰하였으나 전체적으로 950℃에서의 전류량보다 현저하게 적게 흘렀다. 그리고 열처리 온도가 1000℃로 증가할수록 오옴성 형성의 시간은 점차적으로 짧아지는 경향을 보였으며, 특히 온도가 850℃에서 950℃로 증가할수록 전류량은 증가하나 950℃에서 1000℃로 증가하면 오히려 전류량이 감소하는 현상을 보였다.
SEM 분석 결과 950C에서 열처리하였을 때 Ni/Si/Ni 금속층이 SiC 표면 위에 고르게 분포되어 오옴성 접합 특성을 향상시키는 결과를 얻었다. 또한 AES 분석 결과 Ni/Si/Ni 구조에서 열처리 결과 Ni 실리사이드가 형성되어 접촉 저항이 감소하였음을 알 수 있었다.
4x10^-5 Torr의 진공과 질소분위기에서 950℃에세 10분 동안 열처리한 시편의 I-V 특성을 조사하였다. 진공상태에서 열처리한 시편의 전류 값이 질소 분위 기에서 열처리한 시편보다 높은 값을 얻었으며, 오옴성 접합에 대해서 뛰어난 특성을 보여주고 있다. 그리고 열처리 온도를 1000℃로 변화시켜 I-V 특성을 관찰하였으나 전체적으로 950℃에서의 전류량보다 현저하게 적게 흘렀다.
표 1은 급속 열처리 장비 RTP를 사용하여 950℃에서 10분동안 열처리한 시편과 질소 분위기에서 2단계로 열처리한 시편의 접촉저항과 접촉 비저항 Pc값이다. 질소분위기보다 RTP 방식으로 열처리하는 것이 더 유용함을 알 수 있었다.

후속연구

특히 고출력 소자에서 접촉저항이 크면 열 방출이 증가하여 소자의 온도가 상승하게 되므로 접촉저항을 낮추는 것이 매우 중요하다. 또한 고온에서의 열적 안정성과 낮은 접촉저항을 동시에 확보하기 위한 오옴성 접합 기술의 연구가 반드시 필요하다. 이에 낮은 접촉저항을 확보하기 위한 여러 금속을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (10)

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A.K. Chaddha, J.D. Parsons and G. B. Kruaval, 'Thermally stable low specific resistance( $1.30{\times}10-5{\Omega}cm^2$ ) TiC ohmic contacts to n-type $6H{\alpha}$ -SiC,' Appl. Phys. Lett. 66(6), 6 pp. 760-762 Feb. 1995

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금병훈, 강수창, 도석주, '열처리효과에 따르는 Ni/SiC 계면의 전기적 특성,' 한국전기전자재료학회 춘계학술대회논문집, PB-9, pp. 493-496, 1999

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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